JP2010010501A

JP2010010501A - 配向圧粉磁心

Info

Publication number: JP2010010501A
Application number: JP2008169765A
Authority: JP
Inventors: Takao Imagawa; 尊雄今川; Yuichi Sato; 祐一佐通; Matahiro Komuro; 又洋小室; Hiroyuki Suzuki; 啓幸鈴木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-06-30
Also published as: JP5130131B2

Abstract

【課題】
本発明は、磁束密度が高く、鉄損の少ない圧粉磁心の圧粉成形体を安価に提供することを目的とする。
【解決手段】
鉄又は鉄を主成分とする合金の粉末であって、粉末の表面に絶縁層を形成したものを圧縮して成形した圧粉磁心において、圧粉磁心の磁路方向と垂直に粉体を圧縮し、圧縮方向と磁路方向とを含む断面の第１のアスペクト比の平均値が、圧縮方向に垂直な断面の第２のアスペクト比の平均値より大きいことを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、鉄元素を含んだ磁性粉を圧縮成形することにより製造される圧分磁心に係り、特に回転電機，リアクトルなどの電機部品に用いるに好適な圧粉磁心に関する。

近年、環境問題の観点から、電気自動車が注目されている。このような電気自動車動力源として回転電機（モータ）を、また、インバータ回路出力には平滑トランス（リアクトル）を備えており、これら部品の効率向上が求められている。これに用いる磁心は低鉄損でかつ高磁束密度であることは勿論のこと、それらの磁気特性が低周波から高周波の領域においても低下しないことが求められている。

鉄損には磁心の比抵抗と関係の大きい渦電流損と鉄粉の製造の過程およびその後のプロセス履歴から生じる鉄粉内の歪に影響を受けるヒステリシス損とがある。そして、鉄損（Ｗ）は下記（式１）のように渦電流損（Ｗｅ）とヒステリシス損（Ｗｈ）の和で示すことができる。（式１）中、ｆは周波数、Ｂｍは励磁磁束密度、ρは比抵抗、ｔは材料の厚さ、ｋ₁とｋ₂は係数である。

Ｗ＝Ｗｅ＋Ｗｈ＝（ｋ₁Ｂｍ²ｔ²／ρ）ｆ²＋ｋ₂Ｂｍ^1.6ｆ・・・・（式１）
（式１）から、渦電流損（Ｗｅ）は周波数ｆの二乗に比例して大きくなるので、特に、高周波での磁気特性を低下させないためには、その渦電流損（Ｗｅ）の抑制が不可欠である。圧粉磁心の渦電流の発生を抑えるためには、用いる磁粉のサイズを最適化し、かつ、磁粉一つ一つの表面に絶縁膜を形成させ、その磁粉を用い圧縮成形した圧粉磁心を用いる必要がある。

このような圧粉磁心において、絶縁が不十分であると比抵抗ρが低下して、渦電流損（Ｗｅ）が大きくなる。一方、絶縁性を高めるために絶縁被膜を厚くすると、磁心中の軟磁性粉の占める容積の割合が低下し、磁束密度が低下する。また、磁束密度を向上させるために、軟磁性粉の圧縮成形を高圧で行って、軟磁性粉の密度を増加させると、成形時の軟磁性粉の歪が避けられず、ヒステリシス損（Ｗｈ）が大きくなるため、結果として鉄損（Ｗ）の抑制は難しい。特に、低周波領域においては渦電流損（Ｗｅ）が小さいため、鉄損（Ｗ）中のヒステリシス損（Ｗｈ）の影響が大きくなる。

このような課題に対しこれまで鉄または鉄を主成分とする合金粉末（以降鉄粉とする）の表面に絶縁コートを施すことで、粒子間の絶縁を確保し、磁心全体の比抵抗を増加させることでマクロな渦電流損失を低下させる手法が提示されてきた。また、ヒステリシス損失低減には鉄粉粒径を大きくし、粒表面の酸化等磁気的劣化要因を見かけ希薄化することが有効であることも知られている。しかし、圧粉磁心渦損失には上記だけでなく、鉄粉粒子自体が低比抵抗で高透磁率であるため、鉄粉粒内に発生するいわゆる粒内渦電流による損失も考慮する必要がある。このため、鉄粉粒径が大きくなると、粒内損失が増加し、結果渦電流損失が増加することが非特許文献１に開示されている。即ち、ヒステリシス損失低下には粒径大が、粒内渦電流損失低下には粒径の上限があり、バランスするところが１５０マイクロメートルであるということである。

渦電流損失の発生はたとえば図１に示すように、磁心磁路に垂直方向に円状渦電流が流れる。ある半径ｒの作る円電流は、それより内側の磁化反転を抑える。電流密度はｒが大きいほど大きくなり、また高周波ほど強くなるので高周波になると外側しか動作しなくなる（スキンデプス）。スキンデプスが鉄粉粒径より小さくなると鉄粉内部が動作しなくなるので所要励磁磁界が増大し結果損失が増大していく。同様の理由で電磁鋼板積層磁心では渦電流損失を低下させるため、板材厚さを使用周波数に応じ薄板としてこれを重ねて使用する。これを圧粉磁心にも適用できれば大径粒でも低渦電流損失とできる可能性がある。すなわち、扁平粒を用い、これを磁路に平行に配置すれば、粒内渦電流損失を低下させることができる。

特許文献２では、扁平粒を適用した圧粉磁心として、アスペクト比が２程度の比較的等方に近い形状を用いたものが開示されている。

特開２００５−７９５３０号公報２００７年粉体協春季大会概要

扁平鉄粉はその形状異方性のため、粒の長い面内方向に磁化が向きやすい性質がある。そこで、これまで扁平鉄粉利用はプレスに伴いプレス面内（プレス方向に垂直面）に粒の平面が並ぶ自然配列により磁化の立ち上がりを改善した圧粉磁心が利用されていた。しかしこの場合、扁平粒の３軸のうち、最短方向すなわち厚さ方向がプレス面にならぶのみで長い軸はプレス面方向に垂直にランダムに配向する。圧粉磁心はプレス面に垂直で、磁路方向に励磁して使用するためこの場合、最長軸が磁路方向に配列しない粒が存在して面内方向に性能を十分発揮できない難点がある。

一方、扁平粉を磁場配向させて成形した例も特許文献３に記載されている。この手法は周方向に周期的な交互磁界を印加して扁平粒を配向させモータ回転子に適用したものである。本方法は円形回転子に鉄粉形状異方性に起因するリラクタンストルクを与えるものである。本方法は固定子に対しても同様の磁路に平行な粒子配列が可能である。しかし径方向への磁場勾配が急で、扁平粒子の短辺が圧縮方向に平行に配列する。この場合、固定子のせん断強度が低下し、破壊しやすい難点があった。

本発明は、扁平粉形状を既定すること、および高強度が可能な磁場配向製造方法により作製した、小型高効率の回転機用圧粉磁心を提供することが目的である。

本発明は、鉄又は鉄を主成分とする合金の粉末であって、粉末の表面に絶縁層を形成したものを圧縮して成形した圧粉磁心において、圧粉磁心の磁路方向と垂直に粉体を圧縮し、圧縮方向と磁路方向とを含む断面の鉄粉の第１のアスペクト比の平均値が、圧縮方向に垂直な断面の鉄粉の第２のアスペクト比の平均値より大きいことを特徴とする。

本発明は、高密度で、抵抗値が高く、磁気特性に優れた低価格な圧粉磁心とそれを得るのに適した鉄粉を提供するものである。

本発明の特徴を以下に示す。

本発明は、鉄又は鉄を主成分とする合金の粉末であって、粉末の表面に絶縁層を形成したものを圧縮して成形した圧粉磁心において、圧粉磁心の磁路方向と垂直に粉体を圧縮し、圧縮方向と磁路方向とを含む断面の第１のアスペクト比の平均値が、圧縮方向に垂直な断面の第２のアスペクト比の平均値より大きいことを特徴とする。その際に、第１のアスペクト比は５以上であって、第２のアスペクト比が、２以上１５以下であることが好ましい。

また、絶縁層がフッ化物であることが好ましい。

また、本発明は、鉄又は鉄を主成分とする合金の粉末であって、粉末の表面に絶縁層を形成したものを圧縮して成形した圧粉磁心において、粉末が扁平状粒子であって、扁平状粒子の最大長である方向の長軸長さが、２００μｍ以上５０００μｍ以下であり、長軸及び長軸に垂直である短軸に対して垂直であって、最小長である前記扁平状粒子の厚みが、２０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする。また、扁平状粒子が磁場配向されており、長軸が磁路方向に沿って配向していることが好ましい。また、絶縁層がフッ化物であることを特徴とする。さらに、フッ化物がフッ化マグネシウムであることを特徴とする。また、短軸の長さが長軸の長さよりも小さいことを特徴とする。

さらに、本発明は、鉄又は鉄を主成分とする合金の粉末であって、粉末の表面に絶縁層を形成したものを圧縮して成形した圧粉磁心において、粉末が、扁平状粒子であって、磁場配向されており、扁平状粒子の最大長である方向の長軸が、磁路方向に沿って配向していることを特徴とする。その際に、長軸の長さが、２００μｍ以上５０００μｍ以下であることが好ましい。また、長軸に垂直である短軸の長さが、長軸の長さよりも小さいことが好ましい。

以下、本発明について詳細に説明する。

鉄粉の形状は一般に長辺と短辺の比によるアスペクト比で表される。しかし、特に扁平粉では粒の厚さ方向とそれに垂直方向では比が２倍から１０倍以上まであり、また垂直方向を見てその面内でも２次元的に形状が分布する。このため単一のアスペクト比では表せない。また、厚さが飽和特性に及ぼす影響がおおきく、アスペクト比と別個に既定が必要である。さらに配向磁心においてはこれが磁路方向に向くか否かが飽和特性に影響する。図２に、今回導入したパラメータを示す。粒の幅のうち最も長い方向を長軸とし、長さをａ、それに垂直でもっとも短い方向を厚さとし、長さをｔ、これらに垂直な方向を短辺とし長さをｂと定義する。これは鉄粉粒単体の定義であるが、実際の圧粉磁心では磁心内での配向度が重要であり、特にａとｔの比が大きい鉄粉を配向させて磁心断面の平均鉄粉アスペクト比を粉体本来の値に近づけることが必要である。

初めに、粒内渦電流損の発生しない条件を求める。この条件下で粒形状を定義する。すでに述べたように圧粉磁心では厚さｔが圧縮方向に配列するので、これに垂直な磁路では断面が図３に示すように磁路に垂直に厚さ方向が整列し、このとき渦電流は厚さ方向に垂直すなわち紙面内に流れる。このとき厚さがスキンデプスの２倍より小さければ渦電流に抵抗が生じ粒内渦電流は発生しない。従って、圧粉磁心動作周波数４００Ｈｚでは透磁率１０００、比抵抗１×１０^-7Ω・ｍでは２５０μｍとなる。厚さをこれ以下とすれば粒内渦電流は発生しない。厚さの最低は磁気特性で決まり、鉄結晶粒径程度以下となると特性劣化する。このため４００Ｈｚ動作では最低厚は２０μｍ以上，２５０μｍ以下である。

厚さを上記範囲とし、表面にフッ化物絶縁膜を形成した電解鉄粉を回転磁界中でプレスすることにより、リング状圧粉磁心を作製した。形状は外形２５，内径１５，厚さ４mmとし、１次：２次巻線を１００：４０ターンとした。比較のため、同様に同じ厚さのフッ化物絶縁膜を形成した平均粒径１５０μｍのガスアトマイズ粉を用い、同形状の圧粉磁心を作製し、磁気特性を比較した。図４に直流磁気特性を示す。回転磁界を用いたのは、リング周方向が磁路方向になるためである。

扁平粉を使用した圧粉磁心はガスアトマイズ粉に比べ、磁化の飽和が低い磁界で可能であり、大幅な磁気特性改善が可能となった。１Ｔまでの透磁率はガスアトマイズ粉の１８０に比べ７８０と４倍に改善した。また、１Ｔ４００Ｈｚにおける損失もガスアトマイズ粉が４０Ｗ／kgであったのに対し、扁平粉は５０Ｗ／kgと遜色のない値となった。

この圧粉磁心の断面光学顕微鏡写真を図５に示す。粒選別されていないので厚さにばらつきはあるが、粒はいずれもプレス方向に垂直となり、ほぼ面内に配向している。これより磁化飽和が改善したのは、面内への扁平粉配向と、低損失は厚さ方向が制限されていることによることがわかった。実際の固定子は、磁路方向が放射状となることから、放射磁界印加が必要である。以下、粒形状と磁気特性について本発明の実施例を具体的に説明する。また、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
成形厚が４０から６０μｍの電解鉄粉１kgを開口７００μｍのふるいを通過させた。これにより、少なくとも短辺ｂは７００μｍ以下と規定される。さらに幅２００μｍの樹脂製スリットに、スリット面内で、スリット方向に垂直に直流磁場を２０Ｏｅ印加して鉄粉長辺を磁場方向（スリットに垂直）に向け、振とう後スリットに残留した鉄粉を採取した。これより、長辺ａが２００μｍ以上と規定された鉄粉が７００ｇ得られた。この鉄粉にはａが長さ５mmまで存在することを確認した。これに厚さ１００ｎｍでフッ化マグネシウムコートを行った。厚さｔは電解鉄形成厚の４０〜６０μｍである。これを外形２５，内径１５，厚さ４mmのリング形状にプレス成形した。充填に際し、周方向磁場を４０Ｏｅ印加した。窒素中で６００℃，３０分熱処理後、リング巻線後磁気測定を行い、磁化曲線を測定した。リング試料測定の結果、透磁率は８００，１Ｔ４００Ｈｚの損失は４２Ｗ／kgであった。比較のため、磁場なしで充填した試料の透磁率を測定したところ、透磁率は５００、損失は４５Ｗ／kgとなった。断面の第１及び第２のアスペクト比は実施例が６.０，５.０であるのに対し、比較例が３.５，５.０となりアスペクト比１が大きい実施例１が高透磁率である。

（実施例２）
成形厚が１５０〜２５０μｍの電解鉄粉１kgを開口７００μｍのふるいを通過させた。これにより、少なくとも短辺ｂは７００μｍ以下と規定される。さらに幅１００μｍの樹脂製スリットに、スリット面内で、スリット方向に垂直に直流磁場を２０Ｏｅ印加して鉄粉長辺を磁場方向（スリットに垂直）に向け、振とう後スリットに残留した鉄粉を採取した。これより、長辺ａが１００μｍ以上と規定された鉄粉が７００ｇ得られた。この鉄粉にはａが長さ５mmまで存在することを確認した。これに厚さ１００ｎｍでフッ化マグネシウムコートを行った。厚さｔは電解鉄形成厚の１５０〜２５０μｍである。これを外形２５，内径１５，厚さ４mmのリング形状にプレス成形した。充填に際し、周方向磁場を４０Ｏｅ印加した。窒素中で６００℃，３０分熱処理後、リング巻線後磁気測定を行い、磁化曲線を測定した。リング試料測定の結果、透磁率は６００，１Ｔ４００Ｈｚの損失は６５Ｗ／kgであった。このとき第１及び第２のアスペクト比は５.５，２.５であった。比較のため、スリット幅１００μで振るった鉄粉を無磁界で成形したところ、透磁率が低い結果となった（比較例２から４）。これらのアスペクト比２は２以下であるか、アスペクト比１が５以下であることがわかった。

（実施例３）
成形厚が１０〜４０μｍの電解鉄粉１kgを開口７００μｍのふるいを通過させた。これにより、少なくとも短辺ｂは７００μｍ以下と規定される。さらに幅２００μｍの樹脂製スリットに、スリット面内で、スリット方向に垂直に直流磁場を２０Ｏｅ印加して鉄粉長辺を磁場方向（スリットに垂直）に向け、振とう後スリットに残留した鉄粉を採取した。これより、長辺ａが２００μｍ以上と規定された鉄粉が７００ｇ得られた。この鉄粉にはａが長さ５mmまで存在することを確認した。これに厚さ１００ｎｍでフッ化マグネシウムコートを行った。厚さｔは電解鉄形成厚の１０〜４０μｍである。これを外形２５，内径１５，厚さ４mmのリング形状にプレス成形した。充填に際し、周方向磁場を４０Ｏｅ印加した。窒素中で６００℃，３０分熱処理後、リング巻線後磁気測定を行い、磁化曲線を測定した。リング試料測定の結果、透磁率は１２００，１Ｔ４００Ｈｚの損失は４０Ｗ／kgであった。

以下、実施例及び実施例と同様の方法で行った比較例の結果を表１にまとめた。実施例ではリング周方向に磁界印加して効果を見た。aminはａの最小値である。

上記より、所要灯透磁率５００を超えるのは長辺長さａが２００μｍ以上であり、また磁路方向である周方向磁場を印加すると透磁率が向上することがわかる。

（実施例４）
図６に試作した固定子モデル試料概略を示す。実施例１で用いた成形厚さ４０〜６０μｍの電解鉄粉と、ふるい選別したものに、フッ化マグネシウム１００ｎｍコートして原料粉とし、図のように放射磁界を与えて型に充填した。試料外形は１２０mmで型は非磁性超硬を用いた。放射磁界は上下コイルに突きあわせ磁界を印加したカスプ磁界とし、１２０mm位置で２００Ｏｅを印加している。フッ化物コートの特徴として、原料粉には潤滑剤は用いていない。成形圧１０ｔ／cm²，成形仕上がり厚５mmとした。試料は成形後６００℃，３０分窒素中で熱処理した。

比較のため（比較例５）、同じ原料粉を用い、固定子に周期磁界最大強度５ｋＯｅを印加して成形して固定子試料を形成し、７（プレス面）×５（厚さ）×２０mmに切り出した試験片のプレス面抗折強度を比較した。その結果、周期磁界形成品が１８ＭＰａであったのに対し、放射磁界形成試料は９０ＭＰａと大幅な差があった。

同一試料から断面試料を切り出し観察した。図のように断面１と断面２を観察したところ、実施例４の断面１では平均の第１のアスペクト比が２１、断面２では第２のアスペクト比が４.２となり、比較例５では同じ部分が第１のアスペクト比で３.３、第２のアスペクト比で１０.５となり、実施例が高強度であることから上記抗折強度の差は扁平粉に曲げを与えるか、扁平粉同士のせん断を与えるかの差であることがわかった。

（実施例５）
成形厚さ１５０〜２５０μｍの電解鉄粉にフッ化マグネシウムを１００ｎｍコートし、放射磁界を強度２００Ｏｅで印加して充填、成形圧１０ｔ／cm²，仕上がり厚さ５mmで成形後、６００℃で３０分熱処理した。このプレス面抗折強度は７０ＭＰａであった。比較のため、同じ鉄粉に周期磁界最大強度５ｋＯｅを印加して成形し同様の熱処理を行った固定子を作製、強度を比較した（比較例６）。この強度は３３ＭＰａと低い結果となった。それぞれの断面を比較すると第１及び第２のアスペクト比は実施例５がそれぞれ１５と５.５、比較例６が８.１と１１であった。

（実施例６）
さらに成形厚１０〜４０μｍの電解鉄にフッ化マグネシウムを１００ｎｍコートし、放射磁界を強度２００Ｏｅで印加して充填、成形圧１０ｔ／cm²，仕上がり圧さ５mmで成形後、６００℃で３０分熱処理した。成形後、６００℃，３０分の熱処理を行った後の抗折強度は１０３ＭＰａとなった。

これらをまとめると表２のようになる。

これより第２のアスペクト比が第１のアスペクト比より大きいことが必要であり、周期磁場より放射磁場形成が高強度であることがわかる。また第２のアスペクト比は平均で１５を越すような磁心は成形できず、得られなかった。

一般的な圧粉磁心の渦電流の扱い。本発明の扁平粉の形状定義。扁平粉を配向させた場合の粒内渦電流の扱い。本発明の扁平粉成形体とガスアトマイズ粉成形体の磁気特性比較。扁平粉リング試料の断面観察写真。本発明の固定子試料と印加磁界方向及び断面試料採取位置。

符号の説明

１球形鉄粉
２，４圧粉磁心
３扁平鉄粒
５固定子
６断面１
７断面２
８放射磁界

Claims

鉄又は鉄を主成分とする合金の粉末であって、前記粉末の表面に絶縁層を形成したものを圧縮して成形した圧粉磁心において、
前記圧粉磁心の磁路方向と垂直に粉体を圧縮し、圧縮方向と磁路方向とを含む断面の鉄粉の第１のアスペクト比の平均値が、圧縮方向に垂直な断面の鉄粉の第２のアスペクト比の平均値より大きいことを特徴とする圧粉磁心。
前記第１のアスペクト比平均値は５以上であって、前記第２のアスペクト比平均値が、２以上１５以下であることを特徴とする請求項１に記載の圧粉磁心。
前記絶縁層がフッ化物であることを特徴とする請求項１に記載の圧粉磁心。
鉄又は鉄を主成分とする合金の粉末であって、前記粉末の表面に絶縁層を形成したものを圧縮して成形した圧粉磁心において、
前記粉末が、扁平状粒子であって、
前記扁平状粒子の最大長である方向の長軸長さが、２００μｍ以上５０００μｍ以下であり、前記長軸及び長軸に垂直である短軸に対して垂直であって、最小長である前記扁平状粒子の厚みが、２０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする圧粉磁心。
前記扁平状粒子が、磁場配向されており、
前記長軸が、磁路方向沿って配向していることを特徴とする請求項４に記載の圧粉磁心。
前記絶縁層が、フッ化物であることを特徴とする請求項４に記載の圧粉磁心。
前記フッ化物が、フッ化マグネシウムであることを特徴とする請求項６に記載の圧粉磁心。
前記短軸の長さが、前記長軸の長さよりも小さいことを特徴とする請求項４に記載の圧粉磁心。
鉄又は鉄を主成分とする合金の粉末であって、前記粉末の表面に絶縁層を形成したものを圧縮して成形した圧粉磁心において、
前記粉末が、扁平状粒子であって、磁場配向されており、
前記扁平状粒子の最大長である方向の長軸が、磁路方向に沿って配向していることを特徴とする圧粉磁心。
前記長軸の長さが、２００μｍ以上５０００μｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の圧粉磁心。
前記長軸に垂直である短軸の長さが、前記長軸の長さよりも小さいことを特徴とする請求項９に記載の圧粉磁心。