JP2008098204A

JP2008098204A - リアクトル装置

Info

Publication number: JP2008098204A
Application number: JP2006274442A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Oyama; 仁尾山; Hajime Kawaguchi; 肇川口
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2006-10-05
Filing date: 2006-10-05
Publication date: 2008-04-24

Abstract

【課題】リアクトル装置やその周囲の部材から発生する騒音を低減する。
【解決手段】リアクトルは、コア１およびコイル２を有するリアクトルＢと、リアクトルＢを収納するケース３とを備えている。ケース３を振動減衰率が１（％）以上の材料により構成することにより、リアクトル装置Ａやこれに連結される部材から発生する騒音を低減することができる。振動減衰率が特に高い材料として、制振合金、特にＭｇを主成分とする合金がある。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として燃料電池車やハイブリッド車などに搭載されるリアクトル装置の騒音を低減するための対策に関する。

近年、環境問題からハイブリッド車や燃料電池車のような直流電源でモータを駆動する自動車が開発されている。燃料電池車やハイブリッド車などに配置される昇圧コンバータは、電圧を変換するリアクトルを備えている。リアクトルは、コア（鉄心）と、コアの周囲に巻き付けられたコイルとを有している。コイルには交流電流が印加されるので、コア内部には、コイル電流に応じた磁束変化が生じる。また、コアは磁束の変化に応じて歪む磁歪特性を有しているので、リアクトルの駆動時には、コアの歪みに起因する振動，騒音が発生する。一般的に、リアクトル装置は、リアクトルをＡｌ鋳造用合金からなるケースに収納して構成されている（特許文献１）。非特許文献１には、閉ループ状のリアクトルにおいて、１０ｋＨｚ付近（５〜２０ｋＨｚ）の高周波の騒音が発生しやすいことが開示されている。

そこで、特許文献２には、リアクトルを収納するケースの開口を、半連半独構造の発泡部材からなる蓋部材によって塞ぐことにより、内部の振動を抑制し、リアクトル装置から外方に漏れる騒音を低減しようとする技術が開示されている。

特開２００６−２００６−９３５５３号特開２００５−７２１９８号公報 Reactor Vibration Analysis in Consideration of Coupling between the Magnetic Field and Vibration(IEEE-IAS(Industry Application Society)39TH Annual Meeting,October 3-7,2004 Westin Hotel ,Seattle)

上記特許文献１に開示されるようなＡｌ鋳造用合金からなるケースを用いたリアクトル装置では、リアクトルで発生した振動に起因して、リアクトル装置およびこれに連結される部材から発生する騒音が実用上問題になっている。一方、上記特許文献２に開示されている蓋部材により、リアクトル装置の上方に漏れる騒音を低減することができたとしても、ケース側から伝わる振動に起因する騒音を低減することはできない。反面、発泡部材は蓋部材には適用が可能としても、強度や耐熱性などからみて、ケースを構成する材料として用いることは困難である。

本発明の目的は、ケースに要求される諸特性を損なうことなく、リアクトルから発生した振動，騒音の低減が可能なリアクトル装置を提供することにある。

本発明のリアクトル装置は、リアクトルを収納するケースを、振動減衰率１％以上の金属材料、または金属−セラミックス複合材料によって構成したものである。

これにより、リアクトルで発生した振動がケースに伝わっても、ケース自体の振動の減衰特性により、振動が低減されるので、リアクトル装置またはこれに連結される部材から発生する騒音の低減を図ることができる。また、ケースが金属材料または金属−セラミックス複合材料によって構成されていることで、ケースの耐熱性も確保される。

ケースを構成する材料が、非磁性材料であることにより、コアの磁気回路特性に悪影響を及ぼすことなく、リアクトル装置またはこれに連結される部材から発生する騒音の低減を図ることができる。

ケースを構成する材料がマグネシウムを主成分としていることにより、マグネシウム材料が有する高い制振機能と高い非強度とを利用して、リアクトル装置の軽量化を図りつつ、騒音をより効果的に低減することが可能になる。

本発明のリアクトル装置によると、リアクトルを収納するケースを、振動減衰率が１％以上の金属材料、または金属−セラミックス複合材料によって構成することにより、リアクトル装置またはこれに連結される部材から発生する騒音の低減を図ることができる。

（実施の形態１）
−リアクトル装置の構造−
図１は、実施の形態１におけるリアクトル装置Ａの概略構成を示す斜視図である。図１に示すように、本実施の形態のリアクトル装置Ａは、高透磁率材料ともいわれる軟磁性材料によって構成されるコア１と、コア１の周囲を環状に取り巻くコイル２とを有するリアクトルＢを備えている。後述するように、コア１は、平面形状がほぼトラック形をしていて、セラミックス，ガラス，ガラスエポキシ基板等の非磁性かつ絶縁性材料によって構成されるギャップスペーサを挟んで連結された複数の部分コアによって構成されている。また、コア１は、樹脂製のボビンによって覆われ、コイル２はボビンの外側に巻き付けられている。

コイル２は、角柱状の空間を囲むように螺旋状に巻かれて積層された２つの環状部分２１と、環状部分２１を接続する接続部分２２と、上方に突出する両端の端子２３とによって構成されている。コイル２は、ほぼ全体が絶縁性膜で覆われており、１対の端子２３のみが絶縁性膜から露出している。コイル２は、２つの環状部分２１が接続部２２で接続されて一体化されており、通電時には、一方の端子２３から、順次２つの環状部分２２を経て、他方の端子２３に交流電流が流れる。

図２は、本実施の形態におけるケース３の概略構造を示す斜視図である。本実施の形態においては、ケース３は、底付きの容器であり、リアクトルＢを収納するとともに、リアクトルＢで発生した熱をヒートシンクに伝達するように機能している。ケース３内部の底部には、リアクトルＢのコイル２，中ケース４などの下方への突出部を収納する凹部３１が形成されており、コア１の両端部（後述するサイド部分コア１２）が設置される中間面３２とは、所定の高低差が設けられている。この中間面３２と内側面３３とは、リアクトルＢのコア１と接触する部位である。

図３は、リアクトルＢを中ケースに収納する手順を説明するための斜視図である。図４は、リアクトルＢを中ケースに収納したときの状態を、一部破断して示す斜視図である。図３に示す状態から図４に示す状態までの組立手順は、以下の通りである。まず、中間部分コア１０とギャップスペーサ１１とを貼り合わせてから、内側ボビン１３によって被覆する。その後、コイル２の各環状部分２１によって囲まれる空間内に、内側ボビン１３とギャップスペーサ１１と各中間部分コア１０との集合体を嵌合させる。このとき、両端のギャップスペーサ１１が、コイル２の環状部分２１内で空間に露出した状態となっている。次に、２つのサイド部分コア１２を、上記集合体の両端で露出しているギャップスペーサ１１に跨るように、取り付ける。これにより、図３の中央部に示す組立体が組み立てられる。また、閉環状のコア１ができあがる。これにより、リアクトルＢが形成される。その後、図４に示すように、サイド部分コア１２とコイル２とを相互に固定する外側ボビン１５を取り付け、その全体を中ケース４に収納し、中ケース４に収納されたリアクトルＢをケース３に収納する。なお、一般的な工程では、その後、加熱を伴うポッティングにより、ケース３全体の空隙を樹脂によって満たす。このとき、リアクトルＡのうち端子２３およびこれに近接する部分を除くほぼ全体は樹脂中に封止される。

図５は、リアクトル装置Ａの最終的な組立が終了したときの構造を概略的に示す断面図である。ただし、図５において、中ケース４など主要部材でない部材の図示は省略されている。図５に示すように、ケース３の凹部３１に中ケース（図示せず）に覆われたリアクトルＢのコイル２の一部が入り込んでおり、リアクトルＢのコア１の両端のサイド部分コア１２がケース３の中間面３２によって支持されている。ケース３は、ヒートシンクでもある架台５の上に設置されている。コア１の両端部とケース３の内側面３３の一部および中間面３２とは接触しており、コア１からこの接触部を介してケース３に振動や熱が伝達され、さらにケース３から架台５に振動や熱が伝達される。

−ケース３の材料−
本実施の形態におけるケース３は、振動減衰率が１％以上の材料によって構成されている。振動減衰率の高い材料としては、例えば制振材料（制振合金材料）と呼ばれるものがある。制振材料は、作用の相違に応じて、Ｎｉ，Ｆｅ−Ｃｒ合金などの強磁性型、Ｍｇ，Ｍｇ−Ｚｒ合金，Ｍｇ_２Ｎｉ，Ｍｇ−Ｃｕ−Ｍｎ合金などの転位型、Ｍｎ−Ｃｕ合金、Ｃｕ−Ｍｎ−Ａｌ合金などの双晶型、複数型の作用を併せ持つ片状黒鉛鋳鉄（Ｆｅ−Ｃ−Ｓｉ）、Ａｌ−Ｚｎ合金などの複合型に分類されるが、本発明におけるケース３を構成する材料としては、制振作用の種類は重要でなく、制振作用の大きさが重要である。

図６は、各種材料の（振動）減衰係数（％）と引張強さとをマップにして示す図である。図６に示される材料のうち振動減衰率が１％以上のものを列挙すると、１８−８ステンレス鋼，０．４５％Ｃ鋼，０．９５％Ｃ鋼，可鍛鋳鉄（パーライト地），球状黒鉛鋳鉄（パーライト地），フェライト系ステンレス鋼，極軟鋼，Ｍｇ合金（ＡＺ８１Ａ），Ｐｂ，片状黒鉛鋳鉄（ＦＣ−１０），１２Ｃｒ鋼，高炭素片状黒鉛鋳鉄，Ｎｉ，Ｆｅ，Ａｌ−Ｚｎ合金，ＴｉＮｉ，Ｍｎ−Ｃｕ合金，Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金，Ｍｇ−Ｍｇ_２Ｎｉ合金，Ｍｇ−Ｚｒ合金がある。そのうち制振合金と呼ばれるものは、図中□印で表示されている材料であって、いずれも１％以上の振動減衰率を有している。

また、図６には、記載されていないが、制振合金としては、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金，Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｍｎ合金，Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金，Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ａｌ合金，Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ合金，Ｃｏ−Ｎｉ合金，Ｍｇ−Ｃｕ−Ｍｎ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｎ合金，Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ合金，Ｃｕ−Ｍｎ−Ａｌ合金，Ｃｕ−Ｍｎ−Ａｌ−Ｓｎ合金，Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ合金，Ｍｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ合金などがある。

鉄，銅などの材料で構成されるリアクトルＢは一般に相当の重量を有しているので、リアクトル装置Ａのケース３は、高い振動減衰率だけでなく、高い強度を有している必要がある。また、リアクトルＢは、コイル２に流れる高周波電流によって高温状態になるので、これにつながるケース３も耐熱性が要求される。したがって、本発明のリアクトル装置Ａのケース３は、発泡材料などの高分子材料でなく、金属材料，合金材料、その他の無機材料によって構成されていることが好ましい。また、金属材料であっても、従来のリアクトル装置のケース材料として採用されているＡｌ鋳造用合金は、ダイキャスト性に優れた材料であるが、反面、図６に示されるように、振動減衰率が１（％）以下（約０．３（％））であり、制振作用に乏しい。したがって、リアクトル装置のケースを構成する材料として、従来のＡｌ鋳造用合金を用いても、振動減衰率が小さく、リアクトル装置Ａから発生する騒音の低減を図ることは困難である。

それに対し、ケース３を構成する材料として、１８−８ステンレス鋼，０．４５％Ｃ鋼，０．９５％Ｃ鋼，可鍛鋳鉄（パーライト地），球状黒鉛鋳鉄（パーライト地），フェライト系ステンレス鋼，極軟鋼，Ｍｇ合金（ＡＺ８１Ａ）（鋳物用Ｍｇ合金），Ｐｂ，片状黒鉛鋳鉄（ＦＣ−１０），１２Ｃｒ鋼，高炭素片状黒鉛鋳鉄，Ｎｉ，Ｆｅ，Ａｌ−Ｚｎ合金，ＴｉＮｉ，Ｍｎ−Ｃｕ合金，Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金，Ｍｇ−Ｍｇ_２Ｎｉ合金，Ｍｇ−Ｚｒ合金，Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金，Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｍｎ合金，Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金，Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ａｌ合金，Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ合金，Ｃｏ−Ｎｉ合金，Ｍｇ−Ｃｕ−Ｍｎ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｎ合金，Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ合金，Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金，Ｃｕ−Ｍｎ−Ａｌ合金，Ｃｕ−Ｍｎ−Ａｌ−Ｓｎ合金，Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ合金，Ｍｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ合金などを選択することにより、リアクトル装置Ａまたはこれに連結される部材から発生する騒音を低減することができる。すなわち、図５に示す構造において、リアクトルＢの駆動時に、リアクトルＢで発生した振動がケース３で減衰されて、架台５には弱い振動しか伝わらない。したがって、ケース３や架台５から発生する騒音のレベルが低減されることになる。

また、リアクトルＢの駆動時には、コイル３に流れる高周波電流に起因して多量の熱が発生するので、リアクトル装置Ａのケース３からヒートシンクとして機能する架台５までの放熱路を確保することが望まれる。ケース３を構成する材料として、高分子材料や汎用セラミックスに比べて熱伝導率の高い金属材料または合金材料を採用することにより、ケース３の内側面３３および中間面３２を経由する放熱路を確保することができる。

ただし、ケース３は、必ずしも放熱路を確保する機能を有している必要はなく、振動抑制の作用効果を発揮することができる限り、熱伝導率の小さい材料、例えばセラミックスなどでもよい。他の手段によって、放熱路を確保することが不可能ではないからである。

一方、リアクトルＢの駆動時には、コイル２に高周波電流が流れ、コア１は磁気回路を構成している。したがって、ケース３が磁性体であると、コイル２に高周波電流が流れたときに、ケース３も磁化されて、コア１の磁気回路の特性に影響を与える場合がある。そこで、上記材料のうち、非磁性材料である，Ｍｇ合金（ＡＺ８１Ａ），Ａｌ−Ｚｎ合金，ＴｉＮｉ，Ｍｎ−Ｃｕ合金，Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金，Ｍｇ−Ｍｇ_２Ｎｉ合金，Ｍｇ−Ｚｒ合金，Ｃｏ−Ｎｉ合金，Ｍｇ−Ｃｕ−Ｍｎ合金，Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金，Ｃｕ−Ｍｎ−Ａｌ合金，Ｃｕ−Ｍｎ−Ａｌ−Ｓｎ合金，Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ合金，Ｍｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ合金などを選択することにより、リアクトルの特性に影響を与えることなく、リアクトル装置Ａまたはこれに連結される部材から発生する騒音を低減することができる。

特に、図６に示されるように、Ｍｇ−Ｚｒ合金，Ｍｎ−Ｃｕ合金，Ｍｇ−Ｍｇ_２Ｎｉ合金，Ａｌ−Ｚｎ合金，Ｍｎ−Ｃｕ合金，Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金，ＴｉＮｉは、振動減衰率が２０（％）以上であり、ケース３をこれらの制振合金材料によって構成することにより、上述の騒音低減効果を顕著に発揮することができる。

また、金属のうちでも、Ｍｇは、比重が約１．７４（アルミニウムの約２／３，鉄の１／４）であり、実用金属のうちでは最も軽い金属である。一方、引張強さは、アルミニウムにひけを取らないので、単位重量当たりの強度である比強度が大きい。反面、純マグネシウムは、耐食性が悪いので、合金化して耐食性を改善することが好ましい。さらに、Ｍｇは、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ，Ｗに次ぐ熱伝導率を有する材料であり、ケース３を構成する材料として、Ｍｇを主成分とする合金を選択しても、リアクトルＢの熱をヒートシンクである架台５に放出する機能が損なわれることはない。よって、ケース３を構成する材料として、マグネシウムを主成分とする合金を選択することにより、リアクトル装置Ａの軽量化を図りつつ、高い振動減衰機能を利用して、リアクトル装置Ａまたはこれに連結される部材から発生する騒音を低減することができる。

本実施の形態のコア１は、大電流かつ高周波領域において用いられるリアクトルに適した構造であり、燃料電池車やハイブリッド車などに搭載されるものである。本発明のリアクトル装置は、上述のような騒音の低減効果を発揮する限り、車載用のものに限定されるものではない。ただし、自動車においては、リアクトル装置またはこれに連結される部材から発生する騒音が、使用上問題となるので、本発明のリアクトル装置を車載用リアクトル装置に適用することにより、顕著な効果を発揮することができる。

（他の実施の形態）
上記実施の形態においては、リアクトルＢのコア１の側部とケース３の内側面とが直接接触している構造を採用したが、当該接触部にバネが介在していてもよいものとする。その場合、バネにより振動減衰効果がさらに向上することになる。ただし、上記実施の形態において振動減衰率の高い材料（制振合金）によってケース３を構成することにより、バネを介在させてなくても、ケース３またはこれに連結される部材から発生する騒音を低減することができる、という利点が得られる。

上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明のリアクトルおよびリアクトル装置は、ハイブリッド車、燃料電池車や、工場・家庭用電力供給システムにおいて、たとえば昇圧コンバータなどの一部品として利用することができる。

実施の形態におけるリアクトル装置の概略構造を示す斜視図である。実施の形態におけるケースの概略構造を示す斜視図である。リアクトルを中ケースに収納する手順を説明するための斜視図である。リアクトルを中ケースに収納したときの状態を、一部破断して示す斜視図である。リアクトル装置の最終的な組立が終了したときの構造を概略的に示す断面図である。各種材料の（振動）減衰係数（％）と引張強さとをマップにして示す図である。

符号の説明

Ａリアクトル装置
Ｂリアクトル
１コア
２コイル
３ケース
４中ケース
５架台
１０中間部分コア
１１ギャップスペーサ
１２サイド部分コア
１５外側ボビン
２１環状部分
２２接続部分
２３端子
３１凹部
３２中間面
３３内側面

Claims

磁気回路を構成するコアと、該コアに巻き付けられたコイルと、前記コアおよびコイルを収納するケースとを備えたリアクトル装置であって、
前記ケースは、振動減衰率１％以上の金属材料、または金属−セラミックス複合材料によって構成されている、リアクトル装置。
請求項１記載のリアクトル装置において、
前記ケースを構成する材料は、非磁性材料である、リアクトル装置。
請求項１または２記載のリアクトル装置において、
前記ケースを構成する材料は、マグネシウムを主成分としている、リアクトル装置。