(57)【要約】【課題】コアに形成されるギャップをなくしても、優れた恒透磁率特性を有するリアクトルのコア等を作製することができる軟磁性複合材料用金属粉末および軟磁性複合材料を提供することを課題とする。【解決手段】鉄基合金粉末或いは純鉄粉でなる金属粉末本体と、その金属粉末本体の表面を被覆する絶縁被膜よりなる軟磁性複合材料用金属粉末であって、絶縁被膜の膜厚が、金属粉末本体の平均粒子径の１／１００以上、１／２以下であり、且つ、絶縁被膜が金属粉末を完成品とする過程で曝される温度で溶融・溶解しない材料でなる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄基合金粉末或いは純鉄粉でなる金属粉末本体と、その金属粉末本体の表面を被覆する絶縁被膜よりなる軟磁性複合材料用金属粉末であって、
前記絶縁被膜の膜厚が、前記金属粉末本体の平均粒子径の１／１００以上、１／２以下であり、
且つ、前記絶縁被膜が金属粉末を完成品とする過程で曝される温度で溶融・溶解しない材料で形成されていることを特徴とする軟磁性複合材料用金属粉末。
【請求項２】
前記絶縁被膜が、金属粉末を完成品とする過程で曝される温度で溶融・溶解しない熱硬化性樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１記載の軟磁性複合材料用金属粉末。
【請求項３】
前記絶縁被膜が、金属粉末を完成品とする工程で曝される温度より高い融点を有する熱可塑性樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１記載の軟磁性複合材料用金属粉末。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の軟磁性複合材料用金属粉末単独か、前記軟磁性複合材料用金属粉末に更に樹脂を加えて成形した軟磁性複合材料であって、
励磁磁場１０Ｏｅと１００Ｏｅにおける微分透磁率の変化率が±５％以下であることを特徴とする軟磁性複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド自動車のインバータに装備されているリアクトル等を作製する際に用いられる軟磁性複合材料と、その軟磁性複合材料を作製するための軟磁性複合材料用金属粉末に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車は、作動原理が異なる二つ以上の動力源を持ち、状況に応じて単独、或いは複数の動力源で走行することができる自動車であり、そのエネルギー効率が電気自動車や燃料電池自動車と同程度であって、環境負荷が小さくしかも実用的であるという観点から、近年注目されており、実際に実用化もされている。
【０００３】
このハイブリッド自動車には、モータを制御するインバータが搭載されており、より高出力を出すためにバッテリー電圧を昇圧コンバータにより高電圧に変換してモータを駆動する昇圧コンバータ用のリアクトルが組み込まれている。
【０００４】
従来のリアクトルＡは、図１および図２に示すように、電磁鋼板を積層した複数の分割コア１ａ、１ｂを、ギャップ２を介して一体に組み立ててなるコア１と、そのコア１の外周に巻き付けられたコイル３より形成されている。リアクトルＡは、このコイル３により励磁することで、コア１を通る磁束経路を形成する。
【０００５】
このギャップ２は、リアクトルＡのコア１に磁気飽和する箇所が生じないようにして透磁率を調整するもので、直流重畳時のインダクタンス特性を安定化するために設けるものである。このギャップ２は、例えば、分割コア１ａ，１ａ間及び分割コア１ａ，１ｂ間に無機材料等で成る非磁性材料のスペーサ４を挟み込み、それら分割コア１ａ，１ｂとスペーサ４を接合することで、隣り合う分割コア１ａ，１ａ間及び分割コア１ａ，１ｂ間に形成されている。
【０００６】
このコイル３により励磁すると、コア１には電磁吸引力が作用することになるが、コア１はギャップ２で分断されて分割コア１ａ，１ｂとなっているため、電磁吸引力が作用すると、分割コア１ａ，１ｂと、ギャップ２を形成するためのスペーサ４との接合部で振動が発生することになってしまう。すなわち、リアクトルＡにギャップ２を形成すると、直流重畳時のインダクタンス特性が安定するという作用があるが、一方で分割コア１ａ，１ｂと、ギャップ２を形成するためのスペーサ４との接合部で振動が発生し、その振動を起因とする騒音がリアクトルＡから発生するという問題が発生する。
【０００７】
また、コア１にギャップ２が設けられていると、ギャップ２を形成する非磁性材料のスペーサ４は、コア１を形成する積層鋼板に比べて透磁率がはるかに小さいため、磁束経路が外部に漏れることになる。この漏れ磁束が外周に巻き付けられたコイル３に侵入し、コイル３内で渦電流損を発生させることになる。
【０００８】
この騒音が発生するという問題と、漏れ磁束が発生するという問題は、ともにコア１にギャップ２を形成したことで発生する問題ではあり、また、ギャップ２長の管理も難しいこともあって、コア１からギャップ２をなくすることが望まれている。しかしながら、この電磁鋼板を積層したリアクトルＡでは、ギャップ２を形成しない場合には優れた恒透磁率特性を得ることは不可能であるという問題があった。
【０００９】
このような実情もあり、ギャップを形成せずにリアクトルのコア等を作製しても、優れた恒透磁率特性を得ることができる新規な材料が開発されることが待ち望まれていた。
【００１０】
一方で、軟磁性粉末にエポキシ樹脂やイミド系樹脂やシリコーン系樹脂といった有機バインダーを被覆または混合した鉄基合金粉末或いは純鉄粉でなる金属粉末が圧粉磁心の材料として提案されている。また、軟磁性粉末に珪酸ソーダを主成分とする水ガラス等の無機バインダーを被覆または混合した鉄基合金粉末或いは純鉄粉でなる金属粉末も同様に圧粉磁心の材料として提案されている。
【００１１】
これらの軟磁性粉末をもとに作製した従来からの金属粉末は、高透磁率を目的に、その表面に非常に薄い被膜を形成したり、少量の添加物を添加したりして作製されたものであり、交流で使用されるモータなどの電磁気部品の磁心等の材料として使用実績はあるものの、比較的低い磁場で磁気飽和を起こしてしまい、恒透磁率特性が悪く、そのままギャップを設けないリアクトルのコアの材料として採用することはできない。
【００１２】
このような実情もあり、ギャップを形成することのない金属粉末製の磁心や、ギャップを形成することなくリアクトルのコア等の材料として使用することができるとした軟磁性複合材料等が、近年提案され始めている。
【００１３】
ギャップを形成することのない磁心としては、特許文献１に記載のＦｅ基結晶層とアモルファス層を有するＦｅ基合金からなるＦｅ基恒透磁率磁心が提案されている。この磁心は、リアクトルのコアの用途としてではなくチョークコイルやトランスの用途として開発されたものであって、Ｆｅ基恒透磁率磁心とは記載されているものの、その恒透磁率特性は大電流を流すリアクトルのコアの用途としては十分ではない。
【００１４】
また、ギャップを設けないリアクトルのコアに好適とした軟磁性複合材料に関する提案が特許文献２として、その軟磁性複合材料の製造方法に関する提案が特許文献３として開示されている。
【００１５】
特許文献２には、ギャップを設けないリアクトルのコアの材料として用いるには、好適な比透磁率と飽和磁束密度が必要とし、その課題に対応するために軟磁性の形状や複合材料における充填率が記載されている。また、特許文献３には、この軟磁性複合材料の製造方法において、混合時の樹脂の粘度を１００ｍＰａ・ｓ〜１００Ｐａ・ｓに調整することが記載されており、その調整には樹脂の種類に応じて、樹脂の温度を変えることで調整したり、非導電性のフィラーを混合することで調整したりすることが必要なことが記載されている。しかしながら、それらの調整は樹脂の種類に応じて行わねばならず、樹脂の種類毎に最適値を見つけ出すのは非常に困難であり、長時間を要し、フィラーを混合するにしてもその最適な混合比を見つけ出すのは非常に困難であった。
【００１６】
【特許文献１】特開平６−１８１１１３号公報
【特許文献２】特開２００８−１４７４０３号公報
【特許文献３】特開２００８−１４７４０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、上記従来の問題を解決せんとしてなされたもので、コアに形成されるギャップをなくしても、優れた恒透磁率特性を有するリアクトルのコア等を作製することができる軟磁性複合材料用金属粉末および軟磁性複合材料を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
請求項１記載の発明は、鉄基合金粉末或いは純鉄粉でなる金属粉末本体と、その金属粉末本体の表面を被覆する絶縁被膜よりなる軟磁性複合材料用金属粉末であって、前記絶縁被膜の膜厚が、前記金属粉末本体の平均粒子径の１／１００以上、１／２以下であり、且つ、前記絶縁被膜が金属粉末を完成品とする過程で曝される温度で溶融・溶解しない材料で形成されていることを特徴とする軟磁性複合材料用金属粉末である。
【００１９】
請求項２記載の発明は、前記絶縁被膜が、金属粉末を完成品とする過程で曝される温度で溶融・溶解しない熱硬化性樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１記載の軟磁性複合材料用金属粉末である。
【００２０】
請求項３記載の発明は、前記絶縁被膜が、金属粉末を完成品とする工程で曝される温度より高い融点を有する熱可塑性樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１記載の軟磁性複合材料用金属粉末である。
【００２１】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の軟磁性複合材料用金属粉末単独か、前記軟磁性複合材料用金属粉末に更に樹脂を加えて成形した軟磁性複合材料であって、励磁磁場１０Ｏｅと１００Ｏｅにおける微分透磁率の変化率が±５％以下であることを特徴とする軟磁性複合材料である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の軟磁性複合材料用金属粉末によると、金属粉末本体の表面を被覆する絶縁被膜の膜厚が十分に厚く、且つ絶縁被膜は粉末を完成品とする過程で曝される温度で溶融・溶解しない樹脂で形成されるため、金属粉末本体同士が直接接触することはなく、且つ金属粉末本体同士間に十分な間隔を確保することができる。従って、この軟磁性複合材料用金属粉末からは、ギャップをなくしても優れた恒透磁率特性を有するリアクトルのコア等を作製することができる。
【００２３】
本発明の軟磁性複合材料によると、励磁磁場１０Ｏｅと１００Ｏｅにおける微分透磁率に変化率が±５％以下であり優れた恒透磁率特性であるため、この軟磁性複合材料から、ギャップをなくしても優れた恒透磁率特性を有するリアクトルのコア等を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明者らは、ギャップをなくしても優れた恒透磁率特性を有するリアクトルのコアを作製することができる新規な材料を見出すため研究開発を進めた、その結果、近年、交流で使用されるモータなどの電磁気部品の磁心の材料等として使用実績がある軟磁性粉末をもとに作製した鉄基合金粉末或いは純鉄粉でなる金属粉末に着目した。しかしながら、この金属粉末は、高透磁率を目的に、その表面に非常に薄い被膜を形成したり、少量の添加物を添加したりして作製されたものであって、比較的低い磁場で磁気飽和を起こしてしまい、恒透磁率特性が悪いという欠点があり、そのままギャップを設けないリアクトルのコアの材料として採用することはできない。
【００２５】
本発明者らは、この恒透磁率特性が悪いという欠点は、絶縁被膜の膜厚の薄さにあると考えた。従来の軟磁性複合材料用の粉末に形成される絶縁被膜は金属粉末本体間の絶縁層としてのみ機能する。絶縁層としてのみ機能する被覆厚では金属粉末本体間に流れる渦電流を抑制し、渦電流損を抑制することはできるが、非透磁率を制御して恒透磁率特性を得ることはできない。本発明者らの検討によれば、絶縁被膜の膜厚を適切に制御することで十分な粒子間距離が得られ恒透磁率特性を得ることができることが分かった。
【００２６】
本発明では、この絶縁被膜の膜厚は、金属粉末本体の平均粒子径の１／１００以上、１／２以下とする。
【００２７】
絶縁被膜の膜厚を金属粉末本体の平均粒子径の１／１００以上とすることによって、金属粉末等を成形して軟磁性複合材料としたときや、更に軟磁性複合材料をリアクトルのコア等の完成品としたときに、金属粉末同士が接触しても金属粉末本体同士の間隔を絶縁被膜により確実に確保することができる。この絶縁被膜の膜厚を金属粉末本体の平均粒子径の１／１００未満とすれば、十分な金属粉末本体同士の間隔を確保することができなくなり、その結果、金属粉末本体が孤立分散することができなくなり、優れた恒透磁率特性を確保することが困難となる。
【００２８】
一方、絶縁被膜の膜厚を金属粉末本体の平均粒子径の１／２以下とすることによって、金属粉末等を成形して軟磁性複合材料としたときや、更に軟磁性複合材料をリアクトルのコア等の完成品としたときの、磁性体（金属粉末本体）の密度および磁束密度を確保することができる。この絶縁被膜の膜厚が金属粉末本体の平均粒子径の１／２を超えれば、リアクトルのコア等の成形体中の磁性体の密度や磁束密度が低下し、結果として、リアクトルのコア等として使用することが不可能になる可能性がある。
【００２９】
絶縁被膜としては、金属粉末を完成品とする過程で曝される温度で溶融・溶解しない樹脂等を用いて形成する必要がある。そのため、絶縁被膜の形成には、熱を加えると硬くなり溶融・溶解することのない熱硬化性樹脂を用いることが推奨される。熱硬化性樹脂を絶縁被膜の形成材料として用いれば、熱や溶剤に対して溶融・溶解しない絶縁被膜を形成することができ、その絶縁被膜により金属粉末本体を確実に孤立分散させることができる。
【００３０】
また、熱可塑性樹脂であっても、その融点が、金属粉末を完成品とする過程で曝される温度より高い温度である場合は、絶縁被膜の形成材料として用いることができる。このような熱可塑性樹脂を絶縁被膜の形成材料として用いても、熱や溶剤に対して溶融・溶解しない絶縁被膜を形成することができ、その絶縁被膜により金属粉末本体を確実に孤立分散させることができる。
【００３１】
尚、絶縁被膜は異なる種類の絶縁被膜を複数層積層したものであっても構わない。この場合の絶縁被膜の膜厚は、複数層の絶縁被膜の膜厚を合わせた総膜厚とする。また、これら樹脂に代えて無機化合物を金属粉末の表面に固定することでも、金属粉末本体を確実に孤立分散させることができるという同様の効果を得ることができる。
【００３２】
熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ポリウレタン、ポリイミドを例示することができる。
【００３３】
絶縁被膜の形成に用いることができる融点が高い熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリスチレン、ポリカーボネート、メタクリル樹脂、フッ素樹脂、ＰＥＥＫ、ＰＯＭ、ＰＰＥ、ＰＳＵ、ＰＥＳ、ＰＰＳ、ＰＡＩ、ＴＰＸを例示することができる。尚、金属粉末を完成品とする過程で曝される最高温度を例示すると、２５０℃程度であって、熱可塑性樹脂としては融点が２８０℃以上の熱可塑性樹脂を用いることが望ましい。
【００３４】
また、無機化合物としては、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、リン酸金属塩化物、ホウ酸金属塩化合物、珪酸金属塩化合物、酸化珪素を例示することができる。
【００３５】
この金属粉末は、金属粉末単独か、或いは更に樹脂を加えて混合することで、軟磁性複合材料として成形される。成形方法としては、圧粉成形、射出成形、流し込み成形等の成形方法を採用することができる。成形方法によっては、金属粉末が曝される環境が異なるため、夫々の成形方法に対応した樹脂等を絶縁被膜形成の材料として選定する必要がある。
【００３６】
尚、金属粉末に液体樹脂を加えて混合することで成形する場合、粉末状の金属粉末は液体状の樹脂の中に入れるようにして混合されることになるが、金属粉末の表面を形成する絶縁被膜の比重は比較的軽いため、絶縁被膜は液体樹脂内で浮力を生じることとなり、金属粉末の沈殿を妨げ、金属粉末本体を孤立分散させやすくなる。
【実施例】
【００３７】
純鉄粉（神戸製鋼所製アトメル３００ＮＨ、平均粒子径：約１００μｍ）を金属粉末本体とし、３〜１８質量％のシリコーン樹脂（東レ・ダウコーニング製ＳＲ２４００）を混合し、大気中で２５０℃、３０分の乾燥を行った後、粉砕し、シリコーン樹脂でなる絶縁被膜で被覆された軟磁性複合材料用金属粉末とした。尚、本実施例で用いたシリコーン樹脂（東レ・ダウコーニング製ＳＲ２４００）は、熱硬化性樹脂である。
【００３８】
この絶縁被膜で被覆された軟磁性複合材料用金属粉末を、別の樹脂中に埋め込んで切断し、その軟磁性複合材料用金属粉末の断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察し、絶縁被膜の膜厚を測定した。その測定結果を表１に示す。
【００３９】
次に、この絶縁被膜で被覆された軟磁性複合材料用金属粉末に、２０〜２５質量％の不飽和ポリエステル樹脂（丸本ストルアス製Ｎｏ．１０５）を混合し、φ４０の容器に注ぎ入れ、固化させて成形体（軟磁性複合材料）を作製し、発明例とした。
【００４０】
一方で、純鉄粉（神戸製鋼所製アトメル３００ＮＨ、平均粒径：約１００μｍ）を金属粉末本体とし、０．１質量％のシリコーン樹脂（東レ・ダウコーニング製ＳＲ２４００）を混合し、大気中で２５０℃、３０分の乾燥を行った後、粉砕し、絶縁被膜で被覆された金属粉末を得た。
【００４１】
この絶縁被膜で被覆された金属粉末に、２３〜４３質量％の不飽和ポリエステル樹脂（丸本ストルアス製Ｎｏ．１０５）を混合し、φ４０の容器に注ぎ入れ、固化させて成形体を作製し、比較例とした。
【００４２】
これら発明例の成形体と比較例の成形体を夫々側面から観察し、金属粉末の沈殿による偏析の有無を目視により確認した。その確認結果を表１に示す。
【００４３】
更に、発明例の成形体と比較例の成形体を、外径：３６ｍｍ、内径：２４ｍｍ、高さ：５ｍｍのリアクトルのコア状に機械加工し、ＢＨカーブトレーサにて直流磁気測定を行い、励磁磁場１０（Ｏｅ）と１００（Ｏｅ）における微分透磁率を測定した。それら微分透磁率の差異から変化率を求めた。その測定による結果を表１に示す。本発明では、励磁磁場１０（Ｏｅ）と１００（Ｏｅ）における微分透磁率の変化率が±５％の範囲のものを、優れた恒透磁率特性を有するものとした。
【００４４】
【表１】
2010087366.tif 000002
【００４５】
表１によると、絶縁被膜の膜厚の測定結果は、発明例１で３μｍ、発明例２で１１μｍ、発明例３で２６μｍ、比較例１と比較例２で０．１μｍであった。平均粒子径が１００μｍの金属粉末本体に対する絶縁被膜の膜厚の比率は、発明例１で３／１００、発明例２で１１／１００、発明例３で２６／１００であり、比較例１と比較例２では１／１０００である。すなわち、発明例１〜３は、請求項１に記載の１／１００以上、１／２以下の範囲内であるが、比較例１と比較例２は範囲外である。
【００４６】
金属粉末の沈殿による偏析は、発明例１〜３では確認できなかったが、比較例１と比較例２では確認できた。
【００４７】
また、励磁磁場１０（Ｏｅ）と１００（Ｏｅ）における微分透磁率の変化率は、発明例１で＋３．１、発明例２で＋２．１、発明例３で−２．７、比較例１で−４９．７、比較例２で−７．５であった。すなわち、発明例１〜３は、微分透磁率の変化率を±５％の範囲内とすることができたが、比較例１と比較例２では、微分透磁率の変化率を±５％の範囲内とすることができなかった。
【００４８】
この結果から、絶縁被膜の膜厚を、金属粉末本体の平均粒子径の１／１００以上、１／２以下とすることで、偏析がなく、優れた恒透磁率特性を有するリアクトルのコア等を作製することができることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】従来のギャップが形成されたリアクトルの分割コアの配置を示す斜視図である。
【図２】従来のリアクトルを示す横断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
Ａ…リアクトル
１…コア
１ａ、１ｂ…分割コア
２…ギャップ
３…コイル
４…スペーサ
【図１】
2010087366.tif 000003
【図２】
2010087366.tif 000004