JP5050709B2 - 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に係り、特に、振動低減対策に関する。

近年、環境問題から、ハイブリッド車や燃料電池車のごとく、バッテリ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、エネルギーを蓄積・放出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スペーサ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、ギャップスペーサ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。リアクトル装置は、リアクトルをケース内に収納して構成されるが、リアクトルの振動がケースに伝搬すると、騒音がリアクトル装置の外部に放出される。また、リアクトルの振動によって、リアクトル装置内部の発熱量も増大するおそれがある。

そこで、このリアクトル装置の振動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、リアクトル装置の騒音につながるリアクトルの振動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、積層鋼板の突き当て部のワニスを除去した状態で、突き当て部とギャップスペーサの間に固定用接着剤を充填／硬化させることにより騒音を抑制することが開示されている。
特許文献２には、接着強度１００ｋｇｆ／ｃｍ² 以上の接着剤でコア構成部品とギャップスペーサを接着することにより、振動を低減することが開示されている。
特許文献３には、ギャップスペーサをコア直線部の縦軸方向に対して傾斜して設けることにより、磁気吸引力に起因する振動を低減することが開示されている。
特開２００５−７２１９９号公報 特開平８−１１１３２２号公報 特開２００５−２４３８０５号公報

上記各特許文献の技術では、リアクトル内で生じる振動をある程度抑制することが可能とされている。しかしながら、磁気吸引力によって生じる振動がリアクトルからケースに伝わると、上記従来の技術では、ケースで振動が生じるのを有効に低減することができない、という不具合があった。

本発明の目的は、リアクトルからケースへの振動の伝搬を抑制する手段を講ずることにより、振動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。

本発明は、一対の直線部と、これら直線部の端部を接続する一対の接続部とを有し、少なくとも前記直線部が複数の部分コアから形成されているとともに、各部分コア同士に挟まれるギャップスペーサを設けたコアと、該コアの周囲に設けられたコイルと、前記コアおよびコイルを収納するケースと、前記コイルを覆う中ケースとを備えて構成されるリアクトル装置に適用される。

前記直線部を含むコアの外側部に、前記ケースの対向する内側面と面接触する一対の面状の支持部が設けられている。前記支持部は、前記中ケースの外側面と前記コアの外側面とから構成されている。そして、前記コアが、前記ケースの対向する内側面間に挟まれるようにして支持されている一方、前記接続部と前記ケース内面との間に隙間が設けられている。

本発明のリアクトル装置は、リアクトルのコアを、ギャップスペーサが配置される一対の直線部を含む部分の外側部に設けた面状の支持部を介して、ケース内側面に面接触させて支持する構造としたものである。

一方、前記接続部と前記ケース内面との間に隙間が設けられている。このため、コアが、ギャップスペーサを挟んだ部分コア同士の磁気吸引力によって発生する振動の主成分の方向では、ケースに支持されていない。したがって、コアで発生する振動の主成分のケースへの伝搬が抑制され、ケースにおける振動を抑制することができる。

コアの支持部以外の部分に、他のギャップスペーサが配置されていてもよい。ただし、ほとんどのギャップスペーサが、コアの支持部に配置されていることにより、部分コア同士の磁気吸引力によって生じる振動の大部分の成分について、そのケースへの伝搬を有効に抑制することができる。

ケースがコアの支持部に沿って延びる一対の辺部を有している場合には、一対の辺部がコイルの側方に位置する部位で外方に突出していることにより、ケースの製造コストやスペースを削減することができる。

コアの支持部が、外方に突出した部分を有していることにより、ケースのスペースを有効に利用して、コアの磁束量を増大させることができる。

コイルを覆う中ケースをさらに備えている場合には、コアとケースとの絶縁がより確実になり、かつ、ケースに対するコアの相対的な位置がほぼ一定になるという効果が得られる。そして、中ケースがケースに接触していることにより、コイルで発生した熱の放熱性が高められる。

部分コアが焼結軟磁性材料を主成分として構成されていることにより、製造コストの削減を図ることができる。

本発明のリアクトル装置によると、コアからケースへの振動の伝搬を抑制することができ、よって、ケースの振動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Ａ１の概略構成を示す斜視図である。図２は、実施の形態におけるコアのみを抜き出して示す斜視図である。図３は、ケースおよび中ケースを破断して示す、実施の形態１に係るリアクトル装置Ａ１の上面図である。

図１〜図３に示すように、本実施の形態のリアクトル装置Ａ１は、コア１と、コア１の周囲を環状に取り巻くコイル２と、これらコア１、コイル２等を収納する中ケース４と、全体を収納するケース３とを備えている。
コア１は、平面形状がトラック形状をしていて、Ｙ方向に延びる一対の直線部Ｒａ（支持部）と、各直線部Ｒａの両端部において直線部Ｒａ同士を接続する一対の接続部Ｒｂとを有している。また、コア１は、一対の直線部Ｒａに配置される中間部分コア１０ａと、各直線部Ｒａの各端部および接続部Ｒｂに亘るサイド部分コア１０ｂと、中間部分コア１０ａとサイド部分コア１０ｂとの間、および、中間部分コア１０ａ同士の間、に介設されたギャップスペーサ１１とを備えている。そして、各直線部Ｒａは、ギャップスペーサ１１の面に交差する方向（本実施の形態では直交する方向）に延びており、直線部Ｒａの側面Ｒａ１は、ギャップスペーサ１１の面に交差している。一方、接続部Ｒｂは、ギャップスペーサ１１の面にほぼ平行に延びており、接続部Ｒｂの前端面Ｒｂ１は、ギャップスペーサ１１の面にほぼ平行である。
本実施の形態では、直線部Ｒａの側面Ｒａ１は、ギャップスペーサ１１の面に実質的に直交している。「実質的に直交している」とは、各部材の寸法のばらつきや組立誤差などによって、真に直交する方向からずれる範囲を含める意味である。ただし、後述するように、直線部Ｒａに代えて、平面形状が曲線である支持部を設ける場合には、支持部の側面はギャップスペーサ１１の面に交差していればよい。

ケース３は、コア１の直線部Ｒａに直交するＸ方向（つまりギャップスペーサ１１の面に平行に）に延びる一対の短辺部３ａと、コア１の各直線部Ｒａに平行なＹ方向に延びる一対の長辺部３ｂとを有しており、各長辺部３ｂの中央付近の部分は外方に突出した突出部３ｃとなっている。この突出部３ｃの内方に、コイル２と、コイル２を覆う中ケース３とが収納されている。

ここで、本実施の形態では、コア１の接続部Ｒｂの先端面Ｒｂ１とケース３の短辺部３ａとの間には、隙間Ｓｐが存在している。一方、ケース３の長辺部３ｂと、コア１の直線部Ｒａの側面Ｒａ１とが接触している。すなわち、ギャップスペーサ１１の面に交差する方向に延びる直線部Ｒａの側面Ｒａ１において、コア１がケース３に支持されている。ただし、ここにいう支持とは、平面的な自由度を制限するための支持であって、重量的には、コア１の下面がケース３の底面と接触して、コア１が支持されている。すなわち、本実施の形態においては、直線部Ｒａがケース３によって支持される支持部となっている。

ただし、ケース３の平面形状は、必ずしも矩形である必要はなく、たとえば長辺部３ｂの平面形状が、たとえば中央部で外側に膨らんだような曲線であってもよい。その場合には、コア１の支持部の平面形状が直線でもよいし、曲線であってもよい。

コイル２は、ほぼ全体が絶縁性膜で覆われており、一対の端子２３のみが絶縁性膜から露出している。このように、コイル２は、コア１の各直線部Ｒａを覆う２つの環状部分２１が連結部２２で接続されて構成されおり、通電時には、一方の端子２３から、順次２つの環状部分２１を経て、他方の端子２３に交流電流が流れる。

−リアクトル装置の各部の材質−
上記コア１の各部分コア１０ａ，１０ｂ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ている。軟磁性材料の例としては、純鉄、軟鉄、磁性鋼、珪素鋼、パーマロイ、センダスト、フェライト、磁性合金のアモルファス材料、などがある。ハイブリッド車のエンジン駆動用など、高周波かつ大電力を要求されるリアクトルには、１ｋＨｚ以上の周波数領域における鉄損が小さいことが求められる。また、振動を抑制するためには、コア１の磁歪が小さいことが好ましい。

本実施の形態においては、上記コア１の各部分コア１０ａ，１０ｂは、いずれも焼結軟磁性材料によって構成されている。本実施の形態では、焼結軟磁性材料として、アトマイズ法で作製した鉄系軟磁性粉末を、リン酸塩絶縁被膜および樹脂バインダで表面被覆し、その表面被覆粉末をプレス成形後、高温で焼結したものを用いている。

軟磁性材料としては、焼結軟磁性材料の他に、無方向性珪素鋼板があり、特に、珪素が約６％の無歪み珪素鋼板が、磁歪が０に近いことから、多用されている。この無歪み珪素鋼板は、製造コストが高くつくために、高価であることが難点である。一方、焼結軟磁性材料は、低保持力特性を有するとともに、無歪み珪素鋼板よりも安価であるが、無歪み珪素鋼板に比べると多少の磁歪が生じる、という不利な面もある。

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。ギャップスペーサ１１は、周波数に応じてインダクタンスを調整するために必要な部材である。また、コア１全体として、設計上、必要なギャップスペーサ１１の合計厚みが定まるので、１つのギャップスペーサ１１の厚みが過剰な漏れ電流の発生を生じることがないように、ギャップスペーサ１１の数が定められている。

また、ケース３は、ＭｇまたはＭｇ合金や、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの熱伝導性および加工性が良好な材料によって構成されており、リアクトル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。

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、ハイブリッド車などに搭載されるものである。

−リアクトル装置の動作−
リアクトルのコイル２に交流電流が流れると、コア１には、以下の作用が生じる。ギャップスペーサ１１に接する各部分コア１０ａ，１０ｂの各端部には磁化によるＮ極，Ｓ極が生じ、ギャップスペーサ１１を挟んでＮ極とＳ極とが対峙するので、各部分コア１０ａ，１０ｂには、互いの距離を縮めようとする磁気吸引力、つまり、ギャップスペーサ１１に対する圧縮力が生じる。一方、コイル２に流れる電流の交流成分に伴い磁束密度が変動するため、コア１同士の吸引・開放が生じて、コア１にはＹ方向を主成分とする振動が発生することになる。そして、この振動がケース３などに伝わると、振動が騒音に変換されることになる。

そこで、本実施の形態では、振動の主成分の方向であるＹ方向においては、コア１とケース３とが接触していないので、コア１の自由度が制限されない。そして、Ｙ方向に直交する（交差する）Ｘ方向において、一対の側面Ｒａ１を介して、コア１がケース３の長辺部３ｂの対向する内側面と面接触させられるので、コア１の自由度が制限される。つまり、コア１がＸ方向において、ケース３に支持されている。

図４（ａ），（ｂ）は、順に、本発明のコア支持構造と従来のコア支持構造とを平面的に比較する模式図である。ただし、図４（ａ），（ｂ）では、コア１に巻かれるコイル２の存在を無視して模式的に記載されている。図４（ａ）に示すように、本発明のリアクトル装置においては、コア１のギャップスペーサ１１の面に直交する（交差する）方向に延びる直線部Ｒａの側面Ｒａ１と、ケース３の長辺部３ｂの内側面とが面接触しており、側面Ｒａ１において、コア１がケース３に支持されている。つまり、Ｘ方向において、コア１が支持されている。そして、ケース３の短辺部３ａとコア１の接続部Ｒｂの先端面Ｒｂ１との間には隙間Ｓｐが介在している。

一方、図４（ｂ）に示すように、従来のリアクトル装置においては、コア１のギャップスペーサ１１の面に直交する（交差する）方向に延びる直線部Ｒａの側面Ｒａ１と、ケース３の長辺部３ｂとの間には隙間Ｓｐが介在している。そして、ケース３の短辺部３ａとコア１の接続部Ｒｂの先端面Ｒｂ１とが接触しており、接続部Ｒｂにおいて、コア１がケース３に支持されている。つまり、Ｙ方向において、コア１が支持されている。このような構造の場合には、コア１内で、ギャップスペーサ１１を挟む各部分コア１０ａ，１０ｂ間に発生する磁気吸引力に起因する振動の主成分が、ケース３に伝搬することになり、ケース３から発生する騒音の低減を図ることが困難となる。

それに対し、本発明では、コア１内で、ギャップスペーサ１１を挟む各部分コア１０ａ，１０ｂ間に発生する磁気吸引力に起因する振動の主成分が、ケース３に直接伝搬されないので、ケース３から発生する騒音の低減を図ることができる。

本実施の形態では、ケース３の直線部Ｒａに平行な長辺部３ｂに、外方に突出する突出部３ｃを設けたが、図４（ａ）に示すような、平坦な長辺部３ｂであってもよい。ただし、その場合には、コイル２が巻かれていない領域において、長辺部３ｂの厚さをコイル２の厚みだけ厚くする必要があり、ケースを構成する材料のコストが高くつくとともに、無駄なスペースを生じることになる。それに対し、本実施の形態のごとく、突出部３ｃを設けることにより、製造コストと、リアクトル装置が占めるスペースとを削減することができる。

（実施の形態２）
図５は、ケースおよび中ケースを破断して示す、実施の形態２に係るリアクトル装置Ａ２の上面図である。同図に示すように、本実施の形態においては、ケース３の平面形状は、矩形状であり、実施の形態１のような突出部は設けられていない。つまり、本実施の形態では、長辺部３ｂは平板状である。一方、コア３の直線部Ｒａにはギャップスペーサ１１の面に平行な方向に突出している突出部１０ｃが設けられている。そして、突出部１０ｃにおける直線部Ｒａの側面Ｒａ１と、ケース３の長辺部３ｂの内側面とが面接触しており、コア１の接続Ｒｂの先端面Ｒｂ１とケース３の短辺部３ａとの間には隙間Ｓｐが介在している。その他の構造は、実施の形態１において説明した通りであるので、実施形態１と同じ符号を付して説明を省略する。

本実施の形態においても、振動の主成分の方向であるＹ方向においては、コア１とケース３とが接触しないので、コア１の自由度が制限されない。そして、Ｙ方向に直交する（交差する）Ｘ方向において、側面Ｒａ１を介して、コア１とケース３とが面接触する構造を採用して、コア１の自由度を制限するようにしている。よって、実施の形態１と同じ効果を発揮することができる。

特に、本実施の形態では、コア１の直線部Ｒａに突出部１０ｃを設けたことにより、ケース３の平面形状を矩形状にすることで、形状の簡素化を図りつつ、突出部１０ｃによる磁束密度の低減作用により、コア１の損失（鉄損）を小さくすることができる。

（その他の実施の形態）
上記各実施の形態においては、ギャップスペーサ１１が直線部Ｒａのみに設けられているが、接続部Ｒｂにもギャップスペーサ１１が追加されていてもよいものとする。その場合にも、磁気吸引力に起因する振動の主成分がＸ方向に発生するからである。ただし、ギャップスペーサ１１が直線部Ｒａのみに配置されていることにより、磁気吸引力に起因する振動の大部分の成分がＸ方向に発生するので、本発明の効果がより顕著に発揮される。

上記各実施の形態では、コイル２を覆う中ケース４を設けている。確実に絶縁を行い、かつ、コア１のケース３に対する相対的な位置決めを行うことにより、リアクトル装置の使用状態や、組立時における信頼性を確保するためには、中ケース４は有用である。そして、本実施の形態のごとく、中ケース４とケース３の突出部３ｃとが接触していることにより、コイル２で発生した熱のケース３への放熱性が向上することになる。なお、中ケース４を設ける場合には、樹脂厚を薄くしたり、放熱先のケース４になるべく近づけたり、熱伝導率の高い材料によって構成することで、さらなる放熱性能の向上をはかることができる。

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１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１におけるコアの構造を示す斜視図である。 ケースおよび中ケースを破断して示す、実施の形態１に係るリアクトル装置の上面図である。 （ａ），（ｂ）は、順に、本発明のコア支持構造と従来のコア支持構造とを平面的に比較する模式図である。 ケースおよび中ケースを破断して示す、実施の形態２に係るリアクトル装置の上面図である。

Ａリアクトル装置
Ｒａ直線部
Ｒａ１側面
Ｒｂ接続部
Ｒｂ１先端面
１コア
２コイル
３ケース
３ａ短辺部
３ｂ長辺部
３ｃ突出部
４中ケース
１０ａ中間部分コア
１０ｂサイド部分コア
１０ｃ突出部
１１ギャップスペーサ
２１環状部
２２連結部
２３端子

Claims (5)

1. 一対の直線部と、これら直線部の端部を接続する一対の接続部とを有し、少なくとも前記直線部が複数の部分コアから形成されているとともに、各部分コア同士に挟まれるギャップスペーサを設けたコアと、
   該コアの周囲に設けられたコイルと、
   前記コアおよびコイルを収納するケースと、
   前記コイルを覆う中ケースとを備え、
   前記直線部を含むコアの外側部に、前記ケースの対向する内側面と面接触する一対の面状の支持部が設けられており、
   前記支持部は、前記中ケースの外側面と前記コアの外側面とから構成されるとともに、
   前記コアが、前記ケースの対向する内側面間に挟まれるようにして支持されている一方、
   前記接続部と前記ケース内面との間に隙間が設けられている、リアクトル装置。
2. 請求項１記載のリアクトル装置において、
   前記コアの前記支持部を除く部分に配置された他のギャップスペーサをさらに備えている、リアクトル装置。
3. 請求項１または２記載のリアクトル装置において、
   前記ケースは、前記コアの支持部に沿って延びる一対の辺部を有し、
   前記一対の辺部は、前記コイルの側方に位置する部位で外方に突出している、リアクトル装置。
4. 請求項１または２記載のリアクトル装置において、
   前記コアの前記支持部は、前記コイルに覆われていない部分において外方に突出した部分を有している、リアクトル装置。
5. 請求項１〜４のうちいずれか１つに記載のリアクトル装置において、
   前記コアの前記各部分コアは、焼結軟磁性材料を主成分として構成されている、リアクトル装置。

Images