交流磁場の作り方に関する質問

Question

外径が2cm厚さが1cmほどのコイルで出来るだけ大きな交流磁場を作りたいと考えています。
出来れば自分で巻くのではなく、市販のものを使おうと考えています。
それに関してアドバイスを下さい。


・インピーダンスの周波数特性とコイルの発生する交流磁場には関係があるのでしょうか？
例えばコイルには高周波領域において、インピーダンスが下がってきますが、この領域では交流磁場を発生することが出来ないのでしょうか？


・出来るだけ小さなコイルで出来るだけ大きな磁場を出そうと思ったとき、コイルのインダクタンスはどう影響してくるのでしょうか？やはりインダクタンスの高いものの方が高い磁場を出せるのでしょうか？
共振周波数との関連も教えて頂けると助かります。

よろしくお願い致します。

tance · Accepted Answer

tanceです。

計算がむずかしいとか精度がいるとかいうのではなく、どんな構成にする
のが良いのかがなかなか解らないのです。

直径15mmのドラム型コアにφ2.5の線を巻くのがよいのか、
直径19mmのコアにφ0.5の線を巻くのが良いのか、
その線も長さ（厚さ？）10mmになるまで20回巻くのが良いのか、
４本づつ並列に５回巻くのが良いのか、
コアを使わず空芯でリッツ線を巻くのが良いのか、
etc...

いずれもコアの材質データを元に、インダクタンスを計算してドライブ
の電圧を求めたり、コアが飽和する電流を求めたり、空芯なら線自体
のエディカレントを計算したり（簡単ではない）・・・といった過程を
全部の案に対して計算してみないとどれが良いのか判断できないのです。

要は、面倒なのです。

出来る限り大きな磁界という、ベストを狙うのを多少妥協しても良い
のなら相当楽になります。（もっと良い組み合わせがあったとしても
そこそこの結果がでればそれ以上あれこれトライする必要がない）

また、磁界がどのような形で出る必要があるかも大きく関係します。
空芯なら、コイルの中の空間が一番強い磁場になりますが、コアが
あるとコアの端面が一番強くなります。

極端な話、空芯ならば高い電圧をかければいくらでも大きな電流が
流せ、巻き線が溶けるまで強くできます。内径5mmの巻き芯の上に直径
φ2くらいのできるだけ細い素線でできたリッツ線を5～6回巻くと
インダクタンスは200nHくらいになるはずです。このコイルは1MHzでは
リアクタンスが1.3オームくらいですので、13V加えれば10A流れます。
10回巻きなら60ATになります。これがコイル中心であちこちの線部分
からの磁界が足されます。距離によって強さがちがうのでどの線の
どの場所からの磁界がいくら、という具合に全部を足し合わせます。
このあたりは大変すぎるのでシミュレータを使うのが普通です。

さて、これとコアを使った場合とどちらが強い磁界が得られるかは・・・

ただ、空芯なら上限を決めるのはドライバのパワー（電圧、電流）と
線の耐電圧、耐熱だけです。

ノイマンというメーカのレコードカッティングマシンは小さな駆動
コイルに大電流を流すためにヘリウムをかけて冷却していました。

出来合いのコイルで使えそうなものは・・・何かありそうですが、すぐ
には思いつきません。超音波関係のものか、誘導加熱（IH）なども
似た用途です。

tance · Answer

tanceです。

コイルの大きさを決めて、できるだけ強い1MHzの磁界を作るにはどう
すれば良いかということですが、補足文によるとコアがあっても良さそう
なので、コアが全体性能を一番左右すると思います。

磁界の発生する必要のある空間の大きさによって全く考え方が変わります。
また、質問の答えは簡単には求められません。相当な時間をかけて
シミュレーションや比較などを繰り返さなくてはならないでしょう。

一般論で言えば、飽和磁束密度の高いコアを使い、コアの断面積をできる
だけ大きくし、しかも、コアの比透磁率も大きなもので、磁界発生空間
は狭いギャップにして、平角線を数ターン巻き、高圧発振器から
コアが飽和しない限界電流を流す、ということになります。

それぞれの数値はどうするのか、という問いには「仕事として請け負う
レベルの大変さがある」としかお答えできません。場合によっては
液体冷却が必要かもしれません。

tance · Answer

発生できる磁界はあくまで　アンペア・ターン　で決まります。
多数の巻き線があるときは、各巻き線からの磁界の合計が得られる
磁界の強さになります。

したがって、いかにたくさん巻くかと、いかにたくさん流すかを
考えれば良いことになります。ところが、たくさん巻くとインダクタンス
が大きくなって高い周波数は流れにくくなります。（高圧が必要に
なります）

さらに、コイル間の寄生容量があるので共振を起こし、並列共振になる
周波数ではますます電流が流れにくくなります。共振点より高い
周波数では電流は流れますが、巻き線と言うより寄生容量に流れる分
が多くなるので磁界への寄与が減ってきます。

交流磁場ということで周波数が具体的ではないので、もし、共振周波数
より低い周波数でよければ低い電圧で大きな電流が流せます。

インダクタンスは巻き数の二乗に比例しますが、磁界は巻き数に比例
します。なのでたくさん巻かないで大電流を流した方が有利という
場合が多いです。（空芯だとインダクタンスは二乗則からずれます）

もし、周波数が高いことが重量なのだとすると、もうひとつ考慮しなく
てはならないことがあります。それは、渦電流です。巻き線や周囲の
金属に磁界が交叉すると金属内に渦電流が流れ、磁界をキャンセル
しようとします。渦電流の影響を防ぐにはできるだけ面積の広い金属
を排し、薄いモノ、細いモノで構成する必要がでてきます。

トランスのコアは薄い鉄板を重ねて作ります。Qの高いコイルはリッツ
線という、細い絶縁線（エナメル線など）を束ねた線を巻きます。

磁界を出すということにはお互いに矛盾する条件が多いので、最適な
設計をするには有限要素法などを使ったシミュレーションが有効です。

交流磁場の作り方に関する質問

tanceです。

tanceです。

発生できる磁界はあくまで アンペア・ターン で決まります。

似たような質問が見つかりました

関連するカテゴリからQ&Aを探す

デイリーランキングこのカテゴリの人気デイリーQ&Aランキング

マンスリーランキングこのカテゴリの人気マンスリーQ&Aランキング

発生できる磁界はあくまで　アンペア・ターン　で決まります。