WO2020189199A1 - インダクタ装置 - Google Patents

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WO2020189199A1
WO2020189199A1 PCT/JP2020/007717 JP2020007717W WO2020189199A1 WO 2020189199 A1 WO2020189199 A1 WO 2020189199A1 JP 2020007717 W JP2020007717 W JP 2020007717W WO 2020189199 A1 WO2020189199 A1 WO 2020189199A1
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inductor
core
winding
side wall
inductor device
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English (en)
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Inventor
祥吾 神戸
島津 英一郎
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Ntn株式会社
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F37/00Fixed inductances not covered by group H01F17/00

Definitions

  • the present invention relates to an inductor device.
  • inductors and capacitors are being miniaturized.
  • PFC Power Factor Correction
  • converter circuits In order to reduce the size of the inductor, it is required to reduce the size of the winding and the core, and reducing these sizes tends to increase the amount of heat generated by the inductor. Therefore, in order to enable continuous use of the miniaturized inductor, it is important how to improve the heat dissipation of the inductor.
  • Patent Document 1 discloses a reactor in which an inductor is housed in a case having a bottom plate portion and a side wall portion, and the case is fixed to a cooling base.
  • Patent Document 1 states that a heat radiating layer is provided on the bottom plate, the case is formed of a metal material such as aluminum in order to increase the thermal conductivity, and the sealing resin sealed in the case has thermal conductivity. It is also disclosed that the material contains an excellent filler.
  • an object of the present invention is to provide an inductor device in which the decrease in heat dissipation is suppressed and the eddy current loss of the case is reduced.
  • the present invention includes an inductor having a core and windings, a plate-shaped bottom portion that houses the inductor inside, and a side wall portion that rises from the bottom portion and surrounds the periphery of the inductor.
  • an inductor device including a case, an insulating portion made of an insulating non-magnetic material is formed on a side wall portion of the case along a direction orbiting around the inductor, and a thermal conductivity higher than that of the insulating portion. It is characterized in that high thermal conductivity portions made of a high non-magnetic material are alternately arranged.
  • the region where the eddy current is generated in the side wall portion is electrically divided by the insulating portion, so that the eddy current that orbits around the inductor is not generated in the side wall portion. Therefore, the eddy current loss in the case can be reduced, and the decrease in the magnetic characteristics (for example, the inductance value) of the inductor can be minimized. Further, since heat is dissipated from the inductor in the high thermal conductive portion, the heat dissipation of the inductor device can be ensured.
  • the high thermal conductive portion in the region facing the outer peripheral surface of the winding.
  • the high thermal conductive portion faces the outer peripheral surface of the winding that generates a large amount of heat, the heat generated in the winding can be quickly dissipated through the high thermal conductive portion.
  • the core When the inductor is placed in the case with the winding axis oriented orthogonal to the bottom, the core is close to the bottom and the heat dissipation path from the winding is through the core, so the heat dissipation of the winding is the heat conduction of the core. It will be dominated by the rate. Therefore, in order to improve heat dissipation, it is necessary to review the core material. In addition, the heat generated at the upper part of the winding reaches the bottom via the lower part of the winding and the core, and the heat transfer distance becomes longer (the thermal resistance is large), so the temperature rise at the upper part of the winding is remarkable. It becomes.
  • the inductor is arranged so that the winding shaft is parallel to the bottom, the heat generated in the winding is dissipated through the high heat conductive portion and the bottom without passing through the core. Further, since the distance from each winding portion to the bottom portion in the winding axis direction is made uniform, the heat dissipation of each portion can be made uniform. Therefore, it is possible to make the temperature rise width of each part uniform and suppress the variation in the magnetic characteristics.
  • the bottom portion and the side wall portion are separate members, and the bottom portion and the side wall portion are fixed by fitting a convex portion formed on one of them and a concave portion formed on the other.
  • the joining work of the bottom portion and the side wall portion can be simplified and the cost can be reduced.
  • the convex portion and the concave portion can be brought into surface contact with each other to prevent the generation of a gap between the two. Further, when an adhesive is used, the relief portion becomes an adhesive pool. Therefore, the joint strength between the convex portion and the concave portion can be increased.
  • the inductor device By mounting two windings in which the magnetic flux generation directions are in the same direction on the core, the inductor device can be used as a coupled inductor in which the two windings are magnetically coupled.
  • the inductor device described above is suitable for use in interleaving circuits.
  • the present invention it is possible to provide an inductor device in which the decrease in heat dissipation is suppressed and the eddy current loss of the case is reduced.
  • FIG. 1 It is a perspective view which shows the assembly procedure of the inductor device which concerns on 1st Embodiment. It is a top view of the inductor device. It is sectional drawing along the X-ray line of FIG. It is a perspective view which shows the other embodiment of the case used in an inductor device. It is a circuit diagram which shows the interleaving circuit. It is a perspective view which shows the fixed structure of the bottom part and the winding facing part. It is a front view of the fixed structure of the bottom portion and the winding facing portion seen from the P direction of FIG. It is a bottom view which looked at the bottom part from the Q direction of FIG. It is a front view which looked at the fixed structure of the bottom part and the winding facing part from the P direction of FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an assembly procedure of the inductor device 1.
  • FIG. 2 is a plan view of the inductor device 1 after assembly
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG.
  • the inductor device 1 of the present embodiment has an inductor 2 and a case 5 accommodating the inductor 2.
  • the inductor 2 has a core 21 and two windings 22 mounted on the core 21.
  • the core 21 is formed of, for example, a dust core.
  • the dust core is formed by coating a soft magnetic metal powder composed of pure iron, amorphos, soft magnetic alloy, nanocrystal, etc. with an insulating film, compress-molding the soft magnetic powder with the insulating film with a mold, and then compress-molding the powder magnetic core. Manufactured by annealing.
  • the core 21 forms a closed magnetic path, and is formed in a ring shape such as a polygon or an annulus.
  • the core 21 formed in a substantially rectangular shape is illustrated.
  • the core 21 of the present embodiment includes two U-shaped core members 21a and 21b having two leg portions 211 and a connecting portion 212 bridged between one ends of the leg portions 211. It is manufactured by arranging the end faces of the legs 211 so as to abut each other and integrating them by adhesion or the like.
  • a tapered chamfered portion 213 is formed on the outer surface of the region of the core 21 which is a corner portion.
  • the winding 22 is wound around the outer circumference of the connecting portion 212 of each core member 21 and 21b.
  • the core 21 is formed in an endless annular shape, but an air gap may be provided in the core 21.
  • the form of the core members 21a and 21b is arbitrary, and an I-type core member can be used in addition to the U-type. Further, the form of the core 21 is arbitrary, and a rod-shaped core or a core called a pot type can be adopted. Further, the number of windings 22 is arbitrary, and one or more windings 22 can be mounted on the core 21.
  • the case 5 has a flat plate-shaped bottom portion 51 and a side wall portion 52 rising from the bottom portion 51. One end of the case 5 is closed by the bottom 51, and the other end is open.
  • the inductor 2 is housed in the case 5, and at that time, the inductor 2 is arranged so that its winding shaft O is parallel to the inner bottom surface 511 of the bottom portion 51. Further, the windings 22 are arranged so that the distance between the windings 22 and the bottom 51 is constant.
  • the outer bottom surface of the bottom portion 51 is brought into contact with the base member 3 for heat dissipation (see FIG. 3) made of a water cooling plate or the like, and the case 5 is attached to the base member 3 by appropriate means such as screwing or bonding. It is fixed.
  • the side wall portion 52 of the case 5 is arranged so as to surround the entire circumference of the inductor 2.
  • the side wall portion 52 of the present embodiment is formed in a polygonal tubular shape corresponding to the shape of the core 21.
  • the side wall portion 52 has a winding facing portion 52a facing the outer peripheral surface of the winding 22, and a core facing portion 52b facing the core 21.
  • the core facing portion 52b has a portion 52b1 facing the leg portion 211 of the core 21 and a portion 52b2 facing the chamfered portion 213 of the core 21.
  • a regulation surface 53 is formed between the winding facing portion 52a and the core facing portion 52b so as to face the end surface of the winding 22.
  • the winding 22 is arranged between the two regulating surfaces 53 facing each other with the winding facing portion 52a interposed therebetween.
  • the case 5 is filled with an insulating sealing resin 4 (the sealing resin 4 is omitted in FIGS. 1 and 2).
  • a gap is formed between the core 21 and the winding 22 and each inner surface of the case 5, and the gap is filled with the sealing resin 4.
  • both the core 21 and the winding 22 are in a non-contact state with both the bottom portion 51 and the side wall portion 52 of the case 5, and the gaps between them are filled with the sealing resin 4.
  • the sealing resin 4 provides insulation between the core 21 and the case 5 and insulation between the winding 22 and the case 5.
  • a bobbin made of an insulating material such as resin may be interposed between the outer peripheral surface of the core 21 and the inner peripheral surface of the winding 22.
  • the bottom portion 51 of the case 5 is formed of at least a non-magnetic material having a higher thermal conductivity than the insulating portion A described later, for example, aluminum (including an aluminum alloy) in order to ensure heat dissipation.
  • a non-magnetic material having a higher thermal conductivity than the insulating portion A described later, for example, aluminum (including an aluminum alloy) in order to ensure heat dissipation.
  • the opening of the side wall portion 52 (the opening on the side opposite to the sealing side by the bottom portion 51) can be covered with a top plate.
  • the top plate can be formed of a material having the same characteristics as the bottom portion 51.
  • the side wall portion 52 of the case 5 has an insulating portion A (shown in a scattered spot pattern) formed of an insulating non-magnetic material along the direction of orbiting the periphery of the inductor 2. ) And the high thermal conductive portion B (shown without a pattern) formed of a non-magnetic material having a higher thermal conductivity than the insulating portion A are alternately provided.
  • the insulating portion A can be formed of a resin material
  • the high thermal conductive portion B can be formed of aluminum (including an aluminum alloy).
  • the insulating portion A can also be formed of ceramic or glass.
  • a material for the high thermal conductivity portion B a non-magnetic metal material can be widely used.
  • the high thermal conductive portion B formed of the material described above usually also has high conductivity.
  • the bottom portion 51 and the top plate already described can also be formed of any of the materials listed as the material of the high thermal conductive portion B.
  • the region 52b2 facing the chamfered portion 213 of the core 21 is formed by the insulating portion A, and the region 52b1 facing the leg shaft 211 is formed by the high thermal conductive portion B. Further, the winding facing portion 52a is formed by the high thermal conductive portion B.
  • the insulating portion A is formed over the entire length of the side wall portion 52 in the height direction.
  • the side wall portion 52 is not the insulating portion A (for example, formed of resin) made of an insulating and non-magnetic material along the direction of orbiting the periphery of the inductor 2. It is characterized by having a hybrid structure in which high thermal conductivity portions B (for example, formed of metal) made of a material having magnetic and high thermal conductivity are alternately arranged.
  • high thermal conductivity portions B for example, formed of metal
  • the region where the eddy current is generated in the side wall portion 52 is electrically divided by the insulating portion A, the eddy current that circulates around the inductor 2 is not generated in the side wall portion 52. Therefore, the eddy current loss in the case 5 can be reduced, and the decrease in the magnetic characteristics (for example, the inductance value) of the inductor 2 can be minimized.
  • the thermal conductivity of the high thermal conductive portion B is preferably 10 W / (m ⁇ K) or more.
  • the leakage flux tends to increase at the corner portion (the peripheral region of the chamfered portion 213), but in the present embodiment, the region 52b2 facing the corner portion is formed by the insulating portion A. Therefore, it is possible to suppress the generation of eddy current due to the leakage flux at the corners, and it is possible to reduce the eddy current loss from this point as well.
  • the amount of heat generated at the corners of the core 21 is not so large, even if the insulating portion A having a low thermal conductivity is opposed to the corners, the decrease in heat dissipation can be minimized.
  • an air gap can be provided in the core 21, but in that case, since the leakage flux in the air gap also increases, the region of the side wall portion 52 facing the air gap is also formed by the insulating portion A. Is preferable.
  • the core 21 is close to the bottom 51 and the heat dissipation path from the winding 22 is via the core 21.
  • the heat dissipation of the wire 22 is dominated by the thermal conductivity of the core 21. Therefore, in order to improve the heat dissipation, it is necessary to review the material of the core 32, and the degree of freedom in selecting the core material is reduced. Further, the heat generated in the upper part of the winding 22 reaches the bottom 51 via the lower part of the winding and the core 21, and the heat transfer distance becomes longer (the thermal resistance is large), so that the heat is generated in the upper part of the winding. The temperature rise becomes remarkable.
  • the inductor 2 is arranged so that the winding shaft O is parallel to the bottom portion 51, the heat generated in the winding 22 does not go through the core 21, but is based through the high heat conductive portion B and the bottom portion 51. Heat is dissipated to the member 3. Further, since the distance from each portion of the winding 22 to the bottom portion 51 in the winding shaft O direction is made uniform, the heat dissipation of each portion of the winding can be made uniform. Therefore, it is possible to make the temperature rise width of each part uniform and suppress the variation in the magnetic characteristics.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of the inductor device 1.
  • the core facing portions 52b are all formed of the insulating portion A. That is, the region 52b1 of the core facing portion 52b facing the leg portions 211 (see FIGS. 1 and 2) of the core members 21a and 21b and the region 52b2 facing the chamfered portion 213 are integrally formed by the insulating portion A. .. Even with the configuration of the second embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
  • the inductor 2 described above can be used as a coupling inductor by connecting the two windings 22 so that the magnetic flux generation directions with respect to the direct current are in the same direction.
  • the coupling inductor 2 is suitable for use in a multiphase (FIG. 5 illustrates the case of two phases) interleaving circuit shown in FIG.
  • the interleaving circuit is a circuit in which the power supply is divided into a plurality of systems, the currents of each phase have a phase difference by the switching elements Q1 and Q2, and ripples and the like cancel each other out. Since the coupling inductor 2 has a large leakage flux, reducing the eddy current loss is an important issue. However, by using the inductor device 1 of the present embodiment, the eddy current loss is reduced while ensuring high heat dissipation. It becomes possible.
  • the insulating portion A constituting the side wall portion 52 is made of a different material from the bottom portion 51, both are formed of different members.
  • the insulating portion A can be fixed to the bottom portion 51 by adhesion, ultrasonic welding, or the like.
  • the bottom portion 51 and the insulating portion A can be integrated by insert molding the insulating portion A with respect to the bottom portion 51.
  • the bottom portion 51 and the high thermal conductive portion B can be formed of the same material (for example, aluminum alloy). In this case, the bottom portion 51 and the high thermal conductive portion B can be integrally formed by, for example, casting or press working.
  • the bottom portion 51 and the high thermal conductive portion B are made of different materials, or when it is preferable to use the same material as separate members for some reason, the bottom portion 51 and the high thermal conductive portion B It is necessary to consider a fixed structure. For example, it is assumed that a screw is used as the fixed structure, but in this case, there is a problem that the inductor device 1 is costly because the screw hole needs to be machined and the assembly man-hours increase.
  • the convex portion formed by forming the bottom portion 51 and the high thermal conductive portion B on either one of them it is desirable to fix the 61 by fitting the recess 62 formed on the other side.
  • the high thermal conductive portion B can be fixed to the bottom portion 51 by press-fitting the convex portion 61 into the concave portion 62, or press-fitting or fitting the two with the intervention of an adhesive.
  • FIG. 7A, FIG. 7B, FIG. 8A, FIG. 8B, FIG. 9A, FIG. 9B, FIG. 10A with reference to fixing between the bottom portion 51 and the winding facing portion 52a.
  • This will be described based on 10B.
  • 7A, 7B, 8A, 8B, 9A, 9B, 10A, and 10B show the state immediately before fitting the convex portion 61 and the concave portion 62. It is a view seen from the P direction, and each (B) figure is a view of the bottom portion 51 before fitting seen from the Q direction of FIG.
  • a convex portion 61 and a concave portion 62 are formed at the ends of one member (for example, the bottom portion 51), respectively, and the concave portion 62 and the convex portion that fit into the convex portion 61 and the concave portion 62, respectively.
  • the portion 61 is formed at the end of the other member (for example, the winding facing portion 52a).
  • the protruding direction of the convex portion 61 formed on one member and the depth direction of the concave portion 62 formed on the other member and fitted with the convex portion 61 are orthogonal to each other.
  • the convex portion 61 of one member is press-fitted into the concave portion 62 of the other member, or both are press-fitted or fitted with the intervention of an adhesive, so that the winding facing portion 52a is formed into the bottom portion 51. Can be fixed.
  • an arcuate rounded portion 63 is provided at a corner of the convex portion 61.
  • an arc-shaped relief portion 64 is provided at a corner of the recess 62.
  • the relief portion 64 in the concave portion 62 in this way, the plastic flow accompanying the press fitting of the convex portion 61 is absorbed by the relief portion 64, so that the convex portion 61 and the concave portion 62 are brought into surface contact to form a gap between the two. Occurrence can be prevented.
  • the relief portion 64 becomes an adhesive pool. Therefore, the joint strength between the convex portion 61 and the concave portion 62 can be increased.
  • the convex portion 61 is provided with the rounded portion 63, and the concave portion 62 is provided with the relief portion 64.
  • the fixed structure described above can be applied between each portion of the side wall portion 52 formed by the high thermal conductive portion B and the bottom portion 51. Therefore, in the first embodiment shown in FIGS. 1 to 3, the region 52b1 of the side wall portion 52 facing the leg shaft 211 of the core facing portion 52b can be fixed to the bottom portion 51 with the same fixing structure. In addition, the insulating portion A can be fixed to the bottom portion 51 by the same fixing structure.
  • This confirmation test is performed by energizing each winding 22 of the inductor 2 with a sinusoidal alternating current in which a direct current is superimposed.
  • the inductor 2 is generally connected in series, and the average value of the inductance is the L value.
  • the superimposed current is 30 A and the frequency is 50 kHz.
  • the heat dissipation ( ⁇ T) is evaluated by the maximum temperature (average value) of the inductor 2.
  • the iron loss is 44 W
  • the copper loss is 92.1 W
  • the aluminum loss is 8.5 W
  • the ambient temperature is 105 ° C.
  • FIG. 11 shows the measured values of L and ⁇ T and the rate of change of each measured value with reference to Comparative Example 1.
  • Comparative Example 2 has better heat dissipation than Comparative Example 1, but the inductance value is significantly attenuated. This is considered to be due to an increase in eddy current loss due to the generation of eddy currents orbiting the side wall.
  • Examples 1 and 2 although inferior to Comparative Example 2, it is possible to obtain practically sufficient heat dissipation as compared with Comparative Example 1, and the amount of attenuation of the L value is at a level where there is no particular problem. It is understood that it can be suppressed.
  • each of the inductors of Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 and 2 was used as a coupling inductor in the two-phase interleaving circuit shown in FIG. 5, and the ripple width ⁇ I during the boosting operation was measured.
  • the duty ratio d is the ratio of the ON time when switching by the booster circuit.
  • the voltage V was +250 to -550V, the frequency f was 50 kHz, and the test was conducted aiming at an average current of 30 A.
  • FIG. 12 shows the measured value of ⁇ I and the rate of change of the measured value with reference to Comparative Example 1.
  • the inductor device 1 described above can be widely used, for example, for transformation applications (regardless of step-down or step-up) in PFC (power factor correction) circuits, converter circuits, inverter circuits, etc., inverter applications, converter applications, and the like. .. It can also be used as a solenoid or transformer.

Abstract

インダクタ装置1は、コア21および巻線22を有するインダクタ2と、インダクタ2を内部に収容し、板状の底部51、および当該底部から立ち上がり、インダクタ2の周囲を囲む側壁部52を有するケース5とを備える。ケース5の側壁部52に、インダクタ2の周囲を周回する方向に沿って、絶縁性の非磁性材料で形成された絶縁部Aと、絶縁部Aよりも熱伝導率の高い非磁性材料で形成された高熱伝導部Bとを交互に配置する。

Description

インダクタ装置
 本発明は、インダクタ装置に関する。
 PFC(Power Factor Correction)回路、コンバータ回路、インバータ回路等では、インダクタやコンデンサの小型化が図られている。インダクタを小型化するためには、巻線およびコアのサイズを縮小することが求められるが、これらのサイズを縮小すると、インダクタの発熱量が増加する傾向にある。従って、小型化したインダクタの連続使用を可能とするためには、如何にしてインダクタの放熱性を高めるのかが重要となる。
 放熱性を高めるため、例えば下記の特許文献1には、インダクタを底板部および側壁部を有するケースに収容し、ケースを冷却ベースに固定したリアクトルが開示されている。加えて、特許文献1には、底板部に放熱層を設けること、熱伝導率を高めるためにケースをアルミニウム等の金属材料で形成すること、ケース内に封入する封止樹脂に熱熱伝導性に優れたフィラーを含有させること、も開示されている。
特許第5597106号公報
 ところで、特許文献1に記載のように、ケースの側壁部全体をアルミニウム等の金属材料で形成した場合、巻線の側壁部に生じる渦電流が側壁部を周回するように流れる。そのため、ケースでの渦電流損失が増大してインダクタの磁気特性(例えばインダクタンス値)の低下を招くことが明らかとなった。磁気特性の低下を補うためには、インダクタの巻線数を増加させ、あるいはコアを大型化する等の対策を講じる必要があり、小型化の要請に反する結果を招く。
 そこで、本発明は、放熱性の低下を抑制しつつ、ケースの渦電流損失を少なくしたインダクタ装置を提供することを目的とする。
 以上の課題を解決するため、本発明は、コアおよび巻線を有するインダクタと、前記インダクタを内部に収容し、板状の底部、および当該底部から立ち上がり、前記インダクタの周囲を囲む側壁部を有するケースとを備えたインダクタ装置において、前記ケースの側壁部に、前記インダクタの周囲を周回する方向に沿って、絶縁性の非磁性材料で形成された絶縁部と、前記絶縁部よりも熱伝導率の高い非磁性材料で形成された高熱伝導部とを交互に配置したことを特徴とするものである。
 かかる構成であれば、側壁部における渦電流の発生領域が絶縁部によって電気的に分断されるため、側壁部にインダクタの周囲を周回するような渦電流は発生しない。そのため、ケースでの渦電流損失を少なくすることができ、インダクタの磁気特性(例えばインダクタンス値)の低下を最小限に抑えることが可能となる。また、高熱伝導部でインダクタからの放熱が行われるため、インダクタ装置の放熱性を確保することができる。
 高熱伝導部を、巻線の外周面と対向する領域に配置するのが好ましい。これにより、高熱伝導部が発熱量の多い巻線の外周面と対向するため、巻線で発生した熱を、高熱伝導部を介して速やかに放熱することができる。
 インダクタを巻線軸が底部と直交する向きにしてケース内に配置すると、コアが底部に近接し、巻線からの放熱経路はコアを介したものとなるため、巻線の放熱がコアの熱伝導率に支配されることになる。従って、放熱性を高めようとすると、コアの材料を見直す必要がある。また、巻線上部で生じた熱は、巻線下部およびコアを経由して底部に至る形となり、熱の移動距離が長くなる(熱抵抗が大きい)ため、巻線上部での温度上昇が顕著となる。これに対し、インダクタを、巻線軸が底部と平行となる向きに配置すれば、巻線で生じた熱はコアを介することなく、高熱伝導部および底部を介して放熱される。また、巻線軸方向における巻線各部から底部までの距離が均一化されるため、当該各部での放熱性を均一化することができる。従って、各部の温度上昇幅を均一にして磁気特性のばらつきを抑えることができる。
 前記底部と側壁部を別部材とし、前記底部と側壁部を、その何れか一方に形成した凸部と他方に形成した凹部とを嵌合させることで固定するのが好ましい。これにより底部と側壁部の接合作業を簡略化して低コスト化を図ることができる。
 凸部の角部にアール部を設けるのが好ましい。かかる構成であれば、凸部を凹部に押し込む際の押し込み方向が案内されるため、凸部と凹部を嵌合作業が容易なものとなる。
 凹部に逃げ部を設けるのが好ましい。かかる構成であれば、凸部の圧入に伴う塑性流動が逃げ部で吸収されるので、凸部と凹部を面接触させて両者間での隙間の発生を防止することができる。また、接着剤を使用する場合には、逃げ部が接着剤溜まりとなる。そのため、凸部と凹部の間の接合強度を高めることができる。
 前記コアに磁束発生方向が同方向となる二つの巻線を装着することにより、インダクタ装置を、二つの巻線を磁気結合した結合インダクタとして用いることが可能となる。
 以上に述べたインダクタ装置は、インターリーブ回路での使用に適合する。
 本発明によれば、放熱性の低下を抑制しつつ、ケースの渦電流損失を少なくしたインダクタ装置を提供することができる。
第一の実施形態にかかるインダクタ装置の組み立て手順を示す斜視図である。 インダクタ装置の平面図である。 図2のX-X線に沿った断面図である。 インダクタ装置で使用するケースの他の実施形態を示す斜視図である。 インターリーブ回路を示す回路図である。 底部と巻線対向部の固定構造を示す斜視図である。 底部と巻線対向部の固定構造を図6のP方向から見た正面図である。 底部を図6のQ方向から見た底面図である。 底部と巻線対向部の固定構造を図6のP方向から見た正面図である。 底部を図6のQ方向から見た底面図である。 底部と巻線対向部の固定構造を図6のP方向から見た正面図である。 底部を図6のQ方向から見た底面図である。 底部と巻線対向部の固定構造を図6のP方向から見た正面図である。 底部を図6のQ方向から見た底面図である。 確認試験1の測定結果を示す表である。 確認試験2の測定結果を示す表である。
 以下、本発明にかかるインダクタ装置の第一の実施形態を図1~図3に基づいて説明する。
 図1は、インダクタ装置1の組み立て手順を示す斜視図である。図2は組み立て後のインダクタ装置1の平面図であり、図3は、図2のX-X線に沿った断面図である。
 図1および図2に示すように、本実施形態のインダクタ装置1は、インダクタ2と、インダクタ2を収容するケース5とを有する。
 図1および図2に示すように、インダクタ2は、コア21とコア21に装着した二つの巻線22とを有する。コア21は、例えば圧粉磁心で形成される。圧粉磁心は、純鉄系、アモルフォス系、軟磁性合金系、ナノ結晶系等からなる軟磁性金属粉末に絶縁被膜をコーティングし、この絶縁被膜付き軟磁性粉末を金型で圧縮成形した後、焼鈍処理を施すことで製作される。
 コア21は閉磁路を形成しており、多角形や円環等の環状に形成される。本実施形態では概略矩形状に形成したコア21を例示している。図2に示すように、本実施形態のコア21は、二つの脚部211と脚部211の一端部間に架橋された連結部212とを有する二つのU型のコア部材21a,21bを、脚部211の端面同士を突合せた形で配置し、両者を接着等により一体化することにより製作される。コア21のうち、コーナー部となる領域の外側面にはテーパ状の面取り部213が形成されている。巻線22は、各コア部材21,21bの連結部212の外周にそれぞれ巻回されている。図2では、コア21を無端の環状に形成しているが、コア21にエアギャップを設けることもできる。
 なお、コア部材21a,21bの形態は任意であり、U型以外にもI型のコア部材を使用することもできる。また、コア21の形態は任意であり、棒状のコアやポット型と呼ばれるコアを採用することもできる。さらに、巻線22の数も任意であり、一つあるいは三つ以上の巻線22をコア21に装着することもできる。
 図1に示すように、ケース5は、平板状の底部51と、底部51から立ち上がった側壁部52とを有する。ケース5の一端は底部51で閉塞され、他端は開口した状態にある。インダクタ2は、ケース5内に収容されるが、その際にインダクタ2は、その巻線軸Oが底部51の内底面511と平行となるような向きに配置される。また、各巻線22と底部51との距離が一定となる向きに配置される。インダクタ2を保持したケース5は、底部51の外底面を水冷板等からなる放熱用のベース部材3(図3参照)に接触させて、ねじ止め、接着等の適宜の手段によりベース部材3に固定される。
 ケース5の側壁部52は、インダクタ2の周囲全周を囲むように配置される。本実施形態の側壁部52は、コア21の形状に対応した多角筒状に形成されている。側壁部52は、巻線22の外周面と対向する巻線対向部52aと、コア21と対向するコア対向部52bとを有する。コア対向部52bは、コア21の脚部211に対向する部分52b1と、コア21の面取り部213と対向する部分52b2とを有する。巻線対向部52aとコア対向部52bの間には、巻線22の端面と対向するように突出する規制面53が形成される。図2に示すように、巻線対向部52aを挟んで対峙する二つの規制面53の間に巻線22が配置される。
 図3に示すように、ケース5内には絶縁性を有する封止樹脂4が充填される(図1および図2では封止樹脂4の図示を省略している)。コア21および巻線22と、ケース5の各内面との間にはそれぞれ隙間が形成され、その隙間に封止樹脂4が満たされている。具体的には、コア21および巻線22の双方がケース5の底部51および側壁部52の何れとも非接触の状態にあり、これらの隙間に封止樹脂4が充填されている。封止樹脂4により、コア21とケース5の間の絶縁、並びに巻線22とケース5の間の絶縁がなされる。コア21と巻線22の間の絶縁性を確保するため、コア21の外周面と巻線22の内周面との間に樹脂等の絶縁材料からなるボビンを介在させてもよい。
 ケース5の底部51は、放熱性を確保するため、少なくとも後述する絶縁部Aよりも熱伝導率の高い非磁性材料、例えばアルミニウム(アルミニウム合金も含む)で形成される。図示は省略するが、側壁部52の開口部(底部51による封口側と反対側の開口部)を天板で覆うこともできる。天板は、底部51と同様の特性を有する材料で形成することができる。
 図1および図2に示すように、ケース5の側壁部52には、インダクタ2の周囲を周回する方向に沿って、絶縁性の非磁性材料で形成された絶縁部A(散点模様で示す)と、絶縁部Aよりも熱伝導率の高い非磁性材料で形成された高熱伝導部B(無模様で示す)とが交互に設けられる。例えば、絶縁部Aを樹脂材料で形成し、高熱伝導部Bをアルミニウム(アルミニウム合金も含む)で形成することができる。絶縁部Aはセラミックやガラスで形成することもできる。高熱伝導部Bの材料としては、非磁性の金属材料が広く使用可能であり、アルミニウム以外にも、例えばマグネシウム(マグネシウム合金も含む)、銅(銅合金も含む)、銀(銀合金も含む)、あるいは非磁性の鋼材(例えばSUS304等のオーステナイト系ステンレス鋼)を使用することができる。以上に述べた材料で形成される高熱伝導部Bは、通常、高い導電性も兼ね備える。なお、既に述べた底部51や天板も、高熱伝導部Bの材料として列挙した何れかの材料で形成することができる。
 本実施形態では、コア対向部52bのうち、コア21の面取り部213と対向する領域52b2が絶縁部Aで形成され、脚軸211に対向する領域52b1が高熱伝導部Bで形成されている。また、巻線対向部52aが高熱伝導部Bで形成されている。絶縁部Aは、側壁部52の高さ方向全長にわたって形成される。
 このように本実施形態におけるケース5は、側壁部52を、インダクタ2の周囲を周回する方向に沿って、絶縁性かつ非磁性の材料からなる絶縁部A(例えば樹脂で形成される)と非磁性かつ高熱伝導率を有する材料からなる高熱伝導部B(例えば金属で形成される)を交互に配置した、ハイブリッド構造とした点に特色がある。
 かかる構成であれば、側壁部52における渦電流の発生領域が絶縁部Aによって電気的に分断されるため、側壁部52にインダクタ2の周囲を周回するような渦電流は発生しない。そのため、ケース5での渦電流損失を少なくすることができ、インダクタ2の磁気特性(例えばインダクタンス値)の低下を最小限に抑えることが可能となる。
 加えて、高熱伝導部Bで形成された巻線対向部52aが発熱量の多い巻線3の外周面と対向しているため、巻線3で発生した熱は、巻線対向部52aおよび底部51を介してベース部材3に速やかに放熱される。そのため、インダクタ装置1の放熱性を高めることができ、インダクタ2を小型化した際の放熱性の問題を回避することが可能となる。以上の効果を得るため、高熱伝導部Bの熱伝導率は10W/(m・K)以上が好ましい。
 一般に、多角形状のコア21においては、角部(面取り部213の周辺領域)で漏れ磁束が大きくなる傾向にあるが、本実施形態では、この角部と対向する領域52b2が絶縁部Aで形成されているため、角部での漏れ磁束による渦電流の発生を抑えることができ、この点からも渦電流損失の低減を図ることができる。その一方で、コア21の角部での発熱量はそれほど多くないため、熱伝導率の低い絶縁部Aを角部に対向させても、放熱性の低下は最小限に抑えることができる。
 既に述べたとおり、コア21にはエアギャップを設けることもできるが、その場合、エアギャップでの漏れ磁束も多くなるため、側壁部52のエアギャップに対向する領域も絶縁部Aで形成するのが好ましい。
 インダクタ2を巻線軸Oが底部51と直交する向きにしてケース5内に配置すると、コア21が底部51に近接し、巻線22からの放熱経路はコア21を介したものとなるため、巻線22の放熱がコア21の熱伝導率に支配されることになる。従って、放熱性を高めようとすると、コア32の材料を見直す必要があり、コア材料の選定自由度が低下する。また、巻線22の上部で生じた熱は、巻線下部およびコア21を経由して底部51に至る形となり、熱の移動距離が長くなる(熱抵抗が大きい)ため、巻線上部での温度上昇が顕著となる。これに対し、インダクタ2を、巻線軸Oが底部51と平行となる向きに配置すれば、巻線22で生じた熱はコア21を介することなく、高熱伝導部Bおよび底部51を介してベース部材3に放熱される。また、巻線軸O方向における巻線22各部から底部51までの距離が均一化されるため、巻線各部での放熱性を均一化することができる。従って、各部の温度上昇幅を均一にして磁気特性のばらつきを抑えることができる。
 図4にインダクタ装置1の第二の実施形態を示す。この第二の実施形態では、コア対向部52bを全て絶縁部Aで形成している。すなわち、コア対向部52bの、コア部材21a,21bの脚部211(図1、図2参照)と対向する領域52b1および面取り部213と対向する領域52b2が絶縁部Aで一体に形成されている。この第二の実施形態の構成でも、第一の実施形態と同様の効果を得ることができる。
 以上に述べたインダクタ2は、二つの巻線22を、直流電流に対する磁束発生方向が同方向となるように接続することにより、結合インダクタとして使用することができる。この結合インダクタ2は、図5に示す複数相(図5は2相の場合を例示する)インターリーブ回路での使用に適合する。インターリーブ回路は、電源を複数系統に分け、スイッチング素子Q1,Q2により各相の電流に位相差を持たせ、リップルなどを互いに打ち消し合う回路である。結合インダクタ2は、漏れ磁束が大きいため、渦電流損失の低減が重要な課題となるが、本実施形態のインダクタ装置1を使用することにより、高い放熱性を確保しつつ渦電流損失を低減することが可能となる。
 側壁部52を構成する絶縁部Aは底部51とは別材料となるため、両者は別部材で形成される。絶縁部Aの底部51への固定は、接着あるいは超音波溶着等により行うことができる。あるいは底部51に対して絶縁部Aをインサート成形することにより底部51と絶縁部Aを一体化することができる。
 底部51と高熱伝導部Bは同材料(例えばアルミニウム合金)で形成することができる。この場合、例えば鋳造やプレス加工等により底部51と高熱伝導部Bを一体成形することが可能である。その一方で、底部51と高熱伝導部Bを異なる材料で形成する場合、あるいは同材料であっても何らかの事情で両者を別部材とするのが好ましい場合には、底部51と高熱伝導部Bの固定構造を検討する必要がある。固定構造として、例えばねじを使用することも想定されるが、この場合、ねじ穴の加工が必要となる上に、組み立て工数も増大するため、インダクタ装置1が高コスト化する問題がある。
 以上の課題を解決するため、別部材の底部51と高熱伝導部Bを固定する場合には、図6に示すように、底部51と高熱伝導部Bを、その何れか一方に形成した凸部61と他方に形成した凹部62との嵌合により固定するのが望ましい。この場合、凸部61を凹部62に圧入し、あるいは接着剤の介在下で両者を圧入または嵌合することにより、底部51に高熱伝導部Bを固定することができる。この固定構造であれば、ねじ穴を形成する後加工が不要となり、組み立て工数の削減も可能となるのでインダクタ装置1の低コスト化を図ることができる。
 以下、この固定構造の実施形態を、底部51と巻線対向部52aの間の固定を例に挙げて、図7A、図7B、図8A、図8B、図9A、図9B、図10A、図10Bに基づいて説明する。なお、図7A、図7B、図8A、図8B、図9A、図9B、図10A、図10Bにおける各(A)図は、凸部61と凹部62を嵌合させる直前の状態を図6のP方向から見た図であり、各(B)図は、嵌合前の底部51を図6のQ方向から見た図である。
 図7A、図7Bに示すように、一方の部材(例えば底部51)の端部には、それぞれ凸部61と凹部62が形成され、この凸部61および凹部62に嵌合する凹部62および凸部61が他方の部材(例えば巻線対向部52a)の端部に形成される。一方の部材に形成された凸部61の突出方向と、他方の部材に形成された、当該凸部61と嵌合する凹部62の深さ方向は直交する関係にある。既に述べたように、一方の部材の凸部61を他方の部材の凹部62に圧入し、あるいは接着剤の介在下で両者を圧入または嵌合させることにより、巻線対向部52aを底部51に固定することができる。
 図8A、図8Bでは、凸部61の角部に円弧状のアール部63を設けている。このように凸部61にアール部63を設けることで、凸部61を凹部62に押し込む際の押し込み方向が案内されるため、凸部61と凹部62を嵌合作業が容易なものとなる。
 図9A、図9Bでは、凹部62の角部に円弧状の逃げ部64を設けている。このように凹部62に逃げ部64を設けることにより、凸部61の圧入に伴う塑性流動が逃げ部64で吸収されるので、凸部61と凹部62を面接触させて両者間での隙間の発生を防止することができる。また、接着剤を使用する場合には、逃げ部64が接着剤溜まりとなる。そのため、凸部61と凹部62の間の接合強度を高めることができる。
 図10A、図10Bでは、凸部61にアール部63を設けると共に、凹部62に逃げ部64を設けている。これによりアール部63を設けることによる効果と、逃げ部64を設けることによる効果の双方を享受することができる。
 以上に述べた固定構造は、高熱伝導部Bで形成された側壁部52の各部と底部51との間に適用することができる。従って、図1~図3に示す第一の実施形態において、側壁部52のうち、コア対向部52bの脚軸211と対向する領域52b1を同様の固定構造で底部51に固定することができる。この他、同様の固定構造により、絶縁部Aを底部51に固定することもできる。
 [確認試験1]
 以上の実施形態の説明で述べたインダクタ装置1の効果を確認するため、異なるケース5を使用した実施例1,2、および比較例1,2についてインダクタンス値(L値)と放熱性(ΔT)を測定する試験を行った。実施例1では図1~図3に示す第一の実施形態のケース5を使用し、実施例2では図4に示す第二の実施形態のケース5を使用している。比較例1では側壁部52の全周を樹脂で形成したケースを使用し、比較例2では側壁部52の全周を金属製(アルミニウム合金製)としたケースを使用している。側壁部52を除き、ケース5の構造やインダクタ2の構造は、比較例1,2および実施例1,2で共通する。
 この確認試験は、インダクタ2の各巻線22に直流電流を重畳した正弦波交流を通電させることで行われる。インダクタ2は一般的な直列接続とし、インダクタンスの平均値をL値としている。重畳電流は30A、周波数は50kHzである。また、放熱性(ΔT)は、インダクタ2における最高温度(平均値)で評価している。鉄損は44W、銅損は92.1W、アルミニウム損失は8.5W、周囲温度は105℃である。
 LおよびΔTの測定値、並びに比較例1を基準とした時の各測定値の変化率を図11に示す。図11から明らかなように、比較例2では比較例1に比べ、放熱性は良好であるがインダクタンス値の減衰が著しい。これは、側壁部を周回する渦電流が生じることによる渦電流損失の増大に起因すると考えられる。これに対し、実施例1,2では、比較例2には劣るが比較例1に比べれば実用上十分な高い放熱性を得ることができ、しかもL値の減衰量も特に問題のないレベルに抑えられることが理解される。
 [確認試験2]
 次に、上記比較例1,2および実施例1,2の各インダクタを、結合インダクタとして図5に示す2相インターリーブ回路に使用し、昇圧動作時におけるリップル幅ΔIを測定した。ここでリップル幅ΔIは、ΔI=電圧V×デューティ比d/(インダクタンスL×周波数f)と表すことができる。デューティ比dは、昇圧回路でスイッチングする際のON時間の割合である。電圧Vは+250~-550V、周波数fは50kHzとし、平均電流30A狙いで試験を行った。ΔIの測定値、並びに比較例1を基準とした時の測定値の変化率を図12に示す。
 一般に、リップル幅(ΔI)が小さいほど、インダクタの特性として好ましくなる。図12から明らかなように、比較例2では比較例1に対してリップル幅が急激に増大しており、そのため、比較例2はインターリーブ回路での使用には適さないと考えられる。これに対し、実施例1,2では比較例1と同等のリップル幅が得られており、インターリーブ回路における結合インダクタとしての使用に適合することが理解できる。
 以上に述べたインダクタ装置1は、例えば、PFC(power factor correction)回路、コンバータ回路、インバータ回路等における変圧用途(降圧、昇圧を問わない)、インバータ用途、コンバータ用途等に広く使用することができる。また、ソレノイドや変圧器として使用することもできる。
1   インダクタ装置
2   インダクタ
3   ベース部材
4   封止樹脂
5   ケース
21  コア
21a コア部材
21b コア部材
22  巻線
51  底部
52  側壁部
61  凸部
62  凹部
63  アール部
64  逃げ部
A   絶縁部
B   高熱伝導部
O   巻線軸

Claims (8)

  1.  コアおよび巻線を有するインダクタと、前記インダクタを内部に収容し、板状の底部、および当該底部から立ち上がり、前記インダクタの周囲を囲む側壁部を有するケースとを備えたインダクタ装置において、
     前記ケースの側壁部に、前記インダクタの周囲を周回する方向に沿って、絶縁性の非磁性材料で形成された絶縁部と、前記絶縁部よりも熱伝導率の高い非磁性材料で形成された高熱伝導部とを交互に配置したことを特徴とするインダクタ装置。
  2.  前記高熱伝導部を、前記巻線の外周面と対向する領域に配置した請求項1に記載のインダクタ装置。
  3.  前記インダクタを、巻線軸が底部と平行となる向きに配置した請求項1または2に記載のインダクタ装置。
  4.  前記底部と側壁部を別部材とし、前記底部と側壁部を、その何れか一方に形成した凸部と他方に形成した凹部とを嵌合させることで固定した請求項1~3何れか1項に記載のインダクタ装置。
  5.  前記凸部の角部にアール部を設けた請求項4に記載のインダクタ装置。
  6.  前記凹部に逃げ部を設けた請求項4または5に記載のインダクタ装置。
  7.  前記コアに磁束発生方向が同方向となる二つの巻線を装着した請求項1~6の何れか1項に記載のインダクタ装置。
  8.  インターリーブ回路に使用される請求項7に記載のインダクタ装置。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009111151A (ja) * 2007-10-30 2009-05-21 Denso Corp リアクトル
JP2013149943A (ja) * 2011-12-19 2013-08-01 Sumitomo Electric Ind Ltd リアクトル、コンバータ、及び電力変換装置
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Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009111151A (ja) * 2007-10-30 2009-05-21 Denso Corp リアクトル
JP2013149943A (ja) * 2011-12-19 2013-08-01 Sumitomo Electric Ind Ltd リアクトル、コンバータ、及び電力変換装置
JP2016066744A (ja) * 2014-09-25 2016-04-28 本田技研工業株式会社 複合型リアクトル

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