JP3705450B2

JP3705450B2 - リラクタンスモータ用回転子コアの製造方法

Info

Publication number: JP3705450B2
Application number: JP24120395A
Authority: JP
Inventors: 正裕三田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1995-09-20
Filing date: 1995-09-20
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2015-09-20
Also published as: JPH0993886A

Description

【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に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固定子巻線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、これまで高信頼性の必要とされる用途、あるいは高速回転が必要な用途等に用いられてきた。
図４にリラクタンスモータの概念図を示す。
４１は回転子コア、４２は固定子巻線、４３は固定子コア、４４はシャフトである。この概念図の場合、回転子４０の突極数は２である。また、固定子巻線の相数は２で、一つの相をＡ相（４２Ａ）、もう一方の相をＢ相（４２Ｂ）と呼ぶことにする。
【０００３】
図５から図８でその動作を説明する。なお、図５から図８で図４と同一参照符号部分は図４と同一の構成部分を表す。
図５において、回転子４０と固定子４８とが図示の位置にあり、固定子巻線４２Ａ（Ａ相）に電流が流されたとすると、固定子巻線４２Ａにより生じる磁力線は図中５７の一群の線で示される様な形状となる。
磁力線の経路すなわち磁路は、常に全体の磁気抵抗が最も小さくなる経路を自然現象として選ぶ。さらに、磁路の中に可動部分がある場合は、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もある。
図５では回転子の突極部分５１１の中心が固定子巻線Ａの巻かれている歯５３１と正対する位置が最も磁気抵抗が小さい場合であるので、固定子巻線Ａに電流を流すことにより回転子は図６の位置まで回転する。
【０００４】
図６の位置に回転した時点で、図７に示すように、電気回路のスイッチ４６Ａを切り離し４６Ｂを接続して、固定子巻線４２Ａに流していた電流を停止し、固定子巻線４２Ｂに電流を流すと、上記説明の如く、図８のように回転子４０の突極部分が固定子巻線４２Ｂに正対する位置まで回転する。
このように固定子巻線４２Ａと４２Ｂ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５３１の中心点Ｄでは回転子と固定子間の磁気抵抗が変化している。
【０００５】
リラクタンスモータにおいては、回転子における相対的に磁気抵抗の小さな突極部分と、回転子における突極と突極の間の相対的に磁気抵抗が大きな部分との磁気抵抗の差がリラクタンスモータの特性に大きく影響を与える。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の磁気的な軸を横軸（ｑ軸）と呼ぶ。そして、直軸が固定子巻線の位置に対して正対した場合、すなわち、Ａ相巻線から見た場合において、回転子４０が図６の位置にある場合のＡ相巻線のインダクタンスをＬａとし、横軸がＡ相巻線の位置に対して正対した場合、すなわち、Ａ相巻線から見た場合において、回転子４０が図８の位置にある場合のＡ相巻線のインダクタンスをＬｂとすると、突極比率ξという概念を導入できて、ξ＝Ｌａ／Ｌｂで表わされる。
【０００６】
リラクタンスモータはその回転子の構造で次のように分けることができる。
一番目は図１２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。この突極型の回転子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て回転する。
【０００７】
二番目は図１３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である。同図の回転子４０の外形は円筒形をしており、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を設けており、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。この穴で形成された磁気障壁１２８が実質的な突極部を形成し、回転子４０における磁気抵抗値の差を産み出している。
【０００８】
これらのリラクタンスモータは、回転子構造が簡単で、かつ、回転子の材質が主に鉄系の合金のみで構成し得るため安価に製造できること、および堅牢な構造が実現しやすいことから、高速回転モータに適当であるとして、研究が進められている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の回転子形式はそれぞれ次のような欠点を有している。
図１２に示した回転子を用いた突極型リラクタンスモータでは、高速回転型モータに適用した場合、その突極が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している。
また、図１３に示した回転子を用いた単一バリア型リラクタンスモータにおいては、通常、磁気バリアは回転子内部に設けられた穴であるので、突極比率をあげる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の外周部に作用する遠心力を幅ｄの細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となる可能性を秘めている。
また、上記の突極型および単一バリア型リラクタンスモータにおいて、回転子に作用する固定子側からの交番磁界によって、渦電流が発生してモータ効率が低下することは周知である。
【００１０】
本発明は上記従来の課題を解決すべく、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とともにうず電流損失が低減されるリラクタンスモータ用回転子コアの製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、貫通孔を通過して所定形状に成形された強磁性金属粉末とバインダとからなる第１の混練体と、スリット状空間を通過して所定形状に成形された非磁性金属粉末とバインダとからなる第２の混練体とが、複合用ダイで同時に押出され、複合用ダイの出口で強磁性金属粉末を含む強磁性成形体層と非磁性金属粉末を含む非磁性成形体層とが所定のパターンで分布するとともに圧着により一体化された複合成形体を成形し、該複合成形体を焼結することを特徴とするリラクタンスモータ用回転子コアの製造方法である。
本発明では、強磁性部と非磁性部とが共存する同一素材の金属粉末燒結体からなる板状部材が積層されて構成される回転子コアを製作できる。
次に、本発明では、突極型のリラクタンスモータであって、その回転子コアは強磁性部と非磁性部とが共存するとともに突極部間の凹部に前記非磁性部分が形成された金属粉末複合焼結体で構成されることを特徴とする。
次に、本発明では、単一バリア型リラクタンスモータであって、その回転子コアは強磁性部分と非磁性部分とが共存するとともに前記非磁性部分が突極部間の凹部に沿って略帯状に形成された金属粉末複合焼結体で構成されることを特徴とする。
【００１２】
本発明では、回転子コアは板状部材が積層されて構成されることがうず電流損失低減化の点から好ましい。また、本発明では、非磁性金属粉末と強磁性金属粉末との複合体を押出成形手段を用いて成形することができ、安価でかつ堅牢な回転子コアを製作することができる。
【００１３】
単一バリア型リラクタンスモータにおいては、従来回転子における磁気バリアの外側の部材に作用する遠心力を小断面積で支えていたのに対し、本発明によれば磁気バリア部分は穴ではないのでこの磁気バリア部分でもって遠心力を支えることができ、従来のものと同等以上のモータ特性を得ることができるとともに機械強度的に安定な単一バリア型リラクタンスモータを構成できる。
また、突極型リラクタンスモータにおいては、従来のものと同等以上のモータ特性を得ることができるとともに、単一の部材で構成され、かつ回転子外形を円筒状に保つことができ、回転中の風損の低減および機械強度の安定化が可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面により説明する。ここで、本発明のリラクタ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における部位を突極部と呼ぶことにする。
図１は本発明による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。本例の回転子１は外形形状が円筒形でありながら実質的に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。同図において、１４はシャフト、１５は回転子コア、１１は回転子コア１５における強磁性部（例えば、純鉄の燒結組織部）、１８は回転子コア１５における非磁性部（例えば、ＳＵＳ３０４等で規定されるオーステナイト燒結組織部）を示す。この回転子コア１５は、このように純鉄粉末とＳＵＳ３０４粉末とを用いた複合燒結体からなるとともに、上記の強磁性部１１を構成する強磁性金属粉末燒結部分と非磁性部１８を構成する非磁性金属粉末燒結部分とが一体的に接合燒結されて構成されている。なお、図１において、突極部１１ａ，１１ａの凹部に非磁性部１８が形成されている。
【００１５】
図１では、回転子コア１５の外径が４７ｍｍ、シャフト１４を通すために設ける中心の穴部１６の直径は２０ｍｍ、回転子コア１５の軸方向長さは６０ｍｍである。
そして、例えば、図１の回転子コア１５の製造に際し、それぞれ上記の異なる組成の強磁性および非磁性金属粉末を押出す２台の押出装置を使用して、図１の回転子コア１５の形状寸法に見合う複合成形体の形状寸法とした後、焼結（例えば、水素雰囲気中での脱脂を含む。）して回転子コア１５のニアネット形状寸法としたのち、軽度の機械加工を行って回転子コア１５を製作することができる。
【００１６】
本発明の金属粉末複合燒結体を得るための前工程である複合金属粉末の成形体を得る手段として、押出成形法に使用する複合用ダイに設けた貫通孔に、強磁性金属粉末とバインダ（例えば、脱脂可能なメチルセルロース、ＥＶＡ等の結着剤等）とからなる第１の混練体を通過させ所定断面に成形するとともに、複合用ダイの外周部から、言い換えれば複合用ダイの側面から、非磁性金属粉末とバインダとからなる複合用混練体（第２の混練体）を導入し、所定断面を有し前記貫通孔の下流方向に連続したスリット状空間で複合用混練体を同時に成形し、複合用ダイの出口で第１と第２の混練体を一体化する方法を用いた。
【００１７】
これにより、貫通孔を通過して所定形状に成形された第１の混練体と、スリット状空間を通過して所定形状に成形された第２の複合用混練体とが、複合用ダイで同時に押出され、複合用ダイの出口で強磁性金属粉末を含む強磁性成形体層と非磁性金属粉末を含む非磁性成形体層とが所定のパターンで分布するとともに圧着により一体化された複合成形体とすることができるのである。
上述したスリット状空間は、複合用ダイの外周部から内部に向かって複合用混練体を供給するものである。したがって、強磁性部と非磁性部とが共存する一体的な混練成形体を形成できる。
【００１８】
すなわち、図１１に示す、２種以上の金属粉末を主体とする複合成形体を回転子コア対応形状に形成するための押出成形装置は、金属粉末とバインダとの混練体を複合用ダイに向かって押し出す第１の押出装置と、前記混練体とは異なる複合用混練体を押し出す第２の押出装置を具備しており、前記複合用ダイは、第１の押出装置からの混練体流路を構成する貫通孔と、前記複合用ダイの外周部から中心部に向かって構成され、かつ前記貫通孔の下流方向に連続したスリット状空間とを有し、このスリット状空間には前記第２の押出装置が連結され、前記スリット状空間に前記複合用混練体を押し出すものである。
【００１９】
例えば、複合用ダイとしては、図１０に示す構造を使用することができる。図１０の（ａ）は本発明の複合用ダイの一例を示す側面図であり、図１０の（ｂ）は、そのＡ−Ａ断面図である。
図１０の（ｂ）においては、図面後方から導入された混練体（第１混練体）は、貫通孔２によって断面が貫通孔２の形状に成形され紙面前方に押し出される。一方、複合用ダイの外周部に複合用混練体（第２混練体）を供給すると、貫通孔２の外壁７と図１０で破線により示したマンドレル４によって形成されるスリット状空間３に複合用混練体が満たされ、スリット状空間３の断面形状に成形されつつ、図面前方に押し出される。
複合用ダイを通過すると貫通孔２とスリット状空間３を隔てる薄い外壁７がなくなり、図９（ｂ）に示す複合成形体となるものである。
【００２０】
なお、複合用ダイの下流側に、前記複合用ダイの開口径よりも小さい径を有する圧着用ダイを具備するようにし、第１混練体と複合用混練体（第２混練体）とを圧着することが成形密度のより均一な複合成形体が得られるため好ましい。
さらに、図１０（ｂ）の外壁７の形状を変更することにより、図９（ａ）の複合成形体を形成できる。
また、さらに、本発明の複合成形体は、比較的柔らかいため公知の切断手段（例えば、ワイヤー状の切断刃等）によって切断可能であり、薄板状にカットすることにより、図９（ｃ）の薄板状成形体を得ることができる。
【００２１】
上記のようにして得られた複合成形体を適宜の公知条件で脱脂したのち、燒結して本発明の回転子コアを製作できる。
【００２２】
本発明に使用される金属粉末としては上記に限定されるものではなく、例えば、強磁性金属粉末としてはけい素鋼、マルテンサイト系やフェライト系に代表される磁性ステンレス鋼、パーマロイ、パーメンダー、ＳＳ４１やＳＳ４００等の炭素鋼、高マンガン鋼等の公知の強磁性材料の粉末を使用することが可能である。
また、非磁性金属粉末としてはアルミニウム合金、非磁性ステンレス鋼、チタン合金等の公知の非磁性粉末を使用することが可能である。
【００２３】
図１の構成によれば、回転子１の外形をほぼ円筒形に保ったまま強磁性部分１１の形状を変化させることができ、高速回転しても風損が大幅に増加することがなく、かつ、強磁性部分１１の形状が機械的強度等の条件で制限されないことから突極比率を従来よりも増加させることが可能となる。
【００２４】
図２に、本発明の実施の形態の別の例を示す。図２において、図１と同一参照符号のものは図１と同一の構成部分である。
図２は従来の単一バリア型リラクタンスモータ用回転子と同等のモータ特性を得ることができる本発明の単一バリア型リラクタンスモータ用回転子１を示している。この構成例によれば、回転子１の内部の強磁性部１１と、非磁性部１８で構成される磁気バリア（突極部１１ａ，１１ａ間の凹部に沿って略帯状に形成されている。）とを一つながりの部材で形成できるので、磁気回路部分のみならずこの磁気バリア部分も回転子１の外周側に作用する遠心力による引っ張り応力を担う事が可能となり、機械強度的に堅牢な回転子を構成できる。また、この磁気バリア部分を回転子１の外周部まで設けることもできることから、機械的強度を維持しながら突極比率を従来のものに対して増加させることができる。
【００２５】
図３（ａ）は図９（ｃ）の薄板状複合成形体を燒結して得られた薄板状の複合燒結体１７を積層して製作した本発明の突極型回転子の一例を示す。また、図３（ｂ）および図３（ｃ）は、各々、図３（ａ）と同様に薄板状の複合成形体を燒結して得られた薄板状の複合燒結体１７を積層して製作した本発明の単一バリア型回転子の一例を示す。
なお、図３（ａ）から図３（ｃ）に示す薄板１７の厚み寸法は０．４５ｍｍに形成され、これを積層して形成された回転子１はうず電流損失を低減化する上で非常に好ましい。この薄板１７の厚み寸法はうず電流損失の低減化の点から、５ｍｍ以下が好ましく、１．０ｍｍ以下が特に好ましいが、その反面、薄板１７をより薄くするためには上記複合成形体の切断性および切断コスト等を考慮する必要があり、これらの制約から薄板１７の厚み下限寸法は適宜決定されるべきものである。
【００２６】
上記の実施の形態例では回転子コアを単一の部材で構成したが、回転子コアの寸法上の制約で、例えば、図１の点線で示すように、複数の部品に分割された回転子コア部品を公知の締結手段を用いて締結して本発明の回転子コアを構成してもよい。
【００２７】
【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強度的に信頼性の高いリラクタンスモータが得られる。
（２）回転子コアの加工工程が少ないため、組立が容易な回転子が得られる。
（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、風損を低下することが可能であり、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が実現できる。
（４）ニアネット形状の金属複合燒結体の薄板が得られ、この薄板に軽度の機械加工を施すのみで、定寸法に形成されたこの金属複合燒結体の薄板が積層されたリラクタンスモータ用回転子を構成できるため、上記効果に加えて渦電流の低減化に極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係わる突極型リラクタンスモータ用回転子の一例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係わる単一バリア型リラクタンスモータ用回転子の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係わる回転子コアが積層されたリラクタンスモータ用回転子の一例を示し、（ａ）は突極型、（ｂ）および（ｃ）は単一バリア型を示す図である。
【図４】リラクタンスモータの概念図を示したものである。
【図５】リラクタンスモータの動作原理を示したものである。
【図６】リラクタンスモータの動作原理を示したものである。
【図７】リラクタンスモータの動作原理を示したものである。
【図８】リラクタンスモータの動作原理を示したものである。
【図９】本発明の実施の形態に係わる複合成形体の一例を示し、（ａ）は単一バリア型、（ｂ）は突極型、（ｃ）は突極型を薄板状に切断したものを示す。
【図１０】本発明の実施の形態に係わる複合用ダイの一例を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態に係わる押出成形装置の一例を示す。
【図１２】従来の突極型リラクタンスモータ用回転子を示す図である。
【図１３】従来の単一バリア型リラクタンスモータ用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、１２８磁気バリア、
５１１回転子突極部分、５３１固定子歯

Claims

貫通孔を通過して所定形状に成形された強磁性金属粉末とバインダとからなる第１の混練体と、スリット状空間を通過して所定形状に成形された非磁性金属粉末とバインダとからなる第２の混練体とが、複合用ダイで同時に押出され、複合用ダイの出口で強磁性金属粉末を含む強磁性成形体層と非磁性金属粉末を含む非磁性成形体層とが所定のパターンで分布するとともに圧着により一体化された複合成形体を成形し、該複合成形体を焼結することを特徴とするリラクタンスモータ用回転子コアの製造方法。