JP7171026B2 - ノイズフィルタ - Google Patents

Description

本開示は、ノイズフィルタに関する。

パワーエレクトロニクス機器の増加に伴い、大電流用のノイズフィルタの必要性が増えている。磁性コア（例えばフェライトコア。）を備えるノイズフィルタの場合、ノイズフィルタが装着される導体に大電流が流されると、磁性コアが磁気飽和状態に至ることがある。磁性コアが磁気飽和状態に至ると、磁性コアの透磁率は著しく低下し、効果的なノイズ対策ができなくなる。そのため、磁性コアが磁気飽和状態に至るのを抑制するための技術も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１３－１１０１７０号公報

しかし、上記特許文献１に記載された技術のように、一対の分割コアを突き合わせる箇所に低透磁率のシートを挟み込むと、同様なシートが挟み込まれない場合に比べ、磁性コアの透磁率は幾らか低下する。すなわち、上記特許文献１に記載された技術では、磁性コアの透磁率が幾らか低下するという犠牲を払って、磁性コアの耐磁気飽和特性を高めている。

本開示の一局面においては、磁性コアの透磁率を低下させることなく、磁性コアの耐磁気飽和特性を高めることが可能なノイズフィルタを提供することが望ましい。

本開示の第１の態様は、導体を通じて伝わるノイズを抑制するために導体に装着されるノイズフィルタである。当該ノイズフィルタは、複数の磁性コア及び複数の巻線を備える。磁性コアは、軟磁性材料によって構成され、貫通孔を有する環状体である。巻線は、磁性コアに巻回されて、その巻回中心が磁性コアの周方向に沿う位置にある。複数の巻線は、複数の磁性コアそれぞれの貫通孔に導体が少なくとも１回挿通されて当該導体に交流が流された場合に、複数の巻線それぞれにおいて発生する誘導電流が同方向へと流れるように、直列接続されている。

このように構成されたノイズフィルタにおいて、導体に交流が流される際、電流の流れる方向は周期的に正方向及び逆方向へ変化する。このとき、導体は複数の磁性コアの内部に磁束を発生させ、その磁束の向きは周期的に正方向及び逆方向へ変化する。磁性コアの内部において導体が発生させる磁束が増減すると、複数の巻線には誘導電流が流れ、複数の巻線は磁性コアの内部に磁束を発生させる。

このとき複数の巻線が発生させる磁束の向きは、導体が発生させる磁束が増減するのを抑制するような向きとなる。すなわち、導体が発生させる磁束が増大する場合には、その磁束とは反対向きの磁束を巻線が発生させ、磁性コアの内部の磁束が増大するのを抑制する。また、導体が発生させる磁束が減少する場合には、その磁束と同じ向きの磁束を巻線が発生させ、磁性コアの内部の磁束が減少するのを抑制する。

複数の巻線は、上述のような誘導電流が同方向へと流れるように直列接続されている。複数の巻線それぞれで発生する誘導電流は位相が一致するので、複数の巻線を含む閉回路には、複数の巻線それぞれで発生する誘導電流を足し合わせた大きさの合成電流が流れる。そのため、複数の巻線には、各巻線で発生する誘導電流よりも大きい電流が流れることになる。

したがって、導体が発生させる磁束が増大して、その磁束とは反対向きの磁束を巻線が発生させる際に、巻線が発生させる磁束を増大させることができ、これにより、磁性コアが磁気飽和状態に至るのを抑制することができる。よって、例えば、導体に流される交流が大電流となるような用途においても、磁性コアの磁気的特性を良好に維持することができ、ノイズフィルタとしての性能が低下するのを抑制することができる。

本開示の第２の態様は、導体を通じて伝わるノイズを抑制するために導体に装着されるノイズフィルタである。当該ノイズフィルタは、１つ以上の第１磁性コア、１つ以上の巻線、第２磁性コア及び電流出力部を備える。第１磁性コアは、軟磁性材料によって構成され、貫通孔を有する環状体である。巻線は、第１磁性コアに巻回されて、その巻回中心が第１磁性コアの周方向に沿う位置にある。第２磁性コアは、軟磁性材料によって構成され、貫通孔を有する環状体である。電流出力部は、第２磁性コアの内部に発生する磁束をホール素子で検出し、検出された磁束に応じた電流を出力するように構成される。１つ以上の巻線及び電流出力部は、１つ以上の第１磁性コア及び第２磁性コアそれぞれの貫通孔に導体が少なくとも１回挿通されて当該導体に直流が流された場合に、電流出力部から出力される電流が１つ以上の巻線へと流れるように、直列接続される。１つ以上の巻線は、１つ以上の第１磁性コアに対する巻回方向が、電流出力部から出力される電流が１つ以上の巻線へと流れる際に１つ以上の巻線が１つ以上の第１磁性コアの内部に発生させる磁束の向きと、導体に直流が流された際に導体が１つ以上の第１磁性コアの内部に発生させる磁束の向きとが、逆向きとなる巻回方向とされている。

このように構成されたノイズフィルタにおいて、導体に直流が流される際、導体は第１磁性コア及び第２磁性コアの内部に磁束を発生させる。第２磁性コアの内部に磁束が発生すると、電流出力部は、第２磁性コアの内部に発生する磁束をホール素子で検出し、検出された磁束に応じた電流を出力する。この電流が１つ以上の巻線に流れ、１つ以上の巻線は第１磁性コアの内部に磁束を発生させる。このとき１つ以上の巻線が発生させる磁束の向きは、導体が発生させる磁束を抑制するような向きとなる。これにより、第１磁性コアが磁気飽和状態に至るのを抑制することができる。よって、例えば、導体に流される直流が大電流となるような用途においても、第１磁性コアの磁気的特性を良好に維持することができ、ノイズフィルタとしての性能が低下するのを抑制することができる。

なお、上記電流出力部が交流に対応していれば、導体に交流が流された場合であっても上記ノイズフィルタを使用することができる。すなわち、導体に交流が流された場合に、電流出力部が、第２磁性コアの内部に発生する交番磁束をホール素子で検出し、検出された磁束に応じた交流を出力可能に構成されていれば、上記ノイズフィルタを直流及び交流のいずれにも対応させることができる。この場合、電流出力部が出力する交流の位相は、導体に流される交流と一致していてもよいし、１つ以上の巻線が発生させる誘導電流と一致していてもよい。

図１Ａは第１実施形態のノイズフィルタ及び導体を示す説明図であり、導体に流される交流の位相が順方向への電流値が増大する位相にある場合を示す説明図である。図１Ｂは第１実施形態のノイズフィルタ及び導体を示す説明図であり、導体に流される交流の位相が逆方向への電流値が増大する位相にある場合を示す説明図である。 図２Ａは第２実施形態のノイズフィルタ及び導体を示す説明図であり、導体において直流が順方向へ流される場合を示す説明図である。図２Ｂは第２実施形態のノイズフィルタ及び導体を示す説明図であり、導体において直流が逆方向へ流される場合を示す説明図である。 図３は第２実施形態のノイズフィルタの試験方法を示す説明図である。 図４は第２実施形態のノイズフィルタの試験結果を示すグラフである。

次に、上述のノイズフィルタについて、例示的な実施形態を挙げて説明する。
（１）第１実施形態
図１Ａ及び図１Ｂに示すノイズフィルタ１は、導体Ｗを通じて伝わるノイズを抑制するために導体Ｗに装着される部材である。ノイズフィルタ１は、２つの磁性コア１１Ａ，１１Ｂと、２つの巻線１３Ａ，１３Ｂとを含む。磁性コア１１Ａ，１１Ｂは、マンガン亜鉛フェライト（本開示でいう軟磁性材料の一例に相当。）によって構成される。磁性コア１１Ａは、貫通孔１１１Ａを有する環状体である。磁性コア１１Ｂは、貫通孔１１１Ｂを有する環状体である。磁性コア１１Ａ，１１Ｂは、あらかじめ環状に成形されたものであってもよいし、分割された環状体の一部に相当する形状に成形された分割体を組み合わせることによって環状体を構成可能なものであってもよい。

巻線１３Ａは、磁性コア１１Ａに巻回されている。巻線１３Ａは、その巻回中心が磁性コア１１Ａの周方向に沿う位置にある。巻線１３Ｂは、磁性コア１１Ｂに巻回されている。巻線１３Ｂは、その巻回中心が磁性コア１１Ｂの周方向に沿う位置にある。巻線１３Ａ，１３Ｂは、導体Ｗに交流が流された場合に、巻線１３Ａ，１３Ｂそれぞれにおいて発生する誘導電流が同方向へと流れるように直列接続されて閉回路を構成している。

このように構成されたノイズフィルタ１において、一次電流Ｉｐとして交流が導体Ｗに流される場合、一次電流Ｉｐの流れる方向は周期的に正方向（図１Ａ参照。）及び逆方向（図１Ｂ参照。）へ変化する。このとき、導体Ｗは磁性コア１１Ａ，１１Ｂの内部に磁束Φｐ１，Φｐ２を発生させる。磁束Φｐ１，Φｐ２の向きは周期的に正方向（図１Ａ参照。）及び逆方向（図１Ｂ参照。）へ変化する。磁性コア１１Ａ，１１Ｂの内部において導体Ｗが発生させる磁束Φｐ１，Φｐ２が増減すると、巻線１３Ａ，１３Ｂには誘導電流が流れ、巻線１３Ａ，１３Ｂは磁性コア１１Ａ，１１Ｂの内部に磁束Φｓ１，Φｓ２を発生させる。

このとき巻線１３Ａ，１３Ｂが発生させる磁束Φｓ１，Φｓ２の向きは、導体Ｗが発生させる磁束Φｐ１，Φｐ２が増減するのを抑制するような向きとなる。すなわち、一次電流Ｉｐの位相が、正方向（図１Ａ参照。）への電流値が増大する位相となる場合、導体Ｗが発生させる正方向への磁束Φｐ１，Φｐ２が増大する。このとき、巻線１３Ａ，１３Ｂは、磁束Φｐ１，Φｐ２とは反対向きの磁束Φｓ１，Φｓ２を発生させ、磁性コア１１Ａ，１１Ｂの内部の磁束が増大するのを抑制する。

また、一次電流Ｉｐの位相が、逆方向（図１Ｂ参照。）への電流値が増大する位相となる場合、導体Ｗが発生させる逆方向への磁束Φｐ１，Φｐ２が増大する。このとき、巻線１３Ａ，１３Ｂは、磁束Φｐ１，Φｐ２とは反対向きの磁束Φｓ１，Φｓ２を発生させ、磁性コア１１Ａ，１１Ｂの内部の磁束が増大するのを抑制する。なお、図示は省略するが、一次電流Ｉｐの位相が、正方向又は逆方向への電流値が減少する位相となる場合、導体Ｗが発生させる磁束Φｐ１，Φｐ２は減少する。このとき、巻線１３Ａ，１３Ｂは、磁束Φｐ１，Φｐ２と同じ向きの磁束Φｓ１，Φｓ２を発生させ、磁性コア１１Ａ，１１Ｂの内部の磁束が減少するのを抑制する。

一次電流Ｉｐが交流の場合、２つの巻線１３Ａ，１３Ｂそれぞれで発生する誘導電流は交流となり、双方の位相は一致する。そのため、２つの巻線１３Ａ，１３Ｂを含む閉回路には、二次電流Ｉｓとして、２つの巻線１３Ａ，１３Ｂそれぞれで発生する誘導電流を足し合わせた大きさの合成電流が流れる。したがって、各巻線１３Ａ，１３Ｂに流れる二次電流Ｉｓの電流値は、各巻線１３Ａ，１３Ｂで発生する誘導電流の電流値よりも大となる。

各巻線１３Ａ，１３Ｂで発生する誘導電流よりも大きい二次電流Ｉｓが流れれば、巻線１３Ａ，１３Ｂが発生させる磁束Φｓ１，Φｓ２を増大させることができる。よって、導体Ｗが発生させる磁束Φｐ１，Φｐ２が増大するのを抑制する能力を高めることができ、磁性コア１１Ａ，１１Ｂが磁気飽和状態に至るのを抑制することができる。したがって、例えば、導体Ｗに流される一次電流Ｉｐが大電流となるような用途においても、磁性コア１１Ａ，１１Ｂの磁気的特性を良好に維持することができ、ノイズフィルタとしての性能が低下するのを抑制することができる。

（２）第２実施形態
図２Ａ及び図２Ｂに示すノイズフィルタ２は、導体Ｗを通じて伝わるノイズを抑制するために導体Ｗに装着される部材である。ノイズフィルタ２は、１つの第１磁性コア１１と、１つの巻線１３と、１つの第２磁性コア１５と、電流出力部１７とを含む。第１磁性コア１１及び第２磁性コア１５は、マンガン亜鉛フェライト（本開示でいう軟磁性材料の一例に相当。）によって構成される。第１磁性コア１１は、貫通孔１１１を有する環状体である。第２磁性コア１５は、貫通孔１５１を有する環状体である。第１磁性コア１１及び第２磁性コア１５は、あらかじめ環状に成形されたものであってもよいし、分割された環状体の一部に相当する形状に成形された分割体を組み合わせることによって環状体を構成可能なものであってもよい。巻線１３は、第１磁性コア１１に巻回されている。巻線１３は、その巻回中心が第１磁性コア１１の周方向に沿う位置にある。

電流出力部１７は、第２磁性コア１５の内部に発生する磁束をホール素子で検出し、検出された磁束に応じた電流を出力する。電流出力部１７は、ホール素子で構成されていてもよいし、ホール素子と増幅回路とを一体化したホールＩＣで構成されていてもよい。あるいは、ホール素子とは別体に構成される増幅回路をホール素子に付設して電流出力部１７を構成してもよい。第２磁性コア１５は、周方向の一部に空隙を有し、その空隙に電流出力部１７が有するホール素子が介装されている。巻線１３及び電流出力部１７は、導体Ｗに直流が流された場合に、電流出力部１７から出力される電流が巻線１３へと流れるように直列接続されている。

このように構成されたノイズフィルタ２において、導体Ｗに直流が流される際、導体Ｗは第１磁性コア１１の内部に磁束Φｐ１を発生させ、第２磁性コア１５の内部に磁束Φｐ２を発生させる。電流出力部１７は、第２磁性コア１５の内部に発生する磁束Φｐ２をホール素子で検出し、検出された磁束Φｐ２に応じた電流を出力する。この電流が巻線１３に流れ、巻線１３は第１磁性コア１１の内部に磁束Φｓ１を発生させる。このとき巻線１３が発生させる磁束Φｓ１の向きは、導体Ｗが発生させる磁束Φｐ１を抑制するような向きとなる。これにより、第１磁性コア１１が磁気飽和状態に至るのを抑制することができる。よって、例えば、導体Ｗに流される直流が大電流となるような用途においても、第１磁性コア１１の磁気的特性を良好に維持することができ、ノイズフィルタとしての性能が低下するのを抑制することができる。

また、本実施形態の場合、ノイズフィルタ２は、一次電流Ｉｐが交流となる場合でも使用可能に構成されている。一次電流Ｉｐとして交流が導体Ｗに流される場合、一次電流Ｉｐの流れる方向は周期的に正方向（図２Ａ参照。）及び逆方向（図２Ｂ参照。）へ変化する。このとき、導体Ｗは第１磁性コア１１及び第２磁性コア１５の内部に磁束Φｐ１，Φｐ２を発生させる。磁束Φｐ１，Φｐ２の向きは周期的に正方向（図２Ａ参照。）及び逆方向（図２Ｂ参照。）へ変化する。第１磁性コア１１の内部において導体Ｗが発生させる磁束Φｐ１が増減すると、巻線１３には誘導電流が流れる。また、第２磁性コア１５の内部において導体Ｗが磁束Φｐ２を発生させると、電流出力部１７は、第２磁性コア１５の内部に発生する磁束Φｐ２をホール素子で検出し、検出された磁束Φｐ２に応じた電流を出力する。その結果、巻線１３には、上述の誘導電流と電流出力部１７から出力される電流を足し合わせた大きさの合成電流が流れる。

一次電流Ｉｐの位相が、正方向（図２Ａ参照。）への電流値が増大する位相となる場合、導体Ｗが発生させる正方向への磁束Φｐ１，Φｐ２が増大する。このとき、巻線１３は、磁束Φｐ１とは反対向きの磁束Φｓ１を発生させ、第１磁性コア１１の内部の磁束が増大するのを抑制する。また、一次電流Ｉｐの位相が、逆方向（図２Ｂ参照。）への電流値が増大する位相となる場合、導体Ｗが発生させる逆方向への磁束Φｐ１，Φｐ２が増大する。このとき、巻線１３は、磁束Φｐ１とは反対向きの磁束Φｓ１を発生させ、第１磁性コア１１の内部の磁束が増大するのを抑制する。なお、図示は省略するが、一次電流Ｉｐの位相が、正方向又は逆方向への電流値が減少する位相となる場合、導体Ｗが発生させる磁束Φｐ１，Φｐ２は減少する。このとき、電流出力部１７は、巻線１３で発生する誘導電流とは逆方向の電流を出力し、第１磁性コア１１の内部の磁束が減少するのを促進する。

一次電流Ｉｐの位相が、正方向（図２Ａ参照。）への電流値が増大する位相となる場合、及び逆方向（図２Ｂ参照。）への電流値が増大する位相となる場合、巻線１３に流れる二次電流Ｉｓの電流値は、巻線１３で発生する誘導電流の電流値よりも大となる。したがって、巻線１３が発生させる磁束Φｓ１を増大させることができる。よって、導体Ｗが発生させる磁束Φｐ１が増大するのを抑制する能力を高めることができ、第１磁性コア１１が磁気飽和状態に至るのを抑制することができる。よって、例えば、導体Ｗに流される一次電流Ｉｐが大電流となるような用途においても、第１磁性コア１１の磁気的特性を良好に維持することができ、ノイズフィルタとしての性能が低下するのを抑制することができる。

次に、ノイズフィルタ２の性能を、以下のような方法で試験した。図３に示すように、交流線Ｗａｃ及び直流線Ｗｄｃに対してノイズフィルタ２を取り付け、交流線Ｗａｃ及び直流線Ｗｄｃが第１磁性コア１１及び第２磁性コア１５を貫通するように構成する。直流線Ｗｄｃには直流Ｉｄｃを流し、その電流値を０～１７．５Ａの範囲内で変更する。交流線Ｗａｃには６０Ｈｚ、１．５Ａの交流Ｉａｃを流す。このとき、第１磁性コア１１の透磁率がどのように変動するのかを調べるため、図３に示すように、負荷抵抗ＲＬを備える回路５０を構成し、マルチメータ５１を用いて回路５０の出力電圧を測定した（実施例）。また、比較のため、第１磁性コア１１だけが単独で交流線Ｗａｃ及び直流線Ｗｄｃに取り付けられた場合（すなわち、巻線１３、第２磁性コア１５及び電流出力部１７を省略した構成。）についても、同様の測定を実施した（比較例）。図４に測定結果を示す。

図４に示すグラフから明らかなように、直流線Ｗｄｃに流される直流Ｉｄｃが１．５Ａ以上となる領域では、回路５０の出力電圧は、実施例の方が比較例よりも大となった。回路５０の出力電圧は、第１磁性コア１１の透磁率に比例する。したがって、直流線Ｗｄｃに流される直流Ｉｄｃが１．５Ａ以上となる使用環境であれば、第１磁性コア１１の透磁率は、実施例の方が比較例よりもが高く、実施例の方がノイズフィルタとしての性能は優れているものと考えられる。

（３）他の実施形態
以上、ノイズフィルタについて、例示的な実施形態を挙げて説明したが、上述の実施形態は本開示の一態様として例示されるものにすぎない。すなわち、本開示は、上述の例示的な実施形態に限定されるものではなく、本開示の技術的思想を逸脱しない範囲内において、様々な形態で実施することができる。

例えば、上記実施形態では、軟磁性材料の例として、マンガン亜鉛フェライトを例示したが、他の軟磁性材料を用いてもよい。他の軟磁性材料としては、例えば、鉄アルミケイ素合金、ニッケル鉄合金、コバルト鉄合金、鉄ケイ素ホウ素系合金、各種フェライト系磁性材料、アモルファス系磁性材料などを挙げることができる。フェライト系磁性材料としては、上述のマンガン亜鉛フェライトの他には、ニッケル亜鉛フェライト、マグネシウム亜鉛フェライト、銅亜鉛フェライト、磁鉄鉱等のスピネル型結晶構造を有するスピネルフェライト、バリウムフェライト、ストロンチウムフェライト等の六方晶フェライト、イットリウム鉄ガーネットなどのガーネットフェライト等を挙げることができる。アモルファス系磁性材料としては、鉄合金系、コバルト合金系、ニッケル合金系、これらの混合合金系アモルファスなどが挙げられる。

また、上記第１実施形態では、複数の磁性コアの例として、２つの磁性コア１１Ａ，１１Ｂを例示したが、３つ以上の磁性コアを用いてもよい。上記第１実施形態の場合、複数の磁性コア（２つの磁性コア１１Ａ，１１Ｂ）が同一の軟磁性材料で構成されているが、複数の磁性コアは異なる軟磁性材料で構成されてもよい。また、上記第２実施形態では、１つ以上の第１磁性コアの例として、１つの第１磁性コア１１を例示したが、２つ以上の第１磁性コアを用いてもよい。２つ以上の第１磁性コアは同一の軟磁性材料で構成されてもよいし、異なる軟磁性材料で構成されてもよい。

以上の他、上記各実施形態における一つの構成要素によって実現していた機能を、複数の構成要素によって実現するように構成してもよい。また、複数の構成要素によって実現していた機能を一つの構成要素によって実現するように構成してもよい。また、上記各実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記各実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。

１，２…ノイズフィルタ、１１…第１磁性コア、１１Ａ，１１Ｂ…磁性コア、１３，１３Ａ，１３Ｂ…巻線、１５…第２磁性コア、１７…電流出力部、５０…回路、５１…マルチメータ。

Claims (2)

1. 導体を通じて伝わるノイズを抑制するために前記導体に装着されるノイズフィルタであって、
   複数の磁性コア及び複数の巻線を備え、
   前記磁性コアは、軟磁性材料によって構成され、貫通孔を有する環状体であり、
   前記巻線は、前記磁性コアに巻回されて、その巻回中心が前記磁性コアの周方向に沿う位置にあり、
   前記複数の巻線は、前記複数の磁性コアそれぞれの前記貫通孔に前記導体が少なくとも１回挿通されて当該導体に交流が流された場合に、前記複数の巻線それぞれにおいて発生する誘導電流が同方向へと流れるように、電線を介して直列接続されている
   ノイズフィルタ。
2. 導体を通じて伝わるノイズを抑制するために前記導体に装着されるノイズフィルタであって、
   １つ以上の第１磁性コア、１つ以上の巻線、第２磁性コア及び電流出力部を備え、
   前記第１磁性コアは、軟磁性材料によって構成され、貫通孔を有する環状体であり、
   前記巻線は、前記第１磁性コアに巻回されて、その巻回中心が前記第１磁性コアの周方向に沿う位置にあり、
   前記第２磁性コアは、軟磁性材料によって構成され、貫通孔を有する環状体であり、
   前記電流出力部は、前記第２磁性コアの内部に発生する磁束をホール素子で検出し、検出された磁束に応じた電流を出力するように構成され、
   前記１つ以上の巻線及び前記電流出力部は、前記１つ以上の第１磁性コア及び前記第２磁性コアそれぞれの前記貫通孔に前記導体が少なくとも１回挿通されて当該導体に直流が流された場合に、前記電流出力部から出力される電流が前記１つ以上の巻線へと流れるように、直列接続され、
   前記１つ以上の巻線は、前記１つ以上の第１磁性コアに対する巻回方向が、前記電流出力部から出力される電流が前記１つ以上の巻線へと流れる際に前記１つ以上の巻線が前記１つ以上の第１磁性コアの内部に発生させる磁束の向きと、前記導体に前記直流が流された際に前記導体が前記１つ以上の第１磁性コアの内部に発生させる磁束の向きとが、逆向きとなる巻回方向とされている
   ノイズフィルタ。

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