JP2645459B2 - 高電圧パルス発生装置用可飽和リアクトル - Google Patents

高電圧パルス発生装置用可飽和リアクトル

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【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、エキシマレーザ、銅蒸気レーザ等の放電励
起レーザや加速器等に用いられる高電圧パルス発生回路
に使用される可飽和リアクトルに関する。
「従来の技術」 放電励起レーザは、高電圧パルスを発生させるために
可飽和リアクトルを使用しており、エキシマレーザ用高
電圧パルス発生回路の1例として第6図に示すものがあ
る。
第6図の回路は、磁気圧縮回路と呼ばれるものであ
り、入力端31−32間には図示の極性で、直流電流Viが印
加されており、サイラトロン34がオフの期間に主コンデ
ンサ36には図示の極性に通常数十kV程度の電圧V1が印加
されている。本回路における可飽和リアクトル38は、サ
イラトロン34がターンオンした後にコンデンサ37両端に
印加されるコンデンサ36、37のキャパシタンス、及びイ
ンダクタンス35の時定数で定まるパルス幅の電圧V2、エ
キシマレーザの発振に必要な100ns程度のパルス幅の電
圧V0に圧縮するために使用され、この意味から磁気スイ
ッチとも呼ばれる。なお第6図において33、42は主コン
デンサ36の充電用インダクタンス、37、39はピーキング
コンデンサ、40は配線により生ずる浮遊インダクタン
ス、41はエキシマレーザの主放電電極である。
本回路においては、可飽和リアクトル38を用いること
でパルス圧縮が可能なため、サイラトロン34のターンオ
ン時に生ずるピーク損失、アフタカレント、及び反転電
流による損失を抑制することができ、エキシマレーザの
高くり返し化、高出力化、及び長寿命化が可能となる。
第7図はエキシマレーザ用高電圧パルス発生回路の別
の例であり、本回路は磁気アシスト回路と呼ばれるもの
である。
本回路における可飽和リアクトル38の役割は、図示電
流i1の立上りを遅らせることにより、サイラトロン34の
ターンオン時に生ずるスイッチング損失を低減させるこ
とにあり、第6図の回路と同様にエキシマレーザの高く
り返し化、高出力化、及び長寿命化が可能となる。
上記のように高電圧パルスを発生させるために使用す
る可飽和リアクトルの磁心としては、非晶質磁性薄帯12
を第4図に示すようにうず巻き状にした巻磁心がある。
この場合、絶縁耐圧を数十kV程度以上にするとともに渦
電流損を抑制するため層間に絶縁テープ13、もしくは絶
縁コーティングを施している。また前記巻磁心以外に磁
性薄帯をリング状に打ち抜いて積層した磁心や、あるい
は鉄板を多数枚重ねたフェライト磁心も使用されてい
る。
これら磁心を有する可飽和リアクトルを数百Hz以上の
高くり返し用途で用いるため、第5図に示すように磁心
周囲に冷却液を磁心を冷却している。すなわち、円筒導
体22の内筒と外筒との間に冷却液を流せるように、円筒
導体22の軸方向両端部に流入口24と流出口25が設けられ
る。なお、円筒導体22の内筒と外筒との間の開口端側は
絶縁板28により閉じられている。可飽和磁心26は、円筒
導体22の内筒と外筒との間に配置され、可飽和磁心26の
内周部が絶縁リング27を介して内筒に固定される。よっ
て冷却液は、円筒導体22内で可飽和磁心26の外周部に沿
って流れることになる。
そして、可飽和リアクトルの入力端あるいは出力端21
は、端部で接続した二重壁の円筒導体22を介して出力端
あるいは入力端23に導通され、入、出力端21、23を導通
する円筒導体22が巻線の作用をするようになっている。
「発明が解決しようとする課題」 上記従来技術の高電圧パルス発生装置用可飽和リアク
トルは、その可飽和磁心外周部に冷却液を流して冷却し
ても、くり返し周波数を高めた場合(例えば1kHz以
上)、可飽和磁心に磁心損失によるヒートスポットが発
生する。
そのため可飽和リアクトルとしての特性が、稼動開始
後、短時間で劣化するとともに、極端な場合にはヒート
スポット発生ケ所の磁気特性が大幅に劣化してしまい、
動作停止後、再稼動させた際に初期の特性を発揮しない
という問題がある。このヒートスポットの発生による磁
気特性の劣化は、特に非晶質磁性薄帯を用いて磁心を作
成した場合に顕著なことが知られている。
「課題を解決するための手段」 本発明の可飽和リアクトルは、環状の可飽和磁心が、
その内周と外周とを保持する複数本の帯材からなる絶縁
体保持部材により保持されて、二重壁円筒導体の内筒と
外筒との間に配置される。二重壁円筒導体は、巻線の機
能を有して、その内筒端部と外筒端部とが選択的に入力
端と出力端とにされる。また二重壁円筒導体の軸方向両
端部に冷却液の流入口と流出口とが設けられ、円筒導体
内の可飽和磁心を冷却できるようになっている。
可飽和磁心は、磁性薄帯をリング状に打ち抜いたもの
を絶縁層を介して多数積層して形成される。また磁性薄
帯は、非晶質磁性薄帯が磁性特性を向上できるので望ま
しく、それは磁心作成前に熱処理するのが作動時に発熱
しにくく望ましい。
「作用」 上記手段の可飽和リアクトルは、可飽和磁心の内、外
周に保持部材の絶縁体帯材が配置されているので、その
間を冷却媒質が流れる。そのため可飽和磁心は内周及び
外周がともに冷却でき、作動時に発熱されるのを十分に
防止できる。また可飽和磁心は、保持部材により内周と
外周とが保持されるので、作動時の熱により磁心が変形
することがない。よって可飽和リアクトルの磁性特性を
常に良好に保つことができ、しかも動作の高くり返し
化、高出力化、長寿命化が可能となる。
「実施例1」 本発明の一実施例を第1〜3図により説明する。
巻線の機能を持たせる二重壁円筒導体1は、その軸方
向一端側の内筒端部が入力端2とされ、外筒端部が出力
端3とされる。
なお、入力端2と出力端3とは前記と逆の関係にして
もよく、円筒導体1における入、出力端2、3を設けた
側の内筒と外筒との間は絶縁板4により閉鎖され、他の
側の内筒と外筒との間はそれらと一体に形成した環状板
により閉じられている。また円筒導体1の軸方向両端部
にそれぞれ冷却媒質の流入口5と流出口6とが設けら
れ、円筒導体1内に配置する後記の可飽和磁心7を冷却
するようになっている。なお流入口5は、図示を省略し
たポンプに連通され、冷却媒質としては粘度5mm2/sのシ
リコン油を用いた。
円筒導体1の内筒と外筒との間に環状の可飽和磁心7
が配置され、この可飽和磁心はその内、外周が保持部材
9により保持される。可飽和磁心7は、非晶質磁性薄帯
をリング状に打ち抜いたリング薄板8を多数、絶縁層10
を介して所定の厚さになるように積層することにより形
成される。絶縁層10としては、絶縁シート、もしくは磁
性薄帯に絶縁コーテイングしたものを使用した。保持部
材9は絶縁体により形成され、それは環状の磁心の内周
と外周にその軸方向に接っする多数の帯材9a、9bと、帯
材両端部を固定する環状板9cとで形成される。すなわち
保持部材9は、可飽和磁心7と円筒導体1の内筒と外筒
との間に帯材9a、9bの厚さの隙間をつくって可飽和磁心
7と円筒導体1の内筒と外筒との間の絶縁を確実にする
とともに、そこを冷却液が流れるようになっている。
次に前記構成の可飽和リアクトルを次の可飽和磁心を
使用して作成した。可飽和磁心7のリング薄板8とし
て、コバルト基非晶質磁性薄帯をリング状に打ち抜いた
ものを使用し、絶縁層10として下記第1表の6種類のも
のを使用した。なお、第1表の試料1〜3と従来例1〜
3は次子成形後に熱処理し、試料4〜6は磁心形成前に
熱処理し、いずれの磁心も有効断面積を4.8×10-3m2
平均磁路長さ3.80×10-3mとした。
各可飽和リアクトルを第6図の高電圧パルス発生回路
に使用し、入力ViをDC30kV、コンデンサ36、37、39の各
容量を15nF、くり返し周波数を1kHzとした場合の動作磁
束密度ΔB、磁心損失Pc、及び温度上昇ΔTを測定して
結果を第1表に示した。
また比較のため、可飽和磁心の保持部材を有しない第
5図の従来例の構成の可飽和リアクトルを使用して前記
同様に測定して第1表に示した。
なお、従来例1〜3の磁心材料は本発明と同一であっ
て、3種類の絶縁層を使用した。
本発明の各試料1〜6は、いずれの特性も従来例に比
べて良好な値を示し、特に磁性薄帯を熱処理した後、磁
心を形成したものが優れることがわかる。この理由は、
磁心形成後に熱処理する場合、その熱処理温度は層間絶
縁に用いる材質の耐熱温度の制約を受けるためであり、
その影響は耐熱温度の低い有機物テープを用いた場合に
顕著となる。
前記の試料1、4及び従来例1の各種磁心を使用した
可飽和リアクトルを、第6図の高電圧パルス発生回路に
使用し、入力ViをDC30kV、コンデンサ36、37、39の各容
量を15nF、くり返し周波数を1kHzにしたときの圧縮比
(第6図における電流i1とi2のパルス幅の比)の時間変
化を測定して第2表に示した。
第2表によれば、本発明の各試料を使用したものは、
冷却効率を高めることができるため圧縮比の時間変化を
小さくすることができる。
前記第2表と同一の磁心を使用した可飽和リアクトル
を、第2表と同一条件下で1回300秒間動作させたとき
の経時変化を測定して第3表に示した。
第3表によれば、本発明の各試料の場合、圧縮比の経
時変化が認められないのに対し、従来例では経時変化に
より圧縮比が低下することがわかる。この従来例による
圧縮比の経時変化は、主に磁心の発熱、及びヒートスポ
ットの発生による磁気特性の変化に起因する。
「実施例2」 次に可飽和磁心を、鉄基非晶質磁性薄帯をリング状に
打ち抜き、各種の絶縁層を介して積層することにより作
成し、第1図に示す絶縁体保持部材を有する本発明の可
飽和リアクトルを作成した。なおリング状の磁性薄帯の
絶縁層としては下記第4表の6種類の試料(試料7〜1
2)を使用した。なお、試料7〜9と後記の従来例4〜
6は、磁心成形後に熱処理し、試料10〜12は磁心成形前
に熱処理し、いずれの磁心も有効断面積を4.8×10
-3m2、平均磁路長さ3.80×10-3mとした。
各可飽和リアクトルを第6図の高電圧パルス発生回路
に使用し、入力ViをDC30kV、コンデンサ36、37、39の各
容量を15nF、くり返し周波数を1kHzとした場合の動作磁
束密度ΔB、磁心損失Pc、及び温度上昇ΔTを測定して
結果を第4表に示した。
また比較のため、可飽和磁心の保持部材を有しない第
5図の従来例の構成の可飽和リアクトルを使用して、前
記同様に測定して第4表に示した。なお従来例4〜6の
磁心材料は、鉄基非晶質磁性薄帯を使用し、3種類の絶
縁層を使用した。
第4表によれば本発明の試料10〜12の可飽和リアクト
ルは、磁心形成前に鉄基磁性薄帯を約400℃の最適熱処
理温度で熱処理しているので、従来例に比較して極めて
優れた特性を示すことがわかる。これに対し試料7〜9
の可飽和リアクトルは、磁心形成後に熱処理するので、
磁性薄体の層間に設ける絶縁層の耐熱温度の制約により
熱処理温度を最適温度よりも低く選ばざるを得ないた
め、その特性は低下している。
前記の試料7、10及び従来例13の各種磁心を使用した
可飽和リアクトルを、第6図の高電圧パルス発生回路に
使用し、入力ViをDC30kV、コンデンサ36、37、39の各容
量を15nF、くり返し周波数を1kHzにしたときの圧縮比の
時間変化を測定して第5表に示した。
第5表によれば本発明の各試料を使用したものは、冷
却効果を高めることができるため、圧縮比の時間変化を
小さくすることができる。
前記第5表と同一の磁心を使用した可飽和リアクトル
を、第5表の場合と同一条件下で1回300秒間動作させ
たときの経時変化を測定して第6表に示した。
第6表によれば、本発明の各試料の場合、圧縮比の経
時変化を防止できる。これに対し従来例では、主に磁心
の発熱及びヒートスポットの発生に起因する磁気特性の
変化により経時変化の生ずることがわかる。
「発明の効果」 本発明の可飽和リアクトルは、感情の磁心を絶縁体保
持部材により保持して磁心の内周と外周を冷却液により
効果的に冷却するため、高電圧パルス発生装置に使用し
た場合に、磁気特性が向上し、さらに高くり返し動作が
可能になるとともに高出力、長寿命となる。
特に磁心として非晶質磁性薄帯のようにヒートショッ
クによる特性変化が不可逆的な材質を用いた場合には、
ヒートスポットの発生による磁心の局部的な結晶化ある
いは変質による経時変化を防止できる効果もある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の可飽和リアクトルの断面図、第2図は
可飽和リアクトルの磁心を保持部材に組込む状態を示す
説明図、第3図は保持部材の正面図及び平面図、第4図
は従来例の可飽和磁心の斜視図、第5図は従来例の可飽
和リアクトルの断面図、第6図は磁気圧縮型高電圧パル
ス発生回路を有するエキシマレーザの回路図、第7図は
磁気アシスト型高電圧パルス発生回路を有するエキシマ
レーザの回路図である。 1;円筒導体、7;可飽和磁心 8;リング薄板、9;保持部材 10;絶縁層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山高 ▲あきら▼ 埼玉県熊谷市三ケ尻5200番地 日立金属 株式会社磁性材料研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−314820(JP,A) 特開 昭54−7119(JP,A) 特開 昭62−229918(JP,A) 実開 昭54−21125(JP,U)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】二重壁円筒導体の内筒と外筒との間に、環
    状の可飽和磁心を配置し、円筒導体内に冷却媒質を流す
    ようにした可飽和リアクトルにおいて、環状の可飽和磁
    心は磁性薄帯をリング状に打ち抜いたものを絶縁層を介
    して積層することにより形成されるとともに、可飽和磁
    心はその内周と外周とを保持する軸方向の帯材からなる
    絶縁体保持部材により保持され、冷却媒質を可飽和磁心
    の内周側と外周側とに流すことを特徴とする高電圧パル
    ス発生装置用可飽和リアクトル。
  2. 【請求項2】可飽和磁心を構成する磁性薄帯は、磁心形
    成前に熱処理されていることを特徴とする請求項1の高
    電圧パルス発生装置用可飽和リアクトル。
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