JP5692203B2 - リアクトルとその製造方法、及び、リアクトルを備えた電力変換装置とその製造方法 - Google Patents

リアクトルとその製造方法、及び、リアクトルを備えた電力変換装置とその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、温度センサを有するリアクトルとその製造方法、及び、そのようなリアクトルを備えた電力変換装置とその製造方法に関する。特に、電気自動車の電力変換装置に内蔵されるリアクトルとその製造方法に関する。

リアクトルは、電子回路の力率改善、高調波電流の抑制(直流電流の平滑化)等のために用いられる受動素子である。リアクトルはまた、直流電圧を昇圧/降圧する電圧コンバータの部品として用いられることもある。なお、リアクトルは、「インダクタ」と呼ばれることもある。

リアクトルは、電気自動車にも用いられている。電気自動車は、駆動源としてモータを備えており、そのモータ用の電気回路(インバータ回路や電圧コンバータ回路)にリアクトルが用いられる。なお、特定のタイプの電気自動車では、モータの駆動電圧がバッテリの出力電圧よりも高く、それゆえ、バッテリの出力電圧を昇圧する電圧コンバータをインバータ回路の前段に備える。本明細書では、インバータ回路と電圧コンバータ回路を備えたモータ駆動装置を電力変換装置、あるいは、パワーコントロールユニット(略してPCU)と称する。

リアクトルは、発熱し易い素子である。特に、電気自動車のように大電流を扱う回路では、発熱量も大きい。そこで、リアクトルの温度を監視するために温度センサが取り付けられることがある(特許文献1−5)。

特許文献1に開示された技術は次の通りである。リアクトルは、平行部位を有するリング状のコアを備えており、その平行部分のそれぞれにボビンが取り付けられ、そのボビンにコイルが巻かれている。2個のボビンは端部のフランジで連結されており、フランジから2個のボビンの間を仕切る仕切り壁が延設されている。その仕切り壁にスリットが設けられ、そのスリット内に温度センサが設置されている。

特許文献2に開示されたリアクトルも、平行部位を有するコアを備えており、その平行部位にコイルが巻回されている。2個のコイルは樹脂で覆われており、2個のコイルの間で樹脂に孔が設けられており、そこに温度センサが埋設されている。また、特許文献3の技術では、コアに孔を設け、その中に温度センサを設置している。特許文献4、5に開示されたリアクトルも、コイルの一部が樹脂に覆われており、その樹脂に温度センサを埋設する孔が設けられている。

特開2010−203998号公報 特開2010−219251号公報 特開2009−267360号公報 特開2010−219251号公報 特開平9−229775号公報

本明細書は、リアクトルへの温度センサの取り付け構造の改良を提供する。

本明細書が開示する技術の一つは、温度センサを有するリアクトルを低コストで作る方法を提供する。コイルの少なくとも一部を覆う樹脂がコイルと一体に成形されたリアクトルを製造する一つの方法は、コイルを金型に入れて樹脂を射出成形することによって作られる。その際、金型内でコイルを固定するために、コイルを両側から押さえ付ける。その状態で樹脂を射出成形して金型から取り出すと、押さえ付けた部分が樹脂から露出することになる。即ち、リアクトルの製造方法の典型的な製造方法は、コイルの外周面において、互いにコイルを挟む位置に位置する第1面と第2面とを樹脂射出成形用の金型のキャビティ空間において金型表面に当接させつつキャビティ空間に樹脂を射出し、第1面と第2面が露出しているとともに少なくとも第1面の周囲と第2面の周囲においてコイル表面が樹脂で覆われているコイル樹脂一体成形品を製造する工程を備えるそこで、本明細書が開示する技術は、その露出した面に温度センサを取り付ける。即ち、本明細書が開示する一つのリアクトル製造方法は、第1面に温度センサを取り付ける工程を有する。なお、第1面と第2面は、別言すれば、リアクトルの一面と、その一面とはコイルを挟んで反対側の面に相当する。リアクトルの一つの面を便宜上「第1面」と称するのであって、一の面とその背面のいずれを「第1面」と称してもよく、以後、温度センサを取り付ける側の面を第1面とする。

上記の製造方法は、コイル樹脂一体成形品を製造する際に必然的に生じる露出面(第1面と第2面)を利用し、コイル樹脂一体成型品を製造した後にそこに温度センサを配置する。温度センサを配置するための孔を設ける専用の工程を要しないので、低コストで製造することができる。

大電流を流すリアクトルでは、コイルには、リード線よりも内部抵抗が小さい平角線と呼ばれる平たく細長い金属板が用いられる。平角線はリード線とは異なり剛であるため、ボビン等に巻回せずともそれ自体でコイルの形状を保持できる。従って、そのような剛なコイルを採用する場合、ボビンを必要としないため、コイルを金型内に配置し、上記した方法(すなわち金型内にてコイルの両側を押さえながら樹脂を流し込む方法)でコイルの一部が樹脂で覆われているリアクトルを製造する。上記の製造方法は、平角線を用いたリアクトルの製造方法に特に適している。

本明細書が開示する技術の別の一側面は、上記の製造方法に適したリアクトルを提供する。そのリアクトルは、コイルの少なくとも一部を覆う樹脂がコイルと一体に成形されているリアクトルである。そして、そのリアクトルは、コイル表面の一部である第1面と、第1面の背面に位置するコイルの第2面とが露出しているとともに、少なくとも第1面の周囲と第2面の周囲においてコイル表面が樹脂で覆われているコイルと、第1面に対向するように取り付けられている温度センサを備える。以下、上記した製造方法、あるいは、上記したリアクトルのさらなる改良を説明する。

なお、コイルの第1面と第2面は、コイルの巻回軸線方向の端面ではなく、巻回軸線に平行な面、即ちコイル側面のうちの対向する2つの面である。コイル端面ではなく、コイル側面の方が広い面積を確保し易く、面積が広い方が温度センサを取り付け易い。また、第1面と第2面に関し、リアクトルのコイルの横断面(コイルの巻回軸線に直交する断面)の形状は円や多角形など、様々な形状が考えられるが、温度センサは、広く平坦な面の方が取り付け易い。それゆえ、コイルを略四角柱状(断面が四角の筒状)に形成し、その一面に温度センサを取り付けるのがよい。別言すれば、略四角柱状のコイルの互いに平行な2つの側面を上記の第1面と第2面とすることが好ましい。

本明細書が開示するリアクトル製造方法のさらなる改良は、互いに平行な2つの側面のうち、温度センサを取り付けない第2面の有効利用法も提供する。リアクトルに大電流を流すと発熱量が大きいので、露出している第2面に放熱部材を取り付けることが好ましい。なお、この場合、温度センサは放熱部材が取り付けられた面(第2面)とは反対側に位置することになるので、温度分布を有するリアクトルの中で最も温度が高い部位に温度センサが位置することになる。リアクトルの温度を制御する場合であってリアクトルに温度分布が存在する場合には、高温部分の温度を計測する方がよい。第2面に放熱部材を配置し第1面に温度センサを配置する態様は、高温部分の温度を計測することができるという利点を有する。

また、第1面と第2面の面積が異なる場合は、面積が大きい方に放熱部材を取り付けるのがよい。面積の大きい面に放熱部材を取り付けることで冷却効率を高めることができる。

本明細書は、温度センサの取り付け方についても好適な態様を提供する。一つには、温度センサは、弾性部材によって第1面に押し付けられるのが好ましい。そのような態様のリアクトルを量産した場合、リアクトルの各部位の製造公差に依存せずどのリアクトルも温度センサがコイルに接するので、温度計測値の個体差(ばらつき)を小さくすることができる。

リアクトルの一態様は、一部が平行なリング型のコアを有しており、巻回軸線を平行にして横方向に並べた2個のコイルが巻回されている。そのようなコイルを採用する場合、弾性部材を支持する支持部材が、2個のコイルの間で樹脂に固定されていることが好ましい。2つのコイルの間は樹脂に厚みが確保されるため、その厚みを利用して支持部材を強固に固定することができる。別言すれば、温度センサを支持する部位を別途用意する必要がない。

温度センサの取り付け方の別の好適な態様では、第1面を覆う蓋を用意し、温度センサをその蓋に埋設する。露出している第1面を蓋で覆うことによって、第1面から外部漏れる熱量を抑制し、リアクトルの周囲に及ぼす熱の影響を抑制することができる。そのような態様は、リアクトルを電力変換装置に適用したときに効果を発揮する。本明細書は、上記したリアクトルを用いた新規な電力変換装置(及びその製造方法)も提供する。その電力変換装置では、ケースに、電流平滑用コンデンサ(平滑コンデンサあるいはフィルタコンデンサ)と基板とともにリアクトルが配置されている。また、そのリアクトルは、上記した第1面(温度センサが取り付けられた面)と第2面以外にも表面が露出している第3面を有している。そして、上記した蓋が取り付けられた第1面は、電流平滑用コンデンサと基板のいずれか1つに対して、第3面よりも近くに位置している。電流平滑用コンデンサや基板も熱に弱い。熱に弱い部品の近くの露出部(第1面)を蓋で覆うことで、それらの部品へ与える熱害を抑制することができる。

上記した電力変換装置においても、前述したようにリアクトルの第2面に放熱部材が取り付けられているとよい。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

リアクトルを備えるパワーコントロールユニットの斜視図である(樹脂カバー外した状態)。 パワーコントロールユニットの分解斜視図である。 リアクトルのコアとコイルの斜視図である。 温度センサ取り付け前のリアクトルの斜視図である。 温度センサ取り付けた後のリアクトルの斜視図である。 図1のVI−VI矢視におけるパワーコントロールユニットの断面図である。 リアクトル製造工程を説明する図である(金型へのコイル設置工程)。 リアクトル製造工程を説明する図である(コイル押圧工程)。 リアクトル製造工程を説明する図である(樹脂射出工程)。 リアクトル製造工程を説明する図である(金型外し工程)。 変形例のリアクトルを含むパワーコントロールユニットの斜視図である(温度センサ取り付け前)。 変形例のリアクトルを含むパワーコントロールユニットの斜視図である(温度センサ取り付け後)。

最初に、リアクトルを搭載したパワーコントロールユニット(Power Control Unit:PCU)を説明する。図1にパワーコントロールユニット2の斜視図(カバーを外した状態)を示し、図2にパワーコントロールユニット2の分解斜視図を示す。パワーコントロールユニット2は、電気自動車に搭載され、バッテリの直流電力を昇圧した後に交流に変換してモータに出力するデバイスである。以下、パワーコントロールユニット2を簡単にPCU2と称する。

PCU2は、回路としては、電圧コンバータ回路とインバータ回路を備える。PCU2は、ハードウエア的には、スイッチング素子を樹脂で封止した平板型の複数の半導体カード6aと平板型の複数の冷却プレート6bを交互に積層した積層ユニット6と、リアクトル10と、コンデンサ3、4、及び、電子部品を搭載した制御基板(不図示)を有しており、それらはケース40に格納されている。なお、図1、図2では、ケース内における部品のレイアウトが理解し易いように、ケース40の側壁を実際よりも低く描いてある。

半導体カード6aに収められたスイッチング素子は、インバータ回路や電圧コンバータ回路に用いられるトランジスタであり、典型的にはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。複数の半導体カード6aと複数の冷却プレート6bを交互に積層した積層ユニット6は、強度確保のために厚みを増したケース側壁と支柱41の間に板バネ5とともに挟持支持されている。

コンデンサ3は、電圧コンバータ回路に入力される電流の脈動を抑制し、平滑化する。コンデンサ4は、電圧コンバータ回路の出力電流の脈動を抑制し、平滑化する。両者とも、電気自動車の駆動用モータに供給する電流を平滑化するためのコンデンサである。前者は電圧コンバータ回路への入力電流を平滑化することからフィルタコンデンサと呼ばれることもある。従って、別言すれば、PCU2は、バッテリの電圧を昇圧する電圧コンバータ回路と電圧コンバータ回路の出力を交流電力に変換するインバータ回路を備えるとともに、電圧コンバータ回路に入力される電流の脈動を抑制するフィルタコンデンサ3と、電圧コンバータ回路の出力電流の脈動を抑制する平滑化コンデンサ4を備える。フィルタコンデンサ3と平滑化コンデンサ4を、「電流平滑用コンデンサ」と総称する場合がある。

リアクトル10は、電圧コンバータ回路の主要部品であり、モータを駆動するための電流が流れる。リアクトル10は、スイッチング素子のON/OFFにより電気エネルギの蓄積/放出を繰り返し、電圧を高めたり低くしたりする。リアクトル10の電気エネルギの蓄積/放出はコイルの磁気抵抗に起因するものであり、その磁気抵抗ゆえにリアクトルは発熱が大きい。リアクトル10の大部分は樹脂製のカバー13で覆われているが、下側ではコイル12が露出している。ケース40には窪み40bが設けられており、リアクトル10をケース40に固定する際、露出部分は窪み40bに収まる。窪み40bの底には冷却器43が配置されており、リアクトル10のコイル12の下面(図において下側に位置する面)が、放熱シート42を介して冷却器43と隣接する。冷却器43が、放熱シート42を介してコイル12を冷却する。なお、カバー13は、コイル12とコア(後述)の周囲に射出成形された樹脂であり、コイル12をケース40に固定するための保持器の役割を果たしている。コイル12の一側面は放熱シート42を介して冷却器43と隣接しているが、放熱シート42は省略してもよく、それゆえ、技術的には、コイル12の一側面(図におけるコイル下面)は冷却器43と接している、と表現しても差し支えない。符号30はリアクトル10に取り付けられた温度センサモジュール30を示している。

リアクトル10の構造をさらに詳しく説明する。図3は、カバー13を外したコア11とコイル12の斜視図である。実際にはコア11とコイル12の間は樹脂で充填されるが、図3はリアクトルの構造を説明する図であり、樹脂の図示は省いている。コア11は、平行な部位(符号11a、11bが示す部位)を有する環状に作られており、その平行な部位の夫々に平角線がエッジワイズに巻回されてコイル12(12a、12b)が形成されている。別言すれば、リアクトル10は、巻回軸線を平行にして横方向に並べた2個のコイル12a、12bを有している。なお、2個のコイル12a、12bは1本の平角線で構成されており電気的には一つのコイルであるが、構造的には2個のコイルが平角線で繋がっている。以後、2個のコイル12a、12bを区別なく一つのコイルとして扱う場合には「コイル12」と表現する。

コア11とコイル12に樹脂製のカバー13を取り付けた図を図4に示す。なお、図4では、コイル12から延びるリード部の図示は省略している。前述したようにカバー13は射出成型で形成される。カバー13は、コイル12の下側の一部と、上面の一部を除いてコイル12を覆っているとともに、コア11を覆っている。なお、コイル12の端部から突出しているコア11の下面も露出している。また、カバー13の四隅からはフランジ13eが延設されており、そのフランジ13eにリアクトル10を固定するボルトの挿通孔が設けられている。樹脂製のカバー13を設ける理由の一つはコイル12とコア11を周囲の部品から絶縁することであり、他の一つは、フランジ13eを設けてケース40に固定するための支持構造を確保するためである。さらに、カバー13を樹脂で一体成形する理由は、コア11とコイル12を固定するためである。

カバー13の上面にはコイル12が露出している窓13a、13bが存在するが、この窓は、カバー13の射出成形プロセスの際、コイル12の一側面であって冷却器43と当接する面の平面度を高める工夫の副産物として形成されるものである。リアクトルの製造プロセスについては後に詳しく説明する。

上記したように、リアクトル10は、3箇所でコイル12の表面が露出している。窓13a、13bから露出する面を第1面21aと称し、放熱シート42を介して冷却器43と隣接する面を第2面21bと称する(図4参照)。第2面21bは、第1面21aとはコイル12を挟んで反対側の面に相当する。別言すれば、第2面21bは、第1面21aの背面に位置する面に相当する。第1面21aと第2面21bは、略四角柱状のコイル12の平行な一対の側面であり、その周囲ではコイル表面が樹脂製のカバー13で覆われている。第2面21bの面積は、第1面21aの面積よりも広い。なお、後述するように、2つの第1面21aのいずれか一方に温度センサ31が取り付けられるが、2つの第1面21aのうち、温度センサ31が取り付けられなかった面を第3面と称する場合がある。

図4は、温度センサモジュール30を取り付ける前のリアクトル10を示している。図5は温度センサモジュール30を取り付けた後のリアクトル10を示している。温度センサモジュール30は、リアクトルの温度を計測するために取り付けられる。温度センサ31のセンサデータはコントローラ(不図示)に送られ、様々な制御(例えば冷却器43の冷却性能の調整や過熱検知など)に用いられる。温度センサの本体(温度センサ31)は、支持部材33と板バネ32によって支持される。特に、温度センサ31は、カバー13に設けられた窓13bを通して、板バネ32によって、コイル12の第1面21aに押し付けられる。図5によく示されているように、温度センサ31は、カバー13に設けられた窓13bの枠(窓を画定している周囲の樹脂の壁)の内側でコイル12の第1面21aに押し付けられており、窓13bの枠が、温度センサ31(及び板バネ32)が他の部品と接触してコイル12と離反してしまうことがないように、温度センサ31を保護している。なお、符号35が示す窪みは、センサデータを伝達するケーブルのプラグが係合するコネクタである。温度センサ31からコネクタ35までは信号を伝達するリード線が延びているが、図ではそのリード線の図示は省略している。

支持部材33は、その下面に位置決めピン33aを備えているとともに、ボルト孔33bを備えている。位置決めピン33aをカバー13に設けられた孔13cに挿通し、支持部材33(温度センサモジュール30)の位置を確定し、支持部材33のボルト孔33bとカバー13のボルト孔13dにボルト36を通し、温度センサモジュール30が固定される。

図6に図1のVI−VI矢視における断面図を示す。先に述べたように、ケース40には窪み40bが設けられており、リアクトル10の露出しているコイル12の下部が窪み40bに収まる。窪み40bには冷却器43が設置されており、コイル12の下面が放熱シート42を介して冷却器43と接触する。リアクトル10(特にコイル12)は、放熱シート42を介して冷却器43によって冷却される。なお前述したように、放熱シート42は省略してもよく、それゆえ、コイル12は冷却器43に接触して冷却される、と表現してもよい。以後、放熱シート42を介して冷却器43と接触するコイル12の下面である第2面21bを冷却器当接面と称する場合がある。

また、図6によく示されているように、温度センサ31は、コイル12を挟んで冷却器43とは反対側のコイル側面(窓13bを通して露出している第1面21a)に押し付けられている。別言すれば、温度センサ31は、冷却器当接面(第2面21b)とは反対側のコイル側面に押し付けられる。コイル12は冷却器43によって冷却されるが、温度センサ31が接している部分(第1面21a)は冷却器43から最も遠い部位であるからコイル12の部位の中で比較的温度の高い部位である。過熱を警戒するには、コイル12に温度分布が存在する中で比較的高い温度を検知できることが望ましい。実施例のリアクトル10は、温度センサ31が上記のごとく冷却器43から最も離れた位置でコイル12に接しているので、コイル12の温度分布の中で最も高い温度を計測することができる。

また、温度センサモジュール30の支持部材33は、2個のコイルの間に位置する。2個のコイルの間はカバー13の樹脂で充填されており、肉厚部13fを形成している。支持部材33の位置決めピン33aとボルト36(図4参照)は、2個のコイル12の間でコイルと平行に並んでおり、肉厚部13fに埋設される。細長の位置決めピン33aとボルト36を肉厚部13fに位置させることができるので、温度センサモジュール30をしっかりとカバー13に固定することができる。別言すれば、樹脂と嵌合する位置決めピン33aが支持部材33から延びており、支持部材33をカバー13に固定するボルト36と位置決めピン33aがコイル12と平行に並んでいる。そのような構成によって、位置決めピン33aとボルト36の双方をカバー13の肉厚部13fに配置でき、温度センサモジュール30をカバー13にしっかりと固定することができる。

図6によく示されているように、コア11とコイル12の間の隙間にもカバー13の射出成形時に樹脂13gが充填される。なお、コア11にボビンを取り付け、そのボビンにコイル12を巻回してもよいが、本実施例ではボビンは省略する。

以上説明したように、リアクトル10では、コイル12の温度を計測する温度センサ31が板バネ32によってコイル12の側面に押し付けられているので、コイルの温度を正確に計測することができる。また、温度センサ31を板バネ32で押し付けることによって、リアクトルを量産した場合であっても多数のリアクトルの寸法公差や温度センサモジュール30の組立公差などに関わらず、温度センサ31は確実にコイル12の側面(第1面21a)に接する。従って上記した温度センサ取り付け構造を採用すれば、量産した多数のリアクトルにおける個体差間の温度計測のばらつきを小さくすることができる。

また、温度センサ31は、コイル12を冷却する冷却器43とは反対側においてコイル側面(窓13bを通して露出しているコイル第1面21a)で接触する。それゆえ、温度センサ31は、コイルの温度分布中の最も高い温度を計測する。また、温度センサ31は、樹脂製のカバー13に設けられた窓13bを通じてコイル12に押し付けられている。カバー13の窓13bの枠(窓を確定する樹脂の壁)が、温度センサ31が他のデバイスと接触することを防いでいる。上記した温度センサ取り付け構造は、リアクトル10において適切な場所(温度分布中の最も高い温度を計測できる場所であって他のデバイスとの接触を回避できる場所)に温度センサ31を取り付けることができる。

次に、図7〜図10を参照してリアクトル10の製造方法を説明する。

(金型へのコイル設置工程)まず、コイル12とコア11を準備し、それらを金型(上型55と下型50)のキャビティ51にセットする。なお、コイル12に対してコア11の位置を固定するため、コアに樹脂製のボビンを被せ、そのボビンにコイル12を嵌め込む場合があるが、本実施例ではボビンは説明を省略する。

下型50には窪み50aが設けられており、2つのコイル夫々の下面(第2面21b)から深さWまでの部位がその窪み50aに嵌合する。窪み50aに嵌った部位の周囲には樹脂が流れ込まず、完成時に露出する部位となる。窪み50aの底面と接触するコイル下面が、上記した冷却器当接面に相当する。

上型55には、キャビティ51に樹脂を誘導するゲート56が設けられている。また、上型のキャビティ面の中央、2個のコイルの間には、温度センサモジュール30の支持部材33に設けられた位置決めピン33aを挿通する孔13cを形成するための突起55bが設けられている。

さらに、上型55のコイル側面に対向するキャビティ面には、貫通孔55aが設けられている。この貫通孔55aは、後述するようにコイル12の第1面21aを上から押圧する押圧棒57を通すために設けられている。なお、符号56が示す部品は、押圧棒57を上下させるアクチュエータである。アクチュエータ58は、上型55の上方に上型と一体に構成されている。アクチュエータの詳細な構造は図示と説明を省略する。

(コイル押圧工程)アクチュエータ58が押圧棒57を下げ、コイル12の第1面21aを上から押圧してコイル12を固定する(図8参照)。コイル12を上から押圧することによって、コイル12の下面(第2面21b)が下型50の窪み50aの底面に強く押し当てられる。別言すれば、コイル12は、キャビティ51の空間にて、その側面の両側が金型表面に当接して固定される。コイル12は略四角柱状であり、その平行な一対の側面に相当する第1面21aと第2面21bは、一方の面に対して他方の面が背面に相当する。

先に述べたようにコイル12は平角線をエッジワイズに巻回したものであり、剛性が高い。それゆえ、コイル外側面が巻き線の一巻き一巻きごとに正確にそろわず、コイル側面の平坦度が低い。即ち、平角線をエッジワイズに巻回したコイルではコイル側面の凹凸が大きい。図6にて説明したように、リアクトル10をPCU2のケース40に搭載したとき、コイル12の下面(第2面21b)は放熱シート42(あるいは冷却器43)と接するが、第2面21bの平坦度が低いと、放熱シート42(あるいは冷却器43)との接触面積が小さくなり放熱効果が損なわれる。そこで、キャビティ内において樹脂を射出する前に、コイル12を上から(第2面21bとは反対側から)押圧し、コイル側面に相当する巻き線の表面を揃え、第2面21bの平坦度を高める。第2面21bの平坦度が高まることによって、コイル12から放熱シート42(あるいは冷却器43)への伝熱効率が高まる、即ち、コイル12の冷却性能が高まる。このように、コイル12の両面をキャビティ51の内部において金型表面で挟持し固定することは、コイル12に樹脂製のカバー13を一体に射出成形するのに必須の工程である。その工程は、さらに、コイル12の側面の平坦度を上げるのに有用な工程である。

(樹脂射出工程)押圧棒57でコイル12の上面を押圧しながら樹脂を射出する(図9参照)。樹脂63は、不図示のプランジャから押し出され、ゲート56を通ってキャビティ51に充填される。コア11とコイル12の間の空間にも樹脂63(図6の符号13gに相当)が充填される。樹脂63が固化するまで押圧棒57でコイル12を押圧し続ける。樹脂63が固化すると、コイル12の大部分が樹脂で固められるので、下型50の窪み50aの底面に押し当てられて平坦度が増した第2面21bが、平坦度が増した状態で固定される。従って、完成した後も第2面21bの高められた平坦度が維持される。

(金型外し工程)樹脂63が固化した後、金型を開いてリアクトル10(温度センサモジュールは未装着)を取り出す(図10参照)。充填された樹脂63(図9参照)は、カバー13となる。最後に温度センサモジュール30を第1面21aに取り付けてリアクトル10が完成する。図10に示すように、金型内では、コイルの第1面21aと第2面21bが金型表面に当接していたので、それらは露出部となり、その露出部の周囲にてコイル表面が樹脂で覆われる。別言すれば、押圧棒57(図7〜図9参照)がコイルの上面を押圧していた第1面21aは、周囲を樹脂に囲まれた窓13a、13bとなる。第1面21a、第2面21bが露出するのは、前述したように、射出成形において金型のキャビティ内でコイルを固定するがゆえに結果的に生じることである。

上記説明したように、カバー13に設けられた窓13a、13bは、製造時にコイルの第2面21b(冷却器当接面)の平坦度を高めるために副次的に形成される形状である。具体的には、窓13a、13bは、コイル12を金型に入れて樹脂を射出成形するときに、キャビティ内でコイル12を金型に押し付ける押圧棒57の周りに樹脂63が充填され樹脂が固化した後に押圧棒57を引き抜いた跡である。また、上記した製造過程から明らかな通り、窓13a、13bは、必然的に、冷却器43に接する第2面21b(冷却器当接面)とは反対側に形成される。リアクトル10では、コイルの側面(第1面21a)が露出する窓13bを通して、板バネ32で温度センサ31をコイル側面に押し当てる。前述したように窓13a、13b(第1面21aが露出すること)は、樹脂カバー13を射出成形する過程で生じるものである。そこに温度センサを取り付けることで、温度センサを取り付けるための孔を設ける工程が必要ない。即ち、樹脂カバーを形成する際に副次的に生じる露出面(第1面21a)を温度センサの取り付け用に活用することによって、温度センサを備えるリアクトルの製造コストを抑えることができる。

また、窓13bを利用することによって、温度センサ31は冷却器43から最も遠い位置でコイルに接することとなり、コイルの温度分布中の最も高い温度を計測することになる。即ち、窓13aあるいは13b(第1面21aあるいは21b))は、コイルの過熱か監視する場所として適切な場所であり、温度センサ31はその場所でコイル12に接することとなる。

図11、図12を利用して変形例の温度センサ取り付け構造を説明する。図1〜図6で説明したリアクトルでは、温度センサ31は板バネ32によりコイル12の側面に押し付けられた。図11、図12の例では、コイルのカバー13に設けられた窓13aが蓋130によって塞がれており、その蓋130に温度センサ131が埋設されている。別言すれば、コイル12の第1面21aの一つが蓋130によって覆われ、このとき、温度センサ131は第1面21aに対向する。蓋130は、例えばPPS(耐熱樹脂)で作られており、接着剤で窓13aに固定される。なお、蓋130からは温度センサ131のセンサ信号を伝えるケーブル132が延びている。図11は、温度センサ付きの蓋130を取り付ける前のPCU2aの斜視図を示しており、図12は、温度センサ付きの蓋130を取り付けた後のPCU2aの斜視図を示している。ケーブル132の先は図示を省略しているが、制御基板に接続している。なお、2つの第1面21aのうち、蓋130が取り付けられていない方の第1面を以下では第3面21cと称する場合がある。また、図12に示す仮想線は、電圧コンバータ回路やインバータ回路を制御する回路を搭載した基板22を示している。図12では基板より下の部品レイアウトを理解し易いように、基板22を仮想線で描いてある。

本変形例のリアクトル10aは、温度センサモジュール30の代わりに温度センサ付き蓋130を備える点を除いて図1のリアクトル10と同じ構造である。リアクトル10aのカバー13は複数の窓(13a、13b)を有するが、温度センサ付きの蓋130は窓13aに取り付けられる。窓13aは窓13bと比べて、周囲に存在する電子部品(コンデンサ)の数が多い。図11、図12に示すように、一方の窓13b(第3面21c)の周囲には、コンデンサ4が配置されているだけであるが、他方の窓13a(第1面21a)の周囲にはコンデンサ3と4が配置されている。コイル12が発する熱は窓13a、13bを通して周囲に拡散するが、隣接する電子部品(コンデンサ)の数が多い方の窓(図11、図12の場合は窓13a)を蓋130で塞ぐことによって、電子部品の近傍での熱拡散を防ぎ、リアクトルが発する熱の他の電子部品への影響を抑える。

別言すれば、PCU2aのケース40には、平滑コンデンサ、フィルタコンデンサ(コンデンサ3、4)、電圧コンバータ回路やインバータ回路のスイッチング素子を集積した積層ユニット6、電圧コンバータ回路やインバータ回路を制御するための基板22、及び、リアクトル10aが配置される。そして、温度センサ131を埋設した蓋130を取り付ける第1面21aは、平滑コンデンサとフィルタコンデンサ(コンデンサ3、4)と基板22のいずれか1つに対して、第3面21cよりも近くに位置している。

また、図12のPCU2aにおいても、図1のPCU2と同様に、リアクトルの温度センサ131はコイルを挟んで冷却器43(図11、図12では不図示であるが、図2を参照されたい)とは反対側に配置される。即ち、略四角柱のコイル12の平行な2つの側面(第1面21aと第2面21b)の一方の面(第1面21a)に温度センサ131が配置され、他方の面(第2面21b)には冷却器43が接することになる。それゆえ、冷却器43によってコイル12に温度分布が生じるが、温度センサ131は温度分布中の最も高い温度を計測する。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図1〜6に示したリアクトル10においても、図11、図12で示したリアクトル10aにおいても、温度センサ31(温度センサ131)はコイル12を覆う樹脂製のカバー13に設けられた窓(窓13aあるいは13b)に配置される。図11、図12の例では、温度センサ131は、窓13aを覆う蓋130に埋設される。

図1〜図6に示したリアクトル10の場合、支持部材33から樹脂製のカバー13と係合する位置決めピン33aが延びており、支持部材33をカバー13に固定するボルト36と位置決めピン33aがコイル12と平行に並んでいる。そのような構造により、位置決めピン33aとボルト36の双方を2個のコイルの間の肉厚部13fに配置でき、支持部材33をカバー13にしっかり固定することができる。

実施例で説明したリアクトル10、10aは次の特徴も有する。コイル12が樹脂(カバー13)で覆われており、樹脂の一部にコイルが露出している窓13a、13bが設けられており、その窓にコイルの温度を計測する温度センサ31、131が配置されている。即ち、温度センサ31、131は、窓13a(13b)から露出している第1面21aに対向するように配置される。温度センサ131は、窓を塞ぐ蓋130に取り付けられている。

実施例で説明したPCU(パワーコントロールユニット)は、次の特徴も有する。PCUは、電気自動車に搭載され、走行用モータに駆動電力を供給するためのデバイスである。そのPCUは、モータを駆動する電流が流れる上述のリアクトル10(10a)とモータを駆動する電流を平滑化するコンデンサ3、4がPCUのケース40に収容されている。リアクトル10aには複数の窓13a、13bが設けられており、蓋130は、周囲に存在する電子部品の数が多い方の窓(コンデンサ3、4に近い方の窓13a)に取り付けられている。また、PCUは、上述のリアクトル10(10a)と、リアクトルを冷却する冷却器43を備えており、コイルの一側面(第2面21b)が冷却器43に接しており、窓13aあるいは13b(第1面21a)は、コイル12を挟んで冷却器43と反対側のコイル側面に位置する。

温度センサ31をコイル12に押し付ける板バネ32が「弾性部材」の一例に相当する。パワーコントロールユニットが、リアクトルを備える「電力変換装置」の一例に相当する。また、放熱シート42あるいは冷却器43が放熱部材の一例に相当する。第2面21bへの冷却器43の取り付けは、コイルに樹脂を一体成形した後に行われる。

コイル1と樹脂製のカバー13が一体成形された構造体を製造する、金型へのコイル設置工程、コイル押圧工程、及び、樹脂射出工程を合わせた工程が、「コイル樹脂一体成形品を製造する工程」の一例に相当する。

実施例では、コイルの第1面と第2面は、略四角柱状のコイルの互いに平行な2側面に相当する。この2つの面は、別言すると、コイルの外周面において、互いにコイルを挟む位置に位置する面(第1面と第2面)に相当する。温度センサを設置する第1面と、これの背面に相当する第2面は、コイルの両端面であってもよい。特に平角線をエッジワイズに巻回したコイルでは、平角線の幅広の面がコイル端面に表れるので、その面に温度センサを取り付ければよい。

大電流を流すリアクトルの場合、コイルには平角線と呼ばれる平たく細長い金属板が用いられる。平角線は、リード線よりも内部抵抗が小さく、大電流を流してもリード線と比較すると発熱量が小さい。なお、リード線と比較すると発熱量が小さいとはいえ、走行用のモータを駆動するだけの大電流を流せば相応に発熱するので熱制御が必要となる。平角線はリード線とは異なり剛であるため、ボビン等に巻回せずともそれ自体でコイルの形状を保持できる(なお、平角線によるコイルは、ボビンの採用を否定するものではないことに留意されたい)。そのようなコイルをコア(及びボビン)と組み合わせる場合、多数のリアクトルを製造したときにリアクトル各所の寸法公差にばらつきがでる。そのようなリアクトルに温度センサを取り付ける場合、温度センサとコイルの間の距離がばらつくことになり、量産された多数のリアクトルにおいてコイル温度の計測精度にばらつきが生じる。本明細書が開示する技術の一つの実施態様の温度センサ取り付け構造は、弾性部材によって温度センサをコイルに押し付けることを特徴とする。そのようなリアクトルは、量産したいずれのリアクトルも温度センサがコイルに接するようになるので計測精度の均一化が図れる。すなわち、温度センサをコイルに押し付けることによって、量産時のコイル温度の計測精度のばらつきを抑えることができる。

また、前述したように、コイルにコアを組み付けた際に隙間があり、互いの位置がずれるおそれがある。そのため、コイルを樹脂で覆い、コアとの隙間を埋めて互いの位置を固定する方法がある。樹脂カバーは、コイル全体であってもよいし、また、コイルの一部を覆うものであってもよい。コイルを樹脂で覆う場合、後述するように樹脂の一部にコイルが露出する窓が形成されることがある。弾性部材はその窓を通して温度センサをコイルに押し付けるように配置されているとよい。

さらに、コイルを樹脂で覆う場合、弾性部材を支持する支持部材を樹脂に固定するとよい。リアクトルが、平行部位を有するリング状のコアの平行部位の夫々にコイルが巻回されており2個のコイルに樹脂が一体的に射出成形されている構成を有する場合、弾性部材を支持する支持部材は2個のコイルの間の樹脂部分に固定されることが好ましい。2個のコイルの間では樹脂が肉厚となり、その肉厚部分に支持部材をしっかりと固定できるからである。

前述した窓は、典型的には、コイルを金型に入れて樹脂を射出成形する際に、キャビティ内でコイルを金型に押し付ける棒の周りに樹脂が充填され樹脂が固化した後に棒を引き抜いた跡である。コイルの一側面を金型に押し付けるのは、その一側面の全体を樹脂カバーから露出させるためであり、露出した一側面は、PCUに組み込まれたときに冷却器に接する面となる。そのような一面が前述した冷却器当接面に相当する。冷却器によって冷却されるコイルには、冷却器当接面付近の温度が最も低く、冷却器当接面から離れるに従って温度が高くなる温度分布が生じる。上記の窓は、コイルを挟んで冷却器当接面とは反対側のコイル側面に形成される。従って、窓から露出しているコイル側面は、冷却器から最も遠くに位置する部位であり、温度が比較的に高くなる部位である。そのような部位に温度センサを接触させることによって、コイルに生じる温度分布のなかでも比較的に高い温度を計測することができる。熱制御を行うには、コイルにおける比較的に高い温度を計測できる方がよい。冷却器から最も遠い窓の中は、リアクトルの熱制御を目的として温度センサを設置する位置として好適な位置である。このように、本明細書は、新規なPCUに関する技術も提供する。PCUは、上記したリアクトルであってモータを駆動する電流が流れるリアクトルと、リアクトルを冷却する冷却器を備える。そして、コイルの一側面(冷却器当接面)が冷却器に接しており、上記した窓は、コイルを挟んで冷却器と反対側のコイル側面に位置する。そして弾性部材がその窓を通じて温度センサをコイルに押し当てる。

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:パワーコントロールユニット(PCU)
3:コンデンサ(平滑化コンデンサ)
4:コンデンサ(フィルタコンデンサ)
5:板バネ
6:積層ユニット
6a:半導体カード
6b:冷却プレート
10、10a:リアクトル
11:コア
12、12a、12b:コイル
12c:冷却器当接面
13:カバー
13a、13b:窓
13d:ボルト孔
13e:フランジ
13f:肉厚部
13g:樹脂
30:温度センサモジュール
31:温度センサ
32:板バネ(弾性部材)
33:支持部材
33a:位置決めピン
33b:ボルト孔
36:ボルト
40:ケース
40a:側壁
42:放熱シート
43:冷却器
50:下型(金型)
51:キャビティ
55:上型(金型)
55a:貫通孔
56:ゲート
57:押圧棒
58:アクチュエータ
63:樹脂
130:温度センサ付き蓋
131:温度センサ

Claims (14)

  1. コイルの少なくとも一部を覆う樹脂がコイルと一体に成形されているリアクトルの製造方法であって、
    コイ外周面において、互いにコイルを挟む位置に位置する第1面と第2面とを樹脂射出成形用の金型のキャビティ空間において金型表面に当接させつつコイルを両側から押さえ付け、キャビティ空間に樹脂を射出し、第1面と第2面が露出しているとともに少なくとも第1面の周囲と第2面の周囲においてコイル表面が樹脂で覆われているコイル樹脂一体成形品を製造する工程と、
    コイル樹脂一体成型品を製造した後に、第1面に対向するように温度センサを取り付ける工程と、
    を備えていることを特徴とするリアクトルの製造方法。
  2. 第1面と第2面は、コイル側面に設けられることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
  3. コイルは、略四角柱状であることを特徴とする請求項2に記載の製造方法。
  4. コイル樹脂一体成形品を製造する工程の後に、コイルの第2面に放熱部材を取り付ける工程をさらに有していることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の製造方法。
  5. コイルの少なくとも一部を覆う樹脂がコイルと一体に成形されているリアクトルであり、
    コイル表面の一部である第1面と、第1面の背面に位置するコイルの第2面とが露出しているとともに、少なくとも第1面の周囲と第2面の周囲においてコイル表面が樹脂で覆われているコイルと、
    前記樹脂が成形された後に、第1面に対向するように取り付けられている温度センサと、
    を備えており、
    第1面と第2面は、コイルを金型に入れて樹脂を射出成形する際にキャビティ空間内にて金型の表面に当接させてコイルを両側から押さえ付けつつ樹脂を射出することによって、樹脂成形後に露出することを特徴とするリアクトル。
  6. 第1面と第2面は、コイル側面に設けられていることを特徴とする請求項に記載のリアクトル。
  7. コイルは、略四角柱状であることを特徴とする請求項に記載のリアクトル。
  8. 第2面には放熱部材が取り付けられていることを特徴とする請求項5からのいずれか1項に記載のリアクトル。
  9. 樹脂から露出している第2面の面積が樹脂から露出している第1面の面積よりも広いことを特徴とする請求項に記載のリアクトル
  10. 温度センサが弾性部材によって第1面に押し付けられていることを特徴とする請求項5からのいずれか1項に記載のリアクトル。
  11. 巻回軸線を平行にして横方向に並べた2個のコイルを有しており、弾性部材を支持する支持部材が、2個のコイルの間で樹脂に固定されていることを特徴とする請求項10に記載のリアクトル。
  12. 温度センサは、第1面を覆う蓋に埋設されていることを特徴とする請求項5からのいずれか1項に記載のリアクトル。
  13. 請求項12に記載されたリアクトルを含む電力変換装置であり、
    リアクトルは、前記第1面と第2面以外にも表面が露出している第3面を有しており、
    電力変換装置のケースに、電流平滑用コンデンサと基板とともにリアクトルが配置されており、前記蓋が取り付けられる第1面は、平滑コンデンサとフィルタコンデンサと基板のいずれか1つに対して、第3面よりも近くに位置していることを特徴とする電力変換装置。
  14. 請求項5からのいずれか1項に記載されたリアクトルを含む電力変換装置であり、リアクトルの前記第2面に放熱部材が取り付けられていることを特徴とする電力変換装置。
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