複合磁性部材およびモータ
【課題】 複合磁性部材の弱磁性部における巨視的な割れや変形、寸法精度の問題を解決し、更に生産効率が高く、比較的低コストな複合磁性部材およびこれを用いたモータを提供する。
【解決手段】 強磁性素材の外周側に複数の連結部が形成される如き空隙を有し、前記連結部は、非溶融のオーステナイトを主体とする金属組織に内部より加熱変態させた弱磁性部であり、且つ、前記弱磁性部は、複数の全ての連結部の中央部を含む領域に形成されている複合磁性部材。
【解決手段】 強磁性素材の外周側に複数の連結部が形成される如き空隙を有し、前記連結部は、非溶融のオーステナイトを主体とする金属組織に内部より加熱変態させた弱磁性部であり、且つ、前記弱磁性部は、複数の全ての連結部の中央部を含む領域に形成されている複合磁性部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一の素材で強磁性部と弱磁性部を具備する複合磁性部材およびこれを用いたモータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、本発明者は、単一の素材で強磁性部と弱磁性部を具備する複合磁性部材を提案してきている（例えば、特開２０００−１０４１４２号公報（特許文献１参照））。例えば、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ系を基本組成とする合金は、Ａ３変態点以下での焼鈍処理によりフェライト＋炭化物相とすると強磁性を示す。一方、高温での溶体化処理により炭化物を固溶させてオーステナイト相とすると弱磁性化する。
この現象を利用して、フェライト＋炭化物相でなる素材を部分的に高温加熱してオーステナイト化すると、強磁性体中に弱磁性部を具備した複合磁性部材を得ることができる。この複合磁性部材は、単一組成でなる部材中に、磁束を通す強磁性部と磁束を通さない（通し難い）弱磁性部を併せ持つことができるので、磁気回路用の部材として適している。また、磁気回路を製造する際にも、強磁性の部材と弱磁性の部材を別々に準備する必要が無く、更に、これらの別部材を接合や溶接によって一体化する必要も無いので、製造工程が簡略化できて便利である。
【０００３】
この複合磁性部材の特徴を活かした応用例の一つとして、本発明者らは、モータの回転子を提案している（例えば、特開２００１−２５１８２２号公報（特許文献２参照））。磁気抵抗効果を利用したリラクタンスモータの回転子は、図１に示すように、回転子の内部にフラックスバリアと呼ばれる空隙部（１）を形成し、磁束が通り易いｄ軸方向と磁束が通り難いｑ軸方向を作製する。
固定子からの界磁により回転子が磁化されると、ｄ軸方向のインダクタンスＬｄは、ｑ軸方向のインダクタンスＬｑと比較して大きくなる。リラクタンスモータにおいて高いトルクを得るためには、突極比と呼ばれるＬｄ／Ｌｑ値を大きくする必要がある。
【０００４】
従来、このリラクタンスモータの回転子には、珪素鋼鈑が使用されてきた（例えば、電気学会論文誌ｄ １１６巻６号，１９９６年（非特許文献１参照））。但し、珪素鋼鈑を使用した回転子では、回転子外周の連結部（２）に強磁性体が残るため、Ｌｄ／Ｌｑ値を十分に大きくすることができず、改善が望まれていた。また、Ｌｄ／Ｌｑ値を大きくするために、連結部（２）の幅を小さくした場合には回転子の機械的強度の低下が問題となっていた。
上述した特許文献２では、回転子に複合磁性部材を用いて連結部（２）を弱磁性化し、回転子の機械的強度を損なうことなくＬｄ／Ｌｑ値を大きくすることを提案した。この提案は、リラクタンスモータにおいて、高効率と高強度の特性を両立させたという点で優れた技術である。
【０００５】
複合磁性部材を製造する場合には、強磁性体でなる複合磁性部材用素材に対し、部分的な加熱処理を施して強磁性体中に弱磁性部を形成することが必要である。
この部分的な加熱方法として、従来、弱磁性化箇所に局所的にレーザ照射する方法が行われており、上述した特許文献２においても、回転子外周の連結部（２）は、レーザ照射により弱磁性化することを提案している。
レーザ照射は、高密度のエネルギーを局所に集中させる方法であり、弱磁性部を形成する際の有力な手段の一つである。
また、特許文献２には加熱手段として高周波加熱の紹介もあるが、狭い領域の部分加熱にはあまり有効ではないという認識である。
さらに、特開平９−０９３８８５号公報（特許文献３）として「リラクタンスモータ」に関する発明、特開２０００−２２５４７４号公報（特許文献４）として「高周波誘導加熱方法及びその装置」に関する発明、特開２００２−１２９２９４号公報（特許文献５）として「高飽和磁束密度複合磁性部材及び該部材を用いて成るモータ」に関する発明、及び、特開２００２−００８９１６号公報（特許文献６）として「複合磁性部材とその製造方法」に関する発明が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１０４１４２号公報
【特許文献２】特開２００１−２５１８２２号公報
【特許文献３】特開平９−０９３８８５号公報
【特許文献４】特開２０００−２２５４７４号公報
【特許文献５】特開２００２−１２９２９４号公報
【特許文献６】特開２００２−００８９１６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】電気学会論文誌ｄ １１６巻６号，１９９６年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明者らの検討によると、特許文献２で示すようなレーザ照射により弱磁性部を形成する方法では、照射部の少なくとも表面部分、好ましくは弱磁性部全体を溶融凝固させる必要がある。
溶融を伴う熱処理を行うと、溶融後の凝固時に引けが生じる場合や、溶融時に肉盛りが生じる場合があり、弱磁性部において巨視的な割れや変形が生じるという問題がある。また、溶融凝固組織にはデンドライトが形成され、ミクロ偏析等の凝固欠陥が生じるので、回転子の機械的強度の点からも問題となる。更には、レーザ照射では、複合磁性部材用素材の外部より入射するレーザ光のエネルギーによる加熱なので、レーザ照射した側の面と、その反対側の面とでは、形成される弱磁性部の幅が異なるという問題がある。
【０００９】
それ故、照射部の幅を厳密に制御することは難しく、弱磁性部において狙い通りの寸法が得られ難いという問題がある。
例えば、モータ回転子のように精密な形状と寸法精度が要求される用途に複合磁性部材を実用化するに当たっては、この弱磁性部における巨視的な割れや変形、寸法精度の悪さが問題となっており、改善が望まれていた。また、レーザ照射では複数の弱磁性部を同時に加熱することが難しいので生産効率が悪く、また設備コストも高いことから、より生産効率が高く、低コストな加熱方法による複合磁性部材が望まれていた。
【００１０】
このような観点から、非溶融の低コストな熱処理方法により弱磁性部を形成する方法として、本発明者の提案による特許文献１あるいは特許文献２には、高周波加熱による熱処理を提案している。しかしながら、単純に高周波コイルを加熱したい箇所に近接させて加熱する方式では、加熱領域が広くなりすぎ、所定の部分のみを加熱することができないという問題があり、採用されてこなかった。
本発明の目的は、複合磁性部材の弱磁性部における巨視的な割れや変形、寸法精度の問題を解決し、更に生産効率が高く、比較的低コストな複合磁性部材およびこれを用いたモータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は従来の高周波コイルを近接させ、その部分を加熱するという高周波コイルのみに着目した従来の加熱方法ではなく、高周波コイルにより発生する電流と、被加熱対象物の形状との関係に着目し、被加熱対象物の形状を調整することで特定の箇所の加熱により弱磁性部の形成を可能にして本発明に到達したものである。
即ち本発明は、強磁性素材の外周側に複数の連結部が形成される如き空隙を有し、前記連結部は、非溶融のオーステナイトを主体とする金属組織に内部より加熱変態させた弱磁性部であり、且つ、前記弱磁性部は、複数の全ての連結部の中央部を含む領域に形成されている複合磁性部材である。
【００１２】
好ましくは、上記強磁性素材は板状である複合磁性部材である。
更に好ましくは、強磁性部の飽和磁化量が１．２Ｔ以上、弱磁性部の飽和磁化量が０．５Ｔ以下とする複合磁性部材である。
更に好ましくは、強磁性素材は、同形状で複数枚の板状であって、連結部が一致するように積層されている複合磁性部材である。
本発明に用いる強磁性素材の好ましい化学組成は、質量％でＣ：０．３０〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜２．０％、Ｍｎ：０．１０〜４．０％、Ｎｉ：４．０％以下（０を含む）、Ｃｒ：４．０〜２０．０％、Ａｌ：２．０％以下（０を含む）、残部が実質的にＦｅの組成でなる複合磁性部材である。
【００１３】
また本発明は、前記複合磁性部材をモータのロータコアとし、弱磁性部はロータコア内の磁束遮断域とする、上記の複合磁性部材を用いたモータである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、複合磁性部材の弱磁性部における巨視的な割れや変形、寸法精度の悪さの問題を飛躍的に改善した複合磁性部材および該複合磁性部材を用いてなるモータを提供することができる。本発明は、複合磁性部材を、モータ回転子のような精密な形状と寸法精度が要求される用途に実用化するに当たって欠くことのできない技術となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】複合磁性部材を用いてなるモータ回転子を示す模式図である。
【図２】本発明の複合磁性部材用素材を示す模式図である。
【図３】本発明の複合磁性部材の製造方法を示す模式図である。
【図４】本発明の複合磁性部材の弱磁性部のエックス線回折図形である。
【図５】本発明の複合磁性部材の弱磁性部と周辺部の光学顕微鏡観察組織である。
【図６】比較例の複合磁性部材の弱磁性部と周辺部の光学顕微鏡観察組織である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の複合磁性部材について説明する。
本発明の複合磁性部材は、内部より加熱変態させた弱磁性部を形成しているという特徴をもつ。製造方法については後に詳述するが、外部から局所的にエネルギーを与えるレーザや、高周波コイルを近接させ近接部表面のみを発熱させる局所的な加熱ではなく、図３に示すように、高周波コイルにより、強磁性素材の外周を囲み、高周波を印可して高周波による誘起電流と、空隙に起因する抵抗と、空隙による熱の拡散の阻害によって、複数の全ての連結部を内部より加熱変態できたものである。
そして、図５に示すように、高周波コイルの加熱により、連結部の中央部を含む領域を非溶融のオーステナイトを主体とする金属組織とすることができ、寸法精度の高い複合磁性材料となるものである。
【００１７】
なお、本発明において、加熱変態したオーステナイトを主体とする組織において、弱磁性部をエックス線回折により分析した際、検出されるすべての相のピーク強度の総和の内、７０％以上をオーステナイト相のピークが占める組織とすることが望ましい。オーステナイト量が、この範囲にまで多くなっていれば、弱磁性部としてより有効に作用する。なお、オーステナイトを主体とする組織において、組織中に若干量の未固溶炭化物や介在物、マルテンサイト等が含まれていてもよい。
なお、本発明の複合磁性部材やモータにおいて、空隙は、空隙のままであっても良いが、強度向上のためなどに樹脂などを充填して用いても良い。また、上述したように磁石を内装しても良いものである。
【００１８】
本発明の複合磁性部材では、上述した加熱方法を採用するため、外部からの局所的な加熱方法とは異なり、連結部における弱磁性部の外周側の幅と内周側の幅をほぼ均等とすることもできる。
従来のレーザ照射では、必然的に照射した側の面が広く、その反対側の面は狭くなってしまうのとは異なる効果である。具体的には、弱磁性部の外周側の幅Ｗθ１と内周側の幅Ｗθ２の比Ｗθ１／Ｗθ２を０．９〜１．１とすることもできる。
【００１９】
なお、溶融凝固させた従来のレーザ照射による製造方法で得られる複合磁性部材を図６に示し、高周波コイルにより、強磁性素材の外周を囲み、高周波を印可して高周波による誘起電流と、空隙に起因する抵抗と、空隙による熱の拡散の阻害によって、複数の全ての連結部を内部より加熱変態させた製造方法で得られる複合磁性部材を図５に示す。
図５及び図６は弱磁性部を形成した複合磁性部材の上面からの顕微鏡写真であり、平面研磨後に王水によるエッチングを行ったものであり、白く見える場所が弱磁性部である。その両側には熱影響部（薄い灰色に見える）が存在し、強磁性部（灰色に見える）となっている。
図５及び図６に示す弱磁性部の形状から、本発明の弱磁性部は割れや変形もないことが分かる。
【００２０】
この本発明の複合磁性部材は上述したように、弱磁性部の割れや変形が防止できることから、精密な形状と寸法精度が要求される用途であるモータの回転子に好適である。モータの回転子の一例を示すと、例えば上述のフラックスバリアと呼ばれる空隙部を有したモータでは、例えば図１に示すように円盤状の板材に空隙部（１）が形成され、連結部（２）に弱磁性部が形成された形態となる。このモータの回転子は、高い突極比を得ることができるので、リラクタンスモータとして活用することができるし、また、空隙部（１）の中に永久磁石を埋め込めば、内部磁石型のモータとしても適用できる。
【００２１】
本発明の複合磁性部材を用いた回転子の強磁性部の飽和磁化量は１．２Ｔ以上とすることができ、また弱磁性部の飽和磁化量は０．５Ｔ以下とすることができる。強磁性部と弱磁性部の飽和磁化量がこの範囲内であれば、複合磁性部材が、モータ回転子となった際の突極比（Ｌｄ／Ｌｑ値）を十分に大きくすることができるので、モータ回転子に要求された磁気特性を十分に満足できるものである。
なお、化学組成を本発明で規定する好ましい範囲に調整することで、強磁性部の飽和磁化量は１．４Ｔ以上とすることができ、また弱磁性部の飽和磁化量は０．３Ｔ以下とすることも可能である。
【００２２】
次に、好ましい範囲として、本発明に適用される複合磁性部材の素材の化学組成を規定した理由を述べる。なお、ここで示す単位は特に示さない限り質量％として示す。
Ｃ：０．３０〜１．２０％
Ｃは、オーステナイト形成元素として、弱磁性部の形成に有効な元素である。但し、０．３０％未満では効果が小さく、逆に１．２０％を超える範囲では、素材の加工性が悪くなるので、０．３０〜１．２０％に規定した。
Ｓｉ：０．１０〜２．０％
Ｓｉは、素材の軟磁気特性を向上させる効果がある元素である。但し、０．１０％未満では効果が小さく、逆に２．０％を超える範囲では、素材の加工性が悪くなるので、０．１０〜２．０％に規定した。
【００２３】
Ｍｎ：０．１０〜４．０％
Ｍｎは、オーステナイト形成元素として、弱磁性部の形成に有効な元素である。但し、０．１０％未満では効果が小さく、逆に４．０％を超える範囲では、素材の加工性が悪くなるので、０．１０〜４．０％に規定した。
Ｎｉ：４．０％以下（０を含む）
Ｎｉも、オーステナイト形成元素として、弱磁性部の形成に有効な元素であり、特定量の範囲で添加が可能である。但し、素材コストを上げるので、コストを抑えたい場合には無添加でも構わない。Ｎｉを添加する場合、４．０％を超えると素材の加工性が著しく悪くなるので、Ｎｉの範囲は、４．０％以下（０を含む）とした。
【００２４】
Ｃｒ：４．０〜２０．０％
Ｃｒは、素材の耐食性を高め、更に電気抵抗率を高める効果がある。また、弱磁性部の残留オーステナイトを安定化させる効果もある。但し、４．０％未満では、それぞれの効果が小さく、また２０．０％を超える範囲では、素材の飽和磁化量が著しく低下するとともに、加工性が悪くなるので、４．０〜２０．０％に規定した。
Ａｌ：２．０％以下（０を含む）
Ａｌは、Ｓｉと同様に、素材の軟磁気特性を向上させる効果がある元素であり、特定量の範囲で添加が可能である。但し、介在物を形成して素材の加工性を悪くするので、無添加でも良い。また、２．０％を超える範囲では、素材の加工性が悪くなるので、２．０％以下（０を含む）と規定した。
なお、複合磁性部材用素材の組成は、残部が実質的にＦｅでなることとするが、不可避不純物としてのＰ、Ｓ、Ｏ、Ｎは当然含まれる。これらの元素は、素材の磁気特性や加工性に特に影響しない範囲として、各々、０．１％以下の範囲で含有しても良い。
【００２５】
上述した組成の材料は、（フェライト＋炭化物）を主体とする強磁性の組織に容易に調整できるものである。そして、加熱により弱磁性のオーステナイトを形成できる。つまり、フェライト相は強磁性体であるが、加熱により炭化物を固溶させると弱磁性のオーステナイト相が安定化するため複合磁性部材を形成するのに適するのである。
【００２６】
次に、本発明の複合磁性部材の製造方法について説明する。
本発明では、弱磁性部の形成方法として高周波加熱を選択し、弱磁性部における巨視的な割れや変形、寸法精度の問題を解決する。
まず、弱磁性部を形成するための加熱方法として、高周波による加熱とした第一の理由は、前述したように、非溶融の加熱方法により弱磁性部を形成し、弱磁性部における巨視的な割れや変形をなくし、更に寸法精度を高めることができる最良の方法であるからである。
高周波による加熱では被加熱体（本発明では複合磁性部材用の素材）の表面に発生する誘起電流と素材の電気抵抗によりジュール熱が発生する。このジュール熱により素材は自己発熱する。この自己発熱方式は、表面焼入れのように非溶融の熱処理が可能な方法である。
従って、レーザ加工のように複合磁性部材用の強磁性素材を溶融させることなく、強磁性素材の一部に弱磁性部を形成することができる。
【００２７】
本発明の複合磁性部材の製造方法においては、強磁性素材の外周側に連結部が形成される如き空隙を形成するといった形状の調整を行なう。
上述したように、高周波を印可すると被加熱体には、誘起電流が発生するが、外周側、すなわち高周波を印可される側に、連結部が形成される如き形状となっていると、空隙部分は電流が流れることができないため、連結部を流れる電流密度が、他の部分を流れる電流密度よりも高くなる。そのため、連結部のみを高温にすることができる。
【００２８】
本発明では例えば図３ように、この高周波加熱コイル（４）と空隙部（３）との間に位置する強磁性素材の部分に複数の連結部（２）を形成し、強磁性素材の外周部より高周波を印可することで、空隙部に隣り合う外周側の全ての連結部（２）の中央部を含む領域に弱磁性部を形成することができるのである。
【００２９】
この優先的な自己発熱方式では、複合磁性部材の弱磁性部の寸法精度は、複合磁性部材用素材における弱磁性化箇所の寸法精度と大きな違いはなくなる。すなわち、複合磁性部材用素材の弱磁性化箇所の加工精度を高めれば、複合磁性部材においても寸法精度の高い弱磁性部が得られる。
この方法によれば、複合磁性部材用素材の外部からレーザ照射して弱磁性部を形成する場合と比較して、格段に寸法精度の高い弱磁性部を形成できるし、また、加熱方法を高周波加熱とすると製造コストを安価にできるという利点も有る。
なお、強磁性素材は空隙を形成し易い形状のものを用いるのが良く、プレス打抜きやエッチング等の加工によって空隙部が形成し易い板状の強磁性素材とするのが良い。
【００３０】
板材を用いた場合には、板材の強磁性素材を積層して高周波加熱による弱磁性部の形成を一度にすることもでき、生産効率を飛躍的に高めることができる。このとき、連結部が形成される如き空隙を同形状として、これらの強磁性素材を連結部が一致するように積層させることが好ましい。
高周波による加熱は、高周波の発生源からの距離の影響を受けるため、効率を考えると、同一外径をもつ板材の強磁性素材を使用して、積層方向から見て同一の形状とすることが望ましい。また、個々の板材の板厚も同じとすることが製造上は有利である。
なお、積層状態での加熱を行う場合には、場所による加熱ムラをなくすために、強磁性材料を相対的に移動させることが好ましい。相対的にとは、材料側でも高周波発生側でも良いという意味である。なお、モータのロータコアとする場合は、円板形状の積層した素材に対して、外周側に高周波コイルを設置し、素材を回転させながら、さらに上下方向に移動させて加熱することがより望ましいものとなる。
【００３１】
上述の製造方法を適用した場合、寸法精度の高い弱磁性部を形成できるし、製造コストを安価にできるという利点があり、モータの製造方法として最適である。
モータのロータコアとして本発明を適用する場合は、モータのロータコアとして前記強磁性素材を用い、弱磁性部はロータコア内の磁束遮断域とすることになる。
いわゆるリラクタンス型のモータのロータコアでは、本発明の空隙をフラックスバリアとして適用することで、空隙と弱磁性部でロータコアの外周までフラックスバリアを連続させることができるようになる。これにより、リラクタンスモータの性能の評価値である突極比（Ｌｄ／Ｌｑ値）を大きくすることが可能となる。
また、例えば内部磁石型のモータのロータコアとして適用する場合は、空隙は磁石の設置空間やフラックスバリアとすることができ、空隙とそれに続く弱磁性部でロータコアの外周までフラックスバリアを連続させることができるようになる。
【００３２】
高周波による加熱時の条件を以下のように設定すると特に望ましい。
例えば、最外周からの弱磁性化箇所の幅Ｗｒとした場合、複合磁性部材用の強磁性素材の外周部に発生する誘起電流の浸透深さＰ（ｍｍ）は、高周波加熱時の素材の電気抵抗率をρ（μΩ・ｍ）、高周波加熱時の素材の比透磁率をμｒ、高周波加熱時の周波数をｆ［Ｈｚ］とすると、下記の式により表される。
Ｐ＝１．６×｛（ρ×１０５）／（μｒ×ｆ）｝１／２
【００３３】
本発明に対して上述の好ましい組成範囲を有する強磁性素材に弱磁性部を形成するためには、少なくとも１０００℃以上の加熱することが必要である。この温度は、強磁性素材のＣｕｒｉｅ点（約７００℃付近）より高いので、加熱時の弱磁性化箇所の比透磁率μｒは、μｒ＝１である。従って、上記の式は、下記式のように書き換えられる。
Ｐ＝１．６×（ρ×１０５／ｆ）１／２
【００３４】
最外周からの弱磁性化箇所の幅をＷｒ（ｍｍ）を、上記の書き換えた式で表される浸透深さＰよりも小さくしておけば、弱磁性化箇所を流れる電流密度は、外周部の弱磁性化しない箇所を流れる電流密度より高くなる。従って、弱磁性化したい箇所のみが、ジュール熱により優先的に自己発熱する。
また、外周部の弱磁性化しない箇所に発生したジュール熱は、熱伝導により複合磁性部材用素材の内部に拡散するのに対し、弱磁性化箇所に発生したジュール熱は拡散し難い。その理由は、空隙が存在するからである。この点からも弱磁性化したい箇所の温度は高温となり易い。
【００３５】
以上の理由から、最外周からの弱磁性化箇所の幅Ｗｒ（ｍｍ）は、浸透深さＰよりも小さいことが望ましいが、同じ幅であっても良い。それ故、最外周からの弱磁性部の幅をＷｒ（ｍｍ）は、下記式の範囲を満足させると良い。
Ｗｒ≦１．６×（ρ×１０５／ｆ）１／２
なお、好ましい周波数ｆの範囲は、３，０００（Ｈｚ）から１，０００，０００（Ｈｚ）の範囲である。
【実施例】
【００３６】
本実施例で複合磁性部材用の強磁性素材として用いた強磁性素材の化学組成（質量％）を表１に示す。エックス線回折により、この素材は（フェライト＋Ｍ２３Ｃ６型炭化物）相でなることを確認した。なお、強磁性素材は熱間圧延、冷間圧延、焼鈍を繰返して最終的に冷間圧延により０．３５ｍｍの厚みの板材とした。
また、振動試料型磁束計により、１Ｔ（テスラ）の外部磁場を印加した際の飽和磁化量は１．５１Ｔであり強磁性を示していた。
【００３７】
【表１】
【００３８】
板厚０．３５ｍｍの素材にプレス打ち抜き加工を行って、図２に示す形状の直径８０ｍｍの強磁性素材とした。弱磁性化箇所は、図２の複合磁性部材用素材の外周部に存在する８ヶ所の連結部（２）である。
なお、弱磁性化箇所の連結部（２）と隣り合う箇所には、電気絶縁体領域（３）として、プレス打ち抜きで空隙部も形成した。図２の強磁性素材において、最外周からの弱磁性化箇所の幅Ｗｒ（ｍｍ）は、１．２ｍｍである。
【００３９】
図２の複合磁性部材用の強磁性素材の１枚を、図３に示すように高周波加熱コイル（４）内に設置し、強磁性素材の外周側より周波数ｆ＝２５，０００（Ｈｚ）の条件で高周波を印可し、加熱を行った。
高周波加熱により、８ヶ所の連結部（２）が同時に自己発熱を起こし、連結部の中央部を含む領域が赤くなる様子が観察された。放射温度計により発熱した連結部（２）の温度を測温したところ、約１２００℃に昇温していた。
表１の複合磁性部材用素材の１２００℃での電気抵抗率ρは、１．２（μΩ・ｍ）である。従って、この条件下で複合磁性部材用素材の外周部に生じている誘起電流の浸透深さＰ（ｍｍ）は、上記式より、Ｐ＝１．６×（ρ×１０５／ｆ）１／２＝３．５（ｍｍ）となる。
本実施例では、最外周からの弱磁性化箇所の幅Ｗｒ（ｍｍ）を１．２ｍｍとしており、複合磁性部材用素材が関係式Ｗｒ≦１．６×（ρ×１０５／ｆ）１／２を満たすように形成されている。それ故、上述した連結部（２）のみの優先的な自己発熱が可能であった。
【００４０】
次に、図２に示す複合磁性部材用の強磁性素材を１００枚積層した状態で弱磁性部を形成するための高周波加熱を行った。
この時の複合磁性材の強磁性素材は、予め同形状として連結部が一致するように積層した状態とした。
場所による加熱ムラをなくすため、積層した素材を５００ｒｐｍの速度で回転させながら、上下方向に４ｍｍ／Ｓの速度で移動させた。加熱後の外観を確認したところ、１枚の素材を加熱した時と同様に、８ヶ所の連結部（２）のみが、自己発熱していた。
【００４１】
上述の方法により、部分的に自己発熱した１００枚のうちの１枚を取り出し、弱磁性化箇所の磁性測定用試料として、連結部（２）（＝自己発熱部）の内の１ヶ所を切出した。また、外周部の弱磁性化しない箇所として、連結部（２）と隣り合う外周部の強磁性部からも２ｍｍ×３ｍｍ程度の磁性測定用試料を切り出した。
振動試料型磁束計を用いて、１Ｔ（テスラ）の外部磁場を印加した際の各箇所の飽和磁化量を測定したところ、連結部（２）の飽和磁化量は０．２０Ｔであり、連結部（２）と隣り合う外周部の強磁性部の飽和磁化量は１．５１Ｔであった。
【００４２】
この結果より、連結部（２）は弱磁性部になること、及び外周部の連結部以外の強磁性部においては、複合磁性部材用素材の強磁性の特性が保たれていることが分かる。
上述の製造方法により、本実施例の複合磁性部材用素材は、一体の部材中に強磁性部と弱磁性部を併せ持つ複合磁性部材となった。強磁性部と弱磁性部のそれぞれの飽和磁化量が上記のレベルであれば、例えば、モータ回転子としても、十分に使用できるものとなっていた。
【００４３】
上述の複合磁性部材の弱磁性部を微小部エックス線回折により分析した結果を図４に示す。図４より、オーステナイト相（γ）とマルテンサイト相（α’）が検出されている。また、検出されるすべてのピークに対するオーステナイト相のピークの比率は８０．７％であり、オーステナイトを主体とする組織でなることが分かる。また、弱磁性部とその周辺部の組織を光学顕微鏡により観察した結果を図５に示す。図５で白く見える連結部の中央部を含む領域が弱磁性部であり、弱磁性部の拡大組織を顕微鏡観察することにより、弱磁性部はデンドライトの無い非溶融組織であることを確認した。
また、強磁性部の金属組織も確認したところ、強磁性素材と同様の（フェライト＋Ｍ２３Ｃ６型炭化物）相となっていた。
また、図５に示すように弱磁性部には巨視的な割れや変形は無いことが分かる。更に、弱磁性部の外周側の幅Ｗθ１は３．４４ｍｍであり、内周側の幅Ｗθ２は３．３６ｍｍであるので、両者の比Ｗθ１／Ｗθ２は１．０２となっていた。
【００４４】
一方、比較例の製造方法として、ＣＯ２レーザを用いた溶融凝固処理により複合磁性部材を作製した。複合磁性部材用素材の化学組成は、表１と同じである。
複合磁性部材用素材の形状も図２の形状と同様とし、１００枚の素材を積層して外周部に位置する連結部を弱磁性化箇所した。
ＣＯ２レーザの入熱量は、７０（Ｊ／ｍｍ２）であった。ＣＯ２レーザを用いた製造方法では、積層した素材の側面からレーザビームを照射し、連結部全体を溶融凝固させた。
溶融凝固後の連結部の飽和磁化量は０．１８Ｔであり、弱磁性部は形成された。
【００４５】
比較例の製造方法により作製した複合磁性部材の弱磁性部と周辺部の組織を図６に示す。図６で白く見える部分が弱磁性部である。弱磁性部の拡大組織を顕微鏡観察したところ、デンドライトが観察された。
図６より、この方法により作製した複合磁性部材では、凝固時の引けや溶融時の肉盛りが生じており、結果として弱磁性部に巨視的な割れや変形が生じている。また、弱磁性部の外周側の幅Ｗθ１は１．８３ｍｍであり、内周側の幅Ｗθ２は１．５９ｍｍであるので、両者の比Ｗθ１／Ｗθ２は１．１５となっており、本発明方法を適用した複合磁性部材と比較し、弱磁性部の外側と内側との幅にバラツキが大きいものとなっていた。
以上の実施例から、本発明の高周波加熱による製造方法では、非溶融の加熱によって弱磁性部を形成することができ、ひいては弱磁性部における巨視的な割れや変形が無く、寸法精度も高い複合磁性部材を製造できることが分かる。一方、比較例のレーザを用いた製造方法では、溶融を伴う熱処理であるため、弱磁性部における巨視的な割れや変形が発生し、寸法精度も劣っている。
【００４６】
本発明の複合磁性部材を図１に示す回転子とした。
回転子は、リラクタンスモータ用であり、空隙はリラクタンスモータ用ロータコアのフラックスバリアとし、弱磁性部の連結部は突極部域とした。
この回転子は、弱磁性部において巨視的な割れや変形が無く、狙い通りの寸法精度が得られているので、複合磁性部材を用いた回転子の特徴である高い突極比（Ｌｄ／Ｌｑ値）と高い強度特性を最大限に発揮することができる。それ故、この回転子を有するモータは、高効率モータとして実用に供することが、十分可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１．空隙部、２．連結部、３．電気絶縁体領域、４．高周波加熱コイル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一の素材で強磁性部と弱磁性部を具備する複合磁性部材およびこれを用いたモータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、本発明者は、単一の素材で強磁性部と弱磁性部を具備する複合磁性部材を提案してきている（例えば、特開２０００−１０４１４２号公報（特許文献１参照））。例えば、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ系を基本組成とする合金は、Ａ３変態点以下での焼鈍処理によりフェライト＋炭化物相とすると強磁性を示す。一方、高温での溶体化処理により炭化物を固溶させてオーステナイト相とすると弱磁性化する。
この現象を利用して、フェライト＋炭化物相でなる素材を部分的に高温加熱してオーステナイト化すると、強磁性体中に弱磁性部を具備した複合磁性部材を得ることができる。この複合磁性部材は、単一組成でなる部材中に、磁束を通す強磁性部と磁束を通さない（通し難い）弱磁性部を併せ持つことができるので、磁気回路用の部材として適している。また、磁気回路を製造する際にも、強磁性の部材と弱磁性の部材を別々に準備する必要が無く、更に、これらの別部材を接合や溶接によって一体化する必要も無いので、製造工程が簡略化できて便利である。
【０００３】
この複合磁性部材の特徴を活かした応用例の一つとして、本発明者らは、モータの回転子を提案している（例えば、特開２００１−２５１８２２号公報（特許文献２参照））。磁気抵抗効果を利用したリラクタンスモータの回転子は、図１に示すように、回転子の内部にフラックスバリアと呼ばれる空隙部（１）を形成し、磁束が通り易いｄ軸方向と磁束が通り難いｑ軸方向を作製する。
固定子からの界磁により回転子が磁化されると、ｄ軸方向のインダクタンスＬｄは、ｑ軸方向のインダクタンスＬｑと比較して大きくなる。リラクタンスモータにおいて高いトルクを得るためには、突極比と呼ばれるＬｄ／Ｌｑ値を大きくする必要がある。
【０００４】
従来、このリラクタンスモータの回転子には、珪素鋼鈑が使用されてきた（例えば、電気学会論文誌ｄ １１６巻６号，１９９６年（非特許文献１参照））。但し、珪素鋼鈑を使用した回転子では、回転子外周の連結部（２）に強磁性体が残るため、Ｌｄ／Ｌｑ値を十分に大きくすることができず、改善が望まれていた。また、Ｌｄ／Ｌｑ値を大きくするために、連結部（２）の幅を小さくした場合には回転子の機械的強度の低下が問題となっていた。
上述した特許文献２では、回転子に複合磁性部材を用いて連結部（２）を弱磁性化し、回転子の機械的強度を損なうことなくＬｄ／Ｌｑ値を大きくすることを提案した。この提案は、リラクタンスモータにおいて、高効率と高強度の特性を両立させたという点で優れた技術である。
【０００５】
複合磁性部材を製造する場合には、強磁性体でなる複合磁性部材用素材に対し、部分的な加熱処理を施して強磁性体中に弱磁性部を形成することが必要である。
この部分的な加熱方法として、従来、弱磁性化箇所に局所的にレーザ照射する方法が行われており、上述した特許文献２においても、回転子外周の連結部（２）は、レーザ照射により弱磁性化することを提案している。
レーザ照射は、高密度のエネルギーを局所に集中させる方法であり、弱磁性部を形成する際の有力な手段の一つである。
また、特許文献２には加熱手段として高周波加熱の紹介もあるが、狭い領域の部分加熱にはあまり有効ではないという認識である。
さらに、特開平９−０９３８８５号公報（特許文献３）として「リラクタンスモータ」に関する発明、特開２０００−２２５４７４号公報（特許文献４）として「高周波誘導加熱方法及びその装置」に関する発明、特開２００２−１２９２９４号公報（特許文献５）として「高飽和磁束密度複合磁性部材及び該部材を用いて成るモータ」に関する発明、及び、特開２００２−００８９１６号公報（特許文献６）として「複合磁性部材とその製造方法」に関する発明が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１０４１４２号公報
【特許文献２】特開２００１−２５１８２２号公報
【特許文献３】特開平９−０９３８８５号公報
【特許文献４】特開２０００−２２５４７４号公報
【特許文献５】特開２００２−１２９２９４号公報
【特許文献６】特開２００２−００８９１６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】電気学会論文誌ｄ １１６巻６号，１９９６年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明者らの検討によると、特許文献２で示すようなレーザ照射により弱磁性部を形成する方法では、照射部の少なくとも表面部分、好ましくは弱磁性部全体を溶融凝固させる必要がある。
溶融を伴う熱処理を行うと、溶融後の凝固時に引けが生じる場合や、溶融時に肉盛りが生じる場合があり、弱磁性部において巨視的な割れや変形が生じるという問題がある。また、溶融凝固組織にはデンドライトが形成され、ミクロ偏析等の凝固欠陥が生じるので、回転子の機械的強度の点からも問題となる。更には、レーザ照射では、複合磁性部材用素材の外部より入射するレーザ光のエネルギーによる加熱なので、レーザ照射した側の面と、その反対側の面とでは、形成される弱磁性部の幅が異なるという問題がある。
【０００９】
それ故、照射部の幅を厳密に制御することは難しく、弱磁性部において狙い通りの寸法が得られ難いという問題がある。
例えば、モータ回転子のように精密な形状と寸法精度が要求される用途に複合磁性部材を実用化するに当たっては、この弱磁性部における巨視的な割れや変形、寸法精度の悪さが問題となっており、改善が望まれていた。また、レーザ照射では複数の弱磁性部を同時に加熱することが難しいので生産効率が悪く、また設備コストも高いことから、より生産効率が高く、低コストな加熱方法による複合磁性部材が望まれていた。
【００１０】
このような観点から、非溶融の低コストな熱処理方法により弱磁性部を形成する方法として、本発明者の提案による特許文献１あるいは特許文献２には、高周波加熱による熱処理を提案している。しかしながら、単純に高周波コイルを加熱したい箇所に近接させて加熱する方式では、加熱領域が広くなりすぎ、所定の部分のみを加熱することができないという問題があり、採用されてこなかった。
本発明の目的は、複合磁性部材の弱磁性部における巨視的な割れや変形、寸法精度の問題を解決し、更に生産効率が高く、比較的低コストな複合磁性部材およびこれを用いたモータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は従来の高周波コイルを近接させ、その部分を加熱するという高周波コイルのみに着目した従来の加熱方法ではなく、高周波コイルにより発生する電流と、被加熱対象物の形状との関係に着目し、被加熱対象物の形状を調整することで特定の箇所の加熱により弱磁性部の形成を可能にして本発明に到達したものである。
即ち本発明は、強磁性素材の外周側に複数の連結部が形成される如き空隙を有し、前記連結部は、非溶融のオーステナイトを主体とする金属組織に内部より加熱変態させた弱磁性部であり、且つ、前記弱磁性部は、複数の全ての連結部の中央部を含む領域に形成されている複合磁性部材である。
【００１２】
好ましくは、上記強磁性素材は板状である複合磁性部材である。
更に好ましくは、強磁性部の飽和磁化量が１．２Ｔ以上、弱磁性部の飽和磁化量が０．５Ｔ以下とする複合磁性部材である。
更に好ましくは、強磁性素材は、同形状で複数枚の板状であって、連結部が一致するように積層されている複合磁性部材である。
本発明に用いる強磁性素材の好ましい化学組成は、質量％でＣ：０．３０〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜２．０％、Ｍｎ：０．１０〜４．０％、Ｎｉ：４．０％以下（０を含む）、Ｃｒ：４．０〜２０．０％、Ａｌ：２．０％以下（０を含む）、残部が実質的にＦｅの組成でなる複合磁性部材である。
【００１３】
また本発明は、前記複合磁性部材をモータのロータコアとし、弱磁性部はロータコア内の磁束遮断域とする、上記の複合磁性部材を用いたモータである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、複合磁性部材の弱磁性部における巨視的な割れや変形、寸法精度の悪さの問題を飛躍的に改善した複合磁性部材および該複合磁性部材を用いてなるモータを提供することができる。本発明は、複合磁性部材を、モータ回転子のような精密な形状と寸法精度が要求される用途に実用化するに当たって欠くことのできない技術となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】複合磁性部材を用いてなるモータ回転子を示す模式図である。
【図２】本発明の複合磁性部材用素材を示す模式図である。
【図３】本発明の複合磁性部材の製造方法を示す模式図である。
【図４】本発明の複合磁性部材の弱磁性部のエックス線回折図形である。
【図５】本発明の複合磁性部材の弱磁性部と周辺部の光学顕微鏡観察組織である。
【図６】比較例の複合磁性部材の弱磁性部と周辺部の光学顕微鏡観察組織である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の複合磁性部材について説明する。
本発明の複合磁性部材は、内部より加熱変態させた弱磁性部を形成しているという特徴をもつ。製造方法については後に詳述するが、外部から局所的にエネルギーを与えるレーザや、高周波コイルを近接させ近接部表面のみを発熱させる局所的な加熱ではなく、図３に示すように、高周波コイルにより、強磁性素材の外周を囲み、高周波を印可して高周波による誘起電流と、空隙に起因する抵抗と、空隙による熱の拡散の阻害によって、複数の全ての連結部を内部より加熱変態できたものである。
そして、図５に示すように、高周波コイルの加熱により、連結部の中央部を含む領域を非溶融のオーステナイトを主体とする金属組織とすることができ、寸法精度の高い複合磁性材料となるものである。
【００１７】
なお、本発明において、加熱変態したオーステナイトを主体とする組織において、弱磁性部をエックス線回折により分析した際、検出されるすべての相のピーク強度の総和の内、７０％以上をオーステナイト相のピークが占める組織とすることが望ましい。オーステナイト量が、この範囲にまで多くなっていれば、弱磁性部としてより有効に作用する。なお、オーステナイトを主体とする組織において、組織中に若干量の未固溶炭化物や介在物、マルテンサイト等が含まれていてもよい。
なお、本発明の複合磁性部材やモータにおいて、空隙は、空隙のままであっても良いが、強度向上のためなどに樹脂などを充填して用いても良い。また、上述したように磁石を内装しても良いものである。
【００１８】
本発明の複合磁性部材では、上述した加熱方法を採用するため、外部からの局所的な加熱方法とは異なり、連結部における弱磁性部の外周側の幅と内周側の幅をほぼ均等とすることもできる。
従来のレーザ照射では、必然的に照射した側の面が広く、その反対側の面は狭くなってしまうのとは異なる効果である。具体的には、弱磁性部の外周側の幅Ｗθ１と内周側の幅Ｗθ２の比Ｗθ１／Ｗθ２を０．９〜１．１とすることもできる。
【００１９】
なお、溶融凝固させた従来のレーザ照射による製造方法で得られる複合磁性部材を図６に示し、高周波コイルにより、強磁性素材の外周を囲み、高周波を印可して高周波による誘起電流と、空隙に起因する抵抗と、空隙による熱の拡散の阻害によって、複数の全ての連結部を内部より加熱変態させた製造方法で得られる複合磁性部材を図５に示す。
図５及び図６は弱磁性部を形成した複合磁性部材の上面からの顕微鏡写真であり、平面研磨後に王水によるエッチングを行ったものであり、白く見える場所が弱磁性部である。その両側には熱影響部（薄い灰色に見える）が存在し、強磁性部（灰色に見える）となっている。
図５及び図６に示す弱磁性部の形状から、本発明の弱磁性部は割れや変形もないことが分かる。
【００２０】
この本発明の複合磁性部材は上述したように、弱磁性部の割れや変形が防止できることから、精密な形状と寸法精度が要求される用途であるモータの回転子に好適である。モータの回転子の一例を示すと、例えば上述のフラックスバリアと呼ばれる空隙部を有したモータでは、例えば図１に示すように円盤状の板材に空隙部（１）が形成され、連結部（２）に弱磁性部が形成された形態となる。このモータの回転子は、高い突極比を得ることができるので、リラクタンスモータとして活用することができるし、また、空隙部（１）の中に永久磁石を埋め込めば、内部磁石型のモータとしても適用できる。
【００２１】
本発明の複合磁性部材を用いた回転子の強磁性部の飽和磁化量は１．２Ｔ以上とすることができ、また弱磁性部の飽和磁化量は０．５Ｔ以下とすることができる。強磁性部と弱磁性部の飽和磁化量がこの範囲内であれば、複合磁性部材が、モータ回転子となった際の突極比（Ｌｄ／Ｌｑ値）を十分に大きくすることができるので、モータ回転子に要求された磁気特性を十分に満足できるものである。
なお、化学組成を本発明で規定する好ましい範囲に調整することで、強磁性部の飽和磁化量は１．４Ｔ以上とすることができ、また弱磁性部の飽和磁化量は０．３Ｔ以下とすることも可能である。
【００２２】
次に、好ましい範囲として、本発明に適用される複合磁性部材の素材の化学組成を規定した理由を述べる。なお、ここで示す単位は特に示さない限り質量％として示す。
Ｃ：０．３０〜１．２０％
Ｃは、オーステナイト形成元素として、弱磁性部の形成に有効な元素である。但し、０．３０％未満では効果が小さく、逆に１．２０％を超える範囲では、素材の加工性が悪くなるので、０．３０〜１．２０％に規定した。
Ｓｉ：０．１０〜２．０％
Ｓｉは、素材の軟磁気特性を向上させる効果がある元素である。但し、０．１０％未満では効果が小さく、逆に２．０％を超える範囲では、素材の加工性が悪くなるので、０．１０〜２．０％に規定した。
【００２３】
Ｍｎ：０．１０〜４．０％
Ｍｎは、オーステナイト形成元素として、弱磁性部の形成に有効な元素である。但し、０．１０％未満では効果が小さく、逆に４．０％を超える範囲では、素材の加工性が悪くなるので、０．１０〜４．０％に規定した。
Ｎｉ：４．０％以下（０を含む）
Ｎｉも、オーステナイト形成元素として、弱磁性部の形成に有効な元素であり、特定量の範囲で添加が可能である。但し、素材コストを上げるので、コストを抑えたい場合には無添加でも構わない。Ｎｉを添加する場合、４．０％を超えると素材の加工性が著しく悪くなるので、Ｎｉの範囲は、４．０％以下（０を含む）とした。
【００２４】
Ｃｒ：４．０〜２０．０％
Ｃｒは、素材の耐食性を高め、更に電気抵抗率を高める効果がある。また、弱磁性部の残留オーステナイトを安定化させる効果もある。但し、４．０％未満では、それぞれの効果が小さく、また２０．０％を超える範囲では、素材の飽和磁化量が著しく低下するとともに、加工性が悪くなるので、４．０〜２０．０％に規定した。
Ａｌ：２．０％以下（０を含む）
Ａｌは、Ｓｉと同様に、素材の軟磁気特性を向上させる効果がある元素であり、特定量の範囲で添加が可能である。但し、介在物を形成して素材の加工性を悪くするので、無添加でも良い。また、２．０％を超える範囲では、素材の加工性が悪くなるので、２．０％以下（０を含む）と規定した。
なお、複合磁性部材用素材の組成は、残部が実質的にＦｅでなることとするが、不可避不純物としてのＰ、Ｓ、Ｏ、Ｎは当然含まれる。これらの元素は、素材の磁気特性や加工性に特に影響しない範囲として、各々、０．１％以下の範囲で含有しても良い。
【００２５】
上述した組成の材料は、（フェライト＋炭化物）を主体とする強磁性の組織に容易に調整できるものである。そして、加熱により弱磁性のオーステナイトを形成できる。つまり、フェライト相は強磁性体であるが、加熱により炭化物を固溶させると弱磁性のオーステナイト相が安定化するため複合磁性部材を形成するのに適するのである。
【００２６】
次に、本発明の複合磁性部材の製造方法について説明する。
本発明では、弱磁性部の形成方法として高周波加熱を選択し、弱磁性部における巨視的な割れや変形、寸法精度の問題を解決する。
まず、弱磁性部を形成するための加熱方法として、高周波による加熱とした第一の理由は、前述したように、非溶融の加熱方法により弱磁性部を形成し、弱磁性部における巨視的な割れや変形をなくし、更に寸法精度を高めることができる最良の方法であるからである。
高周波による加熱では被加熱体（本発明では複合磁性部材用の素材）の表面に発生する誘起電流と素材の電気抵抗によりジュール熱が発生する。このジュール熱により素材は自己発熱する。この自己発熱方式は、表面焼入れのように非溶融の熱処理が可能な方法である。
従って、レーザ加工のように複合磁性部材用の強磁性素材を溶融させることなく、強磁性素材の一部に弱磁性部を形成することができる。
【００２７】
本発明の複合磁性部材の製造方法においては、強磁性素材の外周側に連結部が形成される如き空隙を形成するといった形状の調整を行なう。
上述したように、高周波を印可すると被加熱体には、誘起電流が発生するが、外周側、すなわち高周波を印可される側に、連結部が形成される如き形状となっていると、空隙部分は電流が流れることができないため、連結部を流れる電流密度が、他の部分を流れる電流密度よりも高くなる。そのため、連結部のみを高温にすることができる。
【００２８】
本発明では例えば図３ように、この高周波加熱コイル（４）と空隙部（３）との間に位置する強磁性素材の部分に複数の連結部（２）を形成し、強磁性素材の外周部より高周波を印可することで、空隙部に隣り合う外周側の全ての連結部（２）の中央部を含む領域に弱磁性部を形成することができるのである。
【００２９】
この優先的な自己発熱方式では、複合磁性部材の弱磁性部の寸法精度は、複合磁性部材用素材における弱磁性化箇所の寸法精度と大きな違いはなくなる。すなわち、複合磁性部材用素材の弱磁性化箇所の加工精度を高めれば、複合磁性部材においても寸法精度の高い弱磁性部が得られる。
この方法によれば、複合磁性部材用素材の外部からレーザ照射して弱磁性部を形成する場合と比較して、格段に寸法精度の高い弱磁性部を形成できるし、また、加熱方法を高周波加熱とすると製造コストを安価にできるという利点も有る。
なお、強磁性素材は空隙を形成し易い形状のものを用いるのが良く、プレス打抜きやエッチング等の加工によって空隙部が形成し易い板状の強磁性素材とするのが良い。
【００３０】
板材を用いた場合には、板材の強磁性素材を積層して高周波加熱による弱磁性部の形成を一度にすることもでき、生産効率を飛躍的に高めることができる。このとき、連結部が形成される如き空隙を同形状として、これらの強磁性素材を連結部が一致するように積層させることが好ましい。
高周波による加熱は、高周波の発生源からの距離の影響を受けるため、効率を考えると、同一外径をもつ板材の強磁性素材を使用して、積層方向から見て同一の形状とすることが望ましい。また、個々の板材の板厚も同じとすることが製造上は有利である。
なお、積層状態での加熱を行う場合には、場所による加熱ムラをなくすために、強磁性材料を相対的に移動させることが好ましい。相対的にとは、材料側でも高周波発生側でも良いという意味である。なお、モータのロータコアとする場合は、円板形状の積層した素材に対して、外周側に高周波コイルを設置し、素材を回転させながら、さらに上下方向に移動させて加熱することがより望ましいものとなる。
【００３１】
上述の製造方法を適用した場合、寸法精度の高い弱磁性部を形成できるし、製造コストを安価にできるという利点があり、モータの製造方法として最適である。
モータのロータコアとして本発明を適用する場合は、モータのロータコアとして前記強磁性素材を用い、弱磁性部はロータコア内の磁束遮断域とすることになる。
いわゆるリラクタンス型のモータのロータコアでは、本発明の空隙をフラックスバリアとして適用することで、空隙と弱磁性部でロータコアの外周までフラックスバリアを連続させることができるようになる。これにより、リラクタンスモータの性能の評価値である突極比（Ｌｄ／Ｌｑ値）を大きくすることが可能となる。
また、例えば内部磁石型のモータのロータコアとして適用する場合は、空隙は磁石の設置空間やフラックスバリアとすることができ、空隙とそれに続く弱磁性部でロータコアの外周までフラックスバリアを連続させることができるようになる。
【００３２】
高周波による加熱時の条件を以下のように設定すると特に望ましい。
例えば、最外周からの弱磁性化箇所の幅Ｗｒとした場合、複合磁性部材用の強磁性素材の外周部に発生する誘起電流の浸透深さＰ（ｍｍ）は、高周波加熱時の素材の電気抵抗率をρ（μΩ・ｍ）、高周波加熱時の素材の比透磁率をμｒ、高周波加熱時の周波数をｆ［Ｈｚ］とすると、下記の式により表される。
Ｐ＝１．６×｛（ρ×１０５）／（μｒ×ｆ）｝１／２
【００３３】
本発明に対して上述の好ましい組成範囲を有する強磁性素材に弱磁性部を形成するためには、少なくとも１０００℃以上の加熱することが必要である。この温度は、強磁性素材のＣｕｒｉｅ点（約７００℃付近）より高いので、加熱時の弱磁性化箇所の比透磁率μｒは、μｒ＝１である。従って、上記の式は、下記式のように書き換えられる。
Ｐ＝１．６×（ρ×１０５／ｆ）１／２
【００３４】
最外周からの弱磁性化箇所の幅をＷｒ（ｍｍ）を、上記の書き換えた式で表される浸透深さＰよりも小さくしておけば、弱磁性化箇所を流れる電流密度は、外周部の弱磁性化しない箇所を流れる電流密度より高くなる。従って、弱磁性化したい箇所のみが、ジュール熱により優先的に自己発熱する。
また、外周部の弱磁性化しない箇所に発生したジュール熱は、熱伝導により複合磁性部材用素材の内部に拡散するのに対し、弱磁性化箇所に発生したジュール熱は拡散し難い。その理由は、空隙が存在するからである。この点からも弱磁性化したい箇所の温度は高温となり易い。
【００３５】
以上の理由から、最外周からの弱磁性化箇所の幅Ｗｒ（ｍｍ）は、浸透深さＰよりも小さいことが望ましいが、同じ幅であっても良い。それ故、最外周からの弱磁性部の幅をＷｒ（ｍｍ）は、下記式の範囲を満足させると良い。
Ｗｒ≦１．６×（ρ×１０５／ｆ）１／２
なお、好ましい周波数ｆの範囲は、３，０００（Ｈｚ）から１，０００，０００（Ｈｚ）の範囲である。
【実施例】
【００３６】
本実施例で複合磁性部材用の強磁性素材として用いた強磁性素材の化学組成（質量％）を表１に示す。エックス線回折により、この素材は（フェライト＋Ｍ２３Ｃ６型炭化物）相でなることを確認した。なお、強磁性素材は熱間圧延、冷間圧延、焼鈍を繰返して最終的に冷間圧延により０．３５ｍｍの厚みの板材とした。
また、振動試料型磁束計により、１Ｔ（テスラ）の外部磁場を印加した際の飽和磁化量は１．５１Ｔであり強磁性を示していた。
【００３７】
【表１】
【００３８】
板厚０．３５ｍｍの素材にプレス打ち抜き加工を行って、図２に示す形状の直径８０ｍｍの強磁性素材とした。弱磁性化箇所は、図２の複合磁性部材用素材の外周部に存在する８ヶ所の連結部（２）である。
なお、弱磁性化箇所の連結部（２）と隣り合う箇所には、電気絶縁体領域（３）として、プレス打ち抜きで空隙部も形成した。図２の強磁性素材において、最外周からの弱磁性化箇所の幅Ｗｒ（ｍｍ）は、１．２ｍｍである。
【００３９】
図２の複合磁性部材用の強磁性素材の１枚を、図３に示すように高周波加熱コイル（４）内に設置し、強磁性素材の外周側より周波数ｆ＝２５，０００（Ｈｚ）の条件で高周波を印可し、加熱を行った。
高周波加熱により、８ヶ所の連結部（２）が同時に自己発熱を起こし、連結部の中央部を含む領域が赤くなる様子が観察された。放射温度計により発熱した連結部（２）の温度を測温したところ、約１２００℃に昇温していた。
表１の複合磁性部材用素材の１２００℃での電気抵抗率ρは、１．２（μΩ・ｍ）である。従って、この条件下で複合磁性部材用素材の外周部に生じている誘起電流の浸透深さＰ（ｍｍ）は、上記式より、Ｐ＝１．６×（ρ×１０５／ｆ）１／２＝３．５（ｍｍ）となる。
本実施例では、最外周からの弱磁性化箇所の幅Ｗｒ（ｍｍ）を１．２ｍｍとしており、複合磁性部材用素材が関係式Ｗｒ≦１．６×（ρ×１０５／ｆ）１／２を満たすように形成されている。それ故、上述した連結部（２）のみの優先的な自己発熱が可能であった。
【００４０】
次に、図２に示す複合磁性部材用の強磁性素材を１００枚積層した状態で弱磁性部を形成するための高周波加熱を行った。
この時の複合磁性材の強磁性素材は、予め同形状として連結部が一致するように積層した状態とした。
場所による加熱ムラをなくすため、積層した素材を５００ｒｐｍの速度で回転させながら、上下方向に４ｍｍ／Ｓの速度で移動させた。加熱後の外観を確認したところ、１枚の素材を加熱した時と同様に、８ヶ所の連結部（２）のみが、自己発熱していた。
【００４１】
上述の方法により、部分的に自己発熱した１００枚のうちの１枚を取り出し、弱磁性化箇所の磁性測定用試料として、連結部（２）（＝自己発熱部）の内の１ヶ所を切出した。また、外周部の弱磁性化しない箇所として、連結部（２）と隣り合う外周部の強磁性部からも２ｍｍ×３ｍｍ程度の磁性測定用試料を切り出した。
振動試料型磁束計を用いて、１Ｔ（テスラ）の外部磁場を印加した際の各箇所の飽和磁化量を測定したところ、連結部（２）の飽和磁化量は０．２０Ｔであり、連結部（２）と隣り合う外周部の強磁性部の飽和磁化量は１．５１Ｔであった。
【００４２】
この結果より、連結部（２）は弱磁性部になること、及び外周部の連結部以外の強磁性部においては、複合磁性部材用素材の強磁性の特性が保たれていることが分かる。
上述の製造方法により、本実施例の複合磁性部材用素材は、一体の部材中に強磁性部と弱磁性部を併せ持つ複合磁性部材となった。強磁性部と弱磁性部のそれぞれの飽和磁化量が上記のレベルであれば、例えば、モータ回転子としても、十分に使用できるものとなっていた。
【００４３】
上述の複合磁性部材の弱磁性部を微小部エックス線回折により分析した結果を図４に示す。図４より、オーステナイト相（γ）とマルテンサイト相（α’）が検出されている。また、検出されるすべてのピークに対するオーステナイト相のピークの比率は８０．７％であり、オーステナイトを主体とする組織でなることが分かる。また、弱磁性部とその周辺部の組織を光学顕微鏡により観察した結果を図５に示す。図５で白く見える連結部の中央部を含む領域が弱磁性部であり、弱磁性部の拡大組織を顕微鏡観察することにより、弱磁性部はデンドライトの無い非溶融組織であることを確認した。
また、強磁性部の金属組織も確認したところ、強磁性素材と同様の（フェライト＋Ｍ２３Ｃ６型炭化物）相となっていた。
また、図５に示すように弱磁性部には巨視的な割れや変形は無いことが分かる。更に、弱磁性部の外周側の幅Ｗθ１は３．４４ｍｍであり、内周側の幅Ｗθ２は３．３６ｍｍであるので、両者の比Ｗθ１／Ｗθ２は１．０２となっていた。
【００４４】
一方、比較例の製造方法として、ＣＯ２レーザを用いた溶融凝固処理により複合磁性部材を作製した。複合磁性部材用素材の化学組成は、表１と同じである。
複合磁性部材用素材の形状も図２の形状と同様とし、１００枚の素材を積層して外周部に位置する連結部を弱磁性化箇所した。
ＣＯ２レーザの入熱量は、７０（Ｊ／ｍｍ２）であった。ＣＯ２レーザを用いた製造方法では、積層した素材の側面からレーザビームを照射し、連結部全体を溶融凝固させた。
溶融凝固後の連結部の飽和磁化量は０．１８Ｔであり、弱磁性部は形成された。
【００４５】
比較例の製造方法により作製した複合磁性部材の弱磁性部と周辺部の組織を図６に示す。図６で白く見える部分が弱磁性部である。弱磁性部の拡大組織を顕微鏡観察したところ、デンドライトが観察された。
図６より、この方法により作製した複合磁性部材では、凝固時の引けや溶融時の肉盛りが生じており、結果として弱磁性部に巨視的な割れや変形が生じている。また、弱磁性部の外周側の幅Ｗθ１は１．８３ｍｍであり、内周側の幅Ｗθ２は１．５９ｍｍであるので、両者の比Ｗθ１／Ｗθ２は１．１５となっており、本発明方法を適用した複合磁性部材と比較し、弱磁性部の外側と内側との幅にバラツキが大きいものとなっていた。
以上の実施例から、本発明の高周波加熱による製造方法では、非溶融の加熱によって弱磁性部を形成することができ、ひいては弱磁性部における巨視的な割れや変形が無く、寸法精度も高い複合磁性部材を製造できることが分かる。一方、比較例のレーザを用いた製造方法では、溶融を伴う熱処理であるため、弱磁性部における巨視的な割れや変形が発生し、寸法精度も劣っている。
【００４６】
本発明の複合磁性部材を図１に示す回転子とした。
回転子は、リラクタンスモータ用であり、空隙はリラクタンスモータ用ロータコアのフラックスバリアとし、弱磁性部の連結部は突極部域とした。
この回転子は、弱磁性部において巨視的な割れや変形が無く、狙い通りの寸法精度が得られているので、複合磁性部材を用いた回転子の特徴である高い突極比（Ｌｄ／Ｌｑ値）と高い強度特性を最大限に発揮することができる。それ故、この回転子を有するモータは、高効率モータとして実用に供することが、十分可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１．空隙部、２．連結部、３．電気絶縁体領域、４．高周波加熱コイル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性素材の外周側に複数の連結部が形成される如き空隙を有し、前記連結部は、非溶融のオーステナイトを主体とする金属組織に内部より加熱変態させた弱磁性部であり、且つ、前記弱磁性部は、複数の全ての連結部の中央部を含む領域に形成されていることを特徴とする複合磁性部材。
【請求項２】
強磁性素材は板状であることを特徴とする請求項１に記載の複合磁性部材。
【請求項３】
強磁性部の飽和磁化量が１．２Ｔ以上、弱磁性部の飽和磁化量が０．５Ｔ以下とすることを特徴とする請求項１または２に記載の複合磁性部材。
【請求項４】
強磁性素材は、同形状で複数枚の板状であって、連結部が一致するように積層されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の複合磁性部材。
【請求項５】
強磁性素材は、質量％でＣ：０．３０〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜２．０％、Ｍｎ：０．１０〜４．０％、Ｎｉ：４．０％以下（０を含む）、Ｃｒ：４．０〜２０．０％、Ａｌ：２．０％以下（０を含む）、残部が実質的にＦｅの組成でなることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の複合磁性部材。
【請求項６】
前記複合磁性部材をモータのロータコアとし、弱磁性部はロータコア内の磁束遮断域とすることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載される複合磁性部材を用いたモータ。
【請求項１】
強磁性素材の外周側に複数の連結部が形成される如き空隙を有し、前記連結部は、非溶融のオーステナイトを主体とする金属組織に内部より加熱変態させた弱磁性部であり、且つ、前記弱磁性部は、複数の全ての連結部の中央部を含む領域に形成されていることを特徴とする複合磁性部材。
【請求項２】
強磁性素材は板状であることを特徴とする請求項１に記載の複合磁性部材。
【請求項３】
強磁性部の飽和磁化量が１．２Ｔ以上、弱磁性部の飽和磁化量が０．５Ｔ以下とすることを特徴とする請求項１または２に記載の複合磁性部材。
【請求項４】
強磁性素材は、同形状で複数枚の板状であって、連結部が一致するように積層されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の複合磁性部材。
【請求項５】
強磁性素材は、質量％でＣ：０．３０〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜２．０％、Ｍｎ：０．１０〜４．０％、Ｎｉ：４．０％以下（０を含む）、Ｃｒ：４．０〜２０．０％、Ａｌ：２．０％以下（０を含む）、残部が実質的にＦｅの組成でなることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の複合磁性部材。
【請求項６】
前記複合磁性部材をモータのロータコアとし、弱磁性部はロータコア内の磁束遮断域とすることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載される複合磁性部材を用いたモータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−４５９７０（Ｐ２０１０−４５９７０Ａ）
【公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６２２１７（Ｐ２００９−２６２２１７）
【出願日】平成２１年１１月１７日（２００９．１１．１７）
【分割の表示】特願２００３−７１５５２（Ｐ２００３−７１５５２）の分割
【原出願日】平成１５年３月１７日（２００３．３．１７）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１７日（２００９．１１．１７）
【分割の表示】特願２００３−７１５５２（Ｐ２００３−７１５５２）の分割
【原出願日】平成１５年３月１７日（２００３．３．１７）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
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