JPS59119710A - 鉄心 - Google Patents

鉄心

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JPS59119710A
JPS59119710A JP57226736A JP22673682A JPS59119710A JP S59119710 A JPS59119710 A JP S59119710A JP 57226736 A JP57226736 A JP 57226736A JP 22673682 A JP22673682 A JP 22673682A JP S59119710 A JPS59119710 A JP S59119710A
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/24Magnetic cores
    • H01F27/255Magnetic cores made from particles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/10Metallic powder containing lubricating or binding agents; Metallic powder containing organic material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C32/00Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/0094Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with organic materials as the main non-metallic constituent, e.g. resin

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、鉄心に関し、更に詳しくは、透磁率の周波数
特性が優れ、且つ、高い磁束密度を有する鉄心に関する
〔発明の技術的背景とその問題点〕
従来、交流を直流に変換する装置、直流を交流に変換す
る装置、成る周波数の交流を異なる周波数の交流に変換
する装置及び所謂チョッパ等の直流を直流に変換する装
置等のような電力変換装置、或いは無接点遮断器等の電
気機器には、その電気回路構成要素として、サイリスタ
又はトランジスタに代表される半導体スイッチング素子
並びにこれに接続されたターンオンストレス緩和用リア
クトル、転流リアクトル、エネルギー蓄積用リアクトル
或いはマツチング用変圧器等が使用されているO このような電力変換装置の例として、第1図に直流を交
流に変換する装置の電気回路図を示す。
第1図の電力変換装置は、半導体スイッチング素子1、
ターンオンストレス緩和用リアクトル2及びマツチング
用変圧器3によ多構成されているものである。
これらのりアクドルや変圧器には、半導体装置イツチン
グに伴い、100KHzから場合によっては500 K
Hzを超える程度にまで達する高い周波数成分を含有す
る電流が流れることがある。
このようなりアクドルや変圧器を構成している鉄心には
、従来、次のようなものが使用されている。即ち、 (&)  層間絶縁を施した薄い電磁鋼板又はパーマロ
イ板等を積層して作製した積層鉄心、 (b)  カーブニル鉄微粉、パーマロイ微粉等を、例
えば、フェノール樹脂等の樹脂を使用して結着せしめた
、所謂ダストコア、或いは (c)  酸化物系磁性材料を焼結して作製した、所謂
フェライトコア 等が挙げられる。
これらの中で、積層鉄心は、商用周波数帯域においては
優れた電気特性を示すものの、高い周波数帯域において
は、鉄心の鉄損が著しく、殊に、渦電流損失が周波数の
2乗に比例して増加し、又、鉄心を形成する板材の表面
から内部へ入るにつれ、鉄心材料の表皮効果によって磁
化力が変化しにくくなるという性質を有している。従っ
て、積層鉄心は、高い周波数帯域においては、本来鉄心
材料自身が有している飽和磁束密度よりもはるかに低い
磁束密度でしか使用するととができず、渦電流損失も極
めて大1!いという問題点を有している。
更に、積層鉄心は、高い周波数に対する実効透磁率が、
商用周波数に対する実効透磁率と比較して著しく低いと
いう問題点を有している。これらの問題点を有している
積層鉄心を、高い周波数成分を有する電流が流れる、半
導体スイッチング素子に接続されたりアクドル又は変圧
器等に使用する場合には、実効透磁率及び磁束@度を補
償するために1鉄心自身を大型なものにしなければなら
ず、それに伴い、実効透磁率が低いことと相俟って、銅
損が大きくなるという問題点をも有している。
一方、ダストコアと呼ばれる圧粉磁性体が鉄心材料とし
て使用されており、例えば、特許第112235号等に
詳細に説明されている。しかしながら、このようなダス
トコアは、一般に、その磁束密度及び透磁率がかなル低
い値を有するものである。これらの中でも比較的高い磁
束密度を有するカーがニル鉄粉を使用したダストコアに
おいても、その、100OOA/?FIの磁化力におけ
る磁束密度は0.1Tをやや上回る程度であり、透磁率
は1、25 X I F5H/m程度のものである。従
って、ゲストコアを鉄心材料として使用したりアクドル
又は変圧器等においては、磁束密度や透磁率の低さを補
償するために、鉄心の巨大化が避けられず、それに伴い
、リアクトル又は変圧器等の銅損が大きくなるという問
題点を有している。
又、小型の電気機器に使用されているフェライトコアは
、高い固有抵抗値及び比較的硬れた高周波特性を有して
いる。しかしながら、フェライトコアは、10000 
A 7mの磁化力における磁束密度が0.4T程度と低
く、鉄心の使用温度範囲である一40〜120℃におい
て、透磁率並びに同一磁化力における磁束密度の値がそ
れぞれ数十チも変化するという問題点を有している。こ
のため、フェライトコアを、半導体スイッチング素子に
接続されたりアクドル又は変圧器等の鉄心材料とじて使
用する場合には、磁束密度が低いために、鉄心を大型に
する必要がある。しかし、フェライトコアは、焼結体で
あるために、大型鉄心の製造が困難であシ、鉄心として
は適さないものである。又、フェライトコアは、その低
磁束密度に起因する銅損が大きいこと、透磁率及び磁束
密度が温度で大きな影響を受けるために、リアクトルや
変圧器に使用した場合にその特性変化が大きいこと、更
には、電磁鋼板等と比較した場合に磁歪が大きいので鉄
心から発せられる騒音が大きくなること等の問題点を有
している。
〔発明の目的〕 本発明の目的は、上記した問題点を解消し、半導体素子
に接続されたりアクドル或いは変圧器等に使用される鉄
心として、優れた透磁率の周波数特性及び高い磁束密度
を有する鉄心を提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明の鉄心は、磁性粉と結着樹脂と無機化合物の粉末
とから成る成形体である。すなわち、本発明の鉄心は、
平均粒径10〜100μmの鉄粉、鉄合金磁性粉のいず
れか又は両方と、含量が体積比にして1.5〜40チで
ある電気絶縁性結着樹脂及び電気絶縁性無機化合物の粉
末との成形体であることを特徴とする。
本発明で用いる鉄粉又は鉄合金磁性粉は、その固有電気
抵抗率が10μΩ−画から高々数十μΩ−副程度である
ため、表皮効果が生ずる高い周波数を含む交流電流にお
いても充分な鉄心材料特性を得るためには、これら粉末
を微細な粒子として数子表面から゛粒子内部まで充分磁
化に寄与せしめなければ々もないことからして、その平
均粒径が100μm以下であることが必要である。しか
しながら、その平均粒径が10μm未満と極めて小さく
なると、後述する鉄心の成形段階で、通常適用される1
0000MPa以下の成形圧では、得られた鉄心の密度
が大きくならず、その結果、磁束密度の低下という不都
合を生ずる。結局、本発明にあっては、鉄粉又は鉄合金
磁性粉の平均粒径は10〜100μmの範囲に設定され
る。
また、これら粉末の平均粒径(Dμm)とその固有電気
抵抗率(ρμΩ−α)との関係についていえば、Dとρ
を数値のみで示して、ρ/D2≧4 X 10”−3の
関係を満足することが好ましい。
本発明に用いる鉄粉又は鉄合金磁性粉は上記した諸元を
充足するものであれば伺であってもよいが、例えば、純
鉄の粉、Fe−3Siで代表されるFe−8t合金粉、
Fe −At合金粉、Fe−8t−At合金粉、Fe 
−Ni合金粉、Fe −Co合金粉をあげることができ
、これら各々又はこれらの適宜な組合せによる粉末があ
けられる。
本発明に使用される電気絶縁性の結着樹脂は、上記した
鉄粉又は鉄合金磁性粉の表面を被覆して粉末相互間を電
気絶縁状態にし鉄心全体の交流磁化に対する充分な実効
電気抵抗値を付与せしめると同時に、これら粉末を結着
するバインダーとしても機能する。このような結着樹脂
としては、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド
樹脂、ポリエステル樹脂など各種の樹脂のそれぞれ又は
これらを適宜に組合せて成る樹脂をあげることができる
また、本発明に使用される電気絶縁性無機化合物の粉末
は、鉄心の成形時に鉄粉又は鉄合金磁性粉相互間におけ
る摩擦抵抗を減少させて鉄心の成形密度を高めると同時
に、導電体である鉄粉又は鉄合金磁性粉相互間に介在し
て鉄心全体の交流磁化に対する実効電気抵抗値を高める
という機能も果す。このような無機化合物としては、炭
酸カルシウム、シリカ、マグネシア、アルミナ、各種の
ガラスなど又はこれらを適宜に組合せたものをあげるこ
とができる。ただし、これら無機化合物は、前記した鉄
粉又は鉄合金磁性粉、結着樹脂と相互に反応しないもの
でなければならないことはいうまでもない。
なお、無機化合物の粉末の平均粒径は、その分散性、鉄
心材料特性との関係がらして、鉄粉又は鉄合金磁性粉の
平均粒径のV5以下(20μm以下)であることが好ま
しい。
本発明の鉄心にあっては、結着樹脂と無機化合物の粉末
との含量が、全体の体積と比較して、1.5〜40%の
範囲に設定される。この体積比が1.5%未満の場合に
は、鉄心の成形密度は高まらずしかも実効電気抵抗値が
低下し、また、4・()%を超えると実効電気抵抗値の
増加傾向は飽和状態に達し更には成形密度が低下して飽
和磁束密度も低くなシ磁化力10000 A/mでの磁
束密度はフェライト程度になってしまう。
結着樹脂と無機化合物粉末との相互における体・積比に
ついていえば、前者と後者の比が9,8〜20vot%
 : ・・2r: 〜8. Ovat%、好ましくは9
5〜3 Q voLチ: 5〜7 Q vatチである
本発明の鉄心は例えばっぎのようにして製造される。す
なわち、所定量の鉄粉、鉄合金磁性粉又はこれら両者の
混合粉と結着樹脂と無機化合物粉末との3者をミキサー
で充分く混線し、得られた混線物を金型に充填してこれ
を圧縮成形する。このとき、適用する成形圧は、通常、
10000MPa以下でよい。得られた成形体は、その
まま鉄心として使用に供されるが、必要に応じては、3
0〜300℃程度の温度で熱処理して結着樹脂を硬化し
てもよい。
〔発明の実施例〕
実施例1〜7 平均粒径の異なる各種の磁性粉、無機化合物の粉末及び
結着樹脂を第1表に示しだ割合(体積%)で配合し、こ
れを充分に混練した。得られた混線物を鉄心成形用金型
に充填し、各種の圧力で加圧成形して所定形状の成形体
とした。この成形体を加熱処理して結着樹脂を硬化し鉄
心とした。
これら鉄心につき、密度、磁化力10000A/mにお
ける磁束密度を測定し、更に、交流磁化に対する鉄心の
渦電流損から実効電気抵抗率を算出した。
以上の結果を一括して第1表に示した。
また、実施例1〜4の鉄心につき一40〜120℃の温
度における透磁率及び磁束密度の変化をそれぞれ測定し
たところ、いずれもその変化率は10%未満であった。
また、実施例3の鉄心と従来のダストコアから成る鉄心
とにつき、各磁力化における磁束密度の変化を表わす直
流磁化曲線を求めそれを第2図に示した。本発明の鉄心
(曲線A)は従来のもの(曲線B)に比べて磁束密度の
高い優れたものであることが確認された。
実施例8〜11 固有電気抵抗率(ρ)及び平均粒径(D)がそれぞれ異
なる鉄粉又は鉄合金磁性粉84 vot%、平均粒径1
μm以下のアルミナ粉末1 vot%、エポキシ樹脂1
5 vot%を混練し、混練物を600 MPaの圧力
で成形した後、得られた成形体に200℃、1時間の加
熱処理を施して鉄心とした。
これら鉄心につき、1kHz〜500 kHzの実効透
磁率を測定し、1kHzの実効透磁率を基準とした比を
求めた。その結果を、ρ/D2との関係とじて実施例1
2 平均粒径63 ttmのFe −3At粉末40voA
%、平均粒径53 μm以下のFe −Ni粉末10 
voA %、平均粒径44μm以下のFe粉、平均粒径
 8μmのガラス粉末0.8 vot%、ポリアミド樹
脂14.2vot%とを混練し、混線物を800MPa
の圧力で加圧成形した後、成形体に100℃、1時間の
加熱処理を施して鉄心とした。この鉄心の実効電気抵抗
率は350mΩ−α以上であった。
なお、以上の実施例において、エポキシ樹脂に代えてポ
リイミド樹脂、ポリカーブネート樹脂を用い、また、マ
、グネシア等他の無機化合物を用いても同様の結果が得
られた。
〔発明の効果〕
以上の説明で明らかなように、本発明の鉄心は、従来の
フェライトコアの鉄心、ダストコアの鉄心に比べてはる
かに高い磁束密度を有し、また高い実効電気抵抗率を有
する。更に、積層鉄心と比較しても、1〜500 kH
zの周波数帯域における実効透磁率の変化は小さくその
工業的価値は大である。
【図面の簡単な説明】
第1図は直流を交流に変換する装置の電気回路図の一例
を示す図、第2図は本発明の鉄心(実施例3)と従来の
ダストコアにおける直流磁化曲線を示す図である◇ l・・・半導体スイッチング素子、2・・・ターンオン
ストレス緩和用リアクトル、3・・・マツチング用変圧
器、4・・・交流に対する負荷、5・・・直流電源、A
・・・本発明の鉄心の直流磁化曲線、B・・・従来のゲ
スI・コアの直線磁化曲線。 第1図 第2図 ノ蒼矢 イbしθ  [A/m) 手続補正書 昭和58年2月16日 特許庁長官 若 杉 和 夫   殿 1、事件の表示 昭和57年 特 許 願第 226736  号2、発
明の名称 鉄心 3、補正をする者 事件との関係 特許出願人 5、補正命令の日付 自発

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、 平均粒径10〜100μmの鉄粉、鉄合金磁性粉
    のいずれか又は両方と、 含量が、体積比にして1.5〜40%である電気絶縁性
    結着樹脂及び電気絶縁性無機化合物の粉末との成形体で
    あることを特徴とする鉄心。 2、鉄粉又は鉄合金磁性粉が、その平均粒径を0μm1
    固有電気抵抗率をρμΩ−mとしたとき、D、ρを数値
    のみで示してρ/D2≧4X10−5の関係を満足する
    鉄粉又は鉄合金磁性粉である特許請求の範囲第1項記載
    の鉄心。 3、無機化合物の粉末の平均粒径が20μm以下である
    特許請求の範囲第1項記載の鉄心。
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