JP4650450B2 - 圧粉磁心，圧粉磁心の製造方法、及びこれを用いたモータ - 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。このため、回転電機や平滑トランスに用いる磁心としては、高比抵抗かつ高磁束密度を達成することが要求されている。

磁心を高抵抗化するための技術としては、以下の特許文献１−３が挙げられる。

下記特許文献１，２では、圧粉磁心において、鉄粉の表面をフッ化物絶縁膜でコーティングすることにより高抵抗化することについて記載されている。また、下記特許文献３では、マグネシウムを鉄粉表面に形成して熱処理し、ＭｇＯ膜を形成することにより高抵抗化することについて記載されている。

特開２００６−４１２０３号公報 特開２００６−２８３０４２号公報 特開２００６−９７１２４号公報

回転電機や平滑トランス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Ｂ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。

ヒステリシス損失の原因である成形体保磁力は成形体を高温熱処理（歪取り熱処理）して低下させることができ、結果ヒステリシス損失は低減できる。ところが、そのような高温熱処理に耐える絶縁膜がないため、渦電量損失を発生させないよう熱処理温度は制限され、結果低損失な磁心は実現していない。

上記引用文献１，２では、フッ化物絶縁層の材料単体において高温でも高抵抗を有すことから、圧粉用絶縁膜として望ましいと考えられる。しかし、各種電動機ヨークに適用するためには、２０μΩ・ｍ以上の比抵抗を必要とする。圧粉磁心電動機ヨークはヒステリシス損失を低減させるため圧縮成形後６００℃の歪取り熱処理が必要である。代表的なフッ化物であるＮｄＦ₃ を用い、水アトマイズ粉へ適用して検討したが抵抗値はＮｄＦ₃ 膜厚を増加させても十分でなかった。

また、上記引用文献３の方法では、事前に鉄粉の酸化処理を要し手間がかかる上、Ｍｇ粉末を均一に鉄粉表面に塗布することが困難となり、実用性に欠ける。更に、ＭｇＯ膜の耐熱性は６００℃が限界である。

本発明は、コート層の必要作成条件を明らかにし、高周波での使用又は大型の回転機に適用できる磁心用軟磁性粉を提供するものである。その目的は、従来よりも比抵抗，磁束密度を向上した圧粉磁心を実現しすることにある。

当初検討では特許文献２のコート膜作製法を用い、ＮｄＦ₃ を鉄粉を改良して鉄粉形状を整形して原料粉とし、圧縮成形・熱処理し実験を行ったところ、抵抗値は十分高い値となったがＢの低下を招き、回転機として十分動作させられなかった。

そこでＮｄＦ₃ をコート直後、歪取り熱処理温度にて予備熱処理を行い、成形後歪取り熱処理することで抵抗値自体が増加、ＮｄＦ₃ 膜は薄膜化できた。しかしこの方法で得られた成形体のＢは１.７Ｔ程度であり、さらなる高Ｂ化が求められた。

本発明による圧粉磁心の特徴は、上記プロセスのコート材料にアルカリ土類金属フッ化物、特にＭｇＦ₂ を用いることにある。ＮｄＦ₂ コート鉄粉は粒形状を制御し、圧縮形成前にその後の歪取り熱処理温度と同じかあるいは１００℃まで低い温度で予備熱処理を行い成形作業を行い圧粉磁心を製造したものである。

具体的には、上記課題を解決するため本発明では、鉄粉に絶縁膜形成用の処理液を塗布する第１の工程と、前記処理液を塗布した鉄粉を３５０度よりも高い温度範囲で熱処理する第２の工程と、前記熱処理後の鉄粉を圧縮し磁心を成形する第３の工程と、前記磁心を６００度以上８００度以下の温度範囲で熱処理する第４の工程と、を有する磁心の製造方法の構成をとる。また、前記鉄粉は、ガスアトマイズ粉，還元粉，水アトマイズ粉の何れかである製造方法の構成をとる。また、前記絶縁膜はアルカリ土類金属フッ化物、特に
ＭｇＦ₂ で構成され、かつ膜厚が２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、特に５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である製造方法の構成をとる。また、前記第２の工程における熱処理は５００度以上６００度以下の温度範囲で行われる製造方法の構成をとる。

また、本発明による磁性粉は、上記ＭｇＦ₂ の平均コート厚さが２０〜３００ｎｍであることを特徴とするものである。この作製方法は、上記圧粉磁心を得るのに適している。

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およびそれを得ることができる磁性粉ならびにその磁性粉を製造するのに好適な処理条件を得ることができる。

以下、本発明にかかる圧粉磁心の構成について説明する。

図１は、上記特許文献１に記載のコート膜作成方法を適用して製造した圧粉磁心の特性を示したものである。この圧粉磁心では、鉄粉の表面をフッ化物絶縁膜で覆う構成となる。図１中、横軸はこのフッ化物絶縁膜の平均コート厚（ｎｍ）、縦軸は圧粉磁心の比抵抗（μΩ・ｍ）で示している。また、絶縁膜をそれぞれＮｄＦ₃，ＭｇＦ₂とした場合についてプロットしている。

ここではＮｄＦ₃ コート材とＭｇＦ₂ コート材をコート厚を変え水アトマイズ鉄粉に塗布し、圧縮成形後６００℃で歪取り熱処理したものである。熱処理はいずれも３０分とした。塗布方法は特許文献２に従った。溶媒除去熱処理は３５０℃で行った。膜厚は使用する処理液量を鉄粉２０ｇに対し水和原塩１ｇの関係を基本とし、形成コート厚が薄い場合アルコールで希釈し、厚い場合多数回塗布により調整した。成形後、断面ＳＥＭ観察により膜厚を測定した。いずれも圧縮圧１.５ＧＰａ で６００℃歪取り熱処理後の抵抗値である。

この結果、図１に示すように、ＮｄＦ₃よりＭｇＦ₂コートの方が１５０ｎｍ以上の平均コート厚で若干高い比抵抗となるが、いずれも必要とされる２０μΩ・ｍには到達しないことがわかる。

また、図２は、図１と同一の条件で作成した試料について、横軸を平均コート厚(ｎｍ)、縦軸を圧粉磁心の飽和磁束密度Ｂ（Ｔ）で示したものである。この結果、ＮｄＦ₃，
ＭｇＦ₂ のコート材の種類によらず、Ｂの値はコート厚に依存して決まっていることがわかる。

以上説明した従来手法を改善した本発明の手法について説明する。

本発明では、上記低比抵抗の原因のひとつと考えられる鉄粉突起によるコート膜破壊を防ぐため形状を考慮した鉄粉に、フッ化物絶縁膜を作成するためのコート材を塗布する。そして、コート材塗布後に予備熱処理を行う。詳細には、基本的に球形である平均粒径
１００μｍのガスアトマイズ鉄粉にＮｄＦ₃ 及びＭｇＦ₂ を１５０ｎｍコートし、予備熱処理した後成形、６００℃で歪取り熱処理を行う。

この手法により作成した圧粉磁心の特性を図３に示す。図３では、横軸は予備熱処理
（コート材を塗布した後、成形前に行う熱処理）の温度（℃）、縦軸は圧粉磁心の比抵抗（μΩ・ｍ）で表している。この結果、コート膜溶媒除去過程の３５０℃熱処理のみでは、ＮｄＦ₃，ＭｇＦ₂いずれも１０ｍΩ・ｍ以下であるが、予備熱処理の温度を５００℃〜６００℃とすると、ＮｄＦ₃，ＭｇＦ₂とも２０ｍΩ・ｍを超え、特性が向上することが分かった。

更に、ＭｇＦ₂はＭｇＦ₂よりも特性が良く、予備熱処理を７００℃にした場合であっても比抵抗をある程度保持でき、耐熱性が改善されていることが分かった。

この効果を確認するため、平均粒径１００μｍのガスアトマイズ粉にコート厚を変えてＮｄＦ₃，ＭｇＦ₂を塗布、６００℃で予備熱処理後、成形圧１ＧＰａで成形し、歪取り熱処理を６００℃で行った。この結果を図４に示す。

図４は横軸をフッ化物絶縁膜の平均コート厚（ｎｍ）、縦軸を圧粉磁心の比抵抗（μΩ・ｍ）で表している。ＮｄＦ₃ はコート厚３００ｎｍで比抵抗１０００μΩ・ｍと高いが、コートが薄くなるとともに比抵抗の低下が著しく、１００ｎｍで２０μΩ・ｍを下回ることが分かる。これに対し、ＭｇＦ₂ では、膜厚依存は小さく１００ｎｍ以下で低下が始まり、２０ｎｍでも必要とされる２０μΩ・ｍを維持している。すなわち、フッ化物絶縁膜としてＭｇＦ₂ を用いれば、ＮｄＦ₃ よりも高抵抗のまま絶縁膜厚を薄くすることができる。このことは、図２の特性からも、膜厚を調整することにより、高抵抗と高磁束密度を実現できることを意味する。

これら使用フッ化物種による抵抗差の原因は不明であるが、ＳＥＭ観察によりＮｄＦ₃ コート膜には特に厚い領域で割れ状の組織変化が観察されることからフッ化物の硬さ，ねばさなどの機械定数が関与している可能性がある。

このような膜厚依存の差は他にＬａＦ₃，ＣａＦ₂でも見られ、希土類系とそれ以外との差があると考えられる。図４で比較対照としたＮｄＦ₃ 以外のフッ化物と比較しても、
ＭｇＦ₂は特に特性が高く、本発明では絶縁膜としてＭｇＦ₂を用いることとした。また、絶縁膜の膜厚は２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とした。膜厚の更なる最適範囲としては、高抵抗，高磁束密度を両立するため、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下とした。

本発明における、圧粉磁心製造までの工程を以下に説明する。

（処理液作製）
基本的に特許文献２に従った。用いた原料塩はＮｄＦ₃はＮｄ(ＣＨ₃ＣＯＯ)₃・Ｈ₂Ｏを、ＭｇはＭｇ(ＣＨ₃ＣＯＯ)₂・４Ｈ₂Ｏを用いた。

（試料形成）
（１）原料鉄粉４０ｇに対して８ｍＬのＮｄＦ₃またはＭｇＦ₂処理液を用意した。これは粒径１００μｍでコート厚１４０ｎｍに相当する。膜厚は鉄粉量増加で薄膜側、処理液複数回塗布で厚い側を作製した。
（２）処理液添加し、鉄粉全体が濡れるのが確認できるまで混合した。
（３）（１）の処理鉄粉を２〜５torrの減圧下で溶媒のメタノール除去を行った。
（４）（３）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。
（５）さらにこの処理鉄粉に減圧下で６００℃，３０分の予備熱処理を行った。
（６）（５）で熱処理した鉄粉を超硬型を用い外径２５mm内径１５mmのリング試料を圧縮により形成した。成形圧力は３３ｔとした。本試料は磁束密度と保磁力の磁気測定用である。
（７）（５）で形成した鉄粉を１０×１０mmの型を用い、圧縮により直方体試料を作製した。成形圧力は１５または１０ｔとした。本試料は抵抗値測定用である。この圧力の差では密度に影響はない。
（８）（６）（７）で形成した試料を６００で５×１０^-5torrの減圧下で熱処理を施した。試料の密度はいずれも９５％以上であった。
（９）比抵抗測定は４端子法によった。リング試料は１次巻線１５０ターン，２次巻線
２０ターンをおこない、ＤＣで１００００Ａ／ｍ励磁時の飽和磁束密度Ｂと４００ＨｚでＢを１Ｔまで励磁したときのヒステリシスループから損失Ｗを求めた。

図５に、上記プロセスで（５）の予備熱処理完了後の処理鉄粉のＸ線回折パターンを示す。図５中、複数のＦｅのピーク及びＭｇＦ₂ のピークが観測されたが、それ以外の主なピークは見られず、処理鉄粉にはＭｇＦ₂ とベースのＦｅのみ存在することが分かる。この結果、基本的に欠陥のないＭｇＦ₂ 膜が形成されていることを確認した。

尚、本発明では、ＭｇＦ₂ 膜単体で用いる構成の他、ＳｉＯ₂，ＭｇＯ などの酸化物や、ＮｄＦ₃ など他のフッ化物などと多層化して用いることもできる。

本発明を用いた具体的な実施例について、以下に説明する。尚、いずれの実施例も上記作成方法をとっている。

粒径１００μｍのガスアトマイズ鉄粉を用いた。

この鉄粉に対し、ＭｇＦ₂ コート膜を３０ｎｍ形成し、比抵抗及びリング測定した。

比抵抗は５０μΩ・ｍであった。リング測定から飽和磁束密度Ｂは１.７６Ｔ 、損失は３７Ｗ／kgであった。尚、同膜厚のＮｄＦ₃ コートでは損失は８０Ｗ／kgになった。

軟磁性粉として平均粒径が７０μｍの水アトマイズ鉄粉を用い、ＳＵＳ球ボールとともにボールミル処理を行った。３０分の処理により鉄粉突起は除去された。

この鉄粉に対し、ＭｇＦ₂ コート膜を５０ｎｍ形成し、比抵抗及びリング測定した。

比抵抗は７０μΩ・ｍであった。リング測定から飽和磁束密度Ｂは１.７５Ｔ 、損失は４５Ｗであった。

平均粒径１２０μｍの還元鉄粉を用いた。

この鉄粉に対し、ＭｇＦ₂ コート膜を１００ｎｍ形成し、比抵抗及びリング測定した。

比抵抗は２５０μΩ・ｍであった、リング測定から飽和磁束密度Ｂは１.７Ｔ 、損失は４７Ｗ／kgであった。

軟磁性粉として平均粒径が７０μｍの水アトマイズ鉄粉を用い、ＳＵＳ球ボールとともに３０分ボールミル処理を行った。

この鉄粉に対し、ＭｇＦ₂ コート膜を４０ｎｍ形成し、６００℃予備熱処理後、４極６スロット用回転機固定子コアに成形した。その後歪取り熱処理６００℃を行い、樹脂で表面モールドして巻線し、回転子とともに組み上げモータとした。

比較のため、上記構成からフッ化物絶縁膜を７０ｎｍのＮｄＦ₃ コート膜に変えた磁心について、同様にモータを作成した。

この結果、ＭｇＦ₂ コート膜の比抵抗３０μΩ・ｍに対し、ＮｄＦ₃ コート膜は膜厚を厚くした分、同等の比抵抗であることが分かった。

一方、飽和残留磁束密度Ｂは、ＭｇＦ₂ が１.７５Ｔ であるのに対し、ＮｄＦ₃ は絶縁膜厚を厚くした分、１.６５Ｔ に下がることが分かった。また、ＮｄＦ₃に比べ、ＭｇＦ₂は発熱を同程度に抑えたまま、出力を１０％大きくできることを確認した。

このように、本発明によれば、ヒステリシス損あるいは渦電流損の小さなコア部品さらには高い磁束密度が必要なモータ用鉄心やディーゼルエンジンおよびガソリンエンジンの電子制御式燃料噴射装置に組み込まれる電磁弁用のソレノイドコア（固定鉄心）及びプランジャ、その他各種アクチュエータ用のコア部品として利用できる。

従来法で形成したＭｇＦ₂ およびＮｄＦ₃ コート鉄粉の平均コート膜厚／比抵抗を表す。 従来法で形成したＭｇＦ₂ およびＮｄＦ₃ コート鉄粉の平均コート膜圧／飽和磁束密度を表す。 本発明にかかる予備熱処理による、ＭｇＦ₂ およびＮｄＦ₃ コート膜性能向上を表す。 本発明で形成したＭｇＦ₂ およびＮｄＦ₃ コート鉄粉の平均コート膜厚／比抵抗を表す。 本発明で形成したＭｇＦ₂ のＸ線構造解析結果を表す。

Claims (5)

1. 鉄粉に、ＭｇＦ₂で構成される絶縁膜を形成するための処理液を塗布する第１の工程と、
   前記処理液を塗布した鉄粉を５００度以上７００度以下の温度範囲で予備熱処理して欠陥のないＭｇＦ ₂ を形成する第２の工程と、
   前記熱処理後の鉄粉を圧縮し磁心を成形する第３の工程と、
   前記磁心を６００度以上８００度以下の温度範囲で歪取り熱処理する第４の工程と、を有し、
   前記予備熱処理は、前記歪取り熱処理の温度と同じかあるいは１００度低い温度で行う磁心の製造方法。
2. 前記鉄粉は、ガスアトマイズ粉，還元粉，水アトマイズ粉の何れかである
   請求項１に記載の製造方法。
3. 前記絶縁膜の膜厚が５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である
   請求項１に記載の製造方法。
4. 表面に絶縁膜を形成した鉄粉を圧縮成形してなる磁心であり、
   前記絶縁膜は欠陥のないＭｇＦ₂で構成され、かつ膜厚が５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であり、
   比抵抗の値が２０μΩ・ｍ以上であり、
   前記鉄粉は、表面に絶縁膜を形成後、圧縮成形前に、歪取り熱処理の温度と同じかあるいは１００度低い温度を示す５００度以上７００度以下の温度範囲で熱処理される磁心。
5. 請求項４に記載の磁心をヨークとして用いた電気自動車用駆動用モータ。

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