JP2015515143A - 位置依存性の透磁率を有する軟磁性コア - Google Patents

Abstract

本発明は、コアの少なくとも２つの異なった個所に生じている透磁率が互いに異なっている軟磁性コアに関する。【選択図】 図１４

Description

本発明は、例えばインダクタンスの製造に用いられる軟磁性材料からなるコアに関する。

例えば直流−直流変換器（ＤＣ−ＤＣコンバータ）のような電子制御装置において、低透磁率コア材料を有する蓄積リアクトル、蓄積変成器又はフィルタリアクトルが、例えばエネルギー蓄積器として、しばしば使用される。このようなインダクタンス部品であるコアにおいては、構造形態に応じて、強く不均一な磁界分布が発生し得る。従って、コア材料は一般に、位置に関しては、最適に変調若しくは利用することができない。このことは、比較的対称性の高いリングコアリアクトルの場合でさえ、なおも顕著であり、外径に対する内径の比が、より大きいほど、最適性の低い解決結果がもたらされる。なぜなら、与えられたボリュームにおいて可能な最大のインダクタンスが達成されない、又は、与えられたインダクタンスにおいて最小若しくは低コストの解決結果しか得ることができないからである。

均一な透磁率分布を有する、現在の一般的なコアの場合には、上述のコア変調効果は、同様に、部分的な飽和効果によって、変調に依存した有効コア透磁率がもたらされる。それに伴って、例えば変流器における測定誤差の増大のような、部品特性の顕著な悪化が生じる。これは、現在のところ、広げられた飽和移行領域での動作を回避する相応のコアの冗長設計によってしか緩和することができず、このことが、更にまたコストを上昇させる。

本発明の課題は、ボリュームが同じと仮定したときに公知のコアに比べて改善された特性を有する、又は、特性が同じと仮定したときに少ないボリュームを有する、軟磁性コアを提供することにある。

上記の課題は、１つのコアにおける少なくとも２つの異なった個所で異なった透磁率が生じている軟磁性材料によって、解決される。

その「異なった透磁率」なる概念とは、２つの透磁率の差が製造公差及び測定精度によってひき起こされる差よりも大きい、ということであると理解されるべきである。従って、例えば、発生する最小透磁率と最大透磁率との間の比が、１：１．１ 又は １：１．２ 又は １：１．５ 又は １：２ 又は １：３ 又は １：５ 以上であるとよい。

以下、図面に示された実施例に基づいて、本発明を更に詳細に説明する。

リングコア開口に通された１つの導体を有する軟磁性リングコアを、概略的に示す図である。 コア半径に沿った磁界強度の経過及び半径方向の直線状の透磁率増大の経過を、ダイアグラムで以て示す図である。 半径方向に直線状に透磁率が増大する場合における、一定透磁率経過の場合と比べた相対的なインダクタンス増大を、ダイアグラムで以て示す図である。 コアにおけるインダクタンス成分の半径依存性をダイアグラムで以て示す図である。 第１の例について、有効磁界強度を発生する電流に沿った透磁率を、ダイアグラムで以て示す図である。 第２の例について、有効磁界強度を発生する電流に沿って透磁率を、ダイアグラムで以て示す図である。 図５に示した例について、有効磁界強度に沿った有効透磁率を、ダイアグラムで以て示す図である。 図６に示した例について、有効磁界強度に沿った磁束を、ダイアグラムで以て示す図である。 種々の外径及び内径において一定透磁率を有するコアにおける、磁束−磁界強度ループのジオメトリに依存した丸形化の模範的な測定を、ダイアグラムで以て示す図である。 第１の設計の場合における、図１に示した装置の導体に流れる電流に依存したインダクタンスの経過を、ダイアグラムで以て示す図である。 第２の設計の場合について、図１に示した装置の導体に流れる電流に依存したインダクタンスの経過を、ダイアグラムで以て示す図である。 ４つの異なるケースについて、図１に示した装置のパラメータを、表で以て示す図である。 図１２に関連して示したケースについて、図１に示した装置の導体に流れる電流に依存したインダクタンスの経過を、ダイアグラムで以て示す図である。 段階的な透磁率経過を有する２つの部分から成るコアの構造を、概略的に示す図である。 ２つの部分から成るコアを使用した場合における図１に示されている装置の導体に流れる電流に依存したインダクタンスを、１つの部分から成るコアの場合と比べて、ダイアグラムで以て示す図である。 １つの部分から成るコアと、２つの部分から成るコアとについて、異なった電流における、平均直径に対するインダクタンス成分を、ダイアグラムで以て示す図である。 異なる熱処理ごとでの引張応力に対する誘導異方性を、ダイアグラムで以て示す図である。 異なる熱処理ごとでの引張応力に対する透磁率を、ダイアグラムで以て示す図である。 可変のコア透磁率を有するコアを製造するための装置を、ブロック図で以て示す図である。 図１９に基づいた装置によって製造されたコアについて、磁界強度に対する透磁率の経過を示す図である。 リボン長さ方向に沿って変化する透磁率を有するリボンを製造する方法における、リボン位置に依存したコア透磁率の経過を、ダイアグラムで以て示す図である。 引張応力によって誘起された異方性を有するナノ結晶材料から成る種々のリング状リボンコアの場合における、磁界強度に対する磁化を、ダイアグラムで以て示す図である。 半径方向に沿って変化する透磁率を有する、ワンピースの巻回コアの構造を、模式的に示す図である。 プレスされたコア部分と巻回されたコア部分との２つの部分を有する、１つのコアの構造を、模式的に示す図である。 リボン長さ方向に沿って変化する透磁率を有するリボンを製造するための、図２１に示されている方法に対する代替方法における、リボン位置に依存したコア透磁率の経過を、ダイアグラムで以て示す図である。 図２５に示されている方法において使用に供される巻回装置を、概略模式図で以て示す図である。 例示的な勾配コア（Gradientenkern）について、その磁界強度に依存した磁束を、ダイアグラムで以て示す図である。 リボン位置に沿った透磁率及びコア磁界強度の経過を、ダイアグラムで以て示す図である。

本発明は、任意に成形された磁気コアの位置依存性の透磁率適合化に関して、各適用例のために最適な解決法を提供し、それにより、例えばボリュームを低減された、又はコスト的に有利な、コアを実現することを可能にする。コアのジオメトリに応じて、例えばリングコアの場合、理想的なケースでは、同じコアボリュームにおいて数１０％のインダクタンス増大を達成することができる。それには、そのようなコアが線形ヒステリシス領域から飽和への非常に鋭い移行部を有すること、又は、一定の若しくは僅かしか変化しない透磁率を持つ拡張された変調範囲を有することもまた、関連している。理想的ケースからの適切に制御されたずらしによって、的確な丸みを与えられた効果的なヒステリシス形状を設定することができる可能性も、拓かれる。これは、部品の幾何学的形状からその結果として生じ得る不均一な磁界分布に、コア透磁率の位置依存性を適合させることによって、達成される。これにより、コアボリュームにおいて不均一に存在する飽和作用が、最小化され、更には回避すらされることとなる。これは、使用されるコア材料及びコア形状に応じて、種々の方法で以て達成される。一般に使用されているコア形状は、例えば、リング形状、Ｕ字形、Ｉ形状、若しくはそれらに類似した形状である。

リングコアの場合には、次のように、その半径ｒが大きくなるにつれて、磁界強度Ｈは逆に低下する。即ち、

である。ここに、Ｎは、コア開口に通された導体の巻数であり、Ｉは、この導体に流れる電流の電流強度である。このような装置を、図１に示す。巻数Ｎ＝１を有する導体１が、リングコア２の開口に通されている。コア２は、開口を規定する内径Ｄ_iと、外径Ｄ_aと、高さｈとを有する。上述の磁界強度の低下は、均一な磁気コア材料が、Ｂ（Ｈ）曲線（磁束密度Ｂ、磁界強度Ｈ）としても知られている材料に典型的な磁界強度依存性の磁束曲線上で、外側に向かうほど少ない強さでしか変調されないことをもたらす。従って、大まかに単純化して言うならば、コアの内側領域は既に飽和に近いか飽和した状態にあり、このため適度に低減された作用で以て働き得るのに対して、外側領域は、微弱にしか変調されない。斯様な効果は、内径に対する外径の比が大きくなるほど、ますます顕著なものとなる。
良好な近似では、例えば高さｈ→∞としたときには、

となる。
一定の透磁率の場合には、

となる。
半径に対して線形に透磁率が増大する場合には、

となる。
なお、Φは磁束、μ₀は磁界定数、μは透磁率、μ_iは内径Ｄ_iにおける透磁率、μ（ｒ）は半径に対して線形の透磁率増大に対する透磁率である。

コア材料の透磁率が外側に向かって増大するように形成されることによって、上述の問題に対処することが可能となる。これは、半径方向において更に外側に置かれたコア層におけるエネルギー密度が、従ってそのインダクタンス成分が、明らかに高められることが可能となるからである。

図２は、それに関して、内径Ｄ_i＝３０ｍｍ及び外径Ｄ_a＝６０ｍｍを有するコアにおいて、その半径ｒについて、一方では半径ｒに沿った磁界強度として磁界経過（曲線３）を示し、他方では透磁率μの実現可能な適合化（曲線４）を示したものである。曲線３が示しているように、半径方向において非常に異なる磁界強度Ｈが作用する。それに応じて、磁性材料が様々に強く変調されることとなる。半径方向において異なって作用する磁界強度Ｈを、透磁率μの相応に対抗する経過によって、補償することができる。局所的に適切なＢ（Ｈ）曲線に基づいて、今やコアの全範囲が似た状態に調整され、例えばリアクトルのＬ（Ｉ_dc）（即ち、通流する直流電流Ｉ_DCに依存したインダクタンスＬ）の変調曲線のような、即ち小さい変調では高められたインダクタンス値を有しかつ要求動作範囲を超える変調では最小限の、更には、今まで通常は全く利用されていなかったようなインダクタンス値を有する、全体として最適化された電流依存性のインダクタンス変調曲線が生じることとなる。

更に、図３は、半径方向に直線状に透磁率が増大する場合において、内径Ｄ_iに対する外径Ｄ_aの比率に依存して、一定透磁率の場合と比較した相対的なインダクタンスの上昇を示している。これから認識できる如く、Ｄ_a／Ｄ_i比が小さい場合には、標準的なコアにおいて約３０％までの中程度の利点しか生じない。しかし、その比が大きいコアの場合には（Ｄ_a／Ｄ_i＞２から）、かなりの潜在能力が現出する。

図４は、半径ｒに依存した全体インダクタンスにおける利得を示している、即ち、半径方向に直線状に増大する透磁率μ（ｒ）を有するコアと一定の透磁率μ＝μ_max（Ｄ_i）を有するコアとの間の差を示している。図４に関連して説明されている実例は、外径Ｄ_a＝２４ｍｍ、内径Ｄ_i＝６ｍｍ、高さｈ＝２０ｍｍ、そして飽和磁束Ｂ_S＝１．２Ｔ、という値を持ったコアに基づいている。図４だけからでも明らかに定性的に見て取れるとおり、半径の増加に伴って、利得が明確に増大する。

図５及び図６には、外径Ｄ_a＝２５ｍｍ、内径Ｄ_i＝１５ｍｍ及び高さｈ＝１０ｍｍを有するリボンコアについての、１／ｒ磁界強度変調の結果が示されている。ここでは、コアにおいて有効な透磁率μが、Ｉ_DCがＨ_DC,effと比例関係にあるコア変調の関数として、直径Ｄの種々のコア範囲若しくはコア殻ごとに分けて示されている。図５は、透磁率が飽和磁界強度Ｈ_SAT以下の磁界強度Ｈについてはμ＝１０００で、その他は１である例を示す。例えば、種々の直径Ｄについて、より詳細には、Ｄ＝１５とＤ＝２５との間のコア殻の種々の直径Ｄについて、そのコアに関する飽和開始の明確な多様化が現れる。図６は、透磁率μが種々のコア殻直径Ｄ＝１５…２５ｍｍについて、透磁率μが半径ｒに依存する例を示す。これから分かるように、透磁率の最適な半径依存性によって、均一な飽和移行が実現される。

図７及び図８は、図５及び図６に対応した実施例に関連して使用される巻回リボンコアについて、μ_eff（Ｈ_DC）経過及びＬ（Ｉ_DC）経過、即ち有効透磁率μ_eff及びＬ（Ｉ_dc）変調曲線（導通する直流電流Ｉ_DCに依存したインダクタンスＬ）を示す。図７は、ここでもＨ≦Ｈ_SATについてはμ＝１０００、その他については１である例を示しており、Ｈ_SATは飽和磁界強度である。図８は、μ（ｒ）＝ａ・ｒの事例に関するものであり、ここにａは一定の比例係数である。このために、図７においては、有効磁界強度Ｈ_effに沿って有効透磁率μ_effが描かれ、図８に示されたダイアグラムでは、有効磁界強度Ｈ_effに沿って磁束密度Ｂが描かれている。図７及び図８から直ちに分かるとおり、一定の透磁率を有するコアについては、明らかに幅の広い飽和移行部が生じる。これに対して、半径方向に直線状に増加する透磁率によれば、一方では著しく高い磁界（リアクトル電流）に対して同じままのインダクタンスを提供することが可能となり、また、例えば電流センサの場合に有利であるように、一定の透磁率を有する範囲を明確に拡張することが可能となる。

図９においては、種々の外径及び内径において一定透磁率μを有するコアについて、Ｂ（Ｈ）ループをジオメトリに依存して丸くする例が、ダイアグラムで以て示されている。これから認識できるように、３つの異なる外径内径比について、記号○、□、×で示された付属の測定点を有する実験による観察（曲線７）は、良好な一致性を以て、３つの異なる外径内径比についての、破線によって示されたモデル予測の有効性を証明している。図９に曲線８として挿入されている図は、曲線７における磁気飽和に向けて屈曲する範囲内での状況を、拡大して表示するものである。

図１０及び図１１には、電流依存性インダクタンス経過（Ｌ（Ｉ_DC）経過）の他の例が示されており、それは、外径Ｄ_a＝２４ｍｍ、高さｈ＝２０ｍｍ、飽和磁束Ｂ_S＝１．２Ｔ、巻数Ｎ＝１のコアから出発している。この例では、約２００Ａまでの電流Ｉ_DCについて、インダクタンスＬを一定にすることを目標としている。

図１０は、内径Ｄ_i＝６ｍｍで、従ってＤ_a／Ｄ_i＝４である例を示す。内径Ｄ_iにおける透磁率μ_i＝μ（Ｄ_i）が９０であり、外径Ｄ_aにおける透磁率μ_a＝μ（Ｄ_a）が３６０である。ここでも再び、一定の透磁率経過（曲線１０）を有するコアと、適合化された透磁率経過（曲線１１）を有するコアとが区別される。内径Ｄ_iは、この場合、６ｍｍである。

図１１に示されたダイアグラムの場合も、一定の透磁率経過（曲線１１）を有するコアと、可変の透磁率経過（曲線１２）を有するコアとが区別され、それぞれＤ_i＝１６ｍｍの内径が使用される。それにより、１．５というＤ_a／Ｄ_i比と、内径Ｄ_iにおける２４０という透磁率μ_i＝μ（Ｄ_i）と、外径Ｄ_aにおける３６０という透磁率μ_a＝μ（Ｄ_a）とが生じる。

図１２に示されている表では、４つのコアが互いに対比されており、全てのコアが内径Ｄ_i＝６ｍｍと、高さｈ＝２５ｍｍとを有する。これらは、半径を通して一定の透磁率μ＝μ_i＝９０を有するＣＳＣ−ＭＦコア１３、半径ｒに沿って一定の透磁率μ＝μ_i＝１６０を有するＣＳＣ−ＨＦコア１４、半径ｒに沿って一定の透磁率μ＝μ_i＝６６を有するコアＶＰ、６６から１９１までの可変透磁率μ＝μ（ｒ）を有するコアＶＰである。この表は、個々のコアに対して、それぞれの外径Ｄ_a、それぞれのコアボリューム、最大電流Ｉ_maxにおいてそれぞれに使用される透磁率範囲、ならびに飽和磁束密度Ｂ_Sを含んでいる。コアは、例えば巻数１のフィルタリアクトルの製造のために用いられるものであって、直流電流においてその得ようと努められるインダクタンス値は、５００ｍＨであり、２５０Ａにおいて、３５０ｍＨよりも大きくなければならない。リアクトルを流れる（直流）電流Ｉ_DCに沿ったインダクタンスＬの経過が、図１３に示されている。それから分かるように、低い飽和磁化Ｂ_Sにも関わらず、低透磁性のＶＰを有する仕様を、小さいボリュームで以て、良好に満たすことが可能となる（コア１３〜１６に対応する曲線参照）。

図１４には、領域ごとに異なった透磁率を有するコアが示されている。そこに示されたコア１７は、次のように２つの部分から構成されている。即ち、２つのリング状のリング部分１７ａ及び１７ｂが、互いに同軸に、隙間なく嵌め込まれている。両コア部分１７ａ及び１７ｂ自体は、均一な透磁率分布を持つが、それらの透磁率は互いに異なっている、即ち、内側コア部分１７ａが外側コア部分１７ｂよりも少ない透磁率を有している。この例において、両部分１７ａ及び１７ｂは、粉末コアであり、それら両コアは、任意の方法によって製造され得る（図２４及びそれに対応する説明参照）。

図１５には、図１４に示したような最適化された２つの部分から成るコア（曲線１８）及び通常の１つの部分から成るコア（曲線１９）のインダクタンス経過が、互いに対比し手示されている。その示された曲線１８及び１９は、外径Ｄ_a＝４７ｍｍ、内径Ｄ_i＝２４ｍｍ及び高さｈ＝１８ｍｍを有する、ＦｅＳｉ−粉末コアに基づいている。コア部分１７ａの内径における透磁率μ_iaは６０であり、コア部分１７ｂの内径における透磁率μ_ibは９０である。図１６には、１つの部分から成るコア及び２つの部分から成るコアについて、コア直径に沿ったインダクタンス成分が、０Ａ、１０Ａ及び２０Ａの電流において、曲線２０〜２５として示されている。これからも、半径方向に変化する透磁率を有するコアの優位性が、即座に読み取れる。

図１４に示されているように、段階的に変化する透磁率を有する複数部分から成る磁気コアの代わりに、連続的に変化する透磁率を有する粉末コアも、製造することが可能であり、その粉末コアの中に、一形態では、層をなして異なった透磁率を有する材料が形成され、又は、半径方向に異なった混合比によって互いに異なるそれぞれ一定の透磁率を有する２つの材料（特に、材料の１つはμ＝０を有する）が混合される。しかし更に、長さ方向に沿って変化する透磁率を有するリボンを巻回することによって、連続的に変化する透磁率を有するコアを得るようすることも可能である。その長さ方向に沿って変化する透磁率を有するリボンは、例えば引張応力によって誘起される異方性を利用して、製造することができる。巻回されたリボンコアの場合には、引張応力のもとでのリボン連続熱処理を使用することによって、広範囲でリボン走行方向ｌに沿って変化する透磁率μ（ｌ）を、極めて正確に調整することができる。特に、透磁率プロファイルは、リボンの巻回時に仕上がったコアにおいて所望の半径方向に増大するμ（ｒ）関数が生じるように選ぶことが可能である。連結された「インライン」のコア生産においては、張力下でのリボン熱処理（コア焼き戻し）に続いて直ぐにコア巻回を行うことができるので、その張力を制御することによって、能動的に現在の半径方向に依存した透磁率要求に対応した調節を行うことが可能となる。その代替として、異なる一定の透磁率を有する複数のリボンから、リボン製造とは完全に切り離したコア巻回を実現することも可能である。相応に自動化された巻回機械は、異なるマガジンから、異なる透磁率を有するリボンを受け取って、順次処理することができる。これらの方法は、勿論、コア内において段階的な変化のみが可能であって、半径方向の連続的な変化を発生させることはできない。

図１７には、異なる熱処理について、引張応力σによって誘起された異方性Ｋμの経過が示されている。図１８には、引張応力σに沿って、それに対応した透磁率経過が示されている。透磁率は、以下に述べるように、リボンの真空透磁率μ₀、リボンの誘起された異方性Ｋμならびに飽和磁束密度Ｂ_Sに、次のように依存する。

図１９は、軟磁性ストリップ材料の製造装置２６を模式的に示す。これは、リボン状材料３９を供給するための入口側の材料供給装置２７と、導入されたリボン状材料３９を熱処理して熱処理されたリボン状材料４０を生成するための熱処理装置２８と、リボン状材料３９に張力を導いて少なくとも熱処理装置２８の範囲内においてその材料のリボン長手軸方向に引張応力を発生させるように構成されている張力調整装置３０，３１，３２，３３とを含む。張力調整装置３０，３１，３２，３３は、張力変化に対応するべく制御可能に構成されている。

製造装置２６は、更に、生成される軟磁性ストリップ材料４０の透磁率を決定するための測定装置３３と、張力調整装置３０，３１，３２を制御するための調節ユニット３４とを含み、調節ユニット３２は、張力調整装置３０が予め与えられた（所望の）基準値に対して確認された透磁率μに応答して張力を調節するように構成されており、かつ、測定装置３１に結合されている。図示された構成において、張力調整装置３０，３１，３２は、２つの互いに結合されたＳ字形のローラ駆動装置３０，３２と、ダンサー調節装置３１とを含んでいる。ローラ駆動装置３０及び３２の速度は、測定装置３３によって確認された透磁率に依存した所望の張力がリボン材料３９（及び４０）において形成されるように調節ユニットによって制御、即ち調整される。揺動規制装置３１は、短時間の速度変動を補償するのに役立つ。

付加的に、製造装置２６は、例えば横磁界としても知られているリボン走行方向に対して直角方向の磁界のような、熱処理されたリボン状材料の磁界処理をするための少なくとも１つの磁界を発生する、磁界発生器２９を有するとよい。同様に、任意選択的に、生成されたリボン状材料４０のそれぞれ１つの規定部分を巻き取るための回転可能なターレット板３７上に、複数の巻取マンドレルを持つ巻回ユニット３５を有するとよい。その巻回ユニット３５は、付加的なＳ字形のローラ駆動装置３８を有するとよく、この駆動装置３８は、処理されたリボン状材料、即ちストリップ材料４０を、その都度、巻取マンドレル３６に供給する。

図２０は、張力Ｆによってリボン状材料３９内に導入された引張応力と、それによって結果として生じる異方性Ｋμ及び透磁率μとの関係を示す。リボン状材料３９内に局所的に加わる引張応力σは、付近の張力Ｆ及び局所的な磁気的横断面積ＡＦｅ（材料横断面積）から、

で以て、もたらされるので、長手方向に延びているリボン状材料３９に対して横方向に誘起された異方性Ｋμは、引張応力σに依存して増大する。透磁率μは、発生引張応力σにより調整され、ヒステリシスループの平均勾配から、若しくは飽和磁束密度Ｂ_S又は磁界強度Ｈ、即ち既に図１７と関連して説明したように異方性磁界強度Ｈ_Aならびに異方性Ｋμと関係する磁界定数μ₀からもたらされる。

従って、例えば製造上の制約に因ってリボン材料の厚みが変動すると、その幅が同じままであると仮定した場合に、局所的な横断面積Ａ_Feが相応に変動し、それに伴って張力が一定である場合に、加わる引張応力σが変動する。これが再び誘起された異方性Ｋμの相応の変化を生じさせ、その変化が、前述の関連によって透磁率μに相応の影響を及ぼし、その結果、透磁率μもまた、リボン材料３９から生成された軟磁性のストリップ材料４０の長さ方向に沿って変化する。

従って、リボン製造方法では、例えばリボン状材料がマガジンから引き出され、管状の熱処理炉に引き通され、リボン長手方向軸に沿って引張応力下に置かれる。結晶化温度を上回る焼きなまし温度では、最初はアモルファスの材料がその熱処理ゾーンにおいてナノ結晶状態に移行する。この場合、完走したリボン（ストリップ材料）の優れた軟磁性特性は、ナノ結晶状態によってもたらされたものである。加えられる引張応力によって、磁石材料内に横方向異方性が誘起されるので、その完走した軟磁性リボン（ストリップ材料）は、狭い公差の透磁率μ（リボン軸に沿った測定方向において１０，０００から１００以下までの範囲内）を持つ、極めて平坦なヒステリシスループを有することとなる。その透磁率μの到達可能なレベル、又は生じさせられた異方性は、そのリボンに加えられた引張応力に比例する。この関係が、図１７及び図１８に、ヴァキュームシュメルツ社のナノ結晶合金ＶＰ８００について、具体的に示されている。

引き続いて、例えば、今や既に引張応力下にないリボンストリップが、リアルタイムに透磁率μ（及び、場合によっては、例えばリボン横断面積、保持磁場、残留磁化比、損失、等々）を測定する測定装置３３に、通されることとなる。これらの値を認識することによって、プロセス終端において連続走行するリボンが加工されてリング状のリボンコアが形成され、そのリボンコアにおける磁性リボンの一定長が、巻取マンドレル上に巻き取られることとなる。

従って、上述の技術によって、目標透磁率値から極めて少ない偏差を持った異なる透磁率比を有する軟磁性のリボン材料を製造することが可能となり、それにより、上述のように所望の半径方向に変化する透磁率経過をリボンに沿ってコアタイプごとに殆ど連続的に調整するべく、透磁率を的確に特定のリボン長範囲に沿って低下又は上昇させることが可能となる。その制御プロセスのために必要な測定装置の助けによって、磁気リボン横断面積（リボンの局所的なＡ_Fe）に関する現在進行中の情報も得ることができる。その制御される透磁率及びリボン横断面積に関する情報を組み合わせ、その終端にコア巻回プロセスを設置することにより、予め与えられた透磁率経過及びコアＡ_Fe値に関して極めて僅かな製造公差を有するリング状リボンコアが得られる。

図２１に示すダイアグラムは、走行長さに沿った透磁率を変化させることによってコア透磁率をどのように制御することができるかを、具体的に例示している。３０ｍｍの高さと６０ｍｍの平均直径とを有するコアから、それは出発している。その透磁率は、内周側面において１００、外周側面において２００であり、従って、平均透磁率μ_mは１５０となっている。引張応力の調節は、１つのコアに必要とされる約９０ｍに亘って、透磁率μが上昇して行くように行われる。９０メートルのマークに到達した際に、μ＝２００の透磁率をできるだけ素早くμ＝１００に戻し、それにより、次のコアのための制御プロセスの新たな開始が可能となる。

図２２は、μ＝２０００〜６０の透磁率範囲のための引張応力によって誘起された異方性を有するナノ結晶材料から成る種々のリング状リボンコアについて、その磁界強度Ａに対する磁化Ｊを示す。

図２３には、長さ方向に沿って透磁率が上昇して行くように設けられたリボン材料を巻回してなるリング状コア３８が、３つの方向から見た図として示されている。

図２４に示す発展形態では、例えば均一の透磁率分布を有する粉末コア部分３９ａが使用され、更に、その粉末コア部分３９ａの上に、長さ方向に沿って透磁率が上昇して行くように設けられたリボン材料が、巻回コア部分３９ｂを成すように巻回される。

図２５には、図１に示した方法に対する透磁率制御の代替様式が、模式的に示されている。２００の上方の透磁率値に到達後、可及的速やかに１００の開始値に戻すのではなくて、上昇時と大きさの等しい側面勾配で以て、透磁率を２００から１００に戻し、１００の値に到達した後に、再び１００から２００まで高める。このようにすることにより、図２１に基づく方法における如く上方の透磁率値から下方の透磁率値まで戻す際に生じる損失が、回避される。

勿論、その際に部分的に変更された巻回技術が必要となる。図２６には、そのために必要とされる変更された巻回技術が模式的に示されており、上昇側面と下降側面とが区別されている、即ち、リボン長さ方向に沿って上昇して行く透磁率値と低下して行く透磁率値とが区別されている。従って、透磁率の反転点においてその都度、転路器４３によって、次に透磁率が上昇する際にはリボンが第１経路（Pfad 1）上に案内され、次に透磁率が下降する際にはリボンが第２経路（Pfad 2）上に案内されることとなる。第１経路においては、図１９に示した例の如く巻取が直接的に行われるが、他方、第２経路においては、リボンが中間蓄積器、例えばロールマガジンを介して巻き取られ、そこから次に本来のコア巻取位置、例えばコア巻取位置その２（Kernwickelplatz 2）へと案内されることとなる。

図２７は、一実施例に基づき、それぞれ１３ｍｍ×２５ｍｍの寸法（内径×外径）及び６．１ｍｍのコア高さを有するコアに関して、勾配コアと、一定の透磁率（μ＝１０００）を有するコアとの、比較測定を示している。このようなすれすれの外径／内径比を有するコア２の場合には、幾何学的に制約されて磁気飽和へと帰着する作用が頻繁に観察され得る（曲線４７）。ここには、特別に理想化されたリボンストリップのヒステリシス曲線４５が示されている。曲線４７は、一定の透磁率を有するコアにおける測定を示しており、また曲線４６は、勾配コアについての測定を示している。それらによれば、その曲線４５は、透磁率の空間的な適合化によって、リボンストリップのヒステリシス曲線（曲線５４）に近づく。曲線４７に付属した部分図のａでは、コアに必要な１７メートルのリボン材料に沿って透磁率が一定に保持されていることを確認することができる。これに対するに、部分図のｂは、コアにおいて結果としてヒステリシス曲線４６を生じる透磁率空間的適合化を達成するために、透磁率が１４ｍのリボン材料に沿って７００から約１４００まで特別な形で高められたことを示している。

図２７に関連して上述した実施例に対して、図２８は、実際の（従って測定された）透磁率経過（４５ｂ、×は測定点）と、コアに必要であるリボンに沿った予測計算された透磁率経過（目標経過４６ａ）とを示している。連続焼きなましプロセス中に、リボン材料における引張応力は、透磁率の予め計算された「目標」経過に基づいて、図２８に示された透磁率上昇が生じるように変化させられた。

最適化されたアモルファスナノ結晶の勾配リボンコアは、大きな飽和磁束及び同時に極めて正確な調整が可能な透磁率において比較的大きい透磁率範囲を新たに拓くものである。これは、そのリボンコアを様々の用途に使用可能とする。従って、蓄積リアクトルに対しては特に、明らかに約１００を上回る透磁率値をも達成することができ、これは、銅損を低減するために比較的少ない巻数を有するリアクトルを実現する新しい可能性を新たに拓くものである。耐直流電圧性を有する、高い線形性の変流器にとって、２〜３百から数千までの透磁率範囲が有利である。なぜなら、引張応力下で熱処理されるリボンは変調に関係なく飽和までは殆ど一定の透磁率を有し（μ（Ｈ）＝一定）、この特性は完成したコアについても維持され得るからである（図９参照）。

第１の適用例：リング状リボンコア−リアクトル
引張応力のもとで焼き戻されたアモルファス又はナノ結晶のリボンのリボン透磁率は、変調によって良好な近似で以て段階的であり、即ち、飽和に至るまでは殆ど直線性のＢ（Ｈ）曲線が存在し、従って飽和までは一定の透磁率が存在し、而してそれから先は、その透磁率は極めて急激に降下する（図６参照）。一定の透磁率を有するこのような材料を巻回してなる、標準的な寸法を有するコアは、変調境界における幅広く滑らかに下降する肩部を有するＬ（Ｉ_DC）特性を示す（図７参照）。それに応じて、コアの有効Ｂ（Ｈ）曲線は、飽和への移行の際に目立つ丸みを示す（図８参照）。これに対して、半径方向に上昇して行く透磁率プロファイル、即ちμ（ｒ）＝ａ^*ｒ（ａ^*＝一定）を選択する場合には、最適に適合化された特別なケースにおいて、完成コアについても元のリボン特性を維持することができる。更に、透磁率値、従ってインダクタンス値のみが、飽和に至るまで均一な最大値に留まる。この鋭い移行が望ましくない場合には、的確に最適から外れた中間状態を設定することも可能である。

第２の適用例：粉末コア−リアクトル
粉末コアの透磁率は、異なる典型的な初期透磁率μ_i（内径における透磁率）に対して図１５及び図１６に示した経過のような関係にある。図１６には、典型的な寸法を有しかつ典型的な材料からなるコアについてのＬ（Ｉ_DC）経過が、２つの同軸のリングから構成された同寸法及び同材料のコアに対比して示されている。この場合にも、Ｌ（Ｉ_DC）特性に関する最適化を達成することができる。

ここで説明したコア最適化の主用途は、巻回された回転対称のリング状リボンコアを主体としている。というのは、巻回された回転対称のリング状リボンコアが、そのリボン走行長さに沿った比較的中程度の透磁率変化を有する比較的簡単な空間的コア透磁率適合化を、必要とするからである。しかし、この方法を、Ｕ形コア、Ｉ形コア及びその他の形状のコアにおいて使用することも考えられ得る。この場合には、内隅における磁界強度不均一性を補償するために、リボン走行長さに沿った透磁率変化を遥かに短い距離において具現化しなければならない。

最小透磁率（５０付近及びそれ以下の透磁率値）を有する引張応力下で焼き戻されるリボン材料を製造できる見込みは限られている。逆に、好適な粉末材料は、μ_i＝９０乃至は１６０を上回っている。従って、リボンコアと粉末コアとの組み合わせを使用することが有効である、即ち、例えば図２４に示されているように、内側にある低透磁率の粉末コアと、外側にある高透磁率の例えば反半径方向に透磁率を適合化されたリボンコアとの組み合わせを使用することが有効である。リボンコアは、１巻きリアクトルの場合、直接にスタック状の銅導体の上に巻回され、その後、例えばモールド又はその銅導体の上に押し付けられて鋳込まれる凹型によって固着されることとなる。

次の材料は、このようなプロセスのために好適なコア原材料であると考えられ得るものである。即ち、アモルファスのコバルト合金、ニッケル合金、鉄を主成分とする合金であり、それらには、例えば、全てのVitrovac合金、Vitroperm合金が含まれる、又は、次のような組成範囲を有する鉄を主成分とする全ての合金が含まれる。

即ち、

但し、
１０≦ｘ＜１８原子％、５≦ｙ＜１１原子％、０≦ａ＜１．５原子％、０≦ｂ＜４原子％ であり、
Ｍは、０≦（ｂ＋ｃ）＜４原子％を有する元素Ｍｏ、ＴＡ、又は、Ｚｒを表し、
Ｔは、０≦ｄ＜５原子％を有する元素Ｖ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、又は、Ｎｉを表し、
Ｚは、０≦ｚ＜２原子％を有する元素Ｃ、Ｐ、又は、Ｇｅを表している。

１ 導体
２ リング状コア
３〜８ 曲線
１０〜１２ 曲線
１３〜１６ コア
１７ コア
１７ａ 内側コア部分
１７ｂ 外側コア部分
１８〜２５ 曲線
２６ 製造装置
２７ 材料供給装置
２８ 熱処理装置
３０ 張力調整装置（ローラ駆動装置）
３１ 張力調整装置（ダンサー調節装置）
３２ 張力調整装置（ローラ駆動装置）
３３ 張力調整装置（測定装置）
３４ 調節ユニット
３５ 巻回ユニット
３６ 巻取マンドレル
３７ ターレット板
３８ ローラ駆動装置
３９ リボン状材料
４０ 熱処理されたリボン状材料
４５〜４７ 曲線

Claims (15)

1. １つのコアにおける、少なくとも２つの異なった位置に、異なった透磁率が生じている
   ことを特徴とする軟磁性コア。
2. 請求項１記載の軟磁性コアにおいて、
   前記コアが、リング状に形成されている
   ことを特徴とする軟磁性コア。
3. 請求項２記載の軟磁性コアにおいて、
   当該軟磁性コアが、その半径方向に変化する透磁率経過を有している
   ことを特徴とする軟磁性コア。
4. 請求項３記載の軟磁性コアにおいて、
   当該軟磁性コアが、軟磁性リボンを巻回してなるものであり、かつ、前記軟磁性リボンは、そのリボン長さ方向に沿って変化する透磁率を有している
   ことを特徴とする軟磁性コア。
5. 請求項１又は２記載の軟磁性コアにおいて、
   当該軟磁性コアが、互いに接合された少なくとも２つの軟磁性部材からなるものである
   ことを特徴とする軟磁性コア。
6. 請求項５記載の軟磁性コアにおいて、
   各前記磁性部材は、それぞれ均一に分布する透磁率を有しているが、それらは互いに異なった透磁率となっている
   ことを特徴とする軟磁性コア。
7. 請求項５記載の軟磁性コアにおいて、
   前記磁性部材のうちの１つが、それ自体均一な透磁率分布を有しており、かつ、他の１つが、半径方向に変化する透磁率分布を有している
   ことを特徴とする軟磁性コア。
8. 請求項５、６又は７記載の軟磁性コアにおいて、
   前記軟磁性部材の少なくとも１つが、リボン状のものである
   ことを特徴とする軟磁性コア。
9. 請求項１から８の１つに記載の軟磁性コアにおいて、
   当該軟磁性コア又はその軟磁性部材が、一体の粉末コア若しくは一体の粉末コア部材からなるものである
   ことを特徴とする軟磁性コア。
10. 少なくとも２つの異なった位置に異なった透磁率が生じている１つの軟磁性コアの製造方法であって、
    前記１つの軟磁性コアを、一体で、かつその位置毎に対応して変化する透磁率を有するように形成する、又は、
    それぞれ均一であるが互いに異なった透磁率を有する、少なくとも２つの軟磁性部材から構成する、
    ことを特徴とする軟磁性コアの製造方法。
11. 請求項１０記載の製造方法において、
    軟磁性材料からなるリボンによってリングコアを製造するために、
    前記リボンが熱処理され、
    熱処理された前記リボンが、そのリボン状材料において引張応力を発生させるべく、そのリボン長手方向において張力に曝され、
    その張力下で熱処理される前記リボンの長さ部分ごとに、その透磁率が決定され、
    各前記長さ部分ごとについて決定された透磁率が、予め与えられた透磁率プロファイルに対応するように、前記張力が調整され、かつ
    前記リボンが巻回されて、前記リングコアが形成される
    ことを特徴とする軟磁性コアの製造方法。
12. 請求項１０記載の製造方法において、
    １つのリングコアを製造するために、軟磁性部材を成す、異なった透磁率を有する少なくとも２つの同軸の部分リングが、互いに正確に嵌め込み結合される
    ことを特徴とする軟磁性コアの製造方法。
13. 請求項１０記載の製造方法において、
    １つの粉末コアを製造するために、異なった磁性粒子密度及び／又は透磁率を有する粉末が、型枠に入れられて、そこで圧縮又は硬化される
    ことを特徴とする軟磁性コアの製造方法。
14. 請求項１０記載の製造方法において、
    １つのリングコアを形成するために、長さ方向に変化する透磁率を有する１つの軟磁性リボンを、粉末コア部材からなる１つのリング上に巻回する
    ことを特徴とする軟磁性コアの製造方法。
15. 請求項１０から１４の１つに記載の製造方法において、
    最小透磁率と最大透磁率との間の比が、１：１．１ 又は １：１．２ 又は １：１．５ 又は １：２ 又は １：３ 又は １：５ 以上である
    ことを特徴とする軟磁性コアの製造方法。

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