CN101202140B - 高电阻压粉磁芯及其制造方法及电动汽车驱动用电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有氟化物被膜的压粉磁芯，可以增加电阻值，同时实现低损耗和高电阻两方面。在铁粉末或以铁为主成分的合金粉末的表面形成了由稀土类金属氟化物或碱土类金属氟化物构成的被膜后，在进行压缩成形之前进行预热处理，其后进行压缩成形和应力消除热处理而制造压粉磁芯。通过加入预热处理工序，可以提高电阻率，同时实现低铁损和高电阻两方面。预热处理温度可以与应力消除热处理温度相同，或在比之低100℃的温度的范围中进行。

Description

高电阻压粉磁芯及其制造方法及电动汽车驱动用电动机
技术领域
本发明涉及一种通过将含有铁元素的磁性粉压缩成形而制造的压粉磁芯，特别涉及适用于旋转电机、电抗器等电机部件中的压粉磁芯及其制造方法。 
背景技术
近年来，从环境问题的观点考虑，电动汽车受到关注。电动汽车作为动力源，具备旋转电机，另外在反演电路输出中具备平滑变压器(电抗器)，要求提高这些部件的效率。这些部件中所用的磁芯当然应当是低铁损并且高磁通密度的，还要求它们的磁特性在从低频到高频的区域中都不会降低。 
在铁损中，有与磁芯的电阻率关系很大的涡电流损耗、受到由铁粉的制造过程及其后的工艺历程产生的铁粉内的变形的影响的磁滞损耗。铁损(W)如下式所示，可以用涡电流损耗(We)与磁滞损耗(Wh)的和来表示。式中的f为频率，Bm为励磁磁通密度，ρ为电阻率，t为材料的厚度，k1与k2为系数。 
W＝We+Wh＝(k1Bm2t2/ρ)f2+k2Bm1.6f 
从上述的式子中可以清楚地看到，由于涡电流损耗(We)与频率f的二次方成比例地变大，因此特别是为了不降低高频下的磁特性，对该涡电流损耗(We)的抑制是不可缺少的。为了抑制压粉磁芯的涡电流的产生，需要将所用的磁粉的尺寸最佳化，并且在一个个磁粉的表面形成绝缘膜，采用使用该磁粉压缩成形的压粉磁芯。 
此种压粉磁芯中，当绝缘不充分时，则电阻率ρ就会降低，涡电流损耗(We)变大。另一方面，当为了提高绝缘性而加厚被膜时，则磁芯中的软磁性粉所占的容积的比例降低，磁通密度降低。当为了提高磁通密度， 在高压下进行软磁性粉的压缩成形而增加软磁性粉的密度时，则无法避免成形时的软磁性粉的变形，磁滞损耗(Wh)变大，其结果是，难以抑制铁损(W)。特别是，由于在低频区域涡电流损耗(We)很小，因此铁损(W)中的磁滞损耗(Wh)的影响变大。 
针对此种问题，提出过将软磁性粉与氧化钛、氧化硅、氧化铝等绝缘性粒子混合而在软磁性粉粒子的表面形成绝缘层的方法(例如参照专利文献1)。另外，提出过在Fe-Si系软磁性粉的表面形成氧化被膜、磷酸盐被膜等绝缘被膜并利用压缩成形来制造压粉磁芯的方法(例如参照专利文献2)。另外，提出过涂布液状的磷酸盐而利用后处理固定以获得高电阻的方法(例如参照专利文献3)。 
但是，上述的方法中，都有由粘合剂造成的铁粉粒子的占有率降低、无法提高磁通密度的难点。另外，压粉磁芯为了除去变形而在成形后以600℃以上的温度进行退火，然而在使用磷或氧形成绝缘被膜的情况下，在退火时被膜形成元素会向铁中扩散或与铁形成化合物，有可能产生绝缘被膜的破坏或磁特性的恶化。 
基于此种情况，提出过在软磁性粉的表面形成氟化物被膜的方法(例如参照专利文献4)。 
专利文献1特开2003-332116号公报(技术方案的范围) 
专利文献2特开2004-288983号公报(技术方案的范围) 
专利文献3专利第3475041号公报(权利要求1) 
专利文献4特开2006-41203号公报(摘要) 
稀土类金属氟化物或碱土类金属氟化物耐热性优良，另外，与铁的反应也很少，作为压粉磁芯的绝缘被膜材料来说极为合适。在软磁性粉的表面形成氟化物被膜的方法还有可以不用粘合剂而获得高电阻的优点。另外，通过在软磁性粉中使用气体雾化粉或不定形粉，可以实现电阻率提高和高磁通密度。 
但是，在将形成了稀土类金属氟化物或碱土类金属氟化物的被膜的压粉磁芯应用于各种电动机扼流圈中的情况下，判明会有无法发挥规定的性能的情况。具体来说，在以高转速动作时或应用于大型的电动机中之时，有产生预想之外的效率降低的情况。 
这是由于，用于使压粉磁芯有效地动作的条件依赖于所使用的旋转机械的形状、转速或所采用的电抗器的动作频率、形状而变化。电阻率ρ(Ω·m)、厚度t(m)、磁性体导磁率μ、频率f(Hz)、集肤效应的到达厚度S(m)有下述的式子所示的关系，如果是超过集肤效应的到达厚度S(m)的厚度，则不会使磁性体动作，而作为损失处理。 
S＝√-(2ρ/2πfμ) 
例如如果旋转机械的动作频率为400Hz，导磁率为500，板厚为5mm，则ρ为2×10-3Ω·m，需要在其以上的电阻。 
利用专利文献4中记载的方法制造的压粉磁芯在电阻率方面，还远远谈不上是充分的。 
发明内容
本发明的目的在于，在具有氟化物被膜的压粉磁芯中，可以增加电阻值，同时实现低损耗和高电阻两方面。 
本发明提供一种高电阻压粉磁芯，在铁粉末或以铁为主成分的合金粉末的表面，形成了氟缺损的晶格的比例在10％以下的稀土类金属氟化物被膜或碱土类金属氟化物被膜。 
本发明还提供一种压粉磁芯的制造方法，包括：在铁粉末或以铁为主成分的合金粉末的表面形成稀土类金属氟化物或碱土类金属氟化物的被膜的氟化物涂覆处理工序、其后的预热处理工序、压缩成形工序及应力消除热处理工序。 
本发明提供一种软磁性芯，将如下的磁性材料作为磁芯，即，在铁粉末或以铁为主成分的合金粉末的表面，具有由氟缺损的晶格的比例在10％以下的稀土类金属氟化物或碱土类金属氟化物构成的被膜。 
本发明提供一种具有软磁性芯的电动汽车驱动用电动机，其特征是，上述软磁性芯作为磁芯具备如下构成的磁性材料，即，在铁粉末或以铁为主成分的合金粉末的表面具有由稀土类金属氟化物或碱土类金属氟化物构成的被膜，上述稀土类金属氟化物或碱土类金属氟化物的氟缺损的晶格的比例在10％以下。 
通过在氟化物涂覆处理工序之后、压缩成形工序之前进行预热处理工 序，就可以提高电阻率。这样，就可以实现高频下的使用或应用于大型的旋转机械中，能够同时实现低损耗和高电阻。 
附图说明
图1是与以往方法对比地显示本发明的压粉磁芯制造工序的工序图。 
图2是表示预热处理温度与电阻率值的关系的特性图。 
图3是表示压缩载荷与电阻率的关系的特性图。 
图4是表示压缩载荷与试样厚度的关系的特性图。 
图5是表示应力消除热处理温度与电阻率值的关系的特性图。 
图6是表示由剖面TEM组织算出粒径的方法的图。 
图7是表示NdF3粒径与电阻率值的关系的特性图。 
图8是具备使用了本发明的压粉磁芯的定子的旋转机械的剖面图。 
其中，101…永久磁铁，102…定子，103…转子轴，104…齿，105…铁芯基板，106…定子铁芯，107…狭缝，108…电枢绕组，109…轴孔，110…转子插入孔。 
具体实施方式
根据本发明，作为一个例子，在使用绝缘被膜的平均厚度为50～200nm，密度为7.5g/cm3的压粉成形体，制造厚40mm的芯时，在预热处理温度为600℃、应力消除热处理温度为600℃的条件下，可以获得磁滞损耗Wh1T/400Hz在15W/kg以下、电阻率在15μΩ·m以上、涡电流损耗We1T/400Hz在15W/kg以下、铁损W1T/400Hz在30W/kg以下的特性。 
本发明的压粉磁芯在铁系粉末的表面具有稀土类金属氟化物或碱土类金属氟化物的被膜。这些氟化物不会容易地向铁、钴等在室温下显示强磁性的材料中扩散。由此，就不会有损失铁、钴等磁性材料本来所具有的高饱和磁通密度的情况。另外，由于这些氟化物是绝缘的，因此通过将其形成于铁系粉末的表面，就可以提高成形体的电阻。高电阻对于减少涡电流损耗是有效的。虽然作为磁性粉可以考虑铁系或钴系，但是在考虑用于磁回路中的软磁性材料时，优选饱和磁通密度高、顽磁力或磁滞小、价格便宜的铁系材料。作为铁合金，例如有铁与钴的合金。另外，在粉末中， 优选使用气体雾化粉或粒状成形的粉末。 
向铁粉末或以铁为主成分的合金粉末表面的氟化物涂覆处理例如可以通过将生成了氟化物的溶液与铁或铁合金粉末混合，在减压下进行加热处理，除去溶剂或水合水来进行。加热温度优选250～350℃。 
下面，对预热处理的效果进行说明。图1是与以往方法对比地显示本发明的制造工序的图。以往方法是专利文献4中记载的方法。本发明在气体雾化粉或粒状成形的铁粉上涂覆氟化物而在200～350℃下进行了加热处理后，进行预热处理，其后，压缩成形而制成成形体，进行除去压缩所致的变形的应力消除热处理，而形成压粉磁性。 
图2表示将氟化物涂覆时的加热温度设为350℃，将压缩成形时的压缩压力设为15t/cm2，将应力消除热处理温度设为600℃时的预热处理温度与电阻率的关系。为了形成高密度的成形体，压缩压力设为接近制作条件的上限的15t/cm2。在氟化物中使用了NdF3。未进行预热处理的材料电阻率为8μΩ·m，而在500℃及600℃进行了预热处理的材料电阻率达到30μΩ·m及20μΩ·m，与没有预热处理的情况相比电阻率增加。另一方面，在700℃进行了预热处理的材料与350℃相比电阻率降低。由此可知，在高于应力消除热处理温度的温度下的预热处理没有电阻率的增加效果。另外，根据图2可知，预热处理最好在从与应力消除热处理温度相同的温度到比其低100℃的温度的范围中进行。预热处理既可以在氟化物涂覆处理后，暂时将试样冷却，从炉中取出后，再次进行加热，也可以不进行冷却、取出地连续地进行。在不进行冷却、取出地进行预热处理的情况下，有可以在短时间内完成预热处理的优点。 
图3中，对于在气体雾化粉上涂覆了NdF3并在350℃加热处理后，在600℃的温度下进行预热处理，压缩成形后，在600℃的温度下进行应力消除处理而制造的压粉磁芯，给出了压缩压力与电阻率的关系。在未进行预热处理的情况下，压缩压力不依赖于电阻率，然而在进行了预热处理的情况下，在压缩压力为12t/cm2以下，电阻率达到200μΩ·m以上，可以看到大幅度的电阻值上升。在压缩率降低时变为高电阻的情况下，磁芯的压缩不充分，有可能变为低密度。所以，下面比较成形压力和磁芯试样形状。 
图4是将使用10mm见方的压缩型试样，将1.5g的原料磁粉压缩时所 得的方柱试样的厚度与压缩压力一起表示的图。达到被看作压粉磁芯的一般的密度目标的7.5g/cm2以上的是试样厚度在2mm以下的。满足该条件的是9t/cm2以上的压缩压力。根据图3和图4的结果可知，最佳的压缩压力为9t/cm2到12t/cm2。 
图5中，表示在气体雾化粉上涂布NdF3，在600℃下进行预热处理，压缩成形后，在600到800℃的温度下进行了应力消除热处理的磁芯的电阻率。应力消除热处理温度优选600到700℃，当超过700℃时，则电阻率降低会变得急剧。由此可知，应力消除热处理温度最好在从与预热处理温度相同的温度到高100℃的温度的范围中进行。 
为了查清在进行了预热处理时电阻增加的机理，进行了剖面TEM观察。此外，确认在氟化物的粒径方面看到了变化。图6对粒径的计算方法进行了表示。如图6所示，在剖面TEM像中以均等宽度拉线，标记线与晶界交叉的部分。例如线段AB在线内有4个交点。根据比例尺算出线段的长度为173nm，用交点的个数3除，平均粒径为58nm。对视野内的10条线段重复进行该操作并平均。 
图7是对于将在气体雾化粉上涂覆NdF3并在350℃下热处理了的铁粉以15t压缩成形制作的、未进行预热处理和应力消除热处理的试样A；虽然未进行预热处理但是在压缩成形后实施了应力消除热处理的试样B、C、D及；将预热处理和应力消除热处理都在600℃下进行的试样E，表示了电阻率与进行TEM观察而用图6的方法得到的NdF3粒径的关系的图。对于应力消除热处理温度，B为350℃，C为600℃，D为800℃。可知对于未进行预热处理的试样，从A到D都是当NdF3粒径增大时，成形体电阻值降低。在600℃下进行了预热处理的试样E(粒径68nm)与相同的600℃的应力消除热处理试样C(粒径84nm)相比，得到NdF3粒径变小、电阻值大的结果。由此可知，预热处理将NdF3粒径微细化，其结果是，具有增大电阻值的效果。而且，为了确保作为旋转机械特别有效的电阻率1×101μΩ·m，最好将NdF3平均粒径设为80nm以下。 
对于进行了预热处理的试样、未进行预热处理的试样，研究了氟化物的晶体构造。其结果是，在未进行预热处理的情况下，在氟化物的晶体构造中可以看到NdF2和NdF3，发现大约以50比50的比例混合存在。与之 不同，在进行了预热处理的试样中，未看到NdF2，发现氟化物的全部或者大致全部都变为NdF3。也就是说，可知进行了预热处理的试样没有氟缺损的晶格，或者其比例极少，其结果是，电阻值增大。而且可以认为，如果氟缺损的晶格的比例在10％以下，则可以发挥电阻率增大的效果。 
下面，对将本发明的压粉磁芯用于定子的磁芯中的旋转机械进行说明。而且，试样是经过下面所示的氟化物处理液制作工序、试样制作工序而制造的。 
[氟化物涂覆处理液的制作工序]     
(1)将在水中溶解度高的盐、醋酸钕4g导入100mL的水中，使用振荡器或超声波搅拌器完全溶解。 
(2)以生成NdF3的化学反应的当量慢慢地添加稀释为10％的氢氟酸。 
(3)对生成了溶胶状的NdF3的溶液使用超声波搅拌器搅拌1小时以上。 
(4)以4000～6000rpm的转速离心分离后，抛弃上清液，添加了大致相同量的甲醇。 
(5)在搅拌含有溶胶状的NdF3的甲醇溶液而完全地变为悬浊液后，使用超声波搅拌器搅拌1小时以上。 
(6)将上述(4)和(5)的操作重复进行3～10次，直至无法检测出醋酸离子或硝酸离子等阴离子。 
(7)最终变为溶胶状的NdF3。作为处理液使用了NdF3为1g/4mL的甲醇系溶液。 
[试样制作工序] 
(1)向粒径100μm的气体雾化铁粉40g中添加8mL的NdF3处理液，混合至可以确认铁粉整体都润湿。 
(2)对上述(1)的NdF3处理铁粉在2～5torr的减压下进行了溶剂的甲醇除去。 
(3)将进行了上述(2)的溶剂的去除的铁粉转移到石英制舟皿中，在5×10-5torr的减压下进行200℃、30分钟和350℃、30分钟的热处理而制作了原料铁粉。 
(4)对上述(3)中得到的铁粉在600℃下进行了预热处理。 
(5)对上述(4)中进行了热处理的铁粉使用超硬模具，利用压缩制成外径18mm、内径10mm的环状试样。压缩压力设为10t/cm2。本试样用于对磁通密度和顽磁力的磁性测定。 
(6)对上述(4)中制成的铁粉使用10×10mm的模具，利用压缩制成长方体试样。压缩压力设为10t/cm2。本试样用于电阻值测定。 
(7)将上述(4)中得到的铁粉加入定子制作用压缩模具，以10t/cm2 的成形压力压缩。与上述(5)(6)中得到的试样一起在600℃下热处理，释放了应变。 
(8)对上述(7)中得到的定子实施绕线，制作了旋转机械。 
[实施例1] 
图8表示具备使用本发明的形成了NdF3层的铁粉的定子的旋转机械的径向剖面形状。旋转机械的定子102由：由齿104和铁芯基板(core back)105构成的定子铁芯106、将齿104包围地卷装在齿104间的狭缝107内的集中卷绕的电枢绕组(由U相绕组108a、V相绕组108b、W相绕组108c三相绕组组成)构成。由于图8的旋转机械为四极6狭缝，因此狭缝间距以电角计为120度。转子插入轴孔109或转子插入孔110，在转子轴103的外周表面配置有永久磁铁101。在定子102中，使用了将以50nm膜厚形成了NdF3被膜的Fe粉在600℃下预热处理后以10t/cm压缩成形，继而在600℃进行了应力消除热处理的材料。在填充率为90％时，压粉磁芯的饱和磁通密度为1.95T。 
在为了获得高转矩而将芯厚度设为20mm的情况下，如果没有预热处理，则由于磁芯发热所致的线圈温度上升，驱动电流就会不足，与之不同，如果有预热处理，则发热降低30℃，其结果是，转矩增加30％。 
[实施例2] 
以10mm厚度制作了与图8相同剖面的定子。该情况下，有预热处理和没有的情况下，温度上升差为10℃左右，转矩差在5％以下。 
这里，由于进行了NdF3涂覆处理的铁粉成形体的饱和磁通密度与硅钢板的值同等，因此磁饱和不会成为问题。 
作为在该定子中使用压粉磁芯的理由，是因为该电动机为多极，为了 减小因旋转磁场而产生的涡电流而必须如此。转子侧是将粉末材料成形而构成，该成形体具有以结合剂及磁铁粉末为主的粘结磁铁部、以结合剂及软磁性粉末为主的软磁性部，是使用压缩成形机构形成的永久磁铁型的转子，上述粘结磁铁部将磁极的至少一面与软磁性部机械地结合。另外，粘结磁铁是利用临时成形制作每个段，在临时成形时赋予各向异性，将该被赋予了各向异性的临时成形体作为具有多个极的转子利用正式成形来成形而得到了转子。其后，形成由磁化磁场磁化的构造的电动机用转子。 
本发明可以作为磁滞损耗或涡电流损耗小的芯部件以及需要高磁通密度的电动机用铁芯、装入柴油发动机及汽油发动机的电子控制式燃料喷射装置的电磁阀用的螺线管芯(固定铁芯)及柱塞、其他的各种促动器用的芯部件使用。另外，还可以应用于各种电抗器用芯中。 

Claims (9)

1.一种高电阻压粉磁芯，在铁粉末或以铁为主成分的合金粉末的表面具有由稀土类金属氟化物或碱土类金属氟化物构成的被膜，其特征是，上述稀土类金属氟化物或上述碱土类金属氟化物的氟缺损的晶格的比例在10％以下，在氟化物涂覆处理工序之后、压缩成形工序之前，包括预热处理工序，
经过在铁粉末或以铁为主成分的合金粉末的表面形成稀土类金属氟化物或碱土类金属氟化物的被膜的涂覆处理、其后的预热处理、压缩成形处理及应力消除热处理而制造，
在与上述应力消除热处理工序的温度相同或比其低100℃的温度的范围中进行上述预热处理工序，在600℃～700℃的温度范围中进行上述应力消除热处理工序。
2.根据权利要求1所述的高电阻压粉磁芯，其特征是，上述稀土类金属氟化物或上述碱土类金属氟化物由不缺损氟的晶格构成。
3.一种压粉磁芯的制造方法，包括：在铁粉末或以铁为主成分的合金粉末的表面形成由稀土类金属氟化物或碱土类金属氟化物构成的被膜的氟化物涂覆处理工序、和其后的压缩成形工序及应力消除热处理工序，其特征是，在上述氟化物涂覆处理工序之后、上述压缩成形工序之前，包括预热处理工序，在与上述应力消除热处理工序的温度相同或比其低100℃的温度的范围中进行上述预热处理工序，在600℃～700℃的温度范围中进行上述应力消除热处理工序。
4.根据权利要求3所述的压粉磁芯的制造方法，其特征是，在上述氟化物涂覆处理工序之后，不进行冷却而进行上述预热处理工序。
5.根据权利要求3所述的压粉磁芯的制造方法，其特征是，以9～12t/cm2的成形压力进行上述压缩成形工序。
6.根据权利要求3所述的压粉磁芯的制造方法，其中，上述稀土类金属氟化物或上述碱土类金属氟化物的氟缺损的晶格的比例在10％以下。
7.一种软磁性芯，将在铁粉末或以铁为主成分的合金粉末的表面具有由稀土类金属氟化物或碱土类金属氟化物构成的被膜的磁性材料作为磁芯，其特征是，上述稀土类金属氟化物或碱土类金属氟化物的氟缺损的晶格的比例在10％以下，在氟化物涂覆处理工序之后、压缩成形工序之前，包括预热处理工序，
经过在铁粉末或以铁为主成分的合金粉末的表面形成稀土类金属氟化物或碱土类金属氟化物的被膜的涂覆处理、其后的预热处理、压缩成形处理及应力消除热处理而制造，
在与上述应力消除热处理工序的温度相同或比其低100℃的温度的范围中进行上述预热处理工序，在600℃～700℃的温度范围中进行上述应力消除热处理工序。
8.一种电动汽车驱动用电动机，具有软磁性芯，其特征是，上述软磁性芯将如下构成的磁性材料作为磁芯，即，上述磁性材料在铁粉末或以铁为主成分的合金粉末的表面具有由稀土类金属氟化物或碱土类金属氟化物构成的被膜，上述稀土类金属氟化物或碱土类金属氟化物的氟缺损的晶格的比例在10％以下，在氟化物涂覆处理工序之后、压缩成形工序之前，包括预热处理工序，
经过在铁粉末或以铁为主成分的合金粉末的表面形成稀土类金属氟化物或碱土类金属氟化物的被膜的涂覆处理、其后的预热处理、压缩成形处理及应力消除热处理而制造，
在与上述应力消除热处理工序的温度相同或比其低100℃的温度的范围中进行上述预热处理工序，在600℃～700℃的温度范围中进行上述应力消除热处理工序。
9.根据权利要求8所述的电动汽车驱动用电动机，其特征是，上述磁芯的由上述稀土类金属氟化物或碱土类金属氟化物构成的被膜中氟化物的晶粒的平均粒径在80nm以下。
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