压粉磁芯及其制造方法、电动机以及电抗器 【技术领域】
本发明涉及压粉磁芯及其制造方法、以及由该压粉磁芯形成芯材的电动机及电抗器。
背景技术
出于减轻对地球环境的负担的观点，在汽车产业中，对混合动力汽车、电动汽车的开发日益推进，尤其是作为主要搭载机器的电动机和电抗器的高性能化、小型化成为紧迫的开发课题之一。
构成该电动机的定子铁芯和转子铁芯、构成电抗器的电抗器铁芯由将硅钢板层叠而成的钢板层叠体形成，或由将涂覆了树脂的铁系软磁性粉末加压成型而成的压粉磁芯形成。在由压粉磁芯形成各种铁芯的情况下，具有如下等优点，即，作为其磁特性，与层叠钢板相比高频铁损少；由于被加压成型，因此能够随机并且廉价地应对形状变更。
对于压粉磁芯用的软磁性金属粉末，通过在该金属粉末的表面形成绝缘被膜来确保粉末的绝缘性，进而确保压粉磁芯自身的绝缘性而抑制铁损的产生。具体来说，采用如下的方案，即，在铁粉上覆盖硅树脂、环氧树脂，然而为了防止加压成型时的被膜破坏而确保铁粉间的绝缘性，使得向铁粉中的树脂添加量为大量等。
图11中表示给出了树脂添加量与电阻率、强度、密度各自的关系的本发明人等的实验结果。而且，该实验中，使用铁为主成分且含有1重量％Si、纵横比为6的扁平铁粉。从图11a、b可以清楚地看到，随着树脂添加量的增加，电阻率增大(从而绝缘性提高)，压粉磁芯强度也提高。但是，从图11c可以清楚地看到，随着树脂相对于铁粉的比例增大，压粉磁芯密度降低，该密度的降低成为压粉磁芯的磁通密度(磁特性)减少的原因。
另外，虽然也有将在铁粉周面预先缩合有硅树脂的磁性粉末加压成型而制造压粉磁芯的方法，然而在该方法中，在磁性粉末间容易产生间隙，这时压粉磁芯的强度就会降低。另外，将在铁粉周面预先形成有二氧化硅被膜的磁性粉末加压成型而制造压粉磁芯的方法中，由于二氧化硅被膜是无机绝缘体，因此磁性粉末之间仅利用其的相互缠结(絡み合い)而结合，仍然无法避免压粉磁芯的强度降低。
所以，绝缘性能优异并且高强度、高密度的压粉磁芯的制造开发就成为紧迫的课题。
此外，作为以往的压粉磁芯的制造方法例如可以举出专利文献1～3。专利文献1中所公开的压粉磁芯的制造方法是如下的方法，即，在将铁粉表面用分散剂进行了表面处理后，混合硅树脂等而加压成型，并进行加热处理。专利文献2、3中所公开的压粉磁芯的制造方法是如下的方法，即，向纯铁粉或具有磷酸被膜的纯铁粉中混合聚苯硫醚(PPS)、热塑性聚酰亚胺(PI)而加压成型，并进行加热处理。
在利用专利文献1的制造方法制造压粉磁芯的情况下，无法解决上述的压粉磁芯的密度降低的问题，在专利文献2、3的制造方法的情况下，利用加热处理软化了的PPS、PI不会达到将粉末间的间隙填充的程度，因而无法解决压粉磁芯的强度降低的问题。
专利文献1日本特开平11-126721号公报
专利文献2日本特开2002-246219号公报
专利文献3日本特开2006-310873号公报
【发明内容】
本发明是鉴于上述的问题完成的，目地在于，提供绝缘性能优异并且高强度、高密度(高磁通密度)的压粉磁芯及其制造方法、以及具有由该压粉磁芯构成的芯材的电动机或电抗器。
为了达成上述目的，基于本发明的压粉磁芯的制造方法至少具备如下工序：第一工序，准备树脂粉末和在软磁性金属粉末的表面预先形成绝缘被膜而成的磁性粉末；第二工序，将上述磁性粉末与上述树脂粉末混合而形成粉末混合体；第三工序，在规定的温度气氛下使树脂粉末凝胶化，将粉末混合体加压成型，从而制造作为加压成型体的压粉磁芯。
这里，作为软磁性金属粉末，例如可以使用纯铁、铁-硅系合金、铁-氮系合金、铁-镍系合金、铁-碳系合金、铁-硼系合金、铁-钴系合金、铁-磷系合金、铁-镍-钴系合金及铁-铝-硅系合金等。另外，作为绝缘被膜，例如可以使用由二氧化硅(SiO2)、氮化膜(Si3N4)等无机原材料、陶瓷原材料构成的被膜，只要是具有热成型时的温度以上的熔融温度、在该热成型时不会凝胶化的原材料，就没有特别限定。
另外，作为树脂粉末，例如可以使用硅树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂等。
本发明的压粉磁芯的制造方法是，首先，在上述的软磁性金属粉末表面预先形成绝缘被膜，准备被该绝缘被膜涂覆的磁性粉末。这里，该绝缘被膜的形成方法有如下的方法等，即，在纯铁等软磁性金属粉末表面利用脱碳·还原反应而以高浓度浸渗Si，其后进行氧化处理(第一工序)。
然后，将所形成的磁性粉末与上述的树脂粉末混合而制作粉末混合体，将该粉末混合体放置于规定的高温气氛下而仅使树脂粉末凝胶化。通过将树脂粉末变成凝胶状的粉末混合体在规定形状的成型模内进行加压成型，而使凝胶化了的树脂粒子充满被硬质的绝缘被膜涂覆的磁性粉末间的间隙。
根据上述制造方法，与将用较大量的树脂形成被膜的软磁性金属粉末加压成型的以往的制造方法相比，可以提高所制造的压粉磁芯的密度，该高密度化会导致压粉磁芯的磁通密度的提高。这里，压粉磁芯的密度提高是基于以下的理由。即，以往方法中由于是以树脂粒子形成绝缘层为目的，因此为了确保高绝缘性而使用很多的树脂粒子，树脂粒子在压粉磁芯中所占的含有比例被提高，结果使得其密度降低。然而，根据本发明的制造方法，由于在软磁性金属粉末表面预先形成有绝缘被膜，因此所混合的树脂粒子并不是以确保绝缘性为目的，而是起到作为将磁性粉末之间结合的粘合剂的作用，因而所必需的树脂量仅为充满磁性粉末间的间隙的量。
另外，通过将磁性粉末之间用树脂粘合剂结合，所制造的压粉磁芯的强度提高。根据本发明人等的验证，在上述以往的制造方法中，由于在加压成型时，在磁性粉末间产生间隙，因此强度劣化，然而根据本发明的制造方法，由于是在凝胶化了的树脂粒子将磁性粉末间充满的状态下整体进行加压成型，因此利用除了磁性粉末之间的咬合力以外还附加有由树脂粘合剂所致的附着力的高结合力而牢固地结合。而且，作为压粉磁芯的强度，可以用弯曲强度、拉伸强度、径向抗压强度等来规定。
这里，所谓树脂粒子凝胶化了的状态，是指具有如下粘度特性的状态，即，其粘度小于作为规定玻璃的流动温度的粘度的10000Pa·s(帕秒)，通常来说呈现出5000Pa·s左右或其以下的粘度状态。
基于以上情况，根据本发明的压粉磁芯的制造方法，可以在确保绝缘性的同时，制造强度特性和磁特性优异的压粉磁芯。
另外，作为基于本发明的压粉磁芯的制造方法的优选实施方式，优选在上述第三工序中，对上述加压成型体进行退火处理。通过使作为粘合剂而添加的树脂成为二氧化硅被膜来确保绝缘性，并且通过利用退火处理来消除因加压成型而在压粉磁芯内产生的加工变形，来防止由加压成型造成的磁特性降低。
另外，作为基于本发明的压粉磁芯的制造方法的实施方式，其特征在于，在上述第三工序进行热成型，其中，向成型模内填充粉末混合体，并在上述树脂粉末不缩聚的温度气氛中进行加压成型。
所谓热成型，是在大约100～150℃左右的温度气氛中以将粉末和成型模(模具)加热的方式进行加压成型的成型方法，该温度气氛例如为硅树脂不缩聚的温度范围。
在作为树脂不缩聚的温度、也就是低于其缩聚温度的温度气氛的上述热成型时的温度气氛中，树脂粒子呈现出凝胶状，该凝胶状树脂粒子可以如前所述地将磁性粉末间的间隙充满。
另外，在使用硅树脂作为所用的树脂粒子时，且其规格是市售的YR3370(GE东芝有机硅公司制)、KR系列(KR221、240、220L等)(信越化学工业公司制)时，上述第三工序的温度气氛、也就是热成型时的温度气氛最好设定为大约120～145℃的范围。由于该市售的硅树脂(粉末)可以廉价地买到，因此可以更为廉价地制造压粉磁芯。
另外，基于本发明的压粉磁芯是在软磁性金属粉末的表面预先形成绝缘被膜而形成磁性粉末，并且在磁性粉末的间隙中填充树脂并固化而形成的压粉磁芯，其特征在于，上述树脂的混合量为0.3重量％以下，其磁通密度(B50)为1.4T以上，并且其径向抗压强度为70MPa以上。
在利用以往的制造方法制造的压粉磁芯中，如果想要提高其绝缘性，则树脂量就会变多，因压粉磁芯中的树脂的比例升高，因而其密度降低，压粉磁芯的密度降低直接导致其磁通密度的降低。相反地，如果想要提高压粉磁芯的磁通密度，树脂量就会变少，其结果是，无法获得充分的由树脂粘合剂所致的附着力，压粉磁芯的径向抗压强度等强度特性降低。所以，利用以往的制造方法制造的压粉磁芯并非在其强度特性和磁特性(磁通密度)两方面都优异的材料。而且，根据本发明人等的实验证实，对于以往的压粉磁芯的制造方法，如果想要使磁通密度(B50)为1.4T以上，则径向抗压强度至多为30MPa左右，相反地，即使在将磁通密度(B50)抑制为1.2T左右时，所得到的径向抗压强度也至多为50MPa左右。
与利用上述的以往方法制造的压粉磁芯相对，利用前述的本发明的制造方法得到的压粉磁芯具有其磁通密度(B50)为1.4T以上、并且其径向抗压强度为70MPa以上的特性，是在强度特性和磁特性两方面都优异的压粉磁芯。
这里，从制造成本等观点出发，优选使用二氧化硅(SiO2)作为形成具有上述特性的压粉磁芯的绝缘被膜，使用硅树脂作为上述树脂。
另外，将形成具有上述特性的压粉磁芯时的树脂添加量调整为0.3重量％左右或其以下。根据本发明人等的实验证实，就径向抗压强度而言，树脂添加量为0.2重量％左右时达到最高，就磁通密度而言，随着树脂添加量的增加而逐渐减少。考虑到该实验结果，为了获得磁通密度(B50)为1.4T以上且径向抗压强度为70MPa以上的压粉磁芯，可以将树脂添加量设定为上述的0.3重量％左右以下，优选设定为0.1～0.3重量％的范围。另外，可以将所用的软磁性金属粉末的纵横比设定为1～10左右的范围，将该粉末的平均粒径设定为150～200μm左右的范围。
通过将具有高强度及高磁通密度的上述压粉磁芯用于定子铁芯和/或转子铁芯中而制造电动机，该电动机适用于需要在磁特性、强度特性两方面都优异的驱动用电动机的混合动力车、电动汽车等中。
另外，通过同样地使用上述本发明的压粉磁芯作为电抗器铁芯，该电抗器铁芯也适用于搭载在混合动力车、电动汽车等中的电抗器中。
从以上的说明可以理解，根据本发明的压粉磁芯的制造方法，可以在确保绝缘性的同时，制造高强度且高磁通密度的压粉磁芯。另外，基于本发明的压粉磁芯是具有磁通密度(B50)为1.4T以上且径向抗压强度为70MPa以上的优异强度特性及磁特性的压粉磁芯。
【附图说明】
图1是说明硅树脂的固体状、凝胶状、缩聚的温度范围的图。
图2是以流程来说明本发明的压粉磁芯的制造方法的说明图。
图3是图2a的III部的放大图。
图4是图2b的IV部的放大图。
图5是图2d的V部的放大图。
图6是说明硅树脂的凝胶化温度范围的曲线图。
图7是表示本发明的压粉磁芯(实施例)、比较例的径向抗压强度和树脂添加量的关系的实验结果的曲线图。
图8是表示本发明的压粉磁芯(实施例)、比较例的磁通密度和树脂添加量的关系的实验结果的曲线图。
图9是表示本发明的压粉磁芯(实施例)、比较例的强度特性及磁特性的实验结果的曲线图。
图10是表示软磁性金属粉末的纵横比、树脂混合量及平均粒径的计算结果的曲线图。
图11是在Fe-1Si成分且纵横比为6的铁粉中，(a)是表示树脂添加量与电阻率的关系的曲线图，(b)是表示树脂添加量与强度的关系的曲线图，(c)是表示树脂添加量与密度的关系的曲线图。
图中，1表示磁性粉末，11表示纯铁粉(软磁性金属粉末)，12表示二氧化硅膜(绝缘被膜)，2表示硅树脂粉末(树脂粉末)，2A表示凝胶状树脂，10表示加压成型体，20表示压粉磁芯。
【具体实施方式】
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1是说明硅树脂的固体状、凝胶状、缩聚的温度范围的图，图2是以流程来说明本发明的压粉磁芯的制造方法的说明图，图3～5分别是图2的III部、IV部、V部的放大图。图6是说明硅树脂的凝胶化温度范围的曲线图。图7是表示本发明的压粉磁芯(实施例)、比较例的径向抗压强度和树脂添加量的关系的实验结果的曲线图，图8是表示本发明的压粉磁芯(实施例)、比较例的磁通密度和树脂添加量的关系的实验结果的曲线图。图9是表示本发明的压粉磁芯(实施例)、比较例的强度特性及磁特性的实验结果的曲线图。图10是表示对于软磁性金属粉末的纵横比和平均粒径而言，为了将磁性粉末间的空隙填充而必需的树脂混合量的计算结果的曲线图。
首先，基于图1～5对本发明的压粉磁芯的制造方法进行详述。而且，对于成为对象的磁性粉末，使用纯铁作为软磁性金属粉末，预先形成于其表面的绝缘被膜包括二氧化硅(SiO2)，充满磁性粉末之间的间隙的树脂使用硅树脂。
图1是说明硅树脂的固体状(图中的A区域)、凝胶状(图中的B区域)、缩聚的温度范围(图中的C区域)的图。硅树脂呈现出凝胶状的温度基本上与热成型时的温度对应，其范围是t3：约120℃～t4：约145℃。
图2是以流程来说明压粉磁芯的制造方法的说明图。图2(a)是说明在常温下将磁性粉末1与硅树脂粉末2混合的状况的图，具体来说，利用以下方法中的任一种来形成粉末混合体，即，将磁性粉末与规定量的硅树脂粉末搅拌混合的方法；或在图1的温度：t1附近与磁性粉末1混合，然后在图1的温度：t2附近使溶剂挥发，将硅树脂粉末2均匀地混合在磁性粉末1中的方法。而且，作为所用的硅树脂粉末2，可以使用与其他的同种材料相比更为廉价的YR3370(GE东芝有机硅公司制)。
这里，将图2a的III部的放大图示于图3中。如图所示，磁性粉末1是在纯铁粉11的周面上形成有二氧化硅膜12的粉末，在前一工序中已经生成该磁性粉末1。具体来说，通过利用脱碳·还原反应对纯铁粉11以高浓度浸渗Si，其后进行氧化处理，从而在该纯铁粉11的周面上形成硬质且绝缘性优异的二氧化硅膜。
回到图2(的图2b)，将磁性粉末1与硅树脂粉末2的粉末混合体填充到下冲头A1和周侧模具B内，填充粉末混合体后，如图2c所示用上冲头A2关紧，通过如图2d所示对上冲头A2以规定的挤压力进行加压，成型作为压粉磁芯的中间成型体的加压成型体10。
这里，图2b～图2d的工序是热成型工序，是在图1中所示的温度：t3～t4范围的温度气氛下实施的。
这里，将图2b的IV部的放大图示于图4中。在温度100～150℃、尤其是120～145℃的温度气氛下，仅将粉末混合体中的硅树脂粉末2凝胶化而生成凝胶状树脂2A。这里，将关于硅树脂的凝胶化温度范围的本发明人等的实验结果表示于图6中。根据图6可知，在使用YR3370作为硅树脂的情况下，其凝胶化温度范围是大约120～145℃的范围，在该温度范围中该硅树脂的粘度为5000Pa·s左右或其以下的值。而且，图中的虚线表示定义玻璃的流动温度的粘度，是10000Pa·s左右的值。所以，在以其粘度规定硅树脂的凝胶化的情况下，至多为10000Pa·s的粘度，一般来说可以特定为具有5000Pa·s左右的粘度特性的状态。
在成型模内粉末混合体中的硅树脂粉末2变成凝胶状树脂2A的状态下，通过如图2d所示地加压成型，则如作为其V部的放大图的图5所示，成型为在磁性粉末1、...间的间隙内充满了凝胶状树脂2A的状态下固化而成的加压成型体10。
最后，通过在相当于图1的温度：t5的600～750℃左右的温度气氛下对加压成型体10进行退火处理，得到消除了加工变形的所需形状的压粉磁芯20。而且，利用该退火处理，硅的凝胶状树脂被缩聚，其结果是，磁性粉末1、...之间利用相互的咬合力和借助该硅树脂的附着力而牢固地结合。
[关于本发明的压粉磁芯(实施例)和比较例的强度特性及磁特性的实验及其结果]
本发明人等使用纯铁粉作为软磁性金属粉末，在其周面上形成作为硅树脂(YR3370)的氧化物的二氧化硅膜而生成磁性粉末，将该磁性粉末与添加量为0.2重量％的硅树脂混合而形成粉末混合体，在利用上述的方法使该硅树脂凝胶化后加压成型，进行退火处理，将压粉磁芯成型(实施例)。另一方面，利用以往的制造方法将压粉磁芯成型而得到2个比较例。其中之一(比较例1)是将预先在纯铁的表面形成二氧化硅的薄膜而成的磁性粉末单纯地加压成型而成的，比较例2是将用较大量的Si树脂涂覆了的纯铁粉加压成型而成的。在以下的表1中示出实施例、比较例1、2的密度、涡损、强度(径向抗压强度)、磁通密度B50的各计测值。另外，图7表示径向抗压强度与硅树脂添加量的关系的实验结果，图8表示磁通密度B50与硅添加量的关系的实验结果，图9表示将径向抗压强度及磁通密度B50两者用一个曲线图表示的实验结果。
应说明的是，径向抗压强度的测定方法如下：制作厚5mm、外径39mm、内径30mm的环状压粉磁芯试验片，将该试验片用压缩机加压，以产生裂纹时的加压力作为径向抗压强度。
[表1]
膜厚 (μm) 密度 (g/c m3) 涡损 (W/kg) 径向抗压 强度 (MPa) 磁通密度 (B50) (T) 实施例 ≤0.1 7.72 16 90 1.64 比较例1 ≤0.1 7.73 16 20 1.65 比较例2 ≥0.5 7.5～7.6 14 30 1.35
根据表1，比较例2中硅树脂量变多，纯铁粉周围的树脂膜厚增大，其结果是，密度与实施例及比较例1相比降低，磁通密度的值也降低。
比较例1中，虽然具有与实施例相同程度的磁通密度，但是其径向抗压强度变得极低，为实施例的2成多左右。比较例1的强度与比较例2相比降低的理由是因为，比较例2中，在磁性粉末之间的结合中还增加了由树脂粘合剂所致的附着力。
与比较例1、2相比，在实施例中，磁通密度(B50)也呈现出1.4T以上的高值，并且径向抗压强度也呈现出70MPa以上的高值，可以了解到，是强度特性和磁特性两方面都优异的压粉磁芯。
另外，根据图7所示的径向抗压强度与硅树脂添加量的关系的实施例(图中的曲线P1)和比较例2(图中的曲线Q1)的结果，无论硅树脂添加量的多少，比较例2中其径向抗压强度在至多50MPa左右时达到峰值。另一方面证实，实施例中，在硅树脂添加量为稍小于0.2～0.35重量％左右以下的范围中可以得到高径向抗压强度，特别是在0.2重量％左右时可以得到90MPa的强度。
另外，根据图8所示的磁通密度B50与硅树脂添加量的关系的实施例(图中的曲线P2)和比较例2(图中的曲线Q2)的结果，可以了解到，随着硅树脂添加量的增加密度都会降低，由于密度降低磁通密度也显示出逐渐减少的倾向，然而在实施例中，在硅添加量为0.3重量％以下时可以得到1.4T以上的磁通密度(B50)。
根据图7、8的实验结果，可以给出如下的结论，即，较好的是，利用本发明的制造方法来制造压粉磁芯；以及将硅树脂的添加量设定为0.3重量％以下、优选0.1重量％以上(根据图7，径向抗压强度为60MPa左右)的范围。
图9是将图7、图8的结果集中在一个曲线图中的图，纵轴表示径向抗压强度，横轴表示磁通密度。图中，表示实施例的X1、X2是上述优选的硅树脂添加量时的压粉磁芯的结果，表示比较例A的X3～X7是虽然应用本发明的制造方法然而硅树脂的添加量为上述优选的添加量范围外的压粉磁芯的结果。另外，比较例B是上述比较例2的压粉磁芯。
根据图9可知，通过应用本发明的制造方法、以及通过将硅树脂的添加量设定为上述的规定范围内，可以得到在强度特性和磁特性两方面都优异的压粉磁芯。
图10是将纵横比改变为1～18而计算了树脂添加量与磁性粉末的平均粒径的关系的结果。一般来说使用纵横比为1～6左右的软磁性金属粉末，在属于上述优选的树脂添加量范围的0.2重量％的情况下，证实磁性粉末的平均粒径达到150～200μm左右。
上述的本发明的压粉磁芯，由于在其强度特性和磁特性两方面都具有优异的性能，因此在所应用的环境变化剧烈、要求高性能且小型化的混合动力车等的电动机的定子铁芯或转子铁芯、电抗器装置的电抗器铁芯中，本发明的压粉磁芯特别适用。
以上使用附图对本发明的实施方式进行了详述，然而具体的构成并不限定于该实施方式，不脱离本发明主旨的范围的设计变化等也包含于本发明中。