(57)【要約】【課題】  回転子磁心における半径方向の磁気特性を改善し、トルク特性、エネルギー効率に優れたモ−タ回転子磁心を提供する。【解決手段】  本発明のモ−タ回転子磁心は、強磁性を有する金属材料からなるモ−タ回転子磁心であって、前記金属材料がモ−タ回転子磁心の周方向から半径方向にかけて屈曲した部分を、周方向について複数有することを特徴とする。また、前記金属材料における屈曲した部分が、金属管を加熱、縮径圧延することにより付与されたものとすることもできる。その金属管としては、例えば、mass％でC：0.5％以下、Fe：85％以上を含有する鋼管であり、加熱した後、仕上温度Ar３変態点−10℃以下、かつ縮径率15％以上で縮径圧延されたものである。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性を有する金属材料からなるモ−タ回転子磁心であって、前記金属材料がモ−タ回転子磁心の周方向から半径方向にかけて屈曲した部分を、周方向について複数有することを特徴とするモ−タ回転子磁心。
【請求項２】
前記金属材料における屈曲した部分が、金属管を加熱、縮径圧延することにより付与されたものであることを特徴とする請求項１に記載のモ−タ回転子磁心。
【請求項３】
前記金属管は、mass％でC：0.5％以下、Fe：85％以上を含有する鋼管であり、加熱した後、仕上温度Ar３変態点−10℃以下、かつ縮径率15％以上で縮径圧延されたものであることを特徴とする請求項２に記載のモ−タ回転子磁心。
【請求項４】
前記屈曲した部分が熱間または冷間鍛造により形成されたモ−タ回転子磁心であって、該モ−タ回転子磁心の外周部が切削・研磨により仕上げられることを特徴とする請求項１ないし３に記載のモ−タ回転子磁心。
【請求項５】
請求項１ないし４に記載のモ−タ回転子磁心であり、前記金属材料を屈曲させることによりモ−タ回転子磁心の半径方向に突出した部分が、モ−タ回転子鉄心の磁気突極部分と一致することを特徴とするリラクタンスモ−タ回転子磁心。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種産業用途に用いられる誘導電動機、永久磁石式同期電動機（ブラシレスＤＣモータ）、リラクタンスモータ等のモ−タ磁心(鉄心)に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電動機（モ−タ）は電気エネルギーを有効に機械的回転運動に変換することを目的としており、特に高効率電動機においては、一定入力あたりの出力トルクに優れるとともに、出力／入力で定義されるエネルギー変換効率が高いことが要求される。そのために、近年では、モ−タとして従来広く用いられてきた誘導電動機に加えて、永久磁石式同期電動機（ブラシレスＤＣモータ）、リラクタンスモータなどの多くの方式が用いられてきている。
【０００３】
このようなモ−タの磁心としては種々の構造のものが用いられる。いずれの形式のモ−タにおいても、固定子磁心に関しては、交流励磁される場合には交流磁化が発生するため、積層電磁鋼板が用いられることが多い。
【０００４】
一方、回転子磁心に関しては、誘導電動機の場合には、磁気特性に優れた電磁鋼板を打抜き・積層し、誘導電流を導通させる導体を内部に有する構造が多く用いられている。磁石式同期電動機の場合には、電磁鋼板を打抜き・積層する方法、液体金属を精密鋳造することにより成型する方法、金属塊・金属棒を熱間鍛造または冷間鍛造または切削により成型する方法、金属粉末を圧粉または焼結により成型する方法などがとられており、いずれの方法においても、回転子は表面または内部に永久磁石を整列させて把持することが必要である。その際、回転子を構成する磁石以外の部分は強磁性体であっても、非強磁性体であっても良い。また、リラクタンスモータの場合には、良好な軟磁性を有する強磁性体、中でも積層電磁鋼板が用いられる。
【０００５】
しかし、これらの回転子磁心においては、多くの場合、直流磁化、または交流磁化であっても磁化の変化は低周波であるため、必ずしも電磁鋼板などを積層する必要はない。直流磁化特性を重視してそのような特性に優れた材料をバルク形態で使用することも可能であり、中でも回転子磁心として用いるに形状の上で有利な鋼管を回転子磁心として用いることも可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、鋼管を回転子磁心として用いた場合、形状および集合組織の上からは円周方向が磁化容易方向となり、機能面からは半径方向に磁化して使用されるため、そのままでは十全な磁気特性を発揮することはできない。特に、円周方向に＜１００＞方位を揃えて円周方向の磁気特性を改善した鋼管を利用する場合には、通常の鋼管を使用するよりも磁気回路の上からは不利になることは避けられない。
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、特に、鋼管を回転子磁心として用いる際に生じる問題を解決し、回転子磁心における半径方向の磁気特性を改善し、トルク特性、エネルギー効率に優れたモ−タ回転子磁心を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上述した従来技術の課題を解決すべく検討した結果、鋼管を回転子磁心として用いる場合に、回転子磁心を構成する鋼管等の金属材料が屈曲した部分を有し、これらが回転子磁心の周方向に複数付与することにより、半径方向に良好な磁気特性が得られ、リラクタンストルクが改善され、優れたモ−タ特性を実現することが可能となることが判った。さらに、加熱、縮径圧延を施した鋼管を用いることにより、より一層の効果が得られることをも見いだした。
【０００９】
本発明は、このような知見に基づきなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
【００１０】
［1］強磁性を有する金属材料からなるモ−タ回転子磁心であって、前記金属材料がモ−タ回転子磁心の周方向から半径方向にかけて屈曲した部分を、周方向について複数有することを特徴とするモ−タ回転子磁心。
【００１１】
［2］前記［1］において、前記金属材料における屈曲した部分が、金属管を加熱、縮径圧延することにより付与されたものであることを特徴とするモ−タ回転子磁心。
【００１２】
［3］前記［2］において、前記金属管は、mass％でC：0.5％以下、Fe：85％以上を含有する鋼管であり、加熱した後、仕上温度Ar３変態点−10℃以下、かつ縮径率15％以上で縮径圧延されたものであることを特徴とするモ−タ回転子磁心。
【００１３】
［4］前記［1］〜［3］のいずれかにおいて、前記屈曲した部分が熱間または冷間鍛造により形成されたモ−タ回転子磁心であって、該モ−タ回転子磁心の外周部が切削・研磨により仕上げられることを特徴とするモ−タ回転子磁心。
【００１４】
［5］前記［1］〜［4］のいずれかに記載のモ−タ回転子磁心であり、前記金属材料を屈曲させることによりモ−タ回転子磁心の半径方向に突出した部分が、モ−タ回転子鉄心の磁気突極部分と一致することを特徴とするリラクタンスモ−タ回転子磁心。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、トルク特性、エネルギー効率に優れたモ−タ回転子磁心を得ることができる。
【００１６】
また、本発明のモ−タ回転子磁心は、一定入力あたりの出力トルクに優れるとともに、出力／入力で定義されるエネルギー変換効率が高いことが要求される高効率電動機、例えば、誘導電動機、永久磁石式同期電動機（ブラシレスＤＣモータ）、リラクタンスモータの回転子磁心として非常に有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明のモ−タ回転子磁心について詳細に説明する。
【００１８】
まず、本発明は、強磁性を有する鋼材等の金属材料からなるモ−タ回転子磁心であって、前記金属材料がモータ回転子磁心の周方向から半径方向にかけて屈曲した部分を、周方向について複数有することを主要な要件とする。鋼材が周方向から半径方向に屈曲した構造となることにより、半径方向に良好な磁気特性を付与することが可能となり、リラクタンストルクが改善させ、優れた電動機特性が実現される。
このような金属材料に対して周方向から半径方向に屈曲した構造を付与する方法は、特に限定しない。しかし、本発明の効果を得る上で上記特徴を有していることが必須であり、上記特徴を有した金属材料が周方向から半径方向に屈曲した構造をモータ回転子磁心に付与する方法としては、例えば、熱間または冷間鍛造により屈曲した部分を形成し、そのような屈曲した部分を有するモータ回転子磁心の外周部の少なくとも一部を切削・研磨により仕上げる方法が上げられる。
【００１９】
以上のように、金属材料が周方向から半径方向に屈曲した構造は、半径方向に良好な磁気特性を付与し、リラクタンストルクを改善することを目的としたものであるから、そのような複数の屈曲した部分はトルク発生に有効な周期的構造を持っていることが好ましい。さらに、コギング防止を目的として部分的に変調を与えたり、構造上の必要に関わる非周期的構造を与えたりすることも可能である。
【００２０】
回転子磁心を構成する金属材料は、強磁性であれば良く、特に限定されない。しかし、磁気特性向上の点から、鋼材、特に鋼管に加熱、縮径圧延を施したものを用いることが好ましい。さらには、縮径圧延を行う場合、加熱した後、仕上温度Ar３変態点−10℃以下、かつ縮径率15％以上の条件とすることが好ましい。仕上温度がAr３変態点−10℃を超えると、Ar3変態のために結晶粒の成長を図ることが困難となる。また、縮径率が15％に満たないと、円周方向における＜１００＞方位の集積度が低くなり、効果が小さくなる。
【００２１】
また、成分についても特に限定はせず、必ずしもFeが主成分である必要性はなく、Co、Ni他の強磁性元素またはその合金系であっても良い。しかし一般的には高磁束密度を有するFe基合金が高トルク発生の点で有利である。特にmass％でC：0.5％以下、Feが85％以上を含有する組成になる鋼管を加工してモ−タ回転子磁心として用いることが好ましい。C：0.5％を超えた場合、透磁率が低下し、また、Feが85 mass％未満であると、磁束密度が低下する場合がある。なお、残部は必要に応じて、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、ＳｎおよびＳｂ等の元素を適宜含有させても良いが、これら合計量は、著しく磁束密度を阻害することのない15mass%未満の範囲とする。
【００２２】
ここで、図１は、４極の突部からなる突極構造を有する、リラクタンスモ−タの回転子磁心における磁束の流れを示す図である。図１より、時間の進行とともに、回転子磁心内の磁束の流れは図１（１）から図１（２）に変化し、回転子磁心の円周方向のみならず、磁気突極部分１においては回転子磁心の半径方向に多くの磁束が流れることがわかる。この場合、円周方向に＜１００＞方位が揃った鋼管をモ−タ回転子磁心に用いる際には、突極部において磁束の流れを妨げることになるため、鋼管を、モータ回転子磁心の周方向から半径方向に屈曲させて、回転子磁心における半径方向の磁気特性を改善する必要がある。このような場合に、モ−タ回転子磁心に用いる鋼管として、上記のような加熱、縮径圧延を施し、または／さらにCとFeが所定の範囲内含まれている鋼管は最適であり、このような鋼管を用いることにより半径方向の磁気特性がより一層改善される。
【００２３】
以上のように、モ−タの一つであるリラクタンスモ−タの回転子磁心として本発明のモ−タ回転子磁心を用いる場合、金属材料を屈曲させることによりモータ回転子磁心の半径方向に突出した部分は、モ−タ回転子磁心の磁気突極部分に一致することが好ましい。というのは、モータ回転子磁心の半径方向に突出した部分においては、磁束は主として回転子磁心の半径方向に流れるため、その方向と、素材における良好な磁気特性となる方向とを一致させたほうが有利だからである。
【００２４】
このように、本発明は、回転子磁心のリラクタンスを改善してモ−タ特性を改善するものであるから、回転子磁心に通過する磁束を利用するあらゆる電動機に効果を有する。特にリラクタンスをトルク発生に有効利用するリラクタンスモータや内部磁石型永久磁石式同期電動機により有利に適合する。また、例えば、誘導電動機にも適合する。  
【実施例１】
【００２５】
表１に示す成分系からなる鋼を電縫管とし、誘導加熱によって鋼管を950℃に加熱した後、縮径率65％で縮径圧延を施した。次いで、長さ10mm×管厚圧延ままのリング状試料を採取し、750℃で歪取焼鈍を施した後、磁気測定に供した。各鋼管の縮径後の円周方向直流磁化における最大透磁率を表１に併せて示す。なお、磁気測定はJIS C2504に準拠する方法により行った。
【００２６】
【表１】
2006217706.tif 000003
【００２７】
表１より、鋼No１〜３のいずれを用いた場合も、縮径圧延を施すことにより円周方向に良好な磁気特性が得られていることがわかる。
【００２８】
次に、上記圧延後の鋼管から長さ65mmの部分を切断し、N2雰囲気中で700℃×10min加熱し、直ちに、図２に示すアンビルプレス2により４方向から押圧し、鋼管の外周を４個の突起のある屈曲した形状とし、突起最先端部を研削仕上げして、外形寸法40mm×長さ51mmのリラクタンスモータ回転子磁心を作成した（本発明例）。また、比較例として、鋼管を縮径圧延せずに切断、切削により同形状寸法のリラクタンスモータ回転子磁心（鋼材が屈曲した部分を有せず）を作製した。
【００２９】
上記により得られた本発明例及び比較例のリラクタンスモータ回転子磁心を外径寸法82mm、３相巻線を施した６スロットの固定子磁心中にシャフトを介して挿入し、リラクタンスモータを構成した。巻線に一定電圧にて３相電流を通電し、外部ブレーキを用いてトルク負荷を与え、500rpmにおけるトルクを測定した。測定結果を表２に示す。
【００３０】
【表２】
2006217706.tif 000004
【００３１】
表２より、本発明例では、比較例に比べてトルクの値が高く、トルク特性が格段に改善され優れていることがわかる。
【実施例２】
【００３２】
表１に示す成分組成の鋼を電縫管とし、誘導加熱によって鋼管を950℃に加熱した後、縮径率35％で縮径圧延を施した。次いで、圧延後の鋼管から長さ65mmの部分を切断し、空気中で700℃×10min加熱し、直ちに、図３(1)に示すアンビルプレス2により半径方向に押圧し、鋼管の外周を多数の突起のある屈曲した形状とした後、図３(2)に示すアンビルプレス３により鋼管の周囲から押圧し、さらに図３(3)のように突起最先端部および、磁石挿入部を研削仕上げして、外形寸法55mm×長さ70mmの永久磁石式同期電動機回転子磁心を作製した。比較例として、鋼管を縮径せずに切断、切削により同形状の永久磁石式同期電動機回転子磁心（鋼材が屈曲した部分を有せず）を作製した。なお、永久磁石としてはフェライト磁石４極の構造とした。
【００３３】
上記により得られた本発明例及び比較例の回転子磁心を外形寸法110mm、３相巻線を施した24スロットの固定子磁心中にシャフトを介して挿入し、永久磁石式同期電動機を構成した。巻線に３相電流を通電し、外部ブレーキを用いてトルク負荷を与え、750rpmおよび1500rpmにおけるトルクを測定した。測定結果を表３に示す。また、トルクおよび回転数から出力を求め、入力電力との比から、750rpmおよび1500rpmにおけるエネルギ−効率(出力／入力×100)も測定した。測定結果を表4 に示す。
【００３４】
【表３】
2006217706.tif 000005
【００３５】
【表４】
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【００３６】
表３より、本発明例では、比較例に比べて、750rpmおよび1500rpmのいずれの場合も、トルクの値が高く、トルク特性が格段に改善され優れていることがわかる。
【００３７】
また、表４より、本発明例では、比較例に比べて、750rpmおよび1500rpmのいずれの場合も、エネルギ−効率が高く、エネルギ−効率にも優れていることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
誘導電動機、永久磁石式同期電動機（ブラシレスＤＣモータ）、リラクタンスモータの回転子磁心として非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】従来のリラクタンスモ−タ回転子磁心における磁束の流れを示す図である。
【図２】金属材料(鋼材)が屈曲した部分を有する構造になる、本発明のリラクタンスモータ回転子磁心及びその作製方法を示す図である（実施例１）。
【図３】金属材料(鋼材)が屈曲した部分を有する構造になる、本発明の永久磁石式同期電動機回転子磁心およびその作製方法を示す図である（実施例2）。
【符号の説明】
【００４０】
１  磁気突極部分
２、３  アンビルプレス
【図１】
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【図２】
2006217706.tif 000008
【図３】
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