JP2009296015A - In-vehicle power conversion device - Google Patents
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Abstract
【課題】高周波動作時の鉄損を抑制でき、製造が容易でコア形状の自由度を拡大できる車載用電力変換装置を提供する。
【解決手段】バッテリ直流電力を、モータ駆動に必要な交流定格電力に変換する車載用電力変換装置であって、リアクトルユニットと、変換デバイスユニットと、インバータユニットとを備え、前記リアクトルユニット21は、複数に分割された圧粉磁性体23a〜23fを含むリアクトルコア23であって、外周にコイル25が装着される部分の断面形状が、その断面形状の角部が丸められた形状となっており、前記圧粉磁性体23a〜23fの間に磁気ギャップが介在しているリアクトルコアを有するリアクトルが備えられた構成である。
【選択図】図1An in-vehicle power conversion device that can suppress iron loss during high-frequency operation, is easy to manufacture, and can increase the degree of freedom of a core shape.
An in-vehicle power conversion device that converts battery direct current power into alternating current rated power necessary for driving a motor, and includes a reactor unit, a conversion device unit, and an inverter unit, and the reactor unit 21 includes: In the reactor core 23 including the powder magnetic bodies 23a to 23f divided into a plurality of parts, the cross-sectional shape of the portion where the coil 25 is mounted on the outer periphery is rounded at the corners of the cross-sectional shape. The reactor includes a reactor having a reactor core in which a magnetic gap is interposed between the powder magnetic bodies 23a to 23f.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、車載用電力変換装置に関する。 The present invention relates to an in-vehicle power converter.
図8及び図9は従来のリアクトルの平面図及び側面図である。この従来のリアクトル1は、図8及び図9に示すように、コア3と、そのコア3に外挿されたコイル5,7とを備えている。 コア3は、平面視略矩形環状の形態を有し、6個の分割体3a〜3fが磁気ギャップを形成する非磁性部材(例えば、セラミック板)9a〜9fを挟んで貼り合わされて構成されている。各分割体3a〜3fは、図9に示すように、所定形状に打ち抜かれた複数の珪素鋼板11a〜11fが積層されて貼り合わされて構成されている。このようなコア3には、2箇所にコイル装着部13,15が設けられ、そのコイル装着部13,15にコイル5,7が外挿されている。
8 and 9 are a plan view and a side view of a conventional reactor. As shown in FIGS. 8 and 9, the
しかしながら、上述の従来のリアクトル1では、電磁鋼板11a〜11fを積層してコア3を構成することにより鉄損を抑制しているが、各電磁鋼板11a〜11f中では渦電流が生じるため、高周波動作時の鉄損が大きい。 また、打ち抜いた電磁鋼板を積層してコア3を形成するため、製造に手間がかかるとともに、コア形状に対する設計の自由度が小さい。
However, in the
そこで、本発明の解決すべき課題は、高周波動作時の鉄損を抑制でき、製造が容易でコア形状の自由度を拡大できる車載用電力変換装置を提供することである。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide an in-vehicle power conversion device that can suppress iron loss during high-frequency operation, can be easily manufactured, and can expand the degree of freedom of the core shape.
上記の課題を解決するため、請求項1の発明では、バッテリ直流電力を、モータ駆動に必要な交流定格電力に変換する車載用電力変換装置であって、リアクトルユニットと、変換デバイスユニットと、インバータユニットとを備え、前記リアクトルユニットは、複数に分割された圧粉磁性体を含むリアクトルコアであって、外周にコイルが装着される部分の断面形状が、その断面形状の角部が丸められた形状となっており、前記圧粉磁性体の間に磁気ギャップが介在しているものを有するリアクトルが備えられた構成とされた。
In order to solve the above-described problems, the invention of
また、請求項2記載の発明では、請求項1記載の発明に係る車載用電力変換装置であって、前記リアクトルコアにおいて、前記磁気ギャップの断面形状もその角部が丸められた形状とされた。
The invention according to claim 2 is the in-vehicle power converter according to the invention according to
また、請求項3記載の発明では、請求項1又は請求項2記載の車載用電力変換装置であって、前記リアクトルコアにおいて、前記圧粉磁性体により形成された部分は、当該リアクトルコア内に形成される磁気回路と平行な結合面で互いに結合された複数の部分体を備えて構成された。
Moreover, in invention of
また、請求項4記載の発明では、請求項1〜請求項3のいずれか一つに記載の車載用電力変換装置であって、前記リアクトルにおいて、コイルが前記リアクトルコアに密着して隙間無く巻回された。 Moreover, in invention of Claim 4, it is the vehicle-mounted power converter device as described in any one of Claims 1-3, Comprising: In the said reactor, a coil closely_contact | adheres to the said reactor core and winds without gap. It was turned.
また、請求項5記載の発明では、請求項3記載の車載用電力変換装置であって、前記複数の部分体を結合することにより構成された前記分割された圧粉磁性体を、一枚の前記磁気ギャップを挟んで貼り合せることで、前記リアクトルコアが構成された。
Moreover, in invention of
また、請求項6記載の発明は、請求項1〜請求項5のいずれか一つに記載の車載用電力変換装置であって、前記圧粉磁性体は多層の絶縁被覆を有する金属磁性体粒子の成形体であるものである。
The invention according to claim 6 is the in-vehicle power conversion device according to any one of
請求項1に記載の発明によれば、リアクトルコアの少なくとも一部が圧粉磁性体によって形成されているため、高周波動作時の鉄損を抑制して動作効率を向上させることができるとともに、製造が容易でコア形状の自由度を拡大できる。例えば、コアのコイルが装着される部分の断面形状に丸みを持たせることにより、コイルをコアに密着させた状態で巻回することができ、これによってコアとコイルとの間に生じる隙間をなくしてリアクトルの小型化が図れる。また、高周波動作時の鉄損を抑制して動作効率を向上させることができるとともに、製造が容易でコア形状の自由度を拡大できるリアクトルを提供できる。また、外周にコイルが装着される部分の断面形状が、その断面形状の角部が丸められた形状となっているため、コイルをリアクトルコアの外周にその全周に渡って密着させて隙間なく巻回することができ(オーバーバンクをなくすことができ)、その結果リアクトルの小型化が図れる。 According to the first aspect of the present invention, since at least a part of the reactor core is formed of the powder magnetic material, it is possible to suppress the iron loss at the time of high frequency operation and improve the operation efficiency, and to manufacture the reactor. Is easy and the flexibility of the core shape can be expanded. For example, by rounding the cross-sectional shape of the part where the coil of the core is attached, the coil can be wound in close contact with the core, thereby eliminating the gap generated between the core and the coil. The reactor can be downsized. In addition, it is possible to provide a reactor that can improve the operating efficiency by suppressing iron loss during high-frequency operation, and that can be easily manufactured and can increase the degree of freedom of the core shape. In addition, since the cross-sectional shape of the part where the coil is mounted on the outer periphery is a shape in which the corners of the cross-sectional shape are rounded, the coil is closely attached to the outer periphery of the reactor core and there is no gap. Winding can be performed (overbank can be eliminated), and as a result, the reactor can be downsized.
請求項3に記載の発明によれば、リアクトルコアの圧粉磁性体により形成された部分を複数の部分体に分割して成形することができるため、圧粉磁性体材料のプレス時のプレス形状を小さくすることができ、その結果、リアクトルコアの製造がより容易かつ低コストになる。 According to the third aspect of the present invention, the portion formed of the powder magnetic material of the reactor core can be divided and formed into a plurality of partial bodies. As a result, the reactor can be manufactured more easily and at a lower cost.
また、コアを構成する複数の部分体が磁気回路と平行な結合面で互いに結合されているため、部分体間の結合部で磁気抵抗が増大するのを抑制することができる。 Moreover, since the several partial body which comprises a core is mutually couple | bonded by the coupling surface parallel to a magnetic circuit, it can suppress that magnetoresistance increases in the coupling part between partial bodies.
<第1実施形態>
図1及び図2は本発明に関連する第1実施形態に係るリアクトルの平面図及び側面図である。このリアクトル21は、図1及び図2に示すように、コア23と、そのコア23に外挿された少なくとも1個(例えば、2個)のコイル25,27とを備えている。なお、図1中の符号Cはコア23中に形成される磁気回路を示している。
<First Embodiment>
FIG.1 and FIG.2 is the top view and side view of the reactor which concern on 1st Embodiment relevant to this invention. As shown in FIGS. 1 and 2, the
コア23は、平面視略矩形環状の形態を有し、その内部に生成される磁気回路Cを複数区間(例えば、6区間)に分割するようにして複数個(例えば、6個)の分割体23a〜23fに分割されている。なお、この分割体23a〜23fは、本発明に係る部分体とは異なる概念である(部分体については第2実施形態で説明する)。なお、本実施形態では、複数個の分割体23a〜23fを結合してコア23を構成したが、コア23を一体成形するようにしてもよい。
The
分割体23a,23bは平面視略コの字形の形態を有しており、分割体23c〜23fは平面視略矩形状の形態を有している。そして、これらの分割体23a〜23fが、磁気ギャップを形成する非磁性部材(例えば、セラミック板)29a〜29fを挟んで略矩形環状に接着剤等により貼り合わされ、これによってコア23が構成されている。
The divided
また、コア23には、その少なくとも1箇所(例えば、2箇所)にコイル装着部31,33が設けられ、そのコイル装着部31,33にコイル25,27が外挿されている。図3に示すように、コイル装着部31,33の断面形状は略矩形状を有し、その略矩形状の各角部35が丸められている。これによって、コイル25,27をコイル装着部31,33の外周にその全周に渡って密着させて隙間無く巻回することができるようになっている(オーバーバンクをなくすことができる)。ここで、コイル装着部31,33は、コア23の非磁性部材29a〜29fが介挿される部分に設けられており、非磁性体29a〜29fの断面形状もその角部35が同様に丸められている。
The
なお、このような角部35に丸みを持たせた断面形状を、コイル装着部31,33に限らず、コア23の他の部分(例えば、コア23の全体)に適用するようにしてもよい。
In addition, you may make it apply such a cross-sectional shape which rounded the corner |
このようなコア23の各分割体23a〜23fは、圧粉磁性体によって形成されている。図4はそのコア23の表面を拡大して示した模式図である。図4を参照して、コア23の各分割体23a〜23fを構成する複数の圧粉粒子41は、金属磁性粒子43と、金属磁性粒子43の表面を取り囲む絶縁被覆45とを備えている。複数の圧粉粒子41の間には、有機物47が介在している。圧粉粒子41の各々は、有機物47によって接合されていたり、圧粉粒子41が有する凹凸の噛み合わせによって接合されている。
Each
金属磁性粒子43は、例えば、鉄(Fe)、鉄(Fe)−シリコン(Si)系合金、鉄(Fe)−窒素(N)系合金、鉄(Fe)−ニッケル(Ni)系合金、鉄(Fe)−炭素(C)系合金、鉄(Fe)−ホウ素(B)系合金、鉄(Fe)−コバルト(Co)系合金、鉄(Fe)−リン(P)系合金、鉄(Fe)−ニッケル(Ni)−コバルト(Co)系合金、及び鉄(Fe)−アルミニウム(Al)−シリコン(Si)系合金などから形成することができる。金属磁性粒子43は、金属単体でも合金でもよい。
The metal
絶縁被膜45は、金属磁性粒子43をリン酸処理することによって形成されている。また好ましくは、絶縁被膜45は、酸化物を含有する。この酸化物を含有する絶縁被膜45としては、リンと鉄とを含むリン酸鉄の他、リン酸マンガン、リン酸亜鉛、リン酸カルシウム、リン酸アルミニウム、酸化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウム又は酸化ジルコニウムなどの酸化物絶縁体を使用することができる。絶縁被膜45は、図中に示すように1層に形成されていてもよいし、多層に形成されていてもよい。
The insulating
絶縁被膜45は、金属磁性粒子43間の絶縁層として機能する。金属磁性粒子43を絶縁被膜45で覆うことによって、コア23(各分割体23a〜23f)の電気抵抗率を大きくすることができる。これにより、金属磁性粒子43間に渦電流が流れるのを抑制して、渦電流に起因する鉄損の低減が図れる。
The insulating
有機物47としては、熱可塑性ポリイミド、熱可塑性ポリアミド、熱可塑性ポリアミドイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミドイミド、ポルエーテスルホン、ポリエーテルイミド又はポリエーテルエーチルケトンなどの熱可塑性樹脂や、全芳香族ポリエステル又は全芳香族ポリイミドなどの非熱可塑性樹脂や、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸カルシウム、パルミチン酸リチウム、パルミチン酸カルシウム、オレイン酸リチウム又はオレイン酸カルシウムなどの高級脂肪酸を用いることができる。また、これらを互いに混合して用いることもできる。 Examples of the organic substance 47 include thermoplastic resins such as thermoplastic polyimide, thermoplastic polyamide, thermoplastic polyamideimide, polyphenylene sulfide, polyamideimide, portesulfone, polyetherimide, or polyetherethylketone, wholly aromatic polyester, or all Non-thermoplastic resins such as aromatic polyimides and higher fatty acids such as zinc stearate, lithium stearate, calcium stearate, lithium palmitate, calcium palmitate, lithium oleate or calcium oleate can be used. Moreover, these can also be mixed and used for each other.
有機物47は、複数の圧粉粒子41の間を強固に接合してコア23(各分割体23a〜23f)の強度を向上させる。また、有機物47は、各分割体23a〜23fを得るための加圧成形時に潤滑剤として機能する。これにより、圧粉粒子41同士が擦れ合って、絶縁被膜45が破壊されるのが防止される。
The organic substance 47 strongly joins between the plurality of
分割体23a〜23fの作製は以下のようにして行われる。まず、圧粉磁性体を形成するための粉末を所定の成形型に入れ、所定の圧力(例えば、700MPaから1500MPaまでの圧力)で加圧成形する。この加圧成形する際の雰囲気は、不活性ガス雰囲気又は減圧雰囲気とするのが好ましい。この場合、大気中の酸素によって圧粉磁性体粉末が酸化されるのを抑制できる。
The divided
続いて、前記粉末を加圧成形して得られたものを成形型内から取り出して熱処理を施して、分割体23a〜23fを得る。
Subsequently, the powder obtained by pressure molding is taken out of the mold and subjected to heat treatment to obtain divided
このように得られた分割体23a〜23fは、非磁性部材29a〜29fを挟んで略矩形環状に接着剤等により貼り合わされ、これによってコア23が構成される。
The divided
以上のように、本実施形態によれば、コア23が圧粉磁性体によって形成されているため、リアクトル21の高周波動作時の鉄損を抑制して動作効率を向上させることができるとともに、製造が容易でコア形状の自由度を拡大できる。
As described above, according to the present embodiment, since the
また、コア23のコイル装着部31,33の断面形状が、その断面形状の角部35が丸められた形状となっているため、コイル25,27をコイル装着部31,33の外周にその全周に渡って密着させて隙間なく巻回することができ(オーバーバンクをなくすことができ)、その結果リアクトル21の小型化が図れる。
In addition, since the cross-sectional shape of the
<第2実施形態>
図5は、本発明の第2実施形態に係るリアクトルの側面図である。本実施形態に係るリアクトル51が上述の第1実施形態に係るリアクトル21と実質的に異なる点は、コア23の各分割体23a〜23fが複数の部分体231a〜231f,232a〜232fを結合して構成された点のみであり、互いに対応する部分には同一の参照符号を付して説明を省略する。
Second Embodiment
FIG. 5 is a side view of a reactor according to the second embodiment of the present invention. The
本実施形態に係るリアクトル51では、コア23を構成する各分割体23a〜23fが、図5に示すように複数(例えば、2個)の部分体231a〜231f,232a〜232fが結合されてそれぞれ構成されている。各分割体23a〜23fにおいて、部分体231a〜231f,232a〜232fの結合面53はコア23内に形成される磁気回路C(図1参照)と平行になっている。なお、本実施形態では、各分割体23a〜23fを磁気回路Cと平行な1つの結合面53で2個にそれぞれ分割したが、2つ以上の結合面53で3個以上にそれぞれ分割するようにしてもよい。
In the
すなわち、分割体23a〜23fの作製は、まず部分体231a〜231f,232a〜232fの単位で圧粉磁性体を用いて作製され、続いて作製された部分体231a〜231f,232a〜232fが接着剤等で貼り合わされて分割体23a〜23fが構成されるようになっている。
That is, in the production of the divided
以上のように、本実施形態によれば、コア23の各分割体23a〜23fを複数の部分体231a〜231f,232a〜232fに分割して成形することができるため、圧粉磁性体材料のプレス時のプレス形状を小さくすることができ、その結果、コア23の製造等がより容易かつ低コストになる。
As described above, according to the present embodiment, each of the divided
また、コア23の各分割体23a〜23fを構成する複数の部分体231a〜231f,232a〜232fが磁気回路Cと平行な結合面53で互いに結合されているため、部分体231a〜231f,232a〜232f間の結合部で磁気抵抗が増大するのを抑制することができる。
Further, since the plurality of
<適用例>
図6は上述の第1及び第2実施形態に係るリアクトル21,51が適用された車載用電力変換装置の回路図であり、図7はその車載用電力変換装置に備えられる電力変換モジュールの平面的構成を模式的に示す図である。
<Application example>
6 is a circuit diagram of an in-vehicle power conversion device to which the
この車載用電力変換装置は、図6に示すように、電圧変換部61と、インバータ部63とを備えて構成されている。なお、この図6に示す構成ではリアクトル21を使用した構成について説明するが、リアクトル21の代わりにリアクトル51を用いることもできる。
As shown in FIG. 6, this in-vehicle power conversion device includes a
変換部61は、昇降圧変換機能を有しており、電力変換用のリアクトル21と、電力変換のためのチョッパ回路を構成する第1及び第2のスイッチング素子S1,S2と、フライホイール用の第1及び第2のダイオードD1,D2と、コンデンサC1とを備えている。そして、第1のスイッチング素子S1をオン、オフさせて、図示しないバッテリから入力される電流をチョップすることにより、リアクトル21により昇圧された電圧が第2のダイオードD2を介してインバータ部63に供給される。また、第2のスイッチング素子S2をオン、オフさせて、駆動モータ65からインバータ部63を介して入力される回生電流をチョップすることにより、リアクトル21により降圧された回生電流が前記バッテリ側に与えられる。
The
また、インバータ部63は、3相ブリッジ回路を構成する第1ないし第6のスイッチング素子S11〜S16、及びフライホイール用の第1ないし第6のダイオードD11〜D16を備えて構成されている。そして、各スイッチング素子S11〜S16がオン、オフされて、変換部61から駆動モータ65側に与えられる駆動電圧の交流変換、及び駆動モータ65側から変換部61側に与えられる回生電流の直流変換が行われる。
The
このような電力変換装置の一部構成要素は、ユニット化されて図7に示すような電力変換モジュール71として車両に搭載される。この電力変換モジュール71は、それぞれユニット化されたリアクトルユニット121、変換デバイスユニット(昇圧コンバータ部)161及びインバータユニット163がケース73内に備えられている。リアクトルユニット121には、リアクトル21が備えられ、変換デバイスユニット161には、変換部61のうちの第1及び第2のスイッチング素子S1,S2及び第1及び第2のダイオードD1,D2(コンデンサC1は含まれてない)が備えられ、インバータユニット163には、インバータ部63の第1ないし第6のスイッチング素子S11〜S16及び第1ないし第6のダイオードD11〜S16が備えられる。
Some components of such a power conversion device are unitized and mounted on a vehicle as a
このような電力変換装置は、モータ65の駆動に必要な数10kWレベルの定格電力を実現するため、リアクトルが大型化し、これによって装置全体も大型化する傾向にある。また、リアクトルに従来の電磁鋼板積層型のコアを用いた場合には、モータ65の高回転時(高周波数動作時)における鉄損によるエネルギーロスが大きくなる。
Such a power conversion device realizes rated power of several tens of kW level necessary for driving the
この点に関し、この電力変換装置によれば、電力変換用のリアクトルとして上述の第1及び第2実施形態に係るリアクトル21,51を採用しているため、高周波動作時の電力変換効率を向上できるとともに、その構成(特に、電力変換モジュール71)の製造の容易化及び小型化が図れる。
In this regard, according to this power conversion device, since the
21 リアクトル
23 コア
23a〜23f 分割体
25,27 コイル
29a〜29f 非磁性部材
31,33 コイル装着部
35 角部
51 リアクトル
231a〜231f,232a〜232f 部分体
61 変換部
63 インバータ部
71 電力変換モジュール
73 ケース
121 リアクトルユニット
161 変換デバイスユニット
163 インバータユニット
21
Claims (6)
リアクトルユニットと、変換デバイスユニットと、インバータユニットとを備え、
前記リアクトルユニットは、
複数に分割された圧粉磁性体を含むリアクトルコアであって、外周にコイルが装着される部分の断面形状が、その断面形状の角部が丸められた形状となっており、前記圧粉磁性体の間に磁気ギャップが介在しているリアクトルコアを有するリアクトルが備えられた構成である、車載用電力変換装置。 An in-vehicle power conversion device that converts battery direct current power into alternating current rated power necessary for driving a motor,
A reactor unit, a conversion device unit, and an inverter unit;
The reactor unit is
A reactor core including a powder magnetic material divided into a plurality of parts, wherein a cross-sectional shape of a portion where a coil is mounted on the outer periphery is a shape in which corners of the cross-sectional shape are rounded, and the dust magnetic An in-vehicle power converter, comprising a reactor having a reactor core in which a magnetic gap is interposed between bodies.
前記リアクトルコアにおいて、前記磁気ギャップの断面形状もその角部が丸められた形状とされている、車載用電力変換装置。 The in-vehicle power converter according to claim 1,
The in-vehicle power converter device in which the cross-sectional shape of the magnetic gap in the reactor core is a shape with rounded corners.
前記リアクトルコアにおいて、前記圧粉磁性体により形成された部分は、当該リアクトルコア内に形成される磁気回路と平行な結合面で互いに結合された複数の部分体を備えて構成されている、車載用電力変換装置。 The in-vehicle power converter according to claim 1 or 2,
In the reactor, the portion formed by the dust magnetic body is configured to include a plurality of partial bodies coupled to each other at a coupling surface parallel to a magnetic circuit formed in the reactor core. Power converter.
前記リアクトルにおいて、コイルが前記リアクトルコアに密着して隙間無く巻回されている、車載用電力変換装置。 It is an in-vehicle power converter according to any one of claims 1 to 3,
The on-vehicle power converter, wherein the coil is wound around the reactor in close contact with the reactor in the reactor.
前記複数の部分体を結合することにより構成された前記分割された圧粉磁性体を、一枚の前記磁気ギャップを挟んで貼り合せることで、前記リアクトルコアが構成されている、車載用電力変換装置。 The in-vehicle power converter according to claim 3,
In-vehicle power conversion in which the reactor core is configured by laminating the divided powder magnetic bodies configured by joining the plurality of partial bodies with the magnetic gap interposed therebetween. apparatus.
前記圧粉磁性体は多層の絶縁被覆を有する金属磁性体粒子の成形体である、車載用電力変換装置。 It is an in-vehicle power converter according to any one of claims 1 to 5,
The in-vehicle power conversion device, wherein the dust magnetic body is a molded body of metal magnetic particles having a multilayer insulation coating.
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