JP2006114662A - リアクトル及び昇降圧コンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図りつつ、磁性体であるコアの磁気特性を十分に活かす。
【解決手段】昇降圧コンバータＣのリアクトル３０のコア２１ａ，２１ｂに永久磁石３１を近接させ、永久磁石３１の磁界の方向を、昇圧時の磁界の方向と逆向きにする。昇圧時と降圧時のそれぞれの磁束密度が、永久磁石３１の磁界の分だけシフトする。昇圧時の磁束密度範囲の上限を昇圧時の飽和磁束に一致させ、また降圧時の磁束密度範囲の下限を降圧時の飽和磁束に一致させれば、コアにおける実現磁束密度範囲を、負の飽和磁束から正の飽和磁束までフルに設定することができ、磁性体としてのコア２１ａ，２１ｂを小型化しつつ、その磁性特性を十分に活かすことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、リアクトル及び昇降圧コンバータに関するものである。

近年、環境問題からハイブリッド自動車が開発され、駆動力としてエンジンのほかにモータが搭載されている。このモータを駆動するため、ハイブリッド車にはバッテリおよび電力変換器（インバータ）が搭載され、さらに、車種によっては、バッテリおよびモータの小型のため昇降圧コンバータ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）が搭載される。

昇降圧コンバータの構成を図４に示す。この昇降圧コンバータＣは、電源であるバッテリ１からの電圧を昇圧して出力するとともに、モータ３からインバータ回路５を通じて得られる回生電流を降圧してバッテリ１側に与えるものであり、その出力が平滑用コンデンサ７，９によって平滑化されるようになっている。

具体的に、この昇降圧コンバータＣは、平滑用コンデンサ７，９と、昇圧及び降圧に用いられる電力変換用のリアクトル１１と、第１及び第２のスイッチング素子１３，１５と、フライホイール用の第１及び第２のダイオード１７，１９とを備えている。

リアクトル１１は、その一端部がバッテリ１の正電極側に接続されている。

第１のスイッチング素子１３は、インバータ回路５を介してモータ３から与えられる回生電流を降圧するための素子であり、インバータ回路５の正側端子とリアクトル１１の他端との間に介装されている。また、第２のスイッチング素子１５は、バッテリ１からの電圧を昇圧するためのスイッチング素子であり、インバータ回路５の負側端子とリアクトル１１の他端との間に介装されている。

第１のダイオード１７は、リアクトル１１の他端側とインバータ回路５の正側端子との間に、インバータ回路５の正側端子側に向けて順方向となるように、かつ第１のスイッチング素子１３と並列関係をなすように介装されている。また、第２のダイオード１９は、リアクトル１１の他端側とインバータ回路５の負側端子との間に、リアクトル１１の他端側に向けて順方向となるように、かつ第２のスイッチング素子１５と並列関係をなすように介装されている。

平滑用コンデンサ７は、インバータ回路５の正負の両側端子間に介装される。また、平滑用コンデンサ９は、バッテリ１の正負の両電極間に介装される。

このような構成において、バッテリ１からの放電時には、第２のスイッチング素子１５がオン、オフしてリアクトル１１に対するエネルギーの蓄積、放出が繰り返されることにより、バッテリ１側から印加される電圧が昇圧され、第１のダイオード１７を介してコンデンサ７に印加される。そして、このコンデンサ７で昇圧された電圧が安定化され、インバータ回路５に与えられる。この場合、リアクトル１１に流れる電流の方向は、図５中の矢示方向Ｑ１となる。

また、バッテリ１の充電時には、モータ３側から回生電流が供給される際に第１のスイッチング素子１３がオン、オフすることにより、回生電流がリアクトル１１を介して降圧されて、コンデンサ９により電圧が安定化されながら、バッテリ１に回生電流が供給される。この場合、リアクトル１１に流れる電流の方向は、図６中の矢示方向Ｑ２となる。

このように、昇圧時にリアクトル１１に流れる電流と、降圧時にリアクトル１１に流れる電流は、互いに逆方向に流れる。そして一般に、昇圧時にＱ１方向（図５）に流れる電流は、車が始動する際に大きな電力が必要なため大きくなるのに対して、降圧時にＱ２方向（図６）に流れる電流は、定常走行時のバッテリ充電のため電流が流れるので、昇圧時に比べて小さくなる。

ここで、従来のリアクトル１１の一例を図７に示す。このリアクトル１１は、半長円弧状（半分割環状）の磁性体である一対のコア２１ａ，２１ｂが互いに向き合わされて環状に配置され、この両コア２１ａ，２１ｂ同士の間隙部分に、非磁性体材料が使用されたギャップ２２が形成される。そして、コア２１ａ，２１ｂの一部には、磁界を発生させるためのコイル２３が巻回されている。

図７に示したリアクトル１１のコア２１ａ，２１ｂ内に発生する磁束密度を考える。一般に、コイル２３に流れる電流が大きいほど、磁束密度は大きくなる。昇降圧コンバータＣにおいて、図６に示した降圧時のＱ２方向の最大電流は、図５に示した昇圧時のＱ１方向の最大電流より小さい。この場合に、コア２１ａ，２１ｂ内の磁束密度がその飽和磁束を常に超えないようにするためには、昇圧時の最大電流のときにコア２１ａ，２１ｂ内の磁束が飽和するようにリアクトル１１を設計すればよい。

この場合、動作する磁束密度の範囲は図８のように表される。この図８は磁性体であるコア２１ａ，２１ｂのＢ−Ｈ曲線を表しており、同図中の符号Ｓａｔ１は昇圧時に図５中のＱ１方向に電流を流した際のリアクトル１１の飽和磁束、符号Ｓａｔ２は降圧時に図６中のＱ２方向に電流を流した際のリアクトル１１の飽和磁束をそれぞれ示しており、横軸よりも上側のカーブは昇圧時のＢ−Ｈ特性を、横軸よりも下側のカーブは降圧時のＢ−Ｈ特性を示している。

上述のように、昇圧時の最大電流のときにコア２１ａ，２１ｂ内の磁束が飽和するようにリアクトル１１を設計する場合、図８の如く、昇圧時（横軸よりも上側）のカーブにおいては、飽和磁束の限界に至るまでの磁束密度範囲Δｂ１が実現される。

これに対し、図６中のＱ２方向に流れる降圧時の電流は、図５中のＱ１方向に流れる昇圧時の電流に比べて小さいため、降圧時（横軸よりも下側）のカーブでは、飽和磁束が実現されることがなく、比較的小さな磁束密度範囲Δｂ２に留まる。即ち、図８において、実現される磁束密度範囲（以下「実現磁束密度範囲」と称す）はβ１に限られ、横軸よりも下側のカーブにおいて実現されない磁束密度範囲（以下「非実現磁束密度範囲」と称す）β２が存在してしまう。このことは、磁性体であるコア２１ａ，２１ｂの特性を十分に生かしきれていないことを意味する。

しかしながら、リアクトル１１のサイズは、昇降圧コンバータＣの中でも非常に大きい体積を占めている。そして、自動車という限られたスペースに搭載される昇降圧コンバータＣにおいて、リアクトル１１を小型化しながらも、磁性体であるコア２１ａ，２１ｂの磁気特性をできるだけ有効活用することは極めて重要である。

そこで、本発明の課題は、小型化を図りつつ、磁性体であるコアの磁気特性を十分に活かすことのできるリアクトル及び昇降圧コンバータを提供することにある。

上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、環状に配置された磁性体としてのコアと、前記コアに磁界を発生させるためのコイルと、前記コアに近接設置された少なくとも１個の永久磁石とを備えるリアクトルである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のリアクトルであって、一対の前記コアが半分割環状に形成されるとともに、これらが互いに向き合わされて環状に配置され、前記永久磁石が、前記コア同士の間隙部分に配置されたものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のリアクトルであって、前記永久磁石が複数個備えられ、当該永久磁石が、当該各永久磁石により発生する磁界が互いに強め合うように配置されたものである。

請求項４に記載の発明は、バッテリからの電圧を昇圧して所定の駆動部側に出力するとともに、前記駆動部側から得られる回生電流を降圧して前記バッテリ側に与える昇降圧コンバータであって、昇圧及び降圧に用いられる電力変換用のリアクトルと、前記リアクトルに対して昇圧時と降圧時とで電流の方向を切り替えるスイッチング素子とを備え、前記リアクトルが、環状になるように配置された磁性体としてのコアと、前記コアに磁界を発生させるためのコイルと、前記コアに近接設置された少なくとも１個の永久磁石とを備え、前記永久磁石の磁界の方向が、昇圧時に前記コアに発生する磁界と逆方向になるよう、前記永久磁石が配置されるものである。

請求項１及び請求項２に記載の発明では、例えば請求項４のように、このリアクトルを昇降圧コンバータに利用する場合に、昇圧時と降圧時のそれぞれの磁束密度が、永久磁石の磁界（バイアス磁界）の分だけシフトするので、昇圧時の磁束密度範囲の上限を昇圧時の飽和磁束に一致させ、また降圧時の磁束密度範囲の下限を降圧時の飽和磁束に一致させることが可能となる。そうすると、コアにおける実現磁束密度範囲を、負の飽和磁束から正の飽和磁束までフルに設定することができ、磁性体であるコアの磁気特性を十分に活かすことができる。したがって、必要最低限の断面積のコアを用いてリアクトルを小型化しながら、磁性体としてのコアの磁性特性を十分に活かすことが可能となる。

請求項３に記載の発明では、永久磁石が複数個備えられる場合に、当該永久磁石により発生する磁界が互いに強め合うようにしているので、磁性体としてのコアの磁性特性を効率的に活かすことができる。

図１は本発明の一の実施の形態に係るリアクトル３０を示す図である。尚、このリアクトル３０の構成として、図６に示した従来のリアクトル１１と同様の機能を有する要素については同一符号を付している。

このリアクトル３０は、図４に示した昇降圧コンバータＣの電力変換用のリアクトル１１に代えて設置されるもので、図１の如く、当該リアクトル１１（図６）での発生磁界にバイアス磁界をかけるため、内部のギャップ２２に代えて永久磁石３１が設置されたものである。

即ち、このリアクトル３０は、半長円弧状（半分割環状）の磁性体である一対のコア２１ａ，２１ｂが互いに向き合わされて環状長円形になるように配置され、この両コア２１ａ，２１ｂ同士の間隙部分に永久磁石３１が設置される。そして、コア２１ａ，２１ｂの一部には、磁界を発生させるためのコイル２３が巻回されている。

永久磁石３１は、当該永久磁石３１により生じる磁界の方向が、昇圧時の電流により発生する磁界の方向Ｒに対して反対方向になるように配置される。特に、図１のように一対の永久磁石３１がそれぞれ発生する磁界が、コア２１ａ，２１ｂでの発生磁界に対して互いに強め合うように、各永久磁石３１の向きが設定されて配置されている。具体的には、昇圧時の電流により発生する磁界の方向Ｒに対して、両永久磁石３１のいずれもの磁界の方向が反対方向となるように設定される。

尚、昇降圧コンバータＣの構成は、この実施の形態のリアクトル３０が従来のリアクトル１１に代えて設置されている以外は、図４に示したものと同等であり、上述の通りであるため、ここでの説明は割愛する。

図２は、磁性体であるコア２１ａ，２１ｂのＢ−Ｈ曲線を表しており、同図中の符号Ｓａｔ１は昇圧時に図５中のＱ１方向に電流を流した際のリアクトル３０（図５中の符号１１に相当）の飽和磁束、符号Ｓａｔ２は降圧時に図６中のＱ２方向に電流を流した際のリアクトル３０（図６中の符号１１に相当）の飽和磁束、符号Δｂ１は昇圧時の磁束密度範囲、符号Δｂ２は降圧時の磁束密度範囲、符号Δｂ３は永久磁石３１によるバイアス磁界、符号β１はこの実施の形態のリアクトル３０のコア２１ａ，２１ｂの実現磁束密度範囲、符号β２ａ，β２ｂはこの実施の形態のリアクトル３０のコア２１ａ，２１ｂの非実現磁束密度範囲をそれぞれ示している。

この実施の形態における図２のＢ−Ｈ曲線を、従来における図８のＢ−Ｈ曲線と比べると、初期（電流ゼロ）の磁束密度がＢ−Ｈカーブの横軸の下側に永久磁石３１のバイアス磁界Δｂ３の分だけシフトされ、図２の実現磁束密度範囲β１の上限を、図８の場合よりもΔｂ３だけ飽和磁束Ｓａｔ１から下方にシフトさせることができる。このことは、昇圧時の最大電流時の磁束密度（即ち、実現磁束密度範囲β１の上限）が、昇圧時の飽和磁束Ｓａｔ１に対して、上側の非実現磁束密度範囲β２ａだけ余裕を持つことになる。

これにより、図７のリアクトル１１と同等のサイズのコア２１ａ，２１ｂを有するリアクトル３０（図１）を使用する場合、昇圧時に、余裕範囲である非実現磁束密度範囲β２ａがゼロになるまで、図５中のＱ１方向に流れる電流をさらに大きくできることになる。

即ち、図２に示した実現磁束密度範囲β１を拡張し、図３に示すように、昇圧時の磁束密度範囲Δｂ１の上限を昇圧時の飽和磁束Ｓａｔ１となるまで、図５中のＱ１方向に流れる電流を増大できる。

また、降圧時についても、図３に示すように、磁束密度範囲Δｂ２の下限を降圧時の飽和磁束Ｓａｔ２となるまで、図６中のＱ２方向に流れる電流を増大できる。

このように、昇圧時の磁束密度範囲Δｂ１の上限が昇圧時の飽和磁束Ｓａｔ１に一致し、降圧時の磁束密度範囲Δｂ２の下限が降圧時の飽和磁束Ｓａｔ２に一致するように、永久磁石３１のバイアス磁界Δｂ３を設定すれば、実現磁束密度範囲β１を、負の飽和磁束Ｓａｔ２から正の飽和磁束Ｓａｔ１までフルに設定することができ、磁性体であるコア２１ａ，２１ｂの磁気特性を十分に活かすことができる。

また、図２のように、実現磁束密度範囲β１に比べて、リアクトル３０のコア２１ａ，２１ｂの飽和磁束Ｓａｔ１，Ｓａｔ２との間に余裕の範囲β２ａ，β２ｂが生じる場合は、コア２１ａ，２１ｂの断面積を減らすことができるため、リアクトル３０の小型化が可能となる。したがって、上側の飽和磁束Ｓａｔ１と実現磁束密度範囲β１の上限が一致し、且つ下側の飽和磁束Ｓａｔ２と実現磁束密度範囲β１の下限が一致するように永久磁石３１のバイアス磁界Δｂ３とリアクトル３０のコア２１ａ，２１ｂの断面積をそれぞれ設定すれば、磁性体としてのコア２１ａ，２１ｂの磁性特性を十分に活かしながら、リアクトル３０を小型することが可能である。

したがって、このように小型化されたリアクトル３０を、図４に示した昇降圧コンバータＣの電力変換用のリアクトルとして適用すれば、昇降圧コンバータＣ全体の小型化を達成できる。

また、図１のように一対の永久磁石３１がそれぞれ発生する磁界が、コア２１ａ，２１ｂでの発生磁界に対して互いに強め合うように、各永久磁石３１の向きが設定されて配置されているので、磁性体としての２１ａ，２１ｂコアの磁性特性を効率的に活かすことができる。

尚、上記実施の形態では、半長円弧状（半分割環状）の磁性体である一対のコア２１ａ，２１ｂが互いに向き合わされて環状長円形になるように配置され、この両コア２１ａ，２１ｂ同士の間隙部分に永久磁石３１が設置されていたが、各コア２１ａ，２１ｂの形状は必ずしも半長円弧状である必要はなく、例えば半円弧状であっても差し支えない。

また、上記実施の形態では、一対のコア２１ａ，２１ｂを用い、この両コア２１ａ，２１ｂの間隙部分に永久磁石３１を設置していたが、３個以上のコア２１ａ，２１ｂを、全体として環状になるよう配置し、そのいずれかまたは全ての間隙部分に永久磁石３１を設置しても差し支えない。

本発明の一の実施の形態に係るリアクトルを示す模式図である。 本発明の一の実施の形態に係るリアクトルのＢ−Ｈ曲線の一例を示す図である。 本発明の一の実施の形態に係るリアクトルのＢ−Ｈ曲線の他の例を示す図である。 一般的な昇降圧コンバータを示す回路図である。 一般的な昇降圧コンバータにおいて昇圧時にリアクトルに流れる電流の方向を示す回路図である。 一般的な昇降圧コンバータにおいて降圧時にリアクトルに流れる電流の方向を示す回路図である。 従来のリアクトルを示す模式図である。 従来のリアクトルのＢ−Ｈ曲線を示す図である。

符号の説明

Ｃ 昇降圧コンバータ
３ モータ
５ インバータ回路
７，９ 平滑用コンデンサ
１３，１５ スイッチング素子
１７，１９ ダイオード
２１ａ，２１ｂ コア
２３ コイル
３０ リアクトル
３１ 永久磁石

Claims (4)

1. 環状に配置された磁性体としてのコアと、
   前記コアに磁界を発生させるためのコイルと、
   前記コアに近接設置された少なくとも１個の永久磁石と
   を備えるリアクトル。
2. 請求項１に記載のリアクトルであって、
   一対の前記コアが半分割環状に形成されるとともに、これらが互いに向き合わされて環状に配置され、
   前記永久磁石が、前記コア同士の間隙部分に配置されたことを特徴とするリアクトル。
3. 請求項１または請求項２に記載のリアクトルであって、
   前記永久磁石が複数個備えられ、
   当該永久磁石が、当該各永久磁石により発生する磁界が互いに強め合うように配置されたことを特徴とするリアクトル。
4. バッテリからの電圧を昇圧して所定の駆動部側に出力するとともに、前記駆動部側から得られる回生電流を降圧して前記バッテリ側に与える昇降圧コンバータであって、
   昇圧及び降圧に用いられる電力変換用のリアクトルと、
   前記リアクトルに対して昇圧時と降圧時とで電流の方向を切り替えるスイッチング素子と
   を備え、
   前記リアクトルが、
   環状になるように配置された磁性体としてのコアと、
   前記コアに磁界を発生させるためのコイルと、
   前記コアに近接設置された少なくとも１個の永久磁石と
   を備え、
   前記永久磁石の磁界の方向が、昇圧時に前記コアに発生する磁界と逆方向になるよう、前記永久磁石が配置されることを特徴とする昇降圧コンバータ。
   

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