JP7117160B2 - 回転電機用フレームの製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回転電機用フレーム、回転電機、及び回転電機用フレームの製造方法に関する。

回転電機の鋳物製フレームに例えばフレキシブルな水冷管を鋳込む場合は、溶湯の注湯時の湯流れや熱膨張に対して、水冷管の位置がずれてしまう等の弊害が生じる。
等の弊害が生じる。

特開２０１４－７９１３６号公報 実開昭６－４４３７８号公報

実施形態は、上記課題に鑑みたものであり、鋳物製フレームに鋳込み形成され、位置ずれが抑制された水冷管を備える回転電機用フレーム及びこれを用いた回転電機、及び、鋳物製フレームに水冷管を鋳込む場合に、水冷管の位置ずれを抑制可能な回転電機用フレームの製造方法を提供する。

実施形態に係る回転電機用フレームは、内側にステータを固着保持可能に構成された略円筒形状の回転電機用フレームであって、前記フレーム内部に埋設して設けられた複数の保持部材及び冷却管を備え、前記保持部材は前記フレームの内部を巻回する前記冷却管を保持するように配置されている。

実施形態に係る回転電機用フレームの概略構成を示す斜視図 実施形態に係る回転電機用フレームの概略構成を示す断面図 実施形態に係る回転電機用フレームの概略構成を示す一部縦断面図 実施形態に係る回転電機用フレームの製造工程を示す図であり、図４ＢのＸ－Ｘ線における概略的な縦断面図 実施形態に係る回転電機用フレームの製造工程を示す側面図 実施形態に係る回転電機用フレームの製造工程を示す図であり、図５ＢのＸ－Ｘ線における概略的な縦断面図 実施形態に係る回転電機用フレームの製造工程を示す側面図 実施形態に係る回転電機用フレームの製造工程を示す図であり、６ＢのＸ－Ｘ線における概略的な縦断面図 実施形態に係る回転電機用フレームの製造工程を示す図であり、図６ＡのＹ－Ｙ線における概略的な縦断面図 実施形態に係る回転電機用フレームの製造工程を示す図であり、図７ＢのＸ－Ｘ線における概略的な縦断面図 実施形態に係る回転電機用フレームの製造工程を示す図であり、図７ＡのＹ－Ｙ線における概略的な縦断面図 図５Ａ及び図５Ｂに示す工程での斜視図 保持部材の概略構成を示す正面図 保持部材の概略構成を示す図であり、冷却管を保持部材に嵌着した状態を示す図 第２実施形態に係る回転電機用フレームの製造工程の一部を示す概略的な斜視図 第３実施形態に係る回転電機用フレームの製造工程の一部を示す概略的な斜視図 第３実施形態に係る回転電機用フレームの製造工程を示す図であり、図１２ＢのＸ－Ｘ線における概略的な縦断面図 第３実施形態に係る回転電機用フレームの製造工程を示す側面図 第３実施形態に係る回転電機用フレームの製造工程を示す図であり、図１３ＢのＸ－Ｘ線における概略的な縦断面図 第３実施形態に係る回転電機用フレームの製造工程を示す側面図 第３実施形態に係る回転電機用フレームの製造工程を示す図であり、図１４ＢのＸ－Ｘ線における概略的な縦断面図 第３実施形態に係る回転電機用フレームの製造工程を示す図であり、図１４ＡのＹ－Ｙ線における概略的な縦断面図 第３実施形態に係る回転電機用フレームの製造工程を示す図であり、図１５ＢのＸ－Ｘ線における概略的な縦断面図 第３実施形態に係る回転電機用フレームの製造工程を示す図であり、図１５ＡのＹ－Ｙ線における概略的な縦断面図

以下、実施形態について図面に基づいて説明する。実施形態の説明において実質的に同一の要素には同一の符号を付し、説明を省略する。なお、以下の説明において、回転電機１の回転中心Ｏ方向を内径方向と、その逆方向を外径方向と称し、回転電機用フレーム（以下、フレームと称する）１０、芯材１３等の円筒形状の外周に沿った方向（図２に、外周を時計回り方向に指向する矢印Ｙ１、及びその逆方向の反時計回り方向に指向する矢印Ｙ２で示す）を周方向と称する。また、芯材１３の長さ方向を軸方向と称する。

（第１実施形態）
図１～図３に示すように、回転電機１の外殻を構成するフレーム１０の内部には冷却管１２が埋設して備えられている。図５Ａ、図５Ｂ等に示されるように、冷却管１２はフレーム１０の周方向に沿って螺旋状に巻回配置されており、図の上部と下部に出入口１２ａを備えている。回転電機１は、そのフレーム１０の内側に図示しないステータを固着保持可能に構成され、さらにその内部にロータを配置可能に構成される。

フレーム１０は例えばアルミ鋳造で略円筒形状となるように形成されており、その内部に冷却管１２が鋳込みで埋設されている。冷却管１２は、フレーム１０の内部において、保持部材１１によって嵌着されているとともに、フレーム１０を構成する金属、例えばアルミニウムにより外面が覆われている。

保持部材１１もフレーム１０の内部に埋設されて設けられている。保持部材１１は、フレーム１０の周方向に千鳥配置に配列されている。また、保持部材１１は嵌着部１１ａを備えており、冷却管１２は嵌着部１１ａにより嵌着されて保持部材１１に保持されている。冷却管１２は保持部材１１の嵌着部１１ａにより嵌着された状態で鋳込まれて、フレーム１０の内部に設けられている。冷却管１２には冷却媒体を通じることが可能であり、冷却管１２は回転電機１を冷却する機能を有する。

次に、フレーム１０の製造方法について工程ごとに順に説明する。まず、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、円筒形状の芯材１３を準備する。芯材１３は金属製であって、内部空洞の円筒形状に構成されており、アルミニウムよりも溶融温度が高く、切削性の良好な材料、例えば鉄により形成されている。

芯材１３の外周面１３ａには、保持部材１１が点付け溶接により固定されている。保持部材１１は外周面１３ａの周方向に千鳥配置となるように配置されているとともに、これに保持される冷却管１２が芯材１３の外周を螺旋状に巻回するように配列されている。

次に、図５Ａ、図５Ｂ、及び図８に示すように、冷却管１２は、保持部材１１に保持されて、芯材１３の周りを周方向に巻回されて固定される。図９Ａ及び図９Ｂに示すように、保持部材１１にはその上部にＵ字部１１ｂを備える嵌着部１１ａを備えており、冷却管１２はこのＵ字部１１ｂによって案内されるように載置される。冷却管１２は、嵌着部１１ａを内方向に折り曲げて冷却管１２の外周を押圧するように加締めることにより、保持部材１１に嵌着固定される。冷却管１２を保持部材１１にセットする際、巻き始め位置から順に保持部材１１を加締めることにより冷却管１２のゆるみやたるみを抑制することができる。

この時、保持部材１１の下端部１１ｃからＵ字部１１ｂ底部までは所定の距離を有しているため、冷却管１２は外周面１３ａから所定距離だけ離間して少し中空に保持されるようにして固定される。

次に、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、冷却管１２が巻回固定された芯材１３の外側面にその端部が当接するように鋳型１４が配置され、芯材１３と鋳型１４によって鋳込み金属が注湯される空間が形成される。鋳型１４の内面はフレーム１０の外殻を構成する形状となっている。鋳型１４には湯口１４ａが設けられている。これらを準備した後、湯口１４ａから鋳型１４内に、金属として例えばアルミニウム溶湯が鋳型１４内に注湯される。これにより、内部に冷却管１２が鋳込まれたフレーム１０が製造される。

次に、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、鋳型１４を外した後、フレーム１０の内径側に存在する芯材１３、及び、フレーム１０からはみ出た部分の芯材１３を機械加工により切削除去する。図１に示すように、芯材１３の切削除去により現れたフレーム１０の内面１６には保持部材１１の下端部１１ｃが露出している。
このようにして、内部に冷却管１２が鋳込まれたフレーム１０を作成することができる。

第１実施形態にかかる回転電機用フレーム１０、これを用いた回転電機１、及び回転電機用フレーム１０の製造方法によれば以下の効果を得る。

芯材１３に溶接固定された保持部材１１に冷却管１２を固定して巻回し、その後、鋳型１４で覆った後に、鋳込むことによりフレーム１０を製造する。これにより、鋳込み中に冷却管１２が移動することが抑制されるため、冷却管１２のフレーム１０内での位置が安定し、製造不良を削減し、冷却の安定性を向上させることができる。

冷却管１２を鋳込んでフレーム１０を形成した後、芯材１３は機械加工で切削除去する。これにより、フレーム１０を構成する鋳物母材の面積が最大限に確保できるため、フレーム１０の冷却効率を向上させることができる。また、フレーム１０の内面１６に露出した下端部１１ｃの近傍を確認することで、鋳込みの状況が確認できる。例えば、下端部１１ｃ周りにおける巣の有無などを確認できるため、保持部材１１の固定位置の改善、鋳込み方法の改善に役立てることができる。

保持部材１１を芯材１３の外周面１３ａに千鳥に配置するため、注湯時の湯流れが良好となり、鋳物巣の発生を低減することができる。
冷却管１２を保持部材１１に固定する際に、冷却管１２を嵌着部１１ａによって加締めるだけで位置決め保持可能となるため、クランプ等のように冷却管１２を押さえ付ける部品が不要となる。これにより、フレーム１０を作成する際の部品点数が少なくなるため、作業効率の向上、コスト削減に貢献する。

冷却管１２を保持部材１１にセットする際、巻き始めから順に加締めるため、冷却管１２の巻き付け具合の微調整が可能となり、冷却管１２の巻回弛みを抑制することができる。また、保持部材１１の芯材１３への固定は、個々の保持部材１１の点付け溶接により行うので保持部材１１の位置を自由に設定可能となり、冷却管１２の多様な巻きピッチ等に対応できる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。
図１０に示すように、第２実施形態における保持部材１７は長方形の板状であり、長手方向の一方の辺に複数のＵ字部１７ａを備えて一体に形成されている。複数の保持部材１７が芯材１３の外周面１３ａの円周方向に所定ピッチに位置して配置されており、保持部材１７の下端部１７ｃは芯材１３の外周面１３ａに溶接固定されている。Ｕ字部１７ａは冷却管１２を嵌着する嵌着部１７ｂを備えている。Ｕ字部１７ａは冷却管１２を保持する保持部として機能する。

複数の保持部材１７の長手方向長さは、芯材１３の軸方向長さよりやや短く設定されており、その下端部１７ｃが芯材１３の外周面１３ａに所定ピッチに溶接固定されている。その他の構成は第１実施形態と同じである。

第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得る。第２実施形態によれば、第１実施形態における一つ一つの嵌着部１１ａを外周面１３ａに溶接する作業に比較して、複数のＵ字部１７ａを備える保持部材１７を用いるため、溶接作業が効率化できる。また、冷却管１２の固定部として機能する複数のＵ字部１７ａが一体的に構成されているため、第１実施形態の保持部材１１に比較して、フレーム１０の機械的強度を高くすることができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。以下に、第３実施形態に係るフレーム１０の製造方法及び構成について説明する。

図１１、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、第３実施形態における保持部材２０は長方形の平板形状であり、長手方向の一方の辺に複数のＵ字部２０ａを備えて一体に形成されている。Ｕ字部２０ａは冷却管１２を嵌着する嵌着部２０ｂを備えている。Ｕ字部２０ａは冷却管１２を保持する保持部として機能する。

リング部材１８は軸方向に所定の厚さを有したリング形状すなわち円環形状に構成されている。リング部材１８は例えば金属により構成されており、金属として例えば鉄を用いることができる。

複数の保持部材２０は所定距離間隔もしくは所定角度間隔を有するようにして配置され、その両端が軸方向に対向するように配置された二つのリング部材１８の対向する面に溶接固定されている。２つのリング部材１８と複数の保持部材２０は、全体として無底円筒形状のかご形状のかご状構造物１９を構成している。

この時、保持部材２０はリング部材１８のやや径方向外側にずらして固定される。これにより、保持部材２０の下端部２０ｃは、かご状構造物１９の内側方向に向いて配置されるとともに、リング部材１８の径方向内側端よりもやや外側にずれて配置される。

図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、冷却管１２は、保持部材２０のＵ字部２０ａにガイドされるように周方向に巻回される。次に、図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、リング部材１８と保持部材２０で構成されたかご状構造物１９の外周に冷却管１２が巻回されたものに、鋳込みを行うための鋳型１５である外型１５ａと内型１５ｂが配置される。内型１５ｂは無底円筒形状であり、かご状構造物１９の内側からリング部材１８に当接するように配置される。この外型１５ａは、かご状構造物１９を内部に含んで内型１５ｂの外側面及び切断面が当接するようにして配置される。

このようにして、外型１５ａと内型１５ｂによって形成された鋳型１５の内部空間にかご状構造物１９が内包配置される状態を構成する。その後、湯口１５ｃから鋳型１５内に溶湯を注湯することにより冷却管１２が鋳込まれたフレーム１０を形成することができる。溶湯金属としては例えばアルミニウムを用いることができる。

その後、図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、鋳型１５すなわち外型１５ａと内型１５ｂを外し、リング部材１８を含んだフレーム１０の不要部を切削除去することにより、第３実施形態に係るフレーム１０を製造することができる。第３実施形態に係るフレーム１０においては、保持部材２０の下端部２０ｃはフレーム１０の内面１６に露出していない。また、芯材１３を用いていないため、鋳込み後に芯材１３を切削除去する必要が無い。

第３実施形態にかかるフレーム１０によれば以下の効果を得る。
第１実施形態における一つ一つの保持部材１１を芯材１３の外周面１３ａに溶接する作業に比較して、複数のＵ字部２０ａを備える保持部材２０をリング部材１８に溶接するため、部品点数を大幅に減らすことができ、これにより溶接作業が効率化できる。また、冷却管１２の固定部として機能する複数のＵ字部２０ａが一体的に構成されているため、第１実施形態の保持部材１１に比較して、機械的強度を高く構成することができる。また、芯材１３がないため、鋳込み後に芯材１３を切削除去する必要がなく、フレーム１０の製造工程を簡略化することができることから、製造性が向上する。

以上のように、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…回転電機、１０…回転電機用フレーム、１１、１７、２０…保持部材、１１ａ、１７ｂ、２０ｂ…嵌着部、１１ｂ、１７ａ、２０ａ…Ｕ字部、１１ｃ、１７ｃ、２０ｃ…下端部、１２…冷却管、１３…芯材、１３ａ…外周面、１４、１５…鋳型、１５ａ…外型、１５ｂ…内型、１６…内面、１８…リング部材、１９…かご状構造物

Claims (8)

1. 円筒形状の芯材の外周面に複数の保持部材を固定する工程と、
   冷却管を、前記保持部材に嵌着固定しつつ、前記芯材の外周に巻回させる工程と、
   前記芯材の外周に、前記冷却管を内包する鋳型を設ける工程と、
   前記鋳型内に金属の溶湯を注湯する工程と、
   前記芯材を切削除去する工程と、を備える回転電機用フレームの製造方法。
2. 前記芯材は金属製である請求項１に記載の回転電機用フレームの製造方法。
3. 前記保持部材の下端部は、前記芯材を切削除去して形成された面に露出する請求項１に記載の回転電機用フレームの製造方法。
4. 前記保持部材は、複数のＵ字部を備える嵌着部を一体的に備えており、保持部材の両端に設けられたリング部材に固定されている請求項１から３の何れか一項に記載の回転電機用フレームの製造方法。
5. 前記保持部材は、複数の嵌着部を一体的に備え、前記芯材の外周面に固定されている請求項１から３の何れか一項に記載の回転電機用フレームの製造方法。
6. 複数の嵌着部を一体的に備える長方形の平板形状である複数の保持部材の両端に、リング形状のリング部材を固定することにより、全体として無底円筒形状のかご状構造物を形成する工程と、
   冷却管を、前記保持部材の嵌着部に嵌着固定しつつ、かご状構造物の外周に巻回させる工程と、
   前記かご状構造物の内側と外側から前記かご状構造物を内包する鋳型を設ける工程と、
   前記鋳型内に金属の溶湯を注湯する工程と、
   前記鋳型を取り除いたのちに、不要部を切削除去する工程と、を備える回転電機用フレームの製造方法。
7. 前記鋳型は、前記かご状構造物の内側に配置される無底円筒形状の内型と、前記かご状構造物の外側から前記内型の端部に当接する外型とを備え、前記内型と外型により前記かご状構造物を含む鋳込み空間を構成可能な請求項６に記載の回転電機用フレームの製造方法。
8. 前記保持部材の下端部は、前記フレームの内面に露出しない請求項６又は７に記載の回転電機用フレームの製造方法。

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