JP2008021836A - Electromagnetic device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電磁デバイスに関するものであり、特にフェライト磁石に代表される脆性磁性体の接着構造に関するものである。 The present invention relates to an electromagnetic device, and more particularly to an adhesive structure of a brittle magnetic material typified by a ferrite magnet.
電磁デバイスには、例えば絶縁電線を巻線したコイルを上下の磁性体コア間に収納した閉磁路型のチョークコイル等があるが、一般に磁路の一部にコア材とは透磁率が異なる空隙層(以下ギャップ層と記す)を形成して、インダクタンス値や電流容量等の電気特性を調整する手段が採用されている。上記ギャップ層にて電気特性を調整することで、共通の磁性体部品を用いながら使用環境毎に最適な電気特性を有する電磁デバイスを得ることができる。
通常、電磁デバイスの磁性体コアには使用中に電磁力が加わるため、十分な固定強度が必要となる。そのため、ギャップ層の作製方法として、一般に、ギャップ隙間調整用のスペーサーとエポキシ系接着剤とを用いた接着が用いられている(例えば、特許文献1参照。)。
Electromagnetic devices include, for example, a closed magnetic circuit type choke coil in which a coil wound with an insulated wire is housed between upper and lower magnetic cores. Generally, a part of a magnetic path has a magnetic permeability different from that of the core material. A means for adjusting the electrical characteristics such as inductance value and current capacity by forming a layer (hereinafter referred to as a gap layer) is employed. By adjusting the electrical characteristics in the gap layer, it is possible to obtain an electromagnetic device having optimal electrical characteristics for each usage environment while using a common magnetic component.
Usually, an electromagnetic force is applied to the magnetic core of the electromagnetic device during use, and thus sufficient fixing strength is required. Therefore, as a method for producing the gap layer, bonding using a gap gap adjusting spacer and an epoxy adhesive is generally used (see, for example, Patent Document 1).
このような接着構造を用いた電磁デバイスにおいて、磁性体をフェライト磁石にすることは優れた特性とコストとの両立において重要である。しかし、フェライト磁石は磁性鋼などと異なり脆性材料であるため、クラックが発生しやすく、またそこから破壊しやすい。
強度が大きいエポキシ系接着材等の接着剤は硬化時に温度上昇が伴うため、硬化時に接着剤と磁性体コアとの間に熱膨張差が発生する。そのため、フェライト磁石に代表される脆性磁性体を磁性体コアとして使用する電磁デバイスでは、上記熱膨張差による熱応力の発生によりクラックが発生し、そこから破壊するという問題点があった。そこで、例えば特許文献1では、スペーサーに開けた穴の中に接着剤を充填することで、接着剤の熱変形による発生応力を小さくする対策を実施している。
In an electromagnetic device using such an adhesive structure, it is important to make the magnetic body a ferrite magnet in order to achieve both excellent characteristics and cost. However, since a ferrite magnet is a brittle material unlike magnetic steel or the like, cracks are easily generated and are easily broken from there.
An adhesive such as an epoxy-based adhesive having a high strength is accompanied by a temperature rise during curing, so that a difference in thermal expansion occurs between the adhesive and the magnetic core during curing. Therefore, an electromagnetic device using a brittle magnetic material typified by a ferrite magnet as a magnetic core has a problem that cracks are generated due to the generation of thermal stress due to the above-described thermal expansion difference, and breaks from the cracks. Therefore, for example, in
特許文献1で示された接合構造は、接着剤の線膨張係数が磁性体コアを構成するフェライト磁石の線膨張係数より大きいことにより上記磁性体コアに発生する熱応力を低減するための構成である。
一方、スペーサー材料の線膨張係数が大きく、磁性体コアの線膨張係数との差が大きい場合にも、スペーサー材料そのものによる熱応力の発生が問題となる。特に、電磁デバイスの使用条件が厳しく、より低温環境に曝されたりする場合に問題となる。
即ち、スペーサーはギャップ層の高さを規定するものであるため、スペーサー材料としては剛性の高い材料を用いるのが好ましいが、スペーサーの剛性が高い場合、スペーサーの線膨張係数が大きいと磁性体コアはスペーサーによる熱応力の影響を受けやすくなるので、よりクラックが生じやすくなる。
The joint structure disclosed in
On the other hand, even when the linear expansion coefficient of the spacer material is large and the difference from the linear expansion coefficient of the magnetic core is large, generation of thermal stress due to the spacer material itself becomes a problem. In particular, the use conditions of the electromagnetic device are severe, which becomes a problem when exposed to a lower temperature environment.
That is, since the spacer defines the height of the gap layer, it is preferable to use a material having high rigidity as the spacer material. However, when the spacer has high rigidity, if the spacer has a large linear expansion coefficient, the magnetic core Is more susceptible to thermal stress due to the spacers, and thus more susceptible to cracking.
本発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、磁性体コアのクラック発生を抑制することができる電磁デバイスを提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide an electromagnetic device capable of suppressing the occurrence of cracks in a magnetic core.
この発明に係る電磁デバイスは、脆性材料で構成された磁性体を所定の高さのギャップ層を介して接着対象に接合する接合構造を備えた電磁デバイスであって、上記接合構造は、接着剤により上記磁性体と上記接着対象とを接着すると共に、上記接着剤の内部に柱状スペーサーを、上記接着剤の外周部に、上記柱状スペーサーより剛性が低い枠状スペーサーを配置して、上記ギャップ層の高さを規定するものである。 An electromagnetic device according to the present invention is an electromagnetic device including a bonding structure for bonding a magnetic body made of a brittle material to an object to be bonded through a gap layer having a predetermined height, and the bonding structure includes an adhesive. The magnetic body and the object to be bonded are bonded together, a columnar spacer is disposed inside the adhesive, and a frame-shaped spacer having a lower rigidity than the columnar spacer is disposed on the outer periphery of the adhesive, and the gap layer The height is defined.
この発明によれば、接着剤とスペーサーとを用い、脆性材料で構成された磁性体と接着対象とを所定の高さのギャップ層を介して接合する際に、上記スペーサーの線膨張係数が上記磁性体の線膨張係数より大きくても、上記磁性体に発生する熱応力を大幅に低下させることができ、電磁デバイスの信頼性を大きく向上させることができる。
また、ギャップ高さを大きくとることが可能となり、電気特性の調整範囲を広くすることが可能となる。
According to this invention, when the adhesive and the spacer are used to join the magnetic body made of a brittle material and the object to be bonded through the gap layer having a predetermined height, the linear expansion coefficient of the spacer is Even if it is larger than the linear expansion coefficient of the magnetic material, the thermal stress generated in the magnetic material can be greatly reduced, and the reliability of the electromagnetic device can be greatly improved.
In addition, the gap height can be increased, and the adjustment range of the electrical characteristics can be widened.
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1による電磁デバイスの一部を示す断面図であり、磁性体コアを構成する磁性体2と磁性体3とを所定の高さのギャップ層4を介して接合する接合構造を備えた電磁デバイスである。図1において、絶縁電線を巻線した中空のコイル1の内側には、フェライト磁石で作られた磁性体2が設置され、さらに磁路を構成するように、上下にフェライト磁石で作られた磁性体3がある一定の高さのギャップ層4を介して接合されている。
FIG. 1 is a sectional view showing a part of an electromagnetic device according to
図2は本発明の実施の形態1による電磁デバイスにおける接合部の拡大断面図であり、図3は図2のI−I線での断面図である。
図2,図3において、ギャップ層4は、ギャップ層4の高さを規定するスペーサー5と、磁性体2および磁性体3を接着すると共に、電磁力に耐える接着強度を有するエポキシ系接着剤6とにより構成されている。
また、スペーサー5は、接着剤6の内部に配置された柱状スペーサー51と、接着剤6の外周部に配置された枠状スペーサー52と、柱状スペーサー51と枠状スペーサー52とを接続する梁53とにより構成されている。
上記スペーサー5は、枠状スペーサー52の径方向の幅W2が柱状スペーサー51の径方向の幅W1より小さく、枠状スペーサー52の剛性が柱状スペーサー51の剛性より低くなるような形状をしている。枠状スペーサー52の幅は薄いほど良い。
2 is an enlarged cross-sectional view of a joint portion in the electromagnetic device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG.
In FIG. 2 and FIG. 3, the
The
The
また、スペーサー5は、例えば形抜きにより一体成形されており、柱状スペーサー51と枠状スペーサー52とを接続する梁53は、梁53を設けることによってスペーサー5の剛性が高くなりすぎると、クラックが発生しやすくなるので、スペーサーの剛性が高くなりすぎることが抑えられるように、スペーサー5の中央部を通らないように構成されている。さらに出来る限り小さく、かつ最小の数となるように配置されている。
また、梁53は、枠状スペーサー52の内部の、接着剤6が充填される空間の形状に凹部が出来る限る少なくなるように設けられており、さらに、接着剤6が充填された時に、柱状スペーサー51の外周全面に接着剤6が行き渡るように構成されている。
なお、図2,3では、柱状スペーサー51と枠状スペーサー52とは梁53により一体成形されているが、梁53を設けず、別々のものであっても良い。
Further, the
Further, the
2 and 3, the
このような構成とすることにより、スペーサー5の線膨張係数が磁性体2,3の線膨張係数より大きくても、磁性体2,3に発生する熱応力を大幅に低下させることができ、電磁デバイスの信頼性を大きく向上させることができる。
また、ギャップ高さを大きくとることが可能となり、電磁デバイスとしての電気特性の調整範囲を広くすることが可能となる。
また、高い応力が発生するギャップ端部が成型精度の高いスペーサーとなるため、ばらつきが無い、信頼性の高い電磁デバイスを作製することができる。
By adopting such a configuration, even if the linear expansion coefficient of the
In addition, the gap height can be increased, and the adjustment range of electrical characteristics as an electromagnetic device can be widened.
In addition, since the gap end portion where high stress is generated becomes a spacer with high molding accuracy, it is possible to manufacture a highly reliable electromagnetic device without variations.
なお、図2では、枠状スペーサー52は磁性体2,3との接合部において、周方向に沿ったフィレット(突起)54が設けられている。フィレット54の形状は矩形でも良いが、図2に示すように、枠状スペーサー52から離れるにつれて徐々に高さか減少する形状の方が、磁性体との接着部分の応力を小さく出来、望ましい。
また、図2では、フィレット54は枠状スペーサー52の両側に設けた例を示したが、外側にのみ設けてもよいし、無くても良い。
In FIG. 2, the
In FIG. 2, the
また、図2,3では、柱状スペーサー51の数は4つの例を示したが、1つでもよい。ギャップ層4の高さを安定して規定するには3つ以上が望ましい。
2 and 3 show four examples of the number of
また、本実施の形態では磁性体同士の接合構造について説明したが、当然のことながら、磁性体を所定高さのギャップ層を介して他の接着対象に接着し、接着部で熱履歴を受ける接合構造に対しても、本発明の接着構造とすることにより、熱応力を低下させることができ、有効であるのは言うまでも無い。 In the present embodiment, the bonding structure between the magnetic bodies has been described, but it is natural that the magnetic body is bonded to another bonding target via a gap layer having a predetermined height and receives a thermal history at the bonding portion. Needless to say, the bonding structure of the present invention can also reduce the thermal stress and is effective for the bonding structure.
次に、本実施の形態の接合構造による効果を従来の接合構造と比較して説明する。
これまで一般的に用いられてきたギャップ層4の断面形状を図4に、図4のI−I線での断面図を図5に示す。図4,図5において、中央部に接着材6が充填され、周囲に枠状のスペーサー50が設置されている。ギャップ層4の高さはスペーサー50の寸法精度で決められるため、接着時、使用時の負荷に対して剛性が要求される。そのため、スペーサー50の寸法はある程度の大きさを持っている。ギャップ層4は、磁性体2,3と比較して透磁率が非常に低いことを利用して電磁デバイスの特性を調整するので、ギャップ層4として金属を挟み込むことは出来ない。スペーサー50には主に、コストと剛性に優れた、ポリプロピレン等のプラスチックが使用される。図4,5において、スペーサー50を例えばプラスチックにより構成した場合、スペーサー50の高さ3mm、直径(外径)50mmに対し、径方向の幅は3mm程度必要となる。
Next, the effect of the bonding structure of the present embodiment will be described in comparison with a conventional bonding structure.
FIG. 4 shows a cross-sectional shape of the
一般的にプラスチックはフェライト磁石と比較して線膨張係数が大きいため、接着剤硬化時の温度上昇によってフェライト磁石に熱応力を発生させ、クラック7を発生させることがある。また、接着に使用するエポキシ系に代表される高強度の接着剤6も、線膨張係数が大きく、また硬化時に収縮する性質を持つため、熱応力発生の原因となりフェライト磁石にクラック7を発生させることがある。
電磁デバイスの磁性体にクラック7が発生すると、電磁力による騒音が発生したり、クラック7から磁性体が破損し、デバイス特性が低下するなどの問題がおきる。このクラック7は、低温環境にさらされたときにも発生し、電磁デバイスの信頼性を下げる要因となる。
In general, plastic has a larger coefficient of linear expansion than a ferrite magnet, and therefore a thermal stress may be generated in the ferrite magnet due to a temperature rise when the adhesive is cured, and a
When the
従来の構成に対して、ギャップ層におけるスペーサーの構成のみ変更してFEM解析を用いて熱膨張差による応力の発生を検討した。熱応力の発生源となるギャップ層4のスペーサー50と接着剤6とは、その線膨張係数が、それぞれ磁性体2,3の線膨張係数と異なっている。ここでは、スペーサー50と接着剤6との線膨張係数が、それぞれ磁性体2,3の線膨張係数より大きく、また、スペーサー50の線膨張係数が接着剤6の線膨張係数より大きい場合について検討している。また、各スペーサー構成に対し、接着剤硬化温度から低温環境温度(例えば、150℃から−40℃)の温度範囲で変化する熱履歴を常に等しく与えている。さらに、どのモデルにおいても磁性体コアのメッシュサイズを同一として解析を行い、熱応力の発生量を定性的に比較できるようにした。
With respect to the conventional configuration, only the configuration of the spacer in the gap layer was changed, and the generation of stress due to the thermal expansion difference was examined using FEM analysis. The linear expansion coefficient of the
図6は従来の一般的なギャップ層(比較例1)をモデル化した図、図7は比較例1に対し、熱履歴を与え、熱変形を起こした場合のFEM解析結果である。図7において、横軸は磁性体コア2における位置であり、位置A〜Dは図6に示した位置A〜Dに対応している。縦軸は最大発生応力を1として正規化した発生応力値である。
図7に示すように、高い応力がスペーサー部分、特にスペーサー50の外側端部A、Dに発生していることがわかる。
FIG. 6 is a diagram in which a conventional general gap layer (Comparative Example 1) is modeled, and FIG. 7 is a FEM analysis result when thermal deformation is given to Comparative Example 1 to cause thermal deformation. In FIG. 7, the horizontal axis is the position in the
As shown in FIG. 7, it can be seen that high stress is generated in the spacer portion, particularly the outer end portions A and D of the
また、ギャップ高さhを変更したときの最大発生応力の関係を図8に示す。横軸は接着幅(ギャップ層の幅L)に対するギャップ高さhの比であり、接着幅L及びスペーサー50の径方向の幅xを一定にし、ギャップ高さhを変化させた時の比をとったものである。縦軸は、磁性体コア2に発生する最大発生応力を、ギャップ高さ/接着幅が0.1の時の最大発生応力を1として正規化した数値である。ギャップ高さが大きくなるにつれて、最大発生応力が大きくなるのがわかる。
このことから、電磁デバイスの電気特性の調整をするためにギャップ高さを増大させると、磁性体にクラックが発生しやすくなることがわかる。そのため、これまで一般的に使用されていたギャップ形状では、電気特性の調整範囲を制限する必要があった。
Further, FIG. 8 shows the relationship of the maximum generated stress when the gap height h is changed. The horizontal axis is the ratio of the gap height h to the adhesive width (gap layer width L). The ratio when the adhesive width L and the radial width x of the
From this, it can be seen that if the gap height is increased in order to adjust the electrical characteristics of the electromagnetic device, cracks are likely to occur in the magnetic material. For this reason, it has been necessary to limit the adjustment range of the electrical characteristics in the gap shape generally used so far.
次に、図9に示すように、比較例1のスペーサー50の幅xを、比較例1の場合より70%小さくし、スペーサーの剛性を低くした場合(比較例2)を解析したところ、最大発生応力は図10に示すように、65%にまで低下した。
図10は種々のスペーサー形状に対するFEM解析結果を示す図であり、縦軸は比較例1における最大発生応力を1として正規化した最大発生応力の値である。ギャップ層4の幅(接着幅)、高さ(スペーサーの高さ)、スペーサー5の材料、接着剤6の材料は同じとした。
Next, as shown in FIG. 9, when the width x of the
FIG. 10 is a diagram showing FEM analysis results for various spacer shapes, and the vertical axis represents the value of the maximum generated stress normalized with the maximum generated stress in Comparative Example 1 as 1. FIG. The
比較例1および比較例2の結果からわかるように、スペーサー50の剛性が低ければ発生する熱応力は小さくなるが、剛性が低いとギャップ層4の高さの精度を出すことが出来なくなる問題が発生する。
As can be seen from the results of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the thermal stress generated is small if the rigidity of the
図11は、本発明に係わるギャップ層4をモデル化した図である。
図11は、接着剤6の内部に高い剛性をもつ柱状スペーサー51(比較例1のスペーサー幅と同じ幅)を、接着剤6の外周部に、柱状スペーサー51より剛性が低い枠状スペーサー52(比較例2のスペーサー幅と同じ幅)を配置した例(実施例1)である。ギャップ層4の幅(接着幅)、高さ(スペーサーの高さ)、スペーサー5の材料、接着剤6の材料は同じとした。
実施例1に対して、同様に、FEM解析を用いて熱膨張差による応力の発生を検討した。
その結果、柱状スペーサー51と磁性体2,3との接合部には高い応力は発生せず、枠状スペーサー52と磁性体2,3との接合部に最大発生応力が発生した。また、発生する上記最大発生応力は、図10に示すように、比較例1において発生する最大発生応力の55%まで低下した。
FIG. 11 is a diagram modeling the
FIG. 11 shows a columnar spacer 51 (with the same width as the spacer width of Comparative Example 1) having high rigidity inside the adhesive 6 and a frame-shaped spacer 52 (with a lower rigidity than the
Similarly to Example 1, the generation of stress due to the difference in thermal expansion was examined using FEM analysis.
As a result, no high stress was generated at the joint between the
このように、フェライト磁石をはじめとする脆性磁性体を接着するときに、接着剤6の内部に高い剛性を持つ柱状スペーサー51を、接着剤6の外周部に低い剛性を持つ枠状スペーサー52を配置することで、磁性体2,3に発生する熱応力を大幅に低下させることができる。また、柱状スペーサー51によりギャップ層4の高さの精度を出すことが出来、電磁デバイスの信頼性を大きく向上させることが出来る。
さらに、ギャップ高さを大きくとることが可能となり、電気特性の調整範囲を広くすることが可能となる。
As described above, when the brittle magnetic body such as a ferrite magnet is bonded, the
Furthermore, the gap height can be increased, and the adjustment range of the electrical characteristics can be widened.
図12は、本発明に係わる別の構成のギャップ層4をモデル化した図である。
図12(a)は、図11の構成における枠状スペーサー52に対し、図12(b)に示すように、磁性体2,3との接合部において、周方向に沿ったフィレット(突起)54を設けた例(実施例2)である。図12(b)におけるフィレット54の寸法は、a/lが1/3、b/hが1/7とした。
実施例2に対して、同様に、FEM解析を用いて熱膨張差による応力の発生を検討した。
その結果、枠状スペーサー52と磁性体2,3との接合部に発生する最大発生応力は、図10に示すように、比較例1の42%、実施例1の76%まで低下した。
FIG. 12 is a diagram modeling a
FIG. 12A shows a fillet (projection) 54 along the circumferential direction at the junction with the
Similarly to Example 2, the generation of stress due to the difference in thermal expansion was examined using FEM analysis.
As a result, as shown in FIG. 10, the maximum stress generated at the joint between the
熱応力はギャップ層4の端部の形状に大きく左右される。特に端部にフィレット54を作製し、剛性を下げることで熱応力を小さくすることができ、電磁デバイスの信頼性を大きく向上させ、ギャップ高さを大きくとることが可能となる。
The thermal stress greatly depends on the shape of the end of the
図13は、本発明に係わる別の構成のギャップ層4をモデル化した図である。
図13は、図12の構成において、柱状スペーサー51と枠状スペーサーとを梁53により接続して一体化した例(実施例3)である。
実施例3に対して、同様に、FEM解析を用いて熱膨張差による応力の発生を検討した。
その結果、スペーサー5を一体化した構造においても、枠状スペーサー52と磁性体2,3との接合部に発生する最大発生応力は、図10に示すように、比較例1の45%、実施例1の80%まで低下し、応力を十分に低く抑えられる。
FIG. 13 is a diagram modeling a
FIG. 13 shows an example (Example 3) in which the
Similarly to Example 3, the generation of stress due to the difference in thermal expansion was examined using FEM analysis.
As a result, even in the structure in which the
図14は、実施例3に対し、熱履歴を与え、熱変形を起こした場合のFEM解析結果である。図14において、横軸は磁性体コア2における位置であり、位置A〜Hは図13に示した位置A〜Hに対応している。縦軸は、比較例1における最大発生応力を1として正規化した発生応力値である。
図14に示すように、柱状スペーサー51および枠状スペーサー53の周辺に応力が発生しており、特に枠状スペーサー50の外側端部A、Hに最大発生応力が発生していることがわかる。また、発生する最大応力は、比較例1と比べ、著しく小さいことがわかる。
FIG. 14 shows FEM analysis results when thermal history is given to Example 3 and thermal deformation occurs. In FIG. 14, the horizontal axis is the position in the
As shown in FIG. 14, stress is generated around the
なお、一体化した場合、剛性が幾分高くなるので、図10に示すように、最大発生応力は多少大きくなるが、一体化スペーサーを使うことで、製造工程が簡略化できると共に、接着時の工程と材質を変更することなく熱応力を大幅に下げることができ、電磁デバイスの信頼性を大きく向上させ、ギャップ高さによる、電気特性の調整範囲を広くすることが可能となる。 In addition, since the rigidity is somewhat increased when integrated, the maximum generated stress is somewhat increased as shown in FIG. 10. However, by using an integrated spacer, the manufacturing process can be simplified and at the time of bonding. The thermal stress can be greatly reduced without changing the process and material, the reliability of the electromagnetic device can be greatly improved, and the adjustment range of the electrical characteristics depending on the gap height can be widened.
なお、図10には示されていないが、フィレット54を両側に設けた、図2と同様の構成においても、実施例3と同様の効果が得られる。
Although not shown in FIG. 10, the same effect as that of the third embodiment can be obtained even in a configuration similar to FIG. 2 in which the
1 コイル、2,3 磁性体、4 ギャップ層、5 スペーサー、51 柱状スペーサー、52 枠状スペーサー、53 梁、54 フィレット、6 接着剤、7 クラック。 1 Coil, 2, 3 Magnetic body, 4 Gap layer, 5 Spacer, 51 Columnar spacer, 52 Frame spacer, 53 Beam, 54 Fillet, 6 Adhesive, 7 Crack
Claims (5)
The electromagnetic device according to any one of claims 1 to 4, wherein the columnar spacer and the frame-shaped spacer are integrated by connecting with a beam.
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2006
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