JP6024878B2 - リアクトル、リアクトル用コイル部品、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1Aを説明する。リアクトル1Aは、巻線2wを螺旋状に巻回してなる一つの筒状のコイル素子を主体とするコイル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とを具え、コイル2と磁性コア3とは、ケース4Aに収納されている。リアクトル1Aは、代表的には、冷却ベースなどの設置対象にケース4Aが設置されて使用される。磁性コア3は、コイル2内に配置された柱状の内側コア部31と、コイル2の外周側に配置された外側コア部32とを具える。ここでは、外側コア部32は、磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料から構成されている。リアクトル1Aの特徴とするところは、ケース4Aを構成する底板部40と壁部41とが一体に成形されておらず独立した部材である点、コイル2とこの底板部40とが樹脂モールド部21によって一体に保持されたコイル部品20Aを具える点にある。以下、各構成を詳細に説明する。
コイル部品20Aは、図2,図3を参照して説明する。実施形態1のリアクトル1Aに具えるコイル部品20Aは、コイル2と、ケース4Aを構成する底板部40と、磁性コア3を構成する内側コア部31と、これらを一体に保持する樹脂モールド部21とを具える。
コイル2は、1本の連続する巻線2wを螺旋状に巻回してなる複数のターンから構成される筒状のコイル素子を具える。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が好適である。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(コイル素子)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、リアクトルの小型化に寄与する。
コイル2の内部に挿通配置される内側コア部31は、図3に示すようにコイル2の内周形状に沿った外形を有する柱状体である。ここでは内側コア部31は、軟磁性金属粉末を利用した圧粉成形体から構成している。詳細は、後述する。
底板部40は、ケース4Aの一部を構成すると共に、コイル2を支持しつつ、放熱経路として機能する板状の部材である。リアクトル1Aを冷却ベースといった設置対象に設置したとき、底板部40の外底面40o(図1(B))が設置対象に接して配置され、その対向面:内底面40iに、コイル2と磁性コア3との組物が配置され、かつその周縁部に後述する壁部41が取り付けられる。ケース4Aの詳細は後述する。そして、この底板部40は、コイル2の表面の一部を覆うように配置され、この配置状態が樹脂モールド部21によって維持される。
樹脂モールド部21は、コイル2の表面の少なくとも一部を覆って、コイル2を一定の形状に保持する。そのため、コイル2は、樹脂モールド部21によって伸縮せず、組立時などで取り扱い易い。また、ここでは、樹脂モールド部21は、コイル2を自然長よりも圧縮した状態に保持する機能も有する。そのため、コイル2は、その長さが自然長よりも短く、小型である。更に、樹脂モールド部21は、絶縁性樹脂から構成されて、コイル2の表面を覆うことで、コイル2とその周辺部材(磁性コア3や底板部40(特に放熱台部401や内底面40i))との間の絶縁性を高める機能も有する。そして、樹脂モールド部21は、コイル2と底板部40とを一体に保持する部材としても機能する。実施形態1のリアクトル1Aでは、更に、樹脂モールド部21は、コイル2と、底板部40と、内側コア部31とを一体に保持する。従って、リアクトル1Aは、このようなコイル部品20Aを利用することで、組立部品の点数が少なく、組立作業性に優れる。
磁性コア3は、主として図1,図2を参照して説明する。磁性コア3は、上述のように柱状の内側コア部31と、内側コア部31の少なくとも一方の端面31e(ここでは両端面)、及びコイル2の外周側に配置されて、コイル部品20Aの外周面(主としてコイル2の外周面)を覆う外側コア部32とを具え、コイル2を励磁した際に閉磁路を形成する。
ここでは、内側コア部31は、コイル2の軸方向の長さよりも若干長いため、コイル2内に挿通配置された状態において、両端面31e及びその近傍の外周面がコイル2の端面から若干突出しており、この状態が樹脂モールド部21によって維持されている。内側コア部31においてコイル2の各端面から突出する長さ(以下、突出長さと呼ぶ)は、適宜選択することができる。ここでは、突出長さを等しくしているが、異ならせてもよいし、コイル2のいずれか一方の端面からのみ突出部分が存在するように、内側コア部の長さやコイルに対する内側コア部の配置位置を調整することができる。内側コア部の長さがコイルの長さと同等以上であると、コイル2がつくる磁束を内側コア部31に十分に通過させられる。
ここでは、外側コア部32は、ケース4Aの内周面と、コイル部品20Aの外周面においてケース4Aに収納された部分とがつくる空間に沿った形状である。コイル部品20Aにおいて、ケース4Aの外表面(底板部40の側面及び外底面40o)、及び巻線2wの両端部を除く領域は、外側コア部32に覆われている。外側コア部32の一部が内側コア部31の両端面31eに連結するように設けられていることで、磁性コア3は閉磁路を形成する。
上述のように構成材料が異なることで、磁性コア3は、部分的に磁気特性が異なっている。ここでは、内側コア部31は、外側コア部32よりも飽和磁束密度が高く、外側コア部32は、内側コア部31よりも比透磁率が低い。具体的には、圧粉成形体から構成される内側コア部31は、飽和磁束密度:1.6T以上、かつ外側コア部32の飽和磁束密度の1.2倍以上、比透磁率:100以上500以下、複合材料から構成される外側コア部32は、飽和磁束密度:0.6T以上内側コア部31の飽和磁束密度未満、比透磁率:5以上50以下、好ましくは10以上30以下、内側コア部31及び外側コア部32からなる磁性コア3全体の比透磁率は10以上100以下である。内側コア部の飽和磁束密度が高い形態は、全体の飽和磁束密度が均一的な磁性コアと同じ磁束を得る場合、内側コア部の断面積を小さくできるため、リアクトルの小型化に寄与することができる。この形態では、内側コア部31の飽和磁束密度は、1.8T以上、更に2T以上が好ましく、外側コア部32の飽和磁束密度の1.5倍以上、更に1.8倍以上が好ましい。圧粉成形体に代えて、珪素鋼板に代表される電磁鋼板の積層体を利用すると、内側コア部の飽和磁束密度を更に高め易い。一方、外側コア部32の比透磁率を内側コア部31よりも低くすると、磁気飽和を抑制できるため、例えば、ギャップレス構造の磁性コア3とすることができる。ギャップレス構造の磁性コア3とすると漏れ磁束を低減できる。
コイル2と磁性コア3との組物を収納するケース4Aは、ここでは、板状の底板部40(図3)と、底板部40から立設される枠状の壁部41とが独立した部材であり、適宜な固定材によって一体化される。ここでは、ケース4Aは、壁部41と蓋部42とが一体成形された容器43を具えており、容器43を底板部40に取り付けることで、上述の組物は、その全周がケース4Aに覆われる。
上記構成を具えるリアクトル1Aは、通電条件が、例えば、最大電流(直流):100A〜1000A程度、平均電圧:100V〜1000V程度、使用周波数:5kHz〜100kHz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。
車載部品とする場合、リアクトル1Aは、ケース4Aを含めた容量が0.2リットル(200cm3)〜0.8リットル(800cm3)程度であることが好ましい。本例では、約540cm3である。
リアクトル1Aは、例えば、以下のようにして製造することができる。ここでは、まず、図3に示すコイル2と内側コア部31と底板部40とをそれぞれ用意し、樹脂モールド部21(図2)によって一体に成形したコイル部品20A(図2)を作製する。
リアクトル1Aは、コイル2とケース4Aを構成する底板部40とが樹脂モールド部21によって一体に保持されることから、ケース4Aに対して、コイル2の配置状態が安定している。特に、リアクトル1Aのように横型収納形態であっても、コイル2が安定している。そのため、底板部40に固定されたコイル2の熱を、底板部40を介して効率よく設置対象に伝えられる。従って、リアクトル1Aは、磁性コア3の一部(ここでは外側コア部32)が磁性体粉末と樹脂とを含有する複合材料から構成されており、この複合材料にコイル2が覆われていても、放熱性に優れる。
(1)コイル2・内側コア部31・底板部40(放熱台部401)が一体化されたコイル部品20Aを覆うといった複雑な形状であっても、外側コア部32を容易に形成できる。
(2)容器43を成形型とした注型成形を利用することで、製造工程を低減でき、生産性に優れる。
(3)外側コア部32の磁気特性を容易に変更可能である。
(4)コイル部品20A(コイル2)の外周を覆う材料が磁性体粉末を含有するため、樹脂だけの場合よりも熱伝導率が高く放熱性に優れる。
図4を参照して実施形態2のリアクトル1Bを説明する。実施形態2のリアクトル1Bの基本的構成は、実施形態1のリアクトル1Aと同様であり、一つの筒状のコイル素子を主体とするコイル2と内側コア部31と放熱台部401を具える底板部40とが樹脂モールド部21によって一体に保持されたコイル部品20Aを具える。また、リアクトル1Bでは、コイル部品20A(コイル2)の外周側が、磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料から構成された外側コア部32によって覆われ、更にケース4Bに囲まれている。このケース4Bは、底板部40と壁部41とが別部材であり、適宜な固定材により一体に接続される。実施形態2のリアクトル1Bにおける実施形態1との主たる相違点は、ケース4Bが蓋部を有しておらず、開口した有底筒状である点にある。以下、相違点を中心に説明し、実施形態1と同様な構成及び効果は、説明を省略する。
図5,図6を参照して実施形態3のリアクトル1Cを説明する。実施形態3のリアクトル1Cの基本的構成は、実施形態2のリアクトル1Bと同様であり、一つの筒状のコイル素子を主体とするコイル2と内側コア部31と放熱台部401を具える底板部40とが樹脂モールド部21によって一体に保持されたコイル部品20Cを具える。また、リアクトル1Cでは、コイル部品20C(コイル2)の外周側が、磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料から構成された外側コア部32によって覆われている。このコイル部品20Cは、底板部40と壁部41とが適宜な固定材により一体化された有底筒状のケース4Cに収納されている。実施形態3のリアクトル1Cにおける実施形態2との主たる相違点は、コイル部品20Cが放熱台部401に加えて蓋側台部5を具える点、及び蓋側台部5に取り付けられる蓋部42Cを具える点にある。以下、相違点を中心に説明し、実施形態2と同様な構成及び効果は、説明を省略する。なお、図6では、外側コア部を省略している。
上記実施形態1〜3は、内側コア部31が圧粉成形体から構成され、外側コア部32のみが複合材料から構成された形態を説明した。その他、内側コア部も磁性体粉末と樹脂とを含有する複合材料により構成された形態、つまり、磁性コアの全てが複合材料で構成された形態とすることができる。この場合、例えば、内側コア部と外側コア部とは、同じ複合材料により構成することができる。この場合、各コア部を構成する複合材料の磁性体粉末の含有量は、40体積%以上70体積%以下、飽和磁束密度は0.6T以上、比透磁率は5以上50以下、好ましくは10以上30以下とすることができ、磁性コア全体の比透磁率は、5以上50以下とすることができる。また、この場合、実施形態2で説明したようにケースを成形型として、内側コア部及び外側コア部の双方を一体成形してもよいし、それぞれを複合材料からなる成形体としてもよい。
上記実施形態1〜4は、コイル素子を一つ具える形態を説明した。その他、図7,図8に示すコイル2B,2Cのように、巻線2wを螺旋状に巻回してなる一対のコイル素子2a,2bを具える形態とすることができる。コイル2B,2Cの主な相違点は端面形状である。図7に示すコイル2Bの各コイル素子2a,2bの端面形状は、角部を丸めた矩形状、図8に示すコイル2Cの各コイル素子2a,2bの端面形状は、実施形態1と同様にレーストラック状である。
コイル素子2a,2bを二つ具える場合も、実施形態4のように磁性コアの全てが複合材料で構成された形態とすることができる。この場合、各コイル素子2a,2b内にそれぞれ配置される内側コア部、及びコイル素子2a,2b外に配置される外側コア部は、いずれも複合材料からなる成形体とし、複数の成形体を組み付ける形態、又は内側コア部を成形体とし、外側コア部を上述のようにケースを成形型として成形した形態とすることができる。また、内側コア部と外側コア部とは、同じ複合材料により構成することができる。この複合材料の磁性体粉末の含有量は、40体積%以上70体積%以下、飽和磁束密度は0.6T以上、比透磁率は5以上50以下、好ましくは10以上30以下とすることができ、磁性コア全体の比透磁率は5以上50以下とすることができる。この場合、ケースを成形型として、内側コア部及び外側コア部の双方を一体成形すると、組付作業を省略できる。
上記実施形態1では、横型収納形態を説明したが、実施形態1〜6のいずれも、縦型配置形態とすることができる。縦型配置形態は、設置対象に対する接触面積を小さくし易く、設置面積の小型化を図ることができる。
上記実施形態1では、内側コア部31をも一体に具えるコイル部品を説明した。その他、実施形態1〜6のいずれも、内側コア部31,31a,31bを有していないコイル部品、つまり、コイルと底板部とが樹脂モールド部によって保持され、かつ内側コア部31,31a,31bが挿通配置される中空孔を有するコイル部品とすることができる。このコイル部品の製造には、上述した内側コア部31に代わって中子を利用するとよい。また、コイル2(コイル素子)の内側に設ける樹脂の厚さを調整して中空孔を形成することで、上記樹脂を内側コア部31,31a,31bの位置決めに利用できる。
実施形態1〜6や変形例1,2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。
2,2B,2C コイル 2w 巻線 2a,2b コイル素子 2r 連結部
20A,20C コイル部品 21 樹脂モールド部
3 磁性コア 31,31a,31b 内側コア部 31e 端面 32 外側コア部
32a,32b 分割成形体 32c 一体成形体 320,320c 接合面
321 コイル被覆面 322 台部被覆面
4A,4B,4C ケース 40,40B,40C 底板部 40i 内底面 40o 外底面
41 壁部 42,42C 蓋部 42h 巻線孔 42b ボルト孔 43 容器
400,410 取付部 401,401a,401b,401c 放熱台部
401e 端面 401s 側面 402 支持面
5 蓋側台部 50 固定孔
100,110 ボルト
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 (11)
- 筒状のコイルと、
前記コイルの内外に配置されて閉磁路を形成する磁性コアと、
前記コイルと前記磁性コアとを収納するケースとを具えるリアクトルであって、
前記磁性コアの少なくとも一部は、磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料から構成されており、
前記ケースは、
非磁性金属材料から構成されており、前記コイルと前記磁性コアとの組物が配置される底板部と、
前記底板部とは独立した部材であり、この底板部に取り付けられて、前記組物の周囲を囲む壁部とを具え、
前記コイルは、前記底板部の外底面に対して前記コイルの軸が平行するように前記ケースに収納され、
前記底板部は、前記コイルの外周面に沿った支持面が設けられた放熱台部を具え、
絶縁性樹脂から構成されており、前記コイルの外周の少なくとも一部を覆って、その形状を保持すると共に、前記コイルと前記底板部とを一体に保持する樹脂モールド部を具え、
前記コイルと前記底板部とは前記樹脂モールド部によって一体化されたコイル部品であるリアクトル。 - 前記コイルは、横並びされた一対の筒状のコイル素子を具え、
前記磁性コアは、前記複合材料から構成されている請求項1に記載のリアクトル。 - 前記コイルは、筒状のコイル素子を一つのみ具え、
前記磁性コアのうち、前記コイル素子の外周側に配置される箇所の少なくとも一部は、前記複合材料から構成されており、
前記コイル素子の外周のうち、前記複合材料に覆われる箇所は、前記樹脂モールド部の構成樹脂によって覆われている請求項1に記載のリアクトル。 - 前記底板部において前記樹脂モールド部に覆われる被覆領域の少なくとも一部に粗面化処理が施されている請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のリアクトル。
- 前記壁部の開口部を覆う蓋部と、
非磁性金属材料から構成されており、前記樹脂モールド部の構成樹脂によって前記コイルと一体に保持され、前記蓋部が取り付けられる蓋側台部とを具える請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のリアクトル。 - 前記ケースは、前記壁部と一体に成形された蓋部を具える請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のリアクトル。
- 前記磁性コアのうち、前記コイルの内側に配置される内側コア部は、前記樹脂モールド部の構成樹脂によって前記コイルと一体に保持されている請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のリアクトル。
- 前記ケースは、前記リアクトルを設置対象に固定するための取付部を一体に具える請求項1から請求項7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8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9に記載のコンバータを具える電力変換装置。
- 筒状のコイルと、このコイルの内外に配置されて閉磁路を形成する磁性コアとがケースに収納されたリアクトルに利用されるリアクトル用コイル部品であって、
筒状のコイルと、
非磁性金属材料から構成されており、前記ケースにおいて前記コイルと前記磁性コアとの組物が配置される底板部と、
絶縁性樹脂から構成されており、前記コイルの外周の少なくとも一部を覆って、その形状を保持すると共に、前記コイルと前記底板部とを一体化する樹脂モールド部と、
前記底板部に設けられ、前記コイルの外周面に沿った支持面を有する放熱台部とを具え、
前記コイルは、前記底板部の外底面に対して前記コイルの軸が平行するように配置されるリアクトル用コイル部品。
但し、前記磁性コアの少なくとも一部は、磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料から構成されるものとする。また、前記ケースの底板部には、この底板部とは独立した部材であって、前記組物の周囲を囲む壁部が取り付けられるものとする。
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