Joe Casmero and Rich Barden, Lodestone Pacific, Anaheim, California

トランスの真中は巻線用と導線ホーム用のボビン又はコイル元です。ボビン又はコイル元は巻線を支持したり、コアを整列したり、巻線をチャネルしたり、終端と接続方法を提供しています。各ボビンは、特定のコア形状を合わせるために設計されます。そのコアはフェライトコア、積層体またはテープ巻き等があります。トランスの設計方法は多いで、最高のコア・ボビン組み合わを作るのは重要です。生産コスト、有効性、材料限定、安全機構の要求と量産の便利化とは非常に重要な要素になります。図1は、利用できるタイプのボビンの例を示しています。

“トランスのコア・ボビン組み合わを選択するとき、デザイナーはいくつかの重要な問題を直面しなければならないです。例えば、材料特性、形状、コストと法律法規の守り等問題。”

デザイナーは、ボビン、コア方位と幾何学を考える必要があります。垂直実装型ボビンは基板空間を少なく占有しますが、水平実装型の高さより高いです。導線終端は、水平実装ボビンよりもっと難しく、もっと少ない多重区間を提供しています。水平実装ボビンの輪郭は小さいですが、より多くの基板空間を取ります。水平実装ボビンは簡単な導線終端と多くの多重区間を提供できます。

もう一つ考え必要な要素は、完成品を基板槽に挿入するためにどのようにその完成品を包装するか、運搬するかの問題です。磁性製品は静電放電にあまり影響を受けてないですが、基板の挿入点に他部品は影響を受けるかもしれません。だから、完成品を静電防止の皿やホースで包装することをお勧めします、これは、輸送と取扱い中に完成品を保護出来ます。

コスト要素
デザイナーは初めからコア・ボビン組み合わ形状、サイズ、機能性を考えて設計しますが、その後、コストの問題も考える必要であります。一番低コスト、使用されているコア・ボビン組み合わ形状は正方形積層のサイズです。例えば、E187、E24/25、 E375、E21、E42/15であります。しかし、これらの正方形または長方形の中心足形にEMIを低減する為に銅箔でコアの周りを遮蔽する必要がありますので、コストを増加します。

また、エンジニアは新しい足まわりの中心コア・ボビン組み合わを考える必要もあります。フェライトで作られたETDs、PQs、EFDsとEpsは人気のコアタイプの例になります。これらの新しいコア・ボビン組み合わのコストはもっと高いですが、巻き線に便利し、EMIの隔離も良く効いています。

ボビン終端はトランス又はインダクタを接続して、回路を作る物だから、一つの重要な考え要素になります。終端無しのボビンは終端有りのボビンよりコストが低いです。しかし、終端有りのボビンは生産効率を向上出来るし、もっとPCB槽に挿入し易い物です。終端のサイズと形状は多様でありますが、普通に巻き線のサイズと性質によって決まっています。表面実装型と貫通孔型の終端は必ず評価を行います。ほとんどすべてのボビンは貫通孔型の端子があります、しかし、小さなコア・ボビン組合せのみを選択すると表面実装型を利用可能になります。これは組合せの重量、設備の選択と放置することで限定されますから。

多重区間のボビンは成形壁と巻線領域を2つ以上の部分を分割しています。これは、高電圧応用時巻線を隔離することを出来ます。但し、多重区間のボビン値段はもっと高いです。

金型コストは高いで、お客様よりカスタマイズしたコア・ボビンを加工する事は殆ど不可能になります。各コアとボビン金型の料金は5000ドルから2万ドルをかかります。もう一つの制限はカスタマイズするコアとボビンの方法は単一であります。これらのコストを考えると、殆どのエンジニアは実際応用を検討する時、一種類の標準的なボビンとコアを集中しています。



ボビン材料はかなりコストに影響を与えます。様々な材料はそれぞれのメリットとデメリットがあります。材料を選ぶ時具体的な要求によって選択する必要があります。一般的に、温度に耐えることが高いほど、その材料のコストは比較的に高いです。



材料要素
安全機構の要求に適合する材料を選択するために、エンジニアは完成品の作業環境をはっきりする必要があります。ある公的機構より決めっている温度等級の作業環境範囲は事務所からトラックエンジン室までです。表１に材料等級とプラスチック成型ボビンの関係温度を挙げています。

又、プラスチックは成型中の高温と基板が半田工程を受ける瞬間高温を耐える必要がありますから、プラスチック成型ボビンの耐熱可能温度は非常に重要になります。

ボビン成型のプラスチック材料は二種類があります。それは熱可塑性と熱硬化性プラスチックです。熱可塑性材料はボビン成型に一番使用されています。そして、熱可塑性材料のコストは低くて、鉱物や水晶やガラスと混合充填時の耐熱、難燃性要求を満足出来ます。 表２に様々なプラスチック材料とそれぞれの属性を挙げています。

熱硬化性プラスチック材料の価格は比較的高いですが、最大の強度と最高の温度耐えることを出来ます。DAPとエポキシ樹脂は環状コアとカップ状コアに適合しますが、脆い特性でボビン成型に適合していません。フェノール樹脂はボビン成型応用に適合しています。そして、高温応用に非常に安定していますから、人気されています。

温度等級以外、プラスチックの難燃性又は可燃性等級も重要な要素です。Underwriter's Laboratory (UL)は完成品の作業環境によって具体的可燃性の規格要求があります。UL94という規定はプラスチックが火を点いて、離してから自己消火能力によって等級を別けています。殆どの採用として、最高等級のUL94VOは一番流行っています。表３にUL94のプラスチック可燃性要求を明記しています。

プラスチックで成型したボビンは必ずUL746の要求に満足しています。その要求にはロット番号によって成形工程からプラスチック材料のメーカーまでを追跡できることを規定しています。これは、ボビンの製造に使用されているプラスチックがULに認定されたことを確保しています。エンジニアと購買部はボビンの材料についての関係手続きと書類を追跡出来るように確保します。

生産要素
生産要素はボビンとコアを選択時のもう一つ重要な要素です。巻き線方法、電線のサイズ、ボビンの容量などの選択は組立能率との適応性も考え必要です。

ボビンと丸形中心足付けコアの組合せは自動巻きによく適しています。正方形ボビンとE型コアの組合せはワイヤとボビンの間にループや隙間を作るために電線をボビンに横にしないで、巻かれるように巻いています。これは漏れインダクタンスを増加し、変圧器の性能にも影響を与えます。

ワイヤーのサイズ又はゲージも一つの重要な要素として考えられています。多くのボビンは小さな直径のワイヤーによく似合わっています。でも、他のボビンは中型以上の線材の為に作られます。それに、ボビンの形状とタイプとも考え必要であります。終端のサイズ及びケージを終端の電線サイズと似合うように確認します。ボビンの設計は巻き線と半田つけにし易いことを確認必要であります。

ボビンの容量又は充填量を計算して、ボビンの約90 %の容量をワイヤーで満たされるように確保して、最大の磁気結合を実現することによって、組立を最適化します。

ボビンとコアの組合せは慎重に考え必要があります。殆どのボビンとコアの組合せのコア材料は必ずボビンを通して繋がっています。コアの性能を一貫性に保証するためにコア材料を緊密で貼り合わせることが重要です。あるコアは接着していますが、あるコアは貼り合わせています。各ボビンとコアの組合せは組立を最適化するために設計されています。

一旦ボビンは巻線開始したら、リード線を終了しなければならないです。もし、ボビンは接続端子がない場合、「飛んでいるリード線」はストリップまたは基板に接続する必要があります。もし、ボビンは接続端子がある場合、リード線はそれらの接続端子に半田付けで接続する必要があります。金属端子は半田の熱をプラスチック周辺に伝達する為、半田工程をする時、ボビンを破壊しないように気をつけてください。熱可塑性材料の場合、熱で柔らかくなると接続端子の位置は移動されたら、基板に挿入困難になります。

熱可塑性プラスチックボビンは、普通に慎重為半田ゴテ技術を使用していますが、もし、ワイヤーは最初に絶縁されている場合には、半田槽に急速入れて浸漬したら、接続端子を熱可塑性プラスチックボビンに半田固定出来ます。半田浸漬法で、ワイヤを絶縁ストリップと接続する場合、半田温度が高いので、熱硬化プラスチック・ボビンを使用必要があります。

巻線リード端子はボビンに半田で付けると、そのボビンは直接基板に半田で付けられます。もう一つ重要な事は、そのボビンを基板に半田で接続するとき、半田の熱がリフロー又は前の半成品に悪影響を与えるかどうかを注意しなければならないです。この問題を回避するための一つの方法は、ボビン端子をリード線と接続する時、高温半田を使用して、基板との接続する時、低温半田を使用している事です。

等級130° C半田付け可能のマグネットワイヤーの場合でも、最適な方法は半田浸漬をする事、又は機械でマグネットワイヤーをストリップ・ピンの近くに引いて行く事です。その後、端子周りを最低2回包んでください。SN10高温半田（鉛88 ％、錫１０％、銀2％）を使って、約550°F (288°C)温度にハンド半田工程を約5秒間行います。その組合せを基板に付ける時、融点が400°F（204°c）以下のSN63（鉛％と錫37％）を使ったら、リフローする事とボビン端子の半田付けを弱化する事を避けます。

もう一つの方法は端子無しのワイヤーを終端に巻いて、SN10を使って、半田槽の温度を約700° F (371°C)までに高めて後、ボビン終端を半田槽に２秒間浸漬します。これで、ワイヤーを終端に半田付けます。この方法は耐高温可能の熱硬化性樹脂のボビンを利用した方が良いです。熱可塑性樹脂を使用する場合には、必ず、プラスチックの軟化と端子位置ズレを避ける事。

安全法規
全ての変圧器やインダクタの構成は安全機関の要求に満足しなければならないです。ある機関は様々な応用、市場のセグメント、地理的地域を含めての責任を負っています。これらの規則は、巻線間の絶縁とか、時間と熱時効を経って行くともに電気回路をショートしないように保護する事を要求しています。多くの場合、安全上の懸念はボビン中の間隔とマージンを調整すると対応出来ます。UL 1446にモータ、コイル、トランスの絶縁についての絶縁必要条件は、アメリカがこれらの製品についての主要な仕様であります。 UL 510は電気テープの可燃性についてのもう一つの重要な規制です。電気テープは変圧器やインダクタの設計の一つ重要な部分になります。

ヨーロッパの安全機関は仕様VDE 0805にカバーされている自身の安全性規制を持っています。ヨーロッパのVDE基準のボビンは段々人気になって来ます。この種類の成形ボビンはワイヤーを終端と隔離縁を持っている為、他の変更をする時必ずVDEの要求を満たす必要があります。これらの規則はヨーロッパで有り、ヨーロッパのボビン製造業者は（例えばMiles Platts社、Philips 社とSiemens社）最高のVDE基準のボビンを持っています。

VDE基準は コアと巻線の間、巻線と巻線の間に絶縁値を3750vrmsと必要であります。この値を達成するために、ボビンの両サイドに各３mmの隔離縁を必要であります。この特徴を持っていないボビンは、このような隔離縁を追加する必要があります（図２示）。 縁は、通常固体膜の接着テープを3 mm幅スリットして作ったものです。P.Leo 社の1H818または3M社の44のポリエステル・フィルム/繊維をお薦めします。多孔性のテープ、例えばガラスとアセテート布は使用禁止であります。縁は、巻線の高さと同じ又はもっと高い必要があります。また、チューブで絶縁したマグネットワイヤの先端は、ボビン縁以外に延長出して、ボビン終端と接続するための準備をする必要があります。テフロン製チューブ（例えば、Wecoの #TTとWire Management Productsの #TFT）を推奨します。

厚み2milの3層ポリエステルテープを使って、ボビン全幅を包まれて、第一次巻線の絶縁を完成して、第二次巻線の準備を出来ます。P.Leo の1P801または3Ｍの1350ポリエステルテープは良い選択と思います。第一次巻線に絶縁構築は傷をつけられたら、第二次巻線に再構築必要があります。処理は前と同じです。テフロン・チューブの使用は第二次巻線に前と同じ必要になります。第一次巻線と第二次巻線のリード間に6 mmの沿面バリアーを必要する事が重要であります。最終的なバッキングは第一次と同じように、第二次巻線が厚み2milの3層ポリエステルテープで被覆されています。トランスは現在、半田付けの準備、コア・アセンブリ、試験及びワニス含浸する事が出来ました。

コア・ボビン組合せ
コアとボビンの組合せは通信用と電力変換用よって2種類と分けています。通信用の特長は低電力と低熱散逸で、高遮蔽性です。電力変換用の特長は高電力、高熱散逸とエネルギー貯蔵可能です。



表４にコア・ボビン組合せの特長を示しています。表４に表示していない他コア・ボビン組合せは優れた特長を持っています。EPC、 ERとLPCを含めています。これらのタイプは、現在限られた人気と可用性を持っています。

ボビンとコアの組合せを指定と設計する時、最初に、コアの性能を中心にします デザイナーは、巻線の性質と作業の容易さ、巻線リードの終端、安全規制、基板への挿入する事に一番大きな影響を与えるのは、コアではなく、ボビンであることを理解する必要があります。ボビンはコアより本体の製造コストに大きな影響を持っています。また、ボビンは変圧器やインダクタの長期的動作においてコアと同じような重要な役割を立っています。電力変圧器が正常に組立終了後、どんなシステムに試験失敗しても、ボビンは最後の失効部品の一つであります。