JP5341294B2 - 間隙を設けた非晶質金属系の磁性コア - Google Patents

Description

本発明は磁性コアに関し、特にその磁気通路（magnetic pass）に間隙（gap）を有する強磁性非晶質合金のコアであって、特に電気チョークや電流センサーにおいて用いるのに適したコアに関する。

磁性コアを有する電気チョークや電流センサーには、大きな電流を制御しあるいは検知するために低い透磁率が必要とされる。一般に、低い透磁率を有する磁性コアは、大きな磁界に至らせるまで磁気的に飽和しない。磁界の上限は、コア材料の飽和磁束密度（一般にＢ_ｓと称される）によって決定される。Ｂ_ｓの量はコア材料の化学組成に依存するので、コア材料の選択はその用途に依存する。加えられた磁界Ｈの増大量に伴う磁束Ｂの増大量として定義される透磁率μは、これらの用途において直線的であるのが好ましい。というのは、コアの磁気性能は加えられた磁界の強さが増大するのに伴って比較的安定になるからである。透磁率が直線的であるとき、上限の磁界Ｈ_ｐ（これはコア上の銅巻きにおける電流に比例する）は概ねＢ_ｓ/μによって与えられる。従って、より大きなＨ_ｐが望まれるとき、μの値は小さいことが好ましい。また、直線的なＢＨ挙動が好ましい。というのは、それによって全コア損失はかなり低減するからである。電気チョークについては、コアのＢＨ特性のほどよい直線性が必要であり、ＢＨ曲線は中程度のレベルの曲度であるのが好ましい。しかし、電流センサーの用途については、センサーの精確さが保証されるためには良好に直線的なＢＨ特性が必要となる。

良好なＢＨ直線性を達成するための最良の方法のうちの一つは、一軸磁気異方性を有する磁性材料の磁気的に硬い軸に沿う磁化挙動を利用することである。磁気異方性は磁性材料における磁化が直線的に整列する度合いの尺度である。外部磁界が存在しないとき、磁気異方性は磁性材料の磁化をいわゆる磁化容易軸に沿うようにし、これはエネルギー的に最も低い状態である。結晶質材料については、磁気異方性または磁化容易軸の方向は結晶軸の一つに沿うことが多い。例として、体心立方構造を有する鉄の磁化容易軸は［001］方向に沿う。この種の一軸磁性材料が磁化容易軸に沿って磁化されるとき、生じるＢＨ挙動は四角形になり、その材料は、磁束密度Ｂが磁界すなわちＨ軸と交差する位置での磁界の強さとして定義される保磁力Ｈ_ｃを示す。Ｈ＝Ｈ_ｃを越えるとき、磁性材料は加えられた磁界に伴って急速に飽和し、Ｂ＝Ｂ_ｓ（飽和磁束密度）に達する。外部磁界が磁化容易軸に対して90度の方向にあるとき、対応する磁束密度Ｂは、８πＫ/Ｂ_ｓ（ここでＫは磁気異方性エネルギー）として定義される磁気異方性磁界Ｈ_ｋに匹敵するＨに伴って直線的に変化する。従って、原則上、Ｈ＝Ｈ_ｋにおいてＢはＢ_ｓになる。

磁気異方性は、高温での磁界中焼なましのような材料製造後の処理によって誘起され得る。磁性材料が加熱されるとき、成分である磁性原子は熱的に活性化され、加えられた磁界に沿って整列する傾向があり、その結果、上述の磁気異方性が生じる。これは、非晶質磁性材料を含めた磁性材料において直線的なＢＨ挙動を誘起させるためにしばしば用いられる一つの方法である。別の方法は、磁性物品の磁気通路（magnetic pass）に物理的な間隙を導入することである。この方法が用いられるとき、全体にわたるＢＨ挙動が直線的になりやすい。しかし、直線性は、間隙における磁束の漏れによる磁気損失の増大を伴う。従って、間隙のサイズをできるだけ小さくするのが望ましい。さらに、間隙を設ける間に導入される応力または機械的変形による磁気損失の増大を最少にして、間隙を導入する必要がある。

非晶質材料からなるトロイド型（ドーナツ型）の磁性物品において物理的な間隙を導入する試みは、米国特許第４,５８７,５０７号（'５０７特許、Takayama他）に概説されている。この特許は、間隙を設ける間に導入される応力の影響を低減することを含む考察だけを提示している。'５０７特許は、非晶質磁性合金が実質的にFe_xMn_y(Si_pB_qP_rC_s)_z の組成からなることを特許請求していて、ここでｘ＋ｙ＋ｚは（原子％で）100であり、ｙは0.001〜10の範囲であり、ｚは21〜25.5の範囲であり、ｐ＋ｑ＋ｒ＋ｓ＝１であり、ｐは0.40〜0.75の範囲であり、ｒは0.0001〜0.05の範囲であり、ｓ/ｑ比は0.03〜0.4の範囲であり、ｚについてｚ≦50ｐ＋１、ｚ≦10ｐ＋19、ｚ≧30ｐ＋２およびｚ≧13ｐ＋13.7である。'５０７特許の請求の範囲は、間隙を設けた後の予定した磁気損失の低減を達成するためにはMnが存在しなければならないことを必要としている。

'５０７特許によって必要とされる組成上の拘束の無い磁性物品を製造するための方法が必要とされていることは、明らかである。また、磁気損失に影響を与え、ひいては磁性物品の全体的な磁気性能に影響を与えるものである間隙のサイズについてもっと完全に理解される必要もある。この特徴は、高性能な磁性物品を製造するとき、明確に制御されなければならない。本発明は、コアに間隙を設ける工程において導入される応力の影響を含む上述の各々の問題に対する解決策を提供するものである。

本発明は上で論じた組成上の拘束が回避される磁性物品およびその製造方法を提供する。本発明に従って製造される物品における間隙のサイズは、約１〜約20mmの範囲で容易に得られる。利点として、磁性物品の全体的な磁気性能が向上する。この物品は、その磁気通路に物理的な間隙を有する非晶質Fe基合金からなる磁性コアを含む。非晶質組織を有する合金は（Fe-Ni-Co)-(Ｂ-Si-Ｃ）の成分系からなり、そのFe+Ni+Co含有量の合計は65〜85原子％の範囲である。

概して言えば、製造方法の実際において、磁性Fe基非晶質合金のリボンが巻かれてトロイド型（ドーナツ型）のコアになる。次いで、この巻かれたコアは外部磁界が無い状態で熱処理される。間隙が設けられた後の磁気損失が低いことが必要とされるコアについては、間隙を設けていないコアができるだけ低い透磁率を示すように熱処理の条件が設定される。間隙が設けられた後に実質的に直線的なＢＨ挙動を示すことが必要とされるコアは、ＢＨ曲線ができるだけ四角形になるように、あるいは剪断形になるように、熱処理される。焼なましされたコアは、次いで、間隙を設ける前に、市販のエポキシ樹脂（例えばDupont EFB534SOのようなもの）で被覆される。間隙を設ける方法は、間隙を設けた後に導入される応力または機械的変形ができるだけ小さくなるように選択される。そのような方法としては、水噴射切削法、研摩切削法（abrasive cutting）、放電切削法がある。物理的な間隙のサイズは、間隙を設けていないコアの透磁率および間隙を設けた状態でのコアの所望の透磁率に基づいて予め設定される。間隙を設けた後、コアは樹脂や塗料などの薄い層で被覆される。そのような被覆は、間隙の表面を錆から保護する。あるいは、コアの保護は、それをプラスチックの箱の中に収容することによって行われる。本発明のコアの上に銅巻きが設けられると、そのコア-コイルアセンブリは、誘電力率（power factor）補正誘導子を含めた電流センサーや電気チョークに必要な性能のレベルを達成する。

市販のメトグラス（METGLAS（商標））2605SA1および2605CO材料を含む鉄基の非晶質合金のリボンから多数のトロイド型の磁性コアがテープ巻きされる。コアの物理的な寸法は、ＯＤ（外径）＝８〜70 mm、ＩＤ（内径）＝５〜40 mm、およびＨＴ（高さ）＝５〜25 mmである。これらのコアは、コアに磁界を加えるかあるいは加えずに、300〜450℃の範囲で１〜12時間熱処理される。焼なましのパラメーターの選択は、以下に述べる方法で製造される間隙を設けたコアの所望の最終的な磁気特性に依存する。これらのコアにDupont EFB534SOからなるエポキシ樹脂が含浸される。次いで、被覆されたコアは、トロイドの磁気通路に物理的な間隙を導入するために切削される。物理的間隙のサイズは約１mm〜約20 mmの範囲である。間隙を設ける道具は、水噴射切削機械、研摩切削機械および放電切削機械である。次いで、切削面を錆から保護するために切削面を樹脂または塗料で被覆される。

電流の検知などの用途のために、コアは直線的なＢＨ挙動を示すことが必要とされる。この場合、間隙が設けられていないコアはできるだけ四角形の、あるいはできるだけ剪断形のＢＨ曲線を有していて、そのＢＨ曲線の曲度はできるだけ小さく、それにより、間隙が設けられた後のＢＨ曲線ができるだけ直線的になるようにしなければならない。間隙を設けていないコアにおいて四角形のＢＨ曲線を達成するために、任意に、コアを熱処理する間に長手方向の磁界が加えられる。剪断形のＢＨループは、コアの軸の方向に沿って横断する磁界を加えることによって達成される。横断する磁界の強さは約1500 Oeまでの範囲である。磁界を加えるかあるいは加えずに、320〜380℃において約２時間焼なましされたメトグラス（METGLAS（商標））2605SA1または2605COリボンをテープ巻きすることによって、多数のコアが用意される。得られるコアは比較的四角形のＢＨ挙動を示す。約１〜20 mmの範囲の物理的間隙がコアに形成される。間隙を設けたコアのうちの一つについてのＢＨ曲線を図１に示す。これは約70 Oe（0.88 A/m）のＨまで約180の直線的なＤＣ透磁率μ_ｄｃを示す。この上限の磁界は、前に定義したように、Ｈ_ｐと称することができる。同じコアは、コアのＩＤ部分の内側に単一巻き電流搬送用ワイヤを有する電流センサーを製造するために用いることができる。検知用コイルがコアの上に巻かれ、デジタル電圧計を用いて単一の電圧がモニターされる。コア-コイルセンサーの穴に挿入された単一巻き電流搬送用ワイヤにおける電流の関数としての検知電圧を図２に示す。図１のＢＨ挙動からの結果として、検知信号と電流の間の良好な直線関係が明確に示される。物理的な間隙を増大させることによって透磁率はさらに低下し、このことは図３に示される。低下した透磁率は、検知されるべき電流の上限を増大させることを可能にする。例えば、約15 mmの物理的間隙について達成される50の透磁率は、上限の磁界を約240 Oe（３ A/m）に増大させ、この上限まで、コアのＢＨ挙動は直線に維持される。このことは、ひいては、単一巻き電流センサーの電流の上限を約2700Ａのレベルまで増大させる。

電気チョークのような用途のためには、低い透磁率がコアに必要とされる。間隙を設ける目的はコアの透磁率を低下させることである。しかし、このことは間隙で漏れる磁束による磁気損失を増大させる。従って、より小さな物理的間隙が好ましい。この自己対立する効果は、間隙を設けていない状態においてできるだけ低い透磁率で開始することによって、最小にすることができる。上述の焼なましパラメーターは、それに応じて最適化される。市販のメトグラス（METGLAS（商標））2605SA1リボンからなる間隙を設けていないコアについて、焼なまし温度は410℃〜450℃の範囲であり、焼なまし時間は３〜12時間である。間隙を設けた後、これらのコアは約20〜140の範囲の透磁率を示す。

図４は、約３mmの間隙を有するそのような例の一つを示す。コアのＯＤ、ＩＤおよびＨＴはそれぞれ約34、22および11 mmである。所定の大きさのＯＤ、ＩＤおよびＨＴを有するコアの磁気特性を最適化するために、物理的な間隙を変化させた。一つのそのような例の結果を図５に示す。これは、図４のコアについてのＤＣバイアス磁界強度の関数としてのゼロ付加磁界（zero applied-field）における透磁率と比較した透磁率の値を示すグラフである。このコアは100 Oe（1.25 A/m）を越える磁界まで磁気的に有効であることが示される。物理的な間隙を有していない同様のコアは約10 Oe（0.125 A/m）まで有効であるに過ぎない。励磁誘導（exciting induction）すなわち磁束密度レベルＢの関数として、異なる周波数におけるコア損失を図６に示す。例えば、100 kHzおよび0.1Ｔの誘導レベルにおいて、観察されるコア損失は約140 W/kgである。
図７は、電気チョークまたは誘電力率補正誘導子のための基本的なコア-コイルアセンブリを示す。間隙を設けたトロイド型の磁性コアすなわち磁性物品（10）が図７に示されている。物理的な間隙の位置は矢印（20）によって示される。銅巻き（30）が磁性コア（10）を形成する。
図８は電流センサーを示し、これにおいては一つよりも多い銅巻きがある。図８は磁性物品すなわちトロイド型の磁性コア（100）を示し、物理的な間隙の位置は矢印（200）によって示される。磁性物品は、間隙を設けたコア上およびワイヤ（400）において、銅巻き（300）として示される一つよりも多い銅巻きを有する。銅巻き（300）が間隙を設けたコア（100）を形成する。この形態において、ワイヤ（400）の中を流れる電流がトロイド型のコア（100）および間隙（200）に磁界を発生させ、その磁界は銅巻き（300）によって検知される。
下の表１において、本発明のコアの特性が市販のコアの特性と比較される。表１に示す特徴は、本発明の間隙を設けたコアは電気チョークとして用いられるときに改善された特性を示すことを表している。このことにより、本発明の間隙を設けたコアは、大電流を扱う誘電力率（power factor）補正誘導子において用いるのに特に適している。

本発明がより完全に理解されるように、以下の実施例を提示する。本発明の理論と実際を説明するために提示される特定の方法、条件、材料、割合および報告データは例示のものであり、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

磁気特性
市販のＢＨループトレーサーを用いてＤＣ励磁の下で、トロイド型のコアを、間隙を設ける前と後とで試験に供した。図１と図４は、コアについて得られた代表的なＢＨ曲線である。この測定のために、各々20の巻きからなる一次巻きしたものと二次巻きしたものをコア上に設けた。一次コイルは加えた磁界Ｈでコアを励磁し、二次コイルは生じた磁束密度（induction）に関してその磁気応答性を測定した。ＤＣ透磁率μ_ｄｃはＢ対Ｈの勾配である。巻きを有する同様のコアについて、IEEE規格393-1991「磁性コアのための試験手順についてのIEEE規格」に従って、市販のインダクタンスブリッジ-コア損失測定装置を用いて、それらの高周波数特性を調べた。図３、図５および図６は、このようにして得られた。

電気的特性
電流の検知のために、探知すべき電流を通す単一巻きのものを図１のトロイド型のコアの中心穴に挿入し、検知電圧（これは電流に比例する）を測定するために５回巻きコイルをコア上に設けた。電圧の検知は市販のデジタル電圧計で行った。図２は、このようにして得られた。

本発明をかなり詳細に説明してきたが、そのような詳細には厳密に固執する必要はなく、様々な変更と修正が当業者に示唆されていることが理解され、そのようなものの全てが特許請求の範囲によって定義づけられる本発明の範囲に含まれる。

約3.2mmの物理的間隙のサイズを有するコアのＢＨ挙動を示すグラフである。コアは、コアの円周方向に沿って加えられた約10 Oeの磁界の存在下で350℃で２時間焼なましされた鉄基のメトグラス（METGLAS（商標））2605SA1材料からなる。 図１のコアについて調べられる電流の関数としての検知電圧を示すグラフである。 メトグラス（METGLAS（商標））2605SA1に基づくコアについての物理的間隙の関数としての透磁率を示すグラフである。 約３mmの物理的間隙のサイズを有するコアのＢＨ挙動を示すグラフである。コアは、磁界を加えずに430℃で７時間焼なましされた鉄基のメトグラス（METGLAS（商標））2605SA1リボンからなる。 図４のコアについてのＤＣバイアス磁界強度の関数としてのゼロ付加磁界（zero applied-field）における透磁率の値と比較した透磁率の値を示すグラフである。 異なる周波数における磁束密度レベル（induction level）Ｂの関数としてのコア損失を示すグラフである。 基本的なコア-コイルアセンブリを示す図である。 電流センサーを示す図である。

Claims (6)

1. 磁性物品であって、磁気通路を有していて非晶質Ｆｅ基合金からなる磁性コアを含み、前記磁性コアは前記磁気通路における物理的な間隙によって間隙の無いコアから間隙を有するコアに改造されたものであり、前記磁性コアは４０〜２００の範囲の透磁率を示し、そして前記非晶質Ｆｅ基合金は、６６〜８６原子％の範囲のＦｅ、５〜１９原子％の範囲のＢ、及び９〜１５原子％の範囲のＳｉの含有量を有する非晶質Ｆｅ基合金、ならびに６４〜８０原子％の範囲のＦｅ、７〜２０原子％の範囲のＣｏ、１３〜１５原子％の範囲のＢ、及び０より大きく１．５原子％までの範囲のＳｉの含有量を有する非晶質Ｆｅ基合金の少なくとも１つを含む、磁性物品。
2. 前記物理的な間隙は１〜２０ｍｍの範囲である、請求項１に記載の磁性物品。
3. 磁性コア−コイルアセンブリを形成するのに有効な一つ以上の銅巻きを有する、請求項１に記載の磁性物品。
4. 前記磁性コア−コイルアセンブリは電流センサーである、請求項３に記載の磁性物品。
5. 前記磁性コア−コイルアセンブリは電気チョークである、請求項３に記載の磁性物品。
6. 前記磁性コア−コイルアセンブリは誘電力率補正誘導子である、請求項３に記載の磁性物品。

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