JP2006101673A - 永久磁石を備えた回転電機及びその固定子鉄心の歯部製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、小型化と同時に、ロストルクやトルク脈動の低減を達成し得る回転電機を提供することにある。
【解決手段】本発明は、回転子１に複数の永久磁石５を備えた回転電機の固定子鉄心６を、継鉄８と、この継鉄８に取り付けられ前記回転子１に向かって突出する複数の歯部９とで構成すると共に、少なくとも前記歯部９をアモルファス磁性体で形成したのである。
上記構成によれば、固定子鉄心６を構成する継鉄８と歯部９とを分割構成とすることで、アモルファス磁性体の加工単位を縮小化することができ、その結果、困難とされていた機械加工を比較的容易に行うことができるようになった。そのため、効率を最大とするような固定子鉄心の設計が可能となり、永久磁石５を備えた回転子１とアモルファス磁性体で構成した歯部９との相乗効果により、小型で、ロストルクやトルク脈動が小さい回転電機を得ることができるのである。
【選択図】図１

Description

本発明は電動機や発電機等の回転電機及びその固定子鉄心の歯部製造方法に係り、特に、回転子に永久磁石を備えた回転電機及びその固定子鉄心の歯部製造方法に関する。

通常、電動機は電気エネルギーを機械エネルギーに変換し、発電機は機械エネルギーを電気的エネルギーに変換するものであり、両者とも変換効率が高いことが必要とされており、一般的には定格出力ポイントで最も変換効率が高くなるように設計されている。これら回転電機の効率は、出力を入力で割った値で表現され、入力と出力との差分が銅損や鉄損等の損失となっている。

そこで、効率の向上に加え、回転電機の小型化を図るために、希土類を含んだエネルギー積の高い磁石の採用や、固定子鉄心を分割構成とすることで固定子鉄心を高密度化することが既に提案されている。

しかし、回転電機の用途、例えば、風力発電システムに使用される発電機においては、微風によっても発電機が容易に回転できることが望ましく、回転子の慣性モーメントが小さく、ヒステリシスブレーキ力が小さいことが要求される。他方、自動車のステアリング装置のハンドル操作を補助する動力として用いられる電動機においては、運転者がハンドル操作時に伝達される電動機のトルク脈動や電動機自身が持つヒステリシスブレーキ力の重みが問題となるので、高エネルギー積の磁石を用いての回転電機の設計が困難とされていた。

前記ヒステリシスブレーキ力はロストルクと称されているが、このロストルクを低減するにはヒステリシスの小さい材料を用いる必要があリ、その材料として非晶質金属（アモルファス）が挙げられる。

そして、アモルファスを回転電機の磁気回路に適用することは、例えば特許文献１に示すように、既に提案されている。

特表２００２−５１８９７５号公報

しかしながら、磁気回路にアモルファスを用いた回転電機は、アモルファスの製法上、機械加工が極めて困難であり、回転電機の効率を最大とするような設計が困難とされていた。そのために、小型化と同時に、ロストルクやトルク脈動を低減できる回転電機を得ることは困難であった。

本発明の目的は、小型化と同時に、ロストルクやトルク脈動の低減を達成し得る回転電機を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、回転子に複数の永久磁石を備えた回転電機の固定子鉄心を、継鉄と、この継鉄に取り付けられ前記回転子に向かって突出する複数の歯部との分割構成にすると共に、少なくとも前記歯部をアモルファス磁性体で形成したのである。

以上説明したように本発明によれば、固定子鉄心を構成する継鉄と歯部とを分割構成とすることで、アモルファス磁性体の加工単位を縮小化することができ、その結果、困難とされていた機械加工を比較的容易に行うことができるようになった。そのため、効率を最大とするような固定子鉄心の設計が可能となり、永久磁石を備えた回転子とアモルファス磁性体で構成した固定子鉄心との相乗効果により、小型で、ロストルクやトルク脈動が小さい回転電機を得ることができるのである。

以下本発明による永久磁石を備えた回転電機の第１の実施の形態を図１に示す電動機に基づいて説明する。

ここに示す電動機は、図示しない軸受によって回転自在に軸支された回転子１と、この回転子１の外周部に配置された固定子２とで構成されている。

前記回転子１は、前記軸受に軸支される回転軸３と、この回転軸３に固定された回転子鉄心４と、この回転子鉄心４の外周部に前記回転軸３と同心となるように設置された複数の永久磁石５とを備えている。尚、本実施の形態では８個の永久磁石５を設置して８極構成の回転子１としている。

前記固定子２は、前記回転子１と周方向に隙間を介して対向する固定子鉄心６と、この固定子鉄心６に巻装された固定子巻線７とを備えている。そして、前記固定子鉄心６は、環状に形成された継鉄８と、この継鉄８とは別構成の複数の歯部９とを有している。本実施の形態では９個の歯部９を設けている。前記継鉄８は内周側に周方向等間隔にダブテール溝８Ｇを有し、前記歯部９は一端側に前記回転子１の周面に沿って曲面を有する磁極９Ｐと他端側にダブテール９Ｔを形成している。前記歯部９のダブテール９Ｔを前記継鉄８のダブテール溝８Ｇに嵌着することで、前記回転軸３の中心に向かって突出する複数の歯部９を継鉄８に取り付けている。前記固定子巻線７は、前記歯部９の周囲に巻装され、９個の歯部９の間に形成される９個のスロット１０内に配置される。

上記構成により９スロット８極構成の永久磁石を備えた電動機が得られるのであるが、本実施の形態では、さらに前記固定子鉄心６の継鉄８を積層珪素鋼板で構成し、歯部９をアモルファス磁性体で構成したことに特徴がある。

尚、本発明で云うアモルファス磁性体とは、アモルファス金属単体を用いたものや、アモルファス金属と他の磁性体を混合させたものを指す。

本実施の形態によるアモルファス磁性体は、アモルファス金属の箔帯であり、これを打ち抜いて積層して歯部９を形成したものである。そのアモルファス金属の箔帯による歯部製造方法を図２に基づいて説明する。

まず、コイル１１から供給される厚さ０．０２５mmのアモルファス金属箔帯１２を、一対の駆動ローラ１３Ａ，１３Ｂやテンションローラ１４などを備えたフィーダ機構で一定の速度となるように供給して行く。次に、供給されてきたアモルファス金属箔帯１２に接着剤塗布装置１５によって熱硬化性樹脂などの接着剤を塗布する。その後、接着剤を塗布されたアモルファス金属箔帯１２は、ダイ１６とパンチ１７とによって歯部９の断面と同じ形状に打ち抜かれ、ダイ１６の底部に次々に積層されてゆく。その積層の度にパンチ１７により加圧されると同時に、ダイ１６の底部に設けた加熱装置１８により加熱され、接着剤を硬化させて打ち抜かれて積層されたアモルファス金属箔帯１２を接着する。そして、所定厚さまで積層接着して歯部９が形成されると、ダイ１６の底部に設けたシリンダ機構１９によって搬出される。打ち抜かれた後のアモルファス金属箔帯１２は、巻き取り装置２０に巻き取られた後、処分される。

尚、前記パンチ１７を駆動するプレス機２１の打ち抜き回数や、前記加熱装置１８及びシリンダ機構１９の制御は、制御装置２２に入力したデータに基づいて管理される。

以上説明したように本実施の形態は、永久磁石５を備えた回転子１と、アモルファス磁性体を積層して形成した歯部９を有する固定子鉄心６とすることで、図３及び図４に示す磁気特性を得ることができる。

即ち、比較的鉄損が低い珪素鋼板（３５Ａ３０，５０Ａ７００）で形成した歯部を有する固定子鉄心に比べ、アモルファス磁性体を積層して形成した歯部９を有する固定子鉄心６は透磁率（磁化特性の立ち上がり）が高いが、最大飽和磁束密度が低い。また、固定子鉄心に発生する鉄損は、同一磁束密度及び周波数において、珪素鋼板（３５Ａ３０，５０Ａ７００）よりも本実施の形態が小さい。特に、鉄損においては、ヒステリシス損及び渦電流損ともに小さく、したがって、ヒステリシスブレーキ力であるロストルクを低減することができる。

尚、珪素鋼板による固定子鉄心と本実施の形態とによる固定子鉄心において、回転子の永久磁石側から出る磁束を同一とし、同一体格で同一出力を得ようとした場合、本実施の形態では飽和のために歯部を通過する磁束量が少なくなる。しかし、本実施の形態は、歯部９を継鉄８に対して取り付ける構成であるために、歯部９の幅を広く形成して通過磁束量を増加させることができる。このとき、固定子巻線７の歯部９への巻装は、継鉄８へ歯部９を取り付ける前に行えるので、歯部９の幅を広くすることにより固定子巻線７の歯部９への巻装作業が厄介になることはない。

一方、継鉄８は、従来の珪素鋼板製固定子鉄心と同様に、磁束の流れを妨げない断面積が確保できれば、珪素鋼板製の継鉄でもアモルファス磁性体製の継鉄でも差支えない。

ところで、アモルファス金属は、珪素鋼板等に比べ、３〜５倍の引っ張り強度を有する硬い材質であり、このような材質のアモルファス金属箔帯で継鉄と歯部とが一体の固定子鉄心を打ち抜くことになると、高価な金型価格となると共に、カシメ積層が困難となり、結果として、工業製品としての製造が困難となる。

しかしながら、打ち抜き周長が短い歯部のみを打ち抜くことで、金型を低価格の金型とすることが可能となり、また、打ち抜かれたアモルファス金属箔帯を接着して積層することで、困難なカシメ積層を回避することができる。

上記実施の形態は、アモルファス磁性体としてアモルファス金属箔帯を積層接着して歯部９を構成したものであるが、図５に示す第２の実施の形態により歯部９を形成してもよい。

上述のように、アモルファス金属は、その製法上、板状にしようとすると、最大で０．０２５mmとなる。しかし、アモルファス金属は、粒径が０．５mmの粒体としても製造できる。本実施の形態は、このアモルファス金属粒体を利用して歯部を形成するものである。

即ち、アモルファス金属粒体と純鉄などの他の磁性体とを混ぜ合わせ、これを図５に示すような歯部９と同じ断面となる金型２３に入れ、同じ断面の加圧子２４で加圧することで歯部９を形成したものである。

このように、アモルファス金属粒体と他の磁性体とを混ぜ合わせて加圧成形することで、飽和磁束密度を高めることができる。即ち、アモルファス金属粒体は硬度が高く、圧縮成形によっても塑性変形しにくく、そのままでは密度が低いが、その他の磁性体を混ぜることで、その他の磁性体が容易に塑性変形してアモルファス金属粒体間を埋めることができ、その結果、密度の高い歯部９を形成することができる。そして、歯部９の密度が高まることで、磁気特性が改善でき、鉄損の低い歯部９を得ることができると共に、ロストルクを低減することができる。

このほか、アモルファス金属粒体による加圧成形で歯部９を得るために、歯部の形状は、例えば磁極９Ｐの軸方向長さが歯部の胴部（固定子巻線が巻装される部分）と異なる長さに成形できるなど、自由に設計することができる。

図６は、歯部をアモルファス磁性体で形成し継鉄を珪素鋼板で形成した本発明による固定子鉄心を有する電動機と、歯部及び継鉄を積層珪素鋼板（３５Ａ３００）で形成した固定子鉄心を有する従来による電動機のコギングトルクの測定結果を示す。尚、比較する電動機は、同一形状をした１０極１２スロットの電動機である。

通常、コギングトルクの周期は、１回転あたりの振動が極数とスロット数の最小公倍数となる。しかし、継鉄と歯部とが分割されている固定子鉄心を有する電動機の場合、組立ての際に歯部の真円度などの寸法制度を向上することに限界があり、図７の単純モデルに示すように、固定子鉄心の精度によって、１回転あたりに回転子の磁極数分だけの振動を伴う波形となる。上記比較する２種の電動機の真円度は０，０３mm程度で完全ではないが、全て積層珪素鋼板で形成した固定子鉄心を有する電動機に、回転子の磁極数分、云い代えれば１回転に１０周期の低周波の振動が認められた。この結果から、アモルファス磁性体を歯部に使用した固定子鉄心によれば、製造精度によるコギングトルクの影響を少なくできることが判った。このことは、アモルファス磁性体を歯部に使用することで、設計で予測した通りに、極数とスロット数の最小公倍数の振動が１回転あたりに生じることを示しており、電動機の振動や騒音を低減する観点から云えば、その振動（周波数）を高く設定することにより、定格回転数での可聴周波数領域における不快音である低周波領域（１ｋＨｚ以下）を避けて不快音をなくすことができることである。

例えば、３０００ｒｐｍで回転する１２スロット１０極電動機のコギングトルク振動数は、３ｋＨｚとなるので、アモルファス磁性体を歯部に使用する電動機のスロット数と極数の関係は、例示したように、最小公倍数が大きくなるように設定することが望ましく、３スロット２極などのように、最小公倍数が２０以下となるような組合わせは避ける必要がある。

図９に、電動機のスロット数と極数の組合わせの関係を示す。尚、図中、×印は、３相電動機として成立しない組合わせを示し、Ａ〜Ｃグループは、夫々の極数とスロット数の関係が３相電動機として成立する組合わせとなっている。Ａ〜Ｃグループの中で、通常の電動機はＡグループの組合わせが用いられているが、アモルファス磁性体を歯部に使用する電動機では、既述の理由により、コギングトルクの脈動数、云い代えればスロット数と極数との最小公倍数が２０以上となる組合わせを採用することが有利となる。Ｂ及びＣグループは、最小公倍数が数十以上となる関係を有しており、アモルファス磁性体を歯部に使用する電動機では、このＢ及びＣグループを採用する。また、図６により、コギングトルクの平均値、即ち、ロストルクは、積層珪素鋼板により固定子鉄心を形成した電動機の１８．０ｍＮ・ｍに対し、アモルファス磁性体を歯部に使用した電動機は７．５ｍＮ・ｍで、約半分以下にすることができる。これは、材料の特性が、図４に示すように、ヒステリシス損失が小さいためにロストルクが小さくなっているものであり矛盾はない。

図９は、試作した電動機の効率を比較したもので、アモルファス磁性体を歯部に使用した電動機は、積層珪素鋼板（３５Ａ３００，５０Ａ４７０）により固定子鉄心を形成した電動機に比べて、ほぼ全域に亘って高効率を有している。

図１０は、回転子に永久磁石を備えて磁極を構成し、アモルファス磁性体を歯部に使用した電動機を、自動車のハンドル操作を補助する動力として用いた自動車のステアリング装置である。ステアリング装置は、ハンドル２５の回転動作をステアリング軸２６に伝え、ステアリング軸２６の回転動作を車輪２７Ａ，２７Ｂに伝えて向きを変えるものであり、ステアリング軸２６に電動機２８を介在させて、運転者がハンドル操作したときに、回転動作をアシストするものである。そして、電動機２８を回転子に永久磁石を備えて磁極を構成し、アモルファス磁性体を歯部に使用した電動機とすることで、ヒステリシス損失が小さくなってロストルクが小さくなるので、電動機２８によるハンドル操作時の重みを除去することができると共に、ハンドル２５から伝わる電動機２８の脈動トルクが低減されるので、運転者のハンドル操作を容易にすることができる。また、上記電動機２８はほぼ全域に亘って高効率にできるので、自動車のように電動機２８の電源をバッテリーに頼り、燃費を低減しなければならない用途には最適である。さらに、電動機２８は、歯部を継鉄とは別構成として固定子巻線巻装後に継鉄に組み込む構成をしているので、固定子巻線の占積率を向上することができ、その結果、電動機２８を小型化できるので、自動車の限られた空間への実装が容易となる。

図１１は、回転子に永久磁石を備えて磁極を構成し、アモルファス磁性体を固定子鉄心の歯部に使用した発電機３０の風力発電システムへの適用例を示すものである。この風力発電システムは、基礎上に立設された支柱３１の上部に、支柱３１を中心として３６０度回転自在支持された発電装置本体３２を設け、この発電機本体３２内に上記構成の発電機３０を設置し、この発電機３０の回転軸に風車３３を直接的あるいは歯車を介して連結したのである。

上記構成の風力発電システムにおいて、本来なら、発電機３０のヒステリシス損失によるロストルクによって風車３３の回転を妨げられる。しかし、本実施の形態においては、発電機３０のヒステリシス損失によるロストルクを低減しているので、発電機３０によって風車３３の回転が妨げられることはなく、発電効率を高めることができる。この発電効率は、発電機３０自体の効率も任意の出力領域の範囲において高めることができるほか、微風時に、発電機３０のロストルクによって風車３３が回転を妨げられることがなくなるので、微風からの回転による低出力領域の風による発電量も加わって効率のよい風力発電システムを得ることができる。

ところで、以上の実施の形態においては、固定子鉄心の継鉄を積層珪素鋼板で構成し、歯部をアモルファス磁性体によって構成したものであるが、継鉄もアモルファス磁性体によって形成してもよい。ただ、アモルファス磁性体は機械加工性が悪いので、継鉄と歯部とは加工後に組立てられるように分割構造とすることが前提である。即ち、継鉄と歯部とを分割構造とすることで、アモルファス金属箔帯を用いて固定子鉄心を形成する場合、打ち抜き周長が短くなるので、周長が長い継鉄と歯部とが一体化した固定子鉄心を打ち抜くことに比べて、大きな打ち抜き力を必要とすることはない。また、継鉄のみアモルファス金属箔帯を所定厚さになるように巻重ねた巻鉄心としてもよい。さらに、アモルファス磁性体としてアモルファス金属粒体を利用して固定子鉄心の継鉄と歯部をプレス形成しても、継鉄と歯部とが夫々分割されているので、継鉄と歯部とが一体化した固定子鉄心のプレス成形に比べて大きなプレス力を必要とすることはない。この他、アモルファス金属粒体による継鉄あるいは歯部と、アモルファス金属箔帯による継鉄あるいは歯部とを組合わせて使用することで、適用する回転電機の設計の自由度を拡張することができる。

本発明による永久磁石を備えた回転電機の一実施の形態を示す電動機の断面図。 アモルファス金属箔帯から本発明に用いる固定子鉄心の歯部を製造する設備を示す概略側面図。 磁性材の直流磁化特性の比較図。 磁性材の高周波鉄損特性の比較図。 アモルファス金属粒体から本発明に用いる固定子鉄心の歯部を製造する設備の一部を示す概略斜視図。 本発明による電動機のコギングトルクの測定結果を示す線図。 固定子鉄心の真円度がコギングトルクに影響することを説明する模式図。 固定子スロット数と回転子極数との関係を示す説明図。 本発明による電動機を含む電動機効率の比較図。 本発明による電動機を適用した自動車のステアリング装置を示す要部概略斜視図。 本発明による発電機を適用した風力発電システムを示す要部概略斜視図。

符号の説明

１…回転子、２…固定子、３…回転軸、４…回転子鉄心、５…永久磁石、６…固定子鉄心、７…固定子巻線、８…継鉄、９…歯部、１０…スロット、１２…アモルファス金属箔帯、１５…接着剤塗布装置、１６…ダイ、１７…パンチ、１８…加熱装置、１９…シリンダ機構、２２…制御装置、２３…金型、２４…加圧子、２８…電動機、３０…発電機。

Claims (12)

1. 複数の永久磁石を備えた回転子と、この回転子と対向して設けられた固定子鉄心と、この固定子鉄心に巻掛けられた固定子巻線とを有する永久磁石を備えた回転電機において、前記固定子鉄心を、継鉄と、この継鉄に取り付けられ前記回転子に向かって突出する複数の歯部との分割構成にすると共に、少なくとも前記歯部をアモルファス磁性体で形成したことを特徴とする永久磁石を備えた回転電機。
2. 前記歯部は、アモルファス磁性体の箔帯を接着により複数積層して形成されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石を備えた回転電機。
3. 前記歯部は、アモルファス磁性体の粒体を圧縮成形して形成されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石を備えた回転電機。
4. 前記アモルファス磁性体の粒体に、他の磁性材の粒体が混入されていることを特徴とする請求項３記載の永久磁石を備えた回転電機。
5. 前記継鉄は、珪素鋼板を積層して形成し、前記歯部をアモルファス磁性体で形成されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石を備えた回転電機。
6. 前記歯部は、アモルファス磁性体の箔帯を接着により複数積層して形成されていることを特徴とする請求項５記載の永久磁石を備えた回転電機。
7. 前記歯部は、アモルファス磁性体の粒体を圧縮成形して形成されていることを特徴とする請求項５記載の永久磁石を備えた回転電機。
8. 前記アモルファス磁性体の粒体に、他の磁性材の粒体が混入されていることを特徴とする請求項７記載の永久磁石を備えた回転電機。
9. 複数の永久磁石を備えた回転子と、この回転子と対向して設けられた固定子鉄心と、この固定子鉄心に巻掛けられた固定子巻線とを有する永久磁石を備えた回転電機において、前記固定子鉄心を、継鉄と、この継鉄に取り付けられ前記回転子に向かって突出する複数の歯部との分割構成にすると共に、前記歯部をアモルファス磁性体で形成し、かつ前記固定子鉄心のスロット数Ｓと回転子極数Ｐとの関係が、
   Ｐ＝Ｓ±１
   または
   （２／３）Ｓ＜Ｐ＜（４／３）Ｓで、Ｓ＝６ｎ，Ｐ≦６ｎ−２あるいはＰ≧６ｎ＋２
   （ただし、Ｐは２の倍数、ｎは２以上の整数）
   であることを特徴とする永久磁石を備えた回転電機。
10. 請求項１に記載の回転電機は電動機であり、この電動機を自動車のハンドル操作を補助する動力として用いたことを特徴とする自動車のステアリング装置。
11. 請求項１に記載の回転電機は発電機であり、この発電機を風車の回転力で駆動するように構成したことを特徴とする風力発電システム。
12. 回転子に永久磁石を備えた回転電機の固定子鉄心の歯部を、アモルファス磁性体で形成するに際し、アモルファス磁性体の箔帯に接着剤を塗布した後、その箔帯をプレスによって打ち抜き、打ち抜かれた箔帯を複数積層すると共に、加熱して前記接着剤を硬化させて形成したことを特徴とする回転電機の固定子鉄心の歯部製造方法。

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