JP4645417B2 - リアクトルの冷却構造および電気機器ユニット - Google Patents

Description

本発明は、リアクトルの冷却構造および電気機器ユニットに関し、特に、コアとコイルとを含むリアクトルの冷却構造、および、該リアクトルを含む電気機器ユニットに関する。

リアクトルコアとリアクトルコイルとを有するリアクトルが従来から知られている。
たとえば、特開２００４−９５５７０号公報（特許文献１）においては、保持部分付きの台座にリアクトルを固定する構造が開示されている。

また、特開２００４−１９３３２２号公報（特許文献２）においては、電子部品であるリアクトルをケース内に収容し、該ケース内に樹脂を流し込んでリアクトルを封入する構造が開示されている。

また、特開２００５−７３３９２号公報（特許文献３）においては、リアクトルを格納可能な形状を有する突出部がＰＣＵケースの内壁に設けられ、突出部に囲まれるように格納されたリアクトルをケースに密着させるための手段を備えた構造が開示されている。
特開２００４−９５５７０号公報 特開２００４−１９３３２２号公報 特開２００５−７３３９２号公報

特許文献１〜３に記載の構造では、リアクトルを固定するための複雑な構造の台座や格納部を形成する必要がある。これにより、リアクトル装置が大型化したり、コストが増大したりすることになる。

一方で、リアクトルを封入する樹脂として従来用いられてきた樹脂は、必ずしも十分に高い熱伝達率を有しておらず、リアクトルコイル全体をポッティング材で囲む必要があり、台座や格納部を簡略化することができなかった。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、リアクトル装置の小型化、省コスト化を図るとともに、リアクトルコイルからの放熱性を向上させることが可能なリアクトルの冷却構造および該構造を備えた電気機器ユニットを提供することにある。

本発明に係るリアクトルの冷却構造は、リアクトルと、リアクトルを保持する保持部を含むリアクトルの搭載面を有し、冷却媒体が流れ込む冷却器とを備え、リアクトルは、保持部に接して冷却器に保持されるリアクトルコアと、リアクトルコアに巻回されるリアクトルコイルとを有し、冷却器とリアクトルコイルとの間に伝熱シートをさらに備え、冷却器におけるリアクトルの搭載面に凹部が形成され、リアクトルコアは、凹部外において冷却器と接触し、リアクトルコイルは、凹部内に設けられた伝熱シートに接触し、リアクトルの搭載面から突出するように設けられ、リアクトルコアとリアクトルコイルとの段差を凹部により吸収し、段差の寸法の公差と、凹部の深さの公差とは、伝熱シートの弾性変形により吸収される。

なお、ここでいう「伝熱シート」とは、ポッティング材として用いられる樹脂よりも熱伝達率が高く、コイル巻線間の絶縁性を確保できるシート状の部材を意味する。

上記構成によれば、冷却器とリアクトルコイルとの間に伝熱シートを備えることにより、リアクトルコイル全体をポッティング材で囲むことなくリアクトルの冷却を行なうことができるので、リアクトルを固定するための台座やケースを省略することができる。したがって、小型化、省コスト化が図られたリアクトル装置が得られる。ここで、リアクトルコイルからの放熱は、伝熱シートを介して行なわれるので、リアクトルコイルからの放熱性が向上する。
また、冷却器におけるリアクトルの搭載面に凹部が形成され、リアクトルコアは、凹部外において冷却器と接触し、リアクトルコイルは、凹部内に設けられた伝熱シートに接触し、リアクトルコアとリアクトルコイルとの段差を凹部により吸収することにより、リアクトルを保持する突起を冷却器の表面に設ける必要がない。したがって、リアクトル装置の小型化を図ることができる。

上記リアクトルの冷却構造において、好ましくは、伝熱シートはシリコン系樹脂を含む。また、好ましくは、伝熱シートの熱伝達率は、２．０Ｗ／ｍＫ以上である。また、好ましくは、伝熱シートの絶縁破壊電圧は、２．０ｋＶ以上である。

本発明に係る電気機器ユニットは、インバータと、上述したリアクトルの冷却構造とを備える。そして、リアクトルは、インバータへの電力供給経路に設けられる。

本発明によれば、リアクトル装置の小型化、省コスト化を図るとともに、リアクトルコイルからの放熱性を向上させることができる。

以下に、本発明に基づくリアクトルの冷却構造および電気機器ユニットの実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

図１は、本発明の１つの実施の形態に係るリアクトルの冷却構造を含む駆動ユニットの構造の一例を概略的に示す図である。図１に示される例では、駆動ユニット１は、ハイブリッド車両に搭載される駆動ユニットであり、モータジェネレータ１００と、ハウジング２００と、減速機構３００と、ディファレンシャル機構４００と、ドライブシャフト受け部５００と、端子台６００とを含んで構成される。

モータジェネレータ１００は、電動機または発電機としての機能を有する回転電機であり、軸受１２０を介してハウジング２００に回転可能に取付けられた回転シャフト１１０と、回転シャフト１１０に取付けられたロータ１３０と、ステータ１４０とを有する。

ロータ１３０は、たとえば、鉄または鉄合金などの板状の磁性体を積層することにより構成されたロータコアと、該ロータコアに埋設された永久磁石とを有する。永久磁石は、たとえば、ロータコアの外周近傍にほぼ等間隔を隔てて配置される。なお、ロータコアを圧粉磁心により構成してもよい。

ステータ１４０は、リング状のステータコア１４１と、ステータコア１４１に巻回されるステータコイル１４２と、ステータコイル１４２に接続されるバスバー１４３とを有する。バスバー１４３は、ハウジング２００に設けられた端子台６００および給電ケーブル７００Ａを介してＰＣＵ（Power Control Unit）７００と接続される。また、ＰＣＵ７００は、給電ケーブル８００Ａを介してバッテリ８００に接続される。これにより、バッテリ８００とステータコイル１４２とが電気的に接続される。

ステータコア１４１は、たとえば、鉄または鉄合金などの板状の磁性体を積層することにより構成される。ステータコア１４１の内周面上には複数のティース部（図示せず）および該ティース部間に形成される凹部としてのスロット部（図示せず）が形成されている。スロット部は、ステータコア１４１の内周側に開口するように設けられる。なお、ステータコア１４１を圧粉磁心により構成してもよい。

３つの巻線相であるＵ相、Ｖ相およびＷ相を含むステータコイル１４２は、スロット部に嵌り合うようにティース部に巻き付けられる。ステータコイル１４２のＵ相、Ｖ相およびＷ相は、互いに円周上でずれるように巻き付けられる。バスバー１４３は、それぞれステータコイル１４２のＵ相、Ｖ相およびＷ相に対応するＵ相、Ｖ相およびＷ相を含む。

給電ケーブル７００Ａは、Ｕ相ケーブルと、Ｖ相ケーブルと、Ｗ相ケーブルとからなる三相ケーブルである。バスバー１４３のＵ相、Ｖ相およびＷ相がそれぞれ給電ケーブル７００ＡにおけるＵ相ケーブル、Ｖ相ケーブルおよびＷ相ケーブルに接続される。

モータジェネレータ１００から出力された動力は、減速機構３００からディファレンシャル機構４００を介してドライブシャフト受け部５００に伝達される。ドライブシャフト受け部５００に伝達された駆動力は、ドライブシャフト（図示せず）を介して車輪（図示せず）に回転力として伝達されて、車両を走行させる。

一方、ハイブリッド車両の回生制動時には、車輪は車体の慣性力により回転させられる。車輪からの回転力によりドライブシャフト受け部５００、ディファレンシャル機構４００および減速機構３００を介してモータジェネレータ１００が駆動される。このとき、モータジェネレータ１００が発電機として作動する。モータジェネレータ１００により発電された電力は、ＰＣＵ７００におけるインバータを介してバッテリ８００に蓄えられる。

駆動ユニット１には、レゾルバロータと、レゾルバステータとを有するレゾルバ（図示せず）が設けられている。レゾルバロータは、モータジェネレータ１００の回転シャフト１１０に接続されている。また、レゾルバステータは、レゾルバステータコアと、該コアに巻回されたレゾルバステータコイルとを有する。上記レゾルバにより、モータジェネレータ１００のロータ１３０の回転角度が検出される。検出された回転角度は、ＰＣＵ７００へ伝達される。ＰＣＵ７００は、検出されたロータ１３０の回転角度と、外部ＥＣＵ（Electrical Control Unit）からのトルク指令値とを用いてモータジェネレータ１００を駆動するための駆動信号を生成し、その生成した駆動信号をモータジェネレータ１００へ出力する。

図２は、ＰＣＵ７００の主要部の構成を示す回路図である。図２を参照して、ＰＣＵ７００は、コンバータ７１０と、インバータ７２０と、制御装置７３０と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、電源ラインＰＬ１〜ＰＬ３と、出力ライン７４０Ｕ，７４０Ｖ，７４０Ｗとを含む。コンバータ７１０は、バッテリ８００とインバータ７２０との間に接続され、インバータ７２０は、出力ライン７４０Ｕ，７４０Ｖ，７４０Ｗを介してモータジェネレータ１００と接続される。

コンバータ７１０に接続されるバッテリ８００は、たとえば、ニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池である。バッテリ８００は、発生した直流電圧をコンバータ７１０に供給し、また、コンバータ７１０から受ける直流電圧によって充電される。

コンバータ７１０は、パワートランジスタＱ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、リアクトルＬとからなる。パワートランジスタＱ１，Ｑ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に直列に接続され、制御装置７３０からの制御信号をベースに受ける。ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれパワートランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパワートランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。リアクトルＬは、バッテリ８００の正極と接続される電源ラインＰＬ１に一端が接続され、パワートランジスタＱ１，Ｑ２の接続点に他端が接続される。

このコンバータ７１０は、リアクトルＬを用いてバッテリ８００から受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧した昇圧電圧を電源ラインＰＬ２に供給する。また、コンバータ７１０は、インバータ７２０から受ける直流電圧を降圧してバッテリ８００を充電する。

インバータ７２０は、Ｕ相アーム７５０Ｕ、Ｖ相アーム７５０ＶおよびＷ相アーム７５０Ｗからなる。各相アームは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に並列に接続される。Ｕ相アーム７５０Ｕは、直列に接続されたパワートランジスタＱ３，Ｑ４からなり、Ｖ相アーム７５０Ｖは、直列に接続されたパワートランジスタＱ５，Ｑ６からなり、Ｗ相アーム７５０Ｗは、直列に接続されたパワートランジスタＱ７，Ｑ８からなる。ダイオードＤ３〜Ｄ８は、それぞれパワートランジスタＱ３〜Ｑ８のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパワートランジスタＱ３〜Ｑ８のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。そして、各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、出力ライン７４０Ｕ，７４０Ｖ，７４０Ｗを介してモータジェネレータ１００の各相コイルの反中性点側にそれぞれ接続されている。

このインバータ７２０は、制御装置７３０からの制御信号に基づいて、電源ラインＰＬ２から受ける直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ１００へ出力する。また、インバータ７２０は、モータジェネレータ１００によって発電された交流電圧を直流電圧に整流して電源ラインＰＬ２に供給する。

コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ１の電圧レベルを平滑化する。また、コンデンサＣ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ２の電圧レベルを平滑化する。

制御装置７３０は、モータジェネレータ１００の回転子の回転角度、モータトルク指令値、モータジェネレータ１００の各相電流値、およびインバータ７２０の入力電圧に基づいてモータジェネレータ１００の各相コイル電圧を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフするＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成してインバータ７２０へ出力する。

また、制御装置７３０は、上述したモータトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ７２０の入力電圧を最適にするためのパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してコンバータ７１０へ出力する。

さらに、制御装置７３０は、モータジェネレータ１００によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリ８００を充電するため、コンバータ７１０およびインバータ７２０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ８のスイッチング動作を制御する。

このＰＣＵ７００においては、コンバータ７１０は、制御装置７３０からの制御信号に基づいて、バッテリ８００から受ける直流電圧を昇圧して電源ラインＰＬ２に供給する。そして、インバータ７２０は、コンデンサＣ２によって平滑化された直流電圧を電源ラインＰＬ２から受け、その受けた直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ１００へ出力する。

また、インバータ７２０は、モータジェネレータ１００の回生動作によって発電された交流電圧を直流電圧に変換して電源ラインＰＬ２へ出力する。そして、コンバータ７１０は、コンデンサＣ２によって平滑化された直流電圧を電源ラインＰＬ２から受け、その受けた直流電圧を降圧してバッテリ８００を充電する。

上記ＰＣＵ７００の作動時に、リアクトルＬは発熱する。したがって、リアクトルＬの冷却構造を設ける必要がある。

図３は、本実施の形態に係るリアクトルの冷却構造の構成を示した図である。図３を参照して、リアクトルＬは、冷却器２上に搭載される。換言すると、冷却器２は、リアクトルＬの搭載面を有する。

冷却器２内には、たとえばＬＬＣ（Long Life Coolant）などの冷却媒体が流れる。冷却器２から流出した冷却媒体は、ラジエータ２１に送られて冷却される。そして、冷却媒体は、再び冷却器２に流入する。以上のようにして、冷却器２上に搭載されたリアクトルＬの冷却が促進される。なお、冷却媒体の循環は、ウォータポンプ２２により行なわれる。また、冷却媒体として、冷却水、不凍液などが使用されてもよい。さらに、リアクトルの冷却方式は水冷方式に限定されず、空冷方式、油冷方式を採用することも可能である。

図４は、本実施の形態に係るリアクトルの冷却構造を示す断面図である。図４を参照して、本実施の形態に係るリアクトルの冷却構造は、リアクトルコアＬ１とリアクトルコイルＬ２とを含むリアクトルＬと、冷却器２と、リアクトルコイルＬ２と冷却器２との間に設けられた伝熱シート３とを含んで構成される。

金属からなるリアクトルコアＬ１は、典型的には圧粉磁心で構成されるが、積層鋼板により構成されてもよい。リアクトルコアＬ１は、保持部２０において冷却器２に保持されている。そして、リアクトルコアＬ１の熱は、保持部２０から冷却器２に伝達される。

また、冷却器におけるリアクトルＬの搭載面上には、凹部２０Ａが形成されている。凹部２０Ａ内には、熱伝達性に優れた伝熱シート３が設けられている。リアクトルコイルＬ２は、伝熱シート３に接触するように設けられる。このようにすることで、リアクトルコアＬ１とリアクトルコイルＬ２との段差を凹部２０Ａにより吸収することができるので、リアクトルＬを保持する突起を冷却器２の表面に設ける必要がない。また、リアクトルＬの寸法（Ｔ１）の公差と、冷却器２の凹部２０Ａの寸法（Ｔ２）の公差とは、伝熱シート３の弾性変形により吸収される。

伝熱シート３としては、たとえば、表１に示すものが使用可能である。

表１に示すように、伝熱シート３としては、シリコン系樹脂を含むものが使用可能である。また、伝熱シート３の熱伝達率は、２．０Ｗ／ｍＫ以上程度（より好ましくは、３．０Ｗ／ｍＫ以上程度）であることが好ましい。また、伝熱シート３は、リアクトルコイルＬ２の巻線間の絶縁性を確保する必要があるため、所定の絶縁性を有するものである必要がある。伝熱シート３の絶縁破壊電圧は、２．０ｋＶ以上程度（より好ましくは、６．０ｋＶ以上程度）であることが好ましい。ここで、単位厚みあたりの絶縁破壊電圧（絶縁破壊強度）は、たとえばＪＩＳ−Ｋ６２４９に準拠した測定により求められる。

図５は、比較例に係るリアクトルの冷却構造を示す断面図である。図５を参照して、本比較例に係るリアクトルの冷却構造は、リアクトルコアＬ１とリアクトルコイルＬ２とを含むリアクトルＬと、冷却器２と、冷却器２上に設けられ、リアクトルＬを格納するケース４Ａとを含んで構成される。なお、ケース４Ａ内には、リアクトルＬを囲むようにポッティング材３Ａが注入されている。本比較例のように、冷却器上にリアクトルＬを固定する際に、リアクトルＬの固定用のケース４Ａを設けることで、リアクトル装置が大型化するとともに、コストも増大する。

これに対し、本実施の形態に係るリアクトルの冷却構造においては、リアクトルコイルＬ２と冷却器２との間に、上述した伝熱シート３を設けることにより、ケース４Ａを省略している。このようにすることで、リアクトル装置の小型化と省コスト化を図ることができる。なお、伝熱シート３は、上述したとおり、ポッティング材３Ａよりも高い熱伝達率を有するため、ポッティング材３ＡのようにリアクトルコイルＬ２の全体を囲むように伝熱シート３が設けられていなくても、リアクトル装置の冷却性能を確保することは可能である。本願発明者は、図４に示す構造において３．０（Ｗ／ｍＫ）の熱伝達係数を有する伝熱シート３を用いた場合に、図５に示す構造において０．４（Ｗ／ｍＫ）の熱伝達係数を有するポッティング材３Ａを用いた場合と同程度以上の冷却性能を確保できることを解析により確認している。

上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係るリアクトルの冷却構造は、リアクトルＬと、リアクトルＬを保持する保持部２０を有する冷却器２とを備える。リアクトルＬは、保持部２０に接して冷却器２に保持されるリアクトルコアＬ１と、リアクトルコアＬ１に巻回されるリアクトルコイルＬ２とを有する。そして、冷却構造は、冷却器２とリアクトルコイルＬ２との間に伝熱シート３をさらに備える。

より具体的には、冷却器２におけるリアクトルＬの搭載面に凹部２０Ａが形成され、リアクトルコアＬ１は、凹部２０Ａ外において冷却器２と接触し、リアクトルコイルＬ２は、凹部２０Ａ内に設けられた伝熱シート３に接触する。

本実施の形態に係るリアクトルの冷却構造によれば、リアクトル装置の小型化、省コスト化を図るとともに、リアクトルコイルＬ２からの放熱性を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る「電気機器ユニット」としてのＰＣＵ７００は、インバータ７２０と、上述したリアクトルＬの冷却構造とを備える。そして、リアクトルＬは、インバータ７２０への電力供給経路に設けられる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の１つの実施の形態に係るリアクトルの冷却構造を含む駆動ユニットの構造の一例を概略的に示す図である。 図１に示されるＰＣＵの主要部の構成を示す回路図である。 本発明の１つの実施の形態に係るリアクトルの冷却構造の全体構成を示した図である。 本発明の１つの実施の形態に係るリアクトルの冷却構造を示す断面図である。 比較例に係るリアクトルの冷却構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 駆動ユニット、２ 冷却器、３ 伝熱シート、３Ａ ポッティング材、４Ａ ケース、２０ 保持部、２０Ａ 凹部、２１ ラジエータ、２２ ウォータポンプ、３１ 第１部分（樹脂部）、３２ 第２部分（樹脂部）、１００ モータジェネレータ、１１０ 回転シャフト、１２０ 軸受、１３０ ロータ、１４０ ステータ、１４１ ステータコア、１４２ ステータコイル、１４３ バスバー、２００ ハウジング、３００ 減速機構、４００ ディファレンシャル機構、５００ ドライブシャフト受け部、６００ 端子台、７００ ＰＣＵ、７００Ａ，８００Ａ 給電ケーブル、７１０ コンバータ、７２０ インバータ、７３０ 制御装置、７４０Ｕ，７４０Ｖ，７４０Ｗ 出力ライン、７５０Ｕ Ｕ相アーム、７５０Ｖ Ｖ相アーム、７５０Ｗ Ｗ相アーム、８００ バッテリ、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ８ ダイオード、Ｌ リアクトル、Ｌ１ リアクトルコア、Ｌ２ リアクトルコイル、ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３ 電源ライン、Ｑ１〜Ｑ８ パワートランジスタ。

Claims (5)

1. リアクトルと、
   前記リアクトルを保持する保持部を含む前記リアクトルの搭載面を有し、冷却媒体が流れ込む冷却器とを備え、
   前記リアクトルは、
   前記保持部に接して前記冷却器に保持されるリアクトルコアと、
   前記リアクトルコアに巻回されるリアクトルコイルとを有し、
   前記冷却器と前記リアクトルコイルとの間に伝熱シートをさらに備え、
   前記冷却器における前記リアクトルの搭載面に凹部が形成され、
   前記リアクトルコアは、前記凹部外において前記冷却器と接触し、前記リアクトルの搭載面から突出するように設けられ、
   前記リアクトルコイルは、前記凹部内に設けられた前記伝熱シートに接触し、
   前記リアクトルコアと前記リアクトルコイルとの段差を前記凹部により吸収し、
   前記段差の寸法の公差と、前記凹部の深さの公差とは、前記伝熱シートの弾性変形により吸収される、リアクトルの冷却構造。
2. 前記伝熱シートはシリコン系樹脂を含む、請求項１に記載のリアクトルの冷却構造。
3. 前記伝熱シートの熱伝達率は、２．０Ｗ／ｍＫ以上である、請求項１または請求項２に記載のリアクトルの冷却構造。
4. 前記伝熱シートの絶縁破壊電圧は、２．０ｋＶ以上である、請求項１から請求項３のいずれかに記載のリアクトルの冷却構造。
5. インバータと、
   請求項１から請求項４のいずれかに記載のリアクトルの冷却構造とを備え、
   前記リアクトルは、前記インバータへの電力供給経路に設けられる、電気機器ユニット。

Images