JP2021118567A - ロータコアの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属板材を溶接する工程におけるロータコア本体の一方の面と他方の面の温度差を小さくする。【解決手段】シャフト孔３３を有するロータコア本体３０と、一方の面３０Ａ側及び他方の面３０Ｂ側に設けられロータコア本体３０とは線膨張係数が異なる金属板材２１と、を備えたロータコア２０の製造方法であって、ロータコア本体３０を加熱する加熱工程と、加熱されたロータコア本体３０を載置部材６４に載置して搬送しつつ、所定の温度まで冷却する冷却工程と、所定の温度に冷却されたロータコア本体３０の一方の面３０Ａ及び他方の面３０Ｂに金属板材２１をそれぞれ溶接する溶接工程と、を備える。冷却工程では、他方の面３０Ｂにおける一部の領域Ｒ１のみが載置部材６４に接触した状態とし、一方の面３０Ａに向けて送風して、送風された風の一部をシャフト孔３３から他方の面３０Ｂにおける載置部材６４に接触しない領域Ｒ２に回り込ませる。【選択図】図６

Description

本開示は、ロータコアの製造方法に関する。

特許文献１には、固定子鉄心の製造方法が開示されている。この固定子鉄心の製造方法は、ブロック鉄心を焼鈍する工程と、複数のブロック鉄心を位置合せして垂直に積み重ねる工程と、積み重ねたブロック鉄心の隣り合うブロック鉄心同士を溶接して、ブロック鉄心を一体化する工程とを有している。

特開２０１４−２４１７０１号公報

ところで、ロータコアの製造方法において、ロータコア本体の軸方向における両端面にロータコア本体とは線膨張係数が異なるエンドプレートと呼ばれる金属板材を溶接する工程を備える場合がある。この場合に、ロータコアの使用時等におけるロータコア本体とエンドプレートの熱膨張に伴って、溶接箇所に作用する力を低減することが求められている。例えば、ロータコアの使用温度付近において、ロータコア本体にエンドプレートを溶接して、ロータコア本体とエンドプレートの熱膨張差を小さくすることが検討されている。

この際、ロータコア本体の両端面における一方の面と他方の面の温度差が大きい状態でエンドプレートを溶接すると、一方の面側と他方の面側の溶接箇所に作用する力の大きさに差が生じる可能性がある。このために、金属板材を溶接する工程において、ロータコア本体の一方の面と他方の面の温度差を小さくする技術が求められている。

本開示は、金属板材を溶接する工程におけるロータコア本体の一方の面と他方の面の温度差を小さくすることができる技術を提供することを目的としている。

本開示のロータコアの製造方法は、一方の面及び他方の面にそれぞれ開口するシャフト孔を有するロータコア本体と、前記ロータコア本体の前記一方の面側及び前記他方の面側に設けられ前記ロータコア本体とは線膨張係数が異なる金属板材と、を備えたロータコアの製造方法であって、前記ロータコア本体を加熱する加熱工程と、加熱された前記ロータコア本体を載置部材に載置して搬送しつつ、所定の温度まで冷却する冷却工程と、前記所定の温度に冷却された前記ロータコア本体の前記一方の面側及び前記他方の面側に前記金属板材をそれぞれ溶接する溶接工程と、を備え、前記冷却工程では、前記他方の面における一部の領域のみが前記載置部材に接触した状態とし、前記一方の面に向けて送風して、送風された風の一部を前記シャフト孔から前記他方の面における前記載置部材に接触しない領域に回り込ませる。

本開示によれば、金属板材を溶接する工程におけるロータコア本体の一方の面と他方の面の温度差を小さくすることができる。

図１は、実施形態１におけるロータコアを模式的に示す平面図である。 図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図３は、モールド工程、冷却工程、及び溶接工程を説明する説明図である。 図４は、ロータコア本体が搬送される様子を模式的に表す説明図である。 図５は、載置部材及びパレットを表す上面図である。 図６は、冷却工程における風の流れの一例を表す説明図である。

＜実施形態１＞
本実施形態は、図１に示すロータコア２０の製造に本発明を適用したものである。

ロータコア２０は、図１及び図２に示すように、複数の電磁鋼板３１が積層された積層体からなるロータコア本体３０を備えている。ロータコア本体３０の積層方向両側には、エンドプレート２１，２１が溶接されている。ロータコア本体３０は、全体としては円筒状をなす。ロータコア本体３０は、複数のブロック３２が積層され、接着、溶着等の手段によって互いに固着されている。複数のブロック３２の各々は、複数の電磁鋼板３１が積層され、互いに組み付けられている。図２では、説明の便宜のために、電磁鋼板３１の厚さ及び枚数を変更して模式的に描いている。

ロータコア本体３０は、シャフト孔３３と、マグネット孔３４とを有している。シャフト孔３３は、ロータコア本体３０の中心に貫通して設けられている。シャフト孔３３には、シャフト２３が挿入される。図１に示すように、マグネット孔３４は、シャフト孔３３の周囲に複数設けられている。複数のマグネット孔３４の各々には、マグネット材２６が封止される。マグネット材２６は、四角柱状の永久磁石からなる。

エンドプレート２１は、ロータコア本体３０とは線膨張係数が異なる金属板材である。金属板材の材料としては、電磁鋼板３１よりも線膨張係数が大きい非磁性のステンレススチール（ＳＵＳ）を例示できる。なお、金属板材の材料はこれに限定されないが、非磁性体である必要があることから、ロータコア本体３０と線膨張係数の異なる金属材料となるのが一般的である。例えば、金属板材の材料はアルミニウム、銅等の金属であってもよい。エンドプレート２１は、円環状をなし、ロータが回転する場合にマグネット孔３４からマグネット材２６が飛び出さないように、マグネット孔３４を塞ぐ形で設けられている。エンドプレート２１，２１は、ロータコア本体３０に対して溶接部２２を介して固定されている（図２参照）。

シャフト２３は、円筒状をなし、ロータコア２０の回転中心軸を構成する。シャフト２３の内部には、冷却油等の冷媒が流通するシャフト側冷媒流路２４が形成されている。シャフト２３の外周面には、シャフト側冷媒流路２４のシャフト側開口部２５が周方向に間隔をあけて複数形成されている（図２参照）。シャフト側開口部２５は、シャフト側冷媒流路２４からの冷却油をロータコア本体３０に供給するための供給口である。

ロータコア２０の内部には、図２に示すように、冷媒が流れる冷媒流路３５が形成されている。冷媒流路３５は、シャフト孔３３の内面３３Ａに開口する内側開口部３６と、ロータコア２０の上面及び下面にそれぞれ開口する外側開口部３７，３７と、を有している。内側開口部３６は、シャフト２３のシャフト側開口部２５と連通して、ロータコア２０の内部に冷媒を導入する導入口である。外側開口部３７，３７は、ロータコア２０の外部に向けて開口して、ロータコア２０の内部から冷媒を排出する排出口である。冷媒流路３５は、平面に見て異なった形状の孔を有する電磁鋼板３１を積層することで形成される。

次に、ロータコア２０の製造方法について説明する。ロータコア２０は、図３に示すように、プレス装置、封止装置５０、冷却搬送装置６０、溶接装置７０、および制御装置などを備える製造ラインで製造される。プレス装置は、送り出される母材を多段階にプレスして、ロータコア２０を構成する電磁鋼板３１を打ち抜く。プレス装置、封止装置５０、冷却搬送装置６０、溶接装置７０等の各種装置は、制御装置によって制御される。制御装置は、プログラムに従って演算処理を行うＣＰＵや製造プログラムなどの各種動作プログラムを格納したＲＯＭや作業領域などを有するＲＡＭなどのメモリ等を備えている。

封止装置５０は、図３の第１図に示すように、上型５１と、下型５２と、シャフト孔３３に挿入されることでロータコア本体３０の芯出しを行うためのポスト部材５３と、を備えている。上型５１には、マグネット孔３４に樹脂材５５を供給するための流路が形成されている。

冷却搬送装置６０は、ロータコア本体３０を搬送するコンベア６１（図４）と、コンベア６１の上方に設置されたファン６２（図３の第２図）と、を備えている。コンベア６１は、封止装置５０から排出されたロータコア本体３０を溶接装置７０まで所定の速度で搬送するための蛇行した搬送経路を有している。ファン６２は、コンベア６１の上面に載置されたロータコア本体３０に向けて送風可能な構成である。冷却搬送装置６０は、コンベア６１の搬送速度を変更することにより、１つのロータコア本体３０にファン６２からの風が当たる時間を最適化することができる。このような構成により、恒温室等の大掛かりな設備を設けない場合であっても、外気温の変化によらず、ロータコア本体３０を短時間で所定の温度まで冷却することができる。冷却搬送装置６０は、ロータコア本体３０を載置部材６４に載置した状態で搬送する。

載置部材６４は、図５及び図６に示すように、コンベア６１上を搬送されるパレット６５の上側に固定されている。パレット６５は、天板６５Ａと、天板６５Ａを支持する支柱６５Ｂと、支柱６５Ｂが設けられた基板６５Ｃと、を有している。天板６５Ａには、ロータコア本体３０の水平方向における位置を規定する位置決めピン６６が設けられている。天板６５Ａは、ロータコア本体３０が載置された状態で、シャフト孔３３と連通する孔６７を有している。パレット６５は、ロータコア本体３０からの熱を放熱する放熱板６８を有している。放熱板６８は、天板６５Ａの下面に接触して、天板６５Ａと基板６５Ｃとの間に設けられている。このような放熱板６８を備えることにより、載置部材６４の周囲が高温となることを抑制でき、また、パレット６５を介してコンベア６１側に伝えられる熱を低減できる。

載置部材６４は、ロータコア本体３０よりも熱伝導率が低い材料で形成されている。載置部材６４は、耐熱性を有し、剛性が高い断熱材で形成されている。載置部材６４の材料としては、ガラス繊維等の補強材が結合材で結合された複合材料や、イミド系樹脂材料等が挙げられる。

載置部材６４は、図５に示すように、略Ｕ字状をなし、ロータコア本体３０の径方向両側に一対設けられている。一対の載置部材６４は、Ｕ字に延びた形状の始端と終端においてロータコア本体３０の径方向両側を支持する。載置部材６４にロータコア本体３０を載置した状態では、図６に示すように、パレット６５の上面とロータコア本体３０との間に空間Ｓ１が形成される。この空間Ｓ１は、一対の載置部材６４の間に形成され、載置部材６４の厚さ分の高さを有している。載置部材６４にロータコア本体３０を載置した状態では、空間Ｓ１がシャフト孔３３の下側開口と連通する。空間Ｓ１は、一対の載置部材６４，６４の間の隙間Ｇ１から外部に開放されている。また、載置部材６４にロータコア本体３０を載置した状態では、載置部材６４の内周面とロータコア本体３０の外周面との間に隙間Ｇ２が形成される。このようにして、シャフト孔３３から空間Ｓ１を通って、隙間Ｇ１，Ｇ２に抜ける風のとおり道が形成される。

溶接装置７０は、図３の第３図に示すように、エンドプレート２１，２１とロータコア本体３０を溶接する溶接トーチ７１，７１を備えている。溶接トーチ７１は、例えばレーザ溶接用のトーチであってもよい。溶接装置７０は、エンドプレート２１、ロータコア本体３０、エンドプレート２１をこの順に挟んで荷重を付与する加圧部材（不図示）等を更に備えていてもよい。

ロータコア２０の製造方法は、図示しない、電磁鋼板３１を積層してロータコア本体３０を形成するロータコア本体形成工程、図３に示す、ロータコア本体３０にマグネット材２６を封止するモールド工程（加熱工程の一例）、冷却工程、溶接工程と、を備える。

ロータコア本体形成工程では、プレス装置を用いて、母材から複数の電磁鋼板３１を打ち抜き、複数の電磁鋼板３１が積層されたブロック３２を形成する。１のブロック３２を構成する複数の電磁鋼板３１の各々には、所謂ダボ加工により積層方向の一方に向けて突出する形態である結合部（不図示）が設けられている。互いに隣り合う電磁鋼板３１は、結合部同士が凹凸の関係により、かしめられることで互いに結合されている。またブロック３２の積層方向における一端には、上記結合部を有しない電磁鋼板３１が配置されている。このため、ブロック３２における一端側の電磁鋼板３１は、自身の一端側に隣接した電磁鋼板３１とは結合されない。プレス装置は、制御装置によって所定枚数の電磁鋼板３１毎に結合部を有しない電磁鋼板３１を打ち抜く制御が行われることで、所定の高さに積層されたブロック３２を形成する。

モールド工程は、マグネット孔３４に樹脂材５５を充填して、ロータコア本体３０を加熱し、マグネット材２６を封止する工程である。モールド工程は、封止装置５０を用いて行われる。まず、マグネット材２６がマグネット孔３４内に保持された状態で、マグネット孔３４に樹脂材５５を充填する。次に、ロータコア本体３０を、樹脂材５５が硬化する温度以上、例えば１５０℃以上の温度に加熱する。すると、樹脂材５５が硬化して、マグネット材２６がマグネット孔３４に封止された状態となる。

冷却工程は、加熱されたロータコア本体３０を載置部材６４に載置して搬送しつつ、所定の温度まで冷却する工程である。載置部材６４に載置された状態では、ロータコア本体３０は、シャフト孔３３が開口する一方の面を上方に向け、シャフト孔３３が開口する他方の面を下方に向けて配置される。以下、一方の面を上面３０Ａと称し、他方の面３０Ｂを称する。この状態で、コンベア６１を所定の速度で駆動して、パレット６５と共にロータコア本体３０を搬送する。ロータコア本体３０を搬送しつつ冷却することによって、上面３０Ａ及び下面３０Ｂにおいてファン６２からの風が当たる位置及び風量をロータコア本体３０毎に均一化して、ロータコア本体３０を安定的に冷却することができる。

冷却工程において、所定の温度は常温よりも高い温度に設定されている。常温は、例えば、２０℃±１５℃である。「所定の温度」は、上面３０Ａ及び下面３０Ｂの各々において測定した温度であってもよい。「所定の温度」としては、ロータコア２０の使用温度帯の中央値に許容誤差を見込んだ温度を例示できる。例えば、許容誤差を見込んだ範囲が中央値±１０℃（以下、許容範囲と称する）であり、上面３０Ａの温度が許容範囲内であり、下面３０Ｂの温度も許容範囲内であるように所定の温度を設定してもよい。このような温度のロータコア本体３０にエンドプレート２１を溶接することによって、ロータコア２０の使用時におけるロータコア本体３０及びエンドプレート２１が熱膨張差を低減できる。

冷却工程では、下面３０Ｂにおける一部の領域Ｒ１のみが載置部材６４に接触した状態とし、上面３０Ａに向けて送風して、送風された風の一部をシャフト孔３３から下面３０Ｂにおける載置部材６４に接触しない領域Ｒ２に回り込ませる。一部の領域Ｒ１は、図５において、下面３０Ｂの外形を表す２点鎖線内において、網掛けを付した４つの領域である。下面３０Ｂにおける載置部材６４に接触しない領域Ｒ２は、下面３０Ｂの外形を表す２点鎖線内において、一部の領域Ｒ１を除くその他の領域である。

ファン６２からの風の流れを、図６を参照しつつ説明する。ファン６２は、ロータコア本体３０の上面３０Ａに向けて送風する。送風された風の一部は、上面３０Ａ付近の熱を持った空気を逃がして、上面３０Ａを空冷する。送風された風の他の一部は、シャフト孔３３を通って、ロータコア本体３０の下面３０Ｂ側の空間Ｓ１に進入する。空間Ｓ１に風が進入すると、空間Ｓ１内の空気は、隙間Ｇ１，Ｇ２を通って空間Ｓ１から外部に抜ける。つまり、送風された風の他の一部は、下面３０Ｂ付近の熱を持った空気を逃がして、下面３０Ｂを空冷する。下面３０Ｂの空冷効率は、載置部材６４が下面３０Ｂに接触する領域Ｒ１の面積、載置部材６４の厚さを適宜変更して最適化できる。このような冷却工程を行うことによって、ロータコア本体３０を所定の温度、例えば、上面３０Ａの温度と下面３０Ｂの温度差が所定の範囲内である温度とすることができる。

溶接工程は、所定の温度に冷却されたロータコア本体３０の上面３０Ａ及び下面３０Ｂに、エンドプレート２１，２１をそれぞれ溶接する工程である。溶接工程は、溶接装置７０を用いて行われる。まず、ロータコア本体３０の上下に、エンドプレート２１，２１を配置した状態で、ロータコア本体３０とエンドプレート２１の境界に溶接部２２，２２を形成する。このような溶接部２２，２２をエンドプレート２１，２１の周方向に複数形成して、エンドプレート２１をロータコア本体３０に固定する。以上により、ロータコア２０の製造が完了する。

続いて、本実施形態の作用効果について説明する。本実施形態におけるロータコア２０の製造方法によれば、ロータコア本体３０の上面（一方の面）３０Ａ及び下面（他方の面）３０Ｂの双方を、上面３０Ａに向けて送風された風で空冷することができる。このため、例えば、上面３０Ａを空冷し、下面３０Ｂを放熱板等に接触させて冷却する場合に比して、上面３０Ａと下面３０Ｂの温度差を小さくすることができる。この状態で、上面３０Ａと下面３０Ｂにエンドプレート２１，２１を溶接することによって、上面３０Ａと下面３０Ｂのいずれかが所定温度外である場合に比して、エンドプレート２１，２１とロータコア本体３０の熱膨張差を小さくすることができる。この結果、エンドプレート２１の線膨張係数がロータコア本体３０の線膨張係数と異なる場合であっても、熱膨張に伴ってエンドプレート２１，２１とロータコア本体３０の溶接箇所に作用する力を低減することができる。

また、本実施形態の冷却工程を備えることによって、例えば、ロータコア本体３０を恒温室内で冷却する場合に比して、ロータコア本体３０を短時間で所定の温度まで冷却できる。この結果、冷却工程に係る時間を短縮して、効率よくロータコア２０を製造することができる。

本実施形態では、加熱工程は、ロータコア本体３０にマグネット材２６を封止するモールド工程であり、冷却工程において、所定の温度は常温よりも高い温度に設定されている。このため、モールド工程におけるロータコア本体３０の加熱を利用して、溶接工程におけるロータコア本体３０を常温よりも高い温度とすることができ、モールド工程とは別にロータコア本体３０を加熱する工程を行う場合に比して、エネルギー効率がよい。

本実施形態では、載置部材６４は、ロータコア本体３０よりも熱伝導率が低い材料で形成されている。この構成によれば、下面３０Ｂから載置部材６４に逃げる熱量を低減して、上面３０Ａ及び下面３０Ｂの温度差を生じ難くすることができる。さらに、ロータコア本体３０の熱がコンベア６１に伝わり難くなることによって、冷却搬送装置６０の耐久性を向上でき、また、コンベア６１を耐熱性の低い廉価なタイプに変更でき、コスト低減に寄与することができる。

＜他の実施形態＞
本発明は、上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施の形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施形態では、加熱工程がモールド工程である形態を例示したが、加熱工程は、モールド工程とは別に設けられた工程であってもよい。
（２）上記実施形態以外にも、冷却工程は適宜変更可能である。例えば、ロータコア本体の搬送手段、送風手段は上記の形態に限られない。また、所定の温度は、ロータコア本体及びエンドプレートの線膨張係数や、ロータの使用環境等に応じて、適宜変更可能である。
（３）載置部材の形状、配設位置、材料は、適宜変更可能である。
（４）ロータコアの製造方法において、ロータコア本体形成工程は必須工程ではなく、例えば、形成済みのロータコア本体を用いてモールド工程、冷却工程、溶接工程を行ってもよい。

前述の例は単に説明を目的とするものでしかなく、本発明を限定するものと解釈されるものではない。本発明を典型的な実施形態の例を挙げて説明したが、本発明の記述および図示において使用された文言は、限定的な文言ではなく説明的および例示的なものであると理解される。ここで詳述したように、その形態において本発明の範囲または本質から逸脱することなく、添付の特許請求の範囲内で変更が可能である。ここでは、本発明の詳述に特定の構造、材料および実施形態を参照したが、本発明をここにおける開示事項に限定することを意図するものではなく、むしろ、本発明は添付の特許請求の範囲内における、機能的に同等の構造、方法、使用の全てに及ぶものとする。

２０…ロータコア
２１…エンドプレート（金属板材）
３０…ロータコア本体
３０Ａ…上面（一方の面）
３０Ｂ…下面（他方の面）
３３…シャフト孔
６４…載置部材
Ｒ１…領域（他方の面３０Ｂにおける一部の領域）
Ｒ２…領域（他方の面３０Ｂにおける載置部材６４に接触しない領域）

Claims (3)

1. 一方の面及び他方の面にそれぞれ開口するシャフト孔を有するロータコア本体と、前記ロータコア本体の前記一方の面側及び前記他方の面側に設けられ前記ロータコア本体とは線膨張係数が異なる金属板材と、を備えたロータコアの製造方法であって、
   前記ロータコア本体を加熱する加熱工程と、
   加熱された前記ロータコア本体を載置部材に載置して搬送しつつ、所定の温度まで冷却する冷却工程と、
   所定の温度に冷却された前記ロータコア本体の前記一方の面側及び前記他方の面側に、前記金属板材をそれぞれ溶接する溶接工程と、を備え、
   前記冷却工程では、前記他方の面における一部の領域のみが前記載置部材に接触した状態とし、前記一方の面に向けて送風して、送風された風の一部を前記シャフト孔から前記他方の面における前記載置部材に接触しない領域に回り込ませる、ロータコアの製造方法。
2. 前記加熱工程は、前記ロータコア本体にマグネット材を封止するモールド工程であり、
   前記冷却工程において、前記所定の温度は常温よりも高い温度に設定されている、請求項１に記載のロータコアの製造方法。
3. 前記載置部材は、前記ロータコア本体よりも熱伝導率が低い材料で形成されている、請求項１又は請求項２に記載のロータコアの製造方法。

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