JP2016072573A - 車載用リアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッド自動車等の駆動電源系統に用いられる車載用リアクトルとして、使用電流が２００Ａ以上の大電流において、良好なインダクタンスを得る車載用リアクトルを提供する。
【解決手段】ハイブリッド自動車または電気自動車の駆動電源系統に用いられる車載用リアクトルであって、コアがヨーク部と脚部とで構成されて、脚部にギャップを有しているとともに、脚部の幅をａ（ｍｍ）、ギャップの長さをＬｇ（ｍｍ）とした時に、０．４≦Ｌｇ／ａ^１／２≦２．０を満足する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ハイブリッド自動車または電気自動車の駆動電源系統に用いられる車載用リアクトルに関する。

従来のリアクトルとしては、特許文献１のように、コア材料に高透磁率を有する方向性珪素鋼板を用い、透磁率調整用の非磁性絶縁体を複数のギャップに装着したものがある。このようなリアクトルを用いる場合、ハイブリッド自動車等の駆動電源系統の高出力化に対応するためには、高透磁率を有する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、コアにギャップを多数設け、それぞれのギャップに非磁性絶縁体を装着する必要がある。

また、上記リアクトルでは、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自動車等の駆動電源系統における従来の使用電流範囲内（２００Ａ未満）において、ほぼ一定の値となる。

しかし、従来の使用電流範囲を超える大電流（２００Ａ以上）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。

特開平１１−４０４３４号公報

近年、自動車の軽量化の観点から、ハイブリッド自動車等においては、モータの小型化やモータ効率の向上のために、従来の使用電流範囲（２００Ａ未満）を超える大電流（２００Ａ以上）でのモータの駆動が求められるようになっている。

しかしながら、上述したように、これまでの車載用リアクトルは、従来の使用電流範囲（２００Ａ未満）では、インダクタンスがほぼ一定の値であるが、それを超える大電流（２００Ａ以上）においては、インダクタンスが急激に低下するという問題がある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、ハイブリッド自動車等の駆動電源系統に用いられる車載用リアクトルとして、使用電流が２００Ａ以上の大電流において、良好なインダクタンスを得ることができる車載用リアクトルを提供することを目的とするものである。

上記のような目的を達成するために、本発明は以下のような特徴を有している。

［１］ハイブリッド自動車または電気自動車の駆動電源系統に用いられる車載用リアクトルであって、コアがヨーク部と脚部とで構成されて、脚部にギャップを有しているとともに、脚部の幅をａ（ｍｍ）、ギャップの長さをＬｇ（ｍｍ）とした時に、
０．４≦Ｌｇ／ａ^１／２≦２．０
を満足していることを特徴とする車載用リアクトル。

［２］脚部の長さをｂ（ｍｍ）とした時に、
０．１≦ａ／ｂ≦１．０
を満足していることを特徴とする前記［１］に記載の車載用リアクトル。

本発明によれば、使用電流が２００Ａ以上の大電流において、良好なインダクタンスを得ることができるハイブリッド自動車等の駆動電源系統に用いられる車載用リアクトルの提供が可能になる。

本発明の一実施形態における車載用リアクトルを示す図である。 本発明の一実施形態における基本的な考え方を説明するための図である。 本発明の一実施形態における基本的な考え方を説明するための図である。 本発明の一実施形態における基本的な考え方を説明するための図である。 本発明の実施例を示す図である。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態における車載用リアクトルを示す図である。

図１に示すように、本発明の一実施形態における車載用リアクトル１は、コア１０がヨーク部１１、１２と脚部１３、１４とで構成されている。そして、脚部１３は部分脚部１３ａと部分脚部１３ｂに分かれていて、部分脚部１３ａと部分脚部１３ｂの接合部にギャップ１３ｃを有しており、同様に、脚部１４は部分脚部１４ａと部分脚部１４ｂに分かれていて、部分脚部１４ａと部分脚部１４ｂの接合部にギャップ１４ｃを有している。さらに、脚部１３、１４には、それぞれコイル２１、２２が巻かれている。

その上で、まず、本発明の一実施形態における基本的な考え方を述べる。

図２は、図１におけるギャップ１３ｃ、１４ｃの近傍を拡大した図である。図２に示すように、磁気抵抗を減らそうとして、ギャップ１３ｃ、１４ｃにおいて、実効断面積が大きくなるように、磁束が湾曲する（フリンジング）。そこで、磁気抵抗を減らすほどコア１０の磁気特性は向上するので、フリンジングを促進するようにコア１０を設計することで、コア１０の磁気特性が向上すると考えられる。

一般的に、ギャップ長をＬｇ、コアの磁路長をＬｍ、コアの断面積をＡｍ、磁束のフリンジングを考慮したコアの実効断面積をＡｇ、コア材料の比透磁率をμｒ、真空の透磁率をμ０とすれば、ギャップをＭ個有するコアの実効透磁率μｅｆｆは
μｅｆｆ＝μ０／｛（１／μｒ）＋（Ｍ・Ｌｇ／Ｌｍ）・（Ａｍ／Ａｇ）｝
・・・（１）
と表せることが知られている。

そして、コイルターン数Ｎの時のインダクタンスＬは
Ｌ＝μｅｆｆ・Ａｍ・Ｎ^２／Ｌｍ ・・・（２）
と表せる。

これらの（１）式、（２）式から、フリンジングを促進するようなコアを設計することで、実効断面積Ａｇが大きくなり、その結果インダクタンスＬを大きくすることができることがわかる。

しかしながら、上記のように、フリンジングはリアクトルの磁気特性に大きくかかわってくる現象であるにもかかわらず、これまで詳細に定量的な検討がされてきたとは言い難い。すなわち、そもそもフリンジング幅Ｌｆが何に影響されているのかが明確にされていないため、フリンジング現象に対する知見はリアクトルの設計方法に生かされてこなかった。

そこで、ここでは、フリンジング幅Ｌｆを定量化することから行った。

図３は、図２のギャップ１３ｃ、１４ｃにおける磁束流れの概図である。

脚部１３（１３ａ、１３ｂ）、１４（１４ａ、１４ｂ）の幅をａ、ギャップ長Ｌｇの半分をｈ（ｈ＝Ｌｇ／２）とすると、積分経路Ｐ１→Ｐ２→Ｐ３→Ｐ４において、ストークスの定理より、下記の（３）式が得られる。

ここで、マックスウェルの方程式より、下記の（４）式であるとすれば、

上記の（３）式は、下記の（５）式となる。

今、経路Ｐ２→Ｐ３をコアから十分離れた場所でとると、磁束ベクトルは０と考えられる。さらに、経路Ｐ３→Ｐ４においては、磁束ベクトルと微小距離ベクトルが直交するので、積分値は０であるから、結局（５）式は以下のように書き換えられる。

ギャップ内の最中心部である経路Ｐ４→Ｐ１では、磁束ベクトルと微小距離ベクトルが平行であるので、上記（６）式は、下記（７）式となる。ここで、Ｂは磁束スカラーを示し、以下の（８）式以降に現れるｄｒは微小距離スカラーを示す。

また、経路Ｐ１→Ｐ２での磁束ベクトルと微小距離ベクトルのなす角をθとおけば、下記（８）式となる。

そして、上記（８）式の積分の変数をｒからθに変換すると、下記（９）式、（１０）式となる。

なお、上記（９）式、（１０）式において、π／２は点Ｐ１におけるθの値、αはコアの最端部におけるθの値である。

ここで、上記（１０）式の左辺の積分の中身であるｄｒ／ｄθについて考える。

図３中に示したように、脚部１３（１３ａ、１３ｂ）、１４（１４ａ、１４ｂ）の幅中央を点Ｃ、幅端部を点Ｄとする。そして、簡単のため、図４に線分ＣＤ（点Ｃと点Ｄを結ぶ線）で示しているように、θとｒは線形関係であるとする。このとき、ｄθ／ｄｒは線分ＣＤの傾きなので、下記（１１）式となる。

しかし、この値は後の計算で扱いにくい。そこで点Ｄから外挿し、横軸との交点を点Ｄ’としたときの横軸ｒの値ａ’を考えると、ａ’はａに比例すると考えられる。また、ａ’はαの値にも影響されるが、そのαはｈに影響される。従ってａ’をＫｈａとおくことにする（Ｋは定数）。そうすると、ｄｒ／ｄθは下記の（１２）式のように計算できる。

そして、（１０）式に（１２）式を代入すると、下記の（１３）式、（１４）式が得られる。

ここで、ｓｉｎαはフリンジング幅をＬｆとして、下記（１５）式で書き表せるが、フリンジング幅Ｌｆはｈ（ギャップ長Ｌｇの半分）に比べて微小であるとすれば、下記の（１６）式のように展開できる。

ここで、（１４）式と（１６）式を比べることによって、下記の（１７）式が得られる。

前述したように、ハイブリッド自動車等においては、モータの小型化やモータ効率の向上のために、従来の使用電流範囲（２００Ａ未満）を超える大電流（２００Ａ以上）でのモータの駆動が求められるようになっている。しかし、これまでの車載用リアクトルは、使用電流が大電流（２００Ａ以上）になると磁気飽和傾向となり、インダクタンスが急激に低下するという問題がある。

これに対して、上記の（１７）式をみると、フリンジング幅Ｌｆがギャップの長さＬｇに比例し、脚部の幅ａの１／２乗に反比例している。従って、ギャップの長さＬｇを大きくし、脚部の幅ａを小さくして、Ｌｇ／ａ^１／２を大きくすれば、フリンジングが促進されて、フリンジング幅Ｌｆが大きくなり、実効断面積Ａｇが大きくなって、インダクタンスＬを大きくすることができる。

以上がこの実施形態における基本的な考え方である。

次に、上記の基本的な考え方を具体化した、本発明の一実施形態における車載用リアクトル１の詳細について述べる。

上述したように、本発明の一実施形態における車載用リアクトル１は、図１に示したように、コア１０がヨーク部１１、１２と脚部１３、１４とで構成されている。そして、脚部１３は部分脚部１３ａと部分脚部１３ｂに分かれていて、部分脚部１３ａと部分脚部１３ｂの接合部にギャップ１３ｃを有している。同様に、脚部１４は部分脚部１４ａと部分脚部１４ｂに分かれていて、部分脚部１４ａと部分脚部１４ｂの接合部にギャップ１４ｃを有している。さらに、脚部１３、１４には、それぞれコイル２１、２２が巻かれている。

なお、ギャップ１３ｃ、１４ｃは、厚みが１ｍｍ程度のセラミックを、部分脚部１３ａと部分脚部１３ｂの接合部および部分脚部１４ａと部分脚部１４ｂの接合部に挿入することにより構成されている。

その上で、この実施形態における車載用リアクトル１では、脚部１３、１４の幅をａ（ｍｍ）、ギャップ１３ｃの長さをＬｇ（ｍｍ）とした時に、上述した基本的な考え方（Ｌｇ／ａ^１／２を大きくする）に基づいて、下記（１８）式を満足するようにしている。
０．４≦Ｌｇ／ａ^１／２≦２．０ ・・・（１８）

ここで、上記（１８）式を満足するようにしている理由については、後述する実施例に示すが、Ｌｇ／ａ^１／２に上限を設けているのは、ギャップ長さＬｇが大きくなり過ぎると、リアクトルそのものが励磁されにくくなり、磁束密度が低下して、かえって必要とするインダクタンスが得られなくなってしまうからである。また、通常、コアの体積をあまり変更しないことが好ましいので、脚部の幅ａの減少は脚部の長さｂの増加に繋がり、リアクトルが縦方向に大型化してしまい、車載用としては適していないからである。そのため、ここでは、Ｌｇ／ａ^１／２に上限値を設けている。

なお、上記の（１７）式は、コアに用いる素材の物性値を使用せずに表されるので、フリンジング幅Ｌｆは、コアに用いる素材によらず、脚部の幅ａとギャップの長さＬｇによってのみ決まる。

また、（１７）式を導出した際の条件は、ギャップの位置や個数が変わっても変化しないので、フリンジング幅Ｌｆはギャップの位置や個数にも影響されない。

つまり、上記の実施形態では、図１に示したように、脚部１３、１４にそれぞれ１個のギャップ１３ｃ、１４ｃを設けたが、脚部１３、１４にそれぞれ複数個のギャップを設ける場合は、複数個のギャップの長さを合計した長さをギャップ長さＬｇとして、上記の（１８）式を計算すればよい。

なお、前述した（１７）式から言いえるように、脚部の幅ａを小さくすれば、フリンジングが促進されて、インダクタンスＬを大きくすることができるのであるが、脚部の幅ａの減少は脚部の長さｂの増加に繋がり、リアクトルが縦方向に大型化してしまい、車載用としては適していない。また、脚部の長さｂが長すぎることは、リアクトル全体の磁路長に対してギャップ長さＬｇの相対長さが小さくなることを意味し、磁気飽和を招きやすくなる。これらの要因を考慮して、脚部の幅ａと脚部の長さｂの比ａ／ｂは、下記（１９）式を満足するようにするのが好ましい。
０．１≦ａ／ｂ≦１．０ ・・・（１９）

以上の説明のように、この実施形態における車載用リアクトル１は、フリンジング幅Ｌｆを大きく出来ることから、リアクトルを流れる使用電流が２００Ａ以上である場合でも、良好なインダクタンスを得ることができ、ハイブリッド自動車等の駆動電源系統に用いられる車載用リアクトルとして好適である。

なお、使用電流の上限は、ハイブリッド自動車等の駆動条件によって定まるが、例えば４００Ａ程度とすることが考えられる。

そして、この実施形態における車載用リアクトル１の寸法例は、下記の如くである。

脚部の幅ａ：２０ｍｍ
脚部の長さｂ：６０ｍｍ
ギャップ長さＬｇ：１ｍｍ
ヨークの幅ｄ：２０ｍｍ
ヨークの長さｅ：１００ｍｍ

本発明の実施例として、図１に示した車載用リアクトル１を用いて、インダクタンスＬを計測した。

その際に、コア１０の素材は、珪素を４〜７質量％含有する高珪素鋼板とした。また、コア１０の高珪素鋼板の体積は合計で７００ｃｍ^３であり、使用電流（印加電流）は２００Ａ（図５中の符号●）、２５０Ａ（図５中の符号■）、３００Ａ（図５中の符号▲）とした。

そして、コア１０に対し、コア１０の高珪素鋼板の体積を一定としたまま、ギャップ１３ｃ、１４ｃの長さＬｇを変化させることで、Ｌｇ／ａ^１／２を０．２、０．４、０．６、０．８、１．０、１．５、２．０、２．５と変化させ、それぞれのインダクタンスＬを測定した。

図５は、Ｌｇ／ａ^１／２と、測定したインダクタンスＬとの関係を示す図である。図５に示すとおり、０．４≦Ｌｇ／ａ^１／２≦２．０の範囲では、インダクタンスＬが良好な値を示し、Ｌｇ／ａ^１／２が上記の範囲を外れると、インダクタンスＬの低下が顕著に生じている。

したがって、０．４≦Ｌｇ／ａ^１／２≦２．０を満足するようにすることよって、車載用リアクトルは、コアの体積を大きくすることなく、使用電流が２００Ａ以上の大電流において、良好なインダクタンスを得ることができる。

１ 車載用リアクトル
１０ コア
１１ ヨーク部
１２ ヨーク部
１３ 脚部
１３ａ 部分脚部
１３ｂ 部分脚部
１３ｃ ギャップ
１４ 脚部
１４ａ 部分脚部
１４ｂ 部分脚部
１４ｃ ギャップ
２１ コイル
２２ コイル

Claims (2)

1. ハイブリッド自動車または電気自動車の駆動電源系統に用いられる車載用リアクトルであって、コアがヨーク部と脚部とで構成されて、脚部にギャップを有しているとともに、脚部の幅をａ（ｍｍ）、ギャップの長さをＬｇ（ｍｍ）とした時に、
   ０．４≦Ｌｇ／ａ^１／２≦２．０
   を満足していることを特徴とする車載用リアクトル。
2. 脚部の長さをｂ（ｍｍ）とした時に、
   ０．１≦ａ／ｂ≦１．０
   を満足していることを特徴とする請求項１に記載の車載用リアクトル。

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