JP7187905B2 - フェライト磁心およびそれを用いたコイル部品 - Google Patents

Description

本発明は、各種電子機器に使用されるフェライト磁心およびそれを用いたコイル部品に関するものである。

近年急速に普及するＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、ＰＨＥＶ（Ｐｌｕｇ－ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）等の電動輸送機器の一つである電気自動車には大出力の電気モータや充電器等の機器が設けられていて、それらに用いられる電源装置には高電圧・大電流に耐えるトランスやチョーク巻線等のコイル部品やそれを用いた電子部品が要求される。コイル部品は、巻線の抵抗損失やフェライト磁心の磁気エネルギー損失によって発熱する。特に巻線の発熱が著しい。そのため、晒される環境最高温度よりも僅かに高い温度にコイル部品を安定させ、フェライト磁心が磁性を失う熱暴走を防ぐとともに、巻線自体やコイル部品を構成する部材に熱的な損傷が生じないことが求められる。

コイル部品の発熱の対処として、実装する基板や金属ケース等の被装着体を介して冷却器として機能するヒートシンクや熱容量の大きなフレーム等に逃がす方法が一般的である。特許文献１では、図１０に示すように巻線等の発熱をフェライト磁心１に放熱性部材（被装着体）を接触させて放熱することが記載されている。放熱性部材は、例えば銅板やアルミニウム板など熱伝導率の大きな金属部材である。このようなコイル部品に使用されるフェライト磁心としては、所謂Ｅ型のフェライト磁心が知られている。Ｅ型のフェライト磁心は一対の外脚部２０ａ、２０ｂと、その間に設けられた中脚部（図示せず）と、それらを繋ぐ連結部３０とを有する。

特開２０１３－１３１５４０号

従来のコイル部品ではフェライト磁心１の中脚部に設けられた巻線２００と被装着体との干渉を避けつつ、フェライト磁心１と被装着体との接触面積を大きく得るのに、フェライト磁心１の連結部３０の背面を利用している。しかしながら、フェライト磁心間の熱経路（図中矢印で示す）に、組み合わせ面による熱伝導性を下げる熱的なギャップ２１０が形成されるため、被装着体からｙ軸方向に遠い部分の巻線やフェライト磁心の放熱が不十分となる場合があった。また、大きな発熱を生じさせる巻線２００と被装着体との間にはフェライト磁心１の連結部３０があるため、それらの間の熱経路の距離を短くすることも困難であった。

そこで本発明は、フェライト磁心と被装着体との接触面積を確保しながら、巻線と被装着体との間隔を小さく出来て放熱性を改善可能なフェライト磁心と、それを用いたコイル部品を提供することを目的とする。

第１の発明は、同一方向に突出する一対の外脚部と、前記一対の外脚部の間にあって前記外脚部と同一方向に突出する中脚部と、前記外脚部と前記中脚部とを接続する接続部と、を有するフェライト磁心であって、各脚部が突出する方向をｚ軸方向、ｚ軸と直交し、前記一対の外脚部どうしの対向方向をｘ軸方向、ｘ軸およびｚ軸と直交する方向をｙ軸方向とし、前記接続部を下側として前記フェライト磁心をｚ軸方向からみたとき、前記中脚部は半径Ｒ１の円形状であって、前記一対の外脚部は、前記中脚部の中心を通るｙ軸方向の軸線に対して線対称形をなし、前記中脚部の中心に対して、ｘ軸方向の軸線で規定される遠い側に平坦な第１の側面を有し、前記中脚部と対面する近い側に、前記中脚部と同心であって半径Ｒ２の円弧状の第２の側面を有し、前記ｙ軸方向の両側に、それぞれ平坦な第３と第４の側面を有し、前記中心脚から遠い側の第４の側面と前記中心とのｙ軸方向の間隔ｈ１と、前記中脚部から近い側の第３の側面と前記中心とのｙ軸方向の間隔ｈ２とが異なっていて、ｈ１＞Ｒ２＞ｈ２＞Ｒ１の関係にあり、前記一対の外脚部は、前記ｘ軸方向の幅において、前記中脚部の中心の位置での幅ＷＭと、前記第３の側面の幅ＷＴと、前記第４の側面の幅ＷＢとが、ＷＭ＜ＷＴ＜ＷＢの関係にあるフェライト磁心である。

本発明においては、前記接続部はｙ軸方向の両側に前記中脚部に向かって窪んだ側面であるのが好ましい。

また本発明においては、前記一対の外脚部は、前記中脚部の中心に対してｘ軸方向の軸線で規定される近い側の側面の一部に前記接続部と繋がらない部分を有し、前記部分の側面をｘ軸方向の軸線で規定される遠い側の側面と略平行な平坦な面とするのが好ましい。

第２の発明は、第１の発明のフェライト磁心を一対と巻線を備え、コイル部品の実装面を前記フェライト磁心の前記第４の側面とし、前記第３の側面側から巻線の端部を引き出したコイル部品である。

本発明によれば、フェライト磁心と被装着体との接触面積を確保しながら、巻線と被装着体との間隔を小さく出来て放熱性を改善可能なフェライト磁心と、それを用いたコイル部品を提供することが出来る。

本発明の一実施形態に係るフェライト磁心の構造を示す斜視図である。 図１で示したフェライト磁心の正面図である。 図１で示したフェライト磁心の右側面図である。 図１で示したフェライト磁心の背面図である。 図１で示したフェライト磁心の平面図である。 図１で示したフェライト磁心の底面図である。 図１で示したフェライト磁心を用いたコイル部品の斜視図である。 図７で示したコイル部品の組立方法を説明するための分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係るコイル部品に用いるボビンの斜視図である。 被装着体の面上に配置された従来のコイル部品の斜視図である。

以下、本発明の一実施形態に係るフェライト磁心とそれを用いたコイル部品について具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論可能である。また説明に使用した図面は、発明の要旨の理解が容易なように要部を主に記載し、細部については適宜省略するなどしている。同一機能を有する部分については図面全体を通して共通した番号、記号を付与している。

本発明の一実施形態に係るフェライト磁心の構造を図１から図６に示す。図１は斜視図であり、図２は正面図であり、図３は右側面図であり、図４は背面図であり、図５は平面図であり、図６は底面図である。このフェライト磁心１は、一対の外脚部２０ａ，２０ｂと、前記一対の外脚部２０ａ，２０ｂの間にあり、接続部３０ａ，３０ｂを介して繋がった中脚部１０とを有する。尚、一対の外脚部２０ａ，２０ｂは第１外脚部２０ａ、第２脚部２０ｂともいう。第１外脚部２０ａ、第２外脚部２０ｂと中脚部１０は接続部３０ａ，３０ｂ側から同一の方向に延びる様に形成されている。

各脚部が突出する方向をｚ軸方向、ｚ軸と直交し、外脚部どうしの対向方向をｙ軸方向、ｙ軸およびｚ軸と直交する方向をｘ軸方向とする。フェライト磁心の接続部を下側としてフェライト磁心をｚ軸方向からみたとき、第１外脚部２０ａと第２外脚部２０ｂとは中脚部１０の中心を通るｙ軸方向の軸線（以下、「中脚部１０の中心を通るｙ軸方向の軸線」を「ｙ軸方向の軸線」とも記載する）に線対称形をなしている。なお、このフェライト磁心の接続部を下側として、フェライト磁心をｚ軸方向からみたときの状態は、図２で示す状態である。

中脚部１０は、使用時に磁気飽和を起こさないような断面積を有していればよく、図示した例ではｚ軸方向から見た形状が円形状であるが、多少の異同はあってもかまわない。後述するが、中脚部１０の位置はｙ軸方向にてフェライト磁心１のｙ軸方向の中央からは偏倚して配置されている。図２に示すとおり、この中脚部のｚ軸方向から見た円形状において、その円の半径をＲ１とする。

第１外脚部２０ａと第２外脚部２０ｂとは、中脚部１０の中心に対してｘ軸方向の軸線で規定される遠い側に、平坦な第１の側面ＳＷ３を有し、前記中脚部１０と対面する近い側に、略全体が中脚部１０の側面ＯＷに配置される巻線２００の外形に沿うように、前記中脚部１０と同心であって半径Ｒ２の円弧状の曲面をなす第２の側面ＳＷ１を有し、中脚部１０の中心からの第１外脚部２０ａと第２外脚部２０ｂの近い側の側面（第２の側面）までの距離を略同じとしている。なお前記距離は多少の異同を許容するが、巻線２００との干渉を防ぐとともに放熱性の改善を考慮すれば、中脚部１０の径方向において、その側面ＯＷと第１外脚部２０ａの第２の側面ＳＷ３との間隔と、側面ＯＷと第２外脚部２０ｂの第２の側面ＳＷ３との間隔との差は最大でも１ｍｍ以下とするのが好ましい。

また第１外脚部２０ａと第２外脚部２０ｂは、ｙ軸方向の軸線で規定される両側に第３の側面ＳＷ２と第４の側面ＳＷ４とを有し、この第３の側面ＳＷ２と第４の側面ＳＷ４とは平坦な面となっている。そして、中脚部１０から遠い側の平坦な第４の側面ＳＷ４と中脚部の中心とのｙ軸方向の間隔ｈ１と、中脚部から近い側の平坦な第３の側面ＳＷ２と中脚部の中心とのｙ軸方向の間隔ｈ２とが異なっていて、ｈ１＞Ｒ２＞ｈ２＞Ｒ１の関係となっている。また、外脚部２０ａ，２０ｂは、ｘ軸方向の幅において、中脚部の中心の位置での幅ＷＭと、第３の側面ＳＷ２の幅ＷＴと、第４の側面ＳＷ４の幅ＷＢとが、ＷＭ＜ＷＴ＜ＷＢの関係となっている。

またｚ軸方向からみた第１外脚部２０ａの端面の面積と第２外脚部２０ｂの端面の面積を略同じで、かつ中脚部１０の面積は第１外脚部２０ａと第２外脚部２０ｂの端面の面積和Ｓと略同じとしている。中脚部１０には巻線２００が配置され磁気飽和を起こしやすい部分であるので、外脚部の面積和Ｓよりも大きく設定してもよい。また第１外脚部２０ａ、第２外脚部２０ｂは漏れ磁束が生じ易いので、中脚部１０の面積を磁気飽和が生じない面積とした上で、中脚部１０の面積を外脚部の面積和Ｓより小さくなるようにしても良い。

また第１外脚部２０ａ、第２外脚部２０ｂは、中脚部１０に近い側の側面の一部を前記接続部と繋がらない部分とし、前記部分の側面をｘ軸方向の軸線で規定される遠い側の側面と略平行な平坦な面ＳＷ５としても良い。

フェライト磁心１の接続部３０ａ、３０ｂの側面は、くびれＳ１，Ｓ２を備えているのが好ましい。図２に示すとおり、このフェライト磁心１の接続部３０ａ，３０ｂは、一方側では、折れ曲がった側面ＣＷ１，ＣＷ２を有し、他方側では、直線状の側面ＣＷ３を有し、くびれＳ１，Ｓ２を構成している。なお、接続部の側面ＣＷ１は、外脚部の第３の側面ＳＷ２と同一面を成している。フェライト磁心１は通常フェライト顆粒を圧縮して形成し、その成形体を焼結して得られるが、くびれＳ１，Ｓ２を設けることにより、成形の際に生じる成形体内での密度差を低減して焼結時の中脚部１０での変形やクラック等の発生を低減することが出来る。また、くびれＳ１，Ｓ２をフェライト磁心１に組み合わせるボビンの位置決めにも利用することが出来る。

フェライト磁心１の背面５０側は平坦な面である。成形の際の金型から成形体の型離れや、稜角部における欠けや破損の防止を考慮して、背面５０の端縁には片几帳の面取りを、各部の稜角部には曲面の面取りを設けている。このようなフェライト磁心１と、その中脚部１０に配置される巻線と、フェライト磁心１に組み合わせるボビンとでコイル部品を構成する。

図７はフェライト磁心を用いたコイル部品の斜視図である。図８はコイル部品の組立を説明するための分解斜視図であり、図９はコイル部品に用いるボビンの一例を示す斜視図である。ボビン６０は巻線２００とフェライト磁心１との間を仕切り、胴部７０はフェライト磁心１の中脚部１０を囲う筒状になっていて、その両端側には胴部７０の周囲から立設された鍔部８０を備えている。またそれぞれの鍔部８０には対向する位置に位置決め部９０，９５が設けられている。位置決め部９０はフェライト磁心１の接続部３０ａ、３０ｂの側面ＣＷ３に設けられたくびれに収まるように形成され、位置決め部９５はフェライト磁心１の接続部３０ａ、３０ｂの側面ＣＷ２に設けられたくびれに収まるとともに、フェライト磁心１の接続部３０ａ、３０ｂの側面ＣＷ２と第１外脚部２０ａ、第２外脚部２０ｂの側面ＳＷ２を覆うよう形成されている。一対の鍔部８０で区画された領域に巻線２００が配置される。位置決め部９５には導線を巻回する際の掛け止めとなり、巻線２００の端部を分ける突起部８５を備えている。

巻線２００が巻回され、中空に形成されたボビン６０の胴部７０にフェライト磁心１の中脚部１０を挿入し、一対のフェライト磁心１，１の中脚部を挿入して組み合わせ、組み合わせたフェライト磁心１，１の外周にテープ（図示せず）を貼り付けて、あるいは接着により固定してコイル部品１００とする。

ボビン６０は、巻線２００を巻回形成する巻き型であるとともに、フェライト磁心１との間の絶縁を確保する。そのためボビンは、優れた絶縁性、耐熱性及び成形性を有する樹脂により形成するのが好ましい。ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリマー、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等が好ましく、それらを射出成形法等の公知の方法で成形したものを用いることができる

巻線２００に用いる導線は、銅やアルミニウム、その合金といった導電性材料からなる導体に絶縁被覆を備える被覆線が用いられる。一般的には導線にポリアミドイミドで絶縁被覆したエナメル線が用いられ、複数のエナメル線を縒って作成したリッツ線を用いるのが好ましい。巻線２００の巻数は、要求される性能に基づいて適宜設定し、また線径も通電される電流により適宜選択することが出来る。コイル部品がトランスである場合に、一次巻線、二次巻線の巻き方に限定は無く、バイファイラ巻き、サンドイッチ巻き、分割巻き等のいずれかを適宜選択すれば良い。

コイル部品１００は、フェライト磁心１，１の第１外脚部２０ａ、第２外脚部２０ｂの第４の側面ＳＷ４を金属製の被装着体に接触又は近接させて使用する。被装着体はアルミニウム又はその合金、マグネシウム又はその合金、銅又はその合金等のような熱伝導率に優れた非磁性金属を用いることができる。被装着体とフェライト磁心１との間に密着性を向上させるため、高耐熱の放熱グリースを塗付して用いても良い。

本発明のフェライト磁心１では、第１外脚部２０ａ、第２外脚部２０ｂの第４の側面ＳＷ４の幅（ｘ軸方向の幅）を大きくし、被装着体との対向面積を大きくしている。また中脚部１０を実装面となる第４の側面ＳＷ４から遠くなるようにすることで、巻線２００の外周が第４の側面ＳＷ４側から突出しないが被装着体と近接するようにしている。またフェライト磁心１，１の組み合わせ面の位置を、従来のような熱経路の途中に熱的なギャップ２１０が形成される位置を避けて設定している。

このような構成によれば、フェライト磁心１を通じて巻線２００の発熱を効率よく被装着体へ逃がすことが出来、被装着体からｙ軸方向に遠い部分の巻線２００やフェライト磁心１の発熱も、熱的なギャップを介さない熱経路や、巻線自体の周方向の熱経路によって、放熱性を確保して外部へ逃がすことが出来る。

コイル部品１００を金属製の被装着体に固定し、少なくとも巻線２００と被装着体との間に熱伝導用フィラーを含む樹脂を充填することで、放熱性を一層向上することが出来る。樹脂はシリコーン樹脂が好ましく、熱伝導用フィラーは、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＭｇＯ等の熱伝導性に優れたセラミックから選択するのが好ましい。シリコーン樹脂に対するセラミックフィラーの混合量は、所望の放熱性、変形能、強度が得られるように調整するのが望ましい。更にコイル部品１００の全体を、熱伝導用フィラーを含む樹脂によって埋設すれば、コイル部品１００の放熱性を一層高めることが出来る。

１ フェライト磁心
１０ 中脚部
２０ａ 第１外脚部
２０ｂ 第２外脚部
３０、０ａ、３０ｂ 連結部
６０ ボビン
１００ コイル部品
２００ 巻線

Claims (5)

1. 同一方向に突出する一対の外脚部と、前記一対の外脚部の間にあって前記外脚部と同一方向に突出する中脚部と、前記外脚部と前記中脚部とを接続する接続部と、を有するフェライト磁心であって、
   各脚部が突出する方向をｚ軸方向、ｚ軸と直交し、前記一対の外脚部どうしの対向方向をｘ軸方向、ｘ軸およびｚ軸と直交する方向をｙ軸方向とし、前記接続部を下側として前記フェライト磁心をｚ軸方向からみたとき、
   前記中脚部は半径Ｒ１の円形状であって、
   前記一対の外脚部は、前記中脚部の中心を通るｙ軸方向の軸線に対して線対称形をなし、前記中脚部の中心に対して、ｘ軸方向の軸線で規定される遠い側に平坦な第１の側面を有し、前記中脚部と対面する近い側に、前記中脚部と同心であって半径Ｒ２の円弧状の第２の側面を有し、前記ｙ軸方向の両側に、それぞれ平坦な第３と第４の側面を有し、前記中脚部から遠い側の第４の側面と前記中心とのｙ軸方向の間隔ｈ１と、前記中脚部から近い側の第３の側面と前記中心とのｙ軸方向の間隔ｈ２とが異なっていて、ｈ１＞Ｒ２＞ｈ２＞Ｒ１の関係にあり、
   前記一対の外脚部は、前記ｘ軸方向の幅において、前記中脚部の中心の位置での幅ＷＭと、前記第３の側面の幅ＷＴと、前記第４の側面の幅ＷＢとが、ＷＭ＜ＷＴ＜ＷＢの関係にあるフェライト磁心。
2. 請求項１に記載のフェライト磁心であって、
   前記第２の側面は、外周の半径がｈ１より小さい巻線を収納できる側面であるフェライト磁心。
3. 請求項１に記載のフェライト磁心であって、
   前記接続部はｙ軸方向の両側に前記中脚部に向かって窪んだ側面を備えるフェライト磁心。
4. 請求項１に記載のフェライト磁心であって、
   前記一対の外脚部は、前記中脚部の中心に対してｘ軸方向の軸線で規定される近い側の側面の一部に前記接続部と繋がらない部分を有し、前記部分の側面をｘ軸方向の軸線で規定される遠い側の側面と略平行な平坦な面としたフェライト磁心。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のフェライト磁心を用いたコイル部品であって、
   一対のフェライト磁心と巻線を備え、コイル部品の実装面を前記フェライト磁心の前記第４の側面とし、前記第３の側面側から巻線の端部を引き出したコイル部品。
   

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