JPH0740528B2 - 鉄心の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は鉄心の製造方法に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来から良く知られている鉄心の製造方法として例えば
特公昭47-22514号公報、特公昭47-22515号公報に記載さ
れているような、磁性粉と樹脂とを混合した後、圧縮成
形する方法がある。このような方法によれば高い飽和磁
束密度，高透磁率を有する等の優れた特性の鉄心を得る
ことができる。

一方、このような鉄心の用途としては例えば電力増幅器
用，磁気増幅器用等の各種リアクトル、変圧器用等の用
途が挙げられる。このような用途においては、かなりの
高周波の電流が流れる場合がある。例えばスイツチング
回路に用いられるリアクトルについてみると、数十Hz〜
200KHz程度のスイツチング周波数の電流や、さらに高調
波として例えば500KHz以上もの高周波の電流が流れる場
合がある。交流磁気特性における鉄損は、ヒステリシス
損と渦電流損との和で示され、周波数が高くなればなる
ほど周波数の２乗に比例して増大する渦電流損が支配的
になる。従つて高周波での使用を考慮した場合、この渦
電流損を小さく抑える必要が有り、この渦電流損を小さ
くすることにより鉄損を小さくすることができる。また
一般に鉄損増加率が大きい場合には、透磁率は周波数の
増加に伴ない低下する傾向があるが、高周波領域でも透
磁率の低下は小さいことが望まれる。

ここで前述の特公昭47-22514号公報等に示されたような
方法では、高透磁率，高飽和磁束密度等の効果を得るこ
とはできるものの、例えば10KHzを越えるような高周波
領域での低鉄損，高透磁率を得ることは困難であつた。
これは上記方法が磁性粉と樹脂を混合した後圧縮成形し
て製造していたため、磁性粉の表面を覆う高分子層の厚
さが不均一になり易く、磁性粉相互間を十分に電気的に
絶縁することができなかつたためと考えられる。またこ
のような絶縁を良好にするためには混合する樹脂の量を
多くすることが考えられるが、すると磁性粉の量が少な
くなり、又、磁性粉間の磁気抵抗が必要以上に大きくな
り、磁束密度の低下等、磁気特性が低下してしまう。

従つていかに効率良くかつ良好に磁性粉間を絶縁するか
が問題となつていた。

〔発明の目的〕

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、透磁率の
周波数特性に優れ、磁束密度の高い鉄心の製造方法を提
供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は金属磁性粉と高分子エマルジヨンとを接触させ
た後に乾燥し前記磁性粉表面に絶縁層を形成する第１の
工程と、前記磁性粉を圧縮成形する第２の工程とを具備
したことを特徴とする鉄心の製造方法である。

本発明者等が前記目的を達成するために鋭意研究を進め
た結果、磁性粉と高分子エマルジヨンとを接触させ、磁
性粉表面にポリマー粒子を付着せしめた後に乾燥し、ポ
リマー粒子をフイルム化することにより、効率良く良好
な絶縁層を形成することができることが見出された。こ
のような磁性粉を用い圧縮成形して得られた鉄心は磁束
密度が高く、鉄損が小さく、透磁率の周波数特性に優れ
たものとなる。

本発明で用いられる磁性粉としては、純鉄粉,Fe-Si合金
粉（Fe-3％Si合金粉など）,Fe-Al合金粉,Fe-Si-Al合金
粉,Fe-Ni合金粉,Fe-Co-合金粉,Fe基あるいはCo基非晶質
合金等が例示されるが、この他にも従来から鉄心材料と
して用いられているものであればいかなるものを使用し
てもよい。これらの磁性粉は単独で又は混合系で使用さ
れる。

上記した磁性粉の固有電気抵抗率は、高々10μΩ・cmか
ら数十μΩ・cm程度である。したがつて、表皮効果が生
じる高い周波数成分を含む交流電流で励磁する場合にお
いても充分に良好な特性を有する鉄心とするためには、
これらの磁性粉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。この
ため、数十KHz程度までの周波数成分を含む電流により
励磁され、その周波数帯域までの透磁率特性が要求され
る鉄心を得るためには、平均粒径が300μｍ以下の磁性
粉を用いることが好ましい。また100KHz以上の周波数成
分を含む電流により励磁され、その周波数帯域までの透
磁率特性が要求される鉄心を得るためには、平均粒径が
100μｍ以下の磁性粉を用いることが好ましい。一方平
均粒径が極めて小さくなると、通常の成形圧力（1000MP
a以下）を加えて圧縮成形しただけでは得られる鉄心の
密度が大きくならずに磁束密度の低下を招くことから、
磁性粉の平均粒径は10μｍ以上であることが好ましい。

第１の工程について説明する。

第１の工程ではまず磁性粉と高分子エマルジヨンとを接
触させる。この工程で用いられるエマルジヨンは、水あ
るいは水−アルコール、水−アセトンなどの分散媒中
に、微細な球形ポリマー粒子が分散したものである。こ
れらのポリマー粒子は、例えばエチレン，スチレン，ブ
タジエン，酢酸ビニル，アクリル酸エステル，およびそ
れらの誘導体のうち、いずれか１種のモノマーの重合
体、あるいはと２種以上のモノマーの共重合体である。
したがつて、これらのポリマー粒子の例としては、ポリ
エチレン，ポリスチレン，ポリブタジエン，ポリビニル
トルエン，ポリイソプレン，ポリクロロプレン，ポリ酢
酸ビニル，ポリアクリル酸エチル，スチレン−ブタジエ
ン共重合体，スチレン−メチルメタクリレート共重合体
などを挙げることができる。エマルジヨン中には以上の
ようなポリマー粒子の少なくとも１種類以上が分散して
いる。

また、これらのポリマー粒子の直径は一般にほぼ均一で
あるが、本発明に用いるエマルジヨン中では、最大の粒
子でも10μｍ以下であることが望ましい。その理由は、
これらのポリマー粒子がフイルム化し、金属磁性粉間の
絶縁層となつた場合に、その絶縁層の厚さが10μｍ以下
であることが望ましいことによる。この厚さを越えた絶
縁層は、金属磁性粉間の磁気抵抗を必要以上に増加さ
せ、結果として励磁力10000A/mの磁束密度がフエライト
と同等かそれ以下になつてしまう。

このような高分子エマルジヨンと磁性粉を接触させる方
法であるが、磁性粉表面にポリマー粒子が付着すれば良
く、例えば磁性粉を攪拌しているところへエマルジヨン
を滴下あるいはスプレーする方法、エマルジヨン中に金
属磁性粉を入れて攪拌したのち金属磁性粉をひき上げる
方法等が挙げられる。エマルジヨン中のポリマー粒子は
表面電荷密度が高く、磁性粉と接触させることで磁性粉
表面に１〜数層付着する。従つて後で乾燥することによ
り、薄くかつ均質な絶縁膜を形成することができる。な
おエマルジヨン中のポリマー粒子濃度は適宜数％〜数十
％に調整して用いれば良い。

エマルジヨンと磁性粉を接触させた後乾燥するが、この
乾燥により、エマルジヨンを構成していた溶媒の蒸発と
ともにポリマー粒子がフイルム化し、絶縁層を形成す
る。これは、例えば集合したポリマー粒子が粒子間隙に
残存する分散媒によつて生じた毛細管圧により変形し融
着するためと考えられる。

前記の乾燥は、大気中100℃以下の温度で放置するのが
最も容易な方法であるが、鉄心製造工程を短縮化するた
めにガス気流中や減圧化で行なつても良い。さらに、融
着したフイルム層と金属磁性粉との密着性を高めるため
に、乾燥後の金属磁性粉に200℃以下程度の熱処理を施
してもよい。この場合の熱処理時間は１時間以内で十分
である。

前述の磁性粉と高分子エマルジヨンの接触の際、磁性粉
に表面処理剤を添加しておくとポリマー粒子の付着をさ
らに分散性良く行なわせることができる。表面処理剤と
してはチタン系カツプリング剤，シラン系カツプリング
剤，アルミニウム系カツプリング剤のカツプリング剤が
挙げられる。他にもインジウム系，クロム系，ジルコニ
ウム系等のカツプリング剤等が挙げられる。なおこれら
の添加量は磁性粉の0.3〜5vol％で良い。

チタン系カツプリング剤は、加水分解され易い少なくと
も一つの基（Ｒ）と、加水分解されにくく親油性を示す
少なくとも一つの基（Ｘ）とが、チタン原子（Ti）に結
合して成るチタン化合物であり、 Rm-Ti-Xn （ｍ＋ｎ＝4,6、１≦ｍ≦４） の一般式で表わされる。加水分解され易い基Ｒとして
は、例えばモノアルコキシ基，オキシ酢酸の残基，エチ
レングリコールの残基等があり、Ｘは炭化水素等を有す
る１種あるいは数種の親油性の基である。チタン系カツ
プリング剤としては例えば、イソプロピルトリ（N-アミ
ノエチル‐アミノエチル）チタネート，イソプロピルト
リイソステアロイルチタネート,4-アミノベンゼンスル
ホニルドデシルベンゼンスルホニルエチレンチタネー
ト，テトラ（2,2ジアリルオキシメチル‐1-ブチル）ビ
ス（ジトリデシルホスフアイト）チタネート，テトラオ
クチルビス（ジトリデシルホスフアイト）チタネート，
ジクミフエニルオキシアセテートチタネート等が挙げら
れる。

またシラン系カツプリング剤は の一般式で示されるシラン化合物である。ROはアルコキ
シ基で、これは例えばメトキシ基，エトキシ基があり、
Ｘはエポキシ基，メタクリル基，アミノ基等を有する有
機官能基である。シラン系カツプリング剤としては例え
ば、γ‐アミノプロピルトリエトキシシラン，γ‐グリ
シドキシプロピルトリメトキシシラン，β‐（3,4-エポ
キシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン,N-β
（アミノエチル）‐γ‐アミノプロピルメチルジメトキ
シシラン等が挙げられる。

以上説明した第１の工程で得られた絶縁層を有する磁性
体を用い、本発明第２の工程では圧縮成形により所望の
形状の鉄心を製造する。すなわち、成形用金型に磁性粉
を充填して、1000MPa以下程度の工業的に容易な圧力で
圧縮成形すれば良い。

得られた鉄心には、必要に応じて300℃以下程度の熱処
理を施してもよい。この熱処理を施すと絶縁層が隣接す
る他の磁性粉表面の絶縁層と一体化し、鉄心全体の機械
的強度を向上させることができる。

以上のようにして得られた鉄心は、磁性体が数μｍ以下
程度の薄い絶縁体層で均一に覆われている。従つて磁性
粉間の十分な絶縁性を少量の絶縁物で確保することがで
きる。よつて鉄心の密度が高く、高い磁束密度を維持す
ることができ、かつ磁性粉粒子間の電気絶縁性が高いた
め、鉄心全体の交流磁化に対する渦電流損が極めて少な
くなり、ひいては鉄損も少なくなる。このため、該鉄心
にあつては、高周波帯域で使用しても鉄損が少ないため
発熱等の問題はさほどなく、また、実効透磁率の低下が
小さい。

また、本発明製造方法では、金属磁性粉表面に高分子層
を設けるのに通常必要とされる樹脂の混練等のための特
別な装置を必要としない。

更に、圧縮成形工程においては、磁性体の表面は柔軟な
高分子層で覆われているため、表面に凹凸があり硬度の
高い磁性粉相互間の摩擦が緩和され、成形体充填率が向
上するとともに、圧縮成形後の型からの抜き圧が減少す
るという利点もある。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、少量の絶縁物で良
好に磁性粉間の絶縁が確保されるため、磁束密度が高
く、鉄損が小さく、透磁率の周波数特性に優れた鉄心を
得ることができる。特に数十KHz以上の高周波域での使
用に適した鉄心を製造するのに好適である。

〔発明の実施例〕

本発明の実施例を以下に説明する。

（実施例１） 磁性粉として平均粒径54μｍのFe-1％Si合金粉100gを攪
拌しながら、その中へ平均直径0.2μｍのポリスチレン
粒子含有量10重量％の水を溶媒とする高分子エマルジヨ
ン0.25ccを滴下した。この合金粉を室温で24時間放置し
て乾燥し、その後大気中180℃で0.5時間加熱した。合金
粉表面を走査型電子顕微鏡（SEM）で観察したところ、
合金粉表面はほぼ全面にわたつて多孔質フイルム状の高
分子に覆われていることが確認された。

この合金粉のうち20gを成形用金型に充填し、600MPaの
圧力で圧縮成形し、鉄心とした。このとき、金型からの
抜き圧は1000kgと測定された。

（実施例２） 磁性粉として平均粒径54μｍのFe-1％Si合金粉100gに対
してチタン系カツプリング剤（イソプロピルトリス（ジ
オクチルパイロホスフエート チタネート）を１体積％
添加し、十分攪拌した。次に直径0.2μｍのポリスチレ
ン粒子含有量10重量％の水を溶媒とする高分子エマルジ
ヨン0.25ccを滴下し、十分攪拌した。この合金粉を室温
で24時間放置して乾燥した後、大気中180℃で0.5時間加
熱した。

得られた合金粉のうち、20gを成形用金型に充填し、600
MPaの圧力で圧縮成形し、鉄心とした。

（実施例３） 磁性粉として平均粒径250μｍのFe-3％Al合金粉100gを
最大粒径５μｍのスチレンブタジエン共重合体の粒子５
重量％含有の水−アルコール溶媒の高分子エマルジヨン
中に入れて攪拌した後、合金粉をひき上げた。この合金
粉を50℃で６時間乾燥した。得られた合金粉を成形用金
型に充填し、600MPaの圧力で圧縮成形し、鉄心とした。

（実施例４） 最大粒径12μｍのスチレンブタジエン共重合体粒子５重
量％含有の水−アルコール溶媒の高分子エマルジヨンを
使用した他は、実施例３と同様にして鉄心を作成した。

（比較例1,2） 平均粒径54μｍのFe-1％Si合金粉およびFe-3％Al合金粉
をそれぞれ実施例と同様の成形用金型に充填し、600MPa
の圧力で圧縮成形することにより鉄心を得た。それぞれ
を比較例1,比較例２とする。比較例１の圧縮成形の際の
金型からの抜き圧は、実施例１の圧縮成形と全く同様の
条件でありながら、2500kgと高い値であつた。

（比較例３） 平均粒径54μｍのFe-1％Si合金粉に150メツシユパスの
粉体樹脂（ポリアミド樹脂）を15体積％混合し、これを
比較例1,2と同様にして圧縮成形し鉄心とした。

特性の測定 上記の実施例および比較例で得られた鉄心の100KHzから
1MHzの高周波帯域における初透磁率特性を測定した。ま
た、励磁力10000A/mに対する磁束密度を測定した。さら
に、100KHz0.05Tにおける実効透磁率と鉄損をＵ関数計
を用いて測定した。

第１図に100KHzでの初透磁率を100％としたときの各周
波数での比透磁率の比を図示したが、図中の曲線Ａは実
施例2,曲線Ｂは比較例1,曲線Ｃは比較例３の変化を示し
ている。本発明の鉄心の初透磁率の低下は、比較例と比
べて非常に小さく、測定範囲内においてはほとんど変化
がなかつた。また、実施例1,3および４の鉄心は実施例
２には劣るものの、いずれも初透磁率の低下は小さかつ
た。しかし、比較例２の鉄心は比較例１よりもさらに低
下が大きかつた。

本発明実施例1,2の鉄心は、励磁力10000A/mに対して0.9
T以上、また実施例３の鉄心でも0.6T以上あり、フエラ
イトに比べて高磁束密度を有しており、実施例４の鉄心
では0.4Tであり、フエライトと同等であつた。すなわち
いずれもフエライトと同等以上の高磁束密度を有してい
た。

また、第１表には、Ｕ関数計で測定した鉄心の100KHz、
0.05Tでの特性を示したが、本発明実施例の優位さが明
らかである。

以上のように本発明実施例の鉄心は、高磁束密度を有し
ていながら、しかも高周波帯域においても透磁率低下が
非常に小さい。これは本発明実施例の鉄心中の金属磁性
粉間の絶縁が良好であり、鉄損が小さく抑えられている
ことによる。

さらに実施例１の鉄心と同様にして板状試験片を圧縮成
形して作成した。試験片のうち１本はそのままでまた１
本は200℃で１時間加熱した後に曲げ試験を行なつたと
ころ、加熱した試験片の方が伸びが1.5倍以上も増加し
ていた。このように圧縮成形後熱処理を加えることによ
り、機械的強度が向上する。

以上のごとく本発明による鉄心は磁気特性、特に高周波
域での磁気特性に優れ、工業上非常に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は透磁率の周波数特性図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森田 幹郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭49−4197（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−130103（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−1816（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ポリマー粒子の粒径が10μｍ以下である高
   分子エマルジョンと金属磁性粉とを接触させた後に乾燥
   し前記磁性粉表面に絶縁層を形成する第１の工程と、前
   記磁性粉を圧縮成形する第２の工程とを具備したことを
   特徴とする鉄心の製造方法。
2. 【請求項２】前記高分子エマルジョン中のポリマー粒子
   は、エチレン，スチレン，ブタジエン，酢酸ビニル，ア
   クリル酸エステル及びこれらの誘導体の重合体または共
   重合体であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の鉄心の製造方法。
3. 【請求項３】前記金属磁性粉の平均粒径が300μｍ以下
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の鉄
   心の製造方法。
4. 【請求項４】前記第１の工程で用いる前記磁性粉にはカ
   ップリング剤が添加されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の鉄心の製造方法。