JP2008294230A - 圧粉磁心、電動機およびリアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁性に優れた圧粉磁心と、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】軟磁性金属粉末１の表面に相対的に硬質な第一の絶縁皮膜（シリカ皮膜２）が形成された第一の磁性粉末１０と、軟磁性金属粉末１の表面に相対的に軟質な第二の絶縁皮膜（シリコン樹脂皮膜３）が形成された第二の磁性粉末２０と、の粉末混合体が加圧成形されてできる圧粉磁心である。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁性粉末を加圧成形してなる圧粉磁心と、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皮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。この絶縁皮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皮膜が破壊する可能性が極めて高い。具体的には、図４ａにて示す軟磁性粉末ａとその表面のシリコン樹脂皮膜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４ｂ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皮膜を形成し、その上にシリコン樹脂皮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５ａ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皮膜ｄが形成され、その上にシリコン樹脂皮膜ｂが形成されて磁性粉末ｃ’となっている。この磁性粉末ｃ’が加圧成形され、焼鈍処理された状態を図５ｂに示している。

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の絶縁皮膜を形成し、その上にシリコン樹脂からなる第２の絶縁皮膜を形成し、この第２の絶縁皮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の絶縁皮膜のさらに上に第３の絶縁皮膜が形成された磁性粉末である。

特開２００５−１３３１６８号公報 特開２００６−１２８５２１号公報 特開２００６−５１７３号公報

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以上の皮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皮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、絶縁性に優れた圧粉磁心と、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、本発明による圧粉磁心は、軟磁性金属粉末の表面に相対的に硬質な第一の絶縁皮膜が形成された第一の磁性粉末と、軟磁性金属粉末の表面に相対的に軟質な第二の絶縁皮膜が形成された第二の磁性粉末と、の粉末混合体が加圧成形されてな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。

本発明の圧粉磁心は、成膜プロセスで２種類の磁性粉末を製造し、これらを混ぜ合わせて粉末混合体を製造し、これを加圧成形することで得られるものであり、より具体的には、軟磁性金属粉末の表面に相対的に硬質な第一の絶縁皮膜が形成された磁性粉末（第一の磁性粉末）と軟磁性金属粉末の表面に相対的に軟質な第二の絶縁皮膜が形成された磁性粉末（第二の磁性粉末）を混合して粉末混合体とし、加圧成形してなるものである。

ここで、相対的に硬質な第一の絶縁皮膜とは、たとえば硬質酸化物微粉末からなる絶縁皮膜であり、相対的に軟質な第二の絶縁皮膜とは、この硬質酸化物微粉末に比して相対的に軟質な樹脂皮膜である。

また、第一の磁性粉末と第二の磁性粉末の混合割合は特に限定されるものではないが、中でも、第二の磁性粉末の割合が２０〜９０％であるのが好ましい。

この第一の磁性粉末および第二の磁性粉末を混合し加圧成形することにより、第一の磁性粉末を構成する硬質な第一の絶縁皮膜が粉末間のセパレータの役割を果たし粉末間の絶縁性を確保するとともに、加圧時に硬質な第一の絶縁皮膜が割れた場合でも軟質な第二の絶縁皮膜が粉末間に流れ込んで絶縁性を確保することができるため、絶縁性に優れた圧粉磁心を製造することができる。また、かかる硬軟２種類の絶縁皮膜からなる磁性粉末の混合体から圧粉磁心が成形されること、各絶縁層はそれぞれ一層からなることから、各絶縁層の厚みを厚くすることなく十分に絶縁性を確保することができる。さらには、各絶縁層はそれぞれ一層からなることから金属粉末密度の低減を抑止でき、もって磁気特性の低減を効果的に抑止することができる。

なお、軟質な絶縁皮膜を有する磁性粉末のみを混合し加圧成形する場合には、皮膜が押し出されて絶縁破壊が生じたり、さらには焼鈍時に皮膜が軟化すること、および皮膜と軟磁性金属粉末との濡れ性の悪さから皮膜成分が粉末間の３重点に凝集し易く、やはり絶縁破壊に至る可能性が高い。一方、硬質な絶縁被膜を有する磁性粉末のみを混合し加圧成形する場合は、加圧成形時において硬質皮膜が軟磁性金属粉末の塑性変形に追従しきれず、皮膜が破壊されて絶縁性を低下させる可能性が高い。本発明の圧粉磁心は、かかる課題を効果的に解消することができるものである。

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、前記第一の絶縁皮膜がシリカ（ＳｉＯ_２）からなり、第二の絶縁皮膜がシリコン樹脂からなることを特徴とするものである。

第一の絶縁皮膜をシリカ（ＳｉＯ_２）から成膜し、第二の絶縁皮膜をシリコン樹脂から成膜することで、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。また、材料コストも比較的安価であり、圧粉磁心の大量生産に際してその製造コストを可及的に廉価にできる。

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、高い磁束密度を有し、絶縁性が確保された圧粉磁心を得ることができる。

絶縁性および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、本発明の圧粉磁心によれば、加圧成形時に絶縁被膜が破壊されることを防止することができ、高温焼鈍時における絶縁皮膜の凝集を効果的に防止することができるため、高い絶縁性を有する圧粉磁心を得ることができる。さらには、磁性粉末が一層の絶縁皮膜から形成されることから、圧粉磁心内の金属粉末密度の低下を抑止でき、もって磁気特性に優れた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１は本発明の圧粉磁心の製造に使用される２種類の磁性粉末を示した模式図であり、図２は加圧成形され焼鈍された後の圧粉磁心の拡大図である。図３はシリコン樹脂皮膜を有する磁性粉末のみからなる圧粉磁心（比較例１）、シリカ皮膜を有する磁性粉末のみからなる圧粉磁心（比較例２）、本発明の粉末混合体からなる圧粉磁心（実施例）それぞれの焼鈍前後の比抵抗に関する実験結果を示したグラフである。

図１は本発明の圧粉磁心を製造する際に使用される２種類の磁性粉末を示した図である。一方の磁性粉末１０は、軟磁性金属粉末である純鉄粉１の外表面に硬質なシリカ皮膜２が形成された磁性粉末であり、他方の磁性粉末２０は、同様に純鉄粉１の外表面に軟質なシリコン樹脂皮膜３が形成された磁性粉末である。なお、粉末は鉄−シリコン系粉末等でもよく、その形状は扁平、略球形など、任意の形状を選定できる。

図１に示す磁性粉末１０，２０を混合して粉末混合体とし、これを成形型（金型）内に充填し、加圧成形し、焼鈍処理をおこなって加工歪を除去することにより、所定形状で所定の磁気特性を有する圧粉磁心が製造される。図２は、加圧成形され焼鈍された後の圧粉磁心の一部を拡大した図である。同図からも明らかなように、磁性粉末１０、１０間は硬質なシリカ皮膜２によって粉末間の絶縁性が確保されており、磁性粉末１０，２０間はシリカ皮膜２および／またはシリコン樹脂皮膜３によってやはり絶縁性が確保されており、従来の圧粉磁心のごとく３重点凝集が生じ得ない。また、磁性粉末１０，２０はいずれも一層の絶縁皮膜から構成されており、したがって加圧成形される圧粉磁心中の鉄粉含有割合が比較的高く、磁気特性に優れた圧粉磁心を得ることができる。

[シリコン樹脂皮膜を有する磁性粉末のみからなる圧粉磁心（比較例１）、シリカ皮膜を有する磁性粉末のみからなる圧粉磁心（比較例２）、本発明の粉末混合体からなる圧粉磁心（実施例）それぞれの焼鈍前後の比抵抗に関する実験とその結果]
本発明者等は、シリコン樹脂皮膜からなる磁性粉末のみで粉末混合体を製造し、加圧成形して圧粉磁心とした場合（比較例１）、シリカ皮膜からなる磁性粉末のみで粉末混合体を製造し、加圧成形して圧粉磁心とした場合（比較例２）、および本発明の２種類の磁性粉末からなる粉末混合体（磁性粉末１０，２０の混合割合が５０：５０）を製造し、加圧成形して圧粉磁心とした場合（実施例）のそれぞれの試験用圧粉磁心を用意し、各圧粉磁心の焼鈍前後の比抵抗の値を計測して比較した。

ここで、シリコン樹脂皮膜に関しては、鉄−シリコン系母材粉末上に成膜した場合、焼鈍後も絶縁性を維持することが可能であるが、純鉄系の母材粉末上に成膜した場合、焼鈍後の絶縁性の確保が困難であるという問題がある。これは、シリコン樹脂と純鉄の物性に大きな乖離があることでシリコン樹脂の純鉄に対する濡れ性が悪いことや高温時にシリコン樹脂が軟化してしまうことなどが原因である。

本実験では、純鉄粉上にシリコン樹脂を成膜した磁性粉末と、純鉄粉上にＬＰＧガスとシラン化合物を原料とした燃焼化学蒸着法により、シリカの薄膜を成膜した磁性粉末を準備し、この２種類の磁性粉末を同じ割合で混合して実施例の粉末混合体を得た。

比較例１，２，実施例の各粉末混合体を温間金型潤滑成形法によってテストピースとなる圧粉磁心を作成して焼鈍前の比抵抗を測定し、７００℃で４５分間の焼鈍処理を実施した後に再度比抵抗を測定した。この測定結果を図３に示す。なお、比較例１の焼鈍前の比抵抗を１に正規化してグラフ化している。

図３より、比較例１，２ともに焼鈍前後ともに低い比抵抗値となっており、具体的には、実施例に対して比較例１は半分以下、比較例２では１割以下の値となっている。

比較例１では、シリコン皮膜が押し出されて絶縁破壊が生じたり、さらには焼鈍時にシリコン皮膜が軟化すること、およびシリコン皮膜と純鉄粉との濡れ性の悪さからシリコン皮膜成分が粉末間の３重点に凝集し易く、やはり絶縁破壊に至った結果、比抵抗値が低くなっていると結論付けることができる。

一方、比較例２では、加圧成形時においてシリカ皮膜が純鉄粉の塑性変形に追従しきれず、シリカ皮膜が破壊された結果、比抵抗値が低くなっていると結論付けることができる。

上記する比較例１，２に比して、実施例にかかる圧粉磁心は焼鈍の前後を問わず高い比抵抗値を示しており、これは、硬軟２種類の絶縁皮膜を有する磁性粉末を混合してなる粉末混合体を加圧成形することにより、シリカ皮膜が粉末間のセパレータの役割を果たして粉末間の絶縁性を確保すること、仮に加圧時にシリカ皮膜が割れた場合でもシリコン樹脂皮膜が粉末間に流れ込んで絶縁性を確保していることで、絶縁性が確保された結果であると結論付けることができる。

上記のごとく、磁気特性に優れ、絶縁性能が十分に確保された圧粉磁心は、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、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。

本発明の圧粉磁心の製造に使用される２種類の磁性粉末を示した模式図である。 加圧成形され焼鈍された後の圧粉磁心の拡大図である。 シリコン樹脂皮膜を有する磁性粉末のみからなる圧粉磁心（比較例１）、シリカ皮膜を有する磁性粉末のみからなる圧粉磁心（比較例２）、本発明の粉末混合体からなる圧粉磁心（実施例）それぞれの焼鈍前後の比抵抗に関する実験結果を示したグラフである。 従来の磁性粉末の一実施の形態の断面図であり、（ａ）は一つの磁性粉末を示しており、（ｂ）は焼鈍後の複数の磁性粉末を示している。 従来の磁性粉末の他の実施の形態の断面図であり、（ａ）は一つの磁性粉末を示しており、（ｂ）は焼鈍後の複数の磁性粉末を示している。

符号の説明

１…純鉄粉（軟磁性金属粉末）、２…シリカ皮膜、３…シリコン樹脂皮膜、１０…硬質皮膜層を有する磁性粉末、２０…軟質皮膜層を有する磁性粉末

Claims (6)

1. 軟磁性金属粉末の表面に相対的に硬質な第一の絶縁皮膜が形成された第一の磁性粉末と、軟磁性金属粉末の表面に相対的に軟質な第二の絶縁皮膜が形成された第二の磁性粉末と、の粉末混合体が加圧成形されてなる、圧粉磁心。
2. 前記相対的に硬質な第一の絶縁皮膜は、硬質酸化物微粉末からなる絶縁皮膜であり、前記相対的に軟質な第二の絶縁皮膜は、該硬質酸化物微粉末に比して相対的に軟質な樹脂皮膜である、請求項１に記載の圧粉磁心。
3. 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または２に記載の圧粉磁心。
4. 前記第一の絶縁皮膜がシリカ（ＳｉＯ_２）からなり、第二の絶縁皮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圧粉磁心。
5. 請求項１〜４のいずれか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。
6. 請求項１〜４のいずれか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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