JPS6318426B2

JPS6318426B2 -

Info

Publication number: JPS6318426B2
Application number: JP54072961A
Authority: JP
Inventors: Richaado Haraa Teodooru
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-06-12
Filing date: 1979-06-08
Publication date: 1988-04-18
Also published as: DE2923519A1; FR2428937A1; US4211944A; JPS5517295A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、非晶質金属リボンからなる磁気鉄
心を備え、その金属リボンとして磁気回路に適
し、かつ集積コンデンサの極板としてもふさわし
い非晶質金属材料を用いた電気機械に関するもの
である。

単相モータの大部分は、始動、定格運転のいず
れか、又は両方のためにコンデンサを用いるが、
これは定格電流と始動電流との間に必要な位相差
を実現するためである。このコンデンサのコスト
は、場合によつてはモータ本体のコストを上まわ
ることがある。また、モータ又は発電機にコンデ
ンサを併用する別の目的は、力率改善や、整流電
力のフイルターとしての使用を行うためである。
そして、これらいずれの場合でも、コンデンサは
通常、付加的又は外部的素子として用いられる。

モータ及び他の誘導機器における最近の技術集
歩は、これらの磁気材料として比較的長い非晶質
金属リボンからなり、均一な幅か、又はスロツト
形成用の歯列を有する成層磁気鉄心を用いること
を可能にした。非晶質金属は金属ガラスとしても
知られているが、その組成は鉄族元素と、ホウ素
又はリンを含む種々の磁性合金からなる種々のも
のが存在する。金属ガラスは結晶しないように急
冷しうる合金からなり、機械的に堅労・強靭で、
しなやかであり、しかも低価格である。強磁性体
型のものは、きわめて小さい保磁力と、高い透磁
率とを有し、それらの低損失性に特に魅力があ
る。たとえば、Fe₈₀B₂₀合金のリボンは、最大配
向状態（best oriented）にあるFe−Si鋼に比し、
正弦磁束の誘導における損失が1/4となる。この
ような非晶質金属についての他の情報は、1978年
３月発行の“Jr.of Applied Physic、49(3)Part
”におけるF.E.Luborsky等の論文“Potential
of Amorphous Metals for Application in
Magnetic Devices”（磁気装置への非晶質金属応
用の可能性）に提示されている。

非晶質金属は、その溶融物を高速回転中の極低
温面に加圧・押出しすることによりその液状合金
を、それが結晶するまでのマイクロ秒単位の短時
間に固体リボンに変化させて得られる。この冷却
速度は10⁶〔℃／sec〕程度である。現状における
リボンの最大厚は約51ミクロン（２ミル）であ
り、そのような厚みの制限は、すでに固形化した
物質の熱伝導速度によつて定まるが、これは物質
の最終インクリメント（未固化分）が結晶しない
ために十分な高速である。この物質に固有の薄層
性と、厚みが通常254ミクロン程度である打抜き
鋼板を必要とするモータ用成層鉄心との関係か
ら、従来よりモータ材料として非晶質金属合金を
用いることがひとつの不利益になると考えられて
きた。すなわち、非晶質金属リボンそれ自体の薄
さと積層枚数の増加による取扱い及び機械加工の
困難性、並びに各非晶質層間の絶縁層の厚さが相
対的に厚くなることによる磁気抵抗の相対的な増
加が生ずるからである。

非晶質金属リボンにおいて、実現可能な最大の
厚みは、上のごとく薄すぎて（約38〜51ミクロン
＝1.5〜２ミル）望ましくないとされるが、この
ような特徴を利用してこれらの成層体をモータ又
は発電機における始動、運動、力率改善もしくは
その他の目的に供するコンデンサの極板としてふ
さわしい形状の磁気鉄心に仕上げることができ
る。この集積構造は、鉄心材料がきわめて薄いこ
とにより、成層鉄心の対向面積が相対的にきわめ
て大きくなるという原理によつて実現される。す
なわち、前記対向面積が磁鉄心を用いる場合の何
倍になるかは、積層枚数が何倍になるかを意味
し、従来の厚みが前述した254ミクロンの場合
（相対的に薄い絶縁ワニスの存在を一応無視し
て）、254÷（40〜50）≒５〜６倍となり、静電容
量もこれに従つて５〜６倍となるため、力率改善
用として十分な値を得ることができる。したがつ
て、本発明は従来その薄さの故に電気機械の磁気
鉄心に用いることは問題が多いとされてきた非晶
質磁気金属リボンにおいて、その薄さを積極的に
利用することにより十分な静電容量の積層コンデ
ンサを得ようとする新規の技術思想の具体化に他
ならない。この場合、ステータコア（固定子鉄
心）及びロータコア（回転子鉄心）の両方共を集
積型又は積層型の乾式コンデンサとして形成する
ことができる。

この成層鉄心及びコンデンサの結合体は、比較
的長寸の磁気非晶質金属からなる一対の並行・重
畳したリボンと、交互配置された絶縁層とを含む
多重絶縁した巻体であつて、巻型はら旋状、又は
うず巻き状のロール型にし、絶端を固定・支持し
たものである。このように形成した非晶質金属の
成層鉄心には励磁巻線を磁気結合たせ、その巻線
の少くとも一部分を絶縁層によつて分離された前
記一対の非晶質金属リボンと電気的に接続するこ
とにより、このリボン成層体を巻線回路中のコン
デンサとして作用させる。各リボンは他方のリボ
ンと向かい合つて静電的に結合し、その全静電容
量は全対向面積に比例する。また、磁気鉄心とし
ての構造は、同軸上に整列した多重ら旋巻鉄心、
もしくは多重うず巻鉄心となり、結局、各鉄心は
独立したコンデンサ機能をも兼用することにな
る。

好ましい実施例は、ら旋巻きされると共に、補
助巻線と直列に接続された乾式コンデンサとして
機能するよう永久的に電気接続された二枚の重層
した非晶質金属リボンからなる成層ステータコア
を有する単相永久分相型コンデンサモータに適用
された。また、別の実施例は、それぞれステータ
巻線に磁気結合させられると共に電気的にも接続
されることにより、独立した力率改善用コンデン
サとしても機能する複数の同心ら旋巻型ステータ
コアを有する多相モータに適用された。鉄心の層
間容量を利用すると、コスト、重量及び体積が節
約される。

単相モータにおいて回転磁界を得るためには２
個の巻線のモータ電流に位相差を形成する必要が
あり、そのもつとも効率的な方法はコンデンサを
用いることである。コンデンサ使用の目的は、補
助巻線、すなわち始動巻線の電流を主巻線の電流
から位相的に90゜ずらせることであり、この結果、
均等な回転磁界が生ずる。コンデンサ付の単相モ
ータには三つの基本型があり、そのうち永久分相
型コンデンサモータは、もつとも効率的である
が、概して高価となる。第１図に示した従来型の
モータは、分離した外部コンデンサ１１を補助ス
テータ巻線１２と直列に接続し、コンデンサを永
久的に挿入することにより、それが補助巻線回路
中に、始動時、及びその後の運転中においても留
まつて好ましい効率及び改良された性能を発揮す
るようにしたものである。したがつて単相モータ
の特徴である倍周波による脈動磁束が減少する。
補助巻線に対して直角な主巻線は図において１３
により、ロータ及びシヤフトはそれぞれ１４及び
１５により指示されている。コンデンサ付の単相
モータの他の形式のひとつはコンデンサ始動型モ
ータであるが、これは高い始動トルクを有するも
のの、速度が定格値に達するとコンデンサを始動
巻線から切離するものであり、もうひとつのコン
デンサ始動及び分相型モータは、始動時には高容
量のコンデンサを、定格運転時には低い容量のコ
ンデンサをそれぞれ切換え接続するものである。
効率を重要視する場合には、結局永久分相コンデ
ンサを用いるのが最適であり、たとえば冷却設備
や空調機構におけるコンプレツサや、フアン等は
通例この型のモータが用いられる。

第２〜４図に示す永久分相型コンデンサモータ
は乾式コンデンサを兼用できるように特に形成さ
れた磁気非晶質金属リボンからなるステータコア
を有する。この発明は、集積型コンデンサの極板
物質としても作用するステータコア材料を、磁気
回路形成のために用いるので、コスト、占積率、
及び重量の節約となる。この成層ステータコア
は、ステータに巻装された主巻線及び補助巻線と
磁気結合して空隙中に回転磁界を生じ、コンデン
サ兼用のリボン状鉄心材料は補助巻線回路中に電
気接続される。鉄心材料の総容量は、この種のモ
ータとして適当な位相差を発生し、高い力率を実
現させるものである。モータに非晶質合金を用い
るとこの不利益のひとつは、すでに述べた通り、
この材料の本質的な導体性にもとづく大きな成層
枚数の要求であるとされてきた。そしてリボン体
の厚みは、近い将来の見通しにおいても約38〜51
ミクロン（1.5〜２ミル）が最大であろう。この
ような制約は、結晶化を阻止するに要する10⁵〜
10⁸（℃／sec.）というきわめて高速の冷却速度に
よる。このような厚みの制約にもかかわらず、非
晶質合金を扱う多くの方法が知られており、それ
らの方法でリボン体がひとたび形成されると、リ
ボン型鉄心において重要な成層間面積が決定す
る。コンデンサの容量は極板面積及び極板間絶縁
材料の誘電率に比例し、極板間隔に反比例する。
この場合、極板間の距離と絶縁材料の誘電率につ
いて手を加えることはあまりできないが、極板面
積については打抜き鋼板に比してきわめて薄い非
晶質金属を成層鉄心とする限り、これを何倍もに
することが可能となる。

第２図は、一対の重ね合された比較的長寸の磁
気非晶質金属リボン１６及び１７からなり、絶縁
層１８及び１９を交互に配置して、ぜんまい仕掛
けの頑具のようにら旋状に巻回されたエツジ巻型
すなわちら旋状成層鉄心を拡大して示すものであ
る。コンデンサ接続は、非晶質ら旋１６及び１７
の端部において形成される。コンデンサとしてこ
の構造を見たとき、これはいわゆる乾式平行板コ
ンデンサである。鉄心が整形されて第３図に示す
ように各一周が順次接触すると、一対のリボンは
互いに容量結合し、その総量は全対向面積に比例
する。このようなら旋型ステータコアを形成する
一方法は、Fe₈₀B₂₀合金リボンの一表面にワニス
を被覆してから、このリボンを２枚用意し、一括
してら旋状に巻くという手法である。別の選択的
な方法として、一方の非晶質金属リボンにだけそ
の両面にワニスを途布し、これを他の素地リボン
と一緒に巻くことも可能である。ワニス以外の誘
導体としては、商標「マイラー」として知られる
ポリエステルフイルム等を採用することができ
る。

非晶質金属には、磁性合金のいずれかを適用す
ることができ、磁気材料の成分として現在知られ
ているものは、鉄、ニツケル又はコバルトもしく
はこれら三つの金属の適当な組合せに、ホウ素又
はリンを加えたものである。この材料が高いイン
ダクシヨン特性を有するに適した組成は、まず
Fe₈₀B₂₀合金であるが、別の好ましい非晶質金属
としてFe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆をあげることができ、後者
の組成の範疇にある合金リボンとして“アライド
ケミカルコーポレイシヨン”より販売されている
商標METGLAS2826MBがある。これらの材料
は、電力線周波数の適用下において通常のFe−
Ni、Fe−Co及びFe−Si合金の性能を実質的に上
まわる使用が可能であり、実質的なコスト節約に
も寄与する。Fe₈₀B₂₀は合金リボンは、正弦波磁
束における誘導損失が、最大配向型Fe−Siシー
ト鋼の場合の1/4程度となる。しかしながら、
Fe₈₀B₂₀の飽和磁化特性は通常用いられる鉄系磁
性体に比して小さいといえる。また、この非晶質
合金は、リボン片の厚みがきわめて薄いため、通
常の成層鉄心の場合よりも、うず電流損が小さく
なる。

第４図に示す集積コンデンサ付の、溝なし永久
分相型コンデンサモータ（インダクシヨン又は他
の駆動原理によるもの）は、溝なしのステータコ
ア２１及びロータ構造２２の間隙に配置されたス
テータ巻線２０を有する。この鉄心及び乾式コン
デンサの結合体は、第２図に示した通り、均一幅
の非晶質金属テープからなり、単純な円筒型をな
している。このような形状は、磁気材料の連続ら
旋片の加工に適している。主巻線及び補助巻線
は、二相機器におけるそれらの関係のごとく、互
いに変位し、かつ一層集中巻型をなすことができ
る。このコンデンサ兼用ステータコアの二重機能
は、第５図に示すような溝付きの非晶質金属リボ
ンによつても満足できるが、この場合、モータ巻
線は当然ながらステータスロツト（溝）中に分配
される。このモータ鉄心のための溝付片は湾曲状
又は自然な直線状において、本発明の出願人に譲
渡された“Method and Apparatus for
Fabricating Amorphous Metal Laminations
for Motors and Transformers”（モータ及び変
圧器用の非晶質金属成層体を製造するための方法
及び装置）と題するV.B.Honsinger外１名による
1978年５月５日付米国特許願（cp）第903140号
に開示された、非晶質金属合金の溶融相から直接
形成されうる。

実施例によれば、加工されたら旋鉄心は、きわ
めて大きい成層間面積を有することが明らかにな
るであろう。すなわち、外径152mm、内径76mm、
長さ127mmの標準的な４馬力ハーメチツク−コン
プレツサモータを、前述した38ミクロン（1.5ミ
ル）の非晶質リボンに、12.7ミクロン（0.5ミル）
の絶縁層を用いて製作したならば、これの占積率
90％、スロツト面積20％として成層枚数は2250と
なり、層間の総面積は約22m²（35000in²）にも達
する。層間のワニスとして誘電率４のものを用い
ると、上の構造での総容量は64マイクロフアラド
に達し、この種モータに適した位相差を生じ、す
ぐれた力率を実現するに十分なものとなる。

絶縁物を被覆した非晶質金属の、長寸連続片か
ら磁気鉄心を形成するいまひとつの態様は、この
材料をテープロール状にうず巻形成することであ
る。第６図におけるステータ又はロータコアは、
この材料を二枚１括してうず巻にし、順次直径の
大きくなる各ターンが、交互配置された金属片及
び絶縁層からなる第３図の４層断面のような断面
となる。２枚の平行金属片２５及び２６はコンデ
ンサ極板となり、その間の絶縁層２７及び２８は
コンデンサ誘電体となる。いわば金属ガラスであ
るこの金属片は強靭で延性に富み巻き作業と同時
にこの片を引き出して、大きい占積率を有する強
固な巻き構造の、円筒又はデイスク型鉄心とする
ことが可能である。一対のうず巻型コンデンサ極
板への電気接続は、均一幅又は溝付きの金属片の
先端において形成される。絶縁層はリボン体の面
上に被覆されるか、又は独立したフイルム材料か
らなり、さらにはこの目的でリボン面に酸化被膜
を形成してもよい。

従来技術の通例による多相インダクシヨンモー
タ３０は、第７図に示す通りモータ端子間に３個
の力率改善用コンデンサ３１を接続したものであ
る。本発明において、複数かつ独立した集積型コ
ンデンサを得るは、互いに同心又は同軸配置され
た複数の非晶質金属コア又はコア部分を用いる。
第８図に示した別の実施例は、第４図と同様な溝
なしモータであるが、３個の同心配置したら旋鉄
心３２，３３及び３４を有する。この３個の鉄心
部分はステータ巻線と磁気結合しているが、鉄心
相互間では電気的に絶縁され、各相の力率改善用
コンデンサとして機能するようになつている。３
個のコンデンサは第７図におけると同様、各一対
のステータ巻線に接続される。鉄心部分３２，３
３及び３４は互いに等しい形状を有し、第２図及
び第３図に関して説明した通り加工される。この
鉄心部分は比較的狭い幅の必晶質金属テープから
形成される。リボンの幅は現実に市場で入手可能
な値が約13mm（0.5インチ）であり、可能性とし
てはより広い幅も報告されている。

ロータコアにおいても、非晶質金属の層間キヤ
パシタを利用するために、同様な機構が採用され
る。第９図は軸方向に整列した２個（又はより多
く）のロータコア部分３５及び３６からなる比較
的長い磁気鉄心構造を示すものである。この２個
のロータコア部分は互いに等しい形状とし、第６
図に示したと同様のうず巻状に形成されうる。各
コア部分における集積コンデンサ（乾式）は、ロ
ータコア巻線３７の全体又は一部分と電気回路を
なすように接続されるか、又はスリツプリング手
段により外部回路に接続されうる。このような多
重うず巻型鉄心の複数部分を軸方向に整列させる
構造は、ステータコアにおいて適用することも可
能である。また、デイスク型モータにあつては、
巻線を受入れるべく片側又は両側に放射状のスロ
ツトを有するうず巻型非晶質金属コアを装備する
ことができ、これらのコアは集積型コンデンサと
しても形成されうる。

本発明について概括すれば、これまでに述べた
型に限られず、他の種々のモータ及び発電機への
適用が可能である。そして、非晶質金属からなる
磁気回路と一緒に形成される集積コンデンサは場
合によつては、連通する固体変流器の整流キヤパ
シタンスとして、整流電流の平滑化に用いること
ができる。もつとも考慮すべきことは、磁束を支
持し、かつ適当な総容量を得るための磁性体面積
が、この磁気回路の層間容量に係つてくることで
ある。コンデンサ兼用の磁気鉄心を用いることに
よるコスト、重量及び容積の節約は、非晶質磁気
金属材料自体の低損失及び低価格性と相まつて好
ましい効果を生ずるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は別個のコンデンサを有する従来型の永
久分相型コンデンサモータを示す略図、第２図は
コンデンサ兼用の二枚一括式ら旋巻き非晶質金属
コアの展開部分及びその補助巻線への接続を示す
図、第３図は第２図の成層鉄心構造の部分断面
図、第４図は集積コンデンサ型ら旋ステータコア
を有する溝なしモータの斜視図、第５図は溝付き
非晶質金属リボンからなるエツジ巻型ステータコ
アを示す斜視図、第６図は集積コンデンサを兼用
する二枚一括うず巻型非晶質金属からなるステー
タ又はロータコアの部分展開斜視図、第７図は別
個独立した力率力兼用コンデンサを有する従来型
多相モータの回路図、第８図は集積コンデンサを
兼用する複数のエツジ巻型鉄心を有する第４図と
同様な溝なしモータの破断面図、第９図は集積コ
ンデンサ兼用の多重うず巻鉄心を有するロータの
破断面図である。１６，１７……非晶質金属リボン、１８，１
９，２７，２８……絶縁層、２０……ステータ巻
線、２１……溝なしステータコア、２２……ロー
タ構造、２３……溝付きステータコア、２４，２
５……平行型非晶質金属片、３２〜３４……ステ
ータコア部分、３５，３６……ロータコア部分、
３７……ロータ巻線。

Claims

【特許請求の範囲】１相対的に回転するように配置されたステータ
およびロータの、少くとも一方が比較的寸法の長
い非晶質金属リボンに多重絶縁を施して巻回した
ものからなるコンデンサ兼用の成層磁気鉄心を有
し、前記成層磁気鉄心と磁気結合するようにその
上に設けた励磁巻線を、少くとも部分的に前記非
晶質金属リボンと電気的に接続することにより、
前記絶縁された非晶質金属リボンの巻ターンを前
記巻線と電気回路をなすコンデンサとして作用さ
せるようにしたことを特徴とする回転電気機械。２相対的に回転するように同軸的に配置された
ステータおよびロータの、少くとも一方が比較的
長い寸法の一対の互いに重なつた非晶質金属リボ
ンであつてそれらのリボンと交互に配置された絶
縁層により分離された多重巻構造からなるコンデ
ンサ兼用の成層磁気鉄心を有し、前記成層磁気鉄
心上においてこれと磁気結合するように設けた励
磁巻線を、少くとも部分的に前記絶縁層により分
離された前記一対の非晶質金属リボンと電気的に
接続して、この金属リボンを前記巻線と電気回路
をなす前記コンデンサとして作用させるようにし
たことを特徴とする回転電気機械。３前記一対のリボンが約２ミルの厚さを有する
とともに、前記巻線の少くとも一部と永久的に電
気接続されたものであることを特徴とする特許請
求の範囲第２項記載の回転電気機械。４前記絶縁層により分離された一対の非晶質金
属リボンを絶縁支持すると共に、ら旋状に巻回し
て前記成層鉄心を形成した特許請求の範囲第２項
記載の回転電気機械。５前記絶縁層により分離された一対の非晶質金
属リボンを直径が漸増するよううず巻状に巻回す
ることにより前記成層鉄心を形成した特許請求の
範囲第２項記載の回転電気機械。６前記一対の非晶質金属リボンからなる成層鉄
心とは別に、同じく絶縁層により分離された一対
の非晶質金属リボンからなる少くともひとつの補
助成層鉄心を設け、前記巻線の少くとも一部を、
前記補助成層鉄心と磁気結合させると共に、前記
絶縁層によつて分離された別の一対の非晶質金属
リボンと電気的に接続することにより、この別の
金属リボンを前記巻線と電気回路をなすさらに別
のコンデンサとして作用させるようにした特許請
求の範囲第４項又は第５項に記載の回転電気機
械。７ステータ、およびこれと空隙をはさんで相対
的に回転するように同軸配置されたロータとを有
する単相モータにおいて、前記ステータが交互に
位置を占める絶縁層により分離された一対の並行
した磁気非晶質金属リボンの多重巻きからなる成
層磁気鉄心を有し、前記成層磁気鉄心を、この上
に設けた主ステータ巻線および補助ステータ巻線
と磁気結合させることにより、前記ロータを回転
させるための空隙磁界を生じるようにし、前記補
助巻線を前記絶縁層により分離された前記一対の
非晶質金属リボンと電気的に直列接続したことに
より、前記一対の金属リボンを補助巻線回路中の
コンデンサとして作用させることを特徴とする集
積キヤパシタ付単相モータ。８前記絶縁層により分離された前記一対の非晶
質金属リボンを絶縁支持すると共に、ら旋状に巻
回して前記成層鉄心を形成したことを特徴とする
特許請求の範囲第７項記載のモータ。９前記絶縁層により分離された前記一対の非晶
質金属リボンを、直径が漸増するうず巻型に巻回
して前記成層鉄心を形成したことを特徴とする特
許請求の範囲第７項記載のモータ。１０ステータ、およびこれと空隙をはさんで相
対的に回転するように同軸配置されたロータとを
備え、前記ステータが絶縁層によつて分離された
一対の並行した磁気非晶質金属リボンの多重絶縁
巻きからなる成層磁気鉄心を有し、前記成層磁気
鉄心上においてこれと磁気結合せしめたことによ
り、前記ロータを回転させるための空隙磁界を生
じるステータ巻線を設け、このステータ巻線を前
記一対の非晶質金属リボンと電気的に接続するこ
とにより、絶縁層を介在したその一対の金属リボ
ンを力率改善用コンデンサとして用いるようにし
たことを特徴とする集積コンデンサ付モータ。１１絶縁層によつて分離された前記一対の非晶
質金属リボンを絶縁支持すると共に、ら旋状に巻
回して前記成層鉄心を形成し、この成層層鉄心と
同心配置され、絶縁層により分離された別の一対
のら旋巻き磁気非晶質金属リボンからなる少くと
もひとつの補助成層鉄心を設け、前記ステータ巻
線をこの補助成層鉄心と磁気結合させると共に、
電気的に接続することにより、この絶縁層を介挿
した第２の非晶質金属リボンを力率改善用補助コ
ンデンサとして用いるようにした特許請求の範囲
第１０項記載のモータ。１２絶縁層によつて分離された前記一対の非晶
質金属リボンを直径が漸増するよう、うず巻き状
に巻回して前記成層鉄心を形成し、この成層鉄心
には絶縁層により分離された別の一対のうず巻き
型磁気非晶質金属リボンにより同様に形成された
少くともひとつの補助成層鉄心を同軸的に整列さ
せ、前記ステータ巻線をこの補助成層鉄心と磁気
結合させると共に、補助鉄心における前記別の一
対の非晶質金属リボンに電気的に接続することに
より、絶縁層を介挿したこの別の金属リボンを力
率改善用コンデンサとして用いるようにした特許
請求の範囲第１０項記載のモータ。