JP3533237B2 - 可飽和コアおよびそれを用いた磁気増幅器 - Google Patents
可飽和コアおよびそれを用いた磁気増幅器Info
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- H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
- H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
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Description
れる可飽和コア、およびそれを用いた磁気増幅器に関す
る。
イッチング電源が多用されている。特に、出力制御用と
して磁気増幅器を組み込んだスイッチング電源は、多出
力化の容易さと低ノイズのために、広く用いられてい
る。磁気増幅器を構成する主要部は可飽和コアであり、
このような可飽和コアの構成材料は、角形磁化特性に優
れることが必要とされるため、主にパーマロイやアモル
ファス磁性合金等が使用されている。また、コアの形状
としては、トロイダル形状が一般的である。
形状は、巻線性を考えて、窓面積を大きくすることが一
般的であり、コア材質等を考慮して、コア形状を設計す
ることは行われていない。すなわち、従来、コア形状に
対する検討は十分になされておらず、コア材料の特性に
見合った設計とはなっていない。これにより、例えばデ
ッドアングルと呼ばれる制御不能角を再現性よく小さく
することができず、様々な問題を招いている。特に、最
近、安定化電源にはより一層の小形軽量化が求められて
おり、このような要求に対してスイッチング周波数を高
周波化することが進められている。スイッチング周波数
の高周波化によって、デッドアングルの低減はより重要
になってきている。
コアを用いた場合、電圧降下が増大するため、磁気増幅
器の高周波応用において制御範囲が狭くなり、実用的な
制御特性を得ることができなくなる。このような問題
は、トランスからの出力電圧を高くすることにより解消
することができるものの、電圧を高くすると、コアに対
する動作磁束量が大きくなり、発熱量が増大するという
問題を招いてしまう。発熱量の増大は、高周波応用上重
要な問題となっており、損失の増大すなわち電源効率の
低下や、適用範囲の制限等を招いている。
の可飽和コアにおいては、コア材質等を考慮した形状設
計が行われておらず、これによりデッドアングルの増大
等が生じている。そして、デッドアングルが大きな可飽
和コアは、磁気増幅器等の高周波応用において制御範囲
を狭くしたり、またこれを解消するために、トランスの
出力電圧を高くすると発熱量が増大して、電源効率の低
下や適用範囲の制限等の問題を招いている。 本発明
は、このような課題に対処してなされたものであり、高
周波応用時における電圧降下、発熱の増大、さらには効
率の低下等を再現性よく防止することを可能にした可飽
和コア、およびそれを用いた磁気増幅器を提供すること
を目的としている。
アに関する第1の発明は、コア材料の飽和比透磁率をμ
rs、飽和磁束密度をBs [T] とし、かつコア形状にお
ける巻線に対する窓面積をAw [m2 ]、平均磁路長をl
[m] としたとき、 μrs/Bs ≦40×103 Aw /l ……(1) の関係を満足するような、前記コア材料およびコア形状
を有することを特徴としている。
発明は、アモルファス磁性合金薄帯を用いた可飽和コア
であって、前記アモルファス磁性合金薄帯の磁路方向に
誘導磁気異方性を付与し、前記磁路方向が磁化容易軸と
されていると共に、前記コアに 30%の巻線を施し、電流
密度 5A/mm2 で電流を流した際の磁路方向の磁気異方性
エネルギーが 100J/ m3 以下であることを特徴としてい
る。
の発明または第2の発明による可飽和コアのいずれかを
有することを特徴としている。
成材料としては、種々の軟磁性コア材料を適用すること
が可能であるが、特に高周波域における損失が小さく、
かつ高飽和磁束密度が得られる、アモルファス磁性合金
や微細な結晶粒を有するFe基軟磁性合金(以下、Fe基微
細結晶合金と記す)を用いることが好ましい。アモルフ
ァス磁性合金としては、例えば 一般式:( M1-a M′a )100-b Xb (式中、 MはFe、Coから選ばれる少なくとも 1種の元素
を、 M′はTi、V 、Cr、Mn、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta、
W 等から選ばれる少なくとも 1種の元素を、 XはB 、S
i、C 、P 等から選ばれる少なくとも 1種の元素を示
し、 aおよび bはそれぞれ 0≦ a≦ 0.5、10≦ b≦35を
満足する数を示す)で表される組成を有するもの等が例
示される。
元素を、 Dは4A族元素、5A族元素、6A族元素および希土
類元素から選ばれる少なくとも 1種の元素を、 EはMn、
Al、Ga、Ge、In、Snおよび白金族元素から選ばれる少な
くとも 1種の元素を、 Zは C、 Nおよび Pから選ばれる
少なくとも 1種の元素を表し、 c、 d、 e、 f、 gおよ
び hは、 0≦ c≦ 8、 0.1≦ d≦15、 0≦ e≦10、 0≦
f≦25、 1≦ g≦12、 0≦ h≦10、 1≦ f+g+h≦30の各
式を満足する数である。ただし、上記式中の全ての数字
は at%を示す)で組成が実質的に表され、平均粒径が例
えば50nm以下の微細結晶粒を有する合金が挙げられる。
成調整や熱処理条件等によって、種々の飽和比透磁率μ
rsおよび飽和磁束密度Bs を得ることができる。そし
て、第1の発明においては、使用する軟磁性材料(コア
材料)の材料特性(μrs、Bs)に応じて、 (1)式の関
係を満足するように、コア形状すなわち巻線に対する窓
面積Aw および平均磁路長lを決定する。
(2) と置き換えて考えると、材料特性(μrs、Bs )が決定
されている場合に、Kの値が40×103 より大きくなるよ
うなコア形状とすると、材料特性に対してコア形状を小
さく設定したことになり、デッドアングルが増大して、
電圧降下が大きくなってしまう。すなわち、Kの値が40
×103 以下となるように、コア材料およびコア形状を設
定することによって、電圧降下が小さい可飽和コアを得
ることが可能となり、磁気増幅器さらにはそれを用いた
電源の高周波域における損失を減少させることができ
る。上記Kのより好ましい値は15×103 以下である。
基微細結晶合金を用いた可飽和コアは、例えばこれら合
金の薄帯を所望の形状に巻回することによって、あるい
は薄帯を所望の形状に打ち抜いた後、所望のコア形状に
積層することによって得ることができる。
アモルファス磁性合金薄帯の磁路方向に誘導磁気異方性
を付与し、磁路方向を磁化容易軸としている。このよう
に、磁路方向を磁化容易軸とすることによって、飽和時
の残留インダクタンスが減少すると共に、デットアング
ルが減少し、可飽和コアの実稼働時、特に全負荷時の損
失を減少させることができる。
5A/mm2 で電流を流した際の磁路方向の磁気異方性エネ
ルギーを100J/m3 以下とする。単に磁路方向に誘導磁気
異方性を付与しただけでは、すなわち磁路方向の磁気異
方性エネルギーが100J/m3 を超える場合には、電圧降下
に伴う損失を十分に低減することができない。なお、こ
こで言う 30%の巻線とは、コアの窓面積の30% を占める
ように巻線を施した状態を指すものとする。また、磁気
異方性エネルギーは、図8に示すように、B−Hカーブ
におけるHm (コアに 30%の巻線を施したときに 5A/mm
2 の電流が流れた際の磁界)とHm の際の磁束密度Bm
と残留磁束密度Br とにより形成される三角形の面積
(図中、斜線で示す)で表されるものである。
ファス磁性合金薄帯としては、前述したような種々の組
成のアモルファス合金を使用することが可能であるが、
特にCo基のアモルファス合金を用いることが高周波特性
の点から好ましい。また、アモルファス磁性合金薄帯の
板厚は、無負荷時の損失を下げる上で薄くすることが好
ましく、具体的には15μm 以下とすることが好ましい。
アモルファス磁性合金薄帯の平均板厚を15μm 以下とす
ることによって、渦電流損を十分に小さくすることがで
きるため、特に高周波域での損失低減を図ることができ
る。アモルファス磁性合金薄帯のより好ましい平均板厚
は13μm 以下であり、さらに好ましくは11μm 以下であ
る。
アは、アモルファス磁性合金薄帯を所望の形状に巻回
し、あるいは薄帯を所望の形状に打ち抜いた後に所望の
コア形状に積層し、この後磁路方向に磁場を印加しつつ
熱処理を施すことによって得られる。そして、この磁場
熱処理の条件、すなわち印加磁場や温度等を適宜制御す
ることによって、磁路方向の磁気異方性エネルギーが10
0J/m3 以下となるように調整する。
EIコア、PQコア等の種々の形状のコアに対して適用
することができる。ここで、本発明をトロイダルコアに
適用する場合には、トロイダルコアの空芯部の断面積が
窓面積Aw となり、また平均磁路長lは外径と内径との
平均値から求めた値とする。また、EIコアに適用する
場合には、EIコアの一方の空心部の断面積が窓面積A
w となり、また平均磁路長lはこの一方の空心部の周囲
の平均磁路長とする。PQコアは、EIコアに準ずるも
のとする。
す 5種類のCo基アモルファス合金薄帯を用意した。これ
らCo基アモルファス合金薄帯を用いて、表2に示す 3種
類の形状の可飽和コアをそれぞれ作製した。これら可飽
和コアのK値(=(μrs/Bs )/(Aw /l)) は、表
3に示す通りである。
後、 150kHz,12V-4Aのスイッチング電源に磁気増幅器と
してそれぞれ組み込み、実機試験を行った。そして、こ
の際の電圧降下を測定した。その結果を表4に示す。ま
た、可飽和コアのK値と電圧降下との関係を図1に示
す。
コア形状を採用することによって、すなわちK値を小さ
くすることによって、電圧降下を抑制できることが分か
る。そして、例えば出力電圧の低下を 10%以下にするた
めには、K値を40×103 以下とする必要があり、また5%
以下とするためには15×103 以下とすることが好ましい
ことが分かる。
アモルファス合金薄帯を用いて、それぞれ形状Aのコア
(12× 8× 4.5mm)を作製し、これらに巻線を施した後
に、図2に回路構成を示すスイッチング電源に、磁気増
幅器1としてそれぞれ組み込んで、 150kHz,12V-4Aのス
イッチング電源をそれぞれ作製した。なお、図2におい
て、2は 1次巻線数が50で 2次巻線数が16のトランス、
3はスイッチング素子、4は入力電源、5、6はLC素
子を構成するチョークコイルとコンデンサ、7は制御回
路である。これらスイッチング電源を動作させて、出力
電圧、温度上昇および効率を測定した。これらの結果を
表5に示す。なお、可飽和コアを組み込んでいないスイ
ッチング電源の出力電圧は、4A時に12.80Vであった。
コアを組み込んだスイッチング電源においては、出力電
圧の低下が小さく、良好な制御性および効率が得られて
いるのに対し、K値が40×103 を超える可飽和コアを組
み込んだスイッチング電源では、出力電圧の低下が大き
く、制御不能となった。
による可飽和コアの使用を可能とするために、トランス
2の 2次巻線を増加し、電圧を高くしてそれぞれスイッ
チング電源を動作させた。その際の評価結果を表6に示
す。なお、可飽和コアを組み込んでいないスイッチング
電源の出力電圧は4A時に 14.4Vであった。
は可能となったものの、発熱が増大し、熱的な面で使用
範囲が限定されると共に、効率も低下した。
アの形状を最適化することによって、電圧降下を小さく
することができ、良好な制御特性を得た上で、電源効率
の向上を図ることが可能となる。
Cr2 Si14 B12よりなるCo基アモルファス磁性合金薄帯を
用意し、これらをそれぞれ外径12mm×内径 8mm×高さ
4.5mmとなるように巻回して、それぞれ 3個づつ可飽和
コアを作製した。次に、上記各可飽和コアに巻線を施し
て、その巻線に電流を流し、磁路方向に磁場を印加しつ
つ熱処理(磁場熱処理)を行うことによって、磁路方向
に磁気誘導異方性を付与した。そして、この際の条件を
変更することによって、磁路方向の磁気異方性エネルギ
ーをそれぞれ 50J/m3 、100J/m3 、150J/m3 とした。
れぞれ巻線を施した後、これらを200kHz,12V-8A のスイ
ッチング電源に磁気増幅器としてそれぞれ組み込み、こ
れらスイッチング電源を動作させて、その際の温度上昇
を測定した。それらの結果を、図3に磁気異方性エネル
ギーと温度上昇との関係として、図4にCo基アモルファ
ス合金薄帯の平均板厚と温度上昇との関係として示す。
による可飽和コア毎に、負荷電流を変化させて、その際
の温度上昇をそれぞれ測定した。その結果を図5、図
6、図7にそれぞれ示す。
ーが小さいほど温度上昇が少なく、また板厚に関しては
薄いほど温度上昇が少ないことが分かる。すなわち、板
厚が薄いアモルファス磁性合金薄帯を用い、かつ磁路方
向に磁気誘導異方性を付与した上で、磁気異方性エネル
ギーを小さくすることによって、実働時特に全負荷時の
可飽和コアの温度上昇を抑制することが、すなわち損失
を低減することが可能となる。また、図5、図6、図7
からは、アモルファス磁性合金薄帯の板厚を薄くするこ
とにより、無負荷時の温度上昇を抑制することが、すな
わち損失を低減することができることが分かる。
ァス磁性合金薄帯を用い、かつ磁路方向に磁気誘導異方
性を付与した上で、磁気異方性エネルギーを100J/m3 以
下とすることによって、無負荷時の温度上昇(△T)を
40℃以下、また全負荷時の温度上昇(△T)を50℃以下
とすることが可能となる。よって、可飽和コア(磁気増
幅器)による損失の低減が図れ、電源効率の向上を図る
ことが可能となる。
アによれば、高周波応用時における電圧降下が防止でき
ると共に、発熱を抑制することを可能となるため、良好
な制御性を確保した上で、それを用いた磁気増幅器心や
電源の効率を向上させることができる。
図である。
源の回路構成を示す図である。
異方性エネルギーと温度上昇との関係を示す図である。
たCo基アモルファス合金薄帯の板厚と温度上昇との関係
を示す図である。
を用いた種々の磁気異方性エネルギーを有する可飽和コ
アの負荷電流と温度上昇との関係を示す図である。
を用いた種々の磁気異方性エネルギーを有する可飽和コ
アの負荷電流と温度上昇との関係を示す図である。
を用いた種々の磁気異方性エネルギーを有する可飽和コ
アの負荷電流と温度上昇との関係を示す図である。
ある。
Claims (4)
- 【請求項1】 コア材料の飽和比透磁率をμrs、飽和磁
束密度をBs [T]とし、かつコア形状における巻線に
対する窓面積をAw [m2 ] 、平均磁路長をl[m] とした
とき、 μrs/Bs ≦40×103 Aw /l の関係を満足するような、前記コア材料およびコア形状
を有することを特徴とする可飽和コア。 - 【請求項2】 アモルファス磁性合金薄帯を用いた可飽
和コアであって、 前記アモルファス磁性合金薄帯の磁路方向に誘導磁気異
方性を付与し、前記磁路方向が磁化容易軸とされている
と共に、前記コアに 30%の巻線を施し、電流密度 5A/mm
2 で電流を流した際の磁路方向の磁気異方性エネルギー
が100J/m3 以下であることを特徴とする可飽和コア。 - 【請求項3】 請求項2記載の可飽和コアにおいて、 前記アモルファス磁性合金薄帯の平均板厚が15μm 以下
であることを特徴とする可飽和コア。 - 【請求項4】 請求項1または請求項2記載の可飽和コ
アを有することを特徴とする磁気増幅器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP01740394A JP3533237B2 (ja) | 1994-02-14 | 1994-02-14 | 可飽和コアおよびそれを用いた磁気増幅器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP01740394A JP3533237B2 (ja) | 1994-02-14 | 1994-02-14 | 可飽和コアおよびそれを用いた磁気増幅器 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH07226325A JPH07226325A (ja) | 1995-08-22 |
JP3533237B2 true JP3533237B2 (ja) | 2004-05-31 |
Family
ID=11943033
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP01740394A Expired - Lifetime JP3533237B2 (ja) | 1994-02-14 | 1994-02-14 | 可飽和コアおよびそれを用いた磁気増幅器 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3533237B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5742205A (en) * | 1995-07-27 | 1998-04-21 | Scientific-Atlanta, Inc. | Field effect transistor cable television line amplifier |
JP5638817B2 (ja) * | 2010-03-04 | 2014-12-10 | 川崎重工業株式会社 | 磁気増幅器 |
-
1994
- 1994-02-14 JP JP01740394A patent/JP3533237B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH07226325A (ja) | 1995-08-22 |
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