TW200535872A - Soft magnetic composites - Google Patents

Description

200535872 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於軟式磁性複合物（SMC)元件及製備軟式磁 性複合物組份之方法。本發明特別適於製備旋轉直流電動 機之磁性元件。 【先前技術】 直流電動機具有各種應用。其應用範圍隨著供Dc電動機

(特別為需要高可攜帶性之物件）之先進電池組功率之可利 用性增加而變得更大。 直流電動機之傳統磁性元件係自以鐵為主之磁性材料之 薄層合物或磁性顆粒之燒結複合物製成。此種習知方法可 以產生傳統上已具有不良等向性辦％電磁性質之磁性元 件因為4等材料基本上具有異向性質(尤其在交流電場方 該等以習知方法製成之材料具有不利的易 剝洛11及脆性’且該等磁性具敏感性。 最近、，軟式磁性複合物之概念已進步。然而，至今，尤 其因為涉及提供可製造特 ^ ^ …用之電動機元件之有效方法 化’例如’調整軟式磁性複合物元件（其經最佳 =:寺別電動機應用)之特定性質之能力，所以其有用 性業經限制。 ，/、月』 需要_種可以製造適於特別 及可重覆性之軟式磁性 °τ ^ 用於旋轉電動機之呈有鐵人人7°件之方法。對於可以製造 法有特別fS。 σ i之軟式磁性複合物之此種方 98721.doc 200535872 【發明内容】 本發明可處理並解決隨製備磁性元件（特別為旋轉電動 機之磁性元件）之習知方法所產生之問題，其係藉由提供可 製造適於特別操作模式之具有鐵合金之軟式磁性複合物之 方法達到上述目標。本發明包含自含 日3有鐵合金之軟式磁性 材料形成各種電動機元件，其中俜 你、擇適於特別應用（例 如，旋轉電動機之環形定子 旦 ^磁極群組）之合金成份及用 置。本發明亦包括根據預定值設定 ^ '电勒钱之軟式磁性複合 物元件之形狀、大小、及性曾「介 及性貝(亦即，磁性質、電氣性質及 機械性質）的方法。 本锋明之優點為包含電磁極群組之定子，其中各該群組 包含鐵合金之已壓實個別顆粒之軟式磁性複合物，各顆粒 經介電質材料塗覆，以致使各哕 合4顆粒彼此經電形隔離。此 種軟式磁性複合物之製法為霧化鐵合金以形成多數個個別 ::粒，以介電塗料塗覆各該顆粒，形成該顆粒與潤滑劑及 Λ °亥此合物以形成素壓坯，然後熱處 理该素壓坯軟式磁性複合物。 根據本發明具體實施例 之方去包括形成一電動機之元 件’该元件包括一具有目#带 钛形狀、目標大小及目標磁性質、 電氣性質及機械性質之數★ 、秋式磁性歿合物。該方法包括預定 磁性鐵合金複合物及預 、疋冲s丨以得到各該目標性質之方法 條件。然後調製該特別 衧⑴磁性鐵合金，並將其磨碎以形成多 數個顆粒。以介電質材 — 、 ，、可以疋有機或無機物質，亦 即，薄氧化物膜）塗覆脐笠 專顆粒。然後使該已覆膜合金顆粒 98721.doc 200535872 潤h劑及結合劑混合以形成混合物，接著於預定之严 度壓力、時間及氣壓條件下將該混合物壓實以形成素厚 坯。然後於預定之溫度、時間、及氣壓條件下加熱該素壓 述以形成包含具有目標形狀、大小及性質之經介電質材質 塗覆之個別鐵合金顆粒的軟式磁性複合物。

熟悉本技藝者自以下詳述很容易瞭解本發明之其它優 點，其中僅表示並說明本發明之較佳具體實施例，且僅用 以說明進行本發明之最佳模式。如所知，本發明可以有其 它及不同具體實施例，且只要不違背本發明，其一些細節 可以有修飾及各種容易理解之方面。 因此，圖示及說明文在本質上被認為是具說明性而非限 制性。 【實施方式】 白知豐層磁性元件及燒結磁性元件缺乏用於直流電動機 (尤其就高扭矩密度應用而言）之等向性磁性需求及可靠 性。軟式複合物可提供各種優點。形成軟式磁性複合物之 粉末治金技術之應用可以確保磁性質、電氣性質及機械性 質等多項性質。例如，粉末治金技術可形成含所需電磁特 性（其並不取決於形狀或物件，料，具有實質上等向性質） 之複雜結構設計。因此，可製造具有由軟式磁性複合物材 料之異向性吳產生之複雜磁通路彳①及 、俗仅及立體磁場分佈的電氣 機器。該磁性複合物亦具有良好尺寸精度及安定性、斑光 滑表面潤飾，該光滑表面_為設計具有重大改良繞組因 素之勵磁線圈之-項重要因t。等向性質亦可以使扭矩最 9872l.doc 200535872 匕’亚可減少過量重量、設計具有最佳磁性結構及具有 低u員失之高扭矩/淨重比之流線形磁性電路系統。

根據本發明具體實施例，係❹軟式磁性複合物製造定 之個別硬雜元件’例如’ _年4月5日中請之同在申請 中之申請案系號g9/82M22中所揭示之環形定子的元件，該 申請案之全部揭示文以引用之方式併入本文中。此種定子 在圖1中有說明，且其包括旋轉構件1〇，其係為含多數個永 久磁鐵12之環形圈結構’旋轉構件1G實例上係沿著柱形背 板^4均勻分佈。該永久磁鐵為轉子極，其沿著該環形圈之 内圓周交變磁多重性。該背板包括可磁導性材料，其可作 為相鄰永久磁極12間之磁通返回㈣。該轉子包圍定子構 件20’該轉子與定子係藉由徑向氣隙分離。定子π包括具 有均勻構造之極對22之多數個元件或群組，例如，沿著氣 隙均勻分佈之7個元件或群組。各定子群組包括通常為具有 兩個極面26於氣隙處之u形磁性結構24。各定子群組結構不 同並在磁性上與鄰接基團隔離。該極對之腿裹著繞組U。 使各定子群組之繞組連接在一起以便當與通電之DC源連 接時可同時活化。該繞組之構形可以使各極對之磁極得到 相反之北極性及南極性，藉以形成電磁鐵。通電之極性反 向可影響極對之磁性多重性之反向。沿著徑向氣隙之繞組 通電之適合定時開關可影響藉由越過氣隙之定子與轉子間 之磁力的相互作用產生之電動勢。 該等轉子永久磁極全部具有沿著氣隙之均勻環形大小， 具藉由具均勻大小之環形間隙彼此分離。以這些均勻關係 98721.doc 200535872 :、、、，、。亥轉子極面及其間之間隙之實際大小變化不定， σ使其經取佳化以供特別應用。應該瞭解，可以使用 任一=數之轉子極，為了說明起見，圖丨僅描述Μ個轉子 ° J等疋子極面全部具有均勻環形大小，較佳具有與該 轉子環形極面之均句環形大小不同之尺寸。

、根據本發明之具體實施例，可藉由調製特別磁性鐵合金 乂 ^個別軟式磁性複合物元件，其中係使該合金成份及 用里最L化以供特別應用。其可準確地調整供目標性質（例 女、定子構件之磁導率、飽和磁通密度及渦流特性）之特殊 权式磁1±複合物元件。適合之合金組份包括碎⑻、錄 (Co)、鎳（Ni)、磷（Ρ)、鈦（Ti)、飢（ν)、鍅（Zr)、及紹（Α1)。 適合之合金組合物實例如下：

Si :至高 3.5% P : 〇_3 至 〇·8% C : 0.03%至 〇·ι〇/0 Cr : 16%至 18%

Mo : 0.5%至 1.5% Ni : 35%至 80%

Mg :至高 〇·8% V : 0.04%至 0.1% S : 0.025%至 0.4% Cr : 7.5%至 18.3%

Mo : 0.2%至 0.5% Cb :至高 0.25% 98721.doc 200535872

Tl:小微量 Fe :差額

本發明之呈轉每A 突 一體只轭例包括含2或3種不同SMC合金之製造 ye ^ 1如，電磁磁芯組件。藉由使用多種SMC合金，可 斗于到各種僵& ’·’、 J如，可部份合併多種SMC合金以幫助熱 1未件（熱官理）、 Μ荨零件之局部磁性、改良部份該組件 ’ :/結構性f、或嵌埋冷卻導管與管路及感測器或熱電

單#件之多種SMC元件可包含不同鐵合金及/或 同方式處理之相同鐵合金。 件月具/體實施例包括有技巧地調整軟式磁性複合物元 、^龍特職用之目標磁性、電氣性質、化學 性質及機械性質。施用於 化予 不受限於圖i所揭示之元件合物元件並 用於丨 件。反倒疋，電動機應用包括··如 ;fe 摩托車及汽車之具高效率之田 率使用於小空間(例如 、’ °以取大功 "柯）之具阿導磁率之電動機；需要 小的南頻率損失(例如，發 如用於航空應用之具低重量之電動:)之及、二'之電動機； 重要之具高扭矩之電動機。枝，及其中機械性質很 «本發明具體實施例之方法包括進行任—種不同的粉 末心金技術，例如，濕緊壓法 π 游、t ^ ¥ &法、或金屬射出成 "。如圖2所示’該初階段包括技巧性地 金，繼而粉碎（例如，藉由霧化）以形成適合大小（例如: 小為約150至約400微米）之個別顆粒。 大 以介電質材料之塗料封裝個別鐵合金顆粒，該塗料可以 98721.doc -10- 200535872 末之鄰接顆粒絕緣以減小磁芯損失。可以使用任—種 ^•貝材料，例如，有機物質，例如，熱塑性塑膠或熱固 性樹脂。適合之無機物質包括氧化鐵、罐酸鐵、驗金屬石夕 酸鹽或氧化鎂。熱塑性物質之實例包括聚醚醯亞胺、聚醚 颯、或聚醯胺醯亞胺。 、取好藉由化學反應使該等鐵合金顆粒具有氧化鐵或碟酸 鐵塗層。可藉由以石夕酸納或石夕酸奸溶液弄濕該粉末以施用 籲驗金屬石夕酸鹽塗料。可藉由主要含鎂之有機金屬化合物、 或有機鎂化合物（例如，甲氧化鎮）之層的熱轉化以施用氧化 鎖塗料。最好可施用多種塗料及㉖混合塗料。然後使該等 塗枓顆粒與潤滑劑（例如，Ken〇lubeTM，其係得自一讓s Ab of SWeden)摻合。適合之潤滑劑包括有機、無機、及合成半 •有機潤滑劑。 —

“匕口物亦可包含結合劑（例如，有機結合劑）以改良強 度。適合之有機結合劑包括酚系樹脂。-般而t，該潤滑 劑之添加量為約0.5重量％，且該結合劑之添加量亦可以是 至少重量％。亦可❹亦可作為潤滑劑之結合劑。 於約500至約800 MPa(百萬帕）壓力下 然後於室溫下或於約8〇t至約2〇〇t：溫度下，一般而言， ’例如，於約600-800

Mpa下，緊壓該經覆膜 、叫、坪七、 ι朕〇金顆粒、潤滑劑及視需要選用之 結合劑之混合物’通常費時為約5至約3〇秒，以形成素複合 物。於緊麼期間，需小心避免個該鐵合金顆粒上之介電質 塗層破裂，例如，可益土丨、，^人 了猎由以貫驗方法測定在特別應用中之 最佳壓力。 98721.doc 200535872 接著’於適合溫度下熱處理該素壓坯以強化素壓坯，並 移除若存在之結合劑。可以於約500°C至約7501溫度下在 乾U先空氣、氮或蒸氣氣壓中進行此種熱處理步驟，通常 費時為約30至約50分鐘。於熱處理期間，根據，例如，合 金加成物之性質及用量等之因素，會發生收縮現象。 根據本發明之具體實施例所製成之軟式磁性元件能有效 使用在各種不同電動機應用上。本發明之具體實施例包括

提供可製造供各種特別應用之軟式磁性元件之有效方法的 見貝】根據本赉明規則之具體實施例，可以得到特定性質。 這些參數包括： L壓實性質，例如，力調整、工具設計、排出力及壓實 密度； 2·粉末性質，例如，等向性，顆粒大小、潤滑劑比率及 混合比； 3. 4. 合金加成物，例如，Co、Si、Ni、p或其組合物； U火條件，例如，溫度、退火ramp #、浸泡、冷卻 猶環、退火氣壓； 5·磁性，例如，磁芯損失、導磁率、飽和磁通密度、矯 頑力永久性感應、趨膚效應及磁致伸縮； 6·電氣性質，例如，電阻率、導電率及電容率； 戋械H貝例如，抗拉破裂強度、拉伸順優點、裂縫、 潛變； 熱性質’例如’熱膨脹絲、㈣率、導熱係數及溫 度係數； 98721.doc -12- 8. 200535872 文斗加劑’例如，樹脂結合劑及潤滑劑； 表面潤飾，例如，自然氧化、塗布及電鍍；及 u.特別應用，例如，機械元件之種類。 根據本ϋ規則，除了該特別應用以外，可預定一或 種上述目標性質， 一 、 可以於能夠使一特別部份得到最佳及 度，條件下製造並加工合金。然後測定該等目標性 I、’再调配該合金，及再調整各條件，直到得到精確預 定目標性暂氣l

、…。初麥數及條件之選擇係根據後續藉由堂 t錯=之調整所得之經驗。制此财式可得到供預定; 、”且預疋合金及方法條件。因此，可以選擇特別 應用’例如’汽車電動機、輪椅電動機、或飛行器電動機， 所要之設計性質及欲進行之本發明方法，可以以有效的方 式製造具有所要設計㈣之軟式磁性元件。 在本明-項具體實施例中，可以於後壓實熱處理之前 及後，測定素壓4之大小以決定於熱處理期間之收縮量。 然後將該經測定之收縮量作為設計參數以形成具適合大小 之素壓is，由於具有可預測之後續收縮玉見象，所以可得到 具高準確性及可重覆性之預定目標大小。 實例1 製備含0.45%P、2.0%Si、及差額為鐵之混合物，其顆粒 大小為約1 50至200微米。接著小心地氧化該粉末以得到介 電質塗料包膠之各顆粒。然後使已覆膜顆粒之混合物與〇 5 體積％潤滑劑及有機結合劑摻合。摻合後，於6〇〇Mpa壓力 下，在至溫下壓貫该混合物以得到素壓堪。然後於5⑽。◦溫 9872l.doc -13 - 200535872 度下在乾工氣氣遷下加熱該素屬述，費時4 〇分鐘，其預定 里為Ο /ί)所形成軟式磁性複合物元件之密度為7 3 g/cc。 發明可以有效製造供電動機應用之軟式磁性複合物， /、/、有供複雜凡件之立體磁通性、使複雜元件成形之撓 Τ、回尺寸精度及平滑表面性、高頻率下之低渴流損失， 藉、減 > 電動機大小及重量、高耐受性、於操作磁通密度

私度下之最佳導磁率、適合之電阻率、等向性及於減少成 本下之高可靠性。 本發明在任何各種電動機之製造上具有工業實用性。本 發明特別適於旋轉電動機。 中僅顯示及描述本發明之較佳具體實施例及一 =人些實例。應該瞭解本發明可以使用在各種 %境中，且只要不違背文中所示本發明之範 圍，可以有變化及/或修飾。 【圖式簡單說明】 本备明可藉由實例說明，且苴 解，且/、並非用以限制該附圖之圖 解且其以樣的參考數定係指類似的元件 圖1為根據本發明一項具體每 /、Τ · 子配置的平面圖。，、體“例之電動機之定子及轉 圖2為說明根據本發明一項具體 塊圖。 Ν <衣造步驟之方 【主要元件符號說明】 10 旋轉構件 9872I.doc 14 200535872 12 14 20 22 24 26 28 永久磁鐵 柱形背板 定子 極對 U形磁性結構 極面 繞組

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Claims (1)

1. 200535872 十、申請專利範圍： 2. -種含電磁極群組之定子，其中各該群組包含與其它群 組磁性隔離及分離之磁性材料，該磁性材料包ς鐵人八 之經慶實個別顆粒之軟式磁性複合物，各顆粒經介^ 材料覆膜以致使該等顆粒彼此電氣性隔離。 、 一種旋轉電動機，其包括·· 以如請求項丨之電磁極群組之環形圈型式構形之定 子，該群組實質上沿著該環形圈大小等距分佈，·及 環形轉子，其與轉動之通路同中心，並與該環形定子 同申心，以形成其間之徑向氣隙，該環形轉子包含多數 個永久磁體極，其實質上沿著該氣隙之環狀大小以交替 磁極性等距分佈，該永久磁極具有一共用磁通返回路徑。 3·如請求項2之旋轉電動機，其中電磁極群組各包含可開關 通電以驅動該定子與轉子間之電動勢互相作用之繞組。 4·如睛求項1之定子，其中該鐵合金包含至少一種選自由矽 (Si)、始（Co)、鎳（Ni)、磷（Ρ)、鈦（丁丨）、釩（ν)、鍅（Zr)、 及銘（A1)所組成之群組之元素。 5·如睛求項4之定子，其中該鐵合金含有〇 〇-3%矽及/或1〇 至50%鈷。 6· —種製造定子之方法，該定子包含電磁極之群組，各該 基團包含彼此隔離及分離之磁性材料，該方法包括藉由 以下步驟形成軟式磁性複合物之磁性材料： 霧化鐵合金以形成多數個顆粒； 以介電質材料塗覆各顆粒； 98721.doc 200535872 形成該已覆膜鐵合金顆粒與潤滑劑之混合物； 於高溫及高壓下壓實該混合物以形成素壓坯；及 加熱處理該素壓坯以形成該軟式磁性複合物。 7·如請求項6之方法，其中該鐵合金包含至少一種選自由矽 (Si)、餘（Co)、鎳（Νι)、鉀（K)、鈦（Ti)、釩（v)、鍅（Zr)、 及铭（A1)所組成之群組之元素。 8. 如請求項6之方法，其包括在壓實前，添加結合劑至該混 合物内。 9. 如請求項6之方法，其包括形成密度為該鐵合金理論密度 之至少98%之軟式磁性複合物。 1 〇·種製造電動機之元件之方法，該元件包括具有目標形 狀、目標大小及目標磁性、電氣性質及機械性質之軟式 磁性複合物，該方法包括： 決定用以得到該等目標性質之磁性鐵合金組成及方 條件；

   幵/成具預定鐵合金組成之顆粒； 以介電質材料塗覆各顆粒； 混合該已覆膜鐵合金顆粒與潤滑劑以形成混合物； ;於預定之溫度、壓力、時間及氣壓之方法條件下壓實 該混合物以形成素壓坯；並 以疋》里度、時間及氣 朴 .......丨〜，土〜抓丨卞「刀α热琢素壓坯以） 、含有藉纟介電質材料彼此經電氣隔離之個別鐵人全$ 二磁性複合物元件，該軟式磁性複合物元：以 目榇形狀、大小及性質。 98721.doc 200535872 11 ·如請求項1 〇之方法，其包括合併該 u设胰鐵合金顆粒與 潤滑劑及結合劑以形成該混合物。 〃 12. —種製造含多數個電磁極群組之定 炙方法，該方法包 括自如請求項Η)之軟式磁性複合物材料製造該電磁 13_ —種製造旋轉電動機之方法’該旋轉電動機包含呈電磁 極群組之環形圈型式構型之定子，該群組實質上沿著該 環形目大小等㈣地㈣各料Μ含與其料組磁性 隔離及分離之磁性材料；及 與轉動軸同中心並與該環形定子同中心以形成盆間之 徑向氣隙之環形轉子’該環形轉子包含多數個;久磁 極其貝貝上口著氣隙之環形大小以交替磁極性等距離 地分佈，該永久磁極具有共用磁通返回路徑，該方法包 括自如請求項10之軟式磁性複合物材料製造該電磁極群 組。 • 14. 一種製造如請求項13之旋轉電動機之方法，其中電磁極 群組各包含可開關通電以驅動該定子與轉子間之電動勢 相互作用之繞組。 1 5 ·如晴求項10之方法，其中此等鐵顆粒包括至少一種選自 由矽（Si)、姑（Co)、鎳（Ni)、鉀（Ρ)、鈦（Ti)、釩（ν)、錯、 及铭（A1)所組成之群組之元素。 16·如請求項1〇之方法，其進一步包括： 測定以該鐵合金之合金元素之性質及用量為變數，於 後壓實加熱期間該素壓坯發生之收縮現象之程度；並 98721.doc 200535872 將該混合物壓實至預定大小以致一旦後續加熱時，該 素壓坦會收縮以得到目標形狀及目標大小。 ^ 17· —種如請求項1〇之方法所製成之軟式磁性複合物。 1 8·、種零件’其包含至少兩種不同軟式磁性複合物，各軟 性複合物包含鐵合金之經壓實個別顆粒，各顆粒^ 介電質材料覆膜以致使該等顆粒彼此經電氣隔離。 19·如清求項18之零件，其包含3種不同軟式磁性複合物。 月求項1 8之苓件，其中各軟式磁性複合物包含不同鐵 響 合金。 ’ 21·如請求項18之零件，其中各軟式磁性複合物包含相同鐵

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