JP4576418B2 - 高抵抗圧粉磁心 - 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に好適な圧粉磁心に関する。

近年、環境問題の観点から、電気自動車が注目されている。このような電気自動車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においても低下しないことが求められている。

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の過程およびその後のプロセス履歴から生じる鉄粉内の歪に影響を受けるヒステリシス損とがある。そして、鉄損（Ｗ）は下記（式１）のように渦電流損（Ｗｅ）とヒステリシス損（Ｗｈ）の和で示すことができる。（式１）中、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、ｋ₁とｋ₂は係数である。

Ｗ＝Ｗｅ＋Ｗｈ＝（ｋ₁Ｂｍ²ｔ²／ρ）ｆ²＋ｋ₂Ｂｍ^1.6ｆ・・・・（式１）
（式１）から、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絶縁被膜を厚くすると、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。また、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）が大きくなるため、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特許文献１には、軟磁性粉と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。また特許文献２には、別の圧粉磁心の製造方法としてＦｅ−Ｓｉ系の軟磁性粉末に酸化皮膜，リン酸塩皮膜などの絶縁皮膜が形成された粉末を圧縮成形により製造する方法が開示されている。さらに特許文献３には、絶縁物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開示されている。

また特許文献４には、軟磁性粉の絶縁被膜に酸化マグネシウムを用いる方法が開示されている。この方法は鉄を酸化させ、酸化鉄表面にマグネシウム粉を作用させ、酸化鉄を酸化マグネシウムに置換することで表面を絶縁する方法である。しかし、この方法では酸化層厚以上にＭｇＯ層を厚くできず、またＭｇＯ層は６００℃以上の歪取り熱処理により比抵抗が著しく低下する問題点がある。これに対しフッ化物コート材料は、６００℃以上の熱処理でも比抵抗低下が少ない利点がある。しかしながら、適用する鉄粉の形状を制御し、コート膜の被覆厚を均一にする手間を要し、低コストな用途には適用に問題があった。

特開２００３−３３２１１６号公報 特開２００４−２８８９８３号公報 特許第３４７５０４１号公報 特開２００６−２３３３２５号公報

フッ化物は耐熱性に優れ、鉄とも反応が少なく上記課題を解決する優れた手法ではあるが、ガスアトマイズ粉や水アトマイズ粉を物理的に加工して突起除去した鉄粉を用いる必要があり、極端に低価格を要求される量産型のハイブリッド自動車用磁心などには適用が困難であった。これはフッ化物のコート処理液がアルコールをベースとしており、原料鉄粉とほとんど反応せず、従って凹凸の入り組んだ水アトマイズ粉などにはうまく被覆しないことによる。一般的に用いられるリン酸塩処理液は酸性であるため、鉄粉表面を酸化し同時にリン酸コートしていく。このため、水アトマイズ粉でも高抵抗が得られる。しかしリン酸が５００℃前後で相変化することから、耐熱性は５００℃前後となっている。

本発明は、フッ化物コート層の被覆性を改善する方法を明らかにし、低価格な回転機に適用できる磁心用軟磁性粉を提供することが目的である。

本発明は、高密度で、抵抗値が高く、磁気特性に優れた低価格な圧粉磁心とそれを得るのに適した磁性粉を提供するものである。

本発明による圧粉磁心は、希土類フッ化物又はアルカリ土類金属フッ化物からなるフッ化物層が表面に形成された鉄粉末または鉄を主成分とする合金粉末を、圧縮形成して得られる圧粉磁心であって、フッ化物層と、鉄粉末または鉄を主成分とする合金粉末と、の間に下地層を設けることを特徴とする。また、下地層は、アルカリ土類金属及びアルカリ土類金属の酸化物を含み、Ｍｇ，Ｃａ，Ｂａ又はＳｒの少なくとも一つを含むことを特徴とする。

また、本発明による圧粉磁心は、フッ化物又はアルカリ土類金属フッ化物からなるフッ化物層が表面に形成された鉄粉末または鉄を主成分とする合金粉末を、圧縮形成して得られる圧粉磁心であって、フッ化物層と鉄粉末との間に下地層を有し、下地層が、アルカリ土類金属及びアルカリ土類金属の酸化物を含み、下地層が、酸素を含む層を、鉄粉末との間に有し、下地層が、酸素とフッ素を含む層を、フッ化物層との間に有することを特徴とする。

さらに、原料の鉄粉末または鉄を主成分とする合金粉末の表面に形成された希土類またはアルカリ土類金属フッ化物コート膜と下地膜の組み合わせを有する磁性粉の圧粉成形体であることを特徴とする。

また、フッ化物層と下地層合計（コート全厚）の平均厚さが１００ｎｍ以下であって、下地層が５０ｎｍ以下の厚さであることが好ましく、フッ化物材料はフッ化マグネシウムＭｇＦ₂であることが好ましい。

本発明によれば、耐熱性が高く、比抵抗の高い高密度圧粉成形体を提供できる。

図１に、これまでのフッ化物コート層と鉄粉断面の模式図を示す。例はＭｇＦ₂をとった。フッ化物形成前には鉄粉末表面に２０ｎｍ程度の酸化層が存在する。フッ化物形成は、アルコールを溶媒としてフッ化物ゾルを用いるため、またゾルの溶媒除去温度は３５０℃と低温で、その後の熱処理も６００から７００℃が最高でこの状態で圧粉磁心原料鉄粉になる。フッ化物は融点が１０００℃以上あり、これらの処理温度では界面構造に変化はない。従ってフッ化物界面には酸素の層が残留している。この酸素の層は鉄の酸化物である。エネルギー状態図から鉄酸化物よりフッ化物が安定であるため、このまま熱処理しても反応は発生しない。反応がないため、鉄粉の凹凸大で表面の曲率の大きい部分ではコート層はがれが生ずる。この結果、比抵抗が小さくなる。

図２に本発明の概念図を示す。予め鉄粉表面にＣａ層を蒸着等の手段により形成する。蒸着は、真空中で鉄粉とカルシウムを接触させ、カルシウムの融点以下（５５０から６００℃）で加熱することで可能である。この状態で冷却して取り出した鉄粉には組成傾斜したＣａＯ下地膜とＣａ金属膜が形成される。これにフッ化物コートを行う。カルシウム表面には薄い酸化層が形成されるが、カルシウムはフッ化物の状態がより安定であるため、上記フッ化物コート方法の（２）を１００℃程度の高温で行うことにより酸素とフッ素の混合界面を得ることができる。その結果、フッ化物とカルシウム界面の結合力が、フッ化物と鉄粉界面との結合力より大きいため、曲率の大きい鉄粉界面でもはがれが生じにくい。この結果、水アトマイズ粉のような凹凸大の安価な鉄粉も使用可能となった。Ｃａ蒸着前に鉄を高温で大気中加熱すれば温度条件に応じ厚い酸化層が得られ、これを使用することで厚い下地層を得ることができる。用いたカルシウム粉は少量で、全体のコストへの影響は小さい。また、カルシウムと同様、酸化層をつくりやすく低価格なＭｇ，Ｂａまた、Ｓｒでも下地に利用した場合同様の効果が得られる。

以下、本発明の実施例を具体的に説明する。また、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
（処理液作成法）
（１）水に溶解度の高い塩，酢酸マグネシウム３ｇ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ＮｄＦ₃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ＭｇＦ₂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）４０００〜６０００r.p.m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ＭｇＦ₂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）（４）と（５）の操作を酢酸イオン、又はフッ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ＭｇＦ₂となった。鉄粉処理液としてはＭｇＦ₂が１ｇ／８ｍＬの関係となるまでメタノールで希釈して溶液とした。

（フッ化物コート方法）
（１）粒径１００μｍのガスアトマイズ鉄粉４０ｇに対して８ｍＬのＮｄＦ₃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）（１）のＭｇＦ₂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）（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）（３）で得られた鉄粉を、６００℃で予備熱処理した。
（５）（４）で熱処理した鉄粉を超硬型を用いて、磁束密度と保磁力の磁気測定用の試料として、圧縮により外径１８mm，内径１０mmのリング試料を作成した。このとき、圧縮圧は１０ｔ／cm²とした。
（６）（４）で形成した鉄粉を１０×１０mmの型を用い、抵抗値測定用の試料として、圧縮により直方体試料を作製した。圧縮圧は１０ｔ／cm²とした。
（７）（４）で形成した鉄粉を固定子作製用圧縮型に入れ、成形圧１０ｔ／cm²で圧縮した。（５）（６）形成試料とともに６００℃で熱処理し、歪みを解放した。
（８）（７）で形成した固定子に巻き線を施し、回転機を製作した。

図３は平均粒径７０μｍの水アトマイズ粉にカルシウム（Ｃａ）で厚さ２０ｎｍ被覆し、さらにＭｇＦ₂コートした実施例１の試料における、全コート厚と成形体比抵抗の関係を示したものである。成形体は１０mm×１０mm×２mm（厚さ）で、比抵抗は４端子法で測定した。成形圧は１.２ＧＰａとした。いずれも歪取り熱処理温度は６００℃とした。図３より同じコート厚さでもカルシウムを用いて２層とした実施例のほうが比抵抗が高い。比抵抗は２ｍΩ・cm以上必要であり、比較例はこの範囲でいずれも不十分である。これに対し、実施例では全厚さ５０ｎｍ以上で比抵抗が２ｍΩ・cm以上となる。

図４は同じ原料で外径５０mm，内径４０mm，厚さ５mmのリング試料を形成し、１次２００ターン，２次４０ターンの巻線を行い測定した磁束密度の全コート厚依存である。成形圧は１.２ＧＰａ、歪取り熱処理温度は６００℃である。測定条件は励磁磁界１００００Ａ／ｍ、直流磁界測定である。図４より、コート厚さが同じであれば磁束密度は変わらないことがわかる。また、必要磁束密度は１.６５Ｔ以上であることから、全厚さは１００ｎｍ以下とする必要があることがわかる。

（比較例１）
平均粒径７０μｍの水アトマイズ粉にＭｇＦ₂コートしたものを用いて、前述の実施例１と同様の方法で比抵抗及び磁束密度の測定を行った。結果を図３及び図４に示す。

（比較例２）
平均粒径７０μｍの水アトマイズ粉にＭｇコートしたものを用いて、前述の実施例１と同様の方法で比抵抗及び磁束密度の測定を行った。結果を図３及び図４に示す。

（実施例２）
実施例１と同じ方法で作製した試料を用い、ＭｇＦ₂コート厚を６０ｎｍとしてカルシウムの下地厚さを２０から６０ｎｍまで変えて比抵抗と磁束密度を調べた結果を図５及び図６に示す。図５は比抵抗変化であるが、この範囲内で比抵抗はいずれも２ｍΩ・cm以上であり、良好である。一方、図６は磁束密度変化であるが、１.６５Ｔ以上となる下地厚は５０ｎｍ以下であるため、下地厚は５０ｎｍ以下が好ましい。

ここでコート厚を６０ｎｍ以下とし、下地Ｃａをその分多く形成すれば磁束密度を維持する下地層は厚くなる。しかし、下地Ｃａの割合を５０ｎｍより増加させるとＣａＯ層の耐熱性不足により比抵抗維持できなかった。このことからも、下地層は５０ｎｍ以下が適している。

従来例であるフッ化物コート鉄粉の断面模式図。 本発明の実施例であるフッ化物コート鉄粉の断面模式図。 本発明の実施例における比抵抗と全コート厚との関係図。 本発明の実施例における磁束密度と全コート厚との関係図。 本発明の実施例における下地厚と比抵抗の関係図。 本発明の実施例における下地厚と磁束密度の関係図。

Claims (6)

1. 希土類フッ化物又はアルカリ土類金属フッ化物からなるフッ化物層が表面に形成された鉄粉末または鉄を主成分とする合金粉末を、圧縮形成して得られる圧粉磁心であって、
   前記フッ化物層と、前記鉄粉末または鉄を主成分とする前記合金粉末と、の間に下地層を設け、
   前記下地層は、アルカリ土類金属及び前記アルカリ土類金属の酸化物を含むことを特徴とする圧粉磁心。
2. 希土類フッ化物又はアルカリ土類金属フッ化物からなるフッ化物層が表面に形成された鉄粉末または鉄を主成分とする合金粉末を、圧縮形成して得られる圧粉磁心であって、
   前記フッ化物層と、前記鉄粉末または鉄を主成分とする前記合金粉末と、の間に下地層を設け、
   前記下地層が、Ｍｇ，Ｃａ，Ｂａ又はＳｒの少なくとも一つを含むことを特徴とする圧粉磁心。
3. 前記下地層と前記フッ化物層の合計厚さが１００ｎｍ以下であって、
   前記下地層の厚さが５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧粉磁心。
4. 前記フッ化物が、フッ化マグネシウムであることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧粉磁心。
5. 希土類フッ化物又はアルカリ土類金属フッ化物からなるフッ化物層が表面に形成された鉄粉末または鉄を主成分とする合金粉末を、圧縮形成して得られる圧粉磁心であって、
   前記フッ化物層と前記鉄粉末との間に下地層を有し、
   前記下地層が、アルカリ土類金属及び前記アルカリ土類金属の酸化物を含み、
   前記下地層が、酸素を含む層を、前記鉄粉末との間に有し、
   前記下地層が、酸素とフッ素を含む層を、前記フッ化物層との間に有することを特徴とする圧粉磁心。
6. 前記アルカリ土類金属が、カルシウムであることを特徴とする請求項５に記載の圧粉磁心。

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