CN107430928A - 电抗器 - Google Patents

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CN107430928A
CN107430928A CN201680016061.4A CN201680016061A CN107430928A CN 107430928 A CN107430928 A CN 107430928A CN 201680016061 A CN201680016061 A CN 201680016061A CN 107430928 A CN107430928 A CN 107430928A
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Abstract

电抗器具备：由发热的影响的磁性体构成的磁芯、和卷绕于磁芯的一部分的线圈。磁芯包括：具有位于彼此相反的一侧的两端的第1磁芯部、具有位于彼此相反的一侧的两端的第2磁芯部、具有位于彼此相反的一侧的两端的第3磁芯部、和具有位于彼此相反的一侧的两端的第4磁芯部。线圈具有：卷绕于第1磁芯部的一部分的第1线圈部、和卷绕于第2磁芯部的一部分的第2线圈部。与通过第1磁芯部内的磁通垂直的方向的第1磁芯部的剖面积S1、与通过第2磁芯部内的磁通垂直的方向的第2磁芯部的剖面积S2、与通过第3磁芯部内的磁通垂直的方向的第3磁芯部的剖面积S3、与通过第4磁芯部内的磁通垂直的方向的第4磁芯部的剖面积S4、第1卷绕部的长度A1、第2卷绕部的长度A2、第1非卷绕部的长度B1、第2非卷绕部的长度B2满足以下的关系：A1+A2＜B1+B2，S1＞S3，S1＞S4，S2＞S3，S2＞S4。

Description

电抗器
技术领域
本发明涉及利用了电感的无源元件即电抗器。
背景技术
专利文献1以电抗器的小型化以及大电流流过时的直流叠加特性的提高为目的，公开了一种使卷绕有线圈的磁芯的部分的剖面积比未卷绕有线圈的磁芯的部分的剖面积宽的电抗器。
专利文献2以通过简单的构成来实现电感的调整为目的，公开了一种能够改变未卷绕有线圈的磁芯的长度的电抗器。
专利文献3以安装时的平衡和组装的容易性为目的，公开了一种决定了磁芯的卷绕有线圈的部分的长度和未卷绕有线圈的部分的长度之比的电抗器。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2007-243136号公报
专利文献2：JP特开平11-23826号公报
专利文献3：JP特开2009-259971号公报
发明内容
电抗器具备：由发热的影响的磁性体构成的磁芯、和卷绕于磁芯的一部分的线圈。磁芯具有：具有位于彼此相反的一侧的两端的第1磁芯部、具有位于彼此相反的一侧的两端的第2磁芯部、具有位于彼此相反的一侧的两端的第3磁芯部、和具有位于彼此相反的一侧的两端的第4磁芯部。第1磁芯部的两端之中的一端与第3磁芯部的两端之中的一端连接。第3磁芯部的两端之中的另一端与第2磁芯部的两端之中的一端连接。第2磁芯部的两端之中的另一端与第4磁芯部的两端之中的一端连接。第4磁芯部的两端之中的另一端与第1磁芯部的两端之中的另一端连接。线圈具有：卷绕于第1磁芯部的一部分的第1线圈部、和卷绕于第2磁芯部的一部分的第2线圈部。第1磁芯部具有：卷绕有第1线圈部的第1卷绕部、从第1磁芯部的两端的一端延伸到第1卷绕部并且未卷绕第1线圈部的第1区域、和从第1磁芯部的两端的另一端延伸到第1卷绕部并且未卷绕第1线圈部的第2区域。第2磁芯部具有：卷绕有第2线圈部的第2卷绕部、从第2磁芯部的两端的一端延伸到第2卷绕部并且未卷绕第2线圈部的第3区域、和从第2磁芯部的两端的另一端延伸到第2卷绕部并且未卷绕第2线圈部的第4区域。第3磁芯部、第1磁芯部的第1区域和第2磁芯部的第3区域构成第1非卷绕部。第4磁芯部、第1磁芯部的第2区域和第2磁芯部的第4区域构成第2非卷绕部。与通过第1磁芯部内的磁通垂直的方向的第1磁芯部的剖面积S1、与通过第2磁芯部内的磁通垂直的方向的第2磁芯部的剖面积S2、与通过第3磁芯部内的磁通垂直的方向的第3磁芯部的剖面积S3、与通过第4磁芯部内的磁通垂直的方向的第4磁芯部的剖面积S4、第1卷绕部的长度A1、第2卷绕部的长度A2、第1非卷绕部的长度B1、第2非卷绕部的长度B2满足以下的关系：
A1+A2＜B1+B2，
S1＞S3，
S1＞S4，
S2＞S3，
S2＞S4。
该电抗器能够兼得发热的影响的减少和小型化。
附图说明
图1是实施方式1中的电抗器的立体图。
图2是图1所示的电抗器的线II-II处的剖视图。
图3是实施方式1中的电抗器的剖视图。
图4是图1所示的电抗器的线IV-IV处的剖视图。
图5是图1所示的电抗器的线V-V处的剖视图。
图6A是表示实施方式1中的电抗器的特性的图。
图6B是表示实施方式1中的电抗器的交流损耗的图。
图7是实施方式2中的电抗器的剖视图。
具体实施方式
(实施方式1)
图1是实施方式1中的电抗器10的立体图。图2是图1所示的电抗器10的线II-II处的剖视图，表示与电抗器10的XY平面平行的面的剖面。图3是电抗器10的剖视图。图4是图1所示的电抗器10的线IV-IV处的剖视图，表示与电抗器10的XZ平面平行的面的剖面。图5是图1所示的电抗器10的线V-V处的剖视图，表示与电抗器10的YZ平面平行的面的剖面。
电抗器10具有磁芯20和线圈30。
磁芯20由磁性体构成。磁芯20具有：磁芯部21、磁芯部22、磁芯部23以及磁芯部24。磁芯部21与磁芯部23连接，磁芯部23与磁芯部22连接，磁芯部22与磁芯部24连接，磁芯部24与磁芯部21连接。磁芯部21、磁芯部22、磁芯部23以及磁芯部24均由磁性体构成。磁芯20具有长方形环形形状。由此，电抗器10与具有磁芯为EI型等其他形状的磁芯的电抗器相比，能够实现小型化。
具体而言，磁芯部21具有位于彼此相反的一侧的两端21a、21b。磁芯部22具有位于彼此相反的一侧的两端22a、22b。磁芯部23具有位于彼此相反的一侧的两端23a、23b。磁芯部具有位于彼此相反的一侧的两端24a、24b。磁芯部21的两端21a、21b之中的一端21a与磁芯部23的两端23a、23b之中的一端23b连接。磁芯部23的两端23a、23b之中的另一端23b与磁芯部22的两端22a、22b之中的一端22a连接。磁芯部22的两端22a、22b之中的另一端22b与磁芯部24的两端24a、24b之中的一端24a连接。磁芯部24的两端24a、24b之中的另一端24b与磁芯部21的两端21a、21b之中的另一端21b连接。
线圈30由导体构成。线圈30被卷绕于磁芯20。线圈30具有线圈部31以及线圈部32。线圈部31以及线圈部32相互电连接。线圈部31被卷绕于磁芯部21的一部分。线圈部32被卷绕于磁芯部22的一部分。在实施方式1中，线圈30由平角铜线构成，但并不局限于此。
在图1至图5中，定义互为直角的X轴、Y轴和Z轴。由线圈部31以及线圈部32所产生的磁通M1、M2在磁芯20内在同一方向通过。例如，在图1中，在某个瞬间由线圈部31所产生的磁通M1在Y轴的正向通过磁芯部21、在Y轴的负向通过磁芯部22、在X轴的正向通过磁芯部23、在X轴的负向通过磁芯部24时，由线圈部32所产生的磁通M2也在与由线圈部31所产生的磁通M1相同的方向通过磁芯部21～24。磁通M1、M2被合成而成为磁通M3，通过磁芯20的各部。
图2表示磁芯部21的磁通M3通过的方向的长度L1、磁芯部22的磁通M3通过的方向的长度L2、磁芯部23的磁通M3通过的方向的长度L3、磁芯部24的磁通M3通过的方向的长度L4。磁芯部21的长度L1是磁芯部21的外侧的长度即L1a与磁芯部21的内侧的长度即L1b的平均值。同样地，磁芯部22的长度L2是磁芯部22的外侧的长度L2a与磁芯部22的内侧的长度L2b的平均值。磁芯部23的长度L3是磁芯部23的外侧的长度L3a与磁芯部23的内侧的长度L3b的平均值。磁芯部24的长度L4是磁芯部24的外侧的长度L4a与磁芯部24的内侧的长度L4b的平均值。在实施方式1中，长度L1～L2满足L1＝L2、L3＝L4的关系。
如图3所示，磁芯20被划分为卷绕部25、卷绕部26、非卷绕部27以及非卷绕部28这4个区域。卷绕部25是磁芯部21之中线圈部31卷绕的区域。卷绕部26是磁芯部22之中线圈部32卷绕的区域。非卷绕部27是将磁芯部23、磁芯部21的不是卷绕部25的部分之中连接于磁芯部23的一侧的部分、磁芯部22的不是卷绕部26的部分之中连接于磁芯部23的一侧的部分合并的区域。非卷绕部28是将磁芯部24、磁芯部21的不是卷绕部25的部分之中连接于磁芯部24的一侧的部分、磁芯部22的不是卷绕部26的部分之中连接于磁芯部24的一侧的部分合并的区域。
磁芯部21具有：卷绕有线圈部31的卷绕部25、从磁芯部21的一端21a延伸到卷绕部25的区域61a、从磁芯部21的另一端21b延伸到卷绕部25的区域61b。在区域61a、61b，未卷绕线圈部31。磁芯部22具有：卷绕有线圈部32的卷绕部26、从磁芯部22的一端22a延伸到卷绕部26的区域62a、从磁芯部22的另一端22b延伸到卷绕部26的区域62b。在区域62a、62b，未卷绕线圈部32。磁芯部23、磁芯部21的区域61a和磁芯部22的区域62a构成非卷绕部27。磁芯部24、磁芯部21的区域61b和磁芯部22的区域62b构成非卷绕部28。
磁芯20具有环形形状，在实施方式1中，磁芯20具有长方形环形形状。卷绕部26沿着上述环形形状而与卷绕部25分离。非卷绕部27沿着上述环形形状而从卷绕部25延伸到卷绕部26。非卷绕部28沿着上述环形形状而从卷绕部25延伸到卷绕部26，关于卷绕部25、26，位于非卷绕部27的相反的一侧。
卷绕部25具有通过卷绕部25的磁通M3的方向的长度A1。卷绕部26具有通过卷绕部26的磁通M3的方向的长度A2。非卷绕部27具有沿着通过非卷绕部27的磁通M3的长度B1。非卷绕部28具有沿着通过非卷绕部28的磁通M3的长度B2。在本实施方式中，卷绕部25位于磁芯部21的长度方向的中央部，卷绕部26位于磁芯部22的长度方向的中央部。因此，下述的关系成立。
B1＝L3+(L1-A1)÷2+(L2-A2)÷2
B2＝L4+(L1-A1)÷2+(L2-A2)÷2
进一步地，在本实施方式中，由于L1＝L2、L3＝L4、A1＝A2，因此下述的关系也成立。
B1＝L3+L1-A1＝L4+L2-A2＝B2
磁芯20的长方形环状具有一对的对边71、72和一对的对边73、74。磁芯部21～24延伸为直线形状，分别构成长方形环形形状的4个边71～74(参照图3)。卷绕部25被设置于一对的对边71、72之中的一个对边71。卷绕部26被设置于一对的对边71、72之中的另一个对边72。非卷绕部27包含一对的对边73、74之中的一个对边73。非卷绕部28包含一对的对边73、74之中的另一个对边74。
近年来，电抗器被用于流过大电流的电气电路。若电抗器中流过大电流，则来自电抗器的发热量变多。若来自电抗器的发热量较多，则对电抗器本身或者被配置于电抗器的周边的电子部件带来热量的影响。
另一方面，与各种电子部件需要小型化同样地，电抗器也需要小型化。但是，考虑到发热，从热容量和散热面积的方面出发，优选电抗器较大，若单纯使电抗器小型化，则电抗器可能变得高温。
在实施方式1中的电抗器10中，与通过未卷绕线圈30的磁芯部23、24的磁通M3垂直的方向的剖面积S3、S4比与通过卷绕有线圈30的磁芯部21、22的磁通M3垂直的方向的剖面积S1、S2的任意都小。也就是说，在电抗器10中，剖面积S1、S3、S3、S4满足S1＞S3、S1＞S4、S2＞S3以及S2＞S4的关系。即使减小磁通M3较小的磁芯部23、24的剖面积S3、S4，基于发热的影响也较小，能够实现小型化。此外，由于减小磁芯部23、24的剖面积S3、S4比减小磁通M3较大的磁芯部21、22的剖面积S1、S2对电感的影响小，因此电抗器10能够抑制电感的降低。
进一步地，在本实施方式的电抗器10中，卷绕部25、26的长度A1、A2之和比非卷绕部27、28的长度B1、B2之和短，即，长度A1、A2、B1、B2满足A1+A2＜B1+B2的关系。由此，能够降低线圈部31以及线圈部32的内部相互接近所导致的损耗。
此外，在卷绕有线圈部31、32的区域即磁芯20的卷绕部25、26，磁通M3比磁芯20的其他部分大。但是，电抗器10通过缩短尺寸变化较大的区域的距离，能够减小基于磁致伸缩的尺寸变化，电抗器10的振动变小，振动音也变小。
图6A表示电抗器10的特性，详细地，表示卷绕部25的长度A1与卷绕部26的长度A2之和(A1+A2)相对于非卷绕部27的长度B1与非卷绕部28的长度B2之和(B1+B2)的比RAB(RAB＝(A1+A2)/(B1+B2))、电抗器10的损耗的关系。
在考虑了电路效率的情况下，优选电抗器10的损耗小于420W。若比RAB超过0.9，则线圈损耗变大，若小于0.5，则虽然能够抑制线圈损耗但磁芯损耗变大。此外，在比RAB为0.3以下的情况下，卷绕部的长度变得极短，现实上难以卷绕线圈。因此，优选长度A1、A2、B1、B2满足以下的关系。
(B1+B2)×0.5＜A1+A2＜(B1+B2)×0.9
优选磁芯部21、22、23、24的剖面积S1、S2、S3、S4满足以下的关系。
S1×0.6＜S3＜S1
S1×0.6＜S4＜S1
S2×0.6＜S3＜S2
S2×0.6＜S4＜S2
通过剖面积S1、S2、S3、S4满足上述的关系，电抗器10能够在未磁饱和的情况下实现小型化。
进一步地，在本实施方式的电抗器10中，也可以通过未卷绕有线圈30的磁芯部23的磁通M3的方向的磁芯部23的长度L3以及通过磁芯部24的磁通M3的方向的磁芯部24的长度L4比通过卷绕有线圈30的磁芯部21的磁通M3的方向的长度L1以及通过磁芯部22的磁通M3的方向的磁芯部22的长度L2的任意都短。也就是说，电抗器10也可以满足L1＞L3、L1＞L4、L2＞L3、L2＞L4的关系。电抗器10通过长度L1、L2、L3、L4满足上述的关系，能够实现小型化。
图6B表示在比RAB分别为0.6、0.9、1.5的试料中，使纹波电流相同的情况下的频率与线圈部的铜线的交流损耗的关系。图6B表示将比RAB为0.6且频率为10kHz的情况下的铜线的交流损耗设为100，比RAB的多个值与多个频率下的铜线的交流损耗。图6B一并表示频率为50kHz、100kHz的交流损耗相对于频率为10kHz的交流损耗的增加率。
如图6B所示，频率越高，交流损耗的增加率越大。进一步地，若比RAB为1.5，则增加率非常大。从这方面出发，若频率变高，则满足以下的式子起到显著的效果：
(B1+B2)×0.5＜A1+A2＜(B1+B2)×0.9。
(实施方式2)
图7是实施方式2中的电抗器10a剖视图，表示与电抗器10a的XY平面平行的面的剖面。在图7中，对与图1至图5所示的实施方式1的电抗器10相同的部分付与相同的参照编号。
在实施方式2中的电抗器10a中，在磁芯部21形成间隙41、42、43，在磁芯部22形成间隙51、52、53。
间隙41、42、43位于卷绕部25。间隙51、52、53位于卷绕部26。
间隙41～43在通过卷绕部25内的磁通M3的方向上将卷绕部25分割。间隙41～43在通过卷绕部25内的磁通M3的方向上排列。同样地，间隙51～53在通过卷绕部26内的磁通M3的方向上将卷绕部26分割。间隙51～53在通过卷绕部26内的磁通M3的方向上排列。
通过在卷绕部25、26设置间隙，与在磁芯20的卷绕部25、26以外的部分设置间隙的情况相比，能够进一步有效地使施加于磁芯20的磁场比施加于间隙的磁场小，因此能够减小间隙的尺寸，并且提高直流叠加特性。
产业上的可利用性
本发明中的电抗器作为利用了电感的无源元件有用。
-符号说明-
10、10a 电抗器
20 磁芯
21 磁芯部(第1磁芯部)
22 磁芯部(第2磁芯部)
23 磁芯部(第3磁芯部)
24 磁芯部(第4磁芯部)
25 卷绕部(第1卷绕部)
26 卷绕部(第2卷绕部)
27 非卷绕部(第1非卷绕部)
28 非卷绕部(第2非卷绕部)
30 线圈
31 线圈部(第1线圈部)
32 线圈部(第2线圈部)
41 间隙(第1间隙)
42 间隙(第3间隙)
43 间隙
51 间隙(第2间隙)
52 间隙(第4间隙)
53 间隙

Claims (8)

1.一种电抗器，具备：
由磁性体构成的磁芯；和
卷绕于所述磁芯的一部分的线圈，
所述磁芯具备：具有位于彼此相反的一侧的两端的第1磁芯部、具有位于彼此相反的一侧的两端的第2磁芯部、具有位于彼此相反的一侧的两端的第3磁芯部、和具有位于彼此相反的一侧的两端的第4磁芯部，
所述第1磁芯部的所述两端之中的一端与所述第3磁芯部的所述两端之中的一端连接，
所述第3磁芯部的所述两端之中的另一端与所述第2磁芯部的所述两端之中的一端连接，
所述第2磁芯部的所述两端之中的另一端与所述第4磁芯部的所述两端之中的一端连接，
所述第4磁芯部的所述两端之中的另一端与所述第1磁芯部的所述两端之中的另一端连接，
所述线圈具有：卷绕于所述第1磁芯部的一部分的第1线圈部、和卷绕于所述第2磁芯部的一部分的第2线圈部，
所述第1磁芯部具有：
第1卷绕部，卷绕有所述第1线圈部；
第1区域，从所述第1磁芯部的所述两端的所述一端延伸到所述第1卷绕部并且未卷绕所述第1线圈部；和
第2区域，从所述第1磁芯部的所述两端的所述另一端延伸到所述第1卷绕部并且未卷绕所述第1线圈部，
所述第2磁芯部具有：
第2卷绕部，卷绕有所述第2线圈部；
第3区域，从所述第2磁芯部的所述两端的所述一端延伸到所述第2卷绕部并且未卷绕所述第2线圈部；和
第4区域，从所述第2磁芯部的所述两端的所述另一端延伸到所述第2卷绕部并且未卷绕所述第2线圈部，
所述第3磁芯部、所述第1磁芯部的所述第1区域和所述第2磁芯部的所述第3区域构成第1非卷绕部，
所述第4磁芯部、所述第1磁芯部的所述第2区域和所述第2磁芯部的所述第4区域构成第2非卷绕部，
与通过所述第1磁芯部内的磁通垂直的方向的所述第1磁芯部的剖面积S1、与通过所述第2磁芯部内的磁通垂直的方向的所述第2磁芯部的剖面积S2、与通过所述第3磁芯部内的磁通垂直的方向的所述第3磁芯部的剖面积S3、与通过所述第4磁芯部内的磁通垂直的方向的所述第4磁芯部的剖面积S4、所述第1卷绕部的长度A1、所述第2卷绕部的长度A2、所述第1非卷绕部的长度B1、所述第2非卷绕部的长度B2满足以下的关系：
A1+A2＜B1+B2，
S1＞S3，
S1＞S4，
S2＞S3，
S2＞S4。
2.根据权利要求1所述的电抗器，其中，
所述剖面积S1、所述剖面积S2、所述剖面积S3、所述剖面积S4、所述长度A1、所述长度A2、所述长度B1和所述长度B2满足以下的关系：
(B1+B2)×0.5＜A1+A2＜(B1+B2)×0.9，
S1×0.6＜S3＜S1，
S1×0.6＜S4＜S1，
S2×0.6＜S3＜S2，
S2×0.6＜S4＜S2。
3.根据权利要求2所述的电抗器，其中，
通过所述第1磁芯部内的所述磁通的所述方向的所述第1磁芯部的长度L1、通过所述第2磁芯部内的所述磁通的所述方向的所述第2磁芯部的长度L2、通过所述第3磁芯部内的所述磁通的所述方向的所述第3磁芯部的长度L3、通过所述第4磁芯部内的所述磁通的所述方向的所述第4磁芯部的长度L4满足以下的关系：
L3＜L1，
L4＜L1，
L3＜L2，
L4＜L2。
4.根据权利要求1至3的任意一项所述的电抗器，其中，
所述磁芯具有长方形环形形状。
5.根据权利要求4所述的电抗器，其中，
所述第1磁芯部、所述第2磁芯部、所述第3磁芯部和所述第4磁芯部延伸为直线形状，分别构成所述长方形环形形状的4个边。
6.根据权利要求1至5的任意一项所述的电抗器，其中，
在所述第1卷绕部，形成在通过所述第1磁芯部内的磁通的方向上将所述第1磁芯部分割的第1间隙，
在所述第2卷绕部，所述第2间隙形成在通过所述第2磁芯部内的磁通的方向上将所述第2磁芯部分割的第2间隙。
7.根据权利要求6所述的电抗器，其中，
在所述第1卷绕部，形成在通过所述第1卷绕部内的磁通的方向上将所述第1卷绕部分割的第3间隙。
8.根据权利要求7所述的电抗器，其中，
在所述第2卷绕部，形成在通过所述第2卷绕部内的磁通的方向上将所述第2卷绕部分割的第4间隙。
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