JP2012244824A - モータの回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの起動及び停止による短絡環に加わる負荷応力の応力振幅が小さくすることができるモータの回転子を提供する。
【解決手段】円筒状の鉄心コア部３と、鉄心コア部３の内部であって周方向に一定間隔で配設された導体バー４及び導体バー４に繋がれて鉄心コア部３の両端面に配設される短絡環５と、その外径が短絡環５の内径より大きい補強リング６を備え、補強リング６を短絡環５の内周部に焼き嵌めすると共に、鉄心コア部３と補強リング６の内周部にシャフトを取り付ける。
【選択図】図１

Description

この発明は、短絡環を有するモータの回転子の構造に関し、さらに詳しくは、工作機械の主軸スピンドルモータ等の回転子の構造において、高速回転時の遠心力及び熱応力による短絡環の疲労寿命を向上するためのものである。

従来、モータの回転子として、電磁鋼板を積層した円筒状の鉄心コア部と、この鉄心コア部の内部の周方向に一定間隔で配置した複数の導体バーとそれに繋がる短絡環を備え、それらの構成部品をモータシャフトに取り付けたものがあった。
上記モータ回転子において、高速回転時に働く遠心力により回転子自身が外周方向に膨張変形し、その変形により短絡環に高い応力が働く。モータの起動停止を繰り返した場合、短絡環には高い応力が繰り返し負荷され、疲労寿命が低下する懸念がある。
その対策として、例えば特許文献１には、回転子の回転軸方向の両端面に回転子巻線を短絡するリング状に形成された短絡環と、インローによって接合し、回転軸に嵌合焼きばめ固着され回転による短絡環の変形を補強する補強リングが開示されている。
また、特許文献２には、ロータコアのロータスロット内に鋳込んだアルミ材を同ロータコアの両端面の外方に突出させてなるエンドリングが、その内側に固定配置するバランスプレートのリング体の周りに形成した鉤の手構造部を鋳込む構造となし、両者の結合部はラジアル方向に絡み合う２つ巴構造にしてエンドリングの遠心力による膨張を阻止したものが開示されている。

特開昭６１−１３２０６３号公報（第１図等） 特開平０７−２３５４９号公報（段落［０００９］、図１等）

上記のように、モータの高速回転時に働く遠心力により短絡環は外周方向に膨張変形する。短絡環の変形量は、内周側ほど大きく外周側ほど小さくなる。従って、短絡環の内周側ほど強い引張り応力が働き、径方向よりも周方向の方が高い引張り応力が働くという特徴がある。
一方、短絡環と繋がっている導体バーも外周方向に変形しようとするが、鉄心コア部に拘束されている。つまり、導体バーは膨張変形する短絡環を拘束するために、短絡環は外見上外周方向と軸方向上部に持ち上がるような形になり、短絡環と導体バーとの繋ぎ目に応力集中が発生する。
そして、モータの起動停止を繰り返すと、上記遠心力に伴う応力が短絡環と導体バーの繋ぎ目に繰り返し加わる。さらに、モータの温度上昇による熱応力が繰り返し負荷されることになる。その結果、短絡環が金属疲労を起こしたり、導体バーと短絡環の繋ぎ目に大きな繰り返し応力が負荷されることが懸念される。
上記懸念事項に対して、従来より遠心力負荷や温度上昇による短絡環の膨張変形を抑制することを目的として、特許文献１のように短絡環を金属製のカバーで覆う等の対策が講じられてきた。このようなカバーは短絡環の外方向の変形の抑制には有効であるが、上記短絡環の内側ほど高い周方向応力の低減には効果が期待出来ない。また、短絡環とカバーとは比重や膨張係数の異なる異材であることが多いために、短絡環と、遠心力負荷時や温度上昇時に短絡環の変形を拘束しようとするカバーとの間に応力集中が働く可能性がある。
また、特許文献２のように、鉤の手構造部をエンドリングにより鋳込む構造になっているが、その部分に繰り返し応力が集中することになる。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、モータの起動及び停止による短絡環に加わる負荷応力の応力振幅が小さくすることができるモータの回転子を提供することを目的とする。

第１の発明のモータの回転子は、円筒状の鉄心コア部と、鉄心コア部の内部であって周方向に一定間隔で配設された導体バー及び導体バーに繋がれて鉄心コア部の両端面に配設される短絡環と、その外径が短絡環の内径より大きい補強リングを備え、補強リングは短絡環の内周部に焼き嵌めされると共に、鉄心コア部と補強リングの内周部にシャフトが取り付けられるものである。

第２の発明のモータの回転子は、円筒状の鉄心コア部と、鉄心コア部の内部であって周方向に一定間隔で配設された導体バー及び導体バーに繋がれて鉄心コア部の両端面に配設される短絡環と、その外径が短絡環の内径より大きいか又は同等であって、その内径がシャフトの外径より小さな補強リングを備え、補強リングは短絡環の内周部に嵌め合わされると共に、補強リングの内周部にシャフトが焼き嵌めされるものである。

第１の発明によれば、補強リングを短絡環の内周部に焼き嵌めすることにより、短絡環に外径方向と円周方向にあらかじめ変形が加えられ、モータ停止時にも短絡環には径方向と周方向の双方に応力が作用する。そのため、モータの起動及び停止による短絡環に加わる負荷応力の応力振幅が小さくなり疲労寿命の向上に貢献する。

第２の発明によれば、補強リングを短絡環の内周部に嵌め合わせると共に、補強リングの内周部にシャフトを焼き嵌めするようにしたので、短絡環に外径方向と円周方向にあらかじめ変形が加えられ、モータ停止時にも短絡環には径方向と周方向の双方に応力が働く。そのため、モータの起動及び停止による短絡環に加わる負荷応力の応力振幅が小さくなり疲労寿命の向上に貢献する。

この発明の実施の形態１によるモータの回転子を示す断面図である。 この発明の実施の形態１の短絡環に作用する応力を示す概略図である。 この発明の実施の形態３によるモータの回転子を示す断面図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるモータの回転子を示す断面図である。
図１において、モータの回転子１０は、円筒状の鉄心コア部３と、鉄心コア部３の内部であって周方向に一定間隔で配設された複数本の導体バー４及びこの導体バー４に繋がれて鉄心コア部３の両端面に配設される短絡環５と、その外径が短絡環５の内径より大きい補強リング６を備える。そして、補強リング６は短絡環５の内周面に焼き嵌めされている。また、補強リング６の内径及び鉄心コア部３の内径をシャフト２の外径より小さくして、鉄心コア部３と補強リング６の内周部にシャフト２が焼き嵌めされている。そして、補強リング６の軸方向両端側にはバランスリング７がシャフト２に焼き嵌めされている。補強リング６の軸方向長さは、短絡環５の軸方向長さより長く設定されているので、バランスリング７は短絡環５に接触しない。

本実施の形態１のモータの回転子１０についてさらに詳細に説明する。
電磁鋼板を複数枚積層した中空円筒状の鉄心コア部３に、導体バー４の断面形状と同じ形状のスロット３ａを周方向に所定間隔で開けておく。そして、鉄心コア部３のスロット３ａに、ダイカスト法または溶湯鍛造法によりアルミ溶湯を鋳包むことにより、鉄心コア部３の内部に軸方向に延びる複数個の導体バー４と、鉄心コア部３の両端面に導体バー４に繋がる短絡環５を形成する。その後、モータ回転子の外周面、鉄心コア部３の内周面、短絡環５の内周面を所定の寸法にあらかじめ仕上げ加工しておく。

補強リング６は、鉄系材料からなり、短絡環５の内径よりも大きい外径と、シャフト２の外径よりも小さい内径を有する。そして、補強リング６の外周と短絡環５の内周との嵌め合い寸法、及び補強リング６の内周とシャフト２の外周との嵌め合い寸法は、それぞれモータの寸法、回転数等の仕様に応じて疲労寿命を満たすように強度解析等により決まる。また、補強リング６の軸方向長さは、短絡環５の軸方向長さより長く設定されている。

そして、モータ回転子の短絡環５を熱により膨張させた後、短絡環５の内周に補強リング６を挿入することにより両者を焼き嵌め固着する。さらに、補強リング６の内径及び鉄心コア部３の内径をシャフト２の外径より小さくしており、補強リング６の内周部及び鉄心コア部３の内周部にシャフト２を焼き嵌めにより固着する。

その後、バランスリング７をモータの回転子１０の軸方向両端面に装着する。バランスリング７は、補強リング６や鉄心コア部３と同様にシャフト２の外径より小さい内径を持ち、焼き嵌めによりシャフト２に固着される。バランスリング７は補強リング６の端面に接触する位置に取り付けられる。補強リング６の軸方向長さは短絡環５の軸方向長さよりも長いために、バランスリング７と短絡環５とは接触しない。

バランスリング７には、モータの高速回転時の平衡をとる役割と、モータの高速回転時やモータ各部品の温度が上昇して熱膨張してきた時に補強リング６が短絡環５の内周から軸方向に抜け出すことを防止する役割を持たせる。その一方で、バランスリング７は短絡環５とは接触しないので、短絡環５の膨張変形を抑制しない。これは短絡環５の膨張時に軸方向の圧縮応力が短絡環５に働かないことを意味し、温度上昇後において短絡環５のある部位にかかる応力がモータの起動停止に伴って圧縮応力から引張り応力に反転して高い振幅応力となることを防止する狙いがある。

以上のように、この実施の形態によれば、補強リング６を短絡環５の内周部に焼き嵌めするようにしたので、短絡環５に外周方向及び円周方向にあらかじめ変形が加えられ、モータ停止時にも短絡環５には径方向と周方向の双方に焼き嵌めによる応力が働く。
そのため、モータ停止時の短絡環の変形量と、モータの起動時の遠心力負荷や温度上昇による短絡環の変形量との差を小さくすることができ、短絡環５にかかる負荷応力の応力振幅が小さくなる。つまり、図２に示すように、補強リング６を短絡環５に焼き嵌めした場合の応力振幅Ａは、焼き嵌めしない場合の応力振幅Ｂより小さくなり、疲労寿命向上に貢献する。なお、図２において、σａは焼き嵌めにより短絡環に作用する応力、σｂは遠心力又は熱により短絡環に作用する応力を表している。

また、補強リング６の軸方向長さを短絡環５の軸方向長さよりも長くし、補強リングの端面側にバランスリングを配設するようにしたので、バランスリング７は短絡環５とは接触しなく、短絡環５の膨張変形を抑制することはなく、モータの起動停止に伴う応力振幅が高くなることを防止する。

また、補強リング６はシャフト２側にも焼き嵌めされるので、補強リング６が高速回転時にシャフト２から脱落しにくくなる。

また、補強リング６が中空円筒形状であり構成が簡単で製作が容易である。さらに、補強リング以外のモータの回転子の構成部品（鉄心コア部や導体バー、短絡環）やバランスリングは流用することができるので、安価に補強を図ることができる。

また、特許文献２のように補強リングを鋳包みによって短絡環内部に固着する場合、モータ停止時に短絡環にかかる応力が不明瞭で鋳造時の条件によってばらつきが予想される。これに対して、本実施の形態では、焼き嵌め工程にすることで、モータ回転数に応じて焼き嵌め代を設定することができる。つまり、モータ仕様に応じた補強構造設計が可能である。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２は、実施の形態１で説明した図１と同様の構成のモータ回転子を使用する。ただし、補強リング６の材質は、短絡環５を構成するアルミと膨張係数が同等のジュラルミンやアルミより膨張係数の大きい亜鉛等を使用する。そして、補強リングの外径と短絡環５の内径は、嵌め合い程度の寸法とし、短絡環５の内周部に補強リング６を焼き嵌めせずに嵌合する。一方、補強リング６の内径をシャフト２の外径より所定寸法小さくし、補強リング６の内周部にシャフト２を焼き嵌め固着する。

その結果、モータの温度上昇に伴い、補強リング６の方が短絡環５より径方向に大きく膨張することで、短絡環５を径方向外側に押しやり、実施の形態１のように短絡環５の内周部に補強リング６を焼き嵌めした場合と同等の効果を得ることができる。

実施の形態２によれば、短絡環５の内周部に補強リング６を焼き嵌めしないので、実施の形態１よりもモータ回転子の製作が容易となる。

実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３によるモータの回転子を示す断面図である。
実施の形態３では、図３に示すように、バランスリング７ａを短絡環５の外周部を囲むように軸方向に延長したカバー形状とする。そして、バランスリング７ａの外周部と短絡環５とは接触させず、１ｍｍ以内程度のクリアランスを開ける。その他の構成は、実施の形態１又は実施の形態２と同様である。

本実施の形態によれば、短絡環が破壊した時も破片はカバー形状のバランスリング７ａ内に留まり、飛散して他の部品を破損させることを防止することができる。

２ シャフト、３ 鉄心コア部、４ 導体バー、５ 短絡環、６ 補強リング、
７，７ａ バランスリング、１０ モータの回転子。

Claims (5)

1. 円筒状の鉄心コア部と、上記鉄心コア部の内部であって周方向に一定間隔で配設された導体バー及び上記導体バーに繋がれて上記鉄心コア部の両端面に配設される短絡環と、その外径が上記短絡環の内径より大きい補強リングを備え、
   上記補強リングは上記短絡環の内周部に焼き嵌めされると共に、上記鉄心コア部と上記補強リングの内周部にシャフトが取り付けられたモータの回転子。
2. 円筒状の鉄心コア部と、上記鉄心コア部の内部であって周方向に一定間隔で配設された導体バー及び上記導体バーに繋がれて上記鉄心コア部の両端面に配設される短絡環と、その外径が上記短絡環の内径より大きいか又は同等であって、その内径がシャフトの外径より小さな補強リングを備え、
   上記補強リングは上記短絡環の内周部に嵌め合わされると共に、上記補強リングの内周部に上記シャフトが焼き嵌めされたモータの回転子。
3. 上記補強リングはその内径が上記シャフトの外径より小さく、上記補強リングの内周部に上記シャフトが嵌め合わされる請求項１に記載のモータの回転子。
4. 上記補強リングの軸方向長さを上記短絡環の軸方向長さよりも長くし、上記補強リングの端面にバランスリングを配設する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のモータの回転子。
5. 上記バランスリングを上記短絡環の外周部を囲むように軸方向に延長したカバー形状とした請求項４に記載のモータの回転子。

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