磁気コンポーネントの紹介

エレクトロニクスが私たちの日常生活にますます普及するにつれて、ほとんどのユーザーは少数の種類のコンポーネントしか認識しなくなりました。 インターネットで検索すると、半導体、マイクロプロセッサ、トランジスタなどがヒットしますが、それらのデバイスが機能するために不可欠な磁気コンポーネントについてはほとんど出てきません。

電子技術者と話していても、この質素なインダクタとトランスは非常に低技術だと考えられています。 実際、これらの受動部品の設計と構築には、多くの技術とノウハウが適用されています。

テクノロジーとユーザーの両方の観点から、磁気は 4 つの主要なカテゴリに分類できます。 低周波、高周波、絶縁型、非絶縁型。 多くの場合、特定の電気的および物理的パラメーターを満たすためにカスタム設計が必要になります。 規格に従って材料効率を最大化することの重要性が、変圧器設計エンジニアを動かします。 創傷コンポーネントの分野では、主な革新は材料研究によって推進されています。

低周波数は通常 50 または 500Hz とみなされ、ヨーロッパでは 220 ～ 240 V の AC 単相主電源入力に接続され、南北アメリカでは 115 V AC の主電源入力に接続されます。 アプリケーションには、ライン フィルタリング、モーター ドライブ、無停電電源装置 (UPS)、ポンプ、コンベヤ システム、HVAC 機器、リニア電源、電力計量などが含まれます。

高効率スイッチモード電源 (SMPS) の導入により、高周波磁気の使用がより一般的になりました。初期の周波数は約 16 kHz で、人間の可聴限界をわずかに上回っていましたが、現在では MHz になる可能性があります。 これらのタイプの電源は現在、主にモバイル機器の充電や、LED、テレビ、コンピュータ、通信機器、さらには電気自動車の制御と保護のスイッチングに使用されています。

非絶縁磁気は、電気ノイズを低減したりエネルギーを一時的に保存したりするために使用されるインダクタ、AC 電圧を「昇圧」または「降圧」するためのフィルタおよび変圧器で構成されます。 たとえば、降圧変圧器は 400V AC (英国では 415V AC) の入力を 230V AC に下げるために使用されます。

ラップトップの電源など、人が電気に触れる可能性がある場合、感電を避けるために絶縁変圧器が使用されます。主電源 (一次) 回路は、変圧器を使用して二次側から分離されています。内部では、変圧器の巻線には 1 つまたは 2 つの巻線があります。プラスチックのボビンや絶縁テープで構成される絶縁層を増やす必要があります。最も過酷な用途の 1 つは医療産業で使用される製品で、バリアには三重絶縁や数ミリメートルの間隔が使用されます。トロイダル絶縁トランスは、電子機器が患者に直接接触する可能性がある場合に追加の保護を提供するためによく使用されます。

磁気コンポーネントは、コア、ボビン、またはマンドレル (空芯インダクタの場合) に巻かれたワイヤまたはフォイルで構成され、絶縁体がある場合とない場合があります。非常に単純なコンポーネントの大量生産の場合は、自動化が可能ですが、トランスやインダクタの大部分は、かなりの労力を要します。

低周波磁気は通常、コア材料にスチールまたは鉄の積層を使用します。 これらは E および I 形状の形で、ボビンと巻線の周りに交互に配置されます。 あるいは、結晶配向シリコン鉄を巻いてドーナツ形状を形成するトロイダルコアを使用することもできます。 次に、ワイヤと絶縁体をコアの周りに巻き付けます。 このプロセスには時間がかかりますが、コアの形状により、これらのタイプのトランスは漂遊磁場が非常に低く、効率が高いため、全体のサイズが小さくなります。

高周波磁石は通常、コアにフェライトまたは粉末鉄材料を使用しており、さまざまな形状で入手できます。 より複雑な変圧器の設計と構造は、適用される規格だけでなく、サイズ、インピーダンス、漏れ、沿面距離によっても相殺されます。 通常、定格周波数が高くなるほど、インダクタは小さくなります。 これを克服するには、複数のより線、またはテープで絶縁する必要があるフォイルが使用されます。場合によっては、一次巻線が 2 つの別々の巻線に分割され、磁気結合を改善するために二次巻線を「挟み込む」ことになります。 TIW (三重絶縁ワイヤ) は、ハイポット テストでより優れたパフォーマンスを保証するためによく使用されます。

ワイヤをボビンに巻き付けるのに機械が使用されますが、巻線間に絶縁テープを追加し、終端用のワイヤのコーティングを除去し、フライング リードにスリーブを追加して安全バリアの完全性を保護し、コアを取り付けるには手作業での組み立てが必要です。

用途に応じて、トランスとインダクタは安全認証の対象となる場合があります。 この場合、VDE、CENELEC、UL、CSA などの独立した試験機関が構造を検査し、電気試験を実施します。 受け入れテストを処理し、動作条件で変圧器をシミュレートして、通常動作時または巻線の短絡時に部品が過熱しないようにするための装備を備えることが重要です。 型式試験 (熱試験やサージ試験など) については、最終顧客と合意する必要があります。 部品の周囲温度と動作温度によっても、選択する絶縁クラスが決まります。 130 °C (B)、155 °C (F)、および 180 °C (H) が標準的な温度定格です。

変圧器の設計基準には常に「安全マージン」が含まれています。たとえば、クラス H の変圧器設計では、巻線の最大動作温度が 125°C でなければなりません。 これは、設計エンジニア クラス H では、規制により課される周囲温度 +40°C +15°C の安全マージンが許容されるためです。