JP7490338B2

JP7490338B2 - 複合磁性材料及びこの複合磁性材料によって構成されたメタルコンポジットコア

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Publication number: JP7490338B2
Application number: JP2019057068A
Authority: JP
Inventors: 泰雄大島; 洋有間
Original assignee: Tamura Corp
Current assignee: Tamura Corp
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2024-05-27
Anticipated expiration: 2039-03-25
Also published as: JP2020161560A

Description

本発明は、磁性粉末と樹脂から成る複合磁性材料及びこの複合磁性材料によって構成されたメタルコンポジットコアに関する。

ＯＡ機器、太陽光発電システム、自動車など様々な用途にリアクトルが用いられている。様々な用途に対応するため、リアクトルに用いられるコアの形状の多様化が要求されている。この要求に応えるため、リアクトルは、メタルコンポジットコア（以下、ＭＣコアとも称する）と呼ばれるコアが用いられる。

このＭＣコアは、磁性粉末と樹脂とを混合させた複合磁性材料を所定の形状に成型し、固化させて成るコアである。複合磁性材料は粘土状である。そのため、複合磁性材料を容器に流し込みやすいので、容器の形状に合わせて成型しやすく、コアを所望の形状に成型できる。

特開２０１７－０１７３２６号公報

リアクトルは、使用する用途に合わせた透磁率や鉄損などの磁気特性が要求される。そして、鉄損はヒステリシス損失と渦電流損失の和で表される。一般的に、コアの密度を増加させることで、透磁率の向上やヒステリシス損失の低減を図ることができる。近年では、リアクトルの使用用途の多様化に伴い、透磁率の向上及びヒステリシス損失の低減がより高い水準で望まれている。

本発明の目的は、密度を向上させ、透磁率の向上及びヒステリシス損失の低減を図ることができる複合磁性材料及びこれによって構成されたメタルコンポジットコアを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の複合磁性材料は、磁性粉末と樹脂とを混合してなる複合磁性材料であって、前記磁性粉末は、第１の粉末と、前記第１の粉末より平均粒子径が小さい第２の粉末と、を有し、前記第１の粉末は、ポリテトラフルオロエチレンのみから構成される絶縁被膜で覆われており、前記樹脂の添加量は、磁性粉末に対して、３ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下であり、前記ポリテトラフルオロエチレンの添加量は、前記第１の磁性粉末に対して０．１ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であること、を特徴とする。

本発明によれば、密度を向上させ、磁気特性の優れた複合磁性材料及びこれによって構成されたメタルコンポジットコアを得ることができる。

絶縁被膜樹脂の添加量とかさ密度の関係を示した図である。絶縁被膜樹脂の添加量と密度の関係を示した図である。絶縁被膜樹脂の添加量と初透磁率μ０の関係を示した図である。絶縁被膜樹脂の添加量と透磁率μ１２０００の関係を示した図である。絶縁被膜樹脂の添加量とヒステリシス損失の関係を示した図である。

（実施形態）
まず、本実施形態の構成について説明する。本実施形態のメタルコンポジットコア（以下、ＭＣコアとも称する）は、複合磁性材料を所定の容器に充填し、加圧することで所定の形状のコアとなる。このＭＣコアは、リアクトルの磁性体として使用される。

複合磁性材料は、磁性粉末と樹脂とを含み構成される。磁性粉末としては、軟磁性粉末が使用でき、特に、Ｆｅ粉末、Ｆｅ－Ｓｉ合金粉末、Ｆｅ－Ａｌ合金粉末、Ｆｅ－Ｓｉ－Ａｌ合金粉末（センダスト）、非晶質合金粉末、ナノクリスタル、又はこれら２種以上の粉末の混合粉などが使用できる。Ｆｅ－Ｓｉ合金粉末としては、例えば、Ｆｅ－６．５％Ｓｉ合金粉末、Ｆｅ－３．５％Ｓｉ合金粉末を使用できる。

磁性粉末は、平均粒子径の異なる磁性粉末を使用する。つまり、磁性粉末は、第１の粉末と、第１の粉末より平均粒子径が小さい第２の粉末から成る。本明細書において平均粒子径とは、特に断りがない限り、Ｄ５０、すなわちメジアン径を指すものとする。また、第１の粉末と第２の粉末の種類は、同じものでもよいし、異なるものでもよい。なお、本実施形態では、磁性粉末は平均粒子径の異なる第１の粉末及び第２の粉末の２種類の粉末で構成させているが、磁性粉末は、第１の粉末のみ１種類で構成させてもよい。

第１の粉末の平均粒子径は１００μｍ～２００μｍ、第２の粉末は、３μｍ～１０μｍが好ましい。この範囲とすることで、第１の粉末同士の隙間に平均粒子径の小さい第２の粉末が入り込み、密度及び透磁率の向上と低鉄損化を図ることができるからである。

また、第１の粉末と第２の粉末の重量比率は、第１の粉末：第２の粉末＝８０：２０～６０：４０とすることが好ましい。この範囲とすることで密度及び透磁率が向上するとともに、鉄損を小さくすることができる。

第１の粉末の周囲は、絶縁被膜により覆われている。絶縁被膜は、絶縁性を有する樹脂から成る。この樹脂の種類は、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと称する）を含む。なお、本明細書において、絶縁被膜となる絶縁性を有する樹脂を絶縁被膜樹脂と呼ぶ場合がある。

ＰＴＦＥの添加量は、磁性粉末に対して、０．１ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下の範囲が好ましい。ＰＴＦＥの添加量が０．１ｗｔ％未満、又は、ＰＴＦＥの添加量が１．０ｗｔ％を超えると、ＭＣコアの密度増加の効果が低い。

複合磁性材料を構成する樹脂は、磁性粉末と混合され、磁性粉末を保持する。樹脂としては、熱硬化性樹脂、紫外線硬化樹脂、又は熱可塑性樹脂を使用することができる。熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂などが使用できる。紫外線硬化性樹脂としては、ウレタンアクリレート系、エポキシアクリレート系、アクリレート系、エポキシ系の樹脂を使用できる。熱可塑性樹脂としては、ポリイミドやフッ素樹脂などの耐熱性に優れた樹脂を使用することが好ましい。

また、樹脂は、磁性粉末に対して３～１０ｗｔ％含有されていることが好ましい。樹脂の含有量が３ｗｔ％より少ないと、磁性粉末の接合力が不足し、ＭＣコアの機械的強度が低下する。また、樹脂の含有量が１０ｗｔ％より多いと、磁性粉末を隙間なく保持することができなくなるなど、ＭＣコアの密度が低下し、透磁率が低下する。

次に、この複合磁性材料を用いたＭＣコアの製造方法について説明する。本実施形態におけるＭＣコアの製造方法は、（１）被覆工程、（２）混合工程、（３）成型工程、（４）硬化工程を有する。

（１）被覆工程
被覆工程は、第１の粉末をＰＴＦＥから成る絶縁被膜で覆う工程である。被覆工程では、第１の粉末とＰＴＦＥを混合し、乾燥させることで、第１の粉末の周囲にＰＴＦＥを被覆させる。第１の粉末とＰＴＦＥの混合は、所定の混合器を用いて自動又は手動で行うことができる。混合する時間は、適宜設定することができる。混合する時間は、例えば２分間である。また、乾燥温度や乾燥時間は、ＰＴＦＥで第１の粉末を被覆できるのであれば、適宜な温度及び時間を設定できるが、例えば、１８０度で１２０分間乾燥する。

（２）混合工程
混合工程は、磁性粉末と樹脂を混合する工程である。混合工程では、まず、被覆工程を経た第１の粉末と、第２の粉末を混合することで、磁性粉末を得る。そして、この磁性粉末に、磁性粉末に対して３～１０ｗｔ％の樹脂を添加し、磁性粉末と樹脂を混合する。この混合工程を経ることで、磁性粉末と樹脂との混合物である複合磁性材料を得ることができる。

（３）成型工程
成型工程は、複合磁性材料を製造するコアの形状に合わせて成型する工程である。成型工程では、まず、製造するコアの形状に合わせた容器に複合磁性材料を充填する。その後、容器に充填された複合磁性材料を、押圧部材で加圧する。この押圧部材で加圧することで、容器の形状に複合磁性材料を押し広げるとともに、複合磁性材料に含まれていた空隙を減少させることでコアの密度が大きくなる。

複合磁性材料を加圧する圧力は、数ｔｏｎ～数十ｔｏｎで磁性粉末を押し固めて成形する圧粉磁心とは異なり、数ｋｇ～数十ｋｇと低い圧力をかければ足りる。そのため、圧粉磁心は磁性粉末が変形するが、ＭＣコアは、加圧しても磁性粉末は変形しない。なお、ＭＣコアの成型においては、圧粉磁心の成型のように加圧することは、必須要件ではないため、複合磁性材料を押圧部材で加圧しなくてもよい。

（４）硬化工程
硬化工程は、複合磁性材料に含まれる樹脂を硬化させる工程である。樹脂の硬化は、樹脂の種類によって適宜の方法で硬化すればよい。例えば、樹脂が熱硬化性樹脂の場合には、熱を加えることで樹脂を硬化させる。

このように、所望の形状の容器に複合磁性材料を充填し、複合磁性材料に含まれる樹脂を硬化させることで、所望の形状となったＭＣコアが作製される。つまり、ＭＣコアにおいては、混合工程において添加した樹脂は硬化するだけなので、当該樹脂の成分は、分解されない。一方、圧粉磁心では、絶縁被膜として添加した樹脂は、焼鈍工程を経るため熱分解され、残った無機成分などが粉末間のバインダとして機能する。また、圧粉磁心は、数ｔｏｎ～数十ｔｏｎで加圧成形することで、所望の形状にしており、樹脂を硬化させることでコアの形状を形成させるＭＣコアとは異なる。

（実施例）
本発明の実施例を表１及び図１－図４を参照しつつ説明する。

実施例１－３は、第１の粉末としては、平均粒子径が１５０μｍのＦｅ－６．５Ｓｉ合金粉末を使用した。実施例１－３は、絶縁被膜としてＰＴＦＥを使用し、第１の粉末の周囲を被覆する。実施例１－３は、このＰＴＦＥを第１の粉末に対してそれぞれ１．０ｗｔ％、０．５ｗｔ％、０．１ｗｔ％添加した。

一方、比較例１は、第１の粉末を絶縁被膜によって覆わず、第１の粉末そのものである。比較例２－４は、絶縁被膜樹脂として実施例１－３及び後述する比較例５－６とは異なるフッ素樹脂を使用した。比較例２－４は、この絶縁被膜樹脂を第１の粉末に対してそれぞれ１．０ｗｔ％、０．５ｗｔ％、０．１ｗｔ％添加した。また、比較例５及び６は、絶縁被膜樹脂としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を使用した。比較例５－６は、この絶縁被膜樹脂を第１の粉末に対してそれぞれ０．２５ｗｔ％、０．１ｗｔ％添加した。

そして、実施例１－３及び比較例１－６の第１の粉末のかさ密度を測定した。かさ密度は、絶縁被膜樹脂で覆った第１の粉末を１００ｃｃのシリンダーに摺り切りまで充填させた状態で測定した。その際、測定器として、タップデンサーＫＹＴ－５０００（セイシン企業製）を用いた。その測定結果を表１及び図１に示す。なお、測定結果の考察は後述する。

次に、実施例１－３及び比較例１－６の第１の粉末から混合工程、成型工程、硬化工程を経て、ＭＣコアを作製した。作製したＭＣコアは、外径３５ｍｍ、内径２０ｍｍ、高さ１０ｍｍのトロイダル形状とした。なお、本実施例では、第２の粉末は使用せず、複合磁性材料を作製した。

絶縁被膜樹脂で被覆した磁性粉末に、磁性粉末に対して６ｗｔ％のエポキシ樹脂を添加し、２分間ヘラを用いて手動で混合し、複合磁性材料を形成した。この複合磁性材料を容器に充填し、加圧は行わなかった。そして、容器ごと複合磁性材料を大気中にて８５℃で２時間乾燥させ、その後１２０℃で１時間乾燥させ、さらに１５０℃で４時間乾燥することで樹脂を硬化した。このようにして、ＭＣコアを作製した。そして、作製したＭＣコアに、巻線を巻回し、リアクトルを作製した。

以上のように作製した実施例１－３及び比較例１－６のリアクトルの透磁率、ヒステリシス損失Ｐｈ、ＭＣコアの密度を下記の条件の下で測定した。

ＭＣコアの密度は、見かけ密度である。即ち、実施例１－３及び比較例１－６のＭＣコアの外径、内径、及び高さを測り、これらの値から各ＭＣコアの体積（ｃｍ^３）を、π×（外径^２－内径^２）×高さに基づき算出した。そして、各ＭＣコアの質量を測定し、測定した質量を算出した体積で除してＭＣコアの密度を算出した。

透磁率及び鉄損の測定条件は、周波数１００ｋＨｚ、最大磁束密度Ｂｍ＝３０ｍＴとした。透磁率は、鉄損Ｐｃｖ測定時に最大磁束密度Ｂｍを設定したときの振幅透磁率とした。ヒステリシス損失Ｐｈについては、ＭＣコアにφ１．２ｍｍの銅線で１次巻線４０ターン、２次巻線３ターンの巻線を巻回し、磁気計測機器であるＢＨアナライザ（岩通計測株式会社：ＳＹ－８２１９）を用いて算出した。この算出は、鉄損の周波数曲線を次の（１）～（３）式で最小２乗法により、ヒステリシス損失係数、渦電流損失係数を算出することで行った。

Ｐｃｖ＝Ｋｈ×ｆ＋Ｋｅ×ｆ^２・・（１）
Ｐｈ＝Ｋｈ×ｆ・・（２）
Ｐｅ＝Ｋｅ×ｆ^２・・（３）
Ｐｃｖ：鉄損
Ｋｈ：ヒステリシス損失係数
Ｋｅ：渦電流損失係数
ｆ：周波数
Ｐｈ：ヒステリシス損失
Ｐｅ：渦電流損失

表１は、実施例１－３及び比較例１－６の密度及びヒステリシス損失Ｐｈを示す表である。表２における透磁率は、振幅透磁率であり、ＬＣＲメータ（アジレント・テクノロジー株式会社製：４２８４Ａ）を使用して、１００ｋＨｚ、１．０Ｖにおける各磁界の強さのインダクタンスから算出した。表２の「μ０」は、直流を重畳させていない状態、即ち、磁界の強さが０Ｈ（Ａ／ｍ）の時の初透磁率を示す。表２の「μ１２０００」は、磁界の強さが１２ｋＨ（Ａ／ｍ）の時の透磁率を示す。また、図１は、絶縁被膜樹脂の添加量とかさ密度の関係を示したグラフである。図２は、絶縁被膜樹脂の添加量と密度の関係を示したグラフである。図３は、絶縁被膜樹脂の添加量と初透磁率μ０の関係を示したグラフである。図４は、絶縁被膜樹脂の添加量と透磁率μ１２０００の関係を示したグラフである。図５は、絶縁被膜樹脂の添加量とヒステリシス損失の関係を示したグラフである。

（密度の比較）
表２及び図２に示すように、第１の粉末をＰＴＦＥで被覆した実施例１－３の密度は、絶縁被膜で覆わず第１の粉末そのものであった比較例１の密度より大幅に増加している。具体的には、実施例１－３の密度は、全て５．０（ｇ／ｃｍ^３）より大きくなっているのに対し、比較例１－６の密度は、全て５．０（ｇ／ｃｍ^３）より小さくなっている。このことから、第１の粉末をＰＴＦＥで被覆する方がＭＣコアの密度が向上することが分かる。

また、実施例１－３は、実施例１－３と絶縁被膜樹脂を変えた比較例２－４及び比較例５－６と比較しても、密度が増加していることが分かる。これは、絶縁被膜樹脂の添加量が同一の０．１ｗｔ％である実施例３、比較例４及び比較例６を比べても、実施例３は５．２４（ｇ／ｃｍ^３）であるのに対し、比較例４は４．６６（ｇ／ｃｍ^３）、比較例６は４．４７（ｇ／ｃｍ^３）であることからも示されている。よって、ＰＴＦＥを０．１ｗｔ％以上添加することで、コアの密度が向上する。

このように、第１の粉末をＰＴＦＥで被覆した実施例の密度が向上した要因は、ＰＴＦＥの摩擦係数が小さいため、第１の粉末の流動性が向上することに起因するものと考える。即ち、第１の粉末をＰＴＦＥで被覆することで、第１の粉末の流動性が向上し、第１の粉末をより密接に配置でき、コアの見かけ密度が増加する。このことは、表１及び図１を参照すると、ＰＴＦＥで被覆した実施例１－３の第１の粉末のかさ密度が、比較例１－６の第１の粉末のかさ密度よりも大きいことからも示されている。

また、第２の粉末が第１の粉末と接触しても、第１の粉末の周囲は摩擦係数の小さいＰＴＦＥで覆われているため、第２の粉末の流動性も抑制されにくい。そのため、第１の粉末間に形成される隙間により多くの第２の粉末が入り込み、コアの密度が増加する。

（透磁率の比較）
表２及び図３、４に示すように、ＰＴＦＥで被覆した実施例の初透磁率（μ０）及び透磁率（μ１２０００）は、比較例１－６と比較して向上している。具体的には、比較例１と実施例１－３の初透磁率を比べると、実施例１－３の初透磁率が高い。また、比較例１と実施例１－３の透磁率を比べると、実施例１－３の透磁率が高い。このように、第１の粉末をＰＴＦＥで被覆した方が、初透磁率及び透磁率が向上していることが示されている。

一方、比較例１と比較例２－６の初透磁率を比べると、比較例１の初透磁率の方が高い。また、比較例１の透磁率と比較例２－６の透磁率を比較すると、比較例１の透磁率の方が高い。つまり、ＰＴＦＥ以外の種類で被覆すると、絶縁被覆樹脂で被覆していない場合と比べて、初透磁率及び透磁率が低下することが示されている。

このことから、ＰＴＦＥで第１の粉末を被覆すると、初透磁率及び透磁率が向上することが示されている。これは、ＰＴＦＥで被覆したことでコアの密度が増加したためであると考える。つまり、コアの密度が増加したことで、磁束密度も増加し、その結果、透磁率が向上すると考える。

（ヒステリシス損失の比較）
表２及び図５に示すように、ＰＴＦＥを０．１ｗｔ％添加した実施例３のヒステリシス損失は１３７．６である。一方、絶縁被覆樹脂で被覆していない比較例１のヒステリシス損失は、２０５．３である。また、ＰＴＦＥとは異なる種類の樹脂を０．１ｗｔ％添加した比較例４及び６のヒステリシス損失は、それぞれ２００．５、１５８．３である。つまり、絶縁被膜樹脂で被覆していない比較例１のヒステリシス損失を基準にすると、実施例３のヒステリシス損失は比較例１の約６７％に低減している、一方、比較例４及び６のヒステリシス損失は、比較例１の約９８％、約７７％であり、実施例３の方がヒステリシス損失の低減率が高い。よって、ＰＴＦＥで第１の粉末を被覆した方がヒステリシス損失をより低減できる。

このように、実施例３のヒステリシス損失は、比較例１、４及び６のヒステリシス損失よりも低下している。この要因も、実施例のコアの密度を増加させることができたためである。そして、この結果は、１００ｋＨｚという高周波において用いた場合にも、同様にヒステリシス損失を抑制できることを示している。なお、ここでいう高周波とは、１００ｋＨｚのみを指すものではなく、２０ｋＨｚを超えていれば高周波に含まれる。

（ＰＴＦＥの添加量）
以上のように、少なくともＰＴＦＥを０．１ｗｔ％以上添加することで、コアの密度が増加し、透磁率の向上及びヒステリシス損失の抑制を図ることができる。一方、図２を参照すると、実施例の密度の増加は、ＰＴＦＥを０．５ｗｔ％添加した時点（実施例２）が最大値となり、０．５ｗｔ％以上添加すると、コアの密度は低下する傾向にある。本実施例では、ＰＴＦＥの添加量は１．０ｗｔ％までとしたが、仮にこれ以上添加した場合、さらにコアの密度が低下することが容易に推察できる。密度が低下すると、それに伴って透磁率が低下し、又、ヒステリシス損失が増加する。よって、ＰＴＦＥの添加量の上限は、１．０ｗｔ％とすることが好ましい。したがって、ＰＴＦＥの添加量は、０．１ｗｔ％以上１．０ｗｔ以下であることが好ましい。

（他の実施形態）
本明細書においては、本発明に係る実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。上記のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

Claims

磁性粉末と樹脂とを混合してなる複合磁性材料であって、
前記磁性粉末は、
第１の粉末と、
前記第１の粉末より平均粒子径が小さい第２の粉末と、
を有し、
前記第１の粉末は、ポリテトラフルオロエチレンのみから構成される絶縁被膜で覆われており、
前記樹脂の添加量は、磁性粉末に対して、３ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下であり、
前記ポリテトラフルオロエチレンの添加量は、前記第１の磁性粉末に対して０．１ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であること、
を特徴とする複合磁性材料。
前記請求項１に記載の複合磁性材料によって構成されたメタルコンポジットコア。
前記樹脂が硬化されて成ること、
を特徴とする請求項２に記載のメタルコンポジットコア。