(57)【要約】  誘導器または変圧器で使用するための励磁可能な磁気コアは、バックヨークから延びる複数の脚部を含む。バックヨークは、磁気回路を提供するように配置されたループ状に形成される。複数の脚部の各々は、バックヨークに隣接した第１の端部とバックヨークから離れて延びる第２の端部とを有する。バックヨークの上に配置された脚部と共に、複数の脚部の各々の第２の端部に隣接してカバーヨークが配置される。また、カバーヨークは、磁気回路を提供するためにカバーループが配置されるようにループ状に形成される。コイルは、励磁可能な磁気コアの脚部の上に配置される。１つの実施形態において、励磁可能な磁気コアを構成するためにアモルファス金属を使用することができる。
2007535176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁デバイス用の励磁可能な磁気コアであって、
ａ．励磁可能な磁気材料で構成されるバックヨークであって、前記バックヨークがループを形成し、磁気回路を提供するように配置されるバックヨークと、
ｂ．前記バックヨークから延び励磁可能な磁気材料で構成される複数の脚部であって、前記複数の脚部の各々が前記バックヨークに隣接する第１の端部と前記バックヨークから離れて延びる第２の端部とを有する複数の脚部と、
ｃ．前記複数の脚部の各々の前記第２の端部に隣接するカバーヨークであって、前記カバーヨークが励磁可能な磁気材料で構成され、前記カバーヨークがループを形成し、磁気回路を提供するように配置されるカバーヨークと、
を備えることを特徴とする磁気コア。
【請求項２】
前記バックヨークは、環状に巻かれた励磁可能な磁気リボン材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項３】
前記環状は、リングであることを特徴とする請求項２に記載の磁気コア。
【請求項４】
前記バックヨークは、静止していることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項５】
前記バックヨークは、前記バックヨークによって形成された前記ループが連続するように、単一構成であることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項６】
前記バックヨークと、前記バックヨークの前記複数の脚部の各々とは、単一構成であることを特徴とする請求項５に記載の磁気コア。
【請求項７】
前記バックヨークは、単一体構成であることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項８】
前記バックヨークと前記複数の脚部の各々とは、単一体構成であることを特徴とする請求項７に記載の磁気コア。
【請求項９】
前記バックヨーク、前記複数の脚部、または前記カバーヨークは、アモルファス金属で構成されることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項１０】
前記バックヨーク、前記複数の脚部、または前記カバーヨークは、高度材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項１１】
前記バックヨークは、前記バックヨークによって提供された前記磁気回路に磁気抵抗を導入するように設計された少なくとも１つのエアギャップを含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項１２】
複数のコイルを更に含み、前記複数のコイルの各々が前記複数の脚部の１つの上に配置されることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項１３】
前記複数のコイルは、単相巻線を構成することを特徴とする請求項１２に記載の磁気コア。
【請求項１４】
前記複数のコイルは、三相巻線を構成することを特徴とする請求項１２に記載の磁気コア。
【請求項１５】
前記複数の脚部は第１の複数の脚部を含み、前記磁気コアは前記カバーヨークから延びる第２の複数の脚部を更に含み、前記第２の複数の脚部は励磁可能な磁気材料で形成され、前記第２の複数の脚部の各々は、前記カバーヨークに隣接する第１の端部と前記カバーヨークから離れて延びる第２の端部とを有することを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項１６】
前記第２の複数の脚部の前記第２の端部は、前記第１の複数の脚部の前記第２の端部に隣接して配置されることを特徴とする請求項１５に記載の磁気コア。
【請求項１７】
前記複数の脚部の各々は、環状に巻かれた励磁可能な磁気リボン材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項１８】
前記環状は、リングであることを特徴とする請求項１７に記載の磁気コア。
【請求項１９】
前記複数の脚部の各々は、前記バックヨークとは別部品で形成されることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項２０】
前記複数の脚部の各々は、励磁可能な磁気材料の積層スタックとして形成されることを特徴とする請求項１９に記載の磁気コア。
【請求項２１】
前記カバーヨークと前記複数の脚部の各々の前記第２の端部との間にエアギャップが含まれることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項２２】
前記カバーヨークは、前記複数の脚部の各々の前記第２の端部と接触していることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項２３】
電気回路に磁気抵抗を導入する方法であって、
ａ．誘導器を準備する段階と、
ｂ．前記電気回路に磁気抵抗を付加するために前記誘導器を前記電気回路内に配置する段階と、
ｃ．少なくとも１つの巻線を通って流れる電流が前記電気回路内に磁気抵抗を付加するように、少なくとも１つの巻線中に電流を導入する段階と、
を含み、前記誘導器は、
（ｉ）（ａ）励磁可能な磁気材料で構成されるバックヨークであって、前記バックヨークがループを形成し、磁気回路を提供するように配置されるバックヨークと、
（ｂ）前記バックヨークから延び励磁可能な磁気材料で構成される複数の脚部であって、前記複数の脚部の各々が前記バックヨークに隣接する第１の端部と前記バックヨークから離れて延びる第２の端部とを有する複数の脚部と、
を有する磁気コアを備え、
前記誘導器を準備する段階は、
（ｉｉ）前記磁気コアの周囲に巻き付けられる少なくとも１つの巻線を提供する段階を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項２４】
前記磁気コアは、前記複数の脚部の各々の前記第２の端部に隣接するカバーヨークを更に含み、前記カバーヨークは、励磁可能な磁気材料で構成されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記バックヨークは、環状に巻かれた励磁可能な磁気リボン材料で構成されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記バックヨークは、前記バックヨークによって形成された前記ループが連続するように、単一構成であることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記バックヨークと、前記バックヨークの前記複数の脚部の各々とは、単一構成であることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
前記バックヨークは、単一体構成であることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２９】
前記バックヨークと前記複数の脚部の各々とは、単一体構成であることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記バックヨークまたは前記複数の脚部は、アモルファス金属で構成されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項３１】
前記バックヨークまたは前記複数の脚部は、高度材料で構成されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項３２】
前記バックヨークは、前記バックヨークによって提供された前記磁気回路に磁気抵抗を導入するように設計された少なくとも１つのエアギャップを含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項３３】
前記少なくとも１つの巻線は、単相巻線を構成することを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項３４】
前記少なくとも１つの巻線は、三相巻線を構成することを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項３５】
前記複数の脚部の各々は、前記バックヨークとは別部品で形成されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項３６】
前記少なくとも１つの巻線は、前記複数の脚部に巻き付けられることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項３７】
ａ．励磁可能な磁気材料で構成されるバックヨークであって、前記バックヨークがループを形成し、磁気回路を提供するように配置されるバックヨークと、
ｂ．前記バックヨークから延び励磁可能な磁気材料で構成される複数の脚部であって、前記複数の脚部の各々が前記バックヨークに隣接する第１の端部と前記バックヨークから離れて延びる第２の端部とを有する複数の脚部と、
ｃ．前記複数の脚部の少なくとも１つの周りに巻き付けられた一次巻線と、
ｄ．前記複数の脚部の少なくとも１つの周りに巻き付けられた二次巻線と、
を備え、前記一次巻線を通って流れる第１の電流は、前記二次巻線に第２の電流を誘導することを特徴とする変圧器。
【請求項３８】
前記複数の脚部の各々の前記第２の端部に隣接するカバーヨークを更に含み、前記カバーヨークは、励磁可能な磁気材料で構成されることを特徴とする請求項３７に記載の変圧器。
【請求項３９】
前記磁気コアは、前記複数の脚部の各々の前記第２の端部に隣接するカバーヨークを更に含み、前記カバーヨークは、励磁可能な磁気材料で構成されることを特徴とする請求項３７に記載の変圧器。
【請求項４０】
前記バックヨークは、環状に巻かれた励磁可能な磁気リボン材料で構成されることを特徴とする請求項３７に記載の変圧器。
【請求項４１】
前記バックヨークは、前記バックヨークによって形成された前記ループが連続するように、単一構成であることを特徴とする請求項３７に記載の変圧器。
【請求項４２】
前記バックヨークと、前記バックヨークの前記複数の脚部の各々とは、単一構成であることを特徴とする請求項３７に記載の変圧器。
【請求項４３】
前記バックヨークは、単一体構成であることを特徴とする請求項３７に記載の変圧器。
【請求項４４】
前記バックヨークと前記複数の脚部の各々とは、単一体構成であることを特徴とする請求項４３に記載の変圧器。
【請求項４５】
前記バックヨークまたは前記複数の脚部は、アモルファス金属で構成されることを特徴とする請求項３７に記載の変圧器。
【請求項４６】
前記バックヨークまたは前記複数の脚部は、高度材料で構成されることを特徴とする請求項３７に記載の変圧器。
【請求項４７】
前記バックヨークは、前記バックヨークによって提供された前記磁気回路に磁気抵抗を導入するように設計された少なくとも１つのエアギャップを含むことを特徴とする請求項３７に記載の変圧器。
【請求項４８】
前記少なくとも１つの巻線は、単相巻線を構成することを特徴とする請求項３７に記載の変圧器。
【請求項４９】
前記少なくとも１つの巻線は、三相巻線を構成することを特徴とする請求項３７に記載の変圧器。
【請求項５０】
前記複数の脚部の各々は、前記バックヨークとは別部品で形成されることを特徴とする請求項３７に記載の変圧器。
【請求項５１】
第１の回路から第２の回路に電気エネルギーを伝達する方法であって、
ａ．変圧器を準備する段階と、
ｂ．一次巻線を通って流れる第１の電流が二次巻線に第２の電流を誘導するように、前記一次巻線を流れる第１の電流を導入する段階と、
を含み、前記変圧器は、
（ｉ）（ａ）励磁可能な磁気材料で構成されるバックヨークであって、前記バックヨークがループを形成し、磁気回路を提供するように配置されるバックヨークと、
（ｂ）前記バックヨークから延び励磁可能な磁気材料で構成される複数の脚部であって、前記複数の脚部の各々が前記バックヨークに隣接する第１の端部と前記バックヨークから離れて延びる第２の端部とを有する複数の脚部と、
を有する磁気コアを備え、
前記変圧器を準備する段階は、
（ｉｉ）前記コアの周りに巻き付けられた一次巻線を提供する段階と、
（ｉｉｉ）前記コアの周りに巻き付けられた二次巻線を提供する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項５２】
前記磁気コアは、前記複数の脚部の各々の前記第２の端部に隣接するカバーヨークを更に含み、前記カバーヨークは、励磁可能な磁気材料で構成されることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記磁気コアは、前記複数の脚部の各々の前記第２の端部に隣接するカバーヨークを更に含み、前記カバーヨークは、励磁可能な磁気材料で構成されることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５４】
前記バックヨークは、環状に巻かれた励磁可能な磁気リボン材料で構成されることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５５】
前記バックヨークは、前記バックヨークによって形成された前記ループが連続するように、単一構成であることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５６】
前記バックヨークと、前記バックヨークの前記複数の脚部の各々とは、単一構成であることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５７】
前記バックヨークは、単一体構成であることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５８】
前記バックヨークと前記複数の脚部の各々とは、単一体構成であることを特徴とする請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記バックヨークまたは前記複数の脚部は、アモルファス金属で構成されることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項６０】
前記バックヨークまたは前記複数の脚部は、高度材料で構成されることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項６１】
前記バックヨークは、前記バックヨークによって提供された前記磁気回路に磁気抵抗を導入するように設計された少なくとも１つのエアギャップを含むことを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項６２】
前記少なくとも１つの巻線は、単相巻線を構成することを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項６３】
前記少なくとも１つの巻線は、三相巻線を構成することを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項６４】
前記複数の脚部の各々は、前記バックヨークとは別部品で形成されることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項６５】
前記一次巻線は、前記複数の脚部の少なくとも１つに巻き付けられることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項６６】
前記二次巻線は、前記複数の脚部の少なくとも１つに巻き付けられることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変圧器および／または誘導器の技術分野に関連する。該変圧器および／または誘導器のコアは、安価に製造することができ、出力損失が少ない。更に、該コアは、高周波数での効率が改善された磁気材料を使用して容易に設計することができる。
【背景技術】
【０００２】
典型的な従来技術の変圧器および誘導器のコアは、磁気回路を形成するループ体に組み合わされた積層型の強磁性体を含む。これらの磁気回路は、完全に閉じること、またはエアギャップを含むことができる。多くの従来技術の変圧器および誘導器のコアは、組み合わさってコアの全体形状を形作る積層磁気材料の別個の矩形部分と見なすことができる。例えば、磁気コアは、５つの別個の矩形コア構成部品（開放ギャップを閉じるための部品を含む）で形成された「Ｅ」形、または４つの別個の矩形コア構成部品（開放ギャップを閉じるための部品を含む）で形成された「Ｕ」形の形状を取ることができる。磁気コアを形成するための代替的方法は、磁気金属リボンを環状または楕円状に巻くことである。コイル巻線はコア上に配置されて誘導器または変圧器が完成する。図１Ａ−Ｄは、従来技術の変圧器および誘導器のコアの例を示す。
【０００３】
変圧器または誘導器のコアを作るにあたり、コアの全ての脚部は（コイルが巻かれた２つの脚部をつなぐ任意の連結部を含む）、一般に断面積が同じである。これにより、磁束線は、可能な限り低損失でコアを通って均一に通過できる。残念ながら、このことは、コアの連結部が大きくなりコアの嵩が増すことを意味する。従って、誘導器または変圧器の全体寸法を低減できるように変圧器および／または誘導器のコアを配置することは好都合である。
【０００４】
アモルファス金属の出現およびその後の研究により、アモルファス金属の磁気コアを使用して作られた変圧器および誘導器は、従来の変圧器および誘導器と比較して、実質的により高い効率および電力密度をもたらす可能性があることを多くの人が信じるようになった。特に、アモルファス金属は前途有望な低損失特性を示し、アモルファス金属の磁気コアにより結果的に変圧器および誘導器の効率が改善されることを多くの人が信じている。しかしながら、単相および多相アモルファス金属の変圧器および誘導器のコアを効率的に作るのは難しいことが分かっている。特に、アモルファス金属は、どちらかといえば脆く所望の形状に加工および処理するのが難しい。アモルファス金属は、リボン形状に作られ、アモルファス金属製リボンは、一般に製造時に略環状リングに巻かれる。従って、アモルファス金属のコアを用いて変圧器または誘導器を作る際に使用されてきた唯一の実用的な形状は、リボン巻きされた楕円形である。変圧器および誘導器用の別の形状のアモルファス金属コアを提供することは好都合である。更に、低損失特性のコアを低コストで容易に製造できるように、アモルファス金属で組み立てられた誘導器および／または変圧器コアを提供することは好都合である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
誘導器または変圧器に使用する励磁可能な磁気コアは、バックヨークから延びる複数の脚部を備える。バックヨークは、磁気回路をもたらすように配置されたループ状に形成される。１つの実施形態において、バックヨークは、アモルファス金属材料が巻かれたリボンで作られる。複数の脚部の各々は、バックヨークに隣接した第１の端部とバックヨークから離れて延びる第２の端部とを有する。複数の脚部は、バックヨークから材料を除去することによって、またはバックヨークに材料を付加することによって形成することができる。例えば、バックヨークがアモルファス金属の場合、脚部の各々は、バックヨークに切り込みを入れ、材料を除去して脚部を形成することによって、またはアモルファス金属のリボン巻きした部品をバックヨークに付加して脚部を形成することによって作ることができる。バックヨークの上に配置された脚部と共に、複数の脚部の各々の第２の端部に隣接してカバーヨークが配置される。カバーヨークは、アモルファス金属等の励磁可能な磁気材料で形成される。また、カバーヨークは、磁気回路を提供するためにカバーループが配置されるようにループ状に形成される。コイルは、励磁可能な磁気コアの脚部の上に配置される。１つの実施形態において、コイルは、単相誘導器用または三相誘導器用のいずれかの巻線を形成する。別の実施形態において、コイルは、単相変圧器用または三相変圧器用のいずれかの一次巻線および二次巻線を形成する。
【０００６】
励磁可能な磁気コアの構成要素は、アモルファス金属以外の種々の材料で形成することができる。例えば、励磁可能な磁気コアは、アモルファス金属以外の従来の強磁性体または高度材料で形成することができる。更に、磁気コアは、いくつかの異なる形態を取ることができる。例えば、エアギャップは、バックヨーク、脚部、カバーヨーク、または／および、バックヨーク、カバーヨーク、または脚部との間の接合部に導入することができ、コア内の磁気抵抗を大きくすることができる。また、バックヨーク、脚部、およびカバーヨークは、リボン巻き材料と同様に積層材料のストリップで形成することができ、またはモールド成型で形成することもできる。開示された別の実施形態において、バックヨークおよびカバーヨークの両者はヨークから延びる脚部を含み、脚部の端部は互いに隣接して配置され、完全なコアを形成するようになっている。
【０００７】
従って、誘導器または変圧器と共に使用するための励磁可能な磁気コアが開示される。励磁可能な磁気コアは、従来の誘導器および変圧器よりも小型で大幅なコスト節約が実現する。更に、磁気コアの構成に高度材料を使用することができ、電力損失が少ない高効率の誘導器または変圧器が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
静止電磁デバイスの磁気コアの一般的な説明
本明細書には誘導器および変圧器等の静止電磁デバイスと共に使用するための励磁可能な磁気コアが開示される。図４は、コア上に配置された少なくとも１つの巻線２８を有する巻線形磁気コア２０を示す。磁気コアは、バックヨーク２２と、該バックヨークに略平行に配置されたカバーヨーク２６とを備える。複数の脚部２４は、バックヨーク２２とカバーヨーク２６との間に延びる。少なくとも１つの巻線は、複数の脚部２４の各々に巻かれた別個の複数のコイル３０を備える。少なくとも１つの巻線は、コア２０の上に配置することができ、少なくとも１つの巻線に電流が流れると誘導器または変圧器になる。
【０００９】
バックヨーク２２は、励磁可能な軟質磁気材料で形成される。例えば、バックヨークは、強磁性体または他の高透磁率材料で作ることができる。１つの実施形態において、バックヨークは、アモルファス金属または他の高度磁気材料（本明細書に後に定義される）で作ることができる。前述のように、アモルファス金属材料は、略環状に巻かれたリボン材料として形成される。バックヨークの形状により、リボン巻きされた環状形状のアモルファス金属から好都合に形成できる。図２に示すように、バックヨーク２２は、略プレート状であり、外面３２と内面３４とを有し、内部キャビティ３６を備える。バックヨーク２２は完全なループを形成し、その高透過性により磁束を保持する磁気回路をもたらすように設計される。本明細書で用いる場合、用語「ループ」は、磁気回路を形成することができる磁気材料の回路的構成（ｃｉｒｃｕｉｔｏｕｓ  ａｒｒｅｎｇｅｍｅｎｔ）を呼ぶ。１つの実施形態において、バックヨークによるループは、適当な位置で途切れてもよく（例えば、バックヨーク内にエアギャップを見つけることができる）、それにより磁気回路に磁気抵抗が付加される。しかしながら、この状態であってもバックヨーク２２によるループは磁気回路をもたらすように回路的である。バックヨーク２２は、「バックプレート」または「バックアイアン」と呼ぶ場合もある。
【００１０】
さらに図２を参照すると、複数の脚部２４はバックヨークの内面３４から延びる。これらの脚部２４は、本明細書では「歯」と呼ぶ場合もある。スロット２３は、複数の脚部２４の各々の間に配置される。脚部２４は、略パイ形であり、各々の脚部２４は、第１の端部４０および第２の端部４２を備える。各々の脚部２４の第１の端部４０はバックヨーク２２に隣接し、第２の端部４０は一般にバックヨークから隔たっている。１つの実施形態において、バックヨークおよび脚部は一体で単一の構造である。別の実施形態において、バックヨークおよび脚部は別個の部品から形成され、接着剤、溶接、クランプ、または本技術分野で公知の他の結合方法によって結合される。更に別の実施形態において、バックヨークと該バックヨークから延びる脚部との間に狭いエアギャップを設けることができる。また、各々の脚部は、内周側面４４および外周側面４６の２つの半径方向側面を備えている。本明細書ではパイ形の脚部が開示されているが、任意の数の異なる形状の脚部も可能である。図１６には異なる形状の脚部のいくつかの例が示されている。例えば、図１６Ａ−１６Ｆに示すように、脚部は、アモルファス金属リボンを環状形状に巻くことで製造された種々の形状とすることができる。同様に、図１６Ｇおよび１６Ｈに示すように、脚部は、強磁性体、アモルファス金属、または他の先端材料の積層ストリップから個別に製造される。前述のように、これらの個別に製造された脚部は、コア２０を製造する際にバックヨーク２２の内面３４に隣接して配置される。
【００１１】
ここで図３を参照すると、カバーヨーク２６（本明細書では「ブリッジ」、「カバーアイアン」、または「カバープレート」と呼ぶ場合もある）は、該カバーヨーク２６が複数の脚部２４の各々の第２の端部を覆うように、複数の脚部２４の各々の第２の端部４２に隣接して配置される。カバーヨーク２６は、複数の脚部２４の各々の第２の端部に物理的に接触して結合されるか、またはカバーヨーク２６と複数の脚部２４の各々の第２の端部４２との間に狭いギャップを導入することができる。例えば、０．００１インチまたはそれ以下の狭いエアギャップを用いて磁気コアに磁気抵抗を付加することができる。バックヨーク２２と同様に、カバーヨーク２６はプレート状であり、外面５２および内面５４を備え、内部キャビティ３６を有する。カバーヨーク２６の表面は、バックヨーク２２の表面と略平行である。また、カバーヨーク２６は、バックヨーク２２と同軸である。バックヨーク２２と同様に、カバーヨーク２６は、強磁性体、高度磁気材料、または他の高透磁率の材料等の励磁可能な軟質磁性材料で形成される。１つの実施形態において、カバーヨーク２６は、リボンが巻かれた環状形状のアモルファス金属から好都合に形成される。カバーヨーク２６は完全なループを形成し、その高い透磁率により、磁束を保持する磁気回路をもたらすように設計されている。１つの実施形態において、バックヨークによるループは、適切な位置で途切れてもよく（例えば、バックヨーク内にエアギャップが存在する）、結果的に磁気回路に磁気抵抗が付加される。
【００１２】
図４は、コアの脚部２４の上に配置された１つまたはそれ以上の巻線２８を備えた磁気コア２０を示す。巻線２８は、コアの各々の脚部に巻かれた１つまたはそれ以上の個別のコイルを含む。これらのコイルの配置および各コイル間の接続に依存して、磁気コアと巻線との組み合わせは、変圧器または誘導器として機能する電気デバイスをもたらす。更に、このデバイスは、単相または多相の変圧器または誘導器として機能するように構成することが容易である。
【００１３】
第１の実施例として、図５は、デバイスが単相誘導器として使用される場合の図４の磁気コア２０の２つの巻線形脚部を示す。この実施形態において、単相巻線は、複数のコイルを有するコア２０上に設けられる。各々の脚部に巻かれたコイルは、隣接する脚部のコイルに直列または並列に接続される。コイルを直列接続するかまたは並列接続するかは主として設計的選択事項である。巻線に電流が流れると、コア２０によって保持される磁界の形態で電気デバイスにエネルギーが蓄積される。従って、デバイスが誘導器として機能する。デバイスがもたらす全インダクタンスは、カバーヨーク２６と脚部２４との間のエアギャップ２７を変更することで調整できる。
【００１４】
第２の実施例として、図６は、デバイスが三相誘導器として使用される場合の図４の磁気コア２０の３つの巻線形脚部を示す。この実施形態において、独立した３相巻線は、複数のコイルを有するコア上に設けられる。各々のコイルは、２つの隣接するコイルとは異なる相を伝送し、３つ毎のコイルが同じ相を伝送する。従って、図４のコア２２が１８の歯を含むと仮定すると、歯のうちの６つが相Ａを伝送するコイルで巻かれ、歯のうちの６つが相Ｂを伝送するコイルで巻かれ、歯のうちの６つが相Ｃを伝送するコイルで巻かれることになる。この場合も同様に、巻線に電流が流れると、コア２０によって保持される磁界の形態で電気デバイスにエネルギーが蓄積される。従って、デバイスは三相誘導器として機能する。
【００１５】
図７は図３の磁気コアを使用して提供される電気デバイスの第３の実施例を示し、図３の磁気コアの２つの脚部２４が示されている。本実施例において、デバイスは単相変圧器である。従って、磁気コアの各々の脚部２４上に一次巻線６０および二次巻線６２が設けられる。一次巻線６０の一部を構成する各々のコイルは、同様に一次巻線の一部を構成する、隣接の脚部上のコイルに直列または並列に接続される。コイルを直列に接続するかまたは並列に接続されるかは設計的選択事項である。同様に、二次巻線の一部を構成する各々のコイルは、同様に二次巻線の一部を構成する、隣接の脚部上のコイルに直列または並列に接続される。一次巻線および二次巻線は、図示のように各々の脚部上で別々とすること、または各々の脚部上で相互巻き（ｉｎｔｅｒ−ｗｏｕｎｄ）とすることができる。一次巻線を電流が流れると、コアによって保持される磁界の形態でエネルギーが蓄積される。勿論、二次巻線もコアによって保持されるこの磁界に直面し、二次巻線に電流が生じる。当業者には公知のように、二次巻線に生じる電流の大きさは一次巻線および二次巻線の巻数に依存する。従って、一次巻線と二次巻線の巻数を含む変圧器の設計は、変圧器の所望の性能特性に応じて変更できる。
【００１６】
図８は図３の磁気コアを使用した電気デバイスの第４の実施例を示し、三相変圧器が示されている。この実施形態において、独立した３相巻線は、複数のコイルを有するコア上に設けられる。各々のコイルは、隣接する２つのコイルとは異なる相を伝送し、３つ毎のコイルが同じ相を伝送する。従って、図４のコア２２が１８の歯を含むと仮定すると、歯のうちの６つが相Ａを伝送するコイルで巻かれ、歯のうちの６つが相Ｂを伝送するコイルで巻かれ、歯のうちの６つが相Ｃを伝送するコイルで巻かれることになる。この場合も同様に、巻線６０Ａ、６０Ｂ、および６０Ｃに電流が流れると、コア２０によって保持される磁界の形態で電気デバイスにエネルギーが蓄積される。二次巻線６２Ａ、６２Ｂ、および６２Ｃもコアによって保持されるこの磁界に直面し、二次巻線に電流が生じる。勿論、一次巻線と二次巻線の巻数を含む変圧器の設計は、変圧器の所望の性能特性に応じて変更できる。結果的にデバイスは三相変圧器として機能する。
【００１７】
当業者であれば、本明細書に開示された磁気コアにより、従来の変圧器および誘導器よりも非常に小型の変圧器および誘導器を生産可能になることが理解できるはずである。一般に、変圧器または誘導器コアの脚部の断面積は、脚部に接続するヨークの断面積とほぼ等しくなければならない。磁気回路のアナロジーを使用すれば、この理由は単相デバイスに対して明らかである。特に、高効率デバイスに関して、コアによって保持たれる磁束は、ヨークから脚部まで最小の磁気抵抗で自由に流れる必要がある。ヨークの断面寸法が脚部の断面寸法よりも著しく小さい場合、デバイスは大きな磁気抵抗に直面してデバイスの効率が低下する。本明細書に開示される磁気コアのヨークの断面積は、従来技術のヨークの断面積よりも著しく小さい。この理由は、各々のデバイス内にヨークによって結合された比較的薄い複数の脚部があるためである。従って、本明細書に開示される磁気コアのヨークは脚部の寸法に比例しており、従来技術のヨークよりも著しく小さい。結果的に、本明細書で開示される電気デバイスは、効率を犠牲にすることなく従来技術のデバイスよりも非常に小型になる。
【００１８】
三相デバイスに関して、単相デバイスに関連して説明した原理とは少し異なった、脚部およびヨークの等化断面積の原理を説明することができる。三相デバイスにおいて、各相の巻線を流れる電流は、時間依存性の典型的に正弦波である。従って、磁力線は、時間依存性の類似の正弦波である。典型的な従来技術のＥ型コアにおいて、中央の脚部における巻線の電流および磁束が１００％である時間がある。この時間では、外側の各脚部での磁束は各々５０％である。この時点では、各脚部に接続する両側のヨークは、ヨークの各々が、脚部の磁束の５０％であり、２つの反対方向の磁束を伝送するので、実際に、中央脚部の断面積の正確に半分である必要がある。しかしながら、外側の各脚部のいずれかが１００％の巻線電流および磁束である場合、断面の半分の場所は有効ではない。これは、磁束の１００％が単一方向に流れ、磁束の５０％が外側から中央の脚部に流れ、磁束の５０％がこの外側から遠いほうの外側の脚部に流れるためである。この理由により、Ｅ型コア・デバイスにおいて、ヨークは、典型的に脚部と正確に同じ断面積をもつ。本明細書に示す電磁コアは異なっている。特に、ループ・バックアイアンの導入により、任意の脚部からの磁束の１００％が単一方向に進むのを必要とする時点は存在しない。任意の脚部が１００％磁束に選択されると、磁束は、必ず常に隣接する２つの脚部に向かって２つの反対方向に進む。従って、本明細書に開示されるコアの利点は、バックアイアンおよびカバーアイアンが、典型的な従来のヨークに比べて１／２の断面積のヨークを提供することである。
【００１９】
図３から明らかなように、コアは、コア２０の内径（ｄ）を規定する内周と外径（Ｄ）を規定する外周とを含む。内周および外周は、スロットが形成された部分では連続していない。その代わりに、スロットを横切る内周は、スロットが配置されている場所にギャップを有する。これらのスロットは、誘導器または変圧器の巻線を保持するように設計されている。コア内周の残りの部分の各々は（つまりバックアイアン２２からの個別の延長部は）脚部２４を形成する。図２は、歯２１の内幅（ｗ）と外幅（Ｗ）、並びに歯の高さ（ｈ２）を示す。また、図２は、カバーヨークの高さにほぼ等しいバックヨーク２２の高さ（ｈ１）を示している。コアの全体の高さは図３に示されている。前述のように、バックヨーク２２およびカバーヨーク２６の高さは歯の幅に近い。勿論、図２に示す実施形態において、脚部２４の幅は、コアの内周から外周まで変化している。従って、ヨーク２２または２６の高さ（ｈ１）は、一般に脚部の内幅（ｗ）よりも高く、脚部の外幅（Ｗ）よりも低い。１つの実施形態において、脚部の最も狭い部分（ｗ）は、少なくとも０．１００インチである。本技術分野では公知のように、バックアイアンにスロットを形成する際に除去される領域は、適切な巻線のほかに、ポッティング、および／またはワニス化合物、または薄膜有機絶縁材料で充填できる。
【００２０】
高度低損失材料
アモルファス材料、ナノ結晶材料、最適化Ｓｉ−Ｆｅ合金材料、粒子配向Ｆｅベース材料、または非粒子配向Ｆｅベース材料の導入により、Ｓｉ−Ｆｅ合金等の従来の磁気コア材料を使用した従来のデバイスに見られる大幅な増加に比べて、コア損失が僅かに増加するだけでデバイスの周波数を３００Ｈｚ以上に高めることができる。磁気コアにこれらの低損失材料を使用すると、効率的な作動および低損失の能力をもつ高周波数電気デバイスの開発が可能になる。
【００２１】
アモルファス金属
アモルファス金属はガラス状金属としても知られており、多くの異なる組成が存在する。ガラス状金属は、結晶化することなく急冷することができる合金から形成される。アモルファス金属は、材料が非常に薄く、すなわち２ミル（１インチの１０００分の２）またはそれよりも薄く非常に脆いので、材料の取り扱いが難しいという点で他の材料とは異なっている。本発明に適用できる適切なアモルファス材料は、Ｈｉｔａｃｈｉ  Ｍｅｔａｌｓ  Ａｍｅｒｉｃａ，  Ｌｔｄ．が所有するＭｅｔｇｌａｓ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓから販売されている、Ｍｅｔｇｌａｓ（登録商標）２６０５Ａ１である（Ｍｅｔｇｌａｓ  ２６０５Ａ１の情報に関しては、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｅｔｇｌａｓ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｐａｇｅ  １  ２  ４．ｈｔｍを参照されたい）。
【００２２】
アモルファス金属には、従来のＳｉ−Ｆｅ合金に対していくつかの欠点が認識されている。アモルファス金属は、従来のＳｉ−Ｆｅ合金よりも低い飽和磁束密度を示す。低い飽和密度は、出力密度が低い電気デバイスをもたらす（従来の方法によれば）。アモルファス金属の別の欠点は、それらの熱伝達係数が従来のＳｉ−Ｆｅ合金よりも低い点である。熱伝達係数は、熱をどれだけ容易に冷たい場所に伝達できるかを決定するので、熱係数の値が低いと電気デバイスを冷却する際に、廃熱（コア損失による）を熱伝達で持ち去る場合に大きな問題を生じる可能性がある。従来のＳｉ−Ｆｅ合金は、アモルファス金属よりも低い磁気歪係数を示す。磁気歪係数が低い金属は、磁界の影響下での寸法変化が小さく、結果的に静粛なデバイスに帰着する。更に、アモルファス金属は、コスト的に有効な方法での加工、すなわち、型打ち、穿孔、または溶接等が従来のＳｉ−Ｆｅ合金よりも難しい。
【００２３】
これらの欠点にもかかわらず、アモルファス金属を使用して高い周波数（すなわち、約３００Ｈｚよりも高い周波数）で作動する誘導器または変圧器等の電気デバイスをうまく作ることができる。これは、従来のＳｉ−Ｆｅ合金を凌ぐアモルファス金属の好都合な特性を生かすことで達成される。アモルファス金属のヒステリシス損失は高い周波数においてかなり低く、結果的にかなり低いコア損失をもたらす。アモルファス金属のかなり低い導電率は、過電流の大きさを低くする原因となるが、低いコア損失にもつながる。更に、アモルファス金属のリボンまたはシート厚は、一般に従来のＳｉ−Ｆｅ合金の厚さよりもかなり薄く、これも過電流およびコア損失を低下させる。アモルファス金属を使用して、アモルファス金属の欠点を補うと同時にコア損失が低い等のアモルファス金属の好都合な特性を生かすことにより、高い周波数で作動する電気デバイスをうまく作ることができる。
【００２４】
珪素鉄合金
本明細書で用いる場合、従来のＳｉ−Ｆｅは、珪素含有量が約３．５重量％またはそれ以下の珪素鉄合金を呼ぶ。珪素の含有量が多いＳｉ−Ｆｅ合金は金属加工材料特性が不十分なので、業界では珪素の３．５重量％の制限が課せられている。約３００Ｈｚよりも高い周波数の磁界での作動がもたらす従来のＳｉ−Ｆｅ合金グレードにおけるコア損失は、アモルファス金属のコア損失の約１０倍であり、従来のデバイスを何らかの好ましい手段によって冷却できない温度まで、従来のＳｉ−Ｆｅ金属が加熱される原因となる。しかしながら、本明細書で最適化Ｓｉ−Ｆｅと称するいくつかの珪素鉄合金グレードは、高周波数デバイスを作るために直接的に適用できるであろう。
【００２５】
最適化Ｓｉ−Ｆｅ合金は、重量％で珪素が３．５％を超える珪素鉄合金グレードと定義される。好ましい最適化Ｓｉ−Ｆｅ合金は、約６．５±１重量％の珪素を含有する。最適化プロセスの目標は、コア損失を最小にする珪素を含有する合金を得ることである。これらの最適化Ｓｉ−Ｆｅ合金グレードは、アモルファス金属と同等のコア損失および磁気飽和によって特徴づけられる。最適化Ｓｉ−Ｆｅ合金の欠点は、それらが少し脆く、従来の多くの金属加工技術では、材料を取り扱うことの実現可能性が明かではなかった。しかしながら、最適化Ｓｉ−Ｆｅを取り巻く脆さおよび加工性の問題は、ある程度アモルファス金属の問題と同じであり、アモルファス金属を利用するために使用される設計手法は、最適化Ｓｉ−Ｆｅのために使用される設計手法に非常に近い。
【００２６】
従来のＳｉ−Ｆｅ合金を作るために使用される従来の圧延技術は、一般に最適化Ｓｉ−Ｆｅを作るためには使用されない。しかしながら、最適化Ｓｉ−Ｆｅを作るために業界で公知の他の技術が使用される。例えば、本技術分野で公知のフライス加工（ｍｉｌｌｉｎｇ）技術によって、フライス加工された（ｍｉｌｌｅｄ）最適化Ｓｉ−Ｆｅを作ることができる。しかしながら、大量生産の条件を満たすかどうかは分かっていない。また、最適化Ｓｉ−Ｆｅ合金は、日本のＪＦＥスチール社が独自に開発した真空蒸着プロセスによって製造される。鉄または珪素鉄の組成物は、真空状態で珪素の蒸気で覆われ、珪素は材料中に移動できる。真空蒸着プロセスは制御され、６．５重量％の珪素の最適含有量が達成される。真空蒸着で得られる最適化Ｓｉ−Ｆｅ合金は、従来のＳｉＦｅよりも脆いが、フライス加工された最適化Ｓｉ−Ｆｅよりは脆くない。最適化Ｓｉ−Ｆｅは、ＪＦＥから「Ｓｕｐｅｒ  Ｅ−Ｃｏｒｅ」として入手可能であり、高性能６．５％珪素磁気鋼板として販売されている。
【００２７】
ナノ結晶性金属
ナノ結晶性材料は、粒子サイズが約１００ナノメートルまでの多結晶材料である。従来の粗粒子金属と比較したナノ結晶材料の特性としては、高い強度および硬度、増大された拡散率、改善された塑性および靱性、低減された密度、低減された弾性係数、高い電気抵抗、高い比熱、高い熱膨張係数、低い熱伝達係数、優れた軟質磁気特性を挙げることができる。好ましくは、ナノ結晶金属は、鉄ベースの材料である。しかしながら、ナノ結晶金属は、コバルトまたはニッケル等の他の強磁性体ベースとすることもできる。例示的な低損失特性のナノ結晶金属は、ＨｉｔａｃｈｉのＦｉｎｅｍｅｔ  ＦＴ−３Ｍである。低損失特性の別のナノ結晶金属は、ドイツのＶａｃｕｕｍｓｃｈｍｅｌｚｅ  ＧＭＢＨ  ＆  Ｃｏ．から入手可能なＶｉｔｒｏｐｅｒｍ  ５００  Ｚである。
【００２８】
粒子配向および非粒子配向金属
粒子配向鉄ベースの材料は、本技術分野で公知の方法による、鉄ベース材料の機械的処理によりもたらされる。粒子配向とは、最終的な材料塊の粒子が磁化の選択的方向をもつような、非常に薄い金属を製造するための圧延プロセス中の固有の材料特性の物理的配列を呼ぶ。粒子の磁化および磁化領域は、圧延プロセスの方向に配向される。この領域配向により、磁界は配向方向で容易に両方向性となり、優先方向でコア損失が小さくなる。しかしながら、優先配向と直交する方向でのコア損失は大きくなり、電気デバイスの適用における欠点であることが分かるであろう。
【００２９】
非粒子配向鉄ベース材料は、磁化領域配列の優先方向を持っていない。非粒子配向鉄ベース材料は若干の結晶化度を持つのでアモルファスではない。現在入手可能な従来の珪素鋼板は、徐々に冷却されるので多少の結晶構造をもち、多少結晶化され、その後、薄くされる。しかしながら、従来の珪素鋼板のような粒子配向鉄ベース材料とは異なり、非粒子配向鉄ベース材料は、等方性の磁化をもつ。本発明に適用可能な非粒子配向鉄ベース材料の厚さは、５ミルよりも薄いことが好ましいであろう。
【００３０】
高度低損失材料の定義
軟質磁気材料のコア損失は、概して次の修正スタインメッツ式で表わすことができる。
Ｌ＝ａ・ｆ・Ｂｂ＋ｃ・ｆｄ・Ｂｅ
ここで、
Ｌは損失（Ｗ／ｋｇ）、
ｆは周波数（ＫＨｚ）、
Ｂはピーク時の磁束密度（テルサ）、
ａ、ｂ、ｃ、およびｄ、およびｅは全て軟質磁気材料固有の損失係数である。
【００３１】
前記のａ、ｂ、ｃ、ｄ、およびｅの各々は、一般に所定の軟質磁気材料の製造者から入手できる。本明細書で用いる場合、用語「高度低損失材料」は、「Ｌ」よりも小さいコア損失によって特徴づけされた材料を含み、Ｌは次の式で与えられる。
Ｌ＝１２・ｆ・Ｂ１．５＋３０・ｆ２．３Ｂ・２．３
ここで、
Ｌ＝損失（Ｗ／ｋｇ）、
ｆは周波数（ＫＨｚ）、
Ｂはピーク時の磁束密度（テルサ）、
である。
【００３２】
図１０−１５は、０．４ｋＨｚから２．０ｋＨｚまでの種々の周波数領域、および０．５テルサから１．５テルサまでの種々の磁束密度の領域における、磁束密度または周波数のいずれかに対する種々の軟質磁気材料のコア損失（式Ｌ＝ａ・ｆ・Ｂｂ＋ｃ・ｆｄ・Ｂｅによって定義される）を示す図である。図１０−１５に示された材料に対する各々の損失係数を以下に示す。
【００３３】
【表１】
2007535176.tif 000003
【００３４】
上記材料の各々は、主として鉄ベース合金から成る軟質磁気材料である。上記の表に示された係数の各々は、材料製造者から入手すること、または材料製造者から入手可能な材料仕様書から得ることができ、係数は一般に材料のスペックシートに記入されている。このために、軟質磁気材料の製造者の各々は、一般に材料規格を作る工業規格ＡＳＴＭ試験手順に関与することになり、そこからスタインメッツ式の係数を得ることができるであろう。
【００３５】
図１０−１５から分かるように、「高度低損失材料」の損失しきい値を規定する損失式を明らかにするために、しきい線分がプロットされる。損失式がこのしきい値より上にプロットされる材料は「高度低損失材料」ではない。損失式がこのしきい値に、またはこのしきい値より下にプロットされる材料は、本明細書では「高度低損失材料」、「高度磁気材料」、または「高度材料」と定義される。図１０−１５から分かるように、高度低損失材料としては、アモルファス金属、ナノ結晶性合金、および最適化Ｓｉ−Ｆｅを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。高度低損失材料で構成された高効率な電磁電気デバイスは以下に説明されている。図１０−１５のプロットは、本明細書で説明される電気デバイスの典型的な作動範囲という理由で、０．４ｋＨｚから２．０ｋＨｚの範囲の周波数、および０．５テルサから１．５テルサの範囲の磁束密度に対して示されている。しかしながら、本明細書で説明される電気デバイスは、その範囲での作動に限定されるものではない。
【００３６】
電気デバイスの製造
本明細書に開示される電気デバイスを製造するための１つの方法は、高度低損失材料のリボンを大きな環状体に巻いて、コア２０のバックヨーク２２を形成する段階を含む。これらのリボンの厚さは、一般に０．１０ｍｍ（０．００４”）またはそれ以下である。リボンを巻いて形成した環状体は、軸方向から見て内径および外径を有する。１つの実施形態において、脚部は、バックヨークにスロット２３を機械加工して単一の磁気コアを形成することによってバックヨーク上に配置される（以下に詳細に説明する）。残念ながら、この方法は、スロットを形成するために環状体から切除された材料がスクラップになるので多少の材料が無駄になる。前述のように、コア上に脚部を形成する別の方法は、高度低損失材料で作られた小さな環状形状体（または他の形状体）をバックヨークの内面上に配置する方法である。そのような形状体の例は図１６に示される。高度低損失材料の小さな形状体から形成されたこれらの脚部は、接着、クランプ、または本技術分野で公知の任意の他の方法によりバックヨークに付着させることができる。バックヨーク２２上に配置された脚部２４により、スロット２３へのアクセスが容易になり、巻線を電気デバイスのスロット内に配置することができる。特に、巻線から成る個々のコイルは、電気デバイスの各々の脚部の周囲に巻き付けられる。その後、バックヨーク２２と同じ方法で製造されたカバーヨーク２６は、電気デバイス上に配置することができる。前述のように、カバーヨークは、コアの脚部と直接接触させるか、またはカバーヨークと脚部との間に小さなエアギャップを形成してコア内に所望の磁気抵抗を導入することができる。コアを誘導器に使用する場合、エアギャップが大きくなるとインダクタンスも大きくなるので、正確なインダクタンスを得るためにエアギャップを注意深く調整する。コアを変圧器に使用する場合、歯とブリッジとの間のエアギャップは、一般にインダクタンスおよび励磁損失を低減するために最小にされることになる。
【００３７】
本明細書に開示された磁気コアの構成に高度材料を使用すると、電気デバイスのコア損失は、特にデバイスの周波数が３００Ｈｚを超えると小さくなる。アモルファス金属の熱伝達率は典型的なＳｉ−Ｆｅよりも小さく、開示されたアモルファス金属製デバイスの冷却手法は、大部分の既存の誘導器および変圧器に使用されるものとは異なったものになる。特に、コア損失が小さいので冷却は簡単になるであろうが、設計者は、最適化戦略において抵抗損の割合を増やすのを選択することもできる。
【００３８】
前述のように、コアは、高度低損失材料で構成されてもよく、１つの実施形態において「単一」構成である。本明細書で用いる場合、「単一」構成のコアは、コアを完成させるために２つまたはそれ以上のサブコンポーネントの組み立を必要としないものである。更に、本明細書で開示される単一のコアは、「単一体」でもある。本明細書で用いる場合、用語「単一体」は、基本形状を形成するために軟質磁気材料の薄いリボンから階層化され、次に、コアを形成するために基本形状から材料が除去されたコアを呼ぶ（コア上に歯を形成するために基本形状にはスロットが形成される）。残念ながら、高度低損失材料は、非常に脆い傾向があり、単一体を作るのが難しいことが分かっている。それにも拘わらず、いくつかの高度低損失材料メーカを含む複数の製造業者は、ワイヤ放電加工、レーザ切断、放電研磨、または従来の機械加工等の、種々のプロセスを利用して高度低損失材料製のコアを製造してきた。
【００３９】
本明細書で説明されるコアは、単一構成の単一体コアであるが、本明細書で説明される電気デバイスで使用するために、種々のタイプの非単一および非単一体のコアを考えることができる。例えば、後でセグメントに切断される「単一体」コアが可能であり、完成したコアは非「単一」になる。同様に、「単一」コアは、高度材料を全ての歯を含む磁気コアの形状にモールディングすることによって形成することができるが、コアは薄いリボンを巻いたものではなく、基本形状から後で材料を除去して基本形状を作るものでもないので、完成したコアは「単一体」ではないであろう。
【００４０】
本明細書に説明される電気デバイスに高度材料を使用する別の利点は、別の設計的選択肢が導入される点にある。高度材料で構成される場合、デバイスは、磁束の変動に関連する単位質量当たりの損失が低いので、このことが可能になる。従って、従来技術で一般に使用される高損失材料を高度材料に置換することにより、全体的な損失を低減することが可能になる。これらの損失の単位はワット（Ｗ）である。全ての電気デバイスは、これらの損失によって生じた無駄な熱をどこかの他の冷却領域に伝達する必要がある。これが上手くいかないと、デバイスは異常暴走して温度が上昇する。液体冷却が可能ではあるが、これらデバイスの圧倒的多数は空気冷却されている。更に、これらデバイスの圧倒的多数は、デバイス表面積を熱伝達面として使用している。これらの単位は面積、すなわちｃｍ２である。共通の性能指標は、損失を放散させる表面積で損失を除算したもの、例えばＷ／ｃｍ２である。これらの詳細を定めると、高度材料の導入および結果として起こる単位質量当たりの損失の低減により、デバイス設計者が利用できる複数の可能性が存在する。例えば、高損失材料を使用する元のデバイスが０．４０Ｗ／ｃｍ２であると仮定すると、高度材料を導入すると０．２０Ｗ／ｃｍ２という結果になる。従って、設計者は少なくとも以下の設計的選択肢をもつことになる。第１の設計的選択肢は、デバイスの寸法の低減であり、０．４０Ｗ／ｃｍ２に戻るまで表面積を小さくすることができる。この選択肢により、結果的に、同じ性能に対して、コスト削減および小さなパッケージ寸法による改善が存在する。第２の設計的選択肢は、巻線を流れる電流を高くして抵抗損およびコア損失を０．４０Ｗ／ｃｍ２まで増加させ得ることである。この選択肢により、コストの付加および寸法の大型化を伴うことなく既存のデバイスの電力容量は大きくなる。第３の設計的選択肢は、デバイスの損失密度を０．２０Ｗ／ｃｍ２とし、デバイスを熱的に厳しい環境で作動するようにランク付ける。第４の設計的選択肢は、第１から第３までの選択肢のいくつかの組み合わせを取り入れることである。
【００４１】
本発明は、特定の好適な実施形態を詳細に説明したが、他の実施形態も可能である。例えば、図９は、本発明の１つの実施形態を示し、誘導器のバックヨークの回りに追加の補助コイルが巻かれている。追加コイル６３は、別個の相に使用することができ、または、良好な冷却またはスペースの有効利用またはインダクタンスの良好な制御という利点のために、歯２４の周りに存在するコイルと併用して巻き付けることができる。更に、図９に示す追加コイル６３は、歯の周囲に巻き付けられたコイルに完全に置き換わることがきる。別の実施例として、開示された実施形態ではコア上に合計１８本の脚部があるが、脚部の数は、電気デバイスの所望の寸法、形状、および性能特性に応じて増加または低減することができる。更に別の実施形態として、カバーアイアンは、カバーヨークから離れて延び、バックヨークから延びる脚部に繋がる脚部を含むこともできる。もしくは、バックヨークは、カバーヨークまで延びる別の脚部を備えることができ、カバーヨークは、バックヨークまで延びる脚部を備えることができる。更に別の実施形態において、カバーヨークは、コアから完全に無くすことができる。別の実施形態において、デバイスのコイルは、従来と異なる方法で歯の上に巻き付けることができる。例えば、多相デバイスの場合、異なる相のための２つまたはそれ以上のコイルは、同じ歯を取り囲むことができ、歯の上の相コイルのそれぞれの位置は、歯から歯に変化する。本明細書に示すように、軟質磁気コアおよび関連の電気デバイスの複数の異なる実施形態および変形形態が可能であり、開示された実施形態に対する変形形態が想定されている。従って、特許請求項の精神および範囲は、本明細書に包含された好ましい変形形態の記載に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１Ａ】変圧器および誘導器コアに関する種々の例示的な従来技術の形状を示す。
【図１Ｂ】変圧器および誘導器コアに関する種々の例示的な従来技術の形状を示す。
【図１Ｃ】変圧器および誘導器コアに関する種々の例示的な従来技術の形状を示す。
【図１Ｄ】変圧器および誘導器コアに関する種々の例示的な従来技術の形状を示す。
【図２】磁気コアのバックヨークおよび脚部を含む、誘導器または変圧器用の励磁可能な磁気コアの斜視図である。
【図３】カバーヨークを含む、図２の磁気コアの斜視図である。
【図４】コアの脚部上に配置された巻線を備える、図３の磁気コアの斜視図である。
【図５】歯の上に配置された単相誘導器の巻線を備える、図４の磁気コアの一部分の斜視図である。
【図６】歯の上に配置された三相誘導器の巻線を備える、図４の磁気コアの一部分の斜視図である。
【図７】歯の上に配置された単相変圧器の巻線を備える、図４の磁気コアの一部分の斜視図である。
【図８】歯の上に配置された三相変圧器の巻線を備える、図４の磁気コアの一部分の斜視図である。
【図９】バックヨークの上に配置された隣接コイルを備える、図４の磁気コアの一部分の斜視図である。
【図１０】０．４ｋＨｚにおける、磁束密度に対する種々の軟質磁気材料のコア損失図である。
【図１１】１．０ｋＨｚにおける、磁束密度に対する種々の軟質磁気材料のコア損失図である。
【図１２】２．０ｋＨｚにおける、磁束密度に対する種々の軟質磁気材料のコア損失図である。
【図１３】０．５テスラにおける、周波数に対する種々の軟質磁気材料のコア損失図である。
【図１４】１．０テスラにおける、周波数に対する種々の軟質磁気材料のコア損失図である。
【図１５】１．５テスラにおける、周波数に対する種々の軟質磁気材料のコア損失図である。
【図１６】図４の磁気コアに使用する複数の例示的な脚部を示す。
【図１Ａ】
2007535176.tif 000004
【図１Ｂ】
2007535176.tif 000005
【図１Ｃ】
2007535176.tif 000006
【図１Ｄ】
2007535176.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2007535176.tif 000015
【図１０】
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【図１１】
2007535176.tif 000017
【図１２】
2007535176.tif 000018
【図１３】
2007535176.tif 000019
【図１４】
2007535176.tif 000020
【図１５】
2007535176.tif 000021
【図１６】
2007535176.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成19年1月4日(2007.1.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁デバイス用の励磁可能な磁気コアであって、
ａ．励磁可能な磁気材料で構成されバックヨーク内面を有するバックヨークであって、前記バックヨークがループを形成し、磁気回路を提供するように配置されるバックヨークと、
ｂ．前記バックヨークの内面から実質的に垂直方向に延びる複数の脚部であって、前記複数の脚部の各々が励磁可能な磁気材料で構成され、前記バックヨークに隣接する第１の端部と前記バックヨークから離れて延びる第２の端部とを有する複数の脚部と、
ｃ．前記複数の脚部の各々の前記第２の端部に隣接するカバーヨークであって、前記カバーヨークが励磁可能な磁気材料で構成されカバーヨーク内面を有し、前記カバーヨークがループを形成し、磁気回路を提供するように配置されるカバーヨークと、
を備え、
前記バックヨークおよび前記カバーヨークは、それぞれの内面が軸方向に向かい合う関係で配置され、前記バックヨーク、前記複数の脚部、およびカバーヨークの励磁可能な磁気材料は、実質的に高度な低損失材料から成ることを特徴とする磁気コア。
【請求項２】
前記バックヨークは、環状に巻かれた励磁可能な磁気リボン材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項３】
前記環状は、リングであることを特徴とする請求項２に記載の磁気コア。
【請求項４】
前記バックヨークは、静止していることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項５】
前記バックヨークは、前記バックヨークによって形成された前記ループが連続するように、単一構成であることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項６】
前記バックヨークと、前記バックヨークの前記複数の脚部の各々とは、単一構成であることを特徴とする請求項５に記載の磁気コア。
【請求項７】
前記バックヨークは、単一体構成であることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項８】
前記バックヨークと前記複数の脚部の各々とは、単一体構成であることを特徴とする請求項７に記載の磁気コア。
【請求項９】
前記バックヨーク、前記複数の脚部、または前記カバーヨークは、アモルファス金属で構成されることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項１０】
前記バックヨークは、前記バックヨークによって提供された前記磁気回路に磁気抵抗を導入するように設計された少なくとも１つのエアギャップを含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項１１】
複数のコイルを更に含み、前記複数のコイルの各々が前記複数の脚部の１つの上に配置されることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項１２】
前記複数のコイルは、単相巻線を構成することを特徴とする請求項１１に記載の磁気コア。
【請求項１３】
前記複数のコイルは、三相巻線を構成することを特徴とする請求項１１に記載の磁気コア。
【請求項１４】
前記複数の脚部は第１の複数の脚部を含み、前記磁気コアは、前記カバーヨークの前記内面から実質的に垂直方向に延びる第２の複数の脚部を更に含み、前記第２の複数の脚部は励磁可能な磁気材料で形成され、前記第２の複数の脚部の各々は、前記カバーヨークに隣接する第１の端部と前記カバーヨークから離れて延びる第２の端部とを有することを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項１５】
前記第２の複数の脚部の前記第２の端部は、前記第１の複数の脚部の前記第２の端部に隣接して配置されることを特徴とする請求項１４に記載の磁気コア。
【請求項１６】
前記複数の脚部の各々は、環状に巻かれた励磁可能な磁気リボン材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項１７】
前記環状は、リングであることを特徴とする請求項１６に記載の磁気コア。
【請求項１８】
前記複数の脚部の各々は、前記バックヨークとは別部品で形成されることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項１９】
前記複数の脚部の各々は、励磁可能な磁気材料の積層スタックとして形成されることを特徴とする請求項１８に記載の磁気コア。
【請求項２０】
前記カバーヨークと前記複数の脚部の各々の前記第２の端部との間にエアギャップが含まれることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項２１】
前記カバーヨークは、前記複数の脚部の各々の前記第２の端部と接触していることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項２２】
電気回路に磁気抵抗を導入する方法であって、
ａ．誘導器を準備する段階と、
ｂ．前記電気回路に磁気抵抗を付加するために前記誘導器を前記電気回路内に配置する段階と、
ｃ．少なくとも１つの巻線を通って流れる電流が前記電気回路内に磁気抵抗を付加するように、少なくとも１つの巻線中に電流を導入する段階と、
を含み、前記誘導器は、
（ｉ）（ａ）励磁可能な磁気材料で構成されバックヨーク内面を有するバックヨークであって、前記バックヨークがループを形成し、磁気回路を提供するように配置されるバックヨークと、
（ｂ）前記バックヨークの内面から実質的に垂直方向に延びる複数の脚部であって、前記複数の脚部の各々が励磁可能な磁気材料で構成され、前記バックヨークに隣接する第１の端部と前記バックヨークから離れて延びる第２の端部とを有する複数の脚部と、
を有し、前記バックヨークおよび前記複数の脚部の励磁可能な磁気材料は、実質的に高度な低損失材料から成っている磁気コアを備え、
前記誘導器を準備する段階は、
（ｉｉ）前記磁気コアの周囲に巻き付けられる少なくとも１つの巻線を提供する段階を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項２３】
前記磁気コアは、前記複数の脚部の各々の前記第２の端部に隣接するカバーヨークを更に含み、前記カバーヨークは、カバーヨーク内面を有し実質的に高度な低損失材料から成る励磁可能な磁気材料で構成され、前記バックヨークおよび前記カバーヨークは、それぞれの内面が軸方向に向かい合う関係で配置されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記バックヨークは、環状に巻かれた励磁可能な磁気リボン材料で構成されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記バックヨークは、前記バックヨークによって形成された前記ループが連続するように、単一構成であることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記バックヨークと、前記バックヨークの前記複数の脚部の各々とは、単一構成であることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記バックヨークは、単一体構成であることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２８】
前記バックヨークと前記複数の脚部の各々とは、単一体構成であることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記バックヨークまたは前記複数の脚部は、アモルファス金属で構成されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項３０】
前記バックヨークは、前記バックヨークによって提供された前記磁気回路に磁気抵抗を導入するように設計された少なくとも１つのエアギャップを含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項３１】
前記少なくとも１つの巻線は、単相巻線を構成することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項３２】
前記少なくとも１つの巻線は、三相巻線を構成することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項３３】
前記複数の脚部の各々は、前記バックヨークとは別部品で形成されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項３４】
前記少なくとも１つの巻線は、前記複数の脚部に巻き付けられることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項３５】
ａ．励磁可能な磁気材料で構成されバックヨーク内面を有するバックヨークであって、前記バックヨークがループを形成し、磁気回路を提供するように配置されるバックヨークと、
ｂ．前記バックヨークの内面から実質的に垂直方向に延びる複数の脚部であって、前記複数の脚部の各々が励磁可能な磁気材料で構成され、前記バックヨークに隣接する第１の端部と前記バックヨークから離れて延びる第２の端部とを有する複数の脚部と、
ｃ．前記複数の脚部の少なくとも１つの周りに巻き付けられた一次巻線と、
ｄ．前記複数の脚部の少なくとも１つの周りに巻き付けられた二次巻線と、
を備え、前記一次巻線を通って流れる第１の電流は、前記二次巻線に第２の電流を誘導するようになっており、
前記バックヨークおよび前記複数の脚部の励磁可能な磁気材料は、実質的に高度な低損失材料から成っていることを特徴とする変圧器。
【請求項３６】
前記複数の脚部の各々の前記第２の端部に隣接するカバーヨークを更に含み、前記カバーヨークは、励磁可能な磁気材料で構成されることを特徴とする請求項３５に記載の変圧器。
【請求項３７】
前記磁気コアは、前記複数の脚部の各々の前記第２の端部に隣接するカバーヨークを更に含み、前記カバーヨークは、カバーヨーク内面を有し、実質的に高度な低損失材料から成る励磁可能な磁気材料で構成され、前記バックヨークおよび前記カバーヨークは、それぞれの内面が軸方向に向かい合う関係で配置されることを特徴とする請求項３５に記載の変圧器。
【請求項３８】
前記バックヨークは、環状に巻かれた励磁可能な磁気リボン材料で構成されることを特徴とする請求項３５に記載の変圧器。
【請求項３９】
前記バックヨークは、前記バックヨークによって形成された前記ループが連続するように、単一構成であることを特徴とする請求項３５に記載の変圧器。
【請求項４０】
前記バックヨークと、前記バックヨークの前記複数の脚部の各々とは、単一構成であることを特徴とする請求項３５に記載の変圧器。
【請求項４１】
前記バックヨークは、単一体構成であることを特徴とする請求項３５に記載の変圧器。
【請求項４２】
前記バックヨークと前記複数の脚部の各々とは、単一体構成であることを特徴とする請求項４１に記載の変圧器。
【請求項４３】
前記バックヨークまたは前記複数の脚部は、アモルファス金属で構成されることを特徴とする請求項３５に記載の変圧器。
【請求項４４】
前記バックヨークは、前記バックヨークによって提供された前記磁気回路に磁気抵抗を導入するように設計された少なくとも１つのエアギャップを含むことを特徴とする請求項３５に記載の変圧器。
【請求項４５】
前記少なくとも１つの巻線は、単相巻線を構成することを特徴とする請求項３５に記載の変圧器。
【請求項４６】
前記少なくとも１つの巻線は、三相巻線を構成することを特徴とする請求項３５に記載の変圧器。
【請求項４７】
前記複数の脚部の各々は、前記バックヨークとは別部品で形成されることを特徴とする請求項３５に記載の変圧器。
【請求項４８】
第１の回路から第２の回路に電気エネルギーを伝達する方法であって、
ａ．変圧器を準備する段階と、
ｂ．一次巻線を通って流れる第１の電流が二次巻線に第２の電流を誘導するように、前記一次巻線を流れる第１の電流を導入する段階と、
を含み、前記変圧器は、
（ｉ）（ａ）励磁可能な磁気材料で構成されバックヨーク内面を有するバックヨークであって、前記バックヨークがループを形成し、磁気回路を提供するように配置されるバックヨークと、
（ｂ）前記バックヨークの内面から実質的に垂直方向に延び、励磁可能な磁気材料で構成される複数の脚部であって、前記複数の脚部の各々が励磁可能な磁気材料で構成され、前記バックヨークに隣接する第１の端部と前記バックヨークから離れて延びる第２の端部とを有する複数の脚部と、
を有し、前記バックヨークおよび前記複数の脚部の励磁可能な磁気材料は、実質的に高度な低損失材料から成っている磁気コアを備え、
前記変圧器を準備する段階は、
（ｉｉ）前記コアの周りに巻き付けられた一次巻線を提供する段階と、
（ｉｉｉ）前記コアの周りに巻き付けられた二次巻線を提供する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４９】
前記磁気コアは、前記複数の脚部の各々の前記第２の端部に隣接するカバーヨークを更に含み、前記カバーヨークは、カバーヨーク内面を有し、実質的に高度な低損失材料から成る励磁可能な磁気材料で構成され、前記バックヨークおよび前記カバーヨークは、それぞれの内面が軸方向に向かい合う関係で配置されることを特徴とする請求項請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記バックヨークは、環状に巻かれた励磁可能な磁気リボン材料で構成されることを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５１】
前記バックヨークは、前記バックヨークによって形成された前記ループが連続するように、単一構成であることを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５２】
前記バックヨークと、前記バックヨークの前記複数の脚部の各々とは、単一構成であることを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５３】
前記バックヨークは、単一体構成であることを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５４】
前記バックヨークと前記複数の脚部の各々とは、単一体構成であることを特徴とする請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記バックヨークまたは前記複数の脚部は、アモルファス金属で構成されることを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５６】
前記バックヨークは、前記バックヨークによって提供された前記磁気回路に磁気抵抗を導入するように設計された少なくとも１つのエアギャップを含むことを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５７】
前記少なくとも１つの巻線は、単相巻線を構成することを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５８】
前記少なくとも１つの巻線は、三相巻線を構成することを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５９】
前記複数の脚部の各々は、前記バックヨークとは別部品で形成されることを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項６０】
前記一次巻線は、前記複数の脚部の少なくとも１つに巻き付けられることを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項６１】
前記二次巻線は、前記複数の脚部の少なくとも１つに巻き付けられることを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【手続補正書】
【提出日】平成19年8月31日(2007.8.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁デバイス用の励磁可能な磁気コアであって、
ａ．励磁可能な磁気材料で構成されるバックヨークであって、前記バックヨークがループを形成し、磁気回路を提供するように配置されるバックヨークと、
ｂ．前記バックヨークから延び励磁可能な磁気材料で構成される複数の脚部であって、前記複数の脚部の各々が前記バックヨークに隣接する第１の端部と前記バックヨークから離れて延びる第２の端部とを有する複数の脚部と、
ｃ．前記複数の脚部の各々の前記第２の端部に隣接するカバーヨークであって、前記カバーヨークが励磁可能な磁気材料で構成され、前記カバーヨークがループを形成し、磁気回路を提供するように配置されるカバーヨークと、
を備え、
前記バックヨーク、前記複数の脚部、およびカバーヨークの励磁可能な磁気材料は、実質的に高度な低損失材料から成ることを特徴とする磁気コア。
【請求項２】
前記バックヨークは、環状に巻かれた励磁可能な磁気リボン材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項３】
前記バックヨークは、前記バックヨークによって形成された前記ループが連続するように、単一構成であることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項４】
前記バックヨークと、前記バックヨークの前記複数の脚部の各々とは、単一構成であることを特徴とする請求項３に記載の磁気コア。
【請求項５】
前記バックヨークは、単一体構成であることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項６】
前記バックヨークと前記複数の脚部の各々とは、単一体構成であることを特徴とする請求項５に記載の磁気コア。
【請求項７】
前記バックヨーク、前記複数の脚部、または前記カバーヨークは、アモルファス金属で構成されることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項８】
前記バックヨークは、前記バックヨークによって提供された前記磁気回路に磁気抵抗を導入するように設計された少なくとも１つのエアギャップを含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項９】
複数のコイルを更に含み、前記複数のコイルの各々が前記複数の脚部の１つの上に配置されることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項１０】
前記複数のコイルは、三相巻線を構成することを特徴とする請求項９に記載の磁気コア。
【請求項１１】
前記複数の脚部は第１の複数の脚部を含み、前記磁気コアは前記カバーヨークから延びる第２の複数の脚部を更に含み、前記第２の複数の脚部は励磁可能な磁気材料で形成され、前記第２の複数の脚部の各々は、前記カバーヨークに隣接する第１の端部と前記カバーヨークから離れて延びる第２の端部とを有することを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項１２】
前記第２の複数の脚部の前記第２の端部は、前記第１の複数の脚部の前記第２の端部に隣接して配置されることを特徴とする請求項１１に記載の磁気コア。
【請求項１３】
前記複数の脚部の各々は、前記バックヨークとは別部品で形成されることを特徴とする請求項１に記載の磁気コア。
【請求項１４】
前記複数の脚部の各々は、励磁可能な磁気材料の積層スタックとして形成されることを特徴とする請求項１３に記載の磁気コア。
【請求項１５】
ａ．前記請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の磁気コアと、
ｂ．前記複数の脚部の少なくとも１つの周りに巻き付けられた一次巻線と、
ｃ．前記複数の脚部の少なくとも１つの周りに巻き付けられた二次巻線と、
を備え、前記一次巻線を通って流れる第１の電流は、前記二次巻線に第２の電流を誘導することを特徴とする変圧器。
【請求項１６】
前記一次巻線及び前記二次巻線は、三相巻線を構成することを特徴とする請求項１５に記載の変圧器。
【国際調査報告】
2007535176.tif 000023
2007535176.tif 000024