JP2010539875A - 組み込み式永久磁石のモータのロータのバランスを取る方法 - Google Patents

Abstract

組み込み式永久磁石のモータのロータのバランスを取る方法は、ａ） 回転軸、および偶数個のリブをその間に画定する偶数個の凹形状のスロットが設けられた概して円筒形の表面を有する非磁性の円筒形のシャフトを提供する工程と、ｂ） 頂部開口、底部、および２つの側部が設けられた断面を有する軸スロットを、凹形状のスロットの各々の中央部分に機械加工する工程と、ｃ） 少なくとも１つのバランス錘を少なくとも１つの軸スロット内にスライドさせる工程と、ｄ） 軸スロット内における少なくとも１つのバランス錘の各側部に位置決めロッドを挿入する工程と、を備えている。

Description

本発明は、回転電気装置に関し、とりわけ、永久磁石タイプの回転電気装置における組み込み式永久磁石のモータのロータのバランスを取る方法に関する。

電気モータにより電力が供給される機械は、たいてい永久磁石のロータの組立て体を使用する。図１に示すように、一般的なロータの組立て体１は、偶数個の実質的に同一の凹形状のスロット５が設けられたシャフト３を含んでいる。スロット５は、隣り合うスロット５間の接合表面（dovetail surface）において、実質的に同一の概してＴ字形状のリブ７を画定する。複数の概してＣ字形状の積層スタック９がＴ字形状のリブ７を包囲する。積層スタック９は、シャフト３の回転軸に直交するよう配置された各々のシートにより形成される。シートは、リブ７の凸部すなわち接合表面に隣接する縁部を有している。永久磁石１３を保持するための、複数の非磁性のクレードル（cradle）１１が各スロット５に配置されている。各クレードル１１は、積層された永久磁石１３を支持する。固定プレート１５は、永久磁石１３、積層スタック９およびクレードル１１を包囲する。この組み込み式永久磁石のロータは、ロータ１の軸方向長さあたりの動力を最大とするため、できるだけ密に積まれるよう磁石１３を各々のクレードル１１に軸方向に組み立てることにより形成される。しかしながら、このような構成では、中央平面のバランスの修正のためにロータ１の中心にアクセスすることができない。

上述のような現在の永久磁石ロータの組立て体は一般的に第１の臨界速度（critical speed）を超えて動作するため、ロータのバランスを取るために中央平面のバランス領域にアクセスすることができるようにすることが必須である。しかしながら、このような設計は、上述のような中央平面のバランス領域を提供しない。代わりに、現在の方法は、端部プレートおよびミッドスパン材料を除去するバランス方法を用いて、全速力時におけるシャフトのバランスを取るようになっている。この方法は、組み立てられるべきロータの部品の重さを量って残りの部分のアンバランスさが最小限となるよう各々の部分の位置を計算することにより行われる。このような方法は、一般的にロータの初期バランスを取るのには十分であるが、ベアリング領域やシャフト端部の修理等、使用中に外部要因がバランスを変えた場合には、中央平面のバランスの修正を行うにあたり、ロータを分解することなくロータのバランスを再び取るのは、不可能ではないにしても非常に困難である。このため、最初の組み立ての後に中央平面のバランスの修正を行う現在の方法では、シャフト３から永久磁石１３、積層スタック９およびクレードル１１を分解し、中央平面のバランスの修正を行い、永久磁石１３、積層スタック９およびクレードル１１をシャフト３に組み立てている。このような方法は時間が非常にかかり、コストが高く、さらに、磁石１３は非常に強力なので磁石１３を扱う際に安全性に関して危険が生じる。

このため、ロータを分解することなくロータの中央平面のバランスの修正を行うことができる、組み込み式永久磁石のロータのバランスを取る方法が必要となる。

本発明によれば、ロータを分解することなく、組み立てられた組み込み式永久磁石のロータの中央平面のバランスの修正を迅速かつ容易に行うことができる。本発明は、組み込み式永久磁石のモータのロータのバランスを取る方法に関する。本発明の方法は、ａ） 回転軸、および偶数個のリブをその間に画定する偶数個の凹形状のスロットが設けられた概して円筒形の表面を有する非磁性の円筒形のシャフトを提供する工程と、ｂ） 頂部開口、底部、および２つの側部が設けられた断面を有する軸スロットを、凹形状のスロットの各々の中央部分に機械加工する工程と、ｃ） 少なくとも１つのバランス錘を少なくとも１つの軸スロット内にスライドさせる工程と、ｄ） 軸スロット内における少なくとも１つのバランス錘の各側部に位置決めロッドを挿入する工程と、を備えている。

工程ｂ）の後であって工程ｃ）の前に、積層スタックおよび磁石の段が複数、シャフトの周囲に配置され、軸スロットの各々の位置に対応するよう穴がそれぞれ機械加工された２つの固定プレートが、シャフトの第１の端部および第２の端部にそれぞれ配置され、これらの２つの固定プレートの間に複数の段が固定されるようになっていてもよい。各々の段は、リブを包囲する複数の積層スタック、および積層スタックの間において周方向に配置される複数の永久磁石を有していてもよい。位置決めロッドは、この位置決めロッドがバランス錘と各固定プレートとの間における軸方向長さに適合するような長さを有していてもよい。

軸スロットの頂部開口は、軸スロットの底部の幅よりも小さな幅を有していてもよい。軸スロットは、実質的に台形の断面を有していてもよい。少なくとも１つのバランス錘は、実質的に台形の断面を有していてもよい。バランス錘は、重量が大きな非磁性材料から構成されていてもよい。位置決めロッドは、実質的に円形の断面を有していてもよい。位置決めロッドは、重量が小さな非磁性材料から構成されていてもよい。

また、本発明は、永久磁石ロータ組立て体に関する。この組立て体は、回転軸、および偶数個のリブをその間に画定する偶数個の凹形状のスロットが設けられた概して円筒形の表面を有する非磁性の円筒形のシャフトを備えている。凹形状のスロットの各々は、凹形状のスロットの中央部分に配置されるとともに凹形状のスロットの長さ方向に沿って延びるような軸スロットを有している。また、組立て体は、シャフトを包囲して組立て体を形成する積層スタックおよび磁石の複数の段を備えている。各々の段は、リブを包囲する複数の積層スタック、および積層スタックの間において周方向に配置される複数の永久磁石を有している。少なくとも１つのバランス錘が各軸スロット内に配置されている。位置決めロッドが軸スロット内における少なくとも１つのバランス錘の各側部に配置されている。軸スロットの各々の位置に対応するよう機械加工された穴が設けられたディスク形状の固定プレートが、ロータの軸方向における各端部に設けられている。

軸スロットの頂部開口は、軸スロットの底部の幅よりも小さな幅を有していてもよい。軸スロットは、実質的に台形の断面を有していてもよい。少なくとも１つのバランス錘は、実質的に台形の断面を有していてもよい。バランス錘は、重量が大きな非磁性材料から構成されていてもよい。位置決めロッドは、実質的に円形の断面を有していてもよく、重量が小さな非磁性材料から構成されていてもよい。位置決めロッドは、この位置決めロッドがバランス錘と各固定プレートとの間における軸方向長さに適合するような長さを有していてもよい。

積層スタックは概してＣ字形状であってもよく、固定プレートは、強度が大きく重量が小さな非磁性の材料から構成されていてもよい。

さらに、本発明は、組み込み式永久磁石のモータのロータのバランスを取る方法である。この方法は、ａ） 回転軸、および偶数個のリブをその間に画定する偶数個の凹形状のスロットが設けられた概して円筒形の表面を有する非磁性の円筒形のシャフトを提供する工程と、ｂ） 頂部開口、底部、および２つの側部が設けられた断面を有する軸スロットを、凹形状のスロットの各々の中央部分に機械加工する工程と、ｃ） 積層スタックおよび磁石の段を複数、シャフトの周囲に配置する工程と、ｄ） 軸スロットの各々の位置に対応するよう穴がそれぞれ機械加工された２つの固定プレートを、シャフトの第１の端部および第２の端部にそれぞれ配置し、これらの２つの固定プレートの間に複数の段を固定する工程と、ｅ） 少なくとも１つのバランス錘を固定プレートにおける少なくとも１つの穴内にスライドし、その後軸スロット内にスライドさせる工程と、ｆ） 軸スロット内における少なくとも１つのバランス錘の各側部に位置決めロッドを挿入する工程と、を備えている。複数の段の各々は、リブを包囲する複数の積層スタック、および積層スタックの間において周方向に配置される複数の永久磁石を有している。

本発明によるこれらのおよび他の特徴は、動作方法、構造の関連構成要素の機能、部分の組合せ体、および製造の経済性と同様に、添付図面を参照して以下の記載および従属請求項を考慮することによってより明らかになる。これらのものは本明細書の一部を形成する。同様の参照符号は、様々な図面における対応する部分を示す。

従来の組み立てられた永久磁石ロータの斜視図であって、ロータの軸に直交する平面により切断された図である。 本発明による永久磁石ロータのシャフトの斜視図である。 図２に示す永久磁石ロータのシャフトの断面図である。 完全に組み立てられた、釣り合い錘および対応する位置決めロッドを示す組み込み式永久磁石のロータの斜視図である。位置決めロッドは、ロータの固定プレートに設けられた穴を貫通するよう挿入される。 釣り合い錘および対応する位置決めロッドが設けられた、図２に示す永久磁石ロータのシャフトの斜視図である。位置決めロッドは、シャフトの軸スロット内に配置されている。

以下の記載において、「上方」「下方」「右方」「左方」「垂直」「水平」「頂部」「底部」「横方向」「縦方向」という言葉、ならびにそれらの派生語は、図面における向きという形で本発明に関連する。しかしながら、本発明は、強調して特定されない限り、様々な他の変形例も想定していることを理解されたい。また、添付図面に示され、以下に記載される特定の装置は、本発明の単なる例示的な実施の形態に過ぎないことを理解されたい。

図２乃至図４に示すように、組み込み式永久磁石のモータのロータは、概して参照符号１６により示されており、このロータ１６は、図５に示すように、シャフト１７を含んでいる。シャフト１７には、偶数個の実質的に同一の凹形状のスロット１９が設けられている。スロット１９は、隣り合うスロット１９間の接合表面（dovetail surface）において、実質的に同一の概してＴ字形状のリブ２１を画定する。複数の概してＣ形状の積層スタック２３がＴ字形状のリブ２１を包囲する。積層スタック２３は、シャフト１７の回転軸に直交するよう配置された各々のシートにより形成される。シートは、リブ２１の凸部すなわち接合表面に隣接する縁部を有している。永久磁石２５を保持するための、複数の非磁性のクレードル（cradle）（図示せず）が各スロット１９に配置されている。各クレードルは、積層された永久磁石２５を支持する。固定プレート２７、２９は、永久磁石２５、積層スタック２３およびクレードルを包囲する。

本発明の方法により、装置を分解することなくモータのロータ１６の中央平面のバランスを修正することができる。このことは、組み込み式永久磁石のモータのローラ１６を組み立てる前にスロット１９の各々の中央部分に軸スロット３１を機械加工し、少なくとも１つのバランス錘３２を少なくとも１つの軸スロット３１内における中央平面のバランスの修正を行うのに必要な位置にスライドさせることにより可能となる。

したがって、この方法は、積層スタック２３および磁石２５の段（stage）、ならびに固定プレート２７、２９を軸１７に組み立てる前に、各々のスロット１９の中央部分に軸スロット３１を機械加工することにより開始される。各々の軸スロット３１は、頂部開口３３、底部３５および２つの側部３７、３９からなる断面を有している。各々の軸スロット３１は、頂部開口３３が底部３５の幅よりも小さな幅の大きさとなるような形状となっている。このため、各々の軸スロット３１の断面は、図３に示すように、頂部開口３３に向かって狭くなるようなテーパ形状の側部が設けられた、台形の形状となる。しかしながら、このことは、本発明を制限するよう解釈されるべきではなく、頂部開口３３の幅が底部３５の幅よりも小さいのであれば、軸スロット３１の形状として様々な断面を用いることができる。軸スロット３１がこのような断面となっている理由は、この軸スロット３１に挿入される釣り合い錘が、モータのロータ１６の動作の間に遠心力により軸スロット３１から外れてしまうことを防止することにある。さらに、軸スロット３１は、シャフト１７を構成するのに用いられる材料が折れることなくバランス錘３２を保持するために、その頂部部分における厚さが十分でなければならない。軸スロット３１は、フライカッター（fly cutter）、エンドミル（endmill）または他の適切な工具を使用することによりスロット１９の中央部分に機械加工される。

図４に示すように、軸スロット３１が一度機械加工されると、積層スタック２３および磁石２５の段がシャフト１７上に組み立てられる。その後、アクセス開口４１が固定プレート２７、２９の各々に機械加工される。固定プレート２７、２９は、シャフトの第１の端部および第２の端部にそれぞれ配置され、それらの間に積層スタック２３および磁石２５の段を複数固定する。アクセス開口４１は、バランス錘３２がアクセス開口４１内にスライドでき、そして軸スロット３１内にスライドできるよう、軸スロット３１に位置合わせされる。

バランス錘３２は、軸スロット３１の断面から、必要なクリアランスを差し引き、軸方向長さの単位あたりの重さが最大となるような形状となるような断面形状を有している。このことにより、バランス錘３２は、実質的に台形形状となる。しかしながら、このことは、本発明を制限するよう解釈されるべきではなく、バランス錘３２が軸スロット３１の頂部開口３３よりも幅が広くモータのローラ１６の動作の間にバランス錘３２を軸スロット３１内に保持させることができるのであれば、バランス錘３２の形状として様々な断面を用いることができる。バランス錘３２は、重量が大きな、非磁性の材料から構成される。具体的には、バランス錘３２は、例えばタングステンから構成されるが、これに限定されることはない。

バランス錘３２を正確な軸方向位置に維持するために、位置決めロッド４３が設けられている。位置決めロッド４３は、図５に示すように、バランス錘３２の各々の側部に配置される。位置決めロッド４３は、この位置決めロッド４３がバランス錘３２と各固定プレート２７、２９との間における軸方向長さに適合するような長さを有している。位置決めロッド４３は、バランス錘３２および軸スロット３１とは異なる断面形状を有している。位置決めロッド４３の断面形状は、追加重量が最小限となり、また、商業化がより可能なものが選択される。このため、位置決めロッド４３は、実質的に円形の断面を有していてもよい。なぜならば、このような形状により、位置決めロッド４３は台形形状のスロットに用いられる際に最小限の重量となり、また容易に得ることができるからである。さらに、位置決めロッド４３は、重量が小さな、非磁性の材料から構成される。具体的には、位置決めロッド４３は、例えばアルミニウムまたはプラスチックから構成されるが、これに限定されることはない。

最初は、各軸スロット３１は空となっているか、またはその全体長さ部分が２つまたはそれ以上の位置決めロッド４３により満たされている。その後、モータのロータ１６に必要とされるバランスの修正量を決定するためにバランス機械（図示せず）が用いられる。バランス機械は、例えばニューヨークの「Schenck Corporation of Deer Park」により製造されるバランス機械等の、急速（at-speed）バランス機械である。このバランス機械は、両端面および１つの中央平面のバランス領域の各々に一度に試行の錘が１回の実験で追加されるような３回の実験に基づいて、最小二乗法を用いてバランス修正量を計算する。このような情報から、適切なバランス修正を行うために、１または複数のバランス錘３２の量および位置が計算される。また、バランス修正量は、バランス錘３２の長さを決めるためにも用いられる。軸方向における位置を計算するとともにバランス修正の半径方向位置を計算するために、「ＣＡＢ６９０ Control」と呼ばれるプログラムが用いられる。

適切なバランス錘が一旦選択されると、各バランス錘３２が固定プレート２７におけるアクセス開口４１を介して適切な軸スロット３１に置かれ、適切な位置決めロッド４３により望ましい位置まで押される。そして、適切な長さの他の位置決めロッド４３が固定プレート２９におけるアクセス開口４１を介して軸スロット３１の他の側部に挿入される。位置決めロッド４３の目的は、重量が大きなバランス錘３２を正確な軸方向位置に保持することにある。位置決めロッド４３が挿入された後、固定プレート２７、２９におけるアクセス開口４１はプラグ４５によりシールされ、位置決めロッド４３は動かないようになる。

上記記載の方法や図５を参照して特定される事項の代わりに、磁石２５および積層スタック２３の段、ならびに固定プレート２７、２９がシャフト１７に組み立てられる前に、バランス錘３２および位置決めロッド４３が軸スロット３１に挿入されてもよい。

本発明は、実際に最もよく行われる好ましい実施の形態を考慮することに基づいて示される目的で詳細に記載されているが、このような詳細事項は、この目的のためだけに用いられるに過ぎず、本発明は上記記載の実施の形態に限定されず、代わりに、修正や等価の変更が意図されるということを理解されたい。さらに、本発明は、最大限に、実施の形態における１または複数の特徴が、他の実施の形態における１または複数の特徴と組み合わせることができることを意図するということを理解されたい。

Claims (20)

1. 組み込み式永久磁石のモータのロータのバランスを取る方法であって、
   ａ） 回転軸、および偶数個のリブをその間に画定する偶数個の凹形状のスロットが設けられた概して円筒形の表面を有する非磁性の円筒形のシャフトを提供する工程と、
   ｂ） 頂部開口、底部、および２つの側部が設けられた断面を有する軸スロットを、凹形状のスロットの各々の中央部分に機械加工する工程と、
   ｃ） 少なくとも１つのバランス錘を少なくとも１つの軸スロット内にスライドさせる工程と、
   ｄ） 軸スロット内における少なくとも１つのバランス錘の各側部に位置決めロッドを挿入する工程と、
   を備えた、方法。
2. 軸スロットの頂部開口は、軸スロットの底部の幅よりも小さな幅を有する、請求項１記載の方法。
3. 軸スロットは、実質的に台形の断面を有する、請求項１記載の方法。
4. 少なくとも１つのバランス錘は、実質的に台形の断面を有する、請求項１記載の方法。
5. バランス錘は、重量が大きな非磁性材料から構成される、請求項１記載の方法。
6. 位置決めロッドは、実質的に円形の断面を有する、請求項１記載の方法。
7. 位置決めロッドは、重量が小さな非磁性材料から構成される、請求項１記載の方法。
8. 工程ｂ）の後であって工程ｃ）の前に、積層スタックおよび磁石の段が複数、シャフトの周囲に配置され、軸スロットの各々の位置に対応するよう穴がそれぞれ機械加工された２つの固定プレートが、シャフトの第１の端部および第２の端部にそれぞれ配置され、これらの２つの固定プレートの間に複数の段が固定される、請求項１記載の方法。
9. 各々の段は、リブを包囲する複数の積層スタック、および積層スタックの間において周方向に配置される複数の永久磁石を有する、請求項８記載の方法。
10. 位置決めロッドは、この位置決めロッドがバランス錘と各固定プレートとの間における軸方向長さに適合するような長さを有している、請求項８記載の方法。
11. 回転軸、および偶数個のリブをその間に画定する偶数個の凹形状のスロットが設けられた概して円筒形の表面を有し、凹形状のスロットの各々は、凹形状のスロットの中央部分に配置されるとともに凹形状のスロットの長さ方向に沿って延びるような軸スロットを有するような非磁性の円筒形のシャフトと、
    シャフトを包囲して組立て体を形成する積層スタックおよび磁石の複数の段であって、各々の段は、リブを包囲する複数の積層スタック、および積層スタックの間において周方向に配置される複数の永久磁石を有する複数の段と、
    各軸スロット内に配置される少なくとも１つのバランス錘と、
    軸スロット内における少なくとも１つのバランス錘の各側部に配置される位置決めロッドと、
    ロータの軸方向における各端部において軸スロットの各々の位置に対応するよう機械加工された穴が設けられたディスク形状の固定プレートと、
    を備えた、永久磁石ロータ組立て体。
12. 軸スロットは、実質的に台形の断面を有する、請求項１１記載の永久磁石ロータ組立て体。
13. 少なくとも１つのバランス錘は、実質的に台形の断面を有する、請求項１１記載の永久磁石ロータ組立て体。
14. バランス錘は、重量が大きな非磁性材料から構成される、請求項１１記載の永久磁石ロータ組立て体。
15. 位置決めロッドは、実質的に円形の断面を有する、請求項１１記載の永久磁石ロータ組立て体。
16. 位置決めロッドは、重量が小さな非磁性材料から構成される、請求項１１記載の永久磁石ロータ組立て体。
17. 位置決めロッドは、この位置決めロッドがバランス錘と各固定プレートとの間における軸方向長さに適合するような長さを有している、請求項１１記載の永久磁石ロータ組立て体。
18. 積層スタックは概してＣ字形状である、請求項１１記載の永久磁石ロータ組立て体。
19. 固定プレートは、強度が大きく重量が小さな非磁性の材料から構成される、請求項１１記載の永久磁石ロータ組立て体。
20. 組み込み式永久磁石のモータのロータのバランスを取る方法であって、
    ａ） 回転軸、および偶数個のリブをその間に画定する偶数個の凹形状のスロットが設けられた概して円筒形の表面を有する非磁性の円筒形のシャフトを提供する工程と、
    ｂ） 頂部開口、底部、および２つの側部が設けられた断面を有する軸スロットを、凹形状のスロットの各々の中央部分に機械加工する工程と、
    ｃ） 積層スタックおよび磁石の段を複数、シャフトの周囲に配置する工程であって、複数の段の各々は、リブを包囲する複数の積層スタック、および積層スタックの間において周方向に配置される複数の永久磁石を有するような工程と、
    ｄ） 軸スロットの各々の位置に対応するよう穴がそれぞれ機械加工された２つの固定プレートを、シャフトの第１の端部および第２の端部にそれぞれ配置し、これらの２つの固定プレートの間に複数の段を固定する工程と、
    ｅ） 少なくとも１つのバランス錘を固定プレートにおける少なくとも１つの穴内にスライドし、その後軸スロット内にスライドさせる工程と、
    ｆ） 軸スロット内における少なくとも１つのバランス錘の各側部に位置決めロッドを挿入する工程と、
    を備えた、方法。

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