説明

磁心およびその成形方法

【課題】箔体を巻回して成形利用する磁心において、渦電流損失を低減させる簡便な成形法を提供する。
【解決手段】箔帯をその長手方向に折り返し、折り返し後の一方端から巻き始めて積層することで筒状体を得、該筒状体を前記箔帯の幅方向に励磁して使用される磁心

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、主に非晶質箔、電磁鋼板等軟磁性金属箔を利用するインダクタ、モータ用等の磁心およびその成形法に関する。
【背景技術】
【0002】
リアクトル用インダクタ、モータ磁心等、エネルギ損失低減が要請されている磁性材料応用製品においては、磁心損失が小さいことが必要である。磁心損失を小さくすれば、発熱のない小型のインダクタ、モータが実現可能であり、省エネルギ化への寄与が大きい。
【0003】
磁心損失のうち、磁性材料特有の保磁力に起因するヒステリシス損失に着目したとき、保磁力の小さい磁性材料として非晶質、金属ガラス等が導入されている。このうち低保磁力であるとともに、飽和磁化が大きいことから、主に鉄系の非晶質箔を立体成型して用いる技術の検討がなされている。
【0004】
磁性材料として非晶質箔を用い、これを立体成型して磁心を得る技術に関し、たとえば特許文献1では、非晶質箔体を巻き取り、これを軸としてそのまわりにソレノイドコイルを形成してインダクタとし、あるいは、この非晶質巻箔体を巻磁心とする。さらにはこの形状をそのまま、あるいは変形して占積率を上げてモータ磁心とする。
【0005】
特許文献2では、巻き取った非晶質箔体のリングの一部を切断し、リング方向の磁化を制限することで透磁率を調整している。
【0006】
さらに特許文献3では、磁心一周分を独立した非晶質帯の積層で構成し、端部を折り重ねる製造法を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2005−184424号公報
【特許文献2】特開2011−29465号公報
【特許文献3】特開2010−263323号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
以上述べたように、磁性材料として非晶質箔を用い、これを立体成型して磁心を得る技術には種々のものが知られている。
【0009】
このうち特許文献1について、このような形成を行うと、コイルに交流通電した際、周波数に依存した負荷損失が発生し、保磁力起因のヒステリシス損失を大幅に上回るという課題のあることが判明した。この負荷損失は、見かけ上渦電流損失と同じ周波数の2乗に比例する挙動を示したため、ここではこれを渦電流損失と考えた。
【0010】
この原因と対策について究明したところ、結果的には、コイルの発生磁界を打ち消すように巻磁心に円電流が流れると考え、特許文献2で提案しているように磁心の一部を切断してリングに切れ目をいれ測定したところ、渦電流は発生しなかった。すなわち、絶縁した箔体を通してあたかも渦電流が発生しており、一体のリングのように動作している。これを物理的に切断することで渦電流が流れなくなるように見えるのである。
【0011】
また、特許文献3の手法によっても渦電流損失低減に有効であった。
【0012】
このように、特許文献2、特許文献3の手法は、渦電流損失低減の観点では満足すべきものであった。然しながら、工業的に大量生産する上では不十分なものである。本発明に関わるインダクタ、モータは大量生産で安価であることを要求されているため、特許文献2、特許文献3のような磁心形成は現実的でない。ここでは、非晶質が硬く、切断作業が著しく困難であることが考慮されていない。
【0013】
具体的に述べると、非晶質は鉄鋼などの金属結晶にくらべて固い。例えば特許文献2の外形22mm、内径5mm、長さ30mmの円筒を形成する際、この一辺の切断にダイヤカッタを用いた場合、カッタ刃の消耗のため、磁心10個程度で交換が必要になる。また切断時間も1個あたり10分以上を要し、効率的でない。さらに切断に水冷却を使用すると非晶質が錆びる難点もある。
【0014】
特許文献3の場合にも同じ課題を抱えている。先の外形22mm、内径5mm、長さ30mmの円筒を形成するには厚さ25μm、幅30mmの非晶質12メートル分を平均長4cmに分割して300枚巻き込む必要がある。非晶質箔体は、切断は可能であるが、たとえ刃先に超硬材を用いても数百個分の磁心を製造するのみで刃材を交換しなければならない。これが製造価格にふくまれるため、安価な製造は難しい。
【0015】
以上のことから本発明においては、箔体を巻回して成形利用する磁心において、渦電流損失を低減させる簡便な成形法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0016】
以上のことから本発明においては、箔帯をその長手方向に折り返し、折り返し後の一方端から巻き始めて積層することで筒状体を得、該筒状体を前記箔帯の幅方向に励磁して使用される磁心を得る。
【0017】
また箔帯は、非晶質、金属ガラス、電磁鋼板、あるいはパーマロイ等金属磁性箔帯である。
【0018】
また、箔帯をその長手方向に折り返すときの折り返し長さが100(cm)以下である。
【0019】
また、磁心に一次、二次コイルを巻回し、一次コイルに直流を印加したときの保持力に対して、一次コイルに所定周波数の交流を印加したときの保持力の比を損失増加比と定義し、かつ損失増加比が2以下である。
【0020】
以上のことから本発明においては、箔帯をその長手方向に折り返し、折り返し後の一方端を束ねて巻き始め、積層することで筒状体を得る磁心の成形方法とする。
【0021】
また積層後の筒状体を熱処理して固着した。
【0022】
また積層後の筒状体を成形型に圧入し、熱処理して固着し所定の形状とした。
【0023】
また積層後の筒状体を成形型に圧入し、ワニス、接着剤等により固着して所定の形状とした。
【発明の効果】
【0024】
本発明により、インダクタ、高効率モータを安価に実現し、使用資源、エネルギーの低減に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】本発明の折返し巻きの考え方を説明する図。
【図2】筒状磁心の磁気特性測定手法を示す図。
【図3】測定の結果得られた本発明に係る筒状磁心Gの磁気特性を示す図。
【図4】測定の結果得られた従来手法に係る筒状磁心Gの磁気特性を示す図。
【図5】折り曲げ単位長と損失増加比の関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0026】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【実施例1】
【0027】
本発明においては、磁心を形成するときに折返し巻きの手法を採用する。そこで、最初に折返し巻きの考え方について、一般的な従来の巻き方と比較しながら図1を用いて説明する。
【0028】
図1の横欄には左から巻き方、巻き始め位置、巻終り後構造を図示している。また、縦欄には、上から順に一般的な従来の巻き方と本発明の折返し巻きの例(2例)を記載している。いずれの場合にも、ここでは、帯状部材を使用して磁心を形成する。
【0029】
ここで使用する帯状部材は、図1上段左に示すような部材であり、端部Aから端部Bまでの長さLtのものである。一般的な従来の巻き方では、端部Bから巻き始めて順次積層し、最終的に右上欄のような断面が渦巻状の磁心を得る。いわば、ロールペーパのような筒形状の磁心である。
【0030】
これに対し、本発明の折返し巻きでは、長さLtの帯状部材を一回以上折り返して重ね、重ね合わせた帯状部材を巻き上げる。中段の一回折りの例では帯状部材を折り曲げて、端部Aの上に端部Bが重なる位置までもってくる。その上で、折り返し点である新たな端部Cを巻き始め点として順次積層し、最終的に右中段のような、断面が渦巻状の磁心を得る。この場合の形状も、外観的にはいわばロールペーパのような筒形状の磁心であるが、途中で切断されておらず連続している。
【0031】
図1下段の多数回折りの例では、長さLtの帯状部材が端部Aと端部Bの間がN回重ね巻きされている。このため、重ね巻きされた帯状部材の長さはLt/Nであり、新たな端部CとDの帯状部材が得られる。このN回折返し巻きされた新たな端部CとDの帯状部材について、端部Dを巻き始め点として順次積層し、最終的に右下段のような、断面が渦巻状の磁心を得る。この場合の形状も、外観的にはいわばロールペーパのような筒形状の磁心であるが、途中で切断されておらず連続している。
【0032】
本発明の折返し巻き磁心は、以上のようにして形成されるが、以下具体的な帯状部材の素材、形状(長さ、厚さ、幅)、折り返し回数を例示しながら、所望の磁心特性が得られることについて説明する。
【0033】
なお、本発明では帯状部材を折返し巻きした後で、一方端から巻き上げている。このため、帯状部材としては箔のように薄く、かつ帯形状をしている必要がある。この特徴から、帯状部材を箔帯ということがある。
【0034】
また、帯状部材あるいは箔帯を折り返し、さらには巻き上げた後の部材について、箔で形成された部材であることから箔体ということがある。
【0035】
帯状部材あるいは箔帯の素材は、折り曲げに耐える柔らかさと強さ、および磁心としての電磁的性格を併せ持つものである必要があるが、具体的な素材名、性格については以下の事例で説明する。
【実施例2】
【0036】
<厚さ25μm、幅30mm、長さ12mの非晶質箔帯を50cmで折返し巻>
実施例2の帯状部材の素材、形状(長さ、厚さ、幅)、折り返し長さは、上記のとおりである。非晶質(アモルファス)箔帯は非常に薄いので、多数回折返し巻きをしても、その端部から巻き始めることが可能である。
【0037】
具体的には、折り返しのときに、折り返し部(図1下欄のa、b、c、d、e)を適宜つぶし、その後端部Dについて折ピンで挟んで箔体を束ね、端部Dのピンを中心として巻き込んだ。ピン(端部D)と反対側の折り返し部(端部C)はゆるく保持し、巻き込みが進行するに伴い自然に折り曲げ位置を決定して巻き取った。
【0038】
この折返し巻磁心の仕上がりサイズは、外径23mm、内径8mmの中空状磁心とした。巻上げ後の非晶質箔体端部(端部C)は、本体にテープ止めした。
【0039】
なお、ここでは従来の一般的な巻き方との特性の相違を検証する意味もあって、この帯状部材を用いて図1の上段の巻き方による従来磁心も製作した。つまり、厚さ25μm、幅30mm、長さ6mの非晶質箔帯を、片側(端部B)から単純に巻き取り、巻磁心とした。この場合の外径は22mm、内径は3mmの中空状磁心とした。断面積はほぼ同一である。
<磁気特性測定>
上記のようにして作成された巻き磁心は、ロールペーパのような筒形状の磁心である。以後この形状を筒状磁心ということにする。磁気特性測定においては、図2に示すように、筒状磁心Gの周囲にコイルLを巻き、筒状磁心Gの上下端部間にヨークYを形成する。
【0040】
具体的には、筒状磁心Gに絶縁テープを巻き、その上に2次コイル10T、1次コイル30Tを巻きつけた。コイル層間はテープで絶縁した。磁心は長さ30mmと短いため、反磁界補償ヨークYで挟んで磁気特性を測定した。
【0041】
図3は、測定の結果得られた本発明に係る筒状磁心Gの磁気特性を示している。磁気特性は、いわゆるB−H曲線である。ここでは2500A/mで直流のときの曲線BH1(0)と、2500A/mで50Hzの時の曲線BH1(50)を示している。
【0042】
また同様に、図4には、測定の結果得られた従来手法に係る筒状磁心Gの磁気特性を示している。ここでの測定条件は図3と同じである。ここには2500A/mで直流のときの曲線BH2(0)と、2500A/mで50Hzの時の曲線BH2(50)を示している。
【0043】
これらの特性を比較すると、図3の折返し巻磁心では、直流のときの曲線BH1(0)と、50Hzの時の曲線BH1(50)で殆ど差がない。これに対し、図4の巻磁心では直流のときの曲線BH2(0)と、50Hzの時の曲線BH2(50)に、大きな特性上の相違が見られる。具体的には、50Hzの時の曲線BH2(50)では損失増大し、渦電流損失発生を示していることが理解できる。
【0044】
ここでは磁心形状が変わると特性比較がしにくいため、渦電流損失を表すパラメータを定義する。同じ励磁電流で、直流での保磁力に相当する電流値と、50Hzでの保磁力電流値の比を定義する。具体的には、渦電流損失を表す保持力Hcを直流のときの曲線BH(0)と、50Hzの時の曲線BH(50)について求める。そのうえで、直流のときの保持力Hc(0)を分母、50Hzの時の保持力Hc(50)を分子とする比を求め、これを損失増加比とする。なお、厳密には、励磁レベルを一致させる必要があるが、渦電流有無の判定に絞ればこの値のみでよい。
【0045】
図3には、直流のときの保持力Hc1(0)と、50Hzの時の保持力Hc1(50)を図示している。また図4には、直流のときの保持力Hc2(0)と、50Hzの時の保持力Hc2(50)を図示している。
【0046】
実測の結果によれば、損失増加比は、図4の従来手法による巻磁心が5.58、図3の本発明による折返し巻磁心が1.58であった。この値が1に近いほど、渦電流損失発生が少ないといえる。
【0047】
なお、損失増加比の値が1に近いほどよいとはいえ、実際問題としては実用に耐えうる上限を定める必要もある。この観点から本発明では、損失増加比の許容値を50Hzにて渦電流損失とヒステリシス損失が同じ値となる損失増加比2.0以下とした。
【0048】
本発明においては、さらに実施例2の条件(厚さ25μm、幅30mm、長さ12m)の非晶質箔帯(アモルファス)について、折り返し長さを変更したときの損失増加比を求めてみた。
【0049】
表1は、この結果を表している。なお、ここではアモルファス厚さをd(μm)、幅をW(mm)、アモルファス箔長さをLt(m)、使用数量をN個、折返し巻きの単位長さをL(cm)としている。但し、損失増加比の許容値は50Hzにて渦電流損失とヒステリシス損失が同じ値となる損失増加比2.0以下とした。
【0050】
【表1】

【0051】
表1の結果によれば、折返し巻きの単位長さL(cm)が100(cm)以下である上位3ケースで、損失増加比が許容値に定めた2.0以下となっている。
【0052】
図5は、表1の関係をグラフ表示したものであり、横軸に折り曲げ単位(折返し巻きの単位長さL:cm)、縦軸に損失増加比を示している。同一素材であっても、折り曲げ長さを短くするほど損失増加比が低くなる傾向を示すことが明らかになった。また、100(cm)以下とすることが、許容値に定めた2.0以下とする上で、重要であった。
【0053】
以下、帯状部材あるいは箔帯の種類、さらには厚さd(μm)、幅W(mm)、長さLt(m)などの条件を変更して、従来手法と本発明手法による効果の相違を損失増加比の観点から評価してみる。
【実施例3】
【0054】
<厚さ20μm、幅30mm、長さ10mのパーマロイ箔帯を30cmで折返し巻>パーマロイは表面が平滑で密に接触しやすいため、厚さ25μmの絶縁フィルムを挟み巻き込んだ。単純巻は損失増加比6.20、折返し巻は損失増加比1.05であった。
【実施例4】
【0055】
<厚さ200μm、幅5mm、長さ3mの電磁鋼板帯を50cmで折返し巻>
単純巻は損失増加比3.80、折巻は損失増加比1.22であった。
【実施例5】
【0056】
<厚さ20μm、幅30mm、長さ10mのポリイミドテープに金属ガラスを40μm形成した箔帯を30cmで折返し巻>
単純巻は損失増加比5.20、折巻は損失増加比1.55であった。
【実施例6】
【0057】
<厚さ25μm、幅30mm、長さ12mの非晶質箔帯を50cmで折返し巻>
但し、折返し巻磁心を窒素中で380℃、3時間、長さ方向に8000A/mの磁界中で熱処理した。熱処理後は箔体に柔軟性はなくなり、固着した。これにコイルを2次:1次10:30Tで巻いて磁気測定を測定した。
【0058】
熱処理を施さない場合(実施例2)に比較して、損失増加率は1.29とほぼ同一で、保磁力は20%低減した。
【0059】
なお、電磁鋼板材についても800℃、3時間窒素中熱処理、測定することで、保磁力は折巻直後より30%低減することを確認した。
【実施例7】
【0060】
<厚さ20μm、幅30mm、長さ10mのパーマロイ箔帯を厚さ25μmの絶縁フィルムを挟み巻き込んで長さ30cmで折返し巻>
その後ワニスを真空含浸して固定した。これにコイルを2次:1次10:30Tで巻いて磁気測定を測定した。損失増加率は1.15と含浸なしとほぼ同等であった。
【実施例8】
【0061】
<厚さ25μm、幅30mm、長さ12mの非晶質箔帯を長さ30cmで折返し巻>
これを円形に折巻し、そのまま成形後断面三角形となる成形型に挟み込み、径方向に0.02Gpaの圧力で圧縮した。圧縮後型をねじ固定し、これを型のまま窒素中で380℃、3時間熱処理することで型をはずしても断面の三角形を維持することを確認した。この成形折巻磁心にコイルを2次:1次10:30Tで巻いて磁気測定を測定した。損失増加率は1.60と円形磁心より若干低下したが2は超えず、損失低減効果が加工によっても低下しないことを確認した。
<本発明に至る経緯、検討過程の説明>
特許文献2の構造で渦電流損失が低減することから、本発明者らは以下のように推論した。
【0062】
まず、非晶質自体を箔の面内に磁化する場合、厚さが25μmと薄いことから、箔断面内に発生する渦電流は考慮不要である。これは渦電流損失が問題となる電磁鋼板では板厚が0.2〜0.5mmと非晶質より厚いこと、材質比抵抗が電磁鋼板の5倍以上の100μΩ・cmであることから非晶質では表皮効果を生ずるスキンデプスが電磁鋼板の2倍以上大きく、箔体厚より十分大きいとから損失が問題にならないことによる。
【0063】
この箔を図1の従来手法のように置き、端から巻き、その後立てた場合を想定する。図1従来手法の構造に示した矢印の方向に励磁すると、箔に沿って太矢印方向に誘導電流がながれようとする。もし端部AとBが一部でも接触した場合誘導電流が生ずる。測定系は、図2のようにヨークで試料を挟み込み、反磁界を低減して測定している。ヨークは電磁鋼板など金属であるため、ここを通してA、B間短絡するおそれがある。そこでコアとヨーク間上下に絶縁紙を挟み測定したが、渦電流は変わらず生じた。
【0064】
ここで直流励磁の渦電流は、箔間絶縁したばあい電圧がA、B間に発生し、ある程度で電流は止まる。ここで、磁界方向を逆転すると(負方向)、逆の電圧が生じる。連続的に正負方向に励磁した場合を考えると、端部が正負に電圧変動することからこの電圧の変動は励磁磁界に応じた渦電流の発生に見えると考えた。周波数が低く、緩和時間が十分短い場合は電圧発生するのみで損失は生じない。
【0065】
しかし高周波になった場合、渦電流の速度が有限のため電圧変化に追随しなくなって端部間に定在波が生じる。この場合、定電流が発生し、渦電流損失が発生する。あるいは周長が長くなった場合を想定すると。線路が長いため周波数が50Hz程度に低くても定在波が発生し、渦電流損失が生ずる。巻磁心はこの状況にある。
【0066】
磁心の一辺を中心部に向かって切断すれば切断面が端部となり端部間隔は十分小さくなるので、渦電流損失は生じない。
【0067】
ここで、図1の中断のように箔体をいちど折り返し巻き込んだ場合を考える。箔体総量は同じであるが、並行した箔には同電位の変化が生じるので、折り返し部に電圧が発生し端部となり、実効的に短い箔体となる。図1下段のようにさらに折り返し数を増やしていけば、この渦電流定在波区間はそれに応じ短かくなっていく。端部間隔が短くなれば、渦電流損失の生じない磁心が形成できる。この磁心は切断をしていないことから、安価に早く製造が可能できる。この特徴のある磁心を折返し巻磁心と呼ぶ。
【0068】
非晶質材は鉄系であれば箔単体で用いることができる。また、鉄系金属ガラス、コバルト系非晶質材料は、極薄箔とするか、あるいは有機材テープに付着させ、同様に折返し巻磁心として用いることができる。これらの素材の条件としては、薄くできること、並びに軟磁性を備えていることである。このため、これらを総称して軟磁性箔体、あるいは軟磁性箔帯ということとする。
【符号の説明】
【0069】
G;筒状磁心
L:コイル
Y:ヨーク
BH1(0):直流のときのBH曲線(本発明)
BH1(50):50Hzの時のBH曲線(本発明)
BH2(0):直流のときのBH曲線(従来手法)
BH2(50):50Hzの時のBH曲線(従来手法)
Hc1(0):直流のときの保持力(本発明)
Hc1(50):50Hzの時の保持力(本発明)
Hc2(0):直流のときの保持力(従来手法)
Hc2(50):50Hzの時の保持力(従来手法)
d:厚さ(μm)
W:幅(mm)
Lt:長さ(m)
L:折返し巻きの単位長さ(cm)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
箔帯をその長手方向に折り返し、折り返し後の一方端から巻き始めて積層することで筒状体を得、該筒状体を前記箔帯の幅方向に励磁して使用される磁心。
【請求項2】
請求項1記載の磁心において、
前記箔帯は、非晶質、金属ガラス、電磁鋼板、あるいはパーマロイ等金属磁性箔帯であることを特徴とする磁心。
【請求項3】
請求項1または請求項2に記載の磁心において、
箔帯をその長手方向に折り返すときの折り返し長さが100(cm)以下であることを特徴とする磁心。
【請求項4】
請求項1から請求項3のいずれかに記載の磁心において、
当該磁心に一次、二次コイルを巻回し、一次コイルに直流を印加したときの保持力に対して、一次コイルに所定周波数の交流を印加したときの保持力の比を損失増加比と定義し、かつ損失増加比が2以下であることを特徴とする磁心。
【請求項5】
箔帯をその長手方向に折り返し、折り返し後の一方端を束ねて巻き始め、積層することで筒状体を得る磁心の成形方法。
【請求項6】
請求項5記載の磁心の成形方法において、
前記箔帯は、非晶質、金属ガラス、電磁鋼板、あるいはパーマロイ等金属磁性箔帯であることを特徴とする磁心の成形方法。
【請求項7】
請求項5または請求項6記載の磁心の成形方法において、
積層後の筒状体を熱処理して固着したことを特徴とする磁心の成形方法。
【請求項8】
請求項5から請求項7のいずれかに記載の磁心の成形方法において、
積層後の筒状体を成形型に圧入し、熱処理して固着し所定の形状としたことを特徴とする磁心の成形方法。
【請求項9】
請求項5から請求項7のいずれかに記載の磁心の成形方法において、
積層後の筒状体を成形型に圧入し、ワニス、接着剤等により固着して所定の形状としたことを特徴とする磁心の成形方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2013−74087(P2013−74087A)
【公開日】平成25年4月22日(2013.4.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−211834(P2011−211834)
【出願日】平成23年9月28日(2011.9.28)
【出願人】(000005108)株式会社日立製作所 (27,607)
【Fターム(参考)】