JP2018064010A - コイル部品およびそれを備えた電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱などによるコアのギャップ間隔の変化を防止するとともに漏れ磁束を抑制して、安定した特性が得られて損失も低減できるコイル部品およびそれを備えた電源装置を提供する。
【解決手段】コイル部品の一例であるトランス１は、磁気回路を形成するとともに、ギャップ１３ａ、１３ｂがそれぞれ設けられた外脚１０ａ、１０ｂとこれらの中心に配置された中脚１０ｃとを有するコア１０と、外脚１０ａ、１０ｂそれぞれに捲回された１次側巻線１１ａ、１１ｂと、外脚１０ａ、１０ｂそれぞれに捲回された２次側巻線１２ａ、１２ｂとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置の構成部品などに用いられるリアクトル、トランス、チョークコイルなどのコイル部品およびそれを備えた電源装置に関し、特に、コアの両脚に間隙が設けられたコイル部品およびそれを備えた電源装置に関する。

リアクトル、トランス、チョークコイルなどのコイル部品は、コアと巻線とで構成される。そのコアにギャップを設けることによってコアの磁気飽和を防止したり、ギャップを種々異ならせることによって所定の電流−インダクタンス特性などに設定できたりすることも知られている。

コイル部品のうちのリアクトルでは、大型化することなく、リアクトル電流が小さい領域での損失を抑制可能で、かつリアクトルに接続される素子に流れる電流の最大値を抑制可能な技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。

また、容易かつ低コストで、種々のギャップの状態に調整できて所望特性に設定することが可能な技術も提案されている（例えば特許文献２参照）。

特開２０１１−１９９２２７号公報 特開２０１２−１４６７８６号公報

上記の特許文献１に記載されたリアクトルでは、２つのＵ型コアの各両端間のギャップ間隔を保持するため、コア材とは別材料（磁性体や樹脂など）のスペーサを挿入していた。そのため、ギャップに挟んだスペーサとコア材との熱膨張係数や防湿性などの差に起因してスペーサが変形すると、ギャップ間隔も変化し、これによりリアクトルの特性も変化してしまうことがあった。

また、特許文献２に記載の電磁誘導器では、コアのギャップは１箇所で大きいため、漏れ磁束が大きく、損失も増大した。

従来技術のこのような課題に鑑み、本発明の目的は、熱などによるコアのギャップ間隔の変化を防止するとともに漏れ磁束を抑制して、安定した特性が得られて損失も低減できるコイル部品およびそれを備えた電源装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明のコイル部品は、磁気回路を形成するとともに、間隙がそれぞれ設けられた複数の外脚とこれらの中心に配置された中脚とを有するコアと、前記外脚それぞれに捲回された複数の巻線とを備えることを特徴とする。この場合のコイル部品の具体例としては、リアクトルやチョークコイルが挙げられるが、これらに限らない。

あるいは、本発明のコイル部品は、磁気回路を形成するとともに、間隙がそれぞれ設けられた複数の外脚とこれらの中心に配置された中脚とを有するコアと、前記外脚それぞれに捲回された複数の１次側巻線と、前記外脚それぞれに捲回された複数の２次側巻線とを備えることを特徴とする。この場合のコイル部品の具体例としては、変圧器（トランス）が挙げられるが、これに限らない。

ここで、例えば、前記外脚それぞれの断面積は同一であり、前記中脚の断面積は前記外脚それぞれの前記断面積未満であり、前記間隙それぞれの間隔は同一であってもよい。

このような構成のコイル部品によれば、コアの中心に配置された中脚により、外脚に設けられた間隙の間隔が熱などによって変化することが防止されるとともに、コアの２箇所以上に小さな間隙を設けることで漏れ磁束が抑制されるので、安定した特性を得られて損失も低減できる。

本発明のコイル部品において、前記外脚は２つであり、前記外脚それぞれで、前記巻線は同一巻数で逆向きに捲回されており、または、前記１次側巻線および前記２次側巻線はそれぞれ同一巻数で逆向きに捲回されていてもよい。

このような構成のコイル部品によれば、前記外脚それぞれで発生した磁束が前記中脚で相殺されるので、鉄損やコア損など、前記中脚での磁束の損失をなくすことができる。

本発明のコイル部品において、前記外脚それぞれでの前記間隙と前記巻線とは離して配置され、または、前記外脚それぞれでの前記間隙と前記１次側巻線および前記２次側巻線とはそれぞれ離して配置されることが好ましい。

このような構成のコイル部品によれば、前記間隙で発生する漏れ磁束の影響が小さくなるので、巻線抵抗およびそれに伴う損失が減少し、効率が改善される。

本発明のコイル部品において、前記中脚は、前記外脚それぞれの方向に対称となるように複数に分割されていてもよい。さらに、分割された複数の分割中脚は、全体として前記外脚それぞれの方向への対称性を有しながら、前記分割中脚の一部に間隙が設けられていてもよい。

このような構成のコイル部品によれば、外脚に捲回された１次側巻線のみを通過する磁束量を、前記分割中脚の一部に設けた間隙の量で制御できる。これにより、漏れインダクタンスを簡単に調整することができる。

なお、上述したようなコイル部品を備えた電源装置も本発明の範疇である。

本発明のコイル部品によれば、コアの中心に配置された中脚により、外脚に設けられた間隙の間隔が熱などによって変化することが防止されるとともに、コアの２箇所以上に小さな間隙を設けることで漏れ磁束が抑制されるので、安定した特性を得られて損失も低減できる。

また、そのようなコイル部品を備えた電源装置によれば、コイル部品の安定した特性および低損失によって電源装置自体も安定した特性を得られて損失も低減できる。

本発明の第１実施形態に係るトランス１の概観構成を示す側面図である。 トランス１の１次側巻線１１の巻数を増やして１次側巻線１１’としたトランス１’の概観構成を示す側面図である。 トランス１’のコア１０を、ギャップ１３ａ、１３ｂをそれぞれ下方に移動したコア１０Ａに置換したトランス１Ａの概観構成を示す側面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、トランス１のコア１０の中脚１０ｃの断面形状および断面積をそれぞれ変更したコア１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅの各横断面図である。 （ａ）は本発明の第２実施形態に係るトランス２の概観構成を示す側面図であり、（ｂ）はトランス２のコア２０の横断面図である。

以下、本発明のいくつかの実施形態を、図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態に係るトランス１の概観構成を示す側面図である。

図１に示すように、トランス１は、磁気回路を形成するとともに、ギャップ１３ａが設けられた外脚１０ａ（左側）およびギャップ１３ｂが設けられた外脚１０ｂ（右側）とこれらの中心に配置された中脚１０ｃとを有するコア１０と、外脚１０ａ、１０ｂそれぞれに捲回された１次側巻線１１ａ（左側）および１次側巻線１１ｂ（右側）（区別が不要な場合はまとめて「１次側巻線１１」と記す）と、外脚１０ａ、１０ｂそれぞれに捲回された２次側巻線１２ａ（左側）および２次側巻線１２ｂ巻線（右側）（区別が不要な場合はまとめて「２次側巻線１２」と記す）とを備えている。なお、トランス１では通常、ボビンも使用されるが、ここでは図示を省略している。

コア１０は、同一断面積の外脚１０ａ、１０ｂとそれぞれの断面積未満の中脚１０ｃとが、上側の天面部１０ｄおよび下側の天面部１０ｅによってそれぞれ接続されて構成されている。

ギャップ１３ａは外脚１０ａのほぼ中間に空洞として設けられるとともに、ギャップ１３ｂは外脚１０ｂのほぼ中間に空洞として設けられている。ギャップ１３ａの間隔Ｇａとギャップ１３ｂの間隔Ｇｂとは同一である。

コア１０は、例えば２つのＥ型コアを組み合わせて構成できるが、外脚に対応する部分をギャップ間隔Ｇａ、Ｇｂに相当する長さだけ短くしておく必要がある。その場合、例えば、両方のＥ型コアの外脚に対応する部分をギャップ間隔Ｇａの１／２に相当する長さずつそれぞれ短くしてもよいし、一方のＥ型コアの外脚に対応する部分だけをギャップ間隔Ｇａに相当する長さずつ短くしてもよい。なお、コア１０の材質は一般的なものでよい。

１次側巻線１１はトランス１の入力側となるものであり、１次側巻線１１ａ、１１ｂは外脚１０ａ、１０ｂに巻線方向（図中に矢印で表示）を互いに逆にしてそれぞれ捲回される。１次側巻線１１ａを外脚１０ａに捲回することで発生する磁束と１次側巻線１１ｂを外脚１０ｂに捲回することで発生する磁束とは、量は同じで向きは反対である。

これを最も簡単に構成するには、ギャップ間隔Ｇａおよびギャップ間隔Ｇｂが同一なので、例えば、１次側巻線１１ａ、１１ｂの巻数を同一にすればよいが、これに限らない。なお、１次側巻線１１ａおよび１次側巻線１１ｂは、直列または並列に接続される。

２次側巻線１２はトランス１の出力側となるものであり、２次側巻線１２ａ、１２ｂも１次側巻線１１ａ、１１ｂと同様に外脚１０ａ、１０ｂに巻線方向を互いに逆にしてそれぞれ捲回される。２次側巻線１２ａおよび２次側巻線１２ｂも、同様に直列または並列に接続される。

ところで、トランスやリアクトルのインダクタンスは、巻線とコアの磁気抵抗Ｒｍで決定される。コアの磁気抵抗Ｒｍは、
ｌ：ギャップ長
μ：透磁率
Ａ：断面積
ｎ：ギャップ数
とすると、以下の式で表されるので、ギャップ数ｎが増えれば、ギャップ長ｌを短くできる。

Ｒｍ ≒ ｌ・ｎ／μＡ
また、ギャップで発生する漏れ磁束の幅はギャップ長ｌで決まる。したがって、ギャップ長ｌが短いほど、漏れ磁束の幅は小さくできる。

以上で説明した第１実施形態によれば、コア１０の中心に配置された中脚１０ｃにより、外脚１０ａ、１０ｂに設けられたギャップ１３ａ、１３ｂの間隔Ｇａ、Ｇｂが熱などによって変化することが防止されるとともに、コア１０の２箇所以上に小さなギャップ１３ａ、１３ｂを設けることで漏れ磁束が抑制されるので、安定した特性を得られて損失も低減できる。

＜第１実施形態の変形例１＞
図２はトランス１の１次側巻線１１の巻数を増やして１次側巻線１１’としたトランス１’の概観構成を示す側面図である。図３はトランス１’のコア１０を、ギャップ１３ａ、１３ｂをそれぞれ下方に移動したコア１０Ａに置換したトランス１Ａの概観構成を示す側面図である。

図２に示すように、トランス１’では、外脚１０ａに設けられたギャップ１３ａが１次側巻線１１ａ’に近く、外脚１０ｂに設けられたギャップ１３ｂも１次側巻線１１ｂ’に近いため、ギャップ１３ａで発生する漏れ磁束Φｌａおよびギャップ１３ｂで発生する漏れ磁束Φｌｂの影響が大きくなる。つまり、これらの漏れ磁束Φｌａ、Φｌｂが１次側巻線１１ａ’、１１ｂ’それぞれに鎖交すると、近接効果によって見かけ上の巻線抵抗が増加してしまう。その結果、損失が増加して効率が悪化してしまう。

そこで、ギャップ１３ａ、１３ｂと１次側巻線１１ａ’、１１ｂ’とをそれぞれできるだけ離して配置する。例えば、図３に示すように、外脚１０Ａａ、１０Ａｂおよび中脚１０Ａｃを備えるコア１０Ａにおいて、ギャップ１３ａ、１３ｂをそれぞれ下方に移動することによって、ギャップ１３ａを１次側巻線１１ａ’と２次側巻線１２ａとの間に配置するとともに、ギャップ１３ｂを１次側巻線１１ｂ’と２次側巻線１２ｂとの間に配置する。これにより、トランス１Ａでは、ギャップ１３ａで発生する漏れ磁束Φｌａおよびギャップ１３ｂで発生する漏れ磁束Φｌｂの影響が小さくなるので、巻線抵抗およびそれに伴う損失が減少し、効率が改善される。

なお、ギャップ１３ａ、１３ｂは、２次側巻線１２ａ、１２ｂからもそれぞれできるだけ離して配置することが好ましい。

＜第１実施形態の変形例２＞
図４（ａ）〜（ｄ）は、トランス１のコア１０の中脚１０ｃの断面形状および断面積をそれぞれ変更したコア１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅの各横断面図である。

図４（ａ）に示すように、コア１０Ｂの中脚１０Ｂｃの奥行き方向の長さは、外脚１０Ｂａ、１０Ｂｂと同じである。中脚１０Ｂｃの横幅は、外脚１０Ｂａ、１０Ｂｂの横幅よりやや小さい。

図４（ｂ）に示すように、コア１０Ｃの中脚１０Ｃｃの奥行き方向の長さは、コア１０Ｂの中脚１０Ｂｃと同様に外脚１０Ｃａ、１０Ｃｂと同じである。中脚１０Ｃｃの横幅は、外脚１０Ｃａ、１０Ｃｂの横幅より小さい。

図４（ｃ）に示すように、コア１０Ｄの中脚１０Ｄｃの横幅は、コア１０Ｃの中脚１０Ｃｃの横幅とほぼ同じで、外脚１０Ｄａ、１０Ｄｂの横幅より小さい。中脚１０Ｄｃの奥行き方向の長さは、外脚１０Ｄａ、１０Ｄｂの奥行き方向の長さより小さい。なお、中脚１０Ｄｃの断面形状は、奥行き方向に対称とする必要がある。

図４（ｄ）に示すように、コア１０Ｅの中脚１０Ｅｃの横幅は、コア１０Ｄの中脚１０Ｄｃの横幅よりやや小さい。中脚１０Ｅｃの奥行き方向の長さは、コア１０Ｄの中脚１０Ｄｃの奥行き方向の長さより小さい。なお、中脚１０Ｅｃの断面形状も、奥行き方向に対称とする必要がある。

このように、断面積で比較すると、中脚１０Ｂｃが最大であり、中脚１０Ｃｃ、中脚１０Ｄｃ、中脚１０Ｅｃの順に小さくなる。漏れインダクタンスで比較すると同様に、中脚１０Ｂｃが最大であり、中脚１０Ｃｃ、中脚１０Ｄｃ、中脚１０Ｅｃの順に小さくなる。

なお、中脚１０Ｂｃ、１０Ｃｃ、１０Ｄｃ、１０Ｅｃの各断面積については、外脚１０Ｂａ、１０Ｂｂ、１０Ｃａ、１０Ｃｂ、１０Ｄａ、１０Ｄｂ、１０Ｅａ、１０Ｅｂそれぞれに設けられた各ギャップを維持できる十分な強度がある限り、特に制約は無い。

＜第２実施形態＞
図５（ａ）は本発明の第２実施形態に係るトランス２の概観構成を示す側面図であり、図５（ｂ）はトランス２のコア２０の横断面図である。なお、第２実施形態は、次に述べる点を除いては第１実施形態と同一であるので、同じ構成部材には同じ参照符号を付すこととし、以下では主として相違点について説明する。

トランス２のコア２０の中脚は、例えば図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、左右対称であれば複数に分割することができる。ここでは、中脚２０ｃ１、中脚２０ｃ２および中脚２０ｃ３の３つに分割している。

外脚２０ａ、２０ｂのギャップ２３ａ、２３ｂを維持するため、少なくとも１つの中脚にはギャップを設けてはならない。ただし、他の中脚については、すべての中脚を合わせて全体として左右対称性があれば、ギャップを設けてもよい。ここでは、中央の中脚２０ｃ２にはギャップを設けず、左右の中脚２０ｃ１、ｃ３にギャップ２３ｃ１、２３ｃ３をそれぞれ設けている。

以上で説明した第２実施形態によれば、外脚２０ａ、２０ｂそれぞれに捲回された１次側巻線１１ａ、１１ｂのみを通過する磁束量を、中脚２０ｃ１、ｃ３それぞれに設けたギャップ２３ｃ１、２３ｃ３の量で制御できる。これにより、漏れインダクタンスを簡単に調整することができる。

＜その他の実施形態＞
以上で説明した第１実施形態、その変形例１および変形例２や第２実施形態では、コアの外脚に１次側巻線および２次側巻線がそれぞれ捲回されたトランスを提示したが、巻線がコアの外脚に捲回されたリアクトルなどにも本発明は適用可能である。

また、そのような構成のトランスやリアクトルなどのコイル部品を電源装置などに備えさせてもよい。

なお、本発明は、その主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

１、１’、１Ａ、２
トランス
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、２０
コア
１０ａ、１０Ａａ、１０Ｂａ、１０Ｃａ、１０Ｄａ、１０Ｅａ、２０ａ
外脚（左脚）
１０ｂ、１０Ａｂ、１０Ｂｂ、１０Ｃｂ、１０Ｄｂ、１０Ｅｂ、２０ｂ
外脚（右脚）
１０ｃ、１０Ａｃ、１０Ｂｃ、１０Ｃｃ、１０Ｄｃ、１０Ｅｃ、２０ｃ
中脚
１１、１１’
１次側巻線
１１ａ、１１ａ’
１次側巻線（左脚）
１１ｂ、１１ｂ’
１次側巻線（右脚）
１２ ２次側巻線
１２ａ ２次側巻線（左脚）
１２ｂ ２次側巻線（右脚）

Claims (8)

1. 磁気回路を形成するとともに、間隙がそれぞれ設けられた複数の外脚とこれらの中心に配置された中脚とを有するコアと、
   前記外脚それぞれに捲回された複数の巻線と
   を備えることを特徴とするコイル部品。
2. 磁気回路を形成するとともに、間隙がそれぞれ設けられた複数の外脚とこれらの中心に配置された中脚とを有するコアと、
   前記外脚それぞれに捲回された複数の１次側巻線と、
   前記外脚それぞれに捲回された複数の２次側巻線と
   を備えることを特徴とするコイル部品。
3. 請求項１または２に記載のコイル部品において、
   前記外脚それぞれの断面積は同一であり、
   前記中脚の断面積は前記外脚それぞれの前記断面積未満であり、
   前記間隙それぞれの間隔は同一であることを特徴とするコイル部品。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のコイル部品において、
   前記外脚は２つであり、
   前記外脚それぞれで、前記巻線は同一巻数で逆向きに捲回されており、または、前記１次側巻線および前記２次側巻線はそれぞれ同一巻数で逆向きに捲回されていることを特徴とするコイル部品。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のコイル部品において、
   前記外脚それぞれでの前記間隙と前記巻線とは離して配置され、または、前記外脚それぞれでの前記間隙と前記１次側巻線および前記２次側巻線とはそれぞれ離して配置されていることを特徴とするコイル部品。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のコイル部品において、
   前記中脚は、前記外脚それぞれの方向に対称となるように複数に分割されていることを特徴とするコイル部品。
7. 請求項６に記載のコイル部品において、
   分割された複数の分割中脚は、全体として前記外脚それぞれの方向への対称性を有しながら、前記分割中脚の一部に間隙が設けられていることを特徴とするコイル部品。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のコイル部品を備えた電源装置。

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