JP2019504492A - 低磁気損失を示すインダクタコア - Google Patents

Abstract

強磁性材料（４）と磁石（６）とを含む本体（２）を含むインダクタコア（Ｎ１）であって、磁石（６）が、磁石（６）によって生成された磁束線を循環させるための第１の経路を形成し、強磁性材料（４）が、前記磁束線を循環させるための第２の経路を少なくとも部分的に形成し、強磁性材料（４）が、磁石（６）の磁極の間に、磁石（６）に沿って連続して延在し、その磁極の間に延在する磁石（６）の外側面の少なくとも一部と接触する。

Description

本発明は、特に、例えば１００ｋＨｚから１０ＭＨｚの間の高周波で、特にパワーエレクトロニクスの分野における受動部品を製造するためのインダクタを製造するためのインダクタコアに関する。

インダクタは、コアと、コアの一部の周りにｎ回巻回して配置された電気導体とを含む。コアは、比透磁率μによって特徴付けられる強磁性材料から構成される。動作中、コアに同じ周波数の磁気誘導を発生させる交番電流が巻線を通って流れる。

そのようなインダクタは、例えば、電力コンバータにおいて使用される。電力コンバータとは、電源によって供給される電圧および電流を、仕様に従って、配電網または所与の電気システムに供給するように適合させる機能を有する電子装置である。

コンバータは、所定の周波数でスイッチングするスイッチ（能動部品）として動作する電子部品を含む。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータの場合、能動部品は、規則的なサイクルに従って入力電圧を「カット」するために使用されるトランジスタである。連続的な電圧を出力に供給するために、インダクタは、各サイクルで電気エネルギーを蓄積および放電し、出力電圧をその平均値に平滑化するために使用される。これらのいわゆる「受動」要素は、コンバータの動作に不可欠であるが、コンバータの体積およびコストの最大４０％に相当し得る。

高周波数で動作するコンバータは、非常に高い周波数で切り替えることができるトランジスタを製造することを可能にする材料ＧａＮの使用に起因して、例えば１ＭＨｚ超で製造することができる。理論的には、周波数の上昇は、それによってコンバータの受動部品の体積、ひいてはこれらのデバイスの寸法、重量およびコストを削減することができるので、特に興味深い。実際、チョッピング周波数を増加させることによって、電気サイクルの数が増加し、それによって、所定の時間にわたって磁気コアによって伝達されるエネルギーが同じ割合で増加する。コンバータの電力は一定のままであるので、周波数に反比例して磁気インダクタの体積を減少させることが理論的に可能である。

１００ｋＨｚから１０ＭＨｚの間の周波数での動作に適合するインダクタは、１μＨから１０ｍＨの間のインダクタンス値を有する。最も適したインダクタは、強磁性材料から作られたモノリシックインダクタである。この材料は、比透磁率μ_ｒが５０を超え、かつ誘導Ｂ_Ｓが１００ｍＴを超えることによって特徴付けられる。

スピネル結晶構造を有するフェライト型酸化物材料は、高い周波数で安定した透磁率値を有する。そのため、これらはインダクタコアとして、特に１００ｋＨｚから１０ＭＨｚの間の高周波での動作に非常に広く使用されている。最も一般的な配合物は、（Ｍｎ_１−ｘＺｎ_ｘＦｅ_２Ｏ_４）および（Ｎｉ_１−ｘＺｎ_ｘＦｅ_２Ｏ_４）である。これらの材料は、誘導電流による損失を限定する高い電気抵抗値によっても特徴付けられる。

しかし、これらの強磁性材料は、磁気損失とも呼ばれるエネルギー散逸作用を受けやすい。これらの磁気損失は、コアの体積のすべての点において熱の形態で放散される。

さらに、巻線中の電流は、磁界と、連続成分と可変成分とを含む電流の周波数と同じ周波数の可変誘導とを生成する。

可変誘導のピーク値は、以下のように記載されてよい。

Ｂ_ＤＣは、連続成分であり、ΔＢ／２は、可変成分の２つの極値間の平均である。

しかし、磁気損失は、周波数と共に、および磁気誘導のピーク値と共に増加する。

したがって、磁気損失を低減するための１つの方法は、磁気誘導のピーク値を低減することである。

第１の解決策は、コアの周りに連続電流を循環させることによって磁気分極を発生させることにある。連続電流の強度は、一定の誘導値と、コンバータによって設定された連続成分Ｂ_ＤＣとは反対の符号とを生成するように、アンペールの法則を適用することによって決定される。そのような解決法は、米国特許第６３８８８９６号明細書に記載されている。この解決策は、ある程度の大きさおよび特定の追加コストを要する。例えば、小さな寸法のコアの場合、追加のコイルを製造するためのスペースが常に利用可能であるとは限らない。

第２の解決策は、コアの領域に挿入されるか、またはコアの１つの面に対して配置される磁石によって磁気分極を生成することにある。これらの磁石は、連続成分Ｂ_ＤＣに対応する磁束とは反対の方向にコア内を循環する磁束を生成するように配置されている。

欧州特許出願公開第１１８７１５０号明細書および欧州特許出願公開第１１８７１５１号明細書にはそのような解決法が記載されている。磁石は、磁気回路全体の磁束の循環を可能にする磁気駆動力を発生する。

この解決法は、低周波数で動作するインダクタおよび例えば５００を超えるような高い比透磁率の材料に対して効率的である。この場合、磁石によって生成される磁束の全体がコアに閉じ込められたままであり、磁束損失は小さい。

一方、ＮｉＺｎフェライトなど、１ＭＨｚを超える周波数で動作することができる磁性材料は、１００未満の透磁率値によって特徴付けられる。この場合、磁気回路は、磁石の位置で磁気漏れを被り、各磁石によって生成された磁束線の一部は、磁気回路の全体を流れることなく周囲の媒体を通過することによって磁石の一方の極から他方の極に直接ループバックする。したがって、磁気分極効率は変化し、誘導の連続成分の値は効率的に低減されない。さらに、磁束線は、コアの環境内で放射状に放射状に広がり、コンバータの他の部品の動作に影響を及ぼす可能性がある。

米国特許第６３８８８９６号明細書 欧州特許出願公開第１１８７１５０号明細書 欧州特許出願公開第１１８７１５１号明細書 米国特許第８９４０８１６号明細書

したがって、本発明の目的は、例えば１ＭＨｚを超える高周波数で動作することができ、磁気損失の減少を示すことができるインダクタの製造に適したインダクタコアを提供することである。

前述の目的は、強磁性材料と少なくとも１つの永久磁石とを含むインダクタコアによって実現される。強磁性材料は、その２つの極の間で磁石の側壁に沿って連続的に延在するように、少なくとも部分的に磁石を縁取っている。磁極間の磁石に沿った強磁性材料の配置に起因して、磁極Ｎから出てくる磁束線は強磁性材料内を磁極Ｓまで循環する。したがって磁石による強磁性材料の均一な分極は保証される。結果的に誘導の連続的な成分の一部または全部をより均質な方法でコア内で補償することが可能である。磁気損失は効率的に減少する。

巻線に電流が流れるとき、コアは２つの磁気回路のシートとなり、一方は巻線によって生成された磁束線を流れ、他方は磁石によって生成された磁束線を流れる。磁束線は反対方向に流れる。

言い換えれば、強磁性材料は、Ｎ極からＳ極にループバックするときに、磁石によって生成される磁束線の自然な経路上の磁極間の磁石のできるだけ近くに配置される。したがって、磁束線は容易に「収集」される。これにより、Ｎ極とＳ極との間の磁石によって生成される磁束線に対して最短経路が形成され、強磁性材料内に均一な磁束が生成される。磁石によって生成された磁束は、強磁性材料内で直接ループバックするので、外部に向かって放射しないかまたは殆ど放射せず、他の構成要素の動作は殆どまたは全くかく乱されない。したがって、本発明は、強磁性材料が低い透磁率、例えば１００未満を有するインダクタの実装に適しており、特に高周波での動作に適している。

例示的な実施形態では、強磁性材料は、２つの極の間の磁石の側面全体を取り囲んでいる。

有利には、その２つの極の間の磁石の寸法は、コアの磁性長さ、すなわち強磁性材料の寸法に実質的に等しい。その結果、漏れは少ない。

他の非常に有利な例示的実施形態では、コアは、２つの連続する磁石の反対極性の極が対向し、強磁性材料がすべての磁石間で連続的に延びるように互いに配置された複数の磁石を含む。磁束線は、ある磁石から他の磁石へと循環し、一連の磁石の最終磁石のＮ極と、一連の磁石の第１の磁石のＳ極との間でループバックする。

例えば、コアはタイプＥであり、エアギャップを備えた中央バーを含み、磁束は、中央バーに閉じ込められる２つのループを形成する。バー形態の磁石は、コアの直線部分に少なくとも部分的に埋め込まれ、実質的に直線部分の全長にわたって延びる。

磁石によって生成された磁束線は、コイルによるコアの分極に起因して、磁束線と反対の方向にコアの本体内でループバックする。それによって発生される分極は、インダクタの導体内の電流の循環によって生成される誘導の連続成分を部分的に補償し、好ましくは完全に補償する。

好ましくは、非磁性領域は、磁気回路の全長を通過する前に、磁束線のループバックを回避するために、２つの磁石の２つの極の位置で互いに後続して配置される。

有利には、非磁性領域は、コアを貫通するキャビティを含み、前記キャビティはまた、コアの外面に熱を排出する働きをする。キャビティは、例えば空気で満たされ、非常に有利な方法では、ＡｌＮなどの良好な熱伝導性、電気絶縁性および非磁性を有する材料で充填される。

本発明は、磁性インダクタのインダクタコアに関し、前記インダクタコアは、強磁性材料と１つ以上の磁石とを含む本体を備え、磁石は、磁石によって生成された磁束線を循環させる第１の経路を少なくとも部分的に形成し、第１の経路が、一端にＳ極（端部Ｓ極と称する）および他端にＮ極（端部Ｎ極と称する）を含むようにし、強磁性材料は前記磁束線を循環させる第２の経路を少なくとも部分的に形成し、強磁性材料が磁石に沿ってＳ極からＮ極に連続して延在し、端部Ｓ極に面する非磁性領域と、端部Ｎ極に面する非磁性領域とを含み、端部Ｎ極から出てくる磁束線を強制的に第２の経路を通過させて端部Ｓ極にループバックさせ（前記非磁性領域を「端部非磁性領域」と称する）、磁束線に垂直なインダクタコアの横断面が、循環のための第１の経路と、循環のための第２の経路の両方を含むようにする。

好ましくは、第１の経路の磁束線は、第２の経路を循環する磁束線の方向と反対方向に循環する。

例示的な実施形態では、各磁石は、Ｓ極とＮ極との間の外側側面を備え、強磁性材料は、各磁石の外側側面の少なくとも一部と接触している。

第１経路のＳ極およびＮ極は、単一の磁石に属してもよい。

有利には、強磁性材料は、磁石の外側側面を完全に取り囲み、前記インダクタコアは、一方ではＳ極と強磁性材料と、他方ではＮ極と強磁性材料とを含む２つの端面を含み、各端面は、端部非磁性領域と呼ばれる非磁性領域に面する。強磁性材料は、磁石を受け入れるスリーブを形成してよく、磁石の外面と接触し、磁石の磁極間の距離とコアの磁性長さとが等しいかまたは実質的に等しい場合、端部非磁性領域は空気によって形成される。

他の例示的な実施形態では、第１の経路のＳ極およびＮ極は、別個の磁石に属し、磁石は、２つの連続する磁石の反対極性の極が対向または実質的に対向するように配置される。２つの磁石に面する極は、有利には、強磁性材料の領域によって接続される。

例えば、本体は、２つの磁石に面する磁極を分離する強磁性材料の各領域の位置で、中間非磁性領域と呼ばれる少なくとも１つの非磁性領域を含み、２つの連続する磁石の一方の極から他方の極へと磁束線が通過するのを妨げることなく、磁石のＮ極から出てくる磁束線が、前記磁石のＳ極に直接ループバックすることを防止するようにする。

各中間非磁性領域はキャビティを含んでよい。キャビティは、本体の反対の外面に現れる場合がある。

有利な例示的実施形態では、キャビティは、熱伝導および電気絶縁材料、例えばＡｌＮで充填される。

本体は所与の厚さを有し、前記磁石は本体の厚さ全体にわたって延在してよい。

例示的な実施形態では、本体は、長方形のフレームと、フレームの最も長い長さの側に対して横方向に、かつフレームの最も短い長さの側に平行に配置された中央バーとを備える。２つの第１の経路は、中央バーを通過しフレームの平均面に垂直な対称面に関して対称的な様式でフレーム内および中央バー内に画定され、２つの第２の経路は、前記対称面に関して対称的な様式でフレーム内および中央バー内に画定される。中央バーはエアギャップを含む。

中央バーは、２つの第１の経路に属する少なくとも２つの磁石を含んでよい。

例えば、長い側の各々に、同じ長さの２つの磁石を含み、短い側の各々に、１つの磁石を含み、中央バーは、エアギャップの両側に磁石を含み、２つの第１の経路が各々５つの磁石を含むようにする。

エアギャップは、端部Ｓ極と端部Ｎ極との間に配置されて端部非磁性領域を形成してよい。

有利には、磁石は、電気絶縁材料で作られたマトリックス内に分散された少なくとも１つの粉末磁性材料を含むボンド型である。

例えば、強磁性材料は１００未満の透磁率を有する。

強磁性材料は、ＮｉＺｎおよびＭｎＺｎから選択されるスピネルフェライトであってよい。

本発明は、本発明によるインダクタコアと、コアの少なくとも一部に巻かれた導体とを含むインダクタにも関する。

本発明は、少なくとも１つの電子部品と、本発明による少なくとも１つのインダクタとを含むコンバータにも関する。

本発明はまた、本発明によるインダクタコアを製造する方法にも関し、前記方法は、
（ａ）少なくとも１つの磁石を提供するステップと、
（ｂ）磁石を本体に取り付けるための少なくとも１つのキャビティを配置するように、少なくとも１つの強磁性粉末および有機物を含む原料から、射出成形により、強磁性材料で作られた本体を製造するステップと、
（ｃ）磁石をキャビティに取り付けるステップと、を含む。

有利には、ステップ（ｂ）の間に、少なくとも１つのキャビティを製造して、非磁性領域を形成することができる。

この方法は、非磁性領域を形成するキャビティ内に、非磁性であり、非導電性である、熱伝導材料を配置するステップを含んでもよい。

ステップ（ａ）の間、磁石は有利にはボンド磁石である。磁石は、少なくとも１つの磁性粉末とポリマーマトリックスとの混合物を成形することによって製造することができる。

ステップ（ｂ）は、原料を成形するサブステップ、脱バインダーのサブステップ、および熱処理のサブステップを含むことができる。

熱処理のサブステップは、有利には、脱バインダーのサブステップに対して温度を上げることによって、脱バインダーのサブステップの直後に行われる。

本発明はまた、本発明によるインダクタコアを製造するための他の方法にも関し、前記方法は、
（ａ’）少なくとも１つの磁石を提供するステップと、
（ｂ’）磁石上にオーバーモールドすることによって強磁性材料で作られた本体を製造するステップと、を含む。

本発明は、以下の説明および添付の図面に基づいてよりよく理解されるであろう

例示的な実施形態によるインダクタコアの縦断面図である。 図１Ａのコアの横断面図である。 他の例示的な実施形態によるインダクタコアを実装するインダクタの概略的に表された上面図である。 タイプＥのハーフコアの斜視図である。 図２Ａの例によるインダクタコアの斜視図である。 従来技術のインダクタコアの、時間ｔ（ｍｓ）に対する磁気誘導Ｂ（ｍＴ）の変化を表したグラフである。 図３のインダクタコアの、時間ｔ（ｍｓ）に対する磁気誘導Ｂ（ｍＴ）の変化を表したグラフである。 従来技術のタイプＥ−Ｅのコアと、それを通過する磁束線の概略図であり、磁束線は、中央バーの周りに巻かれた導体内を循環する電流によって生成される。

本発明によるインダクタコアは、１つ以上の永久磁石を実装するが、説明を簡単にするために、残りの説明では永久磁石を示すために用語「磁石」を一意に使用する。

図１Ａおよび１Ｂには、円形断面を有する長手軸Ｘの円筒形の本体２と磁石６とを含む本発明によるインダクタコアＮ１の例示的な実施形態が示されている。本体２は強磁性材料４を含む。本体は、環状の部分を有し、長手方向の軸Ｘのキャビティ８をその中に画定する。コアの形状および断面は限定的ではなく、例えば、正方形断面の本体が本発明の範囲内に入る。

コアは有利にはモノリシックであり、すなわち単一部分で成形されている。

磁石６は、Ｘ軸に沿って長手方向に延び、円形断面を有する。磁石のＳ極およびＮ極は、磁石６の長手方向端部の位置に定められる。磁石６の外直径は、キャビティ８の内直径に対応し、磁石がキャビティ８内に配置され、強磁性材料６と接触できるようにする。磁石の長さｌ１は、強磁性材料の長さｌ２と少なくとも等しい。図示の例では、磁石の長さｌ１は、強磁性材料の長さｌ２と実質的に等しい。

この場合、磁石の磁極に沿って自然に位置する磁束の反転領域は、コア内の磁束の直線的な流れを可能にするように、強磁性材料の外側にあることに留意されたい。

強磁性材料４は、磁石６の全長にわたって、およびその全周にわたって磁石６を取り囲んでいる。さらに、図示された例では、磁石はその全周にわたって磁石と接触している。しかし、磁石が強磁性材料と接触することができない実施形態は、本発明の範囲を超えない。

磁石は磁束線Ｆｍを生成する。磁石の極と強磁性材料との相対的配置を理由として、磁束線は、磁石を囲む強磁性材料に起因して、磁石６内のＳ極からＮ極に循環し、Ｓ極とＮ極との間に延び、強磁性材料内でＳ極にループバックする。強磁性材料における磁束線の方向は、磁石における磁束線の方向と反対である。

全ての強磁性材料は、磁石によって均一に分極される。

コアＮ１がインダクタを製造するために使用されるとき、導体（図示せず）がコアの周りに巻かれる。導体は、例えば銅で作られており、例えば長手方向の軸Ｘの巻数ｎを含む。

導体に電流が流れ、これはコア内に磁場を発生させ、その結果磁束線が発生する。

導体の電流の循環方向または磁石の極性の向きのいずれかを選択することによって、磁石によって生成される磁束線と導体によって生成される磁束線とが反対方向に循環する。磁石の磁場の値をさらに選択することによって、導体内を循環する電流によって生成される誘導の連続成分を減少させ、有利に相殺するような分極を生成する。

誘導のピーク値は以下のとおりである。

Ｂ_ＤＣでは、連続成分であり、ΔＢ／２は、可変成分の２つの極値間の平均である。

磁石によりＢ_ＤＣを相殺することにより、ピーク値はΔＢ／２に等しくなり、結果的にその値は減少する。

磁気損失は誘導のピーク値に比例するので、前記損失は減少し、熱損失も減少する。

コアの構造、特に強磁性材料と磁石との相対的な配置により、たとえ強磁性材料の透磁率が低い場合、例えば１００未満の場合であっても、強磁性材料中の磁束線のループバックを確実にすることができる。実際には、磁石によって生成されＮ極からＳ極にループバックする磁束線の自然な経路上の磁石周囲に、強磁性材料が配置される。したがって、磁束による強磁性材料の分極により、強磁性材料内でそれらを導くために磁束線に作用する特定の部品、例えば極性部品は必要とされない。磁束線は、強磁性材料の全長にわたって磁石のＮ極からＳ極にループバックし、透磁率が低い材料であっても均一な様式でそれが行われる。

さらに、図示された例では、強磁性材料が有利には磁石全体を取り囲み、磁束線が磁石の軸の周りに対称的にループバックし、磁束線の大部分が強磁性材料内部に閉じ込められ、強磁性材料が均一な様式で分極される。

さらに変形例として、強磁性材料が磁石を完全に取り囲んでおらず、例えば２つの極の間の磁石の側面の角部にのみ延在していてもよい。その後、コアの強磁性材料は、依然として均一な様式で全体的に分極され、ピーク値は減少する。しかしながら、磁石の磁束の一部が周囲の媒体に漏れる可能性がある。

図２Ａおよび図２Ｂには、タイプＥ−ＥのインダクタＮ２のコアの例を示す。このタイプのコアは非常に小型である。

図２Ａにおいて、上から見たコアＮ２は、長方形のフレーム１０と、その最長の長さのフレームの両側に、実質的にその中央に、垂直に延びる長手方向の軸Ｘ’の中央バー１２とを含む。この中央バー１２は、導体（図示せず）の巻線によって取り囲まれるように意図されている。バー１２は、図示の例では、エアギャップ１４によって分離された２つのハーフバーで形成されている。

コアＮ２は、図２Ｂに示されるようなタイプＥの２つのハーフコア１５のアセンブリによって形成されてもよく、または単一品として直接製造されてもよい。変形例として、Ｅ字型部品およびＩ字型部品またはＵ字型部品および追加部品のアセンブリによって形成することもできる。

フレームの側部および中央バーは、次に、中央バー１２のＸ軸を通り、フレームの平均面に垂直な平面に関して対称な２つの磁気回路Ｃ１およびＣ２を画定する。２つの回路は長方形である。磁気回路Ｃ１およびＣ２は、導体１１内の電流の循環によって生成され、エアギャップの位置でループバックする磁束線によって流れるように意図されている。磁束線は図５のＦＭ３で示されている。

コアＮ２はまた、磁気回路Ｃ１およびＣ２のそれぞれに配置された磁石Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７およびＡ８を含む。磁石Ａ１およびＡ５は、中央バー１２内に位置し、２つの磁気回路に共通である。

２つの磁気回路は同様の構造であり、回路Ｃ１についてのみ詳細に説明する。

磁気回路Ｃ１は、直線部分１６．１、１６．２、１６．３、１６．４および１６．５を含む。部分１６．１および１６．５は、中央バー１２の２つのハーフバーによって形成されている。磁石は、図示の例では、コアの厚さ全体にわたって延在する直方体形状を有しており、コアの厚さは、コアの平均面に垂直な方向であるとみなされる。

磁石Ａ２は、実質的に部分１６．２の全長にわたって延在する。

磁石Ａ３は、実質的に部分１６．３の全長にわたって延在する。

磁石Ａ４は、実質的に部分１６．４の全長にわたって延在する。

磁石Ａ１およびＡ５は、それぞれ実質的に部分１６．１および１６．５の全長にわたって延在する。

磁石Ａ１からＡ５は、外側側面と内側側面とを有し、内側および外側とは、磁気回路Ｃ１の内側および外側に関して考慮される。

変形例として、各部分に単一の磁石の代わりにいくつかの整列した磁石を実装することができる。

磁石はまた、エアギャップの位置で一意的に開くフレームを形成する。

図示された例では、強磁性材料が磁石の内面および外面を覆い、２つの連続する磁石の極Ｎと極Ｓとの間に連続的に延びるように、磁石が強磁性材料内に配置されている。図示の好ましい態様では、磁石は、コアの厚さ全体にわたって延在し、その表面がコアの前面および後面と同一平面にあり、コアの前面および後面は、コアの平均面に平行な面である。後述するように、コアは、強磁性材料を成形することによって製造することができ、成形中に磁石のためのキャビティが配置される。

図示した例では、磁石の内面側の部分１６．２および１６．４のＸ軸の方向で考えられる磁性材料の幅は、外面側の幅よりも大きいが、これは限定的ではなく、同じ厚さで設けることもできる。磁石のこの非対称的な配置により、磁石の間の接続領域を、デフレクタの高さに、フレームの角に移すことを可能にする。各磁石上の磁束のループバックは、インダクタのあまり活性ではない領域で行われ、その動作に影響を与えない。

さらに、磁石のＮ極が、後続の磁石のＳ極に対向するようにまたは近くにあるように、磁石同士が配置されている。

さらに、磁気回路Ｃ１は、有利には、一方の磁石から他方の磁石に磁束を導き、磁石内を循環する磁束を強磁性材料を循環する磁束から隔離するために、連続した磁石の極の間にデフレクタを備える。

デフレクタは、例えば２つの連続した磁石の２つの極の近くに位置する非磁性領域１８を含み、より詳細には、非磁性領域１８は磁石によって画定されたフレームの内部の２つの連続する磁石と接触する。

領域１８は、有利には、コアの厚さに形成され、コアの平均面に平行なコアの２つの面に現れるキャビティ１９を含む。キャビティ１９は空のままで空気を含み、コアの外部への熱の排出を可能にする。１つの特に有利な実施形態では、キャビティ１９は、良好な熱伝導性を提供する非磁性非導電性材料で充填され、前記材料は熱をコアの外部に排出する。キャビティは、例えばＡｌＮで充填される。

好ましくは、デフレクタは、磁石の厚さと少なくとも同じ寸法を有する。

次に、磁気回路Ｃ１における磁石の存在の影響について説明する。

磁石Ａ１ではＳ極からＮ極に向かって磁束ＦＭ１が流れ、Ｎ極を介して磁石Ａ１から磁束が出ていく。非磁性領域１８が存在するため、磁束の一部は、強磁性材料中を循環した後に、Ｓ極を介して磁石Ａ２に入る。実際、キャビティ１９は、磁束線が部分１６．１の強磁性材料の磁石Ａ１のＳ極に直接ループバックすることを防止し、磁束の均質性に寄与する。

磁束は次に磁石Ａ２をＮ極に向かって流れ、特にキャビティ１９に起因して、磁石Ａ３のＳ極に入り、次に磁石Ａ４を通り、最後に磁石Ａ５を通り、Ｎ極を介して出てくる。非磁性デフレクタを構成するエアギャップに起因して、磁束は部分１６．５、１６．４、１６．３、１６．２および１６．１において反対方向に流れ、磁石Ａ１のＳ極の位置で回路を閉じる。強磁性材料を循環する磁束を、ＦＭ２と呼ぶ。キャビティ１９により、磁束ＦＭ２は磁石Ａ５、Ａ４、Ａ３、Ａ２にループバックすることができない。

磁気回路Ｃ１は、２つの磁気部分を含み、一方は磁石のネットワークによって形成され、他方は磁石を覆う強磁性材料によって形成される。

この有利な例示的な実施形態では、磁石によって生成され磁性材料ＦＭ２を流れる磁束は、コアの磁路の全長にわたって連続的である。さらに、磁石は強磁性材料の厚さ全体にわたって延在し、磁束は強磁性材料の厚さ全体にわたって均一である。磁気回路Ｃ１の均一な分極が得られる。磁石がコアの厚さ全体に及ぶわけではなく、分極はあまり均一ではないが、誘導の連続成分は減少する。

磁極Ｎから出てくる磁束の一部は、外部の強磁性材料を介して同じ磁石のＳ極と直接ループバックすることに留意すべきである。磁石の外部を介してループバックする磁束のこの部分は、内部の磁束と同じ方向に向けられ、したがって外部部分の連続的な分極に寄与する。

図示した例では、キャビティは正方形または長方形の断面を有するが、それらが別の形状、例えば２つの連続する磁石の間に延びる円断面の円弧を有することができる。

変形例として、すべての磁石は、エアギャップの位置で開いたフレームを形成する単一部品内の単一の磁石によって置き換えることができ、非磁性キャビティを生成する必要がないようにすることができる。変形例として、磁石の一部のみを、例えば磁石Ａ２およびＡ３またはＡ２、Ａ３およびＡ４などの単一部品で製造することができる。

磁束の流れＦＭ２は、磁気回路Ｃ２において同様に実現される。

このようにして、磁束はコア全体にわたって均一に発生する。

図示された例では、磁石Ａ１およびＡ５は２つの磁気回路に共通であるが、第１の磁気回路Ｃ１専用の磁石と第２の磁気回路Ｃ２専用の磁石とを備えるようにしてもよい。

中心バー１２を取り囲む導体１１に電流が流れると、磁場ＦＭ３が発生し、２つの磁気回路に磁束が流れ、連続成分と可変成分とを有する可変誘導が生じる（関係Ｉ）。

発生した磁束がコアの導体によって発生した誘導の連続成分を打ち消すように磁石を選択して配向させることにより、コアに発生する誘導のピーク値と磁気損失とを減少させることができ、その結果コアの加熱を低減することができる。磁石の向きおよび導体内の電流の循環は、導体によって生成される磁束ＦＭ２および磁束ＦＭ３（図２Ａの点線内）が反対方向を有するようなものである。

本発明は、インダクタのためのコアの任意の形態に適用され、例えば、前記コアはＵ字形を有し、磁石はＵ字形の底部およびＵの２つの枝部に延び、磁束ＦＭ２は、Ｕの枝部の自由端の位置でループバックする。

好ましくは、磁石は、非導電性材料で作られており、カップリングの危険性およびコアの加熱を引き起こすであろう高周波数におけるフーコー電流の出現を低減する。

有利には、磁石は、ボンド型またはプラスチック磁石型の磁石である。例えば、磁石は、ポリマーマトリックスまたは電気絶縁性樹脂中に分散された磁性粉末を含む。それらは、有利には複雑な形状に成形することができる。これらの磁石は、非常に高い電気抵抗率を有する。ボンド磁石は、ＢＨｍａｘとして１０ＭＧＯｅの値を有するＮｄＦｅＢタイプであってよい。変形例として、磁石はＳｍＣｏ、フェライトまたはＳｍＦｅＮから作られてよい。

図１Ａのコアの代替例によれば、磁石６は、磁石のＮ極が他の磁石のＳ極に面するように整列された幾つかの磁石によって置き換えることができる。さらに、対面する極の位置にデフレクタを設けて、磁石のＮ極から出てくる磁束線が、対向するＳ極に入る代わりに、磁石のＳ極に直接ループバックしないようにすることができる。

次に、寸法の例を示す。

図３には、図２Ａのコアが斜視図で示されている。強磁性材料としてＮｉＺを含むコアについて検討する。

コアの外側の長さｌは４６ｍｍであり、外側の幅Ｌは３０ｍｍであり、厚さは１１ｍｍである。フレームの側面の幅は６ｍｍであり、中央バー１２の幅は１２ｍｍであり、エアギャップは３ｍｍに等しい。

磁石は平行六面体で、厚さはすべて１１ｍｍである。磁石Ａ１およびＡ５の長さは１０ｍｍ、幅は２．４ｍｍである。磁石Ａ３およびＡ７の長さは２３ｍｍ、幅は１ｍｍである。磁石Ａ２、Ａ４、Ａ６およびＡ８は、長さが１７ｍｍ、幅が１ｍｍの寸法である。

８つのキャビティ１９は、１ｍｍ×１ｍｍの正方形の断面と、１１ｍｍの高さとを有し、空気で満たされている。

このコアは、例えば以下の特性を有するブーストチョッパコンバータを製造することを可能にする：Ｐ＝１ｋＷ、Ｆ＝５ＭＨｚ、Ｄ＝０．５、Ｖｅ＝２００Ｖ、ｒ＝０．４、ここでＶｅはコンバータの入力電圧、Ｄはコンバータのサイクル比（スイッチが閉じているサイクルの割合）およびｒは電流ＤＩ／Ｉｄｃのリップル比である。

磁石については、残留誘導が、Ｂｒ＝０．７Ｔであり、電流については平均連続値が、Ｉｄｃ＝５Ａであり、リップルが、ＤＩ＝２Ａである。

図４Ａは、従来技術のタイプＥ−Ｅのコアにおいて、すなわち磁石なしで、ＮｉＺｎで作られ、図３のコアと同じ寸法を有するコアにおいて、時間ｔ（ｎｓ）の関数としてサイクル中に導体内を循環する電流によって生成される磁気誘導Ｂ（ｍＴ）の変化を示す。

図４Ｂには、サイクル中の、図３のコアにおける、磁石による分極に起因する磁気誘導Ｂの変化（ｍＴ）を時間ｔ（ｎｓ）の関数として示す。

図４Ｂでは、連続成分Ｂ_ＤＣは０に等しいが、デフレクタがなければ、この連続成分は５５ｍＴに等しいことに留意されたい（図４Ａ）。可変成分は、２つの場合において２２ｍＴ変化する。このように誘導のピーク値は、本発明のコアにおいて５５ｍＴだけ低減され、これにより、コアの加熱を実質的に低減することが可能になる。例えば、ＮｉＺｎタイプのコアの場合、コアＰｄの単位体積当たりに散逸される損失は、係数１０だけ減少し、散逸された電力は、コアの表面からの単純な自然対流によって排出され得る。

次に、本発明によるコアの製造方法の一例について説明する。

本発明によるインダクタコアは、粉末射出成形（ＰＩＭ）によって非常に有利に製造することができる。

ＰＩＭ法では、第１のステップは、目的の用途に適した原料を得ることからなる。原料は、有機物（ポリマーバインダー）と完成部品を構成する無機粉末（金属またはセラミック）との混合物で構成される。次に、原料は、当業者に知られている技術により、熱可塑性材料として射出プレスに射出される。成形により、キャビティ内で粉末と共に射出されたポリマーを溶融させ、混合物に所望の形状を与えることが可能になる。冷却中、混合物は固化し、成形型によって与えられた形状を保持する。

離型後、有機相を除去するために、部品に様々な熱または化学処理を施す。この工程中の脱バインダーと呼ばれる有機相の除去により、ブランク中に３０％から５０％の空隙率のための余地が残る。

ＰＩＭによる製造の場合の原料の調製および脱バインダーの方法の例は、米国特許第８９４０８１６号明細書に記載されている。

脱バインダーの終わりに、多孔質ブランクは、無機材料の粉末のみを含む。このブランクは次に高密度化されて最終的な高密度部品を形成する。多孔質ブランクの固化は、使用される材料の種類に適合した雰囲気下で操作されるオーブン中で実施され、高温、好ましくは１０００℃を超える温度での焼結によって行われる。最適密度に達すると、部品は周囲温度に冷却される。

好ましくは、本発明によるコアを製造するために、有機物と混合されたタイプＮｉＺｎまたはＭｎＺｎのスピネルフェライトの粉末が、原料の製造に使用される。フェライト粉末は、例えば、固体または化学合成によって製造される。固体合成は、前駆体酸化物を粉砕するステップと、粉砕粉末を８００℃から１００℃の間で熱処理することによりスピネル相の合成を行うステップを含む。粉末を再び粉砕し、篩い分けして１０μｍから２０μｍ程度の粒径を得る。スピネルフェライトＮｉＺｎおよびＭｎＺｎの場合、焼結は、このタイプの材料に関して当業者に知られている操作条件に従って空気下で行うことができる。

変形例として、他の軽度の強磁性材料を用いて原料を製造することができる。これらの材料は、例えば、Ｆｅ（Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｎｉ）に基づく磁性合金など、粉末の冶金によって成形される。

原料を調製した後、前記原料は成形型内で成形される。

図３のコアを製造するために、成形型は、キャビティ１８および磁石を収容するためのキャビティを形成するようなものである。

好ましくは、タイプＥ−Ｅのコアは、別々に成形され、次に組み立てられる２つ以上の対称な部品として製造される。成形型は、型内に配置された取り外し可能なインサートを備え、成形された部品上に、磁石のために現れるキャビティを形成し、またデフレクタを形成する。

原料を成形し、新しく作られた部品を冷却した後、有機物を脱バインダーするステップが行われる。このステップは、例えば、オーブン内で、温度の上昇中に、例えば４００℃から７００℃の間の温度に維持することによって行われる。

次にコアを高密度化するための焼結が行われ、前記焼結は有利には脱バインダーに使用されるオーブン内で行われる。その結果、対象の磁気相に対して推奨される値まで温度の上昇を続けることにより、脱バインダーの直後に焼結を行うことが可能である。脱バインダーは、例えば１２２０℃で行われる。

次のステップの間に、磁石がキャビティに導入される。磁石は、予め製造されたボンド磁石であってもよい。磁石は、例えば、コアの分極に適合した寸法に従って成形され、磁化される。ボンド磁石は、例えばＮｄＦｅＢ、ＳｍＣｏ、ＳｍＦｅＮ、ヘキサフェライトなどの任意のタイプのものでよい。磁性粉末が分散されているポリマーマトリックスは、例えば１００℃から１５０℃の間であるインダクタの動作温度と適合するように選択される。磁石は、動作温度に耐えることができる接着剤によってキャビティ内に保持されてよい。

次のステップの間に、キャビティ１６をＡｌＮなどの非磁性非導電性かつ良好な熱伝導を有する材料で充填することが可能である。例えば、充填材料は、予め押出成形または成形によって賦形され、その後、磁石の取り付けと同様の方法でキャビティ１６に導入される。キャビティ１６を充填するこのステップが行われず、空気で充填されたキャビティが保持されてもよい。

ＡｌＮはまた、動作温度に耐えることができる接着剤によってキャビティ内に保持されてもよい。

他の例示的方法によれば、磁石の周囲の強磁性材料および場合によっては非磁性領域を形成する要素をオーバーモールドすることによって、インダクタコアを製造することができる。焼結工程は省略してもよい。有利には、強磁性材料は、導体上にｎ回巻回してオーバーモールドされてもよい。

２ 本体
４ 強磁性材料
６ 磁石
８ キャビティ
１０ フレーム
１２ 中央バー
１４ エアギャップ
１５ ハーフコア
１８ 非磁性領域
１９ キャビティ

Claims (29)

1. 磁性インダクタのインダクタコアであって、
   強磁性材料と１つ以上の磁石（６、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５）とを含む本体を備え、磁石は、磁石（６、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５）によって生成された磁束線を循環させる第１の経路を少なくとも部分的に形成し、第１の経路が、一端に端部Ｓ極と称するＳ極と、他端に端部Ｎ極と称するＮ極とを含むようにし、強磁性材料は前記磁束線を循環させる第２の経路を少なくとも部分的に形成し、強磁性材料が磁石（６、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５）に沿ってＳ極からＮ極に連続して延在し、端部Ｓ極に面する非磁性領域と、端部Ｎ極に面する非磁性領域とを含み、端部Ｎ極から出てくる磁束線を強制的に第２の経路を通過させて端部Ｓ極にループバックさせ（前記非磁性領域を「端部非磁性領域」と称する）、磁束線に垂直なインダクタコアの横断面が、循環のための第１の経路と、循環のための第２の経路の両方を含むようにする、インダクタコア。
2. 各磁石が、Ｓ極とＮ極との間の外側側面を備え、強磁性材料が、各磁石の外側側面の少なくとも一部と接触している、請求項１に記載のインダクタコア。
3. 第１の経路のＳ極およびＮ極が、単一の磁石（６）に属する、請求項１または２に記載のインダクタコア。
4. 強磁性材料が、磁石（６）の外側側面を完全に取り囲み、前記インダクタコアが、一方ではＳ極と強磁性材料と、他方ではＮ極と強磁性材料とを含む２つの端面を含み、各端面は、端部非磁性領域と呼ばれる非磁性領域に面する、請求項３に記載のインダクタコア。
5. 強磁性材料が、磁石を受け入れるスリーブを形成し、磁石の外面と接触し、磁石の磁極間の距離とコアの磁性長さとが等しいかまたは実質的に等しく、端部非磁性領域が空気によって形成される、請求項４に記載のインダクタコア。
6. 第１の経路のＳ極およびＮ極が、別個の磁石（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５）に属し、磁石は、２つの連続する磁石の反対極性の極が対向または実質的に対向するように配置される、請求項１または２に記載のインダクタコア。
7. ２つの磁石（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５）に面する極が、強磁性材料の領域によって接続される、請求項６に記載のインダクタコア。
8. 本体が、２つの磁石（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５）に面する磁極を分離する強磁性材料の各領域の位置で、中間非磁性領域と呼ばれる少なくとも１つの非磁性領域（１８）を含み、２つの連続する磁石の一方の極から他方の極へと磁束線が通過するのを妨げることなく、磁石のＮ極から出てくる磁束線が、前記磁石のＳ極に直接ループバックすることを防止するようにする、請求項６または７に記載のインダクタコア。
9. 各中間非磁性領域（１８）が、キャビティ（１９）を含む、請求項８に記載のインダクタコア。
10. キャビティ（１９）が、本体（１０）の反対の外面に現れる、請求項９に記載のインダクタコア。
11. キャビティ（１９）が、熱伝導性および電気絶縁性を有する材料、例えばＡｌＮで充填されている、請求項１０に記載のインダクタコア。
12. 本体が、所与の厚さを有し、前記磁石（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５）が、本体（１０）の厚さ全体にわたって延在する、請求項６から１１の何れか一項に記載のインダクタコア。
13. 本体が、長方形のフレーム（１０）と、フレームの最も長い長さの側に対して横方向に、かつフレームの最も短い長さの側に平行に配置された中央バー（１２）とを備え、２つの第１の経路は、中央バー（１２）を通過しフレームの平均面に垂直な対称面に関して対称的な様式でフレーム（１０）内および中央バー（１２）内に画定され、２つの第２の経路は、前記対称面に関して対称的な様式でフレーム内および中央バー内に画定され、中央バーが、エアギャップを含む、請求項６から１２の何れか一項に記載のインダクタコア。
14. 中央バー（１２）が、２つの第１の経路に属する少なくとも２つの磁石（Ａ１、Ａ５）を含む、請求項１３に記載のインダクタコア。
15. 長さが長い側の各々に、同じ長さの２つの磁石を含み、短い側の各々に、１つの磁石を含み、中央バーが、エアギャップの両側に磁石を含み、２つの第１の経路が各々５つの磁石を含む、請求項１３または１４に記載のインダクタコア。
16. エアギャップが、端部Ｓ極と端部Ｎ極との間に配置されて端部非磁性領域を形成する、請求項６から１４の何れか一項に記載のインダクタコア。
17. 磁石が、電気絶縁材料で作られたマトリックス内に分散された少なくとも１つの粉末磁性材料を含むボンド型である、請求項１から１６の何れか一項に記載のインダクタコア。
18. 強磁性材料が、１００未満の透磁率を有する、請求項１から１７の何れか一項に記載のインダクタコア。
19. 強磁性材料が、ＮｉＺｎおよびＭｎＺｎから選択されるスピネルフェライトである、請求項１から１８の何れか一項に記載のインダクタコア。
20. 請求項１から１９の何れか一項に記載のインダクタコアと、コアの少なくとも一部に巻回された導体とを含むインダクタ。
21. 少なくとも１つの電子部品と、請求項２０に記載の少なくとも１つのインダクタとを含むコンバータ。
22. 請求項１から１９の何れか一項に記載のインダクタコアの製造方法であって、
    （ａ）少なくとも１つの磁石を提供するステップと、
    （ｂ）磁石を本体に取り付けるための少なくとも１つのキャビティを配置するように、少なくとも１つの強磁性粉末および有機物を含む原料から、射出成形により、強磁性材料で作られた本体を製造するステップと、
    （ｃ）磁石をキャビティに取り付けるステップと、を含む製造方法。
23. ステップ（ｂ）の間に、少なくとも１つのキャビティを製造して、非磁性領域を形成する、請求項２２に記載の製造方法。
24. 非磁性領域を形成するキャビティ内に、非磁性であり、非導電性である、熱伝導材料を配置するステップを含む、請求項２３に記載の製造方法。
25. ステップ（ａ）の間、磁石がボンド磁石である、請求項２２から２４の何れか一項に記載の製造方法。
26. 磁石が、少なくとも１つの磁性粉末とポリマーマトリックスとの混合物を成形することによって製造される、請求項２５に記載の製造方法。
27. ステップ（ｂ）が、原料を成形するサブステップ、脱バインダーのサブステップ、および熱処理のサブステップを含む、請求項２２から２６の何れか一項に記載の製造方法。
28. 熱処理のサブステップが、脱バインダーのサブステップに対して温度を上げることによって、脱バインダーのサブステップの直後に行われる、請求項２７に記載の製造方法。
29. 請求項１から１９の何れか一項に記載のインダクタコアの製造方法であって、
    （ａ’）少なくとも１つの磁石を提供するステップと、
    （ｂ’）磁石上にオーバーモールドすることによって強磁性材料で作られた本体を製造するステップと、を含む方法。