JP5601661B2 - 大電力用インダクタンス装置 - Google Patents

Description

本発明は、大電流が流れる大型のインダクタンス装置に関し、更に詳しく述べると、磁路を形成するフェライト磁心を、複数個のフェライトコアが互いに隙間を空けて且つ磁路が平行となるように並置されたコア集合体で構成し、フェライトコア同士の各隙間に金属板を挿入して熱路断面積を増加させ、放熱構造物への伝熱効率を向上させることで温度上昇を抑えた大電力用インダクタンス装置に関するものである。この技術は、特に、電力容量の大きな車載用のトランスやコイルなどに有用である。

車載用のＤＣ−ＤＣコンバータは、大電流で動作するトランスやコイルを必要とする。これらの大電力用インダクタンス装置は、高周波領域での動作が要求されるため磁心材料としてフェライトが用いられている。しかし、フェライトは、飽和磁束密度があまり大きくないために磁気飽和し易い。そのため大きな磁路断面積を確保しなければならず、必然的にフェライト磁心は大型化し、また巻線に大電流が流れるために発熱量も増大する。

周知のように、各種の電子機器は動作時の発熱によって温度が上昇し、その温度上昇が甚だしく部品を構成する材料の耐熱温度を超えると、部品の損傷や劣化に至る。大電流で動作する大型のインダクタンス装置は、発熱量も大きく、そのためフェライト磁心の一部を筐体やプリント基板、放熱板などの放熱構造物に直接的に、あるいは接着剤などの材料を介して間接的に、または微小エアギャップを挟んで疑似接触させるなどして、発生した熱の大部分をフェライト磁心を経由して放熱構造物に逃がす発熱対策が施されている（例えば、特許文献１など参照）。

このような手法によって、フェライト磁心の冷却面側（放熱構造物との対向面側）の温度は低下するが、フェライトは一般に熱伝導率が低いため、冷却面から離れた部分の温度は冷却面側ほどには下がらず、かなりの温度差が生じる。フェライト磁心が大型になればなるほど、熱流路長が長くなるため熱抵抗が大きくなり、冷却面から離れた部分と冷却面近傍部分との温度差は拡大する。特に、大電力用の大型インダクタンス装置では、発熱量も大きくなるため、冷却面から離れた部分での温度上昇を防ぐことは難しい。

次に、フェライトは焼結体であることから、一般に、大型のフェライト磁心を寸法精度よく量産することは難しいという問題がある。大型化すればするほど、焼成時に反りなどの変形が生じ易く、甚だしい場合には亀裂などが発生する恐れがあり、製造歩留まりを低下させる要因となる。そこで、大型のフェライト磁心を、複数個の比較的小さなコアの集合体とする手法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。これによれば、複数個のフェライトコアを磁路が平行となるように密着並置することによって、必要な磁路断面積を得ている。

しかし、フェライトコア同士を密着状態で結合すると、動作時の熱変形による過大な応力や振動などによってフェライトコア同士が衝突し、コア欠けや甚だしい場合にはコア割れなどの不具合が生じる恐れがあり、信頼性に欠ける問題がある。

このため従来技術では、電力容量の増大に伴うフェライト磁心の温度上昇の問題と、フェライト磁心の大型化に伴う生産性・信頼性の低下などの問題を、同時に解決することが要求されるが、それができていないのが現状である。

特開２００３−１８８０３３号公報 特開２００５−２２８８５８号公報

本発明が解決しようとする課題は、大電力用のインダクタンス装置において、大型のフェライト磁心を安価に且つ容易に製造できるようにすると共に、放熱効率を高めてコア温度上昇を抑制し、信頼性を向上させることである。

本発明は、フェライト磁心と、該フェライト磁心に施される巻線を具備し、フェライト磁心の表面の少なくとも一面で放熱構造物に実装されるインダクタンス装置において、前記フェライト磁心は、完全閉磁路構造もしくは磁気ギャップを備えた準閉磁路構造のフェライトコアを、複数個、互いに隙間を空けて且つ磁路が平行となるように並置したコア集合体で構成され、フェライトコア同士の前記隙間に金属板が、該金属板の平面部がフェライトコアと対向するように挿入され、全てのフェライトコアに対して共通の巻線を施し、各フェライトコアの外周面の少なくとも一平面が放熱構造物と直接的もしくは間接的に接触し、且つ前記金属板の少なくとも一端面が前記放熱構造物と対向する形態で実装されるようにしたことを特徴とする大電力用インダクタンス装置である。なお、本発明において「大電力用」とは、電力容量が数ｋＷ以上、典型的には数ｋＷ〜十数ｋＷ程度を指している。

ここで、各フェライトコアは、それぞれ磁路を横切る接合面を有する部分コアの組み合わせからなるのが好ましい。その場合、各フェライトコアを構成する部分コアの少なくとも一方がＥ型コアであり、他方がＥ型コアもしくはＩ型コアであって、Ｅ型コアの中脚部分に巻線が施されている構造とする。各フェライトコアを構成する部分コアの少なくとも一方がＵ型コア、他方がＵ型コアもしくはＩ型コアであってもよい。

ここで金属板は、例えば該金属板と対向するフェライトコアの側面と同じ形状の平板とする。あるいは、フェライトコアの側面形状に応じた櫛型形状の平板でもよい。その他、金属板としては、該金属板と対向するフェライトコアの側面形状に応じた櫛型形状の挿入部分と、放熱構造物近傍部分を除く外周部の一部がフェライトコアの外周よりも張り出している延伸部分とが一体となった平板であってもよい。

本発明に係る大電力用インダクタンス装置は、フェライト磁心を、複数個のフェライトコアの集合により構成するため、１個１個のフェライトコアは比較的小型のものでよく、製造の歩留まりが上がり、容易に且つ安価に製造できる。複数個のフェライトコアは、互いに隙間を空けて並置され、コア同士が直接当接していないため、動作時の熱変形や振動などが生じてもコア同士が衝突することが無く、コア欠けやコア割れなどの不具合が生じる恐れはない。

また、複数個のフェライトコアは、磁路が平行となるように並置される構成のため、コア数を増やすことで必要な磁路断面積を確保することができ、製品仕様に柔軟に対応できる。更に本発明では、フェライトコア同士の各隙間に金属板が挿入されているので、実質的な熱路断面積が大きくなり、発生した熱を効率よくコアから放熱構造物へ放散させることができ、コア温度の上昇抑制を図ることができる。なお、金属板は、フェライトコア同士の隙間に挿入する方式であるため、既存の隙間の有効利用が図れ、装置が過度に大型化する恐れはない。

これらによって、本発明によれば、発熱量がより大きくなってもコア温度の上昇を最小限に抑えることができ、特に大電力用インダクタンス装置の小型化や低コスト化が図れる点で極めて有効である。

本発明に係る大電力用インダクタンス装置の一実施例を示す説明図。 本発明の他の実施例の説明図。 本発明の更に他の実施例の説明図。 本発明の他の実施例を示す説明図。

図１は、本発明に係る大電力用インダクタンス装置の一実施例を示している。このインダクタンス装置は、数ｋＷ〜十数ｋＷ程度の大電力用のトランスやコイルであり、フェライト磁心と、該フェライト磁心に施される巻線を具備している。図１において、Ａはフェライト磁心の斜視図であり、Ｂはフェライトコアの側面から見た状態を、Ｃは金属板の表面から見た状態を、それぞれ表している。本発明では、前記フェライト磁心は、図１のＡに示すように、複数個（図１のＡでは５個）のフェライトコア１０を互いに隙間を空けて且つ磁路が平行となるように並置したコア集合体からなり、前記フェライトコア同士の各隙間に金属板１２が挿入され、図１のＢあるいはＣに示すように、それら全てのフェライトコアに対して共通の巻線１４が施されている構造である。

各フェライトコア１０は、それぞれ磁路を横切る接合面を有する部分コアの組み合わせからなる。ここでは、部分コアは両方共にＥ型コア１６であり、両方のＥ型コア１６の脚部先端面同士が対向密接し完全閉磁路を形成するように組み合わせている。そして、それらＥ型コア１６の中脚部分に巻線が施される。勿論、部分コアの一方がＥ型コア、他方がＩ型コアの組み合わせでもよい。コア材としては、例えばＭｎ系フェライトを用いる。金属板１２は、対向するフェライトコアの側面と同じ形状の平板であり、アルミニウム板が好ましいが、銅板などでもよい。この実施例では、各フェライトコアの下面及び金属板の下端面が面一となって放熱構造物１８と直接的もしくは間接的に接触する形態で実装される。放熱構造物１８は、例えば筐体やプリント基板、放熱板などである。

本発明において、各フェライトコア１０と金属板１２とは必ずしも密着させる必要はない。多少の隙間があっても、十分な伝熱性能を発揮させることはできる。シリコーン系などの軟質の接着剤を用いて、ピンポイントで、あるいは面的にフェライトコアと金属板とを接着してもよい。なお、金属板は、フェライトコアで形成される磁路に対して平行に配置され、磁束と鎖交することがないため、金属板が存在していても電磁的な損失は生じない。

周知のように、ある部材（断面積Ｓ×長さＬ）に熱流束Φが流れる場合、その部材の両端には温度差ΔＴが生じ、その温度差ΔＴは、
ΔＴ∝Ｌ／Ｓ・λ・Φ（但し、λ：熱伝導率）
で表され、断面積Ｓに反比例し、熱伝導率λに比例する。熱流路材料として、Ｍｎ系フェライトと金属を比較した場合、熱伝導率は、金属の方がフェライトよりも５〜４０倍程度大きいため、同じ寸法の部材で比較すると温度差は１／５〜１／４０になる。例えば、金属部材の熱伝導率がＭｎ系フェライトコアの１０倍の場合、金属部材の熱路断面積が１／１０でもフェライト部材と同程度の温度差となる。このため、フェライトコアの側面近傍に金属板を配置した場合、フェライトコアの１／１０の厚さの金属板でも、フェライトコア換算で同程度の熱路断面積が得られることになり、フェライトコアと金属板とで実質的にコア単体の２倍の熱路断面積が得られる。

従って、巻線への大電流通電によりインダクタンス装置を駆動させたときに発生する熱は、フェライトコアを通して直接放熱構造物へと流れるばかりでなく、フェライトコアから金属板を介して放熱構造物へと流れ、それらの作用が相俟ってコア温度は大幅に低下する。フェライトコアと金属板が密着していなくても、近接していれば熱は伝達され、必要な冷却効果は得られる。

図２は、本発明の他の実施例を示している。図２のＡでは、フェライトコア１０と金属板２０のそれぞれの形状を示している。フェライトコアは、図１と同様、２つのＥ型コア１６を組み合わせ、完全閉磁路を形成する形状である。それに対して金属板２０は、フェライトコアの側面形状に応じた櫛型形状にしている。即ち、下部を共通として放熱構造物１８に接するようにし、その共通の下部から中央脚部と両側脚部に対応してフェライトコアの上端部まで上方に延びるような上向き櫛型形状である。図２のＢは、金属板２０の表面から見た状態を表している。金属板２０をこのような櫛型形状にすると、伝熱性が多少低下するため冷却効果は若干下がるものの、金属板の角穴に線材を通す必要がないため、巻線作業は容易となるし、成型された巻線であっても装着可能となる利点がある。

図３は、本発明の更に他の実施例を示している。図３のＡでは、フェライトコア２２と金属板２４の形状を示している。フェライトコアは、Ｅ型コア−Ｅ型コアの組み合わせであるが、共に中脚部が短くなっており、そのため組み合わせたときに対向する中脚部の端面間に磁気ギャップ２６が形成される準閉磁路構成である。フェライトは飽和磁束密度が小さく磁気飽和し易いために、磁気飽和が生じないように磁気ギャップを形成することがある。磁路に磁気ギャップを設けた場合、磁気ギャップ近傍に金属板があると、漏洩磁束が金属板に鎖交して渦電流が生じ、その渦電流によって金属板が発熱する。そこで、漏洩磁束が金属板と鎖交しないように、金属板２４の中央部分を切り欠いて、対向するフェライトコアの側面とほぼ同じ形状とし、磁気ギャップ近傍には金属が存在しないように工夫している。金属板の表面から見た状態を、図３のＢに示す。ここでは、金属板の中央部分の切り欠き幅が磁気ギャップよりも若干広くなるように設定している。

図４は、本発明の他の実施例を示している。図４のＡでは、フェライトコア１０と金属板２８の形状を示している。ここではフェライトコア１０を、図１と同様のＥ型コア−Ｅ型コアの組み合わせとしたが、図３のように磁気ギャップを有するものでもよい。図４のＢはコア側面から見た状態を、Ｃはそれに垂直な方向から見た状態を、それぞれ表している。金属板２８は、それと対向するフェライトコアの側面形状に応じた櫛型形状の挿入部分２８ａと、放熱構造物近傍部分を除く外周部の一部がフェライトコア１０の外周よりも張り出している延伸部分２８ｂとが一体となった平板である。ここでは、金属板２８の下端部分が放熱構造物１８に近接し、上端部分がコア上面よりも上方まで延伸されている。図４のＢにおいて、矢印で示す方向に空気流を生じさせることで、金属板２８は強制空冷され、インダクタンス装置の冷却効果を更に高めることができる。また、図２と同じように、金属板２８を櫛型形状（但し、下向き）とすることで、組み立て性を改善している。

図１に示す構成で、隣接するフェライトコアとフェライトコアとの隙間に金属板（アルミニウム板）を挿入し、巻線に通電して駆動した場合のコア温度を表１に示す。ここで、コア幅は２０ｍｍ、金属板の厚さは１ｍｍとし、コアと金属板との隙間は約０．２ｍｍである。表１から分かるように、金属板を挿入すると、金属板が無い場合に比べて、コア上面の温度を１０℃程度下げることができた。

各フェライトコアを構成する部分コアは、上記実施例のようなＥ型コア−Ｅ型コアの組み合わせの他、Ｅ型コア−Ｉ型コアの組み合わせでもよいし、Ｕ型コア−Ｕ型コアあるいはＵ型コア−Ｉ型コアの組み合わせなどでもよい。フェライトコアの幅に対する金属板の厚みの比率は、コア幅や電力容量、材質などにもよるが、１／４０〜１／５の範囲内、より好ましくは１／３０〜１／１０程度の範囲内で設定するのがよい。前記比率が小さすぎると十分な放熱効果を得ることが難しくなり、逆に比率が大きすぎれば大型化するばかりでなくコストアップにも繋がるからである。

１０ フェライトコア
１２ 金属板
１４ 巻線
１６ Ｅ型コア
１８ 放熱構造物

Claims (5)

1. フェライト磁心と、該フェライト磁心に施される巻線を具備し、フェライト磁心の表面の少なくとも一面で放熱構造物に実装されるインダクタンス装置において、
   前記フェライト磁心は、完全閉磁路構造もしくは磁気ギャップを備えた準閉磁路構造のフェライトコアを、複数個、互いに隙間を空けて且つ磁路が平行となるように並置したコア集合体で構成され、フェライトコア同士の前記隙間に金属板が、該金属板の平面部がフェライトコアと対向するように挿入され、全てのフェライトコアに対して共通の巻線を施し、各フェライトコアの外周面の少なくとも一平面が放熱構造物と直接的もしくは間接的に接触し、且つ前記金属板の少なくとも一端面が前記放熱構造物と対向する形態で実装されるようにしたことを特徴とする大電力用インダクタンス装置。
2. 各フェライトコアは、それぞれ磁路を横切る接合面を有する部分コアの組み合わせからなる請求項１記載の大電力用インダクタンス装置。
3. 各フェライトコアを構成する部分コアの少なくとも一方がＥ型コアであり、他方がＥ型コアもしくはＩ型コアであって、Ｅ型コアの中脚部分に巻線が施されている請求項２記載の大電力用インダクタンス装置。
4. 金属板は、該金属板と対向するフェライトコアの側面と同じ形状の平板である請求項１乃至３のいずれかに記載の大電力用インダクタンス装置。
5. 金属板は、該金属板と対向するフェライトコアの側面形状に応じた櫛型形状の挿入部分と、放熱構造物近傍部分を除く外周部の一部がフェライトコアの外周よりも張り出している延伸部分とが一体となった平板である請求項１乃至３のいずれかに記載の大電力用インダクタンス装置。

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