JP6237269B2 - リアクトル - Google Patents

Description

本発明は電源回路や太陽光発電システムのパワーコンディショナなどに用いられるリアクトルに関し、特にインダクタンスの直流重畳特性の改善に関する。

従来のリアクトル用の磁心材料としては、積層電磁鋼板や軟磁性金属圧粉コアが用いられている。積層電磁鋼板は飽和磁束密度が高いものの、電源回路の駆動周波数が１０ｋＨｚを超えると鉄損が大きくなり、効率の低下を招くという問題があった。軟磁性金属圧粉コアは高周波の鉄損が積層電磁鋼板よりも小さいことから、駆動周波数の高周波化に伴い広く用いられるようになっているが、十分に低損失であるとは言い難く、また飽和磁束密度は電磁鋼板に及ばない、などの問題を有している。

一方、高周波鉄損の小さい磁心材料としてフェライトコアが広く知られている。しかし、積層電磁鋼板や軟磁性金属圧粉コアに比較して飽和磁束密度が低いことから、大電流を印加した際の磁気飽和を避けるために、コア断面積を大きく取る設計が必要となることから、形状が大きくなってしまうという問題があった。

特許文献１では磁心材料として、コイル巻回部に軟磁性金属圧粉コアを、ヨーク部にフェライトコアを組み合わせた複合磁心を用いることにより、損失、サイズ、コア重量を低減したリアクトルが示されている。

特開２００７−１２８９５１号公報

フェライトコアと軟磁性金属コアを組み合わせた複合磁心とすることにより、高周波損失は低減する。しかし、軟磁性金属コアとして、飽和磁束密度の高いＦｅ圧粉磁心やＦｅＳｉ合金圧粉磁心を使用した場合、それらをフェライトコアと組み合わせて用いた複合磁心のインダクタンスの直流重畳特性は、軟磁性金属コアだけを用いた場合に比べて劣るという問題があった。特許文献１にも記載の通り、フェライトコアの飽和磁束密度は軟磁性金属コアよりも低いことから、フェライトコアのコア断面積を大きくすることで一定の改善効果は見られるが、根本的な解決は得られていない。

図４〜図５は従来の形態の一例を示す。フェライトコアと軟磁性金属コアを組み合わせた複合磁心におけるインダクタンスの直流重畳特性の低下の原因の考察を図４〜図５を用いて説明する。図４〜図５はフェライトコア２１と軟磁性金属コア２２の接合部の構造と磁束２３の流れを模式的に表したものである。

図中の矢印は磁束２３を表し、軟磁性金属コア２２の磁束２３がフェライトコア２１の磁束２３と等しい場合にはそれぞれのコアの中での矢印の数は同数で表される。単位面積あたりの磁束２３が磁束密度であることから、矢印の間隔が狭いほど磁束密度が高いことを表す。

フェライトコア２１は軟磁性金属コア２２に比べて飽和磁束密度が低いことから、フェライトコア中で大きな磁束を流すために、フェライトコア２１の磁束方向に直交する断面積は軟磁性金属コア２２の磁束方向に直交する断面積よりも大きく設定している。軟磁性金属コア２２の端部はフェライトコア２１と接合しており、軟磁性金属コア２２とフェライトコア２１とが対向する部分の面積は、軟磁性金属コア２２の断面積に等しい。

図４はコイルに流れる電流が小さい場合、すなわち巻回部の軟磁性金属コアに励磁される磁束２３が小さい場合を示している。軟磁性金属コア２２の磁束密度がフェライトコア２１の飽和磁束密度に比べて小さいため、軟磁性金属コア２２から流出する磁束２３がそのままフェライトコア２１に流入することができ、磁束２３の漏れはない。コイルに流れる電流が小さい場合には、インダクタンスの低下は小さく抑えられる。

図５はコイルに流れる電流が大きい場合、すなわち巻回部コアに励磁される磁束が大きい場合を示している。軟磁性金属コア２２の磁束密度がフェライトコア２１の飽和磁束密度に比べて大きくなると、軟磁性金属コア２２から流出する磁束２３が接合部を介してそのままフェライトコア２１に流入することができず、破線矢印で示すように周囲の空間を介して磁束２３が流れることになる。すなわち比透磁率が１の空間を磁束２３が流れるため、実効透磁率が低下し、インダクタンスが急激に低下してしまう。つまり、軟磁性金属コア２２の磁束密度がフェライトコア２１の飽和磁束密度に比べて大きくなるような大きな電流を重畳した場合には、インダクタンスが低下してしまうという問題がある。また、磁束２３の漏れが発生するため、その磁束とコイルの鎖交によって銅損が増大するという問題もある。

このように従来の技術では、フェライトコアと軟磁性金属コアの断面積だけを考慮していたため、接合部における磁気飽和の問題が見過ごされ、インダクタンスの直流重畳特性が不十分であった。

本発明では、上記の問題を解決するために案出されたものであって、フェライトコアと軟磁性金属コアを組み合わせた複合磁心を用いたリアクトルにおいて、インダクタンスの直流重畳特性を改善することを課題とする。

本発明のリアクトルは、フェライトコアで構成された一対のヨーク部コアと、前記ヨーク部コアの対向する平面間に配置された巻回部コアと、前記巻回部コアの周囲に巻かれたコイルからなるリアクトルであって、前記巻回部コアは軟磁性金属コアで構成され、前記巻回部コアのコイルが巻回された部分のコア断面積は略一定であり、前記巻回部コアのコイルが巻回された部分のコア断面積をＳ１、前記巻回部コアの前記ヨーク部コアに対向する部分の面積をＳ２としたとき、面積比Ｓ２／Ｓ１が１．３〜４．０の範囲である。こうすることにより、フェライトコアと軟磁性金属コアを組み合わせて用いる複合磁心のリアクトルにおいて、インダクタンスの直流重畳特性を改善することができる。

また、本発明のリアクトルは、巻回部コアが２個以上の軟磁性金属コアを組み合わせてなることが好ましい。こうすることにより、粉末成形での作製が容易となり、コア加工による強度の低下や損失の増大を回避することができる。

また、本発明のリアクトルは、ヨーク部コアと巻回部コアとが対向する間隙にギャップを設けることが好ましい。こうすることにより、透磁率の調整ができ、リアクトルのインダクタンスを任意のインダクタンスに調整することが容易にできる。

本発明によれば、フェライトコアと軟磁性金属コアを組み合わせて用いる複合磁心のリアクトルにおいて、インダクタンスの直流重畳特性を改善することができる。

図１（ａ）（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るリアクトルの構造を示す断面図である。 図２（ａ）（ｂ）は、本発明の別の実施形態に係るリアクトルの構造を示す断面図である。 図３（ａ）（ｂ）は、従来例に係るリアクトルの構造を示す断面図である。 図４は、従来例に係るフェライトコアと軟磁性金属コアの接合部の構造と磁束の流れを模式的に表した図である。 図５は、従来例に係るフェライトコアと軟磁性金属コアの接合部の構造と磁束の流れを模式的に表した図である。 図６は、本発明の一実施形態に係るフェライトコアと軟磁性金属コアの接合部の構造と磁束の流れを模式的に表した図である。

本発明は、フェライトコアと軟磁性金属コアを組み合わせた複合磁心において、フェライトコアと軟磁性金属コアの間で磁束が流出あるいは流入する面におけるフェライトの磁気飽和を防止することで、直流電流重畳下でのインダクタンスを向上させることを可能にしたものである。本発明による、インダクタンスの直流重畳特性の改善効果について、図６を用いて説明する。

図６は、軟磁性金属コア２２で構成された巻回部コアにおいてコイルが巻回された部分の磁束方向と直交するコア断面積をＳ１、巻回部コアにおいてフェライトコア２１と対向する部分の面積をＳ２、としたとき、面積Ｓ２がコア断面積Ｓ１よりも大きいことが特徴である。

面積Ｓ２をコア断面積Ｓ１より大きくすることにより、軟磁性金属コア２２のコイル巻回部の磁束密度に対して、軟磁性金属コア２２のフェライトコア２１と対向する部分の磁束密度を小さくすることができる。コイルに流れる電流が大きい場合であっても、軟磁性金属コア２２から流出する磁束２３が、周囲の空間を介さずにそのままフェライトコア２１に流入でき、実効透磁率の低下を抑制することができる。その結果、直流重畳下でも高いインダクタンスを得ることが可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。

図１は、リアクトル１０の構造を示す図である。図１の（ａ）をＡ−Ａ´で切った断面図を図１の（ｂ）に示す。リアクトル１０は２個の対向するヨーク部コア１１とそのヨーク部コア１１の間に配置された巻回部コア１２と巻回部コア１２に巻回されたコイル１３とを有する。コイル１３は巻回部コア１２に直接巻回された形態であっても、ボビンに巻回された形態であってもよい。

ヨーク部コア１１にはフェライトコアを使用する。フェライトコアは、軟磁性金属コアに比べて、損失が非常に小さいが、飽和磁束密度が低い。ヨーク部コア１１にはコイル１３が巻回されないことから、幅や厚みを大きくしてもコイル１３の寸法には影響がない。よってヨーク部コア１１の断面積を大きくすることで、飽和磁束密度の低さを補うことができる。ヨーク部コア１１の断面積は磁束の方向に対して直交する断面積であり、幅ｘ厚さが断面積に相当する。フェライトコアは軟磁性金属コアに比べて成形が容易であることから、コア断面積の大きなコアも製造が容易である。フェライトコアはＭｎＺｎ系フェライトを使用することが好ましい。ＭｎＺｎ系フェライトは他のフェライトに比べて損失が小さく、飽和磁束密度も高いため、コアの小型化に有利となる。

巻回部コア１２は軟磁性金属コア（たとえば、鉄圧粉コア）を使用する。巻回部コア１２は、コイル１３の巻回された部分１２１とヨーク部コア１１に対向する部分１２２を含む。軟磁性金属コアは、鉄圧粉コアやＦｅＳｉ合金圧粉コアを使用することが好ましい。鉄圧粉コアやＦｅＳｉ合金圧粉コアは、飽和磁束密度が高く、高周波鉄損が積層電磁鋼板よりも小さいことから、駆動周波数の高周波化に伴い有利となる。コイル巻回部１２１の磁束方向と直交するコア断面積をＳ１とする。磁束方向とはコイル１３の作る磁界の方向と同義であり、コイル１３の軸方向に相当する。コア断面積Ｓ１は磁束方向に略同一である。コア対向部１２２がヨーク部コア１１に対向する部分の面積をＳ２とする。

コイル巻回部１２１のコア断面積Ｓ１が大きくなると、コイル１３の外形が大きくなり、リアクトル１０が大型化するため、コア断面積Ｓ１は小さいことが望ましい。しかし、コア断面積Ｓ１が小さくなると磁束が不足するため直流重畳下でのインダクタンスが低下してしまう。またコア断面積Ｓ１が小さくなるとリップルで誘起される磁束の振幅が大きくなるため、損失が大きくなる。したがって、インダクタンスと損失を考慮しつつ、なるべくコア断面積Ｓ１を小さくすることが望ましい。

コア対向部１２２がヨーク部コア１１と対向する部分の面積Ｓ２はコイル巻回部１２１のコア断面積Ｓ１よりも大きい。磁束密度とは、単位面積あたりの磁束である。コイル巻回部１２１とコア対向部１２２には同じだけ磁束が流れるので、面積Ｓ２をコア断面積Ｓ１よりも大きくすると、コア対向部１２２の磁束密度をコイル巻回部１２１の磁束密度よりも小さくすることができる。巻回部コア１２には飽和磁束密度が高い軟磁性金属コアを使用するため、大きな磁束を励磁することができる。コイル巻回部１２１の磁束密度がフェライトコアの飽和磁束密度より高くなっても、コア対向部１２２の磁束密度を低減することで、フェライトコアの磁気飽和を避けることが可能となる。

これにより巻回部コア１２の大部分を占めるコイル巻回部１２１のコア断面積Ｓ１を小さくし、小型化を実現しつつ、ヨーク部コア１１が巻回部コア１２に対向する部分の磁気飽和を回避して直流重畳下のインダクタンスを大きくすることが可能となる。

また、コア対向部１２２にはコイル１３が巻回されていないため、面積Ｓ２を大きくしてもコイル１３の内径および外径には影響を与えない。コア対向部１２２の寸法がヨーク部コア１１や巻回部コア１２と干渉しない範囲においては面積Ｓ２を大きくしてもリアクトル１０の形状には影響を与えない。

面積比Ｓ２／Ｓ１は１．３〜４．０の範囲とする。面積比Ｓ２／Ｓ１が１．３よりも小さい場合には、前述の磁束密度低減作用が薄れるためにインダクタンスの直流重畳特性が低下してしまう。面積比Ｓ２／Ｓ１が４．０を超えるとコア対向部１２２の面積が大きくなってしまうため、ヨーク部コア１１の底部面積を大きくする必要が生じ、小型化効果が小さくなってしまう。直流重畳特性の改善効果と小型化効果を勘案すると、面積比Ｓ２／Ｓ１は１．５〜３．１の範囲であることがより好ましい。

コア対向部１２２の面積増加部分の厚みは０．５ｍｍ以上とするのが好ましい。厚みが０．５ｍｍよりも小さくなると巻回部コア１２から流出する磁束の磁束密度を低減する効果が十分に得られず、直流重畳下でのインダクタンスが低下してしまう。厚みが大きければインダクタンスの改善効果は十分に得られるが、厚くなりすぎるとコアの小型化効果が薄れてしまうため、コア対向部１２２の面積増加部分の厚みは１．０〜３．０ｍｍとするのが好ましい。

対向するヨーク部コア１１の間に配置される巻回部コア１２は少なくとも１組以上あればよい。小型化設計の観点から巻回部コア１２は１組もしくは２組であることが好ましい。巻回部コア１２の組数に応じて、ヨーク部コア１１と巻回部コア１２の対向する部分の数が変化するが、その全ての箇所において面積比Ｓ２／Ｓ１が前述の関係を満たしている場合に、最もインダクタンスの改善効果が得られる。

巻回部コア１２は２個以上の軟磁性金属コアで形成されることが好ましい。巻回部コア１２の中央部に比べて両端部の面積を大きくしたコアは、一般の粉末成形で作製することが困難であり、成形体を切削するなどの加工が必要となる。成形体を切削加工すると、クラックが導入されて強度が低下したり、切削面が電気的に導通して高周波鉄損の増大を招く懸念がある。このような問題を回避するため、たとえば、巻回部コア１２の長さ方向の中央部分で２個に分割するように、片端の面積だけを大きくしたコアを組み合わせて使用するのが簡便である。片端の面積を大きくしたコアを一般の粉末成形で作製することは容易である。分割数は２個に限らず巻回部コア１２の大きさや損失に影響がない範囲で３個以上に分割してもよい。

ヨーク部コア１１と巻回部コア１２で形成される磁気回路の途中に、透磁率調整のためのギャップ１４を設けてもよい。ギャップ１４の有無にかかわらず、本発明によるインダクタンスの改善効果は同様に得られ、ギャップ１４を使用することでリアクトル１０を任意のインダクタンスに設計するための自由度を増すことができる。ギャップ１４を入れる位置は特に限定されないが、作業性の観点から、ヨーク部コア１１と巻回部コア１２の間隙に挿入されるのが好ましい。ギャップ１４は空隙、あるいはセラミックス、ガラス、ガラスエポキシ基板、樹脂フィルムなどの非磁性かつ絶縁性材料によって構成される。

図２は、本発明の別の実施形態に係るリアクトルの構造を示す断面図である。図２の（ａ）をＢ−Ｂ´で切った断面図を図２の（ｂ）に示す。ヨーク部コア１１はコの字状のフェライトコアであり、背面部とその両端に脚部を備えている。巻回部コア１２は軟磁性金属コアであり、図２のようにロの字状の磁気回路を形成するように対向させたヨーク部コア１１の中央部に、１組の巻回部コア１２を配置し、巻回部コア１２の巻回部に所定ターン数のコイル１３を巻回してリアクトル１０となる。コイル１３は巻回部コア１２に直接巻回された形態であっても、ボビンに巻回された形態であってもよい。コア対向部１２２がヨーク部コア１１と対向する部分の面積Ｓ２はコイル巻回部１２１のコア断面積Ｓ１よりも大きい。面積比Ｓ２／Ｓ１は１．３〜４．０の範囲であることが好ましい。図２の実施形態は、ヨーク部コア１１の形状以外は図１の実施形態と大略同様である。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

＜実施例１＞
図１の形態において、巻回部コア１２の巻回部１２１のコア断面積Ｓ１を一定とし、コア対向部１２２の面積Ｓ２を変化させて特性を比較した。

（実施例１−１〜１−４、比較例１−１）
ヨーク部コアには直方体のＭｎＺｎフェライトコア（ＴＤＫ製ＰＥ２２材）を使用し、その寸法は長さ８０ｍｍ、幅４５ｍｍ、厚さ２０ｍｍとした。

巻回部コアには鉄圧粉コアを使用した。鉄圧粉コアの寸法は高さ２５ｍｍ、巻回部の直径が２４ｍｍとし、コア対向部の面積Ｓ２が表１の面積となるように、一方の端部の直径を増加させた。端部の直径増加部分の厚みは２ｍｍとした。鉄粉はヘガネスＡＢ社製Ｓｏｍａｌｏｙ１１０ｉを使用し、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を塗布した金型に充填し、成形圧７８０ＭＰａで加圧成形して、所定形状の成形体を得た。成形体を５００℃でアニールを行い、鉄圧粉コアを得た。得られた２個の鉄圧粉コアのコイル巻回部を接着して１組の巻回部コアとした。

２個の対向するヨーク部コアの間に、２組の巻回部コアを配置し、巻回部コアの巻回部に巻数４４ターンのコイルを巻回してリアクトル（実施例１−１〜１−４、比較例１−１）とした。

また、図３の形態において、巻回部コアとヨーク部コアの接合部の断面積を考慮しない従来の構造での特性を評価した。なお、図３（ａ）をＣ−Ｃ´で切った断面図を図３（ｂ）で示している。

（比較例１−２）
ヨーク部コアには直方体のＭｎＺｎフェライトコア（ＴＤＫ製ＰＥ２２材）を使用し、その寸法は長さ８０ｍｍ、幅４５ｍｍ、厚さ２０ｍｍとした。

巻回部コアには鉄圧粉コアを使用した。鉄圧粉コアの寸法は高さ２５ｍｍ、直径が２４ｍｍとした。鉄粉はヘガネスＡＢ社製Ｓｏｍａｌｏｙ１１０を使用し、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を塗布した金型に充填し、成形圧７８０ＭＰａで加圧成形して成形体を得た。成形体を５００℃でアニールを行い、鉄圧粉コアを得た。得られた２個の鉄圧粉コアを接着して１組の巻回部コアとした。

２個の対向するヨーク部コアの間に、２組の巻回部コアを配置し、巻回部コアの巻回部に巻数４４ｔｓのコイルを巻回してリアクトル（比較例１−２）とした。

得られたリアクトル（実施例１−１〜１−４、比較例１−１〜１−２）について、インダクタンスと高周波鉄損の評価を行った。

ＬＣＲメータ（アジレント・テクノロジー社製４２８４Ａ）と直流バイアス電源（アジレント・テクノロジー社製４２８４１Ａ）を用いて、インダクタンスの直流重畳特性を測定した。作製した巻回部コアの透磁率にはばらつきがあったため、必要に応じて直流電流を印加しない状態の初期インダクタンスが６００μＨとなるように、ヨーク部コアと巻回部コアの間の４箇所にギャップ材を挿入した。ギャップ材には非磁性かつ絶縁性材料である樹脂フィルムとしてＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムを用いた。直流重畳特性は定格電流２０Ａのときのインダクタンスを測定した。ギャップ材の厚みおよび、直流重畳特性を表１に示した。

ＢＨアナライザ（岩通計測社製ＳＹ−８２５８）を用いて、高周波の鉄損を測定した。コアロスの測定条件は、ｆ＝２０ｋＨｚ、Ｂｍ＝５０ｍＴとした。励磁コイルは２５ターン、サーチコイルは５ターンとして、片方の巻回部コアに巻回して測定を行った。鉄損の測定結果を表１に示した。

表１から明らかなように、従来の構造の比較例１−２においては、直流重畳電流２０Ａにおけるインダクタンスが初期インダクタンス（６００μＨ）よりも４０％近く低下し、３７０μＨの低いインダクタンスしか得られない。比較例１−１においては面積Ｓ２をコア断面積Ｓ１よりも大きくすることで、直流重畳下（直流重畳電流２０Ａ）でのインダクタンス値が４１０μＨまで改善しているが、面積比Ｓ２／Ｓ１が１．３よりも小さいためにやはり初期インダクタンス（６００μＨ）に対し３０％以上低下している。実施例１−１〜１−４のリアクトルでは面積比Ｓ２／Ｓ１が１．３〜４．０の範囲にあることから、直流重畳電流２０Ａにおけるインダクタンスの改善効果が十分であり、インダクタンス値は５００μＨ以上得られ、初期インダクタンスの３０％以内の低下に抑えられている。また、高周波鉄損もほぼ同等であることも確認された。

実施例１−１および１−４はヨーク部コアと巻回部コアの間にギャップ（ギャップ量０．３０ｍｍ）を挿入した場合、実施例１−２および１−３はギャップを挿入しない場合である。いずれの場合においてもインダクタンスは５００μＨ以上得られ、初期インダクタンス（６００μＨ）の３０％以内の低下に抑えられている。よって、ヨーク部コアと巻回部コアとの間隙にギャップを設けることで、インダクタンスの改善効果を損なうことなく、容易に初期インダクタンスを調整することができる。

なお、面積比Ｓ２／Ｓ１が４．０を超える場合には巻回部コア端部の面積Ｓ２が１８１０ｍｍ^２を超える。２組では３６２０ｍｍ^２を超えるため、ヨーク部コアの底面積３６００ｍｍ^２（＝長さ８０ｍｍ×幅４５ｍｍ）よりも大きくなってしまうことから、ヨーク部コアを大きくしなければ組立できず、小型化の要求を満たしえなくなる。

＜実施例２＞
図１の形態において、巻回部コア１２の巻回部１２１のコア断面積Ｓ１を一定とし、コア対向部１２２の面積Ｓ２を変化させて特性を比較した。

（実施例２−１〜２−４、比較例２−１）
ヨーク部コアには直方体のＭｎＺｎフェライトコア（ＴＤＫ製ＰＥ２２材）を使用し、その寸法は長さ８８ｍｍ、幅４８ｍｍ、厚さ２０ｍｍとした。

巻回部コアにはＦｅＳｉ合金圧粉コアを使用した。ＦｅＳｉ合金圧粉コアは寸法を高さ２４ｍｍ、巻回部の直径が２６ｍｍとしたものを３個用意し、うち２個はコア対向部の面積Ｓ２が表２の面積となるように、一方の端部の直径を増加させた。端部の直径増加部分の厚みは２ｍｍとした。ＦｅＳｉ合金粉の組成はＦｅ−４．５％Ｓｉとし、水アトマイズ法にて合金粉を作製し、篩い分けによって粒子径を調整して、平均粒径を５０μｍとした。得られたＦｅＳｉ合金粉にシリコーン樹脂を２質量％添加し、これを加圧ニーダーにて室温で３０分間混合し、軟磁性粉末表面に樹脂をコーティングした。得られた混合物を目開き３５５μｍのメッシュにて整粒し、顆粒を得た。潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を塗布した金型に充填し、成形圧９８０ＭＰａで加圧成形して直径２６ｍｍ、高さ２４ｍｍの成形体を得た。これを７００℃、窒素雰囲気でアニールを行い、得られた３個のＦｅＳｉ合金圧粉コアのコイル巻回部を接着して１組の巻回部コアとした。

２個の対向するヨーク部コアの間に、２組の巻回部コアを配置し、巻回部コアの巻回部に巻数５０ターンのコイルを巻回してリアクトル（実施例２−１〜２−４、比較例２−１）とした。

また、図３の形態において、巻回部コアとヨーク部コアの接合部の断面積を考慮しない従来の構造での特性を評価した。

（比較例２−２）
ヨーク部コアには直方体のＭｎＺｎフェライトコア（ＴＤＫ製ＰＥ２２材）を使用し、その寸法は長さ８８ｍｍ、幅４８ｍｍ、厚さ２０ｍｍとした。

巻回部コアにはＦｅＳｉ合金圧粉コアを使用した。ＦｅＳｉ合金圧粉コアの寸法は直径２６ｍｍ、高さ２４ｍｍとした。実施例２−１〜２−４と同様にして得られた、３個のＦｅＳｉ合金圧粉コアを接着して１組の巻回部コアとした。

２個の対向するヨーク部コアの間に、２組の巻回部コアを配置し、巻回部コアの巻回部に巻数５０ターンのコイルを巻回してリアクトル（比較例２−２）とした。

得られたリアクトル（実施例２−１〜２−４、比較例２−１〜２−２）について、インダクタンスと高周波鉄損の評価を行った。

実施例１と同様に、インダクタンスの直流重畳特性を測定した。作製した巻回部コアの透磁率によるインダクタンスの増減を調整するため、直流電流を印加しない状態の初期インダクタンスが７００μＨとなるように、ヨーク部コアと巻回部コアの間の４箇所にギャップ材を挿入した。直流重畳特性は定格電流２６Ａのときのインダクタンスを測定した。ギャップ材の厚みおよび、直流重畳特性を表２に示した。

実施例１と同様に、高周波の鉄損を測定した。コアロスの測定条件は、ｆ＝２０ｋＨｚ、Ｂｍ＝５０ｍＴとした。励磁コイルは２５ターン、サーチコイルは５ターンとして、片方の巻回部コアに巻回して測定を行った。鉄損の測定結果を表２に示した。

表２から明らかなように、従来の構造の比較例２−２においては、直流重畳電流２６Ａにおけるインダクタンスが初期インダクタンス（７００μＨ）から４０％以上も低下し、４００μＨの低いインダクタンスしか得られていない。比較例２−１においては面積Ｓ２をコア断面積Ｓ１よりも大きくすることで、直流重畳下でのインダクタンスが４３０μＨまで改善しているが、面積比Ｓ２／Ｓ１が１．３よりも小さいため、初期インダクタンス（７００μＨ）よりも３０％以上低下している。実施例２−１〜２−４のリアクトルでは直流重畳電流２６Ａにおけるインダクタンスが５２５μＨ以上得られ、初期インダクタンス（７００μＨ）からの低下率は３０％以内に抑えられている。また、高周波鉄損もほぼ同等であることも確認された。コアの寸法やコイルの巻数を変えてもインダクタンスの直流重畳特性の改善効果が得られる。

なお、面積比Ｓ２／Ｓ１が４．０を超える場合には巻回部コア端部の面積Ｓ２が２１２０ｍｍ^２を超える。２組では４２４０ｍｍ^２を超えるため、ヨーク部コアの底面積４２２４ｍｍ^２（＝長さ８８ｍｍ×幅４８ｍｍ）よりも大きくなってしまうことから、ヨーク部コアを大きくしなければ組立できず、小型化の要求を満たしえなくなる。

＜実施例３＞
図２の形態において、巻回部コア１２の巻回部１２１のコア断面積Ｓ１を一定とし、コア対向部１２２の面積Ｓ２を変化させて特性を比較した。

（実施例３−１）
ヨーク部コア１１はコの字状のＭｎＺｎフェライトコア（ＴＤＫ製ＰＣ９０材）であり、背面部は長さ８０ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚さ１０ｍｍとし、脚部は長さ１４ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚さ１０ｍｍとした。

巻回部コアにはＦｅＳｉ合金圧粉コアを使用した。ＦｅＳｉ合金粉の組成はＦｅ−４．５％Ｓｉとし、水アトマイズ法にて合金粉を作製し、篩い分けによって粒子径を調整して、平均粒径を５０μｍとした。得られたＦｅＳｉ合金粉にシリコーン樹脂を２質量％添加し、これを加圧ニーダーにて室温で３０分間混合し、軟磁性粉末表面に樹脂をコーティングした。得られた混合物を目開き３５５μｍのメッシュにて整粒し、顆粒を得た。潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を塗布した金型に充填し、成形圧９８０ＭＰａで加圧成形して直径３０ｍｍ、高さ２８ｍｍの成形体を得た。得られた成形体について、両端部の直径は３０ｍｍとしたまま、コイル巻回部に相当する部分を切削して巻回部の直径が２４ｍｍとなるように加工した。これを７００℃、窒素雰囲気でアニールを行い、得られたＦｅＳｉ合金圧粉コアを巻回部コアとした。

図２のようにロの字状の磁気回路を形成するように対向させたヨーク部コアの中央部に、１組の巻回部コアを配置し、巻回部コアの巻回部に巻数３８ターンのコイルを巻回してリアクトル（実施例３−１）とした。

（比較例３−１）
ヨーク部コア１１はコの字状のＭｎＺｎフェライトコア（ＴＤＫ製ＰＣ９０材）であり、背面部は長さ６０ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚さ１０ｍｍとし、脚部は長さ１４ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚さ１０ｍｍとした。

巻回部コアにはＦｅＳｉ合金圧粉コアを使用した。ＦｅＳｉ合金圧粉コアの寸法は高さ２４ｍｍ、巻回部の直径が２４ｍｍとした。コア形状以外は、実施例３−１と同様にして得られたＦｅＳｉ合金圧粉コアを巻回部コアとした。

図２のようにロの字状の磁気回路を形成するように対向させたヨーク部コアの中央部に、１組の巻回部コアを配置し、巻回部コアに巻数３８ターンのコイルを巻回してリアクトル（比較例３−１）とした。

得られたリアクトル（実施例３−１、比較例３−１）について、インダクタンスと高周波鉄損の評価を行った。

実施例１と同様にインダクタンスの直流重畳特性を測定した。直流電流を印加しない状態の初期インダクタンスが５７０μＨとなるように、ヨーク部コアと巻回部コアの間の２箇所に厚さ０．５ｍｍのギャップ材を挿入した。ギャップ材を挿入するにあたっては、対向するフェライトコアの脚部の間隙がなくなるように、脚部の高さを研削で調整した。直流重畳特性は定格電流２０Ａのときのインダクタンスを測定し、表３に示した。

実施例１と同様に高周波鉄損を測定した。コアロスの測定条件は、ｆ＝２０ｋＨｚ、Ｂｍ＝５０ｍＴとした。励磁コイルは２５ターン、サーチコイルは５ターンとして、巻回部コアに巻回して測定を行った。鉄損の測定結果を表３に示した。

表３から明らかなように比較例３−１のリアクトルでは直流重畳電流２０Ａにおけるインダクタンスが、初期インダクタンス（５７０μＨ）から５０％以上低下し、２８０μＨの低いインダクタンスしか得られていない。一方、実施例３−１のリアクトルでは直流重畳電流２０Ａにおけるインダクタンスが５００μＨとなり、初期インダクタンス（５７０μＨ）からの低下率は３０％以内に抑えられている。また、高周波鉄損もほぼ同等であることも確認された。

実施例２−１と実施例３−１を比較すると高周波鉄損の低減が認められる。図２の形態のように、巻回部コアを１組で構成する場合には、複合磁心の磁路に占めるフェライトコアの割合が大きくなるため、フェライトの低損失を活かして損失を低減することが可能となる。

実施例１−１〜１−４は１組の巻回部コアを２個の軟磁性金属コアに分割して構成している。実施例２−１〜２−４は１組の巻回部コアを３個の軟磁性金属コアに分割して構成している。実施例３−１は１組の巻回部コアを１個の軟磁性金属コアで構成している。いずれの場合もインダクタンスの直流重畳特性の改善効果は同様に認められるが、実施例３−１の形態ではコアの切削加工が必要となるため、実施例１−１〜１−４あるいは実施例２−１〜２−４に示したように２個以上の軟磁性金属コアを接着して構成する方がより簡便である。

以上説明した通り、本発明のリアクトルは、損失を低減するとともに直流電流重畳下でも高いインダクタンスを有することから、高効率化および小型化を実現できるので、電源回路やパワーコンディショナなどの電気・磁気デバイス等に広く且つ有効に利用可能である。

１０：リアクトル
１１：ヨーク部コア
１２：巻回部コア
１２１：巻回部
１２２：ヨークコア対向部
１３：コイル
１４：ギャップ
２１：フェライトコア
２２：軟磁性金属コア
２３：磁束

Claims (3)

1. フェライトコアで構成された一対のヨーク部コアと、前記ヨーク部コアの対向する平面間に配置された巻回部コアと、前記巻回部コアの周囲に巻かれたコイルからなるリアクトルであって、
   前記巻回部コアは軟磁性金属コアで構成され、
   前記巻回部コアのコイルが巻回された部分のコア断面積は略一定であり、
   前記巻回部コアのコイルが巻回された部分のコア断面積をＳ１、前記巻回部コアの前記ヨーク部コアに対向する部分の面積をＳ２としたとき、Ｓ２／Ｓ１が１．３〜４．０の範囲であり、
   前記巻回部コアの前記ヨーク部コアに対向する部分の厚みが０．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であることを特徴とするリアクトル。
2. 前記巻回部コアが２個以上の軟磁性金属コアを組み合わせてなることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
3. 前記ヨーク部コアと前記巻回部コアとが対向する間隙にギャップを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のリアクトル。

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