(57)【要約】【課題】磁気コアを効果的に冷却して温度上昇を抑えるとともに、この磁気コアを用いた電力変換機器の効率向上を図ることのできる磁気コアを提供する。【解決手段】例えばフェライト等の磁性材にこの磁性部材より高い熱伝導特性を有する高熱伝導材として例えば銅やアルミニウム等の金属を混入して磁気コアを生成する。【選択図】図３
2009164326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の磁性材にこの磁性材よりも高い熱伝導特性を有する高熱伝導材を混入して生成したことを特徴とする磁気コア。
【請求項２】
前記磁気コアは、該磁気コアに捲き回されて取り付けられる巻線の近傍における前記高熱伝導材の含有率を他の前記磁気コアの部位より高めたことを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項３】
前記高熱伝導材は、銅またはアルミニウムの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気コア。
【請求項４】
電磁誘導によって電力を変換する電力変換機器に適用される磁気コアであって、
前記磁気コアは、該磁気コア内を周回する磁路に沿って内設して連通された空洞部と、
この空洞部に封入されて、前記磁気コアに生じた熱を受け取る流体と
を備えることを特徴とする磁気コア。
【請求項５】
前記空洞部は、前記磁気コアに捲き回されて取り付けられる巻線の近傍における断面積を他の部位より狭め、かつ複数の空洞としたものである請求項４に記載の磁気コア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気コアに係り、詳しくは電力変換装置における変圧器やリアクトルに用いられる磁気コアおよびその磁気コア近傍に捲き回される巻線の温度上昇を抑制するに好適な磁気コアに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電磁誘導を利用した例えば変圧器のような電力変換機器において、巻線が捲き回されている変圧器鉄心（磁気コア）の箇所は、磁気コアの鉄損によって生じる熱と、巻線の銅損によって生じる熱が集中することに加え、巻線自身あるいは変圧器を構成する絶縁シートやボビン等によって磁気コアへの冷却風が妨げられるので、磁気コア内部の温度上昇が最も著しくなることが知られている。
そして磁気コア内部の温度上昇が過大になると磁気コアや巻線付近の絶縁物質が溶け出し、絶縁破壊してしまうことがあった。また磁気コアの温度が上昇すると、磁気コア内の飽和磁束密度は低下し、それ故、磁気飽和により巻線に過大な電流が流れて他の部品を破損してしまう恐れもある。このため磁気コア等の磁気部品を設計する際には、磁気部品の最高到達温度に注意をする必要があった。
そこでこの種の電力変換機器は、上述したような温度上昇を抑制するため、大形ファンによって強制空冷したり、大きな磁気コアを使って磁気部品の表面積を増やすことによって放熱面積を増加させたり、巻線に線径の大きな部材を使用して損失を減らしたりすることが行われている。
或いは別の方法として磁気コア損等の磁気特性の温度依存性が異なる複数の組成からなるフェライトコアを、温度分布に対応した最適なフェライトコアの組成を選択して構成し、磁気部品を効果的に冷却する複合フェライトコアが試みられている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
または電磁誘導を利用した機器に用いられる磁気コア（鉄心）にヒートシンクを熱的に結合させて放熱させる熱放出装置も提唱されている（例えば、特許文献２を参照）。
【特許文献１】特開２００３-１６３１１０号公報
【特許文献２】特開平１０-１０６８４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら上述した特許文献２に開示される熱放出装置は、磁気コア表面に高熱伝導性物質層を設けているだけであって、表面での放熱性は改善されるものの、磁気コア中心部の温度は、磁気コアの表面や外周部に比べて高くなるという問題があった。特に磁気コアは、このような局所的に高温な部位が存在すると絶縁破壊や磁気飽和が発生して破損する恐れもある。
ちなみに磁気コアは、図６のグラフに示すように温度上昇が起こると一般に鉄損や銅損が増加する傾向にある。このため高温になる磁気コア中心部近傍における損失は、さらに増加し、より一層、磁気コアの発熱量が増加するという問題も生じる。
また図６のグラフに示したように磁気コア内で発生する損失は、温度によって変化する。このため磁気コアは、損失が最も少なくなる温度（例えば図６では、温度Ｔ１）で用いることが望ましい。しかしながら、磁気コア内部での温度勾配が大きいと、磁気コア表面や外周部において磁気コア内部で発生する損失が最少になる温度から逸脱する温度（例えば図６では温度Ｔ２）になる一方、磁気コア中心部の温度が上昇（例えば図６では、温度Ｔ３）すると、いずれも磁気コアの損失が増大して発熱量が増加し、磁気コアの温度が上昇する懸念がある。
【０００５】
この様な温度上昇を防ぐには、磁気コアの中心部と他の箇所での温度勾配を抑えればよい。このため一般的には大形の強制空冷ファンを用いて冷却を強化したり、磁気コア（磁気部品）を大形化させて表面積を増やし、冷却効果を高めたりしている。しかしながらこれらの方法は、装置が大形化し、高コスト化するという新たな問題が生じる。
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、磁気コアを効果的に冷却して温度上昇を抑えるとともに、この磁気コアを用いた電力変換機器の効率向上を図ることのできる磁気コアを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した目的を達成するため本発明に係る磁気コアは、例えばフェライト等の所定の磁性材にこの磁性材よりも高い熱伝導特性を有する高熱伝導材を混入して生成したことを特徴としている。
この磁気コアは、磁気コアの材料に高熱伝導特性を有する材料を添加し、コア内に分散させることで熱伝導特性を向上させる。
或いは本発明に係る磁気コアは、該磁気コアに捲き回されて取り付けられる巻線の近傍における前記高熱伝導材の含有率を他の前記磁気コアの部位より高めたことを特徴としている。
好ましくは前記高熱伝導材は、銅またはアルミニウムの少なくとも一方を含むことが望ましい。
上述の磁気コアは、高温部により多くの高熱伝導特性材料として、例えば銅またはアルミニウム等を含めることで、中心部分から外周部へ効率的に熱を分散させることができる。
或いは本発明の磁気コアは、磁気コア内を周回する磁路に沿って内設するようにして連通された空洞部と、この空洞部に封入されて前記磁気コアに生じた熱を受け取る流体とを備えることを特徴としている。
【０００７】
上述の磁気コアは、磁気コア内に空洞を設けて温度によって密度が変化する水等の流体を空洞部に封入し、磁気コア中心部と外周部との間の温度勾配によって流体を対流させて磁気コア中心部と外周部との間での熱伝達を向上させる。そして磁気コア中心部と外周部との温度差を抑える。
好ましくは前記空洞部は、前記磁気コアに捲き回されて取り付けられる巻線の近傍における断面積を他の部位より狭め、かつ複数の空洞を設けることが望ましい。
上述の磁気コアは、磁気コアに捲き回されて取り付けられる巻線の近傍（磁気コア中心部）のような他の部位（磁気コア外周部）に比べて高温部となる箇所では空洞径を小さく、かつ空洞の数を多くすることで、磁気コア中心部と外周部との間での効率的な熱伝達を行うことができ、それ故、磁気コア中心部と外周部との温度差が抑えられる。
或いは本発明の磁気コアは、上述した方法を適宜組み合わせることで、コア中心部と外周部との間での熱伝達を向上させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
上述したように本発明の磁気コアは、熱伝導特性を高めているので磁気コア中心部などに生ずる局所的な高温部を効果的に冷却することができる。したがって本発明の磁気コアを用いた電力変換機器は、鉄損や銅損を低減して高効率で、しかも絶縁物の劣化を抑え、安全に作動させることが可能となる。
また本発明の磁気コアは、磁気コア内の温度勾配を低減し、温度分布を均一化させることができる。これによって本発明の磁気コアを用いた電力変換機器は、磁気部品や冷却部品を小形・軽量化することができ、引いては機器の低コスト化、低損失化することが可能となる等の実用上多大なる効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態に係る磁気コアについて図面を参照しながら説明する。尚、図１〜図５は、本発明の一実施形態に係る磁気コアを説明するための図であって、これらの図によって本発明が限定されるものではない。
＜実施例１＞
さて、図１は、本発明の磁気コアが適用された変圧器の構造を示す斜視図であり、図２は、その断面図である。これらの図において１０は、例えばよく知られている二組のＥＥタイプの磁気コアであり、２は、この磁気コアに捲き回された巻線を示している。
概略的には上述したように構成された本発明の磁気コアが特徴とするところは、フェライト等の磁性材にこの磁性材より高い熱伝導特性を有する例えば銅、アルミニウム等の高い熱伝導特性を有する高熱伝導材を混入して磁気コア（高熱伝導材含有）１０生成した点にある。
より具体的には、磁気コアの主構成材料であるフェライト等の磁性材料に銅、アルミニウム、或いはその他、高熱伝導特性を有する材料の粉末を単独或いは複数混入させ、それを成形して焼結等を行い、例えば変圧器等の電力変換機器に適した磁気コア（高熱伝導材含有）１０を作成する。
【００１０】
このように構成された本発明の磁気コアは、磁気コアの主構成材料（例えばフェライト等の磁性材料）よりも高い熱伝導特性を持った異種材料を混入して磁気コア（高熱伝導材含有）１０を生成しているので従来の磁気コアに比べて熱伝導特性を向上させることができる。したがって本発明の磁気コアは、最も温度上昇する磁気コア（高熱伝導材含有）１０中心近傍の熱を効率的に磁気コアの全体へ分散させることができ、更には磁気コアの外周部分での熱放散による冷却と相まって効果的に温度上昇を抑制することが可能となる。
＜実施例２＞
次に本発明の実施例２に係る磁気コアについて図３に示した変圧器の断面図を参照しながら説明する。
この実施例２が上述した実施例１と異なるところは、高熱伝導材を混入して生成された磁気コア（高熱伝導材含有）１０に巻線２が捲き回された近傍、すなわち磁気コアの温度が最も上昇する中足部１０ａにおける熱伝導特性を向上させるため、中足部１０ａに高熱伝導材をより多く含有させて磁気コアを生成した点にある。
このように構成された本発明の実施例２に係る磁気コアは、より効果的に磁気コア（高熱伝導材含有）１０中心部近傍の熱をこの磁気コア全体へ分散させることができる。更に本発明の実施例２に係る磁気コアは、磁気コア（高熱伝導材含有）１０の外周部分での熱放散による冷却と相まって効果的に温度上昇を抑制することが可能となる。
＜実施例３＞
次に本発明の実施例３に係る磁気コアについて図４に示した変圧器の断面図を参照しながら説明する。なお、実施例３における磁気コアは、上述した実施例１，２に示したように高熱伝導材を混入して生成したものでもよいし、従来の磁気コアと同様な材質で生成したものでもかまわない。ここでは、従来の磁気コアと同質の磁性材（例えば、フェライト）で生成された磁気コア１として便宜的に説明する。
【００１１】
この実施例が上述した実施例１，２と異なるところは、磁気コア１の内部に磁気コア１内を周回して連通するように設けた空洞部２０と、この空洞部に封入されて、電磁誘導によって磁気コア１に生じた熱を吸収する流体２１を設けた点にある。
この流体２１としては、例えば水などのように温度差によって密度差が生じることで対流を起こすような流体が望ましい。
さて図４に示す変圧器の断面図において巻線２が捲き回される磁気コア１の中足部１ａにおける断面方向中心部は、最も温度上昇の著しい箇所である。一方、冷却が効果的に起こるのは磁気コア１の外周部１ｂである。このため磁気コア１の中足部１ａの中心部と外周部１ｂとの間には温度勾配が生じ、流体２１が矢印で示した経路のように対流する。
かくして本発明の実施例３に係る磁気コアは、磁気コア１における中心部の熱を磁気コア１全体へ分散させることができ、外周部１ｂでの熱放散による冷却よって磁気コア１の温度上昇を効果的に抑制することができる。
＜実施例４＞
次に本発明の実施例４に係る磁気コアについて図５に示した変圧器の断面図を参照しながら説明する。この実施例が上述した実施例３と異なるところは、磁気コア１の中足部１ａのように最も温度上昇が生じる磁気コア１の中心部近傍において、空洞部２０の径を小さく、かつ空洞部２０の本数を多く設けた点にある。
【００１２】
このように構成された本発明の実施例４に係る磁気コアは、磁気コア１の中足部１ａに生じた熱を磁気コア１全体へより効率的に分散させることができ、外周部１ｂでの熱放散による冷却と相まって温度上昇を効果的に抑制することができる。
尚、上述した実施例１〜４については、磁気コア１の冷却によってその鉄損が最少になる温度（例えば図６に示した温度Ｔ１）を維持して作動するように設定すれば磁気コア１の損失をより低減させることができ、更には磁気コア１の最も温度が高くなる中足部１ａ近傍の温度を下げることが可能となり巻線２の銅損を低減させることができる。
或いは、本発明の磁気コア１は、上述した実施例１〜４を適宜組み合わせて実施しても勿論かまわない。
このように本発明の磁気コアは、力率改善回路やＤＣ−ＤＣコンバータ、ＵＰＳおよびインバータなどの電力変換装置に用いられる変圧器やリアクトル、回転機器などの電力変換機器に適用される磁気部品として用いることで温度上昇を効果的に抑制しながら電力変換装置の効率を向上することができる等の実用上多大なる効果を奏する。
尚、本発明の磁気コアは、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例１に係る磁気コアを用いた変圧器の構造を示す斜視図。
【図２】図１に示す変圧器の断面図。
【図３】本発明の実施例２に係る磁気コアを用いた変圧器の構造を示す断面図。
【図４】本発明の実施例３に係る磁気コアを用いた変圧器の構造を示す断面図。
【図５】本発明の実施例４に係る磁気コアを用いた変圧器の構造を示す断面図。
【図６】変圧器の鉄損および銅損の温度依存性を示したグラフ。
【符号の説明】
【００１４】
２      巻線
１０    磁気コア（高熱伝導材含有）
２０    空洞部
２１    流体
【図１】
2009164326.tif 000003
【図２】
2009164326.tif 000004
【図３】
2009164326.tif 000005
【図４】
2009164326.tif 000006
【図５】
2009164326.tif 000007
【図６】
2009164326.tif 000008