(57)【要約】【課題】常温時に流していた常温時の許容電流値以下の電流を、そのまま、高温になっても一次側コイルに流すと、高温時の許容電流値を超えてしまう場合には、一次側のスイッチング素子を損傷させてしまうことがある。そこで、トランスに流すことができる許容電流値を、常温における許容電流値より低い高温時の許容電流値に設定しなくてはならない。従って、トランスが有する最大の許容電流値まで電流を流すことができないので、トランスを小型化してトランスの性能を効果的に利用することができないという課題がある。【解決手段】磁路の少なくとも１箇所以上のギャップにスペーサを備え、前記スペーサは、線膨張係数が高く、耐熱性が高い、非金属であることを特徴とする磁気コアを提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁路の少なくとも１箇所以上のギャップにスペーサを備え、
前記スペーサは、線膨張係数が高く、耐熱性が高い、非金属であることを特徴とする磁気コア。
【請求項２】
一次側コイルと二次側コイルとで巻かれた請求項１に記載の磁気コアを備えたことを特徴とするトランス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気コア及び磁気コアを有するトランスに関する。
【背景技術】
【０００２】
一次側に流れる直流電流をスイッチングするスイッチング素子と、一次側の電圧を二次側の電圧に変圧するトランスとを用いて、二次側の回路に直流電圧を供給する。このようなトランスでは、一次側に流れる電流を増大させていくと、一定の電流値の範囲では、一定のインダクタンスを保持し、さらに直流電流を増大させると、コアの磁束が飽和し、インダクタンスが急激に低下する直流重畳特性を有する。インダクタンスが急激に低下すると、一次側に備えられたスイッチング素子に過大な直流電流が急激に流れるので、スイッチング素子を損傷させることがある。そのため、一次側巻線に最大に電流が流れる場合においても、コアの磁束が飽和しない直流重畳特性のトランス設計を行っている。
そこで、例えば、特許文献１では、磁気コアの磁路におけるギャップに、ボンド磁石を挿入して、直流重畳特性を向上させて許容電流値を上げている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１３６１２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図８にコアのＢ−Ｈ曲線のグラフを示す。横軸Ｈは磁界の強さを示し、縦軸Ｂは磁束密度を示す。Ｑ１点からＱ２点の曲線と矢印Ｄ１に示すように、初め全く磁化されていないコアに磁界Ｈを０から次第に強くしていくと、Ｑ２点で磁束密度Ｂは最大値に達する。この現象が磁気飽和であり、このときのＱ２点における磁束密度が飽和磁束密度Ｂｍａｘである。この状態から磁界Ｈを弱くしていくと、Ｑ２点からＱ３点の曲線を矢印Ｄ２の方向にたどって変化し、磁界Ｈが０になっても、磁束密度は０にならない。このときのＱ３点における磁束密度が残留磁束密度Ｂｒである。Ｑ２点からＱ３点における磁束密度の変化量をΔＢとすると、磁束密度の変化量ΔＢは、磁束密度Ｂｍａｘから磁束密度Ｂｒを差し引いて得られる（ΔＢ＝Ｂｍａｘ−Ｂｒ）。
【０００５】
図８のＫ１点からＫ２点に示す曲線と、Ｋ２点からＫ１点に示す曲線は、トランスの実働状態における磁束密度の変化を示す曲線である。Ｋ１点からＫ２点（Ｋ２点からＫ１点）における磁束密度の変化量をΔＲとすると、トランスの実働状態における磁束密度の変化量ΔＲは、磁束密度Ｂ２から磁束密度Ｂ１を差し引いて得られる（ΔＲ＝Ｂ２−Ｂ１）。トランスの実働状態における磁束密度の変化を考慮すると、いかなる場合においても、トランスの実働状態における磁束密度の変化量ΔＲが、上述の磁束密度の変化量ΔＢより小さくなるような設計をしなければならない（ΔＲ＜ΔＢ）。Ｋ１点からＫ２点及びＫ２点からＫ１点に示す曲線は、ΔＲ＜ΔＢを満足するトランスの実働状態の曲線を示しており、一般にマイナーループと呼ばれる。
【０００６】
図９に代表的なフェライトコアＭＬ２４Ｄ（日立金属）の特性の抜粋を示す。２３℃環境の飽和磁束密度Ｂｍａｘは４９０ｍＴ（単位：ミリテスラ）、残留磁束密度Ｂｒは１４０ｍＴである。さて、トランスの巻線に電圧が印加されると励磁電流が流れて、磁束密度ＢがΔＲだけ上昇して磁束密度Ｂ２に達する。次にスイッチングトランジスタがＯＦＦすると、蓄積エネルギーを放出しながら磁束密度Ｂ１の点まで戻る。これが実働状態におけるトランスの磁束密度Ｂの変化量ΔＲであり、上述したように、ΔＲ＝Ｂ２−Ｂ１となる。仮にこのときの磁束密度Ｂ２を４００ｍＴ、磁束密度Ｂ１を１００ｍＴとすると、２３℃環境下では、飽和磁束密度Ｂｍａｘは４９０ｍＴであり、実働状態の最大値Ｂ２は４００ｍＴであるから、実働状態の最大値Ｂ２は飽和磁束密度Ｂｍａｘを超えないので、コアは飽和しない安全領域である。ところが、コアの飽和磁束密度Ｂｍａｘ及び残留磁束密度Ｂｒは温度係数を持っており、２３℃環境で４９０ｍＴのＢｍａｘは１００℃では３６０ｍＴになってしまう。トランスの実働状態で最大電流が流れる時の最大磁束密度Ｂ２＝４００ｍＴがコアの１００℃時の飽和磁束密度３６０ｍＴを超えてしまう。
【０００７】
このようにＢｍａｘ＜Ｂ２になるとコアは磁気飽和し、透磁率がなくなり、コアは空芯のコイル同様になりインダクタンスが急激に減る為過大な電流が流れ、スイッチング素子の破壊を招いてしまう。そのため、一般にトランスを設計する際は、温度が高温時に最大電流が流れる場合を想定して行う。具体的には、トランスを長時間に渡って使用していると、トランスの温度が高温になっている。このとき、一次側の電源を遮断し、すぐに電源を入れるという特殊操作を想定する。高温環境下におけるこの特殊操作の瞬間に磁気飽和しないことを実現する為に、通常の動作時における直流重畳特性は過剰なマージン設定にならざるをえず、トランスを小型化してトランスの性能を効果的に利用することができないという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題の一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］磁路の少なくとも１箇所以上のギャップにスペーサを備え、前記スペーサは、線膨張係数が高く、耐熱性が高い、非金属であることを特徴とする磁気コア。
【００１０】
この構成によれば、磁路の少なくとも１箇所以上のギャップに挿入されたスペーサが、線膨張係数が高く、耐熱性が高いことから、トランスの温度が上昇すると、磁束が流れる方向に線膨張するので、ギャップの磁束が流れる方向の長さが長くなる。さらに、スペーサは、透磁率が低いので、トランスが高温になったときに、直流重畳特性が劣化することを抑制し、許容電流値が低下することを抑制できる。従って、トランスが有する最大の許容電流値まで電流を流すことができるので、トランスを小型化してトランスの性能を効果的に利用することができる。
【００１１】
［適用例２］一次側コイルと二次側コイルとで巻かれた上記記載の磁気コアを備えたことを特徴とするトランス。
【００１２】
この構成によれば、トランスが高温になったときに、直流重畳特性が劣化することを抑制し、許容電流値が低下することを抑制できる。トランスが有する最大の許容電流値まで電流を流すことができるので、トランスを小型化してトランスの性能を効果的に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を具体化した実施例について図面に従って説明する。
（実施例）
図１は、本実施例の磁気コアの外観斜視図である。図１に示すように、本実施例の磁気コア１は、Ｅ型形状の磁気コア２，３を対向させたものである。磁気コア２，３の図面中央の対向する部分に、一次側のコイル（不図示）と二次側のコイル（不図示）を巻いてトランスを形成する。
【００１４】
一次側のコイルまたは二次側のコイルに電流が流れるとき、磁気コア２，３が対向する図面左側、中央、右側の部分が、図面上下方向に磁束が流れる磁路となる。
【００１５】
磁気コア２，３が対向する図面左側、中央、右側の部分には、それぞれギャップ４，５，６が設けられ、ギャップ４，６には、スペーサ７，８がそれぞれ挿入される。スペーサ７，８の図面上下方向の長さは、それぞれＬ１，Ｌ２である。
【００１６】
スペーサ７，８は、線膨張係数が高く、耐熱性が高く、透磁率が低い材質を用いる。例えば、線膨張係数が大きいポリプロピレン（１１０×１０-6／Ｋ）などの樹脂を用いる。
【００１７】
図２は、本実施例の磁気コア１を備えたトランス１５によって変圧する回路図である。商用交流電源１０からの交流電流を整流器１１によって直流電流に整流する。例えばパワーＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子１２によって一次側コイル１３に、導通と遮断とを繰り返した直流電流が入力される。図１の磁気コア１と一次側コイル１３と二次側コイル１４とから構成されるトランス１５によって変圧され、ダイオード１６によって一方向に流れる直流電流が二次側端子１７，１８に流れる。
【００１８】
図３は、トランス１５の直流重畳特性を示すグラフである。横軸は、一次側コイル１３に流れる直流電流値（Ａ）を示し、縦軸はトランス１５のインダクタンス（ｍＨ）を示す。
【００１９】
太い実線に示す曲線Ｍ１は、常温（例えば１８℃）における一次側コイル１３に流れる直流の電流値と、トランス１５のインダクタンスとの関係を示す。曲線Ｍ１に示すように、一次側コイル１３に流れる電流値を増加させると、一定の電流値の範囲では、インダクタンスｈ１を保持し、さらに電流値を増加させると、インダクタンスが低下する。
【００２０】
図４（ａ）は、トランス１５がインダクタンスｈ１を保持しているとき、一次側コイル１３に流れる直流電流の波形図である。横軸は時間を示し、縦軸は電流値を示す。図４（ｂ）は、インダクタンスが急激に低下したときの一次側コイル１３に流れる直流電流の波形図である。
【００２１】
曲線Ｍ１において、インダクタンスが急激に低下すると、図４（ｂ）の波形が示すように、図２のスイッチング素子１２に流れる電流値が急激に上昇する。このため、スイッチング素子１２を損傷させてしまう場合がある。
【００２２】
そこで、トランス１５は想定する最大電流が流れても飽和しない直流重畳特性になるように作りこむ。許容電流値は、次のようにして設定される。一次側コイル１３に流れる電流値を増加させたときに一定に保持されるインダクタンスから所定の割合（例えば２０％）だけ降下したインダクタンスの値における電流値を許容電流値とする。図３のＰ１は、インダクタンスｈ１から２０％降下したインダクタンスｈ３と、曲線Ｍ１との交点を示す。交点Ｐ１における直流電流値をトランス１５の許容電流値ｉ１とする。
【００２３】
次に、トランス１５が高温（例えば１００℃）になったときの直流重畳特性について説明する。図１のスペーサ７，８は、熱膨張によって膨張し、スペーサ７，８の長さＬ１，Ｌ２が長くなる。すなわち、ギャップ４，５，６における図面上下方向の長さが長くなる。
【００２４】
すると、トランス１５は、図３の太い破線に示す曲線Ｍ２に示すような直流重畳特性になる。曲線Ｍ２に示すように、一次側コイル１３に流れる電流値が増加すると、一定の電流値の範囲では、インダクタンスｈ２を保持する。さらに電流値を増加させると、インダクタンスが低下し、インダクタンスｈ３の値と交わる交点Ｐ１を通り、さらにインダクタンスが低下する。
【００２５】
このように、トランス１５が高温になっても、トランス１５の許容電流値は、交点Ｐ１に示す許容電流値ｉ１とすることができる。すなわち、常温におけるトランス１５の許容電流値と高温におけるトランス１５の許容電流値とを同じ許容電流値ｉ１とすることができ、トランス１５が常温から高温になっても、直流重畳特性は劣化しない。
【００２６】
尚、曲線Ｍ２に示すように、曲線Ｍ２における一定の値を保持するインダクタンスｈ２は、曲線Ｍ１における一定の値を保持するインダクタンスｈ１より小さいが、交点Ｐ１におけるインダクタンスｈ３を超えるので、スイッチング素子１２を損傷させることはない。
【００２７】
図５は、図１の磁気コア１のスペーサ７，８を取り除いた磁気コア１ａの外観斜視図である。ここで、本実施例とを比較するため、図５に示すように、ギャップ４，５，６にスペーサを挿入しない磁気コア１ａを備えたトランス（不図示）の直流重畳特性について説明する。図６は、図３のトランス１５の直流重畳特性を示す曲線Ｍ１，Ｍ２に、図５の磁気コア１ａを備えたトランスの直流重畳特性を示す太い一点鎖線の曲線Ｍ３を追加したグラフである。
【００２８】
磁気コア１ａにおいては、常温時におけるギャップ４，５，６の長さと高温におけるギャップ４，５，６の長さはほとんど同じである。すると、図６の曲線Ｍ３は、一定のインダクタンスを保持する電流値の範囲が、曲線Ｍ１，Ｍ２より小さくなる。さらに、一次側に流れる電流値を増加させると、曲線Ｍ３におけるインダクタンスは低下し、インダクタンスｈ３との交点Ｐ２を通る。交点Ｐ２における電流値が、磁気コア１ａを備えたトランスの許容電流値ｉ２となる。このように、磁気コア１ａを備えたトランスにおいては、常温から高温になると、許容電流値がｉ１からｉ２に低下し、直流重畳特性が劣化する。
【００２９】
磁気コア１ａを備えたトランスに、許容電流値ｉ１を超える電流値を流すと、インダクタンスが急激に低下しているので、スイッチング素子１２を損傷させる場合がある。従って、磁気コア１ａを備えたトランスでは、常温時の許容電流値ｉ１以下であっても、高温時では許容電流値ｉ２を超える電流を一次側コイル１３に流すことができない。
【００３０】
以上説明したように、本実施例における磁気コア１は、磁路の少なくとも１箇所以上のギャップにスペーサ７，８を備え、スペーサ７，８は、線膨張係数が高く、耐熱性が高い非金属である。
【００３１】
この構成によれば、線膨張係数が高く、耐熱性が高いことから、トランス１５の温度が上昇すると、線膨張するので、磁気コア１の磁路におけるギャップ４，６の長さＬ１，Ｌ２が長くなる。さらに、透磁率が低いスペーサ７，８がギャップ４，６に備えられるので、磁気飽和することを抑制することができる。従って、直流重畳特性が劣化することを抑制し、許容電流値が低下することを抑制できる。
【００３２】
また、一次側コイル１３と二次側コイル１４とで巻かれた磁気コア１を備えたトランス１５では、高温における許容電流値と、常温における許容電流値とを同じ値に設定することができる。従って、トランス１５を小型化してトランス１５の性能を効果的に利用することができる。
【００３３】
図７は、図面中央のギャップ５にスペーサ９を備えた磁気コア１ｂの外観斜視図である。本実施例では、磁気コア２，３が対向する図１の図面左右のギャップ４，６にスペーサ７，８を備えたが、図７に示すように、図面中央のギャップ５にスペーサ９を備えた磁気コア１ｂであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】磁気コアの外観斜視図。
【図２】磁気コアを備えたトランスによって変圧する回路図。
【図３】トランスの直流重畳特性を示すグラフ。
【図４】（ａ）は、一次側コイルに流れる直流電流の波形図、（ｂ）は、インダクタンスが急激に低下したときの一次側コイルに流れる直流電流の波形図。
【図５】スペーサを取り除いた磁気コアの外観斜視図。
【図６】図５の磁気コアを備えたトランスの直流重畳特性を示す曲線を追加したグラフ。
【図７】中央のギャップにスペーサを備えた磁気コアの外観斜視図。
【図８】飽和を説明するＢ−Ｈ特性のグラフ。
【図９】コアの特性を抜粋した表。
【符号の説明】
【００３５】
１，１ｂ…磁気コア、４，５，６…ギャップ、７，８，９…スペーサ、１５…トランス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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