JP2003124015A - 圧粉磁心、コイル部品、及びそれらを用いた電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小形化で省エネルギーで、かつ省資源と経済
性を高めたコイル部品を提供すること。 【解決手段】 閉磁路を形成する磁心１の少なくとも一
部にエアギャップ２を設け、磁心１に印加される磁界が
１００Oeにおける実効透磁率が少なくとも２０以上とす
る。磁心に巻線３を施してコイル部品を得る、好ましく
は、エアギャップの少なくとも一部に、磁心よりも飽和
磁束密度が小さい磁性体４を設ける。こうして得られた
コイル部品は、電力変換装置に用いるのに適している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スイッチング電源
やインバータ機器などの電子機器等に供する磁心及びコ
イル部品、更にはこれらを用いて構成する電力変換装置
に係わり、特に小形高性能で低損失な磁心及びコイル部
品、並びにこれらを用いた電力変換器に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、閉磁路の磁芯に巻線を施してなる
コイル部品において比較的高い電流直流をコイルに通電
する際のコイル部品のインダクタンスを確保する際は、
通常のケイ素鋼板やフェライトの磁心に対して、その磁
路内に適当なギャップ（空隙）を設けて実効透磁率を下
げ比較的高い印加磁界まで磁気飽和を回避する方法が採
られてきた。

【０００３】また、一方では実効透磁率の低い圧粉磁性
材料を磁心に適用して所望のコイル電流に対するインダ
クタンスを得る方法が採られてきた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年の
電子機器の要求である低電圧大電流を取り扱い、かつ小
形低損失の電力変換器にコイル部品を適用する際には、
上述した従来技術による磁心及びコイル部品、並びに電
力変換器それ自体としては、下記の様な工業的な不利益
があった。

【０００５】つまり、従来の比較的大きな電流を取り扱
う電力変換器に従来のコイル部品を適用する際は、磁心
には、小型化の点からフェライト材よりも充分に飽和磁
束密度が高いセンダストなどの金属磁性材料粉末を主成
分として加圧した閉磁路の圧粉磁心に直接巻線を施して
所望の印加磁界での磁気飽和を抑えて安定なインダクタ
ンスを得る方法や、同じくフェライト材よりも充分に飽
和磁束密度が高いケイ素鋼板のスタック磁心や、鉄基ア
モルファスの巻鉄芯の磁路にわずかのエアギャップを設
けて所望の電流による印加磁界で磁気飽和を抑えて安定
なインダクタンスを得る方法がとられてきた。

【０００６】これに対し、近年のバッテリーを軸とした
電子機器の設計トレンドによって当該電力変換器の低電
圧大電流化が進み小形低損失であることが最大の使命と
なったが、当該磁心を用いたコイル部品がその小低損失
化推進の大きな障害となった。つまり、上述した従来の
技術のコイル部品に課せられる磁心の印加磁界は通常１
００Oe程度が上限であったが、上述した新たな低電圧大
電流を取扱う電力変換器に要求される磁心の印加磁界は
当該巻線の抵抗による銅損制約とサイズの制約もあっ
て、上記１００Oeの条件を超え、ものによっては２００
Oe、更には３００Oeを超えて充分な実効透磁率を確保す
べき状況になってきた。

【０００７】しかしながら、前述した素鋼板や鉄基アモ
ルファスを用いた磁心の場合には、磁気飽和を回避する
ためエアギャップ更に拡大する方策を採って高印加磁界
に対応することは出来るが、その際には著しい鉄損の増
大が生じ、小型化を大きく阻害するという欠点があっ
た。加えて、上述した印加磁界の大幅アップとエアギャ
ップの拡大とによって、当該ギャップ部からの集中的な
漏洩磁束が周辺の回路の誤動作や、ＥＭＩ上の障害を引
き起こし易いという欠点があり工業的には不適切なコイ
ル部品であった。

【０００８】また、圧粉磁心の場合には上述の大きい印
加磁界では磁気飽和にはまだ至らぬものの磁化が進行し
て実効透磁率が低下する領域となって、所望のインダク
タンスを得るには巻回数を増すことで銅損が増加し、低
損失化を阻害したり、磁心の大型化を採ればコイル部品
の小型化が実現できないという不都合があった。

【０００９】そこで、本発明の技術的課題は、かかる従
来の課題を解決して、小形化で省エネルギーで、かつ省
資源と経済性を高めた磁心及びコイル部品並びに電力変
換装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、閉磁路
を形成する磁心の少なくとも一部にエアギャップを設
け、前記磁心に印加される磁界が１００Oeにおける実効
透磁率が少なくとも２０以上とすることを特徴とする圧
粉磁心が得られる。

【００１１】前記エアギャップの少なくとも一部に磁性
体を有してもよい。前記磁性体は前記磁心よりも飽和磁
束密度が小さいものでもよい。前記磁心の飽和磁束密度
は７０００Gauss以上であってもよい。前記磁心はＳｉ
が２〜７重量％のＳｉＦｅを主成分とするものであって
もよい。

【００１２】本発明によれば、上述した圧粉磁心のいず
れか一つに巻線を施したことを特徴とするコイル部品が
得られる。

【００１３】本発明によれば、入力端と出力端との間に
少なくとも前記コイル部品とスイッチ素子とを具備し、
前記スイッチ素子のオン期間に前記入力端の入力のエネ
ルギが少なくとも前記コイル部品に蓄積エネルギとして
蓄えられ、前記スイッチ素子のオフ期間に前記蓄積エネ
ルギが前記出力端に放出されることを特徴とする電力変
換装置が得られる。

【００１４】前記入力端及び前記出力端の各々は二つの
端を有し、前記入力端の一方の端は前記コイル部品とダ
イードとの直列接続を介して前記出力端の一方の端に接
続されるとともに、前記コイル部品と前記ダイオードと
の接続点は、スイッチ回路を介して前記入力端と前記出
力端のそれぞれ他方の端と接続されていてもよい。

【００１５】前記入力端及び前記出力端の各々は二つの
端を有し、前記入力端の一方の端はスイッチ素子と前記
コイル部品との直列接続を介して前記出力端の一方の端
に接続されるとともに、前記スイッチ素子と前記コイル
部品との接続点は、ダイオードを介して前記入力端と前
記出力端のそれぞれ他方の端と接続されていてもよい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００１７】図１は本発明の第１の実施の形態に係るコ
イル部品の正面図である。図１のコイル部品は、閉磁路
を形成する圧粉成形されたリング状の磁心１の少なくと
も一部にエアギャップ２を設けた圧粉磁心を含んでい
る。この圧粉磁心には巻線即ちコイル３が装巻されてい
る。磁心１としては４．５％ＳｉＦｅ圧粉磁心を用いて
いる。なお、磁心１はＳｉが２〜７重量％のＳｉＦｅを
主成分とするものであるとよい。

【００１８】コイル部品において電流を通電した際の磁
心に生じる磁界における実効透磁率特性は図２に示すと
おりである。即ち、前述した従来の技術で課題となって
いた１００Oeを大きく超える磁界における実効透磁率
が、６．５％ケイ素鋼板やＦｅ基アモルファスによる磁
心を用いた従来技術によるコイル部品に比較して、４．
５％ＳｉＦｅ圧粉磁心を用いたコイル部品では充分に高
く得られる。例えば２５０Oeの磁界レベルでの実効透磁
率を、４．５％ＳｉＦｅ圧粉磁心を用いたものでは約３
０程度を確保出来ていることがわかる。したがって、磁
心に印加される磁界が１００Oeにおける実効透磁率を少
なくとも２０に設定することが可能である。

【００１９】また、磁心のコアロス特性も図３に示す。
図３から分かるように、４．５％ＳｉＦｅ圧粉磁心にお
いては、従来の技術でのケイ素鋼板やＦｅ基アモルファ
スによる磁心のようにギャップを設けたことによる鉄損
の著しい増加も認められず、最も少ない鉄損特性値が得
られている。

【００２０】上述したように、図１のコイル部品によれ
ば、高実効透磁率であってかつ低鉄損であるため磁心の
小型化も可能である。また、たとえ同一の磁心サイズで
あっても巻回数を低減出来、かつ、より抵抗の低い太径
の巻線も可能となるため、銅損を著しく低減することが
可能である。したがって、図１のコイル部品を用いる電
力変換装置の小形、低損失化にも大きく寄与することが
明らかである。

【００２１】図４（ａ）又は（ｂ）に示すように、磁心
１及びそれのエアギャップ２の形状には様々な変形が可
能であり、それらによっても同様な効果が期待できる。

【００２２】図５は、本発明の第２の実施の形態に係る
コイル部品の正面図である。同様な部分には同じ参照符
号を付して説明を省略する。

【００２３】図５において、磁心１の磁路を一部切り欠
いたエアギャップ２の少なくとも一部に磁性体４を装着
している。磁心１の飽和磁束密度は７０００Gauss以上
とする。磁性体４は例えばフェライト材よりなり、磁心
１よりも飽和磁束密度が小さいものとする。

【００２４】コイル部品に電流を通電した際の磁心に生
じる印加磁界に対する実効透磁率特性を図６に示す。図
６から分かるように、磁心１として４．５％ＳｉＦｅ圧
粉磁心を用い、かつ磁性体４としてフェライト材を用い
たものは、エアギャップ２を設けることによって生じる
低磁界領域での実効透磁率の低下、即ち、コイル部品の
低電流領域におけるインダクタンスの低下を起こさず
に、逆に高めて動作に供すべき電力変換器の用途に好適
な特性が得られる。

【００２５】ここで磁心１は飽和磁束密度が７０００Ga
uss以上のものを使用し、かつ磁性体４は比透磁率は比
較的高いながら飽和磁束密度の小さいフェライト材料を
使用することによって、低磁界の領域ではフェライト材
料はまだ磁気飽和に達せず磁路全体の磁気抵抗は低い状
態を呈するため、実効透磁率を高く確保することが可能
であり、以降磁界が増すにつれて磁性体４が磁気飽和状
態を呈し、その装着なしの構成における特性挙動を呈す
る。

【００２６】従って、磁心１の材質及びエアギャップを
含めた形状と磁性体４の磁気特性及び寸法とで、コイル
電流による印加磁界に対する所望の実効透磁率特性、即
ち、インダクタンス特性軌跡を、小形、低損失の特長を
確保しながら制御することが可能である。

【００２７】次に、上述したコイル部品の一つを用いた
電力変換回路について説明する。この電力変換回路は、
入力端と出力端との間に少なくともコイル部品とスイッ
チ素子とを具備し、スイッチ素子のオン期間に入力端の
入力エネルギーを蓄積エネルギーとしてコイル部品に蓄
え、スイッチ素子のオフの期間に蓄積エネルギーを出力
端に放出する。この電力変換回路によると、低電圧大電
流の処理を小形低損失に実施することができる。

【００２８】図７を参照して、電力変換装置の第１の例
を具体的に説明する。

【００２９】図７の電力変換装置は、コイル部品７２を
用いて入力電圧を所望の出力電圧まで高めた出力を得る
昇圧チョッパ回路である。即ち、本発明によるコイル部
品を直流入力源に対する昇圧電力変換装置に適用した例
である。コイル部品７２としては、図１、図４（ａ），
（ｂ）、及び図５に示したコイル部品が選択的に使用さ
れる。電力変換回路の入力端は二つの端７Ａ及び７Ｂを
有し、出力端は二つの端７Ｃおよび７Ｄを有している。
入力端の一方の端７Ａはコイル部品７２とダイード７４
との直列接続を介して出力端の一方の端７Ｃに接続され
る。コイル部品７２とダイオード７４との接続点は、ス
イッチ素子７３を介して入力端及び出力端の他方の端７
Ｂ及び７Ｄに接続される。なお、７１は直流源、７５は
コンデンサ、７６は負荷である。

【００３０】これによれば、バッテリーからの入力を出
力側インバータモータ等の駆動回路に繋げる際、入力電
圧の変動等に拘わらず最適なインバータモータの駆動電
圧に安定化して供給出来、しかも昇圧の効果で駆動電流
も軽減出来るため、電力変換装置としてもこれを用いる
電子機器装置としても低電圧入力源における大電力処理
を小形で低損失に実現することが可能となる。

【００３１】図８（ａ）を参照して、電力変換装置の第
２の例を具体的に説明する。

【００３２】図８（ａ）の電力変換装置は、交流源８７
を全波整流ダイオード８９で整流平滑し、コイル部品８
２を用いてインバータモータ駆動回路等の負荷８６に大
電力を小形で低損失に供給できる。コイル部品８２とし
ては、図１、図４（ａ），（ｂ）、及び図５に示したコ
イル部品が選択的に使用される。電力変換回路の入力端
は二つの端８Ａ及び８Ｂを有し、出力端は二つの端８Ｃ
および８Ｄを有している。入力端の一方の端８Ａはコイ
ル部品８２とダイード８４との直列接続を介して出力端
の一方の端８Ｃに接続される。コイル部品８２とダイオ
ード８４との接続点は、スイッチ素子８３を介して入力
端及び出力端の他方の端８Ｂ及び８Ｄに接続される。な
お、８５，８８はコンデンサである。

【００３３】図８（ａ）の電力変換装置の入出力間の電
力変換効率は図８（ｂ）に示すとおりであり、充分な高
効率特性が得られている。尚、軽負荷領域での効率を少
しでも高く確保したい用途、或いは軽負荷での間欠動作
領域を狭くしたい用途としては、特に前述したギャップ
部に磁性体を設けて低磁界域での実効透磁率を高めた図
５のコイル部品が好適であることがわかる。

【００３４】図９を参照して、電力変換装置の第３の例
を具体的に説明する。

【００３５】図９の電力変換装置は、コイル部品９２を
用いて入力電圧を所望の出力電圧まで低減した出力を得
る降昇圧チョッパ回路である。コイル部品９２として
は、図１、図４（ａ），（ｂ）、及び図５に示したコイ
ル部品が選択的に使用される。電力変換回路の入力端は
二つの端９Ａ及び９Ｂを有し、出力端は端９Ｃおよび９
Ｄを有している。入力端の一方の端９Ａと出力端の一方
の端９Ｃの間にスイッチ素子９３とコイル部品９２を直
列接続する。スイッチ素子９３とコイル部品９２との接
続点は、ダイオード９４を介して入力端及び出力端の他
方の端９Ｂ及び９Ｄと接続する。なお、９１は直流源、
９５はコンデンサ、９６は負荷である。

【００３６】これによれば、上述とは逆に高圧側バッテ
リー等からの入力を出力側インバータモータ等の駆動回
路に繋げる際、同様に入力電圧の変動等に拘わらず最適
な駆動電圧に安定化して供給出来できるため、電力変換
装置としてもこれを用いる電子機器装置としても低電圧
大電力処理を小形で低損失に実現することが可能とな
る。

【００３７】

【発明の効果】以上に述べたとおり、本発明によれば、
前述した従来技術の問題点を解決して、小形化で低損失
であって、そのために省資源と経済性に優れたコイル部
品並びに電力変換装置を提供できるため、工業的に益す
るところ極めて大なるものといえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係るコイル部品の
正面図である。

【図２】図１のコイル部品及び従来のコイル部品の実効
透磁率特性を示すグラフである。

【図３】図１のコイル部品及び従来のコイル部品のコア
ロス特性を示すグラフである。

【図４】図１のコイル部品の第１の変形例（ａ）と及び
第２の変形例（ｂ）を示すそれぞれ正面図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態に係るコイル部品の
正面図である。

【図６】図５のコイル部品及び従来のコイル部品の実効
透磁率特性を示すグラフである。

【図７】本発明のコイル部品を用いた電力変換装置の第
１の例の回路図である。

【図８】（ａ）は本発明のコイル部品を用いた電力変換
装置の第２の例の回路図であり、（ｂ）は図１のコイル
部品を用いた場合と図５のコイル部品を用いた場合とに
おける図８（ａ）の電力変換装置の効率特性を示すグラ
フである。

【図９】本発明のコイル部品を用いた電力変換装置の第
３の例の回路図である。

【符号の説明】 １ 磁心 ２ エアギャップ ３ コイル ４ 磁性体 ７１，９１ 直流源 ７２、８２，９２ コイル部品 ７３，８３，９３ スイッチ素子 ７４，８４，８９，９４ ダイオード ７５，８５，８８，９５ コンデンサ ７６，８６，９６ 電力変換器の負荷 ８７ 交流源 ７Ａ 入力端の一方の端 ７Ｂ 入力端の他方の端 ７Ｃ 出力端の一方の端 ７Ｄ 出力端の他方の端

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5E041 AA02 NN01 NN06 NN13 NN14 5H730 AA15 BB13 BB14 CC01 DD04 ZZ17

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 閉磁路を形成する磁心の少なくとも一部
   にエアギャップを設け、前記磁心に印加される磁界が１
   ００Oeにおける実効透磁率が少なくとも２０以上とする
   ことを特徴とする圧粉磁心。
2. 【請求項２】 前記エアギャップの少なくとも一部に磁
   性体を有する請求項１に記載の圧粉磁心。
3. 【請求項３】 前記磁性体は前記磁心よりも飽和磁束密
   度が小さいものである請求項２に記載の圧粉磁心。
4. 【請求項４】 前記磁心の飽和磁束密度は７０００Gaus
   s以上である請求項１から３のいずれか一つに記載の圧
   粉磁心。
5. 【請求項５】 前記磁心はＳｉが２〜７重量％のＳｉＦ
   ｅを主成分とするものである請求項１から４のいずれか
   一つに記載の圧粉磁心。
6. 【請求項６】 請求項１から５のいずれか一つに記載の
   圧粉磁心に巻線を施したことを特徴とするコイル部品。
7. 【請求項７】 入力端と出力端との間に少なくとも請求
   項６に記載のコイル部品とスイッチ素子とを具備し、前
   記スイッチ素子のオン期間に前記入力端の入力のエネル
   ギが少なくとも前記コイル部品に蓄積エネルギとして蓄
   えられ、前記スイッチ素子のオフ期間に前記蓄積エネル
   ギが前記出力端に放出されることを特徴とする電力変換
   装置。
8. 【請求項８】 前記入力端及び前記出力端の各々は二つ
   の端を有し、前記入力端の一方の端は前記コイル部品と
   ダイードとの直列接続を介して前記出力端の一方の端に
   接続されるとともに、前記コイル部品と前記ダイオード
   との接続点は、スイッチ回路を介して前記入力端と前記
   出力端のそれぞれ他方の端と接続されている請求項７に
   記載の電力変換装置。
9. 【請求項９】 前記入力端及び前記出力端の各々は二つ
   の端を有し、前記入力端の一方の端はスイッチ素子と前
   記コイル部品との直列接続を介して前記出力端の一方の
   端に接続されるとともに、前記スイッチ素子と前記コイ
   ル部品との接続点は、ダイオードを介して前記入力端と
   前記出力端のそれぞれ他方の端と接続されている請求項
   ７に記載の電力変換装置。