JP2009032995A - リアクトル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コアからケースへの振動の伝搬が抑制されたリアクトル装置およびその設計方法を提供する。
【解決手段】ケースに支持される１対の支持部Ｒａを有するトラック形状のコア１であって、ギャップレスのコア１について形状を設計する。コア１の断面形状が定まると、磁気シミュレーションを行なって、各支持部Ｒａの磁路長線ｌ同士の間隔Ａと、各支持部Ｒａ同士の間隔ｄとを、磁歪によるＸ方向の変位ΔＸ（＝Ａ・λ_L−２C・λ_W λ_L：磁界に対する固有の伸び率、λ_W ：磁界に対する固有の収縮率）。ただし、ｄ≧２ｋ（ｋ：コイルの積層厚）の制限条件を満たす必要がある。
【選択図】図１

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、エネルギーの蓄積・放出を行う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、軟磁性材料からなる粉末に、磁歪量を変化させる作用を有する有機化合物を添加して、低磁歪圧粉磁心を提供することが開示されている。
特開２００６−３３２３２８号公報

上記特許文献１の技術では、コアの磁歪量を低減することにより、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、有機化合物を添加することによる磁歪量の低減には、一定の限界がある。

本発明の目的は、磁歪量を極力小さくする形状とすることにより、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。

本発明のリアクトル装置の設計方法は、相対向する１対の支持部を有するトラック形状のコアを前提とし、磁気シミュレーションを行ないながら、制限条件の下に、１対の支持部に直交する方向の磁歪による振動を抑制するためのコア形状を決定する方法である。

この方法により、コアの磁歪によって発生する振動のうち、コアがケースに支持される方向の成分が抑制されてリアクトル装置が設計される。よって、コアからケースへの振動の伝搬の少ない、つまり、ケースの振動の少ないリアクトル装置が設計される。

上記設計の際には、支持部に直交する方向の磁歪による変位をゼロに近づけるように、各支持部の磁路長線同士の間隔と、各支持部同士の間隔とを求めることができる。

本発明のリアクトル装置は、相対向する１対の支持部を有するトラック形状のコアと、コアを支持部で支持しつつ収納するケースとを備え、コアの１対の支持部同士の間隔が、支持部に直交する方向の磁歪による振動を抑制するように設定されている。

これにより、コアの磁歪によって発生する振動のうち、コアがケースに支持される方向の成分が抑制されているので、ケースへの振動の伝搬が抑制され、ケースにおける振動を抑制することができる。

ケースがコアの支持部に平行な１対の辺部を有している場合には、１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およびその設計方法によると、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。

−設計の前提−
図１は、本発明によるリアクトル装置の設計を行う前提となるパラメータを説明するための図である。本発明では、ギャップスペーサのない、つまり、部分コアに分かれていない単体コアを前提とする。透磁率が小さい磁性材料を用いた場合には、ギャップスペーサがなくても、所望のリアクトル特性を有するリアクトルが得られる。その場合、従来問題となっていた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起因する振動ではなく、磁歪による振動が問題となる。そこで、本発明では、磁歪に起因する振動のケースへの伝搬を抑制するための設計を行っている。

図１において、閉ループを描く磁路長線ｌは、コア１の磁路長を規定するものである。ここで、本明細書では、各断面における磁束密度を積分して得られる磁束量の中心を連続的につなぐ線を、「磁路長線」と呼称している。コア１の各断面において、磁束密度は周辺部よりも中央部で高くなるので、磁路長線ｌは、コア１の幅の中心点よりは中央よりにずれている。

そして、平面形状が矩形状のコアにおいては、図１に示すように、磁路長線ｌも矩形状となる。ここで、本実施の形態では、図４に示すように、ケース３によって支持される部位を支持部Ｒａとし、支持部Ｒａ以外の部分を開放部とする。また、支持部Ｒａに直交する方向をＸ方向とし、支持部Ｒａに平行な方向をＹ方向とする。そして、磁路長線ｌのＸ方向の長さをＡとし、Ｙ方向の長さをＢとし、コア１の支持部Ｒａの幅をＣとし、コア１の間隔をｄとし、磁路長線ｌと、コア１の支持部Ｒａの側面Ｒａ１との間隔をｗとする。このとき、ケースに伝搬される振動を小さくするには、磁歪によってコア１に生じる振動のＸ方向成分をできるだけ小さくすればよいことになる。

このとき、図１に示すように、
２Ｃ＋ｄ＝Ａ＋２ｗ
の関係にあるので、下記式（１）
ｄ＝Ａ−２Ｃ＋２ｗ （１）
が成立している。

一方、コアの断面形状が定まると、磁気シミュレーションから、Ｘ方向において、磁歪による支持部Ｒａの単位長さ当たりの変位ΔＸは、下記式（２）
ΔＸ＝Ａ・λ_L−２C・λ_W （２）
で求められる。ただし、λ_Lは磁性材料の磁界に対する固有の伸び率を示し、λ_W は磁性材料の磁界に対する固有の収縮率を示す。たとえば、住友電気工業社製の圧粉コアの場合、磁束密度が０．７Ｔ（テスラ）の磁界が印加されたときの、伸び率λ_Lは１．５３ｐｐｍ、収縮率λ_W は０．８４ｐｐｍである。

ただし、コイルを巻くスペースを確保するためには、ｋをコイルの積層厚として、下記式（３）
ｄ≧２ｋ （３）
の制限が課される。
したがって、磁気シミュレーションを行いながら、制限条件の下に、ΔＸをゼロに近づけるためのコア形状を決定すればよいことになる。

−設計手順
図２は、リアクトル装置の設計に用いる設計装置の構成を示すブロック図である。図３は、リアクトル装置の設計手順を示すフローチャートである。
設計装置５０は、中央演算装置であるＣＰＵ５１と、ＣＰＵ５１に接続されるディスプレイ装置５２と、ＣＰＵ５１の演算結果や各種データを格納するメモリ５３と、磁気シミュレーションソフトなどを入力するためのプログラム入力装置５４とを備えている。この設計装置５０を用いて、ＣＰＵ５１により、図３に示す手順で設計が行われる。

まず、ステップＳＴ１で、コアの断面形状が定まると、磁気シミュレーションソフトをプログラム入力装置５４から入力して、磁気シミュレーションを行い、ステップＳＴ２で、その結果をメモリ５３に格納する。

このとき、コアの幅Ｃなどの断面形状は、リアクトル装置に必要なリアクトル値から予め定まっており、磁路長線ｌと支持部Ｒａの側面Ｒａ１との距離ｗは、磁気シミュレーションから求まる。また、磁路長の長さも磁気シミュレーションから求まる。
また、ケースへの振動の伝搬を抑制するためには、磁歪による支持部Ｒａ（支持部）の変位ΔＸをできるだけゼロに近づけたい。そこで、式（２）でΔＸ＝０となる条件を求めると、下記式（４）
Ａ／２Ｃ＝λ_W ／λ_L （４）
となる。
式（４）からＡが求まると、式（１）からｄが求まることになる。

ただし、式（３）の制限条件を満足している必要があるので、ステップＳＴ３で、算出したＡ，ｄが制限値を満足しているかどうかを判別する。そして、判別結果がＹＥＳの場合に、ステップＳＴ４に進んで、算出値をメモリに格納する。
そして、ステップＳＴ６で、このＡ，ｄを元に、他の寸法Ｂなどを決定する。磁路長とｗとが定まっていれば、Ａが定まるとＢも定まる。

一方、ステップＳＴ４における判別結果がＮＯの場合には、ステップＳＴ５に移行する。そして、式（３）に示す下限値をｄとし、さらに式（１）にｄを代入してＡを算出し、この補正されたＡ，ｄをメモリ５３に格納する。そして、ステップＳＴ６で、補正されたＡ，ｄを元に、Ｂなどの寸法を決定する。

本発明のリアクトル装置の設計方法によると、支持部Ｒａに直交する方向（ｘ方向）における磁歪に起因する変位Δｘをできるだけゼロに近づけるための、寸法Ａ，ｄやＢを求めることができる。つまり、ギャップスペーサのない、単体コアを備えたリアクトル装置からケースに伝搬される振動を抑制するための形状を決定することができる。

（リアクトル装置の構造に関する実施の形態１）
次に、上記設計方法によって設計されるリアクトル装置の実施の形態について、説明する。
図４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５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６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４〜図６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、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であり、Ｘ方向に延びる１対の支持部Ｒａと、１対の開放部Ｒｂとを有している。本実施の形態においては、コア１は、部分コアには分割されておらず、ギャップスペーサが設けられていない。

ケース３は、コア１の支持部Ｒａに直交するＸ方向（つまり開放部Ｒｂに平行に）に延びる１対の短辺部３ａと、コア１の各支持部Ｒａに平行なＹ方向に延びる１対の支持部３ｂとを有しており、各支持部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の開放部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の支持部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支持部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。
そして、コア１における図１に示す寸法Ａ，Ｂ，ｄなどは、上述の設計によって、Ｘ方向の磁歪に起因する振動がゼロに近づくように設計されている。

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。このように、コイル２は、コア１の各支持部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磁歪が大きい、という不利な面もある。

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。

本実施の形態のリアクトル装置によると、コア１の支持部Ｒａの側面Ｒａ１と、ケース３の長辺部３ｂとが接触しており、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の開放部Ｒｂの先端面Ｒｂ１との間には隙間Ｓｐが介在している。そして、コア１における図１に示す寸法Ａ，Ｂ，ｄなどは、上述の設計によって、Ｘ方向の磁歪に起因する振動がゼロに近づくように設計されているので、ケース３に伝搬する振動が抑制され、ケース３の振動の低減が図られる。

本実施の形態では、ケース３の支持部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、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７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１の支持部Ｒａには、外方に突出している突出部Ｒｃが設けられている。そして、突出部Ｒｃにおける支持部Ｒａの側面Ｒａ１と、ケース３の長辺部３ｂとが接触しており、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、Ｙ方向においては、コア１とケース３とが接触せずに、Ｘ方向において、側面Ｒａ１を介して、コア１とケース３とが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の支持部Ｒａに突出部Ｒｃ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Ｒｃによる磁束量の増大を図ることができる。

（その他の実施の形態）
上記各実施の形態においては、ギャップスペーサが設けられていないが、支持部にギャップスペーサが設けられていてもよいものとする。その場合には、磁気吸引力に起因する振動の主成分がＹ方向に発生するので、Ｘ方向において、ケース３に伝搬する振動が小さくなる。よって、本発明の効果と併せて、顕著な振動低減効果が発揮される。

上記各実施の形態では、コイル２を覆う中ケース４を設けているが、中ケース４は必ずしも必要でない。中ケース４がなくても、コイル２の表面は絶縁体で保護されているので、絶縁体の厚みを大きくするなどによって絶縁性能を確保することは可能だからである。ただし、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、中ケース４が設けられている場合には、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。

なお、コア１の支持部Ｒａとケース３の長辺部３ｂとの間に、バネ部材が介在していてもよい。その場合には、コアで発生する振動の主成分以外の成分がケース３に伝搬されるのを抑制することができる。

また、コア１の材料として焼結軟磁性材料を用いた場合、製造コストが低減される反面、無歪み珪素鋼板に比べると磁歪による振動が大きくなるが、本発明によって、磁歪に起因する振動のケース３への伝搬を抑制することができる。

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。

本発明によるリアクトル装置の設計を行う前提となるパラメータを説明するための図である。 リアクトル装置の設計に用いる設計装置の構成を示すブロック図である。 リアクトル装置の設計手順を示すフローチャートである。 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。 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。

符号の説明

Ａ リアクトル装置
Ｒａ 支持部
Ｒａ１ 側面
Ｒｂ 開放部
Ｒｂ１ 先端面
Ｒｃ 突出部
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
２１ 環状部分
２２ 連結部
２３ 端子

Claims (7)

1. 相対向する１対の支持部を有するトラック形状のコアを備えたリアクトル装置の設計方法であって、
   磁気シミュレーションにより、前記１対の支持部に直交する方向の磁歪による振動を抑制するためのコア形状を演算して、その演算結果をメモリに格納するステップ（ａ）と、
   前記磁気シミュレーションの演算結果をメモリから取り出して、制限条件の下に、コア形状を決定するステップ（ｂ）と、
   を含む、リアクトル装置の設計方法。
2. 請求項１記載のリアクトル装置の設計方法において、
   前記ステップ（ａ）では、前記１対の支持部に直交する方向の磁歪による変位をゼロに近づけるように、前記各支持部の各磁路長線同士の間隔と、各支持部同士の間隔とを求める、リアクトル装置の設計方法。
3. 相対向する１対の相対向する支持部を有するトラック形状のコアと、
   前記コアの周囲に設けられたコイルと、
   前記コアを前記前記支持部において支持しつつ、前記コアおよびコイルを収納するケースとを備え、
   前記コアの１対の支持部同士の間隔は、支持部に直交する方向の磁歪による振動を抑制するように設定されている、リアクトル装置。
4. 請求項３記載のリアクトル装置において、
   前記コアは、ギャップスペーサのない、単体コアである、リアクトル装置。
5. 請求項３または４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平行な１対の辺部を有し、
   前記１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。
6. 請求項３または４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。
7. 請求項３〜６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。

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