JP4833045B2 - アモルファス圧粉磁心 - Google Patents

Description

本発明は、粉末成形法により作製したアモルファス圧粉磁心に関する。

近年、鉄損が低く、かつ低磁場から高磁場まで比較的高い透磁率を示す鉄心材料への要求が高まってきている。そこで、３〜６．５％Ｓｉを含む珪素鋼板あるいはアモルファスリボン等の低鉄損磁性材料の適用が考えられる。しかし、どちらの材料とも最大透磁率が非常に高く、これらの材料でコアを作製すると、低磁場側では優れた特性を示すものの、中磁場あるいは高磁場側では材料の透磁率が極めて低くなり、優れた特性が得られない。そこで、材料の最大透磁率を低下させ、高磁場側でもある程度の透磁率を得るため、コアを切断により分割した図１に示すようなカットコアを作製してギャップ材とともに鉄心を組み立てて使用している。アモルファスリボンは帯厚が１０〜３０μｍと非常に薄く、これを稠密に積層するのは手間がかかりコストが高くなってしまうこと、電磁騒音の発生が大きくなることから、通常は３〜６．５％Ｓｉを含む珪素鋼板が用いられている。

厚さ０．１ｍｍの６．５％珪素鋼板を積層し、かつ閉磁路中に最適数の空隙を切断により形成したカットコアは、例えばハイブリッド自動車等に用いられている大容量昇圧回路用インバータのリアクトル鉄心として適用されている（下記の特許文献１を参照）。
特開２００３−７７７４６号公報

モータ出力の増大等に伴い、昇圧回路用インバータのリアクトル等に用いられる鉄心材料には、高周波かつ高磁場での特性が要求されるようになってきている。高周波かつ高磁場においては、珪素鋼板は、板厚０．１ｍｍでも鉄損が大きく、また、カットコアの空隙部に起因する漏洩磁束が発生し鉄損をさらに増加させ、この結果、発熱が大きく、連続して使用できる時間が短くなってしまう。そのため、珪素鋼板を鉄心として用いる場合は、リミッタを付ける必要があり、回路が本来要求される機能を発揮することができない。

本発明者らは、上記の課題を解決するため、種々の検討を行い、アモルファス磁性粉末を所定の密度に圧粉成形し、適正条件で熱処理を施すことにより、低鉄損等の優れた磁気特性を示すアモルファス圧粉磁心が得られることを見出した。

アモルファス磁性粉末は、アモルファスリボンと同様にＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系の溶湯を急冷疑固して作製する。本発明では、この粉末にＳｉＯ_２等の無機系絶縁被膜をコーティングしたものを圧粉体密度が５．０〜６．０Ｍｇ／ｍ^３になるように圧粉成形した後、非還元性雰囲気中において４００〜５００℃、１０〜３０分間の熱処理を施すことによりアモルファス圧粉磁心を作製することを特徴としている。

アモルファス磁性粉末の粒径は、組成や冷却速度で多少は異なるが、通常２１２μｍ以下となるが、１５０μｍ以下が好ましく、５３μｍ以下がより好ましい。

上記のようなアモルファス圧粉磁心は、低磁場から高磁場まで優れた特性を示す。また、内部に多くの気孔を有するため、珪素鋼板やアモルファスリボンで作製したコアのように切断による空隙を設け、高い位置合わせ精度で組み立てる必要がなく、積層工程も不要であるため、空隙に起因する漏洩磁束による鉄損の増大が防止できるとともに、組み立てに要する工数も大幅に低減できる、

Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系のアモルファス磁性粉末からなる圧粉磁心は、適切な熱処理を施すと、図２に示すように殆どヒステリシス現象が認められなくなるため、ヒステリシス損を非常に小さくできる。図２（ａ）はＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系のアモルファス磁性粉末からなるアモルファスコアのヒステリシスを示し、図２（ｂ）は従来の圧粉磁心のヒステリシスを示す。

このようにアモルファス磁性粉末による圧粉磁心は、図３に示すように低鉄損とすることができる。図３は、従来の圧粉磁心と、積層珪素鋼板コアと、アモルファスコアの鉄損の周波数依存性を比較して示すものである。

図３に見られるように、アモルファスコアは鉄損が小さいという優れた特性を有するが、アモルファス磁性粉末が硬く変形しにくいため、圧粉成形による高密度化が難しく、圧粉磁心の最大透磁率を高くすることが困難である。そのため、従来、アモルファス圧粉磁心は、低磁場側での特性に課題があり、鉄心として不適当であるとされてきた。

しかし、本発明者らの検討により、低磁場から高磁場までの特性を要求される鉄心用として、透磁率とインダクタンスのバランスを考慮すると、アモルファス圧粉磁心は、必ずしも高密度である必要はないことが明らかになった。以下に実施例を用いて説明する。

組成がＳｉ：５．３重量％、Ｂ：３重量％および残部がＦｅおよび不可避不純物であり、粒径が５３μｍ以下のＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系アモルファス磁性粉末の表面をＳｉＯ_２被覆した粉末を、常温にて金型成形により、５．０〜６．２Ｍｇ／ｍ^３の範囲の圧粉体密度で、φ２０ｍｍ×φ３０ｍｍ×５ｍｍの試験片を作製し、Ｂ−Ｈ特性を測定した。

図４はアモルファス圧粉体における磁束密度の磁場に対する依存性を示すもので、アモルファス圧粉体の密度は（ａ）５．０Ｍｇ／ｍ^３、（ｂ）５．５Ｍｇ／ｍ^３、（ｃ）６．０Ｍｇ／ｍ^３、（ｄ）６．２Ｍｇ／ｍ^３である。なお、図４（ａ）〜（ｄ）の相違が明らかになるように、図中の曲線の端点を破線で結んで示した。

図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、５．０〜６．０Ｍｇ／ｍ^３の範囲の圧粉体密度のアモルファス圧粉磁心は、８００００Ａ／ｍの高磁場においても、磁束密度が飽和せず、低磁場から高磁場まで安定した透磁率を示した。これは、アモルファス圧粉磁心の内部に適度な量の気孔が分散していることにより、低磁場側での透磁率が低く、高磁場側でも磁束密度が飽和せず、透磁率の低下が抑制されるためである。

５．０Ｍｇ／ｍ^３未満の密度では、全体的に透磁率が低くなり過ぎる。一方、６．０Ｍｇ／ｍ^３を超える密度では、図４（ｄ）に示すように低磁場側での透磁率は高くなるものの、高磁場側では磁束密度が飽和して透磁率が小さくなってしまう。

圧粉体に施す熱処理は、非還元性雰囲気中、４００〜５００℃で１０〜３０分間施すことが望ましい。熱処理雰囲気は、絶縁被膜の分解防止のため非還元性ガスであることが必要であるが、製造経済上大気または窒素が好ましい。熱処理温度については、４００℃未満では圧粉成形による歪みの除去が不充分であり、５００℃を超えると結晶化が始まってしまう。共にヒステリシス損の増大を招くため、熱処理温度は４００〜５００℃の温度範囲が好ましい。熱処理時間に関しても、充分な歪みの除去と、結晶化防止の観点から、１０〜３０分間が好ましい。１０分未満では圧粉成形による歪みの除去が不充分であり、３０分を超えると結晶化が始まってしまう。

原料粉末の粒径が微細であるほど、圧粉磁心の初透磁率が低くなり、高磁場側での透磁率の低下を抑制できるため、アモルファス磁性粉末は、１５０μｍ以下であることが好ましく、５３μｍ以下の微粉末であることがより好ましい。

組成がＳｉ：５．３重量％、Ｂ：３重量％および残部がＦｅ及び不可避不純物であるＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系アモルファス磁性粉末の表面をＳｉＯ_２被覆した粉末を、常温にて金型成形により、φ２０ｍｍ×φ３０ｍｍ×５ｍｍの試験片を作成し、コイルに１００ｋＨｚの交流を印加するとともに直流電流を重畳して、インダクタンスを測定し、直流重畳特性を評価した。使用したアモルファス磁性粉末の粒径および試験片の密度を表１に示す。

図５は本発明のアモルファス圧粉磁心、２１２μｍ以下のアモルファス磁性粉末を用いた密度５．２Ｍｇ／ｍ^２の圧粉磁心、従来の圧粉磁心および積層珪素鋼板コアの直流重畳特性の評価結果である。図５に示すように、コイルに２００Ａの直流重畳電流を流すと、積層珪素鋼板コアのインダクタンスが直流を重畳しない場合の５％まで低下したのに対し、本発明のアモルファス圧粉磁心の場合は直流を重畳しない場合の２０％以下であり、インダクタンスの低下率が小さかった。すなわち、本発明のアモルファス圧粉磁心は、高電流の直流重畳に対して安定したインダクタンスを示した。

また、図５に示すように、２１２μｍ以下の粒径のアモルファス磁性粉末を用いた圧粉磁心のインダクタンスは、２００Ａの直流重畳により、直流を重畳しない場合の２０％未満まで低下し、従来の圧粉磁心との差は小さかった。

更に、図５に示すように、アモルファス磁性粉末の粒径が小さいほど、また圧粉磁心の密度が低いほど、高電流側でのインダクタンスの低下率が小さく、インダクタンスの安定性がより優れていた。

しかしながら、アモルファス磁性粉末の粒径を２５μｍ以下とすると、粉末の圧縮性が著しく悪化するため、５．０Ｍｇ／ｍ^３以上の圧粉体が得られず、インダクタンスの絶対値が小さくなりすぎるため、好ましくない。

図６は実施例２と同じ試験片の透磁率−周波数特性につき、５０Ｈｚにおける透磁率を１００％として評価した結果である。図６に示すように、１ｋＨｚを超えると積層珪素鋼板コアの透磁率が急激に低下したのに対し、本発明のアモルファス圧粉磁心の透磁率は、１００ｋＨｚにおいても５０Ｈｚにおける透磁率の８０％以上で、低周波から高周波まで安定した透磁率を示した。磁性粉末の粒径が１０６μｍ以下及び５３μｍ以下の場合には、１００ｋＨｚにおいても５０Ｈｚにおける透磁率の９８％以上で、ほとんど変化せず、透磁率の安定性が特に優れていた。

図７は、アモルファス圧粉体にてなるアモルファス圧粉磁心で構成したコアの一例を示すものである。アモルファス圧粉磁心の形状は略Ｕ字型である。２個のアモルファス圧粉磁心の端部を合わせて閉回路を形成することでコアとする。このコアは、２個のアモルファス圧粉磁心の合わせ面以外に空隙を有さない。したがって、このコアは従来のコアと比較して空隙の箇所が少ないため漏れ磁束によるエネルギーロスが低減されている。

なお、アモルファス圧粉磁心の形状はＵ字型に限らず、Ｅ字型の形状であってもよい。また、アモルファス圧粉磁心にはＥ字型及びＩ字型の形状の一組またはＵ字型及びＴ字型の形状の一組を用いてもよい。

本発明のアモルファス圧粉磁心は、低磁場から高磁場まで優れた特性を示し、溶接機、レーザー加工機、ハイブリッド自動車、太陽光発電装置等の電源装置に搭載される大容量昇圧回路用インバータのリアクトル等の鉄心として好適である。

カットコアの一例の斜視図である。 （ａ）アモルファス圧粉磁心のＢ−Ｈ曲線図および（ｂ）従来の圧粉磁心のＢ−Ｈ曲線図である。 アモルファス圧粉磁心、従来の圧粉磁心および積層珪素鋼板の鉄損を比較した図である。 アモルファス圧粉磁心の密度が及ぼすＢ−Ｈ曲線への影響を示す図である。 アモルファス圧粉磁心、従来の圧粉磁心および積層珪素鋼板の直流重畳特性を比較した図である。 アモルファス圧粉磁心、従来の圧粉磁心および積層珪素鋼板の透磁率−周波数特性を比較した図である。 アモルファス圧粉磁心で構成したコアの一例を示す図である。

Claims (4)

1. 最大粒径が５３〜１０６μｍであり、ＳｉＯ _２ 絶縁被膜を被覆したＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系のアモルファス磁性粉末を、圧粉体密度が５．０〜６．０Ｍｇ／ｍ^３になるように圧粉成形した後、非還元性雰囲気中において４００〜５００℃、１０〜３０分間の熱処理を施すことにより作製されていることを特徴とするアモルファス圧粉磁心。
2. 請求項１に記載のアモルファス圧粉磁心の形状がＵ字型またはＥ字型であり、２個のアモルファス圧粉磁心の端部を合わせて閉磁路を形成することでコアとし、このコアが２個のアモルファス圧粉磁心の合わせ面以外に空隙を有さないことを特徴とするコア。
3. 請求項１に記載のアモルファス圧粉磁心であって、Ｅ字型及びＩ字型の形状の一組またはＵ字型及びＴ字型の形状の一組のアモルファス圧粉磁心の端部を合わせて閉磁路を形成することでコアとし、このコアが２個のアモルファス圧粉磁心の合わせ面以外に空隙を有さないことを特徴とするコア。
4. 溶接機、レーザー加工機、ハイブリッド自動車、太陽光発電装置等の電源装置に搭載される大容量昇圧回路用インバータのリアクトル鉄心に用いられることを特徴とする請求項１に記載のアモルファス圧粉磁心。

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