(57)【要約】【課題】  本発明は、軸方向磁束型デザインに必要な、優れた磁気的、物理的特性の組み合わせを示す、アモルファス金属製モータ部品を構築する方法の提供を目的とする。【解決手段】  モータ又は発電機などの軸方向磁束型電気機器用の単一のアモルファス金属製磁性部品は、強磁性アモルファス金属製ストリップの螺旋状に巻いた環状円筒から形成される。円筒は、接着接合され、円筒の環状面の一方に形成され、円筒の内径から外径に延びる複数のスロットを備える。部品は好ましくは、効率の高い軸方向磁束型電動機を構築する時に採用される。励起周波数「ｆ」でピーク誘導レベルＢｍａｘまで動作すると、単一アモルファス金属製磁性部品は、「Ｌ」未満のコア損失を有し、ここで、Ｌは、式Ｌ＝０．００７４ｆ（Ｂｍａｘ）１．３＋０．０００２８２ｆ１．５（Ｂｍａｘ）２．４で与えられ、コア損失、励起周波数、及びピーク誘導レベルは、それぞれ、ワット／キログラム、ヘルツ、及びテスラで測定される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機器用で、コア損失が低い、単一のアモルファス金属製磁性部品を構築する方法であって、
環状断面で巻いた円筒を形成するように、強磁性アモルファス金属製ストリップの材料を螺旋状に巻く工程であって、前記環状断面で巻いた円筒は、円筒状の内面及び外面と２つの環状面とを有し、前記環状面は軸方向の厚みによって分離される、螺旋状に巻く工程（ａ）と、
前記円筒を熱処理する工程（ｂ）と、
前記巻いた円筒の層のそれぞれを、当該層に隣接する層に接着剤を用いて接合させる工程（ｃ）と、
前記環状面の少なくとも一つにおいて複数のスロットを切削加工することによって前記部品を形成する工程であって、前記スロットは、前記内面と前記外面との間に延び、前記軸方向厚みより小さい奥行きを有する、前記部品を形成する工程（ｄ）と、
適した表面仕上げ材料を前記部品に被覆することによって前記部品を仕上げる工程（ｅ）とを備えており、
前記強磁性アモルファス金属製ストリップは、Ｍ７０−８５Ｙ５−２０Ｚ０−２０という式によって本質的に規定される組成物を有し、下付き数字は原子パーセントであり、同式において、「Ｍ」はＦｅ、Ｎｉ、及びＣｏのうちの少なくとも１つであり、「Ｙ」はＢ、Ｃ、及びＰのうちの少なくとも１つであり、「Ｚ」はＳｉ、Ａｌ、及びＧｅのうちの少なくとも１つであり、
この条件としては、（ｉ）成分「Ｍ」の１０原子パーセントまでを、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、及びＷという金属種のうちの少なくとも１つと置換することができ、（ｉｉ）成分（Ｙ＋Ｚ）の１０原子パーセントまでを、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、及びＰｂという非金属種のうちの少なくとも１つと置換することができ、（ｉｉｉ）成分（Ｍ＋Ｙ＋Ｚ）の約１原子パーセントまでを付随的不純物とすることができ、
前記接着剤は、ワニス、嫌気性接着剤、及び室温硬化加硫（ＲＴＶ）シリコン材料を含む群から選択される少なくとも１つの部材で構成される、方法。
【請求項２】
前記接合させる工程は、前記円筒に前記接着剤を含浸させ、前記接着剤を活性化させることによって実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記接着剤はシアノアクリレートで構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記接着剤はエポキシ樹脂で構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記エポキシ樹脂は低粘度の熱活性化エポキシ樹脂である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記工程（ｂ）は、前記工程（ｃ）の後に実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記工程（ｂ）は、前記工程（ｄ）の後に実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記熱処理する工程は、昇温、均温、及び冷却を含み、少なくとも前記冷却中に前記部品に磁界が印加される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記切削加工は、電気化学的研削を含む過程によって実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記強磁性アモルファス金属製ストリップの材料は、少なくとも７０原子パーセントのＦｅ、少なくとも５原子パーセントのＢ、及び少なくとも５原子パーセントのＳｉを有し、この場合の条件としては、Ｂ及びＳｉの全含有量は少なくとも１５原子パーセントである、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記Ｍ成分は本質的にＦｅであり、前記Ｙ成分は本質的にＢであり、前記Ｚ成分は本質的にＳｉである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記強磁性アモルファス金属製ストリップの材料は、Ｆｅ８０Ｂ１１Ｓｉ９という式によって本質的に規定された組成物を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記熱処理する工程は、前記アモルファス金属製ストリップにおいてナノ結晶微細構造を形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記強磁性アモルファス金属製ストリップの材料は、Ｆｅ１００−ｕ−ｘ−ｙ−ｚ−ｗＲｕＴｘＱｙＢｚＳｉｗという式によって本質的に規定される組成物を有し、この式において、ＲはＮｉ及びＣｏのうちの少なくとも１つであり、ＴはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷのうちの少なくとも１つであり、ＱはＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、及びＰｔのうちの少なくとも１つであり、ｕは０乃至約１０の範囲であり、ｘは約３乃至１２の範囲であり、ｙは０乃至約４の範囲であり、ｚは約５乃至１２の範囲であり、ｗは０乃至約８未満までの範囲である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記強磁性アモルファス金属製ストリップの材料は、Ｆｅ１００−ｕ−ｘ−ｙ−ｚ−ｗＲｕＴｘＱｙＢｚＳｉｗという式によって本質的に規定される組成物を有し、この式において、ＲはＮｉ及びＣｏのうちの少なくとも１つであり、ＴはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷのうちの少なくとも１つであり、ＱはＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、及びＰｔのうちの少なくとも１つであり、ｕは０乃至約１０の範囲であり、ｘは約１乃至５の範囲であり、ｙは０乃至約３の範囲であり、ｚは約５乃至１２の範囲であり、ｗは約８乃至１８の範囲である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１の方法によって構築される、コア損失が低い、単一のアモルファス金属製磁性部品。
【請求項１７】
励起周波数「ｆ」でピーク誘導レベルＢｍａｘまで動作した時に、前記部品は、「Ｌ」未満のコア損失を有し、ここで、Ｌは、以下の式で与えられ、
Ｌ＝０．００７４ｆ（Ｂｍａｘ）１．３＋０．０００２８２ｆ１．５（Ｂｍａｘ）２．４
前記コア損失、前記励起周波数、及び前記ピーク誘導レベルは、それぞれ、ワット／キログラム、ヘルツ、及びテスラで測定される、請求項１６に記載のコア損失が低い、単一のアモルファス金属製磁性部品。
【請求項１８】
請求項１の方法によって構築される、少なくとも１つのコア損失が低い、単一のアモルファス金属製磁性部品を備える軸方向磁束型電動機。
【請求項１９】
励起周波数「ｆ」でピーク誘導レベルＢｍａｘまで動作した時に、前記部品は、「Ｌ」未満のコア損失を有し、ここで、Ｌは、以下の式で与えられ、
Ｌ＝０．００７４ｆ（Ｂｍａｘ）１．３＋０．０００２８２ｆ１．５（Ｂｍａｘ）２．４
前記コア損失、前記励起周波数、及び前記ピーク誘導レベルは、それぞれ、ワット／キログラム、ヘルツ、及びテスラで測定される、請求項１８に記載の軸方向磁束型電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータなどの電気機器用の磁性部品に関し、より詳細には、高い効率の軸方向磁束（アキシャル・フラックス）型電動機のための、回転子又は固定子などの、コア損失が低い、単一のアモルファス金属製部品を構築する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転式電気機器は、ほとんど常に、少なくとも２つの磁性部品、固定子と呼ぶ固定部品、及び、固定子に対して、かつ、規定の回転軸を中心として回転するように指定された回転子を備える。こうした回転式機器は、エネルギーが電気的形態と機械的形態との間で変換されることを可能にする。最もよく知られていることには、電動機は、使用可能な機械的仕事に変換することができる、電池又は電力網（ｇｒｉｄ）などの電気エネルギー源を備える。一方、発電機は、加えられた機械的仕事を取得し、その仕事を、他のデバイスを動作させるのに使用することができる電気エネルギーに変換する。多くの場合、電気的及び機械的に機器が接続される仕方に応じて、両方の機能について、同じ構造を使用することができる。
【０００３】
大多数の回転式電気機器は電磁的に動作する。こうした機器において、回転子及び固定子は通常強磁性材料を含む。部品は、時間的か、空間的か、又はその両方で変わる磁束パターンを生成するか、又は、導くのに使用される。電気的形態と機械的形態の間でのエネルギーの変換は、電磁気学でよく知られている原理、特に、ファラデーの法則及びアンペアの法則に従って起こる。電磁機器において、回転子及び固定子のうちの少なくとも一方は、軟強磁性材料を使用して構築され、電流を流し、磁界を発生するように指定された巻線を備える。モータの型に応じて、他の部品は、電流を流す巻線によって、又は、誘導によって励起される永久（硬）磁性材料か、軟磁性材料のいずれかを含む。最も一般的に使用される軟磁性材料は、共に結晶金属材料である、低炭素鋼及びケイ素含有電炉鋼である。
【０００４】
機器の中の固定子及び回転子は、（ｉ）半径方向にある、即ち、全体が回転子の回転軸に垂直であるか、（ｉｉ）軸方向にある、即ち、全体が回転軸に平行であるかのいずれかにある、小さな間隙によって分離され、ある距離だけ離れる。電磁機器において、磁束線が、回転子と固定子との間隙を横切ることによって、回転子及び固定子をリンクする。そのため、電磁機器は、概して、それぞれ、半径方向又は軸方向磁束型デザインとして分類されることができる。モータ技術において、半径方向間隙及び軸方向間隙という対応する用語もまた使用される。
【０００５】
半径方向磁束型機器は、とりわけ（ｂｙ  ｆａｒ）最も一般的である。こうしたモータに使用される回転子及び固定子は、電炉鋼の複数の薄板で構成されることが多く、電炉鋼の複数の薄板は、必要な形状及びサイズ、ならびに、モータの生産及び動作中に構成を維持するのに十分な機械的な完全性を有する部品を提供するために、同じ形状にパンチングされるか、又は、その他の方法で切削され、位置合わせして積み重ねられ、張り合わされる。
【０００６】
固定子についての一般的な１つのデザインは、全体が円筒状で、無配向性電炉鋼の複数の積み重ねられた薄板を含む。それぞれの薄板は、固定子の極を形成する複数の「歯」と合わせて円形ワッシャの環状形状を有する。歯は、積み重ねられた薄板の内径から突き出て、円筒固定子の開口中心の方を指す。薄板はそれぞれ、通常、機械的に柔らかい、無配向性電炉鋼を型押（スタンピング）して所望の形状にすることによって形成される。形成された薄板は、その後、位置合わせして積み重ねられ、固定子を形成するように接合される。作業中、固定子は、固定子の歯を囲む巻線を電流が流れることによって生成される、磁界によって周期的に磁化される。こうした磁化は、モータを駆動するのに必要となるが、磁気ヒステリシスによる避けられない損失を引き起こす。これらの損失は、モータの効率の全体の低下の一因となる。
【０００７】
一部には、必要な電磁特性及び適当な機械的完全性を有する部品を構築するための適した手段がないために、軸方向磁束型デザインは、それほど一般には使用されない。ある開示は、Ｍａｓに対する米国特許第４３９４５９７号、及び、Ｃａａｍａｎｏに対する米国特許第５７３１６４９号に見出されるデザインを含む、軸方向磁束型モータデザインを提案した。これらの教示は、アモルファス金属を採用する磁性部品も提案する。
【０００８】
アモルファス金属は、無配向性電炉鋼と比較すると、低いヒステリシス損を含む、優れた磁気性能を提供するが、ある物理的特性、及び、その結果生ずる従来の作製に対する障害のために、電動機での使用には適さないと広く考えられてきた。例えば、アモルファス金属は、無配向性鋼より薄く、硬い。その結果、従来の切削及び型押の工程によって、作製工具及び打ち型（ダイ）がより急速に磨耗する。結果として生ずる機器設備及び製造コストの増加によって、従来技法を使用して回転子及び固定子などのアモルファス金属製部品を作製することが商業的に実行不可能になる。アモルファス金属の薄さはまた、所与の積重体の高さの部品に必要とされる薄板の数の増加につながり、さらに、全体の製造コストを増加させる。
【０００９】
アモルファス金属は、通常、均一のリボン幅を有する薄い連続リボンで供給される。しかし、アモルファス金属は、非常に硬い材料であり、切削加工、又は、成形加工を容易に行うことを非常に難しくする。ピーク磁気特性を達成するために、一旦アニールされると、アモルファス金属は、非常に脆くなり、アモルファス金属製磁性部品を構築するのに従来の手法を使用することを難しく、高価にする。アモルファス金属の脆さはまた、アモルファス金属製磁性部品を利用するモータ又は発電機の耐久性についての問題を引き起こす。磁性固定子は、非常に高い周波数で変化する著しく大きな磁力を受け易い。これらの磁力は、固定子材料にかなりの応力をかけることが可能であり、アモルファス金属製の磁性固定子に損傷を与える場合がある。回転子は、通常回転と、機器が駆動されるか、又は、停止する時、及び、負荷が、おそらく急速に変化する時の回転加速の両方による機械的力をさらに受け易い。
【００１０】
アモルファス金属製磁性部品に関する別の問題は、アモルファス金属製材料が物理的応力を受けると、その電磁性透磁率が減少することである。この透磁率の減少は、米国特許第５７３１６４９号に示されるように、アモルファス金属製材料に加わる応力の強度にかなり依存する場合がある。アモルファス金属製の磁性固定子が応力を受け易いため、固定子が磁束を送るか、又は、収束させる効率が下がり、高い磁気損失、低い効率、増加した熱生成、及び小さなパワーをもたらす。この現象は、磁気歪と呼ばれ、モータ又は発電機の動作中の磁力から生ずる応力、機械的締め付け、又はその他、磁性固定子の適所への接合又は固定から生ずる機械的応力、あるいは、熱膨張及び／又はアモルファス金属製材料の磁気飽和による膨張によって引き起こされる内部応力によって引き起こされる場合がある。
【００１１】
アモルファス金属製部品を構築するために、限られた数の従来的でない手法が提案されてきた。例えば、Ｆｒｉｓｃｈｍａｎｎに対する米国特許第４１９７１４６号は、モールドされ、凝固したアモルファス金属薄片（ｆｌａｋｅ）から作製された固定子を開示する。この方法は、複雑な固定子形状の形成を可能にするが、構造は、アモルファス金属の別々の薄片粒子間に多くの空隙を含む。こうした構造は、磁気回路の磁気抵抗、したがって、モータを動作させるのに必要な電流を大幅に増加させる。
【００１２】
応力により誘発される磁気特性の劣化を回避するために、米国特許第５７３１６４９号は、アモルファス金属の複数の積み重ね部分（ｓｅｃｔｉｏｎ）か、又は、巻いた部分を使用してアモルファス金属製モータ部品を構築すること、及び、これらの部分を絶縁体包囲部に搭載することを開示する。６４９号特許がさらに開示することは、アモルファス金属を圧延してコイルにし、同時に、エポキシ樹脂を使用して張り合わせることによってアモルファス金属コアを形成することは、コイル材料の熱膨張及び磁気飽和の膨張を好ましくないほどに制限し、こうしたコアを組み込むモータ又は発電機の効率を低下させる高い内部応力及び磁気歪を生ずることである。
【００１３】
西独国特許出願公開第２８０５４３５号及び第２８０５４３８号によって教示される手法は、固定子を巻いた部分と極部分とに分割する。非磁性材料が、巻いた部分と極部分との間の接合部内に挿入され、有効間隙を増加させ、したがって、モータを動作させるのに必要な磁気回路の磁気抵抗と電流が増加する。極部分を備える材料層は、その面が、巻かれた背面（ｂａｃｋ）鉄製部分の層の面に垂直になる状態で向きを決められる。この構成は、固定子の磁気抵抗をさらに増加させる。それは、巻いた部分と極部分の隣接する層が、それぞれの面の間の接合部の、全線分に沿ってではなくて、複数の点のみで接するからである。さらに、この手法が教示することは、巻いた部分の薄板が溶接によって互いに取り付けられることである。アモルファス金属薄板を取り付けるための、溶接などの熱集約的過程の使用は、接合部とその周囲において、アモルファス金属を再結晶化するであろう。たとえ小さな部分の再結晶化したアモルファス金属であっても、通常、固定子の磁気損失を許容できないレベルへ増加させるであろう。
【００１４】
さらに、アモルファス金属は、一般的な電炉鋼を含む、他の従来の軟磁性材料よりずっと異方性の低いエネルギーを有する。結果として、これらの従来の金属の磁気特性に対して有害な影響を与えないと思われる応力レベルは、モータ部品にとって重要な磁気特性、例えば、透磁率及びコア損失に深刻な影響を与える。これらの理由で、米国特許第５７３１６４９号は、接着接合を使用することなく、絶縁エンクロージャ内に注意深く搭載されるか、又は、収容されたアモルファス金属の複数のセグメントを備える磁性部品を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】国際公開第０１／０４８８８９号
【特許文献２】特表平１０−５０２５１６号公報
【特許文献３】特開昭６１−２８５０４４号公報
【特許文献４】特開昭５７−０８３１３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記開示によって示された進歩にもかかわらず、高速で、高効率の電気機器、特に、軸方向磁束型デザインに必要とされる、優れた磁気的、物理的特性の組み合わせを示す、改良されたアモルファス金属製モータ部品を構築する方法が、当技術分野で必要とされている。アモルファス金属を効率的に使用し、軸方向磁束型モータ及びそのモータで使用される部品の大量生産のために実施することができる構築方法もまた求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、高効率の軸方向磁束型電動機のための、一体又は単一のアモルファス金属製磁性部品を構築する方法を提供する。部品は回転子又は固定子とすることができる。一実施形態において、部品は、円筒状の内面及び外面と、２つの対向する環状面と、これらの面を分離する軸方向の厚みと、電気巻線を受け入れるために前記面のうちの少なくとも一方の複数の半径方向スロット（溝、細長孔）とを有する環状断面の円筒を備える。円筒は、螺旋状に巻いたアモルファス金属製ストリップで形成される。層は、渦電流損を減らすために、互いに電気的に絶縁されるのが好ましい。単一の構築は、部品内の全ての磁気的間隙をなくし、それによって、磁束が流れることができる閉じた経路が提供される。本明細書で使用される「電動機」という用語は一般に、種々の回転式発電機器のことを言い、回転式発電機器は、通常の電動機に加えて、発電機、ならびに、任意選択で、発電機として動作することができる回生モータを含むことができる。
【００１８】
本発明の態様に従って構築されたバルクの（量産される）アモルファス金属製磁性モータ部品は、周期的な励起下で、非常に低いコア損失を示す。結果として、磁性部品は、直流（ＤＣ）から２０，０００Ｈｚの大きさまでの範囲の周波数で動作可能である。磁性部品は、同じ周波数範囲にわたって動作する従来のケイ素鋼製磁性部品と比較すると、改良された性能特性を示す。高い周波数での部品の運転性によって、おそらく従来の部品を使用するよりも速い速度で、かつ、高い効率で動作するモータを作製する時に部品を使用することが可能になる。本発明に従って構築され、励起周波数「ｆ」でピーク誘導レベル「Ｂｍａｘ」まで励起された磁性部品は、室温で、「Ｌ」未満のコア損失を有することができ、ここで、Ｌは、式Ｌ＝０．００７４ｆ（Ｂｍａｘ）１．３＋０．０００２８２ｆ１．５（Ｂｍａｘ）２．４で与えられ、コア損失、励起周波数、及びピーク誘導レベルは、それぞれ、ワット／キログラム、ヘルツ、及びテスラで測定される。磁性部品は、（ｉ）約６０Ｈｚの周波数で、かつ、約１．４テスラ（Ｔ）の磁束密度で動作すると、アモルファス金属製材料の約１ワット／キログラム以下に等しいコア損失、（ｉｉ）約１０００Ｈｚの周波数で、かつ、約１．０テスラ（Ｔ）の磁束密度で動作すると、アモルファス金属製材料の約１２ワット／キログラム以下に等しいコア損失、（ｉｉｉ）約２０，０００Ｈｚの周波数で、かつ、約０．３０テスラ（Ｔ）の磁束密度で動作すると、アモルファス金属製材料の約７０ワット／キログラム以下に等しいコア損失を有することができる。
【００１９】
本発明の単一のアモルファス金属製磁性部品は、多くの強磁性アモルファス金属合金を使用して製造することができる。一般的に言うと、アモルファス金属は本質的に、Ｍ７０−８５Ｙ５−２０Ｚ０−２０という式を有する合金からなっており、下付き数字は原子パーセントであり、この式において、「Ｍ」はＦｅ、Ｎｉ、及びＣｏのうちの少なくとも１つであり、「Ｙ」はＢ、Ｃ、及びＰのうちの少なくとも１つであり、「Ｚ」はＳｉ、Ａｌ、及びＧｅのうちの少なくとも１つであり、この場合の条件としては、（ｉ）成分「Ｍ」の１０原子パーセントまでを、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、及びＷという金属種のうちの少なくとも１つと置換することができ、（ｉｉ）成分（Ｙ＋Ｚ）の１０原子パーセントまでを、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、及びＰｂという非金属種のうちの少なくとも１つと置換することができ、（ｉｉｉ）成分（Ｍ＋Ｙ＋Ｚ）の約１原子パーセントまでを付随的不純物とすることができる。
【００２０】
本発明はまた、コア損失の低い、単一のアモルファス金属製モータ部品を構築する方法を提供する。一般的に言うと、この方法は、（ｉ）強磁性アモルファス金属製ストリップ又はリボン材料を螺旋状に巻く工程であって、それによって、円筒状の内面及び外面、ならびに、２つの環状面を有する環状断面で巻いた円筒を形成する、螺旋状に巻く工程を含み、これらの面は軸方向の厚みによって分離され、（ｉｉ）円筒を熱処理する工程と、（ｉｉｉ）巻いた円筒の層のそれぞれを、隣接した層に接着剤を用いて接着接合させる工程と、（ｉｖ）環状面の少なくとも一方において複数のスロットを切削加工することによって部品を形成する工程とを含み、スロットは、内面と外面の間に全体が延び、軸方向厚みより小さい奥行き（深さ）を有する。好ましくは、接着接合は、含浸によって実施される。任意選択で、適した表面仕上げ材料を被覆することを含む、仕上げ工程（ｖ）が実行される。熱処理工程は、アモルファス金属原料の機械的又は磁気的特性を変更するための、１つ又は複数の熱処理を含む。こうした任意選択の熱処理は、機械加工作業を容易にし、部品の磁気特性を改善する。工程（ｉ）乃至（ｖ）は、種々の順序で、かつ、以下で述べる技法を含む種々の技法を使用して実行できる。
【００２１】
本発明はまた、先に述べた方法に従って構築された単一のアモルファス金属製部品を対象とする。特に、本発明に従って構築された単一のアモルファス金属製磁性モータ部品は、低いコア損失を示し、高い効率の軸方向磁束型電気機器の固定子として使用するのに適する。
【００２２】
本発明はさらに、モータ、発電機を含む、軸方向磁束型発電機、又は、上述した単一のアモルファス金属製磁性部品を組み込んだ回生モータを提供する。本発明の態様において、モータは、誘導型であり、少なくとも１つの単一のアモルファス金属製の固定子部品を組み込む。誘導モータは、任意選択で、単一のアモルファス金属製回転子も組み込む。別の態様において、モータは、全体が円筒の単一のアモルファス金属製固定子を有する、ブラシレスの軸方向磁束型永久磁石ＤＣモータであり、固定子は、全体が環状の背面鉄製領域から軸方向に突き出て、かつ、鉄製領域と一体の、複数の歯の形状をした極部分を備える。モータはまた、反対方向を向いた少なくとも一対の磁極を有する、少なくとも１つの永久に磁化された部分を有する円板状の回転子、及び、固定子及び回転子を互いに対して所定の位置に回転可能に支持する搭載手段を備える。回転子の磁極は、円板面上に位置し、全体が円板面に垂直に向いた磁束を生成する。
【００２３】
本発明によって与えられる利点として、製造の単純化、製造時間の低減、バルクのアモルファス金属製部品の構築中に受ける応力（例えば、磁気歪）の低減、及び、仕上がったアモルファス金属製磁性部品の性能の最適化が挙げられる。個々にパンチングされた多数の薄板を形成し、積み重ねるのに以前には必要とされたプロセスステップをなくすことは特に利益がある。従来のパンチング用の押し型は、構築するのに費用がかかり、アモルファス金属を型押する時に、使用期間が制限される。さらに、本プロセスは、大量生産の実施を通して押し型の作製コストを償還しなければならないという不利益を受けることなく、デザイン変更に対処する時により柔軟性がある。直径の大きなモータを、磁性材料を効率的に使用することで容易に作ることができ、効率的な使用によって、使用できないくず鉄を過剰に生産することがない。これらの利益は、従来のモータ及び従来のモータに関連する従来的な生産技法を使用して達成されることが難しいか、又は、不可能である。
【００２４】
本発明の電気機器は、効率が高く、回転速度が速く、電力密度が大きいことを必要とする用途に特に有利である。本発明の磁性部品によって与えられるコア損失の低減は機器の効率を増加させる。即ち、回転速度の増加に伴って改善の程度が増す。さらに、モータ技術において従来的な鋼を使用して構築された部品に対するコア損失の低減によって、本部品及び機器が、損失による許容できない熱を生ずることなく、より高い周波数で励起されることが可能となる。したがって、モータは、より速い回転速度で動作することができる。速度が速くなることは、比例して、等価なトルクレベルについてのパワー出力を増加させ、高い電力密度、即ち、パワー出力とモータ重量の大きな比にもつながる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】軸方向磁束型電動機で使用するための、単一アモルファス金属製磁性部品の斜視図である。
【図２】本発明による誘導電気機器に組み込まれるように指定された、単一のアモルファス金属製固定子及び単一のアモルファス金属製回転子を示す分解図である。
【図３】本発明に従って構築された、単一アモルファス金属製の磁性固定子を組み込む、軸方向磁束型誘導電気機器の斜視略図である。
【図４】本発明の、軸方向磁束型永久磁石ＤＣ電動機で使用される永久磁石回転子の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の以下の詳細な説明及び添付図面が参照されると、本発明が、より完全に理解され、さらなる利点が明らかになるであろう。ここで、同様な参照数字は、いくつかの図を通して同じ要素を示す。
【００２７】
本発明は、効率の高い軸方向磁束型電気機器のための単一のアモルファス金属製磁性部品を構築する方法を提供する。部品は、全体が円筒形態を有し、螺旋状に巻いた強磁性アモルファス金属製ストリップを備える回転子又は固定子であってよい。複数の歯は、ドーナツ状背面鉄製部分から軸方向に延びる。層は好ましくは、渦電流損を減らすために互いに電気的に絶縁される。本発明のアモルファス金属製部品は、従来技術の匹敵する部品に比べて、コア損失が本質的に低く、したがって、新しい部品を採用する電気機器の効率を増加させる。
【００２８】
軸方向間隙型電気機器の構築時にアモルファス金属を採用する以前の試みは、幾何形状の制約、ならびに、従来のパンチング、機械加工、及び他の切削加工手段によって必要とされる部品を形成する適当な手段がないことにより、商業的な応用を広げることをもたらさなかった。
【００２９】
本質的に改善されたＡＣ磁気特性（最も重要な特性はコア損失が低いことである）を示すモータ部品のさらなる改善に対する必要がやはり存在する。高い磁束密度、高い透磁率、及び低いコア損失の必要な組み合わせは、電気機器の構築時に本磁性部品を使用することによって与えられる。
【００３０】
図面を詳細に参照すると、軸方向磁束型電動機で使用するための本発明の単一のアモルファス金属製磁性部品２１が図１に示される。部品２１は、対向する環状面２２及び２４、ならびに、円筒状の内面３３及び外面２７を有する円筒形状を形成する螺旋状に巻いたアモルファス金属テープ又はリボン３４で構成される。円筒形状は、内径ｄ及び外径Ｄを有する。環状面２２、２４は厚みＬによって分離される。導電性要素（図示せず）を受け入れるための複数のスロット２６が、内面３３から外面２７へ延びる。当業者には認識されるように、導電性要素は、固定子が使用されるはずの機器の型に応じて種々の形態をとってもよい。この要素は、短絡した２次側の役を果たすように指定されたスパイダ又は同様な要素であってよい。別法として、この要素は、当該要素に供給される電流の通過によって駆動されるように指定された電気巻線を備えてもよい。スロット２６はそれぞれ、Ｗの外面２７での幅、及び、環状面２２から測定された奥行きＴを有する。スロット２６は、アモルファス金属の巻いた円筒を切削加工することによって形成され、それによって、全体がドーナツ状の背面鉄製部分３５から軸方向に延びる複数の歯３４が形成される。部品は、モータの機械的及び動作上の要件に一致する任意の数のスロットを採用してもよい。単一の部品２１は、エポキシ樹脂で含浸して、部品が組み込まれるモータの組み立て及び動作にとって十分な構造的かつ機械的完全性が与えられる。
【００３１】
図２は、モータ技術の専門家に公知の配置で歯３４を取り囲む導電性電気巻線２８と共に、図１に示すものと同じ第１コア要素２１を備える固定子組立体２０を示す。図２はさらに、２つの対向する環状面４２及び４４を有する同様な第２コア要素４１を備える回転子４０を示す。環状面４２は、導電体要素を中に受け入れるための複数の半径方向スロット４６を有する。図２に見られるように、図示した実施形態の回転子４０用の導電体要素は、スパイダ４８の形態をとる。スパイダは、巻線２８内に供給される磁界によって誘導され、磁界を生成する短絡した２次側の役を果たす。２つの磁界は反対に作用して、回転子４０を回転させる力が作られる。スパイダ４８は一体鋳造部品の形態で示されるが、複数の積み重ねた型押加工品からスパイダを形成してもよい。さらに、図示しないが、スパイダ４８の代わりに、巻線、スリップリング、及び巻線を短絡する抵抗器を採用する巻いた回転子を利用してもよい。固定子２０及び回転子４０用のコア要素は、図１に関連して示すアモルファス金属製材料の螺旋状に巻いたストリップ（帯状体）から、同様な方法で形成してもよい。本回転子及び固定子を用いて構築されたモータが動作する磁束を生成する巻線２８は、従来デザインであってよい、電流源を提供するモータ駆動回路（図示せず）によって駆動される。
【００３２】
図３は、枠体３０にしっかりと接続された単一のアモルファス金属製の固定子組立体２０、及び、枠体３０のジャーナル軸受３２に回転可能に搭載された軸２９上に搭載された円板状の永久磁石回転子４０を用いて構築された本発明の例示的な軸方向磁束型誘導電気機器１０を示す。回転子４０及び固定子２０は、空気間隙３１が間に形成されるように枠体３０上に搭載される。好ましくは、回転子及び固定子は、同じ大きさに作られ、本質的に等しいそれぞれの内径及び外径を有する。
【００３３】
図４は、本発明のブラシレスの軸方向磁束型ＤＣモータにおいて、図１に示す単一固定子コア２１と接続して使用するための、円板状の環状永久磁石回転子組立体６０を示す。回転子６０は、円周方向に配設された６つの磁気セグメント６２を備える。セグメントは、交互の方向に永続的に磁化され、それによって、反対極性の磁極を提供する。セグメントには、各セグメント６２の表面上に存在する北磁極及び南磁極をそれぞれ示すために、Ｎ及びＳが表示される。各磁化セグメント６２は、環状支持板６４に接着貼付けした永久磁石（フェライト又は希土類磁石など）からなる。図示した実施形態において、支持板６４の表面は、セグメント６２を受け入れるための、壁６８で画定された凹部（ウェル）６６を備える。セグメント６２は、回転子６０の組み立て前に事前に磁化してもよいが、好ましくは、磁気技術で公知の技法を用いて組み立て後に帯電される。磁化パターンは、回転子組立体の表面にほぼ垂直に流れ、同時に、交互にあるセグメントの表面に対して出たり入ったり交互に送られる磁束を提供する。回転子組立体６０の環状形状の内面７２は、内部に中央開口７０を画定する。軸２９は開口７０を通過し、限定はしないが、締り嵌めめ、溶接、蝋付け、はんだ付け、接着接合、ネジ込み式係合、リベット締め、ピン留めなどを含む、公知の手段を用いて、回転子組立体４０に取り付けられる。別法として、支持板６４は、中央開口のない中実構造であってよく、その場合、軸２９の端部は、公知の取り付け手段によって、板６４に直接か、関連するフランジ構造（図示せず）のいずれかに取り付けられてもよい。
【００３４】
本発明に従って軸方向磁束型モータを構築する時に認識される利点は、１つ又は複数の単一のアモルファス金属製部品を組み込むことの結果として、製造の単純化、製造時間の低減、アモルファス金属製部品の構築中に受ける応力（即ち、磁気歪）の低減、コア損失の低減、及び、仕上がったモータの性能の最適化を含む。
【００３５】
本明細書で使用される「電動機」という用語は、種々の回転式電気機器のことを言い、回転式電気機器はさらに、発電機、ならびに、任意選択で、発電機として動作することができる回生モータを含むことができることが当業者によって認識されるであろう。述べられたアモルファス金属製部品は、これらのデバイスの任意のものを構築する時に採用されてもよい。本明細書で提示された部品は、微小電子デバイス及びアクチュエータ用の小型モータから走行及び産業用途のための馬力のある一体形モータまでの広い範囲の型、サイズ、及びパワー定格のモータを構築する時に使用するのに適している。この部品は、特に、ブラシレス及びブラシ型ＤＣモータ、切り換え式磁気抵抗モータ、他の同期モータ、及び誘導モータを含む、異なる型の軸方向磁束型モータに適する。軸方向磁束型モータが、１つ又は複数の回転子及び１つ又は複数の固定子を含んでもよいことも、当業者によって理解されるであろう。したがって、電気機器を参照して本明細書で使用される「回転子」及び「固定子」という用語は、１つから３つ以上の多さまでの範囲にある回転子と固定子の数を含む。例えば、本発明のブラシレス永久磁石ＤＣモータの一形態は、円板状の回転子及び２つの本質的に左右対称形固定子を備え、一方の左右対称形固定子は、回転子の対向する平坦面のそれぞれの上で同軸に配設される。ブラシレス永久磁石ＤＣモータはまた、２つの回転子を用いて構築されてもよく、各回転子は、２つの本質的に左右対称の固定子を有し、一方の固定子は、回転子の側面のそれぞれの上に配設され、回転子と固定子は、互いに同軸である。
【００３６】
従来のデザインについての考慮事項は通常、半径方向磁束型電気機器は、大きな軸トルク及び大きな出力パワーを供給するために、かなり長くすべきことを指示すると考えられる。広い範囲の出力定格を持つモータのデザインは、少数の標準的な薄板構成からの選択に基づき、銘板定格は全体の積み重ね長さを変更することによって調整されることが多い。この構成の数を制限することによって、異なる押し型の組（ダイセット）を作製するコストを最少にし、不可避のくず鉄の量を減らすために、標準的な径を選択できる。対照的に、本発明の軸方向磁束型電気機器は、短い軸長さと大きな径によって、大きなトルクと出力を達成することができる。出力定格は、モータの径を変えることによって容易に調整される。
【００３７】
さらに、軸方向間隙構成は、機器を搭載するのに長い軸方向長さが利用できないが、大きな横断空間が利用できる多くの用途に非常に有利である。こうした要件は、電気自動車又はハイブリッド自動車用の走行モータ、及び、自動車の内燃機関エンジンのはずみ車に隣接して搭載される直接駆動式スタータ−オールタネータシステムを含む、自動車の状況で起こることが多い。こうしたシステムはまた、アモルファス金属製部品の低損失及び本明細書で提示される機器によって可能にされる極数の多いデザインを活用する。本モータの平坦で小型の幾何形状が有利である他の用途を、当業者が思いつくであろう。
【００３８】
説明したように構築された３次元磁性部品２１又は４１は、低いコア損失を示す。励起周波数「ｆ」でピーク誘導レベル「Ｂｍａｘ」まで励起されると、部品は、室温で、「Ｌ」未満のコア損失を有することができ、ここで、Ｌは、式Ｌ＝０．００７４ｆ（Ｂｍａｘ）１．３＋０．０００２８２ｆ１．５（Ｂｍａｘ）２．４で与えられ、コア損失、励起周波数、及びピーク誘導レベルは、それぞれ、ワット／キログラム、ヘルツ、及びテスラで測定される。別の実施形態において、磁性部品は、（ｉ）約６０Ｈｚの周波数で、かつ、約１．４テスラ（Ｔ）の磁束密度で動作すると、アモルファス金属製材料の約１ワット／キログラム以下に等しいコア損失、（ｉｉ）約１０００Ｈｚの周波数で、かつ、約１．０テスラ（Ｔ）の磁束密度で動作すると、アモルファス金属製材料の約１２ワット／キログラム以下に等しいコア損失、（ｉｉｉ）約２０，０００Ｈｚの周波数で、かつ、約０．３０テスラ（Ｔ）の磁束密度で動作すると、アモルファス金属製材料の約７０ワット／キログラム以下に等しいコア損失を有することができる。部品のコア損失の低減は、有利には、部品を組み込む電気デバイスの効率を改善する。
【００３９】
コア損失の低い値は、部品が、高周波磁気励起、例えば、少なくとも約１００Ｈｚの周波数で起こる励起を受けるような用途に対して、バルクの磁性部品を特に適したものにする。高周波における、従来の鋼の固有の大きなコア損失は、高周波励起を必要とするデバイスでの使用に対して従来の鋼を適さなくなる。これらのコア損失性能値は、バルクのアモルファス金属製部品の特定の幾何形状にかかわらず、部品の種々の実施形態に当てはまる。
【００４０】
例えば、任意の同期モータは、モータの励起周波数と極数の比に比例した回転速度で動作する。従来の鋼部品の代わりに、説明したアモルファス金属製部品を使用することによって、こうしたモータを、極数を非常に多くしてデザインすることができる。それでも、励起周波数の増加の必要が過剰なコア損失をもたらさないため、モータはやはり同じ速度で動作できる。この柔軟性は、可変速度の用途では特に望ましい。多くの場合、広い速度範囲にわたって動作できることによって、設計者が、従来のモータの場合に普通なら必要とされることになる歯車列又は動力伝達システムをなくすことを可能にするであろう。機械的システムからこれらのパーツをなくすことによって、効率及び信頼性が改善される。これらの特質は、例えば、自動車走行用途で本発明を使用するのに特に価値がある。
【００４１】
さらに、開示した部品のコア損失の低減によって、開示した部品が、電炉鋼及びモータ鋼からなる従来技術のモータ部品より高い周波数で励起されることが可能になる。従来技術の部品のこうした励起は、配線の絶縁及びモータ構築時に通常使用される他の材料を危険にさらすことになる温度までモータ温度を上昇させるのに十分な熱を生成する可能性が高いであろう。こうして、本部品を使用して構築したモータは、より高い回転速度で動作することができ、それによって、所与のトルクレベルについてより大きな機械的出力を送出し、より大きな出力密度を与える。
【００４２】
本発明のバルクのアモルファス金属製磁性部品は、ストリップ、テープ、又はリボンとして一般に知られている形態の、多くの強磁性アモルファス金属合金を使用して製造されることができる。一般的に言うと、部品で使用するのに適したアモルファス金属は、本質的に、Ｍ７０−８５Ｙ５−２０Ｚ０−２０という組成式を有する合金からなり、下付き数字は原子パーセントであり、この式において、「Ｍ」はＦｅ、Ｎｉ、及びＣｏのうちの少なくとも１つであり、「Ｙ」はＢ、Ｃ、及びＰのうちの少なくとも１つであり、「Ｚ」はＳｉ、Ａｌ、及びＧｅのうちの少なくとも１つであり、この場合の条件としては、（ｉ）成分「Ｍ」の１０原子パーセントまでを、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、及びＷという金属種のうちの少なくとも１つと置換することができ、（ｉｉ）成分（Ｙ＋Ｚ）の１０原子パーセントまでを、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、及びＰｂという非金属種のうちの少なくとも１つと置換することができ、（ｉｉｉ）成分（Ｍ＋Ｙ＋Ｚ）の約１原子パーセントまでを付随的不純物とすることができる。本明細書で使用される「アモルファス金属合金」という用語は、本質的に任意の広範囲で秩序を欠き、液体又は無機酸化物ガラスについて観察されるものと定量的に同じである、Ｘ線回折の強度最大値を特徴とする金属合金を意味する。
【００４３】
部品作製時の使用に適した合金は、部品が使用される温度で強磁性である。強磁性材料は、材料の特性温度（一般にキュリー温度と呼ばれる）以下の温度で、強い遠隔スピン結合及びその構成原子の磁気モーメントの空間配向を示す材料である。室温で動作するデバイスで使用される材料のキュリー温度は、少なくとも約２００℃、好ましくは、少なくとも約３７５℃であることが好ましい。このデバイスは、当該デバイスに組み込まれる材料が適切なキュリー温度を有する場合、極低温か、又は、上昇した温度を含む、他の温度で動作してもよい。
【００４４】
知られているように、強磁性材料はさらに、その飽和磁束密度、あるいは等価的に、その飽和磁束密度又は磁化を特徴とすることができる。適する合金は、少なくとも約１．２テスラ（Ｔ）の飽和磁束密度、より好ましくは、少なくとも約１．５Ｔの飽和磁束密度を有する。合金はまた、少なくとも約１００μΩ・ｃｍ、好ましくは、少なくとも約１３０μΩ・ｃｍの高い電気抵抗率を有する。
【００４５】
原料として使用するのに適したアモルファス金属合金は、一般に、２０ｃｍ以上の幅で、約２０乃至２５μｍの厚みの、連続した薄いストリップ又はリボンの形態で市販されている。これらの合金は、ほぼ完全にガラス質の微細構造によって形成される（例えば、少なくとも約８０容量％の材料が非結晶構造を有する）。合金は、材料の本質的に１００％が非結晶構造を有する状態で適切に形成される。非結晶構造の容積割合は、Ｘ線、中性子、又は、電子回折、透過電子顕微鏡、あるいは、示差走査熱量測定などの当技術分野で公知の方法によって確定されてもよい。低コストでの最も高い誘導値は、「Ｍ」、「Ｙ」、及び「Ｚ」が主に、それぞれ、鉄、ホウ素、及びケイ素である合金の場合に達成される。より具体的には、適する合金は、少なくとも７０原子パーセントのＦｅ、少なくとも５原子パーセントのＢ、及び少なくとも５原子パーセントのＳｉを含有し、この時の条件は、Ｂ及びＳｉの全含有量が、少なくとも１５原子パーセントである。同様に、この理由から、鉄−ホウ素−ケイ素の合金からなるアモルファス金属製ストリップが好ましい。１つの適したアモルファス金属製ストリップは、本質的に、約１１原子パーセントのホウ素及び約９原子パーセントのケイ素からなる組成物を有し、残部は鉄及び付随的不純物である。約１．５６Ｔの飽和磁束密度及び約１３７μΩ・ｃｍの抵抗率を有するこのストリップは、商標名称ＭＥＴＧＬＡＳ（登録商標）合金２６０５ＳＡ−１の名の下で、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｃ．によって販売されている。別の適したアモルファス金属製ストリップは、本質的に、約１３．５原子パーセントのホウ素、約４．５原子パーセントのケイ素、及び約２原子パーセントの炭素からなる組成物を有し、残部は鉄及び付随的不純物である。約１．５９Ｔの飽和磁束密度及び約１３７μΩ・ｃｍの抵抗率を有するこのストリップは、商標名称ＭＥＴＧＬＡＳ（登録商標）合金２６０５ＳＣの名の下で、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｃ．によって販売されている。さらに高い飽和磁束密度が望まれる用途の場合、本質的に、約１８原子パーセントのＣｏ、約１６原子パーセントホウ素、及び約１原子パーセントのケイ素と共に、鉄からなる組成物を有し、残部は鉄及び付随的不純物であるストリップが適している。こうしたストリップは、商標名称ＭＥＴＧＬＡＳ（登録商標）合金２６０５ＣＯの名の下で、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｃ．によって販売されている。しかし、この材料によって構築された部品の損失は、ＭＥＴＧＬＡＳ２６０５ＳＡ−１を使用した部品より少し大きい傾向がある。
【００４６】
この部品で使用することを指定されたアモルファス金属製ストリップの機械的特性及び磁気的特性は、ストリップのほぼ完全にガラス質の微細構造を変えることなく、必要な向上を提供するのに十分な温度で、かつ、十分な期間、熱処理することによって向上することができる。熱処理は、加熱部分、任意選択の均熱部分、冷却部分を含む。磁界は、任意選択で、熱処理の、少なくとも冷却部分の間などの少なくともある部分の間で、ストリップに印加されてもよい。好ましくは、固定子が動作している間に磁束が存在する方向に本質的に沿って磁界を印加することによって、部品の磁気特性をさらに改善し、そのコア損失を低減することができる場合がある。任意選択で、熱処理は、こうした１つの熱サイクル以上を含む。
【００４７】
単一のアモルファス金属製部品で使用するのに適した所定のアモルファス合金の磁気特性は、合金を熱処理して、合金内にナノ結晶微細構造を形成することによって大幅に改善できる。この微細構造は、約１００ｎｍ未満、好ましくは５０ｎｍ未満、より好ましくは約１０乃至２０ｎｍの平均サイズを有する高密度の粒子（ｇｒａｉｎ）の存在を特徴とする。この粒子は好ましくは、鉄ベース合金の少なくとも５０容積％を占める。これらの材料は、コア損失が低く、磁気歪が小さい。後者の特性はまた、部品の作製及び／又は動作から生ずる応力による磁気特性の劣化に対する材料の脆弱性を低下させる。所与の合金においてナノ結晶構造を生成するのに必要とされる熱処理は、所与の合金内でほぼ完全にガラス質の微小構造を維持するように設計された熱処理に必要とされるよりも、より高い温度か、又は、より長い期間、実施されなければならない。本明細書で使用される、アモルファス金属及びアモルファス合金という用語はさらに、最初に、ほぼ完全にガラス質の微細構造で形成され、その後、熱処理又は他の処理によって、ナノ結晶微細構造を有する材料に変換される材料を含む。熱処理されて、ナノ結晶微細構造を形成することができるアモルファス合金を、単に、ナノ結晶合金と呼ぶことも多い。本方法によって、ナノ結晶合金が、必要な幾何形状の仕上がった固定子に形成されることが可能になる。合金が熱処理されて、合金が一般に、より脆く、より取り扱いを難しくさせるナノ結晶構造が形成される前の、合金が、まだ、鋳造物として延性のある本質的に非結晶形態である間に、こうした形成が達成されることが有利である。
【００４８】
ナノ結晶微小構造を合金内に形成することによって、大幅に向上する磁気特性を有する２つの種類の合金は、以下の組成で与えられ、下付き数字は原子パーセントである。
【００４９】
ナノ結晶材料のこれらの種類の第１の種類は、本質的に、Ｆｅ１００−ｕ−ｘ−ｙ−ｚ−ｗＲｕＴｘＱｙＢｚＳｉｗという組成式を有する合金からなり、ここで、ＲはＮｉ及びＣｏのうちの少なくとも１つであり、ＴはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷのうちの少なくとも１つであり、ＱはＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、及びＰｔのうちの少なくとも１つであり、ｕは０乃至約１０の範囲であり、ｘは約３乃至１２の範囲であり、ｙは０乃至約４の範囲であり、ｚは約５乃至１２の範囲であり、ｗは０乃至約８未満までの範囲である。この合金が熱処理されて、ナノ結晶微細構造が中に形成された後、合金は、高い飽和磁束密度（例えば、少なくとも約１．５Ｔ）、低いコア損失、及び低い飽和磁気歪（例えば、４×１０−６未満の絶対値を有する磁気歪）を有する。こうした合金は、必要とされる出力及びトルクについて最少のサイズのモータが要求される用途に有用である。
【００５０】
ナノ結晶材料のこれらの種類の第２の種類は、本質的に、Ｆｅ１００−ｕ−ｘ−ｙ−ｚ−ｗＲｕＴｘＱｙＢｚＳｉｗという組成式を有する合金からなり、ここで、ＲはＮｉ及びＣｏのうちの少なくとも１つであり、ＴはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷのうちの少なくとも１つであり、ＱはＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、及びＰｔのうちの少なくとも１つであり、ｕは０乃至約１０の範囲であり、ｘは約１乃至５の範囲であり、ｙは０乃至約３の範囲であり、ｚは約５乃至１２の範囲であり、ｗは約８乃至１８の範囲である。この合金が熱処理されて、ナノ結晶微細構造が中に形成された後、合金は、少なくとも約１．０Ｔの飽和磁束密度、特に低いコア損失、及び低い飽和磁気歪（例えば、４×１０−６未満の絶対値を有する磁気歪）を有する。こうした合金は、非常に高速で動作することを必要とするモータで有用である（例えば、１０００Ｈｚ以上の励起周波数を必要とする）。
【００５１】
同様に、バルクのアモルファス金属製部品を構築する方法が提供される。一般的に言うと、方法は、（ｉ）強磁性アモルファス金属製ストリップの材料を螺旋状に巻く工程であって、それによって、円筒状の内面、円筒状の外面、及び、２つの環状面を有する環状断面で巻いた円筒を形成する、螺旋状に巻く工程を含み、これらの面は軸方向の厚みによって分離され、（ｉｉ）円筒を熱処理する工程と、（ｉｉｉ）巻いた円筒の層のそれぞれを、接着剤を用いて隣接した層に接着接合させる工程と、（ｉｖ）環状面の少なくとも一方において複数のスロットを切削加工することによって部品を形成する工程とを含み、スロットは、内面と外面の間で全体が半径方向に延び、軸方向厚みより小さい奥行きを有する。好ましくは、接着接合は含浸によって実施される。任意選択で、適した表面仕上げ材料を部品に被覆することを含む仕上げる工程（ｖ）が実施される。熱処理する工程は、アモルファス金属原料の機械的特性及び磁気的特性を変更するための、１つ又は複数の熱処理を含む。こうした任意選択の熱処理は、機械加工作業を容易にし、部品の磁気特性を改善する。工程（ｉ）乃至（ｖ）は、種々の順序で、また、以下で述べる技法を含む種々の技法を用いて実施されることができる。例えば、熱処理する工程（ｉｉ）は、任意選択で、接合させる工程（ｉｉｉ）の後か、又は、形成する工程（ｉｖ）の後で実施される。
【００５２】
アモルファス金属の熱処理は、金属が必要とされる熱プロファイルを受けるようにする任意の加熱手段を採用することができる。適した加熱手段は、赤外線熱源、オーブン、流動床、高温に維持したヒートシンクとの熱接触、ストリップを電流が通過することによって生ずる抵抗性加熱、誘導（ＲＦ）加熱を含む。加熱手段の選択は、先に列挙した、必要とされる処理工程の注文によって決まってもよい。磁界は、任意選択で、熱処理の、冷却部分などの少なくともある部分の間で、ストリップに印加されてもよい。
【００５３】
アモルファス金属製材料の熱処理は、その機械的特性を変えることができる。具体的には、熱処理は一般に、アモルファス金属の延性を減らすと思われ、それによって、破断（ｆｒａｃｔｕｒｅ）前のアモルファス金属の機械的変形量が制限され、場合によっては、本部品の歯を形成するために、硬質のアモルファス金属を切削加工することを容易にする。
【００５４】
接着手段を用いて、アモルファス金属製材料層を互いに付着させ、それによって、本部品に必要とされるスロットを切削加工又は機械加工することを可能にするのに十分な構造的完全性を有する３次元のバルク物体が提供される。完全性はまた、部品の取り扱い及び使用、ならびに、より大きな構造への組み込みを容易にする。種々の接着剤が適している場合がある。接着剤は望ましくは、低い粘度、低い収縮率、低い弾性率、高い剥離強さ、絶縁耐力を有する。好ましくは、接着剤は、１０００ｃｐｓ未満の粘度、及び、金属の熱膨張係数にほぼ等しい熱膨張係数、即ち、１０ｐｐｍを有する。好ましい接着剤は、ワニス、嫌気性接着剤、及び室温硬化加硫（ＲＴＶ）シリコン材料を含む群から選択された少なくとも１つの部材で構成される。より好ましい接着剤は、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｔａｒｃｈ  ａｎｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙによって商用名Ｐｅｒｍａｂｏｎｄ９１０ＦＳの名の下で販売されているメチルシアノアクリラートなどのシアノアクリラートである。本発明のデバイスは好ましくは、この接着剤を、毛管作用によってリボン層の間に浸透するように塗布することによって接合される。Ｐｅｒｍａｂｏｎｄ９１０ＦＳは、室温において約５秒で硬化する単一成分の低粘度液体である。さらに好ましい接着剤は、エポキシ樹脂であり、エポキシ樹脂は、その硬化が、化学的に活性化される複数成分か、その硬化が熱か、又は、紫外線放射への暴露によって活性化される単一成分のいずれかである場合がある。最も好ましい接着剤は、Ｐ．Ｄ．Ｇｅｏｒｇｅ  Ｃｏ．によって商標名Ｅｐｏｘｙｌｉｔｅ８８９９の名の下で販売されているような低粘度で熱的に活性化されるエポキシ樹脂である。本発明のデバイスは好ましくは、その粘度を下げ、リボン層の間での浸透を向上させるために、アセトンを用いて容積で１：５に希釈した、このエポキシ樹脂で含浸することによって接合される。
【００５５】
接着剤は、リボンを巻いて、本発明の部品を調製するのに用いる円筒を形成する前にリボンに塗布されることができる。接着剤を塗布するのに適した方法は、ディッピング、溶射、はけ塗り、及び静電溶着を含む。アモルファス金属製ストリップはまた、接着剤をアモルファス金属に転写する（ｔｒａｎｓｆｅｒ）ロッド又はローラ上を通過させることによって被覆されることができる。グラビア印刷などの、きめのある表面を有するローラ又はロッド、又は、ワイヤを巻いたローラは、均一な接着剤の皮膜をアモルファス金属上に転写する時に特に有効である。別法として、また、より好ましくは、接着手段は、金属層が積み重ねられた後に、金属層の全てにひとまとめにして適用されてもよい。最も好ましくは、巻かれた円筒は、層間での接着剤の毛管流によって含浸される。円筒は、より完全な充填を実施するために、真空中か、油圧下のいずれかに設置されてもよい。こうした手順によって、付加される接着剤の総容積が最少になり、したがって、高い積層係数が確保される。少なくとも１７５℃の温度で実施される場合、接着剤の活性化即ち硬化はまた、先に説明した磁気特性に影響を与えるのに役立つことができる。
【００５６】
本発明の磁性部品にスロットを形成することは、限定はしないが、機械的研削、ダイヤモンドワイヤ切削加工、水平か、垂直のいずれかの方向に行われる高速ミリング、研磨ウォータジェットミリング、ワイヤ又はプランジによる放電機械加工、電気化学的研削、電気化学的機械加工、及びレーザ切削加工を含む、公知の任意の技法を用いて実施されてもよい。切削方法は、切削面に、又は、その近くに任意の目だった損傷を生成しないことが好ましい。こうした損傷は、例えば、アモルファス金属を、局所的にその結晶化温度を超えて加熱するか、又は、縁部か、又は、その近くで材料をさらに溶解させる過度の切削速度から生ずる場合がある。悪い結果として、縁部の周辺での応力及びコア損失の増加、相間短絡、又は機械的特性の劣化を含む場合がある。
【００５７】
本部品のためのスロットを切削加工する好ましい方法は、電気化学的研削を含む。この技法は、電気化学的作用と機械的作用の組み合わせによって部品から材料を除去する。電流は、導電性の回転式切削ホイールから電解質を通って、同様に導電性の部品内に流れる。電流が切削ホイールと部品の間で流れる時に、電解質は部品を溶解し、軟質の金属酸化物を形成する。切削ホイールは、加熱と部品の歪を最小にしながら酸化材料を除去し、それによって、本発明の部品の、効率的で、迅速で、正確な作製を可能にする。
【００５８】
先に述べたように、本発明の磁性部品は、従来の鋼から作られた同様な大きさの部品より低いコア損失を示す。当技術分野で知られているように、コア損失は、強磁性材料の磁化が時間と共に変化する時に強磁性材料内で起こるエネルギーの消散である。所与の磁性部品のコア損失は一般に、部品を周期的に励起することによって確定される。時間変化する磁界が部品に印加されて、部品内に、磁気誘導即ち磁束密度の対応する時間変動が生成される。測定の標準化のために、励起は一般に、磁気誘導が、周波数「ｆ」で、かつ、ピーク振幅「Ｂｍａｘ」で、時間と共に正弦波的に変わるように選択される。その後、公知の電気測定用の器械及び技法によってコア損失が確定される。損失は、従来的には、励起される磁性材料の単位質量又は容積当たりのワット数として報告される。損失はｆ及びＢｍａｘと共に単調増加することが、当技術分野で知られている。
【００５９】
軟質磁性材料のコア損失を試験するための標準プロトコル｛例えば、ＡＳＴＭ規格Ａ９１２−９３及びＡ９２７（Ａ９２７Ｍ−９４）｝が知られている。一般に、本質的に閉じた磁気回路、即ち、閉じた磁束線が試料の容積内に完全に含まれる構成内に位置するような材料の試料が要求される。こうした試料の形態は、テープを巻くか、又は、パンチングされた環状コイル、ヨークを横切る単一のストリップ、又は、エプスタイン枠体のような積み重ねた形態を含む。これらの形態はまた、全体にわたってほぼ均一な断面を有し、試験を明確な磁束密度で行うことを可能にする。一方、モータ部品において採用される磁性材料は、磁気的に開いた回路、即ち、磁束線が空隙を横切らなければならない構成内に位置する。電界のフリンジング効果及び不均一性のために、開回路で試験される所与の材料は一般に、高いコア損失、即ち、単位質量又は容積当たり、閉回路測定で有すると思われるよりも高いワット数を示す。本明細書で述べるバルク磁性部品は有利には、開回路構成においてさえも、広い範囲の磁束密度及び周波数にわたって低いコア損失を示す。
【００６０】
任意の理論によって拘束されることなく、損失の低いバルクのアモルファス金属製部品の総コア損失は、ヒステリシス損及び渦電流損からの寄与からなると考えられる。これらの２つの寄与のそれぞれは、ピーク磁気誘導Ｂｍａｘ及び励起周波数ｆの関数である。それぞれの寄与の大きさはさらに、部品構築方法及び部品で使用された材料の熱機械的履歴を含む固有の因子に依存する。アモルファス金属におけるコア損失の従来技術の分析（Ｇ．Ｅ．Ｆｉｓｈ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５７，３５６９（１９８５）及びＧ．Ｅ．Ｆｉｓｈ等、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６４，５３７０（１９８８）を参照されたい）は一般に、閉じた磁気回路の材料について得られたデータに制限されてきた。これらの分析において見られる低いヒステリシス及び渦電流損は、一部には、アモルファス金属の高い抵抗率によって強制される。
【００６１】
本発明のバルク磁性材料の単位質量当たりの総コア損失Ｌ（Ｂｍａｘ、ｆ）は、以下の式、
Ｌ（Ｂｍａｘ、ｆ）＝ｃ１ｆ（Ｂｍａｘ）ｎ＋ｃ２ｆｑ（Ｂｍａｘ）ｍ
を有する関数によって本質的に規定されてもよい。ここで、係数ｃ１及びｃ２、ならびに、指数ｎ、ｍ、及びｑは全て、経験的に確定されなければならず、これらの値を厳密に確定する、公知の理論は存在しない。この式の使用によって、バルク磁性部品の総コア損失が、必要とされる任意の動作誘導及び励起周波数で確定されることが可能になる。回転子又は固定子などの特定の幾何形状のモータ部品では、その中の磁界が空間的に均一でないことが一般にわかっている。実際のバルク磁性部品で測定された磁束密度分布を精密に近似する、ピーク磁束密度の空間的変動及び時間的変動の推定を可能にする、有限要素モデリングなどの技法が当技術分野で知られている。空間的に不均一な磁束密度下で、所与の材料の磁気コア損失を与える、適した経験的な式を入力として用いることによって、これらの技法は、所与の部品の、その動作構成での対応する実際のコア損失を、適度の精度で予測することを可能にする。
【００６２】
コア損失の実際の測定は、従来の方法を用いて実施されてもよい。起磁力は、磁性部品を取り囲む第１巻線に電流を流すことによって印加される。得られる磁束密度は、試験される磁性部品を取り囲む第２巻線に誘導される電圧から、ファラデーの法則によって確定される。印加された磁界は、起磁力からアンペアの法則によって確定される。その後、コア損失は、印加された磁界及び得られる磁束密度から、電子電力計などの従来の方法によって計算される。
【００６３】
以下の例は、本明細書で述べた部品の特性をより完全に述べるために示される。本発明の原理及びやり方を示すために記載した、特定の技法、条件、材料、特性、及び報告されたデータは、例示であるだけであり、本発明の範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。
【実施例１】
【００６４】
［単一アモルファス金属モータ固定子の調製及び電気磁気的試験］
約２６．７ｍｍ幅で０．０２２ｍｍ厚のＦｅ８０Ｂ１１Ｓｉ９の強磁性アモルファス金属製リボンは、螺旋状に巻かれて、２つの、ほぼ同じ右側円形の円筒組立体が形成され、それぞれは、図１に示すように、約３３００層、４２２ｍｍの外径、及び２７２ｍｍの内径を有する。円筒組立体は、窒素雰囲気内でアニールされる。アニールは、１）それぞれの組立体を３６０℃まで加熱すること、２）約２時間の間、約３６０℃の温度を保持すること、及び、３）それぞれの組立体を周囲温度に冷却することを含む。それぞれの円筒組立体は、エポキシ樹脂溶液を含浸した固定具内に設置され、１７７℃で約２．５時間の間、硬化される。使用したエポキシ樹脂は、適した粘度を達成するために、アセトンを用いて、容積で１：５に希釈したＥｐｏｘｙｌｉｔｅ（商標）８８９９である。完全に硬化した時に、各組立体は、固定具から取り外される。結果として得られた、エポキシ樹脂で接合した、アモルファス金属製の円筒セグメント組立体はそれぞれ、約１４ｋｇの重量がある。その後、７２の等間隔のスロットが、各円筒組立体の環状端面の一方に切削される。スロットはそれぞれ、１９ｍｍ奥行きで、５．８ｍｍ幅であり、円筒の内面から外面に半径方向に延びる。切削は電気化学的研削過程によって実施される。切削後、各組立体の表面を仕上げて、表面の過剰のエポキシ樹脂を除去し、それによって、軸方向間隙型電動機用のほぼ同一の固定子が形成される。対応する歯が嵌合して隣接した状態で、試料が同軸で整列して配設される。電気試験のために、円筒試験試料組立体の、適した１次及び２次電気巻線が円筒に固定される。
【００６５】
試験組立体は、約６０Ｈｚの周波数で、約１．４テスラ（Ｔ）の磁束密度で動作すると、アモルファス金属製材料の１ワット／キログラム未満のコア損失を示し、約１０００Ｈｚの周波数で、約１．０テスラ（Ｔ）の磁束密度で動作すると、アモルファス金属製材料の１２ワット／キログラム未満のコア損失を示し、約２０，０００Ｈｚの周波数で、約０．３０テスラ（Ｔ）の磁束密度で動作すると、アモルファス金属製材料の７０ワット／キログラム未満のコア損失を示す。本発明の部品の低いコア損失は、本発明の部品を、モータ固定子を構築する時の使用に適したものにする。
【実施例２】
【００６６】
［アモルファス金属モータ固定子の高周波電気磁気試験］
巻いたアモルファス金属層を備える２つの円筒固定子は、実施例１と同様に調製される。１次及び２次電気巻線が固定子に固定される。６０、１０００、５０００、及び２０，０００Ｈｚで、かつ、種々の磁束密度で電気試験が実施される。以下の表１、２、３、及び４にコア損失値が列挙される。表３及び表４に示すように、コア損失は、５０００Ｈｚ以上の励起周波数で特に低い。したがって、本発明の固定子は、高い励起周波数で動作するモータで使用するのに特に適する。
【００６７】
【表１】
2010239861.tif 000003
【００６８】
【表２】
2010239861.tif 000004
【００６９】
【表３】
2010239861.tif 000005
【００７０】
【表４】
2010239861.tif 000006
【実施例３】
【００７１】
［低損失バルクのアモルファス金属製部品の高周波挙動］
上記実施例２のコア損失データは、従来の非線形回帰法を用いて分析される。Ｆｅ８０Ｂ１１Ｓｉ９のアモルファス金属リボンからなる低損失の単一アモルファス金属製部品は、以下の式、
Ｌ（Ｂｍａｘ、ｆ）＝ｃ１ｆ（Ｂｍａｘ）ｎ＋ｃ２ｆｑ（Ｂｍａｘ）ｍ
を有する関数によって本質的に規定されることができる。係数ｃ１及びｃ２、ならびに、指数ｎ、ｍ、及びｑの適した値は、単一アモルファス金属製部品の磁気損失の上限を規定するように選択される。表５は、例２の部品の損失及び上記式によって予測した損失を列挙し、それぞれ、ワット／キログラムで測定される。ｆ（Ｈｚ）とＢｍａｘ（テスラ）の関数としての予測損失は、係数ｃ１＝０．００７４及びｃ２＝０．０００２８２、ならびに、指数ｎ＝１．３、ｍ＝２．４、及びｑ＝１．５を用いて計算される。例２のバルクのアモルファス金属製部品の損失は、式によって予測した対応する損失より低い。
【００７２】
【表５】
2010239861.tif 000007
【００７３】
このように本発明をある程度詳細に述べたが、こうした詳細に厳密に従う必要はなく、全てが、添付特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲に入る種々の変更及び修正を当業者が思いついてもよいことが理解されるであろう。
【図１】
2010239861.tif 000008
【図２】
2010239861.tif 000009
【図３】
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【図４】
2010239861.tif 000011
【外国語明細書】
2010239861000001.pdf