DE102015101125A1

DE102015101125A1 - Drossel

Info

Publication number: DE102015101125A1
Application number: DE102015101125.5A
Authority: DE
Inventors: Tomofumi Kuroda; c/o TDK Corporation Sakurai Yu; c/o TDK-EPC Corporation Itoh Hideyuki
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2015-07-30
Also published as: US9406430B2; JP6237269B2; KR20150089945A; CN104810138A; US20150213941A1; KR101655749B1; CN104810138B; JP2015141976A

Abstract

Es wird eine Drossel beschrieben, die einen Verbundmagnetkern verwendet, in dem ein Ferritkern und ein weichmagnetischer Metallkern kombiniert sind. Die Drossel ist aus einem Paar magnetischer Jochbereichskerne, die aus einem Ferritkern gefertigt sind, einem oder mehreren Wicklungsbereichskern(en), der (die) zwischen den gegenüberliegenden Flächen der Jochbereichskerne angeordnet ist (sind), und einer oder mehreren Spule(n), die um den/die Wicklungsbereichskern(e) gewickelt ist (sind), gebildet. Der Wicklungsbereichskern (die Wicklungsbereichskerne) ist/sind aus einem weichmagnetischen Metallkern gefertigt, und die Querschnittsfläche des Abschnitts zum Wickeln der Spule des Wicklungsbereichskerns ist im Wesentlichen konstant. Wenn die Querschnittsfläche des Abschnitts zum Wickeln der Spule des Wicklungsbereichskerns als S1 festgelegt ist, und die Fläche der Abschnitte, die den Jochbereichskernen in dem/den Wicklungsbereichskern(en) gegenüberliegen, als S2 festgelegt ist, ist das Flächenverhältnis S2/S1 derart eingestellt, dass es von 1,3 bis 4,0 beträgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drossel, die in einer Schaltung einer Stromversorgung oder eines Power Conditioners einer Photovoltaikanlage oder dergleichen verwendet wird. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Verbesserung der DC-(Gleichstrom)Überlagerungs-Charakteristik einer Induktivität.
Hintergrund
Als ein herkömmliches Magnetkernmaterial für die Drossel kann ein geschichtetes elektromagnetisches Stahlblech oder ein weichmagnetischer Metallpulverkern verwendet werden. Obwohl das geschichtete elektromagnetische Stahlblech eine hohe magnetische Sättigungsflussdichte aufweist, besteht bei ihm ein Problem dahingehend, dass der Eisenverlust größer wird und eine verringerte Effizienz verursacht, wenn die Ansteuerungsfrequenz in der Schaltung der Stromversorgung 10 kHz übersteigt. Der weichmagnetische Metallpulverkern wird häufig verwendet, wenn die Ansteuerungsfrequenz höher wird, da sein Eisenverlust bei einer hohen Frequenz kleiner ist als jener des geschichteten elektromagnetischen Stahlblechs. Jedoch ist der Eisenverlust des weichmagnetischen Metallpulverkerns möglicherweise nicht hinreichend klein, und es bestehen einige Probleme, wie z. B., dass die magnetische Sättigungsflussdichte schlechter ist als jene des elektromagnetischen Stahlblechs.
Andererseits ist der Ferritkern als ein Magnetkernmaterial mit einem kleinen Eisenverlust bei einer hohen Frequenz allgemein bekannt. Jedoch weist der Ferritkern eine niedrigere magnetische Sättigungsflussdichte im Vergleich zu dem geschichteten elektromagnetischen Stahlblech oder dem weichmagnetischen Metallpulverkern auf; daher ist eine Ausgestaltung notwendig, um einen vergleichsweise großen Bereich in dem Magnetkern bereitzustellen, um die magnetische Sättigung zu vermeiden, wenn ein hoher Strom zugeführt wird. In dieser Hinsicht entsteht insofern ein Problem, dass die Form größer wird.
In Patentdokument 1 wurde eine Drossel offenbart, in der ein Verbundmagnetkern als Magnetkernmaterial verwendet wird, so dass der Verlust, die Größe und das Gewicht des Kerns reduziert sind, wobei der Verbundmagnetkern durch Kombinieren eines weichmagnetischen Metallpulverkerns, der in dem Bereich zum Wickeln der Spule verwendet wird, und eines Ferritkerns, der in dem Jochbereich verwendet wird, erzielt wird.
PATENTDOKUMENTE

Patentdokument 1: JP-A-2007-128951

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Verlust bei einer hohen Frequenz nimmt ab, wenn ein Verbundmagnetkern durch Kombinieren des Ferritkerns und des weichmagnetischen Metallkerns angefertigt wird. Wenn jedoch der magnetische Fe-Pulverkern oder der magnetische FeSi-Legierungspulverkern, von denen beide eine hohe magnetische Sättigungsflussdichte aufweisen, als der weichmagnetische Metallkern verwendet wird, weist der Verbundmagnetkern, in dem der weichmagnetische Metallkern und der Ferritkern kombiniert sind, eine schlechtere Gleichstromüberlagerungscharakteristik der Induktivität im Vergleich zu dem Kern mit lediglich dem weichmagnetischen Metallkern auf. Wie in Patentdokument 1 beschrieben, ist die magnetische Sättigungsflussdichte des Ferritkerns niedriger als jene des weichmagnetischen Metallkerns, so dass eine verbesserte Wirkung erzielt werden kann, indem die Querschnittsfläche des Ferritkerns vergrößert wird. Jedoch wurde das Problem nicht grundlegend gelöst.
4 und 5 zeigen ein Beispiel des Stands der Technik. 4 und 5 werden verwendet, um den Grund herauszufinden, warum sich die Gleichstromüberlagerungscharakteristik der Induktivität in dem Verbundmagnetkern, in dem der Ferritkern und der weichmagnetische Metallkern kombiniert sind, verschlechtert. 4 und 5 zeigen schematisch die Ausgestaltung des Übergangsbereichs für den Ferritkern 21 und den weichmagnetischen Metallkern 22 sowie den Verlauf des magnetischen Flusses 23.
Die Pfeile in den Zeichnungen repräsentieren den magnetischen Fluss 23. Wenn der magnetische Fluss 23 in dem weichmagnetischen Metallkern 22 jenem in dem Ferritkern 21 entspricht, ist die Anzahl der Pfeile durch eine gleiche Anzahl in beiden magnetischen Kernen repräsentiert. Da der magnetische Fluss 23 pro Flächeneinheit als die magnetische Flussdichte bezeichnet wird, ist die magnetische Flussdichte umso höher, je schmaler der Abstand zwischen den Pfeilen ist.
Da der Ferritkern 21 eine niedrigere magnetische Sättigungsflussdichte im Vergleich zum weichmagnetischen Metallkern 22 aufweist, ist die Fläche des Querschnitts senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses in dem Ferritkern 21 größer eingestellt als jene des Querschnitts senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses in dem weichmagnetischen Metallkern 22, so dass ermöglicht wird, dass ein großer magnetischer Fluss in dem Ferritkern fließt. Der Endabschnitt des weichmagnetischen Metallkerns 22 ist mit dem Ferritkern 21 verbunden, und die Fläche des Abschnitts, in dem der weichmagnetische Metallkern 22 und der Ferritkern 21 einander gegenüberliegen, ist der Querschnittsfläche des weichmagnetischen Metallkerns 22 gleich.
4 zeigt einen Fall, in dem der in der Spule fließende Strom klein ist, d. h. einen Fall, in dem der magnetische Fluss 23, der in dem weichmagnetischen Metall des Wicklungsbereichskerns hervorgerufen wird, klein ist. Da die magnetische Flussdichte des weichmagnetischen Metallkerns 22 kleiner ist als die magnetische Sättigungsflussdichte des Ferritkerns 21, kann der magnetische Fluss 23, der von dem weichmagnetischen Metallkern 22 her fließt, ohne eine Streuung des magnetischen Flusses 23 direkt in den Ferritkern 21 fließen. Wenn der in der Spule fließende Strom klein ist, ist die Abnahme der Induktivität unterdrückt, so dass sie klein ist.
5 zeigt einen Fall, in dem der in der Spule fließende Strom groß ist, d. h. einen Fall, in dem der magnetische Fluss, der in dem Wicklungsbereichskern erzeugt wird, groß ist. Wenn die magnetische Flussdichte des weichmagnetischen Metallkerns 22 im Vergleich zur magnetischen Sättigungsflussdichte des Ferritkerns 21 größer ist, kann der magnetische Fluss 23, der von dem weichmagnetischen Metallkern 22 her fließt, nicht direkt in den Ferritkern 21 durch den Übergangsbereich fließen. Stattdessen fließt der magnetische Fluss 23 durch den umgebenden Raum, wie durch die gestrichelten Pfeile gezeigt. Mit anderen Worten fließt der magnetische Fluss 23 im Raum mit einer Permeabilitätszahl von 1, so dass die wirksame Permeabilität abnimmt und die Induktivität ebenfalls stark abnimmt. Das heißt, dass, wenn ein hoher Strom überlagert wird, wodurch die magnetische Flussdichte des weichmagnetischen Metallkerns 22 größer gestaltet wird als die magnetische Sättigungsflussdichte des Ferrits 21, ein Problem darin besteht, dass die Induktivität abnimmt. Da es zu einem Streuverlust des magnetischen Flusses 23 kommt, steigt außerdem aufgrund einer Kopplung des magnetischen Flusses mit der Spule ebenfalls der Kupferverlust.
An sich werden im Stand der Technik lediglich die Querschnittsflächen des Ferritkerns und des weichmagnetischen Metallkerns in Betracht gezogen; demnach wird die magnetische Sättigung in dem Übergangsbereich vernachlässigt und die Gleichstromüberlagerungscharakteristik der Induktivität ist nicht ausreichend.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, die vorstehend erwähnten Probleme zu lösen, und beabsichtigt, die Gleichstromüberlagerungscharakteristik der Induktivität in der Drossel, die einen Verbundmagnetkern, in dem der Ferritkern und der weichmagnetische Metallkern kombiniert sind, verwendet, zu verbessern.
Die Drossel der vorliegenden Erfindung ist aus einem Paar Jochbereichskernen, die aus einem Ferritkern gefertigt sind, einem oder mehreren Wicklungsbereichskern(en), der (die) zwischen den gegenüberliegenden Flächen der Jochbereichskerne angeordnet ist (sind), und einer oder mehreren Spule(n), die um den Wicklungsbereichskern gewickelt ist (sind), gebildet. Der Wicklungsbereichskern (die Wicklungsbereichskerne) ist/sind aus einem weichmagnetischen Metallkern gebildet, und die Querschnittsfläche des Abschnitts zum Wickeln der Spule an dem Wicklungsbereichskern ist im Wesentlichen konstant. Wenn die Querschnittsfläche des Abschnitts zum Wickeln der Spule an dem Wicklungsbereichskern als S1 festgelegt ist, und die Fläche des gegenüberliegenden Abschnitts des Jochbereichskerns, der dem Wicklungsbereichskern zugewandt ist, als S2 festgelegt ist, liegt außerdem das Flächenverhältnis S2/S1 in einem Bereich von 1,3 bis 4,0. Somit kann die Gleichstromüberlagerungscharakteristik der Induktivität in der Drossel aus einem Verbundmagnetkern, in dem der Ferritkern und der weichmagnetische Metallkern zum Verwenden kombiniert sind, an sich verbessert werden.
Außerdem wird es bevorzugt, dass der Wicklungsbereichskern in der Drossel der vorliegenden Erfindung durch Kombinieren zweier oder mehrerer weichmagnetischer Metallkerne ausgebildet ist. Somit wird die Fertigung mithilfe eines Pulverformverfahrens an sich leichter, und die Abnahme der Festigkeit oder die Steigerung des Verlustes bei dem Kern aufgrund der Verarbeitung kann vermieden werden.
Ferner sind vorzugsweise Spalte in den Bereichen angeordnet, in denen die Jochbereichskerne dem Wicklungsbereichskern (den Wicklungsbereichskernen) gegenüberliegen. Auf diese Weise kann die magnetische Permeabilität angepasst werden und die Induktivität der Drossel kann leicht auf eine beliebige Höhe eingestellt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Gleichstromüberlagerungscharakteristik der Induktivität in der Drossel aus dem Verbundmagnetkern, in dem der Ferritkern und der weichmagnetische Metallkern zum Verwenden kombiniert sind, verbessert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine Schnittansicht, die die Ausgestaltung der Drossel in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
1B ist eine entlang der A-A'-Linie gezeichnete Schnittansicht der in 1A gezeigten Drossel.
2A ist eine Schnittansicht, die die Ausgestaltung der Drossel in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2B ist eine entlang der B-B'-Linie gezeichnete Schnittansicht der in 2A gezeigten Drossel.
3A ist eine Schnittansicht, die die Ausgestaltung der Drossel im Stand der Technik zeigt.
3B ist eine entlang der C-C'-Linie gezeichnete Schnittansicht der in 3A gezeigten Drossel.
4 ist eine Zeichnung, die schematisch die Ausgestaltung des Übergangsbereichs für den Ferritkern und den weichmagnetischen Metallkern sowie den Verlauf des magnetischen Flusses im Stand der Technik zeigt.
5 ist eine Zeichnung, die schematisch die Ausgestaltung des Übergangsbereichs für den Ferritkern und den weichmagnetischen Metallkern sowie den Verlauf des magnetischen Flusses im Stand der Technik zeigt.
6 ist eine Zeichnung, die schematisch die Ausgestaltung des Übergangsbereichs für den Ferritkern und den weichmagnetischen Metallkern sowie den Verlauf des magnetischen Flusses in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In dem Verbundmagnetkern, in dem der Ferritkern und der weichmagnetische Metallkern kombiniert sind, kann die Induktivität bei Gleichstromüberlagerung verbessert werden, indem die magnetische Sättigung des Ferrits in der Ebene, in der der magnetische Fluss zwischen dem Ferritkern und dem weichmagnetischen Metallkern, in den einen hinein und von dem anderen heraus, fließt, verhindert wird. 6 wird verwendet, um die verbesserte Wirkung auf die Gleichstromüberlagerungscharakteristik der Induktivität zu beschreiben, die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt ist.
In 6 ist in dem Wicklungsbereichskern, der aus dem weichmagnetischen Metallkern 22 gebildet ist, die Fläche des Kernabschnitts des Teilbereichs zum Wickeln der Spule, der senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses ist, als S1 festgelegt, und die Fläche des Abschnitts, der dem Ferritkern 21 zugewandt ist, ist als S2 festgelegt. Die Fläche S2 ist größer als die Querschnittsfläche S1 des Kerns.
Wenn die Fläche S2 größer gestaltet ist als die Querschnittsfläche S1 des Kerns, kann die magnetische Flussdichte in dem Abschnitt des weichmagnetischen Metallkerns 22, der dem Ferritkern 21 zugewandt ist, kleiner sein als jene in dem für die Spulen bestimmten Wicklungsabschnitt des weichmagnetischen Metallkerns 22. Auch wenn der in der Spule fließende Strom hoch ist, fließt der von dem weichmagnetischen Metallkern 22 her fließende magnetische Fluss 23 direkt in den Ferritkern 21, ohne den umliegenden Raum zu passieren, und die Abnahme der wirksamen Permeabilität kann unterdrückt werden. Folglich kann eine hohe Induktivität auch bei Gleichstromüberlagerung erzielt werden.
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1A und 1B sind Zeichnungen, die die Ausgestaltung der Drossel 10 zeigen. 1B ist eine entlang der A-A'-Linie gezeichnete Schnittansicht der in 1A gezeigten Drossel. Die Drossel 10 ist mit zwei einander gegenüberliegenden Jochbereichskernen 11, Wicklungsbereichskernen 12, die zwischen den zwei Jochbereichskernen 11 angeordnet sind, und Spulen 13, die um die Wicklungsbereichskerne 12 gewickelt sind, bereitgestellt. Die Spulen 13 können direkt um die Wicklungsbereichskerne 12 gewickelt sein oder sie können um Spulenkörper gewickelt sein.
Der Ferritkern wird in den Jochbereichskernen 11 verwendet. Der Ferritkern weist einen im Wesentlichen niedrigen Verlust im Vergleich zu dem weichmagnetischen Metallkern auf, weist aber eine niedrige magnetische Sättigungsflussdichte auf. Da keine Spule 13 um die Jochbereichskerne 11 gewickelt ist, wird die Größe der Spulen 13 nicht beeinflusst, auch wenn die Breite oder die Dicke der Jochbereichskerne vergrößert wird. Daher kann der niedrigen magnetischen Sättigungsflussdichte begegnet werden, indem die Querschnittsfläche der Jochbereichskerne 11 vergrößert wird. Die Querschnittsfläche der Jochbereichskerne 11 bezieht sich auf die Fläche des Querschnitts senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses, und wird durch Multiplizieren der Breite mit der Dicke erhalten. Da es einfacher ist, den Ferritkern auszubilden als den weichmagnetischen Metallkern, ist es recht einfach, einen Kern mit einer großen Querschnittsfläche anzufertigen. Der MnZn-basierte Ferrit wird vorzugsweise als der Ferritkern verwendet. Der MnZn-basierte Ferrit ist für die Miniaturisierung des Kerns günstig, da er einen geringeren Verlust und eine höhere magnetische Sättigungsflussdichte aufweist als andere Ferrite.
Der weichmagnetische Metallkern, wie z. B. der Eisenpulverkern, wird in dem Wicklungsbereichskern 12 verwendet. Der Wicklungsbereichskern 12 weist den Abschnitt 121, um den eine Spule 13 gewickelt ist, und die Abschnitte 122, die den Jochbereichskernen 11 gegenüberliegen, auf (nachstehend können die gegenüber den Jochbereichskernen liegenden Abschnitte als die Gegenabschnitte bezeichnet werden). Der Eisenpulverkern oder der FeSi-Legierungspulverkern wird vorzugsweise als der weichmagnetische Metallkern verwendet. Der Eisenpulverkern oder der FeSi-Legierungspulverkern weist eine hohe magnetische Sättigungsflussdichte auf und sein Eisenverlust bei einer hohen Frequenz ist kleiner als jener eines geschichteten elektromagnetischen Stahlblechs, so dass diese zwei Kerne bei höher werdender Ansteuerungsfrequenz vorteilhaft sind. Die Fläche des Querschnitts des Wicklungsabschnitts 121, der senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses ist, ist als S1 festgelegt. Die Richtung des magnetischen Flusses ist jener des durch die Spule 13 erzeugten Magnetfeldes gleich und entspricht der Axialrichtung der Spule 13. Die Querschnittsfläche S1 ist in Richtung des magnetischen Flusses im Wesentlichen konstant. Die Fläche des Gegenabschnitts 122, der dem Jochbereich 11 zugewandt ist, ist als S2 festegelegt.
Wenn die Querschnittsfläche S1 des Spulenwicklungsabschnitts 121 größer wird, wird die Größe der Spule 13 größer, so dass die Größe der Drossel 10 vergrößert ist. Daher wird bevorzugt, dass die Querschnittsfläche S1 klein ist. Wenn jedoch die Querschnittsfläche S1 kleiner wird, ist der magnetische Fluss nicht ausreichend. In dieser Hinsicht nimmt die Induktivität bei Gleichstromüberlagerung ab. Wenn die Querschnittsfläche S1 kleiner wird, wird außerdem aufgrund von Welligkeit die Amplitude des magnetischen Flusses größer, so dass der Verlust größer wird. Daher wird es bevorzugt, dass die Querschnittsfläche S1 möglichst klein ist, während die Induktivität und der Verlust gleichzeitig in Betracht gezogen werden.
Die Fläche S2 des Kerngegenabschnitts 122, der dem Jochbereichskern 11 zugewandt ist, ist größer als die Querschnittsfläche S1 des Spulenwicklungsabschnitts 121. Die magnetische Flussdichte bezieht sich auf den magnetischen Fluss pro Flächeneinheit. Da der magnetische Fluss, der in dem Spulenwicklungsabschnitt 121 fließt, jenem des Kerngegenabschnitts 122 möglichst gleich sein sollte, kann die magnetische Flussdichte in dem Kerngegenabschnitt 122 kleiner sein als jene in dem Spulenwicklungsabschnitt 121, wenn die Fläche S2 größer gestaltet ist als die Querschnittsfläche S1. Der weichmagnetische Metallkern mit einer hohen magnetischen Flussdichte wird in dem Spulenwicklungsbereichskern 12 verwendet, so dass ein großer magnetischer Fluss hervorgerufen werden kann. Auch wenn die magnetische Flussdichte des Spulenwicklungsabschnitts 121 höher ist als die magnetische Sättigungsflussdichte des Ferritkerns, kann die magnetische Sättigung des Ferritkerns vermieden werden, indem die magnetische Flussdichte des Kerngegenabschnitts 122 reduziert wird.
Von daher kann die Querschnittsfläche S1 des Spulenwicklungsabschnitts 121, die den größten Teil des Wicklungsbereichskerns 12 in Anspruch nahm, reduziert werden, um die Drossel zu verkleinern. Außerdem kann die Induktivität bei Gleichstromüberlagerung erhöht werden, indem die magnetische Sättigung des Abschnitts des Wicklungsbereichskerns 12, der dem Jochbereichskern 11 zugewandt ist, vermieden wird.
Da keine Spule 13 um die Gegenabschnitte 122 des Kerns gewickelt ist, werden außerdem der Innendurchmesser und der Außendurchmesser der Spule 13 nicht beeinflusst, auch wenn die Fläche S2 vergrößert wird. Die Form der Drossel 10 wird nicht beeinflusst, auch wenn die Fläche S2 vergrößert wird, solange die Größe des Kerngegenabschnitts 122 innerhalb eines Bereichs liegt, der den Jochbereichskern 11 oder den Wicklungsbereichskern 12 nicht beeinflusst.
Das Flächenverhältnis S2/S1 liegt in einem Bereich von 1,3 bis 4,0. Wenn das Flächenverhältnis S2/S1 weniger als 1,3 beträgt, lässt die Gleichstromüberlagerungscharakteristik der Induktivität nach, da die reduzierende Wirkung auf die magnetische Flussdichte schwächer ist. Wenn das Flächenverhältnis S2/S1 4,0 übersteigt, wird die Fläche des Kerngegenabschnitts 122 zu groß. In dieser Hinsicht ist es notwendig, die untere Fläche des Jochbereichskerns 11 zu vergrößern, was zu einer verringerter Auswirkung auf die Miniaturisierung führt. Wenn die Verbesserungswirkung auf die Gleichstromüberlagerungscharakteristik und die Miniaturisierungswirkung in Betracht gezogen werden sollen, ist es bevorzugter, dass das Flächenverhältnis S2/S1 in einem Bereich von 1,5 bis 3,1 liegt.
Die Dicke des Abschnitts mit einer größeren Fläche in dem Kerngegenabschnitt 122 beträgt 0,5 mm oder mehr. Wenn die Dicke weniger als 0,5 mm beträgt, kann die magnetische Flussdichte des magnetischen Flusses, der aus dem Wicklungsbereichskern 12 heraus fließt, nicht hinreichend reduziert werden, so dass die Induktivität bei Gleichstromüberlagerung abnimmt. Wenn die Dicke groß ist, kann eine Verbesserungswirkung auf die Induktivität hinreichend erzielt werden. Wenn jedoch die Dicke viel zu dick ist, wird der Effekt der Miniaturisierung des Kerns gering. In dieser Hinsicht wird bevorzugt, dass die Dicke des Abschnitts mit einer größeren Fläche in dem Kerngegenabschnitt 122 1,0 bis 3,0 mm beträgt.
Mindestens ein Satz des Wicklungsbereichskerns 12 ist zwischen den gegenüberliegenden Jochbereichskernen 11 angeordnet. Aus Sicht einer Miniaturisierung weist der Wicklungsbereichskern 12 vorzugsweise einen Satz oder zwei Sätze auf. Gemäß der Anzahl der Sätze des Wicklungsbereichskerns 12 ändert sich entsprechend die Anzahl der Abschnitte, in denen die Jochbereichskerne 11 und die Wicklungsbereichskerne 12 einander gegenüberliegen. Wenn jedoch das Flächenverhältnis S2/S1 dem vorstehend erwähnten Verhältnis in all diesen Abschnitten genügt, wird die beste Wirkung hinsichtlich der Verbesserung der Induktivität erzielt.
Vorzugsweise ist der Wicklungsbereichskern 12 aus zwei oder mehr weichmagnetischen Metallkernen gebildet. Es ist schwierig, mithilfe eines allgemeinen Pulverformverfahrens einen Kern anzufertigen, dessen Fläche an beiden Endabschnitten größer ist als jene des Mittelabschnitts des Wicklungsbereichskerns 12. Andere Verfahren, wie z. B. ein Schneiden des geformten Körpers, werden benötigt. Wenn der geformte Körper einem Schneidverfahren unterzogen wird, bestehen Risiken darin, dass sich die Festigkeit verschlechtern kann, da Risse zugefügt werden, und der Eisenverlust bei einer hohen Frequenz aufgrund der elektrischen Leitung auf der Schnittebene erhöht ist. Um das Auftreten derartiger Probleme zu vermeiden, ist es zum Beispiel leicht, zwei Kerne, die von dem Mittelabschnitt getrennt sind, in Längsrichtung des Wicklungsbereichskerns 12 zu kombinieren, um lediglich die Fläche eines Endes zu vergrößern. Außerdem ist es mithilfe eines allgemeinen Pulverformverfahrens leicht, einen Kern anzufertigen, dessen Fläche an einem Ende vergrößert ist. Die Anzahl der getrennten Abschnitte ist nicht auf zwei beschränkt, und der Wicklungsbereichskern 12 kann in drei oder mehr Abschnitte aufgeteilt sein, sofern die Größe des Wicklungsbereichskerns 12 oder der Verlust nicht beeinflusst werden.
Spalte 14 zum Anpassen der magnetischen Permeabilität können außerdem in dem Pfad des magnetischen Kreises, der durch die Jochbereichskerne 11 und die Wicklungsbereichskerne 12 gebildet ist, angeordnet sein. Unabhängig davon, ob die Spalte 14 vorhanden sind oder nicht, kann die Wirkung der Induktivitätsverbesserung, die durch die vorliegende Erfindung erzeugt wird, bereitgestellt werden. Zudem kann die Verwendung der Spalte 14 eine freiere Gestaltung der Drossel 10 bewirken, d. h. die Drossel 10 kann derart ausgestaltet werden, dass sie eine freiwählbare Induktivität aufweist. Die Position, an der die Spalte 14 angeordnet sind, unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, aber aus der Sicht einer einfachen Handhabung werden die Spalte 14 vorzugsweise in die Freiräume zwischen den Jochbereichskernen 11 und den Wicklungsbereichskernen 12 eingefügt. Die Spalte 14 können aus einem Freiraum oder einem unmagnetischen und isolierenden Material, wie z. B. Keramik, Glas, einem Epoxidglas-Substrat oder einem Harzfilm, gefertigt sein.
2 ist eine Schnittansicht, die die Ausgestaltung der Drossel in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 2B ist eine entlang der B-B'-Linie gezeichnete Schnittansicht der Drossel in 2A. Der Jochbereichskern 11 ist ein Ferritkern, der wie „
” geformt ist, und einen Rückenabschnitt und Fußabschnitte an beiden Enden aufweist. Der Wicklungsbereichskern 12 ist ein weichmagnetischer Metallkern. Die Jochbereichskerne 11 liegen einander gegenüber, um einen „☐”-geformten magnetischen Kreis zu bilden, wie in 2 gezeigt. Ein Satz des Wicklungsbereichskerns 12 ist in dem Mittelabschnitt der Jochbereichskerne 11 angeordnet, wobei die Spule 13 mit einer definierten Anzahl von Windungen um den Abschnitt zum Wickeln des Wicklungsbereichskerns 12 gewickelt ist, um die Drossel 10 zu bilden. Die Spule 13 kann direkt um den Wicklungsbereichskern 12 gewickelt sein oder sie kann um einen Spulenkörper gewickelt sein. Die Fläche S2 des Abschnitts für den Kerngegenabschnitt 122, der dem Jochbereichskern 11 zugewandt ist, ist größer als die Querschnittsfläche S1 des Spulenwicklungsabschnitts 121. Das Flächenverhältnis S2/S1 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1,3 bis 4,0. Die in 2 gezeigte Ausführungsform ist im Wesentlichen jener, die in 1 gezeigt ist, gleich, mit Ausnahme der Form des Jochbereichskerns 11.
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden vorstehend beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann verschiedenartig modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken und Umfang abzuweichen.
BEISPIELE
<Beispiel 1>
Im Hinblick auf die in 1 gezeigte Ausführungsform wurden die Eigenschaften verglichen, wenn die Querschnittsfläche S1 des Wicklungsabschnitts 121 in dem Wicklungsbereichskern 12 konstant eingestellt war und die Fläche S2 des Kerngegenabschnitts 122 verändert wurde.
(Beispiele 1-1 bis 1-4 und Vergleichsbeispiel 1-1)
Ein MnZn-Quader-Ferritkern (PE22, hergestellt von TDK Corporation) wurde in dem Jochbereichskern mit einer Länge von 80 mm, einer Breite von 45 mm und einer Dicke von 20 mm verwendet.
Ein Eisenpulverkern wurde in dem Wicklungsbereichskern verwendet. Der Eisenpulverkern wurde derart angefertigt, dass er eine Höhe von 25 mm aufwies, wobei der Durchmesser des Wicklungsabschnitts 24 mm betrug. Der Durchmesser an einem Ende wurde derart vergrößert, dass die Fläche S2 des Kerngegenabschnitts der in Tabelle 1 aufgelisteten entsprach. Die Dicke des Abschnitts an dem Ende, an dem der Durchmesser vergrößert war, wurde derart gestaltet, dass sie 2 mm betrug. Das Somaloy 110i, hergestellt von Höganäs AB Corporation, wurde als Eisenpulver verwendet. Das Eisenpulver wurde in eine Form eingefüllt, die mit Zinkstearat als Schmiermittel beschichtet war, und wurde anschließend einem Formpressen unter einem Druck von 780 MPa unterzogen, um einen geformten Körper mit einer vorgegebenen Form bereitzustellen. Der geformte Körper wurde bei 500°C gemäß einem Annealing-Verfahren wärmebehandelt, um den Eisenpulverkern bereitzustellen. Zwei erhaltene Spulenwicklungsbereiche eines magnetischen Eisenpulverkerns wurden verbunden, um einen Satz des Wicklungsbereichskerns zu bilden.
Zwei Sätze von Wicklungsbereichskernen wurden zwischen zwei einander gegenüberliegenden Jochbereichskernen angeordnet, und eine Spule mit einer Windungsanzahl von 44 wurde um den Wicklungsabschnitt des Wicklungsbereichskerns gewickelt, um eine Drossel bereitzustellen (Beispiele 1-1 bis 1-4 und Vergleichsbeispiel 1-1).
Im Hinblick auf die in 3 gezeigte Ausführungsform wurde außerdem die Eigenschaft der herkömmlichen Ausgestaltung bewertet, bei der die Querschnittsfläche des Übergangsbereichs für den Wicklungsbereichskern und den Jochbereichskern nicht bedacht wurde. Ferner ist 3B eine entlang der C-C'-Linie gezeichnete Schnittansicht, die die Drossel von 3A zeigt.
(Vergleichsbeispiel 1-2)
Ein MnZn-Quader-Ferritkern (PE22, hergestellt von TDK Corporation) wurde in dem Jochbereichskern mit einer Länge von 80 mm, einer Breite von 45 mm und einer Dicke von 20 mm verwendet.
Ein Eisenpulverkern wurde in dem Wicklungsbereichskern verwendet. Der Eisenpulverkern wurde derart angefertigt, dass er eine Höhe von 25 mm und einen Durchmesser von 24 mm aufweist. Das Somaloy 110i, hergestellt von Höganäs AB Corporation, wurde als Eisenpulver verwendet. Das Eisenpulver wurde in eine Form eingefüllt, die mit Zinkstearat als Schmiermittel beschichtet war, und wurde anschließend einem Formpressen unter einem Druck von 780 MPa unterzogen, um einen geformten Körper bereitzustellen. Der geformten Körper wurde bei 500°C gemäß einem Annealing-Verfahren wärmebehandelt, um den Eisenpulverkern bereitzustellen. Zwei erhaltene Eisenpulverkerne wurden verbunden, um einen Satz des Wicklungsbereichskerns zu bilden.
Zwei Sätze von Wicklungsbereichskernen wurden zwischen zwei einander gegenüberliegenden Jochbereichskernen angeordnet, und eine Spule mit einer Windungsanzahl von 44 wurde um den Wicklungsabschnitt des Wicklungsbereichskerns gewickelt, um eine Drossel bereitzustellen (Vergleichsbeispiel 1-2).
Die Induktivität und der Eisenverlust bei einer hohen Frequenz wurden in den erhaltenen Drosseln bewertet (Beispiele 1-1 bis 1-4 und Vergleichsbeispiele 1-1 bis 1-2).
Die Gleichstromüberlagerungscharakteristik der Induktivität wurde unter Verwendung eines LCR-Messgeräts (4284A, hergestellt von Agilent Technologies Corporation) und einer DC-Biasversorgung (42841A, hergestellt von Agilent Technologies Corporation) gemessen. Da eine Variabilität der magnetischen Permeabilität des angefertigten Wicklungsbereichskerns vorlag, wurden Materialien für Spalte in vier Freiräume zwischen den Jochbereichskernen und den Wicklungsbereichskernen entsprechend den Anforderungen eingefügt, dass die Anfangsinduktivität 600 μH betrug, wenn kein Gleichstrom zugeführt war. Ein PET-Film (Polyethylenterephthalat), der ein unmagnetisches und isolierendes Material war, wurde als Material für die Spalte verwendet. Im Hinblick auf die Gleichstromüberlagerungscharakteristik wurde die Induktivität gemessen, wenn der Nennstrom 20 A betrug. Die Dicke des Materials für die Spalte und die Gleichstromüberlagerungscharakteristik sind in Tabelle 1 gezeigt.
Der Eisenverlust bei einer hohen Frequenz wurde unter Verwendung eines BH-Analysators (SY-8258, hergestellt von Iwatsu Test Instruments Corporation) gemessen. Bei der Messung des Kernverlustes wurde die Frequenz f auf 20 kHz eingestellt und Bm wurde auf 50 mT eingestellt. Die Erregerspule wies eine Windungsanzahl von 25 auf und die Suchspule wies eine Windungsanzahl von 5 auf. Diese zwei Spulen wurden um einen Wicklungsbereichskern gewickelt, um die Messung durchzuführen. Das Ergebnis der Messung des Eisenverlustes ist in Tabelle 1 gezeigt.
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, war in Vergleichsbeispiel 1-2 mit einer herkömmlichen Konfiguration die Induktivität bei einem Strom mit Gleichstromüberlagerung von 20 A im Vergleich zur Anfangsinduktivität (600 μH) um fast 40% reduziert und es wurde lediglich eine niedrige Induktivität von 370 μH erzielt. In Vergleichsbeispiel 1-1 wurde durch Einstellen der Fläche S2 derart, dass sie größer war als die Querschnittsfläche S1, der Betrag der Induktivität bei Gleichstromüberlagerung (der Strom mit Gleichstromüberlagerung betrug 20 A) auf eine Höhe von 410 μH verbessert. Da das Flächenverhältnis S2/S1 kleiner war als 1,3, war jedoch die Induktivität im Vergleich zur Anfangsinduktivität (600 μH) um mehr als 30% reduziert. In den Drosseln der Beispiele 1-1 bis 1-4 wurde, da das Flächenverhältnis S2/S1 innerhalb des Bereichs von 1,3 bis 4,0 lag, die Induktivität bei einem Strom mit Gleichstromüberlagerung von 20 A hinreichend auf eine Höhe von 500 μH oder mehr verbessert, wobei ihre Reduzierung im Verhältnis zu der Anfangsinduktivität derart unterdrückt wurde, dass sie 30% oder weniger betrug. Außerdem wurde bestätigt, dass der Eisenverlust bei einer hohen Frequenz beinahe gleich war.
In den Beispielen 1-1 und 1-4 wurden Spalte (0,30 mm) zwischen die Jochbereichskerne und die Wicklungsbereichskerne eingefügt, und in den Beispielen 1-2 und 1-3 wurden keine Spalte eingefügt. In all diesen Fällen betrug die Induktivität 500 μH oder mehr, und ihre Reduzierung im Verhältnis zu der Anfangsinduktivität (600 μH) wurde derart unterdrückt, dass sie 30% oder weniger betrug. Durch Einfügen von Spalten in die Freiräume zwischen den Jochbereichskernen und den Wicklungsbereichskernen hat sich daher die Verbesserungswirkung auf die Induktivität nicht verschlechtert und die Anfangsinduktivität konnte leicht angepasst werden.
Wenn das Flächenverhältnis S2/S1 4,0 überschritten hat, war außerdem die Fläche des Endabschnitts in dem Wicklungsbereichskern S2 größer als 1810 mm². Zwei Sätze von Wicklungsbereichskernen stellten eine Fläche größer als 3620 mm² bereit, und eine derartige Fläche war größer als die untere Fläche des Jochbereichskerns (3600 mm² = 80 mm Länge × 45 mm Breite). In dieser Hinsicht könnte die Drossel nicht zusammengebaut werden, wenn der Jochbereichskern nicht vergrößert würde. Die Miniaturisierungsanforderung konnte nicht erfüllt werden.
<Beispiel 2>
Im Hinblick auf die in 1 gezeigte Ausführungsform wurden die Eigenschaften verglichen, wenn die Querschnittsfläche S1 des Wicklungsabschnitts 121 in dem Wicklungsbereichskern 12 konstant eingestellt war und die Fläche S2 des Kerngegenabschnitts 122 verändert wurde.
(Beispiele 2-1 bis 2-4 und Vergleichsbeispiel 2-1)
Ein MnZn-Quader-Ferritkern (PE22, hergestellt von TDK Corporation) wurde in dem Jochbereichskern mit einer Länge von 88 mm, einer Breite von 48 mm und einer Dicke von 20 mm verwendet.
Ein FeSi-Legierungspulverkern wurde in dem Wicklungsbereichskern verwendet. Drei FeSi-Legierungspulverkerne wurden mit einer Höhe von 24 mm angefertigt, und der Durchmesser des Wicklungsabschnitts betrug 26 mm. In zwei von den drei Kernen wurde der Durchmesser an einem Ende vergrößert, so dass die Fläche S2 des Gegenabschnitts den in Tabelle 2 aufgelisteten Wert aufwies. Die Dicke des Abschnitts an dem Ende, an dem der Durchmesser vergrößert war, wurde derart gestaltet, dass sie 2 mm betrug. Die Zusammensetzung des FeSi-Legierungspulvers war Fe-4,5% Si. Das Legierungspulver wurde durch Wasserzerstäubung angefertigt, und die Teilchengröße wurde durch ein Siebverfahren derart eingestellt, dass sie einen mittleren Durchmesser von 50 μm aufwies. Ein Silikonharz wurde zu dem erhaltenen FeSi-Legierungspulver in einer Menge von 2 Ma% hinzugefügt, und die Mischung wurde 30 Minuten lang bei Raumtemperatur unter Verwendung eines Druckkneters gemischt. Dann wurde das Harz auf die Fläche des weichmagnetischen Pulvers aufgetragen. Die entstandene Mischung wurde einem Endbearbeitungsprozess unterzogen, indem ein Sieb mit einer Maschenweite von 355 μm verwendet wurde, um Teilchen vorzubereiten. Die erhaltenen Teilchen wurden in eine Form, die mit Zinkstearat als Schmiermittel beschichtet war, eingefüllt, und ein Formpressen wurde unter einem Druck von 980 MPa durchgeführt, um einen geformten Körper mit einem Durchmesser von 26 mm und einer Höhe von 24 mm bereitzustellen. Der geformten Körper wurde bei 700°C in einer Stickstoffatmosphäre gemäß einem Annealing-Verfahren wärmebehandelt. Die drei erhaltenen Wicklungsabschnitte, die aus FeSi-Legierungspulverkernen gefertigt waren, wurden verbunden, um einen Satz des Wicklungsbereichskerns bereitzustellen.
Zwei Sätze von Wicklungsbereichskernen wurden zwischen zwei einander gegenüberliegenden Jochbereichskernen angeordnet, und eine Spule mit einer Windungsanzahl von 50 wurde um den Wicklungsabschnitt des Wicklungsbereichskerns gewickelt, um eine Drossel bereitzustellen (Beispiele 2-1 bis 2-4 und Vergleichsbeispiel 2-1).
Im Hinblick auf die in 3 gezeigte Ausführungsform wurde außerdem die Eigenschaft der herkömmlichen Konfiguration bewertet, bei der die Querschnittsfläche des Übergangsbereichs für den Wicklungsbereichskern und den Jochbereichskern nicht bedacht wurde.
(Vergleichsbeispiel 2-2)
Ein MnZn-Quader-Ferritkern (PE22, hergestellt von TDK Corporation) wurde in dem Jochbereichskern mit einer Länge von 88 mm, einer Breite von 48 mm und einer Dicke von 20 mm verwendet.
Ein FeSi-Legierungspulverkern wurde in dem Wicklungsbereichskern verwendet. Der FeSi-Legierungspulverkern wurde mit einem Durchmesser von 26 mm und einer Höhe von 24 mm angefertigt. Drei FeSi-Legierungspulverkerne, die wie in Beispielen 2-1 bis 2-4 erhalten wurden, wurden verbunden, um einen Satz des Wicklungsbereichskerns bereitzustellen.
Zwei Sätze von Wicklungsbereichskernen wurden zwischen zwei einander gegenüberliegenden Jochbereichskernen angeordnet, und eine Spule mit einer Windungsanzahl von 50 wurde um den Wicklungsabschnitt des Wicklungsbereichskerns gewickelt, um eine Drossel bereitzustellen (Vergleichsbeispiel 2-2).
Die Induktivität und der Eisenverlust bei einer hohen Frequenz wurden in den erhaltenen Drosseln bewertet (Beispiele 2-1 bis 2-4 und Vergleichsbeispiele 2-1 bis 2-2).
Die Gleichstromüberlagerungscharakteristik der Induktivität wurde auf dieselbe Weise wie jene in Beispiel 1 gemessen. Um die Änderung der Induktivität aufgrund der magnetischen Permeabilität des angefertigten Wicklungsbereichskerns anzupassen, wurden Materialien für Spalte in die vier Freiräume zwischen den Jochbereichskernen und den Wicklungsbereichskernen eingefügt, so dass die Anfangsinduktivität 700 μH betrug, wenn kein Gleichstrom zugeführt wurde. Im Hinblick auf die Gleichstromüberlagerungscharakteristik wurde die Induktivität gemessen, wenn der Nennstrom 26 A betrug. Die Dicke des Materials für die Spalte und die Gleichstromüberlagerungscharakteristik sind in Tabelle 2 gezeigt.
Der Eisenverlust bei einer hohen Frequenz wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 gemessen. Bei der Messung des Verlustes des Kerns wurde die Frequenz f auf 20 kHz eingestellt und Bm wurde auf 50 mT eingestellt. Die Erregerspule wies eine Windungsanzahl von 25 auf, und die Suchspule wies eine Windungsanzahl von 5 auf. Diese zwei Spulen wurden um einen Wicklungsbereichskern gewickelt, um die Messung durchzuführen. Das Ergebnis der Messung des Eisenverlustes ist in Tabelle 2 gezeigt.
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, war in Vergleichsbeispiel 2-2 mit einer herkömmlichen Konfiguration die Induktivität bei einem Strom mit Gleichstromüberlagerung von 26 A im Vergleich zur Anfangsinduktivität (700 μH) um eine Höhe von mehr als 40% reduziert, und es wurde lediglich eine niedrige Induktivität von 400 μH erzielt. In Vergleichsbeispiel 2-1 wurde durch Einstellen der Fläche S2 derart, dass sie größer als die Querschnittsfläche S1 war, der Wert der Induktivität bei Gleichstromüberlagerung auf eine Höhe von 430 μH verbessert. Da das Flächenverhältnis S2/S1 kleiner war als 1,3, war jedoch die Induktivität im Vergleich zu der Anfangsinduktivität (700 μH) um eine Höhe von mehr als 30% reduziert. In den Drosseln von Beispielen 2-1 bis 2-4 betrugen die Induktivitäten bei einem Strom mit Gleichstromüberlagerung von 26 A 525 μH oder mehr, und ihre Abnahme von der Anfangsinduktivität (700 μH) wurde derart unterdrückt, dass sie 30% oder weniger betrug. Außerdem wurde bestätigt, dass der Eisenverlust bei einer hohen Frequenz beinahe gleich war. Die Verbesserungswirkung auf die Gleichstromüberlagerungscharakteristik der Induktivität konnte erreicht werden, auch wenn die Größe des Kerns oder die Anzahl von Windungen der Spule verändert wurden.
Wenn das Flächenverhältnis S2/S1 4,0 überschritt, war außerdem die Fläche des Endabschnitts in dem Wicklungsbereichskern S2 größer als 2120 mm². Zwei Sätze von Wicklungsbereichskernen stellten eine Fläche größer als 4240 mm² bereit, und eine derartige Fläche war größer als die untere Fläche des Jochbereichskerns (4224 mm² = 88 mm Länge × 48 mm Breite). In dieser Hinsicht könnte die Drossel nicht zusammengebaut werden, wenn der Jochbereichskern nicht vergrößert würde. Die Miniaturisierungsanforderung konnte nicht erfüllt werden.
<Beispiel 3>
Im Hinblick auf die in 2 gezeigte Ausführungsform wurden die Eigenschaften verglichen, wenn die Querschnittsfläche S1 des Wicklungsabschnitts 121 in dem Wicklungsbereichskern 12 konstant eingestellt war und die Fläche S2 des Kerngegenabschnitts 122 verändert wurde.
(Beispiel 3-1)
Die Jochbereichskerne 11 waren ein MnZn-Ferritkern, der wie „
” geformt war (PC90, hergestellt von TDK Corporation), wobei der Rückenabschnitt eine Länge von 80 mm, eine Breite von 60 mm und eine Dicke von 10 mm aufwies, und die Fußabschnitte eine Länge von 14 mm, eine Breite von 60 mm und eine Dicke von 10 mm aufwiesen.
Ein FeSi-Legierungspulverkern wurde in dem Wicklungsbereichskern verwendet. Das FeSi-Legierungspulver wies eine Zusammensetzung von Fe-4,5% Si auf. Das Legierungspulver wurde durch Wasserzerstäubung angefertigt, und die Teilchengröße wurde durch ein Siebverfahren derart eingestellt, dass sie einen mittleren Durchmesser von 50 μm aufwies. Ein Silikonharz wurde zu dem erhaltenen FeSi-Legierungspulver in einer Menge von 2 Ma% hinzugefügt, und die Mischung wurde 30 Minuten lang bei Raumtemperatur unter Verwendung eines Druckkneters gemischt. Dann wurde das Harz auf die Fläche des weichmagnetischen Pulvers aufgetragen. Die entstandene Mischung wurde einem Endbearbeitungsprozess unterzogen, indem ein Sieb mit einer Maschenweite von 355 μm verwendet wurde, um Teilchen vorzubereiten. Die erhaltenen Teilchen wurden in eine Form eingefüllt, die mit Zinkstearat als Schmiermittel beschichtet war, und ein Formpressen wurde unter einem Druck von 980 MPa durchgeführt, um einen geformten Körper mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Höhe von 28 mm bereitzustellen. Der erhaltene geformten Körper wurde einem Verfahren unterzogen, um den Abschnitt, der als der Spulenwicklungsabschnitt erachtet wurde, zu schneiden, um den Durchmesser des Wicklungsabschnitts derart zu gestalten, dass er 24 mm betrug, wobei der Durchmesser der zwei Endabschnitte weiterhin 30 mm betrug. Dann wurde der geformten Körper bei 700°C in einer Stickstoffatmosphäre gemäß einem Annealing-Verfahren wärmebehandelt. Der erhaltende FeSi-Legierungspulverkern wurde als der Wicklungsbereichskern verwendet.
Wie in 2 gezeigt, liegen die Jochbereichskerne einander gegenüber, um einen magnetischen Kreis zu bilden, der wie „☐” geformt ist, und in dem mittleren Abschnitt wurde ein Satz des Wicklungsbereichskerns angeordnet. Eine Spule mit einer Windungsanzahl von 38 wurde um den Wicklungsabschnitt des Wicklungsbereichskerns gewickelt, um eine Drossel anzufertigen (Beispiel 3-1).
(Vergleichsbeispiel 3-1)
Die Jochbereichskerne 11 waren ein MnZn-Ferritkern, der wie „
” geformt war (PC90, hergestellt von TDK Corporation), wobei der Rückenabschnitt eine Länge von 60 mm, eine Breite von 60 mm und eine Dicke von 10 mm aufwies, und die Fußabschnitte eine Länge von 14 mm, eine Breite von 60 mm und eine Dicke von 10 mm aufwiesen.
Ein FeSi-Legierungspulverkern wurde in dem Wicklungsbereichskern verwendet. Der FeSi-Legierungspulverkern wurde derart gestaltet, dass er eine Höhe von 24 mm aufwies, und der Durchmesser des Wicklungsabschnitts betrug 24 mm. Der FeSi-Legierungspulverkern, der auf dieselbe Weise wie in Beispiel 3-1 mit Ausnahme der Form des Kerns erhalten wurde, wurde als der Wicklungsbereichskern verwendet.
Wie in 2 gezeigt, liegen die Jochbereichskerne einander gegenüber, um einen magnetischen Kreis zu bilden, der wie „☐” geformt ist, und in dem mittleren Abschnitt wurde ein Satz des Wicklungsbereichskerns angeordnet. Eine Spule mit einer Windungsanzahl von 38 wurde um den Wicklungsabschnitt des Wicklungsbereichskerns gewickelt, um eine Drossel anzufertigen (Vergleichsbeispiel 3-1).
Die Induktivität und der Eisenverlust bei einer hohen Frequenz wurden in den erhaltenen Drosseln bewertet (Beispiel 3-1 und Vergleichsbeispiel 3-1).
Die Gleichstromüberlagerungscharakteristik der Induktivität wurde wie in Beispiel 1 gemessen. Materialien für Spalte mit einer Dicke von 0,5 mm wurden in zwei Freiräume zwischen den Jochbereichskernen und dem Wicklungsbereichsmagnetkern eingefügt, um die Anfangsinduktivität derart zu gestalten, dass sie 570 μH betrug, wenn kein Gleichstrom zugeführt wurde. Bevor die Materialien für die Spalte eingefügt wurden, wurde die Höhe des Fußabschnitts durch Schleifen derart eingestellt, dass der Freiraum zwischen den gegenüberliegenden Fußabschnitten des Ferritkerns eliminiert wurde. Hinsichtlich der Gleichstromüberlagerungscharakteristik wurde die Induktivität gemessen, wenn der Nennstrom 20 A betrug, und das Ergebnis ist in Tabelle 3 dargestellt.
Der Eisenverlust bei einer hohen Frequenz wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 gemessen. Bei der Messung des Verlustes in dem Magnetkern wurde die Frequenz f auf 20 kHz eingestellt und Bm wurde auf 50 mT eingestellt. Die Erregerspule wies eine Windungsanzahl von 25 auf und die Suchspule wies eine Windungsanzahl von 5 auf. Diese zwei Spulen wurden um den Wicklungsbereichskern gewickelt, um die Messung durchzuführen. Das Ergebnis der Messung des Eisenverlustes ist in Tabelle 3 gezeigt.
Wie aus Tabelle 3 ersichtlich, war bei der Drossel von Vergleichsbeispiel 3-1 die Induktivität bei einem Strom mit Gleichstromüberlagerung von 20 A um eine Höhe von mehr als 50% der Anfangsinduktivität (570 μH) reduziert, und es wurde lediglich eine niedrige Induktivität von 280 μH erzielt. Andererseits betrug die Induktivität in der Drossel von Beispiel 3-1 bei einem Strom mit Gleichstromüberlagerung von 20 A 500 μH, und ihre Abnahme von der Anfangsinduktivität (570 μH) wurde derart unterdrückt, dass sie 30% oder weniger betrug. Außerdem wurde bestätigt, dass der Eisenverlust bei einer hohen Frequenz fast gleich war.
Beim Vergleich von Beispiel 2-1 mit Beispiel 3-1 konnte festgestellt werden, dass der Eisenverlust bei einer hohen Frequenz reduziert war. Wenn ein Satz des Wicklungsbereichskerns angeordnet war, wie in der Ausführungsform von 2 dargestellt, war der prozentuale Anteil, den der Ferritkern in Anspruch nahm, in dem magnetischen Kreis des Verbundmagnetkerns erhöht, so dass der Verlust wirkungsvoll reduziert werden konnte, indem aus dem niedrigen Verlust des Ferrits ein Vorteil gezogen wurde.
In Beispielen 1-1 bis 1-4 wurde ein Satz des Wicklungsbereichskerns aus zwei weichmagnetischen Metallkernen gebildet. In Beispielen 2-1 bis 2-4 wurde ein Satz des Wicklungsbereichskerns aus drei weichmagnetischen Metallkernen gebildet. In Beispiel 3-1 wurde ein Satz des Wicklungsbereichskerns aus einem weichmagnetischen Metallkern gebildet. In all den Fällen wurde die Verbesserungswirkung auf die Gleichstromüberlagerungscharakteristik der Induktivität festgestellt. Da jedoch der magnetische Kern in Beispiel 3-1 geschnitten werden musste, könnte es einfacher sein, zwei oder mehr weichmagnetische Metallkerne zu verbinden, wie in Beispielen 1-1 bis 1-4 oder in Beispielen 2-1 bis 2-4.
Wie vorstehend beschrieben, weist die Drossel der vorliegenden Erfindung den reduzierten Verlust auf, und sie weist außerdem auch bei Gleichstromüberlagerung eine hohe Induktivität auf, so dass eine hohe Effizienz und Miniaturisierung realisiert werden können. Daher kann eine derartige Drossel allgemein und wirkungsvoll in einer elektrischen oder magnetischen Vorrichtung, wie z. B. einer Schaltung einer Stromversorgung oder eines Power Conditioners, verwendet werden.
Bezugszeichenliste

10: Drossel
11: Jochbereichskern
12: Wicklungsbereichskern
121: Wicklungsabschnitt
122: Abschnitt, der dem Jochbereichskern gegenüberlieget (Gegenabschnitt)
13: Spule
14: Spalt
21: Ferritkern
22: Weichmagnetischer Metallkern
23: Magnetischer Fluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007-128951 A [0005]

Claims

Drossel, aufweisend: ein Paar Jochbereichskerne, die aus einem Ferritkern gebildet sind, einen oder mehrere Wicklungsbereichskern(e), der (die) zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen der Jochbereichskerne angeordnet ist (sind), und eine oder mehrere Spule(n), die um den/die Wicklungsbereichskern(e) gewickelt ist (sind), wobei der/die Wicklungsbereichskern(e) aus einem weichmagnetischen Metallkern gefertigt ist/sind, die Querschnittsfläche des Abschnitts jedes der Wicklungsbereichskern(e), in dem die Spule(n) gewickelt ist/sind, im Wesentlichen konstant ist, und wobei, wenn die Querschnittsfläche des Abschnitts jedes der Wicklungsbereichskern(e), in dem die Spule(n) gewickelt ist/sind, als S1 festgelegt ist und die Fläche des Abschnitts jedes der Wicklungsbereichskern(e), der einem jeweiligen der Jochbereichskerne gegenüberliegt, als S2 festgelegt ist, das Flächenverhältnis von S2/S1 in einem Bereich von 1,3 bis 4,0 liegt.
Drossel nach Anspruch 1, wobei jeder der Wicklungsbereichskern(e) durch Kombinieren von zwei oder mehr weichmagnetischen Metallkernen ausgebildet ist.
Drossel nach Anspruch 1, wobei ein Spalt in dem Bereich bereitgestellt ist, in dem jeder der Jochbereichskerne einem jedem der Wicklungsbereichskern(e) gegenüberliegt.