JP5243511B2 - 永久磁石式同期モータの製造方法 - Google Patents
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Description
また、一部が分割されて巻き線後に接合される場合には、接合の工程の都合上、この部分の形状をほかの部分と異なる構造とする場合があり、構造的な不均一性が生じる。
ギャップや磁気特性が、理想的に極数、スロット数に対して均一に製造されなければ、低次数のコギングトルクが発生する。
これらの要因は、量産性向上のため製造方法、あるいは製造工程における工作精度の限界によって、現実のモータにおいて必ず発生するものである。
上記フレームの特定部位を、ステータコアの外周をN箇所(Nは自然数)において、ほかの部位よりも大きな力で内側に加圧する部位とし、
上記ほかの部位よりも大きな力で内側に加圧するフレームの特定部位として、スペーサなどの加圧部材を上記フレームないし上記ステータコアとは別に設けたことを特徴とするものである。
試作段階において、フレーム装着以前の製造工程において、フレームなしステータのコギングトルクを測定するか、形状の精度が良く、フレームによる応力の影響を極力小さくした円環フレームを、試験的に装着したステータのコギングトルクを測定し、ステータ起因となる極数2pと同じ次数成分のコギングトルクについて、発生状態を特性別に分離し把握しておく。
図1は、本発明を実施するための実施の形態1におけるモータの組み立て方法を説明するための図である。図1において、固定子鉄心(ステータコア)1は12個のティース2と12個のスロット3を形成した電磁鋼板を積層して構成されている。フレーム4は、この例では図示しないロータ回転軸に垂直なフレーム4の断面形状として円形が予定されたものである(以下、円形フレームと称する)。ロータとステータを組み上げるためのネジ穴5が180度の角度で対向して設けられている。フレーム4は型に合わせて加工されるため、その形状精度は、型のそれとほぼ同等となっており、フレーム4の固定子鉄心1を入れる穴の形状の真円度(内径の最大/最小寸法差)は、あまり高くなく、ある製品系列について言えば、例えば120μm程度の楕円形状を有する。
一方、固定子鉄心1は、電磁鋼板を切断したものを、かしめながら積層して製作されるのが一般的であり、固定子鉄心1の外径の真円度は例えば50μm以下で、上記フレーム4の穴の形状に比し、ほぼ円と言えるものであることが多い。
本発明は上述したようなフレーム4の穴の真円度が固定子鉄心1の外形の真円度に比べて劣ることが多い点に着目し、製造工程においてフレーム4と固定子鉄心1との固定プロセスにおいて上記回転方向の位置関係を管理することの有用性に注目したものである。
次にフレーム4を一定温度T1まで昇温する。T1はフレーム4、固定子鉄心1の材質、形状が与えられていれば、固定子鉄心1がフレーム4の穴に挿入できる程度に穴の径が熱膨張により大きくなるまでの温度として予め計算評価により求めることができる。
これらの変化については、構造解析によって、最終的な変形の状態と、残留応力が分布する状態を計算することが可能である。特に、残留応力の分布については、磁束の通り道に対し、どのような領域でどのような変化が現れるかを知る手掛かりになる。
図2は、本発明に係る実施の形態2におけるモータの組み立て方法を示すものであり、図において、フレーム4として、実施の形態1と同じ円形フレームを例にとった。符号は図1の場合と同様である。
この実施の形態2では、フレーム4から固定子鉄心1にかかる応力の極大地点の位置が、その形状からは、判然としないケースを示している。例えば焼きばめ固定を例にとって説明すると、フレーム4の穴の形状、及び固定子鉄心1の外形形状が共に楕円形状であり、フレーム4を冷却した場合に、固定子鉄心1のどの地点が最初にフレームと接触するのかが判然としない。したがって極大応力地点が判然としない。
フレーム4の形状と材質、固定子鉄心1の形状と材質、及び相互の配置条件と温度条件が入力されれば、例えば焼きばめにより固定した場合の固定子鉄心の応力分布が構造解析プログラムを使って計算できる。フレーム4と固定子鉄心1の複数の配置条件(具体的には例えば回転角を変える)についての上記計算結果からティース中心線7、若しくはスロット中心線8に対応する位置に応力の極大値が来るような配置を見つけ出すことにより、所定の配置を決めることができる。
以上のことはフレーム4の外形が、方形やその他の形状であっても同様に成り立ち同様の効果を得ることができる。
図3は、本発明に係る実施の形態3におけるモータの組み立て方法を示す図である。図1と同一符号は同一の部品を示している。フレーム4は方形フレームであり、また、フレーム4の穴の形状はその回転子回転軸に垂直な断面において略円形であるとし、固定子鉄心1の外形形状もまた、略円形である場合のものである。
このような場合は、フレーム4の肉厚が、周方向に明らかな分布を持つので、フレーム4から固定子鉄心1側面にかかる応力は、フレーム4の肉厚に依存し、法線方向のフレームの肉厚が大きければ大きいほど、側面にかかる応力は大きいと考えられる。すなわち、フレーム4の肉厚が他に比べて大きくなる対角線方向において、フレーム4から固定子鉄心1への応力は大きくなる。
なお、以上、実施の形態1から3においては、フレームと固定子鉄心の固定は、焼きばめにて行ったが、圧入方式でも接着剤による固定でもよく、特に固定の方法を限定するものではない。いずれの固定法を用いても上記同様の効果を得ることができる。
更に、本発明においては、12スロットのステータを例示したが、ほかの極スロットの場合でもよく、これを限定するものではない。
更にまた、上記各実施の形態においては、フレーム外形の断面形状として円形や、方形を例示したが、三角形や、五角形でもよく、フレームの形状を特に限定するものではない。
図4は、本発明に係る実施の形態4におけるモータの組み立て方法を示す図である。図1と同一符号は同一の部品を示している。フレーム4は略方形フレームであり、対角線方向に略円形に切り欠き4aがある。また、図示していないが、上部にコネクタボックス等が設置されて、フレーム4の肉厚に影響を与える場合がある。
このような場合は、フレーム4の肉厚分布が簡単には分からないため、図5のような法線方向のフレーム肉厚の角度依存性を求めた。
前述したように、4回対称のフレームで、スロット数が12で対称性4で割った値が3と奇数であるので、応力極小となる点に着目して位置決めしても同等の配置になる。
特に本実施形態のフレーム形状のように、応力が極大となる点での変化率が急峻である場合には、製造工程上、どうしても有限の位置決め精度が存在するため、変化率が極小となる配置で位置決めした方が、量産時には位置決め誤差の影響を受けにくい。
本実施形態においては、前記実施の形態4と同じフレームを使用するが、固定子鉄心に関節型鉄心を採用した場合を示している。これは、電磁鋼板から継ぎ目のない略円形で鉄心を打ち抜くのではなく、図6に示すように、1箇所以上の切れ目があり、スロット部に、曲げることができる蝶つがいの機構(関節部10)を設けて、ティースに巻き線を巻く工程時に、固定子鉄心を直線状にしておき、巻き線が容易に行えるように工夫したものである。
また、本方法については、関節型鉄心に限らず、ティースとティースの接続部を薄肉で連結するタイプの薄肉連結型鉄心などにも使用することができることはもちろんである。
実施の形態6においては、加圧部品にてステータの所定の位置を加圧することで、コギングトルクを低減することができる8極12スロット型の永久磁石式同期モータついて説明する。図9は、実施の形態6に係わる永久磁石式同期モータの一実施の形態における断面図である。本実施の形態においてはロータが8極、ステータが12スロットである場合について説明する。
N=±2p−i1×Z・・・(2)または
N=i1×Z±2p・・・・(3)
を満たすどれかであることが示されている。
また、コギングトルクの8回の脈動成分の波形が図10の曲線aのような位相からα度ずれていた場合は、それに応じて加圧位置を回転させることで対応可能である。加圧位置をずらす量は、概してα度に比例する傾向はあるものの、圧入する場合のしめ代の程度にも依存するため、比例にならない場合もある。したがって、個々の製品の条件に応じて、実験的に把握することが望ましい。
以上のことより、この実施の形態は、コイルが配設された12個のスロットを有するステータ13と、8極の永久磁石を有し、ステータ13の円環に挿入されるロータ12と、ステータ13の外周をN箇所において内側に加圧する加圧部品14であって、NはN=4、N=±2×4−12、またはN=12±2×4から算出される値の正の最小値4であるものとを備えたので、ステータ13の所定の箇所に応力と応力による変位を与えて、ステータ13の作るパーミアンスの4回の脈動成分を打ち消してロータ12の極数と同数の脈動成分のコギングトルクを低減させることができる。
実施の形態7においては、加圧部品にてステータの所定の位置を加圧することで、コギングトルクを低減することができる10極12スロット型の永久磁石式同期モータについて説明する。
図11は、本実施の形態7に係わる永久磁石式同期モータにおける断面図である。実施の形態6と比較して本実施の形態においてはロータが10極、ステータが12スロットとなっている。但し、加圧部品14は実施の形態6においては4箇所配設されているが、本実施の形態においては2箇所のみとなっている。
図12は本実施の形態7に係わる永久磁石式同期モータにおけるロータ12の角度におけるコギングトルクの計測結果の一例である。ロータの角度は0から360度まで示している。図12(a)は、製造時に加圧部品3にてステータ13を外周の所定の位置から加圧する前に測定したものである。
以上のことより、この実施の形態は、コイルが配設された12個のスロットを有するステータ13と、10極の永久磁石12cを有し、ステータ13の円環に挿入されるロータ12と、ステータ13の外周をN箇所において内側に加圧する加圧部品14であって、NはN=5、N=±2×5−12、またはN=12±2×5から算出される値の正の最小値2であるものとを備えたので、ステータ13の所定の箇所に応力と応力による変位を与えて、ステータ13の作るパーミアンスの2回の脈動成分を打ち消してロータ12の極数と同数の脈動成分のコギングトルクを低減させることができる。
図13は、本発明に係わる永久磁石式同期モータの第8の実施の形態における断面図である。実施の形態6との違いは、加圧部品14と外装フレーム15の代わりに、フレーム5にステータ13が圧入されている点において異なる。また、図14は、本実施の形態8に係わる永久磁石型同期モータの横断面図である。フレーム15は、ステータ13の所定の位置を4箇所加圧する加圧部14aと、ロータ12の一端を回動可能に支持できるようにロータ12に勘合されるベアリング17の外輪を支持するための軸受け部14bが設けられている。構造上、フレーム15の軸受け部14bと加圧部14aはロータ12と同軸上に構成される。
また、本実施の形態では8極12スロットの場合について説明したが、実施の形態7における10極12スロットにおいてフレーム15の加圧部を2箇所にすれば同様の効果を得ることができる。
実施の形態9においては、本発明に係わる永久磁石式同期モータのコギングトルクを低減することができる製造方法について説明する。
一般に、永久磁石式同期モータの製造の際に、品質を安定させるために、製造時にコギングトルクを検査することは一般的に行われている。しかし、一般にコギングトルクを検査する工程は全てを組み終えた後、完成品の状態の最終検査の段階にて行われる。よって、製品仕様によって小さなコギングトルクが要求されている場合に、製造時に仕様を満足しない製品が発生した際にはその製品を廃却するか、分解して再調整等を行う等を行っていた。また、ステータ13の外形を圧入する工程のある永久磁石式同期モータの場合は、その圧入工程によってかえってコギングトルクを増大させている場合もあった。
尚、大量生産用の製品などにおいて、製造時の上記測定時のコギングトルクの位相が製品毎にほぼ一定になっている場合などは、個々の製品毎に検査する必要はなく、抜き打ち検査等でおこなってもよい。
次に、ロータ12のコギングトルクの角度毎のデータからステータ2を加圧する箇所を決定する。具体的には、コギングトルクのデータから、ロータ12の極数と同数の成分を抽出し、その抽出された略正弦波成分の位相に応じてステータ13を加圧する箇所を決定する。例えば、実施の形態6における図10の曲線aのごときコギングトルクであった場合は、図9に示す基準角度の位置と一直線上にあるティースの中心から90度間隔で4箇所の位置となる。
最後に、ステータ13の外周の所定の位置を加圧する。加圧部品14をステータ13の外周部の所定の位置に4箇所合わせて外装フレーム15との間に圧入する。
尚、コギングトルクを計測するステップにおいて、ロータ12の極数と同数のコギングトルクが発生しなかった場合は、加圧する構造をもつ加圧部品14や、フレーム15を使用せずに、通常の円管状でステータ13を固定する部品にてステータ13を固定してもよい。また、実施の形態8のフレーム15においても同様に、本実施の形態の製造方法を用いることができる。
実施の形態10においては、加圧部品にてステータの所定の位置を加圧する箇所数がNの条件の解のうち最小ではない場合でも、コギングトルクを低減することができる永久磁石式同期モータについて説明する。
図15は、本実施の形態10に係わる永久磁石式同期モータの断面図である。実施の形態6と比較して本実施の形態においてはロータが4極、ステータが12スロットとなっている。また、本実施の形態においてマグネット12cは理想的に配置され、均一で対称的な磁束密度分布を構成するとする。一方ステータ13については製造上不均一な部分を有するためにパーミアンスに脈動成分がある。それが製品に与える影響等については後述する。
実施の形態6から9においては、算出されるNの解のうち正の最小値である場合について説明しているが、Nの解が最小値ではない場合でも、ステータ13の作るパーミアンス分布関数のN回の脈動成分に対し反対位相の成分を与えればコギングトルクが低減される場合がある。実施の形態10の場合である4極12スロットにおいては、脈動成分の回数Nに関する式でil=0として、N=2、N=±2×2−12×0、またはN=12×0±2×2から算出される値のうち正の値であるN=4のパーミアンス分布関数の脈動成分が発生している。
図15に示すようにステータ13のパーミアンス分布関数の脈動回数4に等しい4個の加圧部品14を用意し、加圧位置は、コギングトルクの測定でコギングトルクが零の点またはその近くを第一の加圧位置とし、残りの加圧位置は等しい角度間隔で配置する。これを外装フレーム14とステータ13との間に圧入することで、ステータ13に所定の応力と変位を与える。その応力によって、ステータ13の局部の比透磁率が変化する。
上記の場合、加圧部品14による加圧前後で、コギングトルクが低減されていることが確認されている。したがって、パーミアンス分布関数も4回の脈動成分が発生しており、それに対して、加圧部品14による加圧によりそれの反対位相の成分を与えることができる。
尚、加圧部品14と外装フレーム15の代わりに、実施の形態8と同様にフレーム15をステータ13に圧入している場合でも、同様の効果を奏することができる。
実施の形態11においては、実施の形態10における永久磁石式同期モータを実施の形態9の製造方法に適用した場合について説明する。
3 スロット 4 フレーム
5 取付用ネジ穴 6 フレーム短軸線
7 ティース中心線 8 スロット中心線
9 方形対角線 10 関節部
11 突き合せ部(溶接部) 12 ロータ
12a シャフト 12b ロータヨーク
12c 磁石 13 ステータ
14 加圧部品 15 外装フレーム
Claims (2)
- フレーム内にステータコアを固定することにより永久磁石式同期モータを製造する方法において、フレームの特定部位と、ステータコアの特定部位をそれぞれ基準位置とし、上記両部位を特定の位置関係をもって位置決めした後、固定することを特徴とする永久磁石式同期モータの製造方法であって、
上記フレームの特定部位を、ステータコアの外周をN箇所(Nは自然数)において、ほかの部位よりも大きな力で内側に加圧する部位とし、
上記ほかの部位よりも大きな力で内側に加圧するフレームの特定部位として、スペーサなどの加圧部材を上記フレームないし上記ステータコアとは別に設けたことを特徴とする永久磁石式同期モータの製造方法。 - フレームの特定部位と、ステータコアの特定部位をそれぞれ基準位置とし、上記両部位を特定の位置関係をもって位置決めした後、固定する場合に、上記特定の位置関係を、あらかじめ測定しておいた、フレーム装着前のステータコアのコギングトルクを打ち消すよう、フレームの加圧点数Nと、ステータコアとフレームの基準位置を、位置決めすることを特徴とする請求項1記載の永久磁石式同期モータの製造方法。
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