JP4193943B2 - インダクタンス部品 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング電源等においてインダクタやトランスとして用いられ、コアに巻回したコイルに交流電流が重畳した直流電流が流されるインダクタンス部品に関する。

スイッチング電源等のチョークコイルやトランスにおいては、機能上、各コイルには直流電流に交流電流が重畳して流される。従ってこれらのチョークコイルやトランスを構成するコアは、磁気飽和しない透磁率特性が良好なことが求められる。

近年においては、スイッチング電源などの電子部品の小型化が求められ、これに伴い、部品の小型化が可能な高周波化が図られている。高周波化されると、従来の金属製コアではコアロスが大となるため使用が困難となり、コアロスの小さい、固有抵抗の高いフェライトコアを用いることが好ましくなる。しかしながら、フェライトコアは飽和磁束密度が小さい。このため、例えば特許文献１には、Ｅ型コアの中足のギャップ形成部分に。コイルに流れる直流電流によって生じる磁束と逆方向の磁束を供給する永久磁石を設けることが提案されている。

特開２００２−２３１５４０号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているように、コイルによって生じる磁束の通路に永久磁石を設けると、永久磁石が減磁されるため、チョークコイルの場合にはノイズ除去機能が低下し、トランスの場合には変圧機能が低下するという問題点がある。

本発明は、上記問題点に鑑み、磁束飽和を防止するための永久磁石を有するインダクタンス部品において、減磁のおそれがなく、特性が維持できる構成のものを提供することを目的とする。

本発明のインダクタンス部品は、交流電流が重畳した直流電流を流すコイルを巻回するコアを有するインダクタンス部品であって、
複数のフェライトコアを備え、少なくとも１つのコアは平行をなす複数の磁脚を有し、
前記複数のコアを、磁脚を有するコアの磁脚の先端面と他のコアとの間に磁気ギャップを介在させて組み合わせ、
少なくとも前記磁脚を有する１つのコアにコイルを巻回し、
前記コイルを巻回したコアに、そのコアに巻回されるコイルに流れる直流電流によって生じる磁束と逆方向の磁束を供給する一対の永久磁石を、これらの永久磁石によって供給される磁束がコアのコイル巻回部を通るように、一方の磁石は一方の磁脚の前記磁気ギャップ近傍におけるコアの表面に、その表面に対面する面とその反対側の面が逆極性となるように設け、他方の磁石は他方の磁脚の磁気ギャップ近傍におけるコアの表面に、その表面に対面する面とその反対側の面が逆極性となるように前記一方の磁石と極性を逆向きにして設けた
ことを特徴とする。

なお、ここで、コアの表面とは、コア内に埋設されない外気への露出面という意味であり、コアの表裏面が想定される場合の裏面や、Ｕ型コアの内周面なども含まれる。

また、本発明のインダクタンス部品は、交流電流が重畳した直流電流を流すコイルを巻回するコアを有するインダクタンス部品であって、
対向する２つの磁脚を有する２つのフェライトコアを備え、
前記２つのコアを、磁脚の先端面間に磁気ギャップを形成して組み合わせ、
前記各コアにコイルを巻回し、
各コイルを巻回したコアに、それぞれ、そのコアに巻回されるコイルに流れる直流電流によって生じる磁束と逆方向の磁束を供給する一対の永久磁石を、これらの永久磁石によって供給される磁束が対応のコアのコイル巻回部を通るように、一方の磁石は一方の前記磁気ギャップ近傍におけるコアの表面に、その表面に対面する面とその反対側の面が逆極性となるように設け、他方の磁石は他方の磁気ギャップ近傍におけるコアの表面に、その表面に対面する面とその反対側の面が逆極性となるように前記一方の磁石と極性を逆向きにして設けた
ことを特徴とする。

また、本発明のインダクタンス部品は、前記磁脚を有するコアがＵ型コアでなる
ことを特徴とする。

また、本発明のインダクタンス部品は、
前記永久磁石がフェライト磁石でなる
ことを特徴とする。

本発明によれば、磁気ギャップ間のコアに対し、コアに巻回したコイルに流れる直流電流により生じる磁束と逆方向の磁束を発生させる一対の永久磁石をコアの表面に設けたので、コイルに流れる直流電流により生じる磁束が永久磁石から供給される磁束分だけ相殺され、磁気飽和が抑制される。本発明のインダクタンス部品は、永久磁石がコアの磁路ではなく、コアの表面に設けたものであり、実質的に永久磁石の減磁が生じない。

また、本発明のインダクタンス部品は、コアの表面に永久磁石を設けるため、貼り付けなどにより容易に取付けることができ、既存のインダクタンス部品に後付けすることも可能となる。

また、本発明のインダクタンス部品は、各コアにそれぞれ対をなす永久磁石を設け、各対をなす永久磁石の磁束のうち、コイルに流す直流電流によって生じる磁束と同方向の磁束の流れが、磁気ギャップによって減少するので、各対をなす永久磁石が逆磁界を与えるという目的を有効に達成することができる。

また、本発明のインダクタンス部品は、前記コアがＵ型コアでなり、前記一対の永久磁石が、Ｕ型コアの磁脚の磁気ギャップ側端部に近接させて設けられているため、その一対の永久磁石を設けるコアの磁路のほぼ全長にわたり磁気飽和抑制効果が得られ、直流電流の大電流に対応できるインダクタンス部品が得られる。

また、本発明は、コアのみならず、永久磁石もフェライトにより構成したので、コアロスが少なく渦電流の発生が少なく、高周波化に適したインダクタンス部品が実現できる。

図１は本発明のインダクタンス部品の一実施の形態を示す図である。このインダクタンス部品はスイッチング電源のチョークコイルを構成するものである。１、２は磁気ギャップ３、４を介して組み合わされるＵ型コアである。これらのコア１、２はＭｎ−Ｚｎ系あるいはＮｉ−Ｚｎ系フェライトからなる。磁気ギャップ３、４は樹脂シートなどの非磁性体の接着または不図示の金具でコア間の間隔を調整することによって形成される間隙からなる。

５、６はそれぞれ前記コア１、２に巻回されるコイルであり、各コイル５、６は交流電流が重畳した直流電流が流されるものである。これらのコイル５、６に流れる直流電流によって生じる磁束Φ１はコア１、２に同方向に周回して通る。

７、８は一方のコア１にそのコア１の磁気飽和抑制のために設けられる一対の永久磁石、９、１０は他方のコア２にそのコア２の磁気飽和抑制のために設けられる一対の永久磁石である。一方の対をなす永久磁石７、８で発生する磁束Φ２と、他方の対をなす永久磁石９、１０で発生するΦ３は、それぞれコイル５、６に流れる直流電流によって生じる磁束Φ１に対して、逆方向となり、磁束Φ１をそれぞれのコア１、２内で打ち消す方向に供給される。すなわち、コア１に設ける一方の磁石７は一方の磁脚の磁気ギャップ３の近傍におけるコアの表面に、その表面に対面する面がＳ極、その反対側の面がＮ極となり、他方の磁石８は他方の磁脚の磁気ギャップ４の近傍におけるコア１の表面に、その表面に対面する面がＮ極、その反対側の面がＳ極となるように設ける。他方のコア２に設ける磁石９、１０もそれぞれ対向する磁脚の各磁気ギャップ３、４の近傍の表面に、互いに逆極性となるように設ける。

このように、コア１、２に巻回したコイル５、６に流れる直流電流により生じる磁束Φ１と逆方向の磁束Φ２、Φ３を発生させる永久磁石７、８および９、１０を設けることにより、コイル５、６に流れる直流電流により生じる磁束が永久磁石７、８および９、１０から供給される磁束分だけうち消され、磁気飽和が防止され、大電流に対応できるインダクタンス部品が提供できる。

また、各対をなす永久磁石７、８および９、１０の磁束のうち、コイル５、６に流す直流電流によって生じる磁束Φ１と同方向の磁束Φ４、Φ５の流れが、磁気ギャップ３、４によって減少するので、各対をなす永久磁石７、８および９、１０が逆磁界を与えるという目的を有効に達成することができる。なお、この磁気ギャップ３、４は０．５ｍｍ以上に設定することが好ましい。

また、本発明においては、永久磁石７、８はコア１、２の磁路ではなく、コア１、２の表面に設けたので、コイル５、６に流れる直流電流により生じる磁束Φ１はこの永久磁石７、８、９、１０をほとんど通らず、実質的に永久磁石７、８および９、１０の減磁が生じない。

本発明において、永久磁石７、８および９、１０としてはＳｍ−Ｃｏ系などの高い固有保磁力の金属系永久磁石を用いることもできるが、永久磁石７、８および９、１０にもフェライト磁石によって構成することにより、例えば数十〜１００ｋＨｚ以上の高周波によってスイッチングするスイッチング電源に用いたとしても、コアロスの少ないインダクタンス部品が実現できる。

次に本発明のインダクタンス部品における永久磁石７、８および９、１０の配置などについて実験した結果について説明する。図２は一方のコア１にのみコイル５を巻回し、一対の永久磁石７、８のみを、その位置と方向を変えて配置した場合の構成例である。図２の（丸１）は永久磁石７、８を設けない例（比較例）である。図２の（丸２）と（丸３）はコア1側にのみ永久磁石７、８を設けた例で、（丸２）の例はコイル５に流れる直流電流によって生じる磁束Φ１に対して永久磁石７、８で供給する磁束Φ２が同方向となる（加わる）ように配置した例（比較例）であり、（丸３）は逆方向になる（相殺する）ように配置した例（実施例）である。図２の（丸４）、（丸５）はコイルを巻回していないコア２側にのみ永久磁石９、１０を設けた例で、（丸４）の例はコイル５に流れる直流電流によって生じる磁束Φ１に対して永久磁石９、１０で供給する磁束Φ３が加わるように配置した例（比較例）、（丸５）は相殺するように配置した例（比較例）である。

コア１、２には、各磁脚１ａ、２ａの長手方向の幅ａが７３ｍｍ、磁脚１ａと１ａ、２ａと２ａの対向方向の幅ｂが９０．５ｍｍ、幅ｃが１４ｍｍ、磁路の断面積が１９６ｍｍ^２のものを用いた。また、永久磁石７、８および９、１０としては、残留自足密度Ｂｒが２２０ｍＴ、Ｓ極、Ｎ極の間隔が４６ｍｍ、断面の縦横のサイズが１２ｍｍ×８ｍｍのものを用いた。また、磁気ギャップ３、４はゼロとし、コイル５の巻数を３３ターンとした。そしてコイル５に１ｋＨｚの周波数で０．５ｍＡの交流電流を、種々の直流電流に重畳させてインダクタンスを測定した。

表１、図３は図２に示した（丸１）〜（丸５）の例のコイルに流す直流電流の変化に対するインダクタンス値の変化を示す。表１および図３の（丸１）、（丸２）、（丸３）の対比から分かるように、永久磁石７、８の無い場合（丸１）より、永久磁石７、８を、その発生磁束Φ２がコイル５に流れる直流電流によって生じる磁束Φ１を相殺する方向に供給される場合（丸３）の方が、直流電流の増加に伴う磁気飽和が抑制され、高いインダクタンス値Ｌが得られる。また、磁気飽和を生じると考えられる電流値に近くなると、両者のインダクタンス値は近くなる。

また、永久磁石７、８の無い場合（丸１）より、永久磁石７、８を、その発生磁束Φ２がコイル５に流れる直流電流によって生じる磁束Φ１に加わる方向に供給される場合（丸２）の方が、直流電流の増加に伴い、磁気飽和が促進され、得られるインダクタンスLが低くなる。また、磁気飽和を生じると考えられる電流値付近に達すると、両者のインダクタンス値はほぼ同じになる。

図２の（丸４）、（丸５）の場合、磁気ギャップ３、４がゼロであるため、コア１側にのみコイル５を巻回した場合、永久磁石９、１０のコア1側に向かう磁束Φ５の影響が、コア２側に向かう磁束Φ３の影響より大きくなり、この磁束Φ５の方向がコイル５に流れる直流電流によって生じる磁束Φ１を相殺する方向である（丸４）の例の方が（丸５）の例より直流電流が増加した場合のインダクタンス値が高くなる。

図４はコア１、２にそれぞれコイル５、６を巻回した例について示す。図４の（丸１）は、永久磁石７、８および９、１０を設けない例（比較例）である。図４の（丸２）、（丸３）は、コア1、２側にそれぞれ永久磁石７、８および９、１０を設けた例であり、そのうち（丸２）は、その発生磁束Φ２が、コア１、２側で、コイル５、６に流れる直流電流によって生じる磁束Φ１に加わる方向の例（比較例）であり、（丸３）は、コア１側では、コイル５、６に流れる直流電流によって生じる磁束Φ１を相殺する方向となる例（実施例）である。この（丸２）、（丸３）は永久磁石７、８および９、１０として弱い磁石（残留磁束密度Ｂｒが２２０ｍＴ）を用いた例である。

また、図４の（丸４）、（丸５）は、いずれも永久磁石７、８および９、１０として強い磁石（残留磁束密度Ｂｒが４００ｍＴ）をそれぞれコア１、２側に設けた例であり、そのうち、（丸４）は、それぞれコア１、２側において、永久磁石７、８および９、１０で発生する磁束Φ２、Φ３が、コイル５、６に流れる直流電流によって生じる磁束Φ１に加わる例（比較例）であり、（丸５）は、相殺する例（実施例）である。

なお、コア１、２と永久磁石７、８および９、１０のサイズは図２の例と同じとし、コイル５、６の巻数はそれぞれ３３、３１とし、これらのコイル５、６を互いに直列に接続した。また、磁気ギャップ３、４の寸法を１．０ｍｍとした各場合について、コイル５、６に流れる直流電流を変化させた。交流電流の周波数、電流値は図２の場合と同様とした。

表２と図５は図４の（丸１）〜（丸５）の例で直流電流の変化に対するインダクタンス値Ｌの変化を示す図である。表２および図５から分かるように、コア１、２に永久磁石７、８および９、１０を設け、これらの永久磁石７、８および９、１０の磁束Φ２、Φ３の方向をそれぞれコイル５、６に流す直流電流により生じる磁束Φ１を相殺する方向に設定する実施例（丸３）、（丸５）の場合、直流電流の増加による磁気飽和が抑制され、直流電流の増加に伴うインダクタンス値の低下が、永久磁石７、８および９、１０が無い（丸１）の場合より少なくなり、反対に永久磁石７、８および９、１０を、それぞれコイル５、６に流す直流電流により生じる磁束Φ１に加わる方向に設定した（丸２）、（丸４）場合には、直流電流の増加に伴うインダクタンス値の低下が大きくなる。

また、永久磁石７、８および９、１０の磁束Φ２、Φ３の方向をそれぞれコイル５、６に流す直流電流により生じる磁束Φ１を相殺する方向に設定する実施例（丸３）、（丸５）を比較した場合、強い磁石を用いた（丸５）の場合の方が、弱い磁石を用いた（丸３）の場合より、直流電流の増加による磁気飽和の抑制効果が大きく、直流電流の増加に伴うインダクタンス値の低下が小さい。

図６は永久磁石７、８の取付け位置と磁気飽和の関係を調べるために、永久磁石７、８を設けない例（丸１）（比較例）と、Ｕ型コア１のコイル巻回部１ｂの両端部に設けた例（丸２）、（丸３）と、磁脚１ａ、１ａにおける磁気ギャップ３、４の近傍に設けた例（丸４）、（丸５）の各例において、直流電流の変化に伴うインダクタンス値の変化を調べた。前記各例のうち、（丸２）、（丸４）はコア１において、それぞれ永久磁石７、８で発生する磁束Φ２が、コイル５に流れる直流電流によって生じる磁束Φ１に加わる比較例であり、（丸３）、（丸５）は相殺する実施例である。

なお、コア１、２と永久磁石７、８のサイズ、材質、コイル５の巻数は図２の場合と同じにした。また、磁気ギャップ３、４の寸法はゼロ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍの場合について、コイル５、６に流れる直流電流を変化させ、交流電流の周波数、電流値は図２の場合と同様とした。

表３と図７は図６の（丸１）〜（丸５）の例で磁気ギャップ３、４を１．０ｍｍとした場合の直流電流の変化に対するインダクタンス値Ｌの変化を示す図である。表４と図８は図６の（丸１）〜（丸５）の例で磁気ギャップ３、４を２．０ｍｍとした場合の直流電流の変化に対するインダクタンス値Ｌの変化を示す図である。

これらの表および図から分かるように、永久磁石７、８を磁気ギャップ３，４の近傍に設けると、（丸２）、（丸４）の場合の磁気飽和促進効果と、（丸３）と（丸５）の場合の磁気飽和防止効果がそれぞれ増大して、直流電流とインダクタンス値との関係に影響を与える。すなわち、直流電流の大電流に対処するには、永久磁石７、８は磁気ギャップ３、４の近傍に設けることが好ましいことが分かる。これは、コイル巻回部１ｂの両端に永久磁石７、８を設けた場合には、コア１のコイル巻回部１ｂのみの磁気飽和が抑制されるのみであるが、磁気ギャップ３、４の近傍に設けた場合には、コア１のほとんど全領域について磁気飽和が抑制されるためである。

また、図７、図８の対比から分かるように、磁気ギャップ３，４のサイズが大きくなるほど、直流電流がゼロの際のインダクタンス値は低くなるが、直流電流が増大しても、インダクタンス値が低下しにくくなり、大電流用途にてきしたものが提供できる。

本発明は、２つのＵ型コアの組み合わせのみならず、Ｕ型コアとＩ型コア、あるいは２つのＵ型コアとＩ型コアの組み合わせ等、２以上の磁気ギャップを形成する複数のコアの組み合わせでなるインダクタやトランスに適用することができる。

本発明によるインダクタンス部品の一実施の形態を示す図である。 Ｕ−Ｕコアの一方のコアに対してコイルを巻回し、永久磁石の位置と極性を種々に設定した構成を示す図である。 図２に示した各例において、磁気ギャップがゼロの場合におけるコイルに流す直流電流の変化に対するインダクタンス値の変化を示す図である。 Ｕ−Ｕコアの双方のコアに対してコイルを巻回し、永久磁石の磁気強度と位置と極性を種々に設定した構成を示す図である。 図４に示した各例において、磁気ギャップが１．０ｍｍの場合におけるコイルに流す直流電流の変化に対するインダクタンス値の変化を示す図である。 Ｕ−Ｕコアの一方のコアに対してコイルを巻回し、永久磁石の磁気強度と位置と極性を種々に設定した構成を示す図である。 図６に示した各例において、磁気ギャップが１．０ｍｍの場合におけるコイルに流す直流電流の変化に対するインダクタンス値の変化を示す図である。 図６に示した各例において、磁気ギャップが２．０ｍｍの場合におけるコイルに流す直流電流の変化に対するインダクタンス値の変化を示す図である。

符号の説明

１、２：コア、１ａ、２ａ：磁脚、３、４：磁気ギャップ、５、６：コイル、７、〜１０：永久磁石

Claims (4)

1. 交流電流が重畳した直流電流を流すコイルを巻回するコアを有するインダクタンス部品であって、
   複数のフェライトコアを備え、少なくとも１つのコアは平行をなす複数の磁脚を有し、
   前記複数のコアを、磁脚を有するコアの磁脚の先端面と他のコアとの間に磁気ギャップを介在させて組み合わせ、
   少なくとも前記磁脚を有する１つのコアにコイルを巻回し、
   前記コイルを巻回したコアに、そのコアに巻回されるコイルに流れる直流電流によって生じる磁束と逆方向の磁束を供給する一対の永久磁石を、これらの永久磁石によって供給される磁束がコアのコイル巻回部を通るように、一方の磁石は一方の磁脚の前記磁気ギャップ近傍におけるコアの表面に、その表面に対面する面とその反対側の面が逆極性となるように設け、他方の磁石は他方の磁脚の磁気ギャップ近傍におけるコアの表面に、その表面に対面する面とその反対側の面が逆極性となるように前記一方の磁石と極性を逆向きにして設けた
   ことを特徴とするインダクタンス部品。
2. 交流電流が重畳した直流電流を流すコイルを巻回するコアを有するインダクタンス部品であって、
   対向する２つの磁脚を有する２つのフェライトコアを備え、
   前記２つのコアを、磁脚の先端面間に磁気ギャップを形成して組み合わせ、
   前記各コアにコイルを巻回し、
   各コイルを巻回したコアに、それぞれ、そのコアに巻回されるコイルに流れる直流電流によって生じる磁束と逆方向の磁束を供給する一対の永久磁石を、これらの永久磁石によって供給される磁束が対応のコアのコイル巻回部を通るように、一方の磁石は一方の磁脚の前記磁気ギャップ近傍におけるコアの表面に、その表面に対面する面とその反対側の面が逆極性となるように設け、他方の磁石は他方の磁脚の磁気ギャップ近傍におけるコアの表面に、その表面に対面する面とその反対側の面が逆極性となるように前記一方の磁石と極性を逆向きにして設けた
   ことを特徴とするインダクタンス部品。
3. 請求項１または２に記載のインダクタンス部品であって、
   前記磁脚を有するコアがＵ型コアでなる
   ことを特徴とするインダクタンス部品。
4. 請求項１から３までのいずれかに記載のインダクタンス部品であって、
   前記永久磁石がフェライト磁石でなる
   ことを特徴とするインダクタンス部品。

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