JP5593776B2

JP5593776B2 - リアクトル

Info

Publication number: JP5593776B2
Application number: JP2010077373A
Authority: JP
Inventors: 賢司桐山; 望巨長崎
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: JP2011210964A

Description

本発明は、リアクトルの構造に関する。

ハイブリッド車両や電気自動車等の電動車両は、２００Ｖ或いは３００Ｖ程度の低圧の二次電池の電圧を昇圧コンバータによって４００Ｖ〜６５０Ｖの高電圧に昇圧し、この昇圧した高圧の直流電力をインバータによって三相交流電に変換してモータを駆動する方法が用いられることが多い。このような電動車両の昇圧コンバータには、誘導リアクタンスを利用して二次電池から放電された電気エネルギーを蓄えるリアクトルに通電する電流をスイッチング素子でオンオフし、オンの際にリアクタンスに電気エネルギーを蓄え、オフの際にリアクタンスに蓄えられた電気エネルギーを逆起電力として発生させて高電圧を取り出すものが多い。

リアクトルは、平面視略矩形環状のコアにコイルを外挿したものである。コアは圧粉磁性体によって形成され、コアのコイル装着部の角部が丸められた形状のものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

昇圧コンバータのリアクトルは動作中に発熱する。特に車両用の昇圧コンバータに用いられるリアクタは高電圧、大電流に対応する大型のものであり、その発熱量も多いことから、リアクトルを冷却することが必要となっている。このため、リアクトルをアルミのケースに収納し、アルミケースとリアクトルとの間に伝熱性のよい樹脂をポッティングし、アルミケースを冷却プレートに接触させてリアクトルで発生した熱を冷却プレートから外部に放熱させて冷却することが行われている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５-３４７６２６号公報特開２００６-４１３５３号公報

一方、特許文献１，２に記載されたような環状コアを有するリアクトルでは、コア角部の内周面に磁束が集中する。このため、コアの角部では内周側の方が外周側よりも発熱が大きくなる。ところが、特許文献２に記載されたように、アルミケースにリアクトルを収納し、リアクトルとアルミケースとの間に伝熱性のよい樹脂をポッティングした場合、コアの熱は、コアの外周側に接している樹脂に伝導され、更にその樹脂の外側に配置されているアルミケースに伝導されて冷却プレートまで伝わり、冷却プレートから外部に放熱される。この場合、コアの熱は主に外周側から樹脂に伝わることから、発熱の大きい内周側が冷却されにくく、リアクトルの内部に熱がこもってしまう場合があった。そして、リアクトルの温度が上昇すると、損失が大きくなってしまうという問題があった。

本発明は、リアクトルで発生した熱を効果的に放熱させることを目的とする。

本発明のリアクトルは、外周面と内周面とを含み、平面形状が略四角形の環状コアを有するリアクトルであって、前記環状コアの前記内周面の周長は、その全周面が前記外周面と前記内周面との間にあり、前記外周面に略平行な面で構成される仮想周面のうち最も前記内周面に近い第１の仮想周面の周長よりも長くなるように、角部近傍の前記内周面が前記外周面に向かって丸く凹んでおり、前記環状コアの前記角部近傍の前記外周面と前記内周面の間の幅は、その他の部分の前記環状コアの前記内周面と前記外周面との間の幅よりも狭く、前記環状コアの断面積は、周方向に沿って一定であること、を特徴とする。

本発明のリアクトルにおいて、前記内周面の周長は、前記外周面の周長と同等であること、としても好適である。

本発明のリアクトルにおいて、前記環状コアの角部近傍の厚さは、その他の部分の前記環状コアの厚さよりも厚いこと、としても好適である。

本発明は、リアクトルで発生した熱を効果的に放熱させることができるという効果を奏する。

本発明の実施形態のリアクトルが取り付けられたリアクトル装置を示す斜視図である。本発明の実施形態のリアクトルが取り付けられたリアクトル装置を示す断面図である。本発明の実施形態のリアクトルを示す平面図である。本発明の他の実施形態のリアクトルを示す斜視図である。本発明の他の実施形態のリアクトルが取り付けられたリアクトル装置を示す断面図である。従来技術によるリアクトルの平面形状を示す説明図である。

図１に示すように、本実施形態のリアクトル１０は側板１５と底板１６とによって構成されるアルミケース１４の中に収容され、側板１５，底板１６との間の隙間には熱伝導性の樹脂１３が充填されている。アルミケース１４の底板１６は内部に冷却水の流れる冷却流路１８が設けられた平板状の冷却器の上に密着するよう固定されている。アルミケース１４に収納されている本実施形態のリアクトル１０は、外周面２０と内周面３０とを有し、角部が丸くなっている略四角形の平面形状の環状コア１１と、環状コア１１に外挿されたコイル１２によって構成されている。環状コア１１は電磁鋼板を重ね合わせて構成してもよいし、圧粉磁心で構成してもよい。環状コア１１の内周面３０は外周面２０と略平行の略四角形の平面形状となっているが、内周面３０の４つの角部内面３２は、外周面２０に向かって凹むΩ型の円筒面で構成されている。

図２の矢印に示すように、リアクトル１０で発生した熱は、環状コア１１の外周面２０あるいはコイル１２の外面から樹脂１３に伝導し、樹脂１３の内部を熱伝導によって移動してアルミケース１４の側板１５或いは底板１６に達する。側板１５に達した熱は、側板１５から底板１６に伝導し、底板１６に達した熱は冷却器１７の冷却流路１８を流れる冷媒に伝達される。また、側板１５に達した熱は、側板１５の外面から大気に放熱される。

図３に示すように、本実施形態のリアクトル１０は、外周面２０と内周面３０とを有し、角部が丸くなっている略四角形の平面形状の環状コア１１と、環状コア１１に外挿されたコイル１２によって構成されている。外周面２０は２つの短辺側外面２１と、２つの長辺側外面２３と、短辺側外面２１と長辺側外面２３との間を接続する４つの１／４円筒面の角部外面２２とを含んでいる。内周面３０は、２つの短辺側内面３１と、２つの長辺側内面３３と、短辺側内面３１と長辺側内面３３とを接続する複数の円筒面をΩ型に組み合わせた４つの角部内面３２とを含んでいる。各角部内面３２は各角部外面２２に向かって凹んでおり、各角部内面３２と各角部外面２２との間の幅Ｗ_２は、各短辺側内面３１と各短辺側外面２１との幅Ｗ_１あるいは、各長辺側内面３３と各長辺側外面２３との間の幅Ｗ_３よりも狭くなっている。

図３に一点鎖線で示す第１の仮想周面４０は、外周面２０と同様の略四角形の平面形状であり、２つの第１の仮想短辺側面４１と、２つの第１の仮想長辺側面４３と、第１の仮想短辺側面４１と第１の仮想長辺側面４３との間を接続する４つの１／４円筒面の第１の仮想角面４２とを含んでいる。第１の仮想短辺側面４１、第１の仮想長辺側面４３、第１の仮想角面４２は、それぞれ外周面２０の短辺側外面２１、長辺側外面２３、角部外面２２と略平行となっている。そして、第１の仮想角面４２は、内周面３０の角部内面３２の一部と重なっている。以上説明したように、第１の仮想周面４０は、その全周面が外周面２０と内周面３０との間にあり、外周面２０と略平行な形状で最も内周面３０に近い面となる。この第１の仮想周面４０よりも内側にある第１の仮想周面４０と平行な仮想周面は、内周面３０の角部で角部内面３２よりも内側に入ってしまうためである。

図３に二点鎖線で示す第２の仮想周面５０は、第１の仮想周面４０と同様、外周面２０と同様の略四角形の平面形状であり、２つの第２の仮想短辺側面５１と、２つの第２の仮想長辺側面５３と、第２の仮想短辺側面５１と第２の仮想長辺側面５３との間を接続する４つの１／４円筒面の第２の仮想角面５２とを含んでいる。第２の仮想短辺側面５１、第２の仮想長辺側面５３、第２の仮想角面５２は、それぞれ外周面２０の短辺側外面２１、長辺側外面２３、角部外面２２と略平行となっている。そして、第２の仮想短辺側面５１、第２の仮想長辺側面５３は、それぞれ内周面３０の短辺側内面３１、長辺側内面３３と略重なっており、第２の仮想角面５２及びその近傍の第２の仮想短辺側面５１と第２の仮想長辺側面５３は角部内面３２の内側に入り込んでいる。そして、内周面３０の角部内面３２は第２の仮想周面５０よりも外周面２０に向かって凹んでいる。

環状コア１１の外周面２０と内周面３０とは上記のように構成されていることから、第１の仮想周面４０の周長は外周面２０の周長及び内周面３０の周長よりも短くなっており、その全周が外周面２０と内周面３０との間にある外周面２０と略平行な形状の仮想周面の内で、その周長が最も短いものとなっている。つまり、内周面３０の周長は、第１の仮想周面４０の周長よりも長くなっている。また、外周面２０と内周面３０の周長が同等となるように内周面３０の形状を構成してもよい。この場合でも第１の仮想周面４０の周長は、内周面３０の周長よりも短く、逆にいえば、内周面３０の周長は、第１の仮想周面４０の周長よりも長い。

本実施形態のリアクトル９０の動作について説明する前に、図６を参照しながら従来技術のリアクトル９０の構造と動作について説明する。図６に示すように、従来技術のリアクトル９０は、外周面１２０と内周面１３０とを含む略四角形の平面形状で、外周面１２０と内周面１３０とは略平行となっており、外周面１２０の角部外面１２２、内周面の角部内面１３２は１／４円筒面となっている。このため、内周面１３０は外周面１２０と略平行な周面のうち、その周長が最短となっている。また、短辺側外面１２１と短辺側内面１３１の間の幅Ｗ_１０と、長辺側外面１２３と長辺側内面１３３の間の幅Ｗ_３０と、角部外面１２２と角部内面１３２との間の幅Ｗ_２０とは略同一幅となっている。そして、長辺側外面１２３、長辺側内面１３３の周りにコイル１１２が外挿されている。コイル１１２に電流が流れると、図６の矢印に示すように磁束が発生する。図６では環状コア１１１に時計回りの方向の磁束が発生する場合を示し、磁束を矢印で示している。図６に示すように、発生した磁束はコイル１１２が外挿されている長辺側外面１２３、長辺側内面１３３の間では環状コア１１１の幅Ｗ_３０の中を流れて行くが、角部では、一方のコイル１１２が外挿されている環状コア１１１の部分から他方のコイル１１２が外挿されている環状コア１１１の部分への最短距離を進もうとするので、磁束は内周面１３０の角部内面１３２の周辺に集中する。すると、角部内面１３２近傍での鉄損が大きくなり、角部内面１３２近傍の発熱が大きくなる。しかし、リアクトル９０は図１で説明した本実施形態と同様、環状コア１１１の外面から樹脂１３に熱を伝導させ、その熱をアルミケース１４の表面から放熱させることで発生する熱を放熱させている。つまり、リアクトル９０はその外面側から冷却されている。このため、放熱面から遠い環状コア１１１の角部内面１３２近傍の発熱が大きくなると十分な放熱ができなくなり、リアクトル９０に熱がこもり、その温度が上昇してしまう。

図３に示すように、本実施形態のリアクトル１０でも、コイル１２に通電することによって発生した磁束はコイル１２が外挿されている外周面２０の長辺側外面２３と内周面３０の長辺側内面３３との間は環状コア１１の幅Ｗ_３の中を磁束が流れ、角部では磁束が内周面３０の角部内面３２の周辺に集中し、角部内面３２の発熱が大きくなる。しかし、本実施形態のリアクトル１０では、角部内面３２が図６に示す従来技術のリアクトル９０よりも角部外面２２側によっているので、発熱が大きくなる場所が従来技術のリアクトル９０よりも外側となっている。更に、本実施形態のリアクトル１０では、角部内面３２と角部外面２２との幅Ｗ_２が内周面３０の短辺側内面３１と外周面２０の短辺側外面２１との幅Ｗ_１、内周面３０の長辺側内面３３と外周面２０の長辺側外面２３との幅Ｗ_３よりも短くなっているので、発生した熱は外周面２０に伝達されやすくなっている。このため、角部内面３２の近傍で発生した熱を効率よく外周面２０から放熱させるとともに、リアクトル１０に熱がこもることを抑制することができ、リアクトル１０の温度の上昇を抑制することができる。

次に図４、図５を参照しながら本発明の他の実施形態について説明する。図４に示すように、本実施形態は、図１から図３を参照して説明した実施形態の環状コア１１の各角部の厚さを長辺側部、短辺側部よりも厚くなるようにしたものである。

図１から図３を参照して説明した実施形態では、角部内面３２を外側に寄せて発熱の大きい場所を外側に寄せるとともに、角部外面２２と角部内面３２の幅Ｗ_２を狭くして効率的に熱が外周面２０から放熱されるようにしたが、角部外面２２と角部内面３２の幅Ｗ_２を狭くすると、狭い角部に磁束が集中して磁束密度が高くなり、発熱が大きくなってしまう場合がある。特にリアクトルの負荷が大きい場合には、この傾向が強くなってくる。そこで、本実施形態では、図４に示すように、角部の上面６２と下面６３とをそれぞれ上方、下方に向かって高さＨだけ傾斜させて角部の厚さを他の部分の厚さよりも大きくしている。厚さを高くする割合は、幅Ｗ_２が角部の頂点に向かって幅Ｗ_１または幅Ｗ_３よりも狭くなっていく割合の逆数と同様で、環状コア１１の断面は全周にわたって略同一となる。このように環状コア１１の断面が全周にわたって同一断面積とすることによって環状コア１１の角部の磁束密度が高くなることを抑制し、磁束の集中による発熱を抑制することができる。また、図５に示すように、本実施形態のリアクトル１０をアルミケース１４に収納した場合、環状コア１１の角部の下面６３がアルミケース１４の底板１６に接近するため、より効果的に環状コア１１に発生した熱を放熱させることができ、リアクトル１０の温度の上昇を抑制することができる。

１０，９０リアクトル、１１，１１１環状コア、１２，１１２コイル、１３樹脂、１４アルミケース、１５側板、１６底板、１７冷却器、１８冷却流路、２０，１２０外周面、２１，１２１短辺側外面、２２，１２２角部外面、２３，１２３長辺側外面、３０，１３０内周面、３１，１３１短辺側内面、３２，１３２角部内面、３３，１３３長辺側内面、４０仮想周面、４１仮想短辺側面、４２仮想角面、４３仮想長辺側面、５０仮想周面、５１仮想短辺側面、５２仮想角面、５３仮想長辺側面、６２上面、６３下面。

Claims

外周面と内周面とを含み、平面形状が略四角形の環状コアを有するリアクトルであって、
前記環状コアの前記内周面の周長は、その全周面が前記外周面と前記内周面との間にあり、前記外周面に略平行な面で構成される仮想周面のうち最も前記内周面に近い第１の仮想周面の周長よりも長くなるように、角部近傍の前記内周面が前記外周面に向かって丸く凹んでおり、
前記環状コアの前記角部近傍の前記外周面と前記内周面の間の幅は、その他の部分の前記環状コアの前記内周面と前記外周面との間の幅よりも狭く、
前記環状コアの断面積は、周方向に沿って一定であること、
を特徴とするリアクトル。
請求項１に記載のリアクトルであって、
前記内周面の周長は、前記外周面の周長と同等であること、
を特徴とするリアクトル。
請求項１または２に記載のリアクトルであって、
前記環状コアの角部近傍の厚さは、その他の部分の前記環状コアの厚さよりも厚いこと、
を特徴とするリアクトル。