特開 2022-165132 合金部材、永久磁石式同期モータ、コーティング材および回転体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022165132

(43)【公開日】2022-10-31

(54)【発明の名称】合金部材、永久磁石式同期モータ、コーティング材および回転体

(51)【国際特許分類】

   H01F 1/14 20060101AFI20221024BHJP

   H02K 1/27 20220101ALI20221024BHJP

   C22C 38/00 20060101ALN20221024BHJP

   C22C 30/00 20060101ALN20221024BHJP

【ＦＩ】

H01F1/14

H02K1/27 501C

H02K1/27 501M

C22C38/00 303S

C22C30/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021070363

(22)【出願日】2021-04-19

(71)【出願人】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112737

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 考晴

(74)【代理人】

【識別番号】100140914

【弁理士】

【氏名又は名称】三苫 貴織

(74)【代理人】

【識別番号】100136168

【弁理士】

【氏名又は名称】川上 美紀

(74)【代理人】

【識別番号】100172524

【弁理士】

【氏名又は名称】長田 大輔

(72)【発明者】

【氏名】早川 恭平

(72)【発明者】

【氏名】二井 雅裕

(72)【発明者】

【氏名】関根 裕一

(72)【発明者】

【氏名】▲崎▼間 公久

【テーマコード（参考）】

5E041

5H622

【Ｆターム（参考）】

5E041AA06

5H622AA03

5H622CA02

5H622CA05

5H622CA10

5H622CA13

5H622CB01

5H622PP03

5H622PP17

(57)【要約】      （修正有）

【課題】ハイエントロピー合金を新たに適用する合金部材、永久磁石式同期モータ、コーティング材および回転体を提供する。
【解決手段】ＳＰＭモータ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｍｏｔｏｒ）において、永久磁石の外周側を覆うように円筒状に形成され、遠心力による永久磁石の飛散を防止する合金部材（保持リング）は、第１組成のハイエントロピー合金で構成された第１相と、第１組成とは異なる第２組成のハイエントロピー合金で構成された第２相と、第１相から第２相にかけて組成が連続的に傾斜する傾斜相と、を含み、第１相から第２相にかけて機能が変化する。組成の傾斜と物性変化の関係において、傾斜相が多軸方向に組成を傾斜させることで、ＣＡＳＥ１～５のパターンの物性変化を組み合わせることができる。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１組成のハイエントロピー合金で構成された第１相と、
前記第１組成とは異なる第２組成のハイエントロピー合金で構成された第２相と、
前記第１相から前記第２相にかけて組成が連続的に傾斜する傾斜相と、
を含み、前記第１相から前記第２相にかけて機能が変化する合金部材。

【請求項2】

前記第１相から前記第２相にかけての組成の傾斜が、線形または非線形に推移する請求項１に記載の合金部材。

【請求項3】

前記第２相が極値となるよう、前記第１相から前記第２相にかけて組成が連続的に傾斜する請求項１に記載の合金部材。

【請求項4】

前記第１相から前記第２相にかけての組成が、単一軸方向または多軸方向に傾斜する請求項１～３のいずれかに記載の合金部材。

【請求項5】

回転子と固定子とを備え、
前記回転子は、回転子コアと、永久磁石と、前記永久磁石の外周側を覆う保持リングと、を有し、
前記永久磁石は、複数の分割磁石で構成されて前記回転子コアの表面に貼りつけられ、
複数の前記分割磁石が、間隔をあけて前記回転子コアの外周に沿って並ぶ永久磁石式同期モータであって、
前記保持リングは、請求項１～４のいずれかに記載の合金部材であり、
軟磁性の前記第１相と、前記傾斜相と、非磁性の前記第２相と、が前記保持リングの周方向に並び、
前記第１相が、前記永久磁石の外周側を覆うように配置され、
前記第２相が、隣り合う前記分割磁石の間の外周側を覆うように配置されている永久磁石式同期モータ。

【請求項6】

回転子と固定子とを備え、
前記回転子は、回転子コアと、永久磁石と、を有する永久磁石式同期モータであって、
前記回転子コアは、請求項１～４のいずれかに記載の合金部材であり、
軟磁性の前記第１相が前記回転子コアの外周側に配置され、
非磁性の前記第２相が前記回転子コアの内周側に配置され、
前記傾斜相では、前記回転子コアの径方向に組成が連続的に傾斜する永久磁石式同期モータ。

【請求項7】

回転子と固定子とを備え、
前記回転子は、回転子コアと、永久磁石と、を有し、
前記永久磁石は、複数の分割磁石で構成され、
複数の前記分割磁石が、間隔をあけて並ぶ永久磁石式同期モータであって、
前記回転子コアは、請求項１～４のいずれかに記載の合金部材であり、
軟磁性の前記第１相を母材とし、
非磁性の前記第２相が、隣り合う前記分割磁石の間または該間の外周側に配置されている永久磁石式同期モータ。

【請求項8】

請求項１～４のいずれかに記載の合金部材を用い、
前記第２組成のハイエントロピー合金は、前記第１組成のエントロピー合金と熱特性が異なり、
前記第１相から前記第２相にかけて前記熱特性が変化するコーティング材。

【請求項9】

請求項１～４のいずれかに記載の合金部材を用いた回転体であり、
軟磁性の前記第１相が前記回転体の外周側に配置され、
非磁性の前記第２相が前記回転体の内周側に配置され、
前記傾斜相では、外周側に向けて原子サイズおよび密度が小さくなるよう前記回転体の径方向に組成が連続的に傾斜する回転体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、合金部材、永久磁石式同期モータ、コーティング材および回転体に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来の合金は、鉄、ニッケル、アルミニウムまたはチタンなどの構成元素に、少量の添加元素を加えることで作製される。鉄鋼、ニッケル合金、チタン合金、アルミニウム合金などが従来の合金の代表例である。

【0003】

近年、従来の合金の技術思想とは一線を画した新しいカテゴリの金属材料として、ハイエントロピー合金が注目されている。

【0004】

ハイエントロピー合金は、単純な構造を持つ固溶体となり、従来の合金では見られない特異で優れた機械特性を持つことが発見されている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１９－５３４３７４号公報（段落［０００２］～［０００４］）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ハイエントロピー合金は、その概念が提唱されてから２０年程度しかたっていない、歴史の浅い材料である。そのため、ハイエントロピー合金の適用例はまだ少ないのが現状である。

【0007】

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ハイエントロピー合金の新たな適用について提案することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本開示の合金部材、永久磁石式同期モータ、コーティング材および回転体は以下の手段を採用する。

【0009】

本開示は、第１組成のハイエントロピー合金で構成された第１相と、前記第１組成とは異なる第２組成のハイエントロピー合金で構成された第２相と、前記第１相から前記第２相にかけて組成が連続的に傾斜する傾斜相と、を含み、前記第１相から前記第２相にかけて機能が変化する合金部材を提供する。

【0010】

本開示は、上記合金部材が適用された永久磁石式同期モータ、コーティング材および回転体を提供する。

【発明の効果】

【0011】

ハイエントロピー合金の組成を傾斜化することで、傾斜機能化された合金部材となる。傾斜機能化された合金部材を用いることで、箇所ごとの物性を最適化できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】一例としてのＡＭ装置を上部から見た概略図である。

【図2】図１のＡＭ装置について、原料粉末の供給を横から見た概略図である。

【図3】ハイエントロピー合金における材料組成の傾斜と物性変化の関係を示すイメージ図である。

【図4】ＳＰＭモータを模式的に示す横断面図である。

【図5】図４に記載の回転子の周方向における磁化と、保持リングの非磁性元素の比との関係を示す図である。

【図6】IＰＭモータを模式的に示す横断面図である。

【図7】回転子コアの横断面図を示す。

【図8】径方向に向けて第２組成のＣｒをＡｌに連続的に置換した場合の物性変化の履歴を示す図である。

【図9】径方向に向けて第２組成のＣｒをＡｌに連続的に置換した場合の物性変化の履歴を示す図である。

【図10】ＩＰＭモータを模式的に示す横断面図である。

【図11】永久磁石が埋め込まれる前の回転子コアの横断面図である。

【図12】傾斜機能化していないコーティング材の熱特性履歴を示す図である。

【図13】傾斜機能化したコーティング材の熱特性履歴を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

（合金部材）
本実施形態に係る合金部材は、第１組成のハイエントロピー合金で構成された第１相と、第２組成のハイエントロピー合金で構成された第２相と、第１相から第２相にかけて組成が連続的に傾斜する傾斜相と、を含み、第１相から第２相にかけて機能が変化する。

【0014】

ハイエントロピー合金は、３種程度の元素を混ぜ合わせて作製される高濃度多元系合金である。本実施形態では、５～５０原子％の範囲でハイエントロピー合金に含まれる元素を構成元素と称す。構成元素は、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｇａ，Ｓｎ，Ｃｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｖ，Ｐｄ，Ｚｒ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ，Ｓｃ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ｓｒ，またはＹから選択できる。ハイエントロピー合金は、構成元素の他に微量元素を含んでもよい。微量元素とは、５原子％未満でハイエントロピー合金に含まれる元素である。ハイエントロピー合金は、酸化物、窒化物、ホウ化物または炭化物であってもよい。その場合、ハイエントロピー合金は、Ｏ，Ｎ，ＢまたはＣを含む。

【0015】

ハイエントロピー合金は、原子の配置のエントロピーを気体定数Ｒで除した値（ΔＳ_{ｃｏｎｆｉｇ}／Ｒ）が１．０以上の合金である。ΔＳ_{ｃｏｎｆｉｇ}／Ｒが１．０～１．５の合金をミディアムエントロピー合金と呼ぶこともあるが、本実施形態では、ΔＳ_{ｃｏｎｆｉｇ}／Ｒが１．０～１．５の合金もハイエントロピー合金に含まれると定義する。ΔＳ_{ｃｏｎｆｉｇ}／Ｒは、式（１）で定義される。式（１）におけるｘ_ｉは元素ｉのモル分率である。ΔＳ_{ｃｏｎｆｉｇ}が高いほど、原子配列が乱雑であることを示している。

【0016】

【数1】

【0017】

第２組成は、第１組成と異なる。第２組成は、少なくとも１つの構成元素の種類、および／または少なくとも１つの構成元素の含有量が第１組成と異なる。

【0018】

傾斜相は、第１相と第２相との間にあり、第１相から第２相にかけて組成が連続的に変化している。傾斜相では、組成が線形、非線形で傾斜しうる。非線形は、例えば、二次的、三次的、多次的な組成変化であってよい。傾斜相の組成変化のパターンは、製品に要求される物性に応じて選択され得る。

【0019】

傾斜相は、複数あってよい。例えば、第２相が極値となるよう、第１相、第２相、第１相の順に組成を傾斜させてもよい。

【0020】

例えば、傾斜相では、第１組成に含まれる第１構成元素の量が第１相から第２相に向けて連続的に少なくなり、第２組成に含まれ且つ第１組成に含まれない第２構成元素の量が第１相から第２相に向けて連続的に多くなる。第２相は、第１構成元素が第２構成元素で置換された相となる。

【0021】

例えば、傾斜相では、第１組成に含まれる第３構成元素の組成比が第１相から第２相に向けて連続的に高くなる（または低くなる）。第２相は、第３構成元素の量が第１相よりも多い（または少ない）相となる。

【0022】

例えば、第１組成に含まれる第４構成元素を、第２組成に含まれる原子サイズの異なる元素に置換する。これにより、原子サイズの差に起因して格子歪みが増加したり、析出相が形成されたりする。その結果、合金部材が高強度化される。また、比重に差のある元素に置換した場合、合金部材の軽量化（または重量化）が可能である。

【0023】

上記「第１構成元素」，「第２構成元素」，「第３構成元素」および「第４構成元素」は、目的に応じて選択された任意の１つの元素である。他の元素に置換されたり、量を増減させる元素は１種類に限定されず、複数種であってもよい。「第１」，「第２」，「第３」および「第４」は、説明のために付与した数字であり、第１組成および第２組成に含まれる元素種の数を特定するものではない。

【0024】

例えば、第１組成をＦｅＣｏＮｉＡｌＭｎ、第２組成をＦｅＣｏＮｉＣｒＳｉとし、第１組成のＡｌおよびＭｎを連続的にＣｒおよびＳｉに置換してもよい。

【0025】

例えば、第１組成をＦｅＣｏＮｉ（ＡｌＭｎ）_０．１、第２組成をＦｅＣｏＮｉ（ＡｌＭｎ）_０．５とし、第１組成のＡｉＭｎの組成比を連続的に高めてもよい。

【0026】

第１相から第２相にかけての組成は、単一軸方向または多軸方向に傾斜し得る。第１相から第２相にかけての組成は、合金部材の周方向、径方向、およびｘｙｚ方向に傾斜させてもよい。

【0027】

（製造方法）
組成を連続的に変化させて合金部材を製造する方法としては、付加製造（アディティブ マニュファクチャリング：ＡＭ）技術を採用できる。ＡＭ技術では、材料を堆積させて立体形状を製造する。ＡＭ技術を用いた装置（ＡＭ装置）としては、３Ｄプリンタ等が知られている。

【0028】

図１，２にレーザメタルデポジション（ＬＭＤ）方式のＡＭ装置の一例を示す。図１は、ＡＭ装置を上部から見た概略図である。図２は、原料粉末の供給を横から見た概略図である。

【0029】

図１、２のＡＭ装置は、熱源１と、複数の原料粉末供給ノズル（符号２，３，４，５，６、以降「ノズル」と略す）を備えている。熱源１は、レーザ発振器である。レーザ発振器には、高出力ファイバーレーザを用いることができる。ノズルは、所定の場所に原料粉末を供給できる。原料粉末は、単一元素の粉末または合金粉末であってよい。

【0030】

例えば、５種類の構成元素を含むハイエントロピー合金部材の製造では、図１に示すように５つのノズルからそれぞれ別の原料粉末を供給してもよい。図２では、ノズル２から原料粉末７、ノズル３から原料粉末８を噴射する。

【0031】

図１、２のＡＭ装置では、所定の間所に向けてノズル２，３，４，５，６から原料粉末を噴射すると同時にレーザ光を照射することで原料粉末を溶融池９に供給し、凝固させて造形を行う。ノズルまたはステージを移動させることで立体形状を造形できる。原料粉末の供給経路を切換え、粉末の混合比を変化させることで、ハイエントロピー合金の組成を傾斜化させた傾斜相を有する合金部材を造形できる。第１相、傾斜相および第２相は一体製造され得る。傾斜は、一方向に限定されず、縦、横、周、径方向に可能である。

【0032】

ハイエントロピー合金の組成は、粉末の混合比とは異なる。ノズルから供給される粉末量は、粉末流速で制御できる。供給する粉末の供給量の比で、ハイエントロピー合金の組成を制御できる。

【0033】

ＬＤＭ方式のＡＭ装置を用いた造形条件の一例を以下に示す。
平均出力：４．０（ｋＷ）
溶接速度：０．３（ｍ／ｍｉｎ）
焦点位置：－３（ｍｍ）
ビーム寸法：２×７（ｍｍ）
スタンドオフ：１２ｍｍ
パウダ供給量：２（ｇ／ｍｉｎ）
パウダキャリアガス：１．７（ｌ／ｍｉｎ）
シールドガス：３５（ｌ／ｍｉｎ）
ビードシフト量：３．５（ｍｍ）
ヘッド角度：後進５（°）または前進５（°）
予熱：なし
母材水冷：あり
シールドＢＯＸ：使用

【0034】

（組成と物性）

【0035】

図３に、ハイエントロピー合金における組成の傾斜と物性変化の関係を示す。同図において、横軸は傾斜方向、縦軸は物性である。

【0036】

ハイエントロピー合金では、組成を傾斜化させることで、線形的（ＣＡＳＥ１）、二次的（ＣＡＳＥ２）、三次的に物性を変化させることが可能である。

【0037】

ＣＡＳＥ３～５のように物性に極値を持たせることも可能である。ＣＡＳＥ５のように傾斜を急にすると局所的に異なる物性を与えられる。ここで「局所的」は、マクロな視点に基づく。マクロな視点から局所的変化のように見えたとしても、ミクロな視点では第１相と第２相との境界部分で組成が傾斜している。

【0038】

ハイエントロピー合金は、複数の構成元素を含み、それらの組み合わせは多数存在する。構成元素の組み合わせを変えることで、合金部材の物性を幅広く制御できる。

【0039】

ハイエントロピー合金は、組成を連続的に変化させることで、製造物に対して傾斜機能を持たせることができる。

【0040】

本実施形態によれば、従来、機能別に複数の部材をアセンブリしていた製造物を、一体で造形することが可能となる。

【0041】

多軸方向に組成を傾斜させることで、ＣＡＳＥ１～５のパターンの物性変化を組み合わせることができる。

【0042】

以下に、傾斜機能を持たせた合金部材が適用される製品の一実施例について説明する。

【0043】

傾斜機能を持たせた合金部材は、永久磁石式同期モータの部材およびコーティング材として好適である。永久磁石式同期モータには、回転子の表面に永久磁石が貼り付けてあるＳＰＭモータ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｍｏｔｏｒ）と、回転子に永久磁石が埋め込まれているＩＰＭモータ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｍｏｔｏｒ）とがある。コーティング材は、例えば、遮熱コーティングである。

【0044】

（実施例１：ＳＰＭモータ）
図４は、ＳＰＭモータを模式的に示す横断面図である。ＳＰＭモータ１１は、円筒状の固定子１２と、固定子１２に挿通される回転子１３と、を備えている。回転子１３は、駆動軸１４を中心として回転する。

【0045】

以下では、駆動軸１４の軸心（回転子の回転軸の中心）に沿う方向を「軸方向」、「軸方向」に直交する方向を「径方向」、駆動軸１４の軸心から遠い側を「外周側」、駆動軸１４の軸心から近い側を「内周側」と呼ぶ。

【0046】

固定子１２と回転子１３とは、径方向において空隙Ｇを介して互いに対面している。

【0047】

固定子１２は、固定子コア１５および固定子コイル１６を備えている。固定子コア１５は、軟磁性材で形成されている。固定子コア１５は、内周側に複数のティース部１５ａを備えている。ティース部１５ａは、固定子１２の周方向に沿って間隔をあけて並んで配置されている。固定子コイル１６は、ティース部１５ａに巻回されている。

【0048】

回転子１３は、回転子コア１７、永久磁石１８および保持リング１９を有する。回転子コア１７は、円筒状であり、内周側で駆動軸１４に固定されている。回転子コア１７は、軟磁性材で形成されている。

【0049】

永久磁石１８は、希土類金属を用いた磁石である。永久磁石１８は、ｎ個（ｎは自然数）の分割磁石（図２ではｎ＝４、符号１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ）で構成されている。ｎ個の分割磁石１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄは、回転子コア１７の外周に沿って間隔（空隙ｘ）をあけて並んでいる。分割磁石１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄは、回転子コア１７の外周表面に貼りつけられている。

【0050】

保持リング１９は、永久磁石１８の外周側を覆うように円筒状に形成されている。保持リング１９は、遠心力による永久磁石１８の飛散を防止できる。

【0051】

保持リング１９は、第１相１９ａと第２相１９ｂとを含む。第１相１９ａおよび第２相１９ｂは、周方向に並んでいる。第１相１９ａから第２相１９ｂにかけての組成の傾斜が急であるため、図２での表示は省略するが、第１相１９ａと第２相１９ｂとの間には、第１相から第２相にかけて組成が連続的に傾斜する傾斜相（計８か所）が存在する。第１相１９ａは、第２相１９ｂが極値となるよう配置されている。第１相１９ａから第２相１９ｂにかけての組成の傾斜は、要求される物性となるように推移させる。第１相１９ａと傾斜相と第２相１９ｂとは一体で製造され得る。

【0052】

第１相１９ａは、第１組成のハイエントロピー合金で構成されている。第１組成のハイエントロピー合金は、軟磁性材である。第１組成のハイエントロピー合金のΔＳ_{ｃｏｎｆｉｇ}／Ｒは、いずれも１．０以上である。

【0053】

第１組成のハイエントロピー合金は、ＦｅＣｏＮｉＭｎＡｌ、ＦｅＣｏＮｉＣｕＡｌ、ＦｅＣｏＮｉＣｕＳｉ、ＦｅＣｏＮｉＣｒＳｉ、ＦｅＣｏＮｉＭｎＣｕＴｉ、ＦｅＣｏＮｉＡｌＳｉ、ＦｅＣｏＮｉＭｎＧ、ＦｅＣｏＮｉＭｎＳｎからなる群から選択され得る。組成比は、要求される物性に応じて設定される。

【0054】

第２相１９ｂは、第２組成のハイエントロピー合金で構成されている。第２組成のハイエントロピー合金は、非磁性材である。第２組成のハイエントロピー合金のΔＳ_{ｃｏｎｆｉｇ}／Ｒは、１．０以上である。

【0055】

第２組成のハイエントロピー合金は、ＦｅＣｏＮｉＭｎＣｒ、ＦｅＣｏＮｉＣｕＣｒ、ＦｅＣｏＮｉＣｒＴｉからなる群から選択され得る。組成比は、要求される物性に応じて設定される。

【0056】

傾斜相は、第１組成のハイエントロピー合金に含まれる元素を、他の元素に連続的に置換することで形成され得る。例えば、第１組成のハイエントロピー合金にＦｅ_{１５～５０}Ｃｏ_{１５～５０}Ｎｉ_{１５～２５}Ｍｎ_５～３５Ａｌ_５～３５、第２組成のハイエントロピー合金にＦｅ_{１５～５０}Ｃｏ_{１５～５０}Ｎｉ_{１５～２５}Ｍｎ_５～３５Ｃｒ_５～３５を選択し、第１組成のＡｌをＣｒに連続的に置換することで、組成を傾斜化できる。完全にＡｌがＣｒに置換された相が第２相となる。

【0057】

第１相１９ａは磁気特性が求められる領域に配置される。第２相１９ｂは非磁性であることが求められる領域に配置される。図４において、磁気特性が求められる領域は、永久磁石１８の外周側である。図４において、非磁性であることが求められる領域は、隣り合う分割磁石と分割磁石との間の空隙の外周側である。

【0058】

図５に、図４に記載の回転子の周方向における磁化と、保持リングの非磁性元素の比との関係を示す。同図において、横軸が図４の上向き矢印を０°とした回転子の中心角、左縦軸が磁化、右縦軸が非磁性元素の比である。

【0059】

図４のＳＰＭモータでは、０°、９０°、１８０°、２７０°の領域で磁化が高くなり、４５°、１３５°、２２５°、３１５°領域で磁化が低くなる。図４において、０°、９０°、１８０°、２７０°の領域は、永久磁石１８が配置されている位置に対応する。図４において、４５°、１３５°、２２５°、３１５°領域は、隣り合う分割磁石の間の空隙に対応する。

【0060】

磁化が高い領域の外周側に、非磁性材で構成された保持リングを配置すると、磁気ギャップが大きくなり、モータの性能が低下する。本実施例では、磁化が高い領域の外周側に配置される保持リングを軟磁性材（第１組成）で構成する。それにより、磁気抵抗が低減され、性能低下を抑制できる。

【0061】

本発明者らが電磁場解析した結果によれば、隣り合う分割磁石の間で磁束漏れが生じることが確認されている。本実施例では、磁化が低い領域の外周側に、非磁性元素の比を高めた第２相１９ｂを配置することで、磁束漏れを低減できる。

【0062】

周方向に組成が傾斜することで傾斜機能化された保持リング１９は、複数の原料粉末供給ノズルを備えたＡＭ装置により造形できる。供給する原料粉末は、単一元素の粉末または合金の粉末である。

【0063】

本実施例によれば、ＳＰＭモータの磁気特性の最適化を図ることが可能となり、より高性能化が期待できる。ハイエントロピー合金の材料物性を傾斜化することで、従来にない磁気ギャップおよび磁気抵抗の低減が可能となる。

【0064】

（実施例２：ＩＰＭモータ）
図６は、ＩＰＭモータを模式的に示す横断面図である。ＩＰＭモータ３１は、円筒状の固定子３２と、固定子３２に挿通される回転子３３と、を備えている。回転子３３は、駆動軸３４を中心として回転する。

【0065】

以下では、駆動軸３４の軸心（回転子の回転軸の中心）に沿う方向を「軸方向」、「軸方向」に直交する方向を「径方向」、駆動軸３４の軸心から遠い側を「外周側」、駆動軸３４の軸心から近い側を「内周側」と呼ぶ。

【0066】

固定子３２と回転子３３とは、径方向において空隙Ｇを介して互いに対面している。

【0067】

固定子３２は、固定子コア３５および固定子コイル３６を備えている。固定子コア３５は、軟磁性材で形成されている。固定子コア３５は、内周側に複数のティース部３５ａを備えている。ティース部３５ａは、固定子３２の周方向に沿って間隔をあけて並んで配置されている。固定子コイル３６は、ティース部３５ａに巻回されている。

【0068】

回転子３３は、回転子コア３７および永久磁石３８を有する。

【0069】

永久磁石３８は、希土類金属を用いた磁石である。永久磁石３８は、ｎ個（ｎは自然数）の分割磁石（図６ではｎ＝８、符号３８ａ～３８ｈ）で構成されている。ｎ個の分割磁石３８ａ～３８ｈは、回転子コア３７に埋め込まれている。隣り合う分割磁石は、間隔ｘをあけて並んでいる。

【0070】

回転子コア３７は、円筒状であり、駆動軸３４に固定されている。

【0071】

図７に、回転子コア３７の横断面図を示す。回転子コア３７は、中心に中空部４０を有する。中空部４０内には駆動軸３４が挿入され得る。

【0072】

回転子コア３７は、第１相３９ａと第２相３９ｂとを含む。第１相３９ａは、実施例１の第１相１９ａと同様の軟磁性相である。第２相３９ｂは、実施例１の第２相１９ｂと同様の非磁性相である。

【0073】

第１相３９ａは回転子コア３７内の外周側に配置される。第２相３９ｂは、中空部４０の周りを囲うように、回転子コア３７内の内周側に配置される。第１相３９ａと第２相３９ｂとの間には、第１相３９ａから第２相３９ｂにかけて径方向に組成が連続的に傾斜する傾斜相が存在する。第１相３９ａから第２相３９ｂにかけての組成の傾斜は、要求される物性となるように推移させる。回転子コア３７では、径方向に磁気特性が変化する。

【0074】

傾斜相は、第１組成のハイエントロピー合金に含まれる元素を、他の元素に連続的に置換することで形成され得る。例えば、第１組成のハイエントロピー合金にＦｅＣｏＮｉＭｎＡｌ、第２組成のハイエントロピー合金にＦｅＣｏＮｉＭｎＣｒを選択し、第２組成のＣｒを連続的にＡｌに置換することで、組成を傾斜化できる。

【0075】

径方向に組成が傾斜し、傾斜機能化された回転子コアは、複数の原料粉末供給ノズルを備えたＡＭ装置により造形できる。供給する原料粉末は、単一元素の粉末または合金の粉末である。

【0076】

図８，９に、径方向に向けて第２組成のＣｒをＡｌに連続的に置換した場合の物性変化の履歴を示す。図８，９において、横軸は図７の回転子コアの径方向（内周側→外周側）、縦軸は物性である。

【0077】

内周側から外周側に向けてＡｌを連続的に増やし、Ｃｒを連続的に減らすと、磁気特性および強度が増し、密度が低下する。

【0078】

ＩＰＭモータの回転子コアは、外周側の磁気特性が重要である。外周側に軟磁性の第１相を配置して磁気特性が高くなるよう設計することで、ＩＰＭモータの高性能化が見込める。

【0079】

ＡｌはＣｒよりも密度が小さい元素である。Ｃｒに替えてＡｌの比重を高めることで密度が低下する。外周側を低密度化することで、荷重が分担され、外周側への応力付加が軽減される。また、外周側での弾性率が高くなる。それらの結果、変形を抑制でき、より高速回転に対応したＩＰＭモータを作製できる。これにより、ＩＰＭモータの高出力密度化が可能となる。

【0080】

ＦｅＣｏＮｉＭｎＣｒで形成される相は、不均一固溶体相である。ＣｒをＡｌに置換することで、固溶強化量の増加、金属間化合物などの新たな相の形成により強度特性の向上が期待できる。

【0081】

図８，９では、ＣｒをＡｌに置換した場合について説明したが、機能を最適化できる元素はこれに限定されるものではない。ハイエントロピー合金では、変化させる構成元素の種類や量に応じて、幅広く材料物性を制御できる。

【0082】

なお、上記では、ＩＰＭモータを例示したが、径方向に対して傾斜化する本実施例は、モータや発電機の回転子の他に、タービンのディスク翼などの回転体にも適用可能である。

【0083】

（実施例３：ＩＰＭモータ）
本実施例は、第１相、第２相の配置が、実施例２と異なる。

【0084】

図１０は、本実施例に係るＩＰＭモータを模式的に示す横断面図である。ＩＰＭモータ４１は、円筒状の固定子４２と、固定子４２に挿通される回転子４３と、を備えている。回転子４３は、駆動軸４４を中心として回転する。

【0085】

固定子４２と回転子４３とは、径方向において空隙Ｇを介して互いに対面している。

【0086】

固定子４２は、実施例２と同様の固定子コア４５および固定子コイル４６を備えている。固定子コア４５は、内周側に複数のティース部４５ａを備えている。回転子４３は、回転子コア４７および永久磁石４８を有する。永久磁石４８は、実施例２と同様である。

【0087】

回転子コア４７は、円筒状であり、駆動軸４４に固定されている。

【0088】

図１１に、永久磁石が埋め込まれる前の回転子コア４７の横断面図を示す。回転子コア４７は、中心に中空部５０を有する。中空部５０内には駆動軸４４が挿入され得る。

【0089】

回転子コア４７は、第１相４９ａと第２相４９ｂとを含む。第１相４９ａは、実施例１の第１相１９ａと同様の軟磁性相である。第２相４９ｂは、実施例１の第２相１９ｂと同様の非磁性相である。図１１には示されていないが、マクロな視点では第１相４９ａと第２相４９ｂとの間に、第１相４９ａから第２相４９ｂにかけて組成が傾斜する傾斜相が存在する。第１相４９ａから第２相４９ｂにかけての組成の傾斜は、要求される物性となるように推移させる。傾斜相では、磁気特性が第１相４９ａから第２相４９ｂにかけて変化する。

【0090】

組成が傾斜し、傾斜機能化された回転子コア４７は、複数の原料粉末供給ノズルを備えたＡＭ装置により造形できる。供給する原料粉末は、単一元素の粉末または合金の粉末である。

【0091】

従来、ＩＰＭモータの電磁鋼板では、基本的に材料物性は均一であり、箇所によって材料物性は変化しない。そのような電磁鋼板を用いたＩＰＭモータでは、隣り合う分割磁石の間での磁束漏れが避けられない。本実施例によれば、部分的に非磁性の第２相４９ｂを作りこむことで、磁束漏れを低減できる。これにより、ＩＰＭモータのさらなる効率化が期待できる。

【0092】

従来技術では、部分的に非磁性相を設ける場合、電磁鋼板にあけた孔に非磁性相を埋め込む。本実施例によれば、非磁性相を一体で製造することで、応力集中部がなくなり、強度面で優位となる。

【0093】

（実施例４：コーティング材）
コーティング材は、第１相および第２相を含む。第１相と第２相との間には、第１相から第２相にかけて組成が連続的に傾斜する傾斜相がある。第１相から第２相にかけて熱特性が変化する。第１相から第２相にかけての組成の傾斜は、要求される物性となるように推移させる。

【0094】

第１相を構成するハイエントロピー合金は、コーティング対象の母材と同じまたは母材に近い熱特性を有する。第２相を構成するハイエントロピー合金は、第１相とは異なる熱特性を有する。熱特性は、熱抵抗率、熱伝導率、熱膨張係数および熱応力等である。

【0095】

熱膨張係数の異なるハイエントロピー合金を、熱膨張係数が大きい順に例示する。
ＭｎＦｅＮｉ＞ＭｎＣｏＮｉ＞ＣｒＦｅＣｏＮｉ＞ＣｒＦｅＮｉ＞ＣｒＣｏＮｉ＞ＦｅＣｏＮｉ

【0096】

例えば、Ｍｎ_０．３３Ｆｅ_０．３３Ｎｉ_０．３４の組成を持つ合金から、Ｃｏ_０．３３Ｆｅ_０．３３Ｎｉ_０．３４の組成を持つ合金に連続的な組成変化を与えることで、熱膨張率を傾斜化させることが可能である。

【0097】

また、第１相を構成するハイエントロピー合金をＦｅＣｏＮｉＡｌＭｎ，ＡｌＣｒＴａＴｉＺｒ，ＴｉＨｆＺｒＶＮｂ，ＦｅＣｏＮｉＣｒＭｎ，ＴｉＺｒＮｂＨｆＴａ，ＴｉＶＮｂＴａ，ＡｌＴｉＶＮｂＴａ，ＮｂＭｏＴａＷ，ＶＮｂＭｏＴａＷ，ＴｉＺｒＭｏＨｆＴａ，ＴｉＺｒＮｂＭｏＨｆＴａ，ＴｉＣｒＺｒＮｂＭｏＴａおよびＴｉＺｒＭｏＨｆＴａから選択し、第２相を構成するハイエントロピー合金を、第１相を構成するハイエントロピー合金の炭化物、窒化物、ホウ化物または酸化物から選択してもよい。第１相を構成するハイエントロピー合金の炭化物、窒化物、ホウ化物または酸化物は、ＦｅＣｏＮｉＡｌＭｎ（Ｃ／Ｎ／Ｂ／Ｏ），ＡｌＣｒＴａＴｉＺｒ（Ｃ／Ｎ／Ｂ／Ｏ），ＴｉＨｆＺｒＶＮｂ（Ｃ／Ｎ／Ｂ／Ｏ），ＦｅＣｏＮｉＣｒＭｎ（Ｃ／Ｎ／Ｂ／Ｏ），ＴｉＺｒＮｂＨｆＴａ（Ｃ／Ｎ／Ｂ／Ｏ），ＴｉＶＮｂＴａ（Ｃ／Ｎ／Ｂ／Ｏ），ＡｌＴｉＶＮｂＴａ（Ｃ／Ｎ／Ｂ／Ｏ），ＮｂＭｏＴａＷ（Ｃ／Ｎ／Ｂ／Ｏ），ＶＮｂＭｏＴａＷ（Ｃ／Ｎ／Ｂ／Ｏ），ＴｉＺｒＭｏＨｆＴａ（Ｃ／Ｎ／Ｂ／Ｏ），ＴｉＺｒＮｂＭｏＨｆＴａ（Ｃ／Ｎ／Ｂ／Ｏ），ＴｉＣｒＺｒＮｂＭｏＴａ（Ｃ／Ｎ／Ｂ／Ｏ）およびＴｉＺｒＭｏＨｆＴａ（Ｃ／Ｎ／Ｂ／Ｏ）である。ハイエントロピー合金の炭化物、窒化物、ホウ化物または酸化物は、炭化等させていないハイエントロピー合金と比べて熱膨張率が小さい。

【0098】

図１２に、傾斜機能化していないコーティング材の熱特性履歴を示す。図１２（Ａ）は熱特性の変化履歴、図１２（Ｂ）はコーティング材内部の物質構成である。図１３に傾斜機能化したコーティング材の熱特性履歴を示す。図１３（Ａ）は熱特性の変化履歴、図１３（Ｂ）はコーティング材内部の物質構成である。図１２，１３において、符号５１は第１組成のハイエントロピー合金、符号５２は第２組成のハイエントロピー合金である。

【0099】

熱特性が異なる第１相と第２相との界面では、熱特性が急激に変化する。これは、母材とコーティング材の界面でも同様である。一方、図１３に示すように、組成を連続的に変化させることで熱特性の変化は緩やかになる。

【0100】

コーティング材は、母材との界面で熱膨張係数が急激に変化すると、界面剥離が生じる。本実施例では、ハイエントロピー合金の組成を傾斜させ、熱膨張係数を連続的に変化させることで、剥離発生を抑えることができる。

【0101】

一軸方向に組成が傾斜し、傾斜機能化されたコーティング材は、複数の原料粉末供給ノズルを備えたＡＭ装置により造形できる。供給する原料粉末は、単一元素の粉末または合金の粉末である。

【0102】

なお、上記実施例１～４では、それぞれ１パターンの組成傾斜について説明しているが、これに限定されず、要求される物性に応じて複数パターンの組成傾斜を組みあせてもよい。例えば、実施例１の回転子コアに実施例２の回転子コアの組成傾斜パターンを組み合わせられる。例えば、実施例２と実施例３とを組み合わせもよい。例えば、実施例４において、コーティング材の厚さ方向に熱膨張係数を傾斜させるとともに、面方向で別の機能が傾斜するようにハイエントロピー合金の組成を傾斜させてもよい。

【0103】

〈付記〉
以上説明した実施形態および実施例に記載の合金部材、永久磁石式同期モータ、コーティング材および回転体は、例えば以下のように把握される。

【0104】

本開示は、第１組成のハイエントロピー合金で構成された第１相（１９ａ，３９ａ，４９ａ）と、前記第１組成とは異なる第２組成のハイエントロピー合金で構成された第２相（１９ｂ，３９ｂ，４９ｂ）と、前記第１相から前記第２相にかけて組成が連続的に傾斜する傾斜相と、を含み、前記第１相から前記第２相にかけて機能が変化する合金部材を提供する。

【0105】

ハイエントロピー合金の組成を傾斜化することで、傾斜機能化された合金部材となる。傾斜機能化された合金部材を用いることで、箇所ごとの物性を最適化できる。

【0106】

ハイエントロピー合金の組成制御により、例えば、磁気特性（飽和磁束密度、透磁率）、電気抵抗率、弾性率、強度、密度、線膨張係数など機能を傾斜化できる。ハイエントロピー合金の組成を傾斜化できれば、製品の高性能化が見込める。

【0107】

上記開示の一態様では、前記第１相から前記第２相にかけての組成の傾斜が、線形、二次的または三次的に推移させてもよい。

【0108】

上記開示の一態様では、前記第２相が極値となるよう、前記第１相から前記第２相にかけて組成が連続的に傾斜させてもよい。

【0109】

前記第１相から前記第２相にかけての組成が、単一軸方向または多軸方向に傾斜してもよい。

【0110】

上記開示の一態様によれば、回転子（１３）と固定子（１２）とを備え、前記回転子は、回転子コア（１７）と、永久磁石（１８）と、前記永久磁石の外周側を覆う保持リング（１９）と、を有し、前記永久磁石は、複数の分割磁石（１８ａ～１８ｄ）で構成されて前記回転子コアの表面に貼りつけられ、複数の前記分割磁石が、間隔をあけて前記回転子コアの外周に沿って並ぶ永久磁石式同期モータ（１１）であって、前記保持リングは、上記開示に記載の合金部材であり、軟磁性の前記第１相（１９ａ）と、前記傾斜相と、非磁性の前記第２相（１９ｂ）と、が前記保持リングの周方向に並び、前記第１相が、前記永久磁石の外周側を覆うように配置され、前記第２相が、隣り合う前記分割磁石の間の外周側を覆うように配置されている永久磁石式同期モータを提供する。

【0111】

周方向に磁気特性を傾斜させた保持リングを用いることで、磁気特性が求められる領域に軟磁性の第１相を配置できる。これにより、磁気ギャップおよび磁気抵抗の低減による性能低下を低減できる。

【0112】

一方、分割磁石の間のような非磁性であることが求められる領域には、非磁性の第２相を配置できる。これにより、磁束漏れを防止できる。

【0113】

上記開示の一態様によれば、回転子（３３）と固定子（３２）とを備え、前記回転子は、回転子コア（３７）と、永久磁石（３８）と、を有する永久磁石式同期モータ（３１）であって、前記回転子コアは、上記開示に記載の合金部材であり、軟磁性の前記第１相（３９ａ）が前記回転子コアの外周側に配置され、非磁性の前記第２相（３９ｂ）が前記回転子コアの内周側に配置され、前記傾斜相では、前記回転子コアの径方向に組成が連続的に傾斜する永久磁石式同期モータを提供する。

【0114】

径方向に磁気特性を傾斜させ、外周側に軟磁性の第１相を配置することで、モータの高性能化が見込める。一方、ハイエントロピー合金の組成を径方向に対して連続的に変化させることで、外周側の密度低下、比重調整、析出相の形成等を最適化できる。これにより、強度特性に優れた製品となり得る。

【0115】

既存の軟磁性材料は、磁気特性が良好である一方で、強度特性は低い。上記開示の永久磁石式同期モータは、磁気特性および強度特性を兼ね備えている。

【0116】

既存の軟磁性材料は磁気特性に優れる一方で、添加元素量が少ない。そのため、電気抵抗率が小さく、鉄損周波数特性も悪く、高発熱および高鉄損となる傾向がある。上記開示によれば、ハイエントロピー合金の組成を傾斜化させることで、電気抵抗率を大きくし、鉄損周波数特性も改善できる。

【0117】

ハイエントロピー合金の組成を制御することで、従来技術では開発されていなかった磁気特性、鉄損特性および機械特性を高度に兼ね備えた軟磁性材料となり得る。

【0118】

上記開示の一態様によれば、回転子（４３）と固定子（４２）とを備え、前記回転子は、回転子コア（４７）と、永久磁石（４８）と、を有し、前記永久磁石は、複数の分割磁石で構成され、複数の前記分割磁石が、間隔をあけて並ぶ永久磁石式同期モータ（４１）であって、前記回転子コアは、上記開示に記載の合金部材であり、軟磁性の前記第１相（４９ａ）を母材とし、非磁性の前記第２相（４９ｂ）が、隣り合う前記分割磁石の間または該間の外周側に配置されている永久磁石式同期モータを提供する。

【0119】

隣り合う分割磁石の間またはその外周側に非磁性の第２相を配置することで、磁束漏れを低減できる。第１相から第２相まで、ハイエントロピー合金の組成を連続的に傾斜させることで、応力集中部がなくなるため、強度面で優位になる。

【0120】

上記開示の一態様によれば、上記開示に記載の合金部材を用い、前記第２組成のハイエントロピー合金は、前記第１組成のハイエントロピー合金と熱特性が異なり、前記第１相から前記第２相にかけて熱特性が変化するコーティング材を提供する。

【0121】

熱特性を変化させることで、熱応力の発生などを低減できる。

【0122】

上記開示の一態様は、上記開示に記載の合金部材を用いた回転体であり、軟磁性の前記第１相が前記回転体の外周側に配置され、非磁性の前記第２相が前記回転体の内周側に配置され、前記傾斜相では、外周側に向けて原子サイズおよび密度が小さくなるよう前記回転体の径方向に組成が連続的に傾斜する回転体を提供する。

【0123】

外周側に向けて原子サイズおよび密度が小さくなるよう前記回転体の径方向に組成が連続的に傾斜することで、外周側の密度低下、比重調整、析出相の形成等を最適化できる。これにより、強度特性に優れた製品となり得る。

【符号の説明】

【0124】

１ 熱源
２，３，４，５，６ ノズル
７，８ 原料粉末
９ 溶融池
１１ ＳＰＭモータ
１２，３２，４２ 固定子
１３，３３，４３ 回転子
１４，３４，４４ 駆動軸
１５，３５，４５ 固定子コア
１５ａ，３５ａ，４５ａ ティース部
１６，３６，４６ 固定子コイル
１７，３７，４７ 回転子コア
１８，３８，４８ 永久磁石
１８ａ～１８ｄ，３８ａ～３８ｈ 分割磁石
１９ 保持リング
１９ａ，３９ａ，４９ａ 第１相
１９ｂ，３９ｂ，４９ｂ 第２相
３１，４１ ＩＰＭモータ
４０，５０ 中空部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】