JP2008169439A - 磁性粉末、圧粉磁心、電動機およびリアクトル - Google Patents
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Abstract
【課題】磁束密度を低下させることなく、絶縁性にも優れた圧粉磁心用の磁性粉末と、該磁性粉末からなる圧粉磁心、さらには該圧粉磁心からコアが形成された電動機もしくはリアクトルを提供する。
【解決手段】圧粉磁心用の磁性粉末１０であり、軟磁性金属粉末１の表面には、相対的に硬質な酸化物微粉末２が分散固着しており、この軟磁性金属粉末１の表面のうち、酸化物微粉末２が分散固着していない箇所と該酸化物微粉末２の双方には、相対的に軟質な絶縁被膜３が固着している。
【選択図】図１
【解決手段】圧粉磁心用の磁性粉末１０であり、軟磁性金属粉末１の表面には、相対的に硬質な酸化物微粉末２が分散固着しており、この軟磁性金属粉末１の表面のうち、酸化物微粉末２が分散固着していない箇所と該酸化物微粉末２の双方には、相対的に軟質な絶縁被膜３が固着している。
【選択図】図１
Description
本発明は、磁性粉末と該磁性粉末を加圧成形してなる圧粉磁心、および該圧粉磁心を適用してなる電動機およびリアクトルに関するものである。
地球環境への負荷軽減の観点から自動車産業ではハイブリッド自動車や電気自動車の開発が日々進められており、中でも、主要な搭載機器である電動機やリアクトルの高性能化や小型化は急務の開発課題の一つとなっている。
この電動機を構成するステータコアやロータコア、リアクトルを構成するリアクトルコアは珪素鋼板を積層してなる鋼板積層体から形成されたり、樹脂コーティングされた鉄系の軟磁性粉末を加圧成形してなる圧粉磁心から形成されている。圧粉磁心から各種コアを成形する場合には、その磁気特性として積層鋼板に比して高周波鉄損が少ないこと、加圧成形されることから形状バリエーションに臨機かつ安価に対応できること、珪素鋼板（電磁鋼板）に比して材料費が廉価であること、などの利点を有している。
圧粉磁心用の軟磁性金属粉末は、該金属粉末の表面に絶縁被膜を形成することで粉末の絶縁性、ひいては圧粉磁心自体の絶縁性を確保して鉄損の発生を抑止している。この絶縁被膜の形成方法として、例えば特許文献１に開示の軟磁性粉末を挙げることができる。具体的には、軟磁性粉末またはリン酸皮膜被覆軟磁性粉末の表面に厚さが０．１〜５μｍの極めて薄いシリコン樹脂皮膜を形成したシリコン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を室温〜１５０℃に加熱することで軟磁性粉末を生成するものである。
特許文献１に開示の軟磁性粉末においては、これを材料として所定形状に加圧成形し、加圧成形時に圧粉磁心内に生じた加工歪を解消するために焼鈍処理をおこなうが、この焼鈍処理時の高温雰囲気内で絶縁被膜が破壊する可能性が極めて高い。具体的には、図６ａにて示す軟磁性粉末ａとその表面のシリコン樹脂被膜ｂとからなる磁性粉末ｃを加圧成形し、高温焼鈍することで、図６ｂに示すように、シリコン樹脂が高温雰囲気下で溶け出し、粉末間の３重点に凝集することで粉末の絶縁性が阻害されるというものである。
そこで、かかる問題を解決するための従来技術として、例えば特許文献２，３に開示の磁性粉末を挙げることができる。特許文献２に開示の磁性粉末は、軟磁性金属粉末の表面に酸化物などからなる絶縁被膜を形成し、その上にシリコン樹脂被膜が形成された少なくとも３重構造の軟磁性金属粉末である。これを図７に基づいて説明すると、軟磁性金属粉末ａの表面に酸化物などからなる絶縁被膜ｄが形成され、その上にシリコン樹脂被膜ｂが形成されて磁性粉末ｃ’となっている。
また、特許文献３に開示の磁性粉末は、軟磁性金属粉末の表面に第１の絶縁被膜を形成し、その上にシリコン樹脂からなる第２の絶縁被膜を形成し、この第２の絶縁被膜中に酸化物粒子が分散してなる磁性粉末、さらには、第２の絶縁被膜のさらに上に第３の絶縁被膜が形成された磁性粉末である。
特許文献２，３の磁性粉末によれば、軟磁性金属粉末の表面にシリコン樹脂が直接被覆されておらず、さらには２以上の被膜層にて軟磁性金属粉末が覆われていることから、高温焼鈍時においてシリコン樹脂が凝集し、磁性粉末の絶縁性が阻害されるといった問題が解消される。しかし、軟磁性金属粉末表面における被膜量が多くなることで相対的に金属粉末密度が低減する結果、磁束密度の低下が余儀なくされ、所要の磁気特性が得られないという致命的な問題に繋がる。
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、圧粉磁心の磁束密度を低下させることなく、絶縁性に優れた圧粉磁心用の磁性粉末と、該磁性粉末からなる圧粉磁心、さらには該圧粉磁心からコアが形成された電動機もしくはリアクトルを提供することを目的とする。
前記目的を達成すべく、本発明による磁性粉末は、圧粉磁心用の磁性粉末であって、軟磁性金属粉末の表面には、相対的に硬質な酸化物微粉末が分散固着しており、前記軟磁性金属粉末の表面のうち、前記酸化物微粉末が分散固着していない箇所と該酸化物微粉末の双方には、相対的に軟質な絶縁被膜が固着していることを特徴とするものである。
ここで、軟磁性金属粉末として、たとえば、鉄、鉄−シリコン系合金、鉄−窒素系合金、鉄−ニッケル系合金、鉄−炭素系合金、鉄−ホウ素系合金、鉄−コバルト系合金、鉄−リン系合金、鉄−ニッケル−コバルト系合金および鉄−アルミニウム−シリコン系合金などを用いることができる。
本発明の磁性粉末は、上記する軟磁性金属粉末の表面に硬質酸化物微粉末が島状に分散した状態で固着されており、分散した酸化物微粉末とこの酸化物微粉末が固着していない軟磁性金属粉末表面箇所の双方に絶縁被膜が固着することで磁性粉末が形成される。
絶縁被膜は、絶縁性および耐熱性を有する適宜の樹脂材料から生成することができ、軟磁性金属粉末表面に分散固着した酸化物微粉末と結合（架橋）する樹脂素材であることが望ましい。
上記構成による磁性粉末とすることで、樹脂素材の絶縁被膜が軟磁性金属粉末のみならず、該軟磁性金属粉末に分散固着された酸化物微粉末に強固に結合されているため、この酸化物微粉末が軟磁性金属粉末と絶縁被膜との接着作用を高めることで、高温焼結時に絶縁被膜が凝集し、絶縁性が阻害されるといった問題が解消される。さらに、酸化物微粉末が分散されていることで、すなわち、軟磁性金属粉末表面全面に酸化物のコーティング層が形成されていないために、磁性粉末における金属粉末割合の低減が抑止される。その結果、該磁性粉末から成形される圧粉磁心の磁束密度が低下することがない。
また、本発明による磁性粉末の好ましい実施の形態は、前記軟磁性金属粉末が純鉄であることを特徴とするものである。
純鉄のほかに鉄を主成分とする上記合金から該軟磁性金属粉末を生成することができるが、中でも純鉄から軟磁性金属粉末を生成することで、他の合金に比して材料コストが安価となる。また、例えば鉄−シリコン系合金と比較した場合には、磁性粉末における金属密度が高くなる結果、高磁束密度の圧粉磁心を成形することができる。
また、本発明による磁性粉末の好ましい実施の形態は、前記軟磁性金属粉末の表面に前記酸化物微粉末と前記絶縁被膜とからなる一層の被膜層が形成されていることを特徴とするものである。
磁性粉末がその中心の軟磁性金属粉末とその外側の一層の被膜層から形成されることで、金属密度を一層高めることができ、より高い磁束密度を有する圧粉磁心を得ることができる。
また、前記酸化物微粉末をシリカ（ＳｉＯ２）から生成し、前記絶縁被膜をシリコン樹脂から生成することで、このシリカとシリコン樹脂との結合性の良さから、高温時におけるシリコン樹脂の凝集防止効果が高くなる。
上記する磁性粉末を成形型内に充填し、加圧成形するとともに乾燥およびクーリングをおこない、最後に焼鈍することで、高い磁束密度と高い絶縁性を有する圧粉磁心を得ることができる。なお、発明者等の実証実験によれば、ヒステリシス損失と渦電流損失からなる鉄損を可及的に低減でき、磁性粉末の密度（軟磁性金属粉末の割合）によって決定される磁束密度を可及的に高めることのできる酸化物微粉末の被覆率として、２０〜８０％の範囲が好ましいことが実証されている。
磁気特性に優れた上記圧粉磁心は、ハイブリッド車や電気自動車の駆動用電動機を構成するステータやロータ、電力変換装置を構成するリアクトル用のコア（リアクトルコア）に好適である。
以上の説明から理解できるように、本発明の磁性粉末と該磁性粉末からなる圧粉磁心によれば、高温焼鈍時における絶縁被膜の凝集が効果的に防止されることで、高い絶縁性を得ることができ、さらには、軟磁性金属粉末表面に酸化物微粉末が分散固着され、この酸化物微粉末が存在しない箇所に絶縁被膜が形成されていることで鉄成分の割合が高まり（高密度化）、高い磁束密度の圧粉磁心を得ることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１ａは本発明の磁性粉末の一実施の形態の断面図であり、図１ｂは圧粉磁心の一部の拡大図である。図２は圧粉磁心の製造工程を示したフロー図である。図３は軟磁性金属粉末表面にシリカ微粉末を分散固着させる方法を説明した模式図であって、図３ａは溶液調整工程を示しており、図３ｂは鉄粉投入工程を示しており、図３ｃはろ過工程を示しており、図３ｄは生成されたシリカ微粉末分散鉄粉の断面図を示している。図４は鉄粉表面におけるシリカ微粉末の表面被覆面積と鉄損の関係を示した実験結果であり、図５は鉄粉表面におけるシリカ微粉末の表面被覆面積と磁性粉末密度の関係を示した実験結果である。なお、図示する磁性粉末は鉄粉（軟磁性金属粉末）の表面にシリカ微粉末（酸化物微粉末）とシリコン樹脂（絶縁被膜）からなる１層の被膜層が形成された実施の形態であるが、シリカ微粉末をシリコン樹脂が被覆することでシリカ微粉末箇所では２層の被膜層が形成される磁性粉末であってもよい。また、鉄粉は球状、扁平状など、任意の断面形状を呈するものである。
図１ａは本発明の磁性粉末を示した断面図である。この磁性粉末１０は、軟磁性金属粉末として鉄粉１を使用し、その外表面に酸化物微粉末であるシリカ微粉末２が島状に分散固着され、このシリカ微粉末２と結合性の高いシリコン樹脂膜３が絶縁被膜として鉄粉１およびシリカ微粉末２に固着しており、鉄粉１表面に１層の絶縁被膜層が形成されたものである。
図１ｂは、この磁性粉末１０を成形型内に充填し、加圧成形し、焼鈍処理をおこなってできる圧粉磁心の一部の拡大図である。圧粉磁心を構成する磁性粉末１０において、シリコン樹脂膜３がシリカ微粉末２と強固に結合されているため、高温焼鈍時にこのシリコン樹脂膜３が溶け出して凝集することが防止される結果、図１ｂに示すように各磁性粉末１０の表面をシリコン樹脂膜３が覆い、磁性粉末１０の絶縁性が担保される。なお、図６，７で示した従来の磁性粉末と比較することで双方の違いはより明瞭となる。
次に、図２に基づいて、本発明の圧粉磁心の製造方法を説明する。
まず、第１のステップ（Ｓ１００）として、軟磁性金属粉末である鉄粉表面にシリカ微粉末を分散固着させる。このステップＳ１００を図３に基づいてより詳細に説明する。
まず、第１のステップ（Ｓ１００）として、軟磁性金属粉末である鉄粉表面にシリカ微粉末を分散固着させる。このステップＳ１００を図３に基づいてより詳細に説明する。
まず、図３ａに示すように、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）の加水分解法によってシリカ微粉末を生成する。より具体的には、ＴＥＯＳを５ｇ、水を３００ｍｌ調合し、これを混ぜ合わせるとともに所定の反応時間経過させる。ここで、この二液は分離状態となっている。なお、ＴＥＯＳと水の比率を調整することで、溶液中のシリカ微粉末の量が調整されるとともに、シリカ微粉末の結合状態も環状や鎖状に変化させることができる。また、所定の反応時間経過させることによっても溶液中のシリカ微粉末の量が調整されるが、加水分解、重複合反応を促進するために数時間〜１日程度溶液を放置するのがよい。
この溶液に触媒としてＮａＯＨを０．１ｇ添加する。
この溶液に触媒としてＮａＯＨを０．１ｇ添加する。
次いで、図３ｂに示すように、上記溶液中に鉄粉（純鉄ガスアトマイズ粉）を１００ｇ投入し、８時間に亘って攪拌を継続する。この攪拌時間によって鉄粉を被覆するシリカ微粉末の量が変化するが、攪拌時間が長くなるに従って、厚く、均一なシリカ微粉末膜ができ（被覆率が１００％に近似していく）、攪拌時間が短い場合には、薄く、まばらなシリカ微粉末膜が形成される。
攪拌終了後に図３ｃに示すようにろ過し、鉄粉と溶液を分離する。
鉄粉を約半日間自然乾燥させることで図３ｄに示すように、鉄粉表面にシリカ微粉末が分散固着された粉末が生成される。
鉄粉を約半日間自然乾燥させることで図３ｄに示すように、鉄粉表面にシリカ微粉末が分散固着された粉末が生成される。
図２に戻り、ステップＳ１００にて生成された粉末表面にシリコン樹脂による絶縁被膜を被覆させる（ステップＳ２００）。具体的には、シリコン樹脂をエタノール液に融解させておき、その中へステップＳ１００で生成された粉末を投入して攪拌することで粉末表面にシリコン樹脂が付着する。所定時間攪拌した後に、エタノールを蒸発させながら攪拌することで上記粉末表面（およびシリカ微粉末）にシリコン樹脂が固着してなる磁性粉末が生成される。
次いで、電動機のステータコアやリアクトルコアなどの所定形状のキャビティを具備する成形型内に生成された磁性粉末を充填し、加圧成形するとともに乾燥させる（ステップＳ３００）。
最後に加圧成形体の内部に生じた加工歪を除去すべく高温焼鈍処理をおこなうことで不図示の圧粉磁心が成形される（ステップＳ４００）。
本発明の磁性粉末によれば、上記するステップＳ４００にて高温焼鈍処理を施した場合でも、鉄粉表面に分散固着したシリカ微粒子がシリコン樹脂と強固に結びついているために、シリコン樹脂が溶け出して凝集するといった問題が解消される。その結果、高い絶縁性を有する圧粉磁心を得ることができる。
さらに、磁性粉末を構成する鉄粉表面を被覆する層がシリカ微粒子とシリコン樹脂からなる一層構造であることから、磁性粉末において鉄粉の占める割合を高めることができ（磁性粉末の高密度化）、高い磁束密度の圧粉磁心を成形することができる。
[鉄粉表面におけるシリカ微粉末の表面被覆面積と鉄損の関係、および磁性粉末密度の関係に関する実験結果]
本発明者等は、鉄粉表面におけるシリカ微粉末の表面被覆面積と鉄損の関係と磁性粉末密度の関係に関する実験をおこなった。そのうち、鉄粉表面におけるシリカ微粉末の表面被覆面積と鉄損の関係に関する実験結果を図４に、鉄粉表面におけるシリカ微粉末の表面被覆面積と磁性粉末密度の関係に関する実験結果を図５にそれぞれ示している。本実験の具体的内容は、純鉄粉表面のシリカ微粉末の被覆割合を０〜１００％の範囲で変化させて磁性粉末を生成し、この磁性粉末を加圧成形および焼鈍して試験体（圧粉磁心）を成形し、この試験体の鉄損（ヒステリシス損失および渦電流損失）を測定するとともに、密度の測定をおこなった。なお、各試験体においてシリコン樹脂の量は一定としている。
本発明者等は、鉄粉表面におけるシリカ微粉末の表面被覆面積と鉄損の関係と磁性粉末密度の関係に関する実験をおこなった。そのうち、鉄粉表面におけるシリカ微粉末の表面被覆面積と鉄損の関係に関する実験結果を図４に、鉄粉表面におけるシリカ微粉末の表面被覆面積と磁性粉末密度の関係に関する実験結果を図５にそれぞれ示している。本実験の具体的内容は、純鉄粉表面のシリカ微粉末の被覆割合を０〜１００％の範囲で変化させて磁性粉末を生成し、この磁性粉末を加圧成形および焼鈍して試験体（圧粉磁心）を成形し、この試験体の鉄損（ヒステリシス損失および渦電流損失）を測定するとともに、密度の測定をおこなった。なお、各試験体においてシリコン樹脂の量は一定としている。
図４において、点線（Ｙライン）はヒステリシス損失を、一点鎖線（Ｚライン）は渦電流損失を、実線（Ｘライン）はそれらの和である鉄損をそれぞれ示している。
図４において、例えば表面被覆面積が０％の場合とはシリカ微粉末が全くない場合を示しており、表面被覆面積が１００％の場合とはシリカ微粉末が鉄粉の全表面を被覆している場合を示している。
シリカ微粉末が存在することで、純鉄とシリコン樹脂の馴染みが良くなり、その結果として高温焼鈍後においても絶縁性の確保された磁性粉末が得られる結果、渦電流損失は低下の一途を辿る。
しかし、シリカ微粉末の被覆率が高まることは鉄以外の不純物の割合が増加することを意味しており、その結果としてシリカ微粉末の被覆率の増加に伴ってヒステリシス損失が単調増加することが分かった。
さらに、シリカ微粉末の被覆率がおよそ８０％程度になると、硬質なシリカ微粉末が磁性粉末の圧縮成形性を阻害することで圧粉磁心の密度を低下させ、その結果としてヒステリシス損失の増加を助長させることも分かった。
一方、図５に示すように、シリカ微粉末の被覆率が高まることで磁性粉末密度は単調減少する。ここで、シリカ微粉末の被覆率がおよそ８０％程度になると、上記するように硬質なシリカ微粉末が磁性粉末の圧縮成形性を阻害することで圧粉磁心の密度が急激に低下する。
以上の実験結果より、軟磁性金属粉末（鉄粉）表面の酸化物微粉末（シリカ微粉末）の被覆率は２０〜８０％の範囲が望ましいと結論付けることができる。
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
１…鉄粉（軟磁性金属粉末）、２…シリカ微粉末（酸化物微粉末）、３…シリコン樹脂膜（絶縁被膜）、１０…磁性粉末
Claims (8)
- 圧粉磁心用の磁性粉末であって、
軟磁性金属粉末の表面には、相対的に硬質な酸化物微粉末が分散固着しており、
前記軟磁性金属粉末の表面のうち、前記酸化物微粉末が分散固着していない箇所と該酸化物微粉末の双方には、相対的に軟質な絶縁被膜が固着していることを特徴とする磁性粉末。 - 前記軟磁性金属粉末が純鉄であることを特徴とする請求項１に記載の磁性粉末。
- 前記軟磁性金属粉末の表面に前記酸化物微粉末と前記絶縁被膜とからなる一層の被膜層が形成されている請求項１または２に記載の磁性粉末。
- 前記酸化物微粉末がシリカ（ＳｉＯ２）からなり、前記絶縁被膜がシリコン樹脂からなる請求項１〜３のいずれかに記載の磁性粉末。
- 前記軟磁性金属粉末表面における前記酸化物微粉末の被覆率が２０〜８０％の範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の磁性粉末。
- 請求項１〜５のいずれかに記載の磁性粉末を加圧成形してなる圧粉磁心。
- 請求項６に記載の圧粉磁心がステータコアおよび／またはロータコアに適用されていることを特徴とする電動機。
- 請求項６に記載の圧粉磁心がリアクトルコアに適用されていることを特徴とするリアクトル。
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