JPH04342107A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エキシマレーザ、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
、電子−陽電子衝突型線形加速器等の加速器を始めとす
るパルスパワー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。

【０００２】

【従来の技術】エキシマレーザや銅蒸気レーザ等の放電
励起レーザに用いられている高電圧パルス発生装置の主
回路構成の１例を図６に示す。図６の回路において、５
１は高電圧直流電流、５２は抵抗、５３はサイリスタ、
５４はダイオード、５５は主コンデンサ、５６は昇圧用
パルス変圧器、５７は昇圧用パルス変圧器５６の１次巻
線、５８は昇圧用パルス変圧器５６の２次巻線、５９，
６１，６３はコンデンサ、６０，６２は可飽和リアクト
ル、６４はレーザダイオードである。

【０００３】ここで、コンデンサ５９，６１，６３及び
可飽和リアクトル６０，６２は２段磁気パルス圧縮回路
を構成しており、昇圧用パルス変圧器５６の１次側に設
けられたサイリスタ５３をオンさせることにより発生さ
せた電流パルスｉ０及びｉ１のパルス幅を圧縮し、最終
的にパルス幅１００ｎｓ程度の電流パルスｉ３を得るこ
とができる。このような高電圧パルス発生装置の詳細に
ついては、例えば、出口ほか：“固体化電源を用いた銅
蒸気レーザ”，レーザー研究，Ｖｏｌ．１７，Ｎｏ．１
０（１９８９）に記載されている。

【０００４】この様な高電圧パルス発生装置において、
磁性部品である昇圧用パルス変圧器、５６あるいは可飽
和リアクトル６０，６２には、低磁心損失、低銅損、低
リーケージインダクタンス、高絶縁耐圧、製作の容易さ
等が要求されている。

【０００５】このうち低磁心損失化という点からは、特
開平−１１０７０７に開示される磁心を用いることによ
り対策できるが、他の要求に対しては、巻線方法が大き
く関係する。

【０００６】前記磁性部品のうち、磁気パルス圧縮回路
を構成する最終段の可飽和リアクトルについては、一般
に巻数を１ターンとすることが必要なため、特開平１−
９８２０６に開示されるような同軸構造で前記要求を満
足するようなものが得られている。

【０００７】しかし、昇圧用パルス変圧器や磁気パルス
圧縮回路を構成する可飽和リアクトルのうちの最終段よ
り前段側の可飽和リアクトルでは、一般に、複数の巻数
を持った巻線を設けるため、前記要求を同時に満足する
ことが困難であった。

【０００８】例えば、特開昭６３−２２９７８５に開示
される図３に示すような複数本の巻線３１ａ〜ｇを、磁
心６に所定の巻数だけ独立に巻回し、これら複数本の巻
線を並列接続した方式では、表皮効果の影響による銅損
増加を防止し、リーケージインダクタンスも低減するた
め、使用する巻線径を細くするとともに磁心に独立に巻
く巻線の数を増加させることが重要だが、この場合、独
立に巻く巻線の数を増加させると巻線の入出力端の縁面
距離を取ることが困難になるため絶縁特性が低下すると
ともに、巻線作業が煩雑となる問題がある。

【０００９】このため図４に示すように複数の巻線３２
ａ〜ｅを並列にして磁心６に巻く方法があるが、この場
合、並列巻線のうちの中心部の巻線３２ｂ，３２ｃ，３
２ｄは表皮効果の影響により、パルス電流は、巻線３２
ａや３２ｅに比べて流れにくくなるため、銅損が増加す
る問題がある。

【００１０】また、特開昭６３−２２９７８６に開示さ
れ図５に示すような平板状導体４１を巻線に用い磁心６
に巻き、磁心表面を被覆するように構成した磁性部品も
知られているが、この場合も同様に表皮効果の影響によ
り平板状導体の端部に比べて中央部分でパルス電流が流
れにくくなるため、銅損が増加してしまう問題がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように従
来の高電圧パルス発生装置用磁性部品では、主に巻線方
法に関係する低銅損、低リーケージインダクタンス、高
絶縁耐圧、製作の容易さの要求特性を同時に満足するこ
とができなかった。

【００１２】本発明の目的は、上記のような従来技術の
問題点を解決し、可飽和リアクトルやパルス変圧器等の
高電圧パルス発生用磁性部品に要求される低銅損、低リ
ーケージインダクタンス、高絶縁耐圧、製作の容易さ等
を同時に満足する高電圧パルス発生用磁性部品及び同磁
性部品を用いた高電圧パルス発生装置を提供することで
ある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、本発明の高電圧パルス発生用磁性部品は、表面に絶縁
の施された複数の導体により構成された平板状編組線を
巻線として用い、同磁性部品の磁心を被覆するようにし
て巻いたことを特徴とする高電圧パルス発生用磁性部品
である。

【００１４】このような構成を取ることにより、表皮効
果の影響による銅損増加が極めて少なくなるとともに、
低リーケージインダクタンス化、高絶縁耐圧化が可能に
なり、折り曲げ等もしやすく巻線も容易に巻くことがで
きるため製作も簡単になり、従来同時に満足することが
できなかった低銅損、低リーケージインダクタンス、高
絶縁耐圧、製作の容易さの要求を満たすことができる。

【００１５】磁性部品が可飽和リアクトルである場合、
低リーケージインダクタンス化により磁心飽和後のイン
ダクタンス化が低減でき、高絶縁耐圧かつ巻線も容易な
ため小形化が可能になるとともに、低銅損でもあるので
、可飽和リアクトルの損失も低減できる。

【００１６】磁性部品がパルス変圧器である場合、低リ
ーケージインダンタンス化により、同パルス変圧器の巻
線を流れるパルス電流のパルス幅を短くすることが可能
になり、適応できるパルス幅の範囲もより短パルス側に
広がるとともに、高絶縁耐圧化と巻線が容易であるため
小形化も可能かつ低銅損でもあるのでパルス変圧器の損
失も小さくできる。

【００１７】また、本発明による磁性部品を用いた高電
圧パルス発生装置は、従来の磁性部品を用いた高電圧パ
ルス発生装置に比べて磁性部品の小形化と低損失化が図
れるため、高電圧パルス発生装置の小形化と高効率化が
可能となる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例について詳細に説明す
るが、本発明はこれら実施例に限るものではない。

【００１９】（実施例１）図６に示す高電圧パルス発生
回路を用い、実際の回路を設計評価した。

【００２０】図６において、主コンデンサ５５の容量を
３８０ｎＦ、コンデンサ５９，６１，６３の容量をいず
れも１５ｎＦ、可飽和リアクトル６２を１００φ×５０
φ×２５（ｍｍ）の鉄基超微結晶質磁性合金Ｆｅ７３．
５Ｃｕ１Ｓｉ１３．５Ｂ９Ｎｂ３よりなる最大動作磁束
密度量△Ｂｍ＝２．５Ｔ、磁心の有効断面積Ａｅ＝４５
０ｍｍ２の磁心を６個スタックし、特開平１−９８２０
６に開示される構成の同軸１ターンの巻線を施した。

【００２１】この時、パルス幅１００ｎｓ、波高値２７
ｋＶの電圧パルスをコンデンサ６３に入力するには、コ
ンデンサ６１に入力される電圧パルスのパルス幅を５０
０ｎｓとする必要があることがわかった。

【００２２】このパルス幅を得るためには図６の回路で
可飽和リアクトル６０には約３．４μＨ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６０を、１
６０φ×８０φ×２５（ｍｍ）の鉄基超微結晶質磁性合
金Ｆｅ７３．５Ｃｕ１Ｓｉ１３．５Ｂ９Ｎｂ３よりなる
最大動作磁束密度量△Ｂｍ＝２．５Ｔ、磁心の有効断面
積Ａｅ＝７００ｍｍ２の磁心を４個用い、図１の断面図
に示すように巻数５ターンとして構成した。

【００２３】図１において、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は鉄基超微結晶質磁性合金薄帯を用
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は磁心同士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共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平板状編組線を
用い、Ｗ．Ｓ．ＭＥＬＶＩＬＬＥ：“ＴＨＥ　ＵＳＥ　
ＯＦ　ＳＡＴ−ＵＲＡＢＬＥ　ＲＥＡＣＴＯＲＳ　ＡＳ
　ＤＩＳＣＨＡＲＧＥ　ＤＥＶＩＣＥＳ　ＦＯＲ　ＰＵ
ＬＳＥ　ＧＥＮＥＲＡＴＯＲＳ”，ＩＥＥ（ＬＯＮＤＯ
Ｎ）Ｖｏｌ．９８，Ｐａｒｔ３，Ｎｏ．５３，ｐｐ１８
５〜２０７，１９５１年に示されるような２本の巻線を
並列に巻いた巻線であり、同平板状編組線は導体径０．
１２ｍｍの１種ＵＥＷマグネットワイヤーを４９０本用
い、厚さ１．６ｍｍ、幅１５ｍｍとして構成してある。 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順に流れ磁心端
側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。

【００２４】図２ａは、図１中のＡ−Ａ断面を示す図で
ある。図中１４は磁心端面を均一に冷却するための冷媒
の流路を磁心端面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へと流
れる。尚、本実施例では冷媒として、粘度５ｍｍ２／Ｓ
のシリコン油を用いた。

【００２５】本実施例による可飽和リアクトル６０によ
れば、コンデンサ５９の電圧波高値２８．６ｋＶとして
、パルス電流ｉ１のパルス幅２．５μｓに対し、パルス
電流ｉ２のパルス幅約５００ｎｓが得られ、可飽和リア
クトル６２を介して前記波高値２７ｋＶの電圧パルスを
コンデンサ６３にパルス幅約１００ｎｓで入力すること
ができた。

【００２６】また、このときの可飽和リアクトル６０の
損失は１８０ｍＪであった。なお、比較のために、図１
の構成の可飽和リアクトル６０において、巻線を厚さ０
．５ｍｍ、幅１５ｍｍのアルミ板を用いた図５に示した
従来例、および線径０．９ｍｍの１種ＵＥＷマグネット
ワイヤーを１０本並列とした図４に示した従来例とした
場合の損失を測定した。結果を本実施例の値とともに表
１に示しておく。

【００２７】

【表１】 （実施例２）図６において、昇圧パルス変圧器５６とし
ては、サイリスタの耐圧の制限から昇圧比を１：５に設
定する必要があるため、昇圧パルス変圧器５６の１次巻
線５７を１ターン、同２次巻線５８を５ターンとし、磁
心には前記可飽和リアクトル６０と全く同一の組成、寸
法及びスタック数のものを用い、１次巻線は特開平１−
９８２０６に開示される同軸１ターンの構成とし、２次
巻線には前記図１に示す可飽和リアクトル６０の巻線と
全く同一の構成のものを用いた。この場合、入力電源５
１の電圧を６．３ｋＶとしたとき、昇圧パルス変圧器５
６の２次巻線５８からコンデンサ５９に流れる電流ｉ１
のパルス幅約２．５μｓが得られ、コンデンサ５９の電
圧波高値を２８．６ｋＶとすることができ、昇圧パルス
変圧器５６の損失は２５０ｍＪであった。また主コンデ
ンサ５５から最終段のピーキングコンデンサ６３までの
エネルギ転送効率は可飽和リアクトル６０にも本発明の
方式を用いた場合、約７３％であった。

【００２８】一方、昇圧パルス変圧器５６の２次巻線５
８として、前記可飽和リアクトル６０のときと同様の従
来例図４及び従来例図５の方式を用いた場合の昇圧パル
ス変圧器５６の損失、ならびに主コンデンサ５５からピ
ーキングコンデンサ６３までのエネルギ転送効率を測定
した。結果を表２に示しておく。

【００２９】

【表２】

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、低
銅損、低リーケージインダクタンス、高絶縁耐圧、製作
の容易さの要求特性を同時に満足した可飽和リアクトル
及びパルス変圧器等の磁性部品を得ることができるため
、これら磁性部品の小形・軽量化と高効率化が図れる。

【００３１】また、本発明による磁性部品を用いること
により、小形・軽量かつ高効率の高電圧パルス発生装置
を得ることができる。

【００３２】また、磁性部品の損失を低減できるため、
従来用いられなかった高繰り返し動作の必要な用途での
利用が可能となる他、磁性部品の損失が小さいため大が
かりな冷却装置を設けなくてもよい等の利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による磁性部品の一実施例であって可飽
和リアクトルへの適用を示す構成断面図である。

【図２】図１の可飽和リアクトルのＡ−Ａ面断面図であ
る。

【図３】従来用いられていた磁性部品の構成を示す図で
ある。

【図４】従来用いられていた磁性部品の巻線を示す図で
ある。

【図５】従来用いられていた磁性部品の他の構成を示す
図である。

【図６】本発明の評価及び従来例との比較に用いた高電
圧パルス発生回路の主回路構成図である。

【符号の説明】 ６　　巻磁心 １２　　平板状編組線 ５６　　昇圧パルス変圧器 ６０　　過飽和リアクトル

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　高電圧パルス発生用磁性部品において
   、表面に絶縁の施された複数の導体により構成された平
   板状編組線を巻線として用い、同磁性部品の磁心を被覆
   するようにして巻かれたことを特徴とする高電圧パルス
   発生用磁性部品。
2. 【請求項２】　　磁性部品は可飽和リアクトルである請
   求項１に記載の高電圧パルス発生用磁性部品。
3. 【請求項３】　　磁性部品はパルス変圧器である請求項
   １に記載の高電圧パルス発生用磁性部品。
4. 【請求項４】　　請求項１乃至３のいずれかに記載の高
   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。