JP4343281B2

JP4343281B2 - リラクタンスモータ

Info

Publication number: JP4343281B2
Application number: JP36705797A
Authority: JP
Inventors: 眞人佐川
Original assignee: 眞人佐川
Priority date: 1997-06-05
Filing date: 1997-12-25
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2017-12-25
Also published as: JPH1155911A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステータの励磁により発生する磁束が、ロータを通って磁気回路を形成するとき、磁気回路における磁気抵抗、即ち、リラクタンスが最小になるように、ロータにトルクが働く原理（この原理によって、発生するトルクをリラクタンストルクという。）によって、ロータが回転駆動される、あらゆる種類のモータに関するもので、その代表的なモータは、リラクタンスモータと呼ばれる。その他に、可変リラクタンス型ステッピングモータが知られている。これら従来のリラクタンスモータは、軟磁性体と空気の単位面積、単位長さ当たりのリラクタンスの差を利用して、ロータの角度位置によるリラクタンスの差を形成し、リラクタンストルクを得るものである。
【０００２】
本発明では、従来のリラクタンスモータとは異なった構成のモータも提案されるが、本発明においては、既存の型のリラクタンスモータにとらわれず、ロータのステータに対する角度位置によって、リラクタンスが変化し、リラクタンスが最小になるように、ロータが回転しようとする原理に基づくモータを全てリラクタンスモータと呼ぶことにする。
【０００３】
【従来の技術】
従来、一例として、図１４に示されているように、４つの突極ｒ１〜ｒ４を有する、軟磁性体からなるロータＲと、相対して配置されるとともに、それぞれに巻線が巻回された３対の突極ｓ１、ｓ１’、ｓ２、ｓ２’、ｓ３、ｓ３’を有するステータＳからなるリラクタンスモータが知られている。ステータＳの相対する突極ｓ１、ｓ１’の巻線にだけ電流を流して、突極ｓ１がＳ極に、また、突極ｓ１’がＮ極に磁化されて、ロータＲの突極ｒ１が、図１４に示されている位置にある状態から、ステータＳの相対する突極ｓ２、ｓ２’の巻線にだけ電流を流して、突極ｓ２をＮ極に、また、突極ｓ２’をＳ極に磁化すると、ロータＲの突極ｒ２は、ステータＳの突極ｓ２に移動する。これは、ロータＲの突極ｒ１〜ｒ４が、隣接するステータＳの突極ｓ１、ｓ１’、ｓ２、ｓ２’、ｓ３、ｓ３’の中間に位置しているときが、リラクタンスが大きく、また、ロータＲの突極ｒ１〜ｒ４とステータＳの突極ｓ１、ｓ１’、ｓ２、ｓ２’、ｓ３、ｓ３’とが一致している場合に、リラクタンスが最も小さく、ロータＲは、リラクタンスが小さくなる方向に移動しようとするために、上記のように、隣接するステータＳの突極ｓ２と突極ｓ３の間に位置するロータＲの突極ｒ２が、ステータＳの突極ｓ２の方向に移動し、ロータＲが回転することになる。次いで、ステータＳの相対する突極ｓ３、ｓ３’の巻線にだけ電流を流して、突極ｓ３をＳ極に、また、突極ｓ３’をＮ極に磁化すると、ロータＲの突極ｒ３は、ステータＳの突極ｓ３に移動する。このように、ステータＳの相対する突極ｓ１、ｓ１’の巻線、次いで、ステータＳの相対する突極ｓ２、ｓ２’の巻線、次いで、ステータＳの相対する突極ｓ３、ｓ３’の巻線というように、順次、各巻線に電流を流して、ステータＳの回りに回転磁界を発生させることにより、ロータＲが、図１４において、反時計方向に回転する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１５に示されているように、ロータＲのリラクタンストルクは、ロータＲの突極ｒが、ステータＳの隣接する突極ｓの中間に位置する時のリラクタンスと、ロータＲの突極ｒが、ステータＳのいずれかの突極ｓと一致する角度位置にある時のリラクタンスとの差が大きいほどロータＲに働くリラクタンストルクは大きい。また、このリラクタンスの差を大きくすることができれば、リラクタンスモータの力率や効率を改善できることが知られている。ロータＲの突極ｒが、ステータＳの隣接する突極ｓの中間に位置する時のリラクタンスと、ロータＲの突極ｒが、ステータＳのいずれかの突極ｓと対峙した時のリラクタンスとの差を大きくするために、ロータＲの突極ｒの突出度を大きくしたり、非磁性体層を挟んで積層された鉄板によりロータＲを形成する方法（アキシャリィラミネイテッド型リラクタンスモータ）や、鉄板に多数のスリットを金型打抜加工により形成して、鉄板内において、リラクタンスが大きい方向と小さい方向を形成し、このような鉄板を積層してロータＲを形成する方法（フラックスバリヤ型リラクタンスモータ）等、多くの工夫がなされてきた。
【０００５】
しかしながら、ロータＲの突極ｒの突出度を大きくすると、リラクタンスモータの直径が大きくなり、リラクタンスモータが大型化し、また、ロータＲの直径を変えずに、ロータＲの突極ｒの突出度を大きくするということは、突極ｒを細くすることであるから、ステータＳの突極ｓが、ロータＲの突極ｒを引きつける力（トルク）をかえって減少させる面もあり、ロータＲの突極ｒの突出度を大きくするには限界がある。更に、ロータＲに大きい突極ｒが形成されると、トルクリップルが大きくなったり、空気抵抗が大きく、また、騒音が大きくなるという問題があった。
【０００６】
アキシャリィラミネイテッド型リラクタンスモータやフラックスバリヤ型リラクタンスモータも、空気やその他の非磁性物と軟磁性体とのリラクタンスの差からリラクタンストルクを得るという点では原理は同じであるので、所謂、突極比を大きくするためには、非磁性体層やスリット部を厚く、また、数を多くしなくてはならない。そうすると、ロータＲ中の磁性体部の体積比が減少し、トルクが減少したり、ロータＲの機械的強度が低下したりする。ロータＲ中の磁性体量を、一定量確保するために増大させると、ロータＲが大型化するという問題があった。また、非磁性体層や空間の形状により、リラクタンスの大きい方向を作るという原理に基づく限り、ロータＲとしては、外周部に界磁ステータＳがあり、その内側において、ロータＲが回転する、所謂、インナーロータ型のリラクタンスモータのみが可能で、後述するアウターロータ型やディスクロータ型は、ロータの空間占有体積が大きくなり過ぎて実現不可能であった。
【０００７】
上述した問題、即ち、ロータＲの突出度を大きくしないとリラクタンストルクを大きくできないという問題は、ロータＲが、磁気的に等方的な軟磁性材料によって構成されているためである。即ち、このロータＲを構成する軟磁性材料が、何方の方向にも容易に磁化される性質を持っているため、図１５に示すように、ロータＲの突極ｒが、ステータＳの励磁された１つの突極ｓから、ずれた位置にあるとき、この励磁された突極ｓの先端ｓ４から発生する磁束が、ロータＲの突極ｒの先端ｒ５だけでなく、突極ｒの側面ｒ６や隣の突極ｒとの中間の面ｒ７に入り、ロータＲ中を通過してステータＳの励磁されたもう一方の突極ｓ（２つの突極ｓは、ペアになるように励磁されている。）に向かって出ていく。このように、ステータＳの励磁された突極ｓからの磁束が、ロータＲの突極ｒの先端ｒ５以外の側面ｒ６や中間の面ｒ７からも容易に入って、また、出ていくために、ロータＲの突極ｒの突出度を大きくしないと、リラクタンストルクを大きくできないという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、上述した従来のリラクタンスモータが有する課題を解決して、高力率、高効率化が可能な、より小型化が可能な、また、トルクリップル低下や低騒音化が可能なリラクタンスモータを提供し、更に、アウターロータ型やディスクロータ型の新しいタイプのリラクタンスモータを提供し、用途に応じて種々のタイプのモータを選定できるようにすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した目的を達成するために、リラクタンスモータにおいて、第１には、偶数の磁極を有するロータを構成する磁性体が、異方性磁界が２０ｋＯｅ以上の高い結晶磁気異方性を有する化合物の結晶粒とＦｅやＦｅ合金の結晶粒とを含むとともに、上記結晶粒を所望の方向に配向することにより、上記磁性体中に、上記磁極間を結ぶ磁路が形成されており、また、上記磁性体が、磁界５ｋＯｅのときに測定される磁化容易方向の磁化の大きさ（Ｉｅ）と磁化困難方向の磁化の大きさ（Ｉｄ）との比（Ｉｅ／Ｉｄ）が、２以上であって、且つ、２ｋＯｅ以下の低保磁力を有するものであり、第２には、ロータがインナーロータであり、該インナーロータの外側面に、前記磁極が形成されているものであり、第３には、ロータがアウターロータであり、該アウターロータの内側面に、前記磁極が形成されているものであり、第４には、ロータがディスクロータであり、該ディスクロータの円板面に、前記磁極が形成されているものである。
【００１０】
【実施例】
本発明の特徴は、以下に説明するような、高い結晶磁気異方性を有する化合物の結晶粒を含む磁性体の前記結晶粒を、後述するように所望の方向に配向させた、前記磁性体によりロータを構成することにより、高性能なリラクタンスモータを製造したものである。
【００１１】
先ず最初に、本発明のリラクタンスモータのロータに使用される磁性体について説明する。
【００１２】
ある種の磁性体は、その単結晶の磁化曲線を測定すると、結晶方向によって、磁化されやすさに、相違があることが知られている。例えば、正方晶又は六方晶等の結晶において、ｃ軸方向に、磁界を印加した場合には、磁化されやすく、ｃ軸と垂直な面内の方向に、磁界を印加した場合には、磁化されにくいという、所謂、一軸磁気異方性の大きな磁性体や、同じく、正方晶又は六方晶等の結晶において、ｃ軸方向に、磁界を印加した場合には、磁化されにくく、ｃ軸に垂直な面内に磁界を印加した場合には、磁化されやすいという、所謂、面内磁気異方性の大きな磁性体が知られている。なお、磁化されやすい方向を磁化容易方向といい、磁化されにくい方向を磁化困難方向という。
【００１３】
上述した磁気異方性について、化合物の結晶粒の集合体の模式図である図１を用いて、より具体的に説明する。この集合体は直方体の形状で、その上下面及び側面を、図示のようにＰ，Ｑ，Ｒ，Ｓ面とする。図１に示されているように、一軸磁気異方性の大きな結晶粒ｓのｃ軸を、矢印で示されているように、Ｐ、Ｑ面に垂直になるように揃えると、磁束は、これらの面に垂直な方向には、極めて通りやすく、また、これらＰ、Ｑ面に平行な方向は、どの方向にも、極めて通りにくい。また、面内磁気異方性の大きな結晶粒ｓのｃ軸を、図１に示されているように、一方向に揃えた場合には、磁束は、Ｐ、Ｑ面に垂直な方向には、極めて通りにくく、また、これらの面に平行な方向は、どちらの方向でも、磁束は、極めて通りやすい。
【００１４】
上述した一軸磁気異方性或いは面内磁気異方性の大きな化合物としては、Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ、Ｒ₂Ｆｅ₁₇Ｎ₃、ＲＦｅ₁₁Ｔｉ，ＲＦｅ₁₁Ｖ，ＲＦｅ₁₁ＴｉＮ，Ｒ₂（Ｆｅ_1-xＣｏ_x）₁₇等がある。これらは、希土類（Ｒ）の種類（１７種）によって、室温で一軸磁気異方性を示す場合と、面内磁気異方性を示す場合とがある。例えば、Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂの金属間化合物においては、Ｒ＝Ｐｒ，Ｎｄ，Ｔｂ，Ｄｙのとき一軸磁気異方性を示し、また、Ｒ＝Ｓｍのとき面内磁気異方性を示す。また、Ｒ₂Ｆｅ₁₇Ｎ₃の金属間化合物においては、Ｒ＝Ｐｒ，Ｎｄのとき面内磁気異方性を示し、また、Ｒ＝Ｓｍのとき一軸磁気異方性を示す。
【００１５】
本発明で使用される磁心材料では、これらの高い結晶磁気異方性を有する化合物の結晶粒を含む。ここで、高い結晶磁気異方性とは、異方性磁界（Ｈａ）で、その結晶磁気異方性を表したとき、異方性磁界（Ｈａ）が、２０ｋＯｅ以上、望ましくは、３０ｋＯｅ以上の化合物をいう。
【００１６】
本発明は、これらの高い結晶磁気異方性を有する化合物の結晶粒を含み、その結晶磁気異方性の効果により、磁性体全体として、磁化容易方向と磁化困難方向を持ち、その磁化容易方向と磁化困難方向における磁化の差が大きな磁性体を、リラクタンスモータのロータに使用することを提案する。そして、本発明においては、ロータに使用される磁性体を構成する高い結晶磁気異方性を有する化合物の結晶粒の配向方向が、所望の方向に制御されたものであり、更に、本発明においては、ロータに使用される磁性体は、保磁力が、２ｋＯｅ以下、好ましくは、１ｋＯｅ以下であることを特徴とするものである。
【００１７】
先ず最初に、本発明のリラクタンスモータのロータに使用される磁性体の特徴ある構成としての磁化容易方向と磁化困難方向における磁化の差が大きな点について説明する。なお、磁化容易方向と磁化困難方向は、上述の高い結晶磁気異方性を有する化合物の結晶粒について定義されるものであるが、以下に述べる磁化容易方向と磁化困難方向は、これら化合物の結晶粒を含む磁性体全体としての磁気的性質に関するものである。また、本発明における磁性体の磁気異方性とは、磁性体に含まれている化合物の結晶磁気異方性ではなく、磁性体全体としての、磁化容易方向と磁化困難方向における印加磁界に対する磁化の立ち上がりの差、又は、比に関するもので、その差、又は、比が大きいものを磁気異方性が大きい磁性体と呼ぶことにする。
【００１８】
磁気異方性を有する磁性体の磁化容易方向と磁化困難方向における磁化曲線は、一例として、図２に示されているようになる。即ち、磁化容易方向、即ち、磁束の通りやすい方向に磁界を印加した場合には、図２の磁化曲線（ａ）に示されているように、飽和磁化（Ｉｓ）まで、磁化は略垂直に立ち上がっているが、磁化困難方向に磁界を印加した場合には、（ｂ）に示されているように、飽和磁化（Ｉｓ）までの磁化の立ち上がり勾配が、大変小さい。
【００１９】
本発明のリラクタンスモータのロータに使用される磁性体は、磁化困難方向に磁界を印加した場合の磁化曲線における、飽和磁化（Ｉｓ）までの磁化の立ち上がり勾配が、磁化容易方向に磁界を印加した場合の磁化曲線における、飽和磁化（Ｉｓ）までの磁化の立ち上がり勾配に比べて、緩やかであることが重要である。この勾配の差を表す指標として、磁界が５ｋＯｅのときに測定される、磁化容易方向の磁化の大きさ（Ｉｅ）と磁化困難方向の磁化の大きさ（Ｉｄ）との比を用いる。そして、本発明のリラクタンスモータのロータに使用される磁性体においては、磁化容易方向の磁化の大きさ（Ｉｅ）と磁化困難方向の磁化の大きさ（Ｉｄ）との比（Ｉｅ／Ｉｄ）が、２以上であることが望ましい。
【００２０】
上述した条件を、本発明のリラクタンスモータのロータに使用される磁性体の磁気異方性に関する基準に選んだ理由は、これまでロータ材料として使われた磁性体の中で、５ｋＯｅもの高磁界で、これほど大きい磁化の異方性、即ち、大きい比（Ｉｅ／Ｉｄ）を示す材料は前例が無く、方向性硅素鋼板や積層鋼板等、磁気的な異方性を持つことが知られている磁性体でも、上記の基準と比べると、はるかに、磁気異方性が小さいからである。５ｋＯｅという高磁界を印加すると、従来の磁性体では、印加方向がどんな方向でも、磁性体が測定方向に細長ければ（反磁界係数が小さければ）、磁化は、かなり飽和に近くなる。５ｋＯｅという高磁界は、本発明のリラクタンスモータのロータに使用される磁性体を、従来のものと区別するための測定磁界として最適である。
【００２１】
磁化容易方向の磁化の大きさ（Ｉｅ）と磁化困難方向の磁化の大きさ（Ｉｄ）との比（Ｉｅ／Ｉｄ）が、２より大きいと、磁性体を通過する磁束に対して、磁化容易方向と通過する磁束のなす角度により、リラクタンスの差が大きくなり、（Ｉｅ／Ｉｄ）の比が、更に大きくなると、リラクタンスの角度依存性が、更に大きくなるので、ロータ材料として、更によい磁性体になる。なお、比（Ｉｅ／Ｉｄ）を測定するための磁化測定においては、試料の形状に起因する反磁界を補正した磁化曲線によらなければならない。
【００２２】
ロータ構造を、従来と同じ突極型にする場合には、上述した磁性体の磁化容易方向の磁化の大きさ（Ｉｅ）と磁化困難方向の磁化の大きさ（Ｉｄ）との比（Ｉｅ／Ｉｄ）が２以上でなくても、例えば、比（Ｉｅ／Ｉｄ）が、１．２〜１．５でも、その磁性体の中の高異方性結晶粒の磁化容易方向を、突極から隣の突極を結ぶ方向に配向することにより、突極型の形状から得られるリラクタンスの差に、本発明の磁気異方性から得られるリラクタンスの差が相加的に働き、従来の軟磁性体だけで形成されるロータを使う場合よりも、リラクタンストルクを大きくすることができ、また、ロータの突出度を余り大きくしなくても、所望のリラクタンストルクが得られるようになる。比（Ｉｅ／Ｉｄ）が大きい磁性体を用いることにより、ロータを突極にしなくても、即ち、円柱状でも、また、非磁性体層を設けたり、スリットを配置したりしなくても、高異方性結晶粒の磁化容易方向の配向により、軟磁性体のみで構成された従来の突極を持つロータの場合と同じように、磁極から磁束が入る場合と、磁極間から磁束が入る場合とで、リラクタンスの差を与えることができ、従って、リラクタンストルクを与えることができる。このように、ロータが円柱状の場合或いは突出度が小さい形状の場合には、比（Ｉｅ／Ｉｄ）は、２以上が望ましく、比（Ｉｅ／Ｉｄ）が、もっと大きければ、更に、大きいリラクタンストルクが得られる。
【００２３】
磁性体の１つの磁気特性として、飽和磁化（Ｉｓ）が大きいことが重要である。飽和磁化（Ｉｓ）を大きくすることにより、磁心材料の磁束通過断面積を小さくすることができるので、ロータを小さくすることができ、従って、リラクタンスモータを小型化することができるからである。
【００２４】
本発明においては、ロータに使用される磁性体として、飽和磁化が大きく、且つ、磁気的にソフトな（即ち、保磁力が小さい）高異方性磁性体材料を使うことを提案する。即ち、上述したように、保磁力を、２ｋＯｅ以下、好ましくは、１ｋＯｅ以下としたものである。保磁力が、２ｋＯｅ以下であれば、本発明のロータが、該モータ中に装備されている電磁石や永久磁石により、最初に磁化された後に、使用中又は分解修理中に、何らかの理由により、望ましくない方向に磁化されてしまっても、ロータが組み込まれたモータ中に装備されている電磁石や永久磁石からの磁束により、正常な方向に再磁化されるので、モータが異常動作等を起こすことなく、常に、正常に動作することになる。磁性体は、一般に、保磁力が大きくなると、磁化の可逆性が失われる。本発明のロータにおいて、ロータを構成する磁性体の保磁力（ｉＨｃ）が、２ｋＯｅを越えると、運転中や修理中に、何らかの理由により、一旦、減磁されたり、正常方向と異なる方向に磁化されてしまったとき、正常な方向に磁化するためには、モータ中に装備された電磁石や永久磁石からの磁界では磁化力不足で、別に用意されたパルス磁界源等による強力な着磁が必要となる。これは実用的ではない。保磁力を、１ｋＯｅ以下とすることにより、磁化の可逆性は、更に高まり、上述の中途半端な保磁力を持つ磁性材料を、ロータに使うことにより起こり得る種々の問題が、全くなくなる。
【００２５】
磁気異方性が大きく、飽和磁化が大きく、保磁力が小さい磁性体として、次のような構成の磁性体がそれにあてはまる。先ず、磁気異方性が大きいためには、上述した磁気異方性が大きい化合物の結晶粒が含まれていることが必要である。そして、それらの結晶粒の結晶方向が一定方向に配向されていることが必要である。磁性体として、これら高結晶磁気異方性化合物の結晶粒だけからなるとき、その磁性体の磁気異方性は極めて大きくなる。上述の比（Ｉｅ／Ｉｄ）は、２よりもずっと大きく、Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄ＢやＳｍ₂Ｆｅ₁₇Ｎ₃等を使用すると、比（Ｉｅ／Ｉｄ）＞５〜１０の高異方性磁性体が容易に得られる。
【００２６】
一方、飽和磁化が大きいことが必要なので、ＮｄＦｅＢ焼結磁石において必要なＮｄ−ｒｉｃｈ相のような非磁性相はできるだけ少なくする。更に、飽和磁化を大きくするために、上述の高異方性化合物の他に、ＦｅやＦｅＣｏ合金等を加える。このような高結晶磁気異方性化合物の結晶粒とＦｅやＦｅＣｏ合金等の高飽和磁化軟磁性合金の結晶粒との混合体は、本発明のロータを構成する磁性体として最適である。その混合比は、高い磁気異方性を持つ磁性体として、通常のＦｅやＦｅＳｉ等のＦｅ合金（以下、Ｆｅ合金とは、高異方性の化合物が含まれてない、従来法のロータを構成する等方性軟磁性体を指す。）のみからなる磁性体に比べて、顕著な効果を持つためには、磁性体全体の中で、高磁気異方性化合物の体積比は、少なくとも、２０％、望ましくは、３０％以上必要である。また、保磁力を小さくするために、永久磁石として望ましい合金組織が微細であることと逆行する、合金組織が十分粗大であることが必要である。また、上述のＦｅやＦｅＣｏが磁性体中に含まれていることは、保磁力低下に好都合である。
【００２７】
次に、図３を用いて、高い結晶磁気異方性を有する化合物の結晶粒を含む磁性体の前記結晶粒を、所望の方向に配向させてロータを製造する、一例について説明する。
【００２８】
例えば、図３（ａ）に示されているような、７００°Ｃ以上の高温に加熱された、Ｓｍ₂Ｆｅ₁₄Ｂを含む合金の断面十字状の素材塊ｗ１を、太い十字状から、徐々に、細い十字状に、断面積を余り変えずに押し出し加工すると、図３（ｂ）に示されているように、寸法が収縮した方向と平行に、Ｓｍ₂Ｆｅ₁₄Ｂの結晶粒のｃ軸が配向した、側断面形状が十字状の磁心材料１が製造できる。この場合、ロータの突極を構成する、十字状の磁心材料１の４つの突出部分１ａは、内側に収縮しているので、矢印で示されているように、突出部分１ａの突出方向に対して垂直な方向にｃ軸が配向し、また、十字状の磁心材料１の４つの窪んだ角部１ｂでは、角部１ｂの曲率半径方向にｃ軸が配向することになる。そして、Ｓｍ₂Ｆｅ₁₄Ｂは、面内異方性を示すので、図３（ｂ）に矢印で示したｃ軸方向に垂直な面が、磁化容易方向となり、ｃ軸方向が、磁化困難方向になる。
【００２９】
従って、図３（ｂ）に示されているように結晶粒のｃ軸が配向された面内磁気異方性を有する十字状の磁心材料１を、図４に示されているリラクタンスモータのインナーロータＲに使用すると、図３（ｂ）と同じ断面形状を持ち、通常のＦｅやＦｅＳｉ等の軟磁性材料からなるインナーロータを使用する場合に比べて、リラクタンストルクを大きくできる。それは、図３（ｂ）のように、配向されたＳｍ₂Ｆｅ₁₄Ｂを含むインナーロータを使用することにより、ステータの１つの磁極から出て、インナーロータを通過して、９０°ずれた位置のステータの磁極に入る磁束を考えるとき、磁束のロータ中での道筋によるリラクタンスの大きさの差は、ステータの磁極とインナーロータの磁極の間の空間の大きさの、インナーロータの角度位置による差の効果（これは等方性軟磁性体による従来のインナーロータを使用したときのリラクタンストルクを与える。）に加え、磁束が高異方性磁性体の磁化容易方向に沿って進むか、それとも、磁化困難方向に沿って進むかによる磁気異方性の効果が加算されるからである。
【００３０】
なお、図３（ｂ）の４極インナーロータの最終形状は、熱間加工前の素材塊ｗ１の形状（図３（ａ））により必要に応じて調整できる。もし図３（ｂ）よりも突出度の小さい形状が望ましいならば、素材塊ｗ１の形状を、図３（ａ）よりも、もっと突出度が小さい形状、若しくは、ほとんど円柱に近い形状から出発して、突出度をそれより少し大きくすることにより得られる。もし、図３（ａ）の素材塊ｗ１を、断面積は変えずに、図３（ａ）において突出している部分ｗ１’を、凹んでいる部分ｗ１”と、中心からの距離が同じになるように加工すると、円柱状のロータが得られ、図３（ａ）で突出していた部分ｗ１’では、加工された円柱状のロータの円柱側面に対して化合物のｃ軸方向が垂直に、逆に、図３（ａ）で凹んでいる部分ｗ１”では、上記円柱側面に対して化合物のｃ軸方向が平行になり、Ｓｍ₂Ｆｅ₁₄Ｂの化合物の場合、前者（もともと突出していた部分ｗ１’）からは磁束が入りにくく、後者（もともと凹んでいた部分ｗ１”）からは磁束が入りやすい円柱状インナーロータが作製できる。
【００３１】
図５に示されている実施例では、一軸磁気異方性を示す化合物の結晶粒を含む粉末を、円筒状の金型２内で、圧縮成形して円柱状圧粉体ｗ２を成形する。このとき、圧縮前に、円筒状の金型２の周囲に９０°間隔で配設された４組のコイル３に、電流を流すことにより、矢印で示されているように、磁力線が、１つの磁極を通って、他の磁極に入るように磁界を印加して、化合物の結晶粒を磁界配向し、配向を保ったまま圧縮成形する。このようにして成形された円柱状圧粉体ｗ２を焼結することにより、或いは、円柱状圧粉体ｗ２に、予め、含有させておいた樹脂粉末を硬化させることにより、図６に示されているように、円柱体側面を円周に沿って４等分する位置に、化合物の結晶のｃ軸方向が集中した極が形成された円柱状の磁性体が製造される（図６において、点線は、磁力線を示す。）。この円柱状磁性体では、上記４つの極においては化合物の結晶のｃ軸方向が、円柱の側面に垂直であり、これらの極の間では、隣りどうしの極を結ぶ方向に、化合物の結晶のｃ軸方向が配向されている。
【００３２】
上述のようにして製造された円柱状磁性体を、図７に示されているリラクタンスモータのインナーロータＲに使用すると、ステータＳの突極ｓの１つを励磁したとき、上述のｃ軸方向が配向された極ｍの１つが、ちょうど、この励磁された突極ｓの位置に一致したとき、磁路のリラクタンスが最小になり、この励磁された突極ｓが、隣りどうしの極ｍの中間に位置したとき、磁路のリラクタンスは最大になる。このリラクタンスの差によりリラクタンストルクが生じてインナーロータＲが回転することになる。
【００３３】
上述したように、ロータＲを円周方向に４等分する位置に磁極ｍが形成されるとともに、隣接する磁極ｍ間を、円弧状に結ぶように、結晶のｃ軸が配向した磁路が形成されているので、磁極ｍ部分に、突極が形成されたような円柱状のインナーロータＲを構成することができる。このようなインナーロータＲは、円柱状に形成されており、突極を有していないので、インナーロータＲを小型化することができるとともに、トルクリップルが少なく、騒音の発生を抑えることができる。即ち、従来の軟磁性材料によるインナーロータでは空間を作ることによりリラクタンスを大きくする部分を形成していたのに対して、本実施例では、従来法の空間に当たる部分は、磁束の通路として有効に利用されている。このためモータ内に余分な空間を設ける必要がなく、モータの小型化、トルクリップル抑制、低騒音化が可能となる。
【００３４】
図８に示されている実施例は、図７に示されているインナーロータＲにおいて、各磁極ｍ間に位置する円周面を削除して、突極ｒを形成したものである。このように、突極ｒを形成することにより、リラクタンスの最小値と最大値との差を更に大きくすることができ、従って、リラクタンストルクのより大きなリラクタンスモータを製造することができる。図８のロータを、従来の軟磁性材料のみからなるロータに比べると、形状の突出度が同じなら、図８のロータの方が従来法のロータよりも大きいリラクタンス差を与えることができ、リラクタンストルクを大きくできる。モータの効率や力率の改善に関して、従来法の突出度を大きくしたり、スリットを多数設けてリラクタンス差を大きくするだけの手段では、限界に達していたが、本発明の方法により、突出度やスリット数や幅は余り大きくしないで、リラクタンス差を大きくすることができるようになったので、従来の限界を越えて、リラクタンス差の観点から、モータの力率や効率を改善することができるようになった。
【００３５】
図９に示されているインナーロータＲは、図７に示されているインナーロータＲにおいて、各半径線４ａ〜４ｄに沿って、Ｆｅ又は／及びＦｅ合金からなる十字状枠５を埋設したものである。このＦｅ又は／及びＦｅ合金からなる十字状枠５は塊状Ｆｅ又はＦｅ合金を加工したもの、又は、薄板状Ｆｅ又は／及びＦｅ合金を積層したものを使用することができる。このように、各半径線４ａ〜４ｄに沿って、Ｆｅ又は／及びＦｅ合金からなる十字状枠５を埋設したことにより、インナーロータＲの機械的強度が増し、高速回転のリラクタンスモータ用ロータとして使用できる。特に、上述の十字状枠を積層した硅素鋼板により製作することにより、ロータ内に発生する渦電流を減少させることができる。この実施例のように、本発明のロータは、ロータ全体が高い結晶磁気異方性を持つ化合物の結晶粒を含む高異方性磁性体のみにより形成される必要はなく、その一部がこのような高異方性磁性体からなり、その磁性体が所望の方向に配向されていて、高異方性磁性体と等方的なＦｅやＦｅ合金の組み合わせにより、所望の方向に磁路が形成されていても、本発明の効果を発揮することができる。
【００３６】
図１０に示されているインナーロータＲは、図８と同様に、図９に示されているインナーロータＲにおいて、Ｆｅ又は／及びＦｅ合金からなる十字状枠５間に位置する円周面を削除して、突極ｒを形成したものであり、このように、突極ｒを形成することにより、リラクタンスの最小値と最大値との差を更に大きくすることができ、従って、リラクタンストルクの大きなリラクタンスモータを製造することができる。
【００３７】
従来法のリラクタンスモータのインナーロータでは、始動時に、誘導モータとして加速するため、かご形のロータバーが軟磁性材料のインナーロータに取付けられている。本発明のリラクタンスモータでもインナーロータにＣｕやＡｌ製のロータバーを取付け、誘導モータとして始動するようにすることもできる。
【００３８】
上述した実施例は、ロータが、ステータの内側に配置された、所謂、インナーロータ型のリラクタンスモータについて説明したが、本発明の趣旨は、ロータが、ステータの外側に配置された、アウターロータ型のリラクタンスモータに適用することができる。
【００３９】
図１１に示されている実施例では、円筒状に形成された、高異方性磁性体からなるアウターロータＲの内側に、ステータＳを構成するコイル６ａが巻回された鉄心６を、放射線状に配置し、アウターロータＲの内径面に１２個の磁極ｍが形成されている。そしてアウターロータＲ内では、隣どうしの磁極ｍを結ぶように、高い結晶磁気異方性を持つ化合物の結晶の磁化容易方向が配向されている。ステータＳの突極を形成する鉄心６の先端部６ｂが、磁極ｍに対峙するように位置した時に、リラクタンスが最小となる。また、鉄心６の先端部６ｂが、隣どうしの２つの磁極ｍの中央部に位置する時には、アウターロータＲの磁極ｍ間では、磁化容易方向は円周面に平行であり、鉄心６の先端部６ｂからアウターロータＲに侵入する磁束の方向は、アウターロータＲを構成する磁性体の磁化困難方向に当たるので、アウターロータＲがステータＳに対してこの位置のとき、リラクタンスは最大になる。このリラクタンスの差により、リラクタンストルクが発生してアウターロータＲが回転する。このアウターロータＲを回転させるためには、アウターロータＲのステータＳに対する角度位置を検出し、この検出された角度位置により、所望の方向にアウターロータＲを回転させるための最適ステータ磁極を選択して、これを励磁する。この実施例のように、本発明により、形状的な突極を持たない円筒状磁性体からなるアウターロータにより、リラクタンスモータが製作可能となった。アウターロータをＦｅやＦｅ合金だけで作ろうとすると、磁極が大きく突出したものになり、モータが大型化したり、風損が大きくなり過ぎたり、回転が不安定になったりする問題があった。本発明により、始めて、アウターロータ型のリラクタンスモータが可能となった。
【００４０】
図１２に示されている実施例は、図１１に示されている実施例において、アウターロータＲの磁極ｍに、内側に向かう突極８を形成したものであり、このような突極８を形成することにより、上述したリラクタンス差をより大きくすることができ、従って、リラクタンストルクの大きなリラクタンスモータを製造することができる。この場合、リラクタンストルクの主要部分は、本発明の趣旨である結晶磁気異方性の大きい化合物の結晶粒の配向の効果によるものであり、形状的な突極性による部分は、補助的なものであることが望ましい。これは、突極８の突出度があまり大きくなるとモータが大型化したり、風損が大きくなったり、回転が不安定になったりしやすいからである。
【００４１】
図１３（ａ）は、４等分された扇状領域９ａ〜９ｄを有するディスクロータＲであり、各扇状領域９ａ〜９ｄにおいては、扇状領域９ｃの正面図である図１３（ｂ）に示されているように、隣接する扇状領域９ｃ、９ｄとの上面境界線１０に向かう円弧線に沿って、結晶の磁化容易方向が配向されている。このように形成されたディスクロータＲにおいては、各扇状領域９ａ〜９ｄの境界部に磁極ｍが形成され、隣接する磁極ｍ間を結ぶように、結晶の磁化容易方向が円弧状に配向した磁路が形成されている。
【００４２】
上述したディスクロータＲの上部に、回転磁界を発生させるステータを配置すると、ステータの磁極が、ディスクロータＲの円板面に形成された磁極ｍに対峙するように位置した時に、リラクタンスが最小となる。また、ステータの磁極が、扇状領域９ａ〜９ｄの中央部に位置する時には、扇状領域９ａ〜９ｄの中央部は、上下方向が、磁化困難方向であるので、この方向に磁束が通り難いのでリラクタンスが最大となる。このリラクタンス差を利用して、ディスクロータＲを回転させることができる。また、上面境界線１０に沿って、上方に突出した小さい突極を形成することにより、上述したリラクタンス差をより大きくすることができ、従って、リラクタンストルクの大きなリラクタンスモータを製造することができる。この場合にも、リラクタンストルクの主要部分は、ディスクロータを構成する磁性体の磁気異方性によることは、上述のアウターロータの場合と同様である。
【００４３】
上述したアウターロータとディスクロータの場合にも、所望の配向を与える方法として、（１）高温で磁性体を加工して塑性変形に伴う加工組織として、磁性体に含まれている高異方性化合物の結晶を配向する方法と、（２）高異方性化合物の単結晶からなる結晶粒を含む粉末を、金型やゴム型に充填し、磁界を印加して結晶粒の結晶方向を配向した後、金型プレス、または、ＲｕｂｂｅｒＩｓｏｓｔａｔｉｃＰｒｅｓｓ（ＲＩＰ）により圧縮して圧粉体を得る方法がある。（２）により圧縮成形された圧粉体は、高温に加熱して焼結体にしたり、又は、あらかじめ粉末に樹脂粉を混ぜておき、樹脂を硬化させて固化する。
【００４４】
高温の塑性変形により、所望の方向に化合物の結晶方位を配向する方法の原理は、図３のインナーロータの製作のときと同じである。即ち、Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ、又は、Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂを含む合金を７００〜８００℃で塑性変形させると、寸法が収縮した方向に平行に結晶のｃ軸が向くことが知られている。この原理と、Ｓｍ₂Ｆｅ₁₄Ｂは面内異方性を持つこと、そして、Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄ＢやＰｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂは一軸異方性を持つことと合わせて、磁化容易方向が所望の方向に配向されたアウターロータやディスクロータを製造する。また、粉末を磁界配向して、その後配向を保ったまま圧縮する方法では、圧粉に使う金型やゴム型の周囲に磁界発生のためのコイルを配し、コイルに電流を流して、粉末の中に含まれる高異方性化合物の結晶の磁化容易方向が、コイルから発生する磁力線の方向に配向される性質を利用する。ロータの極数に応じて複数のコイルを配置して、所望の配向を有するアウターロータやディスクロータを製造する。また、インナーロータの場合と同様、アウターロータやディスクロータにおいても、リラクタンスの小さい磁路の形成は、所望の方向に配向された高異方性磁性体のみからなる場合と、磁路の一部が、等方的なＦｅ又は／及びＦｅ合金からなり、等方的な磁性体と高異方性磁性体の組み合わせにより磁路が形成される場合との両方が可能である。後者の採用により、ロータの機械的強度増強や渦電流減少（鉄損減少）のために有利な設計が可能になる。
【００４５】
上述した実施例においては、いずれも、インナーロータの場合４極、アウターロータの場合１２極、ディスクロータの場合４極の例が示されているが、磁極の数は、公知のリラクタンスモータと同様に、偶数であれば、用途に応じて自由に選択できる。
【００４６】
なお、本発明のロータを使用したリラクタンスモータにおいては、ロータの各磁極は、始動時に、それぞれＮ極又はＳ極であることが決まると、その後の運転中には、各磁極は、その始動時に決められた磁極の符号を頻繁に変えないよう、できれば、始動時に獲得した磁極の符号を運転中ずっと変えないように界磁電流の方向とタイミングを工夫しなくてはならない。それは、本発明のロータを構成する磁性体は、従来のリラクタンスモータのロータに使われているＦｅ−Ｓｉ合金などに比べると鉄損がどうしても大きくなりがちであるからである。ただし、ロータ磁極の符号さえ変えなければ、即ち、ステータの界磁により、ロータの各磁極に、最初の磁極と逆の方向に磁化するように、逆の強い磁界を印加するのではなく、磁界の方向は同じで、ただ単に、磁界の大きさだけが変化するのは、本発明のロータを構成する高異方性磁性体の中に大きいヒステリシス損を生じる理由にならない。従って、ロータの磁極は、始動時に、一方向に磁化され、Ｎ極又はＳ極になり、その後、運転中は、その磁極に印加される磁界が同じ方向に大きくなったり小さくなったり、零になったりする励磁のされ方をするように運転されることが望ましい。
【００４７】
【発明の効果】
本発明は、以上説明した構成を有しているので、以下に記載する効果を奏するものである。
【００４８】
ロータの突出度を余り大きくしないでも、ロータの角度位置によるリラクタンス差を大きくする手段を得たので、モータの力率や効率を改善できるようになった。
【００４９】
また、ロータの突出度を小さく抑えることができるので、トルクリップルが小さく、騒音の小さいリラクタンスモータができるようになった。
【００５０】
更に、これまで、リラクタンスモータはインナーロータ型だけしか使われていなかったが、本発明により、形状的な突出による以外の磁気的異方性の手段により、ロータの角度位置によるリラクタンス差を大きくすることができるようになったので、これまで実用的でないため使われていなかったアウターロータ型及びディスクロータ型のリラクタンスモータが実用的に可能になり、用途によってモータ形式の選択の幅が拡がった。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は化合物の結晶粒の集合体の模式図である。
【図２】図２は磁心材料の磁化曲線である。
【図３】図３は断面形状が十字状の面内磁気異方性を有する磁心材料の素材の断面図と該素材から成形されたインナーロータの断面図である。
【図４】図４は図３に示されているインナーロータとステータからなる本発明のリラクタンスモータの動作を説明するための模式図である。
【図５】図５は本発明のリラクタンスモータを構成する円柱状インナーロータの製造装置の概略水平断面図である。
【図６】図６は本発明のリラクタンスモータを構成する円柱状インナーロータの模式図である。
【図７】図７は図６に示されている円柱状インナーロータとステータからなるリラクタンスモータの動作を説明するための模式図である。
【図８】図８は図６に示されている円柱状インナーロータに変更を加えた別の実施例のインナーロータの模式図である。
【図９】図９は図６に示されている円柱状インナーロータに変更を加えた更に別の実施例のインナーロータの模式図である。
【図１０】図１０は図６に示されている円柱状インナーロータに変更を加えた更にまた別の実施例のインナーロータの模式図である。
【図１１】図１１は本発明のリラクタンスモータを構成するアウターロータの模式図である。
【図１２】図１２は図１１に示されているアウターロータに変更を加えた別の実施例のアウターロータの模式図である。
【図１３】図１３は本発明のリラクタンスモータを構成するディスクロータの模式図である。
【図１４】図１４は従来のリラクタンスモータの動作を説明するための模式図である。
【図１５】図１５は同じく従来のリラクタンスモータの動作を説明するための部分模式図である。
【符号の説明】
Ｒ・・・・・・・・・・・ロータ
Ｓ・・・・・・・・・・・ステータ
ｒ・・・・・・・・・・・ロータの突極
ｓ・・・・・・・・・・・ステータの突極
ｍ・・・・・・・・・・・磁極

Claims

偶数の磁極を有するロータを構成する磁性体が、異方性磁界が２０ｋＯｅ以上の高い結晶磁気異方性を有する化合物の結晶粒とＦｅやＦｅ合金の結晶粒とを含むとともに、上記結晶粒を所望の方向に配向することにより、上記磁性体中に、上記磁極間を結ぶ磁路が形成されており、また、上記磁性体が、磁界５ｋＯｅのときに測定される磁化容易方向の磁化の大きさ（Ｉｅ）と磁化困難方向の磁化の大きさ（Ｉｄ）との比（Ｉｅ／Ｉｄ）が、２以上であって、且つ、２ｋＯｅ以下の低保磁力を有することを特徴とするリラクタンスモータ。
ロータがインナーロータであり、該インナーロータの外側面に、前記磁極が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリラクタンスモータ。
ロータがアウターロータであり、該アウターロータの内側面に、前記磁極が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリラクタンスモータ。
ロータがディスクロータであり、該ディスクロータの円板面に、前記磁極が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリラクタンスモータ。