JPH03240212A - 高電圧パルス発生用磁性部品およびこれを用いた高電圧パルス発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、エキシマレーザ、ＴＥＭＡ−Ｃｏ、レーザ、
銅蒸気レーザ等の放電励起レーザ、あるいは線形誘導加
速器等の加速器を始めとするパルスパワーの分野で使用
される高電圧パルス発生用磁性部品に関するものである
。

［従来の技術］ 放電励起レーザの１つであるエキシマレーザ用高電圧パ
ルス発生回路の１例を第６図に示す。第６図の回路は磁
気圧縮回路と呼ばれるものであり、入力端１５−１６間
には図示の極性で、通常数十ｋＶ程度の直流電圧Ｖｉが
印加されており、サイラトロン１７がオフの期間に主コ
ンデンサ１８には図示の極性に電圧Ｖ、が充電される。

本回路における高電圧パルス発生用磁性部品である可飽
和リアクトル１９および２０は、サイラトロン１７がタ
ーンオンした後にコンデンサ２１の両端に印加される電
圧Ｖ、を、コンデンサ２２を介してエキシマレーザの発
振に必要な１００ｎｓ程度のパルス幅の電圧Ｖｏに圧縮
するために使用されるものであり、この意味から磁気ス
イッチとも呼ばれる。尚、前記コンデンサ２１の両端に
印加される電圧Ｖ、のパルス幅はコンデンサ１８及び２
１のキャパシタンスと、インダクタンス２４の時定数で
定められる。また同図において、２５　、２６は主コン
デンサ１８の充電用インダクタンス、２７はエキシマレ
ーザ主放電電極である。

本回路においては、可飽和リアクトル１９．２０を用い
ることでパルス圧縮が可能なため、サイラトロン１７の
ターンオン時に生ずるスイッチング損失、アフタカレン
ト及び反転電流による損失を抑制することができ、エキ
シマレーザの高繰返し化、高出力化及び長寿命化が可能
となる。

なお、ここでは可飽和リアクトルを２個用いたものを示
したが１個または３個以上のものも存在する。

また、可飽和リアクトルを多段にすることはサイラトロ
ンのターンオン時に流れる電流の波高値を低減できると
いう利点がある。

また、特開昭６３−２２９７８６号公報等に示される第
７図で示す低電圧でサイリスタ等の半導体スイッチング
素子を用いた低パルス発生回路３０によってパルスを作
成し、パルストランス２８によって昇圧するものもある
。この場合、パルストランスだけではエキシマレーザの
発振に必要な１００ｎｓ程度のパルス幅の電圧が得られ
ないため、多段にした可飽和リアクトルによるパルスの
圧縮が必須となっている。

このような可飽和リアクトルに対し、飽和時のインダク
タンスの増大をふせぎ、最終段のコンデンサへのエネル
ギー転送効率を上げるため、平板状導体で構成した巻線
によって磁心表面を被覆したものも特開昭６３−２２９
７８６号公報に開示されている。

また、巻線間の絶縁耐圧をとるために磁心の対極へ向か
って左右両方向に互いに平列に巻きまわされてなる分割
並列巻線を施すことは高電圧用変圧器ではよく用いられ
る手法であり、例えば特開昭６３−６６０４５号公報で
は、変圧器、電動機、発電機等の電気的誘導装置に使用
するため、磁性鉄心でスタックを形成しこれに分割並列
巻を施すことが開示されている。

また、高電圧パルス発生部品及び変圧器、電動機、発電
機等を連続稼動した場合には、巻線及び磁心が発熱する
事はよく知られている。この発熱により磁性材料の特性
劣化を引き起こし装置全体の機能を低下させる原因とな
る事があり、特開平１−９８２０６号公報には圧縮空気
、フレオンガス、絶縁油等の冷媒により冷却の可能な構
造を有する高電圧パルス発生装置用磁性部品が開示され
ている。

［発明が解決しようとする課題〕 上述した各種レーザ等に用いられる可飽和リアクトルに
おいては、磁心飽和時のインダクタンスが圧縮率を下げ
る原因となっており、できるだけ飽和時のインダクタン
スを下げる磁性部品が必要であった。

しかし、上述した特開昭６３−２２９７８６号公報に記
載されるような磁心表面を平板状導体で覆うものでは、
比較的取扱う電圧が低い場合は効果があるが、平板状導
体を巻きまわしたたけではエキシマレーザ等の高電圧す
なわち数十ｋＶ以上の電圧を取扱う場合、入出力巻線間
の距離距離が短いため、絶縁破壊が起きてしまうという
問題があった。

また、第７図で示すパルストランス２８では２次巻線の
出力電圧パルスの立上り時間を速めることが重要である
が、このためには各巻線のり一ケージインダクタンスを
極力低下させることが重要である。このためには上記の
平板導体を巻線に用いるのは有効であるが、単に平板導
体を巻回しただけでは絶縁耐圧の問題から入出力端の間
隙を大きくとる必要があり、これがリーケージインダク
タンス増加の原因となっていた。

また、上記の可飽和リアクトルおよびパルストランス等
の高電圧パルス発生装置部品においては、繰返し周波数
を高めた場合（例えばｌ　ｋｌｌｚ程度以上）巻磁心に
磁心損失により発熱し、磁性部品としての特性が、稼動
開始後、短時間で劣化するとともに、極端な場合には発
熱箇所の磁気特性が大幅に劣化してしまい動作停止後、
再稼動させた際に初期の特性を発揮し得ないという問題
がある。この発熱による磁気特性の劣化は、特に非晶質
磁性薄帯を用いた場合に顕著なことはよく知られている
。

したがって巻磁心を冷却する際には巻磁心端面さらに効
率よく冷却する必要があった。

本発明の目的はリーケージインダクタンスが小さく、高
電圧パルス発生用磁性部品として有効な構成を有すると
共に、冷却効率が高く、巻磁心の発熱による磁心材料の
特性劣化が少ない構成を有する高電圧パルス発生用磁性
部品を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、巻磁心と、巻線が前記磁心上の巻き始め位置
から該磁心の対極へ向かって左右両方向に互いに並列に
巻きまわされてなる分割並列巻線と、前記巻磁心を内包
しかつ冷媒を保持するケースで構成され、前記分割並列
巻線は平板状導体で形成されていることを特徴とする高
電圧パルス発生用磁心部品である。

本発明において、分割並列巻線を用いたのは、磁心飽和
時−のインダクタンスは分割並列巻線が同一の巻線構造
の均一巻線を施した場合に比べて同等以下とすることが
できるためであり、さらに巻線間に必要な絶縁耐圧は巻
数針で分割されるため、非常に小さくでき、巻線として
平板導体を用いる場合の必須の要件であることを見出し
たためである。

また、磁気スイッチとして使用する可飽和リアクトル、
高電圧電源の昇圧用変圧器等として用いられる高電圧パ
ルス発生用磁性部品においては、絶縁耐圧を数十ｋＶ程
度以上とするため層間に絶縁テープもしくは絶縁コーテ
ィングを施した巻磁心が使用されているため、このよう
な巻磁心では層間絶縁材により磁心の半径方向への熱伝
導が阻害される。従って、磁心端面を冷却する必要があ
る。

上記の巻磁心では、巻磁心端面に発生する巻むらに起因
する段差、層間絶縁材の磁心端面からのはみ出し等が生
ずるが、冷媒流路を巻磁心端面で周方向となる様に規定
することにより、冷媒の流路が乱されず、冷媒の滞留に
起因する過熱部分の発生を防止できる。

また、磁心が非晶質磁性薄帯を用いて形成されている場
合、非晶質合金は熱による磁気特性の劣化が大きいため
、上記構造をとることは特に有効である。

また、大出力あるいは高繰返しの高電圧パルス発生回路
を実現するためには、磁気スイッチの多段化を図ること
が必要であり、このためには複数の巻数を設けた磁気ス
イッチを利用しなければならず、磁心の劣化による高電
圧パルスの出力に大きく影響するため、上記構造をとる
ことは有効である。

［実施例］ （実施例１） 可飽和リアクトルの飽和後のインダクタンスを推定する
ために、第１図に示す外径２００ｍｍ、内径１００ｍｍ
、厚さ２５ｍｍの非磁性体リング３０を作成し、この非
磁性体リング３３を７個スタックし、各非磁性体リング
間および上端、下端に５ｒｎｍの間隔をあけ、全高２１
５ｍｍの非磁性体スタックリングを作成した。

この非磁性体スタックリングに巻線の種類を変えて、そ
れぞれ当間隔に分割並列巻線を施し、第１図に示すよう
な巻ｔａｓ品とした。

このときのインダクタンスと巻線数および巻線種類の関
係を第２図に示す。なお、ここで巻線に０．５ｍｍ厚の
アルミ板を用いた場合の幅は最大幅であって、非磁性体
リング内径部分では、非磁性体リングの内外径差分だけ
狭くし、巻線間距離は同等となるようにした。

第２図より、巻線をアルミ板とした場合にインダクタン
スが小さくなる。従って、飽和時のインダクタンスは第
２図のインダクタンスとほぼ等しいと考えられるため、
磁気スイッチ用可飽和リアクトルとして使用した場合、
非常に有効であることがわかる。

また、絶縁耐圧を波高値３０ｋＶ、半値幅ｌμｓの高電
圧パルスで測定したところ、アルミ板を１０ターン巻き
にした場合、５ｎの間隔が必要であることがわかった。

比較のために分割並列巻線ではない巻線をおこなったと
ころ、入出力端に必要な絶縁端面間距離は入力部分で６
０ｍｍも必要であり、使用不能であることがわかった。

（実施例２） 第６図に示した高電圧パルス発生回路を用いて、実際の
回路を設計評価した。

第６図に示した全てのコンデンサ１８，２１，２２．２
３を１５ｎＦとし、可飽和リアクトル２０を２００φ×
１００φＸ２５（ｍｍ）の非晶質合金よりなる動作磁束
密度量ΔＢ＝１．１（Ｔ）、磁心の有効断面積Ａｅ＝７
５０　（ａｒｍ”　）の磁心を７個スタックし、同軸ｌ
ターンの巻線を施し、構成した。

この時、エキシマレーザに必要な１００ｎｓ、　３０ｋ
Ｖの電圧をコンデンサ２３に印加するにはコンデンサ２
２に印加される電圧のパルス幅は３９０ｎｓとする必要
があることがわかった。

このパルス幅を得るためには第６図の回路では可飽和リ
アクトル１９には略２μ１１の飽和後のインダクタンス
が必要であり、可飽和リアクトル１９を、２００φ×１
００φＸ　２５　（ｍｕ）のＣｏ基非晶質合金を用い眉
間絶縁を施して構成されるΔＢ＝１．８（Ｔ）、Ａｅ＝
７５０　（ｉ、ｉ）の磁心を７個スタックし、実施例１
と同様の構成を持ったスタック磁心とした。

飽和後のインダクタンスは、実施例１の非磁性体リング
の場合と同じになるため、第２図からこのスタック磁心
に厚さ０．５ｍ＋＋＋、幅３３ｍｍのアルミ板を７ター
ン施した。

得られた可飽和リアクトル１９を用いると、１１．３の
圧縮比（第６図においてサイラトロン１７がターンオン
後に生ずる電圧コンデンサ２１の端子電圧■２のパルス
幅をコンデンサ２２に印加される電圧ｖｓのパルス幅で
割った値。）を得ることができることがわかった。

また、このときの可飽和リアクトル１９の全磁心損失は
０．５６（Ｊ）であった。

比較例として、第３図に示す３ｍｒａφの単線を用いて
可飽和リアクトル１９を作成した。必要な飽和後のイン
ダクタンスを得るためには第２図から３ターン施せば良
いことがわかる。得られた可飽和リアクトルでは４．８
の圧縮比しか得られないことがわかった。

この比較例では、可飽和リアクトル１９の全磁心損失は
１．０（Ｊ）であった。

コンデンサ２１に印加する電圧パルス幅で比較すると前
者は４．４μｓの長いパルス幅であるのに対し、後者で
は同一の出力パルスを得るために１．９μｓもの短いパ
ルスを必要とした。

比較例では、コンデンサ２１に必要な電圧パルス幅が短
いため、第６図の回路ではサイラトロン１７には実施例
２に比べてサイラトロン１７のアノード電流波高値が著
しく大となるため、サイラトロンの負荷が大きく、好ま
しくないことがわかる。また、本発明では圧縮比が大き
くとれ、エネルギ転送効率の優れた高電圧パルス発生装
置が得られることがわかる。

（実施例３） 第４図は、本発明による高電圧パルス発生装置用可飽和
リアクトルの一実施例断面図である。図中、１は入力端
もしくは出力端、２は円筒導体、３は出力端もしくは、
入力端、４は油入口、５は油出口、６は非晶質磁性薄帯
を用い層間絶縁を施した巻磁心、７は磁心６を固定する
と共に冷媒の流れを規定する為に流れを遮断する機能を
有するリング状絶縁体、８は磁心同志が接触しないよう
にすると共に、磁心の端面を均一に冷却し得るようにす
るためのリング状絶縁体であり、９は入出力端の絶縁と
冷媒をシールする機能を有する絶縁体、１０及び１１は
磁心全体の位置決めをするとともに構成部品全体を支え
る機能を有する絶縁体１２は磁心に巻き付けた巻線であ
り高耐電圧の絶縁被覆を施してあり、１３は巻線を入出
力端と接続する部品である。また、図中冷媒は油入口４
より図示矢印の流路層に流れ磁心端面では周方向に流れ
ることにより効率よく冷却し、油出口５を出て、ポンプ
によって循環される。

第５国は第１図中のＡ−ＡｗｆＩ面を示す図である。

図中の１４は磁心端面を均一に冷却するための冷媒の流
路を磁心端部では周方向に流れる様に規定するために円
筒型絶縁体の一部を切断して設けた空隙であり、冷媒は
この空隙１４を通り、磁心の一端面から他端面へと流れ
る。

尚本実施例においては冷媒として、粘度５ｍｍ”／Ｓの
シリコン油を用いた。

第１表は上述した本実施例における高電圧パルス発生装
置用可飽和リアクトルを第６図に示す回路を用いたＫｒ
Ｆエキシマレーザ装置の可飽和リアクトル１９に使用し
たときの圧縮比（第６図においてサイラトロン１７がタ
ーンオン後に生ずる電圧コンデンサ２１の端子電圧■３
のパルス幅をコンデンサ２２に印加される電圧■、のパ
ルス幅で割った値。）の時間変化を比較したものである
。従来例として第４図に示したリング状絶縁体７を除き
、冷媒流路を巻磁心の端面の周方向に規定しない高電圧
パルス発生装置用可飽和リアクトルの場合も第１表に示
した。

本発明では圧縮比の時間変化が極めて小さく実用上十分
な特性を存するのに対し、従来例では主に磁心内部の部
分的な、または全体の発熱の影響により磁心の飽和磁束
密度が低ドし、圧縮比の大幅な低下が生じることがわか
る。

第１表 入カニＶｉ＝ＤＣ３０ｋＶ コンデンサ容量：コンデンサ いずれも１５ｎ　Ｆ 可飽和リアクトル１９　（本発明、従来例共）非晶質磁
性薄帯 有効断面積　１．２Ｘ１０−’ｍ”を４ケ使用平均磁路
長　３８０　Ｘ　１０−”　＠第２表は第１表と同一の
装置、同一条件下で５分間動作後、可飽和磁心の冷却に
十分な期間をおいた後に再動作させる試験を行なったと
きの動作再開時の圧縮比の動作回数による特性劣化を示
したものである。本発明の場合における圧縮比は動作回
数に依存しないのに対し、従来例では動作時のヒートス
ポットによる可飽和磁心の磁気特性劣化が生じているこ
とがわかる。

可飽和リアクトル２０（本発明、従来例共）非晶質磁性
薄帯 有効断面積　１．２ＸＩＯ−’ｍ”を４ケ使用平均磁路
長　３８０　Ｘ　１０−３ｍ 繰り返し周波数　１　ｋｌ（ｚ 第２表 入カニ　Ｖ　ｉ　＝ＤＣ３０ｋＶ コンデンサ容量：コンデンサ いずれも１５ｎ　Ｆ 可飽和リアクトル１９　（本発明、従来例共）非晶質磁
性薄帯 有効断面積　１．２Ｘ１０−’ｍ”を４ケ使用平均磁路
長　３８０ＸＩＦ”ｍ 可飽和リアクトル２０（本発明、従来例共）非晶質磁性
薄帯 有効断面積　１．２Ｘ１０−’ｍ”を４ケ使用平均磁路
長　３８０Ｘ１０−’ｍ 繰り返し周波数　１　ｋＨｚ １回の動作時間　５分間 （実施例４ン 第８図は、本発明によるパルストランスの実施例を示す
断面図である。図中、１は１次巻線端、２は巻数エター
ンの１次巻線を構成する同軸円筒導体、３は１次巻線の
もう一方の端、４は油入口、５は油出口、６は鉄基非晶
質合金薄帯を用い層間絶縁にポリエステルフィルムテー
プを用いた場合巻磁心、７は磁心６を固定すると共に油
の流れを遮断する機能を有するリング状絶縁体、８は磁
心同志が接触しないようにすると共に、磁心の端面を均
一に冷却し得るようにするためのリング状絶縁体であり
、９は入出力端の絶縁と冷媒をシールする機能を有する
絶縁体であり、１１は磁心全体の位置決めをすると共に
構成部品全体を支える機能を有する絶縁体、１２は巻数
６ターンの２次巻線を構成する導体、３１は２次巻線端
、３２は２次巻線のもう一方の端である。以上の構成に
おいて、１次巻線端１と２次巻線端３０は接続されてい
る。また、図中、冷却油は油入口４から図示矢印の経路
で流れ、各磁心の端面を周方向に均一に冷却し、油出口
５を経てポンプによりＷｉ環される。

尚、本実施例では冷却油として、粘度５ｍｍ”　／ｓの
シリコン油を用いた。

第８図に示すパルストランスを第７図に示した高電圧パ
ルス発生回路のパルストランス２８に使用することによ
り、入力電圧Ｖｉを下げることが可能となり、パルス発
生回路３０にかかる負荷を低減できる。

第７図に示したコンデンサ１８を７４０ｎＦとし、コン
デンサ２１．２３を１５ｎＦとし、可飽和リアクトル２
０を２００φｘｉｏｏφＸ　２５　（ｍｍ）の非晶質合
金よりなる動作磁束密度量ΔＢ＝１．１（Ｔ）、磁心の
有効断面積Ａｅ・７５０　（ｍｍ’　）の磁心を７個ス
タックし、同軸１ターンの巻線を施し、構成した。

この時、エキシマレーザに必要な１００ｎｓ、　３０ｋ
Ｖの電圧をコンデンサ２３に印加するにはコンデンサ２
１に印加される電圧のパルス幅は３９０ｎｓとする必要
があることがわかる。

このパルス幅を得るためには第７図の回路ではパルスト
ランス２８には略２μＨのリーケージインダクタンスが
必要であり、パルストランスを２００φ×１００φｘ２
５（ｍｍ）のＧｏ基非晶質合金を用い層間絶縁を施して
構成されるΔＢ＝１．８（Ｔ）、Ａｅ＝７５０　（ｎｕ
ｎ”　）の磁心を７個スタックし、実施例１と同様の構
成を持ったスタック磁心で構成した。

リーケージインダクタンスは、実施例１の非磁性体リン
グの場合と同じになるため、第２図からこのスタック磁
心に同軸１ターンの１次巻線を施し、２次巻線として厚
さ０．５ｍｍ、幅３３ｍ［ｌｌのアルミ板を７ターン施
し、得られたパルストランス２８を用いるとコンデンサ
１８に充電すべき電圧は、４．２ｋＶとなり、そのパル
ス幅４．４μｓと長くなるためパルス発生回路３０にか
かる負荷は著しく軽減される。

比較例として３ｍｍφの単線を用いてパルストランス２
８を作成した。要求されるリーケージインダクタンスを
得るためには第２図から３ターン施せば良いことがわか
る。得られたパルストランスではコンデンサ１８に充電
すべき電圧は１０ｋＶパルス幅は１．９μｓが必要とな
り、パルス発生回路３０には大きな負荷がかかることが
わかる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、リーケージインダ
クタンスが少ない可飽和リアクトルおよびパルストラン
スを得ることができるため効率の良い１ノーザ等を得る
ことができる。

また、磁心を効率的に冷却することが出来るため巻磁心
を用いて構成した強制冷却パルス発生装置用磁性部品に
おいて問題であった磁心の温度上昇の抑制、及びヒート
スポットの発生を防止することが可能となる。

また、高繰返し化による特性劣化が少ないため従来用い
られていなかった高繰返し動作の必要な用途での利用、
或いはより一層の高繰返し化、及び長時間連続動作等も
可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の評価に用いた磁心部品の図、第２図は
可飽和リアクトルの飽和後のインダクタンスと巻綜種の
関係を示す図、第３図は比較例の評価に用いた磁心部品
の図、第４図は本発明による高電圧パルス発生装置用可
飽和リアクトルの一実施例を示す構成断面図、第５図は
第１図中のＡ−Ａ断面を示す図、第６図は多段の磁気パ
ルス圧縮回路を有する励起回路の一実施例を示す構成図
、第７図はパルストランスを用いた時の磁気パルス圧縮
回路を有する励起回路の一実施例を示す構成図、第８図
は本発明による高電圧パルス発生装置用パルスＩ・ラン
スの一実施例を示す構成断面図である。 に入力端もしくは出力端、２：円筒導体、３：出力端も
しくは入力端、４：油入口、５：抽出口、６：磁心、 ７：流路付き磁心支持用絶縁性部品、 ８：絶縁材スペーサ、 ９：冷媒シール用絶縁性部品、 １０．１１　：可飽和リアクトル構成用基本絶縁部品、
１２：巻線、１３：端子、１４：流路、１９．２０　：
可飽和リアクトル １８．２１，２２，２３８コンデンサ、２８：パルスト
ランス２９：配線によるインダクタンス ３０：パルス発生回路 ３１：２次巻線入力端または出力端 ３２：２次巻線出力端または入力端 ３３：非磁性体リング 第１図 第 ２ 図 巻 数 〔回〕 第 図 第 図 第 図 第 図 第 ８ 図 補正の内容 （１）第４頁８行の「低パルス」を「低電圧パルス」と
訂正する。 （２）第６頁８行の「距離距離が短い」を「距離が短い
」と訂正する。 （３）第１０頁３行のｒ３０を作成し」を「３３を作成
し」と訂正する。 （４）第１５頁１３行〜１４行の「電圧コンデンサを「
コンデンサ」と訂正する。 以上 手続補正誉 （自発）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）巻磁心と、巻線が前記磁心上の巻き始め位置から
   該磁心の対極へ向かって左右両方向に互いに並列に巻き
   まわされてなる分割並列巻線と、前記巻磁心を内包しか
   つ冷媒を保持するケースで構成され、前記分割並列巻線
   は平板状導体で形成されていることを特徴とする高電圧
   パルス発生用磁性部品。
2. （２）巻磁心を冷却する冷媒が磁心端面上を巻磁心周方
   向に流れるように流路を規定する流路規制部品が設置さ
   れていることを特徴とする請求項１に記載の高電圧パル
   ス発生用磁性部品。
3. （３）巻磁心と巻線によって可飽和リアクトルが構成さ
   れていることを特徴とする請求項１に記載の高電圧パル
   ス発生用磁性部品。
4. （４）巻線は１次側巻線と２次側巻線よりなり、パルス
   変圧器が構成されていることを特徴とする請求項１に記
   載の高電圧パルス発生用磁性部品。
5. （５）請求項１乃至４に記載の高電圧パルス発生用磁性
   部品を用いたことを特徴とする高電圧パルス発生装置。