JP2013131540A - コア、トランス、チョークコイル及びスイッチング電源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本願発明は、発熱量が小さく、温度特性の優れたコアを提供することを課題とする。
【解決手段】コイルが巻き回されるコアであって、複数のコア部材からなり、前記コア部材の少なくとも1つが放熱用部材に接触しており、前記放熱用部材に接触しているコア部材の磁気損失が最小となる温度が前記放熱用部材に接触している前記コア部材以外のコア部材の磁気損失が最小となる温度よりも低いことにより、発熱量が小さく、温度特性の優れたコアを提供することが可能となる。
【選択図】図1
【解決手段】コイルが巻き回されるコアであって、複数のコア部材からなり、前記コア部材の少なくとも1つが放熱用部材に接触しており、前記放熱用部材に接触しているコア部材の磁気損失が最小となる温度が前記放熱用部材に接触している前記コア部材以外のコア部材の磁気損失が最小となる温度よりも低いことにより、発熱量が小さく、温度特性の優れたコアを提供することが可能となる。
【選択図】図1
Description
本発明はトランスやチョークコイルに用いるコアに関し、特に、発熱を低減し温度特性が改善されたコアに関する。また、本発明は、このようなコアを用いたトランスやチョークコイルに関する。また、本発明はこのようなトランスやチョークコイルを用いたスイッチング電源装置に関する。
スイッチング電源装置などに用いられるトランスやチョークコイルは、動作時において発熱することから、発熱量が小さく放熱特性の優れたコアを採用することが望ましい。コアが高温にならないために考えられる手法は2つある。第1の手法としては、コア自体を発熱させないためにコアに低損失な磁性材料を使用する方法が挙げられる。また、コア自体を発熱させない第1の手法の別の方法として、コア形状を発熱しにくい形状にする方法が挙げられる。例えば、特許文献1に記載のE型コアは、中心脚部の断面積を外側脚部の断面積よりも大きくすることで蓄熱しやすい中心脚部の温度上昇を抑えることが可能になるとされている。
また、コアを高温にしないための第2の手法としては、発熱してしまったコアから熱を効率良く放熱させる方法が挙げられる。例えば、コアに放熱用部材あるいは冷媒を接触させ伝熱により放熱させる方法が挙げられる。例えば、特許文献2に記載のコアは、磁気ギャップ部を備えた準閉磁路構造をとり、その磁気ギャップ部に高分子部材が介在している。空気よりも熱伝導率が大きい前記高分子部材が介在することでコアの放熱効率が高くなり、コアの温度上昇を抑えることができる。
また、効率良く放熱する第2の手法の別の方法として、コアを放熱しやすい形状とする方法が挙げられる。例えば、特許文献1に記載されたコアは、中心脚部に放熱用孔が設けられており、放熱用孔内の外気を介して放熱を行える。また、必要により前記放熱用孔に熱伝導率の高い放熱用部材を挿入して放熱特性を向上させることが可能になるとされている。また、特許文献3に記載されたコアは、上側梁部で発生する熱の放熱ルートを拡大することによって、コアの放熱特性を改善することが可能になるとされている。
しかしながら、上述の特許文献1から特許文献3に記載された技術を用いても、特に発熱量の大きいトランスやチョークコイルにおいては、温度上昇の抑制が不十分となる問題があり、更なるコアの発熱低減のための改善が望まれている。本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、発熱量が小さく、温度特性の優れたコアを提供することである。また、本発明の他の目的は、このようなコアを用いたトランス及びチョークコイルを提供することである。また、本発明の他の目的は、このようなトランス及びチョークコイルを用いたスイッチング電源装置を提供することである。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項1に係るコアは、コイルが巻き回されるコアであって、複数のコア部材からなり、前記コア部材の少なくとも1つが放熱用部材に接触しており、前記放熱用部材に接触しているコア部材の磁気損失が最小となる温度が、前記放熱用部材に接触している前記コア部材以外のコア部材の磁気損失が最小となる温度よりも低いことを特徴とする。
請求項1に記載のコアによれば、複数のコア部材の内、放熱用部材に接触しているコア部材の磁気損失が最小となる温度を、前記放熱用部材に接触しているコア部材以外のコア部材の磁気損失が最小となる温度よりも低くすることで、放熱用部材を用いたために発生したコアの温度分布に対して、より適切な温度特性を持ったコア部材を適用することができる。特に放熱用部材に接したコア部材の温度特性を適切に選択することによって、複数のコア部材を組み合わせたコア全体の磁気損失を低減することが可能となる。その結果、温度上昇が抑えられる。
また、本発明では、前記複数のコア部材のそれぞれの磁気損失が最小となる温度の差が5℃以上50℃以下であることが好ましい。複数のコア部材の磁気損失が最小となる温度の差が大きすぎると、任意のコア部材の損失が最小となる温度とその他のコア部材の損失が最小となる温度の間の温度域において磁気損失が増大してしまう。そのため、磁気損失が最小となる温度の差は50℃以下が好ましく、また、複数のコア部材の磁気損失が最小となる温度の差が小さすぎると磁気損失低減の効果は小さくなる。そのため、磁気損失が最小となる温度の差は5℃以上が好ましい。
また、本発明では、複数のコア部材がフェライトからなることが好ましい。コア部材がフェライトからなることで、熱伝導率が低く、比較的大きな温度分布が生じるフェライトコア部材に対して、使用温度に適したコア部材を選択することになり、元々磁気損失の小さいフェライトの損失をさらに低減することが可能となる。その結果、複数のコア部材を組み合わせたコア全体の発熱量は低減し、温度上昇が抑えられる。
本発明は、上述のコアを用いたことを特徴とするトランスである。前記コアを用いることにより発熱量の小さいトランスが提供されることから、トランスが伝送する電力を増やしたり、トランスを小型化したりすることが可能となる。
本発明は、上述のコアを用いたことを特徴とするチョークコイルである。前記コアを用いることにより発熱量の小さいチョークコイルが提供されることから、チョークコイルに蓄えられる電力を増やしたり、チョークコイルを小型化することが可能となる。
本発明は、前記トランスを備えたことを特徴とするスイッチング電源装置である。このスイッチング電源装置によれば、トランスの発生する熱量が低減されることから、信頼性の高いスイッチング電源装置を提供することが可能となる。
本発明は、前記チョークコイルを備えたことを特徴とするスイッチング電源装置である。このスイッチング電源装置によれば、チョークコイルの発生する熱量が低減されることから、信頼性の高いスイッチング電源装置を提供することが可能となる。
本発明は、発熱量が小さく、温度特性の優れたコアを提供することができる。また、本発明は、このようなコアを用いたトランス及びチョークコイルを提供することができる。また、本発明は、このようなトランス及びチョークコイルを用いたスイッチング電源装置を提供することができる。
本発明を実施するための形態(実施形態)につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
(実施形態1)
図1は実施形態1に係るコアを示す斜視図である。コア10はいずれもE型形状であるコア部材10Aとコア部材10Bの開口部を向き合わせて組み立てられる。コア部材10Bの下面には放熱用部材10Cが接している。なお、接触面の密着性を高め放熱性を高めるためにコア部材10Bと放熱用部材10Cの間に放熱用のシートやグリースや接着剤を用いてもよい。図2にコア部材10Aとコア部材10Bの磁気損失の温度特性を示す。コア部材10Aの磁気損失が最小となる温度T1はコア部材10Bの損失が最小となる温度T2よりも高い。組み立てられたコア10をトランス又はチョークコイルに使用する場合はコア10の主脚部11にコイル12を巻き回す。なお、本実施形態において、コア10は、フェライトの焼結体であるが、コア10の材料はこれに限定されるものではない。
図1は実施形態1に係るコアを示す斜視図である。コア10はいずれもE型形状であるコア部材10Aとコア部材10Bの開口部を向き合わせて組み立てられる。コア部材10Bの下面には放熱用部材10Cが接している。なお、接触面の密着性を高め放熱性を高めるためにコア部材10Bと放熱用部材10Cの間に放熱用のシートやグリースや接着剤を用いてもよい。図2にコア部材10Aとコア部材10Bの磁気損失の温度特性を示す。コア部材10Aの磁気損失が最小となる温度T1はコア部材10Bの損失が最小となる温度T2よりも高い。組み立てられたコア10をトランス又はチョークコイルに使用する場合はコア10の主脚部11にコイル12を巻き回す。なお、本実施形態において、コア10は、フェライトの焼結体であるが、コア10の材料はこれに限定されるものではない。
従来は、コア部材10Aとコア部材10Bは磁気損失が最小となる温度が同じコア部材の組合せで組み立てられている。コアの温度上昇が小さい場合には放熱用部材10Cを使用しない。しかしながら、コアの温度上昇が大きい場合には、コアの熱暴走を防ぐため、コアの温度を下げる必要があり、放熱用部材10Cを用いた温度低減が行なわれている。すなわち、温度上昇が大きいコアで放熱用部材を使用する場合は、放熱用部材10Cに接触しているコア部材10Bは温度が低くなり、放熱用部材に接触せず蓄熱しやすいコア部材10Aは温度が高くなるといった温度分布が生じていた。このような結果、従来のコアは、温度に適したコア部材を使用することが出来ておらず、発熱が大きかった。一方、実施形態1に係るコア10においては、放熱用部材10Cに接触し冷却されているコア部材10Bの磁気損失が最小となる温度が、放熱されないコア部材10Aの磁気損失が最小となる温度よりも低い。その結果、それぞれに適したコア部材を使用することになり、コア全体、すなわち、コア10の磁気損失が低減し温度上昇が低減する。
前記コア部材10Aとコア部材10Bの磁気損失が最小となる温度の差は、5℃以上50℃以下であることが好ましく、より好ましくは、コア部材の磁気損失が最小となる温度の差が5℃以上30℃以下とする。また、更に好ましくは、複数のコア部材の磁気損失が最小となる温度の差が5℃以上15℃以下である。複数のコア部材の磁気損失が最小となる温度の差が大きすぎると、任意のコア部材の損失が最小となる温度とその他のコア部材の損失が最小となる温度の間の温度域において磁気損失が増大してしまうからである。
コア10を用いたトランスは、発熱量が小さくなる。このため、コア10を用いたトランスは伝送可能な電力の増加、小型化が可能になる。コア10を用いたチョークコイルは、発熱量が小さくなる。このため、コア10を用いたチョークコイルは、蓄えられる電力の増加、小型化が可能になる。コア10を用いたトランス又はコア10を用いたチョークコイルが搭載されたスイッチング電源装置は、トランス又はチョークコイルの発生する熱量が低減されることから、信頼性が向上する。なお、本実施形態におけるコア部材10Bが、図3 に示すように、Iコアで形成される場合においても、本発明の効果が得られることは言うまでもない。
また、本実施形態におけるコア10を構成するコア部材10Aの固定については特に言及していないが、一般に、コア部材10Bとの接触面で接着剤を用いて接着しているか、もしくは、コア部材10Aの上面を金具で押さえている。この場合、金具も放熱用部材とみなすことができるが、本発明における本質は、温度分布をもつコアに対して使用温度に適したコア部材を適用することにある。すなわち、複数のコア部材が放熱用部材に接触していたとしても、主として、放熱経路となり、温度が比較的低くなるコア部材に対して、磁気損失が最小となる温度が比較的低いコア部材を適用し、放熱用部材に接触していたとしても、主な放熱経路となりえず、温度が比較的高くなるコア部材に対しては、磁気損失が最小となる温度が比較的高めのコア部材を適用することにある。
本実施形態及びその変形例の構成は、以下においても適宜適用することができる。また、本実施形態及びその変形例と同様の構成を有するものは、本実施形態及びその変形例と同様の作用、効果を奏する。
(実施形態2)
図4は実施形態2に係るコアを示す斜視図である。コア20はいずれもE型形状であるコア部材20Aとコア部材20Bの開口部を向き合わせて組み立てられる。コア部材20Bの下面には放熱用部材20Cが接している。なお、接触面の密着性を高め放熱性を高めるためにコア部材20Bと放熱用部材20Cの間に放熱用のシートやグリースや接着剤を用いてもよい。図5にコア部材20Aとコア部材20Bの磁気損失の温度特性を示す。コア部材20Aの磁気損失が最小となる温度T3はコア部材20Bの損失が最小となる温度T4よりも高い。組み立てられたコア20をトランス又はチョークコイルに使用する場合はコア20の主脚部21にコイル22を巻き回す。
図4は実施形態2に係るコアを示す斜視図である。コア20はいずれもE型形状であるコア部材20Aとコア部材20Bの開口部を向き合わせて組み立てられる。コア部材20Bの下面には放熱用部材20Cが接している。なお、接触面の密着性を高め放熱性を高めるためにコア部材20Bと放熱用部材20Cの間に放熱用のシートやグリースや接着剤を用いてもよい。図5にコア部材20Aとコア部材20Bの磁気損失の温度特性を示す。コア部材20Aの磁気損失が最小となる温度T3はコア部材20Bの損失が最小となる温度T4よりも高い。組み立てられたコア20をトランス又はチョークコイルに使用する場合はコア20の主脚部21にコイル22を巻き回す。
本実施形態によるコア20は、コア20を構成するコア部材20Bの厚さを、放熱用部材面からの厚さhを10mmと構成したものである。本実施形態のコア20のように、コア部材20Bの放熱用部材20Cとの接触面からの厚さhを10mm以下とすることで、放熱用部材20Cに接しているコア部材20Bの温度分布を更に小さくすることができる。そのため、コア部材20Bに対して、より最適な温度特性を持ったコア部材を適用することになり、その結果、コア全体の発熱量は低減し、温度上昇が抑えられる。なお、本実施形態におけるコア部材20B が、図6 に示すように、Iコアで形成される場合においても、本発明の効果が得られることは言うまでもない。
前記コア部材20Aとコア部材20Bの磁気損失が最小となる温度の差は、5℃以上50℃以下であることが好ましく、より好ましくは、コア部材の磁気損失が最小となる温度の差が5℃以上30℃以下とする。また、更に好ましくは、複数のコア部材の磁気損失が最小となる温度の差が5℃以上15℃以下であることは、実施形態1と同様である。
本実施形態の構成は、以下においても適宜適用することができる。また、本実施形態と同様の構成を有するものは、本実施形態と同様の作用、効果を奏する。
(実施形態3)
図7は実施形態3に係るコアを示す斜視図である。コア30は、いずれもE型形状であるコア部材30Aとコア部材30Bの開口部を向き合わせ、間にI型形状のコア部材30Cを挟んで組み立てられる。コア部材30Aの上面には放熱用部材30Dが接している。コア部材30Bの下面には放熱用部材30Eが接している。なお、放熱用部材との接触面の密着性を高め放熱性を高めるため、コア部材30Aと放熱用部材30Dの間、あるいはコア部材30Bと放熱用部材30Eの間に放熱用のシートやグリースや接着剤を用いてもよい。コア部材30Aとコア部材30Bの磁気損失が最小となる温度はコア部材30Cの磁気損失が最小となる温度よりも低い。なお、コア部材30Aとコア部材30Bの磁気損失の温度特性は違ってもよい。組み立てられたコア30をトランス又はチョークコイルに使用する場合は、例えば、コア30の主脚部31A、31Bにコイル32A、32Bを巻き回す。
図7は実施形態3に係るコアを示す斜視図である。コア30は、いずれもE型形状であるコア部材30Aとコア部材30Bの開口部を向き合わせ、間にI型形状のコア部材30Cを挟んで組み立てられる。コア部材30Aの上面には放熱用部材30Dが接している。コア部材30Bの下面には放熱用部材30Eが接している。なお、放熱用部材との接触面の密着性を高め放熱性を高めるため、コア部材30Aと放熱用部材30Dの間、あるいはコア部材30Bと放熱用部材30Eの間に放熱用のシートやグリースや接着剤を用いてもよい。コア部材30Aとコア部材30Bの磁気損失が最小となる温度はコア部材30Cの磁気損失が最小となる温度よりも低い。なお、コア部材30Aとコア部材30Bの磁気損失の温度特性は違ってもよい。組み立てられたコア30をトランス又はチョークコイルに使用する場合は、例えば、コア30の主脚部31A、31Bにコイル32A、32Bを巻き回す。
実施形態3に係るコア30においては、放熱用部材30Dあるいは放熱用部材30Eに接触し冷却されているコア部材30Aあるいはコア部材30Bの磁気損失が最小となる温度が、放熱されないコア部材30Cの磁気損失が最小となる温度よりも低い。その結果、それぞれのコア部材の使用温度に適したコア部材を使用することになり、コア全体、すなわち、コア30の磁気損失が低減し温度上昇が低減する。
本実施形態の構成は、以下においても適宜適用することができる。また、本実施形態と同様の構成を有するものは、本実施形態と同様の作用、効果を奏する。
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこの実施例に何ら限定されるものではない。
(実施例1)
上述した実施形態1におけるコア10を用いて評価を行った。コア部材には磁気損失の温度特性を変えたMn-Zn系フェライトを用いた。コアの温度上昇は次の方法で測定した。コア10の主脚部11において最大磁束密度230mTを発生させ、周波数100kHzで連続してコア10を励磁した。一方、放熱用部材10Cの温度を常に100℃一定となるように冷却した。コア10の温度が安定したところで、熱電対でコア部材10Aの上面の温度を測定した。温度上昇の測定結果を表1に示す。表1から分かるように、従来例のように上下のコアを磁気損失が最小となる温度が同じコアで構成したものより、実施例のようにコアの温度分布に合わせて適切な温度特性のコアを適応したもので、温度が低減することができた。
上述した実施形態1におけるコア10を用いて評価を行った。コア部材には磁気損失の温度特性を変えたMn-Zn系フェライトを用いた。コアの温度上昇は次の方法で測定した。コア10の主脚部11において最大磁束密度230mTを発生させ、周波数100kHzで連続してコア10を励磁した。一方、放熱用部材10Cの温度を常に100℃一定となるように冷却した。コア10の温度が安定したところで、熱電対でコア部材10Aの上面の温度を測定した。温度上昇の測定結果を表1に示す。表1から分かるように、従来例のように上下のコアを磁気損失が最小となる温度が同じコアで構成したものより、実施例のようにコアの温度分布に合わせて適切な温度特性のコアを適応したもので、温度が低減することができた。
(実施例2)
上述した実施形態2におけるコア20を用いて、放熱用部材面に接触しているコア部材の放熱用部材面からの厚さhとコア温度上昇との関係についてのを評価を行なった。コア部材には磁気損失の温度特性を変えたMn-Zn系フェライトを用いた。コア部材20Aには磁気損失が最小となる温度が115℃のコアを用いた。コア部材20Bには磁気損失が最小となる温度が100℃のコアを用いた。コアの温度上昇は実施例1と同様な方法で測定した。温度上昇の測定結果を表2に示す。表2から分かるように、コア部材20Bの放熱用部材20Cとの接触面からの厚みを13mmとしたサンプルNo.9よりも厚みを10mmとしたサンプルNo.10でより温度を低減することができた。
上述した実施形態2におけるコア20を用いて、放熱用部材面に接触しているコア部材の放熱用部材面からの厚さhとコア温度上昇との関係についてのを評価を行なった。コア部材には磁気損失の温度特性を変えたMn-Zn系フェライトを用いた。コア部材20Aには磁気損失が最小となる温度が115℃のコアを用いた。コア部材20Bには磁気損失が最小となる温度が100℃のコアを用いた。コアの温度上昇は実施例1と同様な方法で測定した。温度上昇の測定結果を表2に示す。表2から分かるように、コア部材20Bの放熱用部材20Cとの接触面からの厚みを13mmとしたサンプルNo.9よりも厚みを10mmとしたサンプルNo.10でより温度を低減することができた。
10、20、30 コア
10A、10B 、20A、20B、30A、30B、30C コア部材
10C、20C、30D、30E 放熱用部材
11、21、31A、31B 主脚部
12、22、32A、32B コイル
10A、10B 、20A、20B、30A、30B、30C コア部材
10C、20C、30D、30E 放熱用部材
11、21、31A、31B 主脚部
12、22、32A、32B コイル
Claims (7)
- コイルが巻き回されるコアであって、複数のコア部材からなり、前記コア部材の少なくとも1つが放熱用部材に接触しており、前記放熱用部材に接触しているコア部材の磁気損失が最小となる温度が前記放熱用部材に接触している前記コア部材以外のコア部材の磁気損失が最小となる温度よりも低いことを特徴とするコア。
- 前記複数のコア部材の磁気損失が最小となる温度の差が5℃以上50℃以下であることを特徴とする請求項1に記載のコア。
- 前記コアがフェライトからなることを特徴とする請求項1又は2に記載のコア。
- 請求項1から3のいずれか1項に記載のコアを用いたことを特徴とするトランス。
- 請求項1から3のいずれか1項に記載のコアを用いたことを特徴とするチョークコイル。
- 請求項4に記載のトランスを備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
- 請求項5に記載のチョークコイルを備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
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EP3537463A1 (en) * | 2018-03-08 | 2019-09-11 | Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems, Ltd. | Reactor and outdoor unit |
WO2021117811A1 (ja) | 2019-12-11 | 2021-06-17 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | トランスとその製造方法、充電装置及び電源装置 |
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EP3537463A1 (en) * | 2018-03-08 | 2019-09-11 | Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems, Ltd. | Reactor and outdoor unit |
WO2021117811A1 (ja) | 2019-12-11 | 2021-06-17 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | トランスとその製造方法、充電装置及び電源装置 |
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