JP3690616B2

JP3690616B2 - 回転機

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Publication number: JP3690616B2
Application number: JP09263196A
Authority: JP
Inventors: 正裕三田; 崇佐々木
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1996-04-15
Filing date: 1996-04-15
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2016-04-15
Also published as: US5841212A; JPH09285050A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ、発電機などのいわゆる回転機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、モータや発電機などのいわゆる回転機には三相交流電圧を接続する事に非常に適しているインダクション方式が多用されている。しかし、近年、永久磁石の高性能化や、コンピュータを用いた磁界解析技術およびパワーエレクトロニクスの発達等によって、永久磁石界磁型のブラシレスＤＣ方式、あるいはリラクタンス方式の回転機が徐々に増加してきており、従来インダクション方式の回転機で占められていた大出力領域に適用され始めている。
上記のブラシレスＤＣ方式あるいはリラクタンス方式の回転機では、回転子側に電流を供給する必要がないため、インダクションモータなどに比べて高効率でかつ冷却効率の高い回転機が実現されている。
【０００３】
図１０に従来のブラシレスＤＣモータの要部断面図を示す。図１０では、表面磁石型の回転子６０を用いた構成例を示している。
図１０において、１はアークセグネント状の永久磁石であり、半径方向に磁化方向を有してその方向に着磁されるとともに、回転子コア２の外周面に複数の永久磁石１が所定の間隔で配置固定されている。また、回転子コア２は回転軸８のまわりに配置され、表面磁石型の回転子６０が回転自在に構成されている。
３は固定子コアであり、エアギャップ９を介して回転子６０と対向する。４は固定子巻線であり、２０は固定子である。そして、例えば回転子６０の外周側に固定された任意の永久磁石１ａのＮ極から発した磁束Ａは、矢印に示すように固定子コア３ａ部分を通り、再度エアギャップ９を通って永久磁石１ａと逆極性の永久磁石１ｂに達し、さらに矢印のように永久磁石１ｂから回転子コア２内部を通って、永久磁石１ａのＳ極に戻る閉ループを形成する。この際、適宜の固定子巻線４に電流が流れていると、回転子６０との間の電機子相互作用によって回転子６０に回転トルクが発生して回転する。
しかし、図１０では、永久磁石１は回転子コア２の表面に接着剤などで固定されているため、例えば回転子６０が高速回転する場合や回転子６０の直径が大きくなる場合には永久磁石１に大きな遠心力が作用し、永久磁石１が回転子コア２から剥がれる恐れがあった。
【０００４】
このため、図１１の要部断面図に示す従来の円筒状覆い付き表面磁石型回転子７０では、アークセグメント状の永久磁石１の外周側に円筒状の覆い（カバー）５を設けて永久磁石１に作用する遠心力を外側の円筒状の覆い５で受け止めて永久磁石１の剥がれを防止している。２は回転子コアであり、８は回転軸である。上記円筒上の覆い５は例えば一体構造の金属製のものやカーボンファイバー等の人工繊維を巻き回して配置固定されるとともに、強磁性体または非磁性体で形成されて、ルームエアコン用モータ等の用途で実用化されている。
【０００５】
また、上記の剥がれ防止のために、図１２の要部断面図に示す従来の内部磁石型回転子８０では、永久磁石１を回転子コア２内部に配置して作用する遠心力をその回転子コア２によって永久磁石１の外側で受け止める構成が採用されている。
【０００６】
しかし、上記図１１において、円筒状の覆い５の材質を非磁性体とした場合は、磁気的に見ると回転子７０と固定子（図示省略）との間隙すなわちエアギャップ９の間隔がその円筒状の覆い５の厚み分だけ広がってしまう事になり、上記図１０の表面磁石型回転子６０のように永久磁石１の表面がエアギャップ９に直接接している場合に比べて永久磁石１から発した磁力線のうち有効に利用できる磁力線の数すなわち有効磁束量が減少してしまうという問題を有する。
また、上記図１１において、その円筒状の覆い５の材質を強磁性体とした場合では、永久磁石１ａからその円筒状の覆い５の内部を通り、反対極である永久磁石１ｂに達する漏れ磁束Ｃが生じる。この漏れ磁束Ｃは、固定子巻線（図示省略）と鎖交せずモータの回転トルクまたは発電機の発生電力に寄与しない無効磁束である。この場合も、やはり、上記図１０の表面磁石型回転子６０のように永久磁石１の表面がエアギャップ９に直接接している場合に比べて有効に利用できる磁力線の数が減少してしまうという問題がある。
【０００７】
また、上記図１２の内部磁石型回転子８０を用いる場合は、その内部磁石型回転子８０の外周面からエアギャップ９を介して固定子側（図示省略）に永久磁石１からの発生磁束を取り出す必要があり、必然的に回転子コア２が強磁性体とならざるを得ない。このため、回転子コア２において永久磁石１の磁極の近傍にいわゆる漏れ磁束Ｂが発生し、上記図１１の円筒状覆い５付き表面磁石型回転子７０の構成に比べて永久磁石１から発した磁力線のうちで有効に利用できる磁力線の数が減少してしまうという問題を有する。
【０００８】
次に、リラクタンス方式の回転機に使用される回転子の従来例を図１３の要部断面図に示す。
図１３において、リラクタンス方式の回転子９０は磁性体６と非磁性体７とが層状に隣り合って形成された回転子コア２が回転軸８まわりに配置されて構成されている。そして、図示されない固定子側からエアギャップ９を介して交番の回転磁界がその回転子９０に加わると磁性体６部分（ｄ軸）に沿ってその回転磁界の磁束が通りやすく、かつ、磁性体６部分と非磁性体７部分とを横断する（ｑ軸）方向には上記回転磁界の磁束が通りにくいため、図示されない固定子の任意の巻線位置で固定して回転子９０を見ると、その回転子９０の回転角に応じてインダクタンスの差が生じる。そのインダクタンスの差を利用してリラクタンスモータ等を実現している。本発明では、図１３のように回転軸８まわりに磁性体部分６と非磁性体部分７とが多層に隣り合って形成された回転子コア２を有するリラクタンスモータ用回転子の形式を、多層内部磁気障壁型回転子と呼ぶことにする。従来はこの多層内部磁気障壁型回転子を製作するために、特開平６−３１１６７７号公報に開示されるように所定形状の磁性体６の板と非磁性体７の板とを交互に積層してネジ止め等により固定する方法や、円筒状の珪素鋼板の薄板の外周部（強磁性部分）を残して中央部を打ち抜いた後その薄板を積層させてその開いた穴を非磁性体部分として利用する回転子コアの構成等が採用されていたが、いずれもリラクタンス方式の回転子として機械的強度などの信頼性および組立容易性に欠けるものであった。
【０００９】
従来より機械的強度不足の補完や、磁気的効率を向上するために複合磁性材料が用いられている。この複合磁性材料は例えば特開平７−１１３９７号公報に開示されるように、一つの部材内において異なった磁気特性部分（磁性および非磁性部分）すなわち結晶構造の異なる部分を共存形成させる材料であり、モータに適用した例は特開平６−２４５４１８号公報に見られる。しかし、このものは合金鋼に機械的変形および熱履歴を与える事により一つの部材の局部の磁気的性質を他の部分と異なるように構成するとともに、例えば上記図１１における円筒状覆い５の構成において、永久磁石１，１の磁極間部分の外周面に配置される部分を非磁性部分６６３とし、その他の部分を強磁性部分６５０とする事で、永久磁石１から発する磁力線を回転子７０の外周側に効率よく取り出すものである。
なお、上記非磁性部分６６３はその局部的に加熱される部分のオーステナイト変態温度以上でかつ融点未満の温度域で加熱後冷却されて形成されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平７−１１３９７号公報では、その複合磁性材料の最大磁束密度（Ｂｓ）は磁界強度３９８０Ａ／ｍ（５０Ｏｅ）で測定した値で最大でも０．８テスラ（以後、Ｔと略す。）を越えない。０．８Ｔ以上の残留磁束密度（Ｂｒ）を有する永久磁石（例えば、希土類磁石等。）を配置した回転子においてその回転子を構成する回転子コアの最大磁束密度（Ｂｓ）が０．８Ｔ未満であると、その回転子の永久磁石から発した磁束がその回転子コア部分で磁気飽和されてしまい、永久磁石からの磁束を効率よく回転子の外周面に有効磁束として取り出すことができず回転子の磁気的効率を大幅に低下させてしまう。特に、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の異方性焼結磁石等のようにＢｒ＝１．２Ｔ以上の磁石特性のものでは上記の理由から回転機用途での複合磁性材料の強磁性特性として、最大磁束密度（Ｂｓ）が１．２Ｔ以上好ましくは１．３Ｔ以上が必要である。
【００１１】
次に、回転機は、特に自動車用途に使用される場合など、使用環境最低温度が少なくとも−４０℃以下であるといった低温度域での厳しい使用条件がある。
上記の複合磁性材料は含有するクロム量またはニッケル量を下げる事により、室温で最大磁束密度（Ｂｓ）を１．３Ｔ以上とすることは可能である。しかし、その場合にはニッケル等のオーステナイト安定化元素が不足して−１０℃程度で上記複合磁性材料の非磁性部分を構成するオーステナイト相が他の磁性相に相変態してしまい、上記低温度域での非磁性部分が不安定であるという問題があった。
【００１２】
図１４にＣを０．６重量％含むＦｅ−Ｃｒ擬２元系合金の平衡状態図を示す。図１４より、オーステナイト相はＣｒが重量％で０％から１５％までの範囲では約７００〜９００℃以上の高温度域で存在している。また、０．６重量％Ｃ−０〜１５重量％Ｃｒ−残Ｆｅおよび不可避不純物を含む組成の合金を約１０００℃で加熱したのち、フェライト相が生じずにオーステナイト相が保持される冷却速度範囲で急冷すればオーステナイト相からなる非磁性材が得られる。
例えば、ステンレス鋼のＳＵＳ４２０Ｊ２を局部加熱後冷却して強磁性部分と局部の非磁性部分とを共存させた回転子コアの形成例について次に説明する。ＳＵＳ４２０Ｊ２（マルテンサイト系ステンレス鋼）は、その化学成分が重量％で０．２６〜０．４０％Ｃ、１．００％以下のＳｉ、１．００％以下のＭｎ、０．０４０％以下のＰ、０．０３０％以下のＳ、１２．００〜１４．００％のＣｒおよび不可避不純物を含む組成であり、その強磁性特性を向上するために、通常７００〜９００℃で１〜２時間加熱保持後徐冷する熱処理を行うと、その熱処理組織は常温でフェライト相と偏析した炭化物との複合組織（強磁性組織）となっている。この偏析した炭化物はその素材のオーステナイト変態温度以上でかつ融点未満の高温に加熱されても容易にはフェライト相に固溶しない。したがって、オーステナイト安定化元素である炭素が不足した部分すなわち炭化物が偏析した部分が局在したままの上記ＳＵＳ４２０Ｊ２素材を用いて形成した回転子コアの局部を非磁性化のために加熱急冷する処理すなわちその局部をオーステナイト変態点以上でかつその素材の融点未満の温度域で加熱後冷却する処理を行って強磁性部分と非磁性部分とが共存する回転子コアを製作した後、その回転子コアを例えば−４０℃という低温にさらされる自動車用途の回転機に配置すると、−４０℃付近でその回転子コアの局部に形成された溶融凝固部を有しない非磁性部分のオーステナイト相が強磁性のフェライト相に相変態してしまう。したがって、その回転子コアにおける非磁性部分の漏れ磁束抑制作用を消失してしまう。すなわち、上記ＳＵＳ４２０Ｊ２合金の局部を単にオーステナイト変態温度上でかつ溶融しない温度域に加熱後冷却しただけでは、その局部に形成された非磁性部分の比透磁率μｓが−４０℃程度の低温度域で非常に大きくなってしまい、この構成の部品を回転子コアに用いたモータや発電機等では−４０℃程度の低温度域でその磁気的効率が極端に低下するという問題を有する。
したがって、上記従来の問題を踏まえて、本発明の課題は、少なくとも−４０℃までの低温度域における磁気的効率が十分に大きな回転機を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明では、複数の永久磁石が回転子コア内部に配置される内部磁石型回転子を備えた永久磁石界磁方式の回転機であって、回転子コアが同一組成の強磁性部分と非磁性部分とが共存する素材を用いて形成され、その非磁性部分が回転子コアの漏れ磁束発生部分に配置されるとともに溶融凝固組織と加熱冷却組織とで構成され、前記素材は重量％で、１．２０％以下のＣ、１．００％以下のＳｉ、１．００％以下のＭｎ、０．４０％以下のＰ、０．０３％以下のＳ、８．００％以下のＮｉ、１２．００〜１４．００％のＣｒ，残Ｆｅおよび不可避不純物を含むマルテンサイト系および／またはフェライト系ステンレス鋼であり、溶融凝固組織の析出炭化物粒子の総占有面積が加熱冷却組織の析出炭化物粒子の総占有面積より減少している永久磁石界磁方式の回転機を採用した。上記本発明では、その溶融凝固組織が非磁性部分の３０体積％以上であることで低温度域での回転機の磁気的効率を良好に維持することができる。
【００１４】
また、本発明では、回転子コアと、回転子コアの周面に配置される永久磁石と、永久磁石の周面に配置される円筒状覆いとを備える表面磁石型回転子を具備する永久磁石界磁方式の回転機であって、円筒状覆いが同一組成の強磁性部分と非磁性部分とが共存する素材を用いて形成され、その非磁性部分が円筒状覆いの漏れ磁束発生部分に配置されるとともに溶融凝固組織と加熱冷却組織とで構成され、前記素材は重量％で、１．２０％以下のＣ、１．００％以下のＳｉ、１．００％以下のＭｎ、０．４０％以下のＰ、０．０３％以下のＳ、８．００％以下のＮｉ、１２．００〜１４．００％のＣｒ，残Ｆｅおよび不可避不純物を含むマルテンサイト系および／またはフェライト系ステンレス鋼であり、溶融凝固組織の析出炭化物粒子の総占有面積が加熱冷却組織の析出炭化物粒子の総占有面積より減少している永久磁石界磁方式の回転機を採用した。上記本発明では、その溶融凝固組織が非磁性部分の３０体積％以上であることで低温度域での回転機の磁気的効率を良好に維持することができる。
【００１５】
また、本発明では、同一組成の強磁性部分と非磁性部分とが共存する素材を用いて形成される回転子コアを備えたリラクタンス方式の回転機であって、その非磁性部分が溶融凝固組織と加熱冷却組織とで構成され、前記素材は重量％で、１．２０％以下のＣ、１．００％以下のＳｉ、１．００％以下のＭｎ、０．４０％以下のＰ、０．０３％以下のＳ、８．００％以下のＮｉ、１２．００〜１４．００％のＣｒ，残Ｆｅおよび不可避不純物を含むマルテンサイト系および／またはフェライト系ステンレス鋼であり、溶融凝固組織の析出炭化物粒子の総占有面積が加熱冷却組織の析出炭化物粒子の総占有面積より減少しているリラクタンス方式の回転機を採用した。上記本発明では、その溶融凝固組織が非磁性部分の３０体積％以上であることで低温度域での回転機の磁気的効率を良好に維持することができる。
【００１６】
本発明では、回転子コアを構成する複合磁性材（強磁性部分と非磁性部分とが共存する素材）として、例えば、公知のマルテンサイト系および／またはフェライト系ステンレス鋼を用いることができる。
また、本発明の回転子コア形成材料として、例えば、強磁性母相部分の局部に形成された非磁性部分の低温安定性がー４０℃程度までで十分な場合は、ＳＵＳ４２０Ｊ２、ＳＵＳ４０３等のマルテンサイト系ステンレス鋼を用いることができる。ＳＵＳ４２０Ｊ２の化学成分は、重量％で０．２６〜０．４０％Ｃ，１．００％以下のＳｉ，１．００％以下のＭｎ，０．０４０％以下のＰ，０．０３０％以下のＳ，０．６０％以下のＮｉ，１２．００〜１４．００％のＣｒ，残Ｆｅおよび不可避不純物等である。
また、炭素を主体にして低温安定性を増加させる場合には、重量％で表わして０．４０〜１．２０％Ｃ，１．００％以下のＳｉ，１．００％以下のＭｎ，０．０４％以下のＰ，０．０３％以下のＳ，０．６０％以下のＮｉ、１２．００〜１４．００％のＣｒ、残Ｆｅおよび不可避不純物等を含むＳＵＳ４４０Ａに近い組成の合金鋼を使用することができる。
また、炭素含有率が高すぎると錆が発生しやすい事から、オーステナイト安定化元素として炭素を増やす代わりにニッケルを増加させた組成として、例えば、重量％で０．２６〜０．７０％Ｃ、１．００％以下のＳｉ、１．００％以下のＭｎ、０．４０％以下のＰ、０．０３％以下のＳ、８．００％以下のＮｉ、１２．００〜１４．００％のＣｒ，残Ｆｅおよび不可避不純物等を含む公知の磁性ステンレス鋼を使用することができる。
また、本発明の回転子コアにおける非磁性部の低温安定性を重視する場合には、炭素及びニッケルの含有量を大幅に増やすことが有効で、重量％で、１．２０％以下のＣ、１．００％以下のＳｉ、１．００％以下のＭｎ、０．４０％以下のＰ、０．０３％以下のＳ、８．００％以下のＮｉ、１２．００〜１４．００％のＣｒ，残Ｆｅおよび不可避不純物を含む公知の磁性ステンレス鋼を使用することができる。
【００１７】
本発明では、上記非磁性部（加熱溶融凝固部および加熱冷却部）を形成する加熱手段としては、例えばレーザ光、電子ビーム、高温プラズマ、高周波誘導加熱等によるものなどが使用できるが、これらに限定されるものではなく公知の局部加熱手段を適用し得る。
【００１８】
本発明によれば、最大磁束密度（Ｂｓ）が十分に大きな強磁性部と、少なくとも−４０℃程度までの使用環境温度に対して安定な非磁性部（非透磁率μｓ≦２の部分。）が共存する素材を用いて形成された回転子コアでもって、高効率でかつ機械的強度等の信頼性の高い回転子および回転機を構成できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を下記態様により説明する。
図１は本発明の一態様である内部磁石型回転子を示す要部斜視図である。また、図２は図１の回転子を組み込んだ回転機の要部断面図である。
図１において、薄板６７が回転軸８の周囲長手方向に積層配置されて回転子コア６５が構成されている。回転子コア６５において、斜線が付された６６０部分が加熱溶融凝固組織と加熱冷却組織とからなる局部の非磁性部分であり、６５０部分は強磁性部分である。後述するように、上記の６５０部分および６６０部分の組成はその用いた素材のばらつき範囲内にあり実質的に同一組成であることが確認されている。なお、６６０部分に占める上記加熱溶融凝固組織の体積比率が３０体積％以上であることが−４０℃近傍の低温度域での６６０部分の存在安定性の点から好ましい。また、回転子１０の外周側で６５０部分に磁極ＮおよびＳが形成されている。回転子コア６５（薄板６７）には永久磁石１を回転子コア６５内に埋設配置するための貫通孔６８が４箇所設けられている。この貫通孔６８に永久磁石１を挿入し、積層された回転子コア６５内に例えばエポキシ系接着剤を用いて緊密に接着する。永久磁石１には図示の磁極Ｎ，Ｓが付与されて、回転子１０の外周面に非磁性部６６０を介して磁極Ｎ，Ｓが等間隔で合計４極形成されている。
【００２０】
図２に、上記図１の内部磁石型回転子１０を用いたモータの要部断面図を示す。また、図２において、図１と同一符号部分は図１と同一の構成部分である。
図２では、斜線を付した６６０の非磁性部分が回転子コア６５の漏れ磁束発生部分に配置されているので磁束Ｂのような磁束の短絡を発生せず、したがって漏れ磁束は極めて少ない。磁束Ａはモータ出力に寄与する有効磁束を模式的に示している。なお、図２において仮に６６０部分が形成されない場合に発生する漏れ磁束Ｂを便宜上点線で示している。したがって、６６０部分は便宜上点線で示される漏れ磁束Ｂの磁路を遮断し得る回転子コア６５内の任意の位置に形成できる。図１、図２の回転子１０における回転子コア６５の外径寸法は７４ｍｍ、回転軸８を通すために設けた中心の穴部２００の直径は３０ｍｍ、永久磁石１を回転子コア６５内に挿入配置するための貫通孔６８の寸法は磁化方向の厚み３．５ｍｍ×幅１６ｍｍ×回転軸８の長手方向の長さ２３ｍｍの永久磁石１を挿入できる矩形孔であり、回転子コア６５の回転軸８の長手方向の長さも２３ｍｍである。貫通孔６８と回転子コア６５外周面との間の厚み（最小厚み部分の厚み）は３ｍｍ、貫通孔６８と中心の穴部２００間の厚み（最小厚み部分の厚み）は３ｍｍとした。また、薄板６７の厚み寸法は０．４５ｍｍとした。また、本発明のモータを構成する固定子２０と回転子１０間のエアギャップ９の最小間隔ｔは０．３ｍｍとした。なお、この最小間隔０．３ｍｍは図２の回転子１０外周側の芯ぶれ０．０５ｍｍ以下、固定子コア２０の２０ａ部分の倒れ（垂直度）０．０５ｍｍ以下という良好な寸法精度によって回転子１０の回転時の偏芯量が最小限に抑えられて実現された。永久磁石１には例えば残留磁束密度Ｂｒ＝１．１５ＴのＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系異方性焼結磁石（日立金属（株）製ＨＳ−３２ＢＶ）を使用し、回転子コア６５用の形成材料としては下記のものを使用した。
【００２１】
上記回転子コア６５の形成素材としては、例えば、重量％で０．６％Ｃ−１３％Ｃｒ−残Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成のマルテンサイト系ステンレス鋼材を用いている。この素材全体を優れた強磁性特性とするため適宜の磁気焼鈍を行った後のこの素材全体は、室温２０℃で図５のＢ−Ｈ特性に示されるように最大飽和磁束密度Ｂｓ＝１．４Ｔ、保磁力Ｈｃ＝１０Ｏｅという優れた強磁性特性であって、上記図１、図２の回転子コア６５の形成材料として十分な強磁性特性である。
そして、上記強磁性特性を有する板材（例えば、縦１００ｍｍｘ横１００ｍｍｘ厚さ１ｍｍ。）を上記図１の薄板６７の寸法形状に機械加工した後、上記６６０部分に該当する部分を、ＣＯ２レーザを用いて、レーザ出力３．５ｋＷ，掃引速度２m/min．で局部的に加熱溶融後冷却凝固させた。形成された非磁性部分６６０の幅は２〜４ｍｍで略直線状である。なお、この加熱溶融後凝固させる加熱手段を以後溶融熱処理と呼ぶ。この溶融熱処理では酸化防止のために、レーザヘッドおよび上記薄板裏面から大気中でアルゴンガスを吹き付けながら加熱溶融後冷却凝固させている。
【００２２】
図７に、上記薄板６７の外周面に形成された６６０部分の半径方向断面図を示しており、図１と同一符号部分は図１と同一の構成部分である。
図７において、溶融凝固部６６１と、６６１部の周辺に形成されている熱影響部６６２とで上記非磁性部６６０が構成されている。溶融凝固部６６１はデンドライト組織となっている。熱影響部６６２は強磁性母材６５のオーステナイト変態温度以上でかつ溶融しない温度に加熱された領域である。図７において、溶融凝固部６６１と、未溶融で加熱冷却されて非磁性となっている熱影響部６６２の体積比率は７０％：３０％である。
【００２３】
次に、上記非磁性部６６０を形成する比較条件として、上記溶融熱処理条件に代えて、上記６６０部に該当する部分を上記ＣＯ２レーザを用いてそのオーステナイト変態温度以上でかつ溶融しない加熱条件（以後、非溶融熱処理という。）のもとに上記と同様のアルゴンガス雰囲気中で、例えば熱処理温度１１００℃で１秒間上記６６０部の該当部分を加熱し、その後そのアルゴンガス雰囲気中で冷却して未溶融の非磁性部分６６３（図示省略）を形成させた。
【００２４】
次に、上記図７において、薄板６７に形成された６６０部分の断面を、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）を用いて、１５ｋＶ，０．１μＡ，ビーム径５μｍの走査条件で、矢印Ｅの向きに強磁性部６５０（母材部６５）→熱影響部６６２→溶融凝固部６６１にわたって線分析したところ、図９の結果が得られた。なお、上記ＥＰＭＡ分析は上記回転子コア６５の形成素材における必須含有成分であるＣ，Ｃｒおよび不可避不純物元素であるＳｉ，Ｍｎについて行っている。また、図９の左端の縦軸にＣ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｓｉの各元素の測定データのゼロ点を記すとともに、横軸は走査位置に対応している。
図９より、強磁性部６５０と熱影響部６６２と溶融凝固部６６１とにおいて、含有されるＣ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｎ元素の各線状分布の有意差は認められず、その回転子コア６５の形成素材における成分ばらつきの範囲内にあり、強磁性部６５０と熱影響部６６２と溶融凝固部６６１とが実質的に同一組成であることが確認された。
【００２５】
上記の溶融熱処理後および非溶融熱処理後の加熱部分６６０の結晶構造を室温２０℃でＸ線回折により同定したところ、上記の溶融熱処理後および非溶融熱処理後の加熱部分６６０はともに非磁性のオーステナイト組織で形成されていた。
上記の溶融熱処理後および非溶融熱処理後の加熱部分６６０（オーステナイト相）の磁気特性を室温２０℃で測定したところ、両者とも図６のＢ−Ｈカーブを示した。図６より、上記両者の加熱部分６６０の室温２０℃での比透磁率μｓは約１．１でありμｓ≦２という非磁性特性が確保されており上記本発明の回転機における室温２０℃における漏れ磁束抑制作用を十分に達成できる。このμｓ＝１．１という値はほぼ空気と同等の非常に優れた非磁性特性である。
【００２６】
次に、上記の溶融熱処理後および非溶融熱処理後の非磁性部分６６０（オーステナイト相）を、ドライアイスを加えることによって−１０℃〜−６０℃に調整した液体メタノール冷媒中に浸し、その６６０部分のオーステナイト相がフェライト相に変態する温度を調べた。冷媒に浸した時間は３０分であり、その後室温２０℃に戻し、Ｘ線回折で結晶構造を同定した。結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】

【００２８】
表１から、非溶融熱処理を行った従来の非磁性部分６６０を構成する加熱冷却組織部分６６３は−２０℃より低い温度でそのオーステナイト相がフェライト相に変態しており、この非溶融熱処理による回転子コアを用いた以外は図２と同様の構成のモータでは−２０℃より低い低温度域で漏れ磁束が急増してモータ効率が著しく低下した。一方、溶融熱処理を施した本発明の非磁性部分６６０を構成する加熱溶融部分６６１は−６０℃でもそのオーステナイト相が変化することなく安定に存在していた。このため、上記溶融凝固部分６６１を有する回転子コア６５を備えた図２のモータ（本発明）では、−６０℃でもモータ特性は室温（２０℃）と同様に良好であった。なお、本発明の非磁性部分６６０を構成する熱影響部６６２については上記表１の未溶融部６６３部分と同様に、−２０℃より低い低温度域でオーステナイト相がフェライト相に変態していた。
【００２９】
次に、上記加熱溶融部６６１および加熱冷却部６６３のミクロ組織を電子顕微鏡により観察した結果を図８の断面図に示している。図８（ａ）の溶融凝固部６６１では析出している炭化物の数がわずかであるが、図８（ｂ）の加熱冷却部６６３では析出している炭化物粒子数が非常に多い。図８（ｂ）に比べて図８（ａ）の析出炭化物粒子の総占有面積はほぼ１／４０程度に減少していることがわかった。すなわち、非溶融熱処理によって局部を非磁性化するだけではその局部に析出している炭化物が母相に固溶できず、本発明の溶融熱処理によって初めて析出していた炭化物が母相に固溶し、その母相部分の含有する有効炭素量が増加したことでその局部に生成したオーステナイト相の存在安定性が高められて、本発明の溶融熱処理によって上記非磁性部を構成するオーステナイト相がー６０℃までの低温度域で安定な状態が実現されたものと考えられる。
【００３０】
上記図７において、溶融凝固部６６１と、未溶融で加熱冷却されて非磁性となっている熱影響部６６２との体積比率は７０％：３０％であったが、本発明において、その溶融凝固部６６１と熱影響部（加熱冷却部）６６２との体積比率は下記の特定された範囲で適宜形成することが実用的である。
例えば、上記図２の回転機では、回転子１０の外周面における非磁性部６６０の幅が２〜４ｍｍに形成されているが、溶融凝固部６６１と熱影響部（加熱冷却部）６６２との体積比率が変化すると、その非磁性部６６０において、上記図７に示す通り、溶融凝固部６６１の幅Ｗ₆₆₁と、熱影響部（加熱冷却部）６６２の幅Ｗ₆₆₂との寸法比率が当然に変化する。そして、溶融凝固部６６１の体積比率が３０％未満では、−４０℃において、上記の幅Ｗ₆₆₂の部分が磁性相に変態してしまうため、エアギャップ９に接する非磁性部を形成している上記溶融凝固部６６１の幅Ｗ₆₆₁が、回転子１０と固定子２０間のエアギャップ間隔９と同等またはそれ未満の寸法となる場合が生じて、上記の漏れ磁束Ｂを抑制させることが難しくなってしまう。したがって、溶融凝固部６６１の体積比率を３０％以上とするのが実用的であり、非磁性部６６０における溶融凝固部６６１の体積比率が３０％以上では、上記図１２の従来構成の回転子８０を備えた回転機に比べて、−４０℃において、発生する漏れ磁束を約３０％程度に抑えることができる。
さらに、上記図２において、上記溶融凝固部６６１の体積比率を５０％以上とすると、−４０℃において、溶融凝固部６６１を有しない上記の従来構成の回転子８０を備えた回転機に比べて漏れ磁束を約１０％程度とすることができる。
さらに、上記図２において、上記溶融凝固部６６１の体積比率を７０％以上とすることで、−４０℃において、溶融凝固部６６１を有しない上記従来構成の回転子８０を備えた回転機に比べて漏れ磁束を数％程度とすることができる。
なお、上記非磁性部６６０を上記溶融凝固部６６１のみで構成することは、回転子コア６５の形成素材の熱伝導等を考慮すると現実的に不可能である。また、上記溶融凝固部６６１の存在によって、特に回転子コア６５のエアギャップ９側の寸法精度が低下する不具合があるので、上記非磁性部６６０における溶融凝固部６６１の構成体積比率の上限値はこれらを踏まえて適宜決定されるべきである。
【００３１】
次に、本発明の回転機の他の態様を図３の要部断面図に示す。なお、図３において、図１１と同一符号部分は同一の構成部分である。
図３において、円筒状の覆い１５を上記本発明の強磁性部分６５０と非磁性部分６６０とが共存する上記素材で（重量％で０．６％Ｃ−１３％Ｃｒ−残Ｆｅおよび不可避不純物を含む。）構成した。なお、非磁性部分６６０を永久磁石１，１の磁極間の漏れ磁束を生じる位置に配置している。
この構成によって、室温２０℃において回転子３０の有効磁束量が円筒状覆い１５と同一寸法でかつ非磁性体製の円筒状覆いを用いた場合に比べて１０％増加した。なお、円筒状の覆い１５の厚みは１ｍｍ，回転子３０と固定子（図示省略）との間のエアギャップ間隔９は０．５ｍｍである。そして、上記溶融凝固部分６６１を有する非磁性部分６６０を形成した円筒状覆い１５を配置した上記図３の回転子３０を備えた本発明のモータ（図示省略）は−６０℃でも室温（２０℃）と同様の良好なモータ特性を示したが、従来の加熱冷却部分からなる非磁性部分６６３を形成した円筒状覆い５を配置した図１１の回転子７０を備えた従来のモータでは−２０℃より低い低温度域で漏れ磁束が急増してモータ効率が著しく低下した。
【００３２】
次に、本発明の回転機の他の態様を図４の要部斜視図に示す。なお、図４において、図１３と同一符号部分は図１３と同一の構成部分である。
図４において、１ｍｍの厚みで貫通穴８０を中央に有する円筒状板材に打ち抜かれた薄板７７において、強磁性部分６５０に隣接させて非磁性部分６６０が得られるようにＣＯ２レーザビームで上記の加熱溶融熱処理を行った後、回転軸８まわりの長手方向にその薄板７７同志の強磁性部と非磁性部とが連結または一致するように積層固定し、多層内部磁気障壁型回転子５０を製作したところ、磁化容易方向（ｄ軸）と磁化困難方向（ｑ軸）とのインダクタンスの比率である突極比率ξでξ＝Ｌｄ／Ｌｑ＝１２という大変良好な値を得た。この回転子５０を装着したリラクタンスモータ（図示省略）は−６０℃でも室温（２０℃）と同様の良好なモータ特性を示したが、従来の加熱冷却部分６６３で構成される非磁性部７を有する回転子コア２を備えた図１３の回転子９０を配置した従来のリラクタンスモータでは−２０℃より低い低温度域で漏れ磁束が急増してモータ効率が著しく低下した。
【００３３】
次に、上記図３の回転子３０において、エアギャップ９に接する側で円筒状覆い１５の非磁性部６６０における上記溶融凝固部６６１の幅Ｗ₆₆₁が例えば１ｍｍで、その６６１部の両側の熱影響部（加熱冷却部）６６２の幅Ｗ₆₆₂が各１ｍｍの場合、−４０℃では熱影響部（加熱冷却部）６６２が磁性相に変態してしまい、非磁性部６６０の幅Ｗ₆₆₁が１ｍｍとなった。この状態では、図示されない固定子とこの回転子３０との間のエアギャップ９の間隔（例えば、１．０ｍｍ。）に比べて、その幅Ｗ₆₆₁が同等もしくは小さくなると、上記の漏れ磁束Ｃを抑制することが難しくなる。このため、−４０℃において上記エアギャップ９の間隔よりも上記円筒状覆い１５の溶融凝固部６６１の幅Ｗ₆₆₁を厚くするためには溶融凝固部６６１の体積比率を３０％以上とするのが実用的で、溶融凝固部６６１の体積比率が３０％以上では、上記図１１の従来構成の回転子７０を備えた回転機に比べて、−４０℃において、発生する漏れ磁束を約３０％程度に抑えることができる。さらに、上記図３において、上記溶融凝固部６６１の体積比率を５０％以上とすると、−４０℃において、溶融凝固部６６１を有しない上記の従来構成の回転子７０を備えた回転機に比べて漏れ磁束を約１０％程度とすることができる。
さらに、上記図３において、上記溶融凝固部６６１の体積比率を７０％以上とすることで、−４０℃において、溶融凝固部６６１を有しない上記従来構成の回転子７０を備えた回転機に比べて漏れ磁束を数％程度とすることができる。
【００３４】
次に、図４に示す本発明の回転子５０を備えたリラクタンスモータにおいても、エアギャップ９に接する回転子コア７５の外周面における非磁性部６６０を構成する溶融凝固部６６１の幅Ｗ₆₆₁が、その回転子５０と図示されない固定子との間のエアギャップ９の間隔以下に小さくなると上記の交番磁界がｄ軸だけでなくｑ軸方向へ通ってしまい、上記突極比率ξが低下してしまう。したがって、エアギャップ９の間隔より上記幅Ｗ₆₆₁を−４０℃において大に維持する上で、溶融凝固部の体積比率が３０％以上、好ましくは５０％以上、特に好ましくは７０％以上とするのがよい。
【００３５】
本発明の回転機を構成する回転子コアに用い得る複合磁性材料は、上記の通り、強磁性相がフェライト相と炭化物とからなり、非磁性相が同一の強磁性素材の局部を加熱溶融凝固させて形成されるとともに強磁性素材母相と実質的に同一の組成すなわち同一素材における組成ばらつき範囲内の組成を有している。さらに、耐食性を確保するために適量のＣｒを含有するとともに、Ｃおよび／またはＮｉの含有量を増加させる事によりオーステナイト相は安定になるが、これらの元素は最大磁束密度（Ｂｓ）を低下させるため、最大磁束密度（Ｂｓ）を０．８Ｔ以上、好ましくは１．２Ｔ以上、特に好ましくは１．３Ｔ以上とするために、重量％で１．２０％以下のＣ、８．００％以下のＮｉ、Ｃｒ＝１２．００〜１４．００％の含有量とすることが実用的である。
また、最大磁束密度（Ｂｓ）を重視する場合は、上記のＳＵＳ４２０Ｊ２相当の磁性ステンレス鋼を使用できる。この組成の複合磁性材を用いて上記本発明の回転子コアを配設した回転機は、−４０℃程度の低温度域でもその回転子コアの非磁性部分に形成されたオーステナイト相が安定に存在して良好な磁気的効率を維持できる。
また、本発明では上記の溶融熱処理によって回転子コアに非磁性部分を形成するので、その回転子コアに存在する歪みは非常に少なく、したがって打ち抜き等の機械加工性が良好であるという利点を有する。
【００３６】
上記図１および図２では、渦電流対策として回転子コア６５を一体構造の円筒状薄板６７を、その薄板６７同志の強磁性部と非磁性部とを軸方向に一致または連結させて積層して構成したが、例えば上記図１において薄板６７を点線３１で示すように４分割してもよい。この分割は薄板６７において強磁性部分６５０と非磁性部分６６０とが共存する単位で行うことが可能で、その分割数は設計、製作条件を加味して適宜設定することができる。また、上記回転子コア６５を積層体で構成せずに上記の回転子コア６５用素材を用いてバルク材の一体もので形成し上記図１のように強磁性部分６５０と非磁性部分６６０とを共存するようにしてもよい。
【００３７】
上記図３では、円筒状覆い１５を一体構造に形成したが、例えば上記図３において円筒状覆い１５を点線３５で示すように２分割してもよい。この分割は強磁性部分と非磁性部分とが共存する円筒状覆い１５の分割構成部品の単位で行うことが可能で、その分割数は設計、製作条件を加味して適宜設定することができる。
【００３８】
上記図４では、渦電流対策として回転子コア７５を一体構造の円筒状薄板７７を積層して構成したが、例えば上記図４において薄板７７を点線３８で示すように４分割してもよい。この分割は薄板７７において強磁性部分６５０と非磁性部分６６０とが共存する単位で行うことが可能で、その分割数は設計、製作条件を加味して適宜設定することができる。また、上記回転子コア７５を積層体で構成せずに上記の回転子コア７５用素材を用いてバルク材の一体もので形成して上記図４のように強磁性部分６５０と非磁性部分６６０とを多層に共存するようにしてもよい。
【００３９】
本発明で使用する永久磁石は公知の永久磁石を使用できるが、残留磁束密度（Ｂｒ）が０．８Ｔ以上、好ましくは１．０Ｔ以上、特に好ましくは１．２Ｔ以上のものが望ましい。
内部磁石型回転子に配置される永久磁石は上記図１の永久磁石形状に限定されず、アークセグメント状、板状、かまぼこ状などの回転子コアに埋設可能な任意形状が可能である。
円筒状覆い付き表面磁石型磁石回転子に配置される永久磁石は上記図３の永久磁石形状に限定されず、一体もののリング磁石などが使用可能である。
【００４０】
本発明は上記態様に限定されず、公知のモータや発電機に適用可能である。
また、本発明は、上記態様の回転子の磁極数や径寸法に限定されるものではなく、使用目的に応じて適宜決定されるものであるが、特に磁極数が４極〜１００極のものに極めて有用である。また、本実施例においては回転子の外周側に形成される磁極パターンが対称に形成されているが、非対称の磁極パターンとしてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は以上記述のような構成及び作用であるから、下記の効果を奏し得る。（１）低温度域において有効磁束量の高い回転機を提供できる。
（２）希土類磁石から発せられた磁束を効率よく固定子側に取り出すのに十分な最大磁束密度（Ｂｓ）を有する強磁性部分と、低温度域でも安定に存在する非磁性部分とが共存する同一組成の素材で回転子コアまたは円筒状覆いを形成できるため、永久磁石の磁束利用効率が向上するとともに、回転機の低温度域での有効磁束量が大幅に向上する。
（３）最大磁束密度（Ｂｓ）が高い強磁性部分と、低温度域でも安定に存在する非磁性部分とが共存する同一組成の素材で、多層磁気障壁型リラクタンス回転機用回転子コアを構成できるため、構造が簡略化されるとともに高信頼性の多層磁気障壁型リラクタンス回転機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回転子の一態様を示す要部斜視図である。
【図２】本発明の回転機の一態様を示す要部斜視図である。
【図３】本発明の回転子の他の態様を示す要部断面図である。
【図４】本発明の回転子の他の態様を示す要部斜視図である。
【図５】本発明の回転子コアの強磁性部分のＢ−Ｈカーブである。
【図６】本発明の回転子コアの非磁性部分のＢ−Ｈカーブである。
【図７】本発明の加熱溶融凝固金属組織の写真である。
【図８】本発明の溶融凝固部（ａ）と、従来の加熱冷却部（ｂ）の金属ミクロ組織の写真である。
【図９】本発明の回転子コアの非磁性部における線分析結果である。
【図１０】従来の回転機を示す要部断面図である。
【図１１】従来の回転子を示す要部断面図である。
【図１２】従来の回転子を示す要部断面図である。
【図１３】従来の回転子を示す要部断面図である。
【図１４】０．６重量％におけるＦｅ−Ｃｒ擬２元系平衡状態図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ永久磁石、２，６５，７５回転子コア、
３，３ａ固定子コア、４，７固定子巻線、５，１５円筒状覆い、
８回転軸、９エアギャップ、
１０，３０，５０，６０，７０，８０，９０回転子、
２０固定子、３１，３５，３８分割境界、６７，７７薄板、
８０，２００孔、６，６５０、強磁性部分、７，６６０非磁性部分、
６６１溶融凝固部、６６２熱影響部、６６３未溶融の加熱冷却部、
Ａ有効磁束、Ｂ，Ｃ，Ｄ漏れ磁束。

Claims

複数の永久磁石が回転子コア内部に配置される内部磁石型回転子を備えた永久磁石界磁方式の回転機であって、
回転子コアが同一組成の強磁性部分と非磁性部分とが共存する素材を用いて形成され、その非磁性部分が回転子コアの漏れ磁束発生部分に配置されるとともに溶融凝固組織と加熱冷却組織とで構成され、前記素材は重量％で、１．２０％以下のＣ、１．００％以下のＳｉ、１．００％以下のＭｎ、０．４０％以下のＰ、０．０３％以下のＳ、８．００％以下のＮｉ、１２．００〜１４．００％のＣｒ，残Ｆｅおよび不可避不純物を含むマルテンサイト系および／またはフェライト系ステンレス鋼であり、溶融凝固組織の析出炭化物粒子の総占有面積が加熱冷却組織の析出炭化物粒子の総占有面積より減少していることを特徴とする永久磁石界磁方式の回転機。
請求項１において、その溶融凝固組織が非磁性部分の３０体積％以上であることを特徴とする永久磁石界磁方式の回転機。
回転子コアと、回転子コアの周面に配置される永久磁石と、永久磁石の周面に配置される円筒状覆いとを備える表面磁石型回転子を具備する永久磁石界磁方式の回転機であって、
円筒状覆いが同一組成の強磁性部分と非磁性部分とが共存する素材を用いて形成され、その非磁性部分が円筒状覆いの漏れ磁束発生部分に配置されるとともに溶融凝固組織と加熱冷却組織とで構成され、前記素材は重量％で、１．２０％以下のＣ、１．００％以下のＳｉ、１．００％以下のＭｎ、０．４０％以下のＰ、０．０３％以下のＳ、８．００％以下のＮｉ、１２．００〜１４．００％のＣｒ，残Ｆｅおよび不可避不純物を含むマルテンサイト系および／またはフェライト系ステンレス鋼であり、溶融凝固組織の析出炭化物粒子の総占有面積が加熱冷却組織の析出炭化物粒子の総占有面積より減少していることを特徴とする永久磁石界磁方式の回転機。
請求項３において、その溶融凝固組織が非磁性部分の３０体積％以上であることを特徴とする永久磁石界磁方式の回転機。
同一組成の強磁性部分と非磁性部分とが共存する素材を用いて形成される回転子コアを備えたリラクタンス方式の回転機であって、
その非磁性部分が溶融凝固組織と加熱冷却組織とで構成され、前記素材は重量％で、１．２０％以下のＣ、１．００％以下のＳｉ、１．００％以下のＭｎ、０．４０％以下のＰ、０．０３％以下のＳ、８．００％以下のＮｉ、１２．００〜１４．００％のＣｒ，残Ｆｅおよび不可避不純物を含むマルテンサイト系および／またはフェライト系ステンレス鋼であり、溶融凝固組織の析出炭化物粒子の総占有面積が加熱冷却組織の析出炭化物粒子の総占有面積より減少していることを特徴とするリラクタンス方式の回転機。
請求項５において、その溶融凝固組織が非磁性部分の３０体積％以上であることを特徴とするリラクタンス方式の回転機。