(57)【要約】【課題】圧縮成形時に粒子間に生じる歪を除去するための焼鈍が必要なく、透磁率等の磁気的特性に優れ、かつ機械的強度が得られる圧粉磁心を提供すること。【解決手段】金型の内側にあらかじめ金型内壁の形状に合わせて成形された電磁鋼板を配置し、該電磁鋼板上に磁性粉末と潤滑剤の混合粉末を投入し、これらを温間で一体にプレス成形することにより、表面部が電磁鋼板で形成され、その内部が磁性粉末の圧粉体により形成されている磁心を得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型の内側にあらかじめ金型内壁の形状に合わせて成形された電磁鋼板を配置し、該電磁鋼板上に磁性粉末と潤滑剤の混合粉末を投入し、これらを温間で一体にプレス成形することを特徴とする磁心の製造方法。
【請求項２】
前記磁性粉末が、鉄系磁性粉末であることを特徴とする請求項１に記載の磁心の製造方法。
【請求項３】
前記潤滑剤が、脂肪酸系潤滑剤であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁心の製造方法。
【請求項４】
前記金型の内壁に、事前に脂肪酸系潤滑剤を塗布しておくことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁心の製造方法。
【請求項５】
前記温間でプレス成形する際の温度が、１５０℃以上、２００℃以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁心の製造方法。
【請求項６】
前記金型と前記磁性粉末をあらかじめ１５０℃以上、２００℃以下に加熱しておくことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の磁心の製造方法。
【請求項７】
表面部が電磁鋼板で形成され、その内部が電磁鋼板と一体に温間でプレス成形された磁性粉末の圧粉体により形成されていることを特徴とする磁心。
【請求項８】
前記磁心が歯部を有する磁性コアであり、歯部先端断面における電磁鋼板の占有断面積の割合が１０％以上、５０％以下であることを特徴とする請求項７に記載の磁心。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気特性を落とさず、機械特性改善を図った各種電気機器の磁心に関し、詳しくはトランスやモータ用などの圧粉磁心において、加工時および使用時に物理的な劣化破壊を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気・電子機器の小型化が進んでおり、それにつれて小型で高効率の圧粉磁心が要求されている。圧粉磁心用の強磁性粉末としては、フェライト粉末や強磁性金属粉末が用いられている。強磁性金属粉末は、フェライト粉末に比較して飽和磁束密度が大きいために磁心を小型化できる利点があるが、電気抵抗が小さいために渦電流損失が大きくなる欠点がある。この渦電流損失をできるだけ小さくするために、強磁性金属粉末粒子表面に、樹脂、無機物等の絶縁材で絶縁膜を形成させている。
【０００３】
圧粉磁心は、圧縮成形時に粒子間の歪が生じ、そのため焼鈍が必要となり、透磁率やコア損失が劣化し、さらに耐熱性や経年変化に悪影響を及ぼし、かつ、大型製品の製造が困難であるという欠点を有する（特許文献１参照）。
特許文献２に示されるような結着剤にシリコーン樹脂を利用する磁心についても、耐熱性が低く、特に２００℃を超える環境下では磁心の形状安定性が低下し、所要の機械的特性や磁気特性が得られないという欠点がある。
また、複合材の分野において、特許文献３に示されるような、成形しておいた粉末成形体を心材の外側に圧入等して両者を一体的に結合させるものがあるが、粉末成形体の強度が低いために、圧入する際に粉末成形体に割れが生じ実施するのは困難であった。
【０００４】
圧粉磁心は、鋳造または焼結した磁心とは異なり、鉄系磁性粉末の加圧成形体からなり、各粒子の結合は、主に塑性変形に伴う機械的結合であって冶金的に結合したものではない。
このような粉末間の結着力が弱い圧粉磁心の場合、激しく振動する部品用の回路基板などに組み込むと、振動によって割れ・欠けなどが発生して回路基板の機能が消失する問題もある（特許文献４参照）。
さらに、渦電流の影響については、上記圧粉磁心を高周波領域で使用する場合には絶縁性が不十分となり、固有抵抗値が低下して渦電流損が増大する。この渦電流損の増大は発熱をもたらし、軟磁性粉末をバインドしている樹脂が劣化することから、圧粉磁心の十分な寿命を確保できないという欠点があった。
【０００５】
圧粉磁心の製造法についても、例えば、シリコーン樹脂が熱分解して減量することで、強磁性粒子間のバインダーが少なくなるために機械的強度が低下するという問題点がある（特許文献２参照）。
また、ガスアトマイズ粉末や、水とガスの両方を用いて噴霧したアトマイズ粉末を原料として圧粉磁心を作製すると、圧粉磁心の強度が弱く、後のコイル巻線加工などの際に割れや欠けを生じやすいという問題点があった。
【特許文献１】特開２００５−６４４２２号公報
【特許文献２】特開２０００−４９００８号公報
【特許文献３】特開２００４−１９７１５７号公報
【特許文献４】特開２００５−１１６８２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、上述のような問題を解決し、優れた機械的特性（強度、耐衝撃性、寸法安定性など）を有する圧粉磁心を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そのような課題を解決する本発明の具体的な手段は以下の通りである。
（１）金型の内側にあらかじめ金型内壁の形状に合わせて成形された電磁鋼板を配置し、該電磁鋼板上に磁性粉末と潤滑剤の混合粉末を投入し、これらを温間で一体にプレス成形することを特徴とする磁心の製造方法。
（２）前記磁性粉末が、鉄系磁性粉末であることを特徴とする（１）に記載の磁心の製造方法。
（３）前記潤滑剤が、脂肪酸系潤滑剤であることを特徴とする（１）または（２）のいずれかに記載の磁心の製造方法。
（４）前記金型の内側に、事前に脂肪酸系潤滑剤を塗布しておくことを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の磁心の製造方法。
（５）前記温間でプレス成形する際の温度が、１５０℃以上、２００℃以下であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の磁心の製造方法。
（６）前記金型と前記磁性粉末をあらかじめ１５０℃以上、２００℃以下に加熱しておくことを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の磁心の製造方法。
（７）表面部が電磁鋼板で形成され、その内部が電磁鋼板と一体に温間でプレス成形された磁性粉末の圧粉体により形成されていることを特徴とする磁心。
（８）前記磁心が歯部を有する磁性コアであり、歯部先端断面における電磁鋼板の占有断面積の割合が１０％以上、５０％以下であることを特徴とする（７）に記載の磁心。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、磁心の表面部を電磁鋼板で形成し、その内部を電磁鋼板と一体成形された磁性粉末の圧粉体により形成したので、透磁率等の磁気的特性に優れ、機械特性の向上した、特に、圧環強度が向上した磁心を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
すでに述べたように、これまでモータ、トランス、インダクタコア等の効率向上、形状の小型化等を図るために、コアでの鉄損低減が図られている。本発明者らは、電磁鋼板の磁気特性をなるべく劣化させずに機械特性を強化する手法を効果的に実現するため鋭意研究を行った。その結果、圧粉磁心の外周表層に電磁鋼板を配置して磁心を構成したところ、従来の圧粉磁心のステータより圧環強度をはじめとする機械強度の向上が確認され、機械加工時の欠け・割れの発生がない磁心が得られることを知見として得た。
【００１０】
ここで、圧環強度とは、磁心を径方向に立てた状態にして上方から圧力を加えたときに、磁心が破壊したときの荷重である。また、以下のように、本発明ではコアの強度を圧環強度で評価した。そのとき用いる円環は、外径が２８ｍｍ、内径が２０ｍｍ、高さが５ｍｍのリング形状をなす成形体である。
【００１１】
次に、実施形態を挙げ、上記の知見に基づく本発明をより詳細に説明する。
本発明では、磁性粉末として比抵抗が０．７μΩｍ以上である鉄系磁性粉末を用いることが望ましい。磁性粉末の比抵抗は形状に依存しない固有値であり、同形状の圧粉磁心であれば比抵抗が大きいほど、渦電流損失を小さくすることができ、比抵抗ρが0.7 μΩｍ未満では、渦電流損失の十分な低減が図れないためである。
【００１２】
鉄系磁性粉末は、鉄を主成分とする強磁性の金属粉末である。鉄系磁性粉末としては、純鉄からなる鉄粉末であると好適である。その場合には、高い磁束密度が得やすく、保磁力低下によるヒステリシス損失の低減を図れるからである。その純鉄の純度は、純度９９％以上、さらには９９．５％以上や９９．８％以上であると好適である。このような鉄粉として、例えばヘガネス社製のＡＳＣ１００．２９を用いることができる。この鉄粉は、Ｆｅ以外の成分がＣ：0.001、Ｍｎ：0.02、Ｏ：0.08（単位：質量％）以下と、他の市販鉄粉に比べて不純物が極めて少なく、圧縮性に優れた鉄粉である。
【００１３】
鉄系磁性粉末は、磁心材料として適した複数の粉末からなる混合粉末でも良いし、合金粉末でも良い。鉄系磁性粉末は、造粒粉でも、粗粒粉でも良い。酸化鉄の種類は問わないが、例えば、α-Ｆｅ2Ｏ3、γ-Ｆｅ2Ｏ3 、Ｆｅ3Ｏ4、ＦｅＯ 等がある。酸化皮膜が鉄系磁性粉末の各粒子の全体を被覆し、その膜厚が厚い程、比抵抗は大きくなる。しかし、その酸化皮膜は鉄に比べて磁性が低いため、その量が多すぎると、各磁場中で得られる磁束密度も小さくなってしまう。
【００１４】
本発明においては、電磁鋼板を積層し、かしめやボルト締めあるいは溶接などで固定する工程は必要なく、上記のような磁性粉末を金型内の電磁鋼板の上に充填し、磁性粉末と電磁鋼板を同時に成形することにより、圧粉された磁性粉末の外面を電磁鋼板で覆った磁心を製造する。
すなわち、図１に示すように、充填工程において下金型１の内側に電磁鋼板２をあらかじめ配置しておき、その後に、鉄系磁性粉末と潤滑剤を混合した粉末３を投入する（ａの状態）。ついで、成形工程において、上金型２によって温間で加圧して、磁性粉末と電磁鋼板を同時に一体にプレス成形する（ｂの状態）。
【００１５】
金型内に配置される電磁鋼板は、あらかじめ金型の内部形状に合わせて形成されたものを用いるのがよい。その場合、金型の内部形状により近い形状が望ましいが、プレス成形時に粉末の圧縮と同時に電磁鋼板の成形も可能であり、成形可能な範囲でより作りやすい形状のものであってもよい。また、金型内に配置される電磁鋼板は、一体のものでも、分割されたものでもよい。たとえば、磁心の内側と外側の側面となる部分と下面となる部分をそれぞれ別々に形成し、それらを個々に金型内に配置することもできるし、それらを接合して一体のものとして金型内に配置することもできる。また、それらをプレスにより一体のものとして成形したものでもよい。
上面部分は、図１のように、電磁鋼板を充填された粉末３上にセットして成形してもよいし、成形後、電磁鋼板を成形体の上面に接合してもよい。
【００１６】
成形に用いる金型は、例えば、ハイス鋼（高速度工具鋼）または超硬合金製のものが使用できるが、金型内面にＴｉＮコート処理を施して、金型の加工面を硬化したものを用いるのがよい。
【００１７】
粉末に混合される潤滑剤は、脂肪酸系潤滑剤であることがよい。好ましくは、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸アルミニウム、二硫化モリブデン等でもよい。
さらに、脂肪酸系潤滑剤を電磁鋼板の内面に塗布し、磁性粉末を充填して温間で加工すると電磁鋼板の内面と磁性粉末の間の潤滑性が向上し、金型から加圧成形対の貫き圧力の低減が図れる。
【００１８】
成形工程では、温間で加圧し、磁性粉末（あるいは、磁性粉末と電磁鋼板）を金型に合った形に成形する。成形工程における「温間」とは、鉄系磁性粉末、脂肪酸系潤滑剤、成形圧力等を考慮した適切な加熱条件の下で成形することを意味する。鉄系磁性粉末と高級脂肪酸系潤滑剤との反応を促進するために、成形温度を１００℃以上とし、高級脂肪酸系潤滑剤の変質を防止するために、成形温度を２００℃以下とすると好ましい。
さらに、充填工程が、加熱された鉄系磁性粉末を加熱された成形用金型内に充填する工程であると好適である。鉄系磁性粉末と成形用金型の両方が加熱されていると、後続する成形工程において鉄系磁性粉末と脂肪酸系潤滑材とが安定して反応し、両者の間に均一な潤滑皮膜が形成されやすい。そこで例えば両者を１５０℃以上、２００℃以下に加熱しておくと好ましい。
【００１９】
成形工程における「加圧」の程度は、圧粉磁心の要求特性、鉄系磁性粉末、酸化皮膜および脂肪酸系潤滑剤の種類、成形用金型の材質や内面性状等に応じて適宜決定される。
ただし、本発明の製造方法の場合、従来の成形圧力を超越した成形圧力下で成形可能である。例えば、その成形圧力を７００ＭＰａ以上とすることができる。
【００２０】
以上のように、本発明では、成形された圧粉磁心は電磁鋼板で覆われているから、外部からの衝撃に起因する圧粉部分の割れ・欠けが防止できる。特に、従来問題となったスプリングバックによる表面の割れは、一体物の電磁鋼板が圧粉された粉末表面に強固に接着しているため、本発明では生じない。また、振動による力の分散も鋼板により促されるので、わずかな空孔起因による割れも防ぐことができる。このように電磁鋼板を用いることで、圧粉磁心の問題であった脆さが解消できる。また電磁鋼板は透磁率が高く、鉄損も低い材料であり、圧粉磁心の磁気特性が劣化するものでもない。
【００２１】
本発明は、形状的には、圧粉された磁性粉末の外側を電磁鋼板で囲んだことを特徴とするが、磁性粉末に対する電磁鋼板全体の体積割合は、磁性コアの場合、歯部の先端断面における電磁鋼板の占有する断面積の割合で、１０％以上で５０％以下が好ましい。
ここで、電磁鋼板の占有断面積の割合とは、図３に示すように、歯部先端の断面において、（電磁鋼板断面積）／（全断面積）で示す。
図４は、電磁鋼板の占有断面積の割合に対する圧環強度と鉄損の変化を示す。図４より、前記占有断面積が増していくと、圧環強度及び高周波鉄損（Ｗ１／１０ｋ）とも増していくが、断面積が５０ ％を超えると、鉄損の増加率は圧環強度より増してくる。したがって、電磁鋼板の割合は強度の増加が著しい１０％以上で、かつ５０％以下と規定した。
以下、実施例により本発明をさらに説明する。
【実施例１】
【００２２】
ハイス鋼金型（金型形状は図示せず）の内壁の内側にそって、金型形状に合致する形状にあらかじめ成形された電磁鋼板を、図２に示すように配置し、その中にヘガネス社製磁性粉末ＡＳＣ１００．２９と脂肪酸系潤滑剤（ステアリン酸亜鉛）を混合したものを充填した。その際、事前に金型と磁性粉末を加熱温度１５０℃に加熱したものを使用した。ついで、プレス成形する際の温度を２００℃として加圧成形して、磁性コアを作成した。その際、金型の内側に配置される電磁鋼板の量を種々調整して、電磁鋼板の割合が１０％から５０％の磁性コアを得た。
また、比較例として、上記粉末を用いて圧粉磁心のみで形成したコア（磁性粉末磁心）も作成した。
【００２３】
得られた磁性コア中にロータを入れ、外部から入力した電流と電圧により電力計を用いて鉄損を測定した。周波数は５０Ｈｚと２ｋＨｚ、ヨークの磁束密度は１．０Ｔとした。
また、コアと同様に、外径が２８ｍｍ、内径が２０ｍｍ、高さが５ｍｍのリング形状の円環をそれぞれ作成し、圧環強度を調べた。
表１に、得られた磁気特性と圧環強度を示す。
【表１】
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【００２４】
本発明では、電磁鋼板の割合を１０％から５０％に増やすことにより、比較例の磁心より圧環強度を２倍以上に強化できた。また、鉄損はW１０／５０の商用周波域では電磁鋼板の特性が表れ、本発明の磁心が比較例の磁性粉末磁心より低い鉄損が得られた。一方、２ｋＨｚの周波数での鉄損Ｗ１０／２ｋは、本発明の磁心が比較例の磁性粉末磁心よりやや高くなった。
したがって、高周波で鉄損は微増するが、磁束密度を含め低周波鉄損は向上しており、かつ強度も高くなり、所望の特性を持つ磁心が作製できた。
【実施例２】
【００２５】
実施例１と同様にハイス鋼金型の内側に種々断面積割合になるように電磁鋼板をそれぞれ配置して、その中に三菱マテリアル社製磁性粉末ＭＢＳ４７８（鉄系磁性粉末）と脂肪酸系潤滑剤（二硫化モリブデン）を混合したものを充填して成形した。その際に使用した金型は、内面にＴｉＮコート処理を施した超硬合金製金型を使用した。また、電磁鋼板の内面には、事前に脂肪酸系潤滑剤（二硫化モリブデン）を塗布しておいた。さらに、プレス成形する際の温度を１００℃として加圧成形した。その際、事前に金型と磁性粉末を加熱温度２００℃で熱したものを使用した。また、比較例として、上記粉末を用いて圧粉磁心のみで形成したコア（磁性粉末磁心）も作成した。
得られた磁性コアの鉄損及び圧環強度を実施例１と同様に測定した。
表２に、得られた磁気特性と圧環強度を示す。
【表２】
2007287848.tif 000004
【００２６】
電磁鋼板の割合を２０％から５０％に増やすことにより、圧環強度を２倍以上に強化できた。また、鉄損はW１０／５０の商用周波域では電磁鋼板の特性が表れ、本発明の磁心が磁性粉末磁心より低い鉄損が得られた。一方、２ｋＨｚと高い周波数での鉄損Ｗ１０／２ｋは、本発明の磁心が比較例の磁性粉末磁心よりやや高くなった。
したがって、高周波で鉄損は微増するが、磁束密度を含め低周波鉄損は向上しており、かつ強度も高くなり、所望の特性を持つ磁心が作製できた。
【００２７】
以上の通り、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明はこれらの場合に限られるものではなく、当業者によって種々の追加、あるいは変形が可能であることはいうまでもない。
たとえば、上記の説明ではステータ用材料としてヘガネス社製、または三菱マテリアル製の磁性粉末の適用を示したが、本発明はこの場合に限らない．たとえば、磁性を帯びた粉末であれば全て適用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の磁心の製造方法の概念図である。
【図２】本発明の磁心の製造の一例を示す図である。
【図３】本発明の磁心の構成を示す図である。
【図４】磁心に占める電磁鋼板の体積と圧環強度及び鉄損の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１    下金型
２    電磁鋼板
３    鉄系磁性粉末と潤滑剤を混合した粉末
４    上金型
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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