JPH01242757A - 低周波トランス用合金並びにこれを用いた低周波トランス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、商用周波数で使用される配電用トランスや１
０ｋＨｚ以下の低周波領域で使用するインバータトラン
ス等に好適な、高飽和磁束密度で低鉄損の低周波トラン
ス用合金並びにこれを用いた低周波トランスに関するも
のである。

〔従来の技術〕

従来から、商用周波数で使用される配電用トランスや１
０ｋｌｌｚ以下の低周波領域で使用される各種トランス
には、高飽和磁束密度で比較的鉄損の小さいケイ素鋼板
が主に使用されていた。

この例としてはたとえば、特公昭６２−３７０９０や特
公昭６２−３７６８８　、特公昭６２−４５２８５等に
記載されており、圧延焼鈍による再結晶化等により磁束
密度の向上、鉄損の低減を図っている。

また、近年単ロール法等の超急冷技術の進展により低鉄
損の高ケイ素Ｓｔ薄帯やＦｅ基アモルファス合金薄帯が
作製されるようになり、低周波トランス材として注目を
集めている。特にＦｅ基アモルファス合金は商用周波数
における鉄損がケイ素鋼の約１７３と小さいため、省エ
ネルギー材として注目されすでに配電用トランスが製作
され一部実用化がはじまっている。

このような例としては、特開昭６２−１８８７４８、電
気学会誌、１０８巻１号（昭６３）Ｐｄ２等に記載され
ている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、ケイ素鋼板は鉄損が十分低くないため、
省エネルギー、トランスの発熱等の点では十分満足でき
るものではない。

一方、Ｆｅ基アモルファス合金は鉄損は低いが、磁歪が
著しく大きく応力に敏感であるため、機械的振動や合金
自体の自重による変形等により磁気特性が劣化しやすい
問題がある。また、経時変化の点でも十分とは言えない
。

高ケイ素鋼は、薄帯化した時点ですでに合金がかなり脆
化しており、巻磁心としたり切断したりする際問題があ
る。また、鉄損の点でもアモルファス合金に比べるとか
なり劣っている。

本発明の目的は、比較的飽和磁束密度が高く、低周波領
域で低鉄損である、低磁歪で経時変化も小さい低周波ト
ランス用合金並びにこれを用いたエネルギーロスが小さ
く、信顛性の高い低周波トランスを提供することである
。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために鋭意研究の結果、本発明者
等は先に特願昭６２−５８５７７等で示したＣｕとＮｂ
、　Ｗ、　Ｔａ、　Ｚｒ、　Ｈｆ、　Ｍｏ、　Ｔｉを複
合添加した超微細結晶粒組織を有するＦｅ基合金の中で
一般式： ％式％（） （ただし、ＭはＣｏ及び／又はＮｉであり、Ｍ′はＮｂ
。

Ｗ、　Ｔａ、　Ｍｏ、Ｚｒ、　Ｈｆ及びＴｉからなる群
から選ばれた少なくとも１種の元素であり、 ａ、Ｘ、　　ｙ、２及びαはそれぞれ、０≦ａ≦０．３
．０．１≦Ｘ≦３．０≦ｙ≦１７．４≦Ｚ≦１７．１０
≦ｙ＋ｚ≦２８．０．１≦α≦５を満たす。） により表わされる組成の合金が比較的飽和磁束密度が畜
く、低周波領域の鉄損が低く低磁歪でかつ経時変化も小
さく低周波トランス用合金に最適であることを発見し、
本発明に想到した。

本発明において、Ｃｕは必須の元素であり、その含有’
ｌＪｘは０．１〜３原子％の範囲である。０．１原子％
より少ないとＣｕ添加による鉄損低域の効果がほとんど
なく、一方３原子％より多いと、熱処理前に合金がすで
に脆化しやすくなり加工が国難となり好ましくないため
である。また本発明において特に好ましいＣｕの含有量
Ｘは０．５〜２原子％であり、この範囲で特に低鉄損の
合金が得やすい。

本発明合金は、前記組成の非晶質合金を単ロール法や双
ロール法等の液体急冷法により得る工程と、これを加熱
し超微細な結晶粒を形成する熱処理工程に依って通常得
ることができる。

熱処理により形成される結晶粒は主にｂｃｃ　Ｅｅ固溶
体からなり、１０００Å以下の粒径の超微細なほぼ均一
に分布した結晶粒からなるが、優れた軟磁性は５００Å
以下の粒径の場合が多い。特に優れた軟磁性を示す合金
の場合はその平均粒径が２０〜２００人の場合が多い。

合金組織のうち微結晶粒以外の部分は主に非晶質である
。なお、微細結晶粒の割合が実質的に１００％になって
も本発明合金は十分優れた特性を示す。

本発明に係る合金においてＭ′はＣｕとの複合添加によ
り析出する結晶粒を微細化する作用を有するものであり
、Ｎｂ、　Ｗ、　Ｔａ、　Ｚｒ、　Ｉｆｆ、　Ｔｉ及び
Ｍｏからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素であ
る。

Ｍ′盪αは０．１〜５原子％の範囲が望ましい。

この理由はαが０．１未満では十分な鉄損低減効果がな
く、αが５原子％を越えると飽和磁束密度の低下や温度
特性が悪くなり低周波トランス用としては適さなくなる
ためである。特に望ましいαの値は１〜３でありこの範
囲で特に低周波トランスに適した、高飽和磁束密度低鉄
損の特性が得られる。

Ｓｉ、　Ｂは合金の微細化および磁歪調整軟磁気特性の
改善等に有用な元素である。本発明の合金は、好ましく
は、−旦Ｓｉ、　　Ｂ添加効果により非晶質合金とした
後に熱処理により微細結晶粒を形成することにより得ら
れる。

Ｓｉ含有１ｙの限定理由は、ｙが１７原子％を超えると
合金が脆化しやすくなるためである。

Ｂの含有ｌｚの限定理由は２が４原子％未満では均一な
結晶粒組織が得にくく、低周波の鉄損が増加し好ましく
なく、Ｚが１７原子％を超えると軟磁気特性の良好な熱
処理条件では磁歪が大きくなってしまい好ましくないた
めである。

ＳｔとＢの総和量ｙ十ｚの値に関しては、ｙ＋ｚが１０
原子％未満では鉄損が著しく増加し好ましくなく、２８
原子％を超えると飽和磁束密度の著しい低下、鉄損の増
加および磁歪の増加があり好ましくないためである。

より好ましいＳｉ、　　Ｂ含有量の範囲は０≦ｙ≦１５
．７≦２≦１５．１５≦ｙ＋ｚ≦２５であり、この範囲
で特に低周波で低鉄損の合金が得やすい。

残部は不純物を除いて実質的にＦｅが主体であるが、Ｆ
ｅの１部は成分Ｍ（Ｃｏ及び／又はＮｉ）により置換さ
れていても良い。Ｍの含有量はＯ≦ａ≦０、３であるが
、これは０，３を超えると磁歪が大きくなったり、低周
波の鉄損が増加するためである。

なお、Ｎ、　Ｏ，Ｐ、　Ａｓ、　Ｓｎ、　Ｂｉ、　Ｐｂ
、　Ｈ，Ｋ。

Ｃａ、　Ｍｇ、　Ｂａ、　Ｎａ等の不可避不純物を含ん
でも本発明と同一とみなすことができるのはもちろんで
ある。

また、本発明において５原子％以下のＧｅ、　Ｇａ。

Ｃを含むことができる。これらの元素は、磁歪を調整す
る効果や飽和磁束密度を変化させる効果がある。

またＣｒ　　Ｍｎ、　　Ｖ、　Ｉ／！、　Ｚｎ、　Ｓｎ
を２原子％以下含むこともできる。これらの元素は耐食
性を改善したり、磁気特性を調整する効果を有する。し
かし、これらの元素はかなり飽和磁束密度を低下させる
ので低周波トランス用としては２原子％以下の添加量が
望ましい。

上記合金の飽和磁束密度は通常１０ｋＧ以上のものが多
いが、低周波トランス用としては、トランスを小型化す
る上で特に１３ｋＧ以上あるものが望ましい。

本発明の合金は、通常厚さが５０μｍ以下である非晶質
合金を作製後熱処理し、微細な結晶粒を形成する方法で
得られる。

トランスに使用する場合は通常巻磁心や積層磁心の形で
使用される。

本合金を積層磁心としてトランスに使用する場合は薄帯
を重ね加熱しながら圧力を加え薄帯どうしを何枚か固着
させた合金板の形態のものを積層し使用することもでき
る。

また合金表面にＣｒ酸化物、５ｉＯｚ等の酸化物や窒化
物等の絶縁層を形成したり、ＳｉＯ□、　ＭｇＯ。

Ａ　ｆｉ　、０．等の粉末を浸漬、スプレー法や電気泳
動法により付着させたり、スパッター法や蒸着法でＳｉ
Ｏ２や窒化物等の膜をつける、あるいは変性アルキルシ
リケートを含むアルコール溶液に酸を添加し、この溶液
を塗布し乾燥させたり、フォルステライト（ＭｇｚＳｉ
Ｏ４）　Ｎを熱処理により形成させ層間絶縁をして使用
する場合もある。

また、ＳｉＯ□−Ｔｉｅ、系金属アルコキシド部分加水
分解ゾルに各種セラミックス粉末原料を混合したものを
塗布する、合金薄帯を浸せきした後乾燥加熱する、チラ
ノポリマーを主体とする溶液を塗布あるいは浸せき後、
加熱する、リン酸塩溶液を塗布後加熱すること等により
絶縁層を形成するこさができる。

また、熱処理により表面にＳｉ等の酸化物層や窒化物層
を形成することもできる。

また合金薄帯間をポリイミドテープやセラミックス繊維
製のテープ等により層間絶縁することにより渦電流損失
を低減することができる。

また本合金から形成されたトランス用のけ心は含浸した
モールドタイプのものでも磁歪が小さいため従来のＦｅ
７Ｊアモルファス合金のものより優れた特性を示す。

また、本発明合金はカットコア等の組合せコアとして使
用することもでき、ステップラップ接合や、斜めバット
接合等従来の合金と同様の接合方法を適用できる。

本合金を用いた磁心でトランスを作製する場合、磁心は
油づけしたリコーティングしてさびを防ぐこともできる
。

また大型のトランスを作製する場合外周部をバンドでし
め固定し変形を防ぐ方法をとることもできる。

また絶縁テープを磁心周囲に巻くことにより、さびを防
いだり、損傷を防ぐ、電気的絶縁を行うこともできる。

熱処理は、通常真空中または水素ガス、窒素ガス、アル
ゴンガス等の不活性ガス雰囲気中において行なわれる。

しかし、場合によっては大気中等の酸化性雰囲気で行っ
ても良い。

熱処理の際の昇温や急冷の条件は状況に応じて任意に変
えることができる。また同一温度または異なる温度で複
数回にわけ熱処理を行ったり、多段の熱処理パターンで
熱処理を行うこともできる。

更には、本合金は熱処理を直流あるいは交流の磁場中で
行なうこともできる。磁場中熱処理により本合金に磁気
異方性を生じさせることができる。

磁場は熱処理の間中かける必要はなく、本発明に係る合
金のキュリー温度より低い温度であれば任意に選ぶこと
ができる。

また、回転磁場中熱処理を熱処理工程で行っても良い。

また、熱処理の際合金に電流を流したり、高周波磁界を
印加し合金を発熱させることにより合金を熱処理するこ
ともできる。また、圧縮力や張力を加えながら合金を熱
処理することもできる。

また、局部的にスクラッチを入れたり、レーザー照射に
より形状的欠陥や局部的に歪を導入し磁歪を細分化する
ことにより鉄損を更に低減することもできる。

〔実施例〕

以下本発明を実施例に従って説明するが、本発明はこれ
らに限定されるものではない。

実力」１− 単ロール法により幅７５ｍｍ、厚さ２５μｍのＦｅ７６
ＣｕｌＳｉ＋ｚ、５ＢＪｂｚ、ｓ　（原子％）の組成を
有する非晶質合金薄帯を作製し、電気泳動法により薄帯
表面にＭｇＯの絶縁層を形成しながら巻き回し２ヶ重ね
第１図に示す形状の巻磁心とした。

次いでこの磁心をＮ　ｚ、ガス雰囲気中で磁場中熱処理
を行った。熱処理パターンは第２図に示すとおりであり
、昇温速度２°Ｃ／ｍｉｎ、保持温度５５０°Ｃ１１時
間保持後室温まで２°Ｃ／ｍｉｎの速度で冷却した。印
加磁界は磁路方向であり、１００．の磁場を全熱処理期
間印加した。

飽和磁束密度Ｂ３は１３．５ｋＧ、角形比Ｂｓ″／Ｂ。

は９４％直流の保磁力Ｈｃは０．００９０．であった。

また飽和磁歪定数λ３は＋２．３Ｘ１０−ｈであり、従
来の配電トランス用のＦｅ基アモルファス合金の１７１
０以下の値であった。

また、５０Ｈｚ、Ｂｓが１’２ｋＧにおける鉄損が０、
０６　Ｗ／ｋｇであり、Ｐｅ基アモルファス合金と同等
の値が得られ低周波トランス用に適することが確認され
た。

１隻±１ 単ロール法により幅２５市、厚さ１８μｍのＰｅｔ、Ｃ
ｕ＋５ｉ４Ｂｔ３Ｎｂ３（原子％）の組成を有する非晶
質合金薄帯を作製し、外径１０５ｍｍ、内径１００ｍの
トロイダル状に巻回し、Ａｒガス雰囲気中で熱処理した
。昇温速度は２０″Ｃ／ｍｉｎとし、５５０°Ｃに１時
間保持後炉から取り出し室温まで空冷した。

磁場は炉から取り出す１０分前から印加した。磁場の強
さは３０．で磁路方向に印加した。

飽和磁束密度Ｂ３は１５．０ｋＧ、角形比Ｂｓ／Ｂ。

は８５％であった。

第３図に５０Ｈｚにおける鉄損のＢｓ依存性を方向性ケ
イ素鋼板と比較して示す。

本発明合金の鉄損はケイ素鋼板より小さく低周波トラン
ス等に適する。

裏隻皿主 第１表に示す組成の合金溶湯を単ロール法により急冷し
幅２５ｍｍ、厚さ１８μｍの非晶質合金薄帯を作製した
。

次にこの合金薄帯を外径１１０ｎｙｍ内径１００ｍｍに
巻き回し、トロイダルコマとし実施例１と同様の熱処理
を行った。熱処理後の合金は、５００Å以下の粒径の超
微細な結晶粒が組織の大部分をしめていた。

次にこの磁心をデルリン製のコアケースに入れ、１次側
２５０ターン２次側２５０ターンの巻線を行い５０Ｈｚ
、１２ｋＧにおける鉄損を測定した。得られた結果を第
１表に示す。

本発明合金は低周波における鉄損が従来のケイ素鋼より
低く、Ｆｅ基アモルファスと同等あるいはそれ以下の低
鉄損材であり、柱状トランスや低周波のインバータトラ
ンス等に適する。

実ｍ支 （Ｆｅｏ、ｑ＊Ｃｏｏ、ｏ＋）＋＋、ｓＣｕｌＳｉＪｇ
Ｎｂ３Ｃｒａ、ｓ　　（原子％）なる組成の合金溶湯を
単ロール法により急冷し幅１０ｍｍ、厚さ１８μｍの非
晶質合金薄帯を作製した。

次にこの合金薄帯を長さ１００ｍｍに切断し、１０枚重
ね合わせ大気中で加圧しながら加熱し厚さ約０．２　ｔ
ｒｍの積層体を得た。

次にこの合金をＡｒガス雰囲気中で、長手方向に１００
゜の磁場を印加しながら５５０°Ｃに加熱後１時間保持
し室温まで冷却し、単板試験器にて５０Ｈｚ　　１４ｋ
Ｇにおける鉄損を測定した。次にこの積層体を１２０°
Ｃに保った恒温槽に入れ鉄損の経時変化を測定した。

第４図に鉄損の経時変化を示す。図中Ｗ０は初期の鉄損
、Ｗｔはｔ時間経過後の鉄損である。なお熱処理後の合
金は実施例１と同様５００Å以下の粒径の超微細結晶粒
からなっていた。

図かられかるように本発明合金の鉄１員の経時変化はほ
とんど認められなかった。

実ｊＩ生ｉ 原子％でＣｕ　１．５％、Ｓｉ　　　％、８１２％、Ｎ
ｂ３％、Ａ　Ｉ　０．５％残部実質的にＦｅからなる組
成の合金溶湯を単ロール法により急冷し厚さ２０μｍで
、幅の異なるアモルファス合金薄帯を作製した。次にこ
の合金を第５図に示す形状に巻回し円形断面に近い閉磁
路磁心としＮ２ガス雰囲気中で磁場中熱処理を行った。

熱処理後の合金は超微細な結晶粒を主体とした合金であ
ることが確認された。

次にこの磁心に巻線をほどこし第５図に示す配電用トラ
ンスを作製した。全損失は、ケイ素鋼を用いた従来のト
ランスより１４％減少しており本発明低周波トランスが
優れていることが確認できた。

次にこのトランスを３０ｃｍの高さまでつりあげ落下さ
せ、損失を測定したがほとんど変化は認められなかった
。

災施皿ｌ 原子％でＣｕ１％、５ｉ１２％、８９％、Ｎｂ３％、Ｇ
ｅ０．５％からなる組成の合金溶湯を単ロール法により
象、冷し、幅１０ｍｍ厚さ２５μｍのアモルファス合金
薄帯を作製した。

次にこの合金を長さ１００閣に切断し薄帯長手方向に３
００２の磁場を印加しなからＡｒガス雰囲気中で磁場中
熱処理を行った。

次に熱処理後の薄帯の５０１１ｚ　　１．２ｋＧにおけ
る鉄…を単板試験器により測定した。測定値は０．０６
賀／ｋｇであった。

次にこの熱処理後の薄帯の自由凝固面に、ＹＡＧレーザ
ーを用いて幅方向に点列状に局所溶解部を導入し、５０
Ｈｚ　　１２ｋＧにおける鉄損を測定した。

測定値は０．０５　Ｗ／ｋｇであり、レーザー処理を行
うことにより減少した。

なおけがき等により表面にきづをつけ局部的に歪を導入
しても同様の効果が得られた。

〔発明の効果］ 本発明によれば、商用周波数で使用される配電用トラン
スや１０ｋＨｚ以下の低周波領域で使用するインバータ
トランス等に好適な、高飽和磁束回度で低鉄損の低周波
トランスに好適な合金並びに低周波トランスを得ること
ができるためその効果は著しいものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図、第５図は本発明に係る磁心の形状の一例を示し
た図、第２図は本発明合金の熱処理パターンの一例を示
した図、第３図は本発明合金の鉄損のＢｓ依存性を示し
た図、第４図は本発明合金の鉄損の経時変化を示した図
である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．一般式： （Ｆｅ＿１＿−＿ａＭａ）＿１＿０＿０＿−＿ｘ＿−＿
   ｙ＿−＿ｚ＿−αＣｕ＿ｘＳｉ＿ｙＢ＿ｚＭα′（原子
   ％） （ただし、ＭはＣｏ及び／又はＮｉであり、Ｍ′はＮｂ
   ，Ｗ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｈｆ及びＴｉからなる群から
   選ばれた少なくとも１種の元素であり、 ａ，ｘ，ｙ，ｚ及びαはそれぞれ、０≦ａ≦０．３、０
   ．１≦ｘ≦３、０≦ｙ≦１７、４≦ｚ≦１７、１０≦ｙ
   ＋ｚ≦２８、０．１≦α≦５を満たす。） により表わされる組成を有し、組織の少なくとも５０％
   が微細な結晶粒からなり、前記結晶粒の最大寸法で測定
   した粒径の平均が１０００Å以下の平均粒径を有するこ
   とを特徴とする低周波トランス用合金。
2. ２．前記結晶粒の残部が非晶質であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の低周波トランス用合金。
3. ３．前記組織が実質的に微細な結晶粒からなることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の低周波トランス
   用合金。
4. ４．前記結晶粒の最大寸法で測定した粒径の平均が５０
   ０Å以下であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   乃至第３項に記載の低周波トランス用合金。
5. ５．飽和磁束密度Ｂｓが１３ｋＧ以上であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項乃至第４項に記載の低周波
   トランス用合金。
6. ６．前記組成に合金と導線より構成されたことを特徴と
   する低周波トランス。