KR20150089945A

KR20150089945A - 리액터

Info

Publication number: KR20150089945A
Application number: KR1020150011153A
Authority: KR
Inventors: 도모후미 구로다; 유 사쿠라이; 히데유키 이토
Original assignee: 티디케이가부시기가이샤
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2015-08-05
Also published as: CN104810138B; JP6237269B2; US20150213941A1; CN104810138A; JP2015141976A; US9406430B2; DE102015101125A1; KR101655749B1

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 감긴 코일로 이루어진 리액터로서, 상기 권회부 코어는 연자성 금속 코어로 구성되고, 상기 권회부 코어의 코일이 권회된 부분의 코어 단면적은 대략 일정하고, 상기 권회부 코어의 코일이 권회된 부분의 코어 단면적을 S1, 상기 권회부 코어의 상기 요크부 코어에 대향하는 부분의 면적을 S2로 했을 때, S2/S1가 1.3 내지 4.0의 범위로 함으로써, 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 밀도이므로, 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 감긴 코일로 이루어진 리액터로서, 상기 권회부 코어는 연자성 금속 코어로 구성되고, 상기 권회부 코어의 코일이 권회된 부분의 코어 단면적은 대략 일정하고, 상기 권회부 코어의 코일이 권회된 부분의 코어 단면적을 S1, 상기 권회부 코어의 상기 요크부 코어에 대향하는 부분의 면적을 S2로 했을 때, 면적비 S2/S1가 1.3 내지 4.0의 범위이다. 이렇게 함으로써, 페라이트 코어와 연자성 금속 코어를 조합하여 사용하는 복합 자심의 리액터에 있어서, 인덕턴스의 직류 중첩 특성을 개선할 수 있다.

또한, 본 발명의 리액터는, 권회부 코어가 2개 이상의 연자성 금속 코어를 조합하여 이루어진 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 분말 성형으로의 제작이 용이해지고, 코어 가공에 의한 강도의 저하나 손실의 증대를 회피할 수 있다.

또한, 본 발명의 리액터는, 요크부 코어와 권회부 코어가 대향하는 간극에 갭을 형성하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 투자율의 조정이 가능하고, 리액터의 인덕턴스를 임의의 인덕턴스로 조정하는 것이 용이해질 수 있다.

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

도 1의 (a) (b)는 본 발명의 일 실시형태에 따른 리액터의 구조를 도시한 단면도이다.
도 2의 (a) (b)는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 리액터의 구조를 도시한 단면도이다.
도 3의 (a) (b)는 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.

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)로 구성된 권회부 코어에 있어서, 코일이 권회된 부분의 자속 방향과 직교하는 코어 단면적을 S1, 권회부 코어에 있어서 페라이트 코어(21)와 대향하는 부분의 면적을 S2로 했을 때, 면적 S2가 코어 단면적 S1보다도 큰 것이 특징이다.

면적 S2를 코어 단면적 S1보다 크게 함으로써, 연자성 금속 코어(22)의 코일 권회부의 자속 밀도에 대하여, 연자성 금속 코어(22)의 페라이트 코어(21)와 대향하는 부분의 자속 밀도를 작게 할 수 있다. 코일에 흐르는 전류가 큰 경우라도, 연자성 금속 코어(22)로부터 유출되는 자속(23)이 주위의 공간을 통하지 않고 그대로 페라이트 코어(21)에 유입할 수 있고, 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. 도 1의 (a)를 A-A'로 자른 단면도를 도 1의 (b)에 도시하였다. 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 갖는다. 코일(13)은 권회부 코어(12)에 직접 권회된 형태라도, 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 코어(예를 들어, 철 압분 코어)를 사용한다. 권회부 코어(12)는 코일(13)이 권회된 부분(121)과 요크부 코어(11)에 대향하는 부분(122)을 포함한다. 연자성 금속 코어는 철 압분 코어나 FeSi 합금 압분 코어를 사용하는 것이 바람직하다. 철 압분 코어나 FeSi 합금 압분 코어는 포화 자속 밀도가 높고, 고주파 철손이 적층 전자 강판보다도 작으므로, 구동 주파수의 고주파화에 따라 유리해진다. 코일 권회부(121)의 자속 방향과 직교하는 코어 단면적을 S1로 한다. 자속 방향이란 코일(13)이 만드는 자계의 방향과 같은 뜻이며, 코일(13)의 축방향에 상당한다. 코어 단면적 S1은 자속 방향에 대략 동일하다. 코어 대향부(122)가 요크부 코어(11)에 대향하는 부분의 면적을 S2로 한다.

코일 권회부(121)의 코어 단면적 S1이 커지면, 코일(13)의 외형이 커지고, 리액터(10)가 대형화되기 때문에, 코어 단면적 S1은 작은 것이 바람직하다. 그러나, 코어 단면적 S1이 작아지면 자속이 부족하기 때문에 직류 중첩 하에서의 인덕턴스가 저하되어 버린다. 또한, 코어 단면적 S1이 작아지면 리플(ripple)로 야기되는 자속의 진폭이 커지기 때문에, 손실이 커진다. 따라서, 인덕턴스와 손실을 고려하면서, 가능한한 코어 단면적 S1을 작게 하는 것이 바람직하다.

코어 대향부(122)가 요크부 코어(11)와 대향하는 부분의 면적 S2는 코일 권회부(121)의 코어 단면적 S1보다도 크다. 자속 밀도란 단위 면적당의 자속이다. 코일 권회부(121)와 코어 대향부(122)에는 동일한만큼 자속이 흐르므로, 면적 S2를 코어 단면적 S1보다도 크게 하면, 코어 대향부(122)의 자속 밀도를 코일 권회부(121)의 자속 밀도보다도 작게 할 수 있다. 권회부 코어(12)에는 포화 자속 밀도가 높은 연자성 금속 코어를 사용하기 때문에, 큰 자속을 여자할 수 있다. 코일 권회부(121)의 자속 밀도가 페라이트 코어의 포화 자속 밀도보다 높아져도, 코어 대향부(122)의 자속 밀도를 저감함으로써, 페라이트 코어의 자기 포화를 피하는 것이 가능해진다.

이로써 권회부 코어(12)의 대부분을 차지하는 코일 권회부(121)의 코어 단면적 S1을 작게 하고, 소형화를 실현하면서, 요크부 코어(11)가 권회부 코어(12)에 대향하는 부분의 자기 포화를 회피하여 직류 중첩 하의 인덕턴스를 크게 하는 것이 가능해진다.

또한, 코어 대향부(122)에는 코일(13)이 권회되어 있지 않기 때문에, 면적 S2를 크게 해도 코일(13)의 내경 및 외경에는 영향을 주지 않는다. 코어 대향부(122)의 치수가 요크부 코어(11)나 권회부 코어(12)와 간섭하지 않는 범위에서는 면적 S2를 크게 해도 리액터(10)의 형상에는 영향을 주지 않는다.

면적비 S2/S1는 1.3 내지 4.0의 범위로 한다. 면적비 S2/S1가 1.3보다도 작은 경우에는, 상술한 자속 밀도 저감 작용이 약해지기 때문에 인덕턴스의 직류 중첩 특성이 저하되어 버린다. 면적비 S2/S1가 4.0을 초과하면 코어 대향부(122)의 면적이 커져 버리기 때문에, 요크부 코어(11)의 바닥부 면적을 크게 할 필요가 생겨, 소형화 효과가 작아져 버린다. 직류 중첩 특성의 개선 효과와 소형화 효과를 감안하면, 면적비 S2/S1는 1.5 내지 3.1의 범위인 것이 보다 바람직하다.

코어 대향부(122)의 면적 증가 부분의 두께는 0.5mm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 두께가 0.5mm보다도 작아지면 권회부 코어(12)로부터 유출하는 자속의 자속 밀도를 저감하는 효과를 충분히 얻을 수 없고, 직류 전류 중첩 하에서의 인덕턴스가 저하되어 버린다. 두께가 크면 인덕턴스의 개선 효과는 충분히 얻을 수 있지만, 너무 두꺼워지면 소형화 효과가 약해지므로. 코어 대향부(122)의 면적 증가 부분의 두께는 1.0 내지 3.0mm로 하는 것이 바람직하다.

대향하는 요크부 코어(11)의 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 모든 개소에 있어서 면적비 S2/S1가 전술한 관계를 충족하고 있는 경우에, 최고로 인덕턴스의 개선 효과를 얻을 수 있다.

권회부 코어(12)는 2개 이상의 연자성 금속 코어로 형성되는 것이 바람직하다. 권회부 코어(12)의 중앙부에 비하여 양단부의 면적을 크게 한 코어는 일반적인 분말 성형으로 제작하는 것이 곤란하며, 성형체를 절삭하는 등의 가공이 필요해진다. 성형체를 절삭 가공하면, 크랙이 도입되어 강도가 저하되거나, 절삭면이 전기적으로 도통하여 고주파 철손의 증대를 초래할 염려가 있다. 이러한 문제를 회피하기 위하여, 예를 들어, 권회부 코어(12)의 길이 방향의 중앙 부분에서 2개로 분할하도록, 한쪽 단의 면적만을 크게 한 코어를 조합하여 사용하는 것이 간편하다. 한쪽 단의 면적을 크게 한 코어를 일반적인 분말 성형으로 제작하는 것은 용이하다. 분할수는 2개로 한정하지 않고 권회부 코어(12)의 크기나 손실에 영향이 없는 범위에서 3개 이상으로 분할하여도 좋다.

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

도 2는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 리액터의 구조를 도시한 단면도이다. 도 2의 (a)를 B-B'로 자른 단면도를 도 2의 (b)에 도시하였다. 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 권회부에 소정 턴(turn)수의 코일(13)을 권회하여 리액터(10)가 된다. 코일(13)은 권회부 코어(12)에 직접 권회된 형태라도, 보빈에 권회된 형태라도 좋다. 코어 대향부(122)가 요크부 코어(11)와 대향하는 부분의 면적 S2는 코일 권회부(121)의 코어 단면적 S1보다도 크다. 면적비 S2/S1는 1.3 내지 4.0의 범위인 것이 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 1의 형태에 있어서, 권회부 코어(12)의 권회부(121)의 코어 단면적 S1을 일정하게 하고, 코어 대향부(122)의 면적 S2를 변화시켜서 특성을 비교하였다.

(실시예 1-1 내지 1-4, 비교예 1-1)

요크부 코어에는 직육면체의 MnZn 페라이트 코어(TDK 제조 PE22재)를 사용하고, 그 치수는 길이 80mm, 폭 45mm, 두께 20mm로 하였다.

권회부 코어에는 철 압분 코어를 사용하였다. 철 압분 코어의 치수는 높이 25mm, 권회부의 직경 24mm로 하고, 코어 대향부의 면적 S2가 표 1의 면적이 되도록, 한쪽의 단부의 직경을 증가시켰다. 단부의 직경 증가 부분의 두께는 2mm로 하였다. 철분은 헤가네스AB사 제조 Somaloy110i를 사용하고, 윤활제로서 스테아르산 아연을 도포한 금형에 충전하고, 성형압 780MPa로 가압 성형하여, 소정 형상의 성형체를 얻었다. 성형체를 500℃에서 어닐을 행하여 철 압분 코어를 얻었다. 얻어진 2개의 철 압분 코어의 코일 권회부를 접착하여 1세트의 권회부 코어로 하였다.

2개의 대향하는 요크부 코어의 사이에 2세트의 권회부 코어를 배치하고, 권회부 코어의 권회부에 권수 44턴의 코일을 권회하여 리액터(실시예 1-1 내지 1-4, 비교예 1-1)로 하였다.

또한, 도 3의 형태에 있어서, 권회부 코어와 요크부 코어의 접합부의 단면적을 고려하지 않는 종래의 구조에서의 특성을 평가하였다. 또한, 도 3의 (a)를 C-C'로 자른 단면도를 도 3의 (b)로 도시하였다.

(비교예 1-2)

권회부 코어에는 철 압분 코어를 사용하였다. 철 압분 코어의 치수는 높이 25mm, 직경이 24mm로 하였다. 철분은 헤가네스AB사 제조 Somaloy110을 사용하고, 윤활제로서 스테아르산 아연을 도포한 금형에 충전하고, 성형압 780MPa로 가압 성형하여 성형체를 얻었다. 성형체를 500℃에서 어닐을 행하여 철 압분 코어를 얻었다. 얻어진 2개의 철 압분 코어를 접착하여 1세트의 권회부 코어로 하였다.

2개의 대향하는 요크부 코어의 사이에 2세트의 권회부 코어를 배치하고, 권회부 코어의 권회부에 권수 44ts의 코일을 권회하여 리액터(비교예 1-2)로 하였다.

얻어진 리액터(실시예 1-1 내지 1-4, 비교예 1-1 내지 1-2)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. 제작한 권회부 코어의 투자율에는 편차가 있기 때문에, 필요에 따라 직류 전류를 인가하지 않는 상태의 초기 인덕턴스가 600μH가 되도록, 요크부 코어와 권회부 코어 사이의 4개소에 갭재를 삽입하였다. 갭재에는 비자성 및 절연성 재료인 수지 필름과 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트) 필름을 사용하였다. 직류 중첩 특성은 정격 전류 20A일 때의 인덕턴스를 측정하였다. 갭재의 두께 및 직류 중첩 특성을 표 1에 기재하였다.

BH 애널라이저(이와츠 계소쿠사 제조 SY-8258)를 사용하여 고주파의 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. 철손의 측정 결과를 표 1에 기재하였다.

표 1로부터 명백한 바와 같이, 종래의 구조의 비교예 1-2에서는 직류 중첩 전류 20A에서의 인덕턴스가 초기 인덕턴스(600μH)보다도 40% 가까이 저하되고, 370μH의 낮은 인덕턴스밖에 얻을 수 없다. 비교예 1-1에서는 면적 S2를 코어 단면적 S1보다도 크게 함으로써, 직류 중첩 하(직류 중첩 전류 20A)에서의 인덕턴스값이 410μH까지 개선되어 있지만, 면적비 S2/S1가 1.3보다도 작기 때문에 역시 초기 인덕턴스(600μH)에 대하여 30% 이상 저하되어 있다. 실시예 1-1 내지 1-4의 리액터에서는 면적비 S2/S1가 1.3 내지 4.0의 범위에 있는 것으로부터, 직류 중첩 전류 20A에서의 인덕턴스의 개선 효과가 충분하며, 인덕턴스값은 500μH 이상 얻어지고, 초기 인덕턴스의 30% 이내의 저하로 억제되어 있다. 또한, 고주파 철손도 거의 동등한 것도 확인되었다.

실시예 1-1 및 1-4는 요크부 코어와 권회부 코어 사이에 갭(갭량 0.30mm)을 삽입한 경우, 실시예 1-2 및 1-3은 갭을 삽입하지 않는 경우이다. 어느 경우에서도 인덕턴스는 500μH 이상 얻어지고, 초기 인덕턴스(600μH)의 30% 이내의 저하로 억제되어 있다. 따라서, 요크부 코어와 권회부 코어의 간극에 갭을 형성함으로써, 인덕턴스의 개선 효과를 손상시키지 않고, 용이하게 초기 인덕턴스를 조정할 수 있다.

또한, 면적비 S2/S1가 4.0을 초과하는 경우에는 권회부 코어 단부의 면적 S2가 1810mm²를 초과한다. 2세트로는 3620mm²를 초과하기 때문에, 요크부 코어의 바닥 면적 3600mm²(＝길이 80mm×폭 45mm)보다도 커져 버리므로, 요크부 코어를 크게 하지 않으면 조립할 수 없어, 소형화의 요구를 충족시킬 수 없게 된다.

<실시예 2>

도 1의 형태에 있어서, 권회부 코어(12)의 권회부(121)의 코어 단면적 S1을 일정하게 하고, 코어 대향부(122)의 면적 S2를 변형시켜서 특성을 비교하였다.

(실시예 2-1 내지 2-4, 비교예 2-1)

요크부 코어에는 직육면체의 MnZn 페라이트 코어(TDK 제조 PE22재)를 사용하고, 그 치수를 길이 88mm, 폭 48mm, 두께 20mm로 하였다.

권회부 코어에는 FeSi 합금 압분 코어를 사용하였다. FeSi 합금 압분 코어는 치수를 높이 24mm, 권회부의 직경 26mm로 한 것을 3개 준비하고, 그 중 2개는 코어 대향부의 면적 S2가 표 2의 면적이 되도록, 한쪽의 단부의 직경을 증가시켰다. 단부의 직경 증가 부분의 두께는 2mm로 하였다. 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 직경 26mm, 높이 24mm의 성형체를 얻었다. 이것을 700℃, 질소 분위기에서 어닐을 행하여, 얻어진 3개의 FeSi 합금 압분 코어의 코일 권회부를 접착하여 1세트의 권회부 코어로 하였다.

2개의 대향하는 요크부 코어의 사이에 2세트의 권회부 코어를 배치하고, 권회부 코어의 권회부에 권수 50턴의 코일을 권회하여 리액터(실시예 2-1 내지 2-4, 비교예 2-1)로 하였다.

또한, 도 3의 형태에 있어서, 권회부 코어와 요크부 코어의 접합부의 단면적을 고려하지 않는 종래의 구조에서의 특성을 평가하였다.

(비교예 2-2)

요크부 코어에는 직육면체의 MnZn 페라이트 코어(TDK 제조 PE22재)를 사용하고, 그 치수는 길이 88mm, 폭 48mm, 두께 20mm로 하였다.

권회부 코어에는 FeSi 합금 압분 코어를 사용하였다. FeSi 합금 압분 코어의 치수는 직경 26mm, 높이 24mm로 하였다. 실시예 2-1 내지 2-4와 동일하게 하여 얻어진 3개의 FeSi 합금 압분 코어를 접착하여 1세트의 권회부 코어로 하였다.

2개의 대향하는 요크부 코어 사이에 2세트의 권회부 코어를 배치하고, 권회부 코어의 권회부에 권수 50턴의 코일을 권회하여 리액터(비교예 2-2)로 하였다.

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

실시예 1과 동일하게 인덕턴스의 직류 중첩 특성을 측정하였다. 제작한 권회부 코어의 투자율에 의한 인덕턴스의 증감을 조정하기 위해, 직류 전류를 인가하지 않은 상태의 초기 인덕턴스가 700μH가 되도록, 요크부 코어와 권회부 코어 사이의 4개소에 갭재를 삽입하였다. 직류 중첩 특성은 정격 전류 26A일 때의 인덕턴스를 측정하였다. 갭재의 두께 및 직류 중첩 특성을 표 2에 기재하였다.

실시예 1과 동일하게 고주파의 철손을 측정하였다. 코어로스의 측정 조건은 f＝20kHz, Bm＝50mT로 하였다. 여자 코일은 25턴, 서치 코일은 5턴으로 하고, 한쪽의 권회부 코어에 권회하여 측정하였다. 철손의 측정 결과를 표 2에 기재하였다.

표 2로부터 명백한 바와 같이, 종래의 구조의 비교예 2-2에서는, 직류 중첩 전류 26A에서의 인덕턴스가 초기 인덕턴스(700μH)로부터 40% 이상이나 저하되고, 400μH의 낮은 인덕턴스밖에 얻어지지 않는다. 비교예 2-1에서는 면적 S2를 코어 단면적 S1보다도 크게 함으로써, 직류 중첩 하에서의 인덕턴스가 430μH까지 개선되어 있지만, 면적비 S2/S1가 1.3보다도 작기 때문에, 초기 인덕턴스(700μH)보다도 30% 이상 저하되어 있다. 실시예 2-1 내지 2-4의 리액터에서는 직류 중첩 전류 26A에서의 인덕턴스가 525μH 이상 얻어지고, 초기 인덕턴스(700μH)로부터의 저하율은 30% 이내로 억제되어 있다. 또한, 고주파 철손도 거의 동등한 것도 확인되었다. 코어의 치수나 코일의 권수를 변경해도 인덕턴스의 직류 중첩 특성의 개선 효과를 얻을 수 있다.

또한, 면적비 S2/S1가 4.0을 초과하는 경우에는 권회부 코어 단부의 면적 S2가 2120mm²를 초과한다. 2세트로는 4240mm²를 초과하기 때문에, 요크부 코어의 바닥 면적 4224mm²(＝길이 88mm×폭 48mm)보다도 커져 버리므로, 요크부 코어를 크게 하지 않으면 조립할 수 없어, 소형화의 요구를 충족시킬 수 없게 된다.

<실시예 3>

도 2의 형태에 있어서, 권회부 코어(12)의 권회부(121)의 코어 단면적 S1을 일정하게 하고, 코어 대향부(122)의 면적 S2를 변형시켜서 특성을 비교하였다.

(실시예 3-1)

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 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 정립하여 과립을 얻었다. 윤활제로서 스테아르산 아연을 도포한 금형에 충전하고, 성형압 980MPa로 가압 성형하여 직경 30mm, 높이 28mm의 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체에 대하여, 양단부의 직경은 30mm로 한 채로, 코일 권회부에 상당하는 부분을 절삭하여 권회부의 직경이 24mm가 되도록 가공하였다. 이것을 700℃, 질소 분위기에서 어닐을 행하여, 얻어진 FeSi 합금 압분 코어를 권회부 코어로 하였다.

도 2와 같이 ロ자 형상의 자기 회로를 형성하도록 대향시킨 요크부 코어의 중앙부에 1세트의 권회부 코어를 배치하고, 권회부 코어의 권회부에 권수 38턴의 코일을 권회하여 리액터(실시예 3-1)로 하였다.

(비교예 3-1)

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

권회부 코어에는 FeSi 합금 압분 코어를 사용하였다. FeSi 합금 압분 코어의 치수는 높이 24mm, 권회부의 직경 24mm로 하였다. 코어 형상 이외에는 실시예 3-1과 동일하게 하여 얻어진 FeSi 합금 압분 코어를 권회부 코어로 하였다.

도 2와 같이 ロ자 형상의 자기 회로를 형성하도록 대향시킨 요크부 코어의 중앙부에 1세트의 권회부 코어를 배치하고, 권회부 코어에 권수 38턴의 코일을 권회하여 리액터(비교예 3-1)로 하였다.

얻어진 리액터(실시예 3-1, 비교예 3-1)에 대하여, 인덕턴스와 고주파 철손을 평가하였다.

실시예 1과 동일하게 인덕턴스의 직류 중첩 특성을 측정하였다. 직류 전류를 인가하지 않은 상태의 초기 인덕턴스가 570μH가 되도록, 요크부 코어와 권회부 코어 사이의 2개소에 두께 0.5mm의 갭재를 삽입하였다. 갭재를 삽입함에 있어서는, 대향하는 페라이트 코어의 각부의 간극이 없어지도록, 각부의 높이를 연삭으로 조정하였다. 직류 중첩 특성은 정격 전류 20A일 때의 인덕턴스를 측정하여, 표 3에 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 3에 기재하였다.

표 3으로부터 명백한 바와 같이, 비교예 3-1의 리액터에서는 직류 중첩 전류 20A에서의 인덕턴스가 초기 인덕턴스(570μH)로부터 50% 이상 저하되고, 280μH의 낮은 인덕턴스밖에 얻어지지 않는다. 한편, 실시예 3-1의 리액터에서는 직류 중첩 전류 20A에서의 인덕턴스가 500μH가 되고, 초기 인덕턴스(570μH)로부터의 저하율은 30% 이내로 억제되어 있다. 또한, 고주파 철손도 거의 동등한 것도 확인되었다.

실시예 2-1과 실시예 3-1을 비교하면 고주파 철손의 저감이 확인된다. 도 2의 형태와 같이, 권회부 코어를 1세트로 구성하는 경우에는, 복합 자심의 자로에서 차지하는 페라이트 코어의 비율이 커지기 때문에, 페라이트의 저손실을 활용하여 손실을 저감하는 것이 가능해진다.

실시예 1-1 내지 1-4는 1세트의 권회부 코어를 2개의 연자성 금속 코어로 분할하여 구성하고 있다. 실시예 2-1 내지 2-4는 1세트의 권회부 코어를 3개의 연자성 금속 코어로 분할하여 구성하고 있다. 실시예 3-1은 1세트의 권회부 코어를 1개의 연자성 금속 코어로 구성하고 있다. 어느 경우도 인덕턴스의 직류 중첩 특성의 개선 효과는 동일하게 확인되지만, 실시예 3-1의 형태에서는 코어의 절삭 가공이 필요해지기 때문에, 실시예 1-1 내지 1-4 또는 실시예 2-1 내지 2-4에 나타낸 바와 같이 2개 이상의 연자성 금속 코어를 접착하여 구성하는 편이 보다 간편하다.

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
121: 권회부
122: 요크부 코어 대향부
13: 코일
14: 갭
21: 페라이트 코어
22: 연자성 금속 코어
23: 자속

Claims

페라이트 코어로 구성된 한 쌍의 요크부 코어와, 상기 요크부 코어의 대향하는 평면간에 배치된 권회부 코어와, 상기 권회부 코어의 주위에 감긴 코일로 이루어진 리액터로서,
상기 권회부 코어는 연자성 금속 코어로 구성되고,
상기 권회부 코어의 코일이 권회된 부분의 코어 단면적은 대략 일정하고,
상기 권회부 코어의 코일이 권회된 부분의 코어 단면적을 S1, 상기 권회부 코어의 상기 요크부 코어에 대향하는 부분의 면적을 S2로 했을 때, S2/S1가 1.3 내지 4.0의 범위인 것을 특징으로 하는 리액터.
제 1 항에 있어서, 상기 권회부 코어가 2개 이상의 연자성 금속 코어를 조합하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리액터.
제 1 항에 있어서, 상기 요크부 코어와 상기 권회부 코어가 대향하는 간극에 갭을 형성한 것을 특징으로 하는 리액터.