JP7205315B2 - reactor unit - Google Patents
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Description
本明細書は、2個の空芯コイルを備えているリアクトルユニットを開示する。 This specification discloses a reactor unit comprising two air-core coils.
電池が供給する直流電力の電圧を昇圧コンバータによって昇圧し、昇圧した直流電力をインバータ制御して走行用モータを駆動する電気自動車が知られている。その昇圧コンバータはリアクトルを備えている。昇圧コンバータに利用するリアクトルには大きなインダクタンスが必要とされ、鉄芯の周りにコイルを巻いてリアクトルとしている。 2. Description of the Related Art There is known an electric vehicle in which the voltage of DC power supplied by a battery is boosted by a boost converter, and the boosted DC power is controlled by an inverter to drive a driving motor. The boost converter has a reactor. A reactor used in a boost converter requires a large inductance, and is made by winding a coil around an iron core.
リアクトルの製造コストを低減するためには、鉄芯を用いない空芯リアクトルを活用するのが有利である。しかしながら、空芯リアクトルでは、大きなインダクタンスを得ることができず、昇圧コンバータの動作時に大きな電流リプルが生じ、電池やコンデンサ等に悪影響を及ぼす可能性がある。大きな電流リプルによって電池やコンデンサが過熱したり、あるいは、大きな電流リプルが電磁ノイズの発生源となったりすることがある。 In order to reduce the manufacturing cost of the reactor, it is advantageous to use an air-core reactor that does not use an iron core. However, the air-core reactor cannot obtain a large inductance, and a large current ripple occurs during operation of the boost converter, which may adversely affect batteries, capacitors, and the like. A large current ripple can cause overheating of batteries and capacitors, or a large current ripple can be a source of electromagnetic noise.
特許文献1に、電流リプルを抑える技術が開示されている。この技術では、2個の昇圧コンバータを並列に接続し、各々のリアクタスに接続されているスイッチング素子を異なる位相でオン・オフする。この技術によると、電流リプルを抑えることができるために、リアクトルに必要なインダクタンスは小さくて済み、空芯コイルの利用が可能となる。
上記技術によって、空芯コイルの利用が可能となり、リアクトルの製造コストを低減できる。ただし、2個の空芯コイルが必要となり、1個の鉄芯コイルを利用する場合に比して、例えば2個の空芯コイルを収容する体積が1個の鉄芯コイルを収容する場合の体積以上となって装置が大型化してしまう場合、あるいは、2個の空芯コイルを形成するために必要な低抵抗金属(典型的には銅)の使用量が1個の鉄芯コイルの場合の使用量以上となってしまうことがある。本発明は、2個の空芯コイルを利用する場合に、装置体積を抑え、資源使用量を抑え、空芯コイルの過熱を防止できる技術を開示する。 The technology described above enables the use of an air-core coil, thereby reducing the manufacturing cost of the reactor. However, two air-core coils are required, and compared to the case of using one iron-core coil, for example, when the volume for accommodating two air-core coils is one iron-core coil, If the device becomes larger than the volume, or if the amount of low-resistance metal (typically copper) required to form two air-core coils is one iron-core coil. may exceed the amount used. The present invention discloses a technology capable of reducing the volume of the device, reducing the amount of resources used, and preventing overheating of the air-core coils when two air-core coils are used.
本明細書で開示する技術では、2個の空芯コイルをユニット化する。そのリアクトルユニットでは、2個の空芯コイルが、下記の関係を満たす位置関係で配置されている。(1)2個の空芯コイルの巻回軸が一致する。(2)2個の空芯コイルの通電時に発生する磁束の向きが、一方の空芯コイルと他方の空芯コイルで反対となる。 In the technology disclosed in this specification, two air-core coils are unitized. In the reactor unit, two air-core coils are arranged in a positional relationship that satisfies the following relationship. (1) The winding axes of the two air-core coils are the same. (2) The direction of magnetic flux generated when two air-core coils are energized is opposite between one air-core coil and the other air-core coil.
また各空芯コイルは金属製ケースに収容されており、一方の空芯コイルと他方の空芯コイルの間に、金属製ケースの一部を構成する金属板が介在している。 Each air-core coil is housed in a metal case, and a metal plate forming part of the metal case is interposed between one air-core coil and the other air-core coil.
上記によると、一方の空芯コイルに発生する磁束と、他方の空芯コイルに発生する磁束が打ち消し合い、周囲に伝搬する直流磁束を小さく抑えることができる。また、金属製のケース内に収容されており、周囲に交流磁束が伝搬するのを防止できる。しかも金属ケースを介して効率的に冷却することができ、過熱しづらい。 According to the above, the magnetic flux generated in one air-core coil and the magnetic flux generated in the other air-core coil cancel each other out, so that the DC magnetic flux propagating around can be reduced. Moreover, since it is housed in a metal case, it is possible to prevent AC magnetic flux from propagating around. Moreover, it can be efficiently cooled through the metal case, and is less likely to overheat.
図5は、電池20が供給する直流を昇圧コンバータで昇圧し、昇圧された直流で動作する高圧回路30に直流を供給する電源回路を示している。図5は、2個の昇圧コンバータ22A、22Bを並列に用いる形式を示している。 昇圧コンバータ22A、22Bの内部構造は同じであり、共通説明には添え字A、Bを省略する。昇圧コンバータ22は、コイル(22Aの場合はコイル6、22Bの場合はコイル14)に流れる電流をオン・オフするスイッチ素子24と、それよりも高圧側に接続されているスイッチ素子26を備えている。なお、各スイッチ素子には環流ダイオードが接続されている。なお昇圧コンバータの回路自体は公知であり、詳しい説明を省略する。また、図5では、コンデンサ等の部品を省略している。
FIG. 5 shows a power supply circuit that boosts the direct current supplied by the
スイッチ24Aと24Bは、異なるタイミング(位相)でオン・オフされる。図6は、スイッチ24Aと24Bを180度異なる位相でオン・オフした場合に、コイル6とコイル14に流れる電流を示している。各電流は、増大期と減少期を繰り返すが、一方のコイルが増大期であると他方のコイルは減少期にあり、合計電流値は時間に対して変化しない。2個のコイル6、14を並列に接続すると、各コイルのインダクタンスが小さくても、電流リプルを小さく抑えることができ、電磁ノイズの発生を抑制することができる。各コイルには、空芯コイルを利用することができる。
The
図3の(1)は、空芯コイルを並置した場合を示し、空芯コイル間には実質的な磁気的結合がない場合を示す。この場合の、2個の空芯コイルの合計体積はC1(図4参照)であり、コイルとする電線に必要な銅使用量はD1(図4参照)であり、いずれも不十分である。 (1) of FIG. 3 shows a case where the air-core coils are arranged side by side, and shows a case where there is no substantial magnetic coupling between the air-core coils. In this case, the total volume of the two air-core coils is C1 (see FIG. 4), and the amount of copper required for the electric wire used as the coil is D1 (see FIG. 4), both of which are insufficient.
図1は、上記問題を解決する実施例のリアクトルユニットの分解斜視図を模式的に示している。コイル6、14は同じものであり、表裏を反転して用いることで、コイル6にも利用できるし、コイル14とすることもできる。図示の10は、金属製ケースであり、内部に中間板10aを備えており、上室と下室に分割されている。
FIG. 1 schematically shows an exploded perspective view of a reactor unit of an embodiment that solves the above problem. The
上室には、上側の中央伝熱板8とコイル6と上面側伝熱板4が収容され、上蓋2によって密封される。図1では図示の明瞭化のために、下側の中央伝熱板(上側の中央伝熱板8と同じ)と、下面側伝熱板(上面側伝熱板4と同じ)と、下蓋(上蓋2に同じ)が省略されている。下室には、下側の中央伝熱板とコイル14と下面伝熱板が収容され、下蓋によって密封される。コイル6、14は、銅の平角線(その断面は扁平な矩形をしている)をZ軸の回りに卷回したものであり、その平角線の扁平面はZ軸と平行になっている。コイル6、14のZ軸方向の高さは、銅の平角線のZ軸方向の幅に等しく、全体としては扁平な円盤状となっている。コイル6の端子6aは上面側伝熱板4の孔4aを通り、蓋2の開口2aからケース外に延びている。端子6bはケース10の開口10bからケース外に延び、端子14aは下蓋の開口からケース外に延び、端子14bはケース10の開口10cからケース外に延びている。開口と端子の間は、図示しない絶縁ブッシュで絶縁される。
The upper chamber accommodates the upper central
図2(1)はコイル6の平面図を示す。卷回方向を示すために、単純化して図示している。a点からb点に向かう電流が流れると紙面奥側に向かう磁束が生じる。(2)は、コイル14の卷回方向と通電方向を示し、a点からb点に向かう電流が流れると紙面手前側に向かう磁束が生じる。図(1)(2)のa点は図5のa点であり、b点についても同様である。図2(1)と(2)から明らかに、コイル6、14は、通電時に生じる磁束の方向が反対となる関係に置かれている。互いの磁束が打ち消し合う関係となっている。
FIG. 2(1) shows a plan view of the
図2(3)は、コイル6とコイル14の卷回方向が同じである場合を示す。この場合、図2(1)(3)のa点が図5のa点となり、b点が図5のb点となるように配線すれば、互いの磁束が打ち消し合う関係が得られる。
FIG. 2(3) shows the case where the winding directions of the
本実施例のコイル6、14は、断面が矩形の扁平な平角線をフラットワイズに巻いて形成されており、隙間なく巻けることからコイル体積を減少することができる。また、全体としては扁平なコイルを2段に重ねることから、デッドスペースが小さくて済み、図4に示すように、2個の空芯コイルの双方を収容するのに必要な体積をC2まで小型化することができる。さらに、コイルを形成するのに必要な銅の使用量をD2まで減らすことができる。C1>C2であり、D1>D2であり、ユニット化するメリットが得られる。
The
また、各々の扁平なコイルの両面に金属板が接している。鉄芯コアが無いことから、コイルの外形形状が単純であり、扁平コイルの扁平面が金属製ケースに一様に接触する関係を得ることができる。扁平コイルを両面から効率的に冷却することができる。また金属製ケースによってコイルを無理なく収容することができ、ケースにコイルの外形形状を維持する役割を担わせることができる。従来のようにコイルの周囲をモールド樹脂で覆って保護する必要がない。金属製ケースによって樹脂モールドに代えることができる。なお、コイルの巻線は絶縁コーティングされており、コイルが金属製ケースと短絡することはない。 Metal plates are in contact with both sides of each flat coil. Since there is no iron core, the outer shape of the coil is simple, and the flat surface of the flat coil can be uniformly in contact with the metal case. The flat coil can be efficiently cooled from both sides. In addition, the coil can be accommodated in the metal case without difficulty, and the case can play the role of maintaining the external shape of the coil. It is not necessary to cover the periphery of the coil with mold resin to protect it as in the conventional art. A metal case can replace the resin mold. In addition, the windings of the coil are coated with an insulating coating, so that the coil does not short-circuit with the metal case.
本実施例のリアクトルユニットのコイルによると、各コイルが金属製ケースに収容されており、ケースの外側に交流磁界が漏れ出るのを防止できる。また、2個のコイルが互いの磁束を打ち消し合うことから、ケースの外側に漏れ出る直流磁界も小さくなる。なお、ケース10の中間板10aには貫通孔を設けてもよい。コイル中心などは中空であり、中間板10aにおいて中空部分に対向している部位に穴を形成しても冷却性能は低下しない。ケース10の外表面は閉じられており、中間板に貫通孔を形成しても、ノイズ等が漏れ出ることはない。
According to the coils of the reactor unit of this embodiment, each coil is housed in a metal case, which can prevent an AC magnetic field from leaking out of the case. Moreover, since the magnetic fluxes of the two coils cancel each other out, the DC magnetic field leaking out of the case is also reduced. Note that the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or in the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims as of the filing. In addition, the techniques exemplified in this specification or drawings can simultaneously achieve a plurality of purposes, and achieving one of them has technical utility in itself.
2:蓋
4:伝熱板
6:空芯コイル
8:伝熱板
14:空芯コイル
20:電池
22:昇圧コンバータ
30:高圧回路
2: lid 4: heat transfer plate 6: air core coil 8: heat transfer plate 14: air core coil 20: battery 22: boost converter 30: high voltage circuit
Claims (1)
それぞれの前記昇圧コンバータは、
直列に接続されている2個のスイッチ素子と、
a端とb端を有する空芯コイルであってa端は前記昇圧コンバータの入力端に接続されているとともに他方の前記昇圧コンバータの前記空芯コイルのa端とも接続されており、b端は2個の前記スイッチ素子の直列接続の中点に接続されている空芯コイルと、
を備えており、
前記リアクトルユニットは、2個の前記昇圧コンバータの前記空芯コイルを含んでおり、
前記2個の空芯コイルが、各空芯コイルの巻回軸が一致し、かつ前記巻回軸の一端からみたときに前記a端から前記b端へ向かう向きが反対となる関係に巻回されており、
各空芯コイルが金属製ケースに収容されており、
一方の空芯コイルと他方の空芯コイルの間に、前記金属製ケースを形成する金属板が介在していることを特徴とするリアクトルユニット。 A reactor unit used in two boost converters connected in parallel,
Each said boost converter comprises:
two switch elements connected in series;
An air-core coil having an a-end and a b-end, the a-end being connected to the input end of the boost converter and also being connected to the a-end of the air-core coil of the other boost converter, and the b-end being an air-core coil connected to the midpoint of the series connection of the two switch elements;
and
The reactor unit includes the air-core coils of the two boost converters,
The two air-core coils are wound in such a relationship that the winding axes of the air-core coils match and the direction from the end a to the end b is opposite when viewed from one end of the winding axis. has been
Each air-core coil is housed in a metal case,
A reactor unit, wherein a metal plate forming the metal case is interposed between one air-core coil and the other air-core coil.
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