JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）p. 32-36

JFE スチールのリアクトル特性評価技術
Evaluation and Analysis Techniques of Reactor Characteristics in JFE Steel
平谷多津彦

HIRATANI Tatsuhiko

JFE スチール

スチール研究所

電磁鋼板研究部主任研究員（課長）浪川操

NAMIKAWA Misao

JFE スチール

スチール研究所

数値解析研究部主任研究員（副部長）

西名慶晃

NISHINA Yoshiaki

JFE スチール

スチール研究所

機械研究部

主任研究員（副部長）

要旨JFE スチールにおいて，高周波リアクトルの性能向上を目的として，設計最適化シミュレーションを含むリアクトル特性評価解析技術を構築した。設計シミュレーションを用いて，所定の仕様を満たすリアクトルを，異なるコア材料とコア寸法で設計し，次いでこれらのリアクトルを作製して使用条件下で評価することにより，シミュレーションと評価結果との整合性を示した。また，音響インテンシティシステムを利用することにより，リアクトルの騒音可視化を実施した。これらのツールを活用することにより，お客様へのリアクトルソリューション提案を促進することができる。

Abstract:
Reactor characteristic evaluation and analysis technique was constructed by JFE Steel including the design
optimization simulation for the purpose of performance improvement of high frequency reactor. Based on thesimulation, reactors which satisfy a given specification were designed with different core materials and core size. The
validity of the simulation result was proved by physically fabricating these reactors and estimating the performance
under the actual use conditions. Moreover reactor noise visualization was achieved by using a sound energy flux
density system. It is possible to promote a solution suggestion of reactor to a customer by utilizing these tools.

1． はじめに較評価を紹介する。

パワーエレクトロニクス回路において，高周波リアクトルと呼ばれるコイルは，磁気エネルギーの蓄積・放出を介して電圧変換やフィルタの役割を果たす重要部品の一つである。
リアクトルの代表的な利用例として，
太陽光発電用パワー
High frequency reactor

コンディショナ回路，およびリアクトル電流波形を図 1 に示す。リアクトルは，高周波のリップルが重畳した直流またはDC Reactor

1）

交流下で使われる 。リアクトルを小型化するため，多くのAC Reactor
ACDCLoad

場合，コイルに強磁性体のコアが挿入されている。このようなリアクトルでは，コア材料に磁気飽和がある点と，高周波になるほどコアの渦電流による発熱が著しく増大する点に注意する必要がある。また，コイルの発熱もリアクトルの設計
Current

材料の磁気特性評価のみならず，所望の条件を反映させたうえでリアクトル特性を予測するシミュレーション技術と，0実際に使用される電流波形でリアクトルを励磁して特性評価および解析を行なう技術が必要不可欠といえる。本稿で略を説明し，その活用例として，異なるコア素材で作製した同一仕様のリアクトル特性の損失比較評価，および騒音比0Time(b) Alternating current (AC)reactor

図1 パ
 ワーエレクトロニクス回路とリアクトル電流波形の模式図
Fig. 12015 年 3 月 5 日受付－ 32 －Copyright © 2015 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved.

Time(a) Direct current (DC)reactorは，リアクトルシミュレーションとリアクトル評価装置の概Filter

Current

DC/DC Convertor Invertorに大きく影響する。適切なリアクトルを得るためには，コア

Schematic diagram of basic circuit and reactor currentwaveform

JFE スチールのリアクトル特性評価技術

2． リアクトルシミュレーション
2.1CoreCoilCore

リアクトルの磁気設計
Core

リアクトルのインダクタンス L は，回路素子として最も重要な特性の一つであり，直流による L の変化は直流重畳特Gap性と呼ばれている。電磁鋼板をリアクトルのコアとして用いる場合，磁気飽和による急激なインダクタンス低下を避ける

FringingfluxCore

図 3 ギャップ部のフリンジング磁束ため，コアにエアギャップを設けて直流重畳特性を調整す

Fig. 3る。ギャップを含むコアの磁束密度（B）-磁化力（H）
曲線と直Fringing flux in the gap part of reactor core

流重畳特性の関係を図 2 に示す。長さ lg のギャップを含む
磁路長 lm＋lg のコアに銅線を N 回巻いて電流 I を流したとき，（2），（3）式から，L を磁気回路の形で表現した（4）式が得

真空中の透磁率を m0，コア材料の比透磁率（微分透磁率）られる。

を mr，ギャップを含むコア全体の実効透磁率を meff とすると，（アンペアの周回積分則と磁束の連続性より，（1）式の関係

L＝N 2が成り立つ。
BBBlm＋lg＝（lm＋lg）＝NI ……… （1）m0meff
m0 mrlmlg＋m0 mr S
m0 S）

－1

…………………… （4）（4）式右辺カッコ内第 1 項はコアの磁気抵抗，第 2 項はエアギャップの磁気抵抗を表す。複数のギャップを有するコア
では，各ギャップの磁気抵抗の和をとって L を計算すればlg ≪ lm の場合，meff は（2）式のように表すことができる。

よい。
（2），（4）式から明らかなように，ギャップ長 lg を大きくするほどコアの実効透磁率 meff が抑制され，大電流域ま

meff＝

m0 mr
…………………………… （2）1＋m（lr g/lm）

で磁気飽和を避けることができる，すなわち直流重畳特性が向上する。その反面，使用電流域でのインダクタンス Lは低くなる。

一方，インダクタンス L は，交鎖磁束数を電流で除した値

実際に計測される L の値は，（4）式の計算値より大きく，であるから，N，meff および，コア断面積 S を用いて表すと，その差はギャップ長とともに増す傾向を示す。これは図 3 に示すように，コア材に比べて透磁率の低いエアギャップ部で

L＝2

N S
meff …………………………………… （3）lm

磁束のふくれ（フリンジング）が生じ，この部分の磁気回路の断面積が拡がって磁気抵抗が小さくなるためと考えられる。フリンジングはギャップ形態によっても異なる。精度よMagnetic flux density, B

くインダクタンスを計算するには，ギャップ形態ごとに，磁(a) Magnetizing curve

束のフリンジングを考慮した実効断面積を用いて磁気抵抗
Magneticpath length
Gap: lg

Gap expansion

Core: lm

CoilN Turns

μ eff =∆B
∆H

Cross
section: SCurrent: lを補正する必要がある。そこで，ギャップ形態 i の実効断面積 Sgi をギャップ長 lgi の関数とし，インダクタンスの測定データにフィッティングして実験的に近似式を求めるものとする。この場合のインダクタンス計算式を以下に示す。

（L＝N 2Inductance, L

Magnetizing force, H(b) DC Superposition characteristics
L=N2Slm）－1………………… （5）

磁束のフリンジングを考慮した（5）式と，コア材料の磁μ eff性データ（mr - I または mr - B 特性）を用いることにより，リ2）

アクトルの直流重畳特性を精度よく計算できる 。
Gap expansion

2.2Direct current, l

図 2 ギャップ長と直流重畳特性の関係
Fig. 2lmlgi＋SSgi
m0 mr S
m0i

Relationship between the direct current (DC)superimposition characteristics and the gap length

リアクトル設計支援

リアクトル設計では，発熱の原因となる銅損とコアロスの見積もりも重要である。これらの損失の計算についてさまざ3）

まな方法が検討されているが ，簡易的には，リアクトルの－ 33 －JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）

JFE スチールのリアクトル特性評価技術

Core size
Magnetic Gap length
designWire diameterWind velocity
Winding
Duct structure
MutualCoil
designoptimizing

Excitation
current waveform

Excitation
powersourceThermaldesignWaveformmonitorExcitation
current

Customersʼ needs(Electrical specification)

Rated current,
Irms
Commercial frequency
Test
reactorPrimary
Secondary(Reactor loss） (Core loss）

Powermeter

図 4 リアクトル設計の要点
Fig. 4Ripple(High frequency)
Δ Ip-pImportant point with a reactor design
図 5 リアクトル評価装置
Fig. 5

Reactor evaluation equipment

定格電流 Im，リップル振幅 DIp-p，直流重畳特性，コア材料の鉄損特性から損失を概算できる。リアクトル設計に際しては，コアの発熱が許容温度を超えないように，コア材料，寸3.2交流リアクトルの損失比較法，ギャップ長を選定する。コイルも発熱を考慮して，線径，リアクトル評価の一例として，図 6 の仕様を満たす交流巻数を調節する。
（5）式に示したように，コア断面積，コイリアクトルの評価例を紹介する。ここでは 70×20×30 mm

ル巻数はリアクトルのインダクタンスにも大きく影響する。のブロックコア 4 つと丸銅線のコイルを用いて作製するもの

また同じ巻数であっても，コイル形状や巻き方により銅損はとし，コア材料として，[A] Fe-Si 系の圧粉磁心と，[B] 高 Si異なる。使用環境での冷却条件も，重要な因子といえる。

電磁鋼板 Super Core 10JNHF600 の積層コアをそれぞれ用®

このように，リアクトルの設計において，磁気設計，コイいる場合について，両者のリアクトルがほぼ同じ直流重畳

ル設計，熱設計が密接に関係しているため，与えられた条特性となるように，コイル巻数，ギャップ長のシミュレーショ件の中で，所望の電気的スペックが得られるように，相互にンを行なった。また [B] と同じコア材料での小型化も試みた。

最適化を図っていくことが，リアクトル設計の要点といえる

コアを小型化してインダクタンス条件を確保するには，[B]

（図 4）
。

より銅線径を細くして巻数を増やす必要があり，その結果銅シミュレーションのメリットとして，数百アンペアの大電流域で使われるリアクトルや，さまざまな制御方式の電源に損は増加する。ここでは，銅損を [A] に揃えた形で [B] の小型版 [C] を設計した。その結果を表 1 に示す。

対応した励磁条件での特性予測など，評価装置の制約に縛

表 1 の設計で評価用リアクトルを作製し，その直流重畳られず柔軟に対応できる点が挙げられる。また，電磁鋼板特性を測定した結果を図 7 に示す。各サンプルとも初期イの使用経験の少ないお客様に対し，リアクトル製作前に最ンダクタンス，定格インダクタンスとも，仕様を満たすことも適した使い方を，シミュレーションで迅速に提案することが確認できる。次に，リアクトル評価装置を用いて，定格ができる。

電流に周波数 16 kHz，振幅 3.5 A のリップルを重畳した電流波形で損失比較を行なった。これらのリアクトルには，そ3． リアクトル評価装置とその活用例
3.1

れぞれ励磁コイルと同じ巻数の 2 次コイルを巻き，リアクトル損失と同時にコアロスも測定した。銅損はリアクトル損失

リアクトル評価装置からコアロスを引いた値として求めた。測定結果を図 8 にJFE スチールでは，リアクトル試料を接続し，商用交流の示す。

実効値，リップルの周波数と振幅をそれぞれ調整して所定同一コア寸法の [A] と [B] でリアクトル損失を比較すると，の電流波形で励磁可能な電源を導入し，さまざまな条件でリアクトルの評価試験を行なっている。リアクトル評価装置の基本構成を図 5 に示す。一般的な評価では，リアクトルの定格電流相当の交流に，キャリア周波数に相当するリップルを重畳させ，波形モニタを確認しながらリップル振幅を調整し，所定の電流波形となった時のリアクトル損失を電力

Specifications
Rated current: 27.5 A (50 Hz)
Initial reactor (L)＞850 μ H
Rated L＞600μ H
Ripple current, ∆Ip-p: 3.5 A
Ripple frequency: 16 kHz

計で計測する。評価用リアクトルに 2 次巻線を施すことによりコアロスを計測し，リアクトル損失との差から，銅損を求図 6 評価用リアクトルの仕様めることも可能である。

Fig. 6
JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）

－ 34 －

Specifications of the test reactor

GapJFE スチールのリアクトル特性評価技術

表 1 評価用リアクトル
Table 1を約 30％小型化可能であることがわかる。これらの結果は，Simulation results of the test reactors

Sample[A][B]

表 1 の設計を行なう際に想定していた傾向とよく一致しており，シミュレーションと評価結果との整合性を示すものとい[C]
®

える。

®

Core material

Powder Core
6.5％ Si-Fe

Super Core
10JNHF600

Super Core
10JNHF600

Core size (mm)70×20×30

70×20×30

60×15×31

Gap length (mm)00.7×40.8×4

リアクトルの騒音は，コアの磁歪振動，ギャップの磁気的吸引力による振動，コイルの振動，それらの共振など，さまWire diameter(mm)2.3f×2

2.9f×2

2.1f×2

Turn number

785866

Designinduction, B (T)

0.684

1.050

1.136

Direct current
resistance (DCR)
(mW)

24.8

12.5

25.5

3.3

ざまな原因が考えられる。通常，マイクによる音圧測定が行なわれているが，騒音発生源の特定は難しい。
最近，音の流れのエネルギーを測定することにより，機械装置などからの発生音の分布や，騒音発生源の位置を特定できる音響インテンシティ法のシステムが開発され，実用化4）されている 。本システムは，音圧測定用マイクと粒子速度検知センサーがセットされたプローブをビデオカメラの前で

1 200

対象物の特定面をスキャンし，後でプローブの軌跡と計測

Measurement frequency: 16 kHz

Inductance, L ( μ H)

1 000
800600

データを一致させることにより，それぞれの分布を可視化するものである。また，音圧と粒子速度を掛け合わせることにInitial L(> 850 μH)

400

より，エネルギー密度分布も可視化できる。

Reactor sample(A)Fe-Si
Powder[A]Reactor sample [B](B)10HF
Reactor sample [C](C)10HF

200
0510

ここでは，アモルファスのカットコアと，高 Si 電磁鋼板

Rated L(> 600 μH)®

Super Core 10JNEX900 の積層コアをそれぞれ用いた同一仕様（定格インダクタンス 1.5 mH）の 2 つのリアクトルにつRated current(Imax=38.9 A)

15202530
Direct current (A)いて，定格電流 13.6 A，リップル周波数 10 kHz，リップル35

振幅 1.9 A の条件で励磁した時の騒音評価例を図 9 に示す。

40

両者を比較すると，10JNEX900 のリアクトルの方がアモルファスのものより全体的に低騒音であることがわかる。

図 7 評価用リアクトルの直流重畳特性
Fig. 7交流リアクトルの騒音評価

10JNEX900 は磁歪定数がほぼゼロに近い 6.5％ Si 鋼板であ

Direct current (DC) superposition characteristics

り，低磁歪材料をコアに用いることがリアクトルの騒音低減

105036.5%[A]

ファスのリアクトルは，全体的に音圧が高く，特にカットコ
5031.4%

VolumeCore volume15

Copperloss

20Coreloss

Reactor loss (W)25に有効であることを，この結果は示している。一方，アモル

60Loss403020アのギャップに相当する部分で音圧レベルが高くなっていCore volume (cm3)30る。全体の騒音は磁歪振動によるもの，ギャップ付近の騒音は，磁気的吸引力によるものと推定される。このように騒音を可視化することにより，騒音発生箇所の特定が容易となり，原因究明，低騒音化対策が迅速に進むものと期待さ

10[B]
Reactor sample[C]れる。

0(dB)(dB)
100100

図 8 リアクトル損失とコア寸法の比較
Fig. 8Gap

Comparison of reactor losses and core volume909080807070[B] の方が [A] より約 37％低損失であった。損失をコアロスと銅損に分離すると，[B] の銅損が [A] と比較して小さいことがわかる。これは，[B] のコア材の実効透磁率が [A] の圧粉磁心より高く，インダクタンス条件を満たすのに必要な銅線巻数を減らせたためである。次に，[A] と [C] を比較すると，

Amorphous core

6060

Super Core® 10JNEX

図9 同 一電流波形で励磁された 2 つのリアクトルの騒音可視化比較[C] の設計では銅損を同程度に保ちつつ，[A] よりコア寸法－ 35 －Fig. 9

Noise visualization of two reactor samples excited bysame current waveform
JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）

JFE スチールのリアクトル特性評価技術

材料の開発を行なうとともに，リアクトルシミュレーション

Development of core materials
Enhancement of the magnetic properties database

JFE SteelReactor
simulation

・Direct current (DC)superimposition
characteristics
・Estimate of losses
・The most suitable designによる設計支援，リアクトル評価装置による実測・解析技術を連携させることにより，お客様に対し，迅速かつ的確なソReactor
measurement

リューション提案を行なっていく予定である（図 10）。

・Evaluation of reactor loss
・Evaluation of reactor noise・Analysis of measured data

参考文献1）浪川操，二宮弘憲，山路常弘．JFE 技報．2005, no. 8, p. 11-16.
2）JFE スチール．浪川操．特許第 3709828 号．
3）Mühlethaler, J. et al. Proceedings of the 8th International Conference on

Solution suggestion

Power Electronics. ECCE Asia 2011. p. 945-952.
4）de Bree, H. E. Acoustics Australia. 2003, vol. 31, no. 3, p. 91-94.

Customer (Power supply manufacturer )図 10 リアクトル評価によるソリューション提案
Fig. 10

Solution suggestion by reactor evaluation

4． おわりに
高周波リアクトルの性能向上には，軟磁性材料に関する知識と詳細な特性データが必要であるばかりでなく，コイルを含む電気回路の知識や熱，騒音・振動に関する知識も要求される。JFE スチールは，リアクトルのコアとなる軟磁性JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）
Copyright © 2015 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved. 禁無断転載－ 36 －

平谷多津彦

浪川操

西名慶晃