(57)【要約】【課題】  高密度、低鉄損である車両搭載モータ用圧粉磁心とその製造方法を提供する。【解決手段】  Ｓｉ：１.０〜７.０質量％、残部が実質的にＦｅから成る組成を有し、かつ表面が絶縁皮膜で被覆されている軟磁性粉末の圧縮成形体であって、相対密度が９５％以上であり、かつ電気抵抗率が２００×１０-8Ω・ｍ以上である車両搭載モータ用圧粉磁心であり、これは絶縁皮膜で被覆されている上記した軟磁性粉末を、圧力２００MPa以上、温度４００〜９００℃の条件下で圧縮成形して製造される。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ：１.０〜７.０質量％、残部が実質的にＦｅから成る組成を有し、かつ表面が絶縁皮膜で被覆されている軟磁性粉末の圧縮成形体であって、
相対密度が９５％以上であり、かつ電気抵抗率が２００×１０-8Ω・ｍ以上であることを特徴とする車両搭載モータ用圧粉磁心。
【請求項２】
前記軟磁性粉末の平均粒径が５〜５００μｍである請求項１の車両搭載モータ用圧粉磁心。
【請求項３】
前記絶縁皮膜の厚みが１０nm〜１μｍである請求項１または２の車両搭載モータ用圧粉磁心。
【請求項４】
Ｓｉ：１.０〜７.０質量％、残部が実質的にＦｅから成る軟磁性粉末と絶縁バインダとを混合して前記軟磁性粉末の表面を絶縁皮膜で被覆し、ついで得られた粉末を、圧力２００MPa以上、温度４００〜９００℃の条件下で圧縮成形することを特徴とする車両搭載モータ用圧粉磁心の製造方法。
【請求項５】
圧縮成形後に、温度５００℃以上で熱処理を行う請求項４の車両搭載モータ用圧粉磁心の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車両搭載モータ用圧粉磁心とその製造方法に関し、更に詳しくは、高密度でかつ低鉄損であって、モータ磁気回路の３次元化を可能にして高効率、大出力密度／大トルク密度のモータの実現を可能にし、とりわけ自動車駆動用モータに組み込まれて好適な圧粉磁心とその製造方法の提供を目的とする。
【背景技術】
【０００２】
一般的なモータを構成する磁心は、複数枚の薄い電磁鋼板を積層してバルク体にしたものである。この磁心は、電磁鋼板の積層方向と直交する面内方向では優れた軟磁気特性を示すが、積層方向では磁気特性が極端に低下するという問題がある。
これに対し、圧粉磁心は、３次元的にほぼ等方的な磁気特性を示すので、これを用いてモータの磁気回路を３次元的に構成することが可能である。したがって、圧粉磁心を用いることにより、電磁鋼板を用いた２次元的な磁気回路で構成される従来のモータとはその構造が異なるモータを実現することができる。
【０００３】
ところで、この圧粉磁心は、通常、次のようにして製造されている。
まず、所定組成の軟磁性合金に機械粉砕法やアトマイズ法を適用して所定の粒径と粒度分布を有する軟磁性粉末を製造する。
ついで、この軟磁性粉末に、絶縁材料であると同時に結着能を有するバインダ成分でもある例えば水ガラスのような絶縁バインダの所定量を混合することにより、軟磁性粉末の表面を前記絶縁バインダから成る絶縁皮膜で被覆する。
【０００４】
ついで、上記した混合物を例えばステアリン酸亜鉛のような潤滑剤と一緒に金型に充填したのち、通常は常温下において所定の圧力を印加して圧縮成形する。
そして最後に、得られた圧縮成形体に熱処理を行って、圧縮成形時に蓄積された歪みを除去する。
このようにして製造された圧粉磁心は、絶縁皮膜で被覆された軟磁性粉末の各粒子が互いに前記した絶縁皮膜を介して結着した組織構造になっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現在、圧粉磁心の主流は軟磁性粉末としてＦｅ基合金の粉末を用いたものであるが、これをモータ用途に適用する場合には次のような問題がある。
まず、モータ駆動は概して低周波領域（概略１０kHz以下）で行われるが、その場合、圧粉磁心は電磁鋼板の磁心に比べて鉄損が大きくなる。そのため、高効率が要求されるモータに適用することが困難である。
【０００６】
したがって、高効率なモータへの圧粉磁心の適用を考える場合、当該圧粉磁心の鉄損をより一層低減することが必要になる。
また、従来の圧粉磁心は、軟磁性粉末の充填密度がそれほど高いというわけではないので、例えばモータのトルクを向上させることを考えた場合、従来の圧粉磁心の磁束密度の水準では必ずしも満足できないという問題がある。
【０００７】
したがって、トルク密度の高いモータへの圧粉磁心の適用を考える場合、当該圧粉磁心における軟磁性粉末の充填密度を高めて高密度化することにより、より一層磁束密度を高めることが必要になる。
本発明は圧粉磁心をモータ用途に適用する際における上記した問題を考慮することによって開発された圧粉磁心であって、低鉄損であり、かつ高密度であるため、高効率で、大出力密度／大トルク密度で作動する例えば車両駆動用モータにも用いることができる圧粉磁心とその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記した目的を達成するための研究過程で、開発する圧粉磁心の高密度化の目標値を相対密度表示で９５％以上に設定した。
相対密度が９５％以上になっていれば、その圧粉磁心における軟磁性粉末の占有率は高く、したがって、磁束密度も高く、モータ用途への適用も可能と判断できるからである。
また、本発明者らは、鉄損は用いる軟磁性粉末特有のヒステリシス損と、圧粉磁心における渦電流損との総和であることに鑑み、前者に関しては後述するＦｅ−Ｓｉ系粉末を用いることによって対処した。
【０００９】
また、後者に関しては粉末相互間の絶縁状態を規定することによって対処した。具体的には、圧粉磁心の低鉄損化の目標値を電気抵抗率表示で２００×１０-8Ω・ｍ以上に設定した。
圧粉磁心の電気抵抗率が２００×１０-8Ω・ｍ以上になっていれば、その圧粉磁心の低周波領域における渦電流損は事実上無視することができ、高効率のモータに組み込むことが可能であると判断されるからである。
【００１０】
以上の目標値を実現するために、本発明者らは製造過程における条件、とりわけ圧縮成形時の条件に関して検討を加えた結果、後述する条件下で上記した目標値の実現が可能であるとの事実を見出し、本発明を開発するに至った。
すなわち、本発明の車両搭載モータ用圧粉磁心は、Ｓｉ：１.０〜７.０質量％、残部が実質的にＦｅから成る組成を有し、かつ表面が絶縁皮膜で被覆されている軟磁性粉末の圧縮成形体であって、
相対密度が９５％以上であり、かつ電気抵抗率が２００×１０-8Ω・ｍ以上であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明においては、Ｓｉ：１.０〜７.０質量％、残部が実質的にＦｅから成る軟磁性粉末と絶縁バインダとを混合して前記軟磁性粉末の表面を絶縁皮膜で被覆し、ついで得られた粉末を、圧力２００MPa以上、温度４００〜９００℃の条件下で圧縮成形することを特徴とする車両搭載モータ用圧粉磁心の製造方法、好ましくは、圧縮成形後に、更に、温度５００℃以上で熱処理を行う車両搭載モータ用圧粉磁心の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の圧粉磁心は、表面に絶縁バインダの絶縁皮膜が形成されているＦｅ−Ｓｉ系軟磁性粉末を、圧力２００MPa以上、温度４００〜９００℃の条件下で圧縮成形されているので、相対密度は９５％以上と高密度であり、また、電気抵抗率も２００×１０-8Ω・ｍ以上と絶縁性も高い。
そのため、この圧粉磁心は、高磁束密度を有するとともに低鉄損でもあり、高効率が要請される車両搭載用モータに組み込むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の圧粉磁心は相対密度が９５％以上と緻密化しており、かつ電気抵抗率が２００×１０-8Ω・ｍ以上であり、高い絶縁性を備えている。
なお、ここでいう相対密度とは、ある体積の圧粉磁心の重量を、当該圧粉磁心に用いた軟磁性合金から成る同一体積の溶製材の重量で除算した値に１００を乗算した値であり、％表示である。
【００１４】
また、電気抵抗率は、直流四端子法で測定した値である。
この圧粉磁心は次のようにして製造される。
まず、用いる軟磁性粉末として、Ｆｅ−Ｓｉ系合金の粉末が用意される。用いる理由は、このＦｅ−Ｓｉ系合金がＦｅに比べて結晶磁気異方性と磁歪が小さく、低周波領域におけるヒステリシス損が小さい材料であるからである。すなわち、製造する圧粉磁心の低鉄損化に寄与する材料であるからである。
【００１５】
ここで、用いるＦｅ−Ｓｉ系合金粉末としては、Ｓｉの含有量が１.０〜７.０質量％であるものに限定される。
Ｓｉの含有量が１.０質量％より少ない合金粉末を用いると上記した効果は発現せず、逆に圧粉磁心では鉄損の増加が起こりはじめる。また、Ｓｉの含有量が７.０質量％より多い合金粉末を用いると、得られた圧粉磁心の飽和磁束密度が急激に低下して、モータ用途の磁心としての適合性を消失する。
【００１６】
合金粉末としては、平均粒径が５〜５００μｍであるものを用いることが好ましい。
平均粒径が５μｍより小さい粉末は、後述する圧縮成形時における成形性が悪く、そのため圧粉磁心の生産性の低下を招くからである。また平均粒径が５００μｍより大きい粉末を用いると、得られた圧粉磁心における電気抵抗率は低下して渦電流損が増大して電気抵抗率が低下し、その結果、低鉄損を実現することができなくなる。
【００１７】
なお、このＦｅ−Ｓｉ系合金粉末は、鋳造インゴットの機械的粉砕や合金溶湯のアトマイズ法によって製造することができる。
次に、上記したＦｅ−Ｓｉ系合金粉末と絶縁バインダを混合して、合金粉末の表面を被覆して絶縁皮膜を成膜する。
この絶縁皮膜は、製造した圧粉磁心において、合金粉末間の絶縁状態を維持して、圧粉磁心の電気抵抗率を確保し、渦電流損の発生を抑制するという働きをする。
【００１８】
用いる絶縁バインダは、後述する圧縮成形が温度４００〜９００℃で行われるので、この温度に対する耐熱性を備えたものであることが必要である。
例えば、水ガラス、リン酸、およびリン酸を含むリン酸塩のようなリン酸系、Ａｌ2Ｏ3粉末、ＳｉＯ2粉末、ＢＮ粉末などを用いることができる。
また、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、アミド樹脂、イミド樹脂のような有機系のものを用いることもできる。ただし、その場合は、圧縮成形時に熱分解することは許されないので、上記した温度域のうち、比較的低温域を採用したときに、有機系の絶縁バインダを使用することになる。
【００１９】
形成する絶縁皮膜の厚みは１０nm〜１μｍであることが好ましい。
この厚みが１０nmより薄い場合は、合金粉末の表面が絶縁皮膜で実質的には被覆されていないことがあり、そのため、合金粉末が相互に直接接触し、製造した圧粉磁心の渦電流損の発生を抑制できなくなる。また、厚みが１μｍより厚い場合は、圧粉磁心における非磁性成分の体積割合が増加するので、飽和磁束密度の低下が無視できなくなる。
【００２０】
この絶縁皮膜の厚みの調整に関しては、合金粉末と混合する絶縁バインダの混合量を調節して実現することができる。
このようにして表面に絶縁皮膜が形成されている合金粉末を、次に、圧縮成形して目的形状の圧粉磁心にする。
その場合、Ｆｅ−Ｓｉ系合金は、高硬度であるため、その粉末を常温下で例えばプレス成形しても、緻密で高密度な成形体が得られないという問題がある。
【００２１】
そのため、本発明では、合金粉末に対しては加圧と加熱を同時に作用させる圧縮成形が実施される。例えばホットプレス法、放電プラズマ焼結法が適用される。
その場合、圧力は２００MPa以上、温度は４００〜９００℃にそれぞれ設定される。
ここで、圧力が２００MPaより低い場合や、または温度が４００℃より低い場合、そのような条件下で圧縮成形を行っても、相対密度が９５％以上という高密度な圧粉磁心を製造することができない。
【００２２】
高圧力で圧縮成形を行えば、得られた圧縮成形体は高密度化してその相対密度も高くなる。しかしながら、他方では絶縁皮膜の破壊が進行するので圧縮成形体の電気抵抗率は小さくなって渦電流損の増加が引き起こされる。このようなことから、圧力の上限は１５００MPa程度に設定することが好ましい。
また、温度が９００℃より高い条件下で圧縮成形を行うと、合金粉末の軟化が進んで高密度化に資することは事実であるが、しかし他方では、やはり絶縁皮膜の破壊が進んで、渦電流損の増加を招くようになる。
【００２３】
上記した条件で圧縮成形して得られた圧粉磁心に対し、更に温度５００℃以上で熱処理を行うと、圧縮成形時に圧粉磁心に蓄積された歪みが解放され、磁気特性がより一層向上した圧粉磁心になるので好適である。
なお、上記した圧縮成形は、粉末を常温下で一旦軽く圧縮して予備成形体にし、その後、この予備成形体に上記した条件を適用して実施してもよい。
【実施例１】
【００２４】
組成がＦｅ−３質量％Ｓｉから成る軟磁性粉末を水アトマイズ法で製造した。分級して、１００メッシュ下で、平均粒径が６０μｍの粉末を用意した。
この粉末１００質量部に対し、シリコーン樹脂（絶縁バインダ）０.５質量部を均一に混合して粉末表面を被覆する絶縁皮膜を形成した。絶縁皮膜の厚みを、オージェ分析法で測定したところ、平均値で０.１μｍであった。
【００２５】
この粉末を金型に充填したのちホットプレスして圧粉磁心にした。このとき、加熱温度と加圧力を変化させた。
得られた圧粉磁心につき、相対密度と電気抵抗率を測定した。その結果を図１と図２にそれぞれ示した。
なお、図１において、○印内の数字は相対密度（単位％）を表し、図２において、○印内の数字は電気抵抗率（単位：×１０-8Ω・ｍ）を表す。
【００２６】
図１から明らかなように、相対密度９５％以上と高密度化するためには、圧力は２００MPa以上、温度は４００〜９００℃の条件下で圧縮成形することが必要である。
また、図２から明らかなように、電気抵抗率２００×１０-8Ω・ｍ以上にするためには、やはり、圧力２００MPa以上、温度４００〜９００℃の条件下で圧縮成形すべきである。
【実施例２】
【００２７】
実施例１で使用した粉末を金型に充填し、油圧プレス機を用い、室温下において加圧力５００MPaで予備成形した。得られた予備成形体の相対密度は８２％であった。
ついで、この予備成形体を軟鋼製の缶に詰めてそこにＡｒガスを封入したのち、缶を鍛造プレスした。このとき、加熱温度と加圧力を変化させた。
圧縮成形後、缶から圧粉磁心を取り出し、その相対密度と電気抵抗率を測定した。その結果を図３と図４にそれぞれ示した。
【００２８】
この場合も、実施例１と同様に、圧力２００MPa以上、温度４００〜９００℃の条件下の圧縮成形で、２００×１０-8Ω・ｍ以上の電気抵抗率が得られている。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の圧粉磁心は、高密度（高磁束密度）で低鉄損であり、また磁気特性が等方的であるため、この圧粉磁心を用いることにより、モータ磁気回路の３次元化を実現することができる。その場合、高効率、大出力密度／大トルク密度のモータを実現することができ、車両搭載モータ用の磁心として使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施例１において、加熱温度と加圧力を変化させたときに、製造された圧粉磁心の相対密度を示すグラフである。
【図２】実施例１において、加熱温度と加圧力を変化させたときに、製造された圧粉磁心の電気抵抗率を示すグラフである。
【図３】実施例２において、加熱温度と加圧力を変化させたときに、製造された圧粉磁心の相対密度を示すグラフである。
【図４】実施例２において、加熱温度と加圧力を変化させたときに、製造された圧粉磁心の電気抵抗率を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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