CN101802938B - 用于电抗器的铁心及其制造方法以及电抗器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于电抗器的铁心及其制造方法以及电抗器，该用于电抗器的铁心能够实现涡流损耗的减小以及直流叠加特性的改善。通过对每个都涂敷绝缘涂膜的金属磁粒进行加压成形而得到电抗器铁心(M)，且金属磁粒具有以下组成：(1)平均颗粒大小从1μm到70μm；(2)作为颗粒大小的标准方差(σ)与平均颗粒大小(μ)的比值(σ/μ)的变化系数Cv小于或等于0.4；(3)圆度从0.8到1.0。在每个金属磁粒的绝缘涂膜外还覆盖有给予耐热性的保护膜和柔性的保护膜中至少之一作为外涂膜。

Description

用于电抗器的铁心及其制造方法以及电抗器
技术领域
本发明涉及一种用于电抗器的铁心及其制造方法以及一种电抗器。特别地，本发明涉及一种有效减小涡流损耗的电抗器。
背景技术
近些年，从全球环境保护的观点来看，混合电动车辆或电动车辆已投入实际应用。混合电动车辆是指提供有引擎和电动机作为驱动源并且使用它们中之一或两者来运行的车辆。在用于电动机的电力分配系统中，为这种混合电动车辆等提供了升压电路。利用了能够把电能存储成磁能的电抗器作为升压电路的元件之一。
电抗器具有线圈和铁心，其中通过线圈的激励在铁心中形成了闭合磁路。对于铁心来说，提到了由粉末成形制品构成的铁心。通过对多元复合磁粒进行加压成形构成粉末成形制品，其中金属磁粒涂敷有绝缘涂膜。当这种铁心用于交流(AC)磁场时，由于铁损耗引起的能量损耗增加。铁损耗一般是由磁滞损耗和涡流损耗之和表示。作为减小上述当中涡流损耗的技术，提到了专利文献1中描述的技术。专利文献1公开了规定多元复合磁粒的大直径与Heywood直径的比率。
相反，施加到线圈的电流波形是这样一种波形，其中交流成分被添加到直流成分。当上述的直流成分增加时，线圈的电感降低。结果，阻抗降低，引起输出降低或者功率转换效率降低的问题。因此，在电抗器中，需要电感随着直流成分的增加而减小的程度降低，即，直流叠加特性是有利的。作为改善直流叠加特性的技术，已知专利文献2中描述的技术。专利文献2公开了使用颗粒大小为5到70μm的不规则形状的低硬度磁粉。
在其制造过程中对粉末成形制品进行加压成形。然而，在加压成形期间多元复合磁粒的变形导致了缺陷，诸如应变或错位。因此，粉末成形制品的磁矫顽力增大，引起磁滞损耗增大的问题。因此，作为解决方法，有效的是，通过对粉末成形制品进行热处理去除加压成形过程中引入多元复合磁粒中的扭曲或错位，从而有助于磁畴壁的移动并且减小磁心的磁矫顽力。当热处理温度较高时，可以充分地去除缺陷。然而，当把温度调节到过高温度时，绝缘涂膜分解或变坏，这增大了涡流损耗。作为在加压成形期间减小对绝缘涂膜的损坏同时抑制绝缘涂膜的恶化的技术，提到了专利文献3中描述的技术。专利文献3公开了为多元复合磁粒提供给予耐热性的保护膜和柔性的保护膜。
专利文献1：日本未审查专利申请公开No.2007-129045
专利文献2：日本未审查专利申请公开No.2004-319652
专利文献3：日本未审查专利申请公开No.2006-202956
发明内容
然而，需要前面的用于电抗器的铁心减小铁损耗并且进一步改善直流叠加特性。
通常，在几百MPa的气压下对粉末成形制品进行模压。因此，在有些情况下，多元复合磁粒彼此相对挤压，从而损坏绝缘涂膜。当绝缘涂膜被损坏时，金属磁粒的电气接合引起了成形制品的涡流损耗增大。根据专利文献1的技术，通过规定低硬度磁粉的大直径与Heywood直径的比率，抑制了对绝缘涂膜的损坏。然而，不能表示仅仅规定该比率就能充分地抑制损坏。
然而，根据专利文献2中所述的技术，仅限定了低硬度磁粉的颗粒大小，并且由此粉末的颗粒大小在有限范围内变化。因此，当模压这种粉末时，成形制品内的均匀度降低。因此，在直流叠加特性方面还有改进余地。
而且，根据专利文献3中所述的技术，可以抑制由于粉末成形制品的热处理对绝缘涂膜的破坏或者与加压成形有关的对绝缘涂膜的损坏。然而，从对涡流损耗抑制的观点来看，在除了绝缘涂膜的材料之外的其他成分的进一步改进方面还有余地。
本发明是针对上述情况作出的。本发明的目的在于提供一种用于电抗器的铁心及其制造方法以及一种电抗器，该铁心能够减小涡流损耗并且改善直流叠加特性并且进一步抑制对绝缘涂膜的损坏。
本发明的用于电抗器的铁心是通过对涂敷有绝缘涂膜的金属磁粒进行加压成形而得到的一种用于电抗器的铁心，所述金属磁粒具有以下描述成分并且还具有围绕绝缘涂膜外侧的外涂膜，并且该外涂膜具有给予耐热性的保护膜和柔性的保护膜中的至少之一：
(1)平均颗粒大小大于或等于1μm并且小于或等于70μm；
(2)小于或等于0.4的变化系数Cv，该变化系数Cv是颗粒大小的标准方差(σ)与平均颗粒大小(μ)的比值(σ/μ)；以及
(3)圆度大于或等于0.8并且小于或等于1.0。
本发明的用于电抗器的铁心的制造方法具有以下工艺：
(1)用于制备多元复合磁粒的工艺，在该多元复合磁粒中绝缘涂膜和外涂膜形成在金属磁粒上，所述金属磁粒满足以下要求(A)到(C)并且所述外涂膜包含给予耐热性的保护膜和柔性的保护膜二者至少之一：
(A)平均颗粒大小大于或等于1μm并且小于或等于70μm；
(B)小于或等于0.4的变化系数Cv，该变化系数Cv是颗粒大小的标准方差(σ)与平均颗粒大小(μ)的比值(σ/μ)；以及
(C)圆度大于或等于0.8并且小于或等于1.0；
(2)用于对多元复合磁粒进行加压成形以形成用于电抗器的铁心的特定形状的工艺，以及
(3)用于通过对得到的成形制品进行热处理来减小在加压成形期间导致的多元复合磁粒中的缺陷的工艺。
在本发明的用于电抗器的铁心及其制造方法中，所述圆度是通过在显微镜下观测随机选择的1000个或更多个金属磁粒的截面并且计算每个金属磁粒的面积和外周长来根据下式确定的多个值的平均值：
圆度＝4π×金属磁粒的面积/(金属磁粒的外周长)2
根据这些成分，使用具有精细平均颗粒大小的金属颗粒作为构成粉末成形制品的多元复合磁粒，对绝缘涂膜所绝缘开的金属磁粒的厚度进行细分，从而减小涡流损耗。而且，通过限定上述的变化系数，可以使得金属磁粒的颗粒大小的分布均匀。因此，可以提高通过对多元复合磁粒进行加压成形得到的成形制品内的均匀性，并且在磁化过程中可以有助于磁畴壁的移动。结果，可以改善直流叠加特性。而且，通过把金属磁粒的圆度调节成大于或等于0.8，可以减小在对多元复合磁粒进行加压成形时在金属磁粒表面上产生的扭曲。这样，可以改善直流叠加特性。随后，当把圆度调节成大于或等于0.8时，由具有接近圆形形状的金属磁粒组成成形制品。因此，当对多元复合磁粒进行加压成形时，可以抑制颗粒彼此相对挤压所引起的对绝缘涂膜的损坏。结果，可以减小涡流损耗。1.0的圆度表示颗粒为圆形。
相反，当外涂膜具有给定弯曲特性的柔性的保护膜时，成形性变得有利。由于柔性的保护膜发生弯曲，所以即使向薄膜施加压力时也很难使制品产生裂痕。因此，柔性的保护膜可以防止绝缘涂膜(当提供了给予耐热性的保护膜时，提到了其保护膜)在加压成形期间由于压力而受到损坏。据此，可以有利地对绝缘涂膜进行操作从而减小涡流损耗。当外涂膜具有给予耐热性的保护膜时，绝缘涂膜受到给予耐热性的保护膜的保护。这样，改善了绝缘涂膜的耐热性，并且即使在高温进行热处理时，绝缘涂膜也很难损坏。结果，在高温下进行热处理可以减小磁滞损耗。当然，在提供了柔性的保护膜和给予耐热性的保护膜两者时，可以获得这两者的效果。
在本发明的用于电抗器的铁心中，优选地是，外涂膜具有混合成分部分，在该混合成分部分中混合了给予耐热性的保护膜的成分和柔性的保护膜的成分，柔性的保护膜的组份以比给予耐热性的保护膜的组份高的比例包含在外涂膜的表面侧中，并且给予耐热性的保护膜的组份以比柔性的保护膜的组份高的比例包含在该外涂膜与绝缘涂膜的边界中。
根据该成分，在多元复合磁粒的表面侧上以高比例呈现具有给定弯曲特性的柔性的保护膜的组份，由此成形性变得有利。而且，由于在多元复合磁粒的表面侧上以高比例呈现柔性的保护膜的组份，所以柔性的保护膜可以防止给予耐热性的保护膜和绝缘涂膜受到由于加压成形的压力所引起的损坏。因此，可以有利地对绝缘涂膜进行操作从而充分抑制金属磁粒之间流动的涡流。
而且，由于在具有绝缘涂膜的表面侧上以高比例呈现给予耐热性的保护膜的组份，所以给予耐热性的保护膜保护了绝缘涂膜。这样，改善了绝缘涂膜的耐热性，并且即使在高温下对成形制品进行热处理时，绝缘涂膜也很难损坏。因此，高温下的热处理可以减小磁滞损耗。
在本发明的用于电抗器的铁心中，金属磁粒的平均颗粒大小优选地为大于或等于50μm并且小于或等于70μm。
当金属磁粒具有这样的平均颗粒大小时，获得了减小涡流损耗的效果，同时多元复合磁粒的处理变得容易并且可以获得具有较高密度的成形制品。
在本发明的用于电抗器的铁心，优选地是，金属磁粒主要含铁。
在导磁率和磁通密度方面，铁是优选的材料，并且与铁合金相比，没那么昂贵，并且具有良好的经济效率。含有大于或等于99％质量百分比的Fe的纯铁是尤其优选的。
在本发明的用于电抗器的铁心中提到，绝缘涂膜含有从以下多个成分所组成的组中选出的至少一个成分，所述多个成分包括：磷化合物、硅化合物、锌化合物以及铝化合物。
这些物质具有良好的绝缘特性，并且可以更有效地抑制铁心中产生的涡流。
在本发明的用于电抗器的铁心中提到，绝缘涂膜的平均厚度被调整为大于或等于10nm并且小于或等于1μm。
通过如上限制绝缘涂膜的薄膜厚度，防止了在加压成形期间绝缘涂膜的剪切断裂，并且可以有效地抑制涡流损耗。
在本发明的用于电抗器的铁心中提到，给予耐热性的保护膜含有有机硅化合物并且有机硅化合物的硅氧烷的交联密度大于0并且小于或等于1.5。
硅氧烷的交联密度大于0并且小于或等于1.5的有机硅化合物适合作为给予耐热性的保护膜，这是因为化合物本身具有良好的耐热性并且即使在热分解之后Si含量依然很高，并且在变成Si-O化合物时，收缩量较低并且电阻没有急剧减小。更优选的硅氧烷的交联密度(R/Si)为小于或等于1.3。
在本发明的用于电抗器的铁心中提到，柔性保护膜含有硅树脂并且在外涂膜中在外涂膜与绝缘涂膜的边界处的Si含量大于外涂膜的表面侧中的Si含量。
根据该成分，在外涂膜的表面上不均匀地呈现了柔性的保护膜。因而，柔性的保护膜可以防止由于加压成形的压力所引起给予耐热性的保护膜和绝缘涂膜的损坏。因此，有利地对绝缘涂膜进行操作从而有效地抑制在金属磁粒之间流动的涡流。
在本发明的用于电抗器的铁心中提到，其中柔性的保护膜含有从以下多个成分所组成的组中选出的至少一个成分，所述多个成分包括：硅树脂、环氧树脂、酚树脂和酰胺树脂。
由于良好的柔性，这些材料适用于柔性的保护层，并且可以有效地抑制绝缘涂膜的损坏。
在本发明的用于电抗器的铁心中提到，其中外涂膜的平均厚度为大于或等于10nm并且小于或等于1μm。
当外涂膜的平均厚度大于或等于10nm时，可以有效地抑制绝缘涂膜的损坏。而且，在外涂膜的平均厚度小于或等于1μm时，可以防止由于金属磁粒之间的距离变得过大所引起的反磁场的产生(由于金属磁粒中磁极的产生引起能耗的产生)。这样，可以抑制由于反磁场的产生所引起的磁滞损耗的增加。而且，可以防止由于多元复合磁粒中外涂膜的体积比变得过低而引起多元复合磁粒的成形制品的饱和磁通密度的减小。
相反，本发明的电抗器具有上述的用于电抗器的铁心以及通过围绕铁心来缠绕绕组线而形成的线圈。
利用具有该组成的电抗器，类似于上述用于电抗器的铁心，可以实现涡流损耗的减小以及直流叠加特性的改善。
根据本发明的用于电抗器的铁心及其制造方法，可以减小涡流损耗并且可以改善直流叠加特性。特别地，通过提供柔性的保护膜，防止绝缘涂膜在多元复合磁粒的加压成形期间受到压力的破坏，并且可以减小涡流损耗。而且，通过提供给予耐热性的保护膜，即使在成形制品的热处理温度增高时，也可以抑制绝缘涂膜的分解等。因此，可以有效地去除在对多元复合磁粒进行加压成形时引起的缺陷并且可以减小磁滞损耗。
附图说明
图1是示出了本发明的电抗器示例的布局分割透视图。
图2是直流叠加特性的测试方法的说明性示图。
参考数字：R表示电抗器、M表示铁心、C表示线圈、mu表示U形铁心块、mi表示I形铁心块、s表示间隔物
具体实施方式
下文将描述本发明的实施例。
<电抗器>
混合电动车辆等的升压电路中使用的典型电抗器R的铁心是如图1所示的环形铁心M。通过将下面多个铁心块组合起来构成了铁心M。铁心M由一对具有矩形形状的U形铁心块mu和四个I形铁心块mi组成，其中各个U形铁心块mu被布置成使得每个U形铁心块mu的端面彼此相对并且两个I形铁心块mi被布置在每个U形铁心块mu的端面之间，并且那些铁心块彼此连接。通过对具有绝缘涂膜的金属磁粒(即，多元复合磁粒)进行加压成形可以得到铁心M。
在闭合磁路中通常通过对铁心块的每个连接部分设置间隔物s来为铁心M提供间隙，从而避免磁饱和。电抗器的电感主要由闭合磁路中形成的间隙的总长度(这里是间隔物s的总厚度)指定。对于每个间隔物s来说，以高精度处理并利用非磁性材料的板材，诸如铝。
通过围绕铁心M局部缠绕绕组线形成线圈C。通过线圈C来传递电流，在铁心M中形成闭合磁路。对于绕组线来说，可以利用涂敷瓷釉等的绝缘涂膜的铜线。提到了圆形或多边形作为绕组线的截面形状。
尽管未示出，但是铁心也可以是所谓的壶形铁心。壶形铁心例如具有设置在线圈内的柱状内铁心、设置在线圈外的圆筒形外铁心以及设置在线圈两端中每一端上的盘式端铁心。当组成壶形铁心时，得到了在铁心中贮备线圈的电抗器。因此，可以有效地抑制由于与线圈激励有关的振荡引起的噪声或者从机械角度保护了线圈。而且，还可以有效地执行线圈的热消散。
[铁心]
构成上述铁心的多元复合磁粒是指这样的粉末，其中在金属磁粒的表面上形成绝缘涂膜和外涂膜。
(金属磁粒)
金属磁粒优选地含有50％或更多的质量百分比的铁，例如，描述了纯铁(Fe)。另外，可以使用例如含铁合金的金属磁粒，诸如从铁(Fe)-硅(Si)合金、铁(Fe)-铝(Al)合金、铁(Fe)-氮(N)合金、铁(Fe)-镍(Ni)合金、铁(Fe)-碳(C)合金、铁(Fe)-硼(B)合金、铁(Fe)-钴(Co)合金、铁(Fe)-磷(P)合金、铁(Fe)-镍(Ni)-钴(Co)合金以及铁(Fe)-铝(Al)-硅(Si)中选择的一个成分。特别地，在导磁率和磁通密度方面，含有大于或等于99％质量百分比的Fe的纯铁是尤其优选的。与铁合金相比，纯铁没那么昂贵并且同时具有良好的经济效率。
金属磁粒的平均颗粒大小大于或等于1μm并且小于或等于70μm。通过把金属磁粒的平均颗粒大小调节成大于或等于1μm，可以在不减小多元复合磁粒的流度的情况下，对使用多元复合磁粒所产生的粉末磁心的磁矫顽力和磁滞损耗的增加进行抑制。相反，通过把金属磁粒的平均颗粒大小调节成小于或等于70μm，可以有效地减小1kHz或更高的高频区域中产生的涡流损耗。金属磁粒的平均颗粒大小更优选地是大于或等于50μm并且小于或等于70μm。当平均颗粒大小的下限为大于或等于50μm时，获得了减小涡流损耗的效果并且同时有助于对多元复合磁粒的处理并且可以得到具有较高密度的成形制品。平均颗粒大小是指这些颗粒的颗粒大小，其中在这些颗粒中来自具有较小颗粒大小的颗粒的质量之和在颗粒大小的直方图中达到总质量的50％，即，50％的颗粒直径。
在金属磁粒中，变化系数Cv(σ/μ)被调整为小于或等于0.4，该变化系数Cv是颗粒大小的标准方差(σ)与平均颗粒大小(μ)的比值。通过把变化系数Cv调节成小于或等于0.4，可以使得金属磁粒的颗粒大小的分布均匀。因此，可以改善使用多元复合磁粒所产生的成形制品中的均匀性。结果，由于在铁心的磁化过程中可以有助于磁畴壁的移动，所以可以改善直流叠加特性。变化系数Cv更优选的是小于或等于0.38，最优选的是小于或等于0.36。变化系数Cv优选地较小，但是从易于制造的观点来看，下限为大于或等于0.001。
金属颗粒形成圆度为大于或等于0.8并且小于或等于1的形状。通过把圆度调节成大于或等于0.8，可以减小在多元复合磁粒的加压成形期间在金属磁粒表面上产生的扭曲。这样，可以改善直流叠加特性。当圆度大于或等于0.80时，得到了具有很小的锐角投影并且接近球形的形状。这样，抑制了在多元复合磁粒的加压成形期间各个颗粒彼此相对挤压时对绝缘涂膜的破坏。结果，可以更安全地维持金属颗粒之间的绝缘，由此减小了涡流损耗。特别地，圆度优选地是大于或等于0.91。当金属磁粒的外形为球形时，金属磁粒的圆度为1.0。
(绝缘涂膜)
绝缘涂膜起到金属磁粒之间的绝缘层的作用。通过用绝缘涂膜涂敷金属磁粒，可以抑制金属磁粒之间的接触从而抑制成形制品的相对导磁性。由于绝缘涂膜的存在，抑制了金属磁粒之间涡流的流动从而减小了成形制品的涡流损耗。对于绝缘涂膜来说，优选地可以使用含有从以下多个成分所组成的组中选出的至少一个成分的材料，所述多个成分包括：磷化合物、硅化合物、锌化合物以及铝化合物。由于这些物质具有良好的绝缘性，可以有效地抑制金属磁粒之间的涡流的流动。特定示例包括磷酸铁、磷酸锰、磷酸锌、磷酸钙、氧化硅和氧化锌。对于绝缘涂膜来说，可以使用诸如金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物、金属磷化合物、金属硼酸盐化合物或金属硅酸盐化合物之类的绝缘材料。对于这里的金属来说，可以使用从Fe、Al、Ca、Mn、Zn、Mg、V、Cr、Y、Ba、Sr、稀土元素等中选择的至少一个成分。包含这种材料的绝缘涂膜可以是单层或多层膜。
绝缘涂膜的厚度优选地是大于或等于10nm并且小于或等于1μm。通过把绝缘涂膜的厚度调节成大于或等于10nm，可以抑制金属磁粒之间的接触或者可以有效地抑制由于涡流所引起的能耗。通过把绝缘涂膜的厚度调节成小于或等于1μm，绝缘涂膜在多元复合磁粒中的比例不会变得过高。因此，可以防止多元复合磁粒的磁通密度急剧下降。当多元复合磁粒的颗粒大小较小时，绝缘涂膜的厚度趋于较薄。
绝缘涂膜的厚度是通过以下步骤确定的平均厚度：根据通过成分分析(TEM-EDX：透射式电子显微镜能量分散X射线光谱学)得到的薄膜成分以及通过电感耦合等离子体光谱测定法(ICP-MS：电感耦合等离子体光谱测定法)得到的元素数量推导出合适的厚度，并且通过使用TEM照相直接观测涂膜确认所推导出的合适的厚度是正确的值。
(外涂膜)
对于外涂膜的特定成分或薄膜形成方法来说，可以使用在日本未审查专利申请公开No.2006-202956中所述的成分或方法。
<给予耐热性的保护膜>
给予耐热性的保护膜用来防止底部绝缘涂膜在成形制品的热处理期间受热时发生热分解。因此，给予耐热性的保护膜优选地刚好形成在绝缘涂膜上。作为给予耐热性的保护膜的材料，提到了包含有机硅化合物并且硅氧烷的交联密度(R/Si)大于或等于0并且小于或等于1.5的材料。这里，硅氧烷的交联密度(R/Si)是表示与一个Si原子接合的有机基团的平均数量的数值。当该值较小时，交联程度变高并且Si元素含量变高。
<柔性的保护膜>
柔性的保护膜用来防止底层给予耐热性的保护膜或绝缘涂膜在多元复合磁粒的加压成形期间发生损坏。因此，柔性的保护膜优选地刚好形成在给予耐热性的保护膜或绝缘涂膜上。柔性的保护膜和给予耐热性的保护膜当然可以相继形成在绝缘涂膜上。柔性的保护膜包含例如硅氧烷的交联密度(R/Si)大于1.5的硅树脂。另外，柔性的保护膜还可以包含环氧树脂、酚树脂和酰胺树脂。
这样的柔性的保护膜包含具有给定弯曲特性的材料。具体地说，柔性的保护膜包含保护涂膜免受损坏的材料并且该材料在使用直径为6mm的圆条在室温下执行JIS中规定的弯曲测试时不会与金属板分开。通过下面的方法执行弯曲测试。在自干清漆的情况下测试块被置于室内24小时，并且在热干清漆的情况下将测试块以特定温度被额外加热特定时段。其后，允许将测试块在室温下冷却。随后，金属板测试块被保留在25±5℃的水中大约2分钟，并且沿具有给定直径的圆条弯曲成180°大约3秒钟而使外部的涂膜保持该状态。随后，直观检查测试块是否在涂膜上形成裂痕或者涂膜是否与金属板分开。
<混合成分部分>
给予耐热性的保护膜和柔性的保护膜优选地包含混合成分部分，其中成分在厚度方向上相继变化。作为在绝缘涂膜的表面上形成具有混合成分部分的外涂膜的方法，例如，提到了一种方法，包括在溶解了给予耐热性的保护膜的成分的有机溶剂中沉浸其上已形成了绝缘涂膜的金属磁粒，搅动该生成物，并且在将柔性的保护膜的成分逐渐溶解在有机溶剂中的同时使得有机溶剂蒸发。根据该方法，给予耐热性的保护膜的成分首先涂敷在绝缘涂膜的表面，并且有机溶剂中给予耐热性的保护膜的成分的比例降低。相反，有机溶剂中柔性的保护膜的成分增加，并且得到了其中柔性的保护膜的成分逐渐增加的外涂膜。
[铁心的制造方法]
(初步处理)
首先，在初步处理中，制备了具有上述平均颗粒大小、变化系数和圆度的金属磁粒。为了改变金属磁粒的变化系数，通过使用滤网对金属磁粒进行划分减小了颗粒大小的变化。为了获得具有圆度大于或等于0.8的金属磁粒，在通过原子化处理生成金属磁粒的情况下，例如，降低了金属喷涂凝固时的冷却率。作为通过原子化处理产生的粉末，提到了气体原子化处理所产生的粉末以及通过水原子化处理所产生的粉末。在上述情况中，前者几乎指的是球形颗粒，而后者指的是在表面上的具有不规则形状的非球形颗粒。然而，即使在通过水原子化处理所产生的金属磁粒的情况下，使用用来形成球形的球磨机等挤压这些颗粒可以得到大于或等于0.8的圆度。
在绝缘涂膜形成之前，上述给定的金属磁粒优选地经过温度在大于或等于700℃并且小于或等于1400℃的初步热处理。金属磁粒具有大量缺陷，诸如在原子化处理等期间由于热压引起的扭曲或晶粒界面。因此，通过执行上述初步热处理可以减少这些缺陷。初步热处理也可以被省略。
绝缘涂膜形成在得到的金属磁粒上。作为形成绝缘涂膜的方法的典型示例，提到了磷酸盐化学转换处理。另外，还可以使用利用溶剂喷涂的原生质处理或前体。利用使用有机溶剂的湿法涂敷处理、通过混合器的直接涂敷处理等，可以形成硅有机化合物的绝缘涂膜。此外，可以使用热塑树脂、非热塑树脂、较高脂肪酸式盐等作为绝缘涂膜。
当市售的多元复合磁粒的金属磁粒满足上述平均颗粒大小、变化系数以及圆度时，当然可以使用市售的产品。
随后，在绝缘涂膜的表面上形成外涂膜。当外涂膜是给予耐热性的保护膜时，作为用于在绝缘涂膜的表面上形成给予耐热性的保护膜的方法，例如提到了一种方法，包括在溶解了给予耐热性的保护膜的成分的有机溶剂中沉浸其上已形成了绝缘涂膜的金属磁粒上，搅动该生成物，并且使得有机溶剂蒸发，并且随后固化给予耐热性的保护膜(湿法涂敷处理)。
上述湿法涂敷处理还可以类似地用作在给予耐热性的保护膜的表面上形成柔性的保护膜的方法。
(形成处理)
为了制造铁心，把多元复合磁粒模压成期望的形状。通过把多元复合磁粒装入期望的金属模具中并且使用冲压机来压制多元复合磁粒来执行成形。压制期间的压力优选为大于或等于390MPa并且小于或等于1500MPa。当压力小于390MPa时，压缩度变低，并且由此铁心密度可能会降低。当压力超过1500MPa时，绝缘涂膜可能由于粉末的接触造成损坏。压制期间的压力更优选地是大于或等于700MPa并且小于或等于1300MPa。成形期间的气氛优选为诸如氩的惰性气氛，或者减压气氛，从而防止由于空气中的氧气引起多元复合磁粒的氧化。
最好在成形期间适当使用的润滑剂。润滑剂用来改善多元复合磁粒的流度从而获得高密度成形制品或者防止多元复合磁粒的强烈摩擦从而抑制对绝缘涂膜的损坏并且还抑制涡流损耗。润滑剂的特定示例包括具有六角形晶体结构的金属皂和无机润滑剂中的至少一种。
润滑剂的添加量相对于多元复合磁粒优选为大于或等于0.001质量％并且小于或等于0.2质量％。当添加量调整到大于或等于0.001质量％时，由于具有六角形晶体结构的金属皂和无机润滑剂的高润滑特性，可以提高多元复合磁粒的流度。因此，可以改善多元复合磁粒在被装入金属模具时的装入特性。结果，可以提高将要得到的成形制品的密度，并且因此可以改善直流叠加特性。通过把添加量调整到小于或等于0.2质量％，可以抑制成形制品密度的降低，并且因此可以防止直流叠加特性的恶化。
润滑剂的平均颗粒大小优选为小于或等于2.0μm。通过把润滑剂的平均颗粒大小调整成小于或等于2.0μm，可以进一步减小对多元复合磁粒进行加压成形时对绝缘涂膜的损坏，并且由此可以进一步减小铁损。平均颗粒大小指的是具有较小颗粒大小的颗粒中的颗粒质量之和达到颗粒大小的柱状图中总质量的50％，即50％颗粒直径的那些颗粒的颗粒大小。
随后，将多元复合磁粒与润滑剂混合用作混合材料。混合方法没有特别限制，优选地可以使用振动球磨机、行星式球磨机等。当然也可以根据需要混合树脂或其他添加剂。
(热处理过程)
对得到的成形制品进行热处理以去除诸如通过成形导致的多元复合磁粒的扭曲之类的缺陷，从而改善磁滞损耗。优选地，因为可以减小磁滞损耗，所以热处理的温度较高。然而，根据用于绝缘涂膜的材料的热分解温度，选择低于热分解温度的温度。通常，当绝缘涂膜为非晶磷酸盐涂层时，诸如磷酸铁或磷酸锌，热处理温度最高为500℃。相反，当绝缘涂膜为包含金属氧化物等并且具有高热阻的绝缘涂膜时，热处理温度优选为大于或等于550℃，特别优选为大于或等于600℃，最优选为大于或等于650℃。保持时间例如为大于或等于30分钟并且小于或等于60分钟。加热温度或保持时间可以根据绝缘涂膜的类型而变化。
[绝缘体]
另外，绝缘体可以置于用于本发明的电抗器的铁心与线圈之间。通过使用绝缘体，即使在形成线圈的绕组线的绝缘涂膜损坏时，也可以确保线圈和铁心之间的绝缘。绝缘体可以通过事先注入成形树脂来构成。
示例1
(铁心的制造)
通过以下处理来制造用于电抗器样品的铁心，包括：金属磁粒的制备→绝缘涂膜和外涂膜的形成→多元复合磁粒和添加剂的混合→混合材料的成形→成形制品的热处理。
<样品1>
首先，通过将铁粉进行水原子化处理，制备包含大于或等于99.8质量％的铁和其余为小于或等于0.2质量％的氧以及小于或等于0.1质量％的不可避免的杂质(诸如C、N、P或Mn)的金属磁粒来作为金属磁粒。通过使用滤网划分来调整金属磁粒的颗粒大小的变化。得到的金属磁粒的平均颗粒大小为65μm，其变化系数Cv为0.36，而其圆度Sf为0.92。
通过使用激光衍射/散射颗粒大小分布测量方法测量目标粉末的颗粒大小分布来计算金属磁粒的平均颗粒大小和变化系数Cv。圆度Sf确定如下。首先，通过树脂来加固大量金属磁粒，对其加固后的制品进行抛光以形成横截面。接下来，用于光学显微镜来观测横截面，获得包含大于或等于1000个随机提取的金属磁粒的观测图像。随后，对观测图像进行图像处理来指定金属磁粒的横截面形状，计算每个金属磁粒的面积和外周长，使用通过以下方程确定的值的平均值。
圆度＝4π×金属磁粒的面积/(金属磁粒的外周长)2。
接下来，对金属磁粒进行磷酸盐化学转换处理来形成包含磷酸铁的绝缘涂膜，从而获得多元复合磁粒。绝缘涂膜的平均厚度为50nm。
接下来，形成薄膜厚度为50nm的具有硅氧烷的交联密度(R/Si)为小于或等于1.3的低分子硅树脂(Ge Toshiba Silicones Co.，Ltd.制造的XC96-B0446)的涂膜作为绝缘涂膜上的给予耐热性的保护膜。而且，在给予耐热性的保护膜上形成薄膜厚度为50nm的具有硅氧烷的交联密度(R/Si)为大于或等于1.5的高分子硅树脂(Ge ToshibaSilicones Co.，Ltd.制造的TSR116)的涂膜作为柔性的保护膜。其后，所得到合成物以150℃的温度被保持在空气中加热一小时来固化给予耐热性的保护膜和柔性的保护膜，从而获得多元复合磁粒。
随后，将平均颗粒大小为1μm的0.005质量％的硬脂酸锌作为金属皂添加到复合金属颗粒中并且进行混合。随后，混合后的材料被装入金属模具中，对其施加1000MPa的压力，从而产生成形制品。随后，将获得的成形制品放入含氮环境中，以500℃加热一小时，从而制成作为发明物1的用于电抗器的铁心。对于发明物1来说，通过使用光学显微镜观测成形制品的横截面还分析成形之后的金属磁粒的圆度，其圆度为0.85。
<样品2>
除了外涂膜仅仅是给予耐热性的保护膜之外，制造具有与发明物1相同成分的发明物2。给予耐热性的保护膜的薄膜厚度为100nm。
<样品3>
除了外涂膜仅仅是柔性的保护膜之外，制造具有与发明物1相同成分的发明物3。柔性的保护膜的薄膜厚度为100nm。
<样品4>
除了没有使用润滑剂(金属皂)之外，制造具有与发明物1相同成分的发明物4。
<样品5-7>
除了金属磁粒的平均颗粒大小、变化系数Cv、圆度Sf中至少一个不同之外，制造具有与发明物1相同成分的发明物5-7。
<样品11>
除了没有提供外涂膜之外，制造具有与发明物1相同成分的对比项1。
<样品12-15>
除了金属磁粒的平均颗粒大小、变化系数Cv、圆度Sf中至少一个不同之外，制造具有与发明物1相同成分的对比项12-15。
(评估方法)
测量每个所获样品的铁心的直流叠加特性、铁损、磁滞损耗和涡流损耗。
具体地说，通过如图2所示将包含每个样品的铁心M和间隔物s进行组合并且形成围绕铁心M的线圈C来使用直流叠加测试机测量直流叠加特性。这里，根据施加电流为20A时的电感L20A与施加电流为0A时的电感L0A的比值(L20A/L0A)(单位：无量纲)来评估直流叠加特性。当该比值较大时，电感减小量较低，直流叠加特性良好。
绕组线被缠绕在外径为34mm、内径为20mm、厚度为5mm的每个环形样品(经过热处理)周围(300匝初级绕组和20匝次级绕组)，所得物被用作测量磁特性的样品。使用激励磁通密度为1kG(＝0.1T(特斯拉))同时在50Hz到10000Hz的范围内改变频率的AC-BH曲线描绘器来测量这些样品的铁损。随后，根据铁损计算磁滞损耗和涡流损耗。结果都在表I中示出。按照基于最小二乘方法的以下三个方程适配铁损的频率曲线来计算磁滞损耗和涡流损耗。
(铁损)＝(磁滞损耗系数)×(频率)+(涡流损耗系数)×(频率)2
(磁滞损耗)＝(磁滞损耗系数)×(频率)
(涡流损耗)＝(涡流损耗系数)×(频率)2
另外，针对样品1到样品4，分析所得到的成形制品的密度和电阻。针对样品1到样品3，还在500℃到800℃的范围内改变成形制品的热处理温度的同时制成了铁心，并且测量其铁损。结果在表II中示出。
Figure GPA00001049465100181
[表II]
Figure GPA00001049465100191
(评估结果)
如表I所示，样品1、5到7、12和13的对比示出了金属磁粒的平均颗粒大小为50μm到70μm的样品的涡流损耗变低。而且，样品1、7和14的对比示出了，在具有低变化系数Cv的样品中，电感减小量较低且直流叠加特性良好。而且，样品1、7和15的对比示出了，在圆度Sf较大时，可以抑制磁滞损耗和涡流损耗。针对样品1，成形制品的密度和电阻分别为7.38g/cm3和1950μΩm。与之相对，样品4的成形制品的密度和电阻分别为7.33g/cm3和1800μΩm。这表明在施加了润滑剂时，获得了具有高密度和低铁损的成形制品。
如表II所示，当热处理温度为700℃时，发明物1的铁损W1/10k为17.0W/kg，相反，发明物2的铁损为17.6W/kg，发明物3的铁损为23.8W/kg。在其他热处理温度，发明物1的铁损小于发明物2和3中每一个的铁损。
而且，同样在发明物1到3中，铁损的值具有最小值。当热处理温度超过给定温度时，铁损增加。这是因为热处理促使了绝缘涂膜的热分解，增加了涡流损耗。铁损的值变成最小值的温度在发明物1的情况下为700℃到750℃，在发明物2的情况下为700℃，在发明物3的情况下为600℃。以上结果表明具有给予耐热性的保护膜的发明物1和2的绝缘涂膜具有高耐热性，发明物1和2可以充分抑制铁损(涡流和磁滞损耗)。
如上所述，已确认在金属磁粒的平均颗粒大小为50μm到70μm、变化系数Cv为小于或等于0.40、圆度Sf为大于或等于0.80并且提供了给予耐热性的保护膜和柔性的保护膜中的至少一个作为外涂膜时，可以减小铁损并且可以改善直流叠加特性。
可以在不脱离主旨的情况下对本发明进行适当地改变，并且本发明并不限于以上示例。
工业适用性
本发明的电抗器铁心和电抗器可以优选地用作混合电动车辆或电力产生和变换设施的升压电路的电抗器的元件。

Claims (14)

1.一种用于电抗器的铁心，该铁心是通过对涂敷有绝缘涂膜的金属磁粒进行加压成形而得到的，
所述金属磁粒具有：
大于或等于1μm并且小于或等于70μm的平均颗粒大小；
小于或等于0.4的变化系数Cv，该变化系数Cv是颗粒大小的标准方差σ与平均颗粒大小μ的比值(σ/μ)；以及
大于或等于0.8并且小于或等于1.0的圆度，
所述金属磁粒具有围绕绝缘涂膜外侧的外涂膜，
所述外涂膜具有给予耐热性的保护膜和柔性的保护膜，并且
所述圆度是通过在显微镜下观测随机选择的1000个或更多个金属磁粒的截面并且计算每个金属磁粒的面积和外周长来根据下式确定的多个值的平均值，
圆度＝4π×金属磁粒的面积/(金属磁粒的外周长)2。
2.一种用于电抗器的铁心，该铁心是通过对涂敷有绝缘涂膜的金属磁粒进行加压成形而得到的，
所述金属磁粒具有：
大于或等于1μm并且小于或等于70μm的平均颗粒大小；
小于或等于0.4的变化系数Cv，该变化系数Cv是颗粒大小的标准方差σ与平均颗粒大小μ的比值(σ/μ)；以及
大于或等于0.8并且小于或等于1.0的圆度，
所述金属磁粒具有围绕绝缘涂膜外侧的外涂膜，
所述外涂膜具有给予耐热性的保护膜，并且
所述圆度是通过在显微镜下观测随机选择的1000个或更多个金属磁粒的截面并且计算每个金属磁粒的面积和外周长来根据下式确定的多个值的平均值，
圆度＝4π×金属磁粒的面积/(金属磁粒的外周长)2。
3.一种用于电抗器的铁心，该铁心是通过对涂敷有绝缘涂膜的金属磁粒进行加压成形而得到的，
所述金属磁粒具有：
大于或等于1μm并且小于或等于70μm的平均颗粒大小；
小于或等于0.4的变化系数Cv，该变化系数Cv是颗粒大小的标准方差σ与平均颗粒大小μ的比值(σ/μ)；以及
大于或等于0.8并且小于或等于1.0的圆度，
所述金属磁粒具有围绕绝缘涂膜外侧的外涂膜，
所述外涂膜具有柔性的保护膜，并且
所述圆度是通过在显微镜下观测随机选择的1000个或更多个金属磁粒的截面并且计算每个金属磁粒的面积和外周长来根据下式确定的多个值的平均值，
圆度＝4π×金属磁粒的面积/(金属磁粒的外周长)2。
4.根据权利要求1所述的用于电抗器的铁心，其中
外涂膜具有混合成分部分，在该混合成分部分中混合了给予耐热性的保护膜的成分和柔性的保护膜的成分，
柔性的保护膜的组份以比给予耐热性的保护膜的组份高的比例包含在外涂膜的表面侧中，并且
给予耐热性的保护膜的组份以比柔性的保护膜的组份高的比例包含在该外涂膜与绝缘涂膜的边界中。
5.根据权利要求1到4中任一所述的用于电抗器的铁心，其中金属磁粒的平均颗粒大小为大于或等于50μm并且小于或等于70μm。
6.根据权利要求1到4中任一所述的用于电抗器的铁心，其中金属磁粒主要含铁。
7.根据权利要求1到4中任一所述的用于电抗器的铁心，其中绝缘涂膜含有从以下多个成分所组成的组中选出的至少一个成分，所述多个成分包括：磷化合物、硅化合物、锌化合物以及铝化合物。
8.根据权利要求1到4中任一所述的用于电抗器的铁心，其中绝缘涂膜的平均厚度为大于或等于10nm并且小于或等于1μm。
9.根据权利要求1、2、4之一所述的用于电抗器的铁心，其中给予耐热性的保护膜含有有机硅化合物并且有机硅化合物的硅氧烷的交联密度大于0并且小于或等于1.5。
10.根据权利要求1或3所述的用于电抗器的铁心，其中柔性的保护膜含有从以下多个成分所组成的组中选出的至少一个成分，所述多个成分包括：硅树脂、环氧树脂、酚树脂和酰胺树脂。
11.根据权利要求1或3所述的用于电抗器的铁心，其中柔性保护膜含有硅树脂并且在外涂膜中在外涂膜与绝缘涂膜的边界处的Si含量大于外涂膜的表面侧中的Si含量。
12.根据权利要求1到4中任一所述的用于电抗器的铁心，其中外涂膜的平均厚度为大于或等于10nm并且小于或等于1μm。
13.一种制造用于电抗器的铁心的方法，包括以下步骤：
制备多元复合磁粒，在该多元复合磁粒中绝缘涂膜和外涂膜形成在金属磁粒上，所述外涂膜包含给予耐热性的保护膜和柔性的保护膜二者至少之一，所述金属磁粒具有：大于或等于1μm并且小于或等于70μm的平均颗粒大小；小于或等于0.4的变化系数Cv，该变化系数Cv是颗粒大小的标准方差σ与平均颗粒大小μ的比值(σ/μ)；以及大于或等于0.8并且小于或等于1.0的圆度，
对多元复合磁粒进行加压成形以形成用于电抗器的铁心的特定形状，以及
通过对得到的成形制品进行热处理来减小在加压成形期间导致的多元复合磁粒中的缺陷，
所述圆度是通过在显微镜下观测随机选择的1000个或更多个金属磁粒的截面并且计算每个金属磁粒的面积和外周长来根据下式确定的多个值的平均值，
圆度＝4π×金属磁粒的面积/(金属磁粒的外周长)2。
14.一种电抗器，包括：
根据权利要求1到4中任一所述的用于电抗器的铁心；以及
通过围绕铁心来缠绕绕组线而形成的线圈。
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