JP2007201206A - フェライトコア及びインダクタンス素子 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルへの漏洩磁束の影響を低減可能でかつコイルの結合度の低下は最小限に止めることが可能で、しかも製造容易なフェライトコア及びこれを用いたインダクタンス素子を提供する。
【解決手段】フェライトコア４０は、中央脚部４２と両側の側脚部４１とを板状連絡部４３で連結したもので、中央脚部４２は、少なくとも基部側が先端に向かって一定傾きでテーパー状に細くなる円錐台部で形成されている。このようなフェライトコアを一対組み合わせて中央脚部間にギャップＧを有する磁心構造とした場合、ギャップＧとコイルとの距離が大きくなり、ギャップＧに起因する漏洩磁束の影響を軽減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、フェライトコア及びインダクタンス素子に係り、とくに、トランス、チョークコイル等のギャップを有する磁心構造が要求される用途に適し、ギャップに起因する漏洩磁束の影響を軽減可能なフェライトコア及びそれを用いたインダクタンス素子に関する。

従来より、一対のＥ型フェライトコアを突き合わせた磁心構造を有し、各Ｅ型フェライトコアの中央脚部を絶縁樹脂製ボビンに嵌挿したトランス、チョークコイル等のインダクタンス素子が広く知られている。

図６及び図７はこの種のインダクタンス素子の従来例であって、トランスを構成した例である。これらの図において、ボビン１０は、円筒状巻胴部１１と、円筒状巻胴部１１の両端に形成された鍔部１２とを一体に有し、円筒状巻胴部１１の外周にはコイルが設けられる。つまり、コイルとして一次巻線１の下層巻線部１ａ、二次巻線２、一次巻線１の上層巻線部１ｂ、ドライブ巻線３の順に巻回されている。なお、各巻線間及び最外周には絶縁体である層間テープ４が、鍔部１２の内面と巻線１〜３との間には絶縁体であるバリアテープ５が配置されている。

前記インダクタンス素子の磁心として用いる一対のＥ型フェライトコア２０，３０は、図８（Ａ）,（Ｂ）に示すように、それぞれ中央脚部２２，３２（外周径は高さにより変化せず一定）とその両側の側脚部２１，３１とを板状連絡部２３，３３で連結したものであり、中央脚部２２，３２間にギャップＧを形成するために、一方の中央脚部３２は両側脚部３１よりも短く形成されている。そして、一対のＥ型フェライトコア２０，３０は、中央脚部２２，３２を巻線１，２，３が施されたボビン１０の円筒状巻胴部１１の内周に挿入した状態で突き合わされ（側脚部２１，３１同士が当接して）機械的に一体化される。この結果、ギャップＧを包囲するように巻線１，２，３が施されたボビン１０が配置されることになる。

上記のような従来例においては、中央脚部２２，３２間のギャップの有無にかかわらず、ボビン１０の円筒状巻胴部１１の内周は中央脚部２２，３２の最大公差に対し干渉しない程度に設計され（最大交差のフェライトコアが組込可能なようにボビン内周が大きく設計され）、円筒状巻胴部１１の内周と外周間の厚み（つまり巻胴部肉厚）は、ボビン材質による安全規格とボビン強度より、おおよそ１ｍｍ程度で設計されている。

従来例の特徴は、以下のようになる。

(a) 磁心の中央脚部とボビンに巻回された巻線からなるコイルとの距離が接近するため、巻線間の結合を最も良くすることができる（チョークコイルの場合にはインダクタンスを大きくできる。）。反面、中央脚部間にギャップを設けた構成にあっては、ギャップにコイルが接近するため、ギャップに起因する漏洩磁束の影響を受けやすい。

(b) コイル巻線径が最小となるため、直流抵抗を最も小さくできる。また、銅線等のワイヤー使用量も最も少ない。同じサイズのＥ−Ｅ型磁心構造の場合、巻線収納部を大きくとれる。

(c) 磁心ギャップ形状も特殊形状ではないため、ギャップ加工も含め生産は容易である。

以上より、生産性の観点からは合理的な製品作りに適したものと考えられる。

しかしながら、上記従来例はギャップに起因する漏洩磁束による交流抵抗損失（渦電流損失）の影響を大きく受けてしまう構造であることが問題点となっている。漏洩磁束による渦電流損失は、磁心中央脚部ギャップ付近の巻線部分に集中して起こる。そのため、外周径が高さにより変化せず一定の中央脚部とし、かつボビンの円筒状巻胴部を１ｍｍ程度とした従来構造は最も漏洩磁束の影響を受けてしまう。

この問題を解決するために、従来より議論されている方法として、ギャップとコイルとの距離を離して巻くことが一般的である。磁心中央脚部の形状は、一般的に図８（Ａ）に示したような外周径が高さにより変化せず一定の円柱（もしくは四角柱等）となっており、この形状のままギャップから漏れる漏洩磁束の影響を受けないようにギャップとコイル間の距離を設定すると、従来例の構造の特徴からみて巻線間の結合が悪くなる問題が生ずる。これは、スイッチング電源等のトランスとして動作時にノイズのもととなるスパイク電圧を大きくする問題がある。また、従来例の構造であると、コイル巻線径が大きくなることにより、ワイヤー使用量が増えてしまう弊害もある。

上記の巻線間の結合が悪くなる点と、コイル巻線径が大きくなることを改善するために、下記特許文献１及び特許文献２の技術が提案されている。

特開平２−４４７０４号公報 特開平４−１４２０１４号公報

特許文献１では、ボビン巻胴部のギャップが位置する部位を避けて巻線する技術が提案されているが、ボビン巻胴部が曲面となっているため、実際の巻線は巻き乱れが出て実用化は難しいと考えられる。

特許文献２は、ギャップ先端形状（中央脚部の相互対向部分）を漏洩磁束が少ない形状とする提案であり、従来技術の良い点を生かしたまま、ギャップ部形状に特定の傾斜を付け、漏洩磁束が漏れ出る方向を変えてコイルに干渉しずらい構造としているが、フェライトコアの成型バラツキを考慮すると、ギャップ部に正確な傾斜をつけなければならず、コア成型が非常に困難な形状であり、また、後加工で傾斜を設けると大幅なコスト増となり、これも実用化は難しいと考えられる。

本発明は、上記の点に鑑み、コイルへの漏洩磁束の影響を低減可能でかつコイルの結合度の低下は最小限に止めることが可能で、しかも製造容易なフェライトコアを提供することを目的とする。

また、本発明は、一対のフェライトコアの中央脚部間のギャップに起因する漏洩磁束の影響を受けにくい構造としたときのコイル結合特性の悪化を最小限とし、かつ既存磁心、ボビン形状に対して、大幅な構造、工程の変更を必要としない、実用化を主眼においたインダクタンス素子を提供することをもう一つの目的とする。

本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。

上記目的を達成するために、本発明に係るフェライトコアは、中央脚部と両側の側脚部とを板状連絡部で連結したものであって、前記中央脚部は、少なくとも基部側が先端に向かって一定傾きでテーパー状に細くなる円錐台部で形成されていることを特徴としている。

前記フェライトコアにおいて、前記円錐台部よりも先端側部分が前記円錐台部の先端外径と同一外径の円柱部で形成されていてもよい。

本発明に係るインダクタンス素子は、前記フェライトコアを一対有し、前記フェライトコアの一対は、巻線が巻回されたボビンの円筒状巻胴部内周に前記中央脚部が挿入されて前記中央脚部間にギャップを有するように突き合わされていることを特徴としている。

前記インダクタンス素子において、前記巻線は少なくとも一次巻線と二次巻線とからなり、トランスを構成するものであってもよい。

本発明に係るフェライトコアによれば、中央脚部の少なくとも基部側が先端に向かってテーパー状に細くなる円錐台部で形成されているため、当該フェライトコアを一対組み合わせて中央脚部間にギャップを有する磁心構造とした場合、前記ギャップとコイルとの距離が大きくなり、ギャップに起因する漏洩磁束の影響を軽減することが可能である。

また、先細で一定傾きのテーパーを持つ円錐台形状の中央脚部は粉末冶金技術で容易に成型可能であり、かつ中央脚部のギャップ形状は従来と同じ方法で加工が可能となるため、ギャップに特殊な加工を施す方法に比べ、量産が容易である。

また、本発明に係るインダクタンス素子によれば、ギャップとコイルとの距離を離した構造とするため、漏洩磁束の影響を低減乃至実質的に受けないようにすることが可能である。よって、渦電流損失が低減され、ギャップ近傍の巻線部分のワイヤー温度上昇を低減することができる。また、渦電流損失が無くなることにより、トランスやチョークコイルとして使用したときの効率が良くなる。

一方、磁心中央脚部とコイルのワイヤーとの距離が離れるとコイル結合が悪くなる傾向にあるが、中央脚部にテーパーをつけることにより、中央脚部基部では従来技術と同様にワイヤーを前記中央脚部に接近させて巻くことができる。このため、コイル結合の悪化は最小限に止めることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、フェライトコア及びインダクタンス素子の実施の形態を図面に従って説明する。

図１乃至図３で本発明に係るフェライトコア及びインダクタンス素子の実施の形態１を説明する。図１及び図２はインダクタンス素子としてのトランスの全体構成を、図３は前記インダクタンス素子に用いる一対のＥ型フェライトコアの構成をそれぞれ示す。

まず、磁心構造について図３（Ａ）,（Ｂ）で説明すると、一対のＥ型フェライトコア４０，５０は、それぞれ中央脚部４２，５２とその両側の側脚部４１，５１とを板状連絡部４３，５３で連結したものであるが、中央脚部４２，５２は基部が最も大径で先端に向かって一定傾きでテーパー状に細くなる（小径となる）円錐台部で形成されている。そして、中央脚部４２，５２間に図１のギャップＧを形成するために、一方の中央脚部５２は両側脚部５１よりも短く形成されており、中央脚部４２，５２の先端面は同一面積で互いに対向してギャップＧを構成している。

そして、図１及び図２のように、一対のＥ型フェライトコア４０，５０は、中央脚部４２，５２をコイル（巻線１，２，３）が施されたボビン１０の円筒状巻胴部１１の内周に挿入した状態で突き合わされ（側脚部４１，５１同士が当接して）機械的に一体化される。この結果、ギャップＧを包囲するように巻線１，２，３が施されたボビン１０が配置されることになる。

なお、その他の構成は前述した図６及び図７の従来例と同様であり、同一又は相当部分に同一符号を付して説明を省略する。

この種のトランスにおいて、ギャップに起因する渦電流損失は周波数、Ｂ（磁束密度）により大きく影響を受ける傾向にあり、設計段階でそれを考慮するのは難しい。従来のトランス設計手法でも、設計者の裁量により加味される程度で、実物ができるまで正確なところは判らないというものであった。

実施の形態１の構造とすることにより、ギャップＧとコイル間の距離を増大させて、ギャップＧに起因する漏洩磁束の影響を実質的に受けないコイル配置とすることが可能となるから、トランスの損失解析において、直流抵抗損失、コア損失のみになり、設計段階からの損失分析が容易となることから、設計の効率も上がると推測される。

コイルをギャップＧから離して巻くことにより、コイルのワイヤーの巻線径は従来例（図６）に比べて大きくなる。ギャップＧから離す距離はトランス形状、動作条件により若干異なるが、図３のＥ型コア形状、動作周波数６６ｋＨｚ、△Ｂ０．３Ｔ、ギャップＧの長さ１．１ｍｍの条件下では、前記従来例の形状からコイルを１ｍｍ離すことにより渦電流損失の影響は無くなる。これを当てはめると、距離が１ｍｍ離れることによりワイヤー使用量は約２０％増加する。また、巻線可能な磁心窓面積も減ってしまう（約２０％）。これらを考慮して、ワイヤー径を２０％減らしたもので特性を検討する必要があるが、この場合も前記従来例より損失を低減できる。これは前記従来例のトランス外形サイズと同じと仮定した場合も、実施の形態１の構造で十分効果が得られることを示している。

このことは、図６及び図７に図示の前記従来例と図１及び図２の実施の形態１に係るトランスの実機測定結果である以下の表１において示される。

実機測定の動作条件は次の通りである。
トランスが使用される回路方式：フライバックコンバータ
（動作周波数６６ｋＨｚ、△Ｂ０．３Ｔ）
フライバックコンバータの入力電圧：ＡＣ１００Ｖ
フライバックコンバータの出力電圧：ＤＣ１２Ｖ
同出力電流：３．４Ａ（一定）
コア材質：Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトコア
コア形状：従来例は図８のＥ型形状（中央脚部：円柱）
実施の形態１は図３のＥ型形状（中央脚部：円錐台）
（いずれもギャップＧ：１．１ｍｍ）
トランス一次側からみたインダクタンス：３００μＨ
なお、実施の形態１のトランスは、従来例との比較で、巻線可能な窓面積が２０％減少した分ワイヤー径を２０％減少したものとした。

上記、表１の従来例と実施の形態１との対比によれば、コイル及びコア温度共に実施の形態１の方が低く、温度上昇が抑制されている。つまり、損失が低減されていると判断できる。

この実施の形態１によれば、次の通りの効果を得ることができる。

(1) 一対のＥ型フェライトコア４０，５０は、中央脚部４２，５２の基部が最も大径で先端に向かって一定傾きでテーパー状に細くなる（小径となる）円錐台部で形成されているため、当該フェライトコア４０，５０を組み合わせて（側脚４１，５１同士を突き合わせて）中央脚部４２，５２間にギャップＧを有する磁心構造とした場合、ギャップＧとコイル（ボビン１０に巻回された巻線１，２，３）との距離が大きくなり、ギャップＧに起因する漏洩磁束の影響を軽減もしくは実質的に無くすことが可能である。よって、渦電流損失が低減され、ギャップ近傍の巻線部分のワイヤー温度上昇を低減することができる。また、渦電流損失が無くなることにより、トランスやチョークコイルとして使用したときの効率が良くなる。

(2) 一方、Ｅ型フェライトコア４０，５０の中央脚部４２，５２とコイルのワイヤーとの距離が離れるとコイル結合（具体的には一次巻線１と二次巻線２間の結合）が悪くなる傾向にあるが、中央脚部４２，５２にテーパーをつけることにより、中央脚部基部では従来例と同様にワイヤーを中央脚部４２，５２に接近させて巻くことができる。このため、コイル結合の悪化は最小限に止めることができる。

(3) 一定傾きでテーパー状に細くなる円錐台形状の中央脚部４２，５２は粉末冶金技術で容易に成型可能であり、かつ中央脚部のギャップ形状は従来と同じ方法で加工が可能である。つまり、多数のＥ型フェライトコアを重ねた状態で中央脚部のみ研削、研磨加工が可能であり、ギャップに特殊な加工を施す方法に比べ、量産が容易である。

図４乃至図５で本発明に係るフェライトコア及びインダクタンス素子の実施の形態２を説明する。図４はインダクタンス素子としてのトランスの全体構成を、図５（Ａ）,（Ｂ）は前記インダクタンス素子に用いる一対のＥ型フェライトコアの構成をそれぞれ示す。この場合、一対のＥ型フェライトコア６０，７０は、それぞれ中央脚部６２，７２とその両側の側脚部６１，７１とを板状連絡部６３，７３で連結したものであるが、中央脚部６２，７２は基部が最も大径で先端に向かって一定傾きでテーパー状に細くなる（小径となる）円錐台部８１と、その先端側の円柱部８２とからなる。円柱部８２は円錐台部８１の先端外径と同一外径である。

なお、その他の構成は前述した実施の形態１と同様であり、同一又は相当部分に同一符号を付して説明を省略する。

この実施の形態２では、各Ｅ型フェライトコア６０，７０の中央脚部６２，７２間にギャップＧを形成するために、中央脚部７２の研削加工を行うときには円柱部８２を研削、研磨すればよい。従って、研磨加工により中央脚部６２，７２の先端面積は変動せず、製品バラツキの低減を図ることができる。また、このような形状の中央脚部は成型も容易である。その他の作用効果は実施の形態１と実質的に同じである。

以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。

本発明の実施の形態１であって、インダクタンス素子の全体構成を示す正断面図である。 同じく平断面図である。 実施の形態１に係るインダクタンス素子に用いる一対のＥ型フェライトコアであって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側脚部及び中央脚部側より見た平面図である。 本発明の実施の形態２であって、インダクタンス素子の全体構成を示す正断面図である。 実施の形態２に係るインダクタンス素子に用いる一対のＥ型フェライトコアであって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側脚部及び中央脚部側より見た平面図である。 従来例に係るインダクタンス素子の全体構成を示す正断面図である。 同じく平断面図である。 従来例に係るインダクタンス素子に用いる一対のＥ型フェライトコアであって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側脚部及び中央脚部側より見た平面図である。

符号の説明

１ 一次巻線
２ 二次巻線
３ ドライブ巻線
１０ ボビン
１１ 円筒状巻胴部
１２ 鍔部
２０，３０，４０，５０，６０，７０ Ｅ型フェライトコア
２１，３１，４１，５１，６１，７１ 側脚部
２２，３２，４２，５２，６２，７２ 中央脚部
２３，３３，４３，５３，６３，７３ 板状連絡部
８１ 円錐台部
８２ 円柱部

Claims (4)

1. 中央脚部と両側の側脚部とを板状連絡部で連結したフェライトコアであって、前記中央脚部は、少なくとも基部側が先端に向かって一定傾きでテーパー状に細くなる円錐台部で形成されていることを特徴とするフェライトコア。
2. 前記円錐台部よりも先端側部分が前記円錐台部の先端外径と同一外径の円柱部で形成されている請求項１記載のフェライトコア。
3. 請求項１又は２のフェライトコアを一対有し、前記フェライトコアの一対は、巻線が巻回されたボビンの円筒状巻胴部内周に前記中央脚部が挿入されて前記中央脚部間にギャップを有するように突き合わされていることを特徴とするインダクタンス素子。
4. 前記巻線は少なくとも一次巻線と二次巻線とからなり、トランスを構成する請求項１又は２記載のインダクタンス素子。

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