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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Pulverkern, ein Verfahren zum
Herstellen desselben und einen elektrischen Motor und einen Reaktor,
von denen jeder ein aus dem Pulverkern bestehendes Kernelement aufweist.
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Stand der Technik
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Hinsichtlich
der Verringerung von Umweltbelastungen wurde die Entwicklung von
Hybridfahrzeugen und Elektrofahrzeugen Tag für Tag in der
Automobilindustrie betrieben. Insbesondere ist ein dringender Entwicklungsgegenstand
die Realisierung eines Motors oder Reaktors mit hoher Leistung und
geringer Größe, welcher die Hauptvorrichtung ist,
die an Fahrzeugen angebracht ist.
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Ein
Statorkern oder ein Rotorkern, welche einen Motor bilden, und ein
Reaktorkern, welcher einen Reaktor bildet, besteht jeweils aus einem
Stahlplattenlaminat, in dem Silikon-Stahlplatten laminiert sind,
oder aus einem Pulverkern, der mittels Pressformen eines harzbeschichteten
weichmagnetischen Pulvers auf Eisenbasis erhalten wird. Eine Vielzahl
von mit Pulverkernen gebildeten Kernen sind hinsichtlich der magnetischen
Eigenschaften vorteilhaft, welche in einem geringeren Hochfrequenz-Eisenverlust
resultieren als in dem Fall, in dem laminierte Stahlplatten verwendet
werden, und der Vielzahl von Formen, die aus dem Pressformen auf eine
flexible Weise bei geringen Kosten resultieren können.
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Im
Fall eines weichmagnetischen Metallpulvers für einen Pulverkern
wird eine Isolierbeschichtung auf der Oberfläche eines
weichmagnetischen Metallpulverpartikels so gebildet, dass nicht
nur Isoliereigenschaften des Pulvers, sondern auch Isoliereigen schaften
des Pulverkerns selbst sichergestellt werden können, was
in der Verhinderung des Auftretens des Eisenverlusts resultiert.
Insbesondere werden Eisenpulverpartikel mit einem Silikonharz oder
einem Epoxidharz bedeckt. In einem solchen Fall wird zum Beispiel,
um die Zerstörung der Schicht nach dem Pressformen zu verhindern
und die Isolierung zwischen den Eisenpulverpartikeln sicherzustellen,
die Menge des zu dem Eisenpulver zugegebenen Harzes erhöht.
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Die 11a bis 11c zeigen
Untersuchungsergebnisse, die von den Erfindern für die
Verhältnisse zwischen der zugegebenen Harzmenge und dem
spezifischen Widerstand, dem Verhältnis zwischen derselben und
der Festigkeit bzw. dem Verhältnis zwischen derselben und
der Dichte erhalten wurden. In den obigen Untersuchungen wurde ein
flockiges Eisenpulver, das als Hauptbestandteile Eisen und Si (1
Gew.-%) enthält und das ein Längenverhältnis
von 6 aufweist, verwendet. Wie aus den 11a und 11b ersichtlich ist, bewirkt ein Anstieg
der zugegebenen Harzmenge einen Anstieg des spezifischen Widerstands
(was in einer Verbesserung der Isoliereigenschaften resultiert),
was zu einer Verbesserung der Pulverkernfestigkeit führt.
Dennoch verursacht, wie aus 11c ersichtlich
ist, ein Anstieg in dem Harzanteil in dem Eisenpulver eine Abnahme
in der Pulverkerndichte. Eine solche Abnahme in der Dichte ruft
eine Verringerung der magnetischen Flussdichte (magnetischen Eigenschaften)
des Pulverkerns hervor.
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Zusätzlich
gibt es ein Verfahren zum Herstellen eines Pulverkerns, das das
Pressformen eines magnetischen Pulvers umfasst, das ein Silikonharz
umfasst, das hauptsächlich auf den Oberflächen
der Eisenpulverpartikel kondensiert ist. Dennoch besteht in diesem
Verfahren die Tendenz, dass Spalten zwischen den magnetischen Pulverpartikeln
erzeugt werden, was in einer Verringerung der Pulverkernfestigkeit
resultiert. Ebenso gibt es ein Verfahren zum Herstellen eines Pulverkerns,
das das Pressformen eines magnetischen Pulvers umfasst, das eine
vorher auf den Oberflächen der Eisenpulverpartikel gebildete
Kieselsäureschicht umfasst. In diesem Verfahren greifen,
da die Kieselsäureschicht ein anorganisches Isoliermaterial
ist, die magnetischen Pulverpartikel kaum für eine Verbindung
zwischen diesen ineinander, was unausweichlich in einer Verringerung
der Pulverkernfestigkeit resultiert.
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Daher
ist ein vorrangiges Ziel einen Pulverkern herzustellen und zu entwickeln,
der ausgezeichnete Isoliereigenschaften, eine hohe Festigkeit und
eine hohe Dichte aufweist.
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Zum
Beispiel veröffentlichen die Patentdokumente 1 bis 3 herkömmliche
Verfahren zum Herstellen eines Pulverkerns. Patentdokument 1 offenbart
ein Verfahren zum Herstellen eines Pulverkerns, worin die Oberflächen
der Eisenpulverpartikel mit einem Dispergiermittel behandelt werden
und ein Silikonharz oder dergleichen damit gemischt wird, gefolgt
von Pressformen und einer Wärmebehandlung. Die Patentdokumente
2 und 3 offenbaren Verfahren zum Herstellen eines Pulverkerns, worin
ein reines Eisenpulver oder ein reines Eisenpulver, das Partikel
umfasst, welche jeweils eine Phosphatschicht auf deren Oberfläche
aufweisen, mit Polysphenylensulfid (PPS) oder einem wärmehärtenden
Polyimid (PI) gemischt wird, gefolgt von Pressformen und einer Wärmebehandlung.
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Wenn
das Herstellungsverfahren in Patentdokument 1 für die Herstellung
eines Pulverkerns verwendet wird, ist es unmöglich, das
obige Problem der Verringerung der Pulverkerndichte zu lösen.
Wenn die Herstellungsverfahren in den Patentdokumenten 2 und 3 verwendet
werden, ist es unwahrscheinlich, dass PPS oder PI, die durch Wärmebehandlung
erweicht wurden, die Lücken zwischen den Pulverpartikeln
füllen, und daher ist es unmöglich, das obige
Problem der Verringerung der Pulverkerndichte zu lösen.
- Patentdokument 1: JP Patentveröffentlichung
(Kokai) Nr. 11-126721 A (1999)
- Patentdokument 2: JP
Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2002-246219 A
- Patentdokument 3: JP
Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2006-310873 A
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Offenbarung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wurde hinsichtlich der obigen Probleme getätigt.
Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, einen Pulverkern
mit ausgezeichneten Isoliereigenschaften, hoher Festigkeit und hoher
Dichte (hoher magnetischer Flussdichte), ein Verfahren zum Herstellen
desselben und einen elektrischen Motor oder einen Reaktor mit einem
aus dem Pulverkern bestehenden Kernelement bereitzustellen.
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Um
das obige Ziel zu erreichen, umfasst das Verfahren zum Herstellen
eines Pulverkerns der vorliegenden Erfindung wenigstens die folgenden
Schritte: einen ersten Schritt, in dem ein Harzpulver und ein magnetisches
Pulver, das weichmagnetische Metallpulverpartikel umfasst, von denen
jedes eine vorher auf der Oberfläche derselben gebildete
Isolierschicht aufweist, hergestellt werden; einen zweiten Schritt,
in dem eine Pulvermischung durch Mischen des magnetischen Pulvers
und des Harzpulvers erhalten wird; und einen dritten Schritt, in
dem ermöglicht wird, dass das Harzpulver in der Atmosphäre
bei einer bestimmten Temperatur geliert, und Pressformen der Pulvermischung,
so dass ein Pulverkern hergestellt wird, der als pressgeformter Körper
erhalten wird.
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Hierin
schließen Beispiele eines weichmagnetischen Metallpulvers,
die verwendet werden können, Pulver aus reinem Eisen, Legierungen
auf Basis von Eisen-Silikon, Legierungen auf Basis von Eisen-Stickstoff, Legierungen
auf Basis von Eisen-Nickel, Legierungen auf Basis von Eisen-Kohlenstoff,
Legierungen auf Basis von Eisen-Bor, Legierungen auf Basis von Eisen-Kobalt,
Legierungen auf Basis von Eisen-Phosphor, Legierungen auf Basis
von Eisen-Nickel-Kobalt und Legierungen auf Basis von Eisen-Aluminium-Silikon,
ein. Zusätzlich schließen Beispiele einer Isolierschicht,
die verwendet werden kann, Schichten umfassend Kieselsäure
(SiO2), anorganische Materialien, wie eine
Nitritschicht (Si3N4)
und keramische Materialien, ein. Die vorliegende Erfindung ist jedoch
nicht auf solche Beispiele beschränkt, solange das verwendete
Material einen Schmelzpunkt aufweist, der die Temperatur nach dem
Warmformen übersteigt und das nicht nach dem Warmformen
geliert.
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Ferner
schließen Beispiele des Harzpulvers, das verwendet werden
kann, ein Silikonharz, ein Epoxidharz, ein Phenolharz, ein Polyesterharz,
ein Polyamidharz und ein Polyimidharz, jedes in Pulverform, ein.
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Bei
dem Verfahren zum Herstellen eines Pulverkerns der vorliegenden
Erfindung wird vorher eine Isolierschicht auf den Oberflächen
der obigen weichmagnetischen Metallpulverpartikel gebildet. Ein
magnetisches Pulver, das Partikel umfasst, die mit der Isolierschicht
beschichtet sind, wird hergestellt. Hierin ist ein Beispiel eines
Verfahrens zum Bilden einer solchen Isolierschicht ein Verfahren,
worin die Oberflächen von Partikeln eines weichmagnetischen
Metallpulvers, das reines Eisen oder dergleichen umfasst, mit Si
in einer hohen Konzentration, unter Verwenden einer Entkarbonisierungs-/Reduktionsreaktion,
gefolgt von Oxidation, silikonisiert werden (entsprechend dem ersten
Schritt).
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Als
Nächstes wird eine Pulvermischung durch Mischen des so
gebildeten magnetischen Pulvers und des obigen Harzpulvers hergestellt.
Die erhaltene Pulvermischung wird in eine bestimmte Hochtemperatur-Atmosphäre
gegeben, so dass ermöglicht wird, dass nur das Harzpulver
geliert. Die das Harzpulver in Gelform umfassende Pulvermischung
wird in einem Presswerkzeug mit einer bestimmten Form pressgeformt,
so dass die Spalten zwischen den magnetischen Pulverpartikeln, die
mit einer harten Isolierschicht bedeckt sind, mit den gelartigen
Harzpartikeln gefüllt werden.
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Gemäß dem
obigen Herstellungsverfahren ist es möglich, die Dichte
des hergestellten Pulverkerns in einem höheren Ausmaß zu
erhöhen als die, die durch ein herkömmliches Herstellungsverfahren
erhalten wird, worin ein weichmagnetisches Metallpulver, das eine
relativ hohe Menge eines Harzes umfasst, das auf der Oberfläche
der weichmagnetischen Pulverpartikel gebildet ist, pressgeformt
wird. Die Realisierung einer solch hohen Dichte führt zu
einer Verbesserung der magnetischen Flussdichte des Pulverkerns.
Hierin kann ein Pulverkern mit einer hohen Dichte aus den unten
beschriebenen Gründen erhalten werden. Das heißt,
Gegenstand des herkömmlichen Verfahrens ist es, eine Isolierschicht
mit Harzpartikeln zu bilden. Daher werden, um ausgezeichnete Isoliereigenschaften
sicherzustellen, große Mengen an Harzpartikeln verwendet,
so dass der Anteil der Harzpartikel in dem Pulverkern ansteigt,
was in einer Verringerung der Dichte des Pulverkerns resultiert.
Indessen wird, gemäß dem Herstellungsverfahren
der vorliegenden Erfindung, vorher eine Isolierschicht auf den Oberflächen
der weichmagnetischen Metallpulverpartikel gebildet. Deswegen werden
Harzpartikel mit magneti schen Pulverpartikeln gemischt, um als Bindemittel
zum Binden der magnetischen Pulverpartikel zu wirken, und daher
werden diese nicht zum Sicherstellen der Isoliereigenschaften verwendet.
Folglich entspricht die nötige Harzmenge einer Menge, die
ausreichend ist, die Spalten zwischen den magnetischen Pulverpartikeln
zu füllen.
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Zudem
kann als Ergebnis der Bindung der magnetischen Pulverpartikel über
das Harzbindemittel die Festigkeit des hergestellten Pulverkerns
verbessert werden. Die Erfinder bewiesen die folgenden Tatsachen. Gemäß dem
obigen herkömmlichen Herstellungsverfahren verschlechtert
sich die Pulverkernfestigkeit aufgrund von zwischen den magnetischen
Pulverpartikeln nach Pressformen erzeugten Spalten. Gemäß dem Herstellungsverfahren
der vorliegenden Erfindung wird jedoch der gesamte Anteil des magnetischen
Pulvers unter einer Bedingung pressgeformt, bei der Spalten zwischen
den magnetischen Pulverpartikeln mit gelartigen Harzpartikeln gefüllt
werden. Daher wird eine starke Bindung über eine hohe Bindungskraft
erreicht, zu der die Haftfestigkeit, die ein Harzbindemittel zeigt,
zusätzlich zu der Kraft des Ineinandergreifens zwischen den
magnetischen Pulverpartikeln addiert wird. Zusätzlich kann
die Pulverkernfestigkeit basierend auf der Bindungsstärke,
der Zugfestigkeit, der radialen Bruchfestigkeit oder dergleichen
definiert werden.
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Hierin
bezieht sich die Bedingung, bei der ermöglicht wird, dass
die Harzpartikel gelieren, auf eine Bedingung, bei der die Harzpartikel
Viskositätseigenschaften aufweisen, die in einer geringeren
Viskosität als einer Viskosität von 10000 Pa·s
(Pascal-Sekunden) resultiert, bei der die Glasfließtemperatur
definiert ist. Im Allgemeinen beträgt die Harzpartikelviskosität
ungefähr 5000 Pa·s oder weniger.
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Infolgedessen
wurde es gemäß dem Verfahren zum Herstellen eines
Pulverkerns der vorliegenden Erfindung möglich, einen Pulverkern
mit ausgezeichneten Festigkeitseigenschaften und magnetischen Eigenschaften
herzustellen, während die Isoliereigenschaften sichergestellt
werden.
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Zusätzlich
wird in einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens
zum Herstellen eines Pulverkerns der vorliegenden Erfindung der
obige pressgeformte Körper bevorzugt im dritten Schritt
geglüht. In einem solchen Fall wird eine Kieselsäureschicht
mit einem zugegebenen Harz als Bindemittel gebildet, so dass die
Isoliereigenschaften sichergestellt werden. Ferner resultiert das
Glühen in der Entfernung von Bearbeitungsdeformationen,
die in dem Pulverkern als Ergebnis des Pressformens erzeugt werden.
Daher kann eine Abnahme der magnetischen Eigenschaften aufgrund
des Pressformens verhindert werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen
eines Pulverkerns der vorliegenden Erfindung ist der dritte Schritt
dadurch gekennzeichnet, dass das Warmformen das Befüllen
eines Formwerkzeugs mit der Pulvermischung und das Pressformen der
Pulvermischung in einer Atmosphäre bei einer Temperatur,
bei der das Harzpulver nicht kondensations-polymerisiert wird, einschließt.
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Warmformen
bezeichnet ein Formverfahren, bei dem ein Pulver und ein Formwerkzeug
(Form) in der Atmosphäre bei einer Temperatur von ungefähr
100°C bis 150°C erwärmt werden und während
des Erwärmens dem Pressformen unterzogen werden. In einem
solchen Temperaturbereich wird zum Beispiel das Silikonharz nicht
kondensations-polymerisiert.
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Harzpartikel
werden in der Atmosphäre bei einer Temperatur für
das obige Warmformen zu einem Gel gebildet, das heißt,
einer Temperatur, bei der das Harz nicht kondensations-polymerisiert
wird, oder einer Temperatur, die geringer ist als die Temperatur
für die Kondensations-Polymerisation des Harzes. Wie oben
beschrieben, können Spalten zwischen den magnetischen Pulverpartikeln
mit den gelartigen Harzpartikeln gefüllt werden.
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Zusätzlich
wird, wenn die verwendeten Harzpartikel Silikonharzpartikel sind,
die als solche spezifiziert sind, die kommerziell erhältlich
sind, wie YR3370 (hergestellt von GE Toshiba Silicones Co., Ltd.)
und die KR-Serie (KR221, 240, 220L, etc.) (hergestellt von Shin-Etsu
Chemical Co., Ltd.), die Temperatur in dem obigen dritten Schritt
(d. h., die Temperatur für das Warmformen) bevorzugt auf
ungefähr 120°C bis 145°C festgelegt.
Solche kommerziell erhältlichen Silikonharze (Pulver) können
zu mäßigen Preisen erworben werden, und daher
können die Pulverkerne mit geringeren Kosten hergestellt
werden.
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Ferner
ist der Pulverkern der vorliegenden Erfindung ein Pulverkern, der
auf eine Weise erhalten wird, dass ein Harz verwendet wird, um Spalten
zwischen den magnetischen Pulverpartikeln zu füllen, die
weichmagnetische Metallpulverpartikel umfassen, von denen jedes
eine vorher auf dessen Oberfläche gebildete Isolierschicht
aufweist, gefolgt von Harten. Er ist dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil des zugemischten Harzes 0,3 Gew.-% oder weniger beträgt,
die magnetische Flussdichte (B50) 1,4 T (Tesla) oder mehr beträgt
und die radiale Bruchfestigkeit 70 MPa oder mehr beträgt.
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In
den Fällen von durch herkömmliche Herstellungsverfahren
hergestellten Pulverkernen ist es unausweichlich die Menge des Harzes
zu erhöhen, wenn versucht wird die Isoliereigenschaften
zu verbessern. Wenn der Harzanteil in einem Pulverkern erhöht
wird, sinkt die Pulverkerndichte. Eine solche Abnahme in der Pulverkerndichte
verursacht direkt eine Abnahme in der magnetischen Flussdichte.
Andererseits ist es nötig die Menge des Harzes zu verringern,
wenn versucht wird die magnetische Flussdichte des Pulverkerns zu
erhöhen. Als Ergebnis kann keine ausreichende Adhäsionskraft
unter Verwenden einer verringerten Menge eines Harzbindemittels
erhalten werden. Daher werden die Festigkeitseigenschaften des Pulverkerns,
wie die radiale Bruchfestigkeit verringert. Deshalb weisen durch
herkömmliche Herstellungsverfahren hergestellte Pulverkerne
keine ausgezeichneten Festigkeitseigenschaften und keine ausgezeichneten
magnetische Eigenschaften auf (z. B. magnetische Flussdichte). Zusätzlich
haben die Erfinder die folgenden Tatsachen durch Untersuchungen
gezeigt. In den Fällen herkömmlicher Pulverkern-Herstellungsverfahren
beträgt die erhaltene radiale Bruchfestigkeit maximal ungefähr
30 MPa, wenn versucht wird die magnetische Flussdichte (B50) auf
1,4 T oder mehr zu erhöhen, während andererseits
die erhaltene radiale Bruchfestigkeit maximal ungefähr
50 MPa beträgt, wenn versucht wird die magnetische Flussdichte
(B50) auf ungefähr 1,2 T nieder zu halten.
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Anders
als die obigen durch herkömmliche Verfahren hergestellten
Pulverkerne weist ein durch das oben beschriebene Herstellungsverfahren
der vorliegenden Erfin dung erhaltener Pulverkern Eigenschaften auf,
die durch eine magnetische Flussdichte (B50) von 1,4 T oder mehr
und einer radialen Bruchfestigkeit von 70 MPa oder mehr ausgedrückt
werden können, und daher weist er ausgezeichnete Festigkeitseigenschaften und
ausgezeichnete magnetische Eigenschaften auf.
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Es
ist hierin bevorzugt, Kieselsäure (SiO2)
für die Isolierschicht zu verwenden, die den die obigen
Eigenschaften aufweisenden Pulverkern bildet und Silikonharz als
das obige Harz hinsichtlich der Produktionskosten und dergleichen
zu verwenden.
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Ferner
wird die Menge des zugegebenen Harzes, wenn ein Pulverkern mit den
obigen Eigenschaften gebildet wird, auf ungefähr 0,3 Gew.-%
oder weniger eingestellt. Von den Erfindern durchgeführte
Untersuchungen zeigten, dass die höchste radiale Bruchfestigkeit
bei einem Anteil von zugegebenem Harz von ungefähr 0,2
Gew.-% erhalten werden kann und dass die magnetische Flussdichte
schrittweise als Ergebnis des Anstiegs des Anteils des zugegebenen
Harzes abnimmt. Hinsichtlich der Untersuchungsergebnisse ist es sinnvoll,
den Anteil des zugegebenen Harzes, wie oben beschrieben, auf ungefähr
0,3 Gew.-% oder weniger festzulegen und bevorzugt auf 0,1 Gew.-%
bis 0,3 Gew.-%, um einen Pulverkern mit einer magnetischen Flussdichte
(B50) von 1,4 T oder mehr und einer radialen Bruchfestigkeit von
70 MPa oder mehr zu erhalten. Zusätzlich kann das Längenverhältnis
des zu verwendenden weichmagnetischen Metallpulvers auf ungefähr
1 bis 10 festgelegt werden, und die durchschnittliche Partikelgröße
des Pulvers kann auf ungefähr 150 bis 200 μm festgelegt
werden.
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Der
obige Pulverkern mit hoher Festigkeit und hoher magnetischer Flussdichte
wird für einen Statorkern und/oder einen Rotorkern zum
Herstellen eines elektrischen Motors verwendet. Der so erhaltene
elektrische Motor wird bevorzugt für Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge
und dergleichen verwendet, welche einen elektrischen Antriebsmotor
mit ausgezeichneten magnetischen Eigenschaften und ausgezeichneten
Festigkeitseigenschaften erfordern.
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Ebenso
wird, wenn der obige Pulverkern der vorliegenden Erfindung für
einen Reaktorkern verwendet wird, ein solcher Reaktorkern bevorzugt
für einen Reaktor verwendet, der in Hybridfahrzeugen, Elektrofahrzeugen
und dergleichen eingebaut ist.
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Wie
es basierend auf der obigen Beschreibung zu verstehen ist, kann
ein Pulverkern mit einer hohen Festigkeit und einer hohen magnetischen
Flussdichte durch das Verfahren zum Herstellen eines Pulverkerns der
vorliegenden Erfindung hergestellt werden, während die
Isoliereigenschaften sichergestellt werden. Zusätzlich
weist der Pulverkern der vorliegenden Erfindung ausgezeichnete Festigkeitseigenschaften
und magnetische Eigenschaften auf, die durch eine magnetische Flussdichte
(B50) von 1,4 T oder mehr bzw. eine radiale Bruchfestigkeit von
70 MPa wiedergegeben werden.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 ist
eine erläuternde Abbildung des Temperaturbereichs für
ein Silikonharz in fester, Gel- oder in kondensations-polymerisierter
Form.
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2a bis 2e zeigen
jeweils eine erläuternde Darstellung eines Schritts des
Verfahrens zum Herstellen eines Pulverkerns der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
eine vergrößerte Ansicht von III in 2a.
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4 ist
eine vergrößerte Ansicht von IV in 2b.
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5 ist
eine vergrößerte Ansicht von V in 2d.
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6 ist
ein Graph, der den Gelier-Temperaturbereich für ein Silikonharz
zeigt.
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7 ist
ein Graph, der Untersuchungsergebnisse für die Beziehung
zwischen der radialen Bruchfestigkeit und der Menge des zugegebenen
Harzes für den Pulverkern der vorliegenden Erfindung (Beispiel)
und für den in dem Vergleichsbeispiel erhaltenen Pulverkern,
zeigt.
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8 ist
ein Graph, der Untersuchungsergebnisse für das Verhältnis
zwischen der magnetischen Flussdichte und der Menge des zugegebenen
Harzes für den Pulverkern der vorliegenden Erfindung (Beispiel) und
für den in dem Vergleichsbeispiel erhaltenen Pulverkern,
zeigt.
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9 ist
ein Graph, der die Untersuchungsergebnisse für die Festigkeitseigenschaften
und die magnetischen Eigenschaften des Pulverkerns der vorliegenden
Erfindung (Beispiel) und der in den Vergleichsbeispielen erhaltenen
Pulverkerne, zeigt.
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10 ist
ein Graph, der Berechnungsergebnisse für das Längenverhältnis
des weichmagnetischen Metallpulvers, der Menge des zugemischten
Harzes und der durchschnittlichen Partikelgröße
zeigt.
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11(a) ist ein Graph, der das Verhältnis
zwischen der Menge des zugegebenen Harzes und dem spezifischen Widerstand
für ein Eisenpulver mit einer Fe-1Si-Zusammensetzung und
einem Längenverhältnis von 6 zeigt.
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11(b) ist ein Graph, der das Verhältnis
zwischen der Menge des zugegebenen Harzes und der Festigkeit zeigt.
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11(c) ist ein Graph, der das Verhältnis
zwischen der Menge des zugegebenen Harzes und der Dichte zeigt.
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In
den Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 1 das magnetische
Pulver, das Bezugszeichen 11 bezeichnet ein reines Eisenpulver
(weichmagnetisches Metallpulver), das Bezugszeichen 12 bezeichnet
die Kieselsäureschicht (Isolierschicht), das Bezugszeichen 2 bezeichnet
ein Silikonharzpulver (Harzpulver), das Bezugszeichen 2A bezeichnet
ein gelartiges Harz, das Bezugszeichen 10 bezeichnet einen
pressgeformten Körper, und das Bezugszeichen 20 bezeichnet
den Pulverkern.
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Beste Art zum Ausführen
der Erfindung
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Nachfolgend
werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter
Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. 1 ist eine
erläuternde Ansicht des Temperaturbereichs für
ein Silikonharz in fester, Gel- oder kondensations-polymerisierter
Form. 2a bis 2e zeigen
jeweils eine erläuternde Ansicht eines Schritts des Verfahrens
zum Herstellen des Pulverkerns der vorliegenden Erfindung. Die 3 bis 5 sind
vergrößerte Ansichten von III, IV und V in
(a), (b) bzw. in (d) in 2. 6 ist ein
Graph, der den Gelier-Temperaturbereich für das Silikonharz
zeigt. 7 ist ein Graph, der Untersuchungsergebnisse für
das Verhältnis zwischen der radialen Bruchfestigkeit und
der Menge des zugegebenen Harzes für den Pulverkern der
vorliegenden Erfindung (Beispiel) und den in dem Vergleichsbeispiel
erhaltenen Pulverkern, zeigt. 8 ist ein
Graph, der Untersuchungsergebnisse für das Verhältnis
zwischen der magnetischen Flussdichte und der Menge des zugegebenen
Harzes für den Pulverkern der vorliegenden Erfindung (Beispiel)
und den in den Vergleichsbeispielen erhaltenen Pulverkern, zeigt. 9 ist
ein Graph, der die Untersuchungsergebnisse für die Festigkeitseigenschaften
und die magnetischen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung (Beispiel)
und die in den Vergleichsbeispielen erhaltenen Pulverkerne, zeigt. 10 ist
ein Graph, der Berechnungsergebnisse für das Längenverhältnis
und die durchschnittliche Partikelgröße eines
weichmagnetischen Metallpulvers mit Bezug auf die benötigte
Menge des zugemischten Harzes, zum Füllen von Spalten zwischen
den magnetischen Pulverpartikeln, zeigt.
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Zunächst
wird das Verfahren zum Herstellen eines Pulverkerns der vorliegenden
Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben.
Ferner wird hinsichtlich des beteiligten magnetischen Pulvers reines
Eisen als weichmagnetisches Metallpulver verwendet. Die vorher auf
den Pulverpartikeloberflächen gebildete Isolierschicht
umfasst Kieselsäure (SiO2). Das
zum Füllen der Spalten zwischen den magnetischen Pulverpartikeln
verwendete Harz, ist ein Silikonharz.
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1 ist
eine erläuternde Ansicht des Temperaturbereichs für
das Silikonharz in fester, Gel- oder kondensations-polymerisierter
Form (entsprechend den Bereichen A, B bzw. C in der Figur). Die
Temperatur, bei der Silikonharz in Gelform vorliegt, entspricht
im Wesentlichen der Temperatur für das Warmformen. Sie
liegt in einem Bereich von ungefähr 120°C bis
ungefähr 145°C (t3 bis t4).
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Die 2a bis 2e zeigen
jeweils eine erläuternde Ansicht eines Schritts des Verfahrens
zum Herstellen eines Pulverkerns der vorliegenden Erfindung. 2a erläutert die Bedingung, bei
der das magnetisches Pulver 1 mit dem Silikonharzpulver 2 bei
einer normalen Temperatur gemischt wird. Insbesondere wird die Pulvermischung
durch das Verfahren des Rührens und Mischens des magnetischen
Pulvers und einer gegebenen Menge des Silikonharzpulvers oder durch
das Verfahren des einheitlichen Vermischens des Silikonharzpulvers 2 mit
dem magnetischen Pulver 1 durch Mischen beider Pulver bei
einer Temperatur, die t1 in 1 nahe ist, und
Verflüchtigen des Lösungsmittels bei einer Temperatur,
die t2 in 1 nahe ist, gebildet. Hierin
kann YR3370 (hergestellt von GE Toshiba Silicones Co., Ltd.), welches
im Vergleich mit ähnlichen Materialien relativ günstig
ist, als Silikonharzpulver 2 verwendet werden.
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3 zeigt
eine vergrößerte Ansicht von III in 2a. Wie in der Figur gezeigt, wird ein
magnetisches Pulver 1 durch Bilden einer Kieselsäureschicht 12 über
den Oberflächen der Partikel des reinen Eisenpulvers 11 erhalten.
Das magnetische Pulver 1 wird im Voraus in dem vorherigen
Schritt hergestellt. Insbesondere wird das reine Eisenpulver 11 mit
Si in einer hohen Konzentration unter Verwenden einer Entkarbonisierungs-/Reduktionsreaktion,
gefolgt von Oxidation, silikonisiert. Entsprechend wird eine harte
Kieselsäureschicht mit ausgezeichneten Isoliereigenschaften über
den Oberflächen der Partikel des reinen Eisenpulvers 11 gebildet.
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Unter
Rückbeziehung auf 2b wird
die das magnetische Pulver 1 und das Silikonharzpulver 2 umfassende
Pulvermischung in einen Raum gegeben, der aus der Umfangsform B
und dem unteren Stempel A1 gebildet wird. Nach Beladen mit der Pulvermischung
wird der obere Stempel A2 verwendet, um den Raum, wie in 2c gezeigt, zu schließen, gefolgt
von Unterdrucksetzen des oberen Stempels A2 mit einem gegebenen Druck,
wie in 2d gezeigt. Entsprechend wird
ein pressgeformter Körper 10, welcher ein intermediärer
geformter Körper eines Pulverkerns ist, geformt.
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Hierin
entsprechen die Schritte in den 2b bis 2d den Warmformschritten, welche in der
Atmosphäre bei einer Temperatur (t3 bis t4), wie in 1 gezeigt,
durchgeführt wird.
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4 zeigt
eine vergrößerte Ansicht von IV in 2b. In der Atmosphäre bei einer
Temperatur von 100°C bis 150°C, und insbesondere
120°C bis 145°C, wird ermöglicht, dass
das Silikonharzpulver 2 in der Pulvermischung allein geliert,
so dass ein gelartiges Harz 2A gebildet wird. 6 zeigt
Untersuchungsergebnisse, die von den Erfindern hinsichtlich des
Silikonharz-Geliertemperaturbereichs erhalten wurden. Basierend
auf 6 wurde herausgefunden, dass, wenn YR3370 als
Silikonharz verwendet wird, die Geliertemperatur in einem Bereich
von ungefähr 120°C bis 145°C liegt, und
dass die Viskosität des Silikonharzes ungefähr
5000 Pa·s oder weniger in einem solchen Temperaturbereich
beträgt. Zusätzlich gibt die gestrichelte Linie
in der Figur die Viskosität wieder, auf welcher basierend
die Glasfließtemperatur definiert wird. Eine derartige
Viskosität beträgt ungefähr 10000 Pa·s.
Daher ist in dem Fall, in dem der Grad des Silikonharz-Gelierens
auf einer solchen Viskosität basierend definiert wird,
die Viskosität maximal ungefähr 10000 Pa·s.
Im Allgemeinen wird ein gelartiges Silikonharz so spezifiziert,
dass es Viskositätseigenschaften aufweist, die einer Viskosität
von ungefähr 5000 Pa·s entsprechen.
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Wenn
das Silikonharzpulver 2 in der Pulvermischung, die in dem
Presswerkzeug enthalten ist, zu einem gelartigen Harz 2A gebildet
wird, wird das Pressformen, wie in 2d gezeigt,
durchgeführt. Entsprechend werden, wie in 5 gezeigt,
welche eine vergrößerte Ansicht von V ist,
Spalten zwischen den Partikeln des magnetischen Pulvers 1 mit
dem gelartigen Harz 2A gefüllt, gefolgt von Härten.
So wird der pressgeformte Körper 10 gebildet.
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Am
Ende wird der pressgeformte Körper 10 in der Atmosphäre
bei einer Temperatur von ungefähr 600°C bis 750°C
geglüht, was der Temperatur (t5) in 1 entspricht.
So kann der Pulverkern 20, der die gewünschte
Form aufweist, die frei von Bearbeitungsdeformationen ist, erhalten
werden. Das obige Glühen bewirkt die Kondensa tions-Polymerisation
des gelartigen Silikonharzes. Als Ergebnis kann eine starke Bindung zwischen
den Partikeln des magnetischen Pulvers 1 aufgrund interpartikulärer
Kräfte des Ineinandergreifens und der Adhäsionskraft,
die das Silikonharz besitzt, erreicht werden.
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[Untersuchungen für die Festigkeitseigenschaften
und die magnetischen Eigenschaften des Pulverkerns (Beispiel) der
vorliegenden Erfindung und der in den Vergleichsbeispielen erhaltenen
Pulverkerne und Untersuchungsergebnisse]
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Die
Erfinder verwendeten ein reines Eisenpulver als weichmagnetisches
Metallpulver. Das magnetische Pulver wurde durch Bilden einer Kieselsäureschicht
(ein Oxid des Silikonharzes (YR3370)) über den Oberflächen
der Partikel des reinen Eisenpulvers hergestellt. Das magnetische
Pulver wurde mit dem Silikonharz auf eine Weise gemischt, dass die
resultierende Mischung 0,2 Gew.-% des zugegebenen Silikonharzes enthielt.
So wurde die Pulvermischung gebildet. Dann wurde ermöglicht,
dass das Silikonharz in Übereinstimmung mit dem obigen
Verfahren geliert, gefolgt von Pressformen und Glühen.
Entsprechend wurde der Pulverkern geformt (Beispiel). Indessen wurden
zwei Pulverkerne durch ein herkömmliches Herstellungsverfahren
in den Vergleichsbeispielen geformt. Einer von ihnen (Vergleichsbeispiel
1) wurde durch einfaches Pressformen eines magnetischen Pulvers
erhalten, das reine Eisenpartikel umfasst, von denen jedes eine
vorher auf dessen Oberfläche gebildete Kieselsäure-Dünnschicht
aufwies. Der andere (Vergleichsbeispiel 2) wurde durch Pressformen
eines reinen Eisenpulvers erhalten, das Partikel umfasste, die mit
einer relativ großen Menge eines Si-Harzes beschichtet
waren. Die unten stehende Tabelle 1 führt die Messwerte
hinsichtlich der Dichte, des Wirbelverlusts, der Festigkeit (radiale
Bruchfestigkeit) und der magnetischen Flussdichte B50 in dem Beispiel
und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 auf. Zusätzlich zeigt 7 Untersuchungsergebnisse
für das Verhältnis zwischen der radialen Bruchfestigkeit
und der Menge des zugegebenen Silikonharzes. 8 zeigt Untersuchungsergebnisse
für das Verhältnis zwischen der magnetischen Flussdichte
B50 und der Menge des zugegebenen Silikonharzes. 9 ist
ein Graph, der Untersuchungsergebnisse für die radiale
Bruchfestigkeit und die magnetische Flussdichte B50 zeigt.
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Zusätzlich
wurde in dem Verfahren zum Messen der radialen Bruchfestigkeit ein
ringförmiges Pulverkern-Untersuchungsstück mit
einer Dicke von 5 mm, einem Außendurchmesser von 39 mm
und einem Innendurchmesser von 30 mm hergestellt. Die radiale Bruchfestigkeit
wurde mit angelegtem Druck bestimmt, bei dem Risse in dem Teststück
als Ergebnis des Unterdrucksetzens mit einem Kompressor erzeugt
werden. [Tabelle 1]
| | Schichtdicke (μm) | Dichte
(g/cm3) | Wirbelverlust (W/kg) | Radiale Bruchfestigkeit
(MPa) | Magnetische Flussdichte (B50)
(T) |
| Beispiel | ≤ 0,1 | 7,72 | 16 | 90 | 1,64 |
| Vergleichsbeispiel
1 | ≤ 0,1 | 7,73 | 16 | 20 | 1,65 |
| Vergleichsbeispiel
2 | ≤ 0,5 | 7,5–7,6 | 16 | 30 | 1,35 |
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Wie
in Tabelle 1 gezeigt, stieg im Fall des Vergleichsbeispiels 2 die
Menge des Silikonharzes, und daher stieg die Harzschichtdicke auf
der Oberfläche eines reinen Eisenpulverpartikels. Als Ergebnis
verringerte sich die Dichte in einem größeren
Ausmaß als die in dem Beispiel und in dem Vergleichsbeispiel
1. Ebenso verringerte sich die magnetische Flussdichte.
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Im
Fall des Vergleichsbeispiels 1 wurde eine magnetische Flussdichte,
die der des Beispiels vergleichbar war, erhalten. Dennoch wurde
die radiale Bruchfestigkeit signifikant auf ein Maß verringert,
das 20% derer des Beispiels entspricht. Der Grund, warum die Festigkeit
in dem Vergleichsbeispiel 1 in einem größeren
Ausmaß abnahm als die in dem Vergleichsbeispiel 2, ist,
dass zusätzlich die Adhäsionskraft des Harzbindemittels nach
Bindung zwischen den magnetischen Pulverpartikeln in dem Vergleichsbeispiel
2 gezeigt wurde.
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Im
Fall des Beispiels wurde die magnetische Flussdichte (B50) dahingehend
beobachtet, dass sie verglichen mit den Vergleichsbeispielen 1 und
2 ein Maß erreichte, das genau so hoch war wie 1,4 T oder
höher. Ebenso wurde beobachtet, dass die radiale Bruchfestigkeit
ein Maß erreichte, das genau so hoch war wie 70 MPa oder
mehr. Daher ist zu verstehen, dass der in dem Beispiel erhaltene
Pulverkern ausgezeichnete Festigkeitseigenschaften und ausgezeichnete
magnetische Eigenschaften aufweist.
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Ebenso
wurde ferner basierend auf den Ergebnissen für die Beziehung
zwischen der radialen Bruchfestigkeit und der Menge des zugegebenen
Harzes in dem Beispiel (Linie P1 in dem Graphen) und im Vergleichsbeispiel
2 (Linie Q1 in dem Graphen), wie in 7 gezeigt,
herausgefunden, dass die radiale Bruchfestigkeit, die im Vergleichsbeispiel
2 erhalten wurde, einen Spitzenwert von maximal ungefähr
50 MPa erreichte, ungeachtet der Menge des zugegebenen Silikonharzes.
Andererseits wurde in dem Beispiel eine hohe radiale Bruchfestigkeit
mit einem Gehalt an zugegebenem Silikonharz von ungefähr
0,2 bis 0,35 Gew.-% erhalten. Insbesondere wurde gezeigt, dass es
möglich war mit einem Gehalt an zugegebenem Silikonharz
von ungefähr 0,2 Gew.-%, eine Festigkeit zu erhalten, die
so hoch wie 90 MPa war.
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Zusätzlich
wurde basierend auf den Ergebnissen für das Verhältnis
zwischen der magnetischen Flussdichte B50 und der Menge des zugegebenen
Silikonharzes in dem Beispiel (Linie P2 in dem Graphen) und in dem
Vergleichsbeispiel 2 (Linie Q2 in dem Graphen), wie in 8 gezeigt,
herausgefunden, dass die Dichte als Ergebnis eines Anstiegs in der
Menge des zugegebenen Silikonharzes in beiden Fällen abnahm.
Ebenso tendierte die magnetische Flussdichte dazu, schrittweise
als Ergebnis der Abnahme der Dichte abzunehmen. Dennoch ist in dem
Fall des Beispiels zu verstehen, dass eine magnetische Flussdichte
(B50) von 1,4 T oder mehr mit einem Gehalt an zugegebenem Silikonharz
von 0,3 Gew.-% oder weniger erhalten werden kann.
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Basierend
auf den in den 7 und 8 gezeigten
Untersuchungsergebnissen ist es möglich zu folgern, dass
der Pulverkern bevorzugt durch das Herstellungsverfahren der vorliegenden
Erfindung hergestellt wird, und dass der Gehalt an zugegebenem Silikonharz
vorherbestimmt bei bevorzugt 0,1 Gew.-% bis 0,3 Gew.-% liegt (vorausgesetzt
dass die radiale Bruchfestigkeit basierend auf 7 ungefähr
60 MPa beträgt).
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9 ist
ein Graph, der durch Vereinigen der Ergebnisse in 7 und
derer in 8 erstellt wurde. Die vertikale
Achse gibt die radiale Bruchfestigkeit wieder, und die horizontale
Achse gibt die magnetische Flussdichte wieder. In 9 geben
X1 und X2 Ergebnisse für Pulverkerne wieder, die in dem
Beispiel mit der obigen bevorzugten Menge an zugegebenem Silikonharz
erhalten wurden. X3 bis X7 geben Ergebnisse für Pulverkerne
wieder, die in Vergleichsbeispiel A gemäß dem
Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wurden,
vorausgesetzt, dass die Menge an zugegebenem Silikonharz nicht in
den obigen bevorzugten Bereich der Menge an zugegebenem Silikonharz
fiel. Ferner entspricht das Vergleichsbeispiel B einem Pulverkern,
der wie oben in Vergleichsbeispiel 2 beschrieben, erhalten wurde.
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Basierend
auf 9 wird deutlich, dass ein Pulverkern mit ausgezeichneten
Festigkeitseigenschaften und ausgezeichneten magnetischen Eigenschaften
unter Verwenden des Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung
und Vorherbestimmen der Menge des zugegebenen Silikonharzes innerhalb
des obigen gegebenen Bereichs erhalten werden kann.
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10 zeigt
Ergebnisse für das Verhältnis zwischen der Menge
des zugegebenen Harzes und der durchschnittlichen Magnetpulver-Partikelgröße,
die durch Berechnen mit einem unterschiedlichen Längenverhältnis
von 1 bis 18 erhalten wird. Im Allgemeinen wird ein weichmagnetisches
Metallpulver mit einem Längenverhältnis von ungefähr
1 bis 6 verwendet. Dennoch wurde gezeigt, dass die durchschnittliche
Partikelgröße des Magnetpulvers ungefähr
150 bis 200 μm in dem obigen Fall beträgt, mit
einem bevorzugten Gehalt an zugegebenem Harz von 0,2 Gew.-%.
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Der
oben beschriebene Pulverkern der vorliegenden Erfindung weist ausgezeichnete
Festigkeitseigenschaften und ausgezeichnete magnetische Eigenschaften
auf. Daher wird der Pulverkern der vorliegenden Erfindung insbesondere
bevorzugt für einen Statorkern, Rotorkern oder Reaktorkern
für einen in Elektromotoren verwendeten Reaktor, für
Fahrzeuge, wie Hybridfahrzeuge, verwendet, der haltbar in sich signifikant ändernden
Umgebungen sein muss und von geringer Größe, während
er eine hohe Leistungsfähigkeit erreicht.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wurden oben unter Bezugnahme auf die
Figuren beschrieben. Dennoch ist der spezifische Aufbau der vorliegenden
Erfindung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt.
Daher umfasst die vorliegende Erfindung jegliche Gestaltungsveränderungen
oder dergleichen, die nicht vom Sinn der vorliegenden Erfindung
abweichen.
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Zusammenfassung
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Pulverkern, Verfahren zum Herstellen desselben,
Elektromotor und Reaktor
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird ein Pulverkern mit ausgezeichneten Isoliereigenschaften,
hoher Festigkeit und hoher Dichte (hohe magnetische Flussdichte),
ein Verfahren zum Herstellen desselben und ein elektrischer Motor
oder ein Reaktor mit einem aus dem Pulverkern bestehenden Kernelement
bereitgestellt. Somit wird ein Verfahren zum Herstellen eines Pulverkerns
bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
einen ersten Schritt, in dem ein Harzpulver 2 und ein magnetisches
Pulver 1, das weichmagnetische Metallpulverpartikel (reine
Eisenpulver-Partikel 11) umfasst, von denen jedes eine
vorher auf dessen Oberfläche gebildete Isolierschicht (Kieselsäureschicht 12)
aufweist, hergestellt werden; einen zweiten Schritt, in dem eine
Pulvermischung durch Mischen des magnetischen Pulvers 1 und
des Harzpulvers 2 erhalten wird; und einen dritten Schritt,
in dem ermöglicht wird, dass das Harzpulver 2 in
der Atmosphäre bei einer bestimmten Temperatur geliert,
und Pressformen der Pulvermischung, so dass pressgeformter Körper 10 erhalten
wird und Glühen des pressgeformten Körpers 10,
so dass ein Pulverkern 20 hergestellt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 11-126721
A [0009]
- - JP 2002-246219 A [0009]
- - JP 2006-310873 A [0009]