專(zhuān)利名稱(chēng)：電感元件的直流疊加特性的分析方法及電磁場(chǎng)模擬裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在例如DC-DC轉(zhuǎn)換器等所使用的電感元件的直流疊加特性的求取的 方法及電磁場(chǎng)模擬裝置。
背景技術(shù)：
電感元件具有由磁性材料構(gòu)成的鐵心、向鐵心供給勵(lì)磁電流的線(xiàn)圈，且勵(lì)磁的鐵 心根據(jù)磁性磁滯曲線(xiàn)(也稱(chēng)為B-H曲線(xiàn)、磁化曲線(xiàn))追循非線(xiàn)形的履歷進(jìn)行動(dòng)作。在電感 元件的設(shè)計(jì)中，應(yīng)用了計(jì)算機(jī)的電磁場(chǎng)的數(shù)值分析，不僅在研究開(kāi)發(fā)中被使用并且在日常 的設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)中也被廣泛使用。但是，近年來(lái)，伴隨DC-DC轉(zhuǎn)換器等設(shè)備的大電流化，為了緩 和鐵心的磁性飽和，在磁路中設(shè)置多個(gè)磁隙等，該磁性回路復(fù)雜化，其結(jié)果就產(chǎn)生了分析值 和實(shí)測(cè)值大大背離的問(wèn)題。作為在這種數(shù)值分析所使用的方法之一，特開(kāi)平05-099963號(hào)公開(kāi)了一種裝置， 其對(duì)由疊加有直流電流的交流電流所勵(lì)磁的磁性部件的電感進(jìn)行計(jì)算，其具備第一磁通 密度計(jì)算機(jī)構(gòu)，基于以與所述磁性部件同一材質(zhì)制成反磁場(chǎng)系數(shù)極小的形狀的磁性材料的 初磁化特性，計(jì)算與所述磁性部件的直流電流成分所對(duì)應(yīng)的磁通密度；決定材料常數(shù)的機(jī) 構(gòu)，基于所述第一磁通密度計(jì)算機(jī)構(gòu)計(jì)算的磁通密度和所述磁性材料的增量導(dǎo)磁率，來(lái)決 定材料常數(shù)；第二磁通密度計(jì)算機(jī)構(gòu)，基于所述材料常數(shù)計(jì)算與所述磁性部件的交流電流 成分所對(duì)應(yīng)的磁通密度；計(jì)算電感的機(jī)構(gòu)，基于所述第二磁通密度計(jì)算機(jī)構(gòu)計(jì)算的磁通密 度來(lái)計(jì)算所述磁性部件的電感。就所述增量導(dǎo)磁率而言，從通過(guò)使用環(huán)狀的試樣對(duì)直流疊 加特性進(jìn)行評(píng)價(jià)所得到的電感值、試樣的磁路長(zhǎng)度及截面積、線(xiàn)圈的圈數(shù)等，而被計(jì)算出。 另外，求取與所疊加的直流成分所對(duì)應(yīng)的試樣的磁場(chǎng)強(qiáng)度，且基于初磁化特性求取磁通密 度及增量導(dǎo)磁率。在特開(kāi)平05-099963號(hào)記載的電感的計(jì)算方法中，通過(guò)使用環(huán)狀的試樣的直流疊 加特性的評(píng)價(jià)來(lái)決定材料常數(shù)，因此，即使不試制磁性部件也能夠高精度地計(jì)算電感。但 是，由于需要直流疊加特性的評(píng)價(jià)，由此是繁雜的；并且由于在由直流疊加特性和初磁化特 性獲得的動(dòng)作點(diǎn)(磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁通密度)中沒(méi)有考慮基于交流電流的子環(huán)路，由此存在進(jìn) 一步提高數(shù)值分析的精度的余地。另外，電感元件的磁性特性有時(shí)因使用溫度、應(yīng)力、直流電流等而變化，但是，在特 開(kāi)平05-099963號(hào)中沒(méi)有任何考慮。沒(méi)有考慮入這些要素時(shí)，作為電感元件的磁性特性分 析方法是不充分的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種在考慮使用環(huán)境的同時(shí)通過(guò)使用磁場(chǎng)分析模擬裝 置以比現(xiàn)有技術(shù)更簡(jiǎn)單且高精度對(duì)電感元件的直流疊加特性進(jìn)行分析的方法、及其所使用 的電磁場(chǎng)模擬裝置?！N使用磁場(chǎng)分析模擬裝置對(duì)電感元件的直流疊加特性進(jìn)行分析的本發(fā)明的方法，其特征在于，具有第一工序，對(duì)于由與電感元件相同的磁性材料構(gòu)成的環(huán)形鐵心，求取從初磁化狀 態(tài)到飽和磁化的初磁化曲線(xiàn)，且求取所述初磁化曲線(xiàn)上的動(dòng)作點(diǎn)不同的多個(gè)子環(huán)路，并且 從各動(dòng)作點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的所述子環(huán)路的斜度所定義的增量導(dǎo)磁率，獲得表示磁通密度或磁場(chǎng) 強(qiáng)度和增量導(dǎo)磁率的關(guān)系的點(diǎn)列數(shù)據(jù)；第二工序，對(duì)于通過(guò)所述電感元件網(wǎng)狀分割而成的分析模型的各要素，利用磁場(chǎng) 分析模擬裝置基于所述環(huán)形鐵心的初磁化曲線(xiàn)求取與規(guī)定的直流施加電流所對(duì)應(yīng)的動(dòng)作 點(diǎn)，且基于所述動(dòng)作點(diǎn)從所述點(diǎn)列數(shù)據(jù)分配增量導(dǎo)磁率，對(duì)由各要素的增量導(dǎo)磁率所獲得 的電感值進(jìn)行積分求取所述電感元件整體的電感值；第三工序，通過(guò)以不同的直流施加電流重復(fù)所述第二工序，由此獲得直流疊加特 性。將所述磁性體(鐵心)預(yù)先磁化后，能夠?qū)υ诒淮呕那闆r下的直流疊加特性進(jìn) 行分析?；趯?duì)于所述分析模型所預(yù)先求取的應(yīng)力分析結(jié)果，在第一工序求取在所述環(huán)形 磁性體施加了應(yīng)力的狀態(tài)下的點(diǎn)列數(shù)據(jù)，在第二工序使用與各要素的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)列 數(shù)據(jù)，由此即使作用于磁性體的應(yīng)力不均勻，也能夠精度良好地分析磁性體的直流疊加特 性?；趯?duì)于所述分析模型所預(yù)先求取的熱分析結(jié)果，在第一工序求取在規(guī)定溫度的 點(diǎn)列數(shù)據(jù)，在第二工序使用與各要素的溫度狀態(tài)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)列數(shù)據(jù)，由此即使由于渦電流損 失等產(chǎn)生的熱而使磁性體的溫度不均一，也能夠精度良好地分析磁性體的直流疊加特性。一種電磁場(chǎng)模擬裝置，對(duì)電感元件的直流疊加特性進(jìn)行分析，其特征在于，具有儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)，儲(chǔ)存對(duì)于由與電感元件相同的磁性材料構(gòu)成的環(huán)形鐵心所求取的從初 磁化狀態(tài)到飽和磁化的初磁化曲線(xiàn)的數(shù)據(jù)、和儲(chǔ)存對(duì)于所述初磁化曲線(xiàn)上的動(dòng)作點(diǎn)不同的 多個(gè)子環(huán)路所得到的磁通密度或磁場(chǎng)強(qiáng)度和增量導(dǎo)磁率的關(guān)系得以表示的點(diǎn)列數(shù)據(jù)；輸入機(jī)構(gòu)，輸入所述電感元件的分析模型；計(jì)算機(jī)構(gòu)，對(duì)于所述分析模型的網(wǎng)狀分割的各要素，基于所述環(huán)形鐵心的初磁化 曲線(xiàn)求取與規(guī)定的直流施加電流所對(duì)應(yīng)的動(dòng)作點(diǎn)，且基于所述動(dòng)作點(diǎn)從所述點(diǎn)列數(shù)據(jù)分配 增量導(dǎo)磁率，對(duì)由各要素的增量導(dǎo)磁率所獲得的電感值進(jìn)行積分，由此獲得所述電感元件 的電感值。根據(jù)利用從初磁化曲線(xiàn)上的動(dòng)作點(diǎn)不同的多個(gè)子環(huán)路所求取的各動(dòng)作點(diǎn)的增量 導(dǎo)磁率由磁場(chǎng)分析模擬裝置進(jìn)行分析的本發(fā)明的方法，能夠以比現(xiàn)有技術(shù)更簡(jiǎn)單且高精度 進(jìn)行電感元件的直流疊加特性的分析。另外，也能夠在分析中加上溫度及應(yīng)力的影響。因 此，能夠?qū)⑿枰獦O多時(shí)間及費(fèi)用的制品的試制及評(píng)價(jià)的工序削減，并且能夠以低成本設(shè)計(jì) 電感元件。


圖1是表示用于說(shuō)明本發(fā)明的分析方法的磁化曲線(xiàn)的圖表；圖2是表示用于說(shuō)明本發(fā)明的分析方法的子環(huán)路的圖表；圖3是表示一邊施加應(yīng)力一邊計(jì)測(cè)環(huán)形鐵心的磁性特性的裝置的概略圖4是表示本發(fā)明的分析方法所使用的環(huán)形鐵心的磁化曲線(xiàn)的圖表；圖5是表示本發(fā)明的分析方法所使用的電感元件的分析模型的一例的立體圖；圖6是表示本發(fā)明的方法的直流疊加特性的分析值和實(shí)測(cè)值的圖表；圖7是表示本發(fā)明的分析方法所使用的電感元件的分析模型的其它的例的立體 圖；圖8是圖7的分析模型的縱斷面圖；圖9是表示在有應(yīng)力下及無(wú)應(yīng)力下由本發(fā)明的方法所獲得的初磁化曲線(xiàn)的圖表；圖10是表示在有應(yīng)力下及無(wú)應(yīng)力下由本發(fā)明的方法所獲得的磁場(chǎng)強(qiáng)度和增量導(dǎo) 磁率的關(guān)系的圖表；圖11是表示在有應(yīng)力下由本發(fā)明的方法所獲得的直流疊加特性的分析值和實(shí)測(cè) 值的圖表。
具體實(shí)施例方式在對(duì)電感元件的直流疊加特性進(jìn)行分析的本發(fā)明的方法中，在直流電流的動(dòng)作點(diǎn) 的分析中使用自初磁化狀態(tài)到初飽和磁化的磁化曲線(xiàn)，在交流電流的距動(dòng)作點(diǎn)的磁通密度 的變化分析中使用子環(huán)路的斜度(增量導(dǎo)磁率)。在這種本發(fā)明的分析方法中反映上述兩 根磁化曲線(xiàn)的特征。本發(fā)明的電感元件的直流疊加特性的分析方法具有如下的三個(gè)工序。[1]第一工序在第一工序中，對(duì)于由與電感元件相同的磁性材料構(gòu)成的環(huán)形鐵心測(cè)定自初磁化 狀態(tài)到飽和磁化為止的初磁化曲線(xiàn)的主環(huán)路、所述初磁化曲線(xiàn)上的動(dòng)作點(diǎn)不同的多個(gè)子環(huán) 路。再測(cè)定它們的應(yīng)力依存性及溫度依存性之后，能夠分析電感元件內(nèi)的應(yīng)力分布、與周邊 環(huán)境溫度或自己發(fā)熱對(duì)應(yīng)的電感元件的直流疊加特性。參照?qǐng)D1，利用下述的具體例說(shuō)明初磁化曲線(xiàn)及子環(huán)路的測(cè)定方法，但是，本發(fā)明 不限于此。在由外徑30mmX內(nèi)徑20mmX厚度7. 5mm磁性材構(gòu)成的消磁狀態(tài)的環(huán)形鐵心中， 一次線(xiàn)圈及二次線(xiàn)圈分別卷繞80圈。圈數(shù)可以根據(jù)環(huán)形鐵心的導(dǎo)磁率及尺寸適當(dāng)增減。一 次線(xiàn)圈經(jīng)由電阻器與電源連接。將所述電阻器的兩端電壓表示為數(shù)字示波器的橫軸，將二 次線(xiàn)圈的輸出表示為數(shù)字示波器的縱軸。使B-H分析器的電源電壓(與磁場(chǎng)成比例)從初磁化狀態(tài)慢慢上升到飽和磁通密 度(Bmax)后，慢慢返回零，將極性反轉(zhuǎn)后再次使磁通密度上升到飽和，最后慢慢返回零后， 獲得初磁化曲線(xiàn)(主環(huán)路)。圖1表示第1象限的主環(huán)路。如圖2所示，在初磁化曲線(xiàn)的中途(例如點(diǎn)11)使電源電壓稍微降低時(shí)，電流值 (與磁場(chǎng)強(qiáng)度H成比例)減少，但是，并非回到初磁化曲線(xiàn)上，沿著稱(chēng)為子環(huán)路的循環(huán)曲線(xiàn)的 上側(cè)曲線(xiàn)部減少到點(diǎn)12。使電源電壓再次上升時(shí)，沿著子環(huán)路的下側(cè)曲線(xiàn)部而電流值增加， 返回初磁化曲線(xiàn)上的點(diǎn)11。這樣，計(jì)測(cè)鐵心的初磁化曲線(xiàn)及初磁化曲線(xiàn)上的多個(gè)子環(huán)路。 另外，在自初磁化狀態(tài)到飽和磁化之間求取初磁化曲線(xiàn)，同時(shí)能夠以規(guī)定的磁場(chǎng)強(qiáng)度(Hn、 Hn+1, Hn+2,…)求取子環(huán)路。另外，使用消磁狀態(tài)的鐵心，分別進(jìn)行子環(huán)路的計(jì)測(cè)和初磁 化曲線(xiàn)的計(jì)測(cè)也可。只要對(duì)預(yù)先給予規(guī)定的磁場(chǎng)強(qiáng)度所磁化的磁性體進(jìn)行上述測(cè)定，就能夠獲得磁化 狀態(tài)不同的鐵心的初磁化曲線(xiàn)及子環(huán)路。
在給予鐵心的應(yīng)力改變的情況下，能夠求取初磁化曲線(xiàn)及子環(huán)路的應(yīng)力依存性。 圖3表示應(yīng)力依存性的測(cè)定裝置。該裝置具備載置由磁性材料構(gòu)成的鐵心10的定盤(pán)25、對(duì) 鐵心10付與應(yīng)力的加壓夾具30，加壓夾具30具備張力計(jì)20、其下端所固定的板部件15。 為了對(duì)鐵心10付與均一的應(yīng)力，也可以在定盤(pán)25及板部件15設(shè)置圓弧狀凹部。在定盤(pán)25 上載置具有與電源及示波器連接的一次線(xiàn)圈IOa及二次線(xiàn)圈IOB的鐵心10，板部件15接觸 鐵心10的外周部，由加壓夾具30付與規(guī)定的應(yīng)力，對(duì)初磁化曲線(xiàn)及子環(huán)路進(jìn)行計(jì)測(cè)。在改變周?chē)鷾囟冗M(jìn)行上述測(cè)定的情況下，能夠測(cè)定初磁化曲線(xiàn)及子環(huán)路的溫度依 存性。例如通過(guò)將鐵心保持于+85°C的恒溫槽內(nèi)而使鐵心設(shè)定為+85°C的溫度，進(jìn)行上述測(cè) 定。子環(huán)路的增量導(dǎo)磁率由連接磁場(chǎng)的上升點(diǎn)(圖2的左側(cè)的點(diǎn)12)和下降點(diǎn)(圖2 的右側(cè)的點(diǎn)11) 二點(diǎn)之間的直線(xiàn)的斜率(ΔΒ/ΔΗ)表示。圖2的中央的點(diǎn)13為子環(huán)路的 動(dòng)作點(diǎn)(B’，H’)。另外，在圖2中為了說(shuō)明夸大了子環(huán)路的膨漲，但是，實(shí)際上大致是直線(xiàn) 狀。在用于DC-DC轉(zhuǎn)換器的情況下，通常給予50 IOOmA范圍的交流電流。施加全振 幅ΔΙ的交流(例如高頻的三角波)時(shí)，獲得與在ΔΙ上乘以線(xiàn)圈圈數(shù)N的磁場(chǎng)強(qiáng)度ΔΗ 所對(duì)應(yīng)的子環(huán)路。例如在三角波的情況下，在DC-DC轉(zhuǎn)換器的動(dòng)作中直流上疊加了三角波 的電流會(huì)在電感元件中流動(dòng)。交流電流振幅過(guò)大時(shí)子環(huán)路中產(chǎn)生變形，不能得到子環(huán)路的 直線(xiàn)性。在該情況下只要減少施加磁場(chǎng)即可。在構(gòu)成電感元件的磁性體內(nèi)，以與直流磁場(chǎng)強(qiáng)度H對(duì)應(yīng)的磁通密度B’為中心，以 高頻的開(kāi)關(guān)頻率改變磁通密度。在利用子環(huán)路的直線(xiàn)性、根據(jù)連接磁場(chǎng)的上升點(diǎn)12和下降點(diǎn)11的直線(xiàn)的斜率求 取子環(huán)路的動(dòng)作點(diǎn)13(B’，H’)的增量導(dǎo)磁率△ μ的情況下，可獲得表示磁通密度或磁場(chǎng)強(qiáng) 度和增量導(dǎo)磁率的關(guān)系的點(diǎn)列數(shù)據(jù)，能夠進(jìn)行交流電流所引起的距動(dòng)作點(diǎn)13的磁通密度 或磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化的模擬。動(dòng)作點(diǎn)(Β’，H’ )為子環(huán)路的中點(diǎn)，因此，根據(jù)在磁場(chǎng)的下降點(diǎn) 11的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hnl及磁通密度Bnl和在磁場(chǎng)的上升點(diǎn)12的磁場(chǎng)強(qiáng)度Ηη2及磁通密度&ι2， B’、H’及增量導(dǎo)磁率Δ μ表示如下。H，= (Hnl+Hn2)/2B，= (Bnl+Bn2)/2Δ μ = ΔΒ/ΔΗ對(duì)于由與電感元件相同的磁性材料構(gòu)成的環(huán)形鐵心所預(yù)先計(jì)測(cè)的初磁化曲線(xiàn)、及 表示磁通密度或磁場(chǎng)強(qiáng)度和增量導(dǎo)磁率的關(guān)系的點(diǎn)列數(shù)據(jù)，儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)內(nèi)存內(nèi)的數(shù)字?jǐn)?shù) 據(jù)表中。根據(jù)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存量提高模擬精度。測(cè)定時(shí)的溫度及應(yīng)力、初始的磁化狀態(tài)及磁場(chǎng)強(qiáng)度 的測(cè)定點(diǎn)，雖然為了計(jì)算精度提高而越多越好，但是，這些中的幾個(gè)通過(guò)基于初磁化曲線(xiàn)、 及表示磁通密度或磁場(chǎng)強(qiáng)度和增量導(dǎo)磁率的關(guān)系的點(diǎn)列數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插來(lái)求取也可。在這樣的第一工序中制作在基于直流電流的磁通密度的分析所使用的初磁化曲 線(xiàn)、及在基于交流電流的距動(dòng)作點(diǎn)的磁通密度的變化程度的分析所使用的用于表示磁通密 度或磁場(chǎng)強(qiáng)度和增量導(dǎo)磁率的關(guān)系的點(diǎn)列數(shù)據(jù)。[2]第二工序在第二工序中使用電磁場(chǎng)模擬裝置計(jì)算電感。在本發(fā)明中，作為電磁場(chǎng)模擬裝置使用例如株式會(huì)社日本總研ソリユーッョンズ所提供的電磁場(chǎng)分析軟件JMAG(注冊(cè)商 標(biāo))，進(jìn)行過(guò)渡響應(yīng)分析。對(duì)于電磁場(chǎng)模擬裝置的各種功能的說(shuō)明省略，但是，就增量導(dǎo)磁 率Δ μ而言，使用在電磁場(chǎng)模擬裝置所附屬的、按每個(gè)要素定義磁化特性的用戶(hù)子程序 magusr.f，將磁通密度和Δ μ的點(diǎn)列數(shù)據(jù)變換為DLL文件(動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件)，通過(guò)寫(xiě)入能 夠分配。分析分為二段進(jìn)行計(jì)算。第一段中，基于在第一工序中獲得的初磁化曲線(xiàn)求取與 直流施加電流(Idc)所對(duì)應(yīng)的各分析要素的動(dòng)作點(diǎn)。在第二段中，將在第一段獲得的分析 結(jié)果作為初始值，使用重新啟動(dòng)功能將交流電流的變化ΔΙ設(shè)定為30mA，求取與初始值所 對(duì)應(yīng)的磁通變化Δ Φ。在此所改變的電流值，只要不脫離子環(huán)路以線(xiàn)形能夠近似的范圍，可 以是任意的大小。獲得的磁通變化ΔΦ除以電流變化ΔΙ，來(lái)計(jì)算電感。在初磁化曲線(xiàn)及 增量導(dǎo)磁率中，優(yōu)選取入環(huán)境溫度、線(xiàn)圈的發(fā)熱、及磁化狀態(tài)等的影響。例如在+85°C的環(huán)境溫度的直流疊加特性的分析中，使用在+85°C從子環(huán)路求取 的表示磁通密度或磁場(chǎng)強(qiáng)度和增量導(dǎo)磁率的關(guān)系的點(diǎn)列數(shù)據(jù)。另外在向線(xiàn)圈施加持續(xù)的直 流電流的情況下，對(duì)于使根據(jù)線(xiàn)圈的發(fā)熱量及鐵心的熱容量計(jì)算的溫度上升量在環(huán)境溫度 上加入后的溫度下所映射的各要素，使用表示磁通密度或磁場(chǎng)強(qiáng)度和增量導(dǎo)磁率的關(guān)系的 點(diǎn)列數(shù)據(jù)。在應(yīng)力下的直流疊加特性的分析中，使用從在付加了規(guī)定的應(yīng)力的狀態(tài)下測(cè)定的 子環(huán)路所求取的表示磁通密度或磁場(chǎng)強(qiáng)度和增量導(dǎo)磁率的關(guān)系的點(diǎn)列數(shù)據(jù)。在作用于磁性 體的應(yīng)力不均一的情況下，在以應(yīng)力所映射的各要素中，使用表示磁通密度或磁場(chǎng)強(qiáng)度和 增量導(dǎo)磁率的關(guān)系的點(diǎn)列數(shù)據(jù)。向所計(jì)算出的各要素的動(dòng)作點(diǎn)分配增量導(dǎo)磁率(與子環(huán)路的斜度相當(dāng))，求取基 于交流電流的距動(dòng)作點(diǎn)的磁通密度的變化程度。即，使用在第一工序中求取的磁通密度和 增量導(dǎo)磁率的點(diǎn)列數(shù)據(jù)，對(duì)各要素分配增量導(dǎo)磁率△ μ。當(dāng)然，基于該分析過(guò)程的直流疊 加特性的計(jì)算所使用的軟件不限于上述電磁場(chǎng)分析軟件，也可以使用其它的通用的分析軟 件。在本發(fā)明中，將點(diǎn)列數(shù)據(jù)作為空間數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。所謂空間數(shù)據(jù)是指根據(jù)距線(xiàn)圈的距 離及磁性飽和磁通密度具有空間的分布的數(shù)據(jù)。換言之，就空間數(shù)據(jù)而言，與鐵心全體具有 一個(gè)磁通密度的現(xiàn)有模型不同，是將按由有限要素法應(yīng)分析的要素不同的磁通密度進(jìn)行分 配的數(shù)據(jù)。在作為動(dòng)作點(diǎn)使用磁場(chǎng)強(qiáng)度的情況下，對(duì)于應(yīng)分析的各要素的磁場(chǎng)強(qiáng)度H使用磁 場(chǎng)強(qiáng)度和增量導(dǎo)磁率的點(diǎn)列數(shù)據(jù)，分配各分析要素的增量導(dǎo)磁率Δ μ。在動(dòng)作點(diǎn)中磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁通密度存在一對(duì)一的關(guān)系，因此，在與增量導(dǎo)磁率Δ μ 的關(guān)系中作為參數(shù)使用哪個(gè)均可，最終要求取電感值，因此，優(yōu)選使用磁通密度作為參數(shù)。[3]第三工序通過(guò)使直流施加電流Idc (磁場(chǎng)強(qiáng)度)變化而重復(fù)第二工序，能夠高精度且高速地 求取電感元件的直流疊加特性。所有的運(yùn)算用計(jì)算機(jī)進(jìn)行。在直流疊加特性的分析中優(yōu)選使用有限要素法，但是，當(dāng)然沒(méi)有限定，也可以使用 積分法(磁性力矩法)、邊界要素法等。在有限要素法中，能夠詳細(xì)地輸入鐵心形狀，可以考 慮材料特性的磁場(chǎng)依存性，能夠以高精度求取磁場(chǎng)、電流、電磁力及損失的詳細(xì)的分布。有
7限要素法的軟件被銷(xiāo)售給個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)用，分析事例豐富。通過(guò)以下的實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，但是，本發(fā)明不限于此。實(shí)施例1在外徑30mmX內(nèi)徑20mmX厚度7. 5mm的環(huán)形鐵素體鐵心上將一次線(xiàn)圈和二次線(xiàn) 圈分別卷繞80圈，計(jì)測(cè)初磁化曲線(xiàn)和子環(huán)路。圖4表示第1象限的初磁化曲線(xiàn)和主環(huán)路。 就子環(huán)路而言，通過(guò)使磁場(chǎng)強(qiáng)度以100A/m的步進(jìn)得以增加，ΔΗ設(shè)為20A/m而得以求取。另 外，計(jì)測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的步進(jìn)即使不一定也可以，在ΔΒ的變化大的區(qū)域狹窄而在小的區(qū)域擴(kuò) 大也可。從初磁化曲線(xiàn)求取初磁化特性、從子環(huán)路求取磁通密度和增量導(dǎo)磁率的點(diǎn)列數(shù)據(jù)。圖5表示在本發(fā)明的直流疊加特性的分析方法中所使用的電感元件的分析模型 的一例。該模型為直徑3. OmmX高度1. 2mm的外形尺寸的帶有套筒的鼓型線(xiàn)圈感應(yīng)器，其 具備具有凸緣部4 和中央突出部45b的第一鐵心45、以覆蓋中央突出部45b的側(cè)面的方 式設(shè)置的第二鐵心(套筒)50。將中央突出部4 和套筒50以具有規(guī)定的間隔的方式配 置，在中央突出部4 上卷繞9. 5圈的線(xiàn)圈(未圖示)。使用所得到的初磁化特性、磁通密度和增量導(dǎo)磁率的點(diǎn)列數(shù)據(jù)，通過(guò)磁場(chǎng)分析模 擬裝置根據(jù)第二工序的方法計(jì)算上述帶套筒的鼓型線(xiàn)圈感應(yīng)器的電感。另外，上述帶套筒 的鼓型線(xiàn)圈感應(yīng)器的電感也在25°C下實(shí)際測(cè)量。圖6表示直流施加電流(Idc)和電感(L) 的關(guān)系。沿著L-Idc曲線(xiàn)(分析值)的白點(diǎn)為實(shí)測(cè)值。從圖6可知，分析值與實(shí)測(cè)值良好一致。實(shí)施例2圖7中，作為在本發(fā)明的直流疊加特性的分析方法中所使用的電感元件的分析模 型的另外的例，表示具備磁隙的長(zhǎng)度2. OmmX寬度1. 25mmX高度1. Omm的層疊感應(yīng)器100。 圖8是表示層疊感應(yīng)器100的內(nèi)部構(gòu)造的縱斷面圖。就層疊感應(yīng)器100而言，通過(guò)將印刷 了形成線(xiàn)圈圖形75的銀漿糊的鐵素體片層疊多枚且進(jìn)行一體燒結(jié)，由此被制造。因此，在 銀層和鐵素體片的界面由熱膨脹系數(shù)的差所導(dǎo)致的熱應(yīng)力發(fā)生。鐵素體的初磁化曲線(xiàn)、增 量導(dǎo)磁率等的磁性特性容易受到應(yīng)力的影響。在線(xiàn)圈圖形75的內(nèi)側(cè)區(qū)域所形成的磁隙70，通過(guò)在鐵素體片上印刷^O2粉漿糊 而被形成。磁隙70的端部與線(xiàn)圈圖形75相接或一部分重合。通過(guò)改變磁隙70的層數(shù)能 夠改變初始電感。相對(duì)于與外形為8mmX8mm、內(nèi)形為4mmX4mm、厚為2mm的角型環(huán)形鐵素體鐵心的 磁路平行的方向，通過(guò)圖3所示的裝置分別附加10MPa、20MPa、及30MPa的應(yīng)力，求取初磁化 曲線(xiàn)及增量導(dǎo)磁率。圖9表示在30MPa的應(yīng)力附加了的情況下及未附加的情況下的初磁化 曲線(xiàn)。另外，圖10表示在應(yīng)力附加的情況下及未附加的情況下的增量導(dǎo)磁率。通過(guò)應(yīng)力的 增加而使初磁化曲線(xiàn)及子環(huán)路變化，因此，增量導(dǎo)磁率及動(dòng)作點(diǎn)變化。層疊感應(yīng)器中的應(yīng)力分布隨著層疊感應(yīng)器中的銀的占有率(體積％ )、作為線(xiàn)圈 的導(dǎo)體圖形形狀而不同，所以使用有限要素法進(jìn)行計(jì)算，與磁場(chǎng)分析有關(guān)系。在30MI^的應(yīng) 力附加了的情況下和未附加的情況下通過(guò)磁場(chǎng)分析模擬裝置分析直流疊加特性。圖11表 示直流施加電流Idc和電感L的關(guān)系。同時(shí)，也表示對(duì)于層疊感應(yīng)器在25°C所實(shí)測(cè)的電感 L。實(shí)線(xiàn)1表示與線(xiàn)圈的圈數(shù)為10. 5圈、且使3. 5 μ m的磁隙設(shè)置了 1層的層疊感應(yīng)器所對(duì) 應(yīng)的分析值，〇記號(hào)表示實(shí)測(cè)值。實(shí)線(xiàn)2表示與線(xiàn)圈的圈數(shù)為9. 5圈且使8 μ m的磁隙設(shè)置了 3層的層疊感應(yīng)器所對(duì)應(yīng)的分析值，□記號(hào)表示實(shí)測(cè)值。實(shí)線(xiàn)3表示與線(xiàn)圈的圈數(shù)為5. 5 圈、且使3. 5 μ m的磁隙設(shè)置了 6層的層疊感應(yīng)器所對(duì)應(yīng)的分析值，Δ記號(hào)表示實(shí)測(cè)值。圖 11可知，分析值與實(shí)測(cè)值良好地一致。
權(quán)利要求
1.一種使用了磁場(chǎng)分析模擬裝置的電感元件的直流疊加特性的分析方法，其特征在 于，具有第一工序，對(duì)于由與電感元件相同的磁性材料構(gòu)成的環(huán)形鐵心，求取從初磁化狀態(tài)到 飽和磁化的初磁化曲線(xiàn)，且求取所述初磁化曲線(xiàn)上的動(dòng)作點(diǎn)不同的多個(gè)子環(huán)路，并且從各 動(dòng)作點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的所述子環(huán)路的斜度所定義的增量導(dǎo)磁率，獲得表示磁通密度或磁場(chǎng)強(qiáng)度 和增量導(dǎo)磁率的關(guān)系的點(diǎn)列數(shù)據(jù)；第二工序，對(duì)于通過(guò)所述電感元件網(wǎng)狀分割而成的分析模型的各要素，利用磁場(chǎng)分析 模擬裝置基于所述環(huán)形鐵心的初磁化曲線(xiàn)求取與規(guī)定的直流施加電流所對(duì)應(yīng)的動(dòng)作點(diǎn)，且 基于所述動(dòng)作點(diǎn)從所述點(diǎn)列數(shù)據(jù)分配增量導(dǎo)磁率，對(duì)由各要素的增量導(dǎo)磁率所獲得的電感 值進(jìn)行積分求取所述電感元件整體的電感值；第三工序，通過(guò)以不同的直流施加電流重復(fù)所述第二工序，由此獲得直流疊加特性。
2.如權(quán)利要求1所述的電感元件的直流疊加特性的分析方法，其特征在于，通過(guò)對(duì)所 述環(huán)形鐵心進(jìn)行預(yù)先磁化，由此獲得在被磁化后的情況下的直流疊加特性。
3.如權(quán)利要求1或2所述的電感元件的直流疊加特性的分析方法，其特征在于，基于對(duì) 于所述分析模型所預(yù)先求取的應(yīng)力分析結(jié)果，在第一工序求取在所述環(huán)形鐵心施加了應(yīng)力 的狀態(tài)下的點(diǎn)列數(shù)據(jù)，在第二工序使用與所述分析模型的各要素的應(yīng)力狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)列 數(shù)據(jù)。
4.如權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的電感元件的直流疊加特性的分析方法，其特征在 于，基于對(duì)于所述分析模型所預(yù)先求取的熱分析結(jié)果，在第一工序求取在所述環(huán)形鐵心的 規(guī)定溫度下的點(diǎn)列數(shù)據(jù)，在第二工序使用與所述分析模型的各要素的溫度狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn) 列數(shù)據(jù)。
5.一種電磁場(chǎng)模擬裝置，對(duì)電感元件的直流疊加特性進(jìn)行分析，其特征在于，具有儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)，儲(chǔ)存對(duì)于由與電感元件相同的磁性材料構(gòu)成的環(huán)形鐵心所得到的從初磁化 狀態(tài)到飽和磁化的初磁化曲線(xiàn)的數(shù)據(jù)、和儲(chǔ)存對(duì)于所述初磁化曲線(xiàn)上的動(dòng)作點(diǎn)不同的多個(gè) 子環(huán)路所得到的磁通密度或磁場(chǎng)強(qiáng)度和增量導(dǎo)磁率的關(guān)系得以表示的點(diǎn)列數(shù)據(jù)；輸入機(jī)構(gòu)，輸入所述電感元件的分析模型；計(jì)算機(jī)構(gòu)，對(duì)于所述分析模型的網(wǎng)狀分割的各要素，基于所述環(huán)形鐵心的初磁化曲線(xiàn) 求取與規(guī)定的直流施加電流所對(duì)應(yīng)的動(dòng)作點(diǎn)，且基于所述動(dòng)作點(diǎn)從所述點(diǎn)列數(shù)據(jù)分配增量 導(dǎo)磁率，對(duì)由各要素的增量導(dǎo)磁率所獲得的電感值進(jìn)行積分，由此獲得所述電感元件的電 感值。
全文摘要
本發(fā)明提供一種使用了磁場(chǎng)分析模擬裝置的電感元件的直流疊加特性的分析方法，其分析方法具有第一工序，對(duì)于由與電感元件相同的磁性材料構(gòu)成的環(huán)形鐵心，求取從初磁化狀態(tài)到飽和磁化為止的初磁化曲線(xiàn)及動(dòng)作點(diǎn)不同的多個(gè)子環(huán)路，且從各動(dòng)作點(diǎn)的增量導(dǎo)磁率獲得表示磁通密度或磁場(chǎng)強(qiáng)度與增量導(dǎo)磁率的關(guān)系的點(diǎn)列數(shù)據(jù)；第二工序，對(duì)于通過(guò)電感元件網(wǎng)狀分割而成的分析模型的各要素，利用磁場(chǎng)分析模擬裝置基于環(huán)形鐵心的初磁化曲線(xiàn)求取與規(guī)定的直流施加電流所對(duì)應(yīng)的動(dòng)作點(diǎn)，且基于動(dòng)作點(diǎn)從所述點(diǎn)列數(shù)據(jù)分配增量導(dǎo)磁率，對(duì)由各要素的增量導(dǎo)磁率所獲得的電感值進(jìn)行積分求取電感元件整體的電感值；第三工序，通過(guò)以不同的直流施加電流重復(fù)第二工序，由此獲得直流疊加特性。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102150165SQ20098013596
公開(kāi)日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2009年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月30日
發(fā)明者橘武司, 田中智, 菊地慶子 申請(qǐng)人:日立金屬株式會(huì)社