磁性材料の基本的な性能パラメータ

透磁率

透磁率は、磁性媒質の磁気特性を表す物理量であり、空間または磁心領域内でのコイルに電流が流れると磁束が生じる抵抗、あるいは磁場中で磁力線を導通する能力を示す。その式は以下の通りである：

ここで、Hは磁場強度、Bは磁束密度を表し、透磁率は通常μで表される。μは媒質の透磁率、または絶対透磁率と呼ばれる。一般的には、磁性媒質の相対透磁率µrが用いられ、これは透磁率μと真空の透磁率µ0との比として定義される。

初期の透磁率

基本磁化曲線がH→0のときの透磁率を指す。

磁導率の測定

磁導率の測定は間接的な測定であり、磁気チップの巻線コイルの誘電率を測定し、その数式を用いて磁心材の磁導率を計算する。磁導率を測定する装置はインダクタンス測定器である。

Lはインダクタンス、Dは磁心の磁路長、Aは磁心の断面積、µ0は真空の透磁率、Nはコイルの巻数である。

異なる材質のフェライトは磁導率が異なり、図には初期磁導率と周波数の関係が示されている。周波数が1000kHzを超えると、初期磁導率が急激に低下するため、超高周波トランスやインダクタを設計する際には、磁心材の周波数特性の選定に特に注意が必要である。

キュリー温度（TC）

キュリー温度とは、磁性材料が強磁性から順磁性へと変化する温度であり、この温度では磁性材料の磁気的性質が非常に小さくなるか、あるいは完全に消失します。その測定方法にはさまざまな方法がありますが、一般的には下図のように測定されます。つまり、温度が上昇するにつれて磁導率が最大値の80％および20％に達する点を結び、その線を温度軸との交点まで延長したものがキュリー温度となります。この温度は、磁性デバイスの動作上限温度を決定するものです。

飽和磁束密度 BS、残留磁束密度 BR、補正力 HC

軟磁性材料は交番磁場中で不可逆的な磁化が生じ、磁滞回線を形成する。図6に示すように、BSは磁化が飽和状態に達した時の磁束密度である。BRは磁気飽和状態から磁場を除去した後、残存する磁束密度である。HCは磁気飽和状態から磁場を除去した後、磁心が反対方向の磁場によって磁化され続け、磁束密度がゼロまで低下するまでの磁場強度であり、このときの磁場強度を「保磁力」という。

飽和磁束密度と残留磁束密度は温度との関係がある。飽和磁束密度と残留磁束密度はともに温度の上昇とともに低下する。変圧器、インダクタ、共模インダクタを設計する際には、高温時の飽和磁束密度の80～90％を設計パラメータとして採用すべきである。

磁気損失（Magnetic Loss）

これは、磁性材料が磁化または反磁化する過程で、外部から加えられる仕事が熱に変換される現象を指し、ヒステリシス損失、渦電流損失、残留損失の3種類に分けられる。強磁場での磁化では、主にヒステリシス損失と渦電流損失が生じるが、弱磁場での磁化では、一部の材料において残留損失が大きな割合を占める。

渦電流損失とは、交番磁束が鉄心内で誘導起電力と電流を生じさせることを指し、これを「渦電流」と呼ぶ。渦電流損失は、導体が不均一な磁場中を移動するか、時間とともに変化する磁場の中に存在する場合に、導体内部で誘導される電流によって生じるエネルギーの損失を意味する。渦電流損失の大きさは、磁場の変化の様式、導体の運動状態、導体の幾何学的形状、導体の透磁率および導電率などに関連している。

ヒステリシス損失

強磁性材料が交番磁場の作用下で繰り返し磁化される過程において、磁気ドメイン間が絶えず互いに摩擦を生じ、エネルギーが消費されることで発生する損失を、ヒステリシス損失と呼ぶ。ヒステリシス損失の大きさは、ヒステリシス回線の面積に比例する。軟磁性材料は透磁率が高く、ヒステリシス特性が不明瞭で、残留磁気が小さく、ヒステリシス回線が狭いため、ヒステリシス損失が小さい。一方、硬磁性材料は残留磁気が大きく、ヒステリシス特性が顕著で、ヒステリシス回線が広いため、ヒステリシス損失が大きい。

磁気コアの損失と温度の関係は図10に示すように、温度が低いほど磁気コアの損失は小さくなります。そのため、磁気コア材料の損失が最小となる温度に温度を制御することで、電源の効率を向上させることができます。

図から分かるように、周波数を100kHzから200kHzに上げると、損失が約10倍に増加するため、周波数を高めるには磁気コアの材質に対する要求が非常に高い。なお、すべての材質の磁気コアが100℃で損失が最小というわけではなく、下図のように異なる特性を持つことがあることに注意が必要である。

磁気コアの磁束密度の大きさも損失と関係しており、通過する磁束密度が大きいほど、磁気コアの損失も大きくなり、逆に磁束密度が小さいほど、磁気コアの損失は小さくなる。