JPH0464441B2

JPH0464441B2 -

Info

Publication number: JPH0464441B2
Application number: JP30805086A
Authority: JP
Inventors: Shigeaki Takagi; Sadakimi Kyota
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1986-12-25
Filing date: 1986-12-25
Publication date: 1992-10-15
Also published as: JPS63161602A

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）この発明は、ノイズフイルターや平滑チヨーク
などに用いて好適な鉄粉製の圧粉磁心に関し、と
くに高周波磁気特性のより一層の向上を図つたも
のである。（従来の技術）最近の電気電子機器の多様化に伴い、磁性材料
に対しても、種々の特性が要求されている。このうち鉄粉等の強磁性粉末を樹脂等とともに
成形してなる圧粉磁心は、磁束密度が印加磁界の
増加に対して飽和しにくいために直流重畳特性が
優れていること、また渦電流が流れにくいために
周波数特性が優れていること等の理由により、電
源ノイズフイルターや平滑チヨークなどに利用さ
れている。しかしながらこのような圧粉磁心に対
しても、ノイズ規制の強化や機器の高周波化など
を背景に、より一層の高周波特性の改善が要求さ
れ、しかもかような特性改善によるコスト上昇に
ついては最低限に抑制しなければならない状況に
ある。一般に、圧粉磁心の特性評価は、直流透磁率：
μ_DCおよび限界周波数：f_crによつて行うことがで
きる。ここでその評価方法について説明すると、
まず第１図に示すように、透磁率（初透磁率）の
周波数依存性を測定する。ここに周波数ｆが十分
に小さくなると、透磁率μは一定値に近づき、通
常この値をμ_DCで表す。一方、周波数が高くなる
と、透磁率は低下してくる。これは磁心に流れる
渦電流に起因するのであるが、透磁率がμ_DCの80
％にまで低下した時の周波数をf_crとすると、周
波数特性の優れた磁心とは、μ_DCは一定以上の水
準に維持された上で、このf_crができるだけ大き
い磁心である。最も一般的な鉄粉製の圧粉磁心は、平均粒径：
80μm程度の電解鉄粉やアトマイズ鉄粉あるいは
還元鉄粉を、樹脂や水ガラスなどのバインダーと
ともに成形して固めたものである。このタイプの
ものは製法が簡単であるから、低コストという利
点があり、その特性水準はμ_DCが60〜80、f_crが0.5
〜1.2MHz程度である。ところで圧粉磁心の周波数特性を決定するの
は、磁心に流れる渦電流であるが、渦電流には、
鉄粉粒子内部で閉じて流れる粒内渦電流と、粒子
間にわたつて流れる粒間渦電流とがある。粒内渦
電流を抑制するためには、鉄粉を合金粉として粒
子固有の電気抵抗を高めるか、または粒子を小さ
くする必要がある。一方粒間渦電流を抑制するに
は、粒子間の電気的な絶縁を良好にする必要があ
る。そしてこれら双方の渦電流を抑制してはじめ
て、f_crを大きくすることができるのである。そこで従来から、鉄粉の粒度を細かくすると共
に、粒子間の絶縁を高める工夫がなされてきた。
たとえば“Industrial Heating May，1982，
page14”では、粒子を電気的絶縁物でコーテイ
ングする方法で上記の目的を達成している。しかしながらこの方法は、コーテイングに手間
がかかり、大幅なコストの上昇を招く不利があつ
た。この発明は、上記の問題を解決するもので、簡
便かつ低コストで高周波特性に優れた圧粉磁心を
得ることができる有利な製造方法を提案すること
を目的とする。（問題点を解決するための手段）さて発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意
検討を重ねた結果、鉄粉粒子を細かくするととも
に、バインダーとしてエポキシ樹脂、また潤滑剤
としてステアリン酸亜鉛を添加して成形すること
により、特別な絶縁コーテイング処理を施さずと
も、f_crの高い磁心が得られることを見出した。この発明は、上記の知見に立脚するものであ
り、この発明における最も重要なポイントは、鉄
粉粒子が細かい場合には、潤滑剤であるステアリ
ン酸亜鉛が粒子間の絶縁を高めるのに極めて有効
に作用するという新事実である。すなわちこの発明は、鉄粉とエポキシ樹脂と潤
滑剤としてのステアリン酸亜鉛との混合物を成形
してなる圧粉磁心であつて、鉄粉の平均粒径をｄ
（μm）、ステアリン酸亜鉛の含有量をｘ｛wt％
（以下単に％で示す）｝、磁路に垂直な磁心の断面
積をＡ（cm²）で表したとき、これらが次式(1)，(2) ｄ≦70（μm） …(1) 10（Ａ／d²）^0.3≦ｘ≦2.5 …(2) の関係を満足することを特徴とする、高周波磁気
特性に優れた圧粉磁心である。ここで平均粒径とは、鉄粉の粒度分布をふるい
分け法あるいはマイクロトラツク法で測定した重
量粒度分布のメジアン径で表される。また、磁心
断面積は、外径：D₀、内径：D₁高さ：Ｈのトロ
イダル状磁心であれば、Ａ＝Ｈ（D₀−D₁）／２で
与えられる。以下、この発明を具体的に説明する。まずこの発明では、鉄粉の平均粒径を70μm以
下とするが、これは、限界周波数f_crを増すため
に必須の条件の一つである粒内渦電流の低減を図
るためであり、仮に粒子間の絶縁が十分だとする
と、平均粒径が小さいほどf_crは大きくなる。第２図に、鉄粉の平均結晶粒径が限界周波数に
及ぼす影響について調べた結果を示す。なお実験
は次の要領で行つた。ミルスケール還元鉄粉をふるい分けて、次の平
均粒径をもつ鉄粉ａ〜ｅを得た。なお平均粒径
は：マイクロトラツク法により計測した重量粒度
分布のメジアン値として求めた。ａ：23μm，ｂ：51μm，ｃ：67μm，ｄ：84μm，ｅ：111μm 各鉄粉ａ〜ｅに、潤滑剤としてステアリン酸亜
鉛を1.4％、エポキシ樹脂粉末（−250メツシユ）
を0.5％混合し、7t／cm²の圧力で13×8×H5mm
のリング状に成形した。ついでこの成形体を大気
中150℃で１時間キユアリングし、圧粉磁心とし
た。かくして得られた磁心に、0.5mmのホルマル銅
線を20回巻き、インピーダンスメーターによつて
初透磁率の周波数依存性を10kHz〜10MHzの周波
数範囲で測定し、限界周波数f_crを求めた。同図より明らかなように、平均粒径が70μm以
下の鉄粉を用いた場合に、f_crが1.5MHz以上の優
れた周波数特性を示した。なおこのときのＡは0.125cm²であり、各鉄粉に
対する発明法における潤滑剤添加量の下限値：10
（Ａ／d²）^0.3の値は、それぞれａ：0.82％，ｂ：0.51％，ｃ：0.43％，ｄ：0.38％，ｅ：0.32％である。そこでこの発明では、鉄粉の平均粒径の上限を
70μmに定めたのである。さてかかる鉄粉は、樹脂および潤滑剤と共に成
形されて磁心を形成する。ここに樹脂は、鉄粉の
成形体を固めるバインダーの役割を持つと共に、
粒子間の電気的絶縁に寄与するものであり、これ
らの点を勘案して、この発明ではエポキシ樹脂を
用いるものとした。なおこのエポキシ樹脂は、粉
末状のものに限らず液状のものも使用できないこ
とはないが、粉末にくらべると鉄粉に添加した時
のハンドリングに難点がある。また潤滑剤は、本来、鉄粉を成形する際に、鉄
粉粒子同士ないしは粒子と金型との間の摩擦を低
減し、成形密度ひいては、透磁率を高め、かつ金
型摩耗を抑制するために添加するものである。ところで従来、かかる潤滑剤は鉄粉粒子間の電
気絶縁効果としては期待されていなかつたもので
あるが、発明者らの実験によれば、潤滑剤として
ステアリン酸亜鉛を使用した場合、鉄粉粒子が細
かい場合には、むしろ樹脂よりも大きな絶縁効果
を有することが究明されたのである。この事実は高特性の磁心を低コストで実現する
上で、極めて重要な意義をもつ。なぜならば、粒
子間絶縁を、樹脂量を増すことによつて実現しよ
うとする場合、樹脂量がある限度を越えると成形
しにくくなつて製造に支障をきたすことになる
が、潤滑剤の増量によつて粒子間絶縁をはかるな
らばかかる問題がなくなるからであり、しかも、
少量で高い効果が得られるからである。ステアリン酸亜鉛の絶縁効果が高い理由は、ス
テアリン酸亜鉛の粉末は、鉄粉と混合した時に、
鉄粉粒子の表面に付着しやすく、樹脂粉末にくら
べると、均一に鉄粉粒子を覆うためであると考え
られる。そのために、とくに鉄粉粒子が細かい場
合に、その効果が樹脂の場合よりも一層大きくな
るものと推察される。かかるステアリン酸亜鉛の添加量は、鉄粉の粒
度と磁心のサイズに応じて適正量が定められる。そこで次に、直流透磁率μ_DCおよび限界周波数
f_crにおよぼすステアリン酸亜鉛およびエポキシ
樹脂の添加量の影響について調べた。なお実験は
次の要領で行つた。平均粒径が23μmのミルスケール還元鉄粉に、
潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を0.5〜３％（こ
の時、エポキシ樹脂量は0.5％と一定）の範囲で、
また樹脂としてエポキシ樹脂を0.5〜３％（この
時、ステアリン酸亜鉛量は0.5％と一定）の範囲
で種々に変化させてそれぞれ添加し、前掲第２図
の成績を得た実験と同様にしてリング状の圧粉磁
心を作製した。かくして得られた圧粉磁心の直流透磁率μ_DCと
潤滑剤（ステアリン酸亜鉛）および樹脂（エポキ
シ樹脂）の添加量との関係について調べた結果を
第３図に、また同じく限界周波数と各添加量との
関係について調べた結果を第４図にそれぞれ示
す。第３，４図より明らかなように、ステアリン酸
亜鉛やエポキシ樹脂の添加量が増すにつれて粒子
間の絶縁が向上するので、一般にf_crは向上する
ものの、μ_DCは逆に低下してくる。ここにエポキ
シ樹脂よりもステアリン酸亜鉛のほうが絶縁効果
が大きく、f_crがはるかに上昇しているとともに、
μ_DCの大きさからも優れていることがわかる。第
４図における例では、ステアリン酸亜鉛が0.8％
以上において、エポキシ樹脂に対するステアリン
酸亜鉛の絶縁効果の優位性が明らかである。また
とくにステアリン酸亜鉛が1.4％の時に、f_crが大
きく、しかもμ_DCの低下が小さいから、この例に
おける最適ステアリン酸亜鉛添加量は、ほぼ1.4
％と言うことができる。一方、第３図および第４
図の例における添加エポキシ樹脂量の上限は添加
量の増加とともにμ_DCが急激に減少しはじめる点
である2.5％と考えてよい。このように、添加ステアリン酸亜鉛の上限は
μ_DCによつて、下限はf_crによつて定められる。こ
こにμ_DCは、鉄粉の粒度や磁心のサイズの影響を
ほとんど受けないから、上に示したステアリン酸
亜鉛量の上限値2.5％は普遍的なものと言うこと
ができる。しかしながらf_crは鉄粉の粒度および磁心のサ
イズに依存するから、一律にステアリン酸亜鉛量
（ｘ）の下限を定めることはできない。第３図お
よび第４図で求めた下限値0.8％は、平均粒径
23μmかつ磁心サイズ13（外径）×8（内径）×５
（高さ）mmの時にのみ適用される。一般的にｘの下限を求めるには、与えられた鉄
粉の平均粒径と磁心サイズの関数として、適正な
ｘの値を見積つておくことが必要である。これは
次のように簡略化して求めることができる。第４図の例で示すと、最適のステアリン酸亜鉛
量（ｘ）は1.4％である。この量は、ｘを増して
いつても、f_crが飽和に達する時のステアリン酸
亜鉛量である。ｘが1.4％を超えると、それ以上
粒子間絶縁を向上させても、粒内渦電流は不変だ
から、f_crはほとんど上昇しない。一方で、ｘが
1.4％よりも小さい時は、粒子間の絶縁によつて
f_crが定まるから、ｘの減少とともにf_crが低下す
る。このように考えると、最適のｘとは、粒内と
粒間の渦電流がちようど同程度の大きさになつた
時に対応することがわかる。粒内渦電流は粒子の
大きさによつて、粒間渦電流は磁心の大きさによ
つて、そのサイズ効果が定められている。したが
つて、粒子の大きさと磁心の大きさとの比が一定
であれば、粒内と粒間の渦電流の大きさの比も一
定になると考えられる。ここに磁心の大きさとし
て、磁路に垂直な磁心断面積Ａをとるならば、こ
のＡは長さの２次元量であるから、粒子の大きさ
としては、平均粒径の２乗d²をとつて、その比
Ａ／d²によつて、最適のｘが表されると考えるこ
とができる。すなわち、最適のｘは、Ａ／d²の関数というこ
とができる。以下このｘとＡ／d²との関係について調べた結
果について述べる。前掲した第１図および第２図の成績を得た実験
と同様の方法で圧粉磁心を作製したが、このとき
鉄粉は平均粒径23μmとし、エポキシ樹脂添加量
は0.5％に定めた。また磁心サイズは以下に示す
６種とし、ステアリン酸亜鉛の添加量を種々に変
化させて、f_crを測定した。１ 13×8×H3mm，２ 13×8×H5mm，３ 13×8×H8mm，４ 20×12×H8mm，５ 38×25×H6.5mm，６ 38×25×H10mm，各サイズに対応する断面積Ａは次のとおりであ
る。１ 0.075cm²，２ 0.0125cm²，３ 0.20cm²，４ 0.32cm²，５ 0.42cm²，６ 0.65cm² 各磁心における潤滑剤（ステアリン酸亜鉛）添
加量と限界周波数との関係について調べた結果を
第５図にまとめて示す。なお図中●印は各サイズ
の磁心に対する最適の潤滑剤添加量を表す。次に第６図に、第５図に示した結果に基づいて
磁心断面積Ａと最適のｘとの関係について調べた
結果を示す。この結果によると、最適のｘはＡの0.3乗に比
例している。ということは最適のｘはＡ／d²の関
数であるから、結局（Ａ／d²）^0.3に比例すること
になる。このようにして求めた最適のｘは、ｘ＝20（Ａ／d²）^0.3 である。ここにＸの許容下限値は、Const.×（Ａ／d²）^0.3
の形で求まるわけであるが、第４図の例におい
て、Ａ＝0.125cm²、ｄ＝23μmの時にｘ＝0.8％であ
るから、Const.≒10であり、従つて最適なｘ量の
下限は、次式、ｘ≧10（Ａ／d²）^0.3 で表されることになる。（実施例）下表１に示した混合物Ａ，ＢおよびＣを用意し
た。ここで、鉄粉は水アトマイズ純鉄分の、粒度
の異なるものを２種用い、その粒度はマイクロト
ラツク粒度分析計によるメジアン平均粒径で表し
た。また、樹脂としては粉末状エピキシ樹脂（平
均粒径6μm）、潤滑剤はステアリン酸亜鉛を用い
た。

【表】これらの混合物Ａ〜Ｃを、7.1t／cm²の成形圧力
で、外径13mm、内径８mm、高さ８mmのリング状に
成形した。ついで成形体を大気中で150℃に１時
間保持し、エポキシ樹脂のキユアリングを行つ
た。これらの例においては、10（Ａ／d²）^0.3の値は、
ＡとＢでは0.72、Ｃでは0.44である。したがつて
Ａは、通常より細かい鉄粉を用い、ステアリン酸
亜鉛量を通常潤滑に必要とされる量にくらべて大
量に添加しており、この発明の適正範囲を満足す
るものである。この点Ｂは、鉄粉粒度は細かいが、ステアリン
酸亜鉛添加量が不足した場合の比較例、またＣ
は、粒度が通常の鉄粉並みに粗い場合の比較例が
ある。これらの成形体につき、μ_DCとf_crとを測定して、
次表２の結果を得た。

【表】同表より明らかなように、実施例Ａは、比較例
Ｂ，Ｃにくらべてμ_DCの低下が僅少（１〜４％）
であるにもかかわらず、f_crが５倍以上と、飛躍
的に向上することが確かめられた。（発明の効果）かくしてこの発明によれば、格別の粒子間絶縁
剤を必要とすることがなく、したがつて低コスト
で高周波特性に優れた圧粉磁心を容易に得ること
ができ、ひいては圧粉磁心の応用適用拡大に偉効
を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、圧粉磁心の周波数特性を示したグラ
フ、第２図は、鉄粉の平均粒径ｄと限界周波数
f_crとの関係を示したグラフ、第３図は、潤滑剤
（ステアリン酸亜鉛）またはエポキシ樹脂の添加
量と直流透磁率μ_DCとの関係を示したグラフ、第
４図は、同じく添加量と限界周波数f_crとの関係
を示したグラフ、第５図は、潤滑剤（ステアリン
酸亜鉛）添加量と限界周波数f_crとの関係を磁心
サイズをパラメータとして示したグラフ、第６図
は、磁心サイズと適正潤滑剤（ステアリン酸亜
鉛）添加量との関係を示したグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】１鉄粉とエポキシ樹脂と潤滑剤としてのステア
リン酸亜鉛との混合物を成形してなる圧粉磁心で
あつて、鉄粉の平均粒径をｄ（μm）、ステアリン
酸亜鉛の含有量をｘ（wt％）、磁路に垂直な磁心
の断面積をＡ（cm²）で表したとき、これらが次式
(1)，(2) ｄ≦70（μm） …(1) 10（Ａ／d²）^0.3≦ｘ≦2.5 …(2) の関係を満足することを特徴とする、高周波磁気
特性に優れた圧粉磁心。