KR20150089946A

KR20150089946A - 리액터

Info

Publication number: KR20150089946A
Application number: KR1020150011169A
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: JP6237268B2; CN104810137B; JP2015141975A; CN104810137A; KR101655752B1; DE102015101230A1; US20150213942A1; US9455080B2

Abstract

[과제]
페라이트 코어와 연자성 금속 코어를 조합한 복합 자심을 사용한 리액터에 있어서, 직류 전류 중첩 하에서의 인덕턴스를 개선한 리액터를 제공한다.
[해결 수단]
페라이트로 구성된 한 쌍의 요크부 코어와, 상기 요크부 코어의 대향하는 평면간에 배치된 권회부 코어와, 상기 권회부 코어의 주위에 권회된 코일로 이루어진 리액터로서, 상기 권회부 코어는 코어 단면적이 대략 일정한 연자성 금속 코어로 구성되고, 상기 권회부 코어가 상기 요크부 코어와 대향하는 간극에 판상의 연자성 금속 압분 코어로 구성되는 접합부 코어가 배치되고, 상기 접합부 코어가 상기 요크부 코어에 대향하는 부분의 면적을 상기 권회부 코어의 단면적의 1.3 내지 4.0배로 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 코어와 접합하고 있고, 연자성 금속 코어(22)와 페라이트 코어(21)의 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 페라이트로 구성된 한 쌍의 요크부 코어와, 상기 요크부 코어의 대향하는 평면간에 배치된 권회부 코어와, 상기 권회부 코어의 주위에 권회된 코일로 이루어진 리액터로서, 상기 권회부 코어는 코어 단면적이 대략 일정한 연자성 금속 코어로 구성되고, 상기 권회부 코어가 상기 요크부 코어와 대향하는 간극에 판상의 연자성 금속 압분 코어로 이루어진 접합부 코어가 배치되고, 상기 접합부 코어가 상기 요크부 코어와 대향하는 부분의 면적을 상기 권회부 코어의 단면적의 1.3 내지 4.0배로 한다. 이렇게 함으로써, 페라이트 코어와 연자성 금속 코어를 조합하여 사용하는 복합 자심의 리액터에 있어서, 인덕턴스의 직류 중첩 특성을 개선할 수 있다.

또한, 본 발명의 리액터는 요크부 코어와 접합부 코어가 대향하는 간극, 또는, 권회부 코어와 접합부 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 페라이트 코어(21)와 연자성 금속 코어(22) 사이에 판상의 연자성 금속 압분 코어로 이루어진 접합부 코어(24)가 삽입되어 있고, 접합부 코어(24)의 자속에 직교하는 단면적은 연자성 금속 코어(22)의 코어 단면적보다도 큰 것이 특징이다.

단면적이 큰 접합부 코어(24)를 삽입함으로써, 연자성 금속 코어(22)의 자속 밀도에 대하여 접합부 코어(24)의 자속 밀도를 작게 할 수 있다. 코일에 흐르는 전류가 큰 경우라도, 접합부 코어(24)에서 자속 밀도를 저감함으로써, 연자성 금속 코어(22)로부터 유출하는 자속(23)을 주위에 누출시키지 않고 페라이트 코어(21)에 유입시킬 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 갖고, 또한 요크부 코어(11)와 권회부 코어(12)의 간극에 접합부 코어(14)가 배치된다. 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 코어를 사용한다. 연자성 금속 코어는 철 압분 코어나 FeSi 합금 압분 코어, 적층 전자 강판, 비정질 코어를 사용하는 것이 바람직하다. 이들 연자성 금속 코어는 페라이트 코어에 비하여 포화 자속 밀도가 높기 때문에, 코어 단면적을 작게 할 수 있고, 소형화에 유리해진다. 권회부 코어(12)의 코어 단면적은 자속 방향에 대략 동일하다. 그렇게 함으로써, 권회부 코어(12)의 균등한 여자가 가능해진다. 자속 방향이란 코일(13)이 만드는 자계의 방향과 같은 뜻이며, 코일(13)의 축방향에 상당한다.

접합부 코어(14)는 판상의 연자성 금속 압분 코어를 사용한다. 접합부 코어(14)는 권회부 코어(12)와 동종의 코어일 필요는 없다. 연자성 금속 압분 코어는 철 압분 코어나 FeSi 합금 압분 코어를 사용하는 것이 바람직하다. 철 압분 코어나 FeSi 합금 압분 코어는 포화 자속 밀도가 높으므로, 자속의 흐름을 개선하는 효과를 충분히 얻을 수 있다. 또한, 연자성 금속 압분 코어는 전기 저항이 비교적 높으므로, 판상의 코어의 면 내에 와(渦)전류가 흐르기 어렵기 때문에 손실이 증대하는 경우도 없다. 특히, 판상의 코어를 비교적 낮은 압력으로도 형성할 수 있으므로, 연자성 금속 압분 코어는 철 압분 코어를 사용하는 것이 바람직하다.

접합부 코어(14)의 면적은 권회부 코어(12)의 코어 단면적의 1.3 내지 4.0배로 한다. 접합부 코어(14)의 면적이 이것보다 작을 경우에는, 권회부 코어(12)로부터 유출하는 자속의 자속 밀도를 저감하는 효과를 충분히 얻을 수 없고, 직류 전류 중첩 하에서의 인덕턴스가 저하되어 버린다. 접합부 코어(14)의 면적이 이것보다 클 경우에는, 대향하는 요크부 코어(11)를 크게 할 필요가 있어, 소형화 효과를 얻을 수 없게 된다.

접합부 코어(14)의 두께는 0.5mm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 접합부 코어(14)의 두께가 0.5mm보다 작을 경우에는, 권회부 코어(12)로부터 유출하는 자속의 자속 밀도를 저감하는 효과를 충분히 얻을 수 없고, 직류 전류 중첩 하에서의 인덕턴스가 저하되어 버린다. 접합부 코어(14)의 두께가 두꺼울 경우에는 인덕턴스의 개선 효과는 충분히 얻을 수 있지만, 너무 두꺼워지면 소형화 효과가 작아진다. 또한, 판상의 연자성 금속 압분 코어의 두께가 1.0mm보다도 얇아지면, 성형이 어렵고, 취급시 균열도 발생하기 쉬우므로, 두께는 1.0 내지 2.0mm 정도로 하는 것이 적당하다.

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 전술한 접합부 코어(14)를 삽입한 경우에, 최고로 인덕턴스의 개선 효과를 얻을 수 있다.

1세트 권회부 코어(12)는 1개의 연자성 금속 코어로 형성해도, 2개 이상으로 분할하여 형성해도 좋다.

요크부 코어(11)와 권회부 코어(12)로 형성되는 자기 회로의 도중에 투자율조정을 위한 갭(15)을 형성해도 좋다. 갭(15)의 유무에 관계없이, 본 발명에 의한 인덕턴스의 개선 효과는 동일하게 얻어지고, 갭(15)을 사용함으로써 리액터(10)를 임의의 인덕턴스에 설계하기 위한 자유도를 증대시킬 수 있다. 갭(15)을 넣는 위치는 특별히 한정되지 않지만, 작업성의 관점에서, 요크부 코어(11)와 접합부 코어(14)의 간극, 또는, 권회부 코어(12)와 접합부 코어(14)의 간극에 삽입되는 것이 바람직하다. 갭(15)은 권회부 코어의 투자율보다도 낮은 투자율을 갖는 재료로 형성하면 좋고, 수지 재료나 세라믹스 재료 등의 비자성 및 절연성 재료 등을 사용하는 것이 적합하다.

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 コ자 형상의 요크부 코어(11)를 대향시키고, 요크부 코어(11)의 중앙부에 1세트의 권회부 코어(12)를 배치하고, 요크부 코어(11)와 권회부 코어(12)가 대향하는 2개소의 간극에 접합부 코어(14)를 배치한다. 접합부 코어의 면적은 권회부 코어의 코어 단면적의 1.3 내지 4.0배이다. 권회부 코어(12)에 소정 턴(turn)수의 코일(13)을 권회하여 리액터(10)가 된다. 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]

<실시예 1>

도 1의 형태에 있어서, 접합부 코어(14)의 형상(면적과 두께) 및 갭(15)의 유무를 변화시켜서 특성을 비교하였다.

(실시예 1-1 내지 1-5, 비교예 1-1 내지 1-2)

요크부 코어에는 직육면체의 MnZn 페라이트 코어(TDK 제조 PE22재)를 사용하고, 그 치수를 길이 80mm, 폭 45mm, 두께 20mm로 한 것을 2개 준비하였다.

권회부 코어에는 철 압분 코어를 사용하였다. 철 압분 코어의 치수는 높이 25mm, 권회부의 직경이 24mm로 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 코어를 접착하여 1세트의 권회부 코어로 한 것을 2세트 준비하였다.

접합부 코어에는 판상의 철 압분 코어를 사용하였다. 접합부 코어는 표 1에 나타낸 형상(면적 및 두께)으로 하고, 4장의 접합부 코어를 준비하였다. 두께에 대하여 면적이 큰 코어는 성형시의 분말 충전이 불균일해지기 때문에, 실시예 1-4와 1-5에 대해서는 면적이 절반인 코어를 2장, 접착제로 첩합함으로써 표 1의 형상 치수로 제작하였다. 접합부 코어에 사용한 철 압분 코어도 형상 이외에는 권회부 코어에 사용한 철 압분 코어와 동일하게 제작하였다.

2개의 대향하는 요크부 코어의 사이에 2세트의 권회부 코어를 배치하고, 요크부 코어와 권회부 코어가 대향하는 4개소의 간극에 접합부 코어를 배치하였다. 접합부 코어의 면적이 권회부 코어의 코어 단면적보다도 큰 경우에는, 권회부 코어의 단부 전체가 접합부 코어에 대향하도록 접합부 코어를 배치하였다. 접합부 코어와 요크부 코어가 대향하는 부분은 접합부 코어의 면적 전체가 요크부 코어에 대향하도록, 접합부 코어를 배치하였다.

권회부 코어의 권회부에 권수 44턴의 코일을 권회하여 리액터(실시예 1-1 내지 1-5, 비교예 1-1 내지 1-2)로 하였다.

(비교예 1-3)

또한, 도 3의 형태에 있어서, 요크부 코어와 권회부 코어의 간극에 접합부 코어를 배치하지 않은 종래의 구조에서의 특성을 평가하였다. 또한, 도 3의 (b)는 도 3의 (a)를 C-C'로 자른 단면도이다. 요크부 코어와 권회부 코어의 간극에 접합부 코어를 배치하지 않는 것 이외에는 비교예 1-2와 같은 형태로 리액터(비교예 1-3)를 제작하였다.

(비교예 1-4)

도 1의 형태에 있어서, 접합부 코어로서 적층 전자 강판을 사용한 경우의 특성을 평가하였다. 적층 전자 강판은 두께 0.1mm의 무방향성 전자 강판을 30mm×30mm의 치수로 절단하고, 그것을 10장 적층함으로써 1개의 접합부 코어로 하였다. 접합부 코어의 재질 이외는 실시예 1-3과 같은 형태로 리액터(비교예 1-4)를 제작하였다.

얻어진 리액터(실시예 1-1 내지 1-5, 비교예 1-1 내지 1-4)에 대하여, 인덕턴스와 고주파 철손에서의 전력 손실의 평가를 행하였다.

LCR 미터(아지렌트 테크놀로지사 제조 4284A)와 직류 바이어스 전원(Agilent Technologies사 제조 42841A)을 사용하여, 인덕턴스의 직류 중첩 특성을 측정하였다. 필요에 따라 직류 전류를 인가하지 않는 상태의 초기 인덕턴스가 600μH가 되도록, 실시예 1-2 및 1-4에서는 요크부 코어와 접합부 코어 사이의 4개소에 갭재를 삽입하였다. 갭재는 두께 0.15mm의 PET 필름을 한변 40mm의 사각형으로 절단한 것을 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 1-3에서는 직류 중첩 전류 20A에서의 인덕턴스가 초기 인덕턴스(600μH)보다도 40% 가까이 저하되고, 370μH의 낮은 인덕턴스밖에 얻을 수 없다. 비교예 1-1 내지 1-2에서는 접합부 코어를 배치하고 있지만, 접합부 코어의 면적이 권회부 코어의 코어 단면적의 1.3배보다도 작기 때문에, 직류 중첩 하(직류 중첩 전류 20A)에서의 인덕턴스가 저하되고, 초기 인덕턴스(600μH)에 대하여 30%이상 저하되어 있다. 실시예 1-1 내지 1-5의 리액터에서는 접합부 코어를 배치하고, 그 접합부 코어의 면적과 권회부 코어의 코어 단면적의 면적비가 1.3 내지 4.0의 범위에 있으므로, 직류 중첩 전류 20A에서의 인덕턴스의 개선 효과가 충분하며, 인덕턴스값은 500μH 이상 얻어지고, 초기 인덕턴스의 30% 이내의 저하로 억제되어 있다. 또한, 고주파 철손도 보이지 않는 것도 확인되었다.

비교예 1-4는 접합부 코어의 재질이 적층 전자 강판인 경우이다. 비교예 1-4에서는 갭을 삽입하고 있지 않음에도 불구하고, 초기 인덕턴스를 270μH밖에 얻을 수 없고, 설계값인 600μH에 도달하지 않았다. 또한, 비교예 1-4의 고주파 철손은 실시예 1-3의 고주파 철손의 약 10배로 증대하고 있다. 적층 전자 강판으로 판상 코어를 제작하는 것은 비교적 용이하지만, 강판의 면내 방향에서는 전기 저항이 낮다는 문제가 있다. 고주파에서는 자속에 수직인 면 내에 매우 큰 와전류가 흐르기 때문에, 그 와전류에 의해 인덕턴스가 저하되고, 손실도 증대한다. 이에 대하여 실시예 1-3은 철 압분 코어로 같은 형상의 접합부 코어로 한 경우지만, 직류 중첩 전류 20A에서의 인덕턴스값은 500μH 이상 얻을 수 있고, 초기 인덕턴스의 30% 이내의 저하로 억제되어 있고, 고주파 철손의 증대도 보이지 않는다. 따라서, 접합부 코어에는 전기 저항이 등방적으로 비교적 높은 연자성 금속 압분 코어를 사용하는 것이 필요하다.

실시예 1-1은 접합부 코어의 형상이 원판인 경우, 실시예 1-2 내지 1-5는 접합부 코어의 형상이 각판의 경우이다. 어느 쪽의 경우에서도 직류 중첩 하의 인덕턴스는 500μH 이상 얻을 수 있고, 초기 인덕턴스(600μH)의 30% 이내의 저하로 억제되어 있다. 접합부 코어의 형상에 의하지 않고, 인덕턴스의 개선 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.

실시예 1-3 및 1-5는 접합부 코어의 두께가 1.0mm의 각판인 경우, 실시예 1-2 및 1-4는 접합부 코어의 두께가 2.0mm의 각판인 경우이다. 어느 쪽의 경우에서도 직류 중첩 하의 인덕턴스는 500μH 이상 얻어지고, 초기 인덕턴스(600μH)의 30% 이내의 저하로 억제되어 있다. 접합부 코어의 두께에 의하지 않고, 인덕턴스의 개선 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.

실시예 1-4의 접합부 코어(35mm×40mm)는 2장의 판상 코어(35mm×20mm)를 접착제로 첩합하여 구성한 것이다. 이러한 경우에서도 직류 중첩하의 인덕턴스는 500μH 이상 얻어지고, 초기 인덕턴스(600μH)의 30% 이내의 저하로 억제되어 있다. 따라서, 접합부 코어는 작은 면적의 판상 코어를 2장 이상 첩합하여 소정의 면적의 판상 코어로 해도 좋다.

실시예 1-5의 접합부 코어(한변 40mm)를 요크부 코어에 대향하여 배치한 경우에는, 요크부 코어의 길이가 80mm이기 때문에, 2개의 접합부 코어끼리가 접촉하는 것 같은 배치가 된다. 이러한 경우에도 직류 중첩 하의 인덕턴스는 500μH 이상 얻어지고, 초기 인덕턴스(600μH)의 30% 이내의 저하로 억제되어 있다. 따라서, 접합부 코어끼리가 접촉하는 것 같은 배치라도 좋다.

또한, 접합부 코어의 면적이 권회부 코어의 코어 단면적의 4.0배를 초과하는 경우에는 접합부 코어의 면적이 1810mm²을 초과한다. 2개 합하면 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 1-2 및 1-4는 요크부 코어와 접합부 코어 사이에 갭(갭량 0.15mm)을 삽입한 경우, 실시예 1-3 및 1-5는 갭을 삽입하지 않은 경우이다. 어느 경우에서도 인덕턴스는 500μH 이상 얻어지고, 초기 인덕턴스(600μH)의 30% 이내의 저하로 억제되어 있다. 따라서, 요크부 코어와 접합부 코어의 간극에 갭을 형성함으로써, 인덕턴스의 개선 효과를 손상시키지 않고, 용이하게 초기 인덕턴스를 조정할 수 있다.

<실시예 2>

도 2의 형태에 있어서, 접합부 코어(14)의 유무에 의한 특성의 비교를 행하였다.

(실시예 2-1)

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 정립(整粒)하여 과립을 얻었다. 윤활제로서 스테아르산 아연을 도포한 금형에 충전하고, 성형압 980MPa로 가압 성형하여 높이 24mm, 직경 24mm의 성형체를 얻었다. 이것을 700℃, 질소 분위기에서 어닐을 행하여, 얻어진 FeSi 합금 압분 코어를 2개 접착하여 1세트의 권회부 코어로 하였다.

접합부 코어에는 철 압분 코어를 사용하였다. 형상은 면적 900mm²(30mm×30mm), 두께 1mm의 각판으로 하였다. 철 압분 코어의 제작 방법은 실시예 1과 동일하다.

도 2와 같이 ロ자 형상의 자기 회로를 형성하도록 대향시킨 요크부 코어의 중앙부에 1세트의 권회부 코어를 배치하고, 요크부 코어와 권회부 코어가 대향하는 2개소의 간극에 접합부 코어를 배치하였다. 권회부 코어의 단부 전체가 접합부 코어에 대향하도록 접합부 코어를 배치하였다. 접합부 코어의 면적 전체가 요크부 코어에 대향하도록 접합부 코어를 배치하였다. 권회부 코어에 권수 38턴의 코일을 권회하여 리액터(실시예 2-1)로 하였다.

(비교예 2-1)

접합부 코어를 배치하지 않은 것 이외에는 실시예 2-1과 동일한 형태로 리액터(비교예 2-1)를 제작하였다.

얻어진 리액터(실시예 2-1, 비교예 2-1)에 대하여, 인덕턴스와 고주파 철손의 평가를 행하였다.

실시예 1과 동일하게 인덕턴스의 직류 중첩 특성을 측정하였다. 직류 전류를 인가하지 않는 상태의 초기 인덕턴스가 570μH가 되도록, 실시예 2-1의 경우에는 접합부 코어와 권회부 코어 사이의 2개소에, 비교예 2-1의 경우에는 요크부 코어와 권회부 코어 사이의 2개소에 갭 재료를 삽입하였다. 갭 재료는 두께 0.1mm의 PET 필름을 포개어 사용하였다. 갭 재료를 삽입함에 있어서는, 대향하는 페라이트 코어의 각부의 간극이 없어지도록 각부의 높이를 연삭으로 조정하였다. 직류 중첩 특성은 정격 전류 20A일 때의 인덕턴스를 측정하여, 표 2에 기재하였다.

실시예 1과 동일하게 고주파의 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 2에 기재하였다.

표 2로부터 명백한 바와 같이, 비교예 2-1의 리액터에서는 직류 중첩 전류(20A)에서의 인덕턴스가 초기 인덕턴스(570μH)로부터 50% 이상 저하되고, 280μH 낮은 인덕턴스밖에 얻어지지 않는다. 한편, 실시예 2-1의 리액터에서는 직류 중첩 전류(20A)에서의 인덕턴스가 490μH가 되어, 초기 인덕턴스(570μH)로부터의 저하율은 30% 이내로 억제되어 있다. 또한, 고주파 철손의 증대도 보이지 않는 것도 확인되었다.

면적비가 동등해지는(S2/S1=1.99) 실시예 1-3과 실시예 2-1을 비교하면 실시예 2-1에서는 고주파 손실의 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 2-1은 권회부 코어와 접합부 코어 사이에 갭(갭량 0.5mm)을 삽입한 경우이다. 직류 전류 중첩 하의 인덕턴스는 초기 인덕턴스(600μH)의 30% 이내의 저하로 억제되어 있다. 따라서, 권회부 코어와 접합부 코어의 간극에 갭을 형성함으로써, 인덕턴스의 개선 효과를 손상시키지 않고, 용이하게 초기 인덕턴스를 조정할 수 있다.

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
13: 코일
14: 접합부 코어
15: 갭
21: 페라이트 코어
22: 연자성 금속 코어
23: 자속
24: 접합부 코어

Claims

페라이트로 구성된 한 쌍의 요크부 코어와, 상기 요크부 코어의 대향하는 평면간에 배치된 권회부 코어와, 상기 권회부 코어의 주위에 권회된 코일로 이루어진 리액터로서,
상기 권회부 코어는 코어 단면적이 대략 일정한 연자성 금속 코어로 구성되고,
상기 권회부 코어가 상기 요크부 코어와 대향하는 간극에 판상의 연자성 금속 압분 코어로 구성되는 접합부 코어가 배치되고,
상기 접합부 코어가 상기 요크부 코어에 대향하는 부분의 면적을 상기 권회부 코어의 단면적의 1.3 내지 4.0배로 한 것을 특징으로 하는 리액터.
제 1 항에 있어서, 상기 요크부 코어와 상기 접합부 코어가 대향하는 간극에 갭을 형성한 것을 특징으로 하는 리액터.
제 1 항에 있어서, 상기 권회부 코어와 상기 접합부 코어가 대향하는 간극에 갭을 형성한 것을 특징으로 하는 리액터.