JP2014216455A - 中空筒型リアクトル装置、中空筒型コンバータ装置、および中空筒型電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりもノイズの発生を抑制しつつ電源装置の小形軽量化に適した中空筒型リアクトル装置を提供する。
【解決手段】本発明の中空筒型リアクトル装置１は、絶縁被覆された導体を巻回したコイル３を中心軸線ＡＸの周りに有するインダクタンス素子２を往路に備え、リターン導体６を復路に備えたリアクトル装置であって、インダクタンス素子２は、中心軸線ＡＸが中空の筒状または環状であり、リターン導体６は、中心軸線ＡＸを共通とする筒状であってインダクタンス素子２の同軸外周側に配置されている。さらに、本発明の中空筒型リアクトル装置１に中空筒型の他の回路要素を組み合わせて、本発明の中空筒型コンバータ装置および本発明の中空筒型電源装置を構成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、リアクトル装置ならびに、リアクトル装置を組み込んだコンバータ装置および電源装置に関する。

近年、走行用駆動源としてエンジンおよびモータを備えたハイブリッド車両や、モータのみを備えた電気自動車が急速に普及しつつあり、各種方式の駆動装置が実用化されている。モータは、三相同期電動発電機が多用され、力行時には車載のバッテリからの給電で駆動輪を駆動し、制動時には回生発電を行ってバッテリを充電する。ここで、モータに給電する駆動源圧を可変に調整することで車速を制御でき、一方、バッテリの充電電圧は時間的に変動する。このため、モータとバッテリとの間にコンバータ装置およびインバータ装置を組み合わせた電源装置を設けて、双方向の電力変換を行わせることが一般的になっている。電源装置は、パワー半導体モジュールを有する電力変換部、リアクトル（インダクタ）、およびコンデンサを組み合わせて構成する場合が多い。コンバータ装置およびインバータ装置を組み合わせた電源装置は、車載の用途に限定されず、分散型発電設備などにも広く用いられている。この種の電源装置に組み込むことのできるリアクトル装置の技術例が、特許文献１および特許文献２に開示されている。

特許文献１のリアクトルは、平角線材を巻いて成るコイルをコアにて全体的に包み込む状態に内蔵している。さらに、複数のコイルブロックを軸方向又は径方向に重ねた形態で構成するとともに、コイル縦断面における軸方向の高さ寸法Ａと径方向の幅寸法Ｂとのアスペクト比（＝Ａ／Ｂ）を０．７〜１．８の範囲としている。これにより、従来よりも磁路長を短くできかつ磁路断面積を小さくでき、結果として、高いインダクタンス特性を維持しつつリアクトルを効果的に小型化、軽量化でき、また損失を小さくできる、とされている。

特許文献２のエアギャップ付きリアクトル素子は、２つの磁性体の外側磁脚を直接的に接続し、中央磁脚はエアギャップを介して接続したコアシステムを具備している。さらに、中央磁脚に巻き付ける銅材は、２分割した分割銅板の部分を有し、この分割銅板の部分をエアギャップの付近に配置している。これにより、従来よりも渦電流損失が少なくなると記載されている。つまり、エアギャップの付近で銅材が２分割されているので、漏洩磁束に鎖交する銅材断面積が半分になり、漏洩磁束に起因する銅材内部の誘起電圧および渦電流が低減されるものと解釈することができる。

また、本願出願人は、車載の電源装置に好適なパワー半導体チップ、パワー半導体モジュール、およびインバータ装置の技術を特許文献３に開示している。このパワー半導体チップは、ダイの表面形状が正三角形になっている。そして、複数のパワー半導体チップの同一端子同士を接続することでパワー半導体モジュールを構成する。複数のパワー半導体チップは、ハニカム構造に配置することができ、パワー半導体モジュールは、例えば正六角形状や等脚台形状に構成する。さらに、このパワー半導体モジュールを複数用いてインバータ装置を構成する。これにより、回路要素の実装密度を高くして電源装置を小形軽量化できる。加えて、インバータ装置を回転対称形状に構成でき、かつ、高圧側と低圧側とを同軸内外に配置できて、ノイズの発生を顕著に抑制できる。

特開２０１１−１９９０８１号公報 特開２００８−２１０９９８号公報 特開２００９−８８４６６号公報

ところで、特許文献３に開示したようにパワー半導体モジュールを回転対称に配置し高圧側と低圧側とを同軸内外配置にしても、その前後に接続されるリアクトルやコンデンサの構成が協調していないと、小形軽量化やノイズ抑制の効果が減じてしまう。電源装置の小形軽量化は、ただ単に車両に搭載するときの搭載スペースだけでなく、駆動装置全体の配置に関係し、かつ燃費の改善にも寄与できる重要な開発目標である。また、車載の電源装置でノイズが発生すると、近傍に配置された電子制御機器や各種センサなどへの電磁的な影響が懸念されため、ノイズ抑制も重要な開発目標である。

このような開発目標を達成した装置として、本願出願人は、特願２０１２−６５５７１号で中空筒型コンデンサおよびインバータ装置を出願している。さらに、本願出願人は、特願２０１２−６５５７２号でインバータ装置を出願し、特願２０１２−６５５７３号でコンデンサおよびインバータ一体型三相同期モータ装置を出願している。しかしながら、リアクトルおよびコンバータ装置に関しては未だであり、車載のバッテリからモータに至る間の電源装置全体で協調のとれた構成は実現されていない。

例えば、特許文献１や特許文献２に開示されたリアクトルを電源装置の往路に用いる場合、復路のリターン導体の構造は特定されておらず、協調のとれた構成にならない。このため、電源装置の回路構成が幾何学的に対称でない不平衡回路になる。不平衡回路では、配線のワイヤインダクタンスに起因するサージ電圧や、往復路とフレームグラウンドとの間の漏れインダクタンスや、往復路とフレームグラウンドとの間の浮遊容量に起因する漏れ電流などにより、コモンモードノイズが発生しやすくなる。ノイズの問題点に対して、リアクトル単独での対応策が考えられるが、電源装置全体で総合的に対応することが一層好ましい。

また、特許文献１や特許文献２に開示されたリアクトルは、電源装置の回路要素として最適な形状と言えず、電源装置全体の小形軽量化が阻害されている。例えば、特許文献１のリアクトルは、円柱状の外形をしているが、２個のコイル端子は外周面から半径方向外向きに突出している。したがって、高圧側と低圧側とを同軸内外に配置した装置との接続には極めて不都合である。また、特許文献１のリアクトルを車載の電源装置に用いた場合に、突出したコイル端子によって搭載上のスペース効率が著しく低下する。

なお、ノイズの影響が重大である問題点、および電源装置全体の小形軽量化が阻害される問題点は、車載の用途に限定されるものではなく、分散型発電設備などの他用途のリアクトルや電源装置にも共通している。

本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、従来よりもノイズの発生を抑制しつつ電源装置の小形軽量化に適した中空筒型リアクトル装置を提供することを解決すべき課題とする。さらに、この中空筒型リアクトル装置を組み込んで従来よりもノイズの発生を抑制しつつ小形軽量化を実現した中空筒型コンバータ装置および中空筒型電源装置を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する請求項１に係る中空筒型リアクトル装置の発明は、絶縁被覆された導体を巻回したコイルを中心軸線の周りに有するインダクタンス素子を往路に備え、リターン導体を復路に備えたリアクトル装置であって、前記インダクタンス素子は、前記中心軸線が中空の筒状または環状であり、前記リターン導体は、前記中心軸線を共通とする筒状であって前記インダクタンス素子の同軸外周側に配置されている。

これによれば、リアクトルを回転対称形状かつ同軸内外配置に構成できるので、電気回路の平衡性が良好になる。したがって、往復路とフレームグラウンドとの間の漏れインダクタンスが削減または相殺され、同様に、往復路とフレームグラウンドとの間の浮遊容量も相殺されて漏れ電流が抑制される。この効果として、中空筒型リアクトル装置の近傍に配置された電子制御機器や各種センサなどへのコモンモードノイズおよび漏れ電流の影響が軽減される。

また、中空部分に電気接続用の端子を設けたり、導体を通したり、動力伝達用の回転軸を配置したりできるので、設置位置の自由度が大きくかつ使い勝手がよく、電源装置の小形軽量化に適している。このため、本発明の中空筒型リアクトル装置は、搭載スペースの限られた車載用途に好適である。さらには、筒状のリターン導体を低圧側に使用し、その内側に高圧側のインダクタンス素子を配置して電気的にシールドできるので、安全性が高い。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記インダクタンス素子は、前記中心軸線の周りに前記導体を巻回した筒状または環状のコイルと、前記コイルに鎖交する磁路をもつコアとを有し、前記コアは、前記コイルの内周側の位置に前記磁路を遮断する磁路ギャップ部、または前記磁路の断面積を部分的に狭めた磁路狭窄部を有する。

これによれば、コアに磁路ギャップ部または磁路狭窄部を設けて磁気特性を自在に調整することができる。また、漏洩磁束の影響がコイルの内周側の付近に限定されるので、外部への影響が抑制される。

請求項３に係る発明は、請求項２において、前記コイルは、薄板状の導体を半径方向に複数層巻回して断面を渦巻形状とした単位コイルを前記中心軸線の軸長方向に複数個配置して直列接続したものである。

これによれば、簡素な構造で製造の容易なコイルを実現でき、コストの低廉な中空筒型リアクトル装置を提供できる。

請求項４に係る発明は、請求項１において、前記インダクタンス素子は、前記中心軸線を周回する環状のコアと、前記コアに鎖交するように前記導体を巻回したトロイダル構造のコイルと、を有する。

これによれば、コアの外側をトロイダル構造のコイルで取り囲むので、放熱性能が大いに優れる。特に、エッジワイズ巻きのコイルを採用すると、導体表面の放熱面積を顕著に大きくできるので熱的な制約が緩和され、小形軽量での大容量化が可能になる。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか一項において、前記インダクタンス素子は、前記コイルの各端に導通する内側接続端子を筒状または環状の内周に有する。

これによれば、特許文献１のコイル端子などと異なって、他の回路要素と接続する配線が突出せず、小形軽量化に適している。また、他の回路要素と接続する配線長さを短くでき、ワイヤインダクタンスが小さくなって、サージ電圧が抑制される。

請求項６に係る発明は、請求項５において、前記リターン導体は、外側接続端子を筒状の軸長方向の各端に有し、複数の中空筒型リアクトル装置を前記中心軸線の軸長方向に隣接して配置すると、前記インダクタンス素子の前記内側接続端子が相互に接続され、かつ前記リターン導体の前記外側接続端子が相互に接続される。

これによれば、所望するインダクタンス値を複数のリアクトルの直列接続によって実現するときに、中空筒型リアクトル装置同士を接して配置できるので小形化が可能になる。また、中空筒型リアクトル装置同士を相互に接続する手間が軽減される。

請求項７に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一項において、複数の前記インダクタンス素子を前記中心軸線の軸長方向に隣接して配置するとともに直列接続し、前記リターン導体を複数の前記インダクタンス素子の同軸外周側に延在させた。

これによれば、所望するインダクタンス値を実現するときに、複数のインダクタンス素子同士を接して配置すればよいので、小形化が可能になる。また、インダクタンス素子の相互の接続は容易であり、延在するリターン導体では接続の手間は不要である。

請求項８に係る発明は、請求項１〜７のいずれか一項において、前記インダクタンス素子は、絶縁材料で形成されたボビンを有し、前記ボビンは、前記コイルを保持する機能、前記コイルの各端に導通する接続端子を保持する機能、前記コイルに鎖交するコアと前記コイルとの間の絶縁機能、前記コアと前記コイルとの間の位置決め機能、前記コアが有する磁路ギャップ部または磁路狭窄部を安定化する機能、ならびに前記導体を巻回する際の巻き型の機能のうち少なくとも一機能をもつ。

これによれば、インダクタンス素子がボビンを有することで、絶縁性能の向上や、機械的強度の安定化、製造の容易化、品質の向上などの多様な効果が生じる。

請求項９に係る中空筒型コンバータ装置の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の中空筒型リアクトル装置と、通電位相を制御するパワー半導体モジュールをそれぞれ有する高圧側スイッチング部および低圧側スイッチング部を含んで、前記中心軸線の周りに環状に形成された中空筒型電力変換部と、前記中心軸線の周りの環状空間内に静電容量部が高密度に収容されて形成された中空筒型コンデンサと、を前記中心軸線上で組み合わせて一体化し、直流電源の電源電圧を昇圧または降圧して直流負荷に出力する。

これによれば、コンバータ装置を構成する全ての回路要素を回転対称形状かつ同軸内外配置として協調した構成にできるので、電気回路の平衡性が極めて良好になる。また、回路要素の相互間を接続する配線長さを短くできる。したがって、漏れインダクタンスに起因するコモンモードノイズ、浮遊容量に起因する漏れ電流、およびワイヤインダクタンスに起因するサージ電圧が抑制される。また、全ての回路要素を中心軸線に沿って一列に配置できるので、小形軽量化が実現され、車載用途に好適である。

請求項１０に係る発明は、請求項９において、前記中空筒型電力変換部は、前記高圧側スイッチング部の出力端子が前記往路を介して前記直流負荷に接続され、前記低圧側スイッチング部の出力端子が前記復路を介して前記直流負荷に接続され、さらに、前記高圧側スイッチング部および前記低圧側スイッチング部に共通な入力端子が前記中空筒型リアクトル装置を介して前記直流電源に接続されており、前記中空筒型コンデンサは、前記中空筒型リアクトル装置と前記直流電源との間で前記往路と前記復路との間に接続された電源側中空筒型コンデンサと、前記中空筒型電力変換部と前記直流負荷との間で前記往路と前記復路との間に接続された負荷側中空筒型コンデンサと、を含んでおり、前記電源電圧を昇圧する。

これによれば、中空筒型リアクトル装置、中空筒型電力変換部、および２個の中空筒型コンデンサを組み合わせて、昇圧コンバータ装置を構成できる。したがって、直流電源の電源電圧が変動しても、昇圧機能により安定して直流負荷に給電できる。

請求項１１に係る発明は、請求項９または１０において、前記高圧側スイッチング部および前記低圧側スイッチング部はそれぞれ、並列接続された複数のパワー半導体モジュールを含んで構成され、かつ、回転対称に配置されている。

これによれば、高圧側スイッチング部および低圧側スイッチング部に流れる電流の幾何学的な方向が分散し、電流によって外部に誘起される漏洩磁束の少なくとも一部がキャンセルされる。したがって、近傍に配置された電子制御機器や各種センサなどへの電磁的な影響が軽減される。

請求項１２に係る中空筒型電源装置の発明は、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の中空筒型コンバータ装置と、通電位相を制御するパワー半導体モジュールをそれぞれ含む三相の上アームおよび下アームを備え、前記中心軸線の周りに環状に形成された中空筒型インバータ装置と、を前記中心軸線上で組み合わせて一体化し、前記直流電源の電源電圧に電力変換を施して三相交流電圧を生成し、三相交流負荷に出力する。

これによれば、中空筒型コンバータ装置および中空筒型インバータ装置は、回転対称形状かつ同軸内外配置に構成できるので、電気回路の平衡性が極めて良好になる。また、中空筒型コンバータ装置と中空筒型インバータ装置とを接続する配線長さを短くできる。したがって、漏れインダクタンスに起因するコモンモードノイズ、浮遊容量に起因する漏れ電流、およびワイヤインダクタンスに起因するサージ電圧が抑制される。また、全ての回路要素を中心軸線に沿って一列に配置できるので、小形軽量化が実現され、車載用途に好適である。

請求項１３に係る中空筒型電源装置の発明は、請求項１２において、電気自動車またはハイブリッド車両に搭載され、前記直流電源は車載バッテリであり、前記三相交流負荷は走行駆動モータである。

これによれば、車載バッテリの充電電圧が変動しても、走行駆動モータが安定的に駆動され、車両が安定走行する。さらに、中空筒型電源装置に逆方向の電力変換を行わせることで、回生発電による燃費の向上も可能になる。

第1実施形態の中空筒型リアクトル装置を模式的に示した中心軸線を含む縦断面図である。 第1実施形態の中空筒型リアクトル装置のコイルの構成を説明する斜視図である。 図１のＹ１−Ｙ１矢視を示す横断面図である。 図１のＹ２−Ｙ２矢視を示す横断面図である。 ２個の第1実施形態の中空筒型リアクトル装置を直列接続した場合を模式的に示した縦断面図である。 ユニット化したインダクタンス素子を複数直列接続した第２実施形態の中空筒型リアクトル装置を模式的に示した縦断面図である。 第３実施形態の中空筒型リアクトル装置のコアの磁路狭窄部を説明する横断面図である。 第４実施形態の中空筒型リアクトル装置を模式的に示した中心軸線を含む縦断面図である。 第４実施形態の中空筒型リアクトル装置の製造方法を説明する分解断面図である。 第５実施形態の中空筒型リアクトル装置を模式的に示した中心軸線を含む縦断面図である。 図１０のＹ３−Ｙ３矢視を示す横断面図である。 第６実施形態の中空筒型コンバータ装置の電気回路図である。 第６実施形態の中空筒型コンバータ装置の構成を模式的に示した図である。 第６実施形態の中空筒型コンバータ装置に組み込んだ中空筒型電力変換部の電気回路図である。 図１３の右方向から見た中空筒型電力変換部の実態図である。 参考形態の中空筒型電力変換部の実態図である。 第７実施形態の中空筒型コンバータ装置に組み込んだ中空筒型電力変換部の電気回路図である。 第７実施形態の中空筒型電力変換部の実態図である。 第８実施形態の中空筒型電源装置の構成を模式的に示した縦断面図である。

本発明の第1実施形態の中空筒型リアクトル装置について、図１〜図５を参考にして説明する。図１は、第1実施形態の中空筒型リアクトル装置１を模式的に示した中心軸線ＡＸを含む縦断面図である。また、図２は、第1実施形態の中空筒型リアクトル装置１のコイル３の構成を説明する斜視図である。さらに、図３は、図１のＹ１−Ｙ１矢視を示す横断面図であり、図４は、図１のＹ２−Ｙ２矢視を示す横断面図である。中空筒型リアクトル装置１は、インダクタンス素子２を電気回路の往路に備え、リターン導体６を電気回路の復路に備えて構成されている。中空筒型リアクトル装置１は、中心軸線ＡＸの周りに概ね回転対称な形状であり、同軸内周側にインダクタンス素子２が配置され、同軸外周側にリターン導体６が配置されている。

図１に示されるように、インダクタンス素子２は、中心軸線ＡＸが中空の筒状であり、コイル３、コア４、および内側接続端子５１、５２などで構成されている。コイル３は、直列接続された第１単位コイル３１および第２単位コイル３２からなる。第１単位コイル３１および第２単位コイル３２は、絶縁被覆された薄板状の導体が半径方向に複数層巻回されて形成されており、図３および図４に示されるように、横断面が渦巻形状になっている。薄板状の導体の材質には高い導電率を有する銅を用いることができ、これに限定されず、アルミニウムなどの他の金属材料を用いてもよい。また、導体の占積率を大きくするために、面取りされた矩形断面を有する平角導体を用いることが好ましい。絶縁被覆の材質には、公知の各種絶縁材料を用いることができ、例えば、絶縁性の樹脂材料を用いる。

ここで、図２〜図４に示されるように、第１単位コイル３１と第２単位コイル３２とでは巻回方向が逆になっている。すなわち、第１単位コイル３１では、図２および図３に示されるように、内周の巻き始め３１Ｓから左巻き（反時計回り）に巻き始め、半径方向外側に順次積層してゆき、外周の巻き終わり３１Ｅで巻き終わる。これに対して、第２単位コイル３２では、図２および図４に示されるように、内周の巻き始め３２Ｓから右巻き（時計回り）に巻き始め、半径方向外側に順次積層してゆき、外周の巻き終わり３２Ｅで巻き終わる。

第１単位コイル３１と第２単位コイル３２とは、中心軸線ＡＸの軸長方向にわずかな間隔を設けて配置される。そして、外周側で第１単位コイル３１の巻き終わり３１Ｅと、第２単位コイル３２の巻き終わり３２Ｅとが接合されて直列接続される。また、第１単位コイル３１の巻き始め３１Ｓおよび第２単位コイル３２の巻き始め３２Ｓはそれぞれ、内向きに引き出されて、内側接続端子５１、５２に接合される。

コア４は、図略の絶縁体を介して、コイル３を取り囲むように配置されている。コア４は、軸長方向において２分割されて互いに対称な単位コア４１、４２からなる。単位コア４１、４２は、公知の磁性材料を適宜用いて形成でき、薄板状の磁性板材を積み重ねた積層コアでも、粉体状の磁性材料を焼結成型した焼結コアでもよい。第１単位コア４１は、コイル３の内周側に配置される内周レッグ４１１と、コイル３の外周側に配置される外周ヨーク４１２と、コイル３の軸線方向端面側に配置されるエンドヨーク４１３とが一体となって形成されている。同様に、第２単位コア４１は、内周レッグ４２１と外周ヨーク４２２とエンドヨーク４２３とが一体となって形成されている。

図３および図４に示されるように、第１単位コア４１の内周レッグ４１１および第２単位コア４２の内周レッグ４２１の周方向の一部に、中心軸線ＡＸの軸長方向に延在するスリット４１４、４２４が刻設されている。このスリット４１４、４２４を通って、第１単位コイル３１の巻き始め３１Ｓおよび第２単位コイル３２の巻き始め３２Ｓが絶縁を維持して引き出されている。コイル３を挟み込むように第１単位コア４１および第２単位コア４２を軸長方向の両側から向い合せに当接させると、コイル３に鎖交する磁路が形成される。

ここで、内周レッグ４１１、４２１の軸長方向の長さは、外周ヨーク４１２、４２２の軸長方向の長さよりもわずかに短い。したがって、外周ヨーク４１２、４２２同士が当接したときに、内周レッグ４１１、４１２の間にはギャップ長Ｇの磁路ギャップ部４３が生じる。ギャップ長Ｇを適宜設けて磁路を遮断することによりコア４の非線形な磁気抵抗を調整して、中空筒型リアクトル装置１の特性を適正化できる。ただし、磁路ギャップ部４３は、必須の構成要件ではないので無くすこともでき、あるいは後述の磁路狭窄部４４に代えることもできる。

内側接続端子５１、５２は、コア４の内周側に配置されており、図略の絶縁体を用いて、コア４から絶縁支持されている。第１内側接続端子５１は、第１単位コイル３１の巻き始め３１Ｓに導通している。図１に示されるように、第１内側接続端子５１は、コア４の内周側に配置された環状の基体部５１１と、基体部５１１からコア４の軸長方向外側へ延出した接触部５１２とからなる。接触部５１２は、周方向に複数に分割され、かつ、延出した先端に向かって徐々に縮径されたテーパ形状になっている。第２内側接続端子５２は、第２単位コイル３２の巻き始め３２Ｓに導通している。図１に示されるように、第２内側接続端子５２は、コア４の内周側に配置された環状の基体部５２１と、基体部５２１から内周側に鋭角状に折り返された接触部５２２とからなる。接触部５２２は、周方向に複数に分割され、かつ、折り返された先端に向かって徐々に縮径されたテーパ形状になっている。２つの接触部５１２、５２２は、板ばね状の弾性を有している。

図１の矢印Ｘ１に示されるように、第１内側接続端子５１の接触部５１２の外面に向かい、内周テーパ形状の接続導体５５を軸長方向に差し込んで接続することができる。また、矢印Ｘ２に示されるように、第２内側接続端子５２の接触部５２２の内面に向かい、外周テーパ形状の接続導体５６を軸長方向に差し込んで接続することができる。中空筒型リアクトル装置１は、接続導体５５および接続導体５６を介して他の回路要素に接続される。あるいは、他の回路要素が接続導体５５や接続導体５６の形状に相当する端子を有していれば、中空筒型リアクトル装置１を直接的に接続できる。この接続方法によると、接触部５１２、５２２の板ばね状の弾性の効果で所定の接触圧が確保されるので、ねじなどの締結部材を用いた接続作業が不要になる。

リターン導体６は、銅やアルミニウムなどの金属材料を用いて、中心軸線ＡＸを共通とする筒状に形成されている。リターン導体６は、コア４の外周側に配置されており、図略の絶縁体を用いて、コア４から絶縁支持されている。リターン導体６の筒状の両縁は、インダクタンス素子２のコア４の両端よりも少し突出している。

リターン導体６は、軸長方向の一端（図１の左端）に第１外側接続端子６１を有し、軸長方向の他端（図１の左端）に第２外側接続端子６２を有している。第１外側接続端子６１は、軸長方向の縁に進むにつれて徐々に縮径されたテーパ形状部となっている。第２外側接続端子６２は、軸長方向の縁に進むにつれて徐々に拡径されたテーパ形状部と、テーパ形状部に連なって縁に達する大径のガイド形状部６３とからなっている。第１外側接続端子６１および第２外側接続端子６２は、接続導体を介して、または直接的に他の回路要素に接続される。

第１実施形態の中空筒型リアクトル装置１は、第１内側接続端子５１および第１外側接続端子６１を第１の回路要素に接続し、第２内側接続端子５２および第２外側接続端子６２を第２の回路要素に接続して用いる。このとき、第１内側接続端子５１および第２内側接続端子５２が高圧側となるように接続する。高圧側の往路電流は、第１の回路要素からインダクタンス素子２を経由して第２の回路要素へ流れる。また、低圧側の復路電流は、第２の回路要素からリターン導体６を経由して第１の回路要素へ流れる。往路電流と復路電流とは、大きさが同じで、流れる向きが逆方向になる。

なお、リターン導体６は、フレームグラウンドに接地しないでノイズの発生を抑制することが好ましいが、接地して用いることもできる。接地しない場合には、筒状のフレームグラウンドをリターン導体６の外周に配置して、リターン導体６を覆うようにすると一層好ましい。フレームグラウンドＦＧの具体例は、後述の第６実施形態の中空筒型コンバータ装置１０で説明する。

第1実施形態の中空筒型リアクトル装置１は、絶縁被覆された導体を巻回したコイル３を中心軸線ＡＸの周りに有するインダクタンス素子２を往路に備え、リターン導体６を復路に備えたリアクトル装置であって、インダクタンス素子２は、中心軸線ＡＸが中空の筒状または環状であり、リターン導体６は、中心軸線ＡＸを共通とする筒状であってインダクタンス素子２の同軸外周側に配置されている。

これによれば、中空筒型リアクトル装置１を概ね回転対称形状かつ同軸内外配置に構成できるので、電気回路の平衡性が良好になる。したがって、往復路とフレームグラウンドとの間の漏れインダクタンスが削減または相殺されてコモンモードノイズが抑制され、同様に、往復路とフレームグラウンドとの間の浮遊容量も相殺されて漏れ電流が抑制される。この効果として、中空筒型リアクトル装置の近傍に配置された電子制御機器や各種センサなどへのコモンモードノイズおよび漏れ電流の影響が軽減される。

また、インダクタンス素子２は、コイル３の各端に導通する第１および第２内側接続端子５１、５２を筒状の内周に有して他の回路要素に接続できる。したがって、設置位置の自由度が大きくかつ使い勝手がよく、電源装置の小形軽量化に適している。また、他の回路要素と接続する配線長さを短くでき、ワイヤインダクタンスが小さくなって、サージ電圧が抑制される。このため、第1実施形態の中空筒型リアクトル装置１は、搭載スペースの限られた車載用途に好適である。さらには、筒状のリターン導体６を低圧側に使用し、その内側に高圧側のインダクタンス素子２を配置して電気的にシールドできるので、安全性が高い。

さらに、コイル３は、薄板状の導体を半径方向に複数層巻回して断面を渦巻形状とした単位コイル３１、３２を中心軸線ＡＸの軸長方向に複数個配置して直列接続したものである。単位コイル３１、３２の巻回形成作業は、後述の第５実施形態のエッジワイズ巻きのコイル３Ｄと比較して著しく容易である。したがって、簡素な構造で製造の容易なコイル３を実現でき、コストの低廉な中空筒型リアクトル装置１を提供できる。

次に、複数の中空筒型リアクトル装置１を直列接続して所望するインダクタンス値を得る場合について説明する。図５は、２個の第1実施形態の中空筒型リアクトル装置１Ｍ、１Ｎを直列接続した場合を模式的に示した縦断面図である。図示されるように、２個の中空筒型リアクトル装置１Ｍ、１Ｎを軸長方向に並べ、コア４同士が接するように配置することができる。このとき、第１の中空筒型リアクトル装置１Ｍの第１内側接続端子５１の接触部５１２が第２の中空筒型リアクトル装置１Ｎの第２内側接続端子５２の接触部５２２の内側に差し込まれ、自動的に接続される。また、第１の中空筒型リアクトル装置１Ｍの第１外側接続端子６１は、わずかに切り落として寸法調整することで第２の中空筒型リアクトル装置１Ｎのガイド形状部６３の内側に入り込んで、第２外側接続端子６２に自動的に接続される。

さらに、３個以上の中空筒型リアクトル装置１を軸長方向に隣接して配置し、直列接続することもできる。このように、第1実施形態の中空筒型リアクトル装置１では、リターン導体６は、第１および第２外側接続端子６１、６２を筒状の軸長方向の各端に有し、複数の中空筒型リアクトル装置１Ｍ、１Ｎを中心軸線ＡＸの軸長方向に隣接して配置すると、インダクタンス素子２の第１および第２内側接続端子５１、５２が相互に接続され、かつリターン導体２の第１および第２外側接続端子６１、６２が相互に接続される。

これによれば、所望するインダクタンス値を複数のリアクトルの直列接続によって実現するときに、中空筒型リアクトル装置１Ｍ、１Ｎ同士を接して配置できるので小形化が可能になる。また、中空筒型リアクトル装置１Ｍ、１Ｎ同士を相互に接続する手間が軽減される。

また、上述のように中空筒型リアクトル装置１の全体をユニット化するのでなく、インダクタンス素子２のみをユニット化するようにしてもよい。図６は、ユニット化したインダクタンス素子２を複数直列接続した第２実施形態の中空筒型リアクトル装置１Ａを模式的に示した縦断面図である。図示されるように、第２実施形態では、２個のインダクタンス素子２は軸長方向に隣接して配置され、第１内側接続端子５１と第２内側接続端子５２との接触によって直列接続されている。一方、リターン導体６Ａは１個だけ用いられ、その軸長方向の長さは第１実施形態の略２倍とされている。リターン導体６Ａは、２個のインダクタンス素子２の同軸外周側に延在している。

さらに、３個以上のインダクタンス素子２を軸長方向に隣接して配置する場合には、リターン導体６Ａの軸長方向の長さを適宜長くする。このように、第２実施形態の中空筒型リアクトル装置１Ａでは、複数のインダクタンス素子２を中心軸線ＡＸの軸長方向に隣接して配置するとともに直列接続し、リターン導体６Ａを複数のインダクタンス素子２の同軸外周側に延在させた。

これによれば、所望するインダクタンス値を実現するときに、複数のインダクタンス素子２同士を接して配置すればよいので、小形化が可能になる。また、インダクタンス素子２の相互の接続は容易であり、延在するリターン導体６Ａでは接続の手間は不要である。

次に、第１実施形態の磁路ギャップ部４３を磁路狭窄部４４に代えた第３実施形態の中空筒型リアクトル装置１Ｂについて、第１実施形態と異なる点を主に説明する。図７は、第３実施形態の中空筒型リアクトル装置１Ｂのコア４Ｂの磁路狭窄部４４を説明する横断面図である。第３実施形態において、コア４Ｂを構成する２個の単位コア４２Ｂの形状のみが第１実施形態と異なり、その他の部材は第１実施形態と同じである。図７には、軸長方向から見た単位コア４２Ｂの互いに当接する端面が示されている。

図７に示されるように、単位コア４２Ｂの内周レッグ４２１Ｂは、端面に段差があり、相対的に高い磁路形成部４４１と、相対的に低い磁路遮断部４４２とを有している。図７では、便宜的に磁路形成部４４１にハッチングを施して示している。磁路形成部４４１および磁路遮断部４４２は、周方向に交互に等角度間隔で４箇所ずつ設けられている。磁路形成部４４１の断面積は、磁路遮断部４４２の断面積よりも小さい。内周レッグ４２１Ｂの軸長方向の長さは、磁路形成部４４１では外周ヨーク４２２Ｂの軸長方向の長さに一致し、磁路遮断部４４２では外周ヨーク４２２Ｂの軸長方向の長さよりもわずかに短くなっている。したがって、２個の単位コア４２Ｂを向い合せに当接させると、外周ヨーク４２２Ｂ同士の当接に加え、内周レッグ４２１Ｂの磁路形成部４４１同士も当接して磁路が連続する。また、内周レッグ４２１Ｂの磁路遮断部４４２同士は、ギャップ長を有して離隔対向し、磁路を遮断する。

磁路形成部４４１と磁路遮断部４４２とが並列に配置されることで磁路狭窄部４４が形成されている。磁路狭窄部４４の磁路断面積は、磁路形成部４４１の分だけとなり、コア４Ｂの他の部分よりも小さい。このため、コイル３に流れる電流が増加するにつれて、磁路狭窄部４４で最初に磁気飽和が発生する。したがって、磁路形成部４４１と磁路遮断部４４２との断面積の比率やギャップ長を変更することにより、コア４Ｂの磁気特性を調整することができる。

このように、第３実施形態の中空筒型リアクトル装置１Ｂでは、インダクタンス素子２は、中心軸線ＡＸの周りに導体を巻回した筒状または環状のコイル３と、コイル３に鎖交する磁路をもつコア４Ｂとを有し、コア４Ｂは、コイル３の内周側の位置に磁路の断面積を部分的に狭めた磁路狭窄部４４を有する。これによれば、コア４Ｂに磁路狭窄部４４を設けて磁気特性を自在に調整することができる。また、漏洩磁束の影響がコイル３の内周側の付近に限定されるので、外部への影響が抑制される。

次に、インダクタンス素子２がボビン７を有する第４実施形態の中空筒型リアクトル装置１Ｃについて、第１実施形態と異なる点を主に説明する。図８は、第４実施形態の中空筒型リアクトル装置１Ｃを模式的に示した中心軸線ＡＸを含む縦断面図である。第４実施形態において、ボビン７を有する点が第１実施形態と異なり、その他の部材は第１実施形態に類似している。ボビン７は、例えば、絶縁性樹脂を成形型に注入成形して作製することができる。

図８に示されるように、ボビン７は、コイル保持部７１、ギャップ保持部７２、および端子保持部７３が一体となって構成されている。コイル保持部７１は、コイル３を取り囲んで形成されており、かつコア４の内部に収容されている。コイル保持部７１は、コイル３を保持する機能、コア４とコイル３との間の絶縁機能、およびコア４とコイル３との間の位置決め機能を有している。ギャップ保持部７２は、コア４の磁路ギャップ部４３に入り込んで鍔状に形成されている。ギャップ保持部７２は、磁路ギャップ部４３を安定化する機能を有している。端子保持部７３は、コア４と第１および第２内側端子５１、５２との間に入り込んで筒状に形成されている。端子保持部７３は、第１および第２内側端子５１、５２を保持する機能を有している。

図９は、第４実施形態の中空筒型リアクトル装置１Ｃの製造方法を説明する分解断面図である。第４実施形態の中空筒型リアクトル装置１Ｃを製造するときに、まず、巻き型治具を使用してコイル３を巻回形成する。次に、コイル３に第１および第２内側端子５１、５２を接続して成形型にセットする。次に、ボビン７の原料となる溶融した樹脂を成形型に流し込み、樹脂を固化させた後に成形型を取り外す。これにより、図９の中央に示されるコイル３、ボビン７、ならびに第１および第２内側端子５１、５２の一体品が形成される。次に、矢印Ｘ３、Ｘ４に示されるように、ボビン７を挟み込むように第１単位コア４１および第２単位コア４２を軸長方向の両側から当接させて組み付ける。最後に、矢印Ｘ５に示されるように、軸長方向の一側からリターン導体６を組み付けると、中空筒型リアクトル装置１Ｃが完成する。

第４実施形態の中空筒型リアクトル装置１Ｃでは、インダクタンス素子２は、絶縁材料で形成されたボビン７を有し、ボビン７は、コイル３を保持する機能、コイル３の各端に導通する第１および第２内側接続端子５１、５２を保持する機能、コイル３に鎖交するコア４とコイル３との間の絶縁機能、コア４とコイル３との間の位置決め機能、コア４が有する磁路ギャップ部４３を安定化する機能、ならびに導体を巻回する際の巻き型の機能のうち少なくとも一機能をもつ。これによれば、インダクタンス素子２がボビン７を有することで、絶縁性能の向上や、機械的強度の安定化、製造の容易化、品質の向上などの多様な効果が生じる。

なお、ボビン７の製造方法は、上述に限定されない。例えば、ボビン７を分割タイプとして予め作製しておき、コイル３を巻回形成するときの巻き型として機能させることができる。この場合には、コイル４を巻回形成した次にボビン７を組み立て、第１および第２内側端子５１、５２を接続する。そしてその後に、コア４を組み付け、リターン導体６を組み付ける。

次に、トロイダル構造の第５実施形態の中空筒型リアクトル装置１Ｄについて、第１〜第４実施形態と異なる点を主に説明する。図１０は、第５実施形態の中空筒型リアクトル装置１Ｄを模式的に示した中心軸線ＡＸを含む縦断面図である。また、図１１は、図１０のＹ３−Ｙ３矢視を示す横断面図である。第５実施形態において、インダクタンス素子２Ｄを構成するコイル３Ｄおよびコア４Ｄの構造が第１実施形態と異なり、第１および第２内側端子５１、５２ならびにリターン導体６の構造は第１実施形態と同じである。

以下、第５実施形態の中空筒型リアクトル装置１Ｄについて、その構造とともに製造方法も併せて説明する。図１０および図１１に示されるように、第５実施形態のインダクタンス素子２Ｄは、中心軸線ＡＸを周回する環状のコア４Ｄと、コア４Ｄに鎖交するように導体を巻回したトロイダル構造のコイル３Ｄと、を有している。インダクタンス素子２Ｄは、図１１に示された分割面ＣＡで上下に２分割された状態で予めサブアセンブリされ、最終的に一体化される。

コア４Ｄは、積層コアでも焼結コアでもよく、磁路の断面形状は、例えば図示される矩形とする。コア４Ｄは、予め２分割してカットコアとするので、それぞれのカットコアは概ね円弧状（半ドーナツ形状）となる。それぞれのカットコアの中心角を１８０°よりもわずかに小さくすることで、カットコアの端面同士が向かい合う位置に磁路ギャップ部４３Ｄを形成することができる。ただし、磁路ギャップ部４３Ｄは必須の構成要件でなく、完全な環状のコアや、第３実施形態に類似した磁路狭窄部を有するコアとしてもよい。

コア４Ｄを収容して保持し、かつコイル３Ｄを巻回形成する際の巻き型の機能を有する部材として、２個のボビン７Ｄを用いる。ボビン７Ｄは概ね円弧状（半ドーナツ形状）で、内部に矩形断面のコア収容孔を有している。ボビン７Ｄの外周面に絶縁被覆された平角導体をエッジワイズ巻きで巻回してコイル３Ｄを形成する。このとき、中心軸線ＡＸに近い内側で平角導体を隙間なく巻回しても、中心軸線ＡＸから遠い外側では、平角導体のターン間に隙間が生じる。したがって、放熱に寄与する平角導体の表面積が大きくなり、放熱性能が大いに優れる。コイル３Ｄを形成した後のボビン７Ｄのコア収容孔に、コア４Ｄを滑りこませて収容する。

次に、２つのボビン７Ｄを向い合せて一体化する。このとき、コア４Ｄの２箇所に形成される磁路ギャップ部４３Ｄのギャップ長が等しくなるように周方向の位置を調整する。また、図１１に示される一方のボビン７Ｄの平角導体の巻き終わり３３Ｅと、他方のボビン７Ｄの平角導体の巻き始め３４Ｓとを、外側で接続する。さらに、一方のボビン７Ｄの平角導体の巻き始め３３Ｓを内側に引き出して、第１内側端子５１に接続する。また、他方のボビン７Ｄの平角導体の巻き終わり３４Ｅを内側に引き出して、第２内側端子５２に接続する。これで、インダクタンス素子２Ｄが形成される。最後に、インダクタンス素子２Ｄの外周側にリターン導体６を組み付けて、中空筒型リアクトル装置１Ｄが完成する。

第５実施形態の中空筒型リアクトル装置１Ｄでは、インダクタンス素子２Ｄは、中心軸線ＡＸを周回する環状のコア４Ｄと、コア４Ｄに鎖交するように導体を巻回したトロイダル構造のコイル３Ｄと、を有する。これによれば、コア４Ｄの外側をトロイダル構造のコイル３Ｄで取り囲むので、放熱性能が大いに優れる。特に、エッジワイズ巻きのコイル３Ｄを採用したことで、導体表面の放熱面積を顕著に大きくできるので熱的な制約が緩和され、小形軽量での大容量化が可能になる。

次に、本発明の第６実施形態の中空筒型コンバータ装置１０について、図１２〜図１５を参考にして説明する。図１２は、第６実施形態の中空筒型コンバータ装置１０の電気回路図である。また、図１３は、第６実施形態の中空筒型コンバータ装置１０の構成を模式的に示した図である。中空筒型コンバータ装置１０は、第１実施形態の中空筒型リアクトル装置１を組み込んで構成することができる。中空筒型コンバータ装置１０は、一対の装置入力端子１０１、１０２を直流電源Ｂａｔに接続し、一対の装置出力端子１０３、１０４を直流負荷ＤＣＬに接続して用いる。中空筒型コンバータ装置１０は、直流電源Ｂａｔの電源電圧を昇圧して直流負荷ＤＣＬに出力する。

図１２に示されるように、中空筒型コンバータ装置１０の電気回路は、インダクタＬ、２個のスイッチング部ＳＷ１、ＳＷ２、および２個のコンデンサＣ１、Ｃ２で構成されている。高圧側スイッチング部ＳＷ１は、パワー半導体モジュールとダイオードの並列接続で構成されている。パワー半導体モジュールにはＩＧＢＴ素子を例示でき、これに限定されない。高圧側スイッチング部ＳＷ１の出力端子Ｔ１は、往路の装置出力端子１０３を介して直流負荷ＤＣＬの高圧側端子ＬＨに接続される。

同様に、低圧側スイッチング部ＳＷ２も、パワー半導体モジュールとダイオードの並列接続で構成されている。低圧側スイッチング部ＳＷ２の出力端子Ｔ２は、復路の装置出力端子１０４を介して直流負荷ＤＣＬの低圧側端子ＬＬに接続されるとともに、装置入力端子１０２を介して直流電源Ｂａｔの負極端子ＢＮに接続される。高圧側スイッチング部ＳＷ１および低圧側スイッチング部ＳＷ２に共通な入力端子ＴＣは、インダクタＬを経由し装置入力端子１０１を介して直流電源Ｂａｔの正極端子ＢＰに接続される。

また、一対の装置入力端子１０１、１０２の間に電源側コンデンサＣ１が接続され、一対の装置出力端子１０３、１０４の間に負荷側コンデンサＣ２が接続されている。さらに、装置入力端子１０２と装置出力端子１０４とを接続した復路に沿い、フレームグラウンドＦＧが設けられて接地されている。

図１２の電気回路で、或る時間帯に低圧側スイッチング部ＳＷ２のパワー半導体モジュールを閉じると、直流電源ＢａｔからインダクタＬに流れる電流が徐々に増加する。これにより、インダクタＬは電磁エネルギを蓄積する。次の時間帯に、低圧側スイッチング部ＳＷ２のパワー半導体モジュールを開くと、インダクタＬに流れる電流は、急激に変化できず高圧側スイッチング部ＳＷ１のダイオードから負荷側コンデンサＣ２に向かって流れる。負荷側コンデンサＣ２は、電磁エネルギを静電エネルギに変換して蓄積し、装置出力端子１０３、１０４の間の直流電圧が上昇する。これにより、昇圧された直流電圧が装置出力端子１０３、１０４から直流負荷ＤＣＬに出力される。これが昇圧の原理である。低圧側スイッチング部ＳＷ２を閉じている時間の比率（デューティ比）を変更することにより、昇圧後の直流電圧の大きさを可変に調整することができる。

なお、詳細な説明は省略するが、中空筒型コンバータ装置１０は、低圧側スイッチング部ＳＷ２を常に開としておき高圧側スイッチング部ＳＷ１を開閉制御することで、逆方向に直流電圧を降圧して出力する機能も有している。すなわち、装置出力端子１０３、１０４の間に入力された高い直流電圧を降圧して、装置入力端子１０１、１０２から出力することもできる。

ここで、一般的なコンバータ装置では、図１２に例示されるように、往復路の配線のワイヤインダクタンスＬ１や、往復路とフレームグラウンドＦＧとの間の漏れインダクタンスＬ２や、往復路とフレームグラウンドＦＧとの間の浮遊容量ＣＦが寄生的に発生する。これらは仮想的な回路要素であるが、図１２では破線の回路記号を用いて例示している。電気回路の構成が平衡していないと、これらの仮想的な回路要素（ワイヤインダクタンスＬ１、漏れインダクタンスＬ２、および浮遊容量ＣＦ）に起因するノイズが発生しやすく、かつノイズの影響が重大になりがちである。

そこで、第５実施形態の中空筒型コンバータ装置１０では、インダクタＬに第１実施形態の中空筒型リアクトル装置１を用いる。さらに、２個のスイッチング部ＳＷ１、ＳＷ２を含む中空筒型電力変換部８１を用い、２個のコンデンサＣ１、Ｃ２に中空筒型コンデンサ８３、８４を用いる。図１３に示されるように、中空筒型コンバータ装置１０は、中空筒型リアクトル装置１、中空筒型電力変換部８１、電源側中空筒型コンデンサ８３、および負荷側中空筒型コンデンサ８４を中心軸線ＡＸ上で組み合わせ、一体化して構成する。図１３で、同軸内周側に高圧側の往路が並んで配置され、同軸外周側に低圧側の復路が並んで配置されている。さらに、復路の外周側に、同軸筒状のフレームグラウンドＦＧが配置されている。

電源側および負荷側中空筒型コンデンサ８３、８４については、本願出願人が出願した特願２０１２−６５５７１号の中空筒型コンデンサを用いることができる。例えば、内周筒部および該内周筒部の一方の端部から外周側に延在する一側面部を有する一方極接続部と、前記内周筒部と中心軸線上に同軸に配置された外周筒部および該外周筒部の他方の端部から内周側に延在する他側面部を有する他方極接続部と、前記一方極接続部に接続される一方電極板、該一方電極板と対向し前記他方極接続部に接続される他方電極板、および前記一方電極板と前記他方電極板との間に介在される誘電体を有する静電容量部とを備え、前記内周筒部、前記一側面部、前記外周筒部、および前記他側面部の間に形成される環状空間内に前記静電容量部が高密度に収容されている中空筒型コンデンサを用いることができる。

中空筒型電力変換部８１は、図１３に示されるように、軸長方向の一面側に高圧側および低圧側スイッチング部ＳＷ１、ＳＷ２を有し、他面側に冷却ジャケット８２を有している。図１４は、第６実施形態の中空筒型コンバータ装置１０に組み込んだ中空筒型電力変換部８１の電気回路図である。また、図１５は、図１３の右方向から見た中空筒型電力変換部８１の実態図である。図１４に示されるように、高圧側スイッチング部ＳＷ１は並列接続された第１〜第３高圧側単位スイッチング部ＳＷ１１〜ＳＷ１３に３分割され、同様に、低圧側スイッチング部ＳＷ２は並列接続された第１〜第３低圧側単位スイッチング部ＳＷ２１〜ＳＷ２３に３分割されている。そして、図示されるように、高圧側と低圧側とが対になった単位回路構成が３並列されている。次に、図１４の左側の第１の単位回路構成を代表とし、符号を付して詳述する。

第１高圧側単位スイッチング部ＳＷ１１は、パワー半導体モジュールに相当するＩＧＢＴ素子８１１（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子）、およびダイオード８１３の並列接続により構成されている。ＩＧＢＴ素子８１１のコレクタ電極ＣＨは出力端子Ｔ１に接続され、エミッタ電極ＥＨは入力端子ＴＣに接続されている。ＩＧＢＴ素子８１１のゲート電極ＧＨは、図略の制御部に接続されて制御信号が入力される。ダイオード８１３のアノードＡＨは入力端ＴＣに接続されており、カソードＫＨは出力端子Ｔ１に接続されている。

第１低圧側単位スイッチング部ＳＷ２１も、ＩＧＢＴ素子８１２およびダイオード８１４の並列接続により構成されている。ＩＧＢＴ素子８１２のコレクタ電極ＣＬは、入力端子ＴＣおよび高圧側のＩＧＢＴ素子８１１のエミッタ電極ＥＨに接続されている。ＩＧＢＴ素子８１２のエミッタ電極ＥＬは、出力端子Ｔ２に接続されており、ゲート電極ＧＬは、図略の制御部に接続されて制御信号が入力される。ダイオード８１４のアノードＡＬは出力端子Ｔ２に接続されており、カソードＫＬは入力端子ＴＣに接続されている。

ここで、図１５に示されるように、中空筒型電力変換部８１は、中心軸線ＡＸが中空の環状に形成されている。合計６個の単位スイッチング部ＳＷ１１〜ＳＷ１３、ＳＷ２１〜ＳＷ２３は、中心軸線ＡＸの周りに６０°ピッチで配設されている。そして、図中の反時計回りに、第１高圧側単位スイッチング部ＳＷ１１、第１低圧側単位スイッチング部ＳＷ２１、第２高圧側単位スイッチング部ＳＷ１２、第２低圧側単位スイッチング部ＳＷ２２、第３高圧側単位スイッチング部ＳＷ１３、および第３低圧側単位スイッチング部ＳＷ２３の順番で配置されている。つまり、高圧側スイッチング部ＳＷ１と低圧側スイッチング部ＳＷ２とが周方向に交互に配置されている。また、高圧側スイッチング部ＳＷ１および低圧側スイッチング部ＳＷ２のそれぞれは、１２０°ピッチで回転対称に配置されている。

また、各単位スイッチング部のＩＧＢＴ素子８１１、８１２は、正三角形のパワー半導体チップが６個用いられて正六角形状に形成されている。ダイオード８１３、８１４は、正三角形のパワー半導体チップを２個用いて形成され、当該の単位スイッチング部のＩＧＢＴ素子８１１、８１２の正六角形の外周側に近い二辺に隣接配置されている。そして、各単位スイッチング部の外周側に、環状の出力端子Ｔ２が配置されている。一方、各単位スイッチング部の内周側のうち、図１５の紙面手前側に環状の出力端子Ｔ１が配置され、紙面奥側に環状の入力端子ＴＣが配置されている。

次に、第６実施形態の中空筒型コンバータ装置１０の作用および効果について、参考形態と比較しながら説明する。図１６は、参考形態の中空筒型電力変換部８１Ｚの実態図である。参考形態においても、図１４に示される電気回路図、ならびに環状の構成は変わらないが、高圧側スイッチング部および低圧側スイッチング部の配置が異なる。すなわち、参考形態では、３個の高圧側単位スイッチング部ＳＷ１１〜ＳＷ１３が１８０°の範囲に集中して配置され、残りの１８０°の範囲に３個の低圧側単位スイッチング部ＳＷ２１〜ＳＷ２３が集中して配置されている。

参考形態の中空筒型電力変換部８１Ｚでは、３個の低圧側単位スイッチング部ＳＷ２１〜ＳＷ２３が閉じると、それぞれで内周側の入力端子ＴＣから外周側の出力端子Ｔ２に向かう電流Ｉ４、Ｉ５、Ｉ６が流れる。これらの電流Ｉ４、Ｉ５、Ｉ６の大きさは相互に概ね等しく、中空筒型電力変換部８１Ｚの１８０°の範囲に集中している。このため、電流の幾何学的な合成ベクトルは、図１６の下方に向かっている。なお、ここで用いる合成ベクトルは、一般的な位相関係を考慮した電流ベクトルではなく、電流の流れる幾何学的な経路に基づいたものである。したがって、電流の幾何学的な合成ベクトルによって外部に漏洩磁束が誘起され、外部へ電磁的な影響を及ぼす。

これに対して、第６実施形態の中空筒型電力変換部８１では、３個の低圧側単位スイッチング部ＳＷ２１〜ＳＷ２３が閉じると、入力端子ＴＣから出力端子Ｔ２に向かい参考形態と同じ大きさの電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３が流れる。ここで、３個の低圧側単位スイッチング部ＳＷ２１〜ＳＷ２３が中空筒型電力変換部８１上で回転対称に配置されているので、図１５に示されるように、これらの電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３の幾何学的な合成ベクトルはキャンセルされて概ねゼロになる。したがって、電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３によって外部に誘起される漏洩磁束が抑制され、近隣に配置された電子制御機器や各種センサなどへの電磁的な影響が低減される。

上述した電流の幾何学的な合成ベクトルがキャンセルされる効果は、低圧側単位スイッチング部ＳＷ２１〜ＳＷ２３が閉じたときだけでなく、これらが開いて電流が高圧側のダイオード８１３に流れるときも同様に発生する。さらに、電流の幾何学的な合成ベクトルがキャンセルされる効果は、高圧側単位スイッチング部ＳＷ１１〜ＳＷ１３を開閉制御して降圧するときにも同様に発生する。

第６実施形態の中空筒型コンバータ装置１０では、第１実施形態の中空筒型リアクトル装置１と、通電位相を制御するパワー半導体モジュールをそれぞれ有する高圧側スイッチング部ＳＷ１および低圧側スイッチング部ＳＷ２を含んで、中心軸線ＡＸの周りに環状に形成された中空筒型電力変換部８１と、中心軸線ＡＸの周りの環状空間内に静電容量部が高密度に収容されて形成された中空筒型コンデンサ８３、８４と、を中心軸線ＡＸ上で組み合わせて一体化し、直流電源Ｂａｔの電源電圧を昇圧または降圧して直流負荷ＤＣＬに出力する。

これによれば、コンバータ装置１０を構成する全ての回路要素を回転対称形状かつ同軸内外配置として協調した構成にできるので、電気回路の平衡性が極めて良好になる。また、回路要素の相互間を接続する配線長さを短くできる。したがって、漏れインダクタンスに起因するコモンモードノイズ、浮遊容量に起因する漏れ電流、およびワイヤインダクタンスに起因するサージ電圧が抑制される。また、全ての回路要素を中心軸線ＡＸに沿って一列に配置できるので、小形軽量化が実現され、車載用途に好適である。

さらに、第６実施形態で、中空筒型電力変換部８１は、高圧側スイッチング部ＳＷ１の出力端子Ｔ１が往路を介して直流負荷ＤＣＬに接続され、低圧側スイッチング部ＳＷ２の出力端子Ｔ２が復路を介して直流負荷ＤＣＬに接続され、さらに、高圧側スイッチング部ＳＷ１および低圧側スイッチング部ＳＷ２に共通な入力端子ＴＣが中空筒型リアクトル装置１を介して直流電源Ｂａｔに接続されており、中空筒型コンデンサは、中空筒型リアクトル装置１と直流電源Ｂａｔとの間で往路と復路との間に接続された電源側中空筒型コンデンサ８３と、中空筒型電力変換部８１と直流負荷ＤＣＬとの間で往路と復路との間に接続された負荷側中空筒型コンデンサ８４と、を含んでおり、電源電圧を昇圧する。これによれば、中空筒型リアクトル装置１、中空筒型電力変換部８１、および２個の中空筒型コンデンサ８３、８４を組み合わせて、昇圧コンバータ装置１０を構成できる。したがって、直流電源Ｂａｔの電源電圧が変動しても、昇圧機能により安定して直流負荷ＤＣＬに給電できる。

さらに、第６実施形態で、高圧側スイッチング部ＳＷ１および低圧側スイッチング部ＳＷ２はそれぞれ、並列接続された３個のパワー半導体モジュールを含んで構成され、かつ、回転対称に配置されている。これによれば、高圧側スイッチング部ＳＷ１および低圧側スイッチング部ＳＷ２に流れる電流Ｉ１〜Ｉ３の幾何学的な方向が分散し、電流Ｉ１〜Ｉ３によって外部に誘起される漏洩磁束の少なくとも一部がキャンセルされる。したがって、近傍に配置された電子制御機器や各種センサなどへの電磁的な影響が軽減される。

次に、第７実施形態の中空筒型コンバータ装置について説明する。第７実施形態の中空筒型コンバータ装置は、第６実施形態と比較して、中空筒型電力変換部８１Ａの構成が異なり、その他の部材は同じである。図１７は、第７実施形態の中空筒型コンバータ装置に組み込んだ中空筒型電力変換部８１Ａの電気回路図である。また、図１８は、第７実施形態の中空筒型電力変換部８１Ａの実態図である。図１７に示されるように、高圧側スイッチング部ＳＷ１は並列接続された第１〜第６高圧側単位スイッチング部ＳＷ１４〜ＳＷ１９に６分割され、同様に、低圧側スイッチング部ＳＷ２は並列接続された第１〜第６低圧側単位スイッチング部ＳＷ２４〜ＳＷ２９に６分割されている。そして、図示されるように、高圧側と低圧側とが対になった単位回路構成が６並列されている。それぞれの単位回路構成の構成要素および接続方法は、第６実施形態と同様であるので、説明は省略する。

ここで、図１８に示されるように、中空筒型電力変換部８１Ａは、中心軸線ＡＸが中空の環状に形成されている。高圧側と低圧側とが対になった６組の単位回路構成は、中心軸線ＡＸの周りに６０°ピッチで配設されている。そして、高圧側スイッチング部ＳＷ１および低圧側スイッチング部ＳＷ２はそれぞれ、６０°ピッチで回転対称に配置されている。

また、高圧側および低圧側の各単位スイッチング部のＩＧＢＴ素子８１５、８１６は、正三角形のパワー半導体チップが３個用いられて等脚台形状に形成されている。そして対になった高圧側および低圧側のＩＧＢＴ素子８１５、８１６は、等脚台形の下底同士が接近するように配置され、両者８１５、８１６で正六角形状を形成している。高圧側および低圧側のダイオード８１７、８１８は、正三角形のパワー半導体チップを用いて形成され、当該のＩＧＢＴ素子８１５、８１６の等脚台形の斜辺または上底に隣接配置されている。そして、単位スイッチング部の外周側に環状の出力端子Ｔ２が配置され、単位スイッチング部の内周側のうち図１８の紙面手前側に環状の出力端子Ｔ１が配置され、紙面奥側に環状の入力端子ＴＣが配置されている。

第７実施形態の中空筒型電力変換部８１Ａでは、６個の低圧側単位スイッチング部ＳＷ２４〜ＳＷ２９が閉じると、入力端子ＴＣから出力端子Ｔ２に向かい相互に概ね等しい大きさの６個の電流Ｉ１１〜Ｉ１６流れる。また、この電流Ｉ１１〜Ｉ１６の大きさは、第６実施形態の電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３の半分になる。ここで、６個の低圧側単位スイッチング部ＳＷ２４〜ＳＷ２９が中空筒型電力変換部８１Ａ上で回転対称に配置されているので、電流Ｉ１１〜Ｉ１６の幾何学的な合成ベクトルは、第６実施形態よりもさらに確実にキャンセルされて概ねゼロになる。

第７実施形態の中空筒型コンバータ装置では、高圧側スイッチング部ＳＷ１および低圧側スイッチング部ＳＷ２はそれぞれ、並列接続された６個のパワー半導体モジュールを含んで構成され、かつ、回転対称に配置されている。これによれば、高圧側スイッチング部ＳＷ１および低圧側スイッチング部ＳＷ２に流れる電流Ｉ１１〜Ｉ１６の幾何学的な方向が分散し、電流Ｉ１１〜Ｉ１６によって外部に誘起される漏洩磁束が第６実施形態よりもさらに確実にキャンセルされる。したがって、近傍に配置された電子制御機器や各種センサなどへの電磁的な影響が確実に低減される。

次に、本発明の第８実施形態の中空筒型電源装置１０Ｄについて説明する。図１９は、第８実施形態の中空筒型電源装置１０Ｄの構成を模式的に示した縦断面図である。中空筒型電源装置１０Ｄは、第１実施形態の中空筒型リアクトル装置１を組み込んだ第６実施形態の中空筒型コンバータ装置１０と、中空筒型インバータ装置９とを中心軸線ＡＸ上で組み合わせ、一体化して構成することができる。中空筒型コンバータ装置１０からみて、中空筒型インバータ装置９は直流負荷ＤＣＬに相当する。中空筒型インバータ装置９は、通電位相を制御するパワー半導体モジュールをそれぞれ含む三相の上アームおよび下アームを備え、中心軸線ＡＸの周りに環状に形成されている。

中空筒型インバータ装置９として、特許文献３に開示したインバータ装置、例えば、パワー半導体モジュールを正六角形状に配置して構成されたインバータ装置を用いることができる。また、中空筒型インバータ装置９として、本願出願人が出願した特願２０１２−６５５７２号のインバータ装置を用いることができる。例えば、同心内外に配置された中心電極および環状の外周電極の一方であって直流電源の正極端子に接続された正電極、ならびに前記中心電極および前記外周電極の他方であって前記直流電源の負極端子に接続された負電極と、通電位相を制御するパワー半導体モジュールをそれぞれ含み前記正電極と前記負電極との間に直列接続され、かつ前記正電極と前記負電極との間に環状に配置された三相の上アームおよび下アームとを備え、前記直流電源から入力された直流電力を三相電力に変換して、前記三相の上アームと下アームとの間の各レッグから出力するインバータ装置であって、並列接続された複数の上アームおよび並列接続された複数の下アームで各相を構成したインバータ装置を用いることができる。

第８実施形態の中空筒型電源装置１０Ｄは、電気自動車またはハイブリッド車両に搭載されて用いられる。中空筒型電源装置１０Ｄは、直流電源Ｂａｔとなる車載バッテリと、三相交流負荷となる走行駆動モータＭｔｒとの間に配置されて電気接続される。走行駆動モータＭｔｒには、三相同期電動発電機を用いることができる。走行駆動モータＭｔｒは、中心軸線ＡＸを共通とし、中空筒型インバータ装置９に隣接して配置されている。走行駆動モータＭｔｒの中心軸線ＡＸ上の出力軸Ｓｆｔは、図略の走行用パワートレーンに連結されている。

図１９に示されるように、中空筒型コンバータ装置１０の一対の装置入力端子１０１、１０２は、筒状に形成されて同軸内外に配置されている。さらに、装置入力端子１０１、１０２は、同軸内外に配置された一対のバスバー１１１、１１２を介して車載バッテリに接続されている。また、中空筒型コンバータ装置１０の一対の装置出力端子１０３、１０４は、中空筒型コンデンサ８４の一方極接続部および他方極接続部で兼用され、中空筒型インバータ装置９に直結されている。中空筒型インバータ装置９の三相の出力端子９１は、隣接配置された走行駆動モータＭｔｒにわずかな距離で接続されている。中空筒型コンバータ装置１０から走行駆動モータＭｔｒにかけての外周に、大きな筒状のフレームグラウンドＦＧが配置されて車体に接地されている。

第８実施形態において、中空筒型コンバータ装置１０は、車載バッテリの充電電圧を昇圧して中空筒型インバータ装置９に出力する。ここで、車載バッテリの充電電圧が変動しても、中空筒型コンバータ装置１０は昇圧機能を有して所望する直流電圧を得ることができる。中空筒型インバータ装置９は、直流電圧に電力変換を施して三相交流電圧を生成し、走行駆動モータＭｔｒに出力する。ここで、三相交流電圧の周波数および電圧値の少なくとも一方を可変に調整することにより、所望する速度で車両を走行させることができる。

逆に、車両の制動時には、走行駆動モータＭｔｒは発電機モードで作動して回生発電を行い、制動量に見合った交流電圧を中空筒型インバータ装置９に出力する。中空筒型インバータ装置９は整流装置として作動し、直流電力をコンバータ装置１０に出力する。コンバータ装置１０は、降圧を行って車載バッテリを充電する。このように、中空筒型電源装置１０Ｄは、双方向の電力変換を行う。

第８実施形態の中空筒型電源装置１０Ｄでは、第６実施形態の中空筒型コンバータ装置１０と、通電位相を制御するパワー半導体モジュールをそれぞれ含む三相の上アームおよび下アームを備え、中心軸線ＡＸの周りに環状に形成された中空筒型インバータ装置９と、を中心軸線ＡＸ上で組み合わせて一体化し、直流電源の電源電圧に電力変換を施して三相交流電圧を生成し、三相交流負荷の走行駆動モータＭｔに出力する。

これによれば、中空筒型コンバータ装置１０および中空筒型インバータ装置９は、回転対称形状かつ同軸内外配置に構成できるので、電気回路の平衡性が極めて良好になる。また、中空筒型コンバータ装置１０と中空筒型インバータ装置９とを接続する配線長さを短くできる。したがって、漏れインダクタンスに起因するコモンモードノイズ、浮遊容量に起因する漏れ電流、およびワイヤインダクタンスに起因するサージ電圧が抑制される。また、全ての回路要素を中心軸線ＡＸに沿って一列に配置できるので、小形軽量化が実現され、車載用途に好適である。

さらに、第８実施形態の中空筒型電源装置１０Ｄは、電気自動車またはハイブリッド車両に搭載され、直流電源は車載バッテリであり、三相交流負荷は走行駆動モータＭｔｒである。これによれば、車載バッテリの充電電圧が変動しても、走行駆動モータＭｔｒが安定的に駆動され、車両が安定走行する。さらに、中空筒型電源装置１０Ｄに逆方向の電力変換を行わせることで、回生発電による燃費の向上も可能になる。

なお、第１実施形態の中空筒型リアクトル装置１において、コイル３およびコア４の構成は、所望する性能に合わせて適宜設計変更できる。例えば、軸長方向に４個の単位コイルを配置して直列接続し、４個の単位コイルに鎖交するようにコアを形成することができる。また、中空筒型コンバータ装置１０や中空筒型電源装置１０Ｄは、実施形態で説明した電気回路に限定されず、適宜変更することができる。例えば、電力変換を単一方向にして電気回路を簡素化できる。当然ながら、電気回路の変更に基づいて、中心軸線ＡＸ上における中空筒型リアクトル装置１などの回路要素の配置を変更する。本発明は、その他にも様々な応用や変形などが可能である。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｍ、１Ｎ：中空筒型リアクトル装置
２、２Ｄ：インダクタンス素子
３、３Ｄ：コイル ３１：第１単位コイル ３２：第２単位コイル
４、４Ｂ、４Ｄ：コア ４１：第１単位コア ４２：第２単位コア
４２Ｂ：単位コア ４３：磁路ギャップ部
４４：磁路狭窄部 ４４１：磁路形成部 ４４２：磁路遮断部
５１：第１内側接続端子 ５２：第２内側接続端子
６、６Ａ：リターン導体 ６１：第１外側接続端子 ６２：第２外側接続端子
７、７Ｄ：ボビン
８３：電源側中空筒型コンデンサ ８４：負荷側中空筒型コンデンサ
８１、８１Ａ：中空筒型電力変換部
８１Ｚ：参考形態の中空筒型電力変換部
９：中空筒型インバータ装置
１０：中空筒型コンバータ装置
１０Ｄ：中空筒型電源装置
ＡＸ：中心軸線 Ｇ：ギャップ長 ＦＧ：フレームグラウンド
Ｌ：インダクタ Ｃ１：電源側コンデンサ Ｃ２：負荷側コンデンサ
Ｔ１：出力端子 Ｔ２：出力端子 ＴＣ：入力端子
ＳＷ１：高圧側スイッチング部 ＳＷ２：低圧側スイッチング部
Ｂａｔ：直流電源 ＤＣＬ：直流負荷 Ｍｔｒ：走行駆動モータ

Claims (13)

1. 絶縁被覆された導体を巻回したコイルを中心軸線の周りに有するインダクタンス素子を往路に備え、リターン導体を復路に備えたリアクトル装置であって、
   前記インダクタンス素子は、前記中心軸線が中空の筒状または環状であり、
   前記リターン導体は、前記中心軸線を共通とする筒状であって前記インダクタンス素子の同軸外周側に配置されている中空筒型リアクトル装置。
2. 請求項１において、
   前記インダクタンス素子は、前記中心軸線の周りに前記導体を巻回した筒状または環状のコイルと、前記コイルに鎖交する磁路をもつコアとを有し、
   前記コアは、前記コイルの内周側の位置に前記磁路を遮断する磁路ギャップ部、または前記磁路の断面積を部分的に狭めた磁路狭窄部を有する中空筒型リアクトル装置。
3. 請求項２において、
   前記コイルは、薄板状の導体を半径方向に複数層巻回して断面を渦巻形状とした単位コイルを前記中心軸線の軸長方向に複数個配置して直列接続したものである中空筒型リアクトル装置。
4. 請求項１において、
   前記インダクタンス素子は、前記中心軸線を周回する環状のコアと、前記コアに鎖交するように前記導体を巻回したトロイダル構造のコイルと、を有する中空筒型リアクトル装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項において、
   前記インダクタンス素子は、前記コイルの各端に導通する内側接続端子を筒状または環状の内周に有する中空筒型リアクトル装置。
6. 請求項５において、
   前記リターン導体は、外側接続端子を筒状の軸長方向の各端に有し、
   複数の中空筒型リアクトル装置を前記中心軸線の軸長方向に隣接して配置すると、前記インダクタンス素子の前記内側接続端子が相互に接続され、かつ前記リターン導体の前記外側接続端子が相互に接続される中空筒型リアクトル装置。
7. 請求項１〜５のいずれか一項において、
   複数の前記インダクタンス素子を前記中心軸線の軸長方向に隣接して配置するとともに直列接続し、前記リターン導体を複数の前記インダクタンス素子の同軸外周側に延在させた中空筒型リアクトル装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項において、
   前記インダクタンス素子は、絶縁材料で形成されたボビンを有し、
   前記ボビンは、前記コイルを保持する機能、前記コイルの各端に導通する接続端子を保持する機能、前記コイルに鎖交するコアと前記コイルとの間の絶縁機能、前記コアと前記コイルとの間の位置決め機能、前記コアが有する磁路ギャップ部または磁路狭窄部を安定化する機能、ならびに前記導体を巻回する際の巻き型の機能のうち少なくとも一機能をもつ中空筒型リアクトル装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の中空筒型リアクトル装置と、
   通電位相を制御するパワー半導体モジュールをそれぞれ有する高圧側スイッチング部および低圧側スイッチング部を含んで、前記中心軸線の周りに環状に形成された中空筒型電力変換部と、
   前記中心軸線の周りの環状空間内に静電容量部が高密度に収容されて形成された中空筒型コンデンサと、を前記中心軸線上で組み合わせて一体化し、
   直流電源の電源電圧を昇圧または降圧して直流負荷に出力する中空筒型コンバータ装置。
10. 請求項９において、
    前記中空筒型電力変換部は、前記高圧側スイッチング部の出力端子が前記往路を介して前記直流負荷に接続され、前記低圧側スイッチング部の出力端子が前記復路を介して前記直流負荷に接続され、さらに、前記高圧側スイッチング部および前記低圧側スイッチング部に共通な入力端子が前記中空筒型リアクトル装置を介して前記直流電源に接続されており、
    前記中空筒型コンデンサは、前記中空筒型リアクトル装置と前記直流電源との間で前記往路と前記復路との間に接続された電源側中空筒型コンデンサと、前記中空筒型電力変換部と前記直流負荷との間で前記往路と前記復路との間に接続された負荷側中空筒型コンデンサと、を含んでおり、
    前記電源電圧を昇圧する中空筒型コンバータ装置。
11. 請求項９または１０において、
    前記高圧側スイッチング部および前記低圧側スイッチング部はそれぞれ、並列接続された複数のパワー半導体モジュールを含んで構成され、かつ、回転対称に配置されている中空筒型コンバータ装置。
12. 請求項９〜１１のいずれか一項に記載の中空筒型コンバータ装置と、
    通電位相を制御するパワー半導体モジュールをそれぞれ含む三相の上アームおよび下アームを備え、前記中心軸線の周りに環状に形成された中空筒型インバータ装置と、を前記中心軸線上で組み合わせて一体化し、
    前記直流電源の電源電圧に電力変換を施して三相交流電圧を生成し、三相交流負荷に出力する中空筒型電源装置。
13. 請求項１２において、電気自動車またはハイブリッド車両に搭載され、前記直流電源は車載バッテリであり、前記三相交流負荷は走行駆動モータである中空筒型電源装置。

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