JP2013501369A - 電流補償チョークおよび電流補償チョークの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い電流容量を有する電流補償チョークを提供すること。
【解決手段】本発明は、一体構造で、環状に閉じたフェライトコア（２）からなる電流補償チョークに関する。フェライトコア（２）は、エッジワイズ巻きされたフラットワイヤからなる少なくとも２つのワイヤコイル（４、５）を有し、例えば、巻枠を備えることなく、互いに距離を空けてフェライトコア周りに配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流補償チョークおよび電流補償チョークの製造方法に関する。

上記電流補償チョークは、ドイツ登録特許第１０２００４００８９６１号で知られている。

本発明の課題は、高い電流容量を持つ電流補償チョークを提供することにある。

この課題は、請求項１に記載の電流補償チョークにより解決される。また、請求項９記載の電流補償チョークの製造方法が挙げられる。電流補償チョークおよび電流補償チョークの製造方法の有利な構成形態は、従属請求項の対象となっている。

提示されるのは、一体構造型で、環状に閉じたフェライトコアを有する電流補償チョークである。このフェライトコアは、少なくとも二つのワイヤコイルを有しており、これらのワイヤコイルは、いずれもエッジワイズ巻きされたフラットワイヤ（Flachdraht）からなっている。これらのワイヤコイルは、巻枠（ボビン）を用いておらず、互いに距離を空けてフェライトコアの周りに配置されている。

「一体型構造の環状に閉じたフェライトコア」との表現は、均質な構造で、エアギャップのない、「単層構造」のフェライトコアであると解釈される。さらに「環状に閉じた」とは、任意の面積が囲まれていることを意味する。

多分割型構造のフェライトコアを有し、エアギャップのある電流補償チョークと比較すると、一体型構造のフェライトコアを有する電流補償チョークは、コイル巻線のほぼ同じ巻数でも、それよりもかなり大きいインダクタンスを有する。

単一の部品のみからなるフェライトコアを有する電流補償チョークと比較すると、二つのフェライトコア半割体を貼着してなるフェライトコアを有する電流補償チョークは、インダクタンスが約２０％〜５０％となる。

電流補償チョークのワイヤコイルはいずれもフラットワイヤを有し、エッジワイズ巻きされたコイルに形成されている。丸線をフラットワイヤの幅と等しいものとし、この丸線と比較すると、横断面積はフラットワイヤの方が丸線よりも大きくなる。フラットワイヤと丸線との横断面積が等しいとすると、巻層あたりの巻数は、フラットワイヤの方が丸線よりも多くなる。丸線からなるコイルと比較すると、巻数で比肩するフラットワイヤからなるコイルの方が、充填率が高いために直流電圧抵抗が小さくなり、それにより負荷電流が等しい場合は、この電流補償チョークの方が、発熱量が小さくなる。そこではワイヤコイルの個々の巻線が、フラットワイヤの最も広い面同士が対向するように構成されている。このエッジワイズ巻きされたワイヤコイルは、そのように構成されることによって、少数の巻線だけでも大きな有効面積を有する。

フラットワイヤコイルのこの大きな有効面積により、それぞれのワイヤコイルの内部には、周波数が高いときには渦電流が発生する。この渦電流により、高周波数領域で、所望されるワイヤコイルの直列抵抗の増大（近接効果）がもたらされる。

また、表皮効果については、例えば標準ワイヤからなるワイヤコイルの場合よりも、フラットワイヤコイルの場合の方が格段と顕著なものとなり、それによって、またチョークコイルにとって望ましい高周波損失がもたらされる。

実施形態では、それぞれのワイヤコイルは、互いに可能な限り最大限の空間的距離となるように、フェライトコアの周りに配置されている。

特に、これらのワイヤコイルは、フェライトコアの互いに平行な部分の周りに配置されると好適である。

このため他の実施形態では、フェライトコアは矩形の輪郭を持つ形状を有する。ワイヤコイルは、実施形態では、例えば、フェライトコアの短辺部に配置されている。矩形の輪郭を持つフェライトコアの短辺部の周りにコイルがそれぞれ配置される場合は、ワイヤコイル間の空間的距離が、フェライトコアの長辺部に配置される場合よりも大きくなる。

さらに他の実施形態では、フェライトコアはトロイダル形状を有する。このフェライトコアは、円環の開口が、円形或いは楕円形に相当する領域を有する、円環体として構成されることが好ましい。開口の形状が楕円である円環体の場合は、互いに空間的距離が可能な限り最大となる円環の部分に、ワイヤコイルがそれぞれ配置されるようにすると好適である。

それにより、矩形の輪郭を持つ又はトロイダル形のフェライトコアを備える電流補償チョークの実施形態では、二つのワイヤコイル間で大きな空間的距離を得ることができる。その結果、一体型構造のフェライトコアであるにもかかわらず、主インダクタンスの約２％が漏れインダクタンスとして発生する。この漏れインダクタンスは、あたかもチョークコイルがもう一つ追加されたかのように有効に作用して、ディファレンシャルモードノイズを減衰する。矩形の輪郭を持つ形状に形成されたフェライトコアのこれに伴う効果は絶大である。

さらに他の実施形態においては、ワイヤコイルがいずれも単層巻きとなっている。しかし、上下に積み重ねられる複数の巻層を備え、これらが並列に接続されるようにしてもよい。

電流補償チョークは、理想的には、非常に高いワイヤコイルの共振周波数を有すると好適である。共振周波数を高くするためには、寄生容量が低減されると有利である。上述の電流補償チョークでは、それぞれのワイヤコイルを単層巻きに構成することにより、ワイヤコイルが有する寄生容量は実質的に最小限となる。なぜなら、この場合には、それぞれ単一のコイルとこれに隣接するコイルとにより形成される寄生容量が直列に接続するからである。

従来の多層構造のワイヤコイルの寄生容量を低減するためには、ワイヤコイルが複数の個々のチャンバに分割されると有利である。従来の電流補償チョークでは、この複数のチャンバへの分割を、巻枠内で巻線間に複数の適切な間仕切壁を備えることにより達成している。しかし、巻線自体のために利用できる空間が低減されてしまう。この問題は、チャンバ数が増えるほど深刻化する。

上述のフラットワイヤコイルを備える電流補償チョークでは、好適にもワイヤコイルが巻枠を使用しない構成となっている。この場合は、ワイヤコイルのそれぞれの巻線が一つのチャンバに該当する。従って、それぞれのワイヤコイルが、巻枠によって予め与えられる一定数の物理的なチャンバに限定されることはない。

一体型構造のフェライトコアを備えた電流補償チョークの構成及び複数の単層巻のフラットワイヤの使用により、チョークコイルの直流抵抗および寄生容量の低減が達成される。これに対し、チョークコイルのこのような構成により、所望の高周波損失を最大限化し得る。

さらに他の実施形態においては、それぞれのワイヤコイルが、―電気接続を対称に行って―、逆方向のコイリング方向を有するように配置されている。ワイヤコイルは全て、同じ巻数を有していると好適である。

他の実施形態では、フェライトコアに電気絶縁被覆が施されている。

この被覆は、例えば、エポキシ化合物またはパリレンからなる。被覆の絶縁破壊電圧は、被覆厚さが０．４ｍｍ以下であるときには、２０００Ｖ_ＲＭＳ（ＲＭＳ：root mean square（二乗平均平方根）、すなわち実効値）を上回る。この被覆は、防火等級ＵＬ９４Ｖ−０を充足する。

さらに他の実施形態では、好適には、被覆が施されていないフェライトコアを有する電流補償チョークが、プラスチックハウジング内に配置されている。この場合には、巻線がハウジングの周りに配置される。ハウジングは、好適にも、フェライトコアの絶縁被覆と同じ電気絶縁作用をもたらす。ハウジングは、実施形態では、電流補償チョークのワイヤ端部を固定するための複数の装置を備える。

また、上述の電流補償チョークを備える回路配列が提示される。この回路では、電流補償チョークがブリッジ整流器に直列に接続される。電流補償チョークは、任意の応用回路の電源回路の中に、例えばブリッジ整流器の後方の整流後の回路側に組み込まれる。もっとも、電流補償チョークは、ブリッジ整流器の前方に組み込まれてもよい。

電流補償チョークは、第１コイルの内部で発生される磁束が、第２コイルの内部で発生される磁束とは逆向きになり、それにより両者の磁束が打ち消し合うように、回路に接続されることが好ましい。

電流補償チョークがブリッジ整流器の後方に組み込まれることにより、両ワイヤコイルを通る電流フローが一方向のみに生ずる。それにより、ワイヤコイルの領域のフェライトコアには、磁場がいずれも同じ方向に生ずる。

さらに、電流補償チョークの製造方法が提示される。この方法では、フラットワイヤがワイヤコイルとして螺旋状に形成される。予め形成された螺旋状のワイヤコイルは、準備した環状に閉じたフェライトコアに、ワイヤコイルをフェライトコアに対して相対的に回転させることによって、ワイヤコイルの個々の巻線がフェライトコアの周りに順々に巻き付けられるようにして、取り付けられる。

この巻付け工程を容易にするために、好適には、フェライトコアの全ての角が面取りされる、すなわち、全ての角が、斜めに切り落とされるか、Ｒ付けされるとよい。

ワイヤコイルは、フェライトコアの周りに単層巻きで取り付けられると好適である。また、二つのコイルを上下に積み重ねて取り付けて、電気的に並列に接続するようにしてもよい。直径が適切である場合は、この方法により、両方のコイルを上下に積み重なるように巻き付けることも可能である。

さらに他の実施形態では、予め形成された第２のワイヤコイルは、上述の方法によりフェライトコアの周りに取り付けられ、その際には、好適にもコイリング方向を逆にして取り付けられる。

第２のワイヤコイルは、両方のワイヤコイル間の空間的距離が可能な限り大きくなるように、フェライトコアの周りに取り付けられると好適である。

上述の方法により、好適にも、軽く拡径された状態のフラットワイヤコイルを、これを回転させることによって、一体型構造の矩形の輪郭を持つ又はトロイダル形のフェライトコアの周りに、あたかも、ねじを回すようにして取り付けることができる。上述の方法は特に、エッジワイズ巻きされたフラットワイヤコイルに非常に適したものとなっている。

電流補償チョークを、単層巻きのフラットワイヤコイルを備えて構成することにより、補助的な巻枠は一切不要となる。ワイヤコイルの端子を固定するためには、例えば紫外線硬化型の接着剤を例えば数滴使用するだけで足りる。基板にとって有利となる用途については、基板を上述の電流補償チョークと組み合わせることもできる。

電流補償チョークを、一体型構造のフェライトコアの周りに配置される、複数のフラットワイヤからなる電気抵抗が小さいワイヤコイルを備えて構成することにより、電流補償チョークの自己発熱が限定される。その定格電流は、発熱状況に応じて可能となる、フェライトコアの磁気飽和状態に応じて生じる最大電流により決まる。

代表的な実施形態では、上述の電流補償チョークは、例えば、約２７ｍｍ×２６ｍｍの底面と、１１ｍｍの高さを有し、インダクタンスが１ｍＨである二つのワイヤコイルを備えた矩形の輪郭を持つフェライトコアを備える。実施形態では、例えば、最大で約５Ａ（ピーク電流）まで、この電流補償チョークは支障なく動作することができる。この電流補償チョークの漏れインダクタンスは、リング状コアを基部とするチョークコイルと比較すると、約３７％高くなっている。

次に、上述の電流補償チョーク等及び電流補償チョークの製造方法について、以下の図面と幾つかの実施例とに基づき詳しく説明する。

以下で説明する図は、縮尺通りに再現されたものではないことを了承されたい。

フェライトコアを有する電流補償チョークの第１実施形態を示す図である。 定格電流との関係における電流補償チョークのフェライトコアの磁気飽和状態の曲線を示すダイアグラムである。 電流補償チョークの一実施形態の磁束密度分布を示す図である。 電流補償チョークを備えた応用回路の回路図である。 閉じたフェライトコアに予め形成されたワイヤコイルを巻き付ける方法を示す図である。 トロイダル形状のフェライトコアを有する電流補償チョークの更なる実施形態を示す図である。

図１には、第１実施形態の矩形の輪郭を持つフェライトコア２を有する電流補償チョーク１が示され、フェライトコア２は、フェライトコア２の向かい合う対辺にそれぞれ配置された二つのワイヤコイル４、５を有する。

他の後述する実施形態では、フェライトコアの形状は円環体である。

図２には、電流値Ｉとの関係における相対インダクタンスＬ／Ｌ_０の特性曲線１０が示されている。図２中のＸ軸は電流値Ｉをアンペアで示す。Ｙ軸は相対インダクタンスを百分率で示す。相対インダクタンスＬ／Ｌ_０は、電流負荷が無いインダクタンス値Ｌ_０に対する、所定電流におけるインダクタンスである。この相対インダクタンスＬ／Ｌ_０は、電流補償の動作時には、電流を原因として、電界強度に依存したコア材料の磁化率の増大に伴い低下している。本発明による電流補償チョークは、電流値が約５．５Ａであるときには、約９０％の相対インダクタンスを有する。９Ａのときには、電流補償チョークは、なおも６０％の相対インダクタンスを有する。

図３は、定格電流を通電したときの電流補償チョークのフェライトコア内部の磁束密度分布を示す。ワイヤコイル５４および５５が覆う領域で、磁化の強さが最大となっている。

図４には、電流補償チョークが用いられた応用回路の回路図が模式的に示めされている。この応用回路では、ここに説明する電流補償チョーク１がブリッジ整流器１１に直列に接続されている。この回路の構成は、ラインフィルタ（Line Filter）回路の構成にほぼ相当する。

電流補償チョーク１をブリッジ整流器１１の後方に組み込んだ場合は、電流補償チョーク１の両方のコイルを通る、一方向のみへの電流フローが発生する。それにより電流補償チョーク１のフェライトコアは、常に同じ方向に磁化される。

図５は、閉じた矩形の輪郭を持つフェライトコア６２にワイヤコイル６５を巻き付ける方法を示す。図示した巻き付け工程では、フェライトコア６２の周りに既に第１のワイヤコイル６４が巻き付けられている。この図では、第２のワイヤコイル６５の約半分が、フェライトコア６２の周りに巻き付けられている。その際には、予め形成されたワイヤコイル６５が、拡径された状態でこれを回転させることによって、フェライトコア６２の周りに巻き付られる。このときには、ワイヤコイル６５の個々の巻線が、ワイヤコイル６５がフェライトコア６２に対して相対的に回転することにより、フェライトコア６２の周りに「ねじを回す」ように取り付けられる。フェライトコア６２は、閉じた形状を有する。

図６は、図１に示す電流補償チョーク１の実施形態に類似した、電流補償チョークのさらなる他の実施形態を示しており、図７では、チョークコイル１のフェライトコア７２はトロイダル形状を有する。

１ 電流補償チョーク
２、５２、６２、７２ フェライトコア
４、５４、６４ ワイヤコイル
５、５５、６５ ワイヤコイル
１０ チョークの飽和曲線
１１ ブリッジ整流器
１２、１３、１４ コンデンサ
１５ 抵抗
１６ ダイオード
１７ アース

Claims (12)

1. 一体構造型で、環状に閉じたフェライトコア（２）を備える電流補償チョークであって、
   当該フェライトコアは、それぞれエッジワイズ巻きされたフラットワイヤからなる少なくとも２つのワイヤコイル（４、５）を備え、
   当該ワイヤコイルは、互いに距離を空けてフェライトコア（２）周りに配置されている、電流補償チョーク。
2. 前記異フェライトコア（２）は、矩形の輪郭を持つ形状又は環状の形状を有する、請求項１に記載の電流補償チョーク。
3. 前記ワイヤコイル（４、５）は、それぞれ単層巻構造を有する、請求項１又は２に記載の電流補償チョーク。
4. 前記ワイヤコイル（４、５）間で、可能な限り最大限の空間的距離が維持されている、請求項１、２又は３に記載の電流補償チョーク。
5. 前記ワイヤコイル（４、５）は、対称的に互いに接続される一方、反対の巻き付け方向を有する、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電流補償チョーク。
6. 前記フェライトコア（２）は、電気的絶縁被膜を有する、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の電流補償チョーク。
7. 前記コイルは、巻枠を備えることなく、前記フェライトコアに巻回されている、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の電流補償チョーク。
8. 前記フェライトコアは、ハウジング内に配置され、前記コイルは、前記ハウジング周りに配置されている、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の電流補償チョーク。
9. 請求項１に記載の電流補償チョークの製造方法であって、
   フラットワイヤを、フラットワイヤの横断面積における最大直径が、巻き軸に対して直交するように、螺旋状にワイヤコイル（６４、６５）に形成し、
   ワイヤコイル（６５）の個々の巻線が、ワイヤコイル（６５）とフェライトコア（６２）との間で、連続する相対的な回転によりフェライトコア周りに巻き付くように、予め形成された螺旋状のワイヤコイル（６５）が、準備した閉じたフェライトコア（６２）周りに巻き付けられる、
   電流補償チョークの製造方法。
10. 前記ワイヤは、単層巻でフェライトコア（６２）に巻回されている、請求項９記載の電流補償チョークの製造方法。
11. 前記フェライトコアは、ハウジング内に配置され、前記コイルは、前記ハウジング周りに配置されている、請求項９記載の電流補償チョークの製造方法。
12. 第２の予め形成されたワイヤコイル（６５）は、閉じたフェライトコア（６２）に同様の方法で巻回されている、請求項９〜請求項１１のいずれか１項に記載の電流補償チョークの製造方法。

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