JP2006049375A - トロイダルコア、チョークコイル、ノイズフィルタ及びインバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】形状の小型化を図っても、飽和特性の低下をもたらさないトロイダルコアを提供する。
【解決手段】トロイダルコア４０Ａは、内周面に複数の凹凸６４が形成されて構成される。凹凸６４は、トロイダルコア４０Ａの軸方向に延びる複数の溝６６が内周に沿って配列されることで形成されている。外径をｄｏ、内径をｄｉ、外周の長さをＬｏ、内周の長さをＬｉとしたとき、Ｌｏ＝π×ｄｏ、Ｌｉ＞π×ｄｉとする。
【選択図】図６

Description

本発明は、導体が巻装されるトロイダルコア、該トロイダルコアを有するチョークコイル、該チョークコイルを有するノイズフィルタ、並びに該ノイズフィルタを有するインバータ装置に関する。

インバータ等の一般的な電力変換装置は、該電力変換装置自体並びに他の装置に影響を及ぼすノイズを発生する。このノイズ対策として、数アンペア以上の大電流用のコモンモード・チョークコイルが使用される。

前記チョークコイルは、フェライト材料、アモルファス材料、ナノ結晶材料等からなる磁性体をドーナツ形状にしたトロイダルコアが一般に使用される。

つまり、前記磁性体にて構成されたトロイダルコアに、銅線を、単相あるいは三相あるいは他の電源事情に適した相数に合わせて巻き付けることにより、前記コモンモード・チョークコイルを構成してノイズ対策を実施するようにしている。

また、前記コモンモード・チョークコイルの回路の前後に、コンデンサを付加することによってノイズフィルタを構成してノイズ対策に供するようにしている。必要によっては、コモンモード・チョークコイルとコンデンサを多段に配したノイズフィルタを使用する場合もある。

上述したトロイダルコア、チョークコイル、ノイズフィルタに関する先行技術としては、例えば特許文献１〜５がある。

特開２００３−２９７４５４号公報 特開２００３−１０９６８６号公報 特開２０００−５８３４３号公報 特開平１０−１０６８６１号公報 特開平９−２３７７１７号公報

ところで、近年の電力変換装置は、高速化、大電流化、小型化に伴い、発生するノイズレベルも増大している。そのため、コモンモードノイズ、いわゆる零相電流も増加している。

電力変換装置のようなノイズ発生源のノイズレベルの増大化に伴い、現在の市場のニーズは、ノイズ対策部品の小型化が大きな課題である。特に、ノイズ対策品の小型化には、コモンモード・チョークコイルの小型化が必要不可欠である。

コモンモード・チョークコイルの小型化には、コイルの透磁率を向上させることと、飽和特性、つまり、飽和磁束密度（最大磁束密度）を向上させることが重要となる。

しかし、コモンモード・チョークコイルの飽和特性は、当然、トロイダルコアを構成する磁性体材料が最大要因になるが、形状的要因として、トロイダルコアの内径、外径、体積にも大きく依存している。

一般的に、トロイダルコアの内径、外径及び体積の相関関係から、いずれかが小さくなることにより、トロイダルコアの飽和特性も低下するという関係がある。そのため、コモンモード・チョークコイルの小型化のために、単純にトロイダルコアを小型化すると、トロイダルコアの飽和特性が低下し、デバイス特性の劣化をもたらすおそれがある。

従って、トロイダルコアの形状を小さくしても、飽和特性が低下しないトロイダルコアが求められる。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、形状の小型化を図っても、飽和特性の低下をもたらさないトロイダルコアを提供することを目的とする。

また、本発明の目的は、形状の小型化を図っても、飽和特性の低下をもたらさないトロイダルコアを有するチョークコイル、ノイズフィルタ及びインバータ装置を提供することにある。

本発明に係るトロイダルコアは、導体が巻装されるトロイダルコアにおいて、内周面と外周面の少なくともいずれかの面に複数の凹凸が形成されていることを特徴とする。これにより、磁束路当たりの電流を低減させることができ、飽和特性の向上に寄与させることができる。

具体的には、外径をｄｏ、内径をｄｉ、外周の長さをＬｏ、内周の長さをＬｉとしたとき、（１）Ｌｏ＞π×ｄｏ、（２）Ｌｉ＞π×ｄｉ、（３）Ｌｏ＞π×ｄｏ及びＬｉ＞π×ｄｉとしてもよい。この場合、コアの形状を小さくしても、コアの飽和特性の低下を抑えることができる。従って、トロイダルコアの小型化を促進させることができる。ここで、外周の長さＬｏは、外周面に凹凸が形成されている場合、凹凸に沿った実効的な長さを指す。また、内周の長さＬｉは、内周面に凹凸が形成されている場合、凹凸に沿った実効的な長さを指すこととなる。

また、外周面の面積をＡｏ、内周面の面積をＡｉとしたとき、Ａｉ≧Ａｏであってもよい。ここで、外周面の面積Ａｏは、外周面に凹凸が形成されている場合、凹凸を含む外周面の表面積を指す。また、内周面の面積Ａｉは、内周面に凹凸が形成されている場合、凹凸を含む内周面の表面積を指す。この場合も、コアの形状を小さくしても、コアの飽和特性の低下を抑えることができ、トロイダルコアの小型化を促進させることができる。

そして、本発明において、Ｌｉ＞Ｌｏであってもよい。つまり、内周の長さが外周の長さよりも大きくすることで、さらなる小型化を図ることができる。

また、本発明において、前記外周面の軸方向に沿った長さをｈｏ、前記内周面の軸方向に沿った長さをｈｉとしたとき、
ｈｉ＞ｈｏ
としてもよい。

なお、本発明に係るチョークコイルは、上述したトロイダルコアと、該トロイダルコアが収容されるケースと、前記トロイダルコアが収容されたケースに巻装される導体とを有することを特徴とする。

上述したトロイダルコアは、コアの形状を小さくしても、コアの飽和特性の低下を抑えることができる。従って、トロイダルコアの小型化を促進させることができると共に、該トロイダルコアを有するチョークコイルの小型化も実現させることができる。

もちろん、上述したチョークコイルを有するノイズフィルタ、並びに該ノイズフィルタを有するインバータ装置の小型化も促進させることができ、市場のニーズに迅速に対応させることができる。

以上説明したように、本発明に係るトロイダルコアによれば、形状の小型化を図っても、飽和特性の低下をもたらすことがなく、さらなる小型化を促進させることができる。

また、本発明に係るチョークコイル、ノイズフィルタ及びインバータ装置によれば、形状の小型化を図っても、飽和特性の低下をもたらさないトロイダルコアを有することから、小型化を促進させることができる。

以下、本発明に係るトロイダルコア、チョークコイル、ノイズフィルタ及びインバータ装置の実施の形態例を図１〜図１８を参照しながら説明する。

本実施の形態に係るインバータ装置１０は、図１に示すように、モータ１２と、該モータ１２を駆動するインバータ回路１４と、ＡＣ電源１６と、インバータ回路１４とＡＣ電源１６との間に挿入接続された本実施の形態に係るノイズフィルタ１８とを有する。

ノイズフィルタ１８は、図２〜図４に、その要部を示すように、例えば三相電源用ノイズフィルタであって、以下のように構成されている。まず、本実施の形態に係るチョークコイル２０（Ｌ１〜Ｌ３）の両端の圧着端子２２及び２４を、例えば断面Ｌ型の金属板２６（図４参照）を装着した中継端子台２８にボルト３０で接続固定する。次に、コンデンサ３２（Ｃ１〜Ｃ３）及び３４（Ｃ４〜Ｃ９）を下ケース３６の底部の中空部に収容して、金属板２６にコンデンサ３２、３４の端子をはんだ付け接続したのち、左右の中継端子台２８を側面よりネジ締め固定した。その後、チョークコイル２０の底部にエポキシ樹脂３８を塗布硬化させて、本実施の形態に係るノイズフィルタ１８を構成した。なお、図３及び図４では上ケースを外した状態を示す。

そして、本実施の形態に係るチョークコイル２０は、図５に示すように、第１の実施の形態に係るトロイダルコア４０Ａと、該トロイダルコア４０Ａが収容されるケース４２と、トロイダルコア４０Ａが収容されたケース４２に巻装される銅線４４（図３及び図４参照）とを有する。銅線４４の先端にはそれぞれ上述した圧着端子２２及び２４が取り付けられている。

ケース４２は、上ケース４６と下ケース４８に分かれており、下ケース４８は、例えば合成樹脂等で上面開口のドーナツ形状に形成され、内径がトロイダルコア４０Ａの外径よりもわずかに大とされた外周壁５０と、トロイダルコア４０Ａが載置される底部５２と、外径がトロイダルコア４０Ａの内周よりもわずかに小とされた内周壁５４とが一体に形成されて構成されている。つまり、下ケース４８は、外周壁５０と内周壁５４と底部５２によって、上面開口のドーナツ形状の収容空間５６が形成された形となっている。

一方、上ケース４６は、例えば合成樹脂等で下面開口のドーナツ形状に形成され、外径が下ケース４８の外径よりもわずかに大とされた外周壁５８と、下ケース４８の開口を閉塞する上面部６０と、該上面部６０に形成され、且つ、内径が下ケース４８における内周壁５４の外径よりもわずかに大とされた孔６２とを有する。

チョークコイル２０を組み立てる場合は、まず、下ケース４８の収容空間５６内にトロイダルコア４０Ａを収容し、上ケース４６を下ケース４８の収容空間５６を閉塞するように被せ、さらに、銅線４４（図３及び図４参照）を巻き付けることで、本実施の形態に係るチョークコイル２０が完成する。

そして、第１の実施の形態に係るトロイダルコア４０Ａは、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、内周面に複数の凹凸６４が形成されて構成されている。

凹凸６４は、図６Ａ及び図６Ｂの例では、トロイダルコア４０Ａの軸方向（図６Ｂにおいて一点鎖線ｍに沿った方向）に延びる複数の溝６６が内周に沿って配列されることで形成されている。溝６６の配列ピッチは等間隔でもよいし、任意の間隔でもよい。

凹凸６４における凹部６６（溝）の断面形状並びに凸部６８の断面形状は、図６Ａに示すように、半円の形状や、内歯車と同様の形状でもよい。あるいは、７Ａ及び図７Ｂに示す第１の変形例に係るトロイダルコア４０Ａａのように、三角形状でもよい。

図６Ａ〜図７Ｂの例では、凹凸６４を複数の溝６６にて形成した場合を示したが、その他、図８に示す第２の変形例に係るトロイダルコア４０Ａｂのように、複数の島状の凹凸６７にて形成するようにしてもよい。

ここで、トロイダルコア４０Ａの寸法関係について説明する。まず、トロイダルコア４０Ａの外径をｄｏ、内径をｄｉ、外周の長さをＬｏ、内周の長さをＬｉとする。内径ｄｉは、各凸部６８の頂部を結んで形成される円７０（図６Ａにおいて一点鎖線で示す）の直径を指す。もちろん、各凹部６６（溝）の底部を結んで形成される円の直径を使用してもよいし、各凸部６８の高さの１／２のポイントを結んで形成される円の直径を使用してもよい。

この第１の実施の形態に係るトロイダルコア４０Ａでは、以下の寸法関係を有する。
Ｌｏ＝π×ｄｏ
Ｌｉ＞π×ｄｉ

ここで、内周の長さＬｉは、内周面に凹凸６４が形成されているため、凹凸６４に沿った実効的な長さを指すこととなる。

通常、内径をｄｉとしたとき、内周の長さはπ×ｄｉとなるが、第１の実施の形態に係るトロイダルコア４０Ａでは、内周の長さＬｉがπ×ｄｉよりも大きいことから、トロイダルコア４０Ａの形状を小さくしても、トロイダルコア４０Ａの飽和特性の低下を抑えることができる。従って、トロイダルコア４０Ａの小型化を促進させることができる。

また、凸部６８の高さ（凹部６６の深さ）や凹凸６４の数を調整することによって、Ｌｉ＞Ｌｏの関係にすることも可能になることから、この場合、さらなる小型化を図ることができる。

また、トロイダルコア４０Ａの外周面の面積をＡｏ、内周面の面積をＡｉとしたとき、以下の寸法関係を有するようにしてもよい。
Ａｉ≧Ａｏ

内周面の面積Ａｉは、内周面に凹凸６４が形成されているため、凹凸６４を含む内周面の表面積を指す。これにより、トロイダルコアのさらなる小型化を図ることができる。

このようなことから、第１の実施の形態に係るトロイダルコア４０Ａを使用したチョークコイル２０の小型化を図ることができる。また、それに応じて、本実施の形態に係るノイズフィルタ１８、並びにインバータ装置１０の小型化も促進させることができ、市場のニーズに迅速に対応させることができる。

ここで、第１の実施の形態に係るトロイダルコア４０Ａの製造方法の一例について図９〜図１１を参照しながら説明する。

まず、図９に示すように、内周が円形とされ、且つ、複数に分割可能とされた外型８０と、外周に複数の凹凸８２が形成された中型８４を用意する。そして、外型８０内に中型８４を設置し、外型８０と中型８４との間に形成されるキャビティ８６内に磁性体材料を含むペースト８８を充填する（図１０参照）。

その後、図１１に示すように、外型８０を分割して、ペースト８８によるコア前駆体９０を取り出し、このコア前駆体９０を焼成することによって、第１の実施の形態に係るトロイダルコア４０Ａ（図５、図６Ａ及び図６Ｂ参照）を作製することができる。

次に、第２の実施の形態に係るトロイダルコア４０Ｂについて図１２Ａ〜図１３を参照しながら説明する。

この第２の実施の形態に係るトロイダルコア４０Ｂは、図１２Ａに示すように、上述した第１の実施の形態に係るトロイダルコア４０Ａとほぼ同様の構成を有するが、図１２Ｂに示すように、トロイダルコア４０Ｂの外周面９２の軸方向（図１２Ｂにおいて一点鎖線ｍに沿った方向）に沿った長さをｈｏ、内周面の軸方向に沿った長さをｈｉとしたとき、
ｈｉ＞ｈｏ
である点で異なる。

これにより、トロイダルコア４０Ｂの特に内径側の断面積が大きくなり、飽和特性を向上させる形状的要因の１つである体積が大きくなる。従って、このトロイダルコア４０Ｂは、第１の実施の形態に係るトロイダルコア４０Ａよりもさらに飽和特性が向上し、トロイダルコア４０Ｂの小型化を促進させることができる。

なお、凹凸６４における凹部６６の断面形状並びに凸部６８の断面形状は、図１２Ａに示すように、半円の形状や、内歯車と同様の形状でもよい。あるいは、図１４Ａ及び図１４Ｂに示す変形例に係るトロイダルコア４０Ｂａのように、三角形状でもよい。

この第２の実施の形態に係るトロイダルコア４０Ｂにおいても、図９〜図１１に示した製造方法と同様の方法（外型８０及び中型８４を使用した方法）にて製造することができる。

次に、第３の実施の形態に係るトロイダルコア４０Ｃについて図１５及び図１６を参照しながら説明する。

この第３の実施の形態に係るトロイダルコア４０Ｃは、図１５に示すように、凹凸６４が、トロイダルコア４０Ｃの内周方向に延びる複数の溝６６が軸方向（図１５において一点鎖線ｍに沿った方向）に沿って配列されることで形成されている。溝６６の配列ピッチは等間隔でもよいし、任意の間隔でもよい。

この場合も、トロイダルコア４０Ｃの外周面の面積をＡｏ、内周面の面積をＡｉとしたとき、Ａｉ≧Ａｏの関係となることから、トロイダルコア４０Ｃの形状を小さくしても、トロイダルコア４０Ｃの飽和特性の低下を抑えることができる。従って、トロイダルコア４０Ｃの小型化を促進させることができる。

この第３の実施の形態に係るトロイダルコア４０Ｃを作製する場合は、例えば図１６に示すように、厚さの薄い円環状の複数の第１の磁性体板１００Ａと、厚さの薄い円環状の複数の第２の磁性体板１００Ｂとを用意する。第１の磁性体板１００Ａと第２の磁性体板１００Ｂの外径は共に同じで、第１の磁性体板１００Ａの内径は第２の磁性体板１００Ｂの内径よりも大とされている。

そして、第１の磁性体板１００Ａと第２の磁性体板１００Ｂとを交互に重ねて一体化させることによって、第３の実施の形態に係るトロイダルコア４０Ｃを作製することができる。

次に、第４の実施の形態に係るトロイダルコア４０Ｄについて図１７Ａ〜図１８を参照しながら説明する。

この第４の実施の形態に係るトロイダルコア４０Ｄは、図１７Ａ及び図１７Ｂに示すように、上述した第１の実施の形態に係るトロイダルコア４０Ａとほぼ同様の構成を有するが、外周面にも複数の凹凸１１０が形成されている点で異なる。

この場合、第１の実施の形態に係るトロイダルコア４０Ａと同様に、磁束路当たりの電流を低減させることができ、飽和特性の向上に寄与させることができる。コアの形状を小さくしても、コアの飽和特性の低下を抑えることができる。従って、トロイダルコア４０Ｄの小型化を促進させることができる。

ここで、第４の実施の形態に係るトロイダルコア４０Ｄの寸法例を示すと、図１８に示すように、外径ｄｏ＝６０ｍｍ、内径ｄｉ＝４０ｍｍ、凹凸１１０の高さｋ＝１ｍｍ、凹凸１１０のピッチが１０°間隔である。この場合、外周の長さＬｏは２０１ｍｍ、内周の長さは１５０ｍｍとなる。ちなみに、外周面に凹凸がない場合の外周の長さは１８８ｍｍで、内周面に凹凸がない場合の内周の長さは１２６ｍｍであり、外周面に凹凸がある場合の実効的な円周の長さ並びに内周面に凹凸がある場合の実効的な円周の長さは、各々＋７％程度、＋１９％程度長くなっている。

なお、本発明に係るトロイダルコア、チョークコイル、ノイズフィルタ及びインバータ装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

本実施の形態に係るインバータ装置を示すブロック図である。 本実施の形態に係るノイズフィルタを示す回路図である。 本実施の形態に係るノイズフィルタを上ケースを外して示す上面図である。 図３におけるＩＶ−ＩＶ線上の断面図である。 本実施の形態に係るチョークコイルを示す分解斜視図である。 図６Ａは第１の実施の形態に係るトロイダルコアを示す上面図であり、図６Ｂはその側面図である。 図７Ａは第１の実施の形態に係るトロイダルコアの第１の変形例を示す上面図であり、図７Ｂはその側面図である。 第１の実施の形態に係るトロイダルコアの第２の変形例を示す斜視図である。 第１の実施の形態に係るトロイダルコアの製造方法に供される外型と中型を示す斜視図である。 外型と中型間にペーストを充填した状態を示す斜視図である。 外型を分割してコア前駆体を取り出した状態を示す斜視図である。 図１２Ａは第２の実施の形態に係るトロイダルコアを示す上面図であり、図１２Ｂはその側面図である。 第２の実施の形態に係るトロイダルコアを示す斜視図である。 図１４Ａは第２の実施の形態に係るトロイダルコアの変形例を示す上面図であり、図１４Ｂはその側面図である。 第３の実施の形態に係るトロイダルコアを示す縦断面図である。 第３の実施の形態に係るトロイダルコアの製造方法を示す説明図である。 図１７Ａは第４の実施の形態に係るトロイダルコアを示す上面図であり、図１７Ｂはその側面図である。 第４の実施の形態に係るトロイダルコアの寸法例を示す説明図である。

符号の説明

１０…インバータ装置 １８…ノイズフィルタ
２０…チョークコイル
４０Ａ、４０Ａａ、４０Ａｂ、４０Ｂ、４０Ｂａ、４０Ｃ、４０Ｄ…トロイダルコア
４２…ケース ６４、６７、８２、１１０…凹凸
６６…溝（凹部） ６８…凸部

Claims (8)

1. 導体が巻装されるトロイダルコアにおいて、
   内周面と外周面の少なくともいずれかの面に複数の凹凸が形成されていることを特徴とするトロイダルコア。
2. 請求項１記載のトロイダルコアにおいて、
   外径をｄｏ、内径をｄｉ、外周の長さをＬｏ、内周の長さをＬｉとしたとき、
   Ｌｏ＞π×ｄｏ 及び／又は Ｌｉ＞π×ｄｉ
   であることを特徴とするトロイダルコア。
3. 請求項１又は２記載のトロイダルコアにおいて、
   外周面の面積をＡｏ、内周面の面積をＡｉとしたとき、
   Ａｉ≧Ａｏ
   であることを特徴とするトロイダルコア。
4. 請求項２記載のトロイダルコアにおいて、
   Ｌｉ＞Ｌｏ
   であることを特徴とするトロイダルコア。
5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載のトロイダルコアにおいて、
   前記外周面の軸方向に沿った長さをｈｏ、前記内周面の軸方向に沿った長さをｈｉとしたとき、
   ｈｉ＞ｈｏ
   であることを特徴とするトロイダルコア。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のトロイダルコアと、
   前記トロイダルコアが収容されるケースと、
   前記トロイダルコアが収容されたケースに巻装される導体とを有するチョークコイル。
7. 請求項６記載のチョークコイルを有するノイズフィルタ。
8. 請求項７記載のノイズフィルタを有するインバータ装置。
   
   

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