JP2023116224A - Magnetic core, and common mode choke coil using the same - Google Patents

Magnetic core, and common mode choke coil using the same Download PDF

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Abstract

To provide a magnetic core capable of reducing size and amount of copper wire used while maintaining sufficient characteristics, and a toroidal coil using the magnetic core.SOLUTION: A magnetic core used in a common mode choke coil, is formed using nano crystal magnetic material. When the width in cross-sectional shape is a, the height is b, the core inner diameter is ID, and the effective cross-sectional area of core is Ae, b/a=1.0-1.3, and ID/√Ae=4.0-5.3 are satisfied.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

特許法第30条第2項適用申請有り 日刊工業新聞 令和4年2月1日付朝刊Applied for application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act Nikkan Kogyo Shimbun February 1, 2022 morning edition

本発明は磁性コアと、これを用いたコモンモ―ドチョークコイルに関し、特に巻線長を減じながらも性能を維持することのできる磁性コアと、これを用いたコモンモ―ドチョークコイルに関する。 The present invention relates to a magnetic core and a common mode choke coil using the same, and more particularly to a magnetic core capable of maintaining performance while reducing winding length and a common mode choke coil using the same.

従来、コモンモ―ドチョークコイルは、ノイズ対策用部品としてACアダプタ、家電等の電源機器に広く使用されている。かかるコモンモ―ドチョークコイルには、トロイダル状のフェライトコアが多く使用されており、これはコストと性能のバランスが優れていることが理由となっている。但し、このフェライトコアは、インダクタンス値が大きく、直流電流が重畳しても磁気飽和しないことが要求される場合には、その要求を満たすために大型化せざるを得ないものとなっていた。 Conventionally, common mode choke coils have been widely used in power supply equipment such as AC adapters and home appliances as components for noise countermeasures. Toroidal ferrite cores are often used in such common mode choke coils because of their excellent balance between cost and performance. However, the ferrite core has a large inductance value, and when it is required that the magnetic saturation does not occur even if a DC current is superimposed, the size of the ferrite core must be increased in order to meet the requirement.

そこで特許文献1(特開2001-68364号公報)では、磁性体の材質を変更することにより、小型なリングコアを用いた小型のトロイダルコイルが提案されている。即ちこの文献では、予め導線を捲回してなる筒状コイルをリング状に撓めながら、分割されたリングコアのそれぞれを該筒状コイル空芯部に挿入し、分割面を接合してリングコアを形成するトロイダルコイルの製造方法が提案されている。特にこの文献において、筒状コイルは平角線を捲回した角筒状コイルであることも開示している。 Therefore, Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-68364) proposes a small toroidal coil using a small ring core by changing the material of the magnetic body. That is, in this document, while bending a cylindrical coil formed by winding a conductive wire in advance into a ring shape, each of the divided ring cores is inserted into the hollow core portion of the cylindrical coil, and the divided surfaces are joined to form the ring core. A method for manufacturing a toroidal coil has been proposed. In particular, this document also discloses that the tubular coil is a rectangular tubular coil wound with a rectangular wire.

また従前においては磁性コアに対する巻線時におけるワイヤの欠陥についても検討されている。例えば特許文献2(実開平1-153606号公報)では、従来のコア用ケースの断面形状が正方形であり、その外周面にワイヤを捲回した場合には、四角形の過度の部分においてワイヤに無理な聴力が架かり、ピンホールやクラックなどの欠陥部が生じやすいとの課題に着目して、ケース外周面に捲回されるワイヤとケース外周面との当接部の断面形状を円形または5角形以上の頂点形状とすることが提案されている。 Also, conventionally, wire defects during winding on a magnetic core have been investigated. For example, in Patent Document 2 (Japanese Utility Model Laid-Open No. 1-153606), when the cross-sectional shape of a conventional core case is square, and a wire is wound around the outer peripheral surface, the wire is forced to bend at the excessive portion of the square. Focusing on the problem that defective parts such as pinholes and cracks are likely to occur due to strong hearing, the cross-sectional shape of the contact part between the wire wound around the outer peripheral surface of the case and the outer peripheral surface of the case is made circular or five. It has been proposed to use a vertex shape that is more than square.

更に、近年では優れた特性を有するナノ結晶磁性コアを使用した磁心も開発され、実用化されている。ナノ結晶磁性コアは高透磁率、高飽和磁束密度、温度特性に優れ、軽量などの特徴を有する。これらの特徴から、ナノ結晶磁性コアを使用することにより、コモンモ―ドチョークコイルの高性能化、小型化が可能となる。例えば特許文献3(特開2020-141041号公報)では、コイルおよび磁性コアを含むコイル部品であって、前記磁性コアは複数の軟磁性層が積層されている積層体を有し、前記軟磁性層の厚みが10μm以上30μm以下であり、Fe基ナノ結晶からなる構造が前記軟磁性層に観察されるコイル部品を提案している。 Furthermore, in recent years, magnetic cores using nanocrystalline magnetic cores with excellent properties have also been developed and put into practical use. The nanocrystalline magnetic core has features such as high permeability, high saturation magnetic flux density, excellent temperature characteristics, and light weight. Due to these characteristics, the use of nanocrystalline magnetic cores makes it possible to improve the performance and reduce the size of common mode choke coils. For example, Patent Document 3 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-141041) discloses a coil component including a coil and a magnetic core, wherein the magnetic core has a laminate in which a plurality of soft magnetic layers are laminated, and the soft magnetic It proposes a coil component having a layer thickness of 10 μm or more and 30 μm or less, in which a structure composed of Fe-based nanocrystals is observed in the soft magnetic layer.

特開2001-68364号公報JP-A-2001-68364 実開平1-153606号公報Japanese Utility Model Laid-Open No. 1-153606 特開2020-141041号公報JP 2020-141041 A

前記の通り特許文献1では磁性コアを構成する材料を変更する事で、トロイダルコイルの小型化を提案している。しかしながら、この文献は製造方法の改良によって当該課題を解決するものであり、磁性コア自体の形状を考慮するものではなかった。そこで本発明は磁性コアの形状を再考することにより、トロイダルコイルの小型化を実現すると共に、更に捲回する銅線の量を減じる事のできる磁性コアと、これを用いたトロイダルコイルを提供することを課題の1つとする。 As described above, Patent Document 1 proposes miniaturization of the toroidal coil by changing the material forming the magnetic core. However, this document aims to solve the problem by improving the manufacturing method, and does not consider the shape of the magnetic core itself. Therefore, the present invention provides a magnetic core and a toroidal coil using the magnetic core that can reduce the size of the toroidal coil and further reduce the amount of copper wire to be wound by reconsidering the shape of the magnetic core. This is one of the issues.

また、前記特許文献2では磁性コアに対するワイヤ(銅線など)の捲回時における欠陥について検討されているが、インダクタンスなどの特性については未だ十分に検討されていなかった。そこで本発明では、小型化を実現し、更に使用する銅線の量を減じながらも、十分な特性を確保することのできる磁性コアと、これを用いたトロイダルコイルを提供することも別の課題とする。 In addition, although Patent Literature 2 discusses defects that occur when a wire (copper wire, etc.) is wound around a magnetic core, characteristics such as inductance have not yet been fully investigated. Therefore, another object of the present invention is to provide a magnetic core capable of ensuring sufficient characteristics while realizing miniaturization and reducing the amount of copper wire used, and a toroidal coil using the same. and

また、特許文献3ではナノ結晶からなるコイル部品も提案されているが、当該ナノ結晶磁性コアは、優れた特徴を有する反面、製法上の理由等でコストが高く、汎用機器での採用は小規模にとどまっている。そこで本発明では、コモンモ―ドチョークコイル用の磁性コアとしてナノ結晶磁性コアを使用しながらも低コストであり、更にフェライトコアを使用したコモンモ―ドチョークコイルと同じ性能でありながらも、小型化することができるコモンモ―ドチョークコイルと、これに使用する磁性コアを提供することも更に別の課題とする。 In addition, Patent Document 3 proposes a coil component made of nanocrystals, but while the nanocrystal magnetic core has excellent characteristics, it is expensive due to reasons such as the manufacturing method, and is not widely used in general-purpose equipment. remains on scale. Therefore, in the present invention, although a nanocrystalline magnetic core is used as a magnetic core for a common mode choke coil, the cost is low, and the performance is the same as that of a common mode choke coil using a ferrite core, but the size is reduced. It is a further object to provide a common mode choke coil and a magnetic core for use therewith that can

上記問題点を解決するために本発明者らは、鋭意検討を行い、磁気飽和特性、コアの体積、インダクタンス、さらに銅線量に着目し課題の解決を図った。 In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors conducted intensive studies, focused on magnetic saturation characteristics, core volume, inductance, and copper wire amount, and attempted to solve the problems.

すなわち本発明では、コモンモードチョークコイルに使用される磁性コアであって、ナノ結晶磁性材料を用いて形成されており、断面の有効断面積をAe、断面形状における幅をa、高さをb、コア内径をIDとしたときに、aとbの比がb/a=1.0~1.3、であり、かつ、IDと√Aeの比がID/√Ae=4.0~5.3である磁性コアを提供する。 That is, in the present invention, the magnetic core used in the common mode choke coil is formed using a nanocrystalline magnetic material, and has an effective cross-sectional area of Ae, a width of the cross-sectional shape, and a height of b , where the core inner diameter is ID, the ratio of a to b is b/a = 1.0 to 1.3, and the ratio of ID to √Ae is ID/√Ae = 4.0 to 5. .3 to provide a magnetic core.

また本発明では、当該磁性コアに捲回した銅線とからなるコモンモードチョークコイルを提供する。磁性コアに捲回す銅線は丸線または平角線であって良く、特に平角線を使用する場合には、前記磁性コアに対してエッジワイズ方向に巻かれているコモンモードチョークコイルとすることができる。 The present invention also provides a common mode choke coil comprising a copper wire wound around the magnetic core. The copper wire wound around the magnetic core may be a round wire or a rectangular wire. Especially when a rectangular wire is used, the common mode choke coil may be wound around the magnetic core in an edgewise direction. can.

そして本発明では、前記本発明のコモンモードチョークコイルの製造方法であって、前記ナノ結晶合金箔を積層させて環状体に形成した積層コアからなる磁性コアに対して、銅線を自動巻線機によって巻線するコモンモードチョークコイルの製造方法を提供する。 According to the present invention, there is provided a method for manufacturing a common mode choke coil according to the present invention, wherein a copper wire is automatically wound on a magnetic core comprising a laminated core formed by laminating the nanocrystalline alloy foils to form an annular body. A method for manufacturing a machine-wound common mode choke coil is provided.

本発明に係るコモンモードチョークコイルに使用される磁性コアは、ナノ結晶磁性材料を用いて形成されており、断面形状における幅をa、高さをb、コア内径をID、コアの有効断面積をAeとしたときに、b/a=1.0~1.3、ID/√Ae=4.0~5.3としている。これにより、小型化を実現し、更に使用する銅線の量を減じながらも、十分な特性を確保することのできる磁性コアと、これを用いたコモンモードチョークコイルを提供することができる。特に当該磁性コアは、ナノ結晶磁性コアを使用しながらも小型化によって低コストを実現することができ、更にフェライトコアを使用したコモンモ―ドチョークコイルと同じ性能でありながらも、小型化することができるコモンモ―ドチョークコイルと、これに使用する磁性コアを提供することができる。 The magnetic core used in the common mode choke coil according to the present invention is formed using a nanocrystalline magnetic material. is Ae, b/a=1.0-1.3 and ID/√Ae=4.0-5.3. As a result, it is possible to provide a magnetic core and a common mode choke coil using the magnetic core that can ensure sufficient characteristics while achieving miniaturization and reducing the amount of copper wire used. In particular, the magnetic core can achieve low cost by miniaturization while using a nanocrystalline magnetic core, and furthermore, it can be miniaturized while having the same performance as a common mode choke coil using a ferrite core. It is possible to provide a common mode choke coil and a magnetic core used therefor.

本実施の形態に係る磁性コアを示す(A)斜視図、(B)正面図、(C)C-C断面図(A) perspective view, (B) front view, and (C) CC cross-sectional view showing the magnetic core according to the present embodiment 図1の磁性コアを使用し、(A)平角線、(B)丸線を捲回して形成したコモンモ―ドチョークコイルの斜視図Perspective view of a common mode choke coil formed by winding (A) a rectangular wire and (B) a round wire using the magnetic core of FIG. 実施例2における√Ae-ID」のグラフGraph of √Ae-ID in Example 2 実施例3の結果を示すグラフGraph showing the results of Example 3

以下、図面を参照しながら、本実施の形態にかかる磁性コアとこれを用いて形成したコモンモードチョークコイルを具体的に説明する。特に本実施の形態において、磁性コアはナノ結晶磁性材料を用いて形成している。 Hereinafter, a magnetic core according to the present embodiment and a common mode choke coil formed using the same will be specifically described with reference to the drawings. Particularly in this embodiment, the magnetic core is formed using a nanocrystalline magnetic material.

図1は本実施の形態に係る磁性コア10を示す(A)正面図、(B)斜視図、(C)C-C断面図である。特にこの実施の形態に係る磁性コア10は、トロイダル形状に形成しており、その断面形状(C-C断面形状)はほぼ正方形に形成している。かかる磁性コア10における厚さをa、円環形状の径方向を高さbとしたときに、厚さaと高さbの比(b/a)は、1.0~1.3とすることができる。 FIG. 1 shows (A) a front view, (B) a perspective view, and (C) a CC sectional view showing a magnetic core 10 according to the present embodiment. In particular, the magnetic core 10 according to this embodiment is formed in a toroidal shape, and its cross-sectional shape (CC cross-sectional shape) is formed to be substantially square. When the thickness of the magnetic core 10 is a, and the radial direction of the ring shape is the height b, the ratio (b/a) of the thickness a to the height b is 1.0 to 1.3. be able to.

また、当該磁性コアを構成するナノ結晶磁性材料は、ナノクリスタル、超微結晶合金、超微結晶軟磁性合金などとも呼ばれ、アモルファス(非晶質)合金中にナノサイズの結晶を有する軟磁性材料として提供されている。 In addition, the nanocrystalline magnetic material constituting the magnetic core is also called nanocrystal, ultramicrocrystalline alloy, ultramicrocrystalline soft magnetic alloy, etc., and is a soft magnetic material having nano-sized crystals in an amorphous (amorphous) alloy. provided as materials.

かかるナノ結晶磁性コア10には、銅線を巻線することにより、図2に示す様にコモンモードチョークコイル20とすることができる。かかる銅線は各種断面形状の銅線を使用することができるが、望ましくは断面が矩形に形成されている平角銅線を使用する。平角銅線を使用する事により銅線の占積率を上げることができ、コモンモードチョークコイル20の小型化・大電流化を実現することができる為である。 By winding a copper wire around the nanocrystalline magnetic core 10, a common mode choke coil 20 can be formed as shown in FIG. Copper wires having various cross-sectional shapes can be used as such copper wires, but rectangular copper wires having rectangular cross-sections are preferably used. This is because the space factor of the copper wire can be increased by using the rectangular copper wire, and the common mode choke coil 20 can be reduced in size and increased in current.

また、当該銅線は自動巻線機を使用してエッジワイズにより巻線することが望ましい。
エッジワイズによって巻線することにより、銅線断面の短辺側がコアに接するので、巻くことのできる銅線の本数、すなわちコイルの巻数を増やすことができる。さらに巻線機を用いた自動巻きとすることにより優れた高周波特性を有し、かつ丸線をレイヤー上に積み上げながら巻く構造と異なりレイヤーショート不良の発生を抑制し高品質を実現することができる為である。
Also, the copper wire is preferably wound edgewise using an automatic winding machine.
Edgewise winding makes it possible to increase the number of copper wires that can be wound, that is, the number of turns of the coil, because the short side of the cross section of the copper wire is in contact with the core. In addition, automatic winding using a winding machine provides excellent high-frequency characteristics, and unlike a structure in which round wires are wound while piling up layers, it is possible to suppress the occurrence of layer short defects and achieve high quality. It is for

〔実施例1〕
この実施例では、コモンモードチョークコイルとして実用的な磁気飽和特性に着目した。即ち、ナノ結晶磁性コアは、コアの有効断面積Aeが1/5程度でもフェライトコアと同等の性能が得られることを確認する為に実験を行った。
[Example 1]
In this embodiment, attention is focused on practical magnetic saturation characteristics as a common mode choke coil. That is, an experiment was conducted to confirm that a nanocrystalline magnetic core can obtain performance equivalent to that of a ferrite core even if the effective area Ae of the core is about 1/5.

B=μH、H=NI/Le、AL=μAe/Leの各式を L=AL・N2 に代入し式を整理すると以下の式が得られる。Nはコイルの巻数(ターン数)、Leはコアの磁路長である。
I=B・Ae・N/L
磁気飽和時の磁束密度Bm、そのときの電流をImとすると、上記式は以下のようになる。
Im=Bm・Ae・N/Lleak
ここでLleakは磁気飽和時のインダクタンス、即ち漏れインダクタンスである。
この式を変形して Ae=Im・Lleak/Bm・Nより、必要なコア断面積Aeを算出することができ、同じ磁気飽和電流Imを得ようとするとき、飽和磁束密度Bmが高いほどコアの有効断面積Aeは小さくできることが確認できる。
Substituting the equations B=μH, H=NI/Le, and AL=μAe/Le into L=AL・N 2 and arranging the equations yields the following equations. N is the number of turns of the coil, and Le is the magnetic path length of the core.
I=B・Ae・N/L
Assuming that the magnetic flux density at the time of magnetic saturation is Bm and the current at that time is Im, the above equation is as follows.
Im=Bm・Ae・N/Lleak
Here, Lleak is the inductance at magnetic saturation, that is, the leakage inductance.
By modifying this formula, Ae=Im・Lleak/Bm・N, the necessary core cross-sectional area Ae can be calculated. It can be confirmed that the effective cross-sectional area Ae of can be reduced.

そこでフェライトコア(透磁率:μ7000、外径:47mm、内径27mm、厚さ:15mm)とナノ結晶磁性コア(透磁率:μ36000、外径:40mm、内径28mm、厚さ:6mm)の飽和磁束密度Bmを実測したところ、以下のような結果が得られた。なお、飽和磁束密度Bmは100℃での値である。その結果を以下の表1に示す。 Therefore, the saturation magnetic flux density of a ferrite core (permeability: μ7000, outer diameter: 47 mm, inner diameter: 27 mm, thickness: 15 mm) and a nanocrystalline magnetic core (permeability: μ36000, outer diameter: 40 mm, inner diameter: 28 mm, thickness: 6 mm) When Bm was actually measured, the following results were obtained. Note that the saturation magnetic flux density Bm is a value at 100°C. The results are shown in Table 1 below.

上記表1の結果から、同等の磁気飽和電流Imを得ようとしたとき、コイルの巻数Nと磁気飽和時のインダクタンスLleakが同じでならば、ナノ結晶磁性コアは、フェライトコアの約1/5の断面積で済むことになる。コアの直径が同じならば断面積が1/5となることで、コアの体積も1/5となり、コアのコストを下げることができ、フェライトコアとナノ結晶磁性コアの価格差を狭める、ないしは同等とすることができる。即ち、この例で考えれば、ナノ結晶磁性コアの単位体積当たりの単価が、フェライトコアの単位体積当たりの単価の約5倍であっても、その使用体積を削減することができる結果、同等の価格にすることができる。
〔実施例2〕
From the results in Table 1 above, when trying to obtain the same magnetic saturation current Im, if the number of turns N of the coil and the inductance Lleak at magnetic saturation are the same, the nanocrystalline magnetic core is about 1/5 that of the ferrite core. A cross-sectional area of . If the diameter of the core is the same, the cross-sectional area will be 1/5, and the volume of the core will also be 1/5. can be equivalent. That is, considering this example, even if the unit price per unit volume of the nanocrystalline magnetic core is about five times the unit price per unit volume of the ferrite core, the volume used can be reduced, resulting in an equivalent can be priced.
[Example 2]

この実施例では、フェライトコアとの比較において、コア体積を小さくでき、銅線使用量を少なくすることができ、そして飽和電流を流すことができるコアの形状について検討を行った。
以下において、Sは幾何学的な断面積(=縦a×横b)、Aeは実効断面積(=S×占積率δ)であり、フェライトコアの占積率δは0.97、ナノクリスタルコアの占積率δは0.79である。
そしてコア内径IDを求めるために、コア断面積Aeと内径窓面積Sidの関係について検討を行なった。
In this example, in comparison with the ferrite core, the shape of the core that can make the core volume smaller, the amount of copper wire used can be reduced, and the saturation current can flow was investigated.
In the following, S is the geometric cross-sectional area (= vertical a × horizontal b), Ae is the effective cross-sectional area (= S × space factor δ), the space factor δ of the ferrite core is 0.97, and the nanocrystal core is 0.79.
In order to obtain the core inner diameter ID, the relationship between the core cross-sectional area Ae and the inner diameter window area Sid was examined.

コア内径の窓面積(空間部面積) Sid=π(ID/2)2 をN本の銅線が通過するとき、銅線1本あたりの断面積sは以下の通りである。
s=n・Sid/N = π・n・(ID/2)2/N
ただし、nは、コア内径の窓面積Sidの円を断面積sの円の銅線で埋めた時の面積充填率(巻数N=7以上の範囲でn≒0.75)である。
When N copper wires pass through the core inner diameter window area (space area) Sid=π(ID/2) 2 , the cross-sectional area s per copper wire is as follows.
s=n・Sid/N = π・n・(ID/2) 2 /N
However, n is the area filling factor when the circle of the window area Sid of the core inner diameter is filled with the copper wire of the cross-sectional area s (n≈0.75 when the number of turns N=7 or more).

銅線の許容電流密度J(一般的にはJ=10A/mm2とされる)を用いれば、1本の銅線に流すことのできる電流の上限Iは、以下の式で定めることができる。
I = J・s = π・J・n・(ID/2) 2/N
Using the permissible current density J of copper wire (generally J=10A/ mm2 ), the upper limit I of the current that can be passed through a single copper wire can be determined by the following formula. .
I = J・s = π・J・n・(ID/2) 2 /N

一方、磁気飽和電流Imは上述したように Im=Bm・Ae・N/Lleak で与えられる。この磁気飽和電流を流すためには「Im≦I」である必要があるので、下式の関係を満たす必要がある。
Bm・Ae・N/Lleak ≦ πJn(ID/2) 2/N
{4・Bm・N2/(n・π・J・Lleak)}・Ae ≦ ID2
k√Ae ≦ ID
ただし、k = √{4・Bm・N2/(n・π・J・Lleak)}・・・・・・(式1)
On the other hand, the magnetic saturation current Im is given by Im=Bm·Ae·N/Lleak as described above. In order to allow this magnetic saturation current to flow, it is necessary to satisfy "Im≦I", so the following relationship must be satisfied.
Bm・Ae・N/Lleak ≤ πJn(ID/2) 2 /N
{4・Bm・N2 /(n・π・J・Lleak)}・Ae ≤ ID2
k√Ae ≤ ID
However, k = √{4·Bm·N 2 /(n·π·J·Lleak)} (Formula 1)

この式は飽和電流の観点からコア断面積Aeとコア内径IDの関係を示すもので、コア断面積Aeが大きいほど、磁気飽和電流Imが大きくなるため、その磁気飽和電流Imを流せるだけの銅線を巻くためコア内径IDも大きくなることを示している。 This formula shows the relationship between core cross-sectional area Ae and core inner diameter ID from the viewpoint of saturation current. The larger the core cross-sectional area Ae, the larger the magnetic saturation current Im. It shows that the inner diameter ID of the core also increases due to the winding of the wire.

そして「k√Ae = ID」であれば、磁気飽和電流Imをちょうど流せることを示している。仮に横軸√Ae、縦軸IDのグラフの傾きkが小さく、「k√Ae < ID」であれば、磁気飽和電流Imを流す余裕があることになるが、飽和電流以上の電流を流してもコアの特性は飽和しているので無駄になってしまう。仮に当該傾きkが大きく、「k√Ae > ID」であれば、コアが流すできる電流を流しきれないことになる。このため当該傾きkにはある程度の上限・下限が存在することになる。
そこで、当該傾きkの適切な範囲を確認するため、実際のコモンモ―ドチョークコイルを用いて実測値を元に計算した。
なお以下の表1及び2に示す各サンプルの名称は、「コア種類-巻数-銅線径(例:240→φ2.4)」を意味しており、各サンプルで使用している磁性コアは以下の通りである。
And if "k√Ae = ID", it shows that the magnetic saturation current Im can flow just right. If the slope k of the horizontal axis √Ae and the vertical axis ID is small and "k√Ae <ID", there is room for the magnetic saturation current Im to flow. However, since the characteristics of the core are saturated, it is wasted. If the slope k is large and "k√Ae>ID", the current that the core can flow cannot flow. Therefore, the slope k has certain upper and lower limits.
Therefore, in order to confirm the appropriate range of the slope k, calculation was performed using actual common mode choke coils based on actual measurements.
The name of each sample shown in Tables 1 and 2 below means "core type - number of turns - copper wire diameter (example: 240 → φ2.4)", and the magnetic core used in each sample is It is as follows.

〔ナノ結晶磁性コア〕
NCS40-12-240 :磁性コア(比透磁率:μ36000、外径:40mm、内径28mm、厚さ:6mm)
NCS40-19-150 :磁性コア(比透磁率:μ36000、外径:40mm、内径28mm、厚さ:6mm)
NCS32-07-200 :磁性コア(比透磁率:μ36000、外径:32mm、内径21mm、厚さ:5.5mm)
NCS32-13-150 :磁性コア(比透磁率:μ36000、外径:32mm、内径21mm、厚さ:5.5mm)
NC29-10-180 :磁性コア(比透磁率:μ36000、外径:29mm、内径20mm、厚さ:4.5mm)
Q26-10-150 :磁性コア(比透磁率:μ36000、外径:26mm、内径18mm、厚さ:4mm)
[Nanocrystalline magnetic core]
NCS40-12-240: Magnetic core (relative magnetic permeability: μ36000, outer diameter: 40mm, inner diameter: 28mm, thickness: 6mm)
NCS40-19-150: Magnetic core (relative magnetic permeability: μ36000, outer diameter: 40mm, inner diameter: 28mm, thickness: 6mm)
NCS32-07-200: Magnetic core (relative magnetic permeability: μ36000, outer diameter: 32mm, inner diameter: 21mm, thickness: 5.5mm)
NCS32-13-150: Magnetic core (relative magnetic permeability: μ36000, outer diameter: 32mm, inner diameter: 21mm, thickness: 5.5mm)
NC29-10-180: Magnetic core (relative magnetic permeability: μ36000, outer diameter: 29mm, inner diameter: 20mm, thickness: 4.5mm)
Q26-10-150: Magnetic core (relative magnetic permeability: μ36000, outer diameter: 26mm, inner diameter: 18mm, thickness: 4mm)

〔フェライトコア〕
ADR47M-12-240:磁性コア(透磁率:μ7000、外径:47mm、内径27mm、厚さ:15mm)
ADR-47-12-240:磁性コア(透磁率:μ5500、外径:47mm、内径27mm、厚さ:15mm)
ADR38M-07-200:磁性コア(透磁率:μ7000、外径:38.1mm、内径19mm、厚さ:12.7mm)
ADR31M-11-180:磁性コア(透磁率:μ7000、外径:31mm、内径20mm、厚さ:15mm)
ADR25M-09-150:磁性コア(透磁率:μ7000、外径:25mm、内径15mm、厚さ:12mm)
〔Ferrite core〕
ADR47M-12-240: Magnetic core (permeability: μ7000, outer diameter: 47mm, inner diameter: 27mm, thickness: 15mm)
ADR-47-12-240: Magnetic core (permeability: μ5500, outer diameter: 47mm, inner diameter: 27mm, thickness: 15mm)
ADR38M-07-200: Magnetic core (permeability: μ7000, outer diameter: 38.1mm, inner diameter: 19mm, thickness: 12.7mm)
ADR31M-11-180: Magnetic core (permeability: μ7000, outer diameter: 31mm, inner diameter: 20mm, thickness: 15mm)
ADR25M-09-150: Magnetic core (permeability: μ7000, outer diameter: 25mm, inner diameter: 15mm, thickness: 12mm)

表2中、Bm:飽和磁束密度(T)、N:銅線の巻数、J:銅線の最大電流密度(A/mm2)、Lleak:漏れインダクタンス(μH)、n:銅線の占積率、k:前記式1から得られるkの値、Ae:コア断面積(mm2)、ID:コア内径(mm) In Table 2, Bm: saturation magnetic flux density (T), N: number of turns of copper wire, J: maximum current density of copper wire (A/mm 2 ), Lleak: leakage inductance (μH), n: occupancy of copper wire ratio, k: value of k obtained from the above formula 1, Ae: core cross-sectional area (mm 2 ), ID: core inner diameter (mm)

表3中、Bm:飽和磁束密度(T)、N:銅線の巻数、J:銅線の最大電流密度(A/mm2)、Lleak:漏れインダクタンス(μH)、n:銅線の占積率、k:前記式1から得られるkの値、Ae:コア断面積(mm2)、ID:コア内径(mm) In Table 3, Bm: saturation magnetic flux density (T), N: number of turns of copper wire, J: maximum current density of copper wire (A/mm 2 ), Lleak: leakage inductance (μH), n: occupancy of copper wire ratio, k: value of k obtained from the above formula 1, Ae: core cross-sectional area (mm 2 ), ID: core inner diameter (mm)

上記の表2及び表3に示す様に、何れの磁性コアも「k√Ae ≦ ID」の要件を満たしている。そして他のコアも含めて「ID-√Ae」のグラフを描き、前記傾きID/√Aeを求めてみると、フェライトコアの場合は、前記傾きID/√Ae=2.2、ナノ磁性コア(NCシリーズ)の場合は傾きID/√Ae=4.0~5.3であった(図3参照)。 As shown in Tables 2 and 3 above, all magnetic cores satisfy the requirement of "k√Ae≦ID". Then, drawing a graph of "ID - √Ae" including other cores and calculating the slope ID/√Ae, in the case of ferrite cores, the slope ID/√Ae = 2.2, nano magnetic core (NC series), the slope ID/√Ae was 4.0 to 5.3 (see Fig. 3).

〔実施例3〕
次に、コアサイズやインダクタンスとコスト(銅線使用量)について検討した。その結果、コア断面の縦横比率が 1.0~1.3 の付近で銅線コストが最小になることを見出した。
[Example 3]
Next, we examined the core size, inductance, and cost (amount of copper wire used). As a result, we found that the copper wire cost is the lowest when the aspect ratio of the core cross section is around 1.0 to 1.3.

インダクタンスを高く取れるコアほど、おなじインダクタンスLを得るのに必要な巻数を減らすことができ、その結果、巻線となる銅線の使用量を減らすことができる。かかる必要な巻数Nは、コアのインダクション係数をALとして、下式で表すことができる。
L=AL・N2 = (μAe/Le)・N2
A core with a higher inductance can reduce the number of turns required to obtain the same inductance L, and as a result, the amount of copper wire used for winding can be reduced. The required number of turns N can be expressed by the following equation, where AL is the induction coefficient of the core.
L=AL・N2 =(μAe/Le)・N2

また、コアの断面積Sとコア断面の縦横比b/aから、コア断面を一周する銅線の長さLsは下式で求めることができる。
Ls = 2(a+b)
そして、磁性コアに対する必要な銅線長Lは「L=Ls・N」によって求める事ができる。
実際に、この式を立てて微分して最小ポイントを求める、また数値計算によって必要な銅線長Lが最小となるコア断面の縦横比b/aを求めてみる。
Further, from the cross-sectional area S of the core and the aspect ratio b/a of the core cross-section, the length Ls of the copper wire that goes around the cross-section of the core can be obtained by the following formula.
Ls = 2(a+b)
Then, the necessary copper wire length L for the magnetic core can be obtained by "L=Ls·N".
In practice, this equation is set up and differentiated to find the minimum point, and the aspect ratio b/a of the cross section of the core that minimizes the required copper wire length L is found by numerical calculation.

即ち、前記「L=Ls・N」の式から「断面積Sと内径IDを先に決めた場合、r=b/a =1.3のとき銅線長最小」という結果が得られ、また同じ式から「断面積Sと磁路長Leを先に決めた場合には、r=b/a =1.0のとき銅線長最小」が得られる。さらに自動巻き線を考慮した時にはr=1.0(正方形)が望ましいことから、r=b/a=1~1.3の範囲であった。その結果を図4に示す。
なお、上記式は銅線をケースに沿って巻線する場合であり、自動巻きで円形に巻く場合は、「Ls = √(a2+b2)・π」となるが、銅線長が最小となる縦横比b/aは、r=1.2のときである。
That is, from the above formula "L = Ls N", the result "When the cross-sectional area S and the inner diameter ID are determined first, the minimum copper wire length is obtained when r = b/a = 1.3", and the same formula From this, "When the cross-sectional area S and the magnetic path length Le are determined first, the minimum copper wire length is obtained when r = b/a = 1.0". Furthermore, since r=1.0 (square) is desirable when considering automatic winding, the range of r=b/a=1 to 1.3. The results are shown in FIG.
In addition, the above formula is for winding the copper wire along the case, and when winding the copper wire in a circle by automatic winding, it becomes "Ls = √(a 2 +b 2 )・π", but the copper wire length is The minimum aspect ratio b/a is when r=1.2.

以上の結果から、コア体積を小さくでき、銅線使用量を少なくすることができ、そして飽和電流を流すことができるコアの形状を検討すると以下の通りである。
コアの断面積Aeは同等の飽和特性を有するフェライトの1/5である。
ID/√Ae = 4.0~5.3。
断面の縦横比 r=b/a=1.0~1.3、S=abより、a=√(S/r)、b=√(Sr)、
よって、コア体積を小さくでき、銅線使用量を少なくすることができ、そしてフェライトコアと同じ飽和電流を流すことができるコアの形状は、コアの断面積が同等性能のフェライトコアの1/5、b/a=1.0~1.3、ID/√Ae=4.0~5.3を満たす必要があることを確認した。
Based on the above results, the shape of the core that can reduce the volume of the core, reduce the amount of copper wire used, and allow the saturation current to flow is as follows.
The cross-sectional area Ae of the core is 1/5 that of ferrite with comparable saturation characteristics.
ID/√Ae = 4.0 to 5.3.
From the cross-sectional aspect ratio r=b/a=1.0 to 1.3 and S=ab, a=√(S/r), b=√(Sr),
Therefore, the core volume can be reduced, the amount of copper wire used can be reduced, and the core shape that can flow the same saturation current as the ferrite core has a core cross-sectional area that is 1/5 that of a ferrite core with equivalent performance. , b/a = 1.0 to 1.3, and ID/√Ae = 4.0 to 5.3.

本発明のナノ結晶磁性コアは、断面形状における幅をa、高さをb、コア内径をID、コアの有効断面積をAeとしたときに、b/a=1.0~1.3、ID/√Ae=4.0~5.3とすることで、コア体積を小さくでき、銅線使用量を少なくすることができ、そして飽和電流を流すことができるコアの形状の磁性コアとすることができる。 The nanocrystalline magnetic core of the present invention has a cross-sectional width of a, a height of b, an inner diameter of the core of ID, and an effective cross-sectional area of the core of Ae. = 4.0 to 5.3, the core volume can be reduced, the amount of copper wire used can be reduced, and the magnetic core can have a core shape that allows saturation current to flow.

その結果、コモンモ―ドチョークコイル用の磁性コアとしてナノ結晶磁性コアを使用しながらも低コストであり、更にフェライトコアを使用したコモンモ―ドチョークコイルと同じ性能でありながらも、小型化することができるコモンモ―ドチョークコイルと、これに使用する磁性コアを提供することができる。 As a result, even though nanocrystalline magnetic cores are used as magnetic cores for common mode choke coils, the cost is low, and even though the performance is the same as common mode choke coils using ferrite cores, the size can be reduced. It is possible to provide a common mode choke coil and a magnetic core used therefor.

10 磁性コア
20 コモンモ―ドチョークコイル
10 magnetic cores
20 Common mode choke coil

Claims (3)

コモンモードチョークコイルに使用される磁性コアであって、
ナノ結晶磁性材料を用いて形成されており、
断面形状における幅をa、高さをb、コア内径をID、コアの有効断面積をAeとしたときに、b/a=1.0~1.3、ID/√Ae=4.0~5.3である、磁性コア。
A magnetic core used in a common mode choke coil,
It is formed using a nanocrystalline magnetic material,
A magnetic core where b/a = 1.0 to 1.3 and ID/√Ae = 4.0 to 5.3, where a is the width in the cross-sectional shape, b is the height, ID is the core inner diameter, and Ae is the effective cross-sectional area of the core. .
請求項1に記載の磁性コアと、当該磁性コアに捲回した銅線とからなるコモンモードチョークコイル。
A common mode choke coil comprising the magnetic core according to claim 1 and a copper wire wound around the magnetic core.
請求項2に記載のコモンモードチョークコイルの製造方法であって、
前記ナノ結晶合金箔を積層させて環状体に形成した積層コアからなる磁性コアに対して、銅線を自動巻線機によって巻線することを特徴とするコモンモードチョークコイルの製造方法。
A method for manufacturing a common mode choke coil according to claim 2,
A method of manufacturing a common mode choke coil, comprising winding a copper wire with an automatic winding machine to a magnetic core comprising a laminated core formed into an annular body by laminating the nanocrystalline alloy foils.
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