JPH0845750A

JPH0845750A - Ｆｅ−Ａｌ系応力付加磁芯

Info

Publication number: JPH0845750A
Application number: JP6174307A
Authority: JP
Inventors: Toshio Mukai; 井俊夫向; Hiroshi Tsuge; 植弘志柘
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-07-26
Filing date: 1994-07-26
Publication date: 1996-02-16

Abstract

(57)【要約】【目的】スイッチング電源等のインダクタ用の磁心に
おいて、高周波励磁の透磁率が広い範囲の直流重畳磁界
にわたって高い値を示す磁心を提供する。【構成】重量百分率で、５％以上、１０％以下のＡｌ
を含有するＦｅ−Ａｌ合金箔を巻いて形成した磁心であ
って、箔の表面において磁心の周方向へ０．０５％以上
の曲げ歪みが加えられていることを特徴とする応力付加
磁心。【効果】従来、直流重畳特性は磁心にギャップを設け
ることにより付与されてきた。本発明に例えば、ギャッ
プなしで６ｋＡ／ｍに及ぶ重畳直流磁界まで高い透磁率
を有する磁心を提供することができる。

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チョークコイ
ル又はトランスに用いる磁芯に関するものである。

【従来の技術】チョークコイル又はトランスに用いる磁
芯（コア）としては、高周波で高い透磁率が要求される
のみならず、各種の使用条件で磁気飽和しないことが必
要とされる。特に、スイッチング電源の電流平滑化の目
的に使われるチョークコイルは、直流磁界のバイアスが
かかった状態で高周波励磁されるので、それに用いる磁
芯には種々の磁気飽和を避ける工夫がなされている。

【０００２】磁気飽和を避けるための最も一般的な方法
は、コアの一部にギャップを設ける方法であり、これは
ソフトフェライトコア、Ｆｅ−Ｓｉ箔コア、アモルファ
スコア等広範囲に応用されている。ギャップ無しのコア
としては、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金等の磁性粉末を圧粉成
形して得られるダストコアがある（特公昭６２−２１０
４１号公報参照）。孤立した粉末粒子を磁化すると、磁
化と反対方向に反磁界が生じるので磁気飽和しにくくな
る。

【０００３】コアの一部にギャップを設ける方法は、ギ
ャップの幅を変えることにより磁芯の飽和電流を決める
ことができるので、部品の設計が容易である。しかし、
この方法はギャップの形成により磁芯損失が大きくなる
こと、またギャップの加工がコスト高を招くこと、の問
題点が指摘されている。

【０００４】一方、ギャップ無しのコアとしては前述の
ようにダストコアがあるが、透磁率が小さいこと、高磁
界においては磁気飽和すること、の問題点がある。ギャ
ップ無しのアモルファスコアとして、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂの
組成を基本とし、部分的な結晶化を施して磁気飽和を回
避したものがある（特開平５−２５５８２０号公報参
照）。アモルファスコアにおいても、高磁界下では磁気
飽和の問題が生じている。本発明者は先に、ゴス方位の
Ｆｅ−Ｓｉ合金箔に圧縮応力を加えることにより磁気弾
性効果で磁気飽和を避ける手段を提示した（特願平６−
１２２９）。

【０００５】本発明は、Ｆｅ−Ｓｉ合金よりも磁歪の大
きいＦｅ−Ａｌ合金に着目し、その合金箔に応力を付加
したコアを提案することにより、上記の問題点を解決す
るものである。Ｆｅ−Ａｌ合金は、１０ｗｔ％近傍で純
Ｆｅの５倍に及ぶ非常に高い磁歪を示す材料である
（Ｒ．Ｃ．Ｈａｌｌ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３
０，８１６（１９５９））。Ｆｅ−１６％Ａｌ近傍では
磁歪が小さくなるので、通常のソフト材料として開発さ
れたことがある（Ｊ．Ｆ．ＮａｃｈｍａｎａｎｄＷ．
Ｊ．Ｂｕｅｈｌｅｒ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２
５，３０７（１９５４））。従来の研究においては、磁
歪を積極的に利用して磁芯材料としたものはない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、直流磁界重
畳時の高周波励磁で高い透磁率を示す磁芯を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、重量百分率
で、５％以上、１０％以下のＡｌを含有するＦｅ−Ａｌ
合金箔を巻いて形成した磁芯であって、箔の表面におい
て磁芯の周方向へ０．０５％以上の曲げ歪みが加えられ
ていることを特徴とするＦｅ−Ａｌ系応力付加磁芯であ
る。ここで、より好ましい付加応力は弾性範囲にあるも
ので、０．１％以上、０．３％以下の弾性歪みが加えら
れている箔の体積が全磁芯の５０％以上を占める時に高
透磁率の磁芯が得られる。

【０００８】以下に、本発明を詳細に説明する。本発明
の磁芯は、導体の巻き線を施して、電子回路におけるイ
ンダクタンスを与える素子（インダクタ）として使われ
る。トロイダル形状のインダクタの場合には、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）とインダクタンス値Ｌとの間にはＬ＝μ₀μＡｎ
²／１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。磁心の透磁率が高ければ、巻き線の回数、もし
くは磁心の断面積が減らせ、インダクタの小型化が可能
になる。

【０００９】インダクタがスイッチング電源のチョーク
コイルとして使われる場合には、巻き線には直流電流と
それにバイアスされた小振幅の高周波電流が流れる。し
たがって、磁心の透磁率としては直流磁界重畳時の高周
波励磁の透磁率が高いことが要求される。このような磁
心には、直流磁界の印加によって磁気飽和しない性質
（不飽和特性）が要求される。

【００１０】磁心に不飽和特性を与える手段として、本
発明者は磁性体のもつ重要な性質の一つである磁歪を利
用した。Ａｌ含有量が５〜１０％のＦｅ−Ｓｉ合金の磁
歪定数は、λ₁₀₀が正で純Ｆｅの３〜５倍の大きさであ
り、λ₁₁₁は小さいので無視できる。そのため、結晶の
あらゆる方向で磁歪は、大きな正の値を示す。磁歪が正
の材料は、引っ張り応力を加えるとその方向は磁化がよ
り容易になり、逆に圧縮応力を加えるとその方向は磁化
困難方向になる。

【００１１】箔を曲げると、箔断面の中心線から内側は
圧縮応力がかかり、箔の外側は引っ張り応力が働く。本
発明者らは、箔を巻きコアにする時に導入される曲げ応
力に着目し、磁心の不飽和特性の発現を試みた。その結
果、箔表面において０．０５％以上の曲げ歪みを生じせ
しめるような応力を加えると、実用上十分な不飽和特性
が得られることを見い出したのである。

【００１２】Ｆｅ−８％Ａｌ合金箔の曲げ歪みが０．１
〜０．３％においては、６ｋＡ／ｍに及ぶ高磁界重畳時
においても透磁率μとして６０を越す値が得られてい
る。この透磁率の値は、通常のＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金
（センダスト）又はＮｉ−Ｆｅ合金（パーマロイ）のダ
ストコアの透磁率の約２倍である。また、上記Ｆｅ−Ａ
ｌ合金の特性は、同種のＦｅ−Ｓｉ合金では得ることが
できない。なぜならば、Ｆｅ−Ｓｉ合金ではＳｉ含有量
が３％を越えると磁歪が小さくなり、６．５％近傍では
磁歪がゼロになるからである。

【００１３】以下、本発明の詳細を具体例を以て述べ
る。本発明のＦｅ−Ａｌ合金箔のＡｌ含有量は、重量百
分率で、５％以上、１０％以下に限定する。Ａｌ含有量
が５％未満では磁歪定数が小さすぎるばかりでなく、電
気抵抗が小さく磁心損失が大きくなる。一方、１０％を
越えると合金が脆くなり冷間圧延が困難になる。

【００１４】Ｆｅ−Ｓｉ合金の場合、Ｓｉの含有量が４
％を越えると極度に冷間圧延が困難になるのに対し、Ｆ
ｅ−Ａｌ合金はＦｅ−１０％Ａｌまで冷間圧延ができ
る。ＳｉとＡｌの添加はほぼ同等に電気抵抗の増加に寄
与するので、高周波の渦電流損失の小さいコアを実現す
るにはＦｅ−Ａｌ合金の方が有利である。

【００１５】本発明の合金箔は、通常の溶解、鋳造、熱
間圧延、冷間圧延の一連の工程を経て製造される。合金
箔の厚さは、１０μｍ未満では圧延によっては作り難
く、２００μｍ超では磁心損失が大きく実用に供するこ
とができないので、１０〜２００μｍが望ましい。

【００１６】合金箔には再結晶、もしくは歪取りのため
の熱処理を施す。冷間圧延後の再結晶のための熱処理
は、７００℃以上、１２００℃以下の温度で行うのが好
ましい。熱処理雰囲気は、過度に酸化しない条件であれ
ば良く、アルゴン、窒素、水素又はこれら二種以上のガ
スの混合雰囲気を用いることができる。Ａｌは非常に酸
化されやすいので、通常の圧延箔では表面に堅固なＡｌ
₂Ｏ₃の酸化被膜が形成している。これは通常の熱処理
雰囲気では除去されず、熱処理後も酸化被膜が残ってい
る。

【００１７】次に、得られたゴス方位の箔は環状に巻き
つけられ、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避けるために絶縁が必要
である。しかし、Ｆｅ−Ａｌ合金箔の場合には、上記の
ように合金箔表面にすでに絶縁性のＡｌ₂Ｏ₃被膜が形
成されているのでその必要がない。通常のＦｅ−Ｓｉ合
金箔は、別工程の絶縁処理が必要であるのと比較すると
コアの作成が簡単である。

【００１８】本発明では、合金箔に曲げ歪みを与える。
曲げ歪みは、箔の内側表面における圧縮応力（又は外側
表面における同じ大きさの引っ張り応力）に対応する歪
み量で規定することができる。歪み量が０．０５％未満
では十分な磁心の不飽和特性を発現させることができ
ず、直流磁場重畳時の透磁率が低い。また、歪みが高す
ぎると、透磁率が低下するばかりか磁心損失が大きくな
るという問題がある。

【００１９】本発明における最適の歪みの範囲は、弾性
変形範囲にある０．１％以上、０．３％以下である。実
際のトロイダル磁心の場合には厚みがある程度有り、内
径と外径がかなり異なる。したがって、その場合には磁
心の部位によって付加歪みが異なることは避けられな
い。そのような場合にも、体積百分率で、磁心を構成す
る箔の５０％以上の箔の表面に０．１％以上、０．３％
以下の歪みを加えることにより実用上使用可能な磁心を
得ることができる。

【００２０】次に、箔に曲げ歪みを与える方法について
示す。巻く前の歪みのない箔はまっすぐでもよいが、箔
に曲率を持たせると応力制御の範囲が広がる。具体的に
は、厚さｔの箔を巻いて平均直径ｄ_iの巻回体となし、
その状態で再結晶熱処理を行い、曲率ｄ_i／２の状態の
歪みのない箔を用意する。再結晶熱処理の終わった箔を
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。これをｄ_iよりも小さな平均直径ｄ_fのトロイ
ダルコアに巻直すと、箔の表面には、ε＝ｔ（１／ｄ_f
±１／ｄ_i）の歪みを与えることができる。ここで、括
弧内の符号は、巻直しを同方向に行う場合にはマイナス
であり、巻き直しを反対方向に行う場合にはプラスであ
る。例えば、厚さ４０μｍの歪みの入っていない直径８
０ｍｍの巻回体を直径２５ｍｍのコアに巻き直すとε＝
０．１４％の歪みを加えることができる。

【００２１】

【実施例】以下に、本発明を実施例によりさらに説明す
る。実施例１厚さ３ｍｍのＦｅ−８％Ａｌ合金板を、通常の溶解、鋳
造、熱間圧延の工程を経て作成した。これに冷間圧延を
施して、厚さ５０μｍの箔を得た。次に、合金箔の圧延
方向が長手方向となるように切断し、幅５ｍｍのリボン
状の箔を作成した。この箔を平均直径８０ｍｍのコアに
巻き、その状態で窒素中で８５０℃で１０分間の熱処理
を施した。これにより、歪みの除去された再結晶組織を
得た。次に、このコアを同方向に巻直し、外径２６ｍｍ
のコア（肉厚１ｍｍ）を作成した。この操作により箔の
表面においてε＝０．１４％の歪みが得られた。同様に
して、比較のためにＦｅ−３％Ａｌ合金とＦｅ−３％Ｓ
ｉ合金についても同じ歪みを加えたコアを作成した。

【００２２】作成したコアに導線の巻き線を施し、ＬＣ
Ｒメーターにより直流磁界重畳時の高周波励磁（５０ｋ
Ｈｚ）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。重畳直流磁界に対して透磁率μをプ
ロットした結果を、図１に示す。また、表１には、直流
磁界が６ｋＡ／ｍの時の透磁率の値と、５０ｋＨｚで最
大振幅５０ｍＴで動作させた時の磁心損失を示した。

【００２３】図１および表１から分るように、Ｆｅ−８
％Ａｌ合金の透磁率が最も高く、磁心損失も最も低い。

【００２４】表１合金試料透磁率、μ 磁心損失（kW/m³）Ｆｅ−８％Ａｌ本発明例６６１１１Ｆｅ−３％Ａｌ比較例３１１９２Ｆｅ−３％Ｓｉ比較例３５１８２

【００２５】実施例２Ｆｅ−８％Ａｌ合金の厚さ５０μｍ、幅５ｍｍの箔を巻
いて、種々の直径の巻きコアを作り、Ｎ₂中で８５０
℃、１０分の熱処理を施した。次に、これらの合金箔を
より小さな径のコアに巻き直すことにより広範囲の歪み
を加えた。ここで、コアの肉厚は約１ｍｍとした。巻き
直したコアの直流重畳特性を実施例１と同じ条件で測定
し、重畳直流磁界が６ｋＡ／ｍの時の透磁率を求めた。
透磁率と付加歪みとの関係を、図２に示した。

【００２６】図２から、箔表面における歪み量が０．０
５％以上の時に高い透磁率が得られ、適正な歪み範囲と
しては０．１％以上０．３％以下であることがわかる。

【００２７】実施例３Ｆｅ−８％Ａｌ合金の厚さ５０μｍ、幅２０ｍｍの箔を
巻いて、直径８０ｍｍの巻きコアを作り、Ｎ₂中で８５
０℃、１０分の熱処理を施した。次に、このコアを同方
向に巻直し、内径１８ｍｍ、外径３４ｍｍの肉厚の大き
いコアを作成した。この操作により、合金箔には、内径
位置では０．２２％の歪みが加えられ、外径位置では
０．０８％の歪みが加えられた。磁心の透磁率を実施例
１と同じ条件で測定し、図３に重畳直流磁界に対して示
した。比較として類似の大きさを有するＦｅ−１０％Ｓ
ｉ−６％Ａｌ合金（センダスト）のダストコアの特性を
示した。図３から分るように、本発明のＦｅ−Ａｌ巻き
磁心の方が比較例に比べて透磁率が高い。

【００２８】

【発明の効果】本発明の磁心は、従来と異なり、ギャッ
プ無しで、応力付加により直流重畳特性を引き出してい
るので、製造工程が簡略化され、低コストで製造でき
る。また、本発明の磁心に用いられるＦｅ−Ａｌ合金箔
は、絶縁処理を必要としないので磁心の製造がより簡単
である。本発明の応力付加磁心は、６ｋＡ／ｍにも及ぶ
高磁界まで高い透磁率を示すので、高電流条件下で高い
インダクタンスを求められるインダクタを実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】３種の合金の透磁率の重畳直流磁界依存性を示
す図である。

【図２】本発明のＦｅ−Ａｌ巻き磁心の重畳直流磁界が
６ｋＡ／ｍの時の透磁率を歪み量に対してプロットした
図である。

【図３】本発明のＦｅ−Ａｌ巻き磁心とＦｅ−Ｓｉ−Ａ
ｌ合金ダストコアとの透磁率を比較した図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、５％以上、１０％以下のＡｌを
含有するＦｅ−Ａｌ合金箔を巻いて形成した磁芯であっ
て、合金箔の表面において磁芯の周方向へ０．０５％以
上の曲げ歪みが加えられていることを特徴とする、Ｆｅ
−Ａｌ系応力付加磁芯。
【請求項２】前記磁芯を構成する合金箔の５０％以上の
箔表面において、磁芯の周方向へ０．１％以上、０．３
％以下の弾性歪みが加えられていることを特徴とする、
請求項１に記載のＦｅ−Ａｌ系応力付加磁芯。