JP2010045871A - 回転機の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子コア及び固定子コアの何れか一方の仕様をそのままに他方の仕様を変更する際に、回転機の製造を容易かつ廉価に行なうことができる回転機の製造方法を提供する。
【解決手段】
高透磁率の鋼板を打ち抜いた固定子用コアプレートを積層して構成される固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向して高透磁率の鋼板を打ち抜いた回転子用コアプレートを積層して構成される回転子とを備えた回転機の製造方法であって、前記回転子用コアプレートを打ち抜く１種類の回転子用金型２２と前記固定子用コアプレートを打ち抜く仕様に応じて異なる複数種類の固定子用金型２３Ａ，２３Ｂとを用意し、前記回転子用金型と前記複数の固定子用金型から選択した１種類の固定子用金型を整列させて前記鋼板２１を打ち抜くことにより１つの前記回転子用コアプレートと当該回転用コアプレートに対して仕様の異なる固定子用コアプレートとを形成可能とした。
【選択図】 図４

Description

本発明は、固定子と所定の空隙を有して対向して回転する回転子とを備えた回転機の製造方法に関する。

最近、環境問題、省資源、省エネルギの観点から、回転機の効率化に注目が集まっている。従来、交流可変速機として誘導電動機が広く用いられており、簡易構造で堅固であり、インバータによる駆動システムも完成度が高い。しかしながら、誘導電動機は駆動原理的にスリップを必要とするため、２次側導体に損失が発生し効率低下を招く。
誘導電動機に対し、同じ交流可変速機として用いられる同期電動機は上述のスリップを必要とせず、特に同期電動機の一つである永久磁石式回転機は界磁に永久磁石を用いるため励磁損失を発生せず、高効率駆動可能であるため、誘導電動機に変わり主流となり得る回転機として期待が集まっている。

永久磁石式回転機の一つとして表面磁石形回転機が挙げられる。この表面磁石した回転機は、回転子表面に磁石を備え、磁石から発生する磁束が固定子に備える巻線との鎖交磁束量に応じて発生するマグネットトルクを利用した回転機であり、トルクリップル分が小さく応答性に優れているため、サーボモータ等の高速応答を要求される回転機に用いられている。

他の永久磁石式回転機として、埋込磁石形回転機が挙げられる。この埋込磁石形回転機は、上述のマグネットトルクに加えて、回転子鉄心の時期抵抗を利用したリラクタンストルクを利用した回転機であり、小型高出力高効率の回転機として広く用いられている。
上述した永久磁石式回転機の構造は、通常の回転機と同様に、回転体となる回転子と、回転磁界を生成する電機子巻線を施した固定子とを有する。回転子コア及び固定子コアは、一般的に高透磁率の薄肉鋼板を打ち抜き金型により打ち抜き、打ち抜いたコアプレートを積層することにより構成される。

この種の回転機の製造方法としては、最初の第１の工程において、鉄心材料のスクラップとなる内径部分に仮のパイロット孔を打ち抜き、この仮のパイロット孔に金型の借りのパイロットピンを係合して鉄心材料を送り、次の第２の工程において、スロットを打ち抜き、その後も仮のパイロット孔を利用して鉄心材料を送り、第３の工程において１対の正規のパイロット孔を打ち抜き、その後はこれらの正規のパイロット孔に正規のパイロットピンを係合し、鉄心材料を順送りし、且つ位置決めしながら次の工程を実施するようにした鉄心打ち抜き方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。通常、製造時間を短縮すべく、同一の打ち抜き金型で回転子コア及び固定コア用のコアプレートを打ち抜くことができるように、回転子コア打ち抜き部と固定子コア打ち抜き部とを同一の打ち抜き金型に形成した一体打ち抜き金型を採用している。
特開２００１−１９００４８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、回転子コア及び固定子コアのコアプレートの打ち抜きを一体打ち抜き金型を採用して行なうようにしているので、例えば回転機の効率やトルク、定格電流などの電気的仕様の異なった回転機を製造する場合、回転子もしくは固定子の何れか一方の仕様をそのままに、回転子もしくは固定子の何れか一方の仕様のみを変更して再設計する場合が多く、この場合には、一体打ち抜き金型では、例えば回転子の仕様をそのままに固定子の仕様を変更する場合、固定子コア打ち抜き部だけでなく回転子コア打ち抜き部を含めた打ち抜き金型全体を新たに製作する必要かあるため、打ち抜き金型の製造時間を過剰に要するだけでなく、製造加工費も過剰投資を行なってしまうという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、回転子コア及び固定子コアの何れか一方の仕様をそのままに他方の仕様を変更する際に、回転機の製造を容易かつ廉価に行なうことができる回転機の製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係る回転機の製造方法は、高透磁率の鋼板を打ち抜いた固定子用コアプレートを積層して構成される固定子コアと該固定子コアに巻装した励磁コイルとを有する固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向して高透磁率の鋼板を打ち抜いた回転子用コアプレートを積層して構成される回転子コアと該回転子コアに形成された複数の磁極とを有する回転子とを備えた回転機の製造方法であって、前記回転子用コアプレートを打ち抜く回転子用金型と前記固定子用コアプレートを打ち抜く固定子用金型とを個別に形成して整列させ、当該回転子用金型及び前記固定子用金型に前記鋼板を搬送して打ち抜くことにより前記回転子用コアプレート及び前記固定子用コアプレートを形成することを特徴としている。

また、請求項２に係る回転機の製造方法は、高透磁率の鋼板を打ち抜いた固定子用コアプレートを積層して構成される固定子コアと該固定子コアに巻装した励磁コイルとを有する固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向して高透磁率の鋼板を打ち抜いた回転子用コアプレートを積層して構成される回転子コアと該回転子コアに形成された複数の磁極とを有する回転子とを備えた回転機の製造方法であって、前記回転子用コアプレートを打ち抜く１種類の回転子用金型と前記固定子用コアプレートを打ち抜く仕様に応じて異なる複数種類の固定子用金型とを用意し、前記回転子金型と前記複数の固定子金型から選択した１種類の固定子用金型を整列させ、整列された前記回転子金型及び固定子用金型に前記鋼板を搬送して打ち抜くことにより１つの前記回転子用コアプレートと当該回転用コアプレートに対して仕様の異なる固定子用コアプレートとを形成可能としたことを特徴としている。

さらに、請求項３に係る回転機の製造方法は、請求項１又は２に係る発明において、前記回転機は前記回転子に永久磁石を有する永久磁石式回転機で構成されていることを特徴としている。
さらにまた、請求項４に係る回転機の製造方法は、請求項１乃至３の何れか１つに係る発明において、前記回転子用コアプレートは、積層して前記回転子コアを形成した状態で、軸方向に前記永久磁石を磁極単位で埋設するスロットが形成されていることを特徴としている。
なおさらに、請求項５に係る回転機の製造方法は、請求項１乃至３の何れか１つに係る発明において、前記回転子用コアプレートは、積層して前記回転子コアを形成した状態で、表面に複数の前記永久磁石を配置可能に打ち抜きされていることを特徴としている。

請求項１に係る発明によれば、回転子コアを構成する回転子用コアプレートを打ち抜く回転子用金型と、固定子コアを構成する固定子用コアプレートを打ち抜く固定子用金型とを個別に形成し、回転子用金型及び固定子用金型を整列させて鋼板を打ち抜くので、回転子コア及び固定子コアのうちの仕様変更を行なうコアの打ち抜き金型のみを新たに製作することが可能であり、打ち抜き金型の製作時間短縮及び金型加工費を低減することができ、回転機の製造時間の過剰消費及び加工費への過剰投資を抑制することができる。

また、請求項２に係る発明によれば、回転子コアの打ち抜き金型一つに対し、固定子コアの仕様を変更し、各仕様に対応した固定子コアの打ち抜き金型を製作することで、一つの回転子コアに対して効率、トルク等の特性が異なる複数の回転機を短時間でかつ抵コストで製作することが可能となるという効果が得られる。
請求項３に係る発明によれば、永久磁石形回転機を製造する際に、請求項１又は２に係る発明と同様の効果を得ることができる。

請求項４に係る発明によれば、回転子コアを、磁極一つあたり回転子コア内を軸方向に貫通する略長方形状のスロットを設け、このスロット内に同極性の永久磁石を挿入するように回転子用コアプレートを打ち抜くことで埋込磁石形回転機の回転子を製造することができ、固定子の打ち抜き金型のみを変更することで、効率、トルク等の特性が異なる複数の埋込磁石形回転機を短時間かつ低コストで製作することができる。
請求項５に係る発明によれば、回転子コアの表面に複数の永久磁石を配置可能に回転子用コアプレートを打ち抜くことで、表面磁石形回転機の回転子を製造することができ、固定子の打ち抜き金型のみを変更することで、効率、トルク等の特性が異なる複数の仕様の表面磁石形回転機を短時間かつ低コストで製作することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明を適用し得る永久磁石形回転機の上半部を断面とした側面図、図２は図１のＡ−Ａ線上の断面図である。図１において、永久磁石式回転機１は埋込磁石（ＩＰＭ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）構造を有する永久磁石式回転機で構成されている。この永久磁石式回転機１は、外周面にフィンを形成した円筒状フレーム２を有する。この円筒状フレーム２の内周側には固定子３が配置され、この固定子３の内周側には所定のエアギャップＧを介して対向する回転子４が配置されている。この回転子４はフレーム２に配設された一対の軸受５ａ及び５ｂによって回転自在に支持された回転軸６に装着されている。

固定子３は、図２に示すように、高透磁率の鋼板を打ち抜いた固定子用コアプレート７が積層されて形成された固定子コア８を有し、この固定子コア８には、外周面側にヨーク部８ａが形成されているとともに、内周面側に円周方向に等間隔で１２個のスロット８ｂが形成されて１２個のティース８ｃが形成されている。各ティース８ｃにはスロット８ｂ内に巻装された励磁コイル９が巻回されている。ここで、励磁コイル９の巻き方については大別すると集中巻と分布巻とに分けられる。本発明は集中巻及び分布巻の両者において効果を発揮するものであり、図２によって巻き方が限定されるものではない。

一方、回転子４は、図２に示すように、高透磁率の鋼板を打ち抜いた回転子用コアプレート１１が積層されて形成された４つの磁極１２を有する回転子コア１３を備えている。この回転子コア１３は、軸方向に貫通して形成された複数例えば４個のスロット１４と、これらスロット１４内に周方向に隣り合う磁極１２が異極性となるように挿入した永久磁石１５とを備えている。ここで、永久磁石１５は希土類磁石で構成されている。

このように、上記実施形態によると、永久磁石式回転機１が埋込永久磁石式回転電機の構成を有するので、回転子４の磁極１２における永久磁石１５間の円周方向の中央部と回転軸６の軸心とを結ぶ線がｄ軸となる。また、回転子４の隣接する磁極１２間における異なる磁極の永久磁石１５間と回転軸６の軸心とを結ぶ線がｑ軸となる。このため、ｄ軸方向の磁束の磁路にはエアギャップＧと同じ磁気抵抗の大きな永久磁石１５が存在し、磁束は通りにくいが、ｑ軸方向の磁束は回転子コア１３を通ることができるため、この方向の磁気抵抗は小さくなり、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとがＬｄ＜Ｌｑの突極性を有する。このため、電機子巻線の自己インダクタンス及び相互インダクタンスは回転角の２倍で変化し、さらに永久磁石の電機子鎖交磁束も回転子４の回転角の余弦で変化する。

したがって、マグネットトルクにリラクタンストルクを加算した高トルク化を図ることができる。ここでマグネットトルクは、永久磁石の電機子鎖交磁束のみの変化によりエネルギ変換が行なわれて発生するトルクである。また、リラクタンストルクは電機子自己及び相互インダクタンスの変化に応じてエアギャップＧに貯えられた磁気エネルギが機械エネルギに変換されて発生するトルクである。

以上の構成を有する永久磁石式回転機１を製造するには、図３に示すように、固定子コア８を構成する固定子用コアプレート７を打ち抜くことが可能な幅を有する高透磁率の帯状鋼板２１から回転子コア１３を構成する回転子用コアプレート１１及び固定子コア８を構成する固定子用コアプレート７をその順に同軸的に打ち抜くことにより、鋼板屑の発生を少なくして効率の良い板取りを行なうことができる。

ここで、回転子用コアプレート１１を打ち抜く回転子用打ち抜き金型２２及び固定子用コアプレート７を打ち抜く固定子用打ち抜き金型２３は、図４に示すように、互いに個別に形成されて鋼板２１の通板路に沿って整列されている。回転子用打ち抜き金型２２及び固定子用打ち抜き金型２３のそれぞれは、上型及び下型で構成されており、これら上型及び下型間に高透磁率の鋼板２１がステップ状に順に搬送される。

ここで、固定子用打ち抜き金型２３としては、図２（ａ）に示す小型化を重視する標準永久磁石式回転機１に適用するヨーク部８ａが薄い固定子コア８のコアプレート７を打ち抜く比較的小型の固定子用打ち抜き金型２３Ａと、高効率、高トルク化を重視する高効率永久磁石式回転機１に適用するヨーク部８ａが厚い固定子コア８のコアプレート７を打ち抜く比較的大型の固定子用打ち抜き金型２３Ｂとの２種類の金型が用意されている。

そして、図２（ａ）に示す標準形永久磁石式回転機１を製造するには、図４に示すように、回転子用打ち抜き金型２２と固定子用打ち抜き金型２３Ａとを高透磁率の鋼板２１の通板路に沿って整列して配置し、この状態で、鋼板２１をステップ状に順次搬送することにより、回転子用コアプレート１１及び固定子用コアプレート７とをその順に同軸的に打ち抜く。

このようにして打ち抜かれた回転子用コアプレート１１を、スロット８ｂが軸方向に一致するように所定枚数積層し、軸方向に挿通する固定ピン等の固定具で固定することにより、回転子コア１３を構成する。同様に、打ち抜かれた固定子用コアプレート７を、スロット１４が軸方向に一致するように所定枚数積層し、軸方向に挿通する固定ピン等の固定具で固定することにより、固定子コア８を構成する。

そして、回転子コア１３の中心部の挿通孔１３ａ内に回転軸６を嵌入させて回転子４を構成する。そして、フレーム２の内周面に固定子３を固定するとともに、この固定子３に対して所定のギャップＧを介して回転子４が対向するように回転軸６を軸受５ａ，５ｂに支持させて、回転子４をフレーム２に回転自在に支持する。
このようにして、標準形永久磁石式回転機１を構成することができる。

ところで、標準形永久磁石式回転機１に代えて、回転子４は同一形状を有するが、固定子３の外径が大きい高効率形永久磁石式回転機１を製造するには、製造ラインに配置された標準形永久磁石式回転機１の固定子打ち抜き金型２３Ａに代えて、高効率形永久磁石式回転機１を製造する固定子打ち抜き金型２３Ｂを配置する。これにより、回転子４は同一形状の回転子用コアプレート１１を打ち抜き、固定子３が高効率形永久磁石式回転機１に対応する固定子打ち抜き金型２３Ｂで打ち抜かれた標準形永久磁石式回転機１用の固定子用コアプレート７より大きい高効率形永久磁石式回転機１に対応する外径の大きい固定子用コアプレート７を製造することができる。

このため、これら回転子用コアプレート１１を積層して回転子コア１３を構成するとともに、固定子用コアプレート７を積層して固定子コア８を構成し、これらを上記と同様に組み立てることにより高効率形永久磁石式回転機１を製造することができる。
このように、上記実施形態によると、固定子用コアプレート７と回転子用コアプレート１１とをそれぞれ異なる回転子用打ち抜き金型２２と固定子用打ち抜き金型２３とを使用して高透磁率の鋼板２１から同軸的に打ち抜くようにしたので、永久磁石式回転機の仕様を変更するために、回転子用打ち抜き金型２２及び固定子用打ち抜き金型２３の何れか一方を変更する場合には、変更を必要とする打ち抜き金型のみを交換すればよい。このため、前述した従来例のように回転子用打ち抜き金型と固定子用打ち抜き金型とが一体化された一体化打ち抜き金型を使用する場合に比較して、金型の製造時間を短縮することができるとともに、製造コストも低減することができる。

しかも、上述した実施形態のように、固定子用打ち抜き金型２３について、例えば標準形用及び高効率形用の２種類の固定子用打ち抜き金型２３Ａ及び２３Ｂを用意しておくことにより、１つの製造ラインで、回転子４は同一仕様で、固定子３については異なる仕様のコアプレートを製造することが可能となり、高効率形永久磁石式回転機及び標準形永久磁石式回転機で個別にコアプレートの製造ラインを設ける必要がなく、固定子用打ち抜き金型を交換するだけで、異なる仕様の永久磁石式回転機に対応するコアプレートを製造することができる。

なお、上記実施形態においては、固定子３のヨーク部８ａの厚みが異なる２種類の固定子用打ち抜き金型２３Ａ及び２３Ｂを使用する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図２（ｃ）に示すように図２（ａ）に示す標準形永久磁石式回転機に対して固定子３のスロット８ｂの形状のみが異なる永久磁石式回転機を製造する場合にも本発明を適用することができる。

なお、上記実施形態においては、永久磁石式回転機１として、埋込磁石構造の永久磁石式回転機を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、回転子４の回転子コア１３の外周面に円周方向に複数例えば４つの永久磁石３１を等間隔で配置した構成を有する表面磁石（ＳＰＭ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）構造の永久磁石式回転機を製造する場合にも本発明を適用することができきる。この図５においても、回転子４の形状は同一で、固定子３の形状が異なり、図５（ａ）は標準形永久磁石式回転機、図５（ｂ）は高効率形永久磁石式回転機、図５（ｃ）は固定子のスロット形状を変更した標準形永久磁石式回転機をそれぞれ示している。この表面磁石構造の永久磁石式回転機でも、上述した実施形態と同様に、回転子４については１種類の回転子用打ち抜き金型２２を用意し、固定子３については図５（ａ）〜（ｃ）に対応する３種類の固定子用打ち抜き金型を用意することにより、１つの製造ラインで仕様の異なる３種類の永久磁石式回転機の固定子用コアプレート７を製造することができる。

なお、上記実施形態においては、固定子用コアプレート７及び回転子用コアプレート１１をそれぞれ固定子用打ち抜き金型２３及び回転子用打ち抜き金型２２によって１回で打ち抜く場合について説明したが、これに限定されるものではなく、固定子３については、スロット８ｂを打ち抜く金型、スロット８ｂを形成した固定子用コアプレートを打ち抜く金型の２種類の金型で構成することもできる。同様に、回転子４についても回転軸６を嵌入する挿通孔を打ち抜く金型、スロット１４を打ち抜く金型、総通行及びスロットが形成された回転子コアプレートを打ち抜く金型の３種類の金型又はこれらを組合せた複数の金型で構成することもできる。

また、上記実施形態においては、回転子４の形状を同一とし、固定子３の形状を変更する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、固定子３の形状を同一として回転子４のスロット形状を変更する場合にも本発明を適用することができる。
さらに、上記実施形態においては、回転子４の磁極１１の数を４極とし、固定子３のティース８ｃを１２個とした場合について説明した。しかしながら、上記構成に限定されるものではなく、回転子４の磁極数及び固定子３のティース数は任意に設定することができる。
さらにまた、上記実施形態においては、本発明を永久磁石式回転機に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、固定子３及び回転子４が積層鋼板で構成されている構成の回転機に本発明を適用することができる。

本発明を埋込磁石構造の永久磁石式回転に適用した場合の一実施形態を示す上半部を断面とした側面図永久磁石式回転電機を示す断面図である。 図１のＡ−Ａ線上の断面図である。 鋼板の打ち抜き状態を示す平面図である。 鋼板の打ち抜きラインを示す側面図である。 表面磁石構造の永久磁石式回転機を示す断面図である。

符号の説明

１…永久磁石式回転機
２…円筒状フレーム
３…固定子
Ｇ…エアギャップ
４…回転子
６…回転軸
７…固定子用コアプレート
８…固定子コア
８ａ…ヨーク部
８ｂ…スロット
８ｃ…ティース
９…励磁コイル
１１…回転子用コアプレート
１２…磁極
１３…回転子コア
１４…スロット
１５…永久磁石
２１…鋼板
２２…回転子用打ち抜き金型
２３、２３Ａ、２３Ｂ…固定子用打ち抜き金型

Claims (5)

1. 高透磁率の鋼板を打ち抜いた固定子用コアプレートを積層して構成される固定子コアと該固定子コアに巻装した励磁コイルとを有する固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向して高透磁率の鋼板を打ち抜いた回転子用コアプレートを積層して構成される回転子コアと該回転子コアに形成された複数の磁極とを有する回転子とを備えた回転機の製造方法であって、
   前記回転子用コアプレートを打ち抜く回転子用金型と前記固定子用コアプレートを打ち抜く固定子用金型とを個別に形成して整列させ、当該回転子用金型及び前記固定子用金型に前記鋼板を搬送して打ち抜くことにより前記回転子用コアプレート及び前記固定子用コアプレートを形成することを特徴とする回転機の製造方法。
2. 高透磁率の鋼板を打ち抜いた固定子用コアプレートを積層して構成される固定子コアと該固定子コアに巻装した励磁コイルとを有する固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向して高透磁率の鋼板を打ち抜いた回転子用コアプレートを積層して構成される回転子コアと該回転子コアに形成された複数の磁極とを有する回転子とを備えた回転機の製造方法であって、
   前記回転子用コアプレートを打ち抜く１種類の回転子用金型と前記固定子用コアプレートを打ち抜く仕様に応じて異なる複数種類の固定子用金型とを用意し、前記回転子用金型と前記複数の固定子用金型から選択した１種類の固定子用金型を整列させ、整列された前記回転子用金型及び固定子用金型に前記鋼板を搬送して打ち抜くことにより１つの前記回転子用コアプレートと当該回転用コアプレートに対して仕様の異なる固定子用コアプレートとを形成可能としたことを特徴とする回転機の製造方法。
3. 前記回転機は前記回転子に永久磁石を有する永久磁石式回転機で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転機の製造方法。
4. 前記回転子用コアプレートは、積層して前記回転子コアを形成した状態で、軸方向に前記永久磁石を磁極単位で埋設するスロットが形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の回転機の製造方法。
5. 前記回転子用コアプレートは、積層して前記回転子コアを形成した状態で、表面に複数の前記永久磁石を配置可能に打ち抜きされていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の回転機の製造方法。

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