JP3856347B2 - リラクタンスモータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
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。
【0002】
【従来の技術】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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(特開平6−311677号公報参照)である。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。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【0009】
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を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の回転子コアにおいては、同一素材の板状部材に強磁性部と非磁性部とを半径方向に交互に形成し、前記板状部材を軸方向に積層し、前記非磁性部が磁気バリアとして作用して前記強磁性部に磁路を形成することを特徴とする。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、同一素材の板状部材に強磁性部と非磁性部とを半径方向に交互に形成し、前記板状部材を軸方向に積層し、前記非磁性部が磁気バリアとして作用して前記強磁性部に磁路を形成す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。
【0011】
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。
【0012】
また、回転子コアが、板状部材が軸方向に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、参考例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。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。
【0013】
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。
【0014】
【発明の実施の形態】
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。
【0015】
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ー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ー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ー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。
【0016】
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。
【0017】
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参考例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。
【0018】
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。
【0019】
【発明の効果】
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。
【図面の簡単な説明】
【図1】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。
【図2】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。
【図3】 参考例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。
【図4】リラクタンスモータの概念図である。
【図5】リラクタンスモータの動作原理を説明する図である。
【図6】リラクタンスモータの動作原理を説明する図である。
【図7】リラクタンスモータの動作原理を説明する図である。
【図8】リラクタンスモータの動作原理を説明する図である。
【図9】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。
【図10】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。
【図11】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。
【図12】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。
【図13】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。
【図14】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 (5)
- 同一素材の板状部材に強磁性部と非磁性部とを半径方向に交互に形成し、前記板状部材を軸方向に積層し、前記非磁性部が磁気バリアとして作用して前記強磁性部に磁路を形成することを特徴とする回転子コア。
- 非磁性部が加熱変成部であることを特徴とする請求項1記載の回転子コア。
- 単一バリア型であることを特徴とする請求項1又は2に記載の回転子コア。
- 多層バリア型であることを特徴とする請求項1又は2に記載の回転子コア。
- 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の回転子コアと固定子とを具備し、固定子の回転磁界の磁束が回転子コアの強磁性部に流れて回転子が回転することを特徴とするリラクタンスモータ。
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