JP6098786B2 - 複合材料、リアクトル、コンバータ、及び電力変換装置 - Google Patents

複合材料、リアクトル、コンバータ、及び電力変換装置 Download PDF

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Description

本発明は、リアクトルなどの磁性部品の構成材料に適した複合材料、この複合材料からなる磁性コアを具えるリアクトル、このリアクトルを具えるコンバータ、及びこのコンバータを具える電力変換装置に関するものである。特に、損失を低減でき、部品点数が少ないリアクトル、及びこのリアクトルに適した複合材料に関する。
リアクトルやモータといった、コイルと、コイルが配置される磁性コアとを具える磁性部品が種々の分野で利用されている。例えば、特許文献1は、ハイブリッド自動車といった車両に載置されるコンバータなどの回路部品に利用されるリアクトルを開示している。特許文献1は、このリアクトルに具える磁性コアの構成材料として、純鉄粉といった磁性体粉末と、この粉末を内包する樹脂(バインダ)とからなる複合材料を開示している。この複合材料は、原料となる磁性体粉末と未硬化の液状の樹脂とを混合した混合物を所望の形状の成形用金型などに充填した後、樹脂を硬化することで製造できる。
特許第4692768号公報
上記磁性コアに望まれる特性として、損失が低いことが望まれる。また、リアクトルなどの磁性部品の生産性の観点から、部品点数が少ないことが望まれる。従って、上記磁性コアは、部品点数が少ない構造が望まれる。
特許文献1では、磁性コアを上述の複合材料によって構成することで、ギャップを有しない構造としている。そのため、ギャップ材を省略でき、部品点数を低減できる。特許文献1では、ギャップを設けないようにするために、複合材料の比透磁率を11以下としている。このように比透磁率が低いことで、磁束が漏れ、この磁束の漏れに起因する損失が生じ得る。
そこで、本発明の目的の一つは、損失を低減でき、部品点数が少ないリアクトルを提供することにある。また、本発明の目的の一つは、上記リアクトルの構築に適した複合材料を提供することにある。
更に、本発明の目的の一つは、上記リアクトルを具えるコンバータ、及びこのコンバータを具える電力変換装置を提供することにある。
本発明は、特に、複合材料の比透磁率を特定の範囲とすることで上記目的を達成する。
本発明の複合材料は、磁性体粉末と、この粉末を分散した状態で内包する高分子材料とを含有するものであり、上記複合材料全体に対する上記磁性体粉末の含有量が50体積％超75体積％以下であり、上記複合材料の飽和磁束密度が0.6T以上であり、上記複合材料の比透磁率が20超35以下である。飽和磁束密度及び比透磁率の測定方法は、後述の試験例で説明する。
本発明の複合材料は、比透磁率が35以下であり、比較的低いことから磁束の飽和が生じ難い。そのため、本発明の複合材料をリアクトルなどの磁性部品の磁性コアに用いることで、ギャップ材やエアギャップを削減できる、好ましくはギャップ材などを省略でき、リアクトルなどの磁性部品に対して部品点数の削減に寄与することができる。また、本発明の複合材料は、比透磁率が20超であることで、リアクトルなどの磁性部品の磁性コアに用いた場合、コイルがつくる磁束が漏れ難い。そのため、本発明の複合材料をリアクトルなどの磁性部品の磁性コアに用いることで、損失を低減でき、リアクトルなどの磁性部品に対して損失の低減に寄与することができる。更に、本発明の複合材料は、磁性体粉末の含有量が50体積％超であることで、磁性成分の割合が十分に高く、飽和磁束密度を高められ、0.6T以上の飽和磁束密度を有することができる。磁性体粉末の含有量が75体積％以下であることで、製造時、複合材料の原料となる磁性体粉末と高分子材料とを含む混合物が流動し易く、種々の形状の複合材料を精度よく形成できる。従って、本発明の複合材料は、製造性にも優れる。また、本発明の複合材料は、形状精度や寸法精度にも優れる。
特に、磁性体粉末の材質が、飽和磁束密度が2T程度である材料(例えば、純鉄やFe-Si合金など)である場合、磁性体粉末の含有量が50体積％超であることで、複合材料の飽和磁束密度を1.0T以上にし易い。この場合に、更に磁性体粉末の含有量が55体積％以上であると、複合材料の飽和磁束密度を1.1T以上にし易い。複合材料中の磁性体粉末の含有量は、55体積％以上70体積％以下がより好ましい。
本発明の複合材料の一形態として、上記磁性体粉末の密度比が0.38以上0.65以下である形態が挙げられる。上記密度比は、見掛密度/真密度とする。見掛密度とは、JIS Z 2504(2000)「金属粉-見掛密度試験方法」に基づいて求められた密度である。真密度は、物質自身が占める体積だけを密度の算定用体積とする密度である。磁性体粉末を構成する各粒子の内部に空洞が無いとする場合、真密度は、磁性体粉末の構成材料(例えば、純鉄などの金属)の比重と同じである。
上記形態の複合材料は、例えば、密度比が0.38以上0.65以下を満たす磁性体粉末を原料に利用することで製造できる。この特定の原料を用いることで、成形時に高い圧力に加圧することなく、特定の比透磁率及び特定の飽和磁束密度を満たす本発明の複合材料を製造可能である。そのため、上記形態は、生産性に優れる。また、上記密度比を満たす範囲内で、見掛密度が高い粉末を用いることで、充填率を上げることができる。さらに、上記密度比0.65以下を満たす見掛密度の粉末を用いることで、磁性体粉末の粒子同士の接触による電気的接続を極力抑制し、複合材料の比透磁率を低く抑えることができる。この結果、比較的高い飽和磁束密度でありながら、比較的小さい比透磁率を実現することが可能である。
本発明の複合材料の一形態として、上記磁性体粉末は、同一材質から構成された複数の粒子からなる形態が挙げられる。
磁性体粉末が単一材質の粒子から構成される粉末であるため、複合材料の原料として用いる磁性体粉末も1種類でよい。
磁性体粉末が単一材質で構成される本発明の複合材料の一形態として、磁性体粉末は鉄粉であり、鉄粉の見掛密度が3.0g/cm3以上5.0g/cm3以下である形態が挙げられる。
純鉄は、Fe-Si合金等と比較して飽和磁束密度が高い。そのため、上記形態は、飽和磁束密度がより高くなり易い。また、純鉄の真密度は、7.874g/cm3であるから、鉄粉の見掛密度が上述の範囲を満たす場合、この鉄粉は、上述の密度比が0.38以上0.65以下を満たす。従って、上記形態は、飽和磁束密度が高い上に、上述のように20超35以下の範囲で比透磁率が小さな複合材料となり易く、生産性にも優れる。
本発明の複合材料の一形態として、上記磁性体粉末は、比透磁率が異なる複数の材質からなる粉末を含有する形態が挙げられる。なお、磁性体の組成が異なると、通常、比透磁率が変化する。従って、上記形態は、磁性体の組成が異なることの指標として比透磁率を用いる。
上記形態は、比透磁率が異なった複数の材質の磁性体粉末、つまり、比透磁率が高い磁性体粉末と、比透磁率が相対的に低い磁性体粉末とを含有することから、各粉末の特性を併せ持つことができる。具体的には、比透磁率が高い磁性体は代表的には飽和磁束密度が高く、比透磁率が低い磁性体は代表的には電気抵抗率が大きいため、渦電流損を低減できる。従って、上記形態は、単一材質の磁性体粉末を含有する場合と比較して、高い飽和磁束密度と、低損失とを両立できる。また、比透磁率が低い磁性体を含有する上記形態は、磁束の飽和も生じ難いため、ギャップ材などを更に削減し易い。加えて、飽和磁束密度が高く、低損失な複合材料の製造にあたり、渦電流損を低減できるが取り扱い難い非常に微細な磁性体粉末を用いたり、飽和磁束密度を高められるが原料の混合物の粘度が低下するほどに磁性体粉末の含有量を多くしたりする必要がない。そのため、上記形態は製造性にも優れる。
本発明の複合材料の一形態として、上記磁性体粉末の粒度分布をとったとき、複数のピークがある形態が挙げられる。
上記ピークとは、粒度分布のある粒径rxの頻度fxをとったとき、粒径rxよりも所定値k(kは設計値)だけ小さい粒径rsの頻度fs、及び粒径rxよりも所定値k(kは設計値)だけ大きい粒径rlの頻度flをとり、頻度fxが頻度fsの1.1倍以上、かつ頻度flの1.1倍以上を満たすものをいう。
本発明の複合材料は、原料の磁性体粉末と、樹脂やゴムなどの高分子材料とを混合して混合物を作製し、混合物を所定の成型用金型に充填した後、高分子材料を硬化することで製造できる。この製造方法によって、原料に用いた磁性体粉末の粒子形状や粒径は、製造の前後で実質的に変化しない。そのため、上記複合材料中の磁性体粉末の粒度分布は、原料に用いた磁性体粉末の粒度分布と実質的に等しい。
粒度分布に複数のピークが存在するとは、この粒度分布のヒストグラムにおいて粒径が小さい地点と粒径が大きな地点にピーク(高頻度値)が存在するということである。換言すれば、少なくとも二つのピーク：第一ピーク及び第二ピークが存在し、第一ピークをとる粒径をr1、第二ピークをとる粒径をr2とするとき、粒径r1が粒径r2よりも小さい(r1＜r2)、ということである。複数のピークが存在する上記形態は、微細な磁性体粉末と粗大な磁性体粉末との双方を高頻度に含む。微細な磁性体粉末を比較的多く含むことで、上記形態は、渦電流損を低減でき、低損失である。また、原料に微細な粉末と粗大な粉末との混合粉末を用いることで磁性体粉末の充填率を高め易く、磁性成分の割合が高い複合材料が得られる。従って、上記形態は、飽和磁束密度が高い。更に、上記混合粉末の利用によって充填率を高め易いため、取り扱い難い非常に微細な粉末だけを用いなくてもよく、取り扱い易い大きさの粉末を利用できる。従って、上記形態は、原料に用いる磁性体粉末を取り扱い易く、製造性にも優れる。加えて、原料に上記混合粉末を用いることで、高分子材料との混合物が流動性に優れるため、複雑な形状の複合材料であっても、精度よく成形できる。この点からも、上記形態は、製造性に優れる。上記形態において磁性体粉末が単一材質から構成され、この単一材質が純鉄である場合、飽和磁束密度を高められ、単一材質が鉄合金である場合、渦電流損を低減できる。
その他、粒度分布に複数のピークが存在するとは、磁性体粉末の材質数に関わらず、磁性体粉末全体として複数のピークが存在するか否かで決定される。具体的には、次の各ケースが含まれる。
(A)純鉄又は鉄合金のいずれかなど磁性体粉末が単一材質から構成され、その粒度分布に複数のピークが認められる。
(B)純鉄と鉄合金など異種材質の磁性体粉末が含まれ、ある材質(例えば純鉄)の粒度分布に単一のピークが認められ、他の材質(例えば鉄合金)の粒度分布に単一のピークが認められるが、互いのピークとなる粒径がずれている。
(C)純鉄と鉄合金など異種材質の磁性体粉末が含まれ、ある材質(例えば純鉄)と他の材質(例えば鉄合金)の各々の粒度分布に複数のピークが認められる。この場合、ある材質(例えば純鉄)の複数のピークと他の材質(例えば鉄合金)の複数のピークは互いに重複していてもずれていても構わない。
(D)純鉄と鉄合金など異種材質の磁性体粉末が含まれ、ある材質(例えば純鉄)の粒度分布に単一のピークが認められ、他の材質(例えば鉄合金)の粒度分布に複数のピークが認められる。この場合、ある材質(例えば純鉄)の単一のピークと他の材質(例えば鉄合金)の一つのピークが重複していてもずれていても構わない。
本発明の複合材料の一形態として、上記磁性体粉末を構成する粒子の円形度が1.0以上2.0以下である形態が挙げられる。円形度の測定方法は後述する。
上記形態の複合材料は、例えば、上述の特定の円形度を満たす粒子から構成される磁性体粉末を原料に利用することで製造できる。この磁性体粉末は流動性に優れる上に、上記特定の円形度を満たす粒子間に別の粒子が介在可能な隙間を十分に形成できる。従って、この特定の原料を用いることで、磁性体粉末の充填率を高め易く、得られた複合材料は、磁性成分の割合が高くなり、飽和磁束密度が高い。以上のことから、上記形態は、飽和磁束密度が高い複合材料とし易い上に、製造性にも優れる。上記円形度は1.0以上1.5以下、更に1.0以上1.3以下が好ましい。
本発明の複合材料は、磁性部品の磁性コア、例えば、ハイブリッド自動車などの車両に載置されるコンバータなどに具えるリアクトルの磁性コアに好適に利用できる。そこで、本発明のリアクトルとして、コイルと磁性コアとを具え、上記磁性コアの少なくとも一部が本発明の複合材料から構成されたものを提案する。
本発明のリアクトルは、磁性コアの少なくとも一部が本発明の複合材料から構成されることで、(1)ギャップ材などを削減、好ましくは省略でき、部品点数が少ない、(2)コイルがつくる磁束が磁性コアの外部に漏れ難く、損失を低減できる、(3)飽和磁束密度が0.6T以上を有する磁性コアを具えることができる、(4)種々の形状の磁性コアを精度よく製造でき、生産性にも優れる、という格別の効果を奏する。
又は、本発明のリアクトルとして、コイルと磁性コアとを具え、上記磁性コアの全部が本発明の複合材料から構成されたものを提案する。
このリアクトルも、上述の(1)〜(4)の効果を奏する。特に、磁性コア全体の比透磁率が20超35以下となるため、ギャップ材などを更に削減、好ましくは省略できる。また、磁性コアの製造にあたり、複合材料のみを製造すればよく、圧粉成形体などを組み合わせて具える磁性コアを製造する場合に比較して、製造工程が簡略化できる。従って、この形態のリアクトルは、部品点数の更なる削減や、生産性の向上を図ることができる。
本発明のリアクトルは、コンバータの構成部品に好適に利用できる。そこで、本発明のコンバータとして、本発明のリアクトルを具えるものを提案する。
本発明のコンバータは、部品点数が少なく、損失を低減できる本発明のリアクトルを具えることで、生産性に優れる上に、低損失である。
本発明のコンバータは、コンバータとインバータとを具える電力変換装置の構成部品に好適に利用できる。そこで、本発明の電力変換装置として、本発明のコンバータを具えるものを提案する。
本発明の電力変換装置は、部品点数が少なく、損失を低減できる本発明のリアクトルを構成要素とする本発明のコンバータを具えることで、生産性に優れる上に、低損失である。
本発明のリアクトルは、部品点数が少なく、損失を低減できる。本発明の複合材料は、部品点数が少なく、損失を低減できるリアクトルの磁性コアを構築することができる。
(A)は、実施形態1に係るリアクトルの概略斜視図、(B)は、このリアクトルをB-B線で切断した断面図である。 実施形態1に係るリアクトルに具えるコイルと内側コア部との組物を示す斜視図である。 (A)は、実施形態3に係るリアクトルの概略斜視図、(B)はこのリアクトルに具える磁性コアの概略斜視図である。 ハイブリッド自動車の電源系統を模式的に示す概略構成図である。 本発明のコンバータを具える本発明の電力変換装置の一例を示す概略回路図である。
以下、図面を適宜参照して、本発明の実施形態を具体的に説明する。図中の同一符号は同一名称物を示す。
(実施形態1)
図1,図2を参照して、実施形態1のリアクトル1を説明する。リアクトル1は、巻線2wを螺旋状に巻回してなる一つの筒状のコイル2と、コイル2の内外に配置されて閉磁路を形成する磁性コア3とを具える。この例では、コイル2と磁性コア3との組合体は、ケース4に収納されている。リアクトル1の特徴とするところは、磁性コア3の構成材料にある。具体的には、磁性コア3のうち、コイル2の内側に配置される箇所の少なくとも一部が圧粉成形体で構成され、コイル2外に配置される箇所の少なくとも一部が特定の複合材料から構成されている。以下、磁性コア3を詳細に説明し、次にその他の構成要素を説明する。
[磁性コア]
磁性コア3は、コイル2を励磁した際に磁束の通路を形成する部材である。この例の磁性コア3は、図1(B)に示すように、少なくとも一部がコイル2の内側に配置されて、コイル2に覆われる柱状の内側コア部31と、コイル2外に配置されて、内側コア部31の一部及びコイル2の筒状の外周面を実質的に覆うように形成された外側コア部32とを具える。そして、内側コア部31の構成材料と、外側コア部32の構成材料とが異なっている。具体的には、内側コア部31は圧粉成形体で構成され、外側コア部32は、磁性体粉末と、この粉末を分散した状態で内包する高分子材料とを含有する複合材料で構成されている。リアクトル1では、この複合材料の比透磁率が20超35以下であることを特徴の一つとする。
{内側コア部}
この例の内側コア部31は、円筒状のコイル2の内周形状に沿った円柱状体である。内側コア部31の断面形状や外形は、適宜選択することができる。例えば、内側コア部31は、直方体状などの角柱状、楕円体状などとしてもよいし、コイル2の内周形状と相似形状だけでなく、非相似な形状とすることもできる。そして、この例の内側コア部31は、アルミナ板といったギャップ材やエアギャップのいずれも介在していない中実体としている。
コイル2の軸方向(図1(B)では上下方向)に沿った長さを内側コア部31の長さ、コイル2の長さと呼ぶとき、この例の内側コア部31の長さは、図1(B)に示すようにコイル2の長さよりも長い。また、この内側コア部31は、一端面(図1(B)においてケース4の開口側に配置される面)がコイル2の一端面にほぼ面一であり、他端面(図1(B)においてケース4の底面側に配置される面)及びその近傍がコイル2の他端面から突出するようにケース4内に収納されている。従って、リアクトル1では、磁性コア3のうち、筒状のコイル2の内側に配置される箇所が内側コア部31の一部を構成する圧粉成形体で形成され、コイル2外に配置される箇所が内側コア部31の他部を構成する圧粉成形体と、外側コア部32を構成する複合材料とで形成されている。
内側コア部31の突出長さは適宜選択することができる。ここでは、内側コア部31の他端面側のみがコイル2の他端面から突出した形態であるが、内側コア部31の各端面がコイル2の各端面から突出した形態とすることができる。このとき、突出長さが等しい形態、異なる形態のいずれも採用できる。又は、内側コア部31の長さとコイル2の長さとが等しい形態、即ち、内側コア部31の各端面とコイル2の各端面とが面一である形態とすることができる。例えば、磁性コア3においてコイル2内に配置される箇所のみが圧粉成形体で構成され、コイル2外に配置される箇所の全体が複合材料で構成された形態とすることができる。上述したいずれの形態も、コイル2を励磁したときに閉磁路が形成されるように複合材料を具える。
圧粉成形体は、代表的には、磁性体粒子からなる磁性体粉末や、磁性体粒子とこの表面に形成された絶縁被膜とを具える被覆磁性粉末、これらの粉末に加えて適宜結合剤を混合した混合粉末を成形後、焼成することにより得られる。原料に被覆磁性粉末を用いる場合、焼成は、絶縁被膜の耐熱温度以下で行う。原料の被覆磁性粉末における絶縁被膜は、燐酸化合物やシリコーン樹脂などが挙げられる。原料における絶縁被膜は、焼成後そのまま残存することもあるが、焼成によって後述する化合物などに変化することもある。圧粉成形体の製造にあたり、磁性体粒子の材質や、磁性体粉末と結合剤との混合比、絶縁被膜を含む種々の被膜の量などを調整したり、成形圧力を調整したりすることで、圧粉成形体の磁気特性を変化できる。例えば、飽和磁束密度の高い材料からなる磁性体粉末を用いたり、結合剤の配合量を低減して磁性成分の割合を高めたり、成形圧力を高くしたりすると、飽和磁束密度が高い圧粉成形体が得られる。圧粉成形体は、比較的複雑な三次元形状であっても、容易に成形でき、製造性に優れる。
上記磁性体粒子の材質は、Fe,Co,Niなどの鉄族金属(例えば、Fe及び不可避不純物からなる純鉄)、Feを主成分とする鉄合金(例えばFe-Si系合金,Fe-Ni系合金,Fe-Al系合金,Fe-Co系合金,Fe-Cr系合金,Fe-Si-Al系合金など)といった鉄基材料、希土類金属、鉄酸化物であるフェライトなどの軟磁性材料が挙げられる。特に、鉄基材料は、フェライトよりも飽和磁束密度が高い圧粉成形体を得易い。圧粉成形体における絶縁被膜の構成材料は、例えば、燐酸化合物、珪素化合物、ジルコニウム化合物、アルミニウム化合物、硼素化合物などが挙げられる。結合剤は、例えば、熱可塑性樹脂、非熱可塑性樹脂、高級脂肪酸などが挙げられる。この結合剤は、上述の焼成により消失したり、シリカなどの絶縁物に変化したりする。圧粉成形体は、磁性体粒子間に絶縁被膜などの絶縁物が存在することで、磁性体粒子同士が絶縁される。そのため、コイルに高周波の電力が通電される場合であっても、渦電流損失が低い。上記絶縁被膜は、磁性体粒子が金属からなる場合に存在すると、渦電流損を低減できる。磁性体粒子がフェライトといった絶縁物からなる場合には、絶縁被膜を具えていなくてもよい。なお、圧粉成形体は、公知のものを利用することができる。
内側コア部31の飽和磁束密度や比透磁率は、適宜選択することができる。ここで、一定の磁束を得る場合、内側コア部31のうち少なくともコイル2に覆われる部分の飽和磁束密度の絶対値が高いほど、また、上記コイル2に覆われる部分の飽和磁束密度が外側コア部32よりも相対的に高いほど、少なくとも上記コイル2に覆われる部分の断面積(磁束が通過する箇所の面積)を小さくできる。そのため、内側コア部31の飽和磁束密度が高いリアクトル1は、小型にできる(容積を小さくできる)。従って、内側コア部31のうち少なくともコイル2に覆われる部分の飽和磁束密度は、1.6T以上、更に1.8T以上、特に2T以上、外側コア部32の飽和磁束密度の1.2倍以上、更に1.5倍以上、特に1.8倍以上が好ましく、いずれも上限は設けない。内側コア部31の構成材料を圧粉成形体に代えて、珪素鋼板に代表される電磁鋼板の積層体を利用すると、内側コア部31の飽和磁束密度を更に高め易い。
ここでは、内側コア部31を構成する圧粉成形体は、絶縁被膜などの被膜を具える軟磁性金属粉末からなり、飽和磁束密度が1.6T以上、比透磁率が100以上500以下を満たす。
{外側コア部}
この例の外側コア部32は、コイル2と内側コア部31との組物(図2)の外周を概ね覆うように設けられ、ギャップ材やエアギャップのいずれも介在していない中実体である。詳しくは、外側コア部32は、コイル2の両端面及び外周面、内側コア部31の一端面及び他端面側の外周面を覆うように形成され、図1(B)に示すようにコイル2の軸方向に沿って切断した断面形状が門型である。そして、この外側コア部32と上述の内側コア部31の一部とは、外側コア部32中の高分子材料によって接合されて閉磁路を形成すると共に、一体の磁性コア3を構成する。つまり、この例の磁性コア3は、内側コア部31と外側コア部32との間に接着剤などの別の部材を介在していない。
外側コア部32は、閉磁路が形成できれば、その形状は特に問わない。例えば、コイル2の外周の一部が外側コア部32を構成する複合材料により覆われていない形態とすることができる。後述する横型形態(実施形態5)では、コイル2の外周の一部を複合材料から露出させた形態を製造し易い。
・ 磁性体粉末
複合材料中の磁性体粉末の材質は、上述した純鉄などの鉄族金属や鉄合金などの鉄基材料、希土類金属などの金属、フェライトなどの化合物(非金属)などの軟磁性材料が挙げられる。複合材料を構成する磁性体粉末は、上述した内側コア部31を構成する圧粉成形体の磁性体粉末と同種でもよいし、異種の材質の粉末を含有していてもよい。
純鉄は、例えば、99.5質量％以上がFeであり、残部が不可避不純物からなるものが挙げられる。純鉄は、飽和磁束密度が高い。そのため、純鉄粉を含む複合材料は、純鉄粉の含有割合が高いほど飽和磁束密度が高くなり易く、この複合材料を利用することで、飽和磁束密度が高い磁性コアを得易い。例えば、磁性体粉末が純鉄粉を最も多く含有する複合材料や、磁性体粉末の全てが純鉄粉である複合材料とすることができる。
ここで、磁性体粉末は、磁性体粒子と、上記磁性体粒子の外周を覆う絶縁被覆とを具える被覆粉末を含むことができる。被覆粉末を含む複合材料は、磁性体粒子間に絶縁被覆が介在して、磁性体粒子間を絶縁できる。そのため、被覆粉末を含む複合材料は、渦電流損を低減し易く、この複合材料を利用することで、低損失な磁性コアを得易い。磁性体粉末に占める被覆粉末の含有割合が高いほど、渦電流損を低減でき、低損失な磁性コアを得易い。絶縁被覆を構成する絶縁材料は、例えば、燐酸塩、シリコーン樹脂、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、燐酸金属塩化合物、ホウ酸金属塩化合物、珪酸金属塩化合物などが挙げられる。上述の酸化物などや金属塩化合物などの化合物における金属元素は、例えば、Fe,Al,Ca,Mn,Zn,Mg,V,Cr,Y,Ba,Sr,希土類元素(Yを除く)などが挙げられる。列挙した材質は、非磁性材料であり、非磁性材料から構成される絶縁被覆を具えることで、比透磁率が大きくなることも抑制できる。純鉄粉がこの被覆粉末であると、上述のように渦電流損を低減できて好ましい。後述する鉄合金粉末も、被覆粉末とすると、渦電流損をより低減し易い上に、比透磁率を小さくし易い。
鉄合金は、添加元素として、Si,Ni,Al,Co,及びCrから選択される1種以上の元素を合計1.0質量％以上20.0質量％以下含有する合金が挙げられる。具体的には、Fe-Si系合金,Fe-Ni系合金,Fe-Al系合金,Fe-Co系合金,Fe-Cr系合金,Fe-Si-Al系合金などが挙げられる。鉄合金は、一般に、純鉄よりも電気抵抗が高い。特に、Fe-Si系合金やFe-Si-Al系合金(センダスト)といったSiを含有する鉄合金は、電気抵抗率が高い。そのため、鉄合金粉末を含む複合材料は、渦電流損を低減し易い上に、ヒステリシス損も小さく、この複合材料を利用することで、低損失な磁性コアを得易い。例えば、磁性体粉末が全て鉄合金粉(好ましくはSiを含有する鉄合金粉)である複合材料とすることができる。複数の組成の異なる鉄合金粉末を含む複合材料とすると、渦電流損の低減に加えて、飽和磁束密度を高められる場合がある。
複合材料中の磁性体粉末は、上述のように単一材質からなるもの(純鉄粉のみなど)とすることができる。又は、複合材料中の磁性体粉末は、比透磁率が異なる複数の材質からなる粉末を含有することができる。例えば、純鉄粉と鉄合金粉とを含む形態や、複数の異なる組成の鉄合金粉を含む形態が挙げられる。前者の形態は、純鉄粉の含有によって飽和磁束密度を高められ、鉄合金粉の含有によって渦電流損を低減できる。従って、この複合材料を利用することで、飽和磁束密度が高く、低損失な磁性コアを得易い。この形態では、純鉄粉の含有量が多いほど、飽和磁束密度が高められる。そのため、飽和磁束密度の向上を望む場合、磁性体粉末のうち、純鉄粉を最も多く含有することが好ましく、過半数が純鉄粉であることがより好ましい。後者の形態は、磁性体粉末の全てが鉄合金粉であるため、渦電流損を低減でき、この複合材料を利用することで、低損失な磁性コアを得易い。鉄合金の組成を調整することで、飽和磁束密度を高めることもできる。
磁性体粉末を構成する粒子は、球状、非球状(例えば、板状、針状、棒状など、その他異形状)など、任意の形状を取り得る。上述のように原料に用いた磁性体粉末と複合材料中の磁性体粉末とは、その形状や大きさが実質的に等しい。そのため、原料に所望の粒子形状の磁性体粉末を用いることで、所望の粒子形状(例えば、後述の円形度が特定の範囲を満たすもの)の磁性体粉末を含有する複合材料となる。
磁性体粉末を構成する粒子の形状が球形に近いと、この球状の粒子間の隙間に、別の粒子(好ましくはこの粒子よりも微細な粒子)が介在可能な隙間を形成し易い。その結果、磁性体粉末の充填率を高め易い。充填率を高めることで、上述のように飽和磁束密度が高い複合材料となり易い。また、磁性体粉末を構成する粒子が球状であると、複合材料の損失が小さい傾向にある。ここで、複合材料中に分散す磁性体粒子同士が接触した箇所が多くなると、複合材料の比透磁率が大きくなり過ぎたり、磁性体粒子が金属からなる場合には粒子間に渦電流が流れたりする。そのため、損失が大きくなる恐れがある。しかし、球状の粒子同士は隣接しても、実質的に点接触するだけであり、面接触することがほとんどない。従って、損失を低減できると考えられる。そこで、複合材料の製造にあたり、磁性体粉末を構成する粒子の円形度が1.0以上2.0以下を満たすものを原料に利用することを提案する。
上記円形度は、最大径／円相当径とする。円相当径とは、磁性体粉末を構成する粒子の輪郭を特定し、その輪郭で囲まれる面積Sと同一の面積を有する円の直径とする。つまり、円相当径＝2×{上記輪郭内の面積S/π}1/2で表される。最大径とは、上記輪郭を有する粒子の最大長さとする。上記面積Sは、例えば、原料に用いる磁性体粉末を樹脂などで固めたサンプルを作製し、このサンプルの断面を光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡:SEMなどで観察して求めることが挙げられる。得られた断面の観察画像を画像処理(例えば、二値化処理)などして粒子の輪郭を抽出し、輪郭内の面積Sを算出するとよい。最大径は、抽出した粒子の輪郭から、粒子の最大長さを抽出することが挙げられる。SEMを利用する場合、測定条件は、断面数:50個以上(一断面につき一視野)、倍率:50倍〜1000倍、一視野あたりの測定粒子数:10個以上、合計粒子数:1000個以上が挙げられる。
上述のようにして測定した円形度が1である粒子は、真球に該当する。原料に用いる磁性体粉末の円形度が1に近いほど、充填率を高め易く、流動性に優れる。複合材料中の磁性体粉末の円形度が1に近いほど、損失を低減したり、比透磁率が大きくなり過ぎることを抑制したりできる。従って、上記円形度は1.0以上1.5以下、特に1.0以上1.3以下が好ましい。
上述したように粒子同士の過度の接触による比透磁率の増大や、渦電流の発生・増大を低減するためには、特に磁性体粒子が金属からなる場合、磁性体粉末が上述の被覆粉末であることが望まれる。しかし、上述の円形度が特定の範囲を満たす真球に近い粒子形状の粉末を原料に用いる場合、絶縁被覆を有していない磁性体粉末であっても、上述の粒子同士の過度の接触を抑制でき、複合材料の比透磁率を低く抑えられる。従って、上述の円形度が特定の範囲を満たす磁性体粉末を原料に用いることは、飽和磁束密度が0.6T以上、更に1.0T以上という高い値を有すると同時に、比透磁率が35以下という比較的低い値を有する複合材料を製造するための有効な構成の1つに挙げられる。
上記円形度が上述の特定の範囲を満たす粉末を製造するには、例えば、不活性ガスを冷却媒体に用いたガスアトマイズ法で粉末を作製したり、水アトマイズ法などで形成した異形状の粉末(円形度が上記の特定の範囲外の粉末)に研磨などの丸め処理を施したりすることが挙げられる。研磨を行う場合、砥粒の粒度を適宜選択することで、原料に用いる磁性体粉末の円形度を調整することができる。ただし、所定の円形度の粉末を得る方法は、これらの方法に限定されるものではなく、上述の円形度が得られる方法で粉末を製造すればよい。また、原料に用いる磁性体粉末に粗大な粉末を含有する場合でも、球形に近い粉末、即ち、円形度が1.0に近い粉末であると、複合材料の損失が小さくなる場合がある。なお、複合材料を比較的低圧で成形することで、複合材料中の磁性体粉末を構成する各粒子の円形度は、原料に用いた磁性体粉末を構成する各粒子の円形度に実質的に同一になる(1.0以上2.0以下を満たす)。複合材料中の磁性体粉末の円形度の測定には、例えば、複合材料の断面をとり、上述のようにこの断面の顕微鏡観察による観察画像を用いることが挙げられる。
後述する特定の粒度分布を有する磁性体粉末を原料に用いる場合、粒子形状が非球状であっても、充填率を効果的に高められ、磁性成分の割合が高い複合材料が得られる。つまり、原料に用いる磁性体粉末の粒度分布を調整する場合には、複合材料の製造にあたり、任意の粒子形状の粉末を原料に利用できることから、原料に使用可能な磁性体粉末の粒子形状の自由度が大きい。
複合材料中の磁性体粒子の大きさは、適宜選択することができる。例えば、磁性体粒子の粒径は、10μm以上200μm以下が挙げられる。また、複合材料中の磁性体粒子は、種々の異なる大きさの粒子を含有することができる。例えば、複合材料中の磁性体粒子の粒度分布をとったとき、この粒度分布は、複数のピークが存在する形態とすることができる。端的に言うと、ある小さい粒径の粒子と、ある大きい粒径の粒子とのいずれもがある程度高頻度に存在する。この形態は、粗大な粒子間につくられる隙間に微細な粒子が介在できる。そのため、この複合材料は、磁性体粉末の充填率を高め易く、磁性成分の割合が高くなり易いことから、飽和磁束密度が高い。かつ、磁性体粉末の粒径が小さいほど、渦電流損を低減できることから、微細な粒子を含有するこの複合材料は、低損失である。
上記ピークの数は、二つでも三つ以上でもよい。ここで、ピークが一つのみ存在する粒度分布(例えば、ブロードなピークが存在する粉末や、急峻なピークが存在する粉末など)を有する磁性体粉末を原料に用いると、微細である場合、扱い難く作業性の低下を招き、粗大である場合、充填率の低下を招く。一方、粒径によっては二つのピークが存在すれば、作業性の低下を抑制できる上に、充填率を十分に高められる。つまり、上記粒度分布において第一ピークをとる粒径をr1、第二ピークをとる粒径をr2とするとき、r1＜r2を満たす二つのピークが存在すればよい。特に、r1≦(1/2)×r2を満たす二つのピークが存在する形態であると、粒径r2の粗大な粒子の半分以下の大きさである粒径r1の微細な粒子が、上記粗大な粒子間の隙間に十分に介在でき、充填率を高められる。従って、飽和磁束密度が高い上に、微細な粒子が高頻度に存在することによって低損失な複合材料とすることができる。粒径r1と粒径r2との粒径差:r2−r1が大きいほど、上記隙間を微細な粒子によって効率よく埋められ、充填率を高め易い傾向にある。従って、粒径r1は、r1≦(1/3)×r2を満たすことが好ましい。但し、粒径r1が小さ過ぎると、取り扱い難く作業性の低下を招き易くなるため、r1≧(1/10)×r2を満たすことが好ましい。なお、材質によらず、粒径r1は、小さいほど、損失(特に、渦電流損、又は鉄損)を低減でき、大きいほど取り扱い易い。
上記複数のピークをもつ磁性体粉末は、同種(同組成)の材質からなる形態、即ち、単一材質からなる形態や複数の異種の材質からなる形態が挙げられる。前者の単一材質の場合、例えば、磁性体粉末が純鉄粉であるとき、粒径r1は50μm以上100μm以下、粒径r2は100μm以上200μm以下、好ましくは粒径r1は50μm以上70μm以下、粒径r2は100μm以上150μm以下が挙げられる(但し、r1＜r2、好ましくはr1≦(1/2)×r2))。この複合材料は、粒径r1が上述の範囲を満たすという微細な粒子に対して、粒径r2が上述の範囲を満たすという十分に大きな粒子を高頻度に含有することで、粒径r1と粒径r2との粒径差が大きく、充填率を高め易い。そのため、この複合材料は、磁性成分の割合を高められて、飽和磁束密度が高い。磁性体粉末が純鉄粉であることからも、この複合材料は、飽和磁束密度がより高い。また、この複合材料は、粒径r2に対して50μm以上100μm以下といった十分に微細な粒子(粒径r1の粒子)を高頻度に含有することで、渦電流損を低減できる。粒径r2が200μm以下であることからも、渦電流損を低減し易く、この複合材料は、低損失である。更に、高頻度に存在する最も微細な粒子の粒径が50μm以上であることで、50μm未満の非常に微細な粒子が少なく、原料に用いる鉄粉を取り扱い易く、作業性に優れる。
前者の単一材質の場合、例えば、磁性体粉末が鉄合金粉であるとき、50μm以下でも取り扱い易く、粒径r1が50μm以下を満たす形態とすることができる。例えば、粒径r1が10μm以上40μm以下である形態が挙げられる。粒径r2は、40μm以上150μm以下が挙げられる(但し、r1＜r2)。この形態は、粒径r1がより小さく、かつ磁性体粉末が鉄合金で構成されているため、(1)渦電流損を更に低減して低損失な複合材料になり易い、(2)充填率を更に高め易いため、鉄合金から構成されているもののある程度飽和磁束密度も高い、という効果を奏する。また、鉄合金では、粒径が50μm以下といった比較的微細である方が球形の粒子を形成し易く、微細で球形の粉末の製造性にも優れる。
後者の異種材質の場合、例えば、磁性体粉末の粒度分布をとったとき、複数のピークが存在し、上記ピークのうち、少なくとも二つのピークが、比透磁率が異なる材質からなる粉末のピークである形態が挙げられる。この形態は、微細な磁性体粉末と粗大な磁性体粉末との双方を高頻度に含み、かつ、両粉末の材質が異なる。この形態は、異なる材質の磁性体粉末を含有することで、組成に基づいて、飽和磁束密度を高めたり、渦電流損を低減したりできる上に、微粗混合粉末を含有することで、充填率が高いことによっても、飽和磁束密度が高い。より具体的な形態は、例えば、一方のピークが純鉄粉のピークであり、他方のピークが鉄合金粉のピークである形態、各ピークが組成の異なる鉄合金粉である形態が挙げられる。
純鉄粉と鉄合金粉とを含む形態において、上記複数のピークのうち、最小の粒径におけるピークをとる粉末が純鉄粉である場合、つまり上記粒径r1が純鉄粉、粒径r2が鉄合金粉である場合、微細な純鉄粉を高頻度に含むことで、純鉄粉を含有していても渦電流損を低減できる。従って、この形態は、高頻度な純鉄粉によって飽和磁束密度が高く、かつ微細な純鉄粉と鉄合金粉との混合含有によって、低損失である。また、この形態は、粗大な鉄合金粒子の周囲に微細で飽和磁束密度が高い純鉄粒子が連続的に存在し易いため、磁束が均一的に通過し易い。この形態の具体的な粒径は、粒径r1は50μm以上100μm以下、更に50μm以上70μm以下が挙げられる。粒径r2は、50μm以上200μm以下(但しr1＜r2)、更に150μm以下が挙げられる。
純鉄粉と鉄合金粉とを含む形態において、上記複数のピークのうち、最小の粒径におけるピークをとる粉末が鉄合金粉である場合、つまり上記粒径r1が鉄合金粉、粒径r2が純鉄粉である場合、微細な鉄合金粉を高頻度に含むことで、渦電流損をより低減できる。従って、この形態は、純鉄粉の含有によって飽和磁束密度が高く、微細な鉄合金粉の含有によって、更に低損失である。この形態の具体的な粒径は、粒径r1は50μm以下、更に10μm以上30μm以下が挙げられる。粒径r2は、100μm以上200μm以下、更に粒径r2:140μm以上200μm以下が挙げられる(好ましくはr1≦(1/2)×r2))。
鉄合金粉のみを含む形態では、上記複数のピークのうち、最小の粒径におけるピークをとる粉末の特性に応じて、例えば、飽和磁束密度がより高い形態やより低損失な形態とすることができる。この形態の具体的な粒径は、粒径r1は50μm以下、更に10μm以上30μm以下が挙げられる。粒径r2は、30μm以上200μm以下(但しr1＜r2)、更に40μm以上150μm以下が挙げられる。
複合材料中の磁性体粉末の粒度分布を測定するには、例えば、高分子成分を除去して磁性体粉末を抽出し、得られた磁性体粉末を、粒度分析計を用いて分析することが挙げられる。この手法は、高分子成分が存在しないため、磁性体粉末の粒度分布を高精度に測定できる。複数の異なる材質の磁性体粉末を含有する場合には、磁性体粉末の組成ごとに粒度分布を測定した後、これらの粒度分布を合成してもよい。複合材料が後述する非磁性体粉末を含有する場合、例えば、磁石によって、磁性体粉末と非磁性体粉末とを選別するとよい。又は、X線回折、エネルギー分散X線分光法:EDXなどを利用して成分分析を行って選別してもよい。粒度分析計は、市販のものを利用できる。
上述のような粒度分布を有する複合材料を製造するには、原料に、r10＜r20(好ましくはr10≦(1/2)×r20)を満たす粒径r10,r20の粒子をそれぞれ高頻度に含有する磁性体粉末を利用することが挙げられる。市販の粉末を用いる場合、粒度分布を調べて、上述のような特定の粒度分布を満たすものを利用するとよい。所望の粒径を満たすように、篩などを用いて分級してもよい。原料に用いる磁性体粉末は、代表的にはアトマイズ法(ガスアトマイズ法、水アトマイズ法など)によって製造できる。特に、ガスアトマイズ法により製造した粉末を利用すると、損失が小さい複合材料が得られる傾向にある。粗大な粉末を適宜粉砕などして、所望の粒径となるようにしてもよい。また、上述のように粒径が異なる複数の粉末を用意すると共に、上述した円形度を満たすものを原料に利用すると、より低損失で飽和磁束密度が高い複合材料を得易い。
なお、粒径差が小さい磁性体粉末を原料に用いると、複合材料中の磁性体粉末の粒度分布は、ピークが一つのみ存在することがあり得る。また、同じ粒度分布を有し、かつ組成が異なる磁性体粉末を原料に用いた場合、複合材料中の磁性体粉末の粒度分布は、ブロードなピーク又は急峻なピークが一つのみ存在する。
複合材料中の磁性体粉末は、密度比＝見掛密度/真密度が0.38以上0.65以下を満たすものが挙げられる。このような複合材料は、密度比が0.38以上0.65以下を満たす磁性体粉末を原料に用いることで製造できる。得られた複合材料中の磁性体粉末の密度比は、原料に用いた磁性体粉末の密度比を実質的に維持する。密度比が0.38以上の磁性体粉末を原料に用いることで、成形時の圧力を過度に高くすることなく、飽和磁束密度が0.6T以上の複合材料を製造できる。密度比が0.65以下の磁性体粉末は、製造し易い上に、高分子材料と混合した際、混合物中に磁性体粉末が沈殿して分離することを抑制でき、磁性体粉末が均一に分散した複合材料を製造できる。また、複合材料中の磁性体粉末の密度比が0.65以下であると、比透磁率を低く抑えられる。従って、密度比が上述の特定の範囲を満たす複合材料は、(1)原料及び複合材料の製造性に優れる、(2)均質である、(3)比透磁率を小さくできるといった優れた効果を奏する。
上記密度比は、0.45以上、更に0.5以上が好ましく、0.6以下が好ましい。密度比を0.38以上0.65以下とするには、例えば、上述した円形度が特定の範囲を満たす粉末(球状の粉末)を原料に用いることが挙げられる。従って、上述のようにガスアトマイズ法などで製造された粉末を原料に好適に利用できる。原料に用いる磁性体粉末を分級などして、粒子同士の接触面積が大きくなり易い粗大な粒子を除去すると、見掛密度を高くし易い。
磁性体粉末が鉄粉である場合、鉄粉の見掛密度が3.0g/cm3以上5.0g/cm3以下であることが好ましい。鉄粉の見掛密度が上記範囲を満たす場合、上記密度比が0.38以上0.65以下を満たすことができる。従って、この形態は、上述のように(1)生産性に優れる、(2)均質である、(3)比透磁率がより低い、という効果に加えて、(4)純鉄粉を含有することで飽和磁束密度が高いといった優れた効果を奏する。鉄粉の見掛密度は、鉄粉の粒径や形状を調整することで変化できる。鉄粉の粒径が小さいほど、又は鉄粉の形状が球形に近いほど、見掛密度は大きくなる傾向にある。
原料に用いる磁性体粉末は、適宜な表面処理を予め施すと、凝集の防止、高分子材料(特に、樹脂)中の沈降抑制といった効果が期待できる。例えば、シランカップリング剤などで予め表面処理すると、磁性体粉末と高分子材料との密着性を改善でき、未硬化の高分子材料中における磁性体粉末の沈降を抑制できる。例えば、界面活性剤などで予め表面処理を施すと、凝集を防止できる。これらの表面処理は、順次行ってもよいし、同時に行うこともできる。なお、磁性体粉末と高分子材料との混合時に上記沈降を防止する表面処理剤を混合することもできるが、混合前に表面処理を施す方が、沈降防止効果が高い傾向にある。
複合材料中の磁性体粉末の含有量(材質を問わず、合計量)は、複合材料全体に対して、50体積％超75体積％以下とする。磁性体粉末の含有量が50体積％超であることで、磁性成分の割合が十分に高いため、飽和磁束密度が高く、かつ、比透磁率が大き過ぎず、比透磁率が20超35以下を満たす複合材料となる。磁性体粉末の含有量が75体積％以下であることで、複合材料の製造に当たり、原料の磁性体粉末と未硬化の高分子材料との混合物が流動性に優れるため、この混合物を成形用金型に良好に充填できる。従って、複雑な形状の複合材料であっても、精度よく成形でき、複合材料の製造性に優れる。また、この複合材料は、形状精度、寸法精度に優れる。特に、磁性体粉末の含有量は55体積％以上70体積％以下が挙げられる。所望の含有量となるように、原料を準備する。複合材料中の磁性体粉末の含有量は、高分子成分を除去して磁性成分の体積を求めたり、上述のように断面の顕微鏡写真を画像処理して、断面における磁性成分の面積割合から体積割合を換算したりすることで求められる。
磁性体粉末の含有量を上記範囲内で高める場合、例えば、60体積％以上、更に65体積％以上とする場合、上述したように微細な粉末と粗大な粉末との混合粉末を用いると、高い充填率を容易に達成できる。得られた複合材料は、磁性成分の割合が大きく、飽和磁束密度が高い。
・ 高分子材料
複合材料においてバインダとなる高分子材料は、樹脂やゴムが挙げられる。樹脂は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂などの熱硬化性樹脂、ポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂などの熱可塑性樹脂などが挙げられる。不飽和ポリエステル樹脂を主成分とし、ガラス繊維などの補強材を含有するBMC(Bulk Molding Compound)なども利用できる。ゴムは、シリコーンゴム、フッ素ゴムなどが挙げられる。列挙した材料のうち、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂、PPS樹脂、シリコーンゴムなどは、耐熱性に優れる。熱硬化性樹脂やゴムを用いた場合、成形用金型に充填した混合物を所定の温度に加熱して硬化する。その他の高分子材料として、常温硬化性樹脂、又は低温硬化性樹脂が挙げられる。この場合、成形用金型に充填した混合物を常温〜比較的低温に放置して樹脂を硬化する。
複合材料は、圧粉成形体と比較して、一般に非磁性材料である樹脂やゴムなどの高分子材料が多く存在する。従って、複合材料からなる外側コア部32は、内側コア部31を構成する圧粉成形体と同じ磁性体粉末を含有する場合でも、圧粉成形体よりも飽和磁束密度が低く、かつ比透磁率も低くなり易い。磁性体粉末の材質や形状、上述した絶縁被覆の有無や厚さ、バインダの含有量などを調整することで、複合材料の磁気特性を容易に変化できる。
複合材料は、代表的には、射出成形、注型成形によって形成できる。射出成形は、流動性のある状態(液状で、一般に粘性を有する状態)の高分子材料と原料の磁性体粉末とを混合し、この混合物(スラリー状混合物)を、所定の圧力をかけて、所定の形状の成形用金型に流し込んで成形した後、上記高分子材料を硬化する。注型成形は、射出成形と同様の混合物を得た後、この混合物を、圧力をかけることなく成形用金型に注入して成形・硬化する。実施形態1では、ケース4を成形用金型に利用できる。この場合、ケース4の内周形状に応じた複合材料(ここでは外側コア部32)を容易に、かつ精度よく成形できる。所望の形状の成形体を複数作製し、これら複合材料からなる成形体を組み合せて、所望の形状の磁性コア3を構築することもできる。
・ 磁気特性
複合材料の飽和磁束密度は0.6T以上とする。複合材料の飽和磁束密度は、高いほど、飽和磁束密度が高い磁性コアを構築できることから、0.8T以上、更に1T以上、特に1.1T以上が好ましく、上限は特に設けない。但し、この例では、上述の内側コア部31(圧粉成形体)の飽和磁束密度未満とする。特に、磁性体粉末が純鉄のみの場合、飽和磁束密度は1.15T以上が実現しやすく、磁性体粉末が鉄合金のみの場合、飽和磁束密度は1.05T超が実現しやすい。
複合材料の比透磁率は、20超35以下とする。複合材料の比透磁率が20超であることで、磁性コア3(ここでは特にコイル2外に配置される外側コア部32)に用いた場合にも、損失を低減できる。複合材料の比透磁率が35以下であることで、磁性コア3に用いた場合に磁性コア3が磁気飽和し難く、ギャップ材やエアギャップを削減できる。複合材料の比透磁率が小さいほど、ギャップ材などを削減でき、リアクトル1の部品点数の削減に寄与することができる。従って、複合材料の比透磁率は、20超30以下が好ましい。
ここでは、外側コア部32を構成する複合材料は、磁性体粒子の表面に絶縁被覆を具える被覆粉末とエポキシ樹脂との複合材料から構成されており、飽和磁束密度が0.6T以上、比透磁率が20超35以下を満たす。被覆粉末の含有量は、50体積％超75体積％以下である。従って、磁性コア3は、部分的に磁気特性が異なっている。内側コア部31は、外側コア部32よりも飽和磁束密度が高く、外側コア部32は、内側コア部31よりも比透磁率が低い。外側コア部32の比透磁率が上述の内側コア部31の比透磁率:100以上500以下よりも低いことで、内側コア部31に磁束が通過し易い。
この例の磁性コア3は、その全体の比透磁率が20超100以下である。この磁性コア3は、全体の比透磁率が上述のように比較的低いことで、その全体に亘ってギャップ材やエアギャプを介することなく一体化されたギャップレス構造とすることができる。
[コイル2]
コイル2は、1本の連続する巻線2wを螺旋状に巻回してなる筒状体である。巻線2wは、銅やアルミニウム、その合金といった導電性材料からなる導体の外周に、絶縁性材料からなる絶縁被覆を具える被覆線が好適である。導体は、横断面形状が長方形である平角線、円形状である丸線、多角形状である異形線などの種々の形状のものを利用できる。絶縁被覆を構成する絶縁性材料は、ポリアミドイミドといったエナメル材料が代表的である。絶縁被覆は厚いほど絶縁性を高められる。具体的な絶縁被覆の厚さは、20μm以上100μm以下が挙げられる。巻線2wの断面積、巻き数(ターン数)は所望の特性となるように適宜選択することができる。コイル2の端面形状は、図2に示す円環状や、楕円状(図示せず)といった外形が曲線のみで構成される形状、レーストラック状や角丸めの長方形状(後述する図3参照)などの外形が曲線と直線とで構成される扁平形状が挙げられる。端面が円環状の円筒コイルは、巻線を巻回し易く、製造性に優れる。
ここでは、コイル2は、横断面形状が長方形状の銅平角線からなる導体と、エナメルからなる絶縁被覆とを具える被覆平角線をエッジワイズ巻きにして形成されたエッジワイズコイルであり、端面形状が円環状である。
コイル2を形成する巻線2wの両端部は、コイル2に電力供給を行う電源などの外部装置(図示せず)が接続される。代表的には、巻線2wの両端部は、ターンから適宜引き延ばされ(図1ではケース4外に引き出されている)、絶縁被覆が剥がされて露出された導体部分に端子部材が接続され、この端子部材を介して外部装置が接続される。端子部材は、銅やアルミニウムなどの導電性材料から構成される。端子部材の接続には、溶接(例えば、TIG溶接)や圧着などが利用される。
この例に示すリアクトル1では、コイル2の軸方向がケース4の底面に直交するように、コイル2と磁性コア3との組合体が収納された形態(以下、縦型と呼ぶ)である。縦型形態は、冷却台といったリアクトル1を設置する設置対象に対するリアクトル1の設置面積を小さくすることができる。
[ケース]
この例のケース4は、矩形状の底面と、底面から立設される四つの側壁とで構成される直方体状の容器であり、底面との対向面が開口した有底筒状体である。ケース4は、コイル2と磁性コア3との組合体を収納して、コイル2や磁性コア3の環境からの保護及び機械的保護を図ると共に、冷却台といった設置対象にリアクトル1が固定されたときに放熱経路に利用される。従って、ケース4の構成材料は、熱伝導性に優れる材料、好ましくは鉄などの磁性体粉末よりも熱伝導率が高い材料が好ましい。例えば、上記構成材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金といった金属を好適に利用できる。これらアルミニウムやマグネシウム、その合金は、軽量であることから、軽量化が望まれる自動車部品の構成材料にも好適である。また、これらアルミニウムやマグネシウム、その合金は、非磁性材料で、かつ導電性材料でもあることから、ケース4外への漏れ磁束も効果的に防止できる。ここでは、ケース4は、アルミニウム合金からなる。
その他、この例のケース4は、リアクトル1を設置対象に固定するための取付部41が一体に形成されている。取付部41はボルト孔を有しており、ボルト(図示せず)によってリアクトル1を設置対象に容易に固定できる。また、ケース4は、コイル2や内側コア部31を所定の位置に位置決めする位置決め部を具えると、ケース4の適切な位置にコイル2や内側コア部31を配置できる。ここでは、図1(B)に示すようにコイル2がケース4の中央部に配置されるように、ケース4は、位置決め部(図示せず)を具える。更に、ケース4と同様にアルミニウムなどの導電性材料で構成した蓋を具えると、漏れ磁束の防止、外側コア部32の環境からの保護や機械的保護を図ることができる。この蓋には、コイル2を構成する巻線2wの端部が引き出せるように切欠や貫通孔を設けたり、蓋の大きさを調整して隙間を設けたりするとよい。又は、ケース4の開口部近傍に別途樹脂を充填して、樹脂製の蓋を形成してもよい。
[その他の構成]
コイル2と磁性コア3との間の絶縁性を高めるために、コイル2の外周を絶縁性樹脂で被覆した形態、コイル2の外周を絶縁紙や絶縁シート、絶縁テープといった絶縁材で覆った形態とすることができる。絶縁性樹脂は、エポキシ樹脂やウレタン樹脂、PPS樹脂、ポリブチレンテレフタレート(PBT)樹脂、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン(ABS)樹脂、不飽和ポリエステルなどが挙げられる。また、コイル2と内側コア部31と間の絶縁性を高めるために、内側コア部31の外周に絶縁性ボビンを具える形態とすることができる。このボビンは、内側コア部31の外周に配置される筒状部と、この筒状部の両端に設けられた環状のフランジ部とを具える形態が挙げられる。このボビンは、複数の分割片を組み合せて一体となる形態とすると、内側コア部31に容易に配置できる。ボビンの構成材料は、PPS樹脂、液晶ポリマー(LCP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂などが挙げられる。その他、内側コア部31の外周を熱収縮チューブなどの絶縁チューブで覆うことができる。更に、コイル2がケース4に接する場合、コイル2とケース4との間の絶縁性を高めるために上述の絶縁材を介在させることができる。巻線2wの引出箇所において磁性コア3との接触部分も上述の絶縁性樹脂や絶縁材、その他熱収縮チューブなどで覆うと、絶縁性を高められる。
又は、ケース4を省略することができる。ケースを省略することで、リアクトルの小型化、軽量化を図ることができる。この例のように、コイル2と磁性コア3との組合体の外周面が複合材料から構成される場合、樹脂などの高分子成分を含有しているため、磁性コア3が露出した形態としても、コイル2に対して外部環境からの保護及び機械的保護を図ることができる。コイル2と磁性コア3との組合体の外周を更に上述の絶縁性樹脂で覆った形態とすると、コイル2及び磁性コア3の双方に対して、外部環境からの保護(耐食性の向上、など)及び機械的保護を図ることができる。上記絶縁性樹脂として、熱伝導率が高いセラミックスなどからなるフィラーなどを含有したものとすると、放熱性に優れて好ましい。また、この樹脂による被覆箇所に上述した取付部を一体に成形してもよい。
[用途]
上記構成を具えるリアクトル1は、通電条件が、例えば、最大電流(直流):100A以上1000A以下程度、平均電圧:100V以上1000V以下程度、使用周波数:5kHz以上100kHz以下程度である用途、代表的には電気自動車やハイブリッド自動車などの車載用電力変換装置の構成部品に好適に利用することができる。
[リアクトルの製造方法]
リアクトル1は、例えば、以下のようにして製造することができる。まず、コイル2、及び圧粉成形体からなる内側コア部31を用意し、図2に示すようにコイル2内に内側コア部31を挿入して、コイル2と内側コア部31との組物を作製する。そして、この組物をケース4内に収納する。
外側コア部32(図1)を構成する磁性体粉末と高分子材料(未硬化)との混合物を用意する。磁性体粉末が均一的に分散されるように十分に混合してから、成形用金型(ここではケース4)内に混合した混合物を流し込む。この混合物は、上述のように流動性に優れるため、コイル2や内側コア部31が存在することで複雑な成形空間となったケース4内に、精度よく充填できる。充填後、上記混合物の高分子材料を硬化することで、複合材料からなる外側コア部32を形成できる。また、ここでは、図1(B)に示すように内側コア部31の一端面と、内側コア部31の他端面側の外周面とに接するように外側コア部32が形成されることで、コイル2が励磁されたときに閉磁路を形成する磁性コア3を形成できる。従って、この例では、外側コア部32の形成と同時に、リアクトル1が得られる。
[効果]
リアクトル1は、磁性コア3の少なくとも一部(ここでは外側コア部32)を構成する複合材料が特定の比透磁率を満たすことで、損失を低減でき、低損失である。また、磁性コア3の少なくとも一部(ここでは外側コア部32)を構成する複合材料が特定の比透磁率を満たすことで、ギャップ材やエアギャップを削減できる(ここでは省略できる)。従って、リアクトル1は、部品点数が少なく、組立工程やギャップ材の接合工程を削減できる(ここでは省略できる)ため、生産性にも優れる。
また、リアクトル1は、外側コア部32を構成する複合材料の磁性成分の割合が高いことで(磁性体粉末の含有量が50体積％超)、飽和磁束密度が高い(0.6T以上)。特に、リアクトル1では、内側コア部31が圧粉成形体から構成されることで、内側コア部31も飽和磁束密度が高い。従って、リアクトル1は、磁性コア3全体が上記複合材料から構成された場合と比較して、磁性コア3全体の飽和磁束密度(磁性コア3の飽和磁束密度を平均化した値)が高い。
更に、リアクトル1は、外側コア部32を複合材料で構成することで、(1)磁気特性を容易に変更できる、(2)樹脂などの高分子成分を有するため、コイル2や内側コア部31を覆うことで、これらの外部環境からの保護及び機械的保護を図ることができる、(3)樹脂などの高分子成分を内側コア部31との接合材に利用できる、(4)外側コア部32の形成と同時にリアクトル1を形成でき、製造性に優れる、という効果を奏する。
その他、リアクトル1は、内側コア部31の飽和磁束密度が外側コア部32よりも高いことで、単一材質から構成されたコア(コア全体の飽和磁束密度が均一的なコア)と同じ磁束を得る場合、内側コア部31(特にコイル2に覆われる部分)の断面積を小さくできる。内側コア部31の小型化により、コイル2も小さくできる(巻線2wを短くできる)。また、リアクトル1は、ギャップレス構造のため、ギャップ部分の磁束の漏れに起因する銅損を低減できることから、コイル2と内側コア部31とを近付けて配置できる。これらのことから、リアクトル1は小型である。また、コイル2の小型化(短尺化)により、リアクトル1は、軽量化も図ることができる。
(実施形態2)
実施形態1では、磁性コアの一部を形成する複合材料が、磁性体粉末と高分子材料(樹脂)とで構成された形態である。その他、磁性コアの少なくとも一部を複合材料で構成する場合、この複合材料として、上記複合材料が少なくとも1種の材質から構成される非磁性体粉末を含有する形態、つまり、磁性体粉末と非磁性体粉末と高分子材料との複合材料で構成された形態とすることができる。なお、磁性体粉末の「磁性体」とは、広義で強磁性体とし、代表的には軟磁性体とする。非磁性体粉末の「非磁性体」とは、強磁性体ではないものとする。
・ 非磁性粉末
非磁性体粉末は、複合材料の製造時、磁性体粉末の沈降を抑制する効果がある。この効果を十分に得るために、非磁性体粉末は、磁性体粉末よりも比重が小さいものが好ましい。具体的には、Alなどの金属、SiO2、Al2O3、Fe2O3、BN、AlN、ZnO、TiO2といったセラミックスやシリコン(Si)などの非金属無機材料、シリコーン樹脂などの有機材料などが挙げられる。特に、SiO2(シリカ)は、樹脂にチクソトロピー性を付与することができ、高分子材料を樹脂とする場合、磁性体粉末の沈降を抑制し易い。SiO2、Al2O3、BN、AlNといった熱伝導率が高い材料からなる非磁性体粉末を含有すると、複合材料の放熱性を高められるため、この複合材料を利用することで、放熱性に優れる磁性コアやリアクトルとすることができる。シリコーン樹脂からなる粉末を含有すると、複合材料にクラックが発生することを抑制できる。従って、この複合材料を利用することで、高強度な磁性コアやリアクトルとすることができる。バインダとなる高分子材料をシリコーン樹脂とする場合、未硬化のシリコーン樹脂に、粉末状のシリコーン樹脂を添加する。1種の材質からなる非磁性体粉末を含有する形態、複数種の異なる材質からなる非磁性体粉末を含有する形態のいずれでもよい。その他、非磁性体粉末を含有する形態は、磁性体粒子間に非磁性体粒子が存在することで、複合材料の比透磁率も小さくし易い。
非磁性体粉末を構成する非磁性体粒子の形状は、球状、非球状(例えば、板状、針状、棒状など)などが挙げられる。特に、球状であると、磁性体粒子間につくられる隙間に充填され易い、流動性に優れる、といった利点を有する。また、非磁性体粒子は、中実体でも中空体でもよい。中空体の場合、複合材料の軽量化を図ることができる。非磁性体粉末は、市販の粉末を利用できる。1種の形状からなる非磁性体粉末を含む形態、複数種の異なる形状からなる非磁性体粉末を含む形態のいずれでもよい。
複合材料中の磁性体粉末と非磁性体粉末とは、粒径が異なることが好ましい。特に、磁性体粉末と非磁性体粉末とを合わせた混合粉末の粒度分布をとったとき、非磁性体粉末においてピークをとる最大の粒径rnmaxが、磁性体粉末においてピークをとる最小の粒径rmminよりも小さい形態が好ましい。この形態は、非磁性体粒子よりも粒径が大きい磁性体粒子が高頻度に存在する。そのため、磁性体粒子間につくられる隙間に微細な非磁性体粒子が存在でき、非磁性体粉末の含有に伴う磁性体粉末の充填率の低下を抑制できる、又は上記充填率を実質的に低下させない。即ち、この形態は、非磁性体粉末の含有による磁性成分の割合の低下を抑制できる。
磁性体粒子と非磁性体粒子との粒径差が大きいほど、上述の効果が得易いことから、非磁性体粉末におけるピークをとる最大の粒径rnmaxが磁性体粉末におけるピークをとる最小の粒径rmminの1/3以下(rnmax≦(1/3)×rmmin)、及び、非磁性体粉末におけるピークをとる最大の粒径が20μm以下(rnmax≦20μm)の少なくとも一方を満たすことが好ましい。非磁性体粉末が小さいほど、上記隙間を効率よく埋められる、好ましくは上記隙間のみに非磁性体粉末が介在できる上に、磁性体粒子の周囲に均一的に行き渡り易い。そのため、磁性体粒子の沈降を効果的に抑制できる。従って、rnmax≦(1/5)×rmmin、rnmax≦10μmがより好ましい。例えば、粒径が1μm以上10μm以下程度の非磁性体粉末や1μm未満の微細な非磁性体粉末を利用できる。非磁性体粉末は、このような微細であっても、取り扱い易く、作業性に優れる。具体的な形態として、上記混合粉末の粒度分布において磁性体粉末の第一ピークの粒径r1、第二ピークの粒径r2、非磁性体粉末のピークをとる粒径rnが、r2＝2r1,rn＝(1/3)×r1を満たす複合材料が挙げられる。1種の粒径からなる非磁性体粉末を含有する形態(即ち、非磁性体粉末のピークが一つである形態)、複数種の異なる粒径からなる非磁性体粉末を含有する形態(即ち、非磁性体粉末のピークが複数存在する形態)のいずれでもよい。後者の場合、磁性体粉末及び非磁性体粉末の双方が複数のピークを有する。
非磁性体粉末の含有量は、複合材料全体に対して0.2質量％以上であると、磁性体粉末の周囲に十分に行き渡って、磁性体粉末の沈降を効果的に抑制できる。非磁性体粉末が熱伝導性に優れる材質からなる場合、0.2質量％以上含有すると、非磁性体粉末が十分に存在するため、複合材料の放熱性をより高められる上に、上述のように非磁性体粉末が均一的に存在することで、この複合材料は、均一的な放熱性を有することができる。非磁性体粉末が多いほど、上記効果が得られるため、複合材料全体に対して非磁性体粉末の含有量(複数種の材質を含む場合は合計量)は0.3質量％以上、更に0.5質量％以上が好ましい。但し、非磁性体粉末が多過ぎると、磁性成分の割合の低下を招くことから、非磁性体粉末の含有量は20質量％以下、更に15質量％以下、特に10質量％以下が好ましい。
非磁性体粒子を含有する複合材料は、製造時、原料の混合物中で磁性体粉末が沈降することを効果的に防止できるため、上記混合物が流動性に優れ、成形用金型(実施形態1ではケース4)に良好に充填できる。従って、複雑な形状の複合材料であっても、高精度に製造できる。また、混合物中に磁性体粒子を均一的に分散させ易く、磁性体粉末が均一的に分散された状態で成形・硬化することができる。従って、磁性体粉末や非磁性体粉末が均一的に分散した複合材料が得られる。つまり、磁性体粉末が偏在して損失が高くなる箇所が生じ難く、複合材料全体に亘って低損失な複合材料が得られる。この複合材料は、その全体に亘って磁気特性や熱特性が均一的であり、信頼性が高い。
[試験例]
磁性体粉末と高分子材料とを含有する複合材料を作製し、得られた複合材料の磁気特性を調べた。
原料の磁性体粉末として、純鉄粉(Fe:99.5質量％以上)と、Fe-Si合金粉(Si:6.5質量％、残部Fe及び不可避不純物)とを用意した。純鉄粉は、純鉄粒子の外周に燐酸塩からなる絶縁被覆を具える被覆粉末とし、Fe-Si合金粉は、絶縁被覆を有していない裸粉末とした。
用意した磁性体粉末はそれぞれ、レーザ回折・散乱法を用いた市販の装置(日機装株式会社製マイクロトラック粒度分布測定装置MT3300)を用いて、粒度分布を調べた。その結果(最頻値:μm、高頻度の粒径:μm)を表1、表2に示す。なお、被覆粉末に具える絶縁被覆の厚さは0.1μm程度以下であり、非常に薄いことから、被覆粉末の粒径に実質的に影響しない。そのため、上記被覆粉末の粒径は、磁性体粉末の粒径として扱う。
用意した磁性体粉末の断面の顕微鏡観察画像を用いて、上述のように円形度(最大径/円相当径)を調べた(測定粒子数:1000個以上)。その結果も表1、表2に示す。
用意した磁性体粉末の密度比＝見掛密度/真密度を求めた。その結果を表3に示す。見掛密度は、JIS Z 2504(2000)「金属粉-見掛密度試験方法」に基づいて求めた。用意した純鉄粉の見掛密度は、微細粉末(最頻値54μm):3.4g/cm3、粗大粉末(最頻値109μm):3.29g/cm3、微粗混合粉末:3.62g/cm3であった。Fe-Si合金粉の見掛密度は、微細粉末(最頻値11μm):2.82g/cm3、粗大粉末(最頻値141μm):3.25g/cm3、微粗混合粉末:3.34g/cm3であった。真密度は、組成と構成元素の比重とに基づいて求めた。純鉄粉およびFe-Si合金粉単体の真密度は、文献値等を調べることで得られる。また、複数の異なる材質の粉末を含有する場合には、混合した混合粉末について密度比を求めた。例えば、純鉄粉およびFe-Si合金粉を含有する場合は、(鉄の真密度×純鉄粉含有量(体積％)＋Fe-Si合金の真密度×Fe-Si合金粉含有量(体積％))×100、と計算して求めることができる。
原料の高分子材料として、いずれの試料もエポキシ樹脂を用意した。また、非磁性体粉末を含有する複合材料も作製した。非磁性体粉末は、シリカフィラー(粒径:5nm以上50nm以下、最頻値:12nm≦20μm)を用意した。非磁性体粉末は、複合材料全体に対する含有量が0.3質量％(≧0.2質量％)となるように用意した。非磁性体粉末の含有の有無も表3に示す。
複合材料全体に対する磁性体粉末の含有量が表1、表2に示す量(体積％)となるように、かつ、後述するサンプルが十分に作製可能な程度の大きさの複合材料が得られるように、磁性体粉末、高分子材料、非磁性体粉末(適宜)を用意した。磁性体粉末を除く残部が高分子材料、非磁性体粉末(適宜)である。
表1〜表3は、各表のサイズの都合上、3つの表で示しているが、これら3つの表で試料No.1-1〜No.1-10の試料条件を示している。例えば、磁性体粉末として、試料No.1-1は純鉄粉のみが含まれ、試料No.1-5はFe-Si合金粉のみが含まれ、試料No.1-9は純鉄粉とFe-Si合金粉との双方が含まれる。
Figure 0006098786
Figure 0006098786
Figure 0006098786
用意した磁性体粉末、高分子材料(ここでは樹脂)、非磁性体粉末(適宜)を混合して混合物を作製し、この混合物を所定の形状の成形用金型に充填した後、樹脂を硬化して複合材料を得た。ここでは、磁気特性を測定するサンプルとして、外径:φ34mm、内径:φ20mm、厚さ:5mmのリング状サンプル、放熱性を測定するサンプルとして、直径:φ50mm、厚さ:5mmの円盤状サンプルを作製した。
得られた各複合材料について、飽和磁束密度(T)、比透磁率μ、鉄損(W/cm3)を測定した。これらの結果を表4に示す。
飽和磁束密度は、電磁石によって10000(Oe)(＝795.8kA/m)の磁界をリング状の複合材料に印加し、十分に磁気飽和させたときの磁束密度とする。
比透磁率は、以下のようにして測定した。各試料のリング状の複合材料に、一次側:300巻き、二次側:20巻きの巻線を施し、B-H初磁化曲線をH＝0(Oe)〜100(Oe)の範囲で測定し、このB-H初磁化曲線のB/Hの最大値を求め、この最大値を比透磁率μとした。なお、ここでの磁化曲線とは、いわゆる直流磁化曲線である。
鉄損は、各試料のリング状の複合材料に対して、BHカーブトレーサを用いて、励起磁束密度Bm:1kG(＝0.1T)、測定周波数:10kHzにおけるヒステリシス損Wh(W/cm3)及び渦電流損We(W/cm3)を測定し、ヒステリシス損Wh＋渦電流損Weを鉄損(W/cm3)として算出した。
なお、得られた複合材料から、樹脂成分を除去して磁性体粉末を抽出し、得られた磁性体粉末の粒度分析を上述と同様にレーザ回折・散乱法により行ったところ、ヒストグラムにおいて、表1、表2に示す最頻値の粒径の地点にピークを有していた。試料No.1-1,No.1-4,No.1-5,No.1-8〜No.1-10は、複数のピークを有していた。非磁性体粉末を含有する複合材料では、粒度分布におけるピークをとる最小の粒径は、非磁性体粉末であった。また、得られた複合材料から抽出した磁性体粉末の密度比を上述と同様に求めたところ、表1、表2に示す値と実質的に同様であった。従って、この試験で作製した複合材料中の磁性体粉末は、原料に用いた粉末の粒度分布及び密度比を実質的に維持している。
Figure 0006098786
表4に示すように、磁性体粉末が同じ材質である試料同士で比較すると(試料No.1-1、No.1-2、No.1-3、No.1-4で比較、またはNo.1-5、No.1-6、No.1-7、No.1-8で比較)、比透磁率が20超35以下を満たす複合材料は、比透磁率が20超35以下を満たさない複合材料に比べて、飽和磁束密度が高くなっている。一般に、飽和磁束密度を高めると飽和磁束密度の増加に対して鉄損が増加する傾向にあるが、比透磁率が20超35以下を満たしている試料は、飽和磁束密度の増加に伴う鉄損の増加はほとんどないか、もしくは比較的小さくすることができている。
また、表4に示すように、磁性体粉末の粒度分布が複数のピークを有する磁性体粉末を含む複合材料(試料No.1-1、No.1-4、No.1-5、No.1-8、No.1-9、No.1-10)は、単一のピークを有する磁性体粉末を含む複合材料(試料No.1-2、No.1-3、No.1-6、No.1-7)と比較して、比透磁率を20超とし易いことが分かる。更に、磁性体粉末が同じ材質である試料同士で比較すると(試料No.1-1、No.1-2、No.1-3、No.1-4で比較、またはNo.1-5、No.1-6、No.1-7、No.1-8で比較)、磁性体粉末の粒度分布が複数のピークを有する磁性体粉末を含む複合材料は、単一のピークを有する磁性体粉末を含む複合材料(すなわち微細な磁性体粉末または粗大な磁性体粉末のいずれか一方のみを含む複合材料)に比較して、飽和磁束密度は高い。また、磁性体粉末の粒度分布が複数のピークを有する磁性体粉末を含む複合材料では、飽和磁束密度の増加に伴う鉄損の増加はほとんどないか、もしくは比較的小さくすることができていることが分かる。加えて、磁性体粉末の粒度分布が複数のピークを有する磁性体粉末(すなわち微細な磁性体粉末と粗大な磁性体粉末との両方を含む粉末)を含む複合材料の飽和磁束密度は、微細な磁性体粉末のみを含む複合材料の飽和磁束密度と粗大な磁性体粉末のみを含む複合材料の飽和磁束密度との内挿(補間)から予想される値よりも大きい。このような結果となった理由は定かではないが、微細な磁性体粉末と粗大な磁性体粉末との双方が混在することで、反磁場係数が変化したのではないかと考えられる。また、磁性体粉末の粒度分布が複数のピークを有する磁性体粉末を含む複合材料が低損失となった理由として、微細な磁性体粉末が高頻度に存在して、渦電流損が低減したことが考えられる。
その他、この試験から、純鉄粉を用いた場合、飽和磁束密度が高く、鉄合金を用いた場合、絶縁被覆を有していなくても低損失であることが分かる。また、例えば「試料No.1-2とNo.1-3」、「試料No.1-6とNo.1-7」の各々の比較から材質によらず、粒径が小さい方が、損失が小さい傾向にあることが分かる。
また、例えば「試料No.1-1とNo.1-4」、「試料No.1-5とNo.1-8」、及び「試料No.1-9とNo.1-10」の各々の比較から非磁性体粉末を含有する複合材料は、より低損失であることが分かる。この理由は、複合材料中に磁性体粉末及び非磁性体粉末が均一的に存在して、磁性体粉末が局所的に多く存在する箇所が実質的に存在しなかったため、と考えられる。更に、比透磁率がより小さいことが分かる。この理由は、複合材料中の磁性体粒子間に非磁性体粒子が介在したため、と考えられる。
作製した円盤状の複合材料について、熱伝導率を温度傾斜法によって測定したところ、微粗混合の磁性体粉末を含む複合材料の熱伝導率は、微細な磁性体粉末及び粗大な磁性体粉末のいずれか一方のみを用いた場合の最大値よりも高く、更に上述の内挿から予想される値よりも高くなっていた。この理由として、粗大な磁性体粒子間に微細な磁性体粒子が介在して、磁性体粒子が連続的な熱伝導経路を形成したため、と考えられる。
(実施形態3)
実施形態1では、磁性コアの一部のみが上述の特定の複合材料で構成された形態とした。その他、磁性コアの全てが上記特定の複合材料で構成された形態、即ち、コイル2の内外に本発明の複合材料によって構成された磁性コアが存在する形態とすることができる。
具体的な形態は、例えば、磁性コア全体の磁気特性が一様であるものが挙げられる。つまり、磁性コア全体の飽和磁束密度が0.6T以上(好ましくは1.0T以上)、かつ比透磁率が20超35以下(好ましくは20超30以下)であり、磁性体粉末の含有量が50体積％超75体積％以下であり、磁性コアの任意の箇所において同じ値をとる。この形態は、磁性コアの全体の比透磁率が十分に低いため(最大でも35以下)、ギャップ材をより削減でき、好ましくはギャップレス構造とすることができる。従って、この形態は、部品点数の更なる削減、小型化・軽量化を図ることができる。ギャップレス構造である場合、ギャップ部分の漏れ磁束が生じ得ない上に、ギャップに伴うリアクトルの大型化を抑制できる。
この形態の磁性コアは、例えば、実施形態1で説明したケース4を成形用金型とし、ケース4の適宜な位置にコイル2を収納した後、原料となる磁性体粉末と樹脂などの高分子材料とを含む混合物をケース4に充填し、樹脂などの高分子材料を硬化することで製造できる。この形態は、実施形態1で説明した内側コア部と外側コア部とを同時に成形できる上に、両者の組付工程や接合工程などが不要であり、製造性に優れる。また、この形態は、ケース4を成形用金型とすることで、複雑な形状であっても、磁性コアを容易に形成できる。この点からも製造性に優れる。更に、コイルの内外を複合材料によって覆う形態は、複合材料の高分子成分によってコイルを保護できる。この外側コア部の外形は、代表的にはケース4の内周形状に沿った形状となる。
又は、上記特定の複合材料によって柱状の成形体を作製し、少なくとも一つの柱状の成形体を利用して磁性コアを構築することができる。例えば、実施形態1で説明した内側コア部を上記特定の複合材料によって作製した柱状の成形体とし、外側コア部は、上述のように原料の混合物をケース4に充填して製造することができる。この形態は、内側コア部と外側コア部との組付工程や接合工程などが不要であり、製造性に優れる。また、この形態は、ケース4を成形用金型とすることで、複雑な形状であっても、磁性コア(ここでは特に外側コア部)を容易に形成できる。この点からも製造性に優れる。更に、コイル外を複合材料によって覆う形態は、複合材料の高分子成分によってコイルを保護できる。この外側コア部の外形は、代表的にはケース4の内周形状に沿った形状となる。
又は、内側コア部と外側コア部との双方を上記特定の複合材料からなる柱状の成形体とし、これらの柱状の成形体を組み付けて磁性コアを形成する形態とすることができる。この形態は、ギャップ材を省略したり、ケースを省略したりすることができる。従って、部品点数の削減、小型化、軽量化を図ることができる。また、この形態は、柱状の成形体の製造に用いる混合物が一種でよいため、準備が容易であり、製造性に優れる。
上述のいずれの場合も、磁性体粉末の材質、形状、大きさ、含有量などを調整することで、磁性コアの磁気特性が部分的に異なる形態とすることができる。この形態は、磁性体粉末の材質を同じとする場合には、含有量を調整することで、磁気特性を容易に変えられ、所望の特性の複合材料を製造し易い。例えば、磁性体粉末の配合量を多くすると、飽和磁束密度が高く比透磁率が高い複合材料が得られ易く、磁性体粉末の配合量を少なくすると、飽和磁束密度が低く比透磁率が低い複合材料が得られ易い。この磁性コアの磁気特性が部分的に異なる形態は、上述した少なくとも一つの複合材料からなる柱状の成形体と、ケースを利用して成形した複合材料とを利用したり、複数の複合材料からなる柱状の成形体のみを利用したりすることで容易に構築できる。
例えば、磁性体粉末の材質や含有量などを調整して、実施形態1と同様に、内側コア部を構成する複合材料の飽和磁束密度及び比透磁率を、外側コア部を構成する複合材料の飽和磁束密度及び比透磁率よりも高くすることができる。この場合、上述のように小型化を図ることができる。又は、外側コア部を構成する複合材料の飽和磁束密度及び比透磁率を、内側コア部を構成する複合材料の飽和磁束密度及び比透磁率よりも高くすることができる。この場合、外側コア部から外部への漏れ磁束を低減でき、損失を低減できる。このように磁性コアの全体を複合材料で構成する場合、磁性コアの少なくとも一部を複合材料からなる成形体で構築することで、磁性コアの磁気特性を部分的に異ならせることが容易にできる。
(実施形態4)
実施形態1の構成とは逆に、磁性コアのうち、巻線を巻回してなる筒状のコイルの内側に配置される箇所の少なくとも一部が上述の特定の複合材料から構成され、このコイル外に配置される箇所の少なくとも一部が圧粉成形体で構成された形態とすることができる。例えば、上記特定の複合材料(磁性体粉末の含有量:50体積％超75体積％以下、飽和磁束密度:0.6T以上、好ましくは1.0T以上、比透磁率:20超35以下、好ましくは20超30以下)からなる柱状の成形体を作製して、この柱状の成形体を内側コア部とし、圧粉成形体によって外側コア部を構成する。この外側コア部は、例えば、コイルの外周に配置される筒状部と、コイルの各端面に配置される板状部とを具えるものが挙げられる。そして、これら複合材料からなる成形体と圧粉成形体とを組み合わせることで、磁性コアを構築できる。この磁性コアは、樹脂などの高分子成分を含む内側コア部の比透磁率が外側コア部の比透磁率よりも低く、圧粉成形体からなる外側コア部の飽和磁束密度が内側コア部の飽和磁束密度よりも高い形態とすることができる。この構成により、外側コア部から外部への磁束の漏れを低減でき、損失を低減できる。
(実施形態5)
実施形態1では、縦型形態としたが、コイルの軸方向がケース4の底面に平行するようにコイル2がケース4に収納された形態(以下、横型と呼ぶ)とすることができる。横型形態は、コイル2の外周面からケース4の底面までの距離が短くなることで、放熱性を高められる。
(実施形態6)
実施形態1では、コイルを一つ具える形態としたが、図3(A)に示すリアクトル15のように1本の連続する巻線2wを螺旋状に巻回して形成された一対のコイル素子2a,2bを有するコイル2と、これらコイル素子2a,2bが配置される環状の磁性コア3(図3(B))とを具える形態とすることができる。
コイル2は、各コイル素子2a,2bの軸方向が平行するように両コイル素子2a,2bが横並びに配置され、巻線2wの一部を折り返してなる連結部2rによって連結された形態が代表的である。その他のコイルとして、異なる2本の巻線により各コイル素子2a,2bが別個に形成され、各コイル素子2a,2bを構成する巻線の一端部同士が溶接や圧着、半田付けなどにより接合されて一体化された形態が挙げられる。コイル素子2a,2bは、互いに同一の巻数、同一の巻回方向であり、中空の筒状に形成されている。
磁性コア3は、各コイル素子2a,2bの内側にそれぞれ配置される一対の柱状の内側コア部31,31と、コイル2外に配置されてコイル2から露出される一対の柱状の外側コア部32,32とを有する。磁性コア3は、図3(B)に示すように離隔して配置された両内側コア部31,31の一端面同士が一方の外側コア部32を介して連結され、両内側コア部31,31の他端面同士が他方の外側コア部32を介して連結されて環状に形成される。
その他、リアクトル15は、コイル2と磁性コア3との間の絶縁性を高めるためのインシュレータ5を具える。このインシュレータ5は、柱状の内側コア部31,31の外周にそれぞれ配置される一対の筒状部(図示せず)と、コイル2の端面(ターンが環状に見える面)に当接され、内側コア部31,31が挿通される二つの貫通孔(図示せず)を有する一対の枠板部52とを具える。インシュレータ5の構成材料には、PPS樹脂、PTFE樹脂、LCPなどの絶縁性材料が利用できる。インシュレータ5を具えていない形態とすることもできる。
そして、コイル素子2a,2bを具えるリアクトル15では、磁性コア3の少なくとも一部が特定の複合材料から構成される。具体的には、この複合材料は、磁性体粉末の含有量:50体積％超75体積％以下、飽和磁束密度:0.6T以上、好ましくは1.0T以上、比透磁率:20超35以下、好ましくは20超30以下を満たす。
この磁性コア3の具体的な形態としては、例えば、実施形態1で説明したように、複合材料とそれ以外の形態の磁性体(圧粉成形体や電磁鋼板の積層体)とを組み合わせた形態(即ち、磁性コアの一部が本発明の複合材料で構成された形態)が挙げられる。この形態は、実施形態1と同様に、磁性コアの磁気特性を容易に部分的に異ならせることができる。
例えば、コイル素子2a,2bにそれぞれに挿入される内側コア部31,31が圧粉成形体から構成され、外側コア部32,32が上述の特定の複合材料からなる柱状の成形体から構成される形態が挙げられる。この形態は、圧粉成形体と、複合材料からなる柱状の成形体とを組み付けることで環状の磁性コア3を構築できる。この形態は、ギャップ材を省略したり、ケースを省略したりすることができる。従って、部品点数の削減、小型化、軽量化を図ることができる。この形態は、内側コア部31の飽和磁束密度及び比透磁率が外側コア部32の飽和磁束密度及び比透磁率よりも高い形態である。
別の形態として、コイル素子2a,2bと圧粉成形体との組物が実施形態1のように上述の特定の複合材料により覆われた形態が挙げられる。この形態は、実施形態1と同様に、ケース(図示せず)を成形用金型とし、このケース内にコイル2と内側コア部31,31との組物を収納した後、原料となる混合物をケースに充填し、樹脂などの高分子材料を硬化することで複合材料を製造できる(このとき、リアクトル15も製造できる)。この複合材料は、内側コア部31,31を連結するように成形されて外側コア部32を構築することから、両者の組付工程や接合工程などが不要であり、製造性に優れる。また、この複合材料は、ケースを成形用金型とすることで、複雑な形状であっても、磁性コアを容易に形成できる。この点からも製造性に優れる。更に、コイル外を複合材料によって覆う形態は、複合材料の高分子成分によってコイルを保護できる。この外側コア部の外形は、代表的にはケースの内周形状に沿った形状となる。
これらの形態は、上述のように、コイル素子2a,2b内に挿入される圧粉成形体からなる内側コア部31,31の飽和磁束密度が、樹脂などの高分子材料を含有する複合材料からなる外側コア部32,32よりも高いため、内側コア部31を小型にできる。従って、これらの形態は、(1)リアクトルの小型化、(2)巻線2wの短尺化によるリアクトルの軽量化、などを図ることができる。
又は、各コイル素子2a,2bにそれぞれに挿入される内側コア部31,31が、上述の特定の複合材料からなる柱状の成形体から構成され、外側コア部32,32が圧粉成形体から構成される形態が挙げられる。この形態は、複合材料からなる柱状の成形体と、圧粉成形体とを組み付けることで環状の磁性コア3を構築できる。
上記形態は、樹脂などの高分子成分を含む内側コア部31の比透磁率が、コイル素子2a,2b外に配置される外側コア部32の比透磁率よりも低く、圧粉成形体からなる外側コア部32の飽和磁束密度が内側コア部31の飽和磁束密度よりも高い形態である。この構成により、外側コア部32から外部への磁束の漏れを低減でき、損失を低減できる。
なお、磁性コア3の一部に圧粉成形体や電磁鋼板の積層体といった比透磁率が高い磁性体を具える場合、インダクタンスの調整のために、圧粉成形体や複合材料などからなるコア片31m同士の間又は個々のコア片31mの途中に、コア片31mよりも透磁率が低い材料(代表的にはアルミナなどの非磁性材料)からなるギャップ材を具えることを許容する。図3(B)に示す例では、内側コア部31及び外側コア部32を共にコア片31mのみとしている。なお、ギャップ材には非磁性材料のほか、比透磁率が1.05以上2以下の磁性材料を用いることもできる。磁性材料の例は、ポリフェニレンスルフィド(PPS)樹脂などの非磁性材料と、鉄粉などの磁性体材料とを含む混合物などが挙げられる。
又は、実施形態3で説明したように、コイル素子2a,2bの内外に配置される磁性コア3の全てが上述の特定の複合材料からなる形態が挙げられる。この形態の磁性コア3は、任意の箇所において、磁性体粉末の含有量：50体積％超75体積％以下、飽和磁束密度:0.6T以上、好ましくは1.0T以上、比透磁率:20超35以下、好ましくは20超35以下を満たす。つまり、内側コア部31も外側コア部32も、上述の含有量、飽和磁束密度、比透磁率が特定の範囲を満たす。この形態は、磁性コア3の全体の比透磁率も35以下になる。従って、この形態は、ギャップ材をより削減でき、好ましくはギャップレス構造とすることができ、部品点数の更なる削減、小型化・軽量化を図ることができる。ギャップレス構造である場合、ギャップ部分の漏れ磁束が生じ得ない上に、ギャップに伴うリアクトルの大型化を抑制できる。
より具体的な形態としては、磁性コア3の全体の材質が一様な一様形態が挙げられる。この形態は、例えば、ケース(図示せず)を成形用金型とし、ケースの適宜な位置にコイル2を収納した後、原料となる混合物をケースに充填し、樹脂などの高分子材料を硬化することで、製造できる。この形態は、内側コア部31と外側コア部32とを同時に成形できる上に、両者の組付工程や接合工程などが不要であり、製造性に優れる。また、この形態は、ケースを成形用金型とすることで、複雑な形状であっても、磁性コア3を容易に形成できる。この点からも製造性に優れる。更に、コイルの内外を複合材料によって覆う形態は、複合材料の高分子成分によってコイルを保護できる。この外側コア部の外形は、代表的にはケースの内周形状に沿った形状となる。
又は、実施形態3で説明したように、上述の特定の複合材料によって柱状の成形体を作製し、この柱状の成形体を少なくとも一つ利用して磁性コア3を構築することができる。例えば、内側コア部31,31を上記特定の複合材料によって作製した柱状の成形体とし、外側コア部は、ケース(図示せず)を成形用金型とし、上述のように原料の混合物をケース内に充填して製造することができる。この外側コア部は、内側コア部31,31を連結するように成形されることから、両者の組付工程や接合工程などが不要であり、製造性に優れる。ケースを成形用金型とすることで、複雑な形状であっても、磁性コア3(特に外側コア部32)を容易に形成できる。この点からも製造性に優れる。また、コイル外を複合材料によって覆う形態は、複合材料の高分子成分によってコイルを保護できる。この外側コア部の外形は、代表的にはケースの内周形状に沿った形状となる。
又は、内側コア部31,31と外側コア部32,32との双方を上記特定の複合材料からなる柱状の成形体とし、これらの柱状の成形体を組み付けて磁性コア3を形成する形態とすることができる。この形態は、ギャップ材を省略したり、ケースを省略したりすることができる。従って、部品点数の削減、小型化、軽量化を図ることができる。また、この形態は、柱状の成形体の製造に用いる混合物が一種でよいため、準備が容易であり、製造性に優れる。
別の形態として、実施形態3で説明したように、磁性体粉末の材質、形状、大きさ、含有量などを調整することで、磁性コア3の磁気特性が部分的に異なる形態とすることができる。この形態は、磁性体粉末の材質を同じとする場合には、含有量を調整することで、磁気特性を容易に変えられ、所望の特性の複合材料を製造し易い。例えば、磁性体粉末の配合量を多くすると、飽和磁束密度が高く比透磁率が高い複合材料が得られ易く、磁性体粉末の配合量を少なくすると、飽和磁束密度が低く比透磁率が低い複合材料が得られ易い。この形態は、上述のように、少なくとも一つの複合材料からなる柱状の成形体と、ケースを利用して成形した複合材料とを利用したり、複数の複合材料からなる柱状の成形体のみを利用したりすることで容易に構築できる。
例えば、磁性体粉末の材質や含有量などを調整して、内側コア部31,31を構成する複合材料の飽和磁束密度及び比透磁率を、外側コア部32,32を構成する複合材料の飽和磁束密度及び比透磁率よりも高くすることができる。従って、内側コア部を小型にできるので、小型化を図ることができる。又は、外側コア部32,32を構成する複合材料の飽和磁束密度及び比透磁率を、内側コア部31,31を構成する複合材料の飽和磁束密度及び比透磁率よりも高くすることができる。この場合、外側コア部から外部への磁束の漏れを低減でき、損失を低減できる。
(実施形態7)
実施形態1〜6のリアクトルは、例えば、車両などに載置されるコンバータの構成部品や、このコンバータを具える電力変換装置の構成部品に利用することができる。
例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車といった車両1200は、図4に示すようにメインバッテリ1210と、メインバッテリ1210に接続される電力変換装置1100と、メインバッテリ1210からの供給電力により駆動して走行に利用されるモータ(負荷)1220とを具える。モータ1220は、代表的には、3相交流モータであり、走行時、車輪1250を駆動し、回生時、発電機として機能する。ハイブリッド自動車の場合、車両1200は、モータ1220に加えてエンジンを具える。なお、図4では、車両1200の充電箇所としてインレットを示すが、プラグを具える形態とすることができる。
電力変換装置1100は、メインバッテリ1210に接続されるコンバータ1110と、コンバータ1110に接続されて、直流と交流との相互変換を行うインバータ1120とを有する。この例に示すコンバータ1110は、車両1200の走行時、200V〜300V程度のメインバッテリ1210の直流電圧(入力電圧)を400V〜700V程度にまで昇圧して、インバータ1120に給電する。また、コンバータ1110は、回生時、モータ1220からインバータ1120を介して出力される直流電圧(入力電圧)をメインバッテリ1210に適合した直流電圧に降圧して、メインバッテリ1210に充電させている。インバータ1120は、車両1200の走行時、コンバータ1110で昇圧された直流を所定の交流に変換してモータ1220に給電し、回生時、モータ1220からの交流出力を直流に変換してコンバータ1110に出力している。
コンバータ1110は、図5に示すように複数のスイッチング素子1111と、スイッチング素子1111の動作を制御する駆動回路1112と、リアクトルLとを具え、ON/OFFの繰り返し(スイッチング動作)により入力電圧の変換(ここでは昇降圧)を行う。スイッチング素子1111には、FET,IGBTなどのパワーデバイスが利用される。リアクトルLは、回路に流れようとする電流の変化を妨げようとするコイルの性質を利用し、スイッチング動作によって電流が増減しようとしたとき、その変化を滑らかにする機能を有する。このリアクトルLとして、上記実施形態1〜6のリアクトルを具える。部品点数が少なく、損失を低減できるリアクトル1などを具えることで、電力変換装置1100やコンバータ1110は、生産性に優れる上に、低損失である。
なお、車両1200は、コンバータ1110の他、メインバッテリ1210に接続された給電装置用コンバータ1150や、補機類1240の電力源となるサブバッテリ1230とメインバッテリ1210とに接続され、メインバッテリ1210の高圧を低圧に変換する補機電源用コンバータ1160を具える。コンバータ1110は、代表的には、DC-DC変換を行うが、給電装置用コンバータ1150や補機電源用コンバータ1160は、AC-DC変換を行う。給電装置用コンバータ1150のなかには、DC-DC変換を行うものもある。給電装置用コンバータ1150や補機電源用コンバータ1160のリアクトルに、上記実施形態1〜6のリアクトルなどと同様の構成を具え、適宜、大きさや形状などを変更したリアクトルを利用することができる。また、入力電力の変換を行うコンバータであって、昇圧のみを行うコンバータや降圧のみを行うコンバータに、上記実施形態1〜6のリアクトルなどを利用することもできる。
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、本発明の複合材料をモータ用コアなどに利用することができる。
本発明の複合材料は、リアクトルやモータなどのコイルを具える磁性部品に利用される磁性コアの構成材料に利用することができる。本発明のリアクトルは、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車といった車両に搭載される双方向DC-DCコンバータや空調機のコンバータといった電力変換装置の構成部品に利用することができる。
1,15 リアクトル
2 コイル 2w 巻線 2a,2b コイル素子 2r 連結部
3 磁性コア 31 内側コア部 31m コア片
32 外側コア部
4 ケース 41 取付部 5 インシュレータ 52 枠板部
1100 電力変換装置 1110 コンバータ 1111 スイッチング素子
1112 駆動回路 L リアクトル 1120 インバータ
1150 給電装置用コンバータ 1160 補機電源用コンバータ
1200 車両 1210 メインバッテリ 1220 モータ 1230 サブバッテリ
1240 補機類 1250 車輪

Claims (9)

  1. 磁性体粉末と、この粉末を分散した状態で内包する高分子材料とを含有する複合材料であって、
    コイルを具える磁性部品用の磁性コアに利用されるものであり、
    前記複合材料全体に対する前記磁性体粉末の含有量は、50体積％超75体積％以下であり、
    前記磁性体粉末は、鉄粉と鉄合金粉との混合粉であり、
    前記磁性体粉末の粒度分布をとったとき、第一ピークをとる粒径をr 1 、第二ピークをとる粒径をr 2 とするとき、r 1 ≦(1/2)×r 2 を満たす二つのピークを有し、
    前記複合材料の飽和磁束密度は、0.6T以上であり、
    前記複合材料の比透磁率は、20超35以下である複合材料。
  2. 磁性体粉末と、この粉末を分散した状態で内包する高分子材料とを含有する複合材料であって、
    コイルを具える磁性部品用の磁性コアに利用されるものであり、
    前記複合材料全体に対する前記磁性体粉末の含有量は、50体積％超75体積％以下であり、
    前記磁性体粉末は、鉄粉であり、
    前記磁性体粉末の粒度分布をとったとき、第一ピークをとる粒径をr 1 、第二ピークをとる粒径をr 2 とするとき、r 1 ≦(1/2)×r 2 を満たす二つのピークを有し、
    前記粒径r 1 は50μm以上100μm以下であり、前記粒径r 2 は100μm以上200μm以下であり、
    前記複合材料の飽和磁束密度は、0.6T以上であり、
    前記複合材料の比透磁率は、20超35以下である複合材料。
  3. 前記鉄粉の見掛密度が3.0g/cm3以上5.0g/cm3以下である請求項2に記載の複合材料。
  4. 前記磁性体粉末の密度比が0.38以上0.65以下である請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の複合材料。
    但し、前記密度比は、見掛密度／真密度とする。
  5. 前記磁性体粉末を構成する粒子の円形度は、1.0以上2.0以下である請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の複合材料。
  6. コイルと磁性コアとを具えるリアクトルであって、
    前記磁性コアの少なくとも一部が請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の複合材料から構成されているリアクトル。
  7. コイルと磁性コアとを具えるリアクトルであって、
    前記磁性コアの全てが請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の複合材料から構成されているリアクトル。
  8. 請求項6又は請求項7に記載のリアクトルを具えるコンバータ。
  9. 請求項8に記載のコンバータを具える電力変換装置。
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