JP2004063885A - 磁芯およびそれを用いたインダクタンス部品 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】磁路の少なくとも1箇所以上にギャップを有する磁芯であって、そのギャップにギャップ長の90%以下の高さを有する、固有保磁力が10kOe以上、Tcが300℃以上の粉末平均粒径が300μm〜25μmの希土類磁石粉末で、かつこの粉末が金属によりコーティングされ、成形体の粉末充填率が55〜70%、かつ比抵抗が1Ω・cm以上であるボンド磁石を挿入する磁芯とする。
【選択図】 なし
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング電源などに使用されるチョークコイル用およびトランス用の磁芯並びにそれを用いたインダクタンス部品に関する。
【0002】
【従来の技術】
チョークコイル用及びトランス用磁芯には、良好な直流重畳特性が求められており、高周波用の磁芯には、フェライトや圧粉磁芯が使用されている。フェライト磁芯は、初透磁率が高く飽和磁束密度が小さい、圧粉磁芯は、初透磁率が低く飽和磁束密度が高い、という材料物性に由来した特徴がある。従って、圧粉磁芯は、トロイダル形状で用いられることが多く、フェライトは、例えばE型コアの中足にギャップを挿入してEEコアで用いられることが多い。
【0003】
しかし、近年の電子機器の小型化の要請に伴う電子部品の小型化の要求により、より大きな重畳磁界における、より高い透磁率が強く求められている。一般に、直流重畳特性を向上させるためには、飽和磁化の高い磁芯を選択すること、つまり高磁界で磁気飽和しない磁芯の選択が必須とされている。しかし、飽和磁化は、材料の組成で必然的に決まるものであり、無限に高く出来るものではない。そのため、従来の直流重畳特性を向上させる手段は、わずかな飽和磁化の向上に多大な労力が費やされている割には、直流重畳特性は期待されている程、伸びていないのが現状であった。
【0004】
その解決手段として、磁路の一箇所以上にギャップを挿入し、そのギャップに永久磁石を挿入することが従来から検討されてきた。この方法は、直流重畳特性を向上させるには優れた方法であるが、一方で金属焼結磁石を用いると磁芯のコアロスの増大が著しく、またフェライト磁石を用いると重畳特性が安定しないなど、とても実用に耐え得るものではなかった。
【0005】
これらを解決する手段として、例えば特開昭50−133453号公報では、永久磁石として保磁力の高い希土類磁石粉末とバインダーとを混合し圧縮成形したボンド磁石を挿入することが示されており、直流重畳特性とコアの温度上昇が改善されたことが示されている。
【0006】
しかし、近年、電源に対する電力変換効率向上の要求は、ますます厳しくなっており、チョークコイル用及びトランス用のコアについても、単にコア温度を測定するだけでは優劣が判断不能なレベルとなっている。そのため、コアロス測定装置による測定結果の判断が不可欠であり、実際、本発明者等が検討を行った結果、特開昭50−133453号公報に示された抵抗率の値では、コアロス特性が劣化することが明らかになった。
【0007】
そこで、我々は、特願2000−272656号公報に、ギャップに挿入する永久磁石として5kOe以上の固有保磁力、300℃以上のTc、1Ω・cm以上の比抵抗、100〜400mTのBr、0.9kOe以上のbHcの永久磁石を挿入することで、コアロスを低下させることなく、良好な直流重畳特性が得られることを提案している。
【0008】
しかし、実際、永久磁石をコアに挿入する場合、ギャップ部には、精度、接着部分、膨張を考慮し、ギャップに対して約10%の隙間(エアギャップ)が出来てしまう。よって、特願2000−272656号公報のBr=100〜400mTより高いBrが必要になると考えられる。また、近年、表面実装タイプのコイルが所望されており、直流重畳特性の温特も重要視されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記問題点に鑑み、優れた直流重畳特性とコアロス特性とを有する磁芯およびそれを用いたインダクタンス部品を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を達成するべく挿入する永久磁石について検討した結果、磁石の比抵抗が1Ω・cm以上で固有保磁力が10kOe以上の永久磁石を使用した時、優れた直流重畳特性が得られ、しかも、コアロス特性の劣化が生じない磁芯を形成できることを発見した。これは、優れた直流重畳特性を得るのに必要な磁石特性は、エネルギー積よりも、むしろ固有保磁力であり、従って、比抵抗の高い永久磁石を使用しても固有保磁力が高ければ充分に高い直流重畳特性が得られる事を見出したことによる。比抵抗が高く、しかも固有保磁力が高い磁石は、一般的には希土類磁石粉末をバインダーとともに混合して成形した希土類ボンド磁石で得られるが、保磁力の高い磁石粉末であれば、どのような組成のものでも可能である。
【0011】
即ち、本発明は、磁路の少なくとも1箇所以上にギャップを有し、前記ギャップにギャップ長の90%以下の高さを有するボンド磁石が挿入された磁芯であって、前記ボンド磁石が、固有保磁力が10kOe以上、Tcが300℃以上の粉末平均粒径が25μm〜300μmの希土類磁石粉末で形成され、かつ、この粉末が金属によりコーティングされ、成形体の粉末充填率が55〜70%、かつ比抵抗が1Ω・cm以上で、Brが300〜500mTで、Hcが2.0kOe以上とする磁芯である。
【0012】
また、本発明は、前記磁芯において、少なくとも1ターン以上の巻線を施すインダクタンス部品である。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態による磁芯およびそれを用いたインダクタンス部品について、以下に説明する。
【0014】
本発明は、磁路の少なくとも1箇所以上にギャップを有する磁芯において、そのギャップにギャップ長の90%以下の高さを有するボンド磁石が挿入され、前記ボンド磁石が、固有保磁力が10kOe以上、Tcが300℃以上の粉末平均粒径が25μm〜300μmの希土類磁石粉末で形成され、かつ、この粉末が金属によりコーティングされ、成形体の粉末充填率が55〜70%、かつ比抵抗が1Ω・cm以上とする磁芯である。
【0015】
我々は、種々検討を重ねた結果、ボンド磁石のBrが500mT以下で熱減磁の影響が少ないということがわかった。これは、パーミアンスが低いボンド磁石では、Brが500mTを超えた場合、Hc(保磁力)がB−Hカーブの減磁曲線のクニック点より下にあることにより、不可逆減磁領域に入ってしまうためで、一方、Brが500mT以下の場合、HcがB−Hカーブの減磁曲線のクニック点より上にあり、可逆減磁の領域内に入り熱減磁の影響が少なくなるためである。
【0016】
また、チョークコイル用及びトランス用磁芯にMnZn系又はNiZn系フェライトを用いた場合、磁芯の温特によって100〜150℃でBmが約200mT程度低下してしまうことが知られている。よって、常温とほぼ同等の直流重畳特性を得るためには、ギャップに挿入する磁石のBrは、300mT以上必要になり、逆に400mT以上ではΔB(飽和磁束密度の変化分)が大きすぎて、μ(透磁率)が低下する問題がある。
【0017】
しかし、実際コアに挿入して使用する場合には、ギャップ部には、若干の隙間(エアギャップ)が有り、Br=ΔBにはならず、μ(透磁率)が低下しない最大のBrは、約500mT程度であると考えられる。よって、ボンド磁石のBrが300mT〜500mTであれば、直流重畳特性の温特の優れた高い信頼性のコアが得られることを発見した。
【0018】
チョークコイル用及びトランス用磁芯としては、軟磁気特性を有する材料であれば、いずれでも有効であるが、一般的には、MnZn系又はNiZn系フェライト、圧粉磁芯、珪素鋼板、アモルファス等が用いられる。また、磁芯の形状についても特に制限があるわけではなく、トロイダルコア、EEコア、EIコア等あらゆる形状の磁芯に本発明の適用が可能である。これらコアの磁路の少なくとも1箇所以上にギャップを設け、そのギャップに永久磁石を挿入する。ギャップ長に特に制限はないが、ギャップ長が狭すぎると直流重畳特性が劣化し、またギャップ長が広すぎると透磁率が低下しすぎるので、おのずから挿入するギャップ長は決まってくる。
【0019】
次に、ギャップに挿入される永久磁石に対する要求特性は、固有保磁力については10kOe以下では磁芯に印加される直流磁界によって保磁力が消失するので、それ以上の保磁力が必要であり、また比抵抗は大きいほど良いが、1Ω・cm以上であればコアロスの劣化の大きな要因にはならない。
【0020】
また、粉末の平均粒径は、大きいほどボンド磁石のBrは高くなるが、300μmを超えるとコアロス特性が劣化するので、粉末の平均粒径は300μm以下であることが望ましく、また、粉末の平均粒径が25μm未満では、表面酸化の影響によりBrが低下するため好ましくない。
【0021】
ここで、ボンド磁石の熱減磁を抑えること、また、チョークコイル用及びトランス用磁芯にMnZn系又はNiZn系フェライトを用いた場合の直流重畳特性の温特を考慮すると、ボンド磁石のBrを300〜500mTにすることが望ましく、このボンド磁石を用いることで直流重畳特性の温特に優れた、信頼性の高い磁芯が得られる。また、希土類磁石粉末をバインダーと混合する際、予め体積比で1.0〜3.0wt%の樹脂でコーティングを施し樹脂を硬化させた希土類磁石粉末を用いると容易に比抵抗を高くすることが出来るため、ボンド磁石成形のためのトータル樹脂量を減らすことができ、ボンド磁石の充填率の向上もはかれる。
【0022】
【実施例】
本発明の実施例による磁芯およびそれを用いたインダクタンス部品について、以下に説明する。
【0023】
(実施例1)
実施例1による磁芯は、Sm2Co17系でエネルギー積が約28MGOeの焼結磁石を粗粉砕後、篩により750μm以下、500μm以下、250μm以下、100μm以下に分級し4種類の粉末を作製、また、粗粉砕後、ボールミルで微粉砕を行い、その粉末を篩により50μm以下、20μm以下に分級し2種類の粉末を作製、計6種類の粉末を作製した。
【0024】
次に、これら作製した各磁石粉末にZn金属粉末(粉末平均粒径約5μm)を3wt%混合し、アルゴン雰囲気下で500℃×2時間熱処理を施した。これら各粉末の粒度分布を乾式の粒度分布計で測定したので、各粉末の平均粒径D50の値を表1に示す。加圧ニーダを用いてこの粉末にエポキシ樹脂を3.0wt%混練を行った。その後、この混練物を150℃で硬化を行い、この塊をライカイ機で解砕し粉末化を行った。
【0025】
【表1】
【0026】
表1より、Brは、平均粒径が大きくなるほど高くなることがわかった。Hcは、ほぼ同等である。比抵抗は、平均粒径が細かいほうが高い傾向である。
【0027】
これらの樹脂コーティングを行った粉末にトータルの樹脂量が総重量の10wt%になるように各試料にバインダー(エポキシ樹脂)を混合した後、無磁場中でプレス圧約3ton/cm2で金型成形することにより、各ボンド磁石を作製した。このボンド磁石の充填率および磁気特性を表1に並べて示す。このボンド磁石を7.0×10.0×1.3mmの形状に加工し、厚さ方向にでパルス着磁を行った。
【0028】
図1は、本発明におけるインダクタンス部品の説明図である。本発明のインダクタンス部品は、一般的なMnZn系フェライト材で作製された磁路長7.8cm、実効断面積1.74cm2のE型コア1、E型コア2の中芯に1.5mmのギャップ加工をした構成であり、ギャップに上記作製したボンド磁石を挿入し作製した。実際には、磁石とフェライトコアの間には隙間が0.2mm程度あいている。
【0029】
次に、巻線4を5ターン施し、LCRメーターで常温と100℃での直流重畳特性を測定した結果を図2〜図7に示す。
【0030】
図2〜図7より、直流重畳特性は、平均粒径が大きい(Brが高い)ほうが高磁界まで伸び、平均粒径20μm以上のボンド磁石では、100℃において直流重畳特性の劣化がみられない。
【0031】
同コアのμの周波数特性をインピーダンスアナライザーで測定したので、この結果を図8に示す。比較例として、エアギャップのみの周波数特性を図7に示す。
【0032】
μの周波数特性は、図8より、最大粒径が細かいほうが良好で、平均粒径300μm以外のボンド磁石では、高周波まで伸びており、エアギャップとほぼ同等である。
【0033】
以上より、平均粒径20μm〜300μmの粉末において、エアギャップとμの周波数特性は、ほぼ同等で、直流重畳特性の温特が優れたコアができることがわかった。
【0034】
(実施例2)
実施例2の磁芯は、実施例1と同様に、Sm2Co17系でエネルギー積が約28MGOeの焼結磁石を粗粉砕後、篩で250μm以下に分級し粉末を作製した。
【0035】
次に、実施例1と同様に、各磁石粉末にZn金属粉末(粉末平均粒径約5μm)を3wt%混合し、アルゴン雰囲気下で500℃×2時間熱処理を施した。加圧ニーダを用いてこの粉末にエポキシ樹脂を2wt%混練を行った。その後、この混練物を150℃で硬化を行い、この塊をライカイ機で解砕し粉末化を行った。これらの樹脂コーティングを行った粉末にトータルの樹脂量が総重量の8wt%になるように各試料にバインダー(エポキシ樹脂)を混合した後、この粉末にバインダーとしてエポキシ樹脂を混合、無磁場中でプレスによる金型成形を行い、ボンド磁石を作製した。
【0036】
この時、バインダー量、プレス圧を調整することにより、Brを520、500、430、340、300、270mTの各ボンド磁石を作製した。このボンド磁石を実施例1と同様に、加工、着磁、MnZn系フェライト材のギャップ部に挿入しコアを作製した。実際には磁石とフェライトコアの間には隙間(エアギャップ)が0.2mm程あいている。
【0037】
次に、実施例1と同様に、巻線を施しLCRメーターで常温と100℃での直流重畳特性を測定し、0Aと120AでのL値を抜き取り表2に示す。
【0038】
【表2】
【0039】
表2より、Brが500mT以上では、100℃でのμが低下してしまい、300mT以下では、100℃での直流重畳特性が低下することがわかった。
【0040】
以上より、Brは300〜500mTで直流重畳特性の温特が優れたコアができることがわかった。また、本実施例では、Brについて述べたが、固有保磁力5kOe以下では重畳磁界で磁石の磁化が反転することを確認した。Hcも2.0kOe以上で直流重畳特性の温特が良好であった。
【0041】
(実施例3)
実施例3の磁芯は、実施例1同様に、Sm2Co17系でエネルギー積が約28MGOeの焼結磁石を粗粉砕後、篩50μm以下(平均粒径25μm)に分級し粉末を作製した。このSm−Co磁石粉末とZn金属粉末(粉末平均粒径約5μm)を3wt%混合し、アルゴン雰囲気下で500℃×2時間熱処理を施した磁石粉末を使用した。この粉末にエポキシ樹脂を0.5wt%加圧ニーダを用いて混練を行った。
【0042】
その後、この混練物を150℃で硬化を行い、この塊をライカイ機で解砕し粉末化を行った。この粉末にバインダーとしてエポキシ樹脂を3.0wt%混合、無磁場中でプレスによる金型成形を行いボンド磁石を作製した。成形圧を調整することにより、充填率は50〜75%とした。このボンド磁石を7.0×10.0×1.3mmの形状に加工し、厚さ方向にパルス着磁を行った。これら成形体の磁気特性、比抵抗を測定した。その結果を表3に示す。
【0043】
【表3】
【0044】
表3より、充填率が55%以上でBrに関して300mT以上が達成されることがわかる。
【0045】
次に、実施例1と同様に、MnZn系フェライト材のギャップ部に、作製したこれらボンド磁石を挿入しコアを作製した。次に、巻線を施しインピーダンスアナライザーでμの周波数特性を測定した結果を図8に示す。比較例として、エアギャップのみのμの周波数特性も図8に示す。
【0046】
図9より、比抵抗1Ω・cm以上で高周波までμが伸びていることがわかった。これは、充填率が70%以下で達成されることがわかる。また、実施例2と同様に、巻線を施しLCRメーターで20℃と100℃での直流重畳特性を測定し、Brが300mT以下(充填率55%以下)では、100℃での直流重畳特性が低下することを確認した。ここでは結果を示さなかったが、500μmで分級した粉末(平均粒径300μm)でも同様の実験を行い、充填率55〜70%で同様の結果を得られることを確認した。
【0047】
【発明の効果】
本発明によれば、優れた直流重畳特性とコアロス特性とを有する磁芯およびそれを用いたインダクタンス部品を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例におけるインダクタンス部品の説明図。
【図2】本発明の実施例1における磁芯において、粒径が750μmの場合の直流重畳特性を示す図。
【図3】本発明の実施例1における磁芯において、粒径が500μmの場合の直流重畳特性を示す図。
【図4】本発明の実施例1における磁芯において、粒径が250μmの場合の直流重畳特性を示す図。
【図5】本発明の実施例1における磁芯において、粒径が100μmの場合の直流重畳特性を示す図。
【図6】本発明の実施例1における磁芯において、粒径が50μmの場合の直流重畳特性を示す図。
【図7】本発明の実施例1における磁芯において、粒径が20μmの場合の直流重畳特性を示す図。
【図8】本発明の実施例1におけるμの周波数特性を示す図。
【図9】本発明の実施例3におけるμの周波数特性を示す図。
【符号の説明】
1,2 E型コア
3 ボンド磁石
4 巻線
Claims (2)
- 磁路の少なくとも1箇所以上にギャップを有し、前記ギャップに、ギャップ長の90%以下の高さを有するボンド磁石が挿入された磁芯において、前記ボンド磁石が、固有保磁力が10kOe以上、Tcが300℃以上の粉末平均粒径が25μm〜300μmの希土類磁石粉末で形成され、かつ、この粉末が金属によりコーティングされ、成形体の粉末充填率が55〜70%、かつ比抵抗が1Ω・cm以上で、Brが300〜500mTで、Hcが2.0kOe以上であることを特徴とする磁芯。
- 請求項1記載の磁芯において、少なくとも1ターン以上の巻線を施すことを特徴とするインダクタンス部品。
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JP2002221644A JP2004063885A (ja) | 2002-07-30 | 2002-07-30 | 磁芯およびそれを用いたインダクタンス部品 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN103208352A (zh) * | 2013-03-15 | 2013-07-17 | 沈阳工业大学 | 基于磁温度补偿具有直流偏磁抑制功能的新型电力变压器 |
CN103413653A (zh) * | 2013-08-27 | 2013-11-27 | 沈阳工业大学 | 基于两相磁性材料的新型可控电抗器 |
-
2002
- 2002-07-30 JP JP2002221644A patent/JP2004063885A/ja active Pending
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CN103413653A (zh) * | 2013-08-27 | 2013-11-27 | 沈阳工业大学 | 基于两相磁性材料的新型可控电抗器 |
CN103413653B (zh) * | 2013-08-27 | 2016-10-26 | 沈阳工业大学 | 基于两相磁性材料的新型可控电抗器 |
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