JP5033841B2 - 回転電機及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機及びその製造方法に関する。

一般に、回転電機の回転子に用いられる電磁鋼板の鋼板材料は圧延成形されるが、圧延という製法上、鋼板材料の幅方向の厚みに偏差が生じることは避けられない。このような鋼板材料から打ち抜き加工によって回転子鉄心等の積層体に用いられる鋼板板材を製造した場合には、各板材に圧延方向で決まる一定の方向性を有する厚み偏差が残る。

圧延方向を常に一定の状態に保ったまま、鋼板材料の打ち抜き加工を行い、得られた板材をそのまま積層して回転子鉄心等の積層体を製作すると、この積層体には各板材が有する微小な厚み偏差量が集積され、大きな厚み偏差量となって現れる。この積層体をそのまま組み付けた回転子には、大きな質量アンバランスが発生する。この質量アンバランスを解消するために、組み付けた後にさらにバランス工程を設け、そこで調整穴を加工するなどして最終的な質量バランスを得ている。

このような積層体の厚み偏差の積上げを解消するために、積層する鋼板を回転積みすることにより回転子鉄心を製造することが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００９−３３９０８号公報

しかしながら、打ち抜き装置内で回転積層を実現するためには装置構造が複雑となり、高額な設備投資が必要となるなどの問題がある。場合によっては、前述のバランス工程では調整しきれない初期アンバランスが生じる可能性もある。

本発明の目的は、複雑な装置や余計な工程を必要としない、生産性に優れた回転電機およびその製造方法を提供することにある。

本発明は、固定子と、固定子に対して回転空隙を介して回転可能に設けられた回転子と、を有する回転電機であって、回転子は、圧延鋼板を打ち抜いた鋼板を積層した回転子鉄心と、回転子鉄心を回転可能に保持するスパイダを有し、回転子鉄心は、スパイダ側に、回転方向に並ぶ複数のキーを有し、スパイダは、回転子鉄心側に、回転方向に並ぶ複数のキー溝を有し、回転子鉄心とスパイダとは、キーとキー溝が互いに嵌合するような位置関係で保持されているとともに、キーとキー溝は、回転子鉄心の積層による重要アンバランスと、スパイダの重量アンバランスとが互いに相殺方向になるような組み合わせで嵌合している回転電機である。

また本発明は、固定子と、固定子に対して回転空隙を介して回転可能に設けられた回転子と、を有し、回転子は、圧延鋼板を打ち抜いた鋼板を積層した回転子鉄心と、回転子鉄心を回転可能に保持するスパイダを有し、回転子鉄心は、スパイダ側に、回転方向に並ぶ複数のキーを有し、スパイダは、回転子鉄心側に、回転方向に並ぶ複数のキー溝を有し、回転子鉄心とスパイダとは、キーとキー溝が互いに嵌合するような位置関係で保持されている回転電機の製造方法であって、複数のキーのうち１つのキーの中心軸が鋼板の圧延方向に対して９０度をなすように圧延鋼板を打ち抜き、回転子鉄心の積層による重要アンバランスと、スパイダの重量アンバランスとが互いに相殺方向になるような組み合わせでキーとキー溝を嵌合させる回転電機の製造方法である。

本発明によれば、複雑な装置や余計な工程を必要としない、生産性に優れた回転電機およびその製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態をなす、永久磁石型回転電機回転子の製造工程の斜視図。 本発明の一実施形態をなす、回転電機の断面図。 本発明の一実施形態をなす、回転子鉄心の打ち抜きを示す図。 本発明の一実施形態をなす、回転子鉄心の斜視図。 本発明の一実施形態をなす、スパイダ斜視図。 本発明の一実施形態をなす、シャフトまたはスパイダのキー溝形状を示す図。 本発明の一実施形態をなす、回転子の斜視図。 本発明の一実施形態をなす、回転子鉄心の斜視図。 本発明の一実施形態をなす、誘導電動機の回転子鉄心の斜視図。 本発明の一実施形態をなす、回転子の製造工程の斜視図。 本発明の一実施形態をなす、回転子の製造工程の斜視図。 本発明の一実施形態をなす、回転子の斜視図。 本発明の一実施形態をなす、シャフトまたはスパイダのキー溝形状を示す図。

以下、本発明の実施形態を説明する。

回転電機の性能として、「回転子のバランス精度」を挙げることができる。回転子のバランス精度は、回転電機の振動・騒音に直接に影響する。従って、回転子部品組み立て後の最終工程におけるバランス調整は必須である。

一般に回転子のバランスは、回転子部品を全て組み立てた後の最終工程にて、質量を除去または付与することにより調整する。従って、回転子部品を組み立てた状態での初期アンバランスが大きい場合、調整のために除去または付与する質量が大きくなり、極端な場合、設計要求値までの調整が不可能となる。そのため、回転子組み立て状態での初期アンバランスを低減することは、バランス調整のための工数を削減することにつながる。

回転子の初期アンバランスは、各部品の持つアンバランスと、部品間の組み立て隙により発生するアンバランスとの合成値に依存する。その回転子の初期アンバランスの大きなウェイトを占めるものの一つに、回転子鉄心における積層鋼板の板厚偏差の積上げによるアンバランスがある。

一般に、回転電機の回転子に用いられる電磁鋼板の鋼板材料は圧延成形されるが、圧延時に鋼板材料の幅方向の厚みに微小ではあるが偏差が生じる。このような偏差を完全に解消することは現在の技術においては困難である。したがって、このような幅方向に厚み偏差を有する鋼板材料から打ち抜き加工によって、回転子鉄心等の積層体に用いられる鋼板板材を製造した場合には、各板材に圧延方向にて決まる一定の方向性を有する厚み偏差がそのまま残ることになる。

圧延方向を常に一定の状態に保ったまま、鋼板材料の打ち抜き加工を行い、得られた板材をそのまま積層して回転子鉄心等の積層体を製作すると、この積層体には各板材が有する微小な厚み偏差量が集積され、大きな厚み偏差量となって現れる。したがって、この積層体をそのまま組み付けた回転子には大きな初期アンバランスが発生することとなる。

この積層体の厚み偏差の積上げを解消するために、積層する鋼板を回転積みすることにより回転子鉄心を製造することが知られている。しかしながら、打ち抜き装置内で回転積層を実現するためには装置構造が複雑となり、高額な設備投資が必要となる。

また、回転積を実現する装置構造をとる場合、構造が複雑となるため、順送型のステージピッチが大きくなり、対応するプレス機の容量もより大きなものが必要となる。更には、材料歩留り向上のため回転子及び固定子の鉄心を同時抜きにて製造しようとした場合、ステージ数の不足が深刻となり、現存するプレス機では対応できなくなる問題がある。

上述のように、積層鋼板より構成される回転子鉄心において、板厚偏差の積上げによる質量アンバランスを解決するためには、打ち抜き鋼板を回転積みするための複雑な装置構造が必要である。そこで本実施形態では、複雑な構造の打ち抜き装置を必要としない回転積みを実施しない積層鋼板を回転子鉄心に用いながら、上記の質量アンバランスの課題を解決する回転電機の回転子を提供する。

本実施形態では、回転積みを実施しない積層鋼板を回転子鉄心に用いながら、回転子鉄心の板厚偏差の積上げによる質量アンバランスとシャフトまたはスパイダのキー溝幅の違いによる質量アンバランスを互いに打ち消すように回転子を組み立てる。

回転積を実施しない回転子の積層鋼板においては、板厚偏差の積上げによる質量アンバランスすなわち回転体としての初期アンバランスを持っている。一方、複数のキー溝を有するシャフトまたはスパイダにおいては、必ず複数のキー溝のうち１ヵ所を基準と定め、他のキー溝よりも幅寸法を小さく設定する。すなわち、基準とするキー溝においては対応する回転子鉄心のキーとの嵌め合いは厳しく、その他のキー溝は部品寸法公差を吸収できる余裕代を持った幅寸法に設定する。

シャフトまたはスパイダにおいては、このキー溝の幅寸法の差異により初期アンバランスを持っている。当然、この初期アンバランスは軸方向寸法が大きくなればなるほど、キー溝位置の径が大きくなればなるほど大きくなる。

次に、回転子の組み立て工程において、回転子鉄心の初期アンバランスと、シャフトまたはスパイダの初期アンバランスを互いに打ち消す方向に組み立てることにより、回転子全体としての初期アンバランスを改善する。

上記により、構成部品を組み立てた状態の回転子の初期アンバランスを低減することができ、バランス調整の工程において、必要なバランス精度を確保するために必要な除去または付与する質量を減らすことができる。すなわち、バランス調整に必要となる工数を低減することが可能であり、コストの低減に寄与する。

また、経験則より１度に調整で修正可能なバランス精度は、除去または付与する質量により決定される。これは、バランス調整後の精度がアンバランス量測定の誤差及び除去または付与する質量の誤差の両者を合わせた精度となるためである。本実施形態によれば、初期アンバランスを低減し、１度のバランス調整工程での調整精度を向上させることができる。すなわち、回転電機として、振動・騒音の低減を実現することができる。

打ち抜き装置においては、本実施形態の適用により、積厚偏差を打ち消すための回転積の複雑な構造を削減し、装置構造を簡略化できるため、設備投資額を低減することが可能である。また、打ち抜きのステージ全長を短縮することによりプレス機の容量も低減することができるため、より小さなプレス機による製造が可能となる。

以下、具体的な実施例を図面を用いて説明する。

図２に回転電機の全体断面図を示す。固定子３は固定子鉄心をハウジング１ｃに焼き嵌めすることにより固定され、回転子４はスパイダ４２及びシャフト４３を備え、ベアリング２ａ及び２ｂを介して回転可能に保持されている。

回転子鉄心の製造方法について説明する。図３に電磁鋼板より打ち抜かれる回転子鉄心を示す。素材である電磁鋼板は圧延により製造され、図３に示す鋼板の圧延方向に対して直角方向に板厚偏差を持ち、４１１ａ側は４１１ｂ側より薄くなっている。回転子鉄心は内径に形状の等しいキー形状４１２を２ヵ所持ち、図３中に示す電磁鋼板の圧延方向に対して９０°方向すなわち板厚偏差が最も大きくなる方向へ２つのキー形状４１２が配置されるように順次打ち抜いていく。打ち抜かれた鉄心は打ち抜き装置内にて所定の積厚まで積層された状態でカシメられ、図４に示すように回転子鉄心４１を構成する。

次に、打ち抜き装置内より排出された回転子鉄心４１の積厚寸法を測定し、２つのキー４１２の方向における積厚寸法の小さいほうへ識別マーキング４１３を施す。ここで、図３で示した配置にて回転子鉄心を打ち抜いた場合、素材の板厚偏差の積上げは２つのキー形状４１２の方向へ最も大きく表れる。すなわち図４のキー形状４１２ａと４１２ｂの方向に最も大きな積厚偏差すなわち質量アンバランスが生じている。本例ではキー形状４１２ａ位置が軽く、キー形状４１２ｂ位置が重い。

次に、図５に示すスパイダ４２について説明する。スパイダ４２は回転子鉄心のキー形状４１２に対応したキー溝４２１及び４２２を備える。キー溝４２１の溝幅は回転子鉄心のキー形状４１２と厳しい嵌め合いとなるように設定され、キー溝４２２の溝幅は回転子鉄心のキー形状４１２の形状及び位置寸法公差とキー溝４２２自身の形状及び位置寸法公差を吸収できるような溝幅に設定されている。よって、キー溝４２１の溝幅は、キー溝４２２の溝幅よりも小さくなる。なお、両キー溝の溝深さは等しい。図６（ａ）にキー溝４２１を、図６（ｂ）にキー溝４２２の形状を示す。キー溝幅４２１１は、キー溝幅４２２１よりも小さい。これにより、スパイダ４２において２つのキー溝方向に質量アンバランスが生じている。すなわち、スパイダ４２においてキー溝４２１位置は重く、キー溝４２２位置が軽い。ここで、図５に示す通り、質量アンバランスの方向識別４２３をキー溝位置の重いほう、すなわちキー溝４２１側へ施す。本例では部品のシリアルＮo.の刻印を識別４２３としている。

次に、回転子の組み立てについて説明する。図１に回転子鉄心４１，スパイダ４２及びシャフト４３を組み立てた状態の斜視図を示す。スパイダ４２を焼き嵌めにてシャフト４３へ組み付け、スパイダ４２へアテイタ５１を挿入する。次に回転子鉄心４１の識別マーキング４１３とスパイダ４２の識別４２３が一致するように回転子鉄心４１をスパイダ４２へ組み付ける。すなわち、回転子鉄心４１の質量の軽いほうのキーをスパイダ４２の質量の重いほうのキー溝へ一致させる。これにより、回転子鉄心４１の質量アンバランスとスパイダ４２の質量アンバランスを互いに打ち消す効果を得ることができる。

次に、回転子鉄心４１の穴４１４へ本図では示されていない永久磁石を挿入し、図７に示すアテイタ５２を焼き嵌めにて組み付ける。回転する構成部品を全て組み付けた状態にて、最終バランス調整を実施する。バランス測定機にて回転子の持つアンバランス量を測定し、その測定結果によりアテイタ５２へバランス調整穴５２１を加工することにより質量を除去し、回転子のバランスを規定値以内へ調整する。本実施形態を適用したことにより調整前の回転子の初期アンバランス量は改善されているので、除去加工する質量は少ない。すなわち、除去加工する工数を低減している。さらに、除去加工量を減らすことは、アテイタ５２の回転強度を考慮する上でも有利であり、回転子の信頼性を向上させている。

また、前述のように、初期アンバランス量が小さいということはより高いバランス精度までの調整が可能であり、回転電機としての振動及び騒音を低減することができる。

次に、実施例１にて、回転子鉄心４１の所定積厚をブロック毎に分割して、ブロック毎の回転積を採用する場合の適用例を説明する。回転子鉄心の積層構成が異なるのみで、それ以外のすべての工程は実施例１と同様である。

図８にブロック回転積みを実施する回転子鉄心４１の構成を示す。実施例１と同様に打ち抜かれた回転子鉄心４１を分割されたブロック毎に１８０度回転させる。図８においては、回転子鉄心４１の構成ブロック４１ａ，４１ｃ及び４１ｅの識別マーキング４１３は同一方向であり、構成ブロック４１ｂ及び４１ｄは１８０度回転して識別マーキング４１３は反対方向へ位置させることにより回転子鉄心４１を構成する。

図８に示すように分割するブロックが奇数の場合、実施例１と同様に回転子の初期アンバランス改善の効果を得ることができる。さらに、１８０度回転させるブロックの数及び積厚を、スパイダ４２の持つ質量アンバランスと釣合うように設定することも可能である。

分割するブロックが偶数の場合、理論上積層鋼板の積厚偏差はブロックの回転積により打ち消すことが可能であり、回転子鉄心４１自身の質量アンバランスはゼロとすることができる。しかしながら、スパイダ４２のキー溝による質量アンバランスを打ち消すため、適当なブロック数を１８０度回転させることで、スパイダ４２の持つ質量アンバランスと同等の質量アンバランスをあえて回転子鉄心４１に持たせることも可能である。

本実施形態を適用した誘導電動機の回転子について説明する。

図９に誘導電動機の回転子鉄心４１の斜視図を示す。誘導電動機の場合も実施例１と同様にキー形状４１２を電磁鋼板の圧延方向に対して９０度をなす方向へ配置して打ち抜き、回転積をせず所定積厚まで積層する。積厚測定を実施し、積厚の小さいほうのキー形状４１２ａ位置へ識別マーキング４１３を施す。

次に仮シャフトを挿入し、アルミまたは銅をダイカストすることにより図１０に示すようにかご型回転子の導体部４４を形成する。

図１１にシャフト４３を挿入した回転子の斜視図を示す。挿入されるシャフト４３には、回転子鉄心４１のキーに対応するキー溝が設けられており、キー溝４３１の溝幅は、キー溝４３２の溝幅より小さく設定されているため質量アンバランスを持っている。キー溝４３１位置の質量はキー溝４３２位置の質量よりも重い。キー溝４３１の方向は、シャフト４３に設けられた溝４３３を識別として利用する。実施例１と同様に、回転子鉄心４１の識別マーキング４１３とシャフト４３の識別４３３が一致するようにシャフト４３を挿入し、回転子を構成する。これにより、回転子鉄心４１とシャフト４３のアンバランス量を互いに打ち消すことが可能であり、初期アンバランスが改善され、実施例１と同様の効果を得ることができる。

図１２に示すように、軸方向の抜け止めにアテイタ５２を焼き嵌めにより組み付けた後、バランス調整を実施する。バランス調整は、回転子鉄心４１へ穴４１５を加工することにより規定のバランス精度まで調整を実施する。

他の実施例を説明する。本実施例は、複数のキー溝を有する回転電機の回転子のシャフトまたはスパイダにおいて、上述のキー溝幅の差異による初期アンバランスを解消するために適用する。

図１に示したような回転電機の回転子において、回転子鉄心は打ち抜かれた鋼板を回転積みにより積層されて構成される場合、回転子鉄心の積厚偏差は解消されており、回転子鉄心に初期アンバランスは生じていない。しかしながら、シャフトまたはスパイダの２つのキー溝幅には必ず差異が必要であり、深さが等しい場合にはこれによりシャフトまたはスパイダに初期アンバランスを生じてしまう。この問題を解決するために、上記シャフトまたはスパイダのキー溝の幅の違いに対応して、キー溝の深さを設定することによりこの初期アンバランスを解消する。

図５に示したスパイダ４２に本実施例を適用する場合のキー溝４２１及び４２２の形状を図１３に示す。キー溝４２１の溝幅４２１１は、キー溝４２２の溝幅４２２１よりも小さく設定されており、キー溝４２１の溝深さ４２１２はキー溝４２２の溝深さ４２２２よりも深く設定されている。これにより、キー溝４２１とキー溝４２２により除去されるスパイダ４２の質量は等しくなり、スパイダ４２の初期アンバランスを解消することができる。

１ ハウジング
２ ベアリング
３ 固定子
４ 回転子
４１ 回転子鉄心
４２ スパイダ
４３ シャフト
４４ 導体部

Claims (15)

1. 固定子と、前記固定子に対して回転空隙を介して回転可能に設けられた回転子と、を有する回転電機であって、
   前記回転子は、圧延鋼板を打ち抜いた鋼板を積層した回転子鉄心と、当該回転子鉄心を回転可能に保持するスパイダを有し、
   前記回転子鉄心は、前記スパイダ側に、回転方向に並ぶ複数のキーを有し、
   前記スパイダは、前記回転子鉄心側に、回転方向に並ぶ複数のキー溝を有し、
   前記回転子鉄心と前記スパイダとは、前記キーと前記スパイダの前記キー溝が互いに嵌合するような位置関係で保持されているとともに、
   前記キーと前記キー溝は、前記回転子鉄心の積層による重量アンバランスと、前記スパイダの重量アンバランスとが互いに相殺方向になるように、前記回転子鉄心の質量の軽いほうの前記キーが前記スパイダの質量の重いほうの前記キー溝に嵌合している回転電機。
2. 請求項１記載の回転電機であって、
   前記キー溝のうち少なくとも１つは他のキー溝よりも溝幅が小さく、
   前記回転子鉄心のキーのうち、当該キーが存在する方向の質量が最も小さい質量最小キーが、前記溝幅が小さいキー溝に嵌合されている回転電機。
3. 請求項２記載の回転電機であって、
   前記質量最小キーは、他の前記キーの位置にある鋼板部分よりも薄い鋼板部分を積層してなる回転電機。
4. 請求項２記載の回転電機であって、
   前記質量最小キーの近傍に識別マーキングが施されている回転電機。
5. 請求項１記載の回転電機であって、
   前記キーと前記キー溝は焼き嵌めによって嵌合されている回転電機。
6. 請求項１記載の回転電機であって、
   前記回転子鉄心には磁石挿入孔が形成され、当該磁石挿入孔に磁石が挿入されている回転電機。
7. 請求項１記載の回転電機であって、
   前記スパイダはシャフトに取り付けられるとともにアテイタが挿入され、前記回転子鉄心と前記スパイダとの組み合わせで相殺しきれなかった重量アンバランスを補完するバランス調整穴が前記アテイタに形成されている回転電機。
8. 請求項２記載の回転電機であって、
   前記鋼板は、前記質量最小キーに位置する鋼板部分が、他の前記キーの位置にある鋼板
   部分よりも質量が小さくなるように積層されている回転電機。
9. 請求項８記載の回転電機であって、
   前記鋼板は、質量が小さい鋼板部分同士を軸方向に重ねるように形成した鋼板ブロックを奇数個、回転積みしたものである回転電機。
10. 請求項１記載の回転電機であって、
    前記回転子鉄心には導体を挿入する孔が形成され、当該孔にアルミまたは銅がダイカスト挿入されている誘導電動機である回転電機。
11. 請求項２記載の回転電機であって、
    前記キー溝の深さは、前記回転子鉄心の積層による重量アンバランスと、前記スパイダの重量アンバランスが互いに相殺方向になるような深さで形成されている回転電機。
12. 固定子と、前記固定子に対して回転空隙を介して回転可能に設けられた回転子と、を有し、前記回転子は、圧延鋼板を打ち抜いた鋼板を積層した回転子鉄心と、当該回転子鉄心を回転可能に保持するスパイダを有し、前記回転子鉄心は、前記スパイダ側に、回転方向に並ぶ複数のキーを有し、前記スパイダは、前記回転子鉄心側に、回転方向に並ぶ複数のキー溝を有し、前記回転子鉄心と前記スパイダとは、前記キーと前記スパイダの前記キー溝が互いに嵌合するような位置関係で保持されている回転電機の製造方法であって、
    前記複数のキーのうち１つのキーの中心軸が前記鋼板の圧延方向に対して９０度をなすように圧延鋼板を打ち抜き、
    前記回転子鉄心の質量の軽いほうの前記キーが、前記スパイダの質量の重いほうの前記キー溝に一致するように前記キーと前記キー溝を嵌合させる回転電機の製造方法。
13. 請求項１２記載の回転電機の製造方法であって、
    前記キー溝のうち少なくとも１つのキー溝を、他のキー溝よりも溝幅が小さくなるように形成し、
    前記回転子鉄心のキーのうち、当該キーが存在する方向の質量が最も小さい質量最小キーが、前記溝幅が小さいキー溝に嵌合するように前記キーと前記キー溝を嵌合させる回転電機の製造方法。
14. 請求項１３記載の回転電機の製造方法であって、
    他の前記キーの位置にある鋼板部分よりも薄い鋼板部分を積層して前記質量最小キーを形成する回転電機の製造方法。
15. 請求項１記載の回転電機の製造方法であって、
    前記スパイダをシャフトに取り付けるとともにアテイタを挿入し、前記回転子鉄心と前記スパイダとの組み合わせで相殺しきれなかった重量アンバランスを補完するバランス調整穴を前記アテイタに形成する回転電機の製造方法。

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