JP5892337B2 - リアクトル、コンバータ、及び電力変換装置 - Google Patents
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Description
図1〜図5を参照して、本発明の実施の形態1を説明する。
リアクトル1は、互いに繋がる一対のコイル素子2a,2bを具えるコイル2と、各コイル素子2a,2b内にそれぞれ配置される一対の内側コア部31(図3)及びこれら内側コア部31を連結して閉磁路を形成する外側コア部32を有する磁性コア3と、コイル2と磁性コア3との間に介在されるインシュレータ5とを具える。さらに、リアクトル1の動作時の物理量を測定するセンサ7(図2)と、センサ7を保持するセンサホルダ8とを具える。また、この例のリアクトル1は、コイル2と磁性コア3との組合体10を収納するケース4を具える。ケース4は、一面が開口した箱体である(図2参照)。リアクトル1の主たる特徴とするところは、各コイル素子2a,2bの形状と、センサ7の配置位置と、センサ7を保持するセンサホルダ8がインシュレータ5とは別部材で構成されていることにある。以下、上記特徴部分をまず説明し、次に、その他の構成をより詳細に説明する。
コイル2は、図3,図5を主に参照して説明する。図5では、分かり易いように、コイル2と、センサ7及びセンサホルダ8を主に示し、インシュレータ5などを省略している。
ここでは、センサ7は温度センサであり、サーミスタといった感熱素子7a(図5)と、感熱素子7aを保護する保護部7b(図5)とを具えた棒状体(図4参照)が挙げられる。保護部7bは、樹脂などのチューブが挙げられる。センサ7には、感知した情報を制御装置といった外部装置に伝達するための配線71(図4(B))が接続される。センサとしては、温度センサ以外に、電流センサや電圧センサ、リアクトルの振動が測定可能な加速度センサなど、リアクトルの動作時の物理量を測定するためのセンサが挙げられる。
センサホルダ8は、図4に示すように、上記センサ7が載置される短冊状の載置部8aと、その載置部8aとの間にスリットを形成して配される保持部8bと、載置部8aにおける保持部8bとは反対側に延びる板状の仕切り部8cとを具える。ここでは、載置部8a、保持部8b及び仕切り部8cは一体成形されている。上記スリットは、センサ7の収納空間であり、このスリットにセンサ7を収納した状態では、センサ7の上下が保持部8bと載置部8aとで挟まれ、その左右が開放されている。本発明では、このセンサホルダ8によって、上述した台形状空間に配置されたセンサ7を保持することを特徴の一つとする。センサ7はコイル2に接触していない状態であってもよいが、センサ7をコイル2に接触した状態とすると測定値の信頼性がさらに高くなり好ましい。ここでは、センサ7をコイル2に接触した状態で保持している。
磁性コア3の説明は、図3を参照して行う。磁性コア3は、各コイル素子2a,2bに覆われる一対の内側コア部31と、コイル2が配置されず、コイル2から露出されている一対の外側コア部32とを有する。ここでは、各内側コア部31はそれぞれ、上述のように各コイル素子2a,2bの内周形状に沿って、直方体の角部を丸めた外形を有する柱状体であり、各外側コア部32はそれぞれ、一対の台形状面を有する柱状体である。磁性コア3は、離間して配置される内側コア部31を挟むように外側コア部32が配置され、各内側コア部31の端面31eと外側コア部32の内端面32eとを接触させて環状に形成される。これら内側コア部31及び外側コア部32により、コイル2を励磁したとき、閉磁路を形成する。
インシュレータ5の説明は、図3,図4を参照して行う。インシュレータ5は、内側コア部31を収納する筒状部51と、各コイル素子2a,2bの端面と外側コア部32の内端面32eとの間に介在される枠板部52とを具える。筒状部51は、コイル素子2a,2bと内側コア部31とを絶縁し、枠板部52は、コイル素子2a,2bの端面と外側コア部32の内端面32eとを絶縁する。このインシュレータ5は、上述したセンサホルダ8とは独立した部材で構成されており、互いに係合する係合部を具えることを特徴の一つとする。
ケース4の説明は、図2を参照して行う。コイル2と磁性コア3との組合体10が収納されるケース4は、平板状の底板部40と、底板部40に立設する枠状の側壁部41とを具える。リアクトル1のケース4は、底板部40と側壁部41とが一体に成形されておらず、それぞれ独立した部材であり、固定材により一体化される。また、底板部40には、接合層42を具える。
底板部40は、代表的には、リアクトル1が設置対象に設置されるときに設置対象に接して固定される板材である。底板部40は、コイル2の放熱経路に利用されることから、一般に熱伝導率が高い材料である金属によって構成される。具体的な金属は、アルミニウムやその合金、マグネシウムやその合金、銅やその合金、銀やその合金、鉄やオーステナイト系ステンレス鋼などが挙げられる。アルミニウムやマグネシウム、これらの合金は、軽量なケースにできる。底板部40の厚さは、強度、シールド性、放熱性、騒音特性などを考慮して、例えば、2mm〜5mm程度が挙げられる。ここでは、底板部40をアルミニウム合金から構成しており、底板部40の熱伝導率は、後述する側壁部41の熱伝導率よりも十分に高い。この底板部40は、ケース4を組み立てたとき、内側に配置される一面に接合層42が形成されている。
底板部40は、少なくともコイル2の設置側の面(下面2d(図5))が接触する箇所に接合層42を具える。
側壁部41は、枠状体(ここでは矩形状)であり、一方の開口部を底板部40により塞いでケース4を組み立てたとき、上記組合体10の周囲を囲むように配置され、他方の開口部が開放される。ここでは、側壁部41は、リアクトル1を固定対象に設置したときに設置側となる領域が上記底板部40の外形に沿った矩形状であり、開放された開口側の領域がコイル2と磁性コア3との組合体10の外周面に沿った曲面形状である。
ここでは、底板部40及び側壁部41は、上述のように連結ボルトによって一体化しているが、連結ボルトと共に接着剤を併用してもよい。又は、接着剤のみを利用して底板部40及び側壁部41を連結してもよい。この場合、例えば、接合層42に用いる接着層と、底板部40及び側壁部41を接合する接着剤層との双方を形成する形態とすることができる。この形態は、接合層42の硬化工程と、底板部40及び側壁部41を接合する接着剤層の硬化工程とを同時に行えて、硬化工程を低減できる。従って、この形態は、生産性の向上を図ることができる。
ケース4内に封止樹脂6(図1)を充填した形態とすることができる。封止樹脂6は、ケース4に収納した組合体10などの位置の固定、組合体10などの機械的な保護や外部環境からの保護(耐食性の向上)、材質によっては放熱性の向上、絶縁性の向上などを図ることができる。この形態では、例えば、巻線2wの端部を封止樹脂から露出させると、巻線2wの端部と端子金具(図示せず)とを接合し易い。巻線2wの端部と端子金具とを接合した後、この接合箇所を封止樹脂に埋設させた形態とすることもできる。
上記構成を具えるリアクトル1は、代表的には、組合体の準備⇒底板部の準備⇒組合体の固定⇒ケースの組立⇒センサの配置⇒封止樹脂の充填という工程により製造することができる。
まず、コイル2と磁性コア3との組合体10の作製手順を説明する。具体的には、図3に示すようにコア片31mやギャップ材31gを積層した内側コア部31とインシュレータ5の一方の分割片50aとを各コイル素子2a,2bに挿入する。ここでは、コア片31mとギャップ材31gとの積層体の外周面を接着テープにより連結して内側コア部31を柱状に作製している。次に、コイル素子2a,2bの他方の端面に、インシュレータ5の他方の分割片50bを挿入する。なお、コア片31mとギャップ材31gとを接着テープや接着剤などで一体化せず、ばらばらの状態としてもよい。この場合、一部のコア片31m及びギャップ材31gを一方の分割片50aで支持し、他部のコア片31m及びギャップ材31gを他方の分割片50bで支持して、各コイル素子2a,2bに挿入するとよい。
図2に示すようにアルミニウム板を所定の形状に打ち抜いて底板部40を形成し、一面に所定の形状の接合層42をスクリーン印刷により形成して、接合層42を具える底板部40を用意する。そして、この接合層42の上に、組み立てた組合体10を載置し、その後、接合層42を適宜硬化して組合体10を底板部40に固定する。
上記組合体10の外周面を囲むように、側壁部41を組合体10の上方から被せ、底板部40の上に配置する。別途用意したボルト(図示せず)により、底板部40と側壁部41とを一体化する。この工程により、図1に示すように箱状のケース4が組み立てられると共に、ケース4内に組合体10が収納された状態とすることができる。
まず、センサホルダ8にセンサ7を組み付ける。センサホルダ8の載置部8aにセンサ7を載置し、載置部8aと保持部8bとでセンサ7を挟むことで、センサ7をセンサホルダ8で保持する。このとき、センサ7はセンサホルダ8の幅方向の中間位置に保持される。次に、センサ7を保持したセンサホルダ8を両コイル素子2a,2bの上側に形成された台形状空間に配置する。ここでは、センサホルダ8の仕切り部8cを、各コイル素子2a,2b間に設けられた隙間gに差し込み、センサホルダ8のフック8fと枠板部52の係合部53eとを係合させて、両者を一体化する。このとき、図5に示すように、センサホルダ8の載置部8a及び保持部8bから露出されたセンサ7が、両コイル素子2a,2bの上側の角R部21でコイル2に対して適切な位置で接触した状態となる。センサ7に接続される配線71の一部も、保持部8bに覆われており、保持部8bの端部からリアクトル1の外部に引き出す。
ケース4内に封止樹脂6を充填して硬化することで、封止樹脂6を具えるリアクトル1を形成することができる。この形態では、センサ7や配線71も封止樹脂6で固定できる。
上述のリアクトル1は、通電条件が、例えば、最大電流(直流):100A〜1000A程度、平均電圧:100V〜1000V程度、使用周波数:5kHz〜100kHz程度である用途、代表的には電気自動車やハイブリッド自動車などの車載用電力変換装置の構成部品に好適に利用することができる。
本発明のリアクトル1は、図5に示すように、コイル2を特定の形状とし、この形状により構成される特定の領域:角R部21がつくる台形状空間にセンサ7を配置していることで、センサ7に加えられる応力(熱膨張したコイル2による応力)を低減できる、或いは実質的に応力が加わることが無い。従って、上記応力によりセンサ7が破損せず、リアクトル1は、コイル2の温度を適切に測定できる。かつ、リアクトル1は、いわゆるデッドスペースであって、上記応力を受け難い、或いは実質的に応力が負荷されない領域(台形状領域において接線lcよりも上方領域)をセンサ7の配置領域とする。従って、リアクトル1は、センサ7の配置による大型化や、センサ7の保護のための大型化を招くことがなく、小型である。
上述した実施形態1では、底板部40と側壁部41とが独立した部材である形態を説明した。その他、底板部と側壁部とが一体に成形された箱体からなるケースを具える形態とすることができる。この形態では、ケース全体が上述のアルミニウムなどの金属で構成された場合には、ケース全体を放熱経路に利用でき、放熱性を高められる。
上述した実施形態では、ケースを具える形態を説明した。その他、ケースを省略した形態とすることができる。この形態は、ケースを具えていないことでより小型である。更に、この組合体10の外周を射出成形などにより樹脂で被覆した形態とすると、(1)当該樹脂によりセンサ7をコイル2の台形状空間に確実に固定して、センサ7の脱落や位置ずれを防止できる、(2)組合体10に対して、外部環境からの保護や機械的保護を図ることができる、(3)樹脂の材質によっては放熱性を高められる、といった効果を有する。上記樹脂には、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル、ウレタン樹脂、PPS樹脂、PBT樹脂、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン(ABS)樹脂などが挙げられる。この樹脂にも、封止樹脂と同様に、上述したフィラーを含有させると、放熱性を高められる。
実施形態1〜3のリアクトルは、例えば、車両などに載置されるコンバータの構成部品や、このコンバータを具える電力変換装置の構成部品に利用することができる。
2 コイル 2a,2b コイル素子 2r コイル連結部 2w 巻線
2e 巻線の端部 2d 下面 2u 上面 21 角R部 22,23 直線状部
3 磁性コア 31 内側コア部 31e 端面 31m コア片
31g ギャップ材
32 外側コア部 32e 内端面
4 ケース 40 底板部 41 側壁部 42 接合層
400,411 取付部 400h,411h ボルト孔
5 インシュレータ 50a,50b 分割片 51 筒状部
52 枠板部 52p 台座 53a,53b 仕切り片 53e 係合部
6 封止樹脂
7 センサ 7a 感熱素子 7b 保護部 71 配線
8 センサホルダ 8a 載置部 8b 保持部
8c 仕切り部 8d 本体部 8e 係合部 8f フック 8g 隙間
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 (7)
- 互いに繋がる一対のコイル素子を具えるコイルと、
前記各コイル素子内にそれぞれ配置される一対の内側コア部及びこれら内側コア部を連結して閉磁路を形成する外側コア部を有する磁性コアと、
前記コイルと前記磁性コアとの間に介在されるインシュレータとを具えるリアクトルであって、
前記リアクトルの動作時の物理量を測定するセンサと、
前記インシュレータと独立した部材で構成されると共に、前記インシュレータと係合する係合部を有し、前記センサを保持するセンサホルダとを具え、
前記各コイル素子は、巻線を螺旋状に巻回して構成された筒状体で、かつ端面形状が角部を丸めた角R部を有する形状であり、各コイル素子の軸が平行するように並列に配置され、
前記センサは、前記各コイル素子において対向配置された前記角R部に挟まれる台形状空間に配置されているリアクトル。 - 互いに繋がる一対のコイル素子を具えるコイルと、
前記各コイル素子内にそれぞれ配置される一対の内側コア部及びこれら内側コア部を連結して閉磁路を形成する外側コア部を有する磁性コアと、
前記コイルと前記磁性コアとの間に介在されるインシュレータとを具えるリアクトルであって、
前記リアクトルの動作時の物理量を測定するセンサと、
前記インシュレータと独立した部材で構成されると共に、前記センサを覆う保持部を有し、前記センサを保持するセンサホルダとを具え、
前記保持部は、前記センサの軸方向の全長以上の長さを有し、
前記各コイル素子は、巻線を螺旋状に巻回して構成された筒状体で、かつ端面形状が角部を丸めた角R部を有する形状であり、各コイル素子の軸が平行するように並列に配置され、
前記センサは、前記各コイル素子において対向配置された前記角R部に挟まれる台形状空間に配置されているリアクトル。 - 前記センサホルダは、前記センサを覆う保持部を具え、
前記保持部は、前記センサの軸方向の全長以上の長さを有する請求項1に記載のリアクトル。 - 前記保持部は、前記センサに接続される配線の一部を覆う請求項2又は請求項3に記載のリアクトル。
- 前記センサホルダは、前記各コイル素子間に配置される仕切り部を具える請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のリアクトル。
- 請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のリアクトルを具えるコンバータ。
- 請求項6に記載のコンバータを具える電力変換装置。
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