JPH0993886A

JPH0993886A - リラクタンスモータ

Info

Publication number: JPH0993886A
Application number: JP24120395A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Mita; 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: 1997-04-04
Anticipated expiration: 2015-09-20
Also published as: JP3705450B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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
タを提供することを目的とする。【解決手段】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具備するようにリラクタンスモータ
を構成した。

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４
２Ｂ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、本発明の第１の発明では、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具備するようにリラ
クタンスモータを構成した。次に、本発明の第２の発明
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、本発明の
第３の発明では、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】第２および第３の発明では、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、上記各本発明では、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４７ｍ
ｍ、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６０ｍ
ｍ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、１
２８磁気バリア、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同一素
材の金属粉末複合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】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突極型の
リラクタンスモータ。
【請求項３】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
とを特徴とする単一バリア型リラクタンスモータ。
【請求項４】回転子コアは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２または３に記載のリラ
クタンスモータ。
【請求項５】非磁性金属粉末と強磁性金属粉末との複
合体を押出成形方法により形成することを特徴とする請
求項１乃至４のいずれかに記載の金属粉末複合燒結体の
押出成形方法。