磁気 コンポーネント: 材料とデザインを理解する
磁気コンポーネントはパワー エレクトロニクス デバイスにおいて重要な役割を果たし、電力の制御、伝達、調整を可能にします。 設計者は、パフォーマンスを向上させるために新しい材料、トポロジー、プロセスを継続的に模索しています。 インダクタやトランスを効果的に設計するには、磁性材料と関連技術の複雑さを理解することが不可欠です。 この記事では、磁性材料の基礎、分類、芯材、形状について詳しく解説します。
磁性材料とその分類
磁性材料には、自然に磁石に引き寄せられ、磁化されるとそれ自体が磁石になることができる要素が含まれます。 フェライト、アルニコ、フレキシブルゴム、コバルトやネオジムなどの希土類磁石の XNUMX 種類の主な永久磁石が使用されます。 驚くべきことに、それぞれのタイプは異なる特徴を示します。
磁性材料の分類を理解することは非常に重要です。 これらは、磁気的に硬い材料と磁気的に柔らかい材料の XNUMX つのカテゴリに分類されます。 磁性が硬い材料は、強力な磁場によって磁化され、その磁性を無限に保持することができます。 対照的に、軟磁性材料は簡単に磁化されますが、それは一時的なものにすぎません。
磁場に対する材料の反応は原子構造に基づいて異なり、主に各原子の不対電子の数によって決まります。 ほとんどの材料は、強磁性、反磁性、常磁性の XNUMX つのカテゴリのいずれかに分類されます。
- 鉄、コバルト、ニッケルなどの強磁性材料は少数の不対電子を有しており、弱い正味磁場を生成します。
- 反磁性材料は外部から加えられた磁場を反発し、それ自体は磁場を生成しません。
- 常磁性材料は磁場に対してわずかな引力を示しますが、一般に非磁性であると考えられています。
コアマテリアル
特定のコンポーネントに使用する磁性材料の選択は、その意図する機能に応じて異なります。 前述の分類を理解すると、利用可能な幅広い磁性材料についての洞察が得られます。 一般に、コアには高い比透磁率が必要です。
通常、永久磁石には硬い材料が使用され、インダクタやトランスには柔らかい材料が使用されます。
コアシェイプ
コア形状の選択は、パワー エレクトロニクス コンポーネントの設計と選択したコア材料によって異なります。さまざまなコア形状が市販されているため、決定は困難です。
表 I は、情報に基づいて設計を決定するための、さまざまなコア形状とその特性の比較を示しています。
磁性材料、その分類、コア材料、コア形状を包括的に理解することで、設計者はパワー エレクトロニクス システム用の効率的で機能的な磁性コンポーネントを作成する際に、十分な情報に基づいた選択を行うことができます。
表 I: さまざまなコア形状とその特性の比較
- ポットコア: コアコストが高く、巻線コストが低く、ボビンコストが低く、組み立てが簡単、熱放散が悪く、シールド/遮蔽が優れており、漏れ磁束が低い。
- E コア: 低コアコスト、低巻線コスト、低ボビンコスト、簡単な組み立て、優れた熱放散、貧弱なシールド/遮蔽、高い伝送出力/ユニット体積。
- EC コア: コアのコストは中程度、巻線コストは低、ボビンのコストは中程度、アセンブリは中程度、熱放散は良好、シールド/遮蔽は不十分、中央の脚は丸く巻線が容易です。
- U コア: コアのコストが高く、巻線のコストが中程度、ボビンのコストが高く、組み立てが中程度、熱放散が良好、シールド/遮蔽が不十分で、高電圧用途に適しています。
- トロイド (リング コア): コアのコストが非常に低く、熱放散が高く、ボビンのコストがかからず、組み立ても不要で、シールド/遮蔽が良好で、変流器で好まれます。
- RM コア: 中程度のコアコスト、低巻線コスト、中程度のボビンコスト、中程度のアセンブリ、良好な放熱性、良好なシールド/遮蔽。