JP2012114302A - リアクトル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リアクトルの温度の高い部分を誤差少なく温度測定できるようにしたリアクトル装置を提供する。
【解決手段】磁性体からなるコア１と、このコアに装着された絶縁材からなるボビン２と、このボビンを介して上記コアに巻回されたコイル３と、このコイルまたはその近傍の温度を検知する温度センサ５と、この温度センサの温度検知部５ａが上記コイルの近傍に位置するように保持するセンサ保持部６を備えたリアクトル装置であって、上記センサ保持部は、上記ボビンと一体形成されてなることを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

この発明は温度センサを備えた例えば車載用の電力変換装置などとして好適に用いられるリアクトル装置に関するものである。

近年、電力変換機器は高出力化が進む一方で小型化が求められており電子部品の放熱が課題になってきている。特に、ハイブリッド車などに搭載される車載電力変換機器は、運転モードが多数あり、定格運転時と瞬時に求められる出力とに大きな差があるためワースト条件の必要放熱性能と定格運転時での必要放熱性能に大きな差がある。そのため、全ての電子部品にワースト条件の必要放熱性能を適用すると、冷却器や電子部品が大型化し電力変換機器が大型化してしまう。そこで、電力変換装置の構成部品であるリアクトルの温度を測定し、電力変換機器を制御したりしている。従来のリアクトル装置としては、リアクトルの劣化を検知するために温度センサと電流センサを具備したもの（特許文献１参照）や、温度センサを保護管に入れて絶縁し測定箇所に固定した後、リアクトルと一緒に樹脂材で充填されたものがある（例えば特許文献２参照）。

特許第３３３５８５５号公報（第５頁２３行、図６） 特開２００８−１８２１５２号公報（第５頁２２〜３１行、図１）

特許文献１のようなリアクトル装置においては、リアクトルの放熱構造上の温度が最も高くなる箇所の温度が検知されておらず、マージンを持って制御を行わないと、絶縁材料や磁性材料の耐熱温度を最大に生かすことができず、大型化していた。
また、特許文献２のようなリアクトル装置においては、ポッティングに用いるような流動性が必要とされる充填樹脂は熱伝導率が高いものであっても１〜２Ｗ／ｍＫ程度であり、少しの保護管の位置ズレによって測定に大きく影響する問題があった。さらに、保護管や保護管を満たす絶縁材を介して温度測定をしているため、実際のリアクトルの温度と差が大きくなるという問題点もあった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、リアクトルの温度の高い部分を誤差少なく温度測定できるようにしたリアクトル装置を提供することを目的としている。

この発明に係るリアクトル装置は、磁性体からなるコアと、このコアに装着された絶縁材からなるボビンと、このボビンを介して上記コアに巻回されたコイルと、このコイルまたはその近傍の温度を検知する温度センサと、この温度センサの温度検知部が上記コイルの近傍に位置するように保持するセンサ保持部を備えたリアクトル装置であって、上記センサ保持部は、上記ボビンと一体形成されてなることを特徴とするものである。

この発明においては、温度センサの温度検知部がコイルの近傍に位置するように保持するセンサ保持部をボビンと一体形成するようにしたので、温度センサの温度検知部はリアクトルを構成するコイルの略一定の位置に近接して配置され、製品毎のバラつきが抑えられる。このため、リアクトルの温度の高い部分を誤差少なく温度測定することができる。

本発明の実施の形態１によるリアクトル装置を概念的に示す断面図である。 本発明の実施の形態２によるリアクトル装置を概念的に示す断面図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるリアクトル装置を概念的に示す断面図である。図において、リアクトル装置は磁性体からなるコア１、このコア１に装着された絶縁材からなる樹脂成形されたボビン２、及びこのボビン２を介してコア１に巻回されたコイル３からなるリアクトル４と、リアクトル４の温度を測定するための例えばサーミスタなどの温度センサ５と、ボビン２に一体形成された温度センサ５の位置決めと保持を行うセンサ保持部６と、上記リアクトル４を、温度検知部５ａ近傍、及びセンサ保持部６近傍と共に収容し、放熱性の向上を図るアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属からなるケース７と、このケース７内の空隙部に充填された樹脂を含む充填材（図示省略）からなっている。コイル３はエナメル皮膜された銅線あるいは銅条を螺旋状に巻いたいわゆるワンコイル状に形成されている。

コイル３とコア１の絶縁と位置決めを担うボビン２は、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂などの１００℃以上の耐熱性を有する絶縁性の成形樹脂で形成されている。センサ保持部６はこの例では図の上面が開口された箱状に形成され、ボビン２のコイル端部に形成された板状の壁面部と一体で樹脂成形されている。そして、センサ保持部６はコイル３の中心部を通り、ケース７の底面からなる主放熱面７ａに平行な中心線Ａに対して、主放熱面７ａとは反対側に配設され、かつ、温度検知部５ａがコイル３の外表面に近い位置となるように設置されている。センサ保持部６内には絶縁保護されていない温度センサ５の温度検知部５ａが、ボビン２の材質より熱伝導率の高い放熱性絶縁樹脂により封入、保持されている。

図示省略している上記充填材は、ボビン２の材質よりも熱伝導率の高い放熱性絶縁樹脂からなり、ケース７内にリアクトル４などを設置した後、センサ保持部６が半分以上隠れる高さまで封入される。センサ保持部６内部の空間は温度センサ５に対して大きすぎると熱抵抗が増加するため、温度センサ５とセンサ保持部６のクリアランスは１ｍｍ以内が適している。好ましくは、温度センサ５の温度検知部５ａがセンサ保持部６の内面に押し付けられるように接した状態で固定されていることが温度の測定精度を向上させる。

そのような押し付け力は、例えばセンサ保持部６の少なくとも一部がばね弾性によりボビン２及び温度センサ５に接しばね力が作用するように構成することで容易に発生させることができる。また、上記充填材として用いる放熱性絶縁樹脂の具体例としては、例えばシリコン系樹脂などが低弾性率であり、熱応力の発生を防止できるため適している。例えば、数Ｗ／ｍＫ程度以上のシリコン系絶縁樹脂などは好ましく利用できる。また、絶縁性と高熱伝導率を有する各種のフィラー材を配合することもできる

なお、リアクトル４の小型化が進むとコア１の厚みが薄くなり、熱応力によるコア１への損傷が課題となる。特に、コア１にダスト材が用いられている場合、ダスト材は脆いために熱応力によるコア１への損傷が重大な課題となる。因みに良く用いられる樹脂材料の一般的な物性として、線膨張係数（／Ｋ）、及び弾性係数（Ｎ／ｍｍ^２）をこの順で比較すると、例えば、
シリコン系樹脂が、２〜４×１０^−４、及び、０．０１〜２０、
エポキシ系樹脂が、５〜８×１０^−５、及び、２０００〜５０００、
ウレタン系樹脂が、１〜２×１０^−４、及び、７０〜３０００程度である。

このように、シリコン系樹脂はウレタン系樹脂やエポキシ系樹脂と比べて線膨張係数は大きいが、弾性係数は小さい特性を有する。そのため、熱膨張した際にかかる力Ｆ＝Ｅ×α×ΔＴ（Ｅ：弾性係数、α：線膨張係数）も、ウレタン系樹脂やエポキシ系樹脂と比べてシリコン系樹脂は小さくなるので、上記充填材を構成する放熱性絶縁樹脂として特にシリコン系樹脂を用いることは、温度変化によるコア１や温度センサ５への熱応力が緩和されるため好ましい。次いで、ウレタン系樹脂も用いることができる。

通常、リアクトル４が高温になり、電力変換装置の制御系への温度のフィードバックが必要な大出力時には、コイル３が最も高温になる。また、主放熱面７ａに対して温度分布はコイル３の主放熱面７ａに対しての高さ方向につく、即ちコイル３に温度分布が生じ、主放熱面７ａに近接した箇所が最低温度となり、主放熱面７ａから遠ざかるにつれて温度が上昇し、コイル３の主放熱面７ａに対しての中点ないしは中心線Ａより上方部がリアクトル４のなかで高温となる。そのため、上記のように温度センサ５を保持するセンサ保持部６はコイル３の中心線Ａに対して、主放熱面７ａとは反対側に設置することでリアクトル４の高温部分を測定できる。

なお、主放熱面７ａが複数存在したり、設定されていない場合などにおいては、図示していない固定部への取付面あるいはケース７の開口部に対向する底面側を主放熱面と見做すようにしても良い。また、図１におけるコイル３の上部側に温度センサ５を設置すると充填材の高さが上がるため、大型化してしまう。そこで、小型化の観点からはセンサ保持部６の位置はリアクトル４の上面よりは下で、かつ充填剤の内部にあることが望ましい。特に、この例のようにリアクトル４がワンコイル形状、すなわち、コイルのターンが同一の周回に重ねて形成されている場合は図１の様に、コイル３の中心線Ａに対して主放熱面７ａの反対側の図の上部側で、かつコア１とコイル３の間の位置が適している。

上記のように構成された実施の形態１においては、温度センサ５とコイル３は絶縁をとる必要があるが、センサ保持部６がボビン２と同じ樹脂で一体成形され、かつセンサ保持部６の位置がコイル３の高さ方向の中心線Ａより上部で正確に決まることから、コイル３に近づけることが可能となり、リアクトル４の温度の高い部分を正確に測定できる。さらに、リアクトル４を構成するために必要なボビン２と一体に樹脂成型されたセンサ保持部６を設けたことで、部品点数の削減によるコスト減や生産性の向上が可能となる。なお、センサ保持部６は、ボビン２よりも熱伝導率に優れた材料によって構成しても良い。例えばアルミニウムや銅などの金属を用い、表面を絶縁被覆したものを注型樹脂で一体成形しても良い。

また、リアクトル４の温度が正確に測定できることで、例えば車載用の電力変換装置に適用する場合、リアクトル４の温度を電力変換装置の制御系にフィードバックし、リアクトル４の温度異常を検知した際には該異常の程度、例えば予め設定された温度からの差に応じて駆動周波数などを制御して熱応力によるコア１へのダメージやコイル３のエナメル皮膜へダメージを防止するように構成できる。このように、コア１やコイル３のエナメル被覆へのダメージを小さくするために、温度センサ５を用いて、コイル３の高温部の温度が許容される最大温度に到達しないように、図示しない制御手段を用いて駆動周波数を変化させることで、リアクトル４を必要最小限に小型化することが可能となる。

なお、コア１が図示しない磁気ギャップを有する場合、磁気ギャップからの漏れ磁束の影響を受けて、コイル３のギャップ近傍部分が最も高温になる場合が多い。そのため、センサ保持部６が磁気ギャップと同一平面上の磁気ギャップ近傍に位置するように、ボビン２の壁面部をコイル３の一端部側からコイル３の磁気ギャップに対応する位置に軸方向に延長して形成し、その延長された壁面部分にセンサ保持部６を設けることで、リアクトル４の最も高い温度を測定でき、制御で必要なマージンを小さくできる。また、磁気ギャップの位置精度が加工公差上の上限で大きい場合でも、コイル３の温度が予期せず高くなることを防止できる。

さらに、リアクトル４の温度を電力変換装置の制御系にフィードバックすることで、図示しない放熱装置を簡略化し、電力変換装置の小型化も可能となる。なお、磁気ギャップ近傍は漏れ磁束が多いため、温度センサ５が漏れ磁束の影響を受けることを防止する必要がある。そこで、コイル３によるシールド効果と距離が離れることにより磁界が減少する効果を用いるために、センサ保持部６はコイル３の内部の円筒形の空洞を避けた、コイル３の外側部分に配置する必要がある。

上記のように実施の形態１によれば、温度センサ５の温度検知部５ａがコイル３の近傍に位置するように保持するセンサ保持部６をボビン２と一体に形成するようにしたので、温度センサ５の温度検知部５ａはリアクトル４を構成するコイル３の略一定の位置に近接して配置され、製品毎のバラつきが抑えられる。このため、リアクトル４の温度の高い部分を誤差少なく温度測定することができる。また、センサ保持部６をボビン２と一体に設けたことで、部品点数の削減や生産性の向上が可能となる。

また、主放熱面７ａに対してコイル４の中心線Ａより上部側のリアクトル４で最も熱くなる部分にセンサ保持部６を配置したので、リアクトルの高温部を精度高く測定することが可能となる。また、リアクトル装置の小型化を達成できる。
また、コア１に磁気ギャップ部を有したものでは、センサ保持部６を磁気ギャップ近傍に対応するコイルの外側に配置したので、磁気ギャップ近傍の最も熱い箇所の温度が測定されることで、制御系に正確にフィードバックさせることができる。

また、シリコン系樹脂などの放熱性絶縁樹脂によりセンサ保持部６を覆うようにしたことにより、コイル３からの熱がセンサ保持部に伝わり易くなり、最も熱い場所の近傍の温度をより正確に測定できる。
また、放熱性絶縁樹脂としてエポキシ系樹脂やウレタン系樹脂に比べ弾性のあるシリコン系樹脂を用いたことで、樹脂の熱収縮による温度センサ５やセンサ保持部６へのダメージが緩和される。
また、コイル３及びコア１の熱干渉と冷却経路を考慮することでリアクトル装置の長期信頼性を確保することができる。

実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２によるリアクトル装置を概念的に示す断面図である。図において、センサ保持部６のコイル３に対向する側には、箱状のセンサ保持部６の内外を貫通する開口部６ａが設けられている。開口部６ａの大きさは温度センサ５の温度検知部５ａが外側に出ない程度に形成されている。そして、センサ保持部６の内部は、ボビン２よりも熱伝導率の高い図示しないケース７内を充填する充填材と同一のシリコン系樹脂などの放熱性絶縁樹脂で一体的に充填されている。その他の構成は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

上記のように構成された実施の形態２においては、通常用いられるＰＰＳなどの成形樹脂の熱伝導率はせいぜい０．３Ｗ／ｍＫ以下である。そこで、センサ保持部６のコイル３側の一部に開口部６ａを設け、ケース７内全体をボビン２の材質よりも熱伝導率の高い放熱性絶縁樹脂により充填することで、センサ保持部６を構成する樹脂の熱抵抗がより小さな放熱性絶縁樹脂の熱抵抗に置き換わるため、より正確にリアクトル４の温度を測定することが可能になる。即ち、センサ保持部６やボビン２の成型上の必要公差を考慮したクリアランスを確保する必要がないため、温度センサ５がボビン２やセンサ保持部６の内壁に不確かなクリアランスで近接するという温度測定誤差の増大を回避できる。このため、温度測定の精度が高まる。

また、一般的に熱伝導率の良いものは温度の伝播が早いので、温度測定の応答性が良く過渡状態の異常な温度上昇などを測定し制御に素早く反映できる。さらに、温度センサ５は絶縁保護されていないため、温度センサ５とコイル３は絶縁をとる必要があるが、開口部６ａの大きさが温度検知部５ａが通過し得ない寸法であること、温度センサ５の位置が正確に決まることから、正確に絶縁に必要な距離や絶縁に必要な樹脂厚みを確保でき、温度センサ５を最も温度の高いコイル３に近づけることが可能となり、より正確にリアクトル４の高温部の温度測定が可能になる。

また、センサ保持部６内もケース７内を充填するボビン２の材質より熱伝導率の高い放熱性絶縁樹脂で充填することから、センサ保持部６に予め温度センサ５を入れて放熱性絶縁樹脂を充填する必要がなく工程が削減できる。特に、放熱性絶縁樹脂にシリコン系樹脂を用いる際は、シリコン系樹脂は硬化阻害物質が多くあるため同じシリコン系樹脂であっても異なる樹脂と接触するような条件での使用には多くの検討事項が必要となり、生産時の扱いも複雑になる。しかし、実施の形態２のようにひとつの樹脂しか用いない場合は、それらの検討事項が無くなり、生産時の扱いも簡便になる。

上記のように実施の形態２によれば、センサ保持部６のコイル３に対向する側に開口部６ａを設け、ケース７内の全体をボビン２の材質よりも熱伝導率が良い放熱性絶縁樹脂により充填することで、センサ保持部６を構成する樹脂の熱抵抗がなくなり、熱抵抗がより小さな放熱性絶縁樹脂の熱抵抗に置き換わるため、より正確にリアクトルの温度を測定することが可能になるという更なる効果が得られる。
また、基本的に、熱伝導率の良い物質は温度に対する応答性が良い事から、温度上昇に対する応答性もよくなる。

なお、上記実施の形態１ではリアクトル４がワンコイル形状のコイル３を用いて構成した場合について説明したが、コイル３の形状、さらにはコア１やボビン２の材質や形状、あるいは構成、ケース７の形状や主放熱面７ａの位置、設置数など、特に限定されるものではない。また、センサ保持部６として、上部が開口された箱状のもの、及びその箱状の下部に開口部６ａが設けられたものについて例示したが、これらに限定されるものではない。要するに温度検知部５ａの設置位置を所定位置に保持できる方式であれば良く、例えば爪状の突起によって温度検知部５ａとその近傍を弾性支持することで、単に係止するものなどであっても差し支えない。さらに、温度センサ５の種類、リアクトル装置の用途なども限定されるものではない。

１ コア、 ２ ボビン、 ３ コイル、 ４ リアクトル、 ５ 温度センサ、 ５ａ 温度検知部、 ６ センサ保持部、 ６ａ 開口部、 ７ ケース、 ７ａ 主放熱面。

Claims (8)

1. 磁性体からなるコアと、このコアに装着された絶縁材からなるボビンと、このボビンを介して上記コアに巻回されたコイルと、このコイルまたはその近傍の温度を検知する温度センサと、この温度センサの温度検知部が上記コイルの近傍に位置するように保持するセンサ保持部を備えたリアクトル装置であって、上記センサ保持部は、上記ボビンと一体形成されてなることを特徴とするリアクトル装置。
2. 上記コア、上記ボビン、上記コイル、及び上記温度センサが収容され、主放熱面を有するケースと、このケースの内部空間に充填された放熱性絶縁樹脂を含む充填材を備え、上記センサ保持部は、上記コイルの中心を通り上記主放熱面に平行な線に対して該主放熱面とは反対側に配設されていることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル装置。
3. 上記充填材は、上記センサ保持部を覆うように充填されていることを特徴とする請求項２に記載のリアクトル装置。
4. 上記充填材を構成する上記放熱性絶縁樹脂として、シリコン系樹脂を用いたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のリアクトル装置。
5. 上記コアは、磁気ギャップ部を有してなり、上記センサ保持部は、上記磁気ギャップ部に対応する上記コイル近傍に配設されていることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載のリアクトル装置。
6. 上記センサ保持部は、上記温度センサの温度検知部を受け容れる箱状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載のリアクトル装置。
7. 上記箱状のセンサ保持部における上記コイルに対向する面が開放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装置。
8. 上記センサ保持部は、上記ボビンよりも熱伝導率に優れた材料によって構成されていることを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載のリアクトル装置。

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