JP2018133492A - 鉄心部およびコイルを備えたリアクトル、モータ駆動装置、パワーコンディショナおよび機械 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化することなしに、コイルの温度が上昇するのを避ける。【解決手段】リアクトル（５）は、外周部鉄心（２０）と、前記外周部鉄心の内面に接するか、または、該内面に結合された少なくとも三つの鉄心コイル（３１〜３３）とを含む。少なくとも三つの鉄心コイルのそれぞれは、鉄心（４１〜４３）と該鉄心に巻回されたコイル（５１〜５３）とから構成されている。コイルのそれぞれと外周部鉄心との間には隙間（７０）が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、鉄心部およびコイルを備えたリアクトル、モータ駆動装置、パワーコンディショナおよび機械に関する。

通常、リアクトルは複数の鉄心と、これら鉄心に巻回された複数のコイルとを有している。このようなリアクトルにおいては、磁束が漏洩して、隣接したコイルを貫通し、コイル内に渦電流を発生させ、その結果、コイルの温度が上昇するという問題があった。

このため、特許文献１には、「リアクトル３０のリアクトルケース３２の内部は、リアクトル側循環路６４に接続される。リアクトルケース３２の内部には、リアクトル３０を構成するコア３４とコイル３６が収納されており、その収納空間の余地部分に冷媒６６が循環して通過する」ことが開示されている。

特開2009-49082号公報

しかしながら、特許文献１に開示されるリアクトルでは、冷媒を循環させるためにリアクトルケースが必要となり、その結果、構造が大型化する。

それゆえ、大型化することなしに、コイルの温度が上昇するのを避けられるリアクトル、およびそのようなリアクトルを備えたモータ駆動装置、パワーコンディショナおよび機械を提供することが望まれている。

本開示の１番目の態様によれば、外周部鉄心と、前記外周部鉄心の内面に接するか、または、該内面に結合された少なくとも三つの鉄心コイルと、を具備し、前記少なくとも三つの鉄心コイルのそれぞれは、鉄心と該鉄心に巻回されたコイルとから構成されており、前記コイルのそれぞれと前記外周部鉄心との間には隙間が形成されている、リアクトルが提供される。

１番目の態様においては、コイルのそれぞれと外周部鉄心との間に隙間が形成されているので、冷却効果を高められ、コイルの温度が上昇するのを避けられる。さらに、リアクトルケースおよび冷媒用の冷却装置が不要となるので、リアクトルを小型化できると共に、製造費用を低減できる。

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれら目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明解になるであろう。

第一の実施形態に基づくリアクトルの斜視図である。 図１に示されるリアクトルの端面図である。 図２に示されるリアクトルの部分拡大図である。 第二の実施形態に基づくリアクトルの端面図である。 第三の実施形態に基づくリアクトルの斜視図である。 第三の実施形態に基づくリアクトルの他の斜視図である。 第四の実施形態に基づくリアクトルの分解斜視図である。 第四の実施形態に基づくリアクトルの側面図である。 第五の実施形態に基づくリアクトルの分解斜視図である。 第五の実施形態に基づくリアクトルの側面図である。 リアクトルを含む機械を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は第一の実施形態に基づくリアクトルの斜視図である。さらに、図２は図１に示されるリアクトルの端面図である。図１および図２に示されるように、リアクトル５は、断面が六角形状の外周部鉄心２０と、外周部鉄心２０の内面に接するかまたは結合している少なくとも三つの鉄心コイル３１〜３３とを含んでいる。また、鉄心の数は３の倍数であるのが好ましく、それにより、リアクトル５を三相リアクトルとして使用できる。なお、外周部鉄心２０が円形または他の多角形形状であってもよい。

鉄心コイル３１〜３３のそれぞれは、鉄心４１〜４３と鉄心４１〜４３に巻回されたコイル５１〜５３とを含んでいる。なお、外周部鉄心２０および鉄心４１〜４３は、複数の鉄板、炭素鋼板、電磁鋼板を積層するか、または圧粉鉄心から作成される。

図２から分かるように、鉄心４１〜４３は互いにおおよそ同一の寸法であり、外周部鉄心２０の周方向におおよそ等間隔に配置されている。図２においては鉄心４１〜４３のそれぞれの半径方向外側端部は外周部鉄心２０に接している。

さらに、鉄心４１〜４３のそれぞれの半径方向内側端部は外周部鉄心２０の中心に向かって収斂しており、その先端角度は約１２０度である。そして、鉄心４１〜４４の半径方向内側端部は、磁気的に連結可能なギャップ１０１〜１０３を介して互いに離間している。

言い換えれば、第一の実施形態においては鉄心４１の半径方向内側端部は、隣接する二つの鉄心４２、４３のそれぞれの半径方向内側端部とギャップ１０１、１０３を介して互いに離間している。他の鉄心４２〜４３についても同様である。なお、ギャップ１０１〜１０３の寸法は互いに等しいことが理想的であるが、等しくなくても良い。また、後述する実施形態においては、ギャップ１０１〜１０３等の表記および鉄心コイル３１〜３３等の表記を省略する場合がある。

このように、第一の実施形態においては鉄心コイル３１〜３３を外周部鉄心２０の内側に配置している。言い換えれば、鉄心コイル３１〜３３は外周部鉄心２０により取囲まれている。このため、コイル５１〜５３からの磁束が外周部鉄心２０の外部に漏洩するのを低減できる。

さらに、鉄心コイル３１の半径方向外側端部の両側において略三角形状の切欠６０が外周部鉄心２０の内面に形成されている。切欠６０は外周部鉄心２０の内面から外面に向かう方向に形成されている。このため、そのような切欠６０が形成された外周部鉄心２０を備えたリアクトル５は従来技術の場合よりも軽量になる。

図３は図２に示されるリアクトルの部分拡大図である。図３に示されるように、切欠６０は外周部鉄心２０の内面に対して半径方向外側に凹む第一部分６１と、第一部分６１に対して垂直な第二部分６２とを含んでいる。切欠６０の第一部分６１および第二部分６２は、コイル５１の端面および周面にそれぞれ対面している。

そして、切欠６０に対応する位置において外周部鉄心２０とコイル５１との間には隙間７０が形成されている。隙間７０は切欠６０の第一部分６１とコイル５１の端面との間に形成された第一隙間７１と、切欠６０の第二部分６２とコイル５１の周面との間に形成された第二隙間７２とを含んでいる。言い換えれば、単一の切欠６０によって第一隙間７１および第二隙間７２を容易に形成できる。さらに、隙間７０は、隣接する二つの鉄心４１、４２と外周部鉄心２０との間に形成された第三隙間７３を含む。厳密に言えば、第三隙間７３は隣接する二つの鉄心４１、４２と外周部鉄心２０とコイル５１、５２とにより取囲まれた領域である。このような第三隙間７３により冷却効果をさらに高められる。なお、他の鉄心４２、４３にも同様な切欠６０および隙間７０が形成されているので、鉄心４２、４３の切欠６０および隙間７０については説明を省略する。

このように、第一の実施形態においては、コイル５１〜５３のそれぞれと外周部鉄心２０との間に隙間７０が形成されているので、冷却効果を高められ、コイル５１〜５３の温度が上昇するのを避けられる。さらに、リアクトル５の中心にギャップ１０１〜１０３が形成されているので、冷却効果をさらに高められる。

従って、リアクトル５はリアクトルケースおよび冷媒用の冷却装置を排除でき、リアクトル５を小型化できると共に、製造費用を低減することが可能である。さらに、切欠６０が外周部鉄心２０に形成されているので、リアクトル５を軽量にすることもできる。

図４は第二の実施形態に基づくリアクトルの端面図である。図４に示されるリアクトル５は、外周部鉄心２０と、外周部鉄心２０に磁気的に互いに連結する四つの鉄心コイル３１〜３４とを含んでいる。また、鉄心の数は４以上の偶数であるのが好ましく、それにより、リアクトル５を単相リアクトルとして使用できる。

図４においては、八角形状の外周部鉄心２０の内側に鉄心コイル３１〜３４が配置されている。なお、外周部鉄心２０が円形であってもよい。これら鉄心コイル３１〜３４はリアクトル５の周方向におおよそ等間隔で配置されている。

図面から分かるように、それぞれの鉄心コイル３１〜３４は、半径方向に延びる鉄心４１〜４４と該鉄心に巻回されたコイル５１〜５４とを含んでいる。鉄心４１〜４４のそれぞれの半径方向外側端部は、外周部鉄心２０に接するか、もしくは外周部鉄心２０と一体的に形成されている。

さらに、鉄心４１〜４４のそれぞれの半径方向内側端部は外周部鉄心２０の中心近傍に位置している。図４においては鉄心４１〜４４のそれぞれの半径方向内側端部は外周部鉄心２０の中心に向かって収斂しており、その先端角度は約９０度である。そして、鉄心４１〜４４の半径方向内側端部は、磁気的に連結可能なギャップ１０１〜１０４を介して互いに離間している。

言い換えれば、第二の実施形態においては鉄心４１の半径方向内側端部は、隣接する二つの鉄心４２、４４のそれぞれの半径方向内側端部とギャップ１０１、１０４を介して互いに離間している。他の鉄心４２〜４４についても同様である。なお、ギャップ１０１〜１０４の寸法は互いにおおよそ等しいものとする。

従って、ギャップ１０１〜１０４からなる単一の略Ｘ字形状のギャップがリアクトル５の中心に形成されることになる。これらギャップ１０１〜１０４もリアクトル５の周方向に等間隔で配置されている。第二の実施形態においても、四つの鉄心コイル３１〜３４が外周部鉄心２０により囲まれているので、コイル５１〜５４から発生した磁界が外周部鉄心２０の外部に漏洩がない。

さらに、第一の実施形態と同様に、鉄心コイル３１〜３４の半径方向外側端部の両側において略三角形状の切欠６０が外周部鉄心２０の内面に形成されている。切欠６０は外周部鉄心２０の内面に対して半径方向外側に凹む第一部分６１と、第一部分６１に対しておおよそ垂直な第二部分６２とを含んでいる。

そして、切欠６０に対応する位置において外周部鉄心２０とコイル５１〜５４との間には隙間７０が形成されている。図３を参照して説明したのと同様に、第二の実施形態においても、隙間７０は切欠６０の第一部分６１とコイル５１〜５４の端面との間に形成された第一隙間７１と、切欠６０の第二部分６２とコイル５１〜５４の周面との間に形成された第二隙間７２とを含むものとする。従って、図４に示される単相リアクトル５の場合であっても、第一の実施形態と同様な効果が得られることは明らかであろう。

以下に説明されるリアクトル５は三相リアクトルおよび単相リアクトルのいずれであってもよいものとする。図５Ａおよび図５Ｂは第三の実施形態に基づくリアクトルの斜視図である。図５Ａにおいては、リアクトル５の軸方向が水平方向になるように配置されている。図５Ｂにおいては、リアクトル５の軸方向が鉛直方向になるように配置されている。これら図面に示されるように、リアクトル５の端部には、冷却ファン６が取付けられている。冷却ファン６は図示しないモータにより駆動されるものとする。

冷却ファン６が駆動されると、冷却ファン６からの気流がリアクトル５の隙間７０および／またはギャップ１０１〜１０４を通ってリアクトル５の軸方向に流れる。このため、リアクトル５のコイル５１〜５４の冷却効果をさらに高められる。

図６Ａは第四の実施形態に基づくリアクトルの分解斜視図であり、図６Ｂは第四の実施形態に基づくリアクトルの側面図である。これら図面に示されるように、リアクトル５の両端には、端板８１、８２がそれぞれ配置されている。端板８１、８２はリアクトル５の端部を密閉閉鎖する蓋部としての役目を果たす。なお、端板８１、８２は外周部鉄心２０等と同一の材料から形成されていても、他の材料、例えば樹脂から形成されていてもよい。

端板８１、８２には貫通孔８５、８６がそれぞれ形成されている。そして、一方の端板８１の貫通孔８５は、図示しない冷却装置から延びる冷媒用管路に接続されているものとする。端板８１、８２によりリアクトル５の両端が閉鎖された状態においては、一方の端板８１の貫通孔８５と他方の端板８２の貫通孔８６とは、リアクトル５の隙間７０および／またはギャップ１０１〜１０４を通じて互いに連通する。

冷却装置により冷却された冷媒が管路を通って一方の端板８１の貫通孔８５に供給されると、冷媒は貫通孔８５を通ってリアクトル５に到達する。次いで、冷媒はリアクトル５の隙間７０および／またはギャップ１０１〜１０４を通ってリアクトル５の軸方向に進み、他方の端板８２の貫通孔８６に到達して、他方の端板８２から排出される。

この場合には、貫通孔８５、８６が形成された端板８１、８２をリアクトル５の両端に配置することにより、冷媒をリアクトル５内に容易に流通させられる。従って、冷却効果をさらに高めることができる。さらに、端板８１、８２を配置するのみであるので、リアクトルケースを用いる場合よりも、リアクトル５の寸法、特に直径を小さくすることができる。

さらに、図７Ａは第五の実施形態に基づくリアクトルの分解斜視図であり、図７Ｂは第四の実施形態に基づくリアクトルの側面図である。これら図面に示されるように、リアクトル５の両端には、前述したのと同様な端板８１、８２がそれぞれ配置されている。ただし、第五の実施形態における端板８１、８２には貫通孔は形成されていない。リアクトル５はリアクトル５は外周部鉄心２０を含んでいるので、端板８１、８２によりリアクトル５の両端が閉鎖されると、リアクトル５の内部は完全に密閉されることになる。

第五の実施形態においては、一方の端板８１をリアクトル５の一方の端部に取付ける。次いで、リアクトル５の他方の端部から冷媒を隙間７０および／またはギャップ１０１〜１０４に充填する。所望量だけ冷媒を充填した後に、他方の端板８２によりリアクトル５の他方の端部を閉鎖する。

このように、第五の実施形態においては、端板８１、８２をリアクトル５の両端に配＾装着するのみで、冷媒をリアクトル５内に容易に封入できる。また、端板８１、８２を配置するのみであるので、リアクトルケースを用いる場合よりも、リアクトル５の寸法、特に直径を小さくすることができる。

図８はリアクトルを含む機械を示す図である。図８においては、リアクトル５はモータ駆動装置またはパワーコンディショナにおいて使用されている。そして、機械がそのようなモータ駆動装置またはパワーコンディショナを含んでいる。

このような場合には、リアクトル５を含むモータ駆動装置、パワーコンディショナ、機械などを容易に提供できるのが分かるであろう。また、前述した実施形態のいくつかを適宜組み合わせることは本発明の範囲に含まれる。

本開示の態様
１番目の態様によれば、外周部鉄心（２０）と、前記外周部鉄心の内面に接するか、または、該内面に結合された少なくとも三つの鉄心コイル（３１〜３３）と、を具備し、前記少なくとも三つの鉄心コイルのそれぞれは、鉄心（４１〜４３）と該鉄心に巻回されたコイル（５１〜５３）とから構成されており、前記コイルのそれぞれと前記外周部鉄心との間には隙間（７０）が形成されている、リアクトルが提供される。
２番目の態様によれば、１番目の態様において、さらに、前記少なくとも三つの鉄心コイルのうちの一つの鉄心コイルと該一つの鉄心コイルに隣接する鉄心コイルとの間には磁気的に連結可能なギャップ（１０１〜１０３）が形成されている。
３番目の態様によれば、１番目または２番目の態様において、前記少なくとも三つの鉄心コイルの数は３の倍数である。
４番目の態様によれば、１番目または２番目の態様において、前記少なくとも三つの鉄心コイルの数は４以上の偶数である。
５番目の態様によれば、１番目から４番目のいずれかの態様において、前記外周部鉄心の内面には切欠（６０）が形成されており、前記隙間は、前記コイルの端面と前記外周部鉄心の内面との間の第一隙間（７１）および前記コイルの周面と前記外周部鉄心の前記切欠との間の第二隙間（７２）とを含む。
６番目の態様によれば、１番目から５番目のいずれかの態様において、前記隙間は、隣接する二つの前記鉄心と前記外周部鉄心との間に形成された第三隙間（７３）を含む。
７番目の態様によれば、１番目から６番目のいずれかの態様において、前記リアクトルの一端に冷却ファン（６）が配置される。
８番目の態様によれば、１番目から６番目のいずれかの態様において、前記リアクトルの両端には、貫通孔（８５、８６）が形成された端板（８１、８２）それぞれが装着されており、冷媒が一方の端板の貫通孔から前記隙間を通って他方の端板の貫通孔に連通するようにした。
９番目の態様によれば、１番目から６番目のいずれかの態様において、前記リアクトルの両端には、端板（８１、８２）がそれぞれ配置されており、前記リアクトルの前記隙間に冷媒が充填されている。
１０番目の態様によれば、１番目から９番目のいずれかの態様のリアクトルを含むモータ駆動装置が提供される。
１１番目の態様によれば、１０番目の態様のモータ駆動装置を具備した機械が提供される。
１２番目の態様によれば、１番目から９番目のいずれかの態様のリアクトルを具備したパワーコンディショナが提供される。
１３番目の態様によれば、１２番目の態様のパワーコンディショナを具備した機械が提供される。

態様の効果
１番目の態様においては、コイルのそれぞれと外周部鉄心との間に隙間が形成されているので、冷却効果を高められ、コイルの温度が上昇するのを避けられる。さらに、リアクトルケースおよび冷媒用の冷却装置が不要となるので、リアクトルを小型化できると共に、製造費用を低減できる。
２番目の態様においては、外周部鉄心内部にギャップが形成されているので、冷却効果をさらに高められる。
３番目の態様においては、リアクトルを三相リアクトルとして使用できる。
４番目の態様においては、リアクトルを単相リアクトルとして使用できる。
５番目の態様においては、切欠が外周部鉄心に形成されているので、リアクトルを軽量にできる。また、切欠によって、コイルの端面側と周面側とに隙間を容易に形成することができる。
６番目の態様においては、第三隙間により冷却効果をさらに高められる。
７番目の態様においては、冷却ファンからの気流がリアクトルの隙間を軸方向に流れるので、冷却効果をさらに高められる。
８番目の態様においては、貫通孔が形成された端板をリアクトルの両端に装着するのみで、冷媒をリアクトル内に容易に流通させられる。端板を装着するのみであるので、リアクトルケースを用いる場合よりも、リアクトルを小型にできる。
９番目の態様においては、外周部鉄心が存在しているので、端板をリアクトルの両端に配置するのみで、冷媒をリアクトル内に封入できる。端板を配置するのみであるので、リアクトルケースを用いる場合よりも、リアクトルを小型にできる。
１０番目から１３番目の態様においては、リアクトルを備えたモータ駆動装置、パワーコンディショナ、および機械を容易に提供できる。

典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、前述した変更および種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。

５ リアクトル
６ 冷却ファン
３１〜３４ 鉄心コイル
４１〜４４ 鉄心
５１〜５４ コイル
６０ 切欠
６１ 第一部分
６２ 第二部分
７０ 隙間
７１ 第一隙間
７２ 第二隙間
７３ 第三隙間
８１、８２ 端板
８５、８６ 貫通孔
１０１〜１０４ ギャップ

Claims (13)

1. 外周部鉄心と、
   前記外周部鉄心の内面に接するか、または、該内面に結合された少なくとも三つの鉄心コイルと、を具備し、
   前記少なくとも三つの鉄心コイルのそれぞれは、鉄心と該鉄心に巻回されたコイルとから構成されており、
   前記コイルのそれぞれと前記外周部鉄心との間には隙間が形成されている、リアクトル。
2. さらに、前記少なくとも三つの鉄心コイルのうちの一つの鉄心コイルと該一つの鉄心コイルに隣接する鉄心コイルとの間には磁気的に連結可能なギャップが形成されている、請求項１に記載のリアクトル。
3. 前記少なくとも三つの鉄心コイルの数は３の倍数である請求項１または請求項２に記載のリアクトル。
4. 前記少なくとも三つの鉄心コイルの数は４以上の偶数である請求項１または請求項２に記載のリアクトル。
5. 前記外周部鉄心の内面には切欠が形成されており、
   前記隙間は、前記コイルの端面と前記外周部鉄心の内面との間の第一隙間および前記コイルの周面と前記外周部鉄心の前記切欠との間の第二隙間とを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のリアクトル。
6. 前記隙間は、隣接する二つの前記鉄心と前記外周部鉄心との間に形成された第三隙間を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のリアクトル。
7. 前記リアクトルの一端に冷却ファンが配置される、請求項１から６のいずれか一項に記載のリアクトル。
8. 前記リアクトルの両端には、貫通孔が形成された端板それぞれが配置されており、冷媒が一方の端板の貫通孔から前記隙間を通って他方の端板の貫通孔に連通するようにした、請求項１から６のいずれか一項に記載のリアクトル。
9. 前記リアクトルの両端には、端板がそれぞれ配置されており、前記リアクトルの前記隙間に冷媒が充填されている、請求項１から６のいずれか一項に記載のリアクトル。
10. 請求項１から９のうちのいずれか一項に記載のリアクトルを具備したモータ駆動装置。
11. 請求項１０に記載のモータ駆動装置を具備した機械。
12. 請求項１から９のうちのいずれか一項に記載のリアクトルを具備したパワーコンディショナ。
13. 請求項１２に記載のパワーコンディショナを具備した機械。

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