JP5528552B2

JP5528552B2 - 回転電機の回転子の製造方法

Info

Publication number: JP5528552B2
Application number: JP2012519173A
Authority: JP
Inventors: 明弘山村; 和久高島; 秀親藤井; 政之宮岡; 悟阿久津
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2010-06-10
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2030-06-10
Also published as: US20120313474A1; CN102782989B; EP2582015A1; WO2011155042A1; CN102782989A; EP2582015A4; JPWO2011155042A1; US9184637B2

Description

この発明は、複数個の例えば永久磁石からなる磁極を有する回転電機の回転子に関するものである。

従来、回転子軸の外周に固定された回転子鉄心の外周に複数個の永久磁石から磁極を有する回転電機の回転子としては、特開２００１−２５１９３号公報に記載されたものがある。特開２００１−２５１９３号公報に記載された回転電機の回転子においては、回転子軸外周に積層された回転子鉄心、その回転子鉄心外周に永久磁石を有し、永久磁石の両端部を覆う非磁性部材による永久磁石飛散防止カバーを配置している。非磁性部材による永久磁石飛散防止カバーは永久磁石に対して接着剤により固定されている。

また、上述した従来装置以外の回転電機の回転子の他の従来のものとして、実開昭５５−１２０２８５号公報に記載されたものがある。装置が開示されている。実開昭５５−１２０２８５号公報に記載された回転電機の回転子においては、継鉄外周に永久磁石を配設し、永久磁石の外周を非磁性筒状緊締環によって覆い、当該非磁性筒状緊締環を外周から永久磁石間の継鉄部へ押込み、ボルト等の締結部材によって固定している。

特開２００１−２５１９３号公報実開昭５５−１２０２８５号公報

上述した従来の回転電機の回転子において、特開２００１−２５１９３号公報に記載された回転電機の回転子では、回転子鉄心と永久磁石の接着固定、あるいは永久磁石と永久磁石飛散防止カバーとの接着固定によって、永久磁石の周方向位置は定められる。

しかしながら、接着剤が硬化するまでの間、あるいは万が一接着剤が十分な固定力を有しない場合には、永久磁石の周方向位置の固定ができない。永久磁石の周方向位置はモータのコギングトルクに大きく影響を与えるため、永久磁石位置が固定できない場合、コギングトルクの悪化や変動が生じる問題がある。

更に、回転子回転時にかかる遠心力により非磁性部材による永久磁石飛散防止カバーが外周方向に変形し、固定子と回転子の隙間が狭まり、回転子の回転が妨げられたりロックされる状態が発生する可能性があるという問題がある。

また、実開昭５５−１２０２８５号公報に記載された回転電機の回転子では、非磁性筒状緊締環を外周から押込むことで永久磁石に対する緊縛力を生じ、永久磁石の位置は固定される。

しかしながら、ボルト等の締結部材を必要とするため、材料費および加工費の増大を招き高コストとなる問題がある。更に、永久磁石間の隙間を締結部材以上に広く取る必要があり、同一体格の場合にはトルクの低下を生じる。また、トルク低下を補うためには軸長を長くする等、大型化・高コストとなる問題がある。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、回転子の回転に支障を与えることなく、小型化、低コスト化を図ることができる回転電機の回転子を得ることを目的とする。

この発明に係わる回転電機の回転子の製造方法は、回転子軸の外周側に配設された回転子鉄心と、前記回転子鉄心に固定され前記回転子鉄心の周方向に複数配置された磁極と、前記複数の磁極の外周に外周形状が多角形状の非磁性リングとを備えた回転電機の回転子の製造方法であって、前記非磁性リングは、平板状の材料を湾曲させてその両端部を接合してリング状に形成する製造工程を有し、前記平板状の材料の継ぎ手部分を除く展開長Ｌ₁ が前記非磁性リングの内周長Ｌに対しＬ ₁ ≦Ｌであり、前記磁極の外周面と隣接する前記磁極の外周面の接線からなる包絡線の長さＬ₀に対し、前記非磁性リングの内周長ＬがＬ≦Ｌ₀であり、前記非磁性リングの少なくとも一方側の端部の内周長Ｌ₃ を、Ｌ₀＜Ｌ₃ に形成する製造工程と、前記非磁性リングを前記磁極の外周面に挿着する製造工程とを有するものである。

この発明に係わる回転電機の回転子は、非磁性リングが、磁極の外周面と隣接する磁極の外周面の接線からなる包絡線の長さＬ₀に対し、組付け前の前記非磁性リングの内周長ＬがＬ≦Ｌ₀で回転子の回転に支障を与えることなく、小型化、低コスト化を図ることができる回転電機の回転子を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係わる回転電機の回転子を示す横断面図である。この発明の実施の形態１に係わる回転電機の回転子を示す縦断面図である。この発明の実施の形態１に係わる回転電機の回転子を示す一部拡大横断面図である。この発明の実施の形態１に係わる回転電機の回転子における非磁性リングを示す斜視図である。この発明の実施の形態１に係わる回転電機の回転子における非磁性リングを示す斜視図である。

この発明の実施の形態２に係わる回転電機の回転子を示す縦断面図である。この発明の実施の形態３に係わる回転電機の回転子における非磁性リングを示す縦断面図である。この発明の実施の形態３に係わる回転電機の回転子における非磁性リングの他の例を示す縦断面図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係わる回転電機の回転子を図１〜図５に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係わる回転電機の回転子を示す横断面図である。図２はこの発明の実施の形態１に係わる回転電機の回転子を示す縦断面図である。図３はこの発明の実施の形態１に係わる回転電機の回転子を示す一部拡大横断面図である。図４はこの発明の実施の形態１に係わる回転電機の回転子における非磁性リングを示す斜視図である。図５はこの発明の実施の形態１に係わる回転電機の回転子における非磁性リングを示す斜視図である。

これら各図において、１は回転電機の回転子の回転子軸、２はこの回転子軸１の外周側に配設された回転子鉄心であり、その横断面が例えば正１０角形に形成されている。回転子鉄心２は例えば圧入等の手段により回転子軸１に固定されている。３はこの回転子鉄心２の外周側で周方向に等ピッチの隙間を介して複数、すなわちｎ個（図は一例として１０個）配置された例えば永久磁石から磁極（以下、永久磁石と称す）であり、略円弧状を成した外周面を備えている。そして、これら永久磁石３は回転子鉄心２の外周面に接着剤により接着されることにより、回転子鉄心２に固定される。

４は例えば非磁性材料であるステンレス鋼により形成された非磁性リングであり、回転子鉄心２の外周面に固定された永久磁石３の外周面を覆うように挿着されている。５は端板であり、端板５は回転子鉄心２の端面にカシメ等の手段により固定されている。

また、非磁性リング４は永久磁石３との接点１０を略頂点とした略多角形状であり、永久磁３の外周部の接点間輪郭長さｒ_n、隣接する永久磁石３間の接点間距離ｗ_nに対し、永久磁石３の外周面と隣接する他の永久磁石３の外周面の接線からなる包絡線の長さＬ₀は次式で表せる。

ここで、永久磁石３の外周面に挿着する前、すなわち、組付け前の非磁性リング４の内周長さＬは、包絡線の長さＬ₀に対し、Ｌ≦Ｌ₀となっている。また、非磁性リング４の永久磁石３の当接部以外の板厚Ｔ₀に対し、永久磁石３の当接部の板厚ＴはＴ＜Ｔ₀となっている。

以上のように構成された回転電機の回転子では、組付け前の非磁性リング４の内周長Ｌに対し、組付け後の非磁性リング４の内周長がＬ₀まで伸びる。このように非磁性リング４の内周長がＬ₀まで伸びることにより、永久磁石３と接触する当接部の板厚Ｔは伸びてＴ＜Ｔ₀となり、永久磁石３に対し、径方向の付勢力を強力に与えると共に、非磁性リング４の多角形形状により周方向位置を規制できる。

従って、過度な遠心力負荷に対しても永久磁石３の剥離、飛散を抑制することができる。更に、コギング対策に有効である永久磁石３の磁石位置の配置規制が容易となる。また、永久磁石３の当接部の非磁性リング４の板厚Ｔが永久磁石３の当接部以外の板厚Ｔ₀に比べ薄く、凹みとなることで永久磁石３に高い付勢力を与えることができ、永久磁石３の周方向位置規制ができる。

次に、この実施の形態１に係る回転電機の回転子における非磁性リングの製造方法を図４および図５に基づいて説明する。図４はこの発明の実施の形態１に係わる回転電機の回転子における非磁性リングを示す斜視図である。図５はこの発明の実施の形態１に係わる回転電機の回転子における非磁性リングを示す斜視図である。

非磁性リング４は、図４に示すように、平板状に展開された平板部材４１から成形されている。平板部材４１の継ぎ手部分を除く展開長Ｌ₁は非磁性リング４の内周長Ｌに対し、Ｌ₁＜Ｌである。この平板部材４１を湾曲させてリング状に成形し、両端部を接合して非磁性リング４を形成している。

具体的には、接合部１１の部位で平板部材４１の両端を突き合わせて例えばＴＩＧ溶接で接合している。無論、接合方法としては、これに限定されるものではなく、レーザ溶接や超音波溶接などを用いても良い。また、リング状に成形、溶接した後、リング内周をしごきや内径拡大等の加工により内周長Ｌの略多角形状の非磁性リング４に成形している。

更に、非磁性リング４の一方側の端部１２は外周側にテーパ状に広げられており、テーパ部の内周長Ｌ₃はテーパ部以外の非磁性リング４の内周長さＬ、永久磁石３の外周の包絡線の長さＬ₀に対し、Ｌ≦Ｌ₀＜Ｌ₃となっている。

このように、板状からリング状を形成することで、プレス加工による深絞り等に比べてリング製造において材料歩留まりが良い。また、薄肉材料でのリング形成が可能となり、リング状態のものを所定長さに切り出す場合などに比べ、安価に製作できる。

更に、Ｌ₁ ＜Ｌである平板部材を内周長Ｌに引張成型することで素材硬度や寸法バラツキによる内周長寸法変化を抑制することができる。更に、非磁性リング４の端部のテーパ部１２がない場合は、非磁性リング４の内周長Ｌが永久磁石の外周の包絡線長さＬ₀よりも短いため、圧入などの組付けを行う場合、非磁性リング４を永久磁石３の外周に挿入する際に作業性が悪いものとなるが、非磁性リング４の端部に設けたテーパ部１２の内周長Ｌ₃が永久磁石の外周の包絡線長さＬ₀よりも大きく構成したことにより、非磁性リング４を当該端部のテーパ部１２側から永久磁石３の外周に容易に挿入することが可能となり、作業性が向上し低コストを図ることができる。

次に、この実施の形態１における回転電機の回転子の組立方法を説明する。非磁性リング４の内周面又は永久磁石３の外周面に油、パラフィン、ワックス等の潤滑剤（図示せず）を塗布し、非磁性リング４の一方側の端部をテーパ状に広げたテーパ部１２側を入り口として、非磁性リング４を永久磁石３の外周面へ圧入している。

このように、非磁性リング４の内周面と永久磁石３の外周面との間に油、パラフィン、ワックス等の潤滑剤を塗布することにより、非磁性リング４の内周面と永久磁石３の外周面との間の摩擦力を低減することができるので、非磁性リング４を永久磁石３の外周面に容易に挿入することが可能となり、作業性がより一層向上し、さらに低コストを図ることができる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係わる回転電機の回転子を図６に基づいて説明する。図６はこの発明の実施の形態２に係わる回転電機の回転子を示す縦断面図である。

この実施の形態２においては、非磁性リング４の中央部分２１の内周長さＬは、永久磁石３の外周の包絡線長さＬ₀に対し、Ｌ≦Ｌ₀である。一方、非磁性リング４の両端部分２２の２箇所の内周長さＬ₂はＬ₀＜Ｌ₂となっている。また、非磁性リング４の一方側の端部には外周側に円径テーパ状に広げられたテーパ部２３が形成されており、そのテーパ部２３の内周径φＤは永久磁石３の外接円径φＤ₀に対し、φＤ₀＜φＤとなっている。

以上のように構成された非磁性リング４においては、非磁性リング４の組付け時に内周長ＬがＬ₀まで伸びる部位が中央部分２１に限定されるため、非磁性リング４の組付け時の挿入力が緩和され、組付けが容易となる。特に、挿入側の非磁性リング４の両端部分２２の２箇所の内周長さＬ₂が中央部分２１の内周長Ｌより長いため、より挿入性が良くなる。また、永久磁石３の磁石位置固定をしつつ、永久磁石３に過度な負荷をかけることがないため、永久磁石３の割れ等を抑制することができる。また、非磁性リング４をテーパ部２３側から永久磁石３の外周に容易に挿入することが可能となり、作業性が向上し低コストを図ることができる。

更に、永久磁石３の外接円径φＤ₀の周長π×φＤ₀に対し、Ｌ₀＜Ｌ₂≦（π×φＤ₀）である場合、非磁性リング４の挿入力を抑制しつつ、非磁性リング４の両端部分２２の挿入後のリング外周径は、φＤ₀に対し板厚Ｔ×２だけ大きくなるのみであるので、回転子と固定子（図示せず）との隙間を狭めることがなく、回転電機の組付け性を損ねることがなく、また、回転子の回転が妨げられたりロックされる状態が発生する可能性を抑制できる。

次に、この実施の形態２における回転電機の回転子の製造方法を説明する。回転子鉄心２の外周に永久磁石３を接着、あるいは保持した状態で配設し、事前にリング状に形成した非磁性リング４を回転子鉄心２の一方側端部から永久磁石３の外周に接するように圧入し、非磁性リング４の永久磁石３との当接部が伸びて変形することで多角形状の非磁性リング４が形成される。また、非磁性リング４の内周面に硫化モリブデン含有メッキ、樹脂含有ニッケルメッキ、フッ素樹脂コーティング等の潤滑性膜（図示せず）を形成している。

このように構成された回転電機の回転子においては、圧入前の非磁性リング４を円管状にできるため製造が容易となる。また、非磁性リング４の多角形頂点と永久磁石３の位置を合わせる必要がないため、非磁性リング４の挿入時の周方向位置決めが不要になる。更に、非磁性リング４が圧入過程で周方向に伸びることで回転子の外径及び非磁性リング４の内径寸法のばらつきを吸収できる。また、非磁性リング４の内周面に形成した潤滑性膜により高い締め代を有する非磁性リング４を低い挿入力で組み付けることができ、非磁性リング４や永久磁石３が破損することを抑制できる。更に、組立時に潤滑剤を塗布する方法に比べて作業性が良い。

なお、この実施の形態２においては、上述した通り、非磁性リング４を圧入したが、事前にリング状に形成した非磁性リング４を加熱し熱膨張させた後、回転子鉄心２の一方側端部から永久磁石３の外周に挿入し、非磁性リング４が冷却されることで、非磁性リング４の永久磁石３との当接部が変形し多角形状の非磁性リング４が形成されるようにしても良い。このように、熱膨張を利用しても、圧入前の非磁性リング４を円管状にできるため製造が容易となる。また、非磁性リング４の多角形頂点と永久磁石３の位置を合わせる必要がないため、非磁性リング４の挿入時の周方向位置決めが不要になる。また、熱応力により永久磁石３に対してより付勢力を与えることができる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係わる回転電機の回転子を図７および図８に基づいて説明する。図７はこの発明の実施の形態３に係わる回転電機の回転子における非磁性リングを示す縦断面図である。図８はこの発明の実施の形態３に係わる回転電機の回転子における非磁性リングの他の例を示す縦断面図である。

図７においては、非磁性リング４の両端部分３１の内周長さＬは、永久磁石３の外周の包絡線長さＬ₀に対し、Ｌ≦Ｌ₀である。一方、非磁性リング４の中央部分３２の内周長さＬ₂はＬ₀＜Ｌ₂となっている。また、非磁性リング４の一方側の端部には外周側に円径テーパ状に広げられたテーパ部２３が形成されており、そのテーパ部２３の内周径φＤは永久磁石３の外接円径φＤ₀に対し、φＤ₀＜φＤとなっている。

このように構成された非磁性リングは、組付け時に非磁性リング４の内周長Ｌが永久磁石３の外周の包絡線長さＬ_０まで伸びる部位が非磁性リング４の両端部分３１に限定されるため、非磁性リング４の組付け時の挿入力が上述した実施の形態２と同様に緩和され、組付けがより一層容易となる。

また、非磁性リング４の両端部分３１で永久磁石３の周方向位置を規制できるため、上述した実施の形態２のように非磁性リング４の中央部分１点で規制する場合に比べて永久磁石３の倒れを抑制でき、永久磁石３の高精度な周方向位置規制ができる。また、非磁性リング４をテーパ部２３側から永久磁石３の外周に容易に挿入することが可能となり、作業性が向上し低コストを図ることができる。

また、図８においては、非磁性リング４の軸方向の複数部分３３の内周長さＬは、永久磁石３の外周の包絡線長さＬ₀に対し、Ｌ≦Ｌ₀である。一方、非磁性リング４の複数部分３３以外の複数部分３４の内周長さＬ₂はＬ₀＜Ｌ₂となっている。すなわち、非磁性リング４のＬ≦Ｌ₀の部分と非磁性リング４のＬ₀＜Ｌ₂部分とが交互に配置された構成となっている。また、非磁性リング４の一方側の端部には外周側に円径テーパ状に広げられたテーパ部２３が形成されており、そのテーパ部２３の内周径φＤは永久磁石３の外接円径φＤ₀に対し、φＤ₀＜φＤとなっている。

このように構成された非磁性リングは、組付け時にリング内周長ＬがＬ_０まで伸びる部位が限定されるため、非磁性リング４の組付け時の挿入力が上述した実施の形態２、及び図７に示す構成の非磁性リング４と同様に緩和され、組付けがより一層容易となる。また、非磁性リング４の挿入力を緩和しつつ、永久磁石３の周方向位置を軸方向の広い範囲で規制できるため、永久磁石３の倒れを抑制でき、永久磁石３の高精度な周方向位置規制ができる。また、非磁性リング４をテーパ部２３側から永久磁石３の外周に容易に挿入することが可能となり、作業性が向上し低コストを図ることができる。

次に、この実施の形態３における回転電機の回転子の組立方法を説明する。非磁性リング４の内周面又は永久磁石３の外周面に接着剤（図示せず）を塗布し、テーパ状に広げたテーパ部２３側を入り口として非磁性リング４を永久磁石３の外周面へ圧入している。

非磁性リング４で永久磁石３に付勢力を与え、かつ接着剤により固定することで、確実に永久磁石３の周方向位置規制ができる。また、接着剤の潤滑効果により、油等の潤滑剤や高価な潤滑性膜を形成せずに、高い締め代を有する非磁性リング４を低い挿入力で組み付けることができ、非磁性リング４や永久磁石３が破損することを抑制できる。

この発明は、回転子の回転に支障を与えることなく、小型化、低コスト化を図ることができる回転電機の回転子の実現に好適である。

Claims

回転子軸の外周側に配設された回転子鉄心と、前記回転子鉄心に固定され前記回転子鉄心の周方向に複数配置された磁極と、前記複数の磁極の外周に外周形状が多角形状の非磁性リングとを備えた回転電機の回転子の製造方法であって、前記非磁性リングは、平板状の材料を湾曲させてその両端部を接合してリング状に形成する製造工程を有し、前記平板状の材料の継ぎ手部分を除く展開長Ｌ₁ が前記非磁性リングの内周長Ｌに対しＬ ₁ ≦Ｌであり、前記磁極の外周面と隣接する前記磁極の外周面の接線からなる包絡線の長さＬ₀に対し、前記非磁性リングの内周長ＬがＬ≦Ｌ₀であり、前記非磁性リングの少なくとも一方側の端部の内周長Ｌ₃ を、Ｌ₀＜Ｌ₃ に形成する製造工程と、前記非磁性リングを前記磁極の外周面に挿着する製造工程とを有することを特徴とする回転電機の回転子の製造方法。
前記非磁性リングの製造工程において、前記磁極の外周面と隣接する前記磁極の外周面の接線からなる包絡線の長さＬ₀に対し、前記非磁性リングの内周長ＬがＬ≦Ｌ₀である前記非磁性リングの前記回転子軸の軸方向の一部ないし複数個所において、内周長ＬをＬ₀＜Ｌであることを特徴とする請求項１記載の回転電機の回転子の製造方法。
前記非磁性リングの製造工程において、前記磁極の外周面と隣接する前記磁極の外周面の接線からなる包絡線の長さＬ₀、前記磁極の外接円径φＤ₀に対し、前記非磁性リングの内周長ＬがＬ≦Ｌ₀である前記非磁性リングの前記回転子軸の軸方向の一部ないし複数個所において、内周長ＬをＬ₀＜Ｌ≦（π×φＤ₀）に形成する製造工程を有することを特徴とする請求項１記載の回転電機の回転子の製造方法。
前記非磁性リングの製造工程において、前記磁極の外接円径φＤ₀に対し、前記非磁性リングの少なくとも一方側の端部の内周径φＤを、φＤ₀＜φＤの円形状に形成する製造工程を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機の回転子の製造方法。