JP2014176263A

JP2014176263A - 多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子

Info

Publication number: JP2014176263A
Application number: JP2013049324A
Authority: JP
Inventors: Takanori Yokochi; 孝典横地
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2014-09-22

Abstract

【課題】多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子において、回転子内で発生する鉄損を増加させることなく、回転子内の漏れ磁束を低減させ、それにより、本発明による回転子を用いた電動機の特性低下を抑制する。
【解決手段】回転子１は、回転子１の外周側で隣接する磁路３同士を接続する外側つなぎ部４と、回転子１の内側で隣接する磁路３同士を径方向に沿うように接続する内側つなぎ部５とを有する。そして、外側つなぎ部４及び内側つなぎ部５の少なくとも一部が、回転子１がフラックスバリア部の形状に打ち抜かれた後に、珪素鋼板の板厚が変化しない程度の圧力を加えられることを特徴とする。これによって、回転子１内の磁束の漏れを低減させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子に関し、特に回転子の構造の改良に関する。

電動機の回転子の構造には様々なものがあるが、その中で、複数のスリット間に磁路が形成された複数のフラックスバリア部が周方向に所定の間隔で配置された珪素鋼板を積層して構成される多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子が知られている。以下に、多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子の構造について説明する。

図５は、従来における多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子の構成の一例を示す図である。回転子１は、珪素鋼板を複数枚積層して構成される。各珪素鋼板には、複数のスリット２が形成されており、各スリットの間には磁路３が存在している。フラックスバリア部と言う。フラックスバリア部は、周方向に間隔をあけて複数設けられる。

図５に示されるような回転子１を製造する場合、通常は一枚一枚の珪素鋼板に対してプレスの打ち抜きによって、フラックスバリア部の穴、内径穴、外径穴といった順に穴を開ける。プレスの打ち抜きの際には、通常、雄型と呼ばれる凸形状の部分を持った型と雄型の凸部分と同じ形状の凹形状の部分を持った雌型と呼ばれる型との間に、打ち抜きをする珪素鋼板を挟む。そして、雄型の凸形状の部分によって珪素鋼板が打ち抜かれて穴が開けられる。このプレス加工時には数百トンの力がかかるため、珪素鋼板の打ち抜かれる部分以外にもある程度の圧力がかかった状態で打ち抜きが行われる。よって、このプレス加工時にかかる力が電動機の特性に悪影響を与える。

珪素鋼板の材料特性のなかで、磁束密度と鉄損というものがある。一般的に、磁束密度が高い珪素鋼板で電動機を構成した場合、同一電流を通電した場合の電動機の発生トルクがより大きくなる。一方、鉄損が小さい珪素鋼板で電動機を構成した場合、同一電流を通電した場合に電動機から発生される鉄損量はより小さくなる。したがって、磁束密度が大きく、かつ鉄損が小さい特性を持った珪素鋼板で電動機を構成することで、発生トルクが大きく、かつ損失が小さくなる電動機を実現することができる。この電動機は、同一の通電電流で出力が大きくなり損失が小さくなるため、結果的に良好な特性を有することになる。珪素鋼板は、その用途により含有する珪素の量によって、さまざまな特性を持った材料を作ることができる。しかし、一般的に、磁束密度が大きい材料は鉄損も大きく、逆に鉄損が小さい材料は磁束密度も小さくなってしまうことがわかっている。

一方、上述した従来の回転子１のスリット２は、図５に示されるような形状であるが、回転子１の中心から見てスリット２の端の外側、すなわち回転子の外周側にはスリットが無く、隣り合う磁路３が橋渡しによってつながった形状になっている。この橋渡しの部分を、以降、外側つなぎ部４と呼ぶことにする。

図６は、図５に示される回転子１の要部を拡大した図である。多層フラックスバリア型リラクタンスモータにおいては、回転子１の径方向外側に存在するステータ（図示せず）に巻回されたステータ巻線に電流を通電することにより、図６に示す通り、磁路３上に磁束Ｆ１を形成し、これにより回転子１にＮ極またはＳ極の磁極を作る。磁束は、磁気抵抗が低い珪素鋼板内は通りやすいが、磁気抵抗が大きい空気中は通りにくい。このような、この磁気抵抗の差を利用して回転子１内に磁極を形成するのが多層フラックスバリア型リラクタンスモータの特徴である。しかし、実際の磁束においては、図７に示されるように、磁路３上に形成される磁束の一部がＦ２で示されるように外側つなぎ部４に漏れてしまい、磁路３上に所望の磁束を形成できなくなる。このような現象は、上述した通り、磁束は磁気抵抗が小さい珪素鋼板内には通りやすいため、起こってしまう現象であり、磁束の漏れと呼ばれる。磁束の漏れが多いほど電動機の出力特性は低下するため、理想的には外側つなぎ部４は図８に示されるように全く無い方が良い。しかし、図８のような形状では、磁路３同士がばらばらになってしまっているため、現実に回転子１を構成するために外側つなぎ部４は必ず必要になる。外側つなぎ部４が必要であるならば、少しでも磁束の漏れを少なくするために、外側つなぎ部４はできるだけ細い方が良い。しかし、外側つなぎ部４が細くなると回転子１が回転した際の遠心力によって、外側つなぎ部４に発生する応力が回転子１の材料の許容応力を超え、回転子１が外側つなぎ部４の部分から破断してしまうため、外側つなぎ部４には遠心力に耐えられるだけの太さが必要である。

また、図５にも示されているように、各磁路３に働く遠心力を支えるために、回転子１の外周側でなく、回転子１の内側で磁路３と磁路３の間に径方向に沿ってこれらの磁路３につなぎを設ける場合もある。このつなぎを内側つなぎ部５と呼ぶことにする。この場合においても同様に、内側つなぎ部５に磁束が通過して磁束の漏れが発生してしまうので、内側つなぎ部５もできるだけ細い方が良い。しかし、内側つなぎ部５においても、外側つなぎ部４と同様に回転子１を支える強度的な理由から一定の太さが必要となる。

回転子１の構造を設計する場合、磁路３とスリット２の形状が決まっていれば、残りは外側つなぎ部４の太さをどの程度の太さにするかということと、内側つなぎ部５を設けるか、また設ける場合はどの程度の太さで何本にするかということを決定するだけである。その際には、回転子１が電動機の最高回転数で回転する時に発生する遠心力によって、回転子１各部にかかる応力を有限要素法等の強度解析計算で求める。そして、回転子１の各部に発生する応力が回転子１を構成する材料の許容応力を超えない範囲で外側つなぎ部４をどこまで細くできるか、あるいは内側つなぎ部５の太さと本数をどこまで減らせられるかということを求め、外側つなぎ部４の太さ及び内側つなぎ部５の本数と太さを設計していく。以上のような方法によって、回転子１における外側つなぎ部４の太さ及び内側つなぎ部５の本数と太さは決まってしまう。このため、言い換えるならば回転子１の最高回転数が決められているならば、前記設計によって求めた外側つなぎ部４の太さ及び内側つなぎ部５の本数と太さについては、それ以上つなぎ部を細くしたり本数を減らしたりすることはできないということになる。したがって、回転子１内における磁束の漏れを減らすことはできないということになり、すなわち、それ以上の電動機の特性向上はできないということになる。

以上のことから、多層フラックスバリア型リラクタンスモータにおいて、磁束の漏れが発生するために電動機の特性低下の原因となる回転子１のつなぎ部について、磁束の漏れを低減させて電動機の特性向上につなげるのが好ましい。このような技術として先行技術として下記特許文献１が知られている。下記特許文献１には、つなぎ部をエッチング等の方法で薄くすることにより、磁束の漏れを低減することが開示されている。

特開２０１２−１０５４１０号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では鋼板を打ち抜く場合に比べれば強度はあるものの、実際には鋼板を薄くすることにより強度が低下することから、上述のような特性向上を十分には達成できないという課題を有している。

本発明の目的は、回転子内で発生する鉄損を増加させることなく、回転子内の漏れ磁束を低減させ、それにより、電動機の特性低下を抑制することができる多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子を提供することにある。

本発明は、複数のスリット間に磁路が形成された複数のフラックスバリア部が周方向に所定の間隔で配置された珪素鋼板を積層して構成される多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子において、回転子の外周側で隣接する磁路同士を接続する外側つなぎ部と、回転子の内側で隣接する磁路同士を径方向に沿うように接続する内側つなぎ部と、を有し、外側つなぎ部及び内側つなぎ部の少なくとも一部が、回転子がフラックスバリア部の形状に打ち抜かれた後に、珪素鋼板の板厚が変化しない程度の圧力を加えられることを特徴とする。

また、回転子がフラックスバリア部の形状に打ち抜かれた後に、外側つなぎ部及び内側つなぎ部の少なくとも一部が、外側つなぎ部及び内側つなぎ部の少なくとも一部と同形状の追加プレス用突起部を備える追加プレス金型によって、圧力を加えられることを特徴とする。

また、磁路の少なくとも一部が軟磁性材料で構成されることを特徴とする。

本発明の多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子によれば、回転子内で発生する鉄損を増加させることなく、回転子内の漏れ磁束を低減させ、それにより、電動機の特性低下を抑制することができる。

本実施形態に係る多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子の構成を示す図である。回転子の要部を示す拡大図である。追加プレス用金型の構成の一例を示す図である。回転子内の磁束の流れを説明するための模式図の一例である。従来における多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子の構成の一例を示す図である。従来における回転子内の磁束の流れを説明するための模式図の一例である。従来における回転子内の磁束の流れを説明するための模式図の一例である。従来における回転子の一例を示す図である。

以下、本発明に係る多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子の実施形態について、図１−４を用いて説明する。

図１は、本実施形態に係る多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子の構成を示す図であり、図２は、回転子の要部を拡大した図であり、図３は、追加プレス用金型の構成の一例を示す図であり、図４は、回転子内の磁束の流れを説明するための模式図の一例である。図１における回転子１を構成する部分のうち、背景技術で説明した回転子、すなわち図５に示される回転子１と同一の要素については同一の符号を付し、説明を省略する。また、回転子１の外側つなぎ部４及び内側つなぎ部５の中で、図１において斜線で示された部分を、特に追加プレス部６と呼ぶことにする。

本発明においては、まず、図３に示されるような追加プレス金型７が備えられている。図３において、左側の図は追加プレス金型７を正面から見た図であり、右側の図は左側の図のＬで示される中心線における断面図である。追加プレス金型７は、金型表面から突出する追加プレス用突起部８を有する。追加プレス用突起部８は、その先端において、回転子１の追加プレス部６と同一形状をしている。すなわち、追加プレス用突起部８の先端は、追加プレス部６に対応する形状に形成されている。追加プレス用突起部８の高さＨは特に指定はせず、プレス加工の際、回転子１内において追加プレス部６以外の部分に力が加わらなければ良い。追加プレス金型７は、通常のプレスの金型と同等の材料で構成されており、珪素鋼板をフラックスバリア部の形状に打ち抜きを行ったプレス装置または別のプレス装置に取り付けられる。追加プレス金型７には打ち抜きの金型のように凹形状をした雌型があるわけではなく、珪素鋼板の下側はただ荷重を受けるだけの平面のテーブルがあるだけである。追加プレス金型７は、プレス装置上では追加プレス用突起部８の先端だけが珪素鋼板に当たるようにストロークが調整されている。したがって、プレス装置上では回転子１の追加プレス部６のみが、追加プレス金型７によってプレス圧力を加えられるようになっている。

背景技術でも述べたが、珪素鋼板のプレス加工を行う際、プレスの圧力によって珪素鋼板の鉄損が上昇し、磁束密度が低下するという形で珪素鋼板の特性に悪影響を与えることが知られている。したがって、本発明に示されるような追加プレス金型７を用いて、打ち抜き後の回転子１にプレス圧力を加えた場合、追加プレス用突起部８が当たる部分である、回転子１内の追加プレス部６については、磁束密度が低くなり鉄損が増加するという珪素鋼板の特性悪化が起こる。磁束密度が低下するということは、その部分の磁気抵抗が大きくなることにつながるため、追加プレス部６は前記特性の悪化によって、磁束が流れにくくなるということになる。そのため、回転子１内における磁束の流れ方に変化が起こるが、その様子について図４を用いて説明する。図４は図７と同じく、回転子１内における磁束の流れを示した模式図である。上述した通り、回転子１内を通過する磁束は、所望の磁束Ｆ１の一部が図７のＦ２で示されるように漏れてしまい、電動機の特性低下の原因となる。しかし、本発明における回転子１のように、追加プレス部６の磁気抵抗が大きくなった場合は、回転子１の追加プレス部６を通過する磁束について、図４に示すように磁束密度がＦ２よりも小さいＦ３という磁束になる。すなわち、回転子１の追加プレス部６を通過する漏れ磁束の量が、追加プレスがない状態に比べ低下し、それによって磁束の漏れを原因とする電動機の特性低下が抑えられることになる。

なお、追加プレスによって珪素鋼板の磁束密度が低下するとともに、鉄損が増加することも上述したが、鉄損量の大きさは錯交する磁束の単位時間あたりの変化量に比例する。このため、本発明においては追加プレス部６の磁束密度が減少している上に、もともと多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子１内では、磁束は一定であるため、磁束の変化量は極めて小さい。したがって、追加プレス部６の鉄損が増加しても、実際にその部分から発生する鉄損は変化しないか減少するかのいずれかである。

以上が、本発明における実施の一例である。なお、本実施形態において、追加プレス金型７の形状は、回転子１全体を一度にプレスする形状のものを示したが、本発明はこの構成に限定されない。回転子１のフラックスバリア部が対称形であるならば、一部分だけの形状として回転子１または追加プレス金型７を回転させながら複数回に分けて追加プレスしても良い。また、追加プレスする箇所についても、外側つなぎ部４と内側つなぎ部５全てには限定せず、必要となる一部分のみ追加プレスするような追加プレス金型７の形状としても良い。さらに、回転子１における一つのプレス部に対して追加プレスする回数についても、本発明の説明の中では特に規定しなかったが、一回でも複数回でもどちらでも良い。また、本発明の回転子１においては磁束が通過する部分について、全て珪素鋼板で構成されているかの説明をしているが、少なくとも一部が軟磁性材料で構成されていても構わない。

１回転子、２スリット、３磁路、４外側つなぎ部、５内側つなぎ部、６追加プレス部、７追加プレス金型、８追加プレス用突起部。

Claims

複数のスリット間に磁路が形成された複数のフラックスバリア部が周方向に所定の間隔で配置された珪素鋼板を積層して構成される多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子において、
回転子の外周側で隣接する磁路同士を接続する外側つなぎ部と、
回転子の内側で隣接する磁路同士を径方向に沿うように接続する内側つなぎ部と、
を有し、
外側つなぎ部及び内側つなぎ部の少なくとも一部が、回転子がフラックスバリア部の形状に打ち抜かれた後に、珪素鋼板の板厚が変化しない程度の圧力を加えられる、
ことを特徴とする多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子。
請求項１に記載の多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子において、
回転子がフラックスバリア部の形状に打ち抜かれた後に、外側つなぎ部及び内側つなぎ部の少なくとも一部が、外側つなぎ部及び内側つなぎ部の少なくとも一部と同形状の追加プレス用突起部を備える追加プレス金型によって、圧力を加えられる、
ことを特徴とする多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子。
請求項１または２に記載の多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子において、
磁路の少なくとも一部が軟磁性材料で構成される、
ことを特徴とする多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子。