JP5964612B2 - リアクトルユニット - Google Patents

Description

本発明は、複数のリアクトルを備えるリアクトルユニットに関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等には直流電圧を昇圧又は降圧するＤＣ／ＤＣコンバータが備えられている。ＤＣ／ＤＣコンバータにはスイッチング素子、スイッチングトランス、リアクトル等が搭載されている。近年、この種のＤＣ／ＤＣコンバータはスイッチング動作の高周波化が進められており、高周波化に伴うスイッチング損失の増加が課題となっている。そこで、スイッチング損失を低減させるソフトスイッチング技術の適用が提案されている。例えば特許文献１に、ソフトスイッチング技術を適用することによりスイッチング損失の低減を達成可能なリアクトルユニットが記載されている。

特許文献１に記載のリアクトルユニットは、平滑用リアクトル及び共振用リアクトルを備えている。特許文献１では、平滑用リアクトルと共振用リアクトルとを同じケース内に並設して端子台を共用化することにより、リアクトルユニットの小型化を試みている。

特開２０１０−４５１０９号公報

特許文献１に記載されているように、複数のリアクトルを搭載したリアクトルユニットには小型化の要請が恒常的にある。本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小型化設計に有利なリアクトルユニットを提供することである。

本発明の一形態に係るリアクトルユニットは、第一のリアクトルと第二のリアクトルを備えている。第一のリアクトルは閉磁路構造であり、閉磁路コアと、閉磁路コアの一部の外周面の周囲を覆う第一のコイルを有している。また、第二のリアクトルは開磁路構造であり、第二のコイルを有しており、第一のコイルの外側に位置する、閉磁路コアの露出コア部分に隣接し、かつ露出コア部分に対し、第二のリアクトルで発生した磁束が露出コア部分を貫く向きで配置されている。

本発明の一形態によれば、閉磁路コアの露出コア部分が第二のリアクトルで発生する磁束の磁路の一部をなすため、磁路長が第二のリアクトル単体における磁路長と比べて短くなる。そのため、第二のリアクトルのインダクタンスが増加する。すなわち、本発明の一形態によれば、第二のリアクトルを開磁路構造としたことにより小型化設計に有利であると共に、開磁路構造としたことによる欠点（閉磁路構造と比べて磁路長が長くなることによりインダクタンスが低下する欠点）が第一のリアクトルと第二のリアクトルとの適切なレイアウトにより補われる。

第二のリアクトルは例えば空芯コイルである。

また、第二のリアクトルは開磁路コアを備えた構成としてもよい。この場合、開磁路コアは、例えば外周面の略全体が第二のコイルにより覆われている。

また、閉磁路コアは、平行に並ぶ一対の直線コア部分と、一対の直線コア部分の一端同士を連結する一対の連結コア部分とを有する環状のコアとしてもよい。この場合、第一のコイルは、例えば一対の直線コア部分の外周面の周囲を覆う一対のコイルを有しており、第二のリアクトルは、例えば一対の連結コア部分の一方に隣接し、かつ第二のコイルの巻軸方向が該隣接する連結コア部分を貫く（連結コア部分と交差する）向きで配置されている。

また、閉磁路コアは、平行に並ぶ三本の直線コア部分と、三本の直線コア部分の一端同士を連結する一対の連結コア部分とを有する略日の字のコアとしてもよい。この場合、第一のコイルは、例えば三本の直線コア部分のうち中央に並ぶ直線コア部分の外周面の周囲を覆っている。また、第二のリアクトルは、一対の連結コア部分の一方に隣接し、かつ第二のコイルの巻軸方向が該隣接する連結コア部分を貫く（連結コア部分と交差する）向きで配置されてもよく、又は、三本の直線コア部分のうち外側に並ぶ二本の直線コア部分の一方に隣接し、かつ第二のコイルの巻軸方向が該隣接する直線コア部分を貫く（連結コア部分と交差する）向きで配置されてもよい。

また、本発明の一形態に係るリアクトルユニットは、第一のリアクトルと第二のリアクトルとを収容する収容ケースを備えた構成としてもよい。

また、本発明の一形態に係るリアクトルユニットは、収容ケースの内壁面と、内壁面と対向する第二のリアクトルとの間隔をＤ１と定義し、第二のリアクトルと、第二のリアクトルと対向する露出コア部分との間隔をＤ２と定義した場合に、次式
Ｄ２≦Ｄ１
を満たす構成としてもよい。

本発明によれば、小型化設計に有利なリアクトルユニットが提供される。

本発明の実施形態のリアクトルユニットの斜視図である。 本発明の実施形態のリアクトルユニットの分解斜視図である。 本発明の実施形態のリアクトルユニットに備えられる収容ケース内に収容されている内蔵物の斜視図である。 図３に示される内蔵物が収容ケース内に収容されている状態を示す断面図である。 本発明の実施形態のリアクトルユニットの変形例における昇圧用リアクトル及び共振用リアクトルの構成を示す図である。 本発明の実施形態のリアクトルユニットの変形例における昇圧用リアクトル及び共振用リアクトルの構成を示す図である。 本発明の実施形態のリアクトルユニットの変形例における昇圧用リアクトル及び共振用リアクトルの構成を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態のリアクトルユニットについて説明する。

図１、図２はそれぞれ、本実施形態のリアクトルユニット１の斜視図、分解斜視図である。本実施形態のリアクトルユニット１は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車等で使用される共振型昇降圧コンバータに搭載されるものであり、図１及び図２に示されるように、収容ケース１０を備えている。図３は、収容ケース１０内に収容されている内蔵物の斜視図である。また、図４は、図３に示される内蔵物が収容ケース１０内に収容されている状態を示す断面図である。以下の説明においては、図１における、リアクトルユニット１の奥行き方向をＸ方向と定義し、Ｘ方向と直交する幅方向をＹ方向と定義し、Ｘ、Ｙ方向の二方向と直交する高さ方向をＺ方向と定義する。なお、リアクトルユニット１を使用する際には、リアクトルユニット１をどの方向に向けて配置してもよい。

図１〜図４に示されるように、リアクトルユニット１は、昇圧用リアクトル１００を備えている。昇圧用リアクトル１００は、昇圧用コイル１１０及び閉磁路コア１２０を備えている。昇圧用コイル１１０は、同一構造の直線コイル部１１２、１１４を平行に並べて一端同士を連結線（不図示）で連結した構成を有している。直線コイル部１１２、１１４は、例えば平角線を一巻き当たり４箇所で直角方向に折り曲げて正方形状に巻いたエッジワイズ空芯コイルである。

閉磁路コア１２０は、平行に並ぶ一対の直線コア部分１２２と、一対の直線コア部分１２２の一端同士を連結する一対の連結コア部分１２４とを有する環状のコアであり、例えば、一対のＵ字型コアの脚部先端面同士を所定のギャップ部材（直線コイル部１１２、１１４により図面上不可視）を介して突き合わせて接着剤で貼り合わせたものである。説明を加えると、一対のＵ字型コアの各脚部は、対応する直線コイル部１１２、１１４内部に挿置されて、直線コイル部１１２、１１４内部で先端面同士が突き合わせられている。これにより、閉磁路コア１２０のうち一対の直線コア部分１２２の外周面の周囲がそれぞれ、直線コイル部１１２、１１４によって覆われた状態となり、一対の連結コア部分１２４の略全体が直線コイル部１１２、１１４の外側に位置する状態となる。以下、説明の便宜上、閉磁路コア１２０のうち直線コイル部１１２、１１４の外側に位置するコア部分を「露出コア部分１２６」と記す。なお、ギャップ部材は、例えば非磁性体（アルミナ等の各種セラミックスや樹脂等）の板材である。また、閉磁路コア１２０は、圧粉磁心からなる磁性粉末成形体であるが、電磁鋼板やフェライト磁心等で形成されてもよい。

本実施形態では、閉磁路コア１２０と直線コイル部１１２及び１１４との電気的絶縁を担保するため、一対の直線コア部分１２２と直線コイル部１１２及び１１４との間に樹脂製の絶縁ボビン１３０が取り付けられている。絶縁ボビン１３０の両端部には一対の金属ステイ１３２が埋設されている。各金属ステイ１３２の両端部には、固定用穴１３２ａが形成されている。

また、リアクトルユニット１は、共振用リアクトル２００を備えている。共振用リアクトル２００は、共振用コイル２１０及びコイル保持体２２０を備えている。共振用コイル２１０も直線コイル部１１２及び１１４と同じく、例えば平角線を一巻き当たり４箇所で直角方向に折り曲げて正方形状に巻いたエッジワイズ空芯コイルである。共振用リアクトル２００はコアレスであり、磁気回路が共振用コイル２１０のみで構成される開磁路構造となっている。コイル保持体２２０は、共振用コイル２１０の一部を外装する樹脂成形品であり、共振用コイル２１０と他の部品との間に介在することにより、共振用コイル２１０と他の部品との電気的絶縁を担保している。

収容ケース１０は、例えば、熱伝導性が高く軽量な金属（例えばアルミニウムなどの非磁性金属）で形成されており、上面が開口する略直方体形状を有している。収容ケース１０内には略直方体の収容スペース１２、１４が並べて形成されている。昇圧用リアクトル１００は収容スペース１２に収容され、一対の金属ステイ１３２の各固定用穴１３２ａに通された計二対のボルト１４０によって収容スペース１２に固定される。また、共振用リアクトル２００は収容スペース１４に収容され、収容スペース１４を規定する収容ケース１０の内壁部とコイル保持体２２０との接着により、収容ケース１０に対して固定される。

昇圧用リアクトル１００及び共振用リアクトル２００と収容ケース１０との隙間には、充填剤が充填される。充填剤には、昇圧用リアクトル１００及び共振用リアクトル２００の放熱性能を確保する作用がある。また、昇圧用リアクトル１００及び共振用リアクトル２００から収容ケース１０への振動伝搬を軽減する作用もある。

また、収容ケース１０の上面には、ボルト３１０により端子台３００が取り付けられる。端子台３００は、一対の昇圧用バスバー３２０及び一対の共振用バスバー３３０を備えている。一対の昇圧用バスバー３２０の各々は、直線コイル部１１２、１１４のリード部１１２Ｌ、１１４Ｌと接合され又は結合（例えば溶接等）され、一対の共振用バスバー３３０の各々も同様に、共振用コイル２１０のリード部２１０Ｌｓ、２１０Ｌｅと接合等される。

共振用リアクトル２００が収容スペース１４に挿置されると、共振用コイル２１０は、コイル保持体２２０を介して閉磁路コア１２０の露出コア部分１２６と隣接し、かつ巻軸方向（Ｘ方向であり、図４においては便宜上「ＡＸ方向」と記す。）がこの露出コア部分１２６の長手方向（Ｙ方向）と直交する向きで、収容スペース１４内に位置決めされる。別の側面では、共振用コイル２１０は、共振用コイル２１０の空芯部と露出コア部分１２６とが隣接し、かつ露出コア部分１２６に対し、共振用コイル２１０への通電時に空芯部を流れる誘導磁束が露出コア部分１２６を貫く向きで、収容スペース１４内に位置決めされる。すなわち、共振用コイル２１０による誘導磁束は、露出コア部分１２６を通過する。このように、露出コア部分１２６を共振用リアクトル２００で発生する磁束の磁路として利用することにより、磁路長が共振用コイル２１０単体における磁路（つまりコアが磁路に一切含まれない場合）の長さと比べて短くなる。そのため、共振用リアクトル２００のインダクタンスが増加する。

説明を加えると、図４に示されるように、共振用コイル２１０と露出コア部分１２６とは、共振用コイル２１０の巻軸方向（ＡＸ方向）を流れる誘導磁束が露出コア部分１２６の側面と直交する位置関係で配置されている。このように、誘導磁束が露出コア部分１２６の側面に対して直交貫通して露出コア部分１２６の内部を流れるように、共振用コイル２１０と露出コア部分１２６との位置関係を規定することにより、露出コア部分１２６の内部により多くの誘導磁束を流すことができ、共振用リアクトル２００のインダクタンスを効率的に上昇させることができる。

また、図４において、共振用コイル２１０による誘導磁束と直交する露出コア部分１２６の側面は平面であるが、別の形態では当該側面が曲面の場合もある。この場合、共振用コイル２１０と露出コア部分１２６とは、共振用コイル２１０の巻軸方向（ＡＸ方向）を流れる誘導磁束が露出コア部分１２６の側面（曲面）の接線と直交する位置関係で配置される。これにより、図４の配置例と同様に、共振用リアクトル２００のインダクタンスを効率的に上昇させる効果が得られる。

なお、巻軸方向（ＡＸ方向）を流れる誘導磁束と、露出コア部分１２６の側面（平面又は曲面）とが交差する角度は直交に限らない。例えば直交に対して多少ずれていた場合であっても、共振用リアクトル２００のインダクタンスを上昇させる効果は有効に得られる。

本実施形態では、共振用リアクトル２００を開磁路構造としたことにより共振側のコアが不要となるため小型化設計に有利であると共に、開磁路構造としたことによる欠点（閉磁路構造と比べて磁路長が長くなることによりインダクタンスが低下する欠点）が昇圧用リアクトル１００と共振用リアクトル２００との適切なレイアウトにより補われている。

また、共振用リアクトル２００は開磁路構造であるため、共振用コイル２１０による誘導磁束は、収容ケース１０を貫いてループする。共振用コイル２１０による誘導磁束が収容ケース１０を通過する際、磁束の変化を妨げる向きの誘導電流が収容ケース１０内部に流れ、この誘導電流によって発生する逆向きの磁束が共振用コイル２１０による誘導磁束を減殺してインダクタンスを低下させる問題が指摘される。以下、説明の便宜上、収容ケース１０内部を流れる誘導電流によって発生する上記の逆向きの磁束を「反対磁束」と記す。また、図４に示されるように、収容ケース１０の内壁面と、この内壁面と対向する共振用コイル２１０の端面との間隔をＤ１と定義し、共振用コイル２１０と、共振用コイル２１０と対向する露出コア部分１２６の側面との間隔をＤ２と定義する。

間隔Ｄ１を大きくするほど収容ケース１０を通過する誘導磁束の密度が低下するため、誘導磁束を減殺する反対磁束の密度も低減し、反対磁束に起因する共振用リアクトル２００のインダクタンスの低下が抑えられる。また、間隔Ｄ２を小さくするほど露出コア部分１２６を流れる誘導磁束が増加して、共振用リアクトル２００のインダクタンスが増加する。共振用リアクトル２００のインダクタンスを大きくするためには、間隔Ｄ１と間隔Ｄ２との関係だけ見ると、間隔Ｄ１を大きく設定すると共に間隔Ｄ２を小さく設定すればよいことが把握される。しかし、間隔Ｄ１については収容ケース２０の外形寸法を抑えるため無制限に大きくすることができず、また、間隔Ｄ２については部品個体差や組立誤差等を考慮しなければならない。そこで、本実施形態のリアクトルユニット１は、反対磁束に起因するインダクタンスの低下を抑えつつ露出コア部分１２６を利用してインダクタンスを増加させるため、次式
Ｄ２≦Ｄ１
が満たされるように設計されている。

次に、図５〜図７に、本実施形態のリアクトルユニット１の変形例の昇圧用リアクトル１００ｚ及び共振用リアクトル２００の構成を３例示す。なお、本変形例のリアクトルユニットにおいて、上記実施形態のリアクトルユニット１と同一の又は同様の構成には同一の又は同様の符号を付して説明を簡略又は省略する。

図５〜図７に示されるように、本変形例の昇圧用リアクトル１００ｚは、昇圧用コイル１１０ｚ及び閉磁路コア１２０ｚを備えている。閉磁路コア１２０ｚは、平行に並ぶ三本の直線コア部分１２２ｚと、三本の直線コア部分１２２ｚの一端同士を連結する一対の連結コア部分１２４ｚとを有する略日の字のコアであり、例えば、一対のＥ字型コアの脚部先端面同士を所定のギャップ部材（便宜上不図示）を介して突き合わせて接着剤で貼り合わせたものである。三本のうち中央に並ぶ脚部同士は、昇圧用コイル１１０ｚ内部に挿置されて、昇圧用コイル１１０ｚ内部で先端面同士が突き合わせられている。これにより、閉磁路コア１２０ｚのうち中央の直線コア部分１２２ｚの外周面の周囲が昇圧用コイル１１０ｚによって覆われた状態となり、それ以外のコア部分が昇圧用コイル１１０ｚの外側に位置する状態となる。

図５〜図７に示される各変形例は、昇圧用リアクトル１００ｚと共振用リアクトル２００（共振用コイル２１０）とのレイアウトがそれぞれ異なる。具体的には、図５の変形例の共振用コイル２１０は、露出コア部分１２６ｚ（直線コア部分１２２ｚの一方）と隣接し、かつ巻軸方向（Ｙ方向）がこの露出コア部分１２６ｚの長手方向（Ｘ方向）と直交する向きで、収容ケース１０の収容スペースに位置決めされる。また、図６の変形例の共振用コイル２１０は、露出コア部分１２６ｚ（連結コア部分１２４ｚの一方）と隣接し、かつ巻軸方向（Ｘ方向）がこの露出コア部分１２６ｚの長手方向（Ｙ方向）と直交する向きで、収容ケース１０の収容スペースに位置決めされる。また、図７の変形例の共振用コイル２１０は、露出コア部分１２６ｚ（図５の直線コア部分１２２ｚの他方）と隣接し、かつ巻軸方向（Ｙ方向）がこの露出コア部分１２６ｚの長手方向（Ｘ方向）と直交する向きで、収容ケース１０の収容スペースに位置決めされる。

すなわち、共振用コイル２１０は、共振用コイル２１０の空芯部と露出コア部分１２６ｚとが隣接し、かつ露出コア部分１２６ｚに対し、共振用コイル２１０への通電時に空芯部を流れる誘導磁束が露出コア部分１２６ｚを貫く向きで、収容ケース１０の収容スペースに位置決めされる。露出コア部分１２６ｚを共振用リアクトル２００で発生する磁束の磁路として利用することにより、磁路長が共振用コイル２１０単体における磁路（つまりコアが磁路に一切含まれない場合）の長さと比べて短くなる。そのため、共振用リアクトル２００のインダクタンスが増加する。なお、共振用コイル２１０は、磁気飽和による直流重畳特性の低下を考慮すると、断面積の大きい露出コア部分１２６ｚに隣接して配置することが望ましい。

以上が本発明の例示的な実施形態の説明である。本発明の実施形態は、上記に説明したものに限定されず、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えば明細書中に例示的に明示される実施例や変形例又は自明な実施例や変形例を適宜組み合わせた内容も本願の実施形態に含まれる。

また、本実施形態において共振用リアクトル２００はコアレスであるが、別の実施形態では、共振用コイル２１０の空芯部にＩ字型コア等の開磁路コアを挿置してもよい。この場合、磁束密度の増加に伴い、共振用リアクトル２００のインダクタンスが増加する。また、閉磁路構造に必須の露出コア部分が無いため、本実施形態と同様に小型化設計に有利である。

１ リアクトルユニット
１０ 収容ケース
１２、１４ 収容スペース
１００ 昇圧用リアクトル
１１０ 昇圧用コイル
１１２、１１４ 直線コイル部
１１２Ｌ、１１４Ｌ、２１０Ｌｓ、２１０Ｌｅ リード部
１２０ 閉磁路コア
１２２ 直線コア部分
１２４ 連結コア部分
１２６ 露出コア部分
１３０ 絶縁ボビン
１３２ 金属ステイ
１３２ａ 固定用穴
１４０、３１０ ボルト
２００ 共振用リアクトル
２１０ 共振用コイル
２２０ コイル保持体
３００ 端子台
３２０ 昇圧用バスバー
３３０ 共振用バスバー

Claims (7)

1. 閉磁路コアと、
   前記閉磁路コアの一部の外周面の周囲を覆う第一のコイルと、
   を有する、閉磁路構造である第一のリアクトルと、
   第二のコイル
   を有する、開磁路構造である第二のリアクトルと、
   を備えており、
   前記第二のリアクトルは、
   共振用リアクトルであり、
   前記第一のコイルの外側に位置する、前記閉磁路コアの露出コア部分に隣接し、かつ該露出コア部分に対し、前記第二のリアクトルで発生した磁束が該露出コア部分を貫く向きで配置されていることを特徴とする、リアクトルユニット。
2. 前記第二のリアクトルは空芯コイルであることを特徴とする、請求項１に記載のリアクトルユニット。
3. 前記第二のリアクトルは、
   開磁路コア
   を備えており、
   前記開磁路コアは、外周面の略全体が前記第二のコイルにより覆われていることを特徴とする、請求項１に記載のリアクトルユニット。
4. 前記閉磁路コアは、
   平行に並ぶ一対の直線コア部分と、
   前記一対の直線コア部分の一端同士を連結する一対の連結コア部分と、
   を有する環状のコアであり、
   前記第一のコイルは、
   前記一対の直線コア部分の外周面の周囲を覆う一対のコイル
   を有し、
   前記第二のリアクトルは、
   前記一対の連結コア部分の一方に隣接し、かつ前記第二のコイルの巻軸方向が該隣接する連結コア部分を貫く向きで配置されていることを特徴とする、請求項１から請求項３の何れか一項に記載のリアクトルユニット。
5. 前記閉磁路コアは、
   平行に並ぶ三本の直線コア部分と、
   前記三本の直線コア部分の一端同士を連結する一対の連結コア部分と、
   を有する略日の字のコアであり、
   前記第一のコイルは、
   前記三本の直線コア部分のうち中央に並ぶ直線コア部分の外周面の周囲を覆っており、
   前記第二のリアクトルは、
   前記一対の連結コア部分の一方に隣接し、かつ前記第二のコイルの巻軸方向が該隣接する連結コア部分を貫く向きで配置され、又は
   前記三本の直線コア部分のうち外側に並ぶ二本の直線コア部分の一方に隣接し、かつ前記第二のコイルの巻軸方向が該隣接する直線コア部分を貫く向きで配置されていることを特徴とする、請求項１から請求項３の何れか一項に記載のリアクトルユニット。
6. 前記第一のリアクトルと前記第二のリアクトルとを収容する収容ケース
   を備えることを特徴とする、請求項１から請求項５の何れか一項に記載のリアクトルユニット。
7. 前記収容ケースの内壁面と、該内壁面と対向する前記第二のリアクトルとの間隔をＤ１と定義し、該第二のリアクトルと、該第二のリアクトルと対向する前記露出コア部分との間隔をＤ２と定義した場合に、次式
   Ｄ２≦Ｄ１
   を満たすことを特徴とする、請求項６に記載のリアクトルユニット。

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