JP6114727B2 - リアクトル - Google Patents
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(a) コアとその周囲に装着されたコイルとを有するリアクトル本体。
(b) 前記リアクトル本体の収容部材。
(c) 前記リアクトル本体における対向する2辺にそれぞれ設けられて、前記リアクトル本体と前記収容部材を可動的に固定する第1の固定部。
(d) 前記リアクトル本体における前記複数の第1の固定部の間に設けられて、前記リアクトル本体と前記収容部材を定位置で固定する第2の固定部。
[1.1 構成]
以下、本発明の第1実施形態について、図面を参照して説明する。
図1及び図2に示すように、本実施形態のリアクトルは、上面が開口したアルミニウムなどの金属製のケース2と、その内部に収容されたリアクトル本体1と、ケース2とリアクトル本体1との間に注入固化された充填材3とを有する。
リアクトル本体1は、図3に示す通り、2つのU字形コア4a,4bと2つのT字形コア5a,5bを組み合わせて成るθ状の環状コアと、環状コアの脚部に巻回された2つの連結コイル6a,6bとを備える。リアクトル本体1は、2つの長辺と2つの短辺とを有する角丸長方形(角が丸くなっている長方形)をしており、ケース2もそれに合わせて上面が開口した直方体をしている。
図4に示すとおり、環状コアは、U字形コア4a,4bの両端部とT字形コア5a,5bの左右の端部を突き合わせ、その間にスペーサ8を配置して接着すると共に、対向するT字形コア5a,5bの中央突起部7a,7b間に所定のギャップ10が形成されるように組み合わせる。これにより、環状コアには、対向する一対のヨーク部と、ヨーク部と平行に設けられた中央の中脚と、中脚の両側にそれぞれ設けられた一対のコイル6a,6b装着用の脚部(以下、外脚という)が形成されている。本実施形態のU字形コア4a,4b及びT字形コア5a,5bとしてはダストコアを使用するが、その他フェライトコアやケイ素鋼を積層した積層コアを単独あるいは組み合わせて用いることができる。また、スペーサ8を用いることなく、U字形コア4a,4bの両端部とT字形コア5a,5bの左右の端部を直接突き合わせても良い。ギャップ10も、エアギャップでも、スペーサを設けたギャップでも良い。
図1及び図2に示すように、2つの連結コイル6a,6bは、U字形コア4a,4bの外脚を構成する部分に、中脚を挟んでその両側にそれぞれ装着されている。各連結コイル6a,6bは、図13に示すように、1本の導体を使用して2つのコイル6a−1,6a−2または6b−1,6b−2を形成したもので、環状コアに装着した状態では、1本の導体が一方の外脚の外周に巻回されて第1のコイル6a−1,6b−1を形成し、同じ導体が反対側の外脚に巻回されて第2のコイル6a−2,6b−2を形成している。そのため、図1及び図2に示すように、1つのコイル6a,6bの巻き始めの端部11と巻き終わりの端部12が、中脚の両側に一つずつ設けられている。コイル6a,6bの巻き始めの端部11と巻き終わりの端部12には、それぞれバスバーが溶接され、そのバスバーの端部にリアクトルの外部配線が接続される。図13に示すように、2つのコイル6a−1,6a−2または6b−1,6b−2の連結部63は、コイルの巻軸方向と垂直な面において、平角線が同一平面上で連結されている。
U字形コア4a,4bとT字形コア5a,5bは、それぞれ専用の樹脂成型品内部に埋設されている。各コアは、それぞれの樹脂成型品の金型内にセットされた状態で、金型中に樹脂を注入・固化することにより、樹脂成型品と一体的に形成されている。樹脂成型品は、各コアとコイル6a,6bを絶縁する部材であると共に、リアクトル本体1をケース2に固定するための支持部材を固定した部材でもある。樹脂成型品の主材料としては、例えば、不飽和ポリエステル系樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、BMC(バルクモールディングコンパウンド)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PBT(ポリブチレンテレフタラート)等を用いることができる。
図1に示すとおり、リアクトル本体1は、各樹脂成型品に一体化された支持金具18と、ボルト23などの固定部材によってケース2に固定されている。第1の固定部Aは、リアクトル本体1の対向する2辺、本実施形態では、リアクトル本体1の短辺(ヨーク部)にそれぞれ設けられて、リアクトル本体1とケース2とに線膨張差による一定の力が加わった場合に、両者の相対位置が変化できるように可動的に固定している。第2の固定部Bは、2つの第1の固定部Aの間、本実施形態では、リアクトル本体1の対向する各長辺(外脚)の中央部近傍に設けられて、リアクトル本体1とケース2とをその相対位置が変化しないように定位置で固定している。
アーム24a,24bを備えている。基部は樹脂成型品に固定されており、その先端部が樹脂成型品からケース2側に向かって外方に突出している。すなわち、本実施形態において、支持金具の基部は、リアクトル本体1からの支持金具18の突出方向(リアクトル本体の外方)に対して、直交方向に伸びている。
リアクトル本体1を収容するケース2は、図1及び図2に示す通り、上面に開口を有する箱型に形成されており、リアクトル本体1の大きさに合わせた寸法の収容空間を有する。ケース2の上部には、リアクトル本体1をケース2に固定するためのボルト23を締結するためのねじ穴26が設けられている。ケース2は熱伝導性の高い金属で形成され、リアクトル本体1を収容するとともにリアクトル本体1から発生する熱の放熱部材としての機能を有する。熱伝導性の高い金属としては、アルミニウムやマグネシウムを用いることができる。また、必ずしも金属である必要はなく、熱伝導性に優れた樹脂や、樹脂の一部に金属製の放熱板を埋設したものを使用することも可能である。
リアクトル本体1とケース2との隙間には、充填材3が充填、固化されている。充填材3としては、固化しても多少の弾力性を有する樹脂を使用することが望ましい。例えば、酸化アルミニウムや窒化アルミニウム等の放熱用の材料を混入したエポキシ系、ポリアクリレート系、シリコーン系の樹脂製ポッティング剤をその硬化度を調整することで使用できる。
前記のような構成を有する本実施形態のリアクトルは次のようにして製造する。
まず、樹脂成型品の金型内にU字形コア4a,4bまたはT字形コア5a,5bと、その支持金具18やカラー22をセットし、その後、金型内に樹脂を注入し、固化することで、U字形コア用の樹脂成型品13a,13bとT字形コア用の樹脂成型品14a,14bを作製する。
上記のような構成を有する本実施形態のリアクトルの効果は、以下のとおりである。
(1)ギャップ長比B/Aと断面積比D/C
本実施形態の磁気結合型リアクトルを昇圧用コンバータとして使用した場合において、下記の条件でギャップ長比B/Aと漏れ磁束との関係を測定した。漏れ磁束の測定点は、図15に示す通り、リアクトルの外周面から10mm離れた8箇所のポイントについて、代表値である(1)〜(3)の漏れ磁束と、(1)〜(8)の全周囲の漏れ磁束の合計値を測定した。
なお、本発明は、中脚にギャップ10を設けることを前提としているが、比較のために、ギャップ長比B/A=0.0(中脚にギャップを設けない)の場合の漏れ磁束も測定した。
巻数:40ターン(連結コイル1個当たりの巻回数、各外脚に20ターンずつ)
電流:平均電流95A(各コイルに対して)
電圧:DC250V(入力)⇔DC630V(昇圧後の出力)
周波数:8kHz
U字形コアの断面積:11.14cm2
対向する外脚の間隔:25.9mm
対向するヨーク部の間隔:96.64mm
巻線の肉厚:1.3mm 幅:8.0mm
コアの材質:合金系ダストコア
本実施形態では、環状コアの外脚に装着するコイルとして連結コイル6a,6bを使用している。この連結コイル6a,6bが銅損の低減に与える影響について、図20(a)〜(c)の各リアクトルについて検証した。
図20(a)は、2つのU字形コア4a,4bから成る環状コアの脚部にコイル6−1,6−2を装着したリアクトル。
図20(b)は、2つのU字形コア4a,4bから成る環状コアの脚部に2つの連結コイル6a,6bを装着することにより、環状コアの脚部に4つのコイル6a−1〜6b−2を装着したリアクトル。
図20(c)は、本実施形態のリアクトルであって、2つのU字形コア4a,4bに2つのT字形コア5a,5bを組み合わせることで、中脚を有するθ形の環状コアを形成し、その外脚に連結コイル6a,6bを装着することで、中脚を有する環状コアの脚部に4つのコイル6a−1〜6b−2を装着したものである。
本実施形態では、中脚にギャップ10を設けている。このギャップの存在が、リアクトルの特性に与える影響について説明する。図23は、前記図20(c)に示す磁気結合型リアクトルにおいて、各コアの形状やコイルの巻き数などは同一として、対向するT字形コア5a,5bの間にギャップ10を設けた場合と、設けない場合について、その片側リップル電流を計測した結果を示すものである。図23から分かるように、ギャップがないと結合係数が下がり、コアが飽和しやすくなるため、リップル電流が大きくなるのに対して、本実施形態のようにギャップ10を設けた場合には、リップル電流が低下する。具体的には、ギャップがない場合は82Ap−p(ピーク・ツー・ピーク値)であるのに対して、ギャップがある場合のリップル電流は69Ap−pに低下している。
図22は、図20(a)の対向する外脚にひとつずつコイルを装着したリアクトルと、図20(b)の対向する外脚のそれぞれに2つずつコイルを装着したリアクトルの漏れ磁束のパターンである。この図22から明らかなように、各外脚に2つずつコイルを装着すると、磁束が環状コアの内側を通過するため、リアクトル外部に漏出する磁束が減少していることが分かる。
図22(b)に示すように、外脚に2つのコイルを装着した場合、磁束の流れがコイル毎に分割され、環状コアの内側を通過するので、漏れ磁束を低下することが可能になるが、本実施形態では、図20及び図24のように2つのコイルに加えて、更に中脚を設けたことにより、発生した磁束が中脚を流れることになり、環状コア外部への漏れ磁束をより効果的に低減することが可能となる。
以上述べた通り、本実施形態によれば、環状コアにギャップ10を有する中脚を設け、ギャップ長比B/A及び断面積比D/Cを前記の範囲に設定し、更に連結コイル6a,6bを使用することで、漏れ磁束、銅損及びリップル電流が少ない磁気結合型リアクトルを得ることが可能になる。
本発明は、以上の実施形態に限定されるものではない。以上の実施形態は例として提示したものであって、その他の様々な形態で実施されることが可能である。発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲、要旨、その均等の範囲に含まれる。以下、その一例を示す。
2…ケース
3…充填材
4a,4b…U字形コア
5a,5b…T字形コア
6a,6b…コイル
7a,7b…中央突起部
8…スペーサ
10…ギャップ
11…巻き始めの端部
12…巻き終わりの端部
13a,13b…U字形コア用の樹脂成型品
14a,14b…T字形コア用の樹脂成型品
15…コイル装着部
16…ヨーク被覆部
17…リブ
18…支持金具
181…第1の湾曲部
182…第2の湾曲部
19…コイル装着部
20…中脚被覆部
21…凹部
22…カラー
23…ボルト
24a,24b…アーム
25…連結部
26…ねじ穴
27…挿入孔
30a,30b…突起
A…第1の固定部
B…第2の固定部
Claims (9)
- コアとその周囲に装着されたコイルとを有するリアクトル本体と、
前記リアクトル本体の収容部材と、
前記リアクトル本体における対向する2辺にそれぞれ設けられて、前記リアクトル本体と前記収容部材を可動的に固定する複数の第1の固定部と、
前記リアクトル本体における前記複数の第1の固定部の間に設けられて、前記リアクトル本体と前記収容部材を定位置で固定する第2の固定部を有するリアクトル。 - リアクトル本体の通電時において、前記各第1の固定部にはリアクトル本体と前記収容部材との間に線膨張差が発生し、前記第2の固定部の位置は、前記各第1の固定部のそれぞれに発生する線膨張差の割合が所定値以下の場所である請求項1に記載のリアクトル。
- 前記リアクトル本体が対向する2つの短辺と対向する2つの長辺を有し、前記第1の固定部が前記各短辺にそれぞれ設けられ、
前記第2の固定部が、前記リアクトル本体の中央部近傍に設けられている請求項1または請求項2に記載のリアクトル。 - 前記第2の固定部が、前記2つの長辺のそれぞれに設けられている請求項3に記載のリアクトル。
- 前記コアと一体化された樹脂成型品を備え、前記第1の固定部は、前記樹脂成型品にその一部またはすべてを固定した支持金具と、この支持金具を前記収容部材に固定する固定部材を備えている請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のリアクトル。
- 前記第1の固定部は、その基部が前記樹脂成型品に固定されており、その先端部が前記樹脂成型品からその外方に突出した支持金具と、前記支持金具に設けられ、前記リアクトル本体の長手方向及び平面度差方向の変位を吸収する弾性部を備える請求項5に記載のリアクトル。
- 前記弾性部が、前記リアクトル本体の外方に向かって突出した第1の湾曲部と、前記リアクトル本体の内方に向かって凹んだ第2の湾曲部とを連続して形成した略S字形である請求項6に記載のリアクトル。
- 前記第2の固定部は、前記樹脂成型品に前記第2の固定部を前記収容部に固定する第2の固定部材の挿入孔が形成され、この挿入孔内に挿入された前記第2の固定部材により、前記リアクトル本体と前記収容部材とが固定されている請求項5から請求項7のいずれか1項に記載のリアクトル。
- 前記収容部材が、前記リアクトル本体を収容するケースである請求項1から請求項8のいずれか1項に記載のリアクトル。
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