JP2017183334A - 巻磁心の磁場中熱処理方法 - Google Patents
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Abstract
Description
巻磁心は、用途に応じて磁場中熱処理が施され、これによりB―H特性が調整される。このB―H特性の調整方法は、主に2通りの方法がある。一つは巻磁心の磁路方向に磁場を印加して熱処理することで異方性を付け、ヒステリシスループを高角形にしたものであり、もう一つは巻磁心の磁路の垂直方向に磁場を印加して熱処理(以下、横磁場熱処理)することで異方性を付け、低角形にしたものである。
横磁場熱処理は、例えば、巻磁心を配置する容器の外側にヒータとソレノイドコイルを配置した磁場中熱処理炉により行なわれる。この様な構成の磁場中熱処理炉では、複数の巻磁心を同軸状に並べて配置し、ソレノイドコイルの巻軸と巻磁心の巻軸とを平行に、つまり、巻磁心の磁路の垂直方向(巻磁心の高さ方向)に磁場を印加して熱処理する方法が採用される。
低角形の巻磁心は、例えば、ラインフィルタ、パルストランス、センサー用コア、チョークコイル等で使用される。
また特許文献2に開示されるように、被熱処理の巻磁心を、熱処理温度範囲で強磁性体からなるスペーサを介して連続的に配置した状態で横磁場熱処理する方法もある。
この問題は、両端側の巻磁心が、磁場中熱処理炉内の端に配置されるときだけでなく、並べる個数を減らすことで磁場中熱処理炉内の中央よりに配置された場合でも発生する。つまりは、磁場中熱処理炉内の磁場の不均一性に起因する現象ではなく、上記のような、複数の巻磁心を同軸状に並べて配置し、巻磁心の磁路の垂直方向に磁場を印加して熱処理する横磁場熱処理において、必然的に発生してしまうものである。
この熱処理で印加する磁場は、:199kA/m(2.5KOe)以下であることが好ましい。
この巻磁心は、組成式:(Fe1-aMa)100-x-y-z-α-β-γCuxSiyBzM’αM”βXγ(原子%)(ここで、MはCo及び/又はNiであり、M’はNb,Mo,Ta,Ti,Zr,Hf,V,Cr,Mn及びWからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素、M”はAl,白金族元素,Sc,希土類元素,Au,Zn,Sn,Reからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素、XはC,Ge,P,Ga,Sb,In,Be,Asからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素である。また、a,x,y,z,α,β及びγは、それぞれ0≦a≦0.5,0.1≦x≦3,0≦y≦30,0≦z≦25,5≦y+z≦30,0≦α≦20,0≦β≦20及び0≦γ≦20を満足する。さらに、0≦a<0.1,0.8≦x≦1.5,14≦y≦20,5≦z≦7,2≦α≦5,0≦β≦10及び0≦γ≦10を満足する)で表される、アモルファス合金薄帯を巻き回したものを用いることができる。
しかし本発明のように、横磁場熱処理において巻磁心間に透磁率の低いスペーサを配置することで、端部から離れた位置に配置した巻磁心でも、端部に配置した巻磁心の透磁率に近づけることができ、得られる複数の巻磁心の透磁率の差を小さくできる。
スペーサの間隔が50mm未満である場合、磁場の印加方向に見て、巻磁心に対するスペーサの体積比率が増えるので、同じ特性の巻磁心を得るためには磁場の印加を強める必要がある。そのためにはソレノイドコイルに流す電流量を増やす必要があり、製造コストが大きくなったり、装置に負荷がかかりやすい等の問題が発生する。また、配置するスペーサの数が多くなるので、その分だけ一度に熱処理できる数が少なくなる。そのため、スペーサの間隔は50mm以上とする。
一方、スペーサの間隔が200mmを超えると、中央付近に配置された巻磁心の透磁率が、スペーサ付近の巻磁心の透磁率に対して25%を超えて下がってしまい、透磁率の差が大きくなってしまう。そのため、スペーサの間隔は200mm以下とする。
なお、スペーサ自体の幅は3mm以上とすることで、巻磁心の透磁率の差をさらに小さくすることができる。5mm以上、さらには10mm以上とすることが好ましい。
ソレノイドコイルにより発生した磁束は、巻磁心が並べられた位置よりもさらに外側においては、巻磁心の軸方向に見て、巻磁心よりも広い面積の範囲に分散して流れている。その分散した状態の磁束は、端部の巻磁心に向けて集中するように流れ込む。そのため、磁束が磁路の垂直方向だけでなく傾いた方向にも流れやすい。その結果、磁場が、磁路の垂直方向に印加される方向においては、小さくなった状況で熱処理されることになり、熱処理後の透磁率が高くなっているものと思われる。
対して、中央部の巻磁心に流れる磁束は、隣接する巻磁心から流れこむので、磁束が流れる方向はほぼ磁路の垂直方向と平行である。その結果、印加される磁場が、端部に配置された巻磁心より大きくなった状況で熱処理されることになり、熱処理後の透磁率が低くなっているものと思われる。
まず、熱処理によりナノ結晶化するアモルファス合金薄帯を用意する。アモルファス合金薄帯は、例えば、公知の単ロール法によって作製することができる。単ロール法では、原料合金を溶解して得られた溶湯を回転ロール上に吐出し、急冷凝固することによって、薄帯状のアモルファス合金を作製する。
この横磁場熱処理により、高周波領域まで透磁率の低下が抑制された軟磁気特性を得ることができる。磁場の強度は、上記した通り199kA/m以下であることが好ましい。つまり、磁束密度が0.25T以下になるように、ソレノイドに電流を流すことが好ましい。
また、磁場を印加する時間については、特に制限はないが、1分〜180分程度が実用的である。
ナノ結晶化のための熱処理を同時に行う場合は、上記の組成を有するアモルファス合金を、結晶化温度以上に加熱すると、ナノ結晶化できる。なお、温度が高すぎると結晶が粗大化してナノ結晶組織が維持されなくなるので、典型的には最高温度550℃〜600℃で熱処理を行うことが好ましい。この熱処理は、酸素濃度が100ppm以下に制限された難酸化性雰囲気中で行われることが好ましい。用いる難酸化性ガスとしては例えばArガスやN2ガス等の不活性ガスが挙げられる。
また、横磁場熱処理の工程とは別に、ナノ結晶化の熱処理を設定することもできる。また、無磁場や磁路方向へ磁場を印加した状態で行う、さらに別の熱処理を設定することもできる。
合金組成がFe:74、Cu:1、Nb:3、B:6.5、Si:15.5(いずれも原子%)とする合金溶湯を、単ロール法により急速凝固させて、厚さ13μm、幅52mmの合金リボンを作製した。作製した合金リボンをスリット加工して6.2mm幅のリボンとした。スリット加工後の6.2mm幅の合金リボンを巻回して、内径12.8mm、外径16.1mm、高さ6.2mmとなる巻回体を120ヶ作製した。巻始めと巻終わりは、スポット溶接によって隣接する合金リボンと固定させた。
なお、この横磁場熱処理を施した巻磁心で設定する透磁率は10kHzで70000±25%である。
図1を見ると、10kHzでの透磁率は、巻磁心が非磁性のスペーサに隣接する巻磁心は透磁率が高く、ほぼ最端部に配置された巻磁心と同等の透磁率約70000のものが得られた。スペーサ間の中央に近い巻磁心ほど透磁率が低くなる傾向があるものの、全てが同程度の透磁率である。得られた巻磁心120ヶの透磁率は全て70000±10%の範囲であり、顧客が要望する透磁率±25%の範囲に入る巻磁心が量産で得られた。
非磁性のスペーサの配置する位置を、最端側と、最端部から60ヶ目と61ヶ目の巻磁心の間、及び、90ヶ目と91ヶ目の巻磁心の間に配置し、それ以外は実施例1と同様に横磁場熱処理を行った。スペーサ1どうしの間隔は、最短側のスペーサと60ヶ目と61ヶ目の巻磁心の間に配置したスペーサの間隔が372mm、60ヶ目と61ヶ目の巻磁心の間に配置したスペーサと90ヶ目と91ヶ目の巻磁心の間に配置したスペーサの間隔が186mmである。
図3は実施例2の測定結果である。最端部や非磁性スペーサから離れた位置に配置された巻磁心ほど、透磁率が低下する傾向がある。
図3を見ると、60ヶ目と61ヶ目の巻磁心の間の非磁性スペーサから17ヶ目以上離れた巻磁心(距離にして非磁性スペーサから100mm以上離れた巻磁心)は、10kHzでの透磁率が、顧客が要望する透磁率±25%の範囲外である52500未満となるが、それよりもスペーサに近い位置に配置された巻磁心は70000±25%以下の範囲内の透磁率である。つまり、スペーサどうしの間隔はその倍の200mm以下であれば、スペーサと巻磁心の距離を全て100mm以下にできるので、横磁場熱処理を施した全ての巻磁心が顧客が要望する範囲に入れることができる
スペーサとして透磁率が10のスペーサ(材質:SUS304(但し磁性を有する)、透磁率10、寸法:外径22.2mm、内径12.7mm、厚さ10mm)を用い、それ以外は実施例1と同様の条件で横磁場熱処理を行った。
図2は比較例1の10kHzでの透磁率を示した測定結果である。
両端(1ヶ目と120ヶ目)に配置された巻磁心は、どちらも透磁率が約70000程度である。しかし、配置された位置が端部から離れるにつれて、その巻磁心の透磁率は下がる傾向がある。そして、端部から10ヶ目(10ヶ目、110ヶ目)に配置された巻磁心は透磁率が55000程度である。
さらに、端部から20ヶ目(20ヶ目、100ヶ目)に配置された巻磁心は、透磁率が50000程度となり、それ以上内側(21ヶ目〜99ヶ目)に配置された巻磁心はその殆どが45000〜50000の透磁率となっている。
このように、透磁率が10である、比較的低い透磁率のスペーサを使った場合でも、端部と中央部の巻磁心では、透磁率の差が20000以上と大きいものである。
:巻磁心、7:磁束、10:磁場中熱処理炉
Claims (3)
- 炉内に、複数の巻磁心を同軸状に並べて配置し、巻磁心の磁路の垂直方向に磁場を印加して熱処理する巻磁心の磁場中熱処理方法において、
透磁率が5以下の材質からなるスペーサを、前記の並べた複数の巻磁心の間に、間隔が50mm以上200mm以下となるように、複数配置した状態で、前記熱処理を行うことを特徴とする巻磁心の磁場中熱処理方法。 - 前記熱処理で印加する磁場は、199kA/m以下であることを特徴とする請求項1に記載の巻磁心の磁場中熱処理方法。
- 前記巻磁心は、組成式:(Fe1-aMa)100-x-y-z-α-β-γCuxSiyBzM’αM”βXγ(原子%)(ここで、MはCo及び/又はNiであり、M’はNb,Mo,Ta,Ti,Zr,Hf,V,Cr,Mn及びWからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素、M”はAl,白金族元素,Sc,希土類元素,Au,Zn,Sn,Reからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素、XはC,Ge,P,Ga,Sb,In,Be,Asからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素である。また、a,x,y,z,α,β及びγは、それぞれ0≦a≦0.5,0.1≦x≦3,0≦y≦30,0≦z≦25,5≦y+z≦30,0≦α≦20,0≦β≦20及び0≦γ≦20を満足する。さらに、0≦a<0.1,0.8≦x≦1.5,14≦y≦20,5≦z≦7,2≦α≦5,0≦β≦10及び0≦γ≦10を満足する)で表される、アモルファス合金薄帯を巻き回したものであることを特徴とする請求項1または2に記載の巻磁心の磁場中熱処理方法。
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