JP6421465B2 - トランス - Google Patents

Description

冷却通路を備える回路基板上に配置されるトランスに関する。

インバータ等の強電系部品に用いられるトランスとして、一対のＥ型コアの各柱同士を突き合わせて構成されるトランスコアを備え、一対のＥ型コアの中央柱にコイルを巻き回したものが知られている。

上記のようなトランスの温度上昇を抑制するために、特許文献１では、一方のＥ型コアを上側Ｅ型コア、他方のＥ型コアを下側Ｅ型コアとし、下側Ｅ型コアが冷却通路を備える回路基板に接するように配置している。

特開２０１０−１０４５２号公報

ところで、トランスコアは磁性粉末を焼結して形成することが多く、寸法や表面粗さの管理が難しい。このため、上側Ｅ型コアの各柱の先端面と下側Ｅ型コアの各柱の先端面とを突き合わせたときに、対向する各先端面の間にエアギャップが生じてしまう。すなわち、特許文献１に記載されたトランスコアでは、上側Ｅ型コアから下側Ｅ型コアへの熱伝達経路にエアギャップが生じるので、回路基板に設けた冷却通路によって上側Ｅ型コアの温度上昇を抑制することが難しい。その結果、下側Ｅ型コアは冷却通路により温度上昇が抑制されているにもかかわらず、上側Ｅ型コアの温度が制約となって、電圧変換効率が低下してしまう。

そこで、本発明では、回路基板に設けた冷却通路によって温度上昇を抑制し得るトランスコアを提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、中央磁脚と、中央磁脚を挟むように配置された一対の側磁脚と、中央磁脚の一端及び一対の側磁脚の一端を連結するヨーク部と、を有する一対のＥ型コアを、中央磁脚及び側磁脚の各他端同士を突き合わせて形成されたトランスコアを備え、冷却手段により冷却される回路基板上に配置されるトランスが提供される。

上記トランスにおいて、トランスコアは一方のＥ型コアが回路基板側に位置し、他方のＥ型コアが一方のＥ型コアに対して回路基板と反対側に位置するよう配置され、少なくとも一対の中央磁脚には、Ｅ型コアよりも熱伝導率の高い伝熱部材が、ヨーク部を貫通することなく一対の中央磁脚に設けられた挿入孔に固定され、一対の中央磁脚の両方と接するように埋め込まれて配置されている。

上記態様によれば、Ｅ型コアよりも熱伝導率の高い伝熱部材が一対の中央磁極の両方と接するように埋め込まれているので、伝熱部材が熱伝達経路となって上側Ｅ型コアから下側Ｅ型コアへの熱伝達が促進される。その結果、トランスコアの温度上昇を抑制することができる。

図１は、トランスの斜視図である。 図２は、図１のII−II線に沿った断面図である。 図３は、第１実施形態に係るトランスから回路基板までの熱伝達経路を示す図である。 図４は、伝熱部材を備えないトランスから回路基板までの熱伝達経路を示す図である。 図５は、第１実施形態に係るトランスの充電中における熱分布図である。 図６は、伝熱部材を備えないトランスの充電中における熱分布図である。 図７は、トランスの磁束経路を示す図である。 図８は、第２実施形態に係るトランスの断面図である。 図９は、図８のIX−IX線に沿った断面図である。 図１０は、第２実施形態に係るトランスの充電中における熱分布図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係るトランス１の斜視図である。図２は図１のII−II線に沿った断面図である。

トランス１は、例えば、プラグインハイブリッド車両や電気自動車等の、モータ、インバータ、及び車載充電器等の強電系部品を一体化したパワーデリバリーモジュール（以下、「ＰＤＭ」ともいう）に用いられる。

トランス１は、トランスコア２と、トランスコア２にインシュレータ７を介して巻き回されたコイル５と、を含んで構成される。トランスコア２は、中央磁脚２０と、中央磁脚２０を挟むように配置された一対の側磁脚２１と、中央磁脚２０の一端及び一対の側磁脚２１の一端を連結するヨーク部２２と、を有する一対のＥ型コア３、４を、中央磁脚２０及び側磁脚２１の各他端同士を突き合わせて形成される。

上記のような構成のトランス１は、回路基板９上に設けたケース６に配置される。このとき、一方のＥ型コア４のヨーク部２２がケース６の底面を介して回路基板９と接し、他方のＥ型コア３は一方のＥ型コア４を介して回路基板９と接するよう配置される。以下の説明では、回路基板９側に配置されるＥ型コア４を下側Ｅ型コア４、下側Ｅ型コア４を挟んで回路基板９と反対側に位置するＥ型コア３を上側Ｅ型コア３、とする。また、下側Ｅ型コア４は上記のようにケース６の底面を介して回路基板９と接するが、これを、下側Ｅ型コア４が回路基板９と接するものとみなす。

ところで、プラグインハイブリッド車両等では、コスト低減や軽量化を図るため、上記のように強電系部品を一体化することが検討されている。そして、強電系部品の高出力化や構成部品の高集積化に伴ってエネルギ密度が増大することから、ＰＤＭの設計にあたっては、各部品の耐熱性能を考慮した熱設計が重要となる。そこで、回路基板９に冷却手段を設ける方法が取られている。冷却手段としては、例えば、回路基板９の内部に設けた、冷却水等といった冷却媒体が流れる冷却通路１０が知られている。

しかしながら、トランスコア２はフェライト等といった磁性粉末の焼結体であるため、精密な形状を実現することが難しい。このため、上側Ｅ型コア３と下側Ｅ型コア４とを突き合わせる場合に、中央磁脚２０及び一対の側磁脚２１のすべての接触面を均一に接触させることは難しく、接触面間にエアギャップが生じ易い。また、焼結体であるトランスコア２は、表面粗さの管理も難しい。このため、表面粗さに起因するエアギャップも生じ易い。

上記のようなエアギャップが多いほど、上側Ｅ型コア３と下側Ｅ型コア４との間での熱交換量が少なくなり、冷却通路１０を備える回路基板９と接する下側Ｅ型コア４に比べて、上側Ｅ型コア３が高温になるという事態が生じる。そして、上側Ｅ型コア３の温度が制約となって、電圧変換効率が低下してしまう。例えば、外部充電器を用いた充電時に上側Ｅ型コア３の温度が上昇し続けると、電圧変換効率の低下によって充電ができなくなる場合も生じ得る。

上記のような上側Ｅ型コア３の温度上昇は、上側Ｅ型コア３の容積を増大させて熱容量を増大させたり、上側Ｅ型コア３にヒートシンクを設けて放熱性を高めたりすることによって抑制できるが、これらは重量増や大型化を招くこととなり好ましくない。

また、トランス１を横置き、つまり上側Ｅ型コア３及び下側Ｅ型コア４がいずれも回路基板９に接触するよう配置することによって、冷却通路１０によって冷却される回路基板９とトランスコア２との接触面積を増大させるという方策もある。しかし、上述した形状や表面粗さのバラツキによって回路基板９との接触の仕方にバラツキが生じ、上側Ｅ型コア３と下側Ｅ型コア４との間に温度差が生じてしまう。また、トランス１を横置きすることで回路基板９の大型化を招いてしまう。

上記のような弊害を招くことなく上側Ｅ型コア３の温度上昇を抑制するため、本実施形態のトランスコア２には、一対の中央磁脚２０の内部に、いずれの中央磁脚２０にも接するように一本の伝熱部材８が配置されている。伝熱部材８は、トランスコア２よりも熱伝導率の高い部材、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金、で形成された棒状の部材である。そして、伝熱部材８は、上側Ｅ型コア３及び下側Ｅ型コア４のそれぞれの中央磁脚２０に設けた挿入孔に、圧入等によって挿入孔の壁面と密着するように固定される。

これにより、トランスコア２は、上側Ｅ型コア３と下側Ｅ型コア４との間に、中央磁脚２０及び側磁脚２１以外の熱伝達経路を備えることとなる。

図３は、本実施形態に係るトランス１と回路基板９との間の熱伝達経路を示す図である。図４は、伝熱部材８を備えない場合のトランス１と回路基板９との第の熱伝達経路を示す図である。なお、図中の矢印は熱の移動方向を示しており、矢印が太いほど熱伝達量が多いことを示す。

図３に示すように、下側Ｅ型コア４で発生した熱は、冷却通路１０を流れる冷却媒体に冷却される回路基板９へ伝達される。また、下側Ｅ型コア４には、上側Ｅ型コア３で発生した熱が伝達される。この上側Ｅ型コア３から下側Ｅ型コア４への熱伝達経路は、中央磁脚２０及び側磁脚２１と、トランスコア２よりも熱伝導率の高い部材で形成された伝熱部材８である。なお、中央磁脚２０及び側磁脚２１の熱電率は、上述したエアギャップが多くなるほど低下する。

これに対し、伝熱部材８を備えない場合は、図４に示すように上側Ｅ型コア３から下側Ｅ型コア４への熱伝達経路は、中央磁脚２０及び側磁脚２１のみである。

すなわち、本実施形態では、伝熱部材８を設けたことにより、上側Ｅ型コア３から下側Ｅ型コア４へ伝達される熱量が多くなる。

次に、本実施形態の構成による作用効果について説明する。

図５は、本実施形態に係るトランス１の、充電中における温度分布を示す図である。図６は、比較例としての、伝熱部材８を備えない場合の温度分布を示す図である。なお、図中のドットの密度が高いほど高温であることを意味する。

図５と図６とを比較すると、図５及び図６のいずれも、上側Ｅ型コア３の方が下側Ｅ型コア４よりも高温になっている。ただし、図５では、上側Ｅ型コア３内にある伝熱部材８の一部が、上側Ｅ型コア３よりも低温になっている。なお、図５では熱分布を簡略化しているが、実際には、上側Ｅ型コア３の伝熱部材８周辺部分は、伝熱部材８に近づくほど温度が低くなっている。

つまり、本実施形態によれば、中央磁脚２０に配置した伝熱部材８が熱伝達経路となって、上側Ｅ型コア３から下側Ｅ型コア４への伝達される熱量が増加し、伝熱部材８を配置しない場合に比べて、上側Ｅ型コア３の抜熱が促進されている。

これにより、本実施形態によれば、充電を継続した場合等に、図６のように伝熱部材８を設けない構成に比べて、トランスコア２の温度上昇を抑制することができる。

また、本実施形態では伝熱部材８を中央磁脚２０の内部に配置している。側磁脚２１は外周面から空気中への放熱による冷却が見込めるが、中央磁脚２０は発熱体であるコイル５に囲まれているため、空気中への放熱は難しい。このように熱的に厳しい中央磁脚２０に伝熱部材８を配置することで、トランス１の温度上昇を効果的に抑制することができる。

さらに、中央磁脚２０の内部に配置することにより、トランス１の大型化を招くことなく、かつ、図７に示すように伝熱部材８がトランスコア２の磁束経路を遮断することもない。

なお、棒状の伝熱部材８を中央磁脚２０の内部に配置することで、上側Ｅ型コア３と下側Ｅ型コア４との組み立て精度を高め、かつ、トランスコア２の剛性を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、伝熱部材８はトランスコア２よりも熱伝達率の高いアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されているので、上側Ｅ型コア３から下側Ｅ型コア４への熱伝達がより促進される。

なお、伝熱部材８の比重をトランスコア２の比重よりも小さくなるようにすれば、伝熱部材８を備えない場合よりも、トランス１を軽量化することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態のトランス１は、伝熱部材８の配置が第１実施形態のトランス１と相違する。

図８は、第２実施形態に係るトランス１の、図２と同じ方向から見た断面図である。図９は、図８のIX−IX線に沿った断面図である。

側磁脚２１については、上述したように空気中への放熱による冷却が見込めるものの、強電系部品の高出力化や構成部品の高集積化の進展によってトランス１の周辺のスペースが小さくなると、放熱による冷却効果が小さくなる。

そこで、本実施形態では、側磁脚２１にも伝熱部材８を設ける。特に本実施形態では、図９に示すように、中央磁脚２０及び側磁脚２１に伝熱部材８を三本ずつ、つまり合計９本の伝熱部材８を配置する。

図１０は、本実施形態のトランス１の充電中における温度分布を示す図である。図１０に示すように、本実施形態によれば、上側Ｅ型コア３及び下側Ｅ型コア４のいずれも、図５に示した伝熱部材８が一本の場合に比べて低温になっている。これは、伝熱部材８の本数が増えたことにより、上側Ｅ型コア３から下側Ｅ型コア４への抜熱が促進されたためである。

なお、本実施形態では中央磁脚２０及び側磁脚２１に伝熱部材８を三本ずつ配置する場合について説明したが、一本ずつ配置した場合でも、第１実施形態の構成に比べると、上側Ｅ型コア３から下側Ｅ型コア４への抜熱は促進される。

以上のように、本実施形態では伝熱部材８を中央磁脚２０及び側磁脚２１に配置することによって、上側Ｅ型コア３の温度上昇を第１実施形態の構成よりもさらに抑制することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ トランス
２ トランスコア
３ 上側Ｅ型コア
４ 下側Ｅ型コア
５ コイル
６ ケース
７ インシュレータ
８ 伝熱部材
９ 基板
１０ 冷却通路

Claims (4)

1. 中央磁脚と、前記中央磁脚を挟むように配置された一対の側磁脚と、前記中央磁脚の一端及び前記一対の側磁脚の一端を連結するヨーク部と、を有する一対のＥ型コアを、前記中央磁脚及び前記側磁脚の各他端同士を突き合わせて形成されたトランスコアを備え、冷却手段により冷却される回路基板上に配置されるトランスにおいて、
   前記トランスコアは、
   一方の前記Ｅ型コアが回路基板側に位置し、他方の前記Ｅ型コアが前記一方の前記Ｅ型コアに対して前記回路基板と反対側に位置するよう配置され、
   少なくとも前記一対の中央磁脚には、前記Ｅ型コアよりも熱伝導率の高い伝熱部材が、前記ヨーク部を貫通することなく前記一対の中央磁脚に設けられた挿入孔に固定され、前記一対の中央磁脚の両方と接するように埋め込まれて配置されていることを特徴とするトランス。
2. 請求項１に記載のトランスにおいて、
   前記Ｅ型コアはフェライト焼結体であり、前記伝熱部材はアルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とするトランス。
3. 請求項１または２に記載のトランスにおいて、
   前記一対の側磁極にも、前記伝熱部材が、前記ヨーク部を貫通することなく前記一対の側磁脚に設けられた挿入孔に固定され、前記一対の側磁極の両方と接するように埋め込まれていることを特徴とするトランス。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のトランスにおいて、
   前記伝熱部材は、前記中央磁脚及び前記側磁脚のそれぞれに、複数配置されていることを特徴とするトランス。

Images