JPWO2016063371A1 - 回転電機の回転子、回転電機、及び空調機器 - Google Patents

Abstract

回転電機の回転子は、シャフトが挿入されるボスと、ボスの外周側に設けられ、複数の磁極片が円環状に接続された回転子ヨークと、ボスと回転子ヨークとを一体成形する樹脂からなる連結部材と、を有し、複数の磁極片の各々には、軸方向に形成され、一体成形の際に樹脂が注入される注入穴が設けられている。

Description

本発明は、各種電気機器に搭載される回転電機の回転子、回転電機、及び空調機器に関する。

空調機器の室外機におけるファンモータ等は、省エネルギー化の要請を受けて高効率化が進められ、ＡＣモータからブラシレスＤＣモータへの置き換えが進んでいる。ブラシレスＤＣモータは、軸となるシャフトに発生する電流により軸受が電食することを回避するために、回転電機の回転子コアを内側コアと外側コアとに分割し、内側コアと外側コアとの間に形成される環状の隙間に弾性体をはめ込むという構成が採られている（例えば特許文献１）。

また、特許文献１の外側コアを構成する円環状の鉄心片は、帯状の薄板鋼材から連続的に打ち抜かれて形成されるため、材料歩留りが悪い。このため、回転電機のコア構造については、複数の扇形の分割コアにおける周方向端面に設けた凹凸部同士を嵌合させて、環状の回転子鉄心を弾性体で一体形成するという方法も採られている（例えば特許文献２）。

特開２００９−１３０９６６号公報 特開２００２−２６２４９６号公報

しかしながら、特許文献２のように、扇形の分割コアを組み合わせ、環状の回転子鉄心を樹脂からなる弾性体で一体形成すると、一体成形時の弾性体の収縮により、回転子ヨークの円筒精度が悪化し、回転子の回転バランスが悪くなるため、回転が不安定となり振動や騒音が発生するという課題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、一体成形時の樹脂収縮による回転子の変形を抑制する回転電機の回転子、回転電機、及び空調機器を提供することを目的とする。

本発明に係る回転電機の回転子は、シャフトが挿入されるボスと、ボスの外周側に設けられ、複数の磁極片が円環状に接続された回転子ヨークと、ボスと回転子ヨークとを一体成形する樹脂からなる連結部材と、を有し、複数の磁極片には、軸方向に形成され、一体成形の際に樹脂が注入される貫通穴が設けられている。

本発明は、回転子ヨークを構成する複数の磁極片が、軸方向に形成された注入穴を有し、ボスと回転子ヨークとを一体成形する際に、注入穴に樹脂が注入されるように構成したため、一体成形時の磁極片には、内径側の樹脂の収縮による応力だけではなく、注入穴に充填された樹脂の収縮による応力も働くことから、連結部材の樹脂収縮に起因した回転子の変形を抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る回転電機を示す概略端面図である。 図１の回転子の周囲にマグネットを貼り付けてシャフトを挿入した状態を示す斜視図である。 図２Ａの状態にある回転子の概略端面図である。 図１の回転子を示す斜視図である。 図３Ａの回転子を示す平面図である。 図３Ａの回転子の内径側鉄心であるボスを示す斜視図である。 図４Ａのボスを示す平面図である。 図４Ａのボスを形成するための薄板の打抜きパターンを示す説明図である。 図３Ａの回転子の外形側鉄心である回転子ヨークを示す斜視図である。 図６Ａの回転子ヨークを示す平面図である。 図６Ａの回転子ヨークを構成する磁極片を示す斜視図である。 図７の磁極片を形成するための薄板の打抜きパターンを示す説明図である。 図３ＢのＡ−Ａ線に沿った断面を示す概略図である。 図１の回転電機に被駆動機械であるプロペラファンを連結した状態を示す概略図である。

（実施の形態）
図１は、本実施の形態における回転電機１を示す。図１に示すように、回転電機１は、例えばブラシレスＤＣモータからなり、円筒形の固定子２と、回転子鉄心である回転子３と、内部に回転子３を収容する収容空間が形成されたモータハウジング５と、回転子３の磁極位置を検知するホール素子が実装されたプリント基板１２と、を備えている。

固定子２は、図１では図示が省略されているが、電磁鋼板を複数重ね合わせて構成した固定子磁極片と、電源から供給される電流が流れるコイルと、固定子磁極片に設けられ、コイルの絶縁に利用されるインシュレータと、を有するものである。固定子２は、インシュレータが装着された固定子磁極片が円環状に配置されて構成されたものである。そして、インシュレータが装着された固定子磁極片には、コイルが巻き付けられている。なお、固定子２が予め設定された形状の金型に入れられた状態で、モールド樹脂が射出されることにより、ケーシング６が形成される。

モータハウジング５は、有底円筒状のケーシング６と、ケーシング６の開口側を覆うベアリングハウジング７及び板金カバー１０からなるブラケットカバー１１と、を有する。モータハウジング５は、ケーシング６の内面に固定子２の内周面が露出する状態で、モールド樹脂により一体的に固着されている。また、モータハウジング５には、一方の軸受９ａ及び他方の軸受９ｂが設けられている。一方の軸受９ａは、ケーシング６の底壁部１６に取り付けられ、他方の軸受９ｂは、ベアリングハウジング７に取り付けられている。ケーシング６及びベアリングハウジング７は、不飽和ポリエステルなどの熱硬化性樹脂等のモールド樹脂によって形成されている。

回転子３は、円筒形の固定子２の径方向内側に、固定子２と同軸となるように配設されている。回転子３は、シャフト８を圧入することにより固定され、シャフト８は、一方の軸受９ａと他方の軸受９ｂとを介して、モータハウジング５に回転可能に支持されている。プリント基板１２は、回転子３の端面とベアリングハウジング７との間に配設された基板保持器１３に溶着等によって固定されている。

図２Ａ及び図２Ｂは、回転子３の周囲にマグネット２０を貼り付けてシャフト８を挿入した状態を示す斜視図及び概略端面図である。図３Ａ及び図３Ｂは、回転子３を示す斜視図及び平面図である。回転子３は、内径側鉄心であり、シャフト８が挿入されるボス１８と、ボス１８の外周側に設けられ、複数の磁極片４が円環状に接続された回転子ヨーク１７と、ボス１８と回転子ヨーク１７とを一体成形する樹脂からなる連結部材１９と、を有している。

回転子ヨーク１７の外周面には、永久磁石であるマグネット２０が貼り付けられている。マグネット２０は、治具（図示せず）を用いて回転子ヨーク１７の外周面に所定のピッチで貼り付けられる。マグネット２０の貼り付けには、接着剤等が用いられる。ボス１８の厚さは、回転子ヨーク１７の厚さよりも薄くなるように構成されている。軸方向の位置については、回転子ヨーク１７の中心位置とボス１８の中心位置とが同じとなるように配置されている。また、回転子ヨーク１７には、回転子ヨーク１７とボス１８とを一体成形する際の位置決めに用いる位置決め穴４５が設けられている。

図４Ａ及び図４Ｂは、回転子３の内径側鉄心であるボス１８の一例を示す斜視図及び平面図である。ボス１８は、回転子ヨークの内径よりも小さな外径を有しており、台形状の複数のボス穴１８ａが形成されている。ボス穴１８ａが形成されていることにより、ボス１８の重量を下げることができるため、回転子３の慣性モーメントを小さくすることができる。また、ボス１８の外周面には、複数の凹部１８ｂが設けられている。なお、図４Ａ及び図４Ｂには、ボス穴１８ａが４つの箇所に設けられ、凹部１８ｂが１０箇所に設けられた例を示す。

図５は、ボス１８を形成するための薄板の打抜きパターンを示す説明図である。ここで、ボス用コアシート２５は、ボス１８を形成するための薄板である。すなわち、ボス１８は、ボス用コアシート２５から金型（図示せず）で打抜かれたボスシートピース２５ａが複数枚積層されカシメ部１８ｃにより固定された積層鉄心である。ボス１８の中央部には、シャフト８が挿入される挿入孔１８ｄが設けられている。

図６Ａ及び図６Ｂは、回転子３の外形側鉄心である回転子ヨーク１７を示す斜視図及び平面図である。図７は、回転子ヨーク１７を構成する外径側の磁極片４を示す斜視図である。回転子ヨーク１７は、複数個の磁極片４により形成されている。

各磁極片４は、カシメ部４６を有する薄板が、シャフト８の軸方向に沿って複数枚積層されてカシメ部４６において固定された積層鉄心である。各磁極片４の内径面４ａには、内径凸部４１が形成されている。また、磁極片４の一方の側端面４ｂには凸部４２が形成されており、磁極片４の他方の側端面４ｃには凹部４３が形成されている。さらに、各磁極片４の端面４ｄ及び端面４ｅには、シャフト８の軸方向（積層方向）に形成された注入穴４４と、回転子ヨーク１７の位置決め用の位置決め穴４５とが設けられている。すなわち、回転子ヨーク１７は、複数の磁極片４（例えば１０個）を周方向に沿って円環状に接続したものであり、具体的には、隣接する磁極片４の凸部４２と凹部４３とが係合して円環状に接続されたものである。よって、カシメ部４６は、全体として円環状に配列されている。

注入穴４４は、例えば貫通穴である。特に、注入穴４４は、カシメ部４６の位置よりも外周に設けられており、回転子ヨーク１７とボス１８とを一体成形する際に、連結部材１９を構成する樹脂が注入されるものである。注入穴４４が、カシメ部４６の外径側に設けられていることにより、カシメ部４６の位置が、回転子ヨーク１７の内径側の樹脂と、注入穴４４に注入された樹脂との収縮バランスの支点となるため、回転子３の円筒度の向上を図ることができる。

ここで、注入穴４４とカシメ部４６との位置関係ついては、注入穴４４の中心位置が、カシメ部４６の中心位置よりも外周側に位置するように構成すればよい。また、注入穴４４及びカシメ部４６の数は、任意に設定するようにしてもよく、必ずしも両者の数を一致させる必要はない。したがって、例えば、注入穴４４とカシメ部４６とを磁極片４の中央部に一つずつ設けるようにしてもよいし、複数のカシメ部４６に対して、磁極片４の周方向に沿った楕円状の注入穴や、カシメ部４６とは異なる数の磁極片４をバランスよく設けるようにしてもよい。なお、注入穴４４がカシメ部４６の外周側になくてもよい。

さらに、複数の注入穴４４及び複数のカシメ部４６が、磁極片４の中心と凸部４２及び凹部４３との間に設けられ、かつ、注入穴４４とカシメ部４６とが、回転子ヨーク１７の径方向における同一直線上に設けられている。かかる構成を採れば、カシメ部４６が、回転子ヨーク１７の内径側の樹脂と、注入穴４４に注入された樹脂との収縮バランスの支点としてより有効に機能するため、回転子３の形状精度の劣化を確実に抑制することができる。

図８は、磁極片４を形成するための薄板の打抜きパターンを示す説明図である。磁極片用コアシート２４は、回転子ヨーク１７を形成するための薄板である磁極片用コアシート２４を示す。すなわち、磁極片４は、磁極片用コアシート２４から金型（図示せず）で打ち抜かれた磁極片シートピース２４ａを複数枚積層してカシメ部４６により固定したものであり、回転子ヨーク１７は、磁極片４を複数個組み合わせたものである。磁極片シートピース２４ａは円弧状であり、磁極片用コアシート２４から連続的に打ち抜き形成できることから、回転子３の材料歩留りの向上を図ることができる。

図５のボス用コアシート２５と、図８の磁極片用コアシート２４とが別々の薄板で構成することができるため、両者の材質及び板厚を適宜変更することができる。すなわち、材質や板厚の異なるボス用コアシート２５と磁極片用コアシート２４とを適宜採用することができる。異なる材質や強度等を有する回転子ヨーク１７とボス１８とを組み合わせることにより、設計内容に応じた回転子３を形成することができる。

図９は、図３ＢのＡ−Ａ線に沿った断面を示す概略図である。連結部材１９は、樹脂からなり、磁極片４とボス１８とを連結するものであって、カシメ部４６と注入穴４４とを覆うように一体成形（モールド成形）されている。連結部材１９は、ボス１８の外周面１８ｘと回転子ヨーク１７の内周面である各磁極片４の内径面４ａとを結合する結合部１９ａを有している。また、連結部材１９は、結合部１９ａの軸方向における各端部である第１端部１９ｂ及び第２端部１９ｃから延伸して、回転子ヨーク１７の軸方向における各端面である端面４ｄ及び端面４ｅをそれぞれ覆う第１被覆部１９ｄ及び第２被覆部１９ｅを有している。第１被覆部１９ｄと第２被覆部１９ｅとは、注入穴４４内の樹脂で連結されている。結合部１９ａは、ボス１８から回転子ヨーク１７に亘り同一の厚さで形成されている。また、連結部材１９は、放射状に等間隔で配置されたリブ１９ｆを有している（図３Ａ参照）。

連結部材１９は、回転子ヨーク１７を構成する各磁極片４の接続部Ｃ側（図６Ａ参照）に設けられたカシメ部４６と注入穴４４とを覆うように成形されている。一方、連結部材１９は、一体成形時に位置決めピンが挿入される位置決め穴４５が露出する形状となっている。また、連結部材１９は、回転子ヨーク１７の各内径凸部４１（図６Ａ参照）と、ボス１８の各凹部１８ｂとが対向するように連結するものである。各内径凸部４１と各凹部１８ｂとを対向配置させて、回転子ヨーク１７とボス１８とを一体成形することにより、回転子３の回転に対する強度を補い、回転電機１の安定化を図ることができる。

図９に示すように、モールド成形時においては、連結部材１９を形成する樹脂が、回転子ヨーク１７とボス１８との間のみならず、注入穴４４にも流れ込むため、連結部材１９は、カシメ部４６を内径側と外径側とから挟むように形成される。特に、本実施の形態では、注入穴４４とカシメ部４６とが、各磁極片４における接続部Ｃ側の２箇所に設けられているため、連結部材１９は、カシメ部４６を内径側と外径側とから囲みこむように形成されている。

本実施の形態における回転子３の一体成形時には、連結部材１９を形成する樹脂の収縮により、回転子ヨーク１７のカシメ部４６の内径側だけではなく外径側にも収縮圧がかかるため、樹脂収縮による回転子ヨーク１７の外径円筒度の悪化を緩和することができる。なお、図９では、注入穴４４が軸方向に貫通する場合を例示したが、これに限定されず、回転子ヨーク１７の軸方向における端面４ｄ及び端面４ｅの少なくとも一方から、注入穴４４が、軸方向に延びる穴として形成されるようにしてもよい。

また、連結部材１９には、結合部１９ａとリブ１９ｆとで囲まれた貫通しない穴が形成されている。すなわち、結合部１９ａは、貫通しておらず、厚さ同一に形成されているため、結果として、連結部材１９の肉厚が均一化されている。これにより、樹脂からなる連結部材１９の不均衡な収縮を抑え、成形安定化の実現が可能となる。

図１０は、回転電機１の被駆動機械であるプロペラファン５０を連結した状態を示す概略図である。すなわち、本実施の形態における空調機器１００は、少なくとも、エアコン室外機のプロペラファン５０と、プロペラファン５０を駆動する回転電機１と、を有している。シャフト８の先端部は、プロペラファン５０と連結されており、プロペラファン５０は、熱交換器へ送風するファンとして使用される。なお、本実施の形態では、プロペラファン５０を一例に説明したが、これに限定されるものではなく、用途に応じたファンを採用してもよい。すなわち、プロペラファン５０の代わりに、例えば、シロッコファン及びターボファンなどを採用してもよい。

（実施の形態の効果）
本実施の形態では、回転子ヨーク１７とボス１８とを樹脂で一体成形してなる回転子３において、円環状の回転子ヨーク１７を分割した形状である磁極片４のカシメ部４６の外径側に注入穴４４を設け、一体成形する際に注入穴４４に樹脂を流し込むという構成を採っている。このため、一体成形時の磁極片４には、内径側の樹脂の収縮による応力だけではなく、注入穴４４に充填された樹脂の収縮による応力も働くため、回転子ヨーク１７の外径断面における過度の収縮変形が緩和され、回転子３の円筒度を改善することができる。

また、注入穴４４がカシメ部４６よりも外周側に設けられている場合には、カシメ部４６の位置が、回転子ヨーク１７の内径側の樹脂と、注入穴４４に注入された樹脂との収縮バランスの支点となるため、回転子ヨーク１７の円筒精度の向上を図ることができる。すなわち、樹脂による一体成形の際に、樹脂収縮の影響を緩和させて、回転子３の回転子の円筒度の悪化を抑制することができるため、分割コア化によるリスクを回避でき、材料コストを削減することが可能となる。

加えて、回転子ヨーク１７とボス１８との間には連結部材１９が介在しているため、回転子ヨーク１７とシャフト８との間が絶縁されることから、回転子ヨーク１７に発生した電流が出力軸に伝達せず、雑音の原因となるベアリングの電食等の発生を抑制することができる。このため、回転電機１の回転子３の材料費を抑えることができ、安価でかつ高精度の回転電機の回転子及び空調機器を提供することが可能となる。

なお、上述した各実施の形態は、回転電機の回転子、回転電機、及び空調機器における好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術的範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。例えば、図７では、磁極片４が、注入穴４４及びカシメ部４６を二箇所に有する例を示したが、カシメ及び注入穴の数や形状は、設計内容に応じて適宜変更するようにしてもよい。すなわち、カシメ部４６は丸形状としてもよく、注入穴４４は矩形状としてもよい。また、注入穴４４の位置は、図７に示す位置に限定されるものではなく、注入穴４４の中心が、カシメ部４６の中心位置よりも外径側に配置された構成を広く採用することができる。

図７では、磁極片４の内径側に内径凸部４１を形成した場合を例示したが、これに限定されず、内径凸部４１に代えて、オスアリ溝を形成するようにしてもよい。また、図６Ａにおける回転子ヨーク１７は、１０個の磁極片４を組み合わせて構成されているが、任意の個数の磁極片を組み合わせて回転子ヨークを構成するようにしてもよい。

本実施の形態では、連結部材１９が、注入穴４４とカシメ部４６とを覆うように花びら形状を成す例を示したが、かかる形状に限定されるものではなく、例えば、連結部材１９が、各位置決め穴４５の箇所を除く部分全て（積層方向端面全体）を覆うように形成されてもよいし、注入穴４４及びカシメ部４６又は注入穴４４のみを覆うように形成されてもよい。また、注入穴４４は、上述した通り、図９のように軸方向に貫通した形状であってもよいし、回転子ヨーク１７の軸方向における各端面から軸方向に形成された穴であってもよい。すなわち、連結部材１９が、回転子ヨーク１７の軸方向における各端面の樹脂が注入穴４４内の樹脂と連結された形状となればよい。加えて、本実施の形態では、連結部材１９を成すモールド成形用の樹脂として熱可塑性樹脂を採用したが、熱硬化性樹脂を採用してもよい。

１ 回転電機、２ 固定子、３ 回転子、４ 磁極片、４ａ 内径面、４ｂ 一方の側端面、４ｃ 他方の側端面、４ｄ、４ｅ 端面、５ モータハウジング、６ ケーシング、７ ベアリングハウジング、８ シャフト、９ａ 一方の軸受、９ｂ 他方の軸受 １０ 板金カバー、１１ ブラケットカバー、１２ プリント基板、１３ 基板保持器、１６ 底壁部、１７ 回転子ヨーク、１８ ボス、１８ａ ボス穴、１８ｂ 凹部、１８ｃ カシメ部、１８ｄ 挿入孔、１８ｘ 外周面、１９ 樹脂部材、１９ａ 結合部、１９ｂ 第１端部、１９ｃ 第２端部、１９ｄ 第１被覆部、１９ｅ 第２被覆部、１９ｆ リブ、２０ マグネット、２４ 磁極片用コアシート、２４ａ 磁極片シートピース、２５ ボス用コアシート、２５ａ ボスシートピース、４１ 内径凸部、４２ 凸部、４３ 凹部、４４ 注入穴、４５ 位置決め穴、４６ カシメ部、５０ プロペラファン、１００ 空調機器。

本発明に係る回転電機の回転子は、シャフトが挿入されるボスと、ボスの外周側に設けられ、複数の磁極片が円環状に接続された回転子ヨークと、ボスと回転子ヨークとを一体成形する樹脂からなる連結部材と、を有し、複数の磁極片には、軸方向に形成され、一体成形の際に樹脂が注入される注入穴が設けられており、複数の磁極片は、カシメ部を有する薄板が複数枚積層されてカシメ部において固定されたものであり、注入穴は、カシメ部の位置よりも外周に設けられており、連結部材は、ボスの外周面と回転子ヨークの内周面とを結合する結合部を有し、結合部は、少なくとも回転子ヨークの内径側に設けられており、注入穴には、樹脂が注入されている。

Claims (10)

1. シャフトが挿入されるボスと、
   前記ボスの外周側に設けられ、複数の磁極片が円環状に接続された回転子ヨークと、
   前記ボスと前記回転子ヨークとを一体成形する樹脂からなる連結部材と、
   を有し、
   前記複数の磁極片には、軸方向に形成され、一体成形の際に前記樹脂が注入される注入穴が設けられている回転電機の回転子。
2. 前記複数の磁極片は、カシメ部を有する薄板が複数枚積層されて前記カシメ部において固定されたものであり、
   前記注入穴は、前記カシメ部の位置よりも外周に設けられている請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 前記磁極片は、複数の前記カシメ部を有しており、
   前記注入穴は、前記各磁極片それぞれの複数の箇所に設けられている請求項２に記載の回転電機の回転子。
4. 前記カシメ部と前記注入穴とが、前記回転子ヨークの径方向における同一直線上に設けられている請求項２又は３に記載の回転電機の回転子。
5. 前記ボスは、薄板が複数枚積層され固定されたものであり、
   前記各磁極片の薄板と前記ボスの薄板とは、異なる板厚である請求項２〜４の何れか一項に記載の回転電機の回転子。
6. 前記連結部材は、
   前記ボスの外周面と前記回転子ヨークの内周面とを結合する結合部と、
   前記結合部の軸方向における両端部から延び、前記回転子ヨークの軸方向における端面を覆う被覆部と、
   を有し、
   前記被覆部は、前記注入穴内の樹脂に連結されている請求項１〜５の何れか一項に記載の回転電機の回転子。
7. 前記結合部は、前記ボスから前記回転子ヨークに亘り同一の厚さで形成されている請求項６に記載の回転電機の回転子。
8. 前記樹脂は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂である請求項１〜７の何れか一項に記載の回転電機の回転子。
9. 請求項１〜８の何れか一項に記載の回転電機の回転子と、
   前記ボスに挿入される前記シャフトと、
   前記回転子ヨークの外周面に設けられたマグネットと、
   を有する回転電機。
10. 請求項９に記載の回転電機と、
    前記回転電機に実装されたプロペラファンと、
    を搭載する空調機器。

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