JP4291566B2 - Composite core - Google Patents

Composite core Download PDF

Info

Publication number
JP4291566B2
JP4291566B2 JP2002375894A JP2002375894A JP4291566B2 JP 4291566 B2 JP4291566 B2 JP 4291566B2 JP 2002375894 A JP2002375894 A JP 2002375894A JP 2002375894 A JP2002375894 A JP 2002375894A JP 4291566 B2 JP4291566 B2 JP 4291566B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
magnetic
ferrite
core
magnetic material
permeability
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP2002375894A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2004207552A (en
Inventor
藤田  明
尚道 中村
貴史 河野
聡志 後藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JFE Chemical Corp
Original Assignee
JFE Chemical Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by JFE Chemical Corp filed Critical JFE Chemical Corp
Priority to JP2002375894A priority Critical patent/JP4291566B2/en
Publication of JP2004207552A publication Critical patent/JP2004207552A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4291566B2 publication Critical patent/JP4291566B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Soft Magnetic Materials (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源回路(電気回路)に用いられるチョークコイルやトランス等のコアに用いて好適な、低損失でかつ高い飽和磁束密度を有する複合コアに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
フェライトと称される酸化物磁性材料は、硬質磁性材料と軟質磁性材料に分けられる。前者のBaフェライト、Srフェライト等に代表される硬質磁性材料は、保磁力が高く、主として永久磁石等に用いられている。一方、後者のMn-ZnフェライトやNi-Znフェライト等に代表される軟質磁性材料は、わずかな磁界に対しても磁化されやすい(すなわち透磁率が高い)、保磁力が小さい、電気抵抗が高く高周波領域での渦電流損失が少ない等の特徴を有するものである。そのため、家庭用電気機器はもちろんのこと、電源機器、通信機器、計測制御機器、磁気記録さらにはコンピュータなど多方面にわたって用いられている。
【0003】
このような高い透磁率を示す軟質磁性材料としては、上記の酸化物磁性材料(フェライト)以外に、Fe−Ni系合金、Fe−Si−Al合金およびFe−Si合金のような金属系の軟磁性材料を挙げることができる。これらの金属系軟磁性材料は、飽和磁束密度が高いという特徴を有する反面、電気抵抗が低いため、高周波帯域で使用する際には渦電流に起因する磁気損失が大きくなり、高周披帯域まで低損失を維持することができないという欠点がある。
【0004】
近年、電子機器の電源部分に供給される電力も大きくなり、大電流化が進んでいる。そのため、電源等に用いられる磁心材料は、飽和磁束密度の高いものが望ましい。さらに、大電流化とともに、電子機器の小型化・高密度化への要請も強く、使用周波数の高周波化が進んでいる。そのため、例えば、100kHz以上の高周波数帯では、上記金属磁性材料では渦電流損による発熱が大きくなり、その使用はほとんど不可能である。このような理由から、高周波域で用いられる電源回路などの磁芯材料には、Mn-Znフェライト等の酸化物磁性材料が主に用いられている。
【0005】
さて、電源回路に用いられるトランス、チョークコイル等のフェライト磁心の形状には、E型やI型などがあり、E型どうしあるいはE型とI型を「日」の字型に組み合わせて閉磁路を形成するのが一般的である。そして、外側に巻線が施された樹脂製のケース(ボビン)をEコアの中央部分である中脚に嵌め込んでから、別のEコアあるいはIコアと組み合わせてトランスにする。
【0006】
なお、上記磁心はその形状により、Eコアどうしを組み合わせたEE型、EコアとIコアを組み合わせたEI型(ともに中脚が角型)、中脚が円柱形のEER型、外脚の形状が異なるRM型、EP型などにさらに分類されている。
【0007】
さて、ボビン外側の巻線に電流が流されると磁界が発生し、コアを構成する磁性材料は、この磁界によって磁化されて磁束が生じる。この時の単位面積あたりの磁束を磁束密度と称している。コア内に発生した磁束は、中脚部分を通り、Eコアの二本の外脚に分かれて流れ、一方のEコアあるいはIコアを伝って、再び中脚に合流する。
【0008】
また、ボビン外側の巻線に流す電流を増やして行くと、最初はほぼ一定の割合で磁化が進行(透磁率一定)するが、ある値以上の電流になると、それ以上、磁界(電流)を増やしても磁化されない飽和値が存在し、この時の磁束密度を飽和磁束密度と呼んでいる。この飽和磁束密度は、コアを構成する磁性材料によって決まり、酸化物磁性材料のように、透磁率が比較的高く飽和磁束密度が小さい材料では、小さい磁界(電流)で磁気飽和に達してしまう。
【0009】
その他に磁気飽和に関係する特性として、直流重畳特性がある。この直流重畳特性は、コアに施した巻線に直流電流を流して直流バイアス磁界をコアに加えた上で測定された透磁率の直流電流依存性を示すものである。この直流重畳特性は、コアの磁化曲線を反映するもので、電流が増えるとともに、磁化が直線状に増加する透磁率一定の領域から透磁率が減少し始める領域に移行する時の電流値が高いほどが良いとされている。すなわち、直流重畳特性が優れたコアは、それだけ大きい電流をコアに流すことができる。
【0010】
上述したように、酸化物磁性材料であるMn-Znフェライトは、飽和磁束密度が低く、その値は金属系軟磁性材料のそれと比べると半分以下であり、小さい電流でもすぐに磁気飽和する。そこで、これを回避するために、E型コアの中脚の重ね合わせ部分にすき間(ギャップ)を設けて透磁率を下げ、比較的大きな電流に対しても磁気飽和が起こらないような工夫がなされている。
【0011】
しかしながらこの方法は、ギャップを設けることにより磁束が磁心外部に漏れ出して、巻線の銅線表面に渦電流を発生させ、損失を大きくするという問題がある。また、この技術は、磁気飽和する電流値を大きくすることはできても、飽和磁束密度自体を大きくすることはできないという根本的な欠点があり、磁気飽和を防止するためには、磁心の断面積を大きくせざるを得ないという問題があった。
【0012】
これらの問題に対する対策としては、例えば特許文献1に開示された技術が知られている。この技術は、フェライトからなる日型磁心の中脚部分を、ギャップを設ける代わりに軟磁性金属粉末磁心で構成することにより、漏れ磁束による渦電流損失を低減し、また磁心全体としての飽和磁束密度を上昇し、直流重畳特性を向上させている。しかし、上記特許文献1のコアは、低損失であるという観点からは、トランスとしては不十分であり、また、直流重畳特性も、低いバイアス磁界に対しては高透磁率であるものの、バイアス磁界の増加にともない、透磁率が急激に減少してしまうという特性でしかなかった。
【0013】
さらに、Mn-Znフェライトの場合、飽和磁束密度は、温度の上昇とともに急激に低下するため、金属系軟磁性材料の飽和磁束密度との差が大きくなり、磁気飽和を起こす電流値はさらに小さくなる。そのため、高い周波数での磁気損失が重視される用途にはMn-Znフェライトを選択し、一方、高い飽和磁束密度を必要とする用途には、金属系磁性材料を選択するという使い分けをせざるを得ないという問題もあった。
【0014】
【特許文献1】
特開2002-57039号公報
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術が抱える上記の問題点を解決するために開発されたものであって、その目的は、50kHz以上の周波数領域でも金属系軟磁性材料単体からなるコアより低損失で、かつフェライト単体からなるコアより高い飽和磁束密度を有する複合コアを提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上記課題を達成するために、フェライトと金属系磁性材料とを組み合わせた複合コアとすることにより、フェライト単体のコアより高い飽和磁束密度を有し、かつ金属系磁性材料単体よりなるコアより低損失なコアを得る技術について鋭意検討を行った。その結果、先に述べた形状のコアにおいて、磁束が流れる径路(磁路)のうちの一部を、フェライトと金属系軟磁性材料とが並存する構成とし、かつその並存部分を構成するフェライトにギャップを設けることにより上記課題を実現できることを見いだした。
【0017】
上記知見に基づき開発された本発明の要旨構成は、フェライトと金属系軟磁性材料とで閉磁路を形成する複合コアであって、上記閉磁路の磁路長の99%以上をフェライトで構成すると共に、残部のフェライトのギャップ部分にはフェライト断面積の80%以下の大きさの金属系軟磁性材料を配置したことを特徴とする複合コアである。
【0018】
なお、本発明の複合コアにおいては、前記閉磁路の磁路長のギャップ部分を除く部分に、フェライトと金属系軟磁性材料とが並存する部分を設けたものであることが好ましく、上記並存する部分は、Eコアの中脚部分であることが好ましい。
【0019】
また、上記複合コアを構成する金属系軟磁性材料の実効透磁率は、フェライトの実効透磁率よりも低く、かつ金属系磁性材料の飽和磁束密度はフェライトの飽和磁束密度よりも高いことが好ましい。
【0020】
さらに、複合コアに設けられたギャップの長さは、フェライト部分の実効透磁率が金属系磁性材料の実効透磁率と等しくなるよう調整したものであることが好ましい。
【0021】
【発明の実施の形態】
まず、本発明に係る複合コアの構成について説明する。
先述したように、電源回路等に用いられるフェライト磁心の形状は、その用途および要求特性によって多くの種類に分けられるが、その代表的な例として、ERコアの外観を図1(a)に、また、ERコアを組み合わせて日型の閉磁路を形成したコアの側面を図1(b)に示した。なお、図1(b)中には、中脚の中心から片方の外脚の中心を通る磁路を太い点線で示したが、この磁路の長さを磁路長と称している。実際には、反対の外脚部分にも磁束が流れ、中脚を流れる磁束は、それぞれの外脚を流れる磁束の和となる。
【0022】
本発明では、この磁路長に沿う99%以上の長さに相当する部分が、フェライト単体およびフェライトと金属軟磁性材料の並存する部分にて構成され、残りの1%未満の部分にはギャップは設けられ、少なくともこのギャップの部分は金属系軟磁性材料のみで構成されている。その一例を図1(c)に示した。この図では、中脚の中心部に斜線で示した部分が金属系磁性材料であり、それ以外はフェライトである。中脚の断面で見るならば、中心に金属系磁性材料があり、外側をフェライトが取り囲んだ構成となっている。
【0023】
上記の如き構成とすることにより、本発明の複合コアは、磁界が小さい即ち電流値が小さいときには、磁束は透磁率の高いフェライト部分を優先的に流れるため、高周波においても金属系磁性材料の部分で発生する渦電流損失を低く抑えることができ、また、磁界の増加にともない磁束が金属系磁性材料にも流れるようになっても、金属系磁性材料単体コアの場合と比べて渦電流損失を格段に小さくすることができる。
【0024】
しかし、複合コアを構成する金属系磁性材料が、フェライトより高い実効透磁率を持つ場合には、複合コアとしたときに、磁束が金属材料を優先的に通るため、高周波においては渦電流損失が大きくなる。また、この金属系軟磁性材料の飽和磁束密度がフェライトより低い場合は、複合化によりフェライトより高い飽和磁束密度が得られない。ゆえに、金属系磁性材料単体の実効透磁率は、フェライトの実効透磁率よりも低く、かつ、金属磁性材料の単体の飽和磁束密度は、フェライトの飽和磁束密度よりも高いことが必要である。
【0025】
また、このような構成からなる複合コアにおいて、Eコア等の重ね合わせ部分にギャップが無い場合の磁化特性は、フェライトが先に磁気飽和し、その後、透磁率が低く飽和磁束密度が高い金属系軟磁性材料がより高い磁界で飽和に近づくことになるため、磁化曲線は2段階で増加する。そのため、優れた直流重畳特性が得られない。そこで、フェライト部分の透磁率が複合コアに用いている金属系磁性材料単体の透磁率と同等となるように、フェライトからなるEコア等の重ね合わせ部分にギャップを設けることが必要となる。このようにすることにより、複合コアの磁化曲線は、単調に増加して飽和するという単一材料からなるコアのような形となり、しかも、透磁率がほぼ一定の範囲が高い電流値まで伸び、飽和磁束密度もフェライトのそれより大きい値となるため、直流重畳特性が改善されることになる。
【0026】
なお、フェライトの実効透磁率は、一般に、3000〜8000程度であり、一方、金属系軟磁性材料のそれは、例えば鉄の圧粉体で50〜600程度であり、両者の間には大きな開きがある。しかし、この場合でも、フェライトコア部分の透磁率を金属系磁性材料のそれと同じ値とするのに必要なギャップの長さは、コア全体の磁路長の1%未満に過ぎない。そのため、ギャップ部分に相当する磁路においては、磁束は、主に連続している金属系軟磁性材料部分を通ることになるが、この部分の磁路長に占める割合は1%未満と僅かであるので、損失には大きく影響しない。
【0027】
この金属系磁性材料の長さおよび断面積は、所望の飽和磁束密度あるいは損失により決定する。なお、金属系磁性材料の占める部分は、中脚のみに限らず、外脚であっても、全磁路長にわたっていてもかまわないが、フェライト材のギャップの部分を占めることは必須である。しかし、生産上の観点からも、中脚部分にあるのが望ましい。また、中脚中心部に金属系磁性材料を配置する場合、フェライト材に流れる磁束密度と、コアの加工性とを考慮し、中脚の80%以下の断面積とすることが望ましい。
【0028】
次に、本発明に係る複合コアの作製方法について説明する。
フェライトコアは、所望の形状の金型を用いて直接成形するか、あるいは近い形状の汎用形状の金型で成形後、その成形体を加工して所望の形状とした後、焼成する。コアの形状や大きさによっては、焼成してから加工してもよい。一方、金属系磁性材料で作られる部分は、中脚部分に組み込むことを前提にするならば、EE(EI)型複合コアの場合は直方体、ER型複合コアの場合は円柱体とするのが好ましく、比較的単純な形状で構わない。図1(d)に、円柱体の金属系磁性材料を組み込んだER型複合コアの例を示した。
【0029】
EE型あるいはER型以外の形状としては、トロイダル形状がある。この場合には、フェライト、金属系磁性材料ともに同形状のトロイダルリングを作製し、重ね合わせて複合コアとする。ただし、この場合は、両材料の透磁率を合わせるために、フェライトのトロイダルリングの一部にギャップに相当する切れ目を入れることが必要である。
【0030】
フェライト部分に設けるギャップの長さは、フェライト単体の実効透磁率の値から、下記(1)式を用いて、金属系軟磁性材料の実効透磁率に合わせることができる。
μ0μ2=μ0/(1/μ1+l0/l1) ……(1)
ここで、μ0:真空の透磁率
μ1:ギャップが無い場合の実効透磁率
μ2:ギャップを設けたときの実効透磁率
0:ギャップの長さ
1:磁路長
である。なお、ギャップが大きくフェライト部分の実効透磁率が金属系磁性材料の実効透磁率を下回るようになると、磁化曲線が単調でなくなり、直流重畳特性が悪くなるだけでなく、ギャップ位置に配置された金属系磁性材料による渦電流損失が大きくなり、全体の損失が増大する。したがって、ギャップの長さは、磁路長の1%未満とし、残部の99%以上の長さに相当する部分は、フェライトおよびフェライトと金属軟磁性材が並存す部分からなる構成とすることが必要である。
【0031】
金属系軟磁性材料としては、鉄、センダスト、パーマロイなどを所望の形状に成形して焼結するかあるいはその焼結体を切削加工して用いることができる。また、透磁率がフェライトより高い材料については、その粉末を、無機または有機結合材と混合して、圧縮成形あるいは射出成形して所望の形状として用いることができる。
【0032】
【実施例】
(実施例1)
Mn-Znフェライトの粉砕粉を、EER40の金型で加圧成形した後、中脚の部分の長さ方向に、直径8mmφ×深さ10mmの穴を加工機により形成し、酸素分圧を制御した窒素・空気混合ガス雰囲気中で1330℃×3時間の焼成を行ない、一対のEERコア焼結体を得た。なお、焼結による収縮により、上記の形成した穴は、直径約6.6mmφ×長さ8mmとなった。その後、このEERコアを対にして日型としたときに、中脚間のギャップが0.6mmとなるよう研削加工を行った。また、0.1mass%のシリコン系樹脂を混合した鉄粉を加圧成形し、直径6.6mmφ×長さ16mmの円柱体の成形体を得た。そして、上記フェライトEERコア一対の中脚空洞部に上記鉄圧粉体を挟み込む形で組み合わせ、複合コアとした(発明例)。なお、複合コアの作製に用いたMn-Znフェライトおよび鉄粉の透磁率は、それぞれ4000、185であり、またこの複合コアの磁路長は117mmであった。
【0033】
上記のようにして準備したコアの中脚に、1次側3巻・2次側3巻の巻線を施し、100℃、100kHzにて、最大磁束密度を50mTから300mTまで50mTごとに変化させて磁気損失を測定した。また、同様に中脚に、1次側20巻・2次側40巻の巻線を施し、100℃において直流BHループトレーサーで4000A/mまで磁界をかけたときの磁化曲線を求めた。同じく中脚に100巻の巻線を施し、0.4A/mの磁界に対する透磁率を、直流バイアス磁界として最大6000A/mをかけて測定し、直流重畳特性を評価した。
【0034】
また、比較試料として、上記複合コアにおいてギャップを設けないコア(比較例1)とギャップを1.2mmとしたコア(比較例2)を上記と同様の方法により作製し、上記と同様の評価を行った。また、上記複合コアに用いたMn-Znフェライトおよび鉄粉それぞれ単体で、外径30mm、内径20mm、厚み8mmのトロイダルコアを作製し(各々比較例3,4とする)、磁気損失、磁化曲線および直流重畳特性を評価した。
【0035】
上記測定の結果を、磁気損失の最大磁束密度依存性を図2に、磁化曲線を図3に、直流重畳特性を図4に示した。これらの図から、本発明例の複合コアは、フェライト単体コア(比較例3)と比べると、磁気損失においてやや劣っている(図2)ものの、飽和磁束密度は480mTまで向上している(図3)。また、鉄の圧粉体と組み合わせても、ギャップを設けないコア(比較例1)の場合は、直流重畳特性が2段階で変化し(図4)、またギャップが大きいコア(比較例2)の場合は、損失がさらに増加しており(図2)、直流重畳特性においても有意差が見られない(図4)。さらに、鉄の圧粉体単体コア(比較例4)では、飽和磁束密度は高いものの(図3)、損失が非常に大きく(図2)、直流重畳特性においても有意差が見られない(図4)。
【0036】
(実施例2)
実施例1で用いた鉄の圧粉体の替わりに、センダスト合金を同じ寸法の円柱体に切削加工し、熱処理した後に、実施例1で作製したのと同じキャップの大きさが0.6mmのフェライトコアで実施例1と同様に挟み込み、複合コアを作製した。このコアの中脚部分に、1次側3巻・2次側3巻の巻線を施し、100℃、50kHzにて、最大磁束密度を50〜350mTに変化したときの磁気損失を測定した。なお、試験に供したセンダストの透磁率は96000で、フェライトの約20倍であった。
【0037】
上記測定の結果を図5に示す。この図から、フェライトより高透磁率の金属系磁性材料を用いると、金属系磁性材料の磁気損失程度まで磁気損失が大きくなってしまうことがわかる。
【0038】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電源回路に用いられるトランス、チョークコイル等に供して好適な、低損失で、フェライトより高い飽和磁束密度を有する複合コアを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)はERコアの外観図を、(b)はERコアを組み合わせて日型の閉磁路を形成したときのコアの側面図を、(c)は本発明の複合コアの側面図を、(d)はERコアの中脚部分に金属系磁性材料を組み込んだときの外観図を示す。
【図2】 各種EER40コアにおける最大磁束密度Tmと損失Pcvとの関係を示すグラフである。
【図3】 各種EER40コアの磁化曲線を示すグラフである。
【図4】 各種EER40コアの直流重畳特性を比較したグラフである。
【図5】 各種EER40コアにおける最大磁束密度Tmと損失Pcvとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1.EERコア
2.フェライト
3.金属系軟磁性材料
4.磁路長l1
5.ギャップl0
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a composite core having a low loss and a high saturation magnetic flux density suitable for use in a core such as a choke coil or a transformer used in a power supply circuit (electric circuit).
[0002]
[Prior art]
An oxide magnetic material called ferrite is divided into a hard magnetic material and a soft magnetic material. The former hard magnetic materials represented by Ba ferrite, Sr ferrite and the like have high coercive force and are mainly used for permanent magnets and the like. On the other hand, soft magnetic materials represented by the latter, such as Mn-Zn ferrite and Ni-Zn ferrite, are easily magnetized even with a slight magnetic field (that is, high magnetic permeability), low coercive force, and high electrical resistance. It has features such as low eddy current loss in a high frequency region. Therefore, it is used in various fields such as power supply devices, communication devices, measurement control devices, magnetic recording, and computers as well as household electric devices.
[0003]
As the soft magnetic material exhibiting such a high magnetic permeability, in addition to the oxide magnetic material (ferrite), metal-based soft materials such as Fe-Ni alloys, Fe-Si-Al alloys and Fe-Si alloys can be used. Mention may be made of magnetic materials. These metal-based soft magnetic materials are characterized by high saturation magnetic flux density, but have low electrical resistance, so magnetic loss due to eddy currents increases when used in the high-frequency band, up to the high frequency band. There is a drawback that low loss cannot be maintained.
[0004]
In recent years, the power supplied to the power supply portion of electronic devices has also increased, and the current has been increasing. Therefore, it is desirable that the magnetic core material used for the power source or the like has a high saturation magnetic flux density. In addition to the increase in current, there is a strong demand for downsizing and higher density of electronic devices, and the use frequency is increasing. Therefore, for example, in the high frequency band of 100 kHz or higher, the metal magnetic material generates heat due to eddy current loss, and its use is almost impossible. For these reasons, oxide magnetic materials such as Mn-Zn ferrite are mainly used for magnetic core materials such as power supply circuits used in a high frequency range.
[0005]
There are E and I types of ferrite cores such as transformers and choke coils used in power supply circuits. Closed magnetic circuit by combining E types or E type and I type into a "day" shape. Is generally formed. Then, a resin case (bobbin) with windings on the outside is fitted into the middle leg, which is the central portion of the E core, and then combined with another E core or I core to form a transformer.
[0006]
Depending on the shape of the magnetic core, the EE type is a combination of E cores, the EI type is a combination of E cores and I cores (both middle legs are square), the middle legs are columnar EER types, and the shape of the outer legs. Are further classified into different RM type, EP type and the like.
[0007]
Now, when a current is passed through the winding outside the bobbin, a magnetic field is generated, and the magnetic material constituting the core is magnetized by this magnetic field to generate a magnetic flux. The magnetic flux per unit area at this time is called magnetic flux density. The magnetic flux generated in the core flows through the middle leg portion, splits into two outer legs of the E core, travels through one E core or I core, and merges with the middle leg again.
[0008]
Also, when the current flowing through the bobbin outer winding is increased, the magnetization proceeds at a substantially constant rate (constant permeability) at first, but when the current exceeds a certain value, the magnetic field (current) is further increased. There is a saturation value that is not magnetized even if it is increased, and the magnetic flux density at this time is called the saturation magnetic flux density. This saturation magnetic flux density is determined by the magnetic material constituting the core, and a material having a relatively high magnetic permeability and a low saturation magnetic flux density, such as an oxide magnetic material, reaches magnetic saturation with a small magnetic field (current).
[0009]
Another characteristic related to magnetic saturation is a DC superposition characteristic. This direct current superimposition characteristic shows the direct current dependency of the permeability measured after a direct current is applied to the winding applied to the core and a direct current bias magnetic field is applied to the core. This DC superposition characteristic reflects the magnetization curve of the core, and as the current increases, the current value is high when shifting from a constant permeability region where the magnetization increases linearly to a region where the permeability begins to decrease. It is said that it is good. That is, a core having excellent DC superimposition characteristics can cause a larger current to flow through the core.
[0010]
As described above, Mn—Zn ferrite, which is an oxide magnetic material, has a low saturation magnetic flux density, which is less than half that of a metallic soft magnetic material, and immediately magnetically saturates even with a small current. Therefore, in order to avoid this, a gap (gap) is provided in the overlapping part of the middle legs of the E-type core to lower the magnetic permeability so that magnetic saturation does not occur even for a relatively large current. ing.
[0011]
However, this method has a problem that providing a gap causes magnetic flux to leak out of the magnetic core, generating eddy currents on the surface of the copper wire of the winding and increasing loss. In addition, this technique has a fundamental disadvantage that the saturation magnetic flux density itself cannot be increased even though the current value at which the magnetic saturation is performed can be increased. In order to prevent magnetic saturation, the magnetic core is disconnected. There was a problem that the area had to be increased.
[0012]
As a countermeasure against these problems, for example, a technique disclosed in Patent Document 1 is known. This technology reduces the eddy current loss due to leakage magnetic flux by constructing the middle leg of ferrite cores with soft magnetic metal powder cores instead of providing gaps, and the saturation magnetic flux density of the entire magnetic core. The DC superposition characteristics are improved. However, the core of Patent Document 1 is not sufficient as a transformer from the viewpoint of low loss, and the DC superposition characteristic is high permeability for a low bias magnetic field, but the bias magnetic field With the increase in the magnetic field, the magnetic permeability was only reduced.
[0013]
In addition, in the case of Mn-Zn ferrite, the saturation magnetic flux density decreases rapidly as the temperature rises, so the difference from the saturation magnetic flux density of the metallic soft magnetic material increases, and the current value that causes magnetic saturation becomes even smaller. . For this reason, Mn-Zn ferrite should be selected for applications where magnetic loss at high frequencies is important, while metal magnetic materials should be selected for applications that require high saturation magnetic flux density. There was also the problem of not getting.
[0014]
[Patent Document 1]
JP 2002-57039 A [0015]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention was developed to solve the above-mentioned problems of the prior art, and its purpose is lower loss than a core made of a single metal-based soft magnetic material even in a frequency region of 50 kHz or higher, and An object of the present invention is to provide a composite core having a saturation magnetic flux density higher than that of a core made of a single ferrite.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned problems, the inventors have a composite core combining ferrite and a metal-based magnetic material, thereby having a saturation magnetic flux density higher than that of a ferrite-only core and being higher than that of a metal-based magnetic material alone. We have intensively studied the technology to obtain a core with lower loss than the core. As a result, in the core having the shape described above, a part of the path (magnetic path) through which the magnetic flux flows is configured such that the ferrite and the metal-based soft magnetic material coexist, and the ferrite constituting the coexisting part is formed. It was found that the above problem can be realized by providing a gap.
[0017]
The gist of the present invention developed based on the above knowledge is a composite core that forms a closed magnetic path with ferrite and a metal-based soft magnetic material, and 99% or more of the magnetic path length of the closed magnetic path is made of ferrite. In addition, a metal-based soft magnetic material having a size of 80% or less of the ferrite cross-sectional area is disposed in the remaining gap portion of the ferrite .
[0018]
In the composite core of the present invention, it is preferable that a portion where the ferrite and the metal-based soft magnetic material coexist is provided in a portion excluding the gap portion of the magnetic path length of the closed magnetic path. The portion is preferably the middle leg portion of the E core.
[0019]
The effective magnetic permeability of the metallic soft magnetic material constituting the composite core is preferably lower than the effective magnetic permeability of ferrite, and the saturated magnetic flux density of the metallic magnetic material is preferably higher than the saturated magnetic flux density of ferrite.
[0020]
Furthermore, the length of the gap provided in the composite core is preferably adjusted so that the effective permeability of the ferrite portion is equal to the effective permeability of the metal-based magnetic material.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, the configuration of the composite core according to the present invention will be described.
As described above, the shape of the ferrite core used in the power supply circuit and the like can be divided into many types depending on its application and required characteristics. As a typical example, the appearance of the ER core is shown in FIG. FIG. 1 (b) shows the side surface of the core formed by combining the ER cores to form a closed closed magnetic circuit. In FIG. 1B, the magnetic path passing from the center of the middle leg to the center of one outer leg is indicated by a thick dotted line. The length of the magnetic path is referred to as the magnetic path length. Actually, the magnetic flux also flows in the opposite outer leg portion, and the magnetic flux flowing through the middle leg is the sum of the magnetic flux flowing through the respective outer legs.
[0022]
In the present invention, the portion corresponding to the length of 99% or more along the magnetic path length is composed of the ferrite alone and the portion where the ferrite and the metal soft magnetic material coexist, and the remaining portion of less than 1% is a gap. Are provided, and at least the gap is made of only a metallic soft magnetic material. An example is shown in FIG. In this figure, the hatched portion at the center of the middle leg is a metallic magnetic material, and the rest is ferrite. When viewed from the cross section of the middle leg, there is a metallic magnetic material in the center, and the outside is surrounded by ferrite.
[0023]
With the configuration as described above, the composite core of the present invention has a magnetic field that is small, that is, when the current value is small, the magnetic flux preferentially flows through the ferrite portion having a high magnetic permeability. Eddy current loss can be kept low, and even if magnetic flux flows to the metallic magnetic material as the magnetic field increases, the eddy current loss is reduced compared to the case of the metallic magnetic material single core. It can be made much smaller.
[0024]
However, when the metal-based magnetic material constituting the composite core has an effective permeability higher than that of ferrite, the magnetic flux preferentially passes through the metal material when the composite core is used. growing. Moreover, when the saturation magnetic flux density of this metallic soft magnetic material is lower than that of ferrite, a higher saturation magnetic flux density than that of ferrite cannot be obtained due to the composite. Therefore, it is necessary that the effective magnetic permeability of the metallic magnetic material alone is lower than the effective magnetic permeability of the ferrite, and the saturated magnetic flux density of the metallic magnetic material is higher than the saturated magnetic flux density of the ferrite.
[0025]
Further, in the composite core having such a configuration, when there is no gap in the overlapped portion such as the E core, the magnetic properties are that the ferrite is first magnetically saturated, and then the magnetic permeability is low and the saturation magnetic flux density is high. Since the soft magnetic material will approach saturation at higher magnetic fields, the magnetization curve increases in two steps. Therefore, excellent direct current superposition characteristics cannot be obtained. Therefore, it is necessary to provide a gap in the overlapping portion such as the E core made of ferrite so that the permeability of the ferrite portion is equivalent to the permeability of the single metal magnetic material used in the composite core. By doing in this way, the magnetization curve of the composite core is shaped like a core made of a single material that monotonously increases and saturates, and further, the magnetic permeability extends to a high current value within a substantially constant range, Since the saturation magnetic flux density is also larger than that of ferrite, the direct current superposition characteristics are improved.
[0026]
Note that the effective permeability of ferrite is generally about 3000 to 8000, while that of a metallic soft magnetic material is about 50 to 600, for example, an iron compact, and there is a large gap between the two. is there. However, even in this case, the length of the gap required to make the permeability of the ferrite core portion the same value as that of the metal-based magnetic material is only less than 1% of the magnetic path length of the entire core. Therefore, in the magnetic path corresponding to the gap portion, the magnetic flux mainly passes through the continuous metal-based soft magnetic material portion, but the proportion of this portion in the magnetic path length is a little less than 1%. There is no significant impact on loss.
[0027]
The length and cross-sectional area of this metallic magnetic material are determined by the desired saturation magnetic flux density or loss. Note that the portion occupied by the metal-based magnetic material is not limited to the middle leg but may be the outer leg or the entire magnetic path length, but it is essential to occupy the gap portion of the ferrite material. However, from the viewpoint of production, it is desirable to be in the middle leg portion. Further, when a metal-based magnetic material is disposed at the center portion of the middle leg, it is desirable that the cross-sectional area be 80% or less of the middle leg in consideration of the magnetic flux density flowing through the ferrite material and the workability of the core.
[0028]
Next, a method for producing a composite core according to the present invention will be described.
The ferrite core is directly molded using a mold having a desired shape, or is molded with a general-purpose mold having a similar shape, and the molded body is processed into a desired shape, followed by firing. Depending on the shape and size of the core, it may be processed after firing. On the other hand, if it is assumed that the part made of a metal-based magnetic material is incorporated in the middle leg part, it is a rectangular parallelepiped in the case of an EE (EI) type composite core and a cylindrical body in the case of an ER type composite core. A relatively simple shape is preferable. FIG. 1 (d) shows an example of an ER type composite core incorporating a cylindrical metallic magnetic material.
[0029]
Examples of shapes other than the EE type or the ER type include a toroidal shape. In this case, a toroidal ring having the same shape is manufactured for both the ferrite and the metal-based magnetic material, and the composite core is formed by superimposing them. In this case, however, it is necessary to make a cut corresponding to the gap in a part of the toroidal ring of ferrite in order to match the magnetic permeability of both materials.
[0030]
The length of the gap provided in the ferrite portion can be adjusted to the effective magnetic permeability of the metallic soft magnetic material from the value of the effective magnetic permeability of the ferrite alone using the following equation (1).
μ 0 μ 2 = μ 0 / (1 / μ 1 + l 0 / l 1 ) (1)
Here, μ 0 : vacuum permeability μ 1 : effective permeability when there is no gap μ 2 : effective permeability when a gap is provided l 0 : gap length l 1 : magnetic path length. In addition, when the gap is large and the effective permeability of the ferrite part becomes lower than the effective permeability of the metal-based magnetic material, the magnetization curve does not become monotonous and the direct current superimposition characteristics deteriorate, and the metal disposed at the gap position The eddy current loss due to the magnetic material increases, and the overall loss increases. Therefore, the length of the gap should be less than 1% of the magnetic path length, and the portion corresponding to the remaining length of 99% or more should be composed of a portion in which ferrite and ferrite and a metal soft magnetic material coexist. is necessary.
[0031]
As the metallic soft magnetic material, iron, sendust, permalloy or the like can be formed into a desired shape and sintered, or the sintered body can be cut and used. Moreover, about the material whose magnetic permeability is higher than a ferrite, the powder can be mixed with an inorganic or organic binder, and can be used as a desired shape by compression molding or injection molding.
[0032]
【Example】
Example 1
After pressing the pulverized powder of Mn-Zn ferrite with an EER40 mold, a hole with a diameter of 8mmφ x depth of 10mm is formed with a processing machine in the length direction of the middle leg, and the oxygen partial pressure is controlled. Firing was performed in a nitrogen / air mixed gas atmosphere at 1330 ° C. for 3 hours to obtain a pair of sintered EER cores. Note that, due to shrinkage due to sintering, the hole formed as described above had a diameter of about 6.6 mmφ × length of 8 mm. Thereafter, when the EER core was paired to form a Japanese mold, grinding was performed so that the gap between the middle legs was 0.6 mm. Also, iron powder mixed with 0.1 mass% silicon-based resin was pressure-molded to obtain a cylindrical molded body having a diameter of 6.6 mmφ × length of 16 mm. Then, the iron green compact was combined between the ferrite EER core pair of middle leg cavities to form a composite core (invention example). The magnetic permeability of the Mn—Zn ferrite and iron powder used for producing the composite core was 4000 and 185, respectively, and the magnetic path length of the composite core was 117 mm.
[0033]
The core prepared as described above is wound with 3 windings on the primary side and 3 windings on the secondary side, and the maximum magnetic flux density is changed from 50 mT to 300 mT every 50 mT at 100 ° C and 100 kHz. Magnetic loss was measured. Similarly, the middle leg was wound with 20 turns on the primary side and 40 turns on the secondary side, and a magnetization curve was obtained when a magnetic field was applied up to 4000 A / m with a DC BH loop tracer at 100 ° C. Similarly, 100 windings were applied to the middle leg, and the permeability for a 0.4 A / m magnetic field was measured by applying a maximum of 6000 A / m as a DC bias magnetic field to evaluate the DC superposition characteristics.
[0034]
In addition, as a comparative sample, a core without a gap (Comparative Example 1) and a core with a gap of 1.2 mm (Comparative Example 2) were prepared by the same method as described above, and the same evaluation was performed. It was. In addition, a toroidal core having an outer diameter of 30 mm, an inner diameter of 20 mm, and a thickness of 8 mm was produced from each of the Mn-Zn ferrite and iron powder used in the composite core (respectively referred to as Comparative Examples 3 and 4), and magnetic loss and magnetization curves were obtained. And the DC superposition characteristics were evaluated.
[0035]
As a result of the above measurement, the dependence of magnetic loss on the maximum magnetic flux density is shown in FIG. 2, the magnetization curve is shown in FIG. 3, and the DC superposition characteristics are shown in FIG. From these figures, the composite core of the example of the present invention is slightly inferior in magnetic loss compared to the ferrite single core (Comparative Example 3) (FIG. 2), but the saturation magnetic flux density is improved to 480 mT (FIG. 2). 3). In addition, in the case of a core without a gap (Comparative Example 1) even when combined with an iron compact, the DC superposition characteristics change in two stages (FIG. 4), and a core with a large gap (Comparative Example 2) In the case of (2), the loss further increases (FIG. 2), and no significant difference is observed in the DC superposition characteristics (FIG. 4). Furthermore, in the iron compact core (Comparative Example 4), although the saturation magnetic flux density is high (Fig. 3), the loss is very large (Fig. 2), and there is no significant difference in DC superposition characteristics (Fig. 4).
[0036]
(Example 2)
Instead of the iron compact used in Example 1, Sendust alloy was cut into a cylindrical body of the same size, heat treated, and then the same cap size as that produced in Example 1 with a ferrite of 0.6 mm. The core was sandwiched in the same manner as in Example 1 to produce a composite core. Three core windings of the primary side and three windings of the secondary side were applied to the middle leg portion of the core, and the magnetic loss was measured when the maximum magnetic flux density was changed from 50 to 350 mT at 100 ° C. and 50 kHz. The permeability of Sendust used in the test was 96000, about 20 times that of ferrite.
[0037]
The result of the measurement is shown in FIG. From this figure, it can be seen that when a metal magnetic material having a higher magnetic permeability than ferrite is used, the magnetic loss becomes as large as the magnetic loss of the metal magnetic material.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a composite core having low saturation and higher saturation magnetic flux density than ferrite, which is suitable for use in a transformer, a choke coil, or the like used in a power supply circuit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is an external view of an ER core, FIG. 1B is a side view of the core when a closed magnetic circuit is formed by combining ER cores, and FIG. 1C is a view of the composite core of the present invention. A side view and (d) show an external view when a metallic magnetic material is incorporated in the middle leg portion of the ER core.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between maximum magnetic flux density Tm and loss Pcv in various EER40 cores.
FIG. 3 is a graph showing magnetization curves of various EER40 cores.
FIG. 4 is a graph comparing direct current superposition characteristics of various EER40 cores.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between maximum magnetic flux density Tm and loss Pcv in various EER40 cores.
[Explanation of symbols]
1. EER core2. 2. Ferrite 3. Metal-based soft magnetic material Magnetic path length l 1
5. Gap l 0

Claims (5)

フェライトと金属系軟磁性材料とで閉磁路を形成する複合コアであって、上記閉磁路の磁路長の99%以上をフェライトで構成すると共に、残部のフェライトのギャップ部分にはフェライト断面積の80%以下の大きさの金属系軟磁性材料を配置したことを特徴とする複合コア。A composite core that forms a closed magnetic path with ferrite and a metallic soft magnetic material, wherein 99% or more of the magnetic path length of the closed magnetic path is composed of ferrite, and the remaining ferrite gap portion has a ferrite cross-sectional area. A composite core comprising a metallic soft magnetic material having a size of 80% or less . 前記閉磁路の磁路長のギャップ部分を除く部分に、フェライトと金属系軟磁性材料とが並存する部分を設けたことを特徴とする請求項1に記載の複合コア。2. The composite core according to claim 1, wherein a portion where the ferrite and the metallic soft magnetic material coexist is provided in a portion excluding the gap portion of the magnetic path length of the closed magnetic path. 上記フェライトと金属系軟磁性材料が並存する部分が、Eコアの中脚部分であることを特徴とする請求項2に記載の複合コア。The composite core according to claim 2, wherein the portion where the ferrite and the metallic soft magnetic material coexist is a middle leg portion of the E core. 上記複合コアを構成する金属系軟磁性材料の実効透磁率はフェライトの実効透磁率よりも低く、かつ金属系磁性材料の飽和磁束密度はフェライトの飽和磁束密度よりも高いことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の複合コア。The effective magnetic permeability of the metallic soft magnetic material constituting the composite core is lower than the effective magnetic permeability of ferrite, and the saturated magnetic flux density of the metallic magnetic material is higher than the saturated magnetic flux density of ferrite. The composite core according to any one of 1 to 3. 上記フェライト部分の実効透磁率が金属系磁性材料の実効透磁率と等しくなるようギャップの長さを調整したことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の複合コア。The composite core according to any one of claims 1 to 4, wherein the gap length is adjusted so that the effective permeability of the ferrite portion is equal to the effective permeability of the metal-based magnetic material.
JP2002375894A 2002-12-26 2002-12-26 Composite core Expired - Lifetime JP4291566B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002375894A JP4291566B2 (en) 2002-12-26 2002-12-26 Composite core

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002375894A JP4291566B2 (en) 2002-12-26 2002-12-26 Composite core

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2004207552A JP2004207552A (en) 2004-07-22
JP4291566B2 true JP4291566B2 (en) 2009-07-08

Family

ID=32813485

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002375894A Expired - Lifetime JP4291566B2 (en) 2002-12-26 2002-12-26 Composite core

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4291566B2 (en)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008218660A (en) * 2007-03-02 2008-09-18 Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd Reactor apparatus
JP5408272B2 (en) * 2012-02-08 2014-02-05 住友電気工業株式会社 Reactor core, reactor, and converter
JP6062676B2 (en) 2012-07-25 2017-01-18 Ntn株式会社 Composite magnetic core and magnetic element
JP5789573B2 (en) * 2012-08-23 2015-10-07 株式会社神戸製鋼所 Winding element for noise reduction
JP6674726B2 (en) * 2013-07-19 2020-04-01 株式会社トーキン Reactor and DC voltage converter
KR102669398B1 (en) * 2016-12-20 2024-05-28 엘지이노텍 주식회사 Magnetic core and coil component

Also Published As

Publication number Publication date
JP2004207552A (en) 2004-07-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20070074059A (en) Magnetic core and inductor, transformer comprising the same
US20170169924A1 (en) Composite magnetic core and magnetic element
US4009460A (en) Inductor
JP2002057039A (en) Composite magnetic core
JP2007012647A (en) Complex magnetic core and reactor employing the same
US20090004475A1 (en) Magnetic materials made from magnetic nanoparticles and associated methods
JP2011171772A (en) Gapped amorphous metal-based magnetic core
JP2007281186A (en) Composite magnetic core and reactor
TW200826123A (en) Noise filter and manufacturing method thereof
JP4291566B2 (en) Composite core
JP2005213621A (en) Soft magnetic material and powder magnetic core
US20190006078A1 (en) Magnetic element
JP5140065B2 (en) Reactor
JP2000294429A (en) Compound magnetic core
KR100305328B1 (en) Manufacturing method of mold release dust core
Günther et al. A user guide to soft magnetic materials
JP5288228B2 (en) Reactor core and reactor
JP2007042931A (en) Coil component and its manufacturing method
JP5140064B2 (en) Reactor
JP2001274029A (en) Core for choke coil, its manufacturing method, and choke coil
JP6948170B2 (en) Core for current limiting reactor and current limiting reactor
JP2000235925A (en) Choke coil
JP2003068535A (en) Inductance part
JP2002231542A (en) Inductor
JP2008186973A (en) Reactor core and reactor

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20050406

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20071126

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20071204

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080204

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20090331

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20090403

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4291566

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120410

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120410

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130410

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130410

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140410

Year of fee payment: 5

EXPY Cancellation because of completion of term