JP2012533982A - 回転電気機械用の内部ロータの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、特に、回転電気機械用の内部ロータを製造する方法であって、ロータは、シャフトを包囲した複数個の磁極部品を有し、各磁極部品は、磁性材料で作られた金属板（３）のスタックで構成され、磁極部品相互間には永久磁石のための凹部が画定され、この方法は、以下の連続して実施されるステップ、即ち、各々がｎ枚の金属板（３）を束ねたブランクを切断するステップを有し、“ｎ”は、ロータの磁極数であり、ブランクのｎ枚の金属板は、凹部を跨ぐ一時的ブリッジ（３５）によって互いにしっかりと連結された状態に保持され、少なくとも２つのブリッジは各々、外側出張り（３６）を有し、この方法は、ブランクを外側出張りにより整列状態に保った状態でブランクを積み重ねるステップと、ブランクのスタックを不動化するステップと、凹部（４０）に自由に半径方向に接近できるようにするために一時的ブリッジ（３５）を全て除去するステップとを更に有することを特徴とする方法に関する。

Description

本発明は、内部ロータが永久磁石を有する回転電気機械に関する。本発明は、特に、永久磁石がロータの空所内に納められた機械に関する。問題の電気機械は、「磁石埋込み型」機械と通称されている。このロータ配置原理は、磁束集中方式の自己制御型同期機に広く利用されている。

回転電気機械の寸法決めは、その公称トルクで決まる。他の全ての条件が等しい場合、モータが送り出すことができるトルクが大きければ大きいほど、電気モータがそれだけ一層嵩張る。しかしながら、高い出力と高いモータのコンパクトさの両方を得ることが望ましい用途が存在する。単純な物理的事例を挙げると、電気駆動モータが自動車のホイール内に取り付けられる場合、非懸架重量をできるだけ制限するためには、重量が可能な限り最も少ない場合、モータ一基当たり少なくとも１０ｋＷ、大抵の場合、モータ一基当たり少なくとも２５又は３０ｋＷの出力を生じさせることができるということが望ましい。また、嵩は、できるだけ小さく、懸架装置の運動中及び車両のボデーシェルに対するホイールの他形式の運動中、車両の要素を邪魔しないようにするためにホイールの内容積を超える分ができるだけ少ないようにすることが望ましい。

これら２つの必要性（高い出力、小さな嵩及び少ない重量）により、現在市場で入手できる電気機械の出力／重量比の飛躍的な改良が行なわれないとすれば、乗用車のホイール内への電気駆動モータの設置が極めて問題になる。

電気モータを設計する際の電気モータに関する高い速度の選択は、出力が一定であるとすると、トルクを減少させ、したがって嵩を減少させることができる一解決策である。換言すると、公称モータ出力が一定であるとすると、その公称回転速度が高ければ高いほど、その嵩がそれだけ一層小さくなる。

高い回転速度を得るための特定の設計例が欧州特許第１００１５０７号明細書において既に提案されている。この特許明細書において標的にされる速度は、これに関し、多角形非磁性シングルピースシャフトとこのシャフトの周りに巧妙に位置決めされた磁極片とから成る組立体の特定の配置を提案することにより、１２０００ｒｐｍのオーダのものである。２００００ｒｐｍのオーダの速度を標的にすることを可能にする改造例がこれについて、永久磁石を磁極片相互間のこれらの凹部内に半径方向に制止するためにウェッジを用いた構成を提案することにより欧州特許第１３５９６５７号明細書において提案されている。

欧州特許第１００１５０７号明細書 欧州特許第１３５９６５７号明細書

磁極片は、金属板のスタックから成り、各金属板は、円板セグメントの形態に切断されている。これら磁極片を製造し、ロータを組み立てる方法は、特にスタック中の金属板の最適位置合わせ状態を保証するためには特に時間がかかり且つ複雑である。

本発明の一目的は、回転電気機械用のロータを製造する方法を改良することにある。

かくして本発明は、回転電気機械用の内部ロータを製造する方法であって、ロータは、シャフトを包囲した複数個の磁極片を有し、各磁極片は、磁性材料で作られた金属板のスタックで構成され、磁極片相互間には永久磁石のための凹部が画定され、この方法は、以下の連続して実施されるステップ、即ち、
・各々がｎ枚の金属板を束ねたブランクを切断するステップ、“ｎ”は、ロータの磁極の数であり、ブランクのｎ枚の金属板は、凹部を跨ぐ一時的ブリッジによって互いに保持され、少なくとも２つのブリッジは各々、外側出張りを有し、
・ブランクを外側出張りにより整列状態に保った状態でブランクを積み重ねるステップ、
・ブランクのスタックを不動化するステップ、
・凹部に自由に半径方向に接近できるようにするために一時的ブリッジを全て除去するステップを有することを特徴とする方法を提供する。

好ましくは、ブランクのスタックは、タイロッドを介して側方フランジ相互間で不動化され、側方フランジ及びタイロッドは、次に、ロータの一体部分をなす。
また、好ましくは、一時的ブリッジは、機械加工により除去される。

第１の変形例によれば、ブランクの切断は又、磁極片の外縁の近くで凹部の壁に長手方向溝を構成するという作用効果を有する。

好ましくは、本方法は、永久磁石を凹部中に半径方向に挿入し、次に永久磁石を半径方向に固定するウェッジを長手方向溝内に配置する次のステップを更に有する。

好ましくは、ブランクは、金属ストリップを切断することにより、特に打抜き加工によって得られる。

本方法の第１の変形例によれば、２つ目ごとの１つのブランクは、切断後且つ積み重ね前に、ひっくり返される。

本方法の第２の変形例によれば、各ブランクは、積み重ね中、先行するブランクに対して角度αだけ割送りされ、αは、３６０°／ｎの倍数である。
本発明は、最後に、上記方法によって得られた内部ロータを有する回転電気機械に関する。

本発明の内容は、以下の図によって裏付けされる以下の説明から良好に理解されよう。

図２及び図３に見える一点鎖線Ａ‐Ａに沿って見た本発明のロータの軸線沿いの断面図である。 図１に見える線Ｂ‐Ｂに沿って見た図１のロータの軸線に垂直な部分断面図である。 図１に見える線Ｃ‐Ｃに沿って見た図１のロータの軸線に垂直な断面図である。 本発明の製造方法で用いられるブランクの斜視図である。 図４の多数のブランクを積み重ねる本発明の方法の一ステップを示す斜視図である。 スタックを多数の磁極片に分離する本発明の方法の一ステップを示す斜視図である。 図１に見える線Ｃ‐Ｃ線に沿って見たロータの軸線に垂直な断面図であるが、図４〜図６に示された例示の製造方法に一致した図である。 本発明の別の例示の製造方法を示す図である。 本発明の方法で用いることができる工具の別の例を概略的に示す図である。 ブランク積み重ね作業がブランクのひっくり返しと組み合わされた本発明の方法の第１の好ましい実施形態を示す図である。 ブランク積み重ね作業がブランクのひっくり返しと組み合わされた本発明の方法の第１の好ましい実施形態を示す図である。 ブランク積み重ね作業が各ブランク相互間の回転と組み合わされた本発明の方法の第２の好ましい実施形態を示す図である。 ブランク積み重ね作業が各ブランク相互間の回転と組み合わされた本発明の方法の第２の好ましい実施形態を示す図である。 ブランク積み重ね作業が各ブランク相互間の回転と組み合わされた本発明の方法の第２の好ましい実施形態を示す図である。

図１は、図示されていないステータを更に含む６極機用のロータ（回転子）１を示している。ロータ１は、軸受２０で支持されたシャフト２を有する。好ましくは強磁性金属板３のスタックによって形成された６つの磁極片３０が見える。各金属板３は、シャフトの軸線に実質的に垂直である。金属板は、例えば１ミリメートルの数十分の一のオーダ、例えば０．２ｍｍの極めて小さな厚さを有する。

シャフト２の各端部のところで軸方向に、磁極片３０の各側に位置した側方フランジ５，５′（好ましくは、非磁性材料で作られている）が見える。図１では、２つのオプションとしての中間フランジ７（好ましくはこれ又非磁性材料で作られている）も又見える。各側方フランジ及び該当する場合には各中間フランジ７は、中央開口部を有する。図１に記載されている非限定的な例では、側方フランジの中央開口部の形状は、円形であり、これに対し、中間フランジの中央開口部の形状は、シャフト２の溝付き断面に合わされている。

磁極片３０の各々に関し、タイロッド６が金属板３のスタックを貫通し、該当する場合には、中間フランジ７を貫通し、かかるタイロッドは、全てのものを側方フランジ５，５′相互間に把持するために用いられる。

平行六面体の永久磁石４が磁極片３０相互間の凹部４０内に納められた状態で見える。凹部は、１つ又は複数の中間フランジ７で中断されている。したがって、図１の例では、各磁極について３つの磁石が設けられている。磁石の凹部の各々は、磁石ウェッジ５１で閉鎖されている。

さらに、図２で理解できるように、磁極片３０の長手方向の面又はフェース３００が各々、各磁極片３０（及びかくして各金属板３）の外縁３２の半径方向高さ位置にロータの軸線に平行に設けられた溝３１を有し、磁極片は又、磁石４の高さよりも僅かに高い高さ（又は、より正確にいえば、半径方向寸法）を有している。かくして、各ウェッジ５１は、隣り合う磁極片の各々に設けられた２つの溝３１に当接する。かくして、磁石４は、磁極片３０に機械的に固定されている。各溝３１の本質的な機能は、ウェッジ及び磁石の遠心作用に対向するよう肩又はダブテールを形成することにある。磁極片は、タイロッド並びに側方フランジ及び場合によっては中間フランジによって互いに取り付けられる。

磁極片は、これら自体、回転の際、リブ３４がシャフトに設けられた溝２１と協働することによりシャフトに取り付けられたままであり、又、タイロッド及び側方フランジによって軸方向に不動化される。タイロッドの一端部の溝の中に配置されたビード６３がタイロッドをフランジのうちの１つ（この図では右側）に対して停止させ、ねじ６２がこのタイロッドの他端部（図の左側）のところにねじ込まれている。かくして、かかるロータは、損傷しないで、１００００ｒｐｍを遙かに超える極めて高い回転速度、主として少なくとも２００００ｒｐｍのオーダの速度に耐える。

図４〜図１３は、かかるロータの製造ための本発明の方法の必須の観点を示している。

図４は、６枚の金属板３を束ねたブランク３３を示しており、各金属板は、ロータの６つの磁極片のうちの１つに属するようになっている。６枚の金属板は、一時的ブリッジ３５により一時的に互いに結合される。ブリッジのうちの少なくとも２つは、外側出張り３６を有し、かかる外側出張りの目的については以下において説明する。

ブランク３３は、好ましくは、金属ストリップからの切断により例えば打抜き加工により得られる。磁石のための凹部４０及びタイロッドのための通路６１の形状を認識することができる。

次に、ブランクを積み重ね、そしてタイロッドによって側方フランジ相互間にクランプする。図５は、ブランクの積み重ね状態を示しているに過ぎない。他の要素（シャフト、側方フランジ、中間フランジ、タイロッド）は、図面を分かりやすくするために省かれている。読者は、これらの要素が見える図１〜図３を参照されたい。

本発明によれば、ブランクのスタックは、一時的ブリッジ３５の少なくとも２つ、好ましくは図示のように直径方向互いに反対側のブリッジに形成された外側出張り３６を介して位置合わせされる。適当な溝を含む案内がこれら出張りを受け入れ、ブランクがタイロッドによって互いに取り付けられる前にブランクを互いに位置合わせ状態に保つ。かくして、スタック中の金属板の優れた位置合わせ状態を保証することができる。高い位置合わせ精度により、空隙を減少させることができ、したがって、電気機械の効率を向上させることができる。

スタックがタイロッドによっていったん不動化されると、例えば図６に概略的に示されているようにフライス加工を行なうことにより一時的ブリッジ３５を除去するのが良い。ブリッジの除去により、凹部４０への半径方向接近が可能になると同時に外側出張り３６が除去される。

理解されるように、本発明の方法のこの必須の特徴により、部品数が減少すると共に金属板の操作が大幅に単純化されるのでロータの製造をスピードアップすることができる。

特定の実施形態では、一時的ブリッジを同時に除去する作業により、磁石を保持したウェッジ５１を受け入れるようになった溝３１を作ることができる。これは、図６の例で示されており、かかる例では、テーパ付きフライスが２つの溝３１を機械加工すると同時にブリッジを除去するために用いられる。

図７では、このようにして得られたロータが断面で見える。溝付きシャフト２の周りには、ウェッジ５１によって凹部４０内に保持された磁石４並びに金属板３のスタックを締め付けるタイロッド６がはっきりと見える。この場合、ウェッジの断面は、実質的に台形（ダブテールの形態をしている）であるが、実際には、ウェッジが凹部を密封すると共に磁石の半径方向制止を可能にするよう磁極片の溝３１と協働することを唯一の条件として任意他の断面を採用することができる。

図８は、本発明の別の例示の製造方法を示している。この実施形態では、図２で理解できるように“Ｔ”形の肩付き断面のウェッジ５１を受け入れることができる。対応関係にある溝３１がブランク３３にあらかじめ切断形成されており、ブリッジ３５を除去する役目を持つ作業は、この場合、磁石の凹部４０への半径方向接近を可能にする以外の役目を果たすことはない。この作業は、概略的に図示されているようにブリッジの２つの端部を切り取ることにより又は半径方向軸線フライス加工によって（図６に記載されているように行なわれるが、シリンドリカルフライスを用いることにより）実施可能である。

凹部、溝及びウェッジの形状に応じて、この作業を実施するのに種々の方法及び工具を選択するのが良いことは理解されよう。例えば、図６の溝の輪郭形状は、図８に記載されているようにその接線方向軸線に沿って切り取り又はフライス加工することによっては得ることができない。他方。図８の溝の輪郭形状は、半径方向軸線に沿うフライス加工によって得ることができる。ただし、特定のフライス、例えば図９に記載されているような“Ｔ”形のフライスが用いられることを条件とする。

図１０及び図１１は、ロータの製造方法の好ましい特徴を示しており、かかる方法によれば、ブランクを頭‐尾結合状態で積み重ね、ブランクは、このために、好ましくはブランクの２つのフェースを識別することができるようにする印６３を有する。印６３は、図示のように、通路６１を一方のフェース又は他方のフェースが取り込まれている場合にはっきりと分かることができるよう設けられた通路６１の特定の切れ目であるのが良い。実際、各々が同一ブランクの異なるフェースを示している図１０と図１１を比較した場合、切れ目６３は、通路６１の一方の側又は他方の側にオフセットした状態に見えることが理解できる。

２つ目ごとの１つのブランクを体系的にひっくり返すことによりブランクを積み重ねることにより、ブランクの一方の側から他方の側への厚さの変化を相殺することができる。この変化の原因は、金属ストリップの厚さの変化、ブランクを切断するために用いられる方法又は任意他の事情にある場合がある。

アンバランスの導入を回避するため、印は、好ましくは、ブランク中の６つの通路の各々に設けられる。さらに、印を多くすると、フェースの識別が一段と分かりやすくなる。

図１２〜図１４は、図１０及び図１１に記載された頭‐尾積み重ねの代替例を示している。ブランク３３は、この場合、各ブランクを或る特定の角度だけ割送りすることによって積み重ねられ、これらブランクは、このために、好ましくは、ブランク中の６つの通路のうちの１つのタイロッド通路を識別するために用いられた単一の印６３を有する。図１２、図１３及び図１４を互いに比較することによって、１つの図から次の図に、ブランクが右側に１回転の１／６（６０°）だけ割送りされていることが理解できる。割送り角度は、事実、６０°の倍数、例えば１２０°、１８０°、２４０°等に対応するのが良い。１８０°の割送りは、厚さの変化又はばらつきを相殺すると同時に２つ目の１枚の金属板を単一の角度（１８０°）に従って割送りする比較的簡単な方法を実施可能にするのに全く満足の行く場合がある。

割送り法は、上述のひっくり返し方法にとって、特に、ブランクを切断するために用いられる方法が磁極片の縁部を変形させる傾向のある場合に好ましい。これは、打抜き法の場合であり、打抜き法は、バリを形成する傾向があり、この場合、バリは、金属板がひっくり返しの場合に整然と積み重ねられるのを阻止する。

当然のことながら、割送り及びひっくり返しは、同時に実施でき、或いは、２つの動きを交互に行なうことができる。同様に、６極モータが示されており、６０°の割送り、換言すると、２つの隣り合う極を隔てる角度の割送りが行なわれる。同等の作用効果は、α＝±３６０°／ｎの割送りで得られ、“ｎ”は、ロータの極の数である。

図で見える印６３は、ブランクを切断する際に容易に得られる。変形例として、これら印は、外側出張り３６を含む一時的ブリッジ３５に設けられても良い。この場合、これら印は、ブリッジが除去されるとなくなるはずであり、それと同時に、印によって生じていたアンバランスがなくなる。当然のことながら、同じ目的で、積み重ね時におけるブランクのひっくり返し又は割送りのためにブランクのフェース又は向きを識別するために他の印付け手段を用いることができる。かかる印は、とりわけ、金属板が手作業で操作される場合に有用である。自動化操作の場合、通常、印をなしで済ますことができる。

本発明の方法により、生産条件を向上させた状態で極めて良好な幾何学的品質を備えたロータを得ることができる。

しかしながら、ロータを最終的にいったん組み立てると、釣り合い重り１００をフランジに固定するのが良く、その目的は、ロータ（図２参照）の静的及び動的バランス取りを一層完全にすることにある。

バランス取り釣り合い重りは、この場合、フランジに形成されたねじ穴１０２内に位置決めされるウォームスクリュー１０１の形態を取る。かくして、各フランジは、６本のタイロッド６のための６つの通路６１に加えて、６つのねじ穴１０２を有する。

理解されるように、各バランス取り釣り合い重りのために選択された位置、長さ及び／又は材料を調節することにより、ロータのバランスを微調整することができる。

したがって、本方法は、好ましくは、以下の連続して実施されるステップ、即ち、
・組み立て状態のロータをバランス取り機械で回転させるステップ、
・バランス取りに必要な釣り合い重りの位置及び重量を決定するステップ、
・必要な釣り合い重りをフランジに固定するステップを更に有する。
変形例として、釣り合い重りは、タイロッドに更に固定されても良い。
好ましくは、組み立て／バランス取り方法は、バランス取り機械でのロータの正確なバランス取りをチェックする次のステップを更に有する。

また、好ましくは、組み立て／バランス取り方法は、タイロッドの締め付け具合を弛めた状態をロータを回転させ、次にタイロッドの最終締め付けを実施する予備ステップを更に有する。このように、ロータの構成要素全て（特に、強磁性金属板及び永久磁石）がこれらの最終不動化前に正確に遠心作用を受けるようにすることが可能である。遠心作用は、計画された最高実用速度の５０％のオーダの回転速度で実現されるのが良い。

変形例として、遠心作用は、この時点で最高計画実用速度に少なくとも等しい回転速度（例えば、最高速度の１２０％のオーダの回転速度）を適用することにより最終締め付け後に実現可能であっても良い。

理解できるように、図は、６極ロータ、即ち、３対の極を備えたロータを示しているが、当業者であれば、本願の技術的教示を３対ではなく、例えば２対、４対又は５対の極を備えたロータに転用することができよう。

Claims (10)

1. 回転電気機械用の内部ロータ（１）を製造する方法であって、前記ロータは、シャフトを包囲した複数個の磁極片（３０）を有し、各磁極片は、磁性材料で作られた金属板のスタックで構成され、前記磁極片相互間には永久磁石（４）のための凹部（４０）が画定され、前記方法は、以下の連続して実施されるステップ、即ち、
   ・各々がｎ枚の金属板を束ねたブランクを切断するステップ、“ｎ”は、前記ロータの磁極の数であり、ブランクのｎ枚の金属板は、前記凹部を跨ぐ一時的ブリッジ（３５）によって互いに保持され、少なくとも２つのブリッジは各々、外側出張り（３６）を有し、
   ・前記ブランクを前記外側出張りにより整列状態に保った状態で前記ブランクを積み重ねるステップ、
   ・前記ブランクの前記スタックを不動化するステップ、
   ・前記凹部（４０）に自由に半径方向に接近できるようにするために前記一時的ブリッジ（３５）を全て除去するステップを有する、方法。
2. 前記ブランクの前記スタックは、タイロッド（６）を介して側方フランジ（５，５′）相互間で不動化され、前記側方フランジ及び前記タイロッドは、次に、前記ロータの一体部分をなす、請求項１記載の方法。
3. 前記一時的ブリッジ（３５）は、機械加工により除去される、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記ブランクの前記切断は又、前記磁極片（３０）の外縁（３２）の近くで前記凹部の壁に長手方向溝（３１）を構成するという作用効果を有する、請求項１又は２記載の方法。
5. 前記機械加工は又、前記磁極片（３０）の外縁（３２）の近くで前記凹部の壁に長手方向溝（３１）を作るという作用効果を有する、請求項３記載の方法。
6. 前記永久磁石（４）を前記凹部（４０）中に半径方向に挿入し、次に前記永久磁石を半径方向に固定するウェッジ（５１）を前記長手方向溝（３１）内に配置する次のステップを更に有する、請求項４又は５記載の方法。
7. 前記ブランクは、金属ストリップを切断することにより、特に打抜き加工によって得られる、請求項１〜６のうちいずれか一に記載の方法。
8. ２つ目ごとの１つのブランクは、切断後且つ積み重ね前に、ひっくり返される、請求項１〜７のうちいずれか一に記載の方法。
9. 各ブランクは、前記積み重ね中、先行するブランクに対して角度αだけ割送りされ、αは、３６０°／ｎの倍数である、請求項１〜７のうちいずれか一に記載の方法。
10. 請求項１〜９のうちいずれか一に記載の方法によって得られた内部ロータ（１）を有する回転電気機械。

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