JP2023071297A - 電機子及び電機子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石を固定する充填材が割れることを抑制できる電機子及び電機子の製造方法を提供する。
【解決手段】回転子１１は、中心軸線が延びる軸線方向に貫通する複数の磁石孔１４が周縁部に沿って並んで設けられた鉄心１３と、複数の磁石孔１４にそれぞれ収容された状態で固定される複数の永久磁石１５とを備える。永久磁石１５は、磁石孔１４に充填されて固化または硬化する充填材１６によって固定される。充填材１６は、永久磁石１５における軸線方向の両端面のうちの少なくとも一方が露出するように、磁石孔１４に充填されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、鉄心に設けられた磁石孔に充填材によって固定された磁石を有する電機子及び電機子の製造方法に関する。

従来、この種の電機子として、例えば特許文献１に示す回転電機のロータが知られている。こうしたロータ（電機子）は、外周側に周方向に配置された複数の磁石孔を有するロータコア（鉄心）と、各磁石孔に挿入された永久磁石と、永久磁石を固定する磁石固定部材（充填材）とを備えている。磁石固定部材は、熱硬化性樹脂によって構成されている。磁石固定部材は、各磁石孔に永久磁石の全体を覆うように充填されて硬化されることによって永久磁石を固定する。

特許第６７０５３８５号公報

ところで、上述のようなロータでは、永久磁石と磁石固定部材との熱膨張率が互いに異なっている。このため、高温下においては、永久磁石と磁石固定部材との間での熱膨張の程度の差により、磁石固定部材における永久磁石のロータの軸線方向の両端面の近傍部分に応力集中が起きる。この応力集中により、磁石固定部材における永久磁石の上記軸線方向の両端面の近傍部分が割れるおそれがある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する電機子は、中心軸線が延びる軸線方向に貫通する複数の磁石孔が周縁部に沿って並んで設けられた鉄心と、複数の前記磁石孔にそれぞれ収容された状態で固定される複数の永久磁石と、を備えた電機子であって、前記永久磁石は、前記磁石孔に充填されて固化または硬化する充填材によって固定され、前記充填材は、前記永久磁石における前記軸線方向の両端面のうちの少なくとも一方が露出するように、前記磁石孔に充填されていることを要旨とする。

通常、永久磁石と充填材とは、熱膨張率が互いに異なる材料によって構成される。このため、高温下においては、永久磁石と充填材との間での熱膨張の程度の差により、充填材における永久磁石の上記軸線方向の両端面の近傍部分に応力集中が起きる。この応力集中により、充填材における永久磁石の上記軸線方向の両端面の近傍部分が割れるおそれがある。この点、この構成によれば、永久磁石における上記軸線方向の両端面のうちの少なくとも一方が充填材から露出する。すなわち、永久磁石における上記軸線方向の両端面のうちの少なくとも一方と対応する部分に充填材が存在しない。このため、高温下において永久磁石と充填材とが熱膨張しても充填材に応力集中が起こり難くなるので、充填材が割れることを抑制できる。

上記課題を解決する電機子の製造方法は、中心軸線が延びる軸線方向に貫通する複数の磁石孔が周縁部に沿って並んで設けられた鉄心の複数の前記磁石孔に複数の永久磁石がそれぞれ収容された状態で固定された電機子の製造方法であって、前記磁石孔に前記永久磁石を挿入して収容する収容工程と、前記永久磁石が収容された前記磁石孔に充填材を充填して前記充填材を固化または硬化させることにより前記永久磁石を固定する固定工程と、を備え、前記固定工程では、前記永久磁石における前記軸線方向の両端面のうちの少なくとも一方が前記充填材から露出するように、前記充填材を前記磁石孔に充填することを要旨とする。

この構成によれば、上記電機子と同様の作用効果を得ることができる。

一実施形態の回転子の斜視図である。 図１の平面図である。 図２の３－３線矢視断面図である。 固定型に鉄心をセットしたときの状態を示す断面模式図である。 磁石孔に永久磁石が収容された状態の鉄心を固定型と可動型とで挟んだときの状態を示す断面模式図である。 磁石孔に永久磁石が収容された状態の鉄心を固定型と可動型とで挟んだときの磁石孔とその周囲を示す拡大断面模式図である。 固定型と可動型とによって挟まれた鉄心の磁石孔に充填材を充填したときの状態を示す拡大断面模式図である。 比較例の回転子の要部拡大断面模式図である。 変更例の回転子の要部拡大断面模式図である。 変更例の回転子の要部拡大断面模式図である。 変更例の回転子の要部拡大断面模式図である。 変更例の回転子の要部拡大断面模式図である。 変更例の回転子の要部拡大断面模式図である。

以下、電機子を回転子に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
＜回転子１１＞
図１及び図２に示すように、回転電気機械の電機子の一例としての回転子１１（ロータ）は、中心部にシャフト（図示略）を挿入するための略円形状の貫通孔１２を有した円柱状の鉄心１３を備えている。

＜鉄心１３＞
鉄心１３は、円環状の金属板が複数枚（例えば数百枚）積層された積層構造をなしている。鉄心１３の周縁部には、鉄心１３の中心軸線Ｌが延びる軸線方向に貫通する略矩形状の磁石孔１４が複数設けられている。すなわち、鉄心１３には、複数の磁石孔１４が周方向に等間隔となるように周縁部に沿って並んで設けられている。

なお、以下の説明では、中心軸線Ｌが延びる軸線方向が上下方向と一致するものとする。すなわち、以下の説明における上下方向は、図１における上下方向と一致するものとする。

図２及び図３に示すように、複数の磁石孔１４には、複数の直方体状の永久磁石１５がそれぞれ収容された状態で固定されている。この場合、永久磁石１５は、磁石孔１４に充填されて固化または硬化する充填材１６によって固定される。充填材１６としては、例えば、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、及び接着剤などが用いられる。本例では、一例として、充填材１６が熱硬化性樹脂によって構成されている。したがって、本例では、磁石孔１４に収容された永久磁石１５が磁石孔１４に充填されて硬化した充填材１６によって固定されている。

図３に示すように、永久磁石１５における中心軸線Ｌが延びる軸線方向（上下方向）の両端面は、それぞれ上端面１７及び下端面１８とされている。永久磁石１５は、長辺方向が上下方向となるように磁石孔１４内の中央部に配置されている。永久磁石１５の上下方向の長さは、磁石孔１４の上下方向の長さよりも若干短くなっている。したがって、永久磁石１５の上端面１７は磁石孔１４の上端よりも若干低い位置に位置するとともに、永久磁石１５の下端面１８は磁石孔１４の下端よりも若干高い位置に位置している。

上下方向における永久磁石１５の上端面１７から磁石孔１４の上端までの距離は、上下方向における永久磁石１５の下端面１８から磁石孔１４の下端までの距離よりも若干長くなっている。鉄心１３における磁石孔１４を形成する壁面１９と永久磁石１５との間の領域と、磁石孔１４内における永久磁石１５の下端面１８よりも下側の領域とには、充填材１６が隙間なく充填されている。

磁石孔１４内における永久磁石１５の上端面１７よりも上側の領域は、充填材１６が存在しない空間になっている。したがって、永久磁石１５の上端面１７は、充填材１６から露出している。すなわち、充填材１６は、磁石孔１４に収容された状態の永久磁石１５の上端面１７が露出するように、磁石孔１４に充填されている。この場合、永久磁石１５における中心軸線Ｌが延びる軸線方向（上下方向）の両端面のうち充填材１６から露出する上端面１７は、当該上端面１７側と同じ側（上側）に位置する充填材１６の上端面２０と面一になっている。

＜回転子１１の製造方法＞
次に、上述のように構成された回転子１１の製造方法を説明する。
回転子１１を製造する場合には、まず、円環状の複数枚の金属板を積層して連結することによって鉄心１３を形成する。続いて、図４に示すように、鉄心１３を固定型２１にセットする。ここで、固定型２１は、鉄心１３の下面を覆う円板状のベース部２２と、ベース部２２の上面の中央部に立設されて鉄心１３の貫通孔１２に挿嵌可能な略円柱状の挿嵌部２３とを有している。

鉄心１３は、固定型２１にセットした際に、貫通孔１２に挿嵌部２３が挿嵌されることによって固定型２１に対して位置決めされる。このとき、ベース部２２の上面２４における複数の磁石孔１４の中央部と対応する位置には、複数の突起２５（図６参照）がそれぞれ形成されている。このため、複数の突起２５は、複数の磁石孔１４の中央部にそれぞれ挿入される。続いて、複数の磁石孔１４に上から複数の永久磁石１５をそれぞれ挿入して収容する（収容工程）。このとき、永久磁石１５は、図６に示すように、下端面１８において突起２５により支持される。

続いて、図５及び図６に示すように、固定型２１の真上に位置する可動型２６を真下に移動させることにより、固定型２１と可動型２６とを型締めする。これにより、磁石孔１４に永久磁石１５が収容された状態の鉄心１３が固定型２１と可動型２６とで挟まれる。この場合、可動型２６は、鉄心１３の上面を覆う円板状をなしている。さらにこの場合、可動型２６の下面における複数の磁石孔１４と対応する位置には、磁石孔１４に挿嵌可能な略矩形状をなす複数の凸部２７がそれぞれ設けられている。

そして、固定型２１と可動型２６とを型締めした際には、図６に示すように、凸部２７が磁石孔１４の上端部に挿嵌されるとともに凸部２７の下面２８が永久磁石１５の上端面１７に接触した状態になる。続いて、図７に示すように、磁石孔１４内における可動型２６の凸部２７の下面２８と固定型２１のベース部２２の上面２４との間に充填材１６を圧入して充填する。すなわち、永久磁石１５における上端面１７が充填材１６から露出するように、充填材１６を磁石孔１４内に充填する。

続いて、固定型２１及び可動型２６に埋設されたヒータ（図示略）によって充填材１６を加熱して硬化させる（固定工程）。すると、永久磁石１５が硬化した充填材１６によって磁石孔１４内に固定される。これにより、図１～図３に示す回転子１１が製造される。その後、回転子１１は、固定型２１及び可動型２６を開いて取り出される。

＜回転子１１の作用＞
次に、回転子１１の使用時の作用について説明する。
回転子１１は、回転電気機械に組み込まれて使用される。そして、回転電気機械の稼動により回転子１１の温度が上昇して高温になると、回転子１１が熱膨張する。すると、永久磁石１５と充填材１６とは、熱膨張率が互いに異なるため、高温下においては、永久磁石１５と充填材１６との間で熱膨張の程度に差が出る。そして、図８に示すように、磁石孔１４内に充填材１６が永久磁石１５の全体を覆うように充填した比較例の回転子１００の場合には、次のようになることがシミュレーションや実験などによって分かっている。

すなわち、比較例の回転子１００では、永久磁石１５及び充填材１６の熱膨張の程度の差により、充填材１６における永久磁石１５の上端面１７の周縁の近傍部分（上側部分）に応力集中が起きることが分かっている。この応力集中により、比較例の回転子１００では、充填材１６における永久磁石１５の上端面１７の周縁の近傍部分（上側部分）に亀裂２９が入って充填材１６が割れるおそれがある。

この点、図３に示すように、本実施形態の回転子１１では、磁石孔１４に収容された永久磁石１５における上端面１７が充填材１６から露出している。すなわち、応力集中し易い磁石孔１４内における永久磁石１５の上端面１７よりも上側の領域に充填材１６が存在しない。つまり、高温下において永久磁石１５と充填材１６とが熱膨張しても充填材１６に応力集中が起こり難くなるので、充填材１６が割れることを抑制できる。

以上詳述した実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
（１）回転子１１は、中心軸線Ｌが延びる軸線方向（上下方向）に貫通する複数の磁石孔１４が周縁部に沿って並んで設けられた鉄心１３と、複数の磁石孔１４にそれぞれ収容された状態で固定される複数の永久磁石１５とを備える。永久磁石１５は、磁石孔１４に充填されて硬化する充填材１６によって固定される。充填材１６は、永久磁石１５の上端面１７が露出するように、磁石孔１４に充填されている。

通常、永久磁石１５と充填材１６とは、熱膨張率が互いに異なる材料によって構成される。このため、高温下においては、永久磁石１５と充填材１６との間での熱膨張の程度の差により、充填材１６における永久磁石１５の上端面１７の近傍部分に応力集中が起きる。この応力集中により、充填材１６における永久磁石１５の上端面１７の近傍部分が割れるおそれがある。この点、この構成によれば、永久磁石１５の上端面１７が充填材１６から露出している。すなわち、永久磁石１５の上端面１７と対応する部分に充填材１６が存在しない。このため、高温下において永久磁石１５と充填材１６とが熱膨張しても充填材１６に応力集中が起こり難くなるので、充填材１６が割れることを抑制できる。

（２）回転子１１において、永久磁石１５における充填材１６から露出する上端面１７は、上端面１７側と同じ側に位置する充填材１６の上端面２０と面一になっている。
この構成によれば、磁石孔１４における永久磁石１５の上端面１７よりも上側には、充填材１６が存在しない。このため、高温下において永久磁石１５と充填材１６とが熱膨張しても充填材１６に応力集中がより一層起こり難くなるので、充填材１６が割れることをより一層抑制できる。

（変更例）
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。また、上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・図９に示すように、図３の回転子１１において、永久磁石１５の下端面１８と充填材１６の下端面３０とが面一になるように構成してもよい。このようにすれば、磁石孔１４における永久磁石１５の下端面１８よりも下側には、充填材１６が存在しなくなる。このため、高温下において永久磁石１５と充填材１６とが熱膨張しても充填材１６における永久磁石１５の下端面１８の近傍部分に応力集中が起こり難くなるので、充填材１６が割れることを抑制できる。

・図９の回転子１１において、永久磁石１５の上端面１７を充填材１６で覆うようにしてもよい。
・図１０に示すように、図３の回転子１１において、充填材１６の上端面２０を鉄心１３の上面と面一にするとともに、磁石孔１４における永久磁石１５の上端面１７の真上の部分に充填材１６が存在しないように構成してもよい。

・図１１に示すように、図１０の回転子１１において、充填材１６の下端面３０を鉄心１３の下面と面一にするとともに、磁石孔１４における永久磁石１５の下端面１８の真下の部分に充填材１６が存在しないように構成してもよい。

・図１１の回転子１１において、永久磁石１５の上端面１７を充填材１６で覆うようにしてもよい。
・図１２に示すように、図３の回転子１１において、充填材１６の上端面２０の高さが永久磁石１５の上端面１７の高さよりも低くなるように構成してもよい。

・図１３に示すように、図１２の回転子１１において、充填材１６の下端面３０の高さが永久磁石１５の下端面１８の高さよりも高くなるように構成してもよい。
・図１３の回転子１１において、永久磁石１５の上端面１７を充填材１６で覆うようにしてもよい。

・鉄心１３は、金属の塊を切削加工することによって形成してもよい。
・上記実施形態にかかる電機子は、回転子１１に限らず回転電気機械の固定子（ステータ）に適用してもよい。

１１…電機子の一例としての回転子
１２…貫通孔
１３…鉄心
１４…磁石孔
１５…永久磁石
１６…充填材
１７…永久磁石の上端面
１８…永久磁石の下端面
１９…壁面
２０…充填材の上端面
２１…固定型
２２…ベース部
２３…挿嵌部
２４…上面
２５…突起
２６…可動型
２７…凸部
２８…下面
２９…亀裂
３０…充填材の下端面
１００…比較例の回転子
Ｌ…中心軸線

Claims (3)

1. 中心軸線が延びる軸線方向に貫通する複数の磁石孔が周縁部に沿って並んで設けられた鉄心と、
   複数の前記磁石孔にそれぞれ収容された状態で固定される複数の永久磁石と、
   を備えた電機子であって、
   前記永久磁石は、前記磁石孔に充填されて固化または硬化する充填材によって固定され、
   前記充填材は、前記永久磁石における前記軸線方向の両端面のうちの少なくとも一方が露出するように、前記磁石孔に充填されていることを特徴とする電機子。
2. 前記永久磁石における前記軸線方向の両端面のうち前記充填材から露出する端面は、当該端面側と同じ側に位置する前記充填材の端面と面一になっていることを特徴とする請求項１に記載の電機子。
3. 中心軸線が延びる軸線方向に貫通する複数の磁石孔が周縁部に沿って並んで設けられた鉄心の複数の前記磁石孔に複数の永久磁石がそれぞれ収容された状態で固定された電機子の製造方法であって、
   前記磁石孔に前記永久磁石を挿入して収容する収容工程と、
   前記永久磁石が収容された前記磁石孔に充填材を充填して前記充填材を固化または硬化させることにより前記永久磁石を固定する固定工程と、
   を備え、
   前記固定工程では、前記永久磁石における前記軸線方向の両端面のうちの少なくとも一方が前記充填材から露出するように、前記充填材を前記磁石孔に充填することを特徴とする電機子の製造方法。

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