JPH0817615A

JPH0817615A - 応力付加磁心

Info

Publication number: JPH0817615A
Application number: JP6151099A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tsuge; 植弘志柘; Toshio Mukai; 井俊夫向
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-07-01
Filing date: 1994-07-01
Publication date: 1996-01-19

Abstract

(57)【要約】【目的】スイッチング電源等のインダクタ素子用の磁
心において、直流磁界重畳下における高周波励磁の透磁
率を目的に応じて変えられることが可能な磁心を提供す
る。【構成】ゴス方位を持つ方向性Ｆｅ−Ｓｉ合金箔から
なる磁心で、箔に弾性変形範囲の圧縮応力が加えられて
いることを特徴とする磁心。【効果】従来、直流重畳特性は磁心のギャップにより
付与されてきた、本発明によれば、直流磁界重畳時の透
磁率の大きさを応力の大きさで変えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スイッチング電源、無
停電電源など高周波で使用する電気機器のインダクタま
たはチョークコイルの直流重畳特性に優れた磁心に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】インダクタ素子は、スイッチング電源に
おいて、平滑チョークコイルとして２次側での電流の平
滑化のために使われる。また、ノイズフィルターとして
半導体スイッチに起因する高周波のノイズを取り除くた
めに使われている。インダクタ素子は、トロイダルやＥ
Ｉといった形状の磁心に巻き線を施して形成される。ト
ロイダル形状の場合には、磁心としての物性値である透
磁率μ（真空の透磁率に対する比透磁率）と、インダク
タ素子の特性値であるインダクタンス値Ｌとの間には、
Ｌ＝μ₀μＡｎ²／１という関係がある。ここで、μ₀
は真空の透磁率、Ａは磁心の断面積、ｎは巻き線の回
数、ｌは磁路長である。透磁率が高ければ、巻き線の回
数、もしくは磁心の断面積が減らすことができるので、
インダクタ素子の小型化が可能になる。

【０００３】インダクタ素子の巻き線には、直流電流に
高周波電流が重ね合わされた電流が入力される。従っ
て、磁心は直流磁界のバイアスがかかった状態で小振幅
の高周波磁界を受ける。インダクタ素子をより高い直流
電流で使用するには、その電流により発生する直流磁場
で磁心の磁気特性が飽和しないことが必要である。すな
わち、直流磁界に対して磁心材料の磁束密度が一定の割
合で増加し続けると言う、磁心の不飽和特性が要求され
る。

【０００４】磁心に不飽和特性を与える手法としては、
コアの間にギャップを設けて反磁界を作用させる方法が
一般的である。しかし、この手法ではカットコアの作成
やギャップの調整等、加工工程が長くなるという問題が
あるばかりでなく、スイッチング電源に要求される小型
のコアを製造するには適当でない。また、ギャップの形
成によりコアの鉄損が大きくなるという問題もある。

【０００５】磁心にギャップを設けずに不飽和特性を得
るものに、ダストコアとアモルファスコアがある。ダス
トコアは、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金等の金属粉末を圧粉成
形したもので、粉末粒子の反磁界により不飽和特性を得
ている（特公昭６２−２１０４１号公報参照）。しか
し、得られる透磁率の値が低いことや、透磁率の値を制
御できないという問題がある。一方、アモルファスコア
は、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂの組成を基本とするものであり、部
分的な結晶化により磁心の不飽和特性を引き出している
（特開平５−２５５８２０号公報参照）。しかし、結晶
化により箔が脆くなり、コアの製造が難しいという問題
がある。

【０００６】高い透磁率を広い重畳直流磁界範囲にわた
って得るためには、飽和磁束密度が高いことが必要であ
る。Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系のアモルファスコアの飽和磁束密
度は１５ｋＧであり、Ｆｅ−３％Ｓｉ合金のそれは２０
ｋＧであるので、原理的にＦｅ−Ｓｉ磁心の方がよい直
流重畳特性が得られる。

【０００７】本発明者等は、ゴス方位のＦｅ−Ｓｉ合金
箔を巻くことにより、直流重畳特性のよいインダクタ素
子が得られることを特許出願として既に提案した。しか
しながら、既出願の発明においては、応力の範囲に関す
る規定が無く、特に弾性変形範囲の応力により高い直流
重畳特性が得られることについての言及はなされなかっ
た。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】インダクタ素子用の磁
心は、直流磁界が重畳された状態で使われる。そこで、
本発明は、スイッチング電源で通常利用される２〜３ｋ
Ａ／ｍの直流磁界重畳時の透磁率が高い磁心を提供する
ことを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、下記の事項を
その特徴としている。結晶粒の板面方位が（１１０）、圧延方向が〔００
１〕であるＦｅ−Ｓｉ合金箔で構成される磁心であっ
て、圧延方向へ弾性変形の範囲内の圧縮応力が加えられ
ている応力付加磁心。前記Ｆｅ−Ｓｉ合金箔の表面における圧縮応力が、
１０ｋｇ／ｍｍ²以上、４０ｋｇ／ｍｍ²未満であり、
その圧縮応力が箔を曲げることによって生じている前記
の応力付加磁心。

【００１０】以下に、本発明を詳細に説明する。直流磁
界重畳時に一定の大きさの透磁率を得るためには、磁心
に不飽和特性を付与しなければならない。本発明者等
は、その手段として、磁性体のもつ重要な性質の一つで
ある磁歪を利用する方法に着目した。方向性けい素鋼板
のゴス方位は、圧延面が（１１０）で、圧延方向が〔０
０１〕である。圧延方向の〔００１〕方向は磁化容易軸
であり、その方向の磁束密度は、応力にきわめて敏感で
ある。

【００１１】〔００１〕方向に応力σが施されると、
〔００１〕方向の磁歪定数をλ₁₀₀として、磁気弾性効
果によりＥｍ＝−３／２λ₁₀₀σのエネルギーの変化が
起こる。けい素鋼板の〔００１〕方向への磁歪定数λ
₁₀₀は正であるので、圧縮応力（σ＜０）を加えること
により、Ｅｍ＞０となり、圧延方向に垂直な面内の方向
が磁化容易方向となる。すなわち、圧延方向は磁化困難
方向となり、磁心の不飽和特性を得ることができる。

【００１２】本発明は、この磁気弾性効果を利用し、弾
性変形範囲内の圧縮応力を変えることにより不飽和特性
を引き出した。また、本発明では、箔に圧縮応力を加え
る手段として、具体的には箔の曲げを利用した。箔をト
ロイダルの形状に巻くことにより、容易に一定の圧縮応
力のかかった磁心を作製できる。厚さｔの平らな箔をｄ
／２の曲率をつけて曲げた場合、箔の外側表面ではσ＝
Ｅ（ｔ／ｄ）の引張応力がかかり（Ｅはヤング率）、箔
の内側表面では同じ大きさの圧縮応力がかかる。

【００１３】箔を曲げたときの応力分布と、圧縮、引張
応力のかかった部分に対応するＢ−Ｈ曲線の変化を、図
１に示す。中心線より内側の圧縮応力のかけられた部分
では、磁化容易軸が圧延方向と垂直な方向となり、図１
（ｂ）に示すように、圧延方向への磁界の印加に対して
磁束密度は一定の傾きを持って増加するという不飽和特
性を示す。一方、中心線より外側の引張応力がかけられ
た部分では、圧延方向が磁化容易軸となる。この部分
は、図１（ｃ）に示すように、圧延方向への磁界の印加
に対して容易に磁束密度が飽和するという、初透磁率が
高い特性を示す。但し、本発明に用いる方向性Ｆｅ−Ｓ
ｉ合金箔の磁化容易方向は、引張応力をかけなくても
〔００１〕方向を向いており、本発明において引張応力
は重要ではない。

【００１４】曲げた箔の実際のＢ−Ｈ曲線は、図１
（ｂ）と（ｃ）のＢ−Ｈ曲線重ね合わせたものとなる。
従って、図２に示すように直流磁界重畳時の透磁率は、
零近傍の小さい磁界では非常に大きな値を示し、それよ
り高い直流磁界のある一定範囲においては一定の透磁率
を示すことになる。本発明では、磁心の直流重畳特性
を、直流磁界に対して透磁率が一定となる部分の透磁率
μ_pと、透磁率が一定の部分が終わる磁界Ｈ_aで評価す
る。Ｈ_aは、透磁率がμ_pの８０％になる値とした。こ
こで、引張応力部からくる高い初透磁率μ_iはスウィン
グ特性と呼ばれ、スイッチング電源用のコアに要求され
る特性の一つである。

【００１５】本発明者等は、弾性応力範囲の圧縮応力を
付加することにより重畳直流磁界のもとで、一定の高い
透磁率を持つ磁心を製造できることを見出して、本発明
を完成するに至った。

【００１６】以下、本発明の詳細を具体例を以って述べ
る。本発明に用いるＦｅ−Ｓｉ合金箔のＳｉ含有量は、
重量百分率で１〜６％が望ましい。なぜなら、高周波に
おいては鉄損のほとんどは過電流損失からなっており、
Ｓｉ含有量を増して電気抵抗を高めるほど鉄損が下がる
からである。逆に、Ｓｉ含有量が１％未満では電気抵抗
が低いために鉄損が大きく実用に供することができな
い。また、本発明では、直流重畳特性を引き出すために
磁歪の効果を利用しており、Ｓｉ含有量はＦｅ−Ｓｉ合
金箔で正の磁歪定数が得られる６％以下が望ましい。

【００１７】合金箔の厚さは、１０〜２０μｍが望まし
い。なぜならば、１０μｍ未満の箔は圧延によって作り
難く、２００μｍ超の箔では鉄損が大きく実用に供する
ことができないからである。

【００１８】ゴス方位を持ったＦｅ−Ｓｉ合金の方向性
電磁鋼板（厚さ：０．１５〜０．４ｍｍ）に再圧延を施
し、適切な条件で焼鈍を行うと、一次再結晶により微細
結晶粒からなるゴス方位に戻ることが知られている（和
田他、日本金属学会誌４０．１１５８（１９７６））。
この現象を利用することにより所望のゴス方向のＦｅ−
Ｓｉ合金箔を得ることができる。

【００１９】最適のゴス方位を持った箔を得るために
は、圧延率は５０％以上が好ましく、再結晶のための熱
処理温度は７００℃以上、１２００℃以下が好ましい。
特に鉄損を下げる必要がある時には、熱処理温度を８０
０〜９００℃に設定して結晶粒径を２０〜１００μｍに
調整するのが効果的である。熱処理雰囲気は、酸化しな
い条件であれば良く、アルゴン、窒素、水素またはそれ
らの二つ以上のガスの混合雰囲気を用いることができ
る。

【００２０】Ｆｅ−Ｓｉ合金箔は熱処理前にスリッター
等により圧延方向に沿って切断し、所定の幅の帯状箔と
してもよく、熱処理後に切断しても良い。次に、このゴ
ス方位の箔を環状に巻きトロイダルコアとする。箔を巻
きコアとするときには、層間の電気的導通をさけるため
に絶縁が必要である。絶縁処理はＡｌ_２Ｏ_３等の酸化物
を再結晶熱処理前に箔表面に塗布しても良く、また、熱
処理後に塗布しても良い。より簡単には、絶縁被膜とし
てシリケート系の樹脂を熱処理後にコーティングしても
良い。

【００２１】次に、箔の応力制御方法について説明す
る。本発明では、箔を巻くときに生じる曲げ応力の圧縮
応力成分に着目している。巻きコアにおいて歪みを制御
するためには、巻く前の歪みのない箔に曲率を持たせる
と、制御の範囲が広がる。具体的には、平均直径ｄ_iの
状態で再結晶熱処理を行い、曲率ｄ_i／２の状態で歪み
のない箔を用意する。ここで、再結晶熱処理の終わった
箔を平均直径ｄ_iの径に巻き、再度歪み取りのための熱
処理を行っても良い。

【００２２】平均直径ｄ_iの箔を、平均直径ｄ_fのトロ
イダルコアに巻直すと、箔の表面には、σ＝Ｅｔ（１／
ｄ_f±１／ｄ_i）の応力を与えることができる。ただ
し、平均直径ｄ_fのトロイダルコアにする際に、同方向
に巻直す場合にはマイナスの符号を、反対方向に巻き直
す場合にはプラスの符号をとる。ｄ_fはトロイダル磁心
のサイズで５〜５０ｍｍのものが多く、ｄ_iは要求の特
性に応じて５〜２００ｍｍの範囲で変化させるのが効果
的である。

【００２３】本発明者等は、種々の巻きコアで評価した
結果、箔の表面における圧縮応力が材料の弾性変形の範
囲内にあるときには透磁率μ_pとＨ_aは、圧縮応力σと
比例関係にあることを見出した。Ｆｅ−３％Ｓｉ合金箔
については、実施例で後述するように以下のような実験
式を得ている。 μ_p＝−４．４σ＋２５０（σ：ｋｇ／ｍｍ²）Ｈ_a＝０．１４σ＋０．５（Ｈ_a：ｋＡ／ｍ）

【００２４】ここで、圧縮応力が１０ｋｇ／ｍｍ²未満
の時には応力が不十分で重畳磁界に対して透磁率が一定
となる領域が得られず、４０ｋｇ／ｍｍ²以上では塑性
変形の領域となりμ_pが圧縮応力に依存しない。従っ
て、σ＝１０〜４０ｋｇ／ｍｍ²の範囲で応力を変化さ
せることが、直流重畳特性を制御するのに効果的であ
る。

【００２５】

【実施例】以下に、本発明を実施例に基づいてさらに説
明する。実施例１Ｆｅ−３％Ｓｉのゴス方位を持った厚さ１６０μｍの方
向性電磁鋼板に冷間圧延を施して、厚さ５０μｍの箔を
得た。次に、箔の圧延方向が長手方向となるように切断
し、長さ約１ｍ、幅５ｍｍのリボン状の箔を作成した。
窒素中で８５０℃で１０分間の熱処理を施し、平均結晶
粒径５０μｍの微細結晶粒からなるゴス方位のＦｅ−Ｓ
ｉ合金箔を得た。熱処理は、平均直径８０ｍｍ、２０ｍ
ｍ、１４ｍｍに巻いた状態で行った。絶縁のために箔の
表面にシリケート系の樹脂をコーティングして、外径５
０ｍｍ（肉厚２ｍｍ）のトロイダルコアとした。箔の巻
き直しの操作により、箔表面には圧縮・引張応力がそれ
ぞれ５ｋｇ／ｍｍ²、２０ｋｇ／ｍｍ²、３５ｋｇ／ｍ
ｍ²付加される。巻きコアに絶縁被覆された０．５ｍｍ
の銅線を巻いてインダクタ素子とした。

【００２６】ＬＣＲメーターにより直流電流重畳時の高
周波励磁（周波数５０ｋＨｚ）におけるインダクタンス
を測定し、その値から透磁率μを算出した。直流電流値
から求まる直流磁界に対して透磁率μをプロットした結
果を、図３に示す。

【００２７】図３から分かるように、応力が５ｋｇ／ｍ
ｍ²と小さい素子の場合には重畳直流磁界に対して透磁
率が一定となる部分がない。一方、応力が２０ｋｇ／ｍ
ｍ²及び３５ｋｇ／ｍｍ²であるコアでは、重畳直流磁
界が１ｋＡ／ｍから３ｋＡ／ｍの範囲に渡って透磁率が
一定の部分が存在し、その値は応力の値が大きいほど小
さい。

【００２８】実施例２Ｆｅ−３％Ｓｉのゴス方位を持った厚さ１６０μｍの一
方向性電磁鋼板に冷間圧延を施して、厚さ５０μｍ、７
０μｍの箔を得た。次に、箔の圧延方向が長手方向とな
るように切断し、長さ約１ｍ、幅５ｍｍのリボン状の箔
を作成した。熱処理により、平均結晶粒径５０μｍの微
細結晶粒からなるゴス方位のＦｅ−Ｓｉ合金箔を得、実
施例１と同様の手法で、様々な応力状態にあるトロイダ
ルコアを作成した。

【００２９】実施例１と同様に、直流重畳特性をＬＣＲ
メーターにより測定した。コアを形成している箔表面で
の応力σに対して、重畳直流磁界に対して透磁率が一定
となる部分の透磁率μ_pの値と、透磁率が一定の部分が
終わる磁界Ｈ_aの値をプロットしたものを、図４に示
す。

【００３０】応力σは、σ＝Ｅε（Ｅ＝１．２７×１０
⁴ｋｇ／ｍｍ²）の関係から換算したものである。図４
から、応力が大きくなるにつれて透磁率μ_pは小さくな
り、磁界Ｈ_aは大きくなることがわかる。さらに、弾性
変形の範囲（０≦σ＜４０ｋｇ／ｍｍ²）で応力と
μ_p、Ｈ_aの関係は、箔の厚みに依存せずに同一線上に
乗ることがわかる。

【００３１】

【発明の効果】従来、Ｆｅ−Ｓｉ合金箔において、直流
重畳特性を制御する方法としては、コアにギャップを設
けてそのギャップを制御することにより行っていた。本
発明によれば、応力を加えることにより、直流重畳特性
を得られるので、ギャップを設ける必要がない。ギャッ
プが無いことにより、製造工程が簡略化され、低コスト
で磁心を提供することができる。また、最終的なインダ
クタ素子の磁心の径や、磁心を形成する箔の厚みによら
ずに応力を制御することができるために任意の径の直流
重畳特性を持つ磁心の製造が可能となる。このことによ
りスイッチング電源の高効率化、小型化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】曲げ応力の印加によるＢ−Ｈ曲線の変化の説明
図である。

【図２】重畳直流磁界に対する透磁率を示すもので、直
流重畳特性を評価する指標となるμ_pとＨ_aの説明図で
ある。

【図３】厚さ５０μｍの方向性Ｆｅ−Ｓｉ合金箔を巻い
て、箔表面での応力が５、２０、３５ｋｇ／ｍｍ²であ
るようなトロイダル磁心としたときの、透磁率の直流重
畳特性を示す図である。

【図４】方向性Ｆｅ−Ｓｉ合金箔磁心のμ_pとＨ_aの箔
表面での圧縮応力依存性を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶粒の板面方位が（１１０）、圧延方向
が〔００１〕であるＦｅ−Ｓｉ合金箔で構成される磁心
であって、圧延方向へ弾性変形の範囲内の圧縮応力が加
えられていることを特徴とする応力付加磁心。
【請求項２】前記Ｆｅ−Ｓｉ合金箔の表面における圧縮
応力が、１０ｋｇ／ｍｍ²以上、４０ｋｇ／ｍｍ²未満
であり、その圧縮応力が箔を曲げることによって生じて
いることを特徴とする請求項１に記載の応力付加磁心。