JPS6229108A - 鉄心 - 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〕 本発明は磁性粉末間の電気絶縁性を改良した圧粉成形体
からなる鉄心に関するものである。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

一般に、交流を直流に変換する装置、直流を交流に変換
する装置、あ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て、サイリスクまたはトラン
ジスタに代表される半導体スイッチンク素子並びにこれ
に接続されたターンオンストレス緩和ｎ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、あるいけ
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は、半導体のスイッチ
ングに伴い、スイッチング周波数の周期をもった電流の
他に、スイッチング周波数よシはるかに高い周波数であ
る数十ｋＨｚから場合によっては、５０ＱｋＨｚｉ超え
る程度にまで達する高い周波数成分を持つ′！！流が流
れることがある。

このようなりアクドルや変圧器ｔ−Ｗ成している鉄心に
は、従来、次のようなものが使用されている。

（ａ）　ｒｆｊ間絶、Ｒを施した薄い電磁銅膜またはパ
ーマロイ等を積層しｆｃ積層鉄心 ｆｂ）カーボニル鉄微粉、パーマロイ微粉等を５例えば
フェノール樹脂等の樹脂を使用して結着した。

所謂ダストコアと呼ばれる圧粉鉄心 （Ｃ）酸化物系磁性材料を焼結して作製した、所謂フェ
ライトコア 等が挙られる。

これらの中で、積層鉄心は、商用周波数帯域においては
優れた電気特性を示すものの、高い周波数帯域において
は、鉄心の鉄損が著しい、特に渦電流損失が周波数の２
乗に比例して増加し、また鉄心を形成する板材の表面か
ら内部に入るにつれ鉄心材料の表皮効果によって磁化力
が変化しにくくなるという性質全有している。従って積
層鉄心は、高い周波数帯域においては５本来鉄心材料自
身が有している飽和磁束密度よりも、はるかに低い磁束
密度でしか使用することができず、渦電流損失も極めて
大きい問題がある。

更に、積層鉄心は高い周波数に対する実効透磁率が、商
用周波数に対する実効透磁率と比較して著しく低い問題
がある。

これらの問題点を有している積層鉄心を、高い周波数電
流が流れる。半導体スイッチング素子に接続され７ｔ　
＋Ｊアクドルま念は変圧器に使用する場合には、実効透
磁率および磁束密度を補償するために、鉄心自身を大型
化しなければならず、それに伴い、鉄損が犬きくなｐ、
鉄心に巻かれているコイルの長さが長くなる之め銅損も
大きくなる欠点があっ念。

また前述のダストコアと呼ばれる圧粉磁性体を鉄心とし
て使用することも従来行われ１例えば特許第ｎ２２３５
号公報に詳細に説明されている。

しかしながら、このようなダストコアは、一般に、その
磁束密度および透磁率がかなシ低い値を有するものであ
る。これらの中でも比較的高い磁束密度を有するカーボ
ニル鉄粉を使用したダストコアにおいてもｈ　１００Ｏ
ＯＡ／ｍの磁化力における磁束密度は０．　Ｉ　Ｔをや
や上廻る程度であり、透磁率は１．２５Ｘ１０−５Ｈ／
ｍ程度のものである。従ってダストコアを鉄心材料とし
て使用しな、リアクトルや変圧器においては、磁束密度
や透磁率の低さを補償する之めに、鉄心の巨大化が避ら
れす、それに伴い鉄心に巻かれているコイルの長さが長
くなり、リアクトルや変圧器等の銅損が大きくなるとい
う欠点があっ念。

［１小型の電気機器に多く使用されているフェライトコ
アは、高い固有抵抗値と比較的硬れた高周波特性を有し
ている。しかしながら、フェライトコアは、１００ＯＯ
Ａ／ｍの磁化力における磁束密度が０．４Ｔ程度と低く
、鉄心の使用温度範囲である一４０〜１２０℃において
透磁率並びに同一磁化力における磁束密度の値が夫々数
十チも変化するという問題１＜ある、このため７ヱライ
トコアを、半導体スイッチング素子に接続され次リアク
トルや変圧器等の鉄心材料として使用する場合には、磁
束密度が低いために、鉄心を大型にする必要がある。

しかしながら、フェライトは焼結体であるため。

大型鉄心の製造が困難でちゃ、大型の電力用鉄心には適
用が難しい、またフェライトコアは、その低磁束密度故
に鉄心に巻くコイル長さが長くなり銅損が大きいこと、
また透磁率および磁束密度が温度で大きな影響上受ける
ために、リアクトルや変圧器に使用し之場合にその特性
変化が大きいこと、更には、電磁鋼板等と比較し急場合
に磁歪が大きいので鉄心から発せられる諺音が大きくな
る等％種々の問題点があった。

〔発明の目的〕

本発明は、上記問題点に鑑みなされ次もので。

半導体素子に接続されたりアクドルや変圧器等に使用さ
れる鉄心として、透磁率の周波数特性が優れていると共
に磁束密度が高く、シかも高い周波数での鉄損が少ない
上、型抜き圧が低く作業性にも優れている圧粉成形体か
らなる鉄心を提供することを目的とするものである。

〔発明の概要〕

本発明は鉄粉または鉄合金磁性粉末の何れか少なくとも
一方からなる金属磁性粉末（以下磁性粉とい５）とに電
気絶縁性を有する結着樹脂と、ジルコニウム系カップリ
ング剤とを混合して成形し、結着樹脂の分散性を向上さ
せて磁性粉相互間の電気絶縁性全高めたことを特徴とす
る鉄心′ｆ：第１の要旨とするものである。

更に本発明は上記各成分に、１！気絶縁性を有する無機
化合物粉末を添加混合して成形することにより、鉄心の
成形密度全高めると同時に、磁性粉間に介在して鉄心全
体の交流磁化に対する実効電気抵抗値を高めたことを特
徴とする鉄心を第２の要旨とするものである。

以下本発明の詳細な説明する。

本発明において用いる磁性粉としては、例えば純鉄の粉
末％　Ｆｅ−３Ｓｉで代表されるＦｅ−８ｉ合金粉、Ｆ
ｅ−Ａｔ合金粉、Ｆｅ−８ｆ−Ａｔ合金粉、Ｆｅ−Ｎｉ
合金粉、Ｆｅ−Ｃｏ合金粉等が挙げられ、これらは各々
単独でまたは適宜罠組合せて用いることができる。

また磁性粉は、その固有電気抵抗率が１０μΩ−閏から
高々数十μΩ−傭程度であるため、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、これら磁性粉末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
ならないわこのため数十ｋＨｚ程度までの周波数成分を
持つ電流によシ励磁され、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以下である仁とが望ましいｅ’ｔた１　００
　ｋＨｚを越える周波数成分を持つ電流により励磁され
、その周波数帯域までの透磁率特性を要求される鉄心の
場合は、磁性粉の平均粒径は１００μｍ以下であること
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。

製造が棲めて困難となりまた鉄心の成形段階で通常適用
される１　０００　ＭＰａ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ので１０μｍ以上が望ましい。

なお磁性粉と他の成分との割合は体遣比で６０〜９９チ
の範囲が望ましい。磁性粉が９９％を越えると樹脂量が
少なくなって鉄心の結着が弱くなり、また６０チ未溝に
なると、鉄心として１００００Ａ　７ｍの励磁力での磁
束密度がフェライト程度に低下するため、これ以上の磁
束密度を必要とする場合には上記範囲が望ましい。

本発明において、電気絶縁性の結着樹脂は、ジルコニウ
ム系カップリング剤を介して磁性粉の表面を被覆し、磁
性粉末相互間″ｆ：電気的絶縁状態にして鉄心全体の交
流磁化に対する充分な実効電気抵抗値を付与せしめると
同時に、これら粉末を結着するバインダーとしての作用
を果す、このようカ結着樹脂としては、例えばエポキシ
樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル
樹脂、ポリカーボネート樹脂などが岸けられ、これらは
単独若しくは適宜組合せて使用することができる。なお
この結着樹脂の他の成分との比率は体積比で０．７−以
上が望ましく、これより少ないと鉄心の結着強度が弱く
なる。

本発明において使用されるジルコニウム系カップリング
剤は、磁性粉と結着樹脂のぬれ性、接着性を向上させ、
磁性粉間に充分に結着樹脂が廻夕込んで被覆し、電気絶
縁性を向上させて、鉄心の鉄損全減少させると共に、圧
縮成形後の金型からの抜き圧を低くする作用がある。

ジルコニウム系カップリング剤は、加水分解され易い少
なくとも一つの基四と、加水分解されにくく親油性を示
す少なくとも一つの基（３）とが、ジルコニウム原子（
Ｚｒ）に結合して成るジルコニウム化合物であり、 Ｒｍ　−Ｚ　ｒ　−Ｘ　ｎ の一般式で衣わされる。

ジルコニウムば４配位をとる之め、上記一般式でｍ　＋
　ｎは４で、１≦ｍ≦３の条東金満足する必要がある。

また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ｐ、磁性粉表面に吸着した水分
と常温において容易に反応して、加水分解され、ジルコ
ニウム系カップリン、グ剤のジルコニウム原子がｒＩ！
／素原子を介して磁性分の表面と強固に結合することが
できる。

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
であり、磁性粉表面の水散基とは反応せず、有機物であ
る結着樹脂とのぬれ性、接着性が非常に優れている。

このようなジルコニウム系カップリング剤の代表例とし
ては、九とえば、次のようなものを挙げることができる
。

■　ＣＨａ−０−（Ｃ２Ｈ４−０）　２−Ｚｒ　−（ｏ
−！（！ニーＣ９Ｈ１９）３アルコキシトリスデカノイ
ルジルコネートジ（エチレンジアミノ）エチルエチレン
ジルコネートなお本発明においてジルコニウム系カップ
リング剤の配合割合は１体積比で０．３％以上添加する
ことが必要であり、これ未満の添加では結着が磁性粉間
に充分に廻シ込まず、絶縁性が低くなるので鉄損の減少
効果が少なくなる。

上記各成分は第１の発明および第２の発明に共通の成分
であるが、次にこれら共通成分に電気絶縁性無機化合物
粉末を添加した第２の発明について説明する。

本発明に使用される電気絶縁性無機化合物の粉末は、鉄
心の成形時に磁性粉相互間における摩擦抵抗′（ｆ−減
少させて鉄心の成形密度を高めると同時に、導電体であ
る磁性粉相互間に介在して鉄心全体の交流磁化に対する
実効電気抵抗値を高めて鉄損全減少させるという機能を
果す。

このような無機化合物としては、炭酸カルシウム、ノリ
力、マグネシウム、アルミナ、各種のガラスｉどがあり
、これらは各々単独または適宜組合せて使用することが
できる。ただし、これら無機化合物は、前記し次磁性粉
、結着樹脂と相互に反応しないものを用いる。

なお、無機化合物の粉末の平均粒径は、その分散性、鉄
心材料特性との関係からして、磁性粉の平均粒径よりも
小さく、望ましくは２０μｍ以下が好ましい。

また無機化合物の配合割合は、体積比で０．３〜３０チ
の範囲が好ましい。この場合０．３％未満では効果が得
られずまた３０％を越えると鉄心としての機械的強度が
低下してくる。

次に本発明の鉄心と製造する方法について説明する。

する。

先ず磁性粉とジルコニウム系カップリング剤を直接、ま
たはジルコニウム系カップリング剤ヲ溶剤に溶解した状
態で混合する。この工程で磁性粉の表面がカップリング
剤によって覆われる０次にこれに結着樹脂金加えて混合
物とする。

なおこの場合、磁性粉と結着樹脂およびジルコニウム系
カップリング剤の王者を同時に混合しても良く、また結
着樹脂とジルコニウム系カップリング剤とを予め混合し
たものに磁性粉全混合させる方法でも良い。

更に電気絶縁性の無機化合物粉末を成分として含む混合
物を作る場合には、磁性粉と無機化合物粉末を混合後、
ジルコニウム系カップリング剤と結着樹脂を順次混合す
る方法、磁性粉、無（浅化合物粉末、結着樹脂、ジルコ
ニウム系カップリング剤を同時に混合する方法。予め無
９化合物粉末を樹脂中に分散混合させておく方法など何
れの方法でも良いが、無機化合物粉末を単独で添加する
場合よりも、結着樹脂中に予め分散混合させておく場合
が最も効果的である。

次にこの混合物全金型に充填して圧縮成形し。

所望の状状の成形体を作製し、更に必要に応じて樹脂硬
化のための熱処理２施して鉄心全製造する。

〔発明の実施例〕

以下に本発明の詳細な説明する。

樹性粉、結着樹脂、ジルコニウム系カップリング剤、無
機化合物を所定の割合で配合し、これ全充分に混合した
つなおこのとき、特にことわりのない場合には無機化合
物粉末は予め結着樹脂中に分散混合させて使用した。

得られた混合物を成形用金型に充填して５　Ｑ　ＱＭＰ
ａの圧力で圧縮成形した後、成形体を金型から抜き取り
、得られた成形体に熱処理全施して鉄心全製造した。

この熱処理としては、結着樹脂にエポキシ樹脂を用いた
場合、１６０〜２００”Ｃ、０，５〜２時間の加熱、ポ
リアミド樹脂を用いた場合、１６０℃、１５分間の加熱
全行なった。

第１表に、磁性粉、結着樹脂、ジルコニウム系カップリ
ング剤、無機化合物粉末の組成種類及び配合比、さらに
粉末にあってはその平均粒径を示しｆｃ、またあわせて
、Ｂ：０．０５Ｔにおける５Ｑｋ！（ｚの鉄損も示した
。（１久Ｐ金白） 実施例１〜８ 実施例１〜８は磁性粉の配合比全固定してジルコニウム
系カップリング剤、無機化合物の配合比を変えたもので
ある。又、比較例１〜３はジルコニウム系カップリング
剤を含有しないものである。

鉄損値は、商用周波数である５　ｃ）Ｈｚでは各試料と
も明白な差は認められなかったが、高周波帯域である５
０ｋＨ！　、および１ＱＱｋＨｚでは、第１表から明ら
かなようにジルコニウム系カップリング剤を０．３チ以
上添加し之実施例１〜８は、比較例１〜３に比べて鉄損
が著しく小さくなっていた。さらに＋　　２００ｋＨｚ
ではその差が大きく３．５倍以上になり念、また結着樹
脂の一部全減らし、ＣａＣ０ｇを添加したものは鉄損が
更に小さくなっていることがわかる。

ここで実施例５と同様の配合比でＣａＣＯ３？結着樹脂
中には分散混合せず、結着樹脂とは別途加えて混合した
場合には、鉄損は前者に比べてやや増加したが、ＣａＣ
Ｏ３を全く加えない場合よシは低鉄損であった。

このように本発明の鉄心で高周波域での鉄損の低減が実
現されているのは、磁性粉間の絶縁が良好で渦電流損失
が小さいためである。

また、第１図に実施例３の実効透磁率の周波数特性を示
した（曲線ａ）５比較例２についても第１図中に曲線す
として示した。同図から明らかなように本発明の実施例
では４９ｋｌ（ｚ〜１０００ｋＨｚの広い周波数範囲で
ほとんど実効透磁率の変化がなく周波数特性に優れてい
るのに対し、比較例では高周波域で大幅に実効透磁率が
低下していることがわかる。

このように渦電流損失が小さい本発明は、高周波帯域で
の実効透磁率の低下が少ない、ｉた。

ＣａＣ０５ｅ含有する実施例５でもほとんど高周波域に
おける実効透磁率の低下はみられなかったが。

磁性粉粒径の大きい実施例６ではやや低下する傾向がみ
られた。

ｔＣ実施例３と比較例２の鉄心試料について。

成形後の同一形状１寸法（直径２０口、高さ２０ｃｍの
円柱状）の成形体について、抜き圧を比較した。

この結果、実施例３では１０００ｋｇ以下であったが。

比較例２では１５００〜２０００ｋｇと高く、ジルコニ
ウム系カップリング剤は成型後の抜き圧を減少させて、
成形工程全容易にすると共に、梨抜きの際の鉄心の破損
も少なく歩留１ｉ−向上させる効果もあることが判明し
た。

なお実施例１〜８の鉄心試料は励磁力１００００Ａ／ｍ
において、何れも０，６Ｔ以上の高い磁束密度を示した
。

実施例９〜１５ 実施例９〜１５は磁性粉の配合比金かえたものであり、
比較例４〜９社ジルコニウム糸カップリング剤を含有し
ないものである。

第１表から明らかなように磁性粉の配合比；Ｑ；はば同
等の試料で比較すると、本発明の鉄心の方が鉄損が少な
く、特に１ＱＱｋＩ（ｚではその差が更に大きくなって
いる。ま念無機化合物粉末としてＣａ　Ｃｏ　ｓ　ｆ添
加した実施例ｎと比較例６．およびＳ　ｉＯ２を添加し
た実施例１３と比較例８は更に大きな差が見られた。

なお本実施例の鉄心は、励磁力１００００　Ａ／ｍの磁
束密度が０．５　Ｔ以上金示すが、磁性粉の配合比が６
０チ未満である実施例１５は鉄損は小さいものの励磁力
１００００Ａ／ｍの磁束密度は０．４　Ｔ以下となっ念
。

実施例１６〜１９ 実施例１６〜１９は磁性粉のみを変え次ものであシ、比
較例１０〜１３はジルコニウム系カップリング剤を含有
しないものである。

第１表から明らかなように本発明の実施例の方が低鉄損
であシ、特に１ＱＱｋ）（Ｚの高周波数でのれ損が比較
例に比べて非常に小さいことがわｂる。

また第２図に実施例１７の実効透磁率の周波数特性を示
した（曲線ｃ）。

また、比較例ｎについても曲［ｄとして第２図にあわせ
て示した。

本発明による鉄心は高周波帯域でも実効透磁率の低下は
殆ど見られないが、比較例の鉄心は１００ｋＩ−１ｚ　
ｆ超えると大幅に低下していることがわかる。

この傾向は実施例１６と比較例１０．実施例１８と比較
例１２．実施例１９と比較例１３についても同様である
。

またこれら実施例１６〜１９の鉄心試料の、励磁力１０
０００Ａ／ｍにおける磁束密度は何れも０．６Ｔ以上で
あった。

実施例２０ 平均粒径１０５μｍのＦｅ−８ｉ−Ｂ系非晶質磁性粉を
８５チ配合したほかは、実施例１６と同様にして鉄心を
作製した。また比較例１４としでジルコニウム系カップ
リング剤は配合せず、他は実施例２０と同様の鉄心を作
製しｆ：、。

Ｂ＝０．０５Ｔのときの鉄損をそれぞれ測定したところ
、実施例２０は比較例１４と比較して、　５ＱｋＨ！で
は５５チ、１００ｋＨｚでは７０チの鉄損が減少してい
た。

〔発明の効果〕

以上説明した如く５本発明の鉄心では、磁性粉の表面が
ジルコニウム系カップリング剤によって被覆され、この
リン酸エステルの親油性基の働きによυ、磁性粉と結着
樹脂とのぬれ性及び結着性。

分散性が非常に良好である。

したがって１本発明の鉄心は、磁性粉間の結着樹脂によ
る電気絶縁性が優れている念め渦電流損が小さい。

このため１本発明の鉄心は、特に高周波帯域での鉄損が
小さく、発熱もなく実効透磁率の低下もなく高い磁束密
度を維持できるなど優れた磁気特性を有している。

特に無機化合物を成分として加えた場合には、さらに鉄
損の小さいすぐれた鉄心が得られる。

さらに、圧縮成形後の金型からの抜き圧も小さく作業性
も良好である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はそれぞれ鉄心における実効透磁率の
周波数特性を示した図である。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　竹　花　喜久男

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）鉄粉または鉄合金磁性粉末の何れか少なくとも一
   方と、電気絶縁性を有する結着樹脂と、下記一般式で示
   されるジルコニウム系カップリング剤とを混合した成形
   体からなることを特徴とする鉄心。 Ｒｍ−Ｚｒ−Ｘｎ ただし上記一般式において Ｒは加水分解され易い基で、１≦ｍ≦３ Ｚｒはジルコニウム Ｘは親油性を示す基で、ｎ＋ｍ＝４である。
2. （２）カップリング剤が体積比で０．３％以上であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の鉄心。
3. （３）鉄粉または鉄合金磁性粉末の何れか少なくとも一
   方と、電気絶縁性を有する結着樹脂と、下記一般式で示
   されるジルコニウム系カップリング剤および電気絶縁性
   を有する無機化合物粉末とを混合した成形体からなるこ
   とを特徴とする鉄心。 Ｒｍ−Ｚｒ−Ｘｎ ただし上記一般式において Ｒは加水分解され易い基で、１≦ｍ≦３ Ｚｒはジルコニウム Ｘは親油性を示す基でｎ＋ｍ＝４である。
4. （４）カップリング剤が体積比で０．３％以上であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の鉄心。