TWI707368B

TWI707368B - 共同模式抗流線圈

Info

Publication number: TWI707368B
Application number: TW106116674A
Authority: TW
Inventors: 今西恒次; 髙橋康臣
Original assignee: Ｓｈｔ股份有限公司
Priority date: 2016-06-21
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2020-10-11
Also published as: CN109313978A; KR20190019947A; TW201810310A; JP6617306B2; WO2017221630A1; EP3474301A4; US20190311845A1; EP3474301A1; CN109313978B; JP2017228606A

Abstract

本發明的課題在於提供一種氣冷式共同模式抗流線圈，具備有可抑制發熱之繞線套形狀。本發明之氣冷式共同模式抗流線圈10係將環狀的芯部30收容於環狀的繞線套20，並於前述繞線套20的外周捲繞線圈40而構成，前述繞線套20與前述芯部30之間形成氣流B可流通的空氣流路A，前述繞線套20係具有連通於前述空氣流路A的一個或複數個開口21、22，前述開口21、22的周緣突設有鍔23、24。前述開口21、22較佳為及於前述繞線套20的外周面以及前述繞線套20的上下面而形成。

Description

共同模式抗流線圈

本發明係關於一種裝設於電源電路、變流器(inverter)等的交流機器中的整流電路、雜音防止電路、波形整形電路、共振電路、各種開關電路等之共同模式抗流線圈，更具體而言，係關於可提高散熱性而抑制溫度上升之氣冷式共同模式抗流線圈。

各種交流機器的電路中搭載之共同模式抗流線圈係將線圈以絕緣之狀態捲繞於環狀的芯部而構成。就芯部而言，已提案有將氧化磁性材料加壓之後燒結而成的肥粒鐵芯。芯部係收容於樹脂製的繞線套，於繞線套的外周捲繞線圈而形成共同模式抗流線圈(例如專利文獻1)。

[先前技術文獻] [專利文獻]

日本專利公開公報特開2012-59754號

共同模式抗流線圈用於商用交流電源電路時，由於對線圈通電，會於線圈發生焦耳熱而發熱。芯部本身雖幾乎不會自我發熱，但將芯部收容於繞線套之共同模式抗流線圈中，由於線圈的發熱的傳導、輻射、對流，芯部係溫度上升。當芯部升溫超過磁性材料的居禮溫度Tc時，磁氣特性會大幅降低，失去抑制雜訊的效果。因此，必需採用居禮溫度Tc高的材料作為芯部的磁性材料，或者，為了抑制線圈的發熱而必需設定較低的施加電流。

另一方面，為了確保寬頻域中的雜訊抑制效果並且謀求小型化、輕量化、低價化而於芯部採用較高的比透磁率μs的磁性材料時，可期待較少圈數的線圈即可獲得電感值之效果。然而，一般而言，因高透磁率的磁性材料的居禮溫度Tc較低，因而有可抑制芯部的升溫之共同模式抗流線圈之需求。

本發明的目的在於提供一種氣冷式共同模式抗流線圈，具備有可提高散熱特性而抑制溫度上升之繞線套形狀。

本發明之氣冷式共同模式抗流線圈係共同模式抗流線圈係將環狀的芯部收容於環狀的繞線套，並於前述繞線套的外周捲繞線圈而構成，前述繞線套與前述芯部之間形成氣流可流通的空氣流路，前述繞線套係具有連通於前述空氣流路的一個或複數個開口，前述開口的周緣突設有鍔。

前述開口可形成於前述繞線套的外周面，且前述繞線套的內周面呈封閉。

前述開口較佳為及於前述繞線套的外周面以及前述繞線套的上下面而形成，且前述繞線套的內周面呈封閉。

前述鍔係以對於前述開口朝向外周擴張地傾斜為較佳。

前述開口係以具有一對，且對稱地形成於前述繞線套的直徑上為較佳。

前述芯部係縱剖面呈矩形且可將轉角部分抵接於前述繞線套的內面而被支持。

前述繞線套的內面突設有支柱或肋條，前述芯部可受到前述支柱或前述肋條的抵接而被支持。

前述芯部可為肥粒鐵芯。

另外，本發明之實裝有共同模式抗流線圈的電氣機器係於殼體的內部所收容的基板實裝上述記載之共同模式抗流線圈，其中，前述殼體具備吸氣口及排氣用風扇，前述共同模式抗流線圈的一個前述開口係朝向藉由前述吸氣口與前述排氣用風扇形成的氣流的上游側。

依據本發明之氣冷式共同模式抗流線圈，藉由氣流導入形成於繞線套的開口，可從開口排出繞線套內部的熱，而可盡量抑制線圈的發熱造成之芯部的溫度上升。依此，可採用居禮溫度Tc低的高透磁率的材料作為芯部的磁性材料。

10‧‧‧共同模式抗流線圈(單相用)

10’‧‧‧共同模式抗流線圈(三相用)

20‧‧‧繞線套

20a、20b‧‧‧繞線套半體

21、22、22’‧‧‧開口

23‧‧‧鍔

24‧‧‧鍔

25‧‧‧貫通孔部

26‧‧‧支柱

27‧‧‧卡合部

30‧‧‧芯部

40‧‧‧線圈

41‧‧‧導線端部

50‧‧‧線圈台

51‧‧‧基台

52‧‧‧安裝部

53‧‧‧插通孔

60‧‧‧風洞管

61‧‧‧木台

62‧‧‧風扇

63、64‧‧‧熱電偶

65‧‧‧風量計

A、A’、A”‧‧‧空氣流路

B、B’、C‧‧‧氣流

第1圖係本發明一實施型態之氣冷式共同模式抗流線圈的立體圖。

第2圖係將氣冷式共同模式抗流線圈於芯部的高度方向略中央切斷的剖面圖。

第3圖係沿著第2圖的線III-III的剖面圖。

第4圖係放大顯示繞線套與芯部之間形成的空氣流路的剖面圖。

第5圖係顯示繞線套的內面形成支柱之實施型態的放大剖面圖。

第6圖係顯示通過繞線套的內部的氣流的說明圖，為從芯部的上面切斷共同模式抗流線圈的剖面圖。

第7圖係實施例中使用的實驗裝置的說明圖。

第8圖係顯示發明例之施加於線圈的直流電流與芯部及線圈的溫度上升的關係的曲線圖。

第9圖係顯示比較例之施加於線圈的直流電流與芯部及線圈的溫度上升的關係的曲線圖。

第10圖係將本發明適用於三相用共同模式抗流線圈之實施例的剖面圖。

以下，參照圖式，說明本發明一實施型態之氣冷式共同模式抗流線圈10。又，共同模式抗流線圈10係例示捲繞一對線圈40、40之單相用共同模式抗流線圈。

第1圖係本發明一實施型態之共同模式抗流線圈10的外觀立體圖。第2圖係將共同模式抗流線圈10 於芯部30的寬方向中央切斷的橫剖面圖。第3圖係沿著第2圖的線III-III的剖面圖。第4圖係共同模式抗流線圈10的放大剖面圖。如圖所示，本發明的氣冷式共同模式抗流線圈10係將環狀的芯部30收容於繞線套20，而於繞線套20的周面捲繞一對線圈40、40而構成。繞線套20係形成有使外部的氣流流通繞線套20的內部的開口21、22。

芯部30係由磁性材料形成的環狀體，剖面形狀並未限定，例如圖示的芯部30的剖面係略呈矩形。芯部30可例示將Mn-Zn類肥粒鐵芯材料、Ni-Zn類肥粒鐵芯材料等加壓成形之後燒結而成的芯部(以下稱為「燒結芯部」)。

本發明中，即使於燒結芯部之中，亦特別地以適用於比透磁率μs較高的肥粒鐵芯為佳。肥粒鐵芯的比透磁率μs，一般而言，包含Mn-Zn類、Ni-Zn類，為500~5000左右，居禮溫度Tc為180℃~250℃，另一方面，以Mn-Zn類為主等之比透磁率μs較高的芯部30的比透磁率μs為較高之10000~18000，因此，即使是相同圈數，亦可確保2~3倍的電感值，惟其磁性材料的居禮溫度Tc為110℃~150℃，有比透磁率μs越高，居禮溫度Tc越低的傾向。因此，芯部30必需使用於不使升溫超過居禮溫度Tc以上。

繞線套20係於內部收容芯部30，確保與線圈40、40的電性絕緣。繞線套20可由絕緣性的樹脂殼構成。圖示的實施型態中，繞線套20係可裝設於線圈台50，該線圈台50係可設置於基板。

如第1~4圖所示，繞線套20係配合芯部30的形狀而呈環形，於中央具有貫通上下的貫通孔部25，並於周面的一處或複數處具有開口21、22。繞線套20的內面形成為大於芯部30的剖面，芯部30收容於繞線套20的狀態下，於芯部30與繞線套20之間形成空氣可流通的空氣流路A。

開口21、22係形成於繞線套20的周面。例如，如第1圖及第2圖所示，開口21、22可形成於繞線套20的外周側。開口21、22係成為氣流的出入口，因此以較大地形成為佳，但若開口21、22變大，則可捲繞於繞線套20的線圈40、40的圈數或導線徑會受到限制。依此，開口21、22係以與捲繞於繞線套20的線圈40、40的圈數、導線徑等對應之最大開口幅度為較佳。圖示的實施型態中，為了形成較大的開口21、22，開口21、22係構成為一部分及於繞線套20的上下面。

為了可順暢地進行至空氣流路A之空氣的流入或自空氣流路A之空氣的流出，開口21、22以形成在繞線套20的直徑上的相對向的位置為較佳。又，開口21、22以在繞線套20形成二個為最佳，但即使是僅有一個開口時，由於氣流可進入繞線套20內的空氣流路A，故可期待某種程度的氣冷效果。

開口21、22係於周緣突設有鍔23、24。開口21、22的左右的鍔23係確保安全規格規定的沿面距離及空間距離，以謀求芯部30與捲繞於繞線套20的外周的線圈40、40之間電性絕緣，以及線圈40、40彼此的電性絕緣，而不會因該等的電性接觸、該等之間的短路而發生火花。因此，鍔23係以確保安全規格規定的尺寸來設計，形成為捲繞於鍔23的附近的線圈40、40的高度以上。

為了增大通過開口21、22的氣流的流通量，開口21、22的左右的鍔23以對於開口21、22成為朝向外周擴張之傾斜形狀為較佳，另外，為了謀求增大朝向開口21、22的氣流的流入量及順暢地導入，開口21、22的上下的鍔24以朝向上下擴張的方向傾斜之形狀為較佳，特別是以風扇強制氣冷時更為有效。

如前所述，繞線套20的內面係具有大於芯部30的剖面面積的剖面空間，芯部30與繞線套20的內面之間形成的間隙係成為空氣流路A。並且，空氣流路A係與開口21、22連通。

為了抑制芯部30因機械性的震動、衝擊等而破損或因負載電流產生的磁通造成之磁致伸縮的哼聲，繞線套20係以不會震動地方式將芯部30保持於內部為較佳。例如，如第3圖及第4圖所示，繞線套20的內面略呈橢圓形，芯部30的一部分圖中顯示使轉角部分抵接於繞線套20的內面，藉此，將芯部30保持於繞線套20，並且於略呈橢圓形的內面與芯部30之間確保空氣流路A。

另外，手繞線圈40、40時，線圈40、40係以攏起成略呈橢圓形的形狀捲繞。配合此捲繞形狀，繞線套20本身的剖面亦略呈橢圓形，因此，即使於繞線套20確保空氣流路A，亦可避免共同模式抗流線圈10的大型化。

又，如第5圖所示，於繞線套20的內面突設支柱26、肋條，藉以於繞線套20的內面與芯部30之間確保空氣流路A，並且能夠以支柱26等保持芯部30。惟，於繞線套20的內面設置支柱26等的情況下，空氣流路A會因而變窄，另外會於空氣流路A中產生亂流。因此，形成支柱26、肋條等之際，以設計為盡可能地降低空氣流路A中的壓損為較佳。第5圖中，藉由上下的支柱26、26保持芯部30的上下，並且，藉由芯部30的內周側抵接於繞線套20的內面而保持左右方向。

上述構成的繞線套20係如第1、3圖及第4圖之放大圖所示，可由分割成上下的繞線套半體20a、20b構成。藉此，將芯部30收容於一繞線套半體20a之後，再嵌合另一繞線套半體20b，藉此可將芯部30收容於繞線套20。

如第1圖及第2圖所示，繞線套20可裝設於線圈台50來使用。此時，繞線套20係具備用以與線圈台50卡合的卡合部27、27。圖示的實施型態中，卡合部27、27係於貫通孔部25的內面沿上下方向延伸的溝槽。

對於收容了芯部30的繞線套20，於開口21、22間的胴部，分別捲繞線圈40、40而形成共同模式抗流線圈10。線圈40、40所使用的導線，可例示外部經絕緣被覆的銅線。當然地，導線係不限於此。

二個線圈40、40可分別於開口21、22間朝向繞線方向對於負載電流的流向為相同之方向捲繞，亦即，可捲繞為產生的各別的磁通相抵消之所謂的共同模式捲組

上述構成的共同模式抗流線圈10可直接配置於基板，亦可如第1圖及第3圖所示，裝設於線圈台50。線圈台50之構成可包含載置共同模式抗流線圈10之基台51以及從基台51向上方突設之安裝部52。安裝部52係與繞線套20的卡合部27、27卡合，而將共同模式抗流線圈10固定於線圈台50。安裝部52係如第1圖及第2圖所示，可例示平板狀的安裝部52。安裝部52可嵌入形成在繞線套20的貫通孔部25之溝槽的卡合部27、27，將共同模式抗流線圈10安裝於線圈台50。藉由安裝部52嵌入繞線套20的貫通孔部25，除了將共同模式抗流線圈10裝設於線圈台50之外，安裝部52亦發揮相對向之線圈40、40的絕緣壁的功能。

線圈台50可形成將線圈40、40的導線端部41、41向下方引出的插通孔53、53。並且，將線圈台50配置於未圖示的配線基板時，導線端部41、41可與基板電性連接。

又，以下，適當地將包含線圈台50者稱為共同模式抗流線圈10。

上述構成的共同模式抗流線圈10可實裝於電氣機器的配線基板。電氣機器的殼體內係具備用以抑制包含共同模式抗流線圈10之其他電子零件的升溫的吸氣口與排氣用風扇，或是吸氣用風扇與排氣口，強制地使電氣機器內產生氣流。電氣機器可例示IH電磁爐、IH電子鍋、微波爐、車用等的DC-DC轉換器、AC-DC轉換器等。

本發明之共同模式抗流線圈10係配置成開口21、22在氣流的路徑上相向。於共同模式抗流線圈10形成二個開口21、22時，配置成一開口21朝向氣流的上游側，另一開口22朝向氣流的下游側。開口為一個時，該開口係配置成朝向氣流的上游側。

藉此，如第6圖所示，共同模式抗流線圈10係產生從開口21進入而經由形成於繞線套20的內面與芯部30之間的空氣流路A之後，從另一開口22排出之氣流B，從繞線套20、芯部30帶走熱而可抑制線圈40、芯部30等的升溫。

更詳細而言，將電流供給至共同模式抗流線圈10的線圈40、40時，線圈40、40雖因電磁感應而產生磁通，但由於朝向抵消磁通的方向捲繞而抑制磁飽和，對於共同模式雜訊的通過，藉由自感應導致的電感限制雜訊通過。此時，由於通電而於線圈40、40產生焦耳熱而發熱。並且，線圈40、40的發熱雖經由繞線套20藉由傳導、輻射、對流傳達至芯部30，使芯部30溫度上升，惟本發明之共同模式抗流線圈10係藉由氣流B從開口21流入空氣流路A而從另一開口22排出，使發熱之繞線套20及芯部30與氣流B熱交換而冷卻。

依此，由於可抑制芯部30的升溫而可採用居禮溫度Tc低的肥粒鐵芯等之高比透磁率μ s的材料，並且，可對線圈40、40施加高電流。由於可採用高比透磁率μ s的材料於芯部30，即使是確保於同一電感值，亦可減少線圈40、40的圈數或縮小導線徑等而可謀求共同模式抗流線圈10的小型化。或者，相反地，若為相同尺寸的共同模式抗流線圈10，則可設計為增加線圈40、40的圈數以提高電感值，因而亦可達成雜訊的減低。

[實施例]

將於繞線套20設置二個開口21、22的本發明之共同模式抗流線圈10，以及將該等開口21、22以0.5mm厚的醯胺纖維蓆(商品名稱Nomex(註冊商標))封塞的比較例之共同模式抗流線圈，配置於強制產生氣流C的風洞管60，測定施加於線圈40、40的直流電流與線圈40及芯部30的溫度上升的關係。

共同模式抗流線圈10係如下地構成。

芯部30

磁性材料：JFE Ferrite Corporation製的肥粒鐵芯MA120A(比透磁率μ s12000)

內徑/外徑：18.5mm/31.5mm

高度：13.4mm

剖面面積/剖面形狀：87.1mm²/矩形

居禮溫度Tc：120℃

繞線套20

材質：聚碳酸酯樹脂

內徑/外徑：17.0mm/33.0mm

高度：14.6mm

剖面面積/剖面形狀：104.0mm²/橢圓形

開口面積：各135.1mm²(於直徑上位於二處)

空氣流路A的剖面面積：16.9mm²(繞線套剖面面積-芯部剖面面積)

線圈40

導線材質：聚酯銅線(PEW)

導線線徑：1.8mm

圈數：各13T

直流電阻：5.2mΩ×2

如第7圖所示，風洞管60係於內部配置導熱係數小的木台61，於距木台61上方35mm的位置，配置共同模式抗流線圈10成為開口21為氣流C的上游側，開口22為氣流C的下游測(參照第1圖)。另外，於自共同模式抗流線圈10起下游側100mm的位置，配置排氣用風扇62。芯部30及線圈40的溫度分別由熱電偶63、64測定，風洞管60內的風速係設定為依據設置於距共同模式抗流線圈10的中央50mm的位置的風量計65的測定值來調整排氣用風扇62的輸出。

實驗係於25℃的環境下配置風洞管60而進行，從無風(排氣用風扇停止狀態)至風速1.2m/秒為止改變風速，施加的直流電流設定為0A、10A、20A、30A(惟，考量繞線套材料的耐熱性，於無風時僅施加0A、10A、20A)。

發明例、比較例的實測資料分別顯示於表1及表2。又，表1及表2中，最上段係施加之直流電流(A)，左欄係風速與測定部位，其他的數值係自周圍環境(25℃)上升的溫度。表中雖未顯示，施加之直流電流為0A時之芯部30及線圈40的溫度係與周圍環境相同之25℃，上升溫度為0℃。

依上述表1、表2而獲得的發明例、比較例的芯部30與線圈40的測定結果的曲線圖係分別顯示於第8圖、第9圖。

參照第8圖、第9圖可知，從無風至風速1.2m/秒的所有的風速條件下，相較於比較例，發明例更抑制施加相同直流電流時的溫度上升。特別是比較第8圖與第9圖可知，相較於比較例，發明例係於相同測定條件下的芯部30與線圈40的溫度差較大，確實地抑制芯部30的溫度上升。

發明例之共同模式抗流線圈10係如第6圖所示，形成從上游側的開口21通過空氣流路A而從下游測的開口22排出之氣流B，藉此，芯部30係被氣冷，並且繞線套20亦從內側被氣冷。特別是於芯部30顯著地顯現其氣冷效果。由於繞線套20受到冷卻，線圈40亦受到繞線套20的冷卻而溫度降低。

另一方面，比較例的共同模式抗流線圈由於開口被封塞，線圈的發熱經由繞線套傳達至芯部，熱聚積於繞線套內，因而可知芯部亦與線圈同樣地溫度上升。

如上所述，依據本發明之共同模式抗流線圈10可知，於繞線套20形成開口21、22以及與芯部30之間的空氣流路A，可抑制芯部30及線圈40、40的溫度上升，特別是抑制芯部30的溫度上升。藉此，芯部30即使採用居禮溫度較低的磁性材料，亦可施加大電流，而可提高共同模式抗流線圈10的特性。

上述說明係用以說明本發明而非用以限定申請專利範圍中記載的發明或限縮範圍。另外，本發明的各構成不限於上述實施型態，當然地，在申請專利範圍中記載的技術範圍內，可進行各種變化。

例如，上述實施型態中顯示了電氣機器的殼體具備吸氣口與排氣用風扇的事例，惟由表1、表2的結果可知，本發明即使在無風狀態亦具有效果。

再者，以上係說明了單相用的共同模式抗流線圈10，惟如第10圖所示，本發明亦可適用於在繞線套 20捲繞三個線圈40、40、40之三相用的共同模式抗流線圈10’等。此時，開口可設為於各線圈40、40、40間以符號21、22、22’顯示之三個開口，例如使開口21朝向氣流的上游側，於繞線套20內形成從開口21起通過空氣流路A從開口22、22’排出之氣流B，而可獲得氣冷效果。又，由於從開口22、22’流出的氣流使得開口22、22’間的空氣流路A’成為負壓，而形成從繞線套20的內周側的空氣流路A”經空氣流路A’流向開口22、22’的氣流B’時，同樣地可獲得氣冷效果。

10:共同模式抗流線圈

20:繞線套

20a、20b:繞線套半體

21、22:開口

23、24:鍔

25:貫通孔部

27:卡合部

30:芯部

40:線圈

41:導線端部

50:線圈台

51:基台

52:安裝部

53:插通孔

Claims

一種共同模式抗流線圈，係將環狀的芯部收容於環狀的繞線套，並於前述繞線套的外周捲繞線圈而構成，前述芯部係肥粒鐵芯，前述繞線套與前述芯部之間形成氣流可流通的空氣流路，前述繞線套係具有連通於前述空氣流路且在前述繞線套的直徑上對向的一對開口，前述開口的周緣突設有鍔。
如申請專利範圍第1項所述之共同模式抗流線圈，其中，前述開口係形成於前述繞線套的外周面，且前述繞線套的內周面呈封閉。
如申請專利範圍第1項所述之共同模式抗流線圈，其中，前述開口係及於前述繞線套的外周面以及前述繞線套的上下面而形成，且前述繞線套的內周面呈封閉。
如申請專利範圍第1項所述之共同模式抗流線圈，其中，前述鍔係對於前述開口朝向外周擴張地傾斜。
如申請專利範圍第1項所述之共同模式抗流線圈，其中，前述芯部係縱剖面呈矩形且轉角部分抵接於前述繞線套的內面而被支持。
如申請專利範圍第1項所述之共同模式抗流線圈，其中，前述繞線套的內面突設有支柱或肋條，前述芯部係受到前述支柱或前述肋條的抵接而被支持。
一種實裝有共同模式抗流線圈的電氣機器，係於殼體的內部所收容的基板實裝申請專利範圍第1至6項中任一項所述之共同模式抗流線圈，其中，前述殼體具備吸氣口及排氣用風扇，前述共同模式抗流線圈的一個前述開口係朝向藉由前述吸氣口與前述排氣用風扇形成的氣流的上游側。