JP4630873B2 - Controllable guidance device - Google Patents

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Abstract

A variable inductor device comprises a magnetic core with first and second coaxial and concentric cylindrical members 101, 102 formed from magnetic material which are arranged with a high permeability direction and a lower permeability direction. The ends of the cylindrical members 101,102 are magnetically interconnected by end coupling members 105, 106. A first winding 103 is wound around both of the magnetic cylinders with an axis perpendicular to that of the cylinders. A second winding 104 is wound around at least one of the cylindrical members and has an axis that coincides with that of the cylinders. The first winding 103 may provide a magnetic field which is aligned with the high permeability direction of the magnetic core and the second winding 104 may be orthogonal to the first winding and provide a magnetic field which is aligned with a lower permeability direction, or vise versa. A magnetic coupler device 105, 106 and a magnetic structure are also claimed. The magnetic coupler 105, 106 may be formed from anisotropic magnetic sheet or wire material and arranged to form a toroidal member for magnetically coupling two coaxial and concentric cylindrical magnetic core members. A non-magnetic spacer material may be used between the cylinders and the end couplers. The magnetic structure has two windings which are orthogonal to one another and act on a closed magnetic core formed from anisotropic material. The variable inductor device provides a low loss variable inductor for high power applications.

Description

本発明は制御可能インダクタに関し、および、より詳しくは異方性の材料を備える第１および第２の同軸および同心のパイプ要素を備え、前記要素が、磁気端部カプラによって両端でお互いに結合され、第１の巻線が前記両方の磁気パイプ要素のまわりに巻回され、第２の巻線が前記磁気パイプ要素の少なくとも１つのまわりに巻回され、第１の巻線に対する巻線軸は磁気パイプ要素のうちの少なくとも１つの軸と垂直であり、第２の巻線の巻線軸はその軸と一致し、励磁されると、第１の巻線は、第１の透磁率の方向と一致する第１の方向の磁界を発生させ、励磁されると、第２の巻線は、第２の透磁率の方向と一致する第２の方向の磁界を発生させ、そして、第１の透磁率は、第２の透磁率より実質的に高い制御可能インダクタに関する。
The present invention relates to a controllable inductor and, more particularly, comprises first and second coaxial and concentric pipe elements comprising anisotropic material, said elements being coupled to each other at both ends by a magnetic end coupler. , A first winding is wound around both the magnetic pipe elements, a second winding is wound around at least one of the magnetic pipe elements, and the winding axis for the first winding is magnetic Perpendicular to at least one axis of the pipe element, the winding axis of the second winding coincides with that axis, and when energized, the first winding coincides with the direction of the first permeability When the first winding generates a magnetic field in the first direction and is excited, the second winding generates a magnetic field in a second direction that matches the direction of the second permeability, and the first permeability Relates to a controllable inductor substantially higher than the second permeability.

誘導装置の主磁界を制御するために制御磁界を使用することに長期にわたる関心がある。
There is a long-standing interest in using a control magnetic field to control the main magnetic field of the induction device.

米国特許第４，２１０，８５９号は、接続要素によって端部でお互いに連結された内部円筒および外部円筒を備える装置を記述している。この装置において主巻線が磁心のまわりに巻回され、および、円筒の中央部開口を通過する。巻線軸は、円筒の周辺に沿った経路に従う。
この巻線は、円筒の壁の中に環状磁界および接続要素の中に円形磁界を生成する。制御巻線は、円筒の軸のまわりに巻回される。それは、したがって円筒の長手方向に磁界を生成する。磁性体において通常通り磁心の透磁率は、制御巻線に印加される制御電流の作用によって変化する。円筒および接続要素が同じ材料でできているので、透磁率の変化率は、両方の要素タイプにおいて同じものである。従って、制御磁界の大きさは、磁心の飽和および制御磁界の変質を防ぐために制限されなければならない。その結果、このインダクタの制御レンジは、したがって制限され、および、米国特許第４，２１０，８５９号における装置は装置の電力処理能力を制限する比較的小さな体積を備えている。
U.S. Pat. No. 4,210,859 describes a device comprising an inner cylinder and an outer cylinder connected to each other at the ends by connecting elements. In this device, the main winding is wound around the magnetic core and passes through the central opening of the cylinder. The winding axis follows a path along the periphery of the cylinder.
This winding produces an annular magnetic field in the cylindrical wall and a circular magnetic field in the connecting element. The control winding is wound around a cylindrical axis. It thus generates a magnetic field in the longitudinal direction of the cylinder. In the magnetic body, the magnetic permeability of the magnetic core changes as usual by the action of the control current applied to the control winding. Since the cylinder and the connecting element are made of the same material, the rate of change of permeability is the same for both element types. Therefore, the magnitude of the control field must be limited to prevent saturation of the magnetic core and alteration of the control field. As a result, the control range of this inductor is therefore limited, and the device in US Pat. No. 4,210,859 has a relatively small volume that limits the power handling capability of the device.

他の装置には、主磁束経路の一部だけの制御透磁率が含まれる。
しかし、このようなアプローチは、劇的に装置の制御レンジを制限する。例えば、米国特許第４，３９３，１５７号は異方性のシートストリップ材料でできている可変インダクタを記述する。このインダクタには、お互い垂直に連結される２つのリング要素が設けられて、限られた交差エリアを有するように構成されている。それぞれのリング要素が巻線を有する。磁界制御が遂行されることができる装置の部分は、リングが交差するエリアに限られる。限られた制御可能エリアは、主磁界および制御磁界に対する閉磁路の比較的小さな部分である。磁心の部分が最初に飽和し（異なる磁界が異なるエリアに働くので、飽和は磁心の全ての部分に対して同時には達しない）、および、この飽和は、主磁束からの浮遊磁界によって発生する損失という結果になる。部分的な飽和は、非常に限られた制御幅を有する装置という結果になる。
Other devices include control permeability for only a portion of the main flux path.
However, such an approach dramatically limits the control range of the device. For example, U.S. Pat. No. 4,393,157 describes a variable inductor made of anisotropic sheet strip material. The inductor is provided with two ring elements that are vertically connected to each other and is configured to have a limited intersection area. Each ring element has a winding. The portion of the device where magnetic field control can be performed is limited to the area where the rings intersect. The limited controllable area is a relatively small part of the closed magnetic circuit for the main and control fields. The core part is saturated first (saturation does not reach all parts of the core simultaneously because different magnetic fields work in different areas), and this saturation is a loss caused by stray fields from the main flux Result. Partial saturation results in a device with a very limited control width.

したがって、従来技術は相当な損失を導入することのない実質的な電力処理能力のために磁心の透磁率を制御する手段を欠いている。従来技術の欠点は、全ての誘導装置外形、および、特に、シートストリップ金属でできた湾曲構造をもたらす。その理由は、相当な渦電流およびヒステリシス損失がこれらのタイプの湾曲構造において起こるからである。
Thus, the prior art lacks a means to control the permeability of the core for substantial power handling capability without introducing significant losses. The disadvantages of the prior art result in all guiding device profiles and in particular curved structures made of sheet strip metal. The reason is that considerable eddy currents and hysteresis losses occur in these types of curved structures.

本発明はこれらの欠点に対処し、および高出力用途に適した制御可能低損失誘導装置において実施することができる。概して、本発明は横方向の制御磁区移動によって、回転方向の磁束誘導を制御するために使用されることができる。
The present invention addresses these drawbacks and can be implemented in a controllable low loss induction device suitable for high power applications. In general, the present invention can be used to control rotational flux induction by lateral control domain movement.

一態様において本発明は横方向の制御磁界を使用することによって回転方向の粒子配向性材料の透磁率を制御する。一実施態様において粒子配向性鋼の制御可能誘導装置は、横方向に磁化される。別の実施態様において、第１および第２の同軸および同心のパイプ要素を備える制御可能インダクタが、提供される。要素は、磁気端部カプラによって両端でお互いに結合される。第１の巻線が前記両方の要素のまわりに巻回され、および、第２の巻線が前記要素の少なくとも１つのまわりに巻回される。第１の巻線の巻線軸は要素の軸に垂直であり、第２の巻線の巻線軸は要素の軸と一致する。第１および第２の磁気要素は、異方性の磁性材料から巻線の第１のものによって導入される磁界の方向の透磁率が、巻線の第２のものによって導入される磁界の方向の透磁率より、著しく高いように作られる。この実施態様の種類において、異方性の材料は、粒子配向性珪素綱および磁区制御高透磁率粒子配向性珪素綱からなる群から選択される。
In one aspect, the present invention controls the permeability of the grain oriented material in the rotational direction by using a transverse control magnetic field. In one embodiment, the grain-oriented steel controllable guidance device is magnetized in the transverse direction. In another embodiment, a controllable inductor comprising first and second coaxial and concentric pipe elements is provided. The elements are coupled to each other at both ends by magnetic end couplers. A first winding is wound around both the elements and a second winding is wound around at least one of the elements. The winding axis of the first winding is perpendicular to the element axis, and the winding axis of the second winding coincides with the element axis. The first and second magnetic elements are such that the permeability in the direction of the magnetic field introduced by the first of the windings from the anisotropic magnetic material is such that the magnetic field introduced by the second of the windings. It is made to be remarkably higher than the magnetic permeability. In this type of embodiment, the anisotropic material is selected from the group consisting of a grain oriented silicon rope and a domain controlled high permeability particle oriented silicon rope.

一実施態様において磁気端部カプラは、異方性の材料でできており、および、第１の巻線によって生成される磁界に対して低透磁率経路および第２の巻線によって生成される磁界に対して高透磁率経路を提供する。
制御可能インダクタは、また、磁気パイプ要素縁部および端部カプラの間に位置する薄い絶縁シートを含むこともできる。
In one embodiment, the magnetic end coupler is made of an anisotropic material and the magnetic field generated by the low permeability path and the second winding relative to the magnetic field generated by the first winding. Provides a high permeability path.
The controllable inductor can also include a thin insulating sheet located between the magnetic pipe element edge and the end coupler.

他の実施態様では、本発明は閉磁路を含む制御可能磁気構造を提供する。閉磁路は、磁気回路第１要素および磁気回路第２要素を含む。各々の磁気回路要素は高透磁率方向を有する異方性の材料から製作される。制御可能磁気構造は、また、閉磁路の第１部分の回りに巻回される第１の巻線および、第１の巻線と直角方向の第２の巻線をも含む。それぞれの巻線が励起された（すなわち励磁された）時、第１の巻線は、第１の回路要素の高透磁率方向に第１の磁界を発生させ、第２の巻線は、第１の磁界方向に対して直角の方向に第２の磁界を発生させる。
In another embodiment, the present invention provides a controllable magnetic structure that includes a closed magnetic circuit. The closed magnetic circuit includes a magnetic circuit first element and a magnetic circuit second element. Each magnetic circuit element is fabricated from an anisotropic material having a high permeability direction. The controllable magnetic structure also includes a first winding wound around the first portion of the closed magnetic circuit and a second winding perpendicular to the first winding. When each winding is excited (ie, excited), the first winding generates a first magnetic field in the direction of high permeability of the first circuit element, and the second winding A second magnetic field is generated in a direction perpendicular to the first magnetic field direction.

この実施態様の種類において、制御可能磁気構造は、第１の回路要素すなわちパイプ部材および磁気回路第２要素すなわち第２のパイプ部材に第１のパイプ部材を結合する端部カプラを含む。この実施態様の種類において、第１のパイプ部材および第２のパイプ部材は軸の回りに同軸的に位置し、および高透磁率方向は軸に対して環状方向である。さらに、第２の高透磁率方向は、軸に対して半径方向とすることができる。この実施態様の別の種類において、制御可能磁気構造は、粒子配向性材料から製作される。この実施態様のさらに別の種類において、制御可能磁気構造は、インダクタである。
In this embodiment type, the controllable magnetic structure includes a first circuit element or pipe member and an end coupler that couples the first pipe member to the magnetic circuit second element or second pipe member. In this type of embodiment, the first pipe member and the second pipe member are located coaxially about the axis and the high permeability direction is an annular direction relative to the axis. Further, the second high permeability direction can be radial with respect to the axis. In another type of this embodiment, the controllable magnetic structure is fabricated from a particle oriented material. In yet another type of this embodiment, the controllable magnetic structure is an inductor.

別の実施態様において、絶縁部が磁気回路第１要素と磁気第２要素間の閉磁路に位置する。別の実施態様において、磁気回路第２要素は、磁気回路第１要素の体積の１０％ないし２０％の体積を有する。

本発明のさらに別の実施態様において、磁心が磁気制御可能インダクタに提供される。磁心は第１および第２の同軸および同心のパイプ要素を含み、それぞれのパイプ要素は異方性の磁性材料から製作される。
In another embodiment, the insulation is located in a closed magnetic path between the magnetic circuit first element and the magnetic second element. In another embodiment, the magnetic circuit second element has a volume of 10% to 20% of the volume of the magnetic circuit first element.

In yet another embodiment of the invention, a magnetic core is provided in the magnetically controllable inductor. The magnetic core includes first and second coaxial and concentric pipe elements, each pipe element being fabricated from an anisotropic magnetic material.

軸はそれぞれのパイプ要素によって規定され、パイプ要素は磁気端部カプラによって両端でお互いに結合される。さらに、磁心は要素の軸に直角な第２の方向の第２の透磁率より著しく高い要素の軸に平行の第１の方向の第１の透磁率を示す。この実施態様の種類において、第１および第２のパイプ要素は、シート端部および絶縁材の被覆を備えた円筒状に巻かれたシート材料でできている。別の種類において、第１のパイプ要素は、要素の軸と平行な第３の方向の間隙を含みおよび、第１および第２のパイプ要素は、第１および第２のパイプ要素の間に位置する継ぎ目におけるマイクロメートルの薄さの絶縁層によって互いに連結される。
更なる種類において、空隙が、それぞれのパイプ要素の軸方向に延伸し、および、第１要素の第１の磁気抵抗は、第２要素の第２の磁気抵抗に等しい。一実施態様において絶縁材はＭＡＧＮＥＴＩＴＥ−ＳおよびＵＮＩＳＩＬ−Ｈからなる群から選択される。更に制御可能インダクタは、要素の軸に対して環状方向のカプラにおいて存在する第３の透磁率および要素の軸に対して半径方向のカプラにおいて存在する第４の透磁率を含むことができる。この実施態様の種類において、第４の透磁率は、第３の透磁率より実質的に大きい。
The shaft is defined by respective pipe elements, which are connected to each other at both ends by magnetic end couplers. Furthermore, the magnetic core exhibits a first permeability in a first direction parallel to the element axis that is significantly higher than a second permeability in a second direction perpendicular to the element axis. In this type of embodiment, the first and second pipe elements are made of a cylindrically wound sheet material with a sheet end and an insulation coating. In another type, the first pipe element includes a gap in a third direction parallel to the axis of the element, and the first and second pipe elements are located between the first and second pipe elements. Connected to each other by a micrometer thin insulating layer at the connecting seam.
In a further type, the air gap extends in the axial direction of each pipe element and the first magnetoresistance of the first element is equal to the second magnetoresistance of the second element. In one embodiment, the insulating material is selected from the group consisting of MAGNETITE-S and UNISIL-H. Further, the controllable inductor may include a third permeability present in the coupler in an annular direction relative to the element axis and a fourth permeability present in the coupler in a radial direction relative to the element axis. In this type of embodiment, the fourth permeability is substantially greater than the third permeability.

本発明の別の態様において、磁気カプラ装置が、第１および第２の同軸および同心のパイプ要素をお互いに結合するために提供され、磁心を制御可能インダクタに提供する。磁気端部カプラは、異方性の材料から製作され、および、第１の巻線によって生成される磁界に対して低透磁率経路および第２の巻線によって生成される磁界に対して高透磁率経路を提供する。この実施態様の種類において、磁気カプラは、組立てられた磁心のパイプ要素の粒子配向性方向に対応する横方向を有する粒子配向性シート金属を含む。
さらに、粒子配向性方向は、組立てられた磁心のパイプ要素の横方向に対応し端部カプラがパイプ要素の後で飽和するのを確実にする。この実施態様の種類において、磁気端部カプラは、磁性材料の単線から製作される。この実施態様の別の種類において、磁気端部カプラは、磁性材料の撚り線から製作される。
In another aspect of the invention, a magnetic coupler device is provided for coupling first and second coaxial and concentric pipe elements to each other, providing a magnetic core to the controllable inductor. The magnetic end coupler is fabricated from an anisotropic material and is highly permeable to the magnetic field generated by the low permeability path and the second winding for the magnetic field generated by the first winding. Provides a magnetic path. In this type of embodiment, the magnetic coupler comprises a grain oriented sheet metal having a transverse direction corresponding to the grain oriented direction of the assembled core pipe element.
Furthermore, the grain orientation direction corresponds to the transverse direction of the assembled core pipe element and ensures that the end coupler is saturated after the pipe element. In this type of embodiment, the magnetic end coupler is fabricated from a single wire of magnetic material. In another type of this embodiment, the magnetic end coupler is fabricated from a stranded wire of magnetic material.

磁気端部カプラは、様々な手段によって作成されることができる。一実施態様において、端部カプラは、磁気シート材料を円筒状に巻くことによって作成されて環状磁心を形成する。磁心は、パイプ要素に適合するように大きさを設定されおよび整形され、および、磁心は材料の粒子配向（ＧＯ）方向に垂直な平面に沿って半分ずつに分割される。さらに、端部カプラ幅は、セグメントがパイプ要素端部で第１のパイプ要素を第２のパイプ要素に結合させるように調整される。もう一つの実施態様では、磁気端部カプラは、巻回された撚り線または単線磁性材料のどちらかから作成されて円環体を形成し、および、円環体は全ての線に対して垂直な平面に沿って、半分ずつに分割される。
The magnetic end coupler can be made by various means. In one embodiment, the end coupler is made by winding a magnetic sheet material into a cylindrical shape to form an annular magnetic core. The magnetic core is sized and shaped to fit the pipe element, and the magnetic core is divided in half along a plane perpendicular to the particle orientation (GO) direction of the material. Further, the end coupler width is adjusted so that the segment couples the first pipe element to the second pipe element at the pipe element end. In another embodiment, the magnetic end coupler is made from either a wound stranded wire or a single wire magnetic material to form a torus, and the torus is perpendicular to all the lines. It is divided in half along a flat plane.

別の実施態様において、本発明は低残留磁気を有する可変の誘導装置を実施し、そのため装置が交流動作の動作サイクル間で容易にリセットされることができ、および、ほぼ線形の、大きなインダクタンス変動を提供することができる。
In another embodiment, the present invention implements a variable induction device with low remanence, so that the device can be easily reset between operating cycles of AC operation, and a large inductance variation that is substantially linear. Can be provided.

シートストリップ材料が、磁心の製作において使用される。これらの磁心は、例えば、円筒に材料のシートを巻くことによってまたは互いにいくつかのシートを積み重ねそして次に磁心を形成する要素を切断することによって作られることができる。「巻かれた」磁心を形成するために使用される材料の少なくとも２つの方向、例えば、回転方向（「ＲＤ」）および軸方向（「ＡＤ」）、を定義することが可能である。
Sheet strip material is used in the fabrication of the magnetic core. These magnetic cores can be made, for example, by winding a sheet of material around a cylinder or by stacking several sheets together and then cutting the elements that form the magnetic core. It is possible to define at least two directions of material used to form a “rolled” magnetic core, for example, the direction of rotation (“RD”) and the axial direction (“AD”).

図１および２は、それぞれ磁性材料のシートおよび巻かれた磁心を示す。
回転方向および軸方向（ＲＤ，ＡＤ）が、これらの図において示される。図２に示すように、巻かれた磁心の回転方向は円筒の周囲に従い、軸方向は円筒の軸と一致する。
1 and 2 show a sheet of magnetic material and a wound magnetic core, respectively.
The rotational direction and the axial direction (RD, AD) are shown in these figures. As shown in FIG. 2, the direction of rotation of the wound magnetic core follows the circumference of the cylinder, and the axial direction coincides with the axis of the cylinder.

材料の方向に依存して変化する磁気特性を有する材料は、異方性と呼ばれる。図３および図４は粒子配向性異方性材料のシートにおいて定義される方向を示す。粒子配向性（「ＧＯ」）材料は、最終シートの加熱および冷却と共に、いくつかのステップでローラー間で材料の塊を圧延することによって製作される。製作中に、材料は絶縁層で被覆され、それは材料の磁区減少および対応する損失低減に影響を及ぼす。材料の変形過程は、粒子（および従って磁区）が主に一方向へ向く材料という結果になる。透磁率は、この方向に最大に到達する。一般に、この方向は、ＧＯ方向と呼ばれる。ＧＯ方向に対して直角の方向は、横方向（「ＴＤ」）と呼ばれる。ＵＮＩＳＩＬおよびＵＮＩＳＩＬ−Ｈは、例えば、磁気異方性材料のタイプである。一実施態様において粒子配向性材料は、横方向の回転に利用可能な実質的に高い割合の磁区を提供する。その結果、材料は低損失を有し、横方向ＴＤの制御磁界の印加を経て粒子配向性方向に透磁率の向上した制御を可能にする。
A material with magnetic properties that change depending on the direction of the material is called anisotropy. 3 and 4 show the directions defined in the sheet of grain oriented anisotropic material. Particle orientation (“GO”) materials are made by rolling a mass of material between rollers in several steps, with heating and cooling of the final sheet. During fabrication, the material is coated with an insulating layer, which affects the material domain reduction and corresponding loss reduction. The deformation process of the material results in a material in which the particles (and thus the magnetic domains) are mainly oriented in one direction. The permeability reaches a maximum in this direction. In general, this direction is called the GO direction. The direction perpendicular to the GO direction is referred to as the transverse direction (“TD”). UNISIL and UNISIL-H are, for example, types of magnetic anisotropic materials. In one embodiment, the grain oriented material provides a substantially high percentage of magnetic domains available for lateral rotation. As a result, the material has a low loss and allows control with improved permeability in the grain orientation direction through the application of a transverse TD control magnetic field.

他のタイプの異方性材料は、非晶質合金である。これらの全てのタイプに共通の特性は、「容易な」または「柔らかい」磁化方向（高透磁率）および「難しい」または「硬い」磁化方向（低透磁率）を定義することができることである。高透磁率の方向の磁化は磁壁移動によって達成される。その一方で、低透磁率方向では、磁化は磁界方向の磁区磁化の回転によって達成される。結果は、高透磁率方向の方形ｍ−ｈループおよび低透磁率方向の線形ｍ−ｈループである（ここでｍは磁界強度ｈの関数としての磁気分極）。更に、一実施態様において、横方向のｍ−ｈループは、保磁力を示さず、ゼロ残留磁気を有する。この明細書において、用語ＧＯは高透磁率方向を指す時に使用され、一方用語横方向（「ＴＤ」）は低透磁率方向を指す時に使用される。これらの用語は、本発明に従う磁心において、粒子配向性材料に使用されるだけでなく、いかなる異方性材料にも使用される。一実施態様においてＧＯ方向およびＲＤ方向は、同じ方向である。更なる実施態様において、ＴＤ方向およびＡＤ方向は、同じ方向である。別の実施態様において、異方性材料は、ＭＥＴＧＬＡＳ磁気合金２６０５ＳＣ、ＭＥＴＧＬＡＳ磁気合金２６０５ＳＡ１、ＭＥＴＧＬＡＳ磁気合金２６０５ＣＯ、ＭＥＴＧＬＡＳ磁気合金２７１４Ａ、ＭＥＴＧＬＡＳ磁気合金２８２６ＭＢ、およびＮａｎｏｋｒｉｓｔａｌｌｉｎ Ｒ１０２からなる一群の非晶質合金から選択される。なお更なる実施態様において、異方性材料は、鉄合金、コバルト合金および鉄−ニッケル合金からなる一群の非晶質合金から選択される。
Another type of anisotropic material is an amorphous alloy. A characteristic common to all these types is that an “easy” or “soft” magnetization direction (high permeability) and a “difficult” or “hard” magnetization direction (low permeability) can be defined. Magnetization in the direction of high permeability is achieved by domain wall motion. On the other hand, in the low magnetic permeability direction, the magnetization is achieved by rotation of the magnetic domain magnetization in the magnetic field direction. The result is a square m-h loop in the direction of high permeability and a linear m-h loop in the direction of low permeability (where m is the magnetic polarization as a function of the magnetic field strength h). Further, in one embodiment, the lateral mh loop does not exhibit coercivity and has zero remanence. In this specification, the term GO is used when referring to the high permeability direction, while the term transverse direction (“TD”) is used when referring to the low permeability direction. These terms are used not only for particle-oriented materials but also for any anisotropic material in a magnetic core according to the present invention. In one embodiment, the GO direction and the RD direction are the same direction. In a further embodiment, the TD direction and the AD direction are the same direction. In another embodiment, the anisotropic material is selected from a group of amorphous alloys consisting of METGLAS magnetic alloy 2605SC, METGLAS magnetic alloy 2605SA1, METGLAS magnetic alloy 2605CO, METGLAS magnetic alloy 2714A, METGLAS magnetic alloy 2826MB, and Nanocristallin R102. Is done. In a still further embodiment, the anisotropic material is selected from a group of amorphous alloys consisting of iron alloys, cobalt alloys and iron-nickel alloys.

異方性材料の使用が記述されているとはいえ、それらが以下の特性の適切な組合せを有する場合には、その他の材料が使用され得る。１）ＲＤ方向の高ピーク値磁気分極および透磁率。２）低損失。３）ＴＤ方向の低透磁率。４）ＴＤ方向の低ピーク値磁気分極。および５）横方向の回転磁化。表１は、シートストリップが実施されることができる材料および本発明の１つまたは複数の実施態様に関連する材料のいくつかの特性の部分的なリストを含む。
Although the use of anisotropic materials has been described, other materials can be used if they have an appropriate combination of the following properties: 1) High peak value magnetic polarization and permeability in the RD direction. 2) Low loss. 3) Low magnetic permeability in the TD direction. 4) Low peak value magnetic polarization in the TD direction. And 5) transverse rotational magnetization. Table 1 includes a partial list of materials from which sheet strips can be implemented and some properties of materials associated with one or more embodiments of the present invention.

表1

Figure 0004630873
table 1

Figure 0004630873

図５は、本発明に従う可変インダクタンスのパイプ要素の一実施態様を示す。この要素が異方性材料のシートを巻くことによって作られるので、回転方向（ＲＤ）、軸方向（ＡＤ）、高透磁率（ＧＯ）方向および低透磁率（ＴＤ）方向を定義することができる。要素内のこれらの方向の相対位置は、図５に示されている。断面の形状が単にシートが巻かれる要素の形状に依存するので、パイプ要素はいかなる断面を有することもできる。シートが正方形断面を有する平行六面体上に巻かれた場合、パイプ要素は正方形断面を有する。同様に、楕円形の断面を有するパイプ上に巻かれるシートは、楕円形の断面を有するパイプに形成される。一実施態様においてパイプ要素は、円筒である。
FIG. 5 shows one embodiment of a variable inductance pipe element according to the present invention. Since this element is made by winding a sheet of anisotropic material, the rotational direction (RD), the axial direction (AD), the high magnetic permeability (GO) direction and the low magnetic permeability (TD) direction can be defined. . The relative positions in these directions within the element are shown in FIG. The pipe element can have any cross section because the shape of the cross section simply depends on the shape of the element on which the sheet is wound. When the sheet is wound on a parallelepiped having a square cross section, the pipe element has a square cross section. Similarly, a sheet wound on a pipe having an elliptical cross section is formed into a pipe having an elliptical cross section. In one embodiment, the pipe element is a cylinder.

図６は、本発明による装置１００の実施態様の一部を図式的に示す。この装置１００は第１のパイプ要素１０１および第２のパイプ要素１０２を備え、要素は磁気端部カプラによって両端でお互いに結合されている。明瞭さのために、磁気端部カプラは、この図には示されてない。第１の巻線１０３は、要素の軸に対して垂直な巻線軸で要素１０１および１０２の回りに巻回される。励起された時にこの巻線によって生成される磁界（Ｈｆ、Ｂｆ）は要素の周囲、すなわち要素の軸に対して環状方向に沿った方向を有する。第２の巻線１０４は、要素の軸と平行の巻線軸を有する要素１０２の回りに巻回される。励起された時にこの巻線によって生成される磁界（Ｈｓ、Ｂｓ）は要素の軸に平行の方向、すなわち要素の軸に対して軸方向を有する。一実施態様において、第２の巻線１０４の巻線軸は、要素の軸と一致する。別の実施態様において、要素の軸は、お互いに一致しない。
FIG. 6 schematically shows part of an embodiment of the device 100 according to the invention. The device 100 comprises a first pipe element 101 and a second pipe element 102, which elements are connected to each other at both ends by magnetic end couplers. For clarity, the magnetic end coupler is not shown in this figure. The first winding 103 is wound around the elements 101 and 102 with a winding axis perpendicular to the element axis. The magnetic fields (Hf, Bf) generated by this winding when excited have a direction along the circumference of the element, i.e. an annular direction with respect to the axis of the element. The second winding 104 is wound around an element 102 having a winding axis parallel to the element axis. The magnetic field (Hs, Bs) generated by this winding when excited has a direction parallel to the element axis, i.e. axial to the element axis. In one embodiment, the winding axis of the second winding 104 coincides with the axis of the element. In another embodiment, the axes of the elements do not coincide with each other.

図５の巻かれた材料磁心と図６の巻線および磁界を組み合わせた場合、本発明の一実施態様に従う装置１００になる。この実施態様の種類において、第１の巻線１０３によって導入される磁界（Ｈｆ、Ｂｆ）の方向（すなわちＧＯ、ＲＤの方向）の透磁率は、第２の巻線１０４によって導入される磁界（Ｈｓ、Ｂｓ）の方向（すなわちＴＤ、ＡＤの方向）の透磁率より著しく高い。
Combining the wound material core of FIG. 5 with the winding and magnetic field of FIG. 6 results in apparatus 100 according to one embodiment of the present invention. In this type of embodiment, the permeability in the direction of the magnetic field (Hf, Bf) introduced by the first winding 103 (ie, the direction of GO, RD) is the magnetic field introduced by the second winding 104 ( Hs, Bs) direction (ie, TD, AD direction) permeability is significantly higher.

一実施態様において、第１の巻線１０３は主巻線を構成し、第２の巻線１０４は制御巻線を構成する。この実施態様の種類において、主磁界（Ｈｆ、Ｂｆ）は高透磁率方向（ＧＯ、ＲＤ）に発生され、および、制御磁界（Ｈｓ、Ｂｓ）は低透磁率方向（ＴＤ、ＡＤ）に発生される。
In one embodiment, the first winding 103 constitutes the main winding and the second winding 104 constitutes the control winding. In this type of embodiment, the main magnetic field (Hf, Bf) is generated in the high permeability direction (GO, RD) and the control magnetic field (Hs, Bs) is generated in the low permeability direction (TD, AD). The

図５および６を参照して記述されるように、異方性材料が装置１００を提供するために使用された時最低損失になる。装置１００が線形用途または切替用途に使用されるかどうかに関係なく、これらの結果は達成される。線形用途では、装置１００はスイッチを入れられておよび回路内でインダクタンスとしてとどまる。切替用途では、装置１００は別の装置の電源への接続および遮断に使用される。
As described with reference to FIGS. 5 and 6, there is minimal loss when anisotropic material is used to provide the device 100. These results are achieved regardless of whether the device 100 is used for linear or switching applications. In linear applications, the device 100 is switched on and remains as an inductance in the circuit. In switching applications, the device 100 is used to connect and disconnect the power of another device.

低損失は、装置１００が高出力用途、例えば容量で数百ｋＶＡから数ＭＶＡの範囲に及ぶ変圧器を使用することができる回路の用途において使用されることを可能にする。
The low loss allows the device 100 to be used in high power applications, such as circuit applications that can use transformers ranging in capacity from hundreds of kVA to several MVA.

等式４４）に示すように磁心の電力処理能力は、高透磁率における最大阻止電圧Ｕｂおよび制御透磁率の最低値における最大励磁電流Ｉｍに依存している。

Figure 0004630873

励磁電流および阻止電圧が磁界密度Ｂｍの関数として表現される場合、皮相電力Ｐｓは、以下のように表現されることができる：

Figure 0004630873

ここで、Ｖｊは磁心の主磁束経路の体積、μ０は自由空間の透磁率でありおよび、μｒは磁心の比透磁率である。等式４５）は、電力処理能力が磁心の体積および磁心の比透磁率の両方に関連していることを示している。非常に高透磁率において、励磁電流はその最も低いレベルにあり、少量の電力だけが伝導される。
As shown in equation 44), the power handling capability of the magnetic core depends on the maximum blocking voltage Ub at high permeability and the maximum excitation current Im at the minimum value of the control permeability.

Figure 0004630873

When the excitation current and blocking voltage are expressed as a function of the magnetic field density Bm, the apparent power Ps can be expressed as:

Figure 0004630873

Here, Vj is the volume of the main magnetic flux path of the magnetic core, μ 0 is the permeability of free space, and μ r is the relative permeability of the magnetic core. Equation 45) shows that power handling capability is related to both the volume of the core and the relative permeability of the core. At very high permeability, the excitation current is at its lowest level and only a small amount of power is conducted.

等式４５）から明らかなように、磁心の体積単体あたりの皮相電力Ｐｓは比透磁率μｒと関連している。２つの類似した磁心に対して、第１の磁心の最低比透磁率が第２の磁心の最低比透磁率の半分である場合、第１の磁心の皮相電力は、第２磁心のそれの２倍の大きさである。
したがって、与えられた磁心体積の電力処理は、この磁心体積の最低比透磁率によって制限される。
As is clear from equation 45), the apparent power Ps per volume single core is associated with relative permeability mu r. For two similar cores, if the minimum relative permeability of the first core is half of the minimum relative permeability of the second core, the apparent power of the first core is 2 of that of the second core. Double the size.
Therefore, the power treatment of a given core volume is limited by the minimum relative permeability of this core volume.

したがって、一実施態様において、磁気端部カプラの体積は、主磁心のおよそ１０−２０％であるが、磁気端部カプラ体積は、磁心の構造および必要な電力処理能力に依存して更にその１／２または１／４まで下げられることができる。そのような実施態様において、磁気端部カプラの体積は、主磁心の体積の５％−１０％である。さらに別の実施態様において、磁気端部カプラの体積は、主磁心の体積の２．５％−５％である。
Thus, in one embodiment, the volume of the magnetic end coupler is approximately 10-20% of the main core, but the volume of the magnetic end coupler is further dependent on the structure of the core and the power handling capability required. Can be lowered to / 2 or 1/4. In such an embodiment, the volume of the magnetic end coupler is 5% -10% of the volume of the main magnetic core. In yet another embodiment, the volume of the magnetic end coupler is 2.5% -5% of the volume of the main magnetic core.

粒子配向性（ＧＯ）積層における磁化曲線およびヒステリシス損失の新規な現象学的な理論が、Ｆｉｏｒｉｌｌｏ他による、表題「粒子配向性Ｆｅ−Ｓｉの任意の方向における磁化曲線、ヒステリシスループおよび損失の包括的なモデル”Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ Ｃｕｒｖｅ， Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ Ｌｏｏｐｓ， ａｎｄ Ｌｏｓｓｅｓ ｉｎ Ａｎｙ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｇｒａｉｎ−Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｆｅ−Ｓｉ”」ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ、第３８巻、Ｎｏ．３、２００２年５月発行の論文に記載されている（以下「Ｆｉｏｒｉｌｌｏ他」）。
Ｆｉｏｒｉｌｌｏ他は、横方向の磁化によって漸進的に変化する体積が回転方向の磁化に占められるという事実の理論的および実験的証拠を提供する。したがって、この論文は、別の方向の磁界によって一方向へ透磁率を制御することが可能であることを実証している。
A novel phenomenological theory of magnetization curves and hysteresis losses in grain-oriented (GO) stacks is presented by Fiorillo et al. "Comprehensive Model of Magnetization Curve, Hysteresis Loops, and Loss in Any Direction in Grain-Oriented Fe-Si," IEEE Transactions No. 38, IEEE Transactions. 3. It is described in a paper published in May 2002 (hereinafter “Fiillolo et al.”).
Fiorillo et al. Provide theoretical and experimental evidence of the fact that a volume that gradually changes with transverse magnetization is occupied by rotational magnetization. Therefore, this paper demonstrates that the permeability can be controlled in one direction by a magnetic field in another direction.

Ｆｉｏｒｉｌｌｏ他はまた、ＧＯ材料の過程のモデルも提供する。例えば、それはＧＯ積層の任意の方向における磁化曲線、ヒステリシスループおよびエネルギー損を含むモデルを示す。このモデルは、単結晶近似に基づいており、および磁界がＴＤ方向に沿って印加される時、磁区が複雑な方法で漸進的に変化することを記述する。図１７を参照して、ＧＯシートは、基本的にＲＤ方向に沿って向けられた１８０°磁壁のパターンを備える。消磁された状態（図１７ａ）は、［００１］および［００］に沿って向けられた磁化Ｊｓによって特徴づけられる。磁界がＴＤ方向に印加される場合（図１７ｂ）、基本的１８０°磁区は、９０°磁壁過程を通して、［１００］および［００］に沿って向けられた（すなわち、積層平面に対して４５°の角度を作る）磁化を有する、バルク磁区でできたパターンに変化する。この新規の磁区構造が微小サンプル体積を占める場合、巨視的磁化値は：

Figure 0004630873

Ｊ９０＝ＴＤ方向の磁化
Ｊs＝ＲＤ方向の磁化
ｖ９０＝微小サンプル体積

磁化過程終了後得られる最大磁化はＪ９０＝１．４２テスラであり、更なる増加が磁区のモーメント回転によって得られる。
Also provide a model of the process of GO materials. For example, it shows a model that includes magnetization curves, hysteresis loops and energy losses in any direction of the GO stack. This model is based on a single crystal approximation and describes that when a magnetic field is applied along the TD direction, the magnetic domains change progressively in a complex manner. Referring to FIG. 17, the GO sheet basically comprises a 180 ° domain wall pattern oriented along the RD direction. The demagnetized state (FIG. 17a) is characterized by the magnetization Js directed along [001] and [00]. When a magnetic field is applied in the TD direction (FIG. 17b), the basic 180 ° domain was directed along [100] and [00] through a 90 ° domain wall process (ie 45 ° to the stacking plane). Changes to a pattern made of bulk domains with magnetization. If this new domain structure occupies a small sample volume, the macroscopic magnetization value is:

Figure 0004630873

J 90 = magnetization in the TD direction Js = magnetization in the RD direction v 90 = small sample volume

The maximum magnetization obtained after completion of the magnetization process is J 90 = 1.42 Tesla, and a further increase is obtained by the magnetic domain moment rotation.

Ｆｉｏｒｉｌｌｏ他はまた、１８０°磁区によって占められるサンプルの体積は、９０°磁区の成長のために減少することを示している。したがって、回転方向に印加される磁界に対する透磁率または磁束誘導は、横方向の制御磁界および制御磁区移動によって制御されることができる。
Fiorillo et al. Also show that the volume of the sample occupied by the 180 ° domain is reduced due to the growth of the 90 ° domain. Therefore, the permeability or magnetic flux induction for the magnetic field applied in the rotating direction can be controlled by the lateral control magnetic field and the control magnetic domain movement.

ＧＯ鋼の横方向の磁化作用は、Ｈｕｂｅｒｔその他による「磁区”Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｄｏｍａｉｎｓ”」、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ２０００、ページ４１６−４１７および５３２−５３３に記述されている。１８０°壁に対して垂直な磁界が印加された場合、主として１８０°壁の移動が回避されるので、回転方向の透磁率を制御する横方向の磁区移動の制御が最も有利である。
したがって、主磁界は、すでにＴＤ磁化された体積において直角の制御磁界に影響を及ぼさない。
The transverse magnetizing action of GO steel is described in “Magnetic Domains” by Hubert et al., Springer 2000, pages 416-417 and 532-533. When a magnetic field perpendicular to the 180 ° wall is applied, the movement of the 180 ° wall is mainly avoided, so that the lateral magnetic domain movement control that controls the permeability in the rotational direction is most advantageous.
Thus, the main magnetic field does not affect the perpendicular control field in the already TD magnetized volume.

ＧＯ方向とＴＤ方向の磁化メカニズムが異なるＧＯ鋼とは対照的に、非配向性鋼の磁化は、主として１８０°磁壁移動から成り、したがって、制御体積は、非配向性鋼の主磁界および制御磁界の両方により継続的に影響を受ける。
In contrast to GO steel, which has different magnetization mechanisms in the GO and TD directions, the magnetization of non-oriented steel consists mainly of 180 ° domain wall motion, so the control volume is the main and control magnetic field of non-oriented steel. Both are continuously affected.

図７は、本発明に従う装置１００の一実施態様を示す。図は、第１のパイプ要素１０１、第１の巻線１０３および磁気端部カプラ１０５，１０６を示す。パイプ要素の磁性材料の異方性特性はすでに記述されており、それは回転方向（ＲＤ）の柔らかい磁化方向（ＧＯ）を有する材料から成る。
FIG. 7 shows one embodiment of an apparatus 100 according to the present invention. The figure shows a first pipe element 101, a first winding 103 and magnetic end couplers 105, 106. The anisotropic properties of the magnetic material of the pipe element have already been described, and it consists of a material with a soft magnetization direction (GO) in the direction of rotation (RD).

パイプ要素は、ＧＯ材料のシートを巻くことによって製作される。一実施態様において、ＧＯ材料は、最低損失を有する純度が高い良質鋼、例えばＣｏｇｅｎｔのＵｎｉｓｉｌ ＨＭ１０５−３０Ｐ５である。
The pipe element is made by winding a sheet of GO material. In one embodiment, the GO material is high quality steel with minimum loss and high purity, such as Cogent's Unisil HM105-30P5.

横方向のＧＯ鋼の透磁率は材料に依存してＧＯ方向の透磁率のおよそ１−１０％である。その結果、横方向の磁界を生成する巻線のインダクタンスは、両方の巻線が同じ巻数を有する場合には、ＧＯ方向の磁界を生成する主巻線のインダクタンスのわずか１−１０％である。このインダクタンス比率は、主巻線によって発生する磁界方向の透磁率の上の高度な制御を可能にする。また、横方向の制御磁束については、ピーク値磁気分極は、ＧＯ方向におけるより約２０％低い。その結果、本発明の一実施態様による装置の磁気端部カプラは、主磁束によってまたは制御磁束によって飽和せず、およびいつでも制御磁界を材料に集中させることができる。
The permeability of the GO steel in the transverse direction is approximately 1-10% of the permeability in the GO direction depending on the material. As a result, the inductance of the winding generating the transverse magnetic field is only 1-10% of the inductance of the main winding generating the GO direction magnetic field if both windings have the same number of turns. This inductance ratio allows a high degree of control over the permeability in the direction of the magnetic field generated by the main winding. For the lateral control magnetic flux, the peak value magnetic polarization is about 20% lower than in the GO direction. As a result, the magnetic end coupler of the device according to one embodiment of the present invention is not saturated by the main flux or by the control flux and can always concentrate the control field on the material.

制御磁界の渦電流損および二次的閉路を防ぐために、一実施態様において、絶縁層が、シート材料の隣接した層の間にはさまれる。この層は、シート材料への被覆として適用される。一実施態様において絶縁材はＭＡＧＮＥＴＩＴＥおよびＭＡＧＮＥＴＩＴＥ−Ｓからなる群から選択される。しかし、それらが製造工程に耐えるように十分に機械的に強く、更に、箔の隣接した層間の電気短絡を防ぐのに十分な機械的強度を有するならば、Ｒｅｍｂｒａｎｄｔｉｎ Ｌａｃｋ Ｇｅｓ．ｍ．ｂ．Ｈによって製作されるＣ−５およびＣ−６のような他の絶縁材料などを使用することができる。応力除去焼鈍および注入アルミニウムシーリングに対する適合性もまた、絶縁材料の有利な特性である。一実施態様において絶縁材はクロミウムのない有機／無機混合系を含む。別の実施態様において、絶縁材は無機充填剤および色素を含む熱的に安定した有機ポリマーを含む。
In order to prevent eddy current losses and secondary closing of the control field, in one embodiment, an insulating layer is sandwiched between adjacent layers of sheet material. This layer is applied as a coating on the sheet material. In one embodiment, the insulating material is selected from the group consisting of MAGNETITE and MAGNETITE-S. However, if they are mechanically strong enough to withstand the manufacturing process and have sufficient mechanical strength to prevent electrical shorting between adjacent layers of the foil, Rembrandtin Rack Ges. m. b. Other insulating materials such as C-5 and C-6 made by H can be used. Compatibility with stress relief annealing and implanted aluminum sealing is also an advantageous property of insulating materials. In one embodiment, the insulating material comprises a chromium-free organic / inorganic mixed system. In another embodiment, the insulating material comprises a thermally stable organic polymer including inorganic fillers and pigments.

図８は、本発明による装置１００の一実施態様の断面図である。本実施態様において、第１のパイプ要素１０１は、第１のパイプ層の第１層および第２層間に位置する要素の軸方向の間隙１０７を備える。間隙１０７の主要な機能は、電力処理能力および材料の体積を具体的な用途に適応させることである。磁心の長手方向空隙の存在は、磁心の残留磁気の低下を引き起こす。これは、磁心の透磁率が制御巻線の電流によって低下される場合に、主巻線電流の高調波成分の低減を引き起こす。薄い絶縁層が、要素１０１の２つの部分間の間隙１０７内に位置している。この実施態様の種類において、磁気端部カプラは、２つの部分に分割されてはいない。
FIG. 8 is a cross-sectional view of one embodiment of an apparatus 100 according to the present invention. In this embodiment, the first pipe element 101 comprises an axial gap 107 of elements located between the first and second layers of the first pipe layer. The primary function of the gap 107 is to adapt the power handling capability and material volume to the specific application. The presence of the longitudinal gap in the magnetic core causes a decrease in the remanence of the magnetic core. This causes a reduction in the harmonic component of the main winding current when the magnetic permeability of the magnetic core is lowered by the control winding current. A thin insulating layer is located in the gap 107 between the two parts of the element 101. In this type of embodiment, the magnetic end coupler is not divided into two parts.

図９−１６は、磁気端部カプラの異なる実施態様に関するものである。一実施態様において磁気端部カプラに使用される材料は、異方性である。この実施態様の種類において、磁気端部カプラは、第１の巻線１０３によって生成される主磁界Ｈｆに対して硬い磁化（低透磁率）経路を提供する。制御磁界Ｈｓ、第２の巻線１０４によって生成される磁界（図７に図示せず）は、磁気端部カプラで高透磁率およびパイプ要素で低い透磁率の経路にあう。
Figures 9-16 relate to different embodiments of the magnetic end coupler. In one embodiment, the material used for the magnetic end coupler is anisotropic. In this type of embodiment, the magnetic end coupler provides a hard (low permeability) path for the main magnetic field Hf generated by the first winding 103. The control magnetic field Hs, the magnetic field generated by the second winding 104 (not shown in FIG. 7) meets the high permeability path at the magnetic end coupler and the low permeability path at the pipe element.

磁気端部カプラまたは制御磁束コネクタは、ＧＯ方向の制御磁界および横方向の主磁界を有する磁性材料のＧＯ−シート金属または線から製作されることができる。線は、単線または撚り線のどちらかとすることができる。
The magnetic end coupler or control flux connector can be made from a GO-sheet metal or wire of magnetic material having a control field in the GO direction and a main magnetic field in the transverse direction. The wire can be either a single wire or a stranded wire.

一実施態様において磁気カプラは、ＧＯ−鋼でできており、端部カプラが、ＴＤ方向のパイプ要素または円筒形磁心の前に飽和しないが、その代わりに、パイプ要素を通して制御磁束を集中させるのを確実にする。別の実施態様において、磁気カプラは、純鉄でできている。
In one embodiment, the magnetic coupler is made of GO-steel and the end coupler does not saturate before the TD pipe element or cylindrical core, but instead concentrates the control flux through the pipe element. Make sure. In another embodiment, the magnetic coupler is made of pure iron.

次に図７に対応する装置の実施態様における端部カプラの磁界作用を記述する。当初は、すなわち、第２の巻線または制御巻線１０４が励起されない時、磁気端部カプラの主磁界方向（ＴＤ）の非常に低い透磁率のため主磁界Ｈｆの非常に小さな割合（約０．０４−０．２５％）だけが、磁気端部カプラの体積に入る。主磁界方向Ｈｆ、ＴＤの透磁率は、使用される構造および材料に従い端部カプラを通して８から５０までである。
その結果、主磁束Ｂｆは、パイプ要素または円筒形磁心１０１，１０２の体積に入る。さらに、主磁束の密度は、主磁心１０１，１０２の透磁率を下向きにおよそ１０までの調整を可能にする。
The magnetic field action of the end coupler in the device embodiment corresponding to FIG. 7 will now be described. Initially, ie, when the second winding or control winding 104 is not energized, a very small percentage of the main magnetic field Hf (about 0) due to the very low permeability in the main magnetic field direction (TD) of the magnetic end coupler. Only .04-0.25%) enter the volume of the magnetic end coupler. The permeability in the main magnetic field direction Hf, TD is from 8 to 50 through the end couplers depending on the structure and material used.
As a result, the main magnetic flux Bf enters the volume of the pipe element or the cylindrical magnetic cores 101 and 102. Further, the density of the main magnetic flux allows the magnetic permeability of the main magnetic cores 101 and 102 to be adjusted downward to about 10.

制御磁束経路（図６および７のＢｓ）は、パイプ要素１０１，１０２の磁心壁のうちの１つの中で軸方向に上がり、もう一方の要素の磁心壁中で下がり、そして、同心のパイプ要素１０１，１０２の各端部で、磁気端部カプラ１０５，１０６によって閉じられている。
The control flux path (Bs in FIGS. 6 and 7) rises axially in one of the core walls of the pipe elements 101, 102, falls in the core wall of the other element, and is a concentric pipe element 101 and 102 are closed by magnetic end couplers 105 and 106 at each end.

制御磁束（Ｂ）経路は磁気端部カプラ１０５，１０６と円筒磁心の円形端部領域との間の薄い絶縁シート１０８によって提供される非常に小さな空隙を有する（図９）。これは、第１および第２のパイプ要素１０１、１０２および磁気端部カプラ１０５，１０６によって作られる「巻線」を通しての第１の巻線１０３が変圧器作用のための閉電流経路の創出することを防ぐために重要である。
The control flux (B) path has a very small air gap provided by a thin insulating sheet 108 between the magnetic end couplers 105, 106 and the circular end region of the cylindrical core (FIG. 9). This is because the first winding 103 through the “windings” created by the first and second pipe elements 101, 102 and the magnetic end couplers 105, 106 creates a closed current path for the transformer action. It is important to prevent that.

前述のように、本発明の一実施態様による磁気端部カプラは、磁性材料のいくつかのシート（積層）でできている。この実施態様は、図１０−１４に示される。図１０は、上方から見たＧＯ薄鋼板の磁気端部カプラ１０５およびパイプ要素１０１および１０２を示す。端部カプラ１０５の各セグメント（例えば、セグメント１０５ａおよび１０５ｂ）は、半径方向内端１１０から半径方向外端１１２にテーパーがつけられており、半径方向内端１１０が半径方向外端１１２より狭い。方向ＧＯおよびＴＤは、それらが端部カプラの各セグメント１０５ａ、１０５ｂにあてはまるように図１０に示されている。図１０の左および右側の端部カプラ１０５の一部は、内側の磁心１０２および外側の磁心１０１のシート端部１１４を示すために取り除かれた。図１１は、円環体状の部材１１６を示し、これは、２つの部分に切断されると、磁気端部カプラを提供する。図１２は、円環体の断面および磁性材料のシート（例えば積層）１０５’の相対位置を示す。図１２および１３は磁気端部カプラにおけるＧＯ方向を示し、それは主磁界の方向と一致する。図１４は、磁気カプラセグメント１０５ａの寸法および形状が、カプラが各端部で第２のパイプ要素１０２（内側の円筒形磁心）に、第１のパイプ要素１０１（外側の円筒形磁心）を結合することを保証するためにどのように調整されるかについて示す。図１４において、半径方向内端１１０は半径方向外端１１２より狭い。
As mentioned above, the magnetic end coupler according to one embodiment of the present invention is made up of several sheets (laminates) of magnetic material. This embodiment is shown in FIGS. 10-14. FIG. 10 shows the magnetic end coupler 105 and the pipe elements 101 and 102 of the GO steel sheet viewed from above. Each segment of end coupler 105 (eg, segments 105 a and 105 b) tapers from radially inner end 110 to radially outer end 112, with radially inner end 110 being narrower than radially outer end 112. The directions GO and TD are shown in FIG. 10 so that they apply to each segment 105a, 105b of the end coupler. A portion of the left and right end couplers 105 in FIG. 10 have been removed to show the inner magnetic core 102 and the sheet end 114 of the outer magnetic core 101. FIG. 11 shows a toroidal member 116 that, when cut into two parts, provides a magnetic end coupler. FIG. 12 shows the cross-section of the torus and the relative position of the magnetic material sheet (eg, laminate) 105 ′. Figures 12 and 13 show the GO direction in the magnetic end coupler, which coincides with the direction of the main magnetic field. FIG. 14 shows that the size and shape of the magnetic coupler segment 105a is such that the coupler couples the first pipe element 101 (outer cylindrical core) to the second pipe element 102 (inner cylindrical core) at each end. Show how it is adjusted to ensure that In FIG. 14, the radially inner end 110 is narrower than the radially outer end 112.

本発明の別の一実施態様において、図１５に示されるように、同じタイプのセグメントが、磁気線を使用して作られる。撚り線または単線磁性材料を使用した端部カプラの製作。図１５の断面ＡーＡによって示されるように、磁性材料によって形成される円環体形状は半分ずつに切断される。
図１６は、磁気線の端部がどのように磁界Ｈｆの入口および出口領域を提供するかについて示す。次いで各線は磁界Ｈｆに対する経路を提供する。
In another embodiment of the present invention, as shown in FIG. 15, the same type of segment is made using magnetic lines. Production of end couplers using stranded or single wire magnetic materials. As shown by the cross-section AA in FIG. 15, the torus shape formed by the magnetic material is cut in half.
FIG. 16 shows how the ends of the magnetic lines provide the entrance and exit areas for the magnetic field Hf. Each line then provides a path for the magnetic field Hf.

制御可能誘導装置によって処理される電力を増加することができるために、磁心は、積層板ストリップ材料でできていてもよい。これは、また、透磁率の急速な変化が要求されるところの切替えに有利である。
The magnetic core may be made of laminate strip material so that the power handled by the controllable induction device can be increased. This is also advantageous for switching where a rapid change in permeability is required.

本願明細書に記述された内容の変形、変更および他の実施態様は、請求されるような本発明の趣旨と請求された範囲から逸脱することなく、当業者が思いつくであろう。したがって、本発明は上記の例証となる記述によってではなく、それよりも以下の請求項の趣旨および範囲によって規定されるべきである。
Variations, modifications and other embodiments of what is described herein will occur to those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention as claimed. Accordingly, the invention is to be defined not by the preceding illustrative description but instead by the spirit and scope of the following claims.

本発明は、次に以下の図面で示される例によって、詳細に記述される。
磁性材料のシートおよび回転方向および軸方向の相対位置。 円筒状に巻かれた磁心およびその中で定義される回転方向および軸方向。 粒子配向性材料のシートおよびその中で定義される粒子方向および横方向。 粒子配向性材料の円筒状に巻かれた磁心およびその中で定義される粒子方向および横方向。 パイプ要素の異なる方向の相対位置。 本発明の一実施態様に従う装置の部分概略図。 図６の実施態様に従う装置。 図７に示される装置の断面図。 本発明の一実施態様に従う装置の磁気端部カプラと円筒形磁心との間の薄い絶縁シートの位置。 磁気シート材料に基づく磁気端部カプラの製作。 磁性材料の撚り線に基づく磁気端部カプラの製作用の円環体。 本発明の一実施態様に従う磁気端部カプラの製作用円環体状の磁性材料断面。 本発明の一実施態様に従う磁気端部カプラの粒子方向および横方向。 本発明の一十誌太陽にした外形上がパイプ要素に適合するように調整された磁気は支部カプラの製作用円環体の図面。 本発明の一実施態様に従う磁気線を有する円環体製品。 図１５の円環体の断面図。 粒子配向性材料の磁区構造。 The invention will now be described in detail by way of example shown in the following drawings.
Sheet of magnetic material and relative position in the rotational and axial directions. A cylindrically wound magnetic core and the rotational and axial directions defined therein. A sheet of grain-oriented material and the grain direction and transverse direction defined therein. A cylindrically wound magnetic core of grain-oriented material and the grain direction and transverse direction defined therein. The relative position of the pipe element in different directions. 1 is a partial schematic view of an apparatus according to one embodiment of the present invention. The apparatus according to the embodiment of FIG. Sectional drawing of the apparatus shown by FIG. The position of the thin insulating sheet between the magnetic end coupler and the cylindrical core of the device according to one embodiment of the invention. Fabrication of magnetic end couplers based on magnetic sheet material. A torus for the production of magnetic end couplers based on stranded wires of magnetic material. FIG. 3 is a cross-sectional view of a magnetic material for manufacturing a magnetic end coupler according to an embodiment of the present invention. Fig. 3 is a grain direction and transverse direction of a magnetic end coupler according to an embodiment of the present invention. Drawing 10 of the present invention is a drawing of a working ring of a branch coupler, the magnetism adjusted so that the sun's outer shape fits the pipe element. Toroidal product with magnetic lines according to one embodiment of the present invention. Sectional drawing of the torus of FIG. Magnetic domain structure of particle-oriented material.

符号の説明Explanation of symbols

１００：装置
１０１：第一パイプ要素
１０２：第二パイプ要素
１０３：第１巻線
１０４：第２巻線
１０５、１０６：磁気端部カプラ
１０５‘：積層
１０５a、１０５ｂ：カプラセグメント
１０７：間隙
１１０：半径方向内端
１１２：半径方向外端
１１４：シート端部
１１６：円環体状部材
ＡＤ：軸方向
ＲＤ：回転方向
ＴＤ：横方向
ＧＯ：粒子配向
ＨＳ：制御磁界
ＢＳ：制御磁束
Ｈｆ：主磁界
Ｂｆ：主磁束
Ａ−Ａ：断面
[110],[001]：磁区方向


DESCRIPTION OF SYMBOLS 100: Apparatus 101: 1st pipe element 102: 2nd pipe element 103: 1st coil | winding 104: 2nd coil | winding 105,106: Magnetic end coupler 105 ': Lamination | stacking 105a, 105b: Coupler segment 107: Gap 110: Radial inner end 112: Radial outer end 114: Sheet end 116: Toroidal member AD: Axial direction RD: Rotational direction TD: Transverse direction GO: Particle orientation H S : Control magnetic field B S : Control magnetic flux H f : Main magnetic field B f : Main magnetic flux AA: Cross section
[110], [001]: Magnetic domain direction


Claims (12)

磁心軸を有し、異方性材料を含む、同軸および同心の第１磁気パイプ要素（１０１）および第２磁気パイプ要素（１０２）を備える制御可能インダクタであって、前記第１磁気パイプ要素（１０１）および第２磁気パイプ要素（１０２）は、磁気端部カプラ（１０５、１０６）によって両端でお互いに結合され、
第１の巻線（１０３）が前記第１磁気パイプ要素および第２磁気パイプ要素の両方の回りに巻回され、および
第２の巻線（１０４）が前記第１磁気パイプ要素または第２磁気パイプ要素の少なくとも一つの回りに巻回され、
前記第１の巻線の巻線軸が、前記第１磁気パイプ要素または第２磁気パイプ要素のうちの少なくとも１つの軸に対して垂直であり、
前記第２の巻線の巻線軸が、前記磁心軸と一致し、
励磁された場合、前記第１の巻線（１０３）は、第１の透磁率の方向と一致する第１の方向の磁界を発生させ、
励磁された場合、前記第２の巻線（１０４）は、第２の透磁率の方向と一致する第２の方向の磁界を発生させ、
前記第１の透磁率は、前記第２の透磁率より実質的に高く、
前記磁気端部カプラ（１０５、１０６）は異方性材料からなり、前記第１の巻線（１０３）によって作られる磁界のために低い透磁率の経路を提供し、前記第２の巻線（１０４）によって作られる磁界のために高い透磁率の経路を提供する
ことを特徴とする制御可能インダクタ。A controllable inductor comprising a coaxial and concentric first magnetic pipe element (101) and a second magnetic pipe element (102) having a magnetic axis and comprising an anisotropic material, wherein the first magnetic pipe element ( 101) and the second magnetic pipe element (102) are coupled to each other at both ends by magnetic end couplers (105, 106),
A first winding (103) is wound around both the first magnetic pipe element and the second magnetic pipe element, and a second winding (104) is the first magnetic pipe element or the second magnetic pipe. Wound around at least one of the pipe elements,
The winding axis of the first winding is perpendicular to the axis of at least one of the first magnetic pipe element or the second magnetic pipe element;
The winding axis of the second winding coincides with the magnetic axis;
When energized, the first winding (103) generates a magnetic field in a first direction that matches the direction of the first permeability,
When energized, the second winding (104) generates a magnetic field in a second direction that matches the direction of the second permeability,
The first permeability is substantially higher than the second permeability;
The magnetic end coupler (105, 106) is made of an anisotropic material and provides a low permeability path for the magnetic field created by the first winding (103), and the second winding ( 104) a controllable inductor characterized in that it provides a high permeability path for the magnetic field created by. 前記異方性材料は、粒子配向性珪素綱および磁区制御高透磁率粒子配向性珪素綱からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の制御可能インダクタ。The controllable inductor according to claim 1, wherein the anisotropic material is selected from the group consisting of a grain-oriented silicon rope and a magnetic domain controlled high permeability particle-oriented silicon rope. 前記磁気端部カプラ（１０５、１０６）が、粒子配向性（ＧＯ）の鋼または鉄からなることを特徴とする請求項１に記載の制御可能インダクタ。The controllable inductor according to claim 1, characterized in that the magnetic end coupler (105, 106) is made of grain-oriented (GO) steel or iron. 前記磁気端部カプラ（１０５、１０６）が、複数のセグメント（１０５ａ、１０５ｂ）を含み、前記セグメントは、それぞれ半径方向外端（１１２）および半径方向内端（１１０）を有し、前記セグメントは、それぞれ前記半径方向内端（１１０）から前記半径方向外端（１１２）へとテーパーがつけられており、前記半径方向内端（１１０）は前記半径方向外端（１１２）よりも狭いことを特徴とする請求項１または３に記載の制御可能インダクタ。The magnetic end coupler (105, 106) includes a plurality of segments (105a, 105b), each having a radially outer end (112) and a radially inner end (110), the segments being , Taper from the radially inner end (110) to the radially outer end (112), respectively, such that the radially inner end (110) is narrower than the radially outer end (112). A controllable inductor according to claim 1 or 3, characterized in that 前記インダクタが、さらに、薄い絶縁シート（１０８）を備え、前記薄い絶縁シートは、前記第１磁気パイプ要素（１０１）および前記第２磁気パイプ要素（１０２）の縁部と、前記磁気端部カプラ（１０５、１０６）との間に位置することを特徴とする請求項１に記載の制御可能インダクタ。The inductor further comprises a thin insulation sheet (108), the thin insulation sheet comprising edges of the first magnetic pipe element (101) and the second magnetic pipe element (102), and the magnetic end coupler. The controllable inductor according to claim 1, wherein the controllable inductor is located between (105, 106). 前記磁気端部カプラ（１０５、１０６）の体積は、前記第１磁気パイプ要素（１０１）および第２磁気パイプ要素（１０２）の体積の１０−２０％であることを特徴とする請求項１に記載の制御可能インダクタ。The volume of the magnetic end coupler (105, 106) is 10-20% of the volume of the first magnetic pipe element (101) and the second magnetic pipe element (102). Controllable inductor as described. 前記第１の巻線によって導入される前記磁界方向は、前記第１磁気パイプ要素（１０１）および第２磁気パイプ要素（１０２）のうちの少なくとも１つの軸に対して環状方向であることを特徴とする請求項１に記載の制御可能インダクタ。The magnetic field direction introduced by the first winding is an annular direction with respect to at least one axis of the first magnetic pipe element (101) and the second magnetic pipe element (102). The controllable inductor according to claim 1. 前記第２の巻線によって導入される前記磁界方向は、前記第１磁気パイプ要素（１０１）および第２磁気パイプ要素（１０２）のうちの少なくとも１つの軸に対して、平行な方向であることを特徴とする請求項１に記載の制御可能インダクタ。The magnetic field direction introduced by the second winding is parallel to at least one axis of the first magnetic pipe element (101) and the second magnetic pipe element (102). The controllable inductor according to claim 1. それぞれが異方性の磁性材料を備えかつ軸を定める同軸および同心の第１パイプ要素（１０１）および第２パイプ要素（１０２）を備える磁気制御可能インダクタ用の磁心であって、前記第１パイプ要素（１０１）および前記第２パイプ要素（１０２）は、磁気端部カプラ（１０５、１０６）によって両端でお互いに結合され、
そして、前記磁心は、前記第１パイプ要素（１０１）および前記第２パイプ要素（１０２）の軸に対して直角の第２方向の第２透磁率より著しく低い前記第１パイプ要素（１０１）および前記第２パイプ要素（１０２）の前記軸と平行な第１の方向に第１の透磁率を示し、
前記磁気端部カプラ（１０５、１０６）内に、前記第１パイプ要素（１０１）および前記第２パイプ要素（１０２）に対して環状方向に第３の透磁率が存在し、前記磁気端部カプラ（１０５、１０６）内に、前記第１パイプ要素（１０１）および前記第２パイプ要素（１０２）に対して半径方向に第４の透磁率が存在し、前記第４の透磁率は、実質的に前記第３の透磁率よりも大きい
ことを特徴とする制御可能インダクタの磁心。A magnetic core for a magnetically controllable inductor, each comprising an anisotropic magnetic material and defining a coaxial and concentric first pipe element (101) and a second pipe element (102), wherein said first pipe The element (101) and the second pipe element (102) are coupled to each other at both ends by magnetic end couplers (105, 106),
And the magnetic core is significantly lower than the second permeability in a second direction perpendicular to the axes of the first pipe element (101) and the second pipe element (102), and Presenting a first permeability in a first direction parallel to the axis of the second pipe element (102);
A third permeability exists in the magnetic end coupler (105, 106) in an annular direction relative to the first pipe element (101) and the second pipe element (102), and the magnetic end coupler (105, 106), there is a fourth permeability in a radial direction relative to the first pipe element (101) and the second pipe element (102), and the fourth permeability is substantially And a magnetic core of a controllable inductor characterized by having a magnetic permeability greater than the third magnetic permeability. 前記第１パイプ要素（１０１）および前記第２パイプ要素（１０２）は、シート端部および絶縁材の被覆を備える巻かれたシート材料でできていることを特徴とする請求項９に記載の磁心。Magnetic core according to claim 9, characterized in that the first pipe element (101) and the second pipe element (102) are made of a rolled sheet material with a sheet end and an insulation coating. . 前記磁気端部カプラ（１０５、１０６）が、粒子配向性（ＧＯ）の鋼または鉄からなる
ことを特徴とする請求項９に記載の磁心。Magnetic core according to claim 9, characterized in that the magnetic end coupler (105, 106) is made of grain oriented (GO) steel or iron. 前記磁気端部カプラ（１０５、１０６）が、複数のセグメント（１０５ａ、１０５ｂ）を含み、前記セグメントは、それぞれ半径方向外端（１１２）および半径方向内端（１１０）を有し、前記セグメントは、それぞれ前記半径方向内端（１１０）から前記半径方向外端（１１２）へとテーパーがつけられており、前記半径方向内端（１１０）は前記半径方向外端（１１２）よりも狭いことを特徴とする請求項９または１１に記載の磁心。The magnetic end coupler (105, 106) includes a plurality of segments (105a, 105b), each having a radially outer end (112) and a radially inner end (110), the segments being , Taper from the radially inner end (110) to the radially outer end (112), respectively, such that the radially inner end (110) is narrower than the radially outer end (112). The magnetic core according to claim 9 or 11, wherein the magnetic core is a magnetic core.
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