JP5983942B2 - リアクトル、コンバータ、及び電力変換装置 - Google Patents
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Description
図1〜図3を参照して、実施形態1のリアクトル1を説明する。リアクトル1は、巻線2wを螺旋状に巻回してなる筒状のコイル2と、コイル2の内外に配置されて閉磁路を形成する磁性コア3と、コイル2と磁性コア3との間に介在される絶縁部材5とを具え、代表的には、冷却ベースなどの設置対象に設置されて使用される。ここでは、コイル2は、一対の筒状のコイル素子2a,2bを主体とする。磁性コア3は、各コイル素子2a,2bの内側にそれぞれ挿通配置される柱状の内側コア部31,31と、コイル素子2a,2bが配置されない柱状の外側コア部32,32とを組み合わせて環状に構成される。そして、このリアクトル1の特徴の一つは、絶縁部材5の形状及びその部品点数にある。絶縁部材5は、両コイル素子2a,2bの一端面側に配置される絶縁部材5Aと、両コイル素子2a,2bの他端面側に配置される絶縁部材5Bとの2個の部品で構成される。両絶縁部材5A,5Bは同一形状であり、コイル2と磁性コア3との組合体10に対する配置位置及び配置の向きが異なる。そして、絶縁部材5A,5Bはいずれも、コイル2と外側コア部32との間に介在される部分(端面介在部52)と、コイル2と内側コア部31との間に介在される部分(内側介在部54)とが一体に形成されている。以下、リアクトル1の主要構成部材であるコイル2及び磁性コア3の概要を説明した後、絶縁部材5を詳細に説明する。
ここでは、コイル2は、図1(A),図3に示すように、1本の巻線2wを螺旋状に巻回してなる一対のコイル素子2a,2bと、両コイル素子2a,2bを連結する連結部2rとを具える。各コイル素子2a,2bはそれぞれ、互いに同一の巻数の中空の筒状体であり、各軸方向が平行するように並列(横並び)されており、電気的に直列に接続されている。また、コイル素子2a,2bの端面形状はいずれも、矩形の各角部をそれぞれ丸めた略矩形状である。
絶縁部材5は、コイル2と磁性コア3との間の絶縁性を高める部材であり、絶縁材料から構成される。具体的な絶縁材料は、ポリフェニレンスルフィド(PPS)樹脂、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂、ポリブチレンテレフタレート(PBT)樹脂、液晶ポリマー(LCP)などが挙げられる。
(コイル)
コイル2及び磁性コア3はいずれも、公知の形状、材質のものを利用することができる。コイル2を構成する巻線2wは、銅やアルミニウム、その合金といった導電性材料からなる導体の外周に、絶縁材料(代表的にはポリアミドイミドといったエナメル材料)からなる絶縁被覆を具える被覆線を好適に利用できる。導体は、横断面形状が長方形状である平角線、円形状である丸線、多角形状である異形線などの種々の形状のものを利用できる。ここでは、コイル2は、導体が銅製の平角線からなり、絶縁被覆がエナメルからなる被覆平角線をエッジワイズ巻きにして形成されたエッジワイズコイルとしている。エッジワイズコイルは、占積率を高めて小型なコイルとし易く、リアクトル1の小型化に寄与する。コイル素子2a,2bを別々の巻線2wで形成して、連結部材(図示せず)で接合して一つのコイル2を構成することもできるが、連続する1本の巻線2wでコイル素子2a,2b及び連結部2rを構成することで、部品点数及び組立工程数の低減を図ることができる。
磁性コア3は、代表的には、鉄や鉄合金、希土類元素を含む合金といった金属、フェライトといった非金属などの軟磁性材料から構成される。磁性コア3は、複数のコア片(この例では、2個の内側コア部31,31と2個の外側コア部32,32の合計4個)を接着剤や粘着テープなどによって接合させることができる。例えば、この例では、絶縁部材5の介在によって内側コア部31の端面31eと外側コア部32の内端面32eとの間に設けられる空間に接着剤を充填することが挙げられる。コア片の分割数は適宜選択することができる。分割数が少ないほど、部品点数が少なく、組立工程数やコア片同士の接着剤などによる接合工程数を低減できる。コア片同士を接合せず、接合工程を省略することもできるが、接着剤などによってコア片同士を強固に固定することで、磁性コア3の剛性が高まり、騒音の低減効果が期待できる。
(1)内側コア部31と外側コア部32とを共に圧粉成形体とする、
(2)内側コア部31と外側コア部32とを共に複合材料とする、
などが挙げられる。
(3)内側コア部31を圧粉成形体とし、外側コア部32を複合材料とする、
(4)内側コア部31を複合材料とし、外側コア部32を圧粉成形体とする、
(5)内側コア部31と外側コア部32とを共に複合材料とし、複合材料の材質などを異ならせる、
(6)内側コア部31と外側コア部32とを共に圧粉成形体とし、材質などを異ならせる、
などが挙げられる。
コイル2と磁性コア3との組合体10を収納するケース(図示せず)を具える形態とすることができる。ケースは、底部と、底部から立設される壁部とを具え、底部との対向側が開口した、種々の形状、大きさの容器が利用できる。ケースの構成材料は、非磁性金属材料、具体的には、アルミニウムやその合金、マグネシウムやその合金が挙げられる。これらの金属は、導電性を有し、高強度で、熱伝導率が高いことから、これらの金属からなるケースは、ケース外部への漏れ磁束を抑制する磁気シールド、収納物に対する外部環境(粉塵や腐食など)からの保護や機械的保護、放熱経路として機能する。また、これらの金属は、軽量でもあることから、車載部品の構成材料に好適に利用できる。一方、底部が上記金属からなる板材であり、壁部が樹脂などの絶縁材料からなり、これらの組物のケースとすると、コイルと壁部間の絶縁性の向上、軽量化、組合体10の収納作業性の向上(板材に組合体10を配置してから壁部を取り付けてケースを組み立てられる)、などの効果を期待できる。
上述の構成を具えるリアクトル1は、通電条件が、例えば、最大電流(直流)が100A以上1000A以下程度、平均電圧が100V以上1000V以下程度、使用周波数が5kHz以上100kHz以下程度である用途、代表的には電気自動車やハイブリッド自動車などの車載用電力変換装置の構成部品に好適に利用できる。
リアクトル1は、以下のようにして組み立てられる。図3に示すようにコイル2,磁性コア3を構築する内側コア部31,31及び外側コア部32,32,絶縁部材5A,5Bを用意する。そして、各内側コア部31,31をそれぞれ、コイル素子2a,2b内に挿入する。両コイル素子2a,2bの一端面と両内側コア部31,31の一端面31e,31eの一部を覆うように、一方の絶縁部材5Aを配置する(図2(C)も参照)。同様に両コイル素子2a,2bの他端面と両内側コア部31,31の他端面31e,31eの一部を覆うように他方の絶縁部材5Bを配置する(図2(C)も参照)。このとき、絶縁部材5A,5Bの内側介在部54a,54bはそれぞれ、ガイドとしても機能する。更に、一方の絶縁部材5Aの端面介在部52のコア面に一方の外側コア部32を接触させ、他方の絶縁部材5Bの端面介在部52のコア面に他方の外側コア部32を接触させて、コイル2と内側コア部31,31とを両外側コア部32,32によって挟持するように組み付ける。このとき、絶縁部材5A,5Bの位置決め部58は、ガイドとしても機能する。上記工程によって、横並びされた両内側コア部31,31の端面31e,31eを覆うように各外側コア部32,32の内端面32e,32eがそれぞれ配置されて、環状の磁性コア3を形成する。同時にリアクトル1が構築される。
リアクトル1は、筒状のコイル2の内側に配置される個所と、コイル2の端面に配置される個所とが一体に形成された絶縁部材5を構成要素とすることで、部品点数が少なく、組立工程数が少ない。また、リアクトル1は、絶縁部材5をコイル2に嵌め込むことで、コイル2と内側コア部31とに対する絶縁部材5の位置決めと、コイル2の端面に対する絶縁部材5の位置決めとを一度に行える。従って、リアクトル1は、組立作業性に優れ、生産性を向上できる。
(1)コア間介在部56を具えることで、内側コア部31と外側コア部32との間を所定の間隔に容易に位置決めできる上に、コア間介在部56が当たり止めとなって絶縁部材5をコイル2と内側コア部31,31との組物に配置し易い。
(2)コア間介在部56によって上記所定の間隔をギャップに利用でき、リアクトル1はギャップを有しながらも、ギャップ材を別途設ける必要がない。
(3)位置決め部58を具えることで、絶縁部材5に対する外側コア部32を容易に位置決めできる。
(4)端面介在部52のコイル面が上述の傾斜面であり、絶縁部材5をコイル2に密着させて位置決めし易く、配置し易い。
(5)端面介在部52のコイル面が十分に大きく、絶縁部材5をコイル2に組み付けるときにコイル2を十分に押えられる。
(6)仕切り部59をガイドに利用でき、絶縁部材5をコイル2に配置し易い。
(7)磁性コア3を構成するコア片の個数が少なく(ここでは4個)、内側コア部31,31及び外側コア部32,32を構成する各コア片がいずれも一体物であり、組立工程数が少ない。
実施形態1では、絶縁部材5A,5Bが同じ形状である形態を説明したが、異なる形状とすることができる。例えば、一方の絶縁部材5Aを下側帯部52dのみとし、他方の絶縁部材5Bを実施形態1と同様とすることができる。この形態は、後述する実施形態2のように樹脂部100を具える場合に、樹脂部100の構成樹脂の充填作業性の向上、樹脂部100との接触面積の増大、一体物の剛性の向上による騒音の低減を図ったり、絶縁部材の材料使用量を低減したりすることができる。
実施形態1では、絶縁部材5が中央帯部52cの中心軸を中心として線対称な形状である形態を説明したが、線対称な形状でなくてもよい。例えば、一方のコイル素子2aに対しては中央帯部と下側帯部とが存在し、他方のコイル素子2bに対しては中央帯部のみが存在する形態が挙げられる。又は、例えば、絶縁部材5の端面介在部52におけるコイル素子2a,2bの周方向に沿った切欠位置及び切欠長さと、内側介在部54a,54bにおけるコイル素子2a,2bの周方向に沿った切欠位置及び切欠長さとが異なった形態などが挙げられる。いずれの形態の絶縁部材も、コイル2を覆わない個所(露出箇所)を増大できる。従って、これらの形態は、後述する実施形態2のように樹脂部100を具える場合に、樹脂部100の構成樹脂の充填作業性の向上、樹脂部100との接触面積の増大、一体物の剛性の向上による騒音の低減を図ったり、絶縁部材の材料使用量を低減したりすることができる。
実施形態1では、絶縁部材5Aがコイル素子2a,2bの一端面側、絶縁部材5Bがコイル素子2a,2bの他端面側に配置される形態を説明したが、一方の絶縁部材が一方のコイル素子2aの一端面側のみに配置され、他方の絶縁部材が他方のコイル素子2bの他端面側のみに配置される形態とすることができる。この形態では、例えば、実施形態1における絶縁部材5A(又は5B)を中央帯部52cの中心軸に沿って切断し、一方のコイル素子に配置可能な部分のみを有する形状の絶縁部材(いわば半割れの絶縁部材)を利用することができる。一方のコイル素子2aの一端面側に配置された(半割れの)絶縁部材によって、一方のコイル素子2aと一方の内側コア部31と一方の外側コア部32とを位置決めできる。他方のコイル素子2bの他端面側に配置された別の(半割れの)絶縁部材によって、他方のコイル素子2bと他方の内側コア部31と他方の外側コア部32とを位置決めできる。この結果、これらの二つの(半割れの)絶縁部材によって、両コイル素子2a,2bと内側コア部31,31との間、両コイル素子2a,2bと外側コア部32,32との間にそれぞれ、所定の間隔を維持できる。この形態は、絶縁部材5によってコイル2を覆わない個所(露出箇所)を更に増大できる。従って、この形態は、後述する実施形態2のように樹脂部100を具える場合に、樹脂部100の構成樹脂の充填作業性の更なる向上、樹脂部100との接触面積の更なる増大、一体物の剛性の向上による騒音の低減を更に図ったり、絶縁部材の材料使用量をより低減したりすることができる。
実施形態2のリアクトルとして、実施形態1のリアクトル1の主要構成部材であるコイル2と磁性コア3との組合体10を覆う樹脂部100(図1)を具える形態が挙げられる。樹脂部100を具える形態は、組合体10を収納するケース(図示せず)と、このケース内に充填されて、組合体10を封止する樹脂部100とを具える形態、又はケースを有しておらず、組合体10の外周を覆ってリアクトルの外周面を形成する樹脂部100を具える形態(ケースレス形態)が挙げられる。樹脂部100を具える形態は、組合体10の外部環境からの保護(耐食性の向上、埃などからの保護)や機械的強度の保護、材質や厚さによっては放熱性の向上、振動の抑制による騒音の低減・抑制などを図ることができる。
実施形態1では、コイル2が二つのコイル素子2a,2bを具える形態を説明したが、コイル素子を一つのみ具える形態とすることができる。この場合、磁性コアは、このコイル素子内に配置される一つの柱状の内側コア部と、内側コア部の両端面を連結するように配置される外側コア部とを具えるものが挙げられる。内側コア部は、複数のコア片を組み合わせて構築することもできるが、実施形態1のように一体物(一つのコア片)であると、部品点数が少なく、組立工程数を低減できて好ましい。外側コア部も、一体物(一つのコア片)とすると部品点数を少なくできる。この場合、外側コア部は、例えば、Π字状などとすることが挙げられる。又は、外側コア部は、複数のコア片を組み合わせて構築することができる。例えば、外側コア部は、有底筒状のコア片と、この筒状のコア片の一端面と内側コア部の一端面とを連結する板状のコア片とを具える形態、筒状のコア片及び上記板状のコア片を二つ具える形態が挙げられる。これらの形態は、外側コア部をコイルの外周に容易に組み付けられ、組立作業性に優れる。
実施形態1〜3のリアクトルや変形例1〜3のリアクトルは、例えば、車両などに載置されるコンバータの構成部品や、このコンバータを具える電力変換装置の構成部品に利用することができる。
2 コイル 2a,2b コイル素子 2r 連結部 2w 巻線
3 磁性コア 31 内側コア部 31e 端面 32 外側コア部 32e 内端面
5,5A,5B 絶縁部材 52 端面介在部 52c 中央帯部 52u 上側線部
52d 下側帯部 54,54a,54b 内側介在部
56,56a,56b,56c,56d コア間介在部 58 位置決め部 59 仕切り部
1100 電力変換装置 1110 コンバータ 1111 スイッチング素子
1112 駆動回路 L リアクトル 1120 インバータ
1150 給電装置用コンバータ 1160 補機電源用コンバータ
1200 車両 1210 メインバッテリ 1220 モータ 1230 サブバッテリ
1240 補機類 1250 車輪
Claims (8)
- 巻線を螺旋状に巻回してなる一対の筒状のコイル素子を、その各軸が平行するように並列に備えるコイルと、
前記一対のコイル素子の内側にそれぞれ配置される内側コア部と、前記コイルが配置されない外側コア部とを有する磁性コアと、
前記コイルと前記磁性コアとの間に介在される絶縁部材とを具え、
前記絶縁部材は、
両コイル素子における一方の環状の端面と前記外側コア部との間に介在される端面介在部と、
各コイル素子と各内側コア部との間にそれぞれ介在されて両者を位置決めする内側介在部と、
並列された前記両コイル素子の端面を渡るように配置される部分とが一体に形成されており、
前記端面介在部は、前記各コイル素子における前記環状の端面に沿って、その周方向の一部にのみ配置され、
前記内側介在部は、前記各コイル素子における筒状の内周面に沿って、その周方向の一部にのみ配置されるリアクトル。 - 前記コイルと前記磁性コアとの組合体を覆う樹脂部を具え、
前記環状の端面と前記外側コアとの間において前記端面介在部が配置されない領域、及び前記コイルの内周面と前記内側コア部との間において前記内側介在部が配置されない領域に前記樹脂部の構成樹脂が充填されている請求項1に記載のリアクトル。 - 前記内側コア部は、磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料から構成された一体物であり、
前記絶縁部材は、前記内側コア部と前記外側コア部との間に介在されて両者間を一定の間隔に位置決めするコア間介在部を具える請求項1又は請求項2に記載のリアクトル。 - 前記内側コア部は、圧粉成形体から構成されている請求項1又は請求項2に記載のリアクトル。
- 前記端面介在部は、前記外側コア部を位置決めする位置決め部を具える請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のリアクトル。
- 前記内側介在部は、切欠き、又は貫通孔を具える請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のリアクトル。
- 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のリアクトルを具えるコンバータ。
- 請求項7に記載のコンバータを具える電力変換装置。
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