(57)【要約】【課題】  変圧器、リアクトル、チョークコイル等、特に、車載用リアクトル等の小型化が求められ、回路の冷却が必要とされる磁気回路用の鉄心として用いて好適な、高熱伝導性を有するとともに、低鉄損である圧粉磁心を提供すること。【解決手段】  リン酸塩を含む絶縁被膜を表面に形成した鉄基軟磁性粉末に、酸化物、炭化物および窒化物の少なくとも１種からなり、絶縁被膜を表面に形成した鉄基軟磁性粉末と同等以上の高熱伝導率を有する絶縁物を微粒子化したものを添加混合し、得られた混合粉末を圧縮成形して密度６．７Ｍｇ／ｍ３以上の圧粉体とし、圧粉体を高温で熱処理して、圧粉体中の鉄基軟磁性粉末間および気孔内に高熱伝導性の絶縁物が介在する圧粉磁心とする。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
リン酸塩を含む絶縁被膜を表面に形成した鉄基軟磁性粉末と、前記の絶縁被膜を表面に形成した鉄基軟磁性粉末と同等以上の高熱伝導率を有する微粒子化した酸化物、炭化物、および窒化物の少なくとも１種からなる絶縁物とを含む混合粉末からなり、圧縮成形による歪みを除去する熱処理を施された密度６．７Ｍｇ／ｍ３以上の圧粉体であり、前記圧粉体中の鉄基軟磁性粉末間および気孔内に前記絶縁物が介在することを特徴とする圧粉磁心。
【請求項２】
前記絶縁物は１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有することを特徴とする請求項１に記載の圧粉磁心。
【請求項３】
前記絶縁物の粒径が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の圧粉磁心。
【請求項４】
前記絶縁物の単体の固有抵抗が１０５Ωｃｍ以上であるとともに、圧粉磁心の比抵抗が１４０００μΩｃｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧粉磁心。
【請求項５】
リン酸塩を含む絶縁被膜を表面に形成した鉄基軟磁性粉末のみで作製した圧粉磁心よりも４０００μΩｃｍ以上高い比抵抗を有することを特徴とする請求項４に記載の圧粉磁心。
【請求項６】
前記絶縁物は、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｃｕ２Ｏ、ＳｉＣおよびＡｌＮのうち少なくとも１種類以上を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧粉磁心。
【請求項７】
前記混合粉末中の前記絶縁物の量が０．４〜３ｍａｓｓ％であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の圧粉磁心。
【請求項８】
０〜１００００Ａ／ｍまで励磁磁界を変化させた際の、圧粉磁心の最大微分透磁率をμｍａｘ、１００００Ａ／ｍにおける微分透磁率をμ１００００Ａ／ｍとした時、μｍａｘに対するμ１００００Ａ／ｍの比率が０．１５以上であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の圧粉磁心。
【請求項９】
車載用リアクトルのコアとして用いられることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の圧粉磁心。
【請求項１０】
リン酸塩を含む絶縁被膜を表面に形成した鉄基軟磁性粉末に、前記の絶縁被膜を表面に形成した鉄基軟磁性粉末と同等以上の高熱伝導率を有する酸化物、炭化物および窒化物の少なくとも１種からなる絶縁物を微粒子化したものを添加混合し、得られた混合粉末を圧縮成形して密度６．７Ｍｇ／ｍ３以上の圧粉体とし、前記圧粉体を熱処理することを特徴とする圧粉磁心の製造方法。
【請求項１１】
前記絶縁物は、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｃｕ２Ｏ、ＳｉＣおよびＡｌＮのうち少なくとも１種類以上を含むことを特徴とする請求項１０に記載の圧粉磁心の製造方法。
【請求項１２】
前記絶縁物の粒径を１０μm以下とすることを特徴とする請求項１０または１１に記載の圧粉磁心の製造方法。
【請求項１３】
前記絶縁物を０．４〜３ｍａｓｓ%添加することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の圧粉磁心の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リン酸塩系の絶縁被膜を表面に形成した鉄基軟磁性粉末からなる圧粉磁心およびその製造方法に係り、特にリアクトル用コアとして好適な圧粉磁心およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池車、電気自動車、ハイブリッド自動車等のいわゆる低公害車の開発が進められている。特に、ハイブリッド自動車は、国内外で普及が進みつつある。 このようなハイブリッド自動車については、近年、電気モータの出力を向上させるべく、電気モータを駆動する電圧の高電圧化が望まれており、搭載されたバッテリの電圧を昇圧する昇圧回路を備えたハイブリッド自動車が実用化されている。昇圧回路には、コア（磁心）と、そのコアの周囲に巻回されたコイルとからなるリアクトルが設けられる。
【０００３】
一般的にリアクトル用コアの材質としては、珪素鋼板、アモルファス薄帯、酸化物フェライトなどがあり、コアは、板材の積層、圧粉成形、圧粉焼結等により製造される。また、直流重畳特性を改善するために、コアの磁路中に適当な空隙（ギャップ）を設けて見掛透磁率を調整したりすることも行われる。
【０００４】
また、コアの材質として、鉄などの軟磁性金属粉末を圧縮成形して作製した圧粉磁心がある。圧粉磁心は、電磁鋼板などによる積層磁心と比較して、作製時の材料歩留まりが良く材料コストが低減できる。また、形状自由度が高く磁心形状の最適設計を行うことにより特性向上を図ることが可能である。さらに、有機樹脂や無機粉末などの絶縁物と金属粉末を混合したり、金属粉末の表面に絶縁被膜を被覆したりして金属粉末間の絶縁性を上昇させることにより、磁心の渦電流損を大幅に低減することができ、特に高周波域において優れた磁気特性が得られる。これらの理由から、近年、小型化や高効率化が求められている回転電機、変圧器、リアクトル、チョークコイル等に用いる軟磁性鉄心として圧粉磁心が注目されている。
【０００５】
圧粉磁心の製造方法としては、表面に無機絶縁被膜を形成した軟磁性粉末に熱硬化型樹脂粉末を添加した混合粉末を圧縮成形し、圧粉体に樹脂硬化処理を施す方法がある（特許文献１など）。また、近年、圧粉磁心の更なる低鉄損化が求められ、ヒステリシス損を低減させるために、圧粉磁心に熱処理を施して圧粉成形による歪みを緩和し、ヒステリシス損を低減することが行われている（特許文献２など）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−３２０８３０号公報
【特許文献２】特開２０００−２３５９２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の昇圧回路は、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ（スイッチング）を高い周波数で繰り返すことにより、インバータに対して高電圧を連続的に出力することができるものである。このスイッチングの周波数が高くなると、リアクトルのコアに渦電流が発生して、ジュール熱が発生し、リアクトルの温度が急激に上昇する。このため、リアクトルの温度が高くなり過ぎて、磁心の磁気特性が低下するばかりでなく、磁心が変質・劣化し、リアクトルとしての機能が損なわれるおそれがある。そこで、従来の昇圧回路では、リアクトルに何らかの冷却機構が取り付けられるとともに、温度が監視され、温度に応じて通電の出力制限などが行なわれ、リアクトルの温度が耐熱温度以上にならないよう制御されている。
【０００８】
リアクトルの温度に応じて通電の出力制限などが行なわれると、昇圧回路として本来要求される機能を発揮することができない。また、上述のように、昇圧回路では、リアクトルに冷却機構が取り付けられる場合が多く、平角線の平板面が互いに向かい合うように巻くエッジワイズ型巻き線を施しコイルからの放熱性を向上させ、リアクトル全体の放熱性を向上させる工夫等も行われる。リアクトルのシステム全体としては、冷却機構や温度に応じた出力制御用回路等を含むため、複雑な構成となり、高コストとなってしまう。また、圧粉磁心は内部に気孔が存在するため、熱伝導率が低く、放熱性に劣る。そのため、リアクトル用コアとして圧粉磁心を用いた場合、リアクトルの作動中にコアの温度が上がりやすいという課題がある。従って、コアの冷却効率を改善して、リアクトルの温度を上がりにくくするために、高い熱伝導率を有し、放熱性に優れるとともに、低鉄損で発熱量が少ない圧粉磁心が求められている。
【０００９】
そこで、本発明は、高熱伝導性を有すると同時に、低鉄損である圧粉磁心を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の圧粉磁心は、リン酸塩を含む絶縁被膜を表面に形成した鉄基軟磁性粉末と、前記の絶縁被膜を表面に形成した鉄基軟磁性粉末と同等以上の高熱伝導率を有する微粒子化した酸化物、炭化物および窒化物の少なくとも１種からなる絶縁物とを含む混合粉末からなり、圧縮成形による歪みを除去する熱処理を施された密度６．７Ｍｇ／ｍ３以上の圧粉体であり、前記圧粉体中の鉄基軟磁性粉末間および気孔内に前記絶縁物が介在することを特徴とする。
【００１１】
添加する絶縁物は１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有することが好ましく、絶縁物の粒径は１０μｍ以下であることが好ましい。
また、絶縁物の単体の固有抵抗が１０５Ωｃｍ以上であることが好ましい。
添加する絶縁物は、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｃｕ２Ｏ、ＳｉＣおよびＡｌＮのうち少なくとも１種類以上を含むものであることが好ましく、絶縁物の添加量は０．４〜３ｍａｓｓ％とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高熱伝導性を有すると同時に、比抵抗が高く、低鉄損である圧粉磁心を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明らは、リン酸塩を含む絶縁被膜を表面に形成した鉄基軟磁性粉末からなる圧粉磁心の内部の鉄基軟磁性粉末間および気孔内に、熱伝導性が高く、かつ固有抵抗の高い微粒子化した絶縁物を介在させることにより、比抵抗が高く、低鉄損でありながら、優れた熱伝導性を有する圧粉磁心が得られることを見出した。前記絶縁物は、酸化物、炭化物および窒化物（例えばＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｃｕ２Ｏ、ＳｉＣおよびＡｌＮ）の少なくとも１種からなることが好ましい。高い熱伝導率を有する物質を圧粉磁心中、特に熱伝導を阻害する気孔の中に介在させることによって、圧粉磁心の熱伝導率を向上させることができる。
【００１４】
圧粉磁心の密度が低いと、熱伝導率が低くなる。また、磁束密度が低くなり、鉄損が大きくなるとともに、高磁場側での透磁率の低下も顕著になるため、密度は６．７Ｍｇ／ｍ３以上とすることが好ましい。
【００１５】
前記絶縁物は１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有することが好ましい。熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ未満であると、圧粉磁心の熱伝導率を向上させる効果に乏しく、好ましくない。また、前記絶縁物を添加して作製した圧粉磁心は、３Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率を有し、放熱性に優れており、温度が上がりにくいため、リアクトルの温度上昇を抑制することによる冷却機構の簡略化等に寄与でき、好ましい。
【００１６】
添加する絶縁物の粒径は１０μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以下であることがより好ましい。絶縁物を微粒子化して比表面積を大きくすることにより、より少ない添加量で鉄基軟磁性粉末を均一に覆うことが可能になるとともに、気孔中に絶縁物が存在する確率を高くできる。それにより、圧粉磁心の比抵抗を高くして高周波領域での鉄損を著しく低減できる。
【００１７】
絶縁物を微粒子化する方法としては、例えばジェットミルや遊星ボールミル等を用いて粉砕する方法が好ましい。また、微細化しにくい絶縁物の場合は、冷凍粉砕等の方法を用いてもよい。
【００１８】
また、軟磁性粉末と絶縁物との混合の際に少量の分散剤を添加すると、微細な絶縁物の凝集を防止し、より均一に混合することが可能になり好ましい。
【００１９】
また、前記絶縁物の単体の固有抵抗は１０５Ωｃｍ以上であると、圧粉磁心の比抵抗を高くできるため好ましく、前記絶縁物を添加して作製した圧粉磁心の比抵抗は１４０００μΩｃｍ以上であると、高周波領域での鉄損を著しく低減できるため好ましい。また、前記絶縁物を添加して作製した圧粉磁心が、リン酸塩を含む絶縁被膜を表面に形成した鉄基軟磁性粉末のみで作製した圧粉磁心よりも４０００μΩｃｍ以上高い比抵抗を有することが好ましい。
【００２０】
絶縁物の添加量は０．４〜３ｍａｓｓ％とすることが好ましい。添加量が０．４ｍａｓｓ％より少ないと十分な効果が得られず、３ｍａｓｓ％を超えて添加すると鉄基軟磁性粉末の占積率の低下により圧粉体密度を高くすることができなくなるため、磁束密度が低くなるとともに、鉄損が高くなり好ましくない。
【００２１】
また、絶縁物を気孔中に存在させることにより、圧粉磁心の最大微分透磁率を低くし、高磁場側での微分透磁率との差を小さくして、恒透磁率性を向上することができる。恒透磁率に優れることは、モータの大出力化等に伴い、大電流、高磁場側で使用されるようになっているリアクトル用コアの特性として好ましい。
【００２２】
さらに、０〜１００００Ａ／ｍまで励磁磁界を変化させた際の、圧粉磁心の最大微分透磁率をμｍａｘ、１００００Ａ／ｍにおける微分透磁率をμ１００００Ａ／ｍとした時、μｍａｘに対するμ１００００Ａ／ｍの比率が０．１５未満になると、高磁場側で磁束密度が飽和してリアクトルの機能が損なわれてしまい好ましくないため、前記の比率は０．１５以上であることが好ましい。
【実施例１】
【００２３】
本発明に用いる絶縁物としてＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｃｕ２Ｏ、ＳｉＣおよびＡｌＮを微粉化したものを用意した。
【００２４】
リン酸塩系の絶縁被覆処理を施した純鉄粉と、微粉化した絶縁物を添加混合して原料粉末とした。また比較として、絶縁物を添加しない原料粉末、絶縁物として粒径２０μｍのＡｌＮを２．０ｍａｓｓ％添加した原料粉末、タルクを２．０ｍａｓｓ％添加した原料粉末、ＺｒＯ２を２．０ｍａｓｓ％添加した原料粉末、Ａｌを２．０ｍａｓｓ％添加した原料粉末、ガラス粉末を２．０ｍａｓｓ％添加した原料粉末およびポリイミド系樹脂粉末を２．０ｍａｓｓ％添加した原料粉末を用意した。これらの原料粉末を、圧粉成形し、得られた圧粉体を６５０℃で熱処理して試料とし、熱伝導率、比抵抗および鉄損を測定した。熱伝導率の測定は、直径：１１．３ｍｍ、全長：２ｍｍの形状の試料を用い、レーザーフラッシュ法により実施し、比抵抗の測定は、１０ｍｍ×６０ｍｍ×１０ｍｍの直方体形状の試料を用い、四端子法により実施した。また、鉄損の測定は、内径：２０ｍｍ、外径：３０ｍｍ、全長：５ｍｍの試料を用い、０．１Ｔ、１０ｋＨｚの条件下で実施した。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
圧粉体密度が同じ場合、何れの絶縁物を添加した試料も、絶縁物を添加しない試料１と比較して熱伝導率が高くなるとともに、比抵抗が高くなり、鉄損が低くなった。また、絶縁物の添加量については、０．２ｍａｓｓ％の添加では、熱伝導率と比抵抗の向上効果が不充分であったが、０．４ｍａｓｓ％以上の添加で効果が認められ、添加量が多い程、効果が大きくなった。特に、単体の熱伝導率が高いＡｌＮやＳｉＣを添加した試料は、熱伝導率の向上効果が大きくなった。高い熱伝導率を有する本発明の圧粉磁心をリアクトル用コアとして適用すれば、リアクトルの放熱性向上と小型化が可能である。従って、本発明の圧粉磁心は、車載用等の搭載スペースに制限のあるリアクトル用コアとして好適である。
【００２７】
絶縁物の添加量が３．０ｍａｓｓ％を超える試料２６では、鉄基軟磁性粉末の占積率の低下により、高圧力で圧粉成形をしても６．７Ｍｇ／ｍ３程度までしか圧粉体密度を高くすることができなかった。圧粉体密度が低いと、磁束密度が低下してしまうため、リアクトル用鉄心として用いる場合、コアの断面積を大きくする必要が有り、リアクトルの大型化を招くため、車載用等の搭載スペースに制限のある用途には好ましくない。
【００２８】
試料１０〜１４の測定結果から、圧粉体密度が低い程、鉄損が高くなることが確認されたが、上述した本発明の絶縁物添加による鉄損の低減効果により、６．７Ｍｇ／ｍ３以上の圧粉体密度であれば、リアクトル用鉄心として使用できる鉄損を得ることが可能であることが判った。また、圧粉体密度が高い程、熱伝導率が高くなった。
【００２９】
２０μｍのＡｌＮを添加した試料２４は鉄損低減および比抵抗向上の効果が小さかったが、１０μｍ以下の粒径の絶縁物を添加した試料１６〜２３では、鉄損低減および比抵抗向上の効果が大きいことが判った。比抵抗向上については、３μｍ以下の粒径の絶縁物を添加すると、特に効果が大きくなることが判った。
【００３０】
熱伝導率が低いタルクを添加した試料２５とＺｒＯ２を添加した試料２６は、圧粉磁心の熱伝導率が低くなった。また、Ａｌを添加した試料２７は、高い熱伝導率を有するものの、Ａｌの固有抵抗が低いため、圧粉磁心全体としての比抵抗が低くなって渦電流損が著しく高くなり、鉄損が増大した。
【００３１】
軟化点が熱処理温度よりも低いガラスを絶縁物として添加した試料２８では比抵抗が低く、鉄損が大きくなってしまうことが認められ、添加する絶縁物の融点は熱処理温度よりも高いことが好ましいことが判った。絶縁物の融点が熱処理温度よりも５０℃以上高ければ、絶縁物が熱処理時に確実に固体状態であり、好ましい。
【００３２】
絶縁物としてポリイミド系樹脂を２．０ｍａｓｓ％添加し、２００℃で熱処理を施した試料２９は、低密度の樹脂を添加したため、原料粉末の理論密度が低くなり、圧粉体密度を高くすることができなかった。また、熱伝導率が著しく低くなった。さらに、低密度であるとともに、熱処理温度を高くできないため、鉄損が著しく高くなった。
【実施例２】
【００３３】
実施例１の試料１〜５および試料１８に用いた原料粉末を、内径：２０ｍｍ、外径：３０ｍｍ、全長：５ｍｍの試験片形状で圧粉成形した後、６５０℃で熱処理を施した。得られた試料につき、０〜１００００Ａ／ｍまで励磁磁界を変化させて、１００００Ａ／ｍにおける磁束密度Ｂ１００００Ａ／ｍ、最大微分透磁率μｍａｘおよび１００００Ａ／ｍにおける微分透磁率μ１００００Ａ／ｍを測定した。前記の磁気特性の測定結果を表２に示す。
【００３４】
【表２】
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【００３５】
絶縁物を添加しない試料１ではμｍａｘに対するμ１００００Ａ／ｍの比率が低く、高磁場側で透磁率が著しく低下するのに対し、絶縁物を添加することによりμｍａｘが低く抑えられ、μｍａｘに対するμ１００００Ａ／ｍの比率が高くなり、恒透磁率性を向上できることが判った。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明によれば、変圧器、リアクトル、チョークコイル等、特に、車載用リアクトル等の小型化が求められ、回路の冷却が必要とされる磁気回路用の鉄心として用いて好適な、高熱伝導性を有すると同時に低鉄損である圧粉磁心を提供することができる。