JPS61152004A - 鉄心 - Google Patents

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１ 本発明は、鉄心に関するものであり、より詳しくは、磁
性粉間の電気絶縁性を良好にして高周波帯域での鉄損を
減少せしめた鉄心に関するものである。

［発明の技術的背景とその問題点］ 一般に、交流を直流に変換する装置、直流を交流に変換
する装置、ある周波数の交流を異なる周波数の交流に変
換する装置、およ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、あるいは無接点遮断
器等の電気機器には、その電気回路の構成要素として、
サイリスタまたはトランジスタに代表される半導体スイ
ッチング素子なら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、あるいはマツチング用変圧器等が使用
されている。

このようなりアクドルや変圧器には、半導体のスイッチ
ングに伴い、スイッチング周波数と同じ周波数の電流の
他に、スイッチング周波数より遥かに高い周波数である
数十ｋＨｚから、場合によっては、５００ｋＨｚを超え
る程度にまで達する高い周波数成分を持つ電流が流れる
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１次のようなものが使用されている。

（ａ）層間絶縁を施した薄い電磁鋼板またはバーマイロ
等を積層した積層鉄心、 （ｂ）カーボニル鉄微粉、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した所謂ダストコ
アと呼ばれる圧粉鉄心。

（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、 等があげられる。

これらの中で、積層鉄心は、商用周波数においては優れ
た電気特性を示すものの、高い周波数帯域においては鉄
心の鉄損が著しく大きくなる。

特に、渦電流損失が周波数の２乗に比例して増加し、ま
た鉄心を形成する板材の表面から内部に入るにつれ鉄心
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。

したがって、積層鉄心は、高い周波数帯域においては、
本来鉄心材料自体が有している飽和磁束密度よりも遥か
に低い磁束密度でしか使用するこ　　・□とができず、
渦電流損失も極めて大きくなるという問題がある。

さらに、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
う問題もある。

これらの間・照点を有している積層鉄心を、半導体スイ
ッチング素子に接続されていて高い周波数成分を有する
電流が流れるリアクトルまたは変圧器に使用する場合に
は、実効透磁率および磁束密度の低さを補償するために
、鉄心自身を大型化しなければならず、それに伴い鉄損
が大きくなり鉄心に巻かれているコイルの長さが長くな
るため銅損も大きくなるという欠点があった。

また、前述のダストコアと呼ばれる圧粉磁性体を鉄心と
して使用することも従来行なわれ１例えば特許第１１２
２３５号公報にそのことは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
磁束密度および透磁率はかなり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ボ
ニル鉄粉を使用したダストコアにおいても、１００ＯＯ
Ａ／ｍ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　１０４Ｈ／層程
度のものである。

したがって、ダストコアを鉄心材料として使用したりア
クドルや変圧器においては、磁束密度や透磁率の低さを
補償をするために、積層鉄心の場合と同様に鉄心の大型
化が避けられず、それに伴い鉄心に巻かれているコイル
の長さが長くなりリアクトルや変圧器等の銅損が大きく
なるという欠点があった。

また、小型の電気機器に多く使用されているフェライト
コアは、高い固有抵抗値と比較的すぐれた高周波特性を
有している。

しかしながら、フェライトコアは、ｌ０ＧＯＯＡ／ｓ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り０℃〜　１２０℃において透磁
率ならびに同一磁化力における磁束密度の値がそれぞれ
数十％も変化するという問題がある。

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や変圧器等の鉄心材料として使用
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。しかしながら、フェライトは焼結体である
ため、大型鉄心の製造が困難であり、大型の電力用鉄心
への適用が難しい。

また、フェライトコアは、磁束密度が低いため鉄心に巻
くコイルの長さが長くなり銅損が大きくなる。また、透
磁率および磁束密度が使用温度によって大きな影響を受
けるためリアクトルや変圧器に使用した場合にその磁気
特性変化が大きくなる。さらには、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
きくなる等、種々の問題があった。

〔発明の目的〕

本発明は、上記した問題点を解消し１例えば半導体素子
に接続されたりアクドルや変圧器等に使用される鉄心と
して、透磁率の周波数特性が優れていると共に磁束密度
が高く、しかも高周波数帯域での鉄損が少なく、また製
造時の型抜き圧が低いなど作業性にも優れている圧縮成
形体の鉄心を提供することを目的とする。

［発明の概要］ 本発明の鉄心は、金属磁性粉と、電気絶縁性結着樹脂と
、リン酸エステルとを必須成分とした成形体であること
を特徴とする。

まず、本発明で用いる金属磁性粉としては、例えば、純
鉄の粉末、Ｆｅ−３ＸＳｉ　テ代表されるＦｅ−９ｉ合
金粉、Ｆｅ−Ａ９．系合金粉、　　Ｆｅ−９ｉ−１４１
系合金粉。

Ｆｅ−旧糸合金粉、　　Ｆｅ−Ｇｏ系合金粉、鉄を含む
非晶質合金磁性粉などをあげることができる。上記した
磁性粉は、それぞれ単独で用いてもよいが適宜に組合せ
て使用してもよい。

また、上記した磁性粉は、その固有電気抵抗率が１０％
Ω・Ｃ■から高々数十用Ω・Ｃ１程度である。

従って１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、これら磁
性粉を微細な粒子にすることによって粒子表面から粒子
内部までが充分磁化するようにしなければならない。

上記した理由により、数十ｋＨｚ程度までの周波数成分
を持つ電流により励磁され、その周波数帯域までの透磁
率特性が要求される鉄心については、磁性粉の平均粒径
が３００１Ｌ■以下程度であることが望ましい。

同様に、周波数帯域が１００ｋＨｚを超える場合の鉄心
では、磁性粉の平均粒径が１００ｇｍ以下程度であるこ
とが望ましい。

しかしながら、その平均粒径が１０１Ｌ膳未満と極めて
小さくなると、製造が困難となってしまう。

また後述する鉄心の成形段階で通常適用される１００Ｏ
ＮＰａ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た
め、１１０１Ｌ以上程度が望ましい。

成形体における磁性粉の配合割合は、要求される磁気特
性１例えば磁束密度等によって適宜設定することができ
る。しかしながら磁性粉が体積比で８８％を超えると後
述の樹脂成分が少なくなり磁性粉間の結着が不十分とな
るため３８％以下であることが好ましい、また磁性粉が
体積比で６０％未満になると１００００＾／虐の励磁力
での鉄心の磁束密度がフェライトコア程度（０，４７）
に低下するため、これ以上の磁束密度を必要とする場合
には６０％以上であることが望ましい。

本発明における電気絶縁性結着樹脂は、後述するリン酸
エステルを介して磁性粉の表面を被覆し、磁性粉末相互
間を互いに電気的絶縁状態にして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、
これら粉末を結着せしめるバインダーとして機能する。

このような電気絶縁性結着樹脂としては１例えｔｆ　、
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、ポリカーボネート樹脂などがあげられる
。上記したような樹脂はそれぞれ単独で用いてもよいし
適宜に組合せて使用してもよい。

上記結着樹脂の成形体における配合割合は、体積比にし
て０．７％以上であることが望ましく。

これより少ないと磁性粉に対する結着強度が弱まる。

本発明におけるリン酸エステルは、後述する理由により
上記した磁性粉と結着樹脂とのぬれ性及び接着性を高め
ると共に、圧縮成形後の金型からの抜き圧を低くする機
能を有する。したがって、リン酸エステルは、結着樹脂
の分散性、磁性粉被覆を向上せしめその結果、磁性粉間
の電気絶縁性を−高めて鉄心の鉄損を減少させる。

本発明におけるリン酸エステルは、格別限定されるもの
ではないが１次式で示される化合物が特に好ましい、す
なわち、 次式：　　［）１０１，１−Ｐ−［ＯＲ１］ｎ、　　　
　　　−（１）（式中、■１．Ｉｌｌはそれぞれｌもし
くは２の数を表わすと共に１１＋ｎ１ｍ３の関係を満た
し、Ｒ１は炭素数８以上のアルキル基を表わす、）で示
されるリン酸エステル、及び 次式：　　［ＨＯｌｍｌ−Ｐ−［（ＱＣ）１２ＣＨ２）
ｎＯＲ２１ｎｌ　＝　（２）（式中、ｓｌ　、　ｎｌは
それぞれ１もしくは２の数を表わすと共に■１十町−３
の関係を満たし、Ｒ２は炭素数８以上のアルキル基又は
アルキルフェニル基を表わし、ｎは自然数を表わす、）
で示されるリン酸エステルである。

該リン酸エステルが磁性粉と結着樹脂と共に混合された
際、上式で示されるリン酸エステル中の水酸基は磁性粉
表面上に吸着した水分と常温で容易に反応して、リン原
子が酸素原子を介して磁性表面と強固に結合する。一方
、反応せずに残った他の基（例えば、　ＯＲ’、　＋０
ＣＨ２１１：Ｈ２＋ｎ０Ｒ２等）は、有機物質である結
着樹脂とのぬれ性及び接着性にすぐれている。したがっ
て、リン酸エステルは磁性粉、結着樹脂との両方に対し
て優れた結合性、接着性を発揮する。

上記　（１）式で示されるリン酸エステルとしては、例
えば、 ＧｇＨ１７ ジオクチルホスフェート。

ＯＯ Ｏ モノイソデシルホスフェート 等が挙げられる。

上記　（２）式で示されるリン酸エステルとしては、例
えば、 （ＯＣＨ２Ｃ）１２）２０ＣＢＪ７ ジ（オクトキシエトキシエチル）ホスフェート。

Ｏ モノ（メチルフェノキシエチル）ホスフェート等が挙げ
られる。これらの化合物は１種類で用いてもよいし、あ
るいは２種以上の混合物を用いてもよい。

なお１本発明において、リン酸エステルは少量の添加含
有で上記したぬれ性・接着性の効果がｆｉ　ｋｇ　　Ｊ
１＋　ｋ　　４　　ユＮ　　　　＆　　Ｊ　　ｌｌ　　
Ｊ−４、、ｌ−４４ｍ　　ｍ　　＆−１１４１４４１１
１１間に充分に廻り込まず、絶縁性が低くなるので鉄損
の減少の効果が少ないため、実用上は体積比で０．１％
以上であることが好ましい。

本発明は上記した３成分のみで充分な鉄損減少の効果が
得られるが、更に、電気絶縁性無機化合物粉末を加えて
もよい。

電気絶縁性無機化合物の粉末は、鉄心の成形時に磁性粉
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て鉄
損を減少させる機能を有する。

このような電気絶縁性無機化合物の粉末としては、例え
ば、炭酸カルシウム、シリカ、マグネシウム、アルミナ
、各種ガラスなどの粉末があげられる。これらの無機化
合物は、上記した磁性粉。

結着樹脂と相互に化学反応を起こさないものでなければ
ならない、上記したような無機化合物はそれぞれ単独で
用いてもよいし適宜に組合せて使用してもよい。

上記した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からして、上記した磁性粉の平均
粒径よりも小さく、望ましくは２０勝麿以下であること
が好ましい。

無機化合物粉末は少量でその効果を発揮するが、その配
合割合は、体積比にして０．３〜３０％の範囲が好まし
い、０．３％未満の場合には成形密度の向上や鉄損の減
少の効果が少なく、３０％を超えると鉄心としての機械
的強度が低下してしまうからである。

次に、本発明の鉄心の製造方法について説明する。

まず、磁性粉とリン酸エステルとを、直接またはリン酸
エステルを溶剤に溶解せしめた状態で、混合する。この
工程で磁性粉の表面がリン酸エステルによって覆われる
０次に、これに結着樹脂を加えて混合物とする。

この場合、磁性粉と結着樹脂とリン酸エステルの３成分
を同時に混合してもよく、また、リン酸エステルと結着
樹脂とを予め混合したものに磁性粉を混合させる方法で
もよい。

上記３成分に加えて無機化合物も配合する場合には、 （１）磁性粉と無機化合物粉末とを混合したのち、リン
酸エステル、結着樹脂を順次混合する方法。

（２）磁性粉と無機化合物粉末と結着樹脂とリン酸エス
テルとを同時に混合する方法。

（３）予め無機化合物粉末を結着樹脂中に分散せしめた
ものに、磁性粉、リン酸エステルを混合する方法、 などいずれの方法でもよいが、無機化合物粉末を単独で
添加する方法よりも、予め結着樹脂中に分散せしめてお
く方法が効果的である。

次に、上記の混合物を金型に充填して圧縮成形する。こ
のとき適用する成形圧は１０００ＭＰａ以下でよい、得
られた所定形状の成形体は、そのまま鉄心として使用に
共されるが、必要に応じて結着樹脂硬化のための熱処理
を施してもよい。

［発明の実施例］ 以下に本発明の詳細な説明する。

磁性粉、結着樹脂、リン酸エステル、無機化合物を所定
の割合で配合し、これを充分に混合した。なおこのとき
、無機化合物粉末は予め結着樹脂中に分散混合させて使
用した。

得られた混合物を成形用金型に充填して８００ＭＰａの
圧力で圧縮成形した後、成形体を金型から抜き取り、得
られた成形体に熱処理を施して鉄心を製造した。

この熱処理としては、結着樹脂にエポキシ樹脂を用いた
場合、１６０〜２００℃、０．５〜２時間の加熱、ポリ
アミド樹脂を用いた場合、　１８０℃、１５分間の加熱
を行なった。

第１表に、磁性粉、結着樹脂、リン酸エステル、無機化
合物粉末の組成種類及び配合比、さらに粉末にあっては
その平均粒径を示した。またあわせて、　９＝　０．０
５Ｔにおける５０ＫＨｚ及び１００ｋＨｚテの鉄損も示
した。

実施例１〜８ 実施例１〜８は磁性粉の配合比を固定して、リン酸エス
テル、無機化合物の配合比を変えたものである。又、比
較例１〜３はリン酸エステルを含有しないものである。

鉄損値は、商用周波数である５０Ｈｚでは各試料とも明
白な差は認められなかったが、高周波帯域である５０ｋ
Ｈｚ　、および１００ｋＨｚでは、第１表から明らかな
ようにリン酸エステルを０．１％以上添加した実施例１
〜８は、比較例１〜３に比べて鉄損が著しく小さくなっ
ていた。さらに、２００ｋＨｚ〒はその差が大きく３．
５倍以上になった。また結着樹脂の一部を減らし、　Ｃ
ａＣＯ３を添加したものは鉄損が更に小さくなっている
ことがわかる。

このように本発明の鉄心で高周波域での鉄損の低減が実
現されているのは、磁性粉間の絶縁が良好で渦電流損失
が小さいためである。

また、第１図に実施例３の実効透磁率の周波数特性を示
した（曲線ａ）、比較例２についても第１図中に曲線す
として示した。同図から明らかなように本発明の実施例
では４０ｋＨｚ　−１０００ｋＨｚの広り周波数範囲で
ほとんど実効透磁率の変化がなく周波数特性に優れてい
るのに対し、比較例では高周波域で大幅に実効透磁率が
低下していることがわかる。

このように渦電流損失が小さい本発明は、高周波帯域で
の実効透磁率の低下が少ない、また、ＣａＣＯ３を含有
する実施例５でもほとんど高周波域における実効透磁率
の低下はみられなかったが、磁性粉粒径の大きい実施例
６ではやや低下する傾向がみちれた。

また実施例３と比較例２の鉄心試料について、成形後の
同一形状１寸法（直径２０ｃｍ　、高さ２０ｃ■の円柱
状）の成形体について、抜き圧を比較した。

この結果、実施例３では１０００ｋｇ以下であったが、
比較例２では１５００〜２０００ｋｇと高く、リン酸エ
ステルは成型後の抜き圧を減少させて、成形工程を容易
にすると共に、型抜きの際の鉄心の破損も少なく歩留り
を向上させる効果もあることが判明した。

なお実施例１〜８の鉄心試料は励磁力１００００Ａ／■
において、何れも０．８Ｔ以上の高い磁束密度を示した
。

実施例９〜１５ 実施例９〜１５は磁性粉の配合比をかえたものであり、
比較例４〜９はリン酸エステルを含有しないものである
。

第１表から明らかなように磁性粉の配合比がほぼ同等の
試料で比較すると１本発明の鉄心の方が鉄損が少なく、
特に１００ｋＨｚではその差が更に大きくなっている。

また無機化合物粉末としてＣ；ａｃＯ３を添加した実施
例１１と比較例６、およびＳ　ｉ０２を添加した実施例
１３と比較例８は更に大きな差が見られた。

なお本実施例の鉄心は、励磁力１００００Ａ／■の磁束
密度が０．５Ｔ以上を示すが、磁性粉の配合比が８０％
未満である実施例１５は鉄損は小さいものの励磁力１０
０００Ａ／ｍの磁束密度は０．４Ｔ以下となった。

実施例１８〜１８ 実施例１８〜１９は磁性粉のみを変えたものであり、比
較例１０〜１３はリン酸エステルを含有しないものであ
る。

第１表から明らかなように本発明の実施例の方が低鉄損
であり、特に１００ｋＨｚの高周波数での鉄損が比較例
に比べて非常に小さいことがわかる。

また第２図に実施例１７の実効透磁率の周波数特性を示
した（曲線Ｃ）。

また、比較例１１についても曲線ｄとして第２図にあわ
せて示した。

本発明による鉄心は高周波帯域でも実効透磁率の低下は
殆ど見られないが、比較例の鉄心は１００ｋＨｚを超え
ると大幅に低下していることがわかる。

この傾向は実施例１８と比較例１０、実施例１８と比較
例１２．実施例１９と比較例１３についても同様である
。

またこれら実施例１８〜１８の鉄心試料の、励磁力１０
０００Ａ／腸における磁束密度は何れも０．８Ｔ以上で
　１あった。

実施例２０ 平均粒径１１０５ＩＬのＦｅ−９ｉ−Ｂ系非晶質磁性粉
を８５％配合したほかは、実施例１８と同様にして鉄心
を作製した。また比較例１４としてリン酸エステルは配
合せず、他は実施例２０と同様の鉄心を作製した。

Ｂ＝　０．０５７のときの鉄損をそれぞれ測定したとこ
ろ、実施例２０は比較個目と比較して、５０ｋＨｚでは
５５％、１００　ｋ　ｌ（、ｚでは７０％の鉄損が減少
していた。

［発明の効果］ 以上説明した如く１本発明の鉄心では、磁性粉の表面が
リン酸エステルによって被覆され、このリン酸エステル
の親油性基の働きにより、磁性粉と結着樹脂とのぬれ性
及び結着性、分散性が非常に良好である。

したがって、本発明の鉄心は、磁性粉間の結着樹脂によ
る電気絶縁性が優れているため渦電流損が小さい。

このため、本発明の鉄心は、特に高周波帯域での鉄損が
小さく、発熱もなく実効透磁率の低下もなく高い磁束密
度を維持できるなど優れた磁気特性を有している。

さらに、圧縮成形後の金型からの抜き圧も小さく作業性
も良好である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はそれぞれ鉄心における実効透磁率の
周波数特性を示した図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属磁性粉と、電気絶縁性結着樹脂と、リン酸エス
   テルとを必須成分とした成形体であることを特徴とする
   鉄心。 ２、該リン酸エステルの含有量が体積比にして０．１％
   以上である特許請求の範囲第１項記載の鉄心。 ３、該リン酸エステルが 次式：▲数式、化学式、表等があります▼ （式中、ｍ＿１、ｎ＿１はそれぞれ１もしくは２の数を
   表わすと共にｍ＿１＋ｎ＿１＝３の関係を満たし、Ｒ＾
   １は炭素数８以上のアルキル基を表わす。） で示される化合物である特許請求の範囲第１項もしくは
   第２項記載の鉄心。 ４、該リン酸エステルが 次式：▲数式、化学式、表等があります▼ （式中、Ｍ＿１、ｎ＿１はそれぞれ１もしくは２の数を
   表わすと共にｍ＿１＋ｎ＿１＝３の関係を満たし、Ｒ＾
   ２は炭素数８以上のアルキル基又はアルキルフェニル基
   を表わし、ｎは自然数を表わす。） で示される化合物である特許請求の範囲第１項もしくは
   第２項記載の鉄心。 ５、前記成形体が、更に電気絶縁性無機化合物の粉末を
   含有する特許請求の範囲第１項、第２項、第３項または
   第４項記載の鉄心。