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JP2010045110A - リアクトル集合体 - Google Patents

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JP2010045110A JP2008207174A JP2008207174A JP2010045110A JP 2010045110 A JP2010045110 A JP 2010045110A JP 2008207174 A JP2008207174 A JP 2008207174A JP 2008207174 A JP2008207174 A JP 2008207174A JP 2010045110 A JP2010045110 A JP 2010045110A
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Hajime Kawaguchi
肇 川口
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

【課題】小型で、部品点数が少なく、組立作業性に優れるリアクトル集合体を提供する。
【解決手段】リアクトル集合体1Aは、コイル12,22,32と、各コイル12,22,32が配置される磁性コア11,21,31とを具える複数のリアクトル10,20,30を具える。これらリアクトル10,20,30は、一つのケース2Aに収納されている。複数のリアクトル10,20,30に対して一つのケース2Aを共通に利用することで、部品点数の削減、樹脂の充填作業やステーの配置及び固定作業、冷却ベースへの固定作業といった種々の組立作業工程の削減を実現する。
【選択図】図1

Description

本発明は、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される車載DC-DCコンバータといった電力変換装置の構成部品に好適なリアクトル集合体に関するものである。特に、小型で部品点数が少なく、組立作業性に優れるリアクトル集合体に関する。
モータを駆動源や回生時の発電源に利用するハイブリッド自動車や電気自動車といった車両の車載部品として、モータと電源との間で昇圧動作や降圧動作を行う電力変換装置がある。電力変換装置は、一般に、直流電力の大きさを変えるコンバータと、直流電力と交流電力とを相互に変換させるインバータとを具える。
コンバータは、通常、ON/OFFのスイッチング動作により発生する交流電流を平滑化するリアクトルを具える。このリアクトルLは、代表的には、図5(A)に示すように環状の磁性コア100と、巻線111を巻回してなり、コア100の外周に配置されるコイル110とを具える。磁性コア100とコイル110との組合体は、ケース120に収納され、ケース120内に充填されたポッティング樹脂130により固定される(図5(B)、特許文献1)。磁性コア100は、コイル110が配置されない端部コア100eにステー140が配置され、このステー140をボルト141によりケース120に固定することで、ステー140によりケース120の底面側に押し付けられて、ケース120に強固に固定される。上記ケース120は、冷却ベース(図示せず)に固定されて利用される。電力変換装置において、例えば、三相並列に利用する場合、上記平滑用リアクトルを3つ具える。
特開2008-028290号公報
従来、複数のリアクトルが必要な場合、ケースへの収納、ケースへの磁性コアの固定、樹脂の充填、ケースの固定、といった作業がリアクトルごとに行われるため、組立作業性が悪い上に、部品点数が多い。また、個々にケースを具えることでリアクトルが大型になり易い。
更に、近年、ハイブリッド自動車などに具える電源は、高周波化による部品の小型化が検討されている。上記スイッチング動作は、高周波化するとスイッチング損失が増大するため、スイッチング損失が少ないソフトスイッチングが望まれる。ソフトスイッチングを行うには、例えば、コンバータに共振回路を設けることが考えられる。共振回路は、上記平滑用のリアクトルに並列に接続させる共振用のリアクトルを具える。そのため、共振回路を設けると、リアクトルの数が更に多くなるため、小型化、組立作業性の向上及び部品点数の低減が望まれる。
そこで、本発明の目的は、複数のリアクトルを具えていながら、小型で、部品点数が少なく、組立作業性に優れるリアクトル集合体を提供することにある。
本発明は、複数のリアクトルを一つのケースにまとめて収納することで、上記目的を達成する。具体的には、本発明リアクトル集合体は、コイルと、このコイルが配置される磁性コアとを具える複数のリアクトルと、これら複数のリアクトルを収納する一つのケースとを具える。
本発明リアクトル集合体は、複数のリアクトルが一つのケースを共用する構成である。この構成により、リアクトルの数に対してケースの数を少なくできる上に、ケースに樹脂を充填する場合、複数のリアクトルを一度にモールドすることができる。また、一つのケースを冷却ベースに固定することで、複数のリアクトルを同時に冷却ベースに固定することができる。従って、本発明の構成によれば、複数のリアクトルを具えていながら、小型であり、部品点数の削減、及び組立作業性の向上を図ることができる。
その他、本発明の構成によれば、(1)リアクトルごとにケースを具える従来の構成と比較して、ケースの合計設置面積を低減できるため、設置スペースの縮小化を図ることができる、(2)リアクトルごとにケースを具える従来の構成と比較して、ケースの構成材料の合計量を低減できるため、軽量化を図ることができる、(3)複数のリアクトルを一体物として取り扱えるため、ハンドリング性に優れる、(4)ケースにより、外部環境からコアやコイルを保護できる、(5)ケースを放熱経路に利用することで、放熱性を高められる、といった種々の効果を奏することができる。
本発明リアクトル集合体を構成する各リアクトルの用途として、上述の平滑用の他、ソフトスイッチングを行うための共振用が挙げられる。本発明リアクトル集合体は、用途の異なるリアクトルを具える構成、例えば、平滑用リアクトルと共振用リアクトルとの双方を具える構成としてもよいし、用途が同じリアクトルを具える構成、例えば、平滑用リアクトルのみ、又は共振用リアクトルのみを具える構成としてもよい。通常、用途が同じリアクトルは、実質的に同一形状である。形状が異なるリアクトルを組み合わせ、これらの組合物の外形に応じた異形のケースとすると、大きな設置スペースが必要になったり、設置箇所近くにデッドスペースが生じる恐れがある。或いは、形状が異なるリアクトルを十分に収納可能な大きさを有する直方体状(箱状)のケースとすると、ケース内にデッドスペースが生じたり、ケースが大きくなる恐れがある。これに対して、同一形状のリアクトルを組み合わせた構成では、直方体状(箱状)といった簡単な形状のケースを利用し易く、かつ、ケース内に余分な空間が生じ難く、小型なケースを利用することができる。
本発明リアクトル集合体は、2つ以上の複数のリアクトルを具える。例えば、電力変換装置において三相並列とする場合、本発明リアクトル集合体は、合計3つの平滑用リアクトルを具える構成、或いは合計3つの共振用リアクトルを具える構成、或いは合計3つの平滑用リアクトル及び合計3つの共振用リアクトルの組合せを具える構成(合計6つのリアクトルを具える構成)が挙げられる。特に、平滑用リアクトル及び共振用リアクトルの双方を具える構成では、1つのリアクトル集合体により、昇圧動作や降圧動作に加えて、ソフトスイッチングを行える。
本発明リアクトル集合体は、上記ケース内に充填されて、複数のリアクトルをケースに一体に固定するための樹脂を具えた形態とすることができる。
上記構成によれば、複数のリアクトルが樹脂により一体にモールドされることで、各リアクトルが樹脂によりケースに固定される。そのため、ケースに対する各リアクトルの位置を固定するためのステー(固定部材)を省略することができ、部品点数の低減、及び固定部材を用いたリアクトルのケースへの固定作業の省略が可能である。また、この構成によれば、複数のリアクトルに対して樹脂の充填が一度で済むため、充填作業の回数を低減できる。その他、この構成は、(1)樹脂によりコアを補強したり、外部環境からコアやコイルを保護できる、(2)振動による騒音を抑制できる、(3)絶縁樹脂を用いることで、コイルと周囲の部材との間で絶縁を確保できる、(4)放熱性に優れる樹脂を用いることで、放熱性を高められる、といった種々の効果を奏することができる。利用する樹脂は、種々の絶縁性樹脂が好適に利用できる。例えば、エポキシ樹脂やウレタン樹脂、シリコーン樹脂など、ポッティング樹脂として利用されている樹脂を利用することができる。
本発明リアクトル集合体は、複数のリアクトルをケースに固定するために、複数のリアクトルに共通に配置されるステーを具えた形態とすることができる。
上記構成によれば、一つのステーにより、複数のリアクトルをケースに固定できるため、ステー数の低減及びステーの取り付け作業の低減を図ることができる。また、この構成によれば、上述の樹脂を具えていなくても、各リアクトルをステーによりケースに固定可能である。ステーに加えて、上記樹脂を具えた構成とすると、各リアクトルをケースに確実に固定し易い。
本発明リアクトル集合体は、小型で部品点数が少なく、組立作業性に優れる。
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
<実施形態1>
図1(A)は、本発明リアクトル集合体の概略斜視図、(B)は、このリアクトル集合体の概略上面図、図2は、このリアクトル集合体の分解斜視図である。以下、図中の同一符号は同一名称物を示す。
リアクトル集合体1Aは、3つの平滑用リアクトル10,20,30を具える。これらリアクトル10,20,30は、例えば、コンバータに具えるスイッチング素子のスイッチング動作により発生する三相交流電流の各相を平滑化する。リアクトル集合体1Aの特徴とするところは、これら3つのリアクトル10,20,30が一つのケース2Aに一体に収納されている点にある。以下、各構成をより詳細に説明する。
[リアクトル]
リアクトル10,20,30は、いずれも同じ部材から構成される同一構造体であり、環状の磁性コア11,21,31と、磁性コア11,21,31のコイル巻回部に配置されるコイル12,22,32とを具える。以下、リアクトル10を例にして説明する。
磁性コア11は、一対の直方体状のコイル巻回部11c(図2)と、コイル12が配置されない一対の端部コア11eとを有し、離間して配置されるコイル巻回部11cを挟むように端部コア11eが配置されて閉ループ状(環状)に形成される。この磁性コア11は、鉄や鋼などの鉄を含有する軟磁性材料からなる磁性体部11mとアルミナなどの非磁性材料からなるギャップ材(図示せず)とからなる。磁性体部11mは、複数のコア片を組み合わせて構成され、特に、コイル巻回部11cは、コア片とギャップ材とを交互に積層して構成される。各コア片は、軟磁性粉末の圧粉成形体や、複数の電磁鋼板を積層した積層体が利用できる。ギャップ材は、インダクタンスの調整のためにコア片間に設けられる隙間に配置される部材である。これらコア片及びギャップ材は、接着剤などで接合される。コア片の分割数やギャップ材の個数は、リアクトル10,20,30がそれぞれ所望のインダクタンスとなるように適宜選択することができる。
コイル12は、1本の連続する巻線を巻回してなり、並列状態に配置された一対のコイル素子を具える。両コイル素子は、銅製の平角線の表面にエナメル被覆を具える被覆巻線をエッジワイズ巻きにして形成されており、巻返し部12rにより連結されている。巻線は、上記平角線以外に、断面が円形状、多角形状などの種々の形状のものを利用できる。
コイル12を形成する巻線の両端部は、コイル12に電力供給を行う電源などの外部装置(図示せず)が接続される導電材料からなる端子部材(図示せず)が接合される。接合には、TIG溶接などの溶接が利用できる。
磁性コア11とコイル12との組合体には、インシュレータ(図示せず)を設けると、磁性コア11とコイル12との間の絶縁性を高められる。インシュレータは、コイル巻回部の外周を覆う筒状部と、コイル12の端面(コイルのターンが環状に見える面)に当接される枠状部とを具えた構成が挙げられる。インシュレータの構成材料には、ポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂、液晶ポリマー(LCP)などの絶縁材料が利用できる。
[ケース]
リアクトル10を構成する磁性コア11とコイル12との組合体、リアクトル20を構成する磁性コア21とコイル22との組合体、及びリアクトル30を構成する磁性コア31とコイル32との組合体の合計3つの組合体は、例えば、アルミニウム製のケース2Aに収納される。この実施形態1では、各リアクトル10,20,30のコイル12,22,32の軸方向が同一直線上(同軸上)に並ぶように、上記3つの組合体をケース2A内に配置させている。
[ステー]
ケース2Aには、ボルト4Aがねじ込まれるボルト穴2h(図2)を有する。そして、リアクトル集合体1Aは、磁性コア11の端部コア11eの上、及びこの端部コア11eに隣り合う磁性コア21の一方の端部コア21eの上に共通に配置されるステー3A1、磁性コア21の他方の端部コア21eの上、及びこの端部コア21eに隣り合う磁性コア31の一方の端部コア31eの上に共通に配置されるステー3A2を具える。
ステー3A1は、例えば、ステンレス製の帯状材の中間部を]状に折り曲げて形成された]状部分を有し、両端にボルト4Aが挿通されるボルト孔3h(図2)を有する。この]状部分により2つの端部コア11e,21eを押え付けられる構成である。ステー3A2もステー3A1と同様の構成であり、2つの端部コア21e,31eを押え付けられる。ステー3A1,3A2の材質は特に問わないが、上述のようにステンレスといった強度に優れる材料、特に、JIS G 3311(みがき特殊鋼帯)、JIS G 4313(ばね用ステンレス鋼帯)、JIS G 4802(ばね用冷間圧延鋼帯)などに規定されるばね鋼などからなるものは、磁性コアをケースに強固に押し付けられて好ましい。
リアクトル集合体1Aは、更に、磁性コア11の一方の端部コア11eの上に配置されるステー5aと、磁性コア31の他方の端部コア31eの上に配置されるステー5bとを具える。これらステー5a,5bの基本的構成や材質は、上記ステー3A1,3A2と同様であり、幅のみ異なる。なお、ステー3A1,3A2により、3つのリアクトル10,20,30をケース2Aに固定できることから、ステー5a,5bを省略してもよい。この場合、更に部品点数を少なくできる。或いは、ステー3A1,5bの組合せ、ステー5a,3A2により、3つのリアクトル10,20,30を固定してもよい。
ステー3A1,3A2に具えるボルト孔3h(図2)とケース2Aのボルト穴2hとにボルト4Aがねじ込まれることで、リアクトル20の組合体だけでなく、リアクトル20の両側に位置するリアクトル10の組合体及びリアクトル30の組合体がケース2Aに固定される。かつ、ステー5a,5bに具えるボルト孔5h(図2)とケース2Aのボルト穴25h(図2)とにボルト6がねじ込まれることで、リアクトル10,30の組合体がケース2Aに確実に固定される。このようにリアクトル集合体1Aは、一つのステー3A1をリアクトル10とリアクトル20とで共用し、一つのステー3A2をリアクトル20とリアクトル30とで共用する。
[充填樹脂]
ケース2A内には、絶縁性のポッティング樹脂(図示せず)が充填され、3つの組合体は、巻線の両端部を除いて樹脂に覆われる。なお、ケースの材質は特に問わないが、上述のようにアルミニウムといった放熱性に優れる材料からなるケースであると、放熱性を高められる。
[リアクトル集合体の組立]
上記構成を具えるリアクトル集合体は、以下のようにして形成することができる。
まず、磁性コア11とコイル12との組合体、磁性コア21とコイル22との組合体、磁性コア31とコイル32との組合体を形成する。コア片やギャップ材を接着剤などで固定してコイル巻回部を形成し、この外周にインシュレータ(筒状部)を配置し、更にその外周にコイル12,22,32を配置する。コイル12,22,32は、巻線を巻回して別途作製しておく。コイル12,22,32の端面をインシュレータの枠状部及び端部コアで挟むように、コイル12,22,32に枠状部及び端部コア11e,21e,31eを配置して、接着剤などで端部コア11e,21e,31eとコイル巻回部とを接合して、上記3つの組合体をそれぞれ形成する。
次に、形成した3つの組合体をそれぞれケース2Aに収納する。
次に、磁性コア11の一方の端部コア11eの上にステー5a、磁性コア11の他方の端部コア11eと磁性コア21の一方の端部コア21eの上にステー3A1、磁性コア21の他方の端部コア21eと磁性コア31の一方の端部コア31eの上にステー3A2、磁性コア31の他方の端部コア31eの上にステー5bを配置する。そして、ボルト4A,6により、ステー3A1,3A2,5a,5bをケース2Aに固定して、端部コア11e,21e,31eをケース2Aの底面側に押し付けるように固定する。
次に、上記3つの組合体を収納したケース2A内にポッティング樹脂を充填して、樹脂を硬化させる。各コイル12,22,32をつくる巻線の両端部は、ポッティング樹脂から露出されるようにする。なお、3つの組合体は、ステー3A1,3A2,5a,5bによりケース2Aの底面側に押し付けられた状態であるため、ポッティング樹脂を充填する際、脱気中に樹脂中にこれら組合体が浮き上がることを防止することができる。上記工程により、リアクトル集合体1Aが組み立てられる。
[効果]
上記構成を具えるリアクトル集合体1Aは、3つのリアクトル10,20,30を一つのケース2Aに共通に収納させていることで、ケースの数を削減することができる。また、各ステー3A1,3A2を2つのリアクトルに共通に利用することで、ステーの数、及びボルトの数を削減することができる。従って、リアクトル集合体1Aは、部品点数を低減することができる上に、小型化が図れる。かつ、リアクトル集合体1Aは、3つのリアクトルに対して、1度の樹脂充填でモールドすることができる。また、リアクトル集合体1Aは、ステー3A1(3A2)を取り付けることで、2つのリアクトルをケース2Aに固定することができる。更に、リアクトル集合体1Aは、ケース2Aを冷却ベース(図示せず)に固定することで、3つのリアクトルを同時に冷却ベースに設置できる。従って、リアクトル集合体1Aは、樹脂充填作業、ケースへの固定作業、冷却ベースへの固定作業を低減することができ、組立作業性に優れる。
加えて、リアクトル集合体1Aは、3つのリアクトル10,20,30の組合体が一つのケース2Aに収納されることで、複数のリアクトルを一体に取り扱えるため、ハンドリング性に優れる。また、リアクトルごとにケースを具える場合と比較して、リアクトル集合体1Aは、ケースの構成材料を削減できるため、軽量である上に、設置スペースが小さい。更に、リアクトル集合体1Aは、ポッティング樹脂により封止されることで、コアの補強、組合体の外部環境からの保護、コイルと周囲部材との間の絶縁性の向上、振動による騒音の低減、放熱性の向上、といった種々の効果を奏する。
<実施形態2>
図3は、別の本発明リアクトル集合体の概略斜視図、(B)は、このリアクトル集合体の上面図、図4は、このリアクトル集合体の分解斜視図である。実施形態2に示すリアクトル集合体1Bは、3つのリアクトル10,20,30の配置形態が実施形態1と異なり、その他の点は同様の構成である。以下、相違点を中心に説明する。
図3に示すように、リアクトル集合体1Bに具える3つのリアクトル10,20,30は、各リアクトル10,20,30のコイル12,22,32の軸方向が平行するようにケース2B内に配置されている。この構成により、3つのリアクトル10,20,30の端部コア11e,21e,31eが横並びに配置されるため、一方の端部コア11e,21e,31eを一つのステー3B1により押え付けることが可能である。この実施形態2では、他方の端部コア11e,21e,31eにも別のステー3B2を配置して、3つのリアクトル10,20,30におけるケース2Bへの固定強度を高めている。
ステー3B1は、例えば、ステンレス製の帯状材からなり、中間部を三箇所、]状に折り曲げて形成された凹凸形状である。ケース2Bにステー3B1を取り付けた際、各]状部分により各端部コア11e,21e,31eを押え付けられるように、]状部分の位置を調整している。ステー3B1の両端、及び]状部分の間には、ボルト4Bが挿通されるボルト孔3h(図4)を有する。ステー3B2もステー3B1と同様の構成である。なお、一方の端部コアのみを固定する構造としてもよく、この場合、ステー3B1,3B2のいずれか一方を省略することができる。
このようなリアクトル集合体1Bは、以下のようにして組み立てられる。3つの磁性コアとコイルとの組合体の作製、及びケース2Bへの収納までの手順を上述した実施形態1の手順と同様に行う。ケース2Bに収納した後、3つのリアクトル10,20,30の一方の端部コア11e,21e,31eの上にステー3B1を配置し、他方の端部コア11e,21e,31eの上にステー3B2を配置する。そして、ボルト4Bにより、ステー3B1,3B2をケース2Bに固定する。最後に、実施形態1と同様にケース2B内にポッティング樹脂を充填して、樹脂を硬化させることで、リアクトル集合体1Bが組み立てられる。
上述した実施形態1のリアクトル集合体1Aは、3つのリアクトル10,20,30を少なくとも2つのステー(例えば、3A1,3A2)によりケース2Aに固定する構成である。これに対し、この実施形態2のリアクトル集合体1Bは、3つのリアクトル10,20,30を少なくとも1つのステー(ステー3B1又はステー3B2)によりケース2Bに固定する構成である。従って、実施形態2のリアクトル集合体1Bは、実施形態1と比較して、ステーの数を低減することができる。また、ステーの数が少なくなることで、ステーの配置工程も低減することができる。そのため、リアクトル集合体1Bは、実施形態1のリアクトル集合体1Aと同様の効果を奏するだけでなく、部品点数を更に低減することができる上に、組立作業性に更に優れる。
<実施形態3>
実施形態1,2では、全てのリアクトルが平滑用であるリアクトル集合体を説明したが、全てのリアクトルが共振用であるリアクトル集合体とすることができる。共振用リアクトル(図示せず)は、E-E型の磁性コア又はE-I型の磁性コアと、磁性コアのコイル巻回部に配置されるコイルとを具えた構成が利用できる。
上記磁性コアは、特に、フェライト(酸化第二鉄を含む複合酸化物の焼結体)からなるものが好適である。フェライトは、高周波における磁気特性に優れるため、10kHz以上、更に100kHz以上といった高周波数帯域においてコア損失が少ない。また、フェライトは、比較的安価であり、経済性にも優れる。
また、磁性コアは、上記磁性材料からなるE型やI型のコア片を組み合わせてE-E型やE-I型に形成されるものが利用でき、組み合わせたコア片間にギャップ(エアギャップ又はギャップ材)を配置した構成が代表的である。コア片とギャップ材とは、接着剤などで一体に接合するとよい。コア片の分割数やギャップ材の個数は、共振用リアクトルが所望のインダクタンスとなるように適宜選択することができる。コイルは、1本の連続する巻線を中空円筒状に巻回したものが利用できる。このコイルを磁性コアのコイル巻回部に配置して、一対のE字状のコアを組み合わせる、又はE字状のコアとI字状のコアとを組み合わせると、コイルの外周にもコアが存在する共振用リアクトルが得られる。磁性コアとコイルとの間には、インシュレータを設けると絶縁性を高められる。
このような共振用リアクトルを複数(例えば、3つ)用意し、一つのケースに収納して適宜ステーで固定したり、樹脂を充填することで、複数の共振用リアクトルを具えるリアクトル集合体が得られる。
<実施形態4>
実施形態1〜3では、用途が同じリアクトルを具えるリアクトル集合体を説明したが、用途が異なる複数のリアクトルを具える構成とすることができる。例えば、平滑用リアクトルと共振用リアクトルとを一つのケースに収納した構成とすることができる。
なお、上述した実施形態は、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、上述した構成に限定されるものではない。
本発明リアクトル集合体は、ハイブリッド自動車や電気自動車などの車両に搭載されるコンバータといった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。
実施形態1に示すリアクトル集合体の概略構成図であり、(A)は、斜視図、(B)は、上面図である。 実施形態1に示すリアクトル集合体の組立手順を説明する分解斜視図である。 実施形態2に示すリアクトル集合体の概略構成図であり、(A)は、斜視図、(B)は、上面図である。 実施形態2に示すリアクトル集合体の組立手順を説明する分解斜視図である。 従来の平滑用のリアクトルの概略斜視図であり、(A)は、コアとコイルとの組合体、(B)は、この組合体をケースに収納した状態を示す。
符号の説明
1A,1B リアクトル集合体 2A,2B ケース 2h,25h ボルト穴
3A1,3A2,3B1,3B2 ステー 3h,5h ボルト孔 4A,4B,6 ボルト
5a,5b ステー
10,20,30 リアクトル 11,21,31 磁性コア 11c コイル巻回部
11m 磁性体部 11e,21e,31e 端部コア 12,22,32 コイル 12r 巻返し部
100 磁性コア 100e 端部コア 110 コイル 111 巻線 120 ケース
130 ポッティング樹脂 140 ステー 141 ボルト L リアクトル

Claims (3)

  1. コイルと、このコイルが配置される磁性コアとを具える複数のリアクトルと、
    前記複数のリアクトルを収納する一つのケースとを具えることを特徴とするリアクトル集合体。
  2. 更に、前記ケース内に充填されて、前記複数のリアクトルをケースに一体に固定するための樹脂を具えていることを特徴とする請求項1に記載のリアクトル集合体。
  3. 前記複数のリアクトルをケースに固定するために、複数のリアクトルに共通に配置されるステーを具え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集合体。
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