JP5877875B2

JP5877875B2 - Ａｃリアクトルを冷却する機能を備えたｌｃフィルタ

Info

Publication number: JP5877875B2
Application number: JP2014112919A
Authority: JP
Inventors: 雅朋白水
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2016-03-08
Anticipated expiration: 2034-05-30
Also published as: DE102015108104B4; JP2015228726A; US9462727B2; CN105281543A; US20150351278A1; CN105281543B; CN204741404U; DE102015108104A1

Description

本発明は、交流電源を直流電源に変換、または、直流電源を交流電源に変換する電力変換装置に用いるＬＣフィルタに関し、特にＡＣリアクトルを冷却する機能を備えたＬＣフィルタに関する。

モータ駆動装置を駆動する交流電源に対し、ＰＷＭによるスイッチング制御を行うことで負荷電流に含まれる高調波電流を抑制し、力率改善を行う装置として、ＰＷＭコンバータが知られている。

ＰＷＭコンバータは、ＰＷＭによるスイッチング制御を行うため、交流電源との間の経路に、数ｋＨｚ以上の高周波を含む矩形波の交流電圧を出力する。矩形波の交流電圧は電源周波数に含まれない高周波成分を含むため、この種のＰＷＭコンバータでは、高周波の矩形波の交流電圧を通過させるためのローパスフィルタ（ＬＣフィルタ）を交流電源との間に設けて高周波を除去する構成を採用することが一般的となっている。

図１にＬＣフィルタの基本的な構成例を示す。図１は、ＰＷＭコンバータ１００２と３相交流電源１０００の中間にＬＣフィルタ１００１を配置した構成を示している。

ＰＷＭコンバータ用のＬＣフィルタ１００１は、Ｔ型フィルタと呼ばれる、コンデンサＣ１〜Ｃ３の両端にインダクタンスＬａ１〜Ｌａ３及びＬｂ１〜Ｌｂ３を備えた構成となっている。２個のインダクタンスを実現するＡＣリアクトル１０１０、１０２０として、類似の構造（コアが同方向に配置されたもの）のものが２つ用いられることが一般的である。また、一般的にＡＣリアクトルは自然空冷方式である（例えば、特許文献１）。

これら２つのＡＣリアクトル１０１０、１０２０のインダクタンスＬについて、ＰＷＭコンバータ１００２側から流入する高周波電流のピークを抑制する必要からＰＷＭコンバータ１００２側のＬが大きく、交流電源１０００側のＬが小さくなる。従って、ＰＷＭコンバータ側のＡＣリアクトルＢ１０２０は、交流電源側のＡＣリアクトルＡ１０１０に比較して容積が大きくなることが一般的である。また、ＡＣリアクトルの外形はコイルを巻くために直方体の外形になることが一般的である。

また、インダクタンスで生じる損失の大部分は高周波電流が流れるＰＷＭコンバータ側のＬで生じる。従って、コンバータ側のＡＣリアクトルＢ１０２０のみに高周波電流が流れ温度上昇がより大きくなる。

従来は、ＡＣリアクトルが大きく重たいことから、ＬＣフィルタを構成する２つのＡＣリアクトルとコンデンサ等が１つの筐体に収められることはなかった。

これら２つのＡＣリアクトルを同じ筐体に収めようとした場合、電源側の小さいＡＣリアクトルの高さとコンバータ側の大きいＡＣリアクトルの高さの違いから無駄なスペースを生じ、筐体の体積が大きくなるという問題があった。

特開２００７−２２１８５８号公報

本発明は、ＡＣリアクトルの効率的な冷却を可能とし、ＬＣフィルタ部を収めた筐体の小型化と軽量化を実現できるＬＣフィルタを提供することを目的とする。

本発明の実施例に係るＬＣフィルタは、第１コア部、及び該第１コア部の一部に巻回された第１コイル部を有し、該第１コイル部の一方の端子が交流電源に接続された第１ＡＣリアクトルと、第２コア部、及び該第２コア部との間に第１の間隙を設けて第２コア部の一部に巻回された第２コイル部を有し、該第２コイル部の一方の端子が交流電圧を直流電圧に変換する電力変換部に接続された第２ＡＣリアクトルと、第１ＡＣリアクトルの他方の端子及び第２ＡＣリアクトルの他方の端子に一方の端子が接続されたコンデンサと、第１ＡＣリアクトル、第２ＡＣリアクトル、及びコンデンサを収める筐体と、筐体の１つの面に設けられ、冷却風を導入する冷却風導入部と、筐体の１つの面と対向する他方の面に設けられ、冷却風が所定の方向に流れるように冷却風を排出する冷却風排出部と、を備え、第２ＡＣリアクトルは、第２コイル部の外周部と筐体との間に第２の間隙を設けて配置され、且つ、第２コイル部の軸方向と、第２の間隙に沿って冷却風の流れる方向とが一致するように配置されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、ＡＣリアクトルの効率的な冷却が可能となり、ＬＣフィルタ部を収めた筐体の小型化と軽量化を図ることができる。

従来のＬＣフィルタの構成図である。本発明の実施例１に係るＬＣフィルタの平面図及び側面図である。本発明の実施例２に係るＬＣフィルタの側面図である。本発明の実施例３に係るＬＣフィルタの側面図である。本発明の実施例４に係るＬＣフィルタの側面図である。本発明の実施例４の他の実施態様に係るＬＣフィルタの側面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るＬＣフィルタについて説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
［実施例１］

まず、本発明の実施例１に係るＬＣフィルタについて図面を用いて説明する。図２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施例１に係るＬＣフィルタの構成を示すものであって、図２（ａ）は平面図を示し、図２（ｂ）は側面図を示す。

本発明の実施例１に係るＬＣフィルタ１０１は、第１コア部１１、及び該第１コア部の一部に巻回された第１コイル部１２を有し、該第１コイル部の一方の端子が交流電源に接続された第１ＡＣリアクトル１と、第２コア部２１、及び該第２コア部との間に第１の間隙２３を設けて第２コア部の一部に巻回された第２コイル部２２を有し、該第２コイル部の一方の端子が交流電圧を直流電圧に変換する電力変換部に接続された第２ＡＣリアクトル２と、第１ＡＣリアクトルの他方の端子１６及び第２ＡＣリアクトルの他方の端子２６に一方の端子が接続されたコンデンサ３と、第１ＡＣリアクトル１、第２ＡＣリアクトル２、及びコンデンサ３を収める筐体４と、筐体の１つの面に設けられ、冷却風を導入する冷却風導入部５と、筐体の１つの面と対向する他方の面に設けられ、冷却風が所定の方向に流れるように冷却風を排出する冷却風排出部６と、を備え、第２ＡＣリアクトル２は、第２コイル部の外周部２４と筐体４との間に第２の間隙２５を設けて配置され、且つ、第２コイル部の軸方向２０と、第２の間隙に沿って冷却風の流れる方向５０とが一致するように配置されている、ことを特徴とする。

第１ＡＣリアクトル１の第１コア部１１、及び第２ＡＣリアクトル２の第２コア部２１を構成する鉄心には、フェライト等の磁性材料で構成された一個の鉄心が使用される。

第１コア部１１の一部には第１コイル部１２が巻回され、第２コア部２１の一部には第２コイル部２２が巻回されている。また、図２（ｂ）に示すように、第２ＡＣリアクトル２の第２コア部２１と第２コイル部２２との間には、第１の間隙２３が形成されている。一方、第２ＡＣリアクトル２の第２コイル部２２の外周部２４と筐体４との間には第２の間隙２５が設けられている。

筐体４には冷却風導入部５及び冷却風排出部６が設けられており、筐体４の外部に設けられたファン等の冷却装置（図示せず）から送られる冷却風が冷却風導入部５から冷却風排出部６に向かって流れる。このとき、第２の間隙２５においては、冷却風は図２（ｂ）の矢印５０の方向に流れる。一方、第１の間隙２３においては、冷却風は矢印５１の方向に流れる。

実施例１に係るＬＣフィルタ１０１においては、第２ＡＣリアクトル２の第２コイル部２２の軸方向２０と、第２の間隙２５に沿って冷却風の流れる方向５０とが一致するように第２ＡＣリアクトル２が配置されている。さらに、第２ＡＣリアクトル２の第２コイル部２２の軸方向２０と、第１の間隙２３に沿って冷却風の流れる方向５１も一致している。その結果、冷却風は効率よく第２コイル部２２を冷却することができる。

また、図２（ｂ）において、筐体４の底面近傍に冷却風の流路５０及び５１が形成される様子を示しているが、これには限られず、冷却風の流路５０及び５１は、第２コイル部２２が近接する筐体４の４つの面の全てに形成されることが好ましい。

さらに、冷却風の流路５０及び５１を第１の間隙２３及び第２の間隙２５という限られた領域に絞り込むことによって、第１の間隙２３及び第２の間隙２５における冷却風の流速を高めることができる。その結果、第２コア部２１及び第２コイル部２２の冷却効率を高めることができ、冷却効率を向上させることができる。

また、インダクタンスで生じる損失の大部分は高周波電流が流れる第２ＡＣリアクトル２で生じるため、第２ＡＣリアクトル２のみに高周波電流が流れ、第２ＡＣリアクトル２における温度上昇が第１ＡＣリアクトル１における温度上昇より大きくなる。そこで、第２ＡＣリアクトル２が第１ＡＣリアクトル１よりも冷却風導入部５に近接して配置されていることが好ましい。その結果、ＡＣリアクトルの効率的な冷却が可能となる。

本発明の実施例１に係るＬＣフィルタによれば、冷却風の流路の方向とコイル近傍の間隙方向が同一方向となるように、高温となる第２ＡＣリアクトルを配置したため、冷却風が直接コイルおよびコア部に流れ、冷却効率を向上させることができる。

［実施例２］
次に、本発明の実施例２に係るＬＣフィルタについて図面を用いて説明する。図３に本発明の実施例２に係るＬＣフィルタの側面図を示す。実施例２に係るＬＣフィルタ１０２が、実施例１に係るＬＣフィルタ１０１と異なっている点は、第１ＡＣリアクトル１が、第１コイル部１２の外周部１４と筐体４との間に第３の間隙１５を設けて配置され、且つ、第１コイル部１２の軸方向１０と、第３の間隙１５に沿って冷却風の流れる方向５２とが一致するように配置されている点である。実施例２に係るＬＣフィルタ１０２のその他の構成は、実施例１に係るＬＣフィルタ１０１の構成と同様であるので詳細な説明は省略する。また、図３においては説明を簡単にするために図２に示したコンデンサ３を省略している。

実施例２に係るＬＣフィルタ１０２においては、第１ＡＣリアクトル１と筐体４との間に第３の間隙１５を設けるようにして配置し、第１コイル部１２の軸方向１０と、第３の間隙１５に沿って冷却風の流れる方向５２とが一致するように配置されているため、冷却風によって第１コイル部１２を効率よく冷却することが可能となる。

さらに、冷却風の流路５２を第３の間隙１５という限られた領域に絞り込むことによって、第３の間隙１５における冷却風の流速を高めることができる。その結果、第１コア部１１及び第１コイル部１２の冷却効率を高めることができ、冷却効率を向上させることができる。

また、図３に示すように第１ＡＣリアクトル１は第２ＡＣリアクトル２よりもサイズが小さいため、第１ＡＣリアクトル１の第１コイル部１２の外周部１４が筐体４と近接する面は、筐体４の４つの面のうちの１つまたは２つの面に限られる。図３においては、第１ＡＣリアクトル１を筐体４の底面に近接させた配置を例示しているがこれには限られず、第１ＡＣリアクトル１を筐体４の側面や上面に近接するようにしてもよい。ただし、筐体４の底面付近が上面付近に比べて低温となっている場合には、第１ＡＣリアクトル１を筐体４の底面に近接させることが好ましい。

さらに、第１ＡＣリアクトル１は、第２ＡＣリアクトル２よりも冷却風排出部６に近い領域に配置されるため、第１ＡＣリアクトル１が配置される位置によって、第２ＡＣリアクトル２の近傍における冷却風の流路が影響を受けることも考えられる。そこで、第２ＡＣリアクトル２の第２コイル部２２の周辺で冷却風が均等に流れるように第１ＡＣリアクトル１を配置することが好ましい。例えば、第３の間隙１５を第２の間隙２５（図２（ｂ）参照）よりも大きくすることが考えられる。このようにすることで、第３の間隙１５による冷却風の流路の絞り込みを緩和することができ、第２コイル部２２の周辺における冷却風の流れを均一に維持することができる。

実施例２に係るＬＣフィルタによれば、第２ＡＣリアクトルだけでなく第１ＡＣリアクトルの冷却効率も高めることができるため、ＬＣフィルタ全体での冷却効率を向上させることができる。

［実施例３］
次に、本発明の実施例３に係るＬＣフィルタについて図面を用いて説明する。図４に本発明の実施例３に係るＬＣフィルタの側面図を示す。実施例３に係るＬＣフィルタ１０３が、実施例２に係るＬＣフィルタ１０２と異なっている点は、第１ＡＣリアクトル１の第１コイル部１２の軸１０’が、第２ＡＣリアクトル２の第２コイル部２２の軸２０と略９０度の角度をなすように配置されている点である。実施例３に係るＬＣフィルタ１０３のその他の構成は、実施例２に係るＬＣフィルタ１０２の構成と同様であるので詳細な説明は省略する。また、図４においては説明を簡単にするために図２に示したコンデンサ３を省略している。

実施例３に係るＬＣフィルタにおいては、第１ＡＣリアクトル１の第１コイル部１２の軸１０’が、第２ＡＣリアクトル２の第２コイル部２２の軸２０と略９０度の角度をなすこととなり、第１ＡＣリアクトル１を第２ＡＣリアクトル２に近接させて配置することができるため、筐体４の冷却風の流路方向の長さを短縮することができ、無駄なスペースを廃し、ＬＣフィルタ１０３の筐体４のサイズを小型化することができる。

また、第１ＡＣリアクトル１は冷却風排出部６の近傍に配置されるため、第２ＡＣリアクトル２の第２コイル部２２の近傍での冷却風の流れが均一に維持されるように第１ＡＣリアクトル１を配置することが好ましい。例えば、図４に示すように第１ＡＣリアクトル１の第１コア部１１と筐体４との間の距離は、筐体４の底面と上面で均等となることが好ましい。このようにすることによって、第２ＡＣリアクトル２の第２コイル部２２の近傍に流れる冷却風の流れを均一にすることができるので、第２ＡＣリアクトル２を均等に冷却することができる。

さらに、第２ＡＣリアクトル２の高さが第１ＡＣリアクトル１の高さと略同一であることが好ましい。この場合、第２ＡＣリアクトル２と筐体４との間の距離は、第１ＡＣリアクトル１と筐体４との間の距離と等しくなるため、第２ＡＣリアクトル２の第２コイル部２２の近傍に流れる冷却風の均一性を維持することができる。さらに、第１ＡＣリアクトル１と第２ＡＣリアクトルの高さを揃えるようにＡＣリアクトルの設計を行う場合、容易に製造を行うため、コアの積み厚ができるだけ少なくなるように設計を行うことが好ましい。

［実施例４］
次に、本発明の実施例４に係るＬＣフィルタについて図面を用いて説明する。図５に本発明の実施例４に係るＬＣフィルタの側面図を示す。実施例４に係るＬＣフィルタ１０４が、実施例１に係るＬＣフィルタ１０１と異なっている点は、第１ＡＣリアクトル１の他方の端子１６と、第２ＡＣリアクトル２の他方の端子２６とが、端子台３２によって直接接続されている点である。実施例４に係るＬＣフィルタ１０４のその他の構成は、実施例１に係るＬＣフィルタ１０１の構成と同様であるので詳細な説明は省略する。

実施例４に係るＬＣフィルタによれば、第ＡＣ１リアクトル１と第２ＡＣリアクトル２の端子同士を直結することにより、各ＡＣリアクトルの端子間に中継するためのケーブル等が不要となり筐体の小型化を実現することができる。なお直結する際には、双方の端子に、いわゆるばか穴を開けてネジとナットを使用して締結したり、片方の端子に埋め込みナットを打ち込みネジやボルトで締結したり、端子にコネクタを取り付けることが考えられる。

図６に示した実施例４のＬＣフィルタの変形例では、第１ＡＣリアクトル１の他方の端子１６と、第２ＡＣリアクトル２の他方の端子２６とが、ねじ３３によって直接接続されている例を示している。

以上、本発明の実施例に係るＬＣフィルタに含まれる第１ＡＣリアクトル１及び第２ＡＣリアクトル２は、共に三相の場合を例示したが、これには限られず、単相であっても同様にして本発明を実施できる。

また、以上の説明においてはＬＣフィルタを電力変換装置とは独立したものとして説明したが、上記で説明したＬＣフィルタを電力変換装置が具備するようにしてもよい。

１第１ＡＣリアクトル
２第２ＡＣリアクトル
３コンデンサ
４筐体
５冷却風導入部
６冷却風排出部
１０第１コイル部の軸
１１第１コア部
１２第１コイル部
１４第１コイル部の外周部
１５第３の間隙
２０第２コイル部の軸
２１第２コア部
２２第２コイル部
２３第１の間隙
２４第２コイル部の外周部
２５第２の間隙

Claims

第１コア部、及び該第１コア部の一部に巻回された第１コイル部を有し、該第１コイル部の一方の端子が交流電源に接続された第１ＡＣリアクトルと、
第２コア部、及び該第２コア部との間に第１の間隙を設けて前記第２コア部の一部に巻回された第２コイル部を有し、該第２コイル部の一方の端子が交流電圧を直流電圧に変換する電力変換部に接続され、前記第１ＡＣリアクトルよりサイズが大きい第２ＡＣリアクトルと、
前記第１ＡＣリアクトルの他方の端子及び前記第２ＡＣリアクトルの他方の端子に一方の端子が接続されたコンデンサと、
前記第１ＡＣリアクトル、前記第２ＡＣリアクトル、及び前記コンデンサを収める筐体と、
前記筐体の１つの面に設けられ、冷却風を導入する冷却風導入部と、
前記筐体の１つの面と対向する他方の面に設けられ、冷却風が所定の方向に流れるように冷却風を排出する冷却風排出部と、を備え、
前記第２ＡＣリアクトルは、前記第２コイル部の外周部と前記筐体との間に第２の間隙を設けて配置され、且つ、前記第２コイル部の軸方向と、前記第２の間隙に沿って冷却風の流れる方向とが一致するように配置されている、
ことを特徴とするＬＣフィルタ。
前記第１ＡＣリアクトルは、前記第１コイル部の外周部と前記筐体との間に第３の間隙を設けて配置され、且つ、前記第１コイル部の軸方向と、前記第３の間隙に沿って冷却風の流れる方向とが一致するように配置されている、請求項１に記載のＬＣフィルタ。
前記第２ＡＣリアクトルが前記第１ＡＣリアクトルよりも前記冷却風導入部に近接して配置されている、請求項１または２に記載のＬＣフィルタ。
前記第１ＡＣリアクトルの第１コイル部の軸が、前記第２ＡＣリアクトルの第２コイル部の軸と略９０度の角度をなすように配置されている、請求項１または３に記載のＬＣフィルタ。
前記第２ＡＣリアクトルの高さが前記第１ＡＣリアクトルの高さと略同一である、請求項４に記載のＬＣフィルタ。
前記第１ＡＣリアクトルの他方の端子と、前記第２ＡＣリアクトルの他方の端子とが、直接接続されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＬＣフィルタ。
請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＬＣフィルタを具備する電力変換装置。