JP4466684B2 - リアクトル - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車やハイブリッド車等に搭載されるリアクトルに関するものである。

電力変換回路のリアクトルは、一般に平面視が略横長環状のリアクトルコアの２つの長手部にコイルが形成された姿勢でケース内に収容されている。このリアクトルコアは複数の電磁鋼板の積層体もしくは圧粉磁心からなる分割コアから構成されており、各分割コア間には非磁性素材のギャップ板が介装されており、ギャップ板とコアは接着剤にて接着固定されてリアクトルコアが形成されている。

このケースの下面（底面）には放熱板（ヒートシンク）が設けてあり、さらにその下方には冷却水やエアを還流させる冷却器が設けられており、コイルに電流が印加した際の発熱を該コイルまたはリアクトルコアからこの放熱板を介し、冷却器を介してクーリングしながら外部へ逃がす構造が一般的である。ここで、ケースとケース内に収容されたリアクトルコアの間には封止用の樹脂モールドが形成されており、コイルまたはリアクトルコアからの熱はこの樹脂モールド体を介して放熱板に伝熱される。

従来のリアクトルにおいては、ケースを製造する工程、コイル（場合によっては、コイルボビン）を形成したリアクトルコアをその下方に放熱板を介してケース内に収容し、この姿勢でケース内に樹脂モールド体を形成する工程、ケースの底版裏面に例えばグリスを塗布し、次いで該裏面と冷却器を組付ける工程など、製造工程数も多く、リアクトルの製造歩留まりを高めることがハイブリッド車等の量産にとっても重要な課題の一つとなっている。

また、電気自動車やハイブリッド車等に車載されるリアクトルは、一般に大電流、大電圧が印加されることから振動も大きく、該振動に起因する騒音も大きくなっているのが現状である。したがって、上記する製造歩留まりの向上、放熱性の向上に加えてその振動抑制効果の高いリアクトルの開発が急務の課題となっている。

ここで、放熱性を高めることを目的とした従来技術として、例えば特許文献１に開示のリアクトル装置を挙げることができる。このリアクトル装置は、ヒートシンクである台座の保持部にリアクトルコアを載置し、固定部材にてリアクトルコアと台座を固定した姿勢で双方を不飽和ポリエステルにて一体にモールドしたものである。
特開２００４−９５５７０号公報

上記する特許文献１に開示のリアクトル装置によれば、リアクトルコアにて発生した熱は保持部および樹脂モールドを介して台座に効率よく放熱される。しかし、この装置においても従来の他のリアクトル装置と同様に、リアクトル駆動時に生じる振動抑制効果を期待することはできず、さらには、リアクトル装置の製造において、その製造工程を簡素化し、もって製造歩留まりを高めるという効果も期待し難い。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、放熱性能を具備するとともにその振動抑制効果も期待することができ、さらには、その製造歩留まりを高めることのできるリアクトルを提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるリアクトルは、冷却器と、該冷却器上に載置固定された放熱性台座と、コイルを具備した姿勢で該放熱性台座上に載置固定されたリアクトルコアと、該放熱性台座上において該リアクトルコアまわりに形成された樹脂モールド体と、を少なくとも具備し、前記放熱性台座が、所定の減衰率と所定の熱伝導率を有する金属または合金から形成されてなることを特徴とするものである。

ここで、リアクトルコアは、磁性を有するＩ型コアとＵ型コアとが接着剤にて接合された形態、ギャップ板がエアギャップからなる形態などがある。Ｉ型コア、Ｕ型コアは、珪素鋼板を積層してなる積層体から形成してもよく、軟磁性金属粉末または軟磁性金属酸化物粉末が樹脂バインダーで被覆された磁性粉末を加圧成形してなる圧粉磁心から形成してもよい。なお、この軟磁性金属粉末としては、鉄、鉄−シリコン系合金、鉄−窒素系合金、鉄−ニッケル系合金、鉄−炭素系合金、鉄−ホウ素系合金、鉄−コバルト系合金、鉄−リン系合金、鉄−ニッケル−コバルト系合金および鉄−アルミニウム−シリコン系合金などを用いることができる。また、ギャップ板は、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やジルコニア（ＺｒＯ_２）などのセラミックスで成形することができる。

本発明のリアクトルは、従来のリアクトルの構成部材であるハウジングを省略し、冷却器とその上方の放熱性台座をたとえば一体に固定し、放熱性台座上にコイルが形成されたリアクトルコアを載置した姿勢でリアクトルコアまわりに樹脂モールド体を形成してなるものであり、従来のリアクトルに比してその構成部品点数が低減され、製造工程数の低減によって製造歩留まりを向上させるものである。

さらに、リアクトルコアを直接載置する放熱性台座は、所定の放熱性能と振動減衰性能の双方を備えた素材から成形されている。

ここで、振動減衰特性として、たとえば対数減衰率が０．１以上の性能を有することが好ましく、放熱特性として、その熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。これらの基準値は、リアクトル駆動時の目標振動加速度値やコイル上面の目標温度から設定されるものである。

上記振動減衰性能および放熱性能の双方を兼ね備えた放熱性台座用の素材としては、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）からなる金属のいずれか一種、または、Ｍｇ−Ｚｒ合金（マンガン−ジルコニウム合金）、Ａｌ−Ｚｎ合金（アルミニウム−亜鉛合金）、Ｎｉ−Ｔｉ合金（ニッケル−チタン合金）、Ｍｎ−Ｃｕ−Ｎｉ合金（マンガン−銅−ニッケル合金）からなる合金のいずれか一種、のいずれかから選定されるのがよい。

また、冷却器はたとえばその内部にラジエータ等からのクーリング水やクーリングエアが循環する構造を呈しており、その上方に位置する放熱性台座を効果的にクーリングするものである。

また、リアクトルコアと放熱性台座はたとえばシリコン系、エポキシ系等の接着剤で接着固定でき、一体とされた放熱性台座および冷却器上に接着剤を介してリアクトルコアを固定した姿勢で、このユニット体を所定の成形型内に載置し、型内にエポキシ樹脂やウレタン樹脂等を注入しながら加圧成形して樹脂モールド体を成形することにより、本発明のリアクトルが製造される。

本発明者等の実験によれば、上記放熱性能を有するリアクトルとすることで、リアクトルの負荷率調整をおこなって該リアクトル構成部材等への温度影響を緩和する必要がなくなることが実証されている。

また、Ａｌ（アルミニウム）やＣｕ（銅）から主に製造されていた従来のリアクトルの放熱板では放熱性は良好である一方でその振動減衰性が低く、したがってリアクトル駆動時の振動の問題が解消されていなかったが、本発明の放熱性台座上にリアクトルコアを載置固定することにより、この課題も効果的に解消される。

本発明のリアクトルは、上記のごとく放熱性能および振動減衰性能の双方に優れ、さらには構成部品点数の低減とハウジングの省略に伴う小型化、軽量化をも実現するものであり、したがって、高性能で軽量かつ小型な搭載機器を課題とする近時のハイブリッド車や電気自動車等への適用に最適である。

以上の説明から理解できるように、本発明のリアクトルによれば、放熱性能と振動減衰性能の双方を具備するとともに、構成部品点数を少なくでき、小型化、軽量化を同時に図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明のリアクトルの縦断図であり、図２は図１のII−II矢視図である。図３は金属または合金の対数減衰率と熱伝導率に関する照査結果を示したグラフである。図４はリアクトルの振動実験の概要を説明した図であり、図５〜７はそれぞれ振動実験におけるＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の測定結果を示したグラフである。図８はコイル上部温度の測定結果を示したグラフである。

図１は、本発明のリアクトルの一実施の形態の縦断図であり、図２はそのII−II矢視図である。リアクトル１０は、その下方から、内部にラジエータ等からのクーリング水Ｗを還流させる冷却器１と、この冷却器１に固定された放熱性台座２、この放熱性台座２の上面でエポキシ系の接着剤５を介して接着固定され、コイル６が形成されたリアクトルコア３、コイル６を含むリアクトルコア３と放熱性台座２の露出上面とを封止するための樹脂モールド体４から大略構成されている。

樹脂モールド体４はエポキシ樹脂やウレタン樹脂等からなり、冷却器１〜リアクトルコア３までを一体固定したものを不図示の成形型（金型）内に載置し、成形型内に樹脂材料を充填し、加圧成形することによって図示形状の樹脂モールド体４を成形する。

冷却器１内へラジエータ等から還流されるクーリング水Ｗはその温度が６５℃程度と比較的高いものの、リアクトル駆動時に１００℃以上の温度状態のコイル６やそれに密着するリアクトルコア３をクーリングするには十分な温度条件である。

放熱性台座２は、振動減衰性と放熱性の双方を有する金属または合金素材から成形される。多数の金属材料、合金材料の中から本発明者等が双方の特性を照査した結果を図３に示している。

ここで、振動減衰性の基準として対数減衰率が０．１以上とし、放熱性の基準として熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上であることとした。この対数減衰率の基準値は、後述するように、所定の４次元的な振動基準を満足するために設定されたものであり、熱伝導率の基準は、リアクトル駆動時のコイル上部温度を所定温度以下とするために設定されたものである。

図３中、実施例１〜５は上記する対数減衰率が０．１以上、および熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上の双方の基準を満足する金属または合金であり、比較例１〜３は双方の基準のいずれか一方を満足しない金属等である（図ではいずれも振動減衰基準を満たさない）。

実施例１〜５は順に、Ｍｎ−Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｍｇ−Ｚｒ合金、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｆｅである。なお、同様に双方の基準を満足する合金としてＡｌ−Ｚｎ合金、Ｎｉ−Ｔｉ合金も挙げられる。

一方、比較例１〜３は順に、Ｐｂ，Ｔｉ，Ａｌであり、その他、Ｃｕも挙げられる。

そこで、リアクトル１０を構成する放熱性台座２の素材としては、Ｍｎ−Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｍｇ−Ｚｒ合金、Ａｌ−Ｚｎ合金、Ｎｉ−Ｔｉ合金、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｆｅのいずれか一種を選定する。

図１で示すように、リアクトル１０は従来のリアクトルに比べて樹脂製ハウジングを無くした構造とすることで小型化、軽量化を実現できる。さらに、リアクトルコアを載置固定する放熱性台座を振動減衰性と放熱性の双方を有する金属または合金から成形することでかかる２つの性能をともに具備することができる。

[振動測定実験およびコイル上部温度測定実験の概要とその結果]
本発明者等は、図４に示すように、電源ｃとリアクトルを繋いで駆動させ、その際の振動を加速度ピックアップａで測定するとともに、コイル上部の温度を熱電対ｂにて測温した。ここで、リアクトルは、放熱性台座を上記実施例１〜５の金属または合金から成形したリアクトル１０と、従来の放熱板を上記比較例１〜３の金属から成形したリアクトル１０’で検証した。ここで、振動は、図示のごとく平面を規定するＸ方向およびＹ方向の各振動と鉛直Ｚ方向の振動を振動加速度（Ｇ＝ｇａｌ）で測定し、各振動基準以下となるか否かを検証した。一方、コイル上方の測温は１３０℃を基準温度とし、この温度以下となるか否かを検証した。なお、この振動加速度基準値と温度基準値は、その設定が適宜変更可能である。

振動実験におけるＸ方向の測定結果を図５に、Ｙ方向の測定結果を図６に、Ｚ方向の測定結果を図７に、コイル上部温度の測定結果を図８にそれぞれ示し、各測定結果を表１にまとめて示している。

まず、振動特性に関し、図５〜７および表１によれば、いずれの実施例も振動基準をすべて満足するとともに、比較例２，３のＴｉ，Ａｌからなる放熱板を具備する従来のリアクトルに比して振動は２５％以下程度まで低減できることが実証された。

一方、コイル上方温度に関しては、図８および表１より、実施例、比較例のすべてにおいて基準値を満足するものであった。これは、比較例の金属素材からなるリアクトルの放熱板であっても本来の放熱性を十分に発揮する結果となっており、妥当な結果と言える。

本実験より、実施例で使用した金属または合金素材からなる放熱性台座でリアクトルコアを載置固定することにより、放熱性能と振動減衰性能の双方に優れたリアクトルが得られることが実証された。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明のリアクトルの縦断図である。 図１のII−II矢視図である。 金属または合金の対数減衰率と熱伝導率に関する照査結果を示したグラフである。 リアクトルの振動実験の概要を説明した図である。 振動実験におけるＸ方向の測定結果を示したグラフである。 振動実験におけるＹ方向の測定結果を示したグラフである。 振動実験におけるＺ方向の測定結果を示したグラフである。 コイル上部温度の測定結果を示したグラフである。

符号の説明

１…冷却器、２…放熱性台座、３…リアクトルコア、４…樹脂モールド体、５…接着剤、６…コイル、１０…リアクトル

Claims (2)

1. 冷却器と、該冷却器上に載置固定された放熱性台座と、コイルを具備した姿勢で該放熱性台座上に載置固定されたリアクトルコアと、該放熱性台座上において該リアクトルコアまわりに形成された樹脂モールド体と、を少なくとも具備し、該樹脂モールド体の外周のハウジングが省略された構造であって、
   前記放熱性台座が、対数減衰率が０．１以上であり、かつ、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上である金属または合金から形成されてなる、リアクトル。
2. 前記放熱性台座は、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｆｅからなる金属のいずれか一種、または、Ｍｇ−Ｚｒ合金、Ａｌ−Ｚｎ合金、Ｎｉ−Ｔｉ合金、Ｍｎ−Ｃｕ−Ｎｉ合金からなる合金のいずれか一種、のいずれかで成形されていることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。

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