JP4888649B2 - 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装置の騒音を低減するための対策に関する。

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、コア（鉄心）と、コアの周囲に巻き付けられたコイルとを有している。コイルには交流電流が印加されるので、コア内部には、コイル電流に応じた磁束変化が生じる。また、コアは磁束の変化に応じて歪む磁歪特性を有しているので、リアクトルの駆動時には、コアの歪みに起因する振動，騒音が発生する。非特許文献１には、閉ループ状のリアクトルにおいて、１０ｋＨｚ付近（５〜２０ｋＨｚ）の高周波の騒音が発生しやすいことが開示されている。

そこで、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。

特開２００５−７２１９８号公報 Reactor Vibration Analysis in Consideration of Coupling between the Magnetic Field and Vibration(IEEE-IAS(Industry Application Society)39TH Annual Meeting,October 3-7,2004 Westin Hotel ,Seattle)

しかしながら、上記特許文献１に開示されている蓋部材により、リアクトル装置の上方に漏れる騒音を低減することができたとしても、ケース側から伝わる振動に起因する騒音を低減することはできないという不具合がある。

本発明の目的は、ケースに要求される諸特性を損なうことなく、リアクトルから発生した振動，騒音の低減が可能な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、磁気回路を構成するコアおよび該コアに巻き付けられたコイルを有するリアクトルと、リアクトルを収納するケースと、ケースとリアクトルとの接触部に設けられた粘弾性体膜と、を備え、コアは平面形状がトラック形であり、コイルが巻き付けられた並行する２つの部分と、並行する２つの部分の端部に跨るように位置し、該コイルから露出するサイド部分コアとを有し、ケースは、コイルの一部が入り込む凹部を有する容器であって、該凹部の両端に段差を形成する中間面、および内側面を有し、サイド部分コアは、中間面に支持され、粘弾性体膜は、サイド部分コアと中間面および内側面との間にのみ介在する。そして、粘弾性体膜は、ゴムまたは熱可塑性エラストマーによって構成され、無機フィラーが充填されている。

これにより、リアクトルで発生した振動がいったん粘弾性体膜で減衰され、減衰された振動がケースに伝わるので、リアクトル装置またはこれに連結される部材から発生する騒音の低減を図ることができる。とくに、粘弾性体膜が、ゴムまたは熱可塑性エラストマーによって構成されていることにより、上記騒音の低減機能を顕著に発揮することができる。また、粘弾性体膜が、無機フィラーが充填されたゴムまたは熱可塑性エラストマーによって構成されることにより、粘弾性体膜の有する振動の減衰機能と、無機フィラーによる熱伝導性の向上機能とを併せて発揮することが可能となる。この結果、粘弾性体膜の熱伝導性を高め、ケースの内側面および中間面を経由する放熱路における放熱機能を高めることができる。
また、サイド部コアは、中間面に支持され、粘弾性体膜は、サイド部コアと中間面および内側面との間にのみ介在している。これによって、振動の伝わる可能性のある箇所を限定した上で、放熱性が限定されないようにその箇所の熱伝導性を高めることができる。

無機フィラーを金属、および／または、カーボンから構成することで、粘弾性体膜の熱伝導性を向上させて放熱経路を形成することができる。

本発明のリアクトル装置によると、リアクトルを収納するケースと、リアクトルのサイド部分コアとの接触部に粘弾性体膜を介在させたので、リアクトル装置またはこれに連結される部材から発生する騒音の低減を図ることができる。

（実施の形態１）
−リアクトル装置の構造−
図１は、実施の形態１におけるリアクトル装置Ａの概略構成を示す斜視図である。図１に示すように、本実施の形態のリアクトル装置Ａは、高透磁率材料ともいわれる軟磁性材料によって構成されるコア１と、コア１の周囲を環状に取り巻くコイル２とを有するリアクトルＢを備えている。後述するように、コア１は、平面形状がほぼトラック形をしていて、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るギャップスペーサを挟んで連結された複数の部分コアによって構成されている。また、コア１は、樹脂製のボビンによって覆われ、コイル２はボビンの外側に巻き付けられている。また、コア１の両端部とケース３の内側面などとの間には、振動を吸収するための粘弾性体膜３５が介在している。

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、上方に突出する両端の端子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２３のみが絶縁性膜から露出している。コイル２は、２つの環状部分２１が接続部２２で接続されて一体化されており、通電時には、一方の端子２３から、順次２つの環状部分２２を経て、他方の端子２３に交流電流が流れる。

図２は、本実施の形態におけるケース３の概略構造を示す斜視図である。本実施の形態においては、ケース３は、底付きの容器であり、リアクトルＢを収納するとともに、リアクトルＢで発生した熱をヒートシンクに伝達するように機能している。ケース３内部の底部には、リアクトルＢのコイル２，中ケース４などの下方への突出部を収納する凹部３１が形成されており、コア１の両端部（後述するサイド部分コア１２）が設置される中間面３２とは、所定の高低差が設けられている。そして、ケース３の内部において、内側面３３のうちの一部と中間面３２とには、後述する材料からなる粘弾性体膜３５が塗布されている。

図３は、リアクトルＢを中ケースに収納する手順を説明するための斜視図である。図４は、リアクトルＢを中ケースに収納したときの状態を、一部破断して示す斜視図である。図３に示す状態から図４に示す状態までの組立手順は、以下の通りである。まず、中間部分コア１０とギャップスペーサ１１とを貼り合わせてから、内側ボビン１３によって被覆する。その後、コイル２の各環状部分２１によって囲まれる空間内に、内側ボビン１３とギャップスペーサ１１と各中間部分コア１０との集合体を嵌合させる。このとき、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、２つのサイド部分コア１２を、上記集合体の両端で露出しているギャップスペーサ１１に跨るように、取り付ける。この際、サイド部分コア１２とコイル２とを相互に固定するため、サイド部分コア１２とギャップスペーサ１１との間に外側ボビンを挿入しておく。これにより、図３の中央部に示す組立体が組み立てられる。また、閉環状のコア１ができあがる。これにより、リアクトルＢが形成される。その後、その全体を中ケース４に収納し、中ケース４に収納されたリアクトルＢをケース３に収納する。なお、一般的な工程では、その後、加熱を伴うポッティングにより、ケース３全体の空隙を樹脂によって満たす。このとき、リアクトルＡのうち端子２３およびこれに近接する部分を除くほぼ全体は樹脂中に封止される。

図５は、リアクトル装置Ａの最終的な組立が終了したときの構造を概略的に示す断面図である。ただし、図５において、中ケース４など主要部材でない部材の図示は省略されている。図５に示すように、リアクトルＢを収納する前にケース３の中間面３２と、内側面３３のうちコア１と近接する領域とに、後述する各種粘弾性材料を液状に調整したものが塗布されて、粘弾性体膜３５が形成される。塗布の方法としては、スプレー噴射，ノズルからの滴下，刷毛塗りなどが有り、いずれを採用してもよい。粘弾性体膜３５は、無機フィラーを充填したゴム，プラスチック，高分子ゲルなどからなり、厚さ数十μｍ〜数百μｍ程度に薄く塗布されている。また、図５に示すように、ケース３の凹部３１に中ケース（図示せず）に覆われたリアクトルＢのコイル２の一部が入り込んでおり、リアクトルＢのコア１の両端のサイド部分コア１２がケース３の中間面３２と粘弾性体膜３３を挟んで支持されている。ケース３は、ヒートシンクでもある架台５の上に設置されている。そして、リアクトルＢから粘弾性体膜３５を経由して、ケース３の内側面３３および中間面３２に振動や熱が伝達され、さらに、ケース３から架台５に振動や熱が伝達される。

−ケースの材料−
本実施の形態におけるケース３は、鋳造用Ａｌ合金により構成されている。ただし、ケース３の材料は鋳造用Ａｌ合金に限定されるものではなく、Ｃｕ合金や、Ａｌ−Ｚｎ合金，ＴｉＮｉ，Ｍｎ−Ｃｕ合金，Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金，Ｍｇ−Ｍｇ２Ｎｉ合金，Ｍｇ−Ｚｒ合金などの振動減衰率が高い材料により構成されていてもよい。

−粘弾性体膜の材料−
粘弾性材料とは、粘性（流動）と弾性（変形）とを併せ持つ材料の総称である。力学的には、弾性をバネで、粘性をダッシュポットでそれぞれ表すとして、バネとダッシュポットとを並列に接続したフォークト要素と、バネとダッシュポットとを直列に接続したマックスウェル要素とが複雑に組み合わされた特性を有するものと理解されている。天然、人工を問わず、鎖状または網状の分子鎖の集合体である高分子材料のほとんどは、常温で粘弾性を有している。

特に、天然ゴム，アクリルゴム，ニトリルゴム，アクリルニトリルゴム，スチレンゴム，ブタジエンゴム，スチレンブタジエンゴム，イソプレンゴム，クロロプレンゴム，ブチルゴム，エチレンプロピレンゴム，シリコンゴム，ウレタンゴム，ヒドリンゴム，ポリノルボルネンゴム，フッ素ゴム，などのゴムが制振作用の大きい粘弾性材料である。また、加熱すれば流動して熱可塑性プラスチックとして成形でき、常温では加硫しなくてもゴム弾性を示す熱可塑性エラストマーも制振作用の大きい粘弾性材料である。熱可塑性エラストマーは、スチレン系ＴＰＥ，オレフィン系，塩ビ系，ウレタン系，エステル系，アミド系などの各種熱可塑性樹脂と、上述のような各種ゴムとを共重合（ブロック重合やグラフト重合）させたり、水素結合や疎水結合で連結させたり、複数の網目構造を絡み合わさせたり、することで、加硫することなく、常温で弾性体としての機能を持たせたものである。

高分子ゲルについては、本発明とは関係ないが、周辺の材料として参考に以下に説明する。高分子が架橋されることで、三次元的な網目構造を形成し、その内部に溶媒を吸収し膨潤したものである高分子ゲルも、制振作用の大きい粘弾性材料である。高分子ゲルとしては、ゼラチン，膠などの天然材料の他、各種合成高分子をゲル状に調整した材料がある。

一般的なプラスチック系の粘弾性材料、本発明とは関係ないが、周辺の材料として参考に以下に説明する。プラスチック系の粘弾性材料としては、ポリオレフィン，ポリエチレン，エチレン共重合体樹脂，ポリプロピレン，ポリスチレン，ポリ塩化ビニル，塩化ビニリデン樹脂などの汎用プラスチックや、ポリアミド，ポリエチレンテレフタレート，ポリエチレンナフタレート，ポリアリレート樹脂，ポリオキシベンゾイル，ポリカーボネート，ポリアセタール，ポリフェニレンエーテル，ポリフェニレンスルフィド，ポリエーテルスルホン，ポリスルホン，ポリイミド，ポリアミドイミド，ポリエーテルイミド，ポリエーテルエーテルケトンなどのエンジニアリングプラスチックがある。これらの材料は、各種添加剤によって制振作用の大きい粘弾性材料となりうる。また、ＡＢＳ樹脂，ＡＳ樹脂，ＡＡＳ樹脂，ＡＧＳ樹脂，ＭＳ樹脂，ＳＭＡ樹脂，ＭＢＳ樹脂などの各種高分子の共重合体からなる共重合体樹脂も、各種添加剤によって制振作用の大きい粘弾性材料となりうる。その他、フッ素樹脂，ポリメタクリル酸メチル，ポリメチルペンテン，シンクロペンタジエン樹脂，石油樹脂，ポリビニルアルコール，ポリ酢酸ビニル，ポリビニルブチラール樹脂，マレイミド樹脂，ポリフォスファゼン樹脂，シリコーン樹脂，セルロース系樹脂セルロース系樹脂，酢酸セルロースなどのプラスチックも、各種添加剤によって制振作用の大きい粘弾性材料となりうる。なお、フェノール樹脂，フェノールアラキル樹脂，フラン樹脂，アミノ樹脂，不飽和ポリエステル樹脂，ジアリルフタレート樹脂，ＡＤＣ樹脂，エポキシ樹脂，ビニルエステル樹脂，フェノキシ樹脂，ポリウレタンなどの熱硬化性樹脂も、剛性が高いものの、粘弾性材料である。さらに、制振作用の大きいプラスチックとして、複数のポリマーを共重合（ブロック重合やグラフト重合）させたり、水素結合や疎水結合で連結させたり、複数の網目構造を絡み合わさせたり、することで、制振機能を持たせたポリマーアロイがある。ポリマーアロイとして、例えば、ポリフェニリン・エーテルとポリスチレンとを重合させたもの、ＡＢＳ樹脂とポリカーボネートとを重合させたもの、ＡＢＳ樹脂とポリブチレンテレフタレートとを重合させたもの、ＡＢＳ樹脂とポリアミドとを重合させたもの、ポリスチレンとポリカーボネートとを重合させたものがある。ポリマーアロイには、熱可塑性エラストマーに含まれるものもある。

また、リアクトルＢの駆動時には、コイル３に流れる高周波電流に起因して多量の熱が発生するので、リアクトル装置Ａのケース３からヒートシンクとして機能する架台５までの放熱路を確保することが望まれる。そこで、上述の各種ゴム，プラスチック，高分子ゲルなどに、金属，セラミックス，ガラス，カーボンなどの無機フィラーを添加することにより、粘弾性体膜３５の熱伝導性を高め、ケース３の内側面３３および中間面３２を経由する放熱路における放熱機能を高めることができる。

本実施の形態のコア１は、大電流かつ高周波領域における交流−直流間の変換の際の負荷を緩和するためのリアクトルに適した構造であり、燃料電池車やハイブリッド車などに搭載されるものである。本発明のリアクトル装置は、上述のような騒音の低減効果を発揮する限り、車載用のものに限定されるものではない。ただし、自動車においては、リアクトル装置またはこれに連結される部材から発生する騒音が、使用上問題となるので、本発明のリアクトル装置を車載用リアクトル装置に適用することにより、顕著な効果を発揮することができる。

（他の実施の形態）
上記実施の形態においては、粘弾性材料を液状に調整したものを、ケース３の内側面３３や中間面３２に塗布することにより、粘弾性体膜３５を形成したが、本発明の粘弾性体膜の形成方法はこの方法に限定されるものではない。たとえば、フィルム状に成形された粘弾性体膜を貼り付ける方法などを採用してもよい。その場合にも、上記実施の形態と同様に、ケース３およびこれに連結される部材から発生する騒音の低減を図ることができ、粘弾性体膜に無機フィラーを充填しておくことで、高い放熱効果を発揮することができる。

上記実施の形態においては、ケース３とコア１とが接触する部位にのみ粘弾性体膜３５を設けたが、ケース３とコイル２とが近接する部位に粘弾性体膜を設けて、ケース３とコイル２とによって粘弾性体膜が挟まれる構成を採用することもできる。その場合には、中ケース４が不要となるので、コストの低減を図ることができる。

上記実施の形態においては、リアクトルＢのコア１の側部とケース３の内側面とが粘弾性体膜３５を挟んでいる構造を採用したが、当該接触部にバネが介在していて、バネと粘弾性体膜３５とが接触している構造であってもよい。その場合、バネにより振動減衰効果がさらに向上することになる。ただし、上記実施の形態において、振動減衰率の高い粘弾性体膜３５により、バネを介在させてなくても、ケース３またはこれに連結される部材から発生する騒音を低減することができる。

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。

本発明のリアクトルおよびリアクトル装置は、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。

実施の形態におけるリアクトル装置の概略構造を示す斜視図である。 実施の形態におけるケースの概略構造を示す斜視図である。 リアクトルを中ケースに収納する手順を説明するための斜視図である。 リアクトルを中ケースに収納したときの状態を、一部破断して示す斜視図である。 リアクトル装置の最終的な組立が終了したときの構造を概略的に示す断面図である。

符号の説明

Ａ リアクトル装置
Ｂ リアクトル
１ コア
２ コイル
３ ケース
４ 中ケース
５ 架台
１０ 中間部分コア
１１ ギャップスペーサ
１２ サイド部分コア
１５ 外側ボビン
２１ 環状部分
２２ 接続部分
２３ 端子
３１ 凹部
３２ 中間面
３３ 内側面
３５ 粘弾性体膜

Claims (2)

1. 磁気回路を構成するコアおよび該コアに巻き付けられたコイル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、
   前記ケースと前記リアクトルとの接触部に設けられた粘弾性体膜と、を備え、
   前記コアは平面形状がトラック形であり、前記コイルが巻き付けられた並行する２つの部分と、前記並行する２つの部分の端部に跨るように位置し、該コイルから露出するサイド部分コアとを有し、
   前記ケースは、前記コイルの一部が入り込む凹部を有する容器であって、該凹部の両端に段差を形成する中間面、および内側面を有し、前記サイド部分コアは、前記中間面に支持され、前記粘弾性体膜は、前記サイド部分コアと前記中間面および内側面との間にのみ介在し、
   前記粘弾性体膜は、ゴムまたは熱可塑性エラストマーによって構成され、無機フィラーが充填されている、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、前記無機フィラーが金属、および／または、カーボンから構成されることを特徴とする、リアクトル装置。

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