JP2009038861A - 回転電機のコア構造及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的強度を十分に確保することができ、かつ磁束の漏れを防止して出力効率を向上することができる回転電機用コアを提案する。
【解決手段】 ステータに設けたコア２を、軟磁性金属ガラス合金で成形し、コア２のうち磁気回路の通路となる部位２ｅ，２ｎを非晶質とし、コア２のうち前記通路とならない部位２ｋを結晶質とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、軟磁性金属ガラス合金の特性を活かし、軟磁性金属ガラス合金で回転電機ロータコアやステータコアを成形することで、回転電機の強度および運転性能を向上させる技術に関するものである。

軟磁性金属ガラス合金を用いた回転電機のコアとしては従来、例えば特許文献１に記載のごときものが知られている。
特許文献１に記載の軟磁性金属ガラス合金焼結体は、焼結温度を結晶化開始温度Ｔｘ以下とすることによって、高密度であるとともに非晶質単相組織を維持し、もって高い成形密度と優れた軟磁気特性を両立させた回転電機コアを製造するようにしたものである。
特開平１１−７１６４８号公報

しかしながら、上記従来の非結晶単相組織からなるコアにあっては、コア全体が同じ透磁率となり、コアの部位によっては透磁率が不要に高くなるという問題がある。

かといって、コアのうち高い透磁率を必要とする部位のみを軟磁性金属ガラス合金で成形し、必要としない部位を非磁性材料で形成すれば、コア全体が別部材を組み付けた構成となり、機械的強度において充分とはいえない場合がある。高速で回転するロータのコアは、一体成形して機械的強度を確保するのが望ましい。

またステータのコアについても、以下に述べる問題がある。
回転電機コアを軟磁性金属ガラス合金で成形するに当たっては、安定した出力を得るためコギングトルクを防止するような形状を選定することが望ましい。図６は、エアギャップを挟んで磁気回路を形成するロータ側の永久磁石と、ステータ側のコアとの位置関係を、周方向に展開して一部を示す模式図である。図６に示すように、エアギャップ１０１に面する一方側部材であるステータコア１０２には、電機子コイル１０３を巻回する。そして、該ステータコア１０２先端を、エアギャップ１０１に面する他方側部材である永久磁石１０４に向けるのが常套である。ここで、該ステータコア１０２先端を拡幅して、エアギャップ１０１と隣接する面積を大きくすることでコギングトルクの防止に資する。この場合、ステータコア１０２先端を通過する磁束が、図６に矢印で示すように周方向で隣り合うステータコア１０２先端に流れてしまうと、エアギャップを挟んで形成する磁気回路の磁束が減少し、回転電機の出力効率が低下するという新たな問題が生じる。

上述した新たな問題は、隣り合うステータコア１０２先端同士、すなわち隣り合うコア同士のうち相互の近傍にある近傍部位、に磁束が流れて、磁気回路から磁束が漏れることが原因である。そこで図７に示すように、ステータコア１０２を先端に向かうほど（周方向と直角方向で）徐々に幅広にし、ステータコア先端１０２ｓの縁を先細り形状にする。このように電機子コイル１０３およびステータコア先端１０２ｓ間に空所１０５を設けて、隣り合うステータコア１０２同士で極力、近傍部位を減らすようにすることが考えられる。

しかし、上述した図７に示す回転電機のコアにあっては、なおも以下に説明するような問題を生ずる。
つまり図７に示す従来例にあっては、ステータコア先端１０２ｓの縁が周方向に向かって先細り形状に突出することから、機械的強度において弱点となる。そこで、組立作業中にあっては、ステータコア１０２先端の縁が欠けたり割れたりして毀損しないように、取り扱いに相当の注意を要求されるなど、煩瑣になる。

これまでに述べたロータのコアの問題や、ステータのコアの問題は、ロータおよびステータ間で形成される磁気回路の通路から磁束が漏れることに帰着することを出願人は見出した。

本発明は、上述の実情に鑑み、コアの強度を十分に確保することができ、かつ磁束の漏れを防止して出力効率を向上することができる回転電機用コアを提案するものである。

この目的のため本発明による・・は、請求項１に記載のごとく、
回転電機のロータを、回転電機のステータに対して相対回転可能に軸支し、これらロータおよびステータ間で磁気回路を形成することにより力行運転または回生運転する回転電機において、
前記ロータまたは前記ステータの少なくとも一方に設けたコアを、軟磁性金属ガラス合金で成形し、
該コアのうち、前記磁気回路の通路となる部位を非晶質とし、
該コアのうち、前記通路とならない部位を結晶質としたことを特徴としたものである。

かかる本発明の構成によれば、磁気回路の通路であるか否か等、部位毎に要求される透磁率に関わらず、コア全体を軟磁性金属ガラス合金で一体成形することが可能になるため、コアの機械的強度を向上することができる。したがって、ロータのコアにとっては頗る有利である。
また、図６に沿って上述した形状のステータコアにとっては、エアギャップに面するコアの透磁率を高くして磁気回路の磁束を増やすとともに、隣り合うコア同士のうち近傍部位の透磁率を低くして漏れ磁束を減らすことが可能になることから、コギングトルクを防止して、回転電機の運転性能を確保することができる。
さらに、隣り合うコア同士のうち近傍部位の機械的強度を高くすることが可能となり、コアの欠けおよび毀損の懸念を回避して、回転電機の組立作業における製品の信頼性を確保することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例になる回転電機のコア構造を示し、エアギャップを挟んで磁気回路を形成するロータ側の永久磁石と、ステータ側のコアとの位置関係を、周方向に展開して一部を示す断面図である。図１中、２はステータのコアを、４はロータの永久磁石を示す。永久磁石４は周方向に複数配置されており、図１にはそのうちの２個を示す。ステータコア２も周方向に複数配置されており、図１にはそのうちの２個を示す。これらステータコア２および永久磁石４は、エアギャップ１を介して相互に向かい合っている。ロータは回転するため、永久磁石４はステータコア２に対し図１の左右方向に移動する。ロータの回転中は、エアギャップ１の間隔は一定値を保持する。

図１に示すように、ステータコア２は周方向と直角に延在する。つまり、ステータおよびロータを軸方向に対向配置したアキシャル型の回転電機にあっては、ステータコア２を軸方向に延在するよう配置する。また、外径側または内径側の一方にロータを配置し、他方にステータを配置したラジアル型の回転電機にあっては、ステータコア２を径方向に延在するよう配置する。

各ステータコア２の中程には電機子コイル３を巻回する。電機子コイル３から突出してエアギャップ１と面するステータコア先端６は、図１に示すように、ステータコア２中程よりも拡幅している。ステータコア２は後述する軟磁性金属ガラス合金の粉末を焼結して成形する。ステータコア２のうち、図１に疎なハッチで示す部分、即ちステータコア２の中程２ｎと、ステータコア先端６のうちエアギャップ１に面するエアギャップ部位２ｅは、疎なハッチングで示すように非晶質である。これに対し、図１に密なハッチで示す部分、即ちステータコア先端６のうち、エアギャップ１から離れており、周方向で隣り合う他のロータコア先端６に近い近傍部位２ｋは、密なハッチングで示すように結晶質である。

ここで非晶質および結晶質の特性について付言する。
図２は、軟磁性金属ガラス合金を焼結するに際して、焼結温度と硬度との一般的な関係を示すグラフである。結晶化開始温度Ｔｘ以上で焼結すると、軟磁性金属ガラス合金は結晶質となり、硬度が高くなる。これに対し、結晶化開始温度Ｔｘ以上で焼結すると、軟磁性金属ガラス合金は非晶質となり、結晶質と比較して硬度は高くない。なお、Ｔｘよりも低いＴｇはガラス遷移温度を示す。軟磁性金属ガラス合金を焼結して成形するには、ガラス遷移温度Ｔｇ以上で行う必要がある。

図３は、図２に示す軟磁性金属ガラス合金について焼結温度と透磁率との一般的な関係を示すグラフである。結晶化開始温度Ｔｘ付近で透磁率が最も高くなる。そして焼結温度が結晶化開始温度Ｔｘから離れるほど透磁率が低くなる。

図２および図３に示すような軟磁性金属ガラス合金の具体例として、Ｆｅ₆₀Ｃｏ₃Ｎｉ₇Ｚｒ₁₀Ｂ₂₀、Ｆｅ₅₆Ｃｏ₇Ｎｉ₇Ｚｒ₁₀Ｂ₂₀、Ｆｅ₄₉Ｃｏ₁₄Ｎｉ₇Ｚｒ₁₀Ｂ₂₀、Ｆｅ₄₆Ｃｏ₁₇Ｎｉ₇Ｚｒ₁₀Ｂ₂₀、Ｆｅ₆₄Ｃｏ₃Ｎｉ₃Ｚｒ₁₀Ｂ₂₀、Ｆｅ₅₆Ｃｏ₇Ｎｉ₇Ｚｒ₈Ｎｂ₂Ｂ₂₀、Ｆｅ₅₆Ｃｏ₇Ｎｉ₇Ｚｒ_10-xＮｂ_xＢ₂₀(x=4,6,8,10原子%)、がある。より詳しい成分については、特許文献１を参照されたい。

図１に示す本実施例では、ステータコア中程２ｎおよびエアギャップ部位２ｅが非晶質である。このため、図２、図３に沿って上述した軟磁性金属ガラス合金の特性により、ステータコア中程２ｎおよびエアギャップ部位２ｅの透磁率が高い。したがって、磁気回路の磁束の流れがよくなる。しかも、近傍部位２ｋは結晶質であることから透磁率が低く、周方向で隣り合うステータコア先端６の磁束が流れにくくなる。この結果、磁束が磁気回路から漏れにくくなり回転電機の出力効率が向上する。

しかも図１に示すように、ステータコア先端６を拡幅するにあたって、ステータコア先端６の縁を従来のような先細り形状にする必要がなく、当該縁に厚みを持たせることが可能となる。したがって、ステータコア先端６が欠けたり割れたりして毀損することがない。また、ステータコア中程２ｎと、エアギャップ部位２ｅと、近傍部位２ｋが一体成形されているためコア２全体の強度が高い。

図１に示す本実施例のコア２の製造方法について説明する。
まず、軟磁性金属ガラス合金の粉末を金型に充填し、図２に示すガラス遷移温度Ｔｇから結晶化開始温度Ｔｘまでの間の温度範囲内で、十分に加圧しながらコア２の焼結体を成形する。

次に、得られた非晶質のコア２焼結体の近傍部位２ｋに再度熱処理を施し、その後に冷却する。この再度熱処理は、結晶化開始温度Ｔｘとし、その後に結晶相が析出するよう徐冷する。この結果、ステータコア中程２ｎおよびエアギャップ部位２ｅが非晶質であり、近傍部位２ｋが結晶質であるコア２が出来上がる。

図４は本発明の他の実施例になる回転電機のコア構造を示し、ロータのコアを軸方向からみた様子を示す正面図である。ロータコア１１は円盤形状であり、図示しないステータに対して軸方向に対向する。ロータの略全体を占有するロータコア１１は、軟磁性金属ガラス合金を焼結して成形される。

ロータコア１１の対向面には、永久磁石４を周方向に複数配置する。なお図４には、複数の永久磁石４のうちの３個を代表して示す。

永久磁石４を支持するロータコア１１のうち、図４中、破線で囲まれた範囲になる永久磁石４よりも外径側の部位１１ｓおよび内径側の部位１１ｎを結晶質とする。破線で囲む範囲以外の大部分の部位を非晶質とする。

図４に示す実施例によれば、ロータコア１１の一部１１ｓ，１１ｎを結晶質とすることにより、当該ロータが永久磁石４と同数の突極を具えたものと同等のものになる。したがって、ロータコア１１のうち周方向に配列した結晶質部位（突極）１１ｓ，１１ｎと、図示しないステータのコアおよび電機子コイルとの間でリラクタンストルクを発生させることができ、回転電機の出力増大および出力向上を図ることができる。

また図４に示す実施例によれば、ロータコア１１の一部１１ｓ，１１ｎを結晶質にすることで、ロータコア１１の機械的強度を高めることができる。

そして好ましくは、図４に示す実施例において、永久磁石４をロータコア１１の内部に設けてIPM（Interior Permanent Magnetic）構造として、ロータの機械的強度を一層高めるのがよい。図５には、図４に示すA-Aで破断し、矢の方向から見た断面図を示す。

図５の断面図に示すように、永久磁石４には、矢の向きに磁束が流れる。この磁束は、エアギャップ１を挟んでロータのコア１１と対向する図示しないステータに向かい、磁気回路を形成する。したがって、コア１１のうち、エアギャップ１に面して矢で示す磁気回路の通路となる薄肉のエアギャップ部位１１ｅを疎なハッチングで示すように非晶質とするのがよい。

また、図５中、破線で囲まれた範囲になる永久磁石４と周方向で隣接する部位１１ｍを密なハッチングで示すように結晶質とする。これにより周方向で隣り合う永久磁石４，４同士で磁束がロータコア１１を通って短絡するのを防止でき、回転電機の出力効率を向上させることができる。

また好ましくは、図５に示すように、永久磁石４のステータ側と向かい合う表面の外縁部には面取り４ｍを設け、面取り４ｍをロータコア１１で支持し、この支持部位１１ｍを結晶質とするのがよい。これにより薄肉のエアギャップ部位１１ｅを架設する支持部位１１ｍに応力が集中することを回避するとともに、永久磁石４を面取り部４ｍで確実に支持することができ、ロータの機械的強度を高めることが可能になる。

なお図には示さなかったが、ロータに永久磁石４を設けない構成であっても、ロータコア１１がリラクタンストルクのみで回転すること勿論である。

ところで図１に示す実施例においては、ステータに設けたコア２を、軟磁性金属ガラス合金で成形し、このコア２のうち、磁気回路の通路となる部位２ｎ，２ｅを非晶質とし、コア２のうち、磁気回路の通路とならない部位２ｋを結晶質としたことから、磁気回路から磁束が漏れることを防止するとともに、コア２の機械的強度を高めることができる。また図４に示す実施例においても、磁束が漏れることを防止するとともに、コア１１の機械的強度を高めることができ、ロータのコアにとっては頗る有利である。

つまり図１に示す実施例では、ステータにコア２を周方向に複数配置し、コア２の各々に電機子コイル３を巻回し、コア先端６を電機子コイル３から突出させて、ロータの永久磁石４に向けて配置し、コア先端６のうち、ロータおよびステータ間の隙間であるエアギャップ１に面するエアギャップ部位２ｅを非晶質とし、コア先端６のうち、エアギャップ１には面しないで周方向で隣り合う他のコア先端に近い近傍部位２ｋを結晶質としたことから、
コギングトルクを防止しつつも、隣り合うコア２，２同士のうち近傍部位２ｅの透磁率を低くして漏れ磁束を減らすことが可能になる。さらに、隣り合うコア２，２同士のうち近傍部位２ｋの機械的強度を高くすることが可能となり、コア２の欠けおよび毀損の懸念を回避して、回転電機の組立作業における製品の信頼性を確保することができる。なお図には示さなかったが、ロータに電機子コイルおよびコアを配置する構造の回転電機にも、本発明になる非晶質および結晶質を一体成形したコアを適用可能であること勿論である。

また図４に示す実施例では、ロータを軟磁性金属ガラス合金で成形してロータコア１１とし、ロータコア１１のうちロータコア突極１１ｓ，１１ｎを結晶質とし、ロータコア１１のうち１１ｓ，１１ｎ以外の部位を非晶質としたことから、
ロータコア１１にリラクタンストルクを与えることができ、回転電機の出力増大および出力向上を図ることができる。なお図には示さなかったが、永久磁石を具えず突極のみを具えたロータコアであっても、本発明になる非晶質および結晶質を一体成形したコアを適用可能であること勿論である。

また図５に示すように、ロータコア１１には永久磁石４を周方向に複数配置し、ロータコア１１のうち、永久磁石４からステータに向かう磁気回路の磁束の通路となるエアギャップ部位１１ｅを非晶質とし、ロータコア１１のうち、永久磁石４と周方向で隣接する部位１１ｍを結晶質としたことから、
周方向で隣り合う永久磁石４，４同士で磁束がロータコア１１を通って短絡するのを防止でき、回転電機の出力効率を向上させることができる。

また、永久磁石４のステータ側と向かい合う表面の外縁部には面取り４ｍを設け、面取り４ｍをロータコア１１で支持し、ロータコア１１の支持部位１１ｍを、結晶質としたことから、
永久磁石４を面取り部４ｍで確実に支持することができ、ロータの機械的強度を向上することができる。

そして、これらコア２，１１を製造するに際しては、軟磁性金属ガラス合金の粉末を結晶化開始温度以下で焼結してコア２，１１と同形状の非晶質の焼結体を成形し、その後、燒結体のうち結晶質にした部位２ｋ，１１ｓ，１１ｎ，１１ｍに対応する部分を結晶化開始温度以上で再度熱処理して結晶質にする。これにより上述したコア２，１１を効率的に製造することができる。

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり、本発明はその主旨に逸脱しない範囲において種々変更が加えられうるものである。

本発明の一実施例になる回転電機のコア構造を模式的に示す周方向展開断面図である。 軟磁性金属ガラス合金の特性を示す図である。 軟磁性金属ガラス合金の特性を示す図である。 本発明の他の実施例になる回転電機のコア構造を模式的に示す周方向展開断面図である。 同実施例の一部を破断して示す模式的な断面図である。 従来例になる回転電機のコア構造を模式的に示す周方向展開断面図である。 従来例になる回転電機のコア構造を模式的に示す周方向展開断面図である。

符号の説明

１ エアギャップ
２ ステータのコア
２ｅ エアギャップ部位
２ｋ 隣り合うステータコアの近傍に位置する近傍部位
３ 電機子コイル
４ ロータの永久磁石
５ ブレーキペダル
６ ステータコア先端
１１ ロータのコア

Claims (6)

1. 回転電機のロータを、回転電機のステータに対して相対回転可能に軸支し、これらロータおよびステータ間で磁気回路を形成することにより力行運転または回生運転する回転電機において、
   前記ロータまたは前記ステータの少なくとも一方に設けたコアを、軟磁性金属ガラス合金で成形し、
   該コアのうち、前記磁気回路の通路となる部位を非晶質とし、
   該コアのうち、前記通路とならない部位を結晶質としたことを特徴とする回転電機のコア構造。
2. 請求項１に記載の回転電機のコア構造において、
   前記ロータまたは前記ステータの一方部材に、前記コアを周方向に複数配置し、
   該コアの各々に電機子コイルを巻回し、該コア先端を電機子コイルから突出させて、前記ロータまたは前記ステータの他方部材に向けて配置し、
   前記コア先端のうち、ロータおよびステータ間の隙間であるエアギャップに面するエアギャップ部位を非晶質とし、
   前記コア先端のうち、エアギャップには面しないで周方向で隣り合う他のコア先端に近い近傍部位を結晶質としたことを特徴とする回転電機のコア構造。
3. 請求項１に記載の回転電機のコア構造において、
   前記ロータを軟磁性金属ガラス合金で成形してロータコアとし、
   該ロータコアのうちロータコア突極を結晶質とし、該ロータコアのうち他の部位を非晶質としたことを特徴とする回転電機のコア構造。
4. 請求項１に記載の回転電機のコア構造において、
   前記ロータを軟磁性金属ガラス合金で成形してロータコアとし、該ロータコアには永久磁石を周方向に複数配置し、
   該ロータコアのうち、該永久磁石から前記ステータに向かう磁気回路の磁束の通路となる部位を非晶質とし、
   該ロータコアのうち、前記永久磁石と周方向で隣接する部位を結晶質としたことを特徴とする回転電機のコア構造。
5. 請求項４に記載の回転電機のコア構造において、
   前記永久磁石のステータ側と向かい合う表面の外縁部には面取りを設け、
   該面取りを前記ロータコアで支持し、ロータコアの該支持部位を、結晶質としたことを特徴とする回転電機のコア構造。
6. 請求項１〜５に記載の回転電機のコア構造を製造するに際し、
   軟磁性金属ガラス合金の粉末を結晶化開始温度以下で焼結して非晶質の前記コアと同形状の焼結体を成形し、
   その後、該焼結体のうち前記結晶質にした部位に対応する部分を結晶化開始温度以上で再度熱処理して結晶質にすることを特徴とする回転電機のコア構造の製造方法。

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