JP2008192649A - ハイブリッド車両用リアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】大型化することなく、連続通電電流範囲のリアクトル損失を低減できるハイブリッド車両用リアクタンスを提供する。
【解決手段】ハイブリッド車両用リアクトルは、ハイブリッド車両の駆動用の電源系統に用いられる。そして、ハイブリッド車両用リアクトルは、コイル１と、鉄粉を樹脂に混入したコア材料により成形され、コイル１の内周側に充填するとともに、コイル１の外周側に形成される鉄粉混入樹脂成形コア５とを備えるハイブリッド車両用リアクトル。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド車両の電源系統に用いられるリアクトルに関する。

従来のリアクトルとしては、コア材料に珪素鋼板を用い、透磁率調整用のセラミック製のギャップを複数介挿したものがある（例えば、特許文献１）。このようなリアクトルでは、ハイブリッド車両等の駆動電源系統の高出力に対応するためには、高透磁率の珪素鋼板製のコアの磁束密度を下げ、コアを磁気飽和しにくくする必要があり、多数（例えば、６箇所）のギャップを分散してコアに介挿している。

また、上記リアクトルは、コアにギャップを設けることにより、リアクトルのインダクタンスを調整している。そして、このインダクタンスは、コアが磁気飽和するまでほとんど変化しない。すなわち、上記リアクトルの直流重畳特性では、インダクタンスがハイブリッド車両用電源系統における使用電流範囲内（約０〜２００Ａ）でほぼ一定の値（フラット）となる。ただし、使用電流範囲外の大電流においては、磁気飽和傾向となり、インダクタンスは急激に低下する。
特開２００４−９５５７０号公報

ここで、リアクトルのインダクタンスとリアクトル損失との関係について述べる。リアクトル損失とは、コアの磁束密度変化により発生する鉄損と、コイルに通電することにより発生する銅損の合計である。一般に、インダクタンスが小さくなると、流れる電流の電流リップル（電流波形の傾き、電流値の変動）は大きくなる。そして、リアクトル損失は、電流変化により発生する磁束密度変化の二乗に比例して大きくなる。すなわち、リアクトル損失は、インダクタンスが低減するほど増大する。
つまり、リアクトル損失を低減させるには、インダクタンスを大きくしなければならない。これは、ハイブリッド車両の使用電流範囲内における低電流側、すなわち、バッテリが連続的に出力可能な電流値である連続通電電流範囲（約０〜５０Ａ）において、特に必要とされている。例えば、ハイブリッド車両の電源系統で用いられる昇圧コンバータにおいて、熱容量の大きいリアクトルの発熱（すなわち、損失）が問題となるのは、連続通電電流範囲である。

しかしながら、上記のような多数のギャップをコアに介挿する構成では、インダクタンスがハイブリッド車両の使用電流範囲内においてほぼ変化しない（電流に対して一定）。従って、連続通電電流範囲においてインダクタンスを大きくするためには、使用電流範囲全領域でのインダクタンスを大きくする必要がある。このためには、リアクトル自体を大きくしなければならず、リアクトルの大型化が問題となっている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、リアクトルを大型化することなく、連続通電電流範囲のリアクトル損失を低減できるハイブリッド車両用リアクタンスを提供することを目的とする。

本発明のハイブリッド車両用リアクトルは、ハイブリッド車両の駆動用の電源系統に用いられ、コイルと、鉄粉を樹脂に混入したコア材料により成形され、コイルの内周側に充填するとともに、コイルの外周側に形成される鉄粉混入樹脂成形コアとを備える。

ここで、「鉄粉」とは、珪素鉄合金粉末、純鉄粉、軟鉄粉、アモルファス鉄粉や、鉄を主成分とする軟磁性合金鉄粉を言うものとする。鉄粉の粒径は、粉末として加工可能な１μｍ以上１０００μｍ以下である。なお、鉄粉の平均粒径は、１〜１００μｍが好適であるが、それに限定されるものではない。また、鉄粉表面に樹脂絶縁皮膜をコーティングしてから、樹脂成形のための樹脂材料に混練してもよい。この場合、樹脂絶縁皮膜は鉄粉質量組成を計算する際に樹脂とみなすものとする。

これにより、電流とインダクタンスの関係（直流重畳特性）は、使用電流範囲の低電流側でインダクタンスが大きくなり、大電流側で徐々に低下するようになる。ここで、従来のギャップ付きリアクトルの場合、ギャップ付きリアクトルの直流重畳特性を上げて高インダクタンス化するためには、コアの断面積を大きくするなどリアクトルの大きさを変更しなければならない。つまり、従来、ハイブリッド車両の駆動電源系統の連続通電電流範囲において高いインダクタンスを得るには、リアクトル自体を大型化しなければならない。一方、本発明のハイブリッド車両用リアクトルを用いることにより、リアクトルを大型化させることなく、ハイブリッド車両の駆動電源系統の連続通電電流範囲におけるインダクタンスを増大させることができる。すなわち、本発明では、大型化することなく、ハイブリッド車両の連続通電電流範囲におけるリアクトル損失を低減することができる。

また、このハイブリッド車両用リアクトルにおいて、鉄粉の質量を１．２ｋｇ以上とすることが好ましい。

ここで、ハイブリッド車両において、電源系統にて使用される電流範囲（使用電流範囲）は、例えば、約０〜２００Ａである。ここで、バッテリの電圧を、例えば、約２８８〜３００Ｖとした場合に、このバッテリが連続的に出力できる電流範囲（連続通電電流範囲）は約０〜５０Ａとなる。すなわち、ハイブリッド車両用リアクトル発熱において特に重要なのは、連続通電電流範囲（約０〜５０Ａ）におけるインダクタンスの値である。

そして、コア材料の鉄粉質量を１．２ｋｇ以上とすることにより、連続通電電流範囲において必要なインダクタンスを得ることができる。具体的には、ハイブリッド車両の連続通電電流範囲において必要とされるインダクタンス２４０μＨ以上を得ることができる。

すなわち、ハイブリッド車両の駆動電源系統（特に昇圧コンバータ）に用いるリアクトルとして、鉄粉質量を１．２ｋｇ以上とした鉄粉混入樹脂成形コアを備えるハイブリッド車両用リアクトルを用いることにより、リアクトルを大型化させることなく、ハイブリッド車両における連続通電電流範囲のインダクタンスを増大（２４０μＨ以上）させることができる。このため、ハイブリッド車両の特性に適し、大型化することなく、ハイブリッド車両用リアクトルにおける損失（発熱等）を抑えることができる。

また、コア材料の鉄粉質量を１．２ｋｇ以上１．４ｋｇ未満とすることで、ハイブリッド車両の使用電流範囲において、ハイブリッド車両の特性にさらに適したインダクタンス１６５μＨ以上を得ることができる。

なお、鉄粉と樹脂の混合比の関係および製造上の臨界の観点から、鉄粉混入樹脂成形コアの質量に対する鉄粉質量は、９０質量％以下となる。また、本発明において、リアクトルの磁気振動などに対する機械強度の許容範囲から、鉄粉混入樹脂成形コアの質量に対する鉄粉質量は、６０質量％以上に設定される。

さらに、鉄粉は表面に絶縁皮膜コーティングを施されておらず、コイルは、樹脂モールドされているとよい。これにより、磁気特性の劣化を抑止しつつ製造コスト低減要求に良好に対応可能なハイブリッド車両用リアクトルを実現することができる。

ただし、この場合では、コイルのターン間にて電流漏洩が生じる虞がある。そこで、コイルをあらかじめ樹脂モールドしてから鉄粉混入樹脂（軟磁性性粉末充填樹脂）にて樹脂モールドコイルの封止及び閉磁路形成を行うとよい。これにより、コア内のコイルのターン間の電流リークを良好に防止できる。

また、鉄粉は、珪素含有率が３〜７％の珪素合金鉄粉又は鉄分含有率９９％以上の純鉄粉からなるとよい。珪素含有率が３〜７％であると磁歪と損失の低減が可能になり、鉄分含有率９９％以上とすると良好な磁気特性が得られる。

本発明のハイブリッド車両用リアクトルによれば、リアクトルを大型化することなく、連続通電電流範囲のリアクトル損失を低減できる。

＜第１実施形態＞
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。まず、本発明のハイブリッド車両用リアクトルの概略構成について図１を参照して説明する。図１は、製造工程を示す図である。（ａ）は平角線コイルを示し、（ｂ）はハイブリッド車両用リアクトルを示す。

まず、図１（ａ）に示す長尺銅板を巻装して平角線コイル１を形成する。巻装された平角線コイル１は、全体で円筒形状が２つ並んだようになっている。本実施形態では、平角線の厚さは１ｍｍ、幅は５ｍｍ、ターン数はそれぞれ１５ターンとした。そして、平角線コイル１の当該巻装による円筒の内周側断面積、すなわち、平角線コイル１が為す２つの円筒の径方向断面積（以下、「コイル円筒断面積」と称する）は、それぞれ２５００ｍｍ^２となっている。

続いて、ケース４を真空加熱炉にセットし、珪素合金鉄粉末が混入された鉄粉混入エポキシ樹脂液をケース４内に注入し、所定加熱温度に所定時間保持してこの鉄粉混入樹脂液（本発明における「コア材料」に相当する）を固化させてリアクトルを完成させた。コア５は固化した鉄粉混入樹脂からなる鉄粉混入樹脂成形コアである。コア５の体積は、３５０ｃｍ^３である。
すなわち、鉄粉混入樹脂（コア材料）は、平角線コイル１の内周側に充填されるとともに、平角線コイル１を内部に埋没させるように配置している。すなわち、固化されたコア５は、平角線コイル１の内周側に充填されるとともに、平角線コイル１の外周側に形成されている。

（実施例１）
本実施形態におけるハイブリッド車両用リアクトルについて実施例を挙げて詳細に説明する。ここで、実施例１において、ハイブリッド車両のバッテリの電圧を、例えば、約２８８〜３００Ｖのものを用いる。そして、電源系統にて使用される電流範囲（使用電流範囲）は、約０〜２００Ａとする。また、このバッテリが連続的に出力できる電流範囲（連続通電電流範囲）は約０〜５０Ａとする。

また、実施例１において、鉄粉は珪素合金鉄粉であり、この鉄粉の平均粒径は１００μｍである。そして、コイル円筒断面積は２５００ｍｍ^２であり、コア５の体積は３５０ｃｍ^３である。そして、実施例１では、上記条件の下で、以下の実験を行った。

すなわち、コア５材料において、鉄粉質量を１．１ｋｇ、１．２ｋｇ、１．３ｋｇ、１．４ｋｇと変化させてそれぞれの直流重畳特性を測定した。なお、鉄粉質量が多くなるほど、鉄粉混入樹脂成形コア中の鉄粉質量割合は大きくなる。（実施例１において、具体的には、鉄粉質量の変化に伴い鉄粉質量割合が８０質量％から９０質量％までを変化する。）
実施例１の測定結果を図２に示す。図２は、直流重畳特性を示す図である。なお、図２の横軸は電流値（Ａ）、縦軸はインダクタンス（μＨ）であり、図中の下限値から上限値までの範囲はハイブリッド車両において好適なインダクタンス範囲である。

図２に示すように、実施例１のハイブリッド車両用リアクトルは、コア５の体積を大きくすることなく、ハイブリッド車両の連続通電電流範囲におけるインダクタンスを増大させることができる。従って、リアクトルを大型化することなく、連続通電電流範囲のリアクトル損失を低減できる。詳細には、以下に述べる。

図２に示すように、コア５の鉄粉質量が１．４ｋｇの場合、インダクタンス（１．４）は、電流値０Ａのとき３００μＨ、電流値２００Ａのとき１４０μＨとなっている。すなわち、インダクタンス（１．４）は、低電流側において高インダクタンスとなり、電流の増加に伴って低下し、大電流側において低インダクタンスとなる。インダクタンス（１．４）は、使用電流範囲において、１４０μＨ〜３００μＨとなっている。

コア５の鉄粉質量が１．３ｋｇの場合、インダクタンス（１．３）は、電流値０Ａのとき２５０μＨ、電流値２００Ａのとき１７０μＨとなっている。すなわち、インダクタンス（１．３）は、低電流側において高インダクタンスとなり、電流の増加に伴って緩やかに低下している。そして、大電流側におけるインダクタンスの低下は、インダクタンス（１．４）よりも抑制されている。インダクタンス（１．３）は、使用電流範囲において、１７０μＨ〜２５０μＨとなっている。

コア５の鉄粉質量が１．２ｋｇの場合、インダクタンス（１．２）は、電流値０Ａのとき２４０μＨ、電流値２００Ａのとき１６５μＨとなっている。すなわち、インダクタンス（１．２）は、低電流側において高インダクタンスとなり、電流の増加に伴って緩やかに低下している。そして、大電流側におけるインダクタンスの低下は、インダクタンス（１．４）よりも抑制されている。インダクタンス（１．２）は、使用電流範囲において、１６５μＨ〜２４０μＨとなっている。

コア５の鉄粉質量が１．１ｋｇの場合、インダクタンス（１．１）は、電流値０Ａのとき２００μＨ、電流値２００Ａのとき１５０μＨとなっている。すなわち、インダクタンス（１．１）は、低電流側におけるインダクタンスから、電流の増加に伴ってより緩やかに低下している。インダクタンス（１．１）は、使用電流範囲において、１５０μＨ〜２００μＨとなっている。

以上より、コア５の体積を変化させることなく、低電流側のインダクタンスを大きくすることができ、連続通電電流範囲のリアクトル損失を低減できる。なお、使用する鉄粉質量が少ないほど、使用電流範囲の大電流側におけるインダクタンス低下は抑制されるが、コイル断面積および体積一定の条件下においては連続通電電流範囲（低電流側）のインダクタンスも小さくなる。

そして、鉄粉質量が１．２ｋｇのときは、低電流側のインダクタンスがハイブリッド車両に好ましいインダクタンス（２４０μＨ）となり、大電流側のインダクタンスが許容値下限値の１６５μHとなる。また、鉄粉質量が１．３ｋｇのときは、低電流側のインダクタンスがハイブリッド車両に好ましいインダクタンス（２５０μＨ）となり、大電流側のインダクタンスが許容値下限値の１７０μHとなる。また、鉄粉質量が１．４ｋｇのときにおいても、低電流側のインダクタンスがハイブリッド車両で必要なインダクタンス２４０μＨ以上の値となる。

すなわち、コア５材料の鉄粉質量を１．２ｋｇ以上とすることにより、ハイブリッド車両の連続通電電流範囲において必要なインダクタンス２４０μＨ以上を得ることができる。これにより、連続通電電流範囲のリアクトル損失は低減される。さらに、コア材料の鉄粉質量を１．２ｋｇ以上１．４ｋｇ未満とすることで、ハイブリッド車両の使用電流範囲において、ハイブリッド車両にさらに適したインダクタンス１６５μＨ以上を得ることができる。より好ましくは、鉄粉質量１．２ｋｇ以上１．３ｋｇ以下である。

なお、実施例１において、コア５の質量に対する鉄粉（珪素合金鉄粉）質量は、８０質量％以上９０質量％以下となっている。

＜第２実施形態＞
次に、本発明のハイブリッド車両用リアクトルの他の実施形態について図４を参照して説明する。図４は、製造工程を示す図である。（ａ）は平角線コイルを示し、（ｂ）は樹脂モールドコイルを示し、（ｃ）はハイブリッド車両用リアクトルを示す。

始めに、（ａ）に示す長尺銅板を巻装して平角線コイル１を形成する。本実施形態では、平角線の厚さは１ｍｍ、幅は５ｍｍ、ターン数はそれぞれ１５ターンとした。

次に、この平角線コイル１を金型に入れて樹脂液を注入し、硬化させることにより樹脂モールドコイル２を製造する。平角線コイル１に対するモールド樹脂の最小被覆厚さは１ｍｍとした。モールド樹脂としては耐熱性に優れた熱硬化性樹脂が好適であり、エポキシ樹脂などが好適である。３は平角線コイル１の両端のターミナル部分である。

次に、金型から取り出した樹脂モールドコイル２を上端開口のケース４内にセットし、ターミナル部分３はケース４から上方へ突出させる。ケース４はアルミプレス加工品やアルミ絞り加工品とすることが好適であるが、耐熱性の樹脂たとえばポリイミドなどを採用してもよい。ただし、ケースは次工程の加熱に耐える耐熱性をもつ必要がある。

最後に、ケース４を真空加熱炉にセットし、珪素合金鉄粉末が樹脂コア質量に対し６０質量％以上混入された鉄粉混入エポキシ樹脂液をケース４内に注入し、所定加熱温度に所定時間保持してこの鉄粉混入樹脂液（本発明における「コア材料」に相当する）を固化させてリアクトルを完成させた。コア５は固化した鉄粉混入樹脂からなる鉄粉混入樹脂成形コアである。

なお、鉄粉混入樹脂液は、鉄粉を樹脂液に投入して所定時間混練すればよい。又は、鉄粉と樹脂粉末とを混練して形成してもよい。重要なことは、樹脂モールドコイルは円筒形状に形成して鉄粉混入樹脂体すなわちコア５が樹脂モールドコイルと鎖交する閉磁気回路を形成する点にある。

これにより、磁気特性の劣化を抑止しつつ製造コスト低減要求に良好に対応可能なハイブリッド車両用リアクトルを実現することができる。

第１実施形態のハイブリッド車両用リアクトルの製造工程を示す図である。 実施例１の直流重畳特性を示す図である。 第２実施形態のハイブリッド車両用リアクトルの製造工程を示す図である。

符号の説明

１：平角線コイル、２：樹脂モールドコイル、３：平角線コイルのターミナル部分
４：ケース、５：コア

Claims (4)

1. ハイブリッド車両の駆動用の電源系統に用いられるハイブリッド車両用リアクトルであって、
   コイルと、
   鉄粉を樹脂に混入したコア材料により成形され、前記コイルの内周側に充填するとともに、前記コイルの外周側に形成される鉄粉混入樹脂成形コアと、
   を備えることを特徴とするハイブリッド車両用リアクトル。
2. 前記鉄粉の質量を１．２ｋｇ以上とする請求項１に記載のハイブリッド車両用リアクトル。
3. 前記鉄粉は、珪素含有率が３〜７％の珪素合金鉄粉または鉄分含有率９９％以上の純鉄粉からなる請求項１または２に記載のハイブリッド車両用リアクトル。
4. 前記鉄粉は、表面に絶縁皮膜コーティングを施されておらず、
   前記コイルは、樹脂モールドされている請求項１〜３の何れか一項に記載のハイブリッド車両用リアクトル。

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