(57)【要約】【課題】高い周波数で動作する変圧器や誘導子のコアにおいて用いるのに適合した磁性物品を提供する。【解決手段】磁性物品を形成する前に、磁性リボンまたは磁性シートが電気絶縁体で被覆される。磁性物品の製造は、磁性リボンと絶縁体リボンを共巻きする必要なしに、単一のプロセスで行われる。磁性材料と絶縁体との間の熱特性の差が熱処理の間に作用して、物品の磁気特性の調節が促進される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリイミド樹脂の電気絶縁体で被覆されていて熱処理を受けた磁性リボンを含む磁性物品であって、前記磁性リボンの磁気機械的特性と前記絶縁体の熱的特性を前記熱処理を施す間に操作することができて、それによって前記磁性物品のＢＨループの磁気特性が改善されるとともに30 mOe（2.4 A/m）の保磁力Ｈｃを示し、ここで
（a）磁性リボンに垂直な方向に加えられた磁界の中で熱処理が行われるとき、ＢＨループは直線的になり、
（b）磁界を加えずに熱処理が行われるとき、ＢＨループは圧縮され、あるいは
（c）磁性リボンに沿った方向に加えられた磁界を伴って熱処理が行われるとき、ＢＨループはＳ字状になる、
磁性物品。
【請求項２】
前記リボンは非晶質金属の磁性合金を含む、請求項１に記載の磁性物品。
【請求項３】
前記リボンは結晶質の磁性合金である、請求項１に記載の磁性物品。
【請求項４】
前記電気絶縁体は10よりも小さい誘電率を有していて、100℃を越える温度において安
定である、請求項１に記載の磁性物品。
【請求項５】
前記物品は高周波数の誘導子である、請求項１に記載の磁性物品。
【請求項６】
前記物品は高周波数の変圧器である、請求項１に記載の磁性物品。
【請求項７】
前記物品は軸方向を有する磁性コアであり、前記熱処理は前記軸方向に沿って加えられた磁界を伴って実施される、請求項１に記載の磁性物品。
【請求項８】
前記物品は軸方向を有する磁性コアであり、前記熱処理は前記軸方向に垂直な方向に沿って加えられた磁界を伴って実施される、請求項１に記載の磁性物品。
【請求項９】
前記熱処理は磁界を加えずに実施される、請求項１に記載の磁性物品。
【請求項１０】
前記磁気誘導子はパルスコンプレッサーである、請求項５に記載の磁性物品。
【請求項１１】
前記磁気誘導子は電気チョークである、請求項５に記載の磁性物品。
【請求項１２】
前記変圧器はパルス変圧器である、請求項６に記載の磁性物品。
【請求項１３】
前記変圧器は信号変圧器である、請求項６に記載の磁性物品。
【請求項１４】
前記変圧器は電流測定用変圧器である、請求項６に記載の磁性物品。
【請求項１５】
前記変圧器は高周波電気変圧器である、請求項６に記載の磁性物品。
【請求項１６】
ポリイミド樹脂の電気絶縁体で被覆されていて熱処理を受けた磁性シートを含む磁性物品であって、前記磁性シートの磁気機械的特性と前記絶縁体の熱的特性を前記熱処理を施す間に操作することができて、それによって前記磁性物品のＢＨループの磁気特性が改善されるとともに30 mOe（2.4 A/m）の保磁力Ｈｃを示し、ここで
（a）磁性リボンに垂直な方向に加えられた磁界の中で熱処理が行われるとき、ＢＨループは直線的になり、
（b）磁界を加えずに熱処理が行われるとき、ＢＨループは圧縮され、あるいは
（c）磁性リボンに沿った方向に加えられた磁界を伴って熱処理が行われるとき、ＢＨループはＳ字状になる、
磁性物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は変圧器や誘導子のコアのための磁性物品に関し、特に電気絶縁体で被覆した合金のリボンからなり、高い周波数で動作する変圧器や誘導子のコアにおいて用いるように適合させた磁性物品に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性コアは、低い周波数（典型的には500 Hz未満）で電流を送る電力変圧器において広く用いられている。変圧器が所定の周波数で動作するとき、それはエネルギーを失うが、その原因は一部においてはその磁気損失による。磁気損失には二つの要因があり、一つは磁気ヒステリシス損失であって、これは周波数に比例し、一つは渦電流損失であって、これは周波数のｎ乗（ｎは約1.3〜２の範囲）に比例する。一般に、渦電流損失についての比例係数はコア材料の厚さの２乗に比例する。従って、電気的に絶縁された薄い磁性材料においては渦電流損失が低くなる。同様の条件は、ＡＣ励磁の下で動作する誘導子においても存在する。これら変圧器や誘導子についての動作周波数が低いとき（例えば通常50 Hzまたは60 Hzで運転される電力変圧器の場合）、渦電流による磁気損失はヒステリシス損失に比べて比較的低く、従って磁性材料の表面上の幾分かの薄い酸化物の被覆はその材料を絶縁するのに十分である。酸化マグネシウムはこの被覆のために広く用いられている。しかし、磁性材料の表面へのこの酸化物の結合力の度合いは低い。というのは、それは粉末の状態にあり、その粉末はコアを製造する間にしばしば表面から落下するからである。
【０００３】
コア材料としてしばしば用いられる磁性材料はリボンまたはシートの形態にされ、これらはテープ巻きしたコアまたは積層したコアを形成するのに好都合である。磁性リボンと磁性シートを形成することにおいて最近なされた進歩は、非晶質材料を含むものである。これらの材料は米国再発行特許RE 32925号の教示を用いて首尾よく製造される。
【０００４】
磁性コアが高い周波数で用いられるとき、磁性材料の間の有効な電気絶縁性を確かめるために、安定した表面被覆が必要となる。
【０００５】
紙やポリマーフィルムのような薄くて非導電性の絶縁体が、一般にそのような目的に用いられてきた。絶縁を最大にするには、絶縁体材料のために十分な誘電特性が必要である。低い誘電率と高い絶縁破壊電圧が一般に好ましい。これらの特徴は、磁性部材が高い周波数と高い電圧で動作するときに、ますます重要になる。磁性金属−絶縁体−磁性金属の形態が広く用いられているが、この形態物を製造するためのプロセスは問題をはらんでいる。そのような製造プロセスは特殊な装置を必要とし、それにおいては、リボンまたはシートの形態の磁性金属と絶縁体が共巻きされて、巻いたコアの形態を有する磁性部材が製造される。磁性金属−絶縁体−磁性金属の形態物は、磁性金属と絶縁体を交互に並置して積層したコアを形成する装置によっても製造することができる。共巻きのタイプのプロセスによれば、磁性金属のリボンまたはシートの鋭利さのために、しばしば絶縁体に穴があくかあるいは引き裂かれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高い周波数で動作する変圧器や誘導子のコアにおいて用いるのに適合した磁性物品を製造するための方法と手段が、当分野において依然として必要とされている。特に必要とされるのは、非晶質金属のリボンまたはシートからなる磁性物品を製造するためのプロセスであって、共巻き作業の間に絶縁体に穴があいたり引き裂かれたりすることが回避されるプロセスである。さらに必要とされるのは、熱処理によってもたらされる磁気特性の組み合わせが改善された断熱性の磁性物品である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、磁気特性の組み合わせが改善された断熱性の磁性物品を提供する。磁性物品を形成する前に、強磁性のリボンまたはシートが絶縁体で被覆される。磁性物品の製造は、磁性リボンと絶縁体リボンを共巻きする必要なしに、単一のプロセスで行われる。磁性材料と絶縁体との間の熱特性の差が熱処理の間に作用して、物品の磁気特性の調節が促進される。
【０００８】
一つの態様において、本発明は、金属の磁性材料どうしの間の電気絶縁性を確実に有する磁性物品の製造方法であって、物品の種々の磁気特性が適合して所望の磁気性能が達成される製造方法を提供する。磁性物品を製造する間に磁性材料の表面に適用される電気絶縁性材料は、液体の形態で容易に得られる。それは、磁性材料の上に液体の絶縁体をブラシがけすることによって、あるいは磁性材料を液体絶縁体の浴を通過させることによって、磁性材料の上に被覆される。絶縁材料が乾燥した後、被覆された材料は、これを巻くかあるいは積層することによって磁性物品に製造される。次いで、製造された物品は、その磁気特性を調整するかあるいは改善するために熱処理される。製造されたとき、磁性物品は、異なる誘電特性と厚さを有する電気絶縁体で被覆された磁性リボンまたはシートからなる磁性コアを含む。
【０００９】
本発明の別の態様において、製造を行う間に、リボンまたはシートの形態の金属磁性材料は、磁性物品に必要とされる性能仕様を考慮して選択される。次いで、誘電特性や破壊電圧のような、絶縁材料のための電気絶縁特性が決定される。候補となる絶縁材料が選択されて、磁性材料の表面に適用される。磁性金属と候補となる絶縁材料の選択は、金属と絶縁材料の熱膨張率の差のような一定の基準に左右される。この熱膨張率の差は、熱処理された磁性物品の磁気性能に著しく影響する。このようにして製造された磁性物品は、パルス変圧器、パルスコンプレッサー、信号変圧器または電流測定用変圧器、電気チョーク、および高周波電気変圧器において用いるのに特に適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
市販の非晶質金属のリボンであるメトグラス（METGLAS（商標））2705Mは、Molecu社（ニュージャージー州）においてポリイミド樹脂で被覆される。被覆の厚さは約２〜約４μｍの範囲である。この被覆された絶縁体の誘電率は約3.9である。約25 mmの幅を有する被覆されたこの非晶質金属リボンは巻かれて、ＯＤ＝100〜125 mm、ＩＤ＝58 mm、およびHT＝25 mmの寸法を有するトロイド型（ドーナツ型）のコアを形成する。巻かれた後、コアは約300〜350℃の範囲の温度で１〜５時間熱処理された。この合金のキュリー温度が約350℃であるため、この熱処理温度の範囲が選ばれた。熱処理を行う間、直線的なＢＨ挙動を得るために、コアの軸方向に沿って約１kOe（80 kA/m）のＤＣ磁界が加えられた。335℃で２時間熱処理したＯＤ＝102 mmのコアについて調べた結果を図１に示す。この図は、約0.7 Oe（56 A/m）の加えられた磁界で約5700までの比較的一定のＤＣ透磁率μｄｃと約30 mOe（2.4 A/m）の保磁力Ｈｃを示した。このコアの高い周波数特性を評価するため、コアの上に５回巻きの銅が置かれた。800 kHzにおいて約88μＨのインダクタンスが得られ、これは、この周波数におけるコアのＡＣ透磁率が約1800であることを示す。これらの特徴は、このコアをパルス変圧器、信号変圧器、および電気チョークに用いることができることを示す。リボンにポリイミド樹脂の表面被覆を施さない同様のコアが、図１におけるコアの場合と同様に、コアの軸方向に沿って１kOeのＤＣ磁界を加えながら335℃で２時間熱処理された。約１Oe（80 A/m）までの磁界を加えてこのコアについて調べたＤＣ ＢＨループの結果を図２にグラフで示す。同じコアを巻き戻し、金属層の間にMylarフィルムを挿入し、ＤＣ ＢＨループを調べた。その結果、図２のものと実質的に同じになった。図２から認められるように、コアの比較的に直線的なＢＨ挙動は約0.05 Oe（４A/m）の低い付加磁界に限られ、残留磁気Ｂｒは約1.5 kG（0.15Ｔ）であり、保磁力Ｈｃは60 mOe（4.8 A/m）である。図２に示される曲線のＢＨ特性は特定の種類の電気チョークに適しているが、しかしパルス変圧器や信号変圧器には適していない。図１と図２を比較すれば、リボンの表面へのポリイミド樹脂の被覆はコアの軸方向に沿って磁気異方性を発達させるのに寄与し、その結果、図１の直線的なＢＨ挙動が得られる、ということが示される。従って、コアを製造する前に絶縁体を被覆することは、望ましい磁気特性を得るのに効果的である。電気的絶縁は磁性コアの渦電流損失を低減するのにも寄与する。さらに、ポリイミド樹脂の絶縁体の約3.9の低い誘電率は高い周波数における部材損失（component loss）を低くする理由となり、その結果、800 kHzにおける約1800の高いＡＣ透磁率が得られる。図３に示すデータは、本発明のコア（図１に示すもの）と先行技術のコア（図２に示すもの）の間のコア損失の周波数依存性を直接比較するものである。本発明のコアは、同じ材料から製造された先行技術のコアと比較して、約50 kHz以上において低いコア損失を有することが明らかである。
【００１１】
図１と図２に示すコアのデータは近ゼロ磁歪合金（near-zero magnetostrictive alloys）についてのものであり、これは熱処理の間に発生する応力を受けにくい。磁性リボンが正の磁歪を生じるものであるとき、材料の熱膨張率の差によってリボンと絶縁体の間の境界にわたって発現する応力は、コアの最終的な磁性状態に重要な役割を果たす。
【００１２】
正の磁歪を生じる市販のメトグラス（METGLAS（商標））2605S3A非晶質合金リボンにポリイミド樹脂の被覆を施した実施例について調べたＢＨループを図４に示す。このコアはＯＤ×ＩＤ×HT＝104×40×12.7 mmの寸法を有していた。各々のコアは、磁界を加えずに（曲線Ａ）、およびコアの円周方向に沿って加えられた20 Oe（1.6 kA/m）の磁界において（曲線Ｂ）、390℃で１時間熱処理された。実質的に同じリボンから実質的に同じ寸法を有するコアをポリイミド樹脂の被覆を施さずに製造し、図４Ａのコアと実質的に同じ条件で熱処理した。ＤＣ励磁において調べたこの先行技術のコアのＢＨ磁化挙動を図５に示す。図４と図５によって示されるデータを比較すると、熱処理の間のポリイミド樹脂の被覆によってリボンの磁気異方性がかなり修正されたことがわかる。修正された磁気異方性はコアの軸方向に沿う異方性を誘導する。次に、コアの軸方向に沿って誘導された大きな磁気異方性は、加えられた磁界に伴ってコア材料の透磁率に漸進的な変化を生じさせる。この結果を図６に示す。ここでは、10回の巻きを有する図４Ａのコアを有する誘導子のインダクタンスが、加えられた磁界に対してプロットされている。図６のデータは、本発明の誘導子のコアは電気チョークとして有用であることを示している。同じ誘導子のインダクタンスの周波数依存性を図７に示す。１MHz近くまでの周波数に対する比較的一定のインダクタンスは、用いられたリボンの表面上のポリイミド樹脂の絶縁体被覆の結果であり、このような絶縁体はコア材料における渦電流損失を低減させる。このことは、この誘導子を約１MHzまでのチョークコイルとして用いることができることを示す。一方、図４ＢのＢＨ挙動を示すコアは、スイッチモード電力供給器における主変圧器のような高い周波数において用いられる電気変圧器に適している。
【００１３】
本発明がより完全に理解されるように、以下の実施例を提示する。本発明の理論と実際を説明するために提示される特定の方法、条件、材料、割合および報告データは例示のものであり、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【実施例】
【００１４】
試料の調製
メトグラス（METGLAS（商標））2705Mおよび2605S3Aと呼称される市販の非晶質材料からなり約25 mmの幅を有するリボンにポリイミド樹脂の被覆を施した。非晶質リボンの厚さは16〜25μｍの範囲であり、ポリイミド樹脂の層の厚さは２〜４μｍの範囲であった。各々のリボンを巻いて、ＯＤ＝100〜125mm、ＩＤ＝40〜60mm、ＨＴ＝10〜30mmの寸法を有するトロイド状（リング状）の磁性コアを形成した。これらの巻いたコアは、トロイド軸方向（すなわち横方向）および円周方向（縦方向）に沿って磁界を加えて、あるいは加えずに、300〜400℃において１〜５時間熱処理された。横方向の磁界および縦方向の磁界の場合において、磁界の強さはそれぞれ約１kOe（80 kA/m）および約20 Oe（1.6 kA/m）であった。被覆しないリボンを用いたコアを同様の方法で製造した。これらのコアの幾つかはMylarフィルムで共巻きされた。
【００１５】
磁気の測定
ＤＣヒステリシスの測定のために、各々のコアは一次コイルと二次コイルにおいて銅による20回の巻きを有している。コアにＤＣヒステリシスループを発生させるために、市販のＢＨヒステリシスグラフを用いた。図１、２、４および５は測定したＢＨループの典型例である。
【００１６】
高い周波数において、巻き間のキャパシタンス（inter-winding capacitance）を避けるために、一次の銅巻きと二次の銅巻きの回数を５または10に減らした。１kHz〜10MHzの測定周波数が選ばれた。というのは、これが実際の装置の動作範囲だからである。この目的のために市販のインダクタンスブリッジが用いられた。このようにして得られたデータを図６と図７に示す。図３のコア損失の測定のために、IEEE規格393〜1991のガイドラインに従う標準的な方法が用いられた。
【００１７】
本発明をかなり詳細に説明してきたが、そのような詳細には厳密に固執する必要はなく、様々な変更と修正が当業者に示唆されていることが理解され、そのようなものの全てが特許請求の範囲によって定義づけられる本発明の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に従って構成されたコアの磁化挙動を説明するグラフであり、コバルト基のメトグラス（METGLAS（商標））2705Mリボンからなるコアについて、加えられた磁界の関数としての磁束が示されている。コアはＯＤ×ＩＤ×HT＝102×58×25 mmの寸法を有し、コアの軸方向に沿って加えられた１kOeのＤＣ磁界において335℃で２時間熱処理された。
【図２】被覆されないメトグラス（METGLAS（商標））2705Mリボンからなる先行技術のコアについてＤＣにおいて調べたＢＨ磁化挙動を示すグラフである。コアの寸法と熱処理条件は図１のコアについてのものと実質的に同じである。
【図３】図１のコアおよび図２の先行技術のコアについて周波数の関数として0.1Ｔのインダクションにおいて測定されたコア損失を示すグラフである。
【図４】鉄基のメトグラス（METGLAS（商標））2605S3Aリボンからなる本発明の二つのコアについてＤＣにおいて調べたＢＨ磁化挙動を示すグラフである。コアはＯＤ×ＩＤ×HT＝104×40×12.7 mmの寸法を有し、磁界を加えずに（曲線Ａ）、およびコアの円周方向に沿って加えられた20 Oe（1.6 kA/m）の磁界において（曲線Ｂ）、390℃で１時間熱処理された。
【図５】メトグラス（METGLAS（商標））2605S3Aリボンからなる先行技術のコアについてＤＣにおいて調べたＢＨ磁化挙動を示すグラフである。コアは図４Ａのコアについてのものと実質的に同じ条件の下で熱処理された。
【図６】図４ＡのコアについてのＤＣバイアスの関数としてのインダクタンスを示すグラフである。
【図７】図４Ａのコアについての周波数の関数としてのインダクタンスを示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
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