JP2015198181A - 巻線部品およびその放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルの発生した熱を効率よく外部に逃がすことができて、製品温度の低減化を図ることができ、よって小型・軽量化を図ることも可能になる巻線部品およびその放熱構造を提供する。
【解決手段】金属板１１および絶縁板１２を交互に積層して構成したコイル１０Ａと、コイルを囲繞して閉磁路を形成するコア３、４とを有する積層インダクタ１Ａにおいて、積層方向の中間部に位置する金属板１１Ａに、コイルの外部に延出し且つ放熱機能を有する筐体に熱的に接続される放熱用延出部２１を形成した。また、放熱用延出部を形成した金属板に隣接する絶縁板１２Ａに、放熱用延出部を筐体に熱的に接続する際に放熱用延出部と筐体との間に介在して放熱用延出部と筐体の間を絶縁する絶縁用延出部２２を、放熱用延出部に沿って形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、大電流電源装置などに用いられるインダクタやトランス等の巻線部品に係り、特に、金属板と絶縁板を交互に積層してコイルを構成した巻線部品およびその放熱構造に関するものである。

大電力インダクタや大電力トランス等の製品の中に、電線を巻いてコイルを形成する代わりに、コイルの一部形状にプレス加工した金属板（電線に相当）と絶縁板を交互に積層してコイルを構成した巻線部品がある。この種の巻線部品では、コイルに高周波電流が流れた際に、コイルが作る磁界によって金属板に渦電流が発生し、コイルが発熱し製品の温度が上昇する。製品の温度上昇は、製品の破損や劣化に繋がるため、コイルの温度上昇を抑制する措置が必要となる。

コイルの温度上昇を抑制するためには、積層する金属板の断面積（電線であれば線径）を増やすことで抵抗を下げるのが一つの方法であるが、その方法の採用は、近年のこの種の巻線部品における小型・軽量化の要請に反することになる。一方で、実際には、小型・軽量化のために金属板の断面積を一層小さくする傾向が進んで来ており、その結果として、コイルの発熱量が増加して、製品温度も一層高くなるという弊害が生じている。

そこで、例えば大電流仕様のような発熱量が大きい巻線部品にあっては、下記特許文献１、２に見られるように、コイルを囲繞して閉磁路を形成するコアの底面を、放熱機能を有する筐体に接触させることにより、当該巻線部品から発生した熱を外部に逃がす構造が多く採用されている。

特開２００９−２０６３０８号公報 特開２０１１−６１０９６号公報

しかし、実際に発熱するのは、コイルを構成する金属板であり、特許文献１、２に記載されるように、コアを通してコイルに発生する熱を逃がすのは効率的でない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、コイルの発生した熱を効率よく外部に逃がすことができて、製品温度の低減化を図ることができ、それにより、小型・軽量化を図ることも可能になる巻線部品およびその放熱構造を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、コイルの一部形状に形成された金属板および絶縁板を交互に積層して構成したコイルと、このコイルを囲繞して閉磁路を形成するコアとを有する巻線部品において、積層方向の中間部に位置する上記金属板に、上記コイルの外部に延出し且つ放熱機能を有する筐体に熱的に接続される放熱用延出部を形成したことを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記放熱用延出部を形成した金属板に隣接する絶縁板に、上記放熱用延出部を筐体に熱的に接続する際に上記放熱用延出部と上記筐体との間に介在して放熱用延出部と筐体の間を絶縁する絶縁用延出部を、上記放熱用延出部に沿って形成したことを特徴とするものである。

また、請求項１または２に記載の発明において、請求項３に記載の発明は、上記放熱用延出部を、上記コイルの外部に延出した方向から上記積層方向に向けてＬ字形に折り曲げたことを特徴とするものであり、請求項４に記載の発明は、上記放熱用延出部を、上記コイルの外部に延出した方向から上記積層方向に向けてＵ字形に折り曲げ、折り曲げた先端に上記筐体に載置固定するためのフランジを設けたことを特徴とするものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、上記放熱用延出部を有する金属板を挟んで上記積層方向の一方側のコイルと他方側のコイルの温度が等しくなるように、上記放熱用延出部を有する金属板の位置を決定したことを特徴とするものである。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、上記コイルが上記積層方向に分割して複数設けられており、発熱量の大きいコイル側に偏った位置の上記金属板に上記放熱用延出部が設けられていることを特徴とするものである。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、上記放熱用延出部を複数の上記金属板に形成したことを特徴とするものである。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の巻線部品の上記放熱用延出部を、放熱機能を有する筐体に良熱伝導性の絶縁材を介して熱的に接続したことを特徴とするものである。

請求項１〜８のいずれかに記載の発明によれば、稼働時における発熱の主体であるコイルを構成する金属板にコイル外に延出する放熱用延出部を形成して、それを直接、放熱機能を有する筐体に熱的に接続するようにしているので、コイルの熱を効率よく筐体に逃がすことができる。その際、金属板と絶縁板の積層方向の中間部に位置する金属板に放熱用延出部を形成しているので、放熱用延出部を多数設けることなく、積層方向の両端側のコイルの熱をバランスよく外部に逃がすことができる。したがって、製品の小型化および軽量化を図りながら、製品の温度上昇の抑制を図ることができる。

特に、請求項２に記載の発明によれば、放熱用延出部を形成した金属板に隣接する絶縁板に、放熱用延出部を筐体に熱的に接続する際の絶縁材となる絶縁用延出部を設け、しかも、それを放熱用延出部に沿って形成しているので、放熱用延出部を筐体に熱的に接続する際に必要となる絶縁材を別途用意する必要がない上、絶縁用延出部によりコイルの外部に延出する放熱用延出部を補強および保護することができる。

また、請求項３または請求項４に記載の発明によれば、放熱用延出部を、コイルの外部への延出方向から積層方向に向けてＬ字形、あるいはＵ字状に折り曲げているので、積層方向から見た場合の放熱用延出部の張り出し寸法を小さくすることができ、巻線部品の実装スペースを小さくすることができる。

また、請求項５に記載の発明によれば、放熱用延出部を有する金属板を挟んで積層方向の一方側のコイルと他方側のコイルの温度が等しくなるように、放熱用延出部を有する金属板の位置を決定しているので、コイルの温度バランスを良好に保つことができる。

また、請求項６に記載の発明によれば、コイルが積層方向に分割して複数設けられている場合に、発熱量の大きいコイル側に偏った位置の金属板に放熱用延出部を設けているので、コイル全体の温度バランスを良好に保つことができる。

また、請求項７に記載の発明によれば、放熱用延出部を複数の金属板に形成しているので、軽量化とのバランスを考慮しながら、放熱効率をより高めることができる。

本発明の第１実施形態の巻線部品としての積層インダクタの構成を示す分解斜視図である。 同積層インダクタの外観斜視図である。 同積層インダクタを筐体の上面に載置した放熱構造を示す斜視図である。 第１実施形態の積層インダクタとその変形例の積層インダクタの実装スペースの違いを説明するための概略説明図で、（ａ）は第１実施形態の積層インダクタの側面図、（ｂ）は変形例の積層インダクタの側面図である。 上記図４（ｂ）の変形例に相当する本発明の第２実施形態の巻線部品としての積層インダクタの構成を示す分解斜視図である。 同積層インダクタを筐体の上面に載置した放熱構造を示す斜視図である。 本発明の第３実施形態の巻線部品としての積層インダクタの分解斜視図である。 同積層インダクタを筐体の上面に載置した放熱構造を示す斜視図である。 本発明の第４実施形態の巻線部品としての積層インダクタの分解斜視図である。 同積層インダクタを筐体の上面に載置した放熱構造を示す斜視図である。 図１０に示した放熱構造におけるＸ部の断面図である。

（第１実施形態）
図１〜図３は、本発明に係る巻線部品を、積層インダクタに適用した第１実施形態を示すものである。
図１および図２に示すように、実施形態の積層インダクタ１Ａは、コイルの一部形状に形成された金属板１１および絶縁板１２を交互に積層して構成したコイル１０Ａと、このコイル１０Ａを囲繞して閉磁路を形成する上下一対のコア３、４とを有している。

ここで、上下一対のコア３、４は、フェライト材によって形成されたＥ型コアで、外足３ａ、４ａがコイル１０Ａの外周に軸線方向に沿って配置されるとともに、中足３ｂ、４ｂがコイル１０Ａの中心孔に挿入されて、互いの先端面を当接させることにより、コイル１０Ａを囲繞して閉磁路を形成するように設けられている。

コイル１０Ａを構成する各金属板１１は、コイル１０Ａの略１ターン分のパターン形状（両端が離間したリング形状）に銅板をプレス加工することにより形成されており、積層方向の上側から見たとき、周方向の一端１４から他端１５に向かって右回りのリング形状に形成されている。絶縁板１２は、隣接する金属板１１間を絶縁するものであり、金属板１１と金属板１１の間の他に、積層方向の両端に配置されている。ここで、金属板１１間の温度差が大きくならないように、絶縁板１２は、熱抵抗の小さな材料（良熱伝導率材料）により、中心孔を有する環状に形成されている。また、金属板１１と絶縁板１２は、良熱伝導率の接着剤にて接合されている。

リング形状に形成された金属板１１の周方向の両端（一端１４と他端１５）は、絶縁板１２の外側にはみ出すように形成されており、積層方向の両端の金属板１１のうち、上端の金属板１１の一端１４と下端の金属板１１の他端１５は、外部接続端子１３、１６として構成されている。また、積層方向の各上側の金属板１１の他端１５とその各下側の金属板１１の一端１４とが、積層方向から見て重なる位置に、層ごとに位置をずらして形成されている。それら上側の金属板１１の他端１５と下側の金属板１１の一端１４は、金属板１１と絶縁板１２の積層後に順次、溶接またはハンダ付けにより導通接続されており、それにより、螺旋状に周回するコイル１０Ａが形成されている。そして、コイル１０Ａの両端が、外部接続端子１３、１６として、コイル１０Ａの外部に引き出されている。

また、以上のコイル１０Ａを構成する複数枚の金属板１１のうち、積層方向の中間部に位置する金属板１１Ａには、コイル１０Ａの外部に直線状に延出し且つ放熱機能を有する筐体１００（図３参照）に熱的に接続される放熱用延出部２１が形成されている。放熱用延出部２１は、金属板１１Ａの積層部分の最大幅のまま延長された矩形の板体として形成されている。また、放熱用延出部２１が形成された金属板１１Ａに隣接する下側の絶縁板１２Ａには、放熱用延出部２１を筐体に熱的に接続する際に放熱用延出部２１と筐体との間に介在して放熱用延出部２１と筐体の間を絶縁する絶縁用延出部２２が、放熱用延出部２１に沿って形成されている。

図１に示す本実施形態の場合、金属板１１の枚数が５枚であるから、積層方向の上から３番目である中央の金属板１１Ａに放熱用延出部２１が設けられている。金属板１１の枚数が任意のＮ枚のときには、積層方向の上からＮ／２番目の金属板１１、あるいは、それに一番近い金属板１１に、放熱用延出部２１が設けられているのが好ましい。

このようにコイル１０Ａの外部に延出された放熱用延出部２１を、図３に示すように、良熱伝導性を持つ絶縁用延出部２２を介して、放熱機能を有する筐体１００の放熱座１０１の上面に熱的に接続することで、積層インダクタ１Ａの放熱構造が得られている。

なお、この筐体１００は、空冷用のフィン１００ａや図示されない水冷用の冷却水の流路によって放熱機能を付与されたダイキャスト製の部材で、上面がインダクタの載置面となっており、その載置面に直方体状の放熱座１０１が設けられている。そして、放熱座１０１の上面に、絶縁用延出部２２を下側にして放熱用延出部２１が載置され、図示しないネジまたは良熱伝導性の接着剤により固定されている。積層インダクタ１Ａのコア４は、筐体１００の上面に接していてもいなくてもよい。

上記構成の積層インダクタ１Ａおよびその放熱構造によれば、稼働時における発熱の主体であるコイル１０Ａを構成する金属板１１Ａにコイル１０Ａ外に延出する放熱用延出部２１を形成して、それを直接、放熱機能を有する筐体１００に熱的に接続するようにしているので、コイル１０Ａの熱を効率よく筐体１００に逃がすことができる。

その際に、金属板１１と絶縁板１２の積層方向の中間部に位置する金属板１１Ａに放熱用延出部２１を形成しているので、放熱用延出部２１を多数設けることなく、積層方向の両端側のコイル１０Ａの熱をバランスよく外部に逃がすことができる。したがって、積層インダクタ１Ａの小型化および軽量化を図りながら、積層インダクタ１Ａの温度上昇の抑制を図ることができる。

また、放熱用延出部２１を形成した金属板１１Ａの下側の絶縁板１２Ａに、放熱用延出部２１を筐体１００に熱的に接続する際の絶縁材となる絶縁用延出部２２を設けており、しかも、その絶縁用延出部２２を放熱用延出部２１に沿って形成しているので、放熱用延出部２１を筐体１１に熱的に接続する際に必要となる絶縁材を別途用意する必要がない上、絶縁用延出部２２により、コイル１０Ａの外部に延出する放熱用延出部２１を補強および保護することができる。

図４は、上記第１実施形態の積層インダクタ１Ａとその変形例の積層インダクタ１Ｂの実装スペースの違いを説明するための概略説明図で、（ａ）は第１実施形態の積層インダクタ１Ａの側面図、（ｂ）は変形例の積層インダクタ１Ｂの側面図である。

図４（ａ）に示すように、放熱用延出部２１を単純に平板のままコイル１０Ａ外に延長すると、積層方向の上側から見た場合の積層インダクタ１Ａの実装スペースＳ１が大きくなってしまう。そこで、図４（ｂ）に示す変形例の積層インダクタ１Ｂのように、放熱用延出部２１Ｂおよびその下側の絶縁用延出部２２Ｂを、コイル１０Ｂの外部に延出した方向（横方向）から積層方向（上方向）に向けてＬ字形に折り曲げる。そうすれば、積層方向の上側から見た場合の積層インダクタ１Ｂの実装スペースＳ２を小さくすることができる。

（第２実施形態）
図５および図６は、上記図４（ｂ）の変形例に相当する本発明の第２実施形態の積層インダクタの構成を示すもので、この第２実施形態の積層インダクタ１０Ｂにおいては、コイル１０Ｂを構成する金属板１１の枚数が６枚になっており、それに対応して絶縁板１２の枚数が第１実施形態のものより増えている。

そして、積層方向の中間部に位置する上から４番目の金属板１１Ｂに放熱用延出部２１Ｂが設けられ、その下側の絶縁板１２Ｂに絶縁用延出部２２Ｂが設けられている。しかも、それら放熱用延出部２１Ｂおよび絶縁用延出部２２Ｂは、コイル１０Ｂの外部に延出した方向（横方向）から積層方向（上方向）に向けてＬ字形に折り曲げられている。

この積層インダクタ１０ＢのＬ字形に折れ曲がった放熱用延出部２１Ｂを筐体１００に熱的に接続して放熱構造を得るには、図６に示すように、筐体１００の上面にアルミニウム製の放熱プレート１０２を垂直に立て、その放熱プレート１０２の垂直な板面に放熱用延出部２１Ｂを絶縁用延出部２２Ｂを介して固定する。なお、放熱プレート１０２は、ネジ１０３等を利用して、筐体１００の載置面に熱的および機械的に接続されている。

このように、放熱用延出部２１Ｂおよび絶縁用延出部２２ＢをＬ字形に折り曲げた場合は、積層方向から見た場合の放熱用延出部２１Ｂおよび絶縁用延出部２２Ｂの張り出し寸法を小さくすることができるので、積層インダクタ１Ｂの実装スペースを小さくすることができる。

（第３実施形態）
図７および図８は、本発明の第３実施形態の積層インダクタを示すもので、この第３実施形態においては、安全規格上の要請から、コイルとコアとの間に大きな沿面距離を確保する必要がある場合の例を示している。すなわち、コアが、例えばＭｎＺｎ系のフェライトコア等の導電性を有する材料で構成される場合、要求される安全規格によっては、コイルとコアとの間に、数ｍｍから１０ｍｍ程度の大きな沿面距離を確保する場合がある。

また、積層インダクタを搭載する筐体とコイルとの間にも所要の沿面距離を確保する場合がある。大きな沿面距離を確保しようとすると、どうしても製品が大きくなってしまうが、本実施形態では、製品体格をあまり大きくすることなく、安全規格と放熱性を共に確保するようにしている。

具体的には、図７に示すように、この積層インダクタ１Ｃでは、コイル１０Ｃとコア３、４との間に所要の沿面距離を確保するために、コア３、４とコイル１０Ｃとの間に絶縁カバー５、６を配置している。また、放熱材であるアルミニウム製の放熱プレート１０２もコア３、４や筐体１００と同電位となるため、図７および図８に示すように、コイル１０Ｃとアルミニウム製の放熱プレート１０２との間にも、所要の沿面距離を確保するためのキャップ状の絶縁カバー２３を介在させている。

この絶縁カバー２３は、良熱導電率のシリコン系ゴム剤を使用して形成されたもので、放熱用延出部２１Ｂを放熱プレート１０２に固定する際に、放熱用延出部２１Ｂと放熱用プレート１０２との間に介在する底板２３ａと、底板２３ａの周囲から放熱用延出部２１Ｂを覆う起立した側板２３ｂとを有している。

なお、コイル１０Ｃの構成は、第２実施形態の積層インダクタ１Ｂのコイル１０Ｂと基本的に同じであるが、放熱用延出部２１Ｂと放熱用プレート１０２との間に介在する絶縁材が絶縁カバー２３で賄われるので、絶縁板に設けた絶縁用延出部２２Ｂ（図５参照）が省略してある。

（第４実施形態）
図９〜図１１は、本発明の第４実施形態の積層インダクタを示すものである。
図１に示した第１実施形態の積層インダクタ１Ａや図５に示した第２実施形態の積層インダクタ１Ｂでは、放熱用延出部２１、２１Ｂを形成した金属板１１Ａ、１１Ｂのすぐ下側の絶縁板１２Ａ、１２Ｂに絶縁用延出部２２、２２Ｂを形成した場合を示したが、図９に示すように、第４実施形態の積層インダクタ１Ｄでは、放熱用延出部２１Ｄを形成した金属板１１Ｄのすぐ上側の絶縁板１２Ｄに絶縁用延出部２２Ｄを形成している。

具体的には、コイル１０Ｄから外部に延出した放熱用延出部２１Ｄを下側にＵ字状に曲げて、先端にフランジ２５を設けている。同様に、コイル１０Ｄから外部に延出した絶縁用延出部２２Ｄを、放熱用延出部２１Ｄの外周面に沿って下側にＵ字状に曲げて、先端にフランジ２６を設けている。

この放熱用延出部２１Ｄのフランジ２５の下側には、絶縁用延出部２２Ｄのフランジ２６が位置しており、図１０および図１１に示すように、放熱用延出部２１Ｄのフランジ２５を、絶縁用延出部２２Ｄのフランジ２６を間に挟んだ状態で、絶縁しながら筐体１００上の放熱座１０１の上面に載置固定できるようにしている。その他の構成は、第１および第２実施形態と同様である。

図１０および図１１に示すように、放熱用延出部２１Ｄのフランジ２５および絶縁用延出部２２Ｄのフランジ２６をネジ１０３で筐体１００上の放熱座１０１に固定する場合は、絶縁ゴムブッシュ２８をネジ１０３の外周に装着しながら、ネジ１０３を放熱材１０１側のネジ孔にねじ込む。そうすることにより、放熱用延出部２１Ｄのフランジ２５と放熱座１０１の間を絶縁することができる。ネジ以外に、絶縁性の接着剤を用いて放熱用延出部２１Ｄのフランジ２５を筐体１００側に熱的に接続してもよい。

このように、放熱用延出部２１Ｄおよび絶縁用延出部２２Ｄを下側にＵ字状に曲げて、それらの先端に形成したフランジ２５、２６で筐体１００上の放熱座１０１に固定するようにした場合、図５および図６に示す第２実施形態のように、アルミニウム製の放熱プレート１０２を筐体１００の上に立設しないですむ。

上述した放熱延出部は、積層方向の中間部の金属板であれば、どの層の金属板に設けてもよいのであるが、中間部の１枚の金属板に形成する場合は、放熱用延出部を有する金属板を挟んで積層方向の一方側のコイルと他方側のコイルの最大温度が等しくなるように、放熱用延出部を有する金属板の位置を決定するのが望ましい。

例えば、トランスの１次側と２次側のように、コアを共通にして１つの積層体としてのコイルの中に、複数の別系統のコイルが含まれている場合は、積層数の違いや流れる電流の違いによって、系統の違うコイルの発熱量に違いが出ることがある。そのような場合は、発熱量の多い方のコイル側に偏らせて放熱用延出部を有する金属板の位置を決定する。そして、放熱用延出部を有する金属板を挟んで積層方向の一方側のコイルと他方側のコイルの最大温度が等しくなるようにするのがよい。

なお、本発明は、上述した実施形態のみならず、他の各種の巻線部品を、放熱機能を有する筐体に取り付ける場合に広く適用することが可能である。

また、上述した実施形態では、放熱用延出部を１枚の金属板にのみ形成した場合を示したが、複数の金属板に放熱用延出部を形成して、それぞれの放熱用延出部を筐体に熱的に接続するように構成することもできる。そうした場合は一層の放熱効果を奏することができる。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 積層インダクタ（巻線部品）
３，４ コア
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ コイル
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｄ 金属板
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｄ 絶縁板
２１，２１Ｂ，２１Ｄ 放熱用延長部
２２，２２Ｂ，２２Ｄ 絶縁用延長部
２３ 絶縁カバー
１００ 筐体

Claims (8)

1. コイルの一部形状に形成された金属板および絶縁板を交互に積層して構成したコイルと、このコイルを囲繞して閉磁路を形成するコアとを有する巻線部品において、
   積層方向の中間部に位置する上記金属板に、上記コイルの外部に延出し且つ放熱機能を有する筐体に熱的に接続される放熱用延出部を形成したことを特徴とする巻線部品。
2. 上記放熱用延出部を形成した金属板に隣接する絶縁板に、上記放熱用延出部を筐体に熱的に接続する際に上記放熱用延出部と上記筐体との間に介在して放熱用延出部と筐体の間を絶縁する絶縁用延出部を、上記放熱用延出部に沿って形成したことを特徴とする請求項１に記載の巻線部品。
3. 上記放熱用延出部を、上記コイルの外部に延出した方向から上記積層方向に向けてＬ字形に折り曲げたことを特徴とする請求項１または２に記載の巻線部品。
4. 上記放熱用延出部を、上記コイルの外部に延出した方向から上記積層方向に向けてＵ字形に折り曲げ、折り曲げた先端に上記筐体に載置固定するためのフランジを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の巻線部品。
5. 上記放熱用延出部を有する金属板を挟んで上記積層方向の一方側のコイルと他方側のコイルの温度が等しくなるように、上記放熱用延出部を有する金属板の位置を決定したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の巻線部品。
6. 上記コイルが上記積層方向に分割して複数設けられており、発熱量の大きいコイル側に偏った位置の上記金属板に上記放熱用延出部が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の巻線部品。
7. 上記放熱用延出部を複数の上記金属板に形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の巻線部品。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の巻線部品の上記放熱用延出部を、放熱機能を有する筐体に良熱伝導性の絶縁材を介して熱的に接続したことを特徴とする巻線部品の放熱構造。

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