新一代磁材料

1、【新一代磁材料】（上）低铁损、高磁通密度的软磁性材料，可节约相当于7座火力发电站的电力2011/11/15 00:00 马达及变压器等处理强磁的装置要求采用可通过大磁通密度的材料。而此前的材料存在磁场变化所产生的电损失（铁损）较大的缺点。日本东北大学教授牧野彰宏等开发出的材料具备高饱和磁通密度和低铁损等超出以往常识的特性。如果在日本的所有马达及变压器上均使用这种材料，可节约相当于7座火力发电站的电力。由日本东北大学开发并于2010年7月发表的“低损失高磁通密度纳米结晶软磁性材料*”，通过调整以往纳米结晶材料的成分，获得了可实现低铁损*和高饱和磁通密度*的特性。通过同时实现低铁损和高饱和磁通密度

2、，有望在大功率设备上发挥出色的节能效果。 *软磁性材料顽磁力小，导磁率大的磁性材料。 *铁损在磁性材料周围卷绕线圈，并在线圈中流过交流电流，使磁性材料磁化时消耗的电能。 *饱和磁通密度材料可通过的极限磁通量。即使以超过这一数值的磁通密度施加磁场，也无法获得饱和磁通密度值以上的磁通量。 该材料按重量比含铁9394。在构造上，10nm左右的铁（-Fe）粒子周围具有非磁性层（图1）。非磁性层的成分使用硅（Si）、硼（B）、磷（P）、铜（Cu）等普通元素，不含稀有金属，因此受材料价格高涨的影响较小。图1：实现低铁损和高饱和磁通密度的纳米结晶材料采用以P及Cu等的合金的非晶包围10nm左右的-Fe结晶的

3、构造。可从非晶状态下通过热处理器来制造。虽然目前仅处于能够制造评测材料的状态，但为了开发出在大型马达上也可使用的材料，日本东北大学正在与企业共同推进研究。 打破软磁性材料的常识铁损低而饱和磁通密度高的材料尽管一直有市场需求，但长期以来未能实现。原因是软磁性材料的开发中铁损与饱和磁通密度是相关的要素（图2）。减小铁损，饱和磁通密度就会下降，而提高饱和磁通密度，铁损又会变大。图2：软磁性材料的特性导磁率越高，铁损就越低。不过，越是提高导磁率，饱和磁通密度变会变得越低，因此低铁损与高饱和磁通密度无法同时实现。此次开发的纳米结晶材料打破了这一常识，同时实现了高导磁率和高饱和磁通密度。比如，在铁损低且导

4、磁率高的软磁性材料中，铁氧化物类的铁氧体、钴（Co）基非晶合金或镍铁合金（Ni-Fe）等广为人知，但与饱和磁通密度极高的纯铁相比，这些材料的饱和磁通密度总的来说都在数分之一左右。而饱和磁通密度高的Fe及硅钢与导磁率高的Co基非晶合金等比较，导磁率要小1位数以上。 此次的纳米结晶材料在拥有与以往高导磁率材料相当的低铁损的同时，还拥有与硅钢相当的高磁通饱和密度，具有颠覆以往常识的性能，具有划时代的意义。 总耗电量的3.4为铁损以低铁损实现高磁通密度的此次材料有望在需要强磁场的用途中大展拳脚。其中，尤其有望做出大贡献的是在输电网用大电流变压器及马达上的利用。这是因为，如果能够在电压器及马达上使用此次

5、的纳米结晶材料，便可通过减少铁损，实现节能。 在电压器及马达的线圈内侧设置的芯材要求能够通过1.5T左右的磁通密度。这一用途一般使用硅钢。如果在该硅钢与此次的纳米结晶材料之间比较以50Hz周期通过1.5T磁通密度时的铁损，此次的材料能够实现减少一位数或仅为数分之一的小数值（图3）。 在总用电量中占有比例的变压器及马达的铁损一般占日本国内总耗电量的3.4，这一数量每年高达335亿kWh之多（图4）。如果能够将变压器及马达中的硅钢全部换成此次的材料，便可在同样的使用条件下，将电力损失量减少72，降至96亿kWh。其效果相当于7座火力发电站的发电量。今后通过改进优化材料，还有望将铁损进一步减至一半以

6、下，降低为40亿kWh。图3：铁损少的纳米结晶材料注意一下1.5T以上部分的话，此次开发的纳米结晶材料即使与铁损少的硅钢相比，铁损只有其一半左右。图4：铁损造成的电力损失整个日本每年有335亿kWh的铁损（JFE 21世纪财团调查）。如果此次的纳米结晶材料能够应用于所有马达及变压器，便可节约相当于7座火力发电站的电力。通过构造改进推进软磁性化下面来谈一下以往的软磁性材料中为何低铁损（高导磁率）与高饱和磁通密度成为相反的要素，以及东北大学是如何利用新材料来解决这一问题的。 首先，要想实现低铁损或高导磁率，必须使磁各向异性*和磁应变*极小化。而高饱和磁通密度方面，最好在材料中高浓度含有饱和磁通密度

7、大的Fe元素。不过，纯铁本身具有很大的磁各向异性和负的磁应变，因此导磁率较低（表1）。*磁各向异性是指磁化方向不同，磁化强度各异的性质。 *磁应变是指使磁性体的磁化强度变化的话，材料的形状等也会变化的现象。 从1900年前后开始研究的初期软磁性材料为了减小Fe的磁各向异性和磁应变，采用的是添加与Fe不同的金属，减弱Fe要素的方法（图5）。不过，添加其他金属原子，减小Fe浓度的话，就会发生电荷迁移，引起比添加金属的比例更大的Fe磁化下降。结果导致原本有2.2T的纯铁的饱和磁通密度受到极大损失。图5：软磁性材料的进步初期的软磁性材料通过合金化尝试降低磁各向异性和磁应变。从1970年代起开始使用通过

8、改变原子的排列构造来实现软磁性化的技术。1970年代非晶*研究兴起。有人曾尝试使原子形成非结晶的非平衡状态，也就是以几何学方式打乱Fe原子的位置，由此来降低Fe的磁各向异性和磁应变。这样一来，尽管仍残留有磁应变，但基本消除了磁各向异性。 *非晶是指在原子排列上不像结晶那样有规则性，而是无秩序的材料。 不过，纯铁的非晶化以现有的技术无法实现，要想制造出非晶材料，必须按原子比例添加20左右的其他金属元素。这最终会导致Fe的高饱和磁通密度减弱。如果做相同减弱的话，与金属相比半金属的电荷迁移更小，不会使Fe的磁化大幅降低。因此选择Si及B等半金属进行混合。 1988年，也在此次的材料中采用的纳米结晶被

9、开发出来。纳米结晶拥有在-Fe周围包围有非晶的构造。通过使用液体淬火法形成非晶后进行加热的方法来制造。该材料几乎没有磁应变及磁各向异性，实现了高导磁率，而且与原来的结晶材料及非晶材料相比拥有更高的饱和磁通密度。（特约撰稿人：牧野 彰宏，日本东北大学金属材料研究所教授） Fe高浓度化是以往材料的课题纳米结晶的高导磁率和高饱和磁通密度这一此前一直未能实现的特点可通过其成分和构造来说明。 首先从成分来看，由于非晶相的磁应变为负应变，而-Fe为正应变，因此整体看磁应变基本为零。从构造来看，1900年前后的研究显示，越减细-Fe的晶粒径就越会显示出软磁性。具体表现为顽磁力即磁各向异性与粒径的6

10、次方呈比例下降。这样，纳米材料的磁应变及磁各向异性都基本变成了零。 不过，以往的纳米结晶材料也存在缺点。这就是很难通过Fe的高浓度化来获得高饱和磁通密度。 以往的纳米结晶一般使用称为Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1的材料。该材料从非晶态下进行热处理时就会分离出Cu，在固相中形成小的Cu块。而且，还会以此为成核点，析出-Fe，形成-Fe纳米结晶。 该机理的成立条件是非晶淬火时的组织必须是非晶单相。由非晶单相形成的Fe的浓度也因合金不同而异，按原子比例大体在80以下。要想实现这一构造，必须添加作为迁移金属的铌（Nb）及锆（Zr）等元素。但这样会导致磁化明显降低，使饱和磁通密度降至1.21.

11、3T。 而按照原子比例加入超过80的Fe成分时，不会形成单层的非晶，即使实施液体淬火处理，得到的材料中也会含有数十nm到100nm的不均匀的-Fe晶粒。这样，即使再如何加热，得到的也只是更大的-Fe晶粒。也就是说，得到的非晶和纳米结晶都是没有用的。 因此，日本东北大学采用了不同的方法。首先在非晶构造中形成非常微小的-Fe晶粒，以此为核通过450左右的热处理生长出10nm左右的-Fe晶粒（图6）。为了形成这些微小的-Fe，组合使用了P和Cu。通过加入P和Cu，可在经由液体淬火形成的非晶中形成P和Cu较浓的部分。这样，Fe就会被挤出，生成-Fe区域。只要条件完备，析出的-Fe会非常小。图6：此次纳

12、米结晶材料使用的方法制造非晶组织时，反而是先形成微小的-Fe结晶，然后通过热处理生长为10nm左右的结晶。缺点是材料脆弱接下来介绍一下此次开发的材料所具有的特性。此次的纳米结晶材料由Fe85Si2B8P4Cu1及Fe86Si1B8P4Cu1成分构成，与成分为Fe78Si9B13的非晶材料和硅钢相比，各项指标都表现出色（表2）。首先是饱和磁通密度。非晶材料在施加800A/m外部磁场时，只能获得1.5T左右的磁通密度，而纳米结晶则可获得1.81.9T左右。这一数值基本与公认饱和磁通密度较高的硅钢相同。 导磁率方面，非晶材料为1万左右，而纳米结晶则提高到了2万5000左右。与硅钢比较的话，高出了一位

13、数。 而且电阻也比硅钢大。硅钢为0.5m左右，而纳米结晶材料为0.7m左右。这正处于硅钢与非晶材料之间。电阻值高说明很适合用于马达等曝露于高频磁场中的用途。因为电阻值越高，就越能够降低由高频磁场产生的涡流损耗*。 *涡流损耗向磁性体实施高频磁场时，由内部产生的涡状电流导致的能量损失。涡状电流最终会因为变成热等而损失掉。 居里点（Curie Point）方面，纳米结晶材料高达720左右，与硅钢相当，因此还可在残酷的环境下使用。而非晶材料非常低，只有395。 不过，纳米结晶材料比硅钢脆。硅钢可实现无缝折叠的“紧贴弯曲”，而此次开发的纳米结晶材料无法做如此大的弯曲。但与原来的非晶材料（热处理后）及纳

14、米结晶材料相比并不脆弱。 下面来比较一下结晶材料与硅钢的铁损（表3）。在通过1.5T/50Hz的磁场时，实施了公认最高性能的区域控制的硅钢要消耗0.61W/kg的能量，而纳米结晶材料只需不到一半的0.250.28W/kg。通过1.7T/50Hz的磁场时，前者为0.84W/kg，而后者为0.360.49W/kg，将损失控制到了一半左右。为实现块状化做准备最后介绍一下为今后实现实用化所采取的举措。首先是成本问题，不过此次的纳米结晶材料极有望以低成本制造。 前面介绍的特性是使用高纯度的材料测定的，但实用化时需要使用含有杂质的低价工业材料。不过，即使使用工业材料，也能得到性能几乎不变的产品。原因是杂质

15、在热处理阶段几乎都被排出到非晶中，-Fe纳米结晶中不含杂质。 而且材料费也较低。由于由Si、B、P、Cu构成，不含昂贵的材料及稀有金属，因此成本估计与铁类非晶材料大体相同。 另外，制造设备也只需低价位的机器即可。由于液体淬火是在大气中进行，因此不需要真空等设备。并且，此次材料的熔点为1070左右，在铁基合金中非常低，所以制造设备无需特殊的耐热材料。 而作为马达及变压器的芯材使用时，则需要块状材料。但目前还只能制造厚20m（0.02mm）、宽50mm左右的带状材料。在块状材料的量产化方面，目前处于与企业共同研究的阶段。 以块状化为目标的研究方向有两个。一是进一步加厚、加宽带状材料的方法。如果制造

16、出厚0.3mm以上、宽100mm左右的带状材料，便可利用层叠这些带状材料以树脂等粘合的加工方法来获得较厚的大块材料。另一个是制作粉末材料后装入模具成型的方法。目前已知，使用水雾化法可制造出纳米结晶材料的粉末（图7）。（特约撰稿人：牧野 彰宏，日本东北大学金属材料研究所教授） 图7：纳米结晶材料的粉末制造工序水雾法是向水中喷射制成液体的材料，由此获得淬火粉体的方法。通过回收粉末后实施热处理来获得粉体的纳米结晶材料。该方法的有效性已得到确认。作者简介：牧野彰宏工学博士。1980年在日本东北大学研究生院毕业后进入阿尔卑斯电气。在担任该公司中央研究所副所长后，1999年起成为日本秋田县立大学系统科学技

17、术部教授。2005年起任日本东北大学金属材料研究所金属玻璃综合研究中心教授。1992年和1995年因“高Bs纳米结晶磁性合金研发项目”获得日本金属学会论文奖及该技术开发奖，并且2000年还因“非平衡相磁性材料及其应用项目”获得日本金属学会本金属学会成就奖。日本全球首次开发成功“全超导马达” 所有线圈均采用超导材料2005/04/18 09:17 图1：由IHI等组成的产学联合研究小组开发的全超导马达的结构示意图图2：由该产学联合研究小组开发的功率12.5kW全超导马达由日本石川岛播磨重工业（IHI）、住友电气工业、大阳日酸、中岛推进器（Nakashima Propeller）、新泻原动机、日立

18、制作所、福井大学、富士电机系统组成的一个产学联合研究小组日前宣布，在全球首次成功地开发出励磁线圈（field coil）和电枢线圈（armature coil）等所有线圈均采用超导材料的“全超导马达”。过去的超导马达一般仅在定子一侧的励磁线圈中使用超导材料，而转子一侧的电枢线圈则不使用这种材料。其原因在于，假如在电枢线圈中使用超导材料，就必须采用向转子一侧供给制冷剂的结构，由此就会降低马达的可靠性及可维护性。这次由IHI等公司开发的全超导马达通过提出不需转动电枢线圈的运行方式，解决了这一课题。 该研究小组提出的方式就是指，不转动电枢，而是转动一个新增的转子。这种新增转子是一种圆板，由高磁通特性

19、材料制成的感应器以放射状排列其中。通过相向配置转子和励磁圆板，转子上的感应器被励磁线圈磁化后，转子就会形成像是以放射状在其中嵌入磁铁的圆板一样的状态。在这种状态下，电枢线圈中产生的随时间而变化的磁场发生使用以后，就会使转子产生转动。 顺便提一下，这种全超导马达使用液态氮作制冷剂。氮气在1个大气压下的沸点约为-196。而由于氦气和氖气分别为-270和-250，因此可以说相对温度很高。所以使用液态氮更容易实现用于阻挡制冷剂热量的构造的单纯化和小型化。问题是制冷剂温度越高，超导材料的超导状态就越容易受到小磁通量的破坏。也就是说，使用超导材料的线圈在电流加大以后，受自身产生的磁通量的影响，其超导状态会

20、遭到破坏。因此，就存在着不能施加大电流的问题。 为了解决这一问题，该产学联合研究小组在线圈的中心配置了高导磁材料。也就是说，通过将磁通量集中到高导磁材料，来减小线圈上的磁通量，由此即使施加大电流，也能避免超导材料的超导状态遭到破坏。该研究小组把该技术称之为“FLC（磁通量收集器）”。 此次开发的全超导马达的功率为12.5kW，转速为100rpm，外形尺寸为直径400×450mm。其效率据称“比目前在陆上使用的马达高出约10%”（产学联合研究小组）。该小组今后将用3个月的时间进行马达的实用化试验，计划在2005年8月以前开发出功率400kw的产品，可用于200吨级以下船舶的吊舱型推进器

21、。并正式向业界供应。另外，还准备在2005年度内开发功率为500kW的改进型马达，主要是以同心圆方式配置2个轴，使之反向旋转。除船舶用途外，据称目前还在探讨是否可将其用于楼宇的空调系统和电梯等领域的可能性。（记者：富冈 恒宪） 高温超导新磁化法超导马达迈出关键一步2003/01/28 09:06 日本福井大学工学部教授杉本英彦、东京商船大学教授和泉充以及北野精机研究人员等三人日前成功地开发出了一种高温超导块材（Bulk）磁化方法，安装到设备上即可方便而高效地磁化。目前，在高温超导体中，RE-Ba-Cu-O超导（RE是Gd、Sm或Y等稀土元素）可以在77K（-196）这一在液氮中即可轻松达到的温

22、度下使用，而且即便在强磁场中超导也不会受到破坏。目前有关电机等领域的应用研究正在推进之中，“磁化”就是实现这一目标的关键技术。 超导体的磁化法有两种。一种是使用另行准备的超导磁体静磁场的静磁场磁化法，另一种是在位于块体周围的线圈中施加脉冲电流，利用脉冲磁场进行磁化的脉冲磁化法。如果使用静态磁化法，能够在77K的温度下磁化出超过4T的巨大磁场。但是由于磁化装置本身体积较大，而且把高温超导体嵌入到设备以后难以进行磁化。而脉冲磁化法由于可以在将磁化线圈与高温超导体块体同时嵌入设备后进行磁化，因此实用性非常高。但是，过去的方法不仅在77K的温度下磁场不足1T，而且要想与合金类永久磁铁的临界磁场相区分，

23、还必须利用氦冷冻机将块体冷却到77K以下。 杉木等人注意到磁化后的高温超导体块体的磁场分布是中心具有最大磁场的圆锥形，通过在将铜线卷成旋涡状而制成的线圈中施加脉冲电流，使之产生圆锥形磁场分布，这样即便在77K的温度条件下也能够顺利地将Gd类高温超导体磁化出超过1T的高强度磁场。利用这种方法，仅仅使用液氮就能够方便高效地达到过去需要使用氦冷冻机和超导磁铁才能超过1T的磁化程度。（记者：浜田基彦） IHI等完成365kW船舶用高温超导马达的负载试验2007/09/06 09:20  图1：365kW的高温超导马达图2：超导马达的细节由日本石川岛播磨重工业（IHI）、住友电气工业、大阳日酸

24、、中岛推进器（Nakashima Propeller）、新泻原动机、日立制作所、福井大学、富士电机系统组成的产学联合研究小组于2007年9月3日宣布，开发出了通过用液氮冷却的超导线圈来驱动的365kW同步马达，并完成了负载试验（图1、2）。IHI等在2005年宣布开发出超导马达后，为了实现在船舶领域的应用，一直在致力于马达的大功率化（参阅本站报道）。 IHI等目前已将该365kW超导电达与06年试制的50kW超导马达进行并联，开始组装可作为船舶用双重反转螺旋桨来驱动的推进装置。IHI表示，将以08年内向市场投放400kW级超导马达为目标，力争最终实现2500kW级的大型化马达。 IHI等开发的

25、超导马达的特点是，以线圈为中心配备了被称为“磁通收集器（Flux Collector）”的金属制内芯，通过将线圈生产的磁通集中于金属芯，降低了与线圈交差的磁通。这样一来，便可减少交流损耗，由此在全球首次开发出了交流式大型超导磁铁。线材采用住友电气工业开发的铋（Bi）类高温超导材料。 在马达向高功率化发展的背景下，日本石川岛播磨重工业还新开发了可对多个线圈中的电流单独进行调节的“电流调整器”。在马达体积加大后，1个超导线圈中的电流就会存在上限，因此需要使用多个超导线圈。而这时，逆变器的电压又会受到制约，因此超导线圈并未采用串联方式，而是并联在一起。不过，在向并联配置的线圈中输入交流电流时，各线圈

26、中电流的大小及相位就会发生偏差，从而产生只有线圈两端有大电流的“偏流现象”。因此，需要能够对超导线圈中的电流逐一进行控制的装置。（记者：狩集 浩志）挑战无轴承电机，首先面向超纯水泵用途2008/07/09 09:17 无轴承电机不使用球轴承和滑动轴承，能够在非接触的状态下利用磁力支撑轴，并同时施加旋转力。2008年5月28日，致力于无轴承电机实用化的风险公司Motor Solution（总部：千叶县野田市）宣告成立。该公司将首先投产用于半导体制造工厂中的超纯水泵的电机，使销售额达到约100万日元。 图1：正在开发的无轴承电机。左侧为控制箱（因为是第1号试制机，所以尺寸较大）。起动时首先按下“径

27、向”按钮。随着咔哒一声，轴开始漂浮。这时沿轴向按压轴，可以像按压稍硬的海绵那样将轴压入。接着，按下“轴”按钮，使轴向位置固定。在此状态下转动旋钮，确定目标旋转速度后，轴开始缓慢增速。图2：交替极型中转子与定子的关系图3：该电机为5轴控制。总共可以对5个轴进行控制，包括轴在X，Y，Z方向的平移，在X轴周围的旋转，在Y轴周围的旋转。安装了5个?流型传感器。图4：该电机为“3号机”（千叶教授）。里面可以看到小型化的控制箱。该公司为大学创办的风险公司，其目的是投产东京理科大学理工学部电气电子信息工学系教授千叶明等人开发的“交替极型（Consequent-Pole）”无轴承电机。董事长由千叶教授学生时代

28、一起进行研究的杨仲庆担任，千叶教授任专务董事。杨仲庆还是提供电机驱动用逆变电路受托开发的Myway技研公司董事长。Motor Solution的注册资本为1400万日元，由长年与千叶一起从事研究的人员提供。新公司的目标是在业务化后第三年，使无轴承电机的开发、制造与销售，以及普通电机的受托服务的合计销售额达到1亿日元。 无轴承电机因为无需滑座，所以具有以下特征：（1）几乎不产生灰尘；（2）能够高速旋转；（3）能够耐极低温、真空等难以使用润滑油的环境；（4）噪声小；（5）基本上无摩擦损失。因此一直是研究的热点。 以往虽然有过在电机上另行安装磁轴承的先例，但是随着电机的大型化，出现了不管电机是否运转，都需要随时供应悬浮电力的课题。对此，研究人员通过灵活利用电机旋转的驱动机构，开发出了旋转的同时使轴悬浮的方式，但这种方式普遍存在浮力较小、扭矩远远低于普通电机等问题。 千叶教授在研究中发现，交替极型结构极为适合于