JPH11196545A - 直流機のロータ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 直流モータにおいてロータのシャフトの伝熱
性を向上させる。 【解決手段】 直流機のロータは、磁性材料からなり中
央に貫通孔３５ａを有する鉄心板３５を複数枚積層して
なる鉄心３４と、鉄心３４に巻回された巻線１１と、鉄
心３４の貫通孔に挿通され、かつ、鉄心３４を固定する
シャフト３１とを備える。シャフト３１は熱伝導性が良
好な金属をダイカスト成形したものであり、かつ、ダイ
カスト成形時に鉄心３４をインサート成形している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直流モータと直流
発電機を含む直流機に関し、特に、直流機のロータに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１０に示すように、直流モータ１はロ
ータ２とステータ３とを備えている。このうちロータ２
は、軸受４Ａ，４Ｂにより両端が回転自在に支持された
シャフト６と、電機子７とを備えている。図１０及び図
１１に示すように、電機子７は、ケイ素鋼板等の磁性材
料からなる複数の鉄心板８を積層してなり、複数のティ
ース部９ａ（図１２に図示する。）を有する鉄心９と、
ティース部９ａに巻回される巻線１１と、シャフト６に
固定される整流子１２とを備えている。一方、ステータ
３は、上記ロータ２を収容するハウジング１５を備え、
このハウジング１５にはロータ２の鉄心９と対向する磁
石１６が固定されている。なお、図１０において、１７
はブラシホルダ、１８はブラシ、１９はブラシ支持部
材、１５ａ，１５ｂは冷却孔、２１は冷却用ファンであ
る。

【０００３】従来、上記シャフト６は、鉄製のひきぬき
材及び切削丸棒に対して、図１２に示すように、外周に
複数の突起６ａが設けられている。上記鉄心板８には中
央部に貫通孔８ａが設けられており、この貫通孔８ａに
シャフト６を圧入することによりシャフト６に各鉄心板
８を固定している。なお、各鉄心板８と隣接する鉄心板
８は、図１３に示すように凸部８ｂを凹部８ｃに嵌合す
ることによりかしめ止めしたり、接着剤により接着する
ことにより互いに接合されている。

【０００４】上記直流モータ１の作動時に巻線１１が発
生する熱は、鉄心９からシャフト６及び軸受４Ｂを介し
てステータ３のフレーム１５に伝わり、ステータ１５の
外周部から空気中に放熱される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の直
流モータのシャフト６は鉄製であるが、鉄の熱伝導率は
４８．５（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度と低いため、シャフト６は
巻線１１の発生する熱を放熱する際に伝熱上大きな抵抗
となる。

【０００６】また、上記のように突起６ａを設けたシャ
フト６を鉄心板８に圧入した構造とした場合、突起６ａ
の部分ではシャフト６と鉄心板８が接触するが、突起６
ａと突起６ａの間の部分６ｂではシャフト６と鉄心板８
は接触しない。よって、シャフト６と鉄心板８は、いわ
ば点接触の状態にあり接触面積が小さく、伝熱上大きな
抵抗となる。

【０００７】特に、直流モータを小形化した場合には、
上記巻線１１の発生する熱の影響が大きくなるが、従来
の直流モータでは、上記のようにシャフト６及び鉄心９
とシャフト６の接合部分が伝熱上大きな抵抗となってい
るため、巻線１１の発生する熱を効率良く放熱すること
ができずシャフト６に取り付けた冷却用ファン２１から
の送風により巻線１１を強制的に空冷する必要がある。

【０００８】さらに、シャフト６を構成する鉄は磁性材
料であるため、鉄心１１内の磁束がシャフト６に漏れ出
す。その結果、シャフト６内に渦電流が発生し、損失が
増加する。これらの問題は、直流モータのみでなく同じ
直流機である直流発電機においても発生する。

【０００９】本発明は、かかる従来の直流機における問
題を解決するためになされたものであり、放熱効率の向
上とシャフトへの磁束の漏れの防止を図ることを課題と
している。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本願の第１の発明は、磁性材料からなり中央に貫通孔
を有する鉄心板を複数枚積層してなる鉄心と、該鉄心に
巻回された巻線と、該鉄心の貫通孔に挿通され、かつ、
鉄心を固定するシャフトとを備える直流機のロータであ
って、上記シャフトは熱伝導性が良好な金属をダイカス
ト成形したものであり、かつ、ダイカスト成形時に上記
鉄心をインサート成形していることを特徴としている。

【００１１】本発明に係る直流機のロータのシャフト
は、熱伝導性が良好な金属製である。また、シャフトの
ダイカスト成形時に鉄心をインサート成形しているた
め、鉄心とシャフトの接触面積が広く、鉄心からシャフ
トに効率よく熱が伝達される。よって、本発明のロータ
では巻線が発生した熱をシャフトを介して効率良く放熱
することができる。また、上記のようにシャフトをダイ
カスト成形しており、シャフトを構成する金属により、
鉄心を構成する鉄心板が密着状態で互いに接合されるた
め、鉄心板をかしめ止めや接着剤による接着によって接
合する必要がない。

【００１２】上記シャフトを構成する金属は、１００
（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度の熱伝導率を有することが好まし
く、さらに具体的にはアルミニウム、亜鉛又はマグネシ
ウムのいずれか一つであることが好ましい。特に、アル
ミニウムは、鉄と比較して磁化されにくいため、鉄心に
発生する磁束がシャフトに漏れることにより損失を低減
することができる。

【００１３】上記鉄心を構成する鉄心板の貫通孔の縁部
に凹凸を設けることが好ましい。

【００１４】かかる構成とした場合、シャフトと各鉄心
板の機械的結合の強度が向上し、シャフトの回転方向へ
の鉄心の位置ずれを確実に防止することができる。

【００１５】上記シャフトの上記鉄心の軸線方向の両側
部に鉄心を挾持する一対のフランジ状部を設けることが
好ましい。

【００１６】かかるフランジ状部を設けた場合には、シ
ャフトと鉄心の接触面積が増大するため鉄心からシャフ
トへの熱伝達の効率が向上する。また、このフランジ状
部によりシャフトの軸線方向への鉄心の位置のずれを確
実に防止することができる。

【００１７】本願の第２の発明は、磁性材料からなる板
材を打ち抜いて鉄心板を成形する工程と、該打ち抜き成
形した鉄心板を複数枚積層する工程と、該積層された複
数の鉄心板を、シャフト成形用のダイカスト型のキャビ
ティの所定位置に配置する工程と、ダイカスト型内に熱
伝導性が良好な金属の溶湯を注入してシャフトをダイカ
スト成形する工程とを備える直流機のロータの製造方法
を提供するものである。

【００１８】かかる製造方法によりロータを製造した場
合、鉄心を構成する各鉄心板の貫通孔の中心の位置や寸
法を高精度で統一する必要がない。これら貫通孔の中心
の位置や寸法に各鉄心板間でばらつきがある場合には、
鉄心の貫通孔に凹凸が形成されるため、却ってシャフト
に対する鉄心の固定強度が向上する。

【００１９】本願の第３の発明は、上記ロータを備える
直流機を提供するものである。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、図面に示す本発明の実施形
態について説明する。図１は本発明の実施形態に係るロ
ータ３０を備える直流モータ１’を示し、図２はこのロ
ータ３０のみを示している。なお、図１及び図２におい
て上記図１０及び図１１に示す従来の直流モータと同一
の要素には同一の符号を付している。

【００２１】本実施形態では、ロータ３０のシャフト３
１はアルミニウムをダイカスト成形したものである。ア
ルミニウムは熱伝導率が２４０（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度であ
り、熱伝導率が４８．５（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度である鉄と
比較して熱伝導性が良好である。よって、このアルミニ
ウム製のシャフト３１は、巻線１１に発生した熱を効率
良く軸受４Ｂに伝達する。また、アルミニウムは、鉄と
比較して磁化されにくいため、鉄心３４に発生する磁束
がシャフト３１に漏れることにより損失を低減すること
ができる。

【００２２】ロータ３０の電機子３３の鉄心３４を構成
する鉄心板３５は、圧入によりシャフト３１に固定する
のではなく、後述するようにシャフト３１をダイカスト
成形する際、ダイカスト金型４５（図６参照）内に積層
した鉄心板３５を配置しておいて鉄心３４をインサート
成形し、これによってシャフト３１に鉄心板３５を固定
している。よって、図３及び図４に示すように各鉄心板
３５の貫通孔３５ａの縁部全体がシャフト３１の外周面
に接触し、鉄心３４とシャフト３１の接触面積が増加す
る。その結果、圧入によりシャフトに鉄心を固定する場
合と比較して、鉄心３４とシャフト３１の接合部分での
伝熱抵抗が低くなり、鉄心３４のティース部３４ａに巻
回された巻線１１に発生した熱を、効率良く鉄心３４か
らシャフト３１に伝達することができる。

【００２３】図３に示すように鉄心板３５の貫通孔３５
ａの縁部には所定間隔で切込３５ｂを設け、縁部に凹凸
を形成している。このような凹凸を設けたことにより、
シャフト３１と各鉄心板３５の接触面積が増加し、鉄心
３４からシャフト３１への伝熱効率を向上することがで
きる。また、かかる凹凸を設けたことにより、シャフト
３１と各鉄心板３５間の機械的結合力が増大し、シャフ
ト３１に対する鉄心板３５の取付強度が強化される。特
に、この凹凸により、各鉄心板３５のシャフト３１の回
転方向の位置ずれを防止することができ、電機子３３に
発生するトルクを確実にシャフト３１に伝達することが
できる。

【００２４】図４に示すように、鉄心板３５間の微小な
隙間に進入したシャフト３１を構成するアルミニウムに
より接合されている。よって、鉄心板３５相互間をかし
め止めや接着等により接合する必要がない。

【００２５】図２に示すように、シャフト３１には鉄心
３４の軸線方向の両側部に一対のフランジ状部３１ａ，
３１ｂが形成されており、このフランジ状部３１ａ，３
１ｂ間に鉄心３４が挾持されている。かかるフランジ状
部３１ａ，３１ｂを設けたことにより鉄心３４とシャフ
ト３１の接触面積が増大するため、鉄心３４からシャフ
ト３１への熱伝達効率がより向上する。また、これらの
フランジ状部３１ａ，３１ｂを設けたことにより、鉄心
３４のシャフト３１の軸線方向の位置ずれを防止するこ
とができる。

【００２６】本実施形態に係るロータ３０では、シャフ
ト３１を熱伝導率の高いアルミニウム製とし、かつ、ダ
イカスト成形時に鉄心３４をインサート成形して鉄心３
４とアルミニウムの接触面積を大きくしたため、直流モ
ータ１’の作動時に巻線１１に発生する熱は効率良く鉄
心３４からシャフト３１に伝達され、シャフト３１から
軸受４Ｂを介してフレーム１５の外周部から空気中に放
熱される。よって、本実施形態の構成であれば、巻線１
１に発生する熱を高い放熱効率で放熱することができ
る。その結果、小形化した場合でも従来の直流モータの
ような強制冷却用の冷却用ファン２１（図１０参照）を
小型化するか又は設ける必要がなくなる。

【００２７】次に、上記ロータの製造方法について説明
する。まず、図５（Ａ）に示すように、鉄心板３５と対
応する形状の下型４０及び打ち抜き型４１と上型４２と
を準備し、下型４０の上面にケイ素鋼板４４を載置す
る。次に、図５（Ｂ），（Ｃ）に示すように、打ち抜き
型４１及び上型４２を降下させ、ケイ素鋼板４４を打ち
抜いて鉄心板３５を成形する。打ち抜かれた鉄心板３５
は下型４０の貫通孔４７を通り下型下方の保持部４８に
残留する（打ち抜き工程）。なお、保持部４８は複数の
金属ワイヤからなり下方に従い径が小さくなるように相
互配置されている。

【００２８】打ち抜き工程を繰り返すと、図５（Ｄ）に
示すように、下型４０内に鉄心板３５が積み重ねられる
（積層工程）。そして、保持部４８を構成するワイヤの
径を拡げることにより、積み重ねられた鉄心板３５が保
持部４８から取り出される。

【００２９】次に、図６に示すように、鉄心３４を設け
シャフト３１に対応する形状のダイカスト金型４５を準
備し、このダイカスト金型４５のキャビティ４５ａの所
定位置に上記積み重ねられた鉄心板３５を収容する（ダ
イカストプレ工程）。そして、図６において矢印で示す
ように、アルミニウムの溶湯をキャビティ４５ａ内に注
入する（ダイカスト工程）。アルミニウムが凝固してシ
ャフト３１が完成した後、図７に示すように、ダイカス
ト金型４５から鉄心３４が設けられたシャフト３１を取
り出す。

【００３０】なお、上記積層工程とダイカストプレ工程
の順序を入れ替えて、打ち抜き工程で形成した鉄心板３
５をダイカスト金型４５に順次積層してもよい。

【００３１】図２及び図７では、鉄心３４を構成する各
鉄心板３５の外形の中心と貫通孔３５ａの中心は一致し
ているが、各鉄心板３５の外形が一致していれば、図８
に示すように、いくつかの鉄心板３５の貫通孔の中心が
外形の中心に対して偏心していてもよい。この場合、鉄
心３４の内径側に凹凸が形成されるため、シャフト３１
と鉄心の機械的な結合力が強化され、鉄心板３５がシャ
フトから脱落しにくくなる。

【００３２】また、図２及び図７では、鉄心３４を構成
する各鉄心板３５の貫通孔３５ａの径は同一であるが、
図９に示すように、いくつかの鉄心板３５の貫通孔３５
ａの径を他の鉄心板３５の貫通孔３５ａの径と異ならせ
てもよい。この場合も、鉄心３４の内径側に凹凸が形成
されるため、シャフト３１と鉄心の機械的な結合力が強
化され、鉄心板３５がシャフト３１から脱落しにくくな
る。

【００３３】このように本実施形態に係る製造方法であ
れば、鉄心３４を構成する各鉄心板３５の貫通孔３５ａ
の位置及び寸法を高精度で統一する必要がなく、鉄心板
３５間で貫通孔３５ａの位置及び寸法にばらつきがある
方が却って鉄心板３５がシャフト３１から脱落しにくく
なるという利点がある。

【００３４】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、種々の変形が可能である。例えば、シャ
フト３１の材質はアルミニウムに限定されず、１００
（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度の熱伝導率を有する熱伝導性が良好
な金属であればよい。例えば、亜鉛（熱伝導率１１２
（Ｗ／ｍ・Ｋ））、マグネシウム（熱伝導率１５４（Ｗ
／ｍ・Ｋ））等によりシャフト３１を成形してもよい。
また、上記実施形態は直流モータに関するものである
が、本発明は直流発電機についても適用することができ
る。

【００３５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係る直流機のロータでは、シャフトが熱伝導性の良好
な金属製であり、かつ、シャフトのダイカスト成形時に
鉄心をインサート成形して鉄心とシャフトの接触面積を
広くしているため、鉄心からシャフトに効率よく熱が伝
達され、巻線が発生した熱をシャフトを介して効率良く
放熱することができる。シャフトを構成する金属として
磁化されにくいアルミニウムを使用した場合には、鉄心
に発生する磁束がシャフトに漏れることにより損失を低
減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態に係るロータを備える直流
モータを示す断面図である。

【図２】 本発明の実施形態に係るロータを示す側面図
である。

【図３】 図２のIII−III線での断面図である。

【図４】 図２の部分IVの部分拡大図である。

【図５】 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）はロータ
の製造工程を説明するための概略断面図である。

【図６】 シャフト成形用のダイカスト金型を示す断面
図である。

【図７】 巻線を設ける前のロータを示す側面図であ
る。

【図８】 ロータの他の例を示す側面図である。

【図９】 ロータの他の例を示す側面図である。

【図１０】 従来の直流モータを示す側面図である。

【図１１】 従来の直流モータのロータを示す側面図で
ある。

【図１２】 鉄心板へのシャフトの圧入作業を示す概略
図である。

【図１３】 図１１の部分XIIIの部分拡大図である。

【符号の説明】

１，１’ 直流モータ ２，３０ ロータ ３ ステータ ３１ シャフト ３１ａ，３１ｂ フランジ状部 ３４ 鉄心 ３５ 鉄心板 ３５ａ 貫通孔 ４５ ダイカスト金型

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁性材料からなり中央に貫通孔を有する
   鉄心板を複数枚積層してなる鉄心と、該鉄心に巻回され
   た巻線と、該鉄心の貫通孔に挿通され、かつ、鉄心を固
   定するシャフトとを備える直流機のロータであって、 上記シャフトは熱伝導性が良好な金属をダイカスト成形
   したものであり、かつ、ダイカスト成形時に上記鉄心を
   インサート成形していることを特徴とする直流機のロー
   タ。
2. 【請求項２】 上記シャフトを構成する金属はアルミニ
   ウム、亜鉛又はマグネシウムのいずれか一つであること
   を特徴とする請求項１に記載の直流機のロータ。
3. 【請求項３】 上記鉄心を構成する鉄心板の貫通孔の縁
   部に凹凸を設けたことを特徴とする請求項１に記載の直
   流機のロータ。
4. 【請求項４】 上記シャフトの上記鉄心の軸線方向の両
   側部に鉄心を挾持する一対のフランジ状部を設けたこと
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の直流機のロ
   ータ。
5. 【請求項５】 磁性材料からなる板材を打ち抜いて鉄心
   板を成形する工程と、 該打ち抜き成形した鉄心板を複数枚積層する工程と、 該積層された複数の鉄心板を、シャフト成形用のダイカ
   スト型のキャビティの所定位置に配置する工程と、 ダイカスト型内に熱伝導性が良好な金属の溶湯を注入し
   てシャフトをダイカスト成形する工程とを備える直流機
   のロータの製造方法。
6. 【請求項６】 請求項１から請求項４に記載のロータを
   備える直流機。