JP2023082416A - 電機子及び電機子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石と鉄心との熱膨張差に起因した鉄心における応力の発生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Ｌが延びる軸線方向に貫通する複数の磁石孔１５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１５にそれぞれ挿入される複数の永久磁石１６と、鉄心１３における上面１３ａ及び下面１３ｂを覆った状態で鉄心１３に固定される一対の板材１４とを備える。永久磁石１６は、上端面１６ａ及び下端面１６ｂが一対の板材１４にそれぞれ接着剤２１によって接着されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉄心に設けられた磁石孔に永久磁石が固定された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、磁石孔における永久磁石とロータコアとの間に磁石固定部材が充填されているとともに、永久磁石とロータコアとの熱膨張率が互いに異なっている。このため、例えば、ロータの温度変化に伴って永久磁石がロータコアよりも大きく熱膨張した場合には、ロータコアが磁石固定部材を介して永久磁石から荷重を受けるので、ロータコアに応力が生じるという問題がある。

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挿入される複数の永久磁石と、前記鉄心における前記軸線方向の両面を覆った状態で前記鉄心に固定される一対の板材と、を備えた電機子であって、前記永久磁石は、前記軸線方向の両端部が一対の前記板材にそれぞれ接着剤によって接着されていることを要旨とする。

この構成によれば、磁石孔に挿入された永久磁石は、上記軸線方向の両端部（２箇所）において一対の板材に接着されることによって磁石孔に保持される。このため、磁石孔における永久磁石と鉄心との間には隙間が形成される。したがって、互いに熱膨張率が異なる永久磁石と鉄心とが熱膨張した場合に、永久磁石と鉄心との熱膨張差を永久磁石と鉄心との間の隙間によって吸収できる。この結果、鉄心が永久磁石から荷重を受けることを抑制できるので、永久磁石と鉄心との熱膨張差に起因した鉄心における応力の発生を抑制できる。

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挿入され、前記鉄心における前記軸線方向の両面が一対の板材に覆われた電機子の製造方法であって、前記永久磁石における前記軸線方向の両端部及び一対の前記板材における前記両端部と対応する部分のうち少なくとも一方に接着剤を付与する接着剤付与工程と、前記磁石孔に前記永久磁石を挿入する挿入工程と、前記永久磁石の前記両端部と一対の前記板材とを前記接着剤で接着する接着工程と、一対の前記板材と前記鉄心とを接合する接合工程と、を備え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分解斜視図である。 図１の回転子の断面図である。 下側治具に下板及び鉄心をセットしたときの状態を示す断面模式図である。 図３において鉄心の磁石孔に永久磁石を挿入したときの状態を示す断面模式図である。 図４において下側治具に上板をセットして、上板、下板、及び鉄心を下側治具と上側治具とで挟んで加圧した状態で、鉄心と、上板及び下板のそれぞれとを溶接するときの状態を示す断面模式図である。

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第１貫通孔１２を有した円柱状の鉄心１３と、一対の円環状の板材１４とを備えている。

＜鉄心１３＞
図１及び図２に示すように、鉄心１３は、円環状の金属板（電磁鋼板）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１５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１５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１及び図２に示すように、鉄心１３における上下方向の両面は、それぞれ上面１３ａ及び下面１３ｂとされている。各磁石孔１５の上端及び下端は、鉄心１３の上面１３ａ及び下面１３ｂにおいてそれぞれ開口している。各磁石孔１５には、直方体状の永久磁石１６が挿入されている。

各永久磁石１６における上下方向の両端面（両端部）は、それぞれ上端面１６ａ及び下端面１６ｂとされている。各永久磁石１６は、長辺方向が上下方向となるように磁石孔１５内に配置されている。各永久磁石１６の上下方向の長さは、磁石孔１５の上下方向の長さと同じになっている。

したがって、各永久磁石１６の上端面１６ａは鉄心１３の上面１３ａと面一になっているとともに、各永久磁石１６の下端面１６ｂは鉄心１３の下面１３ｂと面一になっている。鉄心１３における磁石孔１５を形成する壁面１３ｃと永久磁石１６の全ての側面１６ｃとの間には、隙間１７が形成されている。つまり、各永久磁石１６は、鉄心１３の壁面１３ｃに対してほとんど接触することなく磁石孔１５に挿入されている。

＜板材１４＞
一対の板材１４は、例えばステンレス鋼によって構成される。一対の板材１４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第２貫通孔１８を有している。第２貫通孔１８は、鉄心１３の第１貫通孔１２と形状及び径が同じになっている。一対の板材１４の外径は、鉄心１３の外径と同じになっている。つまり、一対の板材１４の内径及び外径は、鉄心１３の内径及び外径とそれぞれ一致している。

一対の板材１４は、鉄心１３の上面１３ａ全体及び下面１３ｂ全体をそれぞれ覆った状態で鉄心１３に対して例えば溶接によって固定される。一対の板材１４のうち、鉄心１３の上面１３ａ全体を覆う一方は上板１９とされるとともに、鉄心１３の下面１３ｂ全体を覆う他方は下板２０とされている。上板１９及び下板２０は、互いに同一の構成になっている。

各永久磁石１６における上端面１６ａ及び下端面１６ｂは、上板１９の下面及び下板２０の上面に対してそれぞれ接着剤２１によって接着されている。本例の接着剤２１には、例えばマイクロカプセル接着剤が採用される。マイクロカプセル接着剤は、硬化剤が閉じ込められたカプセルを主剤の中に含んでいる。マイクロカプセル接着剤は、加圧によりカプセルが破壊されることで、硬化剤を主剤と混合させて硬化することにより接着力が生じるタイプの接着剤である。

＜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。
図３に示すように、回転子１１を製造する場合には、まず、下側治具２２を用意する。下側治具２２は、円板状の基部２３と、基部２３の上面の中心部に立設された円柱状の突出部２４とを備えている。突出部２４は、鉄心１３の第１貫通孔１２及び一対の板材１４の第２貫通孔１８に対して挿嵌可能に構成されている。

続いて、下板２０の第２貫通孔１８に突出部２４が挿嵌されるように下板２０を基部２３の上に載置することにより、下側治具２２に下板２０を位置決め状態でセットする。続いて、円環状の複数枚の金属板（電磁鋼板）を積層して接合することによって鉄心１３を形成する。続いて、鉄心１３の第１貫通孔１２に突出部２４が挿嵌されるように鉄心１３を基部２３上に載置された下板２０の上に載置することにより、下側治具２２に鉄心１３を位置決め状態でセットする。

続いて、永久磁石１６の上端面１６ａ及び下端面１６ｂに接着剤２１を付与する（接着剤付与工程）。この場合、接着剤２１がマイクロカプセル接着剤によって構成されているため、接着剤付与工程を予め多数の永久磁石１６に対して行っておいてもよい。続いて、図４に示すように、上端面１６ａ及び下端面１６ｂに接着剤２１が付与された状態の永久磁石１６を全ての磁石孔１５に順次に挿入する（挿入工程）。

続いて、図５に示すように、上板１９の第２貫通孔１８に突出部２４が挿嵌されるように上板１９を鉄心１３の上面１３ａ上に載置することにより、下側治具２２に上板１９を位置決め状態でセットする。続いて、図５に示すように、円板状の上側治具２５を用意する。上側治具２５の下面の中央部には、下側治具２２の突出部２４の先端部を挿入可能な凹部２５ａが形成されている。

続いて、図５に示すように、上側治具２５の凹部２５ａに下側治具２２の突出部２４の先端部が挿入されるように上板１９の上に上側治具２５を載置する。続いて、上側治具２５を下方に向かって押圧することにより、上板１９、下板２０、及び鉄心１３を、下側治具２２の基部２３と上側治具２５とで挟んで加圧した状態にする。このときの加圧力は、永久磁石１６の上端面１６ａと上板１９の下面との間及び永久磁石１６の下端面１６ｂと下板２０の上面との間の接着剤２１にも付与される。

このため、マイクロカプセル接着剤によって構成された接着剤２１に接着力が生じるので、この接着力が生じた接着剤２１により、各永久磁石１６が上板１９及び下板２０に接着されて固定される（接着工程）。続いて、上板１９、下板２０、及び鉄心１３の予熱を行った後、鉄心１３と、上板１９及び下板２０のそれぞれとを溶接トーチ２６から付与される熱で溶接を行うことによって接合する（接合工程）。

この場合、鉄心１３と、上板１９及び下板２０のそれぞれとは、周方向における複数箇所において溶接される。これにより、図１及び図２に示す回転子１１が製造される。この製造された回転子１１は、上側治具２５を退避させた後、下側治具２２から取り外される。

＜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。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１６と鉄心１３とは、熱膨張率が互いに異なるため、永久磁石１６と鉄心１３との間で熱膨張の程度に差が出る。

しかしながら、本実施形態の回転子１１では、磁石孔１５に挿入された永久磁石１６が、上端面１６ａ及び下端面１６ｂの２箇所において一対の板材１４に接着されることによって磁石孔１５に保持された構成になっている。すなわち、回転子１１は、磁石孔１５における永久磁石１６と鉄心１３との間に隙間１７が形成された構成になっている。

このため、互いに熱膨張率が異なる永久磁石１６と鉄心１３とが熱膨張した場合に、永久磁石１６と鉄心１３との熱膨張差が永久磁石１６と鉄心１３との間の隙間１７によって吸収される。したがって、鉄心１３が永久磁石１６から荷重を受けることを抑制できるので、永久磁石１６と鉄心１３との熱膨張差に起因した鉄心１３における応力の発生を抑制できる。

因みに、磁石孔１５における永久磁石１６と鉄心１３との間の隙間１７に樹脂などの充填材が充填されていると、鉄心１３が当該充填材を介して永久磁石１６から荷重を受ける。この結果、鉄心１３に応力が発生するので、例えば鉄心１３における周縁と磁石孔１５との間の脆弱な薄肉部分に応力集中が起こると、当該薄肉部分が破損するおそれがあるという問題がある。

こうした問題は、特に永久磁石１６にネオジウム磁石を用いた場合に起こり易くなる。なぜなら、ネオジウム磁石は、特定の方向において、高温になると収縮するとともに低温になると膨張する性質があるからである。つまり、例えば、高温時に膨張している鉄心１３の磁石孔１５に収縮しているネオジウム磁石を挿入すると、低温時に鉄心１３が収縮するとともにネオジウム磁石が膨張するため、鉄心１３が上記充填材を介してネオジウム磁石から大きな荷重を受けるからである。

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において、永久磁石１６は、上端面１６ａ及び下端面１６ｂが一対の板材１４にそれぞれ接着剤２１によって接着されている。

この構成によれば、磁石孔１５に挿入された永久磁石１６は、上端面１６ａ及び下端面１６ｂ（２箇所）において一対の板材１４に接着されることによって磁石孔１５に保持される。このため、磁石孔１５における永久磁石１６と鉄心１３との間には隙間１７が形成される。したがって、互いに熱膨張率が異なる永久磁石１６と鉄心１３とが熱膨張した場合に、永久磁石１６と鉄心１３との熱膨張差を永久磁石１６と鉄心１３との間の隙間１７によって吸収できる。この結果、鉄心１３が永久磁石１６から荷重を受けることを抑制できるので、永久磁石１６と鉄心１３との熱膨張差に起因した鉄心１３における応力の発生を抑制できる。

また、永久磁石１６は、鉄心１３に接合されていない上に、磁石孔１５における永久磁石１６と鉄心１３との間には隙間１７が形成されるため、鉄心１３を構成する積層状態の複数の金属板（電磁鋼板）には、多少の遊びがある。このため、鉄心１３を構成する複数の金属板の一部にずれがあった場合でも、鉄心１３の第１貫通孔１２へシャフト（図示略）を挿入することで、金属板のずれが解消される。したがって、鉄心１３の第１貫通孔１２へのシャフト（図示略）の挿入を容易に行うことができる。

（２）回転子１１の製造方法において、接着剤２１はマイクロカプセル接着剤であり、接合工程では一対の板材１４と鉄心１３とを加圧した状態で接合する。
この構成によれば、接着剤２１を構成するマイクロカプセル接着剤は加圧力が付与されることによりマイクロカプセルが破壊されることで硬化して接着力を生じる。このため、接合工程で一対の板材１４と鉄心１３とを加圧するときの加圧力を接着剤２１にも付与できる。したがって、接合工程を行うだけで接着工程が自動的に行われるようにすることができる。この結果、回転子１１の製造効率を向上できる。

（３）回転子１１の製造方法では、特許文献１のロータ（回転子）を製造する方法とは異なり、永久磁石１６全体を熱硬化性樹脂によって覆って固定する必要がない。このため、回転子１１の軸線方向の厚さを、特許文献１のロータ（回転子）に比べて薄くできる。また、永久磁石１６の固定に熱硬化性樹脂を用いないので、熱硬化性樹脂を硬化させるための熱エネルギーや熱硬化性樹脂が硬化するまでの永久磁石１６の保持時間を不要とすることができる。このため、回転子１１の製造コストの低減及び回転子１１の製造時間の短縮に寄与できる。

（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。

・接着剤２１には、感圧接着剤を用いてもよい。感圧接着剤は、通常圧力の下では硬化せずに、所定時間加圧されることで硬化するタイプの接着剤である。
・接着剤２１には、加圧しなくても塗布して自然乾燥させるだけで接着力が生じる一般的な接着剤を用いてもよい。

・接着剤付与工程において、上板１９の下面における永久磁石１６の上端面１６ａと対応する位置及び下板２０の上面における永久磁石１６の下端面１６ｂと対応する位置に接着剤２１を付与してもよい。この場合、永久磁石１６の上端面１６ａ及び下端面１６ｂには、接着剤２１を付与してもよいし、接着剤２１を付与しなくてもよい。

・鉄心１３は、金属板を複数積層して形成せずに、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…第１貫通孔
１３…鉄心
１３ａ…上面
１３ｂ…下面
１３ｃ…壁面
１４…板材
１５…磁石孔
１６…永久磁石
１６ａ…上端面
１６ｂ…下端面
１６ｃ…側面
１７…隙間
１８…第２貫通孔
１９…上板
２０…下板
２１…接着剤
２２…下側治具
２３…基部
２４…突出部
２５…上側治具
２５ａ…凹部
２６…溶接トーチ
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挿入される複数の永久磁石と、
   前記鉄心における前記軸線方向の両面を覆った状態で前記鉄心に固定される一対の板材と、
   を備えた電機子であって、
   前記永久磁石は、前記軸線方向の両端部が一対の前記板材にそれぞれ接着剤によって接着されていることを特徴とする電機子。
2. 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挿入され、前記鉄心における前記軸線方向の両面が一対の板材に覆われた電機子の製造方法であって、
   前記永久磁石における前記軸線方向の両端部及び一対の前記板材における前記両端部と対応する部分のうち少なくとも一方に接着剤を付与する接着剤付与工程と、
   前記磁石孔に前記永久磁石を挿入する挿入工程と、
   前記永久磁石の前記両端部と一対の前記板材とを前記接着剤で接着する接着工程と、
   一対の前記板材と前記鉄心とを接合する接合工程と、
   を備えることを特徴とする電機子の製造方法。
3. 前記接着剤は、マイクロカプセル接着剤であり、
   前記接合工程では、一対の前記板材と前記鉄心とを加圧した状態で接合することを特徴とする請求項２に記載の電機子の製造方法。

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