JP3156850B2 - 磁心およびこれを用いたパルス発生装置 - Google Patents

磁心およびこれを用いたパルス発生装置

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、パルス発生装置、変圧器などに用いられる
磁心に関するものであり、さらに詳しくは高出力パルス
用磁心など大電力で用いられる磁心およびこれを用いた
パルス発生装置に関する。
背景技術 レーザーや粒子加速器などに用いられるパルス電源装
置には、高出力でかつパルス幅の短いパルスを発生させ
るのに適した磁気パルス圧縮回路が用いられている。こ
の磁気パルス圧縮回路は、コンデンサの電荷を次段のコ
ンデンサに移行するときに、可飽和磁心の飽和特性を利
用して電流パルス幅を圧縮するものである。
また、線形加速器の誘導磁心は本質的に1:1トランス
として動作し、二次側ギャップに発生する電圧により磁
心中央部を通る荷電粒子ビームを加速するものである。
従来より、これらの高出力パルス用磁心としては、高
飽和磁束密度、磁化曲線の高角形比および低鉄損の特性
を有する鉄基非晶質合金薄帯あるいはコバルト基非晶質
合金薄帯などの磁性材料薄帯とポリエステルフィルムあ
るいはポリイミドフィルムなどの高分子フィルムからな
る電気絶縁材料とが交互に巻回されてなる磁心が用いら
れている。
そして、このような磁心においては磁心が高出力パル
ス用を対象としているために磁性材料薄帯間の絶縁性が
重要となる。そのため従来においては磁性材料薄帯端部
間における層間絶縁を確保するために、電気絶縁材料の
幅を磁性材料薄帯の幅より広く設定することが行われて
いる。
しかし、上記のような磁性材料薄帯間の層間絶縁を確
保するために電気絶縁材料の幅を磁性材料薄帯の幅より
広く設定した磁心においては、下記のような問題点が生
じていることを本発明者らは初めて知見した。
すなわち、従来の磁心の断面図の模式図である第２図
に示すように、磁性材料薄帯１の端部より電気絶縁材料
２の端部は突出しており、さらに一般にこの電気絶縁材
料２は熱伝導性が低いために、この電気絶縁材料２の突
出しぃた部分の間の空間が熱的な絶縁層３となってしま
うのである。このため、使用時における磁心の発熱、言
い換えれば磁性材料薄帯の発熱に対する冷却効果が低下
し、磁心の温度が上昇してしまう。一般に磁心は、空
気、絶縁油、フッ素系不活性液体などの冷却媒体により
冷却されているものの、この磁心の温度上昇に起因して
磁心の磁束量の低下および特性の経時変化の加速化が生
じてしまい、所定の機能が得られないという問題が不可
避的に発生するのである。
本発明は上記問題点を解決し、優れた冷却特性を有す
る磁心を提供することを目的とする。
発明の開示 本発明の磁心は、磁性材料薄帯と電気絶縁材料が積層
または巻回されてなる磁心において、磁性材料薄帯の幅
をａ、電気絶縁材料の幅をｂとした場合に、0.5a≦ｂ＜
ａなる関係を有することを特徴とする。
図面の簡単な説明 第１図は本発明の磁心の断面を示す概略図、 第２図は従来の磁心の断面を示す概略図、 第３図および第４図はKrFエキシマレーザー装置の等
価回路を示す回路図、 第５図および第６図は電気絶縁材料の幅（WIN）と非
晶質合金の幅（WAM）の比（WIN/WAM）を種々変化させた
磁心の温度上昇を示すグラフ、 第７図は非晶質合金と電気絶縁材の配置関係を示す外
観図、 第８図は第７図における距離Ｃと磁心の温度上昇との
関係を示すグラフである。
発明を実施するための最良の形態 本発明においては、第１図に示すように電気絶縁材料
２の幅を磁性材料薄帯１の幅未満とすることにより、磁
性合金薄帯を突出させ、磁性合金薄帯１の冷却媒体への
接触面積を増大させ、使用時における磁心の発熱、すな
わち磁性材料薄帯の発熱に対する放熱性を向上するもの
である。
したがって、磁性材料薄帯の空気、絶縁油、フッ素系
不活性液体などの冷却媒体への接触面積を向上するため
には電気絶縁材料の幅ｂは磁性材料薄体の幅ａ未満とし
なければならないが、あまりその幅が狭いと磁性材料薄
帯の板厚が薄いことによるたわみなどにより層間の間隔
が狭くなり、高電圧を付加した際に短絡を発生し易くな
るために、その短絡防止の観点から電気絶縁材料の幅ｂ
は、磁性材料薄帯の幅ａに対し0.5a以上ａ未満とした。
好ましくは0.9a以上ａ未満である。さらに好ましくは0.
95以上ａ未満である。これら磁性材料薄帯と電気絶縁材
料の幅による冷却特性は磁性材料薄帯と電気絶縁材料の
厚さの比が大であるほどその幅の差による効果が大とな
る。
更に本発明においては、第１図に示すように、磁性材
料薄帯１の幅方向における両端部双方とも電気絶縁材料
２の幅方向における両端部より突出していることが好ま
しい。
ここで、磁性材料薄帯と電気絶縁材料が積層された磁
心の場合における磁性材料薄帯および電気絶縁材料の幅
とは、各材料における外径と内径の差の1/2である。
また、本発明において電気絶縁材料の幅が磁性合金薄
帯の幅以下となったことによる薄帯端部における層間絶
縁性の低下分は薄帯端部に介在する空気、絶縁油、フッ
素系不活性液体など磁心冷却用媒体の絶縁性により薄帯
間の距離が大きくなるため薄帯端部間の補償可能であ
る。さらに必要であれば、電気絶縁材料の厚さを厚くす
ることにより絶縁性に対しさらに有効となる。
本発明における磁性材料薄帯の材質は電気絶縁材料と
積層または巻回されて、磁心として構成されるものであ
れば特に限定されるものではないが、その中でも鉄基非
晶質合金、コバルト基非晶質合金あるいは鉄基非晶質合
金を結晶化させ微細な結晶粒を析出させた鉄基磁性合金
が優れた磁気特性を有しており好ましいものである。
上記各磁性材料をさらに細述すると、まず鉄基非晶質
合金に関しては、一般式： Fe100-yXy［at％］ 14≦ｙ≦21 （ここで、ＸはSi,B,P,CおよびGeから選ばれるいずれか
１種または２種以上の元素である。）で表される鉄基非
晶質合金が、高飽和磁束密度が得られ好ましいものであ
る。ここでＸの中でもSiおよびＢを用いた場合のSi量は
７〜14at％、Ｂ量は11〜15at％が好ましい、さらに鉄基
非晶質合金の中でも特にFeの一部をCoまたはNiのいずれ
か１種または２種の元素で置換した、一般式： （Fe1-xMx）100-yXy［at％］ ０≦ｘ≦0.4 14≦ｙ≦21 （ここで、ＭはCoまたはNiから選ばれるいずれか１種ま
たは２種の元素であり、ＸはSi,B,P,CおよびGeから選ば
れるいずれか１種または２種以上の元素である。）で表
される鉄基非晶質合金が、高飽和磁束密度でかつ高角形
比が得られるため特に好ましい。上記組成の鉄基非晶質
合金において、さらにTi,Ta,V,Cr,Mn,Cu,Mo,Nb,Wなどの
元素を5at％以下添加することにより、さらに磁気特性
の向上を図ることが可能である。
またコバルト基非晶質合金については、一般式： （Co1-xFex）100-z（Si1-yBy）ｚ 0.02≦ｘ≦0.1 0.3≦ｙ≦0.9 20≦ｚ≦30 で表されるコバルト基非晶質合金が高角形比および低鉄
損であり、とくに好ましい。上記組成のコバルト基非晶
質合金において、さらにTi,Ta,V,Cr,Mn,Cu,Mo,Nb,Wなど
の元素を8at％以下添加することにより、さらに磁気特
性の向上を図ることが可能であり、その中でも低鉄損を
考慮すると特にMn,Ni,Mo,Nbが好ましい。
また、さらに鉄基非晶質合金を結晶化させ微細な結晶
粒を析出させた鉄基磁性合金、例えば下記一般式： （Fe1-aMa）100−ｘ−ｙ−ｚ−α−β−γCuxSiyBzM-
αM- βＸγ 0≦ａ≦0.5 0.1≦ｘ≦３ 0≦ｙ≦30 0≦ｚ≦25 0≦ｙ＋ｚ≦35 0.1≦α≦30 0≦β≦10 0≦γ≦10 （ここで、ＭはCoまたはNiから選ばれる１種または２
種、M-はNb,W,Ta,Zr,Hf,TiおよびMoから選ばれるいずれ
か１種または２種以上の元素、M--はV,Cr,Mn,Al,白金族
元素,Sc,Y,希土類元素,Au,Zu,SnおよびReから選ばれる
いずれか１種または２種以上の元素、ＸはC,Ge,P,Ga,S
b,In,BeおよびAsから選ばれるいずれか１種または２種
以上の元素である。） により表される組成を有し、組織の少なくとも50％が微
細な結晶粒からなり、結晶粒がその最大寸法で測定した
場合、500Å以下の結晶粒径を有するFe基軟磁性合金が
好ましい。
上記、各組成を有する非晶質合金薄帯は、所定組成の
合金に例えば溶湯急冷法などを適用して容易に作製する
ことが可能である。また、これらの材料を用いた磁性材
料薄帯の厚さは格別限定されるものではないが、例えば
３〜40μｍの厚さが好ましく、さらには６〜28μｍが好
ましい。
一方、電気絶縁材料の材質においても特に限定される
ものではないが、ポリエステルフィルムは安価であるた
め好ましく、またポリイミドフィルムは耐熱性に優れて
おり、磁性材料薄帯と一体に熱処理が可能であるため、
例えば磁性材料薄帯とポリイミドフィルムを交互に巻回
または積層後に熱処理を行うことが可能であり、好まし
いものである。この電気絶縁材料の厚さも格別限定され
るものではないが、絶縁性を考慮すると1.5〜50μｍで
あることが好ましく、さらには1.5〜30μｍが好まし
い。
本発明における磁心は、下記の製造方法にり得ること
が可能である。
すなわち、所定の組成、形状の磁性材料薄帯と電気絶
縁材料を常法により交互に巻回しまたは所定の組成の磁
性材料薄帯を所定の形状に常法により打ち抜いたものと
電気絶縁材料とを交互に積層し、必要に応じて熱処理を
施すことにより製造される。この熱処理において特に直
流あるいは交流磁場中で熱処理を行うことにより、得ら
れた磁心の角形比などの磁気特性の向上を図ることが可
能となる。磁性材料薄帯としてコバルト基非晶質合金を
用いた場合には溶湯急冷後の状態で比較的高角形比が実
現できる組成が存在するため、熱処理を施さず用いるこ
とが可能である。
また、磁心の成形に先立ち、薄帯を直流あるいは交流
磁場中で熱処理を行うと、磁心成形体に対し磁場中で熱
処理を行った場合と同様に得られた磁心の角形比が向上
する。この際の磁場の大きさとしては0.5〜110Oe程度で
あることが好ましく、さらには５〜20Oe程度が好まし
い。
また、磁性材料薄帯と電気絶縁材料の組合せは、要求
される特性により適宜選択することが可能である。例え
ば特に電気絶縁性が要求される用途の場合には電気絶縁
材料を２層以上のものとしたり、特に磁気特性が要求さ
れる用途の場合には磁性材料薄帯を２層以上のものとし
たりすることができる。
本発明の磁心は、磁性材料薄帯と電気絶縁材料を交互
に積層または巻回した磁心において使用時に発熱を生じ
るものであれば何ら限定されるものではないが、レーザ
ーや粒子加速器などに用いられるパルス発生装置や変圧
器など大電力で用いられる磁心に用いられる場合に特に
有効である。
実施例1,2および比較例1,2 第１表に示す組成および形状を有する非晶質合金薄帯
および電気絶縁材料を用い、交互に巻回して外径200m
m、内径100mmの巻磁心を成形した。得られた巻磁心を42
0℃、30分間の熱処理を行った後、200℃恒温、10eの直
流定磁場中で１時間熱処理を行った。
実施例３および比較例３ 第１表に示す組成および形状を有する非晶質合金薄帯
および電気絶縁材料を用い、交互に巻回して外径230m
m、内径100mmの巻磁心を成形した。得られた巻磁心を42
0℃、30分間の熱処理を行った後、200℃恒温、1Oeの直
流定磁場中で１時間熱処理を行った。
実施例４および比較例４ 第１表に示す組成および形状を有する非晶質合金薄帯
を交互に巻回して外径200mm、内径100mmの巻磁心を成形
した。得られた巻磁心を400℃恒温、10Oeの直流定磁場
中において２時間熱処理を行った。
実施例５および比較例５ 第１表に示す組成および形状を有する非晶質合金薄帯
のみを巻回して外径180mm、内径100mmの巻磁心を成形
し、非晶質合金薄帯に対し、320℃恒温、30Oeの直流定
磁場中において２時間熱処理を行った。得られた非晶質
合金薄帯および第１表に示す電気絶縁材料を用い交互に
再び巻回して外径180mm、内径100mmの巻磁心を成形し
た。
実施例６および比較例６ 第１表に示す組成および形状を有する非晶質合金薄帯
および電気絶縁材料を用い交互に巻回して外径240mm、
内径100mmの巻磁心を成形した。得られた巻磁心を550℃
恒温、1Oeの直流定磁場中において１時間熱処理を行う
ことにより非晶質合金を結晶化させ微細な結晶粒を析出
させた。
実施例７および比較例７ 第１表に示す組成および板厚を有する非晶質合金薄帯
を外径60mm、内径30mmの環状に打ち抜いたものと外径5
9.5mm、内径30.5mmの環状の電気絶縁材料を交互に積層
し、高さ40mmの実施例７の積層磁心を成形した。
また比較例として第１表に示す組成および板厚を有す
る非晶質合金薄帯を外径60mm、内径30mmの環状に打ち抜
いたものと外径61mm、内径29mmの環状の電気絶縁材料を
交互に積層し、高さ40mmの比較例７の積層磁心を成形し
た。
上記得られた磁心において、実施例1,4〜６および比
較例2,4〜６の磁心を第３図の等価回路を有するKrFエキ
シマレーザ装置に使用した際の磁心の温度上昇を測定し
た。この場合LS1に磁心５個を用いた油冷構造とした。
なお、C11＝20nF、C21＝16nF、C31＝14nF、V0＝30kV出
或。この際の繰返し周波数は、実施例１、３および比較
例１、３の場合には1kHz、実施例４、５、６および比較
例４、５、６の場合には0.2kHzである。
その結果を第１表に示す。
また、実施例２、７および比較例２、７の磁心の第４
図の等価回路を有するKrFエキシマレーザ装置に使用し
た際の磁心の温度上昇を測定した。この場合Ls2磁心６
個を用いたフッ素系不活性液体による冷却構造とした。
なお、C12＝20nF、C22＝16nF、V0＝20kV、繰返し周波数
1kHzである。その結果を併せて第１表に示す。
下記第１表により明らかなように、電気絶縁材料の幅
を磁性材料薄帯の幅未満とした本発明の磁心は、電気絶
縁材料の幅が磁性材料薄帯の幅以上の従来の磁心に比
べ、使用時における磁心の温度上昇が小さく、高出力パ
ルス用磁心に用いた場合においても、優れた冷却効果を
有している。
また、電気絶縁材料の幅（W1N）と非晶質合金の幅（W
AM）の比（W1N/WAM）を種々変化させて磁心を作成し、
第３図の等価回路を有するKrFエキシマレーザ装置に使
用した際の磁心の温度上昇を測定した。非晶質合金およ
び電気絶縁材料が実施例１と同様の場合の結果を第５図
に、また、実施例５と同様の場合を第６図に示した。
この場合LS1に磁心５個を用いた油冷構造とした。な
お、C11＝20nF、C21＝16nF、C31＝14nF、V0＝30kV、繰
返し周波数1kHzである。
第５図および第６図より明らかなように、電気絶縁材
料の幅（W1N）と非晶質合金の幅（WAM）の比（W1N/
WAM）が0.5W1N/WAM＜１のものは、冷却効果が大きく
温度上昇が小さいので好ましい。これら第５図および第
６図より明らかなように、厚さ16μｍの非晶質合金薄帯
と厚さ６μｍの電気絶縁材料により構成された磁心を用
いた第５図に比較し、厚さ15μｍの非晶質合金薄帯と厚
さ２μｍの電気絶縁材料により構成された磁心を用いた
第６図、すなわち磁性材料薄帯と電気絶縁材料の厚さの
比が大きい磁心の方が材料の幅の差による冷却特性への
影響が大きい。第６図より磁性薄帯と電気絶縁材料の厚
さの比が大きい磁心の場合は、電気絶縁材料の幅が磁性
材料薄帯の幅に近いほど冷却特性が優れていることが理
解できる。
ここで、W1N/WAM＜0.5の場合の磁心の温度上昇が大き
いのは、非晶質合金薄帯間の短絡による発熱が原因であ
ると考えられる。またW1N/WAM１の場合の発熱は、非
晶質合金薄膜より突出した電気絶縁材料による磁心の放
熱性の低下が原因と考えられる。
次に、実施例３に用いた非晶質合金および電気絶縁材
料において、非晶質合金の幅方向の中心線と電気絶縁材
料の幅方向の中心線との距離Ｃ（第７図参照）を種々変
化させた磁心を作成し、第３図の等価回路を有するKrF
エキシマレーザ装置に使用した際の磁心の温度上昇を測
定し、その結果を第８図に示した。
なお、前述の各実施例および比較例については、磁性
材料薄帯の中心線と電気絶縁材料の中心線は一致してい
る。
この場合、第３図のLSIに磁心５個を用い油冷構造と
した。なお、C11＝20nF、C21＝16nF、C31＝14nF、V0＝3
0kV、繰返し周波数1kHzである。
第８図より明らかなように、電気絶縁材料の幅方向の
一端縁が磁性材料薄帯の幅方向の一端縁と一致するかま
たは突出すると磁心の温度上昇が大きくなる。
したがって、電気絶縁材料の両端縁ともに磁性材料薄
帯より突出していない方が、磁性材料薄帯の冷却媒体へ
の接触面積という観点から好ましい。
産業上の利用可能性 本発明の磁心は、使用時における磁心の温度上昇が小
さく、冷却効果が大きいため、高出力パルス用の磁心な
ど大電力に用いられる磁心などに有効である。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−124008（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−82027（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01F 27/00 - 27/42

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】磁性材料薄帯と電気絶縁材料が積層または
    巻回されてなる磁心であって、磁性材料薄帯の幅をａ、
    電気絶縁材料の幅をｂとした場合に、前記電気絶縁材料
    の幅方向の両端縁がともに磁性材料薄帯の幅方向から突
    出していないように配置し、かつ0.5a≦ｂ＜ａなる関係
    を満足することにより、前記磁性材料薄帯の端部を冷却
    媒体に接触させるようにしたことを特徴とする、磁心。
  2. 【請求項２】前記磁性材料薄帯の幅ａ、と電気絶縁材料
    の幅ｂとの関係が0.9a≦ｂ＜ａなる関係を有する、請求
    項１に記載の磁心。
  3. 【請求項３】前記磁性材料薄帯の幅ａ、と電気絶縁材料
    の幅ｂとの関係が0.95a≦ｂ＜ａなる関係を有する、請
    求項１記載の磁心。
  4. 【請求項４】前記磁性材料薄帯の幅方向における両端部
    が双方とも前記電気絶縁材料の幅方向における両端部よ
    りも突出するように配置されている、請求項１に記載の
    磁心。
  5. 【請求項５】前記磁性材料薄帯の中心線と前記電気絶縁
    材料の中心線がほぼ一致するように配置されている、請
    求項１に記載の磁心。
  6. 【請求項６】前記磁性材料薄帯が下記一般式： Fe100-yXy 14≦ｙ≦21［at％］ （ここで、ＸはSi、Ｂ、Ｐ、ＣおよびGeから選ばれるい
    ずれか１種または２種以上の元素である） で表される非晶質合金からなる、請求項１記載の磁心。
  7. 【請求項７】前記磁性材料薄帯が下記の一般式： （Fe1-xMx）100-yXy ０≦ｘ≦0.4 14≦ｙ≦21［at％］ （ここで、ＭはCoまたはNiから選ばれるいずれか１種ま
    たは２種以上の元素であり、ＸはSi、Ｂ、Ｃ、およびGe
    から選ばれる１種または２種以上の元素である） で表される非晶質合金からなる、請求項１に記載の磁
    心。
  8. 【請求項８】請求項７の非晶質合金にさらにTi、Ta、
    Ｖ、Cr、Mn、Cu、Mo、Nb、Ｗから選ばれるいずれか１種
    または２種以上の元素を5at％以上添加した非晶質合金
    からなる、請求項７に記載の磁心。
  9. 【請求項９】前記磁性材料薄帯が下記一般式： （Co1-xFex）100-x（Si1-yBy）ｘ 0.02≦ｘ≦0.1 0.3≦ｙ≦0.9 20≦ｚ≦30［at％］ で表される非晶質合金からなる、請求項１に記載の磁
    心。
  10. 【請求項１０】請求項９の非晶質合金にさらにTi、Ta、
    Ｖ、Cr、Mn、Cu、Mo、Nb、Ｗから選ばれるいずれか１種
    または２種以上の元素を5at％以上添加した非晶質合金
    からなる、請求項８に記載の磁心。
  11. 【請求項１１】前記磁性材料薄帯が下記の一般式： （Fe1-aMa）100−ｘ−ｙ−ｚ−α−β−γCuxSiyBzM- α
    M-- βＸγ ０≦ａ≦0.5 0.1≦ｘ≦３ ０≦ｙ≦30 ０≦ｚ≦25 ０≦ｙ＋ｚ≦35 0.1≦α≦30 ０≦β≦10 ０≦γ≦10 （ここで、ＭはCoまたはNiから選ばれる１種または２
    種、Ｍ−はNb、Ｗ、Ta、Zr、Hf、TiおよびMoから選ばれ
    るいずれか１種または２種以上の元素、Ｍ−−はＶ、C
    r、Mn、Al、白金属元素、Sc、Ｙ、希土類元素、Au、Z
    u、SnおよびReから選ばれるいずれか１種または２種以
    上の元素、ＸはＣ、Ge、Ｐ、Ga、Sb、In、BeおよびAsか
    ら選ばれるいずれか１種または２種以上の元素であ
    る。） で表され、組織の少なくとも50％が微細な結晶粒かなら
    り、かつ結晶粒がその最大寸法で500Å以下の結晶粒径
    を有するFe基軟磁性合金からなる、請求項１記載の磁
    心。
  12. 【請求項１２】前記磁心は大電力で用いられるものであ
    る、請求項１に記載の磁心。
  13. 【請求項１３】前記磁心はパルス発生装置に用いられる
    ものである、請求項12記載の磁心。
  14. 【請求項１４】前記磁心は変圧器に用いられるものであ
    る。請求項12記載の磁心。
  15. 【請求項１５】請求項１〜11のいずれか１項に記載の磁
    心を具備してなることを特徴とする、パルス発生装置。
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