(57)【要約】【課題】  大電流用リアクトル圧粉磁心に適した、インダクタンスの電流特性が良好で、さらにはギャップのフリンジング磁束によるリアクトル損失の増大を抑制することが可能な、低騒音で長時間駆動させても特性が劣化し難い圧粉磁心、およびリアクトルを提供する。【解決手段】  ５〜８質量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ系合金粉末と９９．５質量％超がＦｅの純Ｆｅ粉末と、これらの混合粉末間に均一に存在する無機絶縁バインダーにより構成され、純Ｆｅ粉末の全体に対する重量比率が１０〜５５％の範囲にある圧粉磁心を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
５〜８重量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ系合金粉末と９９．５質量％超がＦｅの純Ｆｅ粉末が混合されたことを特徴とする圧粉磁心。
【請求項２】
純Ｆｅ粉末の全体に対する重量比率が１０〜５５％の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の圧粉磁心。
【請求項３】
前記Ｆｅ−Ｓｉ系合金粉末はアスペクト比が２以下の球状であり、かつ、前記純Fe粉末はアスペクト比が２超の偏平状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧粉磁心。
【請求項４】
前記Ｆｅ−Ｓｉ系合金粉末は平均粒径が５０〜１００μｍであり、かつ、前記純Ｆｅ粉末は平均粒径が１０〜５０μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の圧粉磁心。
【請求項５】
磁化を飽和させたときの体積変形率が３ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の圧粉磁心。
【請求項６】
圧環強度に換算した機械的強度が３０ＭＰa以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の圧粉磁心。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６に記載の圧粉磁心を用いることを特徴とするリアクトル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波抑制のためのパワーファクターコレクション（ＰＦＣ）や、ノーマルモードチョークやパワーチョーク、その他、ハイブリッド自動車の大出力の電気モータを駆動するような電源回路に用いられるリアクトルに用いられる圧粉磁心に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電源回路用磁心として主に３種類の磁心が用いられる。数十ｋＨｚ以下の領域では、珪素鋼板、非晶質軟磁性帯板、微結晶質軟磁性帯板などが磁心材として主に用いられている。これらの磁心材は鉄を主成分とし、飽和磁束密度Bｓと比透磁率μｒが大きいという長所をもつ。しかしながら、珪素鋼板は高周波磁心損失が大きいという欠点を有し、非晶質軟磁性帯板と微結晶質軟磁性帯板は、磁心形状が巻磁心形状や積層磁心形状などに制約され、後述するフェライトのように種々の形状に成形し難い欠点を有する。
また、数十ｋＨｚ以上の領域では、Ｍｎ-Ｚｎ系やＮｉ-Ｚｎ系に代表されるフェライト磁心が広く用いられている。このフェライト磁心は、高周波磁心損失が小さく、また成形が比較的容易なため、種々の形状を大量生産できる特長を有する。しかしながら、飽和磁束密度Bｓが前述の珪素鋼板や非晶質軟磁性帯板、微結晶質軟磁性帯板の３分の１から２分の１程度しかないため、磁気飽和を避けるようとすると磁心断面積が大きくなるという欠点を有する。
【０００３】
数ｋHｚから数百ｋHｚまでの領域に用いられる磁心として圧粉磁心がある。圧粉磁心は、磁性粉末の表面を絶縁処理したのち加工成形したもので、絶縁処理により渦電流損失の発生が抑制されている。そのため、圧粉磁心の高周波磁心損失は珪素鋼板に比べると小さいという長所を持つ。
【０００４】
急速に普及しはじめたハイブリッド自動車では、大出力の電気モータを有しており、これを駆動する電源回路には高電圧大電流に耐えうるリアクトルが必要になる。このリアクトルには小型化、低騒音化、低損失化、耐久性の要求が強く、リアクトルに用いられる磁心材の特性としては、高い飽和磁束密度Bｓ、適切な範囲の比透磁率μｒ、高機械的強度、そして低騒音化のために磁化した時の体積変形率が低いものであることが要求される。
【０００５】
大電流用のリアクトル磁心として前述の圧粉磁心を用いたものがある。珪素鋼板、非晶質軟磁性帯板、微結晶質軟磁性帯板などの軟磁性帯板は透磁率が５００〜５０００程度であるが、圧粉磁心は１０〜２００程度であるため、軟磁性帯板に比べてギャップを少なくすることができる。この場合、フリンジング磁束が、軟磁性帯板に比べて少ないため、コイルに生じる渦電流を抑えることができる。そして、磁心損失の小さい圧粉磁心を用いることによりリアクトル損失を小さくできる。また、圧粉磁心は飽和しにくいので、大電流時に高透磁率が得られるという利点がある。
【０００６】
低騒音を示す圧粉磁心として、特許文献１及び特許文献２が開示されている。特許文献１では、硬さと強度を向上させることにより、騒音を抑制している。また、特許文献２では、圧粉磁心を構成する粉末の粒径を制御することにより、騒音を抑制している。また、特許文献３では、Ｆｅ−１％Ｓｉ粉末とＦｅ−６．５％Ｓｉ粉末を混合して圧粉磁心とすることが開示されている。
【特許文献１】特開平６−１７６９１４号公報
【特許文献２】特開２００６−１４７９５９号公報
【特許文献３】特開２００５−１５０３８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
例えば大電流用リアクトルの磁心として圧粉磁心を用いる場合、高い機械的強度、低騒音、かつ磁気特性の何れも優れたものを得ることは難しい。これは、リアクトルの駆動時に発生する騒音、長時間駆動させても特性が劣化しない耐久性を得るための機械的強度が粉末の合金組成、粒径、被覆する絶縁材の種類や量、そして圧粉体の空隙率などに大きく依存し、お互いがトレードオフの関係になることが多いためである。
本発明の課題は、これら圧粉磁心の問題点を解決し、従来よりも低騒音、かつ長時間駆動させても特性が劣化し難い圧粉磁心、特にリアクトル用磁心として有用な圧粉磁心を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の圧粉磁心は、５〜８重量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ系合金粉末と９９．５質量％超がＦｅの純Ｆｅ粉末が混合されたことを特徴とする。
【０００９】
この純Fe粉末の全体に対する重量比率が１０〜５５％の範囲にあるものが好ましい。
【００１０】
また、Ｆｅ−Ｓｉ系合金粉末はアスペクト比が２以下の球状であり、かつ、純Fe粉末はアスペクト比が２超の偏平状であるものが好ましい。
【００１１】
Ｆｅ−Ｓｉ系合金粉末は平均粒径が５０〜１００μｍであり、かつ、純Ｆｅ粉末は平均粒径が１０〜５０μｍであるものが好ましい。
【００１２】
本発明の圧粉磁心は、磁化を飽和させたときの体積変形率が３ｐｐｍ以下であるが特徴である。また、圧環強度に換算した機械的強度が３０ＭＰa以上である。
【００１３】
また、本発明はこれらの圧粉磁心を用いてリアクトルとすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、Ｆｅ−Ｓｉ系合金粉末と９９．５質量％超がＦｅの純Ｆｅ粉末を混合して圧粉磁心とすることで、高い機械的強度、低騒音、かつ磁気特性に優れた圧粉磁心を得ることができる。また、純Fe粉末の重量比率や、Ｆｅ−Ｓｉ系合金粉末と純Fe粉末のアスペクト比、両粉末の平均粒径を所定の値にすることで、機械的強度、低騒音、かつ磁気特性がさらに優れた圧粉磁心とすることができる。また、磁化を飽和させたときの体積変形率が４ｐｐｍ以下、圧環強度に換算した機械的強度が５０ＭＰａ以上の圧粉磁心が得られるので、これらの圧粉磁心を交流磁界中で動作させた時の騒音を抑制することができ、長時間駆動させても特性が劣化し難い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明では、圧粉磁心が磁化された時の体積変形率に着目した。磁化された時の体積変形率とは、磁化されていない時の圧粉体の磁路方向長さをＬ0とし、磁化された時の圧粉体の磁路方向長さをＬ1としたとき、（Ｌ1−Ｌ0）÷Ｌ0で表される値である。
圧粉磁心が磁化される場合、磁路方向に吸引力が働き、この吸引力により圧粉磁心は体積が変形する。この体積変形率が大きい場合、この変化が空気に伝播し、高騒音をもたらす。逆に、この体積変形率が小さい場合は低騒音となる。体積変形率と１種類の粉末により構成される圧粉磁心の機械的特性の相関を調べた結果、この体積変形率は、圧粉磁心の硬さや強度、圧粉磁心を構成する粉末粒径との関係性は小さく、主に圧粉磁心のヤング率及び軟磁性粉末単体の飽和磁歪λｓに大きく依存することを見出した。ヤング率が高く、軟磁性粉末単体の飽和磁歪λｓが小さい程、体積変形率は小さくなる。しかしながら、５〜８重量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ系合金粉末などは、軟磁性粉末単体の飽和磁歪λｓが小さいが、飽和磁束密度Ｂｓが小さく優れた磁気特性を示す圧粉磁心が得られ難い。一方、２〜４重量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ系合金粉末は、５〜８重量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ系合金粉末に比べて、優れた磁気特性を示す圧粉磁心が得られ易いが、軟磁性粉末単体の飽和磁歪λｓが大きいため、これらの粉末から構成される圧粉磁心においては磁化させたときの体積変形率が大きくなる。５〜８重量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ系合金粉末と、純Fe粉末の混合粉末を用いることで、磁化した時の体積変形率が小さく、高い機械的強度が得られることを見出した。５〜８重量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ系合金粉末と純Ｆｅ粉末の他、粉末間に均一に存在するように既存の無機絶縁バインダー層を作ることが好ましい。
【００１６】
磁性粉末占積率を８５％以上にすると、純Ｆｅ粉末が圧粉磁心の体積変形率に及ぼす影響を、Ｆｅ−Ｓｉ系合金粉末が緩和する。そのため、純Ｆｅ粉末の混合した量が減少するに伴い、圧粉磁心が磁気飽和したときの体積変形率は低減する。そして、純Ｆｅ粉末の全体に対する比率が５５％以下の場合、２〜４重量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ系合金粉末のみで構成される圧粉磁心と比べ、同程度の磁気特性でありながら、体積変形率が３ｐｐｍ以下と小さいものを得ることができる。特に、純Ｆｅ粉末の全体に対する比率が４０％以下の場合、２ｐｐｍ以下という更に小さい体積変形率を示す。
【００１７】
圧粉磁心を構成する軟磁性粉末において、Ｆｅ−Ｓｉ系合金粉末の形状を図６(a)に示すように球形にし、９９．５質量％超がＦｅの純Ｆｅ粉末の形状を図６(ｂ)に示すように不規則にすると、Ｆｅ−Ｓｉ系合金粉末は純Ｆｅ粉末に比べて塑性変形し難い。そのため、これらの混合粉末を圧縮成形した場合、Ｆｅ−Ｓｉ系合金粉末は大きく塑性変形せずに純Ｆｅ粉末間に移動し、形状が不規則の純Ｆｅ粉末表面の突起した部分より大きな応力を受ける。これにより、純Fe粉末の全体に対する比率が増加するに伴い、圧環強度に換算した機械的強度は増加する。そして、純Ｆｅ粉末の全体に対する比率が１０％以上の場合、２〜４重量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ系合金粉末のみで構成される圧粉磁心と比べ、同程度の磁気特性でありながら、３０ＭＰa以上という十分高い強度をもつ圧粉磁心が得られる。特に、純Fe粉末の全体に対する比率が２０％以上の場合、４０ＭＰa以上という更に高い強度を示す。
【００１８】
また、混合粉末において、Ｆｅ−Ｓｉ系合金粉末の平均粒径を６０〜１００μｍとし、純Ｆｅ粉末の平均粒径を１０〜５０μｍにすることが好ましい。Ｆｅ−Ｓｉ系合金粉末1個が、純Fe粉末表面の突起部分と絶縁層を介して接触する領域が多くなるので、Ｆｅ−Ｓｉ系合金粉末が純Ｆｅ粉末から受ける応力が大きくなるからである。また、同様の理由により混合粉末の磁性粉末占積率を９０％以上にすることが好ましい。
【００１９】
圧粉磁心の磁化を飽和させたときの体積変形率を減少させる方法としては、軟磁性粉末間のコーティング剤としてアルミナ、シリカ、マグネシア、カオリン等のセラミックス系バインダー及び絶縁材料を用い、これらを多量に配合させることがある。また、圧粉磁心の磁化を飽和させたときの体積変形率を減少させるには、本発明の圧粉磁心にエポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、シリコン樹脂、ポリアミド樹脂などの有機系の溶液、または水ガラス、コロイダルシリカ、コロイダルアルミナなどの無機系の溶液を含浸させ、その後硬化させることも有効である。
【００２０】
本発明の圧粉磁心は、圧粉体同士の間に設けられたセラミックス板により構成されることにより、磁化させたときの圧粉磁心同士の吸引力によるセラミックス板の縮む量が小さくなるので、騒音を抑制することができる。セラミックス板は、密度が高い程ヤング率が高くなるので、密度が９０％以上、さらには９５％以上であることがより好ましい。
【００２１】
本発明の圧粉磁心にコイルを設けたリアクトルは動作時の磁心振動が小さくなるので、騒音を十分に抑制した従来にない高性能のリアクトルを得ることが出来る。また、ここで用いる圧粉磁心は高機械的強度を示すので、リアクトルを長時間駆動させても特性は劣化し難い。フリンジング磁束が外部回路に影響を与えないように、比透磁率μｒを調整するための非磁性ギャップとして用いたセラミックス板の周囲をコイルで覆う形状に設計することが好ましい。
【００２２】
本発明を実施例によって具体的に説明するが、これら実施例により本発明が限定されるものではない。
（実施例１）
表１に示すNo.１〜４の各合金組成の軟磁性粉末を用意した。各軟磁性粉末には、カオリン１質量％、アモルファスシリカ１．５質量％、アクリルエマルジョン１．５質量％、ステアリン酸亜鉛０．４質量％を添加している。この中から、Ｎｏ．１の９９．９％がＦｅの純Ｆｅ粉末と、Ｎｏ．４のＦｅ−６．５質量％Ｓｉ粉末を５４：４６の重量比率で混合し、Ｓｉ量が全体で約３質量％の軟磁性粉末を作成した。この軟磁性粉末を、成形圧２０ｔｏｎ／ｃｍ２で成形した後、窒素中雰囲気で、保持温度５００℃の熱処理を施し、本発明の圧粉磁心用の圧粉体を製造した。各磁気特性、圧環強度、抵抗率を測定した結果を表１に示す。
また、比較として、Ｎｏ．１〜４の各軟磁性粉末のみからならなる圧粉体と、No.1の純Ｆｅ粉末とＮｏ．４のＦｅ−６．５質量％Ｓｉ粉末を２：１の重量比率で混合（Ｓｉ量が全体で約１質量％）した圧粉体、Ｎｏ．２のＦｅ−１質量％Ｓｉ粉末とＮｏ．４のＦｅ−６．５質量％Ｓｉ粉末を６３：３７の重量比率で混合（Ｓｉ量が全体で約３質量％）した圧粉体を製造した。図１、図２に、全体のＳｉ含有量と、占積率、圧環強度との関係を記す。Ｓｉ量の異なる各軟磁性粉末を圧粉体にしたものより、純Ｆｅ粉末と、Ｓｉを含有するＦｅ−Ｓｉ系軟磁性粉末を混合した原料を用いた圧粉体の方が、占積率、圧環強度とも高い値を示す。
【００２３】
（実施例２）
表１に示すＮｏ．１の９９．９％がＦｅの純Ｆｅ粉末と、Ｎｏ．４のＦｅ６．５質量％Ｓｉ粉末を用い、混合する比率を変えて原料となる軟磁性粉末を準備した。この軟磁性粉末を、成形圧２０ｔｏｎ／ｃｍ２で成形した後、窒素中雰囲気で、保持温度５００℃の熱処理を施し、本発明の圧粉磁心用の圧粉体を製造した。各圧粉体の占積率と圧環強度を測定した結果を図３、図４に示す。
純Ｆｅ粉末の混合比率が大きくなるほど占積率、圧環強度とも高い値を示す。但し、コアロスは混合比率が大きくなるほど低下する傾向にあり、圧粉磁心として使用に耐える上限は、純Ｆｅ粉末の混合比率が５５％までである。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
（実施例３）
本発明の圧粉磁心をリアクトル用磁心に用いた一形態を図７に示す。本発明のリアクトルの圧粉磁心は、長円形状であり、長径が１３０ｍｍ、短径が６０ｍｍ、高さ３２ｍｍで平均磁路長が２８０ｍｍの寸法に形成した。半円環状の圧粉体１，２は、径方向の厚みを２０．５ｍｍに形成した。また、ブロック状の圧粉体３〜１２は、径方向の厚みが２０．５ｍｍで、磁路方向の長さが１１ｍｍになるよう形成した。半円環状の圧粉体１，２及びブロック状の圧粉体３〜１２の間には磁気的なギャップ１３〜２４を形成した。このギャップには密度が９９％のアルミナセラミック板を入れ、ギャップ幅（板厚）は全て０．９ｍｍとした。圧粉体１、２，３〜１２は、平均粒径が８０μｍのＦｅ−６．５％Ｓｉ系合金粉末と平均粒径が４０μｍの純Ｆｅ粉末が重量比で５：５で均一に混合した粉末に、カオリン１重量部、アモルファスシリカ１．５重量部、アクリルエマルジョン１．５重量部、ステアリン酸亜鉛０．４重量部を添加したものを用い、常温にて成形圧力２０００ＭＰａで圧縮成形し、その後成形体に窒素雰囲気中で温度１０７３Ｋの熱処理を施すことにより得た。そして、熱処理後にエポキシ系樹脂を真空含浸した。ここで得られた圧粉体の磁性粉末占積率は９１％である。
このブロック状の圧粉体３〜１２からなるストレート部に、コイル（図示せず）を設けた。コイルは幅６ｍｍ、厚さ１．６ｍｍの平角銅線を７６回巻き、かつ全てのギャップを覆うようにして備え付けた。これにより、本発明の圧粉磁心を用いたリアクトルを得ることができた。
このリアクトルは、周波数１０ｋＨｚ、信号電圧０．５Ｖ、直流重畳電流１５０Ａの時にインダクタンスが２００μH以上であり、直流重畳電流３００Ａの時にインダクタンスが６０μH以上あることが確認された。このリアクトルを図８に示す駆動周波数１０ｋＨｚのブースト型DC−DCコンバータのＬ１として搭載し、直流重畳電流８０Ａ、周波数１０ｋＨｚにおいて実効値１１．５Ａのリップル電流を流した。このとき、圧粉磁心に印加している直流バイアス磁界は２２０００Ａ／ｍで、周波数１０ｋＨｚの交流磁界中における圧粉磁心の磁化の最大変化量は０．２４Ｔである。そして、この条件でのリアクトル動作時に、磁心表面から１０ｃｍの距離で測定した騒音と、この圧粉磁心の磁化が飽和した時の体積変形量、そして、この圧粉磁心の圧環強度に換算した機械的強度を表２に示す。圧粉磁心の体積変形量が２．５ｐｐｍにおける騒音は７５ｄＢであり、非常に騒音の少ないリアクトルを得ることができた。
また、図５に、上記と同様にして測定した場合の、純Ｆｅ粉末の混合比率と体積変形率の関係を示す。
【００２６】
【表２】
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【００２７】
（比較例）
図７に示すような、長円形状の圧粉磁心を製造した。長径、短径、高さ、平均磁路長とも実施例１と同じ寸法である。また、半円環状及びブロック状圧粉体の寸法、およびそれらの間に形成するギャップの幅は実施例１と同様である。ここで用いた圧粉体には平均粒径が４０μｍのＦｅ−３％Ｓｉ系合金粉末にカオリン１重量部、アモルファスシリカ１．５重量部、アクリルエマルジョン１．５重量部、ステアリン酸亜鉛０．４重量部を添加した粉末を用いた。この粉末を常温にて成形圧力２０００ＭＰａで圧縮成形し、その後成形体に窒素雰囲気中で温度１０７３Ｋの熱処理を施した。そして、熱処理後にエポキシ系樹脂を真空含浸した。ここで得られた圧粉体の磁性粉末占積率は８９％である。この圧粉体の磁化が飽和したときの体積変形率は、表２に示すように４．５ｐｐｍで、圧環強度に換算した機械的強度は３７ＭＰaである。この圧粉磁心に実施例１と同様にコイルを設け、リアクトルとした。
このリアクトルは、周波数１０ｋＨｚ、信号電圧０．５Ｖ、直流重畳電流１５０Ａの時にインダクタンスが２００μH以上であり、直流重畳電流３００Ａの時にインダクタンスが６０μH以上あることが確認された。このリアクトルを図８に示す駆動周波数１０ｋＨｚのブースト型DC−DCコンバータのＬ１として搭載し、直流重畳電流８０Ａ、周波数１０ｋＨｚにおいて実効値１１．５Ａのリップル電流を流した。このとき、圧粉磁心に印加している直流バイアス磁界は２２０００Ａ／ｍで、周波数１０ｋＨｚの交流磁界中における圧粉磁心の磁化の最大変化量は０．２４Ｔである。そして、この条件でのリアクトル動作時に、磁心表面から１０ｃｍの距離で測定した騒音を調べた。表２に示したように、圧粉磁心の磁化が飽和したときの体積変形率が４．５ｐｐｍにおける騒音は８５ｄＢであり、磁化が飽和したときの体積変形率が高い圧粉磁心を用いたリアクトルでは、騒音が大きくなることが解った。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】圧粉体の軟磁性粉末原料による占積率との関係を示す図である。
【図２】圧粉体の軟磁性粉末原料による圧環強度との関係を示す図である。
【図３】純Fe粉末の混合比率と圧粉磁心の占積率との関係を示す図である。
【図４】純Fe粉末の混合比率と圧粉磁心の圧環強度との関係を示す図である。
【図５】純Fe粉末の混合比率と体積変形率の関係を示す図である。
【図６】Ｆｅ−Ｓｉ系合金粉末(a)と純Fe粉末(b)の外観を示す写真である。
【図７】本発明の圧粉磁心を用いたリアクトル用磁心の模式図である。
【図８】リアクトルを用いたブースト型DC−DCコンバータの回路図である。
【符号の説明】
【００２９】
１、２、３〜１２：圧粉体、
１３〜２４：ギャップ（セラミックス板配置スペース）、
Ｌ１  リアクトル、
Ｑ１  トランジスタ、
Ｄ１  ダイオード、
Ｃ１，Ｃ２  キャパシタ
【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７】
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【図８】
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【図６】
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