JP3687643B2 - 永久磁石回転子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、ロータヨークの磁極の全磁極又は１つおきの基部に界磁用永久磁石を挿入するようにした永久磁石回転子の製造方法に関する。
【従来の技術】
一般に、コンプレッサにおいて、冷媒とオイルが流通する密閉容器の内部に、駆動モータと圧縮装置とを直列的に配置し、前記駆動モータの回転子に界磁用永久磁石が挿着されている技術が知られている。
図９は、従来の冷凍サイクル用コンプレッサの縦断面を示している。全体を符号５００で示す冷凍サイクル用コンプレッサは、冷媒が流通する密閉容器５１０を有している。この容器５１０の内部には、圧縮装置（図示を省略）と駆動モータ５２０とが上下直列に配置されている。
駆動モータ５２０は、回転子７００、固定子６００及び回転軸７１０とから構成されている。前記固定子６００は、固定子鉄心６１０と励磁用コイル６２０とから構成される。前記回転子７００は、ロータヨーク７２０、界磁用永久磁石７３０、スペーサ７４０及びバランスウエイト７５０を有している。ロータヨーク７２０は、多数のけい素鋼板７６０を積層することによって形成されている。ロータヨーク７２０の外周には磁極７７０が設けられており、この磁極７７０の基部には、界磁用永久磁石７３０を挿入するスロット７８０が設けられている。
界磁用永久磁石７３０はスロット７８０に収容可能な大きさに形成されており、界磁用永久磁石の表面には一般に表面処理が施されていないものである。
冷凍サイクル用コンプレッサの組立に際しては、予め密閉容器５１０に設置された回転軸７１０に、ロータヨーク７２０が焼き嵌め挿入される。すなわち、ロータヨーク７２０を約４５０℃に加熱して、中心の回転軸孔を膨張させて若干大径となし、熱いまま回転軸７１０に挿入する。その後ロータヨーク７２０が冷却すると、膨張していた回転軸孔が収縮し、当該貫通孔が回転軸７１０を緊締保持することとなる。尚、コンプレッサ使用時には、コンプレッサ自体の温度が上昇して、約１３０℃に達するが、この場合は回転軸７１０も同時に膨張するので、回転軸７１０に対するロータヨーク７２０の保持が減じられることはない。
そして、界磁用永久磁石７３０がロータヨーク７２０に挿入される。すなわち、ロータヨーク７１０の冷却後に、防錆紙に包まれた無着磁で表面処理のされていない界磁用永久磁石７３０がスロット７８０の内部に挿入される。更に、界磁用永久磁石７３０の挿入後、界磁用永久磁石の軸方向の固定として、非磁性のスペーサ７４０がロータヨーク７２０の端部まで圧入され、次いで、圧縮装置の動バランスをとる磁性のバランスウエイト７５０が、スペーサ７４０端部近傍まで圧入される。図中矢印Ｑは界磁用永久磁石７３０の挿入方向を示している。
前記各部品が挿着された後、密閉容器５１０の蓋（図示を省略）が閉められ、そして、励磁用コイル６２０に高電流を流し、回転軸７１０をロックして界磁用永久磁石７３０が着磁され、その後、密閉容器５１０の内部に温風を吹きかけて乾燥させ、内部水分を蒸発させるものである。
前述した従来技術によると、表面処理のされていない界磁用永久磁石をロータヨークのスロットに挿入するものであるため、界磁用永久磁石を組込むまでのサビの発生防止の管理が以外と大変であり、また、スロット挿着後も、冷媒とオイルが加圧され流通する圧力容器中でモータが作動するので、界磁用永久磁石の素材の内部まで冷媒及びオイルが浸透して、磁石が溶解される問題があった。そこで、近時は、コンプレッサに使われる界磁用永久磁石に表面処理のなされるものが知られている。この場合の表面処理は、磁石単品の対向する２面を針状の固定電極で挟み、これに電流を流して、メッキ槽に浸漬してニッケルメッキが施されるが、磁石素材表面の固定電極が接した部分にはメッキがつかないため、磁石素材が露出する。
このような電気ニッケルメッキが施された界磁用永久磁石をロータヨークのスロットに挿入する場合は、電極跡から錆が発生することを防止するため、電極跡に補修材を塗布する必要があり（電極跡に補修材を塗布したものを、以下、電極跡つきニッケルメッキとも称する。）、更に、このような補修を行っても、補修材が冷媒又はオイルに解ける問題があった。加えて、焼き嵌め及び温風乾燥の高温に対して、補修材とメッキとの膨張係数の違いにより、補修材の剥がれが生じ易く、また、材質の違いにより耐熱強度の低下もあって、補修部を含めた磁石の寸法管理も大変であった。
更に、電極跡つきニッケルメッキは、固定電極のため、メッキ電流が界磁用永久磁石の端部に集中して、一般に端部が中央部より厚くなる傾向（２０μｍ〜５０μｍ増）があり、従って寸法管理が難しいと同時に、メッキ膜が厚くなると、膜中の残留応力が増大するため、密着力も低下する不都合があった。
【発明が解決しようとする課題】
他方、前述した電気メッキを施した界磁用永久磁石を用いるのでなく、無電解メッキを施した界磁用永久磁石をロータヨークに挿入するものも存在する。この場合は、無電解メッキを施した界磁用永久磁石の熱処理を別途に行い、ロータヨークを回転軸に焼き嵌め挿入した後に、熱処理後の界磁用永久磁石をロータヨークのスロットに挿着している。このような無電解メッキを施した界磁用永久磁石を用いる場合は、無電解メッキを施した界磁用永久磁石の熱処理、ロータヨークの回転軸への焼き嵌め挿入、及び、その後の界磁用永久磁石のロータヨークのスロットへの挿着、という３つの工程を採っているため、工程時間が長くなるとともに、磁石の固定が難しいという問題がある。
本発明は、無電解メッキを施した界磁用永久磁石が、ロータヨークのスロットに挿着されている永久磁石回転子の製造方法を改良して、工程の簡易化及び製造時間の短縮化を図り得る永久磁石回転子の製造方法を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、回転子のヨークは多数の鋼板を積層して形成され、外周上に２ｎ倍（ｎは正整数）の磁極を有し、回転軸孔からほぼ等しい距離の全磁極又は１つおきの基部にスロットを備え、このスロットには、無電解ニッケルメッキが施された界磁用永久磁石を挿入してなる永久磁石回転子の製造方法において、
前記ニッケルメッキの熱処理を、無電解ニッケルメッキが施された界磁用永久磁石をロータヨークの前記スロットに挿着した後に行う永久磁石回転子の製造方法である。
請求項２記載の発明は、請求項１の発明において、前記熱処理温度が、３５０〜４００℃である永久磁石回転子の製造方法である。
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して説明する。
図１は、永久磁石回転子を示す分解図である。この永久磁石回転子１は、柱状に積層されたロータヨーク２と、二対の板状の界磁用永久磁石３（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）とを有している。前記ロータヨーク２は、多数のけい素鋼板４を金型で抜きかつ一体に積層して形成されている。ロータヨーク２は、外周面に放射方向に突出した４つの磁極５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）を有している。これら磁極の基部には、界磁用永久磁石を挿着させるスロット６（６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ）が設けられている。更に、ロータヨーク２の中心部には、回転軸を貫通させる回転軸孔が設けられている。また、スロットと回転軸孔との最短距離の間に、界磁用永久磁石の軸方向の固定用リベット貫通孔１３ａが設けられている。
界磁用永久磁石３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、図２の（ａ）に示すように、断面矩形の６面体に形成され、界磁用永久磁石の表面には、電気ニッケルメッキＭ１を施している。この電気ニッケルメッキＭ１は、後述するメッキ手段によりメッキが施される。
更に、界磁用永久磁石３をスロット６に挿入し、当該界磁用永久磁石の軸方向の固定として、非磁性のスペーサｓをロータヨーク２の両端に設置させ、圧縮装置の動バランスをとるバランスウエイト１１を被せ、最後にロータヨーク２、スペーサｓ及びバランスウエイト１１をまとめてリベット１３で全体をかしめて固定する。これにより、本実施例の永久磁石回転子１が組み立てられる。
本例において、前記電気ニッケルメッキは、メッキの皮膜厚が、図２の（ｂ）に示す界磁用永久磁石３の中央部３Ａと、図２の（ｃ）に示す端部３Ｂとでほぼ均一で、且つ、電極跡がない電気メッキである。
このような電気ニッケルメッキＭ１は、例えば図３に示すようにしてメッキが施される。すなわち、溶液８０２を充填した容器８０１内に、その上面が傾斜面８０４をなす治具８０３を設置し、この治具８０３の近傍に一対の球状の電極８０５，８０５を配置してメッキ装置８００を構成する。磁石３は、前記傾斜面８０４にセットされて斜下方に送られると、溶液８０２内で磁石３が電極８０５，８０５に挟持されるとともに、当該電極が回転して、磁石３は更に下方に送られる。電極８０５，８０５は回転するもその位置を保持し、この電極８０５，８０５にメッキ電源が導通されて磁石３に電気ニッケルメッキがなされる。このとき、磁石３の電極位置が変るので、磁石３の表面に万遍なくニッケルメッキを施すことができる。更に、電極が球状であるため、磁石に対して点接触となり、メッキ厚みにバラツキを生じることが少なくなる。
発明者等の実験によれば、前述したように電極を移動させて電気ニッケルメッキを行うことにより、界磁用永久磁石３の中央部３Ａと端部３Ｂとがほぼ均一で且つ、電極跡のない電気メッキが得られることを確認している。とりわけ、鋭角の角部を保持している界磁用永久磁石において、角部が丸くならずに、均一に磁石素材の形状に沿ってメッキを施すことができた。尚、本実施例でニッケルメッキとしているのは、これにより高い硬度のメッキ層を得ることができ、摩耗しにくく疵の付きにくい表面となるからである。もっとも、本発明はニッケルメッキに限られるものでないことは勿論である。
本例において、メッキ層は、図４に示すように、５〜２０μｍが好ましい。更に、特に好ましいのは５〜１０μｍである。図４において、横軸は磁石の長手方向の間隔であって、ｔが端部、ｔ／２が中央部であり、また、縦軸は、メッキ層の厚みを示している。
界磁用永久磁石に施されるメッキ層は、薄いほどよい。これは、メッキ層が厚くなると、界磁用永久磁石とけい素鋼板との間のギャップが大きくなって磁束の効率が悪くなるし、熱膨張や熱応力によりメッキ層の割れや剥れを生じてしまう。この点、メッキ層の薄い方が受ける熱応力が少なくてすみ、歪を小さくすることができるので、薄い方がよい。しかし、５μｍ未満であると、振動に対する強度が不足し、例えばコンプレッサに用いられるモータの場合は、コンプレッサの運転範囲（−２０〜１３０℃）でメッキ層が剥がれてしまう不都合を生じる。他方、２０μｍを超えると、熱膨張や熱応力によりメッキ層の割れや剥れを生じることが判明している。従って、前述したように、メッキ層は、５〜２０μｍが好ましい。とりわけ、メッキ層を５〜１０μｍとした場合は、磁石をコンプレッサ組み込み後に強制冷却しても、メッキ層の割れは生じない。強制冷却しないときは、５〜２０μｍでよい。
図５は、他の電気メッキ装置を示す図で、この例の場合は、溶液８０２を充填した容器８０１内に、ローラ状の治具８０３，８０３を設置し、この治具８０３に沿って横方向に移動可能な一対のロール状の電極８０５，８０５を配置してメッキ装置８００を構成する。電極８０５，８０５はスライダ８０６に支持杆８０７を介して横方向に移動可能に設けられている。磁石３は、溶液８０２内に浸漬され且つ前記治具８０３，８０３に載置されて、電極８０５，８０５に挟持される。この例では、電極８０５，８０５が回転して横方向に移動し、磁石３に電気ニッケルメッキがなされる。この例でも磁石３の電極位置が変るので、磁石３の表面に万遍なくニッケルメッキを施すことができる。また、ローラ状の治具８０３，８０３は、これが磁石３を載置する際に始終同じ位置で当接するとメッキのなされない箇所を生じるので、ローラ状の治具８０３，８０３は若干の正逆回動するようになされている。これにより、磁石３は左右方向に揺動し、前記電極８０５，８０５の磁石に対する電極位置が変ることにより、磁石３の表面にニッケルメッキがほぼ均一で、且つ、電極跡が付かずに施されることとなる。
図６は、更に他の電気メッキ装置を示す図で、この例の場合は、溶液８０２を充填した容器８０１内に、上下方向に移動可能な複数の電極８０５，８０５を設けた治具８０３を設置し、他方、横方向に移動可能な支持杆８０７の下部に、電極８０５が突設されてメッキ装置８００を構成する。磁石３は、溶液８０２内に浸漬され且つ前記治具８０３，８０３に載置され、この例では、治具８０３に設けられた電極８０５が磁石３の大きい表面積を有する面３Ｅに当接し、また、支持杆８０７に設けられた電極８０５は磁石３の小さい表面積を有する面３Ｄに当接するようにして、各電極８０５，８０５のいずれかが磁石と導通することにより、磁石３に電気ニッケルメッキがなされる。つまりこの例では、適宜択一的に電極と磁石との接触・導通が図られることにより、磁石３の電極位置が変るので、磁石３の表面に万遍なくニッケルメッキを施すことができるようになされている。
このように、磁石と電極が相対的に移動するので、電気メッキの際、磁石に対する電流の集中がなくなって電極跡を生じない表面処理がなされ、中央部及び端部に均一にメッキを施すことができる。更に、電極が移動する構成のため、鋭角の角部を備えている界磁用永久磁石に対しても、当該角部が丸くならずに均一に、磁石素材の形状に沿って、メッキ層を形成することができるものである。
従って、従来の電気メッキによると、電極補修部が前後端面にある場合は、ロータヨーク２と磁石の軸方向の長さを同一に設定することができなかったし、また、電極補修部が磁石の大きい表面積を有する面３Ｅにある場合は、界磁用永久磁石とけい素鋼板との間のギャップを大きくしなければならず従って磁束の効率が悪くなる不都合があったのに対し、上述した手段によれば、界磁用永久磁石３に従来のような電極補修部の突出部がないため、このような不都合を回避することができ、その結果、寸法管理を簡単に行えるようになった。
次に、組み立てられた永久磁石回転子１は、界磁用永久磁石３のキューリー点から、メッキの性能維持温度又は界磁用永久磁石の素材の性能維持温度のどちらか低い温度の間で、数分以内、加熱がなされる。周知のように、磁石等の強磁性体は、それ自身自発磁気を有し、この自発磁気が外部磁界の印加により整列され、外部に磁気を顕すものであるが、この自発磁気の消滅する温度をキューリー点という。
本例では、界磁用永久磁石の前記キューリー点の温度以上であって、界磁用永久磁石の素材の性能維持温度未満の温度の間で永久磁石回転子１を数分加熱した後、後述するように、この回転子１を冷凍サイクル用コンプレッサの回転軸に挿着する。
以上説明した方法によれば、電気メッキの際、磁石に対する電流の集中がなくなって電極跡を生じない表面処理がなされ、中央部及び端部に均一にメッキを施すことができる。更に、電極が移動する構成のため、鋭角の角部を備えている界磁用永久磁石に対しても、当該角部が丸くならずに均一に、磁石素材の形状に沿って、メッキ層を形成することができる。特に角部３Ｃはメッキ自身の強度で保持されるため、界磁用永久磁石自身の素材強度の必要性が少なくなった。また、電気ニッケルメッキＭ１の厚みは、界磁用永久磁石のほぼ中央部３Ａにおいて、５μｍ以上２０μｍ以下の厚みとなし、界磁用永久磁石３をロータヨーク２に挿入後、界磁用永久磁石のキューリー点より高い温度で焼き嵌めすることにより、わずかに着磁された磁石が混入していても、高い温度で消磁される。更に高温をかけることにより、メッキと界磁用永久磁石との境界面の結合力が向上することも本発明者等が新しく得た知見である。また、回転軸に回転子を挿入する場合、５μｍ以上２０μｍ以下の厚みは、界磁用永久磁石とメッキとの膨張係数の違いによる歪みや割れが発生しにくい最低メッキ厚みであると同時に、ロータヨーク２のスロットに挿入後、振動によるメッキの剥がれが阻止できることも判明した。特に好ましいのは、５〜１０μｍの厚みとすることであり、前述したように、強制冷却でメッキ割れを生じないものである。更に、電気メッキの材質がニッケルメッキであるため、磁石の素材より硬く、且つ軟磁性の性質を有するので、ロータヨークに挿入前後においてキズが付きにくく耐久性能も向上するものである。また、組み込み後において、仮にメッキが剥がれても、メッキは磁性体であるため、吸着されて磁石素材表面から飛散することがない。更に、本実施例のようにロータヨークのスロットに界磁用永久磁石を挿入する回転子においては、磁性体の電気メッキであるため、スロットと界磁用永久磁石との磁気ギャプを少なく設定できることも大きな利点である。
また、界磁用永久磁石に希土類磁石を用いる場合は、次の実施例が参考になる。すなわち、ロータヨークのスロットに希土類の界磁用永久磁石を挿入した後、界磁用永久磁石の前記キューリー点の温度以上であって、界磁用永久磁石の素材の性能維持温度未満の温度の間で永久磁石回転子１を数分加熱した後、この回転子１を回転軸に挿着し、その後、着磁して、予備乾燥温度（１７０℃前後）に入る。この点、従来において、界磁用永久磁石は、モータ使用時に温度上昇して初期減磁することが知られている。ところが、希土類磁石の場合は、前記ロータヨークの回転軸への所謂焼き嵌めの際に自発磁気の消滅（減磁）がなされ、そして、その後の着磁そして予備乾燥というプロセスを経ると、将来モータが使用されて予備乾燥温度内に晒されても、前述した初期減磁という事態を回避できることが判明している。
ところで、ニッケルメッキは、前述した電気メッキのほか、無電解メッキも知られている。そして、従来においては、無電解ニッケルメッキが施された界磁用永久磁石がロータヨークのスロットに挿着されるものも用いられている。この場合は、ニッケルメッキを施した界磁用永久磁石をロータヨークに挿着する前に、ニッケルメッキの熱処理を行っている。
すなわち、ニッケルメッキを行った状態のメッキ皮膜は、非晶質で非磁性であり、熱処理を施すことにより、２５０℃付近から徐々に結晶化し、ＮｉのほかにＮｉ3−Ｐの共晶体が生じ、磁性も出てくる。また、図７に示すように、４００℃をピークにして硬度も得られる。もっとも、更に高い温度では、一旦微細化した結晶粒が大きくなり硬度も低下する。
従って、従来は、無電解メッキを施した界磁用永久磁石を用いる場合は、無電解メッキを施した界磁用永久磁石の熱処理、ロータヨークの回転軸への焼き嵌め挿入及び、その後の界磁用永久磁石のロータヨークのスロットへの挿着という３つの工程を採っているため、工程時間が長くなるとともに、磁石の固定が難しいという問題があった。
本発明者等は、前記図７におけるピーク硬度が３５０〜４００℃、とりわけ４００℃で得られることと、回転軸にロータヨークが焼き嵌め挿入されるときの温度が３５０〜４００℃であることとの間で、３５０〜４００℃が共通することに着想を得て、前記ロータヨークの回転軸への焼き嵌め挿入の際に、併せてニッケルメッキの熱処理を同時に行うことを提案するものである。このように、無電解ニッケルメッキが施された界磁用永久磁石をロータヨークに挿入した後、前記ロータヨークを、ニッケルメッキの熱処理温度とほぼ同一の温度（約４００℃内外）を加えることにより、今まで別工程で行われていたニッケルメッキの熱処理と、焼き嵌め工程とを、同時に行うことを可能としたものである。ニッケルメッキの熱処理と、焼き嵌め工程の一体化により、工程の簡易化及び時間の短縮化が図れるものである。また、本実施例によると、メッキの割れが少なくなったことを確認している。
図８は、コンプレッサにロータヨークを挿入する断面図を示している。
全体を符号２００で示す冷凍サイクル用コンプレッサは、冷媒が流通する密閉容器２１０を有している。この容器２１０の内部には、圧縮装置（図示を省略）と駆動モータ２２０とが上下直列に配置されている。
駆動モータ２２０は、回転子４００、固定子３００及び回転軸２３０とから構成され、前記固定子３００は、固定子鉄芯３１０と励磁用コイル３２０とから構成されている。前記回転子４００は、ロータヨーク、界磁用永久磁石、スペーサｓ及びバランスウエイト１１を一体にしてリベット１３でカシメている。
冷凍サイクル用コンプレッサの組み立てに際しては、密閉容器２１０に設置された回転軸２３０に、前述したように、回転子を界磁用永久磁石のキューリー温度以上で、界磁用永久磁石の素材の性能維持温度（電気ニッケルメッキの場合）又はメッキの性能維持温度（無電解ニッケルメッキの場合）のどちらか低い温度の間で数分以内で加熱し、爾後、回転子４００を回転軸２３０に矢印Ｑの方向に挿入し、その後、冷却される。
更に、密閉容器２１０の蓋（図示を省略）が閉められ、回転軸２３０を機械的に固定し、励磁コイル３２０に高電流を流し、これにより界磁用永久磁石が着磁され、その後、密閉容器２１０の内部に温風を吹きかけて乾燥させ、内部水分を蒸発させる。
上記構成により、ロータの組み立て（界磁用永久磁石のロータヨーク組み込み）と、ロータのコンプレッサの回転軸への組み込みが個別に生産できるようになった。その結果、工程の簡易化及び時間の短縮化が図れる。
【発明の効果】
本発明は以上説明したように、回転子のヨークは多数の鋼板を積層して形成され、外周上に２ｎ倍（ｎは正整数）の磁極を有し、回転軸孔からほぼ等しい距離の全磁極又は１つおきの基部にスロットを備え、このスロットには、無電解ニッケルメッキが施された界磁用永久磁石を挿入してなる永久磁石回転子の製造方法において、前記ニッケルメッキの熱処理を、無電解ニッケルメッキが施された界磁用永久磁石をロータヨークの前記スロットに挿着した後に行う永久磁石回転子の製造方法であり、これにより、工程の簡易化及び製造時間の短縮化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 永久磁石回転子を分解して示す斜視図である。
【図２】 界磁用永久磁石を示す図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその中央部の断面図、（ｃ）はその端部の断面図である。
【図３】 電気メッキ装置を示す概念構成図である。
【図４】 磁石に施されるメッキ層の厚みを示す図である。
【図５】 電気メッキ装置を示す概念構成図である。
【図６】 電気メッキ装置を示す概念構成図である。
【図７】 無電解ニッケルメッキの熱処理温度とビッカース硬さとの関係を示す図である。
【図８】 コンプレッサに永久磁石回転子のロータヨークを挿入する断面図である。
【図９】 従来の冷凍サイクル用コンプレッサを示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ 永久磁石回転子
２ ロータヨーク
３ 界磁用永久磁石
３Ａ 界磁用永久磁石の中央部
３Ｂ 界磁用永久磁石の端部
４ けい素鋼板
５ 磁極
６ スロット
Ｍ１ 電気ニッケルメッキ

Claims (2)

1. 回転子のヨークは多数の鋼板を積層して形成され、外周上に２ｎ倍（ｎは正整数）の磁極を有し、回転軸孔からほぼ等しい距離の全磁極又は１つおきの基部にスロットを備え、このスロットには、無電解ニッケルメッキが施された界磁用永久磁石を挿入してなる永久磁石回転子の製造方法において、
   前記ニッケルメッキの熱処理を、無電解ニッケルメッキが施された界磁用永久磁石をロータヨークの前記スロットに挿着した後に行うことを特徴とする永久磁石回転子の製造方法。
2. 前記熱処理温度が、３５０〜４００℃であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石回転子の製造方法。

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