JP7127545B2

JP7127545B2 - 電磁アクチュエータ

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Publication number: JP7127545B2
Application number: JP2018560387A
Authority: JP
Inventors: 卓佐藤; 研松浦
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-01-05
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2037-12-27
Also published as: JPWO2018128149A1; WO2018128149A1

Description

本発明は、磁心並びにこれを用いたリアクトル、限流器、電磁アクチュエータ及びモータに関する。

磁心にコイルが巻回されてなるリアクトルは、限流器など様々な用途に使用されている。また、磁心は、電磁アクチュエータやモータなどにも広く利用されている。以下、限流器について説明する。

電力系統や電気回路において短絡事故が発生すると、短絡箇所において瞬時に大電流が流れ、この電流によって系統機器や回路素子が損傷したり、場合よっては火災が発生したりすることもある。短絡事故発生時におけるこのような大電流を抑制するための機器として、従来から限流器が知られている。限流器は、近年における電力容量の増加や分散型電源の普及に伴って、今後ますます需要が高まるものと予想される。

限流器の具体的な構成は、例えば特許文献１～４に記載されている。特許文献１及び２に記載された限流器は、サイリスタとダイオードとからなるブリッジ回路にリアクトルを接続した構成を有している。また、特許文献３に記載された限流器は、直列共振回路と並列共振回路を組み合わせた構成を有している。さらに、特許文献４に記載された限流器は、直流電源を用いて可飽和直流リアクトルに磁気バイアスをかける構成を有している。

特開昭４９－５０４４８号公報特開平９－２８５０１２号公報特開２０１０－１７０１６号公報特開２００２－２９１１５０号公報特許第６１０９４５３号公報特開２０１５－２２０７９７号公報

しかしながら、特許文献１～４に記載された限流器は素子数が多く、装置構成が複雑である。特に、特許文献３に記載された限流器は、ノイズを抑えるためのフィルタ回路を別途設ける必要があることから、さらに回路構成が複雑となる。また、特許文献４に記載された限流器は、磁気バイアスをかけるための直流電源が常に必要であり、直流電源が失われると限流器として機能しないという問題があった。

このように、従来の限流器は装置構成が複雑であることから、信頼性の確保が難しいばかりでなく、保守負担も大きいという問題があった。しかも、装置構成の複雑さに起因して、十分な応答速度を得ることも困難であった。

また、特許文献５には、大電流が発生した場合に電流経路を遮断する電磁アクチュエータが開示されている。特許文献５に記載された電磁アクチュエータは、可動鉄心及び固定鉄心と、主回路電流が流れる引外し導体（コイル）とを備え、可動鉄心の末端を復帰ばねで固定することにより、大電流発生時にのみ遮断動作を行うよう構成されている。しかしながら、特許文献５に記載された電磁アクチュエータは、遮断動作を行う応答電流がばね特性によって決定されることから、応答速度が遅いだけでなく、ばねの経年劣化による信頼性に問題があった。

さらに、コイルを用いた電磁アクチュエータではないが、特許文献６にはメタ磁性材料を用いたアクチュエータが開示されている。しかしながら、特許文献６に記載されたアクチュエータは、温度による磁気相転移を利用しているため、急速な加熱や冷却が必要であり、応用範囲が非常に限られるという問題があった。

また、ロータ又はステータに軟磁性材料を用いた一般的なモータには、コギングトルクが生じるという問題があった。

したがって、本発明の一つの目的は、リアクトル、限流器、電磁アクチュエータ及びモータなどに幅広く応用可能な磁心を提供することである。

また、本発明の他の目的は、単純な装置構成を有する信頼性の高いリアクタンス型の限流器を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、応答速度が速く、且つ、信頼性の高い電磁アクチュエータを提供することである。

本発明のさらに他の目的は、コギングトルクが低減されたモータを提供することである。

本発明による磁心は、磁気特性が、第１軸を磁場とし第２軸を磁束密度又は磁化としたグラフの第１象限において、第１の磁場強度以下の第１の磁場領域では、磁場に対する磁束密度又は磁化の微分値が第１の値であり、前記第１の磁場強度よりも強い第２の磁場領域では、磁場に対する磁束密度又は磁化の微分値が前記第１の値よりも大きい第２の値であることを特徴とする。

本発明によれば、磁場強度の低い第１の磁場領域では磁化を持たない非磁性体として振る舞い、磁場強度の高い第２の磁場領域では磁化を持つ強磁性体として振る舞う。このため、磁場強度が第１の磁場領域から第２の磁場領域に変化した場合、磁化が急激に増大することから、この現象を利用したリアクトル、限流器、電磁アクチュエータ及びモータなど種々のデバイスに応用することが可能となる。

例えば、本発明による磁心にコイルを巻回することによってリアクトルを構成し、これを限流器に応用すれば、コイルを流れる電流が所定値以下である場合には第１の磁場領域で動作することからリアクタンスが小さい一方、コイルを流れる電流が所定値を超えると第２の磁場領域で動作することからリアクタンスが増大する。これにより、電流が所定値以下である場合には、電力系統や電気回路に対して実質的に負荷となることなく、電流が所定値を超えた場合に限流動作を行うことができる。しかも、磁心にコイルを巻回したシンプルな装置構成であることから、低コストで信頼性の高い限流器を提供することが可能となる。

また、本発明による磁心は、電磁アクチュエータに応用することも可能である。この場合、固定磁心と、可動磁心と、前記固定磁心及び前記可動磁心の少なくとも一方に巻回されたコイルとを備え、前記固定磁心及び前記可動磁心の前記少なくとも一方に本発明による磁心を用いれば良い。これによれば、応答速度が速く、且つ、信頼性の高い電磁アクチュエータを提供することが可能となる。

さらに、本発明による磁心は、モータに応用することも可能である。この場合、ロータとステータとを備え、前記ロータ及び前記ステータの少なくとも一方に本発明による磁心を用いれば良い。これによれば、コギングトルクが低減されたモータを提供することが可能となる。

本発明において、前記磁心の磁気特性は、前記第２の磁場強度よりも強い第３の磁場領域では、磁場に対する磁束密度また磁化の微分値が前記第２の値よりも小さい第３の値であっても構わない。このような磁気特性を有する磁心を例えば限流器に用いる場合であっても、コイルを流れる電流が所定値を超えると大きなリアクタンスが発生することから、限流器として正しく機能する。このような磁気特性を示す材料としては、メタ磁性材料、パーミンバー特性材料及び合成反強磁性材料が挙げられる。特に、メタ磁性材料を用いる場合、磁場強度によって反強磁性から強磁性に転移する反強磁性強磁性転移型材料を用いることが好ましい。これによれば、常温を含む広い温度領域で使用することが可能となる。

本発明において、前記磁心の磁気特性を示す特性曲線は、実質的に前記グラフの原点を通ることが好ましい。このようなヒステリシスの無い、或いは、ヒステリシスの非常に小さい材料を用いれば、例えば限流器や電磁アクチュエータなどを複数回に亘って安定して動作させることが可能となる。

このように、本発明によれば、リアクトル、限流器、電磁アクチュエータ及びモータなどに幅広く応用可能な磁心を提供することが可能となる。

また、本発明によれば、単純な装置構成を有する信頼性の高いリアクタンス型の限流器や、応答速度が速く、且つ、信頼性の高い電磁アクチュエータや、コギングトルクが低減されたモータを提供することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態による限流器１０を用いた電気回路の回路図である。図２は、限流器１０を用いた電気回路の別の回路図である。図３は、限流器１０を用いた電気回路のさらに別の回路図である。図４は、限流器１０の具体的構成の一例を示す図である。図５は、磁心１１に用いられる磁性材料の磁気特性を示すグラフである。図６は、磁心１１に用いられる磁性材料の磁気特性を示すグラフであり、第１象限（Ｉ）のみを示している。図７は、限流器１０のコイル１２に流れる電流ＩとインダクタンスＬとの関係を示すグラフである。図８は、コイル１２にかかる電圧Ｖとコイル１２に流れる電流Ｉとの関係を示すグラフである。図９は、磁心１１に用いられる磁性材料の磁気特性を示す別のグラフである。図１０は、図９に示す特性の微分値を示すグラフである。図１１は、図９に示す特性の二回微分値を示すグラフである。図１２は、コイル１２に流れる電流ＩとＢ／Ｈの値との関係を示すグラフである。図１３は、本発明の第２の実施形態による電磁アクチュエータ６０の構成を説明するための模式図である。図１４は、本発明の第３の実施形態によるモータ７０の構成を説明するための模式図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態による限流器１０を用いた電気回路の回路図である。

図１に示す電気回路は、交流電源２０に直列に接続された限流器１０及び負荷３０からなる。交流電源２０は例えば商用電源であり、負荷３０は交流電源２０から供給される電力によって動作する各種電気機器である。本実施形態による限流器１０は、交流電源２０と負荷３０との間に直列に接続され、負荷３０が短絡事故を起こした場合に流れる大電流を抑制する役割を果たす。図２に示すように、負荷３０に対して遮断器４０を直列に接続しても構わない。遮断器４０を用いれば、負荷３０が短絡事故を起こした場合、限流器１０によって大電流が抑制された状態で遮断器４０による遮断動作を行うことができる。

図１及び図２に示すように、本実施形態による限流器１０は単純なリアクトルである。詳細については後述するが、限流器１０のリアクタンスは、電流Ｉが所定値以下である通常動作時においては十分に小さく、これにより電気回路に与えるインピーダンスは非常に小さい。これに対し、電流Ｉが所定値を超えた異常時においては、限流器１０のリアクタンスが大幅に上昇する。これにより、交流電源２０に対して大きなインピーダンスとして働くことから、電流Ｉの増加が抑制される。このようなリアクタンスの変化はリアクトルの磁心に印加される磁場の変化（電磁誘導の原理）によるものであり、電流Ｉの変化に対して自発的に生じることから、電流値を検出するための素子などは不要である。

尚、通常動作時のリアクタンス成分に起因した電圧降下をより低減させるためには、図３に示すように、限流器１０と共振するコンデンサ５０を直列に接続すればよい。そして、限流器１０とコンデンサ５０からなる共振回路の共振周波数を交流電源２０の周波数と一致させれば、通常動作時における限流器１０のインピーダンスを大幅に低減することが可能となる。

尚、本実施形態による限流器１０はリアクトル型であることから、交流回路への応用が好適である。しかしながら、リアクタンスには電流増加を遅延させる作用があるため、大電流を遮断する遮断器４０を用いることを前提とすれば、本実施形態による限流器１０を直流回路に使用した場合であっても、遮断器４０の遮断容量（遮断可能な最大電力値）を超えるリスクを軽減することが可能となる。したがって、本実施形態による限流器１０は、直流回路に使用することも可能である。

図４は、本実施形態による限流器１０の具体的構成の一例を示す図である。

図４に示す限流器１０は、トロイダル型の磁心１１と、磁心１１に巻回されたコイル１２によって構成されている。コイル１２は、抵抗値の低い銅（Ｃｕ）を芯材に用いた被覆導線などを用いることが好ましい。トロイダル型の磁心１１は閉磁路を構成しており、磁心１１に巻回されたコイル１２に電流Ｉが流れると、トロイダル型の磁心１１を周回する磁束が発生する。しかしながら、電流Ｉが所定値以下である通常動作時においては磁心１１の透磁率が十分に低く、このため発生するリアクタンスも小さい。そして、電流Ｉが所定値を超えた異常時になると磁心１１の透磁率が急激に増加し、これによりリアクタンスも急激に増加する。

このような現象を発現させるべく、本実施形態においては、磁心１１の材料として以下に詳述する磁性材料を用いている。

図５は、磁心１１に用いられる磁性材料の磁気特性を示すグラフであり、第１軸である横軸（Ｘ軸）は磁場Ｈを示し、第２軸である縦軸（Ｙ軸）は磁化Ｍを示している。図５において、符号Ａは磁心１１の磁気特性を示し、符号ＳＭは一般的な軟磁性材料の磁気特性を示し、符号ＨＭは一般的な硬磁性材料の磁気特性を示している。

図５において符号ＳＭで示すように、一般的な軟磁性材料は、低磁場領域においては透磁率が高く容易に磁化される一方、磁場強度が所定値を超えると磁気飽和を起こし、それ以上はほとんど磁化されないという特性を示す。言い換えれば、磁気飽和しない磁場領域では、磁場Ｈに対する磁化Ｍの微分値が大きく、磁気飽和する磁場領域では、磁場Ｈに対する磁化Ｍの微分値が小さくなる。また、一般的な軟磁性材料は、ヒステリシスが無い、或いは、ヒステリシスが非常に小さいことから、符号ＳＭで示す特性曲線は、グラフの原点又はその近傍を通る。したがって、符号ＳＭで示す特性曲線は、グラフの第１象限（Ｉ）及び第３象限（ＩＩＩ）に現れ、第２象限（ＩＩ）及び第４象限（ＩＶ）には実質的に現れない。

図５において符号ＨＭで示すように、一般的な硬磁性材料は大きなヒステリシスを有しており、磁場がゼロであっても磁化された状態が維持される。このため、符号ＨＭで示す特性曲線は、グラフの第１象限（Ｉ）～第４象限（ＩＶ）の全てに現れる。

これらの一般的な強磁性材料に対し、本実施形態において磁心１１に用いる磁性材料は、グラフの第１象限（Ｉ）及び第３象限（ＩＩＩ）において符号Ａで示すように、低磁場領域においては透磁率が低いためほとんど磁化されず、中磁場領域においては透磁率が高くなって容易に磁化され、さらに、強磁場領域になると磁気飽和を起こし、それ以上はほとんど磁化されないという特性を示す。選択する材料によっては、第１象限（Ｉ）及び第３象限（ＩＩＩ）内において僅かにヒステリシスが存在するが、残留磁化はゼロ又は非常に小さいため、符号Ａで示す特性曲線は実質的にグラフの原点を通る。符号Ａで示す特性曲線が厳密にグラフの原点を通らない場合であっても、横軸又は縦軸の原点近傍を通ることになる。このことは、当該磁性材料が初期状態であるか、或いは、繰り返し磁場を印加した後の状態であるかにかかわらず、同じ磁気特性が得られることを意味する。このため、当該磁性材料を用いた限流器１０は繰り返し使用することができ、且つ、限流動作が完了した後、自動復旧する。

図６は、磁心１１に用いられる磁性材料の磁気特性を示すグラフであり、第１象限（Ｉ）のみを示している。

図６を用いて磁心１１の磁気特性についてより具体的に説明すると、磁場Ｈが無い状態から磁場を高めていくと、第１の磁場強度Ｈ１までの領域（第１の磁場領域ＭＦ１）においては透磁率が低く、このため磁化Ｍの増加は僅かである。グラフの傾き、つまり、磁場Ｈに対する磁化Ｍの微分値は透磁率に連動する。第１の磁場領域ＭＦ１における透磁率は非磁性材料の透磁率と同程度であり、したがって、第１の磁場領域ＭＦ１においては実質的に非磁性材料として振る舞う。

一方、第１の磁場強度Ｈ１から第２の磁場強度Ｈ２までの領域（第２の磁場領域ＭＦ２）においては透磁率が急激に高くなり、磁化Ｍの値は大幅に増加する。つまり、磁場を高めていくと、第１の磁場強度Ｈ１を境として透磁率が急激に増加する。第２の磁場領域ＭＦ２における透磁率は軟磁性材料の透磁率に近く、したがって、第２の磁場領域ＭＦ２においては軟磁性的に振る舞う。

さらに磁場を高めることによって第２の磁場強度Ｈ２を超えると（第３の磁場領域ＭＦ３）、磁気飽和を起こし、グラフの傾き、つまり透磁率は再び低下する。

逆に、第３の磁場領域ＭＦ３から磁場を弱めていき、第３の磁場強度Ｈ３を下回ると、第４の磁場強度Ｈ４までの領域で再び透磁率が高くなる。そして、第４の磁場強度Ｈ４を下回ると透磁率が低下し、再び非磁性材料として振る舞う。このように、第１象限（Ｉ）内においてはヒステリシスを有しているものの、残留磁化はほとんど存在しないため、磁場Ｈを一旦ゼロ近辺に戻せば、再び上述した特性と同じ特性が得られる。

磁心１１を構成する磁性材料としては、上述した磁気特性を有する磁性材料であれば特に限定されないが、一例として、メタ磁性材料、パーミンバー特性材料及び合成反強磁性材料を挙げることができる。磁心１１を構成する磁性材料は、メタ磁性材料、パーミンバー特性材料又は合成反強磁性材料の単体であっても構わないし、これらの組み合わせても構わないし、磁心１１の一部が強磁性材料によって構成されていても構わない。

磁心１１をこのような磁性材料によって構成すれば、限流器１０のコイル１２に流れる電流Ｉの大きさによってインダクタンスを大きく変化させることが可能となる。ここで、磁心１１に与えられる磁場Ｈは、コイル１２の構造及びコイル１２に流れる電流Ｉによって決まり、磁路長をＭＬ、コイル１２の巻数をＮとした場合、
Ｈ＝Ｎ×Ｉ／ＭＬ
で定義される。

図７は、限流器１０のコイル１２に流れる電流ＩとインダクタンスＬとの関係を示すグラフである。ここで、図７に示す電流値Ｉ１は、磁心１１に与えられる磁場Ｈが第１の磁場強度Ｈ１となる電流値である。また、図７に示す電流値Ｉ２は、磁心１１に与えられる磁場Ｈが第２の磁場強度Ｈ２となる電流値である。

図７に示すように、コイル１２に流れる電流Ｉが第１の電流値Ｉ１以下であれば、限流器１０のインダクタンスの値はＬ１であり、十分に低い。これは、コイル１２に流れる電流Ｉが第１の電流値Ｉ１以下である場合、磁心１１が第１の磁場領域ＭＦ１にあり、透磁率が十分に低いからである。これにより、限流器１０は電気回路に対してほとんど負荷とならない。ここで、第１の磁場領域ＭＦ１における磁心１１の透磁率をμ１、磁心１１の断面積をＳとした場合、第１の磁場領域ＭＦ１におけるインダクタンスＬ１は、
Ｌ１＝μ１×Ｎ^２×Ｓ／ＭＬ
で定義される。

これに対し、コイル１２に流れる電流Ｉが第１の電流値Ｉ１を超えると、限流器１０のインダクタンスの値はＬ２（＞Ｌ１）へ急激に増加する。これは、コイル１２に流れる電流Ｉが第１の電流値Ｉ１を超えると、磁心１１が第２の磁場領域ＭＦ２となるため、透磁率が急激に増加するからである。第１の電流値Ｉ１は限流器１０の動作開始点であり、コイル１２に流れる電流Ｉが第１の電流値Ｉ１を超えると、限流器１０のインダクタンスが急激に増加する。これにより、電気回路に第１の電流値Ｉ１を超える電流が流れると、限流器１０は自発的に限流動作を開始することになる。ここで、第２の磁場領域ＭＦ２における磁心１１の透磁率をμ２とした場合、第２の磁場領域ＭＦ２におけるインダクタンスＬ２は、
Ｌ２＝μ２×Ｎ^２×Ｓ／ＭＬ
で定義される。

そして、コイル１２に流れる電流Ｉが第２の電流値Ｉ２を超えると、限流器１０のインダクタンスの値はＬ３（＜Ｌ２）へ急激に減少する。これは、コイル１２に流れる電流Ｉが第２の電流値Ｉ２を超えると、磁心１１が第３の磁場領域ＭＦ３となるからである。

図８は、コイル１２にかかる電圧Ｖとコイル１２に流れる電流Ｉとの関係を示すグラフである。図８に示すグラフは、コイル１２に流れる電流Ｉが第１の電流値Ｉ１以下である場合にはグラフの傾きが示すインピーダンスＺ１が低く、コイル１２に流れる電流Ｉが第１の電流値Ｉ１を超えると、インピーダンスＺ２が増加することを示している。

このように、本実施形態による限流器１０は、磁心１１が図５及び図６に示す磁気特性を有していることから、コイル１２に流れる電流Ｉが第１の電流値Ｉ１以下である場合にはほとんど負荷とならない一方、コイル１２に流れる電流Ｉが第１の電流値Ｉ１を超えると、インダクタンスの急激な増加によって限流動作を行うことが可能となる。尚、図５及び図６に示したグラフは縦軸が磁化Ｍであるが、縦軸を磁束密度Ｂに置き換えても、同様の関係が成り立つ。

図９は、磁心１１に用いられる磁性材料の磁気特性を示す別のグラフであり、第１軸である横軸は磁場Ｈを示し、第２軸である縦軸は磁束密度Ｂを示している。

図９に示すように、縦軸を磁束密度Ｂに置き換えた場合であっても、磁心１１の磁気特性は、グラフの第１象限（Ｉ）において同様の特性曲線を描く。つまり、低磁場である第１の磁場領域ＭＦ１においては傾きが小さく、中磁場である第２の磁場領域ＭＦ２においては傾きが急激に大きくなり、強磁場である第３の磁場領域ＭＦ３においては傾きが再び小さくなる。また、図９に示すグラフにおいても、磁心１１の磁気特性を示す特性曲線は実質的に原点を通り、厳密にグラフの原点を通らない場合であっても、横軸又は縦軸の原点近傍を通る。

図１０は図９に示す特性の微分値を示すグラフであり、図１１は図９に示す特性の二回微分値を示すグラフである。図１０に示す特性は、磁心１１を構成する磁性材料の微分透磁率に相当する。

図１０に示すように、図９に示す特性を一回微分すると、第２の磁場領域ＭＦ２において微分値が極大となる。第１の磁場領域ＭＦ１及び第３の磁場領域ＭＦ３では、微分値は小さい値のままである。そして、図１１に示すように、図９に示す特性を二回微分すると、第２の磁場領域ＭＦ２において二回微分値が正の値から負の値に反転する。第１の磁場領域ＭＦ１及び第３の磁場領域ＭＦ３では、二回微分値はほぼゼロである。このように、磁心１１に用いられる磁性材料は、磁場Ｈに対して磁束密度Ｂを二回微分すると、二回微分値が正の値から負の値に反転するという特徴を有している。

図１２は、コイル１２に流れる電流ＩとＢ／Ｈの値との関係を示すグラフである。Ｂ／Ｈの値は平均透磁率に相当する。

図１２に示すように、コイル１２に流れる電流Ｉが第１の電流値Ｉ１以下である場合には、Ｂ／Ｈの値（平均透磁率）は低く、その変化もほとんど無いことから、電気回路に与える影響は僅かである。これに対し、コイル１２に流れる電流Ｉが第１の電流値Ｉ１を超えると、Ｂ／Ｈの値（平均透磁率）が急激に増加する。その後、コイル１２に流れる電流Ｉが第２の電流値Ｉ２を超えると、Ｂ／Ｈの値（平均透磁率）が徐々に減少する。これは、第３の磁場領域ＭＦ３においては磁心１１が磁気飽和するからである。

既に説明した通り、磁心１１を構成する磁性材料としては、メタ磁性材料、パーミンバー特性材料及び合成反強磁性材料を挙げることができる。どの磁性材料を使用するかは、限流器１０に求められる諸特性（主に、第１の磁場強度Ｈ１の値）に応じて適宜選択すればよい。

メタ磁性材料とは、磁場により常磁性（ＰＭ：Ｐａｒａｍａｇｎｅｔｉｃ）もしくは反強磁性（ＡＦＭ：Ａｎｔｉ－Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）から強磁性（ＦＭ：Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）に一次相転移する材料を指す。磁場による一次相転移とは、磁場に関する磁化の変化が不連続になる点をもつことを指す。メタ磁性材料において一次相転移が生じる磁場は、通常１～１０Ｔと比較的大きな磁場であるため、これを磁心１１の材料として用いる限流器１０としては、電力系統、大容量コンデンサ回路、電力用トランス回路といった大電流用の用途が好適である。尚、一部の反強磁性材料も、磁場Ｈを著しく高めれば磁束密度Ｂが急激に増加する特性が得られるが、そのような変化をもたらす磁場強度（つまり、第１の磁場強度Ｈ１）は１０～１００Ｔと極めて強く、限流器１０のコイル１２によってそのような磁場を作ることは現実的に不可能である。このため、磁心１１の材料として反強磁性材料を用いても、事実上、限流器として機能させることは困難である。

メタ磁性材料は、磁場により常磁性から強磁性に転移する常磁性強磁性転移型（ＰＭ－ＦＭ転移型）と、反強磁性から強磁性に転移する反強磁性強磁性転移型（ＡＦＭ－ＦＭ転移型）に分類される。ＰＭ－ＦＭ転移型は、キュリー温度の近傍でのみ一次相転移が生じることから、限流器１０の動作温度もキュリー温度付近に限られる。これに対し、ＡＦＭ－ＦＭ転移型は、反強磁性状態が消失するネール温度以下であれば一次相転移が生じるため、より幅広い温度で限流器１０を動作させることが可能となる。

メタ磁性材料の具体例としては、Ｌａ（ＦｅＳｉ）_１３系、Ｌａ（ＦｅＳｉ）_１３Ｈ系、ＭｎＡｓ系、Ｍｎ（ＡｓＳｂ）系、ＭｎＡｌ系、ＦｅＲｈ系、ＮｉＭｎＩｎ系、Ｍｎ_３ＧａＣ系、Ｍｎ_３ＳｎＣ系、Ｍｎ_３ＳｎＢ系材料が挙げられる。特に、室温近傍において一次相転移が生じるＬａ（ＦｅＳｉ）_１３Ｈ系、ＭｎＡｓ系、Ｍｎ（ＡｓＳｂ）系、ＭｎＡｌ系材料が好ましく、最も好ましいのは、ＡＦＭ－ＦＭ転移型メタ磁性材料であるＭｎＡｌ系材料である。室温近傍において一次相転移が生じない材料を使用する場合は、ヒーターもしくは冷却装置を用いて、一次相転移が生じる温度帯に維持すればよい。

次に、パーミンバー特性材料とは、パーミンバーと呼ばれるＮｉ４５ｗｔ％Ｃｏ２５ｗｔ％Ｆｅ残で確認された特殊なＢＨ特性を示す材料である。具体的には、パーミンバー、Ｍｏパーミンバー、超パーミンバー、イソパーム、センパームなどが挙げられる。また、ＮｉＺｎフェライトやＣｏＢ系アモルファス材料もパーミンバー特性材料として挙げられる。

パーミンバー特性材料は、比較的低い磁場ではヒステリシスがなく、且つ、傾きの小さい直線的なＢＨ特性を示し、ある磁場（第１の磁場強度Ｈ１）を超えると、傾きの大きなＢＨ特性を示す。パーミンバー特性材料を用いた場合、第１の磁場強度Ｈ１は、メタ磁性材料の１／１００～１／１０００であるため、これを磁心１１の材料として用いれば、小電力用の限流器を構成することが可能となる。

また、パーミンバー特性材料は、強磁性が保たれるキュリー温度以下であれば、磁場強度に応じた透磁率の変化が生じるため、室温を含めた幅広い温度での動作が可能である。さらに、パーミンバー特性材料は、磁場印加による磁歪が小さいため、磁心１１として用いた場合に高い耐久性を得ることも可能となる。しかも、パーミンバー特性材料を構成する組成は、多くが遷移金属であるため、白金族元素や希土類元素を含んだメタ磁性材料と比較して、材料コストが安いという利点もある。

尚、パーミンバー特性材料は、通常動作時（つまり、第１の磁場領域ＭＦ１）における透磁率がメタ磁性材料と比較して１０～１００倍以上の値を持つことから、磁心１１の材料としてパーミンバー特性材料を用いた限流器１０は、通常動作時にはリアクトルとして利用することも可能である。

次に、合成反強磁性材料とは、強磁性相と強磁性相が反強磁性的に結合することで、反強磁性的な特性を示す材料を指す。合成反強磁性材料は、反強磁性材料とは異なり、反強磁性結合強度が小さいため、ある磁場（第１の磁場強度Ｈ１）を超えると、強磁性的な磁化配列となる。具体的な材料としては、ＦｅＣｏ／Ｒｕ／ＦｅＣｏ薄膜が挙げられる。合成反強磁性材料を用いた場合、第１の磁場強度Ｈ１は、メタ磁性材料の１／１０～１／１００であるため、これを磁心１１の材料として用いれば、中電力用の限流器を構成することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態による限流器１０は、上述した特性を有する磁性材料からなる磁心１１にコイル１２を巻回したものであり、非常にシンプルな構成を有している。これにより、ダイオード及びサイリスタなどの能動素子や、直流電源などを用いることなく、自発的かつ高速に限流動作を行うことができることから、低コスト化及び信頼性の向上を実現することが可能となる。

図１３は、本発明の第２の実施形態による電磁アクチュエータ６０の構成を説明するための模式図である。

図１３に示す電磁アクチュエータ６０は、可動磁心６１と、固定磁心６２と、可動磁心６１に巻回されたコイル６３とを備えている。固定磁心６２は鉄などの強磁性材料からなり、可動磁心６１は図５及び図６に示した特性を有する磁性材料からなる。これにより、図７を用いて説明したように、コイル６３に流れる電流Ｉが第１の電流値Ｉ１以下である場合には、可動磁心６１が実質的に非磁性材料として振る舞うことから、可動磁心６１と固定磁心６２が分離した状態が保たれる。そして、コイル６３に流れる電流Ｉが第１の電流値Ｉ１を超えると、磁化の急激な増加によって、可動磁心６１と固定磁心６２の間に吸引力が生じ、両者が密着する。

このように、本実施形態による電磁アクチュエータ６０は、可動磁心６１の材料として図５及び図６に示した特性を有する磁性材料を用いていることから、大電流の発生時に電流経路を遮断する回路遮断器に応用することが好適である。この場合、遮断動作を行う応答電流が可動磁心６１の材料特性によって決まるため、高い応答速度を実現することができるとともに、ばねの経年劣化などによる信頼性の低下が生じない。

尚、図１３に示した例では、図５及び図６に示した特性を有する磁性材料を可動磁心６１に用いているが、これに変えて、図５及び図６に示した特性を有する磁性材料を固定磁心６２に用いても構わない。この場合、可動磁心６１の材料として鉄などの強磁性材料を用いれば良い。さらに、可動磁心６１及び固定磁心６２の両方に図５及び図６に示した特性を有する磁性材料を用い、両者にコイル６３を巻回しても構わない。

図１４は、本発明の第３の実施形態によるモータ７０の構成を説明するための模式図である。

図１４に示すモータ７０は、ステータ７１とロータ７４を備える。ステータ７１の内周壁には、ステータ７１の一部である複数のステータ磁極７２が周期的に配置されており、各ステータ磁極７２にはコイル７３が巻回されている。また、ロータ７４の外周壁には、ステータ磁極７２と対向するよう、ステータ磁極７２と同数の永久磁石７５が配置されている。

そして、本実施形態においては、ステータ磁極７２の材料として、図５及び図６に示した特性を有する磁性材料が用いられている。ステータ磁極７２だけでなく、ステータ７１の全体を当該磁性材料によって構成しても構わない。これにより、図７を用いて説明したように、コイル７３に流れる電流Ｉが第１の電流値Ｉ１以下である場合には、ステータ磁極７２が実質的に非磁性材料として振る舞うことから、コギングトルクはほとんど発生しない。そして、コイル７３に流れる電流Ｉが第１の電流値Ｉ１を超えると、ステータ磁極７２が軟磁性的に振る舞うことから、ロータ７４を回転させることが可能となる。このように、実施形態によるモータ７０はコギングトルクが低減されていることから、電流に対するトルクが大きくなり、高い回転効率を得ることが可能となる。

尚、図１４に示した例では、図５及び図６に示した特性を有する磁性材料をステータ７１側（ステータ磁極７２）に用いているが、これに変えて、ロータ７４側に用いても構わない。さらに、図１４には回転型のモータを例示したが、リニアモータに適用することも可能である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、第１の実施形態による限流器１０は、トロイダル型の磁心１１にコイル１２を巻回した構成を有しているが、本発明による限流器がこれに限定されるものではない。したがって、磁心の形状としてはトロイダル型以外のＥ型、Ｕ型、Ｉ型形状であっても構わない。また、磁心１１には磁気ギャップが設けられていても構わない。コイル１２についても、銅（Ｃｕ）を芯材に用いた被覆導線に限定されず、超伝導体を用いても構わない。

１０限流器
１１磁心
１２コイル
２０交流電源
３０負荷
４０遮断器
５０コンデンサ
６０電磁アクチュエータ
６１可動磁心
６２固定磁心
６３コイル
７０モータ
７１ステータ
７２ステータ磁極
７３コイル
７４ロータ
７５永久磁石

Claims

固定磁心と、可動磁心と、前記固定磁心及び前記可動磁心の少なくとも一方に巻回されたコイルとを備え、前記固定磁心及び前記可動磁心の前記少なくとも一方は、磁気特性が、第１軸を磁場とし第２軸を磁束密度又は磁化としたグラフの第１象限において、第１の磁場強度以下の第１の磁場領域では、磁場に対する磁束密度又は磁化の微分値が第１の値であり、前記第１の磁場強度よりも強い第２の磁場領域では、磁場に対する磁束密度又は磁化の微分値が前記第１の値よりも大きい第２の値であることを特徴とする電磁アクチュエータ。
前記磁気特性が、前記第２の磁場領域よりも磁場強度が強い第３の磁場領域では、磁場に対する磁束密度又は磁化の微分値が前記第２の値よりも小さい第３の値であることを特徴とする請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
前記磁気特性を示す特性曲線は、実質的に前記グラフの原点を通ることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁アクチュエータ。