JP4687973B2 - リアクトル装置 - Google Patents

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の騒音低減と耐熱性向上の対策に関する。

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、複数の部分コアをギャップを挟んで重ねてなるコアと、コアの周囲に巻き付けられたコイルとを有している。コイルに電流が流れると、コア内部に磁界が発生し、ギャップを挟んだ部分コア同士の間に磁気吸引力が発生してリアクトルが振動を生じる。この振動に起因する騒音がリアクトル装置の外部に放出される。

そこで、この騒音をいかに低減させるかが１つの課題である。特に、１０ｋＨｚ付近（５〜２０ｋＨｚ）の高周波の騒音を低減させることが求められている。そこで、従来より、リアクトル装置が発生する騒音を低減させるための多くの提案がなされている。

たとえば、特許文献１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。特許文献２では、リアクトル中のコア同士の間に防振材を介在させることにより、騒音を抑制しようとする技術が開示されている。

特開２００５−７２１９８号公報 特開２００４−３１９６７９号公報

しかしながら、本発明者達の実験によると、振動のレベルと騒音のレベルとの間には必ずしも明確な相関関係がみられなかった。つまり、上記公報の技術を含める従来の技術においては、振動を防止することと騒音を防止することとが同一視されているなど、騒音を効果的に外に出さないための構造上の分析が不十分であったといえる。そのために、人の可聴範囲における高周波の騒音の発生を的確かつ効果的に低減することが困難であった。

また、リアクトルの駆動電流が増大する傾向にあることから、コイルから発生するジュール熱や、磁束変化に起因するコアからの発熱も増大してきており、封止部材に求められる耐熱性も高まっている。

一方、一般的に、耐熱性の高い樹脂（たとえばエポキシ樹脂）は、耐熱性の低い樹脂（たとえばウレタン樹脂）よりも高価であるので、使用量をできるだけ抑制する必要がある。すなわち、現実的なコストを無視して、騒音低減対策や耐熱性向上対策を講ずることはできない。

本発明の目的は、製造コストの抑制や耐熱性を考慮しつつ、高周波の騒音の低減が可能な構造を有する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、ギャップを挟んで位置する複数のコアを備えるリアクトル装置であって、コイルおよびコアを有するリアクトルと、リアクトルを収納するケースと、リアクトルとケースとの間隙に介在し、樹脂を主成分として高比重フィラーを含む、リアクトルに接して封止する内側封止部材および該内側封止部材に接する外側封止部材からなる２重構造の封止部材とを備え、コアは、内側部分コアと外側部分コアとからなり、コアは、並行する１対の内側部分コアと、その１対の内側部分コアの一方の端において該１対の内側部分コアに跨るように位置する一方の外側部分コアおよび他方の端において該１対の内側部分コアに跨るように位置する他方の外側部分コアとからなり閉環状であって、ギャップが挟まれており、１対の内側部分コアには、それぞれギャップを含むように平角線が巻き回されてコイルが形成されており、外側部分コアは、コイルから露出しており、封止部材を介在させることなくケースの内面の底面と接触して支持されており、内側封止部材において、前記樹脂はエポキシ樹脂であり、前記高比重フィラーを含んで前記内側封止部材の比重は２．５以上であり、前記外側封止部材において、前記樹脂はウレタン樹脂であり、前記高比重フィラーを含み、ケースの内面の底面には、コイルが入り込むための凹部が設けられ、該コイルは、外側部分コアが該凹部周縁の上段部であるケースの底面で支持されながら、該凹部に入り込んでケースの凹部の底から離れており、内側封止部材は該凹部の底に回り込んで該コイルを全長にわたって全周を囲んでおり、また外側封止部材は該凹部の底に回り込んで該内側封止部材を囲んでいる。

これにより、内側封止部材と外側封止部材とを構成する材料を、騒音，耐熱性，コストを考慮して、選択することができるので、製造コスト，耐熱性を考慮しつつ、高周波の騒音の低減が可能となる。
また、内側封止部材が外側封止部材よりも耐熱性が大きいエポキシ樹脂を主成分として含むことにより、リアクトルに接する内側封止部材だけに、比較的高価な高耐熱性樹脂を用いて、耐熱性の向上とコストの低減とを図ることができる。また、内側封止部材が外側封止部材よりも比重が大きいエポキシ樹脂を主成分として含むことにより、騒音低減に必要な厚さを確保した場合に、使用量が少なくて済む内側封止部材として、比較的高価な高耐熱性のエポキシ樹脂を用いる一方、外側封止部材として安価なウレタン樹脂を用いることができ、耐熱性の向上とコストの低減とを図ることができる。

内側封止部材がエポキシ樹脂を主成分として含むことにより、リアクトルに接する内側封止部材の耐熱性を確保し、かつ、高価なエポキシ樹脂の使用量をできるだけ少なくしてコストを抑制しつつ、封止に汎用される樹脂ではもっとも比重の高い樹脂による，高い騒音低減効果を発揮することができる。
また、ケースは上面を開放しており、封止部材はケースの上面側で露出するようにできる。これによって、熱の放散を促進することができる。
また、ギャップに非磁性かつ絶縁性材料のギャップスペーサを挿入することができる。これによってギャップを小さく一定に制御して、周知の効果、磁気抵抗の低減を得ることができる。

使用量の大きい外側封止部材がウレタン樹脂を主成分として含むことにより、製造コストをできるだけ安価に抑えることができる。

内側封止部材または外側封止部材の少なくともいずれか一方が、樹脂と該樹脂よりも比重が高い高比重フィラーとを含むことにより、リアクトル装置の騒音低減機能を高めることができる。

上記の場合、高比重フィラーが、樹脂よりも熱伝導率が高い材料からなることにより、封止部材を経た放熱効率を高めることができる。

高比重フィラーが無機材料であることにより、封止部材の絶縁性を高めつつ、比重の増大を図ることができる。また、封止部材の熱伝達率も向上する。

内側封止部材または外側封止部材の少なくともいずれか一方の比重は、２．０を超えていることが好ましい。

本発明のリアクトル装置によると、リアクトルとケースとの間に介在する封止部材を、内側封止部材と外側封止部材との二重構造にすることにより、製造コストの抑制や耐熱性を考慮しつつ、リアクトル装置から発生される騒音の低減を図ることができる。

図１（ａ）〜（ｄ）及び図２（ａ）〜（ｅ）は、実施の形態におけるリアクトル装置の組立工程を示す斜視図である。

図１（ａ）に示す工程で、２つの積層鋼板１０と３つのギャップスペーサ１１とを交互に重ねてなる，１対の内側部分コア１ａを形成する。積層鋼板１０は、多数の鋼板を含浸ワニスや、エポキシ系又はアクリル系の含浸接着剤によって接着することにより構成されている。ギャップスペーサ１１は、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ている。

次に、図１（ｂ），（ｃ）に示す工程で、各内側部分コア１ａの積層鋼板１１の外周を被覆する，樹脂製の内側ボビン１３を取り付ける。このとき、積層鋼板１１の最外方のギャップスペーサ１１は内側ボビン１３に覆われずにはみ出た状態となっている。

次に、図1（ｄ）に示す工程で、コイル２を準備する。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、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２１のみが絶縁性膜から露出している。

次に、図２（ａ）に示す工程で、コイル２の各環状部分２１によって囲まれる空間内に、ボビン１３によって覆われた各内側部分コア１ａを嵌合させる。このとき、各内側部分コア１ａの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、図２（ｂ）に示す工程で、２つの外側部分コア１ｂを、各内側部分コア１ａの各ギャップスペーサ１１に跨るように、取り付ける。これにより、２つの内側部分コア１ａと２つの外側部分コア１ｂとにより、閉環状のコア１が構成される。また、外側部分コア１ｂとコイル２とを相互に固定する，２つの樹脂製の外側ボビン１５を取り付ける。これにより、リアクトルＸが形成され、リアクトルＸのコイル２に電流が流れたときには、閉環状のコア１にリアクトルＸの磁路が形成されることになる。

次に、図２（ｃ）に示す工程で、リアクトルＸを型５内に収納した状態で、加熱を伴うポッティングにより、リアクトルＸと型５との間の空隙を、内側封止部材４ａによって満たす。このとき、本実施の形態では、リアクトルＸのうち端子２３およびこれに近接する部分と、外側部分コア１ｂの底面とを除くほぼ全体は封止部材４中にほぼ封止されている。本実施の形態においては、内側封止部材４ａは、エポキシ樹脂を主材料とし、フィラーとして、エポキシ樹脂に一般的に添加される各種物質と、エポキシ樹脂よりも比重の高い高比重フィラーであるアルミナとを含んでいる。型を用いずに、エポキシ樹脂を塗布したり、吹き付けたりしてもよい。

なお、本実施の形態では、樹脂に高比重フィラーであるアルミナを添加したことにより、エポキシ樹脂の粘性が高くなっているので、図２（ｃ）に示す工程では、樹脂等を加熱しつつポッティングを行なったが、樹脂に大気圧を超える圧力を印加して圧入してもよい。

次に、図２（ｄ）に示す工程で、ケース３内に、内側封止部材４ａが被覆されたリアクトルＸを収納する。ケース３は、ＣｕまたはＣｕ合金，アルミニウムまたはやアルミニウム合金などの熱伝導性が良好な材料によって構成されており、リアクトルＸで発生した熱をケース３から外方に逃すように構成されている。

次に、図２（ｅ）に示す工程で、ポッティングにより、内側封止部材４ａとケース３との間の空隙を、外側封止部材４ｂによって満たす。このとき、本実施の形態では、リアクトルＸのうち端子２３およびこれに近接する部分と、外側部分コア１ｂの底面とを除くほぼ全体は内側および外側封止部材４ａ，４ｂからなる封止部材４中にほぼ封止されている。本実施の形態においては、外側封止部材４ｂは、ウレタン樹脂を主材料とし、フィラーとして、ウレタン樹脂に一般的に添加される各種物質と、ウレタン樹脂よりも比重の高い高比重フィラーであるアルミナとを含んでいる。これにより、リアクトル装置Ｙが形成される。

図３は、本実施の形態におけるリアクトル装置Ｙの概略構造を示す縦断面図である。ただし、見やすくするために、リアクトルＸは断面構造ではなく側面図で示している。同図に示すように、ケース３の内面の底面には、リアクトルＸのコイル２が入り込むための凹部が設けられており、リアクトルＸのコア１（外側部分コア１ｂ）がケース３の内面の底面と接触して支持されている。そして、コイル２とケース３の凹部底面との間には、内側および外側封止部材４ａ，４ｂからなる封止部材４が回り込んで介在している。図示されていないが、ケース３はヒートシンクの上に設置されていて、コア１とケース３とが接触していることにより、リアクトルＸで発生した熱がケース３からヒートシンクに効率よく放熱される。

本実施形態のリアクトル装置Ｙは、リアクトルＸとケース３との間の間隙が、エポキシ樹脂に高比重フィラーとしてのアルミナを添加した内側封止部材４ａと、ウレタン樹脂にアルミナを添加した外側封止部材４ｂとによって埋められていることにより、後述するように、リアクトル装置Ｙから発生する騒音を低減することができる。しかも、全間隙をエポキシ樹脂を主成分とする内側封止部材４ａによって満たすと製造コストが多大になるおそれがあるが、安価なウレタン樹脂を主成分とする外側封止部材４ｂを、内側封止部材４ａとケース３との間隙に介在させることにより、製造コストとを抑制することができる。以上の効果について、データを示しながら、以下に説明する。

−実験例−
図４は、本発明の過程において行なった封止部材としての封止樹脂の種類と騒音変化量との関係を調べた実験結果を表にして示す図である。同図における騒音低減効果の数値（ｄＢ）は、リアクトル装置の封止樹脂がないときの騒音（周波数１０ｋＨｚ）に対する騒音変化量を表している。同図において、ウレタン樹脂Ａ，Ｂは、それぞれサンユレック社製の品番ＳＺ−１４４３，ＵＦ−１０９７のものである。ウレタン樹脂Ｃは、日本合成化工社製の品番Ｕ−３３１のものである。発泡ウレタンは、第一工業製薬社製の品番Ｈ−９５１９のものである。エポキシ樹脂は、菱電化成社製の品番Ｒ−４１１のものである。シリコーンＲＴＶゴムは、信越シリコーン社製の品番ＫＥ−１８４３のものである。同図に示すように、封止樹脂の比重が大きいほど騒音変化量（低減量）が大きい傾向がある。なお、同時に、振動の低減効果についても実験を行った結果、振動低減効果と騒音低減効果とは一致しているわけではなく、振動低減効果が大きいにもかかわらず、騒音低減効果の小さいサンプルや、騒音低減効果が大きいにもかかわらず振動低減効果の小さいサンプルがある。すなわち、封止樹脂の比重と振動の低減効果との間には、明確な相関関係は認められていない。特許文献１，２では、振動を低減する手段を求めることで、騒音の低減を実現することができると記載されているが、実際に実験を行うと、その認識は必ずしも正しいとはいえないことがわかった。

図５は、図４のデータから作成した，封止部材の比重と騒音低減効果との相関関係を示すグラフである。同図の横軸は比重を表し、縦軸は、リアクトル装置の封止部材がないときの騒音に対する騒音低減効果（ｄＢ）を表している。同図に示されるように、封止部材の比重とリアクトル装置の騒音低減効果との間には、有意性のある相関関係が見られる。

現在、汎用されている封止樹脂は図４，図５に示すウレタン樹脂Ａであるが、本実験の結果から、封止部材としてウレタン樹脂Ａをエポキシ樹脂に代えることにより、騒音量が低減されることがわかった。

一方、騒音量としては、ウレタン樹脂Ａを用いたものよりも５デシベル程度以上低いことが望ましいが、封止部材中の樹脂をウレタン樹脂Ａからエポキシ樹脂に代えても、３．７ｄＢの騒音低減量である。しかしながら、封止部材として、主材料である樹脂を高比重の樹脂に置き換えるだけで、封止部材全体としての比重の増大を図るには限界がある。特に、現存するプラスチックで、かつ、リアクトル装置の封止部材として実用的な樹脂の種類は、それほど多くない。

そこで、本発明者達は、封止部材のフィラーとして、樹脂よりも比重の高い高比重フィラーを添加することにより、封止部材の比重を高めて、騒音の低減を図ることを想到するに至った。フィラーとして比較的比重の大きいものを選択すれば、相当の比重増大を果たすことができるからである。また、フィラーとして熱伝導率の高い材料を選択すると、放熱効果の増大も期待することができる。

図６は、エポキシ樹脂（菱電化成社製の品番Ｒ−４１１）に各種フィラーを混入してなる封止部材によってリアクトルＸとケース３との間隙を満たしたときの騒音変化量（周波数１０ｋＨｚ）を表にして示す図である。同図において、騒音低減効果は封止部材を用いなかったときのリアクトル装置の騒音からの騒音低減効果を表している。比重２．５のサンプルおよび比重３．０のサンプルは、エポキシ樹脂にアルミナをフィラーとして添加したものである。いずれも、比重を所定値にするようにフィラーの添加量を調整している。

図６に示されるように、封止部材として、エポキシ樹脂にアルミナをフィラーとして添加したものを用いることにより、ウレタン樹脂Ａを用いたときよりも、リアクトル装置の騒音を５ｄＢ以上低減することができる。特に、比重２．５以上に調整したものを用いることにより、リアクトル装置の騒音の低減を図ることができる。

一方、リアクトルＸとケース３との間の空隙をすべてフィラー添加エポキシ樹脂で埋めると、騒音の低減効果や耐熱性は大となるが、製造コストの上昇を招く。そこで、内側封止部材４ａまたは外側封止部材４ｂの一方のみエポキシ樹脂を主成分とすることにより、製造コストを抑制することができる。特に、騒音低減効果に必要な厚みを確保した場合、総体積がより大きい外側封止部材４ｂに、安価なウレタン樹脂を用い、エポキシ樹脂の使用量をできるだけ少なくすることにより、製造コストをできるだけ低く抑制することができる。すなわち、封止部材４における内側封止部材４ａと外側封止部材４ｂとの割合を、所望の騒音低減量が確保でき、かつ、製造コストができるだけ安くて済むように、調整することができる。

また、リアクトルに直接接触する内側封止部材４ａを耐熱性の高いエポキシ樹脂とすることにより、リアクトルの駆動電流が増大しても、封止部材４全体の耐熱性を良好に維持することができる。

（他の実施の形態）
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。

実施の形態では、本発明のリアクトル装置における封止部材の主要素である樹脂を特定のエポキシ樹脂として説明したが、本発明の封止部材の主要素である樹脂は、他のエポキシ樹脂，各種ウレタン樹脂，シリコーンＲＴＶゴムなど、他の樹脂であってもよい。

実施の形態では、本発明のリアクトル装置における封止部材の高比重フィラーとしてアルミナを用いた場合を例にとって説明したが、本発明の高比重フィラーを構成する材料は、他の各種材料であってもよい。たとえば、金属フィラーを用いても、封止部材の絶縁性を損なわないものであれば、不具合は生じない。

本発明のリアクトル装置は、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。

（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態におけるリアクトル装置の組立工程の前半部を示す断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、実施の形態におけるリアクトル装置の組立工程の後半部を示す断面図である。 実施の形態におけるリアクトル装置の概略構造を示す縦断面図である。 本発明の過程において行なった封止部材としての封止樹脂の種類と騒音変化量との関係を調べた実験結果を表にして示す図である。 図４のデータから作成した，封止樹脂の比重と騒音低減効果との相関関係を示すグラフである。 エポキシ樹脂に高比重フィラーを混入してなる封止部材を用いたときの騒音低減量を表にして示す図である。

符号の説明

Ｘ リアクトル
Ｙ リアクトル装置
１ コア
１ａ 内側部分コア
１ｂ 外側部分コア
２ コイル
３ ケース
４ 封止部材
４ａ 内側封止部材
４ｂ 外側封止部材
５ 型
１０ 積層鋼板
１１ ギャップスペーサ
１３ 内側ホビン
１５ 外側ホビン
２１ 環状部分
２２ 接続部分
２３ 端子

Claims (3)

1. ギャップを挟んで位置する複数のコアを備えるリアクトル装置であって、
   コイルおよびコアを有するリアクトルと、
   前記リアクトルを収納するケースと、
   前記リアクトルと前記ケースとの間隙に介在し、樹脂を主成分として高比重フィラーを含む、前記リアクトルに接して封止する内側封止部材および該内側封止部材に接する外側封止部材からなる２重構造の封止部材とを備え、
   前記コアは、内側部分コアと外側部分コアとからなり、
   前記コアは、並行する１対の前記内側部分コアと、その１対の内側部分コアの一方の端において該１対の内側部分コアに跨るように位置する一方の外側部分コアおよび他方の端において該１対の内側部分コアに跨るように位置する他方の外側部分コアとからなり閉環状であって、前記内側部分コアの中央位置および前記内側部分コアと前記外側部分コアとの境界位置に、前記ギャップが挟まれており、
   前記１対の内側部分コアには、それぞれ前記ギャップを含むように平角線が巻き回されて前記コイルが形成されており、
   前記外側部分コアは、前記コイルから露出しており、前記封止部材を介在させることなく前記ケースの内面の底面と接触して支持されており、
   前記内側封止部材において、前記樹脂はエポキシ樹脂であり、前記高比重フィラーを含んで前記内側封止部材の比重は２．５以上であり、前記外側封止部材において、前記樹脂はウレタン樹脂であり、前記高比重フィラーを含み、
   前記ケースの内面の底面には、前記コイルが入り込むための凹部が設けられ、該コイルは、前記外側部分コアが該凹部周縁の上段部である前記ケースの底面で支持されながら、該凹部に入り込んで前記ケースの凹部の底から離れており、前記内側封止部材は該凹部の底に回り込んで該コイルを全長にわたって全周を囲んでおり、また前記外側封止部材は該凹部の底に回り込んで該内側封止部材を囲んでいる、リアクトル装置。
2. 請求項１に記載のリアクトル装置において、前記ケースは上面を開放しており、前記封止部材は前記ケースの上面側で露出している、リアクトル装置。
3. 請求項１または２に記載のリアクトル装置において、前記ギャップに非磁性かつ絶縁性材料のギャップスペーサが挿入されている、リアクトル装置。

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