JPH11154605A

JPH11154605A - 巻線磁心

Info

Publication number: JPH11154605A
Application number: JP9319793A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Mitani; 宏幸三谷; Koichi Makii; 浩一槇井; Atsushi Hanaki; 敦司花木
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1997-11-20
Filing date: 1997-11-20
Publication date: 1999-06-08

Abstract

(57)【要約】【課題】渦電流損を低減するとともに、透磁率を大き
くでき、かつ周波数特性に優れた高周波帯域用巻磁心を
提供する。【解決手段】表面を絶縁層で被覆した鋼線を巻回して
形成される巻線磁心であって、前記鋼線をフェライト相
とセメンタイト相からなる層状パーライト組織とし、か
つ、前記層状パーライト組織が鋼線の長さ方向と平行に
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電源装置用チョー
クコイル等の電磁気部品に用いられる巻線磁心に関する
もので、交流、特に高周波帯域において優れた磁気特性
を示す巻線磁心に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電源装置用チョークコイル等の電磁気部
品に用いる軟磁性材料は磁界の変化に対して、鋭敏で、
大きなな磁束密度を生じることが必要であり、このた
め、高透磁率の磁気特性を有する軟磁性材料が使用され
ている。ところで、前記電源装置用チョークコイル等の
電磁気部品内部には、磁界の変化に伴って渦電流が生
じ、渦電流は渦電流損として熱にかわり放散される。し
たがって、前記電磁気部品はエネルギー損失を生ずるだ
けでなく、この渦電流損の熱放出により、電源装置用チ
ョークコイル等の電磁気部品の電磁気特性を劣化させる
こととなる。このため、渦電流発生の抑制を目的とし
て、軟磁性材料には絶縁処理が施されている。

【０００３】前記電源装置用チョークコイル等の軟磁性
材料として、珪素を含有する電磁鋼板（珪素鋼板）が用
いられている。この珪素鋼板の表面に絶縁処理を施し、
巻き重ねた、図８に示すような巻磁心（例えば、特開平
３−３９４８４号公報参照）が、電源装置用チョークコ
イルとしてに用いられている。

【０００４】最近では、インバーター制御方式の普及に
伴って、高周波帯域での磁気性能の改善が求められてい
る。しかし、前述のような珪素鋼板を巻き重ねて、珪素
鋼板を積層した磁心は透磁率がすぐれているが、１ｋＨ
ｚ以上の周波数帯域では、渦電流損が増大することか
ら、高周波用磁性材料としては不適当となる場合が生じ
てきた。

【０００５】渦電流損Ｗｅは一般に、次式で示される
（電気工学ポケットブック：オーム社、昭和62年発行、
ｐ347 参照）。Ｗｅ＝（Ｃ・ｆ²・ｄ²・Ｉｓ）／ρ .... （１）式ここで、Ｃは定数、ｆは周波数、ｄは板厚、Ｉｓは磁
化、ρは抵抗率である。前述の珪素鋼板は、電流損の低
減のために、板厚ｄを薄くして、抵抗率ρを高めること
により、渦電流損の低減のために開発されたものであ
る。しかしながら、珪素鋼板の板厚ｄをさらに薄くした
り、珪素鋼板の抵抗率ρをさらに高めることに限界があ
る。特に、渦電流損Ｗｅは周波数ｆの２乗に比例するの
で、高周波帯域での板厚ｄや抵抗率ρの影響が大きくな
り、高周波帯域での珪素鋼板の使用が困難となる。

【０００６】そこで、抵抗率ρを高めるために、鉄基非
晶質合金薄帯を巻き回した巻磁心が提案されている（例
えば、特公昭６３−７００９号公報、特公平１−２３９
２６号公報参照）。しかし、鉄基非晶質合金薄帯は渦電
流損を低減できるが、鉄基非晶質合金薄帯の製造工程が
複雑であり、高価な合金元素であるＣｏを使用するた
め、巻磁心が高価な部品となり民生品への適用が困難な
場合がある。

【０００７】さらに、抵抗率ρを高めるために、いわゆ
るソフトフェライトが用いられる場合もある。このソフ
トフェライトの抵抗率ρは金属材料に比べて桁違いに高
いために、渦電流損を著しく低減できるが、ソフトフェ
ライトの磁束密度は金属材料に比べてかなり低くなる欠
点がある。

【０００８】上述のような問題に対して、金属粉末を用
いた圧粉磁心が開発されてきた。前述の磁性材料の板厚
ｄより、小さい粉末粒径の金属粉末を用いることによ
り、渦電流を生じる領域を小さくする、すなわち、板厚
ｄを小さくする効果を有するものである。

【０００９】圧粉磁心には、軟磁性粉末にエポキシ樹脂
やフッ素系樹脂等の有機バインダーを被覆した圧粉磁心
（例えば、特開昭５９−５０１３８号公報）や、軟磁性
粉末にＰ、Ｍｇ、Ｂ、Ｆｅを必須元素とするガラス状絶
縁材料で被覆した圧粉磁心（例えば、特開平０６−１３
２１０９号公報、又は特開平０６−２６０３１９号公
報）が提案されている。これら圧粉磁心は粉末粒径を小
さくすることにより渦電流損を低減することができ、特
に、高周波帯域での渦電流損の著しい低減を図ることが
できた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
圧粉磁心は、粉末を成形したものであるため、粒子間に
空隙が存在するため、これが磁気ギャップとなり、電源
装置用チョークコイル等に用いる圧粉磁心としては十分
な透磁率を得ることができない場合がある。圧粉磁心の
透磁率を高めるために、透磁率の高い合金粉末を用いて
も、合金粉末のために圧粉磁心の圧粉体密度が低くな
り、圧粉磁心の透磁率の改善に限界があるからである。

【００１１】本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされ
たもので、渦電流損を低減するとともに、透磁率を大き
くでき、かつ周波数特性に優れた高周波帯域用巻磁心を
提供しようとするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ために、本発明のうちで請求項１記載の発明は、表面を
絶縁層で被覆した鋼線を巻回して形成される巻線磁心で
あって、前記鋼線がフェライト相とセメンタイト相から
なる層状パーライト組織からなり、かつ、前記層状パー
ライト組織が鋼線の長さ方向と平行であることを特徴と
するものである。表面を絶縁層で被覆した鋼線をフェラ
イト相とセメンタイト相からなる層状パーライト組織に
し、かつ、前記層状パーライト組織が鋼線の長さ方向と
平行にすることによって、渦電流を生じる領域を小さく
することができ、渦電流損を著しく低減できる。すなわ
ち、鋼線の長さ方向と平行なフェライト相とセメンタイ
ト相が交互に並ぶ層状パーライト組織であるため、電気
抵抗の高いセメンタイト相は絶縁体として作用して、フ
ェライト相中に流れる渦電流の発生する領域を狭くす
る。このため、フェライト相厚さが、前述の（１）式の
板厚ｄに相当することとなり、渦電流損を著しく低減で
きるものである。

【００１３】さらには、鋼線の表面に被覆されている絶
縁被膜により鋼線間に流れる渦電流を抑制されており、
従来の巻磁心に用いる板材の板厚ｄより小さい線径の鋼
線を用いることができるので、本発明の巻線磁心は渦電
流の発生をさらに抑制することができ、渦電流損をより
低減できる。本発明の鋼線の線径として、巻線磁心の寸
法に併せて決めることができるが、通常、直径：０．０
２〜５ｍｍの範囲を用いるのが適当である。

【００１４】また請求項２記載の発明は、請求項１記載
の発明の鋼線が、質量％（以下、％で示す。）でＣ：
０．６０〜１．００％、Ｓｉ：０．１５〜８．０％、Ｍ
ｎ：０．６０％以下、残部がＦｅおよび不可避不純物元
素からなることを特徴とするものである。各成分の限定
理由を以下に示す。

【００１５】（イ）Ｃ：０．６０〜１．００％フェライト相とセメンタイト相からなる層状パーライト
組織を得るために、Ｃ量を、Ｆｅ−Ｃ系の共析点（０．
７７％）近傍にする必要があるので、本発明ではＣ量を
０．６０〜１．００％と、より好ましくは０．７０〜
０．９０％とした。

【００１６】（ロ）Ｓｉ：０．１５〜８．０％Ｓｉ量が０．１５％以上で、渦電流損の低減および透磁
率の向上に効果があり、Ｓｉ量が８％を越えると脆化す
るために伸線が困難になる。Ｓｉ量は、特に０．５〜
５．０％が好ましい。Ｓｉ量が０．５％まで渦電流損お
よび透磁率の改善効果があり、５．０％を越えるとその
効果が少なく、伸線性が低下するからである。

【００１７】（ハ）Ｍｎ：０．６０％以下（０％を含
む）Ｍｎ量が０．６０％を越えると焼き入れ性が高まりパー
ライト変態が起こりにくくなるため、Ｍｎ量は０．６０
％以下とする。本発明のフェライト相とセメンタイト相
からなる層状パーライト組織を得るためには、Ｍｎ量を
０．３０％にすることが、好ましい。また、鋼塊にＳが
単独で存在すると脆化するために、伸線が困難になるた
め、Ｍｎを０．３０％以上添加することにより、ＳをＭ
ｎＳとして析出させることにより、脆化を防ぐことがで
きる。

【００１８】（ニ）その他不可避不純物通常の製鋼過程で含有する、Ｐ、Ｓ、さらにはＣｒ、Ｍ
ｏ、Ｎｉ等が、一般の鋼線に含まれてい程度の量が、本
発明の鋼線に含有していてもよが、これら不純物は低い
ほうが好ましい。このうちＰとＳについてはそれぞれの
含有量を０．０３％以下にすることが好ましい。ＰとＳ
の量をそれぞれ０．０３％以下にすることにより、伸線
および磁気特性への影響がすくない。

【００１９】また請求項３記載の発明は、請求項１又は
２記載の発明の鋼線の断面形状が矩形又は正方形である
ことを特徴とするものである。鋼線の断面形状を矩形又
は正方形することによって、巻線磁心の巻線の断面密度
を向上させ巻線磁心の透磁率を改善できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、図示例と
ともに説明する。図１は本発明の鋼線の断面組織の模式
図であり、図２は本発明の巻線磁心を示す図であり、図
３は本発明の鋼線の組成の恒温変態（ＴＴＴ）図であ
り、図４および図５は本発明の実施の形態の巻線磁心の
渦電流損および透磁率に及ぼすＳｉ量の影響を示す図で
ある。以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明す
る。

【００２１】まず、本発明の鋼線が、図１に示されるよ
うな、フェライト相とセメンタイト相からなる層状パー
ライト組織からなり、かつ、前記層状パーライト組織が
鋼線の長さ方向と平行となる製造方法を説明する。共析
組成の圧延棒鋼（例えば、０．８％Ｃ−０〜８．０％Ｓ
ｉ−０．４％Ｍｎ−０．０１％Ｐ−０．０１％Ｓ鋼）に
熱処理を行い、この圧延棒鋼を完全にパーライト変態を
終了させて、全面パーライトにする。この熱処理は、図
３の恒温変態（ＴＴＴ）図を参照して説明すると、パー
ライト変態開始曲線のノーズ先端近傍の温度（例えば、
５５０〜５６０℃）まで、パーライト変態開始曲線のノ
ーズにかからないように急冷して、その後、この５５０
〜５６０℃でパーライト変態終了曲線を横切るまで保持
してパーライト変態を完全に終了させる。ここで、冷却
速度が遅くなると初析フェライトが析出することとな
り、層状パーライト組織の比率が小さくなり、磁気特性
を低下させる。また、パーライト変態を完全に終了させ
ないと、マルテンサイト変態を生じたり、オーステナイ
トが残留することとなり、同様に、磁気特性を低下させ
ることとなる。

【００２２】次に、この熱処理を施した圧延棒鋼をダイ
スにより直径１ｍｍ以下にまで伸線する。このときに、
伸線された鋼線は、フェライト相とセメンタイト相から
なる層状パーライト組織からなり、かつ、前記層状パー
ライト組織が伸線方向と平行となる組織を得ることとな
る。この金属組織を示す電子顕微鏡写真を図９に示す。

【００２３】さらに、この鋼線の表面に無機系絶縁材料
を塗布し乾燥させた後、図２の図ａ）に示すような外観
のボビン（外径３６ｍｍ、内径２４ｍｍ、厚さ５ｍｍ）
に巻いて巻線磁心を作製した。この時、図ｂ）に示すよ
うにパーライト組織の層状の方向が一定方向に揃うよう
に巻き回すことが好ましい、このようにすることによ
り、さらに、渦電流の発生が抑制される。また、断面形
状が、矩形又は正方形の線材をボビンに沿って巻き回す
ことにより、円形の断面形状の鋼線より空隙を少なくす
ることができ、透磁率や磁束密度をさらに向上できる。

【００２４】線材の断面を矩形又は正方形にするには、
ダイスの断面形状を変えることにより、さらには、伸線
材をロール圧延することによりできる。

【００２５】次に、磁気特性に及ぼすＳｉ量の影響につ
いて説明する。図４に示されるように、渦電流損はＳｉ
量の増加とともに急激に低下、Ｓｉ量が０．１５％で渦
電流損が十分に低下する。渦電流損の低下量は、Ｓｉ量
が０．５％まで大きいが、それよりＳｉ量が多くなって
も低下量は少ない。一方、図５示されるように、透磁率
はＳｉ量の増加とともに急激に増加し、Ｓｉ量が０．５
％以上で透磁率が２００を越える。Ｓｉ量が０．５％以
上での透磁率の増加は緩やかになる。このように、Ｓｉ
量は０．１５％以上で優れた磁気特性を有することが明
らかとなった。

【００２６】

【実施例】本発明の実施例を、図示例とともに説明す
る。図６は、本発明の実施例の巻線磁心および比較例の
圧粉磁心における周波数と渦電流損との関係を示す図で
あり、図７は、本発明の実施例の巻線磁心および比較例
の圧粉磁心における周波数と透磁率との関係を示す図で
ある。以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。

【００２７】共析組成の０．５％Ｓｉの圧延棒鋼（０．
８％Ｃ−０．５％Ｓｉ−０．４％Ｍｎ−０．０１％Ｐ−
０．０１％Ｓ鋼）と５％Ｓｉの圧延棒鋼（０．８％Ｃ−
５．０％Ｓｉ−０．４％Ｍｎ−０．０１％Ｐ−０．０１
％Ｓ鋼）を９５０℃に保持してオーステナイト化を行
い、その後、５５０℃の鉛浴に急冷し、５５０℃で１分
保持後、空冷した。次に、これら圧延棒鋼を直径０．２
ｍｍまで伸線した。さらに、直径０．２ｍｍに伸線した
５％Ｓｉの鋼については、圧延を施して矩形断面を有す
る角線材（厚さ：０．１ｍｍ、幅：０．１５ｍｍ）を製
作した。さらに、伸線時及び圧延時に導入される歪みを
開放するため、これら線材及び角線材を４００℃で約１
０秒焼きなまし処理を行った。

【００２８】焼きなまし後、表面に燐酸、ほう酸、酸化
マグネシウムからなる無機系絶縁材料を塗布し乾燥させ
た後、図２ａ）に示すような外観で外径３６ｍｍ、内径
２４ｍｍ、厚さ５ｍｍのボビンに巻いて巻線磁心を作製
し、本発明の実施例に供した。なお、絶縁材料として、
他にエナメル、にかわ、樹脂等が使用できる。

【００２９】比較材の圧粉磁心は、純鉄粉（純度９９％
以上、平均粒度：７０〜１２０μｍ）を用いて、エポキ
シ樹脂を８容積％、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を２
容量％混合し金型で面圧４トン／ｃｍ²で成形した後、
１６０℃−２時間、大気中で硬化処理をして製作し、本
発明の比較例に供した。

【００３０】本発明の実施例の巻線磁心および比較例の
圧粉磁心における周波数と渦電流損との関係を説明する
（図６参照）。本発明の巻線磁心の渦電流損は、比較例
の圧粉磁心に比べて、１／４０以下に低減されており、
特に、５％Ｓｉの発明材（線材）の渦電流損の改善効果
が大きいことが判明した。

【００３１】次に、本発明の実施例の巻線磁心および比
較例の圧粉磁心における周波数と透磁率との関係を説明
する（図６参照）。本発明の巻線磁心の透磁率、比較例
の圧粉磁心に比べて、２倍以上の値を示す。さらに、比
較例の透磁率が１００ｋＨｚ以上の周波数では低下する
のに対し、本発明の実施例の透磁率は１ＭＨｚの周波数
まで安定している。これに加え、５％Ｓｉの発明材（角
線）は巻線磁心の巻線の断面密度を向上させることがで
き、透磁率を改善できた。

【００３２】さらに、５％Ｓｉの発明材（線材）と比較
例の圧粉磁心について、磁束密度を測定したところ、磁
化力１００Ｏｅにおいて、５％Ｓｉの発明材の磁束密度
は１５ｋＧであるのに対し、比較例の圧粉磁心は８．８
ｋＧとなり、本発明の巻線磁心は、磁束密度をも改善で
きることを確認した。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る巻線
磁心によれば、鋼線の組織がフェライト相とセメンタイ
ト相が交互にならぶ層状パーライト組織であり、かつ前
記層状パーライト組織が鋼線の長さ方向と平行にするこ
とにより、従来、高周波帯域において優れた磁気特性を
有する圧粉磁心より、著しく渦電流損を低減できる。さ
らに、巻線磁心に用いる鋼線の成分の最適化により、透
磁率を改善できる。これに加え、線材の断面形状を矩形
又は正方形にすることにより巻線磁心の巻線の断面密度
を高めることにより、さらに透磁率を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の鋼線の断面組織の模式図であって、図
ａ）は断面形状が円形の鋼線の断面組織の模式図であ
り、図ｂ）は断面形状が矩形の鋼線の断面組織の模式図
である。

【図２】本発明の巻線磁心を示す図であり、図ａ）は外
観図であり、図ｂ）は断面図であり、図ｃ）は断面拡大
図である。

【図３】本発明の鋼線の組成の恒温変態（ＴＴＴ）図で
ある。

【図４】本発明の実施の形態の巻線磁心におけるＳｉ量
と渦電流損との関係を示す図である。

【図５】本発明の実施の形態の巻線磁心におけるＳｉ量
と透磁率との関係を示す図である。

【図６】本発明の実施例の巻線磁心および比較例の圧粉
磁心における周波数と渦電流損との関係を示す図であ
る。

【図７】本発明の実施例の巻線磁心および比較例の圧粉
磁心における周波数と透磁率との関係を示す図である。

【図８】従来例の巻磁心を示す図であり、図ａ）は外観
図であり、図ｂ）は断面図である。

【図９】鋼線の断面の金属組織を示す電子顕微鏡写真で
ある。

【符号の説明】

１フェライト相２セメンタイト相

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面を絶縁層で被覆した鋼線を巻回して
形成される巻線磁心であって、前記鋼線がフェライト相
とセメンタイト相からなる層状パーライト組織からな
り、かつ、前記層状パーライト組織が鋼線の長さ方向と
平行であることを特徴とする巻線磁心。
【請求項２】前記鋼線が、質量％でＣ：０．６０〜
１．００％、Ｓｉ：０．１５〜８．０％、Ｍｎ：０．６
０％以下、残部がＦｅおよび不可避不純物元素からなる
請求項１記載の巻線磁心。
【請求項３】前記鋼線の断面形状が矩形又は正方形で
ある請求項１又は２記載の巻線磁心。