JP6047887B2

JP6047887B2 - チョークコイル

Info

Publication number: JP6047887B2
Application number: JP2012034874A
Authority: JP
Inventors: 彦太田; 北岡　幹雄; 幹雄北岡; 祐子金澤
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2032-02-21
Also published as: US9978491B2; WO2013125169A1; US20150042433A1; JP2013171975A

Description

本発明は、閉磁路を形成するコアのギャップ部に、磁気バイアスを付与するためのマグネットを配置することにより直流重畳特性を向上させたチョークコイルに関するものである。

ＡＶ機器、ＯＡ機器あるいはＦＡ、車載用電源回路等に組み込まれるチョークコイルとして、コアのギャップ部に、当該コアの磁束に対して逆向きの磁束を磁気バイアスとして与えるマグネットを配置することにより、直流重畳特性を向上させたものが多く用いられている。

近年、消費電力を抑えるための低電圧化や、多機能化による消費電力の増加により、上記電源回路に組み込まれるチョークコイルも、大電流に対応させる必要がある。ところが、上記構成からなるチョークコイルにおいては、上記コアの磁束がマグネットの磁束に対して逆向きに作用するために、大電流化によってコア側の磁束が増加すると、マグネットが消磁されて磁力が減少するおそれがある。

そこで、従来、数アンペア（Ａ）以上の電流が流れるチョークコイルにおいては、上記コアギャップに配置されるマグネットとして、もっぱら保磁力が高い金属系の希土類磁石（例えば、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石）等が用いられている。ちなみに、下記特許文献１に記載されている１ｋｗ程度の容量のインダクタにおいても、上記マグネットとして、同様のサマリウム−鉄−窒素（SmFeN）系ボンド磁石が用いられている。

特開２００２−８３７２２号公報

しかしながら、このような金属系の希土類磁石は、高価であるために製品のコストアップを招くとともに、加工が難しいために最適な磁気特性を発揮させるための形状に形成することが困難であるという欠点があった。

また、上記マグネットは金属系材料であるために、コアからの磁界が急激に変化した際に、電磁誘導効果によってマグネットに渦電流が生じ易く、当該渦電流によるジュール熱によってマグネットが発熱してチョークコイルの温度上昇を招くことにより、所望の磁気的特性が得られなくなったり、あるいは上記発熱によって周辺機器に悪影響を及ぼしたりするおそれがあった。

そこで、本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意研究を行ったところ、コイルの中心部のコアのギャップ部に配置されるマグネットについては、大電流に伴うコア側の磁束の増加による消磁の弊害が顕著になるものの、コアの外周に複数のコアを配置した場合には、当該外側のコアでは磁束が複数に分割されていること、および磁気漏れがあることなどから、従来、この種のチョークコイルに介装する磁気バイアス付与用のマグネット材料としては不適当であると考えられていた保磁力が小さいフェライト磁石であっても、上述した消磁の弊害が少なく、よって所望とする直流重畳特性が得られるとの知見を得るに至った。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、大電流化に対しても消磁による影響を抑制して最適な磁気バイアスを付与することができるとともに、小型軽量化およびローコスト化を図ることが可能になるチョークコイルを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、コイルと、このコイルの軸線方向に対向配置されて閉磁路を形成する一対の蝶型コアからなるコアとを備えたチョークコイルにおいて、上記蝶型コアは、上記コイルの端面側に配置された平板部と、この平板部の両端部に立設されて上記コイルの外周に配置された第２のコアと、これら第２のコア間の中央部に立設されて上記コイルの中心部に挿入された第１のコアとが一体成形されるとともに、上記平板部が、上記第１のコアから上記第２のコアに向けて、各々漸次幅寸法が増加する一対の略扇形状に形成されてなり、上記第２のコアは、その上記コイルの軸線と直交する断面積の総和が上記第１のコアの断面積よりも大きくなるように形成されるとともに、当該第２のコア間にギャップ部が形成され、かつ当該ギャップ部に、磁気バイアスを付与するフェライト磁石が配置されていることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記フェライト磁石を、上記第２のコアの磁束が鎖交する方向に対して垂直な面内において分割された複数の分割フェライト磁石によって構成したことを特徴とするものである。

さらに、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、上記ギャップ部に、表裏面に貫通する複数の孔部が穿設された樹脂またはフェライトからなる平板状部材を設け、上記孔部に上記分割フェライト磁石を挿入したことを特徴とするものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、容量が１ｋｗ〜１０ｋｗの電源回路等に組み込まれるものであることを特徴とするものである。

請求項１〜４のいずれかに記載の発明においては、コイルの外周に配置した複数の第２のコアを、そのコイル軸線と直交する断面積の総和がコイルの中心部に配置された第１のコアの断面積よりも大きくなるように形成し、かつこれら第２のコアに形成したギャップ部に、磁気バイアスを付与するためのフェライト磁石を配置している。

このため、大電流によってコア側の磁束が増加した場合においても、各々の第２のコアには、複数に分割されているとともに、さらに密度が低くなった磁束が鎖交している結果、各第２のコアからフェライト磁石に作用するコア側からの磁束の増加量が小さくなるために、高い保磁力を有しないフェライト磁石によっても、消磁による特性の低下を招くことなく対応することができる。これにより、請求項４に記載の発明のように、容量が１〜１０ｋｗの電源回路等に組み込むことにより１０Ａ〜１００Ａ程度の大電流が流れるチョークコイルとして用いた場合においても、最適な磁気バイアスを掛けることができる。

加えて、上記フェライト磁石は、発熱の原因となる渦電量損の発生が極めて少ないために、チョークコイルの温度上昇による磁気的特性の劣化等の弊害を生じるおそれもない。このため、フェライト磁石の厚さ寸法を抑えて、チョークコイルの一層の小型軽量化を図ることも可能になる。さらに、フェライト磁石は、粉末成形によって、容易に最適な磁気バイアスを掛けるための形状や厚さ寸法に形成することができるとともに、希土類磁石と比較して安価であるためにローコスト化も実現することができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、所望の磁気バイアスを与えるに必要な面積を複数に分割した面積を有する分割フェライト磁石を複数配置しているために、第２のコアからの磁界が急激に変化した際にも、１個のマグネットと比較して、各々の分割フェライト磁石における渦電流の発生が一層緩和あるいは抑制される。この結果、分割フェライト磁石全体としての発熱量を抑えて、当該チョークコイルにおける有害な温度上昇を確実に防止することができる。

ここで、上記複数の分割フェライト磁石を配置するに際しては、全体として磁力が均等に分布するように配置することが好ましい。しかしながら、実際には、各々の分割フェライト磁石が固有の磁力を有しているために、互いの磁気吸引力により、当該複数の分割フェライト磁石を上記面内において正確に離間させて配置することが難しい。

この点、請求項３に記載の発明によれば、上記ギャップ部に、複数の孔部が穿設された樹脂またはフェライトからなる平板状部材を設け、この平板状部材の孔部に上記分割フェライト磁石を挿入しているために、容易に分割フェライト磁石の均等配置を行うことができる。

本発明に係るチョークコイルの第１の実施形態を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）はその縦断面図である。上記チョークコイルのコア形状を示すもので（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。上記チョークコイルの変形例における平板状部材の形状およびその使用形態を示す図である。上記チョークコイルの変形例における平板状部材の他の形状およびその使用形態を示す図である。本発明に係るチョークコイルの第２の実施形態を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）はその横断面図である。（ａ）は本発明に係る実施例１を示す平面図、（ｂ）はその比較例１を示す平面図、（ｃ）は比較例２を示す平面図、（ｄ）は（ａ）〜（ｃ）の実験結果を示す図表である。（ａ）は、本発明の実施例２の形状を示す平面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）は比較例を示す平面図、（ｄ）はその側面図である。実施例２および比較例のチョークコイルを用いて行った直流重畳特性の解析結果を示すグラフである。実施例３に用いたチョークコイルにおける蝶型コア等の形状を示すもので、（ａ）は第２の実施形態に使用した蝶型コアのおよびフェライト磁石の配置を示す平面図、（ｂ）は第１の実施形態に使用した蝶型コアのおよびフェライト磁石の配置を示す平面図である。実施例３のチョークコイルにおける各部面積およびその比率を示す図表である。図１０のチョークコイルを用いて行った直流重畳特性の解析結果を示すグラフである。

図１〜図４は、本発明に係るチョークコイルを、容量が１〜１０ｋｗの電源回路に組み込まれるチョークコイルに適用した第１の実施形態およびその変形例を示すもので、図中符号１がフェライトコアである。
このフェライトコア１は、正面視においてＥ型をなす一対の蝶型コア２、２によって、全体として正面視日字状に形成されたものである。

ここで、各々の蝶型コア２は、図２に示すように、平板部３と、この平板部３の長手方向両端部に立設された略板状の外足（第２のコア）４と、これら外足４間の中央部に立設された円柱状の中足（第１のコア）５とが一体に成形されたもので、外足４の高さ位置が、中足５の高さよりも低くなるように形成されている。また、平板部３は、中足５から両側の外足４に向けて、各々漸次幅寸法が増加する一対の略扇形状に形成されており、さらに両端部の外足４の内外周面は、中足５の軸線を中心とする円弧面状に形成されている。

ここで、蝶型コア２においては、２本の外足４の先端面４ａの面積の和が、中足５の軸線と直交する横断面５ａの面積よりも大きくなるように形成されている。
そして、一対の蝶型コア２は、平板部３が外観略円筒状のコイル６の端面側に配置され、中足５がコイル６の中心部に挿入されて互いに先端面５ａ同士を当接させた状態で、外足４がコイル６を間に挟んで配置されることにより、一体化されている。なお、図中符号６ａは、外足４間から引き出されたコイル６の端部である。

これにより、一対の蝶型コア２のコイル６の中心部に挿入された中足５および当該コイル６の外周を囲繞する外足４および平板部３によって、閉磁路を形成する日字型のフェライトコア１が構成されるとともに、互いの外足４間にギャップ部Ｇが形成されている。

そして、このギャップ部Ｇに、外足４における磁束に対して逆向きの磁束を磁気バイアスとして付与するフェライト磁石７が配置されている。ここで、フェライト磁石７は、外足４の先端面４ａの形状と一致する円弧板状に形成されるとともに、ギャップ部Ｇと等しい厚さ寸法に形成されている。

また、図３は、上記構成からなる第１の実施形態の変形例を示すもので、以下、第１の実施形態と同一構成部分については、同一符号を用いてその説明を簡略化する。
このチョークコイルにおいては、外足４の先端面４ａ間のギャップ部Ｇに、上記フェライト磁石７に代えて、複数に分割されたフェライト磁石８が組み込まれた平板状部材９が介装されている。

この平板状部材９は、図３（ａ）に示すように、樹脂またはフェライトによって外足４の先端面４ａの形状と一致する円弧板状であって、かつギャップ部Ｇと等しい厚さ寸法に形成されたもので、表裏面に貫通する複数（図では７つ）の円形の孔部９ａが当該平板状部材９の円弧方向に沿って穿設されている。そして、図３（ｂ）に示すように、各々の孔部８ａに分割された円形のフェライト磁石８が挿入されている。

ここで、分割されたフェライト磁石８は、各々の面積が所望の磁気バイアスを与えるに必要な面積を７等分した面積となるように形成されている。これにより、フェライト磁石８は、フェライトコア１の外足４の磁束が鎖交する方向に対して垂直な面内において、互いに隣接して配置されている。

また、図４（ａ）は、平板状部材の変形例を示すものである。この平板状部材１０も、同様に樹脂またはフェライトによって上記円板状部材９と等しい外形寸法に形成されたものであるが、当該平板状部材１０においては、表裏面に貫通する複数（図では２列×１０個の合計２０）の正方形の孔部１０ａが穿設されている。そして、図４（ｂ）に示すように、各々の孔部１０ａに、方形板状に形成された分割フェライト磁石１１が挿入されている。

さらに、図５は、本発明に係るチョークコイルを、同様に容量が１〜１０ｋｗの電源回路に組み込まれるチョークコイルに適用した第２の実施形態を示すものである。
このチョークコイルにおいては、フェライトコア２０が、一対の蝶型コア２１、２１によって構成されている。

ここで、各々の蝶型コア２１は、コイル６の端面に配置される平板部２２が、全体として略円板状に形成されるとともに、外周から中心側に向かって延在する４本の溝部が円周方向に等間隔をおいて形成されることにより、外周部分２２ａが扇形状に４分割されている。そして、各外周部分２２ａの外周縁部に、略板状の外足（第２のコア）２３が一体に立設されるとともに、中央部に円柱状の中足（第１のコア）２４が一体に成形されている。ちなみに、これら４本の外足２３の内外周面も、中足２４の軸線を中心とする円弧面状に形成されている。

そして、このフェライトコア２０も、外足２３の高さ位置が、中足２４の高さよりも低くなるように形成されている。また、蝶型コア２１においても、４本の外足２３の先端面２３ａの面積の和が、中足２４の軸線と直交する横断面の面積よりも大きくなるように形成されている。そして、一対の蝶型コア２１は、平板部２２が外観略円筒状のコイル６の端面側に配置され、中足２４がコイル６の中心部に挿入されて互いに先端面同士を当接させた状態で、外足２３がコイル６の外周を取り囲んで配置されることにより一体化されている。

これにより、一対の蝶型コア２１のコイル６の中心部に挿入された中足２４および当該コイル６の外周を囲繞する外足２３および平板部２２によって、閉磁路を形成するフェライトコア２０が構成されるとともに、４本の外足２３の対向面間に、それぞれギャップ部Ｇが形成されている。

そして、これら４箇所のギャップ部Ｇに、それぞれ磁気バイアスを付与するフェライト磁石７が配置されている。ここで、フェライト磁石７は、外足２３の先端面２３ａの形状と一致する略１／４円弧の帯板状に形成されるとともに、ギャップ部Ｇと等しい厚さ寸法に形成されている。

以上の構成からなる第１および第２の実施形態に示したチョークコイルにおいては、コイル６の外周の配置した２本の外足４または４本の外足２３を、その先端面４ａ、２３ａの総和がコイル６の中心部に配置された中足５、２４の断面積よりも大きくなるように形成し、これら外足４、２３に形成したギャップ部Ｇに、フェライト磁石７、８、１１を配置している。

このため、大電流によってフェライトコア１、２０の磁束が増加した場合においても、各々の外足４、２３には、２つまたは４つに分割されるとともに、さらに密度が低くなった磁束が鎖交している結果、各外足４、２３からフェライト磁石７に作用する磁束の増加量が小さくなるために、高い保磁力を有しないフェライト磁石７、８、１１によっても、消磁による特性の低下を招くことなく対応することができる。これにより、１〜１０ｋｗの容量の電源回路に組み込んだ大電流仕様の場合においても、最適な磁気バイアスを掛けることができる。

加えて、フェライト磁石７、８、１１は、発熱の原因となる渦電量損の発生が極めて少ないために、チョークコイルの温度上昇による磁気的特性の劣化等の弊害を生じるおそれもない。このため、フェライト磁石７、８、１１の厚さ寸法を抑えて、チョークコイルの一層の小型軽量化を図ることも可能になる。

さらに、フェライト磁石７、８、１１は、粉末成形によって、容易に最適な磁気バイアスを掛けるための形状や厚さ寸法に形成することができるとともに、ローコスト化も実現することができる。

さらに、図３および図４の第１の実施形態の変形例に示したチョークコイルによれば、一対の蝶型コア２の外足４間に形成されたギャップ部Ｇに、所望の磁気バイアスを与えるに必要な面積を７等分あるいは２０等分に分割フェライト磁石８、１１を配置しているために、フェライトコア１における外足４からの磁界が急激に変化した際にも、１個のマグネットを用いた場合と比較して、分割された各々のフェライト磁石８、１１における渦電流の発生が一層緩和あるいは抑制される。

この結果、フェライト磁石８、１１の総発熱量を減少させて、チョークコイルにおける有害な温度上昇を防止することができるとともに、上記渦電流に起因する損失も抑えることができる。加えて、上記蝶型コア２を対向配置したフェライトコア１は、コア損失が少なく、かつ直流重畳特性に優れるために、上記磁気バイアスを付与するフェライト磁石７、８、１１と組み合わせることにより、従来品と比較して、より一層小型、軽量であって、かつ経済性に優れたチョークコイルを実現することができる。

しかも、ギャップ部Ｇに、７つの孔部９ａあるいは２０の孔部１０ａが穿設された樹脂またはフェライトからなる平板状部材９または１０を設け、この平板状部材９、１０の孔部９ａ、１０ａに分割フェライト磁石８、１１を挿入しているために、容易にフェライト磁石８、１１の均等な位置決めを行うことができる。

また、孔部９ａ、１０ａにフェライト磁石８、１１を挿入した後の平板状部材９、１０を、外足４間のギャップ部Ｇに組み込むことにより、フェライト磁石８、１１の配置が完了するために、製造に要する工数も低減することができる。

加えて、図３（ｃ）や図４（ｃ）に示すように、平板状部材９、１０に、必要とされる分割フェライト磁石８、１１の数よりも多くの孔部９ａ、１１ａを穿設しておけば、適宜、分割フェライト磁石８、１１の位置や配置本数を代えることにより、任意の磁気バイアスに調整することも可能になる。

なお、上記第２の実施形態においては、４本の外足２３間のギャップ部Ｇに、各々１個のフェライト磁石７を配置した場合についてのみ説明したが、これに限るものではなく、上記フェライト磁石７に代えて、第１の実施形態の変形例に示したものと同様に、平板状部材９、１０に複数のフェライト磁石８、１１を収納して、上記外足２３間に配置するようにしてもよい。

また、平板状部材９、１０の素材についても、樹脂またはフェライトのいずれも用いることができるが、フェライトを用いれば、熱伝導による放熱性を一段と高めることができ、磁気バイアス特性も向上させることが可能になる。

（実施例１）
先ず、第１の実施形態に示した蝶型コア２を用いたチョークコイルについて、図６（ａ）に示す外足４間のギャップ部Ｇにフェライト磁石７を用いた本発明に係る実施例１のチョークコイルと、図６（ｂ）、（ｃ）に示すような中足５間に形成したギャップ部に１個の円形状のサマリウムコバルト磁石３０または方形状のサマリウムコバルト磁石３１を用いた比較例１、２のチョークコイルを用いて、磁石の発熱量の比較実験を行った。

この結果、図６（ｄ）に示すように、実施例１におけるフェライト磁石７の発熱量は０．０Ｗであったのに対して、比較例１、２における中足５間のギャップ部Ｇに配置した円形状のサマリウムコバルト磁石３０、方形状のサマリウムコバルト磁石３１は、各々１２Ｗ、１７Ｗであり、外足４間にフェライト磁石７を配置することの発熱量低減効果が実証された。

（実施例２）
次いで、図７に示す蝶型コアを用いたチョークコイルであって、図７（ａ）に示す外足間にフェライト磁石７を配置した本発明に係る実施例２のチョークコイルと、図７（ｂ）に示す中足間にフェライト磁石３２を配置した比較例３のチョークコイルについて、温度が２５℃の場合と１００℃の場合とにおける直流重畳特性の相違を解析によって求めた。なお、この際にターン数を２４と同じにするために、インダクタンスの調整をギャップによって行った。

図８は、その結果を示すものである。
図８（ａ）から、２５℃の温度条件下における結果では、中足間にフェライト磁石３２を配置した比較例３のチョークコイルにおいては、２０Ａを超えるとインダクタンスの顕著な低下が生じるのに対して、外足間にフェライト磁石７を配置した実施例２のチョークコイルにあっては、２５Ａを超えても低下が見られなかった。

また、図８（ｂ）に示すように、直流重畳特性において、より過酷な１００℃の温度条件下の結果では、同様に中足間にフェライト磁石３２を配置した比較例３のチョークコイルにおいては、２０Ａを超えるとインダクタンスの顕著な低下が生じるのに対して、外足間にフェライト磁石７を配置した実施例２のチョークコイルにあっては、２５Ａを超えて、初めて僅かの低下が見られる程度であった。

（実施例３）
次に、外足間のギャップ部にフェライト磁石を配置した場合に、外足の断面積の総和と中足の断面積との比率が与える効果を検証するために、図９（ａ）に示す第２の実施形態に示した蝶型コア２１を用いた本実施例のチョークコイルと、図９（ｂ）に示す第１の実施形態に示した蝶型コア２を用いた本実施例のチョークコイルとについて、同様に、温度が２５℃の場合と１００℃の場合とにおける直流重畳特性の相違を解析によって求めた。

この際に、図９（ａ）の蝶型コア２１におけるＤ寸法を、６０．０ｍｍとするとともに、図９（ｂ）に示す蝶型コア２については、Ｄ寸法が４５．０ｍｍ（図１０、２本−１）と、５０．０ｍｍ（図１０、２本−２）との２種類のものについて上記解析を行った。なお、この際にも、インダクタンスが同等となるように、それぞれのギャップを調整した。

図１０は、これら３種類の本実施例のチョークコイルにおける中足の断面積、１本の外足の断面積、外足の断面積の総和および（外足の断面積の総和）／（中足の断面積）を％で示したものである。また、図１１（ａ）、（ｂ）は、各々２５℃、１００℃における直流重畳特性の解析結果を示すものである。

これらの図から、２５℃における解析結果では、いずれのチョークコイルも２０℃を超えても大きな低下が見られないものの、１００℃における解析結果では、上記面積の比率が大きいほど、すなわち中足の断面積よりも、外足の断面積の総和が大きくなるにしたがって、より高い直流電流に対してもインダクタンスの低下が小さくなることが実証された。

１、２０フェライトコア
２、２１蝶型コア
４、２３外足（第２のコア）
５、２４中足（第１のコア）
６コイル
７、８、１１フェライト磁石
９、１０平板状部材
９ａ、１０ａ孔部

Claims

コイルと、このコイルの軸線方向に対向配置されて閉磁路を形成する一対の蝶型コアからなるコアとを備えたチョークコイルにおいて、
上記蝶型コアは、上記コイルの端面側に配置された平板部と、この平板部の両端部に立設されて上記コイルの外周に配置された第２のコアと、これら第２のコア間の中央部に立設されて上記コイルの中心部に挿入された第１のコアとが一体成形されるとともに、上記平板部が、上記第１のコアから上記第２のコアに向けて、各々漸次幅寸法が増加する一対の略扇形状に形成されてなり、
上記第２のコアは、その上記コイルの軸線と直交する断面積の総和が上記第１のコアの断面積よりも大きくなるように形成されるとともに、当該第２のコア間にギャップ部が形成され、かつ当該ギャップ部に、磁気バイアスを付与するフェライト磁石が配置されていることを特徴とするチョークコイル。
上記フェライト磁石を、上記第２のコアの磁束が鎖交する方向に対して垂直な面内において分割された複数の分割フェライト磁石によって構成したことを特徴とする請求項１に記載のチョークコイル。
上記ギャップ部に、表裏面に貫通する複数の孔部が穿設された樹脂またはフェライトからなる平板状部材を設け、上記孔部に上記分割フェライト磁石を挿入したことを特徴とする請求項２に記載のチョークコイル。
容量が１ｋｗ〜１０ｋｗの電源回路に組み込まれるものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のチョークコイル。