JP4140461B2 - リアクトル装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のコアを組み合わせてなるリアクトル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直流電源１からの電力を昇圧させて利用するモータ駆動装置１０として、例えば電気自動車やハイブリッド自動車のモータ駆動装置１０として用いられている、図１に示すような構成がある。図１において、モータ駆動装置１０は、昇圧コンバータ２と、平滑用コンデンサＣ１，Ｃ２と、インバータ３と、モータ４とを備える。
直流電源１は、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池からなる。コンデンサＣ１は直流電源１の供給電力を平滑化する作用がある。電力変換部６は直流電源１の電圧を昇圧する昇圧コンバータ２と直流から交流に変換するインバータ３とそれらを制御する駆動制御部５からなる。インバータ３は３相のスイッチング回路（ダイオードＤ３〜Ｄ８，トランジスタＱ３〜Ｑ８）からなり、モータ４と接続されている。昇圧コンバータ２はリアクトル７およびスイッチング回路（ダイオードＤ１，Ｄ２、トランジスタＱ１，Ｑ２）で構成される。また、駆動制御部５は、ここでは図示しない直流電源１、昇圧コンバータ２、インバータ３、モータ４に接続された電流センサ、電圧センサおよびスイッチング回路（Ｄ１〜Ｄ８，Ｑ１〜Ｑ８）と接続されており、各センサからの信号をもとに各スイッチング回路を適切に制御する。
より具体的には、モータ４の力行時には、直流電源１からの電力は、昇圧コンバータ２にて昇圧され、インバータ３を介してモータ５に供給される。昇圧制御中はトランジスタＱ２のオン時にリアクトル７にエネルギが蓄えられ、トランジスタＱ２のオフ時に蓄えられたエネルギが開放され、コンデンサＣ２に移行する。このオン／オフ制御が、例えば５ｋＨｚ程度の周期で繰り返されることで、電源電圧の昇圧制御が可能となる。逆に、モータ４の回生時は、降圧制御が行われるが、それはトランジスタＱ１のオン／オフ制御の繰り返しで可能となる。
駆動制御部５は上述のような制御を、車両の走行状態に応じて昇圧コンバータ２、インバータ３内のスイッチング回路を適切に制御することで、直流電源１とモータ４との間で最適な電力のやり取りを可能とする。
このようなシステムにおいては、スイッチング回路のオン／オフの繰り返しが頻繁に行われるため、騒音源となっている。特に、リアクトル装置から発生する騒音は、スイッチングの周期と連動してリアクトル７のコアの振動が誘起されるため、主騒音源である。
図２を参照して、略長円形の環状リアクトル２０を例にとったリアクトル作動中の環状コア内部の応力分布をもとに、コア振動の誘起の原理を説明する。環状リアクトル２０は２つのＵ字コア１１と６つのＩ字コアを接合面にて接合させた、略長円形状の環状リアクトルコアである。図２内の矢印は、リアクトルコア２０を有限要素で区切って、各要素の代表点を起点に、コイル通電時に誘導される磁場によって生じる内部応力の向きと移動距離を、ある瞬間でベクトル表示したＣＡＥ解析の結果である。点線は対称軸である。矢印が太いほど強い内部応力を示す。図２中のＡからＥに向かう方向で内部応力が弱くなることがわかる。このことから環状コア長手方向への収縮力が最も最大であることがわかる。また、それと同時に、Ｕ字コア１１、Ｉ字コア間に形成されるギャップ１３が存在する付近は、内周方向へのコアの変位も大きいことが示される。したがって、スイッチングの周期と連動してコアの振動が誘起されるため、騒音源となる。
前述にて示されるコアの振動・騒音に対して、本件の例とはリアクトルコアの形状は異なるが、リアクトル装置の長手方向、つまりギャップ１３の面直方向にかかる収縮力によって生じる振動・騒音の対策の一例として、特開平６−２６７７５８号広報（特許文献１）が知られている。リアクトルコアの接合面に硬度の高いセラミック製スペーサー２４を用いることでギャップ１３面の面直方向にかかる収縮力を強制的に抑制する方式である。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−２６７７５８号広報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これまでリアクトルの騒音対策においては、動作スイッチのオン／オフに応じて生じる電磁力に起因した環状コア内外周方向へのコアの振動、騒音を抑制させることは想定されていない。
環状コア内外周方向へのコアの振動が起こる原因は以下のとおりである。リアクトル装置に通電が行われている間は、コア接合面における外周側の電磁吸引力に対して内周側の電磁吸引力がやや弱いために、コア内に環状コア内周方向へのモーメントが発生し、結果として内周側にコアが変位する。リアクトル装置に通電が行われていない間は、コアは反発力によって元の位置に戻ろうとする。この現象がスイッチング素子のオン／オフに応じて周期的に繰り返されるため、環状コア内外周方向に振動が起こる。
また、コアが振動することで接合面におけるコアとギャップに挿入するスペーサーとの摩擦音が発生する。さらに、上述の振動がコア固定部材、リアクトル装置の筐体等に伝わることで、２次的、３次的な騒音もひきおこす。
そこで、本発明は、複数のコアを接合面にて接合させた環状コアにおいて、環状コア内外周方向のコアの動きを規制することで騒音を低減させたリアクトル装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電磁力に起因した接合面内外周方向のコアの動きを規制することを特徴とする。
本発明によるリアクトル装置は、複数のブロック状のコア部材を接合面にて接合させてなる環状コア構造を有するリアクトル装置において、前記リアクトル装置作動中に生ずる、前記接合面での電磁力に起因した環状コア内外周方向のコア部材の動きを規制するコア部材規制手段を備えている。
好ましくは、前記コア部材規制手段は、前記接合面での環状コア内外周方向の電磁力差を解消させることで前記コア部材の動きを抑制する間接抑制手段である。
好ましくは、前記コア部材規制手段は、前記接合面での環状コア内外周方向の電磁力差に対して抗力を与えることで前記コア部材の動きを抑制する直接抑制手段である。
好ましくは、前記間接抑制手段は、均一なクリアランスをもったコア接合面でコアを接合させてなる環状コアの内周側端部からの漏れ磁束を比較基準として、環状コアの内周側端部からの漏れ磁束を、コア内周側の磁束密度をコア外周側のそれを超えない範囲で大きくする方向に収束させ、コア内周側の電磁吸引力を増加させる電磁吸引力増加手段を備えている。
好ましくは、電磁吸引力増加手段は、前記環状コア内周側に位置するコアの接合面端部に設けた面取り部である。
好ましくは、前記間接抑制手段は、傾斜性能を備えたコアおよび／またはスペーサー２４により、前記接合面での磁束分布のムラを平滑化する手段である。
好ましくは、前記直接抑制手段は、前記環状コアの内側を非磁性高硬度部材で補間したものである。
本発明の別の様態におけるリアクトル装置は、複数のＵ字コアおよびＩ字コアを接合面で略平行に接合させてなる長円形の環状コア構造を有するリアクトル装置において、環状コアの内周側に位置するＵ字コアおよびＩ字コアの接合面端部に面取り部を設けている。
好ましくは、前記面取り部は略４５°である。
【０００６】
【発明の効果】
本発明によれば、複数のブロック状コアを接合面にて接合させてなる環状コア構造を有するリアクトル装置において、電磁力に起因した接合面内周方向へのコアの動きに対して、コア部材規制手段により、コア部材の動きを規制する。したがって振動、騒音が低減される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付す。
図３を参照して、本発明の第１の実施の形態におけるリアクトル装置３０を説明する。本発明の実施の形態は、U字コア１１、Ｉ字コア１２を接合させてなる環状コアの内外周方向の電磁力差を解消させることで同方向へのコアの動きを抑制する間接抑制手段であって、リアクトルの形状に特徴をもたせた実施例である。
リアクトル装置３０はＩ字コア１２部が形成するコアの直線状の部分と、Ｕ字コア１１部が形成する円形状のコアの部分とを組み合わせた、長円形状の環状コアを有する。Ｕ字コア、Ｉ字コア間の接合面はリアクトル装置の長手方向に垂直に設けてある。Ｉ字コアが連続して並ぶ部分は直線状であるため、製造上の都合からコイル２７を巻回しやすい。コイル２７の材質は電気抵抗が小さく、加工が容易かつ安価な銅を用いている。コアは軟磁性を備えた電磁鋼板からなる。リアクトルの場合、鋼板の一方向に磁化しやすい方向性電磁鋼板が適しているためである。その他コアの材質としては、成型性を優先して粉末焼結によるフェライトコアとしてもよい。
本実施例では、２つのＵ字コア１１と６つのＩ字コア１２を接合面でつなぎ合わせ長円形の環状コアを形成しているが、加工、組立の容易性から長円形コアの直線部分にコイル２７を巻回した結果である。コア間のギャップ１３にはコア部材と透磁率の異なる非磁性物質でできたスペーサー２４を介在させる。本発明の実施例では長手方向に垂直に、非磁性かつ高硬度なセラミック製のスペーサー２４を介在させてギャップ１３を構成している。セラミックを用いることで、ギャップ１３にかかるリアクトル装置３０の長手方向の圧縮力に抗してギャップ間距離を精度よく保持するので、コアの振動を強制的に抑制する効果が得られ、結果として騒音低減となる。
各コア間の接合面には、本発明ではギャップ１３に対して垂直方向の振動を考慮してセラミック製のプレートを用いているが、ギャップ幅を精度よく管理できる限りは樹脂製のプレートであってもよく、また、何も用いない空気層をスペーサーと見立ててもよい。
コアの大きさやギャップ幅等は使用する素材と必要とするリアクトル装置３０の性能から必然と決まる設計的事項である。
環状コアの周囲にはＵ字コア１１、Ｉ字コア１２およびスペーサー２４を一体的に固定するための鉄心バンド２５が巻かれており、端部をバンド締め付け部材２６により鉄心バンド２５を締め付け固定する。接合面はスペーサー２４を接着剤で接着させてもよい。この他、環状コア自体を外部ケースに対してボルトにて固定したり、押さえ板のようなのもで外部ケースに押し付ける形で固定してもよい。
以上のような構成において、図３の囲み部分Ａを参照して、本実施例では、さらに環状コア内周側に位置するコアの接合面端部に面取り部を設けた構造を有する。この面取り部が特許請求の範囲に記載のコア部材規制手段かつ間接抑制手段に相当する。
図３の囲み部分Ａにおける磁束の通過をイメージ化したものが図４である。図４を参照して、面取り部でおこる作用の詳細を説明する。なお、図４ではスペーサ２４を図示しない。図４上方が環状コア内周側に相当する。本発明の実施例では環状コア内周側に位置するコアの接合面短部から１０ｍｍ程度を４５°に面取りしてある。これにより、磁束は面取り部から向かいの面取り部に向かって小さい曲率をもって貫くため、漏れ磁束の量が減る。これにより環状コア内周側の磁束密度が増加するため、電磁吸引力を増大させることができ、環状コアの外周側から内周側へ向かって生じていた力をキャンセルできる。したがって、リアクトル装置３０の振動が抑制され、騒音低減となる。
本発明の実施例では４５°の面取り部を設けているが、磁束が貫く向きを変えて電磁吸引力を増加させるコア形状であれば、角度は４５°に限定されない。また、上述の面取り部をＲ形状にしてもよい。コアの幅や高さに対する面取り部の割合等は、コアブロックの幅、高さ、材質等の様々なパラメータが関係するため、ＣＡＥ解析などで最適化のチューニングをおこなうため、設計事項となる。
上記に示した本発明の実施の形態により、複数のブロック状コアを接合面にて接合させてなる環状コア構造を有するリアクトル装置３０において、前記リアクトル装置の動作スイッチのオン／オフに応じて生じる電磁力に起因した環状コア内外周方向のコアの動きを簡便な方法で規制することができる。
図５を参照して、本発明の第2の実施の形態を説明する。図５上方が環状コア内周方向に相当する。第２の実施例におけるリアクトル装置は、コア外周側から内周側に向かって発生する前記電磁力に起因した力をキャンセルさせるための抗力をコアに対して間接的に与える非接触型コア部材規制手段であって、コアの材質や組成に特徴をモータ４せた実施例である。
環状コアの内周側の透磁率を大きく、外周側の透磁率が小さくなるようにコア部材の材質を内周側から外周側に向けて変化させたコアを用いる。好ましくは、透磁率が連続的に変化する複合材料が好ましい（図５（ａ）参照）。ＣＡＥ解析の結果をフィードバックして好適に特性を調整することで接合面における磁束のばらつきをほぼ平滑化できるように最適化する。より簡易的には、少しずつ透磁率の異なる鋼板を積層させてなるコアを、その積層方向が環状コアの内外周方向にそろうように配置させることで（図５（ｂ）参照）、透磁率を調整し内外周方向の電磁吸引力差を解消する。このように透磁率に変化をもたせたコアを用いることが、請求項に記載のコア部材規制手段かつ間接抑制手段に相当する。
第２の実施例に示した構成から、複数のブロック状コアを接合面にて接合させてなる環状コア構造を有するリアクトル装置３０において、前記リアクトル装置の動作スイッチのオン／オフに応じて生じる環状コアの内外周での電磁吸引力差を解消することで、環状コアの接合面内外周方向の振動を抑制できる。したがってリアクトル装置３０の騒音も低減できる。また、面取り部のようなコア形状に変化をきたさない手段であるため、コイルの巻回性やリアクトルの筐体への設置のし易さは従来通りである。よって、製造ライン等の設計を変更する必要がないという点でも優れている。
図６を参照して、本発明の第3の実施の形態を説明する。図６（ｂ）ではスペーサ２４を図示しない。図６の上方が環状コアの内周側に相当する。第３の実施例におけるリアクトル装置は、コア外周側から内周側に向かって発生する前記電磁力に起因した力をキャンセルさせるための抗力を直接与える接触型コア部材規制手段であって、新たにコアの動きを規制する規制部材を用いた実施例である。
本発明の第２の実施例と同様な、環状コアの内外周方向に透磁率が連続的あるいは段階的に変化するような特性をもったスペーサー２４を接合面に介在させることでも同様の効果を得る。環状コア内周側は透磁率の高い組成をもたせ、外周側は透磁率の低い組成とすることで、電磁力に起因する吸引力を平滑化させ、環状コア内外周方向のコアの振動を抑制する。スペーサー２４の材質は透磁率の傾斜をもたせた非磁性の高硬度材料、例えばセラミックを用いることで、従来の目的でもある長手方向の振動を抑えつつ、環状コア内外周方向の振動も同時に抑制できる。このような透磁率が連続的あるいは段階的に変化するような特性をもったスペーサー２４は、請求項に記載のコア部材規制手段に相当する。
その他、環状コアの内周側のほぼ対面間に非磁性高硬度部材を介在させ（図６（ｂ）参照）、環状コア内外周方向の動きを直接的に規制することでも同様の振動抑制効果が期待できる。規制部材の素材は非磁性の高硬度材料、例えばロッド状、ブロック状のセラミックなどが好ましい。同様の形状で樹脂部材であってもよい。また、Ｉ字コア１２をリアクトル装置の筐体にボルト等で直に固定してもよい。これにより、Ｉ字コア１２部分の振動を抑制できる。また、比較的簡便な方法である点、他の方法に比較してコアを強固に固定できる点で優れている。
また、本発明の実施の形態および第２、第３の実施の形態を組み合わせることで、電磁力に起因した接合面内外周方向のコアの動きを規制する実施の様態であってもよい。また、Ｕ字コア、Ｉ字コアの組み合わせる数は例示であって制限的なものではない。
以上に説明した本発明の実施の形態、および、その他の実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではない。また、本発明の範囲は、上記の実施の形態の説明ではなくて、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置の回路図である。
【図２】環状コアを有するリアクトルのコア内部の応力分布図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態におけるリアクトル装置３０の図である。
【図４】接合面における磁束の通過をイメージ化した図である。
【図５】本発明の第2の実施の形態における接合面の図である。
【図６】本発明の第3の実施の形態における接合面の図である。
【符号の説明】
１…直流電源
２…昇圧コンバータ
３…インバータ
４…モータ
５…駆動制御部
６…電力変換部
７…リアクトル
１１…Ｕ字コア
１２…Ｉ字コア
１３…ギャップ
２０…応力分布
２４…スペーサー
２５…鉄心バンド
２６…鉄心バンド締め付け部
２７…コイル
３０…リアクトル装置
Ｃ１，２…コンデンサ
Ｑ１〜Ｑ８…トランジスタ
Ｄ１〜Ｄ８…ダイオード

Claims (4)

1. 一対のＵ字コアと前記一対のＵ字コアの間に挟まれた複数のＩ字コアとを含む複数のブロック状のコア部材で構成される環状コア構造を有するリアクトル装置であって、前記複数のコア部材の対向面同士の間には、それぞれギャップが設けられ、
   前記リアクトル装置は、
   前記リアクトル装置作動中に生ずる、前記対向面での電磁力に起因した環状コア内外周方向の前記複数のコア部材の動きを規制するコア部材規制手段を備え、
   前記コア部材規制手段は、前記対向面での環状コア内外周方向の電磁力差を解消させることで前記コア部材の動きを抑制する間接抑制手段を含み、
   前記間接抑制手段は、前記対向面同士のクリアランスが均一である場合の環状コアの内周側端部からの漏れ磁束と比較して、環状コアの内周側端部からの漏れ磁束を減じて、コア内周側の電磁吸引力を増加させる電磁吸引力増加手段であり、
   前記電磁吸引力増加手段は、前記ギャップが設けられた前記対向面同士のコア内周側の電磁吸引力とコア外周側の電磁吸引力とを均衡させるように、前記対向面同士のそれぞれのコア内周側端部に、前記複数のコア部材の上面に略垂直な方向の全体に渡って形成された面取り部であることを特徴とする、リアクトル装置。
2. 前記コア部材規制手段は、前記間接抑制手段に加えて、前記対向面での環状コア内外周方向の電磁力差に対して抗力を与えることで前記コア部材の動きを抑制する直接抑制手段をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のリアクトル装置。
3. 前記直接抑制手段は、前記環状コアの内側を非磁性高硬度部材で補間させたことを特徴とする、請求項２に記載のリアクトル装置。
4. 前記コア部材規制手段は、前記間接抑制手段に加えて、傾斜性能を備えたコアおよび／またはスペーサーにより、前記対向面での磁束分布のムラを平滑化する手段をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のリアクトル装置。

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