JP2009194040A - 圧粉磁心用粉末とその製造方法、圧粉磁心、モータおよびリアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】高密度、高強度で磁気特性に優れた圧粉磁心用の粉末を効率的に製造することのできる圧粉磁心用粉末の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の製造方法は、軟磁性金属粉末１と、該軟磁性金属粉末１よりも硬質な微粉末２と、相対的に軟質な絶縁皮膜物質３とを溶液中で混ぜ合わせることにより、軟磁性金属粉末１表面に軟質な微粉末２を分散固着させ、同時に、軟磁性金属粉末１表面に絶縁皮膜３を形成させる製造方法である。この製造方法でできた圧粉磁心用粉末１０からなる圧粉磁心は、軟磁性金属粉末１に硬質な微粉末２の一部が埋め込まれ、これが軟磁性金属粉末１，１同士を離間をもって繋ぎ、この離間に絶縁皮膜が形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧粉磁心用粉末とその製造方法、この圧粉磁心用粉末を加圧成形してなる圧粉磁心と、該圧粉磁心をそのコア材に適用してなるモータ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ーン樹脂皮膜を形成したシリコー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、この加圧成形時に絶縁皮膜がスプリングバックし、このことは圧粉磁心の密度低下に繋がり、圧粉磁心の磁束密度低下に直結する。さらに、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３ａにて示す軟磁性粉末ａとその表面のシリコーン樹脂皮膜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３ｂに示すように、シリコー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、その上にシリコー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４ａ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、その上にシリコーン樹脂皮膜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の絶縁皮膜を形成し、その上にシリコーン樹脂からなる第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ー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ーン樹脂が凝集し、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。これを図４ｂを参照して説明すると、各軟磁性金属粉末ａ，…はそれぞれに固有の皮膜層ｄにて保護されており、仮にシリコーン樹脂が凝集したとしても軟磁性金属粉末ａ，ａ間の絶縁性は確保されている。

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、高密度、高強度で磁気特性に優れた圧粉磁心用の粉末を効率的に製造することのできる圧粉磁心用粉末の製造方法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用粉末の製造方法は、軟磁性金属粉末と、該軟磁性金属粉末よりも硬質な微粉末と、相対的に軟質な絶縁皮膜物質とを溶液中で混ぜ合わせることにより、軟磁性金属粉末表面に硬質な微粉末を分散固着させ、同時に、軟磁性金属粉末表面に絶縁皮膜を形成させるものである。

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。

この圧粉磁心用粉末は、上記する軟磁性金属粉末の表面に該軟磁性金属粉末よりも硬質な微粉末、たとえばセラミックなどの酸化物微粉末が島状に分散した状態で固着されており、分散した微粉末とこの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皮膜物質が固着することで圧粉磁心用粉末が形成される。

絶縁皮膜物質は、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硬質な微粉末と結合（架橋）する樹脂素材であることが望ましい。

本発明の圧粉磁心用粉末の製造方法は、いわゆる液相法を適用し、適宜の溶媒に上記する軟磁性金属粉末と硬質な微粉末とこれらに比して相対的に軟質な絶縁皮膜物質を投入して混合し、最終的には不要な溶媒を蒸発させることにより、短時間で一気に上記する構造、すなわち、軟磁性金属粉末の表面に硬質な微粉末が島状に分散した状態で固着し、分散した微粉末とこの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皮膜物質が固着してなる圧粉磁心用粉末を生成するものである。液相法を適用することで、ＣＶＤ法等の気相法に比して製造効率を格段に高めることができる。

ここで、前記硬質の微粉末として、シリカ、窒化アルミ、アルミナのいずれか一種を使用することができ、前記絶縁皮膜物質として、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、リン酸系樹脂、アルコキシドのいずれか一種を使用することができる。この硬質の微粉末は、固相法で得られる粉末であるのが好ましい。固相法で得られた粉末（粉砕粉）であることより、その表面は凹凸を呈していて強度が向上するからである。尤も、使用される軟磁性金属粉末よりも硬質な微粉末を使用すればよく、本発明の製造方法では、溶媒内に予め生成された硬質の微粉末を軟磁性金属粉末や絶縁皮膜物質とともに混ぜ合わせることを特徴とするものである。また、硬質の微粉末としてシリカを使用し、絶縁皮膜物質としてシリコーン樹脂を使用することで、このシリカとシリコーン樹脂との結合性の良さから、高温時におけるシリコーン樹脂の凝集防止効果は高くなる。また、軟磁性金属粉末として純鉄や鉄を主成分とする上記合金を使用すること、中でも純鉄を使用することで、他の合金に比して材料コストは安価となる。さらに、たとえば純鉄と鉄−シリコン系合金とを比較した場合には、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。

さらに、上記溶媒としては、たとえばエタノールやイソプロパノールなどを使用することができる。

上記する本発明の製造方法によってできた圧粉磁心用粉末を加圧成形してなる圧粉磁心は、軟磁性金属粉末よりも硬質の微粉末の一部が加圧成形時の押圧力にて該軟磁性金属粉末に突き刺さり（埋め込まれ）、したがって、硬質の微粉末にて隣接する軟磁性金属粉末同士が間隔をおいて強固に繋がれ、軟磁性金属粉末間に絶縁樹脂層が形成される。この硬質微粉末の突き刺さり構造によって齎されるいわゆる楔効果により、圧粉磁心自体の強度（たとえば圧環強度）は高められる。また、硬質の微粉末により、軟磁性金属粉末同士の間には離間が形成されることとなり、仮に絶縁皮膜層が該離間に介在しない場合でも、少なくともエアギャップが形成されることで軟磁性金属粉末間の絶縁性を担保することができる。さらに、加圧成形後の応力解放によってスプリングバックが生じ、軟磁性金属粉末同士の離間が大きくなろうとした場合でも、双方を硬質の微粉末が強固に繋いでいることでスプリングバックによる圧粉磁心の密度低下が効果的に抑止できる。

さらに、本発明者等によれば、本発明の製造方法によって製造された圧粉磁心用粉末を加圧成形してなる圧粉磁心は、単に軟磁性金属粉末表面にシリコーン樹脂等の絶縁被膜が形成されてなる圧粉磁心用粉末を使用してできる圧粉磁心に比して、比抵抗および圧粉磁心自体の強度の双方がともに格段に高められることが特定されている。

上記のごとく、高密度で（したがって磁束密度が高い）、比抵抗が高く（したがって高周波鉄損が低い）、高強度な圧粉磁心は、近時その生産が盛んで車載機器の高性能化と高耐久化を急務の課題とする、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、本発明の圧粉磁心用粉末の製造方法によってできる圧粉磁心用粉末と、これによってできる圧粉磁心によれば、製造効率の向上によって製造コストを廉価にでき、強度や磁気特性に優れた圧粉磁心を提供することができる。

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は本発明の製造方法によってできる圧粉磁心用粉末の模式図であり、図２は図１の圧粉磁心用粉末を加圧成形してなる圧粉磁心を拡大した模式図である。

図１で示す圧粉磁心用粉末１０は、軟磁性金属粉末として（純）鉄粉１を使用し、その外表面に硬質の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ーン樹脂皮膜３が絶縁皮膜として鉄粉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層の絶縁皮膜層が形成されたものである。

この圧粉磁心用粉末１０の製造方法を以下で概説する。

まず、エタノールまたはイソプロパノールを溶媒として水槽内に収容し、この中に鉄粉（純鉄ガスアトマイズ粉）と、予め生成された粉砕粉であるシリカの微粉末と、シリコーン樹脂の粉末を投入し、所定時間攪拌し、その後に不要な溶媒を蒸発させることにより、図１で示す圧粉磁心用粉末１０の粉末群を生成することができる。

上記する液相法による本発明の製造方法によれば、図１で示す構造の圧粉磁心用粉末を効率的に製造することができる。特に、予め生成された硬質なシリカ微粉末２を使用することにより、この圧粉磁心用粉末を使用してなる圧粉磁心は、以下で示すような様々な作用効果を奏することができる。

生成された圧粉磁心用粉末１０，…を、所定形状のキャビティ（電動機のステータコアやロータコア、リアクトルのリアクトルコアなどの形状を有するキャビティ）を有する不図示の成形型に充填して加圧成形し、最後に加工歪除去のための焼鈍処理をおこなうことにより、所定形状の圧粉磁心を製造することができる。

成形された圧粉磁心の拡大図を図２に示している。

加圧成形時に圧粉磁心用粉末１０，…に作用する圧力により、鉄粉１内には、その表面に固着していた該鉄粉１よりも硬質なシリカ微粉末２が埋め込まれた姿勢で、隣接する鉄粉１，１間に離間が形成され、この離間にシリコーン樹脂皮膜３が形成される。

図示す鉄粉１，…内にシリカ微粉末２の一部が埋め込まれ、このシリカ微粉末２によって鉄粉１，…同士が繋がれた構造を呈していることにより、以下の効果が奏される。

まず、硬質なシリカ微粉末２が鉄粉１，１同士を強固に繋ぐことにより、加圧成形後の応力解放によっても圧粉磁心にスプリングバックが生じ難くなる結果、このスプリングバックによって密度が低下していた従来の圧粉磁心に比して高密度な圧粉磁心を製造することができる。

この圧粉磁心の高密度化と、シリカ微粉末２が鉄粉１内に埋め込まれることによる楔効果とにより、圧粉磁心の強度（たとえば圧環強度）を高めることに繋がり、さらには、その高磁束密度化にも繋がる。

また、シリカ微粉末２が鉄粉１，１同士をある離間を持って繋ぐことにより、仮に鉄粉１，１間にシリコーン樹脂皮膜が十分に形成されなかった場合でも、離間のエアギャップによって鉄粉１，１間の絶縁性が確保される。このことは、圧粉磁心を構成する圧粉磁心用粉末の高比抵抗化にも繋がり、高周波鉄損の少ない圧粉磁心を製造することができる。

[図２で示す圧粉磁心（実施例）と、鉄粉表面にシリコーン樹脂皮膜が形成された（シリカ微粉末が存在しない）圧粉磁心用粉末を使用してなる圧粉磁心（比較例）との、密度、強度、磁気特性に関する実験とその結果]
本発明者等は、図２で示す圧粉磁心（実施例）と、鉄粉表面にシリコーン樹脂皮膜のみが形成された（すなわち、シリカ微粉末が存在しない）圧粉磁心用粉末を使用してなる圧粉磁心（比較例）とを試作し、双方の密度、強度、磁気特性（磁束密度、比抵抗）を計測した。なお、テストピースは円環状の圧粉磁心を用意し、強度に関しては、この円環状の径方向に押圧してクラックが形成された際の圧環強度を計測した。

まず、密度に関し、実施例は比較例に対して１．５％向上した。これは、上記するように、シリカ微粉末によるスプリングバック抑制効果に起因するものである。

また、強度に関し、実施例は比較例に対して３倍の強度を有する結果となった。これは、上記するように、密度向上に加えて、シリカ微粉末による楔効果によるものと結論付けることができる。

さらに、磁気特性に関し、実施例は比較例に対して比抵抗は９倍、磁束密度は２０％増の結果となった。これは、シリカ微粉末による絶縁性能の向上と、上記する密度向上によるものであると結論付けることができる。

上記するように、本発明による製造方法によって圧粉磁心用粉末を製造することにより、製造効率の向上によって製造コストを廉価にすることができる。したがって、この圧粉磁心用粉末を用いてできる圧粉磁心を、近時その生産が盛んな電気自動車やハイブリッド車等に車載される駆動用モータやリアクトルなどのコア材として適用することにより、生産コストの低減に繋がる。

さらに、本発明の製造方法によってできる圧粉磁心用粉末を加圧成形してなる圧粉磁心は、それ自体の強度も高く、磁気特性に優れていることより、その車載機器に一層の高性能性と高耐久性を要求する上記電気自動車やハイブリッド車等に車載される駆動用モータやリアクトルなどのコア材に性能面からしても好適である。

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。

本発明の製造方法によってできる圧粉磁心用粉末の模式図である。 図１の圧粉磁心用粉末を加圧成形してなる圧粉磁心を拡大した模式図である。 従来の圧粉磁心用粉末の一実施の形態の模式図であり、（ａ）は圧粉磁心用粉末を示しており、（ｂ）はこれを加圧成形してなる圧粉磁心を拡大した図である。 従来の圧粉磁心用粉末の他の実施の形態の模式図であり、（ａ）は圧粉磁心用粉末を示しており、（ｂ）はこれを加圧成形してなる圧粉磁心を拡大した図である。

符号の説明

１…鉄粉（軟磁性金属粉末）、２…シリカ微粉末（硬質微粉末）、３…シリコーン樹脂皮膜（絶縁皮膜）、１０…圧粉磁心用粉末

Claims (6)

1. 軟磁性金属粉末と、該軟磁性金属粉末よりも硬質な微粉末と、相対的に軟質な絶縁皮膜物質とを溶液中で混ぜ合わせることにより、軟磁性金属粉末表面に硬質な微粉末を分散固着させ、同時に、軟磁性金属粉末表面に絶縁皮膜を形成する、圧粉磁心用粉末の製造方法。
2. 前記軟磁性金属粉末が純鉄または鉄合金からなり、前記微粉末がシリカ、窒化アルミ、アルミナのいずれか一種からなり、前記絶縁皮膜物質がシリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、リン酸系樹脂、アルコキシドのいずれか一種からなる、請求項１に記載の圧粉磁心用粉末の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の製造方法によって製造される圧粉磁心用粉末。
4. 請求項３に記載の圧粉磁心用粉末を加圧成形してなる圧粉磁心。
5. 請求項４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モータ。
6. 請求項４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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