JP6229319B2 - リアクトル、リアクトル用のコア片、コンバータ、および電力変換装置 - Google Patents
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Description
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
(1)実施形態に係るリアクトルは、コアとコイルとを備えるリアクトルであって、コアの少なくとも一部を構成するコア片が、磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料である。コア片は、コイル配置部と、露出部と、面取り部とを備える。コイル配置部は、コイルの内側に挿通される。露出部は、コイル配置部と一体に成形され、コイル端面の少なくとも一部を覆うようにコイルの外側に配される。面取り部は、隅部に形成される。隅部は、コイル配置部と露出部のコイル端面の少なくとも一部に対向する部分とにより構成される。
本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
実施形態1では、図1から図4を参照し、本実施形態のリアクトル及びリアクトル用のコア片を説明する。このリアクトルは、図示しない冷却ベースなどの設置対象に取り付けられ、図4では、図の下方が設置対象側、上方がその反対側である。
図4に示すように、本実施形態のリアクトル1aは、コイル2と、複数のコア片3a,3aを組み合わせたコア3とを備える。各コア片3a,3aは、磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料で構成される。いずれのコア片も、後述するように、互いに一体に成形されるコイル配置部と露出部とを備え、両者で構成される隅部に面取り部を有する。
コイル2は、巻線を螺旋状に巻回して構成される。本実施形態のコイルでは、一対のコイル素子2A,2Bと、両コイル素子2A,2Bを連結するコイル素子連結部2rとを備える。各コイル素子2A,2Bは、互いに同一の巻数、同一の巻回方向で中空筒状に形成され、各軸方向が平行するように横並びに並列されている。また、コイル素子連結部2rは、コイル2の他端側(図3において紙面右側)において両コイル素子2A,2Bを繋ぐU字状に屈曲された部分である。このコイル2は、接合部の無い一本の巻線を螺旋状に巻回して形成しても良いし、各コイル素子2A,2Bを別々の巻線により作製し、各コイル素子2A,2Bの巻線の端部同士を半田付けや圧接などにより接合することで形成しても良い。巻線の両端部2a,2bは、ターン形成部分から上方に引き延ばされて、図示しない端子部材に接続される。この端子部材を介して、コイル2に電力供給を行なう電源などの外部装置(図示せず)が接続される。
図1および図3下段に示すように、本実施形態のコア片3aは、上面視したときに略U字状の形状である。このコア片3aは、コイル配置部31,31と、露出部32と、面取り部33とを備える。リアクトル1aにおいては、2つのコア片3a,3aのコイル配置部31,31を、それぞれコイル素子2A,2Bの両端側からコイル素子2A,2Bの内部に挿入する。この際、対向するコイル配置部31の端面(コア対向面)同士を接合することで、環状のコア3となり、リアクトル1aに閉磁路を形成することができる。以下、上述した各部につき説明する。
図1に示すように、コイル配置部31,31は、コア片3aの一部であって、コイルの内側に挿通される部分である。ここでは、略直方体状のコイル配置部31,31とし、その端面形状は、コイル素子2A,2Bの端面における中空部分の形状に対応した略長方形状である。コイル配置部31,31はそれぞれ、コイル素子2A,2Bの軸方向の長さの約半分の長さを有する。また、コイル配置部31,31のコイル内周面に対向する面(コア周回面)の周縁は、角落とし部が形成されている。この角落とし部については後述する。
露出部32は、コア片3aの一部であって、コイル2の外側に配される部分である。露出部32は、上記コイル配置部31,31と一体に成形される。本実施形態における露出部は、台形柱状の形状である。この露出部32は、基部32aと突出部32bとを備える。以下の説明において、露出部の表面のうち、各コイル素子の端面と対向する面を、露出部のコイル対向面、基部のコイル対向面、突出部のコイル対向面と言うことがある。
基部とは、露出部の一部であって、次の要件を満たす部分のことである。コイルとコアとを組み合わせた状態において、コア片のうち、コイルの軸方向に実質的に沿った部分を脚部とする。このコア片をコイルの軸方向から見た場合、露出部のうち、全ての脚部の包絡輪郭S内に位置する部分を基部とする。別な表現をすれば、基部はコイル端面の少なくとも一部を覆う面(基部のコイル対向面)を有する部分であり、脚部は基部のコイル対向面から基部と交差する方向に突出される部分である。例えば、実施形態1のコア片3aの場合、図1に示すように、各コイル配置部31,31が脚部である。また、図2に示すように、コア片3aをコイル2の軸方向から見た場合において、露出部32のうち、両コイル配置部31,31の包絡輪郭S(実線参照)内に位置する台形柱状の部分が基部32aとなる。換言すれば、露出部32のうち、両コイル配置部31,31の下面の延長面よりも上方の部分が基部32aである。この基部32aのコイル対向面とコイル配置部31,31の外周面との間には2つの隅部が構成され、各隅部に後述する面取り部33aが形成される。
突出部とは、露出部のうち、基部からコイルの軸方向と交差する方向に突出する部分のことである。例えば、実施形態1のコア片3aの場合、図1および図2に示すように、露出部32のうち、基部32aから下方側に突出している台形柱状の部分が突出部32bである。突出部32bのコイル対向面は、基部32aのコイル対向面と面一になっている。また、突出部32bの下面は、コイル配置部31の下面よりも低くなっている。これにより、各コイル配置部31,31の下面と突出部32aのコイル対向面とにより2つの隅部が構成され、各隅部に後述する面取り部33bが形成される。なお、本実施形態では、コア片3aをコイル2に組み付けたとき、コア片3aの露出部32の下面(すなわち突出部32bの下面)がコイル2の下面と面一になる。
面取り部は、脚部と基部又は突出部とで構成される隅部に形成され、この隅部におけるコア片の急峻な方向変換を緩和して、隅部からの漏れ磁束を低減するための部分である。実施形態1では、面取り部33は、コイル配置部31,31と露出部32のコイル端面の少なくとも一部に対向する部分とにより構成される隅部に形成される。より具体的には、面取り部33は、面取り部33a、面取り部33b、および、面取り部33rから構成される。面取り部33aは、各コイル配置部31,31の外周面のうち、両コイル配置部が互いに対向し合う内側面と、基部32aのコイル対向面とにより構成される隅部に形成される。面取り部33bは、コイル配置部31,31の下面と、突出部32bのコイル対向面とにより構成される隅部に形成される。面取り部33rは、面取り部33a、面取り部33bの各々の両端部に形成される。この面取り部33rは、後述する角落としの項目で合わせて説明する。
図1および図3下段に示すように、コイル配置部31,31のコア周回面の周縁のうち、コイル素子2A,2Bの内側の隅部(以下、隅R部という)に対向する8つの辺は、この隅R部の形状に沿うように角落としされている。この8つの角落としされた辺のうち、露出部32と隅部を形成する6つの辺における露出部32の近傍の領域を面取りすることで、6つの面取り部33rが形成される。ここでは、この6つの面取り部33rの面取り形状は、上述の面取り部33a,33bと同様の形状としている。
本実施形態でコア片3aを構成する複合材料とは、樹脂中に、磁性体粉末を構成する粒子が分散した構成を備える磁性体である。
その他のコア片の構成として、このコア片を射出成形により製造した場合に、上記複合材料の注入跡を備えることが挙げられる。図3上段に、金型から取り出した状態のコア片3a’を示す。このコア片3a’は、金型のキャビティ内に複合材料を導入するためのスプルー、ランナー、およびゲート等により成形されたバリBを備える。このバリBを折り取ることで、突出部32bに複合材料の注入跡32mが形成されたコア片3aとなる。この注入跡は、通常、研磨処理されるが、その場合でも研磨跡として残る。なお、本実施形態では、金型における複合材料の注入口を、突出部32bを形成する領域の下面に設けている。
(1)隅部を面取りして面取り部33とすることで、隅部から発生する漏れ磁束を低減することができる。隅部では磁束が急激に曲がるので、漏れ磁束が発生しやすい。よって、この急激な曲がりを緩和するために隅部を面取り部33とすることで、漏れ磁束を低減することができる。
実施形態2では、図5から図7を参照し、実施形態1と異なる構成のコア片3bを備えるリアクトル1bを例に用いて説明する。
図7に示すように、本実施形態のリアクトル1bは、基本的には実施形態1に記載のリアクトル1aと同様の構成を備えるが、コア片3bが、上方にも突出部32cを備える点、およびコイル配置部31が、コイル配置部31の露出部32側の端面からその反対側の端面に向かって傾斜する傾斜面を備える点が実施形態1のコア片3aと異なる。その余の点は実施形態1のリアクトル1aおよびコア片3a同様であるため説明は省略し、以下では突出部32cと傾斜面につき説明する。
(1)突出部32cを設けない場合と比べて、コア3の体積を同一としつつも基部32aのコイル軸方向の大きさ(長さ)を小さくすることができる。さらに、突出部32cのコイル側の端面を基部32aのコイル側の端面と面一とせず、基部32aの上面において、コイル2から離れた側にのみ突出部32cを設けることで、コイル素子連結部2rと突出部32cとが干渉しない。以上より、リアクトル1bは、長さや高さが過度に大きくなることもなく、小型なリアクトルとすることができる。
実施形態3では、図8および図9を参照し、実施形態1と異なる構成のコア片3c、およびこのコア片3cを組み合わせたコア3を備えるリアクトル1cを説明する。実施形態3に係るリアクトル1cは、一対のいわゆるE型コア片3cを組み合わせてコア3を構成している。
図8に示すように、本実施形態のリアクトル1cは、コイル2と、コア3を構成する複数のコア片3c,3cとを備える。各コア片3c,3cは、磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料で構成される。いずれのコア片3c,3cも、後述するように、互いに一体に成形されるコイル配置部31と、露出部32とを備える。露出部32は、基部32aと外側脚部32d,32dとを備える。そして、基部32aとコイル配置部31とで構成される隅部に面取り部33aを、基部32aと外側脚部32d,32dとで構成される隅部に面取り部33dを有する。
図8に示すリアクトル1cに備わるコイル2は、コイル素子2Cを一つだけ備える。巻線の各端部は、この一つのコイル素子2Cの一端側と他端側から上方に引き出されている。また、各コイル素子2Cの端面形状は、実施形態1のコイル素子2A,2B同様、矩形枠の外側の角部と内側の隅部の各々に丸みを持たせた形状である。
図8および図9に示すように、本実施形態のコア片3cは、上面視したときに略E字状の形状である。このコア片3cは、コイル配置部31と、露出部32と、面取り部33とを備える。露出部32は、基部32aと、一対の外側脚部32d,32dとを備える。図中の二点鎖線は、基部32aと脚部(コイル配置部31、および一対の外側脚部32d,32d)との境界である。リアクトル1cにおいては、2つのコア片3c,3cのコイル配置部31を、それぞれコイル素子2Cの両端側からコイル素子2Cの内部に挿入する。この際、対向するコイル配置部31のコア対向面同士と、対向する外側脚部32d,32dのコア対向面同士とをそれぞれ接合することで、一体のコア3となり、リアクトル1cに閉磁路を形成することができる。以下、上述したコア片3cが備える各部につき説明する。
本実施形態では、コイル配置部31は、実施形態1,2同様に略直方体状の形状としている。また、その端面形状、軸方向の長さ、角落とし部に関しても、実施形態1,2と同様である。
本実施形態における露出部32は、略]状の形状である。この露出部32は、基部32aと外側脚部32dとを備える。以下、外側脚部32dにつき説明する。
外側脚部32dは、露出部32の一部である。換言すれば、コアの脚部のうち、コイル2の外周の側面の一部を覆う部分をいう。本実施形態では、外側脚部32d,32dは、コイル2を挟んでコイル配置部31と並列される略直方体形状の部分であり、コイル軸方向の長さはコイル配置部31同様に、コイルの半分程度の長さとなっている。よって、上述したように、複数のコア片3c,3cを組み合わせることで一体のコア3となる。コア3と組み合されるコイル2Cが生成する磁束は、コイル配置部31を通過し、一方のコア片3cの基部32a、このコア片3cの外側脚部32d,32d、他方のコア片3cの外側脚部32d,32d、このコア片3cの基部32aを順に経て、コイル配置部31に戻る。したがって、リアクトル1cに閉磁路を形成することができる。また、外側脚部32d,32dのコイル配置部31のコア周回面に対向する面の周縁の一部は、角落とし部が形成されている。
本実施形態では、面取り部33は、面取り部33a、面取り部33d、および、面取り部33rから構成される。面取り部33aは、コイル配置部31の外周面のうち、両外側脚部32d,32dと対向し合う内側面と、基部32aのコイル対向面とにより構成される隅部に形成される。面取り部33dは、両外側脚部32d,32dの外周面のうち、コイル配置部31に対向し合う内側面と、基部32aのコイル対向面とにより構成される隅部に形成される。面取り部33rは、面取り部33aの両端部、および、面取り部33dの上方側の端部に形成される。
以下、図10を参照し、実施形態1を変形した変形例1について説明する。
本変形例のリアクトル1dは、一対のコイル素子2A,2Bを備えるコイル2を備える点は実施形態1と同様であるが、同一の形状を有する内側コア片3d,3dと、同一の形状を有する2つの外側コア片3e,3eとを組み合わせたコア3としている点が実施形態1のリアクトルと異なる。以下、実施形態1のリアクトル1aと異なる点である、内側コア片3dおよび外側コア片3eについて説明する。
内側コア片3d,3dは、コイル2の内部に挿通されるコアであって、コイル配置部31の一部である。また、コイル2に組み合された際に、コイル軸方向の両端面の少なくとも一方がコイル端面よりも内側に位置する。本変形例の内側コア片3d,3dは、コイル素子2A,2B内に配置されるコアであり、コイル2の軸方向の両端面がコイル2の両端面よりも内側に位置している。また、本変形例の内側コア片3d,3dは、コア周回面が角落としされている。すなわち、内側コア片3d,3dは、周縁の一部が角落としされている略直方体形状である。このようにすることで、内側コア片3d,3dの周縁の欠損を防止することができる。
本実施形態で内側コア片3d,3dを構成する圧粉成形体は、代表的には、表面に絶縁被膜を有する磁性体粉末を加圧成形した後、適宜熱処理を施すことで製造することができる。圧粉成形体の材料には、鉄基材料や希土類金属を含む合金などの磁性体粉末からなる粒子の表面に絶縁被覆を備える被覆粉末に、熱可塑性樹脂などの樹脂や高級脂肪酸などの添加剤(上記熱処理によって消失、又は絶縁物に変化するもの)を加えた混合材料を用いることが挙げられる。上記製造方法によって、磁性体粒子の周囲が絶縁被覆(例えば、リン酸化合物、珪素化合物、ジルコニウム化合物、アルミニウム化合物、硼素化合物など)で覆われ、当該粒子間に絶縁物が介在する圧粉成形体が得られる。絶縁被覆を備える圧粉成形体は、絶縁性に優れ、渦電流損を低減することができる。また、圧粉成形体の材料には、磁性体粉末としてフェライトの粉末を用いても良い。フェライトを材料とする場合、絶縁被覆を備えていなくても、絶縁性に優れる。
本変形例における外側コア片3e,3eは、上記内側コア片3d,3dと繋がることで環状のコア3を構成するコア片であり、複合材料から構成される。ここで、本変形例に係る外側コア片3eは実施形態1に係るコア片3aと同様の構成であるが、コイル配置部31のコイル軸方向の長さが、実施形態1に係るコア片3aが備えるコイル配置部31のそれよりも短い点が異なる。より詳細に説明すれば、外側コア片3eのコイル配置部31,31の軸方向の長さは、内側コア片3d,3dのコイル軸方向の長さの分だけ、実施形態1に係るコア片3aのコイル配置部31,31よりも短い。そして、内側コア片3d,3dをコイル2の内部に挿入すると共に、コイル2の内部に位置する内側コア片3d,3dのコア対向面と、外側コア片3e,3eのコア対向面(外側コア片3eの脚部のコア対向面)とを接合することで環状のコア3となり、閉磁路を形成することができる。
実施形態4では、図11および図12を参照し、実施形態に係るコンバータおよび電力変換装置について説明する。このコンバータおよび電力変換装置は、実施形態1から実施形態3、および変形例1に示したリアクトルを備える。
(付記1)
コアとコイルとを備えるリアクトルであって、
前記コアの少なくとも一部を構成するコア片が、磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料で構成され、
前記コア片が、
前記コイル端面の少なくとも一部を覆うように前記コイルの外側に配される基部と、
この基部と一体に成形され、前記基部と交差する方向に突出する脚部とを備え、
前記脚部が、前記コイルの内側に挿通されるコイル配置部を含み、
前記脚部と前記基部のコイル端面の少なくとも一部に対向する部分とにより構成される隅部に形成された面取り部を有するリアクトル。
2, コイル
2A,2B,2C コイル素子 2r コイル素子連結部
2a,2b 端部
3 コア
3a,3a’,3b,3c コア片
3d 内側コア片 3e 外側コア片
31,31A,31B コイル配置部
32 露出部
32a 基部 32b,32c 突出部
32d 外側脚部 32m 注入跡
33,33a,33b,33d,33r 面取り部
B バリ S 包絡輪郭
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 (10)
- コアとコイルとを備えるリアクトルであって、
前記コアの少なくとも一部を構成するコア片が、磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料で構成され、
前記コア片が、
コイルの内側に挿通されるコイル配置部と、
このコイル配置部と一体に成形され、前記コイル端面の少なくとも一部を覆うように前記コイルの外側に配される露出部と、
前記コイル配置部と前記露出部のコイル端面の少なくとも一部に対向する部分とにより構成される隅部に形成された面取り部とを備え、
前記リアクトルを前記コイルの軸方向が設置対象に対して平行となるように設置した場合において、前記露出部が、前記リアクトルの設置対象側およびその反対側の少なくとも一方の方向に突出した突出部を含み、
前記突出部が、前記複合材料の注入跡を備えるリアクトル。 - 前記露出部が、
前記コイル端面の少なくとも一部に対向する部分を有する基部と、
前記コイルの外周の一部を覆う外側脚部と、
前記基部のコイル端面の少なくとも一部に対向する部分と前記外側脚部とにより構成される隅部に形成された面取り部とを備える請求項1に記載のリアクトル。 - 前記面取り部の形状が円弧形状であり、この円弧の半径Rが0.5mm以上である請求項1又は請求項2に記載のリアクトル。
- 前記コイルは一対のコイル素子を備え、各コイル素子は互いの軸方向が平行に配置され、
前記コイル配置部が、前記一対のコイル素子のそれぞれの内側に挿通される請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のリアクトル。 - 前記突出部と前記コイル配置部とが構成する隅部に形成された面取り部を備える請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のリアクトル。
- 前記コイル配置部が、前記コイルの端面側から内部側へ傾斜する傾斜面を備える請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のリアクトル。
- 前記コイル配置部、前記露出部および前記面取り部の少なくともいずれかの周縁が角落しされている請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のリアクトル。
- コイルの内側に挿通されるコイル配置部と、
前記コイル配置部と一体に成形され、前記コイル端面の少なくとも一部を覆うように前記コイルの外側に配される露出部と、
前記コイル配置部と前記露出部のコイル端面の少なくとも一部に対向する部分とにより構成される隅部に形成された面取り部とを備え、
磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料から構成され、
前記露出部の下方側及び上方側の少なくとも一方に突出する突出部が設けられ、
前記突出部が、前記複合材料の注入跡を備えるリアクトル用のコア片。 - 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を備えるコンバータ。
- 請求項9に記載のコンバータを備える電力変換装置。
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