JPH0541121U - ノイズ防止チヨークコイル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大きなコモンモード、ノーマルモードインダ
クタを合わせ持ち、小型で実装スペースも小さく、安価
で且つ良好なコモンモードノイズおよび高調波抑制作用
を持つノイズ防止チョークコイルを提供する。 【構成】 磁気ギャップ３を有した外側コア４および該
外側コアを短絡する中足コア５からなる磁気回路で、前
記外側コアに巻回される同一巻数の２つの巻線６、７お
よび前記中足コアに巻回される同一巻数の２つの巻線
８、９を有する。前記外側コアと前記中足コアの各々の
１巻線同士が相互に接続されることにより、２本の電源
線と負荷の各々のラインに接続される２組の巻線を構成
している。各組の巻線および接続は各組の巻線により中
足コアに発生する磁束の方向がノーマルモード時には打
ち消しあい、コモンモード時には相加わるように施さ
れ、前記外側コア部でノーマルモードインダクタを、前
記中足コア部と前記外側コア部でコモンモードインダク
タを形成したことを特徴とする。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は主として電子機器等の電源入力部に高調波抑制を兼ねたノイズフィル タ回路の一部として使用されるノイズ防止チョークコイルに関し、特に一個の素 子で大きなコモンモード、大きなノーマルモードインダクタンスが得られるチョ ークコイルに関する。

【０００２】

【従来の技術】

電子機器の電源入力部に挿入されているコイルは、例えばスイッチング電源か ら発生するスイッチングノイズ等を防止する目的で使用されるコモンモードチョ ークコイルがもっとも多い。また、最近電力系統の電圧歪みを起こすことで問題 化している高調波（高調波とは５０または６０Hzに対し、２次〜２０次位までの 周波数を言い、一部の機器では障害が顕在化しているためＩＥＣ規格ｐｕｂ−５ ５５−２等で国際的に規制されつつある。）を抑制するためにも大インダクタン ス（１mH〜１０mH）のノーマルモードインダクタンスを有するリアクトルが使わ れている。

【０００３】 図４においてリアクトルが無い時の電源整流回路のｎ次の高調波電流の比率を 示す理論式は次式のようになる。

【０００４】 ｉ_n ／ｉ₁ ＝２sinnπ／２・（sinnπα・cos πα−ncosn παsin πα）／ n(n² -1)(πα−sin πα・cos πα） 但しα＝（π−２γ）／２π γ：通流開始角 ここで、図４のリアクトル２を挿入することにより上式での通流開始角を早め 、高調波電流を抑制することが出来る。また、図４のコモンモードチョークコイ ル１を挿入することでコモンモードインピーダンスを大きくすることになり、コ モンモードノイズ電流を抑制することが出来る。図４に示す高調波電流抑制リア クトルおよびコモンモードチョークを構成する場合、従来は図５に示すようにフ ェライトまたはアモルファス磁性体等でなるコア１３に巻線１１、および１２を 同相に巻装してコモンードチョークコイル１を構成し、さらにこのコモンモード チョークコイル１と直列にケイ素鋼等でなるコア２１に巻線２２を巻装した高調 波抑制用のリアクトル２を接続していた。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

上述のように、従来はコモンモードチョークコイル１および高調波抑制用のリ アクトル２をそれぞれ互いに独立した個別の部品として構成し、接続することに より図４に示す電源回路を構成していた。従って、３個の巻線、２個のコアが必 要であるとともに結線作業が必要であり、また部品数が複数になるため実装面積 が大きくなり、高価で且つ装置が大型になるという欠点を持っていた。

【０００６】 本考案は上述する欠点を除き電子機器の電源回路に使用した場合に、特に大き なコモンモード、ノーマルモードインダクタを合わせ持ち、小型で実装スペース も小さく、安価で且つ良好なコモンモードノイズおよび高調波抑制作用を持つ、 ノイズ防止チョークコイルを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

本考案に係るノイズ防止チョークコイルは、磁気ギャップを有した外側磁路お よび外側磁路を短絡する短絡磁路からなる磁気回路で、外側磁路および短絡磁路 に各々同一巻数の２つの巻線をそれぞれ設け、外側磁路と短絡磁路の各々の１巻 線同士を相互に接続することにより、２本の電源線と負荷の各々のラインに接続 される２組の巻線を構成した２ラインのチョークコイルであり、各組の巻線およ び接続は各組の巻線により中足コアに発生する磁束の方向がノーマルモード時に は打ち消しあい、コモンモード時には相加わるように施されており、外側コア部 がノーマルモードを、中足コア部と外側コア部がコモンモードインダクタを得る ための磁路として各々機能するようにしたことを特徴とする。

【０００８】

【実施例】 高調波を抑制するには、前述のように大きなノーマルモードインダクタンス（ 例えば１mH〜１０mH）が必要でしかも振幅の大きい基本波或いは高調波電流で飽 和しないことが必要である。コモンモードノイズを防止するためには、ノイズフ ィルタ構成時のコンデンサによるライン−アース間の漏洩電流の増加防止も踏ま え、相応な大きさ（例えば１mH〜１０mH）と高周波特性（例えば１０kHz 〜３０ MHz ）を有したコモンモードインダクタンスが必要である。

【０００９】 図１は本考案の第１の実施例の概略を示す図である。図１において、コアＡお よびコアＢは例えば比較的、飽和磁束密度の高い磁性材料であるケイ素鋼、アモ ルファス磁性材、フェライト等を打ち抜き・積層或いは粉体プレス・焼結等の手 段により構成したＥ字形のコアである。また両端の脚部が中央脚部よりも長さが 短くなっており、コアＡおよびコアＢの中央脚部を突き合わせて配置することに より両端脚部に、等しい長さを持った磁気ギャップ３が形成される。両端の脚部 は橋絡部と併せて磁気ギャップ３を有した外側磁路（外側コア）４を構成する。 また中央の脚部は外側磁路４を短絡する短絡磁路（中足コア）５を構成している 。

【００１０】 中足コアの両側に位置する外側コアの脚部４１および４２にはそれぞれ等しい 巻数の巻線６、巻線７が各々の入力端６１、７１または出力端６２、７２から見 た巻方向が互いに同方向になるように巻装されている。中足コア部には等しい巻 数の巻線８、９が、巻方向が互いに同方向になるように巻装されている。巻線６ は巻線９と、巻線７は巻線８と直列に接続されており、６１−６２−９１−９２ および７１−７２−８１−８２と接続された２組の巻線を形成している。この２ 組の巻線はノーマルモード電流が流れた時には各々の磁束が中足コア部で打ち消 しあい、コモンモード電流が流れた場合には各々の磁束が中足コア部で相加わる ような方向で各々接続されている。

【００１１】 このノイズ防止チョークコイルを電源ラインと負荷間の２本のラインに直列に 挿入した場合、基本波および高調波電流を含む通電電流Ｉ_N （ノーマルモード電 流）により巻線６、７には磁束Φ₁ およびΦ₂ が発生する。磁束Φ₂ の一部Φ₂₄ （Φ₂₄＝Φ₂ −Φ₂₅）は外側コア４部を経てΦ₁ とともに巻線６部分で相加わる ように、磁束Φ₁ の一部Φ₁₄（Φ₁₄＝Φ₁ −Φ₁₅）は外側コア４部を経てΦ₂ と ともに巻線７部分で相加わるように、またその他（Φ₁₅およびΦ₂₅）は中足コア ５部で互いに打ち消し合う方向に流れる。この場合、相加わる磁束となる磁束の 量（Φ₁₄およびΦ₂₄）と打ち消し合う磁束となる磁束の量（Φ₁₅およびΦ₂₅）の 大きさは両端脚部の磁気ギャップの長さ、断面積、中足コアの断面積、短絡磁路 部、外側磁路部の磁路長等の関係で決まる。実際には外側コア４には磁気ギャッ プ３を設けてあるため、磁気抵抗（レラクタンス）が格段に大きくΦ₂₄は実質上 ０およびΦ₁₄も実質上０、即ちΦ₁ はΦ₁₅とほぼ等しく、Φ₂ もΦ₂₅とほぼ等し いと考えて良い。

【００１２】 中足コアの巻線９および巻線８が発生する磁束Φ₃ およびΦ₄ は互いに逆方向 で且つ同一の大きさであり中足コア内で打ち消される。即ち、基本波および高調 波電流に対して効果を示すノーマルモードインダクタンスは外側コア４部の巻線 ６部に鎖交する磁束Φ₁ および巻線７部に鎖交する磁束Φ₂ によって各々の巻線 に発生するインダクタンスの和となり中足コアの巻線には関係しない。一方、コ モンモードノイズ成分の電流Ｉ_c が流れた場合には巻線６に流れるコモンモード ノイズ成分の電流による磁束Φ₅ および巻線７に流れるコモンモードノイズ成分 の電流による磁束Φ₆ の各々の磁束の一部はΦ₅₅、Φ₆₅として中足コア５部に相 加わる磁束として、さらに中足コア巻線８、９で発生する磁束、Φ₇ 、Φ₈ も上 記Φ₅₅、Φ₆₅と中足コア５部に相加わる磁束となる。外側コアの巻線７部では巻 線６による磁束Φ₅ の一部Φ₅₄（＝Φ₅ −Φ₅₅）はΦ₆ と反対方向に、巻線６部 では巻線７による磁束Φ₆ の一部Φ₆₄（＝Φ₆ −Φ₆₅）はΦ₅ と反対方向に流れ る。しかしながら、外側コア４部には磁気ギャップ３があるため、ノーマルモー ドノイズの場合と同様に磁気抵抗が大きく、Φ₅₄は実質上０、Φ₆₄も実質上０即 ち、Φ₅ ＝Φ₅₅、Φ₆ ＝Φ₆₅とみなして良い。

【００１３】 巻線９および巻線８にコモンモードノイズ成分の電流により発生する磁束Φ₇ 、Φ₈ はΦ₆₅、Φ₅₅と同一方向に生ずる。またその一部はΦ₇₄、Φ₈₄（Φ₇₄＝Φ₇ ／２、Φ₈₄＝Φ₈ ／２）として外側コアの巻線６および７に流れる。従って、 巻線６、９と巻線７、８に生ずるコモンモードインダクタンスは巻線６と鎖交す る磁束、Φ₅ ＋Φ₇₄＋Φ₈₄、巻線９と鎖交する磁束、Φ₅₅（Φ₅ とほぼ等しい） ＋Φ₇ ＋Φ₈ ＋Φ₆₅（Φ₆ とほぼ等しい）の各々で構成されるインダクタンスの 和となる。また巻線７、８に生ずるコモンモードインダクタンスは巻線７と鎖交 する磁束、Φ₆ ＋Φ₇₄＋Φ₈₄、巻線９と鎖交する磁束、Φ₅₅（Φ₅ とほぼ等しい ）＋Φ₇ ＋Φ₈ ＋Φ₆₅（Φ₆ とほぼ等しい）の各々で構成されるインダクタンス の和となる。ここで、巻線６、７および巻線８、９は各々巻数が等しいのでΦ₆ ＝Φ₅ 、Φ₇ ＝Φ₈ であり、各々の巻線の組のコモンモードインダクタンスは等 しい。

【００１４】 図２に示す本考案によるコモンモード、ノーマルモード兼用チョークコイルの 等価回路により本考案の原理を詳述する。図２（ａ）はノーマルモード時を示す 。外側コアの磁気ギャップを含む脚部のレラクタンスをｒ₁ 、中足コア部のレラ クタンスをｒ₂ 、外側コアの脚部と中足部の橋絡部のレラクタンスをｒ₃ とする 。また巻線６、巻線７による起磁力をＮ₁ ・Ｉ_N （Ｎ₁ ：巻数、Ｉ_N ：ノーマル モード電流）、巻線８、９による起磁力をＮ₂ ・Ｉ_N （Ｎ₂ ：巻数）、Φ₁ は巻 線６部での起磁力により発生する磁束、Φ₁₄、Φ₁₅はそれぞれΦ₁ から巻線７部 および中足コア部に分流する磁束を示す。同様に、Φ₂ は巻線７部での起磁力に より発生する磁束、Φ₂₄、Φ₂₅はそれぞれΦ₂ から巻線６部および中足コア部に 分流する磁束を示す。Φ₃ 、Φ₄ はそれぞれ巻線９および巻線８での起磁力によ り発生する磁束を示す。矢印は磁束の方向を示す。この関係からノーマルモード インダクタンスを計算する（過程は省略）と２組の巻線のインダクタンスの和と なるから Ｌ_N ＝２Ｎ₁ ² ／（ｒ₁ ＋２ｒ₃ ） が得られる。

【００１５】 図２（ｂ）はコモンモード時の磁束の状態を示す。Φ₅ は巻線６部での起磁力 により発生する磁束、Φ₅₄、Φ₅₅はそれぞれΦ₅ から巻線７部および中足コア部 に分流する磁束を示す。同様に、Φ₆ は巻線７部での起磁力により発生する磁束 、Φ₆₄、Φ₆₅はそれぞれΦ₆ から巻線６部および中足コア部に分流する磁束を示 す。Φ₈ 、Φ₇ はそれぞれ巻線９および巻線８での起磁力により発生する磁束を 示す。Φ₈₄、Φ₇₄は各々Φ₈ 、Φ₇ から巻線６、７部に分流する磁束を示す。詳 細な計算過程は省略するがコモンモードインダクタンスは Ｌ_c ＝（４Ｎ₂ ² ＋Ｎ₁ ² ＋４Ｎ₁ Ｎ₂ ）／（ｒ₁ ＋２ｒ₂ ＋２ｒ₃ ） が得られる。仮にＮ₂ ＝Ｎ₁ ／２とした場合、上式は Ｌ_c ＝４Ｎ₁ ² ／（ｒ₁ ＋２ｒ₂ ＋２ｒ₃ ） となる。外側磁路には磁気ギャップを設けてあるため巻線６、７部のレラクタン スは他の部分のレラクタンスに比べ格段に大きくｒ₁ >>（２ｒ₂ ＋２ｒ₃ ）と見 なせるので、ノーマルモードインダクタンスの約２倍のコモンモードインダクタ ンスが得られる。一方、Ｎ₁ ＝Ｎ₂ の場合にはＬ_c ＝９Ｎ₁ ² ／（ｒ₁ ＋２ｒ₂ ＋２ｒ₃ ）となるため約４．５倍となる。

【００１６】 また必要なノーマルモード、コモンモードインダクタンスの組合せは重畳され る基本波および高調波電流による磁気飽和を防止する磁気回路の要素（断面積、 磁気ギャップ長、……）を考慮したうえ、巻線６、７部の巻線Ｎ₁ 、巻線７、８ 部の巻数Ｎ₂ を変えることにより得られる。前述のように、中足コア５部コモン モードノイズでは磁束が相加わるように発生するが、コモンモードノイズは基本 波や高調波電流（例えば１Ａ〜１０Ａ）に比べて微小な電流（数十mA〜数百mA） であり、また、ノーマルモードノイズに対しては発生する磁束が互いに打ち消し 合う方向であるため磁気飽和は起こりにくく、その断面積は外側コアの断面積に 比べ十分に小さくできる。

【００１７】 なお、外側コアを２個のＵ字形、中足コア５を１本のＩ字形コアを用いて図１ と同様な磁気回路を形成してもインダクタンスの面では同様な効果が得られる。 しかし、本実施例に示したように、外側コア４および中足コア５および磁気ギャ ップをケイ素鋼、アモルファス磁性材を打ち抜き・積層、あるいはフェライトの 粉体プレス・焼結等により一体構造としたコアで形成する方がさらに安価であり 組み立て上の効果も大きい。

【００１８】 図３は本考案の第２の実施例を示す斜視図である。外側磁路は２個のＵ字形の 外側コア４´、１個のＩ字形の中足コア５´の一部、および磁気ギャップ３で構 成される。また巻線方法は実施例１と同様である。本実施例の磁束の状況および ノーマルモードインダクタンス、コモンモードインダクタンスは第１の実施例と 同様であるので説明を省略する。第２の実施例の特徴は中足コア５´を外側コア ４´と完全に分離し、中足コア５´として、外側コア４´と異なる磁気特性のコ アを使用出来ることである。前述のように、高調波の抑制およびコモンモードノ イズの抑制のためには大きなノーマルモードインダクタンス、大きなコモンモー ドインダクタンスが必要であるのに対し、外側磁路には磁気飽和を防止するため の磁気ギャップを設けてあるため実効的透磁率が低下しており、必要なインダク タンスを得るために多くの巻線を行う必要がある。このため、巻線のための大き な所謂窓面積が必要となり、必然的に大きなチョークコイルとなる。従って、出 来るだけ小さなチョークコイルにするためには、如何にして巻線の窓面積を効果 的に確保するかが重要になる。

【００１９】 本第２の実施例はさらにこの問題も解決するものである。即ち、中足コア５´ の透磁率を外側コアの透磁率よりも大きくすることにより、第１の実施例の説明 で述べたように、中足コア５´の断面積をさらに小さく出来、外側磁路を同寸法 にした場合、Ｕ字形コアの脚部の長さを長くすることが可能となり、その分、広 い巻線窓面積を確保出来る。

【００２０】

【考案の効果】

以上述べてきたように本考案によれば、１個の部品でありながらコモンモード ノイズ、ノーマルモードノイズおよび高調波をも効果的に抑制出来る大きなコモ ンおよびノーマルモードインダクタンスを兼ね備えた、小型で、実装スペースも 小さく且つ安価なノイズ防止チョークコイルを提供出来、より効果的な高調波お よびノイズ抑制機能を持った小型、低価格な電子機器の実現に対し大きな貢献を するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案によるノイズ防止用チョークコイルの第
１の実施例の構成を示す概要図。

【図２】図１に示す第１の実施例の磁束の状態を示す電
気的等価回路図。

【図３】本考案によるノイズ防止用チョークコイルの第
２の実施例の構成を示す斜視図。

【図４】従来のチョークコイルによる電子機器への電源
入力回路の例を示す図。

【図５】図４に示されたチョークコイルの具体的な結線
状態を示す図。

【符号の説明】

１ 従来のコモンモードチョークコイル ２ 従来のノーマルモードチョークコイルまたは高調
波抑制リアクトル １３ 従来のコモンモードチョークコイル用コア ２１ 従来の高調波抑制リアクタンス（ノーマルモー
ドチョークコイル用コア） ３ 磁気ギャップ ４ 外側磁路（外側コア） ５ 短絡磁路（中足コア） ６、７、８、９、１１、１２、２２ 巻線 ６１、７１、８１、９１ 巻線入力端末 ６２、７２、８２、９２ 巻線出力端末 Ｉ_N ノーマルモード電流 Ｉ_c コモンモード電流

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気ギャップを有した外側磁路（外側コ
   ア）および該外側磁路を短絡する短絡磁路（中足コア）
   からなる磁気回路で、前記外側磁路（外側コア）に巻回
   される同一巻数の２つの巻線および前記短絡磁路（中足
   コア）に巻回される同一巻数の２つの巻線を有し、前記
   外側磁路と前記短絡磁路の各々の１巻線同士が相互に接
   続されることにより、２本の電源線と負荷の各々のライ
   ンに接続される２組の巻線を構成した２ライン用のチョ
   ークコイルであり、各組の巻線および接続は各組の巻線
   により中足コアに発生する磁束の方向がノーマルモード
   時には打ち消しあい、コモンモード時には相加わるよう
   に施され、前記外側コア部でノーマルモードインダクタ
   を、前記中足コア部と前記外側コア部でコモンモードイ
   ンダクタを形成したことを特徴とするコモンモード、ノ
   ーマルモードインダクタ兼用のノイズ防止チョークコイ
   ル。
2. 【請求項２】 前記外側磁路を磁気ギャップ、前記中足
   コアの一部、前記外側コアから構成したこことを特徴と
   する請求項１記載のコモンモード、ノーマルモードイン
   ダクタ兼用のノイズ防止チョークコイル。