JP2594776B2 - 非晶質合金巻磁心の製造方法 - Google Patents

非晶質合金巻磁心の製造方法

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JP2594776B2 JP7097026A JP9702695A JP2594776B2 JP 2594776 B2 JP2594776 B2 JP 2594776B2 JP 7097026 A JP7097026 A JP 7097026A JP 9702695 A JP9702695 A JP 9702695A JP 2594776 B2 JP2594776 B2 JP 2594776B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は非晶質合金薄帯巻磁心の
製造方法に関するものである。更に詳しく述べるなら
ば、本発明は粒子加速器等に用いられる高出力磁気スイ
ッチであって、スイッチング時間が短い磁気スイッチに
用いられる磁心の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】粒子加速器においては、磁心は10KHz
以上にも及ぶ高周波数で短いスイッチング時間で1GW以
上にも及ぶ高い出力のパルスを発生することが要求され
る。従来、粒子加速器用パルス発生器としては、サイラ
トロン等の高圧ガススイッチが用いられているが、出力
及びスイッチング時間が不満足である。
【0003】これに対し、図1に示されるようなキャパ
シターC1 ,C2 …,Cn と可飽和インダクターL1
2 …,Ln とから構成され、各キャパシターのキャパ
シタンスは相等しくしまた各インダクターのインダクタ
ンスは、高次段ほどより小さく構成し、直流電源を入力
側に印加させてキャパシターC1 に電荷が充電し、充電
後、インダクターL1 が飽和に達して、そのインピーダ
ンスが下がり、電荷はキャパシターC2 へ流れ、そし
て、このような充電と飽和をn段まで順次行うことによ
って、原波形のエネルギーを保ちながら、パルス幅を順
次圧縮し、パルス幅が短い、高出力パルスを得る磁気ス
イッチは公知である。
【0004】このような磁気スイッチにおける各段のイ
ンダクターL1 ,L2 …,Ln には磁心が用いられ、そ
して磁心としては下記のような特性が要求される。ま
ず、第1に、可飽和性が良好でなければならないので、
角型性が良好で、しかも飽和領域での透磁率μsat が小
さいことが必要である。この場合、本発明者らの検討結
果によればBr/B10(Brは残留磁束密度、B10は1
0Oeでの磁束密度、図2参照)が0.7以上であること
が好ましい。また、μsat は要求される磁心体積に比例
するので、μsat が小さいほど磁心を小型化できる。そ
して、パルス幅の理論的最大圧縮係数は(μunsat /μ
sat )1/2 に比例するので(μunsat は不飽和領域での
透磁率)、μunsat とμsat との差が大きいほど、LC
回路の使用段数が少なくなり、磁気スイッチが小型化さ
れる。
【0005】第2には、インダクターは、図2に示した
B−H曲線の−BrからBs(Bsは飽和磁束密度)ま
で励磁されるので、ΔBs=|−Br|+Bsが大きく
なければならない。第3には、磁心は10KHz 程度以上
の電流にて励磁されるので、高周波下のエネルギー損失
が小さくなければならない。
【0006】第4には、特性の経時変化が少ないことが
必要である。次に、磁気スイッチ用磁心は巻磁心である
ことに関連する問題点を説明する。一般に磁気スイッチ
用巻磁心では、高周波電流が磁心に加えられる際瞬間的
に磁束密度が変化し、この変化程度に比例する大電圧が
発生するために、巻回層間で短絡が起こる危険がある。
このような短絡を防止するためには、巻回層間を絶縁す
る必要がある。そこで、巻回層間を絶縁する方法を実施
する際に、上記第1〜第4の要求特性が劣化してはなら
ない。
【0007】磁気スイッチ用磁心材料としては、フェラ
イトが汎用されているが、フェライトは、上記第1〜第
3の磁気特性の点で不十分であるので、磁心が大型化す
るという欠点がある。これに対し、非晶質磁性合金の薄
帯も磁心材料として実用化されてきている。一般に磁心
材料として用いられているケイ素鋼板の場合は、高温焼
鈍にて表面にガラス質皮膜が形成され、かつ絶縁皮膜が
塗布焼付されている。しかし、このような層間絶縁処理
を行うための温度は高いために、この技術を非晶質合金
の層間絶縁に応用することはできない。そこで、非晶質
合金薄帯の層間絶縁を行うためには、MgO等の絶縁材
料を塗設するか、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレ
ート、などの絶縁物質からなる層を、非晶質合金薄帯の
間に介挿する必要がある。前者のMgO等の絶縁材料を
塗設する方法は、一般的に非晶質合金の薄帯の両端が、
鋭くとがっているため、絶縁材料をうまく塗設すること
が難しく、ここから層間短絡し易いので実用的ではな
い。
【0008】次に、非晶質合金の特性として、良好な磁
気特性を得るためには、結晶化温度以下でかつ約300
〜500℃の間で非晶質合金を熱処理する必要がある。
なお、ポリイミド等は上記熱処理温度において十分な耐
熱性をもたないから、ポリイミド膜等が非晶質合金薄帯
間に介挿された状態で、熱処理を行うことができない。
よって、非晶質合金薄帯を熱処理し、そして次に絶縁物
質層を該薄帯間に介挿することが行われる。
【0009】本発明者は非晶質合金薄帯巻磁心の磁気特
性、特にΔBs=|−Br|+Bs、を良好にするため
には、非晶質合金薄帯を巻回状態で熱処理しなければな
らず、また絶縁物質層介挿状態を特定しなければならな
いことを見出した。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は磁気特
性が良好な非晶質合金巻磁心の製造方法を提供すること
である。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の製造方法で得ら
れた非晶質合金薄帯巻磁心の製造方法であって、非晶質
合金薄帯の第1末端を内側に第2末端を外側になるよう
に巻回して第1巻回体を作り、次に前記第1巻回体に磁
場中で熱処理し、巻もどし、続いて前記非晶質合金薄帯
上に絶縁膜を配置し、そして、前記第1末端が内側に、
第2末端が外側に位置する第2巻回体に前記非晶質合金
薄帯及び絶縁膜を再度巻回し、前記非晶質合金薄帯の巻
回層間を絶縁する絶縁膜が該巻回層間に介挿されてい
る。
【0012】本発明の製造方法で得られた非晶質合金薄
帯は熱処理された状態の巻き方向に巻回されており、ま
た非晶質合金薄帯の巻回層間を絶縁する絶縁膜が巻回層
間に介挿される。以下、本発明の構成要件を説明する。
非晶質合金薄帯巻磁心(以下、単に磁心と称する)の製
造方法において、非晶質合金薄帯を結晶化温度以下で熱
処理する場合に、本発明者の実験によると、非晶質合金
薄帯が展延された状態で熱処理されると、磁心製造のた
め熱処理薄帯を巻回することによって磁気特性が劣化す
ることが分かった。したがって、上記熱処理は巻回され
た状態の非晶質合金薄帯(第1巻回体)について行う必
要がある。
【0013】図3に熱処理された状態の非晶質合金巻回
体1(第1巻回体)ならびにその内径d1 、外径D1
及び内側の第1末端1b、外側の第2末端1aを示す。
熱処理温度は通常約300〜約500℃、約30〜約1
0時間の範囲内で行われ、具体的には非晶質合金の組成
によって上記範囲内で最良の磁気的特性、特にΔBsが
得られるように温度及び条件が選択される。
【0014】このような処理は、通常、例えば5Oe以
上、特に10Oe以上程度の磁場中にて、キュリー点以下
の温度で適当な時間加熱し、これを冷却、例えば空冷す
ることによって行う。磁場中熱処理後は薄帯面内の長手
方向に異方性が付与される。なお、このような熱処理の
雰囲気は、空気中、真空中、不活性ガス中、非酸化性ガ
ス中等いずれであってもよい。非晶質合金巻回体1は、
20μm以下の厚さと、概ね10〜500mm、特に1
2.7〜127mm程度の幅をもつ長尺の薄板を巻回して
なる。この場合、厚さが20μmをこえると、高周波で
のエネルギー損失が大きくなり、発熱量が大きくなって
しまう。厚みは、特に5〜18μm、より好ましくは8
〜15μmである。
【0015】上述のように磁心の製造においては、層間
絶縁を行う必要があるが、絶縁膜が層間に絶縁膜が介挿
した状態で熱処理を行うことはできない。熱処理後に絶
縁膜2を非晶質合金薄帯の層間に介挿した磁心10(第
2巻回体)を図4に示す。磁心10の外径D2 は、絶縁
膜2を層間に介挿したために、非晶質合金巻回体1の外
径D2 より、一般に大きくなる(D2 >D1 )。本発明
の製造方法で得られた磁心(第2巻回体)においては、
第1末端1b及び第2末端1aが熱処理時と同様にそれ
ぞれ内側及び外側に位置していること及び磁心10の内
径d2 が非晶質合金巻回体1(第1巻回体)の内径d1
とほぼ等しくなる(d1 ≒d2 )。上記内径d2 とd1
の関係がd2 ≫d1 又はd2 ≪d1 であり且つ/または
第1末端1b(第2末端1a)が外側(内側)に位置す
ると本発明の製造方法で得られた磁心に比較してΔBs
が著しく低くなる。望ましくはΔd=|(d2 −d1
/d1 |×100(%)が0〜約+40%、−20%で
ある。Δd=0%の場合、ΔBsが最も高くなる。以
下、熱処理された巻き方向と同じ方向及び逆方向に非晶
質合金薄帯を巻回することを、それぞれ順方向巻回及び
逆方向巻回という。
【0016】本発明の製造方法で得られた磁心は順方向
に巻回する。一方、熱処理工程と磁心絶縁膜を層間に介
挿する工程の間では一旦逆方向巻回を行いあるいは非晶
質合金薄帯を平坦に展延するなどの工程を行っても、磁
心が順方向巻回されておれば逆方向巻回又は平坦展延に
よって磁心の非晶質合金薄帯の磁気特性は劣化しない。
したがって非晶質合金薄帯の磁気特性は、熱処理と最終
巻回工程の間の巻回(展延)履歴には影響されず、一方
該薄帯は磁気特性良好な順方向巻回を記憶する一種の形
状記憶効果を有する。
【0017】次に、本発明の製造方法で得られる第2巻
回体の具体例を図5を参照としつつ説明する。図5にお
いて、20は熱処理された巻回帯(第1巻回体)1(図
3)を逆方向に巻回した非晶質合金薄帯、21は絶縁膜
を示し、これらは巻枠22,23に巻もどし可能に巻付
けられている。24は非晶質合金薄帯20と、好ましく
は0.1〜25μmの厚さの絶縁膜21が交互に層を為
すように巻回されてなる磁心を示す。なお、磁心2を巻
き取るとき、非晶質合金薄帯20及び絶縁膜21には、
適切な張力のもとで行なわれる必要がある。適切な張力
の強さは、一般的には数gから数十gである。
【0018】また、非晶質合金薄帯20の端部間では絶
縁膜21程度の間隙しかないために放電が発生する可能
性があるので、放電を防止するために絶縁膜21の幅は
薄帯20の幅よりも大きくしなければならない。大気放
電、誘起電圧、磁心の使用条件(磁気スイッチ駆動条
件)、非晶質合金薄帯のサイズ、磁心サイズなどを考慮
した計算上の絶縁膜の幅広分(片側で)は数十μm程で
良いわけであるが、実際の巻取り作業では振れがどうし
ても発生してしまうために絶縁膜幅広分(片側で)は2
mm以上、好ましくは3ないし5mmにするのが望ましい。
【0019】この場合、熱処理後に絶縁材料を非晶質合
金薄帯に塗設ないし被着してもよいが、絶縁性能は図5
に示したものより劣る。非晶質合金薄帯20の端部(第
2末端)及び絶縁膜21の端部は磁心24の最外部に、
接着剤、溶接、テープ等あるいは、巻枠等に設けられた
かしめ爪によってかしめる等によって固定される。
【0020】
【実施例】厚さ15μm、幅25.4mmの非晶質合金薄
帯であって、組成が(Fe0.949Mn0.051 78(Si
0.591 0.273 0.091 0.045 22のものを外径(D
1−図3)127mm、内径(d1 )76mmに巻回した第
1巻回体を400℃×2時間で30Oeの磁場中で熱処理
したところ、得られたΔBsは2.7Tesla であった。
次に第1巻回体を、これと内径(d1 )で逆向きに巻回
したところ得られたΔBs=1.9Tesla であった。こ
の場合厚さ2μmのポリエチレンテレフタレート膜を非
晶質合金薄帯層間に介挿した。
【0021】次に、上記第1巻回体を順方向に巻回した
第2巻回体を作った。この場合、厚さ2μmのポリエチ
レンテレフタレート膜を非晶質合金薄帯の層間に介挿
し、且つ第2巻回体の内径(d2 )及び外径(D2 )を
表1のように変化させた。それぞれのΔBsを表1に示
す。 表 1 供試材 D2 2 ΔBs(テスラ) Δd(%) 1 (比較例) 168 127 2.4 67.1 2 (本発明) 147 102 2.6 34.2 3 (本発明) 127 76 2.7 0 4 (本発明) 124 64 2.6 15.8 5 (比較例) 119 51 2.3 32.9 6 (比較例) 112 25 1.8 67.1 表1よりΔdが等しく大きくならない場合に、高いΔB
sが得られることが分かる。
【0022】
【発明の効果】本発明によると、熱処理と巻回を伴う磁
心の製造において、ΔBsが高い磁心を製造することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は磁気スイッチの等価回路である。
【図2】図2は磁心のBH曲線である。
【図3】図3は第1巻回体の概念図である。
【図4】図4は第2巻回体の概念図である。
【図5】図5は第2巻回体を巻回する方法の概念図であ
る。
【符号の説明】
1…非晶質合金巻回体(第1巻回体) 1a…第2末端 1b…第1末端 2…絶縁膜 10…磁心 20…非晶質合金薄帯 21…絶縁膜 24…磁心(第2巻回体) 26…張力調節ロール

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 非晶質合金薄帯巻磁心の製造方法であっ
    て、非晶質合金薄帯の第1末端を内側に第2末端を外側
    になるように巻回して第1巻回体を作り、次に前記第1
    巻回体に磁場中で熱処理し、巻もどし、続いて前記非晶
    質合金薄帯上に絶縁膜を配置し、そして、前記第1末端
    が内側に、第2末端が外側に位置する第2巻回体に前記
    非晶質合金薄帯及び絶縁膜を再度巻回し、前記非晶質合
    金薄帯の巻回層間を絶縁する絶縁膜が該巻回層間に介挿
    することを特徴とする非晶質合金薄帯巻磁心の製造方
    法。
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