JP2005150381A

JP2005150381A - 圧粉磁心

Info

Publication number: JP2005150381A
Application number: JP2003385510A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Takemoto; 聡武本; Takanobu Saitou; 貴伸斉藤
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2003-11-14
Publication date: 2005-06-09

Abstract

【課題】磁歪が実質的にゼロであり、また磁気特性の設計自由度を有する圧粉磁心を提供する。
【解決手段】飽和磁歪λｓが−２×１０^-6〜２×１０^-6の範囲内にある少なくとも２種類の軟磁性粉末の混合粉末と、絶縁バインダとを必須成分として含む圧粉磁心。
【選択図】なし

Description

本発明は圧粉磁心に関し、更に詳しくは、飽和磁歪（λｓ）が実質的にゼロである圧粉磁心に関する。

電力交換用リアクトルの磁心には、現在、磁束密度が高く、低周波数域でのコアロス特性が優れているという理由で、Ｆｅ−３質量％Ｓｉを主体とするけい素鋼板が用いられている。
そして、最近の動向として、この電力変換用リアクトルの磁心として圧粉磁心を使用することが検討されはじめている。

この圧粉磁心は、通常、所定の磁気特性を有する軟磁性合金の粉末に水ガラスやシリコーン樹脂のような絶縁バインダを混合して当該軟磁性粉末の表面を絶縁皮膜で被覆し、得られた混合物を例えばプレス成形して所定形状の成形体にしたのち、その成形体を磁気焼鈍して製造されている。
しかしながら、Ｆｅ−３質量％Ｓｉ粉末を用いて製造した圧粉磁心を電力変換用リアクトルの磁心として用いると、通常の電力変換用リアクトルの使用周波数は１〜２０kHzであるため、磁心からは可聴域にある騒音が発生する。

これは、Ｆｅ−３質量％Ｓｉの飽和磁歪（λｓ）が大きいので、磁心が激しく振動するからである。このような問題は、飽和磁歪の小さい軟磁性粉末、最適には磁歪がゼロである軟磁性粉末を用いることにより解消することができる。
ところで、Ｆｅと各種の添加元素との合金において、添加元素の含有量と得られた合金の飽和磁歪との関係については図３で示した関係が知られている（非特許文献１，２を参照）。

図３から明らかなように、Ｆｅ−Ｓｉ系合金の場合、Ｓｉ含有量が増加していくにつれて、飽和磁歪（λｓ）は負→正→負と変化する。そして、飽和磁歪は、Ｓｉ：１質量％、６.５質量％付近でゼロとなり、Ｓｉ：３質量％付近で極大となっている。
このようなことから、例えばＦｅ−Ｓｉ系合金においては、組成がＦｅ−６.５質量％Ｓｉであるけい素鋼板を用いて騒音防止用のリアクトル磁心が製造されている。

一般に、Ｆｅ系合金は、その組成において添加元素の含有量が増加するにつれて、コアロスは減少するものの、飽和磁化、磁束密度などの磁気特性値は直線的に低下していく。
したがって、Ｆｅ−６.５質量％Ｓｉ粉末を用いた圧粉磁心の場合、飽和磁歪は実質的にゼロであるため騒音防止にとっては有効であるが、Ｆｅ−３質量％Ｓｉ粉末の圧粉磁心に比べて例えば磁束密度は低下することになり、電力変換用リアクトルの磁心に要求される目標特性を満たさないことがある。
TEBBLE, CRAIK著、Magnetic Materials、119〜120頁、1969年近角聡著、強磁性体の物理（下）、118頁、1984年

本発明は、飽和磁歪が実質的にゼロであり、しかも目標とする磁気特性も実現することができる新規な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、飽和磁歪（λｓ）が−２×１０^-6〜２×１０^-6の範囲内にある少なくとも２種類の軟磁性粉末の混合粉末と、絶縁バインダとを必須成分として含むことを特徴とする圧粉磁心が提供される。

この圧粉磁心の場合、原料粉末である混合粉末は、飽和磁歪（λｓ）が−２×１０^-6〜２×１０^-6の範囲内にある２種類以上の軟磁性粉末を混合しているものであるため、その飽和磁歪も実質的にゼロになっている。そして、圧粉磁心は、この飽和磁歪が実質的にゼロである混合粉末を用いて製造されているので、この圧粉磁心を例えば電力変換用リアクトルの磁心として用いたときに、発生する騒音は非常に小さくなる。

また、混合粉末における各粉末の混合割合を調整することにより、実質的に磁歪ゼロは確保したまま、圧粉磁心の磁気特性を変化させることができるので、圧粉磁心の製造時における設計自由度は大きくなる。

本発明の圧粉磁心は、後述する混合粉末と絶縁バインダを必須成分として含む。
この混合粉末は、磁歪が実質的にゼロである軟磁性粉末の２種類以上を均一に混合して調製される。
この混合粉末は、飽和磁歪（λｓ）が−２×１０^-6〜２×１０^-6の範囲内にある軟磁性粉末の２種類以上を混合して調製される。

なお、用いる軟磁性粉末としては、飽和磁歪（λｓ）の絶対値がゼロであることを最適とするが、製造目的の圧粉磁心の飽和磁歪（λｓ）が工業的に許容される範囲を考慮し、また軟磁性粉末の飽和磁歪測定時における測定誤差のことも考慮して、本発明で用いる軟磁性粉末の飽和磁歪（λｓ）に関しては、−２×１０^-6≦λｓ≦２×１０^-6の関係を満たすことを必要条件とした。

ここで、混合する軟磁性粉末のうち１種類でも、飽和磁歪（λｓ）が、−２×１０^-6≦λｓ≦２×１０^-6の関係を満たしていない場合には、たとえ他の軟磁性粉末が上記関係を満たしていたとしても、得られた混合粉末を用いて製造した圧粉磁心の飽和磁歪（λｓ）は実質的にゼロとはならない。
本発明で使用する軟磁性粉末としては、例えば、下記組成の合金を粉砕して得られる粉末をあげることができる。すなわち、(1)Ｓｉ：０.５〜１.５質量％、残部がＦｅと不可避的不純物（ただし、必要に応じてＡｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓ、Ｎｂ、Ｔｉの群から選ばれる少なくとも１種を２質量％以下含有していてもよい）、
(2)Ｓｉ：５.５〜７.５質量％、残部がＦｅと不可避的不純物（ただし、必要に応じてＡｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓ、Ｎｂ、Ｔｉの群から選ばれる少なくとも１種を２質量％以下含有していてもよい）、
(3)Ｎｉ：７５〜８５質量％、Ｍｏ：０〜４質量％、残部がＦｅと不可避的不純物（ただし、必要に応じてＡｌ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓ、Ｎｂ、Ｔｉの群から選ばれる少なくとも１種を２質量％以下含有していてもよい）、
(4)Ｓｉ：８〜１１質量％、Ａｌ：５〜８質量％、残部がＦｅと不可避的不純物（ただし、必要に応じてＣｒ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓ、Ｎｂ、Ｔｉの群から選ばれる少なくとも１種を２質量％以下含んでいてもよい）、
(5)次式：
（Ｆｅ_1-f-gＮｉ_fＣｏ_g）_{100-e-d-c-b-a}Ｍ_eＭ’_dＳｉ_cＢ_bＸ_a
（ただし、ＭはＨｆ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、およびＮｂの群から選ばれる少なくとも１種を表し、Ｍ’はＳｃ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｗ、Ｐｔ、Ｚｎ、および希土類元素の群から選ばれる少なくとも１種を表し、ＸはＣｕ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｐ、Ｓ、Ｃａ、Ｇａ、およびＧｅの群から選ばれる少なくとも１種を表し、ｇ、ｆ、ｅ、ｄ、ｃ、ｂ、ａは、それぞれ、０≦ｇ＋ｆ≦０.３、０≦ｅ≦３０、０≦ｄ≦２０、０≦ｃ≦３０、１≦ｂ≦３０、０≦ａ≦５０を満足する数を表す）
で示される組成、または、
(6)次式：
（Ｆｅ_1-f-gＮｉ_fＣｏ_g）_{100-e-d-c-b-a}Ｍ_eＭ’_dＳｉ_cＢ_bＸ_a
（ただし、ＭはＨｆ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、およびＮｂの群から選ばれる少なくとも１種を表し、Ｍ’はＳｃ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｗ、Ｐｔ、Ｚｎ、および希土類元素の群から選ばれる少なくとも１種を表し、ＸはＣｕ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｐ、Ｓ、Ｃａ、Ｇａ、およびＧｅの群から選ばれる少なくとも１種を表し、ｇ、ｆ、ｅ、ｄ、ｃ、ｂ、ａは、それぞれ、０.６≦ｇ≦０.８、０≦ｆ≦０.１、０≦ｅ≦３０、０≦ｄ≦２０、０≦ｃ≦３０、１≦ｂ≦３０、０≦ａ≦５０を満足する数を表す）
で示される組成、
を有する合金の粉末である。

とくに、Ｆｅ−１質量％Ｓｉ粉末、Ｆｅ−６.５％Ｓｉ粉末、Ｆｅ−９.５質量％Ｓｉ−５.５質量％Ａｌ粉末、Ｆｅ−７９質量％−２質量％Ｍｏ粉末、Ｆｅ_73.5Ｓｉ_13.5Ｂ₉Ｎｂ₃Ｃｕ₁粉末、Ｃｏ_70.5Ｆｅ_4.5Ｓｉ₁₅Ｂ₁₀粉末などを好適例としてあげることができる。
混合粉末は、これらの粉末を適宜に２種類以上選択し、それらを均一に混合して調製されるが、その場合、どのような粉末を混合するのかという判断は、製造する圧粉磁心の目標特性との関係で決められる。

例えば、圧粉磁心の目標特性が磁歪ゼロで、他の磁気特性は適当な値でよいという場合は、いずれも磁歪ゼロの軟磁性粉末を任意に選択し、それらを任意の量比で混合して混合粉末にすればよい。
しかし、製造目的の圧粉磁心に磁歪ゼロ以外に他のある目標特性が設定される場合、用いる軟磁性粉末の種類、その混合割合は目標特性との関係で決められている。

それを、粉末として、いずれも磁歪がゼロであるＦｅ−１質量％Ｓｉ粉末、Ｆｅ−６.５質量％Ｓｉ粉末を用い、製造された圧粉磁心の磁束密度とコアロスが、Ｆｅ−３質量％Ｓｉ粉末を用いて製造された圧粉磁心のそれら磁気特性と同等以上にする場合を例にして説明する。
なお、Ｆｅ−３質量％Ｓｉ粉末の磁束密度（Ｂ）は、磁界１００００Ａ／ｍで約１.１５Ｔであり、またコアロス（Ｐｃ）は、磁束密度０.２Ｔ、１０kHzの交流磁界の印加時に約５００kW／ｍ³である。したがって、以後の説明においては、これらの値が目標特性として設定される。

図１と図２は、Ｆｅ−１質量％Ｓｉ粉末とＦｅ−６.５質量％Ｓｉ粉末の混合割合を変化させた混合粉末を用いて製造した圧粉磁心の磁束密度（Ｂ）とコアロス（Ｐｃ）をそれぞれ示す。
図１から明らかなように、混合粉末におけるＦｅ−６.５質量％Ｓｉ粉末の割合が多くなるにつれて磁束密度は直線的に低下する。そして、Ｆｅ−６.５質量％Ｓｉ粉末の混合割合が８０質量％以下（したがって、Ｆｅ−１質量％Ｓｉ粉末の割合は２０質量％以上）であると、磁束密度はＦｅ−３質量％Ｓｉ粉末を用いた場合の値よりも高くなる。すなわち目標特性を満たすことができる。

したがって、Ｆｅ−１質量％Ｓｉ粉末とＦｅ−６.５質量％Ｓｉ粉末を用いて、磁歪ゼロ、例えば磁束密度１.０Ｔ以上の圧粉磁心を製造する場合には、Ｆｅ−１質量％Ｓｉ粉末とＦｅ−６.５質量％Ｓｉ粉末を、それぞれ、２０質量％以上、８０質量％以下の割合で混合して用いればよい。
なお、上記した混合割合の範囲内において、両粉末の割合を調整すれば、磁歪はゼロで、磁束密度はＦｅ−３質量％Ｓｉ粉末を使用した場合よりも高い圧粉磁心の製造が可能である。

また、図２から明らかなように、混合粉末におけるＦｅ−６.５質量％Ｓｉ粉末の割合が多くなるにつれてコアロスは直線的に低下している。そして、Ｆｅ−６.５質量％Ｓｉ粉末の混合割合が２０質量％以上（したがって、Ｆｅ−１質量％Ｓｉ粉末の割合は８０質量％以下）であると、コアロスはＦｅ−３質量％Ｓｉ粉末を用いた場合よりも低くなる。すなわち、目標特性を満たすことができる。

したがって、Ｆｅ−１質量％Ｓｉ粉末とＦｅ−６.５質量％Ｓｉ粉末を用いて、磁歪ゼロ、コアロス（Ｐｃ）５００kW／ｍ³以下の圧粉磁心を製造する場合には、Ｆｅ−１質量％Ｓｉ粉末とＦｅ−６.５質量％Ｓｉ粉末を、それぞれ、８０質量％以下、２０質量％以上の割合で混合して用いればよい。
なおこの場合も、上記した混合割合の範囲内において、両粉末の割合を調整することにより、磁歪ゼロで、Ｆｅ−３質量％Ｓｉ粉末を用いた場合に比べて、コアロスがより一層低い圧粉磁心の製造が可能である。

このようにして調製された混合粉末は、次に絶縁バインダと混合され、その表面が絶縁皮膜で被覆される。
用いる絶縁バインダとしては、従来から圧粉磁心の製造に用いられているものであれば何であってもよく、例えば、水ガラス、シリコーン樹脂、リン酸系がラス、フェノール樹脂、イミド樹脂などをあげることができる。

このとき、絶縁バインダの使用量が多すぎると圧粉磁心の透磁率低下が起こり、逆に、使用量が少なすぎるとコアロスの増大が起こるので、その使用量は、混合粉末１００質量部に対し、０.２５〜２質量部に設定することが好ましい。
なお、絶縁バインダとの混合に関しては、用いる粉末を予め別々に絶縁バインダと混合しておき、その後、両者を混合するという態様で行ってもよい。

ついで混合物を所定型面の金型に充填したのち所定圧でプレス成形し、得られた成形体を磁気焼鈍して本発明の圧粉磁心が得られる。

実施例１〜１４、比較例１〜４
（１）圧粉磁心の製造
水ガスアトマイズ法により、表１で示した組成の粉末を製造し、分級して、いずれも粒度１００メッシュ下（Ｄ₅₀値は６０μｍ）の粉末を用意した。
これらの粉末を、表１で示した組み合わせと割合で均一に混合して各種の混合粉末を調製し、更にそれら１００質量部に対し、シリコーン樹脂０.５質量部を均一に混合した。

得られた混合物を金型に充填し、圧力１５００MPaでプレス成形して、外径２８mm、内径２０mm、高さ１０mmのリングを成形したのち、Ａｒ雰囲気中において温度７５０℃で磁気焼鈍して圧粉磁心にした。
（２）特性の評価
各圧粉磁心に３４ターンの巻線を施し、巻線をロックタイトで固定して圧粉磁心を密閉防音箱の天井から吊り下げた状態で、圧粉磁心に１０kHz、１５Ａの電流を通電し、圧粉磁心の表面から１３０mm離れた箇所にマイクロフォンをセットし、測定可能域２０〜１２０dBの騒音計を用いて発生騒音を測定した。結果を表１に示した。

また、各圧粉磁心につき、磁束密度とコアロス（Ｐｃ）を測定した。なお、磁束密度は、１００００Ａ／ｍの直流磁界を印加したときの磁束密度とし、コアロス（Ｐｃ）の測定条件は、磁束密度０.１Ｔ、周波数１０kHzの交流励磁とした。この結果を表１に併記した。
用いた各軟磁性粉末の飽和磁歪（λｓ）も表１に示した。

表１から次のことが明らかである。
（１）実施例１〜９の群は、いずれも、高磁束密度が重視されている圧粉磁心で、この場合には、比較例１が対照材となっている。
実施例１〜９は、いずれも、比較例１と比べて磁気特性は同等の水準にあるが、騒音は比較例１に比べて１２dBと大幅に低下している。これは実施例で用いた混合粉末の飽和磁歪が実質的にゼロになっていることを意味している。

（２）実施例９と比較例２を対比して明らかなように、飽和磁歪が１.８×１０^-6の粉末を用いても騒音は３７dB程度にとどまっているが、飽和磁歪が３.０×１０^-6の粉末を用いると、騒音は４２dBと大きくなっている。
このようなことから、用いる粉末としては、飽和磁歪（λｓ）が２×１０^-6以下の粉末を用いるべきである。

（３）実施例１０〜１４の群は、いずれも低コアロスであることが重視されている圧粉磁心で、この場合には比較例４が対照材となる。
実施例１０〜１４は、いずれも、比較例４と比べて磁気特性は同等の水準にあるが、この場合も騒音は比較例４に比べて３０dBと大幅に低下している。これは、実施例１〜９の場合と同様に実施例で用いた混合粉末の飽和磁歪が実質的にゼロになっているからである。

本発明の圧粉磁心は、用いる混合粉末の磁歪が実質的にゼロであるため、１０kHzの低周波印加時にあっても騒音の発生は極めて少ない。しかも、混合粉末の混合割合を調整することにより、目標特性を実現することも可能であるため、所望特性の圧粉磁心の製造にとってその設計自由度は大きくなる。
したがって、この圧粉磁心は、例えば電力変換用リアクトルの磁心としてその工業的価値は極めて大である。

Ｆｅ−１質量％Ｓｉ粉末とＦｅ−６.５質量％Ｓｉ粉末の混合割合と磁束密度との関係を示すグラフである。Ｆｅ−１質量％Ｓｉ粉末とＦｅ−６.５質量％Ｓｉ粉末の混合割合とコアロスとの関係を示すグラフである。Ｆｅ合金における添加元素の含有量と飽和磁歪との関係図である。

Claims

飽和磁歪（λｓ）が、−２×１０^-6〜２×１０^-6の範囲内にある少なくとも２種類の軟磁性粉末の混合粉末と、絶縁バインダとを必須成分として含むことを特徴とする圧粉磁心。
前記軟磁性粉末は、下記組成：
(1)Ｓｉ：０.５〜１.５質量％、残部がＦｅと不可避的不純物（ただし、必要に応じてＡｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓ、Ｎｂ、Ｔｉの群から選ばれる少なくとも１種を２質量％以下含有していてもよい）、
(2)Ｓｉ：５.５〜７.５質量％、残部がＦｅと不可避的不純物（ただし、必要に応じてＡｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓ、Ｎｂ、Ｔｉの群から選ばれる少なくとも１種を２質量％以下含有していてもよい）、
(3)Ｎｉ：７５〜８５質量％、Ｍｏ：０〜４質量％、残部がＦｅと不可避的不純物（ただし、必要に応じてＡｌ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓ、Ｎｂ、Ｔｉの群から選ばれる少なくとも１種を２質量％以下含有していてもよい）、
(4)Ｓｉ：８〜１１質量％、Ａｌ：５〜８質量％、残部がＦｅと不可避的不純物（ただし、必要に応じてＣｒ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓ、Ｎｂ、Ｔｉの群から選ばれる少なくとも１種を２質量％以下含んでいてもよい）、
(5)次式：
（Ｆｅ_1-f-gＮｉ_fＣｏ_g）_{100-e-d-c-b-a}Ｍ_eＭ’_dＳｉ_cＢ_bＸ_a
（ただし、ＭはＨｆ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、およびＮｂの群から選ばれる少なくとも１種を表し、Ｍ’はＳｃ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｗ、Ｐｔ、Ｚｎ、および希土類元素の群から選ばれる少なくとも１種を表し、ＸはＣｕ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｐ、Ｓ、Ｃａ、Ｇａ、およびＧｅの群から選ばれる少なくとも１種を表し、ｇ、ｆ、ｅ、ｄ、ｃ、ｂ、ａは、それぞれ、０≦ｇ＋ｆ≦０.３、０≦ｅ≦３０、０≦ｄ≦２０、０≦ｃ≦３０、１≦ｂ≦３０、０≦ａ≦５０を満足する数を表す）
で示される組成、または、
(6)次式：
（Ｆｅ_1-f-gＮｉ_fＣｏ_g）_{100-e-d-c-b-a}Ｍ_eＭ’_dＳｉ_cＢ_bＸ_a
（ただし、ＭはＨｆ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、およびＮｂの群から選ばれる少なくとも１種を表し、Ｍ’はＳｃ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｗ、Ｐｔ、Ｚｎ、および希土類元素の群から選ばれる少なくとも１種を表し、ＸはＣｕ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｐ、Ｓ、Ｃａ、Ｇａ、およびＧｅの群から選ばれる少なくとも１種を表し、ｇ、ｆ、ｅ、ｄ、ｃ、ｂ、ａは、それぞれ、０.６≦ｇ≦０.８、０≦ｆ≦０.１、０≦ｅ≦３０、０≦ｄ≦２０、０≦ｃ≦３０、１≦ｂ≦３０、０≦ａ≦５０を満足する数を表す）
で示される組成、
を有する合金の粉末である請求項１の圧粉磁心。