JP2014146707A - 線輪部品 - Google Patents

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Abstract


【課題】 コイルへの交流電流の通電により発生する線輪部品の損失を改善すること。
【解決手段】 軟磁性粒子11と結合材12を主に含有する複合磁性体10と、磁気抵抗部20もしくは磁気抵抗部21乃至24と、コイル30を備え、コイル30への通電により生じる磁束の少なくとも一部は複合磁性体10及び磁気抵抗部20もしくは磁気抵抗部21乃至24により構成された閉磁路に存在し、磁気抵抗部20もしくは磁気抵抗部21乃至24は、コイル30の内周面311で囲われた領域のうち巻き軸方向に対する端部312の近傍を除く領域の少なくとも一部に配され、複合磁性体10は内周面311の巻き軸方向に対する端部312を覆い、コイル30に通電することで発生する磁束の方向に対する磁気抵抗部20もしくは磁気抵抗部21乃至24の透磁率は、複合磁性体10の透磁率よりも低い線輪部品とする。
【選択図】 図2

Description

本発明は、インダクタンスを利用して電圧変換などを行うトランス、リアクトル等の線輪部品に関する。
液状の熱硬化樹脂と金属軟磁性粉を混合した複合磁性体スラリーを、支持されたコイルを収容する容器に注ぎ込み、複合磁性体スラリーを熱硬化させることにより構成することで、数十Aから数百Aの大電流が通電されても軟磁性体が磁気飽和しにくいよう構成された線輪部品の検討がなされている。
さらに、例えば特許文献1の段落0058等には、図12のような構成が記載されている。
図12は、従来技術である特許文献1の線輪部品を示す断面図である。
図12に示すように、複合磁性体10に埋設されたコイル30表面は絶縁体31で覆われており、コイル30の内周面における巻き軸方向端部には磁気抵抗部21、22が設けられており、磁気抵抗部21、22の中央部を薄くすることにより磁束の密度の分布の平均化を行う提案がなされている。
特開2006−4957号公報
特許文献1に記載された図12のような構成により磁束の密度の平均化が行われ、インダクタンスが飽和しにくくなるが、その反面、図12におけるコイル30近傍の磁束Biは、磁気抵抗部21、22を避けるような方向に磁束が向かうことでコイル30の内部に磁束が入り込むこととなるために渦電流損失が増加するという課題がある。
従って本発明の目的は、コイルへの交流電流の通電により線輪部品に発生する損失を改善することにある。
上記課題を本発明は、軟磁性粒子と結合材を主に含有する複合磁性体と、磁気抵抗部と、コイルを備え、前記コイルへの通電により生じる磁束の少なくとも一部は前記複合磁性体及び前記磁気抵抗部により構成された閉磁路に存在し、前記磁気抵抗部は、前記コイルの内周面で囲われた領域のうち巻き軸方向に対する端部の近傍を除く領域の少なくとも一部に配され、前記複合磁性体は前記内周面の巻き軸方向に対する端部を覆い、前記コイルに通電することで発生する磁束の方向に対する前記磁気抵抗部の透磁率は、前記複合磁性体の透磁率よりも低い線輪部品によって解決する。
磁気抵抗部材を上記指定の領域に配することで、コイルへ時間変化する電流を通電した場合の損失を改善することができる。
なお、前記磁気抵抗部の少なくとも一部は、前記コイルの内周面に対向する前記複合磁性体の表面に露出していることが望ましい。
また、前記軟磁性粒子とは鉄もしくは鉄系合金を主成分とする金属軟磁性粒子であり、前記複合磁性体の比透磁率は11以上30以下であることが望ましい。
これは、電力変換等の損失改善が特に求められているのは、飽和磁化の高い鉄もしくは鉄系合金を主成分とする金属軟磁性粒子を用い、比透磁率が上記範囲の複合磁性体を用いた線輪部品であるためである。
また、前記磁気抵抗部とは板状の非磁性体であり、板の主面が前記磁束の向きに直交することが望ましい。
これは、磁気抵抗部を設けることによっても線輪部品としてのインダクタンスや磁気飽和特性を維持するためである。
また、前記磁気抵抗部は、前記コイルの内周面で囲われた領域のうち、前記コイルの巻き軸方向に対する高さの20%以上、80%以下の範囲に配されていることが望ましい。
これは、損失の改善効果をさらに高めるためである。
本発明によって、コイルへの交流電流の通電により線輪部品に発生する損失を改善することができる。
本発明の実施形態における線輪部品の一例を示す斜視図である。 本発明の実施形態1における線輪部品の一例を示す断面図である。図2(a)は、図1におけるA面の断面図を示している。ここで、図2(b)から図2(e)は、図2(a)の変形例を示している。 本発明における磁気抵抗部と複合磁性体の境界近傍の拡大断面図であり、図3(a)は図2(a)における領域A’、図3(b)は図2(e)における領域A’’に対応している。 本発明の実施例1における磁気抵抗部を示す斜視図である。 本発明の実施例1における線輪部品のケースに磁気抵抗部を組み込んだ状態を示す斜視図である。 本発明の実施例1における線輪部品の複合磁性体を注入開始した状態を示す斜視図である。 本発明の実施例1における線輪部品の複合磁性体を注入開始した状態を示す断面図であり、図6におけるBB面の断面を示している。 実施例2における線輪部品の断面図であり、図7の変形例に相当する。 実施例2と比較例2の損失を比較した結果を示す図である。 実施例3における線輪部品の断面図であり、図8の変形例に相当する。 実施例3と比較例2の損失を比較した結果を示す図である。 従来技術である特許文献1の線輪部品を示す断面図である。
図1は、本発明の実施形態における線輪部品の一例を示す斜視図である。
軟磁性粒子と結合材を主に含有する複合磁性体10には、円板状の磁気抵抗部21、22とコイル30が埋設されている。
ここで、磁気抵抗部21、22としては非磁性体や軟磁性粒子の含有量を減らした複合磁性体が例示される。
図2は、本発明の実施形態1における線輪部品の一例を示す断面図である。図2(a)は、図1におけるA面の断面図を示している。ここで、図2(b)から図2(e)は、図2(a)の変形例を示している。
コイル30は複合磁性体10により囲まれており、コイル30への通電により発生する磁束Biの磁路は複合磁性体10及び磁気抵抗部21、22を通りコイル30を周回する閉磁路を構成している。
ここで、磁束Biに対する磁気抵抗部21、22の透磁率は、複合磁性体10の透磁率よりも低くなるよう調整している。
また、コイル30と複合磁性体10の絶縁性を高めるため、絶縁層31を設けている。
ここで、線輪部品の損失の改善を目的とするのであれば、磁束密度の自乗にコアロスがほぼ比例することから、磁束分布を均一化させるよう、特許文献1における図11のように磁気抵抗部を設ける検討をするのが一般的である。
しかし、本願の発明者が磁気抵抗部21、22を、あえて磁束分布が不均一となったり、磁気抵抗部を迂回してコイル30内部へ侵入する磁束により生じる渦電流損失が発生したりすることにより、損失が悪化することが予想されるコイル30の内周面311で囲われた領域に配したところ、コイル30の巻き軸方向に対する端部に配する場合を除いて、予想外の損失改善効果が得られることを見出した。
図2(b)は、図2(a)の変形例を示している。
図2(b)は、4枚の磁気抵抗部21、22、23、24としたことと、磁気抵抗部21乃至24と内周面311との間に複合磁性体10で充填された隙間dを設けている点が図2(a)と異なる。
このように、磁気抵抗部の枚数を増やしても、隙間dを設けても本発明における損失改善効果を得ることができる。
ここで、図2(c)のように一部の磁気抵抗部22、24のみ隙間を設けても良い。
また、図2(d)のように磁気抵抗部21、24をコイル30の巻き軸方向に対する端部に設けても良く、この場合、損失改善効果に寄与するのは磁気抵抗部22、23となる。
さらに、図2(e)のように、磁気抵抗部20を内周面311で囲まれた領域のほぼ全てに渡って設けても良い。
図3は、本発明における磁気抵抗部と複合磁性体の境界近傍の拡大断面図であり、図3(a)は図2(a)における領域A’、図3(b)は図2(e)における領域A’’に対応している。
図3(a)では、磁気抵抗部21が非磁性体により構成されており、複合磁性体の軟磁性粒子11と結合材12が周囲に配されている。
ここで、磁気抵抗部21はコイルへの通電により発生する磁束Biに対して透磁率を下げることができれば良く、磁束Biに対して垂直となる方向では透磁率を下げることにはならないが、本発明の目的とする損失を改善する上では問題とならない。
それどころか、薄い板状で非磁性の磁気抵抗部21とすれば、線輪部品全体に占める軟磁性粒子の体積比をあまり下げずに損失改善効果を得ることができるため、コイルへの通電による磁気飽和特性を維持することにも繋がる。
一方、図3(b)では、磁気抵抗部20を軟磁性粒子11の含有率を磁気抵抗部20以外の領域の複合磁性体よりも下げることにより構成しているため、コイルへの通電により発生する磁束Biに対して平行、垂直などいずれの方向でも透磁率を下げることになり、図3(a)の場合よりも線輪部品全体に占める軟磁性粒子の体積比を下げることに繋がる。
従って、磁気抵抗部を非磁性で板状の材料で構成した方がコイルへの通電による磁気飽和特性を維持することに繋がるため、望ましい。
すなわち本発明は、軟磁性粒子11と結合材12を主に含有する複合磁性体10と、磁気抵抗部20もしくは磁気抵抗部21乃至24と、コイル30を備え、コイル30への通電により生じる磁束の少なくとも一部は複合磁性体10及び磁気抵抗部20もしくは磁気抵抗部21乃至24により構成された閉磁路に存在し、磁気抵抗部20もしくは磁気抵抗部21乃至24は、コイル30の内周面311で囲われた領域のうち巻き軸方向に対する端部312の近傍を除く領域の少なくとも一部に配され、複合磁性体10は内周面311の巻き軸方向に対する端部312を覆い、コイル30に通電することで発生する磁束の方向に対する磁気抵抗部20もしくは磁気抵抗部21乃至24の透磁率は、複合磁性体10の前記透磁率よりも低い線輪部品の実施形態を取り得る。
(実施例1)
まずは本実施例における線輪部品の組み立て手順を説明する。
図4は、本発明の実施例1における磁気抵抗部を示す斜視図である。
円筒状の連結部200によって円板状の磁気抵抗部21乃至24が連結されており、磁気抵抗部23、24には、切欠き部231、241が設けられている。
図5は、本発明の実施例1における線輪部品のケースに磁気抵抗部を組み込んだ状態を示す斜視図である。
金属製のケース4は、放熱効果を高めるため、円筒状で中央に柱部41が設けられている。
ケース4の柱部41に連結部200を嵌め込むことで磁気抵抗部21乃至24を組み込み、図4の状態となる。
図6は、本発明の実施例1における線輪部品の複合磁性体を注入開始した状態を示す斜視図である。
端子301、302を有するコイル30をケース4に組み込み、切欠き部211にチューブ101を接続して切欠き部211より未硬化の複合磁性体を注入することで磁気抵抗部21乃至24の間にも複合磁性体を注入することができる。ここで、後述のコイル通電電流により生じる磁場に対する複合磁性体の比透磁率は、11以上30以下である。
図7は、本発明の実施例1における線輪部品の複合磁性体を注入開始した状態を示す断面図であり、図6におけるBB面の断面を示している。
連結部200によってケース4底面から磁気抵抗部21乃至24を支持する構成となっている。
複合磁性体を注入して硬化させ完成させた実施例1の線輪部品は、コイルが35.5回巻きであり、磁気抵抗部21乃至24の厚さはそれぞれ0.75mmであり、直流電流を重畳しない場合のインダクタンスが318μHであり、200Aの直流を重畳した場合のインダクタンスが163μHであり、直流抵抗は20mΩであった。
実施例1の線輪部品のコイルに10kHz、振幅20Aの交流電流を通電し、温度上昇より損失を換算したところ、103Wであった。
(比較例1)
磁気抵抗部21乃至24を設けずに実施例1と同様の条件で作成した線輪部品は、直流電流を重畳しない場合のインダクタンスが300μHであり、200Aの直流を重畳した場合のインダクタンスが167μHであり、直流抵抗は21mΩであった。
実施例1の線輪部品のコイルに10kHz、振幅20Aの交流電流を通電し、温度上昇より損失を換算したところ、144Wであった。
(比較結果1)
実施例1のほうが、比較例1よりも損失が28%改善されている。
(実施例2)
実施例1の構成を基に、線輪部品の損失をシミュレーションにより求めた。
図8は、実施例2における線輪部品の断面図であり、図7の変形例に相当する。
図7とは、複合磁性体10が全て注入し、硬化されている点と、連結部を除いている点が異なる。
なお、図6における連結部が無くとも、磁気抵抗部21乃至24の間の複合磁性体10を予め硬化させるなどの方法により線輪部品を作成することは可能である。
ここで、柱部41と磁気抵抗部21乃至24との間の隙間をDi、内周面311と磁気抵抗部21乃至24との間の隙間をDoとしている。シミュレーションソフトはアンシス・ジャパン社のMaxwellを使用し、コイル巻き数36、コア直径Rm79.30mm、コア高さTm54.00mm、コア内側厚Wmi15.45mm、コア外側厚Wmo7.00mm、コア上下厚Tud7.30mm、コイル内径Rci51.20mm、コイル外径Rco65.00mm、コイル高さTc39.10mm、柱部41は直径Rp20.00mm、絶縁層31の厚さは0.15mmとした。また、磁気抵抗部21乃至24は厚さが0.75mmの非磁性体であり、コイル端部からの距離G1を7.5mm、磁気抵抗部間の距離G2を7.1mmとした。
ここで、シミュレーションにおけるコイル通電電流は、10kHz、振幅59.7Aの交流電流に45Aの直流電流を重畳したものである。
このようなコイルへの通電により生じる磁場に対する複合磁性体10の比透磁率は、11以上30以下の範囲内である。
(比較例2)
実施例2と同様の条件で、磁気抵抗部21乃至24を設けない場合の損失についてシミュレーションを行った。
(比較結果2)
図9は、実施例2と比較例2の損失を比較した結果を示す図である。
ここで、隙間Di、Doの単位は、コア内厚Wmiに占める割合を百分率で表示している。
図9の結果は、隙間Di、Do共に隙間が無い場合に最も損失が少なく、比較例2から20%以上損失を改善するには、隙間Diは38%以下、隙間Doは18%以下とすれば良いことを示している。
(実施例3)
図10は、実施例3における線輪部品の断面図であり、図8の変形例に相当する。
図8とは、1つにした磁気抵抗部20が相違する。
磁気抵抗部20はコイル30の高さ方向中央部に位置し、その厚さは3.00mmであり、他は実施例2と同様の条件でシミュレーションを行った。
(比較結果3)
図11は、実施例3と比較例2の損失を比較した結果を示す図である。
ここで、隙間Di、Doの単位は、コア内厚Wmiに占める割合を百分率で表示している。
図11の結果は、隙間Di、Do共に隙間が10%以上、20%以下の場合に最も損失が少なく、比較例2から10%以上損失を改善するには、隙間Diは1%以上、34%以下、隙間Doは1%以上、31%以下とすれば良いことを示している。
4 ケース
10 複合磁性体
11 軟磁性粒子
12 結合材
20、21、22、23、24 磁気抵抗部
30 コイル
31 絶縁層
41 柱部
101 チューブ
200 連結部
211、221、231、241 切欠き部
301 302 端子
311 内周面
312 端部
Bi 磁束
d、Di、Do 隙間
Rm コア直径
Tm コア高さ
Wmi コア内側厚
Wmo コア外側厚
Tud コア上下厚
Rci コイル内径
Rco コイル外径
Tc コイル高さ
Rp 直径
G1、G2 距離

Claims (5)

  1. 軟磁性粒子と結合材を主に含有する複合磁性体と、
    磁気抵抗部と、
    コイルを備え、
    前記コイルへの通電により生じる磁束の少なくとも一部は前記複合磁性体及び前記磁気抵抗部により構成された閉磁路に存在し、
    前記磁気抵抗部は、前記コイルの内周面で囲われた領域のうち巻き軸方向に対する端部の近傍を除く領域の少なくとも一部に配され、
    前記複合磁性体は前記内周面の巻き軸方向に対する端部を覆い、
    前記コイルに通電することで発生する磁束の方向に対する前記磁気抵抗部の透磁率は、前記複合磁性体の透磁率よりも低いことを特徴とする線輪部品。
  2. 前記磁気抵抗部の少なくとも一部は、前記コイルの内周面に対向する前記複合磁性体の表面に露出していることを特徴とする請求項1に記載の線輪部品。
  3. 前記軟磁性粒子とは鉄もしくは鉄系合金を主成分とする金属軟磁性粒子であり、
    前記複合磁性体の比透磁率は11以上30以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の線輪部品。
  4. 前記磁気抵抗部とは板状の非磁性体であり、板の主面が前記磁束の向きに直交することを特徴とする請求項1から請求項3に記載の線輪部品。
  5. 前記磁気抵抗部は、前記コイルの内周面で囲われた領域のうち、前記コイルの巻き軸方向に対する高さの20%以上、80%以下の範囲に配されていることを特徴とする請求項1から請求項4に記載の線輪部品。
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