(57)【要約】  本発明は、中心軸（Ｃ）の周りに円環状に巻き付けられた金属ワイヤ（２）によって構成されたインダクタ（６）用のコイル（１）であって、ワイヤが、巻線のそれぞれのワイヤのターンを、隣接するターンから絶縁する電気的絶縁層（３）を有し、コイル（１）を構築する、巻線の完成品の形状が、略楕円形状の断面を有する略環状形状であり、且つ、熱伝導率が、１Ｗ／ｍ＊Ｋを上回り、さらに好ましくは、１．２Ｗ／ｍ＊Ｋを上回り、最も好ましくは、１．５Ｗ／ｍ＊Ｋを上回るコイル（１）に関する。本発明はさらに、インダクタ（６）に適した磁性コア（７）であって、コアが、金属粒子及びバインダ材料からなる軟磁性複合材料から構成され、前記粒子が、１μｍ〜１０００μｍの範囲にあり、１５０μｍよりも大きい粒子が、セラミック表面で塗膜されて粒子間を電気的に絶縁し、且つ、合計コア容積に対する磁気金属粒子の容積が、０．５〜０．９である磁性コア（７）に関する。本発明はなおさらに、前記コイル（１）とコア（７）との組み合わせであるインダクタ（６）であって、コア内の前記粒子の実質的にすべてが、コイルの磁界と磁気的に整列されるインダクタ（６）に関する。本発明はなおさらに、そのようなコイル（１）及びコア（７）の製造方法に関する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸（Ｃ）の周りに円環状に巻き付けられた金属ワイヤ（２）によって構成されたインダクタ用のコイル（１）において、
前記ワイヤが、巻線の前記ワイヤのそれぞれのターンを、隣接するターンから絶縁する電気的絶縁層（３）を有し、
前記コイル（１）を構築する、前記巻線の完成品の形状が、略楕円形状の断面を有する略環状形状であり、熱伝導率が、０．８Ｗ／ｍ＊Ｋを上回ることを特徴とするコイル（１）。
【請求項２】
請求項１に記載のコイルにおいて、前記環状形状が、略円環状の断面を有する輪環トールス形状であることを特徴とするコイル。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のコイルにおいて、前記ワイヤ（２）が、１本又は複数の撚り線（４）を備え、複数の撚り線（４）が、前記巻線コイルの前記完成品に対して最適にほぼ３６０°，±９０°ねじられていることを特徴とするコイル。
【請求項４】
請求項３に記載のコイルにおいて、前記撚り線（４）が、硬化樹脂によって電気的に絶縁されるか、又は、硬化樹脂及び半硬化樹脂（５）によって電気的に絶縁されることを特徴とするコイル。
【請求項５】
請求項３又は４に記載のコイルにおいて、各撚り線（４）の、各位置における断面が、隣接する撚り線に密着するように形づくられ、前記ワイヤの空隙を実質的に縮小させることを特徴とするコイル。
【請求項６】
インダクタに適した磁性コア（７）において、
前記コア（７）が、金属粒子及びバインダ材料からなる軟磁性複合材料から構成され、
前記粒子が、１μｍ〜１０００μｍの範囲にあり、
１５０μｍよりも大きい粒子が、セラミック表面で塗膜されて粒子間を電気的に絶縁し、且つ、
合計コア容積に対する金属充填比が、０．５〜０．９であることを特徴とするコア（７）。
【請求項７】
請求項６に記載のコアにおいて、前記金属粒子が、８％〜１０％のＳｉ、好ましくは９％のＳｉと、５％〜７％のＡｌ、好ましくは６％のＡｌと、Ｆｅからなる残りの粒子と、から構成される組成を有することを特徴とするコア。
【請求項８】
請求項１乃至５の何れか１項に記載のコイル（１）であって、請求項６又は７に記載のコア（７）に埋め込まれているコイル（１）を備えるインダクタ（６）において、
前記コイル（１）が、前記コイル（１）の表面積を被覆する電気的絶縁層（１１）を有するとともに、コア粒子が、前記コイルのＨ磁場と磁気的に整列されることを特徴とするインダクタ（６）。
【請求項９】
請求項８に記載のインダクタにおいて、前記コア（７）が、前記コイルを被覆する環状形状を有することを特徴とするインダクタ。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載のインダクタにおいて、前記コイルの中心を通る前記中心軸（Ｃ）に対して垂直な平面に沿った断面で見た場合の、前記コイルの内側において、前記中心軸の方に向かって前記コアの外側におけるのと実質的に同一の前記コアの断面積を有することによって、前記コイル（１）が、前記コイルの表面から見た場合に、全方向に実質的に同一の（全方向に同一容量の）電磁流を前記コア材料内で供給するための最適な位置に配置されることを特徴とするインダクタ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のインダクタにおいて、前記コイル（１）が、前記最適な位置からずれて、前記コイルから前記インダクタの中心の方に向けて、前記インダクタの周辺に向けるよりも高い電磁流を供給することを特徴とするインダクタ。
【請求項１２】
請求項８乃至１１の何れか１項に記載のインダクタにおいて、前記コア（７）が、前記略環状の形状を改変して表面積を増大させる表面増大構造（１０）を備えることを特徴とするインダクタ。
【請求項１３】
請求項１乃至７の何れか１項に記載のコイル（１）を製造する方法において、
前記ワイヤ（２）に前記絶縁層を塗布するステップと、
前記ワイヤ（２）を前記中心軸（Ｃ）の周りに巻き付けるステップと、
前記巻線を、圧縮手段を使用して円環状の断面を有する輪環トールス形状に圧縮するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載のコイル（１）を製造する方法において、前記圧縮の間に、電流が前記ワイヤ（２）に印加されることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項６又は７に記載の磁性コア（７）を製造する方法において、
金属粒子からなる前記軟磁性複合材料及びバインダ材料を鋳型に入れるステップと、
前記材料の前記鋳型成形及び／又は硬化段階の間に、前記鋳型に磁界を配置して、前記コア粒子を前記Ｈ磁場と磁気的に整列させるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として、最適なインダクタの設計に関する。より詳細には、本発明は、請求項１の導入部で定義されるようなインダクタ用のコイル、請求項６の導入部で定義されるようなインダクタ用のコア、並びにそのコイル及びそのコアを備える、請求項８の導入部で定義されるようなインダクタに関する。本発明はさらに、前記コイル及び前記コアを製造する方法であって、請求項１３及び請求項１５の導入部で定義されるような方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーエレクトロニクス産業がますます成長するとともに、インダクタは、発電、電力品質、交流駆動、回生駆動などの用途においてますます重要になっている。インダクタは多くの場合、使用される装置において主要な構成要素であり、その装置の効率及び性能を決定する場合が多い。特に問題となるのは、インダクタが、例えば、５０Ｈｚの基本周波数を同時に扱わなければならない一方で同時に、すなわちスイッチモード電源によって発生した高周波を最終信号からフィルタ処理しなければならない用途の場合である。同様に、パワーエレクトロニクスは、しばしば今日の電力品質産業上の最大関心事の１つとなっている有害な高調波ひずみの原因をもたらす。
【０００３】
従来のインダクタは通常、コイル巻型にワイヤを中空状に巻き付けるか、もしくは、鉄製の（ソリッド、積層、又はフェライト）コアに巻き付けるかの何れかによって製造される。次いで、ワイヤはコアの周りに巻き付けられる。コアは、コア材料を飽和させないように透磁性を制御するためのエアギャップを有する場合が多い、これは、磁気漏洩流、エネルギー損失、及び周囲の金属の加熱の原因をもたらす。コイルがエアギャップの上方に巻かれる場合には、しばしばフリンジングの損失がかなり大きくなり、その結果、冷却が困難な場合もあるホットスポットが生じる。さらにインダクタのコイル巻型、コンダクタ及びコア材料は、通常標準化されている。これにより必然的に、設計の自由が制限され、その結果、実効性がなく、且つ、最適化されていないインダクタが設計されることになる。
【０００４】
上記問題の除去又は軽減に向けての第１のステップは、新たな材料技術の誕生とともに、この１０年の間に出現した。この新たな材料技術によって、この種のアクチュエータを、工業製品のみならず家庭用製品に、特別に適合させる可能性、すなわち最適化して組み込む可能性が、さらに大きくなる。前述の材料技術は、軟磁性複合材料、すなわちＳＭＣ（Ｓｏｆｔ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と呼ばれる、バインダ及び充填材の量が異なる軟磁性金属材料からなる複合材料である。高い金属充填比及び設計の自由度に対する要望は、公知の製造方法とは、特に製造コストの見地からすれば相反するので、ＳＭＣからなるこれらの構成要素を形成することは、大変興味深いことである。形成プロセスに成功すれば、損失が少ない点、小型であるので最終的な装置／完成品にさらにコンパクトに組み込める点、など多くの点で従来のものよりも優れた誘導性構成要素がもたらされるであろう。
【０００５】
これ以外にも、材料の選択次第では、インダクタには、エネルギー損失、熱及びホットスポットの問題、可聴周波数での高電流によって引き起こされる不快な音、不必要、且つ、実効性のない材料の使い方、高周波で効率が低化すること、磁束強度が弱いと飽和することなどに関して多くの問題が、依然として存在する。
【０００６】
産業上でのインダクタの使用はますます増加しており、需要とともに、さらに高性能のインダクタに対する要求が高まっている。高性能のインダクタはまた、比較的高価でもある。このため、上記の問題に関する性能を向上させた、新たな、改良型インダクタが必要である。改良型インダクタの性能の向上は、コスト効率の良い方法で実現されるのが好ましい。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、現在の最新技術を向上させ、上記問題を解決し、コイル及びコアの両方が改良された、改良型のインダクタを提供することを目的とする。これらの目的及び他の目的は、中心軸（Ｃ）の周りに円環状に巻き付けられた金属ワイヤによって構成されたコイルであって、ワイヤが、巻線ワイヤのそれぞれのターンを、隣接するターンから絶縁する電気的絶縁層を有し、コイルを構築する、巻線の完成品の形状が、略楕円形状の断面を有する略環状形状であり、バルク熱伝導率が、０．８Ｗ／ｍ＊Ｋを上回るコイルにより達成される。
【０００８】
熱伝導率及び形状は、コイル内に存在する空気又はガス空隙を実質的に縮小する圧縮手段によって、エネルギー損失を減少させ、コイルの密集性を増加させることで達成される。コイルの密集性と環状形状とを組み合わせることにより、インダクタの小型化にとって特に重要な、コイルのＨ磁場が増加する。インダクタでは、十分なＨ磁場がコア材料内で必要な磁束を生成することが好ましいからである。
【０００９】
環状形状を有するコイルは、好ましくは、略円環状の断面を有する輪環トールス形状である。これはさらに、使用されるコイルの重量及び寸法当たりの磁界を最適化する１つのステップである。
【００１０】
さらにコイルは、熱伝導率が、好ましくは、１Ｗ／ｍ＊Ｋを上回り、さらに好ましくは、１．２Ｗ／ｍ＊Ｋを上回り、さらにより好ましくは、１．５Ｗ／ｍ＊Ｋを上回り、最も好ましくは、２Ｗ／ｍ＊Ｋを上回る。とりわけ、巻線コイルの全容積に対して大きな金属容積を有すること、言い換えれば、高い充填率を有することにより、且つ、空気及びガス空隙を低減させて、それらを、例えば、依然として巻線の各ターン間で十分な電気絶縁性を有する一方で、空気又はガスよりも高い熱伝導性を備える絶縁材料及び樹脂で置き換えることによって、熱伝導性を高めることができる。動作中のコイルの損失によって発生した熱が、コイルの外側表面及び最終的にはインダクタの外側表面に、容易に到達できるように、高い熱伝導性が必要である。コイルの温度が低温であることは、コイルの全体的な性能にとって有益であるだけでなく、効率性能をさらに高めるとともに、絶縁材料の特性を保ち、したがってその寿命を長くするためにも必要である。充填率を高めるために、各位置での巻線ワイヤの断面は、好ましくは、巻線のワイヤの隣接するターンに密着するように形づくられ、巻線の中空の空隙を実質的に縮小させる。巻線の空隙を回避することによって、部分放電絶縁破壊の危険が大幅に低減される。コイル内の個々のワイヤの断面形状は、六角形であると有利である。円環状のワイヤを巻いて、ワイヤを圧縮して空気又はガス空隙を除去する場合のように、互いに緊密に隣接する複数の円環状のワイヤを圧縮する場合には、これが自然な形状であるからである。ただしこれは、断面図に見られるように、コイルの完成品の円形の外形の後に最適に形づくられた外側のワイヤの層は除外する。コイルに使用される導電性材料は、任意の、コイル用に適した材料、好ましくは、銅又はアルミニウムであってもよい。
【００１１】
ワイヤ部分を隣接するワイヤ部分から絶縁する絶縁層、すなわちワイヤのターンを、次のワイヤのターンから絶縁する絶縁層は、電気絶縁紙及び／又は樹脂からなる材料が好ましい。絶縁紙は、ワイヤの周りに巻き付けられ、ワイヤ上及び／又は以下に説明するような、ワイヤの撚り線上に存在する半硬化又は半焼成された樹脂によって内部から含浸させてもよい。樹脂は、その後、例えば熱によって硬化される。しかしながら、絶縁層は、依然として十分なターン間の誘電性及び容量性絶縁を保ちながら、層を薄くしても十分な絶縁が可能な、任意の適切な電気的絶縁材料であってもよい。
【００１２】
ワイヤを、電流合計及びその周波数に応じて、１本又は複数本の個別に電気的に絶縁された撚り線で構成することができる。直径の小さい撚り線を用いれば、表皮効果に関連する損失が、低減される。
【００１３】
各撚り線の各位置における断面が、隣接する撚り線に密着するように形づくられ、ワイヤ内の空隙を縮小させる。これは、コイルのＨ磁場及び熱伝導性を最適化するために重要である。この断面はまた、ワイヤ全体に関して言えば、六角形状であるのが好ましい。円環状断面の撚り線を圧縮して、間の隙間を無くす場合には自然であるからである。ただしこれは、ワイヤの完成品の外形の後に最適に形づくられた外側の撚り線の層は除外する。
【００１４】
コイルを構築するワイヤが複数の撚り線を備える場合には、撚り線の束は、巻線コイルの完成品に対して最適にほぼ３６０°，±９０°ねじられ、これにより高周波化によりコイルによって引き起こされた近接効果が大幅に低減される。上述した基本的に平行な撚り線を使用することによって、コスト効率の良いやり方で単純なリッツ線が実現される。撚り線は、好ましくは、以下に説明するような硬化樹脂及び半硬化樹脂によって電気的に絶縁される。撚り線の断面と比較して、電気絶縁体は非常に薄く、薄いポリマー塗膜、樹脂の薄層などであってもよい。各撚り線は、同等の、最適には同一の電位を有するので、絶縁体をそれほど厚くしなくてもよい。
【００１５】
撚り線の絶縁体上で１つ又は複数の半硬化樹脂層を使用することによって、コイル形成器具の中で樹脂を硬化させて、その後形成器具から離型した後に、コイルの最適な形状を維持することが可能である。コイルは最初に、撚り線上の１つ又は複数の半硬化樹脂層を、十分に硬化させるのに必要な温度レベルまで加熱される。半硬化樹脂もまた、コイルの内部から空洞に流れ込み、コイル内のホットスポットを減少させ、熱伝導特性を向上させる。半硬化樹脂はさらに、外側の電気絶縁紙の誘電性及び容量性漏洩特性を向上させる。外側の電気絶縁紙は、ワイヤの各完成品を取り囲んで使用してもよい。
【００１６】
コイルの外側では、コイルに合わせて鋳型成形される軟磁性コア材料に対する電気的絶縁をさらに向上させるために、第３の絶縁層が取り付けられる。この絶縁が、コア粒子が一切導電性材料と直接接触しないようにして、ワイヤ間の、又はコイルからコア材料までの間の誘電体の短絡を確実に回避することが重要である。この目標を達成するために、電気的絶縁樹脂材料を含浸させることが好ましい。この第３の絶縁層はまた、平坦な、すなわち滑らかな外側表面も確保し、これにより、ホットスポットを発生させる局所的な高い強度のＢ磁束を回避する。コア材料がアースされる場合には、この第３の絶縁層は軟磁性コア及び地面への容量性漏洩をさらに減少させる。
【００１７】
本発明の目的は、磁性コア、例えば、インダクタ用の磁性コアによってさらに達成される。このインダクタ用の磁性コアでは、コアが、金属粒子及びバインダ材料からなる軟磁性の鋳型成形用複合（ＳＭ２Ｃ：ｓｏｆｔ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍｏｕｌｄａｂｌｅ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）材料から構成され、前記粒子は、１μｍ〜１０００μｍの範囲にあり、粒子のある部分、すなわち１５０μｍよりも大きい粒子が、セラミック表面で塗膜されて粒子間を電気的に絶縁し、且つ、合計コア容積に対する磁気金属粒子の金属充填比が、０．５〜０．９である。
【００１８】
コアは、鋳型成形が可能で、したがって、コイルをコアに組み込むのに適している。鋳型成形プロセスによって、コイルとコアとの間の空気又はガス空隙を回避することにより、コアとコイルとの間で良好な熱的結合を達成することが可能になる。バインダ材料は、ポリマー、例えばエポキシ系又はセラミック系バインダであってもよい。前記金属容量充填比を有するコアは、粒子間が絶縁されていることにより、良好な熱伝導特性及び高いバルク抵抗率を有するであろう。粒子間の絶縁は、高周波特性も向上させる。コアは鋳型成形されるので、どのような形状のコアでも作ることができる。
【００１９】
粒子が１０μｍ〜８００μｍの範囲にあることがさらに好ましい。コア特性がさらに最適化され、コアの磁気特性を向上させる。選択される寸法は、コアの意図する用途により、ある程度異なる。粒子が小さいほど、コアの高周波特性が良好になる。
【００２０】
金属粒子の組成は、６．５％〜７．５％のＳｉ、好ましくは、６．８％〜７％のＳｉと、Ｆｅからなる残りの粒子と、から構成されてもよい。粉体を、粒子の形状がほぼ球状になるように、ガス噴霧化によって生成してもよい。金属粒子の組成は、８％〜１０％のＳｉ、好ましくは９％のＳｉと、５％〜７％のＡｌ、好ましくは６％のＡｌと、Ｆｅからなる残りの粒子と、から構成されてもまたよい。
【００２１】
本発明は、金属粒子からなる軟磁性複合材料及びバインダ材料を鋳型に入れるステップと、材料の鋳型成形の間及び／又は硬化段階の間に、鋳型に磁界を配置して、コア粒子をＨ磁場と磁気的に整列させるステップと、を含む、磁性コアを製造する方法を提供することをさらなる目的とする。製造時にコイルを鋳型に入れて、コイルに電流を流すことによって磁界を達成することが好ましい。コアにとって重要な特徴は、ＳＭ２Ｃ材料の粒子が、コアの意図する用途のＨ磁場と整列されることである。したがって、コアを製造するための磁界を使用することが好ましい。すなわち、インダクタを製造する場合には、製造時に磁界を誘導するためにコイルを使用することが好ましい。コアを異なる用途で使用する場合には、他の手段によって磁界を誘導してもよい。
【００２２】
本発明の目的は、上述したコイルが、上述したようなコアに埋め込まれ、且つ、コイルが、コイルの表面積を被覆する電気的絶縁層を有するとともに、コア内の前記粒子の実質的にすべてが、コイルによって生成されたＨ磁場と磁気的に整列されるインダクタによってさらに達成される。
【００２３】
上述したような改良型のコイルを、上述したような改良型のコアと組み合わせることにより、インダクタの最適な設計がもたらされる。コアをどのような形状にも鋳型成形することができるので、最適に形づくられたコアによって、コイルが最適に形づくられ、且つ、構築されて、整合を図ることができる。コアにとって最適な形状は、コイルを被覆する環状形状である。その後、Ｂ磁束が均等に分散されて、磁束強度の増大に起因する損失が低減される。加えて、インダクタの寸法及び重量に影響を及ぼす過剰材料を除去して、コア材料が最適に使用される。コアとコイルとの間に直接の熱的結合を生じる、空隙のない設計の理由は、コア材料内のホットスポットを回避する一方で、同時に熱伝導を最適化し、コイル及びコアからの熱を、インダクタを取り囲む周囲環境に導くためでもある。
【００２４】
コア内の粒子を、コイルを通って流れる電流によって誘導されるＨ磁場と整列させると、インダクタの性能がさらに向上し、透磁性が高められ、損失が低減される。コアの鋳型成形及び硬化段階の前に、及び／又は、コアの鋳型成形及び硬化段階の際に、コイルに電流を流すことによって、磁気的に整列した粒子が実現される。コイルによって誘導された磁界は、コア内の粒子が磁界と整列するように、粒子に及ぼす力を引き起こすことになる。
【００２５】
コイルの中心を通る中心軸（Ｃ）に対して垂直な平面に沿った断面で見た場合の、コイルの内側において、中心軸の方に向かってコアの外側におけるのと実質的に同一のコア断面積を有することによって、コイルが、コイルの表面から見た場合に、全方向に実質的に同一の（全方向に同一容量の）Ｂ磁束をコア材料内で供給するための最適な位置に配置されることがさらに好ましい。コア材料は、次いで、平坦で均質なＢ磁束を有することで、材料の損失特性を最適化する。加えて、インダクタの寸法及び重量に影響を及ぼす過剰材料を除去して、コア材料が最適に使用される。コイルからコアの半径方向外縁までの（環状形状のコア及びコイルの一致する中心軸に対して垂直な方向における）距離は、コイルの半径方向内側のコア容積を、外側のコア容積と同一にするために、コイルからコアの半径方向内縁までの距離よりも小さい。
【００２６】
コイルはさらに、前記最適な位置からずれて、コイルからインダクタの中心の方に向けて、インダクタの周辺に向けるよりも高い電磁流を供給してもよい。これにより、インダクタによって生成された漂遊磁界を減少させるとともに、インダクタの製造時の機械的寸法公差の低減に対する要求も緩和する。コアは、略環状の形状を改変して表面積を増大させる表面増大構造をさらに備えてもよい。表面増大構造は、コアの外側表面をヒートシンクにする、コア表面上のフィン又はリプルであってもよい。本発明のさらなる態様は、コイルを製造する方法であり、この方法にしたがって、上述のコイルが提示される。この方法は、ワイヤに絶縁層を塗布するステップと、ワイヤを中心軸（Ｃ）の周りに巻き付けるステップと、巻線を、圧縮手段を使用して円環状の断面を有する輪環トールス形状に圧縮するステップと、コイル全体を、電気絶縁紙で外部から絶縁するステップと、コイル全体に電気絶縁樹脂を含浸させるステップと、を含む。ワイヤを圧縮すると、ワイヤの形状が巻線内の空隙に一致することにより巻線内の空隙が満たされ、インダクタの性能が高められる。圧縮は、さらに導電性材料の塑性変形につながる場合がある。ワイヤの形状を塑性変形と一致させることにより、コイルを好適な形態に形づくり、所望の熱伝導を得ることが可能になる。巻線は、コイル内の空隙を実質的に除去し、且つ、所望の形状を得るために、６５ＭＰａを超える静水圧力を使用して圧縮されることが好ましい。
【００２７】
前記圧縮の間に、ワイヤに電流をさらに印加してもよい。コイルを通って流れる電流により生じる熱が、ワイヤ絶縁体上の半焼成された樹脂層を硬化させることで、圧縮段階の後に最適なコイル形状が維持されるようにする。半焼成された樹脂はまた、各ワイヤ上に配置され得る電気絶縁紙の電気絶縁性を高めるように作用する。
【００２８】
本発明のさらなる態様は、磁性コアを製造する方法である。この方法では、材料の鋳型成形及び／又は硬化段階の前に、及び／又は、材料の鋳型成形及び／又は硬化段階の際に、電流をコイルに流し、コア粒子をコイルのＨ磁場と磁気的に整列させる。この整列により、インダクタの性能がさらに向上し、透磁性が高められて、損失が低減される。
【００２９】
基本的にトールス形状のコイルを用いて、軟磁性の鋳型成形用複合材料ＳＭ２Ｃ（Ｓｏｆｔ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍｏｕｌｄａｂｌｅ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）内で製造されたインダクタは、多くの利点を有する。
【００３０】
鋳型成形用軟磁性コアを用いれば、幾何学的特性を、軟磁性コアの透磁性に関して最適にすることができる。この設計の最大の技術的な恩典は、ホットスポットを生成して、絶縁材料の寿命を縮め、インダクタに損失を生じる不必要な角又は角度を回避して、インダクタ内の電磁界にとって理論上最適に近い磁束通路になることである。さらに、熱分散性及び放熱性にすぐれたコンパクト、且つ、均質な設計である。角又は角度は、局所的な飽和につながるので、コイルがトールス形状であることによって、所与のコア材料特性に対する誘導の程度も最大になる。上述したように、トールス形状のコイルの密集性が高いことにより、さらにＨ磁場が大幅に増大し、インダクタの大幅な小型化が可能になり、必要な材料が減少した結果、高い熱伝導率を備え、しかも、小型化、軽量化され、コスト効率にすぐれた装置がもたらされる。
【００３１】
ＳＭ２Ｃコア材料を使用することが、本発明の重要な点である。ＳＭ２Ｃ材料を使用することにより、簡単な製造ステップで、磁束通路の外側の不必要な材料をなくす、コアの最適なトールス形状を形成する／生成することが可能になる。材料を絶縁コイルの表面上で、直接鋳型成形することによって、コイルとコア材料との間の直接の熱的結合が実現することにより、巻線で生じた熱損失を、インダクタの外側表面に容易に分散させることが可能になり、インダクタの外側表面で熱損失を冷却することができる。さらに、鋳型成形するステップでは、冷却フィン又はリプルを設けて、必要な場合にインダクタの冷却特性をさらに高めることは簡単である。
【００３２】
本発明の上記目的、並びに、追加的な目的、特徴、及び利点は、添付の図面とともに考慮されるとき、本発明の好適な実施形態の以下の例示的で非限定的な詳細な記載を参照して、より十分に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、インダクタ用コイルの斜視図である。
【図２ａ】図２ａは、図１のコイルの断面図である。
【図２ｂ】図２ｂは、ワイヤの撚り線を示す図２ｂの拡大断面図を示す。
【図３】図３は、本発明によるコアに一体に組み込まれた図１及び図２によるコイルを含むインダクタの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１は、インダクタ用コイル１の斜視図を示す。コイル１は、トールス形状であり、図２ａに示されたコイルの断面でさらによく見えるように、巻線ワイヤ２で構築されている。コイルは、絶縁された層１１で塗膜されるか、又は絶縁された層１１で巻かれている。図２ａでは、ワイヤ２がどのように絶縁層３を有するか、及びコイル１のワイヤラップがどのように、各内側ワイヤラップの形状が、実質的にすべての空間を満たしながら六角形状になるように、空隙が実質的に縮小されるように、圧縮されているかがわかる。図２ａは、コイル全体を所望の環状に形成した後に、コイルの外側のワイヤ層がコイル１の滑らかな環状のトールス形状をなぞるように、外側のワイヤ層が形成されている様子をさらに示している。図２ｂは、ワイヤ２の撚り線４を示す図２ａの拡大断面図を示す。ワイヤ２の撚り線４は、例えばポリマー又は樹脂からなる薄層５で塗膜されて、撚り線が互いに絶縁されている。
【００３５】
図３は、本発明によるコア７に一体に組み込まれた図１並びに図２ａ及び図２ｂによるコイル１を含むインダクタ６の斜視図である。コイル１に巻かれているワイヤの、端部８及び端部９が見える。これらの端部８及び端部９は、インダクタの動作時にインダクタを接続するために使用される。コア７の表面は、ヒートシンク１０に形成され、表面積を増やすことによって、インダクタの吸熱能力を増加させている。図３では、コアの断面からわかるように、コイルからの距離がコアの中心を外れている様子も見える。コイルからコア材料の中心側端部までのコア材料の距離Ｄ２は、コイルからコアの周縁部までの距離Ｄ１よりも長い。そのため、コイルの外側（インダクタの中心軸から離れている側）におけるのと実質的に同一の容積のコア材料が、コイルの中心側において存在する。
【００３６】
ここで、最適なインダクタ設計の機能について説明するために、本発明を詳細に記述する。
【００３７】
コイル
コイルは、個別に絶縁された、例えば銅又はアルミニウムからなる撚り線で構成されている。各撚り線状の電気絶縁体は、撚り線の断面積合計と比較して非常に薄く、例えば、薄いポリマー塗膜で構成することができる。これにより、高周波での表皮効果による損失を低く維持しながら、導電性材料の高充填率が可能になる。
【００３８】
撚り線は、１つにまとめられてワイヤを形成する。ワイヤを、とりわけ、電流合計及びその周波数内容に応じて、１本の撚り線又は多数の撚り線から構成することができる。直径の小さい撚り線を用いれば、表皮効果に関連する損失及びプロキシ効果による損失が低減されるであろう。
【００３９】
撚り線をすべて平行にして、次いで、コイル１個当たりにつきパッケージをほぼ完全に１ターン（３６０度，±９０°）ねじることによって、プロキシ効果は大幅に低減されるであろう。しかしながら、撚り線をねじり過ぎると、ワイヤの充填率に悪影響を及ぼし、コイルに圧力が印加される場合には、絶縁塗膜に損傷を生じる可能性がある。
【００４０】
電気的絶縁層を、ワイヤの各完成品の周りに取り付けなければならない。ワイヤ上の絶縁層は、ワイヤが巻かれて、多重巻きの、トールス形状のコイルを形成した結果生じる機械的圧力に耐え得るように、十分に頑丈でなければならない。この材料によって、ワイヤ間の誘電体の短絡を防ぎ、ワイヤからワイヤまでの間の容量性漏洩を防ぐ。コイルの特性、特に熱伝導及び導電性材料充填率をさらに拡張するために、コイルを圧縮することができる。撚り線の絶縁体上で１つ又は複数の半硬化樹脂層を使用することによって、コイル形成器具の中で樹脂を硬化させて、その後形成器具から離型した後に、コイルの最適な形状を維持することが可能である。コイルは、例えば、大電流をコイルに流すことによって加熱されることで、半硬化樹脂が、撚り線とワイヤとの間の空洞に流れ込み、熱伝導率並びに誘電性及び容量性漏洩特性を向上させる。
【００４１】
さらなる第３の絶縁層１１をコイルの外側に取り付けて、外部環境、すなわちこの実施形態では鋳型成形されたコアから、コイルを絶縁する。これにより、絶縁層が確実にコイルをすべて被覆し、絶縁層では樹脂が使用される。樹脂はまた、コイルのトールス形状をなぞり、且つ、コイルの磁界にうまく適合しながら、コイルの外側表面を滑らかにすることにより、ホットスポットを回避する。
【００４２】
軟磁性コア
コイルの周りに鋳型成形される軟磁性コアもまた、基本的にトールス形状である。コアの形状は、例えば、取り付け穴及び熱フランジを備え付けることもまた可能である。図３を参照されたい。
【００４３】
コアが基本的にトールス形状であることは、正確な量のコア材料を最適に利用し、コイルの磁束通路及びインダクタの最適機能にとって不要な／必要とされない、あらゆる不必要な過剰材料をなくす既存の技術からの利益を享受する。これにより、インダクタに必要な重量及び寸法だけでなく、材料コストも減少する。
【００４４】
ＳＭ２Ｃの透磁性は、設計に適合するように調節することができる。材料の鋳型成形及び硬化段階の間に、コイルに電流を流すことによって、その透磁性を１０〜１５％向上させることが可能である。その後、コイルのＨ磁場は、周囲の粉体粒子を、個々の単位それぞれの磁束通路と同一の又は同様の方向に最適に整列させる。硬化の間に電流を流し続けることにより、粒子が、変更され、最適化された自身の位置を確実に維持するようにする。これにより、磁束が通過し易い経路が形成されることで、インダクタンスを増加させて、インダクタの損失を低減させる。
【００４５】
コアは、磁束線に対して垂直なコア材料の面積が、インダクタのすべての部分でほぼ同一であるように、軸方向に対称的に配置されると好適であろう。
【００４６】
粒径分布を選択して、最適化された静的磁気特性及び動的磁気特性を組み合わせて良好な粉末充填を実現する。
【００４７】
コア内の粒子間の導電を回避するために、粒子は、鋳型成形プロセスの前に薄い絶縁層で塗膜される。絶縁層は、例えば、セラミックのナノ粒子から構成することで、鋳型成形されたコアのバルク抵抗率を増強させ、したがって高周波誘導渦電流を低減させてもよい。
【図１】
2015532011.tif 000003
【図２ａ−２ｂ】
2015532011.tif 000004
【図３】
2015532011.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成26年7月4日(2014.7.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として、最適なインダクタの設計に関する。より詳細には、本発明は、請求項１の導入部で定義されるようなインダクタ用のコイル、請求項６の導入部で定義されるようなインダクタ用のコア、並びにそのコイル及びそのコアを備える、請求項８の導入部で定義されるようなインダクタに関する。本発明はさらに、前記コイル及び前記コアを製造する方法であって、請求項１３及び請求項１５の導入部で定義されるような方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーエレクトロニクス産業がますます成長するとともに、インダクタは、発電、電力品質、交流駆動、回生駆動などの用途においてますます重要になっている。インダクタは多くの場合、使用される装置において主要な構成要素であり、その装置の効率及び性能を決定する場合が多い。特に問題となるのは、インダクタが、例えば、５０Ｈｚの基本周波数を同時に扱わなければならない一方で同時に、すなわちスイッチモード電源によって発生した高周波を最終信号からフィルタ処理しなければならない用途の場合である。同様に、パワーエレクトロニクスは、しばしば今日の電力品質産業上の最大関心事の１つとなっている有害な高調波ひずみの原因をもたらす。
【０００３】
従来のインダクタは通常、コイル巻型にワイヤを中空状に巻き付けるか、もしくは、鉄製の（ソリッド、積層、又はフェライト）コアに巻き付けるかの何れかによって製造される。次いで、ワイヤはコアの周りに巻き付けられる。コアは、コア材料を飽和させないように透磁性を制御するためのエアギャップを有する場合が多い、これは、磁気漏洩流、エネルギー損失、及び周囲の金属の加熱の原因をもたらす。コイルがエアギャップの上方に巻かれる場合には、しばしばフリンジングの損失がかなり大きくなり、その結果、冷却が困難な場合もあるホットスポットが生じる。さらにインダクタのコイル巻型、コンダクタ及びコア材料は、通常標準化されている。これにより必然的に、設計の自由が制限され、その結果、実効性がなく、且つ、最適化されていないインダクタが設計されることになる。
【０００４】
上記問題の除去又は軽減に向けての第１のステップは、新たな材料技術の誕生とともに、この１０年の間に出現した。この新たな材料技術によって、この種のアクチュエータを、工業製品のみならず家庭用製品に、特別に適合させる可能性、すなわち最適化して組み込む可能性が、さらに大きくなる。前述の材料技術は、軟磁性複合材料、すなわちＳＭＣ（Ｓｏｆｔ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と呼ばれる、バインダ及び充填材の量が異なる軟磁性金属材料からなる複合材料である。高い金属充填比及び設計の自由度に対する要望は、公知の製造方法とは、特に製造コストの見地からすれば相反するので、ＳＭＣからなるこれらの構成要素を形成することは、大変興味深いことである。形成プロセスに成功すれば、損失が少ない点、小型であるので最終的な装置／完成品にさらにコンパクトに組み込める点、など多くの点で従来のものよりも優れた誘導性構成要素がもたらされるであろう。
【０００５】
これ以外にも、材料の選択次第では、インダクタには、エネルギー損失、熱及びホットスポットの問題、可聴周波数での高電流によって引き起こされる不快な音、不必要、且つ、実効性のない材料の使い方、高周波で効率が低化すること、磁束強度が弱いと飽和することなどに関して多くの問題が、依然として存在する。
【０００６】
産業上でのインダクタの使用はますます増加しており、需要とともに、さらに高性能のインダクタに対する要求が高まっている。高性能のインダクタはまた、比較的高価でもある。このため、上記の問題に関する性能を向上させた、新たな、改良型インダクタが必要である。改良型インダクタの性能の向上は、コスト効率の良い方法で実現されるのが好ましい。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、現在の最新技術を向上させ、上記問題を解決し、コイル及びコアの両方が改良された、改良型のインダクタを提供することを目的とする。これらの目的及び他の目的は、中心軸（Ｃ）の周りに円環状に巻き付けられた金属ワイヤによって構成されたコイルであって、ワイヤが、巻線ワイヤのそれぞれのターンを、隣接するターンから絶縁する電気的絶縁層を有し、コイルを構築する、巻線の完成品の形状が、略楕円形状の断面を有する略環状形状であり、バルク熱伝導率が、０．８Ｗ／ｍ＊Ｋを上回るコイルにより達成される。
【０００８】
熱伝導率及び形状は、コイル内に存在する空気又はガス空隙を実質的に縮小する圧縮手段によって、エネルギー損失を減少させ、コイルの密集性を増加させることで達成される。コイルの密集性と環状形状とを組み合わせることにより、インダクタの小型化にとって特に重要な、コイルのＨ磁場が増加する。インダクタでは、十分なＨ磁場がコア材料内で必要な磁束を生成することが好ましいからである。
【０００９】
環状形状を有するコイルは、好ましくは、略円環状の断面を有する輪環トールス形状である。これはさらに、使用されるコイルの重量及び寸法当たりの磁界を最適化する１つのステップである。
【００１０】
さらにコイルは、熱伝導率が、好ましくは、１Ｗ／ｍ＊Ｋを上回り、さらに好ましくは、１．２Ｗ／ｍ＊Ｋを上回り、さらにより好ましくは、１．５Ｗ／ｍ＊Ｋを上回り、最も好ましくは、２Ｗ／ｍ＊Ｋを上回る。とりわけ、巻線コイルの全容積に対して大きな金属容積を有すること、言い換えれば、高い充填率を有することにより、且つ、空気及びガス空隙を低減させて、それらを、例えば、依然として巻線の各ターン間で十分な電気絶縁性を有する一方で、空気又はガスよりも高い熱伝導性を備える絶縁材料及び樹脂で置き換えることによって、熱伝導性を高めることができる。動作中のコイルの損失によって発生した熱が、コイルの外側表面及び最終的にはインダクタの外側表面に、容易に到達できるように、高い熱伝導性が必要である。コイルの温度が低温であることは、コイルの全体的な性能にとって有益であるだけでなく、効率性能をさらに高めるとともに、絶縁材料の特性を保ち、したがってその寿命を長くするためにも必要である。充填率を高めるために、各位置での巻線ワイヤの断面は、好ましくは、巻線のワイヤの隣接するターンに密着するように形づくられ、巻線の中空の空隙を実質的に縮小させる。巻線の空隙を回避することによって、部分放電絶縁破壊の危険が大幅に低減される。コイル内の個々のワイヤの断面形状は、六角形であると有利である。円環状のワイヤを巻いて、ワイヤを圧縮して空気又はガス空隙を除去する場合のように、互いに緊密に隣接する複数の円環状のワイヤを圧縮する場合には、これが自然な形状であるからである。ただしこれは、断面図に見られるように、コイルの完成品の円形の外形の後に最適に形づくられた外側のワイヤの層は除外する。コイルに使用される導電性材料は、任意の、コイル用に適した材料、好ましくは、銅又はアルミニウムであってもよい。
【００１１】
ワイヤ部分を隣接するワイヤ部分から絶縁する絶縁層、すなわちワイヤのターンを、次のワイヤのターンから絶縁する絶縁層は、電気絶縁紙及び／又は樹脂からなる材料が好ましい。絶縁紙は、ワイヤの周りに巻き付けられ、ワイヤ上及び／又は以下に説明するような、ワイヤの撚り線上に存在する半硬化又は半焼成された樹脂によって内部から含浸させてもよい。樹脂は、その後、例えば熱によって硬化される。しかしながら、絶縁層は、依然として十分なターン間の誘電性及び容量性絶縁を保ちながら、層を薄くしても十分な絶縁が可能な、任意の適切な電気的絶縁材料であってもよい。
【００１２】
ワイヤを、電流合計及びその周波数に応じて、１本又は複数本の個別に電気的に絶縁された撚り線で構成することができる。直径の小さい撚り線を用いれば、表皮効果に関連する損失が、低減される。
【００１３】
各撚り線の各位置における断面が、隣接する撚り線に密着するように形づくられ、ワイヤ内の空隙を縮小させる。これは、コイルのＨ磁場及び熱伝導性を最適化するために重要である。この断面はまた、ワイヤ全体に関して言えば、六角形状であるのが好ましい。円環状断面の撚り線を圧縮して、間の隙間を無くす場合には自然であるからである。ただしこれは、ワイヤの完成品の外形の後に最適に形づくられた外側の撚り線の層は除外する。
【００１４】
コイルを構築するワイヤが複数の撚り線を備える場合には、撚り線の束は、巻線コイルの完成品に対して最適にほぼ３６０°±９０°ねじられ、これにより高周波化によりコイルによって引き起こされた近接効果が大幅に低減される。上述した基本的に平行な撚り線を使用することによって、コスト効率の良いやり方で単純なリッツ線が実現される。撚り線は、好ましくは、以下に説明するような硬化樹脂及び半硬化樹脂によって電気的に絶縁される。撚り線の断面と比較して、電気絶縁体は非常に薄く、薄いポリマー塗膜、樹脂の薄層などであってもよい。各撚り線は、同等の、最適には同一の電位を有するので、絶縁体をそれほど厚くしなくてもよい。
【００１５】
撚り線の絶縁体上で１つ又は複数の半硬化樹脂層を使用することによって、コイル形成器具の中で樹脂を硬化させて、その後形成器具から離型した後に、コイルの最適な形状を維持することが可能である。コイルは最初に、撚り線上の１つ又は複数の半硬化樹脂層を、十分に硬化させるのに必要な温度レベルまで加熱される。半硬化樹脂もまた、コイルの内部から空洞に流れ込み、コイル内のホットスポットを減少させ、熱伝導特性を向上させる。半硬化樹脂はさらに、外側の電気絶縁紙の誘電性及び容量性漏洩特性を向上させる。外側の電気絶縁紙は、ワイヤの各完成品を取り囲んで使用してもよい。
【００１６】
コイルの外側では、コイルに合わせて鋳型成形される軟磁性コア材料に対する電気的絶縁をさらに向上させるために、第３の絶縁層が取り付けられる。この絶縁が、コア粒子が一切導電性材料と直接接触しないようにして、ワイヤ間の、又はコイルからコア材料までの間の誘電体の短絡を確実に回避することが重要である。この目標を達成するために、電気的絶縁樹脂材料を含浸させることが好ましい。この第３の絶縁層はまた、平坦な、すなわち滑らかな外側表面も確保し、これにより、ホットスポットを発生させる局所的な高い強度のＢ磁束を回避する。コア材料がアースされる場合には、この第３の絶縁層は軟磁性コア及び地面への容量性漏洩をさらに減少させる。
【００１７】
本発明の目的は、磁性コア、例えば、インダクタ用の磁性コアによってさらに達成される。このインダクタ用の磁性コアでは、コアが、金属粒子及びバインダ材料からなる軟磁性の鋳型成形用複合（ＳＭ２Ｃ：ｓｏｆｔ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍｏｕｌｄａｂｌｅ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）材料から構成され、前記粒子は、１μｍ〜１０００μｍの範囲にあり、粒子のある部分、すなわち１５０μｍよりも大きい粒子が、セラミック表面で塗膜されて粒子間を電気的に絶縁し、且つ、合計コア容積に対する磁気金属粒子の金属充填比が、０．５〜０．９である。
【００１８】
コアは、鋳型成形が可能で、したがって、コイルをコアに組み込むのに適している。鋳型成形プロセスによって、コイルとコアとの間の空気又はガス空隙を回避することにより、コアとコイルとの間で良好な熱的結合を達成することが可能になる。バインダ材料は、ポリマー、例えばエポキシ系又はセラミック系バインダであってもよい。前記金属容量充填比を有するコアは、粒子間が絶縁されていることにより、良好な熱伝導特性及び高いバルク抵抗率を有するであろう。粒子間の絶縁は、高周波特性も向上させる。コアは鋳型成形されるので、どのような形状のコアでも作ることができる。
【００１９】
粒子が１０μｍ〜８００μｍの範囲にあることがさらに好ましい。コア特性がさらに最適化され、コアの磁気特性を向上させる。選択される寸法は、コアの意図する用途により、ある程度異なる。粒子が小さいほど、コアの高周波特性が良好になる。
【００２０】
金属粒子の組成は、６．５％〜７．５％のＳｉ、好ましくは、６．８％〜７％のＳｉと、Ｆｅからなる残りの粒子と、から構成されてもよい。粉体を、粒子の形状がほぼ球状になるように、ガス噴霧化によって生成してもよい。金属粒子の組成は、８％〜１０％のＳｉ、好ましくは９％のＳｉと、５％〜７％のＡｌ、好ましくは６％のＡｌと、Ｆｅからなる残りの粒子と、から構成されてもまたよい。
【００２１】
本発明は、金属粒子からなる軟磁性複合材料及びバインダ材料を鋳型に入れるステップと、材料の鋳型成形の間及び／又は硬化段階の間に、鋳型に磁界を配置して、コア粒子をＨ磁場と磁気的に整列させるステップと、を含む、磁性コアを製造する方法を提供することをさらなる目的とする。製造時にコイルを鋳型に入れて、コイルに電流を流すことによって磁界を達成することが好ましい。コアにとって重要な特徴は、ＳＭ２Ｃ材料の粒子が、コアの意図する用途のＨ磁場と整列されることである。したがって、コアを製造するための磁界を使用することが好ましい。すなわち、インダクタを製造する場合には、製造時に磁界を誘導するためにコイルを使用することが好ましい。コアを異なる用途で使用する場合には、他の手段によって磁界を誘導してもよい。
【００２２】
本発明の目的は、上述したコイルが、上述したようなコアに埋め込まれ、且つ、コイルが、コイルの表面積を被覆する電気的絶縁層を有するとともに、コア内の前記粒子の実質的にすべてが、コイルによって生成されたＨ磁場と磁気的に整列されるインダクタによってさらに達成される。
【００２３】
上述したような改良型のコイルを、上述したような改良型のコアと組み合わせることにより、インダクタの最適な設計がもたらされる。コアをどのような形状にも鋳型成形することができるので、最適に形づくられたコアによって、コイルが最適に形づくられ、且つ、構築されて、整合を図ることができる。コアにとって最適な形状は、コイルを被覆する環状形状である。その後、Ｂ磁束が均等に分散されて、磁束強度の増大に起因する損失が低減される。加えて、インダクタの寸法及び重量に影響を及ぼす過剰材料を除去して、コア材料が最適に使用される。コアとコイルとの間に直接の熱的結合を生じる、空隙のない設計の理由は、コア材料内のホットスポットを回避する一方で、同時に熱伝導を最適化し、コイル及びコアからの熱を、インダクタを取り囲む周囲環境に導くためでもある。
【００２４】
コア内の粒子を、コイルを通って流れる電流によって誘導されるＨ磁場と整列させると、インダクタの性能がさらに向上し、透磁性が高められ、損失が低減される。コアの鋳型成形及び硬化段階の前に、及び／又は、コアの鋳型成形及び硬化段階の際に、コイルに電流を流すことによって、磁気的に整列した粒子が実現される。コイルによって誘導された磁界は、コア内の粒子が磁界と整列するように、粒子に及ぼす力を引き起こすことになる。
【００２５】
コイルの中心を通る中心軸（Ｃ）に対して垂直な平面に沿った断面で見た場合の、コイルの内側において、中心軸の方に向かってコアの外側におけるのと実質的に同一のコア断面積を有することによって、コイルが、コイルの表面から見た場合に、全方向に実質的に同一の（全方向に同一容量の）Ｂ磁束をコア材料内で供給するための最適な位置に配置されることがさらに好ましい。コア材料は、次いで、平坦で均質なＢ磁束を有することで、材料の損失特性を最適化する。加えて、インダクタの寸法及び重量に影響を及ぼす過剰材料を除去して、コア材料が最適に使用される。コイルからコアの半径方向外縁までの（環状形状のコア及びコイルの一致する中心軸に対して垂直な方向における）距離は、コイルの半径方向内側のコア容積を、外側のコア容積と同一にするために、コイルからコアの半径方向内縁までの距離よりも小さい。
【００２６】
コイルはさらに、前記最適な位置からずれて、コイルからインダクタの中心の方に向けて、インダクタの周辺に向けるよりも高い電磁流を供給してもよい。これにより、インダクタによって生成された漂遊磁界を減少させるとともに、インダクタの製造時の機械的寸法公差の低減に対する要求も緩和する。コアは、略環状の形状を改変して表面積を増大させる表面増大構造をさらに備えてもよい。表面増大構造は、コアの外側表面をヒートシンクにする、コア表面上のフィン又はリプルであってもよい。本発明のさらなる態様は、コイルを製造する方法であり、この方法にしたがって、上述のコイルが提示される。この方法は、ワイヤに絶縁層を塗布するステップと、ワイヤを中心軸（Ｃ）の周りに巻き付けるステップと、巻線を、圧縮手段を使用して円環状の断面を有する輪環トールス形状に圧縮するステップと、コイル全体を、電気絶縁紙で外部から絶縁するステップと、コイル全体に電気絶縁樹脂を含浸させるステップと、を含む。ワイヤを圧縮すると、ワイヤの形状が巻線内の空隙に一致することにより巻線内の空隙が満たされ、インダクタの性能が高められる。圧縮は、さらに導電性材料の塑性変形につながる場合がある。ワイヤの形状を塑性変形と一致させることにより、コイルを好適な形態に形づくり、所望の熱伝導を得ることが可能になる。巻線は、コイル内の空隙を実質的に除去し、且つ、所望の形状を得るために、６５ＭＰａを超える静水圧力を使用して圧縮されることが好ましい。
【００２７】
前記圧縮の間に、ワイヤに電流をさらに印加してもよい。コイルを通って流れる電流により生じる熱が、ワイヤ絶縁体上の半焼成された樹脂層を硬化させることで、圧縮段階の後に最適なコイル形状が維持されるようにする。半焼成された樹脂はまた、各ワイヤ上に配置され得る電気絶縁紙の電気絶縁性を高めるように作用する。
【００２８】
本発明のさらなる態様は、磁性コアを製造する方法である。この方法では、材料の鋳型成形及び／又は硬化段階の前に、及び／又は、材料の鋳型成形及び／又は硬化段階の際に、電流をコイルに流し、コア粒子をコイルのＨ磁場と磁気的に整列させる。この整列により、インダクタの性能がさらに向上し、透磁性が高められて、損失が低減される。
【００２９】
基本的にトールス形状のコイルを用いて、軟磁性の鋳型成形用複合材料ＳＭ２Ｃ（Ｓｏｆｔ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍｏｕｌｄａｂｌｅ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）内で製造されたインダクタは、多くの利点を有する。
【００３０】
鋳型成形用軟磁性コアを用いれば、幾何学的特性を、軟磁性コアの透磁性に関して最適にすることができる。この設計の最大の技術的な恩典は、ホットスポットを生成して、絶縁材料の寿命を縮め、インダクタに損失を生じる不必要な角又は角度を回避して、インダクタ内の電磁界にとって理論上最適に近い磁束通路になることである。さらに、熱分散性及び放熱性にすぐれたコンパクト、且つ、均質な設計である。角又は角度は、局所的な飽和につながるので、コイルがトールス形状であることによって、所与のコア材料特性に対する誘導の程度も最大になる。上述したように、トールス形状のコイルの密集性が高いことにより、さらにＨ磁場が大幅に増大し、インダクタの大幅な小型化が可能になり、必要な材料が減少した結果、高い熱伝導率を備え、しかも、小型化、軽量化され、コスト効率にすぐれた装置がもたらされる。
【００３１】
ＳＭ２Ｃコア材料を使用することが、本発明の重要な点である。ＳＭ２Ｃ材料を使用することにより、簡単な製造ステップで、磁束通路の外側の不必要な材料をなくす、コアの最適なトールス形状を形成する／生成することが可能になる。材料を絶縁コイルの表面上で、直接鋳型成形することによって、コイルとコア材料との間の直接の熱的結合が実現することにより、巻線で生じた熱損失を、インダクタの外側表面に容易に分散させることが可能になり、インダクタの外側表面で熱損失を冷却することができる。さらに、鋳型成形するステップでは、冷却フィン又はリプルを設けて、必要な場合にインダクタの冷却特性をさらに高めることは簡単である。
【００３２】
本発明の上記目的、並びに、追加的な目的、特徴、及び利点は、添付の図面とともに考慮されるとき、本発明の好適な実施形態の以下の例示的で非限定的な詳細な記載を参照して、より十分に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、インダクタ用コイルの斜視図である。
【図２ａ】図２ａは、図１のコイルの断面図である。
【図２ｂ】図２ｂは、ワイヤの撚り線を示す図２ｂの拡大断面図を示す。
【図３】図３は、本発明によるコアに一体に組み込まれた図１及び図２によるコイルを含むインダクタの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１は、インダクタ用コイル１の斜視図を示す。コイル１は、トールス形状であり、図２ａに示されたコイルの断面でさらによく見えるように、巻線ワイヤ２で構築されている。コイルは、絶縁された層１１で塗膜されるか、又は絶縁された層１１で巻かれている。図２ａでは、ワイヤ２がどのように絶縁層３を有するか、及びコイル１のワイヤラップがどのように、各内側ワイヤラップの形状が、実質的にすべての空間を満たしながら六角形状になるように、空隙が実質的に縮小されるように、圧縮されているかがわかる。図２ａは、コイル全体を所望の環状に形成した後に、コイルの外側のワイヤ層がコイル１の滑らかな環状のトールス形状をなぞるように、外側のワイヤ層が形成されている様子をさらに示している。図２ｂは、ワイヤ２の撚り線４を示す図２ａの拡大断面図を示す。ワイヤ２の撚り線４は、例えばポリマー又は樹脂からなる薄層５で塗膜されて、撚り線が互いに絶縁されている。
【００３５】
図３は、本発明によるコア７に一体に組み込まれた図１並びに図２ａ及び図２ｂによるコイル１を含むインダクタ６の斜視図である。コイル１に巻かれているワイヤの、端部８及び端部９が見える。これらの端部８及び端部９は、インダクタの動作時にインダクタを接続するために使用される。コア７の表面は、ヒートシンク１０に形成され、表面積を増やすことによって、インダクタの吸熱能力を増加させている。図３では、コアの断面からわかるように、コイルからの距離がコアの中心を外れている様子も見える。コイルからコア材料の中心側端部までのコア材料の距離Ｄ２は、コイルからコアの周縁部までの距離Ｄ１よりも長い。そのため、コイルの外側（インダクタの中心軸から離れている側）におけるのと実質的に同一の容積のコア材料が、コイルの中心側において存在する。
【００３６】
ここで、最適なインダクタ設計の機能について説明するために、本発明を詳細に記述する。
【００３７】
コイル
コイルは、個別に絶縁された、例えば銅又はアルミニウムからなる撚り線で構成されている。各撚り線状の電気絶縁体は、撚り線の断面積合計と比較して非常に薄く、例えば、薄いポリマー塗膜で構成することができる。これにより、高周波での表皮効果による損失を低く維持しながら、導電性材料の高充填率が可能になる。
【００３８】
撚り線は、１つにまとめられてワイヤを形成する。ワイヤを、とりわけ、電流合計及びその周波数内容に応じて、１本の撚り線又は多数の撚り線から構成することができる。直径の小さい撚り線を用いれば、表皮効果に関連する損失及びプロキシ効果による損失が低減されるであろう。
【００３９】
撚り線をすべて平行にして、次いで、コイル１個当たりにつきパッケージをほぼ完全に１ターン（３６０度±９０°）ねじることによって、プロキシ効果は大幅に低減されるであろう。しかしながら、撚り線をねじり過ぎると、ワイヤの充填率に悪影響を及ぼし、コイルに圧力が印加される場合には、絶縁塗膜に損傷を生じる可能性がある。
【００４０】
電気的絶縁層を、ワイヤの各完成品の周りに取り付けなければならない。ワイヤ上の絶縁層は、ワイヤが巻かれて、多重巻きの、トールス形状のコイルを形成した結果生じる機械的圧力に耐え得るように、十分に頑丈でなければならない。この材料によって、ワイヤ間の誘電体の短絡を防ぎ、ワイヤからワイヤまでの間の容量性漏洩を防ぐ。コイルの特性、特に熱伝導及び導電性材料充填率をさらに拡張するために、コイルを圧縮することができる。撚り線の絶縁体上で１つ又は複数の半硬化樹脂層を使用することによって、コイル形成器具の中で樹脂を硬化させて、その後形成器具から離型した後に、コイルの最適な形状を維持することが可能である。コイルは、例えば、大電流をコイルに流すことによって加熱されることで、半硬化樹脂が、撚り線とワイヤとの間の空洞に流れ込み、熱伝導率並びに誘電性及び容量性漏洩特性を向上させる。
【００４１】
さらなる第３の絶縁層１１をコイルの外側に取り付けて、外部環境、すなわちこの実施形態では鋳型成形されたコアから、コイルを絶縁する。これにより、絶縁層が確実にコイルをすべて被覆し、絶縁層では樹脂が使用される。樹脂はまた、コイルのトールス形状をなぞり、且つ、コイルの磁界にうまく適合しながら、コイルの外側表面を滑らかにすることにより、ホットスポットを回避する。
【００４２】
軟磁性コア
コイルの周りに鋳型成形される軟磁性コアもまた、基本的にトールス形状である。コアの形状は、例えば、取り付け穴及び熱フランジを備え付けることもまた可能である。図３を参照されたい。
【００４３】
コアが基本的にトールス形状であることは、正確な量のコア材料を最適に利用し、コイルの磁束通路及びインダクタの最適機能にとって不要な／必要とされない、あらゆる不必要な過剰材料をなくす既存の技術からの利益を享受する。これにより、インダクタに必要な重量及び寸法だけでなく、材料コストも減少する。
【００４４】
ＳＭ２Ｃの透磁性は、設計に適合するように調節することができる。材料の鋳型成形及び硬化段階の間に、コイルに電流を流すことによって、その透磁性を１０〜１５％向上させることが可能である。その後、コイルのＨ磁場は、周囲の粉体粒子を、個々の単位それぞれの磁束通路と同一の又は同様の方向に最適に整列させる。硬化の間に電流を流し続けることにより、粒子が、変更され、最適化された自身の位置を確実に維持するようにする。これにより、磁束が通過し易い経路が形成されることで、インダクタンスを増加させて、インダクタの損失を低減させる。
【００４５】
コアは、磁束線に対して垂直なコア材料の面積が、インダクタのすべての部分でほぼ同一であるように、軸方向に対称的に配置されると好適であろう。
【００４６】
粒径分布を選択して、最適化された静的磁気特性及び動的磁気特性を組み合わせて良好な粉末充填を実現する。
【００４７】
コア内の粒子間の導電を回避するために、粒子は、鋳型成形プロセスの前に薄い絶縁層で塗膜される。絶縁層は、例えば、セラミックのナノ粒子から構成することで、鋳型成形されたコアのバルク抵抗率を増強させ、したがって高周波誘導渦電流を低減させてもよい。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸（Ｃ）の周りに円環状に巻き付けられた金属ワイヤ（２）によって構成されたインダクタ用のコイル（１）において、
前記ワイヤが、巻線の前記ワイヤのそれぞれのターンを、隣接するターンから絶縁する電気的絶縁層（３）を有し、
前記ワイヤ（２）が、１本又は複数の電気的に絶縁された撚り線（４）を備え、複数の撚り線（４）が、前記巻線の完成品のコイルに対して最適にほぼ３６０°±９０°ねじられており、
前記コイル（１）を構築する、前記巻線の前記完成品の形状が、前記ワイヤの巻き方向に対して垂直な平面において、略楕円形状の断面を有する略環状形状であり、
前記巻線コイルが、前記コイルの熱伝導率が、０．８Ｗ／ｍ＊Ｋを上回るようなレベルの充填率、すなわち全容積に対する金属容積を有することを特徴とするコイル（１）。
【請求項２】
請求項１に記載のコイルにおいて、前記環状形状が、略円環状の断面を有する輪環トールス形状であることを特徴とするコイル。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のコイルにおいて、前記撚り線（４）が、硬化樹脂によって電気的に絶縁されるか、又は、硬化樹脂及び半硬化樹脂（５）によって電気的に絶縁されることを特徴とするコイル。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載のコイルにおいて、各撚り線（４）の、各位置における断面が、隣接する撚り線に密着するように形づくられ、前記ワイヤの空隙を実質的に縮小させることを特徴とするコイル。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載のコイル（１）であって、コア（７）に埋め込まれているコイル（１）を備えるインダクタ（６）において、
前記コア（７）が、金属粒子及びバインダ材料からなる軟磁性複合材料から構成され、且つ、
前記コイル（１）が、前記コイル（１）の表面積を被覆する電気的絶縁層（１１）を有するとともに、コア粒子が、前記コイルのＨ磁場と磁気的に整列されることを特徴とするインダクタ（６）。
【請求項６】
請求項５に記載のインダクタにおいて、前記コア（７）が、前記コイルを被覆する環状形状を有することを特徴とするインダクタ。
【請求項７】
請求項５又は６に記載のインダクタにおいて、前記コイルの中心を通る前記中心軸（Ｃ）に対して垂直な平面に沿った断面で見た場合の、前記コイルの内側において、前記中心軸の方に向かって前記コアの外側におけるのと実質的に同一の前記コアの断面積を有することによって、前記コイル（１）が、前記コイルの表面から見た場合に、全方向に実質的に同一の（全方向に同一容量の）電磁流を前記コア材料内で供給するための最適な位置に配置されることを特徴とするインダクタ。
【請求項８】
請求項７に記載のインダクタにおいて、前記コイル（１）が、前記最適な位置からずれて、前記コイルから前記インダクタの中心の方に向けて、前記インダクタの周辺に向けるよりも高い電磁流を供給することを特徴とするインダクタ。
【請求項９】
請求項５乃至８の何れか１項に記載のインダクタにおいて、前記コア（７）が、前記略環状の形状を改変して表面積を増大させる表面増大構造（１０）を備えることを特徴とするインダクタ。
【請求項１０】
請求項１乃至４の何れか１項に記載のコイル（１）を製造する方法において、
前記ワイヤ（２）に前記絶縁層を塗布するステップと、
前記ワイヤ（２）を前記中心軸（Ｃ）の周りに巻き付けるステップと、
前記巻線を、圧縮手段を使用して円環状の断面を有する輪環トールス形状に圧縮するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載のコイル（１）を製造する方法において、前記圧縮の間に、電流が前記ワイヤ（２）に印加されることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項６乃至１０の何れか１項に記載のインダクタを製造する方法において、
金属粒子からなる前記軟磁性複合材料及びバインダ材料を鋳型に入れるステップと、
前記材料の前記鋳型成形及び／又は硬化段階の間に、前記鋳型に磁界を配置して、前記コア粒子を前記Ｈ磁場と磁気的に整列させるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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