(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイル並びに分配された空隙及び分離した空隙を有する強磁性合金コアを備える電気チョークであって、
前記コアは、２００乃至１０００の範囲の焼きなまし透磁率を有する部分的に結晶化したアモルファス合金を含み、更に前記分離した空隙によって形成される開口に挿入される非磁性スペーサを含み、前記分離した空隙は、前記非磁性スペーサの厚さにより決定される空隙寸法を有し、
前記空隙寸法は、厚さ０．７５ｍｍ乃至１２．７５ｍｍであり、
前記電気チョークは、４０乃至２００の範囲の有効透磁率を有し、
前記電気チョークは、１００ｋＨｚ及び１０００Ｏｅの励磁界で約８０乃至２００Ｗ／ｋｇの範囲のコア損失を有し、
前記コアは、１００ＯｅのＤＣバイアス磁界で初期透磁率の５０％乃至９５％の有効透磁率を保持する電気チョーク。
【請求項２】
前記アモルファス合金は鉄ベース合金である請求項１の電気チョーク。
【請求項３】
前記アモルファス合金は３００の焼きなまし透磁率を有する鉄ベース合金であり、前記空隙寸法は厚さ１．２５ｍｍであり、前記電気チョークは１００の有効透磁率を有する請求項１の電気チョーク。
【請求項４】
前記コアは、１００ＯｅのＤＣバイアス磁界で少なくとも初期透磁率の７５％の有効透磁率を保持する請求項３の電気チョーク。
【請求項５】
１００ｋＨｚ及び１０００Ｏｅの励磁界で８０乃至１００Ｗ／ｋｇの範囲のコア損失を有する請求項３の電気チョーク。
【請求項６】
前記非磁気スペーサは、セラミック及びプラスティックからなり、前記コアを含むプラスティック材料に直接成形される請求項１の電気チョーク。
【請求項７】
前記コアは、コアの電気的な絶縁及び保全のために薄い高温樹脂でコートされる請求項１の電気チョーク。
【請求項８】
前記電気チョークは、電力の力率補正のために使用される請求項１の電気チョーク。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、アモルファス合金からつくられ、高DCバイアス電流が印可される力率補正（ＰＦＣ）のために電気チョークに適用される磁気コイルに関する。
２．従来技術の説明
電気チョークは、ＤＣエネルギー貯蔵インダクタである。環状インダクタにおいて、貯蔵エネルギーは、Ｗ＝１／２［（Ｂ2Ａclm）/（２μoμr）］である。ここにおいて、Ｂは、磁束密度、Ａcは、コアの有効磁気面積、lmは、平均の磁気通路長、μoは、自由空間の透磁率、μrは、材料の相対透磁率である。
環状体に小さい空隙を導入することによって、空隙の磁束は、強磁性体のコア材料と同じように残る。しかしながら、空気（μ〜l）の透磁率は、通常の強磁性体材料（μ〜数千）におけるよりも著しく低いので、空隙の磁界強度（Ｈ）は、コアの残りの部分より非常に大きくなる（Ｈ＝Ｂ/μ）。磁界のユニット容量毎に貯蔵されるエネルギーは、W＝１／２（ＢＨ）であり、したがって、空隙内に主に集約されると仮定する。要するに、コアのエネルギー貯蔵容量は、空隙の導入によって向上される。空隙は、分離するか、分配することができる。
非磁性体のバインダと共に保持される強磁性体の粉末を使用するか、又はアモルファス合金の一部を結晶化することによって分配された空隙を導入することができる。第２のケースの場合、強磁性体結晶位相は分離し、非強磁性体マトリクスによって包囲される。この部分的な結晶化方法は、アモルファス合金を熱処理することによって達成される。特に、本発明によって、結晶化の度合いと透磁率の値との間の独特の関連が提供される。１００ないし４００の範囲の透磁率を達成するために、容積の１０％ないし２５％台の結晶化が必要になる。結晶化の温度又はアモルファス合金の化学的組成分に基づいて焼きなまし時間と温度条件との適当な組み合わせが選択される。結晶化の度合いを増加することによって、コアの透磁率が減少される。透磁率の低減は、ＤＣバイアス磁界及び増大したコア損失を維持するためにコアの能力が増大する結果を得る。
磁気コアを切断し、非磁性体のスペーサを挿入することによって分離した空隙が導入される。この空隙の寸法は、スペーサの厚さによって決定される。通常、分離した寸法を増大することによって、有効透磁率は減少し、ＤＣバイアス磁界を維持するコアの能力が増大する。しかしながら、１００Oe以上のＤＣバイアス励起磁界の場合、５ないし１０ｍｍ台の空隙が必要になる。これらの大きな空隙は、空隙の漏れ磁束が増大することによって、透磁率を非常に低い水準（１０−５０）にまで減少し、コアの損失が増大する。
電力設備及び装置の力率補正において、電気チョークの寸法が小さい場合、透磁率が低く（５０−３００）、コア損失が小さく、飽和磁化が大きいので、高いＤＣバイアス磁界を維持することができる。
発明の概要
本発明は、チョークコアを焼きなますことによってつくられる分配空隙と、コアを切断することによってつくられる分離した空隙とが組み合わされた電気チョークを提供する。分配された空隙と分離した空隙との組み合わせを用いることによって、分離した空隙又は分配された空隙のみを単独で用いることによって容易には達成されない独特の特性の組み合わせを得ることができる。驚くべきことに、５０Oe又は１００OeのＤＣバイアス磁界で残る透磁率の９５％又は８５％での８０ないし１２０の範囲の透磁率を有する磁気コアを達成することができる。このコアの損失は、１０００Oeの励磁と１００ｋＨｚで１００乃至１５０Ｗの範囲である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ＤＣバイアス励磁界の関数として焼きなまされたＦｅベースの磁気コアの初期透磁率のパーセントを示すグラフである。
【図２】図２は、ＤＣバイアス励磁界の関数としてＦｅベースのアモルファス合金コアの初期透磁率のパーセントを示すグラフであり、コアは、カットされ、中に４．５ｍｍの厚さを有する分離したスペーサが挿入されているケースのグラフである。
【図３】図３は、ＤＣバイアス励磁界の関数として、１．２５ｍｍの分離した空隙と、分配された空隙とを有するＦｅベースコアの初期透磁率のパーセントを示すグラフである。
【図４】図４は、分離した空隙の寸法の関数としての組み合わされ分離し分配された空隙を有するコアの有効透磁率の経験的に引き出された輪郭プロットを表すグラフであり、異なる輪郭が分配された空隙の透磁率の種々の値を表すグラフである。
本発明の詳細な説明
電気チョークの性能の重要なパラメータは、コアがＤＣ励磁界によって励磁されるとき、残る初期透磁率の百分率である。通常、初期透磁率を低減することによって、増大したＤＣバイアス磁界及びコアを維持するコアの能力は増大する。
アモルファス金属コアの透磁率の減少は、焼きなますか、又はコアを切断し、非磁気スペーサを導入することによって達成することができる。双方の場合において、高いＤＣバイアス磁界を維持するための増大した能力は、大きなコア損失と相殺される。
本発明は、焼きなますか、又はバインダによって保持される強磁性粉末を使用することによってつくられる分配された空隙と、コアを切断することによってつくられる分離した空隙との組み合わせを有する電気チョークを提供する。分配された空隙と分離した空隙との組み合わせを用いることによって、コア損失の著しい増大と、初期透磁率の大きな低減をすることなく、ＤＣバイアス磁界を維持するためにコアの能力を増大する。チョークのこれらの独特の特性は、分離するか、又は分配された空隙のいずれかを使用することによっては容易には達成されない。
図１において、ＤＣバイアス励磁界の関数として、焼きなまされた鉄ベース磁気コアの最初の透磁率の百分率が示される。Ｆｅ−Ｂ−Ｓｉアモルファス合金からなるコアは、適当な焼きなまし温度及び時間を組み合わせて焼きなされる。もし、結晶化温度及び化学組成分が知られている場合には、このような焼きなまし温度及び時間をＦｅ−Ｂ−Ｓｉアモルファス合金について選択することができる。図１に示すコアにおいて、アモルファス合金の組成分は、Ｆｅ80Ｂ11Ｓｉ9で結晶化温度は、Ｔｘ＝５０７℃である。この結晶化温度は、差動走査熱量測定法（ＤＳＣ）によって測定される。焼きなまし温度及び時間は、それぞれ４８０℃及び１時間であり、焼きなましは、不活性ガス雰囲気で実行される。アモルファス合金は、Ｘ線回折によって測定されるように５０％までの結晶化である。部分的なコアの結晶化によって、その透磁率は４７に減少される。適当な温度及び時間の組み合わせを選択することによって、４０ないし３００以上の範囲の透磁率は容易に達成できる。表１は、焼きなまし温度及び時間の組み合わせ及びその結果の透磁率の値を要約する。この透磁率は、１０kHzの周波数、８回転ジグと１００mＶac励磁界で誘導ブリッジで測定される。
図１によって示すように、初期透磁率の８０％は、５０Ｏｅで維持され、初期透磁率の３０％は、１００Oeで維持される。コアの損失は、１０００Ｏｅ励磁界と１００kHzで６５０W/kgで決定される。
図２は、ＤＣバイアス磁界の関数として、鉄ベースアモルファス・コアの初期透磁率の百分率を示し、このコアは、研磨用ノコギリで切断され、４．５ｍｍの厚さの分離したプラスティック・スペーサが中に挿入されている。Ｆｅベースコアの初期透磁率は、３０００であり、空隙を備えたコアの有効透磁率は８７である。コアは、１００Oeで初期透磁率の９０％を保持する。しかしながら、コア損失は、１０００Ｏｅ励磁及び１００kHzで２５０W/kgであった。
図３は、ＤＣバイアス励磁界の関数として、組み合わせにおいて１．２５mmの分離した空隙と分配空隙を有する鉄コアの初期透磁率の百分率を示す。もし、結晶化温度及び化学組成分が知られている場合には、適当な焼きなまし温度及び時間の組み合わせを使用してアモルファスＦｅ合金の一部を結晶化することができる。図３に示す例は、Ｆｅ80Ｂ11Ｓｉ9からなる組成分を有し、結晶化温度はＴｘ＝５０７℃である。焼きなまし温度及び時間は、それぞれ４８０℃及び６．５時間であり、焼きなましは、不活性ガス雰囲気で実行される。この焼きなまし処理は、透磁率を３００まで低減した。次に、コアは、エポキシ及びアセトン溶液で含浸され、分離した空隙をつくるために研磨用ノコギリで切断され、空隙に挿入された１．２５mmのプラスティック・スペーサを備えている。コアの含浸は、切断中及び切断後に機械的安定性及びその完全性を維持するために必要である。コアの最終的な有効透磁率は、１００まで低減する。初期透磁率の少なくとも７０％は、１００OeＤＣ励磁界で維持される。コア損失は、１０００Ｏｅ励磁界及び１００kHzで１００W/kgである。
図１、図２、図３は、鉄アモルファスコアのＤＣバイアスの作用を改良すると同時に、初期透磁率を高く、コア損失を低く保持するために、分離し及び分配された空隙の組み合わせが好ましいことを示している。
空隙を有するチョークの有効な透磁率を計算する従来の方法は、組み合わされた分離し分配された空隙を備えたコアには適用できない。図４は、分離した空隙の寸法の関数として、分離し分配された空隙が組み合わされたコアの有効透磁率の経験的に引き出された輪郭プロットである。異なる輪郭は、分配された空隙（焼きなまされた）透磁率の種々の値を表す。表２は、焼きなまされた透磁率及び分離した空隙の種々の組み合わせを示す。対応する有効透磁率、１００Oeの％透磁率及びコア損失、並びに切断方法、スペーサ材料のタイプがリストアップされている。
２つの異なるタイプのスペーサ材料及びセラミックが評価された。結果として生じた特性で差は見られなかった。通常、磁気コアはプラスティック・ボックスに配置される。空隙用としてプラスティックスペーサを使用することができるから、スペーサは、プラスティックボックスに直接成形することができる。
研磨性のこぎり、ワイヤ放電機械加工（ワイヤedm）及びウオター・ジェット含む、コアを含むいくつかの方法が評価される。これらの方法はすべて成功した。しかしながら、切断表面の仕上げの品質において差があり、ワイヤedmが最も良好であり、ウオター・ジェットが最もよくない結果を示した。表２の結果から、ワイヤedm法は、損失が最も小さく、ウオター・ジェット法が最も大きな損失を示し、他のすべて条件は等しいものである。研磨性法は、満足のゆく表面仕上げ及びコアの損失を呈する。上述した結果から、コアの切断表面の仕上げは、低いコア損失を達成するためには重要であることが結論づけられた。
本発明を詳細に説明したが、このような詳細は厳密には厳格に固執する必要はなく、他の変更、変形が当業者に示唆され、本発明の範囲内にあるすべてのものは、特許請求の範囲によって制限される。
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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