JP2020047720A - インダクタの設置構造 - Google Patents

Abstract

【課題】インダクタの放熱性を高めることができるインダクタの設置構造を提供する。【解決手段】インダクタ１のコア２は、巻線３を巻回した内側コア２１と、内側コア２１の外径側にあり、巻線３の外周と隙間を介して対向する外側コア２２と、開口部２ａとを有する。また、巻線軸Ｏの周方向に沿って外側コア２２および開口部２ａを設ける。このインダクタ１を、開口部２ａをインダクタ設置面７ａと対向させて、巻線軸Ｏの方向がインダクタ設置面７ａと平行となる向きに配置する。【選択図】図２

Description

本発明は、インダクタの設置構造に関する。

近年、蓄電池を内蔵した輸送機器（例えばハイブリッドカー、電気自動車、燃料電池車等）や電子機器（例えばスマートフォン、パーソナルコンピュータ等）の電力変換回路は高出力を維持した上で小型軽量化、すなわち高電力密度化が求められている。

上記の電力変換回路には、変圧用途、インバータ用途、あるいはコンバータ用途として、各種インダクタが使用される。インダクタのコアとして、ＵＵ形コアを使用した場合、磁束経路が１方向に限定されるため、インダクタの小型化が難しくなる。これに対し、Ｐ形コア、ＥＰ形コア、あるいはＰＱ形コアのように、巻線を巻回する内側コアと、内側コアの外径側にあって、巻線の外周と対向する外側コアとを有するコアを使用すれば、コアに多数の磁束経路を形成されるため、ＵＵ形コアと比べて、空間容積におけるコアの比率を高めることができる。従って、インダクタの小型軽量化、さらには電力変換回路の高電力密度化を図ることが可能となる。

ところで、インダクタは、動作時における発熱を抑制するため、冷却板に当接させて設置されるのが通例である。インダクタの冷却板への設置に際しては、例えば下記特許文献１に記載されているように、インダクタを、その巻線軸方向を冷却板の表面と直交する方向に向けて冷却板上に配置するのが一般的である。

特開２０１５−１０３５３８号公報

Ｐ形、ＥＰ形、あるいはＰＱ形等のコアでは、内側コアと外側コアとを接続する平板状の接続コアが存在する。このタイプのインダクタを、特許文献１に記載のように、巻線軸方向が冷却板と直交する向きに配置すると、接続コアが冷却板に接した形となる。この場合、巻線の放熱経路はコアを介したものとなるため、巻線の放熱性がコアの熱伝導率に準じる形となる。従って、放熱性を高めようとすると、コアの材料を見直す必要があり、放熱性の向上を実現することが困難となる。

特に、冷却板から離れた巻線上部で生じた熱は、巻線下部およびコアを経由して冷却板に至る形となり、熱の移動距離が長くなる（熱抵抗が高い）。加えて、熱は熱抵抗が小さい方向に伝播するため、通常は巻線が熱伝導率の高い（熱抵抗が低い）銅線で形成されていることもあり、熱は銅線の巻方向に伝播する。そのため、熱の移動距離がさらに長くなり、巻線上部での温度上昇が助長される傾向にある。

そこで、本発明は、インダクタの放熱性を高めることができる設置構造を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するため、本発明は、コアおよび巻線を備えるインダクタを、インダクタ設置面に設置するための構造であって、前記コアが、前記巻線を巻回した内側コアと、前記内側コアの外径側にあり、前記巻線の外周と隙間を介して対向する外側コアと、開口部とを有し、巻線軸の周方向に沿って前記外側コアおよび前記開口部が設けられ、前記インダクタを、前記開口部を前記インダクタ設置面と対向させて、前記巻線軸の方向が前記インダクタ設置面と平行となる向きに配置したことを特徴とするものである。

既に述べたように、巻線を巻回した内側コアと、内側コアの外径側にあり、巻線の外周と隙間を介して対向する外側コアとを有するコアを用いることにより、磁束経路が多数形成されるようになる。従って、空間容積におけるコアの比率を高めてインダクタの小型化を図ることができる。

かかるコア構造を前提として、巻線軸の周方向に沿って外側コアおよび開口部を設け、インダクタを、コアの開口部をインダクタ設置面と対向させて、巻線軸の方向がインダクタ設置面と平行となる向きに配置すれば、巻線で生じた熱の多くはコアを介することなくインダクタ設置面に伝播する。そのため、放熱効果を高めて、巻線の温度上昇を抑えることができる。また、巻線軸方向における巻線各部のインダクタ設置面までの距離が均一化されるため、当該各部での放熱性を均一化することができる。従って、各部の温度上昇幅を均一化し、磁気特性のばらつきを抑えることができる。放熱性が向上することで、放熱用の別部品（ヒートシンク等）の設置が不要となるため、インダクタ全体の体格を小型化することも可能となる。

インダクタを、ケースを用いることなく、インダクタ設置面に直接配置することにより、磁気特性とは無関係のケースを省略することができるので、インダクタの体格を小型化することができる。

外側コアと巻線の外周の間の隙間に絶縁用の封止材を介在させることにより、巻線と外側コアの間の絶縁を確実に行うことができる。

コアを、熱伝導率１．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の磁性材で形成することにより、インダクタの放熱性をさらに高めることができる。

本発明のインダクタの設置構造によれば、インダクタの放熱性を高めることができる。

本実施形態にかかるインダクタ１の設置構造を示す斜視図である。 図１中のＸ−Ｘ線を含む、巻線軸Ｏと直交する平面における断面図である。 コア２のみの形状を示す斜視図である。 インダクタ設置構造の参考例を示す断面図である。 確認試験における、インダクタ設置構造の比較例を示す斜視図である。 確認試験１の結果を示す温度分布図である。 確認試験１の結果を示す表である。 確認試験２の結果を示す表である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、インダクタ１の設置構造を示す斜視図であり、図２は、図１中のＸ−Ｘ線を含む、巻線軸Ｏと直交する平面における断面図である。
図１および図２に示すように、本実施形態にかかるインダクタ１は、コア２と巻線３とを有する。

図３は、コア２のみの形状を示す斜視図である（インダクタ１から巻線３、後述するボビン４および封止材５を取り去った状態を示している）。図３に示すように、本実施形態のコア２は、ＰＱ形に相当する形状を有する。

図３に示すように、コア２は、軸状の内側コア２１と、内側コア２１の外径側に配置された外側コア２２と、内側コア２１と外側コア２２を接続する接続コア２３とを有する。本実施形態の外側コア２２は矩形平板状の形態をなし、内側コア２１を挟む１８０°対向位置で巻線軸Ｏと平行に配置されている。各外側コア２２の内面と巻線軸Ｏとの間の距離は等しい。二つの外側コア２２の巻線軸Ｏ方向の一端部間に、両外側コア２２と直交する形で一方の接続コア２３が配置され、二つの外側コア２２の巻線軸Ｏ方向の他端部間に、両外側コア２２と直交する形で他方の接続コア２３が配置されている。二つの接続コア２３は、何れも矩形平板状の形態をなしている。

このコア２において、巻線軸Ｏを中心とする周方向のうち、外側コア２２で覆われていない領域は、コアのない開口部２ａになっている。つまり、コア２は、巻線軸Ｏの周方向に沿って外側コア２２と開口部２ａを交互に二つずつ有する。そのため、本実施形態のコア２（内側コア２１を除く）は、両端を開口させた角筒状の形態をなしている。図１に示すように、開口部２ａの幅Ｗは、巻線３の巻線軸Ｏ方向の全長と同じかこれよりも大きくし、巻線３の外周面を、巻線軸Ｏ方向の全長にわたって開口部２ａ内に露出させる。

また、内側コア２の両端面は、何れも接続コア２３と接触させる。コア２には、エアギャップが設けられていない。

コア２は、例えば、軟磁性粉末を圧縮成形した後、焼鈍処理を施すことで製作される。軟磁性粉末としては、純鉄系、アモルファス系、軟磁性合金系、ナノ結晶系等の軟磁性金属粉末に樹脂等からなる絶縁被膜をコーティングした絶縁被膜付き軟磁性粉末を使用することができる。この絶縁被膜付き軟磁性粉末を用いたコア２の初透磁率（磁界０ A/m時の比透磁率を意味する）は、３０以上２００以下が好ましい。

コア２の材料としては、上記の軟磁性粉末のみを使用する他、必要に応じて軟磁性粉末と樹脂粉末を有する複合材を使用することもできる。複合材は、射出成形にて成形が可能であり、これにより外側コア２２および接続コア２２を一体として成形することが容易となる。内側コア２１、外側コア２２、および接続コア２３は同じ材料で形成するのが好ましいが、必要に応じて異なる材料で形成することもできる。

図２に示すように、内側コア２１の外周には巻線３が巻回される。この時、巻線３の外周面は外側コア２２よりも内径側にあり、巻線３の外周面は外側コア２２の内面と隙間を介して対向している。巻線３の内周と内側コア２１の外周との間には、樹脂等の絶縁材料からなるボビン４が介在している。巻線３の直径寸法は、両外側コア２２の内面間距離よりも小さく、かつ外側コア２２および接続コア２３の高さ寸法Ｈよりも小さい。従って、巻線３の外周面と両外側コア２２の内面との間、および巻線３の外周面と両外側コア２２の下端に接する仮想平面との間には、それぞれ隙間が存在する。

以上に述べたインダクタ１は、例えば、図３の線Ｌで分割したコア２の分割体をそれぞれ一体成形した後、予め巻回した巻線３を内側コア２１の半体の外周に挿入し、その後、二つの分割体を接着等の手段で一体化することにより製作することができる。もちろんインダクタ１の製作手順はこれに限定されず、例えば、内側コア２１、外側コア２、および接続コア２３からなるコア２全体を一体に成形した後、内側コア２１に巻線３を巻回してインダクタ１を製作してもよい。何れにせよコア２の各部（内側コア２１、外側コア２２、および接続コア２３）は、巻線３の装着前に金型を用いて成形される。

このようにコア２と巻線３からなるアセンブリを組み立てた後、樹脂等の絶縁材料からなる封止材５が開口部２ａを介してコア２の内部空間に供給される。これにより、図２に示すように、巻線３と外側コア２２の間、および巻線３と後述するインダクタ設置面７ａとの間の隙間に封止材５が充填される。充填した封止材５が固化することにより、巻線３と外側コア２２の間、および巻線３とインダクタ設置面７ａの間の絶縁がなされる。インダクタ設置面７ａと対向しない図面上側の開口部２ａでは、他の機器との間の絶縁が問題とならないため、巻線３の周方向の一部が封止材５から露出していても構わない。もちろん絶縁性を確保する必要があれば、図面上側の開口部２ａ側でも巻線３を完全に封止材５で覆うのが好ましい。

以上の工程を経て完成したインダクタ１は、水冷式の冷却板７等に設けられたインダクタ設置面７ａ上に載置され、ブラケットや接着等の固定手段を用いてインダクタ設置面７ａに固定される。インダクタ１の設置に際しては、図１および図２に示すように、コア２の一方の開口部２ａ（巻線３を封止材５で完全に被覆した側の開口部）をインダクタ設置面７ａと対向させ、コア２を、巻線軸Ｏの方向がインダクタ設置面７ａと平行となる向きに配置する。

本実施形態では、既に述べたように、巻線軸Ｏの周方向に沿って外側コア２２および開口部２ａが設けられる。また、インダクタ１を、開口部２ａをインダクタ設置面７ａと対向させて、巻線軸Ｏの方向がインダクタ設置面７ａと平行となる向きに配置しており、インダクタ設置面７ａと巻線３の間（特に巻線３とインダクタ設置面７ａとの間の最短距離の領域）にはコア２が存在していない。従って、巻線３で生じた熱の多くが、コア２を介することなくインダクタ設置面７ａに伝播する。そのため、放熱効果を高めて、巻線３の温度上昇を抑えることが可能となる。

また、巻線軸Ｏ方向で巻線各部のインダクタ設置面７ａまでの距離が均一化されるため、当該各部での放熱性を均一化することができる。従って、各部の温度上昇幅を均一化し、巻線３の磁気特性のばらつきを抑えることができる。放熱性が向上することで、放熱用の別部品の設置が不要となるため、インダクタ１全体の体格を小型化することも可能となる。さらに、放熱性の観点からコア２の材料が制限を受けることがないため、コア２の材料選択の自由度を高めることができる。

本実施形態のコア２は、巻線３を巻回する内側コア２１と、内側コア２１の外径側で巻線３の外周と対向する外側コア２２を備えるものであり、このコア形状を前提として採用することで、磁束経路の多数化を通じてインダクタ１の小型化が達成するものである。本発明は、この種のコア構造では放熱性を確保することが課題となることを見出し、その課題解決のために、インダクタ１の設置構造を工夫することにより、インダクタ１の小型化と併せて放熱性の向上を達成したものである。

なお、上記の作用効果をより顕著なものとするため、巻線３からインダクタ設置面７ａへの熱伝導がスムーズに行われるように、巻線３とインダクタ設置面７ａとの間に介在する封止材５は、極力、熱伝導率の大きい材料で形成するのが好ましい。

図４は、インダクタの設置構造の参考例を示す断面図である。
同図に示すように、コア２’および巻線３’を有するインダクタ１’をケース８内に収容することも考えられる。しかしながら、これでは、磁気特性の改善とは無関係のケース８を使用する必要があるため、高電力密度化を図る上では好ましくない。本実施形態のように、ケース８を使用することなく、インダクタ１をインダクタ設置面７ａ上に直接配置することにより、インダクタ１の体格を小型化して回路の高電力密度化を図ることができる。

図４の設置構造を採用する場合、例えば、ケース８を成形型として使用することにより、内側コア２１’に巻線３’を巻回した後で、ケース８内に軟磁性粉末を供給し、ケース８を成形型として使用することにより、外側コアや接続コアに相当する部分２２’、２３’を成形することも可能となる。しかしながら、この設置構造では、巻線３’と外側コア相当部分２２’との間に隙間を確保することができない。そのため、巻線３’と外側コア相当部分２２’の間に封止材（図２の符号５）を配置することができず、巻線３’とコア２’間の絶縁が不十分となる。本実施形態のように、外側コア２２と巻線３の間に隙間を設けることで、当該隙間に封止材５を配置することが可能となり、巻線３とコア２を確実に絶縁することができる。

以下、本発明の効果を確認するため、実施例および比較例について、動作中のインダクタ各部における温度分布を測定する試験を行った（確認試験１）。その試験条件および結果を説明する。

［試験対象］
実施例１として、図１〜図３に示すインダクタおよび設置構造を採用した。また、比較例は、図５に示すように、実施例１と同構造のインダクタ１を、巻線軸Ｏがインダクタ設置面７ａに対して直交する向きとなるようにインダクタ設置面７ａ上に配置した構造としている。

［試験方法］
室内環境にて、冷却板７（上面がインダクタ設置面７ａとなる）の下面の温度を５０℃に固定し、通電中の巻線３の発熱量を６０Ｗ、コア２の発熱量を３０℃Ｗとして、温度平衡に達した時の温度を測定した。コア２の熱伝導率は１．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）としている。

確認試験１の結果を図６および図７に示す。図６は、同方向から測定した時の実施例（図面右側）および比較例（図面左側）のそれぞれにおける温度分布を示す。図７は、巻線およびコアのそれぞれについて、５０℃に対する上昇温度（平均値）を測定した結果をまとめた表である。両図から明らかなように、比較例に対し、実施例の方がインダクタ各部の上昇温度を小さくできることが確認された。

次に、確認試験２として、確認試験１における実施例１において、コアの熱伝導率を変えた時の上昇温度の変化を測定した。試験方法は確認試験１と同じである。コアの熱伝導率は、実施例２で１．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）とし、実施例３で３．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）とし、実施例４で５．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）としている。

確認試験２の結果を図８に示す。図８から、コアの熱伝導率が大きくなるほど、巻線およびコアのそれぞれで上昇温度を低くできることが確認された。従って、コアの熱伝導率は極力大きくするのが好ましい。

以上に述べたインダクタは、例えば、ＰＦＣ（power factor correction）回路、コンバータ回路、インバータ回路等における変圧用途（降圧、昇圧を問わない）、インバータ用途、コンバータ用途等に使用することができる。

１ インダクタ
２ コア
２ａ 開口部
３ 巻線
４ ボビン
５ 封止材
７ 冷却板
７ａ インダクタ設置面
２２ 外側コア
２３ 接続コア

Claims (4)

1. コアおよび巻線を備えるインダクタを、インダクタ設置面に設置するための構造であって、
   前記コアが、前記巻線を巻回した内側コアと、前記内側コアの外径側にあり、前記巻線の外周と隙間を介して対向する外側コアと、開口部とを有し、巻線軸の周方向に沿って前記外側コアおよび前記開口部が設けられ、
   前記インダクタを、前記開口部を前記インダクタ設置面と対向させて、前記巻線軸の方向が前記インダクタ設置面と平行となる向きに配置したことを特徴とするインダクタの設置構造。
2. 前記インダクタを、ケースを用いることなく、インダクタ設置面に直接配置した請求項１に記載のインダクタの設置構造。
3. 外側コアと巻線の外周の間の前記隙間に絶縁材料からなる封止材を介在させた請求項１または２に記載のインダクタの設置構造。
4. 前記コアが、熱伝導率１．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の磁性材からなる請求項１〜３何れか１項に記載のインダクタの設置構造。