JP2007509497A - 軟磁性金属粉末を用いたコア製造用単位ブロック、及び、該単位ブロックを用いた大電流直流重畳特性を有するコアの製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、PFC(Power Factor Correction)用アクティブフィルタや3相ラインリアクトル又は燃料電池システムを用いた自動車電場用インダクタに用いられるコアを製造することができる軟磁性金属粉末を用いたコア製造用単位ブロック及びこれを用いた大電流直流重畳特性に優れたコアとその製造方法に関するものであって、平均粒度175μm以下のセンダスト合金粉末、ハイフラックス粉末及びMoパーマロイ粉末、シリコン鋼粉末に固体潤滑剤を添加して混合するステップと;前記混合された粉末を最終製造される単位ブロックの大きさが縦1〜5cm、横3〜10cm及び高さ1〜5cmになるように単位面積当り10〜18トンの圧力で成形するステップと;前記成形された成形体を不活性雰囲気において600〜800℃の温度範囲において1〜2時間熱処理して縦1〜5cm、横3〜10cm及び高さ1〜5cmである単位ブロックとして製造するステップと;前記製造された単位ブロックを耐熱性及び耐火性のエポキシ又はポリウレタン接着剤を用いてコア形態に接着し、コアを製造するステップとで構成される軟磁性金属粉末を用いたコア製造用単位ブロック、コア及びその製造方法を提供する。
Description
本発明は、軟磁性金属粉末を用いたコア製造用単位ブロック及びこれを用いた大電流直流重畳特性に優れたコア並びにその製造方法に関し、より詳細にはPFC(Power Factor Correction)用アクティブフィルタ(active filter;大電流降圧用インダクタ又は大電流昇圧用インダクタ)や3相ラインリアクトル(line reactor)又は燃料電池システム(fuel cell system)を用いた自動車電場用インダクタに用いられるコアを製造することができる軟磁性金属粉末を用いたコア製造用単位ブロック及びこれを用いた大電流直流重畳特性に優れたコア並びにその製造方法に関する。
従来のPFC(Power Factor Correction)用アクティブフィルタ(大電流降圧用インダクタ又は大電流昇圧用インダクタ)や3相ラインリアクトル又は燃料電池システムを用いた自動車電場用インダクタに用いられる軟磁性コアは、純鉄、シリコン鋼板、アモルファス(非晶質)等を素材として積層型コア、EE及びEI形態に製造していた。
積層型シリコン鋼板コア又はアモルファスコアの場合、スイッチング周波数50kHz以下のPFC(Power Factor Correction)用アクティブフィルタ(大電流降圧用インダクタ又は大電流昇圧用インダクタ)や3相ラインリアクトルに用いられ、高周波電流が重畳する電子ノイズの抑制に用いられていたが、コア損失が高く磁歪定数が大きいことによって熱や騒音が甚だしいとの短所があり、これを解決するために嵩を大きくしなければならないため、経済的にも大きな問題があった。
また、上記用途として製造される軟磁性トロイダルコアは、高圧プレスの加圧能力の限界のため最も大きいサイズが外径77〜100mmであるので、さらに大きなサイズを必要とする製品に用いることは不可能であった。
また、純鉄粉末で製造されたコアは、低コストであるとの利点はあるが、相対的にコア損失が非常に大きいため作動時に過熱し、高い直流電流が重畳すると、透磁率が大きく低下するとの短所があり、積層型シリコン鋼板コア又はアモルファスコアの場合、スイッチング周波数50kHz以下のPFC(Power Factor Correction)用アクティブフィルタ(大電流降圧用インダクタ又は大電流昇圧用インダクタ)や3相ラインリアクトルに用いられ、高周波電流が重畳する電子ノイズの抑制に用いられていたが、コア損失が高く磁歪定数が大きいことによって熱や騒音が甚だしいとの短所がある。
反面、Moパーマロイ(MPP)コアは1〜100kHz周波数の範囲において良好な周波数特性を有し、コア損失が金属粉末コアのうちで最も低く、高い直流電流の重畳時にも透磁率の減少が少ないとの長所があるが、高コストであるとの短所があり、ハイフラックスコアは1〜100kHz周波数の範囲において良好な周波数特性を有し、コア損失が低く、金属粉末コアのうち高い直流電流の重畳時に透磁率の減少が最も少ないとの長所がある。
また、センダストコアは、純鉄に比して極めて低いコア損失値を示し、周波数特性はMoパーマロイやハイフラックスコアと同等水準であり、コストはMoパーマロイやハイフラックスコアに比して約1/2水準と安価であるとの長所があるが、大電流における直流重畳特性がMoパーマロイやハイフラックスコアに比して相対的に低く、Si5〜8wt%、残余量がFeである組成からなるシリコン鋼粉末はMoパーマロイ、ハイフラックス、センダストに比してコア損失が高いが、大電流における直流重畳特性がMoパーマロイやセンダストに比して優れ、低コストであるという長所がある。
本発明は、上記のように従来に用いられていた純鉄粉末、積層型シリコン鋼板又はアモルファスコア素材の問題点を解決すると共に、使用用途、インダクタの大きさ及びコストによってMoパーマロイ、ハイフラックス、センダスト又はシリコン鋼粉末を選択的に用いてブロック形態に製造し、PFC(Power Factor Correction)用アクティブフィルタ(大電流降圧用インダクタ又は大電流昇圧用インダクタ)や3相ラインリアクトル又は燃料電池システムを用いた自動車電場用インダクタ等の応用に用いることができる軟磁性金属粉末を用いたコア製造用ブロック及びこれを用いた大電流直流重畳特性に優れたコア並びにその製造方法を提供することにその目的がある。
上記した目的を達成するために、本発明は平均粒度175μm以下のセンダスト合金粉末、ハイフラックス粉末及びMoパーマロイ粉末又はシリコン鋼粉末のうち1種以上を選択して成形した後、熱処理されて縦1〜5cm、横3〜10cm及び高さ1〜5cmの大きさであることを特徴とする軟磁性金属粉末を用いたコア製造用単位ブロックを提供する。
また、本発明は、前記センダスト合金粉末の組成が9〜10%Siと4〜8%Al及び残部がFeからなる組成であり、前記ハイフラックス粉末の組成が45〜55%Niと残部がFeからなる組成であり、前記Moパーマロイ粉末の組成は80〜81%Niと16〜18%Fe及び1.5〜2.5%Moからなる組成であり、前記シリコン鋼粉末の組成が5〜8wt%Si及び残部がFeからなる組成であることを特徴とする軟磁性金属粉末を用いたコア製造用単位ブロックを提供する。
また、本発明は、センダスト合金粉末、ハイフラックス粉末及びMoパーマロイ粉末又はシリコン鋼粉末のうち1種以上を選択して製造された縦1〜5cm、横3〜10cm及び高さ1〜5cmの大きさであるコア製造用単位ブロックを耐熱性及び耐火性のエポキシ又はポリウレタン接着剤を用いて単相リアクタ及び3相リアクタ形態に接着して製造された軟磁性金属粉末を用いたコア製造用ブロックを用いた大電流直流重畳特性に優れたコアを提供する。
また、本発明は、平均粒度175μm以下のセンダスト合金粉末、ハイフラックス粉末及びMoパーマロイ粉末又はシリコン鋼粉末のうち1種以上を選択して固体潤滑剤を添加した後混合するステップと;前記混合された粉末を最終製造される単位ブロックの大きさが縦1〜5cm、横3〜10cm及び高さ1〜5cmになるように単位面積当り10〜18トンの圧力で成形するステップと;前記成形された成形体を不活性雰囲気において600〜800℃の温度範囲において1〜2時間熱処理して縦1〜5cm、横3〜10cm及び高さ1〜5cmである単位ブロックとして製造するステップと;前記製造された単位ブロックを耐熱性及び耐火性のエポキシ又はポリウレタン接着剤を用いてコアの形態に接着して、コアを製造するステップとで構成されることを特徴とする軟磁性金属粉末を用いたコア製造用ブロックを用いた大電流直流重畳特性に優れたコアの製造方法を提供する。
以下、本発明の構成を、添付の図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明による軟磁性ブロックコアの基本構造を示す概略図であり、図2は、本発明に軟磁性ブロックコアを用いて製造された単相リアクタの概略図であり、図3は、本発明に軟磁性ブロックコアを用いて製造された3相リアクタの概略図である。
先ず、本発明の数値限定の理由について説明すると、次のとおりである。
本発明により軟磁性金属粉末として製造される単位ブロックの大きさは縦1〜5cm、横3〜10cm及び高さ1〜5cmである六面体状に製造される。
上記と縦及び横、高さのサイズを制限した理由は、単位ブロックの大きさが縦1cm、横3cm、高さ1cm以下である場合、単位ブロックを組み立てるのに時間と経費が多く所要され、単位ブロックの大きさが縦5cm、横10cm、高さ5cm以上である場合、単位ブロックを製造するのに必要なプレスの設置が現実的に不可能であるため、そのサイズを制限したものである。
また、本発明に用いられる軟磁性金属粉末の平均粒度を175μm以下に制限しているが、これは単位ブロックの成形強度及びプレスの破損を防止するために制限したものである。
また、本発明において単位ブロックの成形時の成形圧力を単位面積当り(cm2)10〜18トンの圧力で成形したが、これは10トン以下の圧力においては、単位ブロックの形態を維持し難く、18トン以上の圧力では設備に限界があるためである。
一方、上記のような条件で製造された単位ブロック成形体を不活性雰囲気において600〜800℃の温度範囲で1〜2時間熱処理して単位ブロックとして製造したが、これは非酸化性雰囲気に維持しながら成形時に単位ブロックに残っている残留応力を除去するために温度及び維持時間を制限した。
また、本発明は上記のように製造された単位ブロックを耐熱性及び耐火性の接着剤を用いてコア形態に接着するが、耐熱性及び耐火性の接着剤としてはエポキシ又はポリウレタン接着剤を用いた。
前記耐熱性及び耐火性接着剤であるエポキシ又はポリウレタン接着剤は、コアの実際使用温度である100℃以上の高温においても接着力を失わない性質を有しているため用いた。
以下においては、本発明に用いられる軟磁性金属粉末の準備過程について説明する。
本発明において用いられるセンダスト合金粉末の準備過程は、本出願人の韓国特許出願第1998-62927号の方法と同一に製造しており、簡単に記述すると、次のとおりである。
先ず、高透磁率及び低損失特性を有する組成の9.6%Siと5.4%Al、及び残余量のFeからなるセンダストインゴット(sendust ingot)をジョークラッシャー(jaw crusher)、ロータリークラッシャー(rotary crusher)、ハンマーミル(hammer mill)等で粉砕した後、1時間のボールミル(ball mill)を実施し、800〜900℃の温度において水素と窒素の混合ガス雰囲気で8時間熱処理し、1.0〜2.0wt%絶縁セラミックをウェット絶縁コーティング又は低融点セラミックバインダでドライ絶縁コーティングしてセンダスト粉末を得た。
また、NiとFe又はNiとFe、MoからなるハイフラックスとMoパーマロイ粉末は、本出願人の韓国特許出願第2001−61455号及び第1997−9412号に開示されている方法と同一に製造しており、簡単な製造方法は、次のとおりである。
ハイフラックスやMoパーマロイ粉末は噴霧法により製造し、800〜900℃の温度において水素と窒素の混合ガス雰囲気で8時間熱処理した後、0.5〜3.0wt%の混合セラミックを加えて絶縁コーティングを実施した。この時の混合セラミックは、水酸化マグネシウム、カオリン、滑石及び水ガラス(sodium silicate)を混合したものである。
次は、直流重畳特性に優れたシリコン鋼粉末は、本出願人の韓国特許出願第2000−4180号に開示されているように、6.5%Siと残余量のFeの組成になるようにFe、Siを溶融した後、N2、He、Ne、Ar、Xe及びRnガスのうち一つ或いは二つ以上を混合したガスで噴射して得られた粉末を800〜900℃の水素、窒素又は水素と窒素の混合ガス雰囲気下において8時間熱処理した。以降、選別して−80メッシュ(175μm以下)の大きさの粒径を有する粉末を用意した後、0.5〜2.0wt%の混合セラミックを用いてウェット絶縁コーティングするか、ガラスフリッツでドライ絶縁コーティングしてブロック製造用シリコン鋼粉末を得た。
また、使用用途によって本出願人の韓国特許出願第2000−46247号に開示されている技術で複合粉末を用意する。
次いで用意された粉末(Moパーマロイ、ハイフラックス、センダスト複合粉末)をZn、ZnS又はステアリン酸(stearate)のような固体潤滑剤を適量添加して混合した後にブロック形態のコアに成形する。
成形は、成形ダイ(die)においてパワープレス(power press)を用いて実施するが、潤滑剤は成形ダイと密集した成形体との間の摩擦力及び粉末粒子の間の摩擦を減少させるためのものである。
この時の成形圧力は100〜500トン(単位面積[cm2]当り10〜18トン)の圧力で縦3cm、横6cm、高さ2cmの形態の単位ブロックとして高圧成形した。
次いで、残留応力(residual stress)と変形(strain)を除去するために成形された単位コアを650〜750℃の間の温度及び窒素雰囲気下において1時間熱処理してコア製造用単位ブロックを完成した。
このような過程を経て完成された単位ブロックをコアの容量と応用によって大きさと形態を設計し、耐熱性及び耐火性に優れた接着剤を用いて組み立てた後、支持台(bracket)外部に設置すれば、表面実装を有利にし、振動と衝撃に耐えられるコアが完成する。
上述したように、本発明を通じて製造された金属粉末軟磁性単位ブロックで製造された軟磁性コアは、低コストのシリコン鋼(Fe−Si)合金粉末とセンダスト、Moパーマロイ及びハイフラックス等の金属粉末を用いて大電流において優れた直流重畳特性及び低いコア損失特性を有していることによって、熱や騒音を減らすことができると共に、透磁率上昇と低い騒音によりインダクタの嵩と重量を減少することができる金属粉末軟磁性ブロックコアを製造することができ、PFC(Power Factor Correction)用アクティブフィルタ(大電流降圧用インダクタ又は大電流昇圧用インダクタ)や3相ラインリアクトル又は燃料電池システムを用いた自動車電場用インダクタに用いられる軟磁性コアを代替することにより、容量及び応用方法によって多様な大きさと模様に広く活用され得る効果がある。
(実施例1)
高透磁率及び低損失特性を有する組成の重量%で9.6%Siと5.4%Al、及び残余量のFeからなるセンダストインゴットを粉砕して−300メッシュ(50μm以下)大きさのセンダスト粉末に1.0wt%の混合セラミックをウェット絶縁コーティング又はガラスフリッツでドライ絶縁コーティングしてセンダスト粉末(特許出願第1998−62927号)を用意する。
高透磁率及び低損失特性を有する組成の重量%で9.6%Siと5.4%Al、及び残余量のFeからなるセンダストインゴットを粉砕して−300メッシュ(50μm以下)大きさのセンダスト粉末に1.0wt%の混合セラミックをウェット絶縁コーティング又はガラスフリッツでドライ絶縁コーティングしてセンダスト粉末(特許出願第1998−62927号)を用意する。
次いで、成形潤滑剤を添加した後、100〜500トンの成形圧力で縦30mm、横60mm、高さ20mmの単位ブロックを高圧成形し、700〜800℃の窒素雰囲気下において1時間熱処理してコア製造用単位ブロックを完成した。
(実施例2)
噴射法で製造されたMo:2%、Ni:80%、残余量がFeである粉末(Moパーマロイ)を製造して−300メッシュ(50μm以下)の大きさの粉末に製作し、混合セラミック1.0wt%でウェット絶縁コーティングしてMoパーマロイ粉末(韓国特許出願第1997−0009412号)を用意する。
噴射法で製造されたMo:2%、Ni:80%、残余量がFeである粉末(Moパーマロイ)を製造して−300メッシュ(50μm以下)の大きさの粉末に製作し、混合セラミック1.0wt%でウェット絶縁コーティングしてMoパーマロイ粉末(韓国特許出願第1997−0009412号)を用意する。
次いで、成形潤滑剤としてステアリン酸を添加した後、100〜500トンの成形圧力で縦30mm、横60mm、高さ20mmのブロックコアを高圧成形し、700〜800℃の窒素雰囲気下において1時間熱処理してコア製造用コアを完成した。
(実施例3)
噴霧法で製造されたNi50%、残余量がFeであるハイフラックス粉末を製造して−300メッシュ(50μm以下)の大きさの粉末に製作し、混合セラミック1.0wt%で絶縁コーティングしてハイフラックス粉末(韓国特許出願第2001−61455号)を用意する。
噴霧法で製造されたNi50%、残余量がFeであるハイフラックス粉末を製造して−300メッシュ(50μm以下)の大きさの粉末に製作し、混合セラミック1.0wt%で絶縁コーティングしてハイフラックス粉末(韓国特許出願第2001−61455号)を用意する。
次いで、成形潤滑剤を添加した後、100〜500トンの成形圧力で縦30mm、横60mm、高さ20mmのブロックコアを高圧成形し、700〜800℃の窒素雰囲気下において1時間熱処理してコア製造用単位ブロックを完成した。
(実施例4)
6.5%Siと残余量のFeの組成になるようにFe、Siを溶融した後、N2、He、Ne、Ar、Xe及びRnガスのうち一つ或いは二つ以上を混合したガスで噴射して得られた粉末を880℃の水素、窒素又は水素と窒素の混合ガス雰囲気下において8時間熱処理した。以降、選別して−80メッシュ(175μm以下)の大きさの粒径を有する粉末を用意した後、0.5〜2.0wt%混合セラミックをウェット絶縁コーティング又は低融点セラミックバインダでドライ絶縁コーティングしてシリコン鋼粉末(韓国特許出願第2000−4180号)を得た。
6.5%Siと残余量のFeの組成になるようにFe、Siを溶融した後、N2、He、Ne、Ar、Xe及びRnガスのうち一つ或いは二つ以上を混合したガスで噴射して得られた粉末を880℃の水素、窒素又は水素と窒素の混合ガス雰囲気下において8時間熱処理した。以降、選別して−80メッシュ(175μm以下)の大きさの粒径を有する粉末を用意した後、0.5〜2.0wt%混合セラミックをウェット絶縁コーティング又は低融点セラミックバインダでドライ絶縁コーティングしてシリコン鋼粉末(韓国特許出願第2000−4180号)を得た。
次いで、成形潤滑剤を添加した後、100〜500トンの成形圧力で縦30mm、横60mm、高さ20mmのブロックコアを高圧成形し、700〜800℃の窒素雰囲気下において1時間熱処理してコア製造用単位ブロックを完成した。
(実施例5)
実施例1乃至実施例4において用意された粉末においてシリコン鋼粉末を基本とし、用途によって混合して複合粉末(韓国特許出願第2000−4180号)を用意する。
実施例1乃至実施例4において用意された粉末においてシリコン鋼粉末を基本とし、用途によって混合して複合粉末(韓国特許出願第2000−4180号)を用意する。
次いで、成形潤滑剤を添加した後、100〜500トンの成形圧力で縦30mm、横60mm、高さ20mmのブロックコアを高圧成形し、700〜800℃の窒素雰囲気下において1時間熱処理してコア製造用単位ブロックを完成した。
(実施例6)
実施例1乃至実施例4において用意された軟磁性金属粉末ブロックを形態と用途に応じて設計した後、耐熱性及び耐火性に優れた接着剤をブロック表面に塗って接着する。この後、接着されたコアの表面に支持台(bracket)を設置して衝撃と振動に耐えられるようにした後、表面実装を行えば軟磁性金属粉末で製造された単位ブロックを用いたコアが完成する。
実施例1乃至実施例4において用意された軟磁性金属粉末ブロックを形態と用途に応じて設計した後、耐熱性及び耐火性に優れた接着剤をブロック表面に塗って接着する。この後、接着されたコアの表面に支持台(bracket)を設置して衝撃と振動に耐えられるようにした後、表面実装を行えば軟磁性金属粉末で製造された単位ブロックを用いたコアが完成する。
上記のように製造された軟磁性コアは、図2乃至図3に示されているように、単相リアクタ又は3相リアクタの形態に製造することができ、このような単位ブロックの接着で製造された軟磁性コアは、従来の積層型軟磁性コアよりは、図3に示されているように、大電流直流重畳特性に優れるということが分かった。
(実施例7)
実施例1乃至実施例5によって用意された粉末で製造された単位ブロックを、実施例6の方法によりブロックコアを製造した後、電・磁気的特性と騒音測定結果を表1に表した。表1から見られるように、発明材1〜7の場合、直流重畳特性が比較材1に比して2〜14%まで高く、騒音特性が約30dB以上低く示されることが分かり、一般の環状コアよりも高い直流重畳特性が示されることが分かった。
実施例1乃至実施例5によって用意された粉末で製造された単位ブロックを、実施例6の方法によりブロックコアを製造した後、電・磁気的特性と騒音測定結果を表1に表した。表1から見られるように、発明材1〜7の場合、直流重畳特性が比較材1に比して2〜14%まで高く、騒音特性が約30dB以上低く示されることが分かり、一般の環状コアよりも高い直流重畳特性が示されることが分かった。
上記の結果から、軟磁性金属粉末で製造された単位ブロックを用いたコアが実際の使用領域である250Oe以上において積層型シリコン鋼板又は環状コアより高い直流重畳特性を示すことによって、PFC(Power Factor Correction)用アクティブフィルタ(大電流降圧用インダクタ又は大電流昇圧用インダクタ)や3相ラインリアクトル又は燃料電池システムを用いた自動車電場用インダクタに用いられる軟磁性コアを代替することができるものと判断される。
Claims (4)
- 平均粒度175μm以下のセンダスト合金粉末、ハイフラックス粉末及びMoパーマロイ粉末又はシリコン鋼粉末のうち1種以上を選択して成形した後、熱処理されて縦1〜5cm、横3〜10cm及び高さ1〜5cmの大きさであることを特徴とする軟磁性金属粉末を用いたコア製造用単位ブロック。
- 前記センダスト合金粉末は、9〜10%Siと4〜8%Al及び残部がFeからなる組成であり、前記ハイフラックス粉末は、45〜55%Niと残部がFeからなる組成であり、前記Moパーマロイ粉末は、80〜81%Niと16〜18%Fe及び1.5〜2.5%Moからなる組成であり、前記シリコン鋼粉末は、5〜8wt%Si及び残部がFeからなる組成であることを特徴とする請求項1に記載の軟磁性金属粉末を用いたコア製造用単位ブロック。
- センダスト合金粉末、ハイフラックス粉末及びMoパーマロイ粉末又はシリコン鋼粉末のうち1種以上を選択して製造された縦1〜5cm、横3〜10cm及び高さ1〜5cmの大きさであるコア製造用単位ブロックを耐熱性及び耐火性のエポキシ又はポリウレタン接着剤を用いて単相リアクタ及び3相リアクタの形態に接着して製造された軟磁性金属粉末を用いたコア製造用ブロックを用いた大電流直流重畳特性に優れたコア。
- 平均粒度175μm以下のセンダスト合金粉末、ハイフラックス粉末及びMoパーマロイ粉末又はシリコン鋼粉末のうち1種以上を選択して固体潤滑剤を添加した後混合するステップと;
前記混合された粉末を最終製造される単位ブロックの大きさが縦1〜5cm、横3〜10cm及び高さ1〜5cmになるように単位面積当り10〜18トンの圧力で成形するステップと;
前記成形された成形体を不活性雰囲気において600〜800℃の温度範囲において1〜2時間熱処理して縦1〜5cm、横3〜10cm及び高さ1〜5cmである単位ブロックとして製造するステップと;
前記製造された単位ブロックを耐熱性及び耐火性のエポキシ又はポリウレタン接着剤を用いてコア形態に接着し、コアを製造するステップとで構成されることを特徴とする軟磁性金属粉末を用いたコア製造用ブロックを用いた大電流直流重畳特性に優れたコアの製造方法。
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