JP2011077304A - 大電力用インダクタンス部品 - Google Patents

Abstract

【課題】大電力用のインダクタンス部品において、放熱効率を高めてコア温度上昇を抑制し、それによって小型化を可能とし、且つコアに不具合が生じないようにする。
【解決手段】磁気ギャップ部１４を備えた準閉磁路構造のフェライトコア１０と、該フェライトコアに施される巻線１８を具備し、フェライトコアの表面の少なくとも一面で放熱構造物２０に実装されるインダクタンス部品である。フェライトコアは、同形の２個のＥ型コア１２を組み合わせ、その磁気ギャップ部１４に非磁性の可変形性高分子部材が介在している構造であって、該フェライトコアの外周面の少なくとも一平面が放熱構造物２０と直接的もしくは間接的に接触する形態で実装される。高分子部材としては、樹脂接着剤１６のみでもよいし、樹脂板やゴムシートを樹脂接着剤で固着したものでもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、大電流が流れる大型のインダクタンス部品に関し、更に詳しく述べると、磁路を形成するフェライトコアの磁気ギャップ部に、非磁性の可変形性高分子部材が介在している構造とし、放熱構造物への伝熱効率を向上させることで温度上昇を抑えた大電力用インダクタンス部品に関するものである。この技術は、特に、電力容量の大きな車載用のトランスやコイルなどに有用である。

車載用のＤＣ−ＤＣコンバータは、大電流で動作するトランスやコイルを必要とする。これらの大電力用インダクタンス装置は、高周波領域での動作が要求されるため磁心材料としてフェライトが用いられている。しかし、フェライトは、飽和磁束密度があまり大きくないために磁気飽和し易い。そのため大きな磁路断面積を確保しなければならず、必然的にフェライトコアは大型化し、また巻線に大電流が流れるために発熱量も増大する。

周知のように、各種の電子機器は動作時の発熱によって温度が上昇し、その温度上昇が甚だしく部品を構成する材料の耐熱温度を超えると、部品の損傷や劣化に至る。特に、大電流で動作する大型のインダクタンス部品では発熱量が大きい。電線の発熱（銅損）は、電流の２乗に比例するため、電流が増すと発熱量は急激に大きくなる。また、製品の小型化という市場要求に伴い、フェライトコアの小型化が求められているが、フェライトコアを小型化するために磁路断面積を小さくすると、フェライトコア内の磁束密度が増し鉄損が増加する。更に、フェライトコア内の磁束密度が同じで、単位体積当たりの鉄損が同じでも、大電流用の大型インダクタンス部品の場合には、フェライトコアの体積が増すため総鉄損（総発熱量）が増加する。そのためフェライトコアの一部を筐体やプリント基板、放熱板などの放熱構造物に直接的に、あるいは接着剤などの材料を介して間接的に、または微小エアギャップを挟んで疑似接触させるなどして、発生した熱の大部分をフェライトコアを経由して放熱構造物に逃がす発熱対策が施されている（例えば、特許文献１など参照）。

このような手法によって、フェライトコアの冷却面側（放熱構造物との対向面側）の温度は低下するが、フェライトは一般に熱伝導率が低いため、冷却面から離れた部分の温度は冷却面側ほどには下がらず、かなりの温度差が生じる。フェライトコアが大型になればなるほど、熱流路長が長くなるため熱抵抗が大きくなり、冷却面から離れた部分と冷却面近傍部分との温度差は拡大する。特に、大電力用の大型インダクタンス装置では、発熱量も大きくなるため、冷却面から離れた部分での過度の温度上昇を防ぐことは難しい。

ところで、フェライトは飽和磁束密度が小さく磁気飽和し易い特性を有するために、磁気飽和が生じないように磁路に磁気ギャップ部を形成することがある。従来技術では、この種の大電力用インダクタンス部品の場合、動作時の熱変形による過大な応力や振動などによってコア欠けやコア割れなどの不具合が生じないように、磁気ギャップ部は空隙のままとなっている。そのため、磁気ギャップ部での熱抵抗が大きく、冷却面から離れた部分でのコア温度が高くなりがちであった。

特開２００３−１８８０３３号公報

本発明が解決しようとする課題は、大電力用のインダクタンス部品において、放熱効率を高めて過度のコア温度上昇を抑制し、それによって小型化を可能とし、且つコアに不具合が生じないようにすることである。

本発明は、磁気ギャップ部を備えた準閉磁路構造のフェライトコアと、該フェライトコアに施される巻線を具備し、フェライトコアの表面の少なくとも一面で放熱構造物に実装されるインダクタンス部品において、フェライトコアは、その磁気ギャップ部に非磁性の可変形性高分子部材が介在している構造であって、該フェライトコアの外周面の少なくとも一平面が放熱構造物と直接的もしくは間接的に接触する形態で実装されるようにしたことを特徴とする大電力用インダクタンス部品である。なお、本発明において「大電力用」とは、電力容量が１ｋＷ以上、典型的には数ｋＷ〜十数ｋＷ程度を指している。

典型的には、前記フェライトコアは、同形の２個のＥ型コアを、それらの脚部先端面が対向するように組み合わせたものであり、両側脚部の先端面同士が互いに当接し、中脚部の先端面同士の間に磁気ギャップ部が形成される構造であり、その磁気ギャップ部に非磁性の可変形性高分子部材を介在させる。

磁気ギャップ部に介在している可変形性高分子部材としては、例えば樹脂接着剤を用いることができる。その他、磁気ギャップ部に介在する可変形性高分子部材としては、合成樹脂板と該合成樹脂板を磁気ギャップ部に接着する樹脂接着剤、あるいは合成ゴムシートと該合成ゴムシートを磁気ギャップ部に接着する樹脂接着剤などでもよい。

本発明に係る大電力用インダクタンス部品では、磁気ギャップ部に高分子部材が介在しており、該高分子部材は空気よりも熱伝導率が大きいため、フェライトコアの放熱効率が高くなり、コアの温度上昇を抑えることができる。また、発熱量がより大きくなってもコア温度が上がらずに済むため、磁路断面積を小さくでき、フェライトコアの小型化が可能になる。更に、使用する高分子部材が可変形性である（剛体ではない）ため、動作時の熱変形による過大な応力や振動などが吸収され、コア欠けやコア割れなどの不具合が生じる恐れもない。

本発明に係る大電力用インダクタンス部品の一例を示す説明図。 本発明の他の例を示す側面図。

図１は、本発明に係る大電力用インダクタンス部品の一例を示している。このインダクタンス部品は、数ｋＷ〜十数ｋＷ程度の大電力用のトランスやコイルであり、フェライトコアと、該フェライトコアに施される巻線を具備している。フェライトコア１０は、Ａに示すように、同形の２個のＥ型コア１２を、それらの脚部の先端面が対向するように組み合わせたものであり、両側脚部の先端面同士は当接しているが、中脚部の先端面同士は当接せず隙間が空いていて磁気ギャップ部１４が形成される準閉磁路構造である。Ｅ型コア１２は、例えばＭｎ系フェライトなどからなる。

次に、図１のＢに示すように、この磁気ギャップ部に高分子部材１６を介在させる。この高分子部材は、非磁性で耐熱性（１２０℃以上）があり且つ可変性を呈するもの（剛体ではない軟質の素材）を用いる。動作中の温度変化による熱変形（熱膨張・熱収縮）がコアと高分子部材とで異なり、磁気ギャップ部に介在している高分子部材が硬いと、コア欠けやコア割れが生じる恐れがあるためである。従って、硬度の点でエポキシ系の接着剤は不適であり、また耐熱性の点でウレタン系の接着剤も不適である。そこで本発明においては、例えば、シリコーン系樹脂接着剤が好適である。シリコーン系樹脂接着剤は軟質であるため、熱的あるいは機械的変形を吸収でき、コア破損を防止できる。樹脂接着剤の硬さは、例えばヤング率が０．５ＧＰａ以下、あるいはショアＡ９５以下のものがよい。

図１のＣに示すように、Ｅ型コア１２の中脚部に巻線１８を施す。このようなインダクタンス部品は、下方のフェライトコア１０の下面が放熱構造物２０と直接的もしくは間接的に接触する形態で実装される。放熱構造物２０は、例えば筐体やプリント基板、放熱板などである。

フェライトコアの中脚部に着目したとき、中脚部全体の熱抵抗は、フェライト材の熱抵抗と磁気ギャップ部の熱抵抗との和となる。それぞれの熱抵抗は、熱流路長に比例し、熱伝導率に反比例する。空気の熱伝導率はフェライトの熱伝導率の数百分の１程度と非常に小さいが、コア部の熱流路長に対して磁気ギャップ部の熱流路長が小さいため、従来は、磁気ギャップ部の熱流路長が０．２ｍｍ程度の場合には、その影響は小さいと考えられていた。しかし、大電力用途の場合には、発熱量が大きいため熱流束も大きく、磁気ギャップ部の影響が無視できなくなっている。そこで、本発明では、磁気ギャップ部に空気よりも熱伝導率が大きな材料（高分子部材）を介在させることによって、磁気ギャップ部の熱抵抗を小さくし、コア上面の温度を下げることができる。

図２は、本発明の他の例を示している。これは、特に磁気ギャップ部が大きい場合（例えば２ｍｍ程度）に有効な構造である。磁気ギャップ部を除いて基本的な構成は図１と同様であってよいので、対応する部材には同一符号を付し、それらについての詳細な説明は省略する。

磁気ギャップ部が大きい場合には、磁気ギャップ部に樹脂板２２を挿入し、該樹脂板２２を樹脂接着剤２４で固着する。樹脂接着剤２４としては、前記の例と同様、シリコーン系樹脂接着剤が好ましい。樹脂板２２としては、フェノール樹脂やＰＢＴ樹脂など耐熱性のあるものを用いる。樹脂接着剤の層が厚ければ、樹脂板は硬質であってもよい。

上記の例では、フェライトコアとして同形の２個のＥ型コアを用いているが、必ずしも同形でなくてもよく、またＥ型コアとＩ型コアの組み合わせでもよい。図２では磁気ギャップ部内に樹脂板を挿入しているが、樹脂板に代えてゴムシートを用いてもよい。勿論、ゴムシートには１２０℃程度以上の耐熱性が要求されることから、例えばシリコンゴムあるいはフッ素ゴムなどがよい。軟質のゴムシートを用いる場合は、樹脂接着剤の層は薄くてもよい。

以上のように、本発明において磁気ギャップ部に挿入されている高分子部材は、コアの熱的・機械的変形を許容・吸収してコア破損を防ぎ、熱伝導率を高める機能を果たすものである。

図１に示す構成で、フェライトコアの磁気ギャップ部が空気の場合（従来技術）とシリコーン系接着剤を充填した場合（本発明）とについて、コアの底面と上面での温度を測定した。ここで、巻線への通電によるフェライトコアの総発熱量は１０Ｗ、磁気ギャップ部のギャップ長は０．２ｍｍである。温度測定の結果を表１に示す。

表１から分かるように、樹脂接着剤を充填すると、空気のみの場合に比べて、コア上面の温度を１５℃程度下げることができた。

また、磁気ギャップ部に使用する樹脂接着剤として、金属フィラーを含んだ接着剤を使用すると、熱伝導率が増し、コア上面の温度低減効果を更に増大させることができる。なお、樹脂板やゴムシートは、必ずしも上下両面でコアに接着されている必要はない。

１０ フェライトコア
１２ Ｅ型コア
１４ 磁気ギャップ部
１６ 高分子部材
１８ 巻線
２０ 放熱構造物

Claims (5)

1. 磁気ギャップ部を備えた準閉磁路構造のフェライトコアと、該フェライトコアに施される巻線を具備し、フェライトコアの表面の少なくとも一面で放熱構造物に実装されるインダクタンス部品において、
   フェライトコアは、その磁気ギャップ部に非磁性の可変形性高分子部材が介在している構造であって、該フェライトコアの外周面の少なくとも一平面が放熱構造物と直接的もしくは間接的に接触する形態で実装されるようにしたことを特徴とする大電力用インダクタンス部品。
2. フェライトコアは、２個のＥ型コアを、それらの脚部先端面が対向するように組み合わせたものであり、両側脚部の先端面同士が互いに当接し、中脚部の先端面同士の間に磁気ギャップ部が形成される構造であり、その磁気ギャップ部に非磁性の可変形性高分子部材が介在している請求項１記載の大電力用インダクタンス部品。
3. 磁気ギャップ部に介在している可変形性高分子部材が、磁気ギャップ部に充填された樹脂接着剤である請求項２記載の大電力用インダクタンス部品。
4. 磁気ギャップ部に介在している可変形性高分子部材が、合成樹脂板と該合成樹脂板を磁気ギャップ部に接着する樹脂接着剤とからなる請求項２記載の大電力用インダクタンス部品。
5. 磁気ギャップ部に介在している可変形性高分子部材が、合成ゴムシートと該合成ゴムシートを磁気ギャップ部に接着する樹脂接着剤とからなる請求項２記載の大電力用インダクタンス部品。

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