JP2006083971A

JP2006083971A - 電磁コイル装置

Info

Publication number: JP2006083971A
Application number: JP2004270647A
Authority: JP
Inventors: Manabu Hashimoto; 橋本　　学; Tetsuo Nanai; 哲夫七井; Koji Iwasaki; 弘二岩崎; Tsunehisa Iwanami; 恒久岩浪; Yoshimi Kusaka; 芳美日下
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2006-03-30

Abstract

【課題】コイルとヨークを一体構成しつつ、耐熱衝撃性または耐熱性を向上することができる電磁コイル装置を提供する。
【解決手段】環状に巻かれたコイル１と、このコイル１を収容するコイル収容溝３を有するヨーク４と、このヨーク４のコイル収容溝３に充填され、コイル１とヨーク４を一体構成するモールド樹脂５とを備え、モールド樹脂５は、線膨張係数が１５〜３２×１０^−６／Ｋの範囲にある。また、モールド樹脂５は、熱伝導率が０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば電磁クラッチ等に使用される電磁コイル装置に関する。

電磁クラッチ等に使用される電磁コイル装置の一例として、従来、環状溝を有するヨーク（リングケース）と、このヨークの環状溝に挿入されたコイルと、ヨークの環状溝の囲壁とコイルとの間に介挿されるスペーサと、ヨークの環状溝に注入された樹脂とを備えた構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この従来技術では、複数のスペーサが周方向に間隔を隔てて配設されることにより、ヨークの環状溝の囲壁（内周側壁、外周側壁、底壁）とコイルとの間に隙間が形成され、その隙間に樹脂が入り込むようになっている。その結果、電磁クラッチ稼働時のコイルへの水付着を防止するようになっている。

特開２００１−２４１４６９号公報

しかしながら、上記従来技術には以下のような改善の余地がある。
すなわち、上記従来技術においては、コイルを挿入したヨークの環状溝に樹脂を注入することで、コイルとヨークを一体構成するようになっている。ところが、樹脂の線膨張係数及び熱伝導率の適正化が十分に考慮されているとは言いがたかった。コイルに用いられる銅の線膨張係数は１７×１０^−６／Ｋであり、ヨークの線膨張係数は１１×１０^−６／Ｋ程度である。そして、樹脂の線膨張係数とコイル及びヨークの線膨張係数との差が大きくなると、例えば１８０℃程度の高い温度環境下では熱応力が発生して樹脂にクラックが生じ、場合によってはコイルが断線する可能性があった。また、例えば１８０℃程度の高い温度環境下で樹脂の熱伝導率が低いと、コイルで発生した熱を外部に十分に逃がすことができず内部が高温となるため、損傷の要因となっていた。

本発明の第１の目的は、コイルとヨークを一体構成しつつ、耐熱衝撃性を向上することができる電磁コイル装置を提供することにある。

本発明の第２の目的は、コイルとヨークを一体構成しつつ、耐熱性を向上することができる電磁コイル装置を提供することにある。

（１）上記第１の目的を達成するために、本発明は、環状に巻かれたコイルと、前記コイルを収容するコイル収容溝を有するヨークと、前記ヨークのコイル収容溝に充填され、前記コイルと前記ヨークを一体構成するモールド樹脂とを備え、前記モールド樹脂は、線膨張係数が１５〜３２×１０^−６／Ｋの範囲にある。

本発明においては、ヨークのコイル収容溝にコイルを収容し、そのコイル収容溝にモールド樹脂を充填することで、コイルとヨークを一体構成する。このとき、モールド樹脂の線膨張係数を１５〜３２×１０^−６／Ｋの範囲内として、コイル及びヨークの線膨張係数に近づけることにより、熱衝撃が発生した場合の熱応力を低減し、耐熱衝撃性を向上することができる。

（２）上記第１の目的を達成するために、また本発明は、環状に巻かれたコイルと、前記コイルを収容するコイル収容溝を有するヨークと、前記ヨークのコイル収容溝における前記コイルの径方向一方側に配設された緩衝材と、前記ヨークのコイル収容溝に充填され、前記コイルと前記緩衝材と前記ヨークを一体構成するモールド樹脂とを備える。

本発明においては、モールド樹脂でコイルとヨークを一体構成するとともに、コイルの径方向一方側に緩衝材（例えばシリコン系ゴム等）を配設する。この緩衝材により、熱衝撃が発生した場合の熱応力を緩和し、耐熱衝撃性を向上することができる。

（３）上記第２の目的を達成するために、本発明は、環状に巻かれたコイルと、前記コイルを収容するコイル収容溝を有するヨークと、前記ヨークのコイル収容溝に充填され、前記コイルと前記ヨークを一体構成するモールド樹脂とを備え、前記モールド樹脂は、熱伝導率が０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。

本発明においては、モールド樹脂でコイルとヨークを一体構成するとともに、モールド樹脂の熱伝導率を０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とする。これにより、コイルで発生した熱を効率よく放熱し、耐熱性を向上することができる。

（４）上記（１）〜（３）のいずれか１つにおいて、好ましくは、前記モールド樹脂は、硬化時の体積収縮率が１．５％以下である。

（５）上記（１）〜（４）のいずれか１つにおいて、好ましくは、前記ヨークのコイル収容溝は、メッキ処理されない非メッキ領域を設ける。

（６）上記（１）〜（４）のいずれか１つにおいて、また好ましくは、前記ヨークのコイル収容溝は、電気メッキ処理された電気メッキ領域を設ける。

（７）上記（１）〜（６）のいずれか１つにおいて、好ましくは、前記ヨークのコイル収容溝は、開口幅寸法が開口端側に向かって小さくなる傾斜部を設ける。

（８）上記（１）〜（６）のいずれか１つにおいて、また好ましくは、前記ヨークのコイル収容溝は、開口幅寸法が開口端側で小さくなる段差部を設ける。

請求項１又は２記載の本発明によれば、コイルとヨークを一体構成しつつ、耐熱衝撃性を向上することができる。また、請求項３記載の本発明によれば、コイルとヨークを一体構成しつつ、耐熱性を向上することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。

本発明の第１の実施形態を図１〜図６により説明する。
図１は、本実施形態による電磁コイル装置の全体構造を表す断面図である。

この図１において、電磁コイル装置は、例えば電磁クラッチ等に使用されるものであり、環状に巻かれたコイル１と、樹脂製のボビン２と、これらコイル１及びボビン２を収容するコイル収容溝３を有する磁性体のヨーク４と、このヨーク４のコイル収容溝３に充填され、コイル１とボビン２とヨーク４を一体構成するモールド樹脂５とを備えている。

コイル１は、例えば自己融着銅線が環状に巻かれ加熱成形されたものであり、その末端に端子（図示せず）を介しリード線６がそれぞれ結合されている。なお、端子及びリード線６の結合は、例えばヒュージング溶接や抵抗溶接等で行われており、カシメのみの場合よりも信頼性を高めている。

ヨーク４は、例えば略円還構造で、軸方向一方側（図１中左側）を開口端とした略円環状の上記コイル収容溝３が設けられている。コイル収容溝３は、図示のように径方向断面が例えば略長方形状であり、外周側壁７ａ、内周側壁７ｂ、及び底壁７ｃで構成されている。そして、コイル収容溝３の外周側壁７ａには、径方向（図１中上下方向）に貫通した貫通孔８が設けられ、この貫通孔８に気密性を保持するためのゴム栓（グロメット）９が取り付けられ、このゴム栓９にコイル１のリード線６が挿通され外部に導出されている。

ボビン２は、例えば、略円還状の底板部１０ａと、この底板１０ａの内周側に立設した略円筒状の側板部１０ｂとで構成されている。そして、ボビン２の底板部１０ａは、ヨーク４のコイル収容溝３の底壁７ｃとコイル１との間に配置され、ボビン２の側板部１０ｂは、ヨーク４のコイル収容溝３の内周側壁７ｂとコイル１との間に配置されるようになっている。これにより、コイル１とヨーク４とが直接接触しないようになっている。また、図示しないが、ボビン２の底板部１０ａの底壁７ｃ側（図１中右側）及びボビン２の側板部１０ｂの内周側には、周方向に複数の突起部が設けられており、これによってヨーク４のコイル収容溝３におけるボビン２の位置（及びコイル１の位置）が決められるようになっている。

また、ボビン２は、機械的強度及び耐熱性を確保するため、例えば無機物充填物２０重量％以上のポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンオキサイド（変性ＰＰＯ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、又はポリアミド（ＰＡ）等の熱可塑性合成樹脂で形成されている。

モールド樹脂５は、後述する接着性を考慮するとともに靭性に優れたものを選択するのが好ましく、例えば成形する場合、ポリアミド（ＰＡ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリイミド（ＰＩ）、又はバルク・モールディング・コンパウンド（ＢＭＣ）等を用いる。また、例えば注型としてエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いる場合には、ガラス転移温度を１２５℃以上にすることが好ましい。

次に、本実施形態の大きな特徴である上記モールド樹脂５の特性について説明する。図２は、モールド樹脂５の線膨張係数を変化させたときの熱応力を表す特性図である。

この図２において、環境温度１８０℃における熱応力解析（有限要素法）の計算結果を表しており、横軸にはモールド樹脂５の線膨張係数を、縦軸は応力比（線膨張係数４２×１０^−６／Ｋにおける熱応力を基準とした応力比）をとって表している。モールド樹脂５の線膨張係数１０〜１５×１０^−６／Ｋの範囲では、線膨張係数の増加に応じて応力比が約８４％から約５８％まで減少し、線膨張係数１５〜３２×１０^−６／Ｋの範囲では、応力比が約５８％を維持し、線膨張係数３２〜４２×１０^−６／Ｋの範囲では、線膨張係数の増加に応じて応力比が約５８％から１００％まで増加しているのがわかる。この結果により、モールド樹脂５の線膨張係数は１５〜３２×１０^−６／Ｋの範囲とすることが好ましく、このとき、線膨張係数を４２×１０^−６／Ｋとする場合に対し熱応力を約４０％低減することが可能である。

また、発明者らは、例えば環境温度１８０℃、２．８／５ＴＥＬの条件等において実験を行い、モールド樹脂５の熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満であると十分な放熱能力が得られないことがわかった。よって、モールド樹脂５の熱伝導率は５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。

以上のように、本実施形態の電磁コイル装置においては、ヨーク４のコイル収容溝３にコイル１及びボビン２を収容し、コイル収容溝３にモールド樹脂５を充填することで、コイル１とボビン２とヨーク４を一体構成する。このとき、モールド樹脂５の線膨張係数を１５〜３２×１０^−６／Ｋの範囲内として、コイル１の線膨張係数（１７×１０^−６／Ｋ）及びヨーク４の線膨張係数（１１×１０^−６／Ｋ）に近づけることにより、熱衝撃が発生した場合の熱応力を低減し、耐熱衝撃性を向上することができる。また、モールド樹脂５の熱伝導率を０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とすることにより、コイル１で発生した熱を効率よく放熱し、耐熱性を向上することができる。したがって、モールド樹脂５にクラックが生じてコイル１が断線するのを防止することができ、温度環境の厳しい場所に対応することができる。

また、本実施形態においては、モールド樹脂５でコイル１とヨーク４を一体構成するが、モールド樹脂５とヨーク４の接着性が低くいと、振動等の影響によってコイル１とヨーク４の位置精度がずれ所定の磁束が得られない可能性がある。また、モールド樹脂５がヨーク４から剥がれたり脱落したりする可能性もある。そこで、これに対応するための具体的な構造を以下説明する。

（１）硬化時の体積収縮率
モールド樹脂５の硬化時の体積収縮率が大きいと、モールド樹脂５がヨーク４から剥がれやすくなるととともに、残留歪みが大きくなり、クラック発生の要因となってしまう。図３は、モールド樹脂５の硬化時の体積収縮率を変化させたときのヨーク４からの剥がれやすさを表す特性図である。

この図３において、モールド樹脂５の硬化時の体積収縮率（＝（硬化前の体積−硬化後の体積）／硬化前の体積）を１．８〜１．０％の範囲で変化させ、硬化後のモールド樹脂５がヨーク４から剥がれやすいかどうかを確認した実験結果を表している。硬化時の体積収縮率１．６％及び１．８％の場合、モールド樹脂５はヨーク４から剥がれやすく、硬化時の体積収縮率１．５％、１．３％、及び１．０％の場合、モールド樹脂５はヨーク４から剥がれにくいことがわかる。この結果により、モールド樹脂５の体積収縮率は、１．５％以下とすることが好ましい。

（２）コイル収容溝のメッキ処理
ヨーク４は、磁性材である鉄系材料が用いらることが多く、表面に防錆処理処理を施す必要がある。しかしながら、例えば周囲部品との摺動性や耐摩耗性を考慮し濡れ性の良好な化学メッキ処理を施すと、モールド樹脂５との接着性が低くなってしまう。図４は、ヨーク４のコイル収容溝３にメッキ処理を施したときのモールド樹脂５の接着性を表す特性図である。

この図４において、ヨーク４のコイル収容溝３に、メッキ処理されない（言い換えれば、マスキング処理を施した）非メッキ領域、電気メッキ処理された電気メッキ領域、又は化学メッキ処理された化学メッキ領域を設けた場合の、モールド樹脂５の接着力比（非メッキ領域を設けた場合の接着力を基準とした接着力比）をそれぞれ表している。非メッキ領域を設けた場合のモールド樹脂５の接着力が一番高く、電気メッキ領域を設けた場合のモールド樹脂５の接着力比は約９７％であり、化学メッキ領域を設けた場合のモールド樹脂５の接着力比は約１９％まで低下しているのがわかる。この結果により、ヨーク４のコイル収容溝３は、非メッキ領域または電気メッキ領域を設けるのが好ましい。

（３）コイル収容溝の構造
上記図１に示すヨーク４のコイル収容溝３は、径方向断面が略長方形状のものについて説明したが、例えばコイル収容溝３の外周側壁７ａ又は内周側壁７ｂに、径方向の開口幅寸法が開口端側に向かって小さくなる傾斜部又は段差部を設けてもよい。図５（ａ）〜（ｄ）は、このような変形例によるコイル収容溝３Ａ〜３Ｄの詳細構造を表す断面図である。なお、これら図５（ａ）〜（ｄ）において、上記コイル１、ボビン２、及びモールド樹脂５は便宜上図示していない。

図５（ａ）に示すコイル収容溝３Ａの内周側壁７ｂには、径方向（図中上下方向）の開口幅寸法が底壁７ｃから開口端に向かって小さくなるように、軸方向（図中左右方向）に対し例えば０．２°以上傾斜した傾斜面（傾斜部）１１を設けている。なお、外周側壁７ａに開口幅寸法が開口端側に向かって小さくなる傾斜面１１を設けてもよく、また外周側壁７ａ及び内周側壁７ｂの両方ともに傾斜面１１を設けてもよい。

図５（ｂ）に示すコイル収容溝３Ｂの外周側壁７ａには、開口幅寸法が開口端側で小さくなる段差部１２を底壁７ｃ近傍に設けている。なお、内周側壁７ｂに開口幅寸法が開口端側で小さくなる段差部１２を設けてもよく、また段差部１２を複数設けてもよい。

図５（ｃ）に示すコイル収容溝３Ｃの外周側壁７ａ及び内周側壁７ｂには、径方向の開口幅寸法が開口端側に向かって小さくなる突起部（傾斜部）１３を開口端近傍にそれぞれ設けている。なお、突起部１３は、コイル収容溝３Ｃの全周にわたって設けるか、または周方向に複数設けてもよい。

図５（ｄ）に示すコイル収容溝３Ｃ’は、上記コイル収容溝３Ｃと同様、突起部１３を設けた構造であり、ヨーク４にパンチ１４を穿つことで突起部１３を簡単に設けている。

これら変形例によるコイル収容溝においては、傾斜面１１、段差部１２、又は突起部１３を設けることでアンカー効果を得るようになっている。

以上、上記（１）〜（３）のようにすることで、モールド樹脂５とヨーク４の接着性を高め、モールド樹脂５がヨーク４から脱落するのを防止することができる。これにより、モールド樹脂５（及びコイル１）の脱落を防止する部材を別途用意する必要もなく、信頼性の高い電磁コイル装置を実現することができる。そして、コイル１とヨーク４が一体構成された電磁コイル装置を電磁クラッチ等の製品に容易に組み込むことができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図６により説明する。本実施形態は、ヨーク４のコイル収容溝３に緩衝材を配設した実施形態である。

図６は、本実施形態による電磁コイル装置の全体構造を表す断面図である。なお、上記一実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態では、ヨーク４のコイル収容溝３におけるボビン２（及びコイル１）の内周側に略円環状の緩衝材（例えばシリコン系ゴム等）１５を配設し、ヨーク４のコイル収容溝３にモールド樹脂５を充填することで、コイル１とボビン２と緩衝材１５とヨーク４を一体構成する。このような本実施形態においては、緩衝材１５により熱衝撃が発生した場合の熱応力を緩和し、さらに耐熱衝撃性を向上することができる。

本発明の電磁コイル装置の第１の実施形態の全体構造を表す断面図である。本発明の電磁コイル装置の第１の実施形態を構成するモールド樹脂の線膨張係数と熱応力との関係を表す特性図である。本発明の電磁コイル装置の第１の実施形態を構成するモールド樹脂の硬化時の体積収縮率と接着性との関係を表す特性図である。本発明の電磁コイル装置の第１の実施形態を構成するヨークのコイル収容溝においてメッキ処理を施したときのモールド樹脂の接着性を表す特性図である。本発明の電磁コイル装置の変形例を構成するヨークのコイル収容溝の詳細構造を表す断面図である。本発明の電磁コイル装置の第２の実施形態の全体構造を表す断面図である。

符号の説明

１コイル
３コイル収容溝
３Ａ，３Ｂ，３Ｃコイル収容溝
４ヨーク
５モールド樹脂
１１傾斜面（傾斜部）
１２段差部
１３突起部（傾斜部）
１５緩衝材

Claims

環状に巻かれたコイルと、前記コイルを収容するコイル収容溝を有するヨークと、前記ヨークのコイル収容溝に充填され、前記コイルと前記ヨークを一体構成するモールド樹脂とを備え、
前記モールド樹脂は、線膨張係数が１５〜３２×１０^−６／Ｋの範囲にあることを特徴とする電磁コイル装置。
環状に巻かれたコイルと、前記コイルを収容するコイル収容溝を有するヨークと、前記ヨークのコイル収容溝における前記コイルの径方向一方側に配設された緩衝材と、前記ヨークのコイル収容溝に充填され、前記コイルと前記緩衝材と前記ヨークを一体構成するモールド樹脂とを備えたことを特徴とする電磁コイル装置。
環状に巻かれたコイルと、前記コイルを収容するコイル収容溝を有するヨークと、前記ヨークのコイル収容溝に充填され、前記コイルと前記ヨークを一体構成するモールド樹脂とを備え、
前記モールド樹脂は、熱伝導率が０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする電磁コイル装置。
請求項１〜３のいずれか１項記載の電磁コイル装置において、前記モールド樹脂は、硬化時の体積収縮率が１．５％以下であることを特徴とする電磁コイル装置。
請求項１〜４のいずれか１項記載の電磁コイル装置において、前記ヨークのコイル収容溝は、メッキ処理されない非メッキ領域を設けたことを特徴とする電磁コイル装置。
請求項１〜４のいずれか１項記載の電磁コイル装置において、前記ヨークのコイル収容溝は、電気メッキ処理された電気メッキ領域を設けたことを特徴とする電磁コイル装置。
請求項１〜６のいずれか１項記載の電磁コイル装置において、前記ヨークのコイル収容溝は、開口幅寸法が開口端側に向かって小さくなる傾斜部を設けたことを特徴とする電磁コイル装置。
請求項１〜６のいずれか１項記載の電磁コイル装置において、前記ヨークのコイル収容溝は、開口幅寸法が開口端側で小さくなる段差部を設けたことを特徴とする電磁コイル装置。