JP2009177919A - 回転子積層鉄心 - Google Patents

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Abstract

【課題】半径方向外側に永久磁石を固定するための永久磁石保持部の形状が一定で、精度よく永久磁石を永久磁石保持部に保持でき、更に、鉄心片の折り曲げ時に発生する厚み方向の膨出による回転子積層鉄心の不均一厚みの発生を防止する回転子積層鉄心を提供する。
【解決手段】隣り合うセグメント鉄心片12の対向する端部に、中央に連結部11を有する永久磁石保持用突出部15、16を設け、更に連結部11が形成される永久磁石保持用突出部15、16に重なる上下のセグメント鉄心片12の永久磁石保持用突出部24には、連結部11の折り曲げ時に発生する厚み方向膨出部が嵌まり込む収納部33が設けられている。
【選択図】図1

Description

本発明は、半径方向外側に複数の永久磁石が配置された永久磁石式の回転電機の回転子に用いる積層鉄心に係り、特に、帯状に連続した複数のセグメント鉄心片を螺旋状に巻回積層して製造する回転子積層鉄心に関する。
駆動電動機においては、省エネルギー化、高出力化及び高効率化等を図るため、回転子積層鉄心に磁石ブロックを装着した所謂マグネット付き回転子が使用されている。この回転子積層鉄心は、通常、プレス金型装置を用いて磁性金属板から環状の回転子鉄心片を打抜き形成し、この回転子鉄心片を所定枚数積層して互いにかしめ積層することによって製造される。このような回転子積層鉄心の製造方法によれば、形状精度の極めて良好な回転子積層鉄心を製造し得るものの、回転子積層鉄心を構成する個々の回転子鉄心片は、その外形が円形であると共に中央に回転軸装着孔(軸孔)を有するため、打抜き形成に際してスクラップとなる部分が多く発生し、鉄心材の材料歩留りが低下してしまう問題がある。
そこで、特許文献1には、図5、図6に示すような回転子70が提案されている。図5に示すように、この回転子70は回転子積層鉄心71と回転子積層鉄心71の外側に配置される複数の永久磁石72とを有し、永久磁石72の円周方向両端には、永久磁石保持用突出部73が設けられている。そして、左右対となるこの永久磁石保持用突出部73とその内側にあるヨーク部74の半径方向外端とで永久磁石収納部75を形成し、ここに永久磁石72を接着剤を用いて固定している。
この回転子積層鉄心71は、直線状に並べて形成され、一側には複数の永久磁石収納部を他側にはV字状切欠きを有する分割鉄心片76を打抜き形成し、この分割鉄心片76をかしめ部を介して積層した分割回転子積層鉄心77を複数有している。そして、図6(A)に示すように、永久磁石収納部75に永久磁石72を固定し、図6(B)に示すように、永久磁石保持用突出部73の内側に形成されたV字状切欠き82の半径方向外側端部に形成された連結部(折り曲げ部)78を折り曲げ、V字状切欠き82の半径方向内側に形成された凹部79と凸部80を嵌合させて、円弧状の分割回転子81とし、これらを環状に組み立てて回転子70としている。なお、分割回転子81の両側端部に2分割した永久磁石保持用突出部73と凹部79及び凸部80が形成されている。
また、特許文献2には、更に特許文献1の技術を発展させて、磁石挿入孔及びかしめ部を有する帯状鉄心片を、金属板から連続的に打抜き形成し、徐々に折り曲げて、螺旋状に巻回して積層することで、回転子積層鉄心を製造している。この特許文献2に記載の回転子積層鉄心の製造方法は、螺旋状に巻き込む帯状鉄心片の隣合う磁石挿入孔の円周方向中間位置で半径方向内側位置に、V字状の切欠きを予め設け、帯状鉄心片を螺旋状に巻いた場合にこのV字状切欠きが閉じるようにしている。
特開2005−137117号公報(図7〜図9) 特開2006−166498号公報
しかしながら、特許文献1記載の技術においては、連結部78を折り曲げると、その応力が永久磁石保持用突出部73にまで伝わり、永久磁石保持用突出部73の半径方向外側端部が円周方向に引っ張られ、結果として、永久磁石収納部75の両側が開き、これによって、永久磁石の接合が正確でなくなるという問題が発生した。勿論、この変形量を考慮して直線状の永久磁石保持用突出部73の形状を決めることも可能ではあるが、永久磁石保持用突出部73の変形は材料の物理的特性に応じて変化するので、正確な制御は困難であった。
また、連結部78を折り曲げると、連結部78の半径方向外側は伸びて半径方向内側は縮むことになり、結果として、連結部78の厚みが一定では無くなり、連結部78の半径方向内側ではその厚みが増して、多数の鉄心片を積層した場合、回転子積層鉄心の厚みが均等ではなくなるという問題が発生した。
この問題は、特許文献2記載の技術においても共通に発生する問題であった。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、半径方向外側に永久磁石を固定するための永久磁石保持部の形状が一定で、精度よく永久磁石を永久磁石保持部に保持でき、更に、鉄心片の折り曲げ時に発生する厚み方向の膨出による回転子積層鉄心の不均一厚みの発生を防止する回転子積層鉄心を提供することを目的とする。
前記目的に沿う本発明に係る回転子積層鉄心は、それぞれ連結部を介して帯状に連結され、半径方向外側に隙間を設けて配置された永久磁石保持用突出部を有して形成される永久磁石保持部を外周部に複数備える円弧状のセグメント鉄心片を、前記連結部で折り曲げ、かつ前記セグメント鉄心片の周方向端部を合わせながら、連続する前記セグメント鉄心片を螺旋状に巻回して積層された回転子積層鉄心において、
隣り合う前記セグメント鉄心片の対向する端部に、中央に前記連結部を有する前記永久磁石保持用突出部を設け、
更に前記連結部が形成される前記永久磁石保持用突出部に重なる上下(即ち、積層方向に重なる)の前記セグメント鉄心片の前記永久磁石保持用突出部には、前記連結部の折り曲げ時に発生する厚み方向膨出部が嵌まり込む収納部が設けられている。
ここで、本発明に係る回転子積層鉄心において、前記収納部は切欠き、抜き孔又は凹部であるのが好ましい。これによって、この収納部は、上下のセグメント鉄心片の厚み方向膨出部と対応する箇所を薄肉とする場合に比較して加工が極めて容易となる。
また、本発明に係る回転子積層鉄心において、前記連結部の半径方向幅は、セグメント鉄心片の板厚の1〜3倍の範囲にあるのが好ましい。連結部の幅がこの範囲を下回ると、連結部の剛性が落ちて、搬送時や折り曲げ前に破断を起こす。また、連結部が前記範囲を上回った場合には、連結部の剛性が高くなり過ぎて、永久磁石保持用突出部を変形させずに、折り曲げすることが困難となる。
本発明に係る回転子積層鉄心において、前記連結部が形成された前記永久磁石保持用突出部の半径方向外側には前記連結部の折り曲げ時に半径方向外側に形成される半径方向膨出部を前記永久磁石保持用突出部内に収める第1の凹状切欠きが設けられているのが好ましい。
本発明に係る回転子積層鉄心において、隣り合う前記セグメント鉄心片の円周方向側端部には第2の凹状切欠きが設けられ、前記連結部の折り曲げに伴い前記第2の凹状切欠きが位置決め部を構成するのが好ましい。
本発明に係る回転子積層鉄心において、前記永久磁石保持部の円周方向両側の半径方向内側部分には、第3の凹状切欠きが形成されているのがより好ましい。
そして、本発明に係る回転子積層鉄心において、隣り合う前記セグメント鉄心片の側端部は当接させてもよいし、僅少の隙間を有して近接配置してもよい。セグメント鉄心片の側端部を当接させた場合には、これによって、回転子積層鉄心の形状が決まるが、組立時に連続したセグメント鉄心片を巻き取る駆動軸との精度も必要となり、セグメント鉄心片の側端部を近接配置させた場合には、駆動軸によって回転子積層鉄心の形状が決まり、鉄心片の端部のバリ等の影響も受けず、製造が容易となる。
請求項1〜7記載の回転子積層鉄心は、隣り合うセグメント鉄心片の対向する端部に、中央に連結部を有する永久磁石保持用突出部を設け、更に連結部が形成される永久磁石保持用突出部に重なる上下のセグメント鉄心片の永久磁石保持用突出部には、連結部の折り曲げ時に発生する厚み方向膨出部が嵌まり込む収納部が設けられているので、積層した複数のセグメント鉄心片の間に、厚み方向膨出部による隙間が形成されることを防止でき、均一厚みの回転子積層鉄心を製造できる。
更には、回転子積層鉄心の品質管理も容易になり、この回転子積層鉄心を使用したモータの高効率化を図ることができると共に、振動発生の防止によるモータ品質の向上も図れる。
特に、請求項2記載の回転子積層鉄心は、収納部が切欠き、抜き孔又は凹部であるので、連結部に発生する膨出部を確実に収容することができるため、セグメント鉄心片を巻回積層した後の回転子積層鉄心の精度に優れる。また永久磁石保持部への影響を回避させることができ、永久磁石保持部で磁石を確実に保持することができる。
請求項3記載の回転子積層鉄心においては、連結部の半径方向幅は、セグメント鉄心片の板厚の1〜3倍の範囲にあるので、折り曲げが容易であると共に、一定の強度を有して隣り合うセグメント鉄心片を連結し、更に、連結部を折り曲げる際に発生する応力が永久磁石保持用突出部に伝搬するのを最小限にして、永久磁石保持用突出部の変形を防止し、永久磁石保持部の変形や寸法精度の低下を防止することができる。
請求項4記載の回転子積層鉄心においては、連結部が形成された永久磁石保持用突出部の半径方向外側には連結部の折り曲げ時に半径方向外側に形成される半径方向膨出部を永久磁石保持用突出部内に収める第1の凹状切欠きが設けられているので、半径方向膨出部を永久磁石保持用突出部の外周内に確実に収めることができる。なお、もしも連結部が永久磁石保持用突出部よりも外側に飛び出した場合は、外力により永久磁石保持用突出部を変形させたりする虞があるほか、モータ組付け後に回転子を回転させた際の騒音の発生要因にもなる。
請求項5記載の回転子積層鉄心は、隣り合うセグメント鉄心片の円周方向側端部には第2の凹状切欠きが設けられているので、側端の凹状切欠き同士が一体となってパイロットピンの位置決め部とすることができ、巻回積層時の複数のセグメント鉄心片の環状精度を更に向上させることができる。
請求項6記載の回転子積層鉄心は、永久磁石保持部の円周方向両側の半径方向内側部分には、第3の凹状切欠きが形成されているので、永久磁石保持用突出部とヨーク外周部の交差部の加工精度が必要でなくなり、この部分の加工が容易となる。
そして、請求項7記載の回転子積層鉄心は、隣り合うセグメント鉄心片の側端部を近接配置しているので、側端部同士の接触が防止され、各セグメント鉄心片の周方向のピッチのばらつきを防止でき、例えば、積層方向のセグメント鉄心片のかしめ位置のずれを防止できる。また、このように近接配置することにより、例えば、セグメント鉄心片を打抜く金型の刃物が摩耗し、側端部にバリが生じた場合でも、その接触を防止でき、各セグメント鉄心片の周方向のピッチのずれを防止できる。
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図1(A)は本発明の一実施の形態に係る回転子積層鉄心の平面図、(B)は矢視A部の拡大図、図2(A)は連結部で連結された帯状のセグメント鉄心片の一部平面図、(B)は矢視B部の拡大図、図3(A)、(B)は比較例に係るセグメント鉄心片の連結部の詳細図、図4は連結部周りの詳細平面図である。
図1(A)、(B)、図2に示すように、本発明の一実施の形態に係る回転子積層鉄心10は、連結部11で連結された複数の円弧状のセグメント鉄心片12を螺旋状に巻回して積層したものである。全体で40極、即ち、40の永久磁石保持部13を外周に有し、一つのセグメント鉄心片12には3つの永久磁石保持部13を有している。
セグメント鉄心片12は、図2(A)、(B)に示すように、帯状の磁性鋼板をプレス加工によって打ち抜き形成され、各セグメント鉄心片12は連結部11で連結されている。この連結部11は、セグメント鉄心片12の周方向端部にそれぞれ形成される永久磁石保持用突出部15、16を連結して形成されている。なお、対となる永久磁石保持用突出部15、16で永久磁石保持部13の片側に形成され、かつ中央に連結部11を有する一つの永久磁石保持用突出部を構成するが、以下説明のため、左右に分けて、それぞれ永久磁石保持用突出部15、16として表示する。
この連結部11の半径方向外側には、第1の凹状切欠き17が設けられている。この凹状切欠き17は連結部11を折り曲げてセグメント鉄心片12を環状に配置した場合、半径方向外側に突出する部分(半径方向膨出部)が対向する永久磁石保持用突出部15、16の半径方向外側端部を連結する線から突出しないようにしている。また、連結部11の半径方向の幅wは、セグメント鉄心片12の板厚の1〜3倍の範囲にある。連結部11の幅がこの範囲を下回ると、連結部11の剛性が落ちて、搬送時や折り曲げ前に破断を起こし易くなる。また、連結部11が前記範囲を上回った場合には、連結部11の剛性が高くなり過ぎて折り曲げが困難となる。
また、連結部11の半径方向内側には最奥部が円弧部(円弧角180〜240度)18を有する左右対称の切欠き19が形成されている。円弧部18は永久磁石保持用突出部15、16内に入り込み、幅狭の連結部11が永久磁石保持用突出部15、16の高さ方向(即ち、半径方向)中間位置にあるように構成されている。なお、連結部11は永久磁石保持用突出部15、16の高さhの範囲内であれば、形成箇所は自由に設定できるが、設定する場合の条件として、図2(B)に示すように、第1の凹状切欠き17の深さPに対し、永久磁石保持用突出部15、16の幅Qを、前記深さPの2〜4倍の範囲で、かつセグメント鉄心片12の板厚の2〜4倍の範囲とするのが好ましい。もし、これらの条件を満たさない場合には、連結部11の折り曲げの際に、永久磁石保持用突出部15、16の剛性が保たれずに変形を起し、永久磁石の保持に支障をきたすことが生じ易い。
ここで、この回転子積層鉄心10の磁極数をn、一つのセグメント鉄心片12内の磁極数をmとした場合、図2(B)に示すように直線状に並んだ隣り合うセグメント鉄心片12の開き角αは、m×360/n度となる。なお、この開き角αは切欠き19によって形成されて、連結部11の半径方向内側辺を形成している。
この切欠き19の対向する端辺20、21の半径方向中間位置には、それぞれ半円状の第2の凹状切欠き22、23が形成されている。
また、セグメント鉄心片12の両端部にある永久磁石保持用突出部15、16とセグメント鉄心片12の中間位置にある永久磁石保持用突出部24と、ヨーク部25の半径方向外側辺26とで、各永久磁石保持部13が形成される。折れ曲がった状態の永久磁石保持用突出部15、16の両側端の円周方向長さと、永久磁石保持用突出部24の円周方向の幅とは同一寸法となって、複数(この実施の形態では40)の同一形状の永久磁石が同一間隔で、回転子積層鉄心10の周囲に並ぶようになっている。
なお、各永久磁石保持用突出部15、16、24とヨーク部25の半径方向外側辺26の交差する部分、即ち、永久磁石保持部13の円周方向両側の半径方向内側部分には、直角部の加工精度の緩和に効果のある第3の凹状切欠き27(この凹状切欠き27の曲率半径は、例えば、0.2mm以上)が設けられている。
各セグメント鉄心片12の半径方向内側で、永久磁石保持部13の中央位置には、半径方向内側に拡幅する台形状の切り込み29が形成され、この回転子積層鉄心10を用いる回転子の主軸及び巻き取り軸の周囲に所定ピッチで設けられた図示しない線状突起に噛み合うようになっている。
また、ヨーク部25の各永久磁石保持用突出部24の中心位置には、図示しないパイロットピンの位置決め部となるガイド孔30が設けられ、その両側にはかしめ部(半抜きかしめ)31が設けられている。ガイド孔30の内径は、前記した対となる第2の凹状切欠き22、23によって形成される円と同一で、ヨーク部25に対して同一半径位置に形成されている。なお、第2の凹状切欠き22、23の両側にもかしめ部32が形成されている。かしめ部32の位置は、連結部11を折り曲げてこの連続するセグメント鉄心片12を螺旋状に巻いた場合、かしめ部31と符合する位置に形成されている。
そして、永久磁石保持用突出部24の中間位置には、連続するセグメント鉄心片12を連結部11で折り曲げた場合に発生する厚み方向膨出部を上下のセグメント鉄心片12で受ける収納部の一例である丸孔(抜き孔)33が形成されている。この収納部は切欠き、又は厚み方向に貫通しないコイニングによる凹部であってもよい。
なお、連結部11で連結されるセグメント鉄心片12を螺旋状に巻いた場合、連結部11の上下に丸孔33が位置するように、磁極数nが、各セグメント鉄心片12内にある永久磁石保持部13の数mで割り切れないようになっている。
このような連結部11で連結されて直線状となったセグメント鉄心片12を巻いて環状に形成した回転子積層鉄心10を図1(A)、(B)に示すが、以下、回転子積層鉄心10を平面視した形状と、セグメント鉄心片12を平面視した形状が同一の場合は、支障のない限り、同一の名称及び番号を付して説明する。
隣り合うセグメント鉄心片12の開き角αの切欠き19は閉じて、隣接するセグメント鉄心片12の端辺20、21が僅少の隙間(例えば、0.02〜0.5mm)を有して近接配置され、前記端辺20、21の打ち抜きバリ同士が干渉したりすることがなく、また、前記端辺20、21の打ち抜き寸法にわずかな誤差が生じた場合等でも、セグメント鉄心片12の折り曲げに支障をきたすことがない。なお、場合によっては、これら端辺20、21を当接させるようにしてもよい。
この結果、連結部11の半径方向内側にある切欠き19は閉じて、円弧部18も長円状となる。これによって、連結部11の半径方向内側に圧縮力が働き、連結部11の半径方向外側には引っ張り力が働き、連結部11の両側に配置された永久磁石保持用突出部15、16が内側にお互いに引っ張られる荷重が働く。この実施の形態では、連結部11の幅が、セグメント鉄心片12の板厚の1〜3倍の範囲で形成されており、かつ、永久磁石保持用突出部15、16の基部がヨーク部25と連結する幅k(永久磁石保持用突出部15、16の最外部の幅の約0.5倍)の略0.1〜0.4倍となっているので、連結部11の折れ曲がりに対する永久磁石保持用突出部15、16の変形は微小であって、永久磁石保持部13が変形することはない。
各セグメント鉄心片12の位置決め部を構成するガイド孔30及び対となる第2の凹状切欠き22、23によって形成される丸孔は、螺旋状に巻いた上下のセグメント鉄心片12で符合し、更に螺旋状に巻かれた各セグメント鉄心片12の特定位置のかしめ部31、32も符合し、螺旋状に巻いて重ねられたセグメント鉄心片12がかしめ積層される。連結部11で連結されたセグメント鉄心片12の帯状板(厚みt)を所定枚数(p)重ねて、所定厚み(tp)の回転子積層鉄心10を形成できる。この後、永久磁石を永久磁石保持部13に接着剤にて固定して、回転子が完成する。
この実施の形態においては、一条の帯状板(即ち、連結部11で帯状に連結されたセグメント鉄心片12)を螺旋状に巻いて回転子積層鉄心10を製造したが、複数条(例えば2条)の帯状板を、各連結部11の磁極単位でずらして螺旋状に巻いて回転子積層鉄心を製造することも可能であり、巻き積層速度が上がることにより生産性を向上させることができる。
また、この実施の形態では、連結部11の半径方向外側に第1の凹状切欠き17を設け、内側に円弧部18を設けて、永久磁石保持用突出部15、16の半径方向中間位置に連結部11を配置して、折り曲げ時の連結部11の変形によっても、永久磁石保持用突出部15、16が変形せず、かつ連結部11の半径方向外側への変形が永久磁石保持用突出部15、16の高さ内で納まるようにしているが、連結部11の半径方向内側部分に形成される円弧部18を図4に示すように、長孔部D(実際には上半分)で形成してもよく、この場合、連結部11の折り曲げ時に、半径方向内側に作用する圧縮力が連結部の内周側辺の全長(及び全幅)にわたって分散するため、厚み方向の膨出部の高さを低く抑えることができる。
なお、図3(A)に示すように、連結部36を円弧状に形成して、対となる永久磁石保持用突出部15、16の頂部を連結するようにすると、折り曲げ時の永久磁石保持用突出部15、16の変形は小さくなるが、外部から連結部36に荷重がかかると、永久磁石保持用突出部15、16が変形するので好ましくない。
また、図3(B)に示すように、連結部37を永久磁石保持用突出部15、16の根元部分に形成すると、連結部37を折り曲げた場合の永久磁石保持用突出部15、16への変形が大きくなるので好ましくない。
前記実施の形態では、回転子積層鉄心の半径方向外側表面に永久磁石を備える構造(SPM)のものを例にして説明したが、本発明は回転子積層鉄心の内部に永久磁石を備える構造(IPM)のものにも適用することができる。
(A)は本発明の一実施の形態に係る回転子積層鉄心の平面図、(B)は矢視A部の拡大図である。 (A)は連結部で連結された帯状のセグメント鉄心片の一部平面図、(B)は矢視B部の拡大図である。 (A)、(B)は比較例に係るセグメント鉄心片の連結部の詳細図である。 連結部周りの詳細平面図である。 従来例に係る回転子の平面図である。 (A)、(B)は従来例に係る回転子の製造方法の説明図である。
符号の説明
10:回転子積層鉄心、11:連結部、12:セグメント鉄心片、13:永久磁石保持部、15、16:永久磁石保持用突出部、17:第1の凹状切欠き、18:円弧部、19:切欠き、20、21:端辺、22、23:第2の凹状切欠き、24:永久磁石保持用突出部、25:ヨーク部、26:半径方向外側辺、27:第3の凹状切欠き、29:切り込み、30:ガイド孔、31、32:かしめ部、33:丸孔、36、37:連結部

Claims (7)

  1. それぞれ連結部を介して帯状に連結され、半径方向外側に隙間を設けて配置された永久磁石保持用突出部を有して形成される永久磁石保持部を外周部に複数備える円弧状のセグメント鉄心片を、前記連結部で折り曲げ、かつ前記セグメント鉄心片の周方向端部を合わせながら、連続する前記セグメント鉄心片を螺旋状に巻回して積層された回転子積層鉄心において、
    隣り合う前記セグメント鉄心片の対向する端部に、中央に前記連結部を有する前記永久磁石保持用突出部を設け、
    更に前記連結部が形成される前記永久磁石保持用突出部に重なる上下の前記セグメント鉄心片の前記永久磁石保持用突出部には、前記連結部の折り曲げ時に発生する厚み方向膨出部が嵌まり込む収納部が設けられていることを特徴とする回転子積層鉄心。
  2. 請求項1記載の回転子積層鉄心において、前記収納部は切欠き、抜き孔又は凹部であることを特徴とする回転子積層鉄心。
  3. 請求項1及び2のいずれか1項に記載の回転子積層鉄心において、前記連結部の半径方向幅は、前記セグメント鉄心片の板厚の1〜3倍の範囲にあることを特徴とする回転子積層鉄心。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の回転子積層鉄心において、前記連結部が形成された前記永久磁石保持用突出部の半径方向外側には前記連結部の折り曲げ時に半径方向外側に形成される半径方向膨出部を前記永久磁石保持用突出部内に収める第1の凹状切欠きが設けられていることを特徴とする回転子積層鉄心。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の回転子積層鉄心において、隣り合う前記セグメント鉄心片の周方向側端部には第2の凹状切欠きが設けられ、前記連結部の折り曲げに伴い前記第2の凹状切欠きが位置決め部を構成することを特徴とする回転子積層鉄心。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の回転子積層鉄心において、前記永久磁石保持部の周方向両側の半径方向内側部分には、第3の凹状切欠きが形成されていることを特徴とする回転子積層鉄心。
  7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の回転子積層鉄心において、隣り合う前記セグメント鉄心片の側端部を近接配置することを特徴とする回転子積層鉄心。
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