JP2018152451A - 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簡単な構成でリアクトルを効率的に冷却する。
【解決手段】リアクトル（５）は、外周部鉄心（２０）と、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（３１〜３６）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（４１〜４６）と該鉄心に巻回されたコイル（５１〜５６）とから構成されている。リアクトルは、さららに、外周部鉄心の端面に配置されていて外周部鉄心を冷却する冷却部（８０）を含む。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、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、コイルにより鉄心が磁化すると鉄損が発生し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は、冷媒が循環するリアクトルケース内に配置されているので、構造が大型化する。

それゆえ、大型化することなしに簡単な構成で、効率的に冷却されるリアクトル、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。

本開示の一態様によれば、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、さらに、前記外周部鉄心の端面に配置されていて前記外周部鉄心を冷却する冷却部を具備する、リアクトルが提供される。

一態様においては、外周部鉄心の端面に冷却部が配置されているので、大型化することなしに簡単な構成でリアクトルを効率的に冷却することができる。

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端面図である。 図１Ａに示されるリアクトルの側面図である。 第一の実施形態におけるリアクトルの磁束密度を示す第一の図である。 第一の実施形態におけるリアクトルの磁束密度を示す第二の図である。 第一の実施形態におけるリアクトルの磁束密度を示す第三の図である。 第一の実施形態におけるリアクトルの磁束密度を示す第四の図である。 第一の実施形態におけるリアクトルの磁束密度を示す第五の図である。 第一の実施形態におけるリアクトルの磁束密度を示す第六の図である。 位相と電流との関係を示す図である。 第一の実施形態における外周部鉄心の端面図である。 他の実施形態におけるリアクトルの端面図である。 第二の実施形態におけるリアクトルの外周部鉄心の端面図である。 第三の実施形態におけるリアクトルの断面図である。 第四の実施形態におけるリアクトルの断面図である。 第四の実施形態におけるリアクトルの磁束密度を示す図である。 第五の実施形態に基づくリアクトルの斜視図である。 第六の実施形態に基づくリアクトルの部分分解斜視図である。 第七の実施形態に基づくリアクトルの斜視図である。 図１０Ａに示されるリアクトルの部分拡大図である。 第八の実施形態に基づくリアクトルの斜視図である。 図１１Ａに示されるリアクトルの他の斜視図である。 第九の実施形態に基づくリアクトルの斜視図である。 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１Ａは第一の実施形態に基づくリアクトルの端面図である。図１Ａに示されるように、リアクトル５は、断面が円形の外周部鉄心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が多角形形状であってもよい。鉄心コイル３１〜３３は外周部鉄心２０の内面に接するか、または一体化している。

鉄心コイル３１〜３３のそれぞれは、鉄心４１〜４３と該鉄心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、またはフェライト、アモルファス、圧粉鉄心から作成される。

図１Ａ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１Ａ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 か、または接合されている。

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４１〜４３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、第一の実施形態においては、外周部鉄心２０の内方に、少なくとも一つ、図１Ａにおいては三つの冷却部８０が配置されている。冷却部８０は、外周部鉄心２０の内部、特にコイル５１〜５３を冷却する役目を果たす。冷却部８０は外周部鉄心２０の領域に配置されているので、リアクトル５の駆動時に、簡単な構成でリアクトル５を効率的に冷却することができる。

図１Ｂは図１Ａに示されるリアクトルの側面図である。冷却部８０は外周部鉄心２０の軸方向に延びるよう形成された貫通孔（図１Ｂ）である。リアクトル５の駆動時には、貫通孔から放熱させられるので、リアクトル５を効率的に冷却できる。

図示しない実施形態においては、単一の冷却部８０が外周部鉄心２０の領域に形成されていてもよい。また、冷却部８０の断面は円形である必要はなく、冷却部８０の断面が外周部鉄心２０の周方向に延びる弧状または矩形状であってもよい。

図２Ａから図２Ｆは第一の実施形態におけるリアクトルの磁束密度を示す図である。そして、図３は位相と電流との関係を示す図である。さらに、図４Ａは第一の実施形態における外周部鉄心の端面図である。図３においては、図１Ａのリアクトル５の鉄心４１〜４３をそれぞれＲ相、Ｓ相およびＴ相に設定している。そして、図３においては、Ｒ相の電流を点線で示し、Ｓ相の電流を実線で示すと共に、Ｔ相の電流を破線で示している。

図３において電気角がπ／６のときは図２Ａに示される磁束密度が得られる。同様に、電気角がπ／３のときは図２Ｂに示される磁束密度が得られ、電気角がπ／２のときは図２Ｃに示される磁束密度が得られ、電気角が２π／３のときは図２Ｄに示される磁束密度が得られ、電気角が５π／６のときは図２Ｅに示される磁束密度が得られ、電気角がπのときは図２Ｆに示される磁束密度が得られる。

図２Ａ〜図２Ｆおよび図４Ａを参照して分かるように、鉄心４１〜４３のそれぞれの半径方向外側端部４１ａ〜４３ａに対応した外周部鉄心２０内における外側端部対応位置８１〜８３の磁束密度は外周部鉄心２０の残りの部分の磁束密度よりも小さい。その理由は、外側端部対応位置８１〜８３は磁束が通り難いためである。同様に、外周部鉄心２０に沿った外側端部対応位置８１〜８３の間の中間位置９１〜９３の磁束密度は、外周部鉄心２０の残りの部分の磁束密度よりも小さい。従って、外側端部対応位置８１〜８３および中間位置９１〜９３の少なくとも一つに冷却部８０を設けるのが好ましい。このような場合には、リアクトル５の磁気特性に対する影響を抑えつつ、リアクトル５を冷却することができる。また、外側端部対応位置８１〜８３および中間位置９１〜９３に冷却部８０が設けられる外周部鉄心２０の幅（半径方向距離）は十分に広いのが好ましい。具体的には、外周部鉄心２０の幅から、外側端部対応位置８１〜８３および中間位置９１〜９３に設けられた冷却部８０の半径方向距離を減算した残りの長さは、冷却部８０の半径方向距離よりも大きいのが好ましい。これにより、外側端部対応位置８１〜８３および中間位置９１〜９３に冷却部８０が設けられている場合であっても、磁束が通過可能な領域を確保できる。
図４Ｂは他の実施形態におけるリアクトルの端面図である。図４Ｂにおいては、外側端部対応位置８１〜８３において貫通孔としての冷却部８０が外周部鉄心２０の最小の幅Ａ２の略中央に形成されている。また、外側端部対応位置８１に形成された貫通孔としての冷却部８０の直径をＡ３で表している。そして、外周部鉄心２０の最小の幅Ａ２から貫通孔としての冷却部８０の直径Ａ３を減算した値（＝Ａ２−Ａ３）は、鉄心４１の幅Ａ１の半分よりも大きい。つまり、貫通孔としての冷却部８０が形成された後であっても、外周部鉄心２０は比較的厚い幅を有している。これにより、磁束が通過することのできる断面積を有する外周部鉄心２０を確保できる。このため、リアクトル５の磁気特性に与える影響はない。なお、他の外側端部対応位置８２、８３についても同様である。

図５は第二の実施形態におけるリアクトルの外周部鉄心の端面図である。図５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の内面に接するか、または該内面に結合された六つの鉄心コイル３１〜３６とを含んでいる。鉄心コイル３１〜３６のそれぞれは、鉄心４１〜４６と鉄心４１〜４６に巻回されたコイル５１〜５６とを含んでいる。図から分かるように、鉄心コイル３１〜３６は外周部鉄心２０の周方向に等間隔に配置されている。そして、鉄心４１〜４６の半径方向内側端部は、磁気的に連結可能なギャップ１０１〜１０６を介して互いに離間している。

図２Ａ〜図２Ｆを参照して説明したのと同様な理由から、図５に示されるリアクトル５の外側端部対応位置８１〜８６および中間位置９１〜９６の少なくとも一つに冷却部８０を設けるのが好ましい。この場合にも、前述したのと同様な効果が得られるのは明らかであろう。

さらに、図６は第三の実施形態におけるリアクトル５の断面図である。図６に示されるリアクトル５は、略八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、または該内面に結合された、前述したのと同様な四つの鉄心コイル３１〜３４とを含んでいる。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。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６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。

図２Ａ〜図２Ｆを参照して説明したのと同様な理由から、図６に示されるリアクトル５の外側端部対応位置８１〜８４および中間位置９１〜９４の少なくとも一つに冷却部８０を設けるのが好ましい。この場合にも、前述したのと同様な効果が得られるのは明らかであろう。

さらに、図７Ａは第四の実施形態におけるリアクトルの端面図である。図７Ａに示されるリアクトル５は、円形の外周部鉄心２０と、六つの鉄心コイル３１〜３６とを含んでいる。鉄心コイル３１〜３６のそれぞれは、鉄心４１〜４６と鉄心４１〜４６に巻回されたコイル５１〜５６とを含んでいる。鉄心４１〜４６は外周部鉄心２０の内周面に接するかまたは一体的になっている。さらに、外周部鉄心２０の中心に中心部鉄心１０が位置している。中心部鉄心１０は、外周部鉄心２０と同様に形成されるものとする。そして、鉄心４１〜４６の半径方向内側端部と中心に中心部鉄心１０との間には、磁気的に連結可能なギャップ１０１〜１０６が形成されている。

図７Ｂは第四の実施形態におけるリアクトルの磁束密度を示す図である。図７Ｂを参照して分かるように、中心部鉄心１０内の中心位置８９における磁束密度は、外周部鉄心２０および鉄心４１〜４６における磁束密度よりも小さい。従って、リアクトル５が中心部鉄心１０を含んでいる場合には、中心部鉄心１０内の中心位置８９に前述したのと同様な冷却部８０としての貫通孔を設けるのが好ましい。これにより、中心部鉄心１０を有するリアクトル５の磁気特性に対する影響を抑えつつ、リアクトル５を冷却できる。

なお、中心部鉄心１０内に複数の冷却部８０を設けるようにしてもよい。また、当然のことながら、第四の実施形態におけるリアクトル５において、前述した外側端部対応位置や中間位置に同様な冷却部８０を設けるようにしてもよい。

以下においては、三つの鉄心コイル３１〜３３を備えたリアクトル５の冷却部８０の詳細について説明する。図８は第五の実施形態に基づくリアクトルの斜視図である。図８における冷却部８０は、外側端部対応位置８１〜８３に形成された貫通孔を含むものとする。さらに、冷却部８０は、これら貫通孔のそれぞれに挿入された管体７１〜７３を含んでいる。管体７１〜７３は、外周部鉄心２０よりも熱伝導率の高い材料から形成される冷却パイプであるのが好ましい。

この場合には、管体７１〜７３を通じて放熱できるので、リアクトル５を効率的に冷却できる。さらに、図示しない冷媒供給装置から管体７１〜７３の内部に冷媒を流通させることにより、冷却効果をさらに高められる。

図９は第六の実施形態に基づくリアクトルの部分分解斜視図である。図９においては管体７１〜７３の両端部には、蓋部７１ａ〜７３ａ、７１ｂ〜７３ｂがそれぞれ取付けられる。一方の蓋部７１ｂ〜７３ｂを管体７１〜７３に取付けた後で、冷媒を管体７１〜７３に供給する。次いで、他方の蓋部７１ａ〜７３ａを管体７１〜７３に取付けて、管体７１〜７３を閉鎖する。この場合にも、冷媒により、リアクトル５をさらに効率的に冷却できる。また、冷媒供給装置が不要であるので、構造が大型になるのを避けられる。

図１０Ａは第七の実施形態に基づくリアクトルの斜視図であり、図１０Ｂは図１０Ａに示されるリアクトルの部分拡大図である。これら図面においては外側端部対応位置８１〜８３のそれぞれに形成された貫通孔の入口に取付けられた冷却ファン６ａ〜６ｃが示されている。冷却ファン６ａ〜６ｃおよび後述する冷却ファン６は図示しないモータにより駆動されるものとする。なお、中間位置９１〜９３に形成された貫通孔等の入口に同様な冷却ファンを取付けてもよい。

図１１Ａは第八の実施形態に基づくリアクトルの斜視図であり、図１１Ｂは図１１Ａに示されるリアクトルの他の斜視図である。図８Ａ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８Ｂ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。これら図面において、外周部鉄心２０の端面に冷却ファン６が取付けられている。

冷却ファン６、６ａ〜６ｃが駆動されると、冷却ファン６、６ａ〜６ｃからの気流が前述した貫通孔およびギャップ１０１〜１０３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に対する冷却効果をさらに高められる。さらに、第八の実施形態においては、単一の冷却ファン６のみを準備すればよい。

図１２は第九の実施形態に基づくリアクトルの斜視図である。図１２においては、リアクトル５はハウジング７内に配置される。そして、ハウジング７内に、冷却部８０が備えられたリアクトル５を配置する。リアクトル５を配置した後、あるいは配置する前にハウジング７には所定量の冷媒を充填する。そして、蓋部８によりハウジング７を閉鎖してリアクトル５を駆動する。これにより、ハウジング７に充填された冷媒によってリアクトル５をさらに効率的に冷却することができる。

図１３はリアクトルを含む機械を示す図である。図１３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（３１〜３６）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（４１〜４６）と該鉄心に巻回されたコイル（５１〜５６）とから構成されており、さらに、前記外周部鉄心の端面に配置されていて前記外周部鉄心を冷却する冷却部（８０）を具備する、リアクトル（５）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、前記冷却部は、前記外周部鉄心の軸方向に延びるよう形成された少なくとも一つの貫通孔を含む。
３番目の態様によれば、２番目の態様において、前記貫通孔を除く前記外周部鉄心の最小の幅は前記鉄心の幅の１／２より大きいようにした。
４番目の態様によれば、２番目または３番目の態様において、前記少なくとも一つの貫通孔の内部に配置された冷却ファンを含む。
５番目の態様によれば、１番目から３番目のいずれかの態様において、前記冷却部は、さらに、前記少なくとも一つの貫通孔に挿入された管体（７１〜７３）を含む。
６番目の態様によれば、５番目の態様において、前記管体の端部は蓋部（７１ａ〜７３ａ、７１ｂ〜７３ｂ）により閉鎖され、前記管体の冷媒が充填されるようにした。
７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、前記外周部鉄心を封入していて内部に冷媒が配置されるハウジングを含む。
８番目の態様によれば、１番目から７番目のいずれかの態様において、さらに、前記外周部鉄心の中心に位置する中心部鉄心（１０）を具備し、前記冷却部は、前記中心部鉄心に軸方向に延びるよう形成された少なくとも一つの貫通孔を含む。
９番目の態様によれば、１番目から８番目のいずれかの態様のリアクトルを具備したモータ駆動装置が提供される。
１０番目の態様によれば、９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。
１１番目の態様によれば、１番目から８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。
１２番目の態様によれば、１１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、外周部鉄心の内方に冷却部が配置されているので、簡単な構成でリアクトルを効率的に冷却することができる。
２番目の態様においては、貫通孔から放熱させられるので、リアクトルを効率的に冷却できる。
３番目の態様においては、外周部鉄心に貫通孔が形成された場合であっても、磁束が通過することのできる断面積を有する外周部鉄心を確保できる。このため、リアクトルの磁気特性に与える影響はない。
４番目の態様においては、冷却ファンからの気流が貫通孔に流れるので、冷却効果をさらに高められる。
５番目の態様においては、管体から放熱できる。さらに、管体の内部に冷媒を流通させられる。
６番目の態様においては、冷媒によってリアクトルをさらに効率的に冷却できる。
７番目の態様においては、ハウジングに充填された冷媒により、リアクトルをさらに効率的に冷却できる。
８番目の態様においては、中心部鉄心の貫通孔から放熱させられるので、リアクトルを効率的に冷却できる。
９番目から１２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、６ａ〜６ｃ 冷却ファン
７ ハウジング
８ 蓋部
１０ 中心部鉄心
２０ 外周部鉄心
３１〜３６ 鉄心コイル
４１〜４６ 鉄心
５１〜５６ コイル
７１〜７３ 管体
７１ａ〜７３ａ 蓋部
７１ａ〜７３ａ、７１ｂ〜７３ｂ 蓋部
８０ 冷却部
８１〜８６ 外側端部対応位置
８９ 中心位置
９１〜９６ 中間位置
１０１〜１０６ ギャップ

Claims (12)

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、
   さらに、
   前記外周部鉄心の端面に配置されていて前記外周部鉄心を冷却する冷却部を具備する、リアクトル。
2. 前記冷却部は、前記外周部鉄心の軸方向に延びるよう形成された少なくとも一つの貫通孔を含む、請求項１に記載のリアクトル。
3. 前記貫通孔を除く前記外周部鉄心の最小の幅は前記鉄心の幅の１／２より大きいようにした、請求項２に記載のリアクトル。
4. さらに、前記少なくとも一つの貫通孔の内部に配置された冷却ファンを含む、請求項２または３に記載のリアクトル。
5. 前記冷却部は、さらに、前記少なくとも一つの貫通孔に挿入された管体を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のリアクトル。
6. 前記管体の端部は蓋部により閉鎖され、前記管体の冷媒が充填されるようにした請求項５に記載のリアクトル。
7. 前記外周部鉄心を封入していて内部に冷媒が配置されるハウジングを含む、請求項１または２に記載のリアクトル。
8. さらに、前記外周部鉄心の中心に位置する中心部鉄心を具備し、
   前記冷却部は、前記中心部鉄心に軸方向に延びるよう形成された少なくとも一つの貫通孔を含む請求項１から７のいずれか一項に記載のリアクトル。
9. 請求項１から８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。
10. 請求項９に記載のモータ駆動装置を具備した機械。
11. 請求項１から８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。
12. 請求項１１に記載のパワーコンディショナを具備した機械。