JP6318798B2 - リアクトル - Google Patents

Description

本発明は、通電により磁束を発生させるコイルと、磁束の磁路となるコアと、コイルとコアを収容するケースとを備えたリアクトルに関する。

従来から、車両用のインバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電力変換装置に用いられるリアクトルが知られている。リアクトルのコイルに通電すると、コイルおよびコアは発熱する。そして、発熱により温度が上昇すると、リアクトルの作動の安定性が損なわれるという問題があった。そこで、温度上昇を抑制すべくリアクトルに放熱構造を設けることがある。例えば特許文献１に開示されているリアクトルは、円筒形状のコイルとコイルの内周および外周に配置されたコアとケースとを備え、コイルとケースが当接している構造である。このような構成とすることによって、コイルが発生した熱をケースに直接伝導でき、放熱性に優れるリアクトルを提供している。

特開２０１３−９３５４９号公報

上記リアクトルのコイルに通電するとコイルの内周および外周に磁束が形成される。形成された磁束はコイルの外周では、コイルからケースまでの空間を磁路とする。つまり、コイルの外周を覆うコアが磁路となる。しかしながら、特許文献１に開示されているリアクトルは、コイルとケースが当接しているため、両者の間にコアが介在していない。そのため、当該部分を磁気回路として活用できておらず、磁気特性が悪い。したがって、磁気特性と放熱性の両立ができていないという課題がある。

そこで、本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、リアクトルの磁気特性を確保しつつ、放熱性に優れたリアクトルを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載のリアクトルは、通電により磁束を発生させるコイルと、前記コイルの内周および外周に配置され、前記コイルが発生した磁束の磁路となる磁性体のコアと、前記コイル及び前記コアを内部に収容するケースとを備えたリアクトルであって、前記ケースは、前記コイルの四方を囲む側壁部と、前記側壁部の一方の端部には底壁部が設けられ、前記側壁部の他方の端部には開口部が設けられ、前記底壁部は、前記底壁部の厚さ方向に貫通した孔部を有しており、前記コアは、前記孔部に配置される露出コア部を備え前記開口部の開口方向から見たとき、前記コイルは前記孔部の内側に配置されていることを特徴とする。

上記リアクトルは、ケースを構成する底壁部の孔部に配置されたコア（以下、露出コアという）を備えている。そのため、コイルの孔部側端面から底壁部までの領域においてコアの領域を増やす構成、つまり、リアクトルの体格を大きくしてケース内のコアの領域を増やす構成と比較して、リアクトルの体格を大きくせずケース内のコアを配置する領域を増やすことができる。その結果、コイルの孔部側端面より孔部側において磁気回路として活用できる領域を増やすことができる。よって、リアクトルの体格を大きくしケース内のコアを配置する領域を増やす構成と比較して、リアクトルの体格を大きくすることなく、磁気特性の向上を図ることができる。

また、露出コアは、ケースの外に露出している。これにより、底壁部方向において、コイルが発生した熱をコアのみを介してリアクトル外部へ放熱できる。そのため、底壁部方向の放熱経路において、コアとリアクトル外部との間にケースが介在している場合と比較すると、コイルからリアクトル外部までの経路がコアのみとなるため熱抵抗が小さくなる。よって、リアクトルの放熱性能の向上が図れる。したがって、本発明によれば、リアクトルの体格を大きくすることなく、磁気特性および放熱性を両立したリアクトルを実現することができる。

本実施例における電力変換装置を示す回路図。 （ａ）は実施例１におけるリアクトルの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図。 実施例１におけるリアクトルの製造方法を示す図であり、（ａ）はコイル等の配置工程の説明図、（ｂ）はコアの成形工程の説明図。 （ａ）は実施例２におけるリアクトルの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図。 （ａ）は実施例３におけるリアクトルの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図。 （ａ）は実施例３におけるリアクトルの変形例の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図。

（実施例１）
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。なお、図１以降の説明において同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図１は、リアクトル３０が適用される電力変換装置１の回路図を示す図である。図１に示す電力変換装置１は、直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ部１０、昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部１１、電流を平滑化するフィルタコンデンサ１４および平滑コンデンサ１７、昇圧コンバータ部１０、インバータ部１１の動作を制御する制御装置（図示せず）を有する。

昇圧コンバータ部１０はコイル１５と、上下アームを構成する２個の半導体モジュール１６Ａからなる。半導体モジュール１６Ａは、ＩＧＢＴ素子１６１Ａ及びＩＧＢＴ素子１６１Ａに逆並列接続したダイオード１６２Ａを内蔵している。コイル１５の一端は直流電源１３に接続されている。上アームを構成する半導体モジュール１６Ａは、インバータ部１１の正極１６３Ｂと接続される正極端子１６３Ａ、コイル１５の他端と接続される出力極端子１６５Ａを備える。下アームを構成する半導体モジュール１６Ａは、インバータ部１１の負極１６４Ｂと接続される負極端子１６４Ａ、コイル１５の他端と接続される出力極端子１６５Ａを備える。

インバータ部１１は、上下アームを構成する半導体モジュール１６Ｂを複数個備えている。半導体モジュール１６Ｂは昇圧コンバータ部１０で用いている半導体モジュール１６Ａと同一のものである。上アームを構成する半導体モジュール１６Ｂは、直流電源１３の正極に接続される正極端子１６３Ｂ、三相交流モータ１２に接続される交流端子１６５Ｂを有する。下アームを構成する半導体モジュール１６Ｂは、直流電源１３の負極に接続される負極端子１６３Ｂ、三相交流モータ１２に接続される交流端子１６５Ｂを有する。

フィルタコンデンサ１４は、昇圧コンバータ部１０と直流電源１３との間に接続されており、直流電源１３から昇圧コンバータ部１０に入力される電源電流に含まれるリップル電流を吸収して、電源電流を平滑化する役割を担う。平滑コンデンサ１７は、昇圧コンバータ部１０とインバータ部１１との間に接続されており、昇圧コンバータ部１０の出力電流を平滑化して、安定した直流電流をインバータ部１１に入力させる役割を担う。

次に、電力変換装置１の動作について説明する。

昇圧コンバータ部１０を構成する半導体モジュール１６Ａを、制御装置による制御によってスイッチング動作させることにより、コイル１５を利用して、直流電源１３の直流電圧を昇圧している。昇圧した直流電圧は、平滑コンデンサ１７によって平滑化される。そして、平滑化された直流電圧はインバータ部１１に入力され、インバータ部１１を構成する半導体モジュール１６Ｂを制御回路による制御によってスイッチング動作させることにより、正極端子１６３Ｂと負極端子１６４Ｂとの間に印加される直流電圧を交流電圧に変換し、交流端子１６５Ｂから三相交流モータ１２に出力することで駆動させる。

次に、上記電力変換装置１に配置されたコイル１５を含むリアクトル３０の具体的構成について説明する。

図２（ａ）は実施例１におけるリアクトル３０の平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図を示している。

リアクトル３０は、コイル１５、コア３１、及びケース３３を備えている。

ケース３３は、側壁部３３１と底壁部３３２とを備えている。側壁部３３１はコイル１５を四方から囲んでいる。底壁部３３２は、側壁部３３１の長手方向の一方の端部に、ケース３３の内側に向かって突出形成されている。ケース３３は、側壁部３３１と底壁部３３２によって囲まれた空間にコイル１５とコア３１を収容する。側壁部３３１の長手方向の他方の端部には、底壁部３３２の厚さ方向に開口した開口部３４が形成されている。ケース３３は、熱伝導率が高いアルミニウム、鉄、銅等によって形成されている。

コイル１５は、通電することで内周および外周に磁束を発生させるものであり、銅線からなる平板導体線を螺旋状に巻回し、円筒形状となるように構成されている。また、コイル１５の平板導体線の両端部であるコイル端子部１５１は、開口部３４からリアクトル３０の外に引き出され、外部と接続される。コイル１５は、ケース３３内での磁路を確保する為に、ケース３３の側壁部３３１及び底壁部３３２から一定距離離間して配置されている。

コア３１はコイル１５の内周及び外周に配置され、コイル１５を埋設している。また、コア３１は、ケース３３の内部において、側壁部３３１および底壁部３３２に密着している。コア３１には、磁性鉄粉と磁性鉄粉を分散した状態で内包する樹脂とを混入したダストコア（磁性鉄粉混合樹脂）が用いられている。ダストコアに用いられる磁性鉄粉としては、軟磁性を示すソフトフェライト粉末、樹脂としては、耐熱性や絶縁性、密着性に優れるエポキシ樹脂の他、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等が用いられる。また、ダストコアの代わりに絶縁性の結合樹脂を混合した鉄粉を圧縮成形する圧粉磁心材料をコイル１５の内周および外周に充填しても良い。圧粉磁心材料に用いられる磁性鉄粉としては、アトマイズ鉄粉や還元鉄粉、樹脂粉末としては、フェノール、ポリアミド、エポキシ、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド等が用いられる。

次に、本実施例の要部について説明する。

図２に示すように、ケース３３の底壁部３３２には、底壁部３３２の厚さ方向に貫通する孔部３３３が形成されている。本実施例では、開口部３４の開口方向から見たときに形成される孔部３３３の投影形状は円形状を備えている。コイル１５は、コイル端子部１５１を含めて、開口部３４の開口方向から見たとき孔部３３３の内側に配置されている。つまり、開口部３４の開口方向から見たときに、コイル１５は孔部３３３の投影面内に位置する。そのため、孔部３３３の直径ｒ１とコイル１５の外径ｒ３は、ｒ１＞ｒ３という関係を備えている。

孔部３３３には露出コア３１１が配置されている。露出コア３１１は、孔部３３３内に配置されているコアである。本実施例における露出コア３１１は、コイル１５の内側及び外側に配置されるコア３１と一体形成されている。また、露出コア３１１は孔部３３３と略同一形状であり、孔部３３３を埋設するように配置されている。露出コア３１１の反コイル側端面はリアクトル外部に露出している。

コイル１５は、コイル端子部１５１を含めて、開口部３４の開口方向からみたときに露出コア３１１の投影面内に配置されている。開口部３４の開口方向においてコイル１５の底壁部３３２側直下にはコア３１及び露出コア３１１が配置されている。

露出コア３１１には上述したようなダストコアを用いても良いし、ダストコアの代わりに絶縁性の結合樹脂を混合した鉄粉を圧縮成形する圧粉磁心材料であってもよい。

次に、実施例１におけるリアクトル３０の製造方法の一例について、図３を用いて説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、ケース３３の底壁部３３２にはコイル１５の位置を決定するコイル位置決め台３５が設けられている。コイル位置決め台３５はダストコアであり、その一部は露出コア３１１に相当する。コイル位置決め台３５は、底壁部３３２の内側と当接し、かつ孔部３３３に嵌合するような形状を予め備えている。そして、コイル１５はコイル位置決め台３５に載置される。このとき、コイル１５の両端のコイル端子部１５１をケース３３の開口部３４より外側に突出させる。次いで、図３（ｂ）に示すように、開口部３４からダストコアとなる磁性粉末混合樹脂液４０を注入する。そして、所定加熱温度にて所定時間保持し、磁性粉末混合樹脂液４０を固化させてコイル位置決め台３５として用いたダストコアを含めてコア３１を形成する。

なお、リアクトル３０の製造方法はこれに限られるものではなく、コア３１として圧粉磁心材料を用いる場合には、まず底壁部３３２および孔部３３３の位置する箇所に圧粉磁心材料を配置して底壁部３３２および孔部３３３と一体成形し、それをコイル位置決め台３５としてもよい。

次に、実施例１の作用効果について説明する。

実施例１において、ケース３３の底壁部３３２に、底壁部３３２の厚さ方向に貫通する孔部３３３が設けられている。また、孔部３３３には、リアクトル外部に露出する露出コア３１１が配置されている。そのため、リアクトルの体格を大きくしてケース内のコアの領域を増やす構成と比較して、リアクトルの体格を大きくせずケース内のコアを配置する領域を増やすことができる。その結果、コイル１５の孔部側端面より孔部３３３側において磁気回路として活用できる領域を増やすことができる。よって、リアクトルの体格を大きくしケース内のコアを配置する領域を増やす構成と比較して、リアクトル３０の体格を大きくすることなく、磁気特性の向上を図ることができる。

コイル１５は、開口部３４の開口方向から見たときに、孔部３３３の内側に配置されている。また、孔部３３３には、リアクトル外部に露出する露出コア３１１が配置されている。そのため、コイル１５が発生した熱の、コイル１５の孔部３３３側端面からリアクトル外部までの放熱経路において、コア３１及び露出コア３１１のみが介在している領域が存在する。そのため、コイル１５の孔部３３３側端面とリアクトル外部との間にケース３３が介在している場合と比較すると、コイル１５からリアクトル外部までの経路がコアのみになるため熱抵抗が小さい。したがって、リアクトルの放熱性能の向上が図れる。

（実施例２）
次に、実施例２について図面に基づき説明する。ただし、前記実施例１と実質的に同一の部分については説明を省略又は簡略化し、主として前記実施例１と異なる部分について説明する。

図４（ａ）は実施例２におけるリアクトル３０の平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ断面図を示している。

実施例２においては、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、ケース３３の底壁部３３２に、底壁部３３２の厚さ方向に貫通する孔部３３３が形成されている。本実施例では、孔部３３３の直径ｒ１とコイルの内径ｒ４は、ｒ１＜ｒ４という関係を備えている。
実施例２においては、以上の構成とすることにより、実施例１と同様に、磁気特性の向上および放熱性能の向上が図れる。

（実施例３）
次に、実施例３について図面に基づき説明する。ただし、前記実施例１と実質的に同一の部分については説明を省略又は簡略化し、主として前記実施例１と異なる部分について説明する。

図５（ａ）は実施例３におけるリアクトル３０の平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ断面図を示している。

実施例３においては、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、露出コア３１１の反コイル側端面及び、底壁部３３２の厚さ方向における底壁部３３２の反コイル側端面と当接するように冷却器３が配置されている。具体的に、冷却器３は露出コア３１１の反コイル側端面を塞ぐように配置されている。また、開口部３４の開口方向から見たときに、コイル１５、露出コア３１１および冷却器３が直線上に位置するように配置されている。

なお、冷却器３には、内部に冷却媒体の流れる冷却管や、放熱フィンなど、冷却機能を有するものであれば良い。

次に、実施例３の作用効果について説明する。

実施例３において、開口部３４の開口方向から見たときに、コイル１５、露出コア３１１および冷却器３が直線上に位置するように配置されている。また、露出コア３１１と冷却器３は当接している。すなわち、コイル１５の孔部３３３側端面から冷却器３までの経路において、コア３１及び露出コア３１１のみが介在している領域が存在する。そのため、コイル１５が発生した熱は、コアのみを伝導して冷却器３まで到達する。よって、コイル１５の孔部３３３側端面と冷却器３との間にケース３３が介在している構成と比較して、コイル１５から冷却器３までの経路がコアのみになるため熱抵抗が小さい。したがって、リアクトルの放熱性能の向上が図れる。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されることはなく、本発明の技術的範囲に存在する限り、以下のように変形させてもよい。

・上記実施例では、コイル１５は開口部３４から底壁部３３２に向かって円筒形状となるように配置されているが、一方の側壁部３３１から他方の側壁部３３１へ向かう方向に円筒形状をなすように配置してもよい。

・上記実施例において、孔部３３３の投影形状は円形状であるが、四角形状や三角形状でもよい。

・上記実施例において、露出コア３１１は、孔部３３３と略同一形状でなくとも、孔部３３３を埋設するように配置されていれば、孔部３３３から開口方向反コイル側へ突出していても良い。

・上記実施例において、コア３１は、コイル１５の内側及び外側に配置されるコアと露出コア３１１とが一体形成されておらず別体でもよい。

・上記実施例２において、底壁部３３２は、孔部３３３の直径ｒ１が、コイル１５の内径ｒ４および外径ｒ３と、ｒ４＜ｒ１＜ｒ３という関係を備えるように形成されていてもよい。

・上記実施例３において、冷却器３は露出コア３１１および底壁部３３２の双方と当接しているが、露出コア３１１と当接しており、かつ開口部３４の開口方向から見たときに、コイル１５、露出コア３１１および冷却器３が直線上に位置するように配置されていればよい。たとえば、図６のように、孔部３３３の反コイル側端面から突出するように配置されている露出コア３１１のみと当接するようにしてもよい。

１ 電力変換装置
３ 冷却管
１５ コイル
１５１ コイル端子部
３０ リアクトル
３１ コア
３１１ 露出コア
３３ ケース
３３１ 側壁部
３３２ 底壁部
３３３ 孔部
３４ 開口部

Claims (3)

1. 通電により磁束を発生させるコイル（１５）と、
   前記コイル（１５）の内周および外周に配置され、前記コイル（１５）が発生した磁束の磁路となる磁性体のコア（３１）と、
   前記コイル（１５）及び前記コア（３１）を内部に収容するケース（３３）とを備えたリアクトル（３０）であって、
   前記ケース（３３）は、前記コイル（１５）の四方を囲む側壁部（３３１）を備え、
   前記側壁部（３３１）の一方の端部には底壁部（３３２）が設けられ、
   前記側壁部（３３１）の他方の端部には開口部（３４）が設けられ、
   前記底壁部（３３２）は、前記底壁部（３３２）の厚さ方向に貫通した孔部（３３３）を有しており、
   前記コア（３１）は、前記孔部に配置される露出コア部（３１１）を備え、
   前記開口部（３４）の開口方向から見たとき、前記コイル（１５）は前記孔部の内側に
   配置されていること、
   を特徴とするリアクトル（３０）。
2. 前記孔部の直径は前記コイルの外径よりも長いこと、
   を特徴とする請求項１に記載のリアクトル（３０）。
3. 前記孔部（３３３）より外側には冷却器（３）が配置されており、
   前記冷却器（３）は前記露出コア部（３１１）と当接しており、
   前記開口部（３４）の開口方向から見たとき、前記コイル（１５）、前記露出コア（３１１）および前記冷却器（３）が同一直線上に配置されていること、
   を特徴とする請求項１又は２に記載のリアクトル（３０）。

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