JP2014127610A - リアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】温度上昇を効率的に抑制可能なリアクトルを提供する。
【解決手段】リアクトル１は、ギャップ５を有する磁性体のコア２と、コア２にコイル状に巻かれた巻線３と、コア２のギャップ５を含む部分と巻線３との間に配置され、その内部に冷媒の流路９が設けられたプレート状の冷却部材４とを備える。前記冷却部材４は、非磁性及び熱伝導性を有するプレート状の部材である。前記巻線３と前記冷却部材４との間に配置された絶縁体を更に備えることができる。前記冷却部材４は、前記コアの周方向における両端が接触しないように配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ギャップを有する磁性体のコアにコイル状に巻かれた巻線を有するリアクトルの冷却構造に関する。

リアクトルはインダクタンスを調整するために、コアがギャップを有している。ギャップが巻線の内側に位置する構造のリアクトルにおいて、ギャップ部の漏れ磁束が近傍の巻線に鎖交し、巻線中に渦電流を発生させる。このため、ギャップ近傍の巻線は銅損が大きく、局所的な発熱の要因となることが知られている。巻線の発熱は劣化による機器寿命の短縮、場合によっては焼損による重大事故の原因となる可能性がある。そのため、リアクトルの設計においては、ギャップ近傍の巻線の冷却を効率よく行うことが求められる。

従来のリアクトルは、冷却方式に空冷又は強制空冷が用いられることが多い。しかし、リアクトルにおいてコアと巻線の間は絶縁材や巻線用支持材により冷却が妨げられ、空冷又は強制空冷では問題となるギャップ近傍の巻線を効率よく冷却することが難しい。このため、構造上スペースに余裕のある設計を採用することが多く、製品が大型になるという問題がある。また、冷却ファン（強制空冷のみ）や通気口が必要となるため、騒音や制御盤の大型化を招くといった問題もある。

また、その他の冷却方式として巻線の内部に流路を設け、ここに冷媒を循環させる構造もある。しかしこの方式は特殊な巻線を使用する関係上、従来のものと基本的な構造が異なるためにコストが高くなるという問題がある。

最近では、放熱効率が高く、基本的な構造が従来のものとほとんど変わらない水冷式のリアクトルが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。従来の水冷式のリアクトルは、コアと巻線との間には放熱板のみが挿入され、放熱板の端部で冷媒用配管と熱交換が行われる。

特開平１１−２８８８１９号公報

しかし、上記従来の水冷式リアクトルは、コアと巻線との間に挿入された放熱板の端部で冷媒用配管と熱交換を行うため、冷媒用配管と発熱部との間に一定の距離が生じ、熱交換を行う放熱板端部までの経路の面積が小さくなってしまう。このため、熱抵抗が大きく、放熱板内部での温度勾配が大きくなるという課題があった。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、温度上昇を効率的に抑制可能なリアクトルを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明のある態様に係るリアクトルは、ギャップを有する磁性体のコアと、前記コアにコイル状に巻かれた巻線と、前記コアの前記ギャップを含む部分と前記巻線との間に配置され、その内部に冷媒の流路が設けられたプレート状の冷却部材とを備える。

上記構成により、その内部に冷媒の流路が設けられたプレート状の冷却部材（ヒートシンク）が温度上昇の大きいギャップ近傍の巻線を直接冷却するので、効率的にリアクトルを冷却することができる。更に、冷媒の流路及び流量を選択することによって、発熱を小さくし、放熱を大きくする最適な放熱設計が可能となるため、リアクトルの小型化が実現できる。

前記冷却部材は、非磁性及び熱伝導性を有するプレート状の部材であってもよい。

上記構成により、プレート状の冷却部材が非磁性及び熱伝導性を有するので、ギャップの漏れ磁束に対するシールド効果が得られ、巻線の温度上昇を抑えることができる。非磁性及び熱伝導性を有する部材として例えば銅、アルミであってもよい。

前記巻線と前記冷却部材との間に配置された絶縁体を更に備えてもよい。

上記構成により、前記巻線と前記冷却部材との間の絶縁性が強化されるので、リアクトルに高い電圧が印加された場合であっても、導体である上記冷却部材と巻線との間に発生する短絡の可能性を抑制することができる。

前記冷却部材は、前記コアの周方向における両端が接触しないように配置されていてもよい。

上記構成により、コアを通る磁束に誘起されて冷却部材に循環電流が流れることを防止できる。

本発明によれば、温度上昇を効率的に抑制可能なリアクトルを提供することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係るリアクトルの斜視図である。 図１のリアクトルのＡ−Ａ´線断面図である。 図１のリアクトルのＢ−Ｂ´線断面図である。 図１のリアクトルが備える冷却部材の分解斜視図である。 図２のリアクトルのギャップ付近を拡大した部分断面図である。 本発明の実施の形態２に係るリアクトルの第１の断面図である。 本発明の実施の形態２に係るリアクトルの第２の断面図である。 本発明の実施の形態２の変形例に係るリアクトルの断面図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１によるリアクトル１の斜視図である。図１に示すように、リアクトル１は、磁性体のコア２と、コア２にコイル状に巻かれた巻線３と、コア２と巻線３の間に配置されたプレート状の冷却部材４と、を備える。本実施の形態に係るリアクトル１は、特に用途を限定されない。リアクトル１は、例えばインバータの入出力フィルタに用いられる。尚、リアクトル１を構成するコア２や巻線３は特別な仕様の部材を使用する必要は無く、公知のものを用いることができる。

図２は、図１のリアクトル１のＡ−Ａ´線断面図である。図２に示すように、磁性体である鉄心のコア２は、ギャップ５を有する。コア２はコイル状の巻線３の内側を貫通している。本実施の形態では、コア２には、４つのギャップ５が形成されている。そして、コア２のギャップ５を含む部分に巻線３が配置され、当該コア２のギャップ５を含む部分と巻線３との間には、流路９が設けられたプレート状の冷却部材４が配置されている。

図３は、図１のリアクトルのＢ−Ｂ´線断面図である。図３に示すように、磁気回路を構成するコア２の周囲に、流路９が設けられた冷却部材４が配置され、その外側に巻線３が配置される。なお、巻線３を構成する素線（電線）はそれ自体が絶縁層で被覆されていることはいうまでもない。本実施の形態では、コア２の周囲の四方に４枚の冷却部材４が配置されている。ここで冷却部材４は、コア２の周方向における両端が接触しないように配置されている。つまり、４枚の冷却部材４は、少なくとも全体として、コア２の周方向における両端が接触しないよう配置されることが必要である。コア２を通る磁束に誘起されて冷却部材４に循環電流が流れることを防止するためである。ここでは、４枚の冷却部材は、それぞれ、隣り合う冷却部材４に対し、コア２の周方向における両端が接触しないように配置されている。

図４は、リアクトル１が備える冷却部材４の分解斜視図である。図４に示すように、冷却部材４は、その内部に冷媒の流路９が設けられている。本実施の形態では、冷却部材４は、プレート状の水冷ヒートシンクで構成される。冷却部材４は、３枚のプレート状の部材が重ね合わされた３層構造である。具体的には、冷却部材４は、平板状のプレート６と、冷媒が通る溝（流路）９が形成されたプレート７と、片側の上下の隅に形成された貫通孔からなる供給口１０と排出口１１とを有する平板状のプレート８を含む。

プレート６〜８は、非磁性及び熱伝導性を有するプレート状の部材である。本実施の形態では、非磁性及び熱伝導性を有する部材として銅が使用される。

プレート７の溝（流路）９は、コア２のギャップ５に沿って、冷却部材４のプレート平面内を横方向に蛇行するようにして形成され、この流路を冷媒が通るようになっている。本実施の形態では、流路９を通る冷媒には液体である冷却水（例えば不凍液）が使用される。

冷却部材４内の冷媒は、外部のポンプユニット（図示せず）から冷却部材４に供給口１０を通じて給水され、冷却部材４内で熱交換を行った後、排出口１１から排水されてポンプユニットへと戻る。このように冷媒は冷却部材４内の流路９を通って循環する。尚、このポンプユニットは、他の水冷ユニット、例えばインバータ内で使用されるＩＧＢＴを冷却する冷却ユニットと共有して使用されてもよい。

次に、以上のような構成のリアクトル１による作用効果について用いて説明する。

図５は、図２のリアクトル１のギャップ５付近を拡大した部分断面図である。矢印は磁束を示している。図５に示すように、コア２のギャップ５近傍では、ギャップ５の外側に漏れ磁束（図の矢印）が生じる。その結果、巻線３に渦電流が発生する。巻線３の渦電流による損失が増えると、リアクトルの効率が低下すると共に、稼動時の巻線３の温度が高温となってしまう。

そこで、本実施の形態では、冷媒の流路９が内部に設けられたプレート状の冷却部材４により、温度上昇の大きいギャップ５近傍の巻線３を直接冷却する。これにより、コア２と巻線３とを同時に効率よく冷却することができ、ひいてはリアクトル１を効率よく冷却することができる。

また、プレート状の冷却部材４は、非磁性及び熱伝導性を有するので、ギャップの漏れ磁束に対するシールド効果が得られ、巻線の温度上昇を抑えることができる。

更に、冷媒の流路及び流量を選択することによって、発熱を小さくし、放熱を大きくする最適な放熱設計が可能となる。これにより、リアクトルの小型化が実現できる。また、冷却ファン（強制空冷）や通気口が必要で無い構成であるので、低騒音且つ省スペースを実現できる。

尚、各々の方向の冷却部材（水冷ヒートシンク）４は導体であるため、これらを一体化した場合には、渦電流による損失の増加及びリアクトル１の特性の悪化が懸念される。そこで、本実施の形態では、冷却部材４（水冷ヒートシンク）はコア２の周囲の四方に配置させつつ、これらを一体化させてはいない。すなわち、４枚の冷却部材４は、全体として、コア２の周方向における両端が接触しないよう配置されており、且つ、それぞれ、隣り合う冷却部材４に対し、コア２の周方向における両端が接触しないように配置されている。これにより、冷却部材にコアの磁束よって循環電流が流れることを防止できる。

冷却部材４（水冷ヒートシンク）を一体化させる場合には、各ヒートシンク間を絶縁した上で一体化させればよい。

次に、本実施の形態の効果について従来例と比較して説明する。

従来のリアクトルは、コアと巻線の間に放熱板が挿入され、放熱板の端部に連結した冷媒用配管と熱交換を行う。従来のリアクトルは、液体を冷媒に用いる点、及び冷媒を循環させる点で、本実施の形態と共通している。

しかし、従来例では、冷媒用配管と発熱部であるコアとの間に距離が生じ、熱交換を行う放熱板端部ａまでの経路の面積が小さくなってしまう。このため、熱抵抗が大きく、放熱板内部での温度勾配が大きくなってしまう。

これに対し、本実施の形態では、図２に示すように、内部に冷媒用の流路９が設けられた冷却部材４がコア２と巻線３の間に挿入され、冷却部材４が発熱部であるコアギャップ５の近傍に設けられている。これにより、リアクトルの変更を極力抑えたまま温度上昇の大きい近傍の巻線を直接冷却できるので、従来例と比べて冷却能力を向上させることができる。

また、従来例では、放熱板が使用されるため、コイルと放熱板、放熱板と冷媒用配管とがそれぞれ密着していなければ冷却能力が大幅に低下してしまう。これに対し、従来例の放熱板と冷媒用配管とが、本実施の形態では冷却部材４として一体化されているので、コイルと冷却部材４を密着させることができ、十分な冷却効果を得ることができる。従来のリアクトルに対して構造の大幅な変更が無いので、新たな製作コストの上昇を抑制することができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２を説明する。以下では、実施の形態１と共通する点についての説明は省略し、相違する点を中心に説明する。図６及び図７は、本発明の実施の形態２に係るリアクトル１の断面図である。本実施の形態２のリアクトル１は、巻線３と冷却部材４との間に配置された絶縁部材１２を更に備える点において、実施の形態１のリアクトル１と相違する。絶縁部材１２は、高電圧に対しても絶縁性を有する絶縁体であればよく、本実施の形態では、例えばアラミド繊維シートを使用する。

リアクトル１の冷却部材４を構成するプレートは導体であるため、高電圧では巻線との間に短絡が発生する可能性がある。そのため、本実施の形態では、実施の形態１による効果に加えて、巻線３と冷却部材４との間の絶縁性が強化されるので、リアクトル１に高い電圧が印加された場合であっても、導体である冷却部材４と巻線３との間に発生する短絡の可能性を抑制することができる。

尚、本実施の形態においては、絶縁部材１２に非常に薄い部材を使用することにより熱伝導への影響を軽微なものにすることができる。

［変形例］
また、本発明の実施の形態２のリアクトル１は、巻線３と冷却部材４との間に絶縁部材１２を配置する構成としたが、図８の変形例に示すように、更に絶縁部材１２をコア２と冷却部材４の間に挿入してもよい。コア２は、通常、導体であるので、実施の形態２の構成では、コア２と冷却部材４により不所望に循環電流が流れるループ状の流路が形成される可能性がある。そこで、絶縁部材１２を配置することで、そのような状態を回避することができる。

尚、本変形例においても、実施の形態２と同様に、絶縁部材１２に非常に薄い部材を使用することにより熱伝導への影響を軽微なものにすることができる。

尚、上記各実施の形態では、磁性体である鉄心のコア２はギャップ５を４つ備えたがこれに限られるものではない。本実施の形態によれば、冷却部材により巻線を直接冷却できるので、ギャップ１つ辺りの温度上昇に余裕ができるので、更にギャップ５の数を少なくすることができる。よってギャップは例えば２つでもよい。これにより、コアギャップの加工費を抑えることができる。

尚、上記各本実施の形態では、非磁性及び熱伝導性を有する部材として銅を使用したが、その他の材料として例えばアルミであってもよい。

尚、上記各本実施の形態では、プレート７の溝（流路）９は、コアのギャップに沿って、冷却部材４のプレート平面内を横に蛇行するようにして形成されたが、このような構成に限定されるものではない。プレート７は、冷媒によってプレート７が実質的に均一に冷却されるように流路が形成されていればよい。プレート７は、例えば、縦方向に蛇行するように形成してもよいし、その他、複数の流路を備えてもよい。

尚、上記各実施の形態では、冷媒が流れる流路は、溝が形成された１枚のプレートを２枚のプレートで挟み込んで形成したが、このような構成に限定されるものではない。例えば冷媒用の配管をプレート内部に配置してもよい。

尚、上記各実施の形態では、冷却部材４をコア２（断面視が四角形）の四方に設置しているが、コア２のギャップ５を含む部分と巻線３との間であれば、例えばコア２の一方、二方、三方のいずれかに設置してもよい。

尚、上記各実施の形態では、冷却部材の流路に流れる冷媒は、液体である冷却水（例えば不凍液）を使用したが、これに限られるものではなく、冷媒は、液体及び気体の混合物であってもよい。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明は、液体、又は液体及び気体の混合物を冷媒とした冷却方式（例えば水冷式）を行うリアクトルに用いることができる。

１ リアクトル
２ コア
３ 巻線
４ 冷却部材
５ ギャップ
６ プレート
７ 溝付きプレート
８ 口付きプレート
９ 溝（流路）
１０ 供給口
１１ 排出口
１２ 絶縁部材

Claims (4)

1. ギャップを有する磁性体のコアと、
   前記コアにコイル状に巻かれた巻線と、
   前記コアの前記ギャップを含む部分と前記巻線との間に配置され、その内部に冷媒の流路が設けられたプレート状の冷却部材とを備える、リアクトル。
2. 前記冷却部材は、非磁性及び熱伝導性を有するプレート状の部材である、請求項１に記載のリアクトル。
3. 前記巻線と前記冷却部材との間に配置された絶縁体を更に備える、請求項１又は２に記載のリアクトル。
4. 前記冷却部材は、前記コアの周方向における両端が接触しないように配置されている、請求項１乃至３のいずれかに記載のリアクトル。

Images