JP6474051B2 - 複合材料成形体、リアクトル、及び複合材料成形体の製造方法 - Google Patents
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Description
(1)上記部位のうち、最大の密度Dmaxの部位に対する最小の密度Dminの部位の密度減少率Dd={(Dmax−Dmin)/Dmax}×100が、1.8%以下である。
(2)上記部位のうち、最小の密度Dminの部位に対する最大の密度Dmaxの部位の密度増加率Di={(Dmax−Dmin)/Dmin}×100が、1.8%以下である。
(3)上記部位のうち、最大の密度Dmaxの部位と最小の密度Dminの部位との密度差ΔD=Dmax−Dminと、平均密度Davとの密度比率DR=(ΔD/Dav)×100が、1.8%以下である。
本発明者らは、複合材料成形体からなる複数のコア部材とコア部材間に介在されるギャップとを備える磁性コアにおいて、ギャップからの漏れ磁束を低減するべく、従来の複合材料成形体を分析した。この分析は、詳しくは後述する試験例で示すが、シミュレーションにより、複合材料成形体の磁束に交差する鎖交面が縦横にそれぞれ3等分されるように複合材料成形体を合計9個の部位に分割して行った。その結果、以下の知見を得た。
(i)上記9個の部位において、磁束密度(密度)に差異(ばらつき)があること。
(ii)最大の密度Dmaxの部位に対する最小の密度Dminの部位の密度減少率Ddが大きくなる場合があること。
(iii)最小の密度Dminの部位に対する最大の密度Dmaxの部位の密度増加率Diが大きくなる場合があること。
(iv)最大の密度Dmaxの部位と最小の密度Dminの部位との密度差ΔDと、平均密度Davとの密度比率DRが大きくなる場合があること。
(v)これら密度減少率Dd、密度増加率Di、及び密度比率DRが大きい複合材料成形体は漏れ磁束が多いこと。
本発明の実施形態の詳細を、以下に図面を参照しつつ説明する。
図1を参照して実施形態1に係る複合材料成形体10を説明する。複合材料成形体10は、軟磁性粉末と軟磁性粉末を分散した状態で内包する樹脂とを含む。複合材料成形体10の主たる特徴とするところは、複合材料成形体10内に励磁される磁束に交差する鎖交面が縦横にそれぞれ3等分されるように複合材料成形体10を合計9個の部位に分割したとき、各部位の密度の差が小さい点にある。この複合材料成形体10は、代表的にはリアクトル1に備わる磁性コア3の少なくとも一部を構成する。リアクトル1は、詳しくは後述するが、例えば、図1に示すコイル2と磁性コア3とを備える。コイル2は、巻線2wを螺旋状に巻回した一対の巻回部2a、2bを互いに並列状態で接続してなる。磁性コア3は、同一の形状を有する二つのコア部材30と、その間に介在されるギャップ31gとを組み合わせることで環状に構成される。この両コア部材30はいずれも、一対の内側コア部11と、一対の内側コア部11の一端側で両内側コア部11をつなぐ外側コア部12とで構成されている。ここでは、コア部材30のうち、一対の内側コア部11を複合材料成形体10で構成する例を説明する。一対の内側コア部11の並列方向を左右(横)方向とし、この左右方向及び内側コア部11内に励磁される磁束に沿った方向の両方向に直交する方向を上下(縦)方向とする。図中の同一符号は同一名称物を示す。図1の二点鎖線は、内側コア部11における9個の部位の分割線を示す。
コア部材30の一対の内側コア部11と外側コア部12とは、一対の内側コア部11の一端側で一体に連結されている。コア部材30の上方から見た形状は、略U字状である。一対の内側コア部11は、コア部材30をコイル2(図1)に組み付けた際、一対の巻回部2a、2b内にそれぞれ配置される。外側コア部12は、同様にコア部材30をコイル2に組み付けた際、コイル2の端面から突出される。内側コア部11と外側コア部12の上面は略面一である。一方、外側コア部12の下面は、内側コア部11の下面よりも突出して、コア部材30をコイル2と組み合わせた際、コイル2の下面と略面一になるように外側コア部12の大きさを調整している。
各内側コア部11の形状は、コイル2の形状(コイル2の内部空間)に合わせた形状とすることが好ましい。ここでは、直方体状であり、その角部を巻回部2a,2bの内周面に沿うように丸めている。各内側コア部11の表面は、内側コア部11の端面で磁束に交差(ここでは直交)する鎖交面11Eと、磁束を軸とする周方向に沿った周回面(巻回部2a、2bの周方向に沿った面)とで構成されている。内側コア部11の鎖交面11Eは、周回面に連続して形成される。
(1)最大の密度Dmaxの部位に対する最小の密度Dminの部位の密度減少率Dd1={(Dmax−Dmin)/Dmax}×100が、1.8%以下である。
(2)最小の密度Dminの部位に対する最大の密度Dmaxの部位の密度増加率Di1={(Dmax−Dmin)/Dmin}×100が、1.8%以下である。
(3)最大の密度Dmaxの部位と最小の密度Dminの部位との密度差ΔD1=Dmax−Dminと、平均密度Davとの密度比率DR1=(ΔD1/Dav)×100が、1.8%以下である。
〈軟磁性粉末〉
軟磁性粉末の材質は、鉄族金属やFeを主成分とするFe基合金、フェライト、アモルファス金属などの軟磁性材料が挙げられる。軟磁性粉末の材質は、渦電流損や飽和磁化の点から鉄族金属やFe基合金が好ましい。鉄族金属は、Fe,Co,Niが挙げられる。特に、Feは純鉄(不可避的不純物を含む)であるとよい。Feは飽和磁化が高いため、Feの含有量を高くするほど複合材料の飽和磁化を高められる。Fe基合金は、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で1.0質量%以上20.0質量%以下含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有することが挙げられる。Fe基合金は、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(センダスト)などが挙げられる。特に、Fe−Si系合金やFe−Si−Al系合金といったSiを含有するFe基合金は、電気抵抗率が高く、渦電流損を低減し易い上に、ヒステリシス損も小さく、複合材料成形体10の低鉄損化を図れる。例えば、Fe−Si系合金の場合、Siの含有量は1.0質量%以上8.0質量%以下が挙げられ、3.0質量%以上7.0質量%以下が好ましい。軟磁性粉末は、材質の異なる複数種の粉末が混合されていても良い。例えば、FeとFe基合金との両方の種類の粉末を混合したものが挙げられる。
樹脂は、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂などの熱硬化性樹脂や、ポリフェニレンスルフィド(PPS)樹脂、ポリアミド樹脂(例えば、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン9T)、液晶ポリマー(LCP)、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂などの熱可塑性樹脂が挙げられる。その他、常温硬化性樹脂、不飽和ポリエステルに炭酸カルシウムやガラス繊維が混合されたBMC(Bulk molding compound)、ミラブル型シリコーンゴム、ミラブル型ウレタンゴムなどを用いることもできる。
複合材料成形体10には、軟磁性粉末及び樹脂に加えて、アルミナやシリカなどのセラミックスといった非磁性材料からなる粉末(フィラー)が含有されていても良い。フィラーは、放熱性の向上、軟磁性粉末の偏在の抑制(均一的な分散)に寄与する。また、フィラーが微粒であり、軟磁性粒子間に介在すれば、フィラーの含有による軟磁性粉末の割合の低下を抑制できる。フィラーの含有量は、複合材料を100質量%とするとき、0.2質量%以上20質量%以下が好ましく、更に0.3質量%以上15質量%以下が好ましく、特に0.5質量%以上10質量%以下が好ましい。
外側コア部12の形状は、略台形柱状である。外側コア部12は、磁束と平行な上下面と、内側コア部11の鎖交面11Eとの反対側で上下面を繋ぎ磁束と平行な外端面12oと、外端面12oの反対側の内端面とを備える。内端面は、両内側コア部11の間で、両内側コア部11の内側の側面に連続して形成される。ここでは、内端面は、各内側コア部11の下面にも連続して形成されている平面である。外側コア部12の構成材料は、内側コア部11と同様であり、上述の軟磁性粉末と軟磁性粉末を分散した状態で内包する樹脂とを含む。ここでは、外側コア部12は、内側コア部11と同一の材質で一対の内側コア部11と一連(一体)に形成されている。
上述の複合材料成形体10によれば、上記9個の部位における上記密度減少率Dd1、上記密度増加率Di1、及び密度比率DR1が小さいため、複合材料成形体10内に励磁される磁束密度のばらつきが小さい。そのため、この複合材料成形体10をリアクトル1の磁性コア3に用いた場合、具体的にはギャップ31gを介して連結されるコア部材30に用いた場合、ギャップ31gから磁束が漏れ難いリアクトル1が得られる。そのため、この複合材料成形体10は、リアクトル1の磁性コア3(コア部材30)に好適に利用できる。
複合材料成形体10の製造は、軟磁性粉末と溶融された樹脂とを含む未固化(流動性のある状態)の混合物を金型内に注入し、樹脂を固化させて成形体素材を成形する成形工程を備える複合材料成形体の製造方法により行える。金型を用いた成形体素材の作製手法としては、射出成形、熱プレス成形、MIM(Metal Injection Molding)を利用することができる。この複合材料成形体の製造方法は、上記成形工程を特定の温度条件で行う。
成形工程は、溶融した樹脂の温度Trと金型の温度Tdとを特定の温度条件で行う。それにより、上述した(1)〜(3)の条件の少なくとも一つを満たす複合材料成形体10を製造する。
成形工程における温度条件は、溶融した樹脂の温度Trと金型の温度Tdとの温度差(Tr−Td)が、「180℃≦(Tr−Td)」を満たすことが挙げられる。この温度差(Tr−Td)が180℃以上を満たすことで、複合材料成形体10を製造できる。上記温度差(Tr−Td)は、更に「200℃≦(Tr−Td)」を満たすことが好ましい。上記温度差(Tr−Td)は、「(Tr−Tc)≦250℃」を満たすことが好ましく、更に「(Tr−Td)≦230℃」を満たすことが好ましく、特に「(Tr−Td)≦220℃」を満たすことが好ましい。
上述の製造方法によれば、特定の温度条件に制御することで、混合物を金型内に注入し樹脂を固化させるだけで上記密度減少率Dd1、密度増加率Di1、及び密度比率DR1の少なくとも一つが小さい複合材料成形体10を製造できる。そのため、上述の製造方法によれば、この複合材料成形体10を容易に製造でき、この複合材料成形体10の生産性に優れる。
リアクトル1は、実施形態1の冒頭で説明したように、一対の巻回部2a、2bを有するコイル2と、同一の形状を有する二つのコア部材30とその間のギャップ31gとを有する磁性コア3とを備える(図1)。この両コア部材30のうち一対の内側コア部11は、上述の複合材料成形体10で構成される。
一対の巻回部2a、2bは、接合部の無い1本の連続する巻線2wを螺旋状に巻回してなり、連結部2rを介して連結されている。巻線2wは、銅製の平角線の導体の外周にエナメル(代表的にはポリアミドイミド)からなる絶縁被覆を備える被覆平角線を利用できる。各巻回部2a,2bは、この被覆平角線をエッジワイズ巻きにしたエッジワイズコイルで構成している。巻回部2a、2bの配置は、各軸方向が平行するように並列(横並び)した状態としている。巻回部2a、2bの形状は、互いに同一の巻数の中空の筒状体(四角筒)である。巻回部2a、2bの端面形状は、矩形枠の角部を丸めた形状である。連結部2rは、コイル2の一端側(図1紙面右側)において巻線の一部をU字状に屈曲して構成している。巻回部2a、2bの巻線2wの両端部2eは、ターン形成部から引き延ばされている。両端部2eは、図示しない端子部材に接続され、この端子部材を介して、コイル2に電力供給を行なう電源などの外部装置(図示せず)が接続される。
磁性コア3は、一方と他方のコア部材30と、そのコア部材30における内側コア部11の鎖交面11E(端面)同士の間に介在されるギャップ31gとで構成されている。このギャップ31gを介して両鎖交面11E同士を巻回部2a,2b内で連結することで環状の磁性コア3が形成される。このコア部材30同士の連結により、コイル2を励磁したとき、閉磁路を形成し、磁束は内側コア部11の長手方向に平行となって鎖交面に直交する。内側コア部11が上述の複合材料成形体10で構成されていることで、ギャップ31gからの漏れ磁束を低減できる。
上述のリアクトル1によれば、磁性コア3の内側コア部11の密度が均一であるため、ギャップ31gからの漏れ磁束が少ない。そのため、リアクトル1は磁気特性に優れる。
軟磁性粉末とこの軟磁性粉末を分散した状態で内包する樹脂とを含む複合材料成形体の試料を作製し、複合材料成形体を複数の部位に分割して各部位の密度を測定した。
試料No.1−1〜1−4として、原料準備工程と成形工程とを経て、図2に示すように、上述の実施形態1で説明した複合材料成形体10からなる一対の内側コア部11と、外側コア部12とを備えるU字状のコア部材30を作製した。
原料準備工程では、軟磁性粉末と樹脂との混合物を準備した。軟磁性粉末には、平均粒径が80μmで、Siを6.5質量%含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有するFe−Si合金の粉末を用いた。一方、樹脂には、PPS樹脂(ガラス転移点Tg=90℃、融点Tm=235℃)を用いた。この軟磁性粉末と樹脂とを混合し、樹脂を溶融状態で軟磁性粉末と練り合わせて混合物を作製した。各試料における混合物中の軟磁性粉末の含有量(体積%)は、表1に示す値とした。
成形工程では、射出成形により一対の内側コア部11と外側コア部12とを備えるU字状のコア部材30を作製した。この作製は、外側コア部12における一対の内側コア部11との境界に分割面を有する金型を用い、その金型に上記混合物を充填し冷却固化することで行った。即ち、型抜方向は、外側コア部12と一対の内側コア部11とが並ぶ方向(内側コア部の長手方向)である。この金型のゲートは、図示は省略しているが、外側コア部における外端面の上下左右の略中央に対して少し下側にずれた位置となるように設けた。この金型は、外側コア部12を成形する箇所の温度と内側コア部11を成形する箇所の温度を独立して調節可能な温度調節機を備える。ここでは、混合物における溶融状態の樹脂の温度Trと、金型の内側コア部11を成形する箇所の温度Tdとをそれぞれ表1に示すように種々変更した。金型の外側コア部12を成形する箇所の温度は、130℃とした。
各試料のコア部材における内側コア部を図2に示すように鎖交面11Eが縦横にそれぞれ3等分されるように合計9個の部位に分割し、各部位の密度(g/cm3)を測定し、その9個の部位の平均密度Davを算出した。図2の二点鎖線は、切断箇所を示し、丸付き数字は、部位No.を示す。各部位の密度は、サイズと質量から算出した見かけ密度とした。それらの結果を表2に示す。ここでは、鎖交面11E側からみて左側の内側コア部11における各部位の密度を測定したが、右側の内側コア部11でも同様に9分割した際の各部位の密度は、左側の内側コア部11の各部位を左右対称にした場合に実質的に相当する。
(1)最大の密度Dmaxの部位に対する最小の密度Dminの部位の密度減少率Dd1={(Dmax−Dmin)/Dmax}×100
(2)最小の密度Dminの部位に対する最大の密度Dmaxの部位の密度増加率Di1={(Dmax−Dmin)/Dmin}×100
(3)最大の密度Dmaxの部位と最小の密度Dminの部位との密度差ΔD1=Dmax−Dminと、平均密度Davとの密度比率DR1=(ΔD1/Dav)×100
(4)密度差ΔD1=Dmax−Dmin
(5)最小の密度Dminと平均密度Davとの比率(Dmin/Dav)×100
(6)最大の密度Dmaxと平均密度Davとの比率(Dmax/Dav)×100
(7)外周の8個の部位(No.1〜4,6〜9)の外周平均密度Do
(8)外周平均密度Doと中央の部位(No.5)の密度Dcとの密度差ΔD2=Do−Dc
(9)密度差ΔD2と平均密度Davとの密度比率DR2=(ΔD2/Dav)×100
内側コア部の密度減少率Dd1の違いによる漏れ磁束の多寡をシミュレーションにより調べた。ここでは、漏れ磁束の評価用の試料No.2−100、2−1〜2−4は、実際に製造したものではなく、シミュレーションソフト上で磁気特性を設定したものである。試料No.2−100は内側コア部の密度分布を均一とし、試料No.2−1〜2−4は、内側コア部の密度分布を試験例1の試料No.1−1〜1−4相当とした。
各試料は、図3に示すように、コイル200と、一つの内側コア部310と一対の外側コア部320とで構成される磁性コア300とで構成する。コイル200は、図3上図に示すように半筒状に形成した。内側コア部310は、コイル200の内側に配置され、図3下図に示すように、軸方向に並列する一対のコア片311と一対のコア片311の間に介在されるギャップ315とで構成した。各コア片311は、四角柱状の中央部位312と、その中央部位312の四方のうち三方を囲む外周部位313とで構成した。一対の外側コア部320は、コイル200の外側に配置され、内側コア部310の各端面に連結される。
漏れ磁束の評価は、最大の密度Dmaxの部位に対する最小の密度Dminの部位の密度減少率Dd1={(Dmax−Dmin)/Dmax}×100が漏れ損に与える影響を評価することで行った。漏れ磁束は、漏れ損が大きいと多く、漏れ損が小さいと少ない。漏れ損は、磁束密度の分布状態(磁束密度の大きさ)を色別(磁束密度が大きい順に赤、橙、黄、緑、青、藍、紫)で表すことが可能な公知のシミュレーションソフトを用いて求められる。その結果を、表4に示す。ここでは、試料No.2−1〜2−4の漏れ損は、試料No.2−100の漏れ損を100としたときの比で示している。なお、代表して試料No.2−100と試料No.2−1(試料No.1−1相当)のシミュレーションによる磁束密度の分布状態をそれぞれ図4,図5に示す。この図4,図5はグレースケールで示すが、実際には上記色別がある。
11 内側コア部 11E 鎖交面(端面)
12 外側コア部 12o 外端面
1 リアクトル
2 コイル
2a、2b 巻回部 2r 連結部 2w 巻線 2e 端部
3 磁性コア
30 コア部材 31g ギャップ
200 コイル
300 磁性コア
310 内側コア部
311 コア片
312 中央部位 313 外周部位
315 ギャップ
320 外側コア部
Claims (12)
- 軟磁性粉末と前記軟磁性粉末を分散した状態で内包する樹脂とを含む複合材料成形体であって、
前記複合材料成形体の表面のうち、前記複合材料成形体内に励磁される磁束に交差する鎖交面が縦横にそれぞれ3等分されるように前記複合材料成形体を合計9個の部位に分割したとき、
これら部位のうち、最大の密度Dmaxの部位に対する最小の密度Dminの部位の密度減少率Dd={(Dmax−Dmin)/Dmax}×100が、1.2%以下である複合材料成形体。 - 軟磁性粉末と前記軟磁性粉末を分散した状態で内包する樹脂とを含む複合材料成形体であって、
前記複合材料成形体の表面のうち、前記複合材料成形体内に励磁される磁束に交差する鎖交面が縦横にそれぞれ3等分されるように前記複合材料成形体を合計9個の部位に分割したとき、
これら部位のうち、最小の密度Dminの部位に対する最大の密度Dmaxの部位の密度増加率Di={(Dmax−Dmin)/Dmin}×100が、1.3%以下である複合材料成形体。 - 軟磁性粉末と前記軟磁性粉末を分散した状態で内包する樹脂とを含む複合材料成形体であって、
前記複合材料成形体の表面のうち、前記複合材料成形体内に励磁される磁束に交差する鎖交面が縦横にそれぞれ3等分されるように前記複合材料成形体を合計9個の部位に分割したとき、
これらの部位のうち最大の密度Dmaxの部位と最小の密度Dminの部位との密度差ΔD=Dmax−Dminと、平均密度Davとの密度比率DR=(ΔD/Dav)×100が、1.4%以下である複合材料成形体。 - 前記最小の密度Dminと平均密度Davとの比率(Dmin/Dav)×100が、99%以上である請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の複合材料成形体。
- 前記最大の密度Dmaxと平均密度Davとの比率(Dmax/Dav)×100が、100.6%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成形体。
- 前記軟磁性粉末が、Siを1.0質量%以上8.0質量%以下含むFe基合金の軟磁性粒子を含む請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の複合材料成形体。
- 前記軟磁性粉末の前記複合材料成形体全体に対する含有量が、80体積%以下である請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の複合材料成形体。
- 前記軟磁性粉末の平均粒径が、5μm以上300μm以下である請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の複合材料成形体。
- 巻線を巻回してなるコイルと、前記コイルが配置される磁性コアとを備えるリアクトルであって、
前記磁性コアは、複数のコア部材と、これらコア部材の間に介在されるギャップとを備え、
複数の前記コア部材の少なくとも一つは、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の複合材料成形体を備えるリアクトル。 - 軟磁性粉末と溶融された樹脂とを含む混合物を金型内に注入し、前記樹脂を固化させて複合材料成形体を成形する工程を備える複合材料成形体の製造方法であって、
前記軟磁性粉末の前記混合物全体に対する含有量が、80体積%以下であり、
溶融された前記樹脂の温度Trと前記金型の温度Tdとの差Tr−Tdが200℃以上であり、
前記金型の温度Tdが前記樹脂のガラス転移点Tg以下、かつ100℃以下である複合材料成形体の製造方法。 - 前記樹脂がポリフェニレンスルフィド樹脂であり、
前記金型の温度Tdが、前記樹脂のガラス転移点Tg−10℃以上前記樹脂のガラス転移点Tg+10℃以下である請求項10に記載の複合材料成形体の製造方法。 - 前記金型の温度Tdが、前記樹脂の融点Tm−135℃以下である請求項10又は請求項11に記載の複合材料成形体の製造方法。
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