特許 7450354 軟磁性合金、磁性コア

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-07

(45)【発行日】2024-03-15

(54)【発明の名称】軟磁性合金、磁性コア

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20240308BHJP

   H01F 1/147 20060101ALI20240308BHJP

【ＦＩ】

C22C38/00 303S

H01F1/147

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019165486

(22)【出願日】2019-09-11

(65)【公開番号】P2021042437

(43)【公開日】2021-03-18

【審査請求日】2022-08-29

(73)【特許権者】

【識別番号】000232302

【氏名又は名称】ニデック株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000125370

【氏名又は名称】学校法人東京理科大学

(74)【代理人】

【識別番号】100141139

【弁理士】

【氏名又は名称】及川 周

(74)【代理人】

【識別番号】100138689

【弁理士】

【氏名又は名称】梶原 慶

(74)【代理人】

【識別番号】100188673

【弁理士】

【氏名又は名称】成田 友紀

(74)【代理人】

【識別番号】100179833

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 将尚

(74)【代理人】

【識別番号】100189348

【弁理士】

【氏名又は名称】古都 智

(72)【発明者】

【氏名】吉田 昇平

(72)【発明者】

【氏名】福▲崎▼ 智数

(72)【発明者】

【氏名】田村 隆治

(72)【発明者】

【氏名】杉山 将崇

【審査官】國方 康伸

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６１－２３４５１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－２３４５０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６４－０２４４０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０４７１１４７５（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０７８４１６８６（ＣＮ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００９／００３９７１４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００８／００１１３９０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００３／００１０４０５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平０１－１４６３１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６４－０１７８５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２１４０３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】SATO, F. et al.，Soft Magnetic Properties of Rapidly Quenched Fe-Al-M(M=Si, B, Ge) Alloys，Physica Status Solidi (A) Applied Research，1998,Vol.107,No.1，p.355-363

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２２Ｃ ３３／００－３８／６０

Ｈ０１Ｆ １／１２－ １／３８

ＣＡｐｌｕｓ／ＲＥＧＩＳＴＲＹ（ＳＴＮ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｇｅを１原子％以上４原子％以下、Ａｌを１原子％以上４原子％以下含有し、ＧｅとＡｌの合計含有量が１原子％以上５原子％以下であり、Ｓｉ含有量が０．１原子％以下であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる、軟磁性合金。

【請求項2】

Ｇｅを１原子％以上３原子％以下、Ａｌを２原子％以上４原子％以下含有する、請求項１に記載の軟磁性合金。

【請求項3】

Ｃｒ含有量およびＮｉ含有量がいずれも０．１原子％以下である、請求項１または２に記載の軟磁性合金。

【請求項4】

電気抵抗率が０．４５μΩｍ以上である、請求項１から３のいずれか１項に記載の軟磁性合金。

【請求項5】

ビッカース硬さが１４５ＨＶ以下である、請求項１から４のいずれか１項に記載の軟磁性合金。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか１項に記載の軟磁性合金からなる、磁性コア。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、軟磁性合金、磁性コアに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、モータなどのコアとして、Ｆｅ－Ｓｉ系合金の電磁鋼板が知られる。従来の電磁鋼板は、加工性に乏しい課題があり、特許文献１には、Ｃｒを添加することにより圧延を容易にした電磁鋼板が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００１－２７９３９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、従来の電磁鋼板では、絞り加工によって立体的な形状を形成することは困難であった。例えば、アウターロータ型モータのロータに用いられるカップ状のロータコアを絞り加工によって製造することは困難だった。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の１つの態様によれば、Ｇａ、Ｇｅから選択される１種以上の元素Ｍ１を１原子％以上１０原子％以下含有し、Ｓｉを実質的に含まず、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる、軟磁性合金が提供される。

【発明の効果】

【0006】

本発明の１つの態様によれば、高い電気抵抗率と高い加工性を備える軟磁性合金が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、アウターロータ型モータの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
本実施形態の軟磁性合金は、一般式：Ｆｅ_{１００－ｘ－ｙ}Ｍ１_ｘＭ２_ｙ（原子％）で表される。式中、Ｍ１は、Ｇａ、Ｇｅから選択される一種以上の元素である。Ｍ２は、Ａｌ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｐ、Ｓ、Ｍｏから選択される１種以上の元素である。組成比率を規定するｘ、ｙは、それぞれ、１≦ｘ≦１０、０≦ｙ≦５の範囲を満たす。元素Ｍ１、Ｍ２以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物からなる。

【0009】

本実施形態の軟磁性合金は、元素Ｍ１、Ｍ２がＦｅ相に固溶した結晶組織を有する結晶質軟磁性合金である。この構成により、優れた磁気特性と加工性を両立できる。本実施形態において、元素Ｍ１、Ｍ２および不可避的不純物は、軟磁性合金において実質的に非晶質化が生じない範囲の含有量とされる。

【0010】

元素Ｍ１の含有量は、軟磁性合金全体に対するＧａ、Ｇｅの合計含有量で１原子％以上１０原子％以下である。元素Ｍ１の含有量を上記範囲とすることで、軟磁性合金の硬さの上昇を抑制しつつ、軟磁性合金の電気抵抗率を上昇させることができる。これにより、磁性コアとして用いたときの渦電流損が少なく、かつ加工性にも優れる軟磁性合金が得られる。

【0011】

より詳細には、後述の実施例に説明するが、本実施形態の軟磁性合金によれば、０．４０μΩｍ以上の電気抵抗率が得られる。また、ビッカース硬さを１４５ＨＶ以下に抑えることができる。

【0012】

ここで、鋼板に流れる渦電流損失は以下の式で表される。
Ｐｅ＝ｋｅ×（ｔ・ｆ・Ｂｍ）２／ρ …（式１）
式１において、Ｐｅは渦電流損失、ｋｅは比例定数、ｔは磁石の幅、ｆは周波数、Ｂｍは最大磁束密度、ρは電気抵抗率を示す。

【0013】

すなわち、鋼板の電気抵抗率が２倍になると渦電流損失が１／２に低下する。したがって、本実施形態の軟磁性合金を用いた磁性コアを備えるモータとすることで、モータの効率が向上する。
また、ビッカース硬さを１４５ＨＶ以下にすることでプレス絞り加工が可能である。したがって、本実施形態の軟磁性合金によれば、アウターロータ型モータのカップ状のロータコアなどの立体形状の磁性コアを絞り加工によって製造することができる。
本実施形態の軟磁性合金からなるロータコアを備えるモータは、渦電流損失が小さく、高効率であり、かつ安価に製造可能である。

【0014】

元素Ｍ１の含有量が１原子％未満では、軟磁性合金の抵抗率がほぼ純鉄に近い値となるため、磁性コアとして用いたときに渦電流損が大きくなる。元素Ｍ１の含有量が１０原子％を超えると、均質な固溶体が得られにくくなり、加工性が低下する傾向となる。元素Ｍ１の含有量は、５原子％以下であることが好ましい。

【0015】

元素Ｍ２は、必要に応じてＦｅ－Ｍ１合金に添加される。元素Ｍ２の含有量は、軟磁性合金全体に対して０原子％以上５原子％以下である。Ａｌ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｐ、Ｓ、Ｍｏから選択される１種以上の元素Ｍ２をＦｅ－Ｍ１合金に添加することにより、軟磁性合金の電気抵抗率の増加と、硬さの抑制を両立できる。

【0016】

元素Ｍ２の含有量が少なすぎると、軟磁性合金の電気抵抗率を増加させる効果、および軟磁性合金の硬さを抑制する効果のいずれも得られにくくなる。そのため、元素Ｍ２の含有量は、軟磁性合金全体に対して０．５原子％以上であることが好ましい。元素Ｍ２の含有量が多すぎると、軟磁性合金の電気抵抗率が低くなり、軟磁性合金の飽和磁化が低下する。元素Ｍ２の含有量は、軟磁性合金に対して４原子％以下が好ましく、３原子％以下がより好ましい。

【0017】

本実施形態の軟磁性合金は、元素Ｍ１と元素Ｍ２の合計含有量が、軟磁性合金全体に対して１原子％以上５原子％以下であることが好ましい。元素Ｍ１、Ｍ２の合計含有量を上記範囲とすることにより、元素Ｍ１、Ｍ２をＦｅに対して均一に固溶させやすくなる。これにより、軟磁性合金の電気抵抗率および飽和磁化を高めることができる。

【0018】

本実施形態の軟磁性合金は、Ｓｉを実質的に含まない。すなわち、本実施形態の軟磁性合金は、Ｓｉを全く含まないか、本実施形態の軟磁性合金の作用効果が得られる範囲内で微量のＳｉを含む。本実施形態の軟磁性合金において、Ｓｉ含有量が多くなると、軟磁性合金が硬くなり、加工性が低下する。そのため、アウターロータ型モータのカップ状のロータコアなどの立体形状の磁性コアを絞り加工によって製造するのが困難になる。本実施形態の軟磁性合金におけるＳｉ含有量は、０．１原子％以下であることが好ましく、Ｓｉを全く含まないことがより好ましい。

【0019】

本実施形態の軟磁性合金は、ＣｒおよびＮｉを実質的に含まないことが好ましい。ＣｒおよびＮｉについても、軟磁性合金における含有量が多くなると軟磁性合金が硬くなり、加工性が低下する。本実施形態の軟磁性合金におけるＣｒ含有量およびＮｉ含有量は、本実施形態の軟磁性合金の作用効果を損なわない範囲とすることが好ましい。本実施形態の軟磁性合金のＣｒ含有量およびＮｉ含有量は、いずれも０．１原子％であることが好ましく、ＣｒおよびＮｉを全く含まないことがより好ましい。

【0020】

本実施形態の軟磁性合金は、微量の炭素を含んでいてもよい。軟磁性合金におけるＣ含有量は、多すぎると軟磁性合金が硬くなって加工性が低下するため、軟磁性合金全体に対して２原子％以下であることが好ましく、１原子％以下であることがより好ましい。

【0021】

本実施形態の軟磁性合金における不可避的不純物としては、例えば、Ｎ、Ｏ、Ｈなどが挙げられる。含有量が０．５原子％未満の元素Ｍ２およびＣについても不可避的不純物とみなせる。個々の不可避的不純物の含有量は、０．１原子％以下であることが好ましい。不可避的不純物の合計含有量は、軟磁性合金全体に対して１原子％以下であることが好ましい。

【実施例】

【0022】

アーク溶解炉を用いて、表１に示す実施例１～７および比較例２の各組成の軟磁性合金を、各１．２ｇ作製した。作製した軟磁性合金試料を、長さ７ｍｍ×幅０．５ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの大きさの板片に切断した後、直流４端子法を用いて温度２９７Ｋの電気抵抗を測定した。磁気特性は、軟磁性合金試料を２ｍｍ角の板片に切断し、振動試料型磁力計（ＶＳＭ）を用いて±２Ｔのヒステリシス曲線を測定した。加工性の評価はビッカース硬さ試験機を用いて軟磁性合金試料の硬さを測定した。
また、比較例１（五大産業製 鉄アルミ合金ＡＬＦＥ）、比較例３（ＪＩＳ Ｇ３１３３準拠の電気亜鉛メッキ鋼板）、比較例４（無方向性電磁鋼板）、比較例５（電磁ステンレス）については、市販の鋼板を用いて、実施例の軟磁性合金試料と同様の測定を実施した。
表１に、作製した軟磁性合金および市販の鋼板の諸特性を示す。

【0023】

【表1】

【0024】

表１に示すように、実施例１～７の軟磁性合金は、いずれもビッカース硬さが１４５ＨＶ以下であり、絞り加工による成形が十分に可能な硬度であった。また実施例１～６の軟磁性合金は、比較例３の電気亜鉛メッキ鋼板に対して、電気抵抗率２倍、飽和磁化１．２倍の値が得られた。したがって、実施例１～７の軟磁性合金を用いることで、アウターロータ型の永久磁石モータのカップ状のロータコアを絞り加工で製造でき、高効率の永久磁石モータを安価に製造可能である。

【0025】

ＧｅとともにＳｉが添加された比較例２の軟磁性合金は、電気抵抗率および飽和磁化は実施例１～７と同等以上の性能であった。しかし、ビッカース硬さが１４５ＨＶを超えており、カップ状のロータコアを絞り加工で製造できるほどの加工性は得られなかった。ＧｅおよびＧａの１種以上を含む軟磁性合金においては、Ｓｉ添加により所望の加工性を得ることが困難になることが確認された。

【0026】

ＧｅとＧａが合計含有量で５原子％添加された実施例３の軟磁性合金、およびＧｅとＡｌが合計含有量で５原子％添加された実施例４～７の軟磁性合金は、Ｇａ添加の実施例１の軟磁性合金よりも高い電気抵抗率と、Ｇｅ添加の実施例２の軟磁性合金よりも低いビッカース硬さが得られ、高電気抵抗率と高い加工性を両立していた。

【0027】

実施例４～７は、ＧｅとＡｌの合計含有量を５原子％に固定し、ＧｅとＡｌの比率を変化させた試料の評価結果である。実施例４～７のＦｅＧｅＡｌ合金では、Ｇｅの含有率を低く、Ａｌの含有比率を高くするほど、ビッカース硬さは低くなったが、電気抵抗率および飽和磁化はほぼ一定であった。
Ｇｅを含まない比較例１の市販のＦｅ_91.5Ａｌ_8.5合金は、比較例４の電磁鋼板および比較例５の電磁ステンレスよりは高い加工性が得られたが、実施例１～７の軟磁性合金と比較すると加工性および飽和磁化のいずれも劣っていた。

【0028】

＜磁性コアおよびモータ＞
上記実施形態の軟磁性合金は、各種の磁性コアおよびモータに好適に使用できる。
図１はアウターロータ型のモータの一例を示す断面図である。図１に示すように、モータ１０は、ブラケット４０と、ロータ２０と、ステータ３０と、回路基板５０とを備える。

【0029】

図１に示すＺ軸方向は、正の側を「上側」とし、負の側を「下側」とする上下方向である。中心軸Ｊは、Ｚ軸方向と平行であり、上下方向に延びる仮想線である。以下の説明において特に断りのない限り、モータ１０の中心軸Ｊに平行な方向（図示上下方向）を単に「軸方向」と呼び、中心軸Ｊを中心とする径方向を単に「径方向」と呼び、中心軸Ｊを中心とする周方向、すなわち、中心軸Ｊの軸回り方向を単に「周方向」と呼ぶ。

【0030】

ブラケット４０は、基板支持部４１と軸受部４３とを有する。本実施形態において基板支持部４１と軸受部４３は単一部材の一部である。基板支持部４１は、板面が軸方向と直交する板状である。基板支持部４１は、軸方向に沿って見て、中心軸Ｊを中心とする円形状である。

【0031】

軸受部４３は、基板支持部４１の中央部から軸方向に延びる筒状である。軸受部４３は、中心軸Ｊを中心とし、軸方向両側に開口する円筒状である。軸受部４３の径方向外側にステータ３０が保持されている。

【0032】

ロータ２０は、シャフト２１と、マグネット保持部２２と、マグネット２３とを有する。シャフト２１は、中心軸Ｊに沿って配置される。シャフト２１は、中心軸Ｊを中心として軸方向に延びる円柱状である。シャフト２１は、軸受部４３の内部に嵌め合わされる。シャフト２１の外周面と軸受部４３の内周面との間には、隙間が設けられる。シャフト２１は、軸受部４３によって中心軸Ｊ回りに回転可能に支持される。シャフト２１の上側の端部は、軸受部４３よりも上側に突出する。シャフト２１の下側の端部は、ブラケット４０によって下側から支持される。

【0033】

マグネット保持部２２は、シャフト２１の上側の端部に固定される。マグネット保持部２２は、基部２２ａと、筒部２２ｂとを有する。基部２２ａは、シャフト２１の上側の端部における外周面に固定され、シャフト２１から径方向外側に向かって拡がる。基部２２ａは、ステータ３０の上側を覆う。筒部２２ｂは、基部２２ａの径方向外周縁部から下側に延びる筒状である。筒部２２ｂは、中心軸Ｊを中心とする円筒状である。マグネット２３は、筒部２２ｂの内周面に固定される。

【0034】

マグネット保持部２２は、上記実施形態の軟磁性合金からなる。すなわち、マグネット保持部２２は、磁性コアであり、モータ１０のロータコアである。マグネット保持部２２は、下側に開口するカップ状である。上記実施形態の軟磁性合金は、従来のＦｅＳｉ系合金の電磁鋼板と比較して加工性に優れているので、カップ状のマグネット保持部２２を、例えば絞り加工によって製造することができる。これにより、マグネット保持部２２を低コストで効率よく製造可能である。また、上記実施形態の軟磁性合金は、電磁鋼板と同等の高い電気抵抗率が得られるため、ロータ２０における渦電流損を小さくでき、高効率のモータ１０を実現できる。

【0035】

ステータ３０は、回路基板５０の上側に配置される。ステータ３０は、ロータ２０と径方向に隙間を介して対向する。ステータ３０は、ステータコア３１と、複数のコイル３２と、を有する。ステータコア３１は、マグネット２３の径方向内側に隙間を介して対向して配置される。ステータコア３１の一部または全体を、上記実施形態の軟磁性合金を用いて製造してもよい。

【0036】

複数のコイル３２は、ステータコア３１に装着される。具体的に、コイル３２は、ステータ３０のティース３１ｂにコイル線が巻き回されて構成される。コイル３２の一端側は、回路基板５０に電気的に接続される。

【0037】

回路基板５０は、板面が軸方向と直交する板状である。回路基板５０は、ステータ３０の下側に配置される。本実施形態において回路基板５０は、基板支持部４１の上側に配置される。これにより、基板支持部４１は、ステータ３０と回路基板５０との軸方向の間に配置される。回路基板５０は、基板支持部４１に固定される。具体的に、回路基板５０の下側の面である下面５０ａは、基板支持部４１の上面に固定される。回路基板５０の上側の面である上面５０ｂには、配線パターンおよび各素子（不図示）が設けられる。回路基板５０の上面５０ｂに設けられた配線パターンおよび各素子によって、例えば、インバータ回路が構成される。

【0038】

回路基板５０には、リードケーブル６０が接続される。リードケーブル６０は例えば回路基板５０に電源および制御信号を供給するケーブルである。リードケーブル６０は、先端に金属端子６１ａを有する。金属端子６１ａは、回路基板５０を上下に貫通する貫通孔５１に挿入される。金属端子６１ａは、はんだ等により回路基板５０に固定され、回路基板５０上の配線と電気的に接続される。

【0039】

以上に説明した実施形態は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において構成の変更等が可能である。また、上記実施形態について説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施形態とすることも可能である。また、詳細な説明および図面に記載された事項には、課題解決に必須ではない構成要素を含む場合がある。

【符号の説明】

【0040】

１０…モータ、２２…マグネット保持部（磁性コア）

【図1】