JPH05299270A

JPH05299270A - 電磁装置および電磁コア構造

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Publication number: JPH05299270A
Application number: JP4266059A
Authority: JP
Inventors: James H Spreen; ジェイムス・ハロルド・スプリーン
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1991-11-01
Filing date: 1992-10-05
Publication date: 1993-11-12
Anticipated expiration: 2010-10-25
Also published as: US5155676A; JPH0799727B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】単一構造コアにおいて、共通モード・インダ
クタンス、差動モード・インダクタンス、共通モード直
流電流の出力能力を提供する。【構成】コアは、２個の外側ポストと、２個の内側ポ
ストと、４個のリンク・セグメントから構成され、２個
の内側ポストは、ギャップあり磁路及びギャップなし磁
路を与えるように配置される。ギャップなし磁路は、数
字８のパターンを描き、ギャップあり磁路は、各内側ポ
ストと隣接するリンク・セグメントの１つとの間にギャ
ップが形成されるように２個の内側ポストが配置され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に電磁装置、特に
磁気コア構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】特定の磁気コア構造の特徴および特性を
評価する場合、コア構造の窓を流れる電流、およびコア
構造による対応する電磁応答を考えることが参考にな
る。２本の平行導体を流れる電流は、共通モード電流お
よび差動モード電流によって表すことができる。共通モ
ード電流は、２本の導体を同一方向に流れる電流であ
り、差動モード電流は、２本の導体を反対方向に流れる
電流である。この定義により、２本の導体を流れる任意
の電流を、共通モード電流および差動モード電流の組合
わせで表すことができる。交流電流ＡＣおよび直流電流
ＤＣの両方を、共通モードおよび差動モードで表すこと
ができる。

【０００３】従来技術によるコア構造は、あるタイプの
電流を供給することができるが、他のタイプの電流に対
しては相応的に低い性能を有している。例えば図１
（ａ）は、従来のギャップ無しＥ−Ｅ磁気コアを示して
いる。この種のコアは、それぞれ文字Ｅのような形状を
した２つの対称半部より典型的に構成されているので、
Ｅ−Ｅコアと名付けられている。このようなギャップ無
しＥ−Ｅコアは、その窓を流れる電流に対して、高差動
モード・インダクタンスと、高共通モード・インダクタ
ンスとを与える。しかし、このようなギャップ無しコア
は、ごく低い直流電流出力能力を与える。

【０００４】直流出力能力を与えるためには、従来のＥ
−Ｅコアの中央脚部に、図１（ｂ）に示すように、対向
面に水平にギャップを設けることができる。図１（ｂ）
の構造の外側脚部は、無ギャップのままである。このよ
うな中央脚部のギャップにより、従来のＥ−Ｅコアは、
差動直流電流を供給し、共通モード・インダクタンスを
与えることができるが、大幅に減少した差動モード・イ
ンダクタンスを犠牲にしている。

【０００５】従来のＥ−Ｅコアの外側脚部は、図１
（ｃ）に示すように、対向面に水平にギャップを持つこ
ともできる。このようにギャップを持つ外側脚部を有す
るＥ−Ｅコアは、共通および差動モード直流電流を出力
することができるが、大幅に減少した共通および差動モ
ード・インダクタンスを犠牲にしている。

【０００６】従来のＥ−Ｅコアを変形する他の方法は、
図１（ｄ）に示すように、中央脚部に垂直ギャップを設
けることである。このような垂直ギャップを有するＥ−
Ｅコアは、差動モード・インダクタンスの相応的な減少
なしに、共通モード直流電流を供給する。しかしなが
ら、この種の垂直ギャップを有するコアは、共通モード
・インダクタンスを差動モード・インダクタンスの１／
４以下に減少させることは決してできないので、その範
囲が制限される。同様に、ある差動モード・インダクタ
ンスに対しては、ギャップがいかに大きく作られようと
も、供給される共通モード直流電流への上限が存在す
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、単一
構造コア構造において、共通モード・インダクタンス，
差動モード・インダクタンス，共通モード直流電流の出
力能力を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の新規な磁気コア
構造は、バスバーまたは印刷回路ランドのような２本の
並列なプレーナ導体に、共通モード直流電流を供給しな
がら、大きな差動モード型インダクタンスと共通モード
型インダクタンスとの組合わせを提供する。所望機能の
この組合わせは、単一コア構造内へ、ギャップ有り磁路
およびギャップ無し磁路を設けることによって達成され
る。

【０００９】ギャップ有り磁路およびギャップ無し磁路
の両方を設けるためには、本発明のコア構造は、図２に
示すように、２個の外側ポスト（６４，６２）と、２個
の内側ポスト（６１，６３）と、４個のリンク・セグメ
ント（５１〜５４）とから構成される。図２は、本発明
のコア構造の一部分解断面図である。図２の湾曲矢印で
示すように組み立てられると、面ａ′は面ａに、面ｂ′
は面ｂに、面ｃ′は面ｃに、面ｄ′は面ｄにそれぞれ接
合する。このコアの２個の内側ポスト（６１，６３）
は、Ｅ−Ｅコア構造の従来の中央脚部の位置に設けられ
ている。図２から解るように、このコアの構造は、導体
が通る２個の窓領域を取り囲む点において、従来のＥ−
Ｅコアと同じである。しかし、従来のＥ−Ｅコアとは異
なり、２個の内側ポスト（６１，６３）の構造配置は、
ギャップ有り磁路およびギャップ無し磁路の両方を与え
ている。

【００１０】ギャップ無し磁路は、数字８のパターンを
描き、数字８の各ループ内に各窓を取り囲んでいる。よ
り正確には、磁路は、第１の外側ポスト６２から始ま
り、第１のリンク・セグメント５２を通り、第１の内側
ポスト６３を下がり、第４のリンク・セグメント５３を
通り、第２の内側ポスト６４を上がり、第３のリンク・
セグメント５４を通り、第２の内側ポスト６１を下が
り、第２のリンク・セグメント５１を通り、第１の外側
ポストに戻る。

【００１１】ギャップ有り磁路は、２個の内側ポストに
ギャップが、各内側ポストと隣接するリンク・セグメン
トの１つとの間にギャップが形成されるように、２個の
内側ポストを配置することによって作られる。ギャップ
有り磁路は、外側ポスト６２，６４を通り、リンク・セ
グメント５１〜５４間を直接通り、エアギャップｇ１，
ｇ２，ｇ３を通る閉じた通路である。ギャップ有り磁路
は、内側ポスト６１，６３を通らない。

【００１２】本発明の新規なコア構造は、全範囲の能力
を与える。ある差動インダクタンスに対しては、小から
無限に変化する対応共通モードの直流電流出力能力を有
しながら、共通モード・インダクタンスは、小さいギャ
ップでの差動インダクタンスに匹敵するインダクタンス
から、大きいギャップでの極めて小さいインダクタンス
まで変化することができる。さらに、有限のギャップ長
では、導体が物理的に閉じていても、窓を通る導体は磁
気的に減結合される。

【００１３】

【実施例】本発明の新規なコア構造を、上部を持ち上げ
た状態で図２に示す。この好適な実施例では、構造は、
図中１〜４の参照番号が付されたほぼ同一の部品より成
る。各部品は、フェライト，積層鉄，または周知の磁気
性能特性に基づいて選ばれた他の適切な材料とすること
ができる。各部品は、２個のポスト（６１〜６４）間に
磁路を形成するリンク（５１〜５４）を有している。各
部品の外側ポスト（６４または６２）の幅は、リンク・
セグメントの全幅である。内側ポスト（６１または６
３）の幅は、リンク・セグメントの半分の幅である。

【００１４】図２にカーブした矢印で示すように組み立
てられると、コア部品は、図中電流矢印ｉ１およびｉ２
で示される導体を含む２個の窓を取り囲む。ｉ１＝ｉ２
のように流れる電流が、共通モード型の電流として説明
される。対照的に、ｉ１＝−ｉ２のように流れる電流
が、差動モード型の電流として説明される。いずれの窓
の電流も、共通モード型および差動モード型の電流に変
更することができる。したがって、任意の電流に対する
コアの作用を説明するには、共通モード型および差動モ
ード型の電流に対するコアの作用を説明することで十分
である。

【００１５】コアが組み立てられると、表面ｄは表面
ｄ′に、表面ｃは表面ｃ′に、表面ｂは表面ｂ′に、表
面ａは表面ａ′に、それぞれ直接に接合され、これら接
合部には、幅のあるギャップは存在しない。（どのよう
な組立てコアにおけるように、表面の不完全な接合の故
に、わずかなギャップは常に存在する。）コア部品１
は、コア部品２に接触しない。図２に示されるように、
２個のコア部品間に、ギャップｇ１，ｇ２，ｇ３が残さ
れるように配置される。図２には参照番号が付されてい
ないが、コア部品３と４との間には、３個の相応するギ
ャップが存在する。

【００１６】上述した新規なコア構造は、導体対の周り
に、ギャップ無しおよびギャップ有りの磁路の両方を与
える。ギャップ無し磁路は、コアの全てのセグメント
（４個の全てのポストおよび４個の全てのリンク）を、
数字８のパターン状に通る１つの連続磁路である。磁路
は、外側ポスト６４のａ−ａ′接合部から始まり、ポス
ト６４を下がってリンク５３へ至り、リンク５３を通
り、中央ポスト６３を上がって、リンク５２を通り、他
方の外側ポスト６２を下がり、リンク５１を通り、内側
ポスト６１を上がり、リンク５４を通り、ポスト６４に
戻る。この磁路は、ギャップを通ることなく閉じてい
る。このギャップ無し磁路の通路をトレースすることに
よって解るように、磁路は基本的に数字８のパターンを
描いており、数字８の各ループがコアの窓の１つを取り
囲んでいる。このギャップ無し磁路は、コア構造によっ
て囲まれる両方の窓を流れる差動型電流に、大きな誘導
インピーダンスを与える。

【００１７】ギャップ有り磁路は、外側ポスト６４のａ
−ａ′接合部から始まり、ポスト６４を上がり、リンク
５４を通り、上部ギャップｇ１，ｇ２，ｇ３を通ってリ
ンク５２に至り、リンク５２を通り、ポスト６２を下が
り、リンク５１を通り、下部ギャップを通ってリンク５
３に至り、リンク５３を通り、ポスト６４に戻る。この
磁路は、２つのギャップ領域を通ることにより閉じてい
る。ギャップ有り磁路は、コア構造の外側セグメントの
周りの環状パターンであることが解る。この環状磁路
は、コアの両方の窓を取り囲んでいる。このギャップ有
り磁路は、２個の導体を流れる電流に対して、共通モー
ド・インダクタンスを与える。さらに、この磁路はギャ
ップを有しているので、共通モード直流電流を受け入れ
ることができる。

【００１８】

【表１】

【００１９】表１は、図１（ａ）〜（ｂ）で説明した従
来のコア構造を、本発明のコア構造と、４つの異なる特
性についての対比を示している。対比される特性は、差
動モード電流および共通モード電流の両方に対する、相
対インダクタンスおよび直流電流出力能力である。差動
モード直流および共通モード直流に対する欄は、与えら
れたコア構造が特定の電流を供給できるか否かを示して
いる。表１は、非常に厳密な比較を与えるものではな
い。例えば、あるコア容積に対しては、本発明のギャッ
プ有り／ギャップ無しコアは、表１には、“高”差動モ
ード・インダクタンスを与えるものとして示されている
にも拘らず、ギャップ無しＥ−Ｅコアまたは垂直ギャッ
プを有するＥ−Ｅコアよりも低い差動インダクタンスを
与える。しかしながら、このレベルの比較においてさえ
も、表１から、上述のギャップ有り／ギャップ無しコア
は、他のコア構造では得られないこれら４つの特性の組
合わせを与えることは明らかである。

【００２０】図２では、長方形の断面を有するポストお
よびリンクを有するコアを示した。この構造についての
可能な変更は、円形断面のポストも含んでいる。さら
に、全ての４つのコア部品は、コアが組み立てられたと
きコア部品が前述の磁路を与える限りは、同一である必
要はない。変動チョークまたは制御された飽和特性を与
えるテーパ状またはステップ状ギャップの周知の技術の
いずれかを、本発明のコア構造に用いることができる。

【００２１】上述した４つの部品の組立てとは異なり、
本発明のコア構造を、２つの部品で構成することもでき
る。これは、図２に示した４部品の配置が難しいので、
製造および組立ての点から望ましい。この２部品構造
は、コア部品１をコア部品２に機械的に固定し、同様に
コア部品３をコア部品４に機械的に固定することによっ
て行うことができる。いかなる固定方法も、前述した磁
路の一体性を保つことが重要である。すなわち、コア・
セグメント間のギャップは、比較的磁気的に不活性（例
えば、エアギャップに匹敵する磁気特性）に保たなけれ
ばならない。

【００２２】いくつかの固定方法は、非磁性エポキシ樹
脂または非磁性セラミックで、エアギャップｇ１，ｇ
２，ｇ３を充てんすることを含んでいる。これら充てん
手法に対して考慮されるべき要因は、充てん材料の膨張
温度係数および粘着特性を含んでいる。充てん材料は、
コア構造の特定の動作状態で適切に反応することを保証
するための注意が払われなければならない。

【００２３】２部品構造を作る他の方法は、構造的安定
性を与えるために、比較的小さいフェライト・ブリッジ
をギャップに有することである。また、これら追加のフ
ェライト・ブリッジが本発明のギャップ有り磁路を妨害
しないように注意が払われなければならない。動作中、
これらの薄いブリッジは、磁気的に飽和して、図２のコ
アとして作用しなければならない。低電流では、これら
ブリッジを有するコアは、いくらかの変動チョーク特性
を示すであろう。

【００２４】図３は、図２に示される６個のギャップの
代わりに、２つの斜めギャップｇ４，ｇ５を有する本発
明を示している。図２と同様に、図３は部分的に分解さ
れた断面図でコア構造を示している。組み立てられる
と、部品５の面ｅは、部品７の面ｅ′と接合し、部品５
の面ｆは、部品８の面ｆ′と接合する。同様に、面ｈは
面ｈ′と、面ｊは面ｊ′と接合する。図２に示すコア構
造のように、図３に示される斜めギャップを有するコア
は、ギャップ有り磁路とギャップ無し磁路の両方を同一
構造で与える。

【００２５】図３のコアのギャップ無し磁路は、外側ポ
スト８４のｅ−ｅ′接合から始まり、ポスト８４をリン
ク７３まで下がり、リンク７３を通り、内側ポスト８１
を上がり、リンク７２を通り、外側ポスト８２を下が
り、リンク７１を通り、内側ポスト８３を上がり、リン
ク７４を通り、ポスト８４に戻る。この磁路は、ギャッ
プを通ることなく閉じている。図２のコアのように、ギ
ャップ無し磁路は、基本的に数字８のパターンを描いて
おり、数字８の各ループがコアの窓の１つを取り囲んで
いる。

【００２６】図３のコアのギャップ有り磁路は、ポスト
８４のｅ−ｅ′接合に始まり、ポスト８４を上がり、リ
ンク４を通り、ギャップｇ４を通ってリンク７２に至
り、リンク７２を通り、ポスト８２を下がり、リンク７
１を通り、下部ギャップｇ５を通ってリンク７３に至
り、リンク７３を通り、ポスト８４に戻る。この磁路
は、２つのギャップを通ることにより閉じている。また
図２のコアのように、このギャップ有り磁路は、コア構
造の外側セグメントの周りの環状パターンをなし、コア
の両方の窓を囲んでいることが解る。

【００２７】この新規のコア構造の一実施例では、図３
に示す斜めギャップは５ｍｍ（０．２インチ）であっ
た。ポストの直径は１５ｍｍ（０．６５インチ）であ
り、外側ポスト間の中心間距離は７６ｍｍ（３．０イン
チ）であった。このような特定寸法を有するコアは、共
通モードの窓電流に対して３０ｎＨのインダクタンスを
有し、差動モードの窓電流に対しては３μＨのインダク
タンスを有し、７００Ａの共通モード直流電流制限を有
することが観察された。

【００２８】本発明の新規なコアは、図４に示すブリッ
ジ１次回路によって駆動される、変成器／インダクタに
用いられるように、いくつかの特定応用分野を有してい
る。図４から解るように、本発明の新規コアは、１次巻
線１００と２次巻線１１０とを有し、これら巻線は２つ
の中央脚ポスト８１，８３を取り巻いている。１次巻線
１００は、図４に示されていない外部１次回路に接続さ
れている。２次巻線は、２個の整流器１２０と中央タッ
プ１３０とを介して、負荷回路に接続されている。負荷
回路は、負荷と、インダクタＬおよびキャパシタＣより
成る出力フィルタとから構成されている。この新規なコ
ア構造により与えられる高い差動モード・インダクタン
スは、大きな磁化インダクタンスに相当している。共通
モード・インダクタンスおよび直流電流出力能力は、直
流出力電流を供給しなければならない２次フィルタ・イ
ンダクタＬに付加される有効な直列インダクタンスに相
当している。

【００２９】このような変成器の応用においては、この
コア構造の能力は、交流変成器磁束および直流インダク
タンス磁束の組合わせによって制限される。回路変数に
よって、この組合わせは、出力電圧および電流の組合わ
せを制限する。一般的に、前述した寸法を有するコア
は、７００Ａの出力電流を供給することができた。一実
施例では、本発明コアを有する変成器は、３．６Ｖ，３
５０Ａ出力で、および２．１Ｖ，４００Ａ出力で動作し
た。もちろん、これらの値は、コアに用いられる特定の
寸法によって支配される。コア寸法を変更することによ
って、所望の動作能力を、特定の応用に与えることがで
きることは、当業者には明らかである。

【００３０】本発明の新規コアは、並列電源におけるリ
ップル電流を軽減するのに用いることもできる。電流出
力を増大させるためには、２つの別個の切替えモード・
コンバータ電源を、インタリーブ切替によりリップル電
流を軽減させて、並列に動作させることができる。この
とき、２本の出力バス上の支配的なリップル成分は、差
動モードであり、大きな共通モード直流電流に負荷され
る。本発明のコアは、ユニークな能力を有しており、ギ
ャップ無し磁路を高インダクタンスに対して与えて、出
力電流対の差動リップル成分をフィルタリングし、同時
に、共通モード直流出力電流を供給する。さらに、本発
明のコアは、隣接する出力バスにおいて、共通モード・
フィルタリングを与える。

【００３１】本発明の特定の実施例を示し説明したが、
当業者であれば、本発明の精神および範囲から逸脱する
ことなく、変形，変更が可能であることは明らかであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｄ）は、磁気コア内にギャップ有り
磁路またはギャップ無し磁路のいずれかを与える従来技
術による構造を示す図である。

【図２】本発明の新規な磁気コアを示す一部分解断面図
である。

【図３】コアの円柱中央脚部の間に、斜めギャップを有
する本発明のコア構造を示す図である。

【図４】変成器回路に使用される本発明のコア構造を示
す図である。

【符号の説明】

５１〜５４リンク６１，６３内側ポスト６２，６４外側ポスト１００１次巻線１１０２次巻線１２０整流器１３０中央タップｇ１〜ｇ５ギャップ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２個の別個の窓領域を取り囲む磁気材料の
コアと、前記コアが与える第１および第２の磁路とを備え、前記第１の磁路は、ギャップが無く、前記窓領域を数字
８のパターンで取り囲み、前記第２の磁路は、ギャップが有り、前記窓領域の両方
を環状パターンで取り囲む、ことを特徴とする電磁装
置。
【請求項２】前記各窓領域は、前記コアの、外側ポスト
と、内側ポストと、２個のリンクとにより取り囲まれる
ことを特徴とする請求項１記載の電磁装置。
【請求項３】前記ギャップ無し磁路は、前記コアの前記
ポストおよび前記リンクの全てを通り、前記ギャップ有
り磁路は、前記コアの前記外側ポストおよび前記リンク
のみを通ることを特徴とする請求項２記載の電磁装置。
【請求項４】少なくとも１個の電気導体が、前記各窓領
域を通ることを特徴とする請求項１記載の電磁装置。
【請求項５】前記各電気導体が、電源供給出力バスであ
り、前記電磁装置は、前記電気導体における共通モード電流
および差動モード電流の両方に対して、インダクタンス
を与え、前記電磁装置は、さらに、直流電流を供給する、ことを
特徴とする請求項４記載の電磁装置。
【請求項６】第１および第２の外側コア・ポスト・セグ
メントと、第１および第２の内側コア・ポスト・セグメントと、第１，第２，第３および第４のリンク・セグメントとを
備え、前記セグメントは接続されて、前記第１外側ポスト，前
記第１リンク，前記第１内側ポスト，前記第４リンク，
前記第２外側ポスト，前記第３リンク，前記第２内側ポ
スト，前記第２リンク，前記第１外側ポストの順に通
る、連続したギャップ無し磁路を形成し、前記第１内側ポストと前記第２内側ポストとの間、前記
第１内側ポストと前記第３リンクとの間、前記第１内側
ポストと前記第２リンクとの間、前記第２内側ポストと
前記第１リンクとの間、前記第２内側ポストと前記第４
リンクとの間に、低リラクタンスのギャップを形成する
ように、前記内側ポストを配置する、ことを特徴とする
電磁コア構造。
【請求項７】前記コア・ポストは、角柱形状であること
を特徴とする請求項６記載の電磁コア構造。
【請求項８】前記コア・ポストは、円柱形状であること
を特徴とする請求項６記載の電磁コア構造。
【請求項９】前記ギャップは、エアギャップであること
を特徴とする請求項６記載の電磁コア構造。
【請求項１０】第１リンク・セグメントによって第１の
内側ポストに一体に接続された第１の外側ポストを備
え、前記第１の外側ポストは、第２リンク・セグメントによ
って第２の内側ポストに一体に接続され、第３リンク・セグメントによって前記第２の内側ポスト
に一体に接続された第２の外側ポストを備え、前記第２の外側ポストは、第４リンク・セグメントによ
って前記第１の内側ポストに一体に接続され、前記第１内側ポストと前記第２内側ポストとの間、前記
第１内側ポストと前記第３リンクとの間、前記第１内側
ポストと前記第２リンクとの間、前記第２内側ポストと
前記第１リンクとの間、前記第２内側ポストと前記第４
リンクとの間に、低リラクタンスのギャップを形成する
ように、前記内側ポストおよびリンクを配置し、前記内側コア・ポストの両方を取り囲む１次巻線を備
え、前記内側コア・ポストの両方を取り囲む２次巻線を備え
る、ことを特徴とする変成器。
【請求項１１】前記１次巻線は、１次駆動回路に接続さ
れ、前記２次巻線は、負荷／フィルタ回路に接続されてい
る、ことを特徴とする変成器。