WO2008084756A1 - 磁性粉末、圧粉磁心、電動機およびリアクトル - Google Patents

Abstract

磁束密度を低下させることなく、絶縁性にも優れた圧粉磁心用の磁性粉末と、該磁性粉末からなる圧粉磁心、さらには該圧粉磁心からコアが形成された電動機もしくはリアクトルを提供する。そのために、圧粉磁心用の磁性粉末１０において、軟磁性金属粉末１の表面には、相対的に硬質な酸化物微粉末２が分散固着しており、この軟磁性金属粉末１の表面のうち、酸化物微粉末２が分散固着していない箇所と該酸化物微粉末２の双方には、相対的に軟質な絶縁被膜３が固着している。

Description

明細書 磁性粉末、 圧粉磁心、 電動機およびリアクトル 技術分野

本発明は、磁性粉末と該磁性粉末を加圧成形してなる圧粉磁心、および該圧粉磁 心を適用してなる電動機およびリアクトルに関するものである。 背景技術

地球環境への負荷軽減の観点から自動車産業ではハイプリッド自動車や電気自 動車の開発が日々進められており、 中でも、 主要な搭載機器である電動機やリア クトルの高性能化や小型化は急務の開発課題の一つとなっている。

この電動機を構成するステータコアやロータコア、 リアク トルを構成するリア ク トルコアは珪素鋼板を積層してなる鋼板積層体から形成されたり、 樹脂コーテ イングされた鉄系の軟磁性粉末を加圧成形してなる圧粉磁心から形成されている。 圧粉磁心から各種コアを成形する場合には、 その磁気特性として積層鋼板に比し て高周波鉄損が少ないこと、 加圧成形されることから形状バリエーションに臨機 かつ安価に対応できること、 珪素鋼板 （電磁鋼板） に比して材料費が廉価である こと、 などの利点を有している。

圧粉磁心用の軟磁性金属粉末は、 該金属粉末の表面に絶縁被膜を形成すること で粉末の絶縁性、 ひいては圧粉磁心自体の絶縁性を確保して鉄損の発生を抑止し ている。 この絶縁被膜の形成方法として、 例えば特許文献 1に開示の軟磁性粉末 を挙げることができる。 具体的には、 軟磁性粉末またはリン酸皮膜被覆軟磁性粉 末の表面に厚さが 0 . 1〜5 mの極めて薄いシリ コン樹脂皮膜を形成したシリ コン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を室温〜 1 5 0 ^aCに加熱することで軟磁性粉末を生 成するものである。

特許文献 1に開示の軟磁性粉末においては、 これを材料として所定形状に加圧 成形し、 加圧成形時に圧粉磁心内に生じた加工歪を解消するために焼鈍処理をお こなうが、 この焼鈍処理時の高温雰囲気内で絶縁被膜が破壊する可能性が極めて 高い。 具体的には、 図 6 aにて示す軟磁性粉末 aとその表面のシリ コン樹脂被膜 bとからなる磁性粉末 cを加圧成形し、 高温焼鈍することで、 図 6 bに示すよう に、 シリコン樹脂が高温雰囲気下で溶け出し、 粉末間の 3重点に凝集することで 粉末の絶縁性が阻害されるというものである。

そこで、 かかる問題を解決するための従来技術として、 例えば特許文献 2, 3 に開示の磁性粉末を挙げることができる。 特許文献 2に開示の磁性粉末は、 軟磁 性金属粉末の表面に酸化物などからなる絶縁被膜を形成し、 その上にシリコン榭 脂被膜が形成された少なくとも 3重構造の軟磁性金属粉末である。 これを図 7に 基づいて説明すると、 軟磁性金属粉末 aの表面に酸化物などからなる絶縁被膜 d が形成され、 その上にシリ コン樹脂被膜 bが形成されて磁性粉末 c ' となってい る。

また、 特許文献 3に開示の磁性粉末は、 軟磁性金属粉末の表面に第 1の絶縁被 膜を形成し、 その上にシリ コン樹脂からなる第 2の絶縁被膜を形成し、 この第 2 の絶縁被膜中に酸化物粒子が分散してなる磁性粉末、 さらには、 第 2の絶縁被膜 のさらに上に第 3の絶縁被膜が形成された磁性粉末である。

特許文献 1

特開 2 0 0 5— 1 3 3 1 6 8号公報

特許文献 2

特開 2 0 0 6— 1 2 8 5 2 1号公報

特許文献 3

特開 2 0 0 6— 5 1 7 3号公報 発明の開示

特許文献 2， 3の磁性粉末によれば、 軟磁性金属粉末の表面にシリコン樹脂が 直接被覆されておらず、 さらには 2以上の被膜層にて軟磁性金属粉末が覆われて いることから、 高温焼鈍時においてシリ コン樹脂が凝集し、 磁性粉末の絶縁性が 阻害されるといった問題が解消される。 しかし、 軟磁性金属粉末表面における被 膜量が多くなることで相対的に金属粉末密度が低減する結果、 磁束密度の低下が 余儀なくされ、 所要の磁気特性が得られないという致命的な問題に繋がる。 本発明は、 上記する問題に鑑みてなされたものであり、 圧粉磁心の磁束密度を 低下させることなく、 絶縁性に優れた圧粉磁心用の磁性粉末と、 該磁性粉末から なる圧粉磁心、 さらには該圧粉磁心からコアが形成された電動機もしくはリアク トルを提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、 本発明による磁性粉末は、 圧粉磁心用の磁性粉末であ つて、 軟磁性金属粉末の表面には、 相対的に硬質な酸化物微粉末が分散固着して おり、 前記軟磁性金属粉末の表面のうち、 前記酸化物微粉末が分散固着していな い箇所と該酸化物微粉末の双方には、 相対的に軟質な絶縁被膜が固着しているこ とを特徴とするものである。 ' ここで、 軟磁性金属粉末として、 たとえば、 鉄、 鉄一シリコン系合金、 鉄ー窒 素系合金、 鉄一ニッケル系合金、 鉄一炭素系合金、 鉄一ホウ素系合金、 鉄ーコバ ノレト系合金、 鉄一リン系合金、 鉄—ニッケル一コバルト系合金および鉄一アルミ ニゥムーシリコン系合金などを用いることができる。

本発明の磁性粉末は、 上記する軟磁性金属粉末の表面に硬質酸化物微粉末が島 状に分散した状態で固着されており、 分散した酸化物微粉末とこの酸化物微粉末 が固着していない軟磁性金属粉末表面箇所の双方に絶縁被膜が固着することで磁 性粉末が形成される。

絶縁被膜は、 絶縁性および耐熱性を有する適宜の樹脂材料から生成することが でき、 軟磁性金属粉末表面に分散固着した酸化物微粉末と結合 （架橋） する樹脂 素材であることが望ましい。

上記構成による磁性粉末とすることで、 樹脂素材の絶縁被膜が軟磁性金属粉末 のみならず、 該軟磁性金属粉末に分散固着された酸化物微粉末に強固に結合され ているため、 この酸化物微粉末が軟磁性金属粉末と絶縁被膜との接着作用を高め ることで、 高温焼結時に絶縁被膜が凝集し、 絶縁性が阻害されるといった問題が 解消される。 さらに、 酸化物微粉末が分散されていることで、 すなわち、 軟磁性 金属粉末表面全面に酸化物のコーティング層が形成されていないために、 磁性粉 末における金属粉末割合の低減が抑止される。 その結果、 該磁性粉末から成形さ れる圧粉磁心の磁束密度が低下することがない。

また、 本発明による磁性粉末の好ましい実施の形態は、 前記軟磁性金属粉末が 純鉄であることを特徴とするものである。

純鉄のほかに鉄を主成分とする上記合金から該軟磁性金属粉末を生成すること ができるが、 中でも純鉄から軟磁性金属粉末を生成することで、 他の合金に比し て材料コストが安価となる。 また、 例えば鉄一シリコン系合金と比較した場合に は、 磁性粉末における金属密度が高くなる結果、 高磁束密度の圧粉磁心を成形す ることができる。

また、 本発明による磁性粉末の好ましい実施の形態は、 前記軟磁性金属粉末の 表面に前記酸化物微粉末と前記絶縁被膜とからなる一層の被膜層が形成されてい ることを特徴とするものである。

磁性粉末がその中心の軟磁性金属粉末とその外側の一層の被膜層から形成され ることで、 金属密度を一層高めることができ、 より高い磁束密t.を有する圧粉磁 心を得ることができる。

また、 前記酸化物微粉末をシリカ （s i o ₂) から生成し、 前記絶縁被膜をシリ コン樹脂から生成することで、このシリ力とシリコン樹脂との結合性の良さから、 高温時におけるシリコン樹脂の凝集防止効果が高くなる。

上記する磁性粉末を成形型内に充填し、 加圧成形するとともに乾燥およびクー リングをおこない、 最後に焼鈍することで、 高い磁束密度と高い絶縁性を有する 圧粉磁心を得ることができる。 なお、 発明者等の実証実験によれば、 ヒステリシ ス損失と渦電流損失からなる鉄損を可及的に低減でき、 磁性粉末の密度 （軟磁性 金属粉末の割合） によって決定される磁束密度を可及的に高めることのできる酸 化物微粉末の被覆率として、 2 0〜8 0 %の範囲が好ましいことが実証されてい る。

磁気特性に優れた上記圧粉磁心は、 ハイプリッド車ゃ電気自動車の駆動用電動 機を構成するステータゃロータ、電力変換装置を構成するリアク トル用のコア（リ ァクトルコア） に好適である。

以上の説明から理解できるように、 本発明の磁性粉末と該磁性粉末からなる圧 粉磁心によれば、 高温焼鈍時における絶縁被膜の凝集が効果的に防止されること で、 高い絶縁性を得ることができ、 さらには、 軟磁性金属粉末表面に酸化物微粉 末が分散固着され、 この酸化物微粉末が存在しない箇所に絶縁被膜が形成されて W いることで鉄成分の割合が高まり （高密度化） 、 高い磁束密度の圧粉磁心を得る ことができる。 図面の簡単な説明

図 1において、 （a )は本発明の磁性粉末の一実施の形態の断面図であり、 （b ) は圧粉磁心の一部の拡大図である。

図 2は、 圧粉磁心の製造工程を示したフロー図である。

図 3は、 軟磁性金属粉末表面にシリカ微粉末を分散固着させる方法を説明した 模式図であって、 （a ) は溶液調整工程を示しており、 （b ) は鉄粉投入工程を 示しており、 （c ) はろ過工程を示しており、 （d ) は生成されたシリカ微粉末 分散鉄粉の断面図である。

図 4は、 鉄粉表面におけるシリカ微粉末の表面被覆面積と鉄損の関係を示した 実験結果である。

図 5は、 鉄粉表面におけるシリカ微粉末の表面被覆面積と磁性粉末密度の関係 を示した実験結果である。

図 6は、 従来の磁性粉末の一実施の形態の断面図であり、 （a ) は一つの磁性 粉末を示しており、 （b ) は焼鈍後の複数の磁性粉末を示している。

図 7は、 従来の磁性粉末の他の実施の形態の断面図であり、 （a ) は一つの磁 性粉末を示しており、 （b ) は焼鈍後の複数の磁性粉末を示している。 図面において、 1は鉄粉 （軟磁性金属粉末） 、 2はシリカ微粉末 （酸化物微粉 末） 、 3はシリコン樹脂膜 （絶縁被膜） 、 1 0は磁性粉末、 をそれぞれ示してい る。 発明を実施するための最良の形態

以下、 図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 図 l aは本発明の磁性 粉末の一実施の形態の断面図であり、 図 i bは圧粉磁心の一部の拡大図である。 図 2は圧粉磁心の製造工程を示したフロー図である。 図 3は軟磁性金属粉末表面 にシリカ微粉末を分散固着させる方法を説明した模式図であって、 図 3 aは溶液 調整工程を示しており、 図 3 bは鉄粉投入工程を示しており、 図 3 cはろ過工程 を示しており、図 3 dは生成されたシリカ微粉末分散鉄粉の断面図を示している。 図 4は鉄粉表面におけるシリカ微粉末の表面被覆面積と鉄損の関係を示した実験 結果であり、 図 5は鉄粉表面におけるシリカ微粉末の表面被覆面積と磁性粉末密 度の関係を示した実験結果である。 なお、 図示する磁性粉末は鉄粉 （軟磁性金属 粉末） の表面にシリカ微粉末 （酸化物微粉末） とシリコン樹脂 （絶縁被膜） から なる 1層の被膜層が形成された実施の形態であるが、 シリカ微粉末をシリコン樹 脂が被覆することでシリカ微粉末箇所では 2層の被膜層が形成される磁性粉末で あってもよい。 また、 鉄粉は球状、 扁平状など、 任意の断面形状を呈するもので ある。

図 1 aは本発明の磁性粉末を示した断面図である。 この磁性粉末 1 0は、 軟磁 性金属粉末として鉄粉 1を使用し、 その外表面に酸化物微粉末であるシリカ微粉 末 2が島状に分散固着され、 このシリカ微粉末 2と結合性の高いシリコン樹脂膜 3が絶縁被膜として鉄粉 1およぴシリカ微粉末 2に固着しており、 鉄粉 1表面に 1層の絶縁被膜層が形成されたものである。

図 l bは、 この磁性粉末 1 0を成形型内に充填し、 加圧成形し、 焼鈍処理をお こなってできる圧粉磁心の一部の拡大図である。 圧粉磁心を構成する磁性粉末 1 0において、 シリコン樹脂膜 3がシリカ微粉末 2と強固に結合されているため、 高温焼鈍時にこのシリコン樹脂膜 3が溶け出して凝集することが防止される結果、 図 1 bに示すように各磁性粉末 1 0の表面をシリコン樹脂膜 3が覆い、 磁性粉末 1 0の絶縁性が担保される。 .なお、 図 6 , 7で示した従来の磁性粉末と比較する ことで双方の違いはより明瞭となる。

次に、 図 2に基づいて、 本発明の圧粉磁心の製造方法を説明する。 まず、 第 1 のステップ （S 1 0 0 ) として、 軟磁性金属粉末である鉄粉表面にシリカ微粉末 を分散固着させる。このステップ S 1 0 0を図 3に基づいてより詳細に説明する。 まず、 図 3 aに示すように、 テトラエトキシシラン （T E O S ) の加水分解法 によってシリカ微粉末を生成する。 より具体的には、 T E O Sを 5 g、 水を 3 0

0 m l調合し、これを混ぜ合わせるとともに所定の反応時間経過させる。ここで、 この二液は分離状態となっている。なお、 T E O Sと水の比率を調整することで、 溶液中のシリカ微粉末の量が調整されるとともに、 シリカ微粉末の結合状態も環 状や鎖状に変化させることができる。 また、 所定の反応時間経過させることによ つても溶液中のシリカ微粉末の量が調整されるが、 加水分解、 重複合反応を促進 するために数時間〜 1日程度溶液を放置するのがよい。 この溶液に触媒として N a O Hを 0 . 1 g添加する。

次いで、 図 3 bに示すように、 上記溶液中に鉄粉 （純鉄ガスアトマイズ粉） を l O O g投入し、 8時間に 1：つて攪拌を継続する。 この攪拌時間によって鉄粉を 被覆するシリカ微粉末の量が変化するが、 攪拌時間が長くなるに従って、 厚く、 均一なシリカ微粉末膜ができ （被覆率が 1 0 0 %に近似していく） 、 攪拌時間が 短い場合には、 薄く、 まばらなシリカ微粉末膜が形成される。

攪拌終了後に図 3 cに示すようにろ過し、 鉄粉と溶液を分離する。 鉄粉を約半 日間自然乾燥させることで図 3 dに示すように、 鉄粉表面にシリカ微粉末が分散 固着された粉末が生成される。

図 2に戻り、 ステップ S 1 0 0にて生成された粉末表面にシリコン樹脂による 絶縁被膜を被覆させる （ステップ S 2 0 0 ) 。 具体的には、 シリコン樹脂をエタ ノール液に融解させておき、 その中へステップ S 1 0 0で生成された粉末を投入 して攪拌することで粉末表面にシリコン樹脂が付着する。所定時間攪拌した後に、 エタノールを蒸発させながら攪拌することで上記粉末表面（およびシリ力微粉末） にシリ コン樹脂が固着してなる磁性粉末が生成される。

次いで、 電動機のステータコアやリアク トルコアなどの所定形状のキヤビティ を具備する成形型内に生成された磁性粉末を充填し、 加圧成形するとともに乾燥 させる （ステップ S 3 0 0 ) 。

最後に加圧成形体の内部に生じた加工歪を除去すべく高温焼鈍処理をおこなう ことで不図示の圧粉磁心が成形される (ステップ S 4 0 0 ) 。

本発明の磁性粉末によれば、 上記するステップ S 4 0 0にて高温焼鈍処理を施 した場合でも、 鉄粉表面に分散固着したシリカ微粒子がシリコン榭脂と強固に結 びついているために、 シリコン樹脂が溶け出して凝集するといつた問題が解消さ れる。 その結果、 高い絶縁性を有する圧粉磁心を得ることができる。

さらに、 磁性粉末を構成する鉄粉表面を被覆する層がシリカ微粒子とシリコン 樹脂からなる一層構造であることから、 磁性粉末において鉄粉の占める割合を高 めることができ （磁性粉末の高密度化） 、 高い磁束密度の圧粉磁心を成形するこ とができる。

[鉄粉表面におけるシリカ微粉末の表面被覆面積と鉄損の関係、および磁性粉末 密度の関係に関する実験結果]

本発明者等は、 鉄粉表面におけるシリカ微粉末の表面被覆面積と鉄損の関係と 磁性粉末密度の関係に関する実験をおこなった。 そのうち、 鉄粉表面におけるシ リ力微粉末の表面被覆面積と鉄損の関係に関する実験結果を図 4に、 鉄粉表面に おけるシリカ微粉末の表面被覆面積と磁性粉末密度の関係に関する実験結果を図 5にそれぞれ示している。 本実験の具体的内容は、 純鉄粉表面のシリカ微粉末の 被覆割合を 0〜1 0 0 %の範囲で変化させて磁性粉末を生成し、 この磁性粉末を 加圧成形および焼鈍して試験体 （圧粉磁心） を成形し、 この試験体の鉄損 （ヒス テリシス損失および渦電流損失）を測定するとともに、密度の測定をおこなつた。 なお、 各試験体においてシリコン榭脂の量は一定としている。

図 4において、 点線 （Yライン） はヒステリシス損失を、 一点鎖線 （Zライン） は渦電流損失を、 実線 （Xライン） はそれらの和である鉄損をそれぞれ示してい る。 - 図 4において、 例えば表面被覆面積が 0 %の場合とはシリカ微粉末が全くない 場合を示しており、 表面被覆面積が 1 0 0 %の場合とはシリカ微粉末が鉄粉の全 表面を被覆している場合を示している。

シリカ微粉末が存在することで、 純鉄とシリコン樹脂の馴染みが良くなり、 そ の結果として高温焼鈍後においても絶縁性の確保された磁性粉末が得られる結果、 渦電流損失は低下の一途を迪る。

しかし、 シリカ微粉末の被覆率が高まることは鉄以外の不純物の割合が増加す ることを意味しており、 その結果としてシリカ微粉末の被覆率の増加に伴ってヒ ステリシス損失が単調増加することが分かった。

さらに、 シリカ微粉末の被覆率がおよそ 8 0 %程度になると、 硬質なシリカ微 粉末が磁性粉末の圧縮成形性を阻害することで圧粉磁心の密度を低下させ、 その 結果としてヒステリシス損失の増加を助長させることも分かった。 一方、 図 5に示すように、 シリカ微粉末の被覆率が高まることでその縦軸で示 す磁性粉末密度は単調減少する。 ここで、 シリカ微粉末の被覆率がおよそ 8 0 % 程度になると、 上記するように硬質なシリカ微粉末が磁性粉末の圧縮成形性を阻 害することで圧粉磁心の密度が急激に低下する。

以上の実験結果より、 軟磁性金属粉末 （鉄粉） 表面の酸化物微粉末 （シリカ微 粉末） の被覆率は 2 0〜 8 0 %の範囲が望ましいと結論付けることができる。 以上、 本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、 具体的な構成はこ の実施形態に限定されるものではなく、 本発明の要旨を逸脱しない範囲における 設計変更等があっても、 それらは本発明に含まれるものである。

Claims

請求の範囲

1 . 圧粉磁心用の磁性粉末であって、

軟磁性金属粉末の表面には、相対的に硬質な酸化物微粉末が分散固着しており、 前記軟磁性金属粉末の表面のうち、 前記酸化物微粉末が分散固着していない箇所 と該酸化物微粉末の双方には、 相対的に軟質な絶縁被膜が固着していることを特 徴とする磁性粉末。

2 . 前記軟磁性金属粉末が純鉄であることを特徴とする請求項 1に記載の磁性粉 末。

3 . 前記軟磁性金属粉末の表面に前記酸化物微粉末と前記絶縁被膜とからなる一 層の被膜層が形成されている請求項 1または 2に記載の磁性粉末。

4 . 前記酸化物微粉末がシリカ （S i 0 ₂) からなり、 前記絶縁被膜がシリ コン榭 脂からなる請求項 1〜 3のいずれかに記載の磁性粉末。

5 . 前記軟磁性金属粉末表面における前記酸化物微粉末の被覆率が 2 0〜 8 0 % の範囲であることを特徴とする請求項 1〜4のいずれかに記載の磁性粉末。

6 . 請求項 1〜 5のいずれかに記載の磁性粉末を加圧成形してなる圧粉磁心。

7 . 請求項 6に記載の圧粉磁心がステータコアおよび Zまたはロータコアに適用 されていることを特徴とする電動機。

8 . 請求項 6に記載の圧粉磁心がリアク トルコアに適用されていることを特徴と するリアクトル。