WO2013147157A1 - 回転電機 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a rotating electrical machine having a stator or a rotor formed using a dust core such as an electric motor or a generator.
- Rotating electrical machines such as electric motors and generators are more demanding to be lighter, thinner, and smaller than the market, and recently, demands for energy saving and higher efficiency are increasing as a countermeasure against global warming. Furthermore, low vibration, low noise, and low cost are also strongly required.
- a rotating electric machine forms a stator and a rotor by laminating silicon steel plates in the axial direction in order to reduce iron loss and increase efficiency.
- the silicon steel plate used is a non-oriented silicon steel plate. The reason is that, for example, in a radial gap type rotating electrical machine, the direction of the magnetic flux passing through the iron core is a radial winding pole direction distributed over the circumference, and thus a directional silicon steel plate cannot be used.
- a silicon steel sheet laminated stator or rotor has a two-dimensional shape in which the vertical cross section of the shaft and the vertical cross section are substantially the same.
- the iron core shape can form a three-dimensional shape in which the iron core exists even at the coil end portion, and the eddy current loss in the iron loss can be made smaller than that of the silicon steel plate.
- the efficiency can be improved.
- the dust core is inferior in magnetic permeability compared to the silicon steel plate, it generally hinders high torque, and the disadvantage is that the area facing the rotor is increased by the three-dimensional structure of the dust core. The current situation is that the torque is set to the same level as the conventional one or slightly improved by such means.
- Rotating electric machines are roughly classified into radial gap type and axial gap type.
- a brushless DC motor using a permanent magnet as a rotor hereinafter referred to as BLDC rotating electrical machine
- BLDC rotating electrical machine a brushless DC motor using a permanent magnet as a rotor
- SR rotating electric machine a switched reluctance motor
- a stator core is formed by laminating a silicon steel plate, and when importance is attached to low cost and efficiency, a concentrated winding system is adopted. The reason is that the distributed winding method increases the coil end that does not contribute to torque generation, increases copper loss and decreases efficiency, and concentrated winding makes the winding simple and enables direct winding into the slot. This is because the wire becomes inexpensive.
- the number of slots of the stator is limited to 4 to 12 mainly from the viewpoint of the cost of the rotating machine if configured practically.
- the axial gap type rotating electrical machine has an air gap in the axial direction, but since the air gap faces the plane, there is a problem such as surface blurring, so it is difficult to make the air gap smaller as the radial gap type. Therefore, compared with the radial gap type, it is inferior in high efficiency and high torque. For this reason, the axial gap type rotating electrical machine has a problem that it is less popular than the radial gap type except for special uses such as a flat-shaped electric motor and an electric motor that emphasizes constant speed rotation without much start and stop. The present invention also solves this point.
- Concentrated winding coil ends are smaller than distributed windings, so copper loss is reduced and efficiency is increased. However, in order to further increase efficiency, utilization of the area occupied by the coil ends that do not face the rotor is required. It is done.
- a so-called overhang shape in which the stator winding pole shape is protruded in the axial direction or the rotational circumferential direction is configured by a dust core. Since this overhang structure is generally difficult or expensive in a silicon steel sheet laminated type, a dust core that can be molded in three dimensions is advantageous.
- the compacted iron core is obtained by compressing and molding soft magnetic iron powder with a small amount of resin mixed with a binder for insulation of eddy current.
- the dust core has a feature that it can form a three-dimensional complex shape while the silicon steel sheet laminated type is a two-dimensional simple shape, and further has a small amount of eddy current loss of iron loss.
- the above-described dust core has the disadvantage that the magnetic flux density is smaller than that of the silicon steel plate, it can be said that the overhang shape is suitable for increasing the efficiency because the area facing the rotor increases.
- an object of the present invention is to disclose means capable of further increasing the torque in a concentrated winding type rotating electrical machine using a dust core.
- the present invention improves the poor magnetic permeability, which is a disadvantage of the conventional dust core, while inheriting the three-dimensional structure that is the advantage of the conventional dust core by utilizing this dust core. It can also be demonstrated remarkably.
- a rotating electrical machine is a radial gap type inner rotor type or outer rotor type rotating electrical machine including a stator having m radial winding poles and a rotor, and the stator includes m stators. It is a polar anisotropic powder iron core compression-molded by magnetic field orientation so that the radial winding pole is a pole. However, m is an integer of 2 or more.
- another rotating electrical machine is an axial gap type rotating electrical machine including a stator and a rotor, wherein the stator protrudes in m axial directions, and the winding pole has polar anisotropy. It is characterized in that it is a compacted iron core that is compression-molded by magnetic field orientation. However, m is an integer of 2 or more.
- the rotor may be n salient pole type rotors of a silicon steel plate lamination system.
- n is a positive even number.
- the rotor is an n-number or n-pole permanent magnet system
- the back yoke iron core portion is magnetically oriented with n pieces of pole anisotropy and is compression-molded. Can be a child.
- n is a positive even number.
- the rotor may be a rotor that is compression-molded by magnetic anisotropy with polar anisotropy having n salient poles of a magnetic iron core.
- n is a positive even number.
- the rotating electrical machine according to the present invention can be a stator in which the stator is combined with a plurality of split stator cores that are compression-molded by anisotropic magnetic field orientation.
- the polar anisotropy or anisotropy can be formed by applying an orientation magnetic field with a permanent magnet or an electromagnet.
- the dust core may include soft magnetic iron powder, resin powder as an insulator, and / or powder as an insulator.
- the powder as the insulator may be an oxide or a nitride.
- the rotating electrical machine according to the present invention has the following effects. (1) If the stator and rotor of the rotating electrical machine are each made of an integral dust core and have polar anisotropy, it is possible to achieve high torque for an electric motor and high efficiency of power generation for a generator. . Specifically, when a polar anisotropic iron core product is compared with a conventional isotropic dust core product, a difference of 5% or more in power generation voltage is observed when used as a generator.
- stator of the rotating electrical machine is made of anisotropy as an integral dust core and has polar anisotropy, an overhang structure can be realized at a low cost, and the area facing the rotor can be increased from the lamination method. Since the length can be shortened, the copper loss is reduced, the iron loss is also low, and high torque and high efficiency can be achieved.
- the dust core has a hysteresis loss due to silicon in addition to a reduction in eddy current loss due to the resin powder. Therefore, the efficiency of the rotating electrical machine can be further improved.
- FIG. 1 Front view of an example rotating machine of the present invention Sectional view including the shaft of the rotating electrical machine of FIG. Sectional drawing in the center part of stator axial direction thickness which shows an example of the magnetic field orientation method of the stator of the rotary electric machine of this invention Sectional view including the central axis of FIG.
- the figure which shows an example of the magnetic field orientation method of the rotor for quadrupole powder type switched reluctance motors The figure which showed the magnetic path of the powder iron core back yoke of the rotor for 4 pole powder type brushless electric motors
- a view of the stator of an axial gap type rotating electrical machine viewed from the axial direction The figure which shows one example of the magnetic field orientation compacting method of the stator of the axial gap type rotary electric machine of this invention
- FIG. 1 shows an example of the configuration of a rotating electrical machine to which the present invention is applied, and is a front view seen from the axial direction of the rotating electrical machine.
- FIG. 2 is a cross-sectional view including a shaft, and the front and rear brackets and bearings are not shown.
- reference numeral 1 is a dust core stator having a so-called overhang provided with a winding groove in the axial direction
- reference numeral 2 is a winding
- reference numeral 3 is a four-pole protrusion made of a dust core.
- a pole rotor, 4 is a rotation axis. Since this rotating electrical machine does not use a permanent magnet for the rotor, it generates rotational torque only with an attractive electromagnetic force and corresponds to a switched reluctance rotating electrical machine.
- the stator winding pole is a three-phase six-pole concentrated winding system in FIG.
- the stator is not limited to 6 poles, but practically suitable for 2 poles, 4 poles, 8 poles, 12 poles for 3 phases, 6 poles for 9 phases, 9 poles, 12 poles, 5 poles for 5 phases, 10 poles It is a thing.
- the stator winding pole number m may be a positive integer of 2 or more. As shown in FIG.
- the powder when the number of stator winding poles of the powder iron core is m, the powder is pressed to about 800 MPa with m poles radially, and the outer yoke part is anisotropically magnetically oriented in the circumferential direction. It is to be molded. This magnetic field orientation is referred to as polar anisotropic orientation.
- the rotor has a polar anisotropic magnetic field orientation in the n-pole.
- Non-Patent Document 1 it is disclosed that a non-directional silicon steel plate such as 50A290 is used for a rotating electric machine, and a directional silicon steel plate such as 30G130 is used for a transformer. That is, directional silicon steel plates cannot be used for rotating electrical machines because the direction of magnetic flux changes by 360 ° due to the rotating magnetic field.
- the left side (Wf) of the following formula 1 described in Non-Patent Document 1 represents the iron loss.
- the right side of Equation 1 shows the components of the iron loss.
- Table 1 the difference shown in Table 1 below is disclosed when the directional silicon steel sheet and the non-oriented silicon steel sheet are compared. Yes.
- the directionality with respect to non-directionality is about 1/4 to 1/7 of the hysteresis loss coefficient ( ⁇ h) in the iron loss coefficient, and the eddy current loss coefficient ( ⁇ e) is 0.67. It turns out that it reduces to about 0.3. It has also been shown that the iron loss per kilogram is smaller in a directional silicon steel sheet oriented to 1/2 to 1/3. This means that the directional silicon steel sheet has a good magnetic permeability and a high magnetic flux density.
- B is the magnetic flux density
- ⁇ h is the hysteresis loss coefficient
- ⁇ e is the eddy current loss coefficient
- f is the frequency
- d is the plate thickness
- Wf is the iron loss.
- Non-Patent Document 2 a polar anisotropic magnet is disclosed as a permanent magnet instead of an iron core as a permanent magnet.
- the term "polar anisotropic magnet” used in Non-Patent Document 2 is a paper "improvement of PM stepping motor characteristics" published by the author, one of the inventors, at the Small Motor Technology Symposium in 1983 sponsored by the Japan Management Association. It is a nickname named in.
- a pole anisotropic magnet reports about 1.4 times higher torque than an isotropic magnet. Ferrite magnets are also produced by magnetic field orientation when magnet powder is formed.
- the magnetic flux passing orientation direction a of the dust iron core and the direction b inclined by 45 ° to 90 ° with respect to the magnetic flux passing orientation direction a Each magnetic permeability (or hysteresis loss) is measured, and it can be judged from the difference in magnetic permeability between the magnetic flux passage orientation direction a and the direction b inclined by 45 ° to 90 °. Further, the dust core can be taken out, and the presence or absence of polar anisotropy can be determined from the orientation of the particles from the micrograph of the structure.
- FIG. 3 is a cross-sectional view at the center of the stator axial thickness showing an example of the magnetic field orientation method for the stator of the rotating electrical machine of the present invention.
- reference numeral 1 denotes a stator composed of the dust core shown in FIG. 1, and its production method will be described with reference to this drawing.
- Reference numeral 5 denotes a die part of an orientation yoke and mold made of magnetic iron
- reference numeral 6 denotes an exciting coil which also indicates the direction of current.
- Six symbols 7 are a part of a die of a die made of a nonmagnetic material (having no ferromagnetism).
- Reference numeral 8 is a die portion of the mold. That is, reference numerals 5, 7, and 8 are stopped by a die, and reference numeral 1 is pressure-formed by a punch having the same shape as reference numeral 1. At this time, the coil designated by reference numeral 6 is energized for magnetic field orientation. Moreover, the coil
- FIG. 4 is a cross-sectional view including the central axis of FIG. Reference numeral 1 indicates an example of an overhang core.
- the dust core 1 of FIG. 3 is formed of six divided cores with the six winding poles as the centers, and the six divided cores are combined, the dotted magnetic path of FIG. 3 is obtained.
- the split cores formed by anisotropic magnetic field orientation are combined into a stator, winding is easy and the winding space factor is greatly improved. High torque and high efficiency.
- FIG. 5 is a diagram for explaining a method of manufacturing the rotor of FIG. 1, and is a diagram illustrating an example of a magnetic field orientation method for a rotor for a quadrupole powdered switched reluctance motor.
- reference numeral 9 is a rotor for a quadrupole compacted reluctance motor
- reference numeral 10 is a yoke and die made of magnetic iron, etc.
- reference numeral 11 is an exciting coil, which also indicates the direction of current.
- Four symbols 12 are a part of a die of a die made of a nonmagnetic material or the like.
- Reference numeral 13 is also a part of the die.
- the rotor is pressed with a punch having the same shape as that of the rotor of reference numeral 9 while the die portion is stationary.
- the coil 11 is energized to conduct magnetic field orientation.
- a high energy permanent magnet such as neodymium
- the coil indicated by the reference numeral 11 can be eliminated.
- a dotted line shown in the figure indicates a magnetic path.
- FIG. 6 is a diagram showing the magnetic path of the back yoke as viewed from the axial direction of the rotor for a quadrupole powder-type brushless motor.
- Numeral 14 is a segment type permanent magnet formed in 4 poles, and the inside is a back yoke 15 made of a dust core.
- symbol 15 has shown the magnetic path. That is, the back yoke 15 can be manufactured by the same method as the reference numeral 9 shown in FIG.
- FIG. 7 is a view of the stator of the axial gap type rotating electrical machine as viewed from the axial direction.
- Reference numeral 16 denotes salient magnetic poles that protrude from the magnetic disk at an equal pitch.
- Reference numeral 17 denotes a winding wound around the magnetic pole of the salient pole.
- FIG. 8 is a diagram showing an example of the magnetic field orientation compacting method for the stator of the axial gap type rotating electrical machine of the present invention.
- Reference numeral 18 denotes a yoke and die made of magnetic iron or the like.
- Reference numerals 19 and 20 are part of a die of a mold made of a nonmagnetic material or the like. That is, reference numerals 18, 19, and 20 are stopped by a die, and the dust core stator 16 is pressure-formed by a punch having the same shape as the reference numeral 16.
- Reference numeral 21 denotes an exciting coil, which also indicates the direction of current.
- symbol 21 can also be eliminated using the code
- FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the connection of the electromagnet coil 21 of FIG. 8 and 16. That is, the magnetic field is oriented so that the six salient poles have different polarities.
- the arrow shown on the coil 21 indicates the direction of current.
- the SR type and BLDC type back yoke of the rotor paired with the stator of the axial gap type rotating electric machine shown in FIG. 7 is manufactured in the same manner as shown in FIGS. it can.
- the dust core is molded by mixing soft magnetic iron powder with an insulator and resin powder as a binder, and the powder as the insulator is preferably an oxide or a nitride.
- the oxide include alumina and silica, and silicon nitride can be used as the nitride.
- the rotating electrical machine according to the present invention can be used for an electric motor or a generator, and is extremely practical, inexpensive, robust, light and thin, suitable for high torque and high efficiency. Therefore, it is expected to make a significant industrial contribution.
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Abstract
圧粉鉄心による回転電機の高効率化、高トルク化を安価で信頼性の高い手法で実現させる。 ｍ個の放射状巻き線極を有する固定子と、回転子とを備えるラジアルギャップ方式のインナーロータ式あるいはアウターロータ式の回転電機において、前記固定子は、ｍ個の放射状巻き線極を極とするように磁場配向して圧縮成形した極異方性圧粉鉄心である。
Description
本発明は電動機や発電機等の圧粉鉄心を用いて形成された固定子あるいは回転子を有した回転電機に関する。
電動機や発電機である回転電機は、市場より軽薄短小化の要求が強く、また最近は地球温暖化対策として、省エネルギー化や高効率化の要求も増加してきている。更に、低振動化、低騒化、そして安価であることも強く要求されている。
一般に回転電機は、鉄損を減らして効率を高めるために珪素鋼鈑を軸方向に積層して固定子や回転子を形成する。そして使用する珪素鋼鈑は無方向性珪素鋼鈑を使用する。その理由は、例えば、ラジアルギャップ方式の回転電機では鉄心を通過する磁束の方向は円周にわたり分布した放射状巻き線極方向となるので、方向性珪素鋼鈑は使用できないためである。一般に珪素鋼鈑積層方式の固定子や回転子は、軸と垂直断面はどの垂直断面も略同一の２次元形状となる。また、固定子や回転子の鉄心部を珪素鋼鈑の積層方式から軟磁性体鉄粉を樹脂皮膜でコーティングした状態で圧縮成形する所謂圧粉鉄心とした高効率回転電機が知られている。このような構成によれば、その鉄心形状はコイルエンド部でも鉄心が存在する３次元形状を形成することが可能となり、鉄損の内の渦流損が珪素鋼鈑より小さく出来ることで、回転電機の高効率化を図ることができる。しかし、圧粉鉄心は珪素鋼鈑と比較して透磁率が劣るため、一般的には高トルク化の妨げとなり、その欠点を圧粉鉄心の３次元構造によって回転子との対向面積を増加させる等の手段により、トルクを従来と同等レベルか若干の改善されたトルクにしているのが現状であった。
なお、関係する従来技術として上記の２つの非特許文献がある。
電機設計学（改訂２版）竹内寿太郎 著 ５～６ページ、第１．１表、表１．２表 オーム社
ステッピングモータの使い方 坂本正文 著 ７０ページ 図４．３ オーム社
回転電機はラジアルギャップ式とアキシャルギャップ式に大別される。
従来の一般的なラジアルギャップ式の回転電機で回転子に永久磁石を用いるブラシレスＤＣモータ（以下ＢＬＤＣ回転電機）や同期発電機、あるいは回転子に永久磁石を用いないで磁性体の歯を有したスイッチドレラクタンスモータ（以下ＳＲ回転電機）の場合は、固定子鉄心を珪素鋼鈑で積層して構成し、安価と効率を重視する場合には、巻き線は集中巻き方式を採用する。その理由は分布巻き方式ではトルク発生に寄与しないコイルエンドが大きくなり銅損が増大し、効率が低下するため、及び集中巻きでは巻き線がシンプルなためスロットへの直接巻き込が可能となり、巻き線が安価となるためである。集中巻き方式の場合は実用的に構成すれば主に回転機のコストの面から固定子のスロット数は４～１２に制約される。
一方、軸方向にエアギャップを有するアキシャルギャップ式回転電機もあるが、エアギャップが平面対向のため面ブレ等の問題があるためラジアルギャップ式ほどエアギャップを小さく出来にくい。そのためにラジアルギャップ式と比較して、高効率化、高トルク化で劣る。そのため、アキシャルギャップ式回転電機は、扁平形状の電動機や起動停止をあまり行わないで定速回転重視の電動機等の特殊な用途以外はラジアルギャップ式より普及していない問題がある。本発明はこの点をも解決するものである。
集中巻き方式のコイルエンドは分布巻きに比べて小さいので銅損が減少して効率は高くなるが、更に効率を高めるには回転子との対向面積とならないコイルエンドの占める面積部の活用が求められる。この解決策の一つに固定子巻き線極形状を軸方向あるいは回転周方向に飛び出させた所謂オーバーハングとした形状を圧粉鉄心で構成する手法がある。珪素鋼鈑の積層式ではこのオーバーハング構造は一般に困難あるいはコスト高となるため３次元に成形できる圧粉鉄心が有利となる。圧粉鉄心とは軟磁性鉄粉に少量の樹脂をバインダーと渦電流の絶縁のために混合して圧縮成形させたものである。圧粉鉄心は珪素鋼鈑積層式が２次元の単純形状であるのに対して３次元の複雑形状を形成することが可能で、更に鉄損の一部の渦電流損が少ない特長がある。上述した圧粉鉄心は磁束密度が珪素鋼鈑より小さいという短所があるが、オーバーハング形状では回転子との対向面積が増加するため高効率化に適したものと言える。
オーバーハング構造を採用することで回転子との対向面積を増加させることができるので高トルク化を図ることができるが、圧粉鉄心は、珪素鋼鈑に比べて透磁率が悪いため磁束密度が低く、オーバーハング構造にしても同程度か若干のトルク増加程度が現状であった。このように、本発明は、圧粉鉄心を用いた主に集中巻き方式の回転電機において更に高トルク化を図ることができる手段の開示が課題である。
本発明はこの圧粉鉄心の活用で従来の圧粉鉄心の長所である３次元構造を受け継ぎながら従来の圧粉鉄心の欠点である透磁率の悪さを改善したもので、圧粉鉄心の効果を顕著に発揮できるものでもある。
また高効率化を達成するには巻き線占積率を高める必要がある。集中巻き式でのスロットへの直接巻き込式はスロット開口部から銅線をノズルで巻きこむため巻き線占積率は２０～３０％程度である。これを圧粉鉄心による分割式圧粉鉄心式を採用することで、積層式では飛躍的な６０％以上の巻き線占積率の向上となるが、本発明はこの分割式圧粉鉄心式にも適応できるので高トルク効果大である。
本発明を実現するには以下の手段による。
本発明に係る回転電機は、ｍ個の放射状巻き線極を有する固定子と、回転子とを備えるラジアルギャップ方式のインナーロータ式あるいはアウターロータ式の回転電機において、前記固定子は、ｍ個の放射状巻き線極を極とするように磁場配向して圧縮成形した極異方性圧粉鉄心であることを特徴とする。但しｍは２以上の整数。
また、本発明に係る他の回転電機は、固定子と、回転子とを備えるアキシャルギャップ式の回転電機において、前記固定子は、ｍ個の軸方向に突出し、巻き線極を極異方性に磁場配向して圧縮成形した圧粉鉄心であることを特徴とする。但しｍは２以上の整数。
また、本発明に係る回転電機は、前記回転子は、珪素鋼板積層方式のｎ個の突極型回転子であることができる。但しｎは正の偶数。
また、本発明に係る回転電機は、前記回転子は、ｎ個のまたはｎ極の永久磁石方式であって、バックヨーク鉄心部をｎ個の極異方性に磁場配向して圧縮成形した回転子であることができる。但しｎは正の偶数。
また、本発明に係る回転電機は、前記回転子は、磁性鉄心のｎ個の突極を有する極異方性に磁場配向して圧縮成形した回転子であることができる。但しｎは正の偶数。
また、本発明に係る回転電機は、前記固定子が、異方性に磁場配向して圧縮成形した複数の分割固定子鉄心を合体した固定子であることができる。
また、本発明に係る回転電機は、前記極異方性または異方性は、永久磁石あるいは電磁石で配向磁場をかけることで形成されていることができる。
また、本発明に係る回転電機は、前記圧粉鉄心は、軟磁性鉄粉と絶縁体としての樹脂粉、及び／または絶縁体としての粉末を含むことができる。
また、本発明に係る回転電機は、前記絶縁体としての粉末が、酸化物または窒化物であることができる。
本発明に係る回転電機によれば、以下の効果を奏する。（１）回転電機の固定子や回転子をそれぞれ一体圧粉鉄心として極異方性とすれば、電動機であれば高トルク化、発電機であれば発電の高効率化を達成することができる。具体的には、極異方性圧粉鉄心品と従来の等方性圧粉鉄心品とを比較すると、発電機として用いた場合に発電電圧で５％以上の差異が見られる。
（２）回転電機の固定子を一体圧粉鉄心として極異方性とすれば、オーバーハング構造が安価で実現でき、回転子との対向面積を積層方式より増加させることができ、また巻き線長も短く出来るので銅損も減少し、鉄損も少なく、高トルク化、高効率化を図ることができる。
（３）圧粉鉄心を採用することにより渦電流損が零に近くなり、特に高速時の鉄損が少なく高効率の回転電機を提供することができる。
（４）異方性に磁場配向して圧縮成形した分割鉄心を合体して固定子とすれば、巻き線が容易で巻き線占積率を大幅に向上させることができ、回転電機の高トルク化、高効率化を図ることができる。
（５）圧粉鉄心は珪素を含む軟磁性鉄粉に絶縁体とバインダーとしての樹脂粉の他に珪素粉を加えることで、樹脂粉による渦電流損の減少に加えて珪素によるヒステリシス損をも減少させることができ、回転電機の効率を更に向上できる。
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明を適用する回転電機の構成の一例を示したものであり、回転電機の軸方向から見た正面図である。図２は軸を含む断面図であり、前後ブラケットや軸受けは図示を省略してある。
図１、図２にて、符号１は軸方向に巻き線溝を設けた所謂オーバーハングを有した圧粉鉄心固定子、符号２は巻き線、符号３は圧粉鉄心製の４極の突極の回転子、符号４は回転軸である。この回転電機は回転子に永久磁石を使用していないので吸引電磁力のみで回転トルクを発生するもので、スイッチドレラクタンス回転電機に相当する。固定子巻き線極は図１では３相６極式の集中巻き方式である。集中巻きは分布巻きに比べてコイルエンドが低くなるため巻き線抵抗を小さく、銅損が小さく出来ることから効率を高めることができ、巻き線が分布巻きより単純で作業性がよいことから安価にできるため、近年多用されている。即ち図１、図２は請求の範囲におけるｍ＝６、ｎ＝４の場合に相当する。固定子は６極に限らず、実用的には２相では２極、４極、８極、１２極、３相では６極、９極、１２極、５相では５極、１０極に適したものである。一般的には、固定子巻き線極数ｍは、２以上の正の整数であればよい。図２に示すように、圧粉鉄心を用いるとオーバーハング構造が容易に出来るので小形化や銅損低減に効果が大きい。しかし圧粉鉄心は珪素鋼鈑による積層方式に比べて透磁率が小さいのでオーバーハング式でもそれほど高トルクや高効率を図ることは困難であった。
本発明は圧粉鉄心の固定子巻き線極がｍ個ではｍ極の放射状に、また外周のヨーク部は周方向に異方性に磁場配向した状態で圧粉を約８００ＭＰａ程度に加圧して成形するものである。この磁場配向を極異方性配向と呼ぶことにする。回転子も同様にｎ極に極異方性磁場配向をするものである。
非特許文献１によれば、回転電機には５０Ａ２９０等の無方向性珪素鋼鈑を用い、また変圧器には３０Ｇ１３０等の方向性珪素鋼鈑を用いることが開示されている。即ち回転電機には方向性珪素鋼鈑は回転磁界により磁束方向が３６０°変化するので使用できないわけである。非特許文献１に記載されている下記式１の左辺（Ｗｆ）は鉄損を表している。同式１の右辺は、その鉄損の構成要素を示している。当該要素の中で、鉄損係数であるヒステリシス損係数と渦流損係数に着目すると、方向性珪素鋼板と無方向性珪素鋼板とを比較した場合以下の表１に示すような差が開示されている。
すなわち、以下の表１から、無方向性に対して方向性は鉄損係数の中のヒステリシス損係数（σｈ）が約１／４～１／７、渦流損係数（σｅ）が０．６７から０．３程度に減少することが分かる。１Ｋｇ当たりの鉄損は１／２～１／３に配向された方向性珪素鋼鈑では小さくなることも示されている。このことは方向性珪素鋼鈑の方は透磁率がよく磁束密度も高く出来ることを意味する。
なお上記式１および表１において、Ｂは磁束密度、σｈはヒステリシス損係数、σｅは渦流損係数、ｆは周波数、ｄは板厚、Ｗｆは鉄損を意味する。
しかし方向性珪素鋼鈑は回転電機には上述した理由で使用できないものであった。しかし磁性粉から成形する圧粉鉄心を用いて極異方性にすれば、ほぼ方向性を有した鉄心を得ることが可能になる。
非特許文献２によれば鉄心ではなく永久磁石としてフェライト磁石で極異方性磁石が開示されている。この非特許文献２で用いている極異方性磁石なる用語は発明者の一人である筆者が日本能率協会主催の１９８３年度の小形モータ技術シンポジウムで発表した論文「ＰＭ型ステッピングモータの特性改善」で命名した呼び名である。非特許文献２の７１ページの図４．４では極異方性磁石では等方性磁石の約１．４倍の高トルクが報告されている。フェライト磁石も磁石粉を成形する際に磁場配向して製造するものである。
圧粉鉄心においても磁場配向すると鉄粉分子のスピン軸が磁場方向に揃うため、その状態で加圧成形してその組織を固着させるものである。なお、圧粉鉄心が極異方性を有することの確認方法としては、圧粉鉄心の磁束通過配向方向ａとその磁束通過配向方向ａに対して４５°～９０°傾いた方向ｂとで其々の透磁率（あるいはヒステリシス損）を測定し、当該磁束通過配向方向ａと４５°～９０°傾いた方向ｂとの透磁率の差から判断することができる。また、圧粉鉄心を取り出し、組織の顕微鏡写真より粒子の配列の方向性から極異方性の有無を判断することができる。
図３は本発明の回転電機の固定子の磁場配向法の一例を示す固定子軸方向厚みの中央部での断面図である。
図３で符号１は図１の圧粉鉄心から成る固定子を示し、その製法を本図で説明する。符号５は磁性鉄よりなる配向ヨーク兼金型のダイス部であり、符号６は励磁コイルで電流の向きも示してある。６個の符号７は非磁性材（強磁性を有さないもの）等による金型のダイスの一部である。符号８も金型のダイス部である。即ち符号５、符号７、符号８がダイスで静止し符号１と同形状のパンチで符号１を加圧成形する。このときに符号６なるコイルに通電して磁場配向するものである。また符号５をネオジム等の高エネルギー永久磁石とすることで符号６なるコイルを無くすこともできる。図中に示した点線が磁路を示している。
図４は図３の中心軸を含む断面図である。符号１はオーバーハング鉄心の例で示してある。
また図３の圧粉鉄心１を６個の巻き線極を中心とした６個の分割鉄心で形成し、該６個の分割鉄心を合体した場合に、図３の点線磁路になるように、圧粉分割鉄心製造過程で、異方性に磁場配向して成形した分割鉄心を合体して固定子とすれば、巻き線が容易で巻き線占積率が大幅に向上し、回転電機の高トルク化、高効率化となる。
図５は図１の回転子の製造方法を説明する図であり、４極圧粉式スイッチドレラクタンス電動機用回転子の磁場配向法の一例を示す図である。
図５で符号９は４極圧粉式スイッチドレラクタンス電動機用回転子、符号１０は磁性鉄等によるヨーク兼ダイス、符号１１は励磁コイルで電流の向きも示してある。４個の符号１２は非磁性材等による金型のダイスの一部である。符号１３もダイスの一部である。本製造方法によれば、ダイス部は静止した状態で、符号９なる回転子形状と同じ形状のパンチで回転子を加圧する。このときに符号１１なるコイルに通電して磁場配向するものである。また符号１０をネオジム等の高エネルギー永久磁石を用いれば符号１１なるコイルをなくすこともできる。図中に示した点線が磁路を示している。
図６は４極圧粉式ブラシレス電動機用回転子の軸方向から見た図であり、バックヨークの磁路を示した図である。
符号１４はセグメント型の永久磁石で４極に形成されその内側は圧粉鉄心によるバックヨーク１５である。符号１５に示した点線が磁路を示している。即ちバックヨーク１５は図５で示した符号９と同一方法で製造可能である。
図７はアキシャルギャップ式回転電機の固定子を軸方向から見た図である。
アキシャルギャップ式回転電機は固定子と回転子間のエアギャップが軸方向で対向しているもので、その原理は図１、図２のラジアルギャップ式回転電機と同じである。符号１６は磁性体円盤から６個等ピッチで突出した突極の磁極である。符号１７は突極の磁極の周りに巻かれた巻き線である。
図８は本発明のアキシャルギャップ式回転電機の固定子の磁場配向圧粉成形法の１例を示す図である。
図８で、図７の符号１６なる圧粉鉄心固定子の製造方法を説明する。符号１８は磁性鉄等からなるヨーク兼ダイスである。符号１９及び符号２０は非磁性材等による金型のダイスの一部である。即ち符号１８、符号１９、符号２０がダイスで静止し符号１６と同形状のパンチで圧粉鉄心固定子１６を加圧成形する。符号２１は励磁コイルであり電流の方向も示してある。このように、圧粉鉄心固定子１６を加圧成形した状態で符号２１なるコイルに通電して磁場配向するものである。また符号１８をネオジム等の高エネルギー永久磁石を用いて符号２１なるコイルを無くすこともできる。
図９は図８の電磁石のコイル２１の結線と１６の関係を示した図である。即ち６個の突極が異極性となるように磁場配向するものである。
コイル２１に示した矢印は電流の方向を示す。尚図７に示したアキシャルギャップ式回転電機の固定子とペアとなる回転子のＳＲ式もＢＬＤＣ式のバックヨークも４極式あるいはそれ以外でも図８、図９で示した同様な方式で製造できる。
圧粉鉄心は軟磁性鉄粉に絶縁体とバインダーとしての樹脂粉をミキシングして加圧成形するが、前記絶縁体としての粉末が、酸化物または窒化物であることが好ましい。酸化物としてはアルミナ、シリカ、等があり、窒化物としては窒化珪素を用いることができる。
また、絶縁体とバインダーとしての樹脂粉をミキシングして加圧成形するが、更に適量の珪素粉を加えることで、樹脂粉による渦電流損の減少に加えて珪素粉によるヒステリシス損をも減少させることができ、回転機の効率を更に向上できる。これは冷間あるいは熱間圧延の鋼鈑に３％程度の珪素を加えることで鉄損を軽減する珪素鋼鈑の鉄損軽減原理により圧粉鉄心の場合でも同様な効果が得られる。本発明の極異方性圧粉鉄心においても、方向性珪素鋼鈑に近い効果が得られるものである。
本発明による回転電機は電動機または発電機に活用でき、安価で堅牢で軽薄短小、高トルク化、高効率化に適した、きわめて実用的なものである。従って工業的に大きな貢献が期待される。
１、１６ 圧粉鉄心固定子
２、１７ 巻き線
３、９ 回転子
４ 回転軸
５、１０、１８ 配向ヨーク兼ダイス
６、１１、２１ 励磁コイル
７、１２、１９、２０ 非磁性材ダイス
８、１３ ダイス
１４ 永久磁石
１５ 回転子バックヨーク
２、１７ 巻き線
３、９ 回転子
４ 回転軸
５、１０、１８ 配向ヨーク兼ダイス
６、１１、２１ 励磁コイル
７、１２、１９、２０ 非磁性材ダイス
８、１３ ダイス
１４ 永久磁石
１５ 回転子バックヨーク
Claims (9)
- ｍ個の放射状巻き線極を有する固定子と、回転子とを備えるラジアルギャップ方式のインナーロータ式あるいはアウターロータ式の回転電機において、
前記固定子は、ｍ個の放射状巻き線極を極とするように磁場配向して圧縮成形した極異方性圧粉鉄心であることを特徴とする回転電機。
但しｍは２以上の整数。 - 固定子と、回転子とを備えるアキシャルギャップ式の回転電機において、
前記固定子は、ｍ個の軸方向に突出し、巻き線極を極異方性に磁場配向して圧縮成形した圧粉鉄心であることを特徴とする回転電機。
但しｍは２以上の整数。 - 請求項１又は２に記載の回転電機において、
前記回転子は、珪素鋼板積層方式のｎ個の突極型回転子であることを特徴とする回転電機。
但しｎは正の偶数。 - 請求項１又は２に記載の回転電機において、
前記回転子は、ｎ個のまたはｎ極の永久磁石方式であって、バックヨーク鉄心部をｎ個の極異方性に磁場配向して圧縮成形した回転子であることを特徴とする回転電機。
但しｎは正の偶数。 - 請求項１又は２に記載の回転電機において、
前記回転子は、磁性鉄心のｎ個の突極を有する極異方性に磁場配向して圧縮成形した回転子であることを特徴とする回転電機。
但しｎは正の偶数。 - 請求項１から５のいずれか一の請求項に記載の回転電機であって、
前記固定子が、異方性に磁場配向して圧縮成形した複数の分割固定子鉄心を合体した固定子であることを特徴とする回転電機。 - 請求項１から６のいずれか一の請求項に記載の回転電機であって、
前記極異方性または異方性は、永久磁石あるいは電磁石で配向磁場をかけることで形成されていることを特徴とする回転電機。 - 請求項１から７のいずれか一の請求項に記載の回転電機であって、
前記圧粉鉄心は、軟磁性鉄粉と絶縁体としての樹脂粉、及び／または絶縁体としての粉末を含むことを特徴とする回転電機。 - 請求項８に記載の回転電機であって、
前記絶縁体としての粉末が、酸化物または窒化物であることを特徴とする回転電機。
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