JP2023109606A - 磁心及びコイル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ギャップ孔の形態の磁気ギャップが形成された磁心を備えたコイル装置の性能を向上させる。【解決手段】 本発明の一実施形態に係る磁心は、ヨーク部と、ヨーク部の一面に一端部が接続した脚部と、を備え、ヨーク部と脚部との境界部を跨がってＶ字状のギャップ孔が形成されたものである。本発明の別の一実施形態に係る磁心は、ヨーク部と、ヨーク部の一面に一端部が接続した中脚部と、を備え、中脚部の一端部にＶ字状のギャップ孔が形成されたものである。【選択図】図１

Description

本発明は、磁心及びコイル装置に関する。

磁心（以下「コア」という。）を備えたリアクトル等のコイル装置において、ギャップ付き磁心（以下「ギャップコア」という。）を備えたものが知られている。特許文献１及び特許文献２には、ギャップコアを備えたコイル装置の例が記載されている。

特許文献１に記載されたギャップコアにおいては、スペーサー４を介してＣ型積層鉄心３とＩ型積層鉄心２を接続することにより、Ｃ型積層鉄心３とＩ型積層鉄心２との間に磁気ギャップが設けられている。

特許文献１に記載のギャップコアは、スペーサーを介して複数のコア部材を接合したものであるため、部品点数が多く、組み立て工程も複雑なものとなる。また、スペーサーを使用するため、ギャップ長を短くすることが難しい。

特許文献２には、磁路と直交する直線状の長孔（ギャップ孔２２）が形成されたケイ素鋼板を積層することにより磁気ギャップが設けられたギャップコアが記載されている。

特許文献２に記載のギャップコアは、スペーサーを使用しないため、部品点数が少なく、組み立てに要する工数も少ない。また、ギャップ長を短くすることも比較的に容易であり、ギャップ長の精度も高く、特性のばらつき（個体差）が少ない。

特開２０１９－７１３５８号公報 特開２０２１－４４３３８号公報

しかし、特許文献２に記載のギャップ孔によりコアに磁気ギャップが設けられたコイル装置では、ギャップ孔の両サイド２０Ａｄの狭い部分（以下「ブリッジ部」という。）に磁束が集中するため、ブリッジ部からコアの外部へ磁束が漏れ易く、また、コア内の磁束の分布の偏りが大きいため、性能が比較的に低いものとなっていた。

本発明は上記の事情を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ギャップ孔により磁気ギャップが設けられたコアを備えたコイル装置の性能を向上させることである。

本発明の一実施形態に係る磁心は、ヨーク部と、ヨーク部の一面に一端部が接続した脚部と、を備え、ヨーク部と脚部との境界部を跨がってＶ字状のギャップ孔が形成されたものである。

上記の磁心において、Ｖ字状のギャップ孔の両端部がヨーク部に位置し、Ｖ字状のギャップ孔の頂点部が脚部に位置する構成としてもよい。

本発明の別の一実施形態に係る磁心は、ヨーク部と、ヨーク部の一面に一端部が接続した中脚部と、を備え、中脚部の一端部にＶ字状のギャップ孔が形成されたものである。

上記の磁心において、Ｖ字状のギャップ孔の両端部が、ヨーク部と中脚部との境界部に位置する構成としてもよい。

上記の磁心において、Ｖ字状のギャップ孔の頂点部が、ヨーク部と中脚部との境界部に位置する構成としてもよい。

上記の磁心において、ギャップ孔が、中脚部の長さ方向に延びる中心線を含む平面である中心面に関して対称である構成としてもよい。

上記の磁心において、中脚部の中心面と平行な側面からギャップ孔までの距離であるブリッジ幅が、０．５ｍｍ～２．５ｍｍの範囲内にある構成としてもよい。

ブリッジ幅を０．５ｍｍ～２．５ｍｍの範囲内にすることにより、良好なインダクタンス向上効果を得ながら、Ｌ値の低下率（Ｌ_２Ａ－Ｌ_２０Ａ）／Ｌ_２Ａを低く抑えることができる。

上記の磁心において、ギャップ孔のＶ字の角度が３０°～１２０°の範囲内にある構成としてもよい。

ギャップ孔のＶ字の角度を３０°～１２０°の範囲内にすることにより、良好なインダクタンス向上効果を得ながら、Ｌ値の低下率（Ｌ_２Ａ－Ｌ_２０Ａ）／Ｌ_２Ａを低く抑えることができる。

上記の磁心において、積み重ねられた複数のコア板からなる積層磁心であり、各コア板に要素ギャップ孔が形成されていて、積み重ねられた複数のコア板の要素ギャップ孔が連絡して、ギャップ孔が形成された構成としてもよい。

本発明の一実施形態に係るコイル装置は、コイルと、上記の磁心と、を備え、コイル中に中脚部が挿入されたものである。

本発明の一実施形態によれば、ギャップ孔によりコアに磁気ギャップが設けられたコイル装置において、ブリッジ部への磁束の集中が緩和され、性能が向上する。

本発明の実施形態に係るコイル装置の外観図である。 本発明の実施形態に係るコイル装置の分解図である。 本発明の実施形態に係るコアの正面図である。 コア板からＶ字状のギャップ孔を打ち抜くための金型の斜視図である。 ギャップ孔に磁性樹脂を充填する様子を示す図である。 シミュレーションにより得られた実施例１の磁束密度分布図である。 シミュレーションにより得られた実施例２の磁束密度分布図である。 シミュレーションにより得られた比較例１の磁束密度分布図である。 シミュレーションにより得られた比較例２の磁束密度分布図である。 シミュレーションにより得られた比較例３の磁束密度分布図である。 シミュレーションにより得られた比較例４の磁束密度分布図である。 シミュレーションにより得られた実施例３の磁束密度分布図である。 シミュレーションにより得られた実施例４の磁束密度分布図である。 シミュレーションにより得られた実施例５の磁束密度分布図である。 シミュレーションにより得られた実施例６の磁束密度分布図である。 シミュレーションにより得られた実施例９の磁束密度分布図である。 シミュレーションにより得られた実施例１０の磁束密度分布図である。 シミュレーションにより得られた比較例５の磁束密度分布図である。 シミュレーションにより得られた比較例６の磁束密度分布図である。 シミュレーションにより得られた比較例７の磁束密度分布図である。 Ｖ字状のギャップ孔が磁束をガイドする作用を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、同一の又は対応する事項には、同一の又は対応する符号を付して、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の第１実施形態に係るコイル装置１の外観図である。本実施形態のコイル装置１は、低周波での使用に適した、インダクタンス値が比較的に大きなリアクトルである。図１に示されるように、コイル装置１は、コイル１０（巻線）及びコア２０（磁心）を備える。

コイル１０は、エナメル線等の絶縁被覆された導線を螺旋状に巻いたものである。導線の材料としては、例えば銅やアルミニウム等が使用される。コイル１０は、平角線をエッジワイズ巻きしたものであるが、丸線から形成したものでもよい。また、コイル１０は、例えば銅箔コイルや銅条コイル等、箔や条の形態の導体から形成したものでもよい。

図２はコイル装置１の分解図であり、図３はコア２０の正面図である。図２に示されるように、コア２０は、ケイ素鋼板等の電磁鋼板であるコア板２０ａを複数枚積み重ねたＥ字状の積層コア２０Ａ（Ｅコア）と、同じく電磁鋼板であるコア板２０ｂを複数枚積み重ねたＩ字状の積層コア２０Ｂ（Ｉコア）から組み立てられたＥＩコアである。

なお、図２において座標軸で示すように、コイル１０の軸方向をＺ軸方向、コア板２０ａ、２０ｂの積層方向をＸ軸方向と定義する。また、Ｙ軸方向はＸ軸方向及びＺ軸方向の両方に垂直な方向である。

各コア板２０ａ、２０ｂは、板状の導体を金型で打ち抜くことによって形成されたものである。各コア板２０ａ、２０ｂの板厚ｔは全て同じであり、一例として、０．５ｍｍである。各積層コア２０Ａ、２０Ｂは、溶接によって一体化されている。各積層コア２０Ａ、２０Ｂは、銀ろう付けや接着によって一体化さてもよく、また、コア板に形成された孔に通したボルトで締め付けることによって一体化されてもよい。各積層コア２０Ａ、２０Ｂは、複数のコア板２０ａ、２０ｂを一体に固定せずに単に積み重ねられたものでもよい。各コア板２０ａ、２０ｂの板厚ｔは、０．５ｍｍに限らない。各コア板２０ａ、２０ｂの板厚ｔは、例えば、０．２ｍｍ、０．２３ｍｍ、０．２７ｍｍ、０．３ｍｍ、０．３５ｍｍ、０．４ｍｍ、あるいは、０．５ｍｍよりも大きな厚さであってもよい。コア２０は、一例として、幅Ｗが４８ｍｍであり、長さＬが４４ｍｍである。

コア板２０ａは、Ｚ軸方向に延びる３つの脚部、具体的には、１つの中脚部２１ａと、そのＹ軸方向両側に並べて配置された一対の外脚部２２ａと、中脚部２１ａ及び一対の外脚部２２ａの一端を連結する、Ｙ軸方向に延びる連結部２３ａを有する。コア板２０ｂも、Ｚ軸方向に延びる３つの脚部（すなわち、１つの中脚部２１ｂと、そのＹ軸方向両側に並べて配置された一対の外脚部２２ｂ）と、３つの脚部の一端を連結する、Ｙ軸方向に延びる連結部２３ｂを備える。なお、コア板２０ｂの中脚部２１ｂと外脚部２２ｂは、連結部２３ｂに対して格段に短く、コア板２０ｂは全体としてＩ字状を呈する。

コア板２０ａの中脚部２１ａ、外脚部２２ａ及び連結部２３ａは、それぞれ積層して、積層コア２０Ａの中脚部２１Ａ、外脚部２２Ａ及び連結部２３Ａ（ヨーク部）を形成する。また、コア板２０ｂの中脚部２１ｂ、外脚部２２ｂ及び連結部２３ｂは、それぞれ積層して、積層コア２０Ｂの中脚部２１Ｂ、外脚部２２Ｂ及び連結部２３Ｂ（ヨーク部）を形成する。

コア２０は、中脚部２１Ａと中脚部２１Ｂとが突き合わされ且つ各外脚部２２Ａと各外脚部２２Ｂとが突き合わされることにより形成され、コイル１０が発生する磁束の磁路（より詳細には閉磁路）を構成する。突き合わされた各脚部は、溶接によって互いに固定されている。各脚部は、溶接に限らず、銀ろう付けや接着によって固定されてもよく、また、金具（固定具）を用いて固定されてもよい。

なお、積層コア２０Ａの中脚部２１Ａと積層コア２０Ｂの中脚部２１Ｂからコア２０の中脚部２１が構成され、積層コア２０Ａの外脚部２２Ａと積層コア２０Ｂの外脚部２２Ｂからコア２０の外脚部２２が構成される。

コア２０は、Ｅ字状コアとＩ字状コアとを突き合せた本実施形態の構成に限らず、Ｕ字状コア同士を突き合せた構成や、Ｕ字状コアとＩ字状コアとを突き合せた構成、Ｅ字状コア同士を突き合せた構成など、別の構成であってもよい。また、短い中脚部２１Ｂや外脚部２２Ｂ等の突出部を有しないＩ字状の積層コア２０Ｂを使用してもよい。

本実施形態において、コア板２０ａ、２０ｂにはケイ素鋼板等の電磁鋼板が使用されているが、例えばコバルト系合金等の非鉄金属系合金や鉄系合金のアモルファスリボン等の別のシート材が使用されてもよい。

各コア板２０ａの中脚部２１ａには、Ｖ字状の要素ギャップ孔２４ａが形成されている。積層コア２０Ａにおいて、積層された複数のコア板２０ａの要素ギャップ孔２４ａが連絡し、積層コア２０Ａを積層方向（Ｘ軸方向）に貫通するギャップ孔２４が形成される。ギャップ孔２４は、磁気ギャップとしての役割をもつ構造である。本実施形態では、ギャップ孔２４は、連結部２３Ａの一面に接続された中脚部２１Ａの一端部に形成されている。

ギャップ孔２４は、中脚部２１Ａの中心面Ｃ（すなわち、中脚部２１Ａの長さ方向に延びる中心線を含む、Ｙ軸方向に垂直な平面）に関して対称な形状を有し、一定の幅（以下「ギャップ長Ｇ」という。）でＶ字状に延びるスリット部２４１と、スリット部２４１の両端に形成された一対の丸孔状の拡張部２４２とを有する。

ギャップ孔２４を閉磁路上に形成することにより、磁気飽和が起こり難くなり、高電流帯においてもインダクタンス値を確保することができる。

ギャップ孔２４のギャップ長Ｇ（すなわち、スリット部２４１のスリット幅）を狭くするほど、コイル１０のインダクタンスを増加させることができる。そのため、ギャップ長Ｇを狭くすると、積層コア２０Ａ及び２０Ｂの体積（例えば積層コア２０Ａ及び２０Ｂの長さや幅、コア板２０ａ及び２０ｂの積層枚数）を減らした場合やコイル１０の巻き数を減らした場合にも、必要なインダクタンスを確保し易い。コア２０の体積を減らすことにより、コア２０を小型化することができ、また、コア２０の材料コストを安価に抑えることができる。コイル１０の巻き数を減らすことにより、コイル装置１を小型化することができ、また、コイル１０の材料コストを安価に抑えることができる。

そこで、本実施形態では、ギャップ長Ｇは、コア板２０ａの板厚ｔの１．６倍未満の大きさとなっている。ギャップ長Ｇは、一例として０．７ｍｍである。

積層コア２０Ａ及び２０Ｂの体積をより減らしつつ定格電流値でのインダクタンスを確保するため、ギャップ長Ｇは０．５ｍｍ～０．７ｍｍ未満の範囲内の大きさであってもよい。ギャップ長Ｇは、０．７ｍｍより広く０．８ｍｍ未満の範囲内の大きさであってもよい。

スリット部２４１の幅を狭くするほど、コア材からスリット部２４１を打ち抜くための金型を薄い厚みで作製する必要がある。そのため、金型の耐久性を確保することが難しく、金型が破損し易くなってしまう。

そこで、本実施形態では、コア板２０ａの板厚ｔの１．６倍以上の直径を有する一対の拡張部２４２がスリット部２４１の両端部に形成されている。拡張部２４２の直径（以下「ギャップ長Ｇ’」という。）は、一例として１．５ｍｍである。

図４は、コア板２０ａからギャップ孔２４を打ち抜くための金型５０の斜視図である。図４に示されるように、金型５０は、スリット部２４１に対応する薄板部５１を有する。薄板部５１の両端には、各拡張部２４２に対応する円柱部５２が形成されている。円柱部５２を形成することにより、破損し易い薄板部５１の両端部が補強されて、金型５０の耐久性が向上する。

言い換えれば、拡張部２４２を設けることにより、コア材からギャップ孔２４を打ち抜くための金型５０の端部（拡張部２４２に対応する部分）の肉厚を厚くすることができるため、金型５０が補強されて、金型５０の耐久性が向上する。
すなわち、ギャップ孔２４は、破損し易い薄板部５１の両端部を肉厚にして、金型５０の耐久性を向上させるのに好適な孔形状となっている。

ギャップ長Ｇ’は、１．５ｍｍに限らず、コア板２０ａの板厚ｔの１．６倍以上（すなわち０．８ｍｍ以上）の他の値であってもよい。ギャップ長Ｇ’を板厚ｔの１．６倍以上とすることにより、拡張部２４２に対応する円柱部５２の厚みを十分に確保することができる。これにより、金型５０の耐久性が向上し、金型５０の折れや曲がりを防ぐことができる。より詳細には、この円柱部５２が金型５０全体を補強する役割を果たすため、金型５０が薄肉部分を有する場合にも、金型５０の折れや曲がりを防ぐことができる。

これに対し、ギャップ長Ｇ’がコア板２０ａの板厚ｔの１．６倍未満の場合、円柱部５０２の厚みを十分に確保することができず、金型５０の耐久性を十分に向上させることができない。そのため、コア板２０ａを打ち抜くときに金型５０が受ける繰り返し負荷により、金型５０に折れや曲がりが発生しやすい。

金型５０に鋭角となる部分があると、コア板２０ａを打ち抜くときに金型５０が受ける繰り返し負荷により、その部分が欠けやすい。そこで、スリット部２４１と拡張部２４２との接続部分は、曲率半径０．１ｍｍの曲面となっている。

スリット部２４１と拡張部２４２との接続部分は、曲率半径０．１ｍｍを超える曲率半径を持つ角丸形状であってもよい。この場合、金型５０の角部をより丸みのある形状とすることができるため、金型５０の耐久性を向上させるのにより一層好適である。

また、スリット部２４１の屈曲部２４１ｃも、曲率半径が０．１ｍｍよりも大きな曲面によって形成されている。そのため、屈曲部２４１ｃに対応する金型５０の薄板部５１の屈曲部５１ｃも曲率半径が０．１ｍｍよりも大きな曲面によって形成されている。

これにより、ギャップ孔２４は、鋭角となる部分を有さない孔形状となっている。このようにギャップ孔２４を形成することにより、薄板状となることによって耐久性の低下が懸念される金型５０を、鋭角となる部分を有さない形状とすることができる。このようなギャップ孔２４の形状は、薄板状となることによって特に破損し易くなる鋭角部分を金型５０から無くすことができるため、金型５０の耐久性を向上させる（言い換えると、上記の繰り返し負荷による鋭角部分の欠損を防止する）のに好適である。

コア２０のギャップ孔２４には、磁性体粉末に樹脂を添加した磁性樹脂３０が充填されている。図５に、コア２０のギャップ孔２４に磁性樹脂３０を充填する様子を示す。

磁性樹脂３０は、例えば樹脂材料に磁性体粉末（より詳細には軟磁性粉末）が分散した材料である。磁性樹脂３０に使用される樹脂材料には、熱硬化性樹脂や紫外線硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等の液体状から固体状に硬化させることが可能な材料が挙げられる。磁性樹脂３０に使用される軟磁性粉末には、例えば、純鉄、Ｆｅ－Ｓｉ、Ｆｅ－Ｎｉ、Ｆｅ－Ａｌ、Ｆｅ－Ｃｏ、Ｆｅ－Ｃｒ、Ｆｅ－Ｎ、Ｆｅ－Ｃ、Ｆｅ－Ｂ、Ｆｅ－Ｐ、Ｆｅ－Ａｌ－ＳｉなどのＦｅ基合金粉末、あるいは希土類金属粉末、非晶質金属粉末、フェライト粉末等、若しくは複数種類の粉末が混合されたものが挙げられる。また、磁性樹脂３０には、絶縁被膜が形成された軟磁性粉末を使用してもよい。軟磁性粉末に絶縁被膜を形成することにより、渦電流損を低減することができる。

軟磁性粉末に対する樹脂の添加量は３ｗｔ％～７ｗｔ％の範囲内である。樹脂の添加量が３ｗｔ％未満の場合、軟磁性粉末の接合力が不足し、得られた軟磁性複合材料の強度が低下する。樹脂の添加量が７ｗｔ％を超える場合、軟磁性複合材料の密度が低下する。

磁性樹脂３０は、実効透磁率を向上させるため、軟磁性粉末の含有量が多く、硬化する前は比較的粘度の高い液体状となっている。製造時において例えば磁性樹脂３０をギャップ孔２４内に均一に塗布する場合を考える。この場合、磁性樹脂３０が高粘度であることから、磁性樹脂３０をギャップ孔２４内に均一に塗布することが難しい。

そのため、本実施形態では、磁性樹脂３０をギャップ孔２４に充填させる工程が採用されている。四方が囲われた空間を規定するギャップ孔２４には、磁性樹脂３０を均一に流し込んで充填させやすい。

図５に示されるように、ギャップ孔２４には、磁性樹脂３０が治具６０（具体的には、磁性樹脂３０が充填されたシリンジ）を用いて注入される。図５に示されるように、拡張部２４２は、治具６０の注入口６２が確実に入る寸法を有する。スリット部２４１の幅（すなわちギャップ長Ｇ）を狭く形成したためにスリット部２４１に注入口６２が入らない場合にも、拡張部２４２から磁性樹脂３０をギャップ孔２４に確実に注入することができる。すなわち、本実施形態では、ギャップ長Ｇを設定するにあたり、注入口６２の大きさを考慮する必要がない。

実効透磁率はギャップ長Ｇに応じて変化する。しかし、ギャップ長Ｇだけでは実効透磁率を所望値に設定し切れない場合もある。本実施形態では、磁性樹脂３０をギャップ孔２４に充填することにより、実効透磁率を所望値に合うように微調整することができる。実効透磁率が所望値に合うように微調整されることにより、例えば直流重畳特性が改善して、磁気飽和が起こり難くなる。

磁性樹脂３０をギャップ孔２４に充填することにより、ギャップ孔２４周囲のコア２０の剛性が向上する。そのため、ギャップ孔２４内で発生する電磁吸引力によるコア２０の振動及びこの振動に伴う騒音が少なく抑えられる。

また、磁性樹脂３０をギャップ孔２４に充填することにより、ギャップ孔２４から漏れる磁束が低減し、コイル１０の渦電流損の発生が低減する。例えば、コイル装置１が３相リアクトルに搭載される場合、ギャップ孔２４からの漏れ磁束が低減することにより、コア２０の各脚部の製造誤差による各相の特性のばらつきが抑えられる。

また、３相リアクトルにおいて、ギャップがコアを完全に分断する形態（例えば、図８に示される後述の比較例１）の場合、複数のコアを組み合わせる過程で各種のばらつきが積み上がり（一例として、ギャップ長のばらつきが、コアの寸法や組立上のばらつきが積み上がったものとなり）、相間の特性にばらつきが生じやすい。これに対し、本実施形態のように、コアを完全には分断しないギャップ孔２４を採用すると、ギャップ長のばらつきがギャップ孔２４の寸法精度にのみ依存するため、ギャップがコアを完全に分断する形態と比べて相間の特性のばらつきが抑えられる。

また、磁性樹脂３０をギャップ孔２４に充填することにより、ギャップ孔２４内（言い換えると、磁性樹脂３０）にも磁束が流れる。そのため、ブリッジ部２０Ａｄ（すなわち、ギャップ孔２４のＹ軸方向両側に残ったコア部分）に流れる磁束の集中が緩和されてコア２０の発熱が抑えられる。

次に、本発明の様々な実施例及び比較例について行った特性のシミュレーション結果について説明する。表１に、シミュレーションを行った実施例及び比較例の構成の一覧を示す。また、シミュレーションにより得られた磁束密度分布図を図６～２０に示す。

シミュレーションに使用したコア２０の中脚部２１、外脚部２２及び連結部２３の横断面積は、それぞれ２８７．０ｍｍ^２、１４３．５ｍｍ^２及び１２８．１ｍｍ^２である。また、シミュレーションは、巻数が７０ターンのコイル１０を使用する条件で行った。図６～２０の磁束密度分布図（並びに、後述する表２～３に示される特性値）は、コイル１０に１０Ａの実効電流を流した場合のシミュレーション結果である。

なお、実施例１～２、４～１０（並びに比較例５～７）のいずれにおいても、ギャップ孔２４は中脚部２１Ａの長さ方向（Ｚ軸方向）における端部に形成されている。厳密には、ギャップ孔２４の両端部（例えば、拡張部２４２）又はＶ字の頂点部（屈曲部２４１ｃ）が中脚部２１Ａと連結部２３Ａとの境界部に形成され、その他の部分が中脚部２１Ａの端部に形成されている。

実施例１、４～１０（並びに比較例５～７）においては、隣接する連結部２３Ａに向かってＶ字が開く向きでギャップ孔２４が形成されている。これらの構成例において、Ｖ字状のギャップ孔２４の両端部（例えば、拡張部２４２）が、中脚部２１Ａと連結部２３Ａとの境界部に位置する。

実施例２においては、実施例１等とは逆に、隣接する連結部２３Ａに向かってＶ字が閉じる向きでギャップ孔２４が形成されている。そのため、実施例２のギャップ孔２４の形状を「逆Ｖ字」と呼ぶ。実施例２においては、ギャップ孔２４のＶ字の頂点部（屈曲部２４１ｃ）が、中脚部２１Ａと連結部２３Ａとの境界部に位置する。

実施例３においては、Ｖ字状のギャップ孔２４が中脚部２１Ａと連結部２３Ａとの境界部を跨いで形成されている。具体的には、ギャップ孔２４の一対の拡張部２４２が連結部２３Ａに形成され、屈曲部２４１ｃが中脚部２１Ａに形成されている。より具体的には、ギャップ孔２４の大凡半分が連結部２３Ａに形成され、残りが連結部２３Ａに形成されている。

表２は、シミュレーションによって得られた実施例１～２及び比較例１～３のインダクタンス特性を対比したものである。

表３は、シミュレーションによって得られた実施例１、３～１０及び比較例２、４、５～９のインダクタンス特性を対比したものである。

表３において、「Ｌ_２Ａ」はコイル１０に２Ａの実効電流を流した場合のインダクタンス値（すなわち、初期インダクタンス値）であり、「Ｌ_２０Ａ」はコイル１０に２０Ａの実効電流を流した場合のインダクタンス値（Ｌ値）である。また、「（Ｌ_２Ａ－Ｌ_２０Ａ）／Ｌ_２Ａ」は、高電流（２０Ａ）を重畳したときの初期インダクタンス値からのＬ値の低下率である。

表２から、ギャップ構造をギャップ孔２４にした場合（実施例１～２、比較例２～３）、コアを完全に分断する通常のギャップ構造のもの（比較例１）よりも高いインダクタンス特性が得られることが確認できる。これは、ギャップ孔２４の場合は、透磁率が大きいブリッジ部２０Ａｄを経由した磁束の流れが生じるため、ブリッジ部２０Ａｄが無い通常のギャップ構造のものよりもコア２０に磁束が流れ易くなることによるものと考えられる。

直線状のギャップ孔を有する比較例２では、図９に示されるように、通常のギャップ構造を有する比較例１（図８）と比べて、中脚部２１Ａが接続される連結部２３Ａの中央部２３Ａｃにおいて磁束密度が低くなっている。これは、磁束が透磁率の低いギャップ孔を避けて、透磁率の高いブリッジ部２０Ａｄに集中して流れるためと考えられる。これにより、磁束の分布の偏りが大きくなり、インダクタンス特性が低下する。

一方、例えば図６（実施例１）に示されるように、Ｖ字状のギャップ孔２４を有するものは、直線状のギャップ孔を有する比較例２よりも、連結部２３Ａの中央部２３Ａｃにおける磁束密度の低下が緩和され、より高いインダクタンス特性が得られている。これは、図２１に示されるように、Ｚ軸方向に延びる磁路に対してＶ字状のギャップ孔２４が斜めに形成されているため、磁束がギャップ孔２４によって中脚部２１ＡのＸ軸方向中央へガイドされ、ギャップ孔２４を通過し易くなるためと考えられる。言い換えれば、Ｖ字状のギャップ孔２４で囲まれた中脚部２１Ａの領域２１Ａａ（図２１において網掛けされた部分）に磁束が誘引されて、磁束がギャップ孔２４を通過し易くなっている。

実施例２（図７）は、逆Ｖ字状のギャップ孔２４を設けたものである。実施例２でも、実施例１と同様にＶ字状のギャップ孔２４の効果（すなわち、Ｖ字状のギャップ孔２４により磁束がＹ軸方向中央へガイドされることにより、磁束がギャップ孔２４を通過し易くなり、インダクタンス特性が向上する効果）が現われ、直線状のギャップ孔を有する比較例２と比べて高いインダクタンス特性が得られている。

しかし、図７に示されるように、実施例２では、ブリッジ部２０Ａｄ付近からコア２０の外へ漏れる磁束が実施例１よりも多くなるため、実施例１よりもインダクタンス特性が低くなっている。実施例１では、ブリッジ部２０Ａｄが連結部２３Ａに隣接しているため、磁束がブリッジ部２０Ａｄ付近から漏れずに（あるいは、漏れても直ちに）連結部２３Ａに吸引され、コア２０から漏れ出す磁束が少なくなっており、これにより実施例２よりもインダクタンス特性が高くなっていると考えらえる。

比較例３（図１０）は、Ｖ字状のギャップ孔２４を中脚部２１Ａの長さ方向（Ｚ軸方向）中央に設けたものである。表２に示されるように、比較例３のインダクタンス特性は、実施例１や実施例２よりも低く、直線状のギャップ孔を有する比較例２と同程度になっている。図１０に示されるように、ギャップ孔２４が磁束を中脚部２１ＡのＸ軸方向中央へガイドする効果は現れるものの、実施例２よりもブリッジ部２０Ａｄ付近からの磁束の漏れ出しが顕著になっており、これがインダクタンス特性の低下の要因だと考えられる。漏れ磁束の増大は、ブリッジ部２０Ａｄが連結部２３Ａから大きく離れているため、連結部２３Ａによる漏れ磁束の吸引効果が殆ど得られないことが原因と考えられる。

比較例４（図１１）は、ギャップ孔２４を連結部２３Ａに形成したものである。表３に示されるように、初期インダクタンス値は大きくなるが、高電流が重畳されたときのＬ値の低下率（Ｌ_２Ａ－Ｌ_２０Ａ）／Ｌ_２Ａも大きい。Ｌ値の低下率が大きいと、回路動作によっては悪影響を及ぼす可能性があるため、Ｌ値の低下率は８０％以下とすることが望ましく、７６％以下とすることが更に望ましい。

図１１に示されるように、比較例４では、連結部２３Ａの中央部２３Ａｃを通る（すなわち、ギャップ孔２４を通過する）磁束が極めて少ない。比較例４では、ブリッジ部２０Ａｄの断面積が大きいため、磁束の大部分がギャップ孔２４を迂回して、ブリッジ部２０Ａｄを通過する。すなわち、比較例４では、ギャップ孔２４による磁気飽和を抑制する効果が弱くなっており、これがＬ値の低下率（Ｌ_２Ａ－Ｌ_２０Ａ）／Ｌ_２Ａを大きくする要因だと考えられる。

実施例３（図１２）は、上述したように、Ｖ字状のギャップ孔２４を中脚部２１Ａと連結部２３Ａとの境界部を跨いで形成したものである。すなわち、実施例３は、ギャップ孔２４の位置を実施例１（図６）と比較例４（図１１）の中間にしたものである。実施例３の特性も、実施例１と比較例４の特性の中間のものとなっている。実施例３では、比較例４よりもブリッジ部２０Ａｄの断面積が小さくなるため、ブリッジ部２０Ａｄに迂回する磁束も少なくなり、Ｌ値の低下率が８０％以下に抑制されている。

実施例４～６は、実施例１からギャップ孔２４のＶ字の角度θ（図３）のみを変更したものである。表３より、いずれの角度θ（３０°≦θ≦１２０°）のギャップ孔２４でも、十分なインダクタンス向上効果が得られることが確認できる。また、角度θが小さいほどＬ値の低下率（Ｌ_２Ａ－Ｌ_２０Ａ）／Ｌ_２Ａが大きくなる傾向があるが、いずれの角度θでもＬ値の低下率が８０％未満となっており、３０°～１２０°の範囲内であれば概ね良好なインダクタンス特性が得られる。より望ましい角度θの範囲は、Ｌ値の低下率が７６％以下となる６０°～１２０°の範囲である。

実施例７～１０及び比較例５～７は、実施例１からブリッジ幅Ｗｄのみを変更したものである。ブリッジ幅Ｗｄは、図３の拡大図に示されるように、中脚部２１ＡのＹ軸方向に垂直な（すなわち、中脚部２１Ａの中心面Ｃと平行な）側面からギャップ孔２４までのＹ軸方向の距離である。表３より、いずれのブリッジ幅Ｗｄ（０．５ｍｍ≦Ｗｄ≦４．０ｍｍ）でも、十分なインダクタンス向上効果が得られることが確認できる。ブリッジ幅Ｗｄが大きくなるほど、インダクタンス向上効果も大きくなるが、同時に、Ｌ値の低下率（Ｌ_２Ａ－Ｌ_２０Ａ）／Ｌ_２Ａも大きくなる。Ｌ値の低下率を抑えるためには、ブリッジ幅Ｗｄをなるべく狭くすることが望ましい。しかし、ブリッジ幅Ｗｄを０．５ｍｍより薄くすると力学的強度の確保が難しくなるため、ブリッジ幅Ｗｄは０．５ｍｍ以上とするのが望ましい。また、ブリッジ幅Ｗｄを１．５ｍｍより薄くすると、要素ギャップ孔２４ａの加工が難しくなり、加工コストが上昇する。従って、ブリッジ幅Ｗｄは１．５ｍｍ以上とするのがより望ましい。また、ブリッジ幅Ｗｄは、Ｌ値の低下率が８０％以下となる２．５ｍｍ以下であることが望ましい。より望ましいブリッジ幅Ｗｄの範囲は、Ｌ値の低下率が７６％以下となる２．０ｍｍ以下である。

また、表３より、実施例７（Ｗｄ＝０．５ｍｍ）、実施例８（Ｗｄ＝１．０ｍｍ）、実施例１（Ｗｄ＝１．５ｍｍ）は、それぞれ同じブリッジ幅Ｗｄで直線状ギャップが形成された比較例８（Ｗｄ＝０．５ｍｍ）、比較例９（Ｗｄ＝１．０ｍｍ）、比較例２（Ｗｄ＝１．５ｍｍ）よりも、初期インダクタンス値が向上することが確認される。

以上が本発明の実施形態の説明であるが、本発明は、上記の実施形態の構成に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内において様々な変形が可能である。例えば明細書中に記載された一つ以上の実施形態の技術構成の少なくとも一部と周知の技術構成とを適宜組み合わせたものも本発明の実施形態に含まれる。

上記の実施形態では、ギャップ孔２４が中脚部２１に形成されているが、外脚部２２に形成してもよい。この場合も、ギャップ孔２４は外脚部２２の長さ方向における端部に形成されることが望ましい。また、ギャップ孔２４を連結部２３に形成してもよい。

上記の実施形態では、コア２０に単一のギャップ孔２４が形成されているが、コア２０に複数のギャップ孔２４を設けてもよい。例えば、中脚部２１の長さ方向における両端部にギャップ孔２４を設けても良い。また、中脚部２１及び外脚部２２のそれぞれに１つずつギャップ孔２４を形成してもよい。また、コア２０に設けた複数の磁気ギャップのうちの少なくとも一つをＶ字状のギャップ孔２４とし、残りを通常のギャップ（比較例１）や直線状のギャップ孔（比較例２）等の別の形態の磁気ギャップとしてもよい。また、ギャップ孔２４をＵ字状に形成してもよい。また、上記の実施形態では、ギャップ孔２４の全体が中脚部２１に形成されているが、ギャップ孔２４の少なくとも一部が中脚部２１と連結部２３との境界部に形成されていればよい。

上記の実施形態では、治具６０の注入口６２を拡張部２４２に挿入して磁性樹脂３０をギャップ孔２４に充填しているが、別の実施形態では、注入口６２を拡張部２４２の上方に設置し、拡張部２４２の上方に設置された注入口６２からギャップ孔２４に磁性樹脂３０を流し込んで充填してもよい。

上記の実施形態では、磁性樹脂３０がギャップ孔２４に充填されているが、別の実施形態では、軟磁性粉末を含有しない樹脂がギャップ孔２４に充填されてもよい。軟磁性粉末を含有しない樹脂では、実効透磁率や直流重畳特性を調整したりギャップ孔２４からの漏れ磁束を低減させたりすることはできないが、ギャップ孔２４周囲のコア２０の剛性が向上するため、ギャップ孔２４内で発生する電磁吸引力によるコア２０の振動及びこの振動に伴う騒音が少なく抑えられる。また、ギャップ孔２４に何も充填しなくてもよい。

上記の実施形態のコア２０は一対の外脚部２２（外脚部２２Ａと外脚部２２Ｂが接合したもの）を備えているが、コア２０が単一又は３つ以上の外脚部２２を備えていてもよい。

上記の実施形態はＥＩ形の積層磁心に本発明を適用した例であるが、別の形状（例えば、ＥＥＲ形、ＥＥ形、ＰＱ形等）や別の材質（例えば、圧粉磁心、フェライト磁心、アモルファス金属磁心、磁性体の粒子を含む樹脂から形成されたメタルコンポジット磁心等）の磁心にも本発明を適用することができる。

上記の実施形態は本発明をリアクトルに適用したものであるが、本発明はこの構成に限定されず、例えば、トランスやチョークコイル等の各種インダクタに本発明を適用することができる。

１ コイル装置
１０ コイル
２０ コア
２０Ａ 積層コア（Ｅコア）
２０Ａｄ ブリッジ部
２０Ｂ 積層コア（Ｉコア）
２１Ａ、２１Ｂ 中脚部
２２Ａ、２２Ｂ 外脚部
２３Ａ、２３Ｂ 連結部（ヨーク部）
２４ ギャップ孔
３０ 磁性樹脂
５０ 金型
６０ 治具
Ｇ ギャップ長

Claims (10)

1. ヨーク部と、
   前記ヨーク部の一面に一端部が接続した脚部と、
   を備え、
   前記ヨーク部と前記脚部との境界部を跨がってＶ字状のギャップ孔が形成された、
   磁心。
2. 前記Ｖ字状のギャップ孔の両端部が前記ヨーク部に位置し、
   前記Ｖ字状のギャップ孔の頂点部が前記脚部に位置する、
   請求項１に記載の磁心。
3. ヨーク部と、
   前記ヨーク部の一面に一端部が接続した脚部と、
   を備え、
   前記脚部の一端部にＶ字状のギャップ孔が形成された、
   磁心。
4. 前記Ｖ字状のギャップ孔の両端部が、前記ヨーク部と前記脚部との境界部に位置する、
   請求項３に記載の磁心。
5. 前記Ｖ字状のギャップ孔の頂点部が、前記ヨーク部と前記脚部との境界部に位置する、
   請求項３に記載の磁心。
6. 前記ギャップ孔が、前記脚部の長さ方向に延びる中心線を含む平面である中心面に関して対称である、
   請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の磁心。
7. 前記脚部の前記中心面と平行な側面から前記ギャップ孔までの距離であるブリッジ幅が、０．５ｍｍ～２．５ｍｍの範囲内にある、
   請求項６に記載の磁心。
8. 前記ギャップ孔のＶ字の角度が３０°～１２０°の範囲内にある、
   請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の磁心。
9. 積み重ねられた複数のコア板からなる積層磁心であり、
   各前記コア板に要素ギャップ孔が形成されていて、
   積み重ねられた前記複数のコア板の前記要素ギャップ孔が連絡して、前記ギャップ孔が形成された、
   請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の磁心。
10. コイルと、
    請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の磁心と、
    を備え、
    前記コイル中に前記脚部が挿入された、
    コイル装置。

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