JPH0416004B2 - - Google Patents

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JPH0416004B2
JPH0416004B2 JP57226736A JP22673682A JPH0416004B2 JP H0416004 B2 JPH0416004 B2 JP H0416004B2 JP 57226736 A JP57226736 A JP 57226736A JP 22673682 A JP22673682 A JP 22673682A JP H0416004 B2 JPH0416004 B2 JP H0416004B2
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JP
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iron
powder
core
iron core
flux density
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JP57226736A
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JPS59119710A (ja
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Hiromichi Horie
Mikiro Morita
Itsuo Arima
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Toshiba Corp
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/24Magnetic cores
    • H01F27/255Magnetic cores made from particles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/10Metallic powder containing lubricating or binding agents; Metallic powder containing organic material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C32/00Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/0094Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with organic materials as the main non-metallic constituent, e.g. resin

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Description

【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕 本発明は、鉄心に関し、更に詳しくは、透磁率
の周波数特性が優れ、且つ、高い磁束密度を有す
る鉄心に関する。 〔発明の技術的背景とその問題点〕 従来、交流を直流に変換する装置、直流を交流
に変換する装置、或る数端数の交流を異なる周波
数の交流に変換する装置及び所謂チヨツパ等の直
流を直流に変換する装置等のような電力変換装
置、或いは無接点遮断器等の電気機器には、その
電気回路構成要素として、サイリスタ又はトラン
ジスタに代表される半導体スイツチング素子並び
にこれに接続されたターンオンストレス緩和用リ
アクトル、転流リアクトル、エネルギー蓄積用リ
アクトル或いはマツチング用変圧器等が使用され
ている。 このような電力変換装置の例として、第1図に
直流を交流に変換する装置の電気回路図を示す。
第1図の電力変換装置は、半導体スイツチング素
子1、ターンオンストレス緩和用リアクトル2及
びマツチング用変圧器3により構成されているも
のである。 これらのリアクトルや変圧器には、半導体のス
イツチングに伴い、100KHzから場合によつては
500KHzを超える程度にまで達する高い周波数成
分を含有する電流が流れることがある。 このようなリアクトルや変圧器を構成している
鉄心には、従来、次のようなものが使用されてい
る。即ち、 (a) 層間絶縁を施した薄い電磁鋼板又はパーマロ
イ板等を積層して作製した積層鉄心、 (b) カーボニル鉄微粉、パーマロイ微粉等を、例
えば、フエノール樹脂等の樹脂を使用して結着
せしめた、所謂ダストコア、或いは (c) 酸化物系磁性材料を焼結して作製した、所謂
フエライトコア 等が挙げられる。 これらの中で、積層鉄心は、商用周波数帯域に
おいては優れた電気特性を示すものの、高い周波
数帯域においては、鉄心の鉄損が著しく、殊に、
渦電流損失が周波数の2乗に比例して増加し、
又、鉄心を成形する板材の表面から内部へ入るに
つれ、鉄心材料の表皮効果によつて磁化力が変化
しにくくなるという性質を有している。従つて、
積層鉄心は、高い周波数帯域においては、本来鉄
心材料自身が有している飽和磁束密度よりもはる
かに低い磁束密度でしか使用することができず、
渦電流損失も極めて大きいという問題点を有して
いる。更に、積層鉄心は、高い周波数に対する実
効透磁率が、商用周波数に対する実効透磁率と比
較して著しく低いという問題点を有している。こ
れらの問題点を有している積層鉄心を、高い周波
数成分を有する電流が流れる、半導体スイツチン
グ素子に接続されたリアクトル又は変圧器等に使
用する場合には、実効透磁率及び磁束密度を補償
するために、鉄心自身を大型なものにしなければ
ならず、それに伴い、実効透磁率が低いことと相
俟つて、銅損が大きくなるという問題点をも有し
ている。 一方、ダストコアと呼ばれる圧粉磁性体が鉄心
材料として使用されており、例えば、特許第
112235号等に詳細に説明されている。しかしなが
ら、このようなダストコアは、一般に、その磁束
密度及び透磁率がかなり低い値を有するものであ
る。これらの中でも比較的高い磁束密度を有する
カーボニル鉄粉を使用したダストコアにおいて
も、その、10000A/mの磁化力における磁束密
度は0.1Tをやや上回る程度であり、透磁率は1.25
×10-5H/m程度のものである。従つて、ダスト
コアを鉄心材料として使用したリアクトル又は変
圧器等においては、磁束密度や透磁率の低さを補
償するために、鉄心の巨大化が避けられず、それ
に伴い、リアクトル又は変圧器等の銅損が大きく
なるという問題点を有している。 又、小型の電気機器に使用されているフエライ
トコアは、高い固有抵抗値及び比較的優れた高周
波特性を有している。しかしながら、フエライト
コアは、10000A/mの磁化力にのける磁束密度
が0.4T程度と低く、鉄心の使用温度範囲である
−40〜120℃において、透磁率並びに同一磁化力
における磁束密度の値がそれぞれ数十%も変化す
るという問題点を有している。このため、フエラ
イトコアを、半導体スイツチング素子に接続され
たリアクトル又は変圧器等の鉄心材料として使用
する場合には、磁束密度が低いために、鉄心を大
型にする必要がある。しかし、フエライトコア
は、焼結体であるために、大型鉄心の製造が困難
であり、鉄心としては適さないものである。又、
フエライトコアは、その低磁束密度に起因する銅
損が大きいこと、透磁率及び磁束密度が温度で大
きな影響を受けるために、リアクトルや変圧器に
使用した場合にその特性変化が大きいこと、更に
は、電磁鋼板等と比較した場合に磁歪が大きいの
で鉄心から発せされる騒音が大きくなること等の
問題点を有している。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、上記した問題点を解消し、半
導体素子に接続されたリアクトル或いは変圧器等
に使用される鉄心として、優れた透磁率の周波数
特性及び高い磁束密度を有する鉄心を提供するこ
とにある。 〔発明の概要〕 本発明の鉄心は、磁性粉と結着樹脂と無機化合
物の粉末とから成る成形体である。すなわち、本
発明の鉄心は、平均粒径10〜100μmで、平均粒
径をDμm、固有電気抵抗率をρμΩ−cmとしたと
き、D、ρを数値のみで示してρ/D2≧4×
10-3の関係を満足する鉄粉、鉄合金磁性粉のいず
れか又は両方と、合量が、体積比にして1.5〜40
%である電気絶縁性結着樹脂及び電気絶縁性無機
化合物の粉末との成形体であることを特徴とす
る。 本発明で用いる鉄粉又は鉄合金磁性粉は、その
固有電気抵抗率が10μΩ−cmから高々数十μΩ−
cm程度であるため、表皮効果が生ずる高い周波数
を含む交流電流においても充分な鉄心材料特性を
得るためには、これら粉末を微細な粒子として粒
子表面から粒子内部まで充分磁化に寄与せしめな
ければならないことからして、その平均粒径が
100μm以下であることが必要である。しかしな
がら、その平均粒径が10μm未満と極めて小さく
なると、後述する鉄心の成形段階で、通常適用さ
れる10000MPa以下の成形圧では、得られた鉄心
の密度が大きくならず、その結果、磁束密度の低
下という不都合を生ずる。結局、本発明にあつて
は、鉄粉又は鉄合金磁性粉の平均粒径は10〜
100μmの範囲に設定される。 また、これらの粉末の平均粒径(Dμm)とそ
の固有電気抵抗率(ρμΩ−cm)との関係につい
ていえば、Dとρを数値のみで示して、ρ/D2
≧4×10-3の関係を満足することが必要である。 本発明に用いる鉄粉又は鉄合金磁性粉は上記し
た諸元を充足するものであれば何であつてもよい
が、例えば、純鉄の粉、Fe−3Siで代表されるFe
−Si合金粉、Fe−Al合金粉、Fe−Si−Al合金
粉、Fe−Ni合金粉、Fe−Co合金粉をあげること
ができ、これら各々又はこれらの適宜な組合せに
よる粉末があげられる。 本発明に使用される電気絶縁性の結着樹脂は、
上記した鉄粉又は鉄合金磁性粉の表面を被覆して
粉末相互間を電気絶縁状態にし鉄心全体の交流磁
化に対する充分な実効電気抵抗値を付与せしめる
と同時に、これら粉末を結着するバインダーとし
ても機能する。このような結着樹脂としては、エ
ポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、
ポリエステル樹脂などの各種の樹脂のそれぞれ又
はこれらを適宜に組合せて成る樹脂をあげること
ができる。 また、本発明に使用される電気絶縁性無機化合
物の粉末は、鉄心の成形時に鉄粉又は鉄合金磁性
粉相互間における摩擦抵抗を減少させて鉄心の成
形密度を高めると同時に、導電体である鉄粉又は
鉄合金磁性粉相互間に介在して鉄心全体の交流磁
化に対する実効電気抵抗値を高めるという機能も
果す。このような無機化合物としては、炭酸カル
シウム、シリカ、マグネシア、アルミナ、各種の
ガラスなど又はこれらを適宜に組合せたものをあ
げることができる。ただし、これら無機化合物
は、前記した鉄粉又は鉄合金磁性粉、結着樹脂と
相互に反応しないものでなければならないことは
いうまでもない。 なお、無機化合物の粉末の平均粒径は、その分
散性、鉄心材料特性との関係からして、鉄粉又は
鉄合金磁性粉の平均粒径の1/5以下(20μm以下)
に限定される。 本発明の鉄心にあつては、結着樹脂と無機化合
物の粉末との合量が、全体の体積と比較して、
1.5〜40%の範囲に設定される。この体積比が1.5
%未満の場合には、鉄心の成形密度は高まらずし
かも実効電気抵抗値が低下し、また、40%を超え
ると実効電気抵抗値の増加傾向は飽和状態に達し
更には成形密度が低下して飽和磁束密度も低くな
り磁化力10000A/mでの磁束密度はフエライト
程度になつてしまう。 結着樹脂と無機化合物粉末との相互における体
積比についてはいえば、前者と後者の比が98〜
20vol%:2〜80vol%、好ましくは95〜30vol
%:5〜70vol%である。 本発明の鉄心は例えばつぎのようにして製造さ
れる。すなわち、所定量の鉄粉、鉄合金磁性粉又
はこれら両者の混合粉と結着樹脂と無機化合物粉
末との3者をミキサーで充分に混練し、得られた
混練物を金型に充填してこれを圧縮成形する。こ
のとき、適用する成形圧は、通常、10000MPa以
下でよい。得られた成形体は、そのまま鉄心とし
て使用に供されるが、必要に応じては、30〜300
℃程度の温度で熱処理して結着樹脂を硬化しても
よい。 〔発明の実施例〕 実施例 1〜6 平均粒径の異なる各種の磁性粉、無機化合物の
粉末及び結着樹脂を第1表に示した割合(体積
%)で配合し、これを充分に混練した。得られた
混練物を鉄心成形用金型に充填し、各種の圧力で
加圧成形して所定形状の成形体とした。この成形
体を加熱処理して結着樹脂を硬化し鉄心とした。 これら鉄心につき、密度、磁化力10000A/m
における磁束密度を測定し、更に、交流磁化に対
する鉄心の渦電流損から実効電気抵抗値を算出し
た。 以上の結果を一括して第1表に示した。
【表】
【表】 また、実施例1〜4の鉄心につき−40〜120℃
の温度における透磁率及び磁束密度の変化をそれ
ぞれ測定したところ、いずれもその変化率は10%
未満であつた。 また、実施例3の鉄心と従来のダストコアから
成る鉄心とにつき、各磁力化における磁束密度の
変化を表わす直流磁化曲線を求めそれを第2図に
示した。本発明の鉄心(曲線A)は従来のもの
(曲線B)に比べて磁束密度の高い優れたもので
あることが確認された。 実施例 7〜10 固有電気抵抗率(ρ)及び平均粒径(D)がそ
れぞれ異なる鉄粉又は鉄合金磁性粉84vol%、平
均粒径1μm以下のアルミナ粉末1vol%、エポキシ
樹脂15vol%を混練し、混練物を600MPaの圧力
で成形した後、得られた成形体に200℃、1時間
の加熱処理を施して鉄心とした。 これらの鉄心につき、1kHz〜500kHzの実効透
磁率を測定し、1kHzの実効透磁率を基準とした
比を求めた。その結果を、ρ/D2との関係とし
て第2表に示した。
〔発明の効果〕
以上の説明で明らかなように、本発明の鉄心
は、従来のフエライトコアの鉄心、ダスコアの鉄
心に比べてはるかに高い磁束密度を有し、また高
い実効電気抵抗値を有する。更に、積層鉄心と比
較しても、1〜500kHzの数端数帯域における実
効透磁率の変化は小さくその工業的価値は大であ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は直流を交流に変換する装置の電気回路
図の一例を示す図、第2図は本発明の鉄心(実施
例3)と従来のダストコアにおける直流磁化曲線
を示す図である。 1……半導体スイツチング素子、2……ターン
オンストレス緩和用リアクトル、3……マツチン
グ用変圧器、4……交流に対する負荷、5……直
流電源、A……本発明の鉄心の直流磁化曲線、B
……従来のダストコアの直線磁化曲線。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 平均粒径10〜100μmで、平均粒径をDμm、
    固有電気抵抗率をρμΩ−cmとしたとき、D、ρ
    を数値のみで示してρ/D2≧4×10-3の関係を
    満足する鉄粉、鉄合金磁性粉のいずれか又は両方
    と、 合量が、体積比にして1.5〜40%である、電気
    絶縁性結着樹脂及び平均粒径20μm以下の電気絶
    縁性無機化合物の粉末との成形体であることを特
    徴とする鉄心。
JP57226736A 1982-12-27 1982-12-27 鉄心 Granted JPS59119710A (ja)

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