(57)【要約】【課題】  動作周波数が高い回転機にも適用できる、鉄損の改善とモータの小型化が両立可能な複合磁性材料およびそれを用いた回転子を提供する。【解決手段】  板厚が0.1mm以上0.3mm以下であり飽和磁束密度が1.8T以上である電磁鋼板と、板厚が50μm以下であり周波数1000Hz,磁束密度1.0Tで作動した場合の鉄損が15W/kg以下である軟磁性合金薄帯を積層した複合磁性材料。電磁鋼板の厚さに対して、軟磁性合金薄帯の厚さの比率を５〜３５％としたものが好ましい。【特許請求の範囲】
【請求項１】
板厚が0.1mm以上0.3mm以下であり飽和磁束密度が1.8T以上である電磁鋼板と、板厚が50μm以下であり周波数1000Hz,磁束密度1.0Tで作動した場合の鉄損が15W/kg以下である軟磁性合金薄帯を積層したことを特徴とする複合磁性材料。
【請求項２】
前記電磁鋼板の厚さに対して、軟磁性合金薄帯の厚さの比率を５〜３５％としたことを特徴とする請求項１に記載の複合磁性材料。
【請求項３】
前記電磁鋼板１枚に対して、軟磁性合金薄帯を２〜８枚積層した請求項１又は請求項２に記載の複合磁性材料。
【請求項４】
前記電磁鋼板は、組成式Ｆｅ１−ｘＳｉｘ(但し、原子％でｘ＝２．５〜４．５であり、不可避不純物を含む)からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の複合磁性材料。
【請求項５】
前記軟磁性合金薄帯は非晶質合金であり、合金組成がTaSibBcCd（ただし、TはFe、またはFeとFeに対し10％以下のCo、Niの少なくとも一種を含む元素）で表され、原子％で76≦a＜84%、0＜b≦12％、8≦c≦18％、d≦3%および不可避不純物からなることを特徴とする請求項1乃至４に記載の複合磁性材料。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の複合磁性材料を用いた、動作周波数が４００Ｈｚ以上の環境下で用いられることを特徴とする回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車載用モータやサーボモータ、電子部品といった高効率モータに用いられる複合磁性材料およびそれを用いた回転子に関し、特に、高回転モータの回転子として用いた際に低損失・高透磁率であるという優れた磁気特性を持つものに関する。
【背景技術】
【０００２】
トランスやモータに用いられる磁心には、安価でかつ優れた磁気特性を得るために、特許文献１に見られるような、電磁鋼板を積層した積層磁心が多く用いられている。この積層磁心は電磁鋼板を回転子（ロータ）形状などに打ち抜き加工し、その後所望の厚さまで積層し、溶接やかしめ加工などにより一体化して作られている。現在、モータは小形化、高速化、高効率化が進み、高周波でより鉄損の小さい材料が要求されているが、溶接やかしめ加工を行った電磁鋼板のロータでは、溶接部やかしめ部の近傍で歪などによる磁性劣化が生じる。このため、鉄損が増大したり、透磁率が低下したりするという問題がある。また電磁鋼板では、板厚０．５ｍｍや０．３５ｍｍ程度のものが通常使われるが、モータが高速化するに伴い渦電流損失が増加するという問題点がある。
【０００３】
また、電磁鋼板以外の材料としては、軟磁性合金薄帯が最適な材料の一つとして挙げられる。例えば、特許文献２には、非晶質合金薄帯に樹脂を塗布して圧着させたリラクタンス回転機の回転子が開示されている。軟磁性合金薄帯は、板厚が２０〜３０μｍと非常に薄い材料である。磁性材の板厚が薄いほど渦電流損失を小さくできるため、エネルギー・環境問題に対して高効率化が求められているモータでは、特に低鉄損、高透磁率化が可能な材質として有用である。
【０００４】
上記に挙げた二つの磁性材料は、それぞれに長所と欠点を持つ。電磁鋼板は、その９０％以上が主成分のFeであるため、高い飽和磁束密度値をもつ。そのため、モータ等の機器の小型化には適しているが、一方で、高回転用途では、損失低下のために薄くする必要が出てくる。そのため、圧延工程が必要となるが、圧延工程は、薄くなればなるほど薄板化のための冷間圧延工程が複雑となり製造価格が高くなる。また、薄くなればなるほど、かしめ接合では、十分な接合強度が得られえなくなり、安価なトランスやモータが製造できないという問題がある。
他方の材料の軟磁性合金薄帯は鉄損が低いという特徴を持つ低損失の磁性材料である。しかし、厚さが１００μｍ以下であるために積み重ね枚数が多くなることや、方法飽和磁束密度が電磁鋼板に比べて低くモータの小型化を果たしにくいという問題がある。
【０００５】
特許文献３には、非晶質金属磁性材料やナノ結晶金属磁性材料のような磁性金属薄帯と、珪素鋼板とを交互に積層させた積層体が開示されている。磁性金属薄帯を珪素鋼板に接着させたことで、磁性金属薄帯に最適な温度範囲の熱処理が可能となることが開示されている。
【特許文献１】特開２００６−９０４８号公報
【特許文献２】特開２００５−１６０２３１号公報
【特許文献３】特開２００５−１０４００８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献３では、磁性金属薄帯と珪素鋼板とを交互に積層させること、磁性金属薄帯と珪素鋼板の種類、接着するための樹脂の種類などは開示されているものの、鉄損や磁束密度などに関する磁気特性については全く開示されていない。
特に高速回転モータなどの用途しては、動作周波数が1000Hzと高い周波数になるものも珍しくない。特許文献１に記載した電磁鋼板による積層体に対してどの程度鉄損が低くなければならないのか、また、磁束密度の低下をどの程度まで抑える必要があるか、検討の余地がある。
本発明は上記問題を解決し、実製品として鉄損の改善とモータの小型化が両立可能な複合磁性材料およびそれを用いた回転子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】
【０００７】
本発明は、板厚が0.1mm以上0.3mm以下であり飽和磁束密度が1.8T以上である電磁鋼板と、板厚が50μm以下であり周波数1000Hz,磁束密度1.0Tで作動した場合の鉄損が15W/kg以下である軟磁性合金薄帯を積層した複合磁性材料を用いたものである。
【０００８】
電磁鋼板の厚さに対して、軟磁性合金薄帯の厚さの比率を５〜３５％としたものが好ましい。また、電磁鋼板１枚に対して、軟磁性合金薄帯を２〜８枚積層したものが好ましい。
【０００９】
前記電磁鋼板は、組成式Ｆｅ１−ｘＳｉｘ(但し、原子％でｘ＝２．５〜４。５であり、不可避不純物を含む)からなるものが好ましい。
【００１０】
前記軟磁性合金薄帯は非晶質合金であり、合金組成がTaSibBcCd（ただし、TはFe、またはFeとFeに対し10％以下のCo、Niの少なくとも一種を含む元素）で表され、原子％で76≦a＜84%、0＜b≦12％、8≦c≦18％、d≦3%および不可避不純物からなるものが好ましい。
【００１１】
動作周波数が４００Ｈｚ以上の環境下で用いられる回転子に上記の複合磁性材料を用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
複合磁性材料として、鉄損の低減による回転体の高効率化と磁束密度の低下を最小限に抑えることで回転体の小型化に効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
電磁鋼板の板厚は0.08mm以上0.3mm以下のものを用いる。詳細は実施例で述べるが、電磁鋼板の板厚が0.3mmを超えると鉄損が悪化してしまい、軟磁性合金薄帯の割合を多くしても鉄損の改善効果が及ばず、かつ飽和磁束密度を下げる要因となってしまう。また、電磁鋼板の板厚が0.1mm未満の場合、量産しても回転機用材料としてのコストレベルを超えてしまい実用的でない。電磁鋼板の板厚は、0.12mm以上0.25mm以下がさらに好ましい。
飽和磁束密度は1.8T以上、さらには1.9T以上のものが好ましい。
【００１４】
磁性合金薄帯は、板厚が50μm以下であり周波数1000Hz,磁束密度1.0Tで作動した場合の鉄損が15W/kg以下であるものが用いられる。板厚が50μmを超えると、渦電流損失による鉄損が増えてしまい、電磁鋼板と複合させて鉄損を下げることが難しくなる。厚さが5μm未満では製造が困難であり、また、表面の影響が大きくなり特性を均一することが難しい。
【００１５】
電磁鋼板の厚さに対して、軟磁性合金薄帯の厚さの比率を５〜３５％としたものが好ましい。５％未満であると鉄損の改善効果が小さく、従来の電磁鋼板単体からなる積層体とあまり差が得られない複合積層体となる。また、３５％を超えると複合積層体全体の磁束密度が低下してしまい、モータの小型化を行うだけの磁気特性が得られない。厚さとしては３０〜２５０μｍが好ましい。
電磁鋼板１枚に対して、軟磁性合金薄帯を２〜８枚積層したものが好ましい。複数枚を積層することで、軟磁性合金薄帯が薄くなり、渦電流損失を減らすことができる。
【００１６】
前記電磁鋼板は、組成式Ｆｅ１−ｘＳｉｘ（但し、原子％でｘ＝２．５〜４．５であり、不可避不純物を含む)からなるものが好ましい。Ｓｉが２．５原子％未満であると、鋼板の比抵抗が小さくなり、渦電流損失がさらに増大してしまう。逆に、多量添加して鋼板の比抵抗を高め、渦電流損失を低減させることもできるが、Ｓｉ量が高い合金組成では塑性変形させることが困難であり、冷間圧延を行う際にひびが入りやすく、製造コストが高くなってしまう。３５０℃以上で温間圧延することでこの問題を回避できるが、一般的な設備以外のコストがかかり、同様に製造コストが高くなってしまう。コストとの関係から、Ｓｉ量の上限値は４．５原子％以下が好ましい。
またCr、Mo、Zr、Hf、Nb、Mnなどの元素は添加料が低い方が好ましいが、0.01〜5％含んでもよい。また、不可避な不純物としてC、S、P、Sn、Cu、Al、Ti、Ca、Sbなどが有り、これらの元素の添加料も低い方が好ましい。
【００１７】
軟磁性合金薄帯は、合金組成がTaSibBcCd（ただし、TはFe、またはFeとFeに対し10％以下のCo、Niの少なくとも一種を含む元素）で表され、原子％で76≦a＜84%、0＜b≦12％、8≦c≦18％、d≦3%、および不可避不純物からなる高BS材を使用することが好ましい。
Fe量aは76％より少ないと鉄心材料として十分なBSが得られず磁心が大型化し好ましくない。また84％以上では熱安定性が低下し、安定した非晶質合金薄帯が製造できなくなるためである。求められる磁気特性から、Fe量の10％以下をCo、Niの少なくとも一種で置換することができる。
Si量bは非晶質形成能に寄与する元素でBsを向上させるためには12％以下とする必要がある。
B量cは非晶質形成能に最も寄与し、8％未満では熱安定性が低下してしまい、18%より多いと添加しても非晶質形成能などの改善効果が見られない。高BSな非晶質の熱安定性を保つには10％以上であることが好ましい。
Cは材料の角形性およびBSを向上し磁心を小型化できると共に、低騒音化する効果がある。3％より多くすると脆化と熱安定性が低下し、磁心製造が困難となり好ましくない。C量dは0.01％未満ではほとんど効果がないため、それ以上添加することが好ましい。
Fe量の10%以下をNi、Coの一種または二種で置換するとBSが向上し、磁心の小型化に寄与するがコストが高い原料であるため10%より多く含有させるのは現実的ではない。またMnは微量添加で若干BSを向上させる効果があるが0.50at%以上添加すると逆にBSが低下し、好ましくは0.1%以上0.3%以下がよい。
またCr, Mo, Zr, Hf, Nbの1種以上の元素を0.01〜5％含んでもよく、不可避な不純物としてS, P, Sn, Cu, Al, Ti から少なくとも1種以上の元素を0.50％以下含有してもよい。
【００１８】
回転磁界型モータの回転数と動作周波数の間には、Ｎｓ＝１２０×ｆ／ｐ（Ｎｓ：回転速度（ｒｐｍ）  ｆ：周波数（Ｈｚ）  ｐ：モータ極数）の式の関係が成立することが一般に知られている。
従って、２極のユニバーサルモータで、１０ｋｒｐｍで鉄心の動作周波数は、１３３Ｈｚ、２０ｋｒｐｍで２６６Ｈｚ、３０ｋｒｐｍで４００Ｈｚとなる。さらに、モータの極数が増えた場合は、極数に応じて、鉄心の動作周波数が高くなる。
本発明においては、動作周波数４００Ｈｚ以上において、鉄損の差が顕著になってくることから、動作周波数４００Ｈｚ以上（２極モータの場合、３０ｋｒｐｍ以上）で動作するモータにおいて本発明の複合磁性材料を適用することが好ましい。
【００１９】
電磁鋼板、軟磁性合金薄帯に塗布する樹脂溶液は、熱硬化性のものが好ましく、一般的に市販されている既知の樹脂が使用できる。通常は溶剤で５〜１５重量％に希釈して使用する。溶剤乾燥後の厚さを薄くすれば占積率が向上するが、ピンホールなどの欠陥発生率も増え、積層体で隣接する金属薄帯間の絶縁が不十分となる恐れがある。従って、乾燥後の厚さとしては、０．５ミクロン〜３ミクロンが好ましい。
塗布方法としては、ディップ法、ドクターブレード法、グラビアロール法など、既知の塗布方法が可能であるが、塗布厚さの均一性と時間当たりの生産性（塗布速度）を考慮するとグラビアロール法が優れている。グラビアロール法を用いて両面に塗布するには、片面ずつ行う必要がある。
樹脂を乾燥させるには、乾燥炉内の風量を多くすることが好ましい。遠赤外線ヒーターによる乾燥方法でもよい。
【００２０】
電磁鋼板、軟磁性合金薄帯を、積層用の金型キャビティ内に入れ、複数枚を積層させる。積層体の上下には、圧をかけるための可動型が接するため、後工程の圧着工程後に積層体と稼動型が剥離できるよう、積層体と可動型との間に市販の樹脂フィルムを挟むと良い。
【００２１】
積層体は、金型ごと乾燥窒素雰囲気のホットプレス炉内に設置される。炉内を塗布した樹脂のガラス転移点以上の温度に昇温する。この温度で保持した状態で、電磁鋼板と軟磁性合金薄帯を加圧して圧着する。保持する温度の上限は、樹脂の熱分解開始温度未満であれば問題ない。
炉内の雰囲気は、乾燥窒素雰囲気とすることが好ましい。窒素純度９８ｖｏｌ％以上で、かつ露点が−３０℃以下の雰囲気であれば、樹脂から際発生する水分をすばやく除去し、かつ金属薄帯表面の酸化を防止することができる。液体窒素からの窒素ガスは、純度９９．９９９８％、露点−５０℃以下であるため、より好ましい。
【００２２】
（実施例）
電磁鋼板と非晶質の磁性合金薄帯を組み合わせた積層体を製造した。電磁鋼板として、原子％でＦｅｂａｌＳｉ３からなる合金組成で、厚さが0.2mmの無方向性の電磁鋼板を用いた。また、磁性金属薄帯として、Ｆｅ系の非晶質磁性金属薄帯(Metglas社製2605SA1材：厚さ２１μｍ)を用いた。この電磁鋼板と磁性合金薄帯の両面に樹脂を塗布し、その後この樹脂を乾燥させた。樹脂を塗布後、電磁鋼板と磁性合金薄帯を積層させ、その状態でホットプレス炉内で樹脂がガラス転移点以上の温度になるまで昇温させ、本発明の複合磁性材料を得た。また、磁性合金薄帯を電磁鋼板1枚に対して１〜３枚用い、複合磁性材料中の磁性合金薄帯の厚さの比率が約10％,18％,30％となる３種類の複合磁性材料を製造した。（実施例１〜３）
また、比較として、電磁鋼板の厚さが0.35mmの無方向性の電磁鋼板を用い、同様にして複合磁性材料を得た。また、磁性合金薄帯を電磁鋼板1枚に対して１，２，８枚用い、複合磁性材料中の磁性合金薄帯の厚さの比率が約6％,19％,24％となる３種類の複合磁性材料を製造した。（比較例１〜３）
この複合磁性材料の代表的な鉄損値W10/50、W10/400、W10/1kを測定した。また、磁束密度として、外部磁場800A/mのときの磁束密度B800と、外部磁場8000A/mのときの磁束密度B8000を測定した。磁束密度は、樹脂分を除外した電磁鋼板と磁性合金薄帯のみの積層体として換算した場合の値である。表１に示す。
複合磁性材料は、それぞれ、W10/50での鉄損の値は、ほぼ同じ値を示しており、厚さによる差は、認められない。しかし、W10/400、W10/1kと動作周波数が高くなるにつれて、厚さ0.35mmの電磁鋼板を用いた複合磁性材料（比較例１〜３）の鉄損値は、本発明の0.2mmの電磁鋼板を用いた複合磁性材料（実施例１〜３）の鉄損よりも大きい値になり、回転機用の複合磁性材料として十分な利点が得られなかった。一方、本発明の複合磁性材料は、電磁鋼板と磁性合金薄帯を所定の比率で複合化したことにより、後述する0.2mmの電磁鋼板のみからなる積層体（比較例５）の鉄損値に比べて、W10/1000が5〜20％低下していることが確認できた。また、B800の値は、比較例５の電磁鋼板積層体と同程度であり、B8000の値も5%以内の低下に抑えることができ、装置の効率化と小型化を両立可能な複合磁性材料を得ることが出来た。
【００２３】
【表１】
2008131696.tif 000002
【００２４】
（比較例４〜７）
比較として、合金組成が原子％でＦｅｂａｌＳｉ３からなり、厚さがそれぞれ、0.35mm、0.2mmの無方向性の電磁鋼板、および、合金組成がＦｅｂａｌＳｉ6.5からなり、厚さが0.1mmの無方向性の電磁鋼板からなる積層体（比較例４〜６）を作成した。この電磁鋼板のみを積層した積層体の代表的な鉄損値W10/50、W10/400、W10/1kを測定した。また、磁束密度として、外部磁場800A/mのときの磁束密度B800と、外部磁場8000A/mのときの磁束密度B8000を測定した。それぞれの板厚による鉄損の差は、周波数50Hzでは少ないが、周波数が高くなるにつれてその差が大きくなっている。周波数1kHzでは、0.35mm厚の無方向性電磁鋼板の鉄損値は、0.1mm厚のものに比べて約４倍の値となり、薄いほうが低損失化に有利であることがわかる。一方で、磁束密度の値は、無方向性電磁鋼板の厚さ0.35mm及び0.2mmは、標準的な無方向性電磁鋼板であり、B8000は、約1.8Tの値が得られている。しかしながら、厚さ0.1mmの電磁鋼板のB8000は、1.62Tと0.35mm、0.2mmの電磁鋼板に比べて著しく低くなっている。そのため、鉄心の主材としては、磁束密度が低いため、モータの小型化には好ましくない。
また、磁性金属薄帯として、Ｆｅ系の非晶質磁性金属薄帯(Metglas社製2605SA1材：厚さ２１μｍ)を用いた積層体（比較例７）を製造した。上記と同様に、この非晶質磁性金属薄帯のみを積層した積層体の代表的な鉄損値W10/50、W10/400、W10/1kを測定した。また、磁束密度として、外部磁場800A/mのときの磁束密度B800と、外部磁場8000A/mのときの磁束密度B8000を測定した。このアモルファス材は２５μｍと板厚が非常に薄いため、鉄損値が電磁鋼板に比べて各周波数で低い値を示している。しかしながら、B8000の値が低くいため、モータの小型化を果たすだけの磁気特性を持っていなかった。