JP2012174752A

JP2012174752A - 磁性素子

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Publication number: JP2012174752A
Application number: JP2011032831A
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: 2011-02-18
Filing date: 2011-02-18
Publication date: 2012-09-10

Abstract

【課題】最適なインダクタンスが得られ、レイヤーショートを生じさせず、さらに冷却性能がよい、その上小型で、安価な磁性素子を提供する。
【解決手段】磁性素子１０は、複合線１と、これを巻回したボビン等の絶縁部材３と、これらを注型する磁性体２とで構成した。複合線１を巻回した絶縁部材をケースにセットした後、磁性体のスラリーを所定量流し込み、その後加熱し硬化させることにより磁性素子１０を得る。複合線は丸線を２本以上並べ、複合線断面の長手方向が、巻軸と平行となるように巻線が構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁性体と巻き線とが一体で成形される磁性素子に関し、特に電気自動車やハイブリッド自動車等の車体駆動動力用モーターの電力変換装置であるインバータの昇圧回路などに好適な、大電流通電や高電圧印加などに対応するリアクトル等の磁性素子に関する。

従来この種の磁性素子は、磁性体と巻き線とにより構成される。磁性体としては直流電流重畳特性のよいＦｅ−Ｓｉ系の合金などを用いた積層電磁鋼板、圧粉ダスト、注型体などによるものが用いられ、巻き線としては平角線をエッジワイズ形状に巻回したものなどが知られている。

このような磁性素子に対して、磁気特性はもちろんであるが、インバータ等の機器内での許容空間への適合や、冷却効率なども含めた最適設計が要求されている。また、今後の環境に配慮した製品の面から、より小型で低コストである磁性素子が求められている。

磁性素子として求められる性能の一つに冷却性能があり、例えば、冷却性能を高めるために冷却部材を追加したリアクトルがある（特許文献１）。

また、磁気特性の面から、交流抵抗を緩和すべく、リッツ線を平行な束状に被覆固定した集合線材とし、平角線をエッジワイズ形状に巻いて、巻き線を形成する方法が知られている（特許文献２）。

さらに、低コスト化の点では有利な丸線を用い、多層に巻回されたインダクタが開示されている（特許文献３）。

特開２００７―３３５８３３号公報特開平１０−２２１３１号公報特開平５―２９１０４６号公報

平角線による巻き線は占積率が高く、巻き線自体の小型化には有効であるが、種々の問題がある。例えば、巻き線の方法として、図５、図６がある。図５は、従来の第１の例における磁性素子の断面図である。図６は、従来の第２の例における磁性素子の断面図である。図５の磁性素子３０は、巻き線２１と、これを巻回したボビン等の絶縁部材２３と、これらを内部に配して注型する磁性体２とで構成される。また、図６の磁性素子４０は、巻き線３１と、これを巻回したボビン等の絶縁部材３３と、これらを内部に配して注型する磁性体２とで構成される。許容空間として床面積を小さくせざるを得ない場合は、図５に示すように、巻き線の高さと外径がほぼ等しい場合には側面や内面からの放熱性能を検討する必要があるが、冷却面が大きく確保できる場合は、図６に示すように、巻き線の外径が高さよりも大きいことで冷却面に接する面積の大きい、換言すると冷却面に対し扁平な構成とすることが望まれている。

ところが、特許文献１のように、平角線をエッジワイズ形状に巻く場合、例えば図５のような平角線素線の断面のアスペクト比が１０程度までの平角線をエッジワイズに巻き線することは可能であるが、図６のようにアスペクト比の高い断面のものをエッジワイズに巻き線することは困難であるように、平角線自体の断面のアスペクト比と、エッジワイズ形状に変形させつつ巻き線できる範囲に制約があるという問題があった。また、巻き高さは外径が限られた範囲においては、必要な巻き数にて確定してしまうため、高さ方向における自由度が小さく、端子の取り出し方向の制約もあることから、結果として巻き線の高さは高くなってしまい、前述のような冷却効率に関して最適な形状が得難いという問題があった。

さらに、平角線よりも丸線のほうがコストは低いが、巻き線としたときの占積率が低いこと、平角線と同等の直流抵抗の直径のものを用いると表皮効果による損失、近接効果による損失により交流抵抗が高くなるという問題があった。

特許文献２では、交流抵抗を緩和する構造が採用されている。しかし、特許文献２の構造では、平行な束状に被覆固定した集合線材を製造すること自体でコストが高くなることと、線材の平行を維持するための周囲の被覆部材により占積率が低下すること、および平角線の場合は銅などの金属の塑性変形と高い弾性を利用し形状を維持させるのに対し、樹脂による被覆の集合線材のため樹脂の弾性があり、エッジワイズ形状の巻き線として形状を保持すること自体が難しいという問題があった。

さらに、磁気特性の面からは、巻き線の巻回軸を含む巻き線の断面において、巻回軸と平行な方向の寸法を縦寸法、垂直な方向の寸法を横寸法としたとき、縦寸法／横寸法の比が約１において、インダクタンスは最も高く、磁性体を含む磁性素子自体の体積も小さくすることが可能である。しかし、平角線の場合、前述のとおり最適な縦寸法／横寸法の比にて構成することは難しいという問題があった。

また、磁性素子においては、（端子間の電圧／巻き数）で表される電圧が１ターンあたりの線間電圧である。平角線をエッジワイズ形状に巻回する場合、必然的に各線は巻きはじめ側から順次隣り合う配列となり、線間電圧は巻き数分の一であるため十分に小さく問題とならないが、特許文献３のように、丸線を巻回する場合、巻きはじめ側の周と巻き終わり側の周とが接触し、これらの線間電圧は高いためレイヤーショートを起こす可能性があり、設計と製造管理には十分に注意する必要があるという問題があった。

このように小型で低コストな磁性素子を得るためには、磁気特性と冷却性能を向上させるために低背構造の巻き線が容易に製造できることと、低コストな丸線を用いながらも交流抵抗を上げることなく、レイヤーショートを生じさせないことなどを同時に満足させることが重要である。

本発明は、上記の課題を解決し、最適なインダクタンスが得られ、レイヤーショートを生じさせず、さらに冷却性能がよく、その上小型で、安価な磁性素子を提供することを目的とする。

本発明によれば、比透磁率が６４０以下の磁性体と、前記磁性体の内部に形成された巻き線とを備え、巻回軸を含む前記巻き線の断面が、前記巻回軸と平行な方向の寸法を縦寸法、前記巻回軸に垂直な方向の寸法を横寸法としたとき、縦寸法／横寸法の比が０．３〜５となるよう構成されたことを特徴とする磁性素子が得られる。なお、横寸法は、巻き線の（外径−内径）／２である。

本発明は、絶縁体で被覆された導体線である丸線を２本以上並べて複合線を構成し、前記複合線における少なくとも２本の前記丸線の両端が互いに電気的に接続されていて、少なくとも一部の前記複合線断面の長手方向が、前記巻き軸と平行となるよう巻かれて前記巻き線を構成していることを特徴とする上記の磁性素子が得られる。

また、本発明によれば、前記複合線の断面の長手方向寸法が、前記縦寸法と同じであることを特徴とする上記の磁性素子が得られる。

また、本発明によれば、前記複合線は、前記丸線を１列に並べたフラットリボンケーブル状に構成されていることを特徴とする上記の磁性素子が得られる。

また、本発明によれば、前記巻き線の最内周の一端部は、前記巻き線の内周面と前記巻き線における前記巻き軸と垂直な面となる側表面との境界部から引き出され、前記複合線の前記巻き線の最外周の他端部は、前記巻き線の外周面から引き出されていることを特徴とする上記の磁性素子が得られる。

また、本発明によれば、偶数個の前記巻き線が、互いに最内周か最外周で前記複合線が連絡されるよう巻かれ、前記複合線の両端部は、前記巻き線の内周面または外周面から引き出されていることを特徴とする上記の磁性素子が得られる。

また、本発明によれば、前記巻き線の前記内周面及び前記側表面を支持する絶縁部材をさらに備え、前記絶縁部材上の前記境界部に対向する少なくとも一部に貫通穴が設けられていることを特徴とする上記の磁性素子が得られる。

また、本発明によれば、前記丸線は、表皮厚み＝１／（πｆμσ）^１／２（周波数ｆ、比透磁率μ、導電率σ）で計算される導体直径を１としたとき０．９以下であることを特徴とする上記の磁性素子が得られる。

また、本発明によれば、前記磁性体を注型することにより得られることを特徴とする上記の磁性素子が得られる。

本発明によれば、最適なインダクタンスが得られ、レイヤーショートを生じさせず、さらに冷却性能がよく、その上小型で、安価な磁性素子を提供することができる。

即ち、本発明の磁性素子によれば、巻き線の高さを低背にできる。また、安価な丸線を使用しても交流抵抗を上げることなくレイヤーショートを生じさせない。また、占積率が低下しても最適なインダクタンスが得られる。また、冷却面に対し扁平な構成としたため、冷却性能がよい。以上から、小型、安価で、高性能な磁性素子を得ることができる。

本発明は、インダクタのみでなく、トランス、モーターなどにも応用できる。

本発明の一実施の形態における磁性素子に用いられるボビンへの巻き線の方法を説明する斜視図。図１（ａ）は、巻き始めの状態を示す図。図１（ｂ）は、巻回途中の状態を示す図。図１（ｃ）は、巻き終わりの状態を示す図。本発明の一実施の形態における磁性素子の断面図。本発明の他の実施の形態における磁性素子に用いられるボビンへの巻き線を施した状態を示す斜視図。巻き線の縦寸法／横寸法に対するインダクタンスと磁性素子体積、直流抵抗の関係を示す図。従来の第１の例における磁性素子の断面図。従来の第２の例における磁性素子の断面図。従来の第３の例における磁性素子の断面図。本発明の一実施の形態における磁性素子の断面図。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施の形態における磁性素子に用いられるボビンへの巻き線の方法を説明する斜視図であり、図１（ａ）は、巻き始めの状態を示す図、図１（ｂ）は、巻回途中の状態を示す図、図１（ｃ）は、巻き終わりの状態を示す図である。図２は、本発明の一実施の形態における磁性素子の断面図である。

図２に示すように、本発明の実施の形態における磁性素子１０は、複合線１と、これを巻回したボビン等の絶縁部材３と、これらを注型する磁性体２とで構成したものである。複合線１を巻回した絶縁部材をケース（図示せず）にセットした後、磁性体のスラリーを所定量流し込み、その後加熱し硬化させることにより磁性素子１０が得られる。

本発明における磁性体２は、例えばＦｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系などの鉄系の磁性粉末と熱硬化性などの液状の樹脂を混合しスラリー状としたコンポジット磁性体を用いることができる。鉄系の磁性粉末は非鉄成分を含有することにより飽和磁歪および結晶磁気異方性が小さくなる組成があり鉄損は小さくできるが、逆に非鉄成分が多くなると飽和磁束密度が低下し、磁性素子としたときの磁気飽和が生じやすくなるため非鉄成分種と含有量は用途により適宜選択される。熱硬化性の樹脂はスラリーとしたときの流動性が十分であるよう低粘度のものが好ましい。また、熱硬化性樹脂の硬化後の弾性率、破壊強度、破断伸びなどの機械的性質は磁性素子として使用される通電条件による発熱と、使用環境、冷却機構などによる温度上昇に対し、十分な耐熱性と耐寒性を有するとともに、熱ストレスによる破壊が生じないことが必要であり、例えば破壊強度が大きいエポキシ樹脂や破断伸びが大きいシリコーン樹脂などを用いることができる。

図１（ａ）に示すように、絶縁部材３は、円筒体の両端と、この両端を２分割した中央の位置とに３枚の鍔３ａ、３ｂ、３ｃが設けられている。また絶縁部材３は、一端の鍔３ａと中央の鍔３ｂの外周方向に延在させて、複合線１を貫通させる孔を有する固定部３ａ１、３ｂ１がそれぞれ設けられている。さらに絶縁部材３には、中央の鍔３ｂの円筒体と接する部分に、複合線１を貫通させる孔を有する固定部３ｂ２が設けられている。固定部３ａ１、３ｂ２と、３ｂ２、３ｂ１との間は中心からのなす角がそれぞれ約２０度で形成されている。

本発明の磁性素子に用いられる絶縁部材への巻き線は、次のようにして行われる。まず、図１（ａ）に示すように、絶縁部材３の下段の巻き線部、即ち鍔３ｂ、３ｃ間に、複数の丸線（図では６本）からなる複合線１の一端を１ターン施した後、複合線１の他端を、固定部３ｂ２の孔に鍔３ｃから鍔３ａの方向に通し、上段の巻き線部、即ち鍔３ａ、３ｂ間に導入する。次いで、図１（ｂ）に示すように、絶縁部材３の鍔３ｂ、３ｃ間、鍔３ａ、３ｂ間にそれぞれ互いに反対方向になるように巻回する。最後に、図１（ｃ）に示すように、複合線１の一端を、絶縁部材３の鍔３ｂに設けられた固定部３ｂ１の孔に、他端を鍔３ａに設けられた固定部３ａ１の孔にそれぞれ通し、端末を圧着端子等で処理し、端子４とする。

本発明における絶縁部材３には、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等が使用できる。

次に、１段の例を示す。図３は、本発明の他の実施の形態における磁性素子に用いられるボビンへ巻き線を施した状態を示す斜視図である。図３に示すように、絶縁部材１３は、円筒体の両端に２枚の鍔１３ａ、１３ｂが設けられている。一端の鍔１３ａの内周方向に延在させて、複合線１を貫通させる孔を有する固定部１３ａ１がそれぞれ設けられている。

絶縁部材１３の巻き線部、即ち鍔１３ａ、１３ｂ間に、複数の丸線（図では６本）からなる複合線１１の一端を１ターン施した後、固定部１３ａ１の孔に鍔１３ｂから鍔１３ａの方向に通すことにより巻き線が行われる。

以下、本発明の実施例の磁性素子について図面を参照し説明する。

（実施例１）
本実施例では、外径２７ｍｍ、内径１５ｍｍ、高さ１２ｍｍのトロイダルコアに直径０．８ｍｍの銅線をほぼ均等な線間間隔となるよう２０ターン巻回しインダクタンスを測定した。次に同じトロイダルコアに同じく直径０．８ｍｍの銅線を用い２０ターンの巻き線を巻き線が密着するように集中的に巻き回しインダクタンスを測定した。このとき巻き線はトロイダルコアの全周において約１／３程度の範囲に集中的に巻回されている。次に、上記トロイダルコアに巻き線を施した状態にて、同じ材質の巻き線を施していないトロイダルコアを前記巻き線を施したトロイダルコアの外部にサンドイッチ状に配置してインダクタンスを測定した。トロイダルコアに用いた磁性体のμを表１に示す。

表１に示すように、μが高いコアにおいては巻き線を均等に巻回したときと集中的に巻回したときの、均等巻きで巻き線外部のコアが無い場合のインダクタンスに対するインダクタンスの変化率は２．５％程度と小さく、外部にトロイダルコアを配置してもインダクタンスの変化はほとんどない。しかし、μが低いコアにおいては、巻き線を集中的に巻回したときのインダクタンスの増加は大きく、外部にトロイダルコアを配置したときのインダクタンスの増加も大きい。

この理由は、μが高いコアにおいてはコアを周回する磁気抵抗が十分に小さいため、磁束はコアの内部を周回するのに対し、μが低いコアにおいては、コア内を周回する磁気抵抗よりも巻き線外部のμが１の空気中を短絡し周回するほうが磁気抵抗が低くなる要素が増加するためである。このことは、巻き線の外部にトロイダルコアを配置するとインダクタンスが上昇することからも明らかである。

つまりμが６４０以下の磁性材を用いる場合、磁路となるコアの全周に巻き線を配置すると漏れ磁束を低減することができるが、磁路となるコアの全周に巻き線を配置できない場合、本例のごとく、巻き線の外部にも磁性材を配置し磁路を形成する例えばポットタイプなどのコア形状が有利となる。

（実施例２）
巻き線の巻き窓の面積（縦寸法×横寸法）を２７０ｍｍ^２とし、巻き線の平均径が７０ｍｍ（巻き線平均径が一定）の円とし、任意の縦寸法／横寸法に対する巻き線のインダクタンスと磁性素子体積、巻き線の直流抵抗の計算値を図４に示す。体積と直流抵抗は幾何的計算による。インダクタンスの計算は、九州大学柁川［低温工学，Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．７（１９９５）ｐｐ．３２４−３３２］による。その際、巻き線の外径に対し、磁性素子における磁性体の厚みは８ｍｍで一定のポットタイプのコア形状とした。基本的に巻き線のインダクタンスが高いほど、磁性素子としたときのインダクタンスは高くなるため巻き線のインダクタンスは高い方が望ましい。

図４に示すとおり、インダクタンスはアスペクト比が１において最大であり、０．３未満と５を超えた場合にてインダクタンスの低下が１０％以上となり、好ましくない。

（実施例３）
０．８×９ｍｍの平角線とほぼ同等の断面積となる直径の丸線をフラットリボンケーブル状の複合線巻きとなるよう、内径５６ｍｍ高さ１８ｍｍにて約２７ターン巻回し、図３の磁性素子を作製し、インダクタンスを測定した。その結果を表２に示す。１０ｋＨｚでの銅の表皮深さは０．６６ｍｍであり直径が１．３ｍｍにて表皮損失の影響は小さいはずであるが、実際は１．３ｍｍにて交流抵抗は直流抵抗の１０倍を超えてしまい実用上問題があり、計算上の０．９倍に相当する１．２ｍｍ以下であることが望ましい。

（実施例４）
丸線の直径１ｍｍ、フラットリボンケーブル状の複合線の本数を６本とし、図１のような整列巻きと図７のようなバラ巻きにて巻き線を作製し、周囲にコンポジット磁性体を注型してインダクタを各１０個ずつ作製し、レイヤーショート試験を行った。図７の磁性素子５０は、巻き線４１と、これを巻回したボビン等の絶縁部材４３と、これらを注型する磁性体２とで構成した。巻き線の巻き数は２８ターン、内径は５６ｍｍ、巻き高さ１４ｍｍ、整列巻きは１４ターンを１層とし、２層（２段を重ねて配置）を直列に接続した。

表３に示すとおり、本発明による整列巻きにより作製したインダクタはレイヤーショートを生じないことがわかる。

（実施例５）
丸線の直径１ｍｍとしてフラットリボンケーブル状の複合線の本数を９本とした図１のような整列巻きと、断面構造が図８となるように複合線１２を３行３列の９本として方形巻きとした巻き線５１と、丸線の直径３ｍｍとして図７のようなバラ巻きにて巻き線を作製し、周囲にコンポジット磁性体を注型してインダクタを各１個ずつ作製した。なお、磁性素子を作成するに当たって、まずは、金属系の磁性粉末と熱硬化性の液状の樹脂を混合しスラリー状とした磁性スラリーを準備した。ここで、熱硬化性の樹脂はスラリーとしたときの流動性が十分であるよう低粘度なエポキシ樹脂を用いた。また、磁性粉末としてはＦｅ−Ｓｉ６．５％材のガスアトマイズ粉末または水アトマイズ粉末等のダスト粉末を用いた。次に、巻き線周囲を被覆するよう絶縁部材で充填し硬化したものを型にセットし、準備しておいた磁性スラリーを注型し加熱硬化させることで磁性素子を作成した。ここで、絶縁部材としては、エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン製主剤Ｊｅｒ８２７と硬化剤キュアｗ）とアルミナ粉末を配合したものを使用した。なお、磁性スラリーにアルミナ粉末、シリカ粉末などをさらに配合し、磁性粉末の占積率を下げて透磁率を調整してもよい。巻き線の巻き数は３６ターン、内径は５０ｍｍ、巻き高さ１８ｍｍとした。

各々の交流抵抗値を測定したところ、整列巻きは１７８ｍΩ、方形巻きは３３８ｍΩ、バラ巻きは３２７ｍΩであり、整列巻きとすることで交流抵抗値が低減されることが確認された。

なお、本発明は、上述した実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１、１１、１２複合線
２１、３１、４１、５１巻き線
２磁性体
３、１３、２３、３３、４３絶縁部材
３ａ、３ｂ、３ｃ、１３ａ、１３ｂ鍔
３ａ１、３ｂ１、３ｂ２、１３ａ１固定部
４端子
１０、２０、３０、４０、５０磁性素子

Claims

比透磁率が６４０以下の磁性体と、前記磁性体の内部に形成された巻き線とを備え、巻回軸を含む前記巻き線の断面が、前記巻回軸と平行な方向の寸法を縦寸法、前記巻回軸に垂直な方向の寸法を横寸法としたとき、縦寸法／横寸法の比が０．３〜５となるよう構成されたことを特徴とする磁性素子。
絶縁体で被覆された導体線である丸線を２本以上並べて複合線を構成し、前記複合線における少なくとも２本の前記丸線の両端が互いに電気的に接続されていて、少なくとも一部の前記複合線断面の長手方向が、前記巻き軸と平行となるよう巻かれて前記巻き線を構成していることを特徴とする請求項１記載の磁性素子。
前記複合線の断面の長手方向寸法が、前記縦寸法と同じであることを特徴とする請求項２記載の磁性素子。
前記複合線は、前記丸線を１列に並べたフラットリボンケーブル状に構成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の磁性素子。
前記巻き線の最内周の一端部は、前記巻き線の内周面と前記巻き線における前記巻き軸と垂直な面となる側表面との境界部から引き出され、前記複合線の前記巻き線の最外周の他端部は、前記巻き線の外周面から引き出されていることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の磁性素子。
偶数個の前記巻き線が、互いに最内周か最外周で前記複合線が連絡されるよう巻かれ、前記複合線の両端部は、前記巻き線の内周面または外周面から引き出されていることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の磁性素子。
前記巻き線の前記内周面及び前記側表面を支持する絶縁部材をさらに備え、前記絶縁部材上の前記境界部に対向する少なくとも一部に貫通穴が設けられていることを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載の磁性素子。
前記丸線は、表皮厚み＝１／（πｆμσ）１／２（周波数ｆ、比透磁率μ、導電率σ）で計算される導体直径を１としたとき、０．９以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の磁性素子。
前記磁性体を注型することにより得られることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の磁性素子。