JP5911930B2

JP5911930B2 - 軟磁性の金属電磁構成要素を製造する方法

Info

Publication number: JP5911930B2
Application number: JP2014182373A
Authority: JP
Inventors: バーワルド，トーマス・ジェイ; ペイジ，ケンダル・エス; ハーゼル，アンドリュー・ディー
Original assignee: ベルグ・アンド・ベルグ・エンタープライズィズ・エルエルシー
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2014-09-08
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2026-06-30
Also published as: EP1908083A4; AU2006265907B2; EP1908083A2; US20050258705A1; JP2015047065A; JP2008545367A; CA2613864A1; WO2007005656A3; CN101288135A; AU2006265907A1; JP2012186999A; US7596856B2; WO2007005656A2

Description

関連する米国特許出願のデータ

本出願は、２００４年６月２４日付けで出願された、同時出願係属中の米国特許出願番号
１０／８７６，０３４の一部継続出願であり、該米国特許出願番号１０／８７６，０３４
は、２００４年１月２３日付けで出願された米国特許出願番号１０／７６３，７２８の継
続出願であり、該米国特許出願番号１０／７６３，７２８は、２００３年６月１１日付け
で出願された、米国特許出願番号１０／４５８，９４４の一部継続出願である。米国特許
出願番号１０／８７６，０３４、１０／７６３，７２８、１０／４５８，９４４の各々は
、その内容の全体を参考として引用し、本明細書に含められている。

本発明は、電磁構成要素、より具体的には、ダイナモ発電機（ｄｙｎａｍｏｅｌｅｃｔｒ
ｉｃｍａｃｈｉｎｅ）又は誘導装置にて使用する設計とされた軟磁性の金属電磁構成要素
を製造する方法に関する。

モータ、発電機、蓄熱器モータ、オルタネータ、ブレーキ及び磁気軸受のような多極回転
電気機械又はダイナモ発電機は、典型的に、ステータとして知られた静止構成要素と、ロ
ータとして知られた回転構成要素とを含むことができる１つ又はより多くの電磁構成要素
を採用する。モータは、電磁構成要素内にて回転する磁界パターンを発生させることによ
り回転し、この電磁構成要素によってロータはこの磁界パターンの回転に従う。周波数の
変化に伴い、ロータの速度は変化する。モータの軸速度を増すためには、入力源の周波数
を増大させなければならない。電気自動車又はハイブリッドカーのような特定の用途の場
合、高速度にて作動可能であり、しかも高効率の電気モータが特に望まれる。

回転機械内のロータ及びステータの隣接面は、ロータ及びステータを連結する磁束が縦断
する小さい空隙によって分離されている。回転機械は、機械的に接続された複数のロータ
と、複数のステータとを備えることが当該技術の当業者により理解されよう。実質的に全
ての回転機械は、半径方向又は軸方向空隙型の何れかとして従来から区分可能である。半
径方向空隙型は、ロータ及びステータが軸方向に分離され、縦断する磁束がロータの回転
軸線に対し主として垂直に向けられるものである。軸方向空隙装置において、ロータ及び
ステータが軸方向に分離され、磁束の縦断方向は回転軸線に対して主として平行である。

特定の特殊な型式の場合を除いて、モータ及び発電機は、一般に１つ又はより多くの型式
の軟磁性材料を採用する。「軟磁性材料」とは、磁化及び減磁が容易で且つ効果的に行わ
れる材料を意味する。各磁化サイクル中に磁性材料中で不可避的に放散されるエネルギは
、ヒステリシス損失又はコア損失と称される。ヒステリシス損失の程度は、励起振幅及び
周波数の双方の関数である。軟磁性材料は、高透磁率及び低保磁率を更に示す。モータ及
び発電機は、１つ又はより多くの永久磁石によるか又は電流伝搬巻線によって取り囲まれ
た追加的な軟磁性材料の何れかによって提供することができる電磁起電力源を含む。「硬
磁性材料」とも称される「永久磁石材料」とは、高保磁率であり、及びその磁化作用を強
力に保持し、また、減磁に抵抗する磁性材料を意味する。機械の型式に依存して、永久磁
石材料及び軟磁性材料は、ロータ又はステータの何れかに配設することができる。

今日まで、現在製造されているダイナモ発電機の大部分は、軟磁性材料として色々な等級
の電気スチール又はモータスチールを使用しており、これらのスチールは、１つ又はより
多くの合金元素、特にＳｉ、Ｐ、Ｃ、Ａｌを含む元素とＦｅとの合金である。最も一般的
には、Ｓｉが主たる合金用元素である。進歩した永久磁石材料にて製造されたロータと、
非晶質金属のような進歩した低損失の柔軟な材料にて形成されたコアを有するステータと
を備えるモータ及び発電機は、従来の半径方向空隙モータ及び発電機と比較して、実質的
により高効率及び電力密度を提供する潜在能力はあるものの、軸方向又は半径方向空隙型
式の何れかにてかかる機械を製造する点にて殆ど成功していないと一般に考えられている
。非晶質材料を従来の半径方向又は軸方向空隙機械に組み込むこれまでの試みは、大部分
商業的に不成功に終わっている。

電磁構成要素は、多岐に渡る近代の電気及び電子構成要素の必須の構成要素である、変圧
器及び誘導子のような静止誘導装置にても広く使用されている。これら装置の殆どは、軟
強磁性材料で出来たコアと、コアを取り囲む１つ又はより多くの電気巻線とを採用する。
誘導子は、一般に２つの端子を有する単一の巻線を採用し、フィルタ及びエネルギ貯蔵装
置として作用する。変圧器は、一般に２つ又はより多くの巻線を有する。変圧器は、電圧
を１つのレベルから少なくとも１つのレベルのその他の望ましいレベルに変圧し、また、
全体的な電気回路の異なる部分を電気的に隔離する。誘導装置は、相応する異なる電力容
量にて著しく相違する寸法のものが利用可能である。異なる型式の誘導装置が直流からＧ
Ｈｚまで極めて広範囲に渡る周波数にて作動可能なよう最適化されている。実質的に各既
知の型式の軟磁性材料は誘導装置の製造にて適用可能である。特定の軟磁性材料の選択は
、必要とされる性質、効率的な製造を可能にする形態による材料の利用可能性、所定のマ
ーケットに応ずるのに必要な量及びコストに依存する。一般に、望ましい軟強磁性コア材
料は、コア寸法を最小にするため高飽和誘導Ｂ_飽和、また、効率を最大にするため、低保
磁率Ｈｃ、高透磁率μ、低コア損失を有する。

静止装置及び回転装置の双方を含む、高周波数電気装置に対する電磁構成要素の製造には
問題がある。磁束を集中させ且つ整形するための軟磁性材料として鉄又はスチールを採用
する構成要素は、極く一般的に使用されている。しかし、高周波数のとき、従来の鉄又は
スチール構成要素は最早、実用的ではない。鉄又はスチール構成要素のコア損失は、励起
周波数の増加と共に増大して装置の全体的な効率を低下させることになる。更に、非常に
高い励起周波数のとき、構成要素は、極めて高温度となり、どんな合理的に許容可能な手
段によっても冷却させることができず、装置の故障を引き起こす可能性がある。多くの現
在のダイナモ発電機は、高回転速度にて作動しなければならず、このため、４００Ｈｚ以
上の周波数であることを意味する、高い同期的励起周波数を使用することによる利益を享
受することになろう。

電力調整電子システムは、現在、１ないし２００ｋＨｚの周波数にて作動可能な変圧器及
び誘導子が必須であるスイッチモードの回路トポロジー効果を一般に採用しているため、
静止装置に対する必要条件が更に厳しくなることがしばしばである。一部の回路において
、１ＭＨｚまで作動することが望まれる。従って、満足し得る構成要素及びその製造方法
が極めて望まれる。

電気及び電子装置用のモータ及び小型から中程度寸法の誘導子及び変圧器のような構成要
素は、１００μｍのような薄い厚さのシートにて供給された色々な等級の磁気スチールか
ら押し抜き又はプレス加工された積層体を使用して製造されることがしばしばである。積
層体は、一般に積み重ねられ且つ固定され、その後、典型的に高導電率の銅又はアルミニ
ウムワイヤーから成る必須の１つ又はより多くの電気巻線が巻かれる。これらの積層体は
、一般に、多岐に渡る既知の形状のコアと共に採用される。発電電動装置の構成要素には
、典型的に、複数の半径方向に向けた歯と、歯を取り囲む相巻線を受容する隣接するスロ
ットとが形成される。

誘導子及び変圧器に使用される形状体の多くは、構成要素がしばしば識別される「Ｃ」、
「Ｕ」、「Ｅ」、「Ｉ」のような、特定の大文字の全体的な形態を有する構成要素から組
み立てられる。組み立てた形状体は、構成要素を表示する文字によって更に表現すること
ができる。例えば、「Ｅ−Ｉ」形状体は、「Ｅ」構成要素と「Ｉ」構成要素と組み立てる
ことにより形成されよう。その他の広く使用されている組み立てた形状体は、「Ｅ−Ｅ」
、「Ｃ−Ｉ」、「Ｃ−Ｃ」を含む。これら形状体の先行技術のコアの構成要素は、押し抜
き成形した従来の結晶状強磁性金属及び切削したバルクソフトフェライトブロックの積層
したシートの双方から製造されている。

進歩した磁性材料は、既知の非晶質及びナノ結晶状金属合金及び最適化したＦｅ系結晶状
材料を含む。特に、かかる材料は、磁化及び減磁が容易であり、このことは、これら材料
にて形成された電磁構成要素は、高周波数にて電力損失及び温度上昇が少なく、極めて迅
速に磁化され、また、電気から機械エネルギへの変換が容易である。かかる金属で出来た
電磁構成要素は、コア損失が少なく、遥かに高周波数にて作動可能であり、その結果、極
めて高効率で且つ電力密度の装置となる。

しかしながら、これらの進歩した材料の物理的性質の特定のものは、従来の製造技術を困
難又は不可能にする。非晶質及びナノ結晶状金属合金は、典型的に、均一なリボン幅を有
する薄い連続的なリボンとして供給される。しかし、これら金属は、実質的にあらゆる従
来の金属軟磁性合金よりも薄く且つ硬質であり、このため、従来の積層体の押し抜き成形
又はプレス加工では、製造装置及びダイに急速な破断に至る過剰な磨耗が生ずる。これに
伴って増大する成形及び製造コストは、かかる従来の技術を使用するバルク磁性構成要素
を製造することを商業的に実現不可能にする。ワイヤー放電機械加工、電気化学的クリー
プ研磨、従来の放電機械加工、切削、押し抜き成形、酸エッチング及び精密打ち抜きを含
む、色々な製造技術が当該産業界にて試みられている。コスト効果、製造の反復可能性又
は工程のサイクル時間を含む理由のため、満足できるとされたものはない。非晶質金属の
厚さが薄いことは、所定の断面及び厚さを有する構成要素を形成するのに必要な積層体の
数が増大することにもなり、このことは非晶質金属磁性構成要素の全体コストを更に増す
ことになる。フェライトブロックを成形するため使用される切削技術は、一般に非晶質金
属を加工するのに適していない。

非晶質及びナノ結晶状金属合金の性質は、アニーリング処理によってしばしば最適化され
る。しかし、アニーリング、一般に金属を極めて脆弱にし、従来の製造過程を更に複雑に
する。上述した難点の結果、シリコン鋼及びその他の同様の金属シート形態のＦｅＮｉ及
びＦｅＣｏ系結晶状合金を含む、従来の材料にて所定の形状の積層体を形成するため、広
く且つ容易に使用されている技術は、非晶質及びナノ結晶状金属装置及び構成要素を製造
するのに適していないことが分かっている。

このように満足し得る磁性性質を保持しつつ、複雑な三元的形状体を軟磁性リボンから製
造することができないことは、高効率及び低損失の構成要素を必要とする発電電動及び静
止型設備の双方にて重大な障害となっている。最終用途の必要条件に対して実質的な設計
の自由度を提供しつつ、経済的であり、最終用途の機能を発揮し、大量生産が可能である
製造方法が極めて望まれる。このように、非晶質金属は多くの装置の市場にて受容されて
いない、すなわち高誘導、低損失の材料を使用することにより原理上、実現されるであろ
う、寸法、重量及びエネルギ効率の点にて改良の可能性が極めて大きいにも拘わらず、受
容されていない。

飽和可能な反応炉及び一部のチョークのようなエレクトロニクスの適用例の場合、非晶質
及びナノ結晶状金属合金は、ら旋状に巻いた丸型の円環状コアの形態にて採用されていた
。この形態の装置は、典型的に数ミリないし数センチの範囲の直径にて商業的に入手可能
であり、また、数百ボルト−アンペア（ＶＡ）を提供するスイッチモードの電源にて一般
に使用されている。このコアの形態は、減磁因子が無視し得る程度である完全密閉の磁気
回路を提供する。しかし、望まれるエネルギ貯蔵能力を実現するため、多くの誘導子は、
別個の空隙を有する磁気回路を含む。空隙が存在する結果、減磁因子は無視し得なくなり
、また、関係した形状異方性となり、この形状異方性は、せん断磁化（Ｂ−Ｈ）ループに
て明白である。形状異方性は、誘発される可能性のある磁気異方性よりも遥かに大きく、
これに比例してエネルギ貯蔵能力を増大させる。別個の空隙を有し且つ従来の材料で出来
た円環状コアがかかるエネルギ貯蔵用途のため提案されている。しかし、空隙付きの円環
状の幾何学的形態は、設計の自由度が最小程度である。装置のユーザがせん断及びエネル
ギ貯蔵の望ましい程度を選び得るように空隙を調節することは、一般に困難又は不可能で
ある。更に、巻線を円環状コアに取り付けるのに必要な装置は、積層コアに対する同等の
巻線装置よりも作動が複雑、高価で且つ困難である。高電流の用途にて円環状の幾何学的
形態のコアを使用することができないことがしばしばあり、それは、定格電流によって要
求されるヘビーゲージワイヤーは、円環体を巻くのに必要とされる程度に曲げることはで
きないからである。更に、円環状の設計は単一の磁気回路のみを有する。その結果、これ
らの設計は十分に適しておらず、特に一般的な３相装置を含む多相変圧器及び誘導子に適
応させることは困難である。このため、製造及び適用の容易性にとってより望ましいその
他の形態が要望されている。

更に、ストリップを巻いた円環状コアにおける本来的な応力は、特定の問題を生じさせる
。巻線は、本来的にストリップの外面を張力状態に置き、また、内部を圧縮状態に置く。
滑らかな巻線を保証するのに必要な線形張力によって追加的な応力が生ずる。磁気歪の結
果、巻いた円環体は、典型的に、平坦なストリップの形態にて測定したとき、同一のスト
リップのものよりも劣る磁気性質を示す。アニーリングは、一般に、応力の一部分のみを
除去することができ、このため、劣化の一部分のみが解消されるに過ぎない。更に、巻い
た円環体に空隙を形成することは、追加的な問題点を引き起こすことが多々ある。巻いた
構造体における全ての残留フープ応力は、空隙を形成するときに少なくとも部分的に除去
される。実際上、正味フープ応力は予見不能であり、圧縮性又は引っ張り性の何れかとな
ろう。このため、実際の空隙は、新たな応力平衡状態を確立するため必要とされるように
予見不能な程度だけそれぞれの場合にて閉じ又は開放する傾向となる。このため、最終空
隙は、全体として、補正措置がとられない場合、所期の空隙と相違する。コアの磁気リラ
クタンスは主として空隙によって決定されるため、完成したコアの磁気性質は、大量生産
の過程にて均一に再現することが困難なことが多々ある。

非晶質金属はまた、１０ｋＶＡないし１ＭＶＡ又はそれ以上のネームプレート定格を有す
る電力グリッド用の分電変圧器のような、高電力装置用の変圧器にて使用されている。こ
れらの変圧器のコアは、全体として矩形の形態にてステップラップ巻きにてしばしば形成
される。１つの一般的な製造方法において、矩形のコアが最初に形成され且つアニールさ
れる。次に、コアは緩めて予め形成された巻線がコアの長い脚部上を滑るのを許容する。
予め形成した巻線を組み込んだ後、層を再度締め付け且つ固定する。このようにして分電
変圧器を製造する典型的な過程は、バラード（Ｂａｌｌａｒｄ）その他の者に対する米国
特許明細書４，７３４，９７５号に記載されている。かかる過程は、当然に顕著な労力及
び脆弱なアニーリングした非晶質金属リボンが関係する操作ステップを伴う。これらのス
テップは、１０ｋＶＡよりも小型のコアにて実現することは、特に骨が折れ且つ困難であ
る。更に、この形態にて、コアは、多くの誘導子の用途に必要とされる空隙を制御可能に
導入することは容易でない。また、完全に釣り合った多相装置、すなわち相の各々の端子
にて得られた電気的特徴が実質的に同一である装置を提供することは、ステップラップコ
アの形態にては困難なことである。

従って、極めて小型、効率的で且つ高信頼性である電気機械を製造することを許容する構
成要素の製造方法が当該技術にて依然として必要とされている。低損失材料と関係した特
定の特徴を完全に活用し、これにより従来の構成要素と関係した不利益な点の多くを解消
する装置が特に望まれる。理想的には、この利点は次のものの１つ以上を含む、すなわち
軟磁性材料を効率的に使用すること、電気的効率が改良されること、高信頼性であること
、経済的であること、及び迅速な大規模生産が可能であることである。

本発明は、電磁構成要素及びその製造方法を提供するものである。全体的に説明して、こ
の方法は、（ｉ）非晶質及びナノ結晶状金属と、最適化したＦｅ系合金とから成る群から
選ばれた材料から実質的に成る軟磁性金属リボンを形成するステップと、（ｉｉ）プリフ
ォームを全ての側部にて支持するフライス加工組立体のような収容手段内にてプリフォー
ムを収容するステップと、（ｉｉｉ）電磁構成要素の形状体となるようにプリフォームを
フライス加工するステップとを含む。選択随意的に、接着剤がプリフォームに施され且つ
硬化させる。接着剤（存在するならば）及び収容手段は、機械的な支持及び一体性を提供
し、例えば、横フライス盤、立フライス盤、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）工作機械又
はその他の任意の一般的なフライス加工装置を使用してフライス加工することによりプリ
フォームが切削による機械的応力に耐えることを許容する。このように、複雑な三元的軟
磁性金属形状体を形成することができる。

三元的軟磁性金属形状体を形成する能力は、従来、軟磁性金属リボンの機械的特徴により
妨げられていた多岐に渡る用途に対し軟磁性金属を使用することを許容する。
構成要素は、低損失、高周波数材料にて出来たものであることが好ましい。より好ましく
は、構成要素は、非晶質金属、ナノ結晶状金属及び最適化した方向性又は非方向性のＦｅ
系材料にて出来たものとする。これらの材料を電気装置内に導入することは、従来の機械
における大幅な増大と比較して、コア損失が比較的僅かに増大する状態にて装置の周波数
を４００Ｈｚ以上に増大させ、増大した電力を提供することができる極めて効率的な電気
装置を提供する。

電磁構成要素は、誘導型構成要素（誘導子、変圧器及び同様のもの）及び線形型及び回転
型電気機械用のモータ及びステータのような、静止型装置及び動的装置を含んで、多岐に
渡る用途にて有益に採用される。

本発明は、幾つかの図面の全体を通じて同様の参照番号は同様の要素を表示する、本発明
の好ましい実施の形態の以下の詳細な説明及び添付図面を参照することにより、より完全
に理解され、更なる有利な効果が明らかになるであろう。

軟磁性金属リボンを内側リングに巻く状態を示す斜視図である。本発明を実施するときに使用される内側巻きハットを示す斜視図である。本発明を実施するときに使用される外側巻きハットを示す斜視図である。本発明のフライス加工組立体を示す斜視図である。本発明に従ったフライス加工組立体のフライス加工状態を示す斜視図である。６Ａは、本発明の電磁構成要素の正面図である。６Ｂは、本発明の電磁構成要素の側面図である。２つの同時に巻いた層を有する本発明の円環状プリフォームを製造するため使用される巻きシステムの概略図である。８Ａは、本発明の矩形の角柱状プリフォームの斜視図である。８Ｂは、図８Ａのプリフォームから形成された本発明のＥ字形電磁構成要素の斜視図である。本発明の誘導型装置の斜視図である。１０Ａは、本発明に従って製造された図１０Ａの軸方向空隙ステータの部分斜視図である。１０Ｂは、本発明に従って製造された軸方向空隙ステータの歯の部分斜視図である。１１Ａは、本発明に従って製造された半径方向空隙ステータの平面図である。１１Ｂは、本発明に従った図１１Ａの半径方向空隙ステータの一部分を製造する方法を示す平面図である。

図１を参照すると、軟磁性金属リボン１０が内側リング１４にて巻線の軸線１１の回りに
巻かれた、本発明の１つの実施の形態が示されている。巻線機１３は、所定の長さの軟磁
性金属リボン１０を収容する供給ロール１２を含む。内側リング１４は、巻線板１６の上
に配置される。軟磁性金属リボン１０は、内側リング１４にてら旋状に巻かれ、円環状軸
線を有する軟磁性金属円環体１８を形成する。軟磁性金属円環体１８は、全体として最内
側及び最外側リボン層の面によって形成された内側面１５及び外側面１７を有する。円環
体１８は、全体としてリボン層の露出し且つ整合した端縁により形成された頂部１９及び
底部２１を有している。

軟磁性金属リボン１０は、多岐に渡る水平及び垂直軸線機械及び方法を使用して巻くこと
ができる。好ましくは、プリフォームとして使用される均一な堅固な円環体は、本来的な
リボン密度の少なくとも８５％の巻線密度を有するものとする。図１には、正円形の円筒
状殻体の形状を有する軟磁性金属円環体１８の形態が示されているが、円環体１８の円筒
状の形態と明確に相違する幾何学的形態にてその他の望ましい三元的形状体を形成するこ
とが可能であることが理解されよう。また、適宜な形態のマンドレル又は同様の巻線の形
態物の回りに巻くことにより多岐に渡る所望の形状体を形成することが可能である。例え
ば、リボンは、全体として矩形のマンドレル、好ましくは４つの丸味を付けた隅部を有す
るマンドレルの回りに巻いて細長いレーストラック状の円環体の形態を形成することがで
きる。これらの又はその他の同様の形態の任意のものがその後に加工するためのプリフォ
ームを提供することができる。

本明細書にて使用するように、円環体という語は、層の上にてら線状に巻いた複数の薄い
リボン層を有し、隣接層の側端縁が実質的に整合している任意の構造体を備えるものを意
味するものと理解される。かかる構造体は、単一の長い長さのリボンを巻くことにより形
成することができ、複数の長い長さはまた、連続的に巻かれることになろう。これと代替
的に、複数のリボンの層を同時に巻いてもよい。例えば、図７には、巻機の実施の形態が
全体として参照番号１３´にて示されており、この場合、２つの層１０´、１０´´が独
立的な供給スプール１２´、１２´´から取られ且つ円環体１８となるように同時に巻か
れているが、その他の数の層、例えば、５つ又はより多くの層を同時に巻くことができる
ことも理解されよう。スプール１２´、１２´´、円環体１８の回転及び供給方向は、図
７にてそれぞれの矢印で示されている。本発明を実施するため、プリフォームを準備すべ
く使用される巻きシステムは、ローラ８、また、ガイド、張力制御装置又は同様のものの
ようなウェブ取り扱い過程にて既知のその他の駆動手段を含むことができる。

巻いた後、軟磁性金属円環体１８は、選択随意的に巻き板１６から除去する。１つの実施
例において、内側リング１４はリボン１０が内側リング１４の回りにて巻かれている間、
単一の装置として内側収容ハット２０に取り付けられる。

次に、軟磁性金属円環体１８に浸透するような仕方にて、接着剤が軟磁性リボン円環体１
８又はその他の適したプリフォームに施される。好ましくは、円環体１８の各層の表面積
の少なくとも約２分の１が被覆され、接合したプリフォームに対する十分な一体性を提供
するようにする。内側リング１４は、依然として、軟磁性リボン円環体１８内に保持され
ている。適した接着剤は、典型的に、溶媒と混合させたエポキシ粉体である、３Ｍからの
スコッチキャスト（ＳｃｏｔｃｈＣａｓｔ）接着剤である。容積比にてアセトンと２０％
の混合体が適当であることが分かった。接着剤は、雰囲気浸漬過程により軟磁性リボン円
環体１８に施される。軟磁性リボン円環体１８は、接着剤が層に侵入する迄、接着剤内に
浸漬させる。接着剤の粘度及び希釈度は、十分な接合状態を実現するよう選ばれる。過度
に高い粘度は、十分な被覆及び浸透を妨げる一方、過剰な希釈はコスト高となり、硬化過
程の間、より多くの溶媒を除去することを必要とし、コストが増し且つ環境的に許容可能
な回収装置を必要とする可能性がある。

これと代替的に、接着剤は、真空含浸過程により施してもよく、この場合、軟磁性リボン
円環体１８は、接着剤を収容する容器内に浸漬させる。その後に容器内の空気を排出すれ
ば、軟磁性リボン円環体１８内の層間への接着剤の侵入が増進される。ウェット噴霧、ド
ライ電解質堆積過程を利用して、巻き過程の間、接着剤を軟磁性リボンに施すといったそ
の他の適した施工過程を使用することもできる。代替的な樹脂、エポキシ又は接着剤を使
用することもできる。異なる商品名のもの、異なる型式の樹脂、エポキシ又は接着剤を使
用することができる。例えば、適した接着剤は、エポキシ、ワニス、嫌気性接着剤、シア
ノアクリレート、室温加硫（ＲＴＶ）シリコーン材料から成るものを含むことができる。
色々な高温の熱硬化温度を必要とする熱硬化型エポキシ、また、室温にて硬化する２段エ
ポキシも適している。接着剤は、低粘度、低収縮率、低弾性率、高剥離強度、高作動温度
能力及び高誘電強度を有するものであることが望ましい。

軟磁性リボン円環体１８に接着剤が十分に侵入した後、軟磁性リボン円環体１８から排出
する。乾燥したとき、軟磁性リボン円環体１８は、硬化のため、加熱炉内に配置される。
重要なことは、接着剤を熱硬化させる（必要とされるならば）温度は、軟磁性金属リボン
１０を熱加工する温度のある割合であることである。好ましい割合は、１／２であるが、
約１／４ないし３／４の範囲の割合でも満足し得るであろう。

本過程の別の形態において、侵入した円環体又はその他の形態物の上述した硬化により形
成されたもののような接合したプリフォームは、切削する間、機械的な支持体及び収容作
用を提供する収容手段内に支持されている間、フライス加工する。

何らかの理論により拘束されるものではないが、破断及び表面損傷、また、その他の有害
な効果の程度は、その後のフライス加工又は同様の切削ステップの間、リボン表面及びリ
ボンの側端縁の双方にてリボンを接合したプリフォーム内に支持することにより、最小と
なると考えられる。その結果は、外部支持体を使用せずに、又は、接合したプリフォーム
の側部の全部ではなくその一部を治具又は同様の支持体及び拘束具を使用して構成要素を
切削した場合と比較して、完成した構成要素の外観、機械的及び磁気性質が驚くべき程に
且つ予期しない程、向上する。多角形支持体は、先行技術の方法にては形成することがで
きない構成要素、特に、リボン層の許容し得ない程度の破断、欠損又はその他の機械的劣
化を生ずることになろう構成要素、特に精密な形状を有するものを形成することを許容す
る。側部の全てにて支持することは、本発明を実施する上で有用である最適化したＦｅ系
合金を含む、その他の結晶状合金よりも遥かに脆弱であることが多々ある非晶質及びナノ
結晶状金属合金を加工する上で特に有益なことである。

本明細書にて使用するように、「側部の全てにて支持される」という表現は、フライス加
工工程中、材料が除去される１つ又はより多くの位置に近接する領域内にて接合したプリ
フォームの外面の少なくとも実質的に全てを覆う支持体を意味することを意図する。例え
ば、図６により示した円環状ステータ６０を形成するとき、円環状の接合したプリフォー
ムの頂部、内面及び外面は、図４により示したフライス加工組立体のような収容手段によ
って支持することが重要である。特に、この形態の支持体は、上面から最終的なスロット
深さの少なくともこのレベルまで下方に、好ましくは、スロットの深さよりも実質的に下
方に伸びる。より好ましくは、頂部、内面及び外面の実質的に全てが支持されるものとす
る。最も好ましくは、頂部、底部、内面及び外面の実質的に全てが図４にて示したフライ
ス加工組立体構造体４０により提供されるように支持されるものとする。

その他の実施例において、本発明の方法は、フライス加工する間、同様に適宜に支持され
なければならないその他の形状のプリフォームを採用する。例えば、図８Ａには、整合状
態にて積層された金属ストリップの平坦層９２を備える矩形の角柱状プリフォーム９０が
示されている。プリフォーム９０は、図８Ｂに示したＥ字形の構成要素１２０を含んで、
色々な形状体を製造するため有益に採用される。積層した矩形の角柱状プリフォーム９０
を上面９４からフライス加工するため、構成する積層リボン９２の一側部の全体的な端縁
により限界が画成された少なくとも上面９４及び最外側リボン層９２の大きい平坦面によ
り画成された前側面９６及び後側面９７に支持及び拘束手段を設けなければならないこと
が理解されよう。リボン片の整合した端部により規定された角錐端部９８、９９における
支持及び拘束手段は、選択随意的ではあるが、特に、プリフォームの端部分が使用され、
屑として廃棄されない場合に好ましい。選択随意的に、リボン面により規定された矩形角
柱体９０の側部９６、９７における支持体は、規定されたフライス加工工程が図８Ｂにお
けるＥ字形構成要素１２０のスロット１２４のような、上面９４から途中まで伸びるスロ
ットを提供するならば、リボンの全幅に渡って底面９５まで伸びる必要なはい。しかし、
その他の実施の形態において、フライス加工工程は、プリフォームを完全に貫通して伸び
る１つ又はより多数の切削を含む。例えば、１つの切削を誘導子コアとして使用可能な空
隙付き円環体を形成するため使用することができる。これと代替的に、プリフォームから
１つ又はより多くの電磁構成要素を切削するため、１つ又はより多くの貫通切削を使用し
てもよい。その何れの場合にも、支持体はプリフォームの頂部、底部、内側面及び外側面
の全てを実質的に超えて伸びることが要求される。要求された面の実質的に全てを被覆す
ることは、除去されず、最終的な電磁構成要素の名目的な残留部分であるリボンの過剰な
層剥離及びその他の劣化を防止することになる。

円環状の接合したプリフォームをフライス加工するのに適した収容手段の１つの形態が図
２ないし図４に示されており、これは、内側収容ハット２０と、外側収容ハット３０とを
備えている。図２には、内側収容ハットの基部２４から上方に伸びる多数のコラム２２か
ら成る円筒体である内側収容ハット２０が示されている。指状体２６は、コラム２２から
半径方向外方にほぼ直角に伸びている。指状体２６は、コラム２２から遠方に伸びるに伴
い、その幅が増す。指状体２６は円として配置され、環状体２８を形成する。コラム２２
及び指状体２６は、複数の内側収容ハット溝２９を形成する。内側収容ハット２０のコラ
ム２２は、内側リング１４の内部に配置される。コラム２２の高さは軟磁性金属円環体１
８の高さにほぼ等しい。軟磁性金属円環体１８の直径は環状体２８の直径にほぼ等しい。

内側収容ハットを軟磁性金属円環体１８内に配置した後、図３に示した外側収容ハット３
０を軟磁性金属円環体１８の回りに配置する。外側収容ハット３０は、基部３２を有して
全体として円筒状である。バー３４が基部３２から上方に伸びている。バー３４の各々の
頂部には、内方に伸びる耳状突起３６がある。バー３４の各々に対する耳状突起３６は、
非晶質金属円環体１８を外側収容ハット３０内に固定するフランジを形成する。バー３４
及び耳状突起３６は複数の外側収容ハット溝３８を形成する。

次に、図４に示したフライス加工組立体４０を組み立てる。依然として、内側リング１４
を保持している軟磁性金属円環体１８は内側収容ハット２０と共に外側収容ハット３０内
に配置される。耳状突起３６及び指状体２６を整合させる。フライス加工組立体４０は、
軟磁性金属円環体１８を円環状の幾何学的形態にて収容する。これと代替的に、接着剤に
て処理する前に、軟磁性金属円環体１８を、外側収容ハット３０及び内側収容ハット２０
内に配置してもよい。選択随意的に、フライス加工組立体４０の構成要素は、１つ又はよ
り多くの取り囲むリング、ボルト、リベット、締結具、バンド又は同様のもののような、
構成要素の任意の組み合わせから成るものとすることのできる、リテーナ（図示せず）を
使用してその内部にプリフォームが封じ込まれた状態で互いに固定される。

接着剤を施し且つ内側リング１４、内側収容ハット２０及び外側収容ハット３０を機械的
に拘束する状態に配置した後、軟磁性金属円環体１８は、フライス加工の応力に抵抗する
のに十分な構造的完全性を有する。一部の実施例において、収容ハット及び内側リング及
び外側リングの一方又は双方は一体的に形成される。本明細書にて使用したように、「ハ
ット」という語は、少なくとも全体として平面状の端面と、端面に対して垂直な湾曲した
外周面とを有し、ハットの面が全体として望まれるプリフォームの形状に適合すると共に
、支持及び収容作用を提供する形態とされた構造体を意味する。

フライス加工板４４は、軟磁性金属円環体１８の底部に配置される。フライス加工板４４
は、巻板１６と同一とすることができる。
このため、接着剤にて処理された軟磁性金属円環体１８は、構造体内に確実に封じ込まれ
、軟磁性金属円環体１８をフライス加工し且つ三元的に形成することを許容する。このよ
うに、複雑な形状体を金属リボン円環体１８から製造して、軟磁性金属円環体１８から電
磁構成要素のような構造体を形成することを許容する。

ハット２０、３０は、単一物として示されているが、収容手段にて採用されているハット
又は任意のその他の固定具は、適当な収容具を形成するように適当なリテーナにより共に
固定される断面にて提供することが可能であることが理解されよう。例えば、全体として
円筒状の電磁構成要素を形成するため使用される収容手段は、円筒状の全円周の限界を画
するよう適宜に接続される、最初は別個である複数のセグメントを備えている。その他の
形態の収容手段及び収容手段を固定する技術も可能である。ハット又はその他の保持具は
また、フライス加工する間、最初に使用する前に、実質的に中実な構造体として提供し、
また、単一の成形工程に対し犠牲的に使用することができる。好ましくは、ハット又は同
様の保持具は、コストを理由として再使用される。ハット又はその他の保持具は、磁気リ
ボンと適合可能な任意の材料から成るものとすることができ、また、必要とされる使用温
度にて十分な機械的強度を提供する。更に、熱加工過程の間に使用される保持具は、有害
な応力の付与を防止するのに十分、磁性材料の熱膨張率に適合する熱膨張率を有すること
が好ましい。材料の好ましい種類は、３００シリーズの非磁性ステンレス鋼である。

本発明の方法の別の形態において、熱処理サイクルの少なくとも一部分の間、磁界が構成
要素に付与される。磁界は、サマリウム−コバルト又はアルニコ磁石のような高温度永久
磁石又は電磁構造体の何れかによって供給される。このような磁界は、収容手段内にて軟
鋼のような磁性材料を使用することで選択随意的に向けることができる。

図５により示したように、フライス加工組立体４０はフライス盤５０内に配置される。フ
ライス盤５０は、横フライス盤、立フライス盤、ＣＮＣ工作機械又は任意のその他の型式
のフライス盤とすることができる。しかし、図５にて示したように、円環状のプリフォー
ムをフライス加工するため、フライス盤５０内のフライス加工ツール５２の回転軸線は、
軟磁性金属円環体１８の円環体軸線に対して実質的に垂直である。フライス加工ツール５
２の回転軸線が軟磁性金属円環体１８の巻き軸線に対し垂直となるようにすることにより
、ツールは、リボンの表面に対し垂直にリボンと衝突し、軟磁性金属円環体１８にフライ
ス加工されるスロットの深さ及び幅を、精密に制御することができる。

フライス盤５０は、軟磁性金属円環体１８にスロット又はその他の幾何学的形態を切り込
む。依然として軟鉄金属円環体１８内に保持された内側リング１４は、軟磁性金属円環体
１８の内端縁に対する確実な機械的ストッパとして作用する。内側リング１４は、エポキ
シ接着剤と共同して、切削する間、軟磁性金属リボン１０のストリップが分離するのを許
容せず、これによりきれいで且つ正確な切削部を生じさせる。円環体１８又はその他の構
成要素構造体におけるスロット切削部は、典型的にコイル巻線を受容するために、又はね
じ、ボルト、リベット、周縁バンド部又は同様のものを使用して、構成要素を例えば、ダ
イナモ発電機ハウジング内にて又は静止誘導型装置内に機械的に固定することを許容する
ために使用される。

図５に示したように、回転軸線を巻線軸線に対して垂直にのみ配置することにより、正円
形の円環体のプリフォームに形成されたスロットは、図６により示したように半径方向に
向けられる。一部の実施の形態において、これと代替的に、回転軸線は、一部の用途にて
望ましいように、水平方向面又は垂直面の何れかにて多少傾斜させて正確に半径方向の向
きから偏倚するか又は垂直から偏倚する側壁を有するスロットを形成するようにすること
も可能である。

電磁構成要素の形状体となるように軟磁性金属円環体１８がフライス加工された後、フラ
イス加工組立体４０をフライス盤５０から除去する。次に、フライス加工組立体４０は、
必要に応じて軟磁性金属リボン１０の製造メーカの推奨に従って熱加工する。一部の軟磁
性リボン材料は、望まれる磁気性質を実現するため熱加工を必要とする一方、その他の材
料は、フライス加工過程の結果としてフライス加工した電磁構成要素の形状体の応力を適
正に除去するため、熱加工を必要とする。例えば、非晶質金属リボン１０がメットグラス
（Ｍｅｔｇｌａｓ）（登録商標名）非晶質合金である場合、熱加工は、フライス加工組立
体５０を約６０分間６９５°Ｆ（３７０°Ｃ）にて真空加熱炉内に配置するステップを含
むことになろう。熱加工は、選択随意的に、印加された磁界の存在下にて実行し、好まし
い誘発された異方性軸線が生じ且つ損失が最小であるようにする。熱加工は、典型的に、
以下に詳細に説明するように、ナノ結晶状材料中に再結晶化を誘発させるためにも必要と
される。フライス加工する間、適正に機械的に収容するならば、一部の材料は、許容可能
な磁気性質を実現するために更なる熱加工を行う必要はないと考えられる。

何らかの熱加工を行った後、フライス加工組立体４０は、外側収容部３０、内側収容ハッ
ト２０、内側リング１４及び使用される任意のリテーナを除去することで分解する。軟磁
性金属円環体１８は、このように図６に示した軟磁性金属電磁構成要素６０に形成される
。

構成要素６０は、ダイナモ発電機用のステータコアとして特に使用可能である。同時に譲
渡された米国仮特許出願番号６０／４４４，２７１（「´２７１出願」）及び米国特許出
願番号１０／７６９，０９４（「´０９４出願」）は、かかるステータが使用される軸方
向空隙のダイナモ発電機を提供する。上記の出願の各々は、その全体を参考として引用し
本明細書に含めてある。

より特定的には、図６には、全体として円環状の支持鉄部分（ｂａｃｋｉｒｏｎｓｅｃｔ
ｉｏｎ）６３から軸方向に垂れる一体的なステータ歯部分６５を含む単一構造体を提供す
るステータ組立体６０の一部分が頂面図（図６Ａ）及び側面図（図６Ｂ）にて示されてい
る。隣接する歯部分間のスロット空間６４は、歯部分６５の回りに巻かれたステータコイ
ル（図示せず）を受け入れ得る設計とされている。好ましくは、１つ又はより多くのステ
ータは、非晶質金属、ナノ結晶状金属又は最適化したＦｅ系合金のような低損失材料にて
形成されるものとする。

本発明は、本発明の電磁構成要素の１つ又はより多くを含む誘導型装置を更に提供する。
誘導型装置は、少なくとも１つの空隙を有するが、複数の空隙及び複数の磁気回路を有す
るより複雑な形状体を含むこともでき、この場合、回路のリアクタンスは、選んだコアの
形態の空隙を変化させることにより調節可能である。

例えば、多相誘導子又は変圧器は、図９に示したコア１３０を使用して形成することがで
きる。コア１３０は、支持鉄部分１３４と、複数の脚部１３６と、テープ巻きした円環体
１３８により提供される磁束閉塞ヨークとを含む単一構造体１３２から成っている。図示
した実施の形態は、３つの脚部を含み、３相装置に適している。単一構造体１３２は、図
６に示したステータ６０を製造するときに使用したものと同一の方法により製造すること
ができる。１相巻線（図示せず）が脚部１３６の各々を取り囲むように配置され、多相誘
導子を形成する。変圧器は、勿論、各脚部にて巻線対を採用する。図９に示した型式の全
体として同一の２つの構成要素１３２を整合させ、それらのそれぞれの脚部の末端が当接
する対面した関係に配設されるようにすることにより、誘導子又は変圧器を形成すること
もできる。その何れの場合でも、コアの透磁性及びインダクタンスは、対面する脚部の間
の空隙又は脚部の端部とヨーク１３８の平面状側部との間の空隙１４０を変化させること
で調節可能である。何れかの誘導性装置の形態にて単一構造体１３２の３つの脚部が対称
である結果、電気的インピーダンスが実質的に均衡した特徴を備えるようにすることが望
ましい。勿論、脚部の数が望まれる相の数の任意の整数の倍数であるその他の形態とする
ことも適している。

更にその他の実施例において、矩形及び正四角柱及び平面状の多角形面を有するその他の
多面体を含むが、これらにのみ限定されない色々なその他の幾何学的形態を有することが
できる、全体として多面体の形状の電磁構成要素を製造するため、本発明の方法が使用さ
れる。更に、上述した幾何学的形状体の任意のものは、少なくとも１つの円弧状面、好ま
しくは、全体として湾曲し又は円弧状の電磁構成要素を形成するよう対向するように配設
された２つの円弧状面を有することができる。一部の形態において、本発明のフライス加
工するステップは、接合したプリフォームに少なくとも１つの切削部を形成し、これによ
り少なくとも１つの電磁構成要素が形成され且つ接合したプリフォームから切断されるス
テップを含む。

本発明は、多面体の形状体が全体として円筒状であり、また、全体として環状部分から半
径方向内方又は外方に伸びる複数の歯を更に備えることができる構成要素も提供する。特
定型式の電気モータに対して完備したステータ及びロータは、本発明に従ってかかる歯付
き電磁構成要素を望ましいように採用する。これらのステータ及びロータは、単一構造で
あるようにすることができ又はこれらは共同して完成した構成要素を形成する複数の片か
ら形成することができる複数の部品から形成することができる。これと代替的に、ステー
タ及び（又は）ロータは、本発明の電磁構成要素の非晶質金属部分のみから成り、又は本
発明の電磁構成要素の１つ又はより多くをその他の磁性材料と組み合わせのものから成る
複合的構造であるようにしてもよい。

例えば、図９に示したものと同様の形態である誘導型構成要素はまた、全体として円弧状
の構成要素を使用して提供し、脚部１３６を形成し、頂部及び底部に円環状に巻いたヨー
ク１３８のような支持鉄セグメントが磁束閉塞体を提供するようにすることができる。巻
いた円環状支持鉄部分と噛み合った個別に形成した円弧状歯部分も、図６に示したものと
同様の軸方向空隙ステータを製造するために使用することができる。図６又は図９の形態
にてスロットを形成するため除去された材料は、通常、フライス加工する間、スクラップ
として損失されることになるから、かかる配置は、材料をより効率的に使用することを可
能にする。他方、個別の円弧状構成要素は、狭小なツール切り口にて僅かな量の材料を損
失するのみで形成することができる。その結果、円筒状のプリフォームの各々は、全体と
して追加的な円弧状歯を提供する。これらの実施例の歯は、所望の内径及び外径を有する
円筒状円環状のプリフォームを使用して製造される。好ましくは、歯は、支持鉄部分と実
質的に同一の内径及び外径の円環状プリフォームから製造されるものとするが、歯はまた
、異なる内径及び外径を有するが、支持鉄円環体と同一構造をしたプリフォームからも形
成されよう。歯の各々が僅かな周角度の限界のみを画する、多数の歯を有する一部の形態
において、円弧状歯に代えて多面体のウェッジが使用されよう。かかる多面体のウェッジ
形状の歯は、例えば、図８Ａに示したように、原材料の矩形の角柱状プリフォームから製
造することができる。

個別に形成された歯を使用することはまた、追加的な形状の自由度を許容する。例えば、
図１０Ａに示したように、個別の歯を使用することは、スロット１６４が支持鉄１６３と
の接続部付近で歯根元にて幅が広くなった軸方空隙ステータ１６０を製造することを許容
する。ウェッジ形状の歯は、巻線に対する余剰な空間を提供し、巻線を作動可能な空隙か
ら動かして離し、導体の渦電流損失を減少させ、また、歯先端の磁束レベルを低下させる
。図１０Ｂに示した実施例において、ウェッジ形状の歯１６１は、歯の各々の切削と交互
にフライス加工ツールの軸線を傾斜させることにより円環状プリフォームから切削するこ
とができる。かかる歯は矩形のプリフォームから切削することもできる。

上記の形態の別個の歯及び支持鉄部分は、任意の適当な手段により互いに固定される。例
えば、構成要素部品は接着剤、締結、溶接又は当該技術にて既知のその他の方法を使用し
て接続することができる。エポキシ、ワニス、嫌気性接着剤、シアノアクリレート及び室
温加硫（ＲＴＶ）シリコーン材料から成るものを含む、多岐に渡る接着剤が適している。
接着剤は、低粘度、低収縮率、低弾性率、低剥離強度、高温度作動能力及び高誘電強度を
有することが望ましい。

図１１には、半径方向内方に突き出す歯１０４を有する半径方向空隙ステータ１００を提
供する別の実施の形態が示されている。図示した実施例は、完全なステータ１００を形成
するよう組み立てられる相補的な半円形のステータ部分１０２を提供する。全体として矩
形のプリフォーム１１０が提供され、材料を除去して歯を形成し、また、隣接する歯と外
周との間にスロットを形成する一連の切削によりフライス加工される。領域１１２内にて
材料を除去することは歯１０４を形成することになる。領域１１４は、スロット１０６を
形成するようフライス加工される。図示した実施の形態において、領域１１６内で材料を
除去することにより半スロットが形成される。慎重に切削することにより、部分１０２が
接続される箇所である、寄生空隙１０８に起因する減磁を最小することを許容する。図１
１Ａにより示した実施の形態において、領域１１７内の材料は、完全に除去されてステー
タ半体１０２の各々に対し半円形の外周１１９を提供する。選択随意的に、領域１１７内
の材料の一部分又は全ては除去されない。かかる実施例において、支持鉄領域１１８内に
て低磁束密度が実現される。その他の実施例において、２つ以上のステータ部分が同様の
仕方にて製造され、ステータ部分の各々は完全な円周の必須の部分を提供する。

図１の円環状のプリフォームは、容易に且つ便宜に巻かれて、材料をより効率的に使用す
る。従って、このことは、上記のステータ及び誘導子のようなある型式の電磁構成要素の
製造にとって好ましい。しかし、図８Ａの矩形のプリフォームを含む、その他のプリフォ
ーム形状体も使用可能である。更に別のプリフォームの幾何学的形態は、円弧状の形状、
「Ｃ」字形の形状又は同様のものを形成するよう曲げられた複数のリボンを含むことにな
ろう。

全体として、本発明に従って製造された多面体形状の電磁構成要素は、矩形、四角形及び
台形角柱及び同様のものを含む、色々な幾何学的形状体を有することができる。更に、上
述した幾何学的形状体の任意のものは、少なくとも１つの円弧状面を含み、好ましくは、
対向するように配設された２つの円弧状面を含み全体として湾曲し又は円弧状の電磁構成
要素を形成することができる。

本発明の誘導装置は、構成する多面体形状の構成要素、好ましくは、識別される「Ｃ」、
「Ｕ」、「Ｅ」、「Ｉ」のような特定の大文字の形状と全体として同様の全体的な形状を
有するものから組み立てられる。かかる形状体は、上述した方法を使用して矩形の角柱状
プリフォームを切削することにより便宜に製造される。図８Ｂには、矩形の角柱状プリフ
ォームから製造された「Ｅ」字形の構成要素が示されている。

誘導装置は、構成要素を固定手段により隣接した状態に固定することにより組み立てられ
、これにより少なくとも１つの磁気回路を形成する。固定手段は、接着剤取り付け、締結
、バンド留め、溶接又はその他の同様の方法を含むことになろう。組み立てた形態におい
て、構成要素の各々における磁性金属ストリップの層は、実質的に平行な面内に位置する
。構成要素の各々は、その他の構成要素にて同様の数の相補的な噛み合い面に対して近接
し且つ平行に動かされる少なくとも２つの噛み合い面を有する。例えば、Ｃ、Ｕ、Ｅ形状
体のような一部の形状体は、全体として、実質的に同一面である噛み合い面にて終わる。
Ｉ字形（又は矩形の角柱状）形状体は、その両端に２つの平行な噛み合い面を有し又はそ
の長側部に１つ又はより多くの噛み合い面を有することになろう。好ましくは、噛み合い
面は、コア損失を最小にし得るよう構成要素内で構成リボンの面に対し垂直であるように
する。本発明の一部の実施の形態は、構成要素の作用部の細長い方向に対して留め継ぎ（
ｍｉｔｅｒｅｄ）した噛み合い面を有するバルク磁性構成要素を更に備えている。

本発明の方法は、リニアモータ又はアクチュエータ用の構成要素を製造するためにも使用
可能である。好ましい形態は、伸びた支持鉄部分から全体として垂直に垂れる一連の歯を
備えている。この形態は、図８ＢのＥ字形の構成要素１２０と同様であるが、追加的な歯
１２２及びスロット１２４を有し、また、同様の技術を利用して製造することができる。

低損失の磁性材料
非晶質金属及びナノ結晶状金属と、最適化したＦｅ系合金とから成る群から選ばれた少な
くとも１つの材料の積層したリボン層を含むことが好ましい本発明の構成要素は、典型的
な線周波数よりもかなり高い周波数にて作動可能である装置を製造することを許容する。
例えば、ダイナモ発電機は、４００Ｈｚ以上のような高い同期的励起周波数にて作動させ
ることができ、コア損失は、従来の機械に見られる許容し得ない程に大幅な増大と比較し
て、相対的に僅かだけ増大する。従って、これらの構成要素（特に、ステータコア）にて
低損失材料を使用することは、過剰な熱的劣化を伴わずに電力密度及び改良された効率を
実現することができる高周波数、極数（ｐｏｌｅｃｏｕｎｔ）の大きい電気装置を開発す
ることを許容する。好ましくは、ステータ組立体は、非晶質、ナノ結晶状又は最適化した
Ｆｅ系合金から成る群から選ばれた少なくとも１つの材料から成る積層した層を備えるも
のとする。

非晶質金属
非晶質金属は、本発明の構成要素にて使用するのに適した多数の異なる組成にて存在する
。金属ガラスは、少なくとも約１０^６°Ｃ／ｓの率にて冷却することにより、溶融体から
迅速に急冷された必須の組成物の合金溶融体から典型的に形成される。これらの金属ガラ
スは、長距離原子秩序を何ら示さず、また、無機質酸化物ガラスについて観察されたもの
と同様の拡散ハローのみを示すＸ線回折パターンを有する。適した磁気性質を有する多数
の組成物がチェン（Ｃｈｅｎ）その他の者に対する米国特許明細書ＲＥ３２，９２５に記
載されている。非晶質金属は、典型的に、幅２０ｃｍ以上の薄いリボン（例えば、厚さが
最大約５０μｍ）の長い長さの形態にて供給される。不定長さの金属ガラスストリップの
形成に有用な過程は、ナラシムハン（Ｎａｒａｓｉｍｈａｎ）に対する米国特許明細書４
，１４２，５７１によって開示されている。本発明にて使用するのに適した一例としての
非晶質金属材料は、不定長さであり、また、幅約２０ｃｍ以内、厚さ２０ないし２５μｍ
以内のリボンの形態にて、ＳＣ、コーンウェイのメットグラスインク（Ｍｅｔｇｌａｓ，
Ｉｎｃ）により販売されているメットグラス（登録商標名）２６０５ＳＡ１である（ｈｔ
ｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｅｔｇｌａｓ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｐａｇｅ５１２４．
ｈｔｍを参照）。必須の性質を有するその他の非晶質材料を使用することもできる。

非晶質金属は、磁気器具を製造し且つ使用するとき考慮しなければならない多数の特徴を
有する。殆どの軟磁性材料と相違して、非晶質金属（金属ガラスとしても知られている）
は、特に、その軟磁性の性質を最適化するため使用される熱加工の後、硬く且つ脆弱であ
る。その結果、従来の軟磁性材料を加工するために通常使用される機械的工程の多くは、
非晶質金属にて実行することが困難か又は不可能である。製造されたままの材料を押し抜
き加工し、プレス加工又は切削は、許容し得ないツールの磨耗が生じさせ、このため、脆
弱な熱処理した材料にて実質的に不可能である。従来のスチールに対してしばしば行われ
る従来の穴開け及び溶接も、通常、行うことができない。

非晶質金属はまた、特定の従来の材料よりも高い磁気歪係数を示す。低磁気歪係数の材料
の場合、磁界の影響の下、寸法変化が小さく、その結果、機械からの聴覚的騒音を少なく
し、機械製造又は工程の間、誘発される応力の結果として材料がその磁気性質をより劣化
し易くする可能性がある。

こうした解決すべき困難な問題点にも拘わらず、本発明の形態は、進歩した軟磁性材料を
成功裏に含み且つ、例えば、約４００Ｈｚ以上の励起周波数のような高周波数の励起状態
にて装置を作動することを許容する構成要素を提供する。装置を製造するための製造技術
も提供される。

非晶質金属は、高周波数にて遥かに低いヒステリシス損失を示し、その結果、コア損失が
遥かに低下する。Ｓｉ−Ｆｅ合金と比較して、非晶質金属は、遥かに低い導電率を有し、
また、典型的に、２００μｍ以上の厚さであることがしばしばである、通常、使用される
Ｓｉ−Ｆｅ合金よりも遥かに薄い。これらの特徴の双方は、低渦電流のコア損失を促進す
ることになる。本発明の製造技術は、進歩した材料を使用する従来の試みにて直面する問
題点を回避しつつ、低コア損失のような、非晶質金属の有益な性質を活用することを許容
する形態を使用して、これらの有益な性質の１つ又はより以上による利益を享受し、これ
により高周波数にて効率的に作動する構成要素を成功裏に提供するものである。

ナノ結晶状金属
ナノ結晶状材料は、約１００ナノメートル以下の平均粒子寸法を有する多結晶状材料であ
る。従来の粗粒子の金属と比較して、ナノ結晶状金属の性質は、全体として、増大した強
度及び硬度、向上した拡散率、改良された展性及び靭性、減少した密度、減少した弾性率
、高電気抵抗、増大した比熱、高い熱膨張係数、低い熱伝導率及び優れた軟磁性の性質を
含む。ナノ結晶状金属は、殆どのＦｅ系非晶質金属よりも全体として、多少より高い飽和
誘電率をも有する。

ナノ結晶金属は、多数の技術によって形成することができる。１つの好ましい方法は、上
述に教示したもののような技術を使用して、最初に不定な長さの金属ガラスリボンとして
必須の組成を鋳造し、また、リボンを巻いた形状体のような望まれる形態に形成するステ
ップを備えている。その後、最初に非晶質材料を熱処理してナノ結晶状微構造を形成する
。この微構造は、約１００ｎｍ以下、好ましくは約５０ｎｍ以下、より好ましくは約１０
ないし２０ｎｍの平均寸法を有する高密度の粒子が存在することを特徴とする。粒子は、
容積にて溶接鉄系合金が少なくとも５０％を占めることが好ましい。これらの好ましい材
料は、低コア損失及び低磁気歪を有する。後者の性質はまた、構成要素を備える装置の製
造及び（又は）作動に起因する応力による磁気性質の劣化に対して抵抗性がある。所定の
合金内にてナノ結晶状構造を形成するのに必要とされる熱処理は、実質的に完全なガラス
性微構造を維持する設計とされた熱処理に必要とされるよりも高温度にて又は長時間、実
行しなければならない。好ましくは、ナノ結晶状金属は鉄系材料である。しかし、ナノ結
晶状金属は、コバルト又はニッケルのようなその他の強磁性材料系のものとし又はその強
磁性材料を含むこともできる。更に、ナノ結晶状材料は、焼鈍した非晶質金属よりも典型
的により脆弱であり、これらの材料を更に押し抜きすることを困難にする。

本発明の装置用の磁性要素を製造するために使用するのに適した代表的なナノ結晶状合金
は、例えば、ヨシザワ（Ｙｏｓｈｉｚａｗａ）に対する米国特許明細書４，８８１，９８
９及びスズキ（Ｓｕｚｕｋｉ）その他の者に対する米国特許明細書５，９３５，３４７に
記載された合金である。かかる材料は、日立金属（ＨｉｔａｃｈｉＭｅｔａｌｓ）、バキ
ュームシェルツ（Ｖａｃｕｕｍｓｃｈｍｅｌｚｅ）ＧｍｂＨ及びアルプス電気（Ａｌｐｓ
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）から入手可能である。低損失性質を有する一例としてのナノ結晶状金
属は、日立ファインメット（ＨｉｔａｃｈｉＦｉｎｅｍｅｔ）ＦＴ−３Ｍである。低損失
性質を有する別の一例としてのナノ結晶状金属は、バキュームシェルツビトロペルム（Ｖ
ａｃｕｕｍｓｃｈｍｅｌｚｅＶｉｔｒｏｐｅｒｍ）５００Ｚである。

最適化したＦｅ系合金
本発明の構成要素は、最適化した低損失Ｆｅ系合金材料にて製造することもできる。本明
細書にて使用するように「最適化したＦｅ系合金」という語は、従来、ダイナモ発電機に
て使用され、非晶質又はナノ結晶材料よりも高い飽和誘電率を有することが多い結晶状、
Ｆｅ系モータ及び電気スチール材料よりも、低コア損失を有する方向性及び非方向性のＦ
ｅ系材料を意味する。好ましくは、かかる材料は、２００μｍ以上、また、場合によって
は４００μｍ以上の厚さを有する従来からダイナモ発電機及びその他の誘導型装置にて使
用されるスチールより遥かに薄い約１２５μｍ以下の厚さを有するストリップの形態であ
ることが好ましい。本明細書にて使用したように、方向性材料は、構成する結晶状粒子の
主要な結晶軸が無作為の方向とされず、１つ又はより多くの好ましい方向に沿って優勢的
に補正された材料である。上記の微構造の結果、方向性ストリップ材料は、異なる方向に
沿って、磁気的励起に対して異なる程度に応答する一方、非方向性材料は等方的に応答す
る、すなわちストリップの面内にて任意の方向に沿って励起に対して実質的に同一の応答
を示す。方向性材料は、その容易な磁化方向が磁束の優勢的な方向と実際に一致するよう
に本発明の機械内に配設されることが好ましい。

本明細書にて使用するように、従来のＳｉ−Ｆｅとは、重量比にて約３．５％以下のシリ
コンのシリコン含有率のシリコン−鉄合金を意味する。シリコンが重量比にて３．５％で
ある限界値は、より高いシリコン含有率の場合、Ｓｉ−Ｆｅ合金の金属加工材料の性質が
不良となるため、業界により課されるものである。約４００Ｈｚ以上の周波数の磁界にて
作動することに起因する従来のＳｉ−Ｆｅ合金等級のコア損失は、低損失材料のものより
も実質的に高い。例えば、一部の場合、従来のＳｉ−Ｆｅの損失は、本発明にて教示した
周波数の磁束レベルの下、作動する機械にて遭遇する周波数を磁束レベルにて適した非晶
質金属のものの１０倍にも増す。その結果、多くの実施の形態において、高周波数作動下
にある従来の材料は、従来の装置を何らかの許容可能な手段によって冷却することができ
ない程度まで加熱されることになろう。しかし、本明細書にて最適化したＳｉ−Ｆｅと称
したシリコン−鉄合金の一部の等級は、高周波数装置を製造するため直接、適用可能であ
る。

本発明を実施するときに使用可能な最適化したＦｅ系合金は、重量比にて３．５％以上、
好ましくは４％以上のシリコンを含むシリコン−鉄系合金から成る。本発明に従って装置
を製造するときに使用される非晶質方向性Ｆｅ系材料は、実質的に重量比にて約４ないし
７．５％のＳｉを含む程度のＦｅとＳｉとの合金から成ることが好ましい。これらの好ま
しい合金は、従来のＳｉ−Ｆｅ合金よりも多くのＳｉを有する。また、センダスト（Ｓｅ
ｎｄｕｓｔ）のようなＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金も使用可能である。

より好ましい方向性の最適化した合金は、重量比にて約６．５±１％のＳｉを含むＦｅに
て実質的に成る組成を有する。より好ましくは、約６．５％のＳｉを含む合金は飽和磁気
歪の値が零に近く、その材料を収容する装置を製造し又は作動する間、遭遇する応力に起
因する有害な磁気性質の劣化を受け難くする。

最適化する目的は、減少した磁気歪、特に、低コア損失を含む改良された磁気性質を有す
る合金を得ることである。これらの有益な品質は、適した製造技術により製造されたシリ
コン含有量が増した特定の合金にて得ることができる。一部の場合、これらの最適化した
Ｓｉ−Ｆｅ合金等級は、非晶質金属のものと同様のコア損失及び磁気飽和を特徴とする。
しかし、重量比にて約４％以上のＳｉを含む合金は、その短距離秩序のため、脆弱となる
から、従来の手段によって製造することは困難である。特に、従来のＳｉ−Ｆｅを製造す
るため使用される従来の圧延技術は、全体として最適化したＳｉ−Ｆｅを製造することは
できない。しかし、最適化したＳｉ−Ｆｅを製造するため、その他の既知の技術が使用さ
れる。

例えば、Ｆｅ−６．５Ｓｉ合金の１つの適当な形態は、日本、東京のＪＦＥスチールコー
ポレーション（ＪＦＦＳｔｅｅｌＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）により５０及び１００μｍ
厚さの磁気ストリップとして供給される（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｆｅ−ｓｔｅｅｌ．
ｃｏ．ｊｐ／ｅｎ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ／ｓｕｐｅｒｃｏｒｅ／ｉ
ｎｄｅｘ．ｈｔｍｌを参照）。ダス（Ｄａｓ）その他の者に対する米国特許明細書４，８
６５，６５７及びツヤ（Ｔｓｕｙａ）その他の者に対する米国特許明細書４，２６５，６
８２に開示されたような急速凝固法によって製造されたＦｅ−６．５％Ｓｉを使用するこ
ともできる。急速凝固法は、センダスト及び関連したＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金を製造するた
めにも知られている。

好ましい軟磁性材料の損失振舞い
本発明の構成要素にとって好ましい材料における改良された損失の主要な原因となるものは、顕著に減少したヒステリシス損失である。当該分野にて既知であるように、ヒステリシス損失は、全ての軟磁性材料の磁化期間中に磁気ドメイン（磁区）壁の動作が妨げられることに起因する。かかる損失は、全体として本発明の構成要素にて採用されることが好ましい改良された材料よりも、従来の方向性Ｓｉ−Ｆｅ合金及び非方向性モータ及び電気スチールのような、従来から使用された磁性材料にて高い。一方、高い損失はコアの過熱の原因となる可能性がある。
時に放出される。

より特定的には、軟磁性材料のコア損失は、全体として次の改変したシュタインメッツ等
式によって表わすことができることが分かった。
Ｌ＝ａ・ｆ・Ｂ^ｂ＋ｃ・ｆ^ｄ・Ｂ^ｅ（１）
ここで、
Ｌは、Ｗ／ｋｇで表わした損失、
ｆは、ｋＨｚで表わした周波数、
Ｂは、ピークテスラで表わした磁束密度、
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅは、全て任意の特定の軟磁性材料に特定的である経験的な損失係数で
ある。

上記の損失係数ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの各々は、一般に、所定の軟磁性材料の製造メーカか
ら得ることができる。本発明のステータ構造体にて使用するのに特に好ましいのは、Ｌが
等式（１）の形態にて表わされ、この場合、Ｌ＝１２・ｆ・Ｂ^１．５＋３０・ｆ^２．３・
Ｂ^２．３としたとき、「Ｌ」以下のコア損失を特徴とする低コア損失の磁性材料である。

遥かに高い励起周波数を使用し得る能力は、本発明の構成要素を備えて製造されたダイナ
モ発電機を遥かに広範囲な可能な極数にて設計することを許容する。本発明の装置におけ
る磁極の数は、許容可能な機械寸法（物理的制約）及び予想される性能範囲に基づいて可
変である。許容可能な励起周波数限界に従って、磁極の数は、磁束漏洩が望ましくない値
まで増し又は性能が低下し始めるまで増すことができる。

このように本発明をかなり詳細に説明したが、必ずしも厳格にかかる詳細に従う必要はな
く、当該技術の当業者自体は、色々な変更及び形態変更例が案出されよう。例えば、「１
つ」「その」又は「上記」といった語を使用して単数にて要素を説明することは、要素を
単数にのみ限定するものと解釈すべきではない。従って、かかる形態変更は、特許請求の
範囲により規定されて本発明の範囲により包含されることを意図するものである。

Claims

軟磁性金属の電磁構成要素を製造する方法であって、
整合する端縁を有する軟磁性金属リボン（１０）を使用してプリフォーム（１８、９０、１２０）を形成するステップであって、該プリフォーム形成ステップは、（ｉ）矩形角柱（９０、１２０）を形成するリボンの積層体、又は（ｉｉ）円環体（１８）を形成する巻いたリボン層であって、該リボンは、非晶質金属と、ナノ結晶状金属と、最適化したＦｅ系合金とから成る群から選ばれた材料から成る前記巻いたリボン層との何れかを備える前記プリフォーム形成ステップと、
前記プリフォーム（１８、９０、１２０）を、全ての側部にて該プリフォームを支持する収容手段（２０、３０）内に収容するステップであって、該収容ステップが、接着剤を前記プリフォーム（１８、９０、１２０）に施し且つ該接着剤を熱硬化温度で熱硬化させることにより接合したプリフォームを形成し、これにより該各リボンの表面が接着されて、フライス加工組立体内に前記接合されたプリフォーム（１８、９０、１２０）を収容する前記収容ステップと、
前記フライス加工組立体内に収容されたプリフォーム（１８、９０、１２０）をフライス加工して電磁構成要素の形状体にするステップと、
印加された磁界の存在下で前記電磁構成要素の形状体を熱加工して熱加工温度にて電磁構成要素を形成するステップであって、前記磁界はリボンを磁化して該リボンの面内で磁気ドメインを動作させ、前記熱硬化温度は前記熱加工温度より低い前記電磁構成要素の形成ステップとを備え、
非晶質金属及びナノ結晶状金属のリボンの表面の接着剤の接合部が前記熱硬化されていることにより、前記フライス加工期間中に該リボンの端縁が変形したり、破断したりするのを防止する、方法。
請求項１に記載の方法において、
前記収容手段（２０、３０）はフライス加工組立体（４０）を備える、方法。
請求項１に記載の方法において、
前記熱硬化温度は、熱加工温度の約１／４ないし３／４の程度である、方法。
請求項１に記載の方法において、
前記矩形角柱（９０、１２０）は、予め切断した複数の等しい長さのリボンを積層することにより形成される、方法。
請求項１に記載の方法において、
前記矩形角柱（９０、１２０）は、前記接着剤により接合され、且つ前記熱硬化温度で硬化され、且つフライス加工されて前記電磁構成要素の形状体に形成される、方法。
請求項５に記載の方法において、
前記矩形角柱（９０、１２０）のフライス加工ステップは、前記プリフォーム（９０、１２０）を貫通する少なくとも一つの切削部分を備える、方法。
請求項１に記載の方法において、
前記円環体（１８）のプリフォーム（１８）は、円環体の軸線（１１）と、内側面（１５）と、外側面（１７）と、頂部（１９）と、底部（２１）と、接合された接着剤とを有する、巻かれた軟磁性リボン層（１８、９２）を備え、該巻かれた軟磁性リボン層（１８、９２）は熱硬化温度で硬化される、方法。
請求項７に記載の方法において、
前記円環体のプリフォーム（１８）をフライス加工するステップは、該プリフォームを貫通する少なくとも一つの切削部分を備える、方法。
請求項８に記載の方法において、
前記円環体（１８）は、円筒状の円環体軸線（１１）を有する正円形の円筒体であり、
前記プリフォーム（１８）を電磁構成要素の形状体となるようにフライス加工するステップは、円筒状の円環体（１８）の軸線（１１）に対して垂直な軸線の回りにて回転する切削ツール（５２）によって円環体（１８）をフライス加工するステップを備える、方法。
軟磁性の金属電磁構成要素を製造する方法において、
端縁を有する軟磁性金属リボン（１０）を、複数のリボン層（１８、９２）を備えるプリフォーム（９０、１２０）に形成するステップであって、該複数のリボン層（１８、９２）は、各リボンの端部が整合され且つ互いに等しい長さのリボンが積層されてなる前記プリフォーム形成ステップと、
接着剤を前記プリフォーム（９０、１２０）に施すステップと、
接着剤を熱硬化温度で熱硬化させて、接合した矩形角柱（９０、１２０）のプリフォームを形成するステップと、
前記接合したプリフォームをフライス加工組立体（４０）内に収容する工程と、
フライス加工組立体（４０）内に収容された接合した矩形角柱のプリフォーム（９０、１２０）を電磁構成要素の形状体となるようにフライス加工するステップと、
前記接合したプリフォーム（９０、１２０）を印加された磁界の存在下で熱加工するステップとを備え、
非晶質金属及びナノ結晶状金属のリボンの表面の接着剤の接合部が前記熱硬化されていることにより、前記フライス加工期間中に該リボン層の端縁が変形したり、破断したりするのを防止する、軟磁性の金属電磁構成要素を製造する方法。
軟磁性の金属電磁構成要素を製造する方法において、
端縁を有する軟磁性金属リボン（１０）を、複数のリボン層（１８）を備えるプリフォーム（１８）に形成するステップであって、該リボン層（１８）は、円環体軸線と、内面と、外面（１７）と、頂部（１９）と、底部（２１）と、整合した端部とを有する正円形の円筒体形状である円環体（１８）になるように巻かれる前記プリフォーム形成ステップと、
接着剤をプリフォーム（１８）に施すステップと、
接着剤を熱硬化させて接合したプリフォーム（１８）を形成するステップと、
前記接合したプリフォームをフライス加工組立体（４０）内に収容する工程であって、内側リング（１４）を前記内面の少なくとも一部の回りに周方向に配置する工程と、
フライス加工組立体（４０）内に収容された接合したプリフォーム（１８）を電磁構成要素の形状体となるようにフライス加工するステップと、
前記接合したプリフォーム（１８）を、印加した磁界の存在下で熱加工するステップとを備え、
非晶質金属及びナノ結晶状金属のリボンの表面の接着剤の接合部が前記熱硬化されていることにより、前記フライス加工期間中に該リボン層の端縁が変形したり、破断したりするのを防止する、軟磁性の金属電磁構成要素を製造する方法。
軟磁性の金属電磁構成要素を製造する方法において、
軟磁性金属リボン（１０）を巻き軸線（１１）の回りにて巻いて、内側部と、外側部（１７）と、頂部（１９）及び底部（２１）とを有する円環体（１８）に形成するステップと、
内側リング（１４）を前記内側部に配置するステップと、
内側収容ハット（２０）を前記頂部（１９）及び内側部に配置するステップと、
外側収容ハット（３０）を前記頂部（１９）及び外側部に配置するステップと、
リテーナを前記外側収容ハット（３０）の回りに配置するステップと、
接着剤を円環体（１８）に施すステップと、
該接着剤を熱硬化するステップと、
前記円環体（１８）が内側及び外側収容ハット（２０、３０）内に配設されている間、該円環体（１８）をフライス加工して電磁構成要素の形状体にするステップと、
磁界を円環体（１８）に印加するステップと、
印加された磁界下で電磁構成要素の形状体を熱加工して電磁構成要素にするステップとを備え、
非晶質金属及びナノ結晶状金属のリボンの表面の接着剤の接合部が前記熱硬化されていることにより、前記フライス加工期間中に該リボンの端縁が変形したり、破断したりするのを防止する、軟磁性の金属電磁構成要素を製造する方法。
請求項１０に記載のステップを備えるダイナモ発電機の製造方法。
請求項１１に記載のステップを備えるダイナモ発電機の製造方法。
請求項１２に記載のステップを備えるダイナモ発電機の製造方法。
請求項１に従って製造された電磁構成要素の製造方法において、
Ｌは等式Ｌ＝１２・ｆ・Ｂ^１．５＋３０・ｆ^２．３・Ｂ^２．３により与えられ、コア損失、励起周波数及びピーク誘導レベルは、それぞれキログラム、キロヘルツ及びテスラ当たりのワットにて測定されるとして、励起周波数「ｆ」にてピーク誘導レベル「Ｂ_ｍａｘ」まで作動されたとき、「Ｌ」以下のコア損失を有する、電磁構成要素の製造方法。