JP2019057654A - 軟磁性材料、軟磁性材料を用いた圧粉磁心、圧粉磁心を用いたリアクトル、及び圧粉磁心の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
高い圧力での圧粉成形時の軟磁性粉末内の歪みの発生を抑制しつつも、経年劣化による透磁率や、ヒステリシス損失の悪化を抑制することが可能であるとの知見を得た。本発明の目的は、潤滑剤としてステアリン酸カルシウムを使用することで、高い圧力で圧粉成形しても軟磁性粉末の粒子内に歪の発生を抑制しつつ、経年劣化による圧粉磁心の磁気特性の悪化を低減した軟磁性材料、軟磁性材料を用いた圧粉磁心、圧粉磁心を用いたリアクトル、及び圧粉磁心の製造方法を提供することにある。
[1−1.構成]
本実施形態の軟磁性粉末材料は、圧粉磁心の材料である。軟磁性粉末材料には、周囲を絶縁層で被覆した軟磁性粉末と、軟磁性粉末に対して添加される潤滑剤と、が含まれる。潤滑剤としては、軟磁性粉末に対して0.1〜0.5wt%のステアリン酸カルシウムを使用する。本実施形態では、潤滑剤を添加した軟磁性粉末材料を、所定の形状に加圧成形処理して成形体を作製する。成形体の形状は、例えば、トロイダル状、I型、U型、θ型、E型、EER型など、種々の形状とすることができる。所定の形状に整えた成形体を熱処理することで圧粉磁心が成型される。なお、絶縁層は、絶縁粉末層、シリコーンオリゴマー層及び、シリコーンレジン層の中から要求される性能に合わせて任意に選択することが可能である。本実施形態では、説明のために絶縁層が、絶縁粉末層、シリコーンオリゴマー層、及びシリコーンレジン層の3層からなるものとして説明する。
絶縁層は、軟磁性粉末の周囲に形成される絶縁性能を有する層である。本実施形態では、絶縁層として、複数の種類の層を形成する。本実施形態では、内側より絶縁粉末層、絶縁被膜層の順に軟磁性粉末の周囲を覆う。また、絶縁被膜層は、軟磁性粉末の表面に設けられたケイ素(Si)を含む第1の絶縁被膜層と、第1の層の表面に設けられたケイ素(Si)を含む第2の絶縁被膜層とを備える。
絶縁粉末層は、軟磁性粉末の表面に絶縁粉末を均一に付着させた層である。絶縁粉末としては、縮合リン酸金属塩粉末や無機絶縁粉末を使用する。絶縁粉末は、1種類でなく、2種類以上混合しても良い。
軟磁性粉末に混合する絶縁粉末である縮合リン酸金属塩粉末としては、縮合リン酸アルミ粉末が適している。その中でも第一リン酸アルミを加熱して脱水反応させたトリポリリン酸アルミ粉末やメタリン酸アルミニウム粉末又はこれらを混合した粉末が適している。トリポリリン酸アルミは、常温で白色微粉末であり、粉末は水に難溶性である。トリポリリン酸アルミは、板状の結晶が重なり合った層状化合物である。トリポリリン酸アルミニウムの具体例として、トリポリリン酸二水素アルミニウムが挙げられる。トリポリリン酸アルミの平均粒子径が1.5μm〜6.0μmであるとさらに好ましい。トリポリリン酸アルミは防錆効果があり、軟磁性粉末に対して添加した場合、軟磁性粉末の表面の酸化を防止する作用がある。粉末表面が酸化すると軟磁性粉末間の距離が増大する。軟磁性粉末間の距離の増加は、透磁率の悪化につながる。また、軟磁性粉末表面が酸化すると、軟磁性粉末内の結晶構造に歪みが生じる。結晶構造の歪みは、圧粉磁心におけるヒステリシス損失の悪化につながる。トリポリリン酸アルミを軟磁性粉末の表面に均一に分布させることにより、圧粉磁心の透磁率の悪化やヒステリシス損失の悪化を防止することが可能となる。
軟磁性粉末に混合する無機絶縁粉末としては、融点が1000℃以上の無機絶縁粉末であるアルミナ粉末、マグネシア粉末、シリカ粉末、チタニア粉末、ジルコニア粉末の少なくとも1種類以上であることが好ましい。融点が1000℃以上の無機絶縁粉末を使用するのは、後述の成形時に加わった圧力による歪みをとる目的で行う熱処理工程で加えられる熱により、無機絶縁粉末が焼結し圧粉磁心の材料として使用できなくなることを防止するためである。
絶縁粉末層を形成した軟磁性粉末は、2種類の絶縁被膜層で覆われる。すなわち、軟磁性粉末を中心として、絶縁粉末層を形成した軟磁性粉末の外側に第1層目の第1の絶縁被膜層が形成され、第1層目の第1の絶縁被膜層の外側に第2層目の第2の絶縁被膜層が形成される。第1の絶縁被膜層は、シリコーンオリゴマーが熱処理工程により重合反応して形成されたシリカ(Si)層である。第2の絶縁被膜層は、シリコーンレジンを所定量添加し、大気雰囲気中、所定の温度で乾燥させたシリカ(Si)層である。軟磁性粉末の周囲に絶縁粉末を付着させた場合、第1の層には絶縁粉末が含まれる。この場合、第1の絶縁被膜層は、第2の層と比べてSiの密度が小さくなる傾向がある。第1の絶縁被膜層と第2の絶縁被膜層は、例えばSiの密度の違いにより識別可能である。第1の層には無機絶縁粉末が含まれるが、第2の層には、無機絶縁粉末が含まれないか、含まれても微量であるためである。
シリコーンオリゴマーは、主骨格がシロキサン結合であり、機械的結合力が強い。また、Si原子を1個有するモノマーであるシランカップリング剤に対して、低分子で、二量体、三量体である分子量1000程度のシリコーンオリゴマーを用いたほうが、その構造上、膜厚を厚くできると考えられる。すなわち、シリコーンオリゴマー層を絶縁被膜の中間層として形成することにより、絶縁被膜全体として機械的結合力を強く、膜厚を厚くすることができる。
RSiO3/2・・・・(式1)
(Rは、有機置換基である。)
(式2)
R3SiO1/2・・・・(式2)
(Rは、有機置換基である。)
(式3)
R2SiO2/2・・・・(式3)
(Rは、有機置換基である。)
(式4)
SiO4/2 ・・・・(式4)
シリコーンレジンはシロキサン結合(Si−O―Si)を主骨格に持つ樹脂である。シリコーンレジンを用いることで可撓性に優れた被膜を形成することができる。シリコーンレジンは、メチル系、メチルフェニル系、プロピルフェニル系、エポキシ樹脂変性系、アルキッド樹脂変性系、ポリエステル樹脂変性系、ゴム系等を用いることができる。この中でも特に、メチルフェニル系のシリコーンレジンを用いた場合、加熱減量が少なく、耐熱性に優れたシリコーンレジン層を形成することができる。
潤滑剤として、ステアリン酸カルシウムを使用する。軟磁性粉末に対して潤滑剤を添加することにより、軟磁性粉末同士の滑りを良くすることができるので、混合時の密度を向上させ成形密度を高くすることができる。さらに、成形時の上パンチの抜き圧低減、金型と粉末の接触によるコア壁面の縦筋の発生を防止することが可能である。また、後述する焼鈍行程を経ることで、潤滑剤に含まれるステアリン酸カルシウムは酸化カルシウムとなりコア内に残留する。コア内の酸化カルシウムは、酸化カルシウムが持つ吸湿作用により、コアにおける錆びの発生を防止し、錆によるコアの特性悪化を防止する。
本実施形態の圧粉磁心の製造方法は、次のような各工程を有する。この工程を図1のフローチャートに示す。
(1)軟磁性粉末に対して、絶縁粉末を混合して粉末を付着させる絶縁粉末付着工程(ステップ1)。
(2)表面に絶縁粉末が付着した軟磁性粉末に対し、シリコーンオリゴマーを混合してシリコーンオリゴマー層を形成するシリコーンオリゴマー層形成工程(ステップ2)。
(3)シリコーンオリゴマー層が形成された軟磁性粉末に対し、シリコーンレジンを混合してシリコーンレジン層を形成するシリコーンレジン層形成工程(ステップ3)。
(4)前記工程を経た前記軟磁性粉末に対して、ステアリン酸カルシウムを混合する潤滑剤混合ステップ(ステップ4)
(5)前記工程を経た前記軟磁性粉末を、加圧成形処理して成形体を作製する成形工程(ステップ5)。
(6)成形工程を経た成形体を600℃以上で熱処理する熱処理工程(ステップ6)。
以下、各工程を具体的に説明する。
絶縁粉末付着工程では、軟磁性粉末と、絶縁粉末とを混合する。混合は、混合機(W型、V型)、ポットミル等を使用して行い、この時、粉末に内部歪みが入らないように混合する。以上により、軟磁性粉末の表面に絶縁粉末層を付着することができる。軟磁性粉末の表面にトリポリリン酸アルミ粉末を付着することにより、軟磁性粉末に発生する錆を防止することができる。一方、軟磁性粉末の表面に無機絶縁粉末を付着することにより、軟磁性粉末の間を絶縁することができ、熱処理温度を上げることが可能になる。
シリコーンオリゴマー層形成工程では、軟磁性粉末に対して、シリコーンオリゴマーを所定量添加して、大気雰囲気中、所定の温度で乾燥を行う。シリコーンオリゴマー層形成工程により、軟磁性粉末の外側にシリコーンオリゴマー層が形成される。
シリコーンレジン層形成工程では、シリコーンオリゴマー層が形成された軟磁性粉末に対して、シリコーンレジンを所定量添加し、大気雰囲気中、所定の温度で乾燥させる。シリコーンレジン層形成工程により、シリコーンオリゴマー層の外側にシリコーンレジン層が形成される。
潤滑剤混合工程では、シリコーンレジン層を形成した軟磁性粉末に対して、所定量のステアリン酸カルシウムを添加する。混合方法としては、混合は、混合機(W型、V型)、ポットミル等を使用して行う。ステアリン酸カルシウムに加えて他の潤滑剤を使用する場合には、この工程において混合することができる。他の潤滑剤を混合するタイミングは、ステアリン酸カルシウムの投入前、ステアリン酸カルシウムの投入時、ステアリン酸カルシウムの投入後から選択可能である。また、予め、ステアリン酸カルシウムと他の潤滑剤を混合しておき、混合した潤滑剤を、シリコーンレジン層を形成した軟磁性粉末に対して、添加しても良い。
成形工程では、潤滑剤と混合した表面に絶縁被膜が形成された軟磁性粉末を加圧成形することにより、成形体を形成する。成形時の圧力は10〜20ton/cm2であり、平均で15ton/cm2程度が好ましい。
熱処理工程では、成形工程を経た成形体に対して、N2ガス中やN2+H2ガス非酸化性雰囲気中にて、600℃以上且つ軟磁性粉末に被覆した絶縁被膜が破壊される温度(例えば、850℃とする)以下で、熱処理処理を行うことで圧粉磁心が作製される。絶縁被膜が破壊される温度以下で熱処理処理を行うのは、成形工程での歪みを開放すると共に、熱処理処理時の熱により軟磁性粉末の周囲に被覆した絶縁被膜が破れることを防止するためである。一方、熱処理温度を上げ過ぎると、この軟磁性粉末に被覆した絶縁被膜が破れることにより、絶縁性能の劣化から渦電流損失が大きく増加してしまう。それにより、磁気特性が低下するという問題が発生する。
測定項目は、透磁率、鉄損、及び密度である。透磁率の測定及び鉄損の算出には、作製された各圧粉磁心に1次巻線(20ターン)を施し、リアクトルを作製した。また、作製したリアクトルの透磁率及び鉄損を下記の条件で算出した。
コアの密度は、見かけ密度である。すなわち、各コアのサンプルの外径、内径、及び高さを測り、これらの値からサンプルの体積(cm3)を、π×(外径2−内径2)×高さに基づき算出した。そして、サンプルの質量を測定し、測定した質量を算出した体積で除してコアの密度を算出した。
透磁率及び鉄損の測定条件は、2次巻線(3ターン)を施し、周波数100kHz、最大磁束密度Bm=100mTとした。透磁率は、鉄損Pcv測定時に最大磁束密度Bmを設定したときの振幅透磁率とした。鉄損については、磁気計測機器であるBHアナライザ(岩通計測株式会社:SY−8232)を用いて算出した。この算出は、鉄損の周波数曲線を次の(1)〜(3)式で最小2乗法により、ヒステリシス損係数、渦電流損失係数を算出することで行った。
Ph =Kh×f…(2)
Pe =Ke×f2…(3)
Pcv:鉄損
Kh :ヒステリシス損係数
Ke :渦電流損係数
f :周波数
Ph :ヒステリシス損失
Pe :渦電流損失
本特性比較では、無機絶縁粉末を被覆した軟磁性粉末と潤滑剤を使用した複合軟磁性材を使用した圧粉磁心のサンプルを作製し、その特性の比較を行った。サンプルとなる圧粉磁心において、潤滑剤の量は軟磁性粉末に対して0.5wt%とした。潤滑剤内のステアリン酸カルシウムと、エチレンビスステアライドとの比率を変化させることで、複数のサンプルを作製し、ステアリン酸カルシウムの量に応じて実施例1〜6及び比較例1とした。これらの作製方法と、その結果について下記に順に示す。
(μ1−μ0)÷μ0×100=透磁率の変化率μ(%)
また、鉄損Pcvの変化の率は、試験開始時の鉄損(Pcv0)と500時間経過後の鉄損(Pcv1)とし、以下の式により算出した。
(Pcv1−Pcv0)÷Pcv0×100=鉄損の変化率Pcv(%)
[表1]
本特性比較では、トリポリリン酸アルミ粉末を被覆した軟磁性粉末と潤滑剤を使用した複合軟磁性材を使用した圧粉磁心のサンプルを作製し、その特性の比較を行った。サンプルとなる圧粉磁心において、潤滑剤としてステアリン酸カルシウムを使用し、添加量は軟磁性粉末に対して0.5wt%とした。トリポリリン酸アルミ粉末の量を変化させることで、複数のサンプルを作製し、トリポリリン酸アルミ粉末の量に応じて実施例1〜6及び比較例1とした。これらの作製方法と、その結果について下記に順に示す。
(1)本実施形態の軟磁性材料は、周囲を絶縁層で被覆した軟磁性粉末と、軟磁性粉末に対して添加される潤滑剤とを備え、潤滑剤は、軟磁性粉末に対して0.1〜0.5wt%のステアリン酸カルシウムを含むものである。潤滑剤に含まれるステアリン酸カルシウムは、高温になる焼鈍工程を経ることで、酸化カルシウムとなり圧粉磁心内に残留する。圧粉磁心内の酸化カルシウムは、酸化カルシウムが持つ吸湿作用により、コアにおける錆びの発生を防止し、錆によるコアの特性悪化を防止する。つまり、ステアリン酸カルシウムは、成形工程時における潤滑剤としての役割だけでなく、成形後は酸化カルシウムとなり吸湿剤としての役割も果たす。錆防止のために別途添加物を添加すると、コアの密度が低下する要因となるが、ステアリン酸カルシウムを使用するとこの問題が生じない。これにより、潤滑剤としてステアリン酸カルシウムを含む軟磁性材料より作製した圧粉磁心においては、長時間の使用においても鉄損の変化率Pcvが小さい圧粉磁心を作製することが可能となる。
本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。
Claims (12)
- 周囲を絶縁層で被覆した軟磁性粉末と、
前記軟磁性粉末に対して添加される潤滑剤と、
を備え、
前記潤滑剤は、前記軟磁性粉末に対して0.1〜0.5wt%のステアリン酸カルシウムを含むことを特徴とする軟磁性材料。 - 前記潤滑剤の添加量は、前記軟磁性粉末に対して0.5wt%であり、
前記潤滑剤のうち前記ステアリン酸カルシウムの割合が20〜100%であることを特徴とする請求項1に記載の軟磁性材料。 - 前記絶縁層は、
軟磁性粉末の外側を被覆するシリコーンオリゴマー層と、
前記シリコーンオリゴマー層の外側を被覆するシリコーンレジンと、
であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の軟磁性材料。 - 前記シリコーンオリゴマー層は、メチル系またはメチルフェニル系のシリコーンオリゴマーを固化したものであることを特徴とする請求項3に記載の軟磁性材料。
- 前記絶縁層は、前記軟磁性粉末の周囲に均一に分布する絶縁粉末層を含み、
前記シリコーンオリゴマー層及びシリコーンレジンは、前記絶縁粉末層を覆うことを特徴とする請求項3または請求項4に記載の軟磁性材料。 - 前記絶縁粉末の一部または全てが、無機絶縁粉末であることを特徴とする請求項5に記載の軟磁性材料。
- 前記絶縁粉末の一部または全てが、トリポリリン酸アルミ粉末であることを特徴とする請求項5に記載の軟磁性材料。
- 前記絶縁粉末の一部または全てが無機絶縁粉末とトリポリリン酸アルミ粉末であることを特徴とする請求項5に記載の軟磁性材料。
- 前記絶縁粉末がトリポリリン酸アルミ粉末である場合、前記トリポリリン酸アルミ粉末の添加量は、前記軟磁性粉末に対して0.25〜1.5wt%であることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の軟磁性材料。
- 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の軟磁性材料を使用した圧粉磁心。
- 請求項10に記載の圧粉磁心にコイルが巻回されたリアクトル。
- 軟磁性粉末の周囲に絶縁粉末を均一に分散させ、絶縁粉末層を形成する絶縁粉末層形成工程と、
前記絶縁粉末が均一に分散した軟磁性粉末にシリコーンオリゴマーを混合し、乾燥させ、シリコーンオリゴマー層を形成するシリコーンオリゴマー層形成工程と、
前記シリコーンオリゴマー層が形成された前記軟磁性粉末にシリコーンレジンを混合し、乾燥させ、シリコーンレジン層を形成するシリコーンレジン層形成工程と、
前記シリコーンレジン層が形成された前記軟磁性粉末にステアリン酸カルシウムを0.1〜0.5wt混合する潤滑剤混合工程と、
前記各工程を経た前記軟磁性粉末を、加圧成形処理して成形体を作製する成形工程と、
を有する圧粉磁心の製造方法。
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