JP2012129374A

JP2012129374A - 線輪部品

Info

Publication number: JP2012129374A
Application number: JP2010279982A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yamaya; 孝志山家; Yuki Abe; 有希阿部
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2012-07-05
Anticipated expiration: 2030-12-16
Also published as: JP5875760B2

Abstract

【課題】コイルからの放熱を確実に、かつ効率よく行うことのできる線輪部品を提供すること。
【解決手段】コイルの少なくとも一部は軟磁性コア内に埋設され、コイル巻きの中心軸を含む一つの平面を基準面とした場合、中心軸から基準面に対して角度Ｗ以下となる領域で伝熱部材はコイル外周面と接し、角度Ｗは２度以上９０度以下である線輪部品により、確実にコイルの熱が放熱部材に伝達される。
【選択図】図１

Description

本発明は、軟磁性コアにコイルを施した線輪部品に関する。

絶縁樹脂の中に磁性体の粉末が分散した磁性粉末混合樹脂からなるコアに、通電により磁束が発生するコイルが埋設され、コアよりも熱伝導率が高い材料からなる板状の放熱フィンが、コア内に複数個、中心から放射状となるようにコア内に設けることで、コイルから発生した熱を効果的に冷却するリアクトルの技術が特許文献１に開示されている。

特開２０１０−１８２９４１号公報

特許文献１に記載された従来の技術では、コイルの熱を伝えるために、板状の放熱フィンを用いていたが、放熱フィンとコイル間の接触が安定しておらず、コイルから熱が充分伝わらない場合があった。

すなわち、リアクトルの中心から放射状に放熱フィンを配置した場合、全ての放熱フィンとコイルの間を接触させるのは困難であり、放熱フィンとコイルの間に隙間が空いてしまうと、伝熱効率が低下してしまうという課題があった。

従って、本発明の目的は、コイルからの放熱を確実に、かつ効率よく行うことのできる線輪部品を提供することにある。

軟磁性粉の結合体である軟磁性コアと、巻きの中心軸を持つコイルと、内側に凹部が設けられた伝熱部材を備え、前記伝熱部材の前記凹部内に前記軟磁性コアが配され、前記コイルの少なくとも一部は前記軟磁性コア内に埋設され、前記中心軸を含む一つの平面を基準面としたとき、前記断面内における前記中心軸から引き出された直線が、前記基準面に対してなす角度Ｗ以下となる条件を満たす領域で前記伝熱部材は前記コイル外周面と接し、前記角度Ｗは２度以上９０度以下であることを特徴とする線輪部品により上記課題を解決することができる。

コイルと伝熱部材はある程度広い面積に渡って近接、望ましくは可能な限り密接に接触させておいたほうが、例え軟磁性コア内部で発生した熱であっても、格段に熱伝導率の高い、内部のコイルと伝熱部材を経由して、効率的に熱を分散させることができる。

なお、前記伝熱部材は一体成形品であっても良い。

また、前記角度Ｗは１５度以上９０度以下であることが望ましく、前記角度Ｗは１５度以上３０度以下であると、さらに望ましい。

また、前記領域において、前記伝熱部材と前記コイルの中心軸方向における端面の少なくとも一部とが接していても良い。

また、放熱手段をさらに備え、前記放熱手段は前記伝熱部材の外面のうち、前記コイルと前記伝熱部材が接する部分の対向部に設置されていても良い。

また、前記放熱手段は前記伝熱部材の外面のうち、前記コイル外周面と対向する面に設置され、前記基準面は前記放熱手段の中心と前記中心軸を含む平面であっても良い。

また、前記コイルと前記伝熱部材との間の前記軟磁性コアの厚さは、前記領域近傍の前記厚さが前記コイル全周における前記厚さの平均値よりも厚くても良い。

また、前記コイルは前記領域における前記コイルと前記伝熱部材が接する部分に押圧されていても良い。

また、前記押圧は、前記コイル外周面における前記領域と対向する部位に設けられた押圧手段によりなされても良い。

また、前記領域において、前記伝熱部材と前記コイルの内周面の少なくとも一部とが接していても良い。

本発明によって、コイルからの放熱を確実に、かつ効率よく行うことのできる線輪部品を提供できる。

本発明における線輪部品のコイル中心軸に垂直な断面図。本発明における線輪部品のコイル中心軸に垂直な断面図。本発明における線輪部品の角度Ｗと、コイル温度の関係を示す図。本発明における線輪部品のコイル中心軸に垂直な断面図。本発明における線輪部品の角度θと、コイル温度の関係を示す図。本発明における線輪部品のコイル中心軸と放熱手段の中心を含む断面図。本発明における線輪部品のコイル中心軸と放熱手段の中心を含む断面図。本発明における線輪部品のコイル中心軸に垂直な断面図。本発明における線輪部品のコイル中心軸に垂直な断面図。

本発明は、軟磁性粉の結合体である軟磁性コアと、巻きの中心軸を持つコイルと、内側に凹部が設けられた伝熱部材を備え、伝熱部材の凹部内に軟磁性コアが配され、コイルの少なくとも一部は軟磁性コア内に埋設され、中心軸を含む一つの平面を基準面としたとき、断面内における中心軸から引き出された直線が、基準面に対してなす角度Ｗ以下となる条件を満たす領域で伝熱部材はコイル外周面と接し、角度Ｗは２度以上９０度以下である線輪部品により実現される。

なお、伝熱部材はコイルと接する部分が別部材により構成されていても良い。

コイルへの通電電流により生じる軟磁性コア及びコイル内部の熱は、コイル外周面から直接放熱すれば最も効果があり、同時に、放熱部材を分散配置するよりも、放熱部材を集中させることで、確実にコイルの熱が放熱部材に伝達される。

すなわち、軟磁性コアは結合剤を含有しているため、高々３Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度の熱伝導率しか無いのに対して、コイルや伝熱部材の材質として銅を用いた場合は約４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、アルミニウムを用いた場合は約２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）と、格段に熱伝導率が高く、コイルと伝熱部材はある程度広い面積に渡って、可能な限り密接に接触させておいたほうが、例え軟磁性コア内部で発生した熱であっても、格段に熱伝導率の高い、内部のコイルと伝熱部材を経由して、効率的に熱を分散させることができる。

なお、伝熱部材がコイル外周面と接する部分を含めて、さらには伝熱部材全体が一体成形品であれば、接合部で熱伝導率を損なうことが無いため、より望ましい。

さらに、角度Ｗは１５度以上９０度以下であることが望ましく、また、角度Ｗは１５度以上３０度以下であることがより望ましい。

角度Ｗは２度以上で放熱効果に向上が認められ、１５度以上になると放熱効果が著しく向上する。またインダクタンス特性への影響を懸念する場合は、９０度以下、さらには３０度以下に限定する。

また、コイルの中心軸方向における端面からも放熱部材に熱を伝達することができるため、上記領域において、伝熱部材とコイルの中心軸方向における端面の少なくとも一部とが接していても良い。

なお、放熱手段をさらに備え、放熱手段は伝熱部材の外面のうち、コイルと伝熱部材が接する部分の対向部に設置されていると、コイルから放熱手段へ熱を伝える伝熱部材内部の経路が短くなり、コイルから伝熱部材を介して効率的に熱を排出することができるため、望ましい。

また、放熱手段は伝熱部材の外面のうち、コイル外周面と対向する面に設置され、基準面は放熱手段の中心と中心軸を含む平面であれば、コイルと伝熱部材の接する領域の中心に放熱手段を配置することになるため、コイルから放熱手段へ熱を伝える伝熱部材内部の経路がより短くなり、より効率的に熱を排出することができるため、望ましい。

なお、コイルと伝熱部材との間の軟磁性コアの厚さは、領域近傍の厚さがコイル全周の厚さの平均値よりも厚くすることが望ましい。

すなわち、伝熱部材が接する部分のコイルにより誘起された磁束は、軟磁性コアに入り込めないので、隣接するコイルの軟磁性コアが厚ければ、軟磁性コアに入り込めなかった磁束を余分に厚い軟磁性コアに入り込ませることができるため。放熱部材との接触部によるインダクタンス低下を防ぐことができる。

また、コイルは領域におけるコイルと伝熱部材が接する部分に押圧されていることで、寸法バラツキを吸収、すなわちコイルと伝熱部材との接触を安定化することで、コイルの熱をより確実に伝熱部材に伝達するため、望ましい。

押圧は、例えばコイル外周面における領域と対向する部位に設けられた押圧手段によりなされてもよい。

なお、領域において、伝熱部材とコイルの内周面の少なくとも一部とが接していると、コイル内周面より放熱でき、さらにコイルと伝熱部材間の接触も安定するため、望ましい。

（実施の形態１）
本発明の実施形態を、図を参照しながら説明する。図１は、本発明における線輪部品のコイルの巻きの中心軸に垂直な断面図である。コイル１は、コイル内周部の軟磁性コア２１と、コイル外周部の軟磁性コア２２によって埋設されている。ここで、伝熱部材の外面における任意の１点をＰとして、コイルの中心軸Ｃとを含む基準面ＡＡとすると、コイルの中心軸Ｃから、基準面ＡＡとなす角度がＷ以下となる領域でコイル外周部と伝熱部材３が接している。

図１の構成は、予め中央部に窪みを形成した伝熱部材３へ、コイル１の底部にあたる高さになるよう、軟磁性粉と結合剤よりなる複合磁性材を注入して硬化させ、軟磁性コアの一部を形成する。軟磁性コアは、軟磁性粉と液状接着剤よりなる結合剤を配合した液状の複合磁性体を伝熱部材３の窪みへ注入後硬化して形成してもよく、軟磁性粉と粉末状の結合剤よりなる、または軟磁性粉表面に結合剤をコーティングした粉末状の複合磁性体を伝熱部材３の窪みへ入れて加圧硬化して形成してもよく、また、予めコイル１底部を支持する形状に形成した軟磁性コアを伝熱部材３の窪みの中へ入れても良いが、製法はこれに限定されるものではない。例えば、コイルの引き出し導線を支持しながら複合磁性体を入れて硬化させても良い。

次に伝熱部材３の窪みへコイルを入れる。必要に応じ、コイルを伝熱部材へ、熱伝導率の高いフィラーを配合した接着剤などで仮固定すると、コイルと伝熱部材間の熱伝導を確実にできる。さらにコイルの位置決めのための軟磁性コアブロックを必要に応じ入れて、さらに液状または粉末状の複合磁性体を入れ、硬化させることで、コイルを軟磁性コア中に埋設する。

なお、予めコイルを伝熱部材の一部に接着または固定しておき、さらに液状または粉末状の複合磁性体を入れ、硬化させることで、コイルを軟磁性コア中に埋設しても良い。接着には、熱伝導率の高いフィラーを配合した接着剤などを用いると、熱伝導の損失を防ぐことができるため、望ましい。

ここで、軟磁性粉は、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ等の軟磁性金属粉や、フェライト粉砕粉などが挙げられるが、放熱性が重要視される大電流用途では、軟磁性金属粉が好適に用いられる。

また、結合剤は、液状のエポキシ樹脂を用いた場合に隙間無く充填できるため、放熱性も良く、好適に用いられる。

（実施の形態２）
本発明の別の実施形態を、図を参照しながら説明する。図２は、本発明における線輪部品のコイル中心軸に垂直な断面図である。実施の形態１の構成に、放熱手段４が追加されている。

放熱手段４は伝熱部材の外面上に設置され、設置部の中心Ｈは実施の形態１における基準面ＡＡ上の一点Ｐと一致している。

このような配置にすることで、コイル及び軟磁性コアで発生した熱は、最短経路である図２中の熱流路Ｔすなわち、コイル内部、伝熱部材との接触部、伝熱部材を経由して放熱手段４より熱が排出される。

（実施の形態３）
本発明の別の実施形態を、図を参照しながら説明する。図６は、本発明における線輪部品のコイル中心軸と放熱手段の中心を含む断面図である。コイル１は伝熱部材３１により内周面から、伝熱部材３２により底部から、それぞれ支持されている。伝熱部材３１の頂上部は、コイル１内周面に対して滑らかな曲面を設けると、コイル１を設置する際に伝熱部材３１とコイル１内周面との衝突を確実に防ぐことができるため、望ましい。

（実施の形態４）
本発明の別の実施形態を、図を参照しながら説明する。図７は、本発明における線輪部品のコイル中心軸と放熱手段の中心を含む断面図である。コイル１における伝熱部材３との接触する外周面と対向する外周面に弾性部材５１、５２を設置して、コイル１を伝熱部材３に向けて押圧し、コイル１と伝熱部材３を確実に接触させることで、コイル１の熱を確実に伝熱部材３へ伝達させる。

弾性部材としては、弾性部材５１のような弾力性のあるゴム等を用いても良く、弾性部材５２のようなくの字状の板ばねを用いても良い。図７中では弾性部材５１、５２を両方とも設置しているが、どちらか一方でも良い。

なお弾性部材５１は、コイルを伝熱部材に設置する前に伝熱部材内壁面に予め接触配置させてもよく、コイルを伝熱部材に設置した後にコイル外周面と伝熱部材内壁面の間に挿入してもよい。

また弾性部材５２は、コイルを伝熱部材に設置した後にコイル外周面と伝熱部材内壁面の間に挿入するほうが作業性も良く望ましいが、くの字の向きを上下逆にすることで、コイルを伝熱部材に設置する前に伝熱部材内壁面に予め接着または固定させておいても良い。なお弾性部材は、くの字状の板ばねに限らず、くの字を２つ組み合わせた菱形の板ばねでも良く、もちろんコイルばね等各種のばねでも良い。

図８は、本発明における線輪部品のコイル中心軸に垂直な断面図である。板ばね５３をコイル１における伝熱部材３との接触する外周面と対向する外周面から押圧するよう配置している。このような構成とすることで、板ばねの材質が金属の場合でも、軟磁性コア内の磁束の流れを阻害することが無い。

（実施例１）
実施の形態２の構成で、角度Ｗと、コイル温度の関係を確認する実験を行った。

線輪部品は、図２すなわち実施の形態２の構成である。具体的には、コイルは素線断面が厚さ０．８ｍｍ、幅９ｍｍの平角銅線を３２ターン、エッジワイズ巻きしたものを用い、伝熱部材は内径９３ｍｍ、高さ５２ｍｍのアルミケースを用い、複合磁性体はＦｅ−６．５％Ｓｉ材のガスアトマイズ粉末と２液型のエポキシ樹脂とを混合し液状の磁性スラリーとしたものを用い、放熱手段としては、１０Ｌ／分通水する直方体のアルミ製水冷管を用いた。

上記コイルを伝熱部材内に固定した後、複合磁性体をアルミケースに注型、加熱硬化し線輪部品を作成した。さらに、伝熱部材外面上に、中心が実施の形態１記載の基準面上となるように水冷管を押し当てた状態で、１０ｋＨｚ、６０Ａｐ−ｐの交流電流に直流電流を８０Ａ重畳させた電流をコイルに通電し、線輪部品内部のコイルの温度上昇を測定した。

図３は、角度Ｗとコイル温度の関係を示す実験結果の図である。角度Ｗが０度、すなわちコイルと伝熱部材が接触しない場合のコイル温度を基準として、角度Ｗを大きくしてコイルと伝熱部材の接触面積が増えた場合のコイル温度との差分を温度低下量としている。

まず、角度Ｗが２度を越えると、温度低下量は６Ｋを超え、大きな放熱効果が認められる。さらに、角度が１５度を超えると、温度低下量は２０Ｋを超え、さらに著しい放熱性の向上が認められる。

磁性素子の耐熱温度は用途によりさまざまであるが、発熱による温度上昇が高いほど、長期信頼性は低下するため、放熱性に優れ、温度上昇が小さいことが必要である。

一般の電子部品の耐熱性は例えば８０〜１５０?程度で設計されるが、放熱性が悪く温度上昇が大きい場合、耐熱温度の設計値を満足するためには素子を大きくして損失を低減するなどして温度上昇を抑制せざるを得ず、コスト面、小型化の面で不利なものとなるため、放熱性は重要な設計要素のひとつである。素子の温度は内部に埋設した熱電対等によって測定されるが、熱電対自体の精度や取り付けの位置等の問題もあり温度低下量として５Ｋ以上の違いがあれば顕著な差としてみることができる。

（実施例２）
図４は、本発明における線輪部品のコイル中心軸に垂直な断面図である。実施例１の構成とは、放熱手段設置部の中心Ｈと実施の形態１における基準面ＡＡ上の一点Ｐをずらしている点が異なっている。ここで、コイルの中心軸Ｃと放熱手段設置部の中心Ｈを含む平面と基準面ＡＡのなす角度をθとする。

図５は、角度θと、コイル温度の関係を示す実験結果の図である。実施例１における、角度Ｗが０度、すなわちコイルと伝熱部材が接触しない場合のコイル温度を基準として、角度Ｗを４０度にして、角度θを大きくして放熱部材を基準面ＡＡから離した場合のコイル温度との差分を温度低下量としている。

図５より、角度θは９０度以下であれば、温度低下量は１４Ｋ以上となり、放熱性が高く、本発明の効果をより有効に享受できることが分かる。

（実施例３）
本発明を実施した他の一例を、図を参照しながら説明する。図９は、本発明における線輪部品のコイル中心軸に垂直な断面図である。外径８２ｍｍのコイル１は、内周面を軟磁性コア２１、外周面を軟磁性コア２２１、２２２、２２３により埋設されている。コイル１の外周面における放熱手段４より離れている半周分の領域には軟磁性コア２２１が設けられている。また、コイル１の外周面における放熱手段４に面する半周分の領域には軟磁性コア２２２、２２３が設けられている。放熱手段４に最も近いコイル１の外周面でコイル１と伝熱部材３が接し、接触部領域の角度Ｗは２２．５度である。なお、角度θは０度となる。

また、軟磁性コア２２１と２２２、軟磁性コア２２１と２２３との間でも、コイル１の中心軸を中心とした３０度の範囲に渡ってコイル１と伝熱部材３が接している。軟磁性コア２１におけるコイル１の中心軸に相当する中心部には、柱状の伝熱部材３３が設けられている。

すなわち、軟磁性コア２２１と２２２、さらに２２３との間のコイル１外周面から伝熱部材３に熱が伝達され、軟磁性コア２１の中心からも伝熱部材３３に熱が伝達され、放熱手段４により熱が排出されることから、非常に放熱性の高い構成となっている。

一方、コイル１と伝熱部材３との接触部が複数個所に渡っているため、インダクタンス特性を維持する配慮も必要となる。そこで、コイル１と伝熱部材３の間の軟磁性コア２２２、２２３の厚さを１１ｍｍとして、軟磁性コア２２１の厚さ５ｍｍの２倍以上にしている。

コイル外周面に一様に軟磁性コアを設けた場合は、５ｍｍの厚さがあれば充分だが、伝熱部材３と接触する部分のコイル１により誘起された磁束は、倍以上の１１ｍｍの厚さの隣接する軟磁性コアを通すよう構成することで、インダクタンス特性を維持することができる。

１コイル
２１、２２、２２１、２２２、２２３軟磁性コア
３、３１、３２、３３伝熱部材
４放熱手段
５１、５２、５３弾性部材
Ｃコイルの中心軸
Ｐ伝熱部材の外面における任意の１点
Ｈ放熱手段設置部の中心
Ｔ熱流路

Claims

軟磁性粉の結合体である軟磁性コアと、巻きの中心軸のあるコイルと、内側に凹部が設けられた伝熱部材を備え、前記伝熱部材の前記凹部内に前記軟磁性コアが配され、前記コイルの少なくとも一部は前記軟磁性コア内に埋設され、前記中心軸を含む一つの平面を基準面としたとき、前記断面内における前記中心軸から引き出された直線が、前記基準面に対してなす角度Ｗ以下となる条件を満たす領域で前記伝熱部材は前記コイル外周面と接し、前記角度Ｗは２度以上９０度以下であることを特徴とする線輪部品。
前記伝熱部材は一体成形品であることを特徴とする請求項１に記載の線輪部品。
前記角度Ｗは１５度以上９０度以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の線輪部品。
前記角度Ｗは１５度以上３０度以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の線輪部品。
前記領域において、前記伝熱部材と前記コイルの中心軸方向における端面の少なくとも一部とが接していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の線輪部品。
放熱手段をさらに備え、前記放熱手段は前記伝熱部材の外面のうち、前記コイルと前記伝熱部材が接する部分の対向部に設置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の線輪部品。
前記放熱手段は前記伝熱部材の外面のうち、前記コイル外周面と対向する面に設置され、前記基準面は前記放熱手段の中心と前記中心軸を含む平面であることを特徴とする請求項６に記載の線輪部品。
前記コイルと前記伝熱部材との間の前記軟磁性コアの厚さは、前記領域近傍の前記厚さが前記コイル全周における前記厚さの平均値よりも厚いことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の線輪部品。
前記コイルは前記領域における前記コイルと前記伝熱部材が接する部分に押圧されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の線輪部品。
前記押圧は、前記コイル外周面における前記領域と対向する部位に設けられた押圧手段によりなされることを特徴とする請求項９に記載の線輪部品。
前記領域において、前記伝熱部材と前記コイルの内周面の少なくとも一部とが接していることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれかに記載の線輪部品。