JP3797563B2 - リラクタンスモータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転子と固定子との相対位置による磁気抵抗値の違いを利用して回転させる、いわゆるリラクタンスモータの改良に関する。

固定子巻線側から見た回転子の位置による磁気抵抗値の違いを利用して機械的出力を得るリラクタンスモータは、回転子の堅牢性から、これまで高信頼性あるいは高速回転が必要とされる用途等に用いられてきた。図４に従来のリラクタンスモータの概念図を示す。図４において、４１は回転子コア、４２Ａ，４２Ｂは固定子巻線、４３は固定子コア、４４はシャフトを各々表す。この場合、回転子４０の突極数は２である。また、４２Ａ，４２Ｂからなる固定子巻線の相数は２で、一つ（４２Ａ）の相をＡ相、もう一方（４２Ｂ）の相をＢ相と呼ぶことにする。次に、図５〜図８に従って、図４の動作を説明する。なお、図５〜図８において、図４と同一参照符号のものは図４と同一の構成部分を表す。図５において、固定子４８に設けられた固定子巻線のＡ相に電流が流されたとすると、このＡ相の固定子巻線により生じる磁力線は５７の一群の線で示される様な形状となる。この磁力線の経路（磁路）としては、常に全体の磁気抵抗が最も小さくなる磁路が必然的に選ばれる。さらに、磁路に可動部分が存在する場合は、その可動部分を動かすことにより磁気抵抗を当初の条件よりも小さくする作用がある。図５では、回転子４０の突極部分５１１の中心がＡ相の固定子巻線の巻かれている歯５３１と正対する位置が最も磁気抵抗の小さい場合であるので、Ａ相の固定子巻線４２Ａに電流を流すことにより回転子４０は矢印Ｃ方向に回転し、図６の位置まで回転する。

回転子４０が図６の位置まで回転した時点で、図７に示すようにスイッチ４６Ａを切り離してスイッチ４６Ｂを接続することによって、Ａ相の固定子巻線４２Ａに流していた電流を停止し、Ｂ相の固定子巻線４２Ｂに電流を流すと、回転子４０は矢印Ｃ方向に回転し、図８に示すように回転子４０の突極部分がＢ相の固定子巻線４２Ｂに正対する位置まで回転子４０が回転する。このようにＡ相とＢ相の固定子巻線に交互に電流を流すことにより、回転子４０を回転させることが可能となる。また、図４から図８に示すように、回転子４０が回転するに従い、固定子歯の中心点Ｄでは回転子４０との磁気的な距離が変化している。

リラクタンスモータにおいては、磁気抵抗の小さい突極部分と、突極と突極との間に存在する磁気抵抗の大きい部分との磁気抵抗差がリラクタンスモータ特性に大きな影響を与える。このため、突極部分の中心に磁気的な軸を考え、一般にこの軸を直軸（ｄ軸）と呼ぶ。また、突極と突極との中間に位置する磁気的な軸を横軸（ｑ軸）と呼ぶ。ここで、直軸が巻線の位置に対して正対した場合、すなわち、回転子４０が図６の位置にある場合のＡ相のインダクタンスをＬａとする。また、横軸が巻線の位置に対して正対した場合、すなわち、回転子４０が図８の位置にある場合のＡ相のインダクタンスをＬｂとすると、突極率比ξという概念を導入できて、ξ＝Ｌａ／Ｌｂで表わされる。

リラクタンスモータはその回転子の形式で概略以下の３種類に分類される。第１の方式は図１１にその回転子の斜視図を示す突極型リラクタンスモータ用回転子である。同図では回転子コア４１の中心にシャフト４４が設けられた４極の回転子４０を示している。この回転子４０を用いたリラクタンスモータは回転子４０に突極５１１が４箇所形成され、これらの突極が図示されない固定子側の回転磁界に同期しながら回転する。

第２の方式は図１２にその回転子の斜視図を示す単一バリア型リラクタンスモータ用回転子である。図１２の回転子４０の外形は円形で、回転子４０の内部に実質的な突極部を形成するために、回転子４０の表層部の磁束の流れを防ぐ磁気障壁１２８を設けてあり、この磁気障壁は通常ロータコア４１に設けられた穴である。

第３の方式は図１３および図１４に示す回転子を具備する多層バリア型リラクタンスモータである（特許文献１参照）。この方式は回転子コアに磁性層と非磁性層とを交互に設けることによって、回転子における位置による磁気抵抗値の差を産み出している。図１３において、磁性体１３１と非磁性体１３２とが交互に積み重ねられて形成された全体の積層体を外側から非磁性のロータバー１３３で押さえ、このロータバー１３３は磁性体１３１と非磁性体１３２との積層体で構成される複合積層体が回転子１４０の回転中に飛び出さないようにネジ締結具１３４でシャフト１３５に固定される。さらに、この固定は図１３に示す回転子１４０端に設置されている端キャップ１３６で補強されるという複雑な構成をとっている。また、Dr. Soong他により１９９３年に発表された論文でも上記のような端キャップは省略されているものの図１３，図１４とほぼ同様の構成を採用し、さらに、寸法精度を出すために各部品を用いて回転子を組立た後、機械加工を行っている。これら第１から第３の方式のリラクタンスモータは、回転子を主に鉄系合金で構成し得るため、堅牢で高速回転モータに適しておりかつ安価に製造できるという特長がある。
特開平６−３１１６７７号公報

しかしながら、リラクタンスモータにおける上記３種類の回転子方式はそれぞれ下記の問題を有している。図１１の突極型リラクタンスモータ用の回転子４０を高速回転型モータに用いた場合、突極５１１が高速回転型モータ内部において風損を増大させ、モータ効率が低下するという問題を有する。また、図１１の突極型リラクタンスモータ用回転子、および図１２の単一バリア型リラクタンスモータ用回転子では、モータ効率を大きく左右する突極比率ξを大きくとることができない。したがって、突極型リラクタンスモータ用回転子、および単一バリア型リラクタンスモータ用回転子では突極比率ξをせいぜい２〜４の範囲とするのが実用的な設計である。さらに、図１２の単一バリア型リラクタンスモータ用回転子においては、通常、磁気バリアは回転子コア４１内部に設けられた穴で構成されるので、突極比率ξを大とするためには穴と穴との距離を極力小さくする必要が生じる。その結果、回転子４０の外周部分の遠心力を回転子コア４１の幅ｄという非常に狭い部分で支えなければならず、高速回転では機械強度的に不安定な回転子４０となる可能性を秘めている。次に、図１３および図１４の多層バリア型リラクタンスモータ用回転子では、突極比率ξを６〜２０に設定できる。このため、非常に高いモータ特性が得られる可能性があるが、この多層バリア型リラクタンスモータ用回転子は組立が他のリラクタンスモータ用回転子に比べて煩雑となり、組立に多大の工数を要する等の問題がある。

本発明は上記従来の問題点を解決すべく、リラクタンスモータにおいて突極比率が高く、したがってモータ効率が高く、さらに、構成が簡単かつ堅牢で高速回転にも耐え得るリラクランスモータの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のリラクタンスモータにおいては、固定子の任意の位置における磁気抵抗値が回転子の回転により変化することを利用して機械的出力を得るリラクタンスモータであって、強磁性部と非磁性部とが共存するとともに、強磁性部および非磁性部の結晶構造が異なる同一素材の部材からなる回転子コアを具備するようにリラクタンスモータを構成した。

本発明は、強磁性組織を有する素材からなる薄板を用意し、該薄板における非磁性化したい部分をオーステナイト変態温度以上に加熱した後冷却して強磁性部と非磁性部とが共存する同一素材からなる薄板とし、次いで複数枚の前記薄板を積層することを特徴とする回転子コアの製造方法である。本発明においては、前記非磁性部が加熱変成部であることを特徴としている。すなわち、例えば、強磁性組織を有する素材を用いて、この素材における非磁性化したい部分をオーステナイト変態温度以上に加熱した後冷却するか、あるいは融点以上の温度に加熱溶融させた後冷却凝固させることで、強磁性部と非磁性部とが共存するとともに、強磁性部および非磁性部の結晶構造が異なる同一素材の部材からなる回転子コアを形成できる。本発明の加熱変成部は上記の加熱冷却および加熱溶融させた後冷却凝固させた組織等を含める。

また、回転子コアが、板状部材が積層されて構成されることが、うず電流損失の低減化の点で好ましい。また、本発明で、前記の強磁性部と非磁性部とがリラクタンスモータ用回転子の周方向に交互に配置されることを特徴とする。また、本発明のリラクタンスモータは、突極部間の凹部に前記非磁性部が形成された突極型リラクタンスモータ用回転子を具備することを特徴とする。また、本発明のリラクタンスモータは、単一バリア型回転子を具備することを特徴とする。また、本発明のリラクタンスモータは、多層バリア型回転子を具備することを特徴とする。

本発明によれば、多層バリア型リラクタンスモータにおいて、従来回転子コアの半径方向に別個の部品として積み重ねていた磁性部分と非磁性部分とを一つながりの強磁性部分および非磁性部分とが共存した部材により構成することによって、機械的強度が高く、しかも構成が簡単で組立性が良く、さらに従来の多層バリア型リラクタンスモータ用回転子と同等以上の高い突極比率を維持できる多層バリア型リラクタンスモータ用回転子を構成することができる。また、単一バリア型リラクタンスモータにおいて、従来回転子の磁気バリアから外側部分にかかる遠心力をこの外側部分の小さな断面積で支えていたのに対し、本発明では磁気バリア部分が穴ではないので磁気バリア部分でも遠心力を支えられるため、高速回転にも十分耐え得る高機械強度の単一バリア型リラクタンスモータ用回転子を構成できる。また、突極型リラクタンスモータにおいて、回転子コアが強磁性部分と非磁性部分とが共存した部材（好ましくは単一部材）で構成されるため、円筒状の回転子外形を保つことができ、したがって、突極型リラクタンスモータ用回転子の回転中の風損を低減することが極めて容易である。

本発明は以上記述のような構成及び作用であるから、下記の効果を奏し得る。
（１）磁気抵抗差が大きくかつ機械的信頼性の高いリラクタンスモータ用回転子が得られる。
（２）回転子コアを構成する部品点数が少ないため、組立が容易なリラクタンスモータ用回転子が得られる。
（３）磁気抵抗差を回転子コアの形状によらず実現できるため、風損を低下させることが可能で、かつ、磁気抵抗差が大きいリラクタンスモータ用回転子が得られる。結果として、特性の高いリラクタンスモータ用回転子が構成できる。

以下、図面により本発明を説明する。なお、本発明の突極型およびバリア型等のリラクランスモータにおいて、固定子から見て、磁気抵抗が低くなる回転子の部位を突極部と呼ぶことにする。図１は本発明による多層バリア型リラクタンスモータ用回転子の実施の形態の一例を示す要部斜視図である。図１において、回転子１は回転子コア１５とシャフト１４とを具備する。ハッチされた１８の部分は回転子コア１５を構成する非磁性部分、１１は回転子コア１５を構成する強磁性部分である。回転子コア１５は前記の強磁性部分１１と非磁性部分１８とを有する薄板１７をシャフト１４の軸方向に積層させて構成される。図１では回転子コア１５の外径が４７ｍｍ、シャフト１４を通すために回転子コア１５の中心に設けられた穴部１６の直径が２０ｍｍ、回転子コア１５のシャフト１４の軸方向の長さが６０ｍｍに形成されている。ここで、薄板１７の直軸（ｄ軸）および横軸（ｑ軸）は図１に示すように形成され、固定子（図示せず）の回転磁界に同期しながら回転子１が回転するが、この際、回転磁界の磁束が強磁性部分１１に流れる。

図１の回転子１は例えば次のような工程で製作することができる。まず、重量で０．６％Ｃ−１３％Ｃｒ−Ｆｅ，ｂａｌ．および不可避不純物を含む組成の素材材料を約１ｍｍ厚みの板材に加工した後、５００℃で応力除去焼鈍を施してフェライト相とカーバイド相とからなる強磁性結晶組織の板材とした。その後、図１の回転子１を構成する薄板１７の形状寸法が打ち抜き出せるに十分な大きさの薄板に切り放し、この薄板に位置決め用のピン穴を２箇所穿孔後（図示せず）、このピン穴を基準として薄板１７における非磁性化すべき１８部分に該当する部分のみをレーザ照射（本実施例ではＣＯ2レーザを用いたが、これに限定されず他の公知のレーザを用いてもよい。）によって１２００℃程度に加熱後、水中にて急冷する（または大気中や不活性ガス雰囲気中で放冷冷却してもよい。）ことによって非磁性結晶組織であるオーステナイト組織とした。その後、上記ピン穴を基準として回転子１の外形形状およびシャフト穴１６形状に打ち抜きにより整形して薄板１７を形成し、この薄板１７を多数積層して回転子コア１５を形成した後、シャフト１４を回転子コア１５の穴１６に挿入固着して、回転子１を組み上げた。ここで、上述した通り、回転子コア１５は重量で０．６％Ｃ−１３％Ｃｒ−Ｆｅ，ｂａｌ．および不可避不純物を含む組成のいわゆる磁性ステンレス鋼からなる。このステンレス鋼はその製造過程において、上述した通り、冷間圧延を行って厚みが約１．０ｍｍの薄板とされ、その薄板に焼鈍を行うことにより、フェライトとカーバイドとからなる強磁性組織となる。この強磁性組織のＢ−Ｈカーブを図９に示す。図９より、図１の１１部分に該当する部分は２０℃において、各々、最大比透磁力μｍ＝５６５，保磁力Ｈｃ＝１０．５（Ｏｅ），５０（Ｏｅ）の磁界中における磁束密度Ｂ₅₀＝１２３００（Ｇ），１００（Ｏｅ）の磁界中における磁束密度Ｂ₁₀₀＝１３６００（Ｇ）という優れた強磁性特性であることが確認された。この焼鈍後の薄板に対し、図１の非磁性とする部分１８に該当する部分を、レーザ照射によって、この薄板のオーステナイト変態温度以上に加熱後、急冷することにより、図１の１８部分が図１０のＢーＨ特性となった。この１８部分は室温（２０℃）において、最大比透磁率が１．１であり、したがって、最大比透磁率が２以下のオーステナイト組織であることが確認された。なお、このレーザによる加熱は、レーザ照射されている微小面積（現実的には直径０．３ｍｍから５ｍｍ程度の円内）が加熱され、その加熱点を移動させることによって、線あるいは面の熱処理を実現しているため、加熱部分以外の薄板部分がヒートシンクの役目を果たすことにより、加熱後の急冷は水冷等の特別な操作を必ずしも行う必要がなく、空気中の放置で十分急冷効果を得ることができる。また、上記レーザによる加熱部分は通常１２００℃程度であり、加熱部分を溶融させることはないが、必要に応じて、レーザが照射されている微小面積を溶解する加熱条件を採用することができる。このように、図１の回転子１の構成によれば、機械構造的に一体な部品で構成されるとともに強磁性部分１１と非磁性部分１８とを交互に形成した薄板１７を積層して形成された回転子コア１５をシャフト１４に固着することによりリラクタンスモータ用の高機械強度の回転子１を製作することができる。回転子コア１５とシャフト１４との固着方法は、焼きばめ、およびキーによる回り止めを併用している。なお、図１の回転子１を形成する他の方法として、薄板１７を一枚ずつシャフト１４に挿入、固着して回転子コア１５を積層形成することも可能である。図１の回転子１は、このように、回転子コア１５が回転子１の回転面において機械構造的に一体の部品で形成されていることから、回転強度が従来の多層バリア型リラクタンスモータ用回転子に比べて大変強く、高速回転に最適な構成となっている。また、回転子コア１５の構成を図１４のように多数部品で構成する場合と比べて単純でかつ組立が非常に容易である。また、図１３および図１４では、回転中の遠心力の大部分をロータバー１３３で受け止め、その全遠心力がボルト１３４と端キャップ１３６のかなり小さな断面積に集中するといった局部的な応力集中も生じないため、機械構造上極めて有利な構成となっている。また、図１の回転子１は突極比率も従来と同等に構成されている。

図２（ａ）および図２（ｂ）に、各々、本発明の単一バリア型リラクタンスモータ用回転子の実施の形態の一例を示す。図２（ａ）および図２（ｂ）において、図１と同一参照符号のものは図１と同一の構成部分を表す。図２（ａ）において、回転子１を構成する回転子コア１５に形成された非磁性部分１８が磁気バリアとして作用する。このように、磁気バリアとして作用する非磁性部分１８を一つながりの同一素材からなる部材で熱処理による結晶構造変化のみで形成できるので、従来のように磁気バリア１８の部分に穴を設けることがなく、したがって磁気バリア１８部分より外側の回転子１部分に作用する遠心力による引っ張り応力を磁気バリア１８部分が分担する事が可能となり、機械的に堅牢な回転子１を構成できる。また、図２（ｂ）に示すごとく磁気バリア１８部分を回転子１の外周面１５ａまで設けることができるため、突極比率を従来のものに比べて増加させることができる。

図３は、従来の突極型リラクタンスモータ用回転子と同等以上のモータ特性を得ることができる本発明の突極型リラクタンスモータ用回転子の実施の形態の一例を示す斜視図である。図３において、図１と同一参照符号のものは図１と同一の構成部分を表す。図３において、任意の突極部１１ａと１１ａとの間の凹部すなわち強磁性部１１に隣接する外周側の部分には非磁性部１８が形成されている。したがって、図３の構成によれば、回転子１の外形を円筒形に保ったままで、かつ従来と同等以上の突極型リラクタンスモータ用回転子の磁気的機能を維持しながら強磁性部分１１と非磁性部分１８の形状を自在に変化させることができ、回転子１を高速回転しても風損が大幅に増加することもなく、かつ、非磁性部分１８の形状が機械的強度等の条件に制限されることがなく、突極比率も従来のものより増加させることができる。

本発明に用いるロータコア用材料としては、母相が例えばフェライト相、マルテンサイト相等を主体として構成される強磁性相であって、この強磁性相がオーステナイト変態温度あるいは融点以上に局部加熱され、そののち冷却されることによって形成される加熱変成部分が非磁性部分（例えば、オーステナイト組織等。）となり得る材料であれば使用可能である。具体例を挙げれば、上記実施例の組成に代表されるフェライト系のステンレス鋼、およびマルテンサイト系のステンレス鋼、高マンガン鋼等の公知の材料を使用できる。また、局部加熱手段としては、前記レーザ加熱以外でも高周波加熱、プラズマ加熱、高温加熱体の接触による加熱等など種々の手段を採用し得る。また、本発明において、回転子コアを板材の積層体でなく、バルク材で構成してもよい。また、本発明において、回転子コアは強磁性部分と非磁性部分とが共存した一体の部材（本発明において、積層体は一体の構造体と定義する。）で構成されることが好ましいが、例えば、図１において、薄板１７を点線で示すように複数個（図１では４分割）に分割して、この分割体を積層して回転子１を構成してもよい。

本発明は、リラクタンスモータにおいて、突極比率が高く、したがって、モータ効率が高く、さらに、構成が簡単かつ堅牢で高速回転にも耐え得るリラクランスモータの製造方法に利用出来る。

本発明の実施の形態の一例に係わる多層バリア型リラクタンスモータ用回転子の斜視図を示す図である。 本発明の実施の形態の一例に係わる単一バリア型リラクタンスモータ用回転子の斜視図を示し、（ａ）は磁気バリア部分が外周面まで至らない場合、（ｂ）は磁気バリア部分を外周面まで設けた場合である。 本発明の実施の形態の一例に係わる突極型リラクタンスモータ用回転子の斜視図を示す図である。 リラクタンスモータの概念図である。 リラクタンスモータの動作原理を説明する図である。 リラクタンスモータの動作原理を説明する図である。 リラクタンスモータの動作原理を説明する図である。 リラクタンスモータの動作原理を説明する図である。 本発明に係わるロータコアの強磁性部分のＢＨ特性の一例を示す図である。 本発明に係わるロータコアの非磁性部分のＢＨ特性の一例を示す図である。 従来の突極型リラクタンスモータの回転子を示す図である。 従来の単一バリア型リラクタンスモータの回転子を示す図である。 従来の多層バリア型リラクタンスモータの回転子を示す図である。 従来の多層バリア型リラクタンスモータの回転子を示す図である。

符号の説明

１ 回転子
１１ 強磁性部
１４ シャフト
１５ 回転子コア
１６ 穴
１７ 薄板
１８ 非磁性部
４０ 回転子
４１ 回転子コア
４２Ａ Ａ相巻線
４２Ｂ Ｂ相巻線
４３ 固定子コア
４４ シャフト
４５ 直流電圧源
４６Ａ Ａ相電気回路スイッチ
４６Ｂ Ｂ相電気回路スイッチ
５７ 磁束線
１２８ 磁気バリア
１３１ 非磁性部
１３２ 磁性部
１３３ ロータバー
１３４ ネジ締結具
１３５ シャフト
１３６ エンドキャップ
５１１ 回転子突極部分
５３１ 固定子歯

Claims (2)

1. 強磁性組織を有する素材からなる薄板を用意し、該薄板における非磁性化したい部分をオーステナイト変態温度以上に加熱した後冷却して強磁性部と非磁性部とが共存する同一素材からなる薄板とし、次いで複数枚の前記薄板を積層することを特徴とする回転子コアの製造方法。
2. 強磁性組織を有する素材からなる薄板を用意し、該薄板における非磁性化したい部分をオーステナイト変態温度以上に加熱した後冷却して強磁性部と非磁性部とが共存する同一素材からなる薄板とし、次いで複数枚の前記薄板を積層して回転子コアを形成し、該回転子コアをシャフトに固着して回転子を形成し、該回転子を固定子に対して回転するように設けることを特徴とするリラクタンスモータの製造方法。
   

Images