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概要
スイッチング方式のDC-DCコンバータでは出力電流に高周波リップルが生じるので、リアクトルは安定した直流電力を供給するために電流リップルを平滑化する役割を果たします。車両搭載などで機器の小型・軽量化が求められており、高いインダクタンスを維持しつつリアクトルを小型化することが課題となります。小型化すると放熱面積が減って温度上昇しやすくなるため、発熱を抑えるために鉄心の材料選択も重要となります。
相反する複数の要求を満たす設計案を見つけるためには最適化計算が有効です。機器の寸法と材料の種類を同時に最適化することができます。さらに連成解析と組み合わせることで、磁気特性だけでなく温度も評価しながら最適な設計案を探索することが可能となります。
本資料では、最大温度と体積の最小化を目的関数として、電流リップルの上限制約を満たしつつ、リアクトルの寸法やコイル巻数と同時に鉄心材料を最適化した事例を紹介します。
相反する複数の要求を満たす設計案を見つけるためには最適化計算が有効です。機器の寸法と材料の種類を同時に最適化することができます。さらに連成解析と組み合わせることで、磁気特性だけでなく温度も評価しながら最適な設計案を探索することが可能となります。
本資料では、最大温度と体積の最小化を目的関数として、電流リップルの上限制約を満たしつつ、リアクトルの寸法やコイル巻数と同時に鉄心材料を最適化した事例を紹介します。
最適化条件
表1に設計要件、表2と図1に設計変数とその範囲を示します。
最適化結果
図2に実行可能解（すべての制約を満たした解）の分布を示します。その中から選んだ四つの最適設計案の形状を図3に、応答値と巻数、エアギャップ幅、コア材料を表3に示します。図4に最適設計案のエアギャップ位置を変更した場合の温度分布の変化を示します。
図2より、体積と最大温度の間にトレードオフ関係があることが分かります。鉄心全体に圧紛磁心を用いた場合がもっとも体積が小さい設計案が得られる一方で最大温度が高くなります。逆に全体がフェライトの場合がもっとも最大温度が低くなりますが、圧紛磁心の場合と比較すると体積が小さい設計案が得られません。
図3より、目的関数値が異なる四つの最適設計案は全て、C字型コアの高さを低く、厚みを薄くするように小型化していることが分かります。
表3より、フェライトを用いている最適設計案の方がエアギャップ幅が広いことが分かります。フェライトは圧紛磁心よりも飽和磁束密度が低いため、磁気飽和を避けるためにエアギャップ幅が広い形状に最適化されたと考えられます。
図4より、エアギャップを外側に移動させるとI字型コアの温度が大きく上昇することが分かります。最適設計案はコア温度を下げるためにエアギャップが中央寄りに位置してI字型コアの長さが短い形状になっています。
