(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面が円筒状に形成される円筒状の固定子コア及び該固定子コアに設けられた複数のティースの各々に巻回された複数の巻線を備えた固定子と、前記固定子コアの内周側に回転自在に配置されるとともに、外周面が円筒状に形成される円筒状の塊状鉄心よりなる回転子コア及び該回転子コアに固定されたシャフトを備えた回転子とを備え、
前記回転子コアが、外周面を円筒状に保ったままで、外周の一部に前記回転子コアの軸方向に延びる非磁性部を備え、軸方向から見た前記非磁性部の形が半円形状になっていることを特徴とするソリッドロータ誘導電動機。
【請求項２】
前記非磁性部は、前記回転子コアの外周面から突出しない形で前記回転子コアの外周面に沿って円周方向に均等な間隔で複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載のソリッドロータ誘導電動機。
【請求項３】
内周面が円筒状に形成される円筒状の固定子コアを形成する工程と、該固定子コアに設けられた複数のティースの各々に複数の巻線を巻回する工程と、外周面が円筒状に形成される円筒状の塊状鉄心よりなる回転子コアを形成する工程と、前記回転子コアにシャフトを固定する工程と、前記回転子コアを前記固定子コアの内周側に回転自在に配置する工程とを備え、
前記回転子コアを形成する工程が、前記塊状鉄心となる素材を円筒状に成形する工程と、円筒状に成形された前記素材の外周の一部の箇所に非磁性化を行って非磁性部を形成する工程とを含み、軸方向から見た前記非磁性部の形が半円形状になっていることを特徴とするソリッドロータ誘導電動機の製造方法。
【請求項４】
前記非磁性部を形成する工程は、円筒状に形成された前記素材の外周面の円周方向に均等な間隔の複数の箇所に非磁性化を行って、複数の非磁性部を前記素材の外周面に沿って円周方向に均等な間隔で形成するものであることを特徴とする請求項３に記載のソリッドロータ誘導電動機の製造方法。
【請求項５】
前記非磁性化は、非磁性化を行う前記箇所にレーザ照射によって局所的に加熱するともに前記箇所を急冷することにより行うことを特徴とする請求項３又は４に記載のソリッドロータ誘導電動機の製造方法。
【請求項６】
前記素材として、マルテンサイト系のステンレス材を用いることを特徴とする請求項３乃至５のうちいずれか一項に記載のソリッドロータ誘導電動機の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソリッドロータ誘導電動機及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＥＶ（Electric Vehicle）やＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）の主機として用いられる電動機は、小型で大出力を得るために高速回転領域で使用されることが増えてきている。一般的には、電動機を小型・大出力化するためには誘導電動機よりも永久磁石式電動機の方が適している。しかも、効率の面でも永久磁石式電動機の方が優れている。しかしながら、永久磁石式電動機は回転子の表面若しくは内部に永久磁石を配置する複雑な構造になっており、遠心力に弱いという欠点がある。一方、誘導電動機の中でも、回転子コアに塊状の鉄心を用いるソリッドロータ誘導電動機は、基本的には回転子が塊状鉄心よりなる回転子コアと回転子コアに固定されたシャフトのみからなり、非常に堅牢である。このため、ソリッドロータ誘導電動機は、永久磁石式電動機では実現できないような高速回転も可能である。
【０００３】
しかしながら、ソリッドロータ誘導電動機において、回転子コアを最も単純な円筒形状にした場合には、誘導電動機の中でも特に効率が低いという欠点がある。これは、円筒形状の回転子コアを用いた場合、２次電流（誘導電流）がトルクを発生させない方向にも流れるため、同一のトルクを発生させるためには余計に１次電流（固定子の巻線に流す電流）を流す必要があることなどが原因である。
この問題を解決する方法として、例えば、非特許文献１に記載されたように、回転子コアの外周に軸方向に沿って溝を設けるという方法がある。このように、溝を設けることにより、２次電流は溝に沿う回転子コアの部分で軸方向に流れることになるため、同一の１次電流の下ではより大きなトルクを発生させることが可能となる。これにより、固定子側の巻線における銅損を低減して効率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「エンドリング付きソリッドロータ誘導電動機の始動特性算定の一方法」電気学会論文誌Ｄ、Ｖｏｌ．１１２Ｎｏ．８、ｐ７６４−７７０、１９９２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、この従来の非特許文献１に示すソリッドロータ誘導電動機の場合、回転子コアの外周に軸方向に沿って溝を設けているので、高速回転時に過大な風損が発生する、という問題がある。
風損とは、モータの回転時に固定子と回転子との間に発生する空気の流れや摩擦によって発生する機械的な損失であり、一般に回転速度の３〜４乗に比例して増加していく。そのため、一般産業用の低速回転モータで風損が問題となることはほとんどないのに対し、例えば、２００００ｒｐｍ程度の高速回転モータでは風損の影響が無視できなくなることが多い。
【０００６】
特に、非特許文献１に示すソリッドロータ誘導電動機の場合、円筒状に形成された回転子コアの外周に軸方向に沿って溝を設けるので、円筒状に形成された固定子コアの内周面との間のギャップが軸方向から見て真円同士の二重円形状にならず、乱流が発生し、風損がさらに増加してしまう。
風損が増加すると、回転子コアの外周に溝を設けても効率が想定ほど上がらないのはもちろん、ギャップ部の過熱による絶縁破壊などから故障を引き起こす可能性もある。
従って、本発明は、この従来の問題点を解決するものであり、その目的は、固定子側の巻線における銅損を低減して効率を向上させることができるとともに、風損を減少させることができる、ソリッドロータ誘導電動機及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係るソリッドロータ誘導電動機は、内周面が円筒状に形成される円筒状の固定子コア及び該固定子コアに設けられた複数のティースの各々に巻回された複数の巻線を備えた固定子と、前記固定子コアの内周側に回転自在に配置されるとともに、外周面が円筒状に形成される円筒状の塊状鉄心よりなる回転子コア及び該回転子コアに固定されたシャフトを備えた回転子とを備え、前記回転子コアが、外周面を円筒状に保ったままで、外周の一部に前記回転子コアの軸方向に延びる非磁性部を備え、軸方向から見た前記非磁性部の形が半円形状になっていることを要旨とする。
【０００８】
また、本発明の別の態様に係るソリッドロータ誘導電動機の製造方法は、内周面が円筒状に形成される円筒状の固定子コアを形成する工程と、該固定子コアに設けられた複数のティースの各々に複数の巻線を巻回する工程と、外周面が円筒状に形成される円筒状の塊状鉄心よりなる回転子コアを形成する工程と、前記回転子コアにシャフトを固定する工程と、前記回転子コアを前記固定子コアの内周側に回転自在に配置する工程とを備え、前記回転子コアを形成する工程が、前記塊状鉄心となる素材を円筒状に成形する工程と、円筒状に成形された前記素材の外周の一部の箇所に非磁性化を行って非磁性部を形成する工程とを含み、軸方向から見た前記非磁性部の形が半円形状になっていることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るソリッドロータ誘導電動機及びその製造方法によれば、固定子側の巻線における銅損を低減して効率を向上させることができるとともに、風損を減少させることができる、ソリッドロータ誘導電動機及びその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係るソリッドロータ誘導電動機の概略構成図である。
【図２】図１に示すソリッドロータ誘導電動機における回転子の概略構成図である。
【図３】参考例に係るソリッドロータ誘導電動機における回転子の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、本発明の一実施形態に係るソリッドロータ誘導電動機１は、円筒状のフレーム２と、フレーム２の内周側に配置された固定子１０と、固定子１０の内周側に所定のギャップＧを隔てて対向して回転自在に配置された回転子２０とを備えている。
ここで、固定子１０は、内周面１１ａが円筒状に形成される円筒状の固定子コア１１と、固定子コア１１の内周面１１ａ側に円周方向に等間隔で形成された２４個のスロット１２及び２４個のティース１３とを備えている。複数のティース１３のそれぞれには、スロット１２内に巻装された巻線１４が巻回されている。
【００１２】
また、回転子２０は、図１及び図２に示すように、外周面２１ａが円筒状に形成される円筒状の塊状鉄心よりなる回転子コア２１と、回転子コア２１の中心孔２１ｂに嵌挿固定されたシャフト３とを備えている。回転子コア２１の「円筒状」の意味は、回転子コア２１の外周面２１ａが軸方向から見て真円である場合と、真円でなくてもよいが、風損を可能な限り低減するという点から真円に近い形状の場合とを含む意である。回転子コア２１は、固定子コア１１の内周側に回転自在に配置されている。
【００１３】
そして、回転子コア２１は、外周面２１ａを円筒状に保ったままで、外周の一部に回転子コア２１の軸方向に延びる非磁性部２２を備えている。具体的に述べると、回転子コア２１の外周には、回転子コア２１の外周面２１ａから突出しない形で回転子コア２１の外周面２１ａに沿って円周方向に均等な間隔で１６個の軸方向に延びる１６個の非磁性部２２が設けられている。各非磁性部２２は、回転子コア２１の軸方向一端面から他端面に至るまで回転子コア２１の軸方向に沿って延びている。
【００１４】
ここで、非磁性部２２を規定する「非磁性」の意味は、常磁性、反磁性及び反強磁性のすべてを含む意であり、いわゆる弱磁性をも含む意である。また、軸方向から見た各非磁性部２２の形は、限定されるものではないが、本実施形態では、概ね半円形状になっている。
そして、固定子１０側の巻線１４に電流が流れると、各非磁性部２２には、固定子１０側から与えられた回転磁界によりそれを打ち消そうとする２次電流（誘導電流）が流れ、この２次電流が回転磁界から力を受け、回転子コア２１が回転磁界と同じ方向に回転する。
【００１５】
この際に、２次電流は各非磁性部２２で回転子コア２１の軸方向に流れることになり、トルクを発生させない方向に流れないため、円筒形状（非磁性部なし）の回転子コアを用いた場合と同一のトルクを発生させるために余計に１次電流（固定子２０の巻線１４に流す電流）を流す必要がない。このため、同一の１次電流の下ではより大きなトルクを発生させることが可能となり、固定子１０側の巻線１４における銅損を低減して効率を向上させることができる。
【００１６】
また、回転子コア２１の外周面２１ａが円筒状に保持されているので、回転子コア２１の外周面２１ａと固定子コア１１の内周面１１ａとの間のギャップＧは軸方向から見て二重円形状となり、風損を減少させることができ、２００００ｒｐｍ程度の高速回転モータに好適に適用できる。
なお、非磁性部２２は、回転子コア２１の外周面２１ａから突出しない形で回転子コア２１の外周面２１ａに沿って円周方向に均等な間隔で複数設けられているので、２次電流を流す非磁性部２２が回転子コア２１の外周面２１ａに沿って円周方向に均等な間隔で複数配置され、回転子コア２１の円周方向で定常的なトルクを得ることができる。
【００１７】
一方、図３に示す参考例に係るソリッドロータ誘導電動機における回転子２０は、塊状鉄心よりなる回転子コア２１と、回転子コア２１の中心孔２１ｂに嵌挿固定されたシャフト３とを備えている。
ここで、回転子コア２１は、円筒状の塊状鉄心の外周に回転子コア２１の軸方向に延びる複数の溝２３を円周方向に均等な間隔で設けてなる。回転子コア２１の外周面２１ａは、複数の溝２３の存在により、軸方向から見て円周方向に均等な間隔で複数の凹形状を形成した形となっている。
図３に示す回転子２０を有するソリッドロータ誘導電動機によれば、回転子コア２１の外周に軸方向に延びる溝２３を形成することにより、固定子側の巻線における銅損を低減することができるものの、高速回転時に溝２３付近で空気の乱流が発生し、風損を増加させてしまうことになる。
【００１８】
次に、図１に示すソリッドロータ誘導電動機１の製造方法について説明する。
ソリッドロータ誘導電動機１の製造に際し、先ず、固定子１０を製造する。
固定子１０の製造工程は、内周面１１ａが円筒状に形成される円筒状の固定子コア１１を形成する工程（固定子コア形成工程）と、固定子コア１１に設けられた複数（本実施形態にあっては、２４個）のティース１３の各々に複数の巻線１４を巻回する工程（巻線巻回工程）とを含む。
【００１９】
ここで、固定子コア形成工程では、軟磁性材料からなる板材を複数（本実施形態にあっては２４個）のスロット１２及び複数（本実施形態にあっては２４個）のティース１３を形成する部分を有する２次元円環形状にプレス加工して打ち抜き、これを必要な枚数だけ積層してカシメや溶接によって積層方向に固定する。これにより、固定子コア１１は形成される。軟磁性材料からなる板材としては、例えば、無方向性電磁鋼板が挙げられる。固定子コア１１の形成に際し、軟磁性フェライト材を所定の３次元形状にプレスし、焼結してもよい。
そして、巻線巻回工程では、巻線１４の素材として、導電性を有し、表面が絶縁されているものを準備する。例えば、巻線１４の素材として、一般的に使用されるマグネットワイヤが好適である。
これにより、固定子１０は製造される。
そして、固定子１０を製造した後に、フレーム２によって固定子１０を固定する。
【００２０】
次に、回転子２０を製造する。
回転子２０の製造工程は、外周面２１ａが軸方向から見て円形状に形成される円筒状の塊状鉄心よりなる回転子コア２１を形成する工程（回転子コア形成工程）と、回転子コア２１にシャフト３を固定する工程（シャフト固定工程）とを備える。
そして、回転子コア形成工程は、塊状鉄心となる素材を円筒状に成形する工程と、円筒状に成形された素材の外周の一部の箇所に非磁性化を行って非磁性部を形成する工程とを含む。
【００２１】
ここで、塊状鉄心となる素材を円筒状に成形する工程における素材、即ち回転子コア２１の素材としては、マルテンサイト系のステンレス材を用いる。この他にも、ＳＣ材やＳＣＭ材なども用いることができる。ＳＣ材やＳＣＭ材を用いる場合には、非磁性部を形成する工程において、改質物質の使用が必要となる。マルテンサイト系のステンレス材は、フェライト相中に炭化物が分散した組織となっている焼きなまし状態で使用すると比較的軟磁気特性が高く、誘導電動機の高トルク化に寄与することができる。このようなマルテンサイト系のステンレス材を鋳造によって円筒状の塊状鉄心とする。
【００２２】
そして、かかる素材を円筒状の塊状鉄心とした後、非磁性化を行う前に、シャフト固定工程となる、シャフト３を中心孔２１ｂに対して焼きばめなどの手段によりはめ込む。このシャフト固定工程は、非磁性化を行った後に行ってもよい。
次いで、円筒状に成形された素材の外周の一部の箇所に非磁性化を行って非磁性部を形成する工程、即ち非磁性化処理を行う。この非磁性化処理においては、円筒状に形成された素材の外周面の円周方向に均等な間隔の複数（本実施形態にあっては、１６箇所）の箇所に非磁性化を行って、複数（本実施形態にあっては１６個）の非磁性部２２を素材の外周面に沿って円周方向に均等な間隔で形成し、回転子コア２１とする。
【００２３】
非磁性化処理に際しては、簡便性などの観点から、非磁性化を行う箇所にレーザ照射によって局所的に加熱するともにこの箇所を急冷することにより行うことが最も好ましいが、局所的に加熱・急冷が可能な手法であれば何でも構わない。また、非磁性化処理に際しては、その処理後に磁性が一部残っても、いわゆる弱磁性であっても本発明の効果は得られるが、非磁化処理時間（レーザ照射の場合はレーザ照射時間）を調整して十分に磁性を消失させることが好ましい。
非磁性化を行う箇所にレーザ照射を行う場合、非磁性化を行う複数の箇所に、素材の外周側から照射する。この場合、非磁性化を行う複数の箇所全体を一度にレーザ照射してもよいし、スポットの小さいレーザをスキャンして各箇所に照射するようにしてもよい。また、レーザ照射後の急冷は、空冷で構わないが、必要に応じて水冷や油冷を行ってもよい。
【００２４】
また、素材としてＳＣ材やＳＣＭ材などを使用する場合には、非磁性のオーステナイト相を安定化させるためにＣｒやＣなどの改質物質の付与が必要である。具体的には、これら改質物質を素材の外周表面に塗布してからレーザ照射を行えばよい。
以上により、回転子２０を得る。
最後に、回転子２０が製造されたならば、回転子コア２１を図示しない軸受を介して固定子コア１１の内周側に回転自在に配置する（回転子コア配置工程）。これにより、ソリッドロータ誘導電動機１が製造される。
【００２５】
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに種々の変更、改良を行うことができる。
例えば、回転子コア２１における非磁性部２２は、回転子コア２１の外周面２１ａを円筒状に保ったままで、回転子コア２１の外周の一部に回転子コア２１の軸方向に延びるものであればよく、回転子コア２１の外周面２１ａに沿って円周方向に均等な間隔で複数設けられているものに限られない。回転子コア２１において、外周面２１ａを円筒状に保ったままで、２次電流を流したい箇所に設ければよい。
また、非磁性部２２の個数は１６個に限らす、任意の個数とすることができる。また、固定子１０側のスロット１２の数も２４個に限らず、任意の個数とすることができる。
【符号の説明】
【００２６】
１  ソリッドロータ誘導電動機
３  シャフト
１０  固定子
１１  固定子コア
１１ａ  内周面
１３  ティース
１４  巻線
２０  回転子
２１  回転子コア
２１ａ  外周面
２２  非磁性部
【図１】
0006613790.tif 000002
【図２】
0006613790.tif 000003
【図３】
0006613790.tif 000004