JP2016096227A - インダクタ - Google Patents
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Description
最初に本発明の実施態様の内容を列記して説明する。
(1)本発明の一態様に係るインダクタは、巻線を螺旋状に巻回してなる巻回部と、上記巻回部に連続する巻線引出部とを備えるコイルと、上記巻回部の内外に配置されて閉磁路を形成する磁性コアとを備える。上記磁性コアは、軟磁性粉末と樹脂とを含む複合材料によって構成され、上記巻回部を埋設する埋設部と、設置用締結部材の貫通孔をつくる筒状部材を内包するフランジ部とが一体成形された成形体である。
上記のインダクタは、コイルと磁性コアとが一体化されているため、製造過程でコイルと磁性コアとを組み付ける必要が無い。そのため、上記のインダクタは、コイルと磁性コアとがそれぞれ独立した部品である場合、更にはボビンを備える場合と比較して、組付部品数が少なく、製造性に優れる。
上記のインダクタは、設置対象に載置した後、フランジ部の貫通孔にボルトやねじといった設置用締結部材を締め付けることで設置対象に取り付けられる。そのため、上記のインダクタは、上述の取付具を利用する場合と比較して工程数が少なく、設置作業性に優れる。
・ 埋設部の一面を設置面の一部とするため、設置面が大きく、安定性に優れる。
・ 埋設部を設置面の一部とするため、フランジ部を小さくしても安定して設置できる。フランジ部を小さくすれば小型にできる上に、上述のように原料使用量を低減できる。
・ 設置面が大きいため、軟磁性粉末が熱伝導性に優れる材料からなる粉末を含む場合、コイルの熱を設置対象に良好に伝えられて放熱性に優れる。
以下、図面を適宜参照して、本発明の実施形態に係るインダクタの具体例を説明する。図中、同一名称物は、同一物を意味する。
図1,図2を参照して、実施形態1のインダクタ1Aを説明する。図2においてフランジ部35のみ、図1に示す(II)−(II)切断線、即ちフランジ部35の貫通孔35hの軸に平行に切断した部分断面図を示す。
インダクタ1Aは、巻線2wを巻回してなる巻回部20を有するコイル2Aと、巻回部20の内外に配置されて閉磁路を形成する磁性コア3Aとを備える磁性部品である。インダクタ1Aは、基板や端子台、水冷台などの設置対象100(図2)にボルトやねじといった設置用締結部材(図示せず)が締結されて固定される。このインダクタ1Aは、磁性コア3Aが軟磁性粉末と樹脂とを含む複合材料(以下、軟磁性複合材料と呼ぶことがある)の成形体である点、この成形体は巻回部20を埋設している点、この成形体は上記の設置用締結部材が挿通される貫通孔35hをつくる筒状部材350を内包するフランジ部35を一体に備える点をそれぞれ、特徴の一つとする。以下、要素ごとに説明する。
コイル2Aは、巻線2wによって構成されて、少なくとも一つのターンを有する巻回部20と、ターンを形成しない巻線引出部2Al,2Alとを備える。この例のコイル2Aは、接続部が無く、連続する1本の巻線2wを螺旋状に巻回してなる一つの巻回部20と、巻回部20に連続し、巻線2wの各端部をそれぞれ含む二つの巻線引出部2Al,2Alとを備える。巻回部20は、その全体が磁性コア3Aを構成する軟磁性複合材料に覆われた埋設部分となっている。この例の巻線引出部2Al,2Alは、上記軟磁性複合材料に覆われず露出された露出部分となっている。
コイル2Aを構成する巻線2wは、導体線の外周に絶縁被覆を備える被覆線を好適に利用できる。ここで、巻回部20は軟磁性複合材料に覆われるため、軟磁性粉末などの構成成分に接触し得る。軟磁性複合材料が金属を含む場合、インダクタ1A(コイル2A)の使用電圧によっては、巻回部20と磁性コア3Aとの間の絶縁性を高めることが望まれる。巻線2wを被覆線とすることで、軟磁性複合材料の組成によらず、巻回部20と磁性コア3Aとの間の絶縁性に優れて好ましい。
導体線は、銅やアルミニウム、その合金といった導電性材料からなる平角線や丸線が挙げられる。
絶縁被覆の構成材料は、エナメルと呼ばれるポリアミドイミドなどの電気絶縁性に優れる樹脂などが挙げられる。更に、絶縁被覆の構成材料は、耐熱性に優れるものが好ましい。インダクタ1Aの製造過程で高温のもの、具体的には軟磁性複合材料(磁性コア3A)の原料である溶融混合物に接触するからである。溶融混合物は、樹脂の種類にもよるが、例えば250℃以上350℃以下といった高温の場合がある。従って、製造過程の熱履歴を考慮して、耐熱性に優れる絶縁被覆とすることができる。
上記絶縁被覆に代えて又は絶縁被覆に加えて、コイル2Aのうち、軟磁性複合材料(磁性コア3A)に覆われる領域(主として巻回部20)に耐熱層(図示せず)を備えるコイル2Aとすることができる。耐熱層の構成材料は、耐熱性に優れる材料であって、コイル2Aに接することから電気絶縁性にも優れるものが好ましい。このような材料は、例えば、ガラス、各種のセラミックスなどの非金属無機材料、ポリイミドなどのスーパーエンジニアリングプラスチックと呼ばれる耐熱性樹脂といった有機材料などが挙げられる。耐熱層は、例えば、上述の構成材料を巻回部20などに塗布することで形成できる。
この例の巻回部20は、被覆平角線をエッジワイズ巻きしてなり、端面形状が円筒状のエッジワイズコイルである。巻回部20の個数、端面形状、ターン数などは適宜選択できる。例えば端面形状は、矩形枠状、レーストラック状などとすることができる。
インダクタ1Aは、図2に示すようにコイル2Aの巻回部20の軸方向が、設置対象100の載置面100fに直交するように設置対象100に取り付けられる形態(以下、縦置き形態と呼ぶことがある)、載置面100fに平行するように設置対象100に取り付けられる形態(後述の実施形態2。以下、横置き形態と呼ぶことがある)が挙げられる。この例のインダクタ1Aは、縦置き形態であり、設置対象100に安定して縦置きされるように磁性コア3Aが成形されている(後述)。
巻線引出部2Al,2Alは、巻回部20と、コイル2Aに電力供給する電源などの外部装置との間の導電路に利用される。各一端部は外部装置との接続箇所であり、各他端部は巻回部20との接続箇所である。巻線引出部2Alの長さ、引出方向などは適宜選択できる。この例の巻線引出部2Al,2Alはいずれも、実質的に全長に亘って巻回部20の軸に平行に引き出されている。詳しくは、巻線引出部2Al,2Alにおける巻回部20との接続箇所は、概ね巻回部20の巻回方向に沿って巻回部20の径方向に引き出された非常に短い部分であり、巻回部20の軸に概ね直交している。この接続箇所に続き、接続箇所から概ね直角にフラットワイズ曲げされて、巻回部20の軸に平行に並ぶように巻線引出部2Al,2Alが設けられている。即ち、図1に示す巻線引出部2Al,2Alでは、巻回部20側の領域だけでなく実質的に全長に亘って、巻回部20の軸に平行に引き出されている。インダクタ1Aは、巻線引出部2Al,2Alにおける巻回部20側の領域に巻回部20の軸に平行な部分を含むため、巻線引出部2Al,2Alが巻回部20に近接配置される領域が多い(図1に示す例では実質的に全長)。そのため、巻線引出部2Al,2Alにおける巻回部20側の領域を含めたインダクタ1Aを内包する仮想の直方体を小さくでき、設置スペース(設置対象100に対する投影面積)を小さくできる。設置対象100に巻線引出部2Al,2Alの一端部を直接取り付ける場合などでは、設置対象100の載置面100fに平行になるように上記一端部を折り曲げるなどしてもよい。この場合でも、巻線引出部2Al,2Alにおける他端側の領域、即ち巻回部20との接続箇所の近傍は、巻回部20に近接しており、小型である。巻線引出部2Al,2Alの引出方向がそれぞれ異なっていてもよい。
磁性コア3Aは、図1に示すように、軟磁性複合材料によって構成されてコイル2Aの一部である巻回部20を埋設する柱状の埋設部30と、埋設部30の外周面から突出する二つのフランジ部35,35とを備える複雑な立体形状を有する成形体である。また、磁性コア3Aは、埋設部30とフランジ部35,35とが一体成形された成形体である。
埋設部30は、巻回部20の内外を連続して覆い、かつ巻回部20の内周空間を埋めるように設けられることで柱状体となっている。
埋設部30の一部を構成する軟磁性複合材料が巻回部20の内周空間に充填されている。そのため、磁性コア3Aは、コイル2Aがつくる磁束の通路を十分に確保できる。
埋設部30の他部を構成する軟磁性複合材料が巻回部20の一端面を経て、巻回部20の円筒状の外周面を覆い、更に巻回部20の他端面に連続して存在する。
そのため、コイル2Aがつくる磁束は、上述の内周空間を埋める軟磁性複合材料と、上述の巻回部20の各端面及び外周面を覆う軟磁性複合材料とを経て環状に通過する。
フランジ部35は、巻回部20の外周面から巻回部20の径方向外方に突出する突片であり、筒状部材350を内包する部分である。
フランジ部35は一つでもよいが、複数備えるとインダクタ1Aを設置対象100に安定して固定し易い。複数のフランジ部35を備える場合、埋設部30の設置面30d(図2)に対して対向位置にフランジ部35を備えると、より安定性に優れて好ましい。例えば、二つのフランジ部35を設ける場合には、円形状の設置面30dの直径方向の対向位置、三つのフランジ部35を設ける場合には、円形状の設置面30dの中心角が120°ずつずれた位置などが挙げられる。また、フランジ部35は、巻線引出部2Al,2Alと干渉し難い位置に設けられていることが好ましい。本例では、埋設部30における円形状の設置面30dの中心軸を中心として点対称な位置であって、巻線引出部2Al,2Alと実質的に接触しない位置に、二つのフランジ部35,35をそれぞれ備える(図1)。
筒状部材350は、インダクタ1Aの埋設部30を設置対象100に取り付ける設置用締結部材の挿通孔35hをつくる部材である。ここで、磁性コア3Aを軟磁性複合材料とすることで、磁性コア3A自体にボルト孔を成形可能である。しかし、軟磁性複合材料は軟磁性粉末と樹脂との異種材料を含むため、ボルトの締付力に対する強度を十分に有していない場合があり、上述の成形孔とすると、ボルトの締付時に割れが生じたり、長期使用によってクリープ変形してボルトの締付力が低下したりする可能性がある。一方、挿通孔35hをつくる部材を軟磁性複合材料とは独立した部材とすれば、構成材料の選択の自由度を高められる。具体的には高強度な材料、特にボルトなどの締結部材の締付力に対して十分な強度を有する材料からなるものを利用できる。そこで、実施形態1のインダクタ1Aでは、軟磁性複合材料とは異なる材料からなる筒状部材350を備える。
この例のインダクタ1Aは、磁性コア3Aの埋設部30のうち、円形状の一端面と、フランジ部35,35の一面とを設置対象100に載置される設置面30d,35dとする。設置面30d,35dは連続する一様な平面、即ち面一な面である。これらの設置面30d,35d,35dは、インダクタ1Aを設置対象100に取り付けた状態において巻回部20の軸方向が載置面100fに直交するように、即ち縦置きになるように成形されている。そのため、インダクタ1Aを設置対象100に載置すると、巻回部30の設置面30dと、二つのフランジ部35,35の設置面35d,35dとが載置面100fに支持されて、インダクタ1Aは、設置対象100に安定して縦置きされる。
・・・軟磁性粉末
・・・・組成
軟磁性粉末の構成材料は、金属、非金属の双方があり、公知のものが利用できる。軟磁性粉末は、単一組成の粉末のみの他、複数種の組成の粉末を含むことができる。
鉄族金属元素は、Fe,Co,Niが挙げられる。
Fe基合金は、例えば、添加元素としてSi,Ni,Al,Co,及びCrから選択される1種以上の元素を合計で1.0質量%以上20.0質量%以下含有し、残部がFe及び不可避不純物からなる組成を有するものが挙げられる。具体的には、Fe−Si系合金,Fe−Ni系合金,Fe−Al系合金,Fe−Co系合金,Fe−Cr系合金,Fe−Si−Al系合金(センダスト)などが挙げられる。Fe−Si系合金のSi量は1.0質量%以上8.0質量%以下が挙げられる。
鉄族金属やFe基合金は、飽和磁化が高く、組成によっては渦電流損が低いため、磁性コア3Aがこれらの軟磁性金属粉末を含む場合には、高い飽和磁化を有するインダクタ1A、低損失なインダクタ1Aとすることができる。
軟磁性複合材料中の軟磁性粉末の含有量が多いほど磁気特性に優れる、例えば飽和磁化が高くなる傾向にある。一方、軟磁性複合材料中に樹脂を十分に含むと、樹脂は一般に非磁性材料であり、この樹脂を磁気ギャップに利用できる。そのため、図1に示すようにギャップ材を省略できて直流重畳特性に優れる。具体的な含有量は、軟磁性複合材料を100体積%として、30体積%以上80体積%以下が挙げられる。飽和磁化などを考慮すると、上記含有量は、50体積%以上、更に60体積%以上、65体積%以上、70体積%以上が好ましい。直流重畳特性、渦電流損などを考慮すると、上記含有量は、75体積%以下、更に73体積%以下、70体積%以下が好ましい。軟磁性粉末の含有量は、65体積%以上75体積%以下であるとより好ましい。
軟磁性複合材料中の軟磁性粉末の大きさが小さいほど、渦電流損が低くなり易く、充填率を高め易い。高充填化によって飽和磁化が高くなり易い。軟磁性粉末の大きさがある程度大きければ、凝集を防止できる上に、粉末粒子間に樹脂を十分に介在できる。具体的な大きさとして、平均粒径が50μm以上300μm以下が挙げられる。平均粒径は50μm以上100μm以下がより好ましい。また、軟磁性粉末は、相対的に小さい粉末粒子と相対的に大きい粉末粒子との微粗混合粉であると、充填率を高め易い。平均粒径が上記範囲であったり、微粗混合粉であったりすると、溶融混合物が流動性に優れて成形し易く、磁性コア3Aの製造性に優れる。
・・・・組成
軟磁性複合材料中の樹脂は、軟磁性粉末を分散した状態で保持すると共に、粉末粒子間に介在されて磁気ギャップとして機能する。この樹脂は、射出成形に好適に利用できる熱可塑性樹脂が好ましい。具体的な熱可塑性樹脂は、ポリアミド(PA)樹脂、ポリフェニレンスルフィド(PPS)樹脂、液晶ポリマー(LCP)、ポリイミド(PI)樹脂、フッ素樹脂などが挙げられる。PA樹脂は、例えば、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン9T、ナイロン10Tなどが挙げられる。ナイロン9TなどのPA樹脂、PPS樹脂、LCP、フッ素樹脂などは、エンジニアリング・プラスチックと呼ばれて耐熱性に優れる。そのため、ナイロン9Tなどを含むと、耐熱性に優れるインダクタ1Aとすることができる。
軟磁性複合材料中の樹脂の含有量は、直流重畳特性などを考慮すると、軟磁性複合材料を100体積%として、15体積%以上、更に20体積%以上、25体積%以上が挙げられる。飽和磁化などを考慮すると、樹脂の含有量は、50体積%以下、更に45体積%以下、40体積%以下、35体積%以下が挙げられる。
実施形態1のインダクタ1Aは、代表的には、射出成形法を利用して製造できる。詳しくは、インダクタ1Aは、成形型にコイル2Aの巻回部20と、筒状部材350とを配置し、この成形型に軟磁性粉末と樹脂とを含む溶融混合物を射出、充填して、巻回部20を埋設すると共に、筒状部材350を内包するように成形した後、冷却して固化することで得られる。上述のように、巻回部20に別途、耐熱層や耐熱絶縁層を設けたり、自己融着層を融着させて、ターン間の隙間を低減したりすることができる。
実施形態1のインダクタ1Aは、コイル2Aと磁性コア3Aとが一体成形されているため、製造時に両者の組み付けが不要であり、製造性に優れる。特にインダクタ1Aは、巻線引出部2Alが磁性コア3A(軟磁性複合材料)から露出されているため、磁性コア3Aの原料使用量を低減できる。更にインダクタ1Aは、巻線引出部2Alが磁性コア3A(軟磁性複合材料)から露出されている点、巻回部20の軸方向が設置対象100の載置面100fに直交する縦置きであり、かつフランジ部35及び埋設部30の双方が載置面100fに支持される設置面35d,30dを備えて、フランジ部35を小さくし易い点からも、磁性コア3Aの原料使用量を低減できる。
1. 磁性コア3Aに含む樹脂によって、コイル2Aを強固に保持できて強度に優れる上に、コイル2Aを保護できる。
2. 磁性コア3Aが複数のコア片などの組物ではなく一体成形物であり、更にはコイル2Aと密着しているため、組物の部品間の隙間に起因する振動や騒音が発生し難く、振動や騒音を低減できる。
3. 巻線引出部2Alにおける巻回部20側の領域が巻回部20の軸と平行に配置される部分であることで、設置対象100の載置面100fに対する投影面積が小さくなる点、巻回部20が一つである点から小型である。
4. コイルと磁性コアとを組み付ける場合と比較して小型である。この理由は、通常、組付部品同士の間に若干の隙間を設けているが、インダクタ1Aではこの隙間を無くすことができるからである。
5. 縦置きであり、かつフランジ部35及び埋設部30の双方が設置対象100の載置面100fに支持されるため、設置状態の安定性に優れる。
6. 軟磁性粉末が金属といった熱伝導性に優れる材料からなる粉末を含む場合、コイル2Aと磁性コア3Aとが密着しており、かつフランジ部35及び埋設部30の双方が設置対象100の載置面100fに接するため、通電に起因するコイル2Aの発熱を水冷台などの設置対象100に良好に伝えられて、放熱性に優れる。
図3を参照して、実施形態2のインダクタ1Bを説明する。
実施形態2のインダクタ1Bは、横置き形態である点が、縦置き形態である実施形態1のインダクタ1Aとの主な相違点である。以下、この相違点を中心に説明し、重複する構成及び効果は詳細な説明を省略する。
実施形態1,2では、巻線引出部が図面上で上下に伸びるように引き出された場合を説明した。その他、巻線引出部が図面上で左右に伸びるように引き出された形態とすることができる。
2A,2B コイル 2w 巻線 20 巻回部 2Al,2Bl 巻線引出部
3A,3B 磁性コア
30 埋設部 35 フランジ部 350 筒状部材
35h 貫通孔 30d,35d 設置面 37 ストッパ部
100 設置対象 100f 載置面
Claims (5)
- 巻線を螺旋状に巻回してなる巻回部と、前記巻回部に連続する巻線引出部とを備えるコイルと、
前記巻回部の内外に配置されて閉磁路を形成する磁性コアとを備え、
前記磁性コアは、
軟磁性粉末と樹脂とを含む複合材料によって構成され、
前記巻回部を埋設する埋設部と、設置用締結部材の貫通孔をつくる筒状部材を内包するフランジ部とが一体成形された成形体であるインダクタ。 - 前記巻線引出部は、前記複合材料に覆われておらず露出されている請求項1に記載のインダクタ。
- 前記埋設部及び前記フランジ部は、前記設置対象に載置される設置面を備え、
前記フランジ部の設置面は、前記インダクタを前記設置用締結部材によって設置対象に取り付けた状態において前記巻回部の軸方向が前記設置対象の載置面に直交するように成形されている請求項1又は請求項2に記載のインダクタ。 - 前記巻線引出部における前記巻回部側の領域は、前記巻回部の軸に平行な部分を含む請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のインダクタ。
- 前記巻回部が一つである請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のインダクタ。
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