电抗器结构的制作方法

本申请涉及一种电抗器结构。

背景技术：

例如，在电动汽车或混合动力汽车这样的电动车辆中，具有电力转换装置以对将高电压电池的电力作为动力的马达进行驱动。出于电力的平滑、升压或降压等各种目的，在电力转换装置中使用电抗器。

在要求大电力密度的电动车辆用的电力转换装置的电抗器中，损失密度大，并且执行使用灌注剂等填充剂的强制冷却。此处的损失是电抗器的损失，是指构成电抗器的绕组和芯体产生的损失。

作为现有的电抗器，其具有：电抗器主体，所述电抗器主体包括芯体以及安装于芯体的线圈；壳体，所述壳体对电抗器主体进行收容，并且具有供电抗器主体的一部分向外部突出的开口；母线，所述母线是与线圈电连接的导电性构件，并且将从开口突出的电抗器主体的侧面的一部分覆盖；端子台，所述端子台具有延设部，所述延设部由埋入有母线的一部分的树脂材料形成，并沿着开口的边缘部设置，并且，所述端子台对母线与外部的电连接部分进行支承(参照专利文献1)。

此外，在专利文献1中，大多采用如下方式：将芯体和线圈设置于挖有防止填充剂流动的部分的壳体等，并且使填充剂流入并固化。接着，壳体被安装至电力转换装置的冷却器，发热体即线圈和芯体隔着填充剂和壳体被冷却器冷却。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2019-121665

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

电抗器的尺寸受到由散热性和损失决定的因素的制约。为了使电抗器小型化，需要提高散热性并降低损失。脉动电流是影响损失的因素，为了降低损失，需要增大电感值并减小脉动电流。然而，一般而言，为了增大电感值，不得不使电抗器大型化。此外，为了提高散热性，需要考虑将壳体设为金属制的壳体，并且将发热体即线圈和芯体设置成尽可能靠近壳体，从而减小热阻。然而，由于金属构件会阻断电抗器的漏磁通，因此，电感值会降低，损失会增大。

本发明公开了一种用于解决上述技术问题的技术，其目的在于提供一种电抗器结构，在不阻断漏磁通的情况下增加电感值，并且，利用冷却器通过冷却构件对线圈和芯体进行直接冷却，从而提高冷却性能。

解决技术问题所采用的技术方案

本申请公开的电抗器结构具有芯体，所述芯体卷绕有线圈，其中，用于对所述线圈进行冷却的绕组冷却部通过由非流动性材料构成的线圈冷却构件而与冷却器接触，并且用于对所述芯体进行冷却的芯体冷却部通过由非流动性材料构成的芯体冷却构件而与所述冷却器接触，将所述线圈和所述芯体覆盖的树脂模制构件对所述线圈和所述芯体进行保持，并且将所述线圈和所述芯体固定至所述冷却器。

发明效果

根据本申请公开的电抗器结构，能够在不阻断漏磁通的情况下增加电感值，并且利用冷却器通过冷却构件对线圈和芯体进行直接冷却，从而能够提高冷却性能。

附图说明

图1是表示实施方式一的电力转换装置的结构的概略图。

图2是表示实施方式一的电抗器结构的分解立体图。

图3是表示实施方式一的电抗器主体的结构的立体图。

图4是表示实施方式一的电抗器主体的结构的立体图。

图5是表示实施方式一的电抗器的剖视图。

图6是表示实施方式一的电抗器的芯体的结构的立体图。

图7是表示比较例的电抗器的结构的立体图。

图8是实施方式一的电抗器的与x轴方向垂直的面的剖视图。

图9是示出了比较例的电抗器结构的与x轴方向垂直的面的剖视图。

图10是表示电感值与频率的关系的图表。

图11是表示将磁耦合型电抗器用作实施方式二的电抗器的情况的侧视图。

符号说明

2电力转换装置；

4电抗器；

102线圈；

104a、104b绕组冷却部；

105芯体；

106a、106b芯体构件；

107a、107b芯体冷却部；

201树脂模制构件；

210冷却器；

220a、220b芯体冷却构件；

230a、230b线圈冷却构件。

具体实施方式

实施方式一

下面，将基于附图对本实施方式的电力转换装置进行说明。在各图中，对于相同或相似的部分，标注相同的符号，并省略重复说明。本实施方式实现用于电力转换装置的电抗器的小型化和低成本化。图1是表示实施方式一的电力转换装置的结构的概略图。在图1中，电力转换装置2是单开关式升压dc/dc转换器，其对直流输入电源1的直流电力进行升压，并将其供给至负载3。

电力转换装置2包括升压电抗器4、半导体开关元件5a、5b、输入电力平滑电容6以及输出电力平滑电容7。半导体开关元件5a、5b串联连接，其连接点(中点)n与升压电抗器4的绕组的一方端子连接。升压电抗器4的绕组的未与半导体开关元件5a、5b的连接点n连接一侧的端子与输入电力平滑电容6的正极侧端子相连。半导体开关元件5a的未连接至中点n一侧的端子与输出电力平滑电容7的正极侧端子连接。此外，半导体开关元件5b的未连接至中点n一侧的端子与输出电力平滑电容7的阴极端子以及输入电力平滑电容6的阴极端子连接。

通过半导体开关元件5a、5b的开关动作，升压电抗器4反复将电能作为磁能保持或释放来进行升压动作。在此，鉴于升压dc/dc转换器的工作原理是众所周知的，因此，省略说明。

图2是表示升压电抗器4的结构的分解立体图。图2中，升压电抗器4由升压电抗器主体200、冷却器210、芯体冷却构件220a、220b以及线圈冷却构件230a、230b构成。此外，升压电抗器主体200具有热敏电阻101、线圈102、树脂模制构件201、螺钉202以及螺钉孔203。

图3、图4是表示升压电抗器主体的结构的立体图，图3是从下侧观察到的立体图，图4是从上侧观察到的立体图。另外，在图2中，将z轴箭头方向设为上侧，将其相反一侧设为下侧，x轴、y轴是在与z轴垂直的方向上延伸的轴。此外，在图4中，示出了在升压电抗器主体200中拆除了树脂模制构件201的状态。图中，升压电抗器主体200通过树脂模制构件201覆盖热敏电阻101、线圈102以及芯体105的方式形成。

构成线圈102的两个绕组103a、103b各自的一端部在外部相互连接，各自的另一端部构成升压电抗器4的端子。此外，绕组103a、130b卷绕于芯体105，其匝数比率为1：1。此外，绕组103a、103b以各自产生的磁通在芯体105的内部朝向相同的方向(迭加连接)的方式卷绕。

树脂模制构件201具有对热敏电阻101、线圈102以及芯体105进行保持并向冷却器210固定升压电抗器主体200的功能。如图3所示的那样设置有用于对线圈102进行冷却的绕组冷却部104a、104b以及用于对芯体105进行冷却的芯体冷却部107a、107b，并且，在这些部分处未通过树脂模制进行覆盖。在不损害功能的范围内，其它部分也可设置成未通过树脂模制覆盖。此外，绕组冷却部104a、104b和芯体冷却部107a、107b设置于电抗器下部，不过，并不限于此。例如，如图5所示，能够设置于电抗器的上部u或侧面s1、s2。根据电抗器和冷却器210的形状而在适当的部位设置冷却部，由此，能够提高冷却性能。

绕组冷却部104a、104b和芯体冷却部107a、107b分别通过芯体冷却构件220a、220b和线圈冷却构件230a、230b与冷却器210接触。芯体冷却构件220a、220b以及线圈冷却构件230a、230b分别构成为独立的构件，不过，并不限于此，例如，也可集成而设置成一个冷却构件。此外，如图2所示，在冷却器210设置有用于放置芯体冷却构件220a、220b的座部211a、211b。

构成芯体冷却构件220a、220b以及线圈冷却构件230a、230b的冷却构件的材料由半固体或固体这样的非流动性材料构成，例如是硅酮类散热片、固化型硅酮类间隙填料、还有散热润滑油等。通过如上所述那样采用非流动性材料，不需要设置在使用流动性材料(灌注剂)时所需要的用于防止冷却构件流动的挖孔结构。通过剔除挖孔结构，从而不再设置覆盖电抗器侧面的金属构件，并且电感变大，因此，能够实现电抗器的小型化。

图6是表示升压电抗器4的芯体105的结构的立体图。芯体105通过两个芯体构件106a、106b构成，各自的端部在芯体构件端部对接部108a、108b处接触。在该状态下，树脂模制构件201将芯体105固定。此处，示出了芯体105由两个芯体构件构成的例子，不过，并不限于此。

下面，对具有比较例的结构的升压电抗器中的技术问题进行说明。电抗器产生与电流变化相应的感应电压，电流变化与感应电压之比为自感l。在电力转换装置2中，对于每一动作模式，应产生的感应电压由输入电压vin、vout确定，因此，处于升压动作中的升压电抗器4产生与自感l相应的脉动电流。

脉动电流增大会导致升压电抗器4的绕组损失增大以及输入电力平滑电容6、输出电力平滑电容7、半导体开关元件5a、5b的损失增大。

也就是说，关于脉动电流与绕组损失的关系，绕组中产生的损失被分成直流电流分量引起的直流损失以及脉动分量引起的交流损失。若将交流损失设为wcoil_ac[w]，将rcoil[ω]设为绕组电阻并将irip[arms]设为脉动电流值，那么，交流损失wcoil_ac[w]通过下述(1)式表示。

wcoil_ac＝irip²×rcoil……(1)

如此一来，由于交流损失与脉动电流值的平方成比例，因此，脉动电流的增大将导致损失的增大。

此外，关于输入电力平滑电容6和输出电力平滑电容7，若将电容中产生的损失设为wco[w]，将esrco[ω]设为电容的电阻分量并将ico[arms]设为在电容中流动的电流，则电容损失通过下述(2)式表示。

wco＝ico²×esrco……(2)

在电容中流动的电流ico与输入电力平滑电容6和输出电力平滑电容7一起随着电抗器的脉动电流的增加而增大，因此，若脉动电流增大，则各自的损失将增加。

对于半导体开关元件而言也同样如此，若电抗器的脉动电流增大，则在半导体开关元件中流动的电流的脉动也变大，从而构成半导体开关元件的构件的损失增大。

根据上述说明可知，从损失和发热的观点来看，较佳的是，增大自感l并减小脉动电流。

电抗器的电感值l通过下述(3)式表示。

l＝n²×(μr·μ0·s)/lc……(3)

此处，lc是芯体磁路长度，μr是芯体的比磁导率，μ0是真空磁导率。

为了增大电感值l，一般而言，可以采用增大线圈匝数n的方法，或者采用增大芯体截面积s的方法。

制约电抗器的尺寸的主要因素是散热性和损失。在使电抗器小型化时，期望增大电感值并减少损失量。然而，在通过上述方法增加了电感值的情况下，存在电抗器大型化这一技术问题，其小型化存在界限。

图7是表示比较例的升压电抗器的结构的立体图。图7中，升压电抗器主体300的线圈和芯体与图2所示的升压电抗器主体200的相同。图7中，升压电抗器主体300具有热敏电阻101、线圈102、壳体301、填充剂302以及芯体模制构件303。

芯体模制构件303覆盖芯体，并且具有保护芯体表面以及对线圈102进行定位的功能。填充剂302例如由硅酮类灌注剂构成，其具有对线圈102和芯体进行冷却以及对芯体进行固定的功能。壳体301具有防止填充剂302流出的功能。

为了提高散热性能，壳体301采用铝等金属构件，并且，该壳体301设置成靠近发热体即线圈102、芯体。在电抗器附近存在金属构件的情况下，金属构件阻断电抗器产生的漏磁通。此处，漏磁通是指从电抗器的芯体或线圈直接向空间中释放的磁通。漏磁通也影响电感值，当漏磁通减少时，自感值降低。因此，虽然壳体301提高了散热性能，但存在电抗器的损失量增大这一技术问题。

本实施方式是为了解决上述技术问题而形成的，在本实施方式的电力转换装置2的升压电抗器4中，能够维持高散热性，并且，通过将电抗器的保持机构设为树脂构件，能够活用较多的漏磁通。由此，能够在不改变线圈、芯体的结构的情况下增大电感值。此外，能够降低电抗器的损失，并且，能够实现小型化，进行廉价生产。

下面，对本实施方式的电力转换装置的升压电抗器4的效果进行说明。图8是本实施方式的升压电抗器的与x轴方向垂直的面的剖视图。图9是示出了比较例的升压电抗器结构的与x轴方向垂直的面的剖视图。

图9中，在比较例的升压电抗器中，由于填充剂302具有固定线圈和芯体的功能，因此，需要使用金属制的壳体301覆盖到电抗器的侧面。因此，从线圈和芯体产生的漏磁通9形成为y轴方向的漏磁通被壳体301阻断的状态。

与之相对地，在图8中，在本实施方式的升压电抗器中，通过利用树脂模制构件201来固定升压电抗器主体200，能够剔除对冷却构件进行固定的功能，能够使冷却面局部化。即，在本实施方式中，如图8所示，冷却面仅为芯体冷却构件220a、220b以及线圈冷却构件230b的三个面，因此，能够使冷却面局部化。与之相对地，在图9中，冷却面形成为填充剂302整体，因此，不仅涉及到线圈102和芯体106的底面，还涉及到线圈102和芯体106的侧面，因此，无法使冷却面局部化。由此，在本实施方式中，不需要覆盖电抗器的侧面的金属制的壳体。因此，从线圈和芯体产生的漏磁通8也能够在y轴方向上扩散，作为磁通量，比图9所示的漏磁通9多，因此，电感值增大。在本实施方式中，构成为通过树脂模制构件201所具有的固定部将芯体和线圈等固定至冷却器210。

此外，比较例的升压电抗器的线圈、芯体隔着填充剂302、壳体301、散热润滑油320被冷却器310冷却，与之相对地，本实施方式的升压电抗器4的线圈102、芯体105分别通过线圈冷却构件230a、230b、芯体冷却构件220a、220b被冷却器210直接冷却。因此，能够减小到达冷却器210的热阻，提高冷却性能。

此外，由于不需要金属制的壳体，因此，能够使电抗器主体小型化，能够进行廉价生产。

在电力转换装置2中，在箱体或将母线等的电抗器的一表面覆盖的箱体这样的大型金属构件配置在升压电抗器4附近的情况下，会对本实施方式的效果产生影响。为了充分发挥本实施方式的效果，需要确保可产生漏磁通的区域。较为理想的是，除了具有冷却部的面以外，确保从磁通的发生源即线圈、芯体端部起至少10mm以上的空间，即，使所述大型金属构件距离线圈、芯体端部至少10mm以上。不过，若是通过螺钉对端子台等进行紧固的小型金属构件，则能够无视其影响。

如图7所示，比较例的升压电抗器的芯体通过填充剂302固定，但是，填充剂的硬度小，仅通过填充剂302是无法以使芯体构件106a、106b的芯体构件端部对接部108a、108b接触的状态进行固定的。因此，需要通过粘接剂来固定芯体构件端部对接部108a、108b。与之相对地，在本实施方式的升压电抗器4中，在使芯体构件106a、106b的端部彼此对接的状态下，通过树脂模制构件201进行模制。因此，能够持续施加进行模制时产生的热收缩而引起的应力，从而能够以使芯体构件端部对接部108a、108b对接的状态进行固定。因此，不会存在比较例的升压电抗器中的下述隐患：由于使用了粘接剂，因此，若温度变高，则粘接剂可能失效，从而电抗器可能失效。由此，即使在更高的温度下，也能够使电抗器动作，从而进一步实现电抗器的小型化。

作为本实施方式的升压电抗器中的芯体，可以考虑使用铁粉芯体(压粉磁芯)。铁粉芯体的饱和磁密度大，适用于大电力，但磁导率较小。因此，漏磁通产生的电感值相对芯体产生的电感值的比例变大，因此，发挥大电感的增大效果。特别地，在应用磁导率小的铁粉芯体即铁硅铝磁芯(sendust)的情况下，能够发挥显著的效果。不过，本实施方式的应用对象不限于此，也可将磁导率高的铁氧体或电磁钢板等用作芯体。由此，起到与上述相同的效果。

图10是表示电感值与频率的关系的图表，示出了本实施方式的升压电抗器的电感值与比较例的升压电抗器的电感值的比较。图10中，水平轴表示频率，纵轴表示以本实施方式的升压电抗器的100hz时的电感为基准的电感的比率，虚线表示本实施方式的升压电抗器，实线表示比较例的升压电抗器。金属构件对漏磁通的阻断是金属箱体中产生的涡电流引起的，其根据频率(磁通变化量)而变化较大。即，随着频率变高，磁通的阻断效果变大。如图10所示，特别地，在电力转换装置2的半导体开关元件5a、5b的驱动频率为1khz以上的情况下，在本实施方式中，电感的减少较少，在比较例的升压电抗器中，减少率较大。因此，在本实施方式中，在电力转换装置的驱动频率为1khz以上的情况下，尤其能起到效果。

如上所述那样，根据本实施方式，通过设置成能够维持高散热性且能够活用较多的漏磁通的结构，能够在不改变线圈以及芯体的材料、结构的情况下增大电感值并降低损失。即，根据本实施方式的电抗器结构，通过设置成将电抗器的保持机构设为树脂构件的结构，能够在不阻断漏磁通的情况下增加电感值。此外，由于能够利用冷却器通过冷却构件对线圈和芯体进行直接冷却，因此，能够提高冷却性能。此外，能够实现电抗器结构的小型化，从而能够进行廉价生产。

实施方式二

在上述说明部分中，关于电力转换装置的升压电抗器主体200，对两个绕组103a、103b迭加连接而形成一个线圈的情况进行了说明。迭加连接是以在芯体内部形成磁路为前提的。与之相对地，在应用于以在芯体外部形成磁路并将漏磁通作为电感进行利用为前提的电力转换装置和电抗器结构的情况下，能起到更高的效果。即，能够进一步增大电感值。在以将漏磁通作为电感进行利用为前提的电抗器中，漏磁通的绝对量变大，且相对在芯体产生的电感值的比例变大。因此，相对而言，在本实施方式中，能够获得较大的漏磁通的增加效果。

例如，作为电力转换装置的例子，能够列举由具有多个绕组的升压电抗器构成的多级式升压转换器。此外，作为升压电抗器的例子，例如能够考虑使各绕组产生的磁通互相抵消(差动连接)的磁耦合型电抗器。图11是表示将磁耦合型电抗器用作升压电抗器的情况的侧视图。图11中，芯体1102卷绕有线圈1101，并产生有磁通m。另外，至于冷却构件、冷却器以及树脂模制构件与芯体1102、线圈1101的位置关系，与实施方式一所示的相同。

此外，作为本实施方式的电力转换装置的电路结构，示出了升压dc/dc转换器，但这仅为一例，电力转换装置也可由ac/dc转换电路、绝缘型降压dc/dc转换电路等其它电路构成。在该情况下，也能够起到与上述相同的效果。

此外，对于上述构成部件的个数、尺寸以及材料等，能够进行适当改变。

另外，本申请记载有各种各样的例示的实施方式和实施例，但一个或多个实施方式所记载的各种各样的特征、方式以及功能并不局限于应用于特定的实施方式，能单独或以各种组合的方式应用于实施方式。

因此，未被例示的无数的变形例被设想在本申请所公开的技术范围内。例如，包含对至少一个构成要素进行变形的情况、追加的情况或省略的情况，还包含将至少一个构成要素抽出并与其它实施方式的构成要素组合的情况。