JP2003517196A - インダクタのコア・コイル・アセンブリおよびその製造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 絶縁層で被覆される、または被覆されない、あるいはギャップ付きコアのギャップに近い寸法の物理的ギャップ（１０）を有する絶縁ボックス（１）に収容されるギャップ付き磁気コアと、銅線（２１）をギャップ付きコアまたはコア・アセンブリに巻き付け、コアまたはコア・アセンブリのギャップをスペーサで充填する完全自動化または半自動化された方法とを開示する。開示のプロセスでは、コア材料およびスペーサ材料ならびにギャップ構成の様々な組合せが可能であり、電気回路および電子回路で誘導性構成部品として有用な多種多様なコア・コイル・アセンブリがもたらされる。また、従来のような円環状に巻き付けたコアの径方向から外れた向きのギャップを磁気コアが有するコア・コイル・アセンブリも開示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （発明の分野） 本発明は、変換器やインバータ、雑音フィルタ、共振回路などの電気回路およ
び電子回路で磁気構成部品として使用されるインダクタのコア・コイル・アセン
ブリに関する。

【０００２】 （発明の背景） 現在、ＡＣ／ＤＣ変換器やＤＣ／ＤＣ変換器、インバータ、電気的雑音用フィ
ルタ、電子共振回路などの電気回路および電子回路の誘導性構成部品では、２つ
のタイプの磁気コアが広く使用されている。１つの種類は物理的なギャップのな
い環状コアであり、もう１つの種類は少なくとも１つのギャップを有する。いず
れの場合も、銅線をコアに巻き付けて、磁気インダクタを形成しなければならな
い。必要な銅線のサイズが細いときには、銅線の巻付けを自動化することができ
、この動作を行う機器も入手可能である。しかし、この動作の性質上、このよう
な機器は、柔らかい糸を使用するミシンのものと類似した、導線を扱う機構を必
要とする。導線のサイズが太い時には、このような自動化プロセスは困難となり
、銅線の巻付けは一般に手作業で行われる。したがって、一般に巻付けの生産性
を改善し、太い導線を必要とする構成部品の場合に手作業での巻付け動作をなく
すことができる、既存の銅線巻付け機構を簡略化することが望ましい。

【０００３】 （発明の概要） 本発明によれば、コア・コイル・アセンブリおよびその製造方法が提供される
。磁気コアは少なくとも１つの物理的ギャップを有し、このギャップ付き磁気コ
アを電気絶縁体で被覆する、またはこれを磁気コアのギャップに近い寸法を有す
る物理的ギャップを有する絶縁ボックスで覆うことにより、絶縁コア・アセンブ
リを形成する。銅線は、コアまたはコア・アセンブリのギャップを通り、コアま
たはコア・アセンブリに巻き付けられる。銅線の巻付けは、コアまたはコア・ア
センブリの円周の接線方向の周りにコアまたはコア・アセンブリを回転させるこ
とによっても実行される。ギャップ付きコアの磁気性能を改善するために、円環
状に巻かれたコアの径方向から外れた向きの従来と異なるギャップを導入する。
従来と異なるギャップを備えた磁気的に改善されたコアは、ギャップのない従来
のコア・ボックスに収容することができ、これに銅線の巻付けを行い、インダク
タとして使用することができる。他方、銅巻線部分は事前に別個に作製しておく
こともでき、この場合、この事前に作製したコイルに、ギャップ付きのコアまた
はコア・アセンブリをギャップを通して挿入する。コアまたはコア・アセンブリ
のギャップ部は、コイル巻付け動作中またはその後で、磁性または非磁性スペー
サで充填することができる。本発明のコア・コイル組立て方法は、既存の方法よ
りはるかに簡単であり、かつこのように完全自動化または半自動化されており、
安定した性能でコア・コイル・アセンブリの製造歩留りを改善する。

【０００４】 本発明の方法に従って製造したコア・コイル・アセンブリは、特に、パワー・
コンバータやインバータ、電気雑音フィルタ、電気共振器などのデバイスでの使
用に適している。

【０００５】 以下の発明の詳細な説明および添付の図面を参照すれば、本発明はより完全に
理解され、さらなる利点も明らかになるであろう。 （発明の詳細な説明） より簡単な磁気コア・コイル・アセンブリの製造方法により、その性能、なら
びに自動化プロセスを通じた製造能力が改善される。図１は、本発明のコア・コ
イル・アセンブリを示す図である。図２に示すように、コア１は、幅またはサイ
ズＧを有するギャップ１１ａを備えた磁気コア１１と、それぞれギャップ１２ａ
および１３ａを備えた２部絶縁ボックス１２および１３とで構成される。図３ａ
から図３ｄに示す各ステップは、コア・アセンブリ１にコイルを巻き付ける順序
を説明したものである。最初に、図３ａのコア・アセンブリ１のギャップ１０を
介して、図３ｂに示すように銅線２１を挿入する。最初に１回巻き付けた後、図
３ｃから図３ｄに示すように、所定の巻数を完全に巻くまで、ギャップ１０を介
して導線を動かすことにより連続的に巻付けを行う。上記の動作により、図１の
本発明の基本的なコア・コイル・アセンブリがもたらされる。コア・コイルの組
立ては、アイテム２１が銅線でありアイテム２２が導線のスプールである図４に
示す方法によっても行われる。このプロセスは、図４ａに示すように、銅線２１
の一端２１ａをコア・アセンブリ状の一点に取り付けることから開始する。コイ
ルの巻付けは、コアの円周の接線方向の周りでコア・アセンブリを回転させるこ
とによって実施される。したがって、導線スプール２２を回転させる必要はない
。この操作により、図１のコア・コイル・アセンブリがもたらされる。

【０００６】 上述のプロセスでは、磁気コイルが絶縁層で被覆される場合、または銅線が絶
縁層で適切に被覆される場合には、図２の絶縁ボックス１２および１３を不要と
することもできる。図３および図４のいずれのプロセスも、ミシン機構に基づい
た既存のコイル巻付けプロセスよりはるかに簡単であり、容易に自動化される。

【０００７】 ギャップ部１０内にスペーサ３が必要なときには、図５に示すように、コイル
巻付け中に、またはその後で、スペーサを挿入することができる。この図では、
スペーサ３は非磁性材料または導電性材料であり、この場合、スペーサの表面に
絶縁層を設けることができる。スペーサ３は、図５ｂに示すような積層磁性材料
３１、または図５ｃに示すような磁粉をベースとした材料３２にすることができ
る。これらの場合、有効な空気ギャップは、図６に示すようにＧ１＋Ｇ２である
。この図では、スペーサ３１の場合のみ示してあり、アイテム３３および３４は
非磁性接着剤とする。スペーサを挿入した後、図１の最終的なコア・コイル・ア
センブリが完成する。

【０００８】 図７は、本発明のコア・コイル・アセンブリのインダクタンスに対するＤＣバ
イアス特性を比較した図である。曲線Ｃに対応するインダクタンス対ＤＣバイア
ス電流特性を呈するチョーク・コイルとして制御コア・コイル・アセンブリを使
用したとき、領域ＡおよびＢはそれぞれ「活性」および「不活性」ＤＣバイアス
領域に相当する。ここで、「活性」および「不活性」という用語はそれぞれ、チ
ョーク・コイルが有効なインダクタおよび無効なインダクタとして機能している
ことを意味する。図１において、制御コア・コイル・アセンブリよりもギャップ
Ｇを縮小し、かつ／または銅線の巻数を増加させると、インダクタンス対ＤＣバ
イアス電流の曲線はシフトしてＣ’で表される曲線となる。制御コア・コイル・
アセンブリよりもギャップＧを拡大し、かつ／または銅線の巻数を減少させると
、曲線Ｃ”となる。

【０００９】 図１のコア１１が、Ａ１およびＢ１がそれぞれ活性領域および不活性領域に相
当する図８の「Ｃ１」のインダクタンス対ＤＣバイアス電流特性を呈し、図５の
コア挿入材料３１または３２がバイアス特性「Ｃ２」を呈する場合、「Ｃ１」に
対応する材料をコア１１として使用し、「Ｃ２」に対応する材料を図６のスペー
サ「３１」または「３２」として使用すると、その結果としてバイアス特性「Ｃ
Ｏ」が得られる。

【００１０】 本発明によれば、コア・コイル・アセンブリを作製するさらに別の方法も提供
される。コア・コイル・アセンブリの一例を図９に示す。同図では、アイテム６
は幅Ｇのスペーサ、アイテム４はコア・アセンブリであり、５は２本のリード５
３および５４を備えた銅巻線を表す。図１０は、コア・アセンブリ４の上面図で
あり、Ｚは円環状コアの軸の中心である。このコア構成と図１〜図６に示すコア
構成の大きな違いはギャップ４０の位置であり、その中心は、図１０に示すよう
にＺＱをＺからギャップの一端までの距離として、「Ｙ」軸（Ｘ＝０）からＸ＝
ＺＱ−Ｇ／２まで変位している。図１０に示すように、ＺＲをコア・アセンブリ
の内径としてＺＱ＝ＺＲであるときには、平面ＱＴはコア・アセンブリの内側円
の接平面となる。図１１は、そのコイルにコア・アセンブリを挿入することがで
きるように内のり寸法をとった、事前に作製したコイル５０を示す図である。例
えば、図１１の距離Ｈは、図１０のコア・アセンブリの幅Ｗよりわずかに大きい
ものとする。図１２ａは、どのようにして事前に作製したコイル５０をギャップ
４０を通して図１０のコア・アセンブリにはめ込むかを示している。コイル５０
をコア・アセンブリ４に取り付けると、図１２ｂに示すようにスペーサ６をギャ
ップ４０に挿入することができる。コイル構成は、図１２ｃに示すようにコア・
アセンブリ上に銅巻線が一様に分布するように修正することもできる。図１１お
よび１２のコイルは長方形であるが、円筒形のコイルも同じ目的に使用すること
ができる。図９のスペーサ６は、図５と同様に磁性材料または非磁性材料にする
ことができる。スペーサ６が導電性であるときには、絶縁テープまたは絶縁コー
ティングの層でその表面を覆うことができる。こうして、上記プロセスにより、
リード５３および５４を備えた図９のコア・コイル・アセンブリがもたらされる
。

【００１１】 上記のコア・コイル・アセンブリの利点としては、コア・アセンブリと銅コイ
ルが別々に作製され、それぞれのプロセスが単純かつ安価な機器を使用して完全
自動化または半自動化されていることが挙げられる。さらに、磁気コアのギャッ
プ形成領域の表面積が増加したことにより、図１０のギャップ幅Ｇを、図１０と
同じ物理寸法を有する図３１のコアのギャップ幅より拡大しながら、全体的な実
効透磁率を同じレベルに維持することができる。一方、ギャップ・サイズが変わ
らない場合には、図１ではなく図９のコア・コイル・アセンブリ構成を採用する
と、実効透磁率が向上し、かつ鉄損が低下する。図１０に示すコア構成の磁気性
能の改善は、外側コア・ボックスにギャップがないコア・コイル・アセンブリで
も達成され、これは自動コイル巻付けが問題にならない場合に相当する。

【００１２】 磁気コアの自動コイル巻付けプロセスの手段を提供する本発明によれば、図１
２ａの事前に作製したコイル５０は、ギャップ６、コイル５およびコア・アセン
ブリ４を示す図１３ａのような上からの見た目を有するコア・コイル・アセンブ
リを生じる図１３ｂに示す円形断面５１を有する導線だけでなく、図１４ａのコ
ア・コイル・アセンブリを生じる図１４ｂの長方形断面５５を有する導線、およ
び図１５ａのコア・コイル・アセンブリを生じる図１５ｂの台形断面５６を有す
る導線でも良い。図１５ａのコア・コイル・アセンブリにすると、銅線の断面を
増大させ、電気伝導のためのパッキング領域を増大させることができ、これによ
りコア・コイル・アセンブリのサイズが縮小され、巻線間の静電容量が低下する
ことになる。さらに、図１５ａのコイル構成では、コイル断面が図１５ｂに示す
ような幾何形状になっているので、図１２の事前に作製したコイル５０を形成す
ることが容易になる。

【００１３】 本発明と従来技術の差を実証するために、図１６から図１８を提供する。図１
６は、従来技術のコア・コイル・アセンブリを示す図であり、コア・アセンブリ
７は電気リード８３および８４を備えた銅巻線８を有する。図１７は、ギャップ
Ｇを備えた磁気コア７１と、絶縁ボックスの２つの半分７２および７３とを示す
図である。図１８ａは、円環状コア・アセンブリの中央に孔７０を有するコア・
アセンブリ７を示す図である。図１８ｂは、端部８１ａを有する銅線８１を図１
８ａのコア・アセンブリの孔７０に通す、コイル巻付けプロセスの開始時を示す
図である。その後の銅線の巻付けは、図１８ｃに示すように実行する。図１８ｂ
から図１８ｃに示す銅線巻付けプロセスでは、ミシンのそれと類似した機械的プ
ロセスを必要とする。

【００１４】 （実施例） １．サンプル準備 磁粉を固結する、または磁性金属リボンをマンドレルに巻き付けることによっ
て磁気コアを準備した。必要な場合には、その後コアを加熱処理して必要な磁気
特性を得た。研磨切断ツールまたはウォータ・ジェットによってコアを切断し、
ギャップを形成した。磁気測定のために各コアに銅巻線を巻き付けた。

【００１５】 ２．磁気測定 市販のインダクタンス・ブリッジによってコア・コイル・アセンブリのインダ
クタンスを測定し、ＩＥＥＥ標準３９３−１９９１に記載の方法によってコアの
磁気的鉄損を測定した。

【００１６】 ３．コア・コイル・アセンブリの磁気特性 本発明によるコア・コイル・アセンブリを評価した。図１９は、２タイプのコ
ア・コイル・アセンブリについて、バイアス電流の関数として１ｋＨｚで測定し
たインダクタンスを比較した図であり、一方は曲線Ａをもたらす図９の構成を有
するコア・コイル・アセンブリ、もう一方は曲線Ｂをもたらす図１に対応するコ
ア・コイル・アセンブリである。どちらの場合も、コアのサイズは、２２ｍｍ（
外径）×１５ｍｍ（内径）×１５ｍｍ（コアの高さ）とした。ギャップＧはどち
らの場合も１ｍｍとした。コア材料は鉄粉とした。低いバイアス電流では、図９
のコア・コイル構成の方が図１のコア・コイル構成より高いインダクタンスを示
し、この傾向はバイアス電流レベルが高くなると逆転した。図７に示した場合に
照らすと、このことは、図１の構成ではなく図９のコア・アセンブリ構成を採用
すると、インダクタンス対バイアス電流の特性に影響を与えることなく、ギャッ
プ・サイズＧを増大させることができることを示している。このギャップ・サイ
ズの増大により、図１２のコア・コイル組立てプロセスが容易になる。ＤＣバイ
アスの低い領域でより高い透磁率が望ましい場合には、ギャップ・サイズを低下
させることなく、図１のアセンブリではなく図９のコア・コイル・アセンブリを
採用することができる。

【００１７】 図１９の２タイプのコアの鉄損を、磁気誘導の関数として様々な周波数で測定
した。これを図２０に示す。任意の所与の周波数での鉄損は、曲線Ａに対応する
図９のコア・コイル構成の方が、曲線Ｂに対応する図１のコア・コイル構成より
低いことが分かる。ただし、両構成は同じギャップ・サイズを有する。

【００１８】 以上、本発明についてかなり完全に詳細に述べてきたが、この詳細に厳密に従
う必要はなく、当業者なら、頭記の特許請求の範囲に定義する本発明の範囲内に
収まるさらなる変更および修正を思いつくことができることは理解されるであろ
う。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のコア・コイル・アセンブリの１つを示す図である。

【図２】 図１のコア・コイル・アセンブリのコア・アセンブリの構成を示す図である。

【図３】 コア・アセンブリを相対的に静止させた場合の、本発明の銅線巻付けプロセス
を示す図である。

【図４】 コア・アセンブリを回転させた場合の、本発明の銅線巻付けプロセスを示す図
である。

【図５】 磁性または非磁性スペーサを挿入するプロセスを示す図である。

【図６】 スペーサが磁性材料および絶縁体で構成される場合を示す図である。

【図７】 様々なコア・コイル構成について、インダクタンス対ＤＣバイアス電流を示す
概略図である。

【図８】 様々な磁性スペーサ材料について、インダクタンス対ＤＣバイアス電流を示す
概略図である。

【図９】 本発明のさらに別のコア・コイル・アセンブリを示す図である。

【図１０】 図９のコア・コイル・アセンブリのコア・アセンブリの物理的構成を示す図で
ある。

【図１１】 図９のコア・コイル・アセンブリの、事前に作製したコイルの構成を示す図で
ある。

【図１２】 事前に作製したコイルを使用して図９のコア・コイル・アセンブリを作製する
プロセスを示す図である。

【図１３】 図９のコア・コイル・アセンブリの銅線の断面が円形である場合を示す図であ
る。

【図１４】 図９のコア・コイル・アセンブリの銅線の断面が長方形である場合を示す図で
ある。

【図１５】 図９のコア・コイル・アセンブリの銅線の断面が台形である場合を示す図であ
る。

【図１６】 従来技術のコア・コイル・アセンブリを示す図である。

【図１７】 従来技術のコア・アセンブリを示す図である。

【図１８】 従来技術の銅コイル巻付けプロセスを示す図である。

【図１９】 本発明のコア・コイル・アセンブリの１ｋＨｚでのインダクタンス対ＤＣバイ
アス電流の特性を示す図であり、曲線ＡおよびＢはそれぞれ、１ｍｍのギャップ
・サイズを有する図９および図１のコア・コイル・アセンブリに対応している。

【図２０】 本発明のコア・コイル・アセンブリの磁気誘導の関数として様々な周波数にお
ける鉄損を示す図であり、曲線ＡおよびＢはそれぞれ、１ｍｍのギャップ・サイ
ズを有する図９および図１のコア・コイル・アセンブリに対応している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ギャップ付き磁気コアまたは絶縁コア・アセンブリ、ギャッ
   プ材のためのスペーサ、およびコア・アセンブリに巻き付けられた銅巻線を含む
   コア・コイル・アセンブリ。
2. 【請求項２】 前記絶縁コアが、絶縁層、または前記ギャップ付き磁気コア
   を収容するボックスで絶縁された、請求項１に記載のコア・コイル・アセンブリ
   。
3. 【請求項３】 樹脂をベースとする絶縁コア・ボックスを有する、請求項２
   に記載のコア・アセンブリ。
4. 【請求項４】 電気絶縁性塗料などをベースとする外側層を有する、請求項
   ２に記載のコア・アセンブリ。
5. 【請求項５】 アモルファス合金、部分的に結晶化したアモルファス合金、
   ナノ結晶合金、結晶合金または結晶金属、あるいは焼結磁粉で構成された、請求
   項１または２に記載のギャップ付き磁気コア。
6. 【請求項６】 円環状に巻いたコアの径方向に沿ったギャップを有する磁気
   コアが、絶縁層、または磁気コアのギャップの外形に似せたギャップを有するコ
   ア・ボックスで覆われた、請求項１または２に記載のコア・アセンブリ。
7. 【請求項７】 請求項５のコア・アセンブリのギャップに銅線を通すことに
   よって銅線の巻付けが実行される、請求項１または２に記載のコア・コイル・ア
   センブリ。
8. 【請求項８】 コア・アセンブリのギャップ部の中のスペーサが、磁性材料
   または非磁性材料、あるいはその複合材をベースとする、請求項７に記載のコア
   ・コイル・アセンブリ。
9. 【請求項９】 円環状コアの径方向から外れた向きのギャップを有する磁気
   コアが、ギャップのないコア・ボックスに収容された、請求項１または２に記載
   のコア・アセンブリ。
10. 【請求項１０】 円環状コアの径方向から外れた向きのギャップを有する磁
    気コアが、絶縁層、または磁気コアのギャップの外形の似せたギャップを有する
    コア・ボックスで覆われた、請求項１または２に記載のコア・アセンブリ。
11. 【請求項１１】 請求項１０のコア・アセンブリにギャップを介して銅線が
    巻き付けられた、請求項１または２に記載のコア・コイル・アセンブリ。
12. 【請求項１２】 ギャップが、磁性スペーサまたは非磁性スペーサで充填さ
    れた、請求項１１に記載のコア・コイル・アセンブリ。
13. 【請求項１３】 銅線の断面が円形、長方形、または台形である、請求項１
    または２に記載のコア・コイル・アセンブリ。
14. 【請求項１４】 ＡＣ／ＤＣ変換器、ＤＣ／ＤＣ変換器、インバータ、雑音
    フィルタ、電子共振回路などの電気回路および電子回路中で誘導性構成部品とし
    て使用される、請求項１または２に記載のコア・コイル・アセンブリ。
15. 【請求項１５】 事前に作製した銅コイルをギャップを介して滑らせるよう
    に案内して、銅巻線の要件を満たす、請求項１０に記載のコア・コイル・アセン
    ブリ。
16. 【請求項１６】 コイルを挿入した後で磁性スペーサまたは非磁性スペーサ
    を配置する、請求項１５に記載のコア・コイル・アセンブリ。