JPS61225805A - 鉄心の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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し、更に詳しくは、高い
磁束密度を有し、過電流損が小さく、更に、高周波帯域
まで優れた透磁率を保持するような鉄心の製造方法に関
するものである。

〔発明の技術的背景とその間躍点〕

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、成る周波数の交流を異なる周波数の交流に変換
する装置、および所謂チョッ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、あるいは無接点遮断器
等の電気機器には、その電気回路構成要素としで、サイ
リスタまたは、トランジスタに代表される半導体スイッ
チング素子、並びにと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、エネルゼー蓄積
用リアクトル、あるいはマツチング用変圧器等が使用さ
れている。

このようなりアクドルや変圧器においては、高周波帯域
でも優れた磁気特性を有する鉄心が必要とされる。

すなわち、これらのりアクドルや変圧器においては、半
導体のスイッチングに伴い、数十Ｈｚ〜２００　ｋＨｇ
程度のスイッチング周波数を有する電流の他に、この周
波数よシもはるかに高い数十ｋＨｚから場合によっては
５００　ｋＨｚ以上の周波数を有する電流が流れること
がある。

ま九鉄心の交流励磁に対する鉄損のうちで、渦電流損は
、同一磁束密度では周波数の２乗に比例しで一増加する
。従って、高周波帯域では、鉄損の大部分が渦電流損で
占められ、この損失が大きいと高周波帯域での透磁率が
低下しでしまう。

とのため磁性粉を用いた鉄心においては、磁性粉間の電
気絶縁性を高めて、高周波帯域での渦電流を小さくする
ことが必要と々る。

このように周波数特性を重視した従来の鉄心材料としで
は、例えば特許８８７７９号、あるいは特許１１２２３
５号の如き、鉄粉と無機結着剤との混合物を圧縮成形し
た、所謂ダストコアがある。

しかしながら、これらダストコアにおいては、周波数特
性に優れているものの、磁束密度が低く、例えば磁化力
１００００Ａ／ｍにおいても、その磁束密度は、高々０
．１２５　Ｔにしか過ぎない。この点、絶縁材としで有
機物の樹脂を用いた特許６７０５１８号の鉄心材料は、
周波数特性に優れていると共に、高い磁束密度を有する
ものである一 一方、金属磁性粉を圧縮成形する工程を経て製造される
鉄心材料においては、圧縮によって加えられた歪によっ
て、元の金属磁性粉よりも保磁力が増加し、ヒステリシ
ス損もそれに伴って大きくなる問題がある。このため、
一般には高温での熱処理（焼鈍）を行うことにより、圧
縮成形時の歪をとり除くことが有効である。しかしなが
ら、特許６７０５１８号の鉄心では、絶縁材としで有機
物の樹脂を用いているため、歪とシの熱処理過程で、樹
脂の劣化分解が避けられず、金属磁性粉粒子間の絶縁を
充分に保持することが難しかった。

〔発明の目的〕

本発明はかかる問題点を解消することを目的としでなさ
れたもので、高い磁束密度を有すると共。

に、渦電流損の増大を抑えて高い周波数帯域まで一優れ
た透磁率を保持し、しかも高温で熱処理を可能にしで低
損失化を図ることができる鉄心の製造方法を提供するも
のである。

〔発明の概要〕

本発明は、アルカリ金属酸化物以外の金属酸化物のアル
カリ塩の水溶液と金属磁性粉とを接触させた後、乾燥し
で金属磁性粉表面に電気絶縁性付着層を形成する第１の
工程と、第１の工程により得られた金属磁性粉を圧縮成
形する第２の工程とを具備した鉄心の製造方法である。

本発明に用いる金属酸化物は鉄心を形成した場合、電気
的絶縁性、もしくは高抵抗を呈するものであれば良く、
代表的には酸化ケイ素（Ｓｉｎ、）、酸化ゾルコニウム
（ｚｒｏｔ）、酸化アルミニウム（Ａ！、０．）、酸化
チタン（ＴｉＯ□）、酸化クロム（ＣｒｔＯｍ）等とそ
れらの複合酸化物が挙げられる。

特に金属酸化物としでＳ　ｉ　Ｏ２，Ｚ　ｒ０２．　Ａ
４０．を用い付着層を得ることができる。

以下工程順に説明する。

まず電気絶縁性付着層形成のための第１の工程である。

金属酸化物のアルカリ塩の水溶液としで例えばＮａ、０
・ＳｉＯ，、Ｋ、Ｏ＊Ａｔ、Ｏ，、Ｌｉ、□ＺｒＳｉＯ
４等の水溶液を用意する。この水溶液と金属磁性粉とを
接触させる。接触させる方法としでは、該水溶液を金属
磁性粉にスプレーする方法、金属磁性粉を水溶液に浸漬
する方法、また金属磁性粉を振動、移動させ表から水溶
液の刷毛塗りを行なう方法等各種の方法があり、どのよ
うな方法をとっても良い。

このときあらかじめ金属磁性粉の脱脂を行なっておくこ
とにより、付着層の剥離等の恐れがなくなる。このよう
な脱脂は例えばｐＨ１１〜１２糧度のアルカリ液で洗浄
することにより行なうことができる。

次いで乾燥することにより、脱水縮合反応が起こり、金
属磁性粉表面に電気的絶縁層が良好に付着する。

例えばＮａ、０・ＳｉＯ２の水溶液を用いた場合は、絶
のどとき構造になる。このとき金属原子（８１）と酸素
原子（０）とは電気陰性度の差からイオン性を歪びた共
有結合をし、アルカリイオン（Ｎめはこのイオン性によ
り付着層内に閉じこめられている。

又、上記工程中、水溶液濃度あるいは接触条件を適宜調
整することにより、さらには、接触と乾燥を繰り返すこ
とにより所望の厚さの付着層を得ることができる。

金属磁性粉表面に形成された付着層は、絶縁性を高める
ためにはできるだけ厚い方がよいが通常は１０μｍ以下
にとどめることが必要である。付着層の厚さが１０μｍ
を超えると金属磁性粉粒子間の磁気抵抗が増加し、励磁
力１００００Ａ／ｍでの磁束密度がフェライトと同等か
もしくはそれ以下のダストコア程度まで低下しでしまう
。この付着層は鉄心に対しで１．５〜４０容量チ程度で
あることが好ましい。この割合は、要求される鉄心の磁
束密度等の磁気特性により適宜変更できる。

また乾燥は常温〜３００℃程度で行なう。この時減圧下
で行なっても良い。この乾燥によって磁性粉表面に多結
晶質あるいは非晶質の電気絶縁性の付着層を形成するこ
とができる。

常温〜１００℃で乾燥を行なうと、ポーラスな多結晶質
の付着層ができこの付着層は可とう性が良好で金属磁性
粉の熱膨張率が高く、成形後に、高温で熱処理をする必
要のある場合に好ましい。

１５０℃〜３００℃で乾燥を行なうと、よシ緻密な付着
層が得られ鉄心の成形密度を高めることができ、耐水性
も良好となる。従って、乾燥温度は、鉄心の要求特性に
応じて適宜選択すればよい。

又、水溶液中に、必要に応じてフッ素系樹脂あるいはＳ
　ｉ　Ｏ！　、　ＡｔｔＯｓ又はｚｒｏ、の１種以上の
粉体を添加しでもよい。

フッ素系樹脂、例えばテトラフロロエチレン。

トリフロロエチレン等を添加した場合、形成された付着
層が、柔軟性を有し摩擦係数も低いため、圧縮成形時の
磁性粉のころがシ又は移動が滑らかでアシ、その結果鉄
心の、成形密度が向上する。

更に耐水性、耐酸性及び耐アルカリ性の良好な付着層を
得るととができる。フッ素系樹脂は、鉄心中の２０容量
チ以下程斐、好ましくは０．１〜１０容量チとする。余
υ多いと鉄心中の金属磁性粉の占有率が下がり、磁束密
度が低下しでしまう。またフッ素系樹脂を添加した場合
は圧縮成形後の焼鈍は３５０℃以下とすることが必要で
ある。

また水溶液中にＳ　ｉ　Ｏｘ　、　Ａ４０ｍ及びｚｒｏ
、の１種以上の粉末を加えると、該粉末が付着層の骨材
となり付着層を強固にすることができる。又、熱応力に
対する緩和材としでも作用する。これらの粉末は前述の
ととくの付着層の厚さゆえるため平均粒径１０μｍ以下
とすることが望ましく、５ｉ０１゜ｋＬ＊ｏｓ及びｚｒ
ｏ、を添加する場合、金属磁性粉に対しで１重量−以下
が好ましい。あまシ多いと磁束密度の低下等をまねく。

本発明の製造方法の第２工程は、第１工程で得られた金
属磁性粉を圧縮成形する工程である。

第１工程で得られた金属磁性粉を所定の金型に充填した
後工業的に容易な１０００　ＭＰａ以下の圧力で圧縮成
形することにより本発明の圧縮成形体を得ることができ
る。このとき圧縮成形体は分割体としで、成形しでもよ
い。

付着層は、高温で熱処理を行なっても、絶縁性は低下し
ないため、鉄心に焼鈍処理を加え、保磁力と、ヒステリ
シス損を減少させることにより、鉄損減少を図ることが
できる。又、金属磁性粉としで、非晶質金属磁性物を使
用した場合、通常の焼鈍だけでは々く、鉄心に直流磁場
、あるいは交泥磁場を加えながら、１５０°Ｃ〜５００
℃で熱処理を行なう磁場中焼鈍によって、更に鉄損を減
少させることができる。

本発明に用いる金属磁性粉は例えば、純鉄の粉末、Ｆｅ
−３％Ｓｉ　で代表されるＦｅ−８ｉ　　系合金粉、Ｆ
ｅ　−ＡＬ系合金粉、Ｆｅ−３１−Ｍ系合金粉、Ｆｅ　
−Ｃ０系合金粉、Ｆｅ−Ｎｉ系合金粉、鉄あるいはコバ
ルトを含む非晶質合金磁性粉などをあげることができる
。上記した磁性粉はそれぞれ単独で用いてもよいし２種
以上を適宜に組合せて使用しでもよい。

このような金属磁性粉は、その固有電気抵抗率が１０μ
Ω・Ｇから高々数十μΩ・菌程度であるため、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、それら磁性粉を微細表較子
にすることによって粒子表面から粒子内部までが十分磁
化されるようにすることが必要である。

例えば、数十ｋＨｚ程度までの周波数成分を持つ電流に
よル励磁され、その周波数帯域までの透磁率特性を要求
される鉄心については、磁性粉の平均粒径が３００μｍ
以下であることが望ましい。

同様に、周波数帯域が１００　ｋＨＩを超える場合の鉄
心に関しでは、磁性粉の平均粒径を１００μｍ以下にす
ることが望ましい。

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
１０００ＭＰａ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
生ずるため１０μｍ以上程度が好ましい。　　　　　′ 本発明の圧縮成形体は、交流を直流に変換する装置、直
流を交流に変換する装置、成る周波数の交流を異なる周
波数の交流に変換する装置、および所謂チョッパ等の直
流を直流に変換する装置等のような電力変換装置、ある
いは無接点遮断器等の電気機器には、その電気回路構成
要素である、サイリスタまたは、トランジスタに代表さ
れる半導体スイッチング素子、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、あるいはマツチング用
変圧器等の鉄心としで使用することができる。

〔発明の効果〕

以上の如き本発明製造方法で得られた鉄心においては、
磁性粉が付着層によって覆われているため、磁性粉粒子
間は電気的に十分絶縁されている。

したがって、本発明によって得られた鉄心は、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、該鉄心にあっては、
高周波帯域で使用しで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
、本発明方法では、大量の絶縁物を使用しなくてすむの
で鉄心の密度が高く、高い磁束密度を維持することがで
きる。

さらに、磁性粉表面に形成しでいる付着層は通常、金属
磁性粉の焼鈍に用いられる温度に対しで十分な耐熱性を
有しでいる。したがって、圧縮成形時に加えられた圧力
により鉄心中の磁性粉に生じた歪をとる焼鈍を行なう場
合にも、高温での熱処理によって４磁性粉粒子間の絶縁
劣化を招くことがなく、保磁力の減少とヒステリシス損
の減少に伴って鉄損減少を図ることができる。

〔発明の実施例〕

以下に本発明の詳細な説明する。

実施例Ｉ Ｋ、０：ＳｉＯ，のモル比が２：１であるＳ１０．の脇
（ＫｙＯ：５ｌｏｚ　）の２０％水溶液を、水で５チ溶
液に希釈し、機械的に撹拌されている平均粒径４０μｍ
のＦｅ−１１８１合金粉に対しで、との水溶液をＳｅｃ
／分の割合でスプレーした後１００℃大気中で乾燥させ
付着層を有する磁性粉を得た。この金属磁性粉表面には
、厚さ１μｍの付着層が形成されたととを走査型電子顕
微鏡（ＳＥＭ）により確認した。

この磁性粉２０９を成形用金をに充填し６００ＭＰａの
圧力で圧縮成形し、本発明の鉄心を得た。

なお、磁性粉表面を覆っている付着層の体積は付着層ま
で含めた磁性粉の体積の１６チに相当する。

実施例２ Ｎａ、Ｏ：Ｚｒ５ｉＯ，のモル比が１：１であるＮａ塩
（Ｎａ、０−Ｚｒ５ｉＯａ　）の１０％水溶液に平均粒
径３　μｍのＡ４０．粉末を１０チ添加した。この水溶
液を、ロール上で移動させている平均粒径２５０μｍの
Ｆｅ−３’％Ａｔ合金粉に刷毛で塗布した後、１５０℃
、大気中で３０分間乾燥させ、以後同様の操作をくり返
した。この金属磁性粉表面には厚さ８μｍの付着層が形
成されたことを斗Ｍにより確認した。

この磁性粉２０１を成形用金型に充填し、６００ＭＰａ
の圧力で圧縮成形し、本発明の鉄心を得た。

実施例３ 刷毛による塗布と乾燥を３回くシ返した他は、実施例２
と同様に処理したところ、この金属磁性粉表面には厚さ
１２μｍの付着層が形成されたことをＳ厨で確認した。

この磁性粉を更に実施例２と同様に成形し本発明の鉄心
を得た。

実施例４ ＡＬＩＯＢ以外に、テトラフロロエチレンを１チ添加し
た他は実施例２と同様に処理し、磁性粉を得た。この磁
性粉を、更に実施例２と同様に成形し、本発明の鉄心を
得た。

比較例１ 平均粒径４０　ｆｉｍのＦｅ−１＊Ｓｉ合金粉２０ｆを
成形用金型に充填し、６００　ＭＰａの圧力で圧縮成形
し％−鉄心、を得た。

比較例２ 平均粒径２５０μｍのＦｅ−３％μ合金粉２０ｆを用い
、比較例１と同様に処理し鉄心を得た。

比較例３ 平均粒径４０μｍのＦｅ−１チＳｌ　　合金粉に平均粒
径６μｍの８１０．粉を１６容量チ加え十分混合した。

次いでこの混合した混合物２０ｆを成形用金型に充填し
、６００　ＭＰａの圧力で圧縮成形し、鉄心を得た。

〔試験例〕

上記実施例１〜４及び比較例１〜３について各種特性の
測定を行なった。

まず初透磁率の周波数依存性を測定した。その結果を図
に示す。なお、図においては１０　■ｚのときの値を１
としで示しである。曲線Ａは実施例１を示すものである
が、周波数が高くなってもほとんど初透磁率が低下する
ことはない。これに対し比較例１（曲線Ｂ）、比較例３
（曲線Ｃ）では周波数が高くなるにつれ、初透磁率の低
下が顕著に表われている。

このことから本発明の製造方法による鉄心では付着層に
よυ金属磁性粉間の電気絶縁性が良好に保たれているこ
とがわかる。また図示しないが比較例２は比較例１より
さらに顕著に初透磁率の低下が与られ、実施例２〜４で
は実施例１と同様にほとんど初透磁率の低下は認められ
なかった。

次いで磁束密度であるが、励磁力１００００　Ａ／ｍで
実施例３は０．４Ｔ、実施例１，２．４はそれぞれ０．
８　Ｔ以上といずれも高い磁束密度を有しでいることが
確認された。

また磁性粉表面の耐酸性を１０％硫酸水溶液浸漬試験に
より調べたところ、実施例２及び４が優れていることが
わかった。さらに実施例４においては成形体密度が実施
例２に比べ４チ程匿高かった。

このことから、Ａｔ、Ｏ，粉、フッ素系樹脂の添加が効
果的であることがわかり、特にフッ素系樹脂の場合成形
体密度が向上する利点があった。

さらに実施例１の鉄心に対し、アルプン＃囲気中で５０
０℃Ｘ　２　ｈｒ　の熱処理を施したところ、直流での
保磁力が５６　ＯＡ／ｍ　−＋　３６　ＯＡ／ｍ　ヘと
低下し、５ｏＨｓ、１’ｒでの鉄損が１０．２　Ｗ／ｋ
ｇ−＋７．２ＷＡ９　　へと減少した。

【図面の簡単な説明】

図は透磁率の周波数特性を示した曲線図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）アルカリ金属酸化物以外の金属酸化物のアルカリ
   塩の水溶液と金属磁性粉とを接触させた後、乾燥しで前
   記金属磁性粉表面に電気絶縁性の付着層を形成する第１
   工程と、第１工程により得られた金属磁性粉を圧縮成形
   する第２工程とを具備したことを特徴とする鉄心の製造
   方法。
2. （２）前記金属酸化物が二酸化ケイ素、酸化アルミニウ
   ム、酸化ジルコニウムの少なくとも一種であり、かつ、
   この金属酸化物のアルカリ塩を構成するアルカリイオン
   がナトリウムイオン、リチウムイオン、カリウムイオン
   の少なくとも一種である特許請求の範囲第１項記載の製
   造方法。