磁気コア

粉末コアは、適切な有機または無機バインダーと混合した金属粒子を所望の密度に圧縮して作られます。より高い圧力とより少ないバインダー量で高密度が得られます。高密度のコアは透磁率が高いですが、抵抗が低くなるため、渦電流による損失が大きくなります。粒子が細かいほど、渦電流は個々の粒子内に限定されるため、より高い周波数での動作が可能になります。粒子を絶縁層でコーティングするか、薄いバインダー層で分離すると、渦電流損失が低減されます。大きな粒子が存在すると、高周波性能が低下する可能性があります。透磁率は、分散した空気ギャップを形成する粒子間の間隔によって影響を受けます。ギャップが小さいほど、透磁率が高くなり、ソフト飽和が少なくなります。密度の差が大きいため、重量比で少量のバインダーでも、体積が大幅に増加し、粒子間の間隔が大きくなります。

透磁率の低い材料は、コア損失と巻線損失のバランスが取れるため、高周波用途に適している。

粒子表面はしばしば酸化され、リン酸塩層でコーティングされており、相互の電気的絶縁性を確保している。

磁性体を含まないコイルは、エアコアと呼ばれます。これには、プラスチックやセラミックの型に巻かれたコイルのほか、内部に空気を含んだ自己支持型の硬質ワイヤーで作られたコイルも含まれます。エアコアコイルは、一般的に同サイズの強磁性体コアコイルよりもインダクタンスがはるかに低いですが、磁気コアで発生するコア損失と呼ばれるエネルギー損失を防ぐために、高周波回路で使用されます。通常のコア損失がないため、 Q値が高くなるため、エアコアコイルは数メガヘルツまでの高周波共振回路で使用されます。ただし、近接効果や誘電損失などの損失は依然として存在します。エアコアは飽和しないため、2テスラを超える磁場強度が必要な場合にも使用されます。

一般的にはフェライトまたは鉄粉で作られ、特にラジオのインダクタの同調に使用されます。コイルはロッドの周りに巻かれており、またはロッドを内部に収めたコイル状の形状になっています。ロッドをコイルに出し入れすることでコイルを流れる磁束が変化し、インダクタンスを調整できます。多くの場合、ロッドにはドライバーで調整できるようにネジ山が切られています。ラジオ回路では、インダクタの同調が完了したら、コアが動かないようにワックスまたは樹脂の塊が使用されます。

高透磁率コアの存在によりインダクタンスは増加するが、磁力線はロッドの一端から他端まで空気中を通過する必要がある。空気経路によってインダクタの線形性が維持される。このタイプのインダクタでは、ロッドの端部で放射が発生し、状況によっては電磁干渉が問題となる場合がある。

円筒状の棒に似ているが、形状は四角形で、単体で使用されることは稀である。このタイプのコアは、自動車の点火コイルによく見られる。

U字型およびC字型のコアは、I型または別のC字型もしくはU字型のコアと組み合わせて、最も単純な形状の閉コイルである正方形閉コイルを構成するために使用されます。コイルの巻線は、コアの片側または両側の脚に巻くことができます。

鋭い角を持つU字型のコア

角が丸みを帯びたC字型のコア

E字型コアは、閉じた磁気システムを形成するためのより対称的なソリューションです。ほとんどの場合、電気回路は中央の脚に巻き付けられ、その断面積は各外側の脚の断面積の2倍です。3相変圧器のコアでは、脚のサイズは等しく、3本の脚すべてに巻かれています。

クラシックEコア

EFDコアは、より薄型のインダクタやトランスの製造を可能にする。

ETDコアは円筒形の中央脚部を持つ。

EPコアはEコアとポットコアの中間的な位置づけです。

「E」と「I」のコア

適切な鉄板を「E」や「I」のような形に打ち抜き、「I 」を「E」の開口部に重ねて3本脚の構造を作る。コイルはどの脚にも巻くことができるが、通常は中央の脚が使われる。このタイプのコアは、電力変圧器、オートトランス、インダクタなどに頻繁に用いられる。

2つのERコア、プラスチックボビン、および2つのクリップを使用してインダクタを製作します。ボビンにはプリント基板にはんだ付けするためのピンが付いています。

前の図の構造を示す分解図

平面コアは、コイルの上と下にそれぞれ配置された2枚の平らな磁性体で構成されています。通常、プリント基板の一部である平面コイルと組み合わせて使用​​されます。この設計は大量生産に適しており、高出力で小型のトランスを低コストで製造できます。ポットコアやトロイダルコアほど理想的ではありませんが、製造コストは低く抑えられます。

平面状の「E」コア

平面インダクタ

プリント基板上に直接形成された螺旋状の配線を示す分解図

通常はフェライトまたは類似の材料でできています。これはインダクタやトランスに使用されます。ポットコアの形状は円形で、内部にコイルをほぼ完全に覆う中空構造になっています。通常、ポットコアは2つの半球で構成され、コイルボビン（ボビン）の周りに嵌め込まれます。このコアの設計により、遮蔽効果が得られ、放射線を防止し、電磁干渉を低減します。

「RM」タイプのポットコア

通常のポットコア

この設計は、トーラス（ドーナツと同じ形状）を基本としています。コイルはトーラスの穴を通して外周に巻き付けられます。理想的なコイルは、トーラスの円周全体に均等に分布しています。この形状の対称性により、コア内部に円形の磁場が生成され、急な曲がりがないため、磁場のほぼすべてがコア材料内に閉じ込められます。これにより、高効率な変圧器が実現するだけでなく、コイルから放射される電磁干渉も低減されます。

トーラスは、質量および体積あたりの比出力が高く、電源ハムノイズが少なく、電磁干渉が最小限に抑えられるといった特性が求められる用途で広く利用されています。その一例として、ハイファイオーディオアンプの電源が挙げられます。汎用用途での使用を制限する主な欠点は、トーラスの中心にワイヤーを巻き付けるのが非常に難しいことです。

分割型コア（ Eコア2個など、2つの要素で構成されるコア）とは異なり、トロイダルコアの自動巻線には専用の機械が必要です。トロイダルコアは、磁力がコアに曲げモーメントを及ぼさないため、電源ハム音などの可聴ノイズが少なくなります。コアは圧縮または引張のみを受け、円形形状のため機械的に安定しています。

リングは、形状と性能において基本的にトロイドと同一であるが、インダクタがコアの中心のみを通過するのが一般的であり、コアを複数回巻き付けることはない。

リングコアは、プラスチック製のシェル内に固定された2つの独立したC字型の半球で構成されていてもよく、これにより、既に大きなコネクタが取り付けられた完成済みのケーブルに取り付けることが可能になり、ケーブルを小さな内径のソリッドリングに通すことができなくなります。

コアを通過する磁場が変化すると、コア材料の磁化は、ドメイン壁の移動によって、コアを構成する微小な磁気ドメインの膨張と収縮によって変化します。このプロセスは、ドメイン壁が結晶構造の欠陥に「引っかかり」、その後「パチン」と通り抜けて熱としてエネルギーを散逸するため、損失を引き起こします。これはヒステリシス損失と呼ばれます。これは、材料のB磁場とH磁場の関係を示すグラフで確認でき、グラフは閉じたループの形をしています。コアの BH 特性に関連してインダクタに流入する正味のエネルギーは、式^{[ 12 ]で示されます。}

${\displaystyle W=\int {\left(nA_{c}{\frac {dB(t)}{t}}\right)\left({\frac {H(t)l_{m}}{n}}\right)dt}=(A_{c}l_{m})\int {HdB}}$

この式は、印加された電場の 1 サイクルで材料内で失われるエネルギーの量が、ヒステリシス ループ内の面積に比例することを示しています。各サイクルで失われるエネルギーは一定であるため、ヒステリシス電力損失は周波数に比例して増加します。^{[ 13 ]}ヒステリシス電力損失の最終的な式は次のとおりです。^{[ 12 ]}

${\displaystyle P_{H}=(f)(A_{c}l_{m})\int {HdB}}$

コアが電気伝導性である場合、変化する磁場は電磁誘導により渦電流と呼ばれる循環電流ループをコア内に誘起します。^{[ 14 ]} ループは磁場軸に垂直に流れます。電流のエネルギーはコア材料の抵抗で熱として散逸します。電力損失はループの面積に比例し、コア材料の抵抗率に反比例します。渦電流損失は、絶縁コーティングを施した薄い積層体でコアを作るか、あるいはフェライトのような電気抵抗の高い磁性材料でコアを作ることで低減できます。^{[ 15 ]}電力変換器用途向けの磁気コアのほとんどは、この理由からフェライトコアを使用しています。

定義上、このカテゴリには渦電流損失とヒステリシス損失に加えて、あらゆる損失が含まれます。これは、周波数とともにヒステリシスループが広がる現象とも言えます。異常損失の物理的メカニズムとしては、移動する磁壁付近における局所的な渦電流効果などが挙げられます。

レッグ方程式として知られる方程式は、低磁束密度における磁性材料のコア損失をモデル化します。この方程式には、ヒステリシス、残留、渦電流の 3 つの損失成分があり、^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}次のように表されます。

${\displaystyle {\frac {R_{\text{ac}}}{\mu L}}=aB_{\text{max}}f+cf+ef^{2}}$

どこ

• ${\displaystyle R_{ac}}$は実効コア損失抵抗（オーム）です。
• ${\displaystyle \mu }$材料の透過率、
• ${\displaystyle L}$はインダクタンス（ヘンリー）です。
• ${\displaystyle a}$はヒステリシス損失係数です。
• ${\displaystyle B_{\text{max}}}$は最大磁束密度（ガウス）です。
• ${\displaystyle c}$は残留損失係数であり、
• ${\displaystyle f}$は周波数（ヘルツ）であり、
• ${\displaystyle {\ce {e}}}$は渦損失係数です。

磁性材料の損失はシュタインメッツ係数によって特徴づけられるが、この係数は温度変化を考慮していない。材料メーカーは、実際の使用条件におけるコア損失に関するデータを表形式およびグラフ形式で提供している。