JP6586178B2 - バスバー用の誘電コンポーネント - Google Patents

Description

バスバー用の誘電コンポーネントが提供される。

誘電コンポーネントは、特に外乱をフィルタリングするために、特に高周波の外乱をフィルタリングするために、バスバー用に用いられる。

本発明の課題は、バスバー用の改良された誘電コンポーネントを提供することにある。

本発明の第１の態様では、バスバー用の誘電コンポーネントが提供される。特に誘電コンポーネントは、コンポーネントにバスバーを挿通する構成を採用している。このバスバーは銅バスバーであることが好ましい。バスバーは、例えば周波数変換装置で電流を導通するための構成となっている。誘電コンポーネントは、例えば低周波の有効信号における高周波の外乱をフィルタリングする役目を果たす。

誘電コンポーネントは２つのエアギャップを有する。これらのエアギャップは、コンポーネントの互いに反対の側面（opposite sides）に配設されるのが好ましい。例えばコンポーネントは、バスバーを挿通するための開口部を有する。エアギャップは、開口部を間に挟んだ、コンポーネントの両側に配設されるのが好ましい。したがって、コンポーネントにバスバーが挿通されると、エアギャップはバスバーの相対する両側に配設される。

エアギャップは、コンポーネントの高さ方向に見て互いに離間していることが好ましい。ここで高さ方向とは、バスバーが延びる方向に対して垂直の方向、すなわちバスバー中を流れる電流の流れ方向に対して直交する方向を意味する。高さ方向は、エアギャップが配置されているコンポーネントの互いに反対の側と平行に延びるのが好ましい。したがって、エアギャップはコンポーネントのそれぞれ異なる高さに配置され、特に、互いにオフセットした状態で配置される。これらのエアギャップは、コンポーネントの半分の高さから等しい距離を有するのが好ましい。例えば、第１のエアギャップはコンポーネントの半分の高さに対して下方に配置され、第２のエアギャップはコンポーネントの半分の高さに対して上方に配置される。

エアギャップを互いに間隔をあける配置によって、バスバーでの損失を減らすことができるという利点がある。特に、いっそう均等な電流密度分布をバスバーで実現することができる。この場合、このような効果をコンポーネントの大型化なしに、かつコストの増大なしに実現できるという利点がある。

誘電コンポーネントは、例えば２つのコンポーネント構成要素を有する。これらは、特に軟磁性材料、例えばフェライトからなる、２つのコア（cores）である。エアギャップはこれらのコアの間に配置されるのが好ましい。例えば、それぞれのコアは同じ形状を有している。

１つの実施形態では、各々のコアは第１の脚部（limb）と第２の脚部とを有しており、第１の脚部は第２の脚部とは異なる長さを有する。例えば、各々のコアは正確に２つの脚部を有する。各々のコアの２つの脚部は、結合片（connecting piece）によって互いに結合されているのが好ましい。コアは例えばそれぞれ長さの異なる脚部を備えた「Ｕ字型」コア、または、「Ｃ字型」コアの形状を有する。

例えば、第１のエアギャップは、第１のコアの第１の脚部と第２のコアの第２の脚部との間に配置され、第２のエアギャップは、第１のコアの第２の脚部と第２のコアの第１の脚部との間に配置される。これらのエアギャップは、結合片から脚部の自由端に向かって延びる方向に対して、相互にオフセットして配置されるのが好ましい。

１つの実施形態では、高さ方向（垂直方向）でのエアギャップの相互の間隔は、第１の脚部の長さと、第２の脚部の長さと、エアギャップの高さとの合計の少なくとも１／４である。バスバーを挿通するための開口部は、第１の脚部と、エアギャップと、第２の脚部とによって側方で区切られる（bounded）ことが好ましい。そして開口部の高さは、第１の脚部の長さと、第２の脚部の長さと、エアギャップの高さとの合計に等しいことが好ましい。このように、高さ方向におけるエアギャップの相互の間隔は開口部の高さの少なくとも１／４である。エアギャップの相互の間隔をこのようにすると、バスバーでの損失を最大で５０％まで減らすことができる。

１つの実施形態では、高さ方向でのエアギャップの相互の間隔は、第１の脚部の長さと、第２の脚部の長さと、エアギャップの高さとの合計の多くとも３／４である。したがって、高さ方向でのエアギャップの相互の間隔は、開口部の高さの多くとも３／４である。エアギャップの位置を結合片の近傍にすると、バスバーでの損失が再び増える可能性がある。したがって、エアギャップを結合片に近づけすぎない方が好都合である。開口部の上側端部または下側端部からのエアギャップの間隔は、開口部の高さの少なくとも１／８であるのが好ましい。１つの実施形態では、エアギャップは開口部の上側端部および下側端部に対して少なくとも１０ｍｍの間隔、例えば１２．５ｍｍの間隔をおいて配置することが好ましい。

例えば高さ方向でのエアギャップの相互の間隔は、開口部の高さの１／４から開口部の高さの３／４までの範囲内にある。特に、この間隔は開口部の高さのほぼ１／２にすることができる。

１つの実施形態では、コンポーネントは点対称に構成される。特に、コンポーネントは軸を中心とする１８０°の回転に関して対称に構成され、この軸は開口部の中心を通って電流の流れ方向に延びている。このようにして、両方の半部について同一のコア形状を適用することができる。

本発明のさらに別の態様では、誘電コンポーネント用のコアが提供される。コアは、それぞれ異なる長さで構成された２つの脚部を有する。特に、コアは正確に２つの脚部を有する。コアは、例えばそれぞれ異なる長さの脚部を備えた「Ｕ字型コア」または「Ｃ字型コア」として構成される。このコアは、特に上記したコンポーネント用に適しており、これに関連して説明した構造的、機能的な特性を全て備えることができる。

本発明の第１の態様では、それぞれ異なる長さの２つの脚部を備える上記コアを有する誘電コンポーネントが提供される。このコンポーネントは、このような種類のコアを２つ有するのが好ましい。これらのコアは、例えば、コンポーネントがバスバー用の開口部を備えるように組立てられる。開口部は、これらのコアのうちの一方のコアの第１の脚部と、他方のコアの第２の脚部とによってそれぞれ長手方向に区切られる（bounded）ことが好ましい。開口部は、それぞれ上と下において、コアの結合片１個によって区切られるのが好ましい。この誘電コンポーネントは、上記したコンポーネントの構造的、機能的な特性を全て備えることができる。特にこのコンポーネントは、それぞれの高さの面で相互にオフセットされた２つのエアギャップを有することができる。

本発明のさらに別の態様では、誘電コンポーネントとバスバーを備えた構造について記載する。バスバーは誘電コンポーネントに挿通される。特に、この構造の誘電コンポーネントは、上記した誘電コンポーネントのうちの１つである。

例えば、この構造のコンポーネントは２つのエアギャップを有する。これらのエアギャップは、バスバーの互いに反対側の側面に配置されるのが好ましい。この互いに反対側の側面とは、例えば、バスバーの長手方向の側面である。例えばバスバーは横断面に対して、すなわち電流の流れ方向に対して垂直の長方形形状を有する。特に、バスバーは２つの長手方向の側面（longitudinal sides）と２つの端面（face sides）とを有する。長手方向側面の高さは、端面の幅よりも大きいのが好ましい。

誘電コンポーネントは、例えばＥＭＣフィルタに使用する構成にされている。ＥＭＣとは「電磁両立性」を表す。１つの適用例では、このＥＭＣフィルタは、周波数変換装置用の入力フィルタである。

本件の開示には、１つの発明の複数の態様が記載されている。誘電コンポーネント、コア、および／または構造に関して説明するすべての特性は、たとえそれぞれの特性がそれぞれの態様の文脈で明示的に言及されていなくても、それぞれ他の態様に関しても相応に開示されている。

誘電コンポーネントとバスバーとの構造の実施形態を示す斜視図である。 図１Ａの実施形態を示す断面図である。

次に、ここで説明している主題について、縮尺通りではない模式的な実施例を参照しながら詳しく説明する。

特に、以下の図面の中で同じ符号は、異なる実施形態の機能的または構造的に対応する部品を参照指示している。

図１Ａは、誘電コンポーネント１とバスバー２との構造２０を斜視図として示している。図１Ｂは、この構造２０を断面図で示している。

バスバー２は、一例として銅でできている。バスバー２は、特に大電流を導通するのに適している。例えばバスバー２は、周波数変換装置で電流を導通するために利用される。周波数変換装置は、例えば電気機械に、特にモータに、電流を供給する役割を果たす。

誘電コンポーネント１は、例えばＥＭＣフィルタで利用され、すなわち、電磁両立性（ＥＭＣ）を実現するためのフィルタで利用される。これは特にバスバーフィルタである。例えばこのような種類のフィルタは、互いに配線された複数のインダクタンスとコンデンサを複数のバスバーに有している。特にこのフィルタは、低周波の有効信号における高周波の外乱をフィルタリングする役目を果たす。例えば有効信号は、約５０Ｈｚの周波数を有する。特にこのフィルタは、ディファレンシャルモードノイズ（Differential Mode）に適している。

誘電コンポーネント１は２つのコンポーネント構成要素を有している。これらのコンポーネント構成要素は、コア３，４として、特に磁気コアとして構成される。これは例えばフェライトコアである。各々のコア３，４は、第１の脚部５，６と第２の脚部７，８とを有しており、これらがそれぞれコア３，４の結合片９，１０によって互いに結合されている。コア３，４は、誘電コンポーネント１が２つのエアギャップ１１，１２を有するように配置されている。例えば各々のコア３，４は一体的に構成され、例えば１つの部品としてプレス成型される。しかしながらコア３，４は、個々のコアから、例えばＩ字型のコアから、組み合わされていてもよい。

誘電コンポーネント１は、このような種類のコア３，４の複数の構造を有することができる。本例では、コア３，４の後方に、コア３，４と同じように構成された２つの別のコア２３，２４が配置されている。

特に、第１のコア３の第１の脚部５と第２のコア４の第２の脚部８との間に第１のエアギャップ１１が配置され、第１のコア３の第２の脚部７と第２のコア４の第１の脚部６との間に第２のエアギャップ１２が配置される。誘電コンポーネント１は、正確に２つのエアギャップ１１、１２を有しているのが好ましい。エアギャップ１１、１２は誘電コンポーネント１の耐飽和性（saturation resistance）を保証し、すなわち、コンポーネント１が飽和（saturation）へと向かうのを防止する。

誘電コンポーネント１は直方体コアの形状を有する。誘電コンポーネント１は、面取りされたコーナーを有することもできる。誘電コンポーネント１は、バスバー２を挿通するための開口部１９を有する。開口部１９は、高さｈと幅ｂとを有している（図１Ｂ参照）。このとき高さｈは、第１の脚部５，６の長さと、第２の脚部７，８の長さと、エアギャップ１１，１２の高さとを合わせたものである。

誘電コンポーネント１はバスバー２を取り囲む。バスバー２は長方形の幾何学的断面形状を有する。特にバスバー２は、互いに反対側に配設される２つの長手方向側面１３，１４と、互いに反対側の２つの端面１５，１６とをそれぞれ有する。長手方向側面１３，１４の高さは、開口部の高さｈよりも若干小さい。端面１５，１６の幅は、開口部の幅ｂよりも若干小さい。

例えば、バスバーは５０ｍｍ×１０ｍｍの寸法を有し、誘電コンポーネントは８５ｍｍ×４６ｍｍの寸法を有し、開口部は５５ｍｍ×１６ｍｍの寸法を有し、ギャップは５ｍｍの寸法を有する。電流は、使用時に例えば１６００Ａである。誘電コンポーネントでの損失の低減は例えば２８％であり、このことは、フィルタ全体で約１０％の損失の低減に相当する。

誘電コンポーネント１は点対称に構成されるのが好ましい。特に誘電コンポーネント１は、電流方向に沿って開口部の中心を通って延びる軸を中心とする１８０°の回転に関して対称に構成される。コア３，４は、例えば同一の幾何学的形状を有する。

エアギャップ１１，１２は、コンポーネント１の互いに反対側の長手方向側面２１，２２に位置する。従って、エアギャップ１１，１２はバスバー２の互いに反対側にあり、特に、バスバー２の互いに反対側の長手方向側面１３，１４に位置する。エアギャップ１１，１２は、特にバスバー２の長手方向側面１３，１４にのみ存在し、バスバー２の端面には存在しない。それに応じて誘電コンポーネント１は側面と端面を有しており、エアギャップ１１，１２はコンポーネント１の側面にのみある。端面にはエアギャップはない。

エアギャップ１１，１２は、それぞれの高さに関して相互にオフセットされて配置されている。高さ方向１７は、バスバー２の延びる方向に対して垂直の方向である。高さ方向１７は、エアギャップ１１，１２が配置されているコンポーネント１の長手方向側面２１，２２と平行に延びている。幅方向１８は、バスバー２における電流方向に対して直角に、かつ高さ方向１７に対して直角に延びている。

特に、エアギャップ１１，１２はバスバー２を通る中心平面の鏡像に関して非対称に配置される。中心平面とは、長手方向側面１３，１４の間で、かつ長手方向側面１３，１４に対して平行に延びる平面である。特に、エアギャップ１１，１２はそれぞれの長手方向側面１３，１４で同じ高さにはない。

例えば第１のエアギャップ１１は、長手方向側面１３の半分の高さよりも下方の領域に位置する。第２のエアギャップ１２は、例えば側面１４の半分の高さよりも上方の領域に位置する。このようにいずれのエアギャップ１１，１２も、それぞれの長手方向側面１３，１４に関して中心に配置されるものではない。

開口部１９は、例えば５５ｍｍの高さｈを有する。エアギャップ１１，１２は、例えば高さ方向１７に２５ｍｍの間隔ｄを有する。この間隔ｄを、以下においてはギャップシフトとも呼ぶ。エアギャップ１１，１２は、例えば５ｍｍの高さを有する。したがって、第１の脚部５，６は第２の脚部７，８からそれぞれ５ｍｍの間隔をおいている。コア３，４は、例えばＵ字型コアとして、または異なる長さの脚部５，６，７，８を備えたＣ字型コアとして、それぞれ構成される。

エアギャップ１１，１２のギャップシフトによって、ギャップシフトを有さないエアギャップの場合よりも均等な電流分布をバスバー２で実現することができる。ギャップシフトのないコンポーネントでは、エアギャップ１１，１２はバスバーと並んで両側で中央に、特に側面の高さの半分のところにある。不均等な電流分布は、周波数依存的な表皮効果に原因がある。このような表皮効果はすでに低い周波数のときに、例えば５０Ｈｚのときに、無視することのできない役割を演じて、バスバー２で望ましくない損失をもたらす。特にエアギャップが対称に配置されていると、上方および下方に向かって減少していく高い電流密度がエアギャップの領域に生じる。

このような種類の損失は、通常、バスバー２の断面積の増大によって、または改善された熱排出によって減少する。しかし、これら両方の取組みは容積の増加および／または構造２０のコストの上昇につながる。エアギャップ１１，１２を相互にシフトさせることで、容積増加やコスト上昇なしに損失を減らすことができる。特に、エアギャップがシフトされていれば、同じ高さに配置されたエアギャップの場合よりも、バスバーの電流密度が明らかに均等になる。

例えば、高さ５０ｍｍの開口部とこれに類似する高さのバスバー２の場合、５ｍｍのギャップシフトがすでに約１％の損失低下をもたらすことが判明している。２５ｍｍのギャップシフトの場合、損失を１０％だけ減らすことができている。コア３，４の縁部に向かって、すなわち結合片９，１０の方向にエアギャップをさらにシフトさせれば、損失は再び大きくなる。誘電作用が縁部のところで強まるからである。エアギャップの間隔についての最善の領域は、特に、開口部またはバスバーの高さの半分周辺の範囲内にあり、例えば０．２５・ｈから０．７・ｈの範囲内にある。このような種類のギャップシフトでは、誘電コンポーネントの損失を２０％以上減らすことができている。

１…誘電コンポーネント、２…バスバー、３…第１のコア、４…第２のコア、５…第１のコアの第１の脚部、６…第２のコアの第１の脚部、７…第１のコアの第２の脚部、８…第２のコアの第２の脚部、９…第１のコアの結合片、１０…第２のコアの結合片、１１…第１のエアギャップ、１２…第２のエアギャップ、１３…バスバーの長手方向側面、１４…バスバーの長手方向側面、１５…端面、１６…端面、１７…高さ方向、１８…幅方向、１９…開口部、２０…構造、２１…コンポーネントの側面、２２…コンポーネントの側面、２３…別のコア、２４…別のコア、ｈ…開口部の高さ、ｂ…開口部の幅、ｄ…エアギャップの相互の間隔。

Claims (17)

1. 誘電コンポーネントと、前記誘電コンポーネントに挿通されたバスバーとを有する構造において、
   前記誘電コンポーネントは、前記コンポーネントの互いに反対の側面に配設される２つのエアギャップを有しており、
   前記２つのエアギャップは、前記コンポーネントの縦方向に互いに間隔を有し、
   前記２つのエアギャップの少なくとも１つの縦方向の境界が、前記コンポーネントのコアの端面によって定められ、当該端面が前記コアの全長に亘って所定高さでのびることを特徴とする構造。
2. 前記互いに反対の側面は、前記バスバーの長手方向の側面であることを特徴とする請求項１記載の構造。
3. 前記構造は２つのコアを有し、各々のコアが第１の脚部と第２の脚部とを有し、前記第１の脚部は前記第２の脚部とは異なる長さを有することを特徴とする請求項１又は２記載の構造。
4. 前記エアギャップが前記各々のコアの間に位置することを特徴とする請求項３記載の構造。
5. 第１のエアギャップは前記第１のコアの前記第１の脚部と前記第２のコアの前記第２の脚部との間に配置されており、第２のエアギャップは前記第１のコアの前記第２の脚部と前記第２のコアの前記第１の脚部との間に配置されていることを特徴とする請求項３又は４記載の構造。
6. 高さ方向における前記エアギャップの相互の間隔は、第１の脚部の長さと、第２の脚部の長さと、エアギャップの高さとの合計の少なくとも１／４であることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項記載の構造。
7. 高さ方向における前記エアギャップの相互の間隔は、第１の脚部の長さと、第２の脚部の長さと、エアギャップの高さとの合計の多くとも３／４であることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項記載の構造。
8. 前記コアは同じ形状を有することを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項記載の構造。
9. 前記コアのうち少なくとも一方は、それぞれ異なる長さの脚部を備える「Ｕ字型」コアの形状または「Ｃ字型」コアの形状を有することを特徴とする請求項３〜８のいずれか１項記載の構造。
10. 両方のコアがそれぞれ異なる長さの脚部を備える「Ｕ字型」コアの形状または「Ｃ字型」コアの形状を有し、各々の前記エアギャップが両方のコアに隣接することを特徴とする請求項９記載の構造。
11. 前記誘電コンポーネントは点対称に構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項記載の構造。
12. 前記誘電コンポーネントは正確に２つのエアギャップを有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項記載の構造。
13. 前記誘電コンポーネントは、長手方向の側面と端面を有しており、エアギャップは長手方向の側面のみに位置することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項記載の構造。
14. 前記エアギャップの相互に間隔をおいた配置は前記バスバーでの損失を低減するために構成されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項記載の構造。
15. 高周波の外乱をフィルタリングするために構成されていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項記載の構造。
16. 前記誘電コンポーネントはＥＭＣフィルタに使用する構成にされていることを特徴とする請求項１５記載の構造。
17. 前記バスバーは電気駆動装置のための周波数変換装置用の入力フィルタ部材として使用するために構成されていることを特徴とする請求項１５又は１６記載の構造。
    

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