JP2633891B2

JP2633891B2 - 圧粉磁心

Info

Publication number: JP2633891B2
Application number: JP63050503A
Authority: JP
Inventors: 政幸石川; 禎田口; 恭彦土橋
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 1988-03-03
Filing date: 1988-03-03
Publication date: 1997-07-23
Anticipated expiration: 2012-07-23
Also published as: JPH01223704A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、モータやトランス等の電気機器の磁心や、
コア付スロットレスモータの基板、防振材、スピーカの
ポールピース等に使用可能成な圧粉磁心に関する。

（従来の技術）従来より、鉄や鉄合金若しくはフェライト等の強磁性
粉をエポキシ樹脂等のバインダー樹脂を用いて結合させ
所定形状に成形した圧粉磁心が良く知られている（例え
ば、特公昭47−22514号、特公昭50−14207号、特開昭49
−4197号等）。

この種の圧粉磁心は、通常、鉄や鉄合金若しくはフェ
ライト等の強磁性粉と、エポキシ樹脂等のバインダー樹
脂とを混合した後、金型内に充填し圧縮成形して形成さ
れるか、若しくは、強磁性粉にエポキシ樹脂等のバイン
ダー樹脂を被覆した後、金型内に充填し圧縮成形して形
成されている。

ところで、この種の圧粉磁心では、その磁気特性は成
形体中における強磁性粉の密度に依存し、強磁性粉とバ
インダー樹脂との配合比が磁気特性を大きく左右する。
このため、従来技術では、強磁性粉とバインダー樹脂と
を混合し圧縮成形して形成される圧粉磁心について、そ
の組成物の含有比率（配合比）を、成形体中に占めるバ
インダー樹脂及び強磁性粉の体積％若しくは重量％とし
て規定していた。

（発明が解決しようとする課題）ところで、成形後の圧粉磁心内のバインダー樹脂間に
は、通常、バインダー樹脂の溶媒等が揮発した後の空隙
が形成されるが、成形体中における、この空隙率の高低
によって、成形体全体の密度が変化し、成形体中の強磁
性粉密度が変わってしまうことがある。このため、空隙
率の高低によって圧粉磁心の磁気特性が当初の予定より
変化してしまい問題となる。しかるに、従来技術による
圧粉磁心では、空隙率に対する配慮がなされておらず、
配合比がバインダー樹脂と強磁性粉の成形体中における
含有率のみで規定されているため、バインダー樹脂量及
び強磁性粉量が一定であったとしても成形時の圧力等の
違いにより空隙率が変化してしまい圧粉磁心の磁気特性
に大きな影響を及ぼすことがあり問題となる。

例えば、バインダー樹脂の体積％を30vol％（体積
％）とし、成形圧力を変えて圧粉磁心を形成した場合
に、成形圧によって表１に示すように空隙率が変化して
しまい、結果として、成形体中における強磁性粉密度が
変化し、磁気特性が変化してしまう。

したがって、従来技術のように、バインダー樹脂と強
磁性粉との配合比にのみ着目して製造された圧粉磁心で
は、同配合比で形成された圧粉磁心でも空隙率の違いに
より磁気特性にばらつきが生じ、製品としての信頼性が
乏しくなるという欠点を有する。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、圧
粉磁心の成形体中における強磁性粉、バインダー樹脂、
及び空隙の占有率を規定することにより、圧粉磁心の磁
気特性を明確化し、目的にかなった磁気特性を有する圧
粉磁心を常に安定して提供することを目的とする。

（課題の解決するための手段）上記目的を達成するため、本発明では、強磁性粉をバ
インダー樹脂を用いて結合させ成形した圧粉磁心におい
て、成形体中における上記バインダー樹脂の占めるバイ
ンダー樹脂体積率（体積％）と、該バインダー樹脂間に
形成される空隙の占める空隙体積率（体積％）との和
が、７体積％以上で且つ50体積％以下となるように成形
されたことを特徴とする。

また、上記圧粉磁心において、成形体中のバインダー
樹脂間に形成される空隙に樹脂含浸を施したことを特徴
とする。

（作用）本発明では、成形体中における上記バインダー樹脂の
占めるバインダー樹脂体積率（体積％）と、該バインダ
ー樹脂間に形成される空隙の占める空隙体積率（体積
％）との和を、７体積％以上で且つ50体積％以下となる
ように規定したことにより、全体積（強磁性粉＋バイン
ダー樹脂＋空隙）に占める強磁性粉の割合（密度）が明
確化され、目的にかなった磁気特性を得ることが可能と
なる。

（実施例）以下、本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明す
る。

本発明では、強磁性粉をバインダー樹脂を用いて結合
させ成形した圧粉磁心において、成形体中における組成
物の含有比率を、強磁性粉とバインダー樹脂のみならず
バインダー樹脂間に形成される空隙をも考慮して、第２
図に示す如く規定する。

即ち、本発明では、圧粉磁心成形体中の組成比率を、
強磁性粉ａ（vol％），バインダー樹脂ｂ（vol％），空
隙ｃ（vol％）とした時、ａ＋ｂ＋ｃ＝100（vol％）と考え、空隙率ｃ（vol％）をも考慮して圧粉磁心を形
成する。

第１図に圧粉磁心の製造工程の一例を示す。

尚、同図においては、強磁性粉として粒径500μｍ以
下の還元鉄粉、バインダー樹脂としてエポキシ樹脂を用
いた例を示し、配合比は、カップリング剤を含めてエポ
キシ樹脂を３重量％とし、残部を還元鉄粉とする。

所定の配合比で秤量された還元鉄粉とエポキシ樹脂
（カップリング剤含む）は、撹拌器内で約１時間混合・
撹拌され（S2）、その後、金型内に充填され、所定の圧
力（例えば2.6トン/cm²）で圧縮成形される（S3）。圧
縮成形後、成形体は150℃の温度下で１時間加熱硬化さ
れた後（S4）、自然冷却され、圧粉磁心が形成される
（S5）。

さて、このようにして製作された圧粉磁心について、
バインダー樹脂量と成形圧力と空隙率の関係を調査する
と、第３図に示す結果が得られた。同図より明らかなよ
うに、バインダー樹脂（エポキシ樹脂＋カップリング
剤）の量を一定としても、成形圧力により空隙率が異な
ることは明らかである。

ところで、磁気的性質についてみると、バインダー樹
脂と空隙とは共に非磁性であるから、成形体中における
バインダー樹脂と空隙との和が占める割合が非磁性部分
の割合と考えられる。そこで、バインダー樹脂量と空隙
率との和を１つの非磁性要因の占める割合とし、この成
形体中におけるバインダー樹脂と空隙率が占める割合
（体積％）を種々変えて圧粉磁心を形成し、磁気特性を
測定したところ、第４図に示すようになった。

尚、第４図に示す磁気特性は、本願出願人が先に提出
した特願昭62−245385号「電磁駆動装置」に記載された
リニアモータの内ヨークとして圧粉磁心を適用した時の
モータ特性を持って、磁気特性の代用とした。

ここで、測定に適用されたリニアモータは第６図に示
すごとく構成されており、図中符号１は駆動コイル、符
号２は圧粉磁心からなるヨーク、符号３は外ヨーク、符
号４は永久磁石を夫々示しており、ホビンに巻かれた駆
動コイル１が内ヨーク２を囲繞してその軸方向に移動自
在に設けられ、内ヨーク２の両端部が外ヨーク３に結合
されて閉磁路が形成されている。そして、永久磁石４が
外ヨーク３の内面に固定されて駆動コイル２の外周面と
対向し、駆動コイル１は通電されることによって内ヨー
ク２に沿って移動する。

さて、磁気特性の測定に当って、第４図に示す磁気ギ
ャップ磁束密度は、第６図中の内ヨーク２と永久磁石４
間での磁気ギャップｄにおける磁束密度を示し、永久磁
石４には、残留磁束密度Br 2600［Ｇ］，保持力Hc 2450
［Oe］、寸法L58.5mm×W19mm×Xt6mmのものを使用し
た。また、内ヨーク２の寸法はL75mm×W19mm×t6.4mmと
し、磁気ギャップｄは2.54mmとした。

また、駆動コイル１の伝達特性として、カットオフ周
波数fc、 fc＝［（Rc＋Rs）・ｌ］／（２πμSN²）の測定を行なった。

ここで、上記カットオフ周波数について、第７図を参
照して簡単に説明する。

先ず、駆動コイルの伝達特性について考案する。

駆動コイルの直流抵抗をRc、自己インダクタンスＬと
すると、駆動コイルのインピーダンスZcはであるので、第７図（ａ），（ｂ）に示すように、ドラ
イブ電圧Vin（Ｓ）と電流検出抵抗Rs部の出力電圧Vout
（Ｓ）の伝達関数は、となり、またRc≫Rsよりゲインは、また、カットオフ周波数fcは、 fc＝（Rc＋Rs）/2πＬ［Hz］ …（３）となる。

ここで、第７図（ｄ）のように、コイルが空心のよう
な理想的状態にあれば、ＬとRcは常数として考えられ、
伝達特性は、（１）式の示すＬの１次遅れ（位相回り90
゜）となる。

しかしながら、駆動コイルの空心部には、第６図に示
したように、磁気回路の内ヨーク２が磁心として入って
いるので、実際の等価回路は第７図（ｃ）のようにな
り、0.85次（78゜）とか0.6次（54゜）となってしま
う。すなわち、コイルの伝達特性が理想系とならないの
は、コイル内に内ヨークが磁心として入っているためで
ある。

そこで、第７図（ｅ）に示すように、コイル内に断面
積S,透磁率μの磁心が入っている場合を考察すると、コ
イルの巻巾l,巻数Ｎ、そして通電電流Ｉとして、コイル
の自己インダクタンスＬは、となる。

ここで、カットオフ周波数fcに注目して考えると、
（４）式を上記（３）式に代入して、 fc＝｛（Rc＋Rs）・ｌ｝／（２πμSN²） …（５）となる。すなわち、カットオフ周波数fcは、コイルの直
流抵抗＋電流検出抵抗（Rc＋Rs）とコイルの巻巾ｌに比
例し、ヨークの透磁率μ、断面積Ｓ、コイルの巻数Ｎの
２乗に反比例する。

ここで、（Rc＋Rs）,l,Sは第６図に示すリニアモータ
の仕様（電源、体格、推力特性等）で決定されるもの
で、設計上の自由度が少ないため固定して考えられる。
また、巻数Ｎについても固定して考える。したがってカ
ットオフ周波数fcはヨークの透磁率μの設計で決定され
る。尚、μを小さくするとカットオフ周波数fcが大きく
なり、S/N比が向上される。

さて、以上説明したように、カットオフ周波数fcはヨ
ーク（磁心）の透磁率μによって変化する。そこで、カ
ットオフ周波数fcの測定によって、ヨークの磁気特性の
代用とする。

尚、カットオフ周波数fcの測定に当っては、駆動コイ
ルの巻数Ｎを640ターン、巻巾ｌ＝0.022m、Rc＋Rs＝33.
6Ω（Rc…コイルの直流抵抗,Rs…電流検出抵抗）、Ｓ＝
0.0064×0.019＝1.2×10^-4m（内ヨーク断面積）とし
た。

さて、第６図に示した構成からなるリニアモータの内
ヨークを圧粉磁心で形成した場合、先に述べたように、
圧粉磁心２のバインダー樹脂と空隙の和と、カットオフ
周波数及び磁気ギャップ磁束密度との関係は第４図に示
すようになる。

第４図から明らかなように、ギャップ磁束密度は、圧
粉磁心（内ヨーク）中におけるバインダー樹脂と空隙と
の和の割合が30vol％当りから急速に減少し、50vol％を
超えると半分以下の0.5kG以下となってしまい実質的に
使用不可となる。しまう。したがって、モータの磁心と
しての機能を果たすためには圧粉磁心（内ヨーク）にお
けるバインダー樹脂と空隙との和の割合は50vol％以下
である必要がある。

次にカットオフ周波数について見ると、圧粉磁心（内
ヨーク）中におけるバインダー樹脂と空隙との和の割合
が7vol％以下では周波数特性が悪化してしまい、実質的
に使用不可能となる。

従って、本発明においては、圧粉磁心の成形体中にお
けるバインダー樹脂の占めるバインダー樹脂体積率と、
そのバインダー樹脂間に形成される空隙の占める空隙体
積率との和が、7vol％以上で且つ50vol％以下となるよ
うに圧粉磁心を成形する。

ところで、本発明による圧粉磁心において使用される
強磁性粉としては、鉄、鉄合金及びフェライト等が使用
されるが、これら強磁性粉には、粒径が500μｍ以下の
ものを使用する。これは、粒径が500μｍ以上になる
と、渦電流が発生しやすくなり、周波数特性が悪化する
からであり、また、、モータの磁心として使用した際
に、万一磁粉が脱落した場合に、粒径が大きいと、機器
の可動部に磁粉がかみ込んでロックの原因となるこがあ
るからである。

また、圧粉磁心の成形体中におけるバインダー樹脂の
占めるバインダー樹脂体積率と、そのバインダー樹脂間
に形成される空隙の占める空隙体積率との和が、7vol％
以上で且つ50vol％以下と規定したが、バインダー樹脂
量が2vol％以下では、磁粉間の絶縁性が悪くなり、周波
数特性が悪化するため、バインダー樹脂量は2vol％以上
とする。また、バインダー樹脂量が30vol％でも使用可
能であるが、望ましくは30vol％以下に規定した方がギ
ャップ磁束密度の低下を抑えられる。

さらにまた、空隙率の成形体に占める割合は、30vol
％以上だと、成形体強度が不足するため、30vol％以下
にする。尚、通常の圧縮成形（熱間等方性プレス（HI
P），冷間等方性プレス（CIP））による成形方法では、
空隙率は５％以下のものは作れない。

従って、本発明による圧粉磁心においては、バインダ
ー樹脂の成形体に占める割合が２〜30vol％の範囲内に
あり、空隙の成形体に占める割合が５〜30vol％の範囲
内にあり、且つ、成形体中におけるバインダー樹脂の占
めるバインダー樹脂体積率と、そのバインダー樹脂間に
形成される空隙の占める空隙体積率との和が、7vol％以
上で且つ50vol％以下となるように規定する。

このように、本発明においては、圧粉磁心の成形体を
構成する非磁性要素（バインダー樹脂及び空隙）と磁性
要素（強磁性粉）の比率を明確化したので、使用上必要
な磁気特性を持った圧粉磁心を意図的に製作することが
できる。

また、非磁性要素のバインダー樹脂と空隙率の組合せ
を選択することにより磁気特性を自由に設定することも
可能となる。

ところで、本発明による圧粉磁心において、成形体中
の空隙率が上限値（30vol％）側にある場合には、成形
体強度が低下するという問題が生じる。

そこで、本発明では、圧縮成形後の成形体中のバイン
ダー樹脂間に形成される空隙に樹脂含浸を施し、成形体
の強度を大きくする。

ここで、上記含浸用の樹脂としては、例えば、液状エ
ポキシ樹脂が使用され、その作成方法としては、・エポキシ樹脂（エピコート828）100phr, ・硬化剤（エピキュアＴ）20phr, ・希釈剤（アセトン，トルエン等の溶剤）を適量，混合して作成する。

第５図は上記成形体への樹脂含浸を含めた圧粉磁心の
製造工程の一例を示し、同図においては、バインダー樹
脂としてエポキシ樹脂、強磁性粉として粒径500μｍの
還元鉄粉をを用いた例を示す。尚、配合比はエポキシ樹
脂（カップリング剤を含む）３重量％、還元鉄粉を97重
量％とした。

第５図において、所定の配合比で秤量された還元鉄粉
とエポキシ樹脂（カップリング剤を含む）は、撹拌機内
で約１時間撹拌・混合され（S2）、混合後、金型内に充
填され所定の圧縮圧（例えば、２トン/cm²）で圧縮成形
される（S3）。圧縮成形後、成形体は真空容器内で５×
10^-2Torrの真空度の下でガス抜きされた後、その真空容
器内に充填された粘度8000cps（センチポイズ）のエポ
キシ樹脂溶液中に10分間浸漬され、成形体の空隙内にエ
ポキシ樹脂が含浸される（S4）。エポキシ樹脂含浸後の
成形体は真空容器内から取り出された後、150℃の温度
で約１時間加熱処理され硬化され（S5）、圧粉磁心が形
成される（S6）。

さて、このようにして形成された本発明による圧粉磁
心と、上記エポキシ樹脂溶液中に常温，常圧のもと30分
間浸漬されて形成された圧粉磁心と、含浸処理を全く施
さない圧粉磁心との強度を第８図に示す抗折試験法（３
点曲げ試験）を用いて測定したところ、次の結果が得ら
れた。

尚、第８図において、圧粉磁心の試験片２としては、
全長ａ＝75mm。巾ｂ＝19mm,厚さｈ≒6.5mmのものを使用
し、また、支点６の直径5mm、支点６間距離はＬ＝54mm
とした。

また、破壊荷重をＦ（kg）とすると、曲げ破壊強度
（抗折強度）σは σ＝3FL/2bh （kg/mm²）より求められる。

さて、上記試験結果から明らかなように、抗折強度σ
は真空含浸処理品が最も強く、JIS K 7203プラスチック
にほぼ準ずる強度が得られた。

このように、本発明による圧粉磁心では、成形体の形
成後に真空含浸処理が施されるため、成形体中の空隙が
減少し、成形体強度が大きくなる。尚、真空含浸処理で
は、成形体中の全空隙の約90％に含浸樹脂が行き渡る
が、単に浸漬処理しただけのものでは、全空隙の約30％
程度にしか樹脂が含浸されないため、上記結果に示す如
く、抗折強度が真空含浸処理品と比べて弱くなる。

ここで、成形体への真空含浸に使用される含浸樹脂と
しては、上記エポキシ樹脂の他、アクリル樹脂、フェノ
ール樹脂等の熱硬化性樹脂が使用できる。

以上、説明したように、本発明による圧粉磁心では、
成形体中の空隙に樹脂を真空含浸したことにより、バイ
ンダー樹脂と含浸樹脂とを強固に結合することができ、
圧粉磁心の抗折強度を大幅に向上することができる。

また、本発明による圧粉磁心では樹脂含浸が施されて
いるため、モータの巻線コアとして使用する場合に、巻
線との絶縁性が保たれ、インシュレータや絶縁塗装等を
廃止することができる。

尚、本発明による圧粉磁心は、上記モータのコアの
他、コア付スロットレスモータの基板（その上に回路を
形成することも可）、ロータリートランスのコア（先端
に高透磁率材を蒸着する）、防振材、磁気遮蔽材として
の応用（CDプレーヤのシャーシ等）、スピーカのポール
ピースなど、種々の電気機器に使用可能である。

（発明の効果）以上実施例に基づいて説明したように、本発明による
圧粉磁心においては、予め、成形体中におけるバインダ
ー樹脂の占めるバインダー樹脂体積率と、そのバインダ
ー樹脂間に形成される空隙の占める空隙体積率との和が
7vol％以上で且つ50vol％以下となるように規定し、圧
粉磁心の成形体を構成する非磁性要素（バインダー樹脂
及び空隙）と磁性要素（強磁性粉）の比率を明確化した
ので、使用上必要な磁気特性を持った圧粉磁心を意図的
に製作することができる。

さらにまた、成形体中の空隙に樹脂を真空含浸したこ
とにより、バインダー樹脂と含浸樹脂とを強固に結合す
ることができ、圧粉磁心の抗折強度を磁気特性を変える
ことなく大幅に向上することができ、且つ、電気絶縁性
をも大幅に向上することができる。

したがって、本発明によれば、所望の磁気特性を有
し、且つ、強度特性、絶縁性をも大幅に向上された圧粉
磁心を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による圧粉磁心の製造工程の一例を示す
工程図、第２図は本発明による圧粉磁心の組成比率を示
す図、第３図は本発明による圧粉磁心の成形時における
圧縮圧力を一定とした時のバインダー樹脂量と空隙率と
の関係を示すグラフ、第４図は本発明による圧粉磁心の
バインダー樹脂量＋空隙率と磁気特性との関係を示すグ
ラフ、第５図は本発明による圧粉磁心の別の製造工程の
一例を示す工程図、第６図は本発明による圧粉磁心の磁
気特性の測定に用いられるリニアモータの正面図、第７
図（ａ）〜（ｅ）は第６図に示すリニアモータの駆動コ
イルにおけるカットオフ周波数の説明図に用いられる説
明図、第８図は圧粉磁心の抗折強度試験の一例を示す図
である。１……駆動コイル、２……圧粉磁心、３……外ヨーク、
４……永久磁石、５……荷重、６……支点。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】強磁性粉をバインダー樹脂を用いて結合さ
せ成形した圧粉磁心において、成形体中における上記バ
インダー樹脂の占めるバインダー樹脂体積率（体積％）
と、該バインダー樹脂間に形成される空隙の占める空隙
体積率（体積％）との和が、７体積％以上で且つ50体積
％以下となるように成形されたことを特徴とする圧粉磁
心。
【請求項２】請求項１記載の圧粉磁心において、成形体
中のバインダー樹脂間に形成される空隙に樹脂含浸を施
したことを特徴とする圧粉磁心。