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WO2014010416A1 - 涙滴状磁芯及びこれを用いたコイル装置 - Google Patents

涙滴状磁芯及びこれを用いたコイル装置 Download PDF

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WO2014010416A1
WO2014010416A1 PCT/JP2013/067481 JP2013067481W WO2014010416A1 WO 2014010416 A1 WO2014010416 A1 WO 2014010416A1 JP 2013067481 W JP2013067481 W JP 2013067481W WO 2014010416 A1 WO2014010416 A1 WO 2014010416A1
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WO
WIPO (PCT)
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magnetic core
gap
teardrop
shaped magnetic
magnetic
Prior art date
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PCT/JP2013/067481
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English (en)
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Inventor
今西　恒次
吉森　平
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SHT Corp Ltd
Original Assignee
SHT Corp Ltd
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Publication date
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Priority to US14/413,506 priority patent/US9558879B2/en
Priority to EP13815959.5A priority patent/EP2874161B1/en
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    • H01F17/04—Fixed inductances of the signal type with magnetic core
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    • H01F2027/348—Preventing eddy currents

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic core used in a coil device equipped in a rectifier circuit, a noise prevention circuit, a resonance circuit, or the like in an AC device such as a power supply circuit or an inverter.
  • Coil devices mounted on circuits of various AC devices are configured by winding a coil around an annular magnetic core.
  • a coil device was proposed in which a gap was formed by cutting a part of an annular toroidal core with a width in the magnetic path direction, and a wire was wound through the gap. (For example, see FIG. 10 of the prior art in Patent Document 1).
  • the rod-shaped magnetic core is bent so as to have a substantially circular shape including the straight portion (71), and one end surface (72) is a side surface (73) of the straight portion (71).
  • a coil device (70) in which a gap (74) is formed so as to face each other is also proposed (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
  • the end surface (72) forming the gap portion (74) faces the side surface (73) of the linear portion (71) having a larger area than the end surface (72). Accordingly, as shown in FIG. 14B, magnetic flux (indicated by an arrow in the figure) leaks between the end face (72) and the side face (73), leading to a decrease in inductance value.
  • the leakage magnetic flux avoids the conducting wire (75)
  • the desired inductance proportional to the square of the number of turns cannot be exhibited.
  • the eddy current generated when the leakage flux interlinks with the conducting wire (75) increases the so-called copper loss, and the magnetic flux deviates from the main magnetic path, resulting in unnecessary eddy current loss in the magnetic core.
  • the gap (74) is backfilled with a magnetic or non-magnetic gap material to increase the inductance value, suppress the leakage magnetic flux, or reduce the magnetic core due to magnetostriction. It is disclosed to suppress the vibration of the.
  • a method is known in which instead of a non-magnetic gap material, a magnetic material in which magnetic powder is mixed with an adhesive is produced and applied to a gap portion to increase the inductance value and suppress the leakage magnetic flux.
  • a magnetic material in which magnetic powder is mixed with an adhesive is produced and applied to a gap portion to increase the inductance value and suppress the leakage magnetic flux.
  • the magnetic permeability remains on the order of 2-5.
  • the range of use is limited to extremely low magnetic fields, and the magnetic saturation characteristics at the time of high magnetic fields are disadvantageously deteriorated. This is known from the DC superposition characteristics.
  • An object of the present invention is to provide a teardrop-shaped magnetic core having excellent manufacturing efficiency, a large initial inductance, and stable DC superposition characteristics, and a coil device using the same.
  • the teardrop-shaped magnetic core according to the present invention is A magnetic core made of a magnetic material and used in a coil device, A linear first linear portion and a second linear portion that are continuous by a curved portion with one end bent at a right angle; An arcuate arc portion connecting the other ends of the first linear portion and the second linear portion;
  • the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the curved portion may have an arc shape.
  • the first straight portion has a gap portion cut in a direction perpendicular to the magnetic path, and the gap portion is opposed to the first end surface on the curved portion side and the first end surface, and has substantially the same area. There may be a second end face.
  • a gap magnetic core made of a magnetic material can be inserted into the gap.
  • a gap is formed between the gap magnetic core and the first end face and the second end face of the gap portion.
  • the first straight portion, the curved portion, the second straight portion, and the arc portion can be covered with an electrically insulating resin except for the first end surface and the second end surface of the gap portion.
  • the coil device using the teardrop-shaped magnetic core according to the present invention is formed by winding the teardrop-shaped magnetic core.
  • the coil device can be configured by inserting a coil wound in advance from the gap into a teardrop-shaped magnetic core.
  • the teardrop-shaped magnetic core according to the present invention has the first straight portion and the second straight portion, when the resin coating is performed on the peripheral surface of the teardrop-shaped magnetic core, At the time of work such as forming an insert, it can be easily mounted and positioned on an insert molding machine, winding machine, winding jig, and cutting machine to form a gap. Further, it is possible to efficiently perform the above-described operation such as winding by suppressing the displacement of the teardrop-shaped magnetic core during positioning and further during operation.
  • the teardrop-shaped magnetic core according to the present invention can have substantially the same magnetic path over the whole by making the curved portion into an arc shape.
  • the first end surface and the second end surface having substantially the same area are opposed to each other in the gap portion, leakage of magnetic flux from the gap portion can be suppressed. It is possible to reduce as much as possible the decrease in inductance and eddy current loss. Further, the gap portion can be formed by cutting a magnetic core formed in a teardrop shape, and the dimensional accuracy is increased as much as possible as compared with the case where the magnetic core is bent and manufactured. be able to.
  • a gap magnetic core made of a magnetic material is inserted into the gap, thereby filling the gap and obtaining desired magnetic characteristics.
  • the inductance While maintaining the value, the magnitude of the leakage magnetic flux can be dispersed to suppress the distribution expansion.
  • the teardrop-shaped magnetic core according to the present invention is coated with an electrically insulating resin in advance before forming the gap, and after the coating, the first linear portion is cut together with the resin to form the gap.
  • the first end surface and the second end surface that form the gap portion are thereby not covered with resin, and the first straight portion, the curved portion, the second straight portion, and the arc portion are covered with resin. Can be obtained.
  • the teardrop-shaped magnetic core according to the present invention has a surface coated on the inner peripheral surface of the second linear portion continuously with the first surface of the gap portion, so that a coil device is manufactured in advance when the coil device is manufactured.
  • the wire coil is inserted into the second linear portion from the curved portion side through the gap portion, and further pushed, so that it can be attached to the coil wound in advance around the arc portion and the first linear portion.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a teardrop-shaped magnetic core according to the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of a coil device obtained by winding a coil directly on the teardrop-shaped magnetic core of FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view showing an embodiment of a teardrop-shaped magnetic core of the present invention in which a gap is formed.
  • FIG. 4 is a plan view showing a step of inserting a coil wound in advance on the teardrop-shaped magnetic core of FIG.
  • FIG. 5 is a partial cross-sectional view of a coil device in which a gap magnetic core is inserted into the gap.
  • FIG. 6 is a perspective view of a magnetic core covering body in which the teardrop-shaped magnetic core shown in FIG. 1 is covered with an insulating resin.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line 7-7 in FIG.
  • FIG. 8 is a plan view of a coil device in which a coil is directly wound around the magnetic core cover shown in FIG.
  • FIG. 9 is a perspective view of a magnetic core covering body in which a gap is formed.
  • FIG. 10 is a plan view showing a step of inserting a coil wound in advance on the magnetic core covering shown in FIG.
  • FIG. 11 is a plan view of the coil device fabricated according to FIG.
  • FIG. 12 is a partial cross-sectional view of a coil device in which a gap magnetic core is inserted into a gap portion.
  • FIG. 13 is a graph showing DC superposition characteristics in the example.
  • FIG. 14A is a plan view of the coil device described in the background art
  • FIG. 14B is a partially enlarged view of the gap portion.
  • FIG. 1 is a perspective view of a teardrop-shaped magnetic core (10) according to the present invention.
  • the teardrop-shaped core (10) is made of a magnetic material.
  • the magnetic material constituting the teardrop-shaped magnetic core (10) examples include iron-based, iron-silicon-based, iron-aluminum-silicon-based, iron-nickel-based materials, iron-based and Co-based amorphous materials.
  • the teardrop-shaped magnetic core (10) is a laminated magnetic core obtained by laminating or winding thin plates made of these magnetic materials, a powder magnetic core obtained by pressure-molding a powder made of these magnetic materials, or a powder made of a magnetic material A ferrite magnetic core formed by sintering can be obtained.
  • the teardrop-shaped magnetic core (10) produced by these manufacturing methods is annular, and the gap portion is formed by post-processing, so that it can have a higher dimensional accuracy than a bent magnetic core. .
  • the teardrop-shaped magnetic core (10) has a linear first linear portion (11) and a second linear portion (15) which are continuous by a curved portion (16) whose one end is bent at a substantially right angle. And an arcuate arc portion (17) connecting the other ends of the first linear portion (11) and the second linear portion (15).
  • the first straight portion (11) and the second straight portion (15) are formed to have substantially the same length L, and the first straight portion (11) and the second straight portion are formed.
  • the curved portion (16) connecting the portion (15) has a circular arc angle of approximately 90 °, and the inner peripheral surface (18) and the outer peripheral surface (19) are formed in concentric circular arc shapes having inner diameters r and R (where r ⁇ R), respectively. Is done.
  • the arc part (17) connecting the other ends of the first linear part (11) and the second linear part (15) is also formed in a concentric arc shape with an arc angle of about 270 °, and the magnetic core (10) is
  • the inner peripheral surface (18) and the outer peripheral surface (19) are each teardrop-shaped.
  • the boundaries of the first straight portion (11), the curved portion (16), the second straight portion (15), and the arc portion (17) are indicated by broken lines. .
  • the teardrop-shaped magnetic core (10) can be formed so that the cross-sectional area is substantially the same at any position when cut perpendicular to the inner peripheral surface (18) and the outer peripheral surface (19). Desirably, a rectangular cross section is suitable as shown in the figure.
  • the cross-sectional shape of the teardrop-shaped magnetic core (10) is not limited to a rectangle, and may be a circle, an ellipse, or the like.
  • the area of the main magnetic path is approximately the same by configuring the teardrop-shaped magnetic core (10) to have substantially the same cross-sectional area. And stable inductance characteristics can be obtained.
  • the teardrop-shaped magnetic core (10) is attached to a jig such as a clamp (not shown), and a conducting wire (22) forming a coil (21) is wound around it.
  • the jig can fix, for example, the teardrop-shaped magnetic core (10) by gripping the curved portion (16). At this time, since the magnetic core (10) is teardrop-shaped and the first straight portion (11) and the second straight portion (15) are straight, positioning to the jig can be performed easily. .
  • the conducting wire (22) is wound around the teardrop-shaped magnetic core (10) manually or by a winding machine to form a coil (21), and the coil device (20) is produced as shown in FIG.
  • the manufacturing efficiency can be increased as much as possible by passing a coil (21) (so-called air-core coil) around which a conducting wire (22) is wound in advance through a gap (12). it can.
  • the gap portion (12) is, for example, substantially perpendicular to the first straight portion (11) side from the boundary (shown by a broken line in FIG. 1) between the curved portion (16) and the first straight portion (11). It can be formed by cutting one straight portion (11).
  • the first end face (13) is: It is formed so as to protrude by the radius of curvature r of the inner peripheral surface (18) of the curved portion (16) rather than the inner peripheral surface (18) of the second linear portion (15).
  • the peripheral surface (18) is not coplanar, and the first end surface (13) and the second end surface (14) face each other in the same area by cutting the first straight portion (11) instead of the curved surface portion. Therefore, it is possible to avoid the leakage magnetic flux concentrated in the short distance direction of the magnetic path as compared with the case where it is formed on the curved surface portion, and the eddy current loss caused by this can be reduced.
  • a clearance gap (12) has an end surface (13) (14). The leakage of magnetic flux between them is also accurate and stable in the magnetic path direction.
  • the teardrop-shaped magnetic core (10) is cut at the first straight portion (11), the escape of the grindstone and the cutting blade can be suppressed as compared with the case of cutting at the curved portion, and the gap portion (12 ) Is easy and highly accurate.
  • a gap magnetic core (30) made of a magnetic material can be inserted into the gap (12).
  • the gap magnetic core (30) is made of a magnetic material such as iron-based, iron-silicon-based, iron-aluminum-silicon-based, iron-nickel-based material, iron-based or Co-based amorphous material.
  • the gap magnetic core (30) is a laminated magnetic core obtained by laminating or winding thin plates made of these magnetic materials, a powder magnetic core formed by pressing a powder made of these magnetic materials, or a powder made of a magnetic material.
  • a sintered ferrite core can be exemplified.
  • the gap (12) By inserting the gap magnetic core (30) into the gap (12), the gap (12) can be filled and desired magnetic properties can be obtained.
  • the gap magnetic core (30) is formed such that a gap G is formed between the gap magnetic core (30) and the first end face (13) and the second end face (14) of the gap (12). ), Even if the gap core (30) is slightly misaligned in the gap (12), the magnetic flux leakage is dispersed while maintaining the inductance value, and the distribution expansion is suppressed. can do.
  • the gap magnetic core (30) By inserting the gap magnetic core (30) into the gap portion (12), the expansion of the leakage magnetic flux in the gap portion (12) can be suppressed, so the coil (21) is overlapped with the gap magnetic core (30). Since the winding can be performed densely, the inductance can be increased while suppressing the influence of the eddy current on the copper loss.
  • the gap core (30) is not limited to the above, and the performance and manufacturing efficiency are poor, but a desired characteristic such as securing an inductance in an extremely low magnetic field is obtained, and a paste in which a magnetic material is mixed with an adhesive
  • the gap (12) may be filled with a shape.
  • the first straight portion (11) and the second straight portion (15) are provided on the teardrop-shaped magnetic core (10) as described above, so that the magnetic path compared to the toroidal magnetic core having the same diameter.
  • the length can be increased by about 5% and the window area can be increased by about 5%.
  • the inductance value can be improved by about 14%.
  • FIG. 6 and FIG. 7 which is a cross-sectional view thereof, the teardrop-shaped magnetic core (10) described with reference to FIG. 1 in the first embodiment is replaced with an electrically insulating resin (41
  • the coil device (20) in which the coil (21) is wound around the magnetic core coating body (40) coated with the above will be described. Note that description of parts common to the first embodiment will be omitted as appropriate.
  • the resin coating on the teardrop-shaped magnetic core (10) can be performed by insert molding. At this time, since the first straight portion (11) and the second straight portion (15) are provided on the teardrop-shaped magnetic core (10), the positioning pin in the insert molding machine is connected to the straight portion (11) (15). Positioning and fixing can be performed easily.
  • a resin case half is prepared in advance, and a pair of case halves is put on the teardrop-shaped magnetic core (10) to form a magnetic core covering (40) by resin coating. You can also.
  • the magnetic core covering body (40) is attached to a jig such as a clamp (not shown), and a conducting wire (22) forming a coil (21) is wound thereon.
  • the jig can fix, for example, the magnetic core covering (40) by gripping the curved portion (16) side. At this time, since the magnetic core covering body (40) has a teardrop shape and has a straight portion, positioning to the jig can be performed easily.
  • the conducting wire (22) is wound around the magnetic core covering (40) by hand work or a winding machine to form the coil (21), and the coil device (20) is produced as shown in FIG.
  • FIG. 7 a part of the magnetic core cover (40) in FIG. 6 is cut to form a gap (12), and wound around the conductor (22) through the gap (12).
  • the manufacturing efficiency of the coil device (20) can be increased.
  • a coil device (20) (see FIG. 11) is obtained by passing a coil (21) (so-called air-core coil) around which a conducting wire (22) is wound in advance through a gap (12). It can also be manufactured, and thereby the manufacturing efficiency of the coil device (20) can be increased as much as possible.
  • the gap portion (12) is formed, for example, from the boundary (shown by the broken line in FIG. 1 described above) between the curved portion (16) of the teardrop-shaped magnetic core (10) and the first straight portion (11) (11). ) Side by cutting the first straight portion (11) substantially vertically with a desired width.
  • the first end face (13) is:
  • the inner peripheral surface of the second linear portion (15) is formed so as to protrude from the inner peripheral surface (18) of the second linear portion (15) by the curvature radius r of the inner peripheral surface of the curved portion (16).
  • the teardrop-shaped magnetic core (10) is coated with a resin and then cut to form a gap (12), whereby the first straight portion (11), the curved portion (16), the second straight portion (15) and the arc
  • the part (17) can produce the magnetic core covering (40) covered with resin except for the first end face (13) and the second end face (14) of the gap part (12).
  • the magnetic core cover (40) is cut at the straight portion, the escape of the grindstone and the cutting blade can be suppressed and the formation of the gap portion (12) is easier than when cutting at the curved portion. And high accuracy.
  • the thickness of the resin (41) to be coated is shown in FIG. It is desirable that D is substantially the same as the radius of curvature r of the inner peripheral surface of the curved portion (16), that is, the amount of protrusion of the first end surface (13) from the second linear portion (15).
  • a gap magnetic core (30) made of a magnetic material can be inserted into the gap (12). Details of the gap magnetic core (30) are shown in the first embodiment.
  • the gap magnetic core (30) is formed such that a gap G is formed between the gap magnetic core (30) and the first end face (13) and the second end face (14) of the gap (12). ) Is inserted, even if the gap core (30) is slightly displaced in the gap (12), the size of the leakage magnetic flux is dispersed and the distribution expansion is suppressed while maintaining the inductance value. be able to.
  • the gap magnetic core (30) is inserted into the gap portion (12), the expansion of the leakage magnetic flux in the gap portion (12) can be suppressed, so that the coil (21 ) Can be tightly wound, so that the inductance can be increased while suppressing the influence of copper loss due to eddy current.
  • the gap magnetic core (30) is not limited to the above, and the performance and manufacturing efficiency are inferior, but the gap (12) is filled with a paste in which a magnetic material is mixed with an adhesive. May be.
  • the first core portion (11) and the second straight portion (15) are provided on the teardrop-shaped magnetic core (10) as described above, so that the magnetic core covering (40) has the same diameter.
  • the magnetic path length can be increased by about 5% compared to the toroidal magnetic core, and the window area can be increased by about 5%.
  • the inductance value can be improved by about 14%.
  • the gap portion (12) is formed in the first straight portion (11), but the gap portion may be formed in the second straight portion (15). Of course.
  • the direct current superimposition characteristics of the coil device (20) of the second embodiment were compared.
  • the teardrop-shaped magnetic core (10) has a length L of 7.1 mm and a thickness, that is, an inner circumferential surface (18) and an outer circumferential surface (19), of the first linear portion (11) and the second linear portion (15). And the difference is 4.75 mm, the radius of curvature r of the inner peripheral surface (18) of the curved portion (16) is 1.2 mm, the radius of curvature R of the outer peripheral surface (19) is 6 mm, the height is 15 mm, and the arc portion (17) The diameter was 23.7 mm. Further, the teardrop-shaped magnetic core (10) is obtained by welding and fixing a winding end portion in a teardrop shape using a directional silicon steel plate.
  • the teardrop-shaped magnetic core (10) was covered with an insulating resin (41) having a thickness of 1.2 mm to form a gap portion (12) having a width of 2 mm.
  • an insulating resin (41) having a thickness of 1.2 mm to form a gap portion (12) having a width of 2 mm.
  • the gap core (30) shown below was filled or inserted into the gap (12).
  • Invention Example 1 is an embodiment in which the gap portion (12) is not backfilled.
  • Invention Example 2 is a high-viscosity paste-like adhesive prepared by mixing magnetic material powder using sendust powder (Fe—Al—Si composition) in the gap portion (12) and a one-part epoxy adhesive at a weight ratio of 80:20. Backfilled with chemicals.
  • Invention Example 3 uses a non-oriented silicon steel sheet of 0.2 mm thickness, punched and laminated, and fixed the end face part by welding to form a block magnetic core (30) with a gap of 1 mm in the gap part (12). In this embodiment, a gap G of 0.5 mm is provided between the gap magnetic core (30) and the first end face (13) and the second end face (14).
  • Invention Example 1 has a stable magnetic saturation characteristic although the inductance value is lower than that of Invention Example 3.
  • the invention example 2 can increase the initial inductance value as compared with the invention examples 1 and 3. On the other hand, it can be seen that the drop rate of the inductance value increases as the DC bias current increases.
  • Inventive Example 3 has better magnetic saturation characteristics than Inventive Example 1, and the gap magnetic core (30) made by laminating a non-oriented silicon steel sheet into the gap portion (12) is inserted into the gap portion (12). It can be seen that a minute gap can be provided and the magnetic characteristics can be stabilized without depending on the finished dimensional accuracy of the magnetic core. For this reason, the gap portion (12) can be adjusted by the size of the gap magnetic core (30), and desired magnetic characteristics can be easily secured at low cost. Further, by inserting the gap magnetic core (30), the inductance value can be improved, and furthermore, the magnetic path is formed by the first end surface (13) and the second end surface (14) formed in the straight portion. The leakage magnetic flux concentrated in the short distance direction can be avoided, and the inductance can be improved efficiently.
  • the gap magnetic core (30) to be inserted into the gap (12) has two gaps G of substantially the same width formed on both side surfaces perpendicular to the direction in which the main magnetic flux passes. ing.
  • a coil device (20) in which the position of the gap magnetic core (30) was slightly displaced from the center was produced, and when the DC superposition characteristics were measured in the same manner as described above, the inductance value was maintained. , Variation in leakage flux could be suppressed. Therefore, it can be seen that the coil device (20) of Invention Example 3 is a highly practical coil device that can tolerate errors in the mounting accuracy of the gap magnetic core (30) during assembly.
  • the present invention is useful as a teardrop-like magnetic core having excellent manufacturing efficiency, large initial inductance, and stable direct current superposition characteristics, and a coil device using the same.

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Description

涙滴状磁芯及びこれを用いたコイル装置
　本発明は、電源回路やインバータなどの交流機器における整流回路、雑音防止回路、共振回路等に装備されるコイル装置に用いられる磁芯に関するものである。
　各種交流機器の回路に搭載されるコイル装置は、環状の磁芯にコイルを巻装して構成される。
　巻線を容易に行なうために、円環状のトロイダル磁芯の一部を磁路方向に幅を持たせて切断した隙間部を形成し、該隙間部から導線を通しつつ巻き付けたコイル装置が提案されている(例えば特許文献１の従来の技術の図１０参照)。
　上記コイル装置においては、導線は１ターンずつ手作業により巻き付ける必要があり、製造効率に劣る。
　そこで、棒状の磁芯を図１４(ａ)に示すように、直線部(71)を具えた略円形となるように屈曲し、一方の端面(72)が直線部(71)の側面(73)と向かい合うように隙間部(74)を形成したコイル装置(70)も提案されている(例えば特許文献１及び特許文献２参照)。
特許第４６０３７２８号公報 特許第４７４５５４３号公報
　しかしながら、上記コイル装置(70)においては、隙間部(74)を形成する端面(72)は、該端面(72)よりも面積の大きい直線部(71)の側面(73)と対向する。従って、図１４(ｂ)に示すように、端面(72)と側面(73)との間で磁束(図中矢印で示す)が漏洩し、インダクタンス値の低下を招く。特に、漏れ磁束が導線(75)を回避すると、巻数の二乗に比例した所期のインダクタンスを発揮することはできない。また、漏れ磁束が導線(75)と鎖交することによって生じる渦電流によって、所謂銅損が増大し、また磁束が主磁路から逸脱することから、磁芯に不要の渦電流損が生じることから発熱の原因となる。
　さらに、上記特許文献２では、段落[００３３]において、前記隙間(74)に磁性又は非磁性によるギャップ材を埋め戻すことで、インダクタンス値を高くしたり、漏れ磁束を抑えたり、磁歪による磁芯の振動を抑えることが開示されている。
　ところが、現実的には、せいぜい非磁性のギャップ材を隙間部に接着固定して、磁歪による磁芯の振動を抑制したり、磁気引き付け現象による振動音低減などに留まっているのが実態であり、特に磁性を有するギャップ材による埋め戻しは、磁気特性や磁性材料の工法及び加工精度、表面粗度のばらつき管理などが必要となり、これらに伴って製造コストの上昇や製造効率の低下を避けることは難しいため、一般的に実用化が困難である。
　また、非磁性ギャップ材に代えて、磁性粉を接着剤と混合した磁性材を作製し、隙間部に塗布することでインダクタンス値を高くすると共に漏れ磁束を抑制する方法も知られている。しかしながら、磁性粉を混合した接着剤の粘度が作業限界のペースト状となるまで混合割合を増加させても、透磁率は２～５程度の一桁台に留まる。このため、インダクタンスを向上したり漏れ磁束が低減するといった一定の効果はあるものの、その活用範囲は極低磁場に限られると共に、反って高磁場時の磁気飽和特性は悪化する欠点があることが直流重畳特性から判っている。
　本発明の目的は、製造効率にすぐれ、初期のインダクタンスが大きく、安定した直流重畳特性を有する涙滴状磁芯及びこれを用いたコイル装置を提供することである。
　本発明に係る涙滴状磁芯は、
　磁性材料からなり、コイル装置に用いられる磁芯であって、
　一端が直角に屈曲した曲部により連続する直線状の第１直線部と第２直線部と、
　該第１直線部と第２直線部の他端どうしを連繋する円弧状の円弧部と、
　を具える。
　前記曲部は、外周面及び内周面が円弧状とすることができる。
　前記第１直線部は、磁路に直交する方向に切断された隙間部を有し、該隙間部は、前記曲部側の第１端面と、該第１端面と対向し、略同一面積である第２端面を具えることができる。
　前記隙間部には、磁性材料からなるギャップ用磁芯を挿入することができる。
　前記ギャップ用磁芯と、前記隙間部の第１端面及び第２端面との間には、ギャップが形成されることが望ましい。
　前記第１直線部、曲部、第２直線部及び円弧部は、前記隙間部の第１端面及び第２端面を除き、電気絶縁性の樹脂により被覆することができる。
　また、本発明に係る涙滴状磁芯を用いたコイル装置は、上記涙滴状磁芯に、巻線を施してなる。
　前記コイル装置は、涙滴状磁芯に、前記隙間部から予め巻線したコイルを挿入して構成することができる。
　本発明に係る涙滴状磁芯は、第１直線部と第２直線部を有しているから、涙滴状磁芯の周面に樹脂被覆を行なう際、巻線を施す際、隙間部を形成する際などの作業時に、インサート成型機、巻線機、巻線用の治具、隙間部を形成するための切断機への取付け、位置決めを容易に行なうことができ、また、取付時や位置決め時、さらには作業時における涙滴状磁芯のずれを抑えて、効率よく巻線等の前記作業を行なうことができる。
　また、本発明に係る涙滴状磁芯は、曲部を円弧状とすることで、磁路を全体に亘って略同一とすることができる。
　本発明に係る涙滴状磁芯は、隙間部は、略同一面積である第１端面と第２端面が対向しているから、隙間部からの磁束の漏洩を抑えることができ、漏れ磁束に起因するインダクタンスの低下や渦電流損などを可及的に低減できる。また、隙間部は、涙滴状に形成された磁芯を切断することで形成することができ、棒状の磁芯を屈曲させて作製する場合に比して、寸法精度を可及的に高めることができる。
　本発明に係る涙滴状磁芯は、前記隙間部に磁性材料からなるギャップ用磁芯を挿入することで、隙間部を埋めて所望の磁気特性を得ることができる。特に、前記ギャップ用磁芯と、前記隙間部の第１端面及び第２端面との間に、夫々ギャップを形成することで、ギャップ用磁芯が隙間部内で多少位置ずれしていても、インダクタンス値を維持したままで漏れ磁束の大きさを分散し、分布拡大を抑制することができる。
　本発明に係る涙滴状磁芯は、隙間部を形成する前に、予め電気絶縁性の樹脂により被覆し、被覆の後、前記樹脂と共に第１直線部を切断することで、隙間部を形成することができ、これにより隙間部を形成する第１端面と第２端面が樹脂で被覆されることなく、第１直線部、曲部、第２直線部及び円弧部が樹脂被覆された涙滴状磁芯を得ることができる。
　本発明に係る涙滴状磁芯は、前記第２直線部の内周面に被覆された表面が、前記隙間部の第１表面に連続することで、コイル装置を作製する際に、予め巻線したコイルを、曲部側から隙間部を通して第２直線部に挿入し、さらに押し込むことで円弧部、第１直線部に予め巻回したコイルに装着することができる。
図１は、本発明の涙滴状磁芯の一実施形態を示す斜視図である。 図２は、図１の涙滴状磁芯に直接コイルを巻回してなるコイル装置の平面図である。 図３は、隙間部を形成した本発明の涙滴状磁芯の一実施形態を示す斜視図である。 図４は、図３の涙滴状磁芯に予め巻回したコイルを挿入する工程を示す平面図である。 図５は、隙間部にギャップ用磁芯を挿入したコイル装置の部分断面図である。 図６は、図１に示した涙滴状磁芯を絶縁樹脂にて被覆した磁芯被覆体の斜視図である。 図７は、図６の線７－７に沿う断面図である。 図８は、図６の磁芯被覆体に直接コイルを巻回してなるコイル装置の平面図である。 図９は、隙間部を形成した磁芯被覆体の斜視図である。 図１０は、図９の磁芯被覆体に予め巻回したコイルを挿入する工程を示す平面図である。 図１１は、図１０により作製されたコイル装置の平面図である。 図１２は、隙間部にギャップ用磁芯を挿入したコイル装置の部分断面図である。 図１３は、実施例における直流重畳特性を示すグラフである。 図１４(ａ)は、背景技術にて説明したコイル装置の平面図、図１４(ｂ)は、隙間部の部分拡大図である。
　以下、本発明に係る涙滴状磁芯(10)を用いたコイル装置(20)の一実施例について、図面を参照しながら説明を行なう。
＜第１実施形態＞
　第１実施形態は、本発明に係る涙滴状磁芯(10)にコイル(21)を直巻きしたコイル装置(20)について説明する。
　図１は、本発明に係る涙滴状磁芯(10)の斜視図である。涙滴状磁芯(10)は、磁性材料から作製される。
　涙滴状磁芯(10)を構成する磁性材料として、鉄系、鉄－ケイ素系、鉄－アルミニウム－ケイ素系、鉄－ニッケル系の材料、鉄系やＣｏ系のアモルファス材料などを例示できる。涙滴状磁芯(10)は、これら磁性材料からなる薄板を積層又は巻回した積層磁芯、これら磁性材料からなる粉末を加圧成形してなる圧粉磁芯、または磁性材料からなる粉末を焼結してなるフェライト磁芯とすることができる。これらの製法により作製する涙滴状磁芯(10)は環状であり、隙間部を後加工で形成するので、棒状の磁芯を屈曲させた形状に比して高い寸法精度とすることができる。
　涙滴状磁芯(10)は、図１に示すように、一端が略直角に屈曲した曲部(16)により連続する直線状の第１直線部(11)と第２直線部(15)と、該第１直線部(11)と第２直線部(15)の他端どうしを連繋する円弧状の円弧部(17)と、を具える。
　より詳細には、図１に示すように、第１直線部(11)と第２直線部(15)は、略同一の長さＬに形成され、第１直線部(11)と第２直線部(15)とを繋ぐ曲部(16)は、円弧角が略９０°、内周面(18)と外周面(19)が夫々内径ｒとＲ(但しｒ＜Ｒ)の同心円弧状に形成される。また、第１直線部(11)と第２直線部(15)の他端どうしを繋ぐ円弧部(17)も円弧角が略２７０°の同心の円弧状に形成され、磁芯(10)は内周面(18)及び外周面(19)が夫々涙滴状となっている。なお、説明を判り易くするために、図１では、第１直線部(11)、曲部(16)、第２直線部(15)、円弧部(17)の各境界を破線で示している。
　涙滴状磁芯(10)は、内周面(18)及び外周面(19)に対して垂直に切断したときに、何れの位置においても断面積が略同一となるように形成することが望ましく、図示のように断面矩形とすることが好適である。なお、涙滴状磁芯(10)の断面形状は、矩形に限定されず、円形、楕円形などとしてもよい。
　上記のように、涙滴状磁芯(10)の断面積が略同一となるように構成することで、後述するとおりコイル装置(20)を構成したときに、主磁路の面積を略同一とすることができ、安定したインダクタンス特性を得ることができる。
　上記涙滴状磁芯(10)は、図示省略するクランプ等の治具に取り付けて、コイル(21)をなす導線(22)が巻き付けられる。治具は、例えば曲部(16)を把持して涙滴状磁芯(10)を固定することができる。このとき、磁芯(10)が涙滴状であって、第１直線部(11)と第２直線部(15)が直線状であるから、治具への位置決めを容易に行なうことができる。
　導線(22)は、手作業又は巻線機により涙滴状磁芯(10)に巻回されてコイル(21)をなし、図２に示すようにコイル装置(20)が作製される。
　巻線を行なう際に、上記では実質的に手作業に頼らざるを得ず、コイル装置(20)の製造効率に劣る。そこで、図３に示すように、図１の涙滴状磁芯(10)の一部を切断して隙間部(12)を形成し、該隙間部(12)から導線(22)を通しながら巻き付けることで、製造効率を高めることができる。
　さらには、図４に示すように、予め導線(22)を巻回したコイル(21)(所謂空芯コイル)を隙間部(12)から通すことで、製造効率を可及的に高めることもできる。
　隙間部(12)は、例えば、曲部(16)と第１直線部(11)の境界(図１中破線で示す)から第１直線部(11)側に所望の幅で略垂直に第１直線部(11)を切断することで形成できる。隙間部(12)の前記境界側の端面を第１端面(13)、該第１端面(13)と対向する面を第２端面(14)としたときに、第１端面(13)は、第２直線部(15)の内周面(18)よりも曲部(16)の内周面(18)の曲率半径ｒの分だけ飛び出すように形成されて第２直線部(15)の内周面(18)とは同一平面になく、且つ、第１端面(13)と第２端面(14)は、曲面部分ではなく第１直線部(11)を切断することで同一面積で対向するから、曲面部分に形成した場合に比して磁路の近距離方向へ集中する漏れ磁束を回避することができ、これに起因する渦電流損も低減できる。
　また、隙間部(12)は、第１端面(13)及び第２端面(14)の面積が、第１直線部(11)の垂直断面と同一面積であるから、端面(13)(14)間における磁束の漏れも磁路方向に正確な安定したものになる。
　涙滴状磁芯(10)を第１直線部(11)で切断しているから、曲面部分で切断する場合に比して、砥石や切断刃の逃げを抑えることができ、隙間部(12)の形成も容易で且つ高精度となる。
　隙間部(12)には、図５に示すように、磁性材料からなるギャップ用磁芯(30)を挿入することができる。
　ギャップ用磁芯(30)は、鉄系、鉄－ケイ素系、鉄－アルミニウム－ケイ素系、鉄－ニッケル系の材料、鉄系やＣｏ系のアモルファス材料などの磁性材料から作製される。ギャップ用磁芯(30)は、これら磁性材料からなる薄板を積層又は巻回した積層磁芯、これら磁性材料からなる粉末を加圧成形してなる圧粉磁芯、または磁性材料からなる粉末を焼結してなるフェライト磁芯を例示できる。積層磁芯の場合、所望形状に打ち抜いた薄板をかしめたり、端面を溶接することでブロック化することが望ましい。
　ギャップ用磁芯(30)を隙間部(12)に挿入することで、隙間部(12)を埋めて所望の磁気特性を得ることができる。特に、ギャップ用磁芯(30)と、隙間部(12)の第１端面(13)及び第２端面(14)との間に、夫々ギャップＧが形成されるようにギャップ用磁芯(30)を挿入することで、ギャップ用磁芯(30)が隙間部(12)内で多少位置ずれしていても、インダクタンス値を維持したままで漏れ磁束の大きさを分散し、分布拡大を抑制することができる。
　ギャップ用磁芯(30)を隙間部(12)に挿入することで、隙間部(12)における漏れ磁束の拡大を抑制できるから、ギャップ用磁芯(30)に重なるようにコイル(21)を密に巻回することができるので、渦電流による銅損への影響を抑制しつつ、インダクタンスを増大させることができる。
　なお、ギャップ用磁芯(30)は、上記に限定されるものではなく、性能や製造効率は劣るが、極低磁場におけるインダクタンス確保などの所望特性を求め、磁性材料を接着剤と混合したペースト状のもので隙間部(12)を埋めるようにしてもよい。
　本発明では、上記のように涙滴状磁芯(10)に第１直線部(11)と第２直線部(15)を設けたことで、同じ直径のトロイダル磁芯に比して磁路長を約５％長くすることができ、また、窓面積も約５％大きくすることができる。これにより、インダクタンス値を約１４％向上させることができる。
＜第２実施形態＞
　第２実施形態は、図６及びその断面図である図７に示すように、前記第１実施形態において図１を用いて説明した涙滴状磁芯(10)を電気絶縁性の樹脂(41)により被覆した磁芯被覆体(40)にコイル(21)を巻回したコイル装置(20)について説明する。なお、第１実施形態と共通する部分は適宜説明を省略する。
　涙滴状磁芯(10)への樹脂被覆は、インサート成型により行なうことができる。このとき、涙滴状磁芯(10)に第１直線部(11)及び第２直線部(15)が設けられているから、インサート成型機内での位置決めピンを直線部(11)(15)に当てることで、位置決めや固定を容易に行なうことができる。
　また、予め樹脂製のケース半体を作製しておき、涙滴状磁芯(10)に一対のケース半体を被せることで、樹脂被覆して、磁芯被覆体(40)を形成することもできる。
　上記磁芯被覆体(40)は、図示省略するクランプ等の治具に取り付けて、コイル(21)をなす導線(22)が巻き付けられる。治具は、例えば曲部(16)側を把持して磁芯被覆体(40)を固定することができる。このとき、磁芯被覆体(40)が涙滴状であって、直線部を有するから、治具への位置決めを容易に行なうことができる。
　導線(22)は、手作業又は巻線機により磁芯被覆体(40)に巻回されてコイル(21)をなし、図８に示すようにコイル装置(20)が作製される。
　また、図７に示すように、図６の磁芯被覆体(40)の一部を切断して隙間部(12)を形成し、該隙間部(12)から導線(22)を通しながら巻き付けることで、コイル装置(20)(図１１参照)の製造効率を高めることができる。
　さらには、図１０に示すように、予め導線(22)を巻回したコイル(21)(所謂空芯コイル)を隙間部(12)から通すことでコイル装置(20)(図１１参照)を作製することもでき、これにより、コイル装置(20)の製造効率を可及的に高めることができる。
　隙間部(12)は、例えば、涙滴状磁芯(10)の曲部(16)と第１直線部(11)の境界(前述の図１中破線で示す)から第１直線部(11)側に所望の幅で略垂直に第１直線部(11)を切断することで形成できる。隙間部(12)の前記境界側の端面を第１端面(13)、該第１端面(13)と対向する面を第２端面(14)としたときに、第１端面(13)は、第２直線部(15)の内周面(18)よりも曲部(16)の内周面の曲率半径ｒの分だけ飛び出すように形成されて第２直線部(15)の内周面(18)とは同一平面になく、且つ、第１端面(13)と第２端面(14)は、曲面部分ではなく第１直線部(11)を切断することで同一面積で対向するから磁束の漏洩も抑制でき、これに起因する渦電流損を低減することができる。
　涙滴状磁芯(10)を樹脂被覆した後切断して隙間部(12)を形成することで、第１直線部(11)、曲部(16)、第２直線部(15)及び円弧部(17)は、隙間部(12)の第１端面(13)及び第２端面(14)を除き、樹脂により被覆されている磁芯被覆体(40)を作製することができる。
　また、隙間部(12)は、第１端面(13)及び第２端面(14)の面積が、第１直線部(11)の垂直断面と同一面積であるから、端面(13)(14)間における磁束の漏洩もほとんど生じない。
　磁芯被覆体(40)は、直線部で切断しているから、曲面部分で切断する場合に比して、砥石や切断刃の逃げを抑えることができ、隙間部(12)の形成も容易で且つ高精度となる。
　上記のように、磁芯被覆体(40)に隙間部(12)を形成する場合、空芯コイル(21)を挿入する際に、隙間部(12)の第１端面(13)と第２直線部(15)の樹脂被覆された内面との段差をなくして、空芯コイル(21)の挿入を容易とするために、図９に示すように、被覆される樹脂(41)の厚さＤは、曲部(16)の内周面の曲率半径ｒ、即ち、第２直線部(15)からの第１端面(13)の飛び出し量と略同一とすることが望ましい。
　また、隙間部(12)には、図１２に示すように、磁性材料からなるギャップ用磁芯(30)を挿入することができる。ギャップ用磁芯(30)については、第１実施形態に詳細を示している。
　ギャップ用磁芯(30)を隙間部(12)に挿入することで、隙間部(12)を埋めて所望の磁気特性を得ることができる。特に、ギャップ用磁芯(30)と、隙間部(12)の第１端面(13)及び第２端面(14)との間に、夫々ギャップＧが形成されるようにギャップ用磁芯(30)を挿入することで、ギャップ用磁芯(30)が隙間部(12)内で多少位置ずれしていても、インダクタンス値を維持したままで漏れ磁束の大きさを分散し分布拡大を抑制することができる。
　また、ギャップ用磁芯(30)を隙間部(12)に挿入することで、隙間部(12)における漏れ磁束の拡大を抑制できるから、ギャップ用磁芯(30)に重なるようにコイル(21)を密に巻回することができるので、渦電流による銅損の影響を抑制しつつ、インダクタンスを増大させることができる。
　なお、ギャップ用磁芯(30)は、上記に限定されるものではなく、性能や製造効率は劣るが、磁性材料を接着剤と混合したペースト状のもので隙間部(12)を埋めるようにしてもよい。
　本発明では、上記のように涙滴状磁芯(10)に第１直線部(11)と第２直線部(15)を設けたことで、磁芯被覆体(40)は、同じ直径のトロイダル磁芯に比して磁路長を約５％長くすることができ、また、窓面積も約５％大きくすることができる。これにより、インダクタンス値を約１４％向上させることができる。
　上記第１実施形態及び第２実施形態では、第１直線部(11)に隙間部(12)を形成しているが、第２直線部(15)に隙間部を形成してもよいことは勿論である。
　上記した第２実施形態のコイル装置(20)(発明例１乃至発明例３)について、直流重畳特性の比較を行なった。
　涙滴状磁芯(10)は、第１直線部(11)及び第２直線部(15)の長さＬが７．１ｍｍ、厚さ、即ち内周面(18)と外周面(19)と差は４．７５ｍｍ、曲部(16)の内周面(18)の曲率半径ｒが１．２ｍｍ、外周面(19)の曲率半径Ｒが６ｍｍ、高さ１５ｍｍ、円弧部(17)の直径が２３．７ｍｍに形成した。また、涙滴状磁芯(10)は、方向性ケイ素鋼板を用いて、涙滴状に巻き取り巻終わり部を溶接固定したものである。
　上記涙滴状磁芯(10)を厚さ１．２ｍｍの絶縁性樹脂(41)により被覆し、幅２ｍｍの隙間部(12)を形成した。発明例２及び発明例３については、該隙間部(12)に以下に示すギャップ用磁芯(30)を充填又は挿入した。
　発明例１は、隙間部(12)の埋め戻しを行なっていない実施例である。
　発明例２は、隙間部(12)にセンダスト粉(Ｆｅ－Ａｌ－Ｓｉ組成)を用いた磁性材料粉と１液性エポキシ系接着剤を重量比８０：２０で混合した高粘度ペースト状の接着剤により埋め戻している。
　発明例３は、無方向性ケイ素鋼板０．２ｍｍ厚を使用し、打ち抜き積層し端面部を溶接にて固定しブロック化した、幅１ｍｍのギャップ用磁芯(30)を隙間部(12)に挿入した実施例であり、ギャップ用磁芯(30)と第１端面(13)、第２端面(14)との間に夫々０．５ｍｍのギャップＧを設けた実施例である。
　上記発明例１乃至発明例３について、直流バイアス電流を印加し、直流重畳特性を比較した。結果を図１３に示す。
　図１３を参照すると、発明例１は、インダクタンス値は発明例３に比して低いが、安定した磁気飽和特性を有することがわかる。
　また、発明例２は、発明例１及び発明例３に比して、初期インダクタンス値を高くすることができる。一方で、直流バイアス電流が大きくなるにつれて、インダクタンス値のドロップ率が高いことがわかる。
　発明例３は、発明例１よりも磁気飽和特性にすぐれ、隙間部(12)に無方向性ケイ素鋼板を積層してブロック化したギャップ用磁芯(30)を挿入したことで、積極的に微小な空隙を設けることができ、磁芯の仕上がり寸法精度に頼ることなく磁気特性を安定させることができたことがわかる。このため、隙間部(12)をギャップ用磁芯(30)の寸法で調整することができ、容易に低コストで所望の磁気特性を確保することができる。
　また、ギャップ用磁芯(30)を挿入したことで、インダクタンス値を向上させることができ、さらには、直線部分に形成された第１端面(13)と第２端面(14)により、磁路の近距離方向へ集中する漏れ磁束を回避でき、効率的にインダクタンスを向上させることができる。
　なお、発明例３について、隙間部(12)に挿入するギャップ用磁芯(30)は、主磁束が通過する方向に対して直角になる両側面にほぼ同一幅のギャップＧを２カ所形成している。このギャップＧについて、ギャップ用磁芯(30)の位置が中央から僅かに位置ずれしたコイル装置(20)を作製して、上記と同様に直流重畳特性を測定したところ、インダクタンス値を維持したまま、漏れ磁束のバラツキを抑制できた。従って、発明例３のコイル装置(20)は、組立時にギャップ用磁芯(30)の取付精度の誤差を許容できる実用度の高いコイル装置であることがわかる。
　本発明は、製造効率にすぐれ、初期のインダクタンスが大きく、安定した直流重畳特性を有する涙滴状磁芯及びこれを用いたコイル装置として有用である。
(10)　涙滴状磁芯
(11)　第１直線部
(12)　隙間部
(13)　第１端面
(14)　第２端面
(15)　第２直線部
(16)　曲部
(17)　円弧部
(20)　コイル装置
(30)　ギャップ用磁芯
(40)　磁芯被覆体

Claims (12)

  1. 　磁性材料からなり、コイル装置に用いられる磁芯であって、
    　一端が直角に屈曲した曲部により連続する直線状の第１直線部と第２直線部と、
    　該第１直線部と第２直線部の他端どうしを連繋する円弧状の円弧部と、
    　を具える涙滴状磁芯。
  2. 　前記曲部は、外周面及び内周面が円弧状である請求項１に記載の涙滴状磁芯。
  3. 　前記第１直線部は、磁路に直交する方向に切断された隙間部を有し、該隙間部は、前記曲部側の第１端面と、該第１端面と対向し、略同一面積である第２端面を具える請求項１又は請求項２に記載の涙滴状磁芯。
  4. 　前記第１端面は、前記第２直線部の内周面とは同一平面にない請求項３に記載の涙滴状磁芯。
  5. 　前記隙間部には、磁性材料からなるギャップ用磁芯が挿入される請求項３又は請求項４に記載の涙滴状磁芯。
  6. 　前記ギャップ用磁芯と、前記隙間部の第１端面及び第２端面との間には、ギャップが形成される請求項５に記載の涙滴状磁芯。
  7. 　前記ギャップ用磁芯は、積層磁芯、圧粉磁芯又は焼結磁芯である請求項５又は請求項６に記載の涙滴状磁芯。
  8. 　前記第１直線部、曲部、第２直線部及び円弧部は、積層磁芯、圧粉磁芯又は焼結磁芯である請求項１乃至請求項７の何れかに記載の涙滴状磁芯。
  9. 　前記第１直線部、曲部、第２直線部及び円弧部は、前記隙間部の第１端面及び第２端面を除き、電気絶縁性の樹脂により被覆されている請求項２乃至請求項８の何れかに記載の涙滴状磁芯。
  10. 　前記第２直線部の内周面に被覆された樹脂の表面は、前記隙間部の第１端面に連続する請求項９に記載の涙滴状磁芯。
  11. 　請求項１乃至請求項１０の何れかに記載の涙滴状磁芯に、巻線を施してなるコイル装置。
  12. 　請求項３乃至請求項１０の何れかに記載の涙滴状磁芯に、前記隙間部から予め巻線したコイルを挿入して構成されるコイル装置。
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