WO2009125639A1 - 巻磁心およびその製造方法 - Google Patents

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直美 光野
弘光 板橋
茂穂 谷川
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日立金属株式会社
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
    • H01F41/0206—Manufacturing of magnetic cores by mechanical means
    • H01F41/0213—Manufacturing of magnetic circuits made from strip(s) or ribbon(s)
    • H01F41/0226—Manufacturing of magnetic circuits made from strip(s) or ribbon(s) from amorphous ribbons
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
    • H01F3/04—Cores, Yokes, or armatures made from strips or ribbons

Definitions

  • the present invention is a wound core using an amorphous alloy ribbon intended to reduce iron loss and improve energy conversion efficiency, and particularly relates to a wound core useful as a distribution transformer.
  • Iron loss occurs in iron cores used in electromagnetic devices such as transformers and reactors. Since these electromagnetic devices are frequently used for power transmission / distribution and power reception, if these iron losses are integrated, a huge loss occurs. In recent years where energy saving and reduction of CO 2 emissions are strongly demanded, it is wasteful energy consumption, and it is strongly demanded to reduce iron loss that is the source of CO 2 emissions. Regulations based on the top runner method, which imposes significant power loss reduction on transformers, have been introduced. In addition to Japan, measures are being taken to improve energy efficiency, notably in China and Europe, and in the power sector, measures to increase energy conversion efficiency such as transformers and reactors are being promoted nationwide.
  • the Fe-based amorphous alloy ribbon has a low iron loss of about 1/10 compared to a standard electromagnetic steel sheet, and is a material that can contribute to improving the efficiency of the device when used in a transformer or the like. Iron loss is roughly classified into hysteresis loss and eddy current loss. Furthermore, eddy current loss is classified into classical eddy current loss and abnormal eddy current loss. The reason why the iron loss of the Fe-based amorphous alloy ribbon is lower than that of the electromagnetic steel sheet is that the hysteresis loss can be reduced because the coercive force is lower than that of the electromagnetic steel sheet, and the thickness is about 1 compared to the electromagnetic steel sheet.
  • the classical eddy current loss is small because it is as thin as / 10.
  • the transformer using the Fe-based amorphous alloy ribbon is approximately compared with the transformer using the electromagnetic steel sheet. It is said to be about 1/3 to 1/4. This is because the transformer using the Fe-based amorphous alloy ribbon compared to the electromagnetic steel sheet is a high-efficiency transformer, but the iron loss increase rate when assembled in the transformer is higher than that of the electromagnetic steel sheet. It shows that it is getting bigger.
  • the Fe-based amorphous alloy ribbon has a larger magnetostriction than that of the electromagnetic steel sheet, so that the coercive force increases due to the influence of the strain when wound.
  • amorphous alloy ribbons used for transformers have a thin plate thickness, so there is no appropriate insulation treatment method, and interlayer insulation treatment has not been performed.
  • As a method for reducing eddy current loss it is effective to provide an insulating layer between the layers.
  • the plate thickness is 15 to 30 ⁇ m.
  • the film is thin, it has a thickness of about 6 ⁇ m with respect to the amorphous alloy ribbon of about, and the ratio of the film to the whole becomes as large as 2 or more, and the space factor is greatly deteriorated. .
  • Patent Document 1 describes an amorphous core using an Fe-based or Ni-Fe-based amorphous magnetic alloy, in which an amorphous magnetic ribbon is coated with a heat-resistant resin to form an insulating layer, and a wound core It is disclosed that.
  • Patent Document 2 as a magnetic core of an ignition coil, a heat-resistant paint based on a silicone resin is applied to one surface of an Fe—Si—B-based amorphous alloy ribbon to form a magnetic insulating layer, which is wound around an electromagnetic soft iron rod. What was there is listed.
  • Patent Document 3 in order to prevent contact between the ribbons, a technique of putting a nonmagnetic fine powder such as silica between the ribbons into a core is also widely used.
  • the Fe-based amorphous alloy ribbon has problems that the magnetostriction is as large as 20 ppm or more and that interlayer insulation treatment is not performed at the time of winding, so that interlayer conduction occurs.
  • the magnetostriction is large, a change in magnetic characteristics is caused by the influence of the strain generated during assembly, resulting in an increase in no-load loss. Therefore, the transformer core is subjected to heat treatment for strain relief.
  • a method of interlayer insulation treatment a method of providing a resin layer is conceivable.
  • the amorphous alloy ribbon has a large magnetostriction, and the thermal expansion coefficients of the resin and the amorphous alloy ribbon are different.
  • thermosetting resin is applied to an amorphous alloy ribbon, the resin is thermoset, and then the amorphous alloy ribbon is wound into a magnetic core, and the magnetic core is heated at 250 ° C. to 400 ° C. It is a manufacturing method of a wound magnetic core characterized by heat-treating.
  • a polysiloxane-based resin is applied to an amorphous alloy ribbon, the resin is dried at 150 ° C. to 250 ° C., and then the amorphous alloy ribbon is wound to form a magnetic core. Is a heat treatment at 250 ° C. to 400 ° C.
  • the thickness of the thermoset resin is preferably 10 nm or more and 850 nm or less.
  • the amorphous alloy ribbon preferably has a width of 100 mm or more. Further, it is preferable that the insulating layer of the resin to be applied to the amorphous alloy ribbon is applied so as to be formed every 2 to 10 layers of the amorphous alloy ribbon.
  • the present invention is a wound core having an insulating layer made of a resin between the amorphous alloy ribbons, one of the amorphous alloy ribbons on both sides of the insulating layer is fixed to the insulating layer, And the other is characterized in that it does not adhere to the insulating layer but only contacts.
  • the insulating layer preferably has a thickness of 10 nm to 850 nm. Moreover, when the said wound magnetic core is a magnetic core for transformers used with a frequency of 100 Hz or less, it is preferable that the thickness of the said insulating layer shall be 30 nm or more and 150 nm or less. When the wound core is a pulse power magnetic core to which an input voltage of 200 V or higher is applied, the insulating layer preferably has a thickness of 400 nm to 750 nm.
  • This wound magnetic core is particularly useful for transformer applications that require squareness, makes it possible to construct power distribution equipment with low energy loss, and is environmentally friendly and can suppress CO 2 emissions from power generation facilities and the like. .
  • FIG. 3 is a graph of the sum of eddy current loss and hysteresis loss in FIG. 2. It is a measurement result of the eddy current loss and hysteresis loss in the wound magnetic core of this invention. It is a schematic diagram which shows the formation method of an insulating layer. It is a perspective view of the wound core of the present invention.
  • Amorphous alloy thin body 1 Insulating resin solution 3 Roll coater 4 Hot air drying furnace
  • the present invention provides a wound magnetic core having an insulating layer made of a resin between layers of amorphous alloy ribbons, one of the amorphous alloy ribbons on both sides of the insulating layer being fixed to the insulating layer and the other Is characterized by only being in contact with the insulating layer and not being fixed. Whether it is fixed or not can be easily determined by peeling off the amorphous alloy ribbon of the wound magnetic core. In other words, when the amorphous alloy ribbon is peeled off, if the adhesive does not remain on both sides of the amorphous alloy ribbon, the amorphous alloy ribbons are not fixed to each other in the insulating layer portion. I can say that.
  • the magnetostriction due to the internal stress generated in the magnetic core when the amorphous ribbon is fixed on both sides of the insulating layer Changes the magnetic characteristics.
  • a thermosetting resin or polysiloxane resin to an amorphous alloy ribbon to form a heat-resistant insulating layer, which is cured or dried, and then wound into a magnetic core, the magnetic properties of the magnetic core are optimized.
  • the amorphous alloy ribbon can obtain better magnetic properties by forming a wound magnetic core by an operation such as winding after insulation treatment and then annealing.
  • the amorphous ribbon hoop is formed by winding a plurality of laminated ribbons into a hoop shape, and one of them is an insulating layer.
  • An insulating layer can be provided every 2 to 10 layers by entraining the Fe-based amorphous ribbon to which is added.
  • the temperature is 300 to 400 ° C. for the Fe-based amorphous alloy ribbon, and 300 to 600 ° C. for the Co-based amorphous alloy ribbon.
  • the heat treatment time is preferably 0.1 to 20 hours.
  • the resin used as the insulating layer can be a thermosetting resin or a polysiloxane resin.
  • a polysiloxane-based resin is preferable because the insulation layer after drying can be made as thin as possible, so that the space factor of the magnetic core can be improved.
  • the polysiloxane resin refers to a polymer chain structure in which silicon-oxygen bonds are repeated as a main chain, and an organic component having carbon bonded thereto. This silicon-oxygen bond maintains flexibility in a wide temperature range from extremely low to high temperatures.
  • This polysiloxane resin has a 5% thermal decomposition temperature of 400 ° C. or higher, and is dried at 150 ° C. to 250 ° C. for 5 minutes or longer to form an insulating layer in which the ribbons do not adhere to each other even when annealing of the wound core is performed. Can be formed.
  • the polysiloxane resins those that become an organic SOG film after drying the resin are preferable. Examples of the organic SOG film include those obtained by copolymerizing tetraalkoxysilane and alkylalkoxysilane.
  • thermosetting resin polyimide resin, polyamideimide resin, etc.
  • polyimide resin polyamideimide resin, etc.
  • thermosetting resin is used because it is a thermoplastic resin, it is melted and bonded between the ribbons during the annealing heat treatment of the wound magnetic core.
  • thermosetting resin polyamide-imide resin is generally obtained by reaction of trimellitic anhydride and aromatic diamine.
  • the polyamic acid content of a commercially available polyamideimide resin solution is about 20 to 30% by weight, but it can be diluted to 5 to 15% by use of a solvent and used. If the thickness after solvent drying is reduced, the space factor is improved, but the defect occurrence rate of pin poles and the like is increased, and there is a possibility that insulation between adjacent metal ribbons in the laminate is insufficient.
  • the applied polyamide-imide resin solution can be removed at 95 ° C. or more by drying at 150 ° C. or more for about 5 minutes to form a heat-resistant insulating layer having no adhesion.
  • This thermosetting polyamide-imide resin has a 5% thermal decomposition temperature of 400 ° C. or higher and can sufficiently withstand the temperature during heat treatment.
  • the thickness for applying the resin is preferably 10 nm or more and 850 nm or less.
  • the thickness is less than 10 nm, the voltage resistance is insufficient and the function as an insulating layer is insufficient.
  • the compressive stress to the amorphous metal ribbon increases, and the building factor decreases.
  • a more desirable insulating layer thickness is preferably thinner than the surface roughness Ra of the amorphous alloy ribbon. If it is thinner than the surface roughness Ra, since the convex part of the surface of the ribbon is in contact with the opposing ribbon when the amorphous alloy ribbon is wound, the amorphous alloy ribbon facing the resin There is no contact between the bands.
  • the resin itself is in a state in which the ribbons are not bonded to each other as described above, if the annealing treatment of the winding core is performed, the insulating layer softens somewhat, so that the amorphous ribbon is slightly strained. .
  • the surface roughness is about 50 nm to 250 nm on average. Therefore, the more preferable range of the thickness of the insulating layer is 250 nm or less. Furthermore, in order to ensure the space factor of the wound core, it is preferable that the insulating layer is as thin as possible.
  • the amorphous alloy ribbon has a thin plate thickness of 10 to 50 ⁇ m, it is not necessary to provide a heat resistant insulating layer between all the layers, and there is one heat resistant insulating layer for every 2 to 10 layers of the amorphous alloy ribbon. It may be a wound magnetic core in which the formed amorphous alloy ribbon is wound, and a high space factor magnetic core can be obtained by providing a heat-resistant insulating layer at a ratio of one layer to several amorphous alloy ribbons. Obtainable.
  • the amorphous alloy ribbon used is preferably an FeSiB-based amorphous alloy ribbon in terms of both cost and productivity.
  • the alloy composition of the amorphous alloy ribbon is represented by the general formula: (Fe 100-a M a ) b Si C B d (atomic%) (where M is Co and / or Ni, and a, b , C and d are preferably represented by 0 ⁇ a ⁇ 30, 76 ⁇ b ⁇ 84, 1 ⁇ c ⁇ 12, and 8 ⁇ d ⁇ 18.
  • the thickness of the amorphous alloy ribbon is preferably 15 ⁇ m to 30 ⁇ m. When it is thicker than 30 ⁇ m, the effect of reducing the interlayer eddy current loss due to the provision of the insulating layer is reduced.
  • the electromotive force generated between the layers is proportional to the cross-sectional area of the magnetic material portion through which the magnetic flux passes, when the thickness of the amorphous alloy ribbon is constant, the electromotive force is proportional to the ribbon width. That is, since the eddy current loss between layers is proportional to the square of the amorphous alloy ribbon width, in transformer applications used in a frequency range of 100 Hz or less, specifically 50 Hz or 60 Hz, the ribbon width is wide. The ratio of the reduction effect of the inter-layer eddy current loss to the total iron loss cannot be ignored. Therefore, the effect of reducing the iron loss can be obtained as much as possible by manufacturing the wound magnetic core of the present invention using an amorphous alloy ribbon having a ribbon width of 100 mm or more, more desirably 130 mm or more.
  • FIG. 3 shows one embodiment of the insulating layer forming method.
  • the amorphous alloy ribbon 1 is coated with an insulating resin solution 2 by a roll coater 3 and then rewound again after removing volatile components such as a solvent from the hot air drying furnace 4.
  • the thickness of the insulating layer can be adjusted by adjusting the concentration of the insulating resin solution and the transfer amount of the roll coater.
  • a wound magnetic core as shown in FIG. 4 is obtained by winding a thin ribbon coated with an insulating layer in this way. As shown in FIG. 4a, one sheet may be wound, or in the case where a single insulating layer is provided on a plurality of thin ribbons, as shown in FIG. They can be attached or superposed.
  • Example 1 As the Fe-based amorphous alloy ribbon, 2605SA1 material made by Metglas having an average thickness of 25 ⁇ m and a width of 180 mm was used. A polysiloxane resin (organic SOG film) having a solid concentration of 0.18 to 29% was used as the insulating layer. The insulating layer was applied with a roll coater using a roll having a wet film thickness of 5 ⁇ m and dried and cured at 190 ° C. for 10 seconds to form a resin film having a thickness of about 5 nm to 950 nm. The results of measuring the iron loss of this amorphous alloy ribbon are shown in Table 1. When the thickness of the insulating layer exceeds 850 nm, the iron loss increases.
  • Table 1 When the thickness of the insulating layer exceeds 850 nm, the iron loss increases.
  • FIG. 1 shows the measurement results of iron loss in the wound core of the present invention.
  • the iron loss value decreases in the range of 10 nm to 850 nm.
  • the iron loss value is reduced when the thickness of the insulating layer is in the range of 30 nm to 150 nm (A), and then the iron loss value is similarly reduced in the range of 400 nm to 750 nm (B).
  • the thickness of the insulating layer is in the range of 50 nm to 120 nm and in the range of 500 nm to 730 nm, the iron loss value is as small as 0.140 W / kg or less.
  • FIG. 2 shows the measurement result of the hysteresis loss of the wound core obtained by measuring the iron loss shown in FIG. 1 and the eddy current loss calculated thereby.
  • Hysteresis loss tends to increase as the thickness of the insulating layer increases.
  • the hysteresis loss increases in the range where the thickness of the insulating layer is from 100 nm to 200 nm, the increase is small in the range of 200 nm to 600 nm, and the thickness exceeds 600 nm. When it comes to it, it will increase greatly.
  • the eddy current loss starts to decrease sharply when the insulating layer exceeds 10 nm, and when the insulating layer exceeds 100 nm, the reduction amount becomes small.
  • the insulating layer exceeds 600 nm, sufficient insulation is taken and the eddy current loss becomes almost constant.
  • the sum of these changes corresponds to the iron loss shown in FIG. 1, so that there are two insulating layer thickness ranges in which the iron loss becomes smaller.
  • the thickness of the insulating layer is preferably in the range of 30 nm to 150 nm (A) in consideration of suppression of the hysteresis loss value.
  • the space factor of the wound core does not decrease, so that soft magnetic characteristics preferable as a magnetic core can be obtained.
  • a high voltage is applied to a pulse power magnetic core or the like, high interlayer insulation is required.
  • high interlayer insulation and eddy current loss reduction effect can be obtained by setting the thickness of the insulating layer in the range (B) of 400 nm to 750 nm.
  • Example 2 As the Fe-based amorphous alloy ribbon, a 2605SA1 material made by Metglas having an average thickness of 25 ⁇ m and widths of 25, 50, 100, 130, and 180 mm was used. The insulating layer was formed to a thickness of 80 nm by the same method as in Example 1 to obtain an amorphous alloy ribbon with an insulating layer. Table 2 shows the results of producing a wound magnetic core using the ribbon and measuring the iron loss. When the width is 25 mm, the effect of reducing the iron loss is not observed due to the stress of the insulating layer, but when the width is 180 mm, the interlayer vortex loss is reduced by the insulating layer, and the overall iron loss is reduced.
  • Example 3 As the Fe-based amorphous alloy ribbon, 2605SA1 material made by Metglas having an average thickness of 25 ⁇ m and a width of 180 mm was used. The insulating layer was formed to a thickness of 80 nm by the same method as in Example 1 to obtain an amorphous alloy ribbon with an insulating layer. Specifically, a wound magnetic core was prepared in which the insulating layer was put into a layer of amorphous alloy ribbons. And the iron loss of each wound magnetic core was measured. The results are shown in Table 3. As described above, the insulating effect was obtained without providing an insulating layer for each layer.

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Abstract

　本発明では、シリカなどの非磁性の微粉末を使用せず、安価で取扱いに優れた量産性を有する巻磁心とその製造方法を提供することを課題とする。本発明では、非晶質合金薄帯に熱硬化性の樹脂を塗布し、前記樹脂を熱硬化させ、その後前記非晶質合金薄帯を巻いて磁心とし、前記磁心を２５０°C～４００°Cで熱処理する。例えば、非晶質合金薄帯にポリシロキサン系の樹脂を塗布し、前記樹脂を１５０°C～２５０°Cで乾燥し、その後前記非晶質合金薄帯を巻いて磁心とし、前記磁心を２５０°C～４００°Cで熱処理する。

Description

巻磁心およびその製造方法
　本発明は鉄損を低減してエネルギー変換効率を向上させることを目的とした非晶質合金薄帯を用いた巻磁心であり、特に配電用変圧器として有用な巻磁心に関する。
　変圧器やリアクトルなどの電磁機器で用いられる鉄心では鉄損が発生する。これらの電磁機器は電力の送配電や受電に多用されているため、それらの鉄損を積算すると膨大な損失となる。省エネルギーやＣＯ２排出量の低減が強く求められている昨今では、無駄なエネルギー消費であり、ＣＯ２排出の元となる鉄損を低減することが強く求められており、最近では、例えば配電用変圧器に対して大幅な電力損失削減を課すトップランナー方式による規制が導入されたりしている。また、日本のみならず、中国や欧州を中心としてエネルギー効率を向上する施策がとられており、電力関係では変圧器やリアクトルなどのエネルギー変換効率を高める対策が国を挙げて促進されている。
　Ｆｅ基非晶質合金薄帯は、標準的な電磁鋼板に比べて鉄損が約１／１０と低く、変圧器などに用いた場合に装置の効率向上に貢献できる材料である。鉄損は、ヒステリシス損失と、渦電流損失に大別され、さらに、渦電流損失は、古典的渦電流損失と異常渦電流損失に分けられる。電磁鋼板に比べてＦｅ基非晶質合金薄帯の鉄損が低くなる理由としては、電磁鋼板に比べて保磁力が小さいためにヒステリシス損失を小さくでき、板厚も電磁鋼板に比べて約１／１０と薄いため古典的渦電流損失も小さいことが挙げられる。
　ところが、この材料を用いて変圧器を組み立てた場合での無負荷損失を比較すると、Ｆｅ基非晶質合金薄帯を用いた変圧器は、電磁鋼板を用いた変圧器と比較して、約１／３～１／４程度と言われている。このことは、電磁鋼板に比べてＦｅ基非晶質合金薄帯を用いた変圧器は、高効率な変圧器ではあるものの、変圧器に組み立てた際の鉄損増加率が電磁鋼板と比べて大きくなっていることを示している。考えられる理由として、一つには、Ｆｅ基非晶質合金薄帯は、電磁鋼板に比べて磁歪が大きいため、巻き回した際の歪の影響により、保磁力が増大することがあげられる。別の理由としては、層間絶縁処理を施していないために、層間に渦電流が流れ、無負荷損失となることがあげられる。
　これまでに変圧器用途に用いられた非晶質合金薄帯は、板厚が薄いため、適切な絶縁処理の方法がなく、層間絶縁処理が施されていなかった。渦電流損失を低減する方法としては、層間に絶縁層を設けることが有効であるが、絶縁層としてフィルム状のものを用い非晶質合金薄帯と共に巻き回した場合、板厚が１５～３０μｍ程度の非晶質合金薄帯に対して、フィルムは薄いものでも６μｍ程度の厚みがあり、全体に対してフィルムの占める割合が２以上と大きくなり、占積率を大幅に悪化させることになる。
　また、特許文献１には、Ｆｅ系やＮｉ－Ｆｅ系のアモルファス磁性合金を用いたアモルファスコアについて記載され、その中でアモルファス磁性薄帯に耐熱樹脂を塗布して絶縁層を形成し、巻磁心とすることが開示されている。
　同様に、特許文献２では、点火コイルの磁心としてＦｅ－Ｓｉ－Ｂ系のアモルファス合金薄帯の片面にシリコーン樹脂をベースとする耐熱性塗料を塗布して磁気絶縁層とし、電磁軟鉄棒に巻いたものが記載されている。
　また、特許文献３のように、薄帯同士の接触を防ぐために、薄帯間にシリカなどの非磁性の微粉末を入れてコアにする技術も広く採用されている。
特開平１１－２３３３２７号公報 特開平９－１９９３５０号公報 特開２００５－１８３０４１号公報
　Ｆｅ基非晶質合金薄帯がもつ問題点として、磁歪が２０ｐｐｍ以上と大きいことと、巻き回した際の層間絶縁処理が施されていないために層間導通が発生することが挙げられる。磁歪が大きいと、組立の際に発生する歪の影響により磁気特性の変化を引き起こし、無負荷損失の増加をもたらすため、変圧器コアには歪取のための熱処理が施される。層間絶縁処理の方法としては、樹脂層を設ける方法が考えられるが、上述したように、非晶質合金薄帯は磁歪が大きく、また、樹脂と非晶質合金薄帯の熱膨張係数が異なることから樹脂と非晶質合金薄帯の熱膨張係数の違いにより発生した熱応力により、磁気特性最適化のための熱処理を行っても磁心の内部に樹脂からの残留歪による圧縮応力が加わり、ヒステリシス損失が増加してしまう。そのため、層間絶縁処理を施して渦電流損失を低下させても、その効果が得られないことになる。さらに、薄帯の層間が樹脂によって接着されても、同様に磁心内に応力が発生してヒステリシス損失が増加してしまう。
　特許文献３に記載されるようなマグネシアやシリカ等のセラミックの微粉末を用いた絶縁手段では、薄帯の層間が樹脂によって接着されることはないものの、熱処理によって材料の角形性が悪くなることが解った。変圧器用途では角形性の高い磁気特性が求められるため、通常のシリカなどの微粉末を用いた変圧器用磁心では要求される角形性の高い磁気特性を満足できない。
　本発明ではこれらの点を検討し、シリカなどの非磁性の微粉末を使用せず、安価で取扱いに優れた量産性を有する巻磁心とその製造方法を提供することを課題とする。
　本発明は、非晶質合金薄帯に熱硬化性の樹脂を塗布し、前記樹脂を熱硬化させ、その後前記非晶質合金薄帯を巻いて磁心とし、前記磁心を２５０℃～４００℃で熱処理することを特徴とする巻磁心の製造方法である。
　また、本発明は、非晶質合金薄帯にポリシロキサン系の樹脂を塗布し、前記樹脂を１５０℃～２５０℃で乾燥し、その後前記非晶質合金薄帯を巻いて磁心とし、前記磁心を２５０℃～４００℃で熱処理することを特徴とする巻磁心の製造方法である。
　前記熱硬化させた樹脂の厚さを１０ｎｍ以上８５０ｎｍ以下とすることが好ましい。
　また、前記非晶質合金薄帯は幅が１００ｍｍ以上のものを用いることが好ましい。
　また、前記非晶質合金薄帯に塗布する前記樹脂の絶縁層を前記非晶質合金薄帯の２～１０層毎に形成されるように塗布することが好ましい。
　また、本発明は非晶質合金薄帯の層間に樹脂からなる絶縁層を有する巻磁心であって、前記絶縁層の両側の非晶質合金薄帯は、一方が前記絶縁層と固着し、かつ他方は前記絶縁層と固着せず接触するのみであることを特徴とする。
　前記絶縁層は厚さが１０ｎｍ以上８５０ｎｍ以下であるものが好ましい。
　また、前記巻磁心が１００Ｈｚ以下の周波数で使用される変圧器用磁心である場合、前記絶縁層の厚さが３０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下とすることが好ましい。
　また、前記巻磁心が２００Ｖ以上の入力電圧が印加されるパルスパワー用磁心である場合、前記絶縁層の厚さが４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下であることが好ましい。
　十分な絶縁性を有する膜厚であり、かつ応力の小さい絶縁層を設けることで良好な磁気特性を有し、鉄損の小さい巻磁心を得ることが出来た。この巻磁心は特に角形性が要求される変圧器用途に有用であり、エネルギー損失の小さい配電設備を構築することが可能になり、環境に優しく発電施設などのＣＯ２排出量を抑えることができる。
図２の渦電流損失とヒステリシス損失の総和をグラフ化したものである。 本発明の巻磁心における渦電流損失とヒステリシス損失の測定結果である。 絶縁層の形成方法を示す模式図である。 本発明の巻磁心の斜視図である。
符号の説明
　１　非晶質合金薄体
　２　絶縁樹脂溶液
　３　ロールコータ
　４　熱風乾燥炉
　本発明は非晶質合金薄帯の層間に樹脂からなる絶縁層を有する巻磁心であって、前記絶縁層の両側の非晶質合金薄帯は、一方が前記絶縁層と固着し、かつ他方は前記絶縁層と接触するのみで固着していないことを特徴とする。固着しているかどうかは巻磁心の非晶質合金薄帯を剥がすことで容易に判別可能である。つまり、非晶質合金薄帯を剥がした時に接着剤が両側の非晶質合金薄帯ともに残留していなければ絶縁層の部分で非晶質合金薄帯同士が固着していない状態であるといえる。
　前記の通り、Ｆｅ基の非晶質合金薄帯は比較的大きな磁歪を有しているため、絶縁層が非晶質薄帯を両面側とも固着していると磁心に発生した内部応力による磁歪によって磁気特性が変化してしまう。しかしながら、非晶質合金薄帯に熱硬化性樹脂もしくはポリシロキサン樹脂を塗布して耐熱絶縁層とし、これを硬化もしくは乾燥させてから巻いて磁心とすることにより、磁心に磁気特性を最適化させるための熱処理を施してもこれらの樹脂が薄帯同士を接着させることなく、片面だけを非晶質合金薄帯に固着するので、磁歪の発生を極力抑えた本発明の巻磁心が得られる。
　前記の通り、非晶質合金薄帯は、絶縁処理後に巻き回しなどの作業により巻き磁心を形成したのち、焼鈍熱処理されることで、より良好な磁性特性を得ることができる。巻き回しの作業の際に、巻き回し工程の効率化を図る目的で、非晶質薄帯フープは、複数枚重ねた薄帯をフープ状に巻き回しており、このうちの１枚に絶縁層が付与されたＦｅ系非晶質薄帯を巻き込むことで、２～１０層毎に絶縁層を設けることができる。Ｆｅ系非晶質合金薄帯では、３００～４００℃、Ｃｏ系非晶質合金薄帯では、３００～６００℃で行う。このとき、材料は脆化することが知られており、非晶質合金薄帯に欠けやクラックなどの欠陥を発生しないように無負荷状態で焼鈍熱処理することが好ましい。熱処理時間は０．１～２０ｈが好ましい。
　絶縁層として用いる樹脂は、熱硬化性の樹脂、もしくはポリシロキサン系樹脂を使用できる。ポリシロキサン系樹脂であれば乾燥後の絶縁層の厚さを極力薄くできるために磁心の占積率が向上でき好ましい。
　ポリシロキサン系樹脂は、主鎖としてケイ素－酸素結合が繰り返す高分子鎖構造を有しており、それに炭素を持つ有機成分が結合しているものを指す。このケイ素－酸素結合が極低温から高温まで、幅広い温度域で柔軟性を保つ。このポリシロキサン樹脂は、５％熱分解温度が４００℃以上であり、１５０℃～２５０℃で５分以上乾燥することで、巻磁心の焼鈍熱処理を行っても薄帯同士が接着しない絶縁層を形成できる。ポリシロキサン系樹脂の中でも樹脂を乾燥後に有機ＳＯＧ膜となるものが好ましい。有機ＳＯＧ膜としては、例えば、テトラアルコキシシランとアルキルアルコキシシランとを共重合させたものなどがある。
　また、熱硬化性樹脂にはポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂などが使用できるが、ポリイミド樹脂は高価であるため、ポリアミドイミド樹脂の方が好ましい。熱硬化性樹脂を用いるのは、熱可塑性樹脂であると、巻磁心の焼鈍熱処理の際に溶融して薄帯間を接着してしまうためである。
　熱硬化性樹脂のポリアミドイミド樹脂は、一般的には、無水トリメリット酸と芳香族ジアミンの反応によって得られる。例えば、市販のポリアミドイミド樹脂溶液のポリアミド酸含有量は２０～３０重量％程度であるが、溶媒の添加により、５～１５重量％に希釈して使用することができる。溶媒乾燥後の厚さを薄くすれば占積率が向上するが、ピンポールなどの欠陥発生率も増え、積層体で隣接する金属薄帯間の絶縁が不十分となる恐れがある。
　塗布したポリアミドイミド樹脂溶液は１５０℃以上で５分程度の乾燥により溶媒を９５％以上除去し、粘着性の無い耐熱絶縁層とすることができる。この熱硬化性ポリアミドイミド樹脂は、５％熱分解温度が４００℃以上であり、熱処理時の温度に十分耐えられる樹脂である。
　樹脂を塗布する厚さは１０ｎｍ以上８５０ｎｍ以下とすることが好ましい。１０ｎｍ未満になると耐電圧性が不足して絶縁層としての機能が不足する。一方８５０ｎｍを超えると非晶質金属薄帯への圧縮応力が大きくなり、ビルディングファクタが低下してしまう。
　さらに望ましい絶縁層の厚さは、非晶質合金薄帯の表面粗さＲａよりも薄いものが好ましい。表面粗さＲａよりも薄ければ、非晶質合金薄帯を巻いた時に絶縁層よりも薄帯の表面の凸部が対向する薄帯と接触するので、樹脂と対向する非晶質合金薄帯の間が接触しなくなる。樹脂自体は前記のように薄帯同士を接着しない状態にしているが、巻磁心の焼鈍熱処理を行うと絶縁層は多少なりとも軟化するので、非晶質薄帯に僅かな歪を与えてしまう。しかしながら、上記のように薄く絶縁層を設けることで、この僅かな歪の発生さえも抑制することが可能となる。表面粗さは平均的に５０ｎｍから２５０ｎｍ程度である。したがって、より好ましい絶縁層の厚さの範囲は２５０ｎｍ以下である。さらに巻磁心の占積率を確保するためには、絶縁層の厚さはできる限り薄い方が好ましい。
　非晶質合金薄帯は、１０～５０μｍと板厚が薄いため、全ての層間に耐熱絶縁層を設ける必要はなく、非晶質合金薄帯の２～１０層毎にこの耐熱絶縁層が一層形成された非晶質合金薄帯を巻き込んだ巻き磁心であってもよく、耐熱絶縁層を数層の非晶質合金薄帯に対して一層の割合で設けることで高い占積率の磁心を得ることができる。
　用いる非晶質合金薄帯は、ＦｅＳｉＢ系の非晶質合金薄帯がコスト、生産性ともに望ましい。
　非晶質合金薄帯の合金組成は、一般式：（Ｆｅ100－ａＭａ）ｂＳｉｃＢｄ（原子％）（ただし、上記式においてＭはＣｏ及び／又はＮｉであり、ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ０≦ａ≦３０、７６≦ｂ≦８４、１≦ｃ≦１２、８≦ｄ≦１８を満たす）により表されるものが好ましい。また、Ｆｅの一部をＣ、Ｐ、Ｓ、Ｇａなどの元素と３原子％以下の範囲で置換してもよいし、Ｆｅの一部をＮｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎなどの元素と１０原子％以下の範囲で置換してもよい。
　また、本願発明の鉄損低減効果を得るために、非晶質合金薄帯の厚さは１５μｍ～３０μｍとすることが好ましい。３０μｍよりも厚いと絶縁層付与による層間渦電流損失の低減効果が小さくなる。また、薄帯が厚い場合には同じ体積のコアを作製したときの層の数が少なくなるため、元々の層間渦電流損失が小さくなり、多少の低減効果があっても従来品との差が得られにくい。また、薄帯が厚くなると層間ではなく材料内部の渦電流損失が増加するというデメリットがある。逆に１５μｍ未満であると占積率が小さくなり、磁心寸法を大きくしなくてはならず、小型化の要求を満たせない。またロール冷却で得る非晶質合金薄帯の製造条件が厳しくなり、安定した特性の薄帯が得られにくくなる。
　層間に発生する起電力は磁束が通る磁性材料部分の断面積に比例するため、非晶質合金薄帯の板厚が一定のときには、該起電力は薄帯幅に比例する。すなわち、層間渦電流損失は非晶質合金薄帯幅の２乗に比例するため、１００Ｈｚ以下、具体的には５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの周波数域で使用される変圧器用途において、薄帯幅が広いものは全体の鉄損に対して、層間渦電流損失の減少効果が占める割合が無視できなくなる。よって薄帯幅が１００ｍｍ以上、さらに望ましくは１３０ｍｍ以上の非晶質合金薄帯を用いて本発明の巻磁心を製造することで鉄損を低減する効果を極力得られるようにすることができる。
　樹脂の塗布方法としては、ディップ法、ドクターブレード法、グラビアロール法など、既知の塗布方法が可能であるが、塗布厚さの均一性と時間当たりの生産性（塗布速度）を考慮するとロールｔｏロールプロセスに適したグラビアロール法等が優れている。グラビアロール法を用いて両面に塗布するには、片面ずつ行う必要がある。図３に絶縁層形成方法の実施例の一つを示す。非晶質合金薄帯１は、絶縁樹脂溶液２をロールコータ３により一定量の樹脂が塗布され、その後、熱風乾燥炉４のより溶剤などの揮発成分を取り除いた後再び巻き直される。なお、絶縁樹脂溶液の濃度やロールコータの転写量を調整することで、絶縁層の厚さは調整することが可能である。
　このように絶縁層を塗布した薄帯を巻き回すことで図４に示すような巻磁心が得られる。図４ａのように１枚を巻き回してもよいし、複数層の薄帯に１層の絶縁層を設ける場合など図４ｂのように何枚か積層した薄帯を重ねてその両端部を互いに付き合わせる、もしくは重ね合わせて形成することもできる。
（実施例１）
　Ｆｅ基非晶質合金薄帯として、平均厚さ２５μｍ、幅１８０ｍｍのＭｅｔｇｌａｓ社製２６０５ＳＡ１材を用いた。
　絶縁層として固形分濃度０．１８から２９％のポリシロキサン樹脂（有機ＳＯＧ膜）を用いた。ロールコータにてウェット膜厚５μｍのロールを用いて絶縁層を塗布し、１９０℃で１０秒間乾燥硬化させ約５ｎｍから９５０ｎｍまでの厚さの樹脂膜を形成した。この非晶質合金薄帯の鉄損を測定した結果を表１に示す。絶縁層の厚さが８５０ｎｍを超えると鉄損は増加する。これは、絶縁層から発生した歪により非晶質合金薄帯の特性が変化しているためと考えられる。また、５ｎｍの膜厚では、十分な鉄損の低下が確認できなかった。これは、膜厚が薄く均一に塗布できずに、露出した金属面同士が接触してしまったことによると考えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図１は本発明の巻磁心における鉄損の測定結果である。１０ｎｍから８５０ｎｍの範囲で鉄損値は小さくなる。また、その範囲の中でも特に鉄損が小さくなる絶縁層の厚さの範囲が２箇所存在する。まず絶縁層の厚さが３０ｎｍから１５０ｎｍの範囲（Ａ）で鉄損値が小さくなり、次に４００ｎｍから７５０ｎｍの範囲（Ｂ）で同様に鉄損値が小さくなる。さらに、絶縁層の厚さが５０ｎｍから１２０ｎｍの範囲、および５００ｎｍから７３０ｎｍの範囲で鉄損の値は０．１４０Ｗ／ｋｇ以下と小さくなる。この理由としてはヒステリシス損失と渦電流損失の変化する割合が異なるということが挙げられる。
　図２は図１に示した鉄損を測定した巻磁心のヒステリシス損失の測定結果とそれにより算出した渦電流損失を示している。絶縁層の厚さが増すにつれてヒステリシス損失は増加する傾向にあるが、特に絶縁層が１００ｎｍから２００ｎｍの厚さになる範囲で増加し、２００ｎｍから６００ｎｍの範囲では増加量は少なく、６００ｎｍを超える厚さになると大きく増加する。一方、渦電流損失は絶縁層が１０ｎｍを超えると急激に減少し始め、１００ｎｍを超えるとその減少量は小さくなり、６００ｎｍを超えると十分な絶縁がとれて渦電流損失はほぼ一定となる。これらの変化を足し合わせたものが図１の鉄損に相当するため鉄損がより小さくなる絶縁層厚さの範囲が２箇所生じる。
　１００Ｈｚ以下の低周波用途であれば、ヒステリシス損失値の抑制を考慮して絶縁層の厚さは３０ｎｍ～１５０ｎｍの範囲（Ａ）とすることが好ましい。絶縁層が薄いと巻磁心の占積率が低下しないため磁心として好ましい軟磁気特性が得られる。一方、パルスパワー用磁心などは高い電圧が印加されるために高い層間絶縁性が必要になる。これらの電圧が２００Ｖ以上印加されるような用途には絶縁層の厚は４００ｎｍ～７５０ｎｍの範囲（Ｂ）とすることで高い層間絶縁性と渦電流損失の低減効果を得ることができる。
（実施例２）
　Ｆｅ基非晶質合金薄帯として、平均厚さ２５μｍ、幅２５、５０、１００、１３０、１８０ｍｍのＭｅｔｇｌａｓ社製２６０５ＳＡ１材を用いた。
　絶縁層は前記実施例１と同様の方法で８０ｎｍの厚さで形成し、絶縁層つき非晶質合金薄帯を得た。この薄帯を用いて巻磁心を作製し、鉄損を測定した結果を表２に示す。２５ｍｍ幅では絶縁層による応力の影響で鉄損低減効果は見られないが、１８０ｍｍ幅では絶縁層によって層間渦損が減少し全体の鉄損が低減した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
（実施例３）
　Ｆｅ系非晶質合金薄帯として、平均厚さ２５μｍ、幅１８０ｍｍのＭｅｔｇｌａｓ社製２６０５ＳＡ１材を用いた。
　絶縁層は前記実施例１と同様の方法で８０ｎｍの厚さで形成し、絶縁層つき非晶質合金薄帯を得た。具体的には、非晶質合金薄帯を数層にしたものに前記絶縁層を１層ずつ入れた巻磁心を作製した。そして各巻磁心の鉄損を測定した。その結果を表３に示す。このように、絶縁層を１層毎に設けなくても絶縁の効果が得られた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003

Claims (9)

  1. 　非晶質合金薄帯に熱硬化性の樹脂を塗布し、前記樹脂を熱硬化させ、その後前記非晶質合金薄帯を巻いて磁心とし、前記磁心を２５０℃～４００℃で熱処理することを特徴とする巻磁心の製造方法。
  2. 　非晶質合金薄帯にポリシロキサン系の樹脂を塗布し、前記樹脂を１５０℃～２５０℃で乾燥し、その後前記非晶質合金薄帯を巻いて磁心とし、前記磁心を２５０℃～４００℃で熱処理することを特徴とする巻磁心の製造方法。
  3. 　前記熱硬化させた樹脂の厚さを１０ｎｍ以上８５０ｎｍ未満とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の巻磁心の製造方法。
  4. 　前記非晶質合金薄帯は幅が１００ｍｍ以上のものを用いることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の巻磁心の製造方法。
  5. 　前記絶縁層を前記非晶質合金薄帯の２～１０層毎に形成されるように塗布することを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の巻磁心の製造方法。
  6. 　非晶質合金薄帯の層間に樹脂からなる絶縁層を有する巻磁心であって、前記絶縁層の両側の非晶質合金薄帯は、一方が絶縁層と固着し、かつ他方は絶縁層と固着せず接触するのみであることを特徴とする巻磁心。
  7. 　前記絶縁層は厚さが１０ｎｍ以上８５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の巻磁心。
  8. 　前記巻磁心は１００Ｈｚ以下の周波数で使用される変圧器用磁心であり、前記絶縁層の厚さが３０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載の巻磁心。
  9. 　前記巻磁心は２００Ｖ以上の入力電圧が印加されるパルスパワー用磁心であり、前記絶縁層の厚さが４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載の巻磁心。
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