JP2020096099A - インダクタンス素子及び磁気コア - Google Patents

Abstract

【課題】スイングチョークコイルの特性を有するチョークコイルを提供する。【解決手段】インダクタンス素子１は、コイル２とコア本体３とを備えている。コア本体３の中脚部３５にはコイル２が装着されている。外脚部３６に中脚部３５よりも先に磁気飽和が誘発されるように、外脚部３６の単位磁束あたりの実効断面積は、中脚部３５より小さい。【選択図】図２

Description

本発明は、インダクタンス素子及びインダクタンス素子に用いる磁気コアに関する。

高周波のスイッチング回路に用いるインダクタンス素子用の磁気コアとして、回路損失が少ないこと、コストメリットがあることからフェライトコアを用いるニーズがある。

フェライトコアを用いたインダクタンス素子（例えば、チョークコイルやトランスなど、フェライトコアとコイルからなるコイル製品）は、直流飽和電流を超えると急速にインダクタンスが低下することが知られている。これに対し、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータの用途では、スイッチング半導体の保護の観点から、過電流時に所定のインダクタンス値を維持すること（いわゆるスイングチョークコイルの特性を有すること）が求められている。

従来技術としては、例えば、特許文献１，２に示されるように、Ｅ型コアの中脚部と、Ｉ型コアとの間に形成するギャップの形状を変化させる（例えば、階段状にする）ことで、フェライトコアの直流重畳特性の飽和特性を変化させる、いわゆるスイングギャップ工法が知られている。

特開２０００−２４３６３６号公報 特開平１０−１６３０３６号公報

しかしながら、スイングギャップ工法は、通常のエアギャップを形成する場合と比較して、複雑なギャップ形状に応じた加工を行う必要があるため、研磨加工等の製造コストが上昇する問題があり、実用化が進んでいない。また、従来技術では、直流重畳特性をステップ状にすることができるが、インダクタンスが空芯相当の値まで低下する直流電流値を必ずしも大きくできるわけではないという問題がある。

本発明は、上記問題点を解決し、スイングチョークコイルの特性を有するインダクタンス素子を提供することを目的とする。

本発明の第１態様に係るインダクタンス素子は、コイルと、前記コイルが装着された第１脚部と、一端が前記第１脚部の一端に、他端が前記第１脚部の他端に連結された第２脚部とを有し、前記第１脚部と前記第２脚部とにより閉磁路が形成されたコア本体とを備えている。そして、前記第１脚部よりも先に前記第２脚部に磁気飽和が誘発されるように、前記第２脚部の磁路方向に沿って区画された少なくとも一部の領域である先飽和領域における単位磁束あたりの実効断面積が、前記第１脚部における単位磁束あたりの実効断面積より小さいことを特徴とする。

本態様によると、第２脚部の先飽和領域における単位磁束あたりの実効断面積が、第１脚部における単位磁束あたりの実効断面積より小さいので、他の部分と比較して、第２脚部の先飽和領域に先に磁気飽和が誘発される。換言すると、先飽和領域が先に磁気飽和することによって、先飽和領域以外の磁気飽和を遅らせることができる。これにより、空芯レベルまでインダクタンスが落ちることなく、インダクタンスが所定値に維持される期間を確保することができる。すなわち、本態様では、複雑な加工（例えば、ギャップ形状の加工）なしに、いわゆるスイングチョークコイルの特性を得ることができる。

本発明によると、スイングチョークコイルの特性を有するインダクタンス素子を提供することができる。

本実施形態に係るチョークコイルを斜め上側から見た斜視図 図１のII-II線断面図 解析モデルを示す図であり、図１のIII-III線断面相当図 図３の解析モデルを用いて解析した結果を示す図 フェライトコアの直流重畳特性を示す図

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

本実施形態に係るインダクタンス素子は、チョークコイル、リアクトルコイルを含んでおり、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ等の電力変換装置に使用される。なお、以下の説明では、インダクタンス素子のうちのチョークコイルを例示して説明するものとする。

−チョークコイルの構成−
図１に示すように、チョークコイル１は、コイル２と、コイル２が装着されたフェライトコア３（コア本体に相当）とを備える。

図１及び図２に示すように、フェライトコア３は、一対のコア部３１，３２を有する。本実施形態では、一対のコア部３１，３２は、ともに同じ磁気特性を有するＥ型のフェライトコアであり、両コア部３１，３２の開放側の端面同士を互いに突き合わせた状態で接合されることで、閉磁路が形成されている。

なお、説明の便宜上、一対のコア部３１，３２は、上下方向に接合されているものとし、上側に配置されたコア部３１を上コア部３１と呼び、下側に配置されたコア部３２を下コア部３２と呼ぶものとする。また、図１〜図４では、フェライトコア３の上下方向が、図面でも上下方向となるように図示しており、説明の便宜上、図面に従って「上下」及び「左右」を定義する。また、フェライトコア３（接合後）において、中央の脚を中脚部３５、その両外側の脚を外脚部３６、中脚部３５と外脚部３６とを連結する部分を連結脚部３７、とそれぞれ呼ぶものとする。中脚部３５は、第１脚部に相当し、外脚部３６は、側脚部に相当する。また、外脚部３６及び連結脚部３７により第２脚部を構成している。

一対の外脚部３６と中脚部３５は、互いに平行に上下方向に延びかつ左右方向に並べて立設されている。中脚部３５は、一対の外脚部３６の左右方向の中間位置に立設されている。

中脚部３５には、全体にわたって均一なギャップ長を有するエアギャップＧが形成されている。なお、図２の例では、エアギャップＧが、中脚部３５の上下方向の略中央に設けられている例を示している。ただし、エアギャップＧの位置は、上下方向の中央に限定されず、例えば、中脚部４２の上下方向の端部に設けられていてもよい。

中脚部３５には、ボビン４に巻回されたコイル２が装着されている。具体的に、中脚部３５は、ボビン４の挿通孔の開口より若干小さく形成されており、中脚部３５の一部または全部がボビン４の内側に収容されている。中脚部３５と外脚部３６との間隔は、中脚部３５にコイル２が装着できるように、コイル２の径方向の厚さよりも若干広く設定されている。

外脚部３６は、外脚部３６を鎖交する単位磁束あたりの実効断面積Ａｅｕｏが、中脚部３５における単位磁束あたりの実効断面積Ａｅｕｍより小さくなるように構成されている。なお、以下において、説明の便宜上、単位磁束あたりの実効断面積を、単に実行断面積と呼ぶ場合がある。

ここで、一般的に、同一の素材を用いた場合におけるフェライトコアの実効断面積Ａｅは、フェライトコア３のうちの計算対象とするコア領域（以下、計算領域という）の断面積をＡ、磁路長をＬとした場合に、以下の式で定義される。

計算領域の断面積Ａを鎖交する磁束量をφとすると、計算領域の実効断面積Ａｅｕは、以下の式で表される。

一般的には、インダクタンス素子や変圧器において、磁束の飽和を発生しにくくする観点から、閉磁路全体で単位磁束あたりの実効断面積Ａｅｕを均一にすることが望ましいとされている。

これに対し、本開示の技術では、あえて閉磁路内の断面積を不均一にすることで、いわゆるスイングチョークコイルの特性（例えば、図５に示す直流重畳特性）を得ている点に特徴がある。

詳細は後ほど説明するが、閉磁路内の断面積を不均一にすることで、閉磁路内で磁気飽和のタイミングを意図的にずらすことができる。例えば、本実施形態では、閉磁路を構成するフェライトコア３の一部の領域（以下、先飽和領域ともいう）の左右の幅を従来よりも狭くして先飽和領域の断面積を小さくしている。これにより、先飽和領域における磁気飽和を早めに誘発することができる。その結果、先飽和領域がエアギャップＧと同様の作用をして、先飽和領域以外の領域における磁気飽和を遅らせることができるため、スイングチョークコイルの特性を得ることができる。

以下、図面を参照しつつ、より具体的に説明する。

図２に示すように、本実施形態では、ＥＥ型のフェライトコア３を用いているので、中脚部３５に対して外脚部３６の略２倍の磁束が鎖交する。そこで、従来技術では、外脚部３６の幅Ｗｏ（左右方向）を中脚部３５の幅Ｗｍの１／２とすることが行われている（図２の破線参照）。

これに対し、本実施形態では、先飽和領域としての外脚部３６の幅Ｗｏ（左右方向）を、中脚部３５の幅Ｗｍ（左右方向）の１／２よりも狭くすることで、外脚部３６の実効断面積Ａｅｕｏを、中脚部３５の実効断面積Ａｅｕｍより小さくしている。図２では、中脚部３５の幅Ｗｍ“Ｗｍ＝２ｗ”に対して、外脚部３６の幅Ｗｏを“Ｗｏ＝ｗ−Δｗ”としている。

図４は、図３の解析モデル（ハーフ解析モデル）を用いて磁界解析を行った結果を示している。

図４の左側の列は比較例であり、中脚部３５の実効断面積Ａｅｕｍと、外脚部３６の実効断面積Ａｅｕｏとが等しい場合の例を示している。以下、単に「比較例」と記載する。

図４の中央及び右側の列は実施例であり、外脚部３６の実効断面積Ａｅｕｏを、中脚部３５の実効断面積Ａｅｕｍより小さくしている例を示している。以下、それぞれ「実施例１」，「実施例２」と記載する。実施例１（中央の列）は、外脚部３６の実効断面積Ａｅｕｏを中脚部３５の実効断面積Ａｅｕｍの７５％にした例を示し、実施例２（右側の列）は同５０％にした例を示している。

また、図５は、「比較例」、「実施例１」及び「実施例２」の直流重畳特性を示している。

図５に示すように、直流重畳電流が０［Ａ］の場合のインダクタンス（以下、初期インダクタンスという）は、「比較例」、「実施例１」及び「実施例２」で同じ値（図５ではＨ１と記載）である。

直流重畳電流がＩ１になると、図４に示すように、「実施例２」において、外脚部３６の磁束密度が高くなっている様子がわかる。ただし、「実施例２」の外脚部３６が磁気飽和の状態までは至っていない。その結果、図５に示すように、インダクタンスは、「比較例」、「実施例１」及び「実施例２」のすべてにおいて略同じであり、初期インダクタンス値Ｈ１のままである。

直流重畳電流がＩ２になると、図４に示すように、「実施例１」及び「実施例２」において、外脚部３６の磁束密度が高くなり、磁気飽和している。すなわち、「実施例１」及び「実施例２」では、「比較例」と比較して、外脚部３６の磁気飽和が早めに誘発されていることがわかる。これに対し、「比較例」では、磁気飽和している場所はないものの、閉磁路内において全体的に磁束密度が高くなっている。その結果、図５に示すように、「実施例１」及び「実施例２」では、インダクタンスが中間値Ｈ２（Ｈ２＜Ｈ１）に減少している一方で、「比較例」では、インダクタンスは、略初期インダクタンス値Ｈ１のままである。

直流重畳電流がＩ３になると、図４に示すように、「比較例」において、直流重畳電流がＩ２の場合と比較して、閉磁路全体の磁束密度がさらに高くなり、閉磁路の略全体で磁気飽和が発生している。一方で、「実施例１」では、閉磁路全体の磁束密度が高くなっているものの、中脚部３５及び連結脚部３７において磁気飽和には至っていない。さらに、「実施例２」では、中脚部３５及び連結脚部３７において、「実施例１」よりも磁束密度が低い状態が維持されている。その結果、図５に示すように、比較例では、インダクタンスが空芯レベルの値Ｈ３（Ｈ３＜Ｈ２）まで減少している一方で、「実施例１」及び「実施例２」では、インダクタンスが略中間値Ｈ２の状態を維持している。すなわち、「実施例１」及び「実施例２」では、チョークコイル１は、いわゆるスイングチョークコイルの特性を有している。

図５に示すように、直流重畳電流をＩ３からさらに増やしてＩ４にすると、実施例１において、チョークコイル１のインダクタンスが中間値Ｈ２から空芯レベルの値Ｈ３まで減少する。さらに、直流重畳電流をＩ４からさらに増やしてＩ５にすると、実施例２において、チョークコイル１のインダクタンスが中間値Ｈ２から空芯レベルの値Ｈ３まで減少する。

以上のように、本実施形態によると、中脚部３５にコイル２が装着されたチョークコイル１において、外脚部３６の単位磁束あたりの実効断面積が、中脚部３５の単位磁束あたりの実効断面積より小さくなっている。これにより、中脚部３５よりも先に外脚部３６に磁気飽和が誘発される。このように、外脚部３６に先に磁気飽和が誘発されることで、先飽和領域以外の磁気飽和を遅らせることができる。これにより、従来技術の直流重畳特性と比較して、チョークコイル１のインダクタンス値が、初期インダクタンスから早く落ちる一方で、空芯レベルの値Ｈ３まで落ちる前に中間値Ｈ２に保持される期間を確保することができる。すなわち、本態様のチョークコイル１では、複雑な加工（例えば、ギャップ形状の加工）なしに、いわゆるスイングチョークコイルの特性を得ることができる。

さらに、本実施形態では、先飽和領域と他の領域との実効断面積の面積比を変えることで、直流重畳特性において、初期インダクタンス値Ｈ１が得られる期間、及び、中間値Ｈ２が得られる期間を調整することができる。このようなスイングチョークコイルの特性は、例えば、車載用のＤＣ／ＤＣコンバータのように、定格電流と過電流との両方にインダクタンスの規定があるような場合に極めて有用である。例えば、定格電流に対しては初期インダクタンス値Ｈ１で規定を満たしつつ、過電流に対しては中間値Ｈ２を維持できる最大の電流値を、規定を満たすように設計するという対応が可能になる。

また、フェライトコア３の体積を減らす方向で特性を得ることができるので、チョークコイル１の小型化の面においても従来技術と比較してメリットが大きい。図５を見るとわかるように、本開示のチョークコイル１は、コア形状は小さくする方向であるのに対して、直流重畳特性の総面積（グラフの内側の面積）は、ほぼ減少していないという特徴がある。

＜その他の実施形態＞
以上、本発明の好ましい実施形態及びその変形例について説明したが、本開示に係る技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え等を行った実施形態にも適用が可能である。また、上記実施形態説明した構成要素や以下において説明する構成要素を組み合わせて、新たな実施形態とすることも可能である。

例えば、上記実施形態では、チョークコイル１について例示したが、これに限定されない。例えば、リアクトルコイル、トランス（例えば、リンギングチョークコンバータ用トランスなどのフライバックコンバータ用トランス）にも適用が可能であり、同様の構成を採用することで、同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、先飽和領域は、外脚部３６の全体であるものとしたが、これに限定されない。例えば、外脚部３６の一部を先飽和領域とし、その先飽和領域の実効断面積を、中脚部３５の実効断面積よりも小さくしてもよく、上記実施形態と同様の効果が得られる。また、外脚部３６に代えて、連結脚部３７の一部または全部を先飽和領域とし、その先飽和領域の実効断面積を、中脚部３５の実効断面積よりも小さくしてもよく、上記実施形態と同様の効果が得られる。

また、上記実施形態では、フェライトコア３は、ＥＥ型のコアであるものとしたが、これに限定されず、ＥＥＲ型、ＰＱ型、ＥＰ型などのほか、ＥＩ型、ＥＩＲ型、ＰＱＩ型などのフェライトコア３を用いてもよい。さらに、フェライトコア３として、ＵＵ型、ＵＩ型などの環状のコアを用いるようにしてもよい。総じて本開示の技術は、フェライトコア３の外観形状による呼称によって限定されるものではない。

本発明に係るインダクタンス素子は、スイングチョークコイルの特性を有するので、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ等に用いられるチョークコイル等として極めて有用である。特に、定格電流と過電流との両方にインダクタンスの規定があるような場合に有用である。

１ チョークコイル（インダクタンス素子）
３ フェライトコア（コア本体，磁気コア）
３５ 中脚部（第１脚部）
３６ 外脚部（側脚部）
３７ 連結脚部

Claims (3)

1. コイルと、
   前記コイルが装着された第１脚部と、一端が前記第１脚部の一端に、他端が前記第１脚部の他端に連結された第２脚部とを有し、前記第１脚部と前記第２脚部とにより閉磁路が形成されたコア本体とを備え、
   前記第１脚部よりも先に前記第２脚部に磁気飽和が誘発されるように、前記第２脚部の磁路方向に沿って区画された少なくとも一部の領域である先飽和領域における単位磁束あたりの実効断面積が、前記第１脚部における単位磁束あたりの実効断面積より小さい
   ことを特徴とするインダクタンス素子。
2. 請求項１に記載のインダクタンス素子において、
   前記第２脚部は、前記第１脚部の側方において平行に延びる側脚部と、前記第１脚部と前記側脚部を連結する一対の連結脚部とを備え、
   前記先飽和領域としての、前記側脚部及び前記一対の連結脚部のうちの少なくとも１つの単位磁束あたりの実効断面積が、前記第１脚部の単位磁束あたりの実効断面積よりも小さい
   ことを特徴とするインダクタンス素子。
3. コイルが装着される第１脚部と、一端が前記第１脚部の一端に、他端が前記第１脚部の他端に一体的に連結された第２脚部とを有し、前記第１脚部と前記第２脚部とにより閉磁路が形成されたコア本体とを備え、
   前記第２脚部に前記第１脚部よりも先に磁気飽和が誘発されるように、前記第２脚部の磁路方向に沿って区画された少なくとも一部の領域である先飽和領域の単位磁束あたりの実効断面積が、前記第１脚部の単位磁束あたりの実効断面積より小さい
   ことを特徴とする磁気コア。