WO2012111153A1 - リアクトル - Google Patents

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伸樹 篠原
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トヨタ自動車株式会社
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    • H01F27/24Magnetic cores
    • H01F27/255Magnetic cores made from particles
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01F1/00Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/12Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials
    • H01F1/14Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials metals or alloys
    • H01F1/20Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials metals or alloys in the form of particles, e.g. powder
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    • H01F1/24Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials metals or alloys in the form of particles, e.g. powder pressed, sintered, or bound together the particles being insulated
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    • H01F3/00Cores, Yokes, or armatures
    • H01F3/10Composite arrangements of magnetic circuits
    • H01F3/14Constrictions; Gaps, e.g. air-gaps
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F37/00Fixed inductances not covered by group H01F17/00

Definitions

  • the present invention relates to a reactor, and in particular, a rotating electrical machine that is a power output source, a power source that supplies driving power to the rotating electrical machine, and a converter that converts a DC voltage supplied from the power source and outputs the converted power to the rotating electrical machine. It is related with the reactor used for the said converter in an electric vehicle provided with.
  • a hybrid vehicle (hereinafter also referred to as an HV vehicle) equipped with an engine and a motor as a power source is known.
  • the HV vehicle is provided with a DC power source such as a rechargeable secondary battery, and the motor is driven by the electric power supplied from the DC power source.
  • a boost converter may be used as a booster device for boosting a DC voltage from a DC power supply and supplying it to the motor.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-237030
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-237030
  • This iron core is composed of a pair of U-shaped iron core pieces having an easy magnetization axis along a magnetic path, and each iron core piece is formed by laminating a plurality of directional electromagnetic steel sheets in a direction perpendicular to the easy magnetization axis. Configured.
  • the iron core piece is composed of three iron core portions that are continuous in the easy magnetization axis direction, and two adjacent iron core portions are connected to each other by a connecting portion provided at an end portion on the outer peripheral side of the U-shaped magnetic path.
  • the end surfaces of the iron core portions that are formed so as to intersect the easy magnetization axis are butted against each other, and the easy magnetization axes of both iron core portions are continuous along the magnetic path. .
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2009-71248 (hereinafter referred to as Patent Document 2), describes the best core structure of a composite core reactor that combines a ferrite material core and a dust core, and the reactor copper loss.
  • the reactor which makes it a subject to reduce is disclosed.
  • the reactor includes two opposing magnetic core joint portions made of a ferrite material, and a plurality of magnetic core leg portions made of a green compact made of soft magnetic powder and resin, disposed between the magnetic core joint portions.
  • An annular reactor composed of a coil wound around the magnetic core leg, wherein the magnetic core leg is composed of a plurality of blocks arranged with a gap interposed therebetween, and the gap is inside the coil. It is characterized by being arranged like this.
  • Patent Document 1 Since the iron core piece is formed by laminating electromagnetic steel plates, there is an inconvenience that the cost required for materials and processing increases.
  • the composite magnetic core reactor of Patent Document 2 that is configured by combining magnetic cores made of different materials such as a ferrite core and a dust core.
  • boost converter reactor mounted on an electric vehicle such as an HV vehicle, it is not sufficient to reduce the cost, and it is required to secure specific specifications required from the viewpoint of vehicle running performance and the like. .
  • An object of the present invention is to provide a reactor capable of reducing costs while ensuring specifications specific to an electric vehicle such as an HV vehicle.
  • a reactor according to the present invention includes a rotating electrical machine that is a power output source, a power source that supplies driving power to the rotating electrical machine, and a converter that converts a DC voltage supplied from the power source and outputs the converted DC voltage to the rotating electrical machine.
  • a reactor used for the converter in an electric vehicle and a pair of substantially U-shaped core members integrally formed of Fe-Si based magnetic powder butt the two legs of each core member through gaps. And a coil wound around the leg portion of each of the core members disposed to face each other via the gap.
  • a length of the gap is 2 to 3 mm
  • a total length of two gaps included in the reactor core is 6 mm or less
  • a cross-sectional area of the core member is 400 to 2000 mm 2
  • the number of turns is preferably 20 to 60 times.
  • the core member has a rectangular cross-sectional shape and a leg end face shape, and the outer peripheral side surface of the leg portion facing the outer periphery of the annular reactor core and the coil
  • the distance between the inner peripheral portion and the inner peripheral portion of the coil may be set larger than the distance between the inner peripheral side surface of the leg portion facing the inner periphery of the reactor core and the inner peripheral portion of the coil.
  • the core member has a rectangular cross-sectional shape and a leg end face shape, and gaps between the leg portions of the core member are formed on the inner peripheral side surface and the outer peripheral side surface of the leg portion.
  • the side portion defined by the end surface of the leg portion and the inner and outer peripheral side surfaces may be subjected to a corner dropping process so that the closer the position is.
  • the core member has a uniform longitudinal section that forms a vertically long rectangle when the upper and lower surfaces are horizontally disposed, and the protruding length of the leg portion is a vertically long shape of the rectangular. It may be formed shorter than the length in the direction.
  • a pair of substantially U-shaped core members integrally formed of Fe-Si based magnetic powder butts through two gaps and configured in an annular shape, and via the gap
  • the coil is wound around the leg portion of each core member disposed opposite to each other, and for example, the electromagnetic steel sheet laminated iron core or composite is secured while ensuring the specifications specific to the electric vehicle such as an HV vehicle.
  • the cost required for materials and processing can be reduced.
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing a boost converter in FIG. 1. It is a perspective view which shows the core of the reactor which is one Embodiment of this invention. It is a figure which shows the cross section of the reactor of this embodiment. It is a figure which shows the longitudinal cross-section of the reactor of this embodiment. It is a perspective view of the coil which comprises the reactor of this embodiment. It is a perspective view which shows the core of the reactor of a prior art example. It is a figure which shows the cross section of the reactor of a prior art example. It is a figure which shows the longitudinal cross-section of the reactor of a prior art example. FIG.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the magnetic field and the magnetic flux density for the reactor of the present embodiment made of an Fe—Si based dust core and the conventional reactor shown in FIG. 7-9 made of a magnetic steel sheet laminated magnetic core. It is a figure for demonstrating the core loss in the reactor core of this embodiment. It is a figure which shows the partial cross section of the reactor which formed the space
  • a hybrid vehicle in which two motor generators (rotating electrical machines) having a motor function and a generator function are mounted will be described. However, this is an example, and a motor having only a motor function is described. One motor may have only one generator function, or only one motor generator or three or more motor generators may be used.
  • a hybrid vehicle equipped with an engine and a motor as a power output source will be described as an example. However, the present invention may be applied to an electric vehicle such as an electric vehicle using only a motor as a power output source.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a hybrid vehicle 10 equipped with a boost converter (hereinafter, simply referred to as a converter) 35 using the reactor 50 of the present embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a circuit configuration of the converter 35.
  • the power transmission system is illustrated as a round bar-shaped shaft element, the power system is illustrated by a solid line, and the signal system is illustrated by a broken line.
  • the hybrid vehicle 10 includes an engine 12 as a driving power source, a motor (indicated as “MG2” in FIG. 1) 14 as another driving power source, and an output shaft 18 of the engine 12.
  • a motor 24 shown as “MG1” in FIG. 1) 24 to which the rotary shaft 22 is connected via a power distribution mechanism 20 to which the motors are coupled, and a battery (power source) 16 capable of supplying drive power to each of the motors 14, 24.
  • a control device 100 for controlling the operations of the engine 12 and the motors 14 and 24 in a centralized manner and for controlling the charging / discharging of the battery 16.
  • the engine 12 is an internal combustion engine that uses gasoline, light oil, or the like as fuel, and based on commands from the control device 100, cracking, throttle opening, fuel injection amount, ignition timing, and the like are controlled to start and operate the engine 12. , Stop, etc. are controlled.
  • a rotation speed sensor 28 for detecting the engine rotation speed Ne is provided in the vicinity of the output shaft 18 extending from the engine 12 to the power distribution mechanism 20. Further, the engine 12 is provided with a temperature sensor 13 that detects a temperature Tw of cooling water that is an engine cooling medium. Each detected value by the rotation speed sensor 28 and the temperature sensor 13 is transmitted to the control device 100.
  • the power distribution mechanism 20 can be suitably configured by, for example, a planetary gear mechanism.
  • the power input from the engine 12 to the power distribution mechanism 20 via the output shaft 18 is transmitted to the drive wheels 34 via the transmission 30 and the axle 32 so that the vehicle 10 can travel with the engine power.
  • the transmission 30 has a function of decelerating the rotation input from at least one of the engine 12 and the motor 14 and outputting it to the axle 32, and can be switched between a plurality of shift stages in accordance with a command from the control device 100. It may be.
  • the speed change mechanism used in the transmission 30 any known structure may be used, and a continuously variable speed change mechanism that smoothly and continuously shifts may be used instead of a step-like speed change.
  • the power distribution mechanism 20 can input part or all of the power of the engine 12 input via the output shaft 18 to the motor 24 via the rotary shaft 22.
  • the motor 24 suitably configured by a three-phase synchronous AC motor can function as a generator.
  • the three-phase AC voltage generated by the motor 24 is converted into a DC voltage by the inverter 36 and charged in the battery 16 or used as a drive voltage for the motor 14.
  • the motor 24 can also function as an electric motor that is rotationally driven by the electric power supplied from the battery 16 via the converter 35 and the inverter 36.
  • the motive power output by rotating the motor 24 to the rotating shaft 22 can be input to the engine 12 via the power distribution mechanism 20 and the output shaft 18 to perform cranking. Further, the motor 24 can be used as driving power by rotating the motor 24 with the electric power supplied from the battery 16 and outputting the power to the axle 32 via the power distribution mechanism 20 and the transmission 30.
  • a chargeable / dischargeable secondary battery such as a lithium ion battery or a nickel metal hydride battery, or a power storage device such as an electric double layer capacitor can be suitably used.
  • the battery 16 is provided with a voltage sensor 40 that detects the battery voltage Vb, a current sensor 42 that detects the battery current Ib that enters and exits the battery 16, and a temperature sensor 41 that detects the battery temperature Tb. Detection values by the sensors 40, 41, and 42 are input to the control device 100 and used to control the state of charge (SOC) of the battery 16.
  • SOC state of charge
  • a positive electrode bus 43 and a negative electrode bus 44 are connected to the positive and negative terminals of the battery 16, respectively.
  • System main relays SMR1 and SMR2 are provided on positive electrode bus 43 and negative electrode bus 44.
  • the system main relays SMR1 and SMR2 are relays that can be switched off and switched so that the high-voltage power supply system can be disconnected from the motors 14 and 24 when the motors 14 and 24 are stopped. .
  • the system main relays SMR1 and SMR2 are controlled to be disconnected and connected in accordance with a control signal transmitted from the control device 100.
  • the converter 35 includes a reactor 50 and two switching elements (for example, IGBTs) 48 and 49 in which diodes 46 and 47 are connected in antiparallel.
  • the converter 35 is a circuit having a function of boosting the DC voltage supplied from the battery 16 by using the energy storage action of the reactor 50.
  • the converter 35 has a bidirectional function, and when the power from the inverters 36 and 38 is supplied to the battery 16 as charging power, the high voltage on the inverters 36 and 38 is stepped down to a voltage suitable for charging the battery 16. It also has a function to
  • the operation control and state monitoring of the engine 12, the motors 14 and 24, the converter 35, the inverters 36 and 38, the battery 16, and the like are performed by one control device 100.
  • the engine 12 An engine ECU (Electronic Control Unit, the same applies to the following), a motor ECU for controlling the drive of the motors 14 and 24 by controlling the converter 35 and the inverters 36 and 38, and a battery for managing the SOC of the battery 16
  • An ECU or the like may be provided separately, and the control device 100 may be configured to perform overall control of the individual ECUs as a hybrid ECU.
  • a clutch mechanism for interrupting power transmission may be provided in at least one of them.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the reactor core 52 of the reactor 50 of the present embodiment.
  • 4 is a diagram showing a transverse section of the reactor 50
  • FIG. 5 is a diagram showing a longitudinal section taken along the line AA in FIG.
  • FIG. 6 is a perspective view of the coil 54 constituting the reactor 50.
  • the reactor 50 has a reactor core 52 and a coil 54.
  • the reactor core 52 is composed of a pair of core members 56 having an upper and lower surface shape (and a transverse cross-sectional shape) substantially U-shaped or bracket-shaped.
  • the core member 56 includes two leg portions 58, 58 projecting in parallel and a base portion 59 that connects the leg portions 58.
  • the end surface 60 of each leg part 58 is formed in a vertically long rectangular shape when the core member 56 is viewed from the arrow X direction with the upper and lower surfaces arranged horizontally. Further, the core member 56 has the same rectangular cross section as the end surface 60 uniformly from the end surface of one leg portion 58 to the end surface of the other leg portion 58.
  • the reactor core 52 is configured in an annular shape so that the two core members 56 face each other by abutting the end surfaces 60 of the leg portions 58 via gaps G1 having a predetermined width.
  • a gap plate 62 made of a nonmagnetic material such as ceramics is sandwiched and fixed to each gap G1. By interposing the gap plate 62 in this way, the width lg 1 of the gap G1 can be accurately defined.
  • the length lg 1 of the gap G1 is preferably 2 to 3 mm, and the total length of the two gaps (ie 2 ⁇ lg 1 ) is preferably set to 6 mm or less.
  • the protruding length A of the leg portion 58 of the core member 56 from the base portion 59 is formed to be shorter than the longitudinal length B (see FIG. 5) of the longitudinal section of the core member 56. Yes.
  • the length of the horizontal direction (X direction) of the reactor core 52 in which the two core members 56 are connected via the gap G1 can be shortened, and the two pieces of the U-shaped core member
  • the reactor 50 comprising 56 can be downsized in the X direction.
  • the rectangular longitudinal cross-sectional area is set to 400 to 2000 mm 2 .
  • the coil 54 is divided into two coil portions 54a and 54b as shown in FIGS.
  • the number of turns N of the two coil portions 54a and 54b is preferably set to 20 to 60.
  • the coil portion 54a has an input end portion 64a connected to the battery 16 side, and the coil portion 54b has an output end portion 64b connected to the switching elements 48 and 49 side.
  • the coil portions 54 a and 54 b are electrically connected to each other by a connecting portion 66.
  • the coil portions 54a and 54b are wound around the legs 58 of the pair of core members 56 facing each other across the gap G1.
  • the coil 54 is constituted by an edgewise coil formed by winding a conducting wire made of a flat copper wire or the like. Between the adjacent turns of the coil 54, electrical insulation is secured by an insulating material such as enamel coated on itself. In addition, by electrically winding an insulating member such as insulating paper between the turns of the coil 54, the electrical insulation between the turns may be further strengthened. Furthermore, a gap is formed between adjacent turns of the coil 54, and the resin material molding material to be applied later is filled in the gap, thereby further enhancing the electrical insulation between the turns. Also good.
  • this invention is not limited to the structure of the said embodiment, A various change or improvement is possible.

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Abstract

 HV車等の電動車両に特有の仕様を確保しながらコスト低減を図ることができるリアクトルを提供する。HV車用のリアクトルは、Fe-Si系磁性粉末により一体成形された一対の略U字状のコア部材56が、各コア部材56の2つの脚部58をそれぞれギャップG1を介して突き合わせて環状に構成されるリアクトルコア52と、ギャップG1を介して対向配置される各コア部材56の脚部58の周囲に巻装されるコイル54とを含む。

Description

リアクトル
 本発明は、リアクトルに係り、特に、動力出力源である回転電機と、この回転電機に駆動電力を供給する電源と、この電源から供給される直流電圧を変換して回転電機へ出力するコンバータとを備える電動車両において上記コンバータに用いられるリアクトルに関する。
 従来、エンジンおよびモータを動力源として搭載したハイブリッド車両(以下、HV車ともいう)が知られている。HV車は充放電可能な二次電池等の直流電源を備えており、この直流電源から供給される電力によって上記モータを駆動する。この場合、車両の走行性能を向上させるために、直流電源からの直流電圧を昇圧してモータへ供給するための昇圧装置として、昇圧コンバータが用いられることがある。
 HV車用の昇圧コンバータは、一般に、リアクトルと、例えばIGBT等の電力用スイッチング素子とを含む。リアクトルは、磁性材からなる複数のコア部材がギャップを介して環状に連なって配置されるリアクトルコアと、コア部材の周囲に巻装されるコイルとを有する。このように構成されるリアクトルでは、スイッチング素子を高速周期でオンオフ制御することにより、直流電源から供給される電気エネルギーがリアクトルコアに磁気エネルギーとして一時的に蓄えられて放出するチョッパ昇圧動作が行われるようになっている。
 上記のようなリアクトルに関連する先行技術文献として、例えば特開2006-237030号公報(以下、特許文献1という)には、全領域に亘って磁路方向に沿った磁化容易軸を有すると共に、鉄心片を直線領域毎に分割することなく、必要最小限の数の鉄心片から構成することを課題とした鉄心が開示されている。この鉄心は、磁路に沿って磁化容易軸を有する一対のU字状の鉄心片から構成され、各鉄心片は、複数枚の方向性電磁鋼板を磁化容易軸とは直交する方向に積層して構成されている。鉄心片は、磁化容易軸方向に連続する3つの鉄心部からなり、隣接する2つの鉄心部は、U字状磁路の外周側の端部に設けられた連結部にて互いに連結されると共に、両鉄心部の磁化容易軸方向の端部に磁化容易軸とは交差して形成された端面どうしが互いに突き合わされて、両鉄心部の磁化容易軸が前記磁路に沿って連続している。
 また、別の先行技術文献として特開2009-71248号公報(以下、特許文献2という)には、フェライト材磁心と圧粉磁心とを組み合わせた複合磁心リアクトルの磁心構成を最良とし、リアクトル銅損を低減することを課題とするリアクトルが開示されている。このリアクトルは、フェライト材で構成された2つの対向する磁心継部と、上記磁心継部の間に配置された、軟磁性粉末と樹脂からなる圧粉体で構成された複数の磁心脚部と、上記磁心脚部の周囲に巻かれたコイルからなる環状のリアクトルであって、上記磁心脚部はギャップを介して併設される複数のブロックからなり、かつ、上記ギャップが前記コイルの内部になるように配置されることを特徴としている。
特開2006-237030号公報 特開2009-71248号公報
 上記特許文献1の鉄心では、鉄心片が電磁鋼板を積層して形成されるものであるため、材料および加工に要するコストが高くなるという不都合がある。このことは、フェライト材磁心および圧粉磁心という異なる材料からなる磁心を組み合わせて構成される上記特許文献2の複合磁心リアクトルについても同様である。
 その一方、HV車等の電動車両に搭載される昇圧コンバータのリアクトルでは、コスト低減を図るだけでは不十分であって、車両走行性能等の観点から求められる特有の仕様を確保することが求められる。
 本発明の目的は、HV車等の電動車両に特有の仕様を確保しながらコスト低減を図ることができるリアクトルを提供することにある。
 本発明に係るリアクトルは、動力出力源である回転電機と、前記回転電機に駆動電力を供給する電源と、前記電源から供給される直流電圧を変換して前記回転電機へ出力するコンバータとを備える電動車両において前記コンバータに用いられるリアクトルであって、Fe-Si系磁性粉末により一体成形された一対の略U字状のコア部材が、各コア部材の2つの脚部をそれぞれギャップを介して突き合わせて環状に構成されるリアクトルコアと、前記ギャップを介して対向配置される前記各コア部材の脚部の周囲に巻装されるコイルと、を含むものである。
 本発明に係るリアクトルにおいて、前記ギャップの長さが2~3mmで前記リアクトルコアに含まれる2つのギャップの合計長が6mm以下、前記コア部材の断面積が400~2000mm2、および、前記コイルのターン数が20~60回であることが好ましい。
 また、本発明に係るリアクトルにおいて、前記コア部材は矩形状の断面形状および脚部端面形状を有しており、前記環状をなすリアクトルコアの外周に面する前記脚部の外周側面と前記コイルの内周部との間の距離が、前記リアクトルコアの内周に面する前記脚部の内周側面と前記コイルの内周部との間の距離よりも大きく設定されていてもよい。
 また、本発明に係るリアクトルにおいて、前記コア部材は矩形状の断面形状および脚部端面形状を有しており、前記コア部材の脚部間のギャップが前記脚部の内周側面および外周側面に接近する位置ほど大きくなるように、前記脚部の端面と内外周側面とによって規定される辺部が角落とし処理されていてもよい。
 さらに、本発明に係るリアクトルにおいて、前記コア部材は、上下面を水平に配置したとき縦長の長方形をなす一様な縦断面を有しており、前記脚部の突出長さが前記長方形の縦方向長さよりも短く形成されていてもよい。
 本発明に係るリアクトルによれば、Fe-Si系磁性粉末により一体成形された一対の略U字状のコア部材が2つのギャップを介して突き合わせて環状に構成されるリアクトルコアと、ギャップを介して対向配置される各コア部材の脚部の周囲に巻装されるコイルとを含んで構成されることで、例えばHV車等の電動車両に特有の仕様を確保しながら電磁鋼板積層鉄心や複合磁心リアクトルに比べて材料および加工に要するコストを低減できる。
HV車の概略構成図である。 図1中の昇圧コンバータを示す回路図である。 本発明の一実施形態であるリアクトルのコアを示す斜視図である。 本実施形態のリアクトルの横断面を示す図である。 本実施形態のリアクトルの縦断面を示す図である。 本実施形態のリアクトルを構成するコイルの斜視図である。 従来例のリアクトルのコアを示す斜視図である。 従来例のリアクトルの横断面を示す図である。 従来例のリアクトルの縦断面を示す図である。 Fe-Si系圧粉磁心からなる本実施形態のリアクトルと、電磁鋼板積層磁心からなる図7-9に示す従来例のリアクトルとについて、磁場と磁束密度の関係を示すグラフである。 本実施形態のリアクトルコアにおけるコア損失を説明するための図である。 コア部材とコイルとの間隔を外周側で広く形成したリアクトルの一部横断面を示す図である。 コア部材の脚部について角落とし処理を施したリアクトルの一部横断面を示す図である。
 以下に、本発明に係る実施の形態(以下、実施形態という)について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。
 以下では、1台でモータ機能と発電機機能とを有するモータ・ジェネレータ(回転電機)が2台搭載されているハイブリッド車両について説明するが、これは例示であって、モータ機能のみを有するモータを1台、発電機機能のみを有するモータを1台用いるものとしてもよいし、あるいは、モータ・ジェネレータを1台のみ又は3台以上用いるものとしてもよい。また、以下ではエンジンおよびモータを動力出力源として搭載したハイブリッド車両を例に説明するが、本発明はモータのみを動力出力源とする電気自動車等の電動車両に適用されてもよい。
 図1は、本実施形態のリアクトル50が用いられた昇圧コンバータ(以下、適宜にコンバータとだけいう)35を搭載したハイブリッド車両10の概略構成図である。図2は、コンバータ35の回路構成を示す図である。図1中、動力伝達系は丸棒状の軸要素として図示され、電力系は実線で図示され、信号系は破線で図示されている。
 図1に示すように、ハイブリッド車両10は、走行用動力源としてのエンジン12と、別の走行用動力源であるモータ(図1中「MG2」と表示)14と、エンジン12の出力軸18が連結される動力分配機構20を介して回転軸22が接続されるモータ(図1中「MG1」と表示)24と、各モータ14,24に駆動電力を供給可能なバッテリ(電源)16と、上記エンジン12およびモータ14,24の各作動を統括的に制御するとともに、バッテリ16の充放電を制御する制御装置100とを備える。
 エンジン12は、ガソリンや軽油等を燃料とする内燃機関であり、制御装置100からの指令に基づいてクラッキング、スロットル開度、燃料噴射量、点火タイミング等が制御されて、エンジン12の始動、運転、停止等が制御される。
 エンジン12から動力分配機構20へと延伸する出力軸18の近傍にはエンジン回転数Neを検出する回転数センサ28が設けられている。また、エンジン12には、エンジン冷却媒体である冷却水の温度Twを検出する温度センサ13が設けられている。回転数センサ28および温度センサ13による各検出値は、制御装置100に送信されるようになっている。
 動力分配機構20は、例えば遊星歯車機構によって好適に構成されることができる。エンジン12から出力軸18を介して動力分配機構20に入力された動力は、変速機30および車軸32を介して駆動輪34に伝達されて、車両10がエンジン動力によって走行することができる。
 変速機30は、エンジン12およびモータ14の少なくとも一方から入力される回転を減速して車軸32に出力する機能を有し、制御装置100からの指令に応じて複数の変速段の間で切り替え可能であってもよい。変速機30に用いられる変速機構は、如何なる公知構成のものが用いられてもよく、また、階段状の変速ではなく滑らかに連続して変速する無段階変速機構が用いられてもよい。
 上記動力分配機構20は、出力軸18を介して入力されるエンジン12の動力の一部または全部を、回転軸22を介してモータ24に入力することができる。このとき、例えば三相同期型交流モータによって好適に構成されるモータ24は発電機として機能することができる。モータ24で発電された三相交流電圧は、インバータ36によって直流電圧に変換されてバッテリ16に充電されるか、または、モータ14の駆動電圧として用いられる。
 また、モータ24は、バッテリ16からコンバータ35およびインバータ36を介して供給された電力により回転駆動される電動機としても機能することができる。モータ24が回転駆動されて回転軸22に出力される動力は、動力分配機構20および出力軸18を介してエンジン12に入力されてクランキングを行うことができる。さらに、モータ24をバッテリ16から供給される電力により回転駆動して、その動力を動力分配機構20および変速機30を介して車軸32に出力することにより走行用動力として用いることも可能である。
 主として電動機として機能するモータ14は、例えば三相同期型交流モータによって好適に構成されることができる。モータ14は、バッテリ16から供給される直流電圧が、必要に応じてコンバータ35で昇圧され、その後インバータ38で三相交流電圧に変換されて駆動電圧として印加されることにより回転駆動される。モータ14が駆動されて回転軸15に出力される動力は、変速機30および車軸32を介して駆動輪34に伝達され、これによりエンジン12が停止した状態でいわゆるEV走行が行われる。また、モータ14は、運転者のアクセル操作により急加速要求があった場合等に、走行用動力を出力してエンジン出力をアシストする機能も有する。
 バッテリ16としては、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の充放電可能な二次電池、または、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置を好適に用いることができる。バッテリ16には、バッテリ電圧Vbを検出する電圧センサ40と、バッテリ16に出入りするバッテリ電流Ibを検出する電流センサ42と、バッテリ温度Tbを検出する温度センサ41とが設けられている。各センサ40,41,42による検出値は、制御装置100に入力されてバッテリ16の充電状態(SOC)を制御するために用いられる。
 図2に示すように、バッテリ16の正極および負極の各端子には正極母線43と負極母線44がそれぞれ接続されている。正極母線43および負極母線44には、システムメインリレーSMR1,SMR2が設けられている。システムメインリレーSMR1,SMR2は、モータ14,24の運転停止等のときに高圧の電源系をモータ14,24等から切り離すことができるようにするための遮断と接続の切替が可能なリレーである。システムメインリレーSMR1,SMR2は、制御装置100から送信される制御信号に応じて、その遮断と接続が制御される。
 バッテリ16からコンバータ35へは、電圧および電流の変動を抑制し平滑化する平滑コンデンサ45を介して電力が供給される。コンバータ35は、リアクトル50と、それぞれダイオード46,47が逆並列接続された2つのスイッチング素子(例えばIGBT)48,49を含んで構成される。コンバータ35は、バッテリ16から供給される直流電圧をリアクトル50のエネルギー蓄積作用を利用して昇圧する機能を有する回路である。なお、コンバータ35は双方向機能を有し、インバータ36,38側からの電力をバッテリ16側に充電電力として供給するときには、インバータ36,38側の高圧をバッテリ16の充電に適した電圧に降圧する機能も有する。
 コンバータ35の出力電圧は、電圧および電流の変動を抑制し平滑化する平滑コンデンサ51を介してインバータ36,38へ供給される。そして、インバータ36,38において交流電圧に変換されて、モータ14,24に駆動電圧として印加されることになる。
 制御装置100は、各種の制御プログラムを実行するCPU、制御プログラムや制御用マップ等を予め記憶するROM、このROMから読み出された制御プログラムや各センサによる検出値などを一時的に記憶するRAM等からなるマイクロコンピュータにより好適に構成される。制御装置100は、エンジン回転数Ne、バッテリ電流Ib、バッテリ電圧Vb、バッテリ温度Tb、アクセル開度信号Acc、車速Sv、ブレーキ操作信号Br、エンジン冷却水の水温Tw、コンバータ35の出力電圧またはインバータ36,38の入力電圧であるシステム電圧、およびモータ14,24を流れるモータ電流等が入力される入力ポート、ならびに、エンジン12、コンバータ35およびインバータ36,38等の運転または作動を制御する制御信号を出力する出力ポートを含む。
 なお、本実施形態では、1つの制御装置100でエンジン12、モータ14,24、コンバータ35、インバータ36,38、バッテリ16等の作動制御や状態監視を行うものとして説明するが、例えば、エンジン12の運転状態を制御するエンジンECU(Electronic Control Unit、以下に同じ)、コンバータ35およびインバータ36,38を作動制御してモータ14,24の駆動を制御するモータECU、バッテリ16のSOCを管理するバッテリECU等を個別に設けて、上記制御装置100がハイブリッドECUとして上記個別の各ECUを統括制御するように構成してもよい。
 また、上記ハイブリッド車両10において、エンジン12と動力分配機構20との間、動力分配機構20とモータ24との間、動力分配機構20と変速機30との間、および、モータ14と変速機30との間の少なくとも1つに動力伝達を断続するクラッチ機構を設けてもよい。
 次に、図3~6を参照して、本実施形態のリアクトル50について説明する。図3は、本実施形態のリアクトル50のリアクトルコア52を示す斜視図である。図4はリアクトル50の横断面を示す図であり、図5は図4中のA-A線縦断面を示す図である。また、図6は、リアクトル50を構成するコイル54の斜視図である。
 リアクトル50は、リアクトルコア52とコイル54とを有する。リアクトルコア52は、略U字状または略ブラケット状の上下面形状(および横断面形状)をなす一対のコア部材56から構成されている。コア部材56は、平行に突出した2つの脚部58,58と、これら脚部58間を連結する基部59とを含む。各脚部58の端面60は、上下面を水平に配置して矢印X方向からコア部材56を見たとき、縦長の長方形状に形成されている。また、コア部材56は、一方の脚部58の端面から他方の脚部58の端面に至るまで一様に、端面60と同じ長方形状の断面を有する。
 コア部材56は、線形性の高い電磁気特性を有する圧粉磁心により構成されている。詳細には、絶縁皮膜で覆われたFe-Si系磁性粉末にバインダを加えたものを加圧成形することによって一体に形成されている。Fe-Si系磁性粉末としては、例えば、Fe-3%Si磁性粉末を用いるのが好ましい。ただし、これに限定されるものではなく、例えば、Fe-1%Si磁性粉末、Fe-6.5%Si磁性粉末、Fe-Si-Al磁性粉末等が用いられてもよい。
 リアクトルコア52は、上記2つのコア部材56が各脚部58の端面60をそれぞれ所定幅のギャップG1を介して突き合わせて対向するように環状に構成に構成されている。各ギャップG1には、それぞれ、例えばセラミックス等の非磁性材料からなるギャップ板62が挟まれて接着固定されている。このようにギャップ板62を介装することによってギャップG1の幅lg1を正確に規定することができる。本実施形態のリアクトル50では、ギャップG1の長さlg1が2~3mmで、2つのギャップの合計長(すなわち2×lg1)が6mm以下に設定されるのが好ましい。
 本実施形態のリアクトルコア52では、コア部材56における脚部58の基部59からの突出長さAが、コア部材56の縦断面の縦方向長さB(図5参照)よりも短く形成されている。このようにすることで、2つのコア部材56がギャップG1を介して連結されてなるリアクトルコア52の横方向(X方向)の長さを短くすることができ、2片のU字型コア部材56からなるリアクトル50において上記X方向での小型化を図れる。また、本実施形態のリアクトル50では、上記長方形状をなすコア縦断面積が400~2000mm2に設定されるのが好ましい。
 コイル54は、図4および図6に示すように、2つのコイル部分54a,54bに分かれている。コイル54は、2つのコイル部分54a,54bを合わせたターン数Nが20~60に設定されるのが好ましい。コイル部分54aはバッテリ16側に接続される入力端部64aを有し、コイル部分54bはスイッチング素子48,49側に接続される出力端部64bを有する。そして、各コイル部分54a,54bは連絡部66によって互いに電気接続されている。
 上記コイル部分54a,54bは、ギャップG1を挟んで対向する一対のコア部材56の脚部58の周囲にそれぞれ巻装されている。コイル54は、平角銅線等からなる導線が巻回されてなるエッジワイズコイルにより構成されている。コイル54の隣接する各ターン間は、それ自身に被覆形成されたエナメル等の絶縁材料によって電気的絶縁が確保されている。また、コイル54の各ターン間に絶縁紙等の絶縁部材を介在させて密着巻きすることによって、各ターン間の電気的絶縁が一層強化されてもよい。さらに、コイル54の隣接するターン間に隙間を形成して巻回し、後に施される樹脂モールドのモールディング材料が上記隙間に充填されることによって、各ターン間の電気的絶縁がより一層強化されてもよい。
 なお、本実施形態ではコイル54がエッジワイズコイルにより構成されるものとして説明するが、これに限定されるものではなく、例えば、コイルは円形断面を有する導線を巻回して構成されてもよい。また、コイル54を構成するコイル部分54a,54bは、例えば樹脂製のボビンの外周に巻かれた状態でリアクトルコア52の周囲に配置されてもよい。
 図5に示すように、コイル部分54a,54bの内周とコア部材56の外周面との間には、距離Dの間隔68が設けられている。本実施形態では、コア部材56の脚部58の四方周囲にわった上記間隔68が一様に形成されている。この間隔68が小さいとギャップG1に対応する位置でコア部材56の脚部58から外側へ広がって漏れ出る漏れ磁束が鎖交することによるコイル損失が増加することになる。一方、上記間隔68が大きくなると、コイル導線が長くなってコストが増加すると共にリアクトル50の体格が大型化する。したがって上記間隔68の距離Dは、コイル損失、コスト、リアクトルの体格等を総合的に考慮して最適に設定されるのが好ましい。
 図7~9は、従来公知のHV車用リアクトル70を本実施形態との比較例として示す。図7はリアクトル70のリアクトルコア72を示す斜視図、図8はリアクトル70の横断面を示す図、図9は図8中のE-E線縦断面を示す図である。
 このリアクトル70は、リアクトルコア72とコイル74とを有する。リアクトルコア72は、一対のU字型コア部材76の各脚部間に、それぞれ、直方体状のコアブロック77を3つずつ連ねて環状に構成されている。コア部材76および各コアブロック77の間にはギャップ板82がそれぞれ挟まれており、全体で8ヶ所のギャップG2が形成されている。すなわち、リアクトル70では、1つのギャップG2の距離または長さlg2とすると、環状の磁路中に含まれるギャップ合計長は8×lg2となる。
 また、コイル74を構成する2つのコイル部分74a,74bは、それぞれ、一方のコア部材76の脚部78の周囲から他方のコア部材76の脚部78の周囲まで連続して配置されている。さらに、図9に示すように、リアクトルコア72の縦断面は略正方形状をなしており、この縦断面形状は環状をなすリアクトルコア72の全周について一様である。
 この比較例では、例えば、コア部材76およびコアブロック77は板厚0.3mmの珪素鋼板の積層体によって構成されており、コイルターン数が60~80回、コア縦断面積が約600mm2、ギャップ長lg2が約2mmでギャップ合計長(すなわち8×lg2)が約16mm以上に設定されている。
 次に、本実施形態のリアクトル50の性能について説明する。一般に、リアクトルのインダクタンスLは、次式(1)、(2)で求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 式(1)では、インダクタンスLが、コイルターン数Nと、コア断面積Sと、コイル電流Iに対する磁束密度変化(dB/dI)との積によって導出される。一方、式(2)では、インダクタンスLが、磁束密度変化に代えて、コア磁路長lcore、ギャップ合計長lgap、真空透磁率μ0および比透磁率μ´を用いて導出されるが、この場合、分母におけるlcore/μ´はlgapに対して十分に小さいことから無視することができる。そうすると、インダクタスLの設計パラメータが、コイルターン数N、コア断面積Sおよびギャップ合計長lgapであることが判る。
 また、本実施形態のリアクトル50は、HV車に搭載される昇圧コンバータ35に用いられるものであり、HV車に特有の仕様を満たす必要がある。例えば、コンバータ35のスイッチング素子48,49には、駆動周波数fが5~15kHzのものが用いられる。このような周波数帯でスイッチングされることによってコイル54にリプル電流が流れることになるが、その場合でもリアクトルコア52は磁気飽和を生じない程度のインダクタンスLを有することが求められる。さらに、リアクトル50は、HV車の良好な走行性能を確保するうえで、走行用モータ14の規格にもよるが、例えば100~200A程度の直流重畳特性を有することが好ましい。本実施形態のリアクトル50では、上記のようなHV車用リアクトルとしての仕様を満たしたうえで、材料コストおよび加工コストの低減ならびにNV性能の向上を図ることを企図している。
 図10は、Fe-Si系圧粉磁心からなる本実施形態のリアクトル50と従来例のリアクトル70とについて、磁場と磁束密度の関係を示すグラフで示したものである。2本のグラフには、リアクトル50,70と同一の符合を付している。
 電磁鋼板積層体でコアが構成されるリアクトル70では磁場のわずかな変化に対して磁束密度が急激に大きくなって磁気飽和が生じやすいことがわかる。これに対し、本実施形態のリアクトル50では、リアクトルコア52をFe-Si系磁性粉末からなる圧粉磁心で構成したことにより、磁場強度の広い範囲について磁束密度変化がほぼ一定となっており、磁気飽和の発生およびそれによるリアクトルの性能低下を回避できることができる。
 また、材料コスト面において、Fe-Si系磁性粉末からなるリアクトルコア52は、電磁鋼板製のリアクトルコアに対して大幅にコスト低減を図ることができる。
 さらに、本実施形態のコア部材56は、一種類の磁性粉末によって一体成形されるものであるため、2種類以上の磁心を組み合わせて構成される複合磁心リアクトルに対して材料コストだけでなく加工コストも低減することができる。
 さらにまた、図7~9に示す従来例のリアクトル70との対比において、本実施形態のリアクトル50は、コア構成部品を大幅に減らすことができ、材料、加工、管理等のコストを低減できるとともに、組付性が向上するメリットもある。加えて、リアクトル50では、ギャップ数が8つから2つに減ることで、ギャップでの漏れ磁束の鎖交によるコイル損失を大幅に低減でき、燃費の向上を図れる。これに伴ってギャップ板の使用数も減らせるので、その分のコスト低減も図れる。
 さらに、上記のように本実施形態のリアクトルコア52では、コア部材56における脚部58の基部59からの突出長さAが、コア部材56の縦断面の縦方向長さBよりも短く形成されているため、2つのコア部材56からなるリアクトルコア52の横方向(X方向)の長さをリアクトル70よりも大幅に短くして小型化することができる。これにより、コイル電流のリプルによってリアクトルコア52に生じる振動および騒音を低減することも可能である。
 図11は、本実施形態のリアクトルコア52におけるコア損失を説明するための図である。一般に、リアクトルでは、コイルにリプル電流が流れることによりコア磁束密度変化が生じて、コア損失が発生する。このコア損失には、磁束を変化させるために必要なエネルギーであるヒステリシス損と、磁束密度変化により磁性粉末内で発生する誘導電流(渦電流)によるジュール損である渦電流損とに分けられる。
 図11中の符合84は、上記リアクトル70において、コア断面積S:24mm×25mm=600mm2、ギャップ合計長lgap:2.1mm×8=16.8mm、コイルターン数N:70回、コイル電流I=70A、コア材料特性:600kW/m3、スイッチング周波数f:10kHz、および、磁束密度変化ΔB:0.1Tの条件の下でのコア損失を示す。これに対し、図11中の符合86は、本実施形態のリアクトル50において、コア断面積S:50mm×23mm=1150mm2、ギャップ合計長lgap:2.7mm×2=5.4mm、コイルターン数N:30回とし、その他の条件を同じにしたときのコア損失を示す。
 本実施形態のリアクトル50では、上記リアクトル70に比べて、ヒステリシス損が低下しているものの、コア断面積が大きくなっていることで渦電流損が増加しているのがわかる。これに対し、コア部材56の材料特性が400kW/m3のものを作製して評価したところのコア損失が図11中の符合88で示される。これを後者(符合86)と比較すると、渦電流損を約半分程度に低減でき、全体として前者(符合84)とほぼ同じコア損失に抑えることができることを確認できた。したがって、本実施形態のリアクトル50では、コア部材56を構成する圧粉磁心の材料特性を400kW/m3以下にするのが好ましい。
 このようにコア部材の材料特性を改良するには、Fe-Si系磁性粉末中のSi組成量を多くする、磁性粉末粉末化工程で磁性粉末の形状(例えば球状)および大きさをできるだけ揃えて粉末間での相互接触面積を小さくする、磁性粉末周囲の絶縁皮膜を厚く形成する等の手法が有効であった。
 上述したように、本実施形態のリアクトル50によれば、Fe-Si系磁性粉末により一体成形された一対の略U字状のコア部材56が2つのギャップG1を介して突き合わせて環状に構成されるリアクトルコア52と、ギャップG1を介して対向配置される各コア部材56の脚部58の周囲に巻装されるコイル54とを含んで構成されることで、HV車に特有の仕様を確保しながら電磁鋼板積層鉄心や複合磁心リアクトルに比べて材料および加工に要するコストを低減できる。
 また、リアクトルコア52を構成するコア部材56の材料特性を400kW/m3以下とすることにより、コア損失を従来以下に抑制することが可能になり、燃費の維持または向上を図れる。
 なお、本発明は上記実施形態の構成に限定されるものではなく、種々の変更または改良が可能である。
 例えば、上記実施形態では、コイル内周部とコア部材の外周面との間の距離Dが四方周囲において一様であるものと説明したが、これに限定されるものではなく、図12に示すように、環状をなすリアクトルコア52の外周に面するコア部材56の脚部58の外周側面とコイル54の内周部との間の距離D1が、リアクトルコア52の内周に面するコア部材56の脚部58の内周側面とコイル54の内周部との間の距離D2よりも大きく設定されていてもよい。
 このようにすることで、ギャップG1において外周側へ膨れるように流れる漏れ磁束がコイル54と鎖交する量を減少させることができ、コイル損失をより低減できる。同様に、コア部材56の脚部58の上側面とコイル54の内周部との間、および、コア部材56の脚部の下側面とコイル54の内周部との間の距離も、上記のように内周側の距離よりも大きく設定すれば、コイル損失をより大きく低減できる。
 ここで、リアクトルコア52のコア部材56の内周側面とコイル54の内周部との距離を上記実施形態のリアクトル50よりも大きくしようとすると、隣接するコイル同士が接触しないようにコア部材56を二点鎖線90で示すように延長する必要があり、材料コストの増加およびリアクトルの大型化を招くために好ましくない。
 また、上記においては、コア部材56の脚部58の端面60間に形成されるギャップG1が、環状のリアクトルコア52の外周から内周にかけて一定に形成されているように説明および図示したが、これに限定されるものではなく、図13に示すように、ギャップG1がコア部材56の脚部58の内周側面58aおよび外周側面58bに近い位置ほど広くなるように、脚部58の端面60と内外周側面58a,58bとによって規定される辺部が角落とし処理されていてもよい。ここでは、角部が曲率半径Rの湾曲面で形成される例を図示するが、面取り平面によって角落とし処理が施されてもよい。このようにすれば、ギャップG1の幅が大きくなることで漏れ磁束が外側へ膨れ出して通るのを抑制することができ、コイル損失の発生を低減できる。この角落とし処理を図12に示した変形例と組み合わせて用いてもよいことは勿論である。
 10 ハイブリッド車両またはHV車、12 エンジン、13 温度センサ、14,24 モータ、15,22 回転軸、16 バッテリ、18 出力軸、20 動力分配機構、28 回転数センサ、30 変速機、32 車軸、34 駆動輪、35 昇圧コンバータ、36,38 インバータ、40 電圧センサ、41 温度センサ、42 電流センサ、43 正極母線、44 負極母線、45,51 平滑コンデンサ、46,47 ダイオード、48,49 スイッチング素子、50,70 リアクトル、52,72 リアクトルコア、54,74 コイル、54a,54b コイル部分、56,76 コア部材、58,78 脚部、58a 内周側面、59 基部、60 脚部の端面、62,84 ギャップ板、64a 入力端部、64b 出力端部、66 連絡部、68 間隔、77 コアブロック、100 制御装置、D,D1,D2 距離、G1,G2 ギャップ。

Claims (5)

  1.  動力出力源である回転電機と、前記回転電機に駆動電力を供給する電源と、前記電源から供給される直流電圧を変換して前記回転電機へ出力するコンバータとを備える電動車両において前記コンバータに用いられるリアクトルであって、
     Fe-Si系磁性粉末により一体成形された一対の略U字状のコア部材が、各コア部材の2つの脚部をそれぞれギャップを介して突き合わせて環状に構成されるリアクトルコアと、
     前記ギャップを介して対向配置される前記各コア部材の脚部の周囲に巻装されるコイルと、
     を含む、リアクトル。
  2.  請求項1に記載のリアクトルにおいて、
     前記ギャップの長さが2~3mmで前記リアクトルコアに含まれる2つのギャップの合計長が6mm以下、前記コア部材の断面積が400~2000mm2、および、前記コイルのターン数が20~60回であることを特徴とするリアクトル。
  3.  請求項1または2に記載のリアクトルにおいて、
     前記コア部材は矩形状の断面形状および脚部端面形状を有しており、前記環状をなすリアクトルコアの外周に面する前記脚部の外周側面と前記コイルの内周部との間の距離が、前記リアクトルコアの内周に面する前記脚部の内周側面と前記コイルの内周部との間の距離よりも大きく設定されていることを特徴とするリアクトル。
  4.  請求項1ないし3のいずれか一項に記載のリアクトルにおいて、
     前記コア部材は矩形状の断面形状および脚部端面形状を有しており、前記コア部材の脚部間のギャップが前記脚部の内周側面および外周側面に近い位置ほど広くなるように、前記脚部の端面と内外周側面とによって規定される辺部が角落とし処理されていることを特徴とするリアクトル。
  5.  請求項1ないし4のいずれか一項に記載のリアクトルにおいて、
     前記コア部材は、上下面を水平に配置したとき縦長の長方形をなす一様な縦断面を有しており、前記脚部の突出長さが前記長方形の縦方向長さよりも短く形成されていることを特徴とするリアクトル。
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