JP2021012991A - コイルモジュール及び電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置内におけるコイル本体の配置自由度を向上させることができるコイルモジュール及びこれを用いた電力変換装置を提供すること。【解決手段】コイルモジュール１は、巻線部２１を備えたコイル本体２と、コイル本体２を収容するコイルケース３と、コイルケース３に固定されたバスバー４と、コイルケース３内にコイル本体２を固定するポッティング材５と、を有する。巻線部２１から延出したコイル端子２２は、バスバー４に電気的に接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、コイルモジュール及びこれを有する電力変換装置に関する。

例えば車両用のインバータ等の電力変換装置には、電気的ノイズを除去するノイズフィルタとして、コイル部品が搭載されている。特許文献１には、スイッチング素子が接続された回路基板に、コイル部品も接続された構成の電力変換装置が開示されている。特許文献１に記載の電力変換装置においては、コイル部品の端子が、直接、回路基板に接続され、回路基板に直接実装されている。

特開２０１２−１５６４９６号公報

しかしながら、電力変換装置等においては、近年の厳しいＥＭＣ規制に伴い、コイル部品の大型化が求められることがある。かかる場合に、コイル部品を回路基板に直接搭載される構成は、搭載スペースの小型化において不利となり得る。すなわち、コイル部品を備えた装置内における、コイル部品の配置自由度を向上させることが求められている。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、装置内におけるコイル本体の配置自由度を向上させることができるコイルモジュール及びこれを用いた電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、巻線部（２１）を備えたコイル本体（２）と、
上記コイル本体を収容するコイルケース（３）と、
上記コイルケースに固定されたバスバー（４）と、
上記コイルケース内に上記コイル本体を固定するポッティング材（５）と、を有し、
上記巻線部から延出したコイル端子（２２）は、上記バスバーに電気的に接続されている、コイルモジュール（１）にある。

本発明の他の態様は、上記コイルモジュールと、
スイッチング素子が接続された回路基板（１２）と、を備え、
上記コイルモジュールは、上記バスバーにおいて、上記回路基板に電気的に接続されている、電力変換装置（１０、１００）にある。

上記コイルモジュールは、上記コイルケースとコイルケースに固定されたバスバーとを有する。それゆえ、コイル本体を回路基板等に電気的に接続するにあたっては、バスバーを介して、回路基板等に接続することができる。それゆえ、コイル本体の配置自由度を向上させることができる。つまり、コイルモジュールを用いる装置内における、コイル本体の配置自由度を向上させることができる。

上記電力変換装置においては、上記コイルモジュールが、上記バスバーにおいて上記回路基板に電気的に接続されている。それゆえ、上記コイル本体が、バスバーを介して回路基板に電気的に接続されている。これにより、コイル本体と回路基板との位置関係の自由度を向上させることができる。その結果、電力変換装置内におけるコイル本体の配置自由度を向上させることができる。

以上のごとく、上記態様によれば、装置内におけるコイル本体の配置自由度を向上させることができるコイルモジュール及びこれを用いた電力変換装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、コイルモジュールの斜視図。 実施形態１における、コイルモジュールの平面図。 図２のIII−III線矢視断面図。 図２のIV−IV線矢視断面図。 実施形態１における、コイル本体の斜視図。 実施形態１における、接続端子とコイル端子との接続部の拡大断面説明図。 実施形態１における、電力変換装置の回路図。 実施形態１における、電力変換装置の一部の平面図。 図８のIX−IX線矢視断面説明図。 図８のＸ−Ｘ線矢視断面説明図。 実施形態２における、接続端子とコイル端子との接続部の拡大断面説明図。 参考形態における、コイルモジュールの断面説明図。 実施形態３における、電力変換装置の断面説明図。 図１３のXIV−XIV線矢視断面説明図。

（実施形態１）
コイルモジュール及びこれを用いた電力変換装置に係る実施形態について、図１〜図１０を参照して説明する。
図１〜図４に示すごとく、コイルモジュール１は、コイル本体２と、コイルケース３と、バスバー４と、ポッティング材５と、を有する。
コイル本体２は、巻線部２１を備えている。コイルケース３は、コイル本体２を収容する。バスバー４は、コイルケース３に固定されている。ポッティング材５は、コイルケース３内にコイル本体２を固定する。
巻線部２１から延出したコイル端子２２は、バスバー４に電気的に接続されている。

図５に示すごとく、コイル本体２は、磁路を形成するコア２３を有する。コア２３は、環状に形成されている。そして、コア２３に、２つの導体線が巻回されている。これらの導体線によって、巻線部２１が構成されている。２つの導体線は、互いに電気的に絶縁された第１巻線２１１と第２巻線２１２となっている。第１巻線２１１及び第２巻線２１２は、いずれも、環状のコア２３の内周側と外周側とを複数回にわたって通るように巻回されている。これにより、コア２３を介して、第１巻線２１１と第２巻線２１２とは磁気的に結合されている。このように、本形態においては、コイル本体２は、いわゆるトロイダルコイルである。

第１巻線２１１と第２巻線２１２とは、それぞれ２つずつ、コイル端子２２を有する。そして、合計４本のコイル端子２２は、巻線部２１から同じ方向に突出している。
コイル本体２は、樹脂製のボビン２４を有する。ボビン２４は、巻線部２１及びコア２３を保持している。ボビン２４は、巻線部２１におけるコイル端子２２の突出側に配された天板部２４１を有する。また、ボビン２４は、天板部２４１から、コイル端子２２の突出側と反対側に突出した２つの脚部２４２を有する。２つの脚部２４２は、コア２３を、該コア２３の軸方向の両側にそれぞれ配されている。また、ボビン２４は、図示を省略するが、コア２３を覆うように形成されたコアカバー部をも有する。コアカバー部は天板部２４１に固定されている。コア２３には、コアカバー部を介して、巻線部２１が巻回されている。

天板部２４１は、その主面方向が、コイル端子２２の突出方向を向くように配置されている。図１、図２、図５に示すごとく、天板部２４１の端縁には、コイル端子２２を係止する切欠部２４３が形成されている。また、図１、図２に示すごとく、天板部２４１は、コイルケース３に係止される被係止部２４４を、端縁の一部から突出させてなる。被係止部２４４がコイルケース３の所定箇所に係止され、切欠部２４３にコイル端子２２が係止されることによって、コイルケース３に対するコイル端子２２の位置決めがなされる。

バスバー４としては、互いに電気的に絶縁された第１バスバー４１と第２バスバー４２とがある。各バスバー４は、絶縁性のコイルケース３に固定されている。本形態においては、各バスバー４は、それぞれの一部を、樹脂からなるコイルケース３にインサートされた状態にて固定されている。

図１〜図３に示すごとく、バスバー４は、入力側端子４３と出力側端子４４と接続端子４５とを有する。コイルモジュール１においては、バスバー４の接続端子４５とコイル端子２２とが接続されている。本形態においては、接続端子４５とコイル端子２２とが溶接されている。

入力側端子４３は、後述する直流電源ＢＡＴに電気的に接続される（図７参照）。そして、出力側端子４４が、後述する回路基板１２に電気的に接続される（図７参照）。

図１〜図４に示すごとく、コイルケース３は、コイル本体２を収容する収容部３１を有する。収容部３１は、一方側に開口した開口部３１１を有する。この開口部３１１の開口方向に、上述のコイル端子２２の突出方向を向けた状態で、コイル本体２が、収容部３１に収容されている。なお、開口部３１１の開口方向に平行な方向を、以下において適宜、Ｚ方向ともいう。また、Ｚ方向において、開口部３１１の開口側を、便宜的に、上側、その反対側を下側、というものとする。ただし、この上下の表現は、あくまでも便宜的なものであり、特に、コイルモジュール１の配置姿勢を限定するものではない。

収容部３１には、コイル本体２と共に、ポッティング材５が配置されている。ポッティング材５は、例えば、エポキシ樹脂にて構成することができる。ポッティング材５は、収容部３１の一部に充填され、コイル本体２の一部を埋設している。これにより、コイル本体２は、ポッティング材５によって、収容部３１と接着され、固定されている。

図３、図４に示すごとく、巻線部２１は、ポッティング材５から露出した露出部２１３を有する。つまり、ポッティング材５は、上述のように、コイル本体２の一部を埋設するが、巻線部２１の少なくとも一部は、ポッティング材５から露出するようにしている。本形態においては、巻線部２１の一部が、ポッティング材５に埋設され、巻線部２１の他の一部が、ポッティング材５から露出している。この露出した部分が、上記の露出部２１３である。

ポッティング材５のポッティング面５１の法線方向において、露出部２１３は、巻線部２１の半分以上の寸法を有する。すなわち、図４に示すごとく、Ｚ方向の寸法において、巻線部２１のうち、ポッティング材５から露出した部分の寸法ｄ１が、ポッティング材５に埋設された部分の寸法ｄ２以上となっている。特に、本形態においては、ｄ２よりもｄ１が大きくなるように、露出部２１３が露出している。

コイルケース３は、例えば、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレートの略）樹脂等の樹脂ケースからなる。コイルケース３とポッティング材５とは、線膨張係数を近くすることが、コイルケース３とポッティング材５との間の冷熱応力のストレスを抑制する観点から好ましい。例えば、両者の線膨張係数は、フィラーの配合量にて調整することができ、実質的に同一とすることもできる。

また、図１、図２に示すごとく、コイルケース３は、収容部３１と一体的に形成されたバスバー保持部３２、３３とを有する。バスバー保持部３２、３３は、Ｚ方向に直交する方向における、収容部３１の両側の２箇所に配設されている。これら２か所のバスバー保持部３２、３３と収容部３１との並び方向を、以下において適宜Ｘ方向という。

一方のバスバー保持部３２からは、バスバー４の入力側端子４３が露出している。他方のバスバー保持部３３からは、バスバー４の出力側端子４４が露出している。また、出力側端子４４は、バスバー保持部３３の上面に載置された状態にある。つまり、バスバー保持部３３は、出力側端子４４の端子台としても機能することとなる。入力側端子４３も、出力側端子４４も、主面がＺ方向を向くように配設されている。

コイルケース３は、収容部３１の開口部３１１に隣接する位置に、コイル本体２のボビン２４の被係止部２４４を係止するボビン係止部３４を複数有する。複数のボビン係止部３４に、ボビン２４の複数の被係止部２４４をそれぞれ係止させることにより、コイルケース３に対するコイル本体２の位置決めがなされている。

図１、図３、図６に示すごとく、バスバー４の接続端子４５は、コイルケース３における収容部３１の開口部３１１に隣接する位置から、Ｚ方向の上方に突出している。この接続端子４５とコイル端子２２とは、互いにＸ方向に重なるように配置される。そして、接続端子４５とコイル端子２２が、その重なり部分の一部において溶接されることで、互いに接続されている。なお、接続端子４５の一部には、コイル端子２２に向って突出するように屈曲した屈曲凸部４５２が形成されている。

また、図１、図２、図８、図１０に示すごとく、コイルケース３は、後述する電力変換装置１０の装置ケース１３に固定される被固定部３５を有する。被固定部３５は、Ｚ方向から見て収容部３１を挟んで互いに反対側となる２箇所に形成されている。被固定部３５は、金属製の円環状のカラー３５１が、樹脂にインサートされてなる。この被固定部３５の貫通方向、すなわちカラー３５１の貫通方向は、Ｚ方向となっている。

コイルモジュール１は、図７〜図１０に示すごとく、電力変換装置１０の構成部品の一つとして、用いられる。電力変換装置１０は、コイルモジュール１と、スイッチング素子が接続された回路基板１２と、を備えている。コイルモジュール１は、バスバー４において、回路基板１２に電気的に接続されている。なお、スイッチング素子の図示は省略している。

図７に示すごとく、コイルモジュール１は、電力変換回路部１２０と、直流電源ＢＡＴとの間の配線に、接続されている。具体的には、コイルモジュール１における入力側端子４３が、直流電源ＢＡＴの正極及び負極にそれぞれ接続される２つの入力配線１５Ｐ、１５Ｎに、それぞれ接続される。また、２つの入力配線１５Ｐ、１５Ｎの間には、フィルタコンデンサ１５Ｃが接続されている。このフィルタコンデンサ１５Ｃとコイルモジュール１におけるコイル本体２とによって、フィルタ回路が構成される。このフィルタ回路によって、直流電源ＢＡＴから電力変換回路部１２０への入力電力のノイズが抑制される。

電力変換回路部１２０は、複数のスイッチング素子を備えている。これら複数のスイッチング素子のオンオフ動作によって、入力電力が変換される。電力変換回路部１２０は、直流電力の電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータとすることができる。電力変換回路部１２０は、直流電力を交流電力に変換するインバータとすることもできる。

図８に示すごとく、コイルモジュール１は、外部接続配線１４によって、回路基板１２に接続されている。外部接続配線１４は、バスバー状のものとすることができる。また、外部接続配線１４は、ワイヤー状のものとすることもできる。

コイル本体２は、回路基板１２の法線方向から見たとき、回路基板１２と重ならない位置に配置されている。本形態においては、コイルモジュール１の全体も、回路基板１２と重ならない位置に配置されている。ただし、例えば、コイルケース３の一部が、回路基板１２と、法線方向に重なった構成とすることもできる。

また、図９に示すごとく、回路基板１２の法線方向に直交する方向から見たとき、コイル本体２は、回路基板１２の延長線と重なる位置に配置されている。つまり、コイル本体２は、回路基板１２に対して、その法線方向の両側に跨るような位置関係に配置されている。

図８〜図１０に示すごとく、電力変換装置１０は、装置ケース１３の内部に、コイルモジュール１を、回路基板１２と共に収容してなる。上述したように、コイルケース３は、被固定部３５を有する。この複数の被固定部３５に、ボルト１３２を挿通して、装置ケース１３に締結されている。例えば、装置ケース１３には、雌ネジを設けたボス１３１が設けてある。このボス１３１に被固定部３５を載置し、被固定部３５に挿通したボルト１３２を雌ネジに螺合して締結する。これにより、被固定部３５において、コイルモジュール１が装置ケース１３に固定される。

また、図示を省略するが、回路基板１２も、ボルト等によって、装置ケース１３に固定されている。回路基板１２の法線方向は、コイルモジュール１におけるコイルケース３の開口部３１１の開口方向、すなわちＺ方向と同じである。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記コイルモジュール１は、コイルケース３と、コイルケース３に固定されたバスバー４とを有する。それゆえ、コイル本体２を回路基板１２に電気的に接続するにあたっては、バスバー４を介して、回路基板１２に接続することができる。それゆえ、コイル本体２の配置自由度を向上させることができる。つまり、電力変換装置１０内における、コイル本体２の配置自由度を向上させることができる。

巻線部２１は、ポッティング材５から露出した露出部２１３を有する。つまり、巻線部２１の少なくとも一部は、ポッティング材５から露出するようにしている。これにより、隣り合う巻線部２１の間にポッティング材５が介在する部分を少なくすることができる。その結果、隣り合う巻線部２１の間に容量成分が形成されることを抑制することができる。仮に、巻線部２１の全体をポッティング材５に埋設すると、コイル本体２に形成される容量成分が大きくなりやすい。そうすると、コイル本体２による高周波ノイズの除去能力が低下するおそれがある。したがって、露出部２１３を設けることで、コイル本体２によるフィルタ機能を向上させることができる。ひいては、コイル本体２の小型化を容易にすることもできる。

また、ポッティング面５１の法線方向において、露出部２１３は、巻線部２１の半分以上の寸法を有する。つまり、図４に示すｄ１、ｄ２が、ｄ１≧ｄ２の関係を有する。これにより、露出部２１３を大きくしやすく、上述のコイル本体２によるフィルタ機能の確保をしやすくなる。

コイル本体２は、回路基板１２の法線方向から見たとき、回路基板１２と重ならない位置に配置されている。これにより、回路基板１２の厚み方向における省スペース化を図りやすい。そして、コイル本体２の大型化が進んでも、回路基板１２の厚み方向における、電力変換装置１０の大型化を抑制することができる。

また、コイルケース３は、被固定部３５を有する。これにより、コイルモジュール１を、装置ケース１３に固定することができる。その結果、コイルモジュール１と回路基板１２との間の振動を抑制することができる。

以上のごとく、本形態によれば、装置内におけるコイル本体の配置自由度を向上させることができるコイルモジュール及びこれを用いた電力変換装置を提供することができる。

（実施形態２）
本形態は、図１１に示すごとく、接続端子４５に、応力緩和部４５１を設けた形態である。
応力緩和部４５１は、Ｚ方向における接続端子４５の一部を屈曲させることにより、形成されている。また、応力緩和部４５１は、コイルケース３から露出した接続端子４５の一部であって、コイル端子２２との接続部よりも、Ｚ方向の下側に形成されている。つまり、接続端子４５における、コイル端子２２との固定部とコイルケース３との固定部との間の部分に、応力緩和部４５１が形成されている。

本形態において、応力緩和部４５１は、曲面状に湾曲した形状を有する。ただし、応力緩和部４５１の形状は、これに限らず、他の形状とすることもできる。
その他は、実施形態１と同様である。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本形態においては、接続端子４５の厚み方向の応力のみならず、Ｚ方向の応力も、応力緩和部４５１にて吸収することができる。例えば、コイル端子２２と接続端子４５との溶接時における作用する応力や、コイルモジュール１の使用環境下における振動や冷熱ストレス等によって作用する応力を、応力緩和部４５１にて吸収することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（参考形態）
本形態は、図１２に示すごとく、コイルケース３とコイル本体２とを、ポッティング材５にて固定していない、コイルモジュールの形態である。
この場合、コイルモジュールの振動が生じた場合等において、接続端子４５とコイル端子２２との間の接続部に応力が作用しやすい。

ただし、本参考形態においては、接続端子４５に、上記実施形態２に示したものと同様の応力緩和部４５１が形成されている。これにより、接続部に作用する応力を緩和することができる。すなわち、本形態の場合、コイルケース３とコイル本体２との間の相対変位を抑制することは困難であるが、相対変位が生じたときに接続部に作用する応力を緩和することが可能となる。

（実施形態３）
本形態は、図１３、図１４に示すごとく、コイルモジュール１と共に、複数の電力機器１２０、１３０を、装置ケース１３に収容した電力変換装置１００の形態である。

本形態の電力変換装置１００は、複数の電力機器として、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０と、充電器１３０と、リレー１４０とを備えている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０は、トランス等を備え、入力された直流電力を昇圧若しくは降圧して出力する。充電器１３０は、例えば、入力された交流電力を直流電力に変換して、バッテリに充電する。また、装置ケース１３には、リレー１４０も収容されている。

装置ケース１３内には、コイルモジュール１と充電器１３０とが、Ｚ方向に直交する方向に並んで配置されている。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０とリレー１４０とが、Ｚ方向に直交する方向に並んで配置されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０及びリレー１４０は、コイルモジュール１及び充電器１３０に対して、Ｚ方向に積層配置された状態にて、装置ケース１３に収容されている。

コイルモジュール１は、出力側端子４４において、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０と充電器１３０との少なくともいずれか一つに、接続されている。すなわち、出力側端子４４が、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０の回路基板、充電器１３０の回路基板の少なくとも一方に、接続されている。なお、図１３、図１４においては、コイルモジュール１と電力機器との間の接続配線等は、省略してある。また、コイルモジュール１のコイル本体２は、充電器１３０の回路基板と、Ｚ方向に重ならない位置に配置されている。
その他は、実施形態１と同様である。

本形態においては、複数の電力機器１２０、１３０、１４０を一体化した電力変換装置１００において、コイルモジュール１の搭載スペースの自由度を向上させることができる。その結果、電力変換装置１００の小型化を図りやすくなる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

１ コイルモジュール
１０、１００ 電力変換装置
１２ 回路基板
２ コイル本体
２１ 巻線部
２２ コイル端子
３ コイルケース
４ バスバー
５ ポッティング材

Claims (6)

1. 巻線部（２１）を備えたコイル本体（２）と、
   上記コイル本体を収容するコイルケース（３）と、
   上記コイルケースに固定されたバスバー（４）と、
   上記コイルケース内に上記コイル本体を固定するポッティング材（５）と、を有し、
   上記巻線部から延出したコイル端子（２２）は、上記バスバーに電気的に接続されている、コイルモジュール（１）。
2. 上記巻線部は、上記ポッティング材から露出した露出部（２１３）を有する、請求項１に記載のコイルモジュール。
3. 上記ポッティング材のポッティング面（５１）の法線方向において、上記露出部は、上記巻線部の半分以上の寸法を有する、請求項２に記載のコイルモジュール。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のコイルモジュールと、
   スイッチング素子が接続された回路基板（１２）と、を備え、
   上記コイルモジュールは、上記バスバーにおいて、上記回路基板に電気的に接続されている、電力変換装置（１０、１００）。
5. 上記コイル本体は、上記回路基板の法線方向から見たとき、上記回路基板と重ならない位置に配置されている、請求項４に記載の電力変換装置。
6. 上記コイルケースは、上記電力変換装置の装置ケース（１３）に固定される被固定部（３５）を有する、請求項４又は５に記載の電力変換装置。

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