JP2022055564A

JP2022055564A - 回転電機のローターの製造方法

Info

Publication number: JP2022055564A
Application number: JP2020163060A
Authority: JP
Inventors: 光将浜崎; Mitsumasa Hamazaki; 昌也寺本; Masaya Teramoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Home Appliance Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Home Appliance Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2040-09-29
Also published as: JP7363730B2

Abstract

【課題】圧縮成形による磁石とシャフトの一体成形で、コストを抑制しながら、圧縮荷重を上げることで磁力および機械的強度の向上が得られる回転電機のローターの製造方法を提供する。【解決手段】円柱形のシャフトの外周にシャフトの軸方向に平行な複数の溝を形成するように加工するシャフト加工工程と、シャフトの外周に配置された円筒形の磁石が複数の溝に入り込んで固着して一体に成形して磁石アセンブリを製造する磁石成形工程と、磁石成形工程によって製造した磁石アセンブリに、シャフトの軸方向における磁石の一端面側に配置された第一のリング部材と他端面側に配置された第二のリング部材を取り付けてローターを製造するローターアセンブリ組立工程を備えた。【選択図】図２

Description

本開示は、電気掃除機や手乾燥機などに用いられるモーターである回転電機のローターの製造方法に関するものである。

従来，シャフトにプラスチックマグネットを一体成形して構成しているローターでは，シャフト外周面にローレット目が形成され、磁石がローレット目にくい込むことで、磁石とシャフトが互いにずれることのない構造を形成していた。（例えば、特許文献１参照）

特開２０１８-１４８６９４号

特許文献１に記載された従来技術では、射出成形によってローターの磁石を成形している。射出成形によってローターの磁石を成形する場合、磁粉とバインダ材料を混合した磁石材料を加熱昇温して溶融状態にした上で、ゲート等を介して金型内部空間に注入する。金型内部空間は金型内部にあって、磁石の形状を決定する空間を指す。磁石には、安定した形状や配向が求められるため、溶融した磁石材料は高い流動性を備えている必要がある。このため、一般的に射出成形に使用する磁石材料は、バインダ材料の比率が高くなる。そのため、体積当たりの磁粉比率を高くするには限界があり、高磁力化や小形化が困難になるという課題がある。

また、射出成形では複数のゲートから同時に溶融した磁石材料が注入される場合や、単一のゲートであってもリング状に成形する場合など、流れる磁石材料の端部がそれぞれ合流する部分で、ウェルド部を生じる。ウェルド部は、非ウェルド部と比較して機械的強度が低い。ウェルド部と非ウェルド部では機械的特性が異なることから、回転などによる一様分布荷重を受けた場合の応力分布に片寄りが生じて、高い応力集中も発生する。すなわち、ウェルド部を有する磁石は、ウェルド部が有しない磁石と比べて機械的強度が低い。磁力の向上を目的とした大径化や、出力の向上のための高速回転化が求められる場合、ローターには大きな遠心力が作用するため、ウェルド部を有する射出成形磁石では、適用が難しいという課題がある。

一方で、磁粉とバインダ材料を混合させた粉体の磁石材料を金型内に充填し圧縮することによって磁石を成形する圧縮成形によって、回転電機のローターの磁石を成形する方法がある。圧縮成形の場合、磁石材料を溶融し流動させる必要がないため、バインダ材料の比率を低く、磁石量を多くでき、体積当たりのローターの磁力が高くなる。

磁石とシャフトの一体成形では、磁石とシャフトが互いにずれないように、シャフト表面にローレット目のような溝部を形成する。圧縮成形による磁石の製造では、圧縮荷重を上げることにより、磁石密度が向上し、さらにローターの磁力を高めることが期待できる。しかしながら、圧縮される磁石材料に加わる圧縮荷重は、前述の溝部を介してシャフトに伝搬する。このため、磁石密度を大きく向上させるような高い圧縮荷重を加える場合、シャフトが変形してしまうという問題がある。変形を防止するために、機械的強度の高い材料でシャフトを製造することは、素材や加工のコストを増大させるという課題がある。

本開示の目的は、圧縮成形による磁石とシャフトの一体成形において、コストを抑制しながら圧縮荷重を高めることで、磁力および機械的強度の向上が得られる回転電機のローターの製造方法を提供することである。

本開示に係る回転電機のローターの製造方法は、円柱形のシャフトと、前記シャフトの外周に配置された円筒形の磁石と、前記シャフトの軸方向における前記磁石の一端面側に配置された第一のリング部材と、前記シャフトの軸方向における前記磁石の他端面側に配置された第二のリング部材とによって構成され、前記シャフトは、軸方向の一部区間の外周に前記シャフトの軸方向に平行な複数の溝を有し、前記磁石は前記複数の溝に入り込んで固着される、回転電機のローターを製造する方法であって、前記シャフトの外周に前記シャフトの軸方向に平行な複数の溝を形成するように加工するシャフト加工工程と、前記シャフトの外周に前記磁石を一体に成形して磁石アセンブリを製造する磁石成形工程と、前記磁石成形工程によって製造した磁石アセンブリに前記第一のリング部材と第二のリング部材を取り付けてローターを製造するローターアセンブリ組立工程を備えるものである。

本開示に係る回転電機のローターの製造方法によれば、圧縮成形による磁石とシャフトの一体成形で、コストを抑制しながら、圧縮荷重を上げることで磁力および機械的強度の向上が得られる。

実施の形態１に係る回転電機におけるシャフトの中心軸を通る断面図である。実施の形態１に係る回転電機におけるシャフトを側面から見た正投影図である。実施の形態１に係る回転電機におけるシャフトの溝の模式的な断面図である。実施の形態１に係る回転電機におけるシャフトの溝において磁粉がシャフトに加える応力を説明する図である。実施の形態１に係る回転電機におけるシャフトの磁石成形工程において、金型にシャフトが挿入される工程を説明する断面図である。実施の形態１に係る回転電機におけるシャフトの磁石成形工程において、金型に磁粉が供給される工程を説明する断面図である。実施の形態１に係る回転電機におけるシャフトの磁石成形工程において、磁粉が圧縮される工程を説明する断面図である。実施の形態１に係る回転電機におけるシャフトの磁石成形工程において、成形体が離型される工程を説明する断面図である。実施の形態１に係る回転電機における第一ローターアセンブリ組立工程において、成形体と第一のエンドキャップおよび第二のエンドキャップを準備する工程を説明する模式図である。実施の形態１に係る回転電機における第一ローターアセンブリ組立工程において、成形体のシャフトに第一のエンドキャップおよび第二のエンドキャップを圧入する工程を説明する模式図である。実施の形態１に係る回転電機における第一ローターアセンブリ組立工程において、成形体のシャフトに第一のエンドキャップが圧入された後、第二のエンドキャップを圧入する工程を説明する模式図である。実施の形態１に係る回転電機における第一ローターアセンブリ組立工程において、成形体のシャフトに第一のエンドキャップおよび第二のエンドキャップが圧入された状態を表す模式図である。実施の形態１に係る回転電機におけるシャフトの溝部および複数の溝とローターコアを示す断面図である。実施の形態１に係る回転電機におけるシャフトの変形例の溝部および複数の溝とローターコアを示す断面図である。実施の形態２に係る回転電機におけるシャフトの溝の模式的な断面図である。

実施の形態１．
以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。
図１は、実施の形態１に係る回転電機におけるシャフトの中心軸を通る断面図である。図２は、実施の形態１に係る回転電機におけるシャフトを側面から見た正投影図である。図３は、実施の形態１に係る回転電機におけるシャフトの溝の模式的な断面図である。図４は、実施の形態１に係る回転電機におけるシャフトの溝において磁粉がシャフトに加える応力を説明する図である。図５は、実施の形態１に係る回転電機におけるシャフトの磁石成形工程において、金型にシャフトが挿入される工程を説明する断面図である。図６は、実施の形態１に係る回転電機におけるシャフトの磁石成形工程において、金型に磁粉が供給される工程を説明する断面図である。図７は、実施の形態１に係る回転電機におけるシャフトの磁石成形工程において、磁粉が圧縮される工程を説明する断面図である。図８は、実施の形態１に係る回転電機におけるシャフトの磁石成形工程において、成形体が離型される工程を説明する断面図である。図９は、実施の形態１に係る回転電機における第一ローターアセンブリ組立工程において、成形体と第一のエンドキャップおよび第二のエンドキャップを準備する工程を説明する模式図である。図１０は、実施の形態１に係る回転電機における第一ローターアセンブリ組立工程において、成形体のシャフトに第一のエンドキャップおよび第二のエンドキャップを圧入する工程を説明する模式図である。図１１は、実施の形態１に係る回転電機における第一ローターアセンブリ組立工程において、成形体のシャフトに第一のエンドキャップが圧入された後、第二のエンドキャップを圧入する工程を説明する模式図である。図１２は、実施の形態１に係る回転電機における第一ローターアセンブリ組立工程において、成形体のシャフトに第一のエンドキャップおよび第二のエンドキャップが圧入された状態を表す模式図である。図１３は、実施の形態１に係る回転電機におけるシャフトの溝部および複数の溝とローターコアを示す断面図である。図１４は、実施の形態１に係る回転電機におけるシャフトの変形例の溝部および複数の溝とローターコアを示す断面図である。

各図における同一の符号は、同一の部分または相当する部分を示す。本開示では、重複する説明については、適宜に簡略化または省略する。なお、本発明は、以下の各実施の形態に開示される構成のあらゆる組み合わせを含み得るものである。また、本開示にて説明する形状、材質および製造方法等は、特に明示しない場合であっても、本発明の大要に反しないかぎり適宜選択できるものとする。

本開示で特に明示しない場合、軸方向とは、シャフトの長手方向に平行な方向とする。また、径方向とは、軸方向と直交し、シャフト３１０の中心軸を通る方向とする。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る回転電機におけるシャフトの中心軸を通る断面図である。

回転電機１は、一例として、ブラシレス型の回転電機とする。回転電機１は、例えば、定格回転数１０００００［ｒ／ｍｉｎ］で回転する。なお、回転電機１は、ブラシレス型に限定されるものではなく、例えば、ブラシ付き電動機でもよい。また、取り得る回転数の範囲が３００００～１３００００［ｒ／ｍｉｎ］であってもよい。

回転電機１は、フレーム２００を備える。フレーム２００は、回転電機１の外殻を形成する部材である。フレーム２００の形状は、例えば、第一の円筒部２００ａと第二の円筒部２００ｂを備える。第一の円筒部２００ａは第二の円筒部２００ｂよりも直径が小さい。すなわち、フレーム２００は段付きの円筒状であり、フレーム２００の一端側は、他端側よりも細い。また、第二の円筒部２００ｂには第一の円筒部２００ａの反対側に開口部２００ｃを備える。フレーム２００は例えばアルミ合金製である。

回転電機１は、ローターであるローターアセンブリ３００およびステーター４００を備える。

ローターアセンブリ３００は、シャフト３１０、磁石であるローターコア３２０、第一のリング部材である第一のエンドキャップ３３０、第二のリング部材である第二のエンドキャップ３４０、一対の軸受３５０および予圧部３６０を有する。予圧部３６０は一対の軸受３５０の各々へ予圧を付与する。予圧部３６０は例えば予圧ばね３６０ａ、クッションゴム３６０ｂ、スペーサー３６０ｃから成る。なお予圧部３６０はここで示す構成に限らない。例えば、予圧ばね３６０ａのみの構成としてもよい。

ステーター４００は、薄板電磁鋼板を積層したステーターコア４１０に巻線４２０が巻回されており、巻線４２０は端末を端子４４０にからげられて電気的に接続している。ステーターコア４１０と巻線４２０は絶縁部材４３０により電気的に絶縁されている。巻線４２０の端末と端子４４０との接続は、ここで示す他に、はんだによる接続や、ヒュージングによる接続、あるいは食い込み端子による接続等であってもよい。端子４４０に電流が流れることにより、ステーター４００は磁束を発生させ、ローターコア３２０を回転させる力を当該ローターコア３２０へ付与する。

図１に示すように、ローターアセンブリ３００の一対の軸受３５０および予圧部３６０はフレーム２００の第一の円筒部２００ａに収容され、ローターアセンブリ３００の一部およびステーター４００は、フレーム２００の第２の円筒部２００ｂに収容される。ローターアセンブリ３００の一対の軸受３５０の少なくとも一方がフレーム２００の第一の円筒部２００ａの内周面に接着剤等を介して固着されることが望ましい。接着剤には２液反応型や嫌気性接着剤が選択できる。ステーター４００は、フレーム２００の第二の円筒部２００ｂに締り嵌めによって固着しているとよい。例えば、フレーム２００を加熱し熱膨張によってフレーム２００の第２の円筒部２００ｂを拡大させ、ステーター４００を開口部２００ｃから挿入した後、冷却によって締り嵌めを形成するような、焼嵌めであるとよい。

シャフト３１０は、回転電機１の回転軸となる円柱形の部材である。シャフト３１０は、フレーム２００の内部空間の中央部に配置される。一対の軸受３５０は、シャフト３１０に例えば締り嵌めによって取り付けられる。シャフト３１０は、一対の軸受３５０を介し、第一の円筒部２００ａ側に回転可能に支持される。ローターコア３２０は円筒形状で、後述する永久磁石によって形成され、シャフト３１０の外周に配置される。シャフト３１０は、軸方向の一部区間の外周面上である溝部３１３（溝加工範囲）に、軸方向に平行な複数の溝３１３ａを有し、ローターコア３２０は複数の溝３１３ａのそれぞれに入り込んで固着される。

第一のエンドキャップ３３０および第二のエンドキャップ３４０は、略円筒状の部材であり、各々の内周面はシャフト３１０の外周面の一部である円柱表面３１１ａおよび円柱表面３１１ｂ（リング部材取り付け範囲）に固着される。第一のエンドキャップ３３０は、磁石であるローターコア３２０の軸方向の一端面側に配置される。第二のエンドキャップ３４０は、ローターコア３２０の軸方向の他端面側に配置される。第一のエンドキャップ３３０および第二のエンドキャップ３４０は、ローターコア３２０が割れた場合に、ローターコア３２０の破片が軸方向へ飛散するのを防止する。第一のエンドキャップ３０４および第二のエンドキャップ３０５は、非磁性体である。

第二のエンドキャップ３４０は、ローターコア３２０と軸受３５０との間に配置される。第一のエンドキャップ３３０は、ローターコア３２０を基準として第一のエンドキャップ３３０の反対側に配置される。第一のエンドキャップ３３０とローターコア３２０、または第二のエンドキャップ３４０とローターコア３２０は空隙を挟んで配置されてもよい。

次に、実施の形態１にかかるローターアセンブリ３００の製造方法について説明する。ローターアセンブリ３００の製造方法は、シャフト加工工程と、磁石成形工程と、第一ローターアセンブリ組立工程と、第二ローターアセンブリ組立工程を有する。シャフト加工工程ではシャフト３１０の外形および複数の溝３１３ａを加工し、磁石成形工程では、シャフト３１０の外周に、磁性粉末と樹脂材料を混合させた磁石材料を圧縮成形して成るプラスチックマグネット（磁石）であるローターコア３２０を成形し、第一ローターアセンブリ組立工程では、シャフト３１０とローターコア３２０の成形体に対して、第一のエンドキャップ３３０および第二のエンドキャップ３４０を取り付け、第二ローターアセンブリ組立工程では、ローターアセンブリ３００に対して、一対の軸受３５０と予圧部３６０を取り付けて、ローターアセンブリ３００を製造する。以下、それぞれの工程を詳細に説明する。

図２を参照して、シャフト３１０の構成について説明する。図２は、シャフト３１０を側面から見た正投影図である。シャフト３１０は、第一の円柱部３１１と第二の円柱部３１２によって構成される。第二の円柱部３１２は第一の円柱部３１１よりも径が小さい。第一の円柱部３１１は軸方向の中間、つまり、シャフト３１０の軸方向の一部区間に溝部３１３を有する。溝部３１３は、シャフト３１０の外周面上において、軸方向に平行な複数の溝３１３ａを有する。シャフト３１０は、第一の円柱部３１１側の端部に第一端部３１４、第二の円柱部３１２側の端部に第二端部３１５を有する。第一の円柱部３１１と第二の円柱部３１２との間には段差部３１６が形成されている。

次に、シャフト３１０の製造方法について説明する。シャフト３１０を製造するには、材料となる線材を準備する工程と、線材をシャフト３１０の長さに加工する工程と、この線材を、第一の円柱部３１１の直径を有する円柱に加工する工程と、第二の円柱部３１２の直径を有する円柱に加工する工程と、第一の円柱部３１１の直径を有する円柱の一部に溝部３１３を形成するように加工する工程と、溝部３１３に溝３１３ａを形成するように加工する工程と、第一の円柱部３１１および第二の円柱部３１２の外径を仕上げる研磨工程とを含む。シャフト３１０の材料として、ステンレス鋼材が使用できる。ステンレス鋼材は、ＳＵＳ（ＳｔａｉｎｌｅｓｓＵｓｅｄＳｔｅｅｌ）３０３を使用することが出来る。また、同じオーステナイト系ステンレスのＳＵＳ３０４や、ＳＵＳ４４０Ｃのようなマルテンサイト系ステンレスでもよい。

溝部３１３は、溝部３１３の直径が第一の円柱部３１１よりもわずかに小さい直径となるように加工される。溝３１３ａは転造加工または切削加工によって形成される。例えば、転造加工は溝となる部分に工具を押し付けることで素材表面に塑性変形を生じさせ、溝を形成する。そのため、溝ではない部分が盛り上がり、結果、転造加工後の最大外径は元の素材径よりも大きくなる。また、切削加工の場合は、溝となる部分を切削除去することによって溝を形成する。転造加工と比べて、加工後の最大外径が元の素材径よりも大きくなりにくいという違いがあるが、加工の際に生じるバリが元の径よりも外側に突出する場合がある。溝３１３ａが形成される部位をあらかじめ素材径よりも小さい径となるような加工をすることで、転造加工あるいは切削加工による溝加工後に、シャフト３１０の最大外径が変化することなく溝加工が可能となる。すなわち、溝３１３ａの最大外径は第一の円柱部３１１の直径よりも小さい。つまり、溝加工範囲である溝部３１３の外径は、リング部材取り付け範囲である円柱表面３１１ａ及び円柱表面３１１ｂの外径よりも小さい。

溝３１３ａを含む溝部３１３によって、第一の円柱部３１１の表面は円柱表面３１１ａと円柱表面３１１ｂに分割される。円柱表面３１１ａと円柱表面３１１ｂは、外径が同じで中心軸が一致するため、第一の円柱部３１１の外径を仕上げる研磨工程では、円柱表面３１１ａと円柱表面３１１ｂに対して通し研磨によるセンタレス研磨が採用でき、生産性に優れる。

溝部３１３に配置される溝３１３ａは、シャフト３１０の中心軸に平行な溝であり、溝部３１３の外周面上で、周方向に等間隔に複数形成される。図３は、溝３１３ａの断面図であり、シャフト３１０の中心軸を含む平面を断面として模式的に描いた図ある。溝３１３ａは、一定の溝深さ３１３ａ１を持ち、一定の溝深さ３１３ａ１である一定区間３１３ａ２と、一定区間３１３ａ２からシャフト３１０の第一端部３１４側の溝部３１３の外周に連なる第一端部側遷移区間３１３ａ３と、一定区間３１３ａ２からシャフト３１０の第二端部３１５側の溝部３１３の外周に連なる第二端部側遷移区間３１３ａ４を有する。第一端部側遷移区間３１３ａ３と第二端部側遷移区間３１３ａ４は、シャフト３１０の軸方向と平行な一定区間３１３ａ２の底面を構成する母線に対し、それぞれθ１、θ２の角度で傾斜している。図３では、θ１とθ２が等しい例を示している。

次に、ローターコア３２０をシャフト３１０と一体に成形する磁石成形工程について、図５から図８を使って説明する。図５から図８は磁石成形工程を模式的に描いた図である。装置、金型、シャフト等については工程の理解を妨げない範囲で省略している。

実施の形態１に係る回転電機におけるシャフトの磁石成形工程に使用される装置および金型は、固定型５１０、上パンチ５２０、第一の下パンチ５３０、第二の下パンチ５４０、給粉装置５５０によって構成されている。固定型５１０はローターコア３２０の外径の外周を決定する金型で、円筒状の空間を有している。上パンチ５２０は、固定型５１０の内周の内径よりもわずかに小さい外径の円筒状の金型であり、図中上下方向に稼動して磁石を圧縮する。上パンチ５２０は固定型５１０と共通の中心軸上を稼動し、中心にはシャフト３１０の外径よりもわずかに大きい内径の孔５２１を有する。第一の下パンチ５３０は固定型５１０の内側に位置し、シャフト３１０を装填するための孔５３１と、孔５３１と共通の中心軸上にある孔５３２とを有する。孔５３１と孔５３２は連続して連なっていて、孔５３２の内径は孔５３１の内径よりも小さい。第二の下パンチ５４０は中心に突部５４１を有し、突部５４１の先端は第一の下パンチ５３０の孔５３１または孔５３１の内側にある。第一の下パンチ５３０と第二の下パンチ５４０はそれぞれ独立して稼動する。

本開示に係る回転電機におけるシャフトの磁石成形工程では、シャフトをあらかじめ金型に装填するシャフト供給工程と、磁石材料を金型に充填する磁粉供給工程と、磁石材料を圧縮して磁石アセンブリを製造する磁石圧縮工程とを備える。

まず、図５のように、金型である第一の下パンチ５３０の孔５３１にシャフト３１０をあらかじめ装填するシャフト供給工程を有する。このとき、シャフト３１０の一方の端面は孔５３１と孔５３２の段差部と接していて、さらに第二の下パンチ５４０の突部５４１の先端はシャフト３１０の端面と接している。また、シャフト３１０の他方の端面は、固定型５１０の端面と同一面上にある。

次に、図６に示すように、給粉装置５５０が固定型５１０の上部の開口を覆うように移動し、固定型５１０の内筒面と金型である第一の下パンチ５３０によって作られる空間に、給粉装置５５０によって磁粉３２１が充填されて満たされる磁粉供給工程を有する。給粉装置５５０は図中左右方向に稼動し、磁粉３２１を供給するとき以外は、上パンチ５２０の動作を阻害しない十分に離れた位置にある。ここで、磁粉３２１はネオジム等の磁性体と、バインダとなるエポキシ等の熱硬化性樹脂を混練した粉体である。

次に、図７のように、給粉装置５５０が磁粉３２１を供給する前の位置に退避した後、第二の下パンチ５４０はシャフト３１０を押し上げる形で上方に稼動し、シャフト３１０の端面を磁粉３２１で満たされた空間から突出させる。次に、上パンチ５２０が下降し、孔５２１がシャフト３１０を保持しながら、磁粉３２１を圧縮する磁石圧縮工程を備える。圧縮後の磁粉３２１の密度は、５．８ｇ／ｃｍ３～６．５ｇ／ｃｍ３が望ましい。圧縮された磁粉３２１がローターコア３２０を形成し、シャフト３１０と一体に成形されたローターコア３２０の成形体を成形体３０１とする。成形体３０１が磁石アセンブリである。図８のように、上パンチ５２０が成形体３０１から取り外されるとともに、成形体３０１は第一の下パンチ５３０と第二の下パンチ５４０によって固定型５１０の外へ押し出される。さらに、離型された成形体３０１を加熱処理し、バインダを硬化させる。

続いて、本開示に係る回転電機における第一ローターアセンブリ組立工程について、図９から図１２を使って説明する。第一ローターアセンブリ組立工程は、成形体３０１に第一のエンドキャップ３３０および第二のエンドキャップ３４０を圧入による締り嵌めにて取り付ける工程である。図９から図１２は第一ローターアセンブリ組立工程を模式的に描いた図である。

第一ローターアセンブリ組立工程で使用される装置は、圧入ヘッド６１０とワーク押え６２０、受け治具６３０を備えている。圧入ヘッド６１０は成形体３０１のシャフト３１０の外径よりもわずかに大きい内径の孔６１１を有し、図中上下方向に指定された距離だけ稼動する。ワーク押え６２０は成形体３０１の左右に一対あって、図中それぞれ左右方向に成形体３０１のローターコア３２０を狭持するように稼動する。ワーク押え６２０のローターコア３２０と接触する押え面６２１は、ローターコア３２０の外周の円柱面に合わせて弯曲しているとよい。受け治具６３０は、シャフト３１０が第一のエンドキャップ３３０から突出する量だけの深さがある逃がし部６３１と、エンドキャップ３３０の外径よりもわずかに大きい内径の側壁６３２を備える。シャフト３１０が第一のエンドキャップ３３０から突出しない場合は、逃がし部６３１を省略してもよい。圧入ヘッド６１０と側壁６３２の中心軸は同一の軸上にある。

第一ローターアセンブリ組立工程では、図９のように受け治具６３０にエンドキャップ３３０を置き、第一のエンドキャップ３３０の内周に合わせて成形体３０１のシャフト３１０の外周を設置する。この時、押え面６２１とローターコア３２０は隙間ｄだけ離れている。さらにシャフト３１０の段差部３１６に第二のエンドキャップ３４０を配置する。

圧入装置（図示せず）を起動すると、ワーク押え６２０が稼動し、ローターコア３２０の側面を押える。次に、圧入ヘッド６１０が下降し第二のエンドキャップ３４０と接触し圧入が開始する。圧入ヘッド６１０による荷重は、第一のエンドキャップ３３０と第二のエンドキャップ３４０に均等に作用し、それぞれをシャフト３１０に圧入する。圧入が進むと、図１１のように、シャフト３１０の第一のエンドキャップ３３０側の端面が、第一のエンドキャップ３３０から突出し逃がし部６３１の底面と接触する。この段階で第一のエンドキャップの圧入が完了し、圧入ヘッド６１０による荷重は第二のエンドキャップ３４０の圧入に作用する。さらに圧入が進んで、あらかじめ設定された圧入ストロークだけ圧入ヘッドが移動することで、図１２のように、第二のエンドキャップ３４０は規定の位置まで圧入される。圧入が完了すると圧入ヘッド６１０とワーク押え６２０は初期位置にもどる。

成形体３０１に第一のエンドキャップ３３０と第二のエンドキャップ３４０が圧入されたローターアセンブリ３００（ローター）は、ローターコア３２０、第一のエンドキャップ３３０、第二のエンドキャップ３４０のそれぞれの内外径のズレや真円度，シャフト３１０の曲がりなどに起因する回転不釣り合いが生じる。回転不釣り合いは、回転電機の運転時に振動や騒音の原因となる。回転不釣り合いは回転軸と重心のズレによって生じるため、例えば、ある部材を適切な位置で一部削るなどして、部分的に質量を減らして重心の位置を移動させることによって、回転不釣り合いを修正することができる。実施の形態１では、ローターアセンブリ３００を回転させることによって回転不釣り合いの位置を測定し、第一のエンドキャップ３３０および第二のエンドキャップ３４０の両方を削ることによって回転不釣り合いを改善する。この時、修正可能な最大の回転不釣り合いは、第一のエンドキャップ３３０および第二のエンドキャップ３４０それぞれの削ることができる体積と比重に比例する。したがって、第一のエンドキャップ３３０および第二のエンドキャップ３４０の材料は、例えば黄銅などの銅合金といった比重が高い材質が適している。

続いて、第二ローターアセンブリ組立工程について説明する。第二ローターアセンブリ組立工程では、一対の軸受３５０と予圧部３６０をシャフト３１０に圧入による締り嵌めにて取り付ける。圧入は、第一ローターアセンブリ工程と同様に、規定のストロークだけ稼動する装置にて行われる。一対の軸受３５０は既定の距離だけ離間し、一対の軸受け３５０それぞれに狭持された予圧部３６０は圧縮され、予圧ばね３６０ａが撓んだ分の予圧荷重を発生させる。

上記のように構成され、製造された実施の形態１に係る回転電機におけるローターアセンブリによれば、ローターコア３２０はシャフト３１０の軸線、すなわち回転軸と平行に形成された複数の溝３１３ａにくい込んで成形されているので、ローターアセンブリ３００とローターコア３２０とによって発生するトルクを、複数の溝３１３ａが受けることが出来るため、シャフト３１０とローターコア３２０とが相対的に周方向にずれることが抑制される。また、ローターアセンブリ３００は回転すると、修正しきれない回転不釣り合いなどによって回転軸から微小に離れた位置を振れ回る。この時、ローターコア３２０が受ける荷重にシャフト３１０の軸線方向成分が生じるが、ローターコア３２０の軸線方向両側には第一のエンドキャップ３３０および第二のエンドキャップ３４０が備えられているため、ローターコア３２０が軸方向にずれることが抑制される。

また、磁石成形工程において、上パンチ５２０による荷重は、磁粉３２１を圧縮して既定の密度まで高める作用の他、磁粉３２１を介してシャフト３１０にも加わる。このとき、シャフト３１０に加わる荷重によりシャフト３１０が変形することが問題となる。一般的に、シャフトが軸対称な形状の場合、シャフトの軸方向に加わった荷重により、シャフトが軸と直交する方向、すなわち、曲げ方向に変形することがある。

磁粉３２１を介してシャフト３１０に加わる荷重は、主に、シャフト３１０の表面に対し直交する方向に加わる。表面に溝３１３ａが形成されていない部分のシャフト３１０は軸対称な円柱形状のため、圧縮された磁粉３２１がシャフト３１０の全周に対し円柱表面に直交する方向に加える応力は打消しあう。その結果、シャフト３１０が軸方向と直交する方向に変形することが抑制される。

また、上パンチ５２０が磁粉３２１に加える荷重の一部は、磁粉３２１間の剪断応力により、シャフト３１０の表面に対し、軸方向にずらすように作用する。シャフト３１０の円柱表面が軸方向に沿って凹凸がなければ、シャフト３１０の表面に対し、軸方向にずらすように作用する応力は小さく、シャフト３１０が軸と直交する方向に変形することが抑制される。

上パンチ５２０が磁粉３２１に加える荷重は、磁粉３２１を介して複数の溝３１３ａにも加わる。図３に示すように、複数の溝３１３ａは、一定区間３１３ａ２の軸方向の両端に、上パンチ５２１の荷重方向であるシャフト３１０の軸方向と平行な一定区間３１３ａ２の側面の母線に対して傾斜した、第一端部側遷移区間３１３ａ３と第二端部側遷移区間３１３ａ４を有する。

ここで、溝３１３ａの一定区間３１３ａ２については、溝３１３ａの底面がシャフト３１０の軸線と平行になり、磁粉３２１が溝３１３ａの一定区間３１３ａ２を軸方向にずらずように作用する応力は小さい。したがって、上パンチ５２０による荷重がシャフト３１０を変形させるのを抑制できる。

次に、一定区間３１３ａ２からシャフト３１０の第一端部３１４側の溝部３１３の外周に連なる第一端部側遷移区間３１３ａ３と、一定区間３１３ａ２からシャフト３１０の第二端部３１５側の溝部３１３の外周に連なる第二端部側遷移区間３１３ａ４は、それぞれの底面がシャフト３１０の軸線に対して傾斜している。第二端部側遷移区間３１３ａ４の場合を例にとり、図４を用いて、圧縮された磁粉３２１が第二端部側遷移区間３１３ａ４に対し加える応力がシャフト３１０の変形に及ぼす影響について説明する。図４は、溝３１３ａの底面を境界として、シャフト３１０側と磁粉３２１側にまたがる断面図を示す。

図４（ａ）に示すように、上パンチ５２０が磁粉３２１を圧縮する圧力をＰ０とすると、圧力Ｐ０は、シャフトの軸方向に沿って下向きの荷重となる。この圧力Ｐ０は、溝３１８の表面に対して垂直に作用し、図４（ａ）のＡ部に示すように、第二端部側遷移区間３１３ａ４の溝部３１３ａの表面に対しても垂直に作用する。図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ部の拡大図を示す。圧力Ｐ０は、シャフト３１０の軸と直交する成分の圧力Ｐｈ２（＝Ｐ０×ｃｏｓ（θ２））と、シャフト３１０の軸と平行な成分の圧力Ｐｖ２（＝Ｐ０×ｓｉｎ（θ２））とに分解できる。ここで、第二端部側遷移区間３１３ａ４の溝部３１３ａの表面は、シャフト３１０の軸の周りに対称な形状である。したがって、シャフト３１０の軸と直交する成分の圧力Ｐｈが第二端部側遷移区間３１３ａ４の溝部３１３ａの表面の全周に対し円柱表面に直交する方向に加える応力は打消しあう。その結果、シャフト３１０が軸方向と直交する方向に変形することが抑制される。

次に、シャフト３１０の軸と平行な成分の圧力Ｐｖは、第二端部側遷移区間３１３ａ４の溝部３１３ａの表面の全周に対し、シャフト３１０の軸方向（第二端部３１５側）に応力を加える。角度θ２を小さい角度に設定して第二端部側遷移区間３１３ａ４を形成することにより、圧力Ｐｖの大きさを抑制することができ、シャフト３１０の変形を抑制できる。

圧縮された磁粉３２１が、第一端部側遷移区間３１３ａ３の溝部３１３ａの表面に作用する圧力も同様であり、シャフト３１０の軸と直交する成分の圧力Ｐｈ１（＝Ｐ０×ｃｏｓ（θ１））と、シャフト３１０の軸と平行な成分の圧力Ｐｖ１（＝Ｐ０×ｓｉｎ（θ１）、（第一端部３１４側方向））（図示せず）とがシャフト３１０の変形に及ぼす影響を抑制できる。

シャフト３１０の周回りに複数の溝３１３ａがシャフト３１０の中心軸に平行に形成された場合は、それぞれの溝３１３ａに対して、シャフト３１０の軸方向に応力を加える箇所が、第一端部側遷移区間３１３ａ３と第二端部側遷移区間３１３ａ４の２か所となる。したがって、後述するように、従来例である溝がローレット目により形成される場合と比較して、シャフト３１０の周回りの圧縮された磁粉３２１が、シャフト３１０の変形に及ぼす影響を抑制できる。

シャフトの表面に形成される溝が従来のローレット目の場合は、シャフトの軸方向に応力が加わる斜面が全周にわたり複数あるため、溝がシャフトの軸方向に複数形成された場合と比較して、圧縮された磁粉がシャフトの曲げ変形に及ぼす影響が大きくなる。

このように、例えば回転電機のトルクを大きくする目的で磁粉３２１の密度を大きくする場合に、シャフト３１０の変形等を抑えながら上パンチ５２１の圧縮荷重を大きくすることができ、磁力および機械的強度の向上が図れる回転電機のローターを製造することができる。

なお、実施の形態１に係る回転電機におけるシャフト３１０の溝部３１３および複数の溝３１３ａは、図１３に示すように、ローターコア３２０の内周と対向する領域の中にあるが、その位置については特定しない。例えば、図１４のように、溝部３１３および複数の溝３１３ａが、ローターコア３２０の内周と対向する領域のうち、軸方向片側の方に片寄っている場合でもよい。

このように、実施の形態１に係る回転電機のローターの製造方法によれば、円柱形のシャフトと、前記シャフトの外周に配置された円筒形の磁石と、前記シャフトの軸方向における前記磁石の一端面側に配置された第一のリング部材と、前記シャフトの軸方向における前記磁石の他端面側に配置された第二のリング部材とによって構成され、前記シャフトは、軸方向の一部区間の外周に前記シャフトの軸方向に平行な複数の溝を有し、前記磁石は前記複数の溝に入り込んで固着される、回転電機のローターを製造する方法であって、前記シャフトの外周に前記シャフトの軸方向に平行な複数の溝を形成するように加工するシャフト加工工程と、前記シャフトの外周に前記磁石を一体に成形して磁石アセンブリを製造する磁石成形工程と、前記磁石成形工程によって製造した磁石アセンブリに前記第一のリング部材と第二のリング部材を取り付けてローターを製造するローターアセンブリ組立工程を備えるので、圧縮成形による磁石とシャフトの一体成形で、コストを抑制しながら、圧縮荷重を上げることにより、磁力および機械的強度の向上が図れる回転電機のローターを製造することができる。

また、シャフトは、複数の溝を形成するように加工する溝加工範囲と、第一のリング部材または第二のリング部材が取り付けられるリング部材取り付け範囲とを有し、前記溝加工範囲の外径は前記リング部材取り付け範囲の外径より小さいので、溝の加工後の溝部の最大外径がリング部材取り付け範囲の外径よりも超えることがないように構成でき、溝加工後に、シャフトの最大外径が変化することなく溝加工が可能となる。

また、磁石は磁性粉末と樹脂材料を混合させた磁石材料を圧縮成形して成るプラスチックマグネットであって、磁石成形工程は、シャフトをあらかじめ金型に装填するシャフト供給工程と、磁石材料を金型に充填する磁粉供給工程と、磁石材料を圧縮して磁石アセンブリを製造する磁石圧縮工程とを備えるので、磁石とシャフトを一体成形できる。

また、ローター組立工程において、第一のリング部材および第二のリング部材はシャフトに対して締り嵌めによって取り付けられるので、第一のリング部材および第二のリング部材をシャフトに固定する接着剤や、接着剤を両者の間に塗布する工程が不要であり、コストや製造工程が簡素化できる。

さらに、ローターの回転不釣り合いの位置を測定する回転不釣り合い測定工程と、第一のリング部材および第二のリング部材の少なくとも一方の一部分を削りとる回転不釣り合い修正工程を備えるので、ローターの回転不釣り合いを改善することができる。

実施の形態２．
次に、本開示の実施の形態２に係る回転電機におけるシャフトについて説明する。実施の形態２は、溝部３１３に配置される溝３１３ａにおいて、第一端部側遷移区間３１３ａ３と、第二端部側遷移区間３１３ａ４とが、シャフト３１０の軸方向と平行な一定区間３１３ａ２の底面を構成する母線に対し、それぞれθ１、θ２の角度で傾斜しており、θ１＞θ２とした点が異なり、その他の構成、製造方法は実施の形態１と同様である。以下、実施の形態１に対する実施の形態２の相違点を中心に説明する。

図１５は、実施の形態２に係る回転電機におけるシャフトの溝の模式的な断面図であり、溝３１３ａをシャフト３１０の中心軸を含む平面での断面を模式的に描いた図ある。溝３１３ａは、一定の溝深さ３１３ａ１を持ち、一定の溝深さ３１３ａ１である一定区間３１３ａ２と、一定区間３１３ａ２からシャフト３１０の第一端部３１４側の溝部３１３の外周に連なる第一端部側遷移区間３１３ａ３と、一定区間３１３ａ２とからシャフト３１０の第二端部３１５側の溝部３１３の外周に連なる第二端部側遷移区間３１３ａ４を有する。第一端部側遷移区間３１３ａ３と第二端部側遷移区間３１３ａ４は、シャフト３１０の軸方向と平行な一定区間３１３ａ２の底面を構成する母線に対し、それぞれθ１、θ２の角度で傾斜している。ここで、θ１はθ２よりも大きく形成され、その結果、第一端部側遷移区間３１３ａ３は第二端部側遷移区間３１３ａ４よりも、シャフト３１０の軸方向に占める範囲が小さい。

上記のように構成された回転電機におけるシャフト３１０では、θ２が小さくなることにより、磁石成形工程における上パンチ５２０の圧縮荷重の軸方向分力（図４のＰｖ２に相当）が、実施の形態１における軸方向分力より小さい値となり、シャフト３１０を変形させる荷重が小さくなる。

このように、回転電機のローターを構成または製造することにより、圧縮成形による磁石とシャフトの一体成形において、コストを抑制しながら、圧縮荷重を上げることで磁力および機械的強度の向上が得られる回転電機のローターの製造方法を提供することができる。

１回転電機、
２００フレーム、
２００ａ第一の円筒部、
２００ｂ第二の円筒部、
２００ｃ開口部、
３００ローターアセンブリ（ロ－ター）、
３０１成形体（磁石アセンブリ）、
３１０シャフト、
３１１第一の円柱部、
３１１ａ円柱表面、
３１１ｂ円柱表面、
３１２第二の円柱部、
３１３溝部（溝加工範囲）、
３１３ａ溝、
３１３ａ１溝深さ、
３１３ａ２一定区間、
３１３ａ３第一端部側遷移区間、
３１３ａ４第二端部側遷移区間、
３１４第一端部、
３１５第二端部、
３１６段差部、
３２０ローターコア（磁石）、
３３０第一のエンドキャップ（第一のリング部材）、
３２１磁粉、
３４０第二のエンドキャップ（第二のリング部材）、
３５０軸受、
３６０ａ予圧ばね、
３６０ｂクッションゴム、
３６０ｃスペーサー、
４００ステーター、
４１０ステーターコア、
４２０巻線、
４３０絶縁部材、
４４０端子、
５１０固定型、
５２０上パンチ、
５２１孔、
５３０第一の下パンチ、
５３１孔、
５３２孔、
５４０第二の下パンチ、
５４１突部、
５５０給粉装置、
６１０圧入ヘッド、
６１１孔、
６２０ワーク押え、
６２１押え面、
６３０受け治具、
６３１逃がし部、
６３２側壁、

Claims

円柱形のシャフトと、
前記シャフトの外周に配置された円筒形の磁石と、
前記シャフトの軸方向における前記磁石の一端面側に配置された第一のリング部材と、
前記シャフトの軸方向における前記磁石の他端面側に配置された第二のリング部材とによって構成され、
前記シャフトは、軸方向の一部区間の外周に前記シャフトの軸方向に平行な複数の溝を有し、
前記磁石は前記複数の溝に入り込んで固着される、回転電機のローターを製造する方法であって、
前記シャフトの外周に前記シャフトの軸方向に平行な複数の溝を形成するように加工するシャフト加工工程と、
前記シャフトの外周に前記磁石を一体に成形して磁石アセンブリを製造する磁石成形工程と、
前記磁石成形工程によって製造した磁石アセンブリに前記第一のリング部材と第二のリング部材を取り付けてローターを製造するローターアセンブリ組立工程を備える
回転電機のローターの製造方法。
前記シャフトは、前記複数の溝を形成するように加工する溝加工範囲と、前記第一のリング部材または前記第二のリング部材が取り付けられるリング部材取り付け範囲とを有し、前記溝加工範囲の外径は前記リング部材取り付け範囲の外径より小さいことを特徴とする請求項１記載の回転電機のローターの製造方法。
前記磁石は磁性粉末と樹脂材料を混合させた磁石材料を圧縮成形して成るプラスチックマグネットであって、前記磁石成形工程は、前記シャフトをあらかじめ金型に装填するシャフト供給工程と、前記磁石材料を前記金型に充填する磁粉供給工程と、前記磁石材料を圧縮して前記磁石アセンブリを製造する磁石圧縮工程とを備えることを特徴とする請求項１記載の回転電機のローターの製造方法。
前記ローター組立工程において、前記第一のリング部材および前記第二のリング部材は前記シャフトに対して締り嵌めによって取り付けられることを特徴とする請求項１記載の回転電機のローターの製造方法。
前記ローターの回転不釣り合いの位置を測定する回転不釣り合い測定工程と、前記第一のリング部材および前記第二のリング部材の少なくとも一方の一部分を削りとる回転不釣り合い修正工程を備えることを特徴とする請求項１記載の回転電機のローターの製造方法。