JPH0993885A

JPH0993885A - リラクタンスモータ

Info

Publication number: JPH0993885A
Application number: JP24120295A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Mita; 正裕三田; Takashi Sasaki; 崇佐々木
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1995-09-20
Filing date: 1995-09-20
Publication date: 1997-04-04
Anticipated expiration: 2015-09-20
Also published as: JP3856347B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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
材の部材からなり、かつ前記非磁性部が加熱変成部から
なる回転子コアを具備することを特徴とするリラクタン
スモータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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５
１１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４
２Ｂ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１３
５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４
０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、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、本発明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ことを特徴と
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１
５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２０ｍ
ｍ、回転子コア１５のシャフト１４の軸方向の長さが６
０ｍｍ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１
１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ＣＯ
2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−Ｆ
ｅ，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Ｈ
ｃ＝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本
発明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１
７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】本発明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Ｂ
Ｈ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、４２ＡＡ相巻線、
４２ＢＢ相巻線、４３固定子コア、４４シャフ
ト、４５直流電圧源、４６ＡＡ相電気回路スイッ
チ、４６ＢＢ相電気回路スイッチ、５７磁束線、１
２８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

【特許請求の範囲】

【請求項１】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具備することを特徴とす
るリラクタンスモータ。
【請求項２】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記載のリラクタンスモータ。
【請求項３】回転子コアが、板状部材が積層されて構
成されることを特徴とする請求項１または２記載のリラ
クタンスモータ。
【請求項４】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
する請求項１ないし３のいずれか１項に記載のリラクタ
ンスモータ。
【請求項５】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こと
を特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の
リラクタンスモータ。
【請求項６】単一バリア型回転子を具備することを特
徴とする請求項１ないし４のいずれか１項にリラクタン
スモータ。
【請求項７】多層バリア型回転子を具備することを特
徴とする請求項１ないし４のいずれか１項にリラクタン
スモータ。