(57)【要約】【課題】共振回路を構成するバスバにリアクトルを容易に組み付けられるリアクトル用コアを提供する。【解決手段】リアクトル1は、電力変換を行う回路を構成するバスバBBが挿通される中空部を有する中空筒状のコア10と、コア10が配置されるバスバBBとで構成される。コア10は、一対の半割れ片100,101を組み合わせて一体の円筒状に構成される。一方の半割れ片101の接合面には、非磁性材料からなるギャップ材11が接合されている。これら半割れ片100,101の凹部でバスバBBを挟むようにコア10を配置し、両片100,101を接合することで、バスバBBが中空部を挿通した状態となり、リアクトル1が構築される。【選択図】図1
2009158534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換を行う回路において共振用リアクトルに使用されるリアクトル用コアであって、
前記回路を構成するバスバに挿通される中空部を有する中空筒状であることを特徴とするリアクトル用コア。
【請求項２】
前記コアは、非磁性材料からなるギャップ材を具えることを特徴とする請求項1に記載のリアクトル用コア。
【請求項３】
前記コアは、複数の分割片を組み合わせて筒状に構成され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用コア。
【請求項４】
前記コアは、フェライトから構成されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のリアクトル用コア。
【請求項５】
前記コアは、圧粉成形体であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のリアクトル用コア。
【請求項６】
前記コアは、一対の半割れ片を組み合わせて筒状に構成され、
前記半割れ片は、開閉可能なケースに収納されており、
前記ケースの開閉に対応して、前記各半割れ片の接合面間が開閉するように両片がケースに収納されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のリアクトル用コア。
【請求項７】
一方の半割れ片の少なくとも一方の接合面に非磁性材料からなるギャップ材が接合されていることを特徴とする請求項6に記載のリアクトル用コア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換を行う回路を構成するリアクトルに用いられるコアに関するものである。特に、回路を構成するバスバ(給電線)にリアクトルを容易に取り付けられるリアクトル用コアに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保護の観点から、モータを駆動源及び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が実用されてきている。これらの自動車は、上記モータと、通常時、モータに電力を供給するバッテリや燃料電池といった電源部と、モータと電源部との間で昇圧動作及び降圧動作を行う制御部とを具える。制御部は、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化させるインバータとを具える。
【０００３】
コンバータは、通常、ON/OFFのスイッチング動作を行うトランジスタといったスイッチング素子と、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平滑用リアクトル(インダクタ)と、発生した交流電圧を平滑化するコンデンサとを具える。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、この損失を低減できるように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ている。そこで、ソフトスイッチングを行えるように共振回路を具えるコンバータが検討されている。特許文献1には、上記平滑用リアクトルに並列に接続される補助回路(共振回路)が開示され、この回路は、スイッチング素子と、コンデンサと、共振用リアクトルから構成される。特許文献2には、共振用リアクトルを具える共振回路を具える他、上記平滑用リアクトルも共振用リアクトルとして利用する構成が開示されている。
【０００４】
上記リアクトルは、鉄などの磁性材料からなるO字状の磁性コアと、このコアの外周に配されるコイルとを具えるものや、円柱状に巻かれたコイルの周りにコアが配されるもの(E-E型コアやE-I型コアを用いたもの)がある。これらのリアクトルは、コイルの端部を、回路を構成するバスバに接続することで、回路に組み付けられる。
【０００５】
【特許文献１】特開2003-33013号公報
【特許文献２】特開2005-184965号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように従来は、リアクトルに具えるコイルの端部とバスバとを接続しなければならず、組み付け作業性が悪い。また、バスバの部品点数が多い。
【０００７】
更に、従来のリアクトルは、コイルを形成する必要もあり、リアクトル自体の用意にも手間が掛かる。
【０００８】
加えて、従来、ハイブリッド自動車などに配置されるリアクトルは、その配置場所を予め設定して、設置スペースを確保するため、設置の自由度が小さい。
【０００９】
そこで、本発明の目的の一つは、リアクトルを回路に容易に組み付けられるリアクトル用コアを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
別途形成したコイルと磁性コアとを具える従来の構成に対して、本発明は、回路を構成するバスバをコイルとして機能させる構成とすることで、上記目的を達成する。具体的には、本発明コアは、電力変換を行う回路において共振用リアクトルに用いられるものであり、上記回路を構成するバスバに挿通される中空部を有する中空筒状であることを特徴とする。
【００１１】
本発明コアを具えるリアクトルは、バスバ自体をコイル(インダクタンス成分)として機能させるため、従来のリアクトルのようにコイルを別途形成する必要がなく、かつバスバとコイルの端部とを接続する必要もない。また、本発明コアを具えるリアクトルは、本発明コアをバスバの外周に配置するだけで回路に組み付けられる。従って、本発明コアは、リアクトルの組み付け作業性に優れる。更に、本発明コアは、所望の機能を発揮する範囲内でバスバの任意の位置に配置可能であるため、設置の自由度が大きい。加えて、バスバの部品点数を低減できる。以下、本発明をより詳細に説明する。
【００１２】
本発明コアは、磁性材料、代表的には、鉄や鋼などの鉄を含有する軟磁性材料で構成される。特に、フェライト(酸化第二鉄を含む複合酸化物の焼結体)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く、高周波回路の回路部品の構成材料に好ましい。近年、ハイブリッド自動車などに具える電源は、上述のような高周波化による部品の小型化が検討されており、このことからも、フェライトが好ましいと考えられる。また、フェライトは、比較的安価であり、経済性にも優れる。
【００１３】
本発明コアの形状は、両端が開口した中空部を有する中空筒状とする。中空筒状には、比較的短い環状や、C字状のように一部が切り欠かれた形状も含むものとする。コアの外形や中空部分の形状は、磁気特性を考慮すると円形状が好ましい。コアの大きさ(厚さ、長さ、外径、中空部の内径)は、所望の磁気特性が得られるように適宜選択する。中空部は、一方の開口部から他方の開口部に貫通して、バスバが挿通可能なものとする。
【００１４】
本発明コアは、一つの部材で所望の磁気特性を有する構成としてもよいし、複数の部材を合計することで所望の磁気特性を有する構成としてもよい。例えば、本発明コアは、比較的大きい一つの筒状体としてもよいし、比較的小さい複数の環状体の集合としてもよい。上記一つの筒状体からなるコアは、組み付け作業が短時間で済む。一方、上記複数の環状体の集合からなるコアは、設置の自由度が大きい。例えば、バスバが屈曲部分を有しており、この屈曲部分にコアを配置する場合、上記一つの筒状体では、バスバに沿って配置できない場合があるが、上記各環状体は、それぞれ同筒状体よりも小さく(軸方向の長さが短く)、独立して取り付けられるため、バスバの配置形状によらず設置できる。
【００１５】
上記筒状体や環状体を一体成形体とする場合、中空部にバスバを挿通させることで、リアクトルを回路に配置させることができる。この場合、バスバの一端が開放されて、他の回路部品が接続されていない状態である必要がある。これに対し、複数の分割片を組み合わせて一体の筒状体や環状体となる構成とすると、バスバの両端が開放されていなくても、バスバを切断することなく、本発明コアをバスバに配置させることができる。特に、一対の半割れ片を組み合わせて一体となるコアとすると、バスバへの配置だけでなく、本発明コア自体の組立も容易に行える。一体成形体であっても、例えば、本発明コアをC字状体とすると、切欠部分からバスバを挿入可能であるため、バスバの両端が開放されていなくても、バスバに容易に配置できる。
【００１６】
本発明コアは、上記磁性材料からなる板材を複数積層させた積層体としてもよいが、上記磁性材料からなる粉末を加圧成形してなる圧粉成形体や、同粉末からなる成形体を焼結した焼結体とすると、複雑な三次元形状であっても容易に製造できる。
【００１７】
本発明コアは、磁性材料のみで構成してもよいが、所望の磁気特性が得られるように隙間(ギャップ)を設けた構成としてもよい。隙間には、空気のみを存在させてもよいし(エアギャップ)、アルミナなどの非磁性材料からなるギャップ材を挿入配置させてもよい。例えば、本発明コアをC字状体とする場合、切欠部分をエアギャップとすることができる。また、C字状体を一体成形することで、所定の大きさの隙間を維持できる。或いは、例えば、本発明コアを複数の分割片の組合体とする場合、分割片間に所定の隙間を容易に設けられる。この隙間には、上述のギャップ材を配置させると、所定の大きさの隙間を維持し易い。隙間の数や大きさは適宜選択することができる。
【００１８】
バスバは、通常、導体の外周に絶縁被覆がないため、本発明コアにおいて少なくともバスバと接触する可能性がある箇所には、本発明コアとバスバとの間が絶縁されるように、コアとバスバとの間に絶縁物を配置させることが好ましい。例えば、バスバとコイルとの間に、絶縁性の樹脂などの絶縁材料からなるボビンを配置させたり、絶縁材料からなるケースに本発明コアを収納させたり、絶縁紙でバスバ或いはコイルを覆うことが挙げられる。
【００１９】
本発明コアをバスバに配置させたとき、バスバの長手方向におけるコアの位置がずれないように、バスバが配置される回路装置本体にコアを固定することが好ましい。固定方法は特に問わない。
【００２０】
本発明コアは、ケースに収納させると、機械的保護や耐候性の向上、上述のように絶縁性の向上などを図ることができる。特に、本発明コアを複数の分割片の組合体とする場合、各片をケースに固定させておき、ケースを組み立てることで、コアも自動的に組み立てられるようにケースを構成すると、コアの組立とケースの組立と絶縁物の配置とを同時に行えて、作業性に優れる。より具体的には、例えば、本発明コアを一対の半割れ片の組合体とし、ケースを開閉可能なものとする。そして、このケースの開閉に対応して、各半割れ片の接合面間が開閉するように両片をケースに収納する。この構成により、ケースを開くと、半割れ片間も開くため、この開口部分からバスバを挟むように挿入することができ、ケースを閉じることで、半割れ片間も閉じることができるため、挿入したバスバが中空部を貫通した状態を維持することができる。
【００２１】
また、本発明コアを複数の分割片の組合体とし、各片をケースに固定する場合、ケースを組み立てたときに、分割片間に所定の隙間が設けられるように、ケースに分割片を固定させると、分割片間に容易にエアギャップを設けられる。或いは、分割片の接合面にギャップ材を接合した状態でケースに固定させておくと、分割片間に容易にギャップ材を配置させることができる。
【００２２】
更に、上記ケースは、バスバが配される回路装置本体に固定可能な構成とすることが好ましい。例えば、ケースと一体にフランジ部を設け、このフランジ部を回路装置本体に接着剤で接合したり、フランジ部にネジ孔を設けて、ネジで上記回路装置本体に止めることが挙げられる。ケースの固定により、バスバの長手方向におけるコアの位置も固定されて、コアが位置ずれすることがない。
【００２３】
本発明コアは、コンバータといった電力変換を行う回路であってソフトスイッチングに利用される共振回路の構成部品となるリアクトルに用いられる。特に、電気自動車やハイブリッド自動車に具える双方向DC-DCコンバータにおいて、ソフトスイッチングが望まれる回路、具体的には、バスバに流れる最大電流が50A以上、キャリア周波数が10kHz以上であり、本発明コアを具えるリアクトルのインダクタンスが5.0μH以下である回路に好適に利用することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明コアは、回路を構成するバスバにリアクトルを容易に組み付けられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
(実施例1)
図1は、本発明コアを具えるリアクトルの斜視図、図2は、その分解斜視図である。リアクトル1は、両端が開口した中空部を有する中空円筒状のコア10を具える。
【００２６】
コア10は、フェライト(焼結体)からなり、一対の半円筒状(樋状)の半割れ片100,101を組み合わせて円筒状に構成される。両片100,101の二つの接合面間にはそれぞれ、アルミナ板からなるギャップ材11が介在され、これら二つのギャップ材11により、接合面間に所定の隙間が存在する状態が維持される。
【００２７】
コア10は、電気回路(図示せず)を構成するバスバBBが中空部を挿通した状態となるようにバスバBBの外周に配置され、バスバBB部分をコイル(インダクタンス成分)として機能させることで、リアクトル1を構成する。即ち、リアクトル1は、バスバBBの一部をそのままコイルとして利用し、バスバBBとコア10とで構成される。
【００２８】
バスバBBにコア10を取り付けるには、以下のように行う。図2に示すようにバスバBBの所定の箇所において、両半割れ片100,101の凹部(内周面)でバスバBBを挟むように両片100,101を配置し、両片100,101の接合面同士を接着剤で接合する。接着剤に代えて、締結帯などで締め付けることで両半割れ片を一体にしてもよいし、各片において磁気特性に影響の少ない箇所にボルト孔を設け、ボルト及びナットにより両片を一体にしてもよい。なお、ここでは、一方の半割れ片101の接合面には、予めギャップ材11を接着剤で接合させている。また、バスバBBの外周を絶縁紙(図示せず)で覆って、コア10との間の絶縁性を高めている。更に、バスバBBの外周に取り付けたコア10が、バスバBBの長手方向にずれないように、固定具(図示せず)を用いて、コア10を回路装置本体(図示せず)に固定する。固定具は、コア10を収納する凹部と、凹部の底面から外方に延びるフランジ部とを具え、フランジ部にネジ孔を設けて、フランジ部と上記本体とをネジ止めすることなどが挙げられる。
【００２９】
上記構成を具えるコア10は、バスバBBの外周に容易に配置でき、リアクトル1を簡単に共振回路に組み付けられる。従って、このコア10は、DC-DCコンバータといった電力変換を行う回路を構成するバスバに配置されて、バスバと共に共振用リアクトルとして機能することができる。また、この例に示すコア10は、一対の半割れ片の組合体であるため、コア自体の組立も容易に行える。更に、このコア10は、ギャップ材を具えることで、所望の磁気特性を制御し易い。
【００３０】
(試験例1)
実施例1のコア10について、バスバに通電した際の磁束密度の分布状態を調べた。その結果を図3に示す。磁束密度の分布は、磁束密度の大きさを色別(磁束密度が大きい順に赤,橙,黄,緑,水色,青)で表わすことが可能な公知のシミュレーションソフトを用いて求めた。図3は、グレースケールで示すが、実際には上述のような色別がある。また、図3のコア内の黒実線及びギャップ部外の円弧状の黒実線(図3では円弧の一部を示す)は、磁束を示す。試験条件(コア、ギャップ材、回路の仕様)を以下に示す。
【００３１】
(コア)
透磁率μ＝3000,厚さt＝10mm,内径r＝8mm,外径R＝28mm,長さL＝1000mm
(ギャップ材)
透磁率μ＝1,厚さtg＝0.5mm
(回路)
リアクトルのインダクタンスL＝1.45μH,電流I＝200A,周波数f＝200kHz
【００３２】
試験の結果、200A時の平均磁束密度は、0.27Tであった。このことから、このコアを具えるリアクトルは、フェライトコアで問題なく動作する範囲内であり、例えば、ハイブリッド自動車のDC-DCコンバータに具えるソフトスイッチング用共振回路において、共振用リアクトルとして十分に機能することが確認された。
【００３３】
(実施例2)
図4は、ケースを具える本発明コアの斜視図である。このコア20は、ケース21に収納されている点が実施例1と異なる。以下、この点を中心に説明する。
【００３４】
ケース21は、絶縁性樹脂から構成され、コア10の各半割れ片(図1参照)をそれぞれ収納する分割体210,211を具える。各分割体210,211はそれぞれ、半割れ片の外形に沿った半円筒状(樋状)であり、各半割れ片の接合面、或いはギャップ材11を露出させ、その他の部分を露出させない構成である。この構成により、分割体210,211を円筒状となるように組み立てると、半割れ片の接合面とギャップ材とが接合されて、ギャップ材11を有する円筒状のコアを組み立てられる。特にこの例に示すケース21は、分割体210,211の一部、具体的には中空部の軸方向に沿った縁部において外側の一方の縁部同士を連結部212により連結させ、外側の他方の縁部側が開口自在な構成としている。つまり、ケース21は、図4に示すように、分割体210,211を開口させた状態とすると、C字状となる。また、ケース21は、円筒状となるように閉じたとき、この状態を維持できるように、分割体210,211のそれぞれに一体成形された係合部(図示せず)を有する。係合部に代えて、締結帯やボルト・ナットなどを利用してもよい。係合部などを利用することで、接着剤を用いることなく、半割れ片同士を接合できる。
【００３５】
上記構成により、ケース21を開口させ、両分割体210,211の凹部でバスバ(図1,2参照)を挟むようにコア20を配置した後、ケース21を閉じることで、バスバにコア20を配置させると同時に、コアの組立及びケースの組立を行うことができる。また、この例に示すコア20は、絶縁性のケース21を具えることで、バスバとの絶縁性を高められる上に、機械的に保護することができる。更に、ケース21には、一方の分割体211においてフランジ部(図示せず)が一体に設けられており、接着剤やネジなどを用いて、フランジ部を回路装置本体(図示せず)に固定できる。ケース21を上記本体に固定することで、コア20は、バスバの長手方向における位置が固定される。上記フランジ部は、分割体211の接合面から90°ずれた位置において、接線方向に延びるように設けられている。
【００３６】
(実施例2の変形例)
アルミナといった非磁性材料からなるギャップ材に代えてエアギャップを設ける場合、上記ケースを構成する分割体を組み合わせたときに、コアを構成する半割れ片間に所望の隙間ができるように各判割れ片をそれぞれ分割体に固定しておくと、エアギャップを有するコアを容易に構築することができる。
【００３７】
(実施例3)
上記実施例1,2では、一つの円筒状体からなるコアを説明したが、複数の円環状体の集合からなるコアとすることができる。このとき、一つあたりの円環状体は、その軸方向の長さが円筒状体のコアよりも短いため、個々の設置スペースを実施例1,2のコアよりも小さくでき、バスバに対する設置の自由度を高められる。
【００３８】
なお、上述した実施の形態は、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。例えば、コアの構成材料や形状、分割数を変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明コアは、ハイブリッド自動車や電気自動車などに搭載されるコンバータといった電力変換を行う回路に設けられる共振回路の構成部材に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明コアを具えるリアクトルの一例を示す斜視図である。
【図２】本発明コアを具えるリアクトルの一例を示す分解斜視図である。
【図３】試験例1で用いたコアの磁束密度の分布状態を示す分布図である。
【図４】ケースを具える本発明コアの一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４１】
1  リアクトル  10,20  コア  100,101  半割れ片  11  ギャップ材
21  ケース  210,211  分割体  212  連結部  BB  バスバ
【図１】
2009158534.tif 000003
【図２】
2009158534.tif 000004
【図４】
2009158534.tif 000005
【図３】
2009158534.tif 000006