电抗器以及电力转换装置

文档序号:174401 发布日期:2021-10-29 浏览:19次 >En<

阅读说明:本技术 电抗器以及电力转换装置 (Reactor and power conversion device ) 是由 朝日俊行 小谷淳一 稻垣繁之 于 2020-03-19 设计创作,主要内容包括:电抗器具备:芯体;和卷绕于芯体而相互磁耦合的第一至第四线圈。第一与第二线圈的耦合系数K12、第一与第三线圈的耦合系数K13、第一与第四线圈的耦合系数K14满足K13>K12且K13>K14的关系,第二与第三线圈的耦合系数K23、第二与第四线圈的耦合系数K24、第三与第四线圈的耦合系数K34满足K24>K23且K24>K34的关系。或者,芯体的第一轴部的第二方向的宽度比第一轴部的第三方向的宽度短,第二轴部的第二方向的宽度比第二轴部的第三方向的宽度短,第三轴部的第二方向的宽度比第三轴部的第三方向的宽度短,第四轴部的第二方向的宽度比第四轴部的第三方向的宽度短。或者,从第一方向来看,交叉于第一线圈的中心轴和第四线圈的中心轴的直线与交叉于第二线圈的中心轴和第三线圈的中心轴的直线在芯体的柱部相交。该电抗器即使为低负载也难以产生电力转换效率的降低。(The reactor is provided with: a core body; and first to fourth coils wound around the core and magnetically coupled to each other. The coupling coefficient K12 of the first and second coils, the coupling coefficient K13 of the first and third coils, the coupling coefficient K14 of the first and fourth coils satisfy the relationship of K13 &gt; K12 and K13 &gt; K14, and the coupling coefficient K23 of the second and third coils, the coupling coefficient K24 of the second and fourth coils, the coupling coefficient K34 of the third and fourth coils satisfy the relationship of K24 &gt; K23 and K24 &gt; K34. Alternatively, the width of the first shaft portion of the core body in the second direction is shorter than the width of the first shaft portion in the third direction, the width of the second shaft portion in the second direction is shorter than the width of the second shaft portion in the third direction, the width of the third shaft portion in the second direction is shorter than the width of the third shaft portion in the third direction, and the width of the fourth shaft portion in the second direction is shorter than the width of the fourth shaft portion in the third direction. Alternatively, when viewed from the first direction, a straight line intersecting the central axis of the first coil and the central axis of the fourth coil intersects a straight line intersecting the central axes of the second coil and the third coil at the pillar portion of the core. This reactor is less likely to cause a reduction in power conversion efficiency even with a low load.)

电抗器以及电力转换装置

技术领域

本公开涉及具有芯体的电抗器以及具备其的电力转换装置。

背景技术

例如专利文献1中公开了一种具备单一的变压器和多个电感器的现有的复合型变压器(电抗器)。

专利文献1中公开了3相电抗器相互磁耦合的3相磁耦合电抗器。该3相磁耦合电抗器具备3轴芯体、3个各相线圈、6面体芯体。3轴芯体沿着相互正交的3轴,具有从中心部向6个方向分别突出的突出部。3个各相线圈分别卷绕于3轴芯体的各轴。此外,6面体芯体具有能够在内部容纳分别卷绕有相线圈的3轴芯体的收纳空间,具有与3轴芯体的6个突出部对置的6个内壁面。专利文献1中公开了在该3相磁耦合电抗器中,能够提高空间的利用效率。

在先技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2011-204946号公报

发明内容

电抗器具备:芯体;和卷绕于芯体而相互磁耦合的第一至第四线圈。第一与第二线圈的耦合系数K12、第一与第三线圈的耦合系数K13、第一与第四线圈的耦合系数K14满足K13>K12并且K13>K14的关系,第二与第三线圈的耦合系数K23、第二与第四线圈的耦合系数K24、第三与第四线圈的耦合系数K34满足K24>K23并且K24>K34的关系。或者,芯体的第一轴部的第二方向的宽度比第一轴部的第三方向的宽度短,第二轴部的第二方向的宽度比第二轴部的第三方向的宽度短,第三轴部的第二方向的宽度比第三轴部的第三方向的宽度短,第四轴部的第二方向的宽度比第四轴部的第三方向的宽度短。或者,在第一方向观察,交叉于第一线圈的中心轴和第四线圈的中心轴的直线与交叉于第二线圈的中心轴和第三线圈的中心轴的直线在芯体的柱部相交。

该电抗器即使低负载也难以产生电力转换效率的降低。

附图说明

图1A是表示对本公开的实施方式所涉及的电抗器的一部分进行透视的状态的外观立体图。

图1B是实施方式所涉及的电抗器的外观立体图。

图2是实施方式所涉及的电抗器的芯体的外观立体图。

图3是图2所示的芯体的线III-III处的剖视图。

图4是图1B所示的电抗器的线IV-IV处的剖视图。

图5A是图4所示的电抗器的线VA-VA处的剖视图。

图5B是图4所示的电抗器的线VB-VB处的剖视图。

图5C是图4所示的电抗器的线VC-VC处的剖面立体图。

图6A是图4所示的电抗器的线VIA-VIA处的剖视图。

图6B是图4所示的电抗器的线VIB-VIB处的剖视图。

图6C是图4所示的电抗器的线VIC-VIC处的剖面立体图。

图7A是实施方式中的电抗器的侧视图。

图7B是实施方式中的电抗器的主视图。

图8是实施方式所涉及的电力转换装置的电路图。

具体实施方式

以下,基于附图来对本公开的实施方式进行说明。但是,以下说明的实施方式仅仅是本公开的各种实施方式之一。下述的实施方式若能够达成本公开的目的,则能够根据设计等而进行各种变更。

(1)概要

图1A和图1B是本实施方式的电抗器1的外观立体图。图1A表示对电抗器1的一部分进行透视的状态。图2是电抗器1的芯体3的外观立体图。电抗器1具备芯体3和卷绕于芯体3的多个线圈2。多个线圈2包含4个线圈21~24。

本实施方式的电抗器1是2相以上的多相的磁耦合型的电抗器,具有将4个线圈2磁耦合的磁耦合功能、和蓄积磁能量的电感器功能。

图3是图2所示的芯体3的线III-III处的剖视图。图4是图1B所示的电抗器1的线IV-IV处的剖视图。图5A是图4所示的电抗器1的线VA-VA处的剖视图。图5B是图4所示的电抗器1的线VB-VB处的剖视图。图5C是图4所示的电抗器1的线VC-VC处的剖面立体图。图6A是图4所示的电抗器1的线VIA-VIA处的剖视图。图6B是图4所示的电抗器1的线VIB-VIB处的剖视图。图6C是图4所示的电抗器1的线VIC-VIC处的剖面立体图。图7A和图7B是实施方式中的电抗器的侧视图。

芯体3具有矩形的框形状,被卷绕4个线圈2(21~24)。芯体3形成磁路,将2个以上的线圈2相互磁耦合。芯体3构成为将通过线圈2中流过电流而产生的磁通蓄积为磁能量。另外,芯体3可以是闭磁路,也可以不是闭磁路而是开磁路。

如图5A至图5C、图6A至图6C所示,芯体3具有多个耦合磁路。详细地,芯体3具有:通过线圈21的内侧和线圈22的内侧的耦合磁路L12、通过线圈21的内侧和线圈23的内侧的耦合磁路L13、通过线圈21的内侧和线圈24的内侧的耦合磁路L14。此外,芯体3还具有:通过线圈22的内侧和线圈23的内侧的耦合磁路L23、通过线圈22的内侧和线圈24的内侧的内侧的耦合磁路L24。此外,芯体3还具有通过线圈23的内侧和线圈24的内侧的内侧的耦合磁路L34。

在本实施方式的电抗器1中,线圈21与线圈22的耦合系数K12、线圈21与线圈23的耦合系数K13、线圈21与线圈24的耦合系数K14满足下述式(1)的关系。

K13>K12,并且K13>K14···(1)

进一步地,在电抗器1中,线圈22与线圈23的耦合系数K23、线圈22与线圈24的耦合系数K24、线圈23与线圈24的耦合系数K34满足,下述式(2)的关系。

K24>K23,并且K24>K34···(2)

本实施方式的电抗器1通过耦合系数K12、K13、K14、K23、K24、K34满足上述关系,从而即使在2相驱动模式、即线圈21、22、23、24之中的2个线圈2中流过电流的情况下,电力转换效率也难以降低。这是由于在电抗器1的2相驱动时,通过使用耦合系数较高的2个线圈,从而电抗器1得到较高的直流叠加效果。因此,电抗器1即使在多个线圈2之中的一个以上的线圈2中不流过电流的情况、即以低负载使其驱动的情况下,也能够不使电力转换效率降低。本实施方式的电抗器1即使通过以高负载使其驱动的4相驱动、即线圈21、22、23、24中分别流过电流从而使电抗器1驱动,也难以产生半导体开关的开关损耗。因此,电抗器1即使在流过较大的电流的情况下,也可得到磁耦合的效果,能够得到较高的直流叠加效果。因此,电抗器1能够达成较高的电力转换效率。另外,电抗器1通过得到直流叠加效果,也可得到电感难以减小的效果。

电力转换装置的损耗具有伴随着开关的损耗等的无负载时也产生的损耗、和基于负载的损耗。在多相驱动的电力转换装置中,有时通过在低负载时减少流过电流从而使其驱动的线圈的数量(以下记为“驱动相数”),来减少无负载损耗并提高效率。多相耦合电抗器通过将基于直流电流的磁通相互抵消,来实现直流叠加特性的提高、小型化。但是,在专利文献1中公开的电抗器中,在低负载的情况下,与其相应地,若减少流过电流从而使其驱动的线圈的数量,则磁通的抵消变得不充分,担心直流叠加特性恶化并使电力转换效率降低。

对此,本实施方式的电抗器1如前述那样,即使在减少驱动相数的情况下、即以低负载使其驱动的情况下,也能够不使电力转换效率降低。

另外,所谓耦合系数,是指2个线圈间的磁耦合的耦合系数。线圈21产生的总磁通之中的通过耦合磁路L12的磁通相对于上述总磁通的比例为线圈21、22的磁耦合的耦合系数K12。此外,线圈21产生的总磁通之中的通过耦合磁路L13的磁通相对于上述总磁通的比例为线圈21、23的磁耦合的耦合系数K13。此外,线圈21产生的总磁通之中的通过耦合磁路L14的磁通相对于上述总磁通的比例为线圈21、24的磁耦合的耦合系数K14。同样地,线圈22产生的总磁通之中的通过耦合磁路L23的磁通相对于上述总磁通的比例为线圈22、23的磁耦合的耦合系数K23。线圈22产生的总磁通之中的通过耦合磁路L24的磁通相对于上述总磁通的比例为线圈22、24的磁耦合的耦合系数K24。此外,线圈24产生的总磁通之中的通过耦合磁路L34的磁通相对于上述总磁通的比例为线圈23、24的磁耦合的耦合系数K34。

(2)详细

(2-1)电抗器

以下,参照图1A至图7B,对本实施方式的电抗器1的详细结构来详细进行说明。另外,在图1A至图7B中,示意性地表示线圈2(线圈21、22、23、24)的结构,可能与实际的匝数不同。此外,在图1A至图7B中,省略线圈2(线圈21、22、23,4)的各个两端部的图示。

4个线圈2即线圈21、22、23、24分别以中心轴21C、22C、23C、24C为中心而卷绕。中心轴21C、22C、23C、24C在方向D1延伸。线圈21、23在与方向D1呈直角的方向D2排列。线圈22、24在方向D2排列。线圈21、22在与方向D1、D2呈直角的方向D3排列。线圈23、24在方向D3排列。

首先,参照图2来对芯体3的构造进行说明。芯体3具有:轴部301、302、303、304、连接部341、342、柱部35。如图2所示,轴部301、302、303、304与柱部35沿着方向D1延伸。轴部301、303在方向D2排列,轴部302、304在方向D2排列。此外,轴部301、302在方向D3排列,轴部303、304在方向D3排列。柱部35从轴部301与轴部303之间的位置配置到轴部302与轴部304之间的位置。柱部35与轴部301在与方向D1呈直角的方向排列。

连接部341、342沿着方向D1相互隔开间隔而排列。轴部301、302、303、304和柱部35的各自的方向D1的一个端部与连接部341连接,另一个端部与连接部342连接。即,连接部341通过轴部301、302、303、304和柱部35而连接于连接部342。

在芯体3中,在轴部301卷绕线圈21,在轴部302卷绕线圈22,在轴部303卷绕线圈23,在轴部304卷绕线圈24。轴部301被设置于线圈21的内侧并沿着中心轴21C延伸。轴部302被设置于线圈22的内侧并沿着中心轴22C延伸。轴部303被设置于线圈23的内侧并沿着中心轴23C延伸。轴部304被设置于线圈24的内侧并沿着中心轴24C延伸。

轴部301、302、303、304的与方向D1呈直角的剖面的形状如图1A、图2至图4所示,是在方向D3较长地延伸并且方向D2的两端是圆弧状的长圆形状。轴部301~304的各自的剖面的形状并不限制为前述,例如也可以是矩形状,也可以是至少一部分具有圆弧并具有周缘部的矩形状,或者也可以是圆形状等其他形状。此外,例如图1B所示那样从方向D1来看,连接部341、342分别具有具备矩形状的平板形状,该矩形状具备4个具有圆弧的角部,但并不局限于此。

柱部35沿着方向D2而从轴部301、302之间的位置形成到轴部303、304之间的位置。轴部301、303在方向D2排列,轴部302、304在方向D2排列。轴部301、柱部35和轴部302在方向D3排列,轴部303、柱部35和轴部304在方向D3排列。

柱部35具有减弱设置为夹着柱部35的线圈2之间的磁耦合的功能。柱部35能够有助于本实施方式中的耦合系数的关系的实现。详细后述。

在本实施方式中,线圈22的中心轴22C、线圈23的中心轴23C、线圈24的中心轴24C均与线圈21的中心轴21C一起沿着方向D1延伸。线圈21、22在与方向D1呈直角的方向D3排列,线圈21、23在与方向D1呈直角的方向D2排列,线圈21、24在与方向D1呈直角的方向D4排列,线圈22、23在与方向D1呈直角且与方向D2、D3不同的方向D5排列。此外,线圈21、22在方向D3排列,线圈23、24在方向D3排列。进一步地,线圈21、23在方向D2排列,线圈22、24在方向D2排列。并且,如图3所示,轴部301、302、303、304的方向D2的宽度W1比方向D3的宽度W2短。因此,能够容易调整电抗器1的耦合系数K12、K13、K14、K23、K24、K34,由此,电抗器1即使减少多个线圈的驱动相数,以低负载使其驱动,电力转换效率也难以降低。

芯体3在方向D3,具有被轴部301、303和连接部341、342包围并在方向D3开口的开口部351、被轴部302、304和连接部341、342包围并在方向D3开口的开口部352。开口部351、352在方向D3排列,在开口部351与开口部352之间形成柱部35。在开口部351,卷绕于轴部301的线圈21的一部分通过,卷绕于轴部303的线圈23的一部分通过。此外,在开口部352,卷绕于轴部302的线圈22的一部分通过,卷绕于轴部304的线圈24的一部分通过。

此外,芯体3具有在方向D2贯通的贯通孔361、362。贯通孔361、362夹着柱部35而在方向D3排列。贯通孔361是被轴部301、303、柱部35、连接部341、342包围的空间的一部分,贯通孔362是被轴部302、304、柱部35、连接部341、342包围的空间的一部分。在贯通孔361,卷绕于轴部301的线圈21的一部分、卷绕于轴部303的线圈23的一部分通过。在贯通孔362,卷绕于轴部302的线圈22的一部分、卷绕于轴部304的线圈24的一部分通过。

在本实施方式中,芯体3一体地形成。这里所谓的一体,并不局限于一体成形的结构,也包含通过粘结剂等将多个部件接合的结构。优选芯体3包含金属磁性材料。具体地说,芯体3例如通过以铁/硅/铝(Fe/Si/Al)、铁/镍(Fe/Ni)、铁/硅(Fe/Si)等的合金为材料的磁粉磁芯(压粉磁芯)而形成。

芯体3的柱部35不被配置于线圈21、22、23、24的任意的内侧,而被配置于线圈21、22、23、24的任意的外侧。线圈21、23与芯体3的柱部35交叉并且以与方向D3呈直角的平面P35为基准而位于相同侧。线圈22、24以平面P35为基准而位于相同侧并且位于与线圈21、23相反的一侧。线圈21不隔着芯体3等的磁性体而与线圈23对置。线圈22不隔着芯体3等的磁性体而与线圈24对置。线圈22、24均隔着柱部35而与线圈21、23对置。进一步地,如图4所示,从方向D1来看,交叉于线圈21的中心轴21C和线圈24的中心轴24C的直线S14与交叉于线圈22的中心轴22C和线圈23的中心轴23C的直线S23在柱部35相交。直线S14、S23与方向D1为直角。即,从方向D1来看,交叉于线圈21的中心轴21C和线圈24的中心轴24C并且与方向D1呈直角的直线S14和交叉于线圈22的中心轴22C和线圈23的中心轴23C并且与方向D1呈直角的直线S23在柱部35相交。因此,能够容易调整电抗器1的耦合系数K12、K13、K14、K23、K24、K34,由此,即使以低负载驱动电抗器1,也能够难以降低电力转换效率。

另外,电抗器1中的耦合系数K12、K13、K14、K23、K24、K34只要满足上述的式(1)和式(2),柱部35的位置就不被限定。此外,该情况下,交叉于线圈21的中心轴21C和线圈24的中心轴24C的直线与交叉于线圈22的中心轴22C和线圈23的中心轴23C的直线也可以从方向D1来看不在柱部35相交。

接下来,对本实施方式的电抗器1中的线圈2(线圈21~24)的结构进行说明。

线圈21由以中心轴21C为中心而卷绕于轴部301的平角状的导电线构成。线圈22由以中心轴22C为中心而卷绕于轴部302的平角状的导电线构成。线圈23由以中心轴23C为中心而卷绕于轴部303的平角状的导电线构成。线圈24由以中心轴24C为中心而卷绕于轴部304的平角状的导电线构成。

在中心轴21C、22C、23C、24C的方向D1来看,线圈21、22、23、24卷绕为长圆形状(参照图4)。线圈21的匝数、线圈22的匝数、线圈23的匝数以及线圈24的匝数相互为相同数目。另外,线圈21的匝数、线圈22的匝数、线圈23的匝数以及线圈24的匝数能够根据设计来适当变更。线圈21的匝数、线圈22的匝数、线圈23的匝数以及线圈24的匝数也可以是相互不同的数目。线圈21、22、23、24并不局限于平角状的导电线,也可以由剖面为圆形的导电线构成。

通过线圈2(线圈21、22、23、24)的至少一个中流过电流,从流过电流的线圈2产生磁通(直流磁通)。线圈21、22、23、线圈24产生的直流磁通的朝向根据线圈21、22、23、24各自的卷绕方向、分别流过线圈21、22、23、24的电流的朝向而被决定。这里所谓的直流磁通,是指通过分别流过线圈21、22、23、24的直流电流而产生的磁通。在实施方式中,线圈21、22相互的卷绕方向相同。

芯体3形成线圈21、22、23、24分别通电时产生的磁通通过的耦合磁路L12、L13、L14、L23、L24、L34。这些耦合磁路包含轴部301、302、303、304和连接部341、342。线圈21、22通过芯体3中的耦合磁路L12而相互磁耦合。线圈21、23通过芯体3中的耦合磁路L13而相互磁耦合。线圈21、24通过芯体3中的耦合磁路L14而相互磁耦合。此外,线圈22、23通过芯体3中的耦合磁路L23而相互磁耦合。线圈22、24通过芯体3中的耦合磁路L24而相互磁耦合。线圈23、24通过芯体3中的耦合磁路L34而相互磁耦合。换言之,芯体3将线圈21、22相互磁耦合,将线圈21、23相互磁耦合,将线圈21、24相互磁耦合,将线圈22、23相互磁耦合,将线圈22、24相互磁耦合,将线圈23、24相互磁耦合。因此,在电抗器1中,通过芯体3中的轴部301、302、303、304的至少一个,可实现将线圈21、22、23、24之中的至少一个产生的磁能量蓄积/释放的电感器功能。

线圈21、22、23、24分别卷绕于轴部301、302、303、304。因此,线圈21、22、23、24产生的磁通通过芯体3中的多个磁路(轴部301、302、303、304、连接部341、342和柱部35)。由此,例如若线圈21中流过电流,从线圈21产生磁通,则线圈21、22被相互磁耦合,线圈21、23被相互磁耦合,线圈21、24被相互磁耦合。若线圈22中流过电流,从线圈22产生磁通,则线圈22、23被相互磁耦合,线圈22、24被相互磁耦合,线圈22、21被相互磁耦合。若线圈23中流过电流,从线圈23产生磁通,则线圈23、21被相互磁耦合,线圈23、22被相互磁耦合,线圈23、24被相互磁耦合。若线圈24中流过电流,从线圈24产生磁通,则线圈24、21被相互磁耦合,线圈24、22被相互磁耦合,线圈24、23被相互磁耦合。换句话说,通过芯体3,可实现将多个线圈2之中的2个线圈相互磁耦合的磁耦合功能。

电抗器1中的芯体3具有基于线圈2(线圈21、22、23、24)的磁通通过的路径即多个磁路。芯体3所具有的磁路中包含耦合磁路和非耦合磁路。这里所谓的耦合磁路,是通过线圈21、22、23、24分别产生的磁通而与其他线圈之间形成的磁通的耦合所产生的路径。耦合磁路包含:通过线圈21的内侧与线圈22的内侧的耦合磁路L12、通过线圈21的内侧与线圈23的内侧的耦合磁路L13、通过线圈21的内侧与线圈24的内侧的耦合磁路L14。此外,耦合磁路还包含:通过线圈22的内侧与线圈23的内侧的耦合磁路L23、通过线圈22的内侧与线圈24的内侧的耦合磁路L24、通过线圈23的内侧与线圈24的内侧的耦合磁路L34。所谓非耦合磁路,是指不产生通过多个线圈2之中的一个线圈2产生的磁通而与其他任意的线圈2之间形成的磁通的路径。

具体地说,在芯体3,形成例如轴部301中线圈21的通电时产生的磁通通过的磁路P1(例如参照图5A~图5C)。即,磁路P1是线圈21产生的磁通通过的路径。磁路P1中包含耦合磁路L12、L13、L14。

磁路P1例如通过处于线圈21的内侧的轴部301、连接部341、处于线圈23的内侧的轴部303、连接部342。例如,通过线圈21中流过电流,如图5A所示,产生磁通Y13。此外,磁路P1例如通过处于线圈21的内侧的轴部301、连接部341、柱部35、处于线圈22的内侧的轴部302、连接部342。例如,通过线圈21中流过电流,如图5B所示,产生磁通Y11、Y12。此外,磁路P1例如通过处于线圈21的内侧的轴部301、连接部341、柱部35、处于线圈24的内侧的轴部304、连接部342。例如,通过线圈21中流过电流,如图5C所示,产生磁通Y10、Y14。即,磁通Y10、Y11、Y12、Y13、Y14通过的路径包含于磁路P1。另外,磁通Y10、Y11、Y12、Y13、Y14是概念性地所示的磁通,通过磁路P1的磁通并不局限于此。

此外,在芯体3,形成轴部302中线圈22的通电时产生的磁通通过的磁路P2。即,磁路P2是线圈22产生的磁通通过的路径。磁路P2中包含耦合磁路L12、L23、L24。磁路P2通过处于线圈22的内侧的轴部302、连接部341、柱部35、处于线圈21的内侧的轴部301、连接部342。此外,磁路P2通过处于线圈22的内侧的轴部302、连接部341、柱部35、处于线圈23的内侧的轴部303、连接部342。此外,磁路P2通过处于线圈22的内侧的轴部302、连接部341、处于线圈24的内侧的轴部304、连接部342。

此外,在芯体3,形成轴部303中线圈23的通电时产生的磁通通过的磁路P3。即,磁路P3是线圈23产生的磁通通过的路径。磁路P3中包含耦合磁路L13、L24、L34。磁路P3通过处于线圈23的内侧的轴部303、连接部341、处于线圈21的内侧的轴部301、连接部342。此外,磁路P3通过处于线圈23的内侧的轴部303、连接部341、柱部35、处于线圈22的内侧的轴部302、连接部342。此外,磁路P3通过处于线圈23的内侧的轴部303、连接部341、处于线圈24的内侧的轴部304、连接部342。

此外,在芯体3,形成轴部304中线圈24的通电时产生的磁通通过的磁路P4。即,磁路P4是线圈24产生的磁通通过的路径。磁路P4中包含耦合磁路L14、L24、L34。磁路P4通过处于线圈24的内侧的轴部304、连接部341、柱部35、处于线圈21的内侧的轴部301、连接部342。此外,磁路P4通过处于线圈24的内侧的轴部304、连接部341、处于线圈22的内侧的轴部302、连接部342。此外,磁路P4通过处于线圈24的内侧的轴部304、连接部341、处于线圈23的内侧的轴部303、连接部342。

这里,本实施方式的电抗器1如已经叙述那样,耦合系数K12、K13、K14满足所述式(1),并且耦合系数K12、K23、K24满足所述式(2)。

线圈21、23的耦合系数K13大于线圈21、22的耦合系数K12、线圈21、24的耦合系数K14。并且,线圈22、24的耦合系数K24大于线圈21、22的耦合系数K12、线圈23、24的耦合系数K34。即,线圈21、23的磁耦合比线圈21、22的磁耦合、线圈21、24的耦合系数强。并且,线圈22、24的磁耦合比线圈21、22的磁耦合、线圈23、24的耦合系数强。因此,电抗器1在使多个线圈2驱动时,即使减少驱动的线圈2的数量,切换流过电流的线圈2,也可得到磁耦合的效果,能够得到较高的直流叠加效果,能够抑制基于开关损耗的电力效率的降低。

另外,耦合系数K13、K34也可以满足K13>K34的关系。此外,耦合系数K24、K12也可以满足K24>K12的关系。

在电抗器1中,优选耦合系数K12、K13、K14满足式(3)。

K13>(K12+K13+K14)/2···(3)

该情况下,电抗器1能够更加控制磁耦合,能够进一步有助于难以降低电力转换效率。另外,在电抗器1中,在满足式(3)的关系的情况下,耦合系数K12、K23、K24满足式(3’)。

K24>(K12+K23+K24)/2···(3’)

优选耦合系数K12、K13、K14满足式(4)。

0.3<(K12+K13+K14)<0.7···(4)

该情况下,电抗器1能够控制多个线圈2间的磁耦合,能够进一步有助于难以降低电力转换效率。另外,在电抗器1中,在满足式(4)的情况下,耦合系数K12、耦合系数K23、K24也满足式(4’)。

0.3<(K12+K23+K24)<0.7···(4’)

在电抗器1中,耦合系数越大,通过磁路P1、P2、P3、P4的磁通越减少,各线圈2的实质电感越减少。因此,在后述的电力转换装置中,为了使输入电压升压到规定的电压值,例如需要增多各线圈2(线圈21、22、3及24)的匝数并使电感增大。此外,需要增大芯体3的体积以使得芯体3(轴部301、302、03、304、连接部341、342、柱部35)不磁饱和。其结果,担心电抗器1大型化。

本实施方式的电抗器1如上所述,通过设定为耦合系数K12、K13、K14、K23、K24、K34满足式(1)和式(2),各个耦合系数能够设定为大于0.3且小于0.7。因此,在电抗器1中,能够抑制各线圈2的电感的减少,能够抑制电抗器的1的大型化。决定耦合系数的参数中包含磁路(各耦合磁路、磁路P1~P4)的长度、磁路(各耦合磁路、磁路P1~P4)的剖面积以及形成芯体3的材料等。

电抗器1中,线圈2间的耦合系数例如能够通过如下的调整方法来调整。但是,以下所述的耦合系数的调整方法是一个例子,并不局限于此。

由于线圈21与线圈22的耦合磁路L12通过线圈21、22的两者的内侧,因此相比于线圈21、22产生的磁通所通过的磁路P1、P2之中的仅通过一个线圈2(线圈21、22)的内侧的磁路,磁路长较长。因此,较长的磁路长是耦合系数变小的重要因素。在本实施方式中,电抗器1如已经叙述那样,线圈21、22在与线圈21、22的中心轴21C,22C直角的方向D3排列。此外,线圈23、24在与线圈23、24的中心轴23C、24C直角的方向D2排列。此外,线圈22、24在与线圈22、24的中心轴22C、24C直角的方向D2排列。在该情况下,优选相比于轴部301、302、303、304的各自的方向D3的宽度W1,方向D2的宽度W2较短。

具体地说,如图3所示,轴部301、302、303、304的方向D2上的宽度W1比方向D3上的宽度W2短。换句话说,通过使轴部301、302间的间隔与轴部301、304间的间隔比轴部301、303间的间隔长,使耦合磁路L12、L14比耦合磁路L13长,来实现耦合磁路L13的磁阻的减少。同样地,通过使轴部301、302间的间隔与轴部302、304间的间隔比轴部302、304间的间隔长,使耦合磁路L12、L24比耦合磁路L23长,来实现耦合磁路L23的磁阻的减少。由此,抑制耦合系数K13、K24变得过低。

此外,柱部35如上所述,具有减弱设置为夹着柱部35的线圈2间的磁耦合的功能。因此,通过芯体3具有柱部35,例如能够减弱线圈21、22的耦合,并且能够减弱线圈21、24的耦合。柱部35能够减弱线圈23、24的耦合,并且也能够减弱与线圈22、23的耦合。柱部35也可以包含与芯体3中的轴部301、302、303、304不同的材料。

(3)变形例

以下,列举变形例。另外,以下说明的变形例能够与上述实施方式、变形例适当组合来应用。

在上述实施方式的电抗器1中,在芯体3中,连接部341、342的至少一者、轴部301、302、303、304、柱部35被一体地构成,但也可以分别独立。例如,在上述例子中,轴部301构成为兼作耦合磁路L12和磁路P1,但也可以分为形成耦合磁路L12的轴部和形成磁路P1的轴部而构成。例如,轴部302构成为兼作耦合磁路和磁路P2,但也可以分为形成耦合磁路的轴部和形成磁路的轴部而构成。该情况下,构成轴部301(302)的2个轴部电可以通过粘结剂等而接合。同样地,关于轴部303、304的各个轴部,也可以分为形成耦合磁路的轴部和形成磁路而轴部而构成。关于轴部303以及轴部304,也可以同样地分为耦合磁路和非耦合磁路而构成。

此外,芯体3中的轴部301、302、303、304也可以由相互不同的材料构成。例如,也可以构成为在电抗器1的设计时,使构成轴部301、302的材料与构成轴部303、304的材料的透磁率相互不同,从而调整耦合系数。

此外,电抗器1也可以还具备筒管(bobbin)。筒管被设计为卷绕线圈2(从包含线圈21、22、23、24的群选择的至少一个线圈),并且从包含芯体3的轴部301、302、303、304的群选择的至少一个轴部通过。

此外,电抗器1也可以是通过树脂等的封固构件,线圈21、22、23、24与芯体3被一体地封固的结构。由此,能够抑制线圈21、22、23、24的卷绕错位。

此外,优选芯体3具有以沿着方向D1的轴为中心的180°旋转对称性,即,芯体3的形状与以沿着方向D1的轴AX3为中心而使芯体3的形状旋转180°的形状一致。即,芯体3的形状针对轴AX3而具有二次旋转对称性。该情况下,容易将各耦合系数调整为满足式(1)~(4)。由此,电抗器1即使切换多个线圈2的驱动相数,也能够更加提高电力转换的效率的降低抑制的效果。

芯体3也可以不具有贯通孔361、362。例如,芯体3也可以是不具有贯通孔361、362等的开口部的角筒形状。此外,在芯体3中,贯通孔361、362也可以相互连结。

芯体3也可以不具有开口部351、352。例如,芯体3也可以具有连接部341、342、轴部301、302、303、304、包围这些的周围的侧壁。

多个线圈2的个数并不局限于4个,也可以是5个以上。

(4)电力转换装置

图8是具备本实施方式的电抗器1的电力转换装置100的电路图。电力转换装置100被设置于汽车、住宅用或者非住宅用的功率调节器、电子设备等。

本实施方式的电力转换装置100具备上述说明的电抗器1、对向线圈21、22、23、24的通电进行控制的控制装置141。电力转换装置100的结构并不限定于以下的说明。

本实施方式的电力转换装置100是对将输入电压Vi升压而得到的输出电压Vo输出的多相型的升压斩波电路。电力转换装置100具备:电抗器1、4个开关元件111、112、113、114、4个二极管121、122、123、124、电容器131、控制装置141。对输入端子151施加比输入端子152高的电位。

在本实施方式的电力转换装置100中,对一对输入端子151、152之间施加直流的输入电压Vi。在一对输入端子151、152之间,4个串联电路71A~74A被相互并联电连接。串联电路71A包含相互被串联连接的电抗器1的线圈21和开关元件111。串联电路72A包含相互被串联连接的电抗器1的线圈22和开关元件112。串联电路73A包含相互被串联连接的电抗器1的线圈23和开关元件113。串联电路74A包含相互被串联连接的电抗器1的线圈24和开关元件114。在实施方式中,线圈21、22的相互的卷绕方向相同。线圈21、22的各自的一端与电力转换装置100中的高电位侧的输入端子151电连接。

线圈21、22、23、24如已经说明那样,通过芯体3而被相互磁耦合。

开关元件111、112、113、114例如包含MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor)。开关元件111的一端经由线圈21而与高电位侧的输入端子151电连接,另一端与低电位侧的输入端子152电连接。开关元件112的一端经由线圈22而与高电位侧的输入端子151电连接,另一端与低电位侧的输入端子152电连接。开关元件113的一端经由线圈23而与高电位侧的输入端子151电连接,另一端与低电位侧的输入端子152电连接。开关元件114的一端经由线圈24而与高电位侧的输入端子151电连接,另一端与低电位侧的输入端子152电连接。开关元件111、112、113、114根据从控制装置141发送的信号而接通断开。

在开关元件111的两端之间,电连接包含相互串联连接的二极管121和电容器131的串联电路71B。在开关元件112的两端之间,电连接包含相互串联连接的二极管122和电容器131的串联电路72B。在开关元件113的两端之间,电连接包含相互串联连接的二极管123和电容器131的串联电路73B。在开关元件114的两端之间,电连接包含相互串联连接的二极管124和电容器131的串联电路74B。换言之,在电容器131的两端之间,包含相互串联连接的开关元件111和二极管121的串联电路71C、包含相互串联连接的开关元件112和二极管122的串联电路72C、包含相互串联连接的开关元件113和二极管123的串联电路73C、包含相互串联连接的开关元件114和二极管124的串联电路74C被相互并联电连接。

电容器131是平滑电容器,电连接于一对输出端子161、162之间。二极管121的阳极电连接于线圈21与开关元件111连接的连接点N1,阴极电连接于电容器131。二极管122的阳极电连接于线圈22与开关元件112连接的连接点N2,阴极电连接于电容器131。二极管123的阳极电连接于线圈23与开关元件113连接的连接点N3,阴极电连接于电容器131。二极管124的阳极电连接于线圈24与开关元件114连接的连接点N4,阴极电连接于电容器131。

控制装置141构成为直接或者经由驱动电路来控制开关元件111、112、113、114的接通断开。控制装置141通过控制开关元件111、112、113、114的接通断开,从而控制分别流过线圈21、22、23、24的电流。

若开关元件111接通,则线圈21中流过电流,芯体3中蓄积磁能量。若开关元件111断开,则芯体3中蓄积的磁能量被释放,从而电容器131中流过电流,电容器131被充电。

开关元件112、113、114接通断开的情况下的动作与开关元件111接通断开的情况下的动作同样地,使芯体3蓄积磁能量,对电容器131进行充电。通过开关元件111、112、113、114接通断开,在电容器131的两端之间生成将输入电压Vi升压的输出电压Vo。

本实施方式的控制装置141具有包含2相驱动模式和4相驱动模式的驱动模式。即,控制装置141具有的驱动模式例如包含2相驱动模式和4相驱动模式。

在4相驱动模式中,控制装置141进行对线圈21、22、23、24的全部进行通电的控制。具体地说,控制装置141例如控制各开关元件以使得开关元件111、112、113、114依次接通。该情况下,控制装置141控制开关元件111、112、113、元件114,以使得线圈21、22、23、24中流过的电流的相位相互错开90°。由此,控制装置141能够实现驱动4个线圈21、22、23、24的4相驱动模式。

本实施方式的电力转换装置100能够从上述的4相驱动模式减少驱动的线圈的数量。电力转换装置100例如能够使其以2相驱动模式驱动。

在2相驱动模式中,控制装置141能够进行如下控制,即仅对线圈21、22、23、24之中的线圈21、23交替通电,不对线圈23、24通电。另外,虽然向线圈21、23交替通电,但也可以产生对线圈21、23两方同时通电的时间。由此,控制装置141能够实现2相驱动模式。该情况下,控制装置141选择4个线圈2之中的磁耦合较强的组合的2个线圈2即可。例如,上述中,说明了控制装置141进行如下控制,即仅对线圈21~24之中的线圈21、23交替通电,不对线圈22、24通电,但也可以进行如下控制,即仅对线圈21~24之中的线圈22、24交替通电,不对线圈21、23通电。另外,控制装置141控制通电的线圈的组合能够适当选择。

此外,在2相驱动模式中,控制装置141也可以使包含4个开关元件111、112、113之中的2个开关元件的元件群交替接通。控制装置141也可以使例如4个开关元件111~114之中的2个开关元件111、112接通同时使另2个开关元件113、114断开。接下来,使开关元件111、112断开,并且使2个开关元件113、114接通同时使另2个开关元件111、112断开。交替反复这些,控制装置141对开关元件111、112、113、114进行控制。该情况下,控制装置141控制开关元件111、112、113、114,以使得线圈21、22中流过的电流的相位与线圈23、24中流过的电流的相位错开180°。由此,控制装置141能够实现对线圈21、22的组、线圈23、24的组之中的2个线圈进行驱动的2相驱动。

在具备具有4个线圈2的电抗器1的电力转换装置100中,例如优选对4个线圈中流过的电流进行控制的控制装置141构成为使4个线圈2中流过的电流的相位相互错开90°。

具备电抗器1的电力转换装置100中的电气电路的结构并不局限于多相型的升压斩波电路(参照图8)。

这样,在本实施方式的电力转换装置100中,上述的2相驱动的情况下,以开关元件111、112的开关周期的2倍的周期,电容器131反复充电和放电。此外,电力转换装置100在4相驱动的情况下,能够以开关元件111、112的开关周期的4倍的周期,电容器131反复充电和放电。由此,电力转换装置100能够实现电容器131的小型化。进一步地,本实施方式的电力转换装置100即使在2相驱动的情况下,也难以降低电力转换效率。因此,具备电抗器1的电力转换装置100能够适当地用于汽车、住宅用或者非住宅用的功率调节器、电子设备等的用途。

电抗器1能够抑制其大型化,并且电力转换装置100中能够得到使输入电压Vi升压到规定的电压值的各线圈2的电感。

-符号说明-

1 电抗器

2 线圈

21 线圈(第一线圈)

22 线圈(第二线圈)

23 线圈(第三线圈)

24 线圈(第四线圈)

3 芯体

35 柱部

301 轴部(第一轴部)

302 轴部(第二轴部)

303 轴部(第三轴部)

304 轴部(第四轴部)

100 电力转换装置

141 控制装置。

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