JP5256172B2

JP5256172B2 - 磁心用軟磁性薄片および電磁気部品用磁心

Info

Publication number: JP5256172B2
Application number: JP2009261054A
Authority: JP
Inventors: 宏幸三谷; 政道千葉
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2029-11-16
Also published as: JP2011105984A

Description

本発明は、交流で使用されるモータにおけるステータやロータなどの電磁気部品の磁心の作製に用いられる表面に絶縁被膜を形成した金属磁性材料より成る磁心用軟磁性薄片と、その磁心用軟磁性薄片を圧縮成形して作製される電磁気部品用磁心に関するものである。

従来から交流で使用されるモータにおけるステータやロータなどの電磁気部品の磁心には、電磁鋼板や電気鉄板を積層した磁心が用いられていたが、近年は、より磁気特性に優れ、三次元形状の自由度も高いという理由で、表面に絶縁被膜を形成した純鉄粉や軟磁性鉄基合金粉末等の軟磁性粉末やアモルファス薄片が、磁心（圧粉磁心）の材料として用いられることが多くなってきた。

磁束密度を高くするという観点からは圧粉磁心の材料として純鉄粉を用いることが、透磁率を高くするという観点からは圧粉磁心の材料としてアモルファス薄片を用いることが特に有効であるが、高い磁束密度と高透磁率を両立する圧粉磁心は存在しないのが現状である。

そこで、磁束密度を高くするという観点で、純鉄粉や軟磁性鉄基合金粉末等の軟磁性粉末を用いて圧粉磁心を作製しても、高い透磁率を確保することができるために考えられた技術が、軟磁性粉末を偏平形状にするという技術である。この軟磁性粉末を偏平形状にするという技術については、特許文献１〜８等で既に数多く提案されている。これらの技術によれば、軟磁性粉末を偏平形状にすることで、軟磁性粉末の長軸方向での反磁界が小さくなり、長軸方向の透磁率、すなわち最大透磁率を高くすることができる。しかしながら、これら特許文献に記載されたような偏平形状の軟磁性粉末を用いて圧粉成形して作製された圧粉磁心は、確かに最大透磁率は高くなるものの、反面、最大透磁率を高くすれば高くするほど、ヒステリシス損と渦電流損を合わせた鉄損が大きくなってしまうという実情があり、電磁気部品の磁心として採用するには、必ずしも効率が良いものとはいうことができなかった。

特開平３−７２００１号公報特開平６−２６７７２３号公報特開平１−２９４８０１号公報特開平８−２６０１１４号公報特開平８−２６９５０１号公報特開平８−２３６３３１号公報特開昭６３−２３３５０８号公報特開２００５−２０９７５３号公報

本発明は、上記従来の問題を解決せんとしてなされたもので、最大透磁率が高いうえに、電磁気部品の磁心としたときの鉄損も大きくはなく、交流で使用されるモータ、ノイズフィルタ、リアクトルなどの電磁気部品の磁心の材料として好適に用いることができる磁心用軟磁性薄片と、その磁心用軟磁性薄片を圧縮成形して作製される電磁気部品用磁心を提供することを課題とするものである。

請求項１記載の発明は、金属磁性材料でなる薄片とその薄片の表面を被覆する絶縁被膜よりなる磁心用軟磁性薄片であって、前記金属磁性材料でなる薄片の厚みが０．０１〜０．１２ｍｍ、幅が１〜５ｍｍ、長さが前記厚みの８０倍以上且つ幅の１倍以上であることを特徴とする磁心用軟磁性薄片である。また、請求項２記載の発明は、長さが厚みの８０倍以上１５０倍以下である請求項１記載の磁心用軟磁性薄片である。

請求項２記載の発明は、請求項１または２記載の磁心用軟磁性薄片を圧縮成形して作製されたことを特徴とする電磁気部品用磁心である。

本発明の磁心用軟磁性薄片は、最大透磁率が高いうえに、電磁気部品の磁心としたときの鉄損も大きくはなく、交流で使用されるモータ、ノイズフィルタ、リアクトルなどの電磁気部品の磁心の材料として好適に用いることができる。

また、本発明の電磁気部品用磁心によると、最大透磁率が高いうえに、ヒステリシス損と渦電流損を合わせた鉄損も大きくはならない。

実施例の試験に用いたリング状の試料切り出し位置を示す成形体の斜視図である。

以下、本発明を実施形態に基づいて更に詳細に説明する。

本発明の磁心用軟磁性薄片は、純鉄や軟磁性鉄基合金（Ｆｅ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｓｉ合金、センダスト、パーマロイ）等の金属磁性材料を、厚みが０．０１〜０．１２ｍｍ、幅が１〜５ｍｍ、長さが前記厚みの８０倍以上の薄片状に加工した後に、その薄片の表面に絶縁被膜を形成することで製造することができる。

金属磁性材料でなる薄片の厚みを０．０１〜０．１２ｍｍとした理由は、その厚みが０．１２ｍｍを超えると渦電流損が大きくなり、その結果、鉄損が大きくなるからである。一方、厚みが０．０１ｍｍ未満の薄片は圧延等で製造することが難しく、また、後でその薄片の表面に形成する絶縁被膜の厚みとの関係でバランスが悪くなるからである。よって、金属磁性材料でなる薄片の厚みは、０．０１〜０．１２ｍｍの範囲とした。また、金属磁性材料でなる薄片の厚みの好ましい下限は０．０５ｍｍ、好ましい上限は０．１０ｍｍである。

金属磁性材料でなる薄片の幅を１〜５ｍｍとした理由は、その幅が５ｍｍを超えると電磁気部品用磁心を製造するための成形金型の細部へ充填することが難しくなるためである。一方、その幅が１ｍｍ未満であれば、金属磁性材料でなる薄片を構成する結晶粒の結晶粒径が小さくなりヒステリシス損が大きくなって、その結果、鉄損が大きくなるからである。

金属磁性材料でなる薄片の長さを厚みの８０倍以上とした理由は、金属磁性材料でなる薄片の長手方向の最大透磁率が高くなるためで、その長さを厚みの８０倍以上とすることで、金属磁性材料の透磁率は十分高くなる。従って、その薄片の長さの上限は本発明では規定しないが、電磁気部品用磁心を製造するための成形金型に充填することを考慮すると、金属磁性材料でなる薄片の長さは、厚みの１５０倍程度が上限であると考えることができる。

また、薄片を形成する金属磁性材料として軟磁性鉄基合金を用いた場合、磁束密度を考慮すると鉄の含有量は９０質量％以上である必要がある。

また、金属磁性材料でなる薄片の形状は、幅方向の断面形状で湾曲していることが望ましい。このように金属磁性材料でなる薄片が湾曲していることで、圧縮成形により薄片を電磁気部品用磁心としたときの保形性が向上する。

この金属磁性材料でなる薄片は、線材を複数回に分けて圧延することで所望の厚みの帯状とし、適宜大きさに切断すること等により製造することができる。

この金属磁性材料でなる薄片の表面に絶縁被膜が形成されて本発明の磁心用軟磁性薄片は構成されている。絶縁被膜としては、リン酸系化成被膜等のリン酸を主成分とする被膜やクロム系化成被膜などの無機物、或いは様々な樹脂を用いて形成することができる。樹脂としては、例えば、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、スチレン樹脂、アクリル樹脂、スチレン／アクリル樹脂、エステル樹脂、ウレタン樹脂、ポリエチレンなどのオレフィン樹脂、カーボネート樹脂、ケトン樹脂、フッ化メタクリレートやフッ化ビニリデンなどのフッ素樹脂、ＰＥＥＫなどのエンジニアリングプラスチックまたはその変性品などを被膜として用いることができる。

このような絶縁被膜の中でも、金属磁性材料でなる薄片の表面にリン酸系化成被膜を形成することが推奨される。リン酸系化成被膜は、オルトリン酸（Ｈ_３ＰＯ_４）などの化成処理によって生成するガラス状の被膜であり、特に電気絶縁性に優れている。このリン酸系化成被膜の膜厚は１〜２５０ｎｍが好ましい。膜厚が１ｎｍより薄いと絶縁効果が発現し難く、２５０ｎｍを超えると絶縁効果が飽和するうえ、成形される電磁気部品用磁心の高密度化を阻害するためである。また、その付着量は、０．０１〜０．８質量％程度が好ましい。尚、リン酸系化成被膜には、Ｎａ、Ｓ、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｇ、Ｂ、Ｃｏ等の元素を含有させることができる。これらの元素は、高温での歪取焼鈍中にリン酸系化成被膜中の酸素がＦｅと反応し、半導体を形成することを阻害し、歪取焼鈍による比抵抗の低下を抑制するのに有効に作用する。

金属磁性材料でなる薄片の表面に、リン酸系化成被膜を形成するには、水性溶媒にオルトリン酸（Ｈ_３ＰＯ_４）などを溶解して、固形分０．１〜１０質量％程度の処理液とし、金属磁性材料でなる薄片：１００質量部に対して、その処理液を１〜１０質量部添加して、ミキサー、ボールミル等の混合機で混合し、大気中、減圧下、或いは真空下で、１５０〜２５０℃で乾燥すれば形成できる。

また、このリン酸系化成被膜の表面に、シリコーン樹脂被膜が形成されていることが推奨される。シリコーン樹脂被膜は単独で形成したものであっても良いが、何れにしろ、電気絶縁性の熱的安定性を向上させるうえに、成形される電磁気部品用磁心の機械的強度も高めるという作用を有する。このシリコーン樹脂は、硬化が遅くなると粉末がべとついて被膜形成後のハンドリング性が悪くなる二官能性のＤ単位（Ｒ_２ＳｉＸ_２：Ｘは加水分解性基）よりは、三官能性のＴ単位（ＲＳｉＸ_３：Ｘは加水分解性基）を多く含有する方が好ましい。また、四官能性のＱ単位（ＳｉＸ_４：Ｘは加水分解性基）が多く含まれていると、予備硬化の際に粉末同士が強固に結着してしまい、後の成形が行えなくなるので好ましくない。よって、Ｔ単位が６０モル％以上、好ましくは８０モル％以上、最も好ましくは全てがＴ単位のシリコーン樹脂被膜が形成されていることが推奨される。尚、シリコーン樹脂としては、前記Ｒがメチル基またはフェニル基となっているメチルフェニルシリコーン樹脂が一般的である。

このシリコーン樹脂被膜の膜厚は１〜２００ｎｍが好ましい。より好ましい膜厚は１〜１００ｎｍである。また、その付着量は、リン酸系化成被膜が形成された金属磁性材料でなる薄片と、シリコーン樹脂被膜の合計を１００質量％としたとき、０．０５〜０．３質量％であることが好ましい。０．０５質量％より少ないと絶縁性に劣り、０．３質量％より多いと圧粉磁心の高密度化ができにくくなる。

また、シリコーン樹脂被膜とリン酸系化成被膜を合わせた厚みは２５０ｎｍ以下であることが好ましい。合計膜厚が２５０ｎｍを超えると磁束密度の低下が大きくなることがある。尚、リン酸系化成被膜をシリコーン樹脂被膜より厚めに形成すれば、鉄損を小さくすることができる。

リン酸系化成被膜の表面に、シリコーン樹脂被膜を形成するには、アルコール類やトルエン、キシレン等の石油系有機溶剤などにシリコーン樹脂を溶解させて、固形分が２〜１０質量％になるように調製した樹脂溶液を、リン酸系化成被膜が表面に形成された金属磁性材料でなる薄片：１００質量部に対して、その樹脂溶液を０．５〜１０質量部添加して、混合して乾燥すれば形成できる。

以上、説明した構成の磁心用軟磁性薄片を用いて圧縮成形することで、本発明の電磁気部品用磁心を作製することができる。この圧縮成形の方法については特に限定することはないが、従来の軟磁性粉末を圧粉成形する場合と同様に、例えば、磁心用軟磁性薄片を成形金型のキャピティーに充填してプレスで圧縮成形することで、電磁気部品用磁心を製造することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。

金属磁性材料として純鉄製の材料を用いてφ５．５ｍｍ×Ｌ（７．７５ｋｇ／ｃｏｉｌ）の線材を作製して素材とし、線材圧延機にて複数回の圧延を繰返して最後にスキンパスを行ってφ４．２６ｍｍの線材とした。そのφ４．２６ｍｍの線材に対し、鍛鋼ロールを用いて複数回の圧延を行い、最後にスキンパスを行って板厚０．８３ｍｍの帯状の板材とした。その帯状の板材を１／２Ｌに分断し、超硬ロールで複数回のスキンパスを含めた圧延を行って最終的に、板厚が０．０５ｍｍ、０．１０ｍｍ、０．２０ｍｍの帯状の板材を夫々得た。それら各板厚の帯状の板材を適宜寸法（長さ１〜２０ｍｍ、幅１〜５ｍｍ）に切断し、表１に記載のＮｏ．１〜１２の試験用の薄片を作製し、発明例並びに比較例とした。

一方、純鉄粉をボールミル加工で最大粒子直径が０．５ｍｍの偏平形状に加工して、厚さ０．０１ｍｍ、アスペクト比（短軸／長軸）が５０の偏平形状の鉄粉とし、水素ガス雰囲気中９５０℃×２時間の歪取り焼鈍を施してＮｏ．１３の比較例とした。

次に、これら発明例および比較例の薄片（Ｎｏ．１３の偏平形状の鉄粉を含む）の表面に絶縁被膜を形成した。その絶縁被膜の形成は、水１リットル当たり、リン酸（１６３ｇ）、ＭｇＯ（３１ｇ以下）、ホウ酸（３０ｇ）を含む水溶液を、薄片或いは鉄粉１ｋｇに対して、５０ｃｃの割合で混合して、この混合体を大気中２００℃で３０分間乾燥させることにより実施した。更に、有機溶媒に溶かしたシリコーン樹脂を固形成分で０．３質量％混合して表面に絶縁被膜を形成した。

圧縮成形は型潤滑成形で行い、ステアリン酸カルシウムをアルコールに懸濁して成形金型の壁面に塗布した。この成形金型の内部に、前記した薄片或いは鉄粉を充填し、プレス圧をかけて圧縮成形して図１に示すφ５０ｍｍ×ｔ５０ｍｍの成形体を得た。尚、成形時の面圧は１２ｔｏｎ／ｃｍ^２であり、圧粉成形体の密度が７．６０ｇ／ｃｍ^３になるようにプレス圧を調整して成形を行った。成形後、窒素ガス雰囲気中５５０℃×３０分の歪取り焼鈍を施した。

次に、この圧縮成形で得られた成形体を大気中２３０℃で１０分間熱処理して、樹脂の硬化を行った。その後、成形体からワイヤーカットで、図１に示すように、φ３６ｍｍ×φ２４ｍｍ×ｔ５ｍｍのリング形状の試料を切り出した。

測定は、理研電子製の直流磁気測定Ｂ−Ｈカーブトレーサ（ＢＨＮ−５０）を用いて、最大励磁磁場５００ｅで測定し、最大透磁率を評価した。尚、試料の１次巻数は２００回、２次巻数は２０回とした。また、鉄損はＪＩＳＣ２５５０に制定されたエプスタイン試験器を用いてエプスタイン試験を行い、周波数が４００Ｈｚで、最大磁束密度が１．０Ｔとなる励磁条件で質量鉄損を測定した。得られた測定結果を表１に示す。

薄片の厚みが０．０１〜０．１２ｍｍ、幅が１〜５ｍｍ、長さが前記厚みの８０倍以上（表１にはアスペクト比と記載）という本発明の要件を満足する発明例のＮｏ．３〜Ｎｏ．８では、本試験で得られた最大透磁率は２８９０〜３５２０であり、また、鉄損は２０．１〜２２．５Ｗ／ｋｇであった。

これに対し、薄片の長さが厚みの１０倍と５０倍であり、本発明の要件を満足しない比較例のＮｏ．１とＮｏ．２では、本試験で得られた最大透磁率が１２２０と１５３０で、鉄損は２３．４Ｗ／ｋｇと２２．８Ｗ／ｋｇであった。この結果は、薄片の長さが短い場合、高い透磁率を確保することができないことを示している。また、発明例に比べて鉄損も大きくなる傾向が認められた。

Ｎｏ．９〜Ｎｏ．１２は、薄片の厚みが０．２ｍｍと厚い本発明の要件を満足しない比較例であり（Ｎｏ．９とＮｏ．１０は薄片の長さも本発明の要件を満足しない。）、本試験で得られた最大透磁率が１２８０〜３０２０（薄片の長さも本発明の要件を満足するＮｏ．１１とＮｏ．１２に限ると最大透磁率は２９２０と３０２０）で、鉄損は３８．０〜４０．５Ｗ／ｋｇであった。この結果は、薄片の厚みが厚い場合、鉄損が大きくなることを示している。

因みに、従来技術でもある偏平形状の鉄粉を用いて成形したＮｏ．１３の圧粉成形体は、本試験で得られた最大透磁率は７２０、鉄損は３５．１Ｗ／ｋｇである。以上の結果は、金属磁性材料でなる薄片とその薄片の表面を被覆する絶縁被膜よりなる磁心用軟磁性薄片を用いて電磁気部品用磁心を作製すると、最大透磁率が高く、鉄損が小さくなることを示している。

尚、今回は比較試験を実施していないが、文献等によるとアモルファス薄片の飽和磁束密度は高くても１．６Ｔ程度であり、圧粉成形体とすると１．５５Ｔ程度になり、金属磁性材料でなる薄片とその薄片の表面を被覆する絶縁被膜よりなる磁心用軟磁性薄片を用いて作製した電磁気部品用磁心は、偏平形状の鉄粉を用いて圧粉成形したＮｏ．１３の試験結果も併せて比較すると、磁束密度も十分に高いことが分かる。

以上の試験結果から、本発明の要件を満足する磁心用軟磁性薄片を圧縮成形して電磁気部品用磁心を作製することで、最大透磁率が高いうえに、電磁気部品の磁心としたときの鉄損も大きくはなく、交流で使用されるモータ、ノイズフィルタ、リアクトルなどの電磁気部品の磁心の材料として好適に用いることができることが確認できた。

Claims

金属磁性材料でなる薄片とその薄片の表面を被覆する絶縁被膜よりなる磁心用軟磁性薄片であって、
前記金属磁性材料でなる薄片の厚みが０．０１〜０．１２ｍｍ、幅が１〜５ｍｍ、長さが前記厚みの８０倍以上且つ幅の１倍以上であることを特徴とする磁心用軟磁性薄片。
長さが厚みの８０倍以上１５０倍以下である請求項１記載の磁心用軟磁性薄片。
請求項１または２記載の磁心用軟磁性薄片を圧縮成形して作製されたことを特徴とする電磁気部品用磁心。