JP2011124243A - 巻磁心およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 シリカなどの非磁性の微粉末を使用せず、安価で取扱いに優れた量産性を有する巻磁心とその製造方法を提供する。
【解決手段】 非晶質合金薄帯を巻き回した巻磁心であって、前記非晶質合金薄帯の層間には樹脂からなる絶縁層を有するとともに、前記絶縁層の部分で前記非晶質合金薄帯同士が固着していないことを特徴とする。前記絶縁層は前記非晶質合金薄帯の２〜１０層毎に形成することが好ましい。樹脂として熱硬化性の樹脂もしくはポリシロキサン系の樹脂を用いることが好ましい。
【選択図】 なし

Description

本発明はコアロスを低減してエネルギー変換効率の向上を目的とした非晶質合金薄帯を用いた巻磁心であり、特に配電用トランスとして有用な巻磁心に関する。

変圧器やリアクトルなどの電磁機器で用いられる鉄心では鉄損が発生する。これらの電磁機器は電力の送配電や受電に多用されているため、それらの鉄損を積算すると膨大な損失となる。省エネルギーやＣＯ_２排出量の低減が強く求められている昨今では、無駄なエネルギー消費であり、ＣＯ_２排出の元となる鉄損を低減することが強く求められており、最近では例えば配電用変圧器に対して大幅な損失削減を課するトップランナー方式による規制が導入されたりしている。また、日本のみならず、中国や欧州を中心としてエネルギー効率を向上する施策がとられ、電力関係では変圧器やリアクトルなどのエネルギー変換効率を高めるよう国をあげて対策が促進されている。Fe基非晶質合金薄帯は、標準的な電磁鋼板に比べて鉄損が約１／１０と低く、トランスなどに用いられた場合に装置の効率向上に貢献できる材料である。鉄損は、ヒステリシス損失と、渦電流損失に大別され、さらに、渦電流損失は、古典的渦電流損失と異常渦電流損失に分けられる。電磁鋼板に比べてFe基非晶質合金薄帯の鉄損が低くなる理由としては、電磁鋼板に比べて保磁力が小さいためにヒステリシス損失を小さくでき、板厚も電磁鋼板比べて約１／１０と薄いため古典的渦電流損失を小さくすることができている。この材料を用いて変圧器を組み立てた場合での無不可損失を比較すると、Ｆｅ基非晶質合金薄帯を用いた変圧器は、電磁鋼板を用いた変圧器と比較して、約１／５程度と言われている。このことは、電磁鋼板に比べてＦｅ基非晶質薄帯を用いた変圧器は、高効率な変圧器ではあるものの、変圧器に組み立てた際には、電磁鋼板と比べて鉄損が大きくなっていることを示している。考えられる理由として、一つは、Ｆｅ基非晶質薄帯は、電磁鋼板に比べて磁歪が大きく、巻き回した際の歪の影響により、保磁力を受けていることがある。また、もう一つの理由としては、層間絶縁処理を施していないために、層間を渦電流が流れ、損失となることである。
これまでにトランス用途に用いられた非晶質薄帯は、板厚が薄いため、適切な方法がなく、層間絶縁処理が施されていなかった。これまでに考えられる渦電流損失を低減する方法としては、層間に絶縁層を設けることが有効であるが、絶縁層として、フィルム状のものを用い非晶質合金薄帯と共に巻き回した場合では、板厚が１５〜３０μm程度の非晶質合金薄帯に対して、フィルムとしては、薄いものでも６μｍ程度の板厚があり、全体に対してフィルムの占める割合が２以上となり、占積率を大幅に悪化させることとなる。

また、特許文献１には、Fe系やＮｉ−Ｆｅ系のアモルファス磁性合金を用いたアモルファスコアについて記載され、その中でアモルファス磁性薄帯に耐熱樹脂を塗布して絶縁層を形成し、巻磁心とすることが開示されている。
同様に、特許文献２では、点火コイルの磁心としてＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系のアモルファス合金薄帯の片面にシリコーン樹脂をベースとする耐熱性塗料を塗布して磁気絶縁層とし、電磁軟鉄棒に巻いたものが記載されている。
また、特許文献３のように、薄帯同士の接触を防ぐために、薄帯間にシリカなどの非磁性の微粉末を入れてコアにする技術も広く採用されている。

特開平１１−２３３３２７号公報 特開平９−１９９３５０号公報 特開２００５−１８３０４１号公報

非晶質合金薄帯がもつ問題点として、磁歪が20ppm以上と大きいことと層間絶縁処理が施されていないことが挙げられる。組立の際に発生する歪は、熱処理を施すことで応力緩和している。層間絶縁処理の方法としては、樹脂層を設ける方法が考えられるが、上記したように、非晶質合金薄帯は磁歪が大きく、樹脂と非晶質合金薄帯の熱膨張係数の違いにより発生した熱応力により、磁気特性を最適化させる熱処理を行っても磁心の内部に樹脂からの残留応力として圧縮応力が加わり、ヒステリシス損失が増加してしまい、層間絶縁処理を施して渦電流損失を低下しても、その効果が得られないことになる。さらに、薄帯の層間が樹脂によって接着されても、同様に磁心内に応力が発生してヒステリシス損失が増加してしまう。

特許文献３に記載されるようなマグネシアやシリカ等のセラミックの微粉末を用いた絶縁手段では、薄帯の層間が樹脂によって接着されることはないものの、熱処理によって材料の角形性が悪くなることが解った。トランス用途では角形性の高い磁気特性が求められるため、通常のシリカなどを用いたトランス用磁心では要求される特性を満足できない。

本発明ではこの点を検討し、シリカなどの非磁性の微粉末を使用せず、安価で取扱いに優れた量産性を有する巻磁心とその製造方法を提供することを課題とする。

本発明は非晶質合金薄帯を巻き回した巻磁心であって、前記非晶質合金薄帯の層間には樹脂からなる絶縁層を有するとともに、前記絶縁層の部分で前記非晶質合金薄帯同士が固着していないことを特徴とする。固着しているかどうかは巻磁心の非晶質合金薄帯を剥すことで容易に判別可能である。

絶縁層は前記非晶質合金薄帯の２〜１０層毎に形成されているものが好ましい。

前記巻磁心はトランス用磁心として使用することが好ましい。

これらの巻磁心は、非晶質合金薄帯に熱硬化性の樹脂を塗布し、前記樹脂を熱硬化させ、その後前記非晶質合金薄帯を巻いて磁心とし、前記磁心を２５０℃〜４００℃で熱処理する製造方法により得ることができる。

また、これらの巻磁心は、非晶質合金薄帯にポリシロキサン系の樹脂を塗布し、前記樹脂を１５０℃〜２５０℃で乾燥し、その後前記非晶質合金薄帯を巻いて磁心とし、前記磁心を２５０℃〜４００℃で熱処理する製造方法により得ることができる。

十分な絶縁性を有する膜厚であり、なおかつ応力の小さい絶縁層を設けることで良好な磁気特性を有し、鉄損の小さい巻磁心を得ることが出来た。この巻磁心は特に角形性が要求されるトランス用途に有用であり、エネルギー損失の小さい配電設備を構築することが可能になり、環境に優しく発電施設などのＣＯ_２排出量を抑えることができる。

前記したように、Fe基の非晶質合金薄帯は比較的大きな磁歪を有しているため、耐熱絶縁層が薄帯の層間を固着していると磁心に内部応力が生まれて磁歪によって磁気特性が変化してしまう。非晶質合金薄帯に熱硬化性樹脂もしくはポリシロキサン樹脂を塗布して耐熱絶縁層とし、これを硬化もしくは乾燥させてから巻いて磁心とすることで、磁心に磁気特性を最適化させるための熱処理を施してもこれらの樹脂が薄帯同士を接着させることがなく、磁歪の発生を極力抑えた本発明の巻磁心が得られる。

上記のように、非晶質合金薄帯は、絶縁処理後に巻き回しなどの作業により巻き磁心を形成したのち、焼鈍熱処理されることで、より良好な磁性特性を得ることができる。巻き回しの作業の際に、巻き回し工程の効率化を図る目的で、非晶質薄帯フープは、複数枚重ねた薄帯をフープ状に巻きまわしており、このうちの１枚に絶縁層が付与されたＦｅ系非晶質薄帯を巻き込むことで、２〜１０層毎に絶縁層を設けることができる。Ｆｅ系非晶質合金薄帯では３００〜４００℃、Ｃｏ系非晶質合金薄帯では、３００〜６００℃で行われる。このとき、材料は脆化することが知られており、非晶質合金薄帯に欠けやクラックなどの欠陥を発生しないよう無負荷状態で焼鈍熱処理することが好ましい。熱処理時間は０．１〜２０ｈが好ましい。

絶縁層として用いる樹脂は、熱硬化性の樹脂、もしくはポリシロキサン系樹脂を使用できる。熱硬化性樹脂にはポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂などが使用できるが、ポリイミド樹脂は高価であるため、ポリアミドイミド樹脂の方が好ましい。熱硬化性樹脂を用いるのは、熱可塑性樹脂であると、前記の磁心の焼鈍熱処理の際に溶融して薄帯間を接着してしまうためである。

熱硬化性樹脂のポリアミドイミド樹脂は、一般的には、無水トリメリット酸と芳香族ジアミンの反応によって得られる。例えば、市販のポリアミドイミド樹脂溶液のポリアミド酸含有量は２０〜３０重量％程度であるが、溶媒の添加により、５〜１５重量％に希釈して使用することができる。溶媒乾燥後の厚さを薄くすれば占積率が向上するが、ピンポールなどの欠陥発生率も増え、積層体で隣接する金属薄帯間の絶縁が不十分となる恐れがある。
塗布したポリアミドイミド樹脂溶液は１５０度以上で５分程度の乾燥により溶媒を９５％以上除去し、粘着性の無い耐熱絶縁層とすることができる。この熱硬化性ポリアミドイミド樹脂は、５％熱分解温度が４００℃以上であり、熱処理時の温度に十分耐えられる樹脂である。

また、ポリシロキサン系樹脂は、主鎖としてケイ素−酸素結合が繰り返す高分子鎖構造を有しており、それに炭素を持つ有機成分が結合しているものを指す。このケイ素−酸素結合が極低温から高温まで、幅広い温度域で柔軟性を保つものである。このポリシロキサン樹脂は、５％熱分解温度が４００℃以上であり、１５０℃〜２５０℃で５分以上乾燥することで、巻磁心の焼鈍熱処理を行っても薄帯同士が接着することのない絶縁層を形成できる。

樹脂を塗布する厚さは０．１μｍ〜２．０μｍとすることが好ましい。０．１μｍ未満であると耐電圧性が不足して絶縁層としての機能が不足する。一方２．０μｍを超えると非晶質金属薄帯への圧縮応力が大きくなり、熱処理の際に磁歪が発生してビルディングファクタが低下してしまう。
さらに望ましい絶縁層の厚さは、非晶質合金薄帯の表面粗さＲａよりも薄いものが好ましい。表面粗さＲａよりも薄ければ、非晶質合金薄帯を巻いた時に絶縁層よりも薄帯の表面の凸部が対向する薄帯と接触するために樹脂と対向する非晶質合金薄帯の間が接触しなくなる。樹脂自体は前記のように薄帯同士を接着しない状態にしているが、巻磁心の焼鈍熱処理を行うと絶縁層は多少なりとも軟化するので、非晶質薄帯に僅かな歪を与えてしまう。上記のように薄く絶縁層を設けることで、この僅かな歪の発生さえも抑制することが可能となる。

また、非晶質合金薄帯は、１０〜５０μmと板厚が薄いため、全ての層間に耐熱絶縁層を設ける必要はなく、２〜１０層毎にこの耐熱絶縁層が形成された非晶質合金薄帯を巻き込んだ巻き磁心であってもよい。

用いる非晶質合金薄帯は、ＦｅＳｉＢ系の非晶質合金薄帯がコスト、生産性ともに望ましい。
非晶質合金薄帯の合金組成は、一般式：（Ｆｅ_１−ａＭ_ａ）_ｂＳｉ_ｃＢ_ｄ（原子％）（ただし、上記式においてＭはＣｏ及び/又はＮｉであり、ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ０≦ａ≦３０、７６≦ｂ≦８４、１≦ｃ≦１２、８≦ｄ≦１８を満たす）により表されるものが好ましい。また、Ｆｅの一部をＣ、Ｐ、Ｓ、Ｇａなどの元素と３原子％以下の範囲で置換してもよいし、Ｆｅの一部をＮｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎなどの元素と１０原子％以下の範囲で置換してもよい。

また、樹脂の塗布方法としては、ディップ法、ドクターブレード法、グラビアロール法など、既知の塗布方法が可能であるが、塗布厚さの均一性と時間当たりの生産性（塗布速度）を考慮するとロールｔｏロールプロセスに適したグラビアロール法等が優れている。グラビアロール法を用いて両面に塗布するには、片面ずつ行う必要がある。

（実施例１）
Ｆｅ系非晶質合金薄帯として、平均厚さ２５μｍ、幅５０ｍｍ、長さ１０００ｍのＭｅｔｇｌａｓ社製２６０５ＳＡ１材を用いた。
耐熱絶縁層として汎用のポリアミドイミド樹脂溶液を用い、粘度約０．１Ｐａ・ｓの樹脂を準備し、このＦｅ系非晶質合金薄帯にロールコータにより塗布し、２７０℃×０．５時間で乾燥・硬化を行って厚み1μmのポリアミドイミド層が形成された非晶質合金薄帯を得た。この非晶質合金薄帯に所定の温度この非晶質合金薄帯の鉄損を測定したところ、周波数５０Ｈｚ磁束密度１．３Ｔにおける鉄損の値は、０．１６W/kgであった。
また、この薄帯を用いて磁心を作成した。このトランス用磁心に３５０℃×１時間の焼鈍熱処理を施して磁気特性の最適化を計った。この熱処理後の巻磁心の周波数５０Ｈｚ磁束密度１．３Ｔにおける鉄損の値は、０．２５Ｗ／ｋｇであった。

（実施例２）
Ｆｅ系非晶質合金薄帯として、実施例１と同じものを使用した。
この非晶質合金薄帯に約１．７ｍＰａ・ｓの粘度のポリシロキサン樹脂溶液をロールコータにより塗布し、１００℃で乾燥硬化させ、薄帯の両面に約１μｍの耐熱性樹脂前駆体を形成した。この非晶質合金薄帯の鉄損を測定したところ、周波数５０Ｈｚ磁束密度１．３Ｔにおける鉄損の値は、０．１６W/kgであった。また、この薄帯を用いて巻磁心を作成し、同様に周波数５０Ｈｚ磁束密度１．３Ｔにおける鉄損の値は、０．２６Ｗ／ｋｇであった。

（比較例）
Ｆｅ系非晶質合金薄帯として、平均厚さ２５μｍ、幅５０ｍｍ、長さ１０００ｍのＭｅｔｇｌａｓ社製２６０５ＳＡ１材を用いた。
絶縁層としてポリアミドイミド樹脂を用い、約３μｍの樹脂膜を形成した。塗布条件・乾燥条件は、実施例１と同様である。この非晶質合金薄帯の鉄損を測定したところ、周波数５０Ｈｚ磁束密度１．３Ｔにおける鉄損の値は、０．２０W/kgであった。また、この薄帯を用いて巻磁心を作成し、同様に周波数５０Ｈｚ磁束密度１．３Ｔにおける鉄損の値は、０．３５Ｗ／ｋｇであった。

（実施例３）
Ｆｅ系非晶質合金薄帯として、平均厚さ２５μｍ、幅５０ｍｍ、長さ１０００ｍのＭｅｔｇｌａｓ社製２６０５ＳＡ１材を用いた。
耐熱絶縁層として汎用のポリアミドイミド樹脂溶液を用い、粘度約０．１Ｐａ・ｓの樹脂を準備した。このＦｅ系非晶質合金薄帯にロールコータによりポリアミドイミド樹脂溶液を厚さを変えて塗布し、２７０℃×０．５時間で乾燥・硬化を行って厚み０．１〜２．０μｍのポリアミドイミド層が形成された非晶質合金薄帯を得た。
この絶縁層の厚さが各々異なる非晶質合金薄帯を、実施例１と同様にして磁心とし、熱処理を施して同様の条件で鉄損を測定した。結果を表１に示す。
耐熱絶縁層の厚さが厚くなると、鉄損が増加していく。これは、耐熱絶縁層から発生した歪により非晶質金属薄帯の特性が変化しているためと考えられる。
対して、耐熱絶縁層の厚さが薄くなると焼鈍熱処理しても歪が小さく鉄損の増加を抑えられると考えられる。
同様にしてポリシロキサン樹脂を用いて耐熱絶縁層の厚さを変えた実験値を表１に記す。

Claims (5)

1. 非晶質合金薄帯を巻き回した巻磁心であって、前記非晶質合金薄帯の層間には樹脂からなる絶縁層を有するとともに、前記絶縁層の部分で前記非晶質合金薄帯同士が固着していないことを特徴とする巻磁心。
2. 前記絶縁層は前記非晶質合金薄帯の２〜１０層毎に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の巻磁心。
3. 前記巻磁心はトランス用磁心であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の巻磁心。
4. 非晶質合金薄帯に熱硬化性の樹脂を塗布し、前記樹脂を熱硬化させ、その後前記非晶質合金薄帯を巻いて磁心とし、前記磁心を２５０℃〜４００℃で熱処理することを特徴とする巻磁心の製造方法。
5. 非晶質合金薄帯にポリシロキサン系の樹脂を塗布し、前記樹脂を１５０℃〜２５０℃で乾燥し、その後前記非晶質合金薄帯を巻いて磁心とし、前記磁心を２５０℃〜４００℃で熱処理することを特徴とする巻磁心の製造方法。