JPWO2017038369A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

電力変換装置(100)は、磁性コア(21,22)と、複数の巻線(11,12)と、複数の金属製の側壁(43,44)と、第1絶縁部材(61,62,63)と、第2絶縁部材(64)とを備えている。複数の巻線(11,12)は磁性コア(21,22)の外側に巻回され、磁性コア(21,22)の延びる方向に延びる部分を有するように屈曲されている。複数の金属製の側壁(43,44)は複数の巻線(11,12)の外側に配置され、磁性コア(21,22)の延びる方向に沿うように延びている。第1絶縁部材(61,62,63)は複数の巻線(11,12)同士の間および巻線(11,12)と磁性コア(21,22)との間に設けられている。第2絶縁部材(64)は複数の側壁(43,44)のそれぞれと複数の巻線(11,12)のそれぞれとの双方に接するように複数の巻線(11,12)の外側に配置されている。第2絶縁部材(64)の熱伝導率は第1絶縁部材(61,62,63)の熱伝導率よりも高い。

Description

本発明は電力変換装置に関し、特に、トランスなどの磁性部品を含む電力変換装置に関するものである。
従来、トランス構造として、たとえば特開平7−115024号公報(特許文献1)のような、貫通孔の周囲に一次側巻線が巻回された一次側プリント基板と、貫通孔の周囲に二次側巻線が巻回された二次側プリント基板とが積層され、当該貫通孔内に2つのコアが挿入された構成が開示されている。特許文献1のトランス構造においては、一次側プリント基板側から挿入されるコアと、二次側から挿入されるコアとにより、一次側巻線および二次側巻線が挟み込まれる態様となっている。
またたとえば特開2009−177019号公報(特許文献2)のような、単一のフレキシブル基板に形成された貫通孔の周囲に一次側巻線および二次側巻線が巻回され、当該貫通孔内に2つのコアが挿入され、かつ当該フレキシブル基板の表面が2つのコアの延在方向に沿うように折り曲げられた構成が開示されている。特許文献2のトランス構造においても、フレキシブル基板の一方の表面側から挿入されるコアと、他方の表面側から挿入されるコアとにより、一次側巻線および二次側巻線が挟み込まれる態様となっている。
これらのトランス構造はいずれも、一次側および二次側巻線が銅箔パターンで形成されており、基板に形成された樹脂材料により当該パターンの位置が固定される。これにより、各巻線間の距離、および巻線とコアとの距離が適正値に確保され、各巻線間などの絶縁状態の維持が可能となっている。
特開平7−115024号公報 特開2009−177019号公報
特許文献1および特許文献2における各巻線は、銅箔パターンとして形成されるため、その厚みが薄くて通電断面積が小さい。このため当該巻線は、大電流を流すことにより発熱が非常に大きくなる。にもかかわらず、特許文献1および特許文献2によれば各巻線の発熱を高効率に放熱することが困難であると考えられる。特に特許文献2においてはフレキシブル基板が折り曲げられることによりトランス構造が小型化されるという利点を有するものの、特に折り曲げられることによりコアに近い側すなわち内側に配置される二次側巻線の発熱を外部に放熱することが困難である。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、巻線間の絶縁性と、巻線の高い放熱性と、装置全体の小型化とを兼ね備えることが可能な電力変換装置を提供することである。
本発明の電力変換装置は、磁性コアと、複数の巻線と、複数の金属製の側壁と、第1絶縁部材と、第2絶縁部材とを備えている。複数の巻線は磁性コアの外側に巻回され、磁性コアの延びる方向に延びる部分を有するように屈曲されている。複数の金属製の側壁は複数の巻線の外側に配置され、磁性コアの延びる方向に沿うように延びている。第1絶縁部材は複数の巻線同士の間および巻線と磁性コアとの間に設けられている。第2絶縁部材は複数の側壁のそれぞれと複数の巻線のそれぞれとの双方に接するように複数の巻線の外側に配置されている。第2絶縁部材の熱伝導率は第1絶縁部材の熱伝導率よりも高い。
本発明によれば、巻線が磁性コアの延びる方向に延びる部分を有するように折り曲げられるため電力変換装置全体が小型化される。また第1絶縁部材により、巻線間および巻線と磁性コアとの間の絶縁性を確保できる。さらに巻線および側壁の双方に接する高熱伝導性の第2絶縁部材により、巻線の発熱を高効率に放熱できる。
一実施の形態の電力変換装置の回路ブロック図である。 実施の形態1の電力変換装置の構成の一例を示す概略断面図である。 下側磁性コアの中足の外側に巻回されておりかつ屈曲される前の一次側巻線の態様を一次側巻線よりも上側から見た概略平面図(A)と、下側磁性コアの中足の外側に巻回されておりかつ屈曲される前の二次側巻線の態様を二次側巻線よりも下側から見た概略平面図(B)とである。 図3(A)のIVA−IVA線に沿う部分の概略断面図(A)と、図3(A)のIVB−IVB線に沿う部分の概略断面図(B)と、図3(A)のIVC−IVC線に沿う部分の概略断面図(C)とである。 下側磁性コアの中足の外側に巻回されておりかつ屈曲された後の一次側巻線の態様を一次側巻線よりも上側から見た概略平面図(A)と、下側磁性コアの中足の外側に巻回されておりかつ屈曲された後の二次側巻線の態様を二次側巻線よりも下側から見た概略平面図(B)とである。 図5(A)のVIA−VIA線に沿う部分の概略断面図(A)と、図5(A)のVIB−VIB線に沿う部分の概略断面図(B)とである。 実施の形態1における、図2の電力変換装置の構成とは異なる変形例の構成を示す概略断面図である。 図2に示す実施の形態1の電力変換装置の構成を示す分解斜視図である。 実施の形態2の電力変換装置の構成の一例を示す概略断面図である。 図9に示す実施の形態2の電力変換装置の構成を示す分解斜視図である。 実施の形態3の電力変換装置の構成の一例を示す概略断面図である。 実施の形態3における、図11の電力変換装置の構成とは異なる変形例の構成を示す概略断面図である。 下側磁性コアの中足の外側に巻回されておりかつ屈曲される前の一次側巻線の態様を一次側巻線よりも上側から見た概略平面図(A)と、下側磁性コアの中足の外側に巻回されておりかつ屈曲される前の二次側巻線の態様を二次側巻線よりも上側から見た概略平面図(B)とである。 図13(B)のXIV−XIV線に沿う部分を上から見た概略断面図である。
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
実施の形態1.
まず図1を用いて、本実施の形態の電力変換装置の回路図の一例について説明する。図1を参照して、本実施の形態の電力変換装置は、入力側駆動回路1と、出力側駆動回路2と、トランス10とを主に有している。
入力側駆動回路1は、4つのスイッチング素子31A,31B,31C,31Dと、コンデンサ32Aとを有している。出力側駆動回路2は、4つの整流素子31E,31F,31G,31Hと、コンデンサ32Bと、コイル33とを有している。トランス10は、一次側巻線11と、二次側巻線12とを有している。
入力側駆動回路1においては、4つのスイッチング素子31A,31B,31C,31Dが図1のように接続されている。具体的には直列に接続されたスイッチング素子31A,31Cと、直列に接続されたスイッチング素子31B,31Dとが、並列に接続されている。スイッチング素子31Aとスイッチング素子31Cとの間には接続点11Aが、スイッチング素子31Bとスイッチング素子31Dとの間には接続点11Bが存在する。接続点11Aと接続点11Bとの間に、一次側巻線11が接続されている。なおスイッチング素子31A,31B,31C,31Dは、トランス10の一次側巻線11に正負の電圧を発生させるために交互にオンオフするよう制御されるMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などの半導体素子である。トランス10の一次側巻線11に発生される正負の電圧は、コンデンサ32Aに印加される入力電圧Vinにより決定される。
出力側駆動回路2においては、4つの整流素子31E,31F,31G,31Hが図1のように接続されている。具体的には直列に接続された整流素子31E,31Gと、直列に接続された整流素子31F,31Hとが、並列に接続されている。整流素子31E,31F,31G,31Hはたとえば一般公知のダイオードであり、図1においては整流素子31Eのアノードと整流素子31Gのカソードとが、また整流素子31Fのアノードと整流素子31Hのカソードとが、それぞれ接続されている。
整流素子31Eと整流素子31Gとの間には接続点12Aが、整流素子31Fと整流素子31Hとの間には接続点12Bが存在する。接続点12Aと接続点12Bとの間に、二次側巻線12が接続されている。したがって整流素子31E,31F,31G,31Hは、トランス10の二次側巻線12に発生した電圧を整流する機能を有している。また出力側駆動回路2にはコイル33およびコンデンサ32Bが接続されているが、これらは整流素子31E,31F,31G,31Hにより整流された電圧を平滑する機能を有している。具体的には、コイル33の一方端は整流素子31E,31Fのカソードに、コイル33の他方端はコンデンサ32Bの一方端に接続されている。またコンデンサ32Bの他方端は整流素子31G,31Hのアノードに接続されている。
コンデンサ32Bに印加される出力電圧Voutは、トランス10を構成する一次側巻線11と二次側巻線12との巻数比と、スイッチング素子31A,31B,31C,31Dのオンオフ時間とにより、入力電圧Vinに対し高くしたり(昇圧)または低くしたり(降圧)の制御がなされる。
次に、図2〜図8を用いて、本実施の形態の電力変換装置の具体的な構成について説明する。
図2を参照して、本実施の形態の電力変換装置100は上記のトランス10を含んでいる。トランス10は、たとえば1対の磁性コアである上側磁性コア21および下側磁性コア22と、複数の巻線である一次側巻線11および二次側巻線12と、プリント基板41と、筐体42と、側壁43,44とを主に有している。また一次側巻線11および二次側巻線12の周囲には、絶縁部材61,62,63(第1絶縁部材)および高放熱性絶縁部材64(第2絶縁部材)が配置されている。
本実施の形態においては、複数の側壁43,44は、筐体42の一部として配置されており、言い換えれば、筐体42と複数の側壁43,44とは一体として形成されている。側壁43は図2における磁性コアおよび巻線11,12などの外側(右側)に、上側磁性コア21および下側磁性コア22と同じく図2の上下方向(鉛直方向)に支柱状に延びる領域である。同様に、側壁44は図2における磁性コアおよび巻線11,12などの外側(左側)に、上側磁性コア21および下側磁性コア22と同じく図2の上下方向(鉛直方向)に支柱状に延びる領域である。図2中の点線が、筐体42における側壁43,44とそれ以外の領域との境界となる。筐体42は、たとえばアルミニウム製のダイキャストを用いて、側壁43,44と一体となるように形成することができる。
プリント基板41は、電力変換装置100全体に含まれる回路および素子などを載置および実装するための土台となる平板状の部材である。すなわちプリント基板41には、図1に示されるスイッチング素子31A〜31D、整流素子31E〜31Hなどの半導体素子が電気的に接続されている。またプリント基板41には、図2では図示省略されているが図1に示されるコンデンサ32A,32B、および他の電子部品なども、電気的に接続されている。より具体的には、スイッチング素子31A〜31Dおよび整流素子31E〜31Hは、ネジ51により筐体42に固定され、配線53によりプリント基板41と電気的に接続される。またプリント基板41はネジ52により筐体42の特に図2においては側壁43,44に固定されている。このことから側壁43,44は、プリント基板41をネジ52で筐体42に固定するための支柱として機能する。
上側磁性コア21および下側磁性コア22は、磁性部品としてのトランス10(図1参照)を構成するために設けられた、磁性を有する部材である。下側磁性コア22は筐体42の一部の領域の上に載置されており、上側磁性コア21は下側磁性コア22と平面視(図2の上方から見た態様)において重畳するように載置されている。
この、側壁43,44以外の筐体42の部分は、放熱器として機能する。すなわち筐体42の一部の領域の上に下側磁性コア22などが載置されることにより、下側磁性コア22は、その延びる方向(図2における上下方向)に関する一方の(図2の下側の)端面に接するように配置される。筐体42は、たとえばその下側の領域が空冷または水冷により冷却されることにより、これが接するトランス10の構成部品およびスイッチング素子31A〜31Dなどの発熱を高効率に外部に放熱することができる。
ただし上記のように複数の側壁43,44は筐体42と一体として形成される。このため側壁43,44も基本的にアルミニウムなどの金属製であり放熱性を有している。
たとえば図3および図4(C)を参照して、ここでは上側磁性コア21は矩形の平板形状を有するいわゆるI型コアであり、下側磁性コア22は外足22A,22Bと中足22Cとコア連結部22Dとを含むいわゆるE型コアである。たとえば図4(C)において外足22A,22Bおよび中足22Cは図の上下方向に延び、コア連結部22Dは図の左右方向に延びる。中足22Cは外足22Aおよび外足22Bの間に挟まれるように、かつ外足22Aおよび外足22Bのそれぞれと互いに間隔をあけるように、配置されている。コア連結部22Dは外足22A,22Bおよび中足22Cと一体となっており、かつこれらに直交している。
図2および図3(A),(B)を参照して、複数(ここでは2つ)の巻線である一次側巻線11および二次側巻線12は、ここでは特に下側磁性コア22の一部である中足22Cの外側に巻回されている。図3においては一例として、一次側巻線11および二次側巻線12ともに4ターンとなっているが、一次側巻線11および二次側巻線12のターン数は任意である。
一次側巻線11および二次側巻線12は、いずれも中足22Cの外側に対する各ターン同士が互いに間隔をあけて巻回されている。そして一次側巻線11および二次側巻線12の当該各ターンの間に挟まれた領域、および最外周部の外側には絶縁部材63が設けられている。
なお図2に示すように、ここでは一例として一次側巻線11の方が二次側巻線12よりも図2における上側(上側磁性コア21側)に巻回されているが、このような態様に限らず、たとえば二次側巻線12の方が一次側巻線11よりも図2の上側に巻回されてもよい。いずれにせよ、複数の巻線同士の間すなわち一次側巻線11(一方の巻線)と二次側巻線12(他方の巻線)との間に挟まれた領域には、絶縁部材63が挟まれている。ここでの絶縁部材63は、一次側巻線11と二次側巻線12との双方に接している。
図3(A),(B)は、図中の一点鎖線F1および点線F2において屈曲される前の(すなわち中足22Cの外側に巻回されたのみの)一次側巻線11および二次側巻線12の状態を示している。すなわち図4(A)を参照して、たとえば一次側巻線11のうち図3(A)の左右方向に延びる部分は、その真上に上側磁性コア21が、その真下に下側磁性コア22のコア連結部22Dが(互いに間隔をあけて)配置された態様となっている。また一次側巻線11のうち図の左右方向に延びる部分の左右両端部は、屈曲されていない状態においてはその真上および真下に上側磁性コア21および下側磁性コア22が配置されていない。また図4(B)を参照して、図3(A)の一次側巻線11が上下方向に延びる部分は、上側磁性コア21と下側磁性コア22とが互いに重畳される領域の外側の領域に配置されている。ここでは一次側巻線11についてのみ図示および説明したが、二次側巻線12についても基本的に上記と同様である。
図5および図6を参照して、図3および図4に示す一次側巻線11および二次側巻線12が、図3および図5の一点鎖線F1において紙面奥向きに、図3および図5の点線F2において紙面手前向きに屈曲される。ここでは、たとえば図3(A)の一点鎖線F1の左側および点線F2の右側の領域は、一点鎖線F1と点線F2とに挟まれた領域に対して互いにほぼ直交するように屈曲される。
その結果、特に図6(A)に示すように、屈曲前に図3(A)において一点鎖線F1の左側および点線F2の右側にあった一次側巻線11の領域は、磁性コアの延びる方向すなわち下側磁性コア22の中足22Cの延びる図の上下方向に沿うように延びる領域を、図6(A)の左右側に有することになる。また特に図6(B)に示すように、一次側巻線11は4ターン巻回されているため、当該断面図においては互いに間隔をあけて各ターンの一次側巻線11が図の上下方向に並びている。また一次側巻線11の下側磁性コア22側には、絶縁部材63の層が配置される態様となっている。
以上のように、本実施の形態の一次側巻線11、二次側巻線12および上側磁性コア21、下側磁性コア22は図3〜図6に示す態様を有するため、正確にはいずれの断面においても図2に示す態様とはなっていない。図2に示す態様は、図3(A)および図5(A)中の矢印IIに示す位置から当該矢印の方向に見た側面図に近い。しかし本明細書においては、一次側巻線11、二次側巻線12および上側磁性コア21、下側磁性コア22の位置関係を見やすくかつわかりやすくする観点から、以降の各実施の形態においても、図2に示す側面図のような擬似的な断面図を用いて、電力変換装置100の構成を説明することとする。
再度図2を参照して、図5および図6に示すように一点鎖線F1および点線F2において2本の一次側巻線11および二次側巻線12が屈曲される。これにより、一次側巻線11および二次側巻線12のそれぞれの一方の端部すなわち図2における最下部と一点鎖線F1による第1の屈曲部との間の第1の部分、および上記の各巻線の他方の端部すなわち図2における最上部と点線F2による第2の屈曲部との間の第2の部分は、磁性コア21,22の延びる図2の上下方向に沿って延びる。また上記の第1の屈曲部から第1の部分は図2の下側に延びているのに対し、第2の屈曲部から第2の部分は図2の上側に延びている。すなわち第1の部分と第2の部分とは互いに反対方向に延びている。したがって図2においては、2本の一次側巻線11および二次側巻線12のそれぞれは、いわゆるS字形状となるように屈曲されている。また一次側巻線11および二次側巻線12の屈曲に伴い、これらの間に挟まれる絶縁部材63も、第1および第2の屈曲部に対応する位置において屈曲している。
なおここでは、図2のような断面図における一次側巻線11の、磁性コア21,22の延在方向(図2の上下方向)に沿ってみたときの最下部11E1を一方の端部、最上部11E2を他方の端部と定義する。また図2の断面図における一次側巻線11の、最下部11E1に近い側の屈曲部を第1の屈曲部11T1、最上部11E2に近い側の屈曲部を第2の屈曲部11T2と定義する。最下部11E1と第1の屈曲部11T1との間の領域が第1の部分であり、第2の屈曲部11T2と最上部11E2との間の領域が第2の部分である。同様にここでは、図2のような断面図における二次側巻線12の、磁性コア21,22の延在方向(図2の上下方向)に沿ってみたときの最下部12E1を一方の端部、最上部12E2を他方の端部と定義する。また図2の断面図における二次側巻線12の、最下部12E1に近い側の屈曲部を第1の屈曲部12T1、最上部12E2に近い側の屈曲部を第2の屈曲部12T2と定義する。最下部12E1と第1の屈曲部12T1との間の領域が第1の部分であり、第2の屈曲部12T2と最上部12E2との間の領域が第2の部分である。
図2に示すように、S字形状となるように屈曲されることにより、一次側巻線11の第1の部分は二次側巻線12の第1の部分よりも磁性コア21,22に対して外側に配置されている。また二次側巻線12の第2の部分は一次側巻線11の第2の部分よりも磁性コア21,22に対して外側に配置される。このように、2つの巻線のそれぞれにおいて、互いに他方よりも外側に配置される領域(一次側巻線11の第1の部分および二次側巻線12の第2の部分)が、その外側の高放熱性絶縁部材64に接している。
なお上記の第1の部分は図2における下側磁性コア22の左側に、上記の第2の部分は図2における下側磁性コア22および上側磁性コア21の右側に、それぞれ配置されている。また一次側巻線11および二次側巻線12ともに、上記の第2の部分はプリント基板41を貫通することにより、プリント基板41(に形成された図示されない電極パッドなど)と電気的に接続されている。この貫通による一次側巻線11および二次側巻線12のそれぞれの引出し部13,14は、たとえば図3(A),(B)を再度参照して、中足22Cの周りを巻回するように延びる一次側巻線11および二次側巻線12と短絡することなく交差可能とすべく設けられた絶縁部材65により形成可能となっている。なお絶縁部材65は、たとえばポリエステルまたはポリイミド材料による絶縁性のテープ、またはシリコーン材料などの絶縁性のシートにより形成されることが好ましい。
一次側巻線11の二次側巻線12と対向する側と反対側の表面と、磁性コア(上側磁性コア21および下側磁性コア22)との間には、絶縁部材61が配置されている。絶縁部材61は一次側巻線11と磁性コア(上側磁性コア21および下側磁性コア22)との双方に接している。また二次側巻線12の一次側巻線11と対向する側と反対側の表面と、磁性コア(下側磁性コア22)との間には、絶縁部材62が配置されている。絶縁部材62は二次側巻線12と下側磁性コア22との双方に接している。
絶縁部材61,62は絶縁部材63と同一の絶縁材料により、第1絶縁部材として形成されている。具体的には、絶縁部材61,62,63は、アミラド紙などの絶縁紙を屈曲させたものであってもよい。あるいは絶縁部材61,62,63は、ポリフェニレンサルファイドまたはポリブチレンテレフタレートなどの樹脂材料を成形することにより形成されたものであってもよい。
一次側巻線11および二次側巻線12が巻回された磁性コア21,22は、筐体42上の、特に支柱としての1対の側壁43,44の間に挟まれた領域に載置されている。ここで、複数の側壁43,44のそれぞれと一次側巻線11および二次側巻線12のそれぞれとの双方に接するように、複数の巻線(一次側巻線11および二次側巻線12)の外側には、高放熱性絶縁部材64が配置されている。
高放熱性絶縁部材64は、上側磁性コア21および(一次側巻線11および二次側巻線12が水平に延びる領域の上側での)下側磁性コア22と、その左側の側壁44との間の領域、および(一次側巻線11および二次側巻線12が水平に延びる領域の下側での)下側磁性コア22とその右側の側壁43との間の領域に配置されている。すなわち高放熱性絶縁部材64は、側壁43,44と磁性コア21,22との双方の少なくとも一部に接するように両者の間に挟まるように配置されている。
また高放熱性絶縁部材64は、一次側巻線11の第1の部分とその外側すなわち左側の側壁44との間の領域、および二次側巻線12の第2の部分とその外側すなわち右側の側壁43との間の領域に配置されている。すなわち高放熱性絶縁部材64は、側壁43,44と巻線11,12との双方の少なくとも一部に接するように両者の間に挟まるように配置されている。
このことを言い変えれば、高放熱性絶縁部材64は、一次側巻線11、二次側巻線12および磁性コア21,22のそれぞれの外側のみに配置されている。なおここで一次側巻線11、二次側巻線12の外側とは、当該一次側巻線11、二次側巻線12と図2の上下方向に関する位置(座標)が等しい位置において、一次側巻線11、二次側巻線12よりも磁性コア21,22に対して外側の位置に高放熱性絶縁部材64が配置されることを意味するものとする。たとえば第1の部分に対して図2の真上の領域においては、一次側巻線11および二次側巻線12よりもやや内側に高放熱性絶縁部材64が配置される場合もあるが、これについては一次側巻線11および二次側巻線12よりも内側に高放熱性絶縁部材64が配置されるものとは考えないものとする。そして第1および第2の屈曲部を有する2本の一次側巻線11、二次側巻線12のいずれもが、それぞれの一部において高放熱性絶縁部材64に接するように配置されている。すなわち一次側巻線11はその第1の部分が、二次側巻線12はその第2の部分が、高放熱性絶縁部材64に接するように配置されている。
第2絶縁部材としての高放熱性絶縁部材64は、第1絶縁部材としての絶縁部材61,62,63よりも熱伝導率が高い。具体的には、たとえば絶縁部材61,62,63として上記の樹脂材料が用いられる場合、その熱伝導率は一般的に0.3W/mK以下とされる。高放熱性絶縁部材64はそれよりも高い熱伝導率であり、特に0.5W/mK以上の熱伝導率を有することが好ましい。
また高放熱性絶縁部材64は、高い絶縁性能とともに、基本的にたとえば一次側巻線11と側壁43との隙間を埋めるように供給可能な流動性を有する材質により形成されることが好ましい。すなわち高放熱性絶縁部材64は、以上の熱伝導性、絶縁性および流動性を満足するエポキシ系樹脂またはシリコーン系樹脂と絶縁性のフィラーとを混合した組成物により形成されることが好ましい。
なお実際には図6(A),(B)などに示すように、断面図においては一次側巻線11および二次側巻線12はそれぞれのターン数に応じて複数互いに間隔をあけて視認可能な態様となる。しかし図2においては簡略化の観点からそのような態様の図示を省略し、その延びる方向において連続的に配置されるものとしている。
また図2においてはI型コアとしての上側磁性コア21がE型コアとしての下側磁性コア22よりも図の上下方向の寸法が小さい(厚みが薄い)ことを考慮して、図2の左右方向に延びる一次側巻線11および二次側巻線12よりも上側の領域まで下側磁性コア22が延びるように図示がなされている。しかしこのような態様に限らず、たとえば図7を参照して、本実施の形態の第2例としての電力変換装置101は、図2の左右方向に延びる一次側巻線11および二次側巻線12の上側全体に上側磁性コア21が、下側全体に下側磁性コア22が配置される態様であってもよい。図7においては、下側磁性コア22の中足22Cの最も上側の領域の周囲に巻線11,12および絶縁部材61,62,63が巻回されることになる。しかし図7の電力変換装置101は、上記以外の点においては基本的に図2の本実施の形態の第1例としての電力変換装置100と同様であるため、同一の構成要素には同一の参照番号を付し、その説明を繰り返さない。
ここで図8の分解斜視図を用いて、図2に示す電力変換装置100の組み立て方法の概略を説明する。図8を参照して、互いに対向する一対の側壁43,44は、筐体42(の側壁43,44以外の領域)の上に載置され、これらの側壁43,44と、平面視において側壁43,44に直交する方向に延びる互いに対向する一対の他の壁面とが、後述するコア21,22などを四方から囲む領域として形成される。この四方から囲む領域と、筐体42(の側壁以外の領域)とが一体となるように形成される。
次に、側壁43,44を含む壁面に四方から囲まれる領域内に、たとえば下側磁性コア22が入れられる。下側磁性コア22は、コア連結部22Dが最下部となり、その上側に外足22A,22Bおよび中足22Cが突起するように載置されることが好ましい。
次に、上記のように所望の第1および第2の屈曲部(たとえば一点鎖線F1および点線F2)においていわゆるS字形状となるようにあらかじめ屈曲された状態で、中足22Cの外側に巻回されるように、絶縁部材62、二次側巻線12、絶縁部材63、一次側巻線11および絶縁部材61がこの順に積層される。ここで、絶縁部材62、二次側巻線12、絶縁部材63、一次側巻線11、絶縁部材61のそれぞれには、中足22Cを貫通させるための貫通孔のような開口部62C,12C,63C,11C,61Cが形成されている。これらの開口部62C,12C,63C,11C,61Cを中足22Cが貫通する態様となっている。
その後、絶縁部材61の上方から、下側磁性コア22の外足22A,22Bおよび中足22Cを跨ぎこれらに重畳するように、平板矩形状の上側磁性コア21が載置される。その後、図示されないが上記の高い熱伝導性、絶縁性および流動性を満足する材質としての高放熱性絶縁部材64が、側壁43,44を含む壁面に四方から囲まれる領域内に供給される。これにより当該四方から囲まれる領域内の隙間が高放熱性絶縁部材64で埋められ、図2に示す態様となる。
次に、図8中に示されないがたとえば図2に示すプリント基板41が、ネジ52により側壁43,44に固定される。また一次側巻線11がプリント基板41を貫通してその上方に引き出されることにより引出し部13が、二次側巻線12がプリント基板41を貫通してその上方に引き出されることにより引出し部14が、それぞれ形成される。引出し部13,14は一般公知のはんだ付け等によりプリント基板41に固定される。さらに図2に示すように、スイッチング素子31A〜31Dなどから延びる配線53などが、プリント基板41を貫通しはんだ付け等されることにより、プリント基板41に固定される。
以上の図8においては、絶縁部材61,62,63が互いに別個の部材として準備されている。しかしながら、たとえばS字形状に屈曲された一次側巻線11および二次側巻線12が、絶縁性の高いポリフェニレンサルファイドなどの樹脂材料によりインサートモールドされることにより、絶縁部材61,62,63が一体の部材として供給され、それらが図2と同様に一次側巻線11および二次側巻線12に重畳された構成とされてもよい。この場合はその後、絶縁部材61,62,63および巻線11,12が重畳されたものが筐体42と側壁43,44とに囲まれた領域内に入れられ、隙間が高放熱性絶縁部材64により埋められる。
なお図8においては、たとえば絶縁部材61および一次側巻線11などの屈曲により図の上下方向に延びる部分の上下方向に関する寸法が、図2などに比べて非常に短く示されている。これは絶縁部材63,62、二次側巻線12などの多くの部材を上下方向に重ねて図示するために上下方向の寸法を調整しているためである。つまり短くはなっているが図8の巻線11,12などが上下方向に延びる部分は、図2における巻線11,12などが上下方向に延びる部分に相当する。したがって実際は図2に示すように、たとえば一次側巻線11の上側に向けて延びる部分の上下方向の寸法は、プリント基板41を貫通可能な程度に長くなっている。他の部材の上下方向の寸法についても同様に、実際は図8に示すよりも長くなっている。
次に、本実施の形態の電力変換装置の作用効果について説明する。
以上に説明したように、本実施の形態の磁性コア21,22を含む電力変換装置100,101は、複数の巻線すなわち一次側巻線11および二次側巻線12のそれぞれがS字形状を有するように屈曲されている。これにより、第1の屈曲部から延びる第1の部分と、第2の屈曲部から延びる第2の部分とを、磁性コア21,22の延びる方向に沿って延びるようにトランス10を小型化することができる。
また本実施の形態においては、一次側巻線11と二次側巻線12との間、および巻線11,12と磁性コア21,22との間に第1絶縁部材としての絶縁部材61,62,63が挟まれるように配置される。このため、一次側巻線11と二次側巻線12との間の電気的な絶縁状態、および巻線11,12と磁性コア21,22との間の電気的な絶縁状態を確保することができる。
また本実施の形態においては、筐体42の一部である側壁43,44と、巻線11,12との間に第2絶縁部材としての高放熱性絶縁部材64が挟まれるように配置される。このため、巻線11,12の発熱を高放熱性絶縁部材64から側壁43,44に高効率に放熱することができる。側壁43,44は筐体42と一体として形成されているため、筐体42と同様に放熱器として機能する。高放熱性絶縁部材64の熱伝導率を0.5W/mK以上とすることにより、高放熱性絶縁部材64から側壁43,44への放熱性を確実に向上することができる。巻線11,12の外側のみに高放熱性絶縁部材64が配置され、巻線11,12のいずれもがその少なくとも一部(互いに他方の巻線12,11に対して外側に配置される第1または第2の部分)において高放熱性絶縁部材64に接するように配置される。このように本実施の形態においては巻線11,12のいずれもが他方よりも外側に配置される領域を有し、その外側での放熱性が高くなる構成となっていることにより、巻線11,12の発熱を高放熱性絶縁部材64から側壁43,44に高効率に放熱することができる。
また本実施の形態においては特に、高放熱性絶縁部材64が巻線11,12のたとえば第1および第2の部分の外側のみに配置されている。すなわちコア21,22に対して巻線11,12の第1の部分の外側のみに高放熱性絶縁部材64が配置され、たとえば巻線11,12の第1の部分の内側(コア21,22側)には高放熱性絶縁部材64が配置されていない。巻線11,12の第2の部分についても同様にその外側のみに高放熱性絶縁部材64が配置されている。これにより、第1および第2の部分の内側にも高放熱性絶縁部材64を配置する場合に比べて高放熱性絶縁部材64の材料費による製造コストを削減することができる。
また特に下側磁性コア22は、その延びる方向に関する一方(下側)の端部が放熱器としての筐体42に接するように配置されている。このため、下側磁性コア22はその一部が直接筐体42に接するため、下側磁性コア22から筐体42への放熱効率が高められる。なお上側磁性コア21および下側磁性コア22の一部は高放熱性絶縁部材64を挟んで側壁43,44に接続されている。このため磁性コア21,22の発熱の一部を、高放熱性絶縁部材64を介して速やかに側壁43,44へ放熱させることもできる。
さらに本実施の形態においては側壁43,44が筐体42と一体として形成されている。このため側壁43,44から筐体42への熱伝導がより容易になり、巻線11,12の放熱性をさらに向上することができる。
以上により、本実施の形態の電力変換装置100,101は、トランス10の小型化と、巻線11,12間の絶縁性と、巻線11,12および磁性コア21,22の発熱に対する高い放熱性とを兼ね備えることができる。
次に、本実施の形態におけるトランス10の各構成部品の電気的な絶縁性について説明する。下側磁性コア22は、その下側の端部が筐体42に接触しており、筐体42と同電位となる。また下側磁性コア22とS字形状の二次側巻線12との間には図2においてL字形状に屈曲された絶縁部材62が挟まれている。これにより下側磁性コア22と二次側巻線12とは、互いに電気的に絶縁される。ともにS字形状を有する二次側巻線12と一次側巻線11との間にはS字形状の絶縁部材63が挟まれており、これにより二次側巻線12と一次側巻線11とは互いに電気的に絶縁される。また図2の左右方向に延びる巻線11,12の真上の部分の下側磁性コア22または上側磁性コア21と、S字形状の一次側巻線11との間には、図2においてL字形状に屈曲された絶縁部材61が挟まれている。これにより一次側巻線11とその真上の磁性コア21,22とは、互いに電気的に絶縁される。絶縁部材61,62,63のそれぞれの材質および厚みを制御することにより、一次側巻線11、二次側巻線12、上側磁性コア21および下側磁性コア22の各部材間に必要な絶縁性能を満足させることができる。絶縁性能は、たとえば一次側巻線11と二次側巻線12との間の絶縁耐圧として2000Vの電圧を1分間印加可能な耐圧として規定されている。このため、たとえば絶縁部材61,62,63が10kV/mm以上の絶縁耐圧特性を有する樹脂材料からなる場合には、(特に一次側巻線11と二次側巻線12との間の絶縁部材63の)厚みを0.2mm以上とすれば、所望の絶縁耐圧特性を得ることができる。
再度図2を参照して、図の左右方向に延びる絶縁部材61の最も左側の端部61Aは、一次側巻線11の第1の部分よりも図2の左側に延びるように形成されている。また図の左右方向に延びる絶縁部材62の最も右側の端部62Aは、二次側巻線12の第2の部分よりも図2の右側に延びるように形成されている。さらに図の上下方向に延びる絶縁部材62の最も下側の端部62Aは、二次側巻線12の第1の部分の最下部よりも図2の下側に延びるように形成されている。さらに図の上下方向に延びる絶縁部材63の最も下側の端部63Aは、二次側巻線12の第1の部分の最下部よりも図2の下側に延びるように形成されている。
このように巻線11,12に対して突起した端部61A,62A,63Aを有するため、これらの端部61A,62A,63Aとそれらが隣り合う巻線11,12との間に隙間が形成される。この隙間は、トランス10を構成する巻線11,12などの各部材が側壁43,44に囲まれた領域内に入れられた後に、高放熱性絶縁部材64を構成する流動性に優れた材料の供給により充填される。高放熱性絶縁部材64は放熱性とともに絶縁性を有するため、これが挟まれたたとえば一次側巻線11と側壁44との間の領域などは、高い放熱性とともに高い電気的絶縁性を確保することができる。この隙間に供給される高放熱性絶縁部材64の厚みは、上記の端部61A,62A,63Aが図2において絶縁部材61,62,63の延びる方向に沿う寸法にほぼ等しくなる。したがって、当該端部61A,62A,63Aの延びる長さを制御することにより、高放熱性絶縁部材64の厚みを制御することができ、高放熱性絶縁部材64による絶縁性を制御することができる。
次に、本実施の形態におけるトランス10の各構成部品の放熱性について説明する。下側磁性コア22は、筐体42と接触する下面から筐体42へ直接放熱する経路と、高放熱性絶縁部材64を介して側壁43へ放熱する経路とを有している。上側磁性コア21は、高放熱性絶縁部材64を介して側壁44へと放熱する経路を有している。磁性部品を構成する上側磁性コア21および下側磁性コア22の発熱は体積に比例する。このため、放熱経路が1つのみである上側磁性コア21をI型コアとし、放熱経路が2つ存在する下側磁性コア22をE型コアとすることにより、放熱経路が2つ存在する下側磁性コア22の体積を放熱経路が1つのみである上側磁性コア21の体積よりも大きくすることができる。
一次側巻線11は、図2の左下の第1の部分から高放熱性絶縁部材64を介して側壁44に放熱され、二次側巻線12は、図2の右上の第2の部分から高放熱性絶縁部材64を介して側壁43に放熱される。側壁43は、図2の上下方向に関する寸法が比較的長い。このため、たとえば二次側巻線12の第2の部分からの発熱をより優先的に側壁43から放熱する効率をより高める観点により、側壁43は、特に下方(図2の左右方向に延びる巻線11,12よりも下側の領域)において上方よりも図の左右方向の幅が広くなるように形成されていてもよい。一方、図2の側壁44はこのような構成とされていない。このようにすれば、第2の部分からの二次側巻線12の発熱を側壁43を介してその下側の筐体42に達するように放熱する効率をいっそう高めることができる。
さらに、第1絶縁部材としての絶縁部材61,62,63は高放熱性絶縁部材64よりも放熱性(熱伝導率)が低い。絶縁部材61,62,63には高放熱性絶縁部材64のような高い放熱性は要求されないため、その材料の選択の自由度を高めることができる。したがって、絶縁部材61,62,63を高放熱性絶縁部材64よりも低コストな材料により形成することができ、電力変換装置100,101全体のコストを低減させることができる。また絶縁部材61,62,63の材料の選択の自由度を高めることにより、たとえば巻線11,12および磁性コア21,22と絶縁部材61,62,63との密着性を高める工夫が必ずしも要求されなくなり、両者を密着させるための接着剤などを用いる必要がなくなる。
実施の形態2.
図9〜図10を用いて、本実施の形態の電力変換装置の具体的な構成について説明する。
図9を参照して、本実施の形態の電力変換装置200は、基本的には実施の形態1の電力変換装置100と同様の構成を有している。しかし電力変換装置200においては、筐体42と側壁43,44とが一体ではなく、これらは互いに別体となっている。すなわち放熱器としての筐体42は、下側磁性コア22よりも図9の下側に配置される領域のみに配置されている。ここへ図9の上下方向に延びる側壁43,44のそれぞれの、当該延びる方向に関する一方(下側)の端部が接するように配置される。筐体42上の側壁43,44は、ネジ51により筐体42の最上面上に固定されている。
側壁43は、実施の形態1と同様に、特に高放熱性絶縁部材64と互いに接する領域よりも図9の下側の領域において、他の領域よりも図の左右方向に関する幅が広くなっている。しかし図9においては、側壁44も側壁43と同様に図9の下側の領域の幅が広くなっている。
すなわち本実施の形態においては、下側磁性コア22および複数の側壁43,44の延びる図9の上下方向に関する一方(下側)の端面に接するように、放熱器としての筐体42が配置されている。また複数の側壁43,44は、最下部の筐体42と接する部分において、最下部以外の領域に比べて、その延びる方向(上下方向)に交差する方向(図9の左右方向)に拡がる態様の接合部43C、44Cを有している。
また、本実施の形態においては、実施の形態1において高放熱性絶縁部材64が配置される、第1の部分における(二次側巻線12より外側の)一次側巻線11と側壁44との間の領域に、第2絶縁部材としての絶縁部材シート66が配置されている。同様に、本実施の形態においては、実施の形態1において高放熱性絶縁部材64が配置される、第2の部分における(一次側巻線11よりも外側の)二次側巻線12と側壁43との間の領域に、第2絶縁部材としての絶縁部材シート66が配置されている。すなわち本実施の形態においては、複数の側壁43,44のそれぞれと、複数の巻線11,12のそれぞれとの双方に接するように、複数の巻線11,12の外側に配置された絶縁部材シート66を有している。
絶縁部材シート66は、第1絶縁部材である絶縁部材61,62,63よりも熱伝導率が高い、柔らかいシートタイプの部材である。
なお実施の形態1においては、図9の左右方向に延びる巻線11,12よりも上方の領域において、上側磁性コア21および下側磁性コア22の一部と側壁44との間に挟まれる領域に高放熱性絶縁部材64が配置されている。同様に実施の形態1においては、図9の左右方向に延びる巻線11,12よりも下方の領域において、下側磁性コア22の一部と側壁43との間に挟まれる領域にも高放熱性絶縁部材64が配置されている。しかしながら本実施の形態においては、これらの領域には第2絶縁部材としての高放熱性絶縁部材64および絶縁部材シート66のいずれも配置されておらず、隙間が形成されている。
以上の各点において、本実施の形態の電力変換装置200は実施の形態1の電力変換装置100と異なっているが、これ以外の本実施の形態の構成は、実施の形態1の構成とほぼ同じである。このため同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
ここで図10の分解斜視図を用いて、図9に示す電力変換装置200の組み立て方法の概略を説明する。図10を参照して、まず筐体42の最上面上の一部に下側磁性コア22が、コア連結部22Dが最下部となり、その上側に外足22A,22Bおよび中足22Cが突起するように載置される。
次に、実施の形態1と同様に所望の第1および第2の屈曲部(たとえば一点鎖線F1および点線F2)においていわゆるS字形状となるようにあらかじめ屈曲された状態で、中足22Cの外側に巻回されるように、絶縁部材62、二次側巻線12、絶縁部材63、一次側巻線11および絶縁部材61がこの順に積層される。ここで実施の形態1と同様に、中足22Cが開口部62C,12C,63C,11C,61Cのそれぞれを貫通する態様となる。その後、絶縁部材61の上方から、下側磁性コア22の外足22A,22Bおよび中足22Cを跨ぎこれらに重畳するように、平板矩形状の上側磁性コア21が載置される。
次に、図10に示すように一方の面(最終的にセットされた後における内側の面)の一部の領域(側壁44は下側の領域、側壁43は上側の領域)に絶縁部材シート66が貼り付けられた側壁44,43が、筐体42の最上面上の一部に、ネジ51(図9参照)により固定される。このとき、先に載置された一次側巻線11の第1の部分の表面上、および二次側巻線12の第2の部分の表面上に絶縁部材シート66が押しつけられ接触するように、側壁43,44が筐体42に固定される。
絶縁部材シート66を構成する材料は、熱伝導性が(絶縁部材61,62,63よりも)高く柔らかいシート状の部材であり、熱伝導率および絶縁耐圧の特性により選定される。たとえば絶縁部材シート66は、熱伝導率が1.8W/mK以上であり、絶縁耐圧が22kV/mm以上である低高度放熱シリコーンゴムにより形成される。あるいは絶縁部材シート66は、たとえば熱伝導率が1W/mK以上、絶縁耐圧が10kV/mm以上の放熱スペーサにより形成されてもよい。
なお図10においては、当初から(筐体42上へのセットの時点で)一次側巻線11の第1の部分(左下部)と二次側巻線12の第2の部分(右上部)とが、筐体42の主表面に対してほぼ垂直な方向に(図10の上下方向に)延びるようにされている。しかしたとえば、側壁43,44を巻線11,12に押しつける前においては一次側巻線11の第1の部分(左下部)と二次側巻線12の第2の部分(右上部)とが筐体42の主表面に対して斜め方向に(それぞれが対向する側壁43,44側に傾くように)延び、その後巻線11,12が垂直方向に延びるように側壁43,44を押し付ける方法を用いてもよい。このようにすれば、絶縁部材シート66を押し付ける側壁43,44からの接触圧力をより強くすることができる。このため、絶縁部材シート66の側壁43,44と接触する面、および絶縁部材シート66の一次側巻線11および二次側巻線12と接触する面での接触熱抵抗をより低減させることができる。
次に、本実施の形態の電力変換装置の作用効果について説明する。
以上に示すように、本実施の形態においては、実施の形態1の高放熱性絶縁部材64の代わりに高放熱性の絶縁部材シート66により、巻線11,12から側壁43,44への伝熱がなされる。このため、実施の形態1と同様に、巻線11,12の発熱を側壁43,44から速やかに放熱する効果が確保される。
また本実施の形態においても実施の形態1と同様に巻線11,12が屈曲され、かつ巻線11,12間には絶縁部材63が配置される。以上により本実施の形態においても、トランスの小型化と、絶縁性と、放熱性とのすべてを兼ね備える構成とすることができる。
本実施の形態においては、側壁43,44が筐体42とは別体となっているが、側壁43,44の最下部において、他の領域よりも図9の左右方向に拡がった接合部43C,44Cを有している。これにより、側壁43,44と筐体42との接合部の面積をより広くすることができるため、側壁43,44の発熱を効率的に筐体42に伝えることができる。
さらに本実施の形態においては、上側磁性コア21、下側磁性コア22と側壁43,44との間には第2絶縁部材が配置されずに隙間となる。本実施の形態においては特に巻線11,12を優先的に放熱可能とするために巻線11,12の双方が絶縁部材シート66を介して側壁43,44と接触されている。このようにすれば、実施の形態1に比べて、放熱性の高い第2絶縁部材の量を減らすことができるため、製造コストを削減することができる。
次に、本実施の形態におけるトランス10の各構成部品の電気的な絶縁性について説明する。
図9を参照して、本実施の形態においても、図の左右方向に延びる絶縁部材61の最も左側の端部61Aは、一次側巻線11の第1の部分よりも図9の左側に延びるように形成されている。また図の左右方向に延びる絶縁部材62の最も右側の端部62Aは、二次側巻線12の第2の部分よりも図2の右側に延びるように形成されている。さらに図の上下方向に延びる絶縁部材62の最も下側の端部62Aは、二次側巻線12の第1の部分よりも図2の下側に延びるように形成されている。さらに図の上下方向に延びる絶縁部材63の最も下側の端部63Aは、二次側巻線12の第1の部分よりも図2の下側に延びるように形成されている。これらの端部61A,62A,63Aとそれらが隣り合う巻線11,12との間に隙間が形成される。この隙間は実施の形態1においては高放熱性絶縁部材64により充填されているのに対し、本実施の形態においては当該隙間には何も供給されず、隙間の距離により絶縁性能が満足されている。
一次側巻線11の第1の部分(左下側)と側壁44との間、および二次側巻線12の第2の部分(右上側)と側壁43との間には、絶縁部材シート66が挟まれている。絶縁部材シート66が一次側巻線11と側壁44との双方に接触することにより、一次側巻線11と側壁44との間を絶縁している。また絶縁部材シート66が二次側巻線12と側壁43との双方に接触することにより、二次側巻線12と側壁43との間を絶縁している。
ここで上記のように、図の左右方向に延びる絶縁部材61の最も左側の端部61Aが、一次側巻線11の第1の部分よりも図2の左側に延びるように形成されている。このため絶縁部材シート66が形成された側壁44を一次側巻線11の第1の部分に押しつけることにより、側壁44が絶縁部材61の端部61Aに接触し、端部61Aの長さ分だけの絶縁部材シート66の厚みを確保可能としている。
他に、図の左右方向に延びる絶縁部材62の最も右側の端部62Aが、二次側巻線12の第2の部分よりも図2の右側に延びるように形成されている。このため絶縁部材シート66が形成された側壁43を二次側巻線12の第2の部分に押しつけることにより、側壁43が絶縁部材62の端部62Aに接触し、端部62Aの長さ分だけの絶縁部材シート66の厚みを確保可能としている。
次に、本実施の形態におけるトランス10の各構成部品の放熱性について説明する。実施の形態1においては、筐体42および側壁43,44とトランス10の各構成要素との隙間が高放熱性絶縁部材64により埋められている。このため実施の形態1においては、下側磁性コア22および上側磁性コア21は、高放熱性絶縁部材64を介して側壁43,44へ放熱する経路が存在する。
これに対して本実施の形態においては、下側磁性コア22と側壁43との間、および上側磁性コア21または下側磁性コア22と側壁44との間の領域には高放熱性絶縁部材64などが埋められることなく、当該領域には隙間が形成される。このため本実施の形態においては、磁性コア21,22の放熱性は実施の形態1に比べて劣る。
しかしながら上側磁性コア21および下側磁性コア22における磁束密度の変化量が小さい場合、または磁束密度の変化の頻度が低い場合には、上側磁性コア21および下側磁性コア22の損失が小さい。このため図9に示すような隙間を有する構成を用いることができる。
また図9に示すように、本実施の形態においては側壁43,44が筐体42と別体であり、両者が放熱グリス43A,44Aにより互いに接合されている。放熱グリス43A,44Aは、たとえば側壁43,44の幅が広くなった接合部43C,44Cの最下部と筐体42とが接合される箇所に塗布により供給されることが好ましい。放熱グリス43A,44Aが供給されることにより、接合部43C,44Cと筐体42との境界における接触熱抵抗を低減し、放熱性の劣化を抑制することができる。
なお側壁43,44の下方の筐体42を空冷または水冷により冷却する代わりに、たとえば側壁43,44の巻線11,12が配置される側と反対側の表面上に風を送ることにより側壁43,44を直接冷却(空冷)することもできる。
実施の形態3.
図11〜図14を用いて、本実施の形態の電力変換装置の具体的な構成について説明する。
図11を参照して、本実施の形態の電力変換装置300は、基本的には実施の形態1の電力変換装置100と同様の構成を有している。すなわち電力変換装置300においても電力変換装置100と同様に、一次側巻線11および二次側巻線12は上側磁性コア21および下側磁性コア22の延びる図11の上下方向に沿って延びる部分を有するように屈曲されている。磁性コア21,22の左右両側には筐体42と一体として形成された側壁43,44が配置されている。一次側巻線11と二次側巻線12との間、および巻線11,12と磁性コア21,22との間には第1絶縁部材としての絶縁部材61,62,63が配置されており、巻線11,12と側壁43,44との間には、巻線11,12と側壁43,44との双方に接するように第2絶縁部材としての高放熱性絶縁部材64が配置されている。
しかし電力変換装置300においては、たとえば図3の一点鎖線F1(第1の屈曲部)および点線F2(第2の屈曲部)と同じ位置において2本の一次側巻線11および二次側巻線12が屈曲される向きが電力変換装置100とは異なっている。ここで、一次側巻線11および二次側巻線12のそれぞれの一方の端部すなわち図11の磁性コア21,22の左側における端部と磁性コア21,22の左側での第1の屈曲部との間の領域を第1の部分とし、および図11の磁性コア21,22の右側における端部と磁性コア21,22の右側での第2の屈曲部との間の領域を第2の部分とする。このとき、第1の屈曲部から第1の部分が延びる方向と、第2の屈曲部から第2の部分が延びる方向とが互いに同じ方向であり、いずれも図11の下へ向かう方向であるように、一次側巻線11および二次側巻線12のそれぞれが屈曲されている。なお第1および第2の部分は、実施の形態1と同様に、磁性コア21,22の延びる方向に沿って延びている。
したがって図11においては、2本の一次側巻線11および二次側巻線12のそれぞれは、いわゆるC字形状となるように屈曲されている。また一次側巻線11および二次側巻線12の屈曲に伴い、これらの間に挟まれる絶縁部材63も、第1および第2の屈曲部に対応する位置において屈曲している。
なおここでは、図11のような断面図における一次側巻線11の、磁性コア21,22の延在方向(図2の上下方向)に沿ってみたときの最下部11E1を一方の端部、最下部11E3を他方の端部と定義する。また図11の断面図における一次側巻線11の、最下部11E1に近い側の屈曲部を第1の屈曲部11T1、最下部11E3に近い側の屈曲部を第2の屈曲部11T3と定義する。最下部11E1と第1の屈曲部11T1との間の領域が第1の部分であり、第2の屈曲部11T3と最下部11E3との間の領域が第2の部分である。同様にここでは、図2のような断面図における二次側巻線12の、磁性コア21,22の延在方向(図2の上下方向)に沿ってみたときの最下部12E1を一方の端部、最下部12E3を他方の端部と定義する。また図2の断面図における二次側巻線12の、最下部12E1に近い側の屈曲部を第1の屈曲部12T1、最下部12E3に近い側の屈曲部を第2の屈曲部12T3と定義する。最下部12E1と第1の屈曲部12T1との間の領域が第1の部分であり、第2の屈曲部12T2と最下部12E3との間の領域が第2の部分である。
図11においても、一例として一次側巻線11の方が二次側巻線12よりも図2における上側(上側磁性コア21側)に巻回されている。その結果、屈曲された一次側巻線11および二次側巻線12は3方向から下側磁性コア22を囲む態様となっており、下側磁性コア22から見て二次側巻線12が一次側巻線11よりも内側となるように配置されている。
また図11においては、下側磁性コア22と、巻線11,12の上記第1の部分(左下側)との間の領域に側壁45が設けられており、下側磁性コア22と、巻線11,12の上記第2の部分(右下側)との間の領域に側壁46が設けられている。側壁45,46は側壁43,44と同様に、筐体42の一部として筐体42と一体として形成されている。したがって図11の左側から右側へ向けて、側壁44、側壁45、下側磁性コア22、側壁46、側壁43の順に並んでいる。
高放熱性絶縁部材64は、まず磁性コア21,22から見て一次側巻線11の外側(上側)に配置されている。すなわち一次側巻線11の第1の部分と側壁44との双方に接し、かつ一次側巻線12の第2の部分と側壁43との双方に接するように、高放熱性絶縁部材64が配置されている。また一次側巻線11の第1の部分と第2の部分との間の領域の一部の上にも高放熱性絶縁部材64が配置されている。
さらに二次側巻線12の第1の部分と側壁45との間の領域、および二次側巻線12の第2の部分と側壁46との間の領域にも、高放熱性絶縁部材64が配置されている。また下側磁性コア22と側壁45,46のそれぞれとの間にも高放熱性絶縁部材64が配置されている。
すなわち本実施の形態においては、高放熱性絶縁部材64は巻線11,12の外側の領域のみならず、その内側の領域にも形成されている。この点において本実施の形態は、高放熱性絶縁部材64が一次側巻線11、二次側巻線12および磁性コア21,22のそれぞれの外側のみに配置されている実施の形態1とは異なっている。
なお本実施の形態の絶縁部材61は、一次側巻線11(一方の巻線)とその真上の磁性コア(上側磁性コア21および下側磁性コア22)とに挟まれた領域に、図11の左右方向に延びるように配置されている。絶縁部材61は一次側巻線11と磁性コア(上側磁性コア21および下側磁性コア22)との双方に接している。また本実施の形態の絶縁部材62は、二次側巻線12(他方の巻線)とその真下の下側磁性コア22または側壁45,46とに挟まれた領域に、図11の左右方向に延びるように配置されている。絶縁部材62は二次側巻線12と下側磁性コア22との双方に接している。さらに本実施の形態の絶縁部材63は、巻線11,12の第1の部分および第2の部分における両者に挟まれた領域、および第1の部分と第2の部分との間の図11の左右方向に延びる領域における両者の間の領域に配置されている。絶縁部材63は一次側巻線11と二次側巻線12との双方に接している。
その他、本実施の形態においても実施の形態1と同様に、一次側巻線11がプリント基板41を貫通してその上方に引き出されることにより引出し部13が、二次側巻線12がプリント基板41を貫通してその上方に引き出されることにより引出し部14が、それぞれ形成される。また本実施の形態においても、スイッチング素子31A〜31Dおよび整流素子31E〜31Hは、ネジ51により筐体42に固定され、配線53によりプリント基板41と電気的に接続される。
また本実施の形態においては、たとえばプリント基板41の図11の下側の主表面側にコンデンサ32を設置し、これを配線54によりプリント基板41と電気的に接続させてもよい。このようにすれば、一次側巻線11および二次側巻線12の上記第1の部分および第2の部分の真上の領域のスペースを有効利用できるため、電力変換装置300全体のサイズを小型化することができる。なお図示されないが、実施の形態1,2においても、レイアウトを工夫することによりこれと同様の構成とすることができる。
以上の各点において、本実施の形態の電力変換装置300は実施の形態1の電力変換装置100と異なっているが、これ以外の本実施の形態の構成は、実施の形態1の構成とほぼ同じである。このため同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
図12を参照して、本実施の形態の第2例としての電力変換装置301は、磁性コア21,22と平面的に重なる領域におけるプリント基板41が部分的に開口されており、その開口部において上側磁性コア21がプリント基板41を貫通してその下方から上方へ突出する構成を有している。図12の電力変換装置301は図11の電力変換装置300に比べてトランス10が上方に配置されるため、コンデンサ32がプリント基板41の下側ではなくその上側に配置され配線54によりプリント基板41と接続されている。しかし図12の電力変換装置301は、上記以外の点においては基本的に図11の本実施の形態の第1例としての電力変換装置300と同様であるため、同一の構成要素には同一の参照番号を付し、その説明を繰り返さない。
スイッチング素子31A〜31Dなどから引き延ばされプリント基板41に接続される配線53の長さには制約がある。図12のような配置にすれば、プリント基板41の下側における各構成要素の配置が図11よりも全体的に上方に移動し、スイッチング素子31A〜31Dなどとプリント基板41との図12の上下方向の距離を短くすることができる。このため図12においては、配線53の長さを図11よりも短くすることができる。このため図12の電力変換装置301は、その全体を低背化させることにより、その全体のサイズを小型化させることができる。
図13(A),(B)は図3(A),(B)と同様に、本実施の形態における、図中の一点鎖線F1および点線F2において屈曲される前の(すなわち中足22Cの外側に巻回されたのみの)一次側巻線11および二次側巻線12の状態を示している。図13(A),(B)は図3(A),(B)に対して引出し部13,14および絶縁部材65の位置において若干の相違があるが、下側磁性コア22の中足22Cの周囲を一次側巻線11および二次側巻線12がたとえば4ターンずつ巻回しており、基本的に図3(A),(B)と同様の構成である。
上記のように本実施の形態においては、巻線11,12は第1の部分と第2の部分とが互いに同じ向きとなりC字形状の断面形状となるように屈曲される。このため図13(A),(B)ともに、第1の屈曲部(下側磁性コア22の左側の一点鎖線)および第2の屈曲部(下側磁性コア22の右側の一点鎖線)ともに、一点鎖線F1において紙面奥向きに屈曲される。
図13および図14を参照して、本実施の形態においては、二次側巻線12の真下に接するように配置される絶縁部材62に、位置決めピン49が貫通する態様を有している。すなわち図13(B)に示す絶縁部材62の一部には貫通孔が形成されており、当該貫通孔を位置決めピン49が貫通している。
位置決めピン49は側壁45,46と一体として形成されており、これが絶縁部材62を貫通することにより、絶縁部材62は側壁45,46に対して平面視した方向において平行移動しないよう接触固定される。
また図13(A)においては、二次側巻線12のうち、プリント基板41に貫通固定される引出し部14を形成するためにプリント基板41に向けて図11における上方に延びる部分が、絶縁部材63を貫通する。なお二次側巻線12は一次側巻線11および絶縁部材63よりも下側に配置されるため図13(A)にて図示されない。つまり絶縁部材63の一部に貫通孔が設けられ、その貫通孔を二次側巻線12が貫通することにより、引出し部14が設けられている。このように二次側巻線12が絶縁部材63を貫通し、引出し部14においてプリント基板41に固定されていることは、図11および図12からもわかる。
この引出し部14の貫通により、絶縁部材63は引出し部14およびプリント基板41に対して平面視した方向において平行移動しないよう接触固定される。
このように本実施の形態においては、第1絶縁部材である絶縁部材61,62,63の少なくとも一部は、絶縁部材61,62,63を貫通し、側壁45,46またはプリント基板41に固定される部材(位置決めピン49および引出し部14など)に接触固定されている。
このようにすれば、当該絶縁部材61,62,63の位置ずれを抑制することができる。また板形状の絶縁部材61,62,63の少なくとも一部が側壁45,46に接触するように固定される(図14参照)ことにより、巻線11,12と側壁45,46との間に絶縁部材が介在することになる。このため、巻線11,12と側壁45,46との接触を抑制することができる。
なお以上の位置決めピン49を有する構成などは、実施の形態1,2に適用されてもよい。
次に、本実施の形態の電力変換装置の作用効果について説明する。本実施の形態のように巻線11,12をC字形状に屈曲した場合においても、実施の形態1のように巻線11,12をS字形状に屈曲した場合と基本的に同様に、電力変換装置300,301の小型化を図るとともに、巻線間および巻線とコアとの間の絶縁性、ならびに巻線からの放熱性を確保することができる。
次に、本実施の形態におけるトランス10の各構成部品の電気的な絶縁性について説明する。本実施の形態においても、実施の形態1,2と基本的に同様に、絶縁部材61,62,63により各巻線間などが絶縁されている。
再度図11を参照して、本実施の形態においては、絶縁部材62の最も左側の端部62Aは、側壁45の最も左側の端部よりもさらに左側に延びるように形成されており、絶縁部材62の最も右側の端部62Aは、側壁46の最も右側の端部よりもさらに右側に延びるように形成されている。これにより側壁45とこれに隣り合う二次側巻線12の第1の部分との間の領域、および側壁46とこれに隣り合う二次側巻線12の第1の部分との間の領域に隙間が形成される。この隙間は、実施の形態1と同様に、トランス10を構成する巻線11,12などの各部材が側壁43,44に囲まれた領域内に入れられた後に、高放熱性絶縁部材64を構成する流動性に優れた材料の供給により充填される。本実施の形態の電力変換装置300の組み立て方法は、基本的に図8における実施の形態1の電力変換装置100の組み立て方法と同様である。
また本実施の形態においては、第1の部分の巻線11,12に挟まれた図11の上下方向に延びる絶縁部材63の最も下側の端部63Aは、巻線11,12の第1の部分の最下部よりも図11の下側に延びるように形成されている。第2の部分の巻線11,12に挟まれた図11の上下方向に延びる絶縁部材63の最も下側の端部63Aは、巻線11,12の第2の部分の最下部よりも図11の下側に延びるように形成されている。これによっても隙間が形成され、当該隙間に高放熱性絶縁部材64が充填可能となっている。
なお上記のように、本実施の形態においては、たとえば側壁45,46から突き出た位置決めピン49が絶縁部材62を貫通することにより、絶縁部材62が左右方向および奥行き方向に関して移動しないように固定されている。これにより、各巻線間などの絶縁性がより確実に維持される。
次に、本実施の形態におけるトランス10の各構成部品の放熱性について説明する。
二次側巻線12の上記第1の部分および第2の部分の発熱は、これらが側壁45,46と対向する面から高放熱性絶縁部材64を介して側壁45,46に放熱される。二次側巻線12とこれが対向する側壁45,46との距離が短くなれば二次側巻線12から側壁45,46への放熱性が高まり、当該距離が長くなれば二次側巻線12から側壁45,46への放熱性が低下する。たとえば図11に対して二次側巻線12の位置が左側にずれた場合には、二次側巻線12の上記第1の部分(左下側)が側壁45から離れるが、上記第2の部分(右下側)が側壁46に近づく。またたとえば図11に対して二次側巻線12の位置が右側にずれた場合には、二次側巻線12の上記第2の部分(右下側)が側壁46から離れるが、上記第1の部分(左下側)が側壁45に近づく。したがって二次側巻線12が左右いずれか側に位置ずれしたとしても、側壁45,46との平均的な距離は変わらず、全体的な放熱性は低下しない。
一次側巻線11の上記第1の部分および第2の部分の発熱は、これらが側壁44,43と対向する面から高放熱性絶縁部材64を介して側壁44,43に放熱される。一次側巻線11とこれが対向する側壁44,43との距離が短くなれば一次側巻線11から側壁44,43への放熱性が高まり、当該距離が長くなれば一次側巻線11から側壁44,43への放熱性が低下する。たとえば図11に対して一次側巻線11の位置が左側にずれた場合には、一次側巻線11の上記第2の部分(右下側)が側壁43から離れるが、上記第1の部分(左下側)が側壁44に近づく。またたとえば図11に対して一次側巻線11の位置が右側にずれた場合には、一次側巻線11の上記第1の部分(左下側)が側壁44から離れるが、上記第2の部分(右下側)が側壁43に近づく。したがって一次側巻線11が左右いずれか側に位置ずれしたとしても、側壁44,43との平均的な距離は変わらず、全体的な放熱性は低下しない。
本実施の形態においては高放熱性絶縁部材64は巻線11,12の外側の領域のみならず、その内側の領域にも形成されているため、巻線11,12の第1および第2の部分の左側および右側の双方に高放熱性絶縁部材64が形成される。このため本実施の形態においては、上記のように一次側巻線11などが左右いずれか側に位置ずれしても放熱性が低下しないという特徴を有している。
以上の各実施の形態に示す構成上の特徴は、技術的に矛盾のない範囲内で適宜組み合わせてもよい。たとえば実施の形態3におけるC字形状に屈曲された巻線11,12を有する構成と、実施の形態2のように側壁43,44が筐体42に接合された構成とを組み合わせて用いてもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味およ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。
1 入力側駆動回路、2 出力側駆動回路、10 トランス、11 一次側巻線、11A,11B,12A,12B 接続点、11C,12C,61C,62C,63C 開口部、11E1,12E1 最下部、11E2,12E2 最上部、11T1,12T1 第1の屈曲部、11T2,12T2 第2の屈曲部、12 二次側巻線、13,14 引出し部、21 上側磁性コア、22 下側磁性コア、31A,31B,31C,31D スイッチング素子、31E,31F,31G,31H 整流素子、32A,32B コンデンサ、33 コイル、41 プリント基板、42 筐体、43,44,45,46 側壁、43A,44A 放熱グリス、43C,44C 接合部、49 位置決めピン、51,52 ネジ、53,54 配線、61,62,63 絶縁部材、61A,62A,63A 端部、64 高放熱性絶縁部材、66 絶縁部材シート、100,101,200,300,301 電力変換装置。
本発明の電力変換装置は、磁性コアと、複数の巻線と、複数の金属製の側壁と、第1絶縁部材と、第2絶縁部材とを備えている。複数の巻線は磁性コアの外側に巻回され、磁性コアの延びる方向に延びる部分を有するように屈曲されている。複数の金属製の側壁は複数の巻線の外側に配置され、磁性コアの延びる方向に沿うように延びている。第1絶縁部材は複数の巻線同士の間および巻線と磁性コアとの間に設けられている。複数の巻線のそれぞれは、磁性コアの延びる方向に延びる部分において、複数の側壁のいずれかと、第2絶縁部材を介して対向する部分を有する。第2絶縁部材の熱伝導率は第1絶縁部材の熱伝導率よりも高い。
その結果、特に図6(A)に示すように、屈曲前に図3(A)において一点鎖線F1の左側および点線F2の右側にあった一次側巻線11の領域は、磁性コアの延びる方向すなわち下側磁性コア22の中足22Cの延びる図の上下方向に沿うように延びる領域を、図6(A)の左右側に有することになる。また特に図6(B)に示すように、一次側巻線11は4ターン巻回されているため、当該断面図においては互いに間隔をあけて各ターンの一次側巻線11が図の上下方向に並んでいる。また一次側巻線11の下側磁性コア22側には、絶縁部材63の層が配置される態様となっている。

Claims (11)

  1. 磁性コアと、
    前記磁性コアの外側に巻回され、前記磁性コアの延びる方向に延びる部分を有するように屈曲された複数の巻線と、
    前記複数の巻線の外側に配置され、前記磁性コアの延びる方向に沿うように延びる金属製の複数の側壁と、
    前記複数の巻線同士の間および前記巻線と前記磁性コアとの間に設けられた第1絶縁部材と、
    前記複数の側壁のそれぞれと前記複数の巻線のそれぞれとの双方に接するように前記複数の巻線の外側に配置された第2絶縁部材とを備え、
    前記第2絶縁部材の熱伝導率は前記第1絶縁部材の熱伝導率よりも高い、電力変換装置。
  2. 前記第2絶縁部材の熱伝導率は0.5W/mK以上である、請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 前記複数の巻線のそれぞれは第1および第2の屈曲部を含み、
    前記複数の巻線は2本であり、
    前記2本の巻線のそれぞれにおける一方の端部と前記第1の屈曲部との間である第1の部分、および前記一方の端部と反対側の他方の端部と前記第2の屈曲部との間である第2の部分は前記磁性コアの延びる方向に延び、
    前記第1の屈曲部から前記第1の部分が延びる方向と、前記第2の屈曲部から前記第2の部分が延びる方向とは互いに反対方向となるように、前記複数の巻線のそれぞれが屈曲されている、請求項1または2に記載の電力変換装置。
  4. 前記第2絶縁部材は前記巻線の外側のみに配置され、
    前記第1および第2の屈曲部を有する前記2本の巻線のいずれもが、前記巻線の少なくとも一部において前記第2絶縁部材に接するように配置される、請求項3に記載の電力変換装置。
  5. 前記第1絶縁部材は、
    前記2本の巻線のうち一方の巻線と、前記一方の巻線とは異なる他方の巻線とに挟まれた領域と、
    前記一方の巻線と前記磁性コアとに挟まれた領域と、
    前記他方の巻線と前記磁性コアとに挟まれた領域とに配置される、請求項3または4に記載の電力変換装置。
  6. 前記一方の巻線の前記第1の部分は前記他方の巻線の前記第1の部分よりも外側に配置され、
    前記他方の巻線の前記第2の部分は前記一方の巻線の前記第2の部分よりも外側に配置され、
    前記一方の巻線の前記第1の部分および前記他方の巻線の前記第2の部分が前記第2絶縁部材に接する、請求項5に記載の電力変換装置。
  7. 前記複数の巻線のそれぞれは第1および第2の屈曲部を含み、
    前記複数の巻線は2本であり、
    前記2本の巻線のそれぞれにおける一方の端部と前記第1の屈曲部との間である第1の部分、および前記一方の端部と反対側の他方の端部と前記第2の屈曲部との間である第2の部分は前記磁性コアの延びる方向に延び、
    前記第1の屈曲部から前記第1の部分が延びる方向と、前記第2の屈曲部から前記第2の部分が延びる方向とは互いに同じ方向となるように、前記複数の巻線のそれぞれが屈曲されている、請求項1または2に記載の電力変換装置。
  8. 前記第1絶縁部材は、
    前記2本の巻線のうち一方の巻線と、前記一方の巻線とは異なる他方の巻線とに挟まれた領域と、
    前記一方の巻線と前記磁性コアとに挟まれた領域と、
    前記他方の巻線と前記磁性コアとに挟まれた領域とに配置される、請求項7に記載の電力変換装置。
  9. 前記巻線と電気的に接続されるプリント基板をさらに備え、
    前記第1絶縁部材の少なくとも一部は、前記第1絶縁部材を貫通し、前記側壁または前記プリント基板に固定される部材に接触固定される、請求項3〜8のいずれか1項に記載の電力変換装置。
  10. 前記磁性コアの延びる方向に関する一方の端面に接するように配置された放熱器をさらに備え、
    前記放熱器は前記複数の側壁と一体として形成されている、請求項1〜9のいずれか1項に記載の電力変換装置。
  11. 前記磁性コアおよび前記複数の側壁の延びる方向に関する一方の端面に接するように配置された放熱器をさらに備え、
    前記複数の側壁は、前記放熱器と接する部分において前記延びる方向に交差する方向に拡がるように接合部を含む、請求項1〜9のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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