JP2014146707A - 線輪部品 - Google Patents

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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