JP2006261331A - インダクタンス部品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 １１０ｋＡ／ｍ以上の領域において使用された場合であっても、磁気飽和せずに良好な直流電流重畳特性を示し、かつ低騒音を実現する磁芯及びそれを用いたインダクタンス部品およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 磁性体粉末と樹脂との混成物から成る磁芯３ａ，３ｂと、導線を巻き回して成る巻線４と、該巻線４の表面を覆う絶縁層２ａと、これらを内包する収納ケース５とからなるインダクタンス部品であって、前記磁芯３ａ，３ｂを構成する磁性粉末は、その磁気歪み特性が正である磁性体粉末と、 磁気歪み特性が負である磁性体粉末との少なくとも２種類以上の磁性体粉末で構成されたインダクタンス部品とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁芯及びそれを用いたインダクタンス部品に関し、特に、電気自動車やハイブリッドカーに搭載される蓄電バッテリーのエネルギー制御において、リアクトルとして用いるのに好適なインダクタンス部品およびその製造方法に関する。

従来から、樹脂と磁性体粉末とからなる磁芯を備えるインダクタンス部品が知られている。例えば、特許文献１のインダクタンス部品は、樹脂と磁性体粉末からなる磁芯に加え、フェライト焼結体の磁芯又は金属磁性体粉末からなる圧粉磁芯を備えている。巻線は磁芯の周囲に巻回され、それを覆うようにして樹脂と磁性体粉末とからなる別の磁芯が設けられている。特許文献１の目的は、各種電子機器の大電流用途に適するインダクタ、チョークコイル、トランス等の磁性素子を提供することであると記載されている。ここで、特許文献１の具体的なターゲットとされている電流範囲は、十数Ａ以下である。

また、当業者における常識として、インダクタンス部品は、通常ターゲットとする領域内において可能な限り良好な直流電流重畳特性を有するように設計される。換言すると、インダクタンス部品は、通常は、使用される電流範囲において可能な限り高い比透磁率を有する一方で、ターゲットとしている電流の領域を超えた場合にはインダクタンスが飽和することを前提に設計されている。

即ち、特許文献１に記載のインダクタンス部品について言えば、十数Ａ以下の電流値に対しては可能な限り大きなインダクタンスを得るように設計される一方、その範囲を超えた電流値においてはインダクタンスが飽和してしまっても構わないこととされるのが通常の設計手法から予測される事項である。このような設計手法が採用されるのは、ターゲットとしていない電流範囲中におけるインダクタンスまで考慮して設計しようとすると、ターゲットとしている電流範囲中でもインダクタンスが劣化してしまうか、もしくはターゲットとしている電流範囲中でインダクタンスを得るためのインダクタンス部品の大きさが過大となってしまうことことになり、それを避けるためである。

一方、電気自動車やハイブリッドカーの蓄電バッテリーのエネルギー制御のような大電力システムにおけるインダクタンス部品は、例えば２００Ａ以上の領域で使用される可能性もある。電流値が一桁違えば、電力値は二桁異なることになることからも理解されるように、特許文献１のインダクタンス部品では、電気自動車やハイブリッドカーの蓄電バッテリーのエネルギー制御に使用することは想定されていない。

また、電気自動車やハイブリッドカーにおいて昇圧・回生用として用いられるインダクタンス部品の駆動周波数は、可聴領域の数ｋＨｚから数十ｋＨｚにかかることから、駆動時には、巻線の線間、巻線と磁芯との間にて相互吸引力に起因した振動が生じるなどして、可聴ノイズ・うなりを発生させるという問題がある。加えて、エアギャップを設けることなく、例えば、２００Ａ以上の大電流を流した際にも磁気飽和しないような磁芯の構成は従来見当たらなかったのであるが、エアギャップを設けると上述した振動の可能性に加え、ギャップを挟んだコアとコアとの間で振動が生じる可能性もある。

上記の問題を解決するために、発明者は、磁性体粉末と、非磁性体粉末と、樹脂との混成物を硬化させて得られる磁芯であって、前記磁性体粉末は略球状粉末であり、また前記非磁性体粉末は略球状粉末であり、また７９．３ｋＡ／ｍの磁界中にて１０以上の比透磁率を有し、前記混成物における前記樹脂の配合比は２０体積％以上から９０体積％以下の範囲であることを特徴とする磁芯を提案している。

この構成とすることにより、従来の磁芯に比べインダクタンス部品の騒音特性が約２０ｄＢ改善される。この時の騒音の原因となっているものとして、巻線電流による磁界が磁芯に加わることにより、磁芯を構成する磁性体粉末に磁化が生じることにより発生する磁性体粉末間に働く吸引力による磁芯の弾性変形と、同じく磁芯を構成する磁性体粉末に磁化が生じることにより生じる磁気歪みによる磁芯の弾性変形と、巻線電流が２００Ａ以上の大電流となり、巻線に働く電磁力が増大した結果生じる巻線を固定保持する冶具そのものの弾性変形とが挙げられる。

特開２００１−１８５４２１号公報

本発明は、１１０ｋＡ／ｍ以上の領域において使用された場合であっても、磁気飽和せずに良好な直流電流重畳特性を示し、かつ低騒音を実現する磁芯及びそれを用いたインダクタス部品およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のインダクタンス部品は、磁性体粉末と、樹脂との混成物を硬化させて得られるインダクタンス部品であって、前記磁性体粉末は略球状粉末であり、また磁性粉末と樹脂との混成物から成る磁芯と、導線を巻き回して成る巻線部と、該巻線部の表面を覆う絶縁層と、これらを内包する収納ケースとからなるインダクタンス部品であって、該磁芯を構成する磁性粉末にその磁気歪み特性が正であるものと負であるものとの少なくとも２種類以上の材料を用いたことを特徴とするインダクタンス部品である。

更に、本発明は、上記磁芯を構成する磁性体粉末の１種類は、好ましくはＳｉが３．０〜６．０重量％、Ｎｂが２．０〜４．０重量％、Ｏが０．１〜１．０重量％、Ｍｎ、Ｖ、Ａｌ、Ｃｒの中の少なくとも１種類の合計が０〜１．５重量％（０を含まない）、残部がＦｅなる組成で、かつ平均粒径が、１５０μｍ以下の略球状合金粉末であることを特徴とするインダクタンス部品である。

また、本発明は、上記磁芯部を構成する磁性体粉末のもう１種類は、好ましくはＳｉが６．５〜８．０重量％、Ｎｂが２．０〜４．０重量％、Ｏが０．１〜１．０重量％、Ｍｎ、Ｖ、Ａｌ、Ｃｒの中の少なくとも１種類の合計が０〜１．５重量％（０を含まない）、残部がＦｅなる組成で、かつ平均粒径が、１５０μｍ以下の略球状合金粉末であることを特徴とするインダクタンス部品である。

また、本発明は、前記鉄心部が前記混成物を注型することにより得られる注型品のインダクタンス部品であり、前記混成物が溶剤を用いることなく注型できる材料のインダクタンス部品である。

加えて、本発明は、該インダクタンス部品は該絶縁層を設けた該巻線部を収納ケース内部に設置した後に、磁性粉末と樹脂との混成物を収納ケース内部に複数回に分けて充填し、該混成物を硬化せしめて磁芯と為すインダクタンス部品に関するものであって、該巻線部の外周部には磁気歪み特性が負である磁性粉末と樹脂との混成物が充填され、且つ該巻線部の内周部には磁気歪み特性が正である磁性粉末と樹脂との混成物が充填されているインダクタンス部品及びその製造方法である。

本発明のインダクタンス部品は、磁界零中における比透磁率では、高い周波数で駆動される電子機器などにおいて用いられる小型のインダクタンス部品の比透磁率と比較すると低いが、磁界が高くなっても比透磁率は急激には低下せず、本発明の磁芯の比透磁率は高い磁界中においても比較的大きな値を保持することができる。

また、本発明によれば、１１０ｋＡ／ｍ以上の領域において使用された場合であっても、磁気飽和せずに良好な直流電流重畳特性を示す磁芯及びそれを用いたインダクタンス部品およびその製造方法を提供できる。

更に、本発明によって、巻線部の内周部に磁気歪み特性が正である磁性粉末と樹脂との混成物を磁芯の構成物に用いていることで、磁芯を構成する磁性体粉末に磁化が生じることにより発生する磁性体粉末間に働く吸引力による磁芯の弾性変形と、同じく磁芯を構成する磁性体粉末に磁化が生じることにより生じる磁気歪みによる磁芯の弾性変形と、巻線電流が２００Ａ以上の大電流となり巻線に働く電磁力が増大した結果生じる巻線を固定保持する冶具そのものの弾性変形とを互いに干渉せしめることが可能となり、低騒音を実現する磁芯及びそれを用いたインダクタンス部品を提供できる。

本発明の実施の形態による磁芯は、磁性体粉末と樹脂との混成物とからなる。巻線部は、巻線と非磁性体粉末と樹脂とからなる絶縁層からなる。絶縁層としては、予め巻線に施されたフォルマル被覆のようなものでもよいが、高電力用途のインダクタンス部品のように大電流もしくは高電圧で用いられる場合を考慮すると、巻線を巻き回した後に数ｍｍの厚さで別途形成してやることが好ましい。また、本発明の磁芯は、前記混成物を注型してなる注型品である。ここで、高電力用途のインダクタンス部品のようにサイズが大きい場合、当該インダクタンス部品が一定以上の高さを有することを考慮すると、混成物は溶剤を加えることなく注型で形成できる材料からなることが好ましい。

前記注型は、基本的には無加圧又は減圧で行われる。一旦、注型した後に、圧力を加え、充填率を向上させることとしても良い。混成物を注型する際の型については特に制限はなく、従って、混成物からなる磁芯の形状としてはあらゆる形状が考えられる。また、前記絶縁物は、前記混成物の外側の部分、または周辺部に形成される。

本実施の形態による磁性体粉末は、略球状粉末を用いると良い。このように略球状の磁性体粉末を用いると、混成物における磁性体粉末の充填率を向上させることができる。かかる略球状の磁性体粉末は、例えばガスアトマイズ法によって得られる。ガスアトマイズ法によれば、磁性体粉末の粒径及び形状はある程度の分布を有することとなるが、目安としては、最も標準的な磁性体粉末の粒径が平均粒径にて１５０μｍ以下であることが望ましく、これを超えると十分な充填率や特性・性能が得られない。

ガスアトマイズ法によれば、上記のような略球状の粉末の他に、非球状の粉末を意図的に形成することもできる。また、水アトマイズ法によれば、不定形の粉末を得ることもできる。本発明においては、略球状の粉末に代えて上記の手法により得られた非球状粉末や不定形粉末、その他の形状の粉末をも使用することができる。略球状以外の磁性体粉末を採用する理由としては、例えばその形状に起因した異方性を利用することが挙げられる。より具体的には、例えば、非球状、扁平状、又は針状の磁性体粉末を樹脂に混成し、その樹脂を硬化させる前に所定の磁界を加えて粉末群の異方性配向を行い、その後に樹脂を硬化させるといった利用法が考えられる。

また、本実施の形態における磁性体粉末は、軟磁性粉末、詳しくはＦｅ系の軟磁性金属粉末である。 更に具体的には、軟磁性金属粉末はＦｅ−Ｓｉ系粉末、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系粉末、及びＦｅ系アモルファス粉末からなる群から選択された粉末である。ここで、Ｆｅ−Ｓｉ系粉末における平均Ｓｉ含有量は好ましくは３．０重量％以上６．０重量％以下、もしくは６．５重量％以上８．０重量％以下である。これはＳｉ含有量が６．０重量％以下の時にＦｅ−Ｓｉ系軟磁性金属粉末が正の磁気歪み特性を示し、また、６．５重量％以上で負の磁気歪み特性を示し、８．０重量％以上になるとＦｅ量が十分でなく良好な磁気特性が得られなくなるためである。また同様に、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系粉末における平均Ｓｉ含有量は好ましくは３．０重量％以上６．０重量％以下、もしくは６．５重量％以上８．０重量％以下であり、平均Ａｌ含有量は好ましくは２．０重量％以下である。

前記樹脂は硬化性樹脂を使用する。硬化性樹脂としては、熱硬化性樹脂が使い易く望ましい。例えば、前記樹脂はエポキシ樹脂又はシリコーン樹脂が使用される。但し、樹脂としては、化学反応性硬化樹脂、光硬化性樹脂や紫外線硬化性樹脂など他の硬化性樹脂であっても構わない。

本実施の形態における樹脂としては、エポキシ樹脂を使用することが推奨される。本実施の形態においては、エポキシ樹脂が液状で低粘度であることが望ましいため、添加剤、硬化剤、触媒との相溶性、保存安定性を具体的なエポキシ樹脂選定において考慮する必要がある。そういったことを考慮すると、主剤としては、ビスフェノールＡ型、ビスフェノールＦ型、多官能型等のエポキシ樹脂を用いるのが好ましく、硬化剤としては芳香族ポリアミン系、カルボン酸無水物系、潜在性硬化剤系のものを用いることが好ましい。本実施の形態では、特に、ビスフェノールＡ型のエポキシ樹脂と無溶剤型低粘度液状芳香族アミンの硬化剤との組合せを使用するのが望ましい。

前記混成物における前記樹脂の配合比は２０体積％以上から９０体積％以下の範囲とする。樹脂が、２０体積％未満であると、磁性体粉末と樹脂との混合が困難となり、また、樹脂が、９０体積％を越えると、磁性体粉末の量が減るので、磁気特性が低下してしまうためである。

加えて、混成物における樹脂の配合比率は流動性などを考慮して２０体積％以上９０体積％以下である必要がある。好ましくは、混成物における樹脂の配合比率は４０体積％以上７０体積％以下である。

また、混成物における樹脂には、磁性粉末同士の間隔を調整するためや、騒音の音波を反射、吸収させ減衰させる目的で非磁性粉末から成るフィラーが混入されていてもよい。例えば、非磁性粉末としては、シリカの内部に不活性ガスが充填された略球状の中空粉が望ましい。あるいは、非磁性体粉末としては、同じくシリカの内部に弾性体が充填された略球状の中空粉や、同じくシリカの内部が真空の略球状の中空粉を使用しても良い。

また、略球状の中空粉の非磁性体粉末の周辺に、寸法の小さい略球状の中空粉の非磁性体粉末が入り込んでいるような構造となるように配合することによって、騒音の音波が非磁性体中空粉の中で反射、吸収されて減衰する。

図１は、本発明の実施例のインダクタンス部品の説明図である。図１に示すインダクタンス部品１は、巻線４と、その周囲に構成された絶縁層２ａと、これらを覆うように注型された磁芯３と、注型に用いられるアルミ製の収納ケース５とで構成されている。アルミ製の収納ケース５の内側には、磁芯３と収納ケース５とを絶縁するための絶縁層２ｂが予め形成されている。ここで、インダクタンス部品の寸法は、７５ｍｍ×１８０ｍｍ×５５ｍｍである。

絶縁層２ａ及び２ｂは、非磁性体粉末から形成される粉体の平均粒径が１２０μｍのものと、非磁性体粉末から形成される粉体の平均粒径が５０μｍのものとを、体積比での混合比率が８０対２０の範囲で混合した混合粉末と、エポキシ樹脂との混合物より成る絶縁層である。前記非磁性体粉末は、シリカであり、内部に不活性ガスが充填された略球状の中空粉を用いている。ここで、非磁性体粉末は同じくシリカであり、内部に弾性体が充填された略球状の中空粉でも、同じくシリカであり、内部が真空の略球状の中空粉を用いても、同様の効果を奏する。

このような配合によって、前記略球状の中空粉の非磁性体粉末の周辺に、寸法の小さい略球状の中空粉の非磁性体粉末が入り込んでおり、騒音の音波が非磁性体中空粉の中で反射、吸収されて減衰し、絶縁物絶縁層２ａ及び２ｂは磁芯３からの騒音を防止する。なお、磁芯３は、磁芯３ａと磁芯３ｂとで構成されている。

ここで、磁芯３ａは、磁性体粉末として、磁歪が正である組成の磁性体粉末と、エポキシ樹脂とを混合しており、また、磁芯３ｂは、磁性体粉末として、磁歪が負である組成の磁性体粉末と、エポキシ樹脂とを混合している。

即ち、磁芯３ａは、磁性体粉末として、磁歪が正であるＳｉが３.０重量％、Ｎｂが３.０重量％、Ｏが０.３重量％、Ｍｎが０．２重量％、残部がＦｅなる組成で、かつ平均粒径が１００μｍの、ガスアトマイズ法により作製された略球状合金粉末を用いた。

また、磁芯３ｂは、磁性体粉末として、磁歪が負であるＳｉが６.８重量％、Ｎｂが３．０重量％、Ｏが０．３重量％、Ｍｎが０．２重量％、残部がＦｅなる組成で、かつ平均粒径が１００μｍの、ガスアトマイズ法により作製された略球状合金粉末を用いた。これら磁芯３ａ、および磁芯３ｂは、磁性粉末と樹脂との混成物を収納ケース５内部に各々複数回に分けて注型した後、該混成物を加熱硬化せしめて作製した。

図２は、本発明の実施例によるインダクタンス部品の直流電流重畳特性を示すグラフである。図２において、本発明の磁芯（複数種類の材料組成からなるＦｅ−Ｓｉ系粉末を用いた磁芯）と、従来の磁芯［１種類の材料組成（磁芯３ａに用いた混成物を使用した）からなるＦｅ−Ｓｉ系粉末を用いた磁芯］の直流電流重畳特性を示す。図２に示すように、本実施の形態における磁芯のインダクタンスは従来の磁芯とほぼ同等であることが判る。

表１は、本発明の実施例によるインダクタンス部品の騒音特性と、従来の磁芯の騒音特性との比較表である。測定条件は、周波数１０ｋＨｚであって、シールド板で、本発明のインダクタンス部品、および従来のインダクタンス部品を覆って、その外壁にて、マイクロフォンにて、うなりの強さを測定した。なお、前記インダクタンス部品には、重量電流を１８０Ａとして測定しているので、１２０ＫＡ／ｍの磁界が印加されている。

表１より、本発明のインダクタンス部品では、騒音が約１０ｄＢ改善されていることがわかる。また、本発明のインダクタンス部品では、１１０ＫＡ／ｍ以上の領域においても、インダクタンス部品のうなりが２９ｄＢであることがわかる。

具体的な例を掲げて説明してきた磁芯及びインダクタンス部品の応用先としては、例えば、電気自動車や太陽光発電や風力発電などに用いられる昇電圧制御用のインダクタンス部品や降電圧制御用のインダクタンス部品などがある。本発明のインダクタンス部品は、特に電気自動車用、あるいはハイブリット自動車用として最適である。

本発明の実施例のインダクタンス部品の説明図。 本発明の実施例によるインダクタンス部品の直流電流重畳特性を示すグラフ。

符号の説明

１ インダクタンス部品
２，２ａ，２ｂ 絶縁層
３，３ａ，３ｂ 磁芯
４ 巻線
５ 収納ケース

Claims (5)

1. 磁性体粉末と樹脂との混成物から成る磁芯部と、導線を巻き回して成る巻線部と、該巻線部の表面を覆う絶縁層と、これらを内包する収納ケースとからなるインダクタンス部品であって、前記磁芯部を構成する磁性体粉末は、その磁気歪み特性が正である磁性体粉末と、磁気歪み特性が負である磁性体粉末との少なくとも２種類以上の磁性体粉末で構成されたことを特徴とするインダクタンス部品。
2. 前記磁芯部を構成する磁性体粉末の１種類は、Ｓｉが３．０〜６．０重量％、Ｎｂが２．０〜４．０重量％、Ｏが０．１〜１．０重量％、Ｍｎ、Ｖ、Ａｌ、Ｃｒの中の少なくとも１種類の合計が０〜１．５重量％（０を含まない）、残部がＦｅなる組成で、かつ平均粒径が、１５０μｍ以下の略球状合金粉末であることを特徴とする請求項１に記載のインダクタンス部品。
3. 前記磁芯部を構成する磁性粉末の１種類は、Ｓｉが６．５〜８．０重量％、Ｎｂが２．０〜４．０重量％、Ｏが０．１〜１．０重量％、Ｍｎ、Ｖ、Ａｌ、Ｃｒの中の少なくとも１種類の合計が０〜１．５重量％（０を含まない）、残部がＦｅなる組成で、かつ平均粒径が、１５０μｍ以下の略球状合金粉末であることを特徴とする請求項１に記載のインダクタンス部品。
4. 前記巻線部の外周部には磁気歪み特性が負である磁性体粉末と樹脂との混成物が充填され、且つ該巻線部の内周部には磁気歪み特性が正である磁性体粉末と樹脂との混成物が充填されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のインダクタンス部品。
5. 請求項４記載のインダクタンス部品の製造方法であって、前記インダクタンス部品は前記絶縁層を設けた前記巻線部を収納ケース内部に設置した後に、磁性体粉末と樹脂との混成物を収納ケース内部に複数回に分けて充填し、該混成物を硬化せしめて磁芯部と為すことを特徴とするインダクタンス部品の製造方法。

Images