JP2006229236A - エネルギー貯蔵コイル - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＭＩの発生を抑制するエネルギー貯蔵コイルの提供。
【解決手段】エネルギー貯蔵コイル（３０）は、周囲に複数ターン（３２）の導体が巻かれたコア（３１）を具備し、コア（３１）に沿って延びる少なくとも２つの区域を形成するこれらのターンは、それぞれ、複数ターン（３２）が互いに重なる第１端及び第２端を有する主区域（３７）、及び主区域（３７）の第１端に隣接する少なくとも１つの補助区域であり、補助区域ターンがターンからターンまで主区域（３７）よりも低い寄生キャパシタを有する補助区域（３８，３９）を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は周囲に複数ターンの導体が巻かれたコアを具備するエネルギー貯蔵コイルに関し、特にコイルを流れる電流が急激に変化する際に生ずる意図しない電磁障害（ＥＭＩ）を最小にするエネルギー貯蔵コイルに関する。

近年、電磁準拠（electromagnetic compliance；ＥＭＣ）というテーマが特に電子工学の分野で非常に重要になってきた。

非常に多くの環境で多くの電子装置、特にデスクトップ型パーソナルコンピュータ及び同様の装置が使用されている。

このような装置の一部を形成する電源は非常に高周波でスイッチングすることが知られている。このようなスイッチングはＥＭＩを引き起こす。漂遊するＥＭＩは付近の装置の正常な作動と干渉するおそれがある。このような干渉の影響は、ユーザにとって単に不便であることから壊滅的又は生命を脅かす結果までの広範囲である。

その結果、多くの政府では、電子機器が発生するＥＭＩの大きさを制限し、他の装置の作動を妨げるか影響を与え得る周波数範囲でＥＭＩを減衰するようＥＭＩをフィルタリングすることを電子機器製造者に要求する法律を通過させてきた。

これらの要求に鑑み、デスクトップ型コンピュータ等の装置の電源の印刷回路基板に接続されたＥＭＩフィルタを有することが一般的になってきた。

追加回路によりＥＭＩをフィルタリングするよりＥＭＩの発生を防止する方が一般的に有益である。電源は典型的には、インダクタを通る電流をスイッチングする半導体デバイスを使用する。スイッチをオフにする瞬間に、インダクタに流れる電流は遮断され、インダクタの電圧は急激に変化する。電圧変化率は通常、代表的には１ターンを形成するワイヤ及び隣接するターンを形成するワイヤ間の寄生容量により制限される。これらのターンはインダクタ又はインダクタの一部と共振回路を形成する。その正味の効果は、１以上の擬似共振周波数で回路から放出されるエネルギーを生ずることである。この偽エネルギーは、負荷に移行する必要なエネルギーに付加される。偽エネルギーは、法的制限により管理される周波数帯域にあることが多い。

従来の環状ＥＭＩフィルタの規則正しく離間した巻線を、「重ねられた」巻線、すなわち環状部（トロイド）の主要部上にほぼ不規則な態様で互いに重ねる巻線に置換することが当業界で知られている。しかし、この解決策は、多数の小共振回路となる。このため、エネルギーの望ましくない自己共振が減少するが数が増加する。このエネルギーを許容レベルまで低減するために、さらにフィルタリング又は他の抑制手段を用いる必要がある。

このような巻線は、例えば力率補正回路用に市販されている。

図１を参照すると、公知の環状（トロイダル）コイル１０は、殆ど全長にわたって周囲に銅線又は金属合金線等の導電体である複数のターン１２を有する環状コア１１を具備する。

コア１０が例えば中実のフェライト材料、焼結されたフェライト材料、又は積層されたフェライト材料であることが公知である。また、粉末のフェライト材料で充填された（例えばポリマで製造された）中空の環状型の形態のコア１１も公知である。

ターンはほぼ一様であり、均等な間隔である。コイル巻線の規則性は、図１の１３で示される単一の場所で中断されている。この場所では、導電体の各端１４，１６がコイル１０から導出され、パーソナルコンピュータ等の装置の例えばスイッチモード電源内で接続することが可能である。

図１のコイルには上述の欠点がある。

図２は別の公知の環状コイル２０を示す。

このコイルは、環状コア２１が殆ど全長の大部分にわたって周囲に導電体のターン２２が巻回された環状コア２２を有する点で、図１のコイルに基本的に類似する。導電体は、１対の導出端子２４，２６においてターンの中断区域２３で終端する。

しかし、図２のコイルは、ターン２２が図に示されるようにほぼ不規則に互いに重ねられる点で、図１の構造と異なる。

上述したように、この構造は、図１のコイル１０と比較すると、コイル２０に形成された各共振回路の共振の平均エネルギーを低減する。他方、図２の構造における共振器の数は、図１のデバイスと比較すると著しく増加している。上述したように、この増加は付加的なフィルタリング及び抑制装置の要求事項となる。

図２のデバイスは、コイルの部品を囲んで端子２４，２６を保護することに通常用いられる保護カバー２７の一部を有する。
欧州特許出願公開第０６２６７６７号明細書 特開昭６１-２５６７０８号公報 欧州特許出願公開第１１８９２４７号明細書 米国特許出願公開第２００３／０１０２９４７号明細書

力率補正回路を具備する電子装置の割合が増加している。古い装置は、装置に実際に電力を供給するＡＣ−ＤＣコンバータ用にＤＣ電源を供給するたＡＣ−ＤＣコンピュータとして整流及びキャパシタの組合せを使用するのが代表的である。簡素であるにもかかわらず、このようなＡＣ−ＤＣコンバータは、ＡＣ電圧がピーク又はピーク付近にある場合、ＡＣ電源から大きなピーク電流を引き出し、サイクル中のピーク以外では殆ど電流がない。この結果生ずる理想的な正弦波形からの電流波形の歪は、電子装置により引き出される電力から期待されるよりもより大きな実効電流を電源配線に生じさせる。

この影響は、パーソナルコンピュータ等の単一装置を考慮する際には重要ではない。他方、現在、完成したビル全体が多数の同一装置（例えば一括注文した同一のパーソナルコンピュータ）を具備することが、一般的である。このような設備が表わす複数のＡＣ−ＤＣコンバータの力率の影響は累積する。この結果、例えば新たなコールセンタ又はデータセンタ等がオープンすると、多数のＡＣ−ＤＣコンバータが主交流電源に接続される結果、例えば重大な供給電流の歪が生ずるおそれがある。

電力会社は、長年にわたってこの歪が生ずる伝送の非効率を無くすよう努力してきた。しかし、パーソナルコンピュータの場合、例えば電気モータに適している（容量性シャント等の）力率補正装置の類を使用することは容易ではない。

従って、供給電流の歪を低減する改良手段に対するニーズがある。このニーズは代表的には、電圧波形とほぼ同じで同相の電流波形を生成するスイッチモードの力率補正回路により満たされる。この力率補正回路は、有益な効果の他に無視できないＥＭＩを発生することが多い。

本発明によれば、以下のエネルギー貯蔵コイルが提供される。すなわち、周囲に複数ターンの導体が巻かれたコアを具備し、コアに沿って延びる少なくとも２つの区域を形成するこれらのターンは、それぞれ
（ａ）複数ターンが互いに重なる第１端及び第２端を有する主区域、及び
（ｂ）主区域の第１端に隣接する少なくとも１つの補助区域
であり、補助区域ターンがターンからターンまで主区域よりも低い寄生キャパシタを有する補助区域を提供する。

この構造は、従来の不規則に巻かれ規則的に巻かれた従来の環状部を超える、予期せぬ大きな利点を提供する。というのは、コイルの中央（主）部分に発生するいかなる高周波偽発振エネルギーも回路の他の部分に到達する前に他のコイル区域によって減衰するからである。

本発明は、いくつかのコイルを同じ磁石コア上に組み合わせることにより、不規則に巻かれたコイルの偽ＥＭＩ発生特性を超える際立った改善を提供する。

本発明はまた、スイッチモード電源の他の領域、又はインダクタの電流が急激に変化することにより偽共振周波数が発生するより広い応用例に適用可能である。

主区域を形成するターンは規則的に互いに重なってもよい。しかし好適には、主区域のターンは不規則に互いに重なる。

単一の補助区域が主区域の一端に配置されてもよい。或いは、各補助区域は主区域の両端に隣接して配置されてもよい。

好適には、補助区域は、異なるターン数及び異なるターン間隔を有する複数の副区域を具備する。

或いは、補助区域は、所定のターン間隔を有する単一区域を具備する。

好適には、補助区域のターンは、主区域の第１端で始まる第１連の副補助区域を形成するように、コア上で互いに隣接する第１の比較的狭い間隔の副補助区域及び第１の比較的広い間隔の副補助区域を定める。

或いは、又はさらに、補助区域のターンは、主区域の第２端で始まる第２連の副補助区域を形成するように、コア上で互いに隣接する第２の比較的狭い間隔の副補助区域及び第２の比較的広い間隔の副補助区域を定める。

この構造は、主巻線区域のいずれかの側の偽共振を減衰することが可能であるので、約１kＷのより小さい定格の力率補正回路に使用される環状コイルコアの場合に特に利点がある。

しかし、本発明の範囲内の別の実施形態は、例えば主区域の第２端が直接接地接続されている実施形態である。この場合、重ねられた区域の非接地側のみに狭い間隔の補助区域及び広い間隔の補助区域が設けられる必要がある。この任意の構造では、主区域の第２端に隣接して配置される補助区域はない。

本発明の好適な一実施形態において、比較的狭い間隔の区域の各々は、隣接する比較的広い間隔の区域よりも主区域に近い位置にある。

しかし、別の実施形態において、比較的狭い間隔の区域は、隣接する比較的広い間隔の区域よりも主区域から遠い位置にあってもよい。

本発明の原理に従って製造されたコイルは、狭い間隔の区域又は広い間隔の区域がコア上の重ねられた区域に最も近くに位置するかどうかにかかわらず、不要な共振を減衰するのに効果的であるという利点がある。

従来から、コアは環状である。しかし、本発明の範囲内でコアの他の形状も可能である。形状は、ほぼ直線の細長で筒状のロッド、ダンベル形のコア片、及びいわゆる「Ｅ−Ｅ」コアを含むが、これらには限定されない。

コアは、一般的であるがフェライトコア材料性又は粉末金属（例えば焼結）材料製である。

本発明に従った別の構造において、コアは積層されている。さらにコアの別の可能性として、例えばポリマ材料製の中空型でフェライト粉末で充填された構成がある。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な一実施形態を説明する。

図３を参照すると、本発明に従ったコイル３０を示す。

コイル３０は、例えば図１のコイル１０との関連で上述した類のコイルであってもよい。

図１に関連して説明した類であってもよい導電体のターン３２は、その大部分が図示されたようにコア３１の周りに巻回されている。導電体は、１対の導出端子３４，３６においてターンの中断区域３３に隣接して終端する。端子３４，３６は、例えばスイッチモード電源回路又は任意の広範囲な他の用途でコイル３０の接続を可能にする。

コイル３０のターン３２は、２つのタイプの区域、すなわち主区域３７及び補助区域３８，３９にそれぞれ分割される。

好適な実施形態において、主区域３７は中断区域３３に対する環状部の反対側にあり、ターン３２は図示のようにほぼ不規則な態様で互いに重なる。

主区域３７の両端において、ターン３２は、ターンが一様且つ互いに均等に離間する第１副補助区域３８として形成される。副区域３８でのターン３２の間隔は、第２副補助区域３９での間隔より平均して狭い。第２副補助区域３９の例は、隣接する狭い間隔の副補助区域３８の各端からコイルターンの中断区域３３に向かって延びる。

このため、図３の構造において、主区域３７は、規則的な比較的広い間隔のターン３２である第２副補助区域３９に直列に接続された規則的な比較的狭い間隔のターン３２である第１副補助区域３８により両側で直ぐ横にある。

しかし、別の実施形態において、第１の比較的狭い間隔の副補助区域３８及び第２の比較的広い間隔の副補助区域３９の位置は、比較的広い間隔の副補助区域３９が主区域３７に直接隣接するように主区域３７の各側において逆になっていてもよい。

更なる変形例において、主区域３７の一側への導電体が接地されている場合、主区域３７の一側に比較的狭い間隔及び比較的広い間隔の副区域３８，３９を設けることで有益かもしれない。このため、本発明の原理は、図３に示された対称パターンの及び上述の別の対称パターンと共に非対称的な区域３７，３８，３９のパターンまで拡張される。

図３の構造において、主区域３７は、コア３１の周りに巻回されるターン３２の全数のうち約70％を占める。図３から明白であるように、主区域３７は環状部の円周の約20％を占有する。

比較的狭い間隔の副補助区域３８は、各々ターン３２の全数のうち約10％を占める。各副区域３９はターン３２の全数の約５％を占める。

副区域３９において、ターンは、代表的には導電体の１〜２直径分だけ互いに離間している。

コイル３０のターン３２の上述の割合は、本発明の範囲内でかなりの変更が可能である。このような変更をどのように実施するかは当業者には明白であろう。

副補助区域３８，３９の組み合わせによって、コイル３０に接続される回路の残りに到達する前に、主区域３７で発生した高周波偽発振エネルギーが減衰するので、本発明のコイル３０は成功するものと考えられる。

このことは、図４及び図５に示される実験データにより証明される。

図４は、図２の重ねターンコイル２０の周波数応答を示すグラフである。このグラフの重要部は、１〜30ＭHzの周波数範囲での周波数応答を示す区域４１である。これは、20ＭHz周波数付近のコイルの励起ピークが上限線４２を越える大きさであることを示す。これは、発振が規制上限又は設計上限を超えていることを意味する。

対照的に、図５に示されるように、図３のコイルの周波数応答に対応する区域４１'は、平均して著しく低い振幅のピークを示す。さらに、約20ＭHz付近において、最大振幅は、図４にあるのと同じレベルに設定された上限線４２よりかなり下回る。実際、コイル３０の全高調周波数において、共振ピークは上限線４２より約10dB下回り、実際面では図２の従来技術のコイルを超える著しい改善を示す。

さらに、図３のコイルの変形例は、図示のものと異なる形状のコアを有してもよい。

変形例として細長の通常ロッドコア及びダンベル形コアが含まれるが、これらに限定されない。変形例は、中実のコア、焼結されたコア、積層されたコア、又は図１に関連して上述した類の粉末で充填された中空のコアであってもよい。

さらに、本発明の範囲内ので更なる可能性は、補助区域（複数ある場合は各補助区域）が副区域３８，３９に分割されず、代わりにターンが一様な間隔で一様な寸法の単一区域であることである。このような補助区域のターンは互いに重ねられないであろう。

ほぼ一様な導体巻線を有する公知の環状フィルタすなわちチョークコイルの斜視図である。 不規則に重ねられた巻線を有する公知のフィルタすなわちチョークコイルの斜視図である。 本発明に従ったフィルタすなわちチョークコイルの斜視図である。 図２のコイルの周波数応答を示すグラフである。 図３のコイルの周波数応答を示す同様のグラフである。

符号の説明

３０ エネルギー貯蔵コイル
３１ コア
３２ ターン
３７ 主区域
３８，３９ 補助区域

Claims (8)

1. 周囲に複数ターンの導体が巻かれたコアを具備するエネルギー貯蔵コイルであって、
   前記コアに沿って延びる少なくとも２つの区域を形成する前記ターンは、それぞれ
   （ａ）前記複数ターンが互いに重なる第１端及び第２端を有する主区域、及び
   （ｂ）前記主区域の前記第１端に隣接する少なくとも１つの補助区域であり、
   補助区域ターンがターンからターンまで前記主区域よりも低い寄生キャパシタを有する前記補助区域を提供することを特徴とするエネルギー貯蔵コイル。
2. 前記主区域の前記ターンは不規則に互いに重ねられていることを特徴とする請求項１記載のエネルギー貯蔵コイル。
3. 前記補助区域は、異なるターン数及び異なるターン間隔を有する複数の副区域を具備することを特徴とする請求項１又は２記載のエネルギー貯蔵コイル。
4. 前記補助区域のターンは、前記主区域の前記第１端で始まる第１連の副補助区域を形成するように、前記コア上で互いに隣接する第１の比較的狭い間隔の副補助区域及び第１の比較的広い間隔の副補助区域を定めることを特徴とする請求項３記載のエネルギー貯蔵コイル。
5. 前記主区域の前記第２端に隣接する別の補助区域を具備することを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１項記載のエネルギー貯蔵コイル。
6. 前記補助区域のターンは、前記主区域の前記第２端で始まる第２連の副補助区域を形成するように、前記コア上で互いに隣接する第２の比較的狭い間隔の副補助区域及び第２の比較的広い間隔の副補助区域を定めることを特徴とする請求項５記載のエネルギー貯蔵コイル。
7. 前記比較的狭い間隔の副補助区域の各々は、隣接する前記比較的広い間隔の副補助区域よりも前記主区域に近い位置にあることを特徴とする請求項４ないし６のうちいずれか１項記載のエネルギー貯蔵コイル。
8. 前記主区域の前記第２端が直接接地接続されていることを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１項記載のエネルギー貯蔵コイル。

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