(57)【要約】      （修正有）【課題】インダクタンスや直流重畳特性の低下を招くことなく、巻線からの放熱性を高める。【解決手段】軟磁性粉と結合材を主に含有するコンポジット磁性体２と、前記コンポジット磁性体に少なくとも一部が埋設された巻線１と、前記巻線表面の少なくとも一部に近接する伝熱軟磁性体３を備え、前記伝熱軟磁性体は前記コンポジット磁性体外部への放熱経路と接続され、前記伝熱軟磁性体は、前記コンポジット磁性体よりも熱伝導率が高い線輪部品とする。【選択図】図２
2012235051.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟磁性粉と結合材を主に含有するコンポジット磁性体と、前記コンポジット磁性体に少なくとも一部が埋設された巻線と、前記巻線の表面の少なくとも一部に近接して配置する伝熱軟磁性体を備え、前記伝熱軟磁性体は前記コンポジット磁性体外部への放熱経路と接続され、前記伝熱軟磁性体は、前記コンポジット磁性体よりも熱伝導率が高いことを特徴とする線輪部品。
【請求項２】
前記巻線に通電する交流電流の周波数が１ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ以下であり、前記巻線に通電する電流のうち、１００ｋＨｚより高い周波数成分を除くピーク値が２０Ａ以上、５００Ａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の線輪部品。
【請求項３】
前記巻線から前記放熱経路へと流れる熱流路と垂直な前記伝熱軟磁性体の断面の最小幅が１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の線輪部品。
【請求項４】
前記巻線表面と近接する前記伝熱軟磁性体の表面積と、前記巻線から前記放熱経路へと流れる熱流路と垂直な前記伝熱軟磁性体の断面積は、前記巻線の内周面または外周面全体の面積の少なくとも２％以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の線輪部品。
【請求項５】
前記コンポジット磁性体と前記伝熱軟磁性体を収容するケースをさらに備え、前記伝熱軟磁性体は前記ケースと接し、前記巻線は前記伝熱軟磁性体により支持され、前記ケースには前記伝熱軟磁性体を固定する手段が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の線輪部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軟磁性体にコイルの少なくとも一部を埋設した線輪部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁樹脂の中に磁性体の粉末が分散した磁性粉末混合樹脂からなるコアに、通電により磁束が発生するコイルが埋設されているリアクトルが特許文献１に開示されている。
【０００３】
また、特許文献１には、コアよりも熱伝導率が高い、アルミニウム等の材料からなる板状の放熱フィンを複数個、その主表面がコイルの軸線に平行であり、かつ該軸線を中心とした放射状となるようにコア内に設けることで、コイルから発生した熱を効果的に冷却できるとともに、インダクタンスの低下を防止できるリアクトルの構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１８２９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載があるように、円筒状に巻きまわされたコイルの周囲をコアに埋設しケースに収納する構造のリアクトルにおいて、コイルで発生した熱は、コアを介しケースに達することとなるが、このような熱流路においては熱抵抗の高いコアの部分の影響が大きくなる。
【０００６】
すなわち、コアの熱伝導率は一般のプラスチック等より高いとはいえ３〜６Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であるのに対し、コイルは一般に電気抵抗が低い銅などが用いられ、その熱伝導率は４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）と高く、ケースも例えば熱伝導率が９６Ｗ／（ｍ・Ｋ）と高いアルミなどが用いられる。従って、相対的に熱抵抗が高いコアが放熱性を阻害してしまう。
【０００７】
そこで特許文献１に記載があるように、コア内にアルミニウム等の非磁性体よりなる放熱フィンを設ける構成を用いると、コイルからケースへの放熱性を高めることはできるが、コア内部で放熱フィンが占める体積比率が増加するため、軟磁性体の占める体積比率が減少し、インダクタンスや直流重畳特性の低下が起きるという課題がある。
【０００８】
また、コイルで発生した熱が板状の放熱フィンを伝わるうち、放熱フィン表面よりコアへと散逸してしまうことから、ケースへの放熱が充分行なわれ難いという課題もある。
【０００９】
従って本発明の目的は、インダクタンスや直流重畳特性の低下を招くことなく、コイルすなわち巻線からの放熱性を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
軟磁性粉と結合材を主に含有するコンポジット磁性体と、前記コンポジット磁性体に少なくとも一部が埋設された巻線と、前記巻線の表面の少なくとも一部に近接して配置する伝熱軟磁性体を備え、前記伝熱軟磁性体は前記コンポジット磁性体外部への放熱経路と接続され、前記伝熱軟磁性体は、前記コンポジット磁性体よりも熱伝導率が高い線輪部品により、本発明は上記課題を解決する。
【００１１】
導体線を巻いた巻線を取り囲むコンポジット磁性体の一部をコンポジット磁性体よりも熱伝導率が高い伝熱軟磁性体に置き換え、高熱伝導率のケース、水冷管などの放熱経路へと伝熱軟磁性体を接続させることで、インダクタンスや直流重畳特性の低下を招くことなく、巻線から放熱経路への熱伝導性を高めることができる。
【００１２】
なお、伝熱軟磁性体として例えば電磁鋼板や圧粉磁芯を用いることもでき、コンポジット磁性体よりも飽和磁化や透磁率の高い軟磁性材料を選択することができるため、インダクタンスや直流重畳特性をより向上させることも可能となる。従って伝熱軟磁性体がコンポジット磁性体に対して占める体積比率を大きく、コンポジット磁性体と接触する面積を小さくすることができるため、巻線表面からの熱が伝熱軟磁性体表面を通じてコンポジット磁性体へ散逸することが少なくなり、伝熱軟磁性体に効率よく伝達させることが可能となる。
【００１３】
すなわち、熱伝導率の低いコンポジット磁性体を熱伝導率が高い伝熱軟磁性体に置き換えることで効果的にコイルの熱をケースに伝熱することができるとともに、アルミ等の非磁性の放熱部材をコンポジット磁性体内に設けることで生じる磁気特性等の低下や渦電流損失の増加の問題もなく、充分に放熱できる熱流路を形成することが可能となる。
【００１４】
また、伝熱軟磁性体の隙間にコンポジット磁性体を充填した構成でもあるため、磁気特性と放熱性を兼ね備えることができるため、磁気回路や放熱回路上の特別な工夫をする必要がなく、構造設計や製造工程を単純化できることから、コスト削減にも繋がる。
【００１５】
また、伝熱軟磁性体として圧粉磁心や積層電磁鋼板を用いた場合、伝熱軟磁性体がコンポジット磁性体に埋設されるため、圧粉磁心の欠けや、積層電磁鋼板の剥がれを防ぐことができる。
【００１６】
さらに、例え軟磁性コア内部で熱が発生しても、巻線と伝熱軟磁性体を広い面積に渡って、可能な限り密接に接触させておけば、格段に熱伝導率の高い巻線と熱伝導率の高い伝熱軟磁性体とによって軟磁性コア内部の熱を迅速に放熱させることができる。
【００１７】
なお、前記巻線に通電する交流電流の周波数が１ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ以下であり、前記巻線に通電する電流のうち、１００ｋＨｚより高い周波数成分を除くピーク値が２０Ａ以上、５００Ａ以下であることが望ましい。
【００１８】
このような昇圧回路用リアクトルなどに良く用いられる条件下では、巻線からの発熱がコンポジット磁性体からの発熱よりも大きいため、本発明による放熱効果を大きく発揮することとなる。
【００１９】
また、前記巻線から前記放熱経路へと流れる熱流路と垂直な前記伝熱軟磁性体の断面の最小幅が１ｍｍ以上であることが望ましい。
【００２０】
伝熱軟磁性体内の熱流路と垂直な断面の最小幅を大きくすることで、伝熱軟磁性体とコンポジット磁性体の接する面積を小さくすることができ、伝熱軟磁性体内を伝達する熱がコンポジット磁性体へ散逸するのを抑えることで、巻線表面の熱が伝熱軟磁性体を介して効率よく放熱される。
【００２１】
また、前記巻線表面と近接する前記伝熱軟磁性体の表面積と、前記巻線から前記放熱経路へと流れる熱流路と垂直な前記伝熱軟磁性体の断面積は、前記巻線の内周面または外周面全体の面積の少なくとも２％以上であることが望ましい。
【００２２】
前記巻線表面と近接する前記伝熱軟磁性体の表面積と、前記伝熱軟磁性体における熱流路と垂直な断面積を、前記巻線の内周面または外周面全体の面積の少なくとも２％以上とすることで、巻線表面の熱を効率良く伝熱軟磁性体に伝達させ、さらに伝熱軟磁性体内の熱流路と垂直な断面積を大きくする、すなわち伝熱軟磁性体とコンポジット磁性体の接する面積を小さくすることで、伝熱軟磁性体内を伝達する熱がコンポジット磁性体へ散逸することを抑え、巻線表面の熱が伝熱軟磁性体を介して効率よく放熱される。
【００２３】
また、前記コンポジット磁性体と前記伝熱軟磁性体を収容するケースをさらに備え、前記伝熱軟磁性体は前記ケースと接し、前記巻線は前記伝熱軟磁性体により支持され、前記ケースには前記伝熱軟磁性体を固定する手段が設けられていることが望ましい。
【００２４】
本発明の伝熱軟磁性体には巻線に近接する部分があるため、巻線を伝熱軟磁性体により支持する形態にすることも可能であり、伝熱軟磁性体がケースに設けた穴、突起、溝、凹凸、接着剤などにより固定されていれば、巻線が位置ずれを起こすことも無いため、コンポジット磁性体を形成する際の作業性が向上する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明により、インダクタンスや直流重畳特性の低下を招くことなく、巻線からの放熱性を高めた線輪部品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明における線輪部品の一例を示す巻線中心の巻き軸を含む断面図。
【図２】本発明における線輪部品の他の一例を示す巻線中心の巻き軸を含む断面図。
【図３】本発明における線輪部品の別の一例を示す巻線中心の巻き軸を含む断面図。
【図４】本発明における線輪部品の別の一例を示す巻き軸に垂直な断面図。
【図５】本発明における伝熱軟磁性体の熱伝導率と巻線内周面中央部の温度上昇値との関係を示す図。
【図６】本発明における伝熱軟磁性体の厚さと巻線内周面中央部の温度上昇値との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の実施形態について説明する。
【００２８】
図１は、本発明における線輪部品の一例を示す巻線中心の巻き軸を含む断面図を示している。円筒面を周回するよう導体線を巻いて形成した巻線１が、軟磁性粉と結合材を主に含有するコンポジット磁性体２に埋設され、巻線１の底部すなわち巻軸方向端部の全体と接するよう伝熱軟磁性体３が設けられ、巻線１、コンポジット磁性体２、伝熱軟磁性体３を収容するケース４が設けられ、ケース４内面と伝熱軟磁性体３の底部が接している。
【００２９】
図１の線輪部品は、例えば、予め伝熱軟磁性体３をケース４の底部に固定しておき、伝熱軟磁性体３の上に巻線１を固定し、未硬化のコンポジット磁性体２をケース４に注ぎ込み巻線１と伝熱軟磁性体３を埋設して、コンポジット磁性体２を硬化させることで作成することができる。固定する手段としては、接着、凹凸の形状による位置決め等を用いることができるが、これに限定されない。
【００３０】
なお、伝熱軟磁性体３をケース４の底部に設置しておき、伝熱軟磁性体３の一部が埋設されるまで未硬化のコンポジット磁性体２をケース４に注ぎ込み、硬化させた後、伝熱軟磁性体３の上に巻線１を載せ、未硬化のコンポジット磁性体２を巻線１と伝熱軟磁性体３が埋設されるまで注ぎ込み、硬化させることでも作成できる。
【００３１】
コンポジット磁性体２は、軟磁性粉と結合材を主に含有し、ケース４に注入する際の流動性を調整するために非磁性粉等を適宜添加してもよい。
【００３２】
軟磁性粉は、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ等の軟磁性金属粉や、フェライト粉砕粉などが挙げられるが、放熱性が重要視される大電流用途では、軟磁性金属粉が好適に用いられる。
【００３３】
また、結合剤は、液状のエポキシ樹脂等を用いた場合に軟磁性粉末を隙間無く充填できるため、放熱性も良く、好適に用いられる。
【００３４】
伝熱軟磁性体３は、コンポジット磁性体２よりも熱伝導率が大きい材料、例えば積層電磁鋼板や圧粉磁心等が挙げられる。積層電磁鋼板の面内方向の熱伝導率は８３Ｗ／（ｍ・Ｋ）、圧粉磁心の熱伝導率は組成により異なり、例えばＦｅ−３質量％Ｓｉでは２７Ｗ／（ｍ・Ｋ）、Ｆｅ−６．５質量％Ｓｉで１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるが、いずれもコンポジット磁性体の熱伝導率３〜６Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも十分に高くすることができる。
【００３５】
図２は、本発明における線輪部品の他の一例を示す巻線中心の巻き軸を含む断面図を示している。円筒面を周回するよう導体線を巻いて形成した巻線１が、軟磁性粉と結合材を主に含有するコンポジット磁性体２に埋設され、巻線１の内周面全体と接するよう伝熱軟磁性体３が設けられ、巻線１、コンポジット磁性体２、伝熱軟磁性体３を収容するケース４が設けられ、ケース４内面と伝熱軟磁性体３の底部が接している。
【００３６】
図２の線輪部品も図１と同様の手順で作成できるが、予め巻線１を伝熱軟磁性体３に固定しておいても良い。
【００３７】
図３は本発明における線輪部品の別の一例を示す巻線中心の巻き軸を含む断面図を、図４は本発明における線輪部品の別の一例を示す巻き軸に垂直な断面図を示している。
【００３８】
本実施形態が図１並びに図２の実施形態と異なる点は、ケース４に溝４１を設け、伝熱軟磁性体３を積層電磁鋼板等の成形部材を用いる点が異なっている。
【００３９】
図３、図４に示す線輪部品は、例えば、ケース４の溝４１に沿って伝熱軟磁性体３を挿入し、巻線１を伝熱軟磁性体３に挿入し、未硬化のコンポジット磁性体２をケース４に巻線１を埋設するまで注ぎ込み、硬化させることで作成できる。
【００４０】
伝熱軟磁性体３は、ケース４の溝４１によって固定され、巻線１は伝熱軟磁性体によって固定されるため、未硬化のコンポジット磁性体２をケース４に注ぎ込む際に伝熱軟磁性体３や巻線１の位置ずれが起きるのを防ぐことができる。
【００４１】
また、伝熱軟磁性体３における巻線１内周部に当たる中芯部３１の高さを、線輪部品に必要なインダクタンスや直流重畳特性に合わせて設定してもよい。
【００４２】
なお、線輪部品に求められる耐熱温度は用途によりさまざまであるが、長期信頼性を考慮すると、発熱による温度上昇は低いほうが望ましいため、放熱性を高め、使用時の温度上昇を抑える必要がある。一般の電子部品の耐熱性は例えば８０〜１５０℃程度で設計されることから、線輪部品の使用時の温度は、この範囲内であることが望ましい。
【実施例】
【００４３】
本発明の一例を、図を参照しながら説明する。
【００４４】
（実施例１）
図１は、本発明における線輪部品の一例を示す巻線中心の巻き軸を含む断面図である。
【００４５】
巻線１は素線断面が３ｍｍの丸線を３４ターンで構成し、外径８５ｍｍ、内径５１ｍｍ、高さ２２ｍｍである。また、アルミ製のケース４内径は１０５ｍｍ、高さは４０ｍｍである。ケース４内部は全てコンポジット磁性体２で充填され、巻線はケース４内の中心に配置する構造で作成した。なお、巻線１底部とアルミケース底部の間には伝熱軟磁性体３を設置している。
【００４６】
巻線を構成する丸線の熱伝導率は４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ケースの熱伝導率は９６Ｗ／（ｍ・Ｋ）、コンポジット磁性体の熱伝導率は３Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、１０ｋＨｚ、６０Ａｐ−ｐの交流電流に直流電流を８０Ａ重畳させて巻線に通電したときの線輪部品の温度上昇値、すなわち本発明における伝熱軟磁性体の熱伝導率と巻線内周面中央部の温度上昇値との関係を図５に示す。
【００４７】
なお、素子の温度は内部に埋設した熱電対等によって測定されるが、熱電対自体の精度や取り付け位置等のばらつきもあり、伝熱軟磁性体を用いなかった熱伝導率が３Ｗ／（ｍ・Ｋ）の場合の温度上昇値と、伝熱軟磁性体を用いた熱伝導率が３Ｗ／（ｍ・Ｋ）より大の場合の温度上昇値の差が５Ｋ以上であれば、顕著な差があるとみることができる。
【００４８】
図５の結果からは、伝熱軟磁性体の熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であれば、伝熱軟磁性体を用いなかった場合よりも温度上昇値に５Ｋ以上の差異があるため、充分な放熱効果が得られていることが分かる。
【００４９】
なお、ケース４に冷却手段を設置することによって、温度上昇値をさらに抑制することも可能である。
【００５０】
（実施例２）
図２は、本発明における線輪部品の一例を示す巻線中心の巻き軸を含む断面図である。
【００５１】
巻線１は素線断面が３ｍｍの丸線を３４ターンで構成し、外径８５ｍｍ、内径５１ｍｍ、高さ２２ｍｍである。また、アルミ製のケース４内径は１０５ｍｍ、高さは４０ｍｍである。ケース４内部は全てコンポジット磁性体２で充填され、巻線はケース４内の中心に配置する構造で作成した。なお、巻線１内周面とアルミケース底部の間には円筒状の伝熱軟磁性体３を設置している。ここで、伝熱軟磁性体の巻線１からケース４へ向かう熱流路に垂直な断面は、図２における水平面となるため、断面の最小幅は円筒状の伝熱軟磁性体３の厚さと等しい。
【００５２】
巻線を構成する丸線の熱伝導率は４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ケースの熱伝導率は９６Ｗ／（ｍ・Ｋ）、コンポジット磁性体の熱伝導率は３Ｗ／（ｍ・Ｋ）、伝熱軟磁性体の熱伝導率は２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、１０ｋＨｚ、６０Ａｐ−ｐの交流電流に直流電流を８０Ａ重畳させて巻線に通電したときの線輪部品の温度上昇値、すなわち本発明における伝熱軟磁性体の厚さと巻線内周面中央部の温度上昇値との関係を図６に示す。
【００５３】
なお、実施例１と同様に、厚さが０ｍｍの場合である伝熱軟磁性体を用いなかった場合の温度上昇値と、厚さが０ｍｍより大きい場合である伝熱軟磁性体を用いた場合の温度上昇値の差が５Ｋ以上あれば、顕著な差があるとみることができる。
【００５４】
図６の結果から、伝熱軟磁性体３の厚さが１ｍｍ以上、より望ましくは３ｍｍ以上であれば、伝熱軟磁性体を用いなかった場合よりも温度上昇値が５Ｋ以上低いため、充分な放熱効果が得られていることが分かる。
【００５５】
すなわち、巻線１の内周面の面積は、π×５１ｍｍ×４０ｍｍ、すなわち約６４０９ｍｍ２であり、熱流路は巻線１からケース４の底部に向かっていることから、熱流路の向きに垂直な伝熱軟磁性体３の断面積は、π×（５１ｍｍ÷２）２−π×（４９ｍｍ÷２）２、すなわち約１５７ｍｍ２であるため、伝熱軟磁性体３における熱流路と垂直な断面積は、前記巻線１の内周面または外周面全体の面積の少なくとも２％以上、より望ましくは７％以上であれば、充分な放熱効果が得られることが判る。
【００５６】
なお、巻線１表面と近接する前記伝熱軟磁性体３の表面積は、巻線１表面の熱を伝熱軟磁性体３に効率よく伝達するため、前に述べた断面積と同等以上であることが求められる。
【００５７】
また、ケース４に冷却手段を設置することによって、温度上昇値をさらに抑制することも可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１  巻線
２  コンポジット磁性体
３  伝熱軟磁性体
３１  中芯部
４  ケース
４１  溝
【図１】
2012235051.tif 000003
【図２】
2012235051.tif 000004
【図３】
2012235051.tif 000005
【図４】
2012235051.tif 000006
【図５】
2012235051.tif 000007
【図６】
2012235051.tif 000008