JPH0225527A - 誘導発電機の回転子用ダンパーウェッジ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はＡｌ合金に繊維を複合した複合材料とその製造
方法並びにその材料の用途に関する。

〔従来の技術〕

ＡｌＣアルミニウム）は、鉄鋼材料に比較して比重が著
しく低く、耐食性に富む材料であり、その特性を生かし
て耐候性材料及び航空機材料に数多く適用されている。

しかし、強度が低いため適用範囲が限られていた。

一方、最近Ａｌに一方向のみに強磁性をもたせた磁気異
方性材料の開発研究が活発に行なわれている。この材料
は、非磁性体のＡｌ１に強磁性体を形成せしめるもので
ある。その強磁性体を一方向に形成せしめると、その形
成方向は強磁性を有する。このような特性を利用して、
誘導発電機の回転子に適用すると磁束が一方に制御され
ると共に出力トルクの増大が計れるため、電力効率が向
上する。

複合材料の適用により磁気異方性を有する回転子の構造
を示す公知例が、特開昭５７−４６６５６号公報に記載
されている。これは、第８図に示すように、誘導電動機
の回転子１２の外周面に設けた通電外被６を、透磁率が
周方向成分よりも径方向成分の方が大きくなるように、
磁性体導電材８と非磁性体導電材７とを組み合わせて磁
気異方性を与えた回転子１２の構造となっている。

一方、最近Ａｌ粉末と強磁性体とを混合して焼結成形す
ることにより、磁性ＡΩ複合材を製造する技術が知られ
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、Ａｌ粉末と強磁性体とを混合する方法で
は、複合材料の基地となるＡｌの融液の湯滴れや反応性
が低いので、緻密に配置された繊維間に浸透しにくいた
め欠陥の発生が多く、そのため複合材料の強度が低いも
のになるという問題があった。

本発明の目的は、上記問題点を消除するとともに、引張
強度を高め、さらに磁気特性をも高めた複合材料及びそ
の製造方法並びにその用途を提供することにある。

〔、！！題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために１本発明の複合材料においで
は、Ａｕ合金中に繊維が含まれている複合材料において
、前記Ａα合金がアルカリ金属元素のうち少なくとも一
種を含有するものである。

上記アルカリ金属元素がＬｉ、Ｎａ及びＫであり、前記
アルカリ金属が上記Ａｕ合金中に、０．０５〜４．０重
量％含まれているのが効果的である。

また、上記アルカリ金属元素を含むＡ９合金中に、それ
ぞれ１重量％以下のＦｅ（鉄）、Ｚｒ（ジルコニウム）
、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（ク
ロム）、■（バナジウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｂ（ボロ
ン）、Ｃｕ（銅）、Ｓｉ（シリコン）。

Ｎｉにッケル）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステ
ン）、Ｎｂにオビウム）の金属元素のうち少なくとも一
種からなる単体又は合金を含むことも効果的である。

このＡ、　Ｑ合金中に含まれる繊維が、Ａ９合金中に一
方向に配列されているか、繊維が、短く、かつ方向性を
もたない状態でＡｕ合金中に含まれていてもよい。そし
て、この繊維が、金ｒ４繊維、セラミックス繊維、炭素
繊維、炭化物系繊維、ガラス繊維又は窒化物系繊維であ
ってもよく、また、その金属繊維が、強磁性体であって
もよい。

さらに２上記繊維の表面にあらかじめ金属コーティング
が施されているとよく、さらに、この金属コ・−ティン
グ用の金属が、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ。

Ｃｕ、、Ａｇ（銀）又はＡ　１１　（金）であると効果
的である。

また、この複合材料においては、その比透磁率が、繊維
方向に高く、その直角方向に低いものでもある。

そして、Ａｌ合金中に繊維を含有させる複合材料の製造
方法としては、Ａｌにアルカリ金属元素のうち少なくと
も一種を添加して溶解し、その融液中に繊維を浸漬する
方法があり、さらに、Ａｌにアルカリ金属元素のうち少
なくとも一種を添加した混合物の粉末を、前記繊維の束
の間隔に充填した後に前記粉末を溶融する方法もある。

そして、この複合材料の用途としては、請求項１０に記
載の複合材料を、誘導発電機の回転子のダンパーウェッ
ジに用いると効果的である。

〔作用〕

上記のように構成された複合材料の基地は、Ａｌにアル
カリ金属元素のうち少なくとも一種を含めたＡｌ合金で
あるので、その溶融金属の湯流れや反応性が高まる。そ
のため、繊維間に溶融金属がくまなく行き渡るとともに
、繊維と溶融金属との界面が反応して、両者の結合性を
高める。

上記のアルカリ金属元素は、Ｌｉ、Ｎａ及びＫが好まし
い、ＡｌにＬｉが含まれると、Ａｌｌ、Ｌｉの析出物が
形成され、Ａｆｌに比べて著しく強度の高いＡｌ合金の
基地となる。その含有量は０．０５〜４．０重量％が好
ましい。含有量が０．０５％未満ではその効果がなく、
４％を超えると反応性が激しくなり繊維を過剰に侵食す
る。

その含有量は０．５〜３．５％が好ましく、特に１〜３
％が望ましい。

そして、Ａｌ及びアルカリ金属の他にＦｅ。

Ｚｒ、Ｍｇ＋　Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｂ、Ｃｕ。

Ｓｉ、ＮｉｌＭｏ、Ｗ、Ｎｂなどの金属元素のうちの一
種又は２種以上複合で含むことにより強度が更に高まる
。それぞれの元素は、１％以下が好ましく、過剰に添加
した場合には、Ａｌ合金の比重を高めるばかりでな（、
靭性を損なう恐れがある。

また、複合材料中の繊維を一方向に配列することにより
、ｍ維長手方向とその直角方向とでは、機械的性質、磁
気的特性等の材料特性に異方性を生じる。一方、この繊
維が短く、かつ方向性を持たない状態でＡＲ金合金中含
まれることにより、繊維が方向性を持たないので、材料
特性に異方性を生じにくい。

そして、Ａｌ合金基地に配置される繊維では、金属繊維
、セラミック繊維、炭素繊維、炭化物系繊維、ガラス繊
維及び窒化物系繊維とすることにより、繊維が基地の強
度より高いので、複合材料の強度を高める。さらに、そ
の金属繊維を強磁性体とすることにより、腹合材料の強
度も高めるとともに磁気特性を高める。

また、Ａｌ金合金中含まれる繊維に、あらかじめ金属コ
ーティングを施すことにより、溶融金属と繊維との反応
性が高まり、さらに、コーティングする金属をＮｉ、Ｃ
ｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ又はＡｕとすることにより溶融金
属と繊維との反応性が更に高められる。

また、この複合材料の比′ｉ１磁率が、Ｉｌｌ力方向高
く、その直角方向に低いものとすることにより、強い磁
気異方性を示す材料となる。

複合材料の製造方法としては、Ａｌにアルカリ金属元素
のうち少なくとも一種を添加し溶解すると、湯流れがよ
く繊維との反応性の高い融液となる。従って、この融液
中に繊維を浸漬するとこの融液は繊維間に十分に浸透し
、かつ、繊維との結合性を高める。

複合材料の他の製造方法としては、Ａｌにアルカリ金属
元素のうち少なくとも一種を添加した混合物の粉末を、
繊維の束の間隙に充填した後にこの混合物の粉末を溶融
すると、融液は湯流れがよいので、繊維間に十分に浸透
し、繊維との反応性がよいので繊維との結合性を高める
。

複合材料の用途としては、請求項１０に記載の複合材料
を誘導発電機の回転子のダンパーウェッジに適用するこ
とにより、磁気異方性の強いダンパーウェッジになる。

（実施例〕 以下に、本発明の実施例について、第１図〜第７図によ
り説明する。

第１実施例 本発明の複合材料の基地となるＡｌ合金の強度を検討し
た。

供試材として、比較材としての純Ａｌと、本発明の複合
材料の基地となるＬｉを２％含むＡｌ合金を作製した。

供試材の溶解は、黒鉛るつぼ中（φ５０）に材料を入れ
、電気炉加熱によりアルゴンガス雰囲気中で行なった。

溶解条件は、７００〜７５０℃で１５分間保持して溶解
し、その後（ＩＪ湯を黒鉛るつぼ（１０’Ｘ　２０”Ｘ
　１００’）に鋳造した。その後、軟化させるため５０
０℃の均質化処理を施してから７ｍｍまで約４５０℃で
圧延し、さらに応力開放と完全固溶のために５００℃×
１時間の溶体化処理を施し、その後、Ａ　Ｑ　−Ｌ　ｉ
化合物を析出させるために２００℃×１０時間の時効処
理を施した０以上のような条件で作製し加工した試料を
用いて引張試験を実施した。

第１表に引張試験結果を示す。

引張り強さは、比較材が６．０ｋｇ／ｍｍ”であるのに
対して、本発明に適用される２％Ｌｉ−Ａｌは２５　ｋ
ｇ／　ｍ　ｍ”と前者の約４倍の引張り強さを示す０以
上の結果から、本発明に適用される複合材料の基地は、
強度が比較材に比べて著しく高く、複合材料として有効
であることが明らかである。

また、Ｌｉの他にＮａ、Ｋを適当量Ａｍに含有させても
、上記と同様な結果が得られる。

第２実施例 次に、本発明の複合材料の実施例について述べる。第１
実施例と同様の溶解方法によって２種類（純Ａｌ及び２
％Ｌｉ−Ａｌ２）の材料をそれぞれ溶解し、その溶湯中
へ１０００本束ねた直径０．５ｍｍのＮｉ線を浸漬させ
た。その後、浸漬のまま５分間保持してから、アルゴン
ガスを吹付けながら放冷した。

第１Ａ図及び第１Ｂ図に、溶解、成形後の試料断面のマ
クロ組織を示す、第１Ｂ図は比較材としてＡｌを基地用
材料として使用した結果である。

写真から明らかなように、溶融金属がＮｉ線にさえぎら
れて内部に浸透せず、Ａｌ基地１とＮｉ線２との結合不
良がはなはだしい複合材料１０となった・ 一方、第１Ａ図は本発明の結果を示す。比較材と比較し
て明らかなごとく、基地１と繊維２、すなわちＮｉ線と
の反応性がよいためよく密着し、そのため結合不良部が
なく、良好な複合材料１０が形成されていることが明ら
かである。

第３実施例 次に、本発明の複合材料の磁気特性について行なった実
験結果について説明する。

供試材は第２実施例で作製した発明材を用いた。

なお、比較材は、第１Ａ図で示すごとく、結合不良域が
著しく広いため、試料を採取できなかった９第２図は、
試料と繊維（Ｎｉ線）２との関係を示す、試料は、同図
に示すごとく繊維が、試料のＢ方向に垂直になるよう採
取した。試料形状は２０ｍｍ角である。

第３図は、試料に直流磁界を印加し、各方向の比透磁率
μと磁束密度Ｂとの関係を示す。繊維（Ｎｉ線）方向Ｂ
の透磁率μは他方向Ａ、Ｃに比べて著しく大きい。以上
のごとく５発明材は磁気異方性材に特有の特性を示すこ
とが明らかである。

第４実施例 次に、第２実施例で用いたＮｉ線に替わって。

引張強さが約７５ｋｇ／ｍｍ２の８０　Ｎ　ｉ　−２０
Ｃｒ合金線（φ０．５ｍｍ）を用い、他は同一溶解条件
で供試材を作製した。供試材形状は、Ｌｏｔｘ　２０”
ｘ　５０’に機械加工してから約５００℃の均質化処理
を施し、その後しこ約４５０℃で板厚８ｔまで鍛造した
。鍛造方向は、繊維長さ方向に直角な方向である。更に
、５００’ＣＸ　１時間の溶体化処理を施してから、２
００″’ＣＸｌ０時間の時効処理を施した。しかる後、
繊維長手方向より引張試験片を採取し、引張試験を実施
した。

その結果、発明材の引張り強さは５１　ｋｇ／　ｍ　ｍ
”であった、しかるに、前述の純Ａ、Ｑの引張り強さは
６．０ｋｇ／ｍｍ”であり、発明材はその約８倍の著し
く高い値を示すことが判る。

なお、第１〜第４実施例において、Ａｍ合金として２％
Ｌｉ−Ａｌを用いたが、Ｌｉ含有量が０．０５〜４．０
重量％でも良好な結果が得られることが確認された。ま
た、Ｌｉ以外にも、Ｎａ又はＫ、あるいはいずれか２種
以上のアルカリ金属を０．０５〜４．０重量％含むこと
により、Ｌｉと同様な効果を示す。

また、本発明においては、基地の成分がＡΩとアルカリ
金属との合金で十分な強度が得られるが、更に強度を高
めるには、Ａｌ及びアルカリ金属の他に、Ｆｅ、Ｚｒ、
Ｍｇ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ。

Ｂ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ等の金属元素の
うち１種又は２種以上を、それぞれ１％以下に添加した
ものであっても効果がある。過剰に添加すると基地とし
てのＡｍ合金の比重を高め。

靭性を損なう恐れがある。

アルカリ金属を含むＡΩ合金に含める繊維として、強度
が基地より高い金属！１！ｉ維、セラミックス繊維、炭
素繊維、炭化物系繊維、ガラス繊維又は窒化物系繊維を
用いることにより強度の高い複合材料を作製することが
できる。

そして、複合材料に磁気異方性が必要な場合、上記実施
例で用いたＮｉの外に、Ｆｅ又はＣｏ等の強磁性体等の
強磁性体であっても、Ｎｉ線の場合同様に、複合材料の
比透磁率が＃Ｉ維の長平方向で高く、長平方向に直角方
向では低くなって、高い磁気異方性が得られる。

また、第４図に示すように、ＡＩ２合金中に含める繊維
を、強化繊維２Ａとし、かつ、構造部材の作用応力方向
３に配列することにより、繊維方向に強度の高い構造部
材１３を作製できる。

そして、ＪＩＩＩ維の長さを短くシ、方向性をもたせな
いで繊維を含めて作製した複合材料を第５図に示す、短
い強化繊維２Ｃが、方向性をもたないで基地１の中に分
散しているため、この複合材料１０は多軸応力に対して
も高い強度を示す。

また、繊維が、基地となるアルカリ金属を含むＡｍ合金
の融液と反応しにくい場合には、あらかじめ金属コーテ
ィングを行なうのがよく、その金属としては、Ｎｉ、Ｃ
ｒ、ＡＲ，Ｃｕ、Ａｇ又はＡｕ等がより有効である。コ
ーティングすることにより、溶融金属と繊維との反応性
が高まり、さらに−層良好な複合材料が得られることが
確認できた。

また、本発明の製造方法においては、上記で述べてきた
溶湯中に束ねた繊維を浸漬する製造方法の他に、第６図
に示すように、粉末４の中に繊維２を浸漬させる方法に
よっても製造可能である。

すなわち、本発明の複合材料の基地となる成分の粉末４
に繊維２を浸漬させ、外部から振動を加えて粉末４を束
ねられた繊維２の内部にまで挿入させた後、加熱して粉
末４を溶解するものである。

この方法によれば、るつぼ５の中で粉末４はあらかじめ
束ねられた繊維２の内部にまで充填されているので、溶
解後、溶融金属が十分に行き渡り、基地と繊維との結合
不良に対する欠陥防止が改善される。

また、本発明においては、第７図に示すように、誘導発
電機のダンパーウェッジにも適用可能である。すなわち
、ウェッジ部の磁束の流線に対応させて５強磁性体繊維
２Ｂを配置させるものである。

その外、誘導発電機の回転子にも適用できる。

この強磁性体繊維を回転子の通電外被にその径方向に配
置することにより大きな磁気異方向性が得られるので、
磁束が一方に制御されるとともに出力トルクの増大が計
れるため、電力効率が向上する。

〔発明の効果〕

本発明は１以上説明したように構成されているので、以
下に記載されるような効果を奏する。

繊維を含むＡｍ合金が、アルカリ金属元素のうち少なく
とも一種を含有することにより、そのへ２合金の融液の
湯漬れがよくなり、融液が繊維間に十分に浸透するので
欠陥が発生せず、また、融液と繊維との反応性が高まる
ので繊維と基地との結合力が高くなり、その結果、複合
材料の強度が高くなる。さらに、そのアルカリ金属元素
をＬｊ。

Ｎａ及びＫとし、その含有量を０．０５〜４％重量とす
ることにより、−層強度が高くなる。

また、Ａｌ合金が、アルカリ金属の他に、それぞれ１重
量％以下のＦｅｅ　Ｚｒｔ　Ｍｇ＊　ＭｎｔＣｒ、Ｖ、
Ｔｉ、Ｂ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｍｏ。

Ｗ、Ｎｂの金属元素のうち、１種又は２種以上複合で含
むことにより、Ａｌ合金の比重を大きくしないで、基地
の強度を高くすることができる。

そして、複合材料中の繊維を一方向に配列することによ
り、材料特性に異方性を生じるので、強度、磁気特性等
の特性に強い異方性を有する複合材料となる。また、こ
の繊維が短く、かつ方向性を持たない状態でＡｌ合金中
に含まれることにより、材料特性に異方性を持たないの
で、多軸応力に対する強度が高くなる。

そして、Ａｌ合金基地に配置される繊維が、金属繊維、
セラミックス繊維、炭素繊維、炭化物系繊維、ガラス繊
維および窒化物系繊維とすることにより、複合材料の強
度を高めるので、高い強度の複合材料となる。さらに、
その金属繊維を強磁性体とすることにより、強度が高く
、かつ磁気特性の優れた複合材料となる。

また、Ａｌ合金中に含まれる繊維の表面にあらかじめ金
属コーティングを施すことにより、溶融金属と繊維との
反応性が高まるので、その結合力が向上し、さらに、コ
ーティングする金属を、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ
、Ａｕとすることにより、その結合力がさらに大きくな
る。

また、この複合材料の比透磁率が、繊維方向に高く、そ
の直角方向に低いものとすることにより、強い磁気異方
性を示す複合材料となるので１強い磁気異方性を要する
装置に適用できる。

そして、複合材料の製造方法としては、Ａｏにアルカリ
金属元素のうち少なくとも１種を添加して溶解し、この
融液中に繊維を浸漬すると、この融液は繊維間に、十分
に浸透し、かつ、繊維との結合性を高めるので、欠陥が
なく、Ｒ維と基地とのよく結合した強度の高い複合材料
を容易に製造することができる。

また、Ａｌにアルカリ金属元素のうち少なくとも１種を
添加した混合物の粉末を、繊維の束の間隙に充慎した後
にこの混合物の粉末を溶融すると。

この融液は繊維間に十分に行き渡るとともに繊維との結
合性を高めるので、欠陥がなく、強度の高い複合材料を
容易に製造することができる。

そして、請求項１０に記載の複合材料を誘導発電機の回
転子のダンパーウェッジに適用することにより、磁気異
方性の強いダンパーウェッジとなるので、誘導発電機の
高出力密度化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は本発明の複合材料の横断面の金属組織を示す
写真、第１Ｂ図は比較材の複合材料の横断面の金属組織
を示す写真、第２図は本発明による繊維を一方向に配列
した複合材料を示す説明図。 第３図は本発明による磁気異方性複合材料の磁束密度と
比透磁率との関係を示すグラフ、第４図は本発明による
繊維を一方向に配列した構造部材の説明図、第５図は本
発明による方向性を持たない短い繊維を含む複合材料を
示す説明図、第６図は本発明による複合材料の製造方法
の一例を示す説明図、第７図は本発明による磁気異方性
複合材料を適用したダンパーウェッジの概略図、第８図
は従来の複合材料が適用された誘導発電機の回転子を示
す説明図である。 ２・・・繊維、２Ｂ・・・強磁性体繊維、２ｃ・・・短
かい繊維、４・・・混合物の粉末、１０・・・複合材料
。 １１・・・ダンパーウェッジ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ａｌ合金中に繊維が含まれている複合材料において
   、前記Ａｌ合金がアルカリ金属元素のうち少なくとも一
   種を含有することを特徴とする複合材料。 ２、アルカリ金属元素がＬｉ、Ｎａ及びＫであり、前記
   アルカリ金属が前記Ａｌ合金中に、０．０５〜４．０重
   量％含まれていることを特徴とする請求項１に記載の複
   合材料。 ３、アルカリ金属元素を含むＡｌ合金中に、それぞれ１
   重量％以下のＦｅ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ
   、Ｂ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂの金属元素の
   うち少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１に
   記載の複合材料。 ４、繊維が、Ａｌ合金中に一方向に配列されていること
   を特徴とする請求項１に記載の複合材料。 ５、繊維が、短く、かつ方向性をもたない状態でＡｌ合
   金中に含まれていることを特徴とする請求項１に記載の
   複合材料。 ６、繊維が、金属繊維、セラミックス繊維、炭素繊維、
   炭化物系繊維、ガラス繊維又は窒化物系繊維であること
   を特徴とする請求項１、４又は５に記載の複合材料。 ７、金属繊維が、強磁性体であることを特徴とする請求
   項６に記載の複合材料。 ８、Ａｌ合金中に含まれる繊維の表面にあらかじめ金属
   コーティングが施されていることを特徴とする請求項１
   、４、５、６又は７に記載の複合材料。 ９、金属コーティング用の金属が、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、
   Ｃｕ、Ａｇ又はＡｕであることを特徴とする請求項８に
   記載の複合材料。 １０、複合材料の比透磁率が、繊維方向に高く、その直
   角方向に低いことを特徴とする請求項１に記載の複合材
   料。 １１、Ａｌ合金中に繊維が含有させる複合材料の製造方
   法において、Ａｌにアルカリ金属元素のうち少なくとも
   一種を添加して溶解し、その融液中に繊維を浸漬するこ
   とを特徴とする複合材料の製造方法。 １２、Ａｌ合金中に繊維を含有させる複合材料の製造方
   法において、Ａｌにアルカリ金属元素のうち少なくとも
   一種を添加した混合物の粉末を、前記繊維の束の間隙に
   充填した後に前記粉末を、溶融することを特徴とする複
   合材料の製造方法。 １３、請求項１０に記載の複合材料を用いた誘導発電機
   の回転子のダンパーウェッジ。