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技術 誘導素子とその製造方法

出願人 バクームシュメルツェゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツングウントコンパニーカーゲー
発明者 ブルンナー、マルクス
出願日 2002年4月26日 (18年8ヶ月経過) 出願番号 2003-504422
公開日 2004年9月24日 (16年3ヶ月経過) 公開番号 2004-529508
状態 拒絶査定
技術分野 一般用変成器の鉄心 コア、コイル、磁石の製造
主要キーワード 渦電流回路 デュロプラスチック 射出パラメータ 粉末複合材料 巻線ワイヤ 充てん密度 ナノ結晶体 磁場線
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図面 (1)

課題・解決手段

軟磁性鉄心(11)が粉末複合材料から成る誘導素子に関する。前記粉末複合材料は、強磁性の非晶質又はナノ結晶体合金粉末を強磁性の絶縁性粉末並びに熱可塑性又はデュロプラスチックポリマと混合することによりを製造される。絶縁性強磁性粉末を使用することにより、従来の射出成形又は鋳造による軟磁性鉄心に比べて基本的に高い、55容量%以上の充てん密度を達成できる。

概要

背景

概要

軟磁性鉄心(11)が粉末複合材料から成る誘導素子に関する。前記粉末複合材料は、強磁性の非晶質又はナノ結晶体合金粉末を強磁性の絶縁性粉末並びに熱可塑性又はデュロプラスチックポリマと混合することによりを製造される。絶縁性強磁性粉末を使用することにより、従来の射出成形又は鋳造による軟磁性鉄心に比べて基本的に高い、55容量%以上の充てん密度を達成できる。

目的

効果

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請求項1

少なくとも1つの巻線強磁性粉末複合材料から成る1つの軟磁性鉄心を有する誘導素子において、前記強磁性粉末複合材料が、非晶質又はナノ結晶体合金からなる強磁性合金粉末と、強磁性絶縁性粉末と、熱可塑性又はデュロプラスチックポリマとから成ることを特徴とする誘導素子。

請求項2

強磁性の絶縁性粉末として、強磁性の無機粉末を備えることを特徴とする請求項1記載の素子

請求項3

無機粉末としてフェライト粉末を備えることを特徴とする請求項2記載の素子。

請求項4

強磁性の絶縁性粉末として表面を絶縁した金属粉末を備えることを特徴とする請求項1記載の素子。

請求項5

表面を絶縁した金属粉末として強磁性の金属カルボニル粉末又は種々の強磁性の金属カルボニル粉末の混合物を備えることを特徴とする請求項4記載の素子。

請求項6

強磁性金属カルボニル粉末として鉄カルボニル粉末、ニッケルカルボニル粉末又はコバルトカルボニル粉末を備えることを特徴とする請求項5記載の素子。

請求項7

前記絶縁性の強磁性粉末が、平均粒径10μm以下の粉末粒から成ることを特徴とする請求項1乃至6の1つに記載の素子。

請求項8

前記絶縁性強磁性粉末が、平均粒径5μm以下の粉末粒から成ることを特徴とする請求項7記載の素子。

請求項9

非晶質又はナノ結晶体の合金粉末が、平均粒径2μm以下の合金粒から成ることを特徴とする請求項1乃至8の1つに記載の素子。

請求項10

合金粉末の平均厚さが0.04〜0.5mmであることを特徴とする請求項9記載の素子。

請求項11

合金粒が表面を酸化されたことを特徴とする請求項1乃至10の1つに記載の素子。

請求項12

合金粒が合成物質被覆されたことを特徴とする請求項1乃至11の1つに記載の素子。

請求項13

合成物質としてシランを備えることを特徴とする請求項12記載の素子。

請求項14

粉末複合材料がBs≧0.5テスラ飽和磁束密度と、10≦μ≦200の透磁率を有することを特徴とする請求項1乃至13の1つに記載の素子。

請求項15

粉末複合材料を鋳型に流し、かつポリマとして注型用樹脂を備えることを特徴とする請求項1乃至14の1つに記載の素子。

請求項16

注型樹脂としてモノマ又はオリゴマ樹脂を用意し、これからポリアミドポリアクリレート又はポリブチレンテレフタレートを合成することを特徴とする請求項15記載の素子。

請求項17

粉末複合材料を射出成形で製造し、ポリマとして射出成形ポリマを用意することを特徴とする請求項1乃至14の1つに記載の素子。

請求項18

射出成形ポリマとしてポリアミドを備えることを特徴とする請求項17記載の素子。

請求項19

誘導素子が容器を有することを特徴とする請求項1乃至18の1つに記載の素子。

請求項20

以下の工程を含むことを特徴とする請求項15又は16記載の誘導素子の製造方法。a)鋳型、合金粉末、絶縁性粉末及び注型樹脂配合物を準備し、b)上記鋳型に合金粉末及び絶縁性粉末を満たし、c)上記注型樹脂配合物をこの鋳型に注ぎ込み、そしてd)上記注型樹脂配合物を硬化させる。

請求項20

以下の工程を含むことを特徴とする請求項14又は15記載の誘導素子の製造方法。a)鋳型、合金粉末、絶縁性粉末及び鋳型用樹脂配合物を準備し、b)上記合金粉末、絶縁性粉末並びに注型樹脂配合物を注型樹脂粉末配合物を製造するため混合し、c)鋳型に注型樹脂粉末配合物を注ぎ込み、そしてd)上記注型樹脂粉末配合物を硬化させる。

請求項21

誘導素子の軟磁性鉄心を製造するための強磁性金属カルボニル粉末の使用方法

--

0001

本発明は、少なくとも1つの巻線軟磁性鉄心を有する強磁性材料から成る誘導素子に関する。特に本発明は、粉末複合材料から成る軟磁性鉄心を有する誘導素子に関する。

0002

軟磁性粉末複合材料は、圧縮磁心として以前から公知である。

0003

1つには、鉄粉末から成る圧縮粉末複合材料は公知である。これら磁心を用い、約10〜300の透磁率を良好にカバーできる。これらの磁心で凡そ1.6テスラ程の飽和磁束密度を達成できる。その適用周波数は比較的低い固有抵抗鉄粒子の寸法故に、50kHz以下を特徴とする。

0004

更にその他には、軟磁性結晶の鉄−アルミニウムケイ素合金から成る鋳造粉末複合材料が公知である。これらの材料を用いると、その比較的高い抵抗率の故に100kHz以上の適用周波数を達成できる。

0005

特に良好な飽和磁束密度及び透磁率は、結晶体ニッケル鉄合金素材とする粉末複合材料の使用により達成可能である。ニッケル含有量の厳密な調整により凡そ500迄の透磁率を達成できる。これらの材料を使用すると、同様にその比較的僅かな反転磁化損により、100kHz以上の適用周波数が可能となる。

0006

しかしこれらの3つの公知の粉末複合材料では、その使用できる鋳造技術が極めて限られた許容範囲しか与えないため、形状的に極めて単純な形に加工できるに過ぎない。特にリング形磁心及び/又はシェル形磁心を製造できるに過ぎない。

0007

これらの欠点を回避するため、例えば独国特許出願公開第19846781号明細書から、射出成形法を用いて軟磁性合金粉末強磁性粉末複合材料に加工することが公知である。その際特にナノ結晶体合金射出成形可能なプラスチック、特にポリアミド埋封し、その後軟磁性鉄心として出成形する。

0008

更に本出願人は、ナノ結晶体の合金を注型樹脂と共に強磁性粉末複合材料に鋳造することを既に知っている。

0009

射出成形法でも、また注型樹脂を使用する注型法でも、処理される合金粉末に関して粉末複合材料中に最大で約55容量%の充てん密度を達成できるに過ぎないことは欠点である。こうして誘導素子の達成可能な総透磁率は制限される。更にこの粉末複合材料に達成される飽和磁束密度は制限される。総透磁率及び飽和磁束密度のこの制限により、更にそれらの誘導素子の特性は、特にメモリコイルの場合制限される。更にこれらの粉末複合材料の大きな内部のシェールングの結果、反転磁化損の付加的上昇が漂遊磁界損により生じ、これは同様に欠点である。

0010

従って本発明の課題は、粉末複合材料中の充てん密度を増すことにある。これに関連する更なる課題は、結果として形成される誘導素子に反転磁化損の削減と同様、効果的な透磁率及び獲得できる飽和磁束密度を増すことにある。

0011

本発明はこの課題を、少なくとも1つの巻線と強磁性粉末複合材料から成る軟磁性鉄心とを備え、該磁心が非晶質又はナノ結晶体の合金からなる合金粉末と、強磁性絶縁性粉末と、熱可塑性又はデュロプラスチックポリマとからなる誘導素子により解決する。

0012

強磁性絶縁性粉末の添加で、強磁性合金粉末の著しく高い充てん密度を達成できる。これは、非晶質又はナノ結晶体の合金から成る強磁性合金粉末を用いた際に、合金粒粉末粒子の大きさが制限されることから生じる。軟磁性の非晶質及びナノ結晶材料中で組織が変化を生じ、そのため保磁力が劇的に上昇するため、これら合金粉末は通常0.04mm以下の大きさの粒子微細化することはない。その際起る強磁性合金粉末中の保磁力の急激な上昇により、そのダイナミック磁化の際に鉄の損失が著しく上昇することになる。

0013

絶縁性の強磁性粉末を混合物として使用することにより、このような粉末が主として比較的微細な粒状物を製造できるので、個々の合金粒間に残留する空隙を充てんできる。

0014

一実施形態では、強磁性の絶縁性粉末として無機の粉末、例えばフェライト粉末が使用される。その際このフェライト粉末は概して燒結したフェライト部品を適切なミル内で製粉することにより製造される。特にMn−Znフェライト(例えばフェライトN27)はそれらの高い飽和磁束密度により特に好適であることが判明している。

0015

もう1つの実施形態では、表面を絶縁した金属粉末を用いる。特に強磁性の金属カルボニル粉末が極めて好適であることが解った。従って鉄カルボニル粉末、ニッケルカルボニル粉末又はコバルトカルボニル粉末並びにこれら粉末の混合物の使用が考えられる。

0016

鉄カルボニル粉末の場合、「カルボニルプロセス」により製造される高純度の鉄粉末が対象となる。その際鉄粉末と一酸化炭素から高温高圧下で鉄ペンタカルボニルが製造される。こうして製造された鉄カルボニルはその後真空蒸留により不純物を分離され、次いでその出発物質の一酸化炭素と鉄に分解される。

0017

こうして粒径0.5〜10μmの鉄粉末が生じる。熱力学的分解パラメータ目標通りに調整することで、その粒子の大きさを一定限度内に調整できる。

0018

こうして得られた高純度の微粒子の鉄粉末はもちろん金属に一般的であるように電気抵抗が極めて低く、これを本発明で使用することは好ましくない。従ってこの粉末を引続き例えば表面の燐酸塩処理によりその表面を絶縁する。

0019

上述のニッケルカルボニルとコバルトカルボニル粉末で、その処理法は類似している。

0020

フェライト粉末も表面を絶縁した金属粉末も、その共通点は、10μm以下の粉末粒径に問題なく製造できる点にある。粉末粒が5μm以下の絶縁性強磁性粉末を用い、特に良好な結果が得られる。

0021

それ故本発明で用いる粉末は絶縁性であり、それら粉末は体積的又は表面的に顕著な導電性を示さない。こうして付加的な渦電流回路の発生を最初から回避する。

0022

使用するこれら粉末は、主として使用される非晶質又はナノ結晶体の合金の密度にほぼ相当する密度を有する。従ってこの粉末を合金粉末と混合する際の分離作用の発生は回避される。とは言え使用する合金粉末と著しく異なる密度を有する粉末も使用できる。但しその場合、この混合物を圧縮する際に特に慎重に行わねばならない。

0023

この合金粉末には、例えば欧州特許出願公開第0271657号又は同第0455113号明細書に詳述されているように、ナノ結晶体の合金を使用すると有利である。このような合金は、そこに記載されている溶融紡糸技術により概して薄い合金リボンの形に形成され、それらは初め非晶質であるが、次いでナノ結晶性組織を形成すべく熱処理される。但し非晶質のコバルトベース合金も使用できる。

0024

それら合金は、平均2mm以下の粒径の合金粉末に製粉される。厚さが0.01〜0.04mm、他の2つの寸法(幅と長さ)が0.04〜1.0mmであると最適である。

0025

合金粒を互いに電気的に絶縁するため、それらの合金粒の表面を酸化する。これは1つには製粉した合金粒を酸素含有雰囲気中で酸化することにより行われる。但しこの表面の酸化は合金リボンを合金粉末に製粉する前に酸化することによっても実行できる。

0026

合金粒を互いに絶縁する更なる改善には、それらを例えばシラン又は金属アルキル化合物のような合成物質被覆してもよく、その場合被覆は80〜200℃の温度で、0.1〜3時間行われる。この処理法により被覆は合金粒に「焼き付けられる」。

0027

かく準備された合金粉末は、本発明の第1の実施形態では絶縁性の強磁性粉末と所望の割合で混合され、引続き加熱可能なシャベルミキサ内接合剤としての射出成形ポリマと混合される。射出成形ポリマとして、特にポリアミド11(例えばRilsan)が考えられる。必要なら組成比を、例えば流動改善剤抗酸化剤等の他の付加物により各生産品製造者により推奨される範囲内で変更してもよい。この材料を溶融し、均質化し、引続き冷却して粒状化する。このように準備したコンパウンドは、更に金属粒子でぎっしり満たされたコンパウンドを加工すべく考案された通常の射出成形機内で加工できる。射出パラメータの調整は、実際に使用した機械の型及び製造すべき成形品に応じて行える。

0028

もう1つの別の特に好適な実施形態では、合金粉末と絶縁性の強磁性粉末から成る混合物を注型樹脂と共に注型する。その際注型樹脂として特にポリアミドやポリアクリレートが考慮の対象となる。

0029

その際第1の方法では、以下の各工程により誘導素子を製造する。
a)鋳型、合金粉末、絶縁性粉末及び注型樹脂配合物を準備し、
b)上記鋳型に合金粉末及び絶縁性粉末を満たし、
c)上記注型樹脂配合物をこの鋳型に注ぎ込み、そして
d)上記注型樹脂配合物を硬化させる。

0030

また第2の方法では、以下の各工程により誘導素子を製造する。
a)鋳型、合金粉末、絶縁性粉末及び注型樹脂配合物を準備し、
b)上記合金粉末、絶縁性粉末及び注型樹脂配合物を注型樹脂配合物に混合し、
c)鋳型に上記注型樹脂粉末配合物を注ぎ込み、そして
d)この注型樹脂粉末配合物を硬化させる。

0031

従って上記以前に記載した射出成形法と対照的に、製造時に合金粒を機械的応力に曝さい。更にその他に特に巻線を取付けた、予め仕上げてある鋳型を使用する場合も、巻線ワイヤ上に施す絶縁層を、できるだけ低粘度の注型樹脂配合物又は注型樹脂粉末配合物を鋳型に満たすことで、それらの配合物の滑らかな導入の故に、それらに施された絶縁層が損傷されない。特に数ミリパスカル秒の粘度を有する注型樹脂配合物は有利である。

0032

本発明の特に有利なもう1つの実施形態では、鋳型内に大きな充填高さを達成すべく、この絶縁性粉末と混合した合金粉末を鋳型に満たす前に、注型樹脂配合物と混合する。本発明のこの実施形態では、製造した注型樹脂配合物の流動性助成するため、若干過剰の注型樹脂配合物を用いてもよい。鋳型に満たす際に鋳型を適切な装置、例えば圧搾空気バイブレータにより振動させ、こうして注型樹脂配合物をよく攪拌し、「流動性を与える」ことができる。同時にこの注型樹脂配合物を脱ガスできる。

0033

絶縁性粉末と合金粉末との混合物が注型樹脂に比べ極めて高い密度を示す故、合金粉末は鋳型内で問題なく沈殿し、従って用いた注型樹脂の過剰分を例えばゲート内に集め、粉末複合材料の硬化後に除去できる。製作済みの巻線を既に取付けてある鋳型の使用で、誘導素子を作業工程中に、後から極めて作業に出費を要する「取り付け」又は製作済みの巻線を部分的に磁心に施し、引続き部分的磁心を完成磁心に纏める必要なく製造できる。

0034

本発明の有利な実施形態では、合金粉末と注型樹脂配合物で満たされ、又は予め仕上げた注型樹脂粉末配合物で既に満たされた鋳型は、誘導素子のケースとして更に用いる。即ち本発明のこの実施形態では、鋳型は「消耗ケース」として働く。この処理法により、特に効果的で、価格的に有利な方法が提供され、これは特にまた冒頭に記載した射出成形法と対照的に、著しい単純化をもたらす。冒頭に説明した射出成形法では、常に極めて出費を要し、高価格で製造され、決して「消耗ケース」として使えない鋳型が必要となる。

0035

注型樹脂配合物として、特に重合開始剤スタータ)と混合したポリマ構成単位を用いる。ポリマ構成単位として、メタクリル酸メチルエステルが対象となる。しかし例えばラクタム等の他のポリマ構成単位も考慮される。上記メタクリル酸メチルエステルは硬化時にポリアクリルに、そしてラクタムは重付加反応によりポリアミドに重合される。

0036

重合開始剤としては過酸化ジベンゾイル又は例えば2,2´アゾ−イソ酪酸ジニトリルも考慮の対象となる。

0037

しかしまた、例えば光又はUV線により開始される、つまり重合開始剤なしで全面的に済ますことができる他の公知の注型用樹脂重合プロセスも考えられる。

0038

特に好ましい実施形態では、強磁性合金粉末と絶縁性粉末から成る混合物を鋳型に満たしている間及び満たした後に、この混合物を磁界印加により整列させる。これは特に、既に巻線を取付けてある鋳型を使用した場合、巻線を電流が通り、それと並行して同時に磁界が形成されることにより行われる。好ましくは10A/cm以上の磁界の印加により強磁性の合金粒も、強磁性の絶縁性粉末粒も整列する。

0039

形状異方性のこの強磁性粒子が、誘導素子の後の作動時に生ずる磁場線に沿って整列すると特に有利である。特にこの合金粒の「長手」軸を磁場線と平行に整列させると、損失の大幅な低下と、軟磁性鉄心の透磁率並びに誘導素子の誘導率の上昇を達成できる。

0040

注型樹脂粉末配合物を使用する場合、その軟磁性鉄心に一層高い透磁率を達成すべく、既に注型樹脂粉末配合物を満たす際に、鋳型内にあるコイルにより合金粒と絶縁性粉末粒を磁束の方向に整列させる磁界を形成すると有利である。

0041

鋳型が完全に満たされた後、鋳型をまず振動(これは、同様に例えば上述した圧搾空気バイブレータによって行うことができる)させ、引続き磁化電流遮断する。この注型樹脂配合物の最終硬化後に結果として形成された誘導素子を離型する。

0042

本発明を実施例並びに添付図面に基づき以下に詳述する。

0043

図面は誘導素子10を示す。誘導素子10は軟磁性鉄心11及び巻回数の少ない比較的太い銅線の巻線12から成る。図面は製造中の誘導素子を示す。誘導素子10は、この場合アルミニウム製の鋳型に入れられている。

0044

巻線12は多層巻コイルであり、その巻端ピン13に取付けられている。ピン13は軟磁性鉄心11から突出しており、例えば印刷回路板のような基板に接続するために使用される。図示した鋳型1は同時に誘導素子のケーシング14として用いられる。

0045

粉末複合材料の出発材料は、最初Fe73.5Cu1Nb3Si15.5B7の組成を持つ非晶質合金であり、迅速固化技術で薄い金属リボンとした。明確化のため再度説明すれば、その製造方法は、例えば欧州特許出願公開第0241657号明細書に詳述されている。

0046

これら合金リボンを、ナノ結晶性組織を形成すべく水素雰囲気下又は真空中で約560℃の温度で熱処理した。この結晶化処理に続き、この合金リボンをミル内で所望の最終微細度粉砕した。この処理で生じる典型的な合金粒の寸法は、厚さが0.01〜0.04mm程、また他の2つの寸法(幅、長さ)は0.04〜1.0mm程であった。

0047

こうして製造したフレークとも呼べる合金粒の動的磁気特性を改善するため、その表面を被覆した。そのためまず合金粒の適切な表面酸化を、400〜540℃の温度範囲で0.1〜5時間の熱処理で行った。この処理に引続いて、合金粒の表面を約150〜400nmの特有層厚で鉄と酸化ケイ素から成る耐摩耗性の層で覆覆した。

0048

この表面酸化に引続いて、合金粒を流動床被覆機内でシランにより被覆した。その後この層を80〜200℃の温度で0.1〜3時間焼き付けた。

0049

次いでBASF社の等級HQiの鉄カルボニル粉末を準備した。その際この粉末は5μm以下の粒度を示した。表面を酸化したこの合金粉末と鉄カルボニル粉末を引続き凡そ7:3の重量比で、即ち約7kgの合金粉末を約3kgの鉄カルボニル粉末と混合した。

0050

その際両粉末を適切なミキサ内で均当に分散させ、次いで所望の鋳型に満たした。

0051

このように準備した粉末混合物を、次いで鋳型1に満たした。その際アルミニウム製の鋳型1はその内壁に適切な分離被覆を備え、そのため誘導素子10の離型が困難になることはなかった。その後巻線12を経て電流を流し、強磁性の合金粒と強磁性の絶縁性粉末粒とを、それらの縦軸が約12A/cmの磁界と平行になるよう整列させた。

0052

その後、充填鋳型内に注型樹脂配合物を注ぎ込んだ。

0053

使用したこの注型樹脂配合物はシラン接着剤を含む熱可塑性メタクリレート配合物からなり、以下に記載の組成を示した。

技術分野

0054

その際この化学成分は相次いでメタクリルエステルに溶解した。完成混合物は無色透明であり、これを鋳型1内に注ぎ込んだ。この注型樹脂配合物は室温でほぼ60分以内に硬化した。引続きこの配合物を約150℃の温度で更に1時間、後硬化させた。

0055

強磁性材料の充てん密度が約65容量%の範囲内の磁心を得ることができた。

0056

図1
本発明による誘導素子の断面図。
【符号の説明】

図面の簡単な説明

0057

10誘導素子、11軟磁性磁心、13ピン、14 ケーシング

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