以下に、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置およびコイル装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかるコイル装置を有する電力変換装置の一例を示す回路図である。図1に示す電力変換装置100は、絶縁型DC(Direct Current)/DCコンバータである。電力変換装置100は、入力端子101,102へ入力される直流電圧を直流電圧に変換して出力端子191,192から出力する。入力端子101,102には、車載の高電圧バッテリから供給される100Vから600V程度の高電圧が入力される。出力端子191,192からは、車載補機系部品の電源電圧である12Vから16V程度の電圧が出力される。
電力変換装置100は、フルブリッジ回路110と、共振コイル120と、トランス130と、二次側整流回路140と、平滑回路150とを備える。フルブリッジ回路110には、入力端子101,102へ供給された直流の高電圧が入力される。フルブリッジ回路110は、スイッチング素子111,112,113,114を備える。スイッチング素子111,112,113,114のそれぞれは、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)またはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などである。フルブリッジ回路110は、スイッチング素子111,112,113,114によって直流電圧から交流電圧を発生させる動作を行う。フルブリッジ回路110の動作によって入力側に発生する交流成分は、主に入力コンデンサ103によって吸収される。これにより、入力ラインにおけるノイズの発生が低減される。
共振コイル120と、トランス130の一次側コイル131とは、直列に接続されている。フルブリッジ回路110によって生成された交流電圧は、共振コイル120と一次側コイル131とに印加される。共振コイル120は、スイッチング素子111,112,113,114とそれぞれ並列に接続されるMOSFETもしくは外付けのコンデンサによるキャパシタ成分と共振動作を起こし、スイッチング素子111,112,113,114の損失を抑制する。かかる動作において、共振コイル120では、インダクタンス値の精度、すなわちインダクタンス値のばらつきが少ないことが要求される。
一次側コイル131に交流電圧が印加されることによって、トランス130の二次側コイル132,133には、トランス130の巻数比に応じた交流電圧が発生する。二次側コイル132,133において発生した交流電圧は、二次側整流回路140へ入力される。二次側整流回路140へ入力された交流電圧は、ショットキーバリアダイオードに代表される整流素子141,142によって整流される。このため、二次側コイル132と二次側コイル133との接続点であるセンタータップには、グランド電位を基準とする全波整流がなされた交流電圧が発生する。
平滑回路150は、平滑コイル151と出力コンデンサ152とを有する。トランス130で発生した交流電圧が平滑回路150によって平滑化されることによって、出力端子191と出力端子192との間には、所望の平坦な直流電圧が発生する。ここで使用される平滑コイル151では、インダクタンス値の精度のほかに、良好な直流重畳特性が要求される。なお、出力端子191,192のうちのマイナス端子である出力端子192は明確には設けられず、グランド(GND)161,162,163となる構造物である金属筐体がその役割を担う。
図2は、図1に示す電力変換装置を構成する主要部品の上面図である。図2では電力変換装置100の構成要素である部品のうち、一部の部品については図示を省略している。また、図2では、部品のうちの一部分について図示を省略している。
金属筐体160は、電力変換装置100の筐体である。金属筐体160は、GND161,162,163となる構造物であって、冷却器を兼ねている。プリント基板170には、入力端子101,102、入力コンデンサ103、スイッチング素子111,112,113,114の制御回路、ならびに駆動回路が実装されている。
共振コイル120では、共振周波数を調整するために、インダクタンス値のばらつきが少ないことが必要とされる。一般的に、共振コイル120を構成するコアには、E型のコアとE型のコアとを組み合わせたコア、もしくはトロイダル形状をなすコアが使用される。磁路を構成する軟磁性材料には、純鉄あるいはFe-Si合金などのダスト系コア材が使用される。実施の形態1では、共振コイル120を構成するコアは、プレーナ形状のコアであって、Mn-Zn系などのフェライトコアに複数のギャップを設けたものである。共振コイル120は、複数のギャップが設けられることによって、上記従来技術に比べて、高性能と、設置面からの高さの抑制とが可能となる。なお、図2では、共振コイル120の接続先の部品と、共振コイル120を金属筐体160に固定するための構成とについては図示を省略している。
トランス130は、プレーナトランスである。一次側コイル131と二次側コイル132とは、トランス130が有するコイル部である。トランス130は、E型のコアと、I型のコアと、一次側コイル131が形成されているプリント基板と、二次側コイル132が形成されているプリント基板とを有する。E型のコアとI型のコアとによって形成される磁路には、ギャップは存在しない。二次側整流回路140において、整流素子141と整流素子142とは、1つのパッケージに搭載されている。
平滑コイル151では、精度の高いインダクタンス値と直流重畳特性とを必要とする。一般的に、平滑コイル151を構成するコアには、共振コイル120の場合と同様に、E型のコアとE型のコアとを組み合わせたコア、もしくはトロイダル形状をなすコアが使用される。磁路を構成する軟磁性材料には、純鉄あるいはFe-Si合金などのダスト系コア材が使用される。実施の形態1では、平滑コイル151を構成するコアは、プレーナ形状のコアであって、Mn-Zn系などのフェライトコアに複数のギャップを設けたものである。平滑コイル151は、複数のギャップが設けられることによって、上記従来技術に比べて、高性能と、設置面からの高さの抑制とが可能となる。平滑コイル151を構成するコイルは、プリント基板に形成されている。なお、図2では、平滑コイル151の接続先の部品と、平滑コイル151を金属筐体160に固定するための構成とについては図示を省略している。
図2では、共振コイル120と平滑コイル151とトランス130のコイル部とが、それぞれ別個のプリント基板を用いて構成されている。共振コイル120と平滑コイル151とトランス130のコイル部とは、1枚のプリント基板を用いて構成されていても良い。
図3は、図1に示す電力変換装置を構成する主要部品の他の上面図である。図3において共振コイル120と平滑コイル151とトランス130のコイル部とは、1枚のプリント基板170aを用いて構成されている。プリント基板170aには、整流素子141,142が実装されても良い。プリント基板170とプリント基板170aとの全体が、1枚のプリント基板によって構成されても良い。
以下に、電力変換装置100が有する共振コイル120の構成と平滑コイル151の構成とについて説明する。共振コイル120と平滑コイル151とは、電力変換装置100が有するコイル装置である。
図4は、実施の形態1にかかるコイル装置の分解図である。図5は、実施の形態1にかかるコイル装置の断面図である。図6は、実施の形態1にかかるコイル装置の上面図である。X軸は水平方向の軸とする。Y軸は鉛直方向の軸とする。Z軸は奥行き方向の軸とする。図5には、X軸とY軸とに平行なXY断面を示している。
実施の形態1にかかるコイル装置12は、第1のコア部品であるベースコア7と、第2のコア部品であるコアモジュール11と、コイル部6とを有する。コアモジュール11は、互いにギャップを介して一列に並べられた複数のコア片1,2,3と、コア片1,2,3同士の間に配置された板材である仕切り板4と、コア片1,2,3および仕切り板4が収容されたケース5とを有する。コアモジュール11は、I型のコアである。
ベースコア7は、3つの足部を有するE型のコアである。外足部7eは、X軸方向におけるベースコア7の両端に形成されている足部である。中足部7fは、X軸方向におけるベースコア7の中心に形成されている足部である。コアモジュール11が中足部7fと2つの外足部7eとに接続されることによって、ベースコア7とコアモジュール11とは、いずれも閉磁路である2つの磁路9を構成する。
コイル部6は、FR-4(Flame Retardant Type 4)からなる2層のプリント基板を使用して構成されている。プリント基板の両面には、巻回された巻線のパターンが印刷されている。なお、コイル部6を流れる電流の電流密度を下げるために、コイル部6に4層のプリント基板を使用することによって電流経路を複数に分散させても良い。コイル部6は、耐熱性を高めるために、FR-5の基材またはセラミックの基材を使用して構成されても良い。コイル部6には、プリント基板が用いられる以外に、0.5mmから2mm程度の厚みをなす銅板あるいはアルミニウム板が用いられても良い。コイル部6の中心には、開口が設けられている。コイル部6は、開口に中足部7fが通された状態でコイル装置12に設置される。これにより、プリント基板に印刷されている巻線のパターンであるコイルは、中足部7fに巻回された状態とされている。
コア片1のうちZ軸とX軸とに平行なZX平面の面積は、外足部7eのうちのZX平面の面積と等しい。コア片1のうちY軸とZ軸とに平行なYZ平面の面積は、外足部7eのうちのZX平面の面積と等しい。コア片1のうちのZX平面の面積は、外足部7eのうちのZX平面の面積よりも大きくても良い。コア片1のうちのYZ平面の面積は、外足部7eのうちのZX平面の面積よりも大きくても良い。
コア片2のうちのZX平面の面積は、中足部7fのうちのZX平面の面積と等しい。コア片2のうちのYZ平面の面積は、外足部7eのうちのZX平面の面積と等しい。コア片2のうちのZX平面の面積は、中足部7fのうちのZX平面の面積よりも大きくても良い。コア片2のうちのYZ平面の面積は、外足部7eのうちのZX平面の面積よりも大きくても良い。
Y軸方向におけるコア片3の高さは、Y軸方向におけるコア片1の高さと同じである。Z軸方向におけるコア片3の奥行きは、Z軸方向におけるコア片1の奥行きと同じである。ここで、コア片3とコア片1とにおいて、製造時の寸法公差による±3%程度の寸法差は不問とする。コア片3の高さとコア片1の高さとが同じであるとは、±3%程度の寸法差がある場合を含むものとする。コア片3の奥行きとコア片1の奥行きとが同じであるとは、±3%程度の寸法差がある場合を含むものとする。X軸方向におけるコア片3の厚みは、X軸方向におけるコア片1の厚みよりも薄い。コア片1、コア片2、コア片3およびベースコア7である各コアの材料には、軟磁性材料が使用されている。軟磁性材料には、Mn-Zn系またはNi-Zn系のフェライトコア材、ならびに、純鉄、Fe-Si合金、Fe-Si-Al合金、Ni-Fe合金、またはNi-Fe-Mo合金といったダスト系コア材などが使用される。コアには、絶縁のための粉末樹脂が塗布されていても良い。
フェライトコア材からなるフェライトコアと、ダスト系コア材からなるダストコアとは、粉状の材料をプレス機で成形した後、熱処理によって焼成される。プレス機によって成形された材料は熱処理時に収縮するため、コアが大型化するに従って寸法精度が低くなる。また、大型のコアは、小型のコアに比べて、焼成時間が長くなり、損失が大きくなる。フェライトコア材としては、汎用のフェライトコア材と低損失用のフェライトコア材との2種類が一般的に知られている。低損失用のフェライトコア材では、寸法精度の悪化および損失の増加といった傾向がより顕著に現れる。このことから、低損失用かつ大型のコアは、焼成温度の管理がより難しくて損失が大きくなり易いことから、製造には多大なノウハウが必要となる。
各コア片1,2,3は、第2のコア部品が一体のコアとして形成される場合における当該一体のコアと比べて小型であることから、当該一体のコアに比べて焼成が容易である。また、各コア片1,2,3は、当該一体のコアに比べて損失を少なくすることができる。コアモジュール11にコア片1,2,3が使用されることによって、コアモジュール11は、寸法精度を高くすることができ、焼成時間を短くすることができる。各コア片1,2,3には、汎用のフェライトコア材と低損失用のフェライトコア材とのどちらが使用されても良い。汎用のフェライトコア材と低損失用のフェライトコア材とのどちらも使用可能であることで、コア片1,2,3の材料を調達可能な調達先が多くなる。したがって、コアモジュール11を製造するための部品調達の安定化と調達コストの低減とが可能となる。さらに、コアモジュール11は、損失の低減と品質向上とが可能となる。
図7は、実施の形態1にかかるコイル装置が有するコアモジュールの第1変形例を示す図である。図7に示す第1変形例では、コアモジュール11は、コア片1が用いられず、複数のコア片2と複数のコア片3とを使用して構成されている。第1変形例では、コア片1が用いられないことで、図4から図6に示す場合よりも部品の種類の数が減少している。コアモジュール11は、図4から図6に示す場合よりも部品の種類の数が減少することによって、より生産性を向上でき、かつ製造コストの低減が可能となる。
図8は、実施の形態1にかかるコイル装置が有するコアモジュールの第2変形例を示す図である。図8に示す第2変形例では、コアモジュール11は、コア片1とコア片3とが用いられず、複数のコア片2を使用して構成されている。コアモジュール11は、1種類のコア片2から構成される。すなわち、コアモジュール11が有する複数のコア片2の各々の寸法がいずれも同じである。ここで、コア片2同士において、製造時の寸法公差による±3%程度の寸法差は不問とする。複数のコア片2の各々の寸法が同じであるとは、±3%程度の寸法差がある場合を含むものとする。第2変形例では、コア片1とコア片3とが用いられていないことで、図4から図6に示す場合よりも部品の種類の数が減少している。第1変形例と第2変形例とによると、コアモジュール11は、部品の種類の数が減少することによって、生産性の向上および製造コストの低減が可能となる。
図7および図8において、X軸方向におけるコア片2の幅は、X軸方向におけるベースコア7の足部の幅よりも大きい。足部の上方にあるコア片2は、X軸方向において足部よりもはみ出るように配置されている。すなわち、コア片2のうち足部に接続される面の面積が、足部のうちコア片2に接続される面の面積よりも大きい。これにより、コイル装置12は、足部とコア片2とのギャップにおける漏れ磁束を低減できる。なお、X軸方向におけるコア片2の幅は、X軸方向におけるベースコア7の足部の幅と同じであっても良い。コア片2のうち足部に接続される面の面積は、足部のうちコア片2に接続される面の面積と同じであっても良い。この場合も、コイル装置12は、足部とコア片2とのギャップにおける漏れ磁束を低減できる。
コアモジュール11は、コア片3よりもX軸方向における幅が小さいコア片が用いられても良い。図9は、実施の形態1にかかるコイル装置が有するコアモジュールの第3変形例を示す図である。図9に示す第3変形例では、コアモジュール11は、コア片3に代えて、コア片3よりもX軸方向における幅が小さいシート状のコア片3bを複数使用して構成されている。コアモジュール11は、図4から図6に示す場合に比べて、磁路9におけるコアギャップをより多くのギャップに分散させることができる。第3変形例によると、コアモジュール11は、漏れ磁束の低減によりコイル部6の損失を低減できる。
コア片3bには、小型のプレーナトランスに使用される低損失用のフェライトコアを使用することができる。かかるフェライトコアは、市場において多数流通していることから、コストが低くかつ調達しやすい。コアモジュール11は、コア片3bが用いられることによって、部品調達の安定化とコストの低減とが可能となる。
コアモジュール11は、図4から図6に示す場合から各コア片1,2,3の寸法を変化させても良い。コアモジュール11を構成する各コア片1,2,3の寸法は、特に決められた寸法ではなく、さまざまな寸法とすることができる。図10は、実施の形態1にかかるコイル装置が有するコアモジュールの第4変形例を示す図である。図10に示す第4変形例では、コアモジュール11は、複数のコア片1a,2a,3aを有する。各コア片1a,2a,3aのY軸方向における高さは、各コア片1,2,3のY軸方向における高さよりも高い。なお、図10に示す構成による利点については後述する。高さ方向であるY軸方向における各コア片1a,2a,3aの厚みは、ベースコア7のうちの肉薄部の厚みよりも厚い。ベースコア7において、肉薄部は、図4に示す外足部7eである。なお、図7および図8に示す構成において、コア片2,3に代えて、第4変形例と同様のコア片2a,3aが設けられても良い。
次に、図4から図6に示すケース5と仕切り板4とについて説明する。仕切り板4は、複数のコア片1,2,3のうち互いに隣り合うコア片同士を仕切る。ケース5は、複数のコア片1,2,3と複数の仕切り板4とを保持する。ケース5には、ケース5とは別に形成された部品である仕切り板4が備えられる。
ケース5は、複数のコア片1,2,3をX軸方向へ配列可能とするI形状をなしている。仕切り板4は、ケース5内を仕切ることによって、コア片1,2,3の各々が配置されるスペースをケース5とともに構成している。仕切り板4の大きさは、ケース5に収まる大きさであれば良い。仕切り板4におけるYZ平面の面積は、YZ方向におけるケース5の面積と同等であるか、YZ方向におけるケース5の面積の半分程度である。磁路9の中には、仕切り板4とケース5とによってギャップが形成されている。以下の説明では、磁路9の中に形成されているギャップを、コアギャップと称することがある。
ギャップ総和長が、設計によって求められた長さと一致するように、磁路9の方向における各コアギャップの長さが設定される。ギャップ総和長は、磁路9の方向におけるコアギャップの長さを、ベースコア7とコアモジュール11とに設けられている全てのコアギャップについて合計した長さとする。コアモジュール11と外足部7eとの間、および、コアモジュール11と中足部7fとの間には、Y軸方向を長さ方向とするコアギャップが形成されている。コアモジュール11の中には、X軸方向を長さ方向とするコアギャップが形成されている。
フェライトコアの比透磁率は、1500から4000程度である。コアギャップ総和長は、1mmから30mm程度とされる。また、コアギャップ総和長は、所望のインダクタンス値が得られるように調整される。コアギャップから漏れる磁束は、コアギャップに隣接して配置されているコイル部6に鎖交することによって、コイル部6に渦電流を発生させることがある。コイル部6に渦電流が流れることで、コイル部6に損失が発生する。漏れ磁束は、コアギャップ1つ当たりの長さを短くすることによって低減される。具体的には、コアギャップの長さは1mm以下であることが望ましい。仕切り板4とケース5とには、かかる長さのコアギャップを実現可能な薄肉の材料が使用されている。
仕切り板4とケース5との材料には、樹脂などの非磁性体が使用される。樹脂の中では液晶ポリマー(Liquid Crystal Polymer:LCP)等が、仕切り板4およびケース5の材料に適している。LCPは、0.5mm程度の薄肉形成が可能であること、寸法精度が良いこと、ならびに複雑な形状の加工に適していることから、仕切り板4およびケース5の材料に適している。また、LCPは耐熱性に優れており、コアの温度が120度程度と高温になっても軟化などの変化を生じない。仕切り板4およびケース5が薄肉とされる分、仕切り板4およびケース5の加工における材料の使用量は少なくなる。このため、コアモジュール11は、樹脂の中では高価とされるLCPが使用されても、コストの高騰を抑えることができる。樹脂としては、LCPの他に、ポリエチレンテレフタレート(PolyEthylene Terephthalate:PET)、ポリブチレンテレフタレート(PolyButylene Terephthalate:PBT)、ポリプロピレン(PolyPropylene:PP)ならびにポリフェニレンサルファイド(PolyPhenyleneSulfide:PPS)などが用いられても良い。
仕切り板4およびケース5を加工するための工法には、射出成形が用いられる。射出成形は、コスト面と寸法精度に優れており、かつ複雑な形状の加工にも適している。仕切り板4およびケース5を加工するための工法には、押出成形、圧縮成形、または3Dプリンタによる付加加工が用いられても良い。
なお、ケース5のうち、コア片1と外足部7eとの間の部分とコア片2と中足部7fとの間の部分とは、コアギャップを形成する部分であることから薄肉にすることが望ましい。一方、ケース5のうちその他の部分はコアギャップを形成する部分ではないことから、薄肉にしなくても良い。ケース5のうちコアギャップを形成する部分以外の部分は、ケース5の強度を確保可能とする厚さで形成されても良い。
図11は、図4から図6に示すコアモジュールが有するケースの第1変形例を示す図である。図11に示す第1変形例のケース5aは、ケース5aに仕切り板4が具備されている。すなわち、ケース5aは、仕切り板4を含めて一体に成形された部品である。コア片1,2,3の各々は、仕切り板4同士の間に配置される。この場合、ケース5aの加工のための金型とは別に仕切り板4の加工のための金型を購入しなくても良いことから、コアモジュール11は、製造コストを低減できる。
コアモジュール11は、所望のギャップ長さを得ることができれば良く、ケース5には仕切り板4が設けられていなくても良い。図12は、図4から図6に示すコアモジュールが有するケースの第2変形例を示す図である。図13は、図12に示すケースの上面図である。図12および図13に示す第2変形例のケース5bは、図11に示すケース5aが有する仕切り板4に代えて、X軸方向において複数のコア片1,2,3の各々を位置決めするためのリブ13を具備している。コア片1,2,3の各々は、リブ13同士の間に配置される。この場合も、仕切り板4の加工のための金型を購入しなくても良いことから、コアモジュール11は、製造コストを低減できる。また、リブ13の形成に必要とされる材料量は仕切り板4の形成に必要とされる材料量よりも少ないことから、ケース5bは、仕切り板4が設けられるケース5aに比べて製造コストを低減できる。図11に示すケース5aの場合、ケース5aが大型になるほど、ケース5aのうち仕切り板4が設けられている部分に反りが生じ易くなる。ケース5bは、仕切り板4が設けられていないため、かかる反りが発生することはない。
実施の形態1では、コアモジュール11は、各コア片1,2,3がケース5に配置されて、ケース5によって各コア片1,2,3を一括して保持する。このため、コアモジュール11に設けられるコア片1,2,3の数が増えても、コアモジュール11の生産性の悪化にはほとんど繋がらない。また、コアモジュール11では、各コア片1,2,3は、ケース5内において区分けされたスペースへ挿入されることによって、保持されている。コア片1,2,3の保持には、接着剤を使用しない。このため、コアモジュール11は、各コア片1,2,3と接着剤とにおける線膨張係数の違いによって各コア片1,2,3にクラックが発生するという懸念をなくすことができる。
コアモジュール11の生産時において、複数のコア片1,2,3と、仕切り板4と、ケース5との寸法公差に起因して、ギャップ総和長にばらつきが発生することがある。ギャップ総和長のばらつきは、インダクタンス値のばらつきに影響を及ぼす。かかる寸法公差は、一般的に正規分布をとる。コアモジュール11には複数のコア片1,2,3と仕切り板4とが設けられているが、その全てが寸法の平均に対して±3σ~±6σ等の大きな誤差を持つことは統計的に起こりえない。また、コアモジュール11に設けられるコア片1,2,3の数と仕切り板4の数とが増えるほど、ギャップ総和長は寸法が平均値である場合のギャップ総和長に近づく。これにより、コアモジュール11は、コアが複数のコア片1,2,3に分割されていることによって、ギャップ総和長のばらつきを小さくすることができ、インダクタンス値の精度を高くすることができる。
上記内容について、コアを例にして定量的に説明する。コアの寸法は、パーセンテージの誤差を持つ。平均寸法が150mmであって研磨されていないコアの寸法公差を1%とすると、寸法公差は±1.5mmである。30mmのコア片3であれば、1%の寸法公差は±0.3mmである。30mmのコア片3を5個用いて150mmのコアを構成する場合、30mmの1%である±0.3mmの寸法公差が、5個のコア片3の2乗和平方根をとるので、5個のコア片3のトータル長を±0.67mmの寸法公差に縮小できる。これは、150mmのコアの寸法公差の45%に相当し、寸法公差の55%分を縮小できたことになる。同様に、15mmのコア片3を10個用いて150mmのコアを構成する場合、10個のコア片3のトータル長の寸法公差は±0.47mmになる。これは150mmのコアの寸法公差の32%に相当し、寸法公差の68%分を縮小できたことになる。
このように、コイル装置12は、磁路9を構成するコアの分割数を増やすほど、インダクタンス値のばらつきを小さくすることができる。また、コイル装置12は、寸法公差の縮小のために従来実施されていたコアの研磨を不要とすることができることから、コアモジュール11の加工時間の短縮と製造コストの低減とが可能となる。
コアモジュール11は、ケース5においてX軸方向における各コア片1,2,3の位置ずれが生じた場合でも、ギャップ総和長は変わらない。このため、コイル装置12は、コア片1,2,3が接着剤等によってケース5に固定されていなくても、インダクタンス値のばらつきを抑えることができ、安定した電気特性を得ることができる。また、Z軸方向における各コア片1,2,3の位置ずれは、ケース5の寸法公差程度のずれであれば、インダクタンス値にはほとんど影響がない。
コイル装置12は、コアギャップの数が多ければ多いほど、コアギャップ1つ当たりの長さを短くすることができる。コイル装置12は、コアギャップが短くなることで、コアギャップから漏れる磁束を小さくすることができ、コアモジュール11に隣接して配置されているコイル部6の渦電流損失を低減できる。その結果、コイル装置12は、発熱量を抑制することができる。電力変換装置100は、電力効率を改善することができる。
フェライトコアは、衝撃に弱いことから、衝撃によって欠けまたは割れが発生する可能性がある。実施の形態1では、コア片1,2,3の全てがケース5に収められていることによって、コイル装置12は、振動または衝撃からコア片1,2,3を保護することができる。コイル装置12は、コア片1,2,3の破損を低減できる。仮に、コア片1,2,3のいずれかが欠けることによって破片が生じたとしても、コア片1,2,3がケース5内に配置されていることによって、かかる導電性を持つ破片がケース5内に留められる。これにより、電力変換装置100は、プリント基板170またはスイッチング素子111,112,113,114への破片の入り込みによる短絡故障を防ぐことができる。
ケース5の上面には、蓋が設けられていても良い。図14は、図4から図6に示すコアモジュールが有するケースの第3変形例を示す図である。図14に示す第3変形例のケース5cには、コア片1,2,3が収容されるスペースの上方を覆う蓋8が取り付けられる。図14には、ケース5cとコア片1,2,3と蓋8とを分解した様子を示している。ケース5cは、図11に示すケース5aに、蓋8との嵌め合わせのための機構が追加されたものである。
図15は、図14に示すケースに蓋が取り付けられた状態を示す図である。図16は、図14に示すケースと蓋との嵌め合わせのための機構の一例を示す図である。蓋8とケース5cとには、嵌合強度を高めるために、スナップフィット形状などの機構が設けられている。
ケース5cに蓋8が設けられることによって、コイル装置12は、コア片1,2,3のいずれかが破損した場合に、破損によって生じた破片がケース5cの外へ飛散することを防止できる。また、嵌合強度を高めるための機構が蓋8とケース5cとに設けられることによって、コアモジュール11は、各コア片1,2,3の固定強度を高めることができる。これにより、コアモジュール11は、振動耐性の向上が可能となる。なお、蓋8は、図4から図6に示すケース5に取り付けられても良く、図12に示すケース5bに取り付けられても良い。
図17は、図14に示すケースおよび蓋の変形例を示す図である。図17に示す蓋8の上面には、開口17が形成されている。図17に示すケース5cのうち4つの側面の各々には、開口18が形成されている。蓋8が取り付けられた状態のケース5c内の熱は、開口17,18を通ってケース5cの外へ放出される。これにより、コイル装置12は、放熱性を向上できる。開口17,18が設けられることによって、蓋8とケース5cとの製造に使用される材料の量を減らすことができる。なお、開口17,18の位置、形状および数は、ケース5c内にあるコア片1,2,3が開口17,18を通り抜けて脱落することが無いように設定されていれば良く、任意であるものとする。また、ケース5cおよび蓋8には、蓋8の開口17とケース5cの開口18とのうちの少なくとも一方が形成されていれば良い。
図18は、実施の形態1にかかるコイル装置の設置のための構成の第1の例を示す図である。コイル装置12は、ベースコア7を金属筐体160に接触させた状態で、金属筐体160に設置される。ベースコア7と金属筐体160との間には、熱伝導性を有するグリスまたは放熱シートが挟み込まれていても良い。金属筐体160は、コイル装置12の固定のための構成であって冷却器を兼ねている。コイル装置12は、ベースコア7が金属筐体160に熱的に結合された状態で組み立てられている。これにより、コイル装置12は、金属筐体160を利用した冷却が可能とされている。
金属板160aは、コイル装置12の上部を覆う板材である。2つの金属ブロック160bは、金属筐体160上において金属板160aを支持する柱状の構造物である。金属ブロック160bは、金属筐体160のうちX軸方向においてコイル装置12に隣接する位置に立てられている。ねじ10は、金属板160aと金属ブロック160bとを金属筐体160に固定する。コイル装置12の設置のための構成とは、金属筐体160と金属板160aと金属ブロック160bとである。
図19は、図18に示すコイル装置とコイル装置の設置のための構成とが組み合わせられた状態を示す断面図である。金属板160aは、コイル装置12の固定のための構成であって冷却器を兼ねている。コイル装置12は、コアモジュール11が金属板160aに熱的に結合させた状態で組み立てられている。これにより、コイル装置12は、金属板160aを利用した冷却が可能とされている。
ベースコア7にて発生した熱は、主に金属筐体160へ伝わる。コアモジュール11にて発生した熱は、主に金属板160aへ伝わる。金属板160aへ伝わった熱は、金属ブロック160bを経て金属筐体160へ伝わる。図19に示す矢印は、伝熱の様子を表している。コイル装置12は、ベースコア7とコアモジュール11との各々が冷却器と熱的に接合されていることから、コイル装置12の放熱が促進可能とされている。
なお、図18および図19に示す金属板160aと金属ブロック160bとは、別部品である。コイル装置12は、金属板160aと金属ブロック160bとに代えて、金属材料からなる1つの構造物によって固定されていても良い。図20は、実施の形態1にかかるコイル装置の設置のための構成の第2の例を示す図である。第2の例にかかる金属構造物160cは、金属板160aおよび金属ブロック160bに代えて設けられている。金属構造物160cは、金属板160aと金属ブロック160bとの組み合わせと同じ形状であって、U字型をなす。この場合も、コイル装置12は、放熱を促進可能に固定される。
金属構造物160cには、放熱フィン166が設けられても良い。図21は、実施の形態1にかかるコイル装置の設置のための構成の第3の例を示す図である。第3の例にかかる金属構造物160gは、金属構造物160cの上面に放熱フィン166が追加されたものである。放熱フィン166が設けられた金属構造物160gによってコイル装置12が固定されることで、コイル装置12の放熱がさらに促進される。放熱フィンは、上記の金属板160aの上面に追加されても良い。
図22および図23は、実施の形態1にかかるコイル装置の設置のための構成の第4の例を示す図である。図22および図23には、コアモジュール11の熱を金属筐体160へ伝える必要がない場合の構成例を示している。第4の例では、コイル装置12を金属筐体160に固定するための金属ばね14が設けられている。図22では、金属ばね14が金属筐体160へ取り付けられるときの様子を示している。図23では、金属ばね14が金属筐体160へ取り付けられている状態を示している。なお、図22および図23には、金属ばね14とねじ10aとの各側面と、金属ばね14およびねじ10a以外の構成要素の各断面とを示している。
金属ばね14は、0.1mmから1mm程度の金属板であって、弾性を有する。金属ばね14は、ねじ10aによって金属筐体160に固定される。金属ばね14には、Z軸方向におけるコアモジュール11の位置を固定するための突起部14aが設けられている。コイル装置12は、金属ばね14の弾性によって、金属筐体160に押さえ付けられた状態で固定される。コイル装置12は、Z軸方向における位置ずれが突起部14aによって制限されることで、金属筐体160における位置が固定される。
コアモジュール11の熱を金属筐体160へ伝える必要がない場合の代表例は、図10に示すように、コア片1a,2a,3aに低損失用のフェライトコアが使用される場合である。低損失用のフェライトコアが使用されることによって、コイル装置12は、コア片1a,2a,3aにおける損失を低下させることができる。Y軸方向におけるコア片1a,2a,3aの大きさは、磁路9の断面積が1倍から2倍程度の範囲で大きくなるように設定される。コイル装置12は、コアモジュール11における損失の低下と、コアモジュール11における発熱量および発熱密度の低下とが可能となり、コアモジュール11の温度上昇を抑えることができる。図10に示す構成では、金属板160aまたは金属構造物160c,160gにコアモジュール11を接触させることによるコアモジュール11の冷却が不要となる。よって、図10に示す構成では、金属ばね14を用いてコイル装置12を固定することができる。金属ばね14は、薄型の板金に曲げ加工を施すことによって簡単に製作することができる。電力変換装置100は、金属ばね14が用いられることによって、製造コストの低減と、電力変換装置100の小型化および軽量化とが可能となる。
コイル装置12は、E型のコア以外のベースコア7を有しても良い。図24は、実施の形態1にかかるコイル装置が有するベースコアの第1変形例を示す図である。図24に示す第1変形例では、コイル装置12は、E型のベースコア7に代えて、U型のコアである2つのベースコア7cを有する。U型のコアは、2つの足部を有する。ベースコア7cの形状は、E型のベースコア7をX軸方向における中心にて分割することによって得られるような形状である。
図25は、実施の形態1にかかるコイル装置が有するベースコアの第2変形例を示す図である。図25に示す第2変形例では、コイル装置12は、E型のベースコア7に代えて、U型のコアである1つのベースコア7dを有する。コイル部6は、コイル部6の開口にベースコア7dの1つの足部が通された状態でコイル装置12に設置される。
コイル装置12は、2つ以上のコイル部6を有するものであっても良い。図26は、実施の形態1にかかるコイル装置に2つのコイル部が設けられている第1の例を示す図である。図26に示す第1の例では、U型のコアである1つのベースコア7dに2つのコイル部6が設けられている。2つのコイル部6の一方は、コイル部6の開口にベースコア7dの一方の足部が通された状態でコイル装置12に設置される。2つのコイル部6の他方は、コイル部6の開口にベースコア7dの他方の足部が通された状態でコイル装置12に設置される。2つのコイル部6は、XZ方向において互いに隣り合う。
図27は、実施の形態1にかかるコイル装置に2つのコイル部が設けられている第2の例を示す図である。図27に示す第2の例では、U型のコアである1つのベースコア7cに2つのコイル部6が設けられている。2つのコイル部6の一方は、コイル部6の開口にベースコア7cの一方の足部が通された状態でコイル装置12に設置される。2つのコイル部6の他方は、コイル部6の開口にベースコア7cの他方の足部が通された状態でコイル装置12に設置される。一方のコイル部6の一部と他方のコイル部6の一部とは、Y軸方向において互いに隣り合う。
電力変換装置100の回路構成は、図1に示すものに限られず、図1に示す回路とは異なる方式の回路であっても良い。電力変換装置100は、共振コイル120と平滑コイル151とトランス130とを有するものに限られず、1つの共振コイル120と1つの平滑コイル151と1つのトランス130とのうちの少なくとも1つを備えて構成されたものであれば良い。トランス130は、1つ以上のコイル部6を有して構成される。共振コイル120と平滑コイル151も、1つ以上のコイル部6を有して構成されても良い。
実施の形態1によると、コイル装置12は、互いにギャップを介して一列に並べられた複数のコア片1,2,3をコアモジュール11が有することによって、磁路9においてギャップを簡単に分散させることができる。コイル装置12は、ギャップを分散させることによって、ギャップ1つ当たりの長さを短くすることができ、ギャップにおける漏れ磁束を低減できる。コイル装置12は、漏れ磁束の低減によって、コイル部6の損失を低減できる。これにより、コイル装置12は、コイル部6の損失を低減できるという効果を奏する。
コイル装置12は、各コア片1,2,3に低損失用のフェライトコアを使用できることによって、損失をさらに低減できる。コイル装置12は、従来技術の場合に比べて、コイル装置12の生産時におけるインダクタンス値の公差を小さくすることができる。コイル装置12は、容易な組み立てが可能であることで、生産性の向上が可能となる。また、コイル装置12は、コアの研磨が不要となることでコアの調達コストを低減できる。コイル装置12の生産コストの低減によって、電力変換装置100の生産コストが低減可能となる。コイル装置12と金属筐体160との熱的な結合によって、電力変換装置100は、コイル装置12の効率良い冷却が可能となり、かつ電力変換装置100の小型化が可能となる。
実施の形態2.
図28は、本発明の実施の形態2にかかるコイル装置の分解図である。図29は、図28に示すコイル装置の組み立て後の状態を示す図である。実施の形態2にかかるコイル装置12aが有するケース5dは、ベースコア7へのコアモジュール11aの位置決めのための突起部5gを有する。実施の形態2では、上記の実施の形態1と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態1とは異なる構成について主に説明する。
ケース5dは、図11に示すケース5aに突起部5gが追加されたものである。ケース5dに設けられている突起部5gは、リブである。突起部5gは、ケース5dのうち、ZX平面における4つの隅のそれぞれにおいて下方へ延ばされて設けられている。ケース5dに突起部5gが設けられていることによって、コイル装置12aは、X軸方向およびZ軸方向におけるコアモジュール11aとベースコア7との位置決めが可能とされている。これにより、コイル装置12aは、組み立ての簡易化が可能となる。また、ケース5dに突起部5gが設けられていることによって、コイル装置12aは、X軸方向およびZ軸方向におけるコアモジュール11aとベースコア7との位置ずれを防止可能とする。突起部5gは、図4から図6に示すケース5、図12に示すケース5b、図15に示すケース5c、ならびに図17に示すケース5cのいずれかに取り付けられても良い。
図30は、実施の形態2の変形例にかかるコイル装置の分解図である。コイル装置12aが有するケース5fは、ベースコア7の周囲を被覆可能に下方へ延びている4つの外壁を有する。変形例の場合も、コイル装置12aは、コアモジュール11aとベースコア7との位置決めが可能となることで、組み立ての簡易化が可能となる。コイル装置12aは、X軸方向およびZ軸方向におけるコアモジュール11aとベースコア7との位置ずれを防止することができる。
実施の形態2によると、コイル装置12aは、実施の形態1と同様の効果が得られるとともに、ケース5dまたはケース5fが設けられることによって、組み立ての簡易化と、コアモジュール11aおよびベースコア7の位置ずれの防止が可能となる。
電力変換装置100は、コイル装置12aにケース5dまたはケース5fが設けられることによって、電力変換装置100に振動または衝撃が加えられた場合おけるコアモジュール11aとベースコア7との位置ずれを防止可能とする。コイル装置12aは、コアモジュール11aとベースコア7との位置ずれの防止によって、電気特性を維持可能とする。電力変換装置100は、コイル装置12aの電気特性が維持可能であることによって、品質の向上が可能となる。
実施の形態3.
図31は、本発明の実施の形態3にかかるコイル装置の分解図である。図32は、図31に示すコイル装置の組み立て後の状態を示す側面図である。図33は、図31に示すコイル装置の組み立て後の状態を示す上面図である。実施の形態3にかかるコイル装置12bが有するケース5eは、ケース5eの外壁を下方へ延伸させてなる突起部5iを有する。突起部5iの先端には、コイル装置12bが設置される構造物である金属筐体160へのケース5eの固定のための固定部5hが設けられている。実施の形態3では、上記の実施の形態1および2と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態1および2とは異なる構成について主に説明する。
ケース5eは、図14に示すケース5cに突起部5iが追加されたものである。突起部5iは、ケース5eのうちX軸方向における端面である外壁を下方へ延伸させて形成されている。固定部5hは、金属筐体160に接触する。固定部5hは、ケース5eのうち、X軸方向およびZ軸方向における4つの隅のそれぞれに設けられている。また、固定部5hの各々には、直径3mmから6mm程度の孔が形成されている。孔を通されたねじ10aが金属筐体160へ締め込まれることによって、コイル装置12bは、金属筐体160に固定される。なお、図31には蓋8を有するコイル装置12bを示しているが、コイル装置12bは、蓋8を有していなくても良い。
実施の形態3によると、コイル装置12bは、ケース5eを有することによって、実施の形態2の場合と同様に、組み立ての簡易化と、コアモジュール11bおよびベースコア7の位置ずれの防止とが可能となる。コイル装置12bは、ケース5eによって金属筐体160への固定が可能とされているため、金属筐体160への固定のための構成を別途設ける必要がない。電力変換装置100は、金属筐体160へのコイル装置12bの固定のための構成が別途必要である場合に比べて、簡易な構成にできる。なお、蓋8を有するコイル装置12bでは、ケース5eに代えて蓋8に、突起部5iと固定部5hとが設けられても良い。突起部5iと固定部5hとは、図4から図6に示すケース5、図12に示すケース5b、図15に示すケース5c、ならびに図17に示すケース5cのいずれかに取り付けられても良い。
実施の形態4.
図34は、本発明の実施の形態4にかかるコイル装置の断面図である。実施の形態4にかかるコイル装置12cでは、図4から図6に示すE型のベースコア7が、互いにギャップを介して並べられた複数のコア部品に分割されている。実施の形態4では、上記の実施の形態1から3と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態1から3とは異なる構成について主に説明する。
実施の形態4において、第1のコア部品は、2つのベースコア7aと1つのベースコア7bとである複数のコア部品からなる。ベースコア7bは、コイル装置12cのうちX軸方向における中心に配置されている。ベースコア7aは、X軸方向においてベースコア7bと隣り合う。ベースコア7aとベースコア7bとの間にはギャップが設けられている。ベースコア7a,7bと金属筐体160との熱的な結合は、ベースコア7の場合と同様に確保されている。
ベースコア7aとベースコア7bとの間にギャップが設けられたことによって、コイル装置12cは、図4から図6に示す場合と比べて、磁路9にさらに多くのギャップを設けることができる。コイル装置12cは、図4から図6に示す構成において磁路9におけるギャップの数が不足する場合に、ベースコア7a,7bにギャップが設けられることによって十分な数のギャップを確保することが可能となる。
図35は、金属筐体のうち実施の形態4にかかるコイル装置が配置される面の一例を示す平面図である。金属筐体160のうちコイル装置12cが配置される面には、1mmから2mm程度の深さを有する溝15が設けられている。金属筐体160には、3つの溝15が設けられている。3つの溝15のうちの1つは、X軸方向およびZ軸方向におけるベースコア7bの形状と同じ形状をなしている。かかる溝15には、ベースコア7bが嵌め込まれる。3つの溝15のうちの他の2つは、X軸方向およびZ軸方向におけるベースコア7aの形状と同じ形状をなしている。かかる2つの溝15のそれぞれには、ベースコア7aが嵌め込まれる。これにより、ベースコア7aとベースコア7bとの間が定められた長さのギャップをなすように、ベースコア7aとベースコア7bとを位置決めすることができる。また、ベースコア7aとベースコア7bとのギャップの長さを一定に保つことができる。
図36は、金属筐体のうち実施の形態4にかかるコイル装置が配置される面の他の例を示す平面図である。金属筐体160のうちコイル装置12cが配置される面には、1mmから2mm程度の高さを有するリブ16が設けられている。リブ16によって囲われた3つの領域のうちの1つは、X軸方向およびZ軸方向におけるベースコア7bの形状と同じ形状をなしている。かかる領域には、ベースコア7bが嵌め込まれる。3つの領域のうちの他の2つは、X軸方向およびZ軸方向におけるベースコア7aの形状と同じ形状をなしている。かかる2つの領域のそれぞれには、ベースコア7aが嵌め込まれる。これにより、ベースコア7aとベースコア7bとの間が定められた長さのギャップをなすように、ベースコア7aとベースコア7bとを位置決めすることができる。また、ベースコア7aとベースコア7bとのギャップの長さを一定に保つことができる。
実施の形態4によると、コイル装置12cは、ベースコア7a,7bが設けられたことによって、磁路9に設けられるギャップの数を増やすことができる。これにより、コイル装置12cは、コイル部6の損失をさらに低減することができる。
実施の形態5.
図37は、本発明の実施の形態5にかかるコイル装置の断面図である。実施の形態5にかかるコイル装置12dでは、図34に示すベースコア7bが2つのベースコア7aに分割されている。すなわち、コイル装置12dでは、図4から図6に示すE型のベースコア7が、互いにギャップを介して並べられた4つのベースコア7aに分割されている。実施の形態5では、上記の実施の形態1から4と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態1から4とは異なる構成について主に説明する。
実施の形態5において、第1のコア部品は、複数のコア部品である4つのベースコア7aからなる。4つのベースコア7aの各々は、1種類のコア部品からなる。4つのベースコア7aの各々は、同一の形状を有する。ここで、ベースコア7a同士において、製造時の寸法公差による±3%程度の寸法差は不問とする。複数のベースコア7aの各々が同一の形状を有するとは、±3%程度の寸法差がある場合を含むものとする。ベースコア7a同士の間にはギャップが設けられている。ベースコア7a同士の間にギャップが設けられたことによって、コイル装置12dは、図4から図6に示す場合と比べて、磁路9にさらに多くのギャップを設けることができる。
電力変換装置100に搭載されるコア部品のサイズは、電力に比例して大きくなる。また、製造可能なコア部品のサイズの上限は、プレス機または焼成機といったコア製造設備のサイズにより制約されることとなる。4つのベースコア7aに代えて一体のコア部品である第1のコア部品をコイル装置12dに設けることとした場合、第1のコア部品の最大サイズは、コア製造設備のサイズによって決まる。実施の形態5では、第1のコア部品が4つのベースコア7aに分割されていることで、4つのベースコア7aの各々を当該最大サイズにまで大型化できる。このため、コイル装置12dに設けられる第1のコア部品のサイズは、第1のコア部品を一体のコア部品とする場合に対して最大で4倍のサイズとすることが可能となる。よって、第1のコア部品の製造において既存のコア製造設備よりも大型なコア製造設備が使用されなくても、一体のコア部品からなる第1のコア部品を備える場合に比べて最大で4倍のサイズの第1のコア部品を備えるコイル装置12dを製造することができる。
金属筐体160には、実施の形態4と同様に、ベースコア7aの位置決めのための溝15またはリブ16が設けられても良い。これにより、ベースコア7a同士の間が定められた長さのギャップをなすように、各ベースコア7aを位置決めすることができる。また、各ベースコア7aのギャップの長さを一定に保つことができる。
実施の形態5によると、コイル装置12dは、複数のベースコア7aが設けられたことによって、磁路9に設けられるギャップの数を増やすことができる。これにより、コイル装置12dは、コイル部6の損失をさらに低減することができる。
実施の形態6.
図38は、本発明の実施の形態6にかかるコイル装置の断面図である。実施の形態6にかかるコイル装置12eでは、複数のコア片1,2,3のうち互いに隣り合うコア片同士が仕切り部4bを挟んで貼り合わせられている。実施の形態6では、上記の実施の形態1から5と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態1から5とは異なる構成について主に説明する。
図39は、図38に示すコイル装置が有する仕切り部の拡大図である。仕切り部4bは、板材である仕切り板4を有する。仕切り板4の両面には、接着強度が高い両面テープ4aが貼り付けられている。各コア片1,2,3が両面テープ4aに貼り付けられることによって、仕切り部4bは、コア片1,2,3のうち互いに隣り合うコア片同士を互いに貼り合わせる。コア片1,2,3のうち互いに隣り合うコア片同士の間には、仕切り部4bが設けられることによりギャップが形成されている。
コア片1,2,3同士が互いに貼り合わせられることによって、コアモジュール11cにおいてコア片1,2,3が固定されている。コア片1,2,3の固定が仕切り部4bによって実現されていることから、コイル装置12eには、コア片1,2,3の固定のためにケース5を設ける必要がない。この場合、ケース5の製作費用とケース5の加工のための金型が不要となるため、コアモジュール11cは、製造コストを低減できる。さらに、コイル装置12eは、ベースコア7とコアモジュール11cとの間のギャップを無くすことが可能となる。コイル装置12eは、ベースコア7とコアモジュール11cとの間からの漏れ磁束を無くすことができるため、コイル部6の損失をより低減させることができる。
図40は、実施の形態6の変形例にかかるコイル装置の断面図である。コイル装置12fでは、コアモジュール11dを構成するコア片1,2,3のうち互いに隣り合うコア片同士は、接着剤4cを挟んで貼り合わせられている。接着剤4cには、ガラスビーズが混ぜ込まれている。接着剤4cにガラスビーズが入れられていることによって、コア片1,2,3のうち互いに隣り合うコア片同士は、一定の間隔を確保したまま接着される。これにより、コア片1,2,3のうち互いに隣り合うコア片同士の間には、接着剤4cが設けられることによりギャップが形成されている。本変形例においても、コアモジュール11dは、ケース5が不要となることにより製造コストを低減できる。また、コイル装置12fは、ベースコア7とコアモジュール11dとの間からの漏れ磁束を無くすことができるため、コイル部6の損失をより低減させることができる。
実施の形態6によると、コイル装置12e,12fは、コア片1,2,3同士がギャップをなして互いに貼り合わせられることによって、コア片1,2,3の固定のためのケース5が不要となり、製造コストを低減できる。また、コイル装置12e,12fは、ベースコア7とコアモジュール11c,11dとの間からの漏れ磁束を無くすことができるため、コイル部6の損失をより低減させることができる。
実施の形態7.
図41は、本発明の実施の形態7にかかるコイル装置の断面図である。実施の形態7にかかるコイル装置12gにおいて、複数のコア片1,2,3の各々は、金属板160dに固定されている。実施の形態7では、上記の実施の形態1から6と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態1から6とは異なる構成について主に説明する。金属筐体160には、金属板160dを支持する金属ブロック160bが立てられている。
図42は、図41に示すコイル装置が設けられる金属板を下方から見た様子を示す拡大図である。図43は、図41に示すコイル装置が設けられる金属板を側方から見た様子を示す拡大図である。金属板160dは、X軸方向において複数のコア片1,2,3の各々を位置決めするためのリブ165を具備している。
リブ165は、金属板160dのうちコアモジュール11eの側の面に形成されている。リブ165は、X軸方向において1mm以下の厚みをなす。各コア片1,2,3は、接着剤4dが使用されて、リブ165同士の間に貼り付けられる。リブ165によって、各コア片1,2,3がX軸方向において位置決めされることによって、コア片1,2,3同士の間にギャップが形成される。
各コア片1,2,3が金属板160dに貼り付けられることによって、コアモジュール11eにおいてコア片1,2,3が固定されている。コア片1,2,3の固定が金属板160dによって実現されていることから、コイル装置12gには、コア片1,2,3の固定のためにケース5を設ける必要がない。この場合、ケース5の製作費用とケース5の加工のための金型が不要となるため、コアモジュール11eは、製造コストを低減できる。さらに、コイル装置12gは、ベースコア7とコアモジュール11eとの間のギャップを無くすことが可能となる。コイル装置12gは、ベースコア7とコアモジュール11eとの間からの漏れ磁束を無くすことができるため、コイル部6の損失をより低減させることができる。
一般的に、磁路9を遮断するように金属物が配置された場合、コイル装置12gの電気特性に影響が及ぶことになる。実施の形態7では、リブ165は、環状の磁路9のうちの外縁部分に位置している。磁束は、環状の磁路9において、磁路9の断面における中心よりも内側を通ることから、コイル装置12gは、金属物であるリブ165が磁路9に設けられることによる電気特性への影響を無くすことができる。
コアモジュール11eにおける磁路9の方向がX軸方向であるのに対し、接着剤4dの厚み方向はY軸方向とされている。接着剤4dの厚みにばらつきがある場合に、コア片1,2,3には、Y軸方向における位置のばらつきが生じる一方、X軸方向における位置のばらつきは生じない。このため、接着剤4dの厚みにばらつきがあっても、コアギャップの長さには影響しない。よって、コイル装置12gは、接着剤4dの厚みのばらつきによるインダクタンス値への影響を無くすことができる。
図44は、実施の形態7の第1変形例にかかるコイル装置の組み立ての際における状態を示す断面図である。図45は、図44に示すコイル装置の組み立て後の状態を示す断面図である。コイル装置12hでは、ベースコア7の足部の上方にコア片1,2が配置されていない。金属板160eには、コア片3が貼り付けられる。コア片3が貼り付けられた状態の金属板160eは、ねじ10aが締め込まれることによって金属ブロック160bに固定される。金属板160eが金属ブロック160bに固定されることによって、ベースコア7の足部は、リブ165に接触する。リブ165によって、ベースコア7の足部とコア片3との間にギャップが形成される。
実施の形態7の第1変形例でも、コイル装置12hは、リブ165が磁路9に設けられることによる電気特性への影響を無くすことができる。コイル装置12hは、接着剤4dの厚みのばらつきによるインダクタンス値への影響を無くすことができる。さらに、コイル装置12hは、ベースコア7の足部の上方にコア片1,2が無いため、足部の上方におけるギャップの長さのばらつきを無くすことができる。これにより、コイル装置12hは、インダクタンス値のばらつきをさらに低減できる。
図46は、実施の形態7の第2変形例にかかるコイル装置の断面図である。金属板160fは、上記の金属板160dの上面に放熱フィン166が追加されたものである。放熱フィン166を有する金属板160fにコア片3が固定されることで、コア片3の放熱が促進可能となる。
実施の形態7によると、コイル装置12g,12h,12iは、リブ165が設けられた金属板160d,160e,160fにコア片1,2,3が固定されることによって、コア片1,2,3の固定のためのケース5が不要となり、製造コストを低減できる。また、コイル装置12g,12h,12iは、ベースコア7とコアモジュール11e,11fとの間からの漏れ磁束を無くすことができるため、コイル部6の損失をより低減させることができる。コイル装置12g,12h,12iは、所望とする長さのコアギャップを設けてコア片1,2,3を固定することができ、インダクタンス値のばらつきを低減できる。
実施の形態8.
図47は、実施の形態8にかかるコイル装置の分解図である。図48は、図47に示すコイル装置の組み立て後の状態を示す断面図である。実施の形態8にかかるコイル装置20には、ベースコア7が設けられていない。コイル装置20において、磁路9は、複数のコア片1c,2c,3cのみによって構成されている。実施の形態8では、上記の実施の形態1から7と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態1から7とは異なる構成について主に説明する。
コイル装置20は、コアモジュール21とコイル部6とを有する。コアモジュール21は、複数のコア片1c,2c,3cであるコア片群と、コア片群を保持するケース22とを有する。コア片群には、2つのコア片1cと、1つのコア片2cと、任意の数のコア片3cとが含まれる。2つのコア片1cの各々は、外足部26を構成する。コア片2cは、中足部25を構成する。コアモジュール21は、いずれも閉磁路である2つの磁路9を構成する。
コア片群のうち、図4に示すベースコア7の代わりに設けられている複数のコア片1c,2c,3cは、第1のコア部品を構成する。コア片1c,2c,3cは、互いにギャップを介してX軸方向へ並べられている。コア片群に含まれるコア片3cのうち第1のコア部品を構成するコア片3c以外のコア片3cは、第2のコア部品を構成する。第2のコア部品を構成するコア片3cとコア片1c,2cとは、互いにギャップを介してX軸方向へ並べられている。第1のコア部品を構成するコア片3cは、ケース22のうちの下部分に配置される。第2のコア部品を構成するコア片3cは、ケース22のうちの上部分に配置される。
各コア片1cのY軸方向における高さは、各コア片3cのY軸方向における高さよりも高い。コア片2cのY軸方向における高さは、各コア片3cのY軸方向における高さよりも高い。各コア片1cのY軸方向における高さとコア片2cのY軸方向における高さとは、同じである。ここで、コア片1cとコア片2cとにおいて、製造時の寸法公差による±3%程度の寸法差は不問とする。各コア片1cの高さとコア片2cの高さとが同じであるとは、±3%程度の寸法差がある場合を含むものとする。
各コア片1c,2c,3cは、実施の形態1から7の各ベースコア7,7a,7b,7c,7dと比べて小型であることから、各ベースコア7,7a,7b,7c,7dに比べて焼成が容易である。各コア片1c,2c,3cは、各ベースコア7,7a,7b,7c,7dに比べて損失を少なくすることができる。コアモジュール21は、各コア片1c,2c,3cが使用されることによって、寸法精度を高くすることができ、かつ焼成時間を短くすることができる。
コイル装置20は、各コア片1c,2c,3cの寸法公差を縮小できることによって、インダクタンス値のばらつきを小さくすることができる。また、コイル装置20は、寸法公差の縮小のために従来実施されていたコアの研磨を不要とすることができることから、コアモジュール21の加工時間の短縮と製造コストの低減とが可能となる。
各コア片1c,2c,3cには、汎用のフェライトコア材と低損失用のフェライトコア材とのどちらが使用されても良い。汎用のフェライトコア材と低損失用のフェライトコア材とのどちらも使用可能であることで、コア片1c,2c,3cの材料を調達可能な調達先が多くなる。したがって、コアモジュール21を製造するための部品調達の安定化と調達コストの低減とが可能となる。さらに、コアモジュール21は、損失の低減と品質向上とが可能となる。
ケース22からZ軸方向へ離れた位置からケース22を見た場合に、ケース22の外縁は長方形形状である。ケース22は、中空部24を囲う立体形状である。中空部24の周囲に、コア片1c,2c,3cが配置されるスペースが設けられている。ケース22は、仕切り板23を具備する。仕切り板23は、コア片1c,2c,3cのうちX軸方向において互いに隣り合うコア片同士を仕切る。ケース22は、仕切り板23を含めて一体に成形された部品である。ケース22が仕切り板23を含めて一体に成形されることで、コアモジュール21は、製造コストを低減できる。仕切り板23は、ケース22とは別に形成された部品であっても良い。
なお、ケース22は、仕切り板23に代えて、図12および図13に示すリブ13を具備しても良い。リブ13が設けられることによって、X軸方向において複数のコア片1c,2c,3cの各々が位置決めされる。ケース22がリブ13を含めて一体に成形されることで、コアモジュール21は、製造コストを低減できる。
さらに、ケース22には、図14に示す蓋8が取り付けられても良い。蓋8は、ケース22のうちの上部分に配置されているコア片1c,2c,3cが収容されるスペースを覆う。蓋8が設けられることによって、コイル装置20は、コア片1c,2c,3cのいずれかが破損した場合に、破損によって生じた破片がケース22の外へ飛散することを防止できる。
各コア片1cは、ケース22のうち長方形の短辺に相当する部分に通される。コア片2cは、ケース22のうちX軸方向における中心においてケース22と中空部24とを貫いて通される。コイル部6は、中空部24を貫いて配置される。コイル部6は、コイル部6の開口にコア片2cが通された状態でコイル装置20に設置される。コアモジュール21が組み立てられる際に、コア片2cは、コイル部6が中空部24に配置されてから、ケース22内に組み付けられる。コア片1cとコア片3cとについては、ケース22内に組み付けられる順序は任意である。
コアモジュール21において、コア片1c,2c,3cによって磁路9が構成されることで、磁路9の全体にコア片同士のコアギャップが設けられる。このため、コア片同士のコアギャップが磁路9の一部のみに設けられる場合と比べて、磁路9の全体におけるコアギャップの数が多くなる。コイル装置20は、コアギャップの数を多くできることによって、コアギャップ1つ当たりの長さを短くすることができる。コイル装置20は、コアギャップが短くなることで、コアギャップから漏れる磁束を小さくすることができ、コイル部6の渦電流損失を低減できる。
第1のコア部品を構成するコア片1c,2c,3cは、ケース22の下端において各コア片1c,2c,3cの下面がケース22の外へ露出された状態で保持される。コイル装置20は、各コア片1c,2c,3cの下面を金属筐体160に接触させた状態で、金属筐体160に設置される。このように、コイル装置20では、コア片群に含まれる一部のコア片は、ケース22の外部の構造物である金属筐体160と熱的に結合可能に配置される。各コア片1c,2c,3cの下面と金属筐体160との間には、熱伝導性を有するグリスまたは放熱シートが挟み込まれていても良い。
金属筐体160は、コイル装置20の固定のための構成であって冷却器を兼ねている。コイル装置20は、コア片群に含まれる一部のコア片が金属筐体160に熱的に結合された状態で組み立てられている。これにより、コイル装置20は、金属筐体160の利用による高い放熱性を得ることができる。
コイル装置20は、コイル装置20が組み立てられる際に金属筐体160へ固定される。コイル装置20は、コイル装置20の組み立てが完了してから、金属筐体160へ固定されても良い。このようにコイル装置20の組み立て手順の自由度が向上することで、より効率的な組み立て手順を選択してコイル装置20を製造することが可能となる。これにより、コイル装置20の製造時間を短縮することが可能となる。
コアモジュール21を構成するコア片群には、図9に示すシート状のコア片3bが含まれても良い。コアモジュール21は、コア片群に複数のコア片3bが含まれることによって、磁路9におけるコアギャップをより多くのギャップに分散させることができる。これにより、コアモジュール21は、漏れ磁束の低減によりコイル部6の損失を低減できる。
図49は、実施の形態8の第1変形例にかかるコイル装置の分解図である。図49では、コイル部6の図示を省略する。実施の形態8の第1変形例にかかるコイル装置20aにおいて、コアモジュール21aを構成するケース22aには切り欠き27が形成されている。切り欠き27は、ケース22aのうちX軸方向における両側面の各々に形成されている。切り欠き27は、ケース22aの側面をY軸方向に切断することにより側面の一部を切り欠いたように形成されている。
コイル装置20aは、ケース22aに切り欠き27が形成されることによって、放熱性を向上できる。また、切り欠き27が設けられることによって、ケース22aの製造に使用される材料の量を減らすことができる。なお、切り欠き27の位置、形状および数は、ケース22a内にあるコア片1c,2c,3cが切り欠き27を通り抜けて脱落することが無いように設定されていれば良く、任意であるものとする。さらに、切り欠き27が設けられることによって、ケース22a内にてコア片1c,2c,3cが組み付けられる様子をケース22aの外からの目視によって確認することができる。これにより、コア片1c,2c,3cの組み付け不良の見落としを防ぐことができる。
図50は、実施の形態8の第2変形例にかかるコイル装置の分解図である。図51は、図50に示すコイル装置の組み立て後の状態を示す断面図である。図50では、コイル部6の図示を省略する。実施の形態8の第2変形例にかかるコイル装置20bの磁路9は、互いに隣り合うコア片同士が接触している箇所を含む。
コイル装置20bにおいて、コアモジュール21bを構成するケース22bには、コア片1cとコア片3cとを仕切る仕切り板23が設けられていない。また、ケース22bには、コア片2cとコア片3cとを仕切る仕切り板23が設けられていない。コアモジュール21bを構成する各コア片1cは、コア片1cと隣り合う2つのコア片3cの各々と接触している。コアモジュール21bを構成するコア片2cは、コア片2cと隣り合う4つのコア片3cの各々と接触している。
コイル部6の端部は磁束の影響を受け易いことから、コイル部6の損失は端部において発生し易い。図51に示すように、磁路9のうち、コア片1cとコア片3cとが接触する箇所は、コイル部6のうち外周側の端部6aから近い位置である。端部6aに近い位置にコアギャップが設けられないことによって、端部6aを貫通する磁束の抑制が可能となる。また、磁路9のうち、コア片2cとコア片3cとが接触する箇所は、コイル部6のうち内周側の端部6bから近い位置である。端部6bに近い位置にコアギャップが設けられないことによって、端部6bを貫通する磁束の抑制が可能となる。これにより、コイル装置20bは、端部6aと端部6bとにおける渦電流の発生を抑制可能とし、コイル部6の損失を低減できる。
図50および図51に示す例では、各磁路9における4つの箇所において、互いに隣り合うコア片同士が接触している。各磁路9では、任意の箇所において、互いに隣り合うコア片同士が接触していれば良いものとする。また、互いに隣り合うコア片同士が接触している箇所の数は4つに限られず、任意とする。各磁路9には、互いに隣り合うコア片同士が接触している箇所が少なくとも1つ含まれていれば良い。これにより、コイル装置20bは、コイル部6における渦電流の発生を抑制可能とし、コイル部6の損失を低減できる。
図52は、実施の形態8の第3変形例にかかるコイル装置の分解図である。図53は、図52に示すコイル装置の組み立て後の状態を示す断面図である。図52では、コイル部6の図示を省略する。実施の形態8の第3変形例にかかるコイル装置20cにおいて、コアモジュール21cには、図47に示すコア片2cが用いられていない。コアモジュール21cは、4つのコア片1cと任意の数のコア片3cにより構成されている。中足部25は、X軸方向に並べられた2つのコア片1cからなる。
コアモジュール21cは、コア片2cが用いられないことで、上記の各コアモジュール21,21a,21bの場合と比べて部品の種類の数が減少している。コアモジュール21cを構成する部品の種類の数が減少することによって、コアモジュール21cの生産性を向上でき、かつコアモジュール21cの製造コストの低減が可能となる。
図54は、実施の形態8の第4変形例にかかるコイル装置の分解図である。図55は、図54に示すコイル装置の組み立て後の状態を示す断面図である。図54では、コイル部6の図示を省略する。実施の形態8の第4変形例にかかるコイル装置20dにおいて、コアモジュール21dには、図47に示すコア片1c,2c,3cに代えて、複数のコア片3dが設けられる。コアモジュール21dは、1種類のコア片3dから構成される。
各コア片3dのXY平面は、長方形である。長方形の長辺は、長方形の短辺よりも長く、かつ短辺の2倍程度までの長さである。コアモジュール21dを構成する複数のコア片3dのうち、中足部25を構成するコア片3dと外足部26を構成するコア片3dとは、長辺をY軸方向に合わせて配置される。コアモジュール21dを構成する複数のコア片3dのうち、中足部25を構成するコア片3dおよび外足部26を構成するコア片3d以外のコア片3dは、長辺をX軸方向に合わせて配置される。
ケース22dは、上記のように長辺の方向が決められた各コア片3dを配置可能に構成される。中足部25と外足部26とに、長辺がY軸方向に合わせられたコア片3dが配置されることによって、ケース22dのうちの上部分に配置されるコア片3dとケース22dのうちの下部分に配置されるコア片3dとの間に、コイル部6が配置されるスペースが確保される。
コアモジュール21dは、上記の各コアモジュール21,21a,21b,21cの場合と比べて部品の種類の数が減少している。コアモジュール21dを構成する部品の種類の数が減少することによって、コアモジュール21dの生産性を向上でき、かつコアモジュール21dの製造コストの低減が可能となる。
図56は、実施の形態8の第5変形例にかかるコイル装置の分解図である。図57は、図56に示すコイル装置の組み立て後の状態を示す断面図である。図56では、コイル部6の図示を省略する。実施の形態8の第5変形例にかかるコイル装置20eにおいて、コアモジュール21eは、1種類のコア片3dから構成される。コアモジュール21eを構成するコア片3dのうち、ケース22eのうちの上部分に配置されるコア片3dは、いずれも長辺をY軸方向に合わせて配置される。
ケース22eのうちの下部分に配置されるコア片3dは、上記の第4変形例においてケース22dのうちの下部分に配置されるコア片3dと同様に配置される。すなわち、ケース22eのうちの下部分に配置されるコア片3dのうち、中足部25を構成するコア片3dと外足部26を構成するコア片3dとは、長辺をY軸方向に合わせて配置される。ケース22eのうちの下部分に配置されるコア片3dのうち、中足部25を構成するコア片3dおよび外足部26を構成するコア片3d以外のコア片3dは、長辺をX軸方向に合わせて配置される。
ケース22eは、上記のように長辺の方向が決められた各コア片3dを配置可能に構成される。ケース22eのうちの下部分に配置されるコア片3dのうち、中足部25を構成するコア片3dと外足部26を構成するコア片3dとが、長辺をY軸方向に合わせて配置されることによって、ケース22eのうちの上部分に配置されるコア片3dとケース22eのうちの下部分に配置されるコア片3dとの間に、コイル部6が配置されるスペースが確保される。また、コアモジュール21eは、実施の形態8の第4変形例のコアモジュール21dの場合と同様に、コアモジュール21eを構成する部品の種類の数を減少可能である。これにより、コアモジュール21eの生産性を向上でき、かつコアモジュール21eの製造コストの低減が可能となる。
いずれも長辺がY軸方向に合わせられたコア片3dがケース22eのうちの上部分に配置されることによって、コアモジュール21eのうちの上部分における磁路9の断面積は、長辺がX軸方向に合わせられたコア片3dが配置される場合と比較して1倍から2倍程度大きくなる。コイル装置20eは、コアモジュール21eのうちの上部分における磁束密度が低減されることによって、コアモジュール21eにおける損失を低減できる。また、コイル装置20eは、コアモジュール21eにおける発熱量と発熱密度との低下が可能となり、コアモジュール21eの温度上昇を抑えることができる。このため、コイル装置20eは、図18および図19に示す金属板160a、図20に示す金属構造物160c、または図21に示す金属構造物160gといった構造物にコアモジュール21eを接触させることによるコアモジュール21eの冷却が不要となる。
さらに、構造物にコアモジュール21eを接触させることによるコアモジュール21eの冷却が不要となることによって、図22に示す金属ばね14などを用いたコイル装置20eの固定が可能となる。電力変換装置100は、金属ばね14が用いられることによって、製造コストの低減と、電力変換装置100の小型化および軽量化とが可能となる。
なお、実施の形態8の第1変形例、および実施の形態8の第3から第5変形例にかかる各コイル装置20a,20c,20d,20eにおける磁路9には、実施の形態8の第2変形例の場合と同様に、互いに隣り合うコア片同士が接触している箇所が少なくとも1つ含まれていても良い。これにより、コイル装置20a,20c,20d,20eは、コイル部6における渦電流の発生を抑制可能とし、コイル部6の損失を低減できる。
実施の形態1から5、および実施の形態7にかかる各コイル装置12,12a,12b,12c,12d,12g,12h,12iにおける磁路9には、実施の形態8の第2変形例の場合と同様に、互いに隣り合うコア片同士が接触している箇所が少なくとも1つ含まれていても良い。これにより、コイル装置12,12a,12b,12c,12d,12e,12f,12g,12h,12iは、コイル部6における渦電流の発生を抑制可能とし、コイル部6の損失を低減できる。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。