JP4910914B2 - 巻線及び磁気部品 - Google Patents

Description

本発明は、電気・電子回路に用いる変圧器やコイルなどの巻線及び磁気部品に関する。

変圧器やコイルなどの従来の一般的な磁気部品を図５に示す。図５は継電器コイルの例であり、１対のＥ形のコア９２，９２の中央脚部９２ａ，９２ａの周囲に巻線９１が配されている。巻線９１は、コアの中央脚部９２ａ，９２ａの周囲にその軸方向に沿って導体ｃを巻きつけながら順に内側から外側に向かって積層させた構造となっている。このほか、特許文献１に示すような渦巻状の巻線をコアの周囲に配置したコイルも知られている。

ところで、図５に示すような磁気部品では、コア９２に磁束が発生し、その磁束が変化することによって、コア９２内で損失（鉄損）が発生する。また、巻線９１に電流が流れることによって、導体ｃの断面積に比例した損失（銅損）が発生する。このため、装置を安全に動作させるためには、全ての箇所において規定の温度以下にする必要がある。もし、一部でも温度が高いと、その箇所で焼損や絶縁破壊などが発生する恐れがある。
特開昭６３−１００７０５号公報

しかしながら、従来の磁気部品では巻線の導体断面積を均一にしていることから、動作時に全ての箇所において同じように損失が発生する一方で、通常、磁気部品の外側は空気に触れるので冷却されやすく、磁気部品の内部では冷却効果が低いことから、磁気部品の内部と外側との間で温度不均一が生じていた。さらに、温度が上昇した箇所では温度に依存して導体の抵抗率が増加するため、損失や発熱がさらに上昇することとなり、当該一部の箇所で焼損等が生じる恐れが他の箇所よりも高かった。また、これは鉄損と銅損の割合などによっても変わり、コアでの発熱が小さい場合は巻線はコアに冷却されることとなるが、コアの損失が大きい場合はこれによる巻線の冷却効果の低減についても考慮する必要がある。

これに対し、損失（抵抗成分）を低減するために巻線を構成する導体を太いものとしその断面積を増加させることで発熱量を抑えることも考えられるが、上記のように一部の箇所のために全ての箇所で断面積を増加させると、磁気部品が大型化し、これを用いる装置の製造コストも高くなるという問題があった。
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、大型化及びコスト高を招くことなく焼損等の発生を抑えることができる巻線及び磁気部品を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１による巻線は、同じ太さの導体を螺旋状に巻回した螺旋ユニットを、同心円状に複数積層配置した巻線であって、前記螺旋ユニットの各々において並列に巻回される導体の並列数が、前記導体の巻き中心を基準とする内側よりも、当該内側より前記巻き中心から遠い外側において少なくなるように変化させることにより、前記導体の巻き始めから巻き終わりまでの間で等価的な導体断面積を変化させることを特徴とする。
このように、巻線の導体断面積を場所によって変化させ、例えば、冷却されにくいところは導体断面積を大きくして銅損による温度上昇を抑制するとともに、冷却しやすいところはすぐ冷却できることから導体断面積を小さくしても焼損等の発生の可能性を低減できる。
ここで、導体断面積とは、導体の軸直断面積、つまり電流の流路断面の面積をいう。また、巻き始め、巻き終わりは、巻線全体の巻き始め、巻き終わり（始端、終端）をいい、導体を接続するなどして部分的に巻きが中断している部分は、ここでいう巻き終わり、巻き始めとは異なる。

また、ここでは、複数の導体を並列させない場合は、並列数が１であるとする。
本発明の請求項２による磁気部品は、コアと、前記コアの周囲に配される請求項１に記載の巻線と、を備えることを特徴とする。

本発明の請求項３による磁気部品は、請求項２において、部品外側付近に位置する前記巻線部分の前記導体断面積を、他の前記巻線部分に比べて小さくしたことを特徴とする。
本発明の請求項４による磁気部品は、請求項２又は３において、前記コアと前記巻線のコア近傍部分における巻線の抵抗成分を、他の前記巻線部分よりも大きくなるように、当該巻線のコア近傍部分の導体断面積を設定したことを特徴とする。

例えば、コアの設計上、鉄損が銅損に比して小さく、コアでの発熱による温度上昇が小さくなる場合は、コア近傍の巻線部分の導体断面積を小さく設定し、動作時の発生損失を大きくする。ここで、発生損失が大きく発熱量が増加しても、巻線付近のコアは温度が低いので、巻線からの発熱をコア側で冷却することができる。これにより、温度不均一を迅速に解消するとともに、巻線の断面積を小さく設定したことによるさらなる小型化が可能である。一方、鉄損が銅損に比して小さくなく、コアでの温度上昇が巻線と同等又はそれ以上であるときは、巻線のコア近傍部分の断面積を他の巻線部分よりも大きく設定することで、コア側からの発熱を巻線側で冷却し、中心部分の温度上昇を抑制する。このように、鉄損と銅損との関係を考慮することで、より効率的に温度不均一を解消できる。

本発明によれば、巻線の導体断面積を変化させ、例えば温度が上昇しやすい部分では導体断面積を大きくして発熱を抑え、冷却されやすいところでは導体断面積を小さくできるので、焼損等の発生を抑え耐熱信頼性を高めることができると共に、巻線及び磁気部品の小型化、低コスト化も実現できる。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態にかかる磁気部品を示す図である（（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。）
図１の磁気部品は、巻線１と、１対のＥ形のコア２，２と、を備えて構成されている。１対のコア２，２は、脚部２１，２１が対向するように配置され、中央の脚部２１の周囲に巻線１が配置される。巻線１は、中央の脚部２１を巻き中心として帯状の銅箔Ｃ１〜Ｃ４を内側から外側に向かって複数周（図中では４周）渦巻状に巻き付けてなる銅箔コイルとして構成されている。また、保持部材３は銅箔Ｃ１〜Ｃ４を収容、保持するためのものである。

巻線１の各周回は、異なる厚さの銅箔Ｃ１〜Ｃ４で構成されており、最も内側の周回を構成する銅箔Ｃ１が最も厚く、内側の周回から外側の周回に向かうに従って銅箔の厚みが徐々に薄くなり、最も外側の周回を構成する銅箔Ｃ４が最も薄くなっている。つまり、内側の周回ほど導体断面積が大きく、外側の周回ほど導体断面積が小さくなっている。なお、銅箔の代わりに、他の導電性材料（アルミ箔）等を用いてもよい。

次に、上記構成の作用及び効果について説明する。
通常、磁気部品の外側部分は外気等と接触するため冷却されやすく、逆に中心付近では冷却効率が低く、温度が高くなる。上記構成とした場合は、コア２に近い、中心付近では、巻線１の導体断面積を大きくすることによって、抵抗率（ここでは、単位長さ辺りの抵抗の意味である。以下同じ。）が低下するので、冷却しにくい部分での損失及び発熱を低減でき、磁気部品の温度差を低減できる。一方、冷却効率の高い外側付近では、巻線１の導体断面積を小さくして抵抗率を増加させても温度が大きくなりにくい。従って、外側付近では導体の断面積を小さくすることで、要求される巻数等を確保し、さらには磁気部品を小型化、低コスト化できる。従って、小型化に対する要請の高いスイッチング電源やＵＰＳ（Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ）を構成するコイルや変圧器として好適に用いることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図２は、第２実施形態にかかる磁気部品を示す図である（（ａ）は平面図、（ｂ）はＸ−Ｘ線断面図）。
図２の磁気部品は、図１の磁気部品と略同様の構成であるが、巻線１を構成する銅箔Ｃ５〜Ｃ８の厚さの分布が第１実施形態と異なっているので、この点について説明する。第２実施形態では、最も内側の周回を構成する銅箔Ｃ５及び最も外側の周回を構成する銅箔Ｃ８を、これらの内側に挟まれた２周を構成する銅箔Ｃ６，Ｃ７よりも薄くし、断面積を小さくしている。

例えば、コア２での鉄損が少なく、コア２での発熱量が小さい場合、コア２付近の巻線１では、巻線温度がコア２に放熱されるため温度上昇が抑制される。従って、コア２付近の巻線１及び外側付近における導体の断面積を小さくしても温度上昇が抑制され、さらなる小型化、低コスト化が実現できる。一方、コア２付近でも、外側付近でもない部分では、導体の断面積を比較的大きくすることで、発生損失を低減し、コア２付近や外側付近との温度差を抑制できる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図３は、第３実施形態にかかる磁気部品を示す図である（（ａ）は正面断面図、（ｂ）は巻線を構成する各螺旋部の接続状態及び位置関係を説明するための図である。）。
図３の磁気部品は、図１及び図２に示す磁気部品と同様に、巻線４、１対のＥ形のコア５，５及び保持部材６からなるものであるが、巻線４の構成が異なっているので、この点を説明する。

巻線４は、螺旋ユニット４１〜４３が同心円状に積層配置されてなる。このうち、最も内側の螺旋ユニット４１は、３つの螺旋部４１ａ〜４１ｃが径方向に沿って積層配置されてなる。これら３つの螺旋部４１ａ〜４１ｃは、同じ太さの３本の導体ｃを夫々螺旋状に巻回したものであり、図３（ｂ）に示すように、３つの螺旋部４１ａ〜４１ｃの上端及び下端を夫々接続することで、３つの螺旋部４１ａ〜４１ｃが並列に接続している。なお、図３中の位置ａは、巻線４の上部に相当し、位置ｂは巻線４の下部に相当する。

同様に、螺旋ユニット４１に隣接する螺旋ユニット４２は、２つの螺旋部４２ａ，４２ｂが径方向に沿って積層配置されてなる。これら２つの螺旋部４２ａ，４２ｂは、同じ太さの２本の導体ｃを夫々螺旋状に巻回したものであり、図３（ｂ）に示すように、２つの螺旋部４２ａ，４２ｂの上端及び下端を夫々接続することで、２つの螺旋部４１ａ〜４１ｃが並列に接続している。また、最も外側の螺旋ユニット４３は、導体ｃを螺旋状に巻回したものとなっている。

これら同じ太さ（断面積）の導体ｃを螺旋状に旋回させてなる螺旋部４１ａ〜４１ｃ，４２ａ，４２ｂ及び螺旋ユニット４３は、巻き方向及び巻き中心が全て同じになっている。そして、隣接する螺旋ユニット同士は内側の下端と外側の上端とが接続することで、図３（ｂ）に示すように、３つの螺旋ユニット４１〜４３が直列に接続している。なお、最も内側の螺旋ユニット４１の上端と最も外側の螺旋ユニット４３の下端は、電源に接続する。

つまり、本実施形態にかかる巻線４は、導体ｃの並列数を内側部分から外側部分に向かって段階的に３から、２，１と変化させることで、等価的な導体断面積を徐々に変化させた構造となっている。例えば、磁気部品の中心付近で温度が高くなる場合、中心付近では導体ｃの並列数を他の部分に比べて増加させ、等価的な導体断面積を増加させることによって、抵抗率を低下させ、温度上昇を抑制できる。磁気部品の外側付近が冷却されやすい場合は、導体ｃの並列数を他の部分に比べて減らすことで、磁気部品を大型化することなく要求される巻数等を確保し、場合によっては小型化、低コスト化を実現できる。また、冷却されやすい部分の等価的な導体断面積を低下させることで、磁気部品内での温度分布を均一にできる。

さらに、このような構成とした場合、次のような利点がある。図１に示すように実際に巻線を構成する導体の断面積を変化させる構造とすると、磁気部品の個々の設計に従って異なる断面積の導体を特別に製作しなければならない。しかし、図３に示すような構成とすれば、均一な断面積の一般的な導体を用いて簡単に製作することができ、さらなる低コスト化を実現できる。

［その他の変形例について］
以上、第１実施形態から第３実施形態について説明したが、本発明の適用は上記実施形態に限定されない。
例えば、コアの形状や巻線の配置は上記実施形態に限定されず、例えば、上記実施形態では１対のＥ形コアを用いているが、Ｅ形とＩ形のコアを組み合わせた場合にも適用でき、Ｕ形のコアを用いた磁気部品、棒状コアを用いた磁気部品、トロイダルコイル等にも適用可能であることは言うまでもない。また、上記実施形態では、径方向に導体断面積の変化をつける場合について説明したが、巻き軸の軸方向に沿って導体断面積の変化をつけてもよい。

また、図４に示すように基板上に形成する巻線にも本発明を適用できる。
図４は、プリント基板７の導体パターン７２として渦巻状の巻線を構成する場合に、本発明を適用した例を示す平面図である。図７のプリント基板７は、基板７１に渦巻状の導体パターン７２を形成し、レジスト等の保護膜（図示せず）を積層したものである。図では、片面のみを示しているが、裏面側にも巻き方向が同じ渦巻状の導体パターン７２が形成され、これらは渦巻きの中心付近でビアホールを介してあるいはスポット溶接等の方法で相互に直列に接続されている。また、基板７１の中央には貫通孔７３が形成されており、基板面に垂直にＥ形コアの中央脚部（図示せず）が配置される。そして、導体パターン７２は外側の２周の導体パターン部分７２ａが内側の導体パターン部分７２ｂよりも幅Ｗが狭くなっており、従って導体断面が小さくなっている。これにより、上記実施形態と同様に、内側部分と外側部分の温度不均一を解消できる。なお、導体パターン７２の幅でなく、厚みに変化をもたせることで導体断面積を調整してもよい。

なお、このような基板を複数枚積層させて用いることもあるが、この場合、例えば、１枚のプリント基板７内では導体パターン７２の幅Ｗを同じにし、異なるプリント基板７で導体パターン７２の幅Ｗを変え、軸方向に沿って変化をつけてもよい。積層させる場合は、両面が挟まれたプリント基板７の冷却効率が落ちると考えられるので、この方法は有効である。同様のことは、プリント基板７により巻線を構成する場合に限らず、例えば、円板コイルや方形板状コイルの場合にも当てはまる。

また、図３に示したような、巻き軸の軸方向に沿って螺旋状に導体ｃを巻きつけてなる螺旋部４１〜４３を内側から外側に沿って配置する巻線構造の場合に、導体ｃの並列数を変化させる代わりに、異なる太さの導体を用いて、内側と外側の螺旋部の導体断面積を変化させるようにしてもよい。また、図３に示す巻線では巻き数を内側と外側の螺旋部４１〜４３で同じとしインダクタンスを変化させないようにしているが、内側と外側で巻き数を変化させてもよい。

第１実施形態にかかる磁気部品を示す図である（（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。） 第２実施形態にかかる磁気部品を示す図である（（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図）。 第３実施形態にかかる磁気部品を示す図である（（ａ）は正面断面図、（ｂ）は巻線を構成する各螺旋部の接続状態及び位置関係を説明するための図である。）。 本発明を適用したプリント基板に形成された巻線を示す平面図である。 従来の磁気部品の例を示す図である。

符号の説明

１ 巻線
２，５ コア
２１ 脚部
３，６ 保持部材
４ 巻線
４１〜４３ 螺旋ユニット
４１ａ〜４１ｃ 螺旋部
４２ａ，４２ｂ 螺旋部
７ プリント基板
７１ 基板
７２ 導体パターン
７３ 貫通孔
９１ 巻線
９２ コア
９２ａ 中央脚部
ｃ 導体
Ｃ１〜Ｃ８ 銅箔

Claims (4)

1. 同じ太さの導体を螺旋状に巻回した螺旋ユニットを、同心円状に複数積層配置した巻線であって、
   前記螺旋ユニットの各々において並列に巻回される導体の並列数が、前記導体の巻き中心を基準とする内側よりも、当該内側より前記巻き中心から遠い外側において少なくなるように変化させることにより、前記導体の巻き始めから巻き終わりまでの間で等価的な導体断面積を変化させることを特徴とする巻線。
2. コアと、
   前記コアの周囲に配される請求項１に記載の巻線と、を備えることを特徴とする磁気部品。
3. 部品外側付近に位置する前記巻線部分の前記導体断面積を、他の前記巻線部分に比べて小さくしたことを特徴とする請求項２に記載の磁気部品。
4. 前記コアと前記巻線のコア近傍部分における巻線の損失を、他の前記巻線部分よりも大きくなるように、当該巻線のコア近傍部分の導体断面積を設定したことを特徴とする請求項２又は３に記載の磁気部品。

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