JP2005086163A - 圧粉磁心 - Google Patents

Abstract

【課題】 低コアロスと高透磁率が両立する圧粉磁心を提供する。
【解決手段】 軟磁性粉末と絶縁バインダとから成る圧粉磁心において、その電気抵抗率をρ（Ω・ｍ）、その磁路方向と直交する断面の円相当直径をＤ（ｍ）としたとき、次式：
ρ＞０.０１Ω・ｍ
が成立しているか、または、次式：
ρ≦０.０１Ω・ｍ、Ｄ／ρ≦１
が同時に成立している圧粉磁心。
【選択図】 図１

Description

本発明は圧粉磁心に関し、更に詳しくは、コアロスが低く、同時に透磁率が高い圧粉磁心に関する。

圧粉磁心は、対象製品が小型・複雑な形状であっても高い歩留まりで製造することができ、現在では、例えばスイッチング電源やＤＣ−ＤＣコンバータのチョークコイル、ノイズフィルタや各種電磁弁のコアなどに用いられている。
この圧粉磁心は、概ね次のようにして製造されている。
まず、所定組成の軟磁性合金に、機械粉砕法やアトマイズ法などを適用して所定の粒度分布を有する軟磁性粉末を製造する。

次に、この軟磁性粉末に、所定量の絶縁材料と、必要に応じてはバインダ成分とを均一に混合して、軟磁性粉末の表面を上記材料で被覆する。
なお、以降の説明においては、上記絶縁材料とバインダ成分を一括して「絶縁バインダ」と呼ぶ。
ついで、得られた混合物を金型に充填したのち所定の圧力で成形して、圧粉磁心のグリーン体を製造する。なお、このとき、成形性を高めたり、成形密度を高めるために、通常は上記した混合物にステアリン酸亜鉛のような潤滑剤の所定量が混合される。

そして最後に、上記グリーン体に熱処理を施して、成形時に蓄積された歪みを解放し、目的とする圧粉磁心にする。
このようにして製造された圧粉磁心は、軟磁性粉末が相互に絶縁バインダによって電気的に絶縁されているので、全体としてその電気抵抗率は高く、渦電流が発生しにくいので、コアロスも低い。

ところで、圧粉磁心には、低コアロスであるということの外に、例えば高透磁率であることも要求される。
透磁率を高めるためには、グリーン体の成形時にその成形密度を高めることが有効である。具体的には、絶縁バインダの添加量を少なめにして成形することが有効である。
透磁率を高めるための別の手段としては、成形後のグリーン体の熱処理時に適用する処理温度を高めることにより、充分に歪みを解放することも有効である。

しかしながら、これらの方法は透磁率を高める手段としては有効であるが、他方では、絶縁バインダの添加量を減らしたり、または熱処理温度を高めると、いずれの場合においても、得られた圧粉磁心の電気抵抗率は低下し、その結果、コアロスの増大が引き起こされる。
このように、透磁率を高めようとするとコアロスの増大を招くので、圧粉磁心においては、高透磁率と低コアロスを両立させることは困難であるとされていた。

本発明は、上記したような問題を解決し、後述する実験から得られた知見を基礎にして開発された圧粉磁心であって、低コアロスを維持しつつも高透磁率である圧粉磁心の提供を目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明においては、軟磁性粉末と絶縁バインダとから成る圧粉磁心において、その電気抵抗率をρ（Ω・ｍ）、その磁路方向と直交する断面の円相当直径をＤ（ｍ）としたとき、次式：
ρ＞０.０１Ω・ｍ
が成立しているか、または、次式：
ρ≦０.０１Ω・ｍ、Ｄ／ρ≦１
が同時に成立していることを特徴とする圧粉磁心が提供される。

本発明の圧粉磁心は、低コアロスと高透磁率の両特性を両立させることができる。
したがって、この圧粉磁心は、スイッチング電源やＤＣ−ＤＣコンバータなどに搭載されるチョークコイルやトランスの小型化・高効率化にとって極めて有効であり、その工業的価値は大である。

まず、本発明の圧粉磁心の開発過程について説明する。
本発明者らは、コアロスは１０００kW／ｍ³以下、透磁率（μ）は８０以上の値を同時に満足する圧粉磁心の製造を目標に設定した。
そして、コアロスは圧粉磁心における渦電流損の発生を１つの要因としていること、また渦電流損は圧粉磁心における磁路方向と直交する断面の寸法形状の関数であり、同時に圧粉磁心の電気抵抗率の関数でもあるという事実に着目した。

そこで、軟磁性粉末としてＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金粉末を用い、絶縁バインダの種類と添加量、グリーン体への熱処理温度を変化させて、電気抵抗率（ρ：Ω・ｍ）が異なり、また断面形状が異なる各種の圧粉磁心を製造し、それぞれの場合につきコアロスを測定した。
そのとき、本発明者らは、断面形状に関しては、円相当直径（Ｄ：ｍ）で規格化し、同時に、パラメータ：Ｄ／ρを導入した。

ここで、円相当直径（Ｄ：ｍ）とは、圧粉磁心の磁路方向と直交する断面において、その断面と同じ面積をもつ円を想定したときに、その円の直径として定義される。
以上の測定結果は、図１で示したとおりであった。なお、コアロス測定は、０.１Ｔ、１００kHzの条件下で行われている。
図１から次の知見が得られる。

１．ρ値が０.０１Ω・ｍより大きい圧粉磁心は、Ｄ／ρ値に無依存であり、コアロスは６００〜８００kW／ｍ³付近で略一定値になっている。
２．一方、ρ値が０.０１Ω・ｍ以下の圧粉磁心のコアロスの場合は、特異な挙動を示している。
Ｄ／ρ値が１以下である場合は、コアロスは目標値以下になっているが、Ｄ／ρ値が１より大きくなると、目標とするコアロス（１０００kW／ｍ³）よりも大きくなり、しかもＤ／ρ値の増加とともに急激に増大していく。すなわち、ρ値が０.０１Ω・ｍ以下の圧粉磁心のコアロスは、Ｄ／ρ＞１の領域では目標値よりも大きくなり、かつＤ／ρ値に依存し、Ｄ／ρ≦１の領域では目標値以下で、かつＤ／ρ値に無依存である。

３．なお、コアロスの測定対象の圧粉磁心につき、その透磁率（μ）を測定したところ、全ての圧粉磁心は、８０以上の透磁率になっていた。
４．以上のことから、コアロス１０００kW／ｍ³以上、透磁率（μ）８０以上を同時に満足する圧粉磁心に関しては、そのρ値で場合分けして考えればよいということが判明した。

すなわち、ρ値が０.０１Ω・ｍより大きい圧粉磁心に関しては、Ｄ／ρ値に関係なく、全てが、コアロスと透磁率の目標値を両立させている。
しかし、ρ値が０.０１Ω・ｍ以下の圧粉磁心の場合は、Ｄ／ρ値が１以下のもののみが、コアロスと透磁率の目標値を達成している。
本発明の圧粉磁心は、以上の知見に基づいて開発されたものである。

本発明の圧粉磁心は、前記した従来と同様の製造方法、すなわち、軟磁性粉末の絶縁バインダによる被覆、グリーン体の成形、グリーン体の熱処理の工程を経て製造される。
その場合、ρ値、Ｄ／ρ値に関して上記した条件を満足していれば、本発明の圧粉磁心は、用いる軟磁性粉末の種類、絶縁バインダの種類と添加量、成形方法、熱処理条件などの制約を受けることはない。

例えば、軟磁性粉末としては、純鉄やＦｅ基合金の粉末、具体的には、１〜７質量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ系粉末、８〜１１質量％のＳｉと４〜７質量％のＡｌを含むＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系粉末、５〜２０質量％のＣｒを含むＦｅ−Ｃｒ系粉末、４０〜９０質量％のＮｉを含むＦｅ−Ｎｉ系粉末、２０〜６０質量％のＣｏを含むＦｅ−Ｃｏ系粉末などを使用することができる。また、これらの粉末の製造方法としては、インゴットや圧延鋼板からの粉砕法、溶湯からのアトマイズ法などをあげることができる。

更に絶縁バインダとしては、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、水ガラス、低融点ガラスなどの無機系絶縁物；シリコーン樹脂、フェノール樹脂、イミド樹脂などの有機系絶縁物を用いることができる。
その場合、製造目的の圧粉磁心において、必要とされるρ値を勘案して適宜に選択して用いればよい。

また、これらの絶縁バインダの添加量は、添加量が多くなればρ値は大きくなってコアロスは減少し、逆に添加量が少なくなればρ値は小さくなってコアロスは増大するので、目標とする圧粉磁心のρ値を勘案して選定すればよい。概ね、軟磁性粉末１００質量部に対し、０.０５〜１０質量部の範囲内で添加することが好ましい。
グリーン体の成形に関しては、通常の一軸冷間プレス成形の外に、温間成形、熱間成形、ＨＩＰなどを適用してもよい。その場合、プレス成形圧は、室温下でのプレス成形の場合、例えば３００〜２０００MPa程度であることが好ましい。

また、グリーン体の熱処理に関しては、高温・長時間の熱処理はρ値を低下させてコアロスを増大させ、逆に低温・短時間の熱処理は充分な歪み除去が進まないので、これらのことを勘案して条件設計をすればよい。概ね、温度３００〜１０００℃の範囲内で、数１０分〜数時間保持することが好ましい。
熱処理時の雰囲気は、軟磁性粉末の酸化に基づく圧粉磁心の透磁率低下などを防止するために、真空や、水素、Ａｒ、Ｎ₂などを用いた無酸素雰囲気、還元雰囲気、不活性ガス雰囲気を採用することが好適である。

水とガスの両方を用いたアトマイズ法で、Ｆｅ−９.６質量％Ｓｉ−５.４質量％Ａｌ合金粉末を製造し、分級して１００メッシュ下の粉末を用意した。
この粉末１００質量部に対し、表１で示した量の水ガラス（絶縁バインダ）を混合し、更に潤滑剤として、ステアリン酸亜鉛を０.５質量部混合した。
各混合物を金型に充填し、室温下において成形圧力２０００MPaでプレス成形して、外径２８mm、内径２０mm、高さは異なるリング状のグリーン体を成形した。

そして、各グリーン体につき、円相当直径（Ｄ：ｍ）を算出した。例えば、高さ４mmのグリーン体の場合、磁路方向と直交する断面は、４mm×４mmであるので、１６×１０^-4＝π・（Ｄ／２）²からＤ＝４.５mmとなる。
グリーン体をＡｒ雰囲気中において、表１で示した温度で熱処理した。保持時間は、いずれの場合も１時間とした。

得られた圧粉磁心の電気抵抗率（ρ）を測定した。ρ値が０.１Ω・ｍ以上のものについては直流２端子法で、０.１Ω・ｍより低いものについては直流４端子法で測定した。
また圧粉磁心に巻線を施し、ＬＣＲメータで周波数１００kHzにおける透磁率（μ）を測定し、コアロス測定器を用い、周波数１００kHz、励磁磁束密度０.１Ｔにおけるコアロスを測定した。

以上の結果を一括して表１に示した。

表１から次のことが明らかである。
（１）実施例１〜７はいずれも電気抵抗率（ρ）が０.０１Ω・ｍより大きい圧粉磁心である。この場合の圧粉磁心は、Ｄ／ρ値とは無関係で、コアロス（目標値は１０００kW／ｍ³以下）、透磁率（目標値は８０以上）の両特性が目標値を満たしている。
（２）実施例８〜１２と比較例１〜４は、いずれも、電気抵抗率（ρ）が０.０１Ω・ｍより小さい圧粉磁心である。

しかし、この場合の圧粉磁心には顕著な現象が認められる。すなわち、Ｄ／ρ値が１より小さい実施例８〜１２の場合、いずれも、コアロスと透磁率の両特性は目標値を満たしている。
一方、Ｄ／ρ値が１より大きい比較例１〜４は、高透磁率ではあるが、コアロスは目標値から外れて極端に増大していて実用に耐える圧粉磁心ではない。

このようなことから、電気抵抗率が０.０１Ω・ｍ以下である場合には、同時に、Ｄ／ρ値は１以下でなければならないことが明らかである。
（３）実施例２，実施例４，実施例６，実施例１１，実施例１２および比較例４は、いずれも、絶縁バインダの添加量が１質量部と同じであるが、異なった熱処理温度で製造された圧粉磁心である。

その場合、熱処理温度が高くなるにつれて、水ガラスの絶縁性が低下することにより、電気抵抗率は低下していき、同時にコアロスも増大している。
（４）実施例１２と比較例４を対比すると、絶縁バインダの添加量は同じであり、また熱処理温度も近似しているが、円相当直径（Ｄ）が異なっている。
そして、Ｄ値が大きく、Ｄ／ρ値が２.０５である比較例４の場合、透磁率は高いとはいえ、コアロスは目標値を大幅に超えて実用に耐えられない状態になっている。

しかし、Ｄ／ρ値が０.９０９と１より小さくなるようにＤ値を設計した実施例１２の場合は、コアロスと透磁率の両特性で目標値を満たしている。
（５）実施例８と比較例３は、熱処理温度は６５０℃と同じであり、またＤ値も同じであるが、絶縁バインダの添加量が異なる圧粉磁心である。
両者はいずれも電気抵抗率は０.０１Ω・ｍより小さいが、Ｄ／ρ値が１.８０である比較例３は、コアロスは大幅に目標値を超えている。しかし、Ｄ／ρ値を１より小さくした実施例８の場合は、コアロス、透磁率ともに目標値を満たしている。

電気抵抗率（ρ）と断面の円相当直径（Ｄ）が異なる圧粉磁心におけるＤ／ρ値とコアロスの関係を示すグラフである。

Claims (1)

1. 軟磁性粉末と絶縁バインダとから成る圧粉磁心において、その電気抵抗率をρ（Ω・ｍ）、その磁路方向と直交する断面の円相当直径をＤ（ｍ）としたとき、次式：
   ρ＞０.０１Ω・ｍ
   が成立しているか、または、次式：
   ρ≦０.０１Ω・ｍ、Ｄ／ρ≦１
   が同時に成立していることを特徴とする圧粉磁心。

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