JP5622784B2 - 磁性コア及びインダクタ - Google Patents

Description

本発明は、磁性コアとその磁性コアにコイルを巻回して成るインダクタに関するもので、特に、インダクタの軽負荷時のリアクタ特性を改良する技術に係る。

磁性コアの左右の脚部にコイルを巻回したインダクタは、コアコイルとも呼ばれ、コアを有しない空芯のインダクタ（空心コイル）に比較して高いインダクタンスを有する。そのため、フィルタや昇圧チョーク、あるいは力率改善などの用途に、従来から広く使用されている。

このような磁性コアを有するインダクタとしては、各種の公知技術が存在するが、その１つに、下記の特許文献１に記載されるものがある。このインダクタは、図６に示すように、上下のヨーク１ａ，１ｂと左右の脚部２ａ，２ｂを四角の枠状に構成し、左右の脚部２ａ，２ｂの外周にコイル３ａ，３ｂを配置したものである。

この従来技術において、上下のヨーク１ａ，１ｂと左右の脚部２ａ，２ｂを四角の枠状に構成するには、上下のヨーク部１ａ，１ｂにおける左右の脚部２ａ，２ｂとの接合部に凹部４ａ，４ｂを形成し、その凹部４ａ，４ｂ内に脚部２ａ，２ｂの端部を嵌め込んでいる。

特開２００７−１２８９５１号公報

前記のような従来技術において、上下のヨーク１ａ，１ｂと左右の脚部２ａ，２ｂの接合面にギャップＧを形成することで、ギャップ付き磁性コアを作製することができる。例えば、図７の拡大断面図に示すように、凹部４ａ，４ｂの底部と脚部２ａ，２ｂの端部の間にスペーサ５ａ，５ｂを配設すると共に、凹部４ａ，４ｂの内周面と脚部２ａ，２ｂの外周面との間に均一にギャップＧを設ける。

この場合、内径の大きな凹部４ａ，４ｂの内周面と、それよりも小径の脚部２ａ，２ｂの外周面との間に均一にギャップＧを確保するには、脚部２ａ，２ｂの外周に樹脂を充填したり、絶縁紙や絶縁シートを巻回する。

なお、図７では、本発明の実施形態との比較のため、左右の脚部２ａ，２ｂを円柱状とし、その端部を嵌め込む凹部４ａ，４ｂを円形としているが、図６のような角柱状の脚部でも、同様な構成を採用することができる。

しかし、図７のようなギャップ付きの磁性コアによって構成されたインダクタは、凹部４ａ，４ｂの内周面と脚部２ａ，２ｂの外周面との間に均一にギャップＧを設けているため、磁気回路上は磁気抵抗が大きく、コイル３ａ，３ｂに小さな電流を流した場合に、図３の点線で示すように、そのインダクタンスは小さくなる。

そのため、このようなインダクタを、ＡＰＦＣ（自動力率調整器）を有する高調波制御回路に適用した場合、電圧（電流）がゼロクロス近辺になると大きなインダクタンスを得ることができなくなる。その結果、ＡＰＦＣのリアクタに流れる高周波リップル電流を抑止することが難しくなり、電流波形に歪みを生じる原因となる。

また、このようなインダクタをインバータのＡＣフィルタに使用した場合、インバータの出力電流のゼロクロス付近のリップルが大きくなり、インバータの制御が不安定となる。

更に、従来技術は、凹部４ａ，４ｂの内周面と脚部２ａ，２ｂの外周面との間に均一にギャップＧを設けるために、脚部２ａ，２ｂの外周面に樹脂を充填したり、絶縁紙などを均一に巻回する必要があり、磁性コアの製造に手間が掛かるという問題もあった。

本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものである。すなわち、本発明は、コイルに小電流を流した場合におけるインダクタンス値を向上させると共に、ヨーク部と脚部とを簡単に接合することができる磁性コアと、そのような磁性コアを使用したインダクタを提供することを目的とする。

本発明の磁性コアは、次のような特徴を有する。
（１）ヨーク部と脚部とを枠状に組み立てる。
（２）ヨーク部における脚部との接合部に、脚部の端部を嵌め込む凹部を形成する。
（３）前記凹部の底部と脚部の端部の間にスペーサを配設すると共に、前記凹部の内周面と脚部の外周面との間にギャップを形成した状態で、前記スペーサを挟んで左右の脚部の端部を前記凹部内に嵌め込む。
（４）前記凹部の内周面と脚部の外周面との間に磁気抵抗の低い部分を形成する。

本発明において、磁気抵抗の低い部分は、凹部の内周面と脚部の外周面を一部接触させたり、凹部の内周面と脚部の外周面の間に透磁性の材料を配設することにより、形成することができる。また、直接接触させなくとも、凹部の内周面と脚部の外周面との間に形成されたギャップに比較して小さな微小ギャップにより、磁気抵抗の低い部分を形成することもできる。前記のような構成の磁性コアにコイルを巻回したインダクタも本発明の一態様である。

本発明は、凹部の内周面と脚部の外周面との間に磁気抵抗の低い部分を形成することにより、コイルに小電流を流した場合でも磁気抵抗の低い部分が磁気的に短絡するので、コイルに反映できるインダクタンスが増大する。その結果、本発明のインダクタを使用した高調波制御回路やＡＣフィルタにおいて、電流歪みの改善やそれに伴う性能の向上が可能となる。

本発明の実施形態のインダクタを示す分解斜視図。 図１のインダクタを示す拡大断面図で、（ａ）はその縦断面図、（ｂ）はその横断面図。 図１のインダクタと従来技術のインダクタの特性を示すグラフ。 本発明の他の実施形態を示す分解斜視図。 本発明の更に他の実施形態を示す横断面図。 従来技術のインダクタの全体構成を示す斜視図。 図６のインダクタを示す拡大断面図で、（ａ）はその縦断面図、（ｂ）はその横断面図。

１．実施形態の構成
図１，２に示すとおり、本実施形態のインダクタは、ヨーク１ａ，１ｂと左右の脚部２ａ，２ｂを四角の枠状に構成し、左右の脚部２ａ，２ｂの外周にコイル３ａ，３ｂを配置したものである。

脚部２ａ，２ｂは、円柱状の部材から構成されている。上下のヨーク部１ａ，１ｂにおける左右の脚部２ａ，２ｂとの接合部には、円柱状の脚部２ａ，２ｂの直径よりも大径の凹部４ａ，４ｂが形成され、その凹部４ａ，４ｂ内に脚部２ａ，２ｂの端部が嵌め込まれている。

この場合、凹部４ａ，４ｂの底部と脚部２ａ，２ｂの端部の間にスペーサ５ａ，５ｂが配設されている。また、脚部２ａ，２ｂの外周面とそれよりも大径の凹部４ａ，４ｂの内周面とは、脚部２ａ，２ｂの中心を凹部４ａ，４ｂの中心から偏心させることで、その一部で直接接触すると共に、その接触部６以外の部分では両者の間にはギャップＧが形成されている（図２）。

そのため、本実施形態では、脚部２ａ，２ｂの外周は、樹脂を充填したり、絶縁紙や絶縁シートを巻回することなく、脚部２ａ，２ｂの表面が露出している。また、ヨーク１ａ，１ｂと左右の脚部２ａ，２ｂは、スペーサ５ａ，５ｂ部分で接着剤により固定しても良いし、磁性コアやコイルの周囲に配置するケースやモールド樹脂によって周囲から保持しても良い。

本実施形態において、凹部４ａ，４ｂに設ける接触部６は、ヨーク１ａ，１ｂの長さ方向の中央部を向く位置に設けられている。接触部６をこのような位置とすることで、本実施形態では、枠状をした磁性コアに形成される磁路が最短となり、コイルに小電流が流れた場合でも、大きなインダクタンスが形成されるようにしている。

なお、この接触部６の位置は、図示のものに限定されるものではなく、脚部２ａ，２ｂの外周のいずれの位置でも良く、ヨーク１ａ，１ｂの長さ方向の両外側部分、ヨーク１ａ，１ｂの幅方向の外側部分など、自由に選定できる。

２．実施形態の作用
このような構成を有する本実施形態のインダクタでは、コイルに小電流が流れた場合に、接触部６が存在するために磁気回路的には短絡するので、コイルに反映されるインダクタンスは、図３の実線で示すように、従来技術に比較して増大する。

その後、電流が流れ続けると、接触部６近傍の磁性材料が磁気飽和し、磁気回路としてはその部分が絶縁されることになり、事前に設けているスペーサ５ａ，５ｂ、あるいは脚部２ａ，２ｂの外周面と凹部４ａ，４ｂの内周面間のギャップＧによって決定されるインダクタンスとなる。その結果、コイルに流している電流とそれによって発生するインダクタンスは、図３の実線に示すように、従来の凹部内周面と脚部の外周面との間に均一にギャップＧを形成したインダクタと同様な特性を示すことになる。

特に、本実施形態では、脚部２ａ，２ｂの中心を凹部４ａ，４ｂの中心から偏心させることで、両者の間のギャップＧが接触部６から徐々に広くなる三日月状としたので、小電流から徐々に電流が増加するのに伴って、インダクタンスも徐々に変化する特性を示す。

３．実施形態の効果
本実施形態のインダクタは、脚部２ａ，２ｂの外周面と凹部４ａ，４ｂの内周面の一部を接触させることにより、次のような効果を奏する。

（１）コイルに小電流を流した場合のインダクタンスが大きいため、このようなリアクタ特性を示すインダクタをＡＰＦＣ高調波制御回路に適用した場合、電圧（電流）がゼロクロス近辺でも大きなインダクタンスが存在している。その結果、リアクタに流している高調波リップル電流を大幅に抑えることが可能となり、高調波制御回路における電流波形はより正弦波に近くなり、電流波形の歪みを改善できる。

（２）前記（１）のように歪みの改善が可能となるため、回路上同じ実効電流（電力）に対し、ピーク電流を押さえることができるので、同じ寸法のリアクタに対しより大きな電力を出力することができる。

（３）このようなリアクタ特性を有するインダクタをインバータのＡＣフィルタに適用した場合、インバータの出力電流はゼロクロス付近でのリップルが小さくなるため、ＡＣ電流の歪みを改善しながらリップル電流を小さくすることができるので、インバータの制御も安定化する。

（４）脚部２ａ，２ｂの外周面と凹部４ａ，４ｂの内周面の一部を接触させ、両者の間に均一なギャップＧを設ける必要がないので、脚部２ａ，２ｂの外周面にギャップＧを形成するための樹脂を充填したり絶縁紙などを巻回する必要がない。その結果、磁性コアの構成並びに組立作業が簡便なものとなる。その場合、脚部２ａ，２ｂの外周面のコイルが巻回される部分に、従来技術のようにコイルとコアの絶縁部材を設けることは可能であるが、その場合でもギッャプＧのための寸法管理が不要な点は従来技術に比較して有利である。

４．他の実施形態
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、以下のような他の実施形態も含有する。

（１）本明細書において、上下のヨーク部、左右の脚部とは、これらの部材相互の位置関係を分かり易くするために便宜的に付けた方向であって、各部材の配置方向を限定するものではない。実際の磁性コアやインダクタの使用時には、種々の方向に配置されることは当然である。

（２）図示の実施形態は、凹部の内周面と脚部の外周面を接触させることで「磁気抵抗の低い部分」を形成したが、凹部の内周面と脚部の外周面の間に透磁性の材料を配設したり、凹部の内周面と脚部の外周面との間に形成されたギャップに比較して小さな微小ギャップにより、磁気抵抗の低い部分を形成することもできる。

（３）左右の脚部の形状は、円柱状に限定されるものではなく、角柱状、楕円柱状など他の形状のものを使用することができる。その場合、脚部の断面形状を変えることで、凹部と脚部との接触面積を調整することが可能であり、それにより、リアクタ特性を調整することも可能である。また、脚部の中間部分に、１つあるいは複数のギャップを設けることもできる。

（４）磁性コアを構成する材料としては、フェライトとフェライト、フェライトとセンダストやＦｅＳｉ系のダストコア、ダストコアとダストコアの組み合わせを使用することができ、これらの材料とギャップ寸法、「磁気抵抗の低い部分」の形状や寸法を調整することで、種々のリアクタ特性を有するインダクタを得ることができる。

（５）図４に示すように、凹部４ａ，４ｂの内周面に、凸部７ａ，７ｂを形成することで、脚部２ａ，２ｂの一部を接触させることもできる。この実施形態によれば、凹部４ａ，４ｂと脚部２ａ，２ｂとを同心円状に配置することができると共に、組立時に脚部２ａ，２ｂの外周を凸部７ａ，７ｂに押し付けるように圧入することで、脚部とヨークの位置決め及び仮組を行うことができ、組立時の作業性が向上する。

（６）図５（ａ）（ｂ）に示すように、脚部２ａ，２ｂの端面に階段状あるいは傾斜状に凸部８ａ，８ｂを形成すると共に、脚部２ａ，２ｂの凸部８ａ，８ｂ以外の部分にスペーサ５ａ，５ｂを配置する。これにより、脚部２ａ，２ｂの外周面は凹部４ａ，４ｂの内周面に接触させることなく、脚部２ａ，２ｂの端面と凹部４ａ，４ｂの底面の一部を接触させることもできる。

１ａ，１ｂ…ヨーク部
２ａ，２ｂ…脚部
３ａ，３ｂ…コイル
４ａ，４ｂ…凹部
５ａ，５ｂ…スペーサ
６…接触部
７ａ，７ｂ…凸部
８ａ，８ｂ…凸部

Claims (3)

1. ヨーク部と脚部とを枠状に組み立ててなる磁性コアにおいて、
   ヨーク部における脚部との接合部に、脚部の端部を嵌め込む凹部を形成し、
   前記凹部の底部と脚部の端部の間にスペーサを配設すると共に、前記凹部の内周面と脚部の外周面との間にギャップを形成した状態で、前記スペーサを挟んで左右の脚部の端部を前記凹部内に嵌め込み、
   前記凹部の内周面と脚部の外周面との間に磁気抵抗の低い部分を形成し、
   前記磁気抵抗の低い部分が、脚部の中心を凹部の中心から偏心させ、脚部の外周面とそれよりも大径の凹部の内周面を一部接触させることにより形成されていることを特徴とする磁性コア。
2. ヨーク部と脚部とを枠状に組み立ててなる磁性コアにおいて、
   ヨーク部における脚部との接合部に、脚部の端部を嵌め込む凹部を形成し、
   前記凹部の底部と脚部の端部の間にスペーサを配設すると共に、前記凹部の内周面と脚部の外周面との間にギャップを形成した状態で、前記スペーサを挟んで左右の脚部の端部を前記凹部内に嵌め込み、
   前記凹部の内周面と脚部の外周面との間に磁気抵抗の低い部分を形成し、
   前記磁気抵抗の低い部分が、脚部の外周面と凹部の内周面の間に透磁性の材料を配置することで形成されていることを特徴とする磁性コア。
3. 請求項１又は請求項２に記載の磁性コアにコイルが巻回されていることを特徴とするインダクタ。

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