JP2015060929A - コイル部品およびそれを用いた電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷電流（直流重畳電流）の大きさに応じてインダクタンス値が変化するコイル部品において、製造の簡略化および小型化に好適なコイル部品およびそれを用いた電源装置を提供する。
【解決手段】閉磁路を構成するリング状の第１の磁心１と、前記第１の磁心に螺旋状に巻装されたコイル２とを有するコイル部品１００であって、前記コイルの内側に、前記第１の磁心よりも透磁率が低く、かつ開磁路を構成する第２の磁心３を有する。また、前記第２の磁心が、前記リング状の第１の磁心の外周面と前記コイルとの間に配置されていることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種の電源装置、電子機器等に用いられるリアクトル、チョーク等のコイル部品に関する。

エアコン等の家電機器、ハイブリッド車・電気自動車等のモータ駆動車両、太陽光発電装置等に搭載されている電源装置のＰＦＣ回路や平滑回路には、チョークコイル等のインダクタンス素子が使用されている。電源装置用のインダクタンス素子の適正インダクタンス値は、回路の出力定格等の仕様や負荷の状態によって異なる。したがって、電力変換効率、負荷変動応答特性等を考慮しながら、小電流から大電流まで広範囲にわたって効率の良い電源装置を構成するためには、負荷電流の大きさに応じてインダクタンス値が変化する非線形インダクタンス素子が使用される。

例えば、特許文献１には、特に小電流時の効率を良くするために、小電流時を大きく、大電流時には小さくなるようにインダクタンスを非線形に変化させる有芯コイルとして、以下の構成が提案されている。すなわち、透磁率が異なる磁性材料で形成された複数のコア部材が接合されて、磁気抵抗が異なる環状でギャップのない複数の磁路が設けられたコアと、前記コアに対して前記複数の磁路に共通して巻回された巻線とを備えているコイル部品である。

特開２００７−７３９０３号公報

特許文献１は、負荷電流に対してインダクタンスが非線形に変化するコイル部品を提案している。しかしながら、透磁率が異なる磁性材料はそれぞれギャップレスの閉磁路構造である上に、同形状で接合されてコイル部品が構成されるため、コア部材が大型化してしまう。例えば、小さなインダクタンスを確保すればよい場合であっても、閉磁路磁心を使用しなければならない。また、形状の自由度および接合・配置の自由度が低い。したがって、インダクタンスが非線形に変化するコイル部品の製造の簡略化や小型化には不利なものであった。

そこで、上記課題に鑑み、本発明は、負荷電流の大きさに応じてインダクタンス値が変化するコイル部品において、製造の簡略化および小型化に好適なコイル部品およびそれを用いた電源装置を提供することを目的とする。

本発明のコイル部品は、閉磁路を構成するリング状の第１の磁心と、前記第１の磁心に螺旋状に巻装されたコイルとを有するコイル部品であって、
前記コイルの内側に、前記第１の磁心よりも透磁率が低く、かつ開磁路を構成する第２の磁心を有することを特徴とする。

また、前記コイル部品において、前記第２の磁心が、前記リング状の第１の磁心の外周面と前記コイルとの間に配置されていることが好ましい。

さらに、前記コイル部品において、前記第１の磁心がアモルファスカットコアであり、前記第２の磁心が圧粉磁心であることが好ましい。

また、本発明の電源装置は、前記コイル部品を用いたことを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構造で小型化が可能なスイングタイプのコイル部品およびそれを用いた電源装置を提供することができる。

本発明に係るコイル部品の実施形態を示すである。 本発明に係るコイル部品の他の実施形態を示す図である。

以下、本発明に係るコイル部品の実施形態を図を用いて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、各実施形態において説明する構成は、他の実施形態の趣旨を損なわない限りにおいて他の実施形態においても適用することが可能であり、その場合、重複する説明は適宜省略する。

図１は本発明のコイル部品の実施形態を示す図である。図１（ａ）はコイル部品を、イルの巻回軸方向から見た図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線の位置における断面図である。図１に示すコイル部品１００は、閉磁路を構成するリング状の第１の磁心１と、第１の磁心１に螺旋状に巻装されたコイル２とを有するコイル部品である。コイル部品１００は、コイル２の内側に、第１の磁心１よりも透磁率が低く、かつ開磁路を構成する第２の磁心３を有している。かかる構造が図１に示すコイル部品１００の特徴的な構造である。

図１に示すコイル部品１００では、複数種類の磁心からなる複合磁心が用いられている。第１の磁心１は閉磁路を構成しており、直流重畳電流が小さい領域において高インダクタンスを発揮することができる。一方、第２の磁心３は、第１の磁心１よりも透磁率が低いうえに開磁路を構成しているため、第１の磁心１に比べてインダクタンスは低いものの、直流重畳電流が大きい領域まで飽和せずにインダクタンスを維持することができる。

ここで、高直流重畳電流領域でのインダクタンスを確保するために、特許文献１のような閉磁路構造の磁心を採用しようとすると、磁心の構造が複雑になるうえに、コイル部品全体が大型化してしまう。これに対して開磁路構造は、単純かつ小型の磁心で構成できるため、コイル部品を簡略化および小型化することができる。図１に示す実施形態では、第１の磁心１はレーストラック形状であり、第２の磁心３は直方体形状である。第１の磁心１のレーストラック形状の直線部分に第２の磁心３を並置するという簡易な構造を採用しているため、複合磁心の組み立てが極めて容易になる。

複合磁心の構成についてさらに詳述する。図１に示す実施形態では、磁気ギャップ４を介して二つのＵ字状コアを突き合わされて、第１の磁心１が構成されている。第１の磁心１を一体のトロイダルコアで構成することもできるが、図１に示すように分割型のコアを用いることでコイル部品の組み立てが容易になる。また、二つのＵ字状コアを磁気ギャップを介さずに直接突き合わせることも可能であるが、磁気ギャップを設けることで実効透磁率を調整することができる。なお、図１に示すように磁心と磁心の間に磁気ギャップを有する構成も閉磁路を構成するものとして扱う。

開磁路を構成する第２の磁心は必ずしも直方体形状に限るものではない。第２の磁心を棒状にすれば第２の磁心の作製自体が容易になる。また、リング状の第１の磁心もレーストラック形状に限定するものではない。例えば外形が円形または方形のリング状磁心を用いることもできる。但し、第１の磁心がレーストラック形状のように直線部分を有する形状であるとともに、第２の磁心が直方体形状であれば、平面同士を対向させてこれらを並置することができるため、空間ロスが少なくなる。また、空間ロスを低減する観点からは、コイルの巻回軸方向（ｚ方向）から見た第２の磁心３の断面形状が、第１の磁心１と第２の磁心３の対置方向（ｙ方向）の寸法が、それに垂直な方向（ｘ方向）の寸法よりも小さい長方形であることが好ましい。

第１の磁心の種類はこれを限定するものではないが、図１に示す実施形態では、アモルファスカットコアを用いている。アモルファスカットコアは、高飽和磁束密度、高透磁率、低損失の特徴を有することから、低直流重畳電流領域において高インダクタンスを得る上で好適である。図１に示す第１の磁心１は、ｘ方向を巻回軸方向としてアモルファスリボンを巻回して構成されたものである。アモルファスリボンの材料はこれを特に限定するものではなく、例えばＦｅ基アモルファス材料を用いればよい。アモルファスリボンを用いた磁心としては、所定の形状に打ち抜いたアモルファスリボンを積層して構成した積層磁心を用いることもできる。

一方、図１に示す実施形態において、第２の磁心３として圧粉磁心を用いている。第１の磁心よりも透磁率が低い第２の磁心の種類はこれを特に限定するものではないが、圧粉磁心は高重畳電流領域でフェライトよりも高インダクタンスが得られるため、第２の磁心として好ましい。圧粉磁心の材料もこれを特に限定するものではない。圧粉磁心を構成する磁粉として、例えばＦｅ−Ｓｉ系磁粉、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系磁粉、アモルファス磁粉等を用いることができる。

第２の磁心３は第１の磁心１に隣接して配置されているが、第２の磁心３は第１の磁心１よりも透磁率が低いため、第１の磁心１から第２の磁心３へ磁束が流れることが抑制される。したがって、第１の磁心１として図１に示す構成のアモルファスカットコアを用いる場合でも、コアロスの増加を抑制することができる。
小型化の観点からは第１の磁心１と第２の磁心３とを密着させることが好ましい。一方、第１の磁心から第２の磁心への磁束の流れを抑制する観点からは、スペーサ部材を挟むなどして第１の磁心と第２の磁心とを離間して配置することもできる。この場合、第１の磁心と第２の磁心とを離間距離を磁気ギャップ４よりも大きくすることで、磁気ギャップ４での漏れ磁束による影響をさらに抑制することができる。

コイルは、第１の磁心と第２の磁心からなる複合磁心に絶縁シート等を介して巻回して構成してもよいが、ボビンに巻回した構成を用いることによって、コイル部品の組み立てが容易になる。また、コイルを構成する導線の構成はこれを特に限定するものではなく、例えば、丸線、平角線等を用いることができる。

次に、コイルと第１の磁心および第２の磁心との配置について説明する。図１に示す実施形態ではコイル３はレーストラック形状の二つの直線部分のうちの一方に螺旋状に巻装されているが、二つの直線部分の両方に巻装することもできる。また、第２の磁心はコイルの内側に配置されてインダクタンスの向上に寄与する限り、コイルの巻回軸方向（ｚ方向）の長さはこれを限定するものではないが、図１に示すようなコイルの両端から突き出すような寸法・配置にすることがより好ましい。一方、コイル部品の小型化の観点からは、コイルの巻回軸方向において第２の磁心３は第１の磁心１からはみ出さないことが好ましい。

図１に示す実施形態では、第２の磁心３が、ｙ方向においてリング状の第１の磁心１の外周面とコイル２との間に配置されている。これは、コイル部品のｘ方向の寸法が大きくなることを抑えるためである。但し、第１の磁心と第２の磁心の配置はこれに限定するものではない。図２に、第１の磁心と第２の磁心の配置が図１に示す実施形態と異なる他の実施形態を示す。第２の磁心７は、リング状の第１の磁心５の外周面に垂直な方向（ｘ方向）で、第１の磁心５とコイル６との間に配置されている。かかる構成によればコイル部品のｙ方向の寸法が大きくなることを抑えることができる。また、第２の磁心７に近接する磁気ギャップ８（図示せず）からの漏れ磁束が第２の磁心７に流れても、かかる漏れ磁束の流れはアモルファスリボンの面に平行になるため、図２に示す構成は、コアロスの抑制にも寄与する。

第１の磁心と第２の磁心は接着剤で固定してもよいし、バンドで拘束固定してもよい。また、図１および図２に示した実施形態では、第２の磁心は一つであるが第２の磁心を複数配置してもよいし、透磁率が異なる磁心をさらに追加して配置することも可能である。

本発明に係るコイル部品を、チョーク等として用い、エアコンなどの家電機器、太陽光発電システムのパワーコンディショナ、ハイブリッド車・電気自動車のコンバータ等の電源装置を構成することができる。

第１の磁心としてアモルファスカットコア（日立金属製 ＡＭＣＣ−６．３）、第２の磁心としてＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系の圧粉磁心（１０ｍｍ×１６ｍｍ×３４ｍｍ）を用いて図１に示す形態のコイル部品（実施例）を構成した。コイルは２６ターンとし、圧粉磁心の長手方向をコイルの巻回軸方向とした。アモルファスカットコアの磁気ギャップは０．０３８ｍｍとした。また、比較のためにコイル内に圧粉磁心を配置しないコイル部品（比較例）も作製した。

圧粉磁心を配置せずアモルファスカットコアのみで構成した比較例のコイル部品では、直流重畳電流Ｉｄｃ＝２Ａ、３０Ａのときに得られるインダクタンスは、それぞれ８７６μＨ、１４．６μＨであった。これに対して、第１の磁心（アモルファスカットコア）と、第２の磁心（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系の圧粉磁心）を用いて構成した実施例のコイル部品では、直流重畳電流Ｉｄｃ＝２Ａ、３０Ａのときに得られるインダクタンスはそれぞれ９００μＨ、４２．５μＨとなり、高いインダクタンスが得られた。特に、直流重畳電流Ｉｄｃ＝３０Ａのときに比較例のコイル部品に比べて高いインダクタンスが得られており、実施例の構成が高直流重畳電流の領域で特に有効であることが確認された。

１：第１の磁心
２：コイル
３：第２の磁心
４：磁気ギャップ
５：第１の磁心
６：コイル
７：第２の磁心
８：磁気ギャップ
１００：コイル部品
２００：コイル部品

Claims (4)

1. 閉磁路を構成するリング状の第１の磁心と、前記第１の磁心に螺旋状に巻装されたコイルとを有するコイル部品であって、
   前記コイルの内側に、前記第１の磁心よりも透磁率が低く、かつ開磁路を構成する第２の磁心を有することを特徴とするコイル部品。
2. 前記第２の磁心が、前記リング状の第１の磁心の外周面と前記コイルとの間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のコイル部品
3. 前記第１の磁心がアモルファスカットコアであり、前記第２の磁心が圧粉磁心であることを特徴とする請求項１または２に記載のコイル部品。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のコイル部品を用いたことを特徴とする電源装置。

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