JP2012134263A - インダクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 磁気ギャップ部に配置されたスペーサが所定温度に達すると、磁気ギャップ部を構成する各鉄心を押圧することにより、振動、騒音の発生を抑制できるインダクタを提供することを目的とする。
【解決手段】 コイル３に交流電流が流れると、発生した磁束は交流電源に伴い磁束方向が周期的に反転し、スペーサ５が配置された磁気ギャップ部４は吸引力が周期的に作用して同磁気ギャップ部４の距離を変動させようとするが、温度が上昇した形状記憶合金からなるスペーサ５が所定温度に達すると磁気ギャップ部４を構成する第一ギャップ形成部１ｃと，上部コア２の下面中央部に位置する第二ギャップ形成部２ａとを押圧することにより、振動及び騒音発生を抑制する。
【選択図】図３

Description

本発明は、インダクタに関わり、より詳細には、磁気ギャップ部に発生する磁気吸引力により生じる振動と、振動に起因する騒音を抑制する構成に関するものである。

従来例によるインダクタとして、例えば、図５で示すリアクトル２０のように、Ｅ形状をなすＥ型コア２１と、Ｉ形状をなすＩ型コア２２とを組み合わせて構成されたものがある。Ｅ型コア２１は中央脚２１ａ及びその両側の外側脚２１ｂを備え、Ｉ型コア２２に外側脚２１ｂの端部を付き合わせて閉磁路を構成している。これらＥ型コア２１及びＩ型コア２２は、例えば、大電流を流しても磁気飽和し難い飽和磁束密度が高いＭｎ−Ｚｎ系材料にて形成されており、中央脚２１ａの周囲にはコイル２３が巻回されている。

Ｅ型コア２１の中央脚２１ａは外側脚２１ｂより短く形成されることによって、中央脚２１ａとＩ型コア２２との間には、コアでの磁気飽和を抑制するための磁気ギャップ部が形成されている。磁気ギャップ部では、交流電流がインダクタに流れ、コアが磁気吸引力により振動し騒音が増大する。

そこで、磁気ギャップ部に非磁性体、例えば接着剤を注入して硬化させ、硬化させたスペーサとしての接着剤により振動を抑えることが考えられたが、コアと接着剤との熱膨張係数の違いにより、コアにクラックが入るという問題があった。これに対処すべくリアクトル２０においては、磁気ギャップ部に非磁性の粒体としてのガラスビーズ２５と接着剤２６とを混合して硬化させた混合物２４がスペーサとして充填されている。混合物２４のガラスビーズ２５は、その熱膨張係数がＥ型コア２１及びＩ型コア２２の熱膨張係数とほぼ等しいため、Ｅ型コア２１またはＩ型コア２２が熱膨張しても、これらにクラックが発生することを防止できるようになっている（特許文献１参照）。

しかしながら、リアクトル２０の製造工程において磁気ギャップ部に注入された混合物２４は硬化が完了するまで時間を要し、製造効率を上げることが困難である。また、混合物２４の生成工程で、ガラスビーズ２５と接着剤２６の混合比率と粘度の管理が必要となり、生成作業が煩雑となる。

一方、磁気ギャップ部に、振動を抑制する硬さを有する樹脂材から形成されるスペーサを挿入する方法もあるが（特許文献２参照）、樹脂成型により形成するため、スペーサの寸法にバラツキがあり、そのバラツキに起因して、磁気ギャップ部に配置されたスペーサと各コアとの間に微小な隙間が生じ、振動とそれに伴う騒音を抑制することができないという不具合があった。

特開２００４−２３５４６２号（５頁、図１） 特開２００４−１４００５５号（３頁、図４）

本発明は、上記問題点に鑑み、磁気ギャップ部に配置されたスペーサとコアとの間に隙間が生じないようにして、振動及びこれに起因する騒音の発生を抑制できるインダクタを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、磁性材料からなり一部に磁気ギャップ部を有するコアと、同コアに巻回されるコイルとからなり、前記磁気ギャップ部にスペーサを配置してなるインダクタにおいて、
前記コアには前記磁気ギャップ部を形成する第一ギャップ形成部と、第二ギャップ形成部とが備えられ
前記スペーサは、所定温度に達すると、前記第一ギャップ形成部と、前記第二ギャップ形成部とを押圧するように形状が回復する形状記憶合金からなる構成となっている。

本発明によれば、コアを貫く磁束は交流電源の極性変化に伴い磁束方向が周期的に反転し、スペーサが配置された磁気ギャップ部には磁気吸引力によって振動が発生するが、電気抵抗によりコイルに発生した熱と、磁束が反転することによる損失であるヒステリシス損と渦電流損とによりコアに発生した熱がスペーサに伝達され、温度が上昇した形状記憶合金からなるスペーサが磁気ギャップ部を構成する第一ギャップ形成部と、第二ギャップ形成部とを押圧するように形状が回復して、振動とこれに伴う騒音発生を抑制するようになっている。

本発明によるリアクトルの外観斜視図及び正面図である。 本発明によるリアクトルのスペーサ挿入前を示す正面図である。 スペーサが形状回復した際の状態を示す説明図である。 チョークコイルにおいて適用した状態を示す説明図である。 従来のリアクトルを示す正面図である。 本発明によるリアクトルの外観斜視図及び正面図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。実施例１としては、電源回路の力率改善等に使用されるリアクトルを例に挙げて説明する。

本発明によるリアクトルは、図１（Ａ）の外観斜視図で示すように、Ｅ形形状に形成された下部コア１と、Ｉ形形状に形成され、下部コア１と突き合わされる上部コア２と、下部コア１において、後述する中央磁脚１ａに巻回され、巻線３ａ及び巻線３ｂを導出したコイル３と、中央磁脚１ａの先端部と上部コア２との間に形成された後述する磁気ギャップ部４に配置されるスペーサ５とから構成されており、これら下部コア１、上部コア２、コイル３及びスペーサ４は、巻線３ａ及び巻線３ｂが接続される接続端子を備えた図示しないケースに収容されるようになっている。

下部コア１は、Ｅ形形状に打抜加工された珪素鋼板等の軟磁性材料を積層させて形成され、両側に一対の外磁脚１ｂを備え、中央部に外磁脚１ｂより短い中央磁脚１ａを備えている。上部コア２は下部コア１と同様に、Ｉ形に打抜加工された珪素鋼板等の軟磁性材料を積層させて形成されている。コイル３は絶縁皮膜を有する銅線を巻回して形成され、同コイル３は中央磁脚１ａ及び外磁脚１ｂに対応する面に絶縁紙または絶縁シートを被覆して中央磁脚１ａの外周に挿入されるようになっている。

図２は、スペーサ５が挿入される前のリアクトルの状態を示しており、中央磁脚１ａの先端部には、便宜上、斜線で示しているが、同中央磁脚１ａの一部である第一ギャップ形成部１ｃが備えられ、上部コア２の下面中央部には、同様に便宜上斜線で示しているが、上部コア２の一部であり、スペーサ５が当接する第二ギャップ形成部２ａが備えられている。これら第一ギャップ形成部１ｃと第二ギャップ形成部２ａとの間に空間として形成された磁気ギャップ部４は、下部コア１と上部コア２とで形成される磁路において磁気抵抗を上げ、磁気飽和現象を引き起こさないために設けられている。

コイル３に交流電流が流れると、図１（Ｂ）の矢印で示すように、下部コア１の中央磁脚１ａから上部コア２を介して外磁脚１ｂへとループ状の磁束が発生し、発生した磁束は交流電源の極性変化に伴って磁束方向が周期的に反転するようになっている。磁束方向が周期的に反転すると、中央磁脚１ａの先端部と上部コア２との間には磁気吸引力が働き、磁気ギャップ部４の距離が変動する。この状態で、スペーサ５の厚み寸法にバラツキがあると、スペーサ５と上部コア２あるいは中央磁脚１ａとの間に僅かな隙間が生じ、スペーサ５と各コアとが衝突し騒音が発生してしまう。

磁気ギャップ部に配置されたスペーサ５は、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、直方体状となっている。スペーサ５の厚み寸法は許容誤差を考慮して設定され、例えば、スペーサ５の厚み寸法が許容誤差の最大値となっても、磁気ギャップ部４の距離より数十ミクロン小さくなるように設定され、これにより、リアクトルの製造工程において磁気ギャップ部４にスペーサ５を挿入する作業が容易に行えるようになっている。

スペーサ５は、例えば、チタンニッケル合金材からなる形状記憶合金で形成され、非磁性体であるとともに、耐食性、耐久性等に優れている。形状記憶合金としてのチタンニッケル合金材は、スポンジチタンとニッケルとを真空中でアーク溶解して得られた鋳塊を熱間加工した後、焼鈍と冷間加工を繰り返し、所定の形状に加工することにより製造される。

チタンニッケル合金材は、高温の状態では母相のオーステナイト相であるが、冷却されると、所定の温度で相変態し、マルテンサイト相になる。マルテンサイト相の状態で外力を受けると、変形するが、再び、加熱してオーステナイト相に変態する所定温度まで上昇させると、変形していた材料は元の形状に回復するようになっている。オーステナイト相から冷却したときにマルテンサイト相に変態する温度がマルテンサイト変態点と呼ばれ、マルテンサイト相からオーステナイト相に変態する温度がオーステナイト変態点と呼ばれている。また、高温時に形状が回復しようとする応力は、低温時で変形させる応力に対し約３倍程度大きい。

磁気ギャップ部に配置されたチタンニッケル合金材からなるスペーサ５は、低温時においては、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、直方体形状となるように変形されており、加熱されてマルテンサイト相からオーステナイト相に変態する所定温度まで上昇すると、後述する元形状に回復するようになっている。

次に、動作について説明する。中央磁脚１ａに巻回されたコイル３に、巻線３ａ及び巻線３ｂを介して交流電流が印加されると、同コイル３は導線内の電気抵抗によって発熱する。また、下部コア１の中央磁脚１ａから上部コア２を介して外磁脚１ｂへとループ状の磁束が発生し、発生した磁束の方向が交流電源に伴って周期的に反転すると、下部コア１及び上部コア２には、磁束の方向が反転することによる損失であるヒステリシス損と、鉄心内に生じる渦電流損とによる熱が発生し、下部コア１とともにコイル３が巻回された中央磁脚１ａ及び上部コア２の温度が次第に上昇していく。

中央磁脚１ａ及び上部コア２の温度が上昇していくと、これら中央磁脚１ａの先端部及び上部コア２の中央部と接触しながら磁気ギャップ部４に配置されているスペーサ５に熱が熱伝導により伝達されてゆきスペーサ５の温度も上昇していく。形状記憶合金からなるスペーサ５の温度が上昇してゆき、マルテンサイト相からオーステナイト相に変態するオーステナイト変態点に達すると、スペーサ５は、例えば図３（Ａ）に示すように、中央部から折れ曲がり元形状の、くの字形状に回復するようになっている。

上記したように、コイル３に交流電流が流れると、発生した磁束は交流電源に伴い磁束方向が周期的に反転し、スペーサ４が配置された磁気ギャップ部には磁気吸引力が働き同磁気ギャップ部の距離を変動させようとするが、所定温度に上昇したスペーサ４がマルテンサイト相からオーステナイト相に変態し、形状が元形状である、くの字形状に回復して、磁気ギャップ部を構成する中央磁脚１ａ先端部の第一ギャップ形成部１ｃと，上部コア２の下面中央部に位置する第二ギャップ形成部２ａとを押圧することにより、磁気ギャップ部４の距離の変動を抑え、距離の変動による振動と騒音発生を抑制するようになっている。

尚、上記した例では、スペーサ５は、温度が上昇するとオーステナイト相に変態し、くの字形状に回復するよう説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図３（Ｂ）に示すように、形状記憶合金からなるスペーサ６は温度が上昇すると円弧形状に回復するようにしてもよく、スペーサ４と上部コア２及び外磁脚１ａとの隙間を埋めるよう変態する形状であればよい。

次に、チョークコイルでの応用例について実施例２として説明する。図４で示すように、チョークコイル７は、トロイダル状に形成され、円周上の一端に、切欠きにより磁気ギャップ部１０を設けた、単一部材からなるコア８と、同コア８に巻回され、接続線９ａ及び９ｂを外部に導出した巻線９と、磁気ギャップ部１０に挿入されたスペーサ１１とから構成されている。

磁気ギャップ部１０に挿入されたスペーサ１１は、形状記憶合金から形成され、磁気ギャップ部１０を構成するコア８の一端及び他端には夫々、第一ギャップ形成部８ａと、第二ギャップ形成部８ｂとが形成されている。

接続線９ａ及び９ｂを介して巻線９に交流電圧が印加されるとトロイダル状のコア８には磁路が形成され、これにより、チョークコイル７は高周波電流に対して抵抗の働きをし、高周波を減衰させる高周波用フィルタ、あるいは入力電源用のフィルタや、スイッチング電源の出力フィルタとして使用されるようになっている。

巻線９に交流電流が流れると、コア８にはループ状の磁束が発生し、発生した磁束は交流電源の極性変化に伴って磁束方向が周期的に反転するようになっている。磁束方向の反転により、上記した第一ギャップ形成部８ａと、第二ギャップ形成部８ｂとの間には、磁気吸引力が働き、磁気ギャップ部４の距離が変動する。この状態で、スペーサ１１の厚み寸法にバラツキがあると、スペーサ１１と、第一ギャップ形成部８ａ及び第二ギャップ形成部８ｂとの間には僅かな隙間が生じ、スペーサ１１と各コアとが衝突し騒音が発生してしまう

また、巻線９ａ及び巻線９ｂを介して交流電流が印加されると、巻線９は電気抵抗によって発熱する。また、コア８に周期的に反転するループ状の磁束が発生すると、磁束の反転による損失であるヒステリシス損と、渦電流損とによる熱が発生し、発生した熱はスペーサ１１に伝達されてゆく。

形状記憶合金からなるスペーサ１１の温度が上昇してゆき、マルテンサイト相からオーステナイト相に変態するオーステナイト変態点に達すると、スペーサ１１は、実施例１で説明したように、中央部から折れ曲がり元形状の、くの字形状あるいは円弧状に回復するようになっている。
これにより、スペーサ１１は第一ギャップ形成部８ａと、第二ギャップ形成部８ｂとを押圧して振動と、これに起因する騒音とを抑制するようになっている。

尚、本発明は、上記した実施例に限定されず、その主旨を逸脱しない範囲で種々変形したインダクタに適用することができる。

１ 下部コア
１ａ 中央磁脚
１ｂ 外磁脚
１ｃ 第一ギャップ形成部
２ 上部コア
２ａ 第二ギャップ形成部
３ コイル
３ａ、３ｂ 巻線
４ 磁気ギャップ部
５ スペーサ
６ スペーサ
７ チョークコイル
８ コア
８ａ 第一ギャップ形成部
８ｂ 第二ギャップ形成部
９ 巻線
９ａ、９ｂ 接続線
１０ 磁気ギャップ部
１１ スペーサ

Claims (1)

1. 磁性材料からなり一部に磁気ギャップ部を有するコアと、同コアに巻回されるコイルとからなり、前記磁気ギャップ部にスペーサを配置してなるインダクタにおいて、
   前記コアには前記磁気ギャップ部を形成する第一ギャップ形成部と、第二ギャップ形成部とが備えられ
   前記スペーサは、所定温度に達すると、前記第一ギャップ形成部と、前記第二ギャップ形成部とを押圧するように形状が回復する形状記憶合金からなることを特徴とするインダクタ。

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