(57)【要約】【課題】低コストで良好なインダクタンス直流重畳特性を有する圧粉磁心とその製造方法を提供する。【解決手段】目開きが７０μｍ以下で処理された純鉄粉末と絶縁樹脂を混合して、純鉄粉末の周囲に絶縁被膜が形成されている。前記絶縁被膜が形成された純鉄粉末が、潤滑剤を添加した状態で所定の形状に加圧成形処理されている。前記成形体が非酸化雰囲気中で加熱処理されている。前記加圧成形処理に当たり、成形体を構成する純鉄粉末表面に形成した絶縁被膜が、完成された圧粉磁心を使用したリアクトルに対して１００ｋＨｚの電流を与えた際に、その品質係数が１０以上となる状態に維持されている。成形体を構成する純鉄粉末表面に形成した絶縁被膜の潰れが、成形体表面から１００μｍ以内の範囲に収まっている。【選択図】図１
2015070222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目開きが７０μｍ以下で篩処理された純鉄粉末と絶縁樹脂を混合して、純鉄粉末の周囲に絶縁被膜が形成され、
前記絶縁被膜が形成された純鉄粉末が、潤滑剤を添加した状態で所定の形状に加圧成形処理され、
前記成形体が非酸化雰囲気中で加熱処理され、
前記加圧成形処理に当たり、成形体を構成する純鉄粉末表面に形成した絶縁被膜が、完成された圧粉磁心を使用したリアクトルに対して１００ｋＨｚの電流を与えた際に、その品質係数が１０以上となる状態に維持されていることを特徴とする圧粉磁心。
【請求項２】
目開きが７０μｍ以下で篩処理された純鉄粉末と絶縁樹脂を混合して、純鉄粉末の周囲に絶縁被膜が形成され、
前記絶縁被膜が形成された純鉄粉末が、潤滑剤を添加した状態で所定の形状に加圧成形処理され、
前記成形体が非酸化雰囲気中で加熱処理され、
前記加圧成形処理に当たり、成形体を構成する純鉄粉末表面に形成した絶縁被膜の潰れが、成形体表面から１００μｍ以内の範囲に収まっていることを特徴とする圧粉磁心。
【請求項３】
目開きが７０μｍ以下で処理された純鉄粉末と絶縁樹脂を混合して、純鉄粉末の周囲に絶縁被膜を形成し、
絶縁被膜が形成された純鉄粉末を、潤滑剤を添加した状態で所定の形状に加圧成形し、
前記成形体を、非酸化雰囲気中で加熱処理を行い、
前記加圧成形処理を行うに当たり、成形体を構成する純鉄粉末表面に形成した絶縁被膜が、完成された圧粉磁心を使用したリアクトルに対して１００ｋＨｚの電流を与えた際に、その品質係数を１０以上に維持したことを特徴とする圧粉磁心の製造方法。
【請求項４】
前記加熱処理が、６００℃〜６５０℃で行われることを特徴とする請求項３に記載の圧粉磁心の製造方法。
【請求項５】
品質係数を１０以上に維持する処理が、金型表面における成形体との摺動面の面粗度管理を行うことにより実現されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の圧粉磁心の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源から供給する電力の力率を改善する力率改善装置に適したリアクトル用の圧粉磁心とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年ますます高まりつつある省エネ・環境問題を背景に、プラグイン・ハイブリッド自動車および電気自動車など電気の力を動力とした車両が一部において実用化されて来ており、今後益々それが注目されるようになることが予想される。
【０００３】
プラグイン・ハイブリッド自動車や電気自動車は、家庭に配された商用電源のコンセントから車載バッテリに充電するための充電装置を備える。そして、ＡＣ１００ＶまたはＡＣ２００Ｖの家庭用コンセントを用いて車載バッテリを充電するには、交流電圧（ＡＣ）をバッテリ用の直流電圧に変換するためのＡＣ／ＤＣコンバータが必要となる。
【０００４】
このようなＡＣ／ＤＣコンバータにおいて、充電効率や高調波対策を改善すべく、昇圧チョッパを用いた力率改善回路が開示されており、昇圧リアクトルが使用されている。昇圧チョッパ型の力率改善回路は、回路全体を小型化にすべく３０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚでの高周波スイッチングで動作されているが、高周波電流が昇圧リアクトルに重畳されるため、リアクトルの損失である鉄損が大きくなり、低効率を招くとともに、リアクトルの発熱が課題となっている。
【０００５】
リアクトルの鉄損の問題を解決すべく、リアクトルの磁心には高周波における鉄損特性が低い軟磁性材が一般的であり、かつ、高周波特性に良好な圧粉磁心（ダストコア）のような粉末を成形プレスで圧粉した構造を有する磁心が使用されている。
【０００６】
良好な鉄損特性を有する素材として、フェライトのような酸化物軟磁性材、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金や非晶質金属のような合金系軟磁性材が利用されている。このような磁性材は、高周波領域でも低い鉄損特性を有するが、飽和磁束密度が低い傾向を有する。また、圧粉磁心として利用される場合、磁性粒子の硬度は純鉄材と比較して高いため、圧粉時の成形密度が真密度に対して低くなり、成形体の飽和磁束密度は更に低下する傾向となる。
【０００７】
磁心の飽和磁束密度が低下すると、リアクトルに電流が重畳された際の磁心の透磁率は下がってしまうため、リアクトルのインダクタンス値は電流が大きくなるに従い低下する。そのため、インダクタンス値を確保するため、磁心のサイズは大きくなり、リアクトルの体格は大型化となる。また、磁心のサイズが大きくなることで巻線の総長は長くなることから、直流抵抗は大きくなり、銅損が高くなる。その結果、鉄損を抑えたにも関わらず銅損が上がってしまい、合金系軟磁性材を使用するメリットは小さくなる。また、合金系軟磁性材は、磁性粒子の価格が純鉄系軟磁性材と比較して高価であるため、コストアップの要因となる。
【０００８】
他方、特許文献１や特許文献２に示す純鉄系軟磁性材は、飽和磁束密度が高く、また、磁性粒子の硬度は低い傾向にあるため成形時の圧粉密度は高いことで知られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−２３３２９５号公報
【特許文献２】特開２０１０−０４３３６１号公報
【特許文献３】特開２００６−２０６９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記のような従来技術に示された純鉄系磁心のインダクタンス値は大電流でも下がりにくい傾向にあるが、高周波における鉄損特性は高い値を示すことから、力率改善回路などの高周波回路用途では使用できない状況にあった。特に、この種の用途では、入力電圧が、商用電圧１００〜２４０Ｖが印加されることから、リアクトル鉄心の鉄損上昇も著しいものとなり、従来の圧粉磁心では使用が不可能であった。
【００１１】
特許文献３のように、品質係数に着目した提案もなされているが、単に、「平均粒径が小さい程初透磁率μｉの周波数特性が高周波まで伸び、品質係数値も増大することが判った。」と記載されるのみである。そのため、従来技術では、軟磁性粉末を加圧成形して得られ圧粉磁心の製造時においては、同一の平均粒子径であっても異なる品質係数値が発生すること、及び平均粒径のように大径の粒子を含む軟磁性粉末では、平均粒径値が等しくても品質計数値にバラツキが生じると言う問題を解決することはできなかった。
【００１２】
本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものである。本発明は、力率改善回路において、車載用充電器など比較的大きな電流が流れるリアクトルに適した、低コストで良好なインダクタンス直流重畳特性を有する圧粉磁心とその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の圧粉磁心とその製造方法は、次のような構成を有することを特徴とする。
（１）目開きが７０μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下で処理された純鉄粉末と絶縁樹脂を混合して、純鉄粉末の周囲に絶縁被膜を形成する。
（２）絶縁被膜が形成された純鉄粉末を、潤滑剤を添加した状態で所定の形状に加圧成形する。
（３）前記成形体を、非酸化雰囲気中で加熱し、焼鈍処理を行う。
（４）前記加圧成形処理を行うに当たり、成形体を構成する純鉄粉末表面に形成した絶縁被膜が、完成された圧粉磁心を使用したリアクトルに対して１００ｋＨｚの電流を与えた際に、その品質係数が１０以上、好ましくは２０以上となる状態に維持されている。
【００１４】
本発明において、焼鈍温度を６００〜６５０℃とすることが好ましい。絶縁樹脂として、シリコーン系の樹脂を使用することができる。前記加圧成形処理に当たり、成形体を構成する純鉄粉末表面に形成した絶縁被膜の潰れが、成形体表面から１００μｍ以内の範囲に収まっていることも本発明の一態様である。成形体の金型表面における成形体との摺動面の面粗度管理を行うことにより、品質係数を１０以上にしたり、絶縁被膜の潰れを成形体表面から１００μｍ以内とすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、純鉄粉末によってリアクトル損失の少ない安価な圧粉磁心を製造することが可能になると共に、品質係数を圧粉磁心の特性判定に使用することにより、表面からは判定することのできない圧粉磁心内部の絶縁被膜の潰れ度合いを容易に判別することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態の圧粉磁心を使用したリアクトルにおける純鉄粉末の篩目開きとリアクトル損失の関係を示すグラフ。
【図２】本発明の実施形態の圧粉磁心を使用したリアクトルにおける品質係数とリアクトル損失の関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を具体的に説明する。
【００１８】
（１）純鉄粉末
本実施形態では、純鉄系磁性材のデメリットである鉄損の高周波特性を改善するため目開きが７０μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下で篩処理されている。
【００１９】
鉄損はヒステリシス損と渦電流損に大別できるが、高周波用途では渦電流損の影響が大きくなるため、リアクトルの鉄心には渦電流損の割合が小さい材質ほど良好とされる。渦電流損は下記の理論式で表される。
【００２０】
Ｐｃｅ∝（Ｄ・ｆ・Ｂ）＾２／ρ
Ｐｃｅ：渦電流損
Ｄ：磁性粒子の粒径
ｆ：回路の駆動周波数
Ｂ：動作磁束密度
ρ：電気抵抗率
【００２１】
上述のとおり、磁性粒子の電気抵抗率が大きいほど、また、磁性粒子の粒径が小さいほど、渦電流損は小さくなる。ここで、渦電流損は磁性粒子の粒径の二乗に比例するため、粒径の寄与度は大きいものと考えられる。従って、磁性粒子の粒径を制御することで、純鉄系軟磁性材料でありながら、高周波に適したリアクトルを提供することが可能となる。本実施形態では、純鉄粉末の粒度を平均粒径ではなく篩の目開きによって判別するので、７０μｍ以上の鉄損増大を引き起こす大径の粒子が純鉄粉末内に存在することがない。
【００２２】
（２）絶縁被膜
絶縁被膜としては、シリコーン樹脂が使用できる。シリコーン樹脂により、純鉄粉末の粒子表面に樹脂層が形成され、粒子間の電気的絶縁性を確保するとともに、成形時の保形性を高め、更には焼鈍後の成形体の強度をより強固なものとする。
【００２３】
シリコーン樹脂には、熱によって縮合・硬化する加熱硬化型と、室温で硬化する室温硬化型に大別される。本実施形態では、加熱により官能基が反応してシロキサン結合（−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−結合）による架橋が進行し、縮合・硬化が生じる加熱硬化型のシリコーン樹脂が好適である。シリコーン樹脂が軟化する変態温度はシリコーン樹脂の種類によって異なるため一概に特定することはできないが、ほぼ７０〜３００℃程度である。この温度に加熱することで純鉄粉末の粒子表面に付着したシリコーン樹脂は硬質なシリコーン樹脂被膜となる。
【００２４】
シリコーン樹脂被膜は、温度の上昇に伴い、シロキサン結合が進行するため、焼鈍等の高温加熱処理を行うことで部分的な架橋から全体的な架橋となり、被膜強度が向上する。また、このシリコーン樹脂被膜は耐熱性に優れるため、成形後の圧粉磁心に対して焼鈍等の高温加熱を行っても破壊等されず、前記の架橋が一層進行して、純鉄粉末の粒子同士の結合が強化される
【００２５】
シリコーン樹脂の種類としては、レジン系をはじめ、シラン化合物系、ゴム系シリコーン、シリコーンパウダー、有機変性シリコーンオイル、またはそれら複合物など、用途によって形態が異なる。
【００２６】
本発明では、レジン系のコーティング用シリコーン樹脂、すなわち、シリコーンのみで構成されているストレートシリコーンレジンが好ましい。これは、後述する脂肪酸との反応性がよいとの理由からである。また、ストレートシリコーンレジンは耐熱性、耐候性、耐湿性、電気絶縁性、被覆する際の簡便性の点で好ましい。
【００２７】
シリコーン樹脂としては、Ｓｉ上の官能基が、メチル基またはフェニル基となっているメチルフェニルシリコーン樹脂が一般的である。本発明ではいずれのシリコーン樹脂を用いてもよい。さらに本発明では、種類、分子量、官能基が異なる２種類以上のシリコーン樹脂を、適当な割合で混合したシリコーン樹脂を使用してもよい。
【００２８】
シリコーン樹脂被膜の付着量は、純鉄粉末に対して、０．０１〜１．０質量％となるように調整することが好ましい。０．０１質量％より少ないと、絶縁性に劣り、電気抵抗が低くなる。一方、１．０質量％より多く加えると、加熱乾燥後の粉末がダマになりやすく、また圧縮成形後の成形体は粉末周囲に付着したシリコーン樹脂の厚みが大きいためスプリングバックの影響を受けて膨張し、高密度化が達成しにくく、また、クラックが発生しやすくなる。
【００２９】
（３）潤滑性樹脂
潤滑性樹脂として、ステアリン酸及びその金属塩ならびにエチレンビスステアラマイドなどのワックスが使用できる。具体的には、エチレンビスステアラマイド、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸アルミなどである。これらを混合することにより、粉末同士の滑りを良くすることができるので、混合時の密度を向上させ成形密度を高くすることができる。さらに、成形時の上パンチの抜き圧低減、金型と粉末の接触によるコア壁面の縦筋の発生を防止することが可能である。
【００３０】
潤滑性樹脂の添加量は、純鉄粉末に対して、０．１ｗｔ％〜１．０ｗｔ％程度が好ましく、一般的には、０．５ｗｔ％程度である。これよりも少なければ、十分な効果を得ることができず、これより多いと、密度低下による最大磁束密度の低下、ヒステリシス損失の増加により磁気特性が低下する問題が発生する。
【００３１】
（４）品質係数
本実施形態の圧粉磁心は、リアクトルの品質係数が１００ｋＨｚの電流を与えた状態で１０以上、好ましくは２０以上であることを特徴とする。
【００３２】
磁性粒子を圧縮成形する際に磁性粒子にダメージを与えてしまうと、磁性粒子周囲に塗布した絶縁被膜層が破壊されてしまう虞がある。絶縁被膜層が破壊されてしまうと、磁性粒子同士が接触してしまうこととなり、折角、粒径の小さい純鉄系磁性粒子を使用しても、鉄損が上がってしまい、リアクトル損失は増大することとなる。絶縁被膜層の良否を評価するに当たり、品質係数を用いると判別しやすい。
【００３３】
リアクトルにおける品質係数は下記の式で表される
Ｑ＝（２・π・ｆ・Ｌ）／Ｒａｃ
Ｑ：品質係数，
Ｌ：リアクトルのインダクタンス，
ｆ：回路の駆動周波数，
Ｒａｃ：交流抵抗
【００３４】
上述の式中、交流抵抗は直流抵抗と鉄損を含んだパラメーターとなる。この鉄損が高くなると品質係数は低下する傾向にあることから、リアクトルの損失を評価することが可能である。交流抵抗ではなく品質係数で評価する理由は、リアクトルの容量が大きくなると損失の絶対値は大きくなってしまうことから、素材自体の良否を相対的に判別することが困難となる。
【００３５】
品質係数はインダクタンスのパラメーターも含んでいるため、リアクトルの容量に関わらず鉄心の損失に対する良否判定を行うことができるため、有効な手段となる。品質係数の評価において１００ｋＨｚを選択する理由は、高周波ほど鉄損は高くなる傾向にあるため、１００ｋＨｚ近傍においては直流抵抗損よりも鉄損の比率の方が非常におおきくなり、鉄心の素材を評価する上で直流抵抗損を無視できるからである。
【００３６】
絶縁被膜層の良否は、成形された圧粉磁心の表面を観察しただけでは、簡単に判定することはできない。すなわち、圧粉磁心の表面に露出している純鉄粉末を被覆している絶縁樹脂被膜が潰れていても、表面から１００μｍ〜４０μｍ程度の深さ（純鉄粉末の粒子で２〜３個分の深さ）までの潰れであれば、鉄損の損失は少ない。しかし、これ以上の深さの粒子まで絶縁被膜が潰れると、鉄損が大きくなり、リアクトルの損失が増大するが、成形された圧粉磁心を外部から観察しても、どの程度の深さまで絶縁皮膜層が不良になっているかを判定することはできない。
【００３７】
そこで、本実施形態においては、完成された圧粉磁心によってリアクトルを製造し、そのリアクトルにおける損失係数Ｑを測定することにより、純鉄粉末の絶縁被膜が圧粉磁心のどの程度の深さまで潰れているかを判定する。
【００３８】
本実施形態における「絶縁被膜の潰れ」とは、純鉄粉末粒子の周囲に形成された絶縁被膜の欠損や、絶縁被膜の薄肉化などにより、隣接する純鉄粉末間に要求される絶縁性能を確保できなくなる状態を言う。圧粉磁心の絶縁皮膜層の潰れは、圧粉磁心の成形圧力や加熱処理、更には、金型内部から成形された圧粉磁心を取り出すときに発生するものであり、特に、成形体における金型表面との摺動面に発生する。
【００３９】
成形体の金型からの取出に発生する絶縁被膜の潰れは、前記潤滑性樹脂の添加によっても押さえることはできるが、同一の金型を繰り返し使用した結果、金型の成形体との摺動面に微細な傷（凹凸）が発生し、その傷によって成形体の加圧時及び取出時に純鉄粉末表面の絶縁被覆が潰れることが１つの原因である。本実施形態では、加圧・取出回数がある程度の値に達した時点で得られた圧粉磁心を用いてリアクトルを作製し、その品質係数を測定することで、金型の寿命を判定することもできる。このように、本実施形態では、品質係数を１０以上に維持する処理が、金型表面における成形体との摺動面の面粗度管理を行うことによって実現できる。
【００４０】
（６）製造方法
本実施形態の圧粉磁心は、次のように製造する。
【００４１】
（６−１）絶縁皮膜の形成工程
純鉄粉末とシリコーン樹脂などの絶縁材料を、例えば、造粒混合機を使用して１５分程度混合する。
【００４２】
純鉄粉末と絶縁材料の混合物に対して、純鉄に対して０．１〜１．０ｗｔ％の潤滑性樹脂を添加して、更に混合する。前記絶縁材料の混合と、この潤滑性樹脂の混合を同時に行うことも可能である。
【００４３】
（６−２）成形工程
成形工程では、結着性樹脂を添加した混合物を金型内に充填して、加圧成形する。その場合、金型温度は常温が好ましいが、８０℃までの範囲であっても構わない。すなわち、ここでの常温とは、５℃〜３５℃までの範囲をいうが、５℃〜８０℃の範囲であっても構わない。成形圧力は、例えば、８００〜１７００ＭＰａである。
【００４４】
（６−３）熱処理工程
成形体に対する熱処理は、例えば、６００℃〜６５０℃の温度で、１００％窒素ガスなどの不活性ガスや水素ガスなどの非酸化雰囲気中で行う。
【００４５】
熱処理工程は、成形体中の残留歪みや残留応力の除去を目的としてなされる。これにより、圧粉磁心の保磁力やヒステリシス損失の低減が図られる。なお、熱処理工程で除去される残留歪等は、成形工程前から金属粉内に蓄積された歪等であっても良い。
【実施例】
【００４６】
下記の表１及び表２に示すように、磁心材料として、篩処理の目開き寸法が異なる純鉄粉末を使用した実施例１〜６と比較例１〜４、及び磁心材料としてセンダストを使用した比較例３に従って、実際に圧粉磁心を作製した。そして、各圧粉磁心に１次巻線（２８ターン）及び２次巻線（２８ターン）を施し、磁気計測機器であるＢＨアナライザ（岩通計測株式会社：ＳＹ−８２３２）を用いて、周波数１００ｋＨｚ、最大磁束密度Ｂｍ＝３０ＭＴの条件下でその品質特性と鉄損を、定格電流１６Ａｒｍｓの条件下で銅損を評価した。
【００４７】
【表１】
2015070222.tif 000003
【表２】
2015070222.tif 000004
【００４８】
評価結果は、前記表１及び図１に示す通り、篩処理の目開きが５０μｍ以下であって１００ｋＨｚの品質係数が３０以上の実施例１，２において、リアクトルの損失が少ないことが確認された。この場合、比較例２に示すように、品質係数が１０以上であっても、純鉄粉末（純鉄ダスト）の篩処理目開きが７５μｍの場合には、特に鉄損が上昇し、損失全体も大きい。比較例３のセンダスト粉末を使用した圧粉磁心の場合は、目開きが７５μｍと粒子径が大きくても、品質係数が高く、鉄損も少ないが、純鉄粉末に比較して高価且つリアクトル体格が多くなる欠点がある。
【００４９】
前記表２及び図２に示す通り、篩処理の目開きが５０μｍ以下であっても１００ｋＨｚの品質係数が１０に満たないの比較例４，５においては鉄損が大幅に上昇し、品質係数が１０以上の実施例３〜６になると鉄損の減少効果が得られる。これらの実験結果から、品質係数は１０以上であることが、圧粉磁心表面の絶縁被膜の潰れを防ぎ、鉄損の減少に効果があることが分かる。この傾向は、特に品質係数が２０以上になると著しく、鉄損の抑制効果が大きい。
【００５０】
以上のように、篩処理の目開きが、図１のグラフの屈曲点に当たる５０μｍ以下になると、鉄損の減少がより効果的である。しかし、篩処理の目開きが７５μｍに達しない場合、具体的には、図１のグラフから分かるように、篩処理の目開きが７０μｍの場合であってもリアクトルの総損失が１８．０Ｗ程度となり、実用上許容の範囲となるので、本発明においては、篩処理の目開きは７０μｍ以下とする。
【図１】
2015070222.tif 000005
【図２】
2015070222.tif 000006