JP3648425B2 - リングコア - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リングコア（ないしトロイダルコア）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リングコアは電子技術において、とりわけコイルにおいてインダクタンスを上昇させるために多種多様に使用されている。例えばここでは、オーム抵抗が誘導性リアクタンスよりも小さいチョークコイル（ないしインダクタコイル）をあげておく。リングコイル、すなわち例えばラミネート状の鉄心を組み込むことによって、このようなチョークコイルのインダクタンスが格段に上昇する（鉄心インダクタ）。鉄心（磁気）回路が閉じていれば、チョークコイルは鉄心（磁気）飽和の影響を緩和するために繁々空隙（空隙チョーク）を備える。
【０００３】
リングコアにより、コイルないしインダクタの磁化特性曲線が所望の値に調整される。このようなインダクタは、最近の比較的大きなパワーレンジのパワー電子回路でますます使用されるようになっている。単なる例として、例えばパルス状の直流電流の平滑化、直流電流のろ波、システムの分離（デカップリング）のような適用分野、または電圧制御器（降圧器、昇圧器）に対する適用をあげておく。リングコアを有するインダクタに対するさらなる適用領域は、インバータ分岐での短絡リミットチョークまたはフィルタチョークである。リングコア空隙の大きさに応じて、図１に例として示したような種々異なる磁化特性曲線が調整される。これらの磁化特性曲線はヒステリシス曲線（ないしループ）とも称される。
【０００４】
タイプａの図１のヒステリシス曲線では、リングコアは空隙を有していない。タイプｂのヒステリシス磁化曲線では、リングコアは比較的小さな空隙を有し、タイプｃのヒステリシス磁化曲線ではリングコアは非常に大きな空隙を有する。
【０００５】
リングコアの空隙は、空隙を観察し、測量することができる程度に１つの箇所に集中することができる（マクロ空隙ないし肉眼で見える空隙）。しかし複数ないし多数の小さな空隙を磁気回路ないしはリングコアに分散して配することもできる。この場合は、いわゆるミクロ空隙ないし“肉眼では見えない空隙”となる。このために鉄粉コアの場合は、非磁性材料を混入する事により有効空隙を全周囲にわたって分散して分布する。このマクロ空隙およびミクロ空隙に夫々対応する具体例が図２に示されている。
【０００６】
ＥＰ０４０１８０５から、非常に薄い層状の材料が数μｍの領域で１つのリングコアに加工処理されているリングコアが公知である。とりわけ、このリングコアの製作は非常に複雑で面倒であり、このリングコアはパワー電子回路での使用にはあまり適さない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
マクロ空隙を有するリングバンドコアの製作は通常次のように行われる。まず、ダイナモ（鉄心）薄板（Dynamoblech）を心に巻回する。この心は巻き付け過程の後に再び除去される。次に、リングに空隙を、鋸、レーザーまたは類似の加工手段を使用して切断加工する。非常に小さな空隙をこの方法によって作製することは非常に困難であり、面倒である。なぜなら、空隙幅は常に加工手段ないし工具の幅に直接依存しているからである。
【０００８】
ミクロ空隙を作製する際には、同じような困難性が空隙幅値を正確に定める際に生じる。なぜなら、磁性材料および非磁性材料を円周方向に亘って分散して分布することは通常は１００％まで完全な均質には行われないからである。
【０００９】
本発明の課題は、前記の欠点を有しておらず、容易にかつ安価に作製することのできるリングコアであって、磁化特性曲線の経過を正確に設定、調整でき、漂遊磁界が非常に少ないという利点が得られるパワー電子回路での使用に適するリングコアなしインダクタを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の第１の視点により、少なくとも２つの層により巻回された材料層からなるリングコアであって、第１の材料層は磁気的かつ電気的に伝導性の材料からなり、第２の材料層は非磁性かつ非導電性の材料からなるリングコアにおいて、第２の材料層は厚さ約０．１ｍｍの紙またはフィルムからなり、第１の材料層の層厚は約０．２３ｍｍである、ことを特徴とするパワー電子回路用リングコアを提供する。
本発明第２の視点により、第１の視点のリングコアを備えたパワー電子回路用インダクタないし短絡チョークが提供される。
【００１１】
本発明のさらなる有利な展開形態は従属請求項に記載されており、夫々本発明の対象である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、リングコアを少なくとも２つの相互に巻回された材料層から作製し、ここで第１の層は磁気的かつ電気的に伝導性（導磁性かつ導電性）の材料から、第２の層は非磁性かつ非導電性の材料からなる構成に基づくものである。第１のラミネート層として例えば積層用電磁鋼板ないし軟磁性材料の薄板（ダイナモ薄板 Dynamoblech）を使用することができ、第２の層に対しては紙またはフィルム（薄層材）を使用することができる。非導電性材料、すなわち第２の層の厚さの選択により所望の磁化特性曲線に調整することができる。例えば非常に薄い紙のような非常に薄い層材料を使用すれば、ほんのわずかだけ剪断変形された特性曲線が得られ、このことは非常に小さな空隙に相当する。特性曲線の剪断変形（Scherung，ヒステリシスループをあたかも剪断力を作用させたように傾かせかつヒステリシス幅も薄くなるような変形をいう）を比較的に大きなものに（ひどく傾いてヒステリシス幅が薄くなるよう変形）すべき場合には、相応に厚い非導電性層材料を使用することができる。
【００１３】
本発明のリングコアの利点は明白である。なぜなら巻回過程が必要なだけであり、ミクロ空隙を有する従来のリングコアのように特殊材料を使用する必要がなく、通常に市販されている材料によりリングコアを作製することができ、このリングコアは材料の選択、とりわけ材料の厚さの選択に応じて所望の磁化特性曲線を有する。わずかに剪断変形された特性曲線を有するリングコアの製造は非常に簡単に実行される。これは、非常に薄い、非導電性材料を使用するだけでよい。このことにより、特性曲線がほんのわずかに傾いたリングコアを有するインダクタンスの漂遊磁界が非常に小さくなり、パワー電子回路での大電力適用の際にも漂遊磁界が発生しない。このようなリングコアは、電流、磁界が大きくても変形せず、従ってパワー電子回路に有利に適する。
【００１４】
以下、本発明の好ましい展開形態を示す。
第１の層の層厚と他の層の層厚は異なるものにできる。第２の材料層は非常に薄い層厚を有するものとすることができる。第２の材料層に対して、紙またはフィルムを使用することが好ましい。
上述のリングコアは、パワー電子回路用インダクタないし短絡チョークに使用することができる。
【００１５】
【実施例】
本発明を以下、図示された実施例の一部に基づき詳細に説明する。
【００１６】
図１は、３つの異なる特性曲線タイプを示す。タイプａの特性曲線は、空隙を有しないリングコアを備えたインダクタンスのヒステリシスループを示す。タイプｂの特性曲線では、特性曲線がわずかに剪断変形されて（傾いて）おり、リングコアは比較的小さな空隙を有する。タイプｃの特性曲線では、特性曲線は大きく剪断変形されて（傾いて）おり、リングコアは非常に大きな空隙を有する。図２は、マクロ空隙−タイプ１−を有するリングコアと、肉眼で見えない空隙−タイプ２−を有するリングコアの基本構成を示す。タイプ１のリングコアは例えば磁気的かつ電気的に伝導性の材料（以下「伝導性材料」とも言う）、例えばダイナモ薄板（軟鉄心材料などの軟磁性材料シート）からなる。タイプ２のリングコアも同じように磁気的かつ電気的に伝導性の材料からなるが、しかし非磁性物質が混入されている。
【００１７】
図３は、２つの層からなる、巻回されたリングコアを示す。第１の層（実線）はここではダイナモ薄板からなり、第２の層（破線）は磁気的かつ電気的に非伝導性（非磁性かつ非導電性）の材料（以下、単に「非伝導性材料」とも略称する）、例えば紙またはフィルムからなる。所望の磁化特性曲線はこのような巻回されたリングコアにおいて、巻線の数および材料選択と層厚の選択により決められる。非伝導性材料に対してダイナモ薄板と比較して薄い厚さを選択すれば、結果として軽く傾いた特性曲線が得られる。これによりインダクタを非常に小さな空隙を備えたリングコアで達成することができる。特性曲線の傾きを大きくすべき場合には、薄い非伝導性材料の代わりに相応に厚い非伝導性層材料を使用する。もちろん、磁化特性曲線を伝導性材料の厚さを相応に選択することにより調整することもできる。この場合は常に、伝導性材料の層厚と非伝導性層材料の層厚との関係が重要である。
【００１８】
ダイナモ薄板は、比較的低い周波数、例えば５０Ｈｚの適用に対して、約０．０５から０．６ｍｍの厚さを有することができる。比較的に高い動作周波数の適用に対しては、０．１から０．３ｍｍの薄板厚を使用することができる。短絡チョークないし昇圧器にリングコアを使用する特別の場合には、ダイナモ薄板の材料層厚に対して０．２３ｍｍの厚さが非常適することが発見された。磁気的に非伝導性の材料の厚さに対しては、約０．０１から０．５ｍｍが問題となる。この材料厚は使用時での、チョークの最大電流の大きさを表す。短絡チョークについては、非伝導性層材料の層厚に対して０．１ｍｍが非常に適する。
【００１９】
公知のように空隙を有するチョークは漂遊磁界を形成する。図５はこのような公知の構成を示し、この構成では主磁束の他に漂遊磁束も示されている。磁束線は常にもっとも通りやすい経路を辿ろうとする。磁束線は図示の幾何形状（図５）では、脚部と２つのヨークを通ることとなる。しかしここで磁束線は４つの空隙（磁気的に非伝導性の区間）を越えなければならない。この幾何形状では容易に漂遊磁界が形成される。なぜならこれが所望の経路に対する代替路となるからである。
【００２０】
図４は本発明のリングコアと所属の主磁束ないし漂遊磁束分布を示す。図４に示されたリングコアの有効空隙は全周にわたって均等に分布されているから、磁気的伝導性（導磁性ないし透磁性）は磁気的全長にわたって均一に同じである。図５の構成に示された集中的空隙のような顕著なバリアは存在しない。
【００２１】
漂遊磁界は、部分的に磁気抵抗が主経路の磁気抵抗よりも低い場合に発生する。集中的空隙を備えた通常の形態（図５）がその場合である。いわば「均質に分布された空隙」を有するリングコアの場合、空隙の作用はあまり顕著には現われない。従って図４に示したリングコアでは漂遊磁界（漂遊磁束）が格段に小さい。漂遊が比較的に大きいということは、有効インダクタンスが縮小されることを意味する。このことは、本発明のリングコアが比較的に少い巻線数とかくてより少しの銅しか必要としないことを意味し、かくて、その効率は従来技術によるリングコアの効率よりも高いものとなる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の基本構成（請求項１）により、従来技術の欠点を有しない。即ち本発明は、従来技術のリングコアのように空隙を設ける必要がなく、かくて、マクロな空隙の加工のみならずミクロな空隙の加工、所定空隙幅の精度の確保も不要となり、しかも、安価かつ容易に製作可能である。
しかも、磁化特性曲線（ヒステリシス曲線）の傾き、幅等の特性を正確に設定、調整できる。
さらに、磁気回路中に磁気抵抗の大きな集中的な空隙を有せず磁気抵抗は円周にわたって均一に分布するので、パワー電子回路での大電力適用の際にも漂遊磁界を小さくおさえることができる。そして、第１材料層（磁気的かつ電気的に伝導性）と第２材料層（磁気的かつ電気的に非伝導性）の厚さを約０．２３ｍｍ及び約０．１ｍｍとしたことにより、電流、磁界が大きくても変形せずパワー電子回路用に最も適した特性が得られる。
本発明のその他の利点、効果は、各従属請求項の特徴から、付加的に達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】種々のリングコアタイプに対する磁化特性曲線の線図である。
【図２】マクロ空隙を有するリングコアと、ミクロ空隙を有するリングコアの具体例を示す図である。
【図３】本発明のリングコアを示す図である。
【図４】本発明のリングコアを示す図である。
【図５】漂遊磁束を伴う従来の構成を示す図である。

Claims (3)

1. 少なくとも２つの層により巻回された材料層からなるリングコアであって、第１の材料層は磁気的かつ電気的に伝導性の材料からなり、第２の材料層は非磁性かつ非導電性の材料からなるリングコアにおいて、第２の材料層は厚さ約０．１ｍｍの紙またはフィルムからなり、第１の材料層の層厚は約０．２３ｍｍである、ことを特徴とするパワー電子回路用リングコア。
2. 第１の材料層に対して電磁鋼板ないし軟磁性材料薄板（ダイナモ薄板）を使用する、請求項１に記載のリングコアを備えたパワー電子回路用インダクタ。
3. 請求項１に記載のリングコアを備えたパワー電子回路用短絡チョーク。

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