JP2019009177A - Magnetic coated wire and transformer using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は断面形状が長方形をなす平角線を用いた磁性被覆コイル及びこれを用いたトランスに関する。 The present invention relates to a magnetically coated coil using a rectangular wire having a rectangular cross section and a transformer using the same.
スイッチング電源は、安定した直流電力を供給するために用いられ、小形化、高効率化が強く望まれている。スイッチング電源に用いられるコンバータの小型化要素技術として、駆動周波数の高周波化があげられる。しかしながら、駆動周波数を高周波化するとトランスで生ずる銅損、鉄損が増大しコンバータの効率が低下する。
また、コンバータに用いられる素子のうち、絶縁用トランスは他の素子と比較して体積が大きく、回路の大型化の要因となっている。トランスを小型化する方法として、プレーナトランスを用いる方法がある。プレーナトランスは平角線や、基板パターンを巻線とすることで、コイルの占積率を向上させることで小型化を実現している。しかしながら、プレーナトランスは巻線の断面形状が長方形であるため、表皮効果が丸線と比較して顕著に表れ、また、コイルの占積率の向上に伴って巻線間の距離が近くなるため、近接効果に起因する交流抵抗が増加するという問題がある。
Switching power supplies are used to supply stable DC power, and miniaturization and high efficiency are strongly desired. As an elemental technology for downsizing a converter used in a switching power supply, driving frequency can be increased. However, when the drive frequency is increased, the copper loss and iron loss generated in the transformer increase and the efficiency of the converter decreases.
Further, among the elements used in the converter, the insulating transformer has a larger volume than other elements, which causes an increase in circuit size. As a method for reducing the size of the transformer, there is a method using a planar transformer. The planar transformer uses a rectangular wire or a substrate pattern as a winding to improve the space factor of the coil, thereby realizing miniaturization. However, in the planar transformer, the cross-sectional shape of the winding is rectangular, so that the skin effect is noticeable compared to the round wire, and the distance between the windings becomes shorter as the coil space factor increases. There is a problem that the AC resistance due to the proximity effect increases.
近接効果に起因する交流抵抗を低減させる方法として磁性めっき線(特許文献1)や磁性コンポジット材を導線の外表面に被覆した磁性被覆線が提案されている(特許文献2〜4)。また、平角線における表皮効果を抑制して平角線の電流密度を平準化する方法として、平角線の端面を磁性材で被覆する方法がある(特許文献5)。 As a method for reducing the AC resistance due to the proximity effect, a magnetic coated wire (Patent Document 1) or a magnetic coated wire in which a magnetic composite material is coated on the outer surface of a conducting wire has been proposed (Patent Documents 2 to 4). Further, as a method for leveling the current density of the flat wire by suppressing the skin effect on the flat wire, there is a method of covering the end face of the flat wire with a magnetic material (Patent Document 5).
本発明は、巻線として平角線を用いたコイル及びこれを用いたトランスであって、高周波領域における表皮効果及び近接効果を効果的に抑制することで交流抵抗を低減させ、スイッチング電源等の小型化、高効率化を可能とする磁性被覆コイル及びこれを用いたトランスを提供することを目的とする。 The present invention relates to a coil using a rectangular wire as a winding and a transformer using the coil, which reduces the AC resistance by effectively suppressing the skin effect and the proximity effect in a high-frequency region, thereby reducing the size of a switching power supply or the like. It is an object of the present invention to provide a magnetically coated coil and a transformer using the same, which can realize high efficiency and high efficiency.
本発明に係る磁性被覆コイルは、平角線をコイル状に巻回した平角線コイルの、前記平角線の幅方向の両側面に対応する両側面に、それぞれ全面にわたり、一体的に遮蔽するように磁性被覆体が設けられていることを特徴とする磁性被覆コイル。
磁性被覆コイルの例としては、前記平角線コイルが、エッジワイズコイルであり、前記平角線コイルの内周面と外周面の全面が、前記磁性被覆体により一体的に遮蔽されているもの、前記平角線コイルが、平角線のフラット巻きコイルであり、前記平角線コイルの両側面の全面が、前記磁性被覆体により一体的に遮蔽されているもの、前記平角線コイルが、平角線のスパイラル形コイルであり、前記平角線の幅方向の両側面が、全長にわたり前記磁性被覆体により被覆されているものが挙げられる。
なお、平角線の幅方向の両側面に対応する両側面を、それぞれ全面にわたり、一体的に遮蔽するように磁性被覆体が設けられている、という意味は、平角線の側面部分について、平角線そのものの側面と隣り合う平角線間の隙間部分を含めて、側面部分の全体を一体的に遮蔽するように設けるという意味である。
これらの磁性被覆コイルは空芯リアクトルあるいは鉄心リアクトルの構成部品として利用することができる。
The magnetic coated coil according to the present invention is integrally shielded on both sides corresponding to both side surfaces of the rectangular wire in the width direction of the rectangular wire coil in which the rectangular wire is wound in a coil shape. A magnetic coated coil provided with a magnetic coating.
As an example of the magnetically coated coil, the rectangular wire coil is an edgewise coil, and the entire inner peripheral surface and outer peripheral surface of the rectangular wire coil are integrally shielded by the magnetic covering, The flat wire coil is a flat wire coil of flat wire, and the entire surface of both sides of the flat wire coil is integrally shielded by the magnetic covering, the flat wire coil is a flat wire spiral shape. It is a coil and the both sides | surfaces of the width direction of the said flat wire are coat | covered with the said magnetic coating | coated body over the full length.
In addition, the meaning that the magnetic covering body is provided so as to integrally shield both side surfaces corresponding to both side surfaces in the width direction of the flat wire over the entire surface is as follows. This means that the entire side surface portion is provided so as to be integrally shielded, including the gap portion between the rectangular wires adjacent to the side surface.
These magnetically coated coils can be used as components of an air core reactor or an iron core reactor.
また、磁性被覆コイルとして、平角線からなるエッジワイズコイルである、一次側コイルと二次側コイルとが、軸線方向に積み重ねて配置され、前記一次側コイルと二次側コイルの、前記平角線の幅方向の側面に対応する、それぞれの内周面と外周面の全面が、磁性被覆体により一体的に遮蔽されるとともに、前記一次側コイルと二次側コイルとを仕切る位置に、両端部がそれぞれ前記内周側の磁性被覆体と外周側の磁性被覆体に連結する配置として、磁性プレートが設けられていることを特徴とする。
また、平角線からなるフラット巻きコイルである、一次側コイルと二次側コイルとが、内周側と外周側とに同芯状に配置され、前記一次側コイルと二次側コイルの、前記平角線の幅方向の側面に対応する、それぞれの両側面の全面が、磁性被覆体により一体的に遮蔽されるとともに、前記一次側コイルと二次側コイルとを仕切る位置に、両端部がそれぞれ一次側コイルと二次側コイルの側面を被覆する前記磁性被覆体に連結する配置として磁性プレートが設けられていることを特徴とする。
これらの一次側コイルと二次側コイルとを備える磁性被覆コイルは、コア内に組み込むことによりトランスを構成することができる。
In addition, as the magnetic coated coil, a primary side coil and a secondary side coil, which are edgewise coils made of a rectangular wire, are arranged in an axial direction, and the rectangular wire of the primary side coil and the secondary side coil is arranged. The entire inner peripheral surface and outer peripheral surface corresponding to the side surfaces in the width direction are shielded integrally by the magnetic coating, and the end portions are located at positions where the primary side coil and the secondary side coil are partitioned. Are each provided with a magnetic plate as an arrangement connected to the inner magnetic cover and the outer magnetic cover.
Moreover, the primary side coil and the secondary side coil, which are flat winding coils made of a rectangular wire, are arranged concentrically on the inner peripheral side and the outer peripheral side, and the primary side coil and the secondary side coil, The entire surface of each side surface corresponding to the side surface in the width direction of the rectangular wire is integrally shielded by the magnetic covering, and the both end portions are at positions where the primary side coil and the secondary side coil are partitioned. A magnetic plate is provided as an arrangement connected to the magnetic covering that covers the side surfaces of the primary coil and the secondary coil.
A magnetic coated coil including the primary side coil and the secondary side coil can constitute a transformer by being incorporated in the core.
本発明に係る磁性被覆コイルによれば、交流抵抗を効果的に低減させることができ、とくに一次側コイルと二次側コイルとを仕切る配置に磁性プレートを設けることにより、トランスに組み込んだ際における交流抵抗を効果的に低減させることができる。 According to the magnetic coated coil according to the present invention, the AC resistance can be effectively reduced, and particularly when the magnetic plate is provided in an arrangement for partitioning the primary side coil and the secondary side coil, AC resistance can be reduced effectively.
(磁性被覆コイルの構成)
<第1の実施の形態>
図1は本発明に係る磁性被覆コイルの第1の実施の形態を示す。図1(a)は磁性被覆コイルの平面図、図1(b)はA-A’線断面図、図1(c)は斜視図である。平角線コイル10(平角線によって構成したコイル)は、断面形状が長方形の平角線を、コイルの軸線方向と平角線の平面とが垂直になるように巻回して構成したエッジワイズコイル(プレーナ形コイル)である。
(Configuration of magnetic coated coil)
<First Embodiment>
FIG. 1 shows a first embodiment of a magnetic coated coil according to the present invention. FIG. 1A is a plan view of a magnetic coated coil, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA ′, and FIG. 1C is a perspective view. The flat wire coil 10 (coil constituted by a flat wire) is an edgewise coil (planar type) formed by winding a flat wire having a rectangular cross section so that the axial direction of the coil and the flat surface of the flat wire are perpendicular to each other. Coil).
図1に示す磁性被覆コイルにおいて特徴とする構成は、平角線コイル10の内周面と外周面の全面が磁性被覆体12によって一体的に被覆された構成を備える点である。
平角線コイル10(エッジワイズコイル)は軸線方向に所定間隔をあけて平角線が複数段に配置されている。磁性被覆体12は積層方向で隣り合う側面と平角線間の空隙を遮蔽するように、平角線コイルの内周面と外周面の全面を被覆するように設けられる。
The characteristic feature of the magnetic coated coil shown in FIG. 1 is that it comprises a structure in which the entire inner peripheral surface and outer peripheral surface of the
The flat wire coil 10 (edgewise coil) has a plurality of flat wires arranged at predetermined intervals in the axial direction. The
図1(a)で、平角線コイル10の内周面と外周面が全面にわたり磁性被覆体12によって被覆され、平角線コイル10の平面部分は露出している。
図1(b)では、複数段に積層されている平角線の各々の側面間を連結するように磁性被覆体12が設けられ、平角線コイル10の内周側面部分と外周側面部分がそれぞれ磁性被覆体12によって被覆されていることを示す。
In FIG. 1 (a), the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the
In FIG. 1 (b), a
このように平角線コイル10の内周側面と外周側面とをそれぞれ全体にわたり磁性被覆体12で被覆すると、平角線コイル10に高周波を印加したときに生じる表皮効果及び近接効果を効果的に抑制することができる。とくに、磁性被覆体12を隣り合った平角線の側面間を一体に連結するように設けることにより、平角線を流れる電流に起因する磁束が近接する平角線に作用する近接効果の影響を効果的に抑制することができる。
As described above, when the inner peripheral side surface and the outer peripheral side surface of the
磁性被覆体12に用いる磁性材料は特に限定されるものではなく、通常用いられているフェライト(Mn系、Ni系)、アモルファス合金等の磁性材料を用いることができる。磁性被覆体12は、たとえばシート状の磁性材料を用いて、平角線コイル10の内周面と外周面を被覆するように設けてもよいし、磁性粉とバインダーとからなる磁性複合材を平角線コイル10の内周面と外周面に塗布するといった方法で設けることもできる。
The magnetic material used for the
図1に示した平角線コイル10は平角線を螺旋状に巻いて作製したものであるが、螺旋状に巻くかわりに、平面リング状で一か所を切り離した形態の平角線ユニットを、所定間隔をあけて積層し、平角線の端部間を直列に接続することでエッジワイズ形の平角線コイルとすることもできる。この場合も、上述した方法と同様に、平角線コイルの内周面と外周面の全面を遮蔽するように磁性被覆体により被覆することにより、表皮効果及び近接効果を抑制した磁性被覆コイルとして利用することができる。
The
<第2の実施の形態>
図2は磁性被覆コイルの第2の実施の形態を示す。
本実施形態の磁性被覆コイルは、平角線を周方向に積層するように巻いて構成されている、いわゆるフラット巻きコイルである。本実施形態においても、平角線コイル11の側面を磁性被覆体12によって被覆する考え方は第1の実施の形態と同様である。
<Second Embodiment>
FIG. 2 shows a second embodiment of the magnetic coated coil.
The magnetic coated coil according to the present embodiment is a so-called flat-wound coil configured by winding rectangular wires so as to be laminated in the circumferential direction. Also in the present embodiment, the concept of covering the side surface of the
図2(b)に示すように、フラット巻きコイルでは、平角線がコイルの軸線に垂直となる方向に積層した配置となるから、磁性被覆体12は平角線の幅方向の両側面に、それぞれ平角線コイル11の側面部分の全面を遮蔽するように一体的に設ける。
図2(a)は、平角線コイル11を構成する平角線の幅方向の側面部分(平坦部分)の全面が磁性被覆体12によって遮蔽されていることを示す。磁性被覆コイルの円筒状の内周面と外周面については、平角線コイル11の円筒状の表面が露出する(図2(c))。
なお、図2(b)では、平角線コイル11の側面を被覆する磁性被覆体12の端部12aが平角線の側面の縁部上に僅かに屈曲して延出している。磁性被覆体12の端部の形態については、磁性被覆体12の端部を平角線の縁部から僅かに延出させるようにしてもよいし、平角線の側面上で止めて延出させないようにしても良い。
As shown in FIG. 2 (b), in the flat wound coil, the flat wire is laminated in the direction perpendicular to the axis of the coil, so that the
FIG. 2A shows that the entire side surface portion (flat portion) in the width direction of the flat wire constituting the
In FIG. 2B, the
<第3の実施の形態>
図3は磁性被覆コイルの第3の実施の形態を示す。
図3に示す磁性被覆コイルは、スパイラル形の平角線コイル13、すなわち平角線の平面とコイルの平面とを同一平面として、平角線を巻いて形成したものである。
本実施形態においては、図3(b)に示すように、平角線コイル13を構成する平角線の幅方向の両側面に磁性被覆体12を設ける。磁性被覆体12は平角線コイル13を構成する平角線の全長にわたって平角線の両側面を被覆する。
<Third Embodiment>
FIG. 3 shows a third embodiment of the magnetic coated coil.
The magnetic coated coil shown in FIG. 3 is formed by winding a rectangular wire with a spiral
In the present embodiment, as shown in FIG. 3 (b), the
このようなスパイラル形の平角線コイル13からなる磁性被覆コイルについても、平角線の両側面を磁性被覆体12によって被覆したことにより、磁性被覆コイルに高周波を印加したときの表皮効果及び近接効果を抑制し、交流抵抗を低減させることができる。
本実施形態においても、平角線の両側面を被覆する磁性被覆体12はその端部を平角線の縁部から平角線の表面上に僅かに延出させてもよいし、平角線の側面部分のみを磁性被覆体12によって被覆してもよい。磁性被覆体12の端部を平角線の表面上に延出させた場合と、延出させない場合で、表皮効果及び近接効果を抑制する作用は顕著には変わらない。
For the magnetic coated coil composed of the spiral
Also in the present embodiment, the end portion of the
<第4の実施の形態>
図4は磁性被覆コイルの第4の実施の形態を示す。本実施形態の磁性被覆コイルはプレーナトランスに使用する磁性被覆コイルとして構成した例である。
図4(b)に示すように、本実施形態の磁性被覆コイルは、一次側コイル20と二次側コイル21とを軸線を共通にして積み重ねた形態に形成されたものである。一次側コイル20と二次側コイル21の構成は第1の実施の形態として説明した磁性被覆コイルと同様である。すなわち、一次側コイル20と二次側コイル21は、平角線コイル10の内周面と外周面の全面が磁性被覆体12によって遮蔽されるように設けられている。
<Fourth embodiment>
FIG. 4 shows a fourth embodiment of the magnetic coated coil. The magnetic coated coil of the present embodiment is an example configured as a magnetic coated coil used for a planar transformer.
As shown in FIG. 4B, the magnetic coated coil of the present embodiment is formed in a form in which the
本実施形態の磁性被覆コイルにおいて特徴的な構成の一つは、一次側コイル20と二次側コイル21の磁性被覆体12を連結させ、一次側と二次側を一体的に磁性被覆体12によって被覆した点である。
また、他の特徴点は、図4(b)に示すように、一次側コイル20と二次側コイル21との間にこれらを仕切る配置に磁性プレート14を設けた点である。
One of the characteristic configurations of the magnetic coated coil according to the present embodiment is that the
Another characteristic point is that, as shown in FIG. 4B, a
磁性プレート14は一次側コイル20と二次側コイル21の平角線が通過する平面領域(平面リング状の領域)を完全に仕切るように配置する。磁性プレート14により一次側コイル20と二次側コイル21の平角線が通過する範囲を仕切る配置とすることにより、磁性プレート14の内周縁は内周側の磁性被覆体12と連結され、磁性プレート14の外周縁は外周側の磁性被覆体12と連結する。すなわち、磁性プレート14は一次側コイル20と二次側コイル21とを仕切るとともに、内周側と外周側の磁性被覆体12を連結する配置に設ける。
The
磁性プレート14も磁性被覆体12と同様に磁束を磁性プレート14内に誘導するためのものであり、磁性材料であれば適宜材料を使用することができる。
本実施形態の磁性被覆コイルは一次側コイル20と二次側コイル21とを積み重ねたプレーナ形に形成されたもので、効率的にトランスを小型化することができるとともに、磁性被覆体12と磁性プレート14とを備えることから、高周波領域におけるトランスの抵抗値を効果的に低減させることができ、優れた特性を備えるトランスの構成部品として有効に利用することができる。
The
The magnetic coated coil of the present embodiment is formed in a planar shape in which a
<第5の実施の形態>
図5は磁性被覆コイルの第5の実施の形態を示す。
本実施形態の磁性被覆コイルも第4の実施の形態と同様に、トランスに組み込んで使用するためのものである。
本実施形態の磁性被覆コイルは、1次側コイル20と二次側コイル21として、第2の実施の形態で説明した、平角線をフラット巻きにしたコイルとして構成したものである。また、一次側コイル20と二次側コイル21を同芯状に配置して、軸線を共通にしている。本実施形態では、一次側コイル20を外側に配置し、二次側コイル21を内側に配置しているが、一次側コイル20と二次側コイル21の配置を逆の配置にすることもできる。
<Fifth embodiment>
FIG. 5 shows a fifth embodiment of the magnetic coated coil.
Similarly to the fourth embodiment, the magnetic coated coil of the present embodiment is also used for being incorporated in a transformer.
The magnetic coated coil of the present embodiment is configured as a coil in which a flat wire is wound as described in the second embodiment as the
本実施形態の磁性被覆コイルも、第2の実施の形態において説明したと同様に、一次側コイル20と二次側コイル21の平角線の幅方向の両側面部分を全面にわたってそれぞれ磁性被覆体12によって被覆し、さらに、一次側コイル20と二次側コイル21の両側面部分を連続して一体的に磁性被覆体12によって被覆する。
また、一次側コイル20と二次側コイル21とを仕切る位置に、コイルの周方向の全周にわたって、磁性プレート15を配置する。磁性プレート15は一次側コイル20と二次側コイル21の両側面部分を被覆する磁性被覆体12と端部が連結するように設ける。
In the same manner as described in the second embodiment, the magnetic coated coil according to the present embodiment also covers both sides of the rectangular wire in the width direction of the
Moreover, the
平角線のフラット巻きコイルを一次側と二次側のコイルとして組み込んだトランスの場合も、コイルの両側面をそれぞれ磁性被覆体12により被覆し、かつ一次側と二次側のコイルを仕切る位置に磁性プレート15を設けたことにより、高周波領域におけるトランスの抵抗値を効果的に低減させ、優れた特性を備えるトランスを構成することができる。
Even in the case of a transformer in which a flat wire coil of a rectangular wire is incorporated as a primary side coil and a secondary side coil, both sides of the coil are covered with the
(磁性被覆コイルの特性解析)
本発明に係る磁性被覆コイルは、上述した各実施の形態において説明したように、平角線の幅方向の両側面に対応する平角線コイルの側面の全面に、一体的に磁性被覆体を設け、平角線コイルの側面部分を磁性被覆体によって遮蔽した構成となるものである。
以下では、まず、プレーナ(エッジワイズ)形の平角線コイルに磁性被覆体を設けた磁性被覆コイルについて、抵抗−周波数特性を解析ソフトを用いて解析した結果について説明し、次に磁性被覆コイルを用いたプレーナ形トランスの特性について説明する。
(Characteristic analysis of magnetic coated coil)
As described in each of the embodiments described above, the magnetic coated coil according to the present invention is provided with a magnetic coating integrally on the entire side surface of the rectangular wire coil corresponding to both side surfaces in the width direction of the rectangular wire, In this configuration, the side surface portion of the flat wire coil is shielded by the magnetic coating.
In the following, first, the results of analyzing the resistance-frequency characteristics using analysis software for a magnetic coated coil in which a planar (edgewise) rectangular coil is provided with a magnetic coating will be described. The characteristics of the used planar transformer will be described.
図6は解析ソフトを用いて周波数特性を解析した磁性被覆コイルの解析モデルを示す。この解析モデルは、平角線を用いたプレーナ形の平角線コイルの内周面と外周面の全面をそれぞれ遮蔽するように磁性被覆体を設けたものである。
平角線は幅 5 mm、厚さ0.1 mm、線間距離0.05 mmとした。コイルの巻数は8回とし、8枚の平角線を直列に接続したものとした。コイルは、図6で、z軸を中心としてzr平面をθ方向に1回転させた軸対称モデルである。
また、磁性被覆体の厚さtcを、tc = 0.1mm、0.2mm、0.3 mmの条件とし、磁性被覆体の複素比透磁率μ’=10、μ’’= 0とした。電流はI = 1Amaxとし、周波数は1 Hz〜1 MHzの範囲で100 kHzごとに抵抗を解析した。
FIG. 6 shows an analysis model of a magnetic coated coil whose frequency characteristics are analyzed using analysis software. This analysis model is provided with a magnetic covering so as to shield the entire inner peripheral surface and outer peripheral surface of a planar rectangular coil using a rectangular wire.
The flat wire has a width of 5 mm, a thickness of 0.1 mm, and a line distance of 0.05 mm. The number of turns of the coil was eight, and eight rectangular wires were connected in series. In FIG. 6, the coil is an axisymmetric model in which the zr plane is rotated once in the θ direction around the z axis.
In addition, the thickness t c of the magnetic coating was set to t c = 0.1 mm, 0.2 mm, and 0.3 mm, and the complex relative permeability μ ′ = 10 and μ ″ = 0 of the magnetic coating. The current was I = 1A max, and the resistance was analyzed every 100 kHz in the frequency range of 1 Hz to 1 MHz.
図7に抵抗−周波数特性を解析して求めた結果を示す。
図7から、磁性被覆体を設けていない平角線コイルと比較して、磁性被覆体を設けることで平角線コイルの抵抗が確実に低減されることが分かる。周波数1 MHzにおける磁性被覆体を設けていない平角線コイルの抵抗値は108.9mΩであるのに対して、磁性被覆体を設けたものでは、抵抗値が88mΩであり、抵抗値が19.2%低減した。
なお、図7では磁性被覆体の端部をL字形に曲げずに、単にコイルの側面部分のみを磁性被覆体で被覆した磁性被覆コイルについて解析した結果をあわせて示した(With magnetic side plate)。磁性被覆体の厚さは0.1mmである。この場合も、磁性被覆体を設けない場合と比較して抵抗値を低減させる効果が明確に認められた。
FIG. 7 shows the results obtained by analyzing the resistance-frequency characteristics.
From FIG. 7, it can be seen that the resistance of the rectangular wire coil is reliably reduced by providing the magnetic coating as compared to the rectangular coil without the magnetic coating. The resistance value of a rectangular coil without a magnetic coating at a frequency of 1 MHz is 108.9 mΩ, while the resistance value is 88 mΩ with a magnetic coating, reducing the resistance by 19.2%. .
FIG. 7 also shows the result of analyzing a magnetic coated coil in which only the side surface of the coil is covered with a magnetic coating without bending the end of the magnetic coating into an L shape (With magnetic side plate). . The thickness of the magnetic coating is 0.1 mm. Also in this case, the effect of reducing the resistance value was clearly recognized as compared with the case where the magnetic coating was not provided.
また、周波数が100kHz〜900 kHzの範囲では、磁性被覆体の厚さを厚くするほど抵抗が低減する効果が見られたが、1 MHzでは磁性被覆体の厚さに抵抗値が依存しなくなるという結果が得られた。
周波数1 MHzで抵抗値が磁性被覆体の厚さに依存しなくなった理由は、1 MHzでは表皮効果の作用によって平角線の両端部に近い領域で電流密度が高くなるという電流の偏りの作用が低周波側における場合と比較して強くなる、すなわち電流密度が高くなる領域が平角線の幅方向の端部に寄せられて面積が狭くなり、磁性被覆体を設けることで表皮効果を抑制する作用よりも近接効果を抑制する作用がより強く表れるようになったためである。
この解析モデルでは、磁性被覆体を磁性被覆体の端部をL字形に屈曲して平角線の平面上に磁性被覆体の端部を延出した形態としている(図6)。したがって、磁性被覆体の厚さが厚くなれば、平角線の平面上に延出する磁性被覆体の延出長さが長くなる。平角線の平面を被覆する範囲が広くなれば、表皮効果をより抑制するように作用する筈であるが、磁性被覆体の厚さを変えても抵抗値が変わらないということは、表皮効果を抑制する作用よりも近接効果を抑制する作用が主体となって作用していることを意味する。
In addition, in the frequency range of 100 kHz to 900 kHz, the effect of reducing the resistance was seen as the thickness of the magnetic coating was increased, but at 1 MHz, the resistance value did not depend on the thickness of the magnetic coating. Results were obtained.
The reason why the resistance value is no longer dependent on the thickness of the magnetic coating at a frequency of 1 MHz is that the current density increases at 1 MHz due to the skin effect, which increases the current density in the region near both ends of the flat wire. An action that suppresses the skin effect by providing a magnetic covering that becomes stronger compared to the case on the low frequency side, that is, the area where the current density is increased is brought close to the end of the flat wire in the width direction and the area becomes narrower. This is because the effect of suppressing the proximity effect appears more strongly.
In this analysis model, the end portion of the magnetic covering body is bent in an L shape by extending the end portion of the magnetic covering body on a flat rectangular plane (FIG. 6). Therefore, as the thickness of the magnetic covering increases, the extension length of the magnetic covering extending on the flat rectangular plane increases. If the range covering the flat surface of the rectangular wire becomes wider, it should act to suppress the skin effect more, but the resistance value does not change even if the thickness of the magnetic coating is changed. It means that the action of suppressing the proximity effect is mainly acting rather than the action of suppressing.
図6の解析モデルにおいて、磁性被覆体の端部を平角線の平面上に延出させず、単に平角線コイルの側面部分のみを磁性被覆体で被覆した磁性被覆コイルについて抵抗−周波数特性を解析した結果、周波数1 MHzでの抵抗値が101mΩとなった。この解析結果は、磁性被覆体の屈曲部分の寄与が周波数1 MHzでは12%程度であり、磁性被覆体によって平角線の平面を被覆する作用は、磁性被覆体を設けたことで抵抗値を低減する作用としては僅かに寄与するのみであることが分かる。 In the analysis model of FIG. 6, the resistance-frequency characteristics are analyzed for a magnetic coated coil in which only the side surface of the flat wire coil is covered with the magnetic coating without extending the end of the magnetic coating on the flat surface of the flat wire. As a result, the resistance value at a frequency of 1 MHz was 101 mΩ. The result of this analysis shows that the contribution of the bent portion of the magnetic coating is about 12% at a frequency of 1 MHz, and the action of coating the flat surface of the rectangular wire with the magnetic coating reduces the resistance value by providing the magnetic coating. It can be seen that the effect is only a slight contribution.
(磁性被覆コイルを用いたトランスの特性解析)
プレーナ形の磁性被覆コイルをトランスに組み込んだときの特性を解析するため、LLC共振形コンバータ回路に用いるトランスの例について、解析ソフトを用いて解析した。
図8はLLC共振形コンバータの回路構造の例である。LLC共振形コンバータはトランスの漏れインダクタンスと共振用キャパシタを共振させることによりソフトスイッチングを可能とする。トランスの結合係数は0.7〜0.9程度であり、漏れインダクタンスを生じさせるため、トランスの一次側コイルと二次側コイルを分割して巻く形式とすることが多い。また、コアギャップを設けることで漏れ磁束を生じさせる。そのため、漏れ磁束が巻線に鎖交したときに渦電流が生じるため、近接効果に起因する交流抵抗が増加するという問題がある。
(Characteristic analysis of transformer using magnetic coated coil)
In order to analyze the characteristics when a planar magnetic coated coil is incorporated in a transformer, an example of a transformer used in an LLC resonant converter circuit was analyzed using analysis software.
FIG. 8 shows an example of the circuit structure of the LLC resonant converter. The LLC resonant converter enables soft switching by resonating the leakage inductance of the transformer and the resonance capacitor. The coupling coefficient of the transformer is about 0.7 to 0.9, and in order to cause leakage inductance, the transformer primary coil and secondary coil are often divided and wound. Moreover, leakage flux is generated by providing a core gap. Therefore, an eddy current is generated when the leakage magnetic flux interlinks with the winding, and there is a problem that the AC resistance due to the proximity effect increases.
表1にLLC共振形コンバータの仕様を示す。入力電圧380 V、出力電圧48 Vである。インバータ回路は4つのFETを用いたフルブリッジ構成を想定し、トランスの巻数比を8 : 1とした。結合係数はトランスの構造に依存するため0.7〜0.9とした。駆動の周波数は1 MHzである。
図9にプレーナトランスの解析モデル図を示す。この解析ではコアの断面を軸対称モデルとして二次元解析を行った。平角線は幅5 mm、厚さ0.1 mm、線間距離0.05 mmとした。一次側コイルの巻数は8回とし、8枚の平角線は直列に接続されている。二次側コイルの巻数は1回とし、8枚のコイルを並列に接続した。一次側コイルと二次側コイルは、内周径と外周径とをそれぞれ一致させ、図9に示すように上下に重ねて組み込む形式である。
一次側コイルと二次側コイルの間は0.35mmのギャップを設けた。コアの中心脚にギャップを設け、コアのギャップ長を2 mmした。
FIG. 9 shows an analysis model diagram of the planar transformer. In this analysis, a two-dimensional analysis was performed with the cross section of the core as an axisymmetric model. The flat wire had a width of 5 mm, a thickness of 0.1 mm, and a line distance of 0.05 mm. The number of turns of the primary coil is 8 and the 8 rectangular wires are connected in series. The number of turns of the secondary coil was 1, and 8 coils were connected in parallel. The primary side coil and the secondary side coil are of a type in which the inner peripheral diameter and the outer peripheral diameter are made to coincide with each other and overlapped as shown in FIG.
A gap of 0.35 mm was provided between the primary side coil and the secondary side coil. A gap was provided in the center leg of the core, and the gap length of the core was 2 mm.
磁性被覆体は、一次側コイルと二次側コイルの内周面と外周面を一体的に遮蔽する形態として装着するとした。磁性被覆体の厚さtcは磁性被覆コイルについての解析と同様に、tc = 0.1mm、0.2mm、0.3mmとして解析した。
磁性被覆体の複素比透磁率をμ’= 10、μ’’= 0とし、一次側コイルに周波数1 MHz、I = 1 Amaxの電流を流し、二次側コイルを開放あるいは短絡したときの抵抗、インダクタンス、トランスの結合係数を解析した。二次側を短絡したときの抵抗は駆動状態の磁束分布を模擬するために行ったものである。
なお、磁性被覆体は端部をL字形に曲げ、平角線の縁部から平角線の表面にわずかに延出させるようにした。
The magnetic covering is assumed to be mounted in such a manner as to integrally shield the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the primary side coil and the secondary side coil. The thickness t c of the magnetic coating was analyzed with t c = 0.1 mm, 0.2 mm, and 0.3 mm, as in the analysis of the magnetic coated coil.
Resistance when the complex relative permeability of the magnetic coating is μ '= 10, μ''= 0, current of frequency 1 MHz, I = 1 Amax is passed through the primary coil, and the secondary coil is opened or short-circuited The coupling coefficient of inductance and transformer was analyzed. The resistance when the secondary side is short-circuited is used to simulate the magnetic flux distribution in the driving state.
Note that the end of the magnetic covering was bent into an L shape and slightly extended from the edge of the flat wire to the surface of the flat wire.
図10は、磁性被覆コイルを使用したプレーナトランスの二次側を開放としたときの一次側抵抗−磁性被覆体の厚さ特性を示すグラフである。図10の横軸が磁性被覆体の厚さtcである。
磁性被覆体を設けていない一次側コイルと二次側コイルを備えるトランスと比較して、磁性被覆体を設けたコイルを備えるトランスでは抵抗値が最大で7.4 %低減した。これは磁性被覆線コイルと同様に、磁性被覆体を設けたことにより、平角線の端部に鎖交する磁束が減少したためである。
FIG. 10 is a graph showing the primary side resistance-thickness characteristic of the magnetic coating when the secondary side of the planar transformer using the magnetic coated coil is opened. The horizontal axis in FIG. 10 is the thickness t c of the magnetic coating.
Compared with a transformer with a primary coil and a secondary coil without a magnetic coating, the transformer with a coil with a magnetic coating reduced the resistance by a maximum of 7.4%. This is because the magnetic flux interlinked with the end portion of the rectangular wire is reduced by providing the magnetic covering as in the case of the magnetic covered wire coil.
図11に磁性被覆コイルを使用したプレーナトランスの二次側を短絡したときの一次側抵抗−磁性被覆体の厚さ特性を示すグラフである。磁性被覆体を設けていないコイルを用いたトランスと比較して、磁性被覆体を設けたコイルを用いたトランスでは抵抗値が最大で24.7 %増大する結果となった。
図12に磁性被覆体で一次側コイルと二次側コイルを被覆したときのプレーナトランスの磁束密度、磁束線分布(二次側短絡、tc= 0.1 mm、I = 1 Amax、 f = 1 MHz)を示す。図12から、一次側コイルと二次側コイルの中間位置で磁束が集中することが分かる。一次側コイルと二次側コイルの側面を遮蔽するように磁性被覆体を設けたことで、内周と外周の磁性被覆体間をつなぐように磁束が流れる。この磁性被覆体間の磁束が平角線を通過することによって渦電流が生じ、抵抗が増加したものと考えられる。
FIG. 11 is a graph showing a primary side resistance-thickness characteristic of the magnetic coating when the secondary side of the planar transformer using the magnetic coated coil is short-circuited. Compared with a transformer using a coil without a magnetic coating, the transformer using a coil with a magnetic coating increased the resistance by a maximum of 24.7%.
Fig. 12 shows the magnetic flux density and magnetic flux distribution of the planar transformer when the primary and secondary coils are covered with a magnetic coating (secondary short circuit, t c = 0.1 mm, I = 1 Amax, f = 1 MHz) ). From FIG. 12, it can be seen that the magnetic flux concentrates at an intermediate position between the primary side coil and the secondary side coil. By providing the magnetic covering so as to shield the side surfaces of the primary side coil and the secondary side coil, the magnetic flux flows so as to connect the inner and outer peripheral magnetic coverings. It is considered that the eddy current is generated by the magnetic flux between the magnetic coatings passing through the rectangular wire, and the resistance is increased.
図13は、上述した課題を解決する方法として、プレーナトランスに組み込む一次側コイルと二次側コイルの間を仕切るように磁性プレートを配置したプレーナトランスの解析モデルを示す。
磁性プレートの厚さをtgとし、tg = 0.1mm、0.2mm、0.3 mmの条件で解析を行った。
FIG. 13 shows an analysis model of a planar transformer in which a magnetic plate is arranged so as to partition between a primary side coil and a secondary side coil incorporated in the planar transformer as a method for solving the above-described problems.
The analysis was performed under the conditions where the thickness of the magnetic plate was t g and t g = 0.1 mm, 0.2 mm, and 0.3 mm.
図14に、磁性被覆体と磁性プレートを設けた一次側コイルと二次側コイルを組み込んだトランス(図13)について、二次側を開放としたときの一次側抵抗-磁性被覆体の厚さ特性を示す。
図14で、抵抗値が最も小さくなったのは、tc = 0.2 mm、tg = 0.3 mmのときであり、そのときの抵抗値は215 mΩである。磁性被覆体と磁性プレートを使用しないトランスの抵抗値は272 mΩであり、磁性被覆体と磁性プレートを使用したことにより抵抗値が21%低減した。
FIG. 14 shows the primary resistance-magnetic coating thickness when the secondary side is opened for a transformer (FIG. 13) incorporating a primary coil and a secondary coil provided with a magnetic coating and a magnetic plate. Show properties.
In FIG. 14, the resistance value was the smallest when t c = 0.2 mm and t g = 0.3 mm, and the resistance value at that time was 215 mΩ. The resistance value of the transformer without using the magnetic coating and the magnetic plate was 272 mΩ, and the resistance value was reduced by 21% by using the magnetic coating and the magnetic plate.
図15にトランスの二次側を短絡したときの一次側抵抗-磁性被覆体の厚さ特性を示す。図15で抵抗値が最も小さくなったのは、tc = 0.1 mm、tg = 0.3 mmのときであり、そのときの抵抗値は192 mΩである。磁性被覆体と磁性プレートを使用しないトランスの抵抗値は299mΩであり、磁性被覆体と磁性プレートを使用したことにより抵抗値が35.8 %低減した。 FIG. 15 shows the primary side resistance-thickness characteristic of the magnetic coating when the secondary side of the transformer is short-circuited. In FIG. 15, the resistance value is the smallest when t c = 0.1 mm and t g = 0.3 mm, and the resistance value at that time is 192 mΩ. The resistance value of the transformer without using the magnetic coating and the magnetic plate was 299 mΩ, and the resistance value was reduced by 35.8% by using the magnetic coating and the magnetic plate.
図16にプレーナトランスの磁束密度、磁束線分布(二次側短絡、tc = 0.1 mm、tg = 0.3 mm、I = 1 Amax、f = 1 MHz)を示す。
磁性被覆体と磁性プレートを設けたことにより、図12に示した磁性プレートを装着していない場合と比較して、平角線を通過する磁束が減少し、近接効果を抑制する作用が機能していることがわかる。
FIG. 16 shows the magnetic flux density and magnetic flux line distribution of the planar transformer (secondary short circuit, t c = 0.1 mm, t g = 0.3 mm, I = 1 Amax, f = 1 MHz).
By providing the magnetic covering and the magnetic plate, the magnetic flux passing through the rectangular wire is reduced compared to the case where the magnetic plate shown in FIG. I understand that.
なお、図15と図16に示した解析結果は、一次側コイルと二次側コイルに設ける磁性被覆体の端部をL字形に屈曲させ平角線の縁部に磁性被覆体を僅かに延出させた形態としたものである。磁性被覆体をコイルの側面のみに設けた場合についても解析し、そのときの抵抗値を図15中に、(tg = 0.3 mm、side plate tc = 0.1 mm)として示した。また、磁束密度、磁束線分布(二次側短絡、tc = 0.1 mm、tg = 0.3 mm、I = 1 Amax、f = 1 MHz)を図17に示した。
図15中に示した値は、抵抗値が最も小さくなる場合(tc = 0.1 mm、tg = 0.3 mm)について求めたものであり、抵抗値が195mΩとなり磁性被覆体の端部を平角線上に延出させた場合と比較してわずかに大きくなった。
The analysis results shown in FIGS. 15 and 16 show that the ends of the magnetic covering provided on the primary coil and the secondary coil are bent in an L shape, and the magnetic covering is slightly extended at the edge of the flat wire. It is made into the form made to do. The case where the magnetic coating was provided only on the side surface of the coil was also analyzed, and the resistance value at that time was shown as (t g = 0.3 mm, side plate t c = 0.1 mm) in FIG. FIG. 17 shows the magnetic flux density and magnetic flux line distribution (secondary short circuit, t c = 0.1 mm, t g = 0.3 mm, I = 1 Amax, f = 1 MHz).
The values shown in FIG. 15 are obtained when the resistance value is the smallest (t c = 0.1 mm, t g = 0.3 mm). The resistance value is 195 mΩ, and the end of the magnetic coating is on the rectangular wire. It was slightly larger than when it was extended.
また、図17に示した磁束線分布についての解析結果は、図16に示した解析結果とほとんど変わらない。この結果からも、磁性被覆体をコイルの側面部分のみに設ける方法であっても磁性プレートを設けた効果とあわせて近接効果を抑制する作用が機能していることが分かる。
また、これらの解析結果は、プレーナトランスの交流抵抗を低減させる方法として、巻線の周囲の磁束が集中する部位に磁性体を配置することにより、近接効果に起因する交流抵抗を低減することができることを示唆する。
Moreover, the analysis result about the magnetic flux line distribution shown in FIG. 17 is almost the same as the analysis result shown in FIG. From this result, it can be seen that even if the magnetic covering is provided only on the side surface portion of the coil, the effect of suppressing the proximity effect is functioning together with the effect of providing the magnetic plate.
In addition, these analysis results show that, as a method of reducing the AC resistance of the planar transformer, the AC resistance due to the proximity effect can be reduced by arranging a magnetic body in a region where the magnetic flux around the winding is concentrated. Suggest that you can.
図18は、プレーナトランスの結合係数-磁性被覆体の厚さ特性を示している。図18から、磁性被覆体の厚さ(tc)を厚くすると結合係数がわずかに増加する一方、磁性プレートの厚さ(tg)を厚くすると結合係数が低下することが分かる。上述した解析結果から、抵抗値が最も小さくなったのはtc = 0.1 mm、tg = 0.3 mmのときであり、そのときの結合係数は0.76である。この結合係数は、プレーナトランスをLLC共振形コンバータで用いる場合の目標の仕様である結合係数0.7〜0.9を満足しており、磁性被覆体と磁性プレートを使用したプレーナトランスはLLC共振形コンバータ用として好適に使用することが可能である。 FIG. 18 shows the coupling coefficient of the planar transformer-the thickness characteristic of the magnetic coating. From FIG. 18, it can be seen that the coupling coefficient increases slightly when the thickness (t c ) of the magnetic coating is increased, while the coupling coefficient decreases when the thickness (t g ) of the magnetic plate is increased. From the analysis results described above, the resistance values were the smallest when t c = 0.1 mm and t g = 0.3 mm, and the coupling coefficient at that time was 0.76. This coupling coefficient satisfies the target coupling coefficient of 0.7 to 0.9 when a planar transformer is used in an LLC resonant converter, and a planar transformer using a magnetic coating and a magnetic plate is used for an LLC resonant converter. It can be preferably used.
上述したプレーナトランスについての解析結果は、平角線コイルからなる一次側コイルと二次側コイルを備えるトランスの抵抗を低減する方法として、一次側コイルと二次側コイルの側面部分を全面にわたって磁性被覆体により遮蔽するように被覆し、かつ一次側コイルと二次側コイルとの間を仕切るように磁性プレートを設ける構成が有効であることを示している。一次側コイルと二次側コイルは上述したプレーナ形のコイル(エッジワイズコイル)であってもよいし、フラット巻きコイルであってもよい。フラット巻きコイルで、一次側と二次側のコイルを同芯状に巻回する形式の場合は、一次側と二次側のコイルを仕切るように磁性プレートを配置する方法が有効である。 The above-mentioned analysis results for the planar transformer show that the side surfaces of the primary side coil and the secondary side coil are magnetically coated over the entire surface as a method of reducing the resistance of the transformer including the primary side coil and the secondary side coil made of a rectangular wire coil. It shows that a configuration in which a magnetic plate is provided so as to be shielded by the body and a magnetic plate is provided so as to partition the primary side coil and the secondary side coil is shown. The primary side coil and the secondary side coil may be the above-described planar type coil (edgewise coil) or a flat coil. In the case of a flat winding coil in which the primary side and secondary side coils are wound concentrically, a method of arranging a magnetic plate so as to partition the primary side and secondary side coils is effective.
10、11、13 平角線コイル
12 磁性被覆体
12a 磁性被覆体の端部
14、15 磁性プレート
20 1次側コイル
21 2次側コイル
10, 11, 13
Claims (9)
前記平角線コイルの内周面と外周面の全面が、前記磁性被覆体により一体的に遮蔽されていることを特徴とする請求項1記載の磁性被覆コイル。 The rectangular coil is an edgewise coil;
The magnetic coated coil according to claim 1, wherein the entire inner peripheral surface and outer peripheral surface of the rectangular wire coil are integrally shielded by the magnetic coating.
前記平角線コイルの両側面の全面が、前記磁性被覆体により一体的に遮蔽されていることを特徴とする請求項1記載の磁性被覆コイル。 The flat wire coil is a flat wire coil of flat wire,
2. The magnetic coated coil according to claim 1, wherein the entire surface of both sides of the flat wire coil is integrally shielded by the magnetic coating.
前記平角線の幅方向の両側面が、全長にわたり前記磁性被覆体により被覆されていることを特徴とする請求項1記載の磁性被覆コイル。 The flat wire coil is a flat wire spiral coil,
2. The magnetic coated coil according to claim 1, wherein both sides of the flat wire in the width direction are covered with the magnetic coating over the entire length.
前記一次側コイルと二次側コイルの、前記平角線の幅方向の側面に対応する、それぞれの内周面と外周面の全面が、磁性被覆体により一体的に遮蔽されるとともに、
前記一次側コイルと二次側コイルとを仕切る位置に、両端部がそれぞれ前記内周側の磁性被覆体と外周側の磁性被覆体に連結する配置として、磁性プレートが設けられていることを特徴とする磁性被覆コイル。 The primary side coil and the secondary side coil, which are edgewise coils made of flat wires, are arranged in a stacked manner in the axial direction,
The entire inner peripheral surface and outer peripheral surface of the primary coil and the secondary coil corresponding to the side surfaces of the rectangular wire in the width direction are integrally shielded by the magnetic covering,
A magnetic plate is provided at a position for partitioning the primary side coil and the secondary side coil so that both ends are connected to the inner peripheral side magnetic covering and the outer peripheral side magnetic covering, respectively. Magnetic coated coil.
前記一次側コイルと二次側コイルの、前記平角線の幅方向の側面に対応する、それぞれの両側面の全面が、磁性被覆体により一体的に遮蔽されるとともに、
前記一次側コイルと二次側コイルとを仕切る位置に、両端部がそれぞれ一次側コイルと二次側コイルの側面を被覆する前記磁性被覆体に連結する配置として磁性プレートが設けられていることを特徴とする磁性被覆コイル。 A primary coil and a secondary coil, which are flat winding coils made of flat wires, are arranged concentrically on the inner peripheral side and the outer peripheral side,
The entire surfaces of both side surfaces of the primary coil and the secondary coil corresponding to the side surfaces of the rectangular wire in the width direction are integrally shielded by the magnetic covering,
A magnetic plate is provided as an arrangement in which both ends are connected to the magnetic coating covering the side surfaces of the primary coil and the secondary coil, respectively, at a position separating the primary coil and the secondary coil. Characteristic magnetic coated coil.
A transformer in which the magnetically coated coil according to claim 5 is incorporated in a core.
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