JPWO2017158642A1 - 永久磁石式回転電機及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
永久磁石式回転電機を例えば20000rpm程度の高速回転領域で使用する場合、第一に問題となるのが回転子の破損である。
表面磁石型の回転電機の場合、永久磁石は接着剤で回転子コアに貼り付ける方法が一般的であるが、接着剤のみでは到底遠心力に耐えることができず、永久磁石が剥がれてしまう可能性が高い。そこで、磁石外周にバインドを巻き付けるという補強手法が考えられている。しかし、磁石外周にバインドを巻き付けると、磁気回路的なギャップが広がってトルクが低下してしまう。
特許文献1に示す永久磁石埋め込み式回転電機は、回転子を備え、この回転子が、1つの磁極あたり、並べて配置され2つの磁石スロットと、2つの磁石スロットの外側に形成された外周縁部と、2つの磁石スロットの内側に形成された芯部と、隣接する磁石スロット間に形成され、外周縁部と芯部とを繋ぐセンタブリッジを備えた回転子コアを備えている。そして、回転子コアの複数の磁石スロットの各々内に永久磁石が配置されるとともに、回転子コアにシャフトが固定される。
しかしながら、センタブリッジの一部もしくは全てを非磁性化する過程において、当該非磁性化をレーザによる加熱で行うと、レーザ照射部の温度は約1千度となり、レーザ照射部が酸化することが避けられない。非磁性化した箇所に酸化膜ができると、回転子コアを形成するための各板材の表面は平坦でなくなるため、回転子コアを形成するために当該板を積層すると積層物がたわみ、各磁石スロットに永久磁石を埋め込むことが困難となる。また、回転子コアにおいて、積層する板材間の絶縁をするために一般に当該板材の面には絶縁被膜が設けられるが、板材の面は酸化膜のところだけ板厚が厚いため、当該板材の面に絶縁被膜を設けた際に板厚が不均一になってしまう。このため、回転子コアを形成するために当該板材を積層すると、積層した板材間に隙間が生じてしまう問題がある。積層した板材間に隙間が生じると、均一な板厚の板材を積層してなる回転子コアを有する回転電機と同じ出力を得るためにはシャフト方向の長さが長くなり回転電機の体格が大きくなるという問題が生じる。
従って、本発明はこの従来の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、回転子コアを形成する複数の板材の各々の非磁性部の面に酸化膜があっても板材の板厚を均一にして積層できる、永久磁石式回転電機及びその製造方法を提供することにある。
本発明の一実施形態に係る永久磁石式回転電機は、図1に示されており、永久磁石式回転電機1は、4極24スロットの埋込磁石型同期電動機である。なお、本発明は、磁極の数やスロット数、その他の各部分の寸法などによって何ら制約を受けるものではない。
永久磁石式回転電機1は、図1に示すように、固定子10と、この固定子10の内周側に所定のギャップGを隔てて対向して回転自在に配置された回転子20とを備えている。
ここで、固定子10は、円筒状のフレーム2と、フレーム2の内周側に配置された内周面11aが円筒状に形成された円筒状の固定子コア11とを備えている。固定子コア11の内周面11a側には、円周方向に等間隔で形成された24個のスロット12及び24個のティース13が形成される。各ティース13には、スロット12内に巻装された巻線14が巻回されている。
回転子コア21は、1つの磁極22あたり、図1に示すように、2つの磁石スロット23と、2つの磁石スロット23の外側に形成された外周縁部24と、2つの磁石スロット23の内側に設けられた芯部25と、隣接する磁石スロット23間に形成され、外周縁部24及び芯部25を繋ぐ1つのセンタブリッジ26とを備えている。2つの磁石スロット23は、それら2つの磁石スロット23間の中心と、回転子コア21(芯部25)の中心とを結ぶ線に対し、2つの磁石スロット23の幅方向の中心線が垂直となるように、並べて配置されている。各磁石スロット23は、回転子コア21の軸方向の両端にまで貫通する略矩形状の貫通孔で形成される。
また、回転子コア21において、最も端の2つの磁石スロット23(本実施形態の場合、2つの磁石スロットのみ)を回転子コア21の外周面21aにそれぞれ連通させる2つの連通路28が形成されている。各連通路28は、回転子コア21の軸方向の両端にまで貫通する。
このように、センタブリッジ26の一部もしくは全部に非磁性部30を形成することにより、センタブリッジ26を介して永久磁石27からの磁束の漏れ量が低減し、容易に高トルク化を実現することができる。
ここで、非磁性部を規定する「非磁性」の意味は、常磁性、反磁性及び反強磁性のすべてを含む意であり、いわゆる弱磁性をも含む意である。
このように、回転子コア21を形成する複数の板材21A,21B,21C,21Dの各々の非磁性部30を形成する領域以外の部分の表面及び裏面に絶縁被膜32を備えると、回転子コア21を形成する複数の板材21A,21B,21C,21Dの各々の板厚がほぼ均一になる。このため、回転子コア21を形成する複数の板材21A,21B,21C,21Dの各々の非磁性部30の表面及び裏面に酸化膜31があっても板材21A,21B,21C,21Dの板厚を均一にして積層できる、永久磁石式回転電機1とすることができる。これにより、積層した板材21A,21B,21C,21D間に隙間が生じるおそれを回避でき、永久磁石式回転電機1の体格が大きくなるという問題を回避できる。
ここで、絶縁被膜32は、有機材料、無機材料、あるいはそれらの混合物により構成される。
また、回転子コア21を形成する複数の板材21A,21B,21C,21Dの各々の非磁性部30を形成する領域以外の部分の表面及び裏面に絶縁被膜32を備えることにより、隣接する板材21A,21B,21C,21D間を適切に絶縁することができる。
永久磁石式回転電機1の製造に際し、先ず、固定子10を製造する。
固定子10の製造工程は、内周面11aが円筒状に形成される円筒状の固定子コア11を形成する工程(固定子コア形成工程)と、固定子コア11に設けられた複数のティース13の各々に複数の巻線14を巻回する工程(巻線巻回工程)とを含む。
ここで、固定子コア形成工程では、軟磁性材料からなる板材を複数のティース13を形成する部分を有する所定の2次元形状にプレス加工して打ち抜き、これを必要な枚数だけ積層してカシメや溶接によって積層方向に固定する。これにより、固定子コア11は形成される。軟磁性材料からなる板材としては、例えば、無方向性電磁鋼板が挙げられる。固定子コア11の形成に際し、軟磁性フェライト材を所定の3次元形状にプレスし、焼結してもよい。
そして、巻線巻回工程の後に、フレーム2によって固定子コア11を固定する。以上により、固定子10は製造される。
回転子20の製造工程は、回転子コア21を形成する工程(回転子コア形成工程)と、回転子コア21にシャフト3を固定する工程(シャフト固定工程)とを備えている。
回転子コア形成工程は、複数の板材21A,21B,21C,21Dを積層してなる回転子コア21であって、1つの磁極22あたり、並べて配置された2つの磁石スロット23と、2つの磁石スロット23の外側に形成された外周縁部24と、2つの磁石スロット23の内側に形成された芯部25と、隣接する磁石スロット23間に形成され、外周縁部24と芯部25とを繋ぐ1つのセンタブリッジ26と、最も端の2つの磁石スロット23を回転子コア21の外周面21aにそれぞれ連通させる2つの連通路28とを備えた回転子コア21を形成するものである。
この板材加工工程における各板材21A,21B,21C,21Dの加工は、プレスによる打ち抜きの他にワイヤカットなどを挙げることができる。
また、回転子コア形成工程は、図5(A),(B)に示すように、複数の板材21A,21B,21C,21Dの各々のセンタブリッジ26に対応する部分104の一部もしくは全部(本実施形態にあっては全部)に非磁性化を行って非磁性部30を形成する工程(非磁性化工程)を備える。
非磁性化を行う箇所は、各板材21A,21B,21C,21Dのセンタブリッジ26に対応する部分104の一部もしくは全部である。磁束漏れの観点からは各板材21A,21B,21C,21Dのセンタブリッジ26に対応する部分104の全部が非磁性部30となっていることが好ましいが、各センタブリッジ26において磁気抵抗を十分に増やせるのであれば、各板材21A,21B,21C,21Dのセンタブリッジ26に対応する部分104の一部のみに非磁性化を行ってもよい。また、レーザを照射する際は、非磁性化を行う箇所に一度に照射してもよいし、スポットの小さいレーザをスキャンしてもよい。また、レーザ照射後の急冷は、空冷で構わないが、必要に応じ水冷や油冷を行ってもよい。また、珪素鋼板を回転子コア21の板材21A,21B,21C,21Dの素材に用いる場合には、非磁性のオーステナイト相を安定化させるために、CrやCなどの改質物質の付与が必要である。具体的には、これらの物質を板材の表面に塗布してからレーザ照射をすればよい。ただし、この場合、レーザ照射時に改質物質を板材の内部に浸透させるには、少なくともレーザ照射部には絶縁コーティングを施さないほうがよい。
また、回転子コア形成工程においては、図6乃至図8に示すように、複数の板材21A,21B,21C,21Dの各々の非磁性部30を形成した領域以外の部分の表面及び裏面に絶縁被膜32を形成する(絶縁被膜形成工程)。
ここで、ハードマスク設置工程では、図6に示すように、複数の板材21A,21B,21C,21Dの各々の非磁性部30を形成した領域の表面及び裏面に耐熱性のハードマスク33を設置する。ハードマスク33の形状は、リング状や多角形状を問わず、非磁性部30に形成された酸化膜31が覆われていればよい。ハードマスク33には、非磁性化処理が行われた部分との位置合わせを容易にするため、磁石スロット23に適合するようなガイド機構を設けてもよい。絶縁被膜32を非磁性部30を形成した領域以外の表面及び裏面に設けるため、ハードマスク33は非磁性部30を形成した領域の表面及び裏面に設置してあるが、後述するように、絶縁被膜32を非磁性部30を形成した領域以外の表面及び裏面のいずれか一方の面(片面)に設ける場合には、ハードマスク33を片面のみに設置してもよい。
また、塗布液塗布硬化工程では、図7に示すように、絶縁被膜32を形成する塗布液を各板材21A,21B,21C,21Dの表面及び裏面に塗布して硬化する。ここで、塗布液としては、有機材料及び無機材料を混合した混合材料のRemisol EB 500F(rembrandtin社製)を用いた。そして、塗布液が自動的に供給される、対向する2本のロールを有するロールコータを用いて、2本のロール間に表面及び裏面にハードマスク33を設置した各板材21A,21B,21C,21Dを通して塗布液を塗布し、引続き、200℃で1分間キュアして、図7に示すような各板材21A,21B,21C,21Dに密着した絶縁被膜32を得た。
そして、回転子コア形成工程においては、複数の板材21A,21B,21C,21Dの各々の非磁性部30を形成した領域以外の部分の表面及び裏面に絶縁被膜32を形成した後、複数の板材21A,21B,21C,21Dを、積層して固定する(板材積層工程)。
この板材積層工程では、前述の絶縁被膜32を形成した複数の板材21A,21B,21C,21Dを、シャフト3が嵌め込まれる孔101、2つの磁石スロット23が形成される孔102及び2つの連通路28を形成する孔103が積層方向に整列するように、積層して固定する。積層した板材同士の結着は、カシメや溶接によって行うことができる。これにより、回転子コア21が製造される。
最後に、回転子20が製造されたならば、回転子コア21を図示しない軸受を介して固定子コア11の内側に回転自在に配置する(回転子コア配置工程)。これにより、永久磁石式回転電機1が製造される。
図9に示す永久磁石式回転電機は、図1乃至図8に示す本実施形態に係る永久磁石式回転電機1と基本構成は同様であるが、複数の板材21A,21B,21C,21Dの各々の非磁性部30を形成した領域以外の部分の表面及び裏面に絶縁被膜32を形成していない点で図1乃至図8に示す本実施形態に係る永久磁石式回転電機1と異なる。
つまり、回転子コア21を形成する複数の板材21A,21B,21C,21Dの各々の非磁性部30を形成した領域以外の部分の表面及び裏面に絶縁被膜32が形成される。そして、複数の板材21A,21B,21C,21Dの各々の非磁性部30を形成する領域の表面及び裏面に、絶縁被膜32と平坦性を保つ耐熱性のハードマスク32が設置されている。永久磁石式回転電機1は、図10に示すもであってもよい。
この変形例においても、回転子コア21を形成する複数の板材21A,21B,21C,21Dの各々の板厚がほぼ均一になり、回転子コア21を形成する複数の板材21A,21B,21C,21Dの各々の非磁性部30の表面及び裏面に酸化膜31があっても板材21A,21B,21C,21Dの板厚を均一にして積層できる。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに種々の変更、改良を行うことができる。
また、回転子コア21において、最も端の2つの磁石スロット23(本実施形態の場合、2つの磁石スロットのみ)を回転子コア21の外周面21aにそれぞれ連通させる2つの連通路28を形成する必要は必ずしもない。つまり、いわゆるサイドブリッジを設けてもよい。この場合、サイドブリッジを非磁性化してもよいし、非磁性化しなくてもよい。サイドブリッジを非磁性化しない場合、サイドブリッジを形成する部分の表面及び裏面に絶縁被膜32を形成することが好ましい。
また、絶縁被膜32は、有機材料、無機材料、あるいはそれらの混合物であればよく、有機材料と無機材料の混合物である必要は必ずしもない。
また、絶縁被膜形成工程においては、ハードマスク設置工程を設ける必要は必ずしもない。
なお、本実施形態において、回転子コア21は4枚の板材21A,21B,21C,21Dを積層してなるが、板材の枚数は複数であればよく4枚に限られない。
2 フレーム
3 シャフト
10 固定子
11 固定子コア
13 ティース
14 巻線
20 回転子
21 回転子コア
21A,21B,21C,21D 板材
22 磁極
23 磁石スロット
24 外周縁部
25 芯部
26 センタブリッジ
27 永久磁石
28 連通路
30 非磁性部
32 絶縁被膜
33 ハードマスク
G ギャップ
Claims (8)
- 固定子コア及び該固定子コアに設けられた複数のティースの各々に巻回された複数の巻線を備えた固定子と、前記固定子コアに対して所定のギャップを隔てて対向して回転自在に配置される回転子とを備え、
該回転子が、複数の板材を積層してなる回転子コアであって、1つの磁極あたり、並べて配置された複数の磁石スロットと、複数の磁石スロットの外側に形成された外周縁部と、複数の磁石スロットの内側に形成された芯部と、隣接する磁石スロット間に形成され、前記外周縁部と前記芯部とを繋ぐ1つ又は複数のセンタブリッジとを備えた回転子コアと、前記複数の磁石スロットの各々内に配置された複数の永久磁石と、前記回転子コアに固定されたシャフトとを備え、
前記1つ又は複数のセンタブリッジの各々の一部もしくは全部に非磁性部を形成し、
前記回転子コアを形成する複数の板材の各々の前記非磁性部を形成する領域以外の部分の面に絶縁被膜を備えていることを特徴とする永久磁石式回転電機。 - 前記絶縁被膜は、前記複数の板材の各々の片面に備えられていることを特徴とする請求項1に記載の永久磁石式回転電機。
- 前記絶縁被膜は、有機材料、無機材料、あるいはそれらの混合物であることを特徴とする請求項1又は2に記載永久磁石式回転電機。
- 前記回転子コアは、1つの磁極あたり、最も端の2つの磁石スロットを前記回転子コアの外周面にそれぞれ連通させる2つの連通路を備えていることを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれか一項に記載の永久磁石式回転電機。
- 前記回転子コアを形成する複数の板材の各々の前記非磁性部を形成する領域の面に、前記絶縁被膜と平坦性を保つ耐熱性のハードマスクを設けたことを特徴とする請求項1乃至4のうちいずれか一項に記載の永久磁石式回転電機。
- 固定子コアを形成する工程と、該固定子コアに設けられた複数のティースの各々に複数の巻線を巻回する工程と、複数の板材を積層してなる回転子コアであって、1つの磁極あたり、並べて配置された複数の磁石スロットと、複数の磁石スロットの外側に形成された外周縁部と、複数の磁石スロットの内側に形成された芯部と、隣接する磁石スロット間に形成され、前記外周縁部と前記芯部とを繋ぐ1つ又は複数のセンタブリッジとを備えた回転子コアを形成する工程と、前記回転子コアにシャフトを固定する工程と、前記回転子コアを前記固定子コアの内周側に回転自在に配置する工程とを備え、
前記回転子コアを形成する工程が、複数の板材を準備する板材準備工程と、前記複数の板材の各々に対して、前記シャフトが嵌め込まれる孔及び前記複数の磁石スロットが形成される孔を形成する板材加工工程と、前記複数の板材の各々の前記センタブリッジに対応する部分の一部もしくは全部に非磁性化を行って非磁性部を形成する非磁性化工程と、前記複数の板材の各々の前記非磁性部を形成した領域以外の部分の面に絶縁被膜を形成する絶縁被膜形成工程と、前記複数の板材を、前記シャフトが嵌め込まれる孔及び前記複数の磁石スロットが形成される孔が積層方向に整列するように、積層して固定する板材積層工程とを含むことを特徴とする永久磁石式回転電機の製造方法。 - 前記絶縁被膜形成工程は、前記複数の板材の各々の前記非磁性部を形成した領域の面に耐熱性のハードマスクを設けるハードマスク設置工程と、前記絶縁被膜を形成する塗布液を前記複数の板材の各々の面に塗布して硬化する塗布液塗布硬化工程と、前記ハードマスクを取り外すハードマスク取り外し工程とを備えることを特徴とする請求項6に記載の永久磁石式回転電機の製造方法。
- 前記絶縁被膜形成工程は、前記複数の板材の各々の前記非磁性部を形成した領域の面に、前記絶縁被膜と平坦性を保つ耐熱性のハードマスクを設けるハードマスク設置工程と、前記絶縁被膜を形成する塗布液を前記複数の板材の各々の面に塗布して硬化する塗布液塗布硬化工程とを備えることを特徴とする請求項6に記載の永久磁石式回転電機の製造方法。
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