(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子鉄心が軟磁性体薄板の積層体で形成され、その外周面が機械加工され、表面熱処理が施された回転子を用いる回転電機であって、
回転子外周面の円周方向表面応力が０〜７００ＭＰａの範囲内で、かつ軸方向表面応力が０〜２００ＭＰａの範囲内であることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機において、
前記表面熱処理が施された回転子として、誘導加熱処理された回転子を用いることを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項１に記載の回転電機において、
前記表面熱処理が施された回転子として、火炎加熱処理された回転子を用いることを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項１に記載の回転電機において、
前記表面熱処理が施された回転子として、流動層加熱処理された回転子を用いることを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１つに記載の回転電機が、誘導電動機または永久磁石電動機であることを特徴とする回転電機。
【請求項６】
軟磁性薄板の積層体で形成された回転子鉄心の外周面を機械加工する工程と、
前記回転子鉄心の外周面の表面を熱処理して、回転子外周面の円周方向表面応力が０〜７００ＭＰａの範囲内で、かつ軸方向表面応力が０〜２００ＭＰａの範囲内とする工程と、
を備える回転電機の回転子の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の回転電機の回転子の製造方法において、
前記回転子鉄心の外周面の表面の熱処理方法として、誘導加熱を用いたことを特徴とする、回転電機の回転子の製造方法。
【請求項８】
請求項６に記載の回転電機の回転子の製造方法において、
前記回転子鉄心の外周面の表面の熱処理方法として、火炎加熱を用いたことを特徴とする、回転電機の回転子の製造方法。
【請求項９】
請求項６に記載の回転電機の回転子の製造方法において、
前記回転子鉄心の外周面の表面の熱処理方法として、流動層加熱を用いたことを特徴とする、回転電機の回転子の製造方法。
【請求項１０】
請求項６〜９の何れか１つに記載の回転電機の回転子の製造方法において、
回転電機が、誘導電動機または永久磁石電動機であることを特徴とする回転電機の回転子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁鋼板等の軟磁性薄板積層体で鉄心（コア）が形成された回転子（ロータ）を用いる三相かご型誘導モータ等の回転電機（モータ）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転電機（モータ）は、電力量の４０％使用する最大電力消費機器であり、発電におけるＣＯ２ガス放出削減による地球温暖化防止の観点から、モータには損失低減、高効率化による電気エネルギー消費量の低減が求められている。
【０００３】
モータの損失は、固定子（ステータ）コアに発生する鉄損、ステータ巻線の１次銅損、ロータ内導体の２次銅損、ベアリングの摩擦損、冷却ファンでの風損による機械損および漂遊負荷損に大別される。
【０００４】
これらの損失中、鉄損、銅損が主たる損失構成要素となり、これら主損失低減を目的として、モータ設計の高度化、材料特性向上といった技術改善が積極的に行われてきており、これらの主たる損失低減はほぼ限界に近づいてきている。
【０００５】
残る損失の中では、漂遊負荷損は、全損失に対する割合が比較的高く、効率面での影響度を有している。漂遊負荷損については、その発生機構に関しては未解明の部分が多く、低減余地が多く残された損失となっている。漂遊負荷損は、主にモータ内に不可避的に発生する高調波磁束に起因するとされ、例えば、特許文献１に記載されるように、三相かご型誘導モータに関し、ロータのスロット外周部にスリットを設ける手法が漂遊負荷損低減手法として提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２２４３５８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】大穀晃裕、他７名、“鉄心内部の応力分布の影響を考慮した永久磁石モータのコギングトルク解析”、電気学会論文誌Ｄ、Vol.126、No.1、pp.74-83（2006）
【非特許文献２】石橋文徳、他２名、“誘導モータギャップの高周波電磁力”、電気学会論文誌Ｄ、Vol.129、No.4、pp.376-381（2009）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１では、スロット外周部のスリットとスロット間にブリッジ部を形成し、ダイキャストにより形成される２次導体（ロータバー）がスリット内に押出されないようにする必要がある。この場合、ブリッジ部幅が０．３〜０．５ｍｍと狭くなるために、ロータコアの打抜き時に金型損傷が起き易くなり、金型費の増大をもたらし、モータ製作コストが高くなるという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記従来技術のような問題がなく、漂遊負荷損が低減された高効率モータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、漂遊負荷損低減に関し、鋭意検討した結果得られたものであり、ロータ製作最終工程で外周が切削等の機械加工を施されるロータの表面を熱処理し、ロータコア表面応力を制御することで、漂遊負荷損を低減できることを見出し、本発明に至った。
【００１１】
漂遊負荷損は、高調波磁束がモータのコア表面に作用する結果、コア表面に渦電流が流れることで生じることが定性的に説明されている。従って、高調波磁束がコアに流れにくくすることで、漂遊負荷損の低減が可能になる。その手段として、本発明では、ロータコア外周の機械加工後に表面に熱処理を施し、ロータコア表面応力をコントロールすることで、ロータコア半径方向に高調波磁束が流れにくくし、その結果、コア表面の高調波磁束浸透による渦電流損失の低減による低漂遊負荷損化が可能になる。
【００１２】
本発明の代表的な「回転電機」の一例を挙げるならば、回転子鉄心が軟磁性体薄板の積層体で形成され、その外周面が機械加工され、表面熱処理が施された回転子を用いる回転電機であって、回転子外周面の円周方向表面応力が０〜７００ＭＰａの範囲内で、かつ軸方向表面応力が０〜２００ＭＰａの範囲内であることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の代表的な「回転電機の回転子の製造方法」の一例を挙げるならば、軟磁性薄板の積層体で形成された回転子鉄心の外周面を機械加工する工程と、前記回転子鉄心の外周面の表面を熱処理して、回転子外周面の円周方向表面応力が０〜７００ＭＰａの範囲内で、かつ軸方向表面応力が０〜２００ＭＰａの範囲内とする工程と、を備えるものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ロータコア外周の機械加工後の表面の熱処理により、ロータコア表面の円周方向応力を０〜７００ＭＰａの範囲内で、かつ軸方向応力を０〜２００ＭＰａの範囲内にコントロールすることにより、漂遊負荷損が低減された高効率モータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明におけるロータコア表面の表面応力を定義する図である。
【図２】本発明の実施例で用いた誘導加熱の模式図である。
【図３】比較例におけるロータコア表面の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図４】電磁鋼板の透磁率と応力の関係を示す図である。
【図５】本発明の表面応力領域を示す図である。
【図６】漂遊負荷損と軸方向表面応力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を説明する。  
出力２．２ｋＷ、４極の三相かご型誘導モータのロータを対象とした実施例、比較例を用いる。ロータには、外径１０９ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの電磁鋼板コアからなる積厚８１ｍｍの積層コアを用いた。ロータコアには、２８のスロットが設けられ、スロット内にダイキャストによるアルミニウムのロータバーが形成されている。ロータバーのダイキャスト後に、ロータコア中央のシャフト孔にシャフトを焼嵌めし、最終工程としてステータ／ロータ間に所定のギャップを設けるための外周加工が施されている。ロータコアは、クローズドスロットであり、１スロット分のスキューが施されている。
【００１７】
同一工程、同一条件で製作されたロータを複数製作し、任意のロータを夫々の条件で熱処理し、漂遊負荷損と表面応力（残留応力）を測定し、漂遊負荷損と表面応力との間の相関性を評価した。
【００１８】
漂遊負荷損の測定では、ステータを固定し、夫々の条件で熱処理されたロータを差し替えて測定し、ステータ特性のバラつきの影響を排除した。ステータのスロット数は、３６である。漂遊負荷損測定は、日本工業規格ＪＩＳ  Ｃ４０３４−２−１に準拠して行った。
【００１９】
表面応力は、Ｘ線応力測定法により測定した。測定エリアは、ロータコア中央の４ｍｍ×４ｍｍの矩形領域とし、ｓｉｎψ２法によりロータコアの円周方向および軸方向の表面応力を求めた。
【００２０】
図１は、実施例、比較例に用いたロータ１に対し、測定した表面応力の方向を図示したものである。図において、ロータ１の軸方向に対応する符号５が軸方向表面応力を、ロータ１の円周方向に対応する符号６が円周方向表面応力を表す。ロータ１は、ロータコア２内のスロット（図示せず）、両端のエンドリング３および冷却フィン（図示せず）がダイキャストにより一括成形されて、その後に、シャフト４が焼嵌めされている。漂遊負荷損の測定後にロータ１をステータから取り外し、ロータコア２の中央部に波長０．２２９１ｎｍのＣｒＫα特性Ｘ線を照射し、軸方向表面応力５、円周方向表面応力６を測定した。回折面は（２１１）面とした。
【００２１】
表１に、本発明における実施例と比較例の漂遊負荷損と表面応力の測定結果を示した。漂遊負荷損は、２００Ｖ／５０Ｈｚでの値である。表面応力値は、プラスの場合は引張応力を、マイナスの場合は圧縮応力が作用していることを示す。
【００２２】
〔表１〕
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【００２３】
実施例１から実施例５、および比較例２は、周波数２３ｋＨｚ、１０ｋＷの高周波誘導加熱電源を用いて表面加熱した場合の測定結果であり、実施例１の誘導加熱Ａから比較例２の誘導加熱Ｆの順に加熱時間を長くして試験した結果である。具体的には、誘導加熱ＡからＦの順に、加熱時間を７５，１００，１５０，２００，２５０，３００秒と長時間化し、加熱時間の影響を評価した。
【００２４】
図２は、実施例１〜５、比較例２のロータの加熱に用いた誘導加熱の模式図を示したものである。ロータ１の周囲にソレノイドコイル状の誘導コイル７を配して高周波電流を流して加熱した。誘導コイル７は、銅管製で通電時に水冷される。
【００２５】
実施例６、比較例３は、ロータの表面加熱に火炎加熱法を適用した結果である。火炎には、アセチレン、酸素混合バーナー火炎を用い、実施例６の火炎加熱Ａでは、酸素圧力を２．５ｋｇ／ｃｍ２とし、比較例３の火炎加熱Ｂでは、酸素圧力を５．０ｋｇ／ｃｍ２とした。アセチレンガスは、上記酸素圧力で火炎状態が最適形状を示すように流量調整した。
【００２６】
実施例７は、アルミナ粉末に高温ガスを吹き込み熱処理する流動層加熱によりロータの表面を加熱した結果である。アルミナ流動層の温度を６００°Ｃとし、ロータの浸漬時間を１分間とした。
【００２７】
比較例１は、ロータコア外周は、機械加工されているが、その後に熱処理されない一般的なロータである。本発明では、比較例１を基準にその漂遊負荷損からの増減で効果有無を判断した。そして、このロータとの漂遊負荷損の差により、ロータ加熱効果の良否を判定した。
【００２８】
表１からわかるように、ロータの表面が熱処理されることで比較例１のロータコア外周機械加工状態から表面応力が緩和され、応力レベルが低下し、それに伴い、漂遊負荷損が低下することがわかる。
【００２９】
図３は、熱処理されていない比較例１の、機械加工されたロータコア外周の金属組織を示す顕微鏡写真である。図は、機械加工外周面１１近傍の組織を示したものである。機械加工における切削工具刃先は、図３の左方から右方に移動し、ロータコア表面を切削している。図３には、機械加工外周面から半径方向に１００μｍ程度入った領域には、コア材の電磁鋼板初期組織である再結晶粒１２の存在が明瞭に観察され、コア外周の機械加工の影響が及ばないことがわかる。これに対し、外周機械加工面の半径方向直下には、切削加工で生じた剪断帯が明瞭に観察され、塑性歪みの残留が容易に理解できる。
【００３０】
一方、本発明に用いたＸ線応力測定におけるＸ線の浸透深さが、数μｍであることを考えると、表１の表面応力は、塑性歪みに対応した応力値であることが理解できる（Ｘ線応力測定では、基本的に歪みを計測している。）。
【００３１】
ここで、円周方向、軸方向、半径方向の塑性歪みをそれぞれ、εθ、εＺ、εｒとすると、各塑性歪み間には、次の式１の関係が近似的に成立する。
【００３２】
εθ＋εｚ＋εｒ＝０    ・・・(1)
この式から、円周方向の塑性歪みおよび軸方向の塑性歪みが正の値で大きければ、半径方向の塑性歪みが負の値で大きくなる。上記したように、表面応力の存在は、歪みの存在と同義であるから、コア表面の軸方向応力或いは円周方向応力により、コア外周機械加工面の直下領域においてコア半径方向の塑性歪みεｒが発生し、そのレベルが、機械加工された初期状態から実施例の熱処理により軽減される。ここで、コア表面の応力が正の値であれば、コア半径方向の歪みは負の値となり、コア半径方向の塑性歪みは圧縮方向の歪みとなる。
【００３３】
ところで、コア材の電磁鋼板は、圧縮歪み（応力）の作用で透磁率が大きく低下することが知られている（非特許文献１参照）。また、ステータコアに設けられたスロット等の影響を受け、モータのステータ、ロータ間の空隙には高調波磁束が発生する（非特許文献２参照）。この高調波磁束による渦電流損が漂遊負荷損の一因となり、本発明の実施例、比較例において得られた結果は、主にロータコアの透磁率と高調波磁束による渦電流の関係から説明され得る。
【００３４】
図４に、非特許文献１から引用した電磁鋼板の比透磁率と応力の関係を示す。横軸は印加応力を表し、正の値は引張応力を、負の値は圧縮応力を示す。圧縮応力の作用で透磁率が急激に低下することがわかる。図においては、磁束密度Ｂが０．５Ｔ，１．０Ｔ，１．５Ｔのグラフが示されている。
【００３５】
高調波磁束の浸透深さδは、高調波磁束の周波数をｆ、コア材の比抵抗をρ、透磁率をμとして、次の式２で表される。
【００３６】
δ＝（ρ／πｆμ）１／２    ・・・(2)
この式から、透磁率μが増加すると高調波磁束の浸透深さδは減少する。
【００３７】
ロータコア外周の半径方向の圧縮歪みの低減と伴に、半径方向の透磁率が回復する。それに伴い、半径方向の高調波磁束がロータコアに浸透しにくくなる。本発明の実施例、比較例に用いた誘導モータのロータコアは、上記したようにクローズドスロット形状を有しており、ロータ最外周面とロータバー間には、コア材が介在する。ロータコア外周の半径方向圧縮歪みが大きく、ロータコア半径方向の透磁率が低い場合は、半径方向の高調波磁束が浸透しやすくなり、ロータ最外周面とロータバー間に介在するコアを通過しロータバーに達することが十分に考えられる。その場合は、電気抵抗の低いロータバー内を高調波磁束による渦電流が流れることになり損失が増大する。
【００３８】
ロータコア外周の半径方向圧縮歪みの軽減に伴い、半径方向高調波磁束がロータコアに浸透しにくくなれば、高調波磁束による渦電流はロータ最外周面とロータバー間に介在するコア内を流れるのみであり損失が低減する。
【００３９】
表面加熱による塑性歪みの解放が進むに伴い、比較例２，３のように軸方向表面応力は圧縮応力状態に転じる。この現象は、機械加工時に存在する半径方向の複雑な応力状態によって起こる現象と推察されるが、軸方向の圧縮応力化（圧縮歪み化）に伴う、軸方向透磁率が低下する。
本発明の実施例、比較例に用いた誘導モータのロータコアは、上述したように、スキューされている。スキューされることで、ロータ軸方向に基本波磁束の分布を生じ、漂遊負荷損に含まれる基本波鉄損を生じる。軸方向圧縮応力が作用する場合、透磁率が低くなりスキューによる軸方向磁束分布度合いが激しくなり、基本波鉄損が増大する。そのため、軸方向表面応力は、正の値をとることが好ましい。
【００４０】
円周方向表面応力については、円周方向に圧縮応力が作用し、ロータコア表面の円周方向透磁率が低下すると、円周方向高調波磁束がロータバーを経由するようになるため、半径方向高調波磁束の場合と同様に、アルミニウムのロータバーに渦電流が発生し、損失が増大することになるため好ましくない。そのため、円周方向表面応力は、正の値をとることが好ましい。
【００４１】
図５に、本発明における実施例、比較例各点の表面応力状態を示す。各実施例から、図５に示した応力範囲２１が漂遊負荷損低減に有効な表面応力状態であることがわかる。すなわち、回転子外周面の円周方向表面応力が０〜７００ＭＰａの範囲内で、かつ軸方向表面応力が０〜２００ＭＰａの範囲内とすることが、表遊負荷損の低減に有効な範囲である。
【００４２】
図６は、本発明における実施例、比較例の軸方向表面応力と漂遊負荷損測定値の関係を示したものである。図６では、最小漂遊負荷損が得られる軸方向表面応力条件の存在を示しているが、これは、スキューによる軸方向基本波磁束分布の影響によるものと考えられる。図６から、回転子外周面の軸方向表面応力としては、漂遊負荷損が５５Ｗ以下となる、１５〜１７０ＭＰａの範囲がより好ましい。また、表１のデータから、回転子外周面の円周方向表面応力としては、漂遊負荷損が５５Ｗ以下となる、８０〜６３０ＭＰａの範囲がより好ましい。
【００４３】
本発明のロータ(回転子)の製造方法を、以下に記載する。
電磁鋼板等の軟磁性薄板を積層してロータコア(回転子鉄心)を形成し、ロータバーやシャフトを取り付ける。
次に、ロータ／ステータ間に所定のギャップを設けるために、ロータコアの外周に切削等の機械加工を施す。
次に、ロータコアの表面を加熱処理して、回転子外周面の表面応力が所定の範囲（円周方向表面応力が０〜７００ＭＰａ範囲内で、かつ軸方向表面応力が０〜２００ＭＰａの範囲内）となるように、表面加熱する。ロータの表面加熱方法としては、上記実施例に記載した、誘導加熱、火炎加熱、流動層加熱などを用いることができる。加熱の強さや加熱時間を調整することにより、表面応力を上記所定の範囲とすることができる。
【００４４】
本発明の実施例では、ロータの表面加熱方法として。誘導加熱、火炎加熱、流動層加熱の３手法を用い、その効果を検証したが、これらの熱処理方法の他、溶融塩加熱、レーザ加熱、プラズマ加熱法の適用が可能である。
【００４５】
また、本実施の形態では、誘導電動機（ＩＭモータ）を例に説明したが、永久磁石電動機（ＰＭモータ）などの他の形式の電動機についても本発明を用いることができる。
【００４６】
本実施例によれば、回転子鉄心が軟磁性体薄板の積層体で形成され、その外周面が機械加工された回転電機の回転子において、表面熱処理により回転子外周面の円周方向表面応力が０〜７００ＭＰａの範囲内で、かつ軸方向表面応力が０〜２００ＭＰａ範囲内とすることにより、漂遊負荷損が低減された高効率モータを提供することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１  ロータ
２  ロータコア
３  エンドリング
４  シャフト
５  軸方向表面応力
６  円周方向表面応力
７  誘導加熱コイル
１１  外周機械加工面
１２  結晶粒
２１  有効表面応力領域
【図１】
0006373788.tif 000003
【図２】
0006373788.tif 000004
【図３】
0006373788.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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