JP2017228606A - コモンモードチョークコイル - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、発熱を抑えることのできるボビン形状を具備した空冷式コモンモードチョークコイルを提供する。【解決手段】本発明に係る空冷式コモンモードチョークコイル１０は、環状のコア３０を環状のボビン２０に収容し、前記ボビン２０の外周にコイル４０が巻装されてなるコモンモードチョークコイル１０であって、前記ボビン２０と前記コア３０との間に空気流Ｂが流通可能な空気流路Ａが形成され、前記ボビン２０は、前記空気流路Ａに連通する１又は複数の開口２１，２２を有し、前記開口２１，２２の周縁には、鍔２３，２４が突設されている。前記開口２１，２２は、前記ボビン２０の外周面とその上下面に亘って形成することが望ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、電源回路やインバータなどの交流機器における整流回路、雑音防止回路、波形整形回路、共振回路、各種スイッチング回路等に装備されるコモンモードチョークコイルに関するものであり、より具体的には、放熱性を高めて温度上昇を抑制することのできる空冷式コモンモードチョークコイルに関するものである。

各種交流機器の回路に搭載されるコモンモードチョークコイルは、環状のコアに絶縁した状態でコイルを巻装して構成される。コアとして、酸化磁性材を加圧後に焼結して成るフェライトコアが提案されている。コアは、樹脂製のボビンに収容され、ボビンの外周からコイルを巻装してコモンモードチョークコイルが形成される（たとえば特許文献１）。

特開２０１２−５９７５４号公報

コモンモードチョークコイルは、商用交流電源回路に用いる場合、コイルへの通電によりコイルにジュール熱が発生して発熱する。コア自体はほとんど自己発熱しないが、コアをボビンに収容したコモンモードチョークコイルにあっては、コイルによる発熱の伝導、輻射、対流によって昇温してしまう。コアが昇温して磁性材料のキュリー温度Ｔｃを超えてしまうと磁気特性が大幅に低下し、ノイズ抑制効果が失われる。このため、磁性材料として、キュリー温度Ｔｃの高い材料をコアに採用するか、コイルの発熱を抑えるために印加する電流を低く設定する必要があった。

一方、コアには幅広い周波数帯域へのノイズ抑制効果を確保しつつ、小型化、軽量化、低コスト化を図るため高い比透磁率μｓの磁性材料を採用することで、より少ない巻き回数のコイルでインダクタンス値を得ることができるようになるといった効果が期待できる。しかしながら、一般的に高透磁率の磁性材料はキュリー温度Ｔｃが低いため、コアの昇温を抑えることのできるコモンモードチョークコイルが求められている。

本発明の目的は、放熱特性を高めて温度上昇を抑制することのできるボビン形状を具備した空冷式コモンモードチョークコイルを提供することである。

本発明に係る空冷式コモンモードチョークコイルは、
環状のコアを環状のボビンに収容し、前記ボビンの外周にコイルが巻装されてなるコモンモードチョークコイルであって、
前記ボビンと前記コアとの間に空気流が流通可能な空気流路が形成され、
前記ボビンは、前記空気流路に連通する１又は複数の開口を有し、前記開口の周縁には、鍔が突設されている。

前記開口は、前記ボビンの外周面に形成することができる。

前記開口は、前記ボビンの外周面とその上下面に亘って形成することが望ましい。

前記鍔は、前記開口に対して外周に向けて広がるように傾斜していることが望ましい。

前記開口は一対であって、前記ボビンの直径上に対称に形成することが望ましい。

前記コアは、縦断面が矩形であって、角部を前記ボビンの内面に当接して支持することができる。

前記ボビンの内面にボス又はリブが突設されており、
前記コアは、前記ボス又は前記リブに当接して支持することができる。

前記コアは、フェライトコアとすることができる。

また、本発明のコモンモードチョークコイルを実装した電気機器は、
ケーシングの内部に収容された基板に、請求項１乃至請求項８の何れかに記載のコモンモードチョークコイルを実装した電気機器であって、
前記ケーシングには、吸気口と排気用ファン具え、
前記コモンモードチョークコイルは、前記吸気口と前記排気用ファンによって形成される空気流の上流側に前記開口の１つが向けられている。

本発明に係る空冷式コモンモードチョークコイルによれば、ボビンに形成された開口に空気流を導入することによって、ボビン内部の熱を開口から放出することができ、コイルの発熱によるコアの昇温を可及的に抑えることができる。これにより、コアの磁性材料として、キュリー温度の低い高透磁率材料を採用することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る空冷式コモンモードチョークコイルの斜視図である。 図２は、空冷式コモンモードチョークコイルをコアの高さ方向略中央で切断した断面図である。 図３は、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿う断面図である。 図４は、ボビンとコアとの間に形成される空気流路を拡大して示す断面図である。 図５は、ボビンの内面にボスを形成した実施形態を示す拡大断面図である。 図６は、ボビンの内部を通過する空気流を示す説明図であって、コアの上面でコモンモードチョークコイルを切断した断面図である。 図７は、実施例で使用した実験装置の説明図である。 図８は、発明例のコイルに印加された直流電流とコア及びコイルの温度上昇との関係を示すグラフである。 図９は、比較例のコイルに印加された直流電流とコア及びコイルの温度上昇との関係を示すグラフである。 図１０は、本発明を三相用コモンモードチョークコイルに適用した実施例を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る空冷式コモンモードチョークコイル１０について、図面を参照しながら説明を行なう。なお、コモンモードチョークコイル１０は、一対のコイル４０，４０を巻回した単相用コモンモードチョークコイルを例示する。

図１は、本発明の一実施形態に係るコモンモードチョークコイル１０の外観斜視図、図２は、コモンモードチョークコイル１０をコア３０の幅方向中央で切断した横断面図、図３は、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿う断面図、図４はコモンモードチョークコイル１０の拡大断面図である。図に示すように、本発明のコモンモードチョークコイル１０は、環状のコア３０をボビン２０に収容し、ボビン２０の周面に一対のコイル４０，４０を巻装して構成される。ボビン２０には、外部の空気流をボビン２０の内部に流通させる開口２１，２２が形成される。

コア３０は、磁性材料から形成された環状体であり、断面形状は限定しないが図示のコア３０は断面が略矩形としている。コア３０は、Ｍｎ-Ｚｎ系フェライトコア、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトコア材料など、加圧成形の後焼結したコア（以下「焼結コア」と称する）を例示できる。

本発明は、焼結コアの中でも比透磁率μｓの高いフェライトコアに適用することが特に好適である。フェライトコアの比透磁率μｓは一般にＭｎ-Ｚｎ系、Ｎｉ−Ｚｎ系を含め５００〜５０００程度であり、キュリー温度Ｔｃは１８０℃〜２５０℃であるが、一方で、Ｍｎ−Ｚｎ系を中心等した比透磁率μｓが高いコア３０の比透磁率μｓは１００００〜１８０００と高いため、同一巻回数であってもインダクタンス値は２〜３倍確保できるものの、その磁性材料のキュリー温度Ｔｃが１１０℃〜１５０℃と高い比透磁率μｓになるほど低くなる傾向にある。このため、コア３０は、キュリー温度Ｔｃ以上に昇温させることなく使用することが必要になる。

ボビン２０は、内部にコア３０を収容し、コイル４０，４０との電気的絶縁とを確保する。ボビン２０は、絶縁性の樹脂ケースから構成することができる。図示の実施形態では、ボビン２０は、基板等へ設置可能なコイル台５０に装着可能となっている。

図１乃至図４に示すように、ボビン２０は、コア３０の形状に合わせた環状形状であり、中央に上下に貫通する貫通孔部２５を有し、周面に１又は複数箇所に開口２１，２２を有している。ボビン２０の内面は、コア３０の断面よりも大きく形成され、コア３０をボビン２０に収容した状態で、コア３０とボビン２０との間に空気の流通が可能な空気流路Ａが形成される。

開口２１，２２は、ボビン２０の周面に形成される。たとえば、図１及び図２に示すように、開口２１，２２は、ボビン２０の外周側に形成することができる。開口２１，２２は、空気流の出入り口となるため大きく形成することが望ましいが、開口２１，２２が大きくなると、ボビン２０に巻回できるコイル４０，４０の巻き数或いはリード線径に制限を受ける。従って、開口２１，２２は、ボビン２０に巻回されるコイル４０，４０の巻き数やリード線径に応じた最大の開口幅とすることが好適である。図示の実施形態では、開口２１，２２を大きく形成するために、開口２１，２２がボビン２０の上下面に一部が掛かるように構成している。

開口２１，２２は、空気流路Ａへの空気の流入、また、空気流路Ａからの空気の流出をスムーズに行なうことができるように、ボビン２０の直径上の対向する位置に形成することが好適である。なお、開口２１，２２は、ボビン２０に２つ形成することが最も望ましいが、開口を１つだけ場合であっても、ボビン２０内の空気流路Ａに空気流が侵入可能であるため、ある程度の空冷効果は期待できる。

開口２１，２２には、周縁に鍔２３，２４を突設している。開口２１，２２の左右の鍔２３は、コア３０とボビン２０の外周に巻回されるコイル４０，４０間の電気的絶縁、及び、コイル４０，４０どうしの電気的絶縁を図り、これらが電気的に接触したり、これらの間が短絡してスパーク等が生じてしまうことのないよう、安全規格に準拠した沿面距離及び空間距離を確保する。このため、鍔２３は、鍔２３の近傍に巻回されるコイル４０，４０の高さ以上に形成し、安全規格で規定された寸法を確保する設計としている。

開口２１，２２の左右の鍔２３は、開口２１，２２を通じた空気流の流通を増大させるために、開口２１，２２に対して外周に向けて広がる傾斜形状とし、また、開口２１，２２の上下の鍔２４は、開口２１，２２への空気の流入量を増大し、円滑な導入を図るために上下に広がる方向に傾斜した形状とすることが望ましく、特にファン等による強制空冷時に有効である。

ボビン２０の内面は、前述のとおり、コア３０の断面積よりも大きな断面空間を有し、コア３０とボビン２０の内面との間に形成された隙間が空気流路Ａとなっている。そして、空気流路Ａは、開口２１，２２と連通している。

ボビン２０は、コア３０が機械的な振動や衝撃で破損したり、負荷電流によって発生する磁束により磁歪うなり音を抑制するために、内部でコア３０が振動することのないように保持することが望ましい。たとえば、図３及び図４に示すように、ボビン２０の内面を略楕円形状とし、コア３０の一部、図示では角部をボビン２０の内面に当接させることで、コア３０をボビン２０に保持しつつ、略楕円形状の内面とコア３０との間に空気流路Ａを確保している。

また、コイル４０，４０を手巻きした場合、コイル４０，４０は略楕円形状に膨らんだ形状で巻回される。この巻き形状に合わせてボビン２０自体の断面も略楕円形状とすることで、ボビン２０に空気流路Ａを確保しても、コモンモードチョークコイル１０の大型化は回避できる。

なお、図５に示すように、ボビン２０の内面にボス２６やリブを突設することで、ボビン２０の内面とコア３０との間に空気流路Ａを確保しつつ、コア３０をボス２６等で保持することもできる。但し、ボビン２０の内面にボス２６等を設けた場合、これらによって空気流路Ａが狭くなり、また、空気流路Ａ中で乱流が生じてしまうことがある。このため、ボス２６やリブを形成する際には、空気流路Ａ中で圧損を可能な限り低減できるように設計することが望ましい。図５では、上下のボス２６，２６によってコア３０の上下を保持すると共に、コア３０の内周側をボビン２０の内面に当接させることで左右方向を保持ししている。

上記構成のボビン２０は、図１、図３及び拡大図４に示すように上下に分割されたボビン半体２０ａ，２０ｂから構成することができる。これにより、一方のボビン半体２０ａにコア３０を収容した後、他方のボビン半体２０ｂを嵌め合わせることで、コア３０をボビン２０に収容することができる。

ボビン２０は、図１及び図２に示すように、コイル台５０に装着して使用することができる。この場合、ボビン２０には、コイル台５０と係合するための係合部２７，２７を具える。図示の実施形態では、係合部２７，２７は、貫通孔部２５の内面を上下方向に延びる溝条である。

コア３０を収容したボビン２０には、開口２１，２２間の胴部に夫々コイル４０，４０が巻回されてコモンモードチョークコイル１０が形成される。コイル４０，４０に使用されるリードとして、外部が絶縁被覆された銅線を例示できる。もちろん、リードはこれに限定されるものではない。

２つのコイル４０，４０は夫々開口２１，２２間に巻線方向が負荷電流の流れ方向に対して同じ方向、すなわち、発生する夫々の磁束が打ち消し合う所謂コモンモード巻きに巻回することができる。

上記構成のコモンモードチョークコイル１０は、基板に直接配置することもできるし、図１及び図３に示すようにコイル台５０に装着することができる。コイル台５０は、コモンモードチョークコイル１０が載置される基台５１と基台５１から上方に向けて突設された取付部５２を含む構成とすることができる。取付部５２は、ボビン２０の係合部２７，２７と係合し、コモンモードチョークコイル１０をコイル台５０に固定する。取付部５２は、たとえば図１及び図２に示すように平板状の取付部５２を例示できる。取付部５２は、ボビン２０の貫通孔部２５に形成された溝条の係合部２７，２７に嵌まってコモンモードチョークコイル１０をコイル台５０に取り付けることができる。ボビン２０の貫通孔部２５に取付部５２が嵌まることで、コモンモードチョークコイル１０がコイル台５０に装着されると共に、取付部５２は、対向するコイル４０，４０間の絶縁壁の役割をなす。

コイル台５０には、コイル４０，４０のリード端部４１，４１を下方に向けて引き出すための挿通孔５３，５３を形成することができる。そして、リード端部４１，４１は、コイル台５０を図示しない配線基板に配置したときに、基板と電気的に接続することができる。

なお、以下では、適宜コイル台５０を含めてコモンモードチョークコイル１０と称する。

上記構成のコモンモードチョークコイル１０は、電気機器の配線基板に実装することができる。電気機器のケーシングには、コモンモードチョークコイル１０を含めた他の電子部品の昇温を抑えるための吸気口と排気用ファン、或いは、吸気用ファンと排気口を具え、電子機器内に強制的に空気流を生じさせる。電気機器として、ＩＨクッキングヒーター、ＩＨ炊飯器、電子レンジ、車載用等のＤＣ−ＤＣ、ＡＣ−ＤＣコンバーターなどを例示できる。

本発明のコモンモードチョークコイル１０は、その空気流の経路上に開口２１，２２が向くように配置する。コモンモードチョークコイル１０に開口２１，２２が２つ形成されている場合には、一方の開口２１が空気流の上流側、他方の開口２２が下流側に向くよう配置する。開口が１つの場合は、当該開口が空気流の上流側に向くように配置する。

これにより、図６に示すように、コモンモードチョークコイル１０は、開口２１から侵入し、ボビン２０の内面とコア３０との間に形成された空気流路Ａを経由して、他方の開口２２から排出される空気流Ｂが生じ、ボビン２０やコア３０から熱を奪い、コイル４０やコア３０の昇温を抑えることができる。

より詳細には、コモンモードチョークコイル１０のコイル４０，４０に電流を供給すると、コイル４０，４０は電磁誘導によって磁束を発生するが、磁束が打ち消し合う方向に巻線しているので磁気飽和は抑制され、コモンモードノイズの通過に対しては自己誘導作用によるインダクタンスによってノイズの通過を制限する。このとき、通電によってコイル４０，４０にジュール熱が発生して発熱する。そして、コイル４０，４０による発熱がボビン２０を介してコア３０に伝導、輻射、対流によって伝達され、コア３０が昇温することになるが、本発明のコモンモードチョークコイル１０は、開口２１から空気流路Ａに空気流Ｂが流れ込み、他方の開口２２から排出されることで、発熱したボビン２０及びコア３０が空気流Ｂと熱交換して冷却される。

従って、コア３０の昇温を抑えることができるから、キュリー温度Ｔｃの低いフェライトコアなどの高い比透磁率μsの材料を採用することができ、また、コイル４０，４０に高電流を印加することができる。コア３０に高い比透磁率μsの材料を採用できることで、同一インダクタンス値を確保しながらも、コイル４０，４０の巻き数を減らしたりリード線径を細くすることができるので、コモンモードチョークコイル１０の小型化が図れることになる。また、逆にコモンモードチョークコイル１０を同一サイズとすれば、コイル４０，４０の巻回数を増やしてインダクタンス値を高く設計できるようになることから、ノイズの低減も達成される。

ボビン２０に２つの開口２１，２２を設けた本発明のコモンモードチョークコイル１０と、これら開口２１，２２を０．５ｍｍ厚のアラミド繊維シート（商品名：ノーメックス（登録商標））で塞いだ比較例のコモンモードチョークコイルを、強制的に空気流Ｃを生じさせる風洞筒６０に配置し、コイル４０，４０に印加する直流電流とコイル４０及びコア３０の温度上昇の関係を測定した。

コモンモードチョークコイル１０は、以下の構成である。

コア３０
磁性材料：ＪＦＥフェライト株式会社製のフェライトコアＭＡ１２０Ａ（比透磁率μs１２０００）
内径／外径：１８．５ｍｍ／３１．５ｍｍ
高さ：１３．４ｍｍ
断面積／断面形状：８７．１ｍｍ^２／矩形
キュリー温度Ｔｃ：１２０℃

ボビン２０
材質：ポリカーボネート樹脂
内径／外径：１７．０ｍｍ／３３．０ｍｍ
高さ：１４．６ｍｍ
断面積／断面形状：１０４．０ｍｍ^２／楕円形
開口面積：各１３５．１ｍｍ^２（直径上に２箇所）
空気流路Ａの断面積：１６．９ｍｍ^２（ボビン断面積−コア断面積）

コイル４０
リード材質：ポリエステル銅線（ＰＥＷ）
リード線径：１．８ｍｍ
巻き数：各１３Ｔ
直流抵抗：５．２ｍΩ×２

風洞筒６０は、図７に示すように、内部に熱伝達係数の小さい木台６１を配置し、木台６１から上方に３５ｍｍ離れた位置に開口２１が空気流Ｃの上流側、開口２２が空気流Ｃの下流側となるようコモンモードチョークコイル１０（図１参照）を配置した。また、コモンモードチョークコイル１０から下流側１００ｍｍの位置に排気用ファン６２を配置した。コア３０及びコイル４０の温度は、熱電対６３，６４により夫々測定し、風洞筒６０内の風速は、コモンモードチョークコイル１０の中央から５０ｍｍの位置に設置した風量計６５の測定値を元に、排気用ファン６２の出力を調整することで設定した。

実験は、２５℃雰囲気中に風洞筒６０を配置して行ない、無風（排気用ファン停止状態）から風速１．２ｍ／秒まで風速を変え、印加する直流電流を０Ａ、１０Ａ、２０Ａ、３０Ａ（但し無風のみボビン材料の耐熱性を考慮し０Ａ、１０Ａ、２０Ａ）とした。

発明例、比較例の実測データを夫々表１、表２に示す。なお、表１及び表２中、最上段は印加した直流電流値（Ａ）、左欄は風速と測定箇所、その他数値は雰囲気（２５℃）からの上昇温度（℃）である。表には示していないが、印加する直流電流が０Ａにおけるコア３０及びコイル４０の温度は雰囲気と同じ２５℃であり、上昇温度は０℃である。

上記表１と表２により得られた発明例のコア３０とコイル４０の測定結果のグラフを図８、比較例の測定結果のグラフを図９に示す。

図８、図９を参照すると、発明例は、無風から風速１．２ｍ／秒のすべての風速条件において、同じ直流電流を印加したときの温度上昇が比較例よりも抑えられていることがわかる。とくに、図８と図９を比較すると、発明例は、同じ測定条件におけるコア３０とコイル４０の温度差が比較例に比べて大きくなっており、コア３０の温度上昇を抑えることができたことがわかる。

発明例のコモンモードチョークコイル１０は、図６に示すように上流側の開口２１から空気流路Ａを通って下流側の開口２２から排出される空気流Ｂが形成され、これによって、コア３０が空冷されると共に、ボビン２０も内側から空冷されたためである。その空冷効果は、とくにコア３０に顕著に現れている。コイル４０の温度低下は、ボビン２０が冷却されることにより、ボビン２０から冷却を受けたことによる。

一方、比較例のコモンモードチョークコイルは、開口が塞がれているからコイルの発熱がボビンを介してコアに伝達され、ボビン内に熱が籠もったため、コアもコイルと同様に温度上昇していることがわかる。

上記のように、本発明のコモンモードチョークコイル１０によれば、ボビン２０に開口２１，２２及びコア３０との間の空気流路Ａを形成したことで、コア３０及びコイル４０，４０の温度上昇、特にコア３０の温度上昇を抑えられたことがわかる。これにより、コア３０としてキュリー温度の比較的低い磁性材料を採用した場合であっても、大きな電流を印加することができ、コモンモードチョークコイル１０の特性を高めることができる。

上記説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或いは範囲を限縮するように解すべきではない。また、本発明の各部構成は、上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。

たとえば、上記実施形態では、電気機器のケーシングにおいて、吸気口と排気用ファンが具えられた事例を示してきたが、表１、表２の結果からわかるように、本発明は、無風状態であっても効果があることは明らかである。

さらに、上記では単相用コモンモードチョークコイル１０について説明しているが、図１０に示すように、本発明は、ボビン２０に３つのコイル４０，４０，４０を巻回した三相用コモンモードチョークコイル１０’等にも適用できる。この場合、開口は、各コイル４０，４０，４９間に符号２１，２２，２２’で示す３つとすることができ、たとえば開口２１を空気流の上流側に向けることで、ボビン２０内に開口２１から空気流路Ａを通って開口２２，２２’から排出される空気流Ｂが形成され、空冷効果を得ることができる。なお、開口２２，２２’間では、開口２２，２２’から流出する空気流によっての空気流路Ａ’が負圧となり、ボビン２０の内周側の空気流路Ａ”から空気流路Ａ’を経て開口２２，２２’に向かう空気流Ｂ’が形成され、同様に空冷効果を得ることができる。

１０ コモンモードチョークコイル
２０ ボビン
２１ 開口
２２ 開口
２３ 鍔
２４ 鍔
３０ コア
４０ コイル
Ａ 空気流路
Ｂ 空気流

Claims (9)

1. 環状のコアを環状のボビンに収容し、前記ボビンの外周にコイルが巻装されてなるコモンモードチョークコイルであって、
   前記ボビンと前記コアとの間に空気流が流通可能な空気流路が形成され、
   前記ボビンは、前記空気流路に連通する１又は複数の開口を有し、前記開口の周縁には、鍔が突設されている、
   ことを特徴とするコモンモードチョークコイル。
2. 前記開口は、前記ボビンの外周面に形成されている、
   請求項１に記載のコモンモードチョークコイル。
3. 前記開口は、前記ボビンの外周面とその上下面に亘って形成されている、
   請求項１に記載のコモンモードチョークコイル。
4. 前記鍔は、前記開口に対して外周に向けて広がるように傾斜している、
   請求項１乃至請求項３の何れかに記載のコモンモードチョークコイル。
5. 前記開口は一対であって、前記ボビンの直径上に対称に形成されている、
   請求項１乃至請求項４の何れかに記載のコモンモードチョークコイル。
6. 前記コアは、縦断面が矩形であって、角部が前記ボビンの内面に当接して支持されている、
   請求項１乃至請求項５の何れかに記載のコモンモードチョークコイル。
7. 前記ボビンの内面にボス又はリブが突設されており、
   前記コアは、前記ボス又は前記リブに当接して支持されている、
   請求項１乃至請求項５の何れかに記載のコモンモードチョークコイル。
8. 前記コアは、フェライトコアである、
   請求項１乃至請求項７の何れかに記載のコモンモードチョークコイル。
9. ケーシングの内部に収容された基板に、請求項１乃至請求項８の何れかに記載のコモンモードチョークコイルを実装した電気機器であって、
   前記ケーシングには、吸気口と排気用ファン具え、
   前記コモンモードチョークコイルは、前記吸気口と前記排気用ファンによって形成される空気流の上流側に前記開口の１つが向けられている、
   ことを特徴とするコモンモードチョークコイルを実装した電気機器。

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