JP6559992B2 - インダクタンス素子 - Google Patents

Description

本発明は、ギャップが形成される中脚部を備えた磁気コアと、前記中脚部に巻装され通電時に前記ギャップを通過する閉磁路を前記磁気コアに形成する巻線とを備えているインダクタンス素子に関する。

トランスやチョークコイル等のインダクタンス素子では、磁気飽和を防ぐために磁気コアにギャップを設けて透磁率を下げて使用する場合がある。

特許文献１には、漏洩磁束を抑制して電磁障害を低減し、電流損失を低減して高効率とし、発熱を抑制して小型化を促進するインダクタンス素子が開示されている。

図８（ａ），（ｂ）に示すように、当該インダクタンス素子は、ギャップＧを介して対向するコアＣ１と、コアＣ１に巻装され電流を通電されてコアＣ１にギャップＧを含む経路の磁路を形成する巻線Ｃ２と、非磁性金属材料で作製されギャップＧとの間に所定の間隔を空けてギャップＧを覆うショートリングＲ１とを備えて構成されている。

ギャップＧから外部に漏れ出す磁束がショートリングＲ１まで達せず、磁束が渦電流に変化することがなく損失が発生せず、これにより、漏洩磁束の抑制と電磁障害の低減、電流損失の低減と高効率化、発熱の抑制と小型化の促進が図られる。

特開２００９−１６４４８７号公報

しかし、図７（ａ），（ｂ）に示すように、中脚部１２を挟むように一対の外脚部１１が基部１０に形成された一対のＥ型磁気コアＣ１を対向配置し、対向面にギャップＧが形成された中脚部１２に巻線Ｃが巻装されたボビンＢを装着するように構成されたインダクタンス素子１では、ギャップＧの幅が広い場合にコイルＣ側に漏れ磁束φが生じて電流損失が大きくなり、温度上昇が大きくなるという問題があった。

基本的に素子のインダクタンス値Ｌは、磁気コアＣ１の断面積Ｓ及び巻線の巻数Ｎに比例し、ギャップＧの大きさに反比例するので、大きなインダクタンス値Ｌを得るために磁気コアＣ１の断面積及び巻線の巻数Ｎを大きくすると、巻線Ｃ側への漏れ磁束による渦電流損が増して効率が低下するという問題があった。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、磁気コアの断面積を大きくしても漏れ磁束を低減可能で、発熱の少ない効率的なインダクタンス素子を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明によるインダクタンス素子の第一の特徴構成は、ギャップが形成される中脚部を備えた磁気コアと、前記中脚部に巻装され通電時に前記ギャップを通過する閉磁路を前記磁気コアに形成する巻線とを備えているインダクタンス素子であって、前記中脚部が単一の基部に互いに間隔を隔てて複数本形成され、それら中脚部の包絡面に沿うように共通の巻線が巻装され、前記中脚部の隣接領域で各中脚部の周面と前記巻線の内周面との間に空隙が形成され、前記磁気コアは、各中脚部を挟むように前記基部に形成された一対の外脚部を備えた一対のＥ型磁気コアが対向配置されて構成されている点にある。

基部に形成された一対の外脚部の間に複数対の中脚部が形成され、夫々に共通の巻線が巻回される。共通の巻線により生じる磁束は、当該中脚部及び外側脚部を通る磁気抵抗の低い磁路に沿うように形成され、高磁気抵抗領域となるギャップを通過する際に中脚部の径方向に漏洩磁束が発生する。しかし、漏洩磁束のうち、中脚部と巻線が接することなく離隔した領域では巻線との鎖交が回避されるようになり、渦電流損等の損失の発生が抑制できるようになる。そして、単一の基部に中脚部が互いに間隔を隔てて配置されているので、ギャップを通過する際に各中脚部の径方向に発生する漏洩磁束の他の中脚部への影響による損失が低減されるようになる。そして、中脚部同士の間にギャップが形成されるように、Ｅ型磁気コアを対向配置することによりインダクタンス素子を形成すると、部品点数が低減できる点で好ましい。

同第二の特徴構成は、ギャップが形成される中脚部を備えた磁気コアと、前記中脚部に巻装され通電時に前記ギャップを通過する閉磁路を前記磁気コアに形成する巻線とを備えているインダクタンス素子であって、前記中脚部が単一の基部に互いに間隔を隔てて複数本形成され、それら中脚部の包絡面に沿うように共通の巻線が巻装され、前記中脚部の隣接領域で各中脚部の周面と前記巻線の内周面との間に空隙が形成され、前記磁気コアは、各中脚部を挟むように前記基部に形成された一対の外脚部を備えたＥ型磁気コアと、前記外脚部の端面が接合されるＩ字状に形成されたＩ型磁気コアとが対向配置されて構成されている点にある。

基部に形成された一対の外脚部の間に複数対の中脚部が形成され、夫々に共通の巻線が巻回される。共通の巻線により生じる磁束は、当該中脚部及び外側脚部を通る磁気抵抗の低い磁路に沿うように形成され、高磁気抵抗領域となるギャップを通過する際に中脚部の径方向に漏洩磁束が発生する。しかし、漏洩磁束のうち、中脚部と巻線が接することなく離隔した領域では巻線との鎖交が回避されるようになり、渦電流損等の損失の発生が抑制できるようになる。そして、単一の基部に中脚部が互いに間隔を隔てて配置されているので、ギャップを通過する際に各中脚部の径方向に発生する漏洩磁束の他の中脚部への影響による損失が低減されるようになる。そして、中脚部とＩ型磁気コアとの間にギャップが形成されるように、Ｅ型磁気コアにＩ型磁気コアを対向配置することによりインダクタンス素子を形成すると、それほどの精度を要しない簡単な研磨工程であってもＥ型磁気コアの外脚部及びＩ型磁気コアとを精度よく接合できるようになる点で好ましい。

同第三の特徴構成は、上述の第一または第二の特徴構成に加えて、前記中脚部は、断面が円形またはｎ角形（ｎ≧５、ｎは自然数）の柱状体で構成されている点にある。

ギャップで発生する漏洩磁束が巻線との鎖交しないように、中脚部と巻線が接することなく離隔した領域が形成される限り、断面が真円や楕円等の円形またはｎ角形（ｎ≧５、ｎは自然数）の柱状体で構成されていてもよい。

以上説明した通り、本発明によれば、磁気コアの断面積を大きくしても漏れ磁束を低減可能で、発熱の少ない効率的なインダクタンス素子を提供することができるようになった。

本発明によるインダクタンス素子の分解斜視図 （ａ）はインダクタンス素子の斜視図、（ｂ）はインダクタンス素子の横断面図 （ａ）はインダクタンス素子の要部断面の説明図、（ｂ）はインダクタンス素子の漏れ磁束の説明図 （ａ）から（ｄ）は本発明によるインダクタンス素子の要部断面の説明図、（ｅ）は従来のインダクタンス素子の要部断面の説明図 図３（ａ）から（ｅ）に示したインダクタンス素子のシミュレーション結果の説明図 （ａ）から（ｄ）は、別実施形態を示す中脚の断面図 （ａ）は従来のインダクタンス素子の横断面の説明図、（ｂ）は同縦断面の説明図 （ａ）は従来のインダクタンス素子の一部切欠き斜視図、（ｂ）は同縦断面の説明図

以下、本発明によるインダクタンス素子を図面に基づいて説明する。
図１及び図２（ａ），（ｂ）には、本発明によるインダクタンス素子１が示されている。インダクタンス素子１は、上下一対のＥ型形状の磁気コア２０と、ボビンＢに銅線Ｃが巻回された巻線１４と、銅線Ｃの端部が接続された端子部１６とを備えている。

各磁気コア２０は、基部１０の一対の対向端部に基部１０に垂直に延出形成された外脚部１１と、一対の外脚部１１の間に同じく基部１０に垂直に延出形成された円柱形状の３本の中脚部１２とを備えている。

中脚部１２の延出長さが外脚部１１の延出長さより短く形成され、外脚部１１同士を接合するように一対の磁気コア２０を対向配置すると、一対の中脚部１２の対向面間にギャップＧが形成される。

３本の中脚部１２は何れも同じサイズで、各軸心Ｐが平行姿勢となり且つ基部１０の中心線Ｌ上に位置するように配置され、互いに間隔ｄを隔てている。基部１０のうち３本の中脚部１２の間に対応する領域にスリット１０ａが形成されている。スリット１０ａの幅は中脚部１２の幅と等しく長さは中脚部１２の直径と等しい。

３本の中脚部１２の外周に平面視でトラック形状の一つの巻線１４が巻装されている。巻線Ｃのコーナー部は外側の一対の中脚部１２と密接するように配置されている。

つまり、インダクタンス素子１は、ギャップＧが形成される中脚部１２を備えた磁気コアＣ１と、中脚部１２に巻装され通電時にギャップＧを通過する閉磁路を磁気コアに形成する巻線１４とを備え、さらに、中脚部１２が複数本形成され、それら中脚部１２の包絡面に沿うように共通の巻線１４が巻装され、中脚部１２の隣接領域で各中脚部１２の周面と巻線１４の内周面との間に空隙１８が形成されている。

基部１０に形成された一対の外脚部１１の間に複数対の中脚部１２が形成され、夫々に共通の巻線１４が巻回されている。共通の巻線１４により生じる磁束は、当該中脚部１２及び外側脚部１１を通る磁気抵抗の低い磁路に沿うように形成され、高磁気抵抗領域となるギャップＧを通過する際に中脚部１２の径方向に漏洩磁束が発生する。しかし、漏洩磁束のうち、中脚部１２と巻線１４が接することなく離隔した領域（図２（ｂ）中、符号ＳＰで示す領域）では巻線１４との鎖交が回避されるようになり、渦電流損等の損失の発生が抑制できるようになる。

中脚部１２が互いに間隔ｄを隔てて配置されているので、ギャップＧを通過する際に各中脚部１２の径方向に発生する漏洩磁束の巻線１４との鎖交がさらに効果的に抑制されるので、さらに損失が低減されるようになる。

インダクタンス素子の要部断面を示す図３（ａ）のＡ−Ａ線断面が図３（ｂ）に示されている。
上下一対の中脚部１２に形成される磁束φがそれらの対向空間であるギャップＧを通過する際に径方向に漏洩して漏洩磁束φ１、φ２が形成される。漏洩磁束のうち、中脚部１２が巻線１４と密接する磁束φ２は巻線１４と鎖交するが、中脚部１２同士の間の空間（図２（ｂ）に符号ＳＰで示した領域）に漏れた磁束φ１は巻線１４と離隔しているため、殆ど鎖交することがなく、渦電流損等の大きな損失が発生することがない。

図４（ａ）から（ｄ）は、中脚部が複数本形成され、それら中脚部の包絡面に沿うように共通の巻線が巻装され、中脚部の隣接領域で各中脚部の周面と巻線の内周面との間に空隙が形成されているインダクタンス素子の例が示され、図４（ｅ）は中脚部が１本で、その周囲に巻線が密接形成された従来のインダクタンス素子が示されている。

図４（ａ）は円柱状の中脚部が互いに接するように形成され、図４（ｂ）は円柱状の中脚部が互いに離隔するように形成されている。また、図４（ｃ）は基部にスリットが形成され、図４（ｄ）はさらに中脚部の離隔距離が図４（ｂ），（ｃ）よりも大きくなるように形成されている。

これらのモデルをＪＳＯＬ社提供の電磁界解析ソフトウェアＪＭＡＧを用いてシミュレーションした結果が図５に示されている。図４（ａ）から（ｅ）に示したモデルを作成し、各モデルに対してトランス解析演算を実行してインダクタンス値、ＤＣＲ、ジュール損を算出し、磁界周波数応答解析演算を実行して磁束密度及び磁界を算出し、鉄損解析演算を実行して鉄損を算出し、さらに熱定常解析演算を実行して温度分布を算出した。

図５には、従来構造モデル１（図４（ｅ）に対応）、及び新規構造モデル２〜５（図４（ａ）〜（ｄ）に対応）の磁気コアのシミュレーション条件とシミュレーション結果が示されている。

夫々中脚部の断面積がほぼ同じ値になるように設定し、巻線にリッツ線を使用し巻き数Ｎ及び巻線のインダクタンスを同じ値になるように設定している。各インダクタンス素子のインダクタンス値が等しくなるように、中脚部のギャップを調整している。

このような各モデルに、周波数３０ｋＨｚ、電流７Ａを印加した場合の挙動をシミュレーションした。
その結果、従来形状のインダクタンス素子と比較して、何れのインダクタンス素子も銅損及び鉄損が低下し、トランス温度も大きく低下することが判明した。

基部形成したスリットの有無については何れが有意であるか不明であるものの、中脚部の離隔距離を大きくするほど鉄損が低下し、また渦電流損が少なくなるため、温度上昇が抑制されることが判明した。

以上より、中脚部が複数本形成され、それら中脚部の包絡面に沿うように共通の巻線が巻装され、中脚部の隣接領域で各中脚部の周面と巻線の内周面との間に空隙が形成されていることが重要であることが明らかになり、さらに、中脚部が互いに間隔を隔てて複数本形成されていることが好ましいということが判明した。

以下、本発明の別実施形態を説明する。
上述の実施形態では、各中脚部を挟むように形成された一対の外脚部を備えた一対のＥ型磁気コアが対向配置されて構成されているインダクタンス素子を説明したが、各中脚部を挟むように形成された一対の外脚部を備えたＥ型磁気コアと、外脚部の端面が接合されるＩ字状に形成されたＩ型磁気コアとが対向配置されて構成されていてもよい。

中脚部とＩ型磁気コアとの間にギャップが形成されるように、Ｅ型磁気コアにＩ型磁気コアを対向配置することによりインダクタンス素子を形成すると、それほどの精度を要しない簡単な研磨工程であってもＥ型磁気コアの外脚部及びＩ型磁気コアとを精度よく接合できるようになる点で好ましい。尚、一対のＥ型コアを用いる場合には、部品点数の削減によるコスト低減を図ることができる。

上述した実施形態では、中脚部が３本形成された例を説明したが、３本に限るものではなく、中脚部は２本以上の複数本に形成されていればよい。

上述した実施形態では、全て同一形状に形成された中脚部を説明したが、各中脚部が異なる形状に形成されていてもよい。
図６（ａ）に示すように、中央の中脚部１２が両端の中脚部より断面積が大きくなるように形成してもよいし、図６（ｂ）に示すように、中央の中脚部１２が断面六角形の角柱に形成されていてもよい。

さらに、図６（ｃ），（ｄ）に示すように、何れかの中脚部またはすべての中脚部が断面楕円形の円柱に形成されていてもよい。
つまり、中脚部は、断面が円形またはｎ角形（ｎ≧５、ｎは自然数）の柱状体で構成されていればよい。

ギャップＢで発生する漏洩磁束が巻線との鎖交しないように、中脚部と巻線が接することなく離隔した領域が形成される限り、断面が真円や楕円等の円形またはｎ角形（ｎ≧５、ｎは自然数）の柱状体で構成されていてもよいのである。

尚、上述した各実施形態は本発明の一例に過ぎず、本発明の作用効果を奏する範囲において各ブロックの具体的構成等を適宜変更設計できることは言うまでもない。

１：インダクタンス素子
１０：基部
１０ａ：スリット
１１：外脚部
１２：中脚部
１４：巻線
１６：端子部
２０：磁気コア
Ｂ：ボビン
Ｃ：銅線
Ｇ：ギャップ

Claims (3)

1. ギャップが形成される中脚部を備えた磁気コアと、前記中脚部に巻装され通電時に前記ギャップを通過する閉磁路を前記磁気コアに形成する巻線とを備えているインダクタンス素子であって、
   前記中脚部が単一の基部に互いに間隔を隔てて複数本形成され、それら中脚部の包絡面に沿うように共通の巻線が巻装され、前記中脚部の隣接領域で各中脚部の周面と前記巻線の内周面との間に空隙が形成され、
   前記磁気コアは、各中脚部を挟むように前記基部に形成された一対の外脚部を備えた一対のＥ型磁気コアが対向配置されて構成されているインダクタンス素子。
2. ギャップが形成される中脚部を備えた磁気コアと、前記中脚部に巻装され通電時に前記ギャップを通過する閉磁路を前記磁気コアに形成する巻線とを備えているインダクタンス素子であって、
   前記中脚部が単一の基部に互いに間隔を隔てて複数本形成され、それら中脚部の包絡面に沿うように共通の巻線が巻装され、前記中脚部の隣接領域で各中脚部の周面と前記巻線の内周面との間に空隙が形成され、
   前記磁気コアは、各中脚部を挟むように前記基部に形成された一対の外脚部を備えたＥ型磁気コアと、前記外脚部の端面が接合されるＩ字状に形成されたＩ型磁気コアとが対向配置されて構成されているインダクタンス素子。
3. 前記中脚部は、断面が円形またはｎ角形（ｎ≧５、ｎは自然数）の柱状体で構成されている請求項１または２記載のインダクタンス素子。
   

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