JP2009296015A - 車載用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波動作時の鉄損を抑制でき、製造が容易でコア形状の自由度を拡大できる車載用電力変換装置を提供する。
【解決手段】バッテリ直流電力を、モータ駆動に必要な交流定格電力に変換する車載用電力変換装置であって、リアクトルユニットと、変換デバイスユニットと、インバータユニットとを備え、前記リアクトルユニット２１は、複数に分割された圧粉磁性体２３ａ〜２３ｆを含むリアクトルコア２３であって、外周にコイル２５が装着される部分の断面形状が、その断面形状の角部が丸められた形状となっており、前記圧粉磁性体２３ａ〜２３ｆの間に磁気ギャップが介在しているリアクトルコアを有するリアクトルが備えられた構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、車載用電力変換装置に関する。

図８及び図９は従来のリアクトルの平面図及び側面図である。この従来のリアクトル１は、図８及び図９に示すように、コア３と、そのコア３に外挿されたコイル５，７とを備えている。 コア３は、平面視略矩形環状の形態を有し、６個の分割体３ａ〜３ｆが磁気ギャップを形成する非磁性部材（例えば、セラミック板）９ａ〜９ｆを挟んで貼り合わされて構成されている。各分割体３ａ〜３ｆは、図９に示すように、所定形状に打ち抜かれた複数の珪素鋼板１１ａ〜１１ｆが積層されて貼り合わされて構成されている。このようなコア３には、２箇所にコイル装着部１３，１５が設けられ、そのコイル装着部１３，１５にコイル５，７が外挿されている。

しかしながら、上述の従来のリアクトル１では、電磁鋼板１１ａ〜１１ｆを積層してコア３を構成することにより鉄損を抑制しているが、各電磁鋼板１１ａ〜１１ｆ中では渦電流が生じるため、高周波動作時の鉄損が大きい。 また、打ち抜いた電磁鋼板を積層してコア３を形成するため、製造に手間がかかるとともに、コア形状に対する設計の自由度が小さい。

そこで、本発明の解決すべき課題は、高周波動作時の鉄損を抑制でき、製造が容易でコア形状の自由度を拡大できる車載用電力変換装置を提供することである。

上記の課題を解決するため、請求項１の発明では、バッテリ直流電力を、モータ駆動に必要な交流定格電力に変換する車載用電力変換装置であって、リアクトルユニットと、変換デバイスユニットと、インバータユニットとを備え、前記リアクトルユニットは、複数に分割された圧粉磁性体を含むリアクトルコアであって、外周にコイルが装着される部分の断面形状が、その断面形状の角部が丸められた形状となっており、前記圧粉磁性体の間に磁気ギャップが介在しているものを有するリアクトルが備えられた構成とされた。

また、請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明に係る車載用電力変換装置であって、前記リアクトルコアにおいて、前記磁気ギャップの断面形状もその角部が丸められた形状とされた。

また、請求項３記載の発明では、請求項１又は請求項２記載の車載用電力変換装置であって、前記リアクトルコアにおいて、前記圧粉磁性体により形成された部分は、当該リアクトルコア内に形成される磁気回路と平行な結合面で互いに結合された複数の部分体を備えて構成された。

また、請求項４記載の発明では、請求項１〜請求項３のいずれか一つに記載の車載用電力変換装置であって、前記リアクトルにおいて、コイルが前記リアクトルコアに密着して隙間無く巻回された。

また、請求項５記載の発明では、請求項３記載の車載用電力変換装置であって、前記複数の部分体を結合することにより構成された前記分割された圧粉磁性体を、一枚の前記磁気ギャップを挟んで貼り合せることで、前記リアクトルコアが構成された。

また、請求項６記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか一つに記載の車載用電力変換装置であって、前記圧粉磁性体は多層の絶縁被覆を有する金属磁性体粒子の成形体であるものである。

請求項１に記載の発明によれば、リアクトルコアの少なくとも一部が圧粉磁性体によって形成されているため、高周波動作時の鉄損を抑制して動作効率を向上させることができるとともに、製造が容易でコア形状の自由度を拡大できる。例えば、コアのコイルが装着される部分の断面形状に丸みを持たせることにより、コイルをコアに密着させた状態で巻回することができ、これによってコアとコイルとの間に生じる隙間をなくしてリアクトルの小型化が図れる。また、高周波動作時の鉄損を抑制して動作効率を向上させることができるとともに、製造が容易でコア形状の自由度を拡大できるリアクトルを提供できる。また、外周にコイルが装着される部分の断面形状が、その断面形状の角部が丸められた形状となっているため、コイルをリアクトルコアの外周にその全周に渡って密着させて隙間なく巻回することができ（オーバーバンクをなくすことができ）、その結果リアクトルの小型化が図れる。

請求項３に記載の発明によれば、リアクトルコアの圧粉磁性体により形成された部分を複数の部分体に分割して成形することができるため、圧粉磁性体材料のプレス時のプレス形状を小さくすることができ、その結果、リアクトルコアの製造がより容易かつ低コストになる。

また、コアを構成する複数の部分体が磁気回路と平行な結合面で互いに結合されているため、部分体間の結合部で磁気抵抗が増大するのを抑制することができる。

本発明に関連する第１実施形態に係るリアクトルの平面図である。 図１のリアクトルの側面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 コアの表面を拡大して示した模式図である。 本発明の第２実施形態に係るリアクトルの側面図である。 図１及び図５のリアクトルが適用された車載用電力変換装置の回路図である。 図６の車載用電力変換装置に備えられる電力変換モジュールの平面的構成を模式的に示す図である。 従来のリアクトルの平面図である。 図８のリアクトルの側面図である。

＜第１実施形態＞
図１及び図２は本発明に関連する第１実施形態に係るリアクトルの平面図及び側面図である。このリアクトル２１は、図１及び図２に示すように、コア２３と、そのコア２３に外挿された少なくとも１個（例えば、２個）のコイル２５，２７とを備えている。なお、図１中の符号Ｃはコア２３中に形成される磁気回路を示している。

コア２３は、平面視略矩形環状の形態を有し、その内部に生成される磁気回路Ｃを複数区間（例えば、６区間）に分割するようにして複数個（例えば、６個）の分割体２３ａ〜２３ｆに分割されている。なお、この分割体２３ａ〜２３ｆは、本発明に係る部分体とは異なる概念である（部分体については第２実施形態で説明する）。なお、本実施形態では、複数個の分割体２３ａ〜２３ｆを結合してコア２３を構成したが、コア２３を一体成形するようにしてもよい。

分割体２３ａ，２３ｂは平面視略コの字形の形態を有しており、分割体２３ｃ〜２３ｆは平面視略矩形状の形態を有している。そして、これらの分割体２３ａ〜２３ｆが、磁気ギャップを形成する非磁性部材（例えば、セラミック板）２９ａ〜２９ｆを挟んで略矩形環状に接着剤等により貼り合わされ、これによってコア２３が構成されている。

また、コア２３には、その少なくとも１箇所（例えば、２箇所）にコイル装着部３１，３３が設けられ、そのコイル装着部３１，３３にコイル２５，２７が外挿されている。図３に示すように、コイル装着部３１，３３の断面形状は略矩形状を有し、その略矩形状の各角部３５が丸められている。これによって、コイル２５，２７をコイル装着部３１，３３の外周にその全周に渡って密着させて隙間無く巻回することができるようになっている（オーバーバンクをなくすことができる）。ここで、コイル装着部３１，３３は、コア２３の非磁性部材２９ａ〜２９ｆが介挿される部分に設けられており、非磁性体２９ａ〜２９ｆの断面形状もその角部３５が同様に丸められている。

なお、このような角部３５に丸みを持たせた断面形状を、コイル装着部３１，３３に限らず、コア２３の他の部分（例えば、コア２３の全体）に適用するようにしてもよい。

このようなコア２３の各分割体２３ａ〜２３ｆは、圧粉磁性体によって形成されている。図４はそのコア２３の表面を拡大して示した模式図である。図４を参照して、コア２３の各分割体２３ａ〜２３ｆを構成する複数の圧粉粒子４１は、金属磁性粒子４３と、金属磁性粒子４３の表面を取り囲む絶縁被覆４５とを備えている。複数の圧粉粒子４１の間には、有機物４７が介在している。圧粉粒子４１の各々は、有機物４７によって接合されていたり、圧粉粒子４１が有する凹凸の噛み合わせによって接合されている。

金属磁性粒子４３は、例えば、鉄（Ｆｅ）、鉄（Ｆｅ）−シリコン（Ｓｉ）系合金、鉄（Ｆｅ）−窒素（Ｎ）系合金、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）系合金、鉄（Ｆｅ）−炭素（Ｃ）系合金、鉄（Ｆｅ）−ホウ素（Ｂ）系合金、鉄（Ｆｅ）−コバルト（Ｃｏ）系合金、鉄（Ｆｅ）−リン（Ｐ）系合金、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）系合金、及び鉄（Ｆｅ）−アルミニウム（Ａｌ）−シリコン（Ｓｉ）系合金などから形成することができる。金属磁性粒子４３は、金属単体でも合金でもよい。

絶縁被膜４５は、金属磁性粒子４３をリン酸処理することによって形成されている。また好ましくは、絶縁被膜４５は、酸化物を含有する。この酸化物を含有する絶縁被膜４５としては、リンと鉄とを含むリン酸鉄の他、リン酸マンガン、リン酸亜鉛、リン酸カルシウム、リン酸アルミニウム、酸化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウム又は酸化ジルコニウムなどの酸化物絶縁体を使用することができる。絶縁被膜４５は、図中に示すように１層に形成されていてもよいし、多層に形成されていてもよい。

絶縁被膜４５は、金属磁性粒子４３間の絶縁層として機能する。金属磁性粒子４３を絶縁被膜４５で覆うことによって、コア２３（各分割体２３ａ〜２３ｆ）の電気抵抗率を大きくすることができる。これにより、金属磁性粒子４３間に渦電流が流れるのを抑制して、渦電流に起因する鉄損の低減が図れる。

有機物４７としては、熱可塑性ポリイミド、熱可塑性ポリアミド、熱可塑性ポリアミドイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミドイミド、ポルエーテスルホン、ポリエーテルイミド又はポリエーテルエーチルケトンなどの熱可塑性樹脂や、全芳香族ポリエステル又は全芳香族ポリイミドなどの非熱可塑性樹脂や、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸カルシウム、パルミチン酸リチウム、パルミチン酸カルシウム、オレイン酸リチウム又はオレイン酸カルシウムなどの高級脂肪酸を用いることができる。また、これらを互いに混合して用いることもできる。

有機物４７は、複数の圧粉粒子４１の間を強固に接合してコア２３（各分割体２３ａ〜２３ｆ）の強度を向上させる。また、有機物４７は、各分割体２３ａ〜２３ｆを得るための加圧成形時に潤滑剤として機能する。これにより、圧粉粒子４１同士が擦れ合って、絶縁被膜４５が破壊されるのが防止される。

分割体２３ａ〜２３ｆの作製は以下のようにして行われる。まず、圧粉磁性体を形成するための粉末を所定の成形型に入れ、所定の圧力（例えば、７００ＭＰａから１５００ＭＰａまでの圧力）で加圧成形する。この加圧成形する際の雰囲気は、不活性ガス雰囲気又は減圧雰囲気とするのが好ましい。この場合、大気中の酸素によって圧粉磁性体粉末が酸化されるのを抑制できる。

続いて、前記粉末を加圧成形して得られたものを成形型内から取り出して熱処理を施して、分割体２３ａ〜２３ｆを得る。

このように得られた分割体２３ａ〜２３ｆは、非磁性部材２９ａ〜２９ｆを挟んで略矩形環状に接着剤等により貼り合わされ、これによってコア２３が構成される。

以上のように、本実施形態によれば、コア２３が圧粉磁性体によって形成されているため、リアクトル２１の高周波動作時の鉄損を抑制して動作効率を向上させることができるとともに、製造が容易でコア形状の自由度を拡大できる。

また、コア２３のコイル装着部３１，３３の断面形状が、その断面形状の角部３５が丸められた形状となっているため、コイル２５，２７をコイル装着部３１，３３の外周にその全周に渡って密着させて隙間なく巻回することができ（オーバーバンクをなくすことができ）、その結果リアクトル２１の小型化が図れる。

＜第２実施形態＞
図５は、本発明の第２実施形態に係るリアクトルの側面図である。本実施形態に係るリアクトル５１が上述の第１実施形態に係るリアクトル２１と実質的に異なる点は、コア２３の各分割体２３ａ〜２３ｆが複数の部分体２３１ａ〜２３１ｆ，２３２ａ〜２３２ｆを結合して構成された点のみであり、互いに対応する部分には同一の参照符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係るリアクトル５１では、コア２３を構成する各分割体２３ａ〜２３ｆが、図５に示すように複数（例えば、２個）の部分体２３１ａ〜２３１ｆ，２３２ａ〜２３２ｆが結合されてそれぞれ構成されている。各分割体２３ａ〜２３ｆにおいて、部分体２３１ａ〜２３１ｆ，２３２ａ〜２３２ｆの結合面５３はコア２３内に形成される磁気回路Ｃ（図１参照）と平行になっている。なお、本実施形態では、各分割体２３ａ〜２３ｆを磁気回路Ｃと平行な１つの結合面５３で２個にそれぞれ分割したが、２つ以上の結合面５３で３個以上にそれぞれ分割するようにしてもよい。

すなわち、分割体２３ａ〜２３ｆの作製は、まず部分体２３１ａ〜２３１ｆ，２３２ａ〜２３２ｆの単位で圧粉磁性体を用いて作製され、続いて作製された部分体２３１ａ〜２３１ｆ，２３２ａ〜２３２ｆが接着剤等で貼り合わされて分割体２３ａ〜２３ｆが構成されるようになっている。

以上のように、本実施形態によれば、コア２３の各分割体２３ａ〜２３ｆを複数の部分体２３１ａ〜２３１ｆ，２３２ａ〜２３２ｆに分割して成形することができるため、圧粉磁性体材料のプレス時のプレス形状を小さくすることができ、その結果、コア２３の製造等がより容易かつ低コストになる。

また、コア２３の各分割体２３ａ〜２３ｆを構成する複数の部分体２３１ａ〜２３１ｆ，２３２ａ〜２３２ｆが磁気回路Ｃと平行な結合面５３で互いに結合されているため、部分体２３１ａ〜２３１ｆ，２３２ａ〜２３２ｆ間の結合部で磁気抵抗が増大するのを抑制することができる。

＜適用例＞
図６は上述の第１及び第２実施形態に係るリアクトル２１，５１が適用された車載用電力変換装置の回路図であり、図７はその車載用電力変換装置に備えられる電力変換モジュールの平面的構成を模式的に示す図である。

この車載用電力変換装置は、図６に示すように、電圧変換部６１と、インバータ部６３とを備えて構成されている。なお、この図６に示す構成ではリアクトル２１を使用した構成について説明するが、リアクトル２１の代わりにリアクトル５１を用いることもできる。

変換部６１は、昇降圧変換機能を有しており、電力変換用のリアクトル２１と、電力変換のためのチョッパ回路を構成する第１及び第２のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と、フライホイール用の第１及び第２のダイオードＤ１，Ｄ２と、コンデンサＣ１とを備えている。そして、第１のスイッチング素子Ｓ１をオン、オフさせて、図示しないバッテリから入力される電流をチョップすることにより、リアクトル２１により昇圧された電圧が第２のダイオードＤ２を介してインバータ部６３に供給される。また、第２のスイッチング素子Ｓ２をオン、オフさせて、駆動モータ６５からインバータ部６３を介して入力される回生電流をチョップすることにより、リアクトル２１により降圧された回生電流が前記バッテリ側に与えられる。

また、インバータ部６３は、３相ブリッジ回路を構成する第１ないし第６のスイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１６、及びフライホイール用の第１ないし第６のダイオードＤ１１〜Ｄ１６を備えて構成されている。そして、各スイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１６がオン、オフされて、変換部６１から駆動モータ６５側に与えられる駆動電圧の交流変換、及び駆動モータ６５側から変換部６１側に与えられる回生電流の直流変換が行われる。

このような電力変換装置の一部構成要素は、ユニット化されて図７に示すような電力変換モジュール７１として車両に搭載される。この電力変換モジュール７１は、それぞれユニット化されたリアクトルユニット１２１、変換デバイスユニット（昇圧コンバータ部）１６１及びインバータユニット１６３がケース７３内に備えられている。リアクトルユニット１２１には、リアクトル２１が備えられ、変換デバイスユニット１６１には、変換部６１のうちの第１及び第２のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２及び第１及び第２のダイオードＤ１，Ｄ２（コンデンサＣ１は含まれてない）が備えられ、インバータユニット１６３には、インバータ部６３の第１ないし第６のスイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１６及び第１ないし第６のダイオードＤ１１〜Ｓ１６が備えられる。

このような電力変換装置は、モータ６５の駆動に必要な数１０ｋＷレベルの定格電力を実現するため、リアクトルが大型化し、これによって装置全体も大型化する傾向にある。また、リアクトルに従来の電磁鋼板積層型のコアを用いた場合には、モータ６５の高回転時（高周波数動作時）における鉄損によるエネルギーロスが大きくなる。

この点に関し、この電力変換装置によれば、電力変換用のリアクトルとして上述の第１及び第２実施形態に係るリアクトル２１，５１を採用しているため、高周波動作時の電力変換効率を向上できるとともに、その構成（特に、電力変換モジュール７１）の製造の容易化及び小型化が図れる。

２１ リアクトル
２３ コア
２３ａ〜２３ｆ 分割体
２５，２７ コイル
２９ａ〜２９ｆ 非磁性部材
３１，３３ コイル装着部
３５ 角部
５１ リアクトル
２３１ａ〜２３１ｆ，２３２ａ〜２３２ｆ 部分体
６１ 変換部
６３ インバータ部
７１ 電力変換モジュール
７３ ケース
１２１ リアクトルユニット
１６１ 変換デバイスユニット
１６３ インバータユニット

Claims (6)

1. バッテリ直流電力を、モータ駆動に必要な交流定格電力に変換する車載用電力変換装置であって、
   リアクトルユニットと、変換デバイスユニットと、インバータユニットとを備え、
   前記リアクトルユニットは、
   複数に分割された圧粉磁性体を含むリアクトルコアであって、外周にコイルが装着される部分の断面形状が、その断面形状の角部が丸められた形状となっており、前記圧粉磁性体の間に磁気ギャップが介在しているリアクトルコアを有するリアクトルが備えられた構成である、車載用電力変換装置。
2. 請求項１記載の車載用電力変換装置であって、
   前記リアクトルコアにおいて、前記磁気ギャップの断面形状もその角部が丸められた形状とされている、車載用電力変換装置。
3. 請求項１又は請求項２記載の車載用電力変換装置であって、
   前記リアクトルコアにおいて、前記圧粉磁性体により形成された部分は、当該リアクトルコア内に形成される磁気回路と平行な結合面で互いに結合された複数の部分体を備えて構成されている、車載用電力変換装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか一つに記載の車載用電力変換装置であって、
   前記リアクトルにおいて、コイルが前記リアクトルコアに密着して隙間無く巻回されている、車載用電力変換装置。
5. 請求項３記載の車載用電力変換装置であって、
   前記複数の部分体を結合することにより構成された前記分割された圧粉磁性体を、一枚の前記磁気ギャップを挟んで貼り合せることで、前記リアクトルコアが構成されている、車載用電力変換装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか一つに記載の車載用電力変換装置であって、
   前記圧粉磁性体は多層の絶縁被覆を有する金属磁性体粒子の成形体である、車載用電力変換装置。

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