JP2018093072A

JP2018093072A - 巻き鉄心とそれを用いた電磁部品

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Publication number: JP2018093072A
Application number: JP2016235633A
Authority: JP
Inventors: 大道光明寺; Daido Komyoji; 西川　幸男; Yukio Nishikawa; 幸男西川
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-12-05
Filing date: 2016-12-05
Publication date: 2018-06-14

Abstract

【課題】磁気特性が均質な巻き鉄心とその巻き鉄心を用いた部品を提供すること。【解決手段】磁性を有する複数のナノ結晶薄帯を軸方向に巻回して構成した巻き鉄心であり、前記複数のナノ結晶薄帯は、それぞれの端辺で対向して配置され、複数の繋ぎ目が形成されている巻き鉄心を用いる。上記巻き鉄心にコイルを巻いた電磁部品を用いる。複数のナノ結晶薄帯の厚みを測定する測定工程と、前記測定工程の結果を基に前記複数のナノ結晶薄帯を組み合わせ、コイル状に巻いた組み立て工程と、を含む巻き鉄心の製法を用いる。【選択図】図２

Description

本発明は、巻き鉄心とそれを用いた電磁部品と巻き鉄心の製造方法に関する。

従来の巻き鉄心は、図８の斜視図で示すように、磁性材料であるケイ素鋼帯などの薄板１０６を螺旋状に巻いたものである。巻き鉄心１００は、小型トランス、リアクトル、変流器、柱上変圧器等に用いられる。

一方、磁気特性に優れたアモルファス合金薄帯やナノレベルの粒子径を有するナノ結晶薄帯がある。高い磁気特性のナノ結晶薄帯とするには、ナノレベルの粒子径の結晶とする必要がある。そのためには、原料溶液を急冷し薄帯にし、その後、熱処理を行う（特許文献１）。これによって、ナノ結晶を析出させている。この製造方法を図９で説明する。

図９は、ナノ結晶を有する薄帯を製造する方法を説明する断面図である。ノズル１０３から溶融された磁性材料が、ローラ１０１へ塗布される。ローラ１０１は、冷却されており、回転しながら溶液を受け。その表面で溶液を急冷し薄帯を作製する。この時点で薄帯は、アモルファス薄帯１３である。アモルファス薄帯１３は、熱処理条件は異なるが、所定の温度と時間の熱処理でナノレベルの結晶径を有するナノ結晶薄帯を製造できる。

特開２００１−１１１３号公報

しかし、アモルファス薄帯１３からは、長さが長いナノ結晶薄帯を作製できない。その主な理由は２つある。

理由の１つ目は、アモルファス薄帯１３を巻回したような状態で熱処理する場合には、熱処理時に起こる自己発熱により、温度が制御できずに高くなりすぎる。結果、所望の磁気特性が得られない。

理由の２つ目は、薄帯の一部を加熱しながら連続的に送って熱処理するような場合には、熱伝導で熱がアモルファス薄帯１３の長尺方向に拡散し、特定の一部だけにナノ結晶を生じさせる所望の温度を与えることができない。

このため、長いナノ結晶の薄帯を製造できない。そのため、短いアモルファス薄帯１３を多く製造し、これらを熱処理しナノ結晶化し、順番に継ぎ足して巻いていく必要がある。継ぎ足し部分は他の部分と磁気特性が不連続になるので、全体として、磁気特性の不均一性が生じる。
なお、磁気特性は、主に、軟磁気特性を示す。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ナノ結晶薄帯を用いた磁気特性が均質な巻き鉄心とその巻き鉄心を用いた電磁部品と巻き鉄心の製造方法を提供することである。

上記目的を達成するために、磁性を有する複数のナノ結晶薄帯を軸方向に巻回して構成した巻き鉄心であり、前記複数のナノ結晶薄帯は、それぞれの端辺で対向して配置され、複数の繋ぎ目が形成されている巻き鉄心を用いる。また、上記巻き鉄心にコイルを巻いた電磁部品を用いる。さらに、複数のナノ結晶薄帯の厚みを測定する測定工程と、前記測定工程の結果を基に前記複数のナノ結晶薄帯を組み合わせ、コイル状に巻いた組み立て工程と、を含む巻き鉄心の製法を用いる。

本発明の一例によれば、磁気特性が均質なナノ結晶薄帯の巻き鉄心とその巻き鉄心を用いた部品を提供できる。また、別の例によれば、磁気特性が均質な部品を提供できる。

実施の形態１における巻き鉄心の製造フローを示す図実施の形態１における巻き鉄心の斜視図（ａ）〜（ｂ）実施の形態１における巻き鉄心の平面図、（ｃ）実施の形態１の巻き鉄心を使用した部品の平面図（ａ）〜（ｂ）実施の形態２のナノ結晶薄帯の斜視図、（ｃ）実施の形態２のナノ結晶薄帯の繋ぎ目を示す断面図、（ｄ）実施の形態２のナノ結晶薄帯の繋ぎ目を示す平面図（ａ）〜（ｃ）実施の形態３のナノ結晶薄帯の繋ぎ目を示す平面図（ａ）〜（ｃ）実施の形態４の巻き鉄心の補強構造を示す図（ａ）〜（ｃ）実施の形態４の巻き鉄心の補強構造を示す図従来の巻き鉄心の斜視図従来の薄帯の製造方法を示す断面図

以下本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
（巻き鉄心の製造）
巻き鉄心の製造方法の一例のフローを図１に示す。

（１）アモルファス薄帯製造：図９で説明したように、磁性材料の合金溶融物を、ノズル１０３から、冷却されたローラ１０１の表面へ塗布する。溶融物は急冷却されアモルファス薄帯１３となる。

特に、Ｆｅ−Ｂ−Ｃｕ系、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｎｂ−Ｓｉ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｂ−Ｐ−Ｃｕ系の合金を用いることが好ましい。アモルファス薄帯１３の厚みは平均約１０〜５０μｍである。

（２）加工：（１）のアモルファス薄帯１３を所定の外形となるように加工する。外形は条件によりいろいろ変化させる。

（３）熱処理：（２）で加工されたアモルファス薄帯１３を熱処理する。熱処理は、高速で昇温するのが好ましい。結果、軟磁気特性がよいナノ結晶の薄帯が作製できる。（２）のアモルファス薄帯１３は、長いものでなく、短くされているので、炉内等で高速で昇温することが可能である。

合金組成物の結晶化温度より少し高い温度まで加熱する。

（４）巻回：（３）の熱処理で作製された複数のナノ結晶薄帯１０２を順に、螺旋に巻く。

（５）一体化：巻かれたナノ結晶薄帯１０２に樹脂を挿入したり、外枠に入れたりして、巻き鉄心を作製する。

ここで、巻き鉄心の製造、薄帯製造は一例であり、他の製造方法でもよい。

（巻き鉄心の構造）
実施の形態の巻き鉄心１０を図２の斜視図に示す。４枚のナノ結晶薄帯１０２ａ〜１０２ｄを巻いている。４つの繋ぎ目１１がある。

なお、以下の薄帯は、ナノ結晶薄帯を示す。実施の形態のナノ結晶薄帯１０２は、上記のように、（２）で打ち抜きされた子片である。子片のナノ結晶薄帯１０２ｄ〜１０２ａを順番に巻いた。ここで、ナノ結晶薄帯１０２間の繋ぎ目１１は、その分布が規則正しく分布されている。繋ぎ目１１はナノ結晶薄帯１０２の長手方向に位置する。また、巻き鉄心１０の中心軸Ｘと各繋ぎ目１１とを結ぶ複数の線分間がなす角度θは、ほぼ等しい。結果、磁気的性質が均質となる。この例では、角度θは９０度であるが、９０度以外でもよい。一定角度ごとに繋ぎ目１１が位置すればよい。または、繋ぎ目１１が、中心軸Ｘ方向から見て均等に分布すればよい。

少なくとも各々のナノ結晶薄帯１０２ａ〜１０２ｄは、１周以上の長さが好ましい。そうしないと、繋ぎ目１１が大きくなり、かつ、各繋ぎ目１１の大きさが変化し、不均質となる。

なお、この例では、各々のナノ結晶薄帯１０２ａ〜１０２ｄは、同じ形状のものを使用した。

また、図３（ａ）に別の例を示す。図３（ａ）は巻き鉄心１０の平面図である。この例では、各々のナノ結晶薄帯１０２ａ〜ナノ結晶薄帯１０２ｄは、異なる形状で、繋ぎ目１１を規則正しくずらしている。４枚のナノ結晶薄帯１０２のみ示しているが、さらに、多くのナノ結晶薄帯１０２を巻くことができる。結果、巻き鉄心１０において、繋ぎ目１１が均等に分布する。

図３（ｂ）に、図３（ａ）の別の例を示す。繋ぎ目１１が一直線となっている。この場合、巻き鉄心１０として、繋ぎ目１１が均質に分布しない。しかし、この巻き鉄心１０にコイルを巻き、図３（ｃ）のように、６個を配列する電磁部品１２とすると、電磁部品１２の全体では均質な磁気特性となる。

なお、以下の実施の形態では、繋ぎ目が均等に分布することは必須ではない。ランダムな分布でもよい。

（実施の形態２）
実施の形態２を、図４（ａ）〜図４（ｄ）を用いて説明する。実施の形態２は、実施の形態１に対して、ナノ結晶薄帯１０２間の繋ぎ目１１の構造が異なる。説明しない事項は実施の形態１と同じである。

図４（ａ）は、ナノ結晶薄帯１０２の斜視図である。上記方法で作製したナノ結晶薄帯１０２は、厚みばらつきがある。これは、ナノ結晶薄帯１０２の両面を加圧状態とせずに冷却しているためである（図９）。

図４（ａ）の場合、Ａ点，Ｂ点，Ｃ点，Ｄ点の順で厚みが厚くなる。この場合、ナノ結晶薄帯１０２ａ、ナノ結晶薄帯１０２ｂで、図４（ｃ）の断面図で示すように、繋ぎ目１１を構成するのがよい。つまり、厚みが薄い辺と厚みが厚い辺とを組み合わせる。ここで、Ａ点とＢ点での平均厚みとＣ点とＤ点での平均厚みとを比較して、厚みが薄い辺と、厚みが厚い辺とが対向するように繋ぎ目１１を構成する。

このように構成することで、各繋ぎ目１１間の差異が少なくなり、全体の磁気的特性の均質性が保たれる。

また、製造条件によれば、図４（ｂ）のように、短手方向の中央が薄くなる場合がある。この場合も、上記同様、辺の平均厚みで組み合わせをする。

なお、図４（ｄ）の平面図で示すように、Ａ点とＤ点、Ｂ点とＣ点、を組み合わせるが好ましい。一番厚みが薄いＡ点と一番厚みが厚いＤ点とをあわせると平均値として、より平均に近くなる。同様に、Ｂ点とＣ点は、平均に近く、合わせても平均に近くなる。結果、繋ぎ目１１として平均的な厚みとなる。

なお、上記は、２つのナノ結晶薄帯、第１ナノ結晶薄帯と第２ナノ結晶薄帯とで説明したが、さらに、第２ナノ結晶薄帯と隣り合う第３ナノ結晶薄帯がある場合も同様に、第２ナノ結晶薄帯の端辺のうちで厚さが薄い辺と、第３ナノ結晶薄帯の端辺のうち厚さの厚い辺と、が対向して配置する。さらに、すべての隣り合う２つのナノ結晶薄帯間で、一方のナノ結晶薄帯の端辺のうちで厚さが厚い辺と、他方の前記ナノ結晶薄帯の端辺のうち厚さの薄い辺と、が対向して配置させることが好ましい。

なお、ナノ結晶薄帯１０２の複数枚において、各両辺の厚みを測定し、各辺の平均厚みが近いもの同士を組み合わせて、繋ぎ目１１を作製してもよい。

つまり、複数のナノ結晶薄帯の厚みを測定する測定工程と、上記測定工程の結果を基に上記複数のナノ結晶薄帯を組み合わせ、コイル状に巻く組み立て工程と、を含む巻き鉄心の製法となる。

（実施の形態３）
実施の形態３を、図５（ａ）〜図５（ｃ）を用いて説明する。実施の形態３は、実施の形態１に対して、ナノ結晶薄帯１０２間（２つのナノ結晶薄帯が対向する間）の繋ぎ目１１の構造が異なる。説明しない事項は実施の形態１または２と同様である。

図５（ａ）は、ナノ結晶薄帯１０２ａとナノ結晶薄帯１０２ｂとの繋ぎ目１１の平面図である。ナノ結晶薄帯１０２ａ、１０２ｂは、共に、端辺が、凹凸となっている。２つを組み合わせることで、１つのシート状、四角形となる。繋ぎ目１１に注目すると、階段状となる。

図５（ｂ）は、ナノ結晶薄帯１０２ａとナノ結晶薄帯１０２ｂとの繋ぎ目１１の平面図である。ナノ結晶薄帯１０２ａ、１０２ｂは、共に、端辺が、傾斜辺となっている。２つを組み合わせることで、１つのシート状、四角形となる。繋ぎ目１１に注目すると、傾斜した繋ぎ目、平行四辺形となる。

図５（ｃ）は、ナノ結晶薄帯１０２ａとナノ結晶薄帯１０２ｂとの繋ぎ目１１の平面図である。ナノ結晶薄帯１０２ａ、１０２ｂは、共に、端辺が、波状となっている。２つを組み合わせることで、１つのシート状、四角形となる。繋ぎ目１１に注目しても、波状である。

上記はいずれも、ナノ結晶薄帯１０２ａ、１０２ｂの２つ端辺を組み合わせて、１つのシートとしている。上記以外でも、端辺を、ギザギザの形状としてもよい。

ナノ結晶薄帯１０２の端辺（短辺）を、長辺に垂直としないことで、繋ぎ目１１の厚みばらつきは減少し、全体の磁気特性の均質性が上がる。なぜなら、端辺（短辺）を、長辺に垂直とすると、辺内の厚みばらつきは少なくなるが、他のナノ結晶薄帯１０２ｂの辺と組み合わせた時に、厚みばらつきが増えるためである。ナノ結晶薄帯の製法上長手方向で厚みが変化しやすい。

（実施の形態４）
実施の形態４は、巻き鉄心１０の各々のナノ結晶薄帯１０２の繋ぎ目の補強に関する。図６（ａ）〜図６（ｃ）、図７（ａ）〜図７（ｃ）で実施の形態４を説明する。説明しない事項は実施の形態１と同様である。

図６（ａ）の斜視図では、繋ぎ目１１を保護部材１４で保護している。保護部材１４は、樹脂や樹脂テープなどで接着を兼ねて保護をしている。保護部材１４は、繋ぎ目１１のみを保護している。図６（ａ）の斜視図では、繋ぎ目１１の全体に沿って保護部材１４を設けている。各繋ぎ目１１の一部分に保護部材１４を設けてもよい。各々のナノ結晶薄帯１０２を巻いていく製造過程で、保護部材１４を形成できる。

図６（ｂ）の断面図では、繋ぎ目１１でなく、巻き鉄心１０の全周にわたって保護部材１４が形成されている。全体でなく、少なくとも、１経路として１周を保護部材１４で覆う必要がある。巻き鉄心１０の全周を保護部材１４で覆うのが好ましい。

図６（ｃ）の断面図では、巻き鉄心１０のコーナ部にのみ、保護部材１４を設けている。コーナ部は、巻き鉄心１０の側面と上面、下面との間の境界を含む表面である。一番破損しやすいコーナ部に保護部材１４を設けている。部分的に保護部材１４を設けることで、巻き鉄心１０と保護部材１４との変形による差の影響が少なく、より好ましい。

図６（ｂ）と図６（ｃ）では、巻き鉄心１０が完成後、保護部材１４を形成するため、樹脂材料を塗布できる。または、樹脂シートで覆うことができる。

図７（ａ）〜図７（ｃ）では、枠１０４で、巻き鉄心１０を保護する。

図７（ａ）の斜視図では、巻き鉄心１０の側面の全体を枠１０４で覆っている。

図７（ｂ）の断面図では、巻き鉄心１０の側面より上下の大きく、枠１０４で覆っている。

図７（ｃ）の断面図では、巻き鉄心１０の側面と上面の一部を枠１０４で覆っている。
上記で、枠１０４は、巻き鉄心１０の側面全体を覆う必要はない。一部分でもよい。または、側面部分に開口部分を設けてもよい。

枠１０４は、シート状の材料を巻き鉄心１０の側面に巻いてもよい。または、自立した枠１０４を作製し、巻き鉄心１０を入れ込んでもよい。

枠上部１０４ａ、枠下部１０４ｂは、巻き鉄心１０を枠１０４に入れる前後で折り曲げ形成してもよい。

実施の形態４の補正構造した巻き鉄心１０に、コイルなどをその外面に巻くことで、電磁部品となる。特に、巻き鉄心１０のコーナ部は強度的に弱いため、枠１０４、保護部材１４を設けることが好ましい。

（全体として）
上記の実施の形態は組み合わせることができる。
上記巻き鉄心にコイルを巻くと、電磁部品となり、各種電磁を利用する機器となる。

本発明の巻き鉄心は、小型トランス、リアクトル、変流器、柱上変圧器、モータなどに用いることができる。

１０巻き鉄心
１１繋ぎ目
１２電磁部品
１３アモルファス薄帯
１４保護部材
１００巻き鉄心
１０１ローラ
１０２ナノ結晶薄帯
１０２ａナノ結晶薄帯
１０２ｂナノ結晶薄帯
１０２ｃナノ結晶薄帯
１０２ｄナノ結晶薄帯
１０３ノズル
Ｘ中心軸

Claims

磁性を有する複数のナノ結晶薄帯を軸方向に巻回して構成した巻き鉄心であり、
前記複数のナノ結晶薄帯は、それぞれの端辺で対向して配置され、複数の繋ぎ目が形成されている巻き鉄心。
前記複数の繋ぎ目は、前記軸の周りに、一定角度ごとに位置する請求項１記載の巻き鉄心。
前記複数の繋ぎ目は、前記軸に垂直面内で均等に分布している請求項１または２記載の巻き鉄心。
前記複数のナノ結晶薄帯は、隣り合う第１ナノ結晶薄帯と第２ナノ結晶薄帯とを有し、
前記第１ナノ結晶薄帯の端辺のうちで厚さが厚い辺と、前記第２ナノ結晶薄帯の端辺のうち厚さの薄い辺と、が対向して配置されている請求項１から３のいずれか１項に記載の巻き鉄心。
前記複数のナノ結晶薄帯は、さらに、前記第２ナノ結晶薄帯と隣り合う第３ナノ結晶薄帯を有し、
前記第２ナノ結晶薄帯の端辺のうちで厚さが薄い辺と、前記第３ナノ結晶薄帯の端辺のうち厚さの厚い辺と、が対向して配置されている請求項４記載の巻き鉄心。
前記複数のナノ結晶薄帯は、すべての隣り合う２つの前記ナノ結晶薄帯間で、
一方の前記ナノ結晶薄帯の端辺のうちで厚さが厚い辺と、他方の前記ナノ結晶薄帯の端辺のうち厚さの薄い辺と、が対向して配置されている請求項請求項１から５のいずれか１項に記載の巻き鉄心。
前記第１ナノ結晶薄帯と前記第２ナノ結晶薄帯とは、対向する辺にそれぞれ凹凸があり、前記凹凸が組み合う請求項４から６のいずれか１項に記載の巻き鉄心。
前記第１ナノ結晶薄帯と前記第２ナノ結晶薄帯とは、前記凹凸で組み合うことで１枚のシート状となる請求項７項に記載の巻き鉄心。
前記繋ぎ目に保護部材が設けられている請求項１〜８のいずれか１項に記載の巻き鉄心。
前記巻き鉄心の側面と上下面との間のコーナ部分を含んで、保護部材、または、枠体を設けた請求項１〜９のいずれか１項に記載の巻き鉄心。
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の巻き鉄心にコイルを巻いた電磁部品。
複数のナノ結晶薄帯の厚みを測定する測定工程と、
前記測定工程の結果を基に前記複数のナノ結晶薄帯を組み合わせ、コイル状に巻いた組み立て工程と、を含む巻き鉄心の製法。