JP5672662B2

JP5672662B2 - アキシャルギャップ型回転電機用ロータの製造方法

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Publication number: JP5672662B2
Application number: JP2009107731A
Authority: JP
Inventors: 浅野　能成; 能成浅野; 敦之木藤; 智教菊野
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2009-04-27
Filing date: 2009-04-27
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2029-04-27
Also published as: JP2010259251A

Description

本発明は、アキシャルギャップ型回転電機用ロータの製造方法に関する。

アキシャルギャップ型回転電機は、回転軸を中心として回転可能に配設されたロータと、このロータの回転軸方向にギャップを隔てて配設されたステータとを備える回転電機である。アキシャルギャップ型回転電機は、その構造から薄型化できる点や、磁極面積を大きくしてトルク密度を向上できる点で他の構造の回転電機より好ましい。このアキシャルギャップ型回転電機のロータは、主として永久磁石から成る界磁部を、回転軸に対し所定の位置に固定する固定手段が必要である。下記の特許文献１には、界磁部をロータフレーム（ディスク）に固定するための固定部材（カバー部）をロータフレームにレーザ溶接することが開示されている。

特開平２−２６２８６３号公報

しかしながら、図１２（ａ）に示すように、特許文献１に記載のロータ５００は、ロータフレーム５１０に界磁部５２０を固定する固定部材５３０のレーザ照射面５３１が、ロータフレーム５１０の回転軸線Ｃに対し直交していたため、回転軸線Ｃに平行なレーザ光Ｒを固定部材５３０に照射すると、その反射光によってレーザ照射装置５４０自身を焼損するおそれがあった。そこで、従来では、図１２（ｂ）に示すように、レーザ光Ｒの照射方向を回転軸線Ｃに対し傾斜させ、レーザ光Ｒを固定部材５３０のレーザ照射面５３１に斜めに照射することによって、反射光をレーザ照射装置５４０から逸らせてレーザ溶接を行うようにしている。

ところが、この方法によれば、レーザ照射装置５４０のレーザ光Ｒの照射方向を制御しなければならないため、例えば溶接ロボットを使用する場合、レーザ光の照射位置を制御するための３軸制御に加え、レーザ光Ｒの照射角度の制御も必要となった。

また、レーザ光Ｒを固定部材５３０のレーザ照射面５３１に斜めに照射することから、ロータフレーム５１０や固定部材５３０の厚み方向の公差等によってレーザ照射面５３１の回転軸線Ｃ方向の位置が変わると、レーザ溶接部が回転軸線Ｃの直交方向へ位置ずれしてしまう問題があり、この溶接部の位置ずれによって界磁部５２０に熱ダメージを与えるおそれもあった。

本発明は、従来のアキシャルギャップ型回転電機用ロータの製造方法に上記のような問題があったことに鑑みて為されたもので、例えばロボット溶接等による自動化が容易で、高品質なロータを安価に製造することができるアキシャルギャップ型回転電機用ロータの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、回転軸を中心に回転可能なフレームと、該フレームに保持された界磁部と、該界磁部を該フレームに固定する押さえ部材と、を備えたアキシャルギャップ型回転電機用ロータの製造方法であって、前記フレームに当接させた前記押さえ部材にレーザ光を照射して該押さえ部材と該フレームとを、前記フレームの前記回転軸線を回転対称軸とする回転対称な複数の位置において、レーザ溶接する溶接工程において、
予め前記押さえ部材に、該押さえ部材を前記フレームに当接させたとき該フレームの回転軸線に対して傾斜するレーザ照射面を形成し、前記押さえ部材のレーザ照射面に、前記フレームの回転軸線に平行なレーザ光を照射し、前記押さえ部材が、前記界磁部の磁極面の一部を押さえるリング部品から形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、前記押さえ部材が、前記フレームの周方向に並ぶ複数の押さえ片から形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、前記押さえ部材が、前記界磁部と一体に形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、前記押さえ部材と当接する前記フレームの当接面が、該フレームの回転軸線に対し傾斜して形成されていることを特徴としている。

本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機用ロータの製造方法によれば、押さえ部材に予め、フレームに当接させたときフレームの回転軸線に対して傾斜するレーザ照射面を形成しておき、これらレーザ照射面に、回転軸線に平行なレーザ光を照射することによって、レーザ溶接を行うようにしているので、レーザ溶接時に各レーザ照射面による反射光をレーザ照射装置から逸らせることができ、レーザ照射装置自身を焼損するおそれがない。

しかも、レーザ光をフレームの回転軸線に平行に照射しているので、必ずしもレーザ光の照射角度の制御を行う必要がなく、例えばロボット溶接等による自動化が容易である。また、例えばフレームや押さえ部材の厚み方向の公差等によって、回転軸線方向におけるレーザ照射面の面位置が変わっても、レーザ溶接部が回転軸線の直交方向へ位置ずれしてしまう問題もない。したがって、溶接部の位置ずれによって界磁部に熱ダメージを与えてしまうおそれもなく、より高品質なロータを提供することができる。

本実施形態のロータを備えたアキシャルギャップ型回転電機の概略側面図である。本実施形態のロータの分解状態の斜視図である。本実施形態のロータの分解状態の要部断面図である。本実施形態のロータの製造工程を説明する要部断面図である。本実施形態のロータのレーザ溶接部の位置を示す平面図である。本発明に係るロータの変形例を説明する分解状態の斜視図である。本発明に係るロータの他の変形例を説明する組立状態の斜視図である。本発明に係るロータの更に他の変形例を説明する組立状態の要部断面図である。同ロータの押さえ部材のディスク部品の展開状態の平面図である。本発明に係るロータの更に他の変形例を説明する組立状態の要部断面図である。同ロータの界磁部の磁性体の概略斜視図である。従来のロータのレーザ溶接工程の説明図であり、同図（ａ）は回転軸線に平行なレーザ光を照射した場合の概略断面図であり、同図（ｂ）は回転軸線に対し斜めにレーザ光を照射した場合の概略断面図である。

本発明に係るロータは、アキシャルギャップ型回転電機に使用されるものである。図１の概略図に示すように、アキシャルギャップ型回転電機１は、回転軸２を中心として回転可能に配設されたロータ１０と、このロータ１０の回転軸方向の両側に所定のギャップを隔てて配設された第一ステータ２０及び第二ステータ３０と、を備えている。第一ステータ２０は、バックヨーク２１と、バックヨーク２１に立設されたティース２２と、ティース２２に巻回されたコイル２３とから構成されており、第二ステータ３０は、バックヨーク３１から構成されている。第一ステータ２０及び第二ステータ３０は、不図示の容器内に固定され、回転軸２が回転可能に貫通している。

本実施形態のロータ１０は、回転軸２に固定され、回転軸２を中心に回転可能な非磁性体から成るフレーム１１と、このフレーム１１に保持された界磁部１２と、界磁部１２をフレーム１１に固定する押さえ部材１３と、から構成されている。

フレーム１１は、図２の分解斜視図に示すように、回転軸２（不図示）を挿通可能な軸孔１１１を有する内周部１１２と、この内周部１１２の外側面から放射状に突設された計６本のスポーク部１１３と、このスポーク部１１３の先端に設けられた外周部１１４とから構成されており、これら内周部１１２の外側面と、各スポーク部１１３の側面と、外周部１１４の内側面とで仕切られた計６つの界磁部保持孔１１５を有している。

界磁部１２は、図１及び図２に示すように、上記フレーム１１の界磁部保持孔１１５内に保持される計６つの扇状の永久磁石１２１と、各永久磁石１２１に積層されて同じ界磁部保持孔１１５内に保持される計６つの扇状の磁性体１２２と、から構成されている。

永久磁石１２１は、磁束密度を大きくするために、焼結された希土類磁石、特にＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系（ネオジウム・鉄・ボロン）から構成することが好ましい。また、希土類磁石、特に焼結した希土類磁石は導電率が高く、第一ステータ２０から発生する回転磁界により渦電流損が生じ易い。このため、磁性体１２２は、希土類磁石に比べて導電率の小さい磁性材から構成され、永久磁石１２１に対し第一ステータ２０側に配置されることにより、渦電流損を低減できる。特に、ＰＷＭ制御する場合、キャリア成分の高周波の磁束の変化による渦電流損を低減できる。また、磁性体１２２を磁気的に等方性を有する圧粉磁心から構成すれば、磁性体１２２において渦電流損が生じ難くできる。また、永久磁石１２１が第一ステータ２０側で発生させる界磁磁束のうちの殆どが磁性体１２２を通るので、磁性体１２２の第一ステータ２０側の表面は、実質的に界磁部１２の極磁面として機能する。

押さえ部材１３は、図１及び図２に示すように、上記フレーム１１の界磁部保持孔１１５内に保持された界磁部１２をフレーム１１に固定するものである。本実施形態では、フレーム１１の回転軸線Ｃ方向の両側にそれぞれ、押さえ部材１３がレーザ溶接されて界磁部１２が固定されている。

本実施形態では、フレーム１１の第一ステータ２０側で界磁部１２を固定する押さえ部材１３が、小径のリング部品１３１、及び大径のリング部品１３２から形成されており、フレーム１１の第二ステータ３０側で界磁部１２を固定する押さえ部材１３が、ディスク部品１３３から形成されている。図１に示すように、小径のリング部品１３１が界磁部１２の第一ステータ２０側の磁極面の内縁の一部を押さえた状態でフレーム１１にレーザ溶接されており、大径のリング部品１３２が界磁部１２の第一ステータ２０側の磁極面の外縁の一部を押さえた状態でフレーム１１にレーザ溶接されている。そして、ディスク部品１３３が界磁部１２の第二ステータ３０側の磁極面の全部を押さえた状態でフレーム１１にレーザ溶接されている。

このディスク部品１３３は、軟磁性の電磁鋼板から形成されており、界磁部１２の第二ステータ３０側の磁束を部分的に短絡する機能を有する。この機能によって、第二ステータ３０とロータ１０との間に働く磁気吸引力が、第一ステータ２０とロータ１０との間に働く磁気吸引力よりも強い場合に、第二ステータ３０とロータ１０との間に働く磁気吸引力を弱めることができる。この機能が不要であれば、ディスク部品１３３の代わりにリング部品を使用してもよい。

以下、図３〜図５を参照しながら、本実施形態のアキシャルギャップ型回転電機用ロータ１０の製造方法について説明する。

まず、準備工程として、ロータ１０を構成するフレーム１１、界磁部１２、及び押さえ部材１３をそれぞれ準備する。即ち、図３に示すように、予めフレーム１１の内周部１１２の外縁における第一ステータ２０側の端面に、フレーム１１の回転軸線Ｃと直交する平面状の当接面１１２１を形成すると共に、第二ステータ３０側の端面に、回転軸線Ｃとは反対側へ傾斜する円錐側面状の当接面１１２２を形成しておく。さらに、フレーム１１の外周部１１４の内縁における第一ステータ２０側の端面に、回転軸線Ｃと直交する平面状の当接面１１４１を形成すると共に、第二ステータ３０側の端面に、回転軸線Ｃへ向かって傾斜する円錐側面状の当接面１１４２を形成しておく。このフレーム１１は、非磁性のステンレス鋼から形成されていることが好ましく、例えば、鋳造、粉末成形、切削・研削加工、打抜加工等によって形成することができる。

また、予め押さえ部材１３の小径のリング部品１３１の第一ステータ２０側の端面に、回転軸線Ｃとは反対側へ傾斜する円錐側面状のレーザ照射面１３１１を形成すると共に、第二ステータ３０側の端面に、回転軸線Ｃと直交する平面状の当接面１３１２を形成しておく。さらに、大径のリング部品１３２の第一ステータ２０側の端面に、回転軸線Ｃへ向かって傾斜する円錐側面状のレーザ照射面１３２１を形成すると共に、第二ステータ３０側の端面に、回転軸線Ｃと直交する平面状の当接面１３２２を形成しておく。これらリング部品１３１、１３２は、非磁性のステンレス鋼から形成されていることが好ましく、例えば、鋳造、粉末成形、切削・研削加工、打抜加工、曲げ・絞り加工等によって形成することができる。

また、予め押さえ部材１３のディスク部品１３３の内縁における第一ステータ２０側の板面に、回転軸線Ｃへ向かって傾斜する円錐側面状の当接面１３３１を形成すると共に、第二ステータ３０側の板面に、回転軸線Ｃとは反対側へ傾斜する円錐側面状のレーザ照射面１３３２を形成しておく。さらに、ディスク部品１３３の外縁における第一ステータ２０側の板面に、回転軸線Ｃとは反対側へ傾斜する円錐側面状の当接面１３３３を形成すると共に、第二ステータ３０側の板面に、回転軸線Ｃへ向かって傾斜する円錐側面状のレーザ照射面１３３４を形成しておく。

このディスク部品１３３の当接面１３３１、１３３３の回転軸線Ｃに対する傾斜角度はそれぞれ、上記フレーム１１の当接面１１２２、１１４２の回転軸線Ｃに対する傾斜角度と同一である。本実施形態のディスク部品１３３は、電磁鋼板材の打抜き、プレス加工によって形成されており、ディスク部品１３３の内縁の当接面１３３１とレーザ照射面１３３２、外縁の当接面１３３３とレーザ照射面１３３４とはそれぞれ平行で、ディスク部品１３３の厚みは全体に亘ってほぼ一定に形成されている。

これらフレーム１１、界磁部１２、及び押さえ部材１３をそれぞれ準備した後、まず、図３及び図４に示すように、押さえ部材１３のディスク部品１３３をフレーム１１にレーザ溶接する。即ち、ディスク部品１３３の当接面１３３１、１３３３をそれぞれ、フレーム１１の当接面１１２２、１１４２に当接させ、フレーム１１の回転軸線Ｃに平行なレーザ光Ｒをディスク部品１３３のレーザ照射面１３３２、１３３４にそれぞれ照射することによって、ディスク部品１３３をフレーム１１にレーザ溶接するのである。図４では、レーザ光Ｒを下方から照射するように図示しているが、実際には、フレーム１１及びディスク部品１３３を上下反転させた状態でディスク部品１３３の上方からレーザ光を照射してレーザ溶接する。

次に、フレーム１１の界磁部保持孔１１５内に、永久磁石１２１と磁性体１２２とから成る界磁部１２を収納する。界磁部１２の永久磁石１２１は予め着磁されていてもよく、後で着磁するようにしてもよい。

次に、図４に示すように、押さえ部材１３のリング部品１３１、１３２をフレーム１１にレーザ溶接する。即ち、リング部品１３１、１３２の当接面１３１２、１３２２をそれぞれ、フレーム１１の当接面１１２１、１１４１に当接させ、フレーム１１の回転軸線Ｃに平行なレーザ光Ｒを、リング部品１３１、１３２のレーザ照射面１３１１、１３２１にそれぞれ照射することによって、リング部品１３１、１３２をフレーム１１にレーザ溶接する。こうして、フレーム１１の界磁部保持孔１１５内で界磁部１２が固定され、アキシャルギャップ型回転電機用ロータ１０が製造されるのである。

なお、図４に示すように、このレーザ溶接による溶接部Ｗは、レーザ光Ｒの照射方向に沿って形成され、各溶接部Ｗのレーザ照射軸線は、レーザ光Ｒの照射軸線と一致することになる。図５（ａ）に示すように、このレーザ溶接による溶接部Ｗは点状であってもよく、図５（ｂ）に示すように円弧状であってもよい。上述したディスク部品１３３とフレーム１１とのレーザ溶接においても同様である。また、フレーム１１のスポーク部１１３で押さえ部材１３をレーザ溶接してもよい。

このように本実施形態のアキシャルギャップ型回転電機用ロータの製造方法によれば、界磁部１２を固定するための押さえ部材１３をフレーム１１にレーザ溶接する工程において、押さえ部材１３に予め、フレーム１１に当接させたとき回転軸線Ｃに対して傾斜するレーザ照射面（１３１１、１３２１、１３３２、１３３４）を形成しておき、これらレーザ照射面に、回転軸線Ｃに平行なレーザ光Ｒを照射することによって、レーザ溶接を行うようにしているので、レーザ溶接時に各レーザ照射面による反射光をレーザ照射装置から逸らせることができ、レーザ照射装置自身を焼損するおそれがない。

しかも、レーザ光Ｒをフレーム１１の回転軸線Ｃに平行に照射しているので、必ずしもレーザ光Ｒの照射角度の制御を行う必要がなく、例えばロボット溶接等による自動化が容易である。

また、レーザ光Ｒをフレーム１１の回転軸線Ｃに平行に照射しているので、例えば、フレーム１１や押さえ部材１３の厚み方向の公差等によって、回転軸線Ｃ方向におけるレーザ照射面の面位置が変わっても、レーザ溶接部Ｗが回転軸線Ｃの直交方向へ位置ずれしてしまう問題もない。したがって、溶接部Ｗの位置ずれによって界磁部１２に熱ダメージを与えてしまうおそれもなく、より高品質なロータを提供することができる。

また、本実施形態のロータの製造方法によれば、フレーム１１の当接面（１１２２、１１４２）を回転軸線Ｃに対し傾斜させて形成しているので、これら当接面（１１２２、１１４２）に、厚み一定のディスク部品１３３を当接させることによっても、回転軸線Ｃに対して傾斜するレーザ照射面（１３３２、１３３４）を得ることができる。したがって、押さえ部材１３をより簡単に形成することができ、ロータの製造コストを抑えることができる。

以上、本実施形態のロータの製造方法について説明したが、本発明はその他の形態でも実施することができる。

例えば、上記実施形態では、図３に示すように、押さえ部材１３のリング部品１３１、１３２の端面の全周に亘ってレーザ照射面１３１１、１３２１を形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、図６に示すロータ１０Ａのように、押さえ部材１３Ａのリング部品１３４、１３５の端面に部分的に複数のレーザ照射面１３４１、１３５１を形成してもよい。また、図６に示す界磁部１２Ａのように、磁性体１２３に段部１２３１、１２３２を形成し、これら段部１２３１、１２３２に上記リング部品１３４、１３５を係合させて固定してもよい。このことで、押さえ部材１３Ａをフレーム１１にレーザ溶接したとき、界磁部１２Ａの磁極面１２３３を、押さえ部材１３Ａのリング部品１３４、１３５の端面よりも突出させることができ、アキシャルギャップ型回転電機のエアギャップをより小さくすることができる。

また、図７に示すロータ１０Ｂのように、押さえ部材１３Ｂを、フレーム１１の周方向に並ぶ複数の押さえ片１３６、１３７から形成し、各押さえ片１３６、１３７の端面に、回転軸線Ｃに対し傾斜するレーザ照射面１３６１、１３７１を形成してもよい。このことで、押さえ部材１３Ｂをより簡単に形成することができ、ロータ１０Ｂの製造コストを抑えることができる。

また、図８に示すロータ１０Ｃのように、フレーム１１Ｃの端面を回転軸心Ｃに対し傾斜させるだけでなく、界磁部１２Ｃの磁極面（永久磁石１２４の磁極面１２４１及び又は磁性体１２５の磁極面１２５１）についても、回転軸心Ｃに対し傾斜させてもよい。このことで、押さえ部材１３Ｃとして、レーザ照射面１３８１、１３９１と当接面１３８２、１３９２とがそれぞれ平行に形成されたリング部品１３８、１３９を採用することができ、また、ディスク内縁における当接面１４０１とレーザ照射面１４０２、ディスク外縁における当接面１４０３とレーザ照射面１４０４とが平行で、ディスク全体の厚みがほぼ一定な円錐側面形状のディスク部品１４０を採用することができる。このディスク部品１４０は、図９に示すように、優弧扇状の平板材１４１を、その一の端部１４２から順にフレーム１１Ｃにレーザ溶接してゆき、一の端部１４２と他の端部１４３とをフレーム１１Ｃの端面上で突き合わせるようにして円錐側面形状に形成することもできる。

また、図１０に示すロータ１０Ｄのように、押さえ部材１３Ｄを界磁部１２Ｄと一体に形成してもよい。ロータ１０Ｄの界磁部１２Ｄは、焼結された希土類磁石から成る永久磁石１２６と、この永久磁石１２６を両側から挟む一対の磁性体１２７とから構成されている。そして、図１１に示すように、磁性体１２７の縁部に部分的に、回転軸心Ｃに対し傾斜したレーザ照射面１４１１を有する鍔部１４１が、押さえ部材１３Ｄとして一体に形成されている。磁性体１２７はその鍔部１４１を含めて電磁鋼板の積層体から形成されており、この積層体から成る鍔部１４１がフレーム１１Ｄにレーザ溶接されている。この鍔部１４１のレーザ照射面１４１１は、回転軸線Ｃに対し傾斜しているため、界磁部１２Ｄの磁極面１２７１よりもステータとの間隔（エアギャップ）が大きくなる。したがって、ロータ１０Ｄにおいては、積層体から成る鍔部１４１のレーザ溶接による磁気特性の劣化の影響を少なくすることができる。

また、本発明において、押さえ部材のレーザ照射面は、この押さえ部材をフレームに当接させたときフレームの回転軸線に対して傾斜していれば足り、その傾斜方向、傾斜角度は種々の設計変更が可能である。レーザ照射面をフレームの半径方向に傾斜させる他、フレームの円周方向に傾斜させてもよい。例えば、フレーム１１の回転軸線Ｃに向かって内側へ傾斜させれば、レーザ反射光が作業者に照射される危険を防ぐことができる。

また、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲内で、当業者の知識に基づいて種々の改良、修正、変形を加えた態様で実施し得る。同一の作用又は効果が生じる範囲内でいずれかの発明特定事項を他の技術に置換した形態で実施しても良く、また、一体に構成されている発明特定事項を複数の部材から構成したり、複数の部材から構成されている発明特定事項を一体に構成した形態で実施しても良い。

１：アキシャルギャップ型回転電機
１０：ロータ
１１：フレーム
１１２１、１１２２、１１４１、１１４２：当接面
１２：界磁部
１３：押さえ部材
１３１、１３２：リング部品
１３１１、１３２１：レーザ照射面
１３３：ディスク部品
１３３２：レーザ照射面
１３６、１３７：押さえ片
１３６１、１３７１：レーザ照射面
１４１：鍔部
１４１１：レーザ照射面
２：回転軸
Ｃ：回転軸線
Ｒ：レーザ光
Ｗ：レーザ溶接部

Claims

回転軸を中心に回転可能なフレームと、該フレームに保持された界磁部と、該界磁部を該フレームに固定する押さえ部材と、を備えたアキシャルギャップ型回転電機用ロータの製造方法であって、
前記フレームに当接させた前記押さえ部材にレーザ光を照射して該押さえ部材と該フレームとを、前記フレームの前記回転軸線を回転対称軸とする回転対称な複数の位置において、レーザ溶接する溶接工程において、
予め前記押さえ部材に、該押さえ部材を前記フレームに当接させたとき該フレームの回転軸線に対して傾斜するレーザ照射面を形成し、
前記押さえ部材のレーザ照射面に、前記フレームの回転軸線に平行なレーザ光を照射し、
前記押さえ部材が、前記界磁部の磁極面の一部を押さえるリング部品から形成されていることを特徴としたアキシャルギャップ型回転電機用ロータの製造方法。
前記押さえ部材が、前記フレームの周方向に並ぶ複数の押さえ片から形成されている請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機用ロータの製造方法。
前記押さえ部材が、前記界磁部と一体に形成されている請求項１又は２に記載のアキシャルギャップ型回転電機用ロータの製造方法。
前記押さえ部材と当接する前記フレームの当接面が、該フレームの回転軸線に対し傾斜して形成されている請求項１〜３のいずれかに記載のアキシャルギャップ型回転電機用ロータの製造方法。