JP7405305B2 - 磁性楔、回転電機及び磁性楔の製造方法 - Google Patents
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Description
ここで、ティースの先端(ティース先端部)とは、ティースの先端側のことであり、特に末端に限定されるものではない。また、上述の磁性楔の投影形状は、少なくとも一対の対辺が平行である形状であればよい。また、回転電機の固定子は、複数のティースと、隣り合う前記ティースの間に形成された複数のスロットとを有し、隣り合う前記ティースの先端部、つまり、前記スロットの開口部分(スロット開口部)の間に前記いずれかの投影形状を有する磁性楔が嵌装されている。
次に、具体的な実施形態について説明する。
図1に本実施形態における磁性楔10の斜視図を示す。磁性楔10は、回転電機用の磁性楔であって、一部の角部は曲面となっているような略直方体形状である。角部の曲面を以下ではアール(R)24と呼ぶ。図1に磁性楔10の断面形状を併せて示した。磁性楔の長さ方向(y方向)に垂直な断面(x-z断面)の形状は長方形である。幅方向(x方向)に垂直な断面(y-z断面)の形状は角部にアール24が施された角丸長方形となっている。つまり、幅方向(x方向)に垂直な平面(y-z断面)に投影された、磁性楔の投影形状は長方形であり、かつ、長方形の角部にアールが施された形状となっている。すなわち、磁性楔の投影形状は、アールを有していても、全体の概形として長方形と認識できるものである。そして、長方形の長辺方向が、磁性楔の長さに、長方形の短辺方向が、磁性楔の厚さに相当する。
なお、磁性楔形状が細長くなると取付時における折損等のリスクが高まるため、予め固定子の厚さよりも短い磁性楔を用意しておき、これらを縦列状に挿入することも可能である。この場合の磁性楔の長さは概ね100mm以下である。
ここで、粉末プレス成形で、図1に示した磁性楔10を製造する際に使用する、成形用の金型(ダイス20)および上パンチ21および下パンチ22の模式図を図3示す。ダイス20には磁性楔10のy-z断面形状に等しい角丸長方形の開口部23を有するキャビティが設けられている。ここで、ダイス20に設けられたキャビティの形状は、上の方を広く、下に行くほど狭くなるテーパーを付けておくと良い。テーパーを付けることにより、成形後の成形体をダイス20から取り出しやすくすることが可能となり、成形体である磁性楔10をダイス20から抜き出すときに、磁性楔10とダイス20が擦れて磁性楔表面に傷が入ったり、金型の摩耗も進んで寿命が落ちたりする問題を解消することができる。
上パンチ21および下パンチ22は、成形方向に垂直な断面形状がやはり磁性楔10の断面形状に等しい角丸長方形となっている。つまり、上パンチ21および下パンチ22は、ダイス20の開口部23と略同一形状の、角部にアールを有する略長方形である。ただし、上パンチ21および下パンチ22は、ダイス20の開口部23内に挿入可能とするため、開口部の寸法よりも数μm程度小さい寸法となっている。
一方、磁性楔10の実効的な長さを確保する観点からは、アールの半径は磁性楔10の厚さの50%以下が好ましく、40%以下がより好ましく、30%以下がさらに好ましい。
一方で、アールを小さめにすることで、この部分の磁性楔とティース先端部との間の隙間を低減し、磁性楔の固定を強め、隙間の周辺で生じる磁束の分布の乱れも抑制し、結果として、磁性楔によるモータ効率の向上にも寄与する。かかる観点においても、アールの半径は磁性楔10の厚さの50%以下が好ましく、40%以下がより好ましく、30%以下がさらに好ましい。
図4に本発明の第二の実施形態である磁性楔10の斜視図を示す。磁性楔10は、上述の第1実施形態と同様に略直方体であり、その端部にアール24を有している。図4には、磁性楔10の長さ方向(y方向)に垂直な断面(x-z断面)の形状を併せて示す。図のように第2実施形態では、その断面形状が概形として台形型となっている。また、幅方向(x方向)に垂直な断面(y-z断面)の形状は第1実施形態と同様、角部にアール24が施された角丸長方形となっている。
本発明の第三の実施形態である磁性楔10の断面図を図14に示す。この図は、x、y、z軸を図1と同様にとったときに、x軸に垂直なy-z平面における磁性楔10の断面形状を示している。すなわち、磁性楔10の幅方向(x方向)に垂直な断面形状である。磁性楔10のy-z断面は、概形として平行四辺形であり、その角部にはアール部24を有している。磁性楔10のy-z断面形状をこのような形状とすることにより、磁性楔10の端部がより鋭角的に突出した形状となる。ティース34の先端部への磁性楔の取付時には、より鋭角的に突出した形状となった端部から挿入されるため、より円滑に挿入することができる。
また、本実施形態の変形例を図15に示す。この図は、x、y、z軸を図1と同様にとったときに、x軸に垂直なy-z平面における磁性楔10の断面形状を示している。すなわち、磁性楔10の幅方向(x方向)に垂直な断面形状である。磁性楔10のy-z断面は、概形として直角台形あり、その角部にはアール24を有している。ティース34の先端部への磁性楔の取付時には突出部から挿入することで、図14に示したものと同様に円滑に挿入することができる。
以上のように、断面形状が平行四辺形や直角台形の磁性楔10を複数個縦列に設置する形態は、アール24の有無によらず、磁性楔10同士が重なった部分において互いを押し付けあう効果が生じるため、それ自体で磁性楔10の固定をより強固にする発明として捉えられるものである。つまり、複数のティースと前記複数のティースにより形成された複数のスロットとを有し、隣り合う前記ティースの先端の間に、磁性楔の長さ方向における断面形状が平行四辺形や直角台形の磁性楔を、複数個縦列に設置された回転電機用固定子と、前記回転電機用固定子と軸を共有する位置に配置された回転子とを有する回転電機である。
次に、本発明の第4実施形態である回転電機300を、その構成要素の一つである回転電機用固定子とともに説明する。
図17は、回転電機300の模式図であり、回転電機300の回転軸に垂直な断面構造を示している。回転電機300は、ラジアルギャップ型回転電機であり、回転電機用固定子(ステータ31)と、ステータ31の内側に配置された回転子(ロータ32)を有し、これらが同軸にして配置されている。ステータ31は、複数のティース34と複数のティース34により形成された複数のスロットとを有し、コイル33を巻き回した複数のティース34が周方向に等間隔に配置されている。
高圧水アトマイズ法により、Fe-5%Al-4%Cr(質量%)の合金粉末を作製した。具体的な作製条件は次の通りである。出湯温度1650℃(融点1500℃)、溶湯ノズル径3mm、出湯速度10kg/分、水圧90MPa、水量130L/分であった。なお、原料の溶解および出湯はAr雰囲気下で行った。作製した粉末の平均粒径(メジアン径)は12μm、粉末比表面積は0.4m2/g、粉末の真密度は7.3g/cm3、粉末の含有酸素量は0.3%であった。
この原料粉末にポリビニルアルコール(PVA)とイオン交換水を加えてスラリーを作製し、スプレードライヤーで噴霧乾燥を行って造粒粉を得た。原料粉末を100重量部とするとPVA添加量は0.75重量部である。この造粒粉に0.4重量部の割合でステアリン酸亜鉛を添加し、混合した。
この混合粉を金型に充填し、室温にてプレス成形した。ここで金型として、図3に示したものと同様の形状のものを使用した。金型の材質は超硬合金である。金型の開口部は18mm×1.5mmの角丸長方形であり、角部のアールは0.3mmとした。パンチには、パンチ面を磁性楔の側面形状と同じ形状にしたものを使用した。使用したパンチの断面形状を図7に示す。この図は図6に示したものと同様の断面図であり、上パンチ先端部の形状を示している。図中のaは1.5mm、bは0.5mm、cは0.65mm、dは0.35mm、eは0.65mm、fはR0.3、gは45°である。
なお、上パンチ先端部の形状は、図7を見てわかるように、上パンチの厚さ方向の両端側の直線部とそれらを繋ぐ傾斜部とがあり、直線部と傾斜部がつながる部分はアール形状となっている。下パンチは、上パンチを上下反転させた形状のものを使用した。パンチの材質は上パンチ、下パンチとも超硬合金である。
上述のように作製した成形体に、大気中750℃×1時間の熱処理を施した。この際の昇温速度は250℃/hとした。
上述した作製方法によって実施例を50個作成した。そのうちの3個について外観写真を図8に示す。作製した磁性楔50個の寸法は、幅(図4のW2)が5.006±0.050mm、厚さが1.529±0.005mm、長さが17.95±0.01mmであった。ここで各寸法の数値は50個の平均値であり、寸法バラツキは±3σの値を示している。なお、上記のうち、幅と厚さはマイクロメーター、長さはノギスで測定した。
また、各磁性楔の質量を測定し、各寸法から計算した体積で除して密度を求めた。その結果、密度は6,150±120Kg/m3であった。磁性楔の密度を上記の粉末真密度で除した値である占積率(相対密度)は84%であった。磁性楔の密度が成形体の密度よりも増しているのは、熱処理による酸化増量のためである。
作製した磁性楔50個から無作為抽出した5個について、図4に示したW1とW2を光学顕微鏡(キーエンス社製VHX-6000;観察倍率30倍)の測長機能を使用して測定し、それらの比をとってW1/W2を算出した。その結果、実施例5個のW1/W2は74.4%から75.2%の範囲にあった。
磁性楔の電気抵抗率は、5×104Ω・mであった。なお、電気抵抗率は、磁性楔の対向する二平面に4mm角のAg電極をスパッタで形成し、アドバンテスト社製デジタル超高抵抗計R8340で測定した50V印加時の抵抗値R(Ω)を用いて、次式で電気抵抗率ρ(Ω・m)を算出した。
ρ(Ω・m)=R×A/t
ここでAは電極の面積(m2)、tは磁性楔の厚さ(m)である。
万能試験機(インストロン社製5969型)を使用して室温での三点曲げ強度を測定した。測定条件は、ロードセル容量500N、支点径4mm、圧子径4mm、支点間距離8mm、試験速度0.12mm/分である。破断時の荷重P(N)から、磁性楔の断面形状を台形で近似し、次の式を使用して三点曲げ強度σを算出した。
σ=3LP(2W1+W2)/((W12+W22+4W1W2)h2)
ここで、Lは支点間距離、W1、W2は磁性楔の幅(図4参照)、hは磁性楔の厚さである。なお、測定時には磁性楔の幅の広い方(W2)が下になるように磁性楔をセットした。
以上のようにして測定した磁性楔(試料数3個)の三点曲げ強度は140~160MPaであり、磁性楔として通常求められる強度(100MPa程度)以上になっていることを確認した。
磁性楔10の端部にアールを設けたことの効果を評価するために、モータのティース34を模した部分モデル40を作製し、この部分モデル40への磁性楔10の取付試験を実施した。部分モデル40の模式図を図9に示す。部分モデルは50mm×30mmの無方向性電磁鋼板(日本製鉄製35H300)を厚さ50mmになるように接着積層したブロックを素材として用い、これに図9に示した形状、寸法となるようにワイヤー放電加工を施して作製した。図9のように、スロットを模した凹部を5カ所作製したが、形状・寸法はいずれも同じである。スロットを模した凹部にバネ41を設置し、ベーク板42と必要に応じてスペーサ(図示せず)を介して磁性楔10をティース先端の溝部(図9のA部)に押し付ける形で固定できるようにした。磁性楔10には、上述の磁性楔のものを使用した。
上述の部分モデル40に、磁性楔10を挿入する際の押し込み力を以下のようにして測定した。まず、予め長さ18mmの磁性楔を2個挿入しておき、3個目の磁性楔は部分モデルの上端から1mmだけ挿入しておく。この状態で万能試験機(インストロン社製6959型)を使用して、押し込み速度0.1mm/sで3個目の磁性楔を挿入して行き、その際に生じる力(押し込み力)をロードセルで測定した。
3個目の磁性楔としては、端部にアールが施された磁性楔(図10の左側)と、磁性楔を破断してアール部を除去した磁性楔を比較例(図10の右側)とした。比較例を挿入する際は破断面側から部分モデル40に挿入した。押し込み力の測定結果を図11に示す。図のように、磁性楔は比較例よりも低い押し込み力となっており、磁性楔の端部にアールを施すことによって、モータへの取り付けが行いやすくなっていることが確認された。
磁性楔の直流磁化曲線(B-H曲線)を直流自記磁束計(東栄工業製TRF-5AH)を用いて測定した。上述の磁性楔の長さ方向の両端を4mmずつスライサーで切り落として長さ10mmに加工したものを5個用意し、これらを厚さ方向に接着して測定用試料を作製した。これを電磁石の磁極に挟んで長さ方向のB-H曲線を最大印加磁界360kA/mで測定した。
室温での測定結果を図12に示す。印加磁界160kA/mにおける磁束密度の値は、1.52Tであった。この磁束密度の値(1.52T)を印加磁界の値(160kA/m)で除し、さらに真空の透磁率(4π×10-7H/m)で除して求めた比透磁率は7.6であった。
上述の磁気特性を有する磁性楔を、誘導型回転電機に設置した場合のモータ効率を有限要素法による電磁界シミュレーションを用いて算出した。電磁界シミュレーションに供した誘導型回転電機の主要諸元は以下の通りである。
出力:3.7kW
極数:4P
電圧:200V
周波数:50Hz
同期速度:1500rpm
固定子外径:200mm
固定子内径:120mm
固定子スロット数:36
回転子スロット数:44
電磁界解析の結果、表1に示したように、正弦波入力および矩形波入力のそれぞれの場合において、磁性楔の設置によるモータ効率の向上が認められた。このように、本実施例の磁気特性を有する磁性楔を使用することにより、モータの効率を向上させることが可能となる。
11:成形体(磁性楔)
20:ダイス
21:上パンチ
22:下パンチ
23:開口部
24:アール(R)
25:磁性楔の側面
31:ステータ
32:ロータ
33:コイル
34:ティース
35:二次導体
40:部分モデル
41:バネ
42:ベーク板
300:回転電機
Claims (14)
- 回転電機の固定子のスロット開口部に設置される磁性楔であって、
前記回転電機の周方向における磁性楔の寸法を幅とすると、
前記幅の方向に垂直な平面に投影された、磁性楔の投影形状は、長手方向の先端である角部にアールが施された長方形、平行四辺形または直角台形であること
を特徴とする磁性楔。 - 複数の軟磁性粒子と、前記軟磁性粒子の間に電気絶縁性の物質とを含むこと
を特徴とする請求項1に記載の磁性楔。 - 前記軟磁性粒子はFe基軟磁性粒子であり、
前記Fe基軟磁性粒子は、Feよりも酸化しやすい元素Mを含有するとともに、
前記電気絶縁性の物質は、前記元素Mを含む酸化物相であり、
前記Fe基軟磁性粒子が前記酸化物相で結着されていることを特徴とする請求項2に記載の磁性楔。 - 前記元素Mは、Al、Si、Cr、ZrおよびHfからなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項3に記載の磁性楔。
- 前記Fe基軟磁性粒子は、Fe-Al-Cr系合金粒子であることを特徴とする請求項4に記載の磁性楔。
- 前記幅が、前記磁性楔の厚さ方向に異なる形状を有し、
かつ、前記磁性楔の長手方向から見た断面形状が直線部と傾斜部を滑らかに接続した形状を有することを特徴とする請求項1~5のいずれか一項に記載の磁性楔。 - 複数のティースと前記複数のティースにより形成された複数のスロットとを有し、
隣り合う前記ティースの先端の間に請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の磁性楔が嵌装された回転電機用固定子と、前記回転電機用固定子と軸を共有する位置に配置された回転子とを有する回転電機。 - 複数のティースと前記複数のティースにより形成された複数のスロットとを有し、
隣り合う前記ティースの先端の間に請求項6に記載の磁性楔が嵌装された回転電機用固定子と、前記回転電機用固定子と軸を共有する位置に配置された回転子とを有する回転電機。 - 回転電機の固定子のスロット開口部に設置される磁性楔の製造方法であって、
前記回転電機の周方向における磁性楔の寸法を幅とすると、 軟磁性粒子を含む原料粉末を前記幅の方向にプレス成形して成形体を得るプレス成形工程を有し、
当該プレス成形工程において、長手方向の先端である角部にアールが施された長方形、平行四辺形または直角台形の開口部を有する金型と、
前記金型の開口部に挿入可能なパンチを使用すること
を特徴とする磁性楔の製造方法。 - 複数の前記軟磁性粒子と、前記軟磁性粒子の間に電気絶縁性の物質とを含むことを特徴とする請求項9に記載の磁性楔の製造方法。
- 前記原料粉末は、Feよりも酸化しやすい元素Mを含有するFe基軟磁性粒子の粉末と、バインダとの混合粉であり、
前記プレス成形工程の後に、前記成形体に熱処理を施して、前記Fe基軟磁性粒子の粒子間に、前記Fe基軟磁性粒子同士を結着する前記Fe基軟磁性粒子の表面酸化物相を形成する熱処理工程
を有する請求項10に記載の磁性楔の製造方法。 - 前記元素Mは、Al、Si、Cr、ZrおよびHfからなる群から選択される少なくとも一種である請求項11に記載の磁性楔の製造方法。
- 前記Fe基軟磁性粒子は、Fe-Al-Cr系合金粒子である請求項11に記載の磁性楔の製造方法。
- 前記パンチは、上パンチおよび下パンチであり、
前記上パンチおよび下パンチが、
前記磁性楔の厚さ方向の中心線に対して非対称、かつ、前記磁性楔の長手方向に垂直な断面の形状が直線部と傾斜部を滑らかに接続した形状であるパンチ面を有することを特徴とする請求項9~13のいずれか一項に記載の磁性楔の製造方法。
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