KR100746533B1 - 압분자심 - Google Patents

Abstract

본 압분자심은, Fe기 연자성 분말을 주체로 하여 이루어지는 압분자심에 있어서, 초기 투자율을 μ₀, 인가자계가 24kA/m일 때의 투자율을 μ으로 하였을 때, μ₀, μ의 사이에는, μ/μ₀≥0.5의 관계가 성립되어 있고, 애스팩트 비(L2/L1)가 1 내지 1.5인 연자성 분말: 60 내지 75체적%과 나머지가 절연 바인더를 주체로 하는 성분으로 이루어지고, 상기 절연 바인더의 함유량이 상기 연자성 분말 100중량부에 대해서 5 내지 20 중량부로 구성되어 있고, 인가자계가 강하게 되어도 투자율의 저하가 초래되기 어렵다.

Description

압분자심{COMPRESSED POWDER CORE}

도 1은, 애스팩트 비를 산출하는 장축(L₁), 단축(L₂)의 정의를 설명하기 위한 연자성 분말의 평면도이다.

본 발명은 압분자심에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 초기 투자율을 낮게 함으로써, 고자계를 인가하여도 높은 투자율을 나타내고, 결과로서 우수한 직류중첩특성을 발휘하도록 설계된 압분자심에 관한 것이다.

압분자심은, 대상제품이 소형ㆍ복잡한 형상이어도 높은 제품수율로 제조할 수 있으므로, 종래의 자심의 주류인 규소강판을 이용한 적층형 자심을 대신해서 널리 이용되기 시작하고 있다.

본 압분자심은, 일반적으로, 다음과 같이 하여 제조되고 있다.

즉 우선, 소정 조성의 연자성 합금에 대해서 기계분말틀이나 아토마이즈법을 적용하여 소정의 정밀도 분포를 보유하는 분말(연자성 분말)을 제조한다.

이어서, 이 연자성 분말에, 소정량의 절연재료와 바인더 성분을 균일하게 혼 합하여, 제조목적의 압분자심의 전기저항율을 높게 하기 위한 처리가 실시된다. 이 때에 이용되는 절연재료로서는 예컨대 Al₂O₃분말, SiO₂분말 등의 산화물 분말이나, AlN, Si₃N₄, BN과 같은 질화물 분말이 이용되고, 또한 바인더 성분으로서는 전기 절연성도 구비되어 있는 물유리나, 실리콘수지 등의 유기고분자가 이용되고 있다.

또한, 이후의 설명에 있어서는, 상기 절연재료와 바인더 성분을 일괄하여 「절연 바인더」로 칭한다.

계속해서, 이 혼합물을 금형에 충전한 후 소정의 압력으로 성형하여 압분자심의 그린체가 제조된다. 또한 이 때, 성형성을 높이기 위해서, 통상은, 상기 혼합물에 추가로 스테아린산 아연과 같은 윤활제의 소정량이 혼합된다.

게다가 최근에, 상기 그린체에 열처리를 행하여, 성형시에 축적된 성형변형을 해방하고, 목적으로 하는 압분자심으로 한다.

그런데, 이와 같이 하여 제조된 압분자심은, 일반적으로, 직류자계(인가자계)가 강하게 됨에 따라 자속밀도가 점점 높게 되어 가고, 게다가 어느 강도의 인가자계에서 자속밀도가 포화에 이르는 자화곡선(B-H곡선)을 긋는다. 게다가 자속밀도가 높게 되어 가는 정도에 있어서, 어느 직류자화에 교류미소자계를 중첩하여 자계를 미소변화시켰을 때의 자속밀도의 변화량을 상기 자계의 미소변화량으로 나눈 값을 가지고, 그 자계에 있어서의 투자율(미분비투자율)이 정의되어 있다. 따라서, B-H곡선의 경사가 작게 된다. 즉 인가자계가 강하게 됨에 따라서, 상기 미분비 투자율은 작게 되는 것이므로 투자율은 낮게 되고, 포화자화에 이른 이후에는, 투자 율은 사실상 1로 된다.

그런데, 원료로서 센더스트 분말과 같은 연자성 분말을 이용하여 제조한 고투자율의 압분자심의 경우, 대전류 통전의 상태에서 사용하면, 그 압분자심은 강한 직류자계가 인가되게 되기 때문에, 상기 압분자심의 자속밀도는 급속하게 포화에 이르고, 그 결과, 어느 인가자계를 경계로 하여 투자율은 1로 향하여 저하한다라는 문제가 발생한다. 즉, 이와 같은 고투자율의 압분자심은, 직류중첩특성이 나쁘다.

통상, 각종 용도분야에서는, 초기 투자율이 60 내지 125정도의 압분자심이 실용되고 있지만, 이와 같은 압분자심의 경우, 예컨대 16kA/m 이상의 고자계가 인가되면, 그 투자율은 극히 낮게 되고, 실사용에 견딜수 없다라는 문제가 발생하고 있다.

따라서, 예컨대 16kA/m 이상의 고자계가 인가된 경우이어도, 필요 수준의 투자율을 확보시켜서 직류중첩특성의 열화를 억제하기 위해서는, 대상으로 하는 압분자심의 초기 투자율을 낮추는 것이 효과적이다.

또한, 일반적으로, 투자율은 압분자심의 밀도의 함수인 것이 알려져 있다. 즉, 저밀도의 압분자심은 낮은 투자율을 나타낸다라는 것을 고려하면, 압분자심의 초기 투자율을 낮춘다라는 상기 과제를 해결하기 위해서는, 압분자심을 저밀도화하는 것이 효과적이라고 말할 수 있다.

그 경우에 고려할 만한 것은, 그 압분자심은, 인가자계가 강하게 되어 감에 따라 자속밀도는 높아지고, 최종적으로는 포화자화에까지 도달한다라는 자기특성을 구비하고 있는 것이고, 또한, 가령 초기 투자율은 낮아도, 그 압분자심의 포화자속 밀도는 실사용 상의 필요 수준을 만족하고 있어야만 한다는 것이다. 게다가는, 공업적으로 높은 제품수율에서의 제조가 가능하다라는 관점이다.

본 발명의 목적은, 상기 관점에 입각하여 개발된 압분자심으로서, 고자계가 인가되어도 투자율의 저하가 일어나기 어렵고, 높은 인가자계에 이르기까지 실사용이 가능한 신규한 압분자심을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 있어서는, Fe기 연자성합금의 분말을 주체로서 이루어지는 압분자심에 있어서, 초기 투자율은 μ₀, 인가자계가 24kA/m일 때의 투자율을 μ로 하였을 때, μ₀, μ의 사이에는, μ/μ₀ ≥0.5의 관계가 성립하고 있는 것을 특징으로 하는 압분자심, 특히 애스팩트 비가 1 내지 1.5인 연자성 분말: 60 내지 75 체적%와, 나머지가 절연 바인더를 주체로 하는 성분으로 이루어지고, 상기 절연 바인더의 함유량이 상기 연자성 분말 100중량부에 대해서 5 내지 20중량부인 압분자심이 제공된다.

본 발명의 압분자심은, 후술하는 형상 특성을 보유하는 연자성 분말과, 동일하게 후술하는 절연 바인더를 성형하고, 또한 열처리하여 제조되고, 어느 밀도를 보유하는 벌크체이다. 따라서, 이 압분자심은, 연자성 분말이 절연 바인더로 피복되고, 동시에 상기 절연 바인더에 의해서 서로 결착된 골격구조를 보유하고, 게다가 내부에는 미세한 구멍이 분포하는 조직구조로 되어 있다.

게다가, 본 발명의 압분자심에서는, 상기 조직구조에 있어서, 연자성 분말이 점유하는 체적비율은 60 내지 75체적%의 범위로 설정되어 있다. 따라서, 나머지의 성분인 절연 바인더를 주체로 하는 성분과, 상기 미세구멍의 전체 체적을 합량한 체적의 비율은, 20 내지 40체적%로 되어 있다.

우선, 본 발명의 압분자심은, 그 초기 투자율을 μ₀, 인가자계가 24kA/m일 때의 투자율을 μ로 하였을 때, μ₀와 μ의 사이에는, μ/μ₀≥0.5의 관계가 성립하는 자기특성을 보유하고 있다.

즉, 초기 투자율은 낮지만, 고자계가 인가되어도, 투자율의 저하는 적고, 구체적으로는, 24kA/m이라는 고자계가 인가되어도, 그 시점에 있어서, 초기 투자율(μ₀)에 대해서 50% 이상의 투자율(μ)이 확보되어 있는 압분자심이다.

이와 같은 자기 특성은, 후술하는 요건을 충족시킴으로써 실현할 수 있다.

이 경우, 연자성 분말로서는, 후술하는 애스팩트 비가 1 내지 1.5의 범위에 있는 것을 이용하는 것이 바람직하다.

이 애스팩트 비가 1.5보다 큰 연자성 분말인 경우에는, 상기 분말의 반자계 계수가 작게 되기 때문에, 제조한 압분자심의 초기 투자율(μ₀)은 높게 되고, 그 결과, 고자계 인가시의 투자율 저하가 일어나고, 구체적으로는, μ/μ₀≥0.5의 관계를 성립시키는 것이 가능하지 않게 되기 때문이다.

또한, 본 발명에서 말하는 애스팩트 비는, 다음과 같이 하여 측정된 값의 것을 말한다.

애스팩트 비 = L₂/L₁

여기서, L₁은, 도 1에 나타내는 바와 같이 분말(P)로부터 관찰되는 장축길이로 정의하고, L₂는, L₁의 중점을 통하고, 장축L₁에 수직한 선이 분말의 외부둘레를 횡으로 횡단하여 얻어지는 단축길이로 정의한다.

따라서, 이 애스팩트 비가 1인 분말은, 이것이 알인 것을 의미하고, 또한 애스팩트 비가 1보다 작은 값으로서 계산되는 것은 아니다.

또한, 본 발명에서 이용되는 연자성 분말로서는 Fe기 연자성 합금의 분말이며, 또한, 상기 형상 특성을 구비하고 있는 분말이면 어느 것이라도 좋지만, 이 경우의 Fe기 연자성 합금으로서는, 예컨대, Fe-3%Si, Fe-6.5%Si, Fe-9.5%Si-5.5%Al(센더스트), Fe-45%Si, Fe-(1 내지 18)%Cr합금(%표시는 모두 질량%) 등을 들 수 있다.
본 발명의 압분자심에 있어서, 이와 같은 형상 특성을 보유하는 분말의 점유율은, 60 내지 75체적%의 범위 내로 규제되어 있다.

상기 점유율이 75체적%보다 큰 경우에는, 압분자심의 초기 투자율(μ₀)은 높게 되고, 그 결과, 고자계의 인가시의 투자율(μ)은 저하한다. 구체적으로는, μ/μ₀ ≥0.5의 관계를 성립시킬 수 없게 된다.

또한, 이 점유율이 60체적%보다 작은 경우에는, 후술하는 절연 바인더 등의 성분의 상대적인 비율이 많게 되어 있고, 동시에 미세구멍의 전체 체적도 많게 되어 있는 상태이기 때문에, 자기특성의 면에서는, 초기 투자율이나 포화자속밀도 등이 저하되고, 직류중첩특성도 열화하고, 그 때문에, 고자계 인가 시의 투자율(μ) 은 저하한다. 구체적으로는, μ/μ₀ ≥0.5의 관계를 성립시킬 수 없게 된다. 동시에, 압분자심은 전체로서 상대적으로 다공질로 되어 있기 때문에, 충분한 강도특성이 확보되어 있다라고는 말하기 어렵다.

다음에, 절연 바인더 등에 관해서 말하면, 본 발명에서 사용가능한 절연 바인더로서는 각별히 한정되는 것은 아니고, 예컨대, 물유리나 실리콘수지, 인산, 페놀수지, 이미드수지와 같이 종래로부터 사용되고 있는 것을 이용하면 좋다.

그러나, 이 함유량은, 상기 연자성 분말 100중량부에 대해서 5 내지 20중량부라는 종래의 압분자심의 경우에 비해서 매우 대량으로 설정되어 있는 것이 바람직하다.

이와 같이 대량으로 절연 바인더를 함유시킴으로써, 본 발명의 압분자심은 저밀도로 되고, 그 결과, 초기 투자율(μ₀)이 작은 값으로 되어 가는 것이다.

이 함유량이 5중량부보다 작은 경우에는, 압분자심의 저밀도화가 불충분하게 되어서 그 초기 투자율(μ₀ )은 크게 되고, 이 때문에, 고자계 인가시의 투자율(μ)이 저하한다. 구체적으로는, μ/μ₀ ≥0.5의 관계를 성립시킬 수 없게 된다.

또한, 20중량부보다도 많게 하면, 압분자심으로서의 저밀도화는 가능하게 되어서 초기 투자율(μ₀ )을 작게 하는 것이 가능하지만, 한편으로는, 연자성 분말의 점유비율이 작게 되는 것에 기인하여, 예컨대 목적으로 하는 포화자속밀도를 얻기 어렵게 되고, 또한 성형시에 분열 등의 현상이 일어나서 불량품의 발생율이 높게 된다.

본 발명의 압분자심은, 종래와 동일하도록, 상기 각 성분을 혼합하고, 그 혼합물을 성형하고, 계속해서 열처리를 행하여 제조할 수 있다.

실시예 1 내지 10, 비교예 1 내지 6

가스와 물을 이용하는 아토마이즈법에 의해, Fe-9.5%Si-5.5%Al(센더스트합금조성)으로, 입도 100메슈 하의 연자성 분말을 제조하였다. 이 때, 아토마이즈법의 운전조건을 바꾸어서, 표 1에서 나타내는 애스팩트 비의 분말로 하였다.

이어서, 이들 분말에 대해서, 일단, 진공 중에 있어서 온도 800℃로 1시간의 열처리를 실시하여 교정을 행한 후, 분말 100중량부에 대해서, 표 1에 나타낸 비율 (중량부)의 물유리를 혼합하고, 또한 0.5중량부의 스테아린산 아연(윤활제)을 혼합하였다.

이 혼합물을 0.49 내지 1.96×10³Mpa의 압력으로 프레스 성형하여, 외경 28mm, 내경 20mm, 높이 5mm의 링형상의 압분체를 성형하고, 이어서, 진공 중에 있어서 온도 800℃에서 1시간의 열처리를 행하여 압분자심으로 하였다.

얻어진 압분자심의 부피밀도를 측정한 후, 40턴의 권선을 행하고, 하기의 방법으로 투자율을 측정하였다.

(1) 초기 투자율(μ₀) : YHP사 제조의 42841A 프래시전 LCR 미터를 이용하고, 인가자계 4A/m, 주파수 20kHz의 교류자계에 있어서의 미분지 투자율로서 측정.

(2) 인가자계 24kA/m에서의 투자율(μ) : YHP사 제조의 42841A 프래시전 LCR 미터를 이용하고, 인가자계 24kA/m 의 바이어스 직류자계에 인가자계 4A/m, 주파수 20kHz의 교류자계를 중첩하였을 때에 있어서의 미분비 투자율로서 측정.

이상의 결과를 일괄하여 표 1에 나타내었다.

표 1로부터 다음의 것이 밝혀졌다.

(1) 절연 바인더의 비율이 본 발명에서 규정하는 범위보다 작은 비교예1은, 모두 부피밀도가 높고, 초기 투자율이 높고, 고자계 인가 시에 있어서의 투과율의 저하의 정도가 크게 되어 있다. 또한, 절연 바인더가 본 발명에서 규정하는 범위보다 많고, 비교예2의 경우는, 변형의 발생이 확인되고 불량품으로 되어 갔다. 이와 같은 것으로부터, 절연 바인더의 함유량은 연자성 분말 100중량부에 대해서 5 내지 20중량부로 규정해야하는 것을 알았다.

(2) 실시예7과 비교예3을 비교하여 밝혀진 바와 같이, 다른 요건은 동일하여도, 애스팩트 비가 본 발명에서 규정하는 범위로부터 떨어져 있는 비교예3의 경우는, 실시예1의 경우에 비해서, 초기 투자율이 높고, 고자계 인가 시의 투자율이 저하하고 있다. 이와 같은 것으로부터, 이용하는 연자성 분말의 애스팩트 비를 1 내지 1.5의 범위 내로 설정해야하는 것을 알았다.

(3) 센더스트 분말의 체적비율이 본 발명에서 규정하는 75체적%보다 큰 비교예1, 체적비율이 본 발명에서 규정하는 60체적%보다 작은 비교예2, 비교예5와, 체적 비율이 본 발명의 규정범위 내인 실시예1을 비교하여 밝혀진 바와 같이, 비교예1의 경우는 초기 투자율이 크고, 고자계 인가 시의 투자율의 저하가 심하다. 또한 비교예2, 비교예5의 경우는, 초기 투자율은 작다라고는 해도, 역시, 고자계 인가시의 투자율은 저하하고 있다. 이와 같은 것으로부터, 연자성 분말의 체적비율은 60 내지 75체적%로 규정해아하는 것을 알았다.

이상의 설명으로 밝혀진 바와 같이, 본 발명의 압분자심은, 초기 투자율은 낮더라도, 고자계의 인가시에 있어서도 투자율의 저하가 억제되고 있다.

따라서, 본 압분자심은, 대전류용 척코일이나 인덕터와 같은 용도로 사용하 여 유용하다.

본 발명의 압분자심은 고자계가 인가되어도 투자율의 저하가 일어나기 어렵고, 높은 인가자계에 이르기까지 실사용이 가능한 것이다.

Claims (2)

1. Fe기 연자성 합금의 분말을 주체로 하고, 또한, 초기 투자율을 (μ₀), 인가자계가 24kA/m일 때의 투자율을 μ로 하였을 때, μ₀와 μ의 사이에는, μ/μ₀ ≥0.5의 관계가 성립되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 압분자심.
2. 제 1항에 있어서, 애스팩트 비가 1 내지 1.5인 상기 분말: 60 내지 75체적%와, 나머지가 절연 바인더를 주체로 하는 성분으로 이루어지고, 또한, 상기 절연 바인더의 함유량이, 상기 분말 100중량부에 대해서 5 내지 20중량부인 것을 특징으로 하는 압분자심.

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