CN106030732B - 高频变压器磁芯及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种高频变压器用磁芯，其特征在于，具有使用单辊法将具有辊子接触面(2)和自由面(3)的Fe基纳米结晶合金薄带(1)经由绝缘层(4)卷绕的形状，所述Fe基纳米结晶合金薄带(1)的自由面(3)分散有具有火山口状的凹部的凸起(5)，而所述凸起(5)的顶部被研磨而钝化。

Description

高频变压器磁芯及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种高功率用途特别优异的高频变压器用磁芯及其制造方法。
背景技术
专利文献1记载有在高频功率变压器的磁芯中使用Fe基纳米结晶软磁性合金薄带的结构。
专利文献2虽然记载的不是高频功率变压器，但是记载有在使用Fe基纳米结晶软磁性合金薄带的高频加速腔用磁芯中形成间隙的磁芯。
作为构成所述磁芯的Fe基纳米结晶合金薄带，在所述专利文献2中公开了例如10～30μm的厚度(权利要求3)。另一方面，从Fe基纳米结晶软磁性合金薄带的制造性的观点出发，典型的是铸造为超过15μm的厚度来使用。
但是，要求高频变压器具有更小的低损耗。作为已知减少磁芯损耗中的涡电流损耗的方法，通常变薄合金薄带的厚度。
专利文献3中记载有为改善磁性特性对非晶形合金表面进行机械研磨或者化学研磨改质的方法。具体记载有将不与辊子接触的面研磨至1μm以下，优选0.5μm以下。
此外，高频用磁芯利用使Fe基纳米结晶合金用非晶形合金薄带卷绕层积后，在结晶化温度以上进行热处理的方法来制作。此时因需要确保所述合金薄带的层间的绝缘，通常通过在被连续铸造的合金薄带的一面涂敷二氧化硅粉末或氧化铝粉末进行干燥形成绝缘膜，以提高合金薄带的层间的绝缘度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-110647号公报
专利文献2：日本特开2000-138099号公报
专利文献3：日本特开昭57-39509号公报
发明内容
发明要解决的课题
如上所述，为实现磁芯的进一步的低损耗化，具体来说，为降低涡电流损耗，目前将以超过15μm厚度生产的Fe基纳米结晶合金用Fe基非晶形合金薄带，制造成变薄为13μm左右厚度的合金薄带并形成绝缘膜，卷绕后进行用于形成纳米结晶合金的热处理，由此来制作磁芯。
但是，使用原来能够期待减薄板厚且降低涡电流损耗的13μm左右厚度的合金薄带制作磁芯的结果，并没有获得所期待的效果。
而且，经过详细调查得知，与现有超过15μm厚度的情况不同，合金薄带的层间未被充分绝缘，出现短路的频率非常高。在高频用磁芯中，由于对卷绕为磁芯的线圈施加高频，因此在磁芯的合金薄带上也产生涡电流。因此，认为如果合金薄带的层间的绝缘不充分，则由于合金薄带的层间产生短路、导通而导致涡电流损耗增大。
在此，对卷绕层积合金薄带的磁芯的绝缘度的评价方法进行说明。磁芯通过在由树脂等绝缘体构成的筒状的内心上固定合金薄带的一端后，将规定的长度Lr(例如200m)以规定的张力(例如15N)卷绕层积来制作，所述合金薄带事先在合金薄带的一面上利用二氧化硅粉末形成绝缘膜而成。首先，事先求出合金薄带长度方向上的单位长度的直流电阻值Ru。测量卷绕为磁芯的合金薄带长度Lr和所述合金薄带的最内周和最外周的两端部的直流电阻Rr，然后评价实际的两端部间的直流电阻相对层间的合金薄带间被完全绝缘时的合金薄带的直流电阻之比，即Rr/(Ru×Lr)×100％，由此可以评价磁芯的绝缘度。
理想的所述绝缘度为100％，但是当合金薄带厚度在18μm左右的厚度时，由于实际上所述二氧化硅绝缘膜局部剥离、脱落，因此邻接的合金薄带彼此中存在局部有接触、短路的部位，所以通常成为80％～90％的值。
但是，将合金薄带厚度设定为13μm左右时，评价所述绝缘度的结果，不足50％，认为在卷绕层积的合金薄带的层间，发生高频度的电接触。在所述绝缘度不足50％时，不但不能期待降低涡电流损耗，而且实际使用高频用磁芯时，因在合金薄带间发生高电压并短路，有可能损伤磁芯。
对所述接触部分进行详细调查的结果，在13μm左右厚度的合金薄带上，发现在合金薄带的一侧主面有很多具有火山口状凹部的凸起。另一方面，在18μm左右厚度的合金薄带上，几乎没有发现具有火山口状凹部的凸起。因此，推测在具有所述火山口状凹部的凸起上几乎没有形成绝缘膜，由于与邻接的合金薄带接触、导通，导致绝缘度降低，涡电流损耗增加，损耗增大。
此外，合金薄带是利用单辊法制造的，但是得知形成具有所述火山口状凹部的凸起的面是与冷却辊接触的面(以下称为辊子接触面)相反的面。以下将所述相反的面称为自由面。
本发明是鉴于上述问题而提出的，本发明的目的在于，提供一种低损耗的高频变压器用磁芯及其制造方法。
解决课题的技术方案
本发明人研究在不损害Fe基纳米结晶合金原本具有的优异的磁性特性的情况下，抑制在Fe基纳米结晶合金用Fe基非晶形合金薄带的自由面上发生的火山口状凸起引起的损耗的增加。而且，发现对形成有火山口状凸起的顶部部分进行研磨而钝化是有效的，最终做出了本发明。
在此，“钝化”是指对火山口状凸起的顶部进行研磨，使之变得平坦程度的意思，并不限定于特定的形状或特定的表面状态。以下相同。
〈1〉高频变压器用磁芯
本发明提供一种高频变压器用磁芯，其特征在于，具有使用单辊法将具有辊子接触面和自由面的Fe基纳米结晶合金薄带经由绝缘层卷绕的形状，所述Fe基纳米结晶合金薄带的自由面分散有具有火山口状凹部的凸起，而所述凸起的顶部被研磨而钝化。
本发明优选Fe基纳米结晶合金薄带的厚度为10～15μm。
〈2〉高频变压器用磁芯的制造方法
本发明提供一种高频变压器用磁芯的制造方法，其特征在于，包括：
(1)使用单辊法制作Fe基纳米结晶合金薄带用Fe基非晶形合金薄带的工序；
(2)使圆柱状磨石的旋转周面与所述Fe基非晶形合金薄带的自由面接触，对分散在所述自由面的具有火山口状凹部的凸起的顶部加压研磨而钝化的工序；
(3)在所述Fe基非晶形合金薄带的自由面和/或辊子接触面形成绝缘层的工序；
(4)卷绕形成有所述绝缘层的Fe基非晶形合金薄带的工序；以及
(5)对被卷绕的所述Fe基非晶形合金薄带进行热处理使之纳米结晶化而成为Fe基纳米结晶合金薄带的工序。
发明的效果
本发明能够提供低损耗的磁芯，能够抑制在Fe基纳米结晶合金用Fe基非晶形合金薄带的自由面上分散的火山口状凸起引起的损耗的增加。
附图说明
图1是对本发明的合金薄带自由面的具有火山口状凹部的凸起的顶部进行研磨钝化后的截面照片。
图2是合金薄带自由面的具有火山口状的凹部的凸起的截面照片。
图3是对本发明的合金薄带自由面的具有火山口状的凹部的凸起的顶部进行研磨钝化后的俯视照片。
图4是合金薄带自由面的具有火山口状的凹部的凸起的俯视照片。
图5是对本发明的合金薄带自由面的具有火山口状的凹部的凸起的顶部进行研磨钝化的一个方法的简要说明图。
具体实施方式
本发明提供的用于高频变压器用磁芯的Fe基非晶形合金薄带利用单辊法制作，合金薄带在结晶化热处理后具有纳米结晶组织。在单辊法中，通过从喷嘴向冷却辊排出熔融的熔液并急速冷却，并从冷却辊剥离凝固后的合金薄带，来连续铸造。
通过将合金薄带的厚度设为15μm以下，在合金薄带的自由面侧形成有多个凸起，所述凸起具有直径大致为20～50μm、高度为5～10μm大小的火山口状凹部。这种凸起形成的确切的原因还未弄清，但是推测为由喷嘴向冷却辊排出熔液时卷入的空气引起的。为将合金薄带1的厚度变薄，有必要采取减少从喷嘴排出的熔液的排出量，或者减小喷嘴与冷却辊之间的间隙等应对措施。认为相关条件设定的变更，导致容易卷入空气。
图2示出具有所述火山口状凹部的凸起的截面照片。此外图4示出凸起5的俯视照片。均示出未对凸起的顶部进行研磨钝化的状态。
图5示出本发明的对凸起5的顶部进行研磨钝化的设备的示意图。开卷盘11用于使用单辊法卷绕铸造后的Fe基非晶形合金薄带1。卷绕盘12用于卷绕经过研磨钝化处理工序后的合金薄带1。
圆柱状磨石7起到研磨钝化具有火山口状凹部的凸起5的顶部的作用。清洗辊8起到除去附着在研磨钝化后的合金薄带表面的研磨粉的作用。张力调整辊9对移动的合金薄带1施加规定的张力以进行适当的研磨钝化。在适当的位置配置多个导向辊10，使得合金薄带1能够沿规定的路径移动。
其次，参照图5对形成在合金薄带1的具有火山口状凹部的凸起5的顶部进行研磨钝化的工序进行说明。
铸造后，利用多个导向辊10控制卷绕在开卷盘11上的Fe基非晶形合金薄带1的移动的同时开卷。通过张力调整辊9控制规定的张力的同时，旋转圆柱状磨石7(磨石辊)对金属薄带表面(自由面3)进行研磨，由此能够容易地对具有火山口状凹部的凸起5的顶部进行钝化。
因为在研磨、钝化后的金属薄带表面附着有研磨粉，优选使用清洗辊8除去研磨粉。
在此，虽然圆柱状磨石7(磨石辊)在合金薄带1的自由面3的表面的宽度方向上以整个宽度接触，但是可以通过张力的适当化而有选择地仅对具有火山口状凹部的凸起5的顶部施加压力，基本有选择地仅对具有火山口状凹部的凸起5的顶部进行研磨、钝化。
圆柱状磨石7可以使用圆柱状的电沉积磨石，通过使用混合有目数#50～15000(粒径297～1μm)的金刚石粉、CBN(立方晶氮化硼)粉的镀镍液对圆柱状的基体进行镀镍来制作。
为对具有火山口状凹部的凸起的顶部进行高效的研磨、钝化，优选使用电沉积有目数#1000～#1500(粒径15～10μm)的金刚石粉、CBN粉的磨石，以周速度400～600m/分进行研磨。所述磨石因具有耐久性且不易堵塞而生产性优异，因此优选之。
图1示出根据所述条件使具有火山口状凹部的凸起的顶部5被研磨、钝化部分的截面照片。图3示出凸起5的顶部被研磨、钝化部分的俯视照片。当对凸起5的顶部进行研磨时，前端被钝化，变平坦。可以适当确定研磨到什么程度。
通过研磨钝化凸起5的顶部，可以降低因凸起5的顶部的前端直接接触层积在凸起5的顶部的前端上的合金薄带1的辊子接触面侧而发生短路的概率。由此，能够得到例如13μm厚度的层间绝缘充分的Fe基纳米结晶合金薄带。并且，即使是例如18μm比较厚的情况，由于在自由面3的表面有可能形成具有火山口状凹部的凸起5的顶部，因此本发明的研磨钝化处理是有效的。
为降低涡电流损耗，合金薄带的厚度优选15μm以下，更优选14μm以下。但是，熔液合金在冷却辊上凝固成为合金薄带后，从冷却辊连续剥离合金薄带时，因合金薄带本身需要具有不断裂的机械性强度，所以厚度优选10μm以上。
本发明的Fe基结晶合金薄带用Fe基非晶形合金薄带，以Fe为主体，并且作为必要元素适合含有选自Cu、Au的至少一种元素以及选自Ti、V、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W的至少一种元素。例如，除日本特公平4-4393号公开的Fe-Cu-Nb-Si-B系之外，还能够列举Fe-Cu-Nb-Zr-Si-B系、Fe-Cu-Nb-Zr-B系、Fe-Mo-B系、Fe-Nb-B系、Fe-Zr-B系、Fe-Cu-Zr-B系、Fe-Nb-Al-Si-B系等。
这些合金经过结晶化温度以上的热处理，成为具有纳米结晶组织的软磁性合金薄带，所述纳米结晶组织中平均粒径为100nm以下的bcc-Fe固溶体结晶占50％以上。
图3示出的凸起5的顶部被研磨钝化后的合金薄带1，在使用清洗辊8除去磨耗粉后，暂时卷绕到卷绕盘12。暂时卷绕后，再进行涂敷绝缘层4的处理工序。用于形成绝缘层4的装置，优选使用公知的凹版涂敷机等辊式涂敷机。
即，将卷绕有所述合金薄带1的卷绕盘12作为开卷盘，安装在辊式涂敷机，能够在合金薄带1的表面涂敷绝缘层4。
层间绝缘膜通过使二氧化硅、氧化铝等涂敷干燥形成。此时，能够高效率且连续形成绝缘膜的方法有，将合金薄带浸没到含有金属醇盐的酒精溶液中后干燥形成的方法、将合金薄带浸没到悬浮有二氧化硅粉末等的溶液中后干燥的方法等。
涂敷绝缘层4并使之干燥后，将合金薄带1再次卷绕到卷绕盘12。在该卷绕的状态下进行所述的热处理，制作Fe基纳米结晶合金薄带。
本实施方式对在自由面3形成绝缘层的例子进行了说明，但是也可以在辊子接触面2形成绝缘层。此外，也可以在辊子接触面2和自由面3的两面形成绝缘层。考虑到成本和处理工序的难易度，优选仅在自由面3形成。
实施例
第一比较例
使用单辊法将合金熔液(合金质量40Kg)急速冷却，得到大致17,000m的宽度25mm、厚度13μm的Fe基非晶形合金薄带，所述合金熔液以原子％计含有Cu：1％、Nb：3％、Si：15.5％、B：6.5％，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成。
为确认得到的合金自由面的具有火山口状凹部的凸起的状态，在长度方向的任意位置，将合金薄带宽度方向的中央部、两端部共计三处作为三视野，在金属显微镜下观察的结果，在所述三视野内能够确认出十个具有火山口状凹部的凸起，各个所述视野的宽度为5mm×50mm。
其次，涂敷二氧化硅绝缘膜。将合金薄带通过IPA(异丙醇)中悬浮有二氧化硅粉的液体后进行干燥，在合金薄带的一面(自由面)形成1.5～3μm的二氧化硅绝缘膜。
将形成有所述二氧化硅绝缘膜的合金薄带的一部分，200m长度卷绕到内径180mm的树脂制卷芯上，评价的绝缘度为41％。
卷绕形成有所述二氧化硅绝缘膜的合金薄带并制作内径28mm、外径45mm的环形磁芯，通过在氮环境下以最高保持温度580℃保持20分钟形成纳米结晶合金后，向所述磁芯各卷绕一圈直径0.5mm的两根导线，在频率100kHz、励磁磁通密度200mT的条件下，测量损耗的结果为200kW/m3。
第二比较例
将与第一比较例相同组成的合金质量40Kg在熔点以上进行熔融后，使用单辊法，从喷嘴向冷却辊排出熔融金属，得到12,200m的宽度25mm、厚度18μm的合金薄带。
为确认得到的合金自由面的具有火山口状凹部的凸起的状态，在长度方向的任意位置，将合金薄带宽度方向的中央部、两端部共计三处作为三视野，在金属显微镜下观察的结果，在所述三视野内仅能够确认出一个具有火山口状凹部的凸起，各个所述视野的宽度为5mm×50mm。
其次，涂敷二氧化硅膜。将合金薄带通过悬浮有IPA的液体后进行干燥，在合金薄带的一面(自由面)形成1.5～3μm的二氧化硅绝缘膜。
将形成有所述二氧化硅绝缘膜的合金薄带的一部分，200m长度卷绕到内径180mm的树脂制卷芯上，评价的绝缘度为87％。
使用与第一比较例相同的方法制作环形磁芯，测量损耗的结果为250～300kW/m3。
第一实施例
利用图5示出的具备电沉积有金刚石粉的圆柱状磨石(磨石辊)(#1000)的装置，对所述第一比较例中制作的合金薄带16,900m中的500m研磨自由面。圆柱状磨石的直径为60mm，以每分钟2500转的转速进行。即，周速度为450m/分。并且，在向合金薄带施加30N·m的张力的状态下，以合金薄带与圆柱状磨石的接触距离为4.2mm(以角度换算为8°)的条件下进行。图1示出观察自由面的具有火山口状凹部的凸起的顶部被研磨、钝化的部分(使用清洗辊去除磨耗粉之后)的截面的结果。图2示出研磨钝化前的自由面的具有火山口状凹部的凸起的截面。与图2比较，得知图1表面的具有火山口状凹部的凸起的顶部已被研磨、钝化。
对于所述合金薄带500m，与比较例同样地，在形成所述二氧化硅绝缘膜后，200m长度卷绕到内径180mm的树脂制卷芯，评价绝缘度的结果为85％。所述绝缘度与自由面的具有火山口状的凹部的凸起的顶部未被研磨、钝化的第一比较例相比是两倍以上。并且，与合金薄带的厚度为18μm且基本没有具有火山口状凹部的凸起的第二比较例相比仅低2％，基本相等。
并且，使用与第一比较例相同的方法制作环形磁芯，测量损耗的结果为166～177kW/m3。所述损耗的值与自由面的具有火山口状凹部的凸起的顶部未被研磨、钝化的第一比较例相比损耗低11～17％。另一方面，与合金薄带的厚度为18μm的第二比较例相比，损耗大致降低25％。
第三比较例
第一实施例使用具备圆柱状磨石(磨石辊)(#1000)的装置研磨自由面的具有火山口状凹部的凸起的顶部，第三比较例不仅研磨具有火山口状凹部的凸起的顶部，还研磨整个自由面。但是在第三比较例中，由于#1000的圆柱状磨石堵塞，未能全面研磨，因此使用了电沉积有#400的金刚石粉的圆柱状磨石。使用与第一比较例相同的方法制作环形磁芯，测量损耗的结果为194～198kW/m3。因此，能够确认到与仅研磨具有火山口状凹部的凸起的顶部的情况相比，当进行全面研磨时损耗大致增大15％。
作为损耗增大的原因，推测为由于合金薄带的自由面的面状态发生变化而导致二氧化硅绝缘膜容易发生脱落，层间的绝缘性劣化。
附图标记说明
1：Fe基非晶形合金薄带
2：辊子接触面
3：自由面
4：二氧化硅绝缘膜
5：具有火山口状的凹部的凸起
6：研磨钝化部分
7：圆柱状磨石(磨石辊)
8：清洗辊
9：张力调整辊
10：导向辊
11：开卷盘
12：卷绕盘

Claims (6)

1.一种高频变压器用磁芯，其特征在于，具有使用单辊法将具有辊子接触面和自由面的Fe基纳米结晶合金薄带经由绝缘层卷绕的形状，所述Fe基纳米结晶合金薄带的自由面分散有具有火山口状凹部的凸起，而所述凸起只有其顶部被研磨而钝化，所述绝缘层形成于包括所述凸起的所述自由面。
2.根据权利要求1所述的高频变压器用磁芯，其特征在于,
所述Fe基纳米结晶合金薄带的厚度为10～15μm。
3.一种权利要求1或2所述的高频变压器用磁芯的制造方法，其特征在于，包括：
(1)使用单辊法制作Fe基纳米结晶合金薄带用Fe基非晶形合金薄带的工序；
(2)使圆柱状磨石的旋转周面与所述Fe基非晶形合金薄带的自由面接触，对分散在所述自由面的具有火山口状凹部的凸起进行只有其顶部加压研磨而钝化的工序；
(3)在所述Fe基非晶形合金薄带的自由面和/或辊子接触面形成绝缘层的工序；
(4)卷绕形成有所述绝缘层的Fe基非晶形合金薄带的工序；以及
(5)对被卷绕的所述Fe基非晶形合金薄带进行热处理使之纳米结晶化而成为Fe基纳米结晶合金薄带的工序。
4.根据权利要求3所述的高频变压器用磁芯的制造方法，其特征在于，作为所述Fe基非晶形合金薄带，使用厚度是10～15μm的Fe基非晶形合金薄带。
5.根据权利要求3所述的高频变压器用磁芯的制造方法，其特征在于，
在所述加压研磨而钝化的工序中，对行进的合金薄带施加规定的张力，来进行研磨钝化。
6.根据权利要求4所述的高频变压器用磁芯的制造方法，其特征在于
在所述加压研磨而钝化的工序中，对行进的合金薄带施加规定的张力，来进行研磨钝化。
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