专利名称：电感元件的直流叠加特性的分析方法及电磁场模拟装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在例如DC-DC转换器等所使用的电感元件的直流叠加特性的求取的 方法及电磁场模拟装置。
背景技术：
电感元件具有由磁性材料构成的铁心、向铁心供给励磁电流的线圈，且励磁的铁 心根据磁性磁滞曲线(也称为B-H曲线、磁化曲线)追循非线形的履历进行动作。在电感 元件的设计中，应用了计算机的电磁场的数值分析，不仅在研究开发中被使用并且在日常 的设计业务中也被广泛使用。但是，近年来，伴随DC-DC转换器等设备的大电流化，为了缓 和铁心的磁性饱和，在磁路中设置多个磁隙等，该磁性回路复杂化，其结果就产生了分析值 和实测值大大背离的问题。作为在这种数值分析所使用的方法之一，特开平05-099963号公开了一种装置， 其对由叠加有直流电流的交流电流所励磁的磁性部件的电感进行计算，其具备第一磁通 密度计算机构，基于以与所述磁性部件同一材质制成反磁场系数极小的形状的磁性材料的 初磁化特性，计算与所述磁性部件的直流电流成分所对应的磁通密度；决定材料常数的机 构，基于所述第一磁通密度计算机构计算的磁通密度和所述磁性材料的增量导磁率，来决 定材料常数；第二磁通密度计算机构，基于所述材料常数计算与所述磁性部件的交流电流 成分所对应的磁通密度；计算电感的机构，基于所述第二磁通密度计算机构计算的磁通密 度来计算所述磁性部件的电感。就所述增量导磁率而言，从通过使用环状的试样对直流叠 加特性进行评价所得到的电感值、试样的磁路长度及截面积、线圈的圈数等，而被计算出。 另外，求取与所叠加的直流成分所对应的试样的磁场强度，且基于初磁化特性求取磁通密 度及增量导磁率。在特开平05-099963号记载的电感的计算方法中，通过使用环状的试样的直流叠 加特性的评价来决定材料常数，因此，即使不试制磁性部件也能够高精度地计算电感。但 是，由于需要直流叠加特性的评价，由此是繁杂的；并且由于在由直流叠加特性和初磁化特 性获得的动作点(磁场强度及磁通密度)中没有考虑基于交流电流的子环路，由此存在进 一步提高数值分析的精度的余地。另外，电感元件的磁性特性有时因使用温度、应力、直流电流等而变化，但是，在特 开平05-099963号中没有任何考虑。没有考虑入这些要素时，作为电感元件的磁性特性分 析方法是不充分的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种在考虑使用环境的同时通过使用磁场分析模拟装 置以比现有技术更简单且高精度对电感元件的直流叠加特性进行分析的方法、及其所使用 的电磁场模拟装置。—种使用磁场分析模拟装置对电感元件的直流叠加特性进行分析的本发明的方法，其特征在于，具有第一工序，对于由与电感元件相同的磁性材料构成的环形铁心，求取从初磁化状 态到饱和磁化的初磁化曲线，且求取所述初磁化曲线上的动作点不同的多个子环路，并且 从各动作点及其对应的所述子环路的斜度所定义的增量导磁率，获得表示磁通密度或磁场 强度和增量导磁率的关系的点列数据；第二工序，对于通过所述电感元件网状分割而成的分析模型的各要素，利用磁场 分析模拟装置基于所述环形铁心的初磁化曲线求取与规定的直流施加电流所对应的动作 点，且基于所述动作点从所述点列数据分配增量导磁率，对由各要素的增量导磁率所获得 的电感值进行积分求取所述电感元件整体的电感值；第三工序，通过以不同的直流施加电流重复所述第二工序，由此获得直流叠加特 性。将所述磁性体(铁心)预先磁化后，能够对在被磁化的情况下的直流叠加特性进 行分析。基于对于所述分析模型所预先求取的应力分析结果，在第一工序求取在所述环形 磁性体施加了应力的状态下的点列数据，在第二工序使用与各要素的应力状态对应的点列 数据，由此即使作用于磁性体的应力不均勻，也能够精度良好地分析磁性体的直流叠加特 性。基于对于所述分析模型所预先求取的热分析结果，在第一工序求取在规定温度的 点列数据，在第二工序使用与各要素的温度状态对应的点列数据，由此即使由于涡电流损 失等产生的热而使磁性体的温度不均一，也能够精度良好地分析磁性体的直流叠加特性。一种电磁场模拟装置，对电感元件的直流叠加特性进行分析，其特征在于，具有储存机构，储存对于由与电感元件相同的磁性材料构成的环形铁心所求取的从初 磁化状态到饱和磁化的初磁化曲线的数据、和储存对于所述初磁化曲线上的动作点不同的 多个子环路所得到的磁通密度或磁场强度和增量导磁率的关系得以表示的点列数据；输入机构，输入所述电感元件的分析模型；计算机构，对于所述分析模型的网状分割的各要素，基于所述环形铁心的初磁化 曲线求取与规定的直流施加电流所对应的动作点，且基于所述动作点从所述点列数据分配 增量导磁率，对由各要素的增量导磁率所获得的电感值进行积分，由此获得所述电感元件 的电感值。根据利用从初磁化曲线上的动作点不同的多个子环路所求取的各动作点的增量 导磁率由磁场分析模拟装置进行分析的本发明的方法，能够以比现有技术更简单且高精度 进行电感元件的直流叠加特性的分析。另外，也能够在分析中加上温度及应力的影响。因 此，能够将需要极多时间及費用的制品的试制及评价的工序削减，并且能够以低成本设计 电感元件。
图1是表示用于说明本发明的分析方法的磁化曲线的图表；图2是表示用于说明本发明的分析方法的子环路的图表；图3是表示一边施加应力一边计测环形铁心的磁性特性的装置的概略图4是表示本发明的分析方法所使用的环形铁心的磁化曲线的图表；图5是表示本发明的分析方法所使用的电感元件的分析模型的一例的立体图；图6是表示本发明的方法的直流叠加特性的分析值和实测值的图表；图7是表示本发明的分析方法所使用的电感元件的分析模型的其它的例的立体 图；图8是图7的分析模型的纵断面图；图9是表示在有应力下及无应力下由本发明的方法所获得的初磁化曲线的图表；图10是表示在有应力下及无应力下由本发明的方法所获得的磁场强度和增量导 磁率的关系的图表；图11是表示在有应力下由本发明的方法所获得的直流叠加特性的分析值和实测 值的图表。
具体实施例方式在对电感元件的直流叠加特性进行分析的本发明的方法中，在直流电流的动作点 的分析中使用自初磁化状态到初饱和磁化的磁化曲线，在交流电流的距动作点的磁通密度 的变化分析中使用子环路的斜度(增量导磁率)。在这种本发明的分析方法中反映上述两 根磁化曲线的特征。本发明的电感元件的直流叠加特性的分析方法具有如下的三个工序。[1]第一工序在第一工序中，对于由与电感元件相同的磁性材料构成的环形铁心测定自初磁化 状态到饱和磁化为止的初磁化曲线的主环路、所述初磁化曲线上的动作点不同的多个子环 路。再测定它们的应力依存性及温度依存性之后，能够分析电感元件内的应力分布、与周边 环境温度或自己发热对应的电感元件的直流叠加特性。参照图1，利用下述的具体例说明初磁化曲线及子环路的测定方法，但是，本发明 不限于此。在由外径30mmX内径20mmX厚度7. 5mm磁性材构成的消磁状态的环形铁心中， 一次线圈及二次线圈分别卷绕80圈。圈数可以根据环形铁心的导磁率及尺寸适当增减。一 次线圈经由电阻器与电源连接。将所述电阻器的两端电压表示为数字示波器的横轴，将二 次线圈的输出表示为数字示波器的纵轴。使B-H分析器的电源电压(与磁场成比例)从初磁化状态慢慢上升到饱和磁通密 度(Bmax)后，慢慢返回零，将极性反转后再次使磁通密度上升到饱和，最后慢慢返回零后， 获得初磁化曲线(主环路)。图1表示第1象限的主环路。如图2所示，在初磁化曲线的中途(例如点11)使电源电压稍微降低时，电流值 (与磁场强度H成比例)减少，但是，并非回到初磁化曲线上，沿着称为子环路的循环曲线的 上侧曲线部减少到点12。使电源电压再次上升时，沿着子环路的下侧曲线部而电流值增加， 返回初磁化曲线上的点11。这样，计测铁心的初磁化曲线及初磁化曲线上的多个子环路。 另外，在自初磁化状态到饱和磁化之间求取初磁化曲线，同时能够以规定的磁场强度(Hn、 Hn+1, Hn+2,…)求取子环路。另外，使用消磁状态的铁心，分别进行子环路的计测和初磁 化曲线的计测也可。只要对预先给予规定的磁场强度所磁化的磁性体进行上述测定，就能够获得磁化 状态不同的铁心的初磁化曲线及子环路。
在给予铁心的应力改变的情况下，能够求取初磁化曲线及子环路的应力依存性。 图3表示应力依存性的测定装置。该装置具备载置由磁性材料构成的铁心10的定盘25、对 铁心10付与应力的加压夹具30，加压夹具30具备张力计20、其下端所固定的板部件15。 为了对铁心10付与均一的应力，也可以在定盘25及板部件15设置圆弧状凹部。在定盘25 上载置具有与电源及示波器连接的一次线圈IOa及二次线圈IOB的铁心10，板部件15接触 铁心10的外周部，由加压夹具30付与规定的应力，对初磁化曲线及子环路进行计测。在改变周围温度进行上述测定的情况下，能够测定初磁化曲线及子环路的温度依 存性。例如通过将铁心保持于+85°C的恒温槽内而使铁心设定为+85°C的温度，进行上述测 定。子环路的增量导磁率由连接磁场的上升点(图2的左侧的点12)和下降点(图2 的右侧的点11) 二点之间的直线的斜率(ΔΒ/ΔΗ)表示。图2的中央的点13为子环路的 动作点(B’，H’)。另外，在图2中为了说明夸大了子环路的膨涨，但是，实际上大致是直线 状。在用于DC-DC转换器的情况下，通常给予50 IOOmA范围的交流电流。施加全振 幅ΔΙ的交流(例如高频的三角波)时，获得与在ΔΙ上乘以线圈圈数N的磁场强度ΔΗ 所对应的子环路。例如在三角波的情况下，在DC-DC转换器的动作中直流上叠加了三角波 的电流会在电感元件中流动。交流电流振幅过大时子环路中产生变形，不能得到子环路的 直线性。在该情况下只要减少施加磁场即可。在构成电感元件的磁性体内，以与直流磁场强度H对应的磁通密度B’为中心，以 高频的开关频率改变磁通密度。在利用子环路的直线性、根据连接磁场的上升点12和下降点11的直线的斜率求 取子环路的动作点13(B’，H’)的增量导磁率△ μ的情况下，可获得表示磁通密度或磁场强 度和增量导磁率的关系的点列数据，能够进行交流电流所引起的距动作点13的磁通密度 或磁场强度的变化的模拟。动作点(Β’，H’ )为子环路的中点，因此，根据在磁场的下降点 11的磁场强度Hnl及磁通密度Bnl和在磁场的上升点12的磁场强度Ηη2及磁通密度&ι2， B’、H’及增量导磁率Δ μ表示如下。H，= (Hnl+Hn2)/2B，= (Bnl+Bn2)/2Δ μ = ΔΒ/ΔΗ对于由与电感元件相同的磁性材料构成的环形铁心所预先计测的初磁化曲线、及 表示磁通密度或磁场强度和增量导磁率的关系的点列数据，储存于计算机内存内的数字数 据表中。根据数据储存量提高模拟精度。测定时的温度及应力、初始的磁化状态及磁场强度 的测定点，虽然为了计算精度提高而越多越好，但是，这些中的几个通过基于初磁化曲线、 及表示磁通密度或磁场强度和增量导磁率的关系的点列数据进行内插来求取也可。在这样的第一工序中制作在基于直流电流的磁通密度的分析所使用的初磁化曲 线、及在基于交流电流的距动作点的磁通密度的变化程度的分析所使用的用于表示磁通密 度或磁场强度和增量导磁率的关系的点列数据。[2]第二工序在第二工序中使用电磁场模拟装置计算电感。在本发明中，作为电磁场模拟装置使用例如株式会社日本总研ソリユーッョンズ所提供的电磁场分析软件JMAG(注册商 标)，进行过渡响应分析。对于电磁场模拟装置的各种功能的说明省略，但是，就增量导磁 率Δ μ而言，使用在电磁场模拟装置所附属的、按每个要素定义磁化特性的用户子程序 magusr.f，将磁通密度和Δ μ的点列数据变换为DLL文件(动态链接库文件)，通过写入能 够分配。分析分为二段进行计算。第一段中，基于在第一工序中获得的初磁化曲线求取与 直流施加电流(Idc)所对应的各分析要素的动作点。在第二段中，将在第一段获得的分析 结果作为初始值，使用重新启动功能将交流电流的变化ΔΙ设定为30mA，求取与初始值所 对应的磁通变化Δ Φ。在此所改变的电流值，只要不脱离子环路以线形能够近似的范围，可 以是任意的大小。获得的磁通变化ΔΦ除以电流变化ΔΙ，来计算电感。在初磁化曲线及 增量导磁率中，优选取入环境温度、线圈的发热、及磁化状态等的影响。例如在+85°C的环境温度的直流叠加特性的分析中，使用在+85°C从子环路求取 的表示磁通密度或磁场强度和增量导磁率的关系的点列数据。另外在向线圈施加持续的直 流电流的情况下，对于使根据线圈的发热量及铁心的热容量计算的温度上升量在环境温度 上加入后的温度下所映射的各要素，使用表示磁通密度或磁场强度和增量导磁率的关系的 点列数据。在应力下的直流叠加特性的分析中，使用从在付加了规定的应力的状态下测定的 子环路所求取的表示磁通密度或磁场强度和增量导磁率的关系的点列数据。在作用于磁性 体的应力不均一的情况下，在以应力所映射的各要素中，使用表示磁通密度或磁场强度和 增量导磁率的关系的点列数据。向所计算出的各要素的动作点分配增量导磁率(与子环路的斜度相当)，求取基 于交流电流的距动作点的磁通密度的变化程度。即，使用在第一工序中求取的磁通密度和 增量导磁率的点列数据，对各要素分配增量导磁率△ μ。当然，基于该分析过程的直流叠 加特性的计算所使用的软件不限于上述电磁场分析软件，也可以使用其它的通用的分析软 件。在本发明中，将点列数据作为空间数据储存。所谓空间数据是指根据距线圈的距 离及磁性饱和磁通密度具有空间的分布的数据。换言之，就空间数据而言，与铁心全体具有 一个磁通密度的现有模型不同，是将按由有限要素法应分析的要素不同的磁通密度进行分 配的数据。在作为动作点使用磁场强度的情况下，对于应分析的各要素的磁场强度H使用磁 场强度和增量导磁率的点列数据，分配各分析要素的增量导磁率Δ μ。在动作点中磁场强度和磁通密度存在一对一的关系，因此，在与增量导磁率Δ μ 的关系中作为参数使用哪个均可，最终要求取电感值，因此，优选使用磁通密度作为参数。[3]第三工序通过使直流施加电流Idc (磁场强度)变化而重复第二工序，能够高精度且高速地 求取电感元件的直流叠加特性。所有的运算用计算机进行。在直流叠加特性的分析中优选使用有限要素法，但是，当然没有限定，也可以使用 积分法(磁性力矩法)、边界要素法等。在有限要素法中，能够详细地输入铁心形状，可以考 虑材料特性的磁场依存性，能够以高精度求取磁场、电流、电磁力及损失的详细的分布。有
7限要素法的软件被销售给个人计算机(PC)用，分析事例丰富。通过以下的实施例进一步详细地说明本发明，但是，本发明不限于此。实施例1在外径30mmX内径20mmX厚度7. 5mm的环形铁素体铁心上将一次线圈和二次线 圈分别卷绕80圈，计测初磁化曲线和子环路。图4表示第1象限的初磁化曲线和主环路。 就子环路而言，通过使磁场强度以100A/m的步进得以增加，ΔΗ设为20A/m而得以求取。另 外，计测磁场强度的步进即使不一定也可以，在ΔΒ的变化大的区域狭窄而在小的区域扩 大也可。从初磁化曲线求取初磁化特性、从子环路求取磁通密度和增量导磁率的点列数据。图5表示在本发明的直流叠加特性的分析方法中所使用的电感元件的分析模型 的一例。该模型为直径3. OmmX高度1. 2mm的外形尺寸的带有套筒的鼓型线圈感应器，其 具备具有凸缘部4 和中央突出部45b的第一铁心45、以覆盖中央突出部45b的侧面的方 式设置的第二铁心(套筒)50。将中央突出部4 和套筒50以具有规定的间隔的方式配 置，在中央突出部4 上卷绕9. 5圈的线圈(未图示)。使用所得到的初磁化特性、磁通密度和增量导磁率的点列数据，通过磁场分析模 拟装置根据第二工序的方法计算上述带套筒的鼓型线圈感应器的电感。另外，上述带套筒 的鼓型线圈感应器的电感也在25°C下实际测量。图6表示直流施加电流(Idc)和电感(L) 的关系。沿着L-Idc曲线(分析值)的白点为实测值。从图6可知，分析值与实测值良好一致。实施例2图7中，作为在本发明的直流叠加特性的分析方法中所使用的电感元件的分析模 型的另外的例，表示具备磁隙的长度2. OmmX宽度1. 25mmX高度1. Omm的层叠感应器100。 图8是表示层叠感应器100的内部构造的纵断面图。就层叠感应器100而言，通过将印刷 了形成线圈图形75的银浆糊的铁素体片层叠多枚且进行一体烧结，由此被制造。因此，在 银层和铁素体片的界面由热膨胀系数的差所导致的热应力发生。铁素体的初磁化曲线、增 量导磁率等的磁性特性容易受到应力的影响。在线圈图形75的内侧区域所形成的磁隙70，通过在铁素体片上印刷^O2粉浆糊 而被形成。磁隙70的端部与线圈图形75相接或一部分重合。通过改变磁隙70的层数能 够改变初始电感。相对于与外形为8mmX8mm、内形为4mmX4mm、厚为2mm的角型环形铁素体铁心的 磁路平行的方向，通过图3所示的装置分别附加10MPa、20MPa、及30MPa的应力，求取初磁化 曲线及增量导磁率。图9表示在30MPa的应力附加了的情况下及未附加的情况下的初磁化 曲线。另外，图10表示在应力附加的情况下及未附加的情况下的增量导磁率。通过应力的 增加而使初磁化曲线及子环路变化，因此，增量导磁率及动作点变化。层叠感应器中的应力分布随着层叠感应器中的银的占有率(体积％ )、作为线圈 的导体图形形状而不同，所以使用有限要素法进行计算，与磁场分析有关系。在30MI^的应 力附加了的情况下和未附加的情况下通过磁场分析模拟装置分析直流叠加特性。图11表 示直流施加电流Idc和电感L的关系。同时，也表示对于层叠感应器在25°C所实测的电感 L。实线1表示与线圈的圈数为10. 5圈、且使3. 5 μ m的磁隙设置了 1层的层叠感应器所对 应的分析值，〇记号表示实测值。实线2表示与线圈的圈数为9. 5圈且使8 μ m的磁隙设置了 3层的层叠感应器所对应的分析值，□记号表示实测值。实线3表示与线圈的圈数为5. 5 圈、且使3. 5 μ m的磁隙设置了 6层的层叠感应器所对应的分析值，Δ记号表示实测值。图 11可知，分析值与实测值良好地一致。
权利要求
1.一种使用了磁场分析模拟装置的电感元件的直流叠加特性的分析方法，其特征在 于，具有第一工序，对于由与电感元件相同的磁性材料构成的环形铁心，求取从初磁化状态到 饱和磁化的初磁化曲线，且求取所述初磁化曲线上的动作点不同的多个子环路，并且从各 动作点及其对应的所述子环路的斜度所定义的增量导磁率，获得表示磁通密度或磁场强度 和增量导磁率的关系的点列数据；第二工序，对于通过所述电感元件网状分割而成的分析模型的各要素，利用磁场分析 模拟装置基于所述环形铁心的初磁化曲线求取与规定的直流施加电流所对应的动作点，且 基于所述动作点从所述点列数据分配增量导磁率，对由各要素的增量导磁率所获得的电感 值进行积分求取所述电感元件整体的电感值；第三工序，通过以不同的直流施加电流重复所述第二工序，由此获得直流叠加特性。
2.如权利要求1所述的电感元件的直流叠加特性的分析方法，其特征在于，通过对所 述环形铁心进行预先磁化，由此获得在被磁化后的情况下的直流叠加特性。
3.如权利要求1或2所述的电感元件的直流叠加特性的分析方法，其特征在于，基于对 于所述分析模型所预先求取的应力分析结果，在第一工序求取在所述环形铁心施加了应力 的状态下的点列数据，在第二工序使用与所述分析模型的各要素的应力状态所对应的点列 数据。
4.如权利要求1 3中任一项所述的电感元件的直流叠加特性的分析方法，其特征在 于，基于对于所述分析模型所预先求取的热分析结果，在第一工序求取在所述环形铁心的 规定温度下的点列数据，在第二工序使用与所述分析模型的各要素的温度状态所对应的点 列数据。
5.一种电磁场模拟装置，对电感元件的直流叠加特性进行分析，其特征在于，具有储存机构，储存对于由与电感元件相同的磁性材料构成的环形铁心所得到的从初磁化 状态到饱和磁化的初磁化曲线的数据、和储存对于所述初磁化曲线上的动作点不同的多个 子环路所得到的磁通密度或磁场强度和增量导磁率的关系得以表示的点列数据；输入机构，输入所述电感元件的分析模型；计算机构，对于所述分析模型的网状分割的各要素，基于所述环形铁心的初磁化曲线 求取与规定的直流施加电流所对应的动作点，且基于所述动作点从所述点列数据分配增量 导磁率，对由各要素的增量导磁率所获得的电感值进行积分，由此获得所述电感元件的电 感值。
全文摘要
本发明提供一种使用了磁场分析模拟装置的电感元件的直流叠加特性的分析方法，其分析方法具有第一工序，对于由与电感元件相同的磁性材料构成的环形铁心，求取从初磁化状态到饱和磁化为止的初磁化曲线及动作点不同的多个子环路，且从各动作点的增量导磁率获得表示磁通密度或磁场强度与增量导磁率的关系的点列数据；第二工序，对于通过电感元件网状分割而成的分析模型的各要素，利用磁场分析模拟装置基于环形铁心的初磁化曲线求取与规定的直流施加电流所对应的动作点，且基于动作点从所述点列数据分配增量导磁率，对由各要素的增量导磁率所获得的电感值进行积分求取电感元件整体的电感值；第三工序，通过以不同的直流施加电流重复第二工序，由此获得直流叠加特性。
文档编号G06F17/50GK102150165SQ20098013596
公开日2011年8月10日 申请日期2009年9月30日 优先权日2008年9月30日
发明者橘武司, 田中智, 菊地庆子 申请人:日立金属株式会社