JP2008192896A

JP2008192896A - 圧粉磁心

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Publication number: JP2008192896A
Application number: JP2007026752A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Nishimura; 和則西村; Yoshimasa Nishio; 好正西尾; Katsuhiro Ogura; 克廣小倉
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2007-02-06
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2027-02-06
Also published as: JP4900804B2

Abstract

【課題】従来よりも機械的強度が高く低騒音で、かつ磁気特性の良好な圧粉磁心を提供する。
【解決手段】 Fe-Si-B、Fe-Si-B-Cu-Nb、Fe-Zr-B及びCo-Fe-Si-Bからなる群から選択される少なくとも１種の非晶質合金粉末と９９．５質量％超がＦｅの純Ｆｅ粉末が混合された圧粉磁心を用いる。非晶質合金粉末の全体に対する重量比率が１０〜５０％の範囲にあるものが好ましい。また、圧粉磁心の抵抗率が１×１０^３Ωｍ以上で、磁場１００００Ａ／ｍでの透磁率が純Ｆｅ粉末単体の圧粉体よりも高いものが得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波抑制のためのパワーファクターコレクション（ＰＦＣ）や、ノーマルモードチョークやパワーチョーク、その他、ハイブリッド自動車の大出力の電気モータを駆動するような電源回路リアクトルなどに用いられる圧粉磁心に関するものである。

電源回路用磁心として主に３種類の磁心が用いられる。数十ｋＨｚ以下の領域では、珪素鋼板、非晶質軟磁性帯板、微結晶質軟磁性帯板などが磁心材として主に用いられている。これらの磁心材は鉄を主成分とし、飽和磁束密度Bｓと比透磁率μｒが大きいという長所をもつ。しかしながら、珪素鋼板は高周波磁心損失が大きいという欠点を有し、非晶質軟磁性帯板と微結晶質軟磁性帯板は、磁心形状が巻磁心形状や積層磁心形状などに制約され、後述するフェライトのように種々の形状に成形し難い欠点を有する。
また、数十ｋＨｚ以上の領域では、Ｍｎ-Ｚｎ系やＮｉ-Ｚｎ系に代表されるフェライト磁心が広く用いられている。このフェライト磁心は、高周波磁心損失が小さく、また成形が比較的容易なため、種々の形状を大量生産できる特長を有する。しかしながら、飽和磁束密度Bｓが前述の珪素鋼板や非晶質軟磁性帯板、微結晶質軟磁性帯板の３分の１から２分の１程度しかないため、磁気飽和を避けるようとすると磁心断面積が大きくなるという欠点を有する。

数ｋHｚから数百ｋHｚまでの領域に用いられるリアクトル用の磁心として圧粉磁心がある。圧粉磁心は、磁性粉末の表面を絶縁処理したのち加工成形したもので、絶縁処理により渦電流損失の発生が抑制されている。そのため、圧粉磁心の高周波磁心損失は珪素鋼板に比べると小さいという長所を持つ。

特に、急速に普及しはじめたハイブリッド自動車では、大出力の電気モータを有しており、これを駆動する電源回路には高電圧大電流に耐えうるリアクトルが必要になる。このリアクトルには小型化、低騒音化、低損失化、耐久性の要求が強く、リアクトルに用いられる磁心材の特性としては、高い飽和磁束密度Bｓ、適切な範囲の比透磁率μｒ、高機械的強度、そして低騒音化のために磁化した時の体積変形率が低いものであることが要求される。

大電流用のリアクトル磁心として前述の圧粉磁心を用いたものがある。珪素鋼板、非晶質軟磁性帯板、微結晶質軟磁性帯板などの軟磁性帯板は透磁率が５００〜５０００程度であるが、圧粉磁心は１０〜２００程度であるため、軟磁性帯板に比べてギャップを少なくすることができる。この場合、フリンジング磁束が、軟磁性帯板に比べて少ないため、コイルに生じる渦電流を抑えることができる。そして、磁心損失の小さい圧粉磁心を用いることによりリアクトル損失を小さくできる。また、圧粉磁心は飽和しにくいので、大電流時に高透磁率が得られるという利点がある。

低騒音を示す圧粉磁心として、特許文献１及び特許文献２が開示されている。特許文献１では、硬さと強度を向上させることにより騒音を抑制している。また、特許文献２では、圧粉磁心を構成する粉末の粒径を制御することにより騒音を抑制している。また、特許文献３では、非晶質合金粉末と軟磁性粉末を混合して圧粉磁心とすることが開示されている。
特開平６−１７６９１４号公報特開２００６−１４７９５９号公報特開２００６−１７６８１７号公報

しかしながら、非晶質合金粉末と軟磁性粉末を用いた混合粉末では、軟磁性粉末をどのようなものを使うかで磁気特性が大きく左右される。さらに、例えば大電流用リアクトルの磁心として圧粉磁心を用いる場合、高い機械的強度、低騒音、かつ磁気特性の何れも優れたものを得ることは難しい。これは、リアクトルの駆動時に発生する騒音、長時間駆動させても特性が劣化しない耐久性を得るための機械的強度が粉末の合金組成、粒径、被覆する絶縁材の種類や量、そして圧粉体の空隙率などに大きく依存し、お互いがトレードオフの関係になることが多いためである。
本発明の課題は、これら圧粉磁心の問題点を解決し、従来よりも機械的強度が高く低騒音で、かつ磁気特性の良好な圧粉磁心を提供することである。

本発明の圧粉磁心は、Fe-Si-B系、Fe-Si-B-Cu-Nb系、Fe-Zr-B系及びCo-Fe-Si-B系からなる群から選択される少なくとも１種の非晶質合金粉末と９９．５質量％超がＦｅの純Ｆｅ粉末が混合されたことを特徴とする。

非晶質合金粉末の全体に対する重量比率が１０〜５０％の範囲にあるものが好ましい。

圧粉磁心の抵抗率は１×１０^３Ωｍ以上とすることができる。

また、この圧粉磁心は、磁場１００００Ａ／ｍでの透磁率が純Ｆｅ粉末単体の圧粉体よりも高い値となる。

本発明は、非晶質合金粉末と９９．５％超がＦｅの純Fe粉末を混合して圧粉磁心とすることで、高い機械的強度、低騒音、かつ磁気特性に優れた圧粉磁心を得ることができる。また、純Fe粉末の重量比率や、非晶質合金粉末と純Fe粉末のアスペクト比、両粉末の平均粒径を所定の値にすることで、機械的強度、低騒音、かつ磁気特性がさらに優れた圧粉磁心とすることができる。これらの圧粉磁心は交流磁界中で動作させた時の騒音が抑制され、長時間駆動させても特性が劣化し難い。

本発明では、質量分率で５０％以上を９９．５％超がＦｅの柔らかい純Fe粉末を用いることで十分な占積率を保持するとともに、軟磁気特性の優れた非晶質合金粉末を質量分率で１０％以上混ぜることで、抵抗率が大幅に向上し、かつ保磁力が５０００Ａ／ｍ〜１５０００Ａ／ｍでの透磁率が純Ｆｅ粉末単体での圧粉磁心よりも高く直流重畳特性に優れた圧粉磁心を得ることができた。非晶質合金粉末と純Fe粉末の他、粉末間に均一に存在するように既存の無機絶縁バインダー層を作ることが好ましい。

非晶質合金粉末は、Fe-Si-B、Fe-Si-B-Cu-Nb、Fe-Zr-B及びCo-Fe-Si-Bから選択される。ＦｅをＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆか、Ｍｎら選ばれる少なくとも1種以上の元素で置換してもよい。特にMnは微量添加で若干B_Sを向上させる効果がある。これらの置換元素は５原子％以下とすることが好ましい。Cは材料の角形性およびB_Sを向上し磁心を小型化できると共に低騒音化の効果があり、５原子％以下の範囲で添加することが好ましい。
また不可避な不純物としてS,P,Sn,Cu,Al,Tiから少なくとも1種以上の元素を0.50％以下の範囲で含有してもよい。

圧粉磁心を構成する軟磁性粉末において、非晶質合金粉末もしくは純Ｆｅ粉末どちらか一方の形状を球形にし、他方の不規則な偏平形状にしてもよい。純Fe粉末は非晶質合金粉末に比べて塑性変形しやすい。これらの混合粉末を圧縮成形すると、非晶質合金粉末は大きく塑性変形せずに純Fe粉末間に移動して占積率が高まる。これにより、純Fe粉末の全体に対する比率を高めるに伴い、圧環強度に換算した機械的強度を増加させることもできる。

また、混合粉末において、非晶質合金粉末と純Ｆｅ粉末の平均粒径を２０μｍ以上変えることが好ましい。非晶質合金粉末間に純Fe粉末が入り込み、占積率が高まるとともに、機械的強度も向上する。

圧粉磁心の磁化を飽和させたときの体積変形率を減少させる方法としては、軟磁性粉末間のコーティング剤としてアルミナ、シリカ、マグネシア、カオリン等のセラミックス系バインダー及び絶縁材料を用い、これらを多量に配合させることがある。また、圧粉磁心の磁化を飽和させたときの体積変形率を減少させるには、本発明の圧粉磁心にエポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、シリコン樹脂、ポリアミド樹脂などの有機系の溶液、または水ガラス、コロイダルシリカ、コロイダルアルミナなどの無機系の溶液を含浸させ、その後硬化させることも有効である。

本発明の圧粉磁心をリアクトル磁心として使用した場合、動作時の磁心振動が小さくなるので騒音を十分に抑制することができ、従来にない高性能のリアクトルを得ることが出来る。また、ここで用いる圧粉磁心は高い機械的強度を有するので、リアクトルを長時間駆動させても特性は劣化し難い。フリンジング磁束が外部回路に影響を与えないように、比透磁率μｒを調整するための非磁性ギャップとして用いたセラミックス板の周囲をコイルで覆う形状に設計することが好ましい。

本発明を実施例によって具体的に説明するが、これら実施例により本発明が限定されるものではない。
（実施例１）
水アトマイズ法を用いて、９９．９％がＦｅの純Ｆｅ粉末を作製した。この純Ｆｅ粉末は平均流径が９０μｍの粒状粉末である。また、非晶質合金粉末としてSwap法により製造されたATMIX社製の非晶質合金粉末（製品名Kuwamet）を用いた。この非晶質合金粉末は、合金組成が原子％で(Fe_0.97Cr_0.03)₇₆(Si_0.5B_0.5)₂₂C2で表され、平均流径が６５μｍの粒状粉末である。この２種類の軟磁性粉末を質量比率を各々変えて混合した。また、それぞれの混合粉末には、カオリン０．５質量％、アモルファスシリカ１．５質量％、アクリルエマルジョン１．５質量％、ステアリン酸亜鉛０．４質量％を添加した。
それぞれの混合粉末を成形圧２０ｔｏｎ／ｃｍ^２で成形した後、窒素中雰囲気で、保持温度４７０℃×１時間の熱処理を施し、本発明の圧粉磁心用の圧粉体を製造した。純Ｆｅ粉末と非晶質合金粉末の混合比率により、圧密特性、１００ｋＨｚ，交流電圧１Ｖの条件で直流電流を変化させながら透磁率の変化を測定した直流重畳特性、５０ｋＨｚ，５０ｍＴの条件で交流Ｂ−Ｈアナライザにて測定したときのコアロス、および２端子法により電圧５０Ｖで測定した抵抗率がどのように影響するのか調査した。
図１は、非晶質合金粉末の混合比率と占積率との関係を示したものである。非晶質合金粉末の混合比率が５０％であっても占積率は純Ｆｅ粉末の単体からなる圧粉磁心とほぼ同等である。圧粉磁心では、軟磁性粉末の占積率と機械的強度がほぼ比例関係にある。機械的強度が高いと磁歪による圧粉磁心の変形量が小さくなり、磁歪振動による騒音を抑制することに繋がる。
図２は、非晶質合金粉末の混合比率を変えたときの、保磁力と初透磁率との関係を示したものである。純Ｆｅ粉末の混合比率が６０％と８０％の圧粉磁心（非晶質合金粉末の混合比率が４０％と２０％）は、保磁力Ｈが５０００〜１５０００Ａ／ｍの間で、純Ｆｅ粉末の単体からなる圧粉磁心と比較して初透磁率が高くなる。特にＨＥＶ用のリアクトルでは優れた直流重畳特性が必要になり、非晶質合金粉末の混合比率が１０〜５０％の本発明の圧粉磁心が有用である。
図３は、非晶質合金粉末の混合比率とコアロスとの関係を示したものである。非晶質合金粉末の混合比率が増えるに連れ、コアロスが下がる。
図４は、非晶質合金粉末の混合比率と抵抗率との関係を示したものである。非晶質合金粉末の混合比率が１０％を超えると急激に抵抗率が向上する。特に非晶質合金粉末の混合比率が１５％以上では抵抗率ρｖが１×１０^３Ωｍとなり、２０％以上では抵抗率ρｖが１×１０^４Ωｍとなる。
このため、高周波抑制のためのパワーファクターコレクション（ＰＦＣ）や、ノーマルモードチョークやパワーチョーク、ハイブリッド自動車の大出力の電気モータを駆動するような電源回路に用いられるリアクトル用磁心に有用である。

圧粉磁心の非晶質合金粉末の混合比率と占積率との関係を示す図である。圧粉磁心の非晶質合金粉末の混合比率と直流重畳特性との関係を示す図である。圧粉磁心の非晶質合金粉末の混合比率とコアロスとの関係を示す図である。圧粉磁心の非晶質合金粉末の混合比率と抵抗率との関係を示す図である。

Claims

Fe-Si-B、Fe-Si-B-Cu-Nb、Fe-Zr-B及びCo-Fe-Si-Bからなる群から選択される少なくとも１種の非晶質合金粉末と９９．５質量％超がＦｅの純Ｆｅ粉末が混合されたことを特徴とする圧粉磁心。
前記非晶質合金粉末の全体に対する重量比率が１０〜５０％の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の圧粉磁心。
前記圧粉磁心の抵抗率は、１×１０^３Ωｍ以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧粉磁心。
前記圧粉磁心は、磁場１００００Ａ／ｍでの透磁率が純Ｆｅ粉末単体の圧粉体よりも高いことを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の圧粉磁心。