JP5274496B2 - 磁性金属体および磁性金属体を用いた回転電機の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、回転電機に関し、特に永久磁石を備えた回転電機における低騒音化技術に関するものである。

近年、回転電機の高性能化のために回転数の制御が容易なDCブラシレスモータが広く用いられるようになった。DCブラシレスモータは損失が低減され、送風機等に活用されている。最近では、モータの回転子に関して、低騒音化とコスト低減に関する工夫が注目されるようになっている。

まず、低騒音化の例を特許文献１に基づいて説明する。ここでは、回転子にリング状の永久磁石が用いられている。回転子鉄心は、磁石と組み付けられる外周部と回転軸に組み付けられる内周部が存在し、外周部と内周部は締結材で連結されているので、回転子鉄心は、一体化されている。回転子が回転すると、回転子外周に配設された永久磁石と固定子鉄心間のパーミアンスが変化し、コギングトルクが周期的に変動する。この変動に起因する振動が、締結材の弾性変形によって軽減されるので、低騒音化が可能である。この考案では、固定子鉄心と回転子鉄心は別のプレス金型で成型されている。

次に、コスト低減の例を特許文献２に基づいて説明する。ここでは、回転子の永久磁石に円筒型のプラスチックマグネットを用いている。この永久磁石は、円筒の外周あるいは内周が永久磁石の作用面となる極異方性配向磁石である。配向方向は円弧状をなしている。永久磁石内部で、この配向方向に沿って磁路が形成されるため、作用面の反対側にあたる円筒の内周面あるいは外周面に、磁性体のバックヨークを用いなくても十分な磁気特性が得られる。磁性体のバックヨークは通常、高価なプレス金型で薄板を打ち抜くことで得られ、これを積層することで固定子が成型される。この考案では、バックヨークが不要になるため、プレス金型費を削減することができる。

また、上記した円筒型の極異方性配向磁石は、回転子シャフトが挿入されるリング状の中心部とともにリブを介してプラスチックマグネットで一体に構成されている。この回転子のリブは特許文献１に示されている締結材と同等のものにすることが出来る。このようにすることで、プレス金型よりも安価な樹脂成形金型を用いて、永久磁石と回転子シャフトを締結するため、金型などの設備費用を抑制し、低騒音化が可能な回転電機を提供できる。

特開平５−２９２６８９ 特開２００２−３１５２７９

回転電機の回転子シャフトに送風機の羽根を取り付ける場合を考えてみる。材料や形状が異なる複数の種類の羽根を１種類の回転電機で対応する場合、使用する羽根の種類の数だけ、固有振動数が存在する。この全ての固有振動数を、騒音の原因となる周波数から遠ざけることは困難である。また、複数の種類の羽根に対応して、羽根の種類と同じ数の回転電機を使用することも考えられるが、各回転電機の生産台数が減少するため、大量生産が難しく、コストが増加する。また、一般的にプレス金型は樹脂成形金型等に比べ高価となるため、金型などの設備費用を抑制することは難しい。

上記の課題を解決するため、本発明に係る磁性金属体は、プレス加工で得られ、回転電機に使われる磁性金属板体であって、前記磁性金属板体はバックヨークとティースを有するＴ字状の第１の金属片と、前記第１の金属片に連結された第２の金属片とを備えていて、前記第１の金属片は前記第２の金属片と薄肉部によって連結され、前記薄肉部は前記バックヨークの内径側端部に設けられ、かつ前記第２の金属片の幅よりも狭くなっている。

本発明によれば、固定子鉄心とリブ補材がバラバラにならないため、これらの取り扱いが容易となる。さらに、接着や溶接等を用いたリブ補材の積層作業を別工程としなくても良く、製造工程数を抑制することができる。また、薄肉部の幅をリブ鉄心片の幅よりも狭くしたことにより、固定子鉄心片とリブ鉄心片を切り離す際に、薄肉部に生じる応力が大きくなるため、切り離し作業が容易となる。また、ワイヤカットなどを用いて切断する場合でも、薄肉部の幅が狭いので、切断する時間を短くすることができる。

本発明にかかわる回転電機の概略を示す断面図である。 実施の形態１にかかわる、固定子鉄心片を表す図（Ａ）と、固定子鉄心片が積層された固定子鉄心を表す図（Ｂ）である。 固定子鉄心にインシュレータを被せた状態を表す図である。 回転子の構造を表す図で、平面図（Ａ）と、断面側面略図（Ｂ）である。 極異方性配向した永久磁石の配向状態を説明する図で、インナーロータ型の配向状態を示す図（Ａ）と、アウターロータ型の配向状態を示す図（Ｂ）である。 金型を用いた単抜きプレス工程を説明するための図である。 単抜きプレス工程を経た薄板端材を示す図で、固定子鉄心片が打ち抜かれた状態を表す図（Ａ）と、固定子鉄心片に加えてリブ鉄心片が打ち抜かれた状態を表す図（Ｂ）である。 実施の形態２に係わる固定子鉄心を示す図（Ａ）と、固定子鉄心がダボ（ボス）でカシメ固定されている状態を表す図（Ｂ）である。 実施の形態３に係わる固定子鉄心を示す図（Ａ）と、固定子鉄心にインシュレータを取り付けた状態を示す図（Ｂ）である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１について、図１〜７を用いて説明する。図１は、回転電機２０の概略構成を表す断面図である。インナーロータ型の回転電機２０は、中空状の固定子１９と、固定子１９の内部に配置された回転子５から構成されている。固定子１９は概略Ｔ字状の固定子鉄心４が複数個（本実施例では９個）円周上に一体配列されたもので、各々の固定子鉄心４にはコイル２２が配置されている。回転子５は金属製の回転子シャフト８と、回転子シャフト８の周りに設けられ、樹脂で一体化されている回転子連結材１２と、回転子連結材１２に結合された永久磁石６とから構成される。回転子５は、コイル２２に電流が流れて固定子１９が励磁されるに伴い回転を始める。

図２は、磁性金属板である固定子鉄心片１と、固定子鉄心片１を複数枚積層固定した固定子鉄心４の関係を説明している。図２（Ａ）において、固定子鉄心片１は、電磁鋼板などの薄板をプレス等で概略Ｔ字状に打ち抜くことで製造され、外径側が円弧状のバックヨーク２と、このバックヨーク２の内径側から垂直に突出したティース３を有する。ティース３にはコイル２２が施設されるため、バックヨーク２の内径側はここでは直線状であるが、外径側と同様に円弧状に設計してもよい。固定子鉄心片１を複数枚準備し、接着や溶接等を用いて積層することで、図２（Ｂ）に示す固定子鉄心４が形成される。固定子鉄心４には、鉄以外に、例えばニッケルやフェライト、ステンレス鋼などの磁性金属や磁性材若しくは合金を用いてもよい。

コイル２２を形成する際、図３に示すように、固定子鉄心４には、コイル２２との絶縁を取る目的で、上下一対で構成される薄板状のインシュレータ２５が取り付けられる。このとき、インシュレータ２５が固定鉄心４のティース３に嵌着されるようにすることで、容易に取り付けが可能となる。次に、インシュレータ２５を介在させてティース３にコイル２２を形成する。コイル２２が施設された固定子鉄心４を複数個製造し、固定子鉄心４同士を溶接等により接合することで固定子１９を製造する。中空状の固定子１９の内部に、回転子５を配置させることで、回転電機２０を製造することができる。

図４（Ａ）は、回転子５を示す平面図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＡ−Ａ断面つまり、回転子５の要部を示す断面側面略図である。回転子連結材１２は、外周部７と中心部９とリブ１１とから構成されていて、樹脂で一体成形されている。中心部９には、回転子シャフト８が圧入等により挿入される。外周部７には極異方性配向を施したプラスチックマグネット製の永久磁石６が固着されている。永久磁石６は回転子連結材１２の成形時に、樹脂が永久磁石６に一部入り込むようなスペースを設けておくことで、外周部７と結合される。外周部７と中心部９の間には空隙１０が設けられているが、外周部７と中心部９は複数のリブ１１で締結されている。各々のリブ１１には、リブ補材１３が埋め込まれている。リブ補材１３は、リブ形状に加工された薄板状のリブ鉄心片（金属片）１３ａを必要な枚数分だけ積層し、回転子連結材１２を形成する際に、樹脂で一体化したものである。リブ１１の幅、厚み、長さを、それぞれ、ｈ、ｂ、Ｌとする。

回転電機２０を送風機に利用する場合、回転子シャフト８の先端にプロペラなどから構成される羽根を取り付ける。このとき、羽根と回転子５で構成されるねじり振動系の固有振動数は数１で求められる。この固有振動数を騒音の原因となる周波数から遠ざけることで低騒音化を図ることができる。本願発明では、ねじり振動系の固有振動数を設計するにあたり、回転子連結材１２のリブ１１の形状を選定する。ここで、Ｊ₁：回転子５の慣性、Ｊ₂：回転子シャフト８と羽根を考慮した慣性、Ｋ：ねじりばね定数、である。

定数Ｋはリブ１１の形状により変更することができる。リブ１１の各寸法（幅ｈ、厚みｂ、長さＬ）を用いて、リブの断面二次モーメントＩは数２で求められる。ここで、材料のヤング率をＥとすると、剛性は一般にＥＩとなる。剛性ＥＩに対して、長さＬを考慮したものがばね定数Ｋである。このばね定数Ｋを、幅ｈ、厚みｂ、長さＬを用いて選定することで、ねじり振動系の固有振動数を設計することができる。

一定の回転数で運転する回転電機２０の場合、回転子５の慣性Ｊ_１を大きくすることで、回転電機２０のトルク脈動による振動や騒音は抑制される。回転子５の慣性Ｊ_１が小さい場合には、トルク脈動によって簡単に回転子シャフト８が動くので、振動や騒音が発生しやすい。リブ補材１３は、使用する羽根に適した固有振動数となるように、設計変更可能である。材料や形状が異なる複数の種類の羽根を１種類の回転電機２０で使用する場合でも、回転子連結材１２に使用するリブ補材１３の量を変更することで、慣性Ｊ_１を変更可能であり、数１で求められる固有振動数を変更することができ、ひいては低騒音化を図ることができる。

リブ１１には防振性能のほかに、所要のトルクを伝達する必要があるので、それに耐える剛性が要求される。リブ補材１３は磁性体である必要はない。図４では、リブ１１が３個設けられていて、それぞれのリブにリブ補材１３が埋設されている。リブ１１の本数は、外周部７と中心部９を強固に連結する必要があるため、増えることが考えられる。また、全てのリブにリブ補材１３を設けるために、ひとつのリブ補材１３の質量を軽くすることも可能である。リブ補材１３は、リブ１１に使用している樹脂に対して、密度が大きいため、リブ鉄心片１３ａの積層量を変化させることで、回転子５の慣性Ｊ_１を変更し、幅広い振動数に対応することができる。

図５（Ａ）は外周部７に設けられたインナーロータ型の永久磁石６の配向状態を表している。図中において、磁粉の配向方向が円弧状の実線で示されている。永久磁石６は、極異方性配向しており、円筒の外周が永久磁石の作用面となる。永久磁石６の内部で、配向方向に沿って磁路が形成されるため、インナーロータ型の永久磁石６の場合、作用面の反対側にあたる円筒内周面（内径側）に磁性体のバックヨークを用いなくても、十分な磁気特性が得られる。永久磁石６をこのような構成とすることで、回転子鉄心が不用となるので、高価な回転子鉄心用のプレス金型費用を抑制することができる。

同様に、図５（Ｂ）はアウターロータ型の永久磁石６の配向状態を表している。永久磁石６は、極異方性配向しており、円筒の内周が永久磁石の作用面となる。永久磁石６の内部で、配向方向に沿って磁路が形成されるため、アウターロータ型の永久磁石６場合、作用面の反対側にあたる円筒外周面側に磁性体のバックヨークを用いなくても、十分な磁気特性が得られる。永久磁石６をこのような構成とすることで、回転子鉄心が不用となるので、高価な回転子鉄心用のプレス金型費用を抑制することができる。本願はアウターロータ型とインナーロータ型の回転電機に適用できるが、両者を比較すると、アウターロータ型ではロータの慣性が大きいためトルク脈動が生じにくい。このため、本願発明はインナーロータ型の回転電機でより大きな効果が得られる。

図６は、単抜きプレス工程を概略的に説明する要部断面図である。電磁鋼板などの磁性を有する金属体の薄板１４を巻いた板材ロール２６と、上金型１５と下金型１６が示されている。固定子鉄心４を製造するため、単抜き型のプレスを用いて、板材ロール２６から薄板１４を送り出し、上金型１５と下金型１６の間まで搬送する。次に、上金型１５と下金型１６で薄板１４を打ち抜き、固定子鉄心片１を製造する。この工程を繰り返すことで、複数枚の固定子鉄心片１を製造し、これらを接着や溶接を用いて積層することで固定子鉄心４を製造できる。この固定子鉄心片１の製造時に、上金型１５と下金型１６に、固定子鉄心片１に加えて、リブ鉄心片１３ａを打ち抜くための型を設けておくと、固定子鉄心片１とリブ鉄心片１３ａを同時に得られるため好ましい。リブ鉄心片１３ａは、通常、方形で、バックヨーク２とティース３が合した固定子鉄心片１よりも面積が少ない小片のため、打ち抜き加工時にでる端材を利用できる。

図７は単抜きプレス工程によって固定子鉄心片１を打ち抜いた後の薄板端材１７を示す斜視図である。図７（Ａ）は、長方形形状の薄板１４から固定子鉄心４の形状を単抜きプレスで打ち抜いた後の薄板端材１７ａを示している。固定子鉄心打ち抜き部１８ａは固定子鉄心片１と同様に、バックヨーク２とティース３に相当する形状を有している。図７（Ｂ）は、固定子鉄心片１の形状に加え、単抜きプレスで打ち抜いたリブ補材打ち抜き部１８ｂを有する薄板端材１７ｂを示している。同時に打ち抜き加工されるため、ここで得られるリブ鉄心片１３ａと固定子鉄心片１の厚みは同じになる。リブ補材１３の作成に、固定子鉄心４を製造した際に生じる薄板端材１７ｂを使用すると、新たな材料を購入する必要がなく、材料の使用率も向上する。また、固定子鉄心片１と同一工程でリブ鉄心片１３ａを製造することができるため、製造工程数の増加を抑制することができる。

実施の形態２．
実施の形態２に関して、図８を用いて説明する。図８（Ａ）は、リブ補材１３を有する固定子鉄心４ａを示す斜視図であり、図８（Ｂ）は、鉄片の結合に活用されるダボ（ボス）の役割を説明する要部断面図である。固定子鉄心片（第１の金属片）１ａはリブ補材１３の形成に用いられる２枚のリブ鉄心片（第２の金属片）１３ａと薄肉部２３によって連結され、磁性金属板体２７を成している。薄肉部２３はバックヨーク２の内径側端部２４に設けられている。内径側とはティース３の設けられている側を指す。本実施の形態２では、固定子鉄心片１ａとリブ鉄心片１３ａの両方にカップ状のダボ２１を下向きに設けている。ここでは、ダボ２１が、バックヨーク２に２箇所、ティース３に１箇所、リブ鉄心片１３ａに４箇所設けられている。薄肉部２３の幅ｔａは、リブ鉄心片１３ａの幅ｔｂよりも狭い（図９参照）。なお、薄肉部２３の設置場所はバックヨーク２の内径側端部２４に限られるわけではなく、ティース３の中央部またはバックヨーク２の外周部にも設けることができる。

次に、本実施の形態２の回転電機２０の製造方法について説明する。但し、実施の形態１と重複する箇所には同一符号を記載し、説明を省略する。図８（Ａ）の固定子鉄心４ａは順送プレスで製造されている。リブ鉄心片１３ａと固定子鉄心片１ａが薄肉部２３で連結された磁性金属板体２７は、順送プレス内で、薄板１４を連続的に打ち抜くことで得られる。下層のダボ２１に上層のダボ２１を圧入すると、磁性金属板体２７は相互にカシメ固定されるため、積層でき、固定子鉄心４ａを製造することができる。

リブ鉄心片１３ａが固定子鉄心片１ａに連結された状態の固定子鉄心４ａを順送プレスで製造した後に、薄肉部２３を切り離すことで、固定子鉄心４とリブ補材１３を分離する。次に、使用する羽根に適した固有振動数となるように、リブ補材１３からリブ鉄心片１３ａを必要な枚数分だけ取り外す。リブ鉄心片１３ａはダボ２１で嵌合しているだけなので、比較的容易に剥離できる。後は、実施の形態１と同様にして、回転電機２０を製造する。

このような構成とすることで、実施の形態１の効果に加え、固定子鉄心４とリブ補材１３がバラバラにならないため、これらの取り扱いが容易となる。さらに、接着や溶接等を用いたリブ補材１３の積層作業を別工程としなくても良く、製造工程数を抑制することができる。

また、薄肉部２３の幅ｔａをリブ鉄心片１３ａの幅ｔｂよりも狭くしたことにより、固定子鉄心片１ａとリブ鉄心片１３ａを切り離す際に、薄肉部２３に生じる応力が大きくなるため、切り離し作業が容易となる。また、ワイヤカットなどを用いて切断する場合でも、薄肉部２３の幅ｔａが狭いので、切断する時間を短くすることができる。

なお、本実施の形態２では、固定子鉄心片１ａとリブ鉄心片１３ａの両方にダボ２１を設け、薄板１４を固定したが、固定子鉄心片１のみに設けても良い。この場合、リブ補材１３は嵌合していないので、接着や溶接等による積層工程が必要となる。回転電機２０の用途に応じて、ダボ２１を設ける箇所を上記の２つの場合より選ぶことで、安価な回転電機２０を製造することができる。

実施の形態３．
実施の形態３に関して、図９を用いて説明する。図９（Ａ）は、本実施の形態３のリブ補材１３を有する固定子鉄心４ｂを示す図である。本実施の形態３では、ダボ２１を設けている箇所がリブ補材１３のみとなっている点を除けば、その他は実施の形態２の同じである。固定子鉄心片１ｂとリブ鉄心片１３ａは、バックヨーク２の内径側端部２４に設けられた薄肉部２３を介して連結されている。

次に、本実施の形態３の回転電機２０の製造方法について説明する。但し、実施の形態１および実施の形態２と重複する箇所には同一符号を記載し、説明を省略する。リブ補材１３を有する固定子鉄心４ｂは順送プレスで製造されている。順送プレス内で、薄板１４の一方の面にダボ２１を設け、薄板１４を連続的に打ち抜き、リブ鉄心片（第２の金属片）１３ａが連結された固定子鉄心片（第１の金属片）１ｂを形成する。このようにすることで、上層のダボ２１と下層のダボ２１は圧入されるため、磁性金属板体２７を積層でき、固定子鉄心４ｂを製造することができる。

図９（Ｂ）は固定子鉄心４ｂのティース３に対して、インシュレータ２５を取り付けた状態を示す図である。リブ補材１３が連結された状態の磁性金属板体２７を順送プレスで製造した後に、ティース３に対して、コイル２２と固定子鉄心４の絶縁を取る目的で、上下一対で構成されるインシュレータ２５を取り付ける。このとき、インシュレータ２５が固定子鉄心４ｂのティース３に、嵌着されるようにすることで、容易に取り付けが可能となる。また、上下のインシュレータ２５で嵌着することで、複数の固定子鉄心片１を仮固定できる。この後、リブ補材１３と固定子鉄心４を薄肉部２３で切り離す。次に、インシュレータ２５を介在させティース３にコイル２２を形成する。この工程では、コイル２２の巻き線に張力を加えながら、巻き回すため、インシュレータ２５と複数の固定子鉄心片１を強固に固定できる。これらを複数個製造し、固定子鉄心４同士を溶接等により接合することで固定子１９を製造する。

薄肉部２３で固定子鉄心４ｂから切り離されたリブ補材１３は、使用する羽根に適した固有振動数となるように、リブ鉄心片１３ａを必要な枚数分だけ取り外される。後は、実施の形態１と同様にして、回転電機２０を製造する。このような構成とすることで、実施の形態１の効果に加え、リブ補材１３がバラバラにならないため、これらの取り扱いが容易となる。さらに、接着や溶接等を用いたリブ補材１３の積層作業を別工程としなくても良く、製造工程数を抑制することができる。また、固定子鉄心片１にダボ２１を設けていないため、固定子鉄心片１ｂは互いに絶縁されている。固定子鉄心４に発生する渦電流は抑制されるので、回転電機２０の損失となる渦電流損が減少する。

さらに、固定子鉄心４の積層方法が、上下一対のインシュレータ２５を取り付け、仮固定した後に、コイル２２を強固に固定する方法であるため、固定子鉄心片１ｂにダボ２１を設ける必要がなく、この分のプレス金型の製作費用を抑制することができる。また、インシュレータ２５を取り付ける際に、薄肉部２３をバックヨーク２の内径側端部２４に設けたことにより、インシュレータ２５と薄肉部２３および、インシュレータ２５とリブ補材１３の干渉を防止でき、作業性が向上する。

１ 固定子鉄心片、２ バックヨーク、３ ティース、４ 固定子鉄心、５ 回転子、６ 永久磁石、７ 外周部、８ 回転子シャフト、９ 中心部、１０ 空隙、１１ リブ、１２ 回転子連結材、１３ リブ補材、１３ａ リブ鉄心片、１４ 薄板、１５ 上金型、１６ 下金型、１７ 薄板端材、１８ リブ補材打ち抜き部、１９ 固定子、２０ 回転電機、２１ ダボ、２２ コイル、２３ 薄肉部、２４ バックヨークの内径側端部、２５ インシュレータ、２６ 板材ロール、２７ 磁性金属板体

Claims (4)

1. プレス加工で得られ、回転電機に使われる磁性金属板体であって、前記磁性金属板体はバックヨークとティースを有するＴ字状の第１の金属片と、前記第１の金属片に連結された第２の金属片とを備えていて、
   前記第１の金属片は前記第２の金属片と薄肉部によって連結され、前記薄肉部は前記バックヨークの内径側端部に設けられ、かつ前記第２の金属片の幅よりも狭くなっていることを特徴とする磁性金属体。
2. 前記第１の金属片または前記第２の金属片にカップ状のダボが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の磁性金属体。
3. 金属製の回転子シャフトと、
   円筒状の永久磁石と、
   中心部に前記回転子シャフトが挿入されていて、外周部には前記永久磁石が結合されている樹脂製の回転子連結材と、
   積層された磁性金属板が円周上に連結されている固定子と、を備え、
   前記回転子連結材は、前記中心部と前記外周部の間を複数のリブで連結されている回転電機の製造方法であって、
   プレス加工で得られ、回転電機に使われる磁性金属板体であって、前記磁性金属板体はバックヨークとティースを有するＴ字状の第１の金属片と、前記第１の金属片に連結された第２の金属片とを備えていて、前記第１の金属片は前記第２の金属片と薄肉部によって連結され、前記薄肉部は前記バックヨークの内径側端部に設けられ、かつ前記第２の金属片の幅よりも狭くなっている磁性金属体を用いて、前記第１の金属片または前記第２の金属片にカップ状のダボが設けられた前記磁性金属板体を、前記磁性金属板から連続的に打ち抜く工程１と、
   打ち抜かれた前記磁性金属板体を、ダボを用いて複数枚積層する工程２と、
   複数枚積層された前記磁性金属板体をインシュレータで固定する工程３と、
   この工程３の後に前記第１の金属片の積層体と前記第２の金属片の積層体を切り離す工程４と、
   切り離された前記第１の金属片の積層体にインシュレータを介してコイルを形成する工程５と、
   コイルを形成した前記第１の金属片の積層体を連結し前記固定子を得る工程６と、
   切り離された前記第２の金属片の積層体を前記リブに埋設する工程７と、
   を含んでいることを特徴とする磁性金属体を用いた回転電機の製造方法。
4. 前記工程４で切り離した前記第２の金属片の積層体から金属片の一部を剥離する工程をさらに有し、前記工程７では一部が剥離された前記第２の金属片の積層体をリブに埋設する工程を有することを特徴とする請求項３に記載の磁性金属体を用いた回転電機の製造方法。

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