JP2018022783A

JP2018022783A - コイル装置

Info

Publication number: JP2018022783A
Application number: JP2016153390A
Authority: JP
Inventors: 幸平上田; Kohei Ueda; 貞雄森元; Sadao Morimoto
Original assignee: Tabuchi Electric Co Ltd
Current assignee: Tabuchi Electric Co Ltd
Priority date: 2016-08-04
Filing date: 2016-08-04
Publication date: 2018-02-08

Abstract

【課題】磁心の組立て作業を容易にするとともに、コイルに流れる交流電流に不均衡が生じるのを抑制できる。【解決手段】磁心９の円盤部５を、金属磁性粉末を含有する圧粉磁性体の一体成形品により構成し、円盤部５の貫通孔５ａの直径ＤＩ１を、円盤部５の内周縁と外周縁との間隔Ｗよりも大きく設定した。【選択図】図５

Description

本発明は、コイルを磁心に巻回してなる三相交流電源用のコイル装置に関するものである。

特許文献１には、中心部に円形の貫通孔が形成された互いに対向する１対の円環板状の円盤部と、当該円盤部の周方向に互いに等しい間隔を空けて両円盤部の対向方向に延び、両円盤部を互いに連結する柱状の第１〜第３の脚部とを有する磁心を備え、上記第１〜第３の脚部には、三相交流電源の各相に接続されたコイルが巻回されたコイル装置が開示されている。このコイル装置では、薄帯状磁性材料に絶縁を施しながら円環状に巻くことにより磁心の円盤部を形成している。

国際公開第２０１２／１５７０５３号

しかしながら、上記特許文献１では、薄帯状磁性材料を巻いて磁心の円盤部を形成するので、磁心の組立てが複雑化し、生産性に悪影響を及ぼす。

さりとて、圧粉磁性体の一体成形品により円盤部を構成した場合、円盤部の貫通孔の直径が円盤部の内周縁と外周縁との間隔よりも小さいと、円盤部に生じる回転磁界が、貫通孔近傍で乱れ、各コイルに流れる交流電流に不均衡が生じる虞がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、磁心の組立て作業を容易にするとともに、コイルに流れる交流電流に不均衡が生じるのを抑制することにある。

上記の目的を達成するため、本発明は、円盤部の貫通孔の直径を、円盤部の内周縁と外周縁との間隔よりも大きく設定したことを特徴とする。

これにより、円盤部に生じる回転磁界が貫通孔近傍で乱れにくくなるので、各コイルに流れる交流電流に不均衡が生じるのを抑制できる。

具体的には、本発明の態様は、中心部に円形の貫通孔が形成された互いに対向する１対の円環板状の円盤部と、当該円盤部の周方向に互いに等しい間隔を空けて両円盤部の対向方向に延び、両円盤部を互いに連結する柱状の第１〜第３の脚部とを有する磁心を備え、上記第１〜第３の脚部には、コイルが巻回された三相交流電源用のコイル装置であって、上記磁心の円盤部は、金属磁性粉末を含有する圧粉磁性体の一体成形品により構成され、上記円盤部の貫通孔の直径は、上記円盤部の内周縁と外周縁との間隔よりも大きく設定されていることを特徴とする。

これにより、円盤部が圧粉磁性体の一体成形品であり、特許文献１のように薄帯状磁性材料を巻いて円盤部を形成する手間が不要となるので、磁心の組立て作業を容易にできる。

また、円盤部の貫通孔の直径を円盤部の内周縁と外周縁との間隔以下に設定した場合に比べ、円盤部に生じる回転磁界が貫通孔近傍で乱れにくくなるので、各コイルに流れる交流電流に不均衡が生じるのを抑制できる。

また、上記態様において、上記各脚部の少なくとも一部も、上記圧粉磁性体により構成され、上記圧粉磁性体の比透磁率は、２００以下であるようにしてもよい。

これにより、各脚部の少なくとも一部と円盤部の比透磁率を２００以下に設定したので、当該比透磁率が２００を超える値に設定された場合に比べ、磁気飽和を抑制できる。

また、上記態様において、上記各脚部の少なくとも一部も、上記圧粉磁性体により構成され、上記金属磁性粉末の表面には、絶縁被膜が形成されているようにしてもよい。

これにより、金属磁性粉末の表面に絶縁被膜を形成しない場合に比べ、各脚部に渦電流が流れにくくなるので、渦電流損を低減できる。

また、金属磁性粉末の表面に絶縁被膜を形成しない場合に比べ、各脚部の少なくとも一部と円盤部の比透磁率を低くできるので、磁気飽和を抑制できる。

また、非磁性体からなるスペーサを磁心に組み付けることなく磁心の比透磁率を低くできるので、スペーサの個数を削減し、磁心の組立て作業を容易にできる。

また、上記態様において、上記各コイルは、対応する脚部の外周１周分に相当する単位巻部を連続的に径方向に複数重ねた巻層体を連続的に軸方向に複数並べて構成され、上記各コイルの巻き始め及び巻き終わりの単位巻部は、軸方向両端の巻層体の最外周に配置されているようにしてもよい。

これにより、単位巻部を径方向に連続的に重ねているので、単位巻部を軸方向に連続的に重ねた場合に比べ、コイルの浮遊容量を低減することができる。

また、上記態様において、上記第１〜第３の脚部はそれぞれ、上記円盤部の周方向に互いに等しい間隔を空けて複数本ずつ設けられているようにしてもよい。

これにより、各相の電流を複数本のコイルに分割して流すことができるので、各相につき脚部とコイルを１本ずつ設ける場合に比べ、コイル抵抗による損失を抑制できる。

また、上記態様において、上記第１〜第３の脚部はそれぞれ、上記円盤部と一体に成形されて長手方向に互いに接合された円柱状の１対の脚部構成部を備えているか、又は一方の円盤部と一体に成形されて他方の円盤部に接合されているようにしてもよい。

これにより、各脚部を構成する両脚部構成部を長手方向に互いに接合するか、又は一方の円盤部と一体に成形された第１〜第３の脚部を他方の円盤部に接合するだけで磁心を組み立てることができ、各脚部の両端を両円盤部に接合する手間が不要となるので、磁心の組立て作業を容易にできる。

また、上記態様において、上記第１〜第３の脚部の長手方向両端部はそれぞれ、その端部側の円盤部の内周縁よりも円盤部の径方向外側に位置し、かつその端部側の円盤部の外周縁よりも円盤部の径方向内側に位置しているようにしてもよい。

これにより、第１〜第３の脚部の長手方向端部の外周縁を円盤部の内周縁及び外周縁と重なるように配置する場合に比べ、磁束漏れが抑制され、より効果的に交流電流に不均衡が生じるのを抑制することができる。

本発明によると、磁心の組立て作業を容易にするとともに、コイルに流れる交流電流に不均衡が生じるのを抑制できる。

実施形態１に係るリアクトルの斜視図である。実施形態１に係るリアクトルを備えた高周波電源装置の回路図である。磁心の図１相当図である。磁心の正面図である。第１〜第３のコイルの模式図である。実施形態２の図３相当図である。実施形態２に係る磁心の平面図である。実施形態２の変形例の図７相当図である。実施形態３の図３相当図である。実施形態３の図４相当図である。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るコイル装置としてのリアクトル１を示す。このリアクトル１は、図２に示す高周波電源装置３に用いられる。リアクトル１は、図３及び図４にも示すように、中心部に円形の貫通孔５ａが形成された互いに対向する１対の円環板状の円盤部５と、当該円盤部５の周方向に互いに等しい間隔を空けて１２０度毎に両円盤部５の対向方向に延び、両円盤部５を互いに連結する第１〜第３の脚部７ａ〜７ｃとで構成された磁心９を備えている。両円盤部５は、互いに等しい形状を有している。円盤部５の貫通孔５ａの直径ＤＩ１は、円盤部５の内周縁と外周縁との間隔Ｗよりも大きく設定されている。交流電流に不均衡が生じるのを抑制する観点から、間隔Ｗと直径ＤＩ１の大きさの比率（間隔Ｗ：直径ＤＩ１）は、１：１．１〜１．２とするのが好ましい。また、円盤部５の内周縁と外周縁との間隔Ｗは、第１〜第３の脚部７ａ〜７ｃの断面の直径ＤＩ２の１．１倍以上に設定され、第１〜第３の脚部７ａ〜７ｃの長手方向両端部は、その端部側の円盤部５の内周縁よりも円盤部５の径方向外側に位置し、かつその端部側の円盤部５の外周縁よりも円盤部５の径方向内側に位置している。磁束漏れを抑制する観点から、円盤部５の内周縁と外周縁との間隔Ｗは、第１〜第３の脚部７ａ〜７ｃの断面の直径ＤＩ２の１．１倍〜１．３倍とするのが好ましい。第１〜第３の脚部７ａ〜７ｃは、３つの円柱状の柱状部材１１と、４つの円環板状のスペーサ１３とを交互に接着剤により接着することで互いに等しい円柱状に形成されている。円盤部５及び脚部７ａ〜７ｃの各柱状部材１１はそれぞれ、金属磁性粉末を含有する圧粉磁性体の一体成形品により構成されている。圧粉磁性体に用いられる金属磁性粉末としては、特に限定されないが、軟質粉末及び硬質粉末のいずれも用いることができ、純鉄、Ｆｅ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ａｌ合金、パーマロイ、センダスト、パーメンジュール、ソフトフェライト、アモルファス磁性合金、ナノクリスタル磁性合金等の鉄合金を含む鉄系金属の粉末を用いることができる。円盤部５及び各柱状部材１１に含有される金属磁性粉末の表面には、絶縁被膜が形成されている。これら円盤部５及び各柱状部材１１は、金属磁性粉末に絶縁材、結合材等を混合して加圧成形し、焼結させることで、それぞれ円環板状及び柱状に形成される。なお、上記絶縁被膜を構成する絶縁材としては、加圧成形により破壊されないものが用いられ、特に限定されないが、例えば、各種有機高分子樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、水ガラス、セラミック又はこれらの混合物を用いることができる。円盤部５及び各柱状部材１１を構成する各圧粉磁性体の比透磁率は、１９以上でかつ、２００以下に設定されている。この比透磁率は、磁気飽和を抑制する観点から、２６以上でかつ、９０以下にするのが好ましい。また、スペーサ１３は、PPS（ポリフェニレンサルファイド）、PET（ポリエチレンテレフタレート）、PBT（ポリブチレンテレフタレート）等の樹脂、又は絶縁紙等の非磁性体で構成されている。

第１の脚部７ａには、第１のコイル１５ａが巻回されている。この第１のコイル１５ａの一端は三相交流電源としての三相インバータ制御電源１４のＵ相に接続されている。一方、第１のコイル１５ａの他端は負荷１６に接続されているとともにコンデンサ１７ａを介して中性点Ｅに接続されている。第２の脚部７ｂには、第２のコイル１５ｂが巻回されている。この第２のコイル１５ｂの一端は三相インバータ制御電源１４のＶ相に接続されている。一方、第２のコイル１５ｂの他端は負荷１６に接続されているとともにコンデンサ１７ｂを介して中性点Ｅに接続されている。第３の脚部７ｃには、第３のコイル１５ｃが巻回されている。この第３のコイル１５ｃの一端は三相インバータ制御電源１４のＷ相に接続されている。一方、第３のコイル１５ｃの他端は負荷１６に接続されているとともにコンデンサ１７ｃを介して中性点Ｅに接続されている。中性点Ｅには、零相電流Ｉが流れ込むようになっている。

第１〜第３のコイル１５ａ〜１５ｃは、図５に示すように、それぞれ、対応する脚部７ａ〜７ｃの外周１周分に相当する単位巻部１９を連続的に径方向に複数重ねた巻層体２１を連続的に軸方向に複数並べて構成されている。図５中、各単位巻部１９に、巻き順を示す番号を付している。各コイル１５ａ〜１５ｃの巻き始めの単位巻部（図５中、番号１が付された単位巻部）１９は、軸方向一端の巻層体２１の最外周に配置され、上記各コイル１５ａ〜１５ｃの巻き終わりの単位巻部（図５中、番号３０が付された単位巻部）１９は、軸方向他端の巻層体２１の最外周に配置されている。また、各コイル１５ａ〜１５ｃは、絶縁樹脂２３で固められている。

したがって、本実施形態１によると、円盤部５が圧粉磁性体の一体成形品であり、特許文献１のように薄帯状磁性材料を巻いて円盤部５を形成する手間が不要となるので、磁心９の組立て作業を容易にできる。

また、磁心９及び第１〜第３の脚部７ａ〜７ｃを両円盤部５の中心を通る軸に対して３回対称（回転対称）に形成するとともに、円盤部５の貫通孔５ａの直径ＤＩ１を、円盤部５の内周縁と外周縁との間隔Ｗよりも大きく設定しているので、第１〜第３のコイル１５ａ〜１５ｃのインダクタンス、及び第１〜第３の脚部７ａ〜７ｃに生じる磁場が均等になり、零相電流Ｉが抑制されるとともに、円盤部５の貫通孔５ａの直径ＤＩ１を、円盤部５の内周縁と外周縁との間隔Ｗ以下に設定した場合に比べ、円盤部５に生じる回転磁界が貫通孔５ａ近傍で乱れにくく、各コイル１５ａ〜１５ｃに流れる交流電流に不均衡が生じるのが抑制される。

また、円盤部５と各脚部７ａ〜７ｃを構成する柱状部材１１の比透磁率を２００以下に設定したので、当該比透磁率が２００を超える値に設定された場合に比べ、磁気飽和が抑制される。

また、柱状部材１１を構成する金属磁性粉末の表面に絶縁被膜を形成したので、絶縁被膜を形成しない場合に比べ、各脚部７ａ〜７ｃに渦電流が流れにくくなり、渦電流損が低減される。また、絶縁被膜を形成しない場合に比べ、円盤部５及び柱状部材１１の比透磁率が低くなり、磁気飽和が抑制される。

また、円盤部５と柱状部材１１を構成する金属磁性粉末の表面に絶縁被膜を形成することで、スペーサ１３の個数を増やすことなく磁心９の比透磁率を低くできるので、スペーサ１３の個数を削減し、磁心９の組立て作業を容易にできる。

また、単位巻部１９を径方向に連続的に重ねているので、単位巻部１９を軸方向に連続的に重ねた場合に比べ、コイル１５ａ〜１５ｃの浮遊容量を低減することができる。具体的には、コイル１５ａ〜１５ｃの浮遊容量を１／５〜１／１０に低減することができる。これにより、スイッチング時のスパイクノイズを抑制することができ、例えば、EMI（Electro Magnetic Interference）対策や、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）、FET（Field Effect Transistor）等の半導体デバイスの耐量において優位になる。

また、第１〜第３の脚部７ａ〜７ｃの長手方向端部を、円盤部５の内周縁よりも円盤部５の径方向外側であって、かつ円盤部５の外周縁よりも円盤部５の径方向内側の位置に配置したので、第１〜第３の脚部７ａ〜７ｃの長手方向端部の外周縁を円盤部５の内周縁及び外周縁と重なるように配置する場合に比べ、磁束漏れが抑制され、より効果的に交流電流に不均衡が生じるのを抑制することができる。

（実施形態２）
図６は、本発明の実施形態２の図３相当図である。本実施形態２では、図７にも示すように、第１〜第３の脚部７ａ〜７ｃがそれぞれ、円盤部５の周方向に互いに等しい間隔を空けて１８０度毎に２本ずつ設けられ、第１〜第３のコイル１５ａ〜１５ｃも、第１〜第３の脚部７ａ〜７ｃに対応して２本ずつ設けられている。

その他の構成は、実施形態１と同じであるので、同一の構成箇所には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

したがって、本実施形態２によると、各相の電流を複数本のコイル１５ａ〜１５ｃに分割して流すことができるので、各相に脚部７ａ〜７ｃとコイル１５ａ〜１５ｃを１本ずつ設けた実施形態１に比べ、コイル抵抗による損失を抑制できる。

（実施形態２の変形例）
図８は、本発明の実施形態２の変形例の図７相当図である。本変形例では、第１〜第３の脚部７ａ〜７ｃがそれぞれ、円盤部５の周方向に互いに等しい間隔を空けて１２０度毎に３本ずつ設けられ、第１〜第３のコイル１５ａ〜１５ｃも、第１〜第３の脚部７ａ〜７ｃに対応して３本ずつ設けられている。

その他の構成は、実施形態２と同じであるので、同一の構成箇所には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

（実施形態３）
図９は、本発明の実施形態３の図３相当図である。本実施形態３では、図１０にも示すように、第１〜第３の脚部７ａ〜７ｃがそれぞれ、円柱状の１対の脚部構成部２５を長手方向に互いに接着剤により接合することで構成されている。また、各脚部構成部２５は円盤部５と同種の圧粉磁性体で構成され、上記円盤部５と一体に成形されている。したがって、各円盤部５は、３つの脚部構成部２５とで一体成形品の半割体２７を構成している。また、磁心９を構成する両半割体２７は、互いに等しい形状を有している。

したがって、本実施形態３によると、両半割体２７の脚部構成部２５を長手方向に互いに接合するだけで磁心９を組み立てることができ、複数の脚部７ａ〜７ｃを各円盤部５に接合する手間が不要となるので、磁心９の組立て作業が容易である。

また、両半割体２７が互いに等しい形状を有し、両半割体２７の成形に共通の型を使用できるので、型費を削減できる。

なお、上記実施形態１〜３、及び実施形態２の変形例では、第１〜第３の脚部７ａ〜７ｃを１〜３本ずつ設けたが、４本以上ずつ設けてもよい。

また、上記実施形態１〜３では、第１〜第３の脚部７ａ〜７ｃの一部（スペーサ１３及び接着剤を除く部分）を上記圧粉磁性体により構成したが、第１〜第３の脚部７ａ〜７ｃの全体を上記圧粉磁性体により構成してもよい。

また、第１〜第３の脚部７ａ〜７ｃ全体を一方の円盤部５と一体に成形し、これら第１〜第３の脚部７ａ〜７ｃを他方の円盤部５に接合することで、磁心９を構成してもよい。

また、上記実施形態１〜３では、本発明をリアクトルに適用したが、本発明はトランスにも適用できる。

本発明は、コイルを磁心に巻回してなる三相交流電源用のコイル装置として有用である。

１リアクトル（コイル装置）
５円盤部
５ａ貫通孔
７ａ第１の脚部
７ｂ第２の脚部
７ｃ第３の脚部
９磁心
１４三相インバータ制御電源（三相交流電源）
１５ａ第１のコイル
１５ｂ第２のコイル
１５ｃ第３のコイル
１９単位巻部
２１巻層体
２５脚部構成部
ＤＩ１直径
Ｗ間隔

Claims

中心部に円形の貫通孔が形成された互いに対向する１対の円環板状の円盤部と、当該円盤部の周方向に互いに等しい間隔を空けて両円盤部の対向方向に延び、両円盤部を互いに連結する柱状の第１〜第３の脚部とを有する磁心を備え、
上記第１〜第３の脚部には、コイルが巻回された三相交流電源用のコイル装置であって、
上記磁心の円盤部は、金属磁性粉末を含有する圧粉磁性体の一体成形品により構成され、
上記円盤部の貫通孔の直径は、上記円盤部の内周縁と外周縁との間隔よりも大きく設定されていることを特徴とするコイル装置。
請求項１に記載のコイル装置において、
上記各脚部の少なくとも一部も、上記圧粉磁性体により構成され、
上記圧粉磁性体の比透磁率は、２００以下であることを特徴とするコイル装置。
請求項１又は２に記載のコイル装置において、
上記各脚部の少なくとも一部も、上記圧粉磁性体により構成され、
上記金属磁性粉末の表面には、絶縁被膜が形成されていることを特徴とするコイル装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のコイル装置において、
上記各コイルは、対応する脚部の外周１周分に相当する単位巻部を連続的に径方向に複数重ねた巻層体を連続的に軸方向に複数並べて構成され、
上記各コイルの巻き始め及び巻き終わりの単位巻部は、軸方向両端の巻層体の最外周に配置されていることを特徴とするコイル装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のコイル装置において、
上記第１〜第３の脚部はそれぞれ、上記円盤部の周方向に互いに等しい間隔を空けて複数本ずつ設けられていることを特徴とするコイル装置。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のコイル装置において、
上記第１〜第３の脚部はそれぞれ、上記円盤部と一体に成形されて長手方向に互いに接合された円柱状の１対の脚部構成部を備えているか、又は一方の円盤部と一体に成形されて他方の円盤部に接合されていることを特徴とするコイル装置。
請求項１〜６のいずれか１項に記載のコイル装置において、
上記第１〜第３の脚部の長手方向両端部はそれぞれ、その端部側の円盤部の内周縁よりも円盤部の径方向外側に位置し、かつその端部側の円盤部の外周縁よりも円盤部の径方向内側に位置していることを特徴とするコイル装置。