JP2020150080A - リアクトルユニット - Google Patents

Abstract

【課題】リアクトルの製造コストを低減するリアクトルユニットを提供する。【解決手段】２個の空芯コイル６、１４を備えているリアクトルユニットであって２個の空芯コイル６、１４は、各空芯コイルの巻回軸が一致し、かつ、通電時に発生する磁束の向きが反対となる関係に配置されている。各空芯コイルは、金属製ケース１０に収容されている。一方の空芯コイル６と他方の空芯コイル１４の間に、金属製ケースを形成する金属板１０ａが介在している。【選択図】図１

Description

本明細書は、２個の空芯コイルを備えているリアクトルユニットを開示する。

電池が供給する直流電力の電圧を昇圧コンバータによって昇圧し、昇圧した直流電力をインバータ制御して走行用モータを駆動する電気自動車が知られている。その昇圧コンバータはリアクトルを備えている。昇圧コンバータに利用するリアクトルには大きなインダクタンスが必要とされ、鉄芯の周りにコイルを巻いてリアクトルとしている。

リアクトルの製造コストを低減するためには、鉄芯を用いない空芯リアクトルを活用するのが有利である。しかしながら、空芯リアクトルでは、大きなインダクタンスを得ることができず、昇圧コンバータの動作時に大きな電流リプルが生じ、電池やコンデンサ等に悪影響を及ぼす可能性がある。大きな電流リプルによって電池やコンデンサが過熱したり、あるいは、大きな電流リプルが電磁ノイズの発生源となったりすることがある。

特許文献１に、電流リプルを抑える技術が開示されている。この技術では、２個の昇圧コンバータを並列に接続し、各々のリアクタスに接続されているスイッチング素子を異なる位相でオン・オフする。この技術によると、電流リプルを抑えることができるために、リアクトルに必要なインダクタンスは小さくて済み、空芯コイルの利用が可能となる。

特開２０１７−１４３６５６号公報

上記技術によって、空芯コイルの利用が可能となり、リアクトルの製造コストを低減できる。ただし、２個の空芯コイルが必要となり、１個の鉄芯コイルを利用する場合に比して、例えば２個の空芯コイルを収容する体積が１個の鉄芯コイルを収容する場合の体積以上となって装置が大型化してしまう場合、あるいは、２個の空芯コイルを形成するために必要な低抵抗金属(典型的には銅)の使用量が１個の鉄芯コイルの場合の使用量以上となってしまうことがある。本発明は、２個の空芯コイルを利用する場合に、装置体積を抑え、資源使用量を抑え、空芯コイルの過熱を防止できる技術を開示する。

本明細書で開示する技術では、２個の空芯コイルをユニット化する。そのリアクトルユニットでは、２個の空芯コイルが、下記の関係を満たす位置関係で配置されている。（１）２個の空芯コイルの巻回軸が一致する。（２）２個の空芯コイルの通電時に発生する磁束の向きが、一方の空芯コイルと他方の空芯コイルで反対となる。

また各空芯コイルは金属製ケースに収容されており、一方の空芯コイルと他方の空芯コイルの間に、金属製ケースの一部を構成する金属板が介在している。

上記によると、一方の空芯コイルに発生する磁束と、他方の空芯コイルに発生する磁束が打ち消し合い、周囲に伝搬する直流磁束を小さく抑えることができる。また、金属製のケース内に収容されており、周囲に交流磁束が伝搬するのを防止できる。しかも金属ケースを介して効率的に冷却することができ、過熱しづらい。

実施例のリアクトルユニットの模式的分解斜視図である（下側の伝熱板と下側のケース蓋の図示は省略）。 巻回方向を模式的に説明する図である。 磁気的に結合していない２個の空芯コイル（図３（１））と、磁気的に結合している２個の空芯コイル（図３（２））の図である。 合計体積と合計資源使用量を例示するグラフである。 ２個の空芯コイルが利用される回路の一例の回路図である。 空芯コイルを流れる電流値の時間変化を示すグラフである。

図５は、電池２０が供給する直流を昇圧コンバータで昇圧し、昇圧された直流で動作する高圧回路３０に直流を供給する電源回路を示している。図５は、２個の昇圧コンバータ２２Ａ、２２Ｂを並列に用いる形式を示している。 昇圧コンバータ２２Ａ、２２Ｂの内部構造は同じであり、共通説明には添え字Ａ、Ｂを省略する。昇圧コンバータ２２は、コイル（２２Ａの場合はコイル６、２２Ｂの場合はコイル１４）に流れる電流をオン・オフするスイッチ素子２４と、それよりも高圧側に接続されているスイッチ素子２６を備えている。なお、各スイッチ素子には環流ダイオードが接続されている。なお昇圧コンバータの回路自体は公知であり、詳しい説明を省略する。また、図５では、コンデンサ等の部品を省略している。

スイッチ２４Ａと２４Ｂは、異なるタイミング（位相）でオン・オフされる。図６は、スイッチ２４Ａと２４Ｂを１８０度異なる位相でオン・オフした場合に、コイル６とコイル１４に流れる電流を示している。各電流は、増大期と減少期を繰り返すが、一方のコイルが増大期であると他方のコイルは減少期にあり、合計電流値は時間に対して変化しない。２個のコイル６、１４を並列に接続すると、各コイルのインダクタンスが小さくても、電流リプルを小さく抑えることができ、電磁ノイズの発生を抑制することができる。各コイルには、空芯コイルを利用することができる。

図３の（１）は、空芯コイルを並置した場合を示し、空芯コイル間には実質的な磁気的結合がない場合を示す。この場合の、２個の空芯コイルの合計体積はＣ１（図４参照）であり、コイルとする電線に必要な銅使用量はＤ１（図４参照）であり、いずれも不十分である。

図１は、上記問題を解決する実施例のリアクトルユニットの分解斜視図を模式的に示している。コイル６、１４は同じものであり、表裏を反転して用いることで、コイル６にも利用できるし、コイル１４とすることもできる。図示の１０は、金属製ケースであり、内部に中間板１０ａを備えており、上室と下室に分割されている。

上室には、上側の中央伝熱板８とコイル６と上面側伝熱板４が収容され、上蓋２によって密封される。図１では図示の明瞭化のために、下側の中央伝熱板（上側の中央伝熱板８と同じ）と、下面側伝熱板（上面側伝熱板４と同じ）と、下蓋(上蓋２に同じ)が省略されている。下室には、下側の中央伝熱板とコイル１４と下面伝熱板が収容され、下蓋によって密封される。コイル６、１４は、銅の平角線（その断面は扁平な矩形をしている）をＺ軸の回りに卷回したものであり、その平角線の扁平面はＺ軸と平行になっている。コイル６、１４のＺ軸方向の高さは、銅の平角線のＺ軸方向の幅に等しく、全体としては扁平な円盤状となっている。コイル６の端子６ａは上面側伝熱板４の孔４ａを通り、蓋２の開口２ａからケース外に延びている。端子６ｂはケース１０の開口１０ｂからケース外に延び、端子１４ａは下蓋の開口からケース外に延び、端子１４ｂはケース１０の開口１０ｃからケース外に延びている。開口と端子の間は、図示しない絶縁ブッシュで絶縁される。

図２（１）はコイル６の平面図を示す。卷回方向を示すために、単純化して図示している。ａ点からｂ点に向かう電流が流れると紙面奥側に向かう磁束が生じる。（２）は、コイル１４の卷回方向と通電方向を示し、ａ点からｂ点に向かう電流が流れると紙面手前側に向かう磁束が生じる。図（１）（２）のａ点は図５のａ点であり、ｂ点についても同様である。図２(１)と（２）から明らかに、コイル６、１４は、通電時に生じる磁束の方向が反対となる関係に置かれている。互いの磁束が打ち消し合う関係となっている。

図２（３）は、コイル６とコイル１４の卷回方向が同じである場合を示す。この場合、図２（１）（３）のａ点が図５のａ点となり、ｂ点が図５のｂ点となるように配線すれば、互いの磁束が打ち消し合う関係が得られる。

本実施例のコイル６、１４は、断面が矩形の扁平な平角線をフラットワイズに巻いて形成されており、隙間なく巻けることからコイル体積を減少することができる。また、全体としては扁平なコイルを２段に重ねることから、デッドスペースが小さくて済み、図４に示すように、２個の空芯コイルの双方を収容するのに必要な体積をＣ２まで小型化することができる。さらに、コイルを形成するのに必要な銅の使用量をＤ２まで減らすことができる。Ｃ１＞Ｃ２であり、Ｄ１＞Ｄ２であり、ユニット化するメリットが得られる。

また、各々の扁平なコイルの両面に金属板が接している。鉄芯コアが無いことから、コイルの外形形状が単純であり、扁平コイルの扁平面が金属製ケースに一様に接触する関係を得ることができる。扁平コイルを両面から効率的に冷却することができる。また金属製ケースによってコイルを無理なく収容することができ、ケースにコイルの外形形状を維持する役割を担わせることができる。従来のようにコイルの周囲をモールド樹脂で覆って保護する必要がない。金属製ケースによって樹脂モールドに代えることができる。なお、コイルの巻線は絶縁コーティングされており、コイルが金属製ケースと短絡することはない。

本実施例のリアクトルユニットのコイルによると、各コイルが金属製ケースに収容されており、ケースの外側に交流磁界が漏れ出るのを防止できる。また、２個のコイルが互いの磁束を打ち消し合うことから、ケースの外側に漏れ出る直流磁界も小さくなる。なお、ケース１０の中間板１０ａには貫通孔を設けてもよい。コイル中心などは中空であり、中間板１０ａにおいて中空部分に対向している部位に穴を形成しても冷却性能は低下しない。ケース１０の外表面は閉じられており、中間板に貫通孔を形成しても、ノイズ等が漏れ出ることはない。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：蓋
４：伝熱板
６：空芯コイル
８：伝熱板
１４：空芯コイル
２０：電池
２２：昇圧コンバータ
３０：高圧回路

Claims (1)

1. ２個の空芯コイルを備えているリアクトルユニットであり、
   前記２個の空芯コイルが、各空芯コイルの巻回軸が一致し、かつ通電時に発生する磁束の向きが反対となる関係に配置されており、
   各空芯コイルが金属製ケースに収容されており、
   一方の空芯コイルと他方の空芯コイルの間に、前記金属製ケースを形成する金属板が介在していることを特徴とするリアクトルユニット。

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