JP6195627B2 - 電磁誘導機器 - Google Patents

Description

この発明は、例えば電力変換装置に組み込まれる電磁誘導機器に関するものである。

電気自動車・ハイブリッド車に搭載されるＤＣＤＣコンバータ、充電器を始めとする電力変換装置では、電圧の昇圧動作や降圧動作を行う受動部品としてトランス、リアクトル、チョークコイル等の電磁誘導機器を搭載しており、エネルギーの蓄積、放出素子、または直流電流の平滑化等で使用される。
このような電磁誘導機器に関しては小型化、若しくは通電時に発生する熱を効率的に放熱できる構造が非常に重要である。

小型化に優れたトランスとして、１次巻線と２次巻線とが積層構造にて構成されており、２次巻線が絶縁部材を隔てて、コアを囲むボビンの軸方向に少なくとも２箇所に分けて巻回されることで小型化を実現したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、放熱性に優れたリアクトルとして、リアクトル本体をアルミケース内に格納し、熱伝導率が０.７〜４.０［Ｗ/ｍ/Ｋ］である充填樹脂にてリアクトル本体を封止することで、コイルから発生した熱を効率的にケース、冷却器に放熱することができ、さらにボビンレス構造とすることで、コアから発生した熱も効率的に放熱することが可能なものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１０-１８３７５１号公報 特開２００９-９４３２８号公報

しかしながら、上記特許文献１のものは、１次巻線と２次巻線とを積層させて巻回することで、巻線間の結合度を増加させることができ、２次巻線をボビンの軸方向に２箇所以上分けて巻回することで小型化は可能であるが、巻線を多層構造にて巻回していることから、コア付近の内側巻線に関しては、当該巻線より外側の巻線と巻線間の絶縁体の熱抵抗が加算されることで放熱性が悪化してしまうという問題点があった。

また、上記特許文献２のものは、リアクトル本体を金属ケースに収納し、放熱樹脂にて充填させるとなると、コストアップ、大型化が余儀なくされるという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、低コスト、小型で、コイル体の放熱が効率的に行え、熱抵抗の低減が可能である電磁誘導機器を提供することを目的としている。

この発明に係る電磁誘導機器は、
閉磁路を構成するコアと、
このコアを支持し複数の配線パターンを有するプリント配線板と、
前記コアを周回し、両端部が前記配線パターンに接続された金属部材と、を備え、
前記配線パターン及び前記金属部材からなる複数のコイル部が互いに電気的に接続され重ねられてコイル体が構成されている。

この発明に係る電磁誘導機器によれば、プリント配線板の配線パターンと、両端部が配線パターンに接続した金属部材とからなるコイル部が互いに電気的に接続され重ねられてコイル体が構成されているので、例えばプリント配線板に冷却手段を取付けることで、コイル体の放熱が効率的に行え、熱抵抗の低減が可能である。
また、金属部材は、金属部材毎にプリント配線板の配線パターンに離間して接続されるので、各金属部材の放熱性も高い。

この発明の実施の形態１におけるリアクトルを示す斜視図である。 図１のプリント配線板の配線パターンを示す上面図である。 この発明の実施の形態２におけるトランスを示す斜視図である。 図３のプリント配線板の配線パターンを示す上面図である。 トランスの１次巻線部、２次巻線部の配置を模式的に示した一例を示す図である。 この発明の実施の形態３におけるトランスの１次巻線部、２次巻線部の配置を模式的に示した図である。

以下、この発明の各実施の形態について説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるリアクトルを示す斜視図、図２は図１の金属ベースプリント配線板６上の配線パターン８を示す上面図である。なお、図１においては、金属ベースプリント配線板６上に搭載された複数の電子部品は省略されている。
電磁誘導機器であるこのリアクトルは、第１のコア部１及び第２のコア部２からなる、外鉄式であるＰＱコアであるコア３と、このコア３の中脚部を囲むように設置されたＣ形状の複数の板状金属部材４と、板状金属部材４同士及び板状金属部材４とコア３とを絶縁する絶縁部材５と、上面に複数の配線パターン８が設けられた金属ベースプリント配線板６と、を備えている。
このリアクトルは、金属ベースプリント配線板６を冷却手段である冷却器（図示せず）上に設置し、固定することで、冷却器に固定される。

板状金属部材４は、規定電気抵抗値を有するタフピッチ銅材である。
金属ベースプリント配線板６の配線パターン８は、規定の電気抵抗値を有する導体であり、矩形状等の部品ランド７を除いて絶縁レジストで被膜されている。なお、各配線パターン８は、図示されていない接続部を介して電気的に接続されている。
各板状金属部材４の両端面は、それぞれ各部品ランド７に当接して半田付けされることで接続され、板状金属部材４と配線パターン８とからなるコイル部を構成している。この各コイル部は、互いに電気的に接続されてコア３の中脚部を規定数重ねることでコイル体が構成される。

図２の最下位部及び最上位部である、部品ランド７と、隣接したランド７間を繋ぐ配線パターン８の渡し部との間の距離、及び隣接した部品ランド７間の距離は、絶縁レジストが介在できる幅であって、かつトランスに所定の電圧が印加された際、１ターン分のコイル部の電圧降下に対して絶縁が確保できる幅で構成している。

コア３は、底面が金属ベースプリント配線板６の上に設置されている。
絶縁部材５は、隣接した板状金属部材４間に介在したドーナツ状の板を半分にした半ドーナツ部と、コア３の中脚部を囲った円筒形状の円筒部と、板状金属部材４の外径側とコア３の内壁とに介在した外径側部とから構成されている。

このように構成されたリアクトルでは、コイル体が配置された金属ベースプリント配線板６が冷却器上に取り付けられていることから、コイル体の放熱が効率的に行え、コイル体の温度上昇による熱抵抗の増大を抑制することができる。
また、放熱性が向上することで、リアクトル全体の放熱面積を小さくさせることができるため、リアクトルを構成する、コア３、板状金属部材４、金属ベースプリント配線板６等の小型化、軽量化、及びそれに伴う低コスト化も可能となる。
なお、リアクトルを冷却する冷却器の小型化、低コスト化も可能になる。

また、板状金属部材４が板状部材であることから、寸法精度を安定させることが可能となるので、漏れインダクタンスのバラツキを抑制でき、コイル体の損失バラツキを抑制することができる。

また、コイル部の積層数、コイル体の構成要素である板状金属部材４の板幅、コイル体とコア３との間の距離、及び第１のコア部１と第２のコア部２との間のギャップを調整することで、インダクタンスの調整が容易になる。

また、板状金属部材４を１枚毎に金属ベースプリント配線板６の部品ランド７に接続することで、各板状金属部材４は互いに離間して配置され、板状金属部材４は１枚毎に放熱させることができることから熱抵抗の低減、放熱性の向上が可能となる。

さらに、先に説明した特開２００９-９４３２８公報（特許文献２）に記載したリアクトルのように、リアクトル本体を金属ケースに収納し、放熱樹脂を充填させて放熱経路を確保させる必要がないので、小型化、軽量化及び低コスト化が可能となる。
また、板状金属部材４が１周毎に部品ランド７に接続されることで、コイル体の構成要素であるコイル部間の寸法精度の安定化が可能となり、熱抵抗及びインダクタンス、コイル体損失等電気特性のバラツキを低減させることができる。

また、板状金属部材４をタフピッチ銅材とすることで、純銅に近い導電率が得られコイル体として低い電気抵抗が実現できると同時に、非磁性金属であることからリアクトルから発生した漏れ磁束に伴う渦電流の発生、及び渦電流損失を低減させることができる。
また、損失量を抑制させると共に、純銅に近い熱伝導率を有していることから、板状金属部材４から発生した熱を効率的に金属ベースプリント配線板６、冷却器を通して放熱させることが可能となる。また、それに伴う小型化、軽量化が実現できる。

なお、この実施の形態では銅系材料を使用したが、アルミ系材料にも適応可能である。 コイル体に使用する板状金属部材４をアルミ系材料にすることで、銅系よりも放熱性、導電率では劣るものの、非磁性体金属であることから渦電流の発生を抑制でき、他の金属に比べ比重が極めて小さいことから、コイル体のターン数が多くなる場合は特に、大幅な軽量化を実現させることが可能である。
また、材料単価が銅系材料に比べ大幅に安いため、低コスト化も可能である。

また、コア３の底面を金属ベースプリント配線板６に当接して設置させることで、コア３で生じる損失熱（鉄損）を金属ベースプリント配線板６を通して冷却器に放熱させることができる。

また、板状金属部材４間、板状金属部材４と隣接するコア３との間に、樹脂プレート、絶縁シート等の絶縁部材５を介在させることで、隣接した各板状金属部材４間、コイル体とコア３との間の絶縁性が確保され、リアクトルとしての性能を安定化させることが可能となる。

また、板状金属部材４間、板状金属部材４と隣接するコア３との間に絶縁距離が確保される場合には、絶縁部材５を介在させなくてもよい。

なお、この実施の形態では、コイル体の構成要素として板状金属部材４を用いたが、板状金属部材４の代わりに丸線、平角線を用いてもよい。

また、この実施の形態では、コイル体の構成要素である金属ベースプリント配線板６を用いて説明したが、金属ベースプリント配線板６の代わりに、セラミックベースプリント配線板を用いてもよい。この際、セラミックベースプリント配線板とすることで、高い絶縁性が確保されつつ、放熱性も向上させることができる。また、それに伴う小型化、軽量化も実現できる。

また、この実施の形態では、コア３は、外鉄式であるＰＱ型コアの場合で説明したが、ＥＩ、ＥＥ、ＥＥＲ、ＥＲ型等その他の外鉄式コア、及びＵ型等の内鉄式コアにおいてもこの発明は適応可能である。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２におけるトランスを示す斜視図、図４は図３の金属ベースプリント配線板１５上の配線パターン１７，１９を示す上面図である。なお、図３においては、金属ベースプリント配線板１５上に搭載された複数の電子部品は省略されている。
電磁誘導機器であるこのトランスは、第１のコア部９及び第２のコア部１０からなる、Ｕ形状コアであるコア１１と、このコア１１の片方の磁脚を囲むように設置された、Ｃ形の１次巻線用板状金属部材１２及び２次巻線用板状金属部材１３と、１次巻線用板状金属部材１２と２次巻線用板状金属部材１３との間、及び板状金属部材１２，１３とコア１１との間を絶縁する絶縁部材１４と、上面に１次巻線用配線パターン１７、２次巻線用配線パターン１９が設けられた金属ベースプリント配線板１５と、を備えている。
このトランスは、金属ベースプリント配線板１５を冷却器（図示せず）上に設置し、固定することで、冷却器に固定される。

１次巻線用板状金属部材１２は、規定電気抵抗値を有するタフピッチ銅材である。
金属ベースプリント配線板１５の１次巻線用配線パターン１７は、規定の電気抵抗値を有しており、矩形状の１次巻線用部品ランド１６を除いて絶縁レジストで被膜されている。なお、１次巻線用配線パターン１７は、図示されていない接続部を介して電気的に接続されている。
各１次巻線用板状金属部材１２の両端面は、それぞれ各１次巻線用部品ランド１６に当接して半田付けされることで接続され、１次巻線用板状金属部材１２と１次巻線用配線パターン１７とからなる、コイル部である１次巻線部を構成している。
この各１次巻線部は、互いに電気的に接続されてコア１１の片脚を規定数重ねることでコイル体である１次巻線２０が構成される。

２次巻線用板状金属部材１３は、規定電気抵抗値を有するタフピッチ銅材である。
金属ベースプリント配線板１５の２次巻線用配線パターン１９は、規定の電気抵抗値を有しており、矩形状等の２次巻線用部品ランド１８を除いて絶縁レジストで被膜されている。なお、２次巻線用配線パターン１９は、図示されていない接続部を介して電気的に接続されている。
各２次巻線用板状金属部材１３の両端面は、それぞれ各２次巻線用部品ランド１８に当接して半田付けされることで接続され、２次巻線用板状金属部材１３と２次巻線用配線パターン１９とからなる、コイル部である２次巻線部を構成している。
この各２次巻線部は、互いに電気的に接続されてコア１１の片脚を規定ターン数重ねることでコイル体である２次巻線２１が構成される。

なお、この実施の形態では、１次巻線用板状金属部材１２と２次巻線用板状金属部材１３とを交互に配置するために、１次巻線用配線パターン１７の１次巻線用部品ランド１６と２次巻線用配線パターン１９の２次巻線用部品ランド１８とは、図４に示すように軸線方向に沿ってｄ１の距離だけずれている。
また、隣接した、１次巻線用配線パターン１７と２次巻線用配線パターン１９との間の絶縁距離を確保するために図４に示すように、所定の距離ｄ２離れて設けられている。

このように構成されたトランスでは、１次巻線２０、２次巻線２１が配置された金属ベースプリント配線板１５が冷却器上に取り付けられているので、１次巻線２０、２次巻線２１の放熱が効率的に行え、１次巻線２０、２次巻線２１の温度上昇による熱抵抗の増大を抑制することができる。
また、放熱性が向上することで、トランス全体の放熱面積を小さくさせることができるため、トランスを構成する、コア１１、１次巻線用板状金属部材１２、２次巻線用板状金属部材１３、金属ベースプリント配線板１５等の小型化、軽量化、及びそれに伴う低コスト化も可能となる。

また、１次巻線用板状金属部材１２、２次巻線用板状金属部材１３は、板状部材であるので、寸法精度を安定させることが可能となり、漏れインダクタンスのバラツキが抑制でき、１次巻線２０、２次巻線２１の損失バラツキを抑制させることができる。

また、１次巻線用板状金属部材１２、及び板状金属部材１３を交互に配置することで結合度の高いトランスが実現でき、漏れインダクタンスの抑制が可能となる。

また、コイル部の積層数、１次巻線用板状金属部材１２及び２次巻線用板状金属部材１３の板幅、１次巻線２０及び２次巻線２１とコア１１との間の距離、及び第１のコア部１と第２のコア部２との間のギャップを調整することで、励磁インダクタンスと漏れインダクタンスの調整が容易になる。

また、１次巻線用板状金属部材１２及び２次巻線用板状金属部材１３を１枚毎に金属ベースプリント配線板１５上の部品ランド１６、１８に接続することで、１次巻線用板状金属部材１２、２次巻線用板状金属部材１３を１枚毎に放熱させることができることから熱抵抗の低減、放熱性の向上が可能となる。
また、１次巻線用板状金属部材１２、２次巻線用板状金属部材１３が１周毎に部品ランド１６、１８に接続されることで１次巻線２０と２次巻線２１との間隔の寸法精度の安定化が可能となり、熱抵抗及び励磁、漏れインダクタンス、及び損失等電気特性のバラツキを低減させることができる。

また、１次巻線用板状金属部材１２、２次巻線用板状金属部材１３はタフピッチ銅材とすることで、純銅に近い導電率が得られ１次巻線２０、２次巻線２１として低い電気抵抗が実現できると同時に、非磁性金属であることからトランスから発生した漏れ磁束に伴う渦電流の発生、及び渦電流損失を低減させることができる。
また、損失量を抑制させると共に、純銅に近い熱伝導率を有していることから、１次巻線用板状金属部材１２、２次巻線用板状金属部材１３から発生した熱を効率的に金属ベースプリント配線板１５、冷却器を通して放熱させることが可能となる。また、それに伴う小型化、軽量化が実現できる。

また、両板状金属部材１２，１３同士、両板状金属部材１２，１３と両板状金属部材１２，１３に隣接するコア１１との間に、樹脂プレート、絶縁シート等の絶縁部材１４を介在させることで、１次巻線２０及び２次巻線２１間、両板状金属部材１２，１３間、及び１次巻線２０、２次巻線２１とコア１１との間の絶縁性が確保でき、トランスとしての性能を安定化させることが可能となる。
また、組立性も向上させることができる。
なお、１次巻線２０、２次巻線２１の構成要素である両板状金属部材１２，１３を樹脂モールドして絶縁性を確保することも可能である。

また、トランスに印加される所定電圧に対して、１次巻線用配線パターン１７と２次巻線用配線パターン１９との間で絶縁可能な距離を設けることで、１次巻線２０と２次巻線２１との間の絶縁性が確保され、トランスとしての性能を安定化させることができる。

なお、この実施の形態では、両板状金属部材１２，１３に銅系材料を使用したが、実施の形態１と同ようにアルミ系材料にも適応可能である。

また、この実施の形態では、１次巻線２０、２次巻線２１の構成要素であるプリント配線板として金属ベースプリント配線板１５を用いて説明したが、実施の形態２と同ようにセラミックベースプリント配線板であってもよい。

また、この実施の形態では、１次巻線２０に対して２次巻線２１のターン数が多い昇圧トランスとして説明したが、２次巻線に対して１次巻線のターン数が多い降圧トランスに関してもこの発明は適応可能である。

また、この実施の形態では、コア１１は内鉄式であるＵ型コアについて説明したが、ＥＩ、ＥＥ、ＥＥＲ、ＥＲ型等の外鉄式コアにおいてもこの発明は適応可能である。

実施の形態３．
図５Ａはトランスの１次巻線部２０ａ、２次巻線部２１ａの配置を模式的に示した一例を示す図、図５Ｂはこの発明の実施の形態３におけるトランスの１次巻線部２０ａ、２次巻線部２１ａの配置を模式的に示した図である。
トランスの変圧比が大きい場合には、１次巻線部２０ａ及び２次巻線部２１ａのそれぞれの数が大きく異なる場合が生じ、例えば図５Ａに示すように、２次巻線部２１ａが連続して３個隣接することが生じ、この結果トランスの漏れインダクタンスが増加し、トランスの損失が大きくなってしまう。
これに対しては、図５Ｂに示すように、２次巻線部２１ａは２個まで隣接して配置することで、トランスの漏れインダクタンスの増加を抑え、さらに結合度が高く、かつ損失を抑制することができる。
他の構成は、実施の形態２のトランスと同じである。

なお、上記各実施の形態では、電磁誘導機器として、リアクトル、トランスについて説明したが、チョークコイルであってもよい。
また、電磁誘導機器を冷却する冷却手段の例として、内部に冷媒が流通する冷却器について説明したが、ヒートシンクであってもよい。

１ 第１のコア部、２ 第２のコア部、３，１１ コア、４ 板状金属部材（金属部材）、５，１４ 絶縁部材、６，１５ 金属ベースプリント配線板、７ 部品ランド、８ 配線パターン、９ 第１のコア部、１０ 第２のコア部、１２ １次巻線用板状金属部材（金属部材）、１３ ２次巻線用板状金属部材（金属部材）、１６ １次巻線用部品ランド、１７ １次巻線用配線パターン、１８ ２次巻線用部品ランド、１９ ２次巻線用配線パターン（配線パターン）、２０ １次巻線（コイル体）、２０ａ １次巻線部（コイル部）、２１ ２次巻線（コイル体）、２１ａ ２次巻線部（コイル部）。

Claims (17)

1. 閉磁路を構成するコアと、
   複数の配線パターンを有するプリント配線板と、
   前記コアを周回し、両端部が前記配線パターンに接続された金属部材と、を備え、
   前記配線パターンには、複数の矩形の部品ランドが設けられており、
   前記金属部材は、Ｃ形状の板状金属部材であり、
   前記板状金属部材の両端面は、それぞれ前記部品ランドに当接して接続されており、
   前記配線パターン及び前記板状金属部材からなる複数のコイル部が互いに電気的に接続され重ねられてコイル体が構成されている電磁誘導機器。
2. 隣接した前記板状金属部材間、前記板状金属部材と前記コアとの間には、絶縁部材が介在している請求項１に記載の電磁誘導機器。
3. 前記板状金属部材は、前記プリント配線板と半田付けにより接続されている請求項１又は請求項２に記載の電磁誘導機器。
4. 前記板状金属部材は、銅で構成されている請求項１〜３の何れか１項に記載の電磁誘導機器。
5. 前記板状金属部材は、アルミニウムで構成されている請求項１〜３の何れか１項に記載の電磁誘導機器。
6. 前記プリント配線板は、金属ベースプリント配線板である請求項１〜５の何れか１項に記載の電磁誘導機器。
7. 前記プリント配線板は、セラミックベースプリント配線板である請求項１〜５の何れか１項に記載の電磁誘導機器。
8. 前記コアは、前記プリント配線板に面接触している請求項１〜７の何れか１項に記載の電磁誘導機器。
9. 前記電磁誘導機器は、トランスであり、前記コイル体は、前記コイル部である１次巻線部から構成された１次巻線、及び前記コイル部である２次巻線部から構成された２次巻線である請求項１〜８の何れか１項に記載の電磁誘導機器。
10. 前記１次巻線部と、前記２次巻線部とは交互に重ねられている請求項９に記載の電磁誘導機器。
11. 前記１次巻線部、前記２次巻線部は、何れも最大２個まで隣接して配置されている請求項９に記載の電磁誘導機器。
12. 前記１次巻線部の構成要素である１次巻線用板状金属部材が接続される前記配線パターンの１次巻線用部品ランドと、この１次巻線用部品ランドと隣接した、前記２次巻線部の構成要素である２次巻線用板状金属部材が接続される前記配線パターンの２次巻線用部品ランドとは、絶縁距離を有して離間している請求項９〜１１の何れか１項に記載の電磁誘導機器。
13. 前記１次巻線用板状金属部材と前記２次巻線用板状金属部材との間、前記１次巻線用板状金属部材、前記２次巻線用板状金属部材と前記コアとの間には、絶縁部材が介在している請求項１２に記載の電磁誘導機器。
14. 前記絶縁部材は、樹脂プレートである請求項１３に記載の電磁誘導機器。
15. 前記絶縁部材は、樹脂シートである請求項１３に記載の電磁誘導機器。
16. 前記１次巻線用板状金属部材及び前記２次巻線用板状金属部材は、樹脂モールドされている請求項１３に記載の電磁誘導機器。
17. 前記プリント配線板には、前記電磁誘導機器を冷却する冷却手段が取付けられる請求項１〜１６の何れか１項に記載の電磁誘導機器。

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