JP2013149943A - リアクトル、コンバータ、及び電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】リアクトル1は、巻線2wを螺旋状に巻回してなる筒状の一つのコイル2と、コイル2の内外に配置されて閉磁路を形成する磁性コア3とを具える。磁性コア3のうち、コイル2の外周側に設けられた外側コア部32は、磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料から構成される。リアクトル1は、外側コア部32の底部に固定される底部遮蔽板40と、側面に固定される側部遮蔽板41sと、端面に固定される端部遮蔽板41eと、頂面に固定される頂部遮蔽板42とを具える。各遮蔽板は、コイル2を励磁した際に生じる磁束の外側コア部32の外部への漏れを遮蔽する。
【選択図】図1
Description
図1〜図3を参照して、実施形態1のリアクトル1Aを説明する。リアクトル1Aは、巻線2wを螺旋状に巻回してなる一つのコイル2と、コイル2の内外に配置されて閉磁路を形成する磁性コア3とを具える。磁性コア3は、コイル2内に配置された柱状の内側コア部31と、コイル2の外周側に配置された外側コア部32とを具え、外側コア部32は、磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料から構成されている。リアクトル1Aの特徴とするところは、外側コア部32の外周面におけるコイル2の軸方向と平行に配置される平行領域の少なくとも一部に固定され、コイル2を励磁した際に生じる磁束の外側コア部32の外部への漏れを遮断する遮蔽板を具える点にある。以下、詳細に説明する。なお、図2では、外側コア部を省略している。
リアクトル1Aは、代表的には、冷却ベースなどの設置対象に設置されて使用される。リアクトル1Aにおける外側コア部32の上記平行領域において、リアクトル1Aが設置対象に設置されたときに当該設置対象に対向して配置される箇所を底部、この底部に立設するように配置され、上記底部に繋がる箇所を側部、上記底部にコイル2を挟んで対向配置され、上記側部に繋がる箇所を頂部とする。一方、外側コア部32におけるコイル2の端面と対向に配置される対向領域を端部とする。対向領域(端部)は、底部に立設するように配置され、底部、側部、及び頂部に繋がる箇所である。ここでは、外側コア部32の外形が直方体状である。そして、外側コア部32の底部(底面)に固定される底部遮蔽板40が樹脂モールド部21によりコイル2と一体に保持されたコイル部品20Aを具える。以下、まず、リアクトル1Aの特徴の一つである遮蔽板に関して説明する。
遮蔽板は、コイル2を励磁した際に生じる磁束の外側コア部32の外部への漏れを遮断する。
底部遮蔽板40は、磁束の漏れを遮蔽する遮蔽板の一部を構成すると共に、コイル2を支持しつつ、放熱経路として機能する。リアクトル1Aを冷却ベースといった設置対象に設置したとき、底部遮蔽板40の外底面40o(図1(B))が設置対象に接して配置され、設置対象の反対側面:内底面40iに、コイル2と磁性コア3との組物が配置され、かつその周縁部に後述する側部遮蔽板41sが取り付けられる。底部遮蔽板40は、コイル2の表面の一部を覆うように配置され、この配置状態が樹脂モールド部21によって維持される。この底部遮蔽板40には、板状部材が好適に利用できる。
磁束の漏れを遮蔽する遮蔽板として、外側コア部32の底面に固定される底部遮蔽板40に加えて、外側コア部32の両側面に固定される側部遮蔽板41sを具える。そうすれば、上記側面において漏れ磁束を低減できる。外側コア部32の平行領域のうち両側面側は、一般に頂面側や底面側に比べて外側コア部32の構成材料(磁性体粉末)が多く磁路となり易いため、磁束が多く通過し易く漏れ磁束も多くなり易い。そのため、両側面に固定される側部遮蔽板41sを具えることで、漏れ磁束の低減に効果的である。加えて、漏れ磁束による他の電気機器への影響も低減できる。例えば、リアクトル1Aを車載部品として用いる場合、上記側面の外側には別の電気機器が配置されていることがあるからである。側部遮蔽板41sは、外側コア部32の構成樹脂により外側コア部32と一体に固定されている。
上記底部遮蔽板40及び側部遮蔽板41sに加えて、磁束の漏れを遮蔽する遮蔽板として、外側コア部32の上記頂部(頂面)に固定される頂部遮蔽板42を具えることが好ましい。上述のように、外側コア部32の頂面側は、外側コア部32の側面側に比べる漏れ磁束が多くならない場合がある。その上、外側コア部32の頂面の外側には別の電気機器が配置されていない場合がある。そのため、頂部遮蔽板42を具えていなくても別の電気機器への影響は少ないが、頂部遮蔽板42を具えることでリアクトル1A自体の漏れ磁束の低減により効果的である。頂部遮蔽板42は、その表面にボルト500が挿通されるボルト孔42bを具えており、このボルト孔42bにボルト500を挿通することで、外側コア部32に固定している。
更に、磁束の漏れを遮蔽する遮蔽板として、外側コア部32の両端部(端面)に固定される端部遮蔽板41eを具えることが好ましい。外側コア部32の端面側は、外側コア部32の側面側や頂面側に比べてコイル2に面している領域が少なく、側面側や頂面側に比べて磁路が少ない。磁路が少ないため、漏れ磁束が多くないが、端部遮蔽板41eを具えることで、漏れ磁束の低減により効果的である。端部遮蔽板41eは、巻線2wの端部を外側コア部32の端面から引き出せるようにU字状の切欠41nを具える。端部遮蔽板41eは、外側コア部32の構成樹脂により外側コア部32と一体に固定されている。
コイル部品20Aは、図2、図3を参照して説明する。実施形態1のリアクトル1Aに具えるコイル部品20Aは、コイル2と、上述の底部遮蔽板40と、磁性コア3を構成する内側コア部31と、これらを一体に保持する樹脂モールド部21とを具える。
コイル2は、1本の連続する巻線2wを螺旋状に巻回してなる筒状体であり、一つのコイル素子で構成されている。巻線2wは、銅やアルミニウム、その合金といった導電性材料からなる導体の外周に、絶縁材料(代表的にはポリアミドイミドといったエナメル材料)からなる絶縁被覆を具える被覆線が好適である。導体は、横断面形状が長方形状である平角線、円形状である丸線、多角形状である異形線などの種々の形状のものを利用できる。ここでは、コイル(コイル素子)2は、導体が銅製の平角線からなり、絶縁被覆がエナメルからなる被覆平角線をエッジワイズ巻きにして形成されたエッジワイズコイルとしている。エッジワイズコイルは、占積率を高めて小型なコイルとし易く、リアクトル1Aの小型化に寄与する。
コイル2の内部に挿通配置される内側コア部31は、図3に示すようにコイル2の内周形状に沿った外形を有する柱状体であり、軟磁性粉末を利用した圧粉成形体から構成されている。詳細は、後述する。
樹脂モールド部21は、コイル2の表面の少なくとも一部を覆って、コイル2を一定の形状に保持する。そのため、コイル2は、樹脂モールド部21によって伸縮せず、組立時などで取り扱い易い。また、樹脂モールド部21は、コイル2を自然長よりも圧縮した状態に保持する機能も有する。そのため、コイル2は、その長さが自然長よりも短く、小型である。更に、樹脂モールド部21は、絶縁性樹脂から構成されて、コイル2の表面を覆うことで、コイル2とその周辺部材(磁性コア3や底板遮蔽板40(放熱台部401))との間の絶縁性を高める機能も有する。そして、樹脂モールド部21は、コイル2と底部遮蔽板40とを一体に保持する部材としても機能する。実施形態1のリアクトル1Aでは、更に、樹脂モールド部21は、コイル2と、底部遮蔽板40と、内側コア部31とを一体に保持する。このようなコイル部品20Aを利用することで、リアクトル1Aは、組立部品の点数が少なく、組立作業性に優れる。
磁性コア3は、主として図1、図2を参照して説明する。上述のように柱状の内側コア部31と、内側コア部31の少なくとも一方の端面31e(ここでは両端面)、及びコイル2の外周側に配置されて、コイル部品20Aの外周面(主としてコイル2の外周面)を覆う外側コア部32とを具え、コイル2を励磁した際に閉磁路を形成する。
内側コア部31は、コイル2の軸方向の長さよりも若干長い。つまり、コイル2内に挿通配置された状態において、両端面31e及びその近傍の外周面がコイル2の端面から若干突出している。この状態が樹脂モールド部21によって維持されている。内側コア部31においてコイル2の各端面から突出する長さ(以下、突出長さと呼ぶ)は、適宜選択することができる。突出長さを等しくしているが、異ならせてもよいし、コイル2のいずれか一方の端面からのみ突出部分が存在するように、内側コア部の長さやコイル2に対する内側コア部の配置位置を調整することができる。内側コア部の長さがコイル2の長さと同等以上であると、コイル2がつくる磁束を内側コア部31に十分に通過させられる。
外側コア部32の形状は、側部遮蔽板41s、端部遮蔽板41e、及び頂部遮蔽板42の内周面と、コイル部品20Aの外周面に囲まれた部分とがつくる空間に沿った形状である。即ち、コイル部品20Aにおいて、各遮蔽板の外表面(遮蔽板の側面及び外周面)、及び巻線2wの両端部を除く領域は、外側コア部32に覆われている。外側コア部32の一部が内側コア部31の両端面31eに連結するように設けられていることで、磁性コア3は閉磁路を形成する。
上述のように構成材料が異なることで、磁性コア3は、部分的に磁気特性が異なっている。具体的には、内側コア部31は、外側コア部32よりも飽和磁束密度が高く、外側コア部32は、内側コア部31よりも比透磁率が低い。より具体的には、圧粉成形体から構成される内側コア部31は、飽和磁束密度:1.6T以上、かつ外側コア部32の飽和磁束密度の1.2倍以上、比透磁率:100以上500以下で、複合材料から構成される外側コア部32は、飽和磁束密度:0.6T以上、かつ内側コア部31の飽和磁束密度未満、比透磁率:5以上50以下、好ましくは10以上35以下で、内側コア部31及び外側コア部32からなる磁性コア3全体の比透磁率は10以上100以下である。内側コア部の飽和磁束密度が高い形態は、全体の飽和磁束密度が均一的な磁性コアと同じ磁束を得る場合、内側コア部の断面積を小さくできるため、リアクトルの小型化に寄与することができる。内側コア部31の飽和磁束密度は、1.8T以上、更に2T以上が好ましく、外側コア部32の飽和磁束密度の1.5倍以上、更に1.8倍以上が好ましい。圧粉成形体に代えて、珪素鋼板に代表される電磁鋼板の積層体を利用すると、内側コア部の飽和磁束密度を更に高め易い。一方、外側コア部32の比透磁率を内側コア部31よりも低くすると、磁気飽和を抑制できるため、例えばギャップレス構造の磁性コア3とすることができる。ギャップレス構造の磁性コア3とすると、漏れ磁束を低減できる。
遮蔽板の表面における外側コア部32との接触領域の少なくとも一部に粗面化処理が施されていることが好ましい。そうすれば、外側コア部32と遮蔽板との密着性を高められる上に、放熱性を向上できる。粗面化処理する領域は、好ましくは50面積%以上、更に80面積%以上とすることが好ましい。
上記構成を具えるリアクトル1Aは、通電条件が、例えば、最大電流(直流):100A〜1000A程度、平均電圧:100V〜1000V程度、使用周波数:5kHz〜100kHz程度である用途、代表的には電気自動車やハイブリッド自動車などの車載用電力変換装置の構成部品に好適に利用できる。
リアクトル1Aは、例えば、以下のようにして製造することができる。まず、図3に示すコイル2と内側コア部31と底部遮蔽板40とをそれぞれ用意し、樹脂モールド部21(図2)によって一体に成形したコイル部品20A(図2)を作製する。
上述のリアクトル1Aによれば、以下の効果を奏する。
(1)コイル2・内側コア部31・底部遮蔽板40(放熱台部401)が一体化されたコイル部品20Aを覆うといった複雑な形状であっても、外側コア部32を容易に形成できる。
(2)外側コア部32の磁気特性を容易に変更可能である。
(3)コイル部品20A(コイル2)の外周を覆う材料が磁性体粉末を含有するため、樹脂だけの場合よりも熱伝導率が高く放熱性に優れる。
実施形態1では、磁束の漏れを遮蔽する複数の遮蔽板が、外側コア部32の各面にそれぞれ独立して固定される場合を説明した。その他、一枚の板材を曲げ加工など塑性加工して作製され、接する2面を覆う一体の遮蔽板を固定してもよいし、同様にして作製され、1つの面に対して隣接する2面の計3面を覆う一体の遮蔽板を固定してもよい。前者の場合、外側コア部32の側面と端面の2面、側面と頂面の2面、端面と頂面の2面を覆うL状の遮蔽板を固定することが挙げられる。これらを組み合わせてもよい。例えば、(1)一方の側面と一方の端面の2面、及び他方の側面と他方の端面の2面、(2)一方の側面と端面の2面、及び他方の側面と頂面の2面、(3)側面と一方の端面の2面、及び他方の端面と頂面の2面にそれぞれL状の遮蔽板を固定してもよい。一方、後者の場合、外側コア部32の側面とその側面に隣接する2つの端面の計3面、端面とその端面に隣接する2つの側面の計3面、または頂面とその頂面に隣接する2つの側面若しくは2つの端面の計3面を覆うΠ状の遮蔽板を固定することが挙げられる。いずれの場合も遮蔽板の固定には、上述と同様に外側コア部32の構成材料で外側コア部32に一体に固定してもよいし、接着剤などで外側コア部32に固定してもよい。
実施形態1、変形例1では、内側コア部31をも一体に具えるコイル部品を説明した。その他、内側コア部31を有していないコイル部品、つまり、コイルと底部遮蔽板とが樹脂モールド部によって保持され、かつ内側コア部31が挿通配置される中空孔を有するコイル部品とすることができる。このコイル部品の製造には、上述した内側コア部31に代わって中子を利用するとよい。コイル2の内側に設ける樹脂の厚さを調整して中空孔を形成することで、当該樹脂を内側コア部31の位置決めに利用できる。
実施形態1、変形例1,2では、横型収納形態を説明したが、図4(B)に示すリアクトル1Bのように、底部遮蔽板40において平面で構成された外底面40oに対して、コイル2の軸が直交するようにコイル2が配置される縦型配置形態とすることができる。縦型配置形態は、横型収納形態と比較して設置対象に対する接触面積を小さくし易く、設置面積の小型化を図ることができる。
実施形態1,2、変形例1,2では、内側コア部31が圧粉成形体から構成され、外側コア部32のみが複合材料から構成された形態を説明した。その他、内側コア部も磁性体粉末と樹脂とを含有する複合材料から構成された形態、つまり、磁性コアの全てが複合材料により構成された形態とすることができる。この場合、内側コア部と外側コア部とを同じ複合材料により構成することができる。各コア部を構成する複合材料の磁性体粉末の含有量は40体積%以上75体積%以下、飽和磁束密度は0.6T以上、好ましくは1.0T以上、比透磁率は5以上50以下、好ましくは10以上35以下とすることができ、磁性コア全体の比透磁率は5以上50以下とすることができる。内側コア部及び外側コア部の双方は、成形型を用いて一体に形成してもよい。例えば、変形例2で説明したコイル部品と同じように、コイルと底部遮蔽板とが樹脂モールド部によって保持され、かつ内側コア部が挿通配置される中空孔を有するコイル部品を用意する。このコイル部品を成形型に収納し、複合材料の原料を成形型内に充填して、コイル部品の中空孔及びコイル部品と成形型との間の空間に原料を流し込み、樹脂を硬化する。そうすれば、内側コア部と外側コア部とが一体になった複合材料からなる磁性コアが得られる。その他、内側コア部と外側コア部とをそれぞれ成形型を用いて所定の形状に別途成形した複合材料の成形体としてもよい。例えば、成形型を用いて成形した複合材料(成形体)からなる内側コア部を用意し、この内側コア部をコイルの内側に配置してコイルと内側コア部とを一体化したコイル部品を作製する。このコイル部品を成形型に収納し、複合材料の原料を成形型に充填して、複合材料からなる外側コア部を成形する。これにより、内側コア部と外側コア部とを同じ複合材料で形成すれば、両コア部を別々に形成しても、両コア部を同じ複合材料により構成することができる。
実施形態1〜3、変形例1,2では、コイル2が一つのコイル素子を具える形態を説明した。その他、巻線を螺旋状に巻回してなる一対のコイル素子を具える形態とすることができる。一対のコイル素子は、各素子の軸が平行するように横並び(並列)され、巻線の一部を折り返してなる連結部により連結された形態(図5参照)が挙げられる。各コイル素子を別々の巻線によって形成し、両コイル素子を構成する巻線の一端部同士をTIG溶接などの溶接、圧着、半田付けなどで接合した形態、上記一端部同士を別途用意した連結部材を介して接合した形態とすることもできる。例えば、横型収納形態では、横並びした各コイル素子の設置側面を底板遮蔽板に載置し、この状態で樹脂モールド部によってコイルと底部遮蔽板とを一体に保持するコイル部品を形成する。一対のコイル素子を具える場合には、横型収納形態とすると、放熱性に優れる上に、上記連結部が邪魔にならず、コイル部品などを製造し易い。
実施形態1〜4や変形例1,2のリアクトルは、例えば、車両などに載置されるコンバータの構成部品や、このコンバータを具える電力変換装置の構成部品に利用することができる。
2 コイル 2w 巻線 20A,20B,20C コイル部品 21 樹脂モールド部
2a,2b コイル素子
3 磁性コア 31 内側コア部 31e 端面
32 外側コア部 32o 露出領域
40 底部遮蔽板 40i 内底面 40o 外底面
41s 側部遮蔽板 41e 端部遮蔽板 41n 切欠
42 頂部遮蔽板 42b ボルト孔 42h 貫通孔
400 取付部 401 放熱台部 401e 端面 401s 側面 402 支持面
403 筒受け
50 筒部材(カラー) 500 ボルト
1100 電力変換装置 1110 コンバータ 1111 スイッチング素子
1112 駆動回路 L リアクトル 1120 インバータ
1150 給電装置用コンバータ 1160 補機電源用コンバータ
1200 車両 1210 メインバッテリ 1220 モータ 1230 サブバッテリ
1240 補機類 1250 車輪
Claims (14)
- 筒状のコイルと、そのコイルの内外に配置されて閉磁路を形成する磁性コアとを具え、その磁性コアのうち、前記コイルの外周側に配置される箇所の少なくとも一部が磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料から構成されるリアクトルであって、
前記複合材料の外周面における前記コイルの軸方向と平行な平行領域の少なくとも一部に固定された遮蔽板を具えるリアクトル。 - 前記遮蔽板における前記複合材料との接触領域の少なくとも一部に粗面化処理が施されている請求項1に記載のリアクトル。
- 前記平行領域において、
前記リアクトルが設置対象に設置されたときに当該設置対象に対向配置される底部に固定される底部遮蔽板と、
前記底部に繋がる側部に固定される側部遮蔽板とを具える請求項1または2に記載のリアクトル。 - さらに、前記コイルを挟んで前記底部に対向配置される頂部に固定される頂部遮蔽板を具える請求項3に記載のリアクトル。
- さらに、前記複合材料は、前記頂部遮蔽板を当該複合材料に固定するための取付部材を挿通する筒部材を具える請求項4に記載のリアクトル。
- さらに、前記複合材料の外周面における前記コイルの端面と対向に配置される対向領域に固定される端部遮蔽板を具える請求項3〜5のいずれか1項に記載のリアクトル。
- さらに、前記側部遮蔽板と端部遮蔽板との間から前記複合材料の一部が露出する露出領域を具える請求項6に記載のリアクトル。
- さらに、前記コイルの外周の少なくとも一部を覆って、当該コイルの形状を保持すると共に、当該コイルと前記底部遮蔽板とを一体に保持する樹脂モールド部を具える請求項3〜7のいずれか1項に記載のリアクトル。
- 前記磁性コアのうち、前記コイルの内側に配置される内側コア部は、前記樹脂モールド部の構成樹脂によって前記コイルと一体に保持されている請求項8に記載のリアクトル。
- 前記コイルは、横並びされた一対の筒状のコイル素子を具える請求項1〜9のいずれか1項に記載のリアクトル。
- 前記磁性コアは、磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料で構成されている請求項1〜10のいずれか1項に記載のリアクトル。
- 前記コイルの内側に配置される内側コア部は圧粉成形体によって構成されている請求項1〜10のいずれか1項に記載のリアクトル。
- 請求項1〜12のいずれか1項に記載のリアクトルを具えるコンバータ。
- 請求項13に記載のコンバータを具える電力変換装置。
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