JP6762688B2 - コイル部品 - Google Patents

Description

本発明は、コイル部品に関する。

特許文献１に、コイル部品の一つとして、コアと、コアの一部に巻回されたコイルとを備えるリアクトルが開示されている。

特許文献１のリアクトルに用いられるリアクトル用コアは、コイルで覆われるコイル配置部と、コイルで覆われない露出部とを備える環状のコアである。

特許文献１のコアにおけるコイル配置部と露出部とは、その比透磁率が異なる。具体的には、露出部の比透磁率は、コイル配置部の比透磁率の２倍以上である。

特開２０１２−８９８９９号公報

特許文献１の図１に示されるリアクトルでは、コアを構成するコイル配置部の高さと厚みの比が４倍程度ある。発明者の検討によれば、このようなアスペクト比の高いコアを使用すると、コイル配置部において磁束の分布に偏り（収束）が生じ、磁束漏れが生じる。漏れた磁束は、コイルにおいて銅損を発生させる。

そこで、本発明は、零磁場における透磁率の異なる部品を組み合わせたコアを有するコイル部品であって、漏れ磁束を低減したコイル部品を提供することを目的とする。

本発明によれば、第１のコイル部品として、第１方向に所定の間隔で互いに平行に配置された一対の第１コア部と、前記第１コア部の端面に接続され、前記第１コア部の端部同士を連結して閉磁路を形成する一対の第２コア部と、前記第１コア部に夫々巻回されるコイルと、を備え、前記第１コア部の各々は、零磁場において第１透磁率を有する第１コア材部を少なくとも１つ含み、前記第２コア部の各々は、零磁場において前記第１透磁率よりも高い第２透磁率を有する第２コア材部を少なくとも一つ含み、前記第２コア材部は、少なくとも前記第１のコア部と前記第２コア部との境界に配置され、前記第１コア材部の高さと第１方向長さの比は３以下であるコイル部品が得られる。

また、本発明によれば、第２のコイル部品として、第１のコイル部品であって、前記第１コア材部の高さと第１方向長さの比は２以下であるコイル部品が得られる。

また、本発明によれば、第３のコイル部品として、第２のコイル部品であって、前記第１コア材部の高さと厚みの比は１以下であるコイル部品が得られる。

また、本発明によれば、第４のコイル部品として、第１乃至第３のコイル部品のいずれかであって、前記第１コア部の断面積は、前記第２コア部の断面積よりも大きいコイル部品が得られる。

また、本発明によれば、第５のコイル部品として、第４のコイル部品であって、前記第１コア部の断面積は、前記第２コア部の断面積の１．２倍以上２倍以下であるコイル部品が得られる。

また、本発明によれば、第６のコイル部品として、第５のコイル部品であって、前記第１コア部の断面積は、前記第２コア部の断面積の１．３倍であるコイル部品が得られる。

また、本発明によれば、第７のコイル部品として、第１乃至第６のコイル部品のいずれかであって、前記第１コア部の各々は、前記第１コア材部で構成され、前記第２コア部の各々は、前記第２コア材部で構成されているコイル部品が得られる。

また、本発明によれば、第８のコイル部品として、第１乃至第６のコイル部品のいずれかであって、前記第１コア部の各々は、一対の前記第１コア材部と、それらの間に挟まれた前記第２透磁率に等しい透磁率を有する第３コア材部とで構成され、前記第２コア部の各々は、前記第２コア材部で構成されているコイル部品が得られる。

さらにまた、本発明によれば、第９のコイル部品として、第１乃至第７のコイル部品のいずれかであって、前記第１コア部と前記第２コア部との境界の一部にギャップ材が設けられていることを特徴とするコイル部品が得られる。

本発明は、零磁場における透磁率の異なる部材を組み合わせたコアを有するリアクトルであって、漏れ磁束を低減したコイル部品を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態によるコイル部品であるリアクトルを示す斜視図である。 図１のリアクトルに含まれるコアを示す分解斜視図である。 図１のリアクトルを示す分解斜視図である。 図１のリアクトルに含まれるコアについて説明するための図である。 シミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態によるリアクトルに含まれるコアの構成について説明するための図である。 本発明のコイル部品に含まれるコアの変形例について説明するための図である。

（第１の実施の形態）
図１乃至図４を参照して、本発明の第１の実施の形態によるコイル部品であるリアクトル１００について説明する。本実施の形態によるリアクトル１００は、例えば、電気自動車のインバータや電圧コンバータに用いられるものである。しかしながら、本発明のコイル部品は、これらの用途に限定されない。

図１に示すように、リアクトル１００は、コア（図２の２００）を包む樹脂成型体１１０と、樹脂成型体１１０の一部に巻回されたコイル１２０とを有している。通常、コイル１２０は、図示しない絶縁性樹脂からなるコイルカバーに覆われる。

樹脂成型体１１０は、図３から理解されるように、絶縁性樹脂からなる一対の樹脂成型部１１１，１１２を組み合わせて構成される。一対の樹脂成型部１１１，１１２は、それぞれ、平行な２つのコイル巻回部分１１３，１１４と、２つのコイル巻回部分１１３，１１４の一方の端部同士を連結する連結部分１１５とを有している。また、樹脂成型部１１１，１１２の各々において、コイル巻回部分１１３，１１４と連結部分１１５との境界には、フランジ１１６が設けられている。樹脂成型体１１０の全体形状は、概ね環状もしくはフレーム状である。

図１及び図３から理解されるように、コイル１２０は、一対のフランジ１１６の間に設けられた２つのトロイダル部分を有している。コイル１２０は、一本の絶縁被膜された導電線、例えば平角線で形成されており、これら２つのトロイダル部分は、電気的に相互に接続されている。換言すると、コイル１２０は、一本の導電線を２つのコイル巻回部分（図３の１１３，１１４）に連続して巻回すように形成される。コイル１２０は、さらにその周囲を図示しない絶縁体で覆われてもよい。その場合、絶縁体は、コイル１２０と図示しないコイルカバーとの間に位置する。

図２に示すように、リアクトル１００に使用されるコア２００は、一対の第１コア部２１０，２２０と一対の第２コア部２３０，２４０とを含む。本実施の形態では、第１コア部２１０，２２０は、第１コア部材２１１，２２１でそれぞれ構成され、第２コア部２３０，２４０は、第２コア部材２３１，２４１でそれぞれ構成されている。第１コア部材２１１，２２１は、同一材料を用いて、同一サイズ、同一形状に形成される。また、第１コア部材２１１，２２１は、零磁場において第１透磁率を有するように形成される。換言すると、本実施の形態において、第１コア部２１０，２２０は、それぞれ、第１透磁率を有する単一の第１コア材部からなる。第２コア部材２３１，２４１も、第１コア部材２１１，２２１と同様に、同一材料を用いて、同一サイズ、同一形状に形成される。また、第２コア部材２３１，２４１は、零磁場において第１透磁率よりも高い第２透磁率を有するように形成される。換言すると、本実施の形態において、第２コア部２３０，２４０は、それぞれ、第２透磁率を有する単一の第２コア材部からなる。

第１コア材部（第１コア部材２１１，２２１）として、磁性粉末を樹脂と混合したスラリーを硬化させた注型コアを用いることができる。また、第２コア材部（第２コア部材２３１，２４１）として、絶縁被膜された磁性粉末を加圧成形した圧粉コアを用いることができる。しかしながら、第１コア材部及び第２コア材部は、これに限らず、任意の製造方法により製造することができる。

第１コア部材２１１，２２１は、図３から理解されるように、樹脂成型体１１０のコイル巻回部分１１３，１１４内に配置される。具体的には、一方の第１コア部材２１１は、樹脂成型部１１１のコイル巻回部分１１３と樹脂成型部１１２のコイル巻回部分１１４とで構成される筒状体の内部に配置される。また、他方の第１コア部材２２１は、樹脂成型部１１１のコイル巻回部分１１４と樹脂成型部１１２のコイル巻回部分１１３とで構成される筒状体の内部に配置される。即ち、第１コア部材２１１，２２１は、第１方向Ａに所定の間隔を置いて、平行に配置される。他方、第２コア部材２３１，２４１は、樹脂成型部１１１，１１２の連結部分１１５内に各々配置される。第２コア部材２３１、２４１は、第１コア部材２１１，２２１の端面に接続される。これにより、第２コア部材２３１、２４１は、第１コア部材２１１，２２１の端部同士を連結し、環状もしくはフレーム状の閉磁路を形成する。なお、後述するように、第１コア部材２１１，２２１の高さ（図２又は図４のＨ）と第１方向長さ（図２又は図４のＤ）の比Ｈ／Ｄは、３以下（Ｈ／Ｄ≦３）とすることが望ましい。

以下、リアクトル１００の各部の構成をその製造方法とともにさらに説明する。図３を参照すると、リアクトル１００組立前の状態において、樹脂成型部１１１，１１２は互いに分離している。樹脂成型部１１１，１１２は、それぞれ内部に第２コア部材２３１，２４１（図２参照）を収容している。換言すると、第２コア部材２３１，２４１は、それぞれ樹脂成型部１１１，１１２に覆われている。樹脂成型部１１１，１１２は、各第２コア部材２３１，２４１を内包するように、一次インサート成型によって形成される。具体的には、樹脂成型部形成用の金型内に第２コア部材２３１（又は、２４１）を配置した後、その金型内に絶縁性樹脂を射出し硬化させる。これにより、第２コア部材２３１（又は、２４１）の周囲に樹脂成型部１１１（又は１１２）が形成される。この成型は、第２コア部材２３１（又は、２４１）の一部が、コイル巻回部分１１３，１１４内に露出するように行われる。

図３から理解されるように、樹脂成型部１１１，１１２は、コイル巻回部分１１３，１１４を互いに突き合わせるように互いに組み合わされる。コイル巻回部分１１３，１１４の端面には、互いに対応する凸部１１７と凹部１１８が形成されている。コイル巻回部分１１３，１１４の端面に接着剤を塗布し、これらを突き合わせると、樹脂成型部１１１，１１２が互いに接合される。このとき、対応する凸部１１７と凹部１１８が、樹脂成型部１１１，１１２の相対的な位置を決定する。

樹脂成型部１１１，１１２を互いに組み合わせる際、第１コア部材２１１，２２１は、コイル巻回部分１１３，１１４内に収容される。また、このとき、コイル１２０は、コイル巻回部分１１３，１１４の外周側に装着される。

樹脂成型部１１１，１１２を互いに組み合わせた状態において、第１コア部材２１１，２２１の両端面は、一対の第２コア部材２３１，２４１の側面に面する。このとき、第１コア部材２１１，２２１の各端面は、対向する第２コア部材２３１，２４１の側面に接してもよいし、接していなくてもよい。コイル巻回部分１１３，１１４の内部における第１コア部材２１１，２２１の位置を制御するため、コイル巻回部分１１３，１１４の内部に突起等を予め形成しておいてもよい。

第１コア部材２１１，２２１の各々と第２コア部材２３１，２４１の各々との間は、接着剤等により接着される。あるいは、これらの間は、図示しないコイルカバーを形成する二次インサート成型の際、コイルカバーの形成に用いられる樹脂によって接着される。二次インサート成型を利用する場合は、コイル巻回部分１１３、１１４の側面や端面に、予め樹脂を通過させる溝やスリット等を形成しておく必要がある。いずれにしても、第１コア部材２１１，２２１の両端面は、第２コア部材２３１，２４１に接着される。これにより、第１コア部材２１１，２２１の両端部は、第２コア部材２３１，２４１によって連結される。

コイル１２０は、樹脂成型部１１１，１１２を互いに組み合わせる前に、予めトロイダル形状に巻回されている。コイル１２０をコイル巻回部分１１３，１１４に装着する際、コイル１２０の端部１２１，１２２は、図１及び図３から理解されるように、フランジ１１６に形成されたスリット１１９を通して外部へ引き出される。

図１に示されるリアクトル１００に対して二次インサート成型を行うことにより、図示しないコイルカバーが形成される。具体的には、コイル１２０を覆うようにリアクトル１００にコイルカバー形成用の金型を取り付け、取り付けた金型内に絶縁性樹脂を射出し硬化させる。これにより、コイル１２０を覆うコイルカバーが形成される。コイルカバーは、放熱のため、コイル１２０の一部を露出させるように形成されてもよい。コイル巻回部分１１３，１１４の内側にも樹脂を流入させる場合は、前述のように樹脂成型部１１１，１１２に予め樹脂の流路や排気孔等を形成しておく。これらの流路や排気孔は、樹脂成型部１１１，１１２を製造する際、すなわち、一次インサート成型において形成することができる。以上のようにして、図１のリアクトル１００に図示しないコイルカバーが取り付けられる。

上述したように、第１コア部材２１１，２２１は、比較的低い第１透磁率を有し、第２コア部材２３１，２４１は、比較的高い第２透磁率を有している。ここで、図４に示すように、第１コア部材２１１，２２１の高さをＨとし、第１方向長さをＤとする。発明者は、高さＨと長さＤの比Ｈ／Ｄが大きくなると、リアクトル１００の性能が低下することに気付いた。そこで、発明者は、様々なシミュレーションを繰り返し、比Ｈ／Ｄの適切な範囲を求めた。シミュレーション結果の一つは表１のようなものであった。

このシミュレーションは、第２コア部材２３１，２４１の構成は変更せず、第１コア部材２１１，２２１の断面積を変化させて行った。ここで、コイル１２０は、断面５ｍｍ×１ｍｍの平角線を６０ターン巻いたものを想定した。また、第２コア部材２３１，１４１の厚みＴは１０ｍｍとした。さらに、コイル１２０と第１コア部材２１１，２２１との間の距離（絶縁材の厚み）は１ｍｍとした。以上の条件により、コイル１２０のインダクタンスＬ及びインピーダンスの抵抗成分Ｒａｃを計算した。

図５は、シミュレーション結果を表すグラグである。グラフから理解されるように、比Ｈ／Ｄは、３以下（Ｈ／Ｄ≦３）になると抵抗成分Ｒａｃが著しく低下する。よって、第１コア部材２１１，２２１の比Ｈ／Ｄは、３以下（Ｈ／Ｄ≦３）であることが望ましく、２以下（Ｈ／Ｄ≦２）であることがより望ましく、１以下（Ｈ／Ｄ≦１）であることがさらに望ましい。このように、本実施の形態では、比Ｈ／Ｄを３以下にすることで、磁束のコイル１２０への漏れを抑制することができ、損失を低減することができる。

また、第１コア部材２１１，２２１の高さ方向（図４の上下方向）に垂直な面の面積（断面積）Ｓ１と第２コア部材２３１，２４１の幅方向（図４の左右方向）に垂直な面の面積（断面積）Ｓ２とが等しい場合、第２コア部材２３１，２４１に比べて第１コア部材２１１，２２１の方が磁気飽和しやすい。そこで、第１コア部材２１１，２２１と第２コア部材２３１，２４１との磁気飽和特性が均衡するように、第１コア部材２１１，２２１の断面積Ｓ１を第２コア部材２３１，２４１の断面積Ｓ２よりも大きく（Ｓ１／Ｓ２＞１）してもよい。上記とは別のシミュレーション結果によれば、比Ｓ１／Ｓ２は、望ましくは１．２以上２以下（２≧Ｓ１／Ｓ２≧１．２）であり、より望ましくは、１．３程度（Ｓ１／Ｓ２≒１．３）である。

以上説明したように、本実施の形態によるコイル部品は、所定の間隔で互いに平行に配置された一対の第１コア部２１０，２２０と、第１コア部２１０，２２０の端面に接続され、第１コア部２１０，２２０の端部同士を連結して閉磁路を形成する一対の第２コア部２３０，２４０と、第１コア部２１０，２２０にそれぞれ巻回されるコイル１２０とを備えている。第１コア部２１０，２２０の各々は、零磁場において第１比透磁率を有する第１コア材部である第１コア部材２１１，２２１で構成される。また、第２コア部２３０，２４０の各々は、零磁場において第１比透磁率よりも高い第２比透磁率を有する第２コア材部である第２コア部材２３１，２４１で構成される。第２コア部材２３１，２４１の側面は、第１のコア部２１０，２２０と第２コア部２３０，２４０との境界に配置されている。第１コア材部である第１コア部材２１１，２２１の高さＨと厚みＤの比Ｈ／Ｄは、３以下である。この構成により、本実施の形態によるコイル部品は、磁束の漏れによる性能低下を抑制することができる。

（第２の実施の形態）
上述した第１の実施の形態では、第１コア部２１０，２２０がそれぞれ単一の第１コア部材２１１，２２１で構成されている。しかしながら、本発明のこの構成に限られない。本発明の第２の実施の形態によるリアクトルに含まれるコアは、図６に示されるように、第１コア部２１０，２２０が、それぞれ３つのコア部材２６１〜２６３、２６４〜２６６で構成されている。即ち、第１コア部２１０（２２０）は、第１比透磁率を有する一対の第１コア材部であるコア部材２６１，２６２（２６４，２６５）と、それらの間に挟まれた第２比透磁率を有する第３コア材部であるコア部材２６３（２６６）とで構成されている。

コア部材２６１の一方の端面は、一方の第２コア部材２３１の側面に、他方の端面はコア部材２６３の一方の端面にそれぞれ接着されている。また、コア部材２６２の一方の端面は、他方の第２コア部材２４１の側面に、他方の端面はコア部材２６３の他方の端面にそれぞれ接着されている。同様に、コア部材２６４の一方の端面は、一方の第２コア部材２３１の側面に、他方の端面は、コア部材２６６の一方の端面にそれぞれ接着されている。また、コア部材２６５の一方の端面は、他方の第２コア部材２４１の側面に、他方の端面は、コア部材２６６の他方の端面にそれぞれ接着されている。なお、図６において、コア部材２６３（２６６）は、第１コア部２１０（２２０）の高さ方向（図６の上下方向）中央に配置されている。したがって、コア部材２６１，２６２，２６４、２６５の高さはすべて等しい（＝Ｈ／２）。

本実施の形態によれば、比Ｈ／Ｄを３以下に維持しつつ第１コア部２１０，２２０の高さを第１の実施の形態よりも長くすることができる。これにより、コイル１２０の長さを長く（ターン数を多く）することができる。即ち、設計の自由度が高まる。

以上本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく種々の変形、変更が可能である。例えば、第１の透磁率を有するコア部材と第２の透磁率を有するコア部材をともに注型コアとしてもよいし、あるいはともに圧粉コアとしてもよい。また、図７に示すように、必要に応じて、第１コア部２１０，２２０と第２コア部２３０，２４０との境界の夫々の一部に磁気抵抗の高いギャップ材３００を設けてもよい。また、上記実施の形態では、第１コア部２１０，２２０、及び第２コア部２３０，２４０の断面が矩形であるが、円形や多角形でもよい。さらに、第２コア部２３０，２４０の第１コア部２１０，２２０が接続される面には、第１コア部２１０，２２０に対応する段差（凹所や凸所）が形成されていてもよい。さらにまた、上記実施の形態は、いわゆるＵＵコアを有するものであるが、本発明は、例えばＥＥコアにも適用可能である。

１００ リアクトル
１１０ 樹脂成型体
１１１，１１２ 樹脂成型部
１１３，１１４ コイル巻回部分
１１５ 連結部分
１１６ フランジ
１１７ 凸部
１１８ 凹部
１２０ コイル
１２１，１２２ 端部
１３１，１３２ 開口部
２００ コア
２１０，２２０ 第１コア部
２１１，２２１ 第１コア部材
２３０，２４０ 第２コア部
２３１，２４１ 第２コア部材
２６１〜２６６ コア部材

Claims (9)

1. 第１方向に所定の間隔で互いに平行に配置された一対の第１コア部と、
   前記第１コア部の端面に接続され、前記第１コア部の端部同士を連結して閉磁路を形成する一対の第２コア部と、
   前記第１コア部に夫々巻回されるコイルと、
   樹脂成型体と、を備え、
   前記第１コア部の各々は、零磁場において第１透磁率を有する第１コア材部を少なくとも１つ含み、
   前記第２コア部の各々は、零磁場において前記第１透磁率よりも高い第２透磁率を有する第２コア材部を少なくとも一つ含み、
   前記第２コア材部は、少なくとも前記第１コア部と前記第２コア部との境界に配置され、
   前記第１コア材部の高さと第１方向長さの比は３以下であり、
   前記第１コア部及び前記第２コア部は、前記樹脂成型体の内部に配置されており、
   前記コイルは、前記樹脂成型体に装着されており、
   前記第２コア部は、柱状体であり、
   前記第２コア部の前記第１コア部の端面と接する面は平面である
   コイル部品。
2. 前記第１コア材部の高さと第１方向長さの比は２以下である請求項１に記載のコイル部品。
3. 前記第１コア材部の高さと第１方向長さの比は１以下である請求項２に記載のコイル部品。
4. 前記第１コア部の断面積は、前記第２コア部の断面積よりも大きい請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のコイル部品。
5. 前記第１コア部の断面積は、前記第２コア部の断面積の１．２倍以上２倍以下である請求項４に記載のコイル部品。
6. 前記第１コア部の断面積は、前記第２コア部の断面積の１．３倍である請求項５に記載のコイル部品。
7. 前記第１コア部の各々は、前記第１コア材部で構成され、前記第２コア部の各々は、前記第２コア材部で構成されている請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のコイル部品。
8. 前記第１コア部の各々は、一対の前記第１コア材部と、それらの間に挟まれた前記第２透磁率に等しい透磁率を有する第３コア材部とで構成され、前記第２コア部の各々は、前記第２コア材部で構成されている請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のコイル部品。
9. 前記第１コア部と前記第２コア部との境界の一部にギャップ材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のコイル部品。

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