KR20150089948A

KR20150089948A - 리액터

Info

Publication number: KR20150089948A
Application number: KR1020150011201A
Authority: KR
Inventors: 도모후미 구로다; 유 사쿠라이
Original assignee: 티디케이가부시기가이샤
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2015-08-05
Also published as: JP2015164172A; CN104810139B; US20150213944A1; JP6398620B2; DE102015101211A1; KR101657070B1; CN104810139A; US9959968B2

Abstract

[과제]
페라이트 코어와 연자성 금속 코어를 조합한 복합 자심을 사용한 리액터에 있어서, 직류 전류 중첩 하에서의 인덕턴스를 개선한 리액터를 제공한다.
[해결 수단]
페라이트 코어로 구성된 한 쌍의 요크부 코어와, 상기 요크부 코어의 대향하는 평면간에 배치된 권회부 코어와, 상기 권회부 코어의 주위에 권회된 코일로 이루어진 리액터로서, 상기 권회부 코어의 단부에 상기 권회부 코어의 주연에 외접하도록 날밑 형상 부재가 배치되고, 상기 권회부 코어는 연자성 금속 코어로 구성되고, 상기 날밑 형상 부재는 철을 주성분으로 하고, 자석에 대하여 자기적으로 흡착하는 금속 재료로 구성되고, 상기 날밑 형상 부재의 한쪽의 평탄면이 상기 권회부 코어의 단면과 동일면으로 요크부 코어와의 접합부를 형성함으로써, 리액터의 소형화를 손상시키지 않고 직류 전류 중첩 하의 인덕턴스를 높일 수 있다.

Description

리액터{REACTOR}

본 발명은 전원 회로나 태양광 발전 시스템의 파워 컨디셔너 등에 사용되는 리액터에 관한 것으로, 특히 인덕턴스의 직류 중첩 특성의 개선에 관한 것이다.

종래의 리액터용의 자심 재료로서는 적층 전자 강판이나 연자성 금속 압분 코어가 사용되고 있다. 적층 전자 강판은 포화 자속 밀도가 높지만, 전원 회로의 구동 주파수가 10kHz를 초과하면 철손(鐵損)이 커지고, 효율의 저하를 초래한다는 문제가 있었다. 연자성 금속 압분 코어는 고주파의 철손이 적층 전자 강판보다도 작으므로, 구동 주파수의 고주파화에 따라 널리 사용되게 되었지만, 충분하게 저손실이라고는 말하기 어렵고, 또한 포화 자속 밀도는 전자 강판에 미치지 않는 등의 문제를 갖고 있다.

한편, 고주파 철손이 작은 자심 재료로서 페라이트 코어가 널리 알려져 있다. 그러나, 적층 전자 강판이나 연자성 금속 압분 코어에 비교하여 포화 자속 밀도가 낮으므로, 대전류를 인가했을 때의 자기 포화를 피하기 위하여, 코어 단면적을 크게 취하는 설계가 필요해지므로, 형상이 커져 버린다는 문제가 있었다.

특허문헌 1에서는 자심 재료로서, 코일 권회부에 연자성 금속 압분 코어를, 요크부에 페라이트 코어를 조합한 복합 자심을 사용함으로써, 손실, 사이즈, 코어 중량을 저감한 리액터가 개시되어 있다.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 특개2007-128951호

페라이트 코어와 연자성 금속 코어를 조합한 복합 자심으로 함으로써, 고주파 손실은 저감된다. 하지만, 연자성 금속 코어로서, 포화 자속 밀도가 높은 Fe 압분 자심이나 FeSi 합금 압분 자심을 사용한 경우, 그것들을 페라이트 코어와 조합하여 사용한 복합 자심의 인덕턴스의 직류 중첩 특성은 연자성 금속 코어만을 사용한 경우에 비하여 떨어진다는 문제가 있었다. 특허문헌 1에도 기재되어 있는 바와 같이, 페라이트 코어의 포화 자속 밀도는 연자성 금속 코어보다도 낮으므로, 페라이트 코어의 코어 단면적을 크게 함으로써 일정한 개선 효과는 보이지만, 근본적인 해결은 얻어지지 않는다.

도 4 내지 도 5는 종래의 형태의 일례를 도시한 것이다. 페라이트 코어와 연자성 금속 코어를 조합한 복합 자심에서의 인덕턴스의 직류 중첩 특성의 저하의 원인의 고찰을 도 4 내지 도 5를 사용하여 설명한다. 도 4 내지 도 5는 페라이트 코어(21)와 연자성 금속 코어(22)의 접합부의 구조와 자속(23)의 흐름을 모식적으로 나타낸 것이다.

도면 중의 화살표는 자속(23)을 나타내고, 연자성 금속 코어(22)의 자속(23)이 페라이트 코어(21)의 자속(23)과 같은 경우에는 각각의 코어 중에서의 화살표의 수는 동수로 나타난다. 단위 면적당의 자속(23)이 자속 밀도인 것으로부터, 화살표의 간극이 좁을수록 자속 밀도가 높은 것을 나타낸다.

페라이트 코어(21)는 연자성 금속 코어(22)에 비하여 포화 자속 밀도가 낮으므로, 페라이트 코어 중에서 큰 자속을 흘리기 위하여, 페라이트 코어(21)의 자속 방향에 직교하는 단면적은 연자성 금속 코어(22)의 자속 방향에 직교하는 단면적보다도 크게 설정하고 있다. 연자성 금속 코어의 단부는 페라이트 코어(21)와 접합하고 있고, 연자성 금속 코어(22)와 페라이트 코어(21)가 대향하는 부분의 면적은 연자성 금속 코어(22)의 단면적과 같다.

도 4는 코일에 흐르는 전류가 작은 경우, 즉 권회부(卷回部)의 연자성 금속 코어에 여자(勵磁)되는 자속(23)이 작은 경우를 나타내고 있다. 연자성 금속 코어(22)의 자속 밀도가 페라이트 코어(21)의 포화 자속 밀도에 비하여 작기 때문에, 연자성 금속 코어(22)로부터 유출되는 자속(23)이 그대로 페라이트 코어(21)에 유입할 수 있고, 자속(23)의 누출은 없다. 코일에 흐르는 전류가 작은 경우에는 인덕턴스의 저하는 작게 억제된다.

도 5는 코일에 흐르는 전류가 큰 경우, 즉 권회부 코어에 여자되는 자속이 큰 경우를 나타내고 있다. 연자성 금속 코어(22)의 자속 밀도가 페라이트 코어(21)의 포화 자속 밀도에 비하여 커지면, 연자성 금속 코어(22)로부터 유출되는 자속(23)이 접합부를 개재하여 그대로 페라이트 코어(21)에 유입할 수 없고, 파선 화살표로 나타내는 바와 같이 주위의 공간을 통하여 자속(23)이 흐르게 된다. 즉 비유전율이 1인 공간을 자속(23)이 흐르기 때문에, 실효 투자율(透磁率)이 저하되고, 인덕턴스가 급격히 저하되어 버린다. 즉, 연자성 금속 코어(22)의 자속 밀도가 페라이트 코어(21)의 포화 자속 밀도에 비하여 커지는 듯한 큰 전류를 중첩한 경우에는, 인덕턴스가 저하되어 버린다는 문제가 있다. 또한, 자속(23)의 누출이 발생하기 때문에, 그 자속과 코일의 쇄교(鎖交; interlinkage)에 의해 동손(銅損)이 증대한다는 문제도 있다.

이와 같이 종래의 기술에서는, 페라이트 코어와 연자성 금속 코어의 단면적만을 고려하고 있기 때문에, 접합부에서의 자기 포화의 문제가 간과되어, 인덕턴스의 직류 중첩 특성이 불충분하였다.

본 발명에서는, 상기의 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 페라이트 코어와 연자성 금속 코어를 조합한 복합 자심을 사용한 리액터에 있어서, 인덕턴스의 직류 중첩 특성을 개선하는 것을 과제로 한다.

본 발명의 리액터는 페라이트 코어로 구성된 한 쌍의 요크부 코어와, 상기 요크부 코어의 대향하는 평면간에 배치된 권회부 코어와, 상기 권회부 코어의 주위에 권회된 코일로 이루어진 리액터로서, 상기 권회부 코어의 단부에 상기 권회부 코어의 주연(周緣)에 외접하도록 날밑(鍔; sward-guard) 형상 부재가 배치되고, 상기 권회부 코어는 연자성 금속 코어로 구성되고, 상기 날밑 형상 부재는 철을 주성분으로 하고, 자석에 대하여 자기적으로 흡착하는 금속 재료로 구성되고, 상기 날밑 형상 부재의 한쪽의 평탄면이 상기 권회부 코어의 단면과 동일면으로 요크부 코어와의 접합부를 형성한다. 이렇게 함으로써, 페라이트 코어와 연자성 금속 코어를 조합하여 사용하는 복합 자심의 리액터에 있어서, 인덕턴스의 직류 중첩 특성을 개선할 수 있다.

또한, 본 발명의 리액터는 날밑 형상 부재가 연자성 금속 압분 코어로 구성되는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 고주파 손실의 증대를 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 리액터는 날밑 형상 부재가 둘레 방향의 1개소에 내주단으로부터 외주단에 달하는 노치(notch)를 형성한 강판으로 구성되는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 고강도의 강판을 사용하면서, 고주파 손실의 증대를 억제할 수 있다.

본 발명에 의하면, 페라이트 코어와 연자성 금속 코어를 조합하여 사용하는 복합 자심의 리액터에 있어서, 인덕턴스의 직류 중첩 특성을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 리액터의 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 리액터의 구조를 도시한 단면도이다.
도 3은 종래예에 따른 리액터의 구조를 도시한 단면도이다.
도 4는 종래예에 따른 페라이트 코어와 연자성 금속 코어의 접합부의 구조와 자속의 흐름을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 종래예에 따른 페라이트 코어와 연자성 금속 코어의 접합부의 구조와 자속의 흐름을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 페라이트 코어와 연자성 금속 코어의 접합부의 구조와 자속의 흐름을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 날밑 형상 부재를 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 날밑 형상 부재의 요크부 코어에 대한 투영면을 도시한 평면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 날밑 형상 부재의 요크부 코어에 대한 투영면을 도시한 평면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 날밑 형상 부재의 요크부 코어에 대한 투영면을 도시한 평면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 날밑 형상 부재의 요크부 코어에 대한 투영면을 도시한 평면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시형태에 따른 날밑 형상 부재의 요크부 코어에 대한 투영면을 도시한 평면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시형태에 따른 날밑 형상 부재의 요크부 코어에 대한 투영면을 도시한 평면도이다.

본 발명은, 페라이트 코어와 연자성 금속 코어를 조합한 복합 자심에 있어서, 페라이트 코어와 연자성 금속 코어 사이에서 자속이 유출 또는 유입하는 면에서의 페라이트의 자기 포화를 방지함으로써, 직류 전류 중첩 하에서의 인덕턴스를 향상시키는 것을 가능하게 한 것이다. 본 발명에 의한, 인덕턴스의 직류 중첩 특성의 개선 효과에 대하여 도 6을 사용하여 설명한다.

도 6은 연자성 금속 코어(22)의 단부의 주연에 외접하도록 날밑 형상 부재(24)가 배치되어 있고, 날밑 형상 부재(24)는 철을 주성분으로 하고, 자석에 흡착하는 금속 재료인 것이 특징이다.

날밑 형상 부재(24)는 자석에 흡착하는 금속 재료이므로 자속을 통하게 하기 쉽고, 철을 주성분으로 하므로 포화 자속 밀도도 높다. 연자성 금속 코어(22)의 단부의 주연에 외접하도록 날밑 형상 부재(24)를 배치함으로써, 연자성 금속 코어(22)의 코일 권회부에 자속 밀도가 페라이트 코어(21)의 포화 자속 밀도보다도 높은 경우라도, 자속은 날밑 형상 부재(24)를 개재하여 페라이트 코어(21)에 유입할 수 있다. 연자성 금속 코어(22)로부터 유출되는 자속(23)을, 날밑 형상 부재(24)를 개재하여 주위의 공간에 누출시키지 않고 페라이트 코어(21)에 유입시킬 수 있기 때문에, 실효 투자율의 저하를 억제할 수 있다. 그 결과, 직류 중첩 하에서도 높은 인덕턴스를 얻는 것이 가능해진다.

이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다.

도 1은 리액터(10)의 구조를 도시한 도면이다. 리액터(10)는 2개의 대향하는 요크부 코어(11)와 그 요크부 코어(11) 사이에 배치된 권회부 코어(12)와 권회부 코어(12)에 권회된 코일(13)을 갖고, 또한 권회부 코어(12)의 단부에는 권회부 코어(12)의 주연에 외접하도록 날밑 형상 부재(14)가 배치된다. 날밑 형상 부재(14)는 권회부 코어(12)의 양단에 배치되는 것이 보다 바람직하다. 코일(13)은 보빈에 권회된 형태라도 좋다.

요크부 코어(11)에는 페라이트 코어를 사용한다. 페라이트 코어는 연자성 금속 코어에 비하여 손실이 매우 작지만, 포화 자속 밀도가 낮다. 요크부 코어(11)에는 코일(13)이 권회되지 않으므로, 폭이나 두께를 크게 해도 코일(13)의 치수에는 영향이 없다. 따라서 요크부 코어(11)의 단면적을 크게 함으로써 포화 자속 밀도의 낮음을 보충할 수 있다. 요크부 코어(11)의 단면적은 자속의 방향에 대하여 직교하는 단면적이며, 폭×두께가 단면적에 상당한다. 페라이트 코어는 연자성 금속 코어에 비하여 성형이 용이하므로, 코어 단면적이 큰 코어도 제조가 용이하다. 페라이트 코어는 MnZn계 페라이트를 사용하는 것이 바람직하다. MnZn계 페라이트는 다른 페라이트에 비하여 손실이 작고, 포화 자속 밀도도 높기 때문에, 코어의 소형화에 유리해진다.

권회부 코어(12)는 연자성 금속 코어를 사용한다. 연자성 금속 코어는 철 압분 코어나 FeSi 합금 압분 코어, 적층 전자 강판, 비정질 코어를 사용하는 것이 바람직하다. 이들 연자성 금속 코어는 페라이트 코어에 비하여 포화 자속 밀도가 높기 때문에, 코어 단면적을 작게 할 수 있어, 소형화에 유리해진다.

날밑 형상 부재(14)는 철을 주성분으로 하고, 자석에 흡착하는 금속 재료를 사용한다. 날밑 형상 부재(14)는 자석에 흡착하므로 자속을 흘리기 쉬운 성질을 갖고, 철을 주성분으로 하므로 포화 자속 밀도가 높고, 큰 자속을 흘릴 수 있다. 이러한 금속 재료이면, 일반적으로 연자성 금속이라고 불리는 전자 연철, 전자 강판, 철 압분 코어, 철 합금 압분 코어 등의 재료일 필연성은 없고, 구조재나 금속 부품으로서 사용되는 탄소강, 냉간 압연 강판(냉연 강판), 자성 스테인리스 등을 사용할 수 있다. 자석에 흡착하는지 아닌지의 판별은 예를 들어, 시판중인 사무용품인 자석 압정을 정치한 날밑 형상 부재(14)에 접촉시키고, 자석 압정을 들어올렸을 때에 날밑 형상 부재(14)가 자석의 흡인력으로 들어올려지면, 자석에 흡착한다고 간주할 수 있다.

날밑 형상 부재(14)의 바람직한 형상에 대하여 도 7 내지 도 13에서 설명한다. 날밑 형상 부재(14)는 권회부 코어(12)의 단부의 주연에 외접하는 관통부를 구비한 판 형상이다. 날밑 형상 부재(14)의 관통부의 내주 형상은 권회부 코어(12)의 외주 형상과 상사형(相似形;서로 닮은 형)인 것을 기본으로 한다. 날밑 형상 부재(14)의 외주 형상은 임의 형상을 선택할 수 있는데, 입수의 용이함이나 제작의 간편성을 생각하면, 원형, 타원형, 사각형으로 하는 것이 바람직하다. 도 7 내지 도 13의 예시에서, 권회부 코어(12)의 단부 주연 형상은 원형의 경우를 나타낸다. 도 7에 도시한 형태는 내주 형상과 외주 형상이 모두 원형이고, 일반적으로 좌금(座金), 와셔(washer), 심링(shim ring), 칼러(collar; 이음고리) 등이라고 불리는 부품과 동일한 형태를 갖는 것이다.

도 8은 도 7의 날밑 형상 부재의 평탄면을 투영한 도면이다. 도 9는 도 8의 변형예로, 날밑 형상 부재의 둘레 방향의 1개소에 내주단으로부터 외주단에 달하는 노치를 형성한 것이다. 도 10은 도 9의 번형예로, 둘레 방향의 1개소에 형성한 내주단으로부터 외주단에 달하는 노치의 폭을 내경과 동등하게까지 크게 한 것이다. 도 11은 도 8의 변형례로 외주 형상을 사각형으로 한 것이다. 도 12은 도 11의 변형예로, 날밑 형상 부재의 둘레 방향의 1개소에 내주단으로부터 외주단에 달하는 노치를 형성한 것이다. 도 13은 도 12의 변형예로, 둘레 방향의 1개소에 형성한 내주단으로부터 외주단에 달하는 노치의 폭을 내경과 동등하게까지 크게 한 것이다.

날밑 형상 부재(14)에 철 압분 코어나 FeSi 합금 압분 코어 등의 연자성 금속 압분 코어를 사용하는 경우에는, 도 8 내지 도 13의 어느 형상을 사용해도 좋다. 연자성 금속 압분 코어는 포화 자속 밀도가 높으므로, 자속의 흐름을 개선하는 효과가 충분히 얻어진다. 또한, 연자성 금속 압분 코어는 전기 저항이 비교적 높으므로, 판 형상의 날밑 형상 부재(14)의 면 내에 와(渦)전류가 흐르기 어려워지므로, 고주파라도 인덕턴스가 저하하지 않고, 손실이 증대하는 경우도 없다. 특히, 판 형상의 날밑 형상 부재(14)를 비교적 낮은 압력으로도 성형할 수 있으므로, 연자성 금속 압분 코어는 철 압분 코어를 사용하는 것이 적합하다.

날밑 형상 부재(14)에 전자 연철, 전자 강판, 탄소강, 냉간 압연 강판(냉연 강판), 페라이트계 스테인리스 등 자성을 갖지만 평탄면의 면 내 방향의 전기 저항이 낮은 철기의 금속 재료를 사용할 경우에는, 도 9, 도 10, 도 12, 도 13과 같이 날밑 형상 부재의 둘레 방향의 1개소에 내주단으로부터 외주단에 달하는 노치를 형성하는 것이 바람직하다. 이들 금속 재료는 포화 자속 밀도가 높으므로, 자속의 흐름을 개선하는 효과를 충분히 얻을 수 있지만, 전기 저항이 낮으므로 면 내에 와전류가 흐르기 쉽기 때문에, 고주파에서는 인덕턴스가 저하되고, 손실이 증대하는 경향이 있다. 따라서 날밑 형상 부재의 둘레 방향의 1개소에 내주단으로부터 외주단에 달하는 노치를 형성함으로써, 와전류의 흐름을 차단하고, 고주파라도 인덕턴스가 저하되지 않고, 손실이 증대되는 것을 억제할 수도 있다.

날밑 형상 부재(14)는 권회부 코어(12)의 단부의 주연에 외접하도록, 즉 접하도록 배치되는 것이 바람직하지만, 날밑 형상 부재(14)의 내주와 권회부 코어(12)의 외주 사이에 아주 작은 간극을 구비하고 있어도 좋다. 날밑 형상 부재(14)의 내주와 코어(12)의 외주의 간극은 0.5mm 이하로 하는 것이 좋다. 날밑 형상 부재(14)의 내주와 권회부 코어(12)의 외주의 간극이 0.5mm보다 커지면, 그 간극으로는 자속이 흐르기 어려워지기 때문에, 날밑 형상 부재를 개재하여 흐르는 자속이 감소하고, 직류 중첩 하의 인덕턴스가 저하된다. 날밑 형상 부재(14)의 내주와 권회부 코어(12)의 외주의 간극은 작을수록, 직류 중첩 특성의 개선 효과는 높아지지만, 각각의 치수 정밀도를 고려하여 간극을 결정하면 좋다.

날밑 형상 부재(14)의 외주 치수는 클수록 직류 중첩 특성의 개선 효과를 얻을 수 있지만, 날밑 형상 부재(14)의 요크부 코어(11)에 대향하는 평탄면의 면적이 권회부 코어의 단면적의 30% 이상이면 효과를 얻을 수 있다. 바람직하게는 날밑 형상 부재(14)의 요크부 코어(11)에 대향하는 평탄면의 면적이 권회부 코어의 단면적의 50% 이상이면 효과를 충분히 얻을 수 있다. 날밑 형상 부재(14)의 외주 치수는 대향하는 요크부 코어(11)의 면적(길이×폭)에 대하여 커지지 않도록 설계하는 것이 좋다. 날밑 형상 부재(14)가 요크부 코어(11)로부터 비어져 나올수록 커지면, 비어져 나온 부분에 대해서는 자속을 흘리는 효과가 작다. 그것을 피하기 위하여 요크부 코어(11)를 크게 하면 소형화 효과를 얻을 수 없게 된다.

날밑 형상 부재(14)의 두께는 클수록 직류 중첩 특성의 개선 효과를 얻을 수 있지만, 날밑 형상 부재(14)의 두께는 0.5mm 이상이면 효과를 충분히 얻을 수 있다. 날밑 형상 부재(14)의 두께가 0.5mm 이상이면, 날밑 형상 부재(14)를 개재하여 흐르는 자속을 충분히 확보할 수 있고, 직류 중첩 하의 인덕턴스를 충분히 높일 수 있다. 날밑 형상 부재(14)의 두께가 0.5mm보다도 작아지면, 직류 중첩 특성의 개선 효과는 얻을 수 있지만 효과가 작아지고, 또한 강도적으로도 변형되기 쉬워지기 때문에 취급이 곤란해진다. 날밑 형상 부재(14)의 두께가 너무 커지게 되면 권회한 코일(13)과의 구조상의 간섭을 피하기 위하여 권회부 코어(12)의 길이를 크게 할 필요가 생긴다. 따라서, 코일(13)과의 간섭을 고려하면서 충분한 효과를 얻을 수 있는 두께를 선택하는 것이 좋다.

대향하는 요크부 코어(11) 사이에 배치되는 권회부 코어(12)는 적어도 1세트 이상 있으면 좋다. 소형화 설계의 관점에서 권회부 코어(12)는 1세트 또는 2세트인 것이 바람직하다.

권회부 코어(12)의 세트수에 따라, 요크부 코어(11)와 권회부 코어(12)가 대향하는 부분의 수가 변화되지만, 그 전체 개소에서 전술한 날밑 형상 부재(14)를 배치한 경우에, 최고로 인덕턴스의 개선 효과를 얻을 수 있다.

1세트의 권회부 코어(12)는 1개의 연자성 금속 코어로 형성해도, 2개 이상으로 분할하여 형성해도 좋다.

요크부 코어(11)와 권회부 코어(12)로 형성되는 자기 회로의 도중에 투자율조정을 위한 갭(15)을 형성해도 좋다. 갭(14)은 공극이거나, 세라믹스, 유리, 유리 에폭시 기판, 수지 필름 등의 비자성 및 절연성 재료에 의해 구성된다. 갭(15)의 유무에 관계없이, 본 발명에 의한 인덕턴스의 개선 효과는 동일하게 얻어지고, 갭(15)을 사용함으로써 리액터(10)를 임의의 인덕턴스로 설계하기 위한 자유도를 증대시킬 수 있다. 갭(15)을 넣는 위치는 특별히 한정되지 않지만, 작업성의 관점에서, 권회부 코어(12)의 단면과 날밑 형상 부재(14)의 평탄면이 형성하는 면과 요크부 코어(11)의 간극에 삽입되는 것이 바람직하다.

도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 리액터의 구조를 도시한 단면도이다. 요크부 코어(11)는 コ자 형상의 페라이트 코어이며, 배면부와 그 양단에 각부(脚部)를 구비하고 있다. 권회부 코어(12)는 연자성 금속 코어이며, 도 2와 같이 ロ자 형상의 자기 회로를 형성하도록 대향시킨 요크부 코어(11)의 중앙부에 1세트의 권회부 코어(12)를 배치하고, 권회부 코어(12)의 단부에 권회부 코어(12)의 주연에 외접하도록 날밑 형상 부재(14)를 배치한다. 날밑 형상 부재(14)는 권회부 코어(12)의 양단에 배치되는 것이 보다 바람직하다. 도 2의 실시형태는 요크부 코어(11)의 형상 이외에는 도 1의 실시형태와 대략 동일하다.

이상, 본 발명의 적합한 실시형태에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지 변형이 가능하다.

<실시예 1>

도 1과 도 3의 형태에 있어서, 날밑 형상 부재(14)의 유무에 의한 특성의 차이를 비교하였다.

요크부 코어에는 직육면체의 MnZn 페라이트 코어(TDK 제조 PE22재)를 사용하고, 그 치수를 길이 80mm, 폭 45mm, 두께 20mm로 한 것을 2개 준비하였다.

권회부 코어에는 FeSi 합금 압분 코어를 사용하였다. FeSi 합금분의 조성은 Fe-4.5%Si로 하고, 물 아토마이즈법으로 합금분을 제작하고, 체가름으로 입자 직경을 조정하여, 평균 입자 직경을 50μm로 하였다. 얻어진 FeSi 합금분에 실리콘 수지를 2질량% 첨가하고, 이것을 가압 니더로 실온에서 30분간 혼합하고, 연자성 분말 표면에 수지를 코팅하였다. 얻어진 혼합물을 메쉬 간격 355μm의 메쉬로 정립(整粒)하여 과립을 얻었다. 윤활제로서 스테아르산 아연을 도포한 금형에 충전하고, 성형압 980MPa로 가압 성형하여 높이 25mm, 직경 24mm의 성형체를 얻었다. 이것을 700℃, 질소 분위기에서 어닐을 행하여, 얻어진 FeSi 합금 압분 코어를 2개 접착하여 1세트의 권회부 코어로 하였다. 얻어진 2개의 FeSi 합금 압분 코어를 접착하여 1세트의 권회부 코어로 한 것을 2세트 준비하였다.

(실시예 1-1)

도 1의 형태에 있어서, 날밑 형상 부재에는 철 압분 코어를 사용하였다. 날밑 형상 부재의 형상은 좌금과 유사한 형상으로 하고, 도 8과 같은 형태로 하였다. 날밑 형상 부재의 치수는 외경 35mm, 내경 24mm, 두께 1.0mm로 하였다. 철분은 헤가네스AB사 제조 Somaloy110을 사용하고, 윤활제로서 스테아르산 아연을 도포한 금형에 충전하고, 성형압 780MPa로 가압 성형하여 성형체를 얻었다. 성형체를 500℃에서 어닐하여 4장의 날밑 형상 부재를 얻었다.

권회부 코어의 양단부에 날밑 형상 부재를 감합하고, 권회부 코어의 단면과 날밑 형상 부재의 평탄면이 동일 높이가 되도록 위치를 조정하고, 접착제로 고정하였다. 2개의 대향하는 요크부 코어의 사이에 날밑 형상 부재가 감합된 2세트의 권회부 코어를 배치하고, 권회부 코어의 권회부에 권수 44턴(turn)의 코일을 권회하여 리액터(실시예 1-1)로 하였다.

(비교예 1-1)

도 3의 형태에 있어서, 권회부 코어의 단부에 날밑 형상 부재를 배치하지 않은 종래의 구조에서의 특성을 평가하였다. 권회부 코어의 단부에 날밑 형상 부재를 배치하지 않은 것 이외에는 실시예 1-1과 같은 형태로 리액터(비교예 1-1)를 제작하였다.

얻어진 리액터(실시예 1-1, 비교예 1-1)에 대하여, 인덕턴스와 고주파 철손을 평가하였다.

LCR 미터(Agilent Technologies사 제조 4284A)와 직류 바이어스 전원(Agilent Technologies사 제조 42841A)을 사용하여, 인덕턴스의 직류 중첩 특성을 측정하였다. 직류 전류를 인가하지 않는 상태의 초기 인덕턴스가 600μH가 되도록 하는 설계로 하고, 갭(15)은 삽입하지 않은 형태로 하였다. 직류 중첩 특성은 정격 전류 20A일 때의 인덕턴스를 측정하고, 직류 중첩 특성을 표 1에 기재하였다.

BH 애널라이저(이와츠 계소쿠사 제조 SY-8258)를 사용하여 고주파 철손을 측정하였다. 코어로스(core loss)의 측정 조건은 f＝20kHz, Bm＝50mT로 하였다. 여자 코일은 25턴, 서치 코일은 5턴으로 하고, 한쪽의 권회부 코어에 권회하여 측정하였다. 고주파 철손의 측정 결과를 표 1에 기재하였다.

표 1로부터 명백한 바와 같이, 종래의 구조의 비교예 1-1에서는, 직류 중첩 전류 20A에서의 인덕턴스가 초기 인덕턴스(600μH)보다도 40% 이상 저하되고, 350μH의 낮은 인덕턴스밖에 얻을 수 없다. 실시예 1-1의 리액터에서는 권회부 코어의 단부에 날밑 형상 부재를 배치함으로써, 직류 중첩 전류 20A에서의 인덕턴스의 개선 효과가 충분하며, 인덕턴스값은 450μH 이상 얻어지고, 초기 인덕턴스의 30% 이내의 저하로 억제되어 있다. 또한, 실시예 1-1의 리액터에서는 날밑 형상 부재를 구비하고 있지 않은 비교예 1-1에 대하여 고주파 철손이 증대하는 경우도 없다.

<실시예 2>

도 1의 형태에 있어서, 날밑 형상 부재(14)의 차이에 의한 특성을 비교하였다.

(실시예 2-1 내지 2-3, 비교예 2-1)

요크부 코어(11), 권회부 코어(12), 코일(13)은 실시예 1과 동일하게 하고, 갭(15)은 삽입하지 않은 형태로 하였다.

날밑 형상 부재의 형상은 좌금 형상의 형태로 하고, 외경 35mm, 내경 24mm, 두께 1.0mm로 하였다. 날밑 형상 부재의 재질은 실시예 2-1: 탄소강(S45C), 실시예 2-2: 냉간 압연 강판(냉연 강판), 실시예 2-3: 전자 강판, 비교예 2-1: 오스테나이트계 스테인리스(SUS304)로 하고, 모두 철을 주성분으로 하는 재료로 하였다. 탄소강, 냉간 압연 강판(냉연 강판), 오스테나이트계 스테인리스(SUS304)는 시판 중인 금속 와셔 및 심링을 사용하고(예를 들어 미스미사 제조), 파인 커터(fine cutter)로 원주의 일부에 폭 1mm의 절개부를 형성하였다. 절개부는 외주로부터 내주에 도달시키고, 도 9와 같은 형태로 하였다. 전자 강판은 두께 0.1mm의 무방향성 전자 강판을 좌금 형상으로 구멍을 뚫은 것을 적층하고, 파인 커터로 그 외주의 한변의 중앙부로부터 내주에 달하는 폭 약 1mm의 절개부를 형성하고, 도 9와 같은 형태로 하였다. 또한 두께 0.1mm의 무방향성 전자 강판을 한변이 40mm의 사각형이 되도록 절단하고, 그 중앙부에 직경 24mm의 구멍을 뚫어 형성하고, 파인 커터로 그 외주의 일변의 중앙부로부터 내주에 달하는 폭 약 1mm의 절개부를 형성한 것을 두께 1.0mm가 되도록 적층하여, 도 12와 같은 형태로 하였다(실시예 2-4).

제작한 날밑 형상 부재를 페라이트 자석에 가까이 대어, 자석에 흡착되는지 여부를 조사하여, 결과를 표 2에 기재하였다. 탄소강, 냉간 압연 강판(냉연 강판), 무방향성 전자 강판은 자석에 흡착하고, 오스테나이트(SUS304)계 스테인리스는 자석에 흡착하지 않았다.

권회부 코어의 양단부에 날밑 형상 부재를 감합하고, 권회부 코어의 단면과 날밑 형상 부재의 평탄면이 동일 높이가 되도록 위치를 조정하고, 접착제로 고정하였다. 2개의 대향하는 요크부 코어의 사이에 날밑 형상 부재가 감합된 2세트의 권회부 코어를 배치하고, 권회부 코어의 권회부에 권수 44턴의 코일을 권회하여 리액터(실시예 2-1 내지 2-4, 비교예 2-1)로 하였다.

얻어진 리액터(실시예 2-1 내지 2-4, 비교예 2-1)에 대하여, 실시예 1과 동일하게 인덕턴스와 고주파 철손을 평가하여, 결과를 표 2에 기재하였다.

비교예 2-1에서는, 직류 중첩 전류 20A에서의 인덕턴스가 초기 인덕턴스(600μH)보다도 40% 이상 저하되고, 350μH의 낮은 인덕턴스밖에 얻어지지 않는다. 이것은, 비교예 1-1과 동일한 직류 중첩 특성이다. 따라서, 오스테나이트계 스테인리스(SUS304)의 날밑 형상 부재는 자석에 흡착하지 않기 때문에, 자속을 통하게 하는 작용이 작고, 페라이트 코어와 연자성 금속 코어의 접합부에서의 자기 포화를 개선할 수 없고, 날밑 형상 부재를 배치하지 않은 종래의 형태와 동일하게 직류 중첩 하의 인덕턴스의 저하가 일어난다.

한편, 실시예 2-1 내지 2-4의 리액터에서는 날밑 형상 부재가 자석에 흡착하는 철기의 금속 재료로 구성되므로, 날밑 형상 부재를 개재하여 큰 자속이 흐르는 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 직류 전류 중첩 하에서의 인덕턴스의 개선 효과가 충분하며, 인덕턴스값은 450μH 이상 얻어지고, 초기 인덕턴스의 30% 이내의 저하로 억제되어 있다.

또한, 실시예 2-1 내지 2-4의 리액터에서는 날밑 형상 부재를 구비하고 있지 않은 비교예 1-1에 대하여 고주파 철손은 거의 동등하다. 탄소강, 냉간 압연 강판(냉연 강판), 전자 강판은 평탄면의 면내 방향에서의 전기 저항이 낮은 금속 재료인데, 둘레 방향의 일부에 외주로부터 내주에 달하는 절개부를 형성함으로써, 고주파 자계가 인가되었을 때에 발생하는 와전류의 흐름을 차단할 수 있다. 와전류의 발생이 억제된 결과, 고주파 철손의 증대도 일어나지 않기 때문에, 날밑 형상 부재의 유무에 관계 없이 동등한 고주파 철손을 얻을 수 있다.

또한, 실시예 2-1 내지 2-3의 리액터에서는 날밑 형상 부재의 외주 형상이 대략 원형인 것에 대하여, 실시예 2-4의 리액터에서는 날밑 형상 부재의 외주 형상이 대략 사각형이다. 어느 경우도 직류 전류 중첩 하에서의 인덕턴스의 개선 효과가 충분하며, 인덕턴스값은 450μH 이상 얻어지고, 초기 인덕턴스의 30% 이내의 저하로 억제되어 있다. 따라서, 날밑 형상 부재의 외주 형상에 의하지 않고, 직류 중첩 특성의 개선 효과를 얻을 수 있다.

<실시예 3>

도 1의 형태에 대하여, 날밑 형상 부재(14)의 치수에 의한 특성을 비교하였다.

(실시예 3-1 내지 3-8)

요크부 코어(11), 권회부 코어(12), 코일(13)은 실시예 1과 동일하게 하고, 갭(15)은 삽입하지 않는 형태로 하였다.

날밑 형상 부재의 형상은 좌금 형상의 형태로 하고, 재질은 냉간 압연 강판(냉연 강판)으로 하였다. 외경, 내경, 두께, 절개 부분폭을 표 3에 기재하였다. 날밑 형상 부재는 시판중인 심링을 사용하고, 파인 커터로 원주의 일부에 폭 1mm의 절개부를 형성하였다. 절개부는 외주로부터 내주에 도달시켜, 도 9와 같은 형태로 하였다. 또한, 절개 부분의 폭이 내경과 동일한(25mm) 것(실시예 3-8)은 시판 중인 스플릿 타입(split type) 심(예를 들어 미스미사 제조)을 사용하여, 도 10과 같은 형태로 하였다.

권회부 코어의 양단부에 날밑 형상 부재를 감합하고, 권회부 코어의 단면과 날밑 형상 부재의 평탄면이 동일 높이가 되도록 위치를 조정하고, 접착제로 고정하였다. 권회부 코어의 외주와 날밑 형상 부재의 내주의 간극이 큰 경우에는, 권회부 코어의 외주와 날밑 형상 부재의 내주의 일부가 접하도록 하는 배치로 하고, 간극을 접착제로 메워서 고정하였다. 2개의 대향하는 요크부 코어의 사이에 날밑 형상 부재가 감합된 2세트의 권회부 코어를 배치하고, 권회부 코어의 권회부에 권수 44턴의 코일을 권회하여 리액터(실시예 3-1 내지 3-8)로 하였다.

얻어진 리액터(실시예 3-1 내지 3-8)에 대하여, 실시예 1과 동일하게 인덕턴스와 고주파 철손을 평가하여, 결과를 표 3에 기재하였다.

실시예 3-1 내지 3-8은 어느 경우에서도 직류 전류 중첩 하에서의 인덕턴스의 개선 효과가 충분하며, 인덕턴스값은 450μH 이상 얻어지고, 초기 인덕턴스의 30% 이내의 저하로 억제되어 있다.

실시예 3-1 내지 3-5는 날밑 형상 부재의 외경을 변화시킨 경우의 비교이다. 실시예 3-1에서는 날밑 형상 부재의 평탄부의 면적S2가 163mm²이고, 권회부 코어의 단면적S1(452mm²)과의 비(S2/S1)가 36%이다. 따라서, 날밑 형상 부재의 평탄부의 면적S2과 권회부 코어의 단면적S1의 비(S2/S1)가 30% 이상이면, 직류 전류 중첩 하에서의 인덕턴스의 개선 효과를 얻을 수 있다고 할 수 있다. 실시예 3-1 내지 3-5에서는 날밑 형상 부재의 외경이 커짐에 따라서, 직류 중첩 하의 인덕턴스가 커지는 경향이 보이지만, 외경이 30mm 이상에서는 그 효과는 거의 변하지 않는다. 외경이 30mm인 경우(실시에 3-2)에는 날밑 형상 부재의 평탄부 면적S2(254mm²)와 권회부 코어의 단면적S1의 비(S2/S1)가 56%이다. 따라서, 날밑 형상 부재의 평탄부의 면적S2와 권회부 코어의 단면적S1의 비(S2/S1)가 50% 이상이면, 직류 전류 중첩 하에서의 인덕턴스의 개선 효과를 충분히 얻을 수 있다고 할 수 있다.

실시예 3-4 및 3-7은 날밑 형상 부재의 내경을 변화시킨 경우의 비교이다. 실시예 3-4는 날밑 형상 부재의 내경이 권회부 코어의 외경보다도 1.0mm 큰 경우이고, 실시예 3-4보다도 직류 중첩 하의 인덕턴스가 저하되는 경향은 있지만, 인덕턴스값은 450μH 이상 얻어지고, 초기 인덕턴스의 30% 이내의 저하로 억제되어 있다. 따라서, 날밑 형상 부재의 내경과 권회부 코어의 외경의 간극이 0.5mm 이내이면, 날밑 형상 부재의 내주 치수는 날밑 형상 부재의 내주의 치수 정밀도와 권회부 코어 단부의 외주의 치수 정밀도를 고려하여 자유롭게 선택할 수 있다고 할 수 있다.

실시예 3-4 및 3-6은 날밑 형상 부재의 두께를 변화시킨 경우의 비교이다. 어느 경우에서도 동등한 인덕턴스값이 얻어지고, 초기 인덕턴스의 30% 이내의 저하로 억제되어 있다. 따라서, 날밑 형상 부재의 두께는 0.5mm 이상이면 충분하다고 할 수 있다.

실시예 3-7 및 3-8은 날밑 형상 부재의 절개 부분의 폭을 변화시킨 경우의 비교이다. 실시예 3-7에서는 절개 부분의 폭을 1.0mm로 하고, 날밑 형상 부재의 평탄부 면적에 대한 영향은 거의 무시할 수 있다. 실시예 3-8에서는 절개 부분의 폭이 날밑 형상 부재의 내경와 동등하게 크고, 절개 부분만큼 날밑 형상 부재의 평탄부 면적이 감소하지만, 권회부 코어의 단면적에 대하여 60% 이상으로 되어 있고, 직류 전류 중첩 하의 인덕턴스를 개선하기 위해 충분한 면적이 얻어지고 있다. 어느 경우에서도 동등한 인덕턴스값이 얻어지고, 초기 인덕턴스의 30% 이내의 저하로 억제되어 있다. 또한, 고주파 철손의 증대도 10% 이내로 문제 없다. 따라서, 날밑 형상 부재의 절개 부분이 1mm 정도의 작은 폭이라도, 날밑 형상 부재의 내경과 동등한 정도로 커도, 둘레 방향의 전기 전도를 차단하는 작용이 얻어진다면 충분하다고 할 수 있다.

<실시예 4>

도 2의 형태에 있어서, 날밑 형상 부재(14)의 유무와 치수에 의한 특성을 비교하였다.

요크부 코어(11)는 コ자 형상의 MnZn 페라이트 코어(TDK 제조 PC90재)이며, 배면부는 길이 80mm, 폭 60mm, 두께 10mm로 하고, 각부는 길이 14mm, 폭 60mm, 두께 10mm로 하였다.

권회부 코어(12)에는 FeSi 합금 압분 코어를 사용하였다. 치수는 직경 24mm, 길이 26mm의 원주 형상으로 하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 제작하였다.

(실시예 4-1, 4-2)

날밑 형상 부재의 형상은 좌금 형상의 형태로 하고, 재질은 냉간 압연 강판(냉연 강판)으로 하였다. 외경, 내경, 두께를 표 4에 기재하였다. 날밑 형상 부재는 시판중인 심링을 사용하고, 파인 커터로 원주의 일부에 폭 1mm의 절개부를 형성하였다. 절개부는 외주로부터 내주에 도달시켜, 도 9와 같은 형태로 하였다.

권회부 코어의 양단부에 날밑 형상 부재를 감합하고, 권회부 코어의 단면과 날밑 형상 부재의 평탄면이 동일 높이가 되도록 위치를 조정하고, 접착제로 고정하였다. 도 2와 같이 ロ자 형상의 자기 회로를 형성하도록 대향시킨 요크부 코어의 중앙부에 날밑 형상 부재가 감합된 1세트의 권회부 코어를 배치하고, 권회부 코어의 권회부에 권수 38턴의 코일을 권회하여 리액터(실시예 4-1 내지 4-2)로 하였다.

(비교예 4-1)

권회부 코어의 단부에 날밑 형상 부재를 배치하지 않은 것 이외에는 실시예 4-1과 동일한 형태로 리액터(비교예 4-1)를 제작하였다.

얻어진 리액터(실시예 4-1 내지 4-2, 비교예 4-1)에 대하여, 인덕턴스와 고주파 철손을 평가하였다.

실시예 1과 동일하게 인덕턴스의 직류 중첩 특성을 측정하였다. 직류 전류를 인가하지 않은 상태의 초기 인덕턴스가 530μH가 되도록, 접합부 코어와 권회부 코어 사이의 2개소에 두께 0.5mm의 갭재를 삽입하였다. 갭재에는 비자성 및 절연성 재료인 수지 필름으로서 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트) 필름을 사용하였다. 갭재를 삽입함에 있어서는, 대향하는 페라이트 코어의 각부의 간극이 없어지도록, 각부의 높이를 연삭으로 조정하였다. 직류 중첩 특성은 정격 전류 20A일 때의 인덕턴스를 측정하여 표 4에 기재하였다.

실시예 1과 동일하게 고주파 철손을 측정하였다. 코어로스의 측정 조건은 f＝20kHz, Bm＝50mT로 하였다. 여자 코일은 25턴, 서치 코일은 5턴으로 하고, 권회부 코어에 권회하여 측정하였다. 철손의 측정 결과를 표 4에 기재하였다.

표 4로부터 명백한 바와 같이, 비교예 4-1의 리액터에서는 직류 중첩 전류 20A에서의 인덕턴스가 초기 인덕턴스(530μH)로부터 40% 이상 저하되고, 310μH의 낮은 인덕턴스밖에 얻어지지 않는다. 한편, 실시예 4-1 내지 4-2의 리액터에서는 직류 중첩 전류 20A에서의 인덕턴스가 450μH가 되고, 초기 인덕턴스(530μH)로부터의 저하율은 30% 이내로 억제되어 있다. 또한, 고주파 철손의 증대도 보이지 않는 것도 확인되었다.

실시예 4-1 및 4-2는 요크부 코어와 권회부 코어 사이에 갭(갭량 0.5mm)을 삽입한 경우이다. 직류 전류 중첩 하의 인덕턴스는 초기 인덕턴스(530μH)의 30% 이내의 저하로 억제되어 있다. 따라서, 권회부 코어와 요크부 코어의 간극에 갭을 형성함으로써, 직류 전류 중첩 하의 인덕턴스의 개선 효과를 손상시키지 않고, 용이하게 초기 인덕턴스를 조정할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 리액터는 손실을 저감하는 동시에 직류 전류 중첩 하에서도 높은 인덕턴스를 가지므로, 고효율화 및 소형화를 실현할 수 있으므로, 전원 회로나 파워 컨디셔너 등의 전기·자기 디바이스 등에 널리 및 유효하게 이용 가능하다.

10: 리액터
11: 요크부 코어
12: 권회부 코어
13: 코일
14: 날밑 형상 부재
141: 날밑 형상 부재 절개부
15: 갭
21: 페라이트 코어
22: 연자성 금속 코어
23: 자속
24: 날밑 형상 부재

Claims

페라이트 코어로 구성된 한 쌍의 요크부 코어와, 상기 요크부 코어의 대향하는 평면간에 배치된 권회부 코어와, 상기 권회부 코어의 주위에 권회된 코일로 이루어진 리액터로서,
상기 권회부 코어의 단부에 상기 권회부 코어의 주연에 외접하도록 날밑(鍔; sward-guard) 형상 부재가 배치되고,
상기 권회부 코어는 연자성 금속 코어로 구성되고,
상기 날밑 형상 부재는 철을 주성분으로 하고, 자석에 대하여 자기적으로 흡착하는 금속 재료로 구성되고,
상기 날밑 형상 부재의 한쪽의 평탄면이 상기 권회부 코어의 단면과 동일면으로 요크부 코어와의 접합부를 형성하는 것을 특징으로 하는 리액터.
제 1 항에 있어서, 상기 날밑 형상 부재가 연자성 금속 압분 코어로 구성되는 것을 특징으로 하는 리액터.
제 1 항에 있어서, 상기 날밑 형상 부재가 둘레 방향의 1개소에 내주단으로부터 외주단에 달하는 노치를 형성한 강판인 것을 특징으로 하는 리액터.