JP5649402B2

JP5649402B2 - 電力用コイル

Info

Publication number: JP5649402B2
Application number: JP2010236016A
Authority: JP
Inventors: 堀内　晴宏; 晴宏堀内
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2030-10-21
Also published as: JP2012089713A

Description

本発明は、巻線型のコイルに関し、例えば高周波インダクタとして用いられ、特に大電力が供給される電力用コイルに関する。

一般的に電線は表皮効果により表面近傍に電流が多く流れる。表皮深さｄは、ｄ＝（２ρ／ωμ）^1/2＝（２／σωμ）^1/2
で求められる。但し、ρ：導体の抵抗率、σ：導体の導電率＝１／ρ、ω：電流の角速度＝２πｆ、μ：導体の透磁率。

導体が銅の場合、銅は非磁性体であるため透磁率は空気中の透磁率とほぼ等しくなり、μ≒４π×１０^-7（Ｈ／Ｍ）である。

また銅の導電率はσ＝５８．１×１０⁶（ｓ／ｍ）であるため、周波数ｆ（ＧＨｚ）における表皮深さｄはｄ≒２．０９×√１／ｆ（μｍ）で与えられる。

尚、周波数毎の表皮深さの計算値は次の表１のとおりである。

このことから、同軸コネクタやフィルタなどの構造体には主に加工性や強度を重視した金属で製作し、電流の集中する表面付近には、周波数による表皮効果を考慮した銀メッキなどを施す手法が用いられている。

尚、銅の周波数に対する表皮深さの関係は図２のとおりである。

前記表皮効果に対する方策として、銅線の周囲を絶縁した細い電線（リッツ線）を使用する。又、大電力化にはリッツ線を並列に接続し複数束ねることが行われている。

尚、従来の電力用コイルとして、例えば特許文献１には、表面に磁性体をメッキした銅線を巻いて高周波インダクタを構成することが開示されている。

特開昭６２−２１１９０４号公報

従来の電力用コイルにおいては次のような問題点があった。
（１）大電流を流した場合コイルが発熱し、寸法精度が悪化し共振周波数がずれる。
（２）コイルや隣接する導体から発生した磁束がコイルの導体に錯交すると銅線内に磁力線が進入し、渦電流を発生し、交流抵抗が発生する（近接効果）。抵抗が大きくなることによりコイルのＱ（品質）が低下することを防止する必要がある。
（３）コイル径を縮小することができない。
（４）基板にコイルを実装した場合は、基板と導体の熱膨張係数の違いから導体が基板から剥離する。
（５）高周波の場合はリッツ線の径を細くする必要があり強度が保てない。

本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、放熱性に優れた小型の電力用コイルを提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載の電力用コイルは、コイルの巻線の径方向断面構造として、空気よりも比誘電率の大きい材料から成り、径方向断面が十字形状に構成された誘電体支持層と、該誘電体支持層の外周に配設された導電体層と、該導電体層の内周面と前記誘電体支持層の外周面の間に形成された空洞部と、前記導電体層の外周に配設された絶縁層とを備えたコイルを、空気よりも熱伝導率の優れた熱伝導率優秀材料に浸漬して構成したことを特徴としている。

上記構成によれば、熱伝導率優秀材料は空気よりも熱伝導率が優れているため、該材料を循環放熱させることによりコイルの温度を下げることができる。

また、導電体層は空気よりも比誘電率の大きい誘電体支持層により支持されているため、波長短縮効果が得られてコイル径を小さくすることができる。

また、請求項２に記載の電力用コイルは、前記熱伝導率優秀材料を放熱させる放熱手段を備えたことを特徴としている。

上記構成によれば、放熱手段によって熱伝導率優秀材料を放熱させることができ、コイルの温度を下げることができる。

また、請求項３に記載の電力用コイルは、前記絶縁層と導電体層の間か、又は前記絶縁層の外周に配設された磁性体層を備えていることを特徴としている。

上記構成によれば、磁性体層によって、磁力線が導電体層内に侵入することが防止され、近接効果を抑止しコイルのＱを大きくすることができる。

また、請求項４に記載の電力用コイルは、前記熱伝導率優秀材料は、空気よりも比誘電率が大きい性質を有していることを特徴としている。

上記構成によれば、波長短縮効果がさらに得られる。

また、前記熱伝導率優秀材料はシリコンオイルから成ることを特徴としている。

上記構成によれば、シリコンオイルにより導電体層との密着度が増し波長短縮効果がより大きくなる。

また、高周波大電力用として導電体層に複数束ねたリッツ線を用いたコイルにおいて、機械的な擦れによりリッツ線外周の絶縁が破壊されることは、シリコンオイルの潤滑作用によって防止される。

（１）請求項１〜４に記載の発明によれば、熱伝導率優秀材料は空気よりも熱伝導率が優れているため、該材料を循環放熱させることによりコイルの温度を下げることができる。

また、熱膨張による寸法の狂い、抵抗損の増大、コイルの共振周波数のズレ等を防止することができる。

さらに、導電体層は空気よりも比誘電率の大きい誘電体支持層により支持されているため、波長短縮効果が得られてコイル径を小さくすることができる。
（２）請求項２に記載の発明によれば、放熱手段によって熱伝導率優秀材料を放熱させることができ、コイルの温度を下げることができる。
（３）請求項３に記載の発明によれば、磁性体層によって、磁力線が導電体層内に侵入することが防止され、近接効果を抑止しコイルのＱを大きくすることができる。
（４）請求項４に記載の発明によれば、波長短縮効果がさらに得られる。
（５）前記熱伝導率優秀材料にシリコンオイルを用いた場合は、シリコンオイルにより導電体層との密着度が増し波長短縮効果がより大きくなる。

本発明の実施形態例を表し、（ａ）は全体構成図、（ｂ）は一実施例によるコイル巻線の径方向断面図、（ｃ）は他の実施例によるコイル巻線の径方向断面図。銅の周波数に対する表皮深さの関係を示す特性図。各材料における比誘電率に対する誘電正接のグラフ。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。

図１は本発明の電力用コイルの実施形態例を表し、（ａ）は全体構成を、（ｂ）はコイル巻線の一実施例による径方向断面を、（ｃ）はコイル巻線の他の実施例による径方向断面を各々示している。

本実施例におけるコイル１０は、所定巻数に巻回され、収納容器２０内に充填されたシリコンオイル３０（本発明の熱伝導率優秀材料）に浸漬されている。

４０は、収納容器２０内のシリコンオイル３０を循環放熱させる放熱手段であり、例えば熱交換器、循環装置、シリコンオイル３０中の水分を除去する装置等で構成されている。

コイル１０の形状としては、多角形或いは曲線状の一様螺旋（アルキメデススパイラル）又はヘリカル構造を持つ（図１では円形形状）。

コイル１０の導体断面は長方形、円形、楕円形など何れを用いても良い（図１では円形）。

本発明のコイル１０の巻線は、誘電体支持層１１、導電体層１２、絶縁層１３および磁性体層１４を順次積層する（図１（ｂ））か、又は誘電体支持層１１、導電体層１２、磁性体層１４および絶縁層１３を順次積層して（図１（ｃ））構成されている。尚、前記積層体の最外周に外皮をさらに積層しても良い。

誘電体支持層１１は、空気よりも比誘電率の大きい材料から成り、径方向断面を十字形状に構成することで、放熱用に空気や誘電体液を循環させる空洞部１５を形成している。

この誘電体支持層１１は、フッ素樹脂等の誘電損失の小さい材料が望ましい。さらに、可撓性があることが望ましい。

空気より比誘電率εが大きい樹脂を用いることにより１／√εの波長短縮効果によりコイル１０を小さくすることができる。

導電体層１２は、使用する周波数の表皮深さを参考にその導体の厚さを変える。導電体層１２に金属板を用いた場合は、導電体層１２上に磁性体層１４を設ける（図１（ｃ））。

金属板は板金加工、折り曲げ、深絞り加工などで立体の中空の形状を作成し端部を溶接、半田等で電気的に接合する。

また、絶縁されていない銅線を編み導電体層１２とした場合は、図１（ｂ）のように、導電体層１２上に絶縁層１３を設け、その上に磁性体層１４を設ける。

また、導電体層１２として銅テープを使用しても良い。また、導電体層１２として、磁性膜を持ったリッツ線を並列接続して使用しても良い。

絶縁層１３は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等で熱融着させて形成する。

磁性体層１４としては、例えば、フェライト、ニッケルボロンなどの金属或いはプラスチック上にメッキ等によって強磁性薄膜を形成する。これにより、導電体層１２内部に磁力線が侵入することを防止し、近接効果を抑止することが可能となる。

シリコンオイル３０（比誘電率：２．２、誘電正接０．０００１）、絶縁油等の絶縁性や誘電正接の小さい材料にコイル１０を浸漬することによって、導体や電線（導電体層１２）との密着度が増し、波長短縮効果がより大きくなる他、空気より熱伝導率が優れており、シリコンオイル３０を放熱手段４０によって循環放熱させることによりコイル１０の温度を下げることができる。

高周波、大電力のリッツ線は一般的に細く、多数の線を束ねるにしたがって機械的に擦れあい、これによって導体が傷つき絶縁破壊する恐れがある。しかしシリコンオイル３０の潤滑作用によりこれを防止することができる。

また、誘電率が高く損失が小さいセラミック誘電体をボールミル等により粉砕微粒子化し、シリコンオイル中に分散剤を用いて分散した懸濁液を、シリコンオイル３０に代えて用いることもできる。

本発明で使用する材料の比誘電率と誘電正接の関係を示すグラフを図３に示す。

尚、低電力用のコイルの場合は、シリコンオイル３０の代わりに低損失樹脂、高誘電フィラーを含有した樹脂、或いは発泡樹脂を成形し、金属導体層（導電体層１２）に密着するように配置（導電体層１２の内周又は外周に配設）しても良い。また前記材料の粘度を高めることにより振動抑制効果も期待できる。

以上のように本実施形態例によれば、比誘電率が高く損失の少ない材料を導電体層１２の周囲に配置することにより、波長短縮効果により、コイル径を小さくすることができる。

導電体層１２に編みこみ電線或いは銅テープを用いることにより可撓性に優れる。

磁性体層１４によって、磁力線が導電体層１２内に侵入することを阻止することができるので、近接効果が防止され、コイルのＱを大きくすることができる。

１０…コイル
１１…誘電体支持層
１２…導電体層
１３…絶縁層
１４…磁性体層
１５…空洞部
２０…収納容器
３０…シリコンオイル
４０…放熱手段

Claims

コイルの巻線の径方向断面構造として、空気よりも比誘電率の大きい材料から成り、径方向断面が十字形状に構成された誘電体支持層と、該誘電体支持層の外周に配設された導電体層と、該導電体層の内周面と前記誘電体支持層の外周面の間に形成された空洞部と、前記導電体層の外周に配設された絶縁層とを備えたコイルを、
空気よりも熱伝導率の優れた熱伝導率優秀材料に浸漬して構成したことを特徴とする電力用コイル。
前記熱伝導率優秀材料を放熱させる放熱手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力用コイル。
前記絶縁層と導電体層の間か、又は前記絶縁層の外周に配設された磁性体層を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力用コイル。
前記熱伝導率優秀材料は、空気よりも比誘電率が大きい性質を有していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電力用コイル。