JP2022118308A - ローター、ローターを使用した回転電機、ローターのバランス調整方法、ローターの製造方法および回転電機の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ローターのバランス調整時に、カシメおよび切削の衝撃または振動によりローターコアとローターシャフトとの接触状態が変化し、調節したバランスが崩れ、バランス修正工程の繰り返しによる生産性の低下を招くという問題点があった。【解決手段】ローターシャフトと、前記ローターシャフトに取り付けられたローターコアと、前記ローターコアの軸方向の少なくとも片方の面に設けられバランス修正部を有するエンドリングと、前記ローターコアとは分離して前記ローターシャフトに設けられバランス修正を行うバランス修正板と、を備えた。【選択図】 図２

Description

本願は、ローター、ローターを使用した回転電機、ローターのバランス調整方法、ローターの製造方法および回転電機の製造方法に関するものである。

ローターの振動を抑制するにはバランス修正が必須である。例えば、特許文献１ではローターコアの軸方向の両端にバランス修正のためのバランスリングが設けられており、バランスリングに、ウェイトをカシメ固定またはカシメピンを切削することでアンバランスの修正を行なうようにしている。

特開２０１２―１６５５３４号公報

しかし、カシメおよび切削の衝撃または振動によりローターコアとローターシャフトとの接触状態が変化し、調節したバランスが崩れ、バランス修正工程の繰り返しが必要となり、生産性の低下を招くという問題点があった。
本願はこのような問題点を解決するためになされたものであり、バランス修正工程の工数を抑制するローターを得ることを目的としている。

本願に係わるローターは、ローターシャフトと、前記ローターシャフトに取り付けられたローターコアと、前記ローターコアの軸方向の少なくとも片方の面に設けられバランス修正部を有するエンドリングと、前記ローターコアとは分離して前記ローターシャフトに設けられバランス修正を行うバランス修正板と、を備えたものである。

本願によれば、ローターのバランス調整をローターコアに設けられたエンドリングのバランス修正部と、バランス修正板の両方で行えるので、ローターコアとローターシャフトとの接触状態に変化を与えない状態で最終のバランス修正が可能となり、バランス修正工程の時間を短縮することができる。

実施の形態１に係わる回転電機を示す断面図である。 実施の形態１に係わるローターを示す断面図である。 実施の形態１に係わるエンドリングを示す斜視図である。 実施の形態１に係わる回転電機の組立手順を示すフローチャートである。 実施の形態１に係わるローターのバランス調整手順を示すフローチャートである。 実施の形態１に係わるローターの１次の弾性モードを示す断面図である。 実施の形態２に係わるローターを示す断面図である。 実施の形態３に係わるローターを示す断面図である。 実施の形態３に係わるローターの２次の弾性モードを示す断面図である。 実施の形態４に係わるローターを示す断面図である。 実施の形態４に係わるエンドリングを示す正面図である。 実施の形態５に係わるローターを示す断面図である。 実施の形態５に係わるエンドリングを示す正面図である。

実施の形態１．
図１は本願の実施の形態１よる誘導モータを例とした回転電機の断面図である。回転電機１００はコイル１１とステーターコア１２からなるステーター１と、ローター２と、ローター回転のためのベアリング３と、ベアリング３およびステーターコア１２を保持するためのハウジング４から構成される。
図２は実施の形態１によるローター２を示す断面図である。図２では誘導モータのローター２を例として示している。ローターシャフト５にはローターコア６が圧入され固着している。ローターコア６は高透磁率な電磁鋼鈑を打ち抜いたコアプレートを軸方向に積層されて形成されている。ローターコア６は、軸方向の両側の側面にエンドリング７が焼嵌めまたは圧入によって固着されており、ローターコア６が回転および軸方向へ移動をしないようにローターシャフト５に固定されている。

図３にエンドリング７の例を示す。エンドリング７にはバランス修正部７１があり、バランスウェイト７２をカシメ固定するためのカシメピン７３が設けられている。また、エンドリング７には冷却のためのフィン７４が図３に示すように設けられる。ローターシャフト５にはベアリング圧入部５１があり、ベアリング圧入部５１とローターコア６との間にバランス修正板５２が設けられる。バランス修正板５２はローターシャフト５の軸方向に厚みを持つ軸対象の板形状を有する。軸方向から見た形状は円形、楕円形、多角形、どのような形状でもよく、冷却フィンを設けてもよい。また、バランス修正板５２の軸方向の少なくとも片面には、バランス修正部５２１を有し、エンドリング７と同じように、バランスウェイトをカシメ固定するカシメピンを設けてもよい。また、バランス修正板５２のバランス修正部５２１は、ローターコア６およびエンドリング７とは分離しており、バランス修正時にローターコア６とローターシャフト５との接触状態に影響を与えることがない。
エンドリング７を用いたバランス修正では、バランス修正面の数はローターコア６の軸方向両端に設けたエンドリング７の２面までであったが、バランス修正板５２を設けることにより、バランス修正に利用できる面の数は、エンドリング７の２面とバランス修正板５２の１面の合計３面とすることができる。

図４は回転電機の組立て手順フローを示したものである。ステップＳ１となるステーター１組立とステップＳ２となるローター２組立の後にステップＳ３となる回転電機１００の総組立が行われる。その中でステップＳ２のローター２の組立は、コア打抜き、積層を行うステップＳ２１、ローターコア６へエンドリング７を固着するステップＳ２２、ローターコア６をローターシャフト５へ圧入するステップＳ２３、ローターシャフト５の曲げ調整を行うステップＳ２４、ローター２の回転のバランス調整を行うステップＳ２５からなる。このように、ローター組立の最終工程はバランス調整となる。

図５に実施の形態１に係わるローターによるバランス調整の手順を示す。まず、ステップＳ２５１でローター２全体のバランス状態を計測する。このバランス計測結果を基にステップＳ２５２でエンドリング７の２面のバランス修正部７１のバランスウェイト７２、および、バランス修正板５２のバランス修正部５２１のバランスウェイトを仮止めする。この状態で、ステップＳ２５３にてバランス計測を行い、その計測結果に基づいて、所定のバランス範囲に入るまで、ステップＳ２５２のバランス修正を繰り返す。次に、ステップＳ２５４にてエンドリング７の２面のバランス修正部７１のバランスウェイト７２をカシメピン７３でカシメ固定する。この状態でステップＳ２５５にてバランス計測を行い、バランス修正をバランス修正板５２のバランス修正部５２１で行う。最後に、ステップＳ２５６にてバランス修正板５２のバランス修正部５２１のバランスウェイトをカシメピンでカシメ固定する。
このように、ローター２のバランス調整は、ローターコア６のエンドリング７に設けられたバランス修正部７１によってバランス修正を行う工程と、ローターシャフト５のバランス修正板５２に設けられたバランス修正部５２１によってバランス修正を行う工程とを含んだものとなる。

バランス修正の方法には増量法と減量法、及び増量法と減量法の組み合わせがある。増量法の場合、エンドリング７に設けられたカシメピン７３にバランスウェイト７２をカシメ固定する。カシメ固定の際、カシメピン７３の先端に衝撃を加えてリベット状に潰してカシメ固定する。そのため、カシメピン７３に加わる軸方向への衝撃荷重が、エンドリング７を介してローターコア６とローターシャフト５にも加わることになる。減量法の場合、エンドリング７のカシメピン７３を切削する際の荷重がローターコア６とローターシャフト５に加えられることになる。カシメ作業または切削作業のいずれかの荷重により、ローターコア６がローターシャフト５に対して軸方向、周方向、または径方向に動くことにより、ローターシャフト５とローターコア６との接触状態が変化し、バランス修正後にバランスが崩れることがある。そのため、バランス修正板５２を設けていない従来のローター２のバランス調整作業では、図５のステップＳ２５４のバランスウェイト７２の固定後に、バランス修正工程の最初であるステップＳ２５１に戻って繰り返す必要が発生し、工数の増加を招くことがあり従来の課題となっていた。

本願の実施の形態１では、バランス修正に利用できる面がエンドリング７の２面とバランス修正板５２の１面の合計３面あり、最終のバランス修正をエンドリング７に実施するのではなく、バランス修正板５２を対象に実施することができる。図５のステップＳ２５５およびステップＳ２５６に示すようにバランス修正板５２への増量・減量をバランス修正工程の最後に行うことでローターコア６とローターシャフト５に加わる荷重を抑制し、ローターコア６とローターシャフト５との接触状態の変化を抑制することができる。その結果、バランス修正工程における工数を抑制することができ、生産性を向上することができる。

従来のエンドリング７の２面だけの修正の場合、修正対象のローターの寸法及びバランス計測時の計測位置とから求められる２×２の行列を用いて修正量を求めることができる。本願の実施の形態１の構成のようにバランス修正板５２を含む３面を用いた場合は、修正量を求めるための行列は２×２行列を３つ組み合わせることになる。つまり６×６の行列を計算するだけなので、計算量としては負担にはならない。バランス修正の際に６×６の行列計算を繰り返し、エンドリング７の片面の修正量が０（エンドリング７のもう一方の片面とバランス修正板５２を修正すれば、目標のアンバランス量にできる状態）となったときに、最終修正をバランス修正板５２で実施すればよい。

また、回転バランスを調整して回転速度を向上させると、ローター２が剛体ではなく図６に示すような弾性ローターとしての挙動を示すようになる。バランス修正面の数が２面しかないと、剛体ローターのバランス修正しかできないが、バランス修正板５２を有する本願の実施の形態１の構成であればバランス修正面の数が３面であるため、１次の弾性モードで振動するローター２に対してもバランス修正を実施することができる。これにより、ローター２をより高速域で使用することができ、または、回転速度を変えずにローターシャフト５の径を小さくして使用することができる。

実施の形態２．
図７に示すように、実施の形態２に係わるローター２は、ローターシャフト５とバランス修正板５２ａが一体ではなく、別の部品であることを特徴とする。バランス修正板５２ａはローターシャフト５から取り外しができる。バランス修正板５２ａはローターシャフト５に圧入され、回転方向への振れ止めのためローターシャフト５とバランス修正板５２ａにはキーとキー溝（図示せず）が設けられる。

この構成によれば、バランス修正に利用できる面がエンドリング７の２面とバランス修正板５２ａの１面の合計３面となり、最終のバランス修正をエンドリング７に実施するのではなく、バランス修正板５２ａを対象に実施することができる。バランス修正板５２ａへの増量または減量をバランス修正工程の最後に行うことでローターコア６とローターシャフト５に加わる荷重を抑制し、ローターコア６とローターシャフト５との接触状態の変化を抑制することができる。また、バランス修正板５２ａは着脱可能であるので、ローターシャフト５から取り外した状態でバランス修正板５２ａへの加工を実施することができる。このため、バランス修正板５２ａのバランス修正部５２１の調整、固定を行っても、ローターシャフト５とローターコア６との接触状態の変化を引き起こすような荷重は発生することがなくなる。これによりバランスの最終修正後のバランスの再修正を回避することができる。その結果、バランス修正工程における工数を抑制することができ、生産性を向上することができる。

また、回転速度を向上させると、ローターが剛体ではなく弾性ローターとなる。バランス修正面の数が２面しかないと、剛体ローターのバランス修正しかできないが、実施の形態２の構成であればバランス修正面の数が３面であるため、１次の弾性モードで振動するローターに対してもバランス修正を実施することができる。これにより、ローターをより高速域で使用すること、または、回転速度を変えずにローターシャフト５の径を小さくして使用することができる。

実施の形態３．
図８に示すように、実施の形態３に係わるローター２は、ローターシャフト５とバランス修正板５２ａが一体ではなく別の部品であり、バランス修正板５２ａがローターコア６の軸方向両側にそれぞれ配設されていることを特徴とする。また、どちらのバランス修正板５２ａもローターシャフト５から取り外しができる。バランス修正板５２ａはローターシャフト５に圧入され、回転方向への振れ止めのためローターシャフト５とバランス修正板５２ａにはキーとキー溝（図示せず）が設けられる。

実施の形態３の構成によれば、バランス修正に利用できる面がエンドリング７の２面とバランス修正板５２ａの２面の合計４面となり、最終のバランス修正をエンドリング７に実施するのではなく、バランス修正板５２ａを対象に実施することができる。バランス修正板５２ａへの増量または減量をバランス修正工程の最後に行うことでローターコア６とローターシャフト５に加わる荷重を抑制し、ローターコア６とローターシャフト５との接触状態の変化を抑制することができる。また、バランス修正板５２ａは着脱可能であるので、ローターシャフト５から取り外した状態でバランス修正板５２ａへの加工を実施することができる。このため、バランス修正板５２ａのバランス修正部５２１の調整、固定を行っても、ローターシャフト５とローターコア６との接触状態の変化を引き起こすような荷重は発生することがなくなる。これによりバランスの最終修正後のバランスの再修正を回避することができる。その結果、バランス修正工程における工数を抑制することができ、生産性を向上することができる。

また、回転速度を向上させると、ローター２が剛体ではなく図６に示すような弾性ローターとしての挙動を示すようになる。バランス修正面の数が２面しかないと、剛体ローターのバランス修正しかできないが、実施の形態３の構成であればバランス修正面の数が４面であるため、図９に示すような２次の弾性モードで振動するローターに対してもバランス修正を実施することができる。これにより、ローター２をより高速域で使用すること、または、回転速度を変えずにローターシャフト５の径を小さくして使用することができる。

また、バランス修正板５２ａによりバランス修正面が２面あるため、ローターコア６のエンドリング７にバランス修正のための加工を行う必要がない。バランス修正板５２ａへの加工をローターシャフト５から取り外した状態で実施することができる。そのため、バランス修正板５２ａのバランス修正部５２１の調整、固定を行っても、ローターシャフト５とローターコア６との接触状態の変化を引き起こすような荷重は発生することがなくなる。これによりバランスの最終修正後のバランスの再修正を回避し、生産性を向上することができる。また、バランス修正面がバランス修正板５２ａの２面あるため、エンドリング７の寸法を小さくすることができる。
バランス修正板５２ａが２つの場合の例を示したが、ローターコア６の軸方向両側に複数配設すれば、さらにバランス修正面を増やすことも可能である。

実施の形態４．
図１０、図１１に示すように、実施の形態４におけるローターシャフト５にはローターコア６が圧入され固着されている。ローターコア６は高透磁率な電磁鋼鈑を打ち抜いたコアプレートを軸方向に積層されて形成されている。ローターコア６は軸方向の端面の両側にエンドリング７が焼嵌めまたは圧入によって固着されており、ローターコア６が回転および軸方向へ移動をしないようにローターシャフト５に固定されている。エンドリング７にはバランス修正のためバランス修正部７１があり、バランスウェイト７２をカシメ固定するためのカシメピン７３が設けられている。また、冷却のためのフィン７４が設けられることもある。実施の形態４に示すカシメピン７３の形状は円柱を例として示している。

バランス修正後にバランスウェイト７２はカシメピン７３を用いて固定される。その際、ローターコア６の軸方向の両端にあるエンドリング７に設けた一対のカシメピン７３を、軸方向の両側に設けられ加圧面に勾配を有する加圧治具８により、軸方向の両側から加圧して曲げ、バランスウェイト７２を固定する。
従来の方法であればカシメ固定の際、カシメピン７３に加わる軸方向への衝撃荷重が、エンドリング７を介してローターコア６とローターシャフト５にも加わることになる。この荷重により、ローターシャフト５とローターコア６との接触状態が変化し、バランス修正後にバランスが崩れることがあった。そのためバランス修正の最終工程後に再度バランスを計測すると、バランスが許容範囲外となることがある。その結果、再度バランス修正工程を繰り返さなければならず、工数の増加を招くという課題があった。

本願の実施の形態４では、カシメピン７３の先端に衝撃を加えてリベット状に潰してカシメ固定するのではなく、静的荷重をカシメピン７３に加えることでカシメピン７３を塑性変形させて曲げることによりバランスウェイト７２を固定する。カシメピン７３を塑性変形させて曲げるには、ローターシャフト５の軸方向に加圧治具８で静的に加圧する。加圧治具８の加圧面には、加圧方向に対して勾配が設けられており、勾配によってカシメピン７３が一意の方向に曲げられる。カシメピン７３を加圧する際、ローターコア６の軸方向に荷重が加わるものの、ローターコア６の両側から力が作用するため、ローターコア６とローターシャフト５に加わる軸方向の荷重を抑制し、ローターコア６とローターシャフト５との接触状態の変化を抑制することができる。これによりバランスの最終修正後のバランスの再修正を回避することができる。その結果、バランス修正工程における工数を抑制することができ、生産性を向上することができる。

カシメピン７３を塑性変形させて曲げる際、ローターコア６の両側のカシメピン７３全てを一斉に曲げてもよいし、１つずつ曲げてもよい。また、本実施の形態においてカシメピン７３の形状を円柱、つまりローターシャフト５の軸方向に対し垂直面での断面形状が円であるものを例としたが、楕円、正方形、長方形、多角形であってもよい。また、カシメピン７３の断面形状は、ローターシャフト５の軸方向に対して一定である必要はなく、例えば円形から四角形へと変化していてもよい。
また、実施の形態４において、カシメピン７３を曲げる方向をローター２の径方向として記載したが、径方向に限るものではなく、ローターシャフト５の軸を中心とした円の接線方向であってもよい。また、その他の方向であってもよい。

実施の形態５．
図１２、図１３に示すように、実施の形態５に係わるローター２は、エンドリング７のカシメピン７３ａの先端に軸方向のスリット７３ｂが設けられていることを特徴とする。カシメピン７３ａを塑性変形させて曲げる際の加圧治具８ａには、カシメピン７３ａに設けられたスリット７３ｂに沿った楔状の先端８ｂが設けられていることを特徴とする。

実施の形態５の構成では、カシメピン７３ａをカシメ固定するのではなく、静的荷重をカシメピン７３ａに加えることでカシメピン７３ａを径方向外側及び内側に塑性変形させて曲げることによりバランスウェイト７２を固定する。すなわち、ローターコア６の軸方向の両端にあるエンドリング７に設けた先端が複数に分岐した一対のカシメピン７３ａを、軸方向の両側に設けられ楔状の先端８ｂを有する加圧治具８ａにより、軸方向の両側から加圧することにより分岐させ、バランスウェイト７２を固定することによって行う。

カシメピン７３ａを加圧する際、ローターコア６の軸方向に荷重が加わるものの、ローターコア６の両側から力が作用するため、ローターコア６とローターシャフト５に加わる荷重を抑制し、ローターコア６とローターシャフト５との接触状態の変化を抑制することができる。これによりバランスの最終修正後のバランスの再修正を回避することができる。その結果、バランス修正工程における工数を抑制することができ、生産性を向上することができる。また、カシメピン７３ａを２つ以上の方向に曲げるため、例えば内径側と外径側にカシメピン７３ａを曲げることでカシメピン７３ａを曲げることで生じるバランスの不均衡を抑制することができる。これによっても、バランスの最終修正後のバランスの再修正を回避することができ、生産性を向上することができる。カシメピン７３ａを曲げる方向として内径側と外径側を例に示したが、接線方向に分けて曲げてもよいし、３方向以上に分けて曲げてもよい。

また、上記の実施の形態１から５においては、回転電機１００として誘導モータのローター２の場合について説明したが、誘導モータのローター２に限るものではなく、永久磁石形同期モータのローターへも適用することができる。永久磁石形同期モータとは、永久磁石をローターの外周面上に配置する表面磁石構造のローター、およびローターコアに磁石を挿入するスロットが設けられた埋込磁石構造のローターを有するモータである。また、上記の実施の形態においてはベアリング３がローターコア６の軸方向の両側に取り付けられる構造について説明したが、その限りではなく、ローターコア６の軸方向の片側に取り付けられる構造へも適用することができる。

本願は、様々な例示的な実施の形態および実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ ステーター、１１ コイル、１２ ステーターコア、２ ローター、３ ベアリング、４ ハウジング、５ ローターシャフト、５１ ベアリング圧入部、５２，５２ａ バランス修正板、５２１ バランス修正部、６ ローターコア、７ エンドリング、７１ バランス修正部、７２ バランスウェイト、７３、７３ａ カシメピン、７３ｂ スリット、７４ フィン、８，８ａ 加圧治具、８ｂ 先端、１００ 回転電機。

Claims (10)

1. ローターシャフトと、
   前記ローターシャフトに取り付けられたローターコアと、
   前記ローターコアの軸方向の少なくとも片方の面に設けられバランス修正部を有するエンドリングと、
   前記ローターコアとは分離して前記ローターシャフトに設けられバランス修正を行うバランス修正板と、
   を備えたことを特徴とするローター。
2. 前記バランス修正板は、前記ローターシャフトの軸方向に厚みを持つ軸対象の板形状を有することを特徴とする請求項１に記載のローター。
3. 前記バランス修正板は、ローターコアの軸方向の両側に複数配設されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のローター。
4. 前記バランス修正板は、前記ローターシャフトに着脱可能に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のローター。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のローターを使用した回転電機。
6. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載されたローターにおけるバランス調整方法であって、前記ローターコアの前記エンドリングに設けられたバランス修正部によってバランス修正を行う工程と、前記ローターシャフトのバランス修正板によるバランス修正を行う工程とを含むことを特徴とするローターのバランス調整方法。
7. 前記ローターコアの前記エンドリングに設けられたバランス修正部によってバランス修正を行う工程は、
   前記ローターコアの軸方向の両端にある前記エンドリングに設けた一対のカシメピンを、軸方向の両側に設けられ加圧面に勾配を有する加圧治具により、軸方向の両側から加圧して曲げ、バランスウェイトを固定することよって行うことを特徴とする請求項６に記載のローターのバランス調整方法。
8. 前記ローターコアの前記エンドリングに設けられたバランス修正部によってバランス修正を行う工程は、
   前記ローターコアの軸方向の両端にある前記エンドリングに設けた先端が複数に分岐した一対のカシメピンを、軸方向の両側に設けられ楔状の先端を有する加圧治具により、軸方向の両側から加圧することにより分岐させ、バランスウェイトを固定することによって行うことを特徴とする請求項６に記載のローターのバランス調整方法。
9. 請求項６から請求項８のいずれか１項に記載されたローターのバランス調整方法を使用することを特徴とするローターの製造方法。
10. 請求項６から請求項８のいずれか１項に記載されたローターのバランス調整方法を使用することを特徴とする回転電機の製造方法。

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