JP2013153090A - 磁気デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】リアクトルや変圧器などの磁気デバイスを構成する磁性コアでは、湾曲している部分や、ギャップと接するエッジの部分が存在する。それらの部分に磁束が集中しても、磁束飽和を低減することにある。
【解決手段】トロイダル状の磁性コアと、前記磁性コアに巻かれたコイル４とを備えた磁気デバイス３において、前記磁性コアは、磁束が集中する磁束集中部分が、前記磁束集中部分以外の部分よりも飽和磁束密度が大きい材料で形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁性コアにコイルを巻いた磁気デバイス（リアクトル、変圧器等）に関する。

磁気デバイスであるリアクトルは電流平滑や力率改善、変圧器は電圧変換や絶縁の役割がある。主に太陽光発電、自動車などの昇圧コンバーターに適用されている。

大電流或いは直流重畳下で使用する磁気デバイスに用いられる磁性コアは、磁束飽和を防ぐため飽和磁束密度が大きい材料が望ましい。また、電力変換回路の効率を向上させるため、鉄損が小さい材料が望ましい。

しかし、入手しやすい磁性コアの飽和磁束密度と鉄損はトレードオフの関係にある。したがって、飽和磁束密度の大きい材料を使用すると鉄損が大きく、電力変換回路の効率が下がる。或いは鉄損が小さい材料を使用すると、飽和磁束密度が低く、磁束飽和が起こる。

例えば特許文献１では、内周と外周とで透磁率の異なる材料で構成された磁性コアが記載されている。これの目的は、磁路の短い内周に磁束が集中するのを抑制するため、外周の透磁率を高くして内周と外周の磁束密度を均一化することである。また、特許文献２では磁気デバイスの巻き線部分のみを細くする構造が記載されている。これの目的はエッジ部分の磁束密度が集中するのを抑制することである。

特開２００６−１４７６３４号公報 特開２０１１−１１９６６４号公報

しかし、上記特許文献のものはいずれも、磁性コアの湾曲部分或いはエッジの部分に磁束が集中し、それらの部分で磁束飽和が生じやすくなることについて十分考慮されていない。

本発明の目的は、磁束飽和を低減することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、トロイダル状の磁性コアと、前記磁性コアに巻かれたコイルとを備えた磁気デバイスにおいて、前記磁性コアは、磁束が集中する磁束集中部分が、前記磁束集中部分以外の部分よりも飽和磁束密度が大きい材料で形成されることを特徴とする。

本発明によれば、磁束飽和を低減することができる。

本発明の磁気デバイスの平面図と部分断面図である。 代表的な磁性材料の物性値である。 実施例１の磁気デバイスの平面図である。 実施例２の磁気デバイスの平面図である。 実施例３の磁気デバイスの平面図である。 実施例４の磁気デバイスの平面図である。 実施例４の磁気デバイスを作製するための工程例である。 実施例５の磁気デバイスの平面図である。 実施例６の磁気デバイスの平面図である。 実施例７の磁気デバイスの平面図である。 実施例８の磁気デバイスの平面図である。 実施例９の磁気デバイスの平面図である。 実施例１０の磁気デバイスの平面図である。 実施例１１の磁気デバイスの平面図である。 実施例１２の磁気デバイスの平面図である。 実施例１３の磁気デバイスの平面図である。 実施例１４の磁気デバイスの平面図である。

以下、本発明の実施形態に係わる磁性コアおよび磁気デバイスを説明する。

図１に本発明の磁気デバイスの平面図と部分断面図を示す。磁性コアは２つのＵ型磁性コア１、Ｕ型磁性コアで挟まれた複数のＩ型磁性コア２を備え、Ｕ型磁性コア１とＩ型磁性コア２の間、Ｉ型磁性コア２とＩ型磁性コア２の間には各々ギャップ５が設けられてトロイダル形状を構成している。これらの磁性コアにコイル４を巻いて磁気デバイス３が形成される。図１ではＩ型磁性コア２が４つの場合を示しているが、それ以上でも以下でも構わない。Ｕ型磁性コア１とＩ型磁性コア２の直線部分は湾曲していても構わない。また、Ｉ型磁性コア２やギャップ５を図示する都合上、右側のコイル４は図示を省略する。

Ｕ型磁性コア１は内周部１−１−１、１−１−２、１−１−３、１−１−４、１−１−５、１−１−６、１−１−７、中心部１−２、外周部１−３−１、１−３−２、１−３−３からなる。内周部１−１−１、１−１−７および外周部１−３−１、１−３−３はギャップと接するエッジ部分であるため、他の部分（例えば内周部１−１−２や外周部１−３−２）と比べて磁束が集中し、磁束密度が大きい。また、内周部１−１−３、１−１−５にもエッジ部分があるため、他の部分（例えば内周部１−１−２、１−１−４、１−１−６）と比べて磁束が集中し、磁束密度が大きい。

Ｉ型磁性コア２は内周部２−１−１、２−１−２、２−１−３、中心部２−２、外周部２−３−１、２−３−２、２−３−３からなる。内周部２−１−１、２−１−３および外周部２−３−１、２−３−３はギャップと接するエッジ部分であるため、他の部分（例えば内周部２−１−２、２−３−２）と比べて磁束が集中し、磁束密度が大きい。

本発明の主旨は、これらの磁束が集中する部分に、その部分以外よりも飽和磁束密度が大きい材料を配置することである。これによれば、磁束が集中する部分であっても、流すことができる磁束の最大量が増えるため磁束飽和を低減することができる。上述したように、磁気デバイスに用いる材料の飽和磁束密度と鉄損との関係はトレードオフの関係にあるため、飽和磁束密度が大きい材料は磁束が集中する必要最小限の部分に用いることが好ましい。飽和磁束密度が大きい材料の径方向の厚さが、磁性コアの厚みの２０％以下であることが好ましい。

図２に代表的な磁性材料の物性値を示す。磁束密度の大きい部分には飽和磁束密度が大きい材料が好ましい。飽和磁束密度が大きいだけでなく、さらに磁歪定数が小さい材料を用いると磁化による歪みが小さいので、磁束が集中した場合の騒音が低減されるため好ましい。それ以外の部分には飽和磁束密度が小さくても良いので、鉄損が小さい材料を用いると損失が低減されて好ましい。従って、磁束密度の大きい部分には、Ｆｅ−３％Ｓｉ（３％Ｓｉケイ素鋼）或いはＦｅ−６.５％Ｓｉ（６.５％Ｓｉケイ素鋼）等が好ましく、磁束密度の小さい部分にはアモルファス或いはフェライト等が好ましい。図２には、Ｆｅ基アモルファスとＭｎ−Ｚｒフェライトを示す。以下、実施例１〜１４に具体的な構造を示す。

図３に実施例１の平面図を示す。コイル４は破線で示す。以降の実施例ではコイル４の図示を省略する。実施例１は、内周部のギャップと接している部分に飽和磁束密度が大きい材料を配置した構造である。つまり、Ｕ型磁性コアの内周部１−１−１、１−１−７、およびＩ型磁性コアの内周部２−１−１、２−１−３に飽和磁束密度が大きい材料が使用されている。その他の部分は鉄損が小さい材料が使用されている。これにより、内周部のギャップと接している部分の磁束飽和を抑制できる。

さらに磁歪定数も小さい材料とすれば、騒音も低減できる。これについては以降の実施例でも同様であるため、記載を省略する。

図４に実施例２の平面図を示す。実施例２は、内周部の湾曲している部分に飽和磁束密度が大きい材料を配置した構造である。つまり、Ｕ型磁性コアの内周部１−１−３、１−１−５に飽和磁束密度が大きい材料が使用されている。その他の部分は鉄損が小さい材料が使用されている。これにより、内周部の湾曲している部分の磁束飽和を抑制できる。

図５に実施例３の平面図を示す。実施例３は、内周部のギャップと接している部分と湾曲している部分に飽和磁束密度が大きい材料を配置した構造である。つまり、Ｕ型磁性コアの内周部１−１−１、１−１−３、１−１−５、１−１−７およびＩ型磁性コアの内周部２−１−１、２−１−３に飽和磁束密度が大きい材料が使用されている。その他の部分は鉄損が小さい材料が使用されている。これにより、内周部のギャップと接している部分および湾曲している部分の磁束飽和を抑制できる。

図６に実施例４の平面図を示す。実施例４は内周部全部に飽和磁束密度が大きい材料を配置した構造である。つまり、Ｕ型磁性コアの内周部１−１−１、１−１−２、１−１−３、１−１−４、１−１−５、１−１−６、１−１−７およびＩ型磁性コアの内周部２−１−１、２−１−２、２−１−３に飽和磁束密度が大きい材料が使用されている。Ｕ型磁性コアの中心部１−２およびＩ型磁性コアの中心部２−２は鉄損が小さい材料が使用されている。

実施例３で示した利点に加え、この構造のもう一つの利点は製作性が良いことである。
図７に実施例４の磁性コアを作製するための工程例を示す。実施例４の磁性コアは、まず内周部を作製し、次に外周部、最後にギャップを作製する。まず、箔状の磁性材料をトロイダル形状に巻き回し、磁性コアの内周部を作製する。形状を固定するため、ワニス等を用いても構わない。次に、磁性コアの内周部の外側に箔状の磁性材料を巻き回し、外周部を作製する。最後に機械加工により、ギャップを形成する。ギャップは空隙であっても良いし、非磁性材料を使用しても良い。以上の工程により、実施例４の磁性コアを作製できる。

図８に実施例５の平面図を示す。実施例５は外周部のギャップと接している部分に飽和磁束密度が大きく、且つ磁歪定数が小さい材料を配置した構造である。つまり、Ｕ型磁性コアの外周部１−３−１、１−３−３およびＩ型磁性コアの外周部２−３−１、２−３−３に飽和磁束密度が大きく、且つ磁歪定数の小さい材料が使用されている。その他の部分は鉄損が小さい材料が使用されている。これにより、外周部のギャップと接している部分の磁束飽和を抑制でき、且つ騒音を低減できる。

図９に実施例６の平面図を示す。実施例６は外周部全部に飽和磁束密度が大きい材料を配置した構造である。つまり、Ｕ型磁性コアの外周部１−３−１、１−３−２、１−３−３およびＩ型磁性コアの外周部２−３−１、２−３−２、２−３−３に飽和磁束密度が大きい材料が使用されている。その他の部分は鉄損が小さい材料が使用されている。

実施例５で示した利点に加え、この構造のもう一つの利点は製作性が良いことである。

図１０に実施例７の平面図を示す。実施例７は内周部のギャップと接している部分および外周部のギャップと接している部分に飽和磁束密度が大きい材料を配置した構造である。つまり、Ｕ型磁性コアの内周部１−１−１、１−１−７、Ｕ型磁性コアの外周部１−３−１、１−３−３、およびＩ型磁性コアの内周部２−１−１、２−１−３、Ｉ型磁性コアの外周部２−３−１、２−３−３に飽和磁束密度が大きい材料が使用されている。その他の部分は鉄損が小さい材料が使用されている。これにより、内周部のギャップと接している部分および外周部のギャップと接している部分の磁束飽和を抑制できる。

図１１に実施例８の平面図を示す。実施例８は内周部の湾曲している部分および外周部のギャップと接している部分に飽和磁束密度が大きい材料を配置した構造である。つまり、Ｕ型磁性コアの内周部１−１−３、１−１−５、Ｕ型磁性コアの外周部１−３−１、１−３−３、およびＩ型磁性コアの外周部２−３−１、２−３−３に飽和磁束密度が大きい材料が使用されている。その他の部分は鉄損が小さい材料が使用されている。これにより、内周部の湾曲している部分および外周部のギャップと接している部分の磁束飽和を抑制できる。

図１２に実施例９の平面図を示す。実施例９は内周部の湾曲している部分、内周部のギャップと接している部分および外周部のギャップと接している部分に飽和磁束密度が大きい材料を配置した構造である。つまり、Ｕ型磁性コアの内周部１−１−１、１−１−３、１−１−５、１−１−７、Ｕ型磁性コアの外周部１−３−１、１−３−３、およびＩ型磁性コアの内周部２−１−１、２−１−３、Ｉ型磁性コアの外周部２−３−１、２−３−３に飽和磁束密度が大きい材料が使用されている。その他の部分は鉄損が小さい材料が使用されている。これにより、内周部の湾曲している部分、内周部のギャップと接している部分および外周部のギャップと接している部分の磁束飽和を抑制できる。

図１３に実施例１０の平面図を示す。実施例１０は内周部全部および外周部のギャップと接している部分に飽和磁束密度が大きい材料を配置した構造である。つまり、Ｕ型磁性コアの内周部１−１−１、１−１−２、１−１−３、１−１−４、１−１−５、１−１−６、１−１−７、Ｕ型磁性コアの外周部１−３−１、１−３−３、およびＩ型磁性コアの内周部２−１−１、２−１−２、２−１−３、Ｉ型磁性コアの外周部２−３−１、２−３−３に飽和磁束密度が大きい材料が使用されている。その他の部分は鉄損が小さい材料が使用されている。これにより、内周部の湾曲している部分、内周部のギャップと接している部分および外周部のギャップと接している部分の磁束飽和を抑制できる。

実施例９で示した利点に加え、この構造のもう一つの利点は内周部の製作性が良いことである。

図１４に実施例１１の平面図を示す。実施例１１は内周部のギャップと接している部分および外周部の全部に飽和磁束密度が大きい材料を配置した構造である。つまり、Ｕ型磁性コアの内周部１−１−１、１−１−７、Ｕ型磁性コアの外周部１−３−１、１−３−２、１−３−３およびＩ型磁性コアの内周部２−１−１、２−１−３、Ｉ型磁性コアの外周部２−３−１、２−３−２、２−３−３に飽和磁束密度が大きい材料が使用されている。
その他の部分は鉄損が小さい材料が使用されている。これにより、内周部のギャップと接している部分および外周部のギャップと接している部分の磁束飽和を抑制できる。

実施例７で示した利点に加え、この構造のもう一つの利点は外周部の製作性が良いことである。

図１５に実施例１２の平面図を示す。実施例１２は内周部の湾曲している部分および外周部の全部に飽和磁束密度が大きい材料を配置した構造である。つまり、Ｕ型磁性コアの内周部１−１−３、１−１−５、Ｕ型磁性コアの外周部１−３−１、１−３−２、１−３−３、およびＩ型磁性コアの外周部２−３−１、２−３−２、２−３−３に飽和磁束密度が大きい材料が使用されている。その他の部分は鉄損が小さい材料が使用されている。これにより、内周部の湾曲している部分および外周部のギャップと接している部分の磁束飽和を抑制できる。

実施例８で示した利点に加え、この構造のもう一つの利点は外周部の製作性が良いことである。

図１６に実施例１３の平面図を示す。実施例１３は内周部の湾曲している部分、内周部のギャップと接している部分および外周部の全部に飽和磁束密度が大きい材料を配置した構造である。つまり、Ｕ型磁性コアの内周部１−１−１、１−１−３、１−１−５、１−１−７、Ｕ型磁性コアの外周部１−３−１、１−３−２、１−３−３、およびＩ型磁性コアの内周部２−１−１、２−１−３、Ｉ型磁性コアの外周部２−３−１、２−３−２、２−３−３に飽和磁束密度が大きい材料が使用されている。その他の部分は鉄損が小さい材料が使用されている。これにより、内周部の湾曲している部分、内周部のギャップと接している部分および外周部のギャップと接している部分の磁束飽和を抑制できる。

実施例９で示した利点に加え、この構造のもう一つの利点は外周部の製作性が良いことである。

図１７に実施例１４の平面図を示す。実施例１４は内周部の全部および外周部の全部に飽和磁束密度が大きい材料を配置した構造である。つまり、Ｕ型磁性コアの内周部１−１−１、１−１−２、１−１−３、１−１−４、１−１−５、１−１−６、１−１−７、Ｕ型磁性コアの外周部１−３−１、１−３−２、１−３−３、およびＩ型磁性コアの内周部２−１−１、２−１−２、２−１−３、Ｉ型磁性コアの外周部２−３−１、２−３−２、２−３−３に飽和磁束密度が大きい材料が使用されている。その他の部分は鉄損が小さい材料が使用されている。これにより、内周部の湾曲している部分、内周部のギャップと接している部分および外周部のギャップと接している部分の磁束飽和を抑制できる。

実施例１３で示した利点に加え、この構造のもう一つの利点は内周部の製作性が良いことである。

太陽光発電、自動車などの昇圧コンバーターに適用が可能であり、電力変換効率の向上および騒音の抑制が期待できる。

１ Ｕ型磁性コア
２ Ｉ型磁性コア
３ 磁気デバイス
４ コイル
５ ギャップ
１−１−１、１−１−２、１−１−３、１−１−４、１−１−５、１−１−６、１−１−７ Ｕ型磁性コアの内周部（内周部）
１−２ Ｕ型磁性コアの中心部（中心部）
１−３−１、１−３−２、１−３−３ Ｕ型磁性コアの外周部（外周部）
２−１−１、２−１−２、２−１−３ Ｉ型磁性コアの内周部（内周部）
２−２ Ｉ型磁性コアの中心部（中心部）
２−３−１、２−３−２、２−３−３ Ｉ型磁性コアの外周部（外周部）

Claims (6)

1. トロイダル状の磁性コアと、前記磁性コアに巻かれたコイルとを備えた磁気デバイスにおいて、
   前記磁性コアは、磁束が集中する磁束集中部分が、前記磁束集中部分以外の部分よりも飽和磁束密度が大きい材料で形成されることを特徴とする磁気デバイス。
2. 請求項１において、前記磁束集中部分は、前記磁束集中部分以外の部分よりも磁歪定数が小さい材料で形成されることを特徴とする磁気デバイス。
3. 請求項１又は２において、前記磁束集中部分以外の部分は、前記磁束集中部分よりも鉄損が小さい材料で形成されることを特徴とする磁気デバイス。
4. 請求項１乃至３の何れかにおいて、前記磁束集中部分の径方向の厚さが、前記磁性コアの厚みの２０％以下であることを特徴とする磁気デバイス。
5. 請求項１乃至４の何れかにおいて、前記磁性コアはギャップを備え、前記ギャップと接している部分が、前記磁束集中部分であることを特徴とする磁気デバイス。
6. 請求項１乃至５の何れかにおいて、前記磁性コアの内周面の湾曲している部分が、前記磁束集中部分であることを特徴とする磁気デバイス。