JP5975131B2 - 回転子の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は回転子を製造する技術に関し、特にいわゆるラジアルギャップ形の回転電機に採用される回転子を製造する技術に関する。

特許文献１には、永久磁石を内蔵し、花弁型磁極面を有するロータ（回転子）が紹介されている。かかるロータとステータ（固定子）との間のエアギャップ（空隙）での磁束密度分布は正弦波分布に近く、以てコギングトルクを改善することが示されている。

なお、本発明に関連する先行技術文献として、特許文献２〜４を挙げる。これらはいずれもロータコアのスリット内に樹脂磁石を充填する技術を開示する。

特開２００３−８８０１５号公報 特許第４７２６１０５号公報 特開２０１３−１２３３０３号公報 特開２０１３−２４０２０７号公報

特許文献１では、このようなロータは複数個の珪素鋼板からなることが示されるものの、その具体的な製造方法については黙している。

通常、このような珪素鋼板の各々は、長尺状の珪素鋼板から打ち抜きによって得られる。よって通常の手法を用いて特許文献１で開示されたロータを得るためには、花弁型磁極面を有する珪素鋼板を、長尺状の珪素鋼板から打ち抜くことになる。このような打ち抜きは、通常の回転子を作製する場合のように真円の鋼板を打ち抜く場合と比較すると、打ち抜きの対象となる（つまり打ち抜かれる前の長尺状の）珪素鋼板において、回転子の作製に不要な部位が増えることとなる。かかる不要な部位の増加は、回転子を製造するための珪素鋼板にとっては、歩留まりの低さを意味する。

よって本願は、空隙における磁束密度を正弦波に近づけてコギングトルクを低減する回転子を得るに際し、そのコアを鋼板の積層として得る場合でも、当該鋼板の打ち抜きにおける歩留まりを高める技術を提供することを目的とする。

この発明は、回転子（１）を製造する方法である。当該方法は、第１工程と第２工程とを備える。

前記回転子は、電機子たる固定子（２）に囲まれて前記固定子と共に回転電機（３）に備えられる。前記回転子は前記回転電機の回転軸（Ｊ）に対する径方向において前記固定子と空隙（ｄ）を介して対向する。前記回転子は、前記回転軸に沿って延在するコア（１１）及び前記コアに埋め込まれた永久磁石（１２）を有する。

前記第１工程は、軟磁性体（１０）を変形させて前記コアを得る。前記軟磁性体は、外周面（１０ａ，１０ｂ）を有して中心軸（Ｐ）に沿って延在する。前記軟磁性体は、前記中心軸に沿って見た一対の端部（１３ｂ）が前記外周面に最も近づいて前記中心軸の周りに配列されるスロット（１３）の複数が空く。

前記第１工程では、前記スロットへ磁石材料（１４）を射出して前記軟磁性体を変形させる。当該変形により、前記外周面を、隣接する前記スロットの間の前記中心軸に対する周方向の第１の位置（４１）よりも前記スロットの前記端部から離れた前記周方向の第２の位置（４２）において、前記中心軸から遠ざける。

前記第２工程は、前記磁石材料を着磁して前記永久磁石を得る。

前記第１工程により、前記外周面が、前記一対の前記端部（１３ｂ）同士の間の中央である第３の位置（４２ｃ）において、前記中心軸から最も遠ざかる。
そして、前記第３の位置（４２ｃ）における前記外周面と前記中心軸（Ｐ）との間の距離（Ｒ４２）と、前記第１の位置（４１）における前記外周面と前記中心軸との間の距離（Ｒ４１）との差を、前記空隙（ｄ）の最大値（ｄ４１）で除した値の百分率が２０％以上である。あるいは前記第１工程と前記第２工程とは並行して実行される。あるいは前記回転子（１）には、シャフトが填め込まれるシャフト貫通孔（１５）が空き、前記第１工程では、前記シャフト貫通孔に相当した、前記軟磁性体（１０）のシャフト貫通孔（１５）において前記軟磁性体が保持される。
あるいは前記第１工程により、前記外周面が、前記一対の前記端部（１３ｂ）同士の間の中央の位置（４２ｃ）よりも、前記回転子（１）の回転方向（Ｍ）の遅れ側において、前記中心軸から最も遠ざかる。そして前記第１工程と前記第２工程とは並行して実行される。あるいは前記回転子（１）には、シャフトが填め込まれるシャフト貫通孔（１５）が空き、前記第１工程では、前記シャフト貫通孔に相当した、前記軟磁性体（１０）のシャフト貫通孔（１５）において前記軟磁性体が保持される。
これらにおいて望ましくは、前記軟磁性体（１０）は、前記第１工程によって変形されることにより、その前記端部（１３ｂ）から離れて位置する部分の曲率半径が減少する。

この発明にかかる回転子の製造方法で得られた回転子を、その中心軸を回転電機の回転軸に一致させることにより、回転子と固定子との間の空隙が、磁極において狭く、磁極間において広い回転電機が得られる。当該回転電機では空隙における磁束密度が正弦波に近づくので、コギングトルクを低減することができる。しかも、当該製造方法では、軟磁性体を鋼板の積層として得る場合でも、当該鋼板の打ち抜きにおける歩留まりを高めることができる。

本実施の形態にかかる回転電機の構成を示す断面図である。 回転子を製造する工程を説明する断面図である。 回転子を拡大して示す断面図である。 回転子の他の態様を拡大して示す断面図である。 回転子の好適な形状を説明する断面図である。 回転子の好適な形状の効果を示すグラフである。 回転子の他の好適な形状を説明する断面図である。 回転子の更に他の好適な形状を説明する断面図である。

図１は回転電機３の構成を示す断面図である。回転電機３は回転子１と固定子２とを備えており、これらは簡略化して示されている。

固定子２は電機子であるが、電機子が通常有する電機子巻線、当該電機子巻線が巻回されるティースは省略され、単なる円筒形状として大まかに示されている。

回転子１は、回転電機３の回転軸Ｊに沿って延在するコア１１と、永久磁石１２とを有する。永久磁石１２はコア１１に埋め込まれる。コア１１の回転軸Ｊ近傍には、シャフト（図示省略）が填め込まれるシャフト貫通孔１５が空けられる。

回転子１は固定子２に囲まれる。より具体的には、回転子１は、回転軸Ｊに対する径方向において、固定子２と空隙ｄを介して対向する。

後述するように、回転子１の回転軸Ｊから見た外径は、真円ではない。よって空隙ｄは回転軸Ｊに対する周方向において一定ではない。但し図１では図の繁雑を避けるため、そのような回転子１の外径の変動の詳細は示されていない。よって空隙ｄの変動の詳細も示されていない。

図２は、図１にかかる回転子１を製造する工程を説明する断面図である。軟磁性体１０は、外周面１０ａ（破線で示す）を有して中心軸Ｐに沿って延在する。例えば外周面１０ａは中心軸Ｐに沿って見てほぼ真円を呈する。後に説明する工程により、外周面１０ａは外周面１０ｂへと変形する。

軟磁性体１０にはスロット１３の複数が空いており、スロット１３も中心軸Ｐに沿って延在する。スロット１３は中心軸Ｐの周りに配列される。中心軸Ｐから見たスロット１３は、その一対の端部１３ｂが外周面１０ａに最も近づいている。

軟磁性体１０には中心軸Ｐ近傍にシャフト貫通孔１５が空いており、これが回転子１のシャフト貫通孔１５に相当する。よってこれらのシャフト貫通孔１５は同じ符号を用いて示した。

磁石材料１４がスロット１３に射出されることによって、磁石材料１４はスロット１３の形状に沿って成形される。このような射出成形は特許文献２等で周知であるので、その説明の詳細を省略する。磁石材料１４としては例えばボンド磁石の材料を採用することができる。

通常、特許文献３，４に示唆されるように、その射出によるロータコアの変形は望ましくないとされてきた。しかし本願では、磁石材料１４の射出による軟磁性体１０の変形を、肯定的に利用して、回転子１の望ましい形状を得る。

具体的には、スロット１３に磁石材料１４を射出することにより、外周面１０ａは部分的に径方向外側に突出して外周面１０ｂとなる。

より具体的には、位置４１，４２を導入して以下のように説明される。位置４１は、隣接するスロット１３の間の、中心軸Ｐに対する周方向の位置である。位置４２は、スロット１３の、端部１３ｂから離れた周方向の位置である。スロット１３には磁石材料１４が射出されるので、後述するように磁石材料１４から永久磁石１２を得ることにより、位置４１は磁極間の位置として、位置４２は磁極内の位置として、それぞれ把握することができる。なお、位置４２のうち、一対の端部１３ｂ同士の間の中央の位置４２ｃも併記した。位置４２ｃは磁極中心として把握できる。

外周面１０ａは、スロット１３に磁石材料１４を射出することに伴って変形し、外周面１０ｂとなる。外周面１０ｂは、位置４１よりも位置４２において中心軸Ｐから遠く離れる。このようにして変形した軟磁性体１０はコア１１となる。

このように部分的に軟磁性体１０が変形する理由としては次の二つが考えられる。第１の理由は、位置４１においては径方向にスロット１３が存在しないことにより、軟磁性体１０が変形しにくいことである。第２の理由は、位置４２においては径方向にスロット１３が存在するので、スロット１３の端部１３ｂ以外の部分（中央部１３ａ）が磁石材料１４の射出によって拡がることである。

磁石材料１４から永久磁石１２を得るためには、周知の着磁技術を採用することができる。例えば磁石材料１４をスロット１３へ射出する工程と並行して、当該着磁を行う工程を実行してもよい。あるいは射出する工程の後に、着磁を行ってもよい。

スロット１３への磁石材料１４の射出の際、シャフト貫通孔１５において軟磁性体１０を保持することにより、外周面１０ａが外周面１０ｂへと変形することは妨げられない。

以上の工程を有する製造方法により、軟磁性体１０は変形してコア１１となり、磁石材料１４は永久磁石１２となって、回転子１が作製される。

図３は回転子１の形状を拡大して示す断面図である。位置４１及びその近傍ではコア１１は径方向外側へと膨らんではいないのに対して、位置４１から離れるに連れて外周面１０ｂが膨らんでいる。よって端部１３ｂから離れて位置する部分では、（変形後の）外周面１０ｂの曲率半径は、（変形前の）外周面１０ａの曲率半径よりも減少する。

このような中央部１３ａの広がりをもたらすためには、磁石材料１４をスロット１３へ射出する際に、その射出量を増大させることが望ましい。しかもそのような射出量の増大は、回転子１に設けられる永久磁石１２の体積を増大させ、以て回転子１が発生する磁束量を増大させる観点においても、また望ましい。

軟磁性体１０の変形を防止するという観点であれば、スロット１３への磁石材料１４の射出量は控えるべきであろう。これに対して、射出量の増大は、磁石材料１４とスロット１３との接触面積の増大を招来する。これは磁石材料１４と軟磁性体１０との密着性、引いては永久磁石１２とコア１１との密着性が向上するという観点でも、また望ましい。

以上の製造方法によって作製された回転子１は、その中心軸Ｐを、回転軸Ｊと一致させることにより、回転電機３が得られる。そして外周面１０ｂは磁極部分において膨らみ、磁極間において膨らまないので、磁極部分における空隙ｄよりも磁極間における空隙ｄを広くできる。これは特許文献１等でも示されるように、空隙での磁束分布を正弦波状にする観点で望ましい。

しかも、軟磁性体１０の外周面１０ａをほぼ真円としても、上述のように膨らんだ外周面１０ｂを得ることができる。よって長尺状の鋼板から打ち抜く際に要求される形状はほぼ真円とすることができ、歩留まりが向上する。

なお、外周面１０ａから外周面１０ｂへの変形は弾性変形であるか、塑性変形であるかを問わない。

図１乃至図３ではスロット１３が、中心軸Ｐあるいは回転軸Ｊに沿って見て、外周面１０ａ，１０ｂに対して凹となる形状である場合が図示された。但しスロット１３は、一対の端部１３ｂを有し、これらがスロット１３のうち最も外周面１０ａ，１０ｂに近ければ、図示された以外の形状でもよい。例えば中心軸Ｐあるいは回転軸Ｊに沿って見て、スロット１３が呈する形状は、外周面１０ａ，１０ｂに対して凸となる形状であってもよい。具体的にはスロット１３が呈する形状は、円弧、あるいはＶ字型、Ｕ字型の形状を取り得る。

図４は回転子１の他の態様を示す断面図である。回転軸Ｊ（図１参照）に沿って見て、スロット１３が外周面１０ｂに対して凸となる形状を呈し、よって永久磁石１２も同様の形状を呈する。ここではスロット１３及び永久磁石１２がＶ字型を呈する場合が例示される。

あるいは中心軸Ｐあるいは回転軸Ｊに沿って見て、スロット１３が呈する形状は直線状であってもよい。

中心軸Ｐあるいは回転軸Ｊに沿って見て、スロット１３が呈する形状が外周面１０ａ，１０ｂに対して凹となる場合よりも、直線状、あるいは凸となる場合の方が、磁石材料１４による変形は顕著に発生しやすい観点で望ましい。

図２、図３，図４では見かけ上、外周面１０ｂは磁極中心である位置４２ｃにおいて、最も中心軸Ｐから遠い。当該実施の形態ではそのような形状を必ずしも前提はしないが、外周面１０ｂが位置４２ｃにおいて最も中心軸Ｐから遠ざかることはトルクリプルや磁束波形の高調波を低減する観点で望ましい。

そのような形状において、更に好適な条件が存在する。図５は回転子１のかかる形状を説明する断面図である。但し外周面１０ｂの形状を把握しやすくするため、軟磁性体１０及び外周面１０ａを併記した。

外周面１０ｂは位置４２ｃにおいて最も中心軸Ｐから遠い。位置４２ｃにおける外周面１０ｂと中心軸Ｐとの距離は、距離Ｒ４２として図示されている。外周面１０ｂは位置４１において最も中心軸Ｐに最も近い。位置４１における外周面１０ｂと中心軸Ｐとの距離は、距離Ｒ４１として図示されている。

このような形状を有する回転子１が回転電機３に採用された場合、空隙ｄ（図１参照）の最大値は位置４１において得られる。これは通常、固定子２が有するティース（図示省略）は、その回転子１側の面が真円となる設計がなされているからである。

位置４１における空隙ｄの値（これは上述の様に空隙ｄの最大値である）を値ｄ４１とする。今、パラメタとして（Ｒ４２−Ｒ４１）／ｄ４１を採用する。換言すれば当該パラメタは、位置４２ｃにおける外周面１０ｂと中心軸Ｐとの間の距離Ｒ４２と、位置４１における外周面１０ｂと中心軸Ｐとの間の距離Ｒ４１との差を、空隙ｄの最大値ｄ４１で正規化した値であるといえる。

図６は、当該パラメタを百分率で表した値と、９次高調波含有率との関係を示すグラフである。この９次高調波含有率は、図５を用いて説明された外周面１０ｂを呈する回転子１を用いた回転電機３を駆動したときに、当該回転電機３に流れる電流に対する、当該電流の基本周波数の９次となる周波数成分の割合を百分率で示した値である。但し図６において９次高調波含有率は線形のスケールを採用した。

図６から分かるように、当該パラメタが２０％を超えると、９次高調波含有率は急激に低下する。当該低下は、回転電機３に流れる電流の高調波成分が低減されることを意味し、望ましい。よって当該パラメタは２０％以上であることが望ましい。

なお、当該パラメタが２０％未満であっても、外周面１０ｂが位置４２ｃにおいて最も中心軸Ｐから遠ざからなくても、高調波抑制の観点で効果があることは、特許文献１等で公知の知識に鑑みて明白である。

図７及び図８は、外周面１０ｂの、従って回転子１の、他の好適な形状を示す断面図である。図７及び図８において示される符号は、図２や図５で示される符号と同じ意義を有している。但し、回転子１の回転方向Ｍが追記されている。

図７及び図８で示される外周面１０ｂは、いずれも、位置４２における外周面１０ｂと中心軸Ｐとの距離が、位置４１における外周面１０ｂと中心軸Ｐとの距離よりも大きい点で共通している。但し、外周面１０ｂが最も中心軸Ｐから遠い位置は（磁極中心である）位置４２ｃよりも回転方向Ｍに対して、図７では遅れ側に、図８では進み側に、それぞれずれている。

図７に示される場合では、回転電機３の鉄損が低減される利点が得られる。これは回転子１の回転方向Ｍに対して遅れる側で空隙ｄが小さくなり、以て磁束密度分布の均一化が顕著となるからである。そしてかかる均一化は磁束密度の最大値の影響を受ける鉄損の低下を招来するからである。

図８に示される場合では、回転電機３のトルクが向上する利点が得られる。これは、回転電機３のトルクは主として回転方向Ｍ側で発生し、トルクは空隙ｄが小さいほど増大するからである。

１ 回転子
１０ 軟磁性体
１０ａ，１０ｂ 外周面
１１ コア
１２ 永久磁石
１３ スロット
１３ｂ 端部
１４ 磁石材料
１５ シャフト貫通孔
２ 固定子
３ 回転電機
４１，４２，４２ｃ 位置
Ｊ 回転軸
Ｐ 中心軸

Claims (6)

1. 電機子たる固定子（２）に囲まれて前記固定子と共に回転電機（３）に備えられ、前記回転電機の回転軸（Ｊ）に対する径方向において前記固定子と空隙（ｄ）を介して対向し、前記回転軸に沿って延在するコア（１１）及び前記コアに埋め込まれた永久磁石（１２）を有する回転子（１）を製造する方法であって、
   外周面（１０ａ，１０ｂ）を有して中心軸（Ｐ）に沿って延在し、前記中心軸に沿って見た一対の端部（１３ｂ）が前記外周面に最も近づいて前記中心軸の周りに配列されるスロット（１３）の複数が空いた軟磁性体（１０）において、前記スロットへ磁石材料（１４）を射出して前記軟磁性体を変形させることにより、前記外周面を、隣接する前記スロットの間の前記中心軸に対する周方向の第１の位置（４１）よりも前記スロットの前記端部から離れた前記周方向の第２の位置（４２）において、前記中心軸から遠ざけて前記コアを得る第１工程と、
   前記磁石材料を着磁して前記永久磁石を得る第２工程と
   を備え、
   前記第１工程により、前記外周面が、前記一対の前記端部（１３ｂ）同士の間の中央である第３の位置（４２ｃ）において、前記中心軸から最も遠ざかり、
   前記第１工程により、前記第３の位置（４２ｃ）における前記外周面と前記中心軸（Ｐ）との間の距離（Ｒ４２）と、前記第１の位置（４１）における前記外周面と前記中心軸との間の距離（Ｒ４１）との差を、前記空隙（ｄ）の最大値（ｄ４１）で除した値の百分率が２０％以上である、回転子の製造方法。
2. 電機子たる固定子（２）に囲まれて前記固定子と共に回転電機（３）に備えられ、前記回転電機の回転軸（Ｊ）に対する径方向において前記固定子と空隙（ｄ）を介して対向し、前記回転軸に沿って延在するコア（１１）及び前記コアに埋め込まれた永久磁石（１２）を有する回転子（１）を製造する方法であって、
   外周面（１０ａ，１０ｂ）を有して中心軸（Ｐ）に沿って延在し、前記中心軸に沿って見た一対の端部（１３ｂ）が前記外周面に最も近づいて前記中心軸の周りに配列されるスロット（１３）の複数が空いた軟磁性体（１０）において、前記スロットへ磁石材料（１４）を射出して前記軟磁性体を変形させることにより、前記外周面を、隣接する前記スロットの間の前記中心軸に対する周方向の第１の位置（４１）よりも前記スロットの前記端部から離れた前記周方向の第２の位置（４２）において、前記中心軸から遠ざけて前記コアを得る第１工程と、
   前記磁石材料を着磁して前記永久磁石を得る第２工程と
   を備え、
   前記第１工程により、前記外周面が、前記一対の前記端部（１３ｂ）同士の間の中央である第３の位置（４２ｃ）において、前記中心軸から最も遠ざかり、
   前記第１工程と前記第２工程とは並行して実行される、回転子の製造方法。
3. 電機子たる固定子（２）に囲まれて前記固定子と共に回転電機（３）に備えられ、前記回転電機の回転軸（Ｊ）に対する径方向において前記固定子と空隙（ｄ）を介して対向し、前記回転軸に沿って延在するコア（１１）及び前記コアに埋め込まれた永久磁石（１２）を有する回転子（１）を製造する方法であって、
   外周面（１０ａ，１０ｂ）を有して中心軸（Ｐ）に沿って延在し、前記中心軸に沿って見た一対の端部（１３ｂ）が前記外周面に最も近づいて前記中心軸の周りに配列されるスロット（１３）の複数が空いた軟磁性体（１０）において、前記スロットへ磁石材料（１４）を射出して前記軟磁性体を変形させることにより、前記外周面を、隣接する前記スロットの間の前記中心軸に対する周方向の第１の位置（４１）よりも前記スロットの前記端部から離れた前記周方向の第２の位置（４２）において、前記中心軸から遠ざけて前記コアを得る第１工程と、
   前記磁石材料を着磁して前記永久磁石を得る第２工程と
   を備え、
   前記第１工程により、前記外周面が、前記一対の前記端部（１３ｂ）同士の間の中央の位置（４２ｃ）よりも、前記回転子（１）の回転方向（Ｍ）の遅れ側において、前記中心軸から最も遠ざかり、
   前記第１工程と前記第２工程とは並行して実行される、回転子の製造方法。
4. 電機子たる固定子（２）に囲まれて前記固定子と共に回転電機（３）に備えられ、前記回転電機の回転軸（Ｊ）に対する径方向において前記固定子と空隙（ｄ）を介して対向し、前記回転軸に沿って延在するコア（１１）及び前記コアに埋め込まれた永久磁石（１２）を有する回転子（１）を製造する方法であって、
   外周面（１０ａ，１０ｂ）を有して中心軸（Ｐ）に沿って延在し、前記中心軸に沿って見た一対の端部（１３ｂ）が前記外周面に最も近づいて前記中心軸の周りに配列されるスロット（１３）の複数が空いた軟磁性体（１０）において、前記スロットへ磁石材料（１４）を射出して前記軟磁性体を変形させることにより、前記外周面を、隣接する前記スロットの間の前記中心軸に対する周方向の第１の位置（４１）よりも前記スロットの前記端部から離れた前記周方向の第２の位置（４２）において、前記中心軸から遠ざけて前記コアを得る第１工程と、
   前記磁石材料を着磁して前記永久磁石を得る第２工程と
   を備え、
   前記第１工程により、前記外周面が、前記一対の前記端部（１３ｂ）同士の間の中央である第３の位置（４２ｃ）において、前記中心軸から最も遠ざかり、
   前記回転子（１）には、シャフトが填め込まれるシャフト貫通孔が空き、
   前記第１工程では、前記シャフト貫通孔に相当した、前記軟磁性体（１０）のシャフト貫通孔において前記軟磁性体が保持される、回転子の製造方法。
5. 電機子たる固定子（２）に囲まれて前記固定子と共に回転電機（３）に備えられ、前記回転電機の回転軸（Ｊ）に対する径方向において前記固定子と空隙（ｄ）を介して対向し、前記回転軸に沿って延在するコア（１１）及び前記コアに埋め込まれた永久磁石（１２）を有する回転子（１）を製造する方法であって、
   外周面（１０ａ，１０ｂ）を有して中心軸（Ｐ）に沿って延在し、前記中心軸に沿って見た一対の端部（１３ｂ）が前記外周面に最も近づいて前記中心軸の周りに配列されるスロット（１３）の複数が空いた軟磁性体（１０）において、前記スロットへ磁石材料（１４）を射出して前記軟磁性体を変形させることにより、前記外周面を、隣接する前記スロットの間の前記中心軸に対する周方向の第１の位置（４１）よりも前記スロットの前記端部から離れた前記周方向の第２の位置（４２）において、前記中心軸から遠ざけて前記コアを得る第１工程と、
   前記磁石材料を着磁して前記永久磁石を得る第２工程と
   を備え、
   前記第１工程により、前記外周面が、前記一対の前記端部（１３ｂ）同士の間の中央の位置（４２ｃ）よりも、前記回転子（１）の回転方向（Ｍ）の遅れ側において、前記中心軸から最も遠ざかり、
   前記回転子（１）には、シャフトが填め込まれるシャフト貫通孔が空き、
   前記第１工程では、前記シャフト貫通孔に相当した、前記軟磁性体（１０）のシャフト貫通孔において前記軟磁性体が保持される、回転子の製造方法。
6. 前記軟磁性体（１０）は、前記第１工程によって変形されることにより、その前記端部（１３ｂ）から離れて位置する部分の曲率半径が減少する、請求項１乃至５のいずれか一つに記載の回転子の製造方法。

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