JPH0775267A - 塊状突極形同期電動機及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】外形を増やすことなく、引入れトルクを増や
す。 【構成】導電率と透磁率が異なる材料を連続的に並べ
て、熱処理炉10に入れ、所定の温度に加熱した後、鍛造
によって一体化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、同期電動機に係り、特
に、回転子の磁極が塊状の磁性材料にて形成される塊状
突極形同期電動機及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の塊状突極形同期電動機のなかの全
閉空気冷却器付形４極同期電動機を図８に示す。図８に
おいて、回転子１の外周に突設された磁極胴部２の外周
には、角形に成形され絶縁樹脂が含浸された界磁巻線３
が挿着されている。この界磁巻線３の回転子１側には、
磁極胴部２の縦断面図を示す図９のように下部絶縁板３
ａがあらかじめ挿入され、界磁巻線３の図８において上
部側にも上部絶縁板３ｂが装着されている。

【０００３】これらの界磁巻線３の間には、回転子１の
角部に、複数のめねじ穴１ａが図９に示すように設けら
れ、隣接した界磁巻線３の間には、台形状の複数のブラ
ケット11が挿着されている。このブラケット11は、先端
がめねじ穴１ａに螺合されたボルト12Ａによって締め付
けられ、このブラケット11の両側面で各界磁巻線３の側
面は、磁極胴部２の側面に押圧されている。

【０００４】磁極胴部２の頂部には、鍛鋼材で外周が弧
状に製作された磁極頭部13が載置され、この磁極頭部13
の弧状の上面には、座ぐり穴13ａが２列に形成されてい
る。この座ぐり穴13ａには、ボルト穴が設けられ、この
ボルト穴には六角穴付きボルト12Ｂが挿入され、磁極頭
部13は、ボルト12Ｂによって磁極胴部２に固定されてい
る。なお、図９は、外周が弧状に形成された磁極頭部13
が磁極胴部２の頂部に固定された場合を示し、機種によ
っては、台形に形成された塊状突極形同期電動機もあ
る。

【０００５】一方、固定子枠５の中央部の内側には、電
機子鉄心４が固定され、この電機子鉄心４の内周に形成
された複数のスロットには、電機子巻線４ａが挿着され
ている。固定子５の上面には、内部に図示しない冷却配
管が配設された空気冷却器６が載置されている。

【０００６】このような塊状突極形の回転子１が組み込
まれた塊状突極形同期電動機においては、周知のよう
に、始動時に磁極頭部13に流れる渦電流と図示しない固
定子巻線との間に働らく電磁力によって誘導電動機とし
て始動され、同期速度近くで界磁巻線を励磁して同期引
き入れを行って運転される。このときには、渦電流は、
磁性材料の磁極頭部13を流れるので、一般に、高抵抗始
動特性と呼ぶ、高始動トルク、低始動電流特性となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このように
構成された塊状突極形同期電動機においては、引入れト
ルクを増やすためには、インピーダンスを減らして全体
の発生トルクを増やさなければならないので、励磁コイ
ルの断面積が増え、それに伴って塊状突極形同期電動機
の外形も増える。

【０００８】図10は、二次回路の抵抗（注；この場合、
磁極頭部13の抵抗）が、高抵抗のときと低抵抗のときに
ついて始動特性がどのように異なるかを示すグラフであ
る。図10において、曲線（ａ）は、高抵抗始動特性で、
同期速度近くのトルク（同期電動機では引入れトルクと
呼ぶ）が減少するため、この塊状突極形同期電動機を設
計する際には、外形を大きく設計する必要がある。

【０００９】一方、図10の曲線（ｂ）で示す低抵抗始動
特性では、十分な同期引入れトルクを確保できるので、
高抵抗特性の塊状突極形同期電動機と比べて外形を減ら
すことができる。そこで、本発明の目的は、外形を増や
すことなく、引入れトルクを増やすことのできる塊状突
極形同期電動機及びその製造方法を得ることである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、回転子の磁極が塊状の磁性材料で形成される塊状突
極形同期電動機において、回転子に突設された塊状磁極
の軸方向端の電気的，磁気的特性を複数の原材料で連続
的に変えたことを特徴とする。

【００１１】また、請求項２に記載の発明は、回転子の
磁極が塊状の磁性材料で形成される塊状突極形同期電動
機の製造方法において、磁極を、電気的，磁気的特性の
異なる原材料を熱処理し一体化したことを特徴とする。

【００１２】さらに、請求項３に記載の発明は、回転子
の磁極が塊状の磁性材料で形成される塊状突極形同期電
動機の製造方法において、磁極を、電気的，磁気的特性
の異なる溶融原材料を順次注湯し凝固させて一体化した
ことを特徴とする。

【００１３】

【作用】塊状磁極の軸方向端の電気的，磁気的特性を上
げることにより、塊状磁極に流れる渦電流が増えるとと
もに、この渦電流の増加に伴い、この渦電流と磁束との
鎖交によりトルクも増大する。

【００１４】

【実施例】図１（ａ）は、本発明の塊状突極形同期電動
機の構造及びその製造方法を示す部分断面図で、従来の
技術で説明した図８の部分拡大図に相当する。但し、図
８で示したボルト12Ｂは省略している。

【００１５】図１（ｂ）は、図１（ａ）で示した磁極頭
部７の部位による導電率の特性を示すグラフで、横軸
は、軸方向の位置、縦軸は磁極頭部の高さと導電率
（σ）の変化を示す。また、図１（ｃ）は、磁極頭部13
の透磁率特性を示すグラフで、横軸は図１（ｂ）と同様
に軸方向の位置、縦軸は、磁極頭部の透磁率（μ）の変
化を示している。

【００１６】図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、本発明
の塊状突極形同期電動機の磁極頭部は、軸方向端部にお
いて、導電率および透磁率が連続的に変化し、中央部に
比べ、軸方向端部の導電率は急激に増加し、透磁率は急
激に減少する特性を持った材料で磁極片を構成してい
る。

【００１７】このような磁極片は、その鋼材製造時の素
材構成、熱処理、鍛造、機械加工を経て作り出すことが
できる。例えば、図２（ａ）に示すように、磁気特性と
導電率が段階的に異なる、すなわち、素材の材料成分が
異なる数種の素材を互いに接合させ、それらを融点付近
の温度に加熱した熱処理炉10で熱処理することにより、
初期の接合面で相互に素材中の組成成分が分子レベルで
拡散させて、磁気特性と導電率が、連続的に変化する領
域が形成されるとともに、一体化させることができる。
その後、機械的強度を上げるために、鍛造ハンマ９によ
る鍛造工程を経て素材８Ａを完成させ、切削仕上げで所
定の寸法に製作する。

【００１８】図３（ｂ）は、組成が異なる素材の接合毎
に、熱処理を繰り返した後、強度を増やすために鍛造工
程を経て素材を完成させた例である。図２においては、
中央部の原素材８の両側に３種類の材料を一度に接合し
たのに対し、図３では、各１種ずつ接合している。

【００１９】図４（ａ）は、このようにして製作した磁
極頭部を組み込んだ塊状突極形同期電動機の始動時（誘
導機運転時）の磁極片表面に流れる渦電流を模式的に表
した図で符号14Ａは、渦電流を示す。図４（ｂ）は、渦
電流回路の一つを更に簡略化した代表の矩形の渦電流回
路（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）を示す。

【００２０】図４（ａ），（ｂ）において、Ａ−Ｂおよ
びＣ−Ｄは、磁極表面の軸方向に流れる渦電流回路で、
Ｂ−ＣおよびＤ−Ａは、磁極表面の回転方向に流れる渦
電流回路で、磁極片の軸方向端部を流れることになる。

【００２１】図５は、図４（ｂ）で示した渦電流回路の
抵抗値を等価回路として表したものである。ここでは更
に単純化して、渦電流回路Ａ−Ｂおよび渦電流回路Ｃ−
Ｄの導電率は、磁極片中央部の材料の導電率（σ１）と
同じとし、その電流回路長を（Ｌ１）とする。渦電流回
路で、Ｂ−ＣおよびＤ−Ａ間は、その回路の電気伝導度
は磁極片軸方向端部の材料の代表の電気伝導度（σ２）
とし、その電流回路長を（Ｌ２）とする。渦電流回路
（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）の全抵抗値（Ｒｎ）は、次式で表す
ことができる。

【００２２】

【数１】 Ｒｎ＝２×｛Ｌ１／（σ１×ｓ）＋Ｌ２／（σ２×ｓ）｝ …（１） 但し、ｓは模式的渦電流回路の電流断面積 これに対し、従来の磁極片の場合は、σ２＝σ１となる
ので、渦電流回路の全抵抗値（Ｒｉ）は次式で表すこと
ができる。

【００２３】

【数２】 Ｒｉ＝２×｛Ｌ１／（σ１×ｓ）＋Ｌ２／（σ２×ｓ）｝ …（２） 図２（ｂ）で示すように、本実施例では、σ１＜σ２で
あるから、（１）、（２）式より、Ｒｎ＜Ｒｉとなる。

【００２４】一方、図２（ｃ）で示すように、磁極片の
軸方向端部で透磁率が中央部に比べて小さくなった場合
には、図６（ａ）に示すように軸方向端部での電機子１
から磁極片への磁束Φの広がりが、従来の磁極片を示す
図６（ｂ）に比べて少なくなり、磁極片表面の渦電流Ｉ
と有効に磁束Φが鎖交することになる。これは、すなわ
ち、電機子と磁極片との磁気的結合が密になることを意
味し、始動時の始動トルクの増加を実現する。

【００２５】したがって、磁極片が、その軸方向端部で
導電率が（１）、（２）式で説明したように連続して増
え、その結果、始動時における二次抵抗となる磁極表面
の渦電流回路の抵抗値が従来の塊状突極形同期電動機よ
りも低抵抗となり、この塊状突極形同期電動機の始動特
性、特に同期投入時の引入れトルクを増やすことができ
る。

【００２６】また、磁極片が、その軸方向端部で透磁率
が中央部に比べて小さくなった場合には、電機子と磁極
片との磁気的結合が密になり、始動トルクが増え、始動
特性を改善できる。

【００２７】さらに、磁極片は回転子の最外周にあるた
め、界磁コイルの遠心力を含め大きな遠心力に耐える必
要があり、また、渦電流による発熱、その熱変形に対し
ても十分な強度を持っていることが要求されるが、本発
明の塊状突極形同期電動機では、磁極片の素材は組成成
分が分子レベルで拡散するほどの条件で熱処理を行い、
異種材料の接合がない一体構成材料となるので、機械強
度的にも、熱応力的にも極端な変曲部が消滅し、遠心
力、渦電流による熱変形に対し、高耐力の磁極片を実現
することになる。

【００２８】次に、図１，図２では、磁極片の素材はそ
の軸方向端部で磁気的特性（透磁率）、電気的特性（導
電率）の両者に連続的な変化を有した材料で構成する事
例で説明したが、もちろん、いずれか一つの特性に連続
的な変化を有した材料で構成しても有効である。

【００２９】図７は、請求項３に記載の塊状突極形同期
電動機の磁極片の素材の製作方法を示す説明図である。
中央部特性の磁極片原素材18の両端部にその特性が異な
る溶融した材料を注湯し、凝固させる作業を数回繰り返
し、熱処理炉10で適切な温度（Ｔ）管理で熱処理を行っ
たのち、鍛造ハンマによる鍛造工程等を経て磁極片素材
を製造してもよい。

【００３０】したがって、このように磁極片が構成され
製造された塊状突極形同期電動機においては、 （１）始動特性、特に同期投入する同期速度近くのトル
ク（引入れトルク）を改善し、小形で、優れた始動特性
の塊状突極形同期電動機を得ることができる。 （２）磁極片の素材は、その材料組成を連続的に変化さ
せながら、機械的強度、熱応力的に極端な特性の変曲部
が消滅し、構造的には完全一体構成となるため、回転部
材として機械的に強度の高い性能機能を実現できる。 （３）連続的に変化させた材料組成を、必要な特性に合
わせて高い自由度で組み合わせて、磁極片素材を製作す
ることが可能なので、電動機の仕様に対応でき最も合理
的な特性の塊状突極形同期電動機が得られる。 （４）優れた電動機特性、機械的機能、しかも高い自由
度で設計ができ、小形で、高性能、高信頼性の塊状突極
形同期電動機となる。

【００３１】

【発明の効果】以上、請求項１に記載の発明によれば、
回転子の磁極が塊状の磁性材料で形成される塊状突極形
同期電動機において、回転子に突設された塊状磁極の軸
方向端の電気的，磁気的特性を複数の原材料で連続的に
変えることで、塊状磁極の軸方向端の電気的，磁気的特
性を上げ、塊状磁極に流れる渦電流を増やすとともに、
この渦電流の増加に伴い、この渦電流と磁束との鎖交に
よるトルクも増やしたので、外形を増やすことなく、引
入れトルクを増やすことのできる塊状突極形同期電動機
を得ることができる。

【００３２】また、請求項２に記載の発明によれば、回
転子の磁極が塊状の磁性材料で形成される塊状突極形同
期電動機の製造方法において、磁極を、電気的，磁気的
特性の異なる原材料を熱処理し一体化することで、塊状
磁極の軸方向端の電気的，磁気的特性を上げ、塊状磁極
に流れる渦電流を増やすとともに、この渦電流の増加に
伴い、この渦電流と磁束との鎖交によるトルクも増やし
たので、外形を増やすことなく、引入れトルクを増やす
ことのできる塊状突極形同期電動機及びその製造方法を
得ることができる。

【００３３】さらに、請求項３に記載の発明によれば、
回転子の磁極が塊状の磁性材料で形成される塊状突極形
同期電動機の製造方法において、磁極を、電気的，磁気
的特性の異なる溶融原材料を順次注湯し凝固させて一体
化することで、塊状磁極の軸方向端の電気的，磁気的特
性を上げ、塊状磁極に流れる渦電流を増やすとともに、
この渦電流の増加に伴い、この渦電流と磁束との鎖交に
よるトルクも増やしたので、外形を増やすことなく、引
入れトルクを増やすことのできる塊状突極形同期電動機
及びその製造方法を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の塊状突極形同期電動機とそ
の製造方法の一実施例を示す部分断面図。（ｂ）は、本
発明の塊状突極形同期電動機及びその製造方法の作用を
示すグラフ図。図１（ｃ）は、本発明の塊状突極形同期
電動機及びその製造方法の図１（ｂ）と異なる作用を示
すグラフ図。

【図２】本発明の塊状突極形同期電動機及びその製造方
法の製造過程を示す説明図。

【図３】本発明の塊状突極形同期電動機及びその製造方
法の図２と異なる製造過程を示す説明図。

【図４】本発明の塊状突極形同期電動機及びその製造方
法の塊状磁極の作用を示す斜視図。

【図５】本発明の塊状突極形同期電動機及びその製造方
法の塊状磁極の図４と異なる作用を示す接続図。

【図６】（ａ）は、本発明の塊状突極形同期電動機とそ
の製造方法の図１（ｂ），（ｃ）と異なる作用を示す部
分断面図。（ｂ）は、従来の塊状突極形同期電動機の作
用を示す部分断面図。

【図７】本発明の塊状突極形同期電動機及びその製造方
法の図２及び図３と異なる製造過程を示す説明図。

【図８】従来の塊状突極形同期電動機の一例を示す断面
図。

【図９】図８の部分縦断面図。

【図１０】従来の塊状突極形同期電動機の始動トルク特
性を示す図。

【符号の説明】

１…回転子、２…磁極胴部、３…界磁巻線、４…電機子
鉄心、７…磁極頭部、８Ａ，８Ｂ…素材、９…鍛造ハン
マ、１０…熱処理炉。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転子の磁極が塊状の磁性材料で形成さ
   れる塊状突極形同期電動機において、前記回転子に突設
   された塊状磁極の軸方向端の電気的，磁気的特性を複数
   の原材料で連続的に変えたことを特徴とする塊状突極形
   同期電動機。
2. 【請求項２】 回転子の磁極が塊状の磁性材料で形成さ
   れる塊状突極形同期電動機の製造方法において、前記磁
   極を、電気的，磁気的特性の異なる原材料を熱処理し一
   体化したことを特徴とする塊状突極形同期電動機の製造
   方法。
3. 【請求項３】 回転子の磁極が塊状の磁性材料で形成さ
   れる塊状突極形同期電動機の製造方法において、前記磁
   極を、電気的，磁気的特性の異なる溶融原材料を順次注
   湯し凝固させて一体化したことを特徴とする塊状突極形
   同期電動機の製造方法。