JP2015053369A - コイル部品およびそれを用いた電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性に優れたコイル部品およびそれを用いた電源装置を提供する。【解決手段】磁心１と、前記磁心に螺旋状に巻装されたコイル２とを有するコイル部品１００であって、前記磁心は、前記コイルの内側に磁気ギャップを有し、前記磁気ギャップにはスペーサ３が配置されるとともに、前記スペーサの一部が前記コイルの線間に挿入されていることを特徴とする。前記コイル部品の好ましい形態として、前記スペーサをセミラックスとする。また、好ましくは、前記コイルはエッジワイズコイルである。【選択図】図１

Description

本発明は、各種の電源装置、電子機器等に用いられるリアクトル、チョーク等のコイル部品に関する。

近年、急速に普及しはじめたハイブリッド車・電気自動車等のモータ駆動の車両や太陽光発電装置などに搭載されている電源装置では、コイル部品として大電流に耐えるリアクトルが用いられている。リアクトルは、磁心と、該磁心に螺旋状に巻装されたコイルを用いて構成される。磁心として高い飽和磁束密度を有する材料を用いるとともに、磁路を構成する磁心間に磁気ギャップを設け、実効透磁率を下げることで、大電流でも磁気飽和しにくいリアクトルが得られる。

一方、ハイブリッド車等に用いられる大電流用のリアクトルでは、コアロスによる磁心の発熱量が大きくなり、リアクトルが高温になりやすい。リアクトルが高温になると、特性の変動や信頼性の低下を招くおそれがある。かかる問題に対して、特許文献１では放熱性の改善を目的としたリアクトル構造が提案されている。特許文献１に開示されたリアクトルコアでは、コア片とコア片との間のギャップ材として高熱伝導材料が用いられている。かかる構成によって、コア片間の熱伝導が高められ、放熱性の改善が図られている。

特開２００８−２１６８８号公報

特許文献１の構成によれば、コア片間の熱伝導性を高めることはできる。しかしながら、コア片間の熱伝導の改善だけでは、さらなる大電流化や放熱性改善の要請には十分応えられるものではなかった。特に、磁気ギャップの配置数が増えれば増えるほど、放熱性向上は困難であった。

そこで、上記課題に鑑み、本発明は、放熱性に優れたコイル部品およびそれを用いた電源装置を提供することを目的とする。

本発明のコイル部品は、磁心と、前記磁心に螺旋状に巻装されたコイルとを有するコイル部品であって、前記磁心は、前記コイルの内側に磁気ギャップを有し、前記磁気ギャップにはスペーサが配置されるとともに、前記スペーサの一部が前記コイルの線間に挿入されていることを特徴とする。かかる構成によれば、磁心から磁心への熱伝導に加えて、コイルの線間を通じた放熱も可能となるため、コイル部品の放熱性をいっそう高めることができる。

また、前記コイル部品において、前記スペーサがセラミックスであることが好ましい。

さらに、前記コイル部品において、前記コイルがエッジワイズコイルであることが好ましい。

さらに、前記コイル部品において、前記スペーサの一部が前記コイルの外周面に露出していることが好ましい。

さらに、前記コイル部品において、前記磁気ギャップを前記コイルの内側に複数有することが好ましい。

また、本発明の電源装置は、前記コイル部品を用いたことを特徴とする。

本発明によれば、コイル内側の磁心に発生する熱をコイル外側に効率よく放熱することができるため、放熱性に優れたコイル部品およびそれを用いた電源装置を提供することができる。

本発明に係るコイル部品の実施形態とそれに用いられる磁心を示すである。 本発明に係るコイル部品の実施形態を示す図である。 本発明に係るコイル部品の他の実施形態を示す図である。 本発明に係るコイル部品の他の実施形態を示す図である。 本発明に係るコイル部品に用いるスペーサの形態を示す図である。

以下、本発明に係るコイル部品の実施形態を図を用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い。また、各実施形態において説明する構成は、他の実施形態の趣旨を損なわない限りにおいて他の実施形態においても適用することが可能であり、その場合、重複する説明は適宜省略する。

図１（ａ）は本発明のコイル部品の実施形態を示す斜視図、図１（ｂ）はかかるコイル部品に用いる磁心を示す斜視図である。図１に示すコイル部品１００は、磁心１と、磁心１に螺旋状に巻装されたコイル２とを有するリアクトルである。磁心１は、コイル２の内側に磁気ギャップを有し、磁気ギャップにはスペーサ３が配置される。スペーサ３の一部がコイル２の線間に挿入されている点が、図１に示すコイル部品１００の特徴的な構造である。

磁気ギャップは、コイルが覆うような位置、すなわちコイルの内側に配置する。かかる構成によれば、磁気ギャップでの漏洩磁束がコイルと鎖交するのを防ぐことができる。スペーサが配置された磁気ギャップが複数ある場合、少なくとも一部の磁気ギャップがコイルの内側に配置されていればよい、但し、前記磁気ギャップが全てコイル内側に配置されていることがより好ましい。この場合、従来は、磁気ギャップに配置されるスペーサを磁心断面と同形状にするとともに、磁気ギャップを覆うコイルの導線を密に巻回するのが一般的であった。これに対して、図１に示すコイル部品では、磁心断面からはみ出したスペーサ３の一部が、螺旋状に連続して巻回されたコイル２の線間に挿入されている。

コイル内側の磁心で発生した熱を、コイルの導線の離間によって、コイルの径方向外側に逃がすことができる。また、磁心とコイルとの間に絶縁部材が配置される場合やボビンが配置される場合は、コイルの径方向の熱伝導が阻害されやすいため、スペーサの一部をコイルの線間に挿入する構成はかかる場合に特に有効である。さらに、コイル部品をポッティングせずに、空冷、油冷のようにコイル部品を冷却媒体で直接冷却する場合には、コイルの導体を離間させ空隙を確保することで、冷却媒体がコイル内側まで到達するようになるため、冷却効率が向上する。
また、図１に例示される上記構成は、磁気ギャップ形成のためのスペーサの形状を調整することで実現可能であるため、部品点数の増加やコイル部品の大型化を回避しながら、放熱性の向上が実現できる。

スペーサとしては、各種非磁性材料を用いることができるが、熱伝導性、絶縁性に優れる材料がより好ましい。例えばセラミックスは樹脂に比べて熱伝導性に優れることから、セラミッスのスペーサや、樹脂中にセラミックス等のフィラーを分散させた複合材料のスペーサを用いることが好ましい。熱伝導性向上の観点からは、セラミックススペーサが特に好ましい。２０℃での熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料でスペーサを構成することがより好ましい。セラミックスとしては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４等の各種セラミックスを用いることができるが、このうちＡｌ_２Ｏ_３がコストと特性のバランスに優れる。

次に、コイル部品に用いられる磁心について説明する。図１に示すコイル部品１００に用いられる磁心１は、平行に対置された一対の脚部１−１と、該脚部１−１の端部同士を接続する一対の継部１−２で構成され、該脚部および継部によって環状の磁路が形成されている。一対の脚部１−１に巻装されたコイル２は連続した平角線で構成され、磁心１とコイル２によってリアクトルが構成されている。なお、図１においてコイル２の両端の引き出し部分の図示は省略してある。磁心の構成および磁路の構成は図１に示す構成に限るものではない。例えば、中脚とその両側に配置された外脚を備えた磁心を用いることもできる。

磁心を構成する材料や形状もこれを特に限定するものではない。軟磁性合金薄帯を巻回または積層した磁心、磁粉を圧密化した圧粉磁心、フェライト等を用いることができる。このうち、飽和磁束密度、形状自由度、量産性等に優れる圧粉磁心がより好ましい。圧粉磁心に用いる磁粉は、例えば、Ｆｅ−Ｓｉ系合金粉、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金粉、非晶質軟磁性合金粉、微結晶質軟磁性合金粉などである。また、図１に示す実施形態の継部は直方体形状であるが、さらに凹凸、切欠き等を備えてもよい。多角柱の継部を用いることもできる。脚部の断面形状も、円形の他、多角形、楕円形でもよい。

図１に示すコイル部品１００では、コイル２として平角線を螺旋状に巻回したエッジワイズコイルを用いているが、コイルの構成はこれに限定するものではない。丸線を用いることもできる。但し、大電流対応の観点、コイル小型化の観点等からはエッジワイズコイルがより好ましい。また、コイルは絶縁シート等のフレキシブルな絶縁材料を介して磁心１に巻装してもよいし、樹脂製のボビンのようにリジッドな絶縁材料を介して磁心１に巻装してもよい。磁心とコイルとの間に接着剤層を設けてもよい。

次に、スペーサの一部がコイルの線間に挿入されている構成について、図２も参照しつつ、さらに詳述する。図２（ａ）はコイル２が巻装された磁心１の脚部１−１の部分をコイルの巻回軸方向（ｚ方向）から透視的に見た図であり、図２（ｂ）は該部分のＡ−Ａ’の位置における断面図である。図１および２に示すコイル部品では一方の脚部１−１当たり磁気ギャップは一つである。脚部１−１の断面形状は円形であり、コイルの形状も円形である。

磁気ギャップに配置されるスペーサ３は長方形をなし、コイルの巻回軸に垂直な方向のうち一方向（ｘ方向）の幅は脚部１−１の断面形状（円形）の直径と等しくしてある。また、前記方向に垂直な方向（ｙ方向）は磁気ギャップからはみ出すように長く形成され、ｙ方向の両端はコイル２の外周面に露出している。磁気ギャップスペーサと線間スペーサとが連続・一体となった放熱経路が形成されるため、磁心１（脚部１−１）で発生する熱をコイル２の外側へ効率的に放散することができる。

スペーサは必ずしもコイル２の外周面に露出する必要はない。スペーサの一部がコイルの線間に挿入されていれば、コイルの導線を離間させることができ、磁心１（脚部１−１）からコイル外周へ向かう放熱経路も形成される。また、スペーサがコイル外周面に露出しない場合は、磁気ギャップからのスペーサのはみ出し量が少なくなるので、スペーサの破損抑制にも寄与する。ただし、効率的な放熱のためには、スペーサが外周面に露出することがより好ましい。
なお、コイルと磁心との隙間を確保すれば、磁気ギャップから全外周（３６０°全方向）に渡ってスペーサをはみ出させることは可能である。但し、コイルは筒状に巻回されたヘリカルコイルであるため、スペーサの全外周（３６０°全方向）をコイルの線間に挿入することはできない。

漏洩磁束を低減するためには磁気ギャップの大きさはなるべく小さくすることが好ましい。そのため、図１等に示す実施形態では、スペーサの厚さは３．５ｍｍ以下に設定している。磁気ギャップに配置するスペーサの厚および平角線の厚さ自体はこれを特に限定するものではないが、それぞれ０．６〜３．５ｍｍ、０．８〜３．５ｍｍが実用的な範囲である。図２に示す実施形態では、平角線の厚さよりもスペーサの厚さの方を大きくなっている。スペーサを厚くすることは、スペーサの強度の観点からも有利である。
また、図２に示す実施形態では、全体が一様の厚さのスペーサを用いているが、磁気ギャップ内に配置される部分とコイル線間に挿入される部分とで厚さを変えてもよい。例えば、相対的に磁気ギャップ内に配置される部分を薄く、コイル線間に挿入される部分を厚くすることで、磁気ギャップを小さくしつつ、コイルの導線間隔を大きくすることが可能である。また、かかる構成では、スペーサに段差が形成されるため、組み立ての際にスペーサの位置決めが容易になる効果もある。

図２に示す実施形態とは磁心等の形状が異なる他の実施形態を図３に示す。図３（ａ）は図２（ａ）と同様、磁心４の脚部４−１の部分をコイルの巻回軸方向（ｚ方向）から透視的に見た図であり、図３（ｂ）は該部分のＢ−Ｂ’の位置における断面図である。脚部４−１の断面形状は正方形であり、コイルの形状も正方形である。図３に示す実施形態では、スペーサ６は正方形であり、その端部がコイル５の外周面のうち、隣り合う二面に露出している。なお、コイルやスペーサの形状は正方形に限らず、長方形にすることも可能である。

次に、図２に示す実施形態とは磁心の構成が異なる他の実施形態について、図４を参照しつつ説明する。図４（ａ）はコイル８が巻装された磁心７の脚部７−１の部分をコイルの巻回軸方向（ｚ方向）から透視的に見た図であり、図４（ｂ）は該部分のＣ−Ｃ’の位置における断面図である。図４に示すコイル部品では一方の脚部７−１当たり磁気ギャップは二つである。脚部７−１の断面形状は円形であり、コイルの形状も円形である。

図４に示す実施形態では、一方の脚部７−１当たりの磁気ギャップが二つである点で図２に示す実施形態と異なる。磁気ギャップが二つある場合は、磁気ギャップに挟まれた脚部は磁気ギャップに挿入されるスペーサによって、脚部の長手方向（ｚ方向）の熱伝導が阻害されるため、従来のスペーサ構造では放熱性の観点で不利となる。かかる傾向は、特に、スペーサとして熱伝導性が低い樹脂材料を用いる場合に顕著になる。そのため、スペーサの一部をコイルの線間に挿入し、コイル径方向の放熱性を高めた図４に示した構成が、特に有効になる。かかる構成は、スペーサが挿入される磁気ギャップの数が脚部当たり二つの場合に限らず、複数の場合に対して、適用が可能である。
なお、前記スペーサ構造は、必ずしもコイル内側に形成される全ての磁気ギャップに適用する必要はない。但し、放熱性向上の観点からは、コイル内側に形成される全ての磁気ギャップに前記スペーサ構造を適用することが好ましい。

図５に本発明に係るコイル部品の他の実施形態を示す。図２に示すコイル部品とはスペーサが異なる。その他の部分は同様であるので説明を省略する。図２に示すコイル部品では、スペーサは磁心１（脚部１−１）を挟んで両側に露出しているが、図５（ａ）に示す実施形態のように磁心１０（脚部１０−１）の片側にスペーサ１２が露出する構成にすることもできる。また、スペーサの端部をコイルの外周面の形状に倣って円弧状にしてスペーサの端面とコイル外周面を合わせることもできる。但し、放熱性を高める観点、スペーサの構造を簡略化する観点からは、図５（ａ）に示すようにスペーサを矩形にして、その端部がコイル外周面から突出する構成がより好ましい。スペーサが露出する方向は、これを特に限定するものではない。環状の磁路を形成する磁心の外側または内側（ｘ方向）に向けて露出してもよいし、磁路の環の軸方向（ｙ方向）に露出してもよい。

放熱性の観点からは図５（ｂ）に示すように、矩形のスペーサ１５の三つの端辺がコイル１４から露出・突出している構成がさらに好ましい。放熱経路および露出する部分が多くなり、より効率的に放熱できるからである。
なお、上述のようにコイルは筒状に巻回されたヘリカルコイルであるため、コイルの全外周（３６０°全方向）に渡ってスペーサを露出させることはできない。

本発明に係るコイル部品は、通常のリアクトル等の製造方法で製造することができる。コイルとしてエッジワイズコイルを用いる場合には、コイルの内側に磁心を配置した後に、スペーサを磁気ギャップに挿入するか、コイルの所定の位置にスペーサを挿入した状態でコイル内側に磁心を配置する。また、コイル部品にボビンを用いる場合には、ボビンの磁気ギャップに対応する部分にスペーサを挿入するための開口部を設け、ボビンの外周にコイルを配置した後に、スペーサを挿入すればよい。

本発明に係るコイル部品を、ＤＣリアクトル、ＡＣリアクトル、チョーク等として用い、エアコンなどの家電機器、太陽光発電システムのパワーコンディショナ、ハイブリッド車・電気自動車のコンバータ等の電源装置を構成することができる。

１、４、７、１０、１３：磁心
２、５、８、１１、１４：コイル
３、６、９、１２、１５：スペーサ
１００：コイル部品

Claims (6)

1. 磁心と、前記磁心に螺旋状に巻装されたコイルとを有するコイル部品であって、
   前記磁心は、前記コイルの内側に磁気ギャップを有し、
   前記磁気ギャップにはスペーサが配置されるとともに、
   前記スペーサの一部が前記コイルの線間に挿入されていることを特徴とするコイル部品。
2. 前記スペーサがセラミックスであることを特徴とする請求項１に記載のコイル部品。
3. 前記コイルがエッジワイズコイルであることを特徴とする請求項１または２に記載のコイル部品。
4. 前記スペーサの一部が前記コイルの外周面に露出していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のコイル部品。
5. 前記磁気ギャップを前記コイルの内側に複数有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のコイル部品。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のコイル部品を用いたことを特徴とする電源装置。

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