JP5988951B2 - 永久磁石型回転電機と永久磁石型回転電機の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、永久磁石型回転電機と永久磁石型回転電機の製造方法に関するものである。

近年様々な用途に用いられる永久磁石型の回転電機において、固定子コアと、この固定子コアを収納するフレームを固定するために、フレームを焼き嵌めすることで固定する方法が一般的である。また、電動パワーステアリング用や、サーボ用、エレベータ用等のモータにおいては、コギングトルクが小さく、また、負荷時のトルク脈動の小さいモータが求められている。

そのため、固定子コアの外側面、若しくはフレームの内側面に凸部を形成して、この凸部を介してコアをフレーム内部に支持するように構成し、焼き嵌め時の応力による磁気特性の劣化により生じる磁束密度の不均一に起因するコギングトルク脈動の周期と、本来の固定子コアの形状に起因するコギングトルク脈動の周期とが一致することを回避することで、コギングトルク脈動を低く抑えることができる方法が提案されている（例えば特許文献１）。

特開２００９−９５１８４号公報

特許文献１に係る発明は、固定子コアとフレームを固定するためにフレームを固定子コアに焼き嵌めしている。フレームを焼き嵌めするためには、フレームを加熱する工程と、固定子コアを挿入する工程と、回転電機を冷却する工程が必要になる。このように、加熱、冷却するための時間が必要となるのであるが、フレーム全体を加熱、冷却する必要があるために、フレームが大きくなるにつれて加熱、冷却時間が長くかかるという課題があった。また、焼き嵌めをするためには高周波加熱装置等の加熱炉が必要となり、多額の設備投資が必要であるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、フレームを焼き嵌めするよりも経済的であり、かつ、コギングトルクを小さくし、トルク脈動を抑制することができる固定子コアとフレームの固定方法を採用する永久磁石型回転電機と永久磁石型回転電機の製造方法を提供することを目的とする。

この発明に係る永久磁石型回転電機は、
磁極ティース部に巻線を施された円筒状の固定子コアと、
シャフトを挿入され、前記固定子コアの内側で回転する円柱状の永久磁石型回転子コアと、
前記固定子コアを収納するフレームを有する永久磁石型回転電機において、
前記フレームは、前記固定子コアの外径より大きい内径を有し、
外周面の周方向に継ぎ目が無く、
前記シャフトの軸方向に、前記外周面の一端部から他端部まで、前記フレームを貫通しない範囲で溶融された溶融部を有するものである。

この発明に係る永久磁石型回転電機の製造方法は、
磁極ティース部に巻線を施された円筒状の固定子コアと、
シャフトを挿入され、前記固定子コアの内側で回転する円柱状の永久磁石型回転子コアと、
前記固定子コアを収納するフレームを有する永久磁石型回転電機の製造方法において、
前記固定子コアの外径より大きい内径を有し、外周面の周方向に継ぎ目の無い前記フレームに前記固定子コアを挿入する固定子コア挿入工程と、
前記フレームの外周面を、前記シャフトの軸方向に、前記外周面の一端部から他端部まで、前記フレームの一部を貫通しない範囲で溶融する溶融工程と、
前記溶融工程による溶融後、冷却時の熱ひずみにより前記フレームの溶融部に生じる、前記フレームの外周方向への収縮力によって、前記フレームの内周面と前記固定子コアの外周面とを固定する固定工程とを有するものである。

この発明に係る永久磁石型回転電機と永久磁石型回転電機の製造方法によれば、フレーム溶融後のフレームの収縮に倣って固定子コアを変形させることにより、固定子コアが元々有していたコギングトルクを発生させる磁気特性を打ち消す磁気特性を発生させることにより、回転電機のコギングトルクを小さくし、トルク脈動を抑制することができる。また、フレーム全体を加熱、冷却する場合に比べて、加熱、冷却に必要な時間を削減することができるので、製品の生産性を向上できる。また、フレームを溶融するために、安価なＴＩＧ溶接機等を用いることができるので、高周波加熱装置等の加熱炉に比べて設備投資を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る永久磁石型回転電機のフレーム変形前後の断面図である。 図１の回転電機を、シャフトの中心軸を通る平面で切断した断面図である。 本発明の実施の形態１に係る永久磁石型回転電機のフレームの溶融部の範囲を示す図である。 フレームの外周の４面すべてに溶融部を設けた永久磁石型回転電機の断面図である。 本発明の実施の形態１に係る永久磁石型回転電機の製造方法を使用した場合と使用しない場合に発生するコギングトルクの２０次成分の波形及び、コギングトルクの総和の波形を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る永久磁石型回転電機のフレームの変形前の断面図である。 本発明の実施の形態３に係る永久磁石型回転電機のフレームの変形前の断面図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１を、図を用いて説明する。
図１は、本実施の形態に係る永久磁石型回転電機１００（以下、単に回転電機１００という）を、シャフト３の軸方向に垂直に切断した断面図であり、図１（ａ）は、フレーム５と固定子コア２１を固定する前の状態を示し、図１（ｂ）は固定後の状態を示している。
図２は、図１の回転電機１００を、シャフト３の中心軸を通る平面で切断した断面図である。

まず、回転電機１００の構成を簡単に説明する。図１（ａ）、（ｂ）、図２に示すように、ヨーク部２１ａと磁極ティース部２１ｂとからなる円筒状の固定子コア２１は、磁性体の薄板を積層して構成され、ヨーク部２１ａの内周側から１２個の磁極ティース部２１ｂが内側に突出し、隣合う磁極ティース部２１ｂの間にスロット７が形成されている。磁極ティース部２１ｂの周囲には巻線１が施されてこれらの部材が固定子２を構成している。

固定子コア２１内に挿入されて回転する円柱状の回転子コア４１も磁性体の板を積層して構成されている。また、回転子コア４１の中心にはシャフト３が圧入されている。回転子コア４１と、回転子コア４１の外周面に配設された、回転子コア４１の周方向に等間隔に極性が異なる永久磁石４２と、シャフト３とで回転子４を構成している。

固定子コア２１をその内側に収納して固定するフレーム５の内径は、固定子コア２１の外径よりやや大きく構成されている。フレーム５は、シャフト３の軸方向に垂直に切断した場合における外周形状を四角形に構成すると共に、上記断面における内周形状は円形である。なお、フレーム５は、外周面５５の周方向には継ぎ目が無い。図１（ａ）、図２は、いずれも、固定子コア２１とフレーム５を固定する前の状態を示しているが、実際には、後述する製造方法により、図１（ｂ）に示すように固定子コア２１とフレーム５を固定してから、固定子２に回転子４を挿入する。

回転子コア４１の外周と固定子コア２１の内周面の間には空隙９が設けられ、空隙９には、永久磁石４２による磁束を生じさせている。永久磁石４２による磁束と巻線１による磁束との作用により発生する回転トルクにより回転子４が、固定子２の内周面に沿って回転する。

次に、本発明に係る回転電機の製造方法によってフレーム５と固定子コア２１を固定する方法を説明する。図１に示すように、固定子コア２１とフレーム５との間には空隙１０が設けられており、組み立て時には、固定子コア２１を容易にフレーム５の内部に収納することができる（挿入工程）。ところで、回転電機１００の回転子４が回転すると、固定子２は回転子４の回転トルクの反力を受ける。空隙１０が原因となって固定子コア２１がフレーム５に対して回動しないようにするために、フレーム５と固定子コア２１を固定する必要がある。本発明では、固定方法として、フレーム５の一部を溶接機で溶融する（溶融工程）。
溶融工程によるフレーム５の溶融後の熱ひずみで生じるフレーム５の収縮を利用して、フレーム５と固定子コア２１を固定する（固定工程）。

図３は、回転電機１００の溶融部の範囲を示す側面図である。
溶融工程では、フレーム５の４つの外周面５５の内、一面の中心部を、一端部５２から他端部５３に向かって溶接機１１によりシャフト３の軸方向に向かって溶融させる。このとき、フレーム５の溶融部５１を溶融させる深さは、図１に示すように、フレーム５の内周面側に貫通しない程度である。

図１、３における矢印は、フレーム５を溶融した際のフレーム５にかかる力の方向を示している。すなわち、溶融部５１が溶融された後、当該部分が固定工程で冷却されると、図１の矢印が示す方向（シャフト３に対して垂直、かつ外周面５５に対して平行な方向）に圧縮熱応力が働いて溶融部５１付近が収縮する。これによりフレーム５の内周面が固定子コア２１の外周面と接し、固定子コア２１がフレーム５内に固定される。

溶接機１１による溶融方法としては、図３のように、フレーム５の一端部５２から、溶融箇所が重なるように軸方向に連続的に入熱して溶融する方法と、図示しないが１箇所をスポットで完全に溶融してから、ある一定の距離をあけて数箇所溶融する方法とがある。連続的に溶融する方法の場合、フレーム５を軸方向に均一に熱収縮させることができるが、フレーム５が過大に溶融する可能性がある。その場合はスポットで数箇所溶融する方法を用いても良い。

次に、入熱量とフレーム５の収縮量との関係について説明する。フレーム５の熱ひずみによる収縮量は、溶接機１１にて溶融する際にエネルギー源から与えられる入熱量に比例する。この入熱量を調整することでフレーム５の収縮量をコントロールすることができる。収縮量は、溶接入熱量Ｑ（Ｊ／ｍｍ）、母板（フレーム５）の板厚ｈ（ｍｍ）、材料の線膨張係数α（１／℃）、密度ρ（ｇ／ｍｍ３）及び、比熱ｃ（Ｊ／ｇ℃）で決まり、次の式で表される。
収縮量Ｓ（ｍｍ）＝αＱ／ｃρｈ
この式より、収縮量Ｓは、溶接入熱量Ｑに比例することが分かる。
溶接機１１からの入熱量を大きくし、それに比例して収縮量が大きくなると、フレーム５の内周と固定子コア２１の外周が接している状態から更にフレーム５が変形し、固定子コア２１がフレーム５の変形に倣って変形して固定される。

次にコギングトルクについて説明する。１０極１２スロットの永久磁石型回転電機１００のコギングトルクには、極数の成分（回転子の１回転当り１０山の成分）と、極数とスロット数の最小公倍数の成分（回転子の１回転当り６０山の成分）などが含まれている。中でも、２０次の成分（回転子の１回転当り２０山の成分）は、固定子コア２１の内径加工精度の悪さや、固定子コア２１の磁気特性が不均一なことなどから発生し、通常の製造方法において除去することは難しい。

本発明に係る回転電機１００では、固定子コア２１を四角形に近づく形状に変形させることで固定子コア２１に生じる磁気特性に変化を発生させ、変形前の回転電機１００が元々持っていたコギングトルクの２０次成分（以下、単に２０次成分という）とは位相の異なる２０次成分を発生させることができる。すなわち、２０次は４の倍数である。よって、固定子コア２１を四角形に近づけると、２０次成分が発生する。回転電機１００が元々有している２０次成分を打ち消す２０次成分を、フレームの溶融箇所を調整することにより故意に発生させることで、コギングトルクの２０次成分の総和を低減させ、回転電機１００の安定した動作を得ることができる。

フレーム５の溶融部５１を溶融する際は、フレーム５と固定子コア２１の相対位置関係を調整できるように、治具等でフレーム５と固定子コア２１を予め固定しない。２つの部材の相対位置関係を調整することで、同じ入熱量でも固定子コア２１の変形量を調整することができる。例えば、図１では、溶融部５１の直近の固定子コア２１には磁極ティース部２１ｂは無いが、この部分の位置を回転させてずらして、磁極ティース部２１ｂの部分が図１における溶融部５１の真下となるようにする等である。

上述のように、フレーム５の４つの外周面５５の内、一面の中心部を溶接にて軸方向に溶融し、溶融後の熱ひずみにて生じるシャフト３に対して垂直、かつ外周面５５に対して平行な方向の力で溶融部５１付近を収縮させて固定子コア２１を変形させるだけでは、固定子コア２１を四角形状に近づく形状に変形させることはできない。そこで、フレーム５の４つの外周面５５のすべての中心部を軸方向に溶融して変形させることで、固定子コア２１を四角形状に近づく形状に変形させることができる。

図４は、フレーム５の４つの外周面５５すべてに溶融部５１を設けた場合の永久磁石型回転電機１０１（以下、回転電機１０１という）を示す断面図である。
図４中に点線で示す形状は、変形後の固定子コア２１の外周面の形状（もし固定子コア２１が内部に無ければこのような形になるという形状）を示している。このように、溶融部５１を４つの外周面５５のそれぞれの中央部分に設けると、フレーム５の隣り合う溶融部５１の中間部分が最も変形量が多くなり、固定子コア２１の当該部分に内側に向かう押圧力Ｐが最も強く作用し、固定子コア２１が四角形に近づく形状に変形する。

上述のように、溶接機１１からの入熱量を調整することにより、固定子コア２１の変形量を調整することができるので、所定の入熱量毎に、回転電機１００、１０１から発生するコギングトルクを測定器で監視することで、所望のコギングトルクを発生させる固定子コア２１の変形量と、そのために必要な入熱量を得ることができる。なお、フレーム５の外周形状は四角形に限らず、円形にして４カ所の溶融部５１を等間隔に設けてもよい。

図５（ａ）は、フレーム５及び固定子コア２１の変形の前後における回転電機１００より発生する２０次成分を示す波形図である。
実際には、本実施の形態では、フレーム５を変形させて固定子コア２１を固定しているので、「変形の前」の波形図とは、フレーム５の変形を伴わない方法、例えば、接着剤で固定する方法で、フレーム５と固定子コア２１を固定したと仮定する場合における２０次成分の波形図である。図５（ａ）において、縦軸は２０次成分の振幅であり、横軸は回転子の回転位置を示している。点線は、変形の前における２０次成分を示し、実線は変形の後の２０次成分を示している。

図５（ｂ）は、フレーム５及び固定子コア２１の変形の前後における回転電機１００より発生するコギングトルクの総和を示す波形図である。なお、「変形の前」とは前述の通りである。
図５（ｂ）において、縦軸はコギングトルクの総和の振幅であり、横軸は回転子の回転位置を示している。点線は変形の前におけるコギングトルクの総和を示し、実線は変形の後のコギングトルクの総和を示している。図５（ａ）の２０次成分の振幅が、固定子コア２１の変形により減少することで、結果として図５（ｂ）のコギングトルクの総和の振幅が減少していることが分かる。

この発明の実施の形態１に係る永久磁石型回転電機１００、１０１と永久磁石型回転電機１００、１０１の製造方法によれば、溶融部５１の溶融後のフレーム５の収縮に倣って固定子コア２１を変形させることにより、固定子コア２１が元々有していたコギングトルクによるトルク脈動を発生させる磁気特性を打ち消す磁気特性を故意に発生させることにより、回転電機１００、１０１のコギングトルクを小さくし、トルク脈動を抑制することができる。また、フレーム全体を加熱、冷却する場合に比べて、加熱、冷却に必要な時間を削減することができるので、製品の生産性を向上できる。また、フレーム５の溶融部５１を溶融するために、安価なＴＩＧ溶接機等を用いることができるので、高周波加熱装置等の加熱炉に比べて設備投資を抑制することができる。

実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２を図を用いて、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。実施の形態１と本実施の形態とは、フレームの溶融部の形状が異なるものであり、その他の構成は実施の形態１と同様である。
図６は、フレーム２０５と固定子コア２１を固定する前の永久磁石型回転電機２００（以下、回転電機２００という）を、シャフト３の軸方向に垂直に切断した断面図である。フレーム２０５の、溶融部２５１を設ける外周面部分には、長手方向に垂直な断面がフレーム２０５の内側に向かって凹んだ弧状の溝２５４を設けている。溶融部２５１を溶融した際のフレーム２０５の収縮量は、溶融部２５１の部材の厚さに反比例する。溶融部２５１を設ける部分に、予め溝２５４を設け、当該部分の厚さを小さくしておくことによりフレーム２０５の収縮量を増加させること、或いは、実施の形態１と同じ収縮量を得るために必要な入熱量を減少させることができる。また、孤状の溝２５４は、溝の底から縁にかけて次第に厚さが大きくなり鉄心片を製造する金型に尖った部分が少ない。よって金型の寿命の延長に貢献する。

この発明の実施の形態２に係る永久磁石型回転電機２００と永久磁石型回転電機２００の製造方法によれば、コギングトルクを減少させるために固定子コア２１を四角形状に近づくように変形させる際に必要な入熱量を減らすことで、溶接機１１の電気代を削減することができる。また、永久磁石型回転電機２００の軽量化及びフレーム２０５の材料費を削減することができる。

実施の形態３．
以下、本発明の実施の形態３を図を用いて、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。実施の形態１と本実施の形態とは、フレームの四隅の内周面の形状が異なるものであり、その他の構成は実施の形態１と同様である。
図７は、フレーム３０５と固定子コア３２１を固定する前の永久磁石型回転電機３００を、シャフト３の軸方向に垂直に切断した断面図である。フレーム３０５は、フレーム３０５の内周面５６の四カ所（隣合う溶融部３５１の中間の四隅）にシャフト３の軸方向に延在する凹部１６を備え、フレーム３０５の四隅の径方向の肉厚が薄くなるように形成されている。フレーム３０５の四隅部分は、フレームの肉厚が他の部分に比べて非常に厚いので変形を起こしにくい。そこで、フレーム３０５の四隅を薄肉加工することにより当該部分の強度を落とし、当該各部分における変形量が増加するようにしている。これにより、同じ入熱量であればフレーム３０５の収縮量を増加させることができる。或いは、実施の形態１と同じ収縮量を得るために必要な入熱量を減少させることができる。

この発明の実施の形態３に係る永久磁石型回転電機３００と永久磁石型回転電機３００の製造方法によれば、フレーム３０５の角部のぶ厚い部分に凹部１６を設けて当該部分の強度を落とすことにより、当該部分の変形に倣って固定子コア２１を四角形状に近づくように変形させ易くなる。また、フレーム３０５を変形させるために必要な入熱量を減らし、溶接機１１の電気代を削減することができる。またフレーム３０５に凹部１６を設けることにより永久磁石型回転電機３００の軽量化することができる。

尚、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１００，１０１，２００，３００ 永久磁石型回転電機、１ 巻線、２ 固定子、
２１ 固定子コア、２１ａ ヨーク部、２１ｂ 磁極ティース部、３ シャフト、
４ 回転子、４１ 回転子コア、４２ 永久磁石、５，２０５，３０５ フレーム、
５１，２５１，３５１ 溶融部、５２ 一端部、５３ 他端部、２５４ 溝、
７ スロット、９，１０ 空隙、Ｐ 押圧力、１１ 溶接機、１６ 凹部。

Claims (7)

1. 磁極ティース部に巻線を施された円筒状の固定子コアと、
   シャフトを挿入され、前記固定子コアの内側で回転する円柱状の永久磁石型回転子コアと、
   前記固定子コアを収納するフレームを有する永久磁石型回転電機において、
   前記フレームは、前記固定子コアの外径より大きい内径を有し、
   外周面の周方向に継ぎ目が無く、
   前記シャフトの軸方向に、前記外周面の一端部から他端部まで、前記フレームを貫通しない範囲で溶融された溶融部を有する永久磁石型回転電機。
2. 前記フレームの前記溶融部を設ける外周面部分には、予め溝を設けてある請求項１項に記載の永久磁石型回転電機。
3. 前記溝は、前記シャフトの軸方向に垂直な断面が弧状である請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
4. 前記溶融部は、前記永久磁石型回転電機を前記シャフトの軸方向に垂直に切断した断面において、前記フレームの周方向に均等に四カ所設けている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の永久磁石型回転電機。
5. 前記フレームは、前記シャフトの軸方向に垂直な断面の外周形状が四角形状であり、前記溶融部は、前記フレームの４つの外周面の中心に設けている請求項４に記載の永久磁石型回転電機。
6. 前記フレームには複数の前記溶融部を設け、隣り合う前記溶融部の中間に相当する前記フレームの内周面には、前記シャフトの軸方向に延在する凹部を設けている請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の永久磁石型回転電機。
7. 磁極ティース部に巻線を施された円筒状の固定子コアと、
   シャフトを挿入され、前記固定子コアの内側で回転する円柱状の永久磁石型回転子コアと、
   前記固定子コアを収納するフレームを有する永久磁石型回転電機の製造方法において、
   前記固定子コアの外径より大きい内径を有し、外周面の周方向に継ぎ目の無い前記フレームに前記固定子コアを挿入する固定子コア挿入工程と、
   前記フレームの外周面の一部を、前記シャフトの軸方向に、前記外周面の一端部から他端部まで、前記フレームを貫通しない範囲で溶融する溶融工程と、
   前記溶融工程による溶融後、冷却時の熱ひずみにより前記フレームの溶融部に生じる、前記フレームの外周方向への収縮力によって、前記フレームの内周面と前記固定子コアの外周面とを固定する固定工程とを有する永久磁石型回転電機の製造方法。

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