JP4970899B2 - 高抵抗圧粉磁心の製造方法 - Google Patents

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のに好適な圧粉磁心とその製造方法に関する。

近年、環境問題の観点から、電気自動車が注目されている。電気自動車は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。これらの部品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まで低下しないことが求められる。

鉄損には、磁心の比抵抗と関係の大きい渦電流損と、鉄粉の製造過程及びその後のプロセス履歴から生じる鉄粉内の歪の影響を受けるヒステリシス損とがある。鉄損（Ｗ）は下記の式に示すように、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。式中の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、ｋ_１とｋ_２は係数である。

Ｗ＝Ｗｅ＋Ｗｈ＝（ｋ_１Ｂｍ^２ｔ^２／ρ）ｆ^２＋ｋ_２Ｂｍ^１．６ｆ
上記の式から明らかなように、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、その磁粉を用いて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皮膜を厚くすると、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。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）が大きくなり、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、軟磁性粉とチタニア、シリカ、アルミナ等の絶縁性粒子を混合して軟磁性粉粒子の表面に絶縁層を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、Ｆｅ−Ｓｉ系軟磁性粉末の表面に酸化皮膜、リン酸塩皮膜などの絶縁皮膜を形成し圧縮成形により圧粉磁心を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、リン酸塩を液状塗布して後処理により固定し，高抵抗を得る方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

しかし、上記の方法では、いずれもバインダによる鉄粉粒子の占有率が低下し、磁束密度が上がらない難点があった。また、圧粉磁心は歪除去のために成形後６００℃以上の温度で焼鈍を行うが、リンや酸素を使用して絶縁皮膜を形成した場合には、焼鈍時に皮膜形成元素が鉄中に拡散或いは鉄と化合物を形成し、絶縁皮膜の破壊や磁気特性の劣化が生じる恐れがあった。

このようなことから、軟磁性粉の表面にフッ化物皮膜を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献４参照）。

特開２００３−３３２１１６号公報（特許請求の範囲） 特開２００４−２８８９８３号公報（特許請求の範囲） 特許第３４７５０４１号公報（請求項１） 特開２００６−４１２０３号公報（要約）

希土類金属フッ化物やアルカリ土類金属フッ化物は、耐熱性に優れており、また、鉄との反応も少なく、圧粉磁心の絶縁皮膜材料として極めて好適である。軟磁性粉の表面にフッ化物皮膜を形成する方法は、バインダなしで高抵抗が得られる利点もある。さらに、軟磁性粉にガスアトマイズ粉または不定形粉を用いることにより、比抵抗向上と高磁束密度を達成できる。

しかし、希土類金属フッ化物やアルカリ土類金属フッ化物の皮膜を形成した圧粉磁心を各種電動機ヨークに適用した場合には、所定の性能を発揮していないものもあることが判明した。具体的には、高回転数で動作させた場合や大型の電動機に適用した際に、予想外の効率低下を生じたものがあった。

これは圧粉磁心を効率よく動作させるための条件が、適用する回転機の形状、回転数或いは適用するリアクトルの動作周波数、形状に依存して変化することによる。比抵抗ρ（Ω・ｍ）、厚さｔ（ｍ）、磁性体透磁率μ、周波数ｆ（Ｈｚ）、表皮効果の及ぶ厚さＳ（ｍ）は下記の式に示す関係にあり、表皮効果の及ぶ厚さＳ（ｍ）を超える厚さでは磁性体が動作せず損失として扱われる。

Ｓ＝√（２ρ／２πｆμ）
例えば回転機の動作周波数４００Ｈｚ、透磁率５００、板厚５ｍｍではρは２×１０^−３Ω・ｃｍとなり、これ以上の比抵抗が必要である。

特許文献４に記載の方法で製造された圧粉磁心は、比抵抗の上で、まだまだ十分とはいえない。

本発明の目的は、フッ化物皮膜を有する圧粉磁心において、抵抗値を増加させ、低損失と高抵抗を両立させることができるようにすることにある。

本発明は、鉄粉末または鉄を主成分とする合金粉末の表面に、フッ素が欠損した結晶格子の割合が１０％以下の希土類金属フッ化物皮膜またはアルカリ土類金属フッ化物皮膜を形成した高抵抗圧粉磁心にある。

本発明は、鉄粉末または鉄を主成分とする合金粉末の表面に希土類金属フッ化物またはアルカリ土類金属フッ化物よりなる皮膜を形成するフッ化物コート処理工程と、その後の予備熱処理工程、圧縮成形工程及び歪取り熱処理工程を含む圧粉磁心の製造方法にある。

本発明は、鉄粉末または鉄を主成分とする合金粉末の表面に、フッ素が欠損した結晶格子の割合が１０％以下よりなる希土類金属フッ化物またはアルカリ土類金属フッ化物よりなる皮膜を有する磁性材料を磁心とした軟磁性コアにある。

本発明は、軟磁性コアを有する電気自動車駆動用モータにおいて、前記軟磁性コアが、鉄粉末または鉄を主成分とする合金粉末の表面に希土類金属フッ化物またはアルカリ土類金属フッ化物よりなる皮膜を有し、前記希土類金属フッ化物又はアルカリ土類金属フッ化物はフッ素が欠損した結晶格子の割合が１０％以下よりなる磁性材料を磁心として具備することを特徴とする。

フッ化物コート処理工程の後、圧縮成形工程の前に予備熱処理工程を行うことにより、比抵抗を向上できた。これにより、高周波での使用又は大型の回転機に適用できるようになり、低損失と高抵抗を両立させることが可能になった。

本発明によれば、一例として、絶縁皮膜の平均厚さが５０〜２００ｎｍ、密度が７．５ｇ／ｃｍ^３の圧粉成形体を用いて、厚さ４０ｍｍのコアを製造したときに、予備熱処理温度６００℃、歪み取り熱処理温度６００℃の条件で、ヒステリシス損Ｗｈ_{１Ｔ／４００Ｈｚ}が１５Ｗ／ｋｇ以下、比抵抗が１５μΩ・ｍ以上、渦電流損Ｗｅ_{１Ｔ／４００Ｈｚ}が１５Ｗ／ｋｇ以下、鉄損Ｗ_{１Ｔ／４００Ｈｚ}が３０Ｗ／ｋｇ以下の特性を得ることができる。

本発明の圧粉磁心は、鉄系粉末の表面に希土類金属フッ化物またはアルカリ土類金属フッ化物の皮膜を有する。これらのフッ素化合物は、鉄、コバルトなどの室温で強磁性を示す材料に対して容易に拡散しない。このため、鉄、コバルトなどの磁性材料が本来有する高い飽和磁束密度を損なうことが無い。また、これらのフッ素化合物は絶縁体であるため、鉄系粉末表面に形成させることで、成形体の抵抗を高めることができる。高抵抗は渦電流損失の低減に有効である。磁性粉としては鉄系或いはコバルト系が考えられるが、磁気回路に使用する軟磁性材のことを考えると、飽和磁束密度が高く、保磁力やヒステリシスが小さく、価格の安い鉄系材料が好ましい。鉄合金としては、例えば鉄とコバルトの合金がある。また、粉末には、ガスアトマイズ粉や粒成形した粉末を用いることが望ましい。

鉄粉末または鉄を主成分とする合金粉末表面へのフッ化物のコート処理は、例えばフッ化物を生成させた溶液を鉄または鉄合金粉末と混合し、減圧下で加熱処理して溶媒や水和水を除去することにより行うことができる。加熱温度は２５０〜３５０℃が好適である。

次に、予備熱処理の効果について説明する。図１は、本発明の製造工程を従来法と対比して示したものである。従来法は特許文献４に記載されている方法である。本発明は、ガスアトマイズ粉または粒成形した鉄粉にフッ化物をコートし２００〜３５０℃で加熱処理したのち、予備熱処理を行い、その後、圧縮成形して成形体とし、圧縮による歪みを除去する歪み取り熱処理を行って圧粉磁心とするものである。

図２にフッ化物コート時の加熱温度を３５０℃、圧縮成形時の圧縮圧を１５ｔ／ｃｍ^２、歪み取り熱処理温度を６００℃としたときにおける予備熱処理温度と比抵抗値の関係を示す。高密度の成形体を形成するため、圧縮圧は作製条件の上限に近い１５ｔ／ｃｍ^２とした。フッ化物にはＮｄＦ_３を用いた。予備熱処理を行わないものは比抵抗が８μΩ・ｍであったが、５００℃及び６００℃で予備熱処理したものは比抵抗が３０μΩ・ｍ及び２０μΩ・ｍとなり、予備熱処理無しの場合に比べて比抵抗が増加した。一方、７００℃で予備熱処理したものは３５０℃より比抵抗が低下した。これより、歪取り熱処理温度より高い温度での予備熱処理は比抵抗の増加効果は無いことがわかった。また、図２より、予備熱処理は歪取り熱処理温度と同じ温度から１００℃低い温度までの範囲で行うとよいことがわかった。予備熱処理はフッ化物コート処理後、一旦、試料を冷却し、炉から取り出してから、再度、加熱して行ってもよいし、冷却、取り出しを行うことなく、連続して行ってもよい。冷却、取り出しを行うことなく予備熱処理を行う場合には、短時間で予備熱処理を完了できるという利点がある。

図３に、ガスアトマイズ粉にＮｄＦ_３をコートし３５０℃で加熱処理後、６００℃の温度で予備熱処理を行い、圧縮成形した後、６００℃の温度で歪み取り熱処理を行って製造した圧粉磁心について、圧縮圧と比抵抗の関係を示した。比較のために、予備熱処理を行わない圧粉磁心についても、圧縮圧と比抵抗の関係を示した。予備熱処理を行わない場合には、比抵抗には圧縮圧依存はないが、予備熱処理を行った場合には圧縮圧が１２ｔ／ｃｍ^２以下において比抵抗が２００μΩ・ｍ以上となり、大幅な抵抗値上昇が見られた。圧縮圧の低下で高抵抗となる場合、磁心の圧縮が不十分で低密度となっている恐れがある。そこで、次に成形圧と磁心試料形状を比較した。

図４は、１０ｍｍ角の圧縮型試料を用い、１．５ｇの原料磁粉を圧縮したときに得られる角柱試料の厚さを圧縮圧とともに示したものである。圧粉磁心の一般的な密度目標とされている７．５ｇ／ｃｍ^２以上となるのは、試料厚２ｍｍ以下である。これを満たすのは９ｔ／ｃｍ^２以上の圧縮圧である。図３と図４の結果から、最適な圧縮圧は９ｔ／ｃｍ^２から１２ｔ／ｃｍ^２であることがわかった。

図５に、ガスアトマイズ粉にＮｄＦ_３を塗布し、６００℃で予備熱処理を行い、圧縮成形後、歪み取り熱処理を６００から８００℃の温度で行った磁心の比抵抗を示す。歪取り熱処理温度は６００から７００℃が好ましく、７００℃を超えると比抵抗低下が激しくなることがわかる。これより、歪取り熱処理温度は、予備熱処理温度と同じ温度から１００℃高い温度までの範囲で行うとよいことがわかる。

予備熱処理を行ったときに抵抗が増加するメカニズムを解明するため，断面ＴＥＭ観察を行った。そして、フッ化物の粒径に変化が見られることを確認した。図６は粒径の計算方法について示している。図６のように断面ＴＥＭ像に均等幅で線を引き、線と粒界が交差する部分をマーキングする。例えば線分ＡＢでは線内に４点交点がある。線分の長さを縮尺から１７３ｎｍと算出し交点の数３で割って平均粒径５８ｎｍとなる。これを視野内１０線分について繰り返し平均する。

図７は、ガスアトマイズ粉にＮｄＦ_３をコートし３５０℃で熱処理した鉄粉を１５ｔで圧縮成形して作製した、予備熱処理と歪取り熱処理を行わない試料Ａと、予備熱処理は行わないが圧縮成形後に歪取り熱処理を施した試料Ｂ，Ｃ，Ｄ、及び予備熱処理と歪取り熱処理をいずれも６００℃で行った試料Ｅについて、比抵抗とＴＥＭ観察して図６の方法で得たＮｄＦ_３粒径との関係を示したものである。歪取り熱処理温度は、Ｂが３５０℃、Ｃが６００℃、Ｄが８００℃である。予備熱処理を行わない試料は、ＡからＤのいずれもＮｄＦ_３粒径が増大すると成形体抵抗値は低下していくことがわかる。６００℃で予備熱処理した試料Ｅ（粒径６８ｎｍ）は、同じ６００℃の歪取り熱処理試料Ｃ（粒径８４ｎｍ）よりもＮｄＦ_３粒径が小さくなり、抵抗値は大きい結果となった。これより、予備熱処理はＮｄＦ_３粒径を微細化し、結果として抵抗値を大きくする効果があることがわかった。なお、回転機として特に有効な比抵抗１×１０^１μΩ・ｍを確保するには、ＮｄＦ_３平均粒径を８０ｎｍ以下とするとよい。

予備熱処理を行った試料と、予備熱処理を行わない試料について、フッ化物の結晶構造を調べた。その結果、予備熱処理を行わない場合は、フッ化物の結晶構造にＮｄＦ_２とＮｄＦ_３が見られ、およそ５０対５０の割合で混在していることがわかった。これに対し、予備熱処理を行った試料には、ＮｄＦ_２は認められず、フッ化物の全量あるいはほぼ全量がＮｄＦ_３となっていることがわかった。つまり、予備熱処理を行ったものは、フッ素が欠損した結晶格子が無いか、その割合が極めて少なくなり、この結果、比抵抗が増大することがわかった。なお、フッ素が欠損した結晶格子の割合が１０％以下であれば、比抵抗増大の効果が発揮されると思われる。

以下、本発明の圧粉磁心を固定子の磁心に用いた回転機について説明する。なお、試料は下記に示すフッ化物処理液作製工程と、試料作製工程を経て製造した。
〔フッ化物コート処理液の作製工程〕
（１） 水に溶解度の高い塩、酢酸Ｎｄ４ｇを１００ｍＬの水に導入し、振とう器または超音波攪拌器を用いて完全に溶解した。
（２） １０％に希釈したフッ化水素酸をＮｄＦ_３が生成する化学反応の当量分徐々に加えた。
（３） ゾル状沈殿のＮｄＦ_３が生成した溶液に対して超音波攪拌器を用いて１時間以上攪拌した。
（４） ４０００〜６０００ｒｐｍの回転数で遠心分離した後、上澄み液を取り除きほぼ同量のメタノールを加えた。
（５） ゾル状のＮｄＦ_３を含むメタノール溶液を攪拌して完全に懸濁液にした後、超音波攪拌器を用いて１時間以上攪拌した。
（６） 前記（４）と（５）の操作を酢酸イオン、又は硝酸イオン等の陰イオンが検出されなくなるまで、３〜１０回繰り返した。
（７） 最終的にゾル状のＮｄＦ_３となった。処理液としてはＮｄＦ_３が１ｇ／４ｍＬのメタノール系溶液を用いた。
〔試料作製工程〕
（１） 粒径１００μｍのガスアトマイズ鉄粉４０ｇに対して８ｍＬのＮｄＦ_３処理液を添加し、鉄粉全体が濡れるのが確認できるまで混合した。
（２） 前記（１）のＮｄＦ_３処理鉄粉を２〜５ｔｏｒｒの減圧下で溶媒のメタノール除去を行った。
（３） 前記（２）の溶媒の除去を行った鉄粉を石英製ボートに移し、５×１０^−５ｔｏｒｒの減圧下で２００℃、３０分と３５０℃、３０分の熱処理を行って原料鉄粉を作製した。
（４） 前記（３）で得られた鉄粉を６００℃で予備熱処理した。
（５） 前記（４）で熱処理した鉄粉を超硬型を用い外径１８ｍｍ、内径１０ｍｍのリング試料を圧縮により成形した。圧縮圧は１０ｔ／ｃｍ^２とした。本試料は磁束密度と保磁力の磁気測定用である。
（６） 前記（４）で形成した鉄粉を１０×１０ｍｍの型を用い、圧縮により直方体試料を作製した。圧縮圧は１０ｔ／ｃｍ^２とした。本試料は抵抗値測定用である。
（７） 前記（４）で得られた鉄粉を固定子作製用圧縮型に入れ、１０ｔ／ｃｍ^２の成型圧で圧縮した。前記（５）（６）で得られた試料とともに６００℃で熱処理し、歪みを解放した。
（８） 前記（７）で得られた固定子に巻き線を施し、回転機を製作した。

図８は本発明によるＮｄＦ_３層を形成した鉄粉を使用した固定子を具備する回転機の径方向断面形状を示す。回転機の固定子１０２は、ティース１０４とコアバック１０５からなる固定子鉄心１０６と、ティース１０４間のスロット１０７内にティース１０４を取り囲むように巻装された集中巻の電機子巻線（三相巻線のＵ相巻線１０８ａ，Ｖ相巻線１０８ｂ，Ｗ相巻線１０８ｃからなる）から構成される。図８の回転機は四極６スロットであるから、スロットピッチは電気角で１２０度である。回転子はシャフト孔１０９或いは回転子挿入孔１１０に挿入し、回転子シャフト１０３の外周表面に永久磁石１０１を配置している。固定子１０２には、ＮｄＦ_３皮膜を膜厚５０ｎｍで形成したＦｅ粉を６００℃で予備熱処理後１０ｔ／ｃｍで圧縮成形し、さらに６００℃で歪み取り熱処理したものを使用した。占積率が９０％のとき圧粉磁心の飽和磁束密度は１．９５Ｔであった。

高トルクを得るためにコア厚さを２０ｍｍとした場合、予備熱処理無しでは磁心発熱によるコイル温度上昇のため、駆動電流が不足するのに対し、予備熱処理有りでは発熱が３０℃低下し、結果としてトルクは３０％増加した。

図８と同断面の固定子を厚さ１０ｍｍで作製した。この場合、予備熱処理有りと無しとでは温度上昇差は１０℃程度であり、トルク差は５％以下であった。

ここで、ＮｄＦ_３コート処理した鉄粉成形体の飽和磁束密度は、珪素鋼板の値と同等であるため、磁気飽和が問題になることはない。

この固定子に圧粉磁心を用いる理由としては、このモータが多極であり、回転磁界によって発生する渦電流を小さくするために必須となっているためである。回転子側は、粉末材料を成形して構成し、その成形体は結合材および磁石粉末を主とするボンド磁石部と、結合材および軟磁性粉末を主とする軟磁性部とを有し、圧縮成形手段を用いて形成された永久磁石型のロータであって、前記ボンド磁石部は磁極の少なくとも１面が軟磁性部に機械的に結合されている。また、ボンド磁石はセグメント毎に仮成形によって製作され、仮成形時に異方性を付与し、その異方性を付与された仮成形体を、複数極を有するロータとして本成形により成形してロータを得た。この後、着磁磁界によって着磁される構造のモータ用ロータとなる。

本発明はヒステリシス損あるいは渦電流損の小さなコア部品さらには高い磁束密度が必要なモータ用鉄心やディーゼルエンジンおよびガソリンエンジンの電子制御式燃料噴射装置に組み込まれる電磁弁用のソレノイドコア（固定鉄心）及びプランジャ、その他各種アクチュエータ用のコア部品として利用可能である。また、各種リアクトル用コアにも適用可能である。

本発明の圧粉磁心製造工程を、従来法と比較して示した工程図。 予備熱処理温度と比抵抗値の関係を示した特性図。 圧縮荷重と比抵抗の関係を示した特性図。 圧縮荷重と試料厚さの関係を示した特性図。 歪み取り熱処理温度と比抵抗値との関係を示した特性図。 断面ＴＥＭ組織から粒径を算出する方法を示した図。 ＮｄＦ_３粒径と比抵抗値の関係を示した特性図。 本発明の圧粉磁心を使用した固定子を具備する回転機の断面図。

符号の説明

１０１…永久磁石、１０２…固定子、１０３…回転子シャフト、１０４…ティース、１０５…コアバック、１０６…固定子鉄心、１０７…スロット、１０８…電気子巻線、１０９…シャフト孔、１１０…回転子挿入孔。

Claims (5)

1. 鉄粉末または鉄を主成分とする合金粉末の表面に希土類フッ化物またはアルカリ土類金属フッ化物よりなる皮膜を形成するフッ化物コート処理工程と、その後の圧縮成形工程及び歪取り熱処理工程を含む圧粉磁心の製造方法において、
   前記フッ化物コート処理工程の後で、前記圧縮成形工程よりも前に、予備熱処理工程が行われ、
   前記フッ化物コート処理工程は、２００〜３５０℃の温度範囲の加熱処理を含み、
   前記歪取り熱処理工程は、６００〜７００℃の温度範囲で行う熱処理であり、
   前記予備熱処理工程は、前記歪取り熱処理工程と同じ温度から１００℃低い温度までの範囲で行う熱処理であることを特徴とする圧粉磁心の製造方法。
2. 前記圧縮成形工程を８８２．６３〜１１７６．８４ＭＰａの成形圧で行うことを特徴とする請求項１に記載の圧粉磁心の製造方法。
3. 前記予備熱処理工程を、前記フッ化物コート処理工程の後、冷却することなく行うことを特徴とする請求項１または２に記載の圧粉磁心の製造方法。
4. 前記鉄粉末または前記合金粉末は、ガスアトマイズ粉または粒成形した粉末であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧粉磁心の製造方法。
5. 前記希土類フッ化物は、Ｎｄフッ化物であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の圧粉磁心の製造方法。

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