JP5906694B2 - 回転機用ロータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転機に用いられるロータの製造方法に関するものである。

小型の回転機として表面磁石型同期回転機（ＳＰＭ）がある。このＳＰＭは、強磁性板を積層したロータコアの外周面に永久磁石が貼着され、ロータコアの外周部に円筒状の保持環が嵌入された構造となっている。この保持環は、ロータが高速回転したときに発生する遠心力により永久磁石が飛散しないように保持する機能を有する。保持環を強磁性材料で製作した場合、磁極から保持環を伝って隣の磁極へ流れる漏れ磁束が多くなり、主磁束の量が減ってトルクの減少等の回転機の特性が悪化する。

そこで、例えば、特開平６−１３３４８０号公報（特許文献１）には、保持環の金属組織が強磁性相と非磁性相との２相よりなるロータ、詳しくは保持環を冷間加工によって強磁性を示すオーステナイト系ステンレス鋼で製作し、保持環の一部を加熱して非磁性化したロータが記載されている。このロータによれば、飽和磁束密度を低くし、且つ空気よりも十分に高い透磁率を実現し、回転機の特性の向上を図ることができる。

特開平６−１３３４８０号公報

特許文献１に記載の回転機用のロータでは、加熱により保持環の一部を非磁性化しているため、非磁性相と強磁性相との境界で透磁率が急激に変化し、回転中にコギングトルクが発生するという問題がある。また、特許文献１に記載の回転機用のロータは、オーステナイト系ステンレス鋼で製作されているため、材料コストが高価である。このため、保持環の厚さを極薄に加工する必要があり、加工コストが高価となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、コギングトルクを低減することができる低コストな回転機用ロータの製造方法を提供することを目的とする。

（回転機用ロータの製造方法）
（請求項１）本発明の回転機用ロータの製造方法は、複数枚の強磁性板が積層されたロータコアと、該ロータコアの外周面に所定の間隔で配置された複数個の永久磁石と、該ロータコアの外周部に配置され、鉄系の強磁性体からなり、前記複数個の永久磁石を保持する保持部と、前記永久磁石を保持しない非保持部とで構成される保持環と、を備えた電動機回転機用ロータの製造方法であって、前記非保持部を、加熱溶融しながら非磁性化元素の配合割合を変化させて供給することにより、溶融中心から溶融端部に向かって透磁率が増加するように非磁性化する。

（請求項２）前記保持環における前記非保持部を、前記非磁性化元素の配合割合を周方向に変化させて供給することにより非磁性化するようにしてもよい。
（請求項３）前記保持環における前記非保持部の中央を加熱溶融させて前記非磁性化元素を攪拌することにより非磁性化するようにしてもよい。

（請求項４）前記保持環における前記非保持部を少なくとも２以上に分割し、各分割領域を加熱溶融しながら非磁性化元素を供給することにより非磁性化するようにしてもよい。

（請求項５）前記保持環における前記非保持部の少なくとも一部を、高密度に加熱することでキーホールを形成するとともに前記キーホールの周囲に溶融池を形成し、前記溶融池に非磁性化元素を配置することで非磁性化するようにしてもよい。

（請求項１）保持環における複数個の永久磁石との非保持部は、加熱溶融しながら非磁性化元素を供給することにより非磁性化されている。上述の非保持部においては、非磁性化元素が合金化して非磁性化が進むが、非保持部全体を均一に非磁性化することにはならず、非保持部の溶融中心から周方向の溶融端部に向かうに従って非磁性体から強磁性体へと緩やかに変化することになる。よって、ロータの回転中におけるコギングトルクを低減することができる。

また、保持環に鉄系の強磁性体を使用しているため、材料コストは安価である。このため、保持環の厚さを従来の極薄の保持環の厚さよりも厚く加工することができ、加工コストを低く抑えることができる。

（請求項２）非保持部は、非磁性化元素の配合割合を周方向に変化させて供給することにより非磁性化されている。これにより、非保持部における接触部との境界付近において、非磁性体から強磁性体へと緩やかに変化させることができる。

（請求項３）非保持部は、該非保持部の中央を加熱溶融させて非磁性化元素を攪拌することにより非磁性化されている。非保持部においては、加熱溶融の中心部においては高温なため非磁性化元素が合金化して非磁性化が進むが、加熱溶融の中心部から離間するにつれて温度が低下するため非磁性化元素が合金化し難くなる。これにより、非保持部における保持部との境界付近において、非磁性体から強磁性体へと確実に緩やかに変化させることができる。

（請求項４）非保持部は、少なくとも２以上に分割され、各分割領域を加熱溶融しながら非磁性化元素を供給することにより非磁性化されている。これにより、非保持部における接触部との境界付近において、非磁性体から強磁性体へと確実に緩やかに変化させることができる。

（請求項５）非保持部を加熱溶融してキーホールを形成し、キーホールの周囲に非磁性化元素を配置している。これにより、非保持部の半径方向において深く非磁性化することができ、保持環の厚さを厚く加工することができるので、加工コストを低く抑えることができる。また、保持環の強度を高めることができ、ロータの回転時の遠心力による保持環の破断を防止することができる。

回転機用ロータの平面図である。 永久磁石との非保持部を非磁性化するための第１の加熱溶融方法を示す図である。 永久磁石との非保持部を非磁性化するための第２の加熱溶融方法を示す図である。 永久磁石との非保持部を非磁性するための第３の加熱溶融方法を示す模式断面図である。 永久磁石との非保持部を非磁性するための第３の加熱溶融方法を示す模式斜視図である。 永久磁石との非保持部における溶融中心から溶融部端にかけての透磁率の変化を示す図である。

（１．回転機用ロータの構成）
回転機に用いられるロータとして、ＳＰＭのロータについて、図１を参照して説明する。なお、以下の説明において、「半径方向」および「軸方向」とは、ロータ（ロータコア）の半径方向および軸方向を指す。

図１に示すように、ロータ１は、ロータコア２と、４つの永久磁石３と、保持環１０とを備えて構成される。ロータコア２は、例えば電磁鋼板でなる薄板円盤状の強磁性板４が複数枚積層されて構成されている。４つの永久磁石３は、例えばネオジウム磁石でロータコア２の半径と略同一の半径の中空円筒を軸方向に切断し、軸方向から見た面が９０度よりも小さい角度の円弧状の面を有する形状にそれぞれ形成されている。そして、ロータコア２の外周部に所定間隔で配置されている。すなわち、各永久磁石３は、永久磁石３と略同一形状でロータコア２の外周部に９０度間隔で形成した４つのスロット５にそれぞれ収容され貼着されている。各永久磁石３は、周方向の磁石間にロータコア２の一部が介在した配置となっている。

保持環１０は、例えば、強磁性体である圧延鋼板でロータコア２の半径と略同一の内径を有する円環状の形成されている。この保持環１０は、ロータコア２の外周部に配置され、各永久磁石３を保持する保持部１０ａと、永久磁石３を保持しない非保持部１１で構成され、非保持部１１は、加熱溶融しながら非磁性化元素を供給することにより非磁性化されている。

非保持部１１と保持部１０ａとの境界、すなわち非磁性体と強磁性体との境界では、透磁率が緩やかに変化するように、非磁性化元素（マンガンまたはニッケル等）の配合割合を変化させて供給することにより非磁性化されている。例えば、図２に示すように、非保持部１１の外周部（保持環１０の外周部）における周方向中央にレーザＬを照射して非保持部１１の周方向中央を加熱溶融させ、供給した非磁性化元素１２を図示矢印のように攪拌することにより非磁性化する。また、図３に示すように、非保持部１１を周方向に３つに分割し、各分割領域１１ａ，１１ｂ，１１ｃの外周部にレーザＬ１，Ｌ２，Ｌ３を照射し、各分割領域１１ａ，１１ｂ，１１ｃを加熱溶融しながら中央の分割領域１１ｂには非磁性化元素１２を多めに供給し、両側の分割領域１１ａ，１１ｃには非磁性化元素１２を少なめに供給することにより非磁性化する。なお、分割領域は、３つに限定されるものではなく、少なくとも２つ以上に分割すればよい。

また、非保持部１１は、高密度に加熱することでキーホールを形成し、キーホールの周囲に溶融池を形成し、溶融池に非磁性化元素を配置することにより非磁性化するようにしてもよい。ここで、非保持部１１の非磁性化処理について図４および図５を参照して説明する。非磁性化処理は、キーホール形成工程および元素配置工程で構成される。キーホール形成工程は、保持環１０の非保持部１１に対し、非保持部１１の外周部（保持環１０の外周部）側からレーザＬを照射してキーホール６を形成する工程である。キーホール６とは、レーザＬの照射によって、レーザＬが照射される非保持部１１の外周部から内周部に亘って貫通して形成される円孔を意味する。そして、キーホール６形成時には蒸発金属が発生し、キーホール６の周囲には金属蒸発圧と母材表面張力により溶融池７が形成される。

元素配置工程は、キーホール６周囲の溶融池７に合金元素８１を配置し、固溶合金化する工程である。非磁性化元素８１（非磁性化元素であるマンガンまたはニッケル等）により形成されたワイヤ８を非保持部１１の外周部のレーザＬ照射位置周辺に配置する。そして、非保持部１１の外周部に対するレーザＬ照射位置を相対移動させ、レーザＬ照射位置に合わせてワイヤ８も相対移動させる。レーザＬ照射位置が相対移動すると、前照射位置のキーホール６は、溶融した非保持部１１により埋められる。なお、溶融池７の周囲には熱影響を受けた熱影響部Ａが形成される。

ワイヤ８は、溶融池７に当接して溶融し、溶融したワイヤ８（すなわち、非磁性化元素８１）は、溶融池７内に混入し拡散する。溶融池７では、対流（図４矢印参照）が発生しやすいので、合金元素８１は、非保持部１１の半径方向に拡散し、非保持部１１の外周部から内周部にまで供給される。これにより、非保持部１１は、合金化して非磁性体に変化する。

（２．回転機用ロータの製造方法）
保持環１０における永久磁石３との非保持部１１に、例えばレーザを照射して加熱溶融しながらマンガンを配合割合を変化させて供給し、該非保持部１１を非磁性化する。次に、ロータコア２の各スロット５内に永久磁石３をそれぞれ嵌め込んで貼着する。そして、ロータコア２に保持環１０を嵌入固定する。以上により、ロータ１が完成する。

なお、溶接の技術分野において、キーホールとは、レーザ溶接、電子ビーム溶接、およびアーク溶接等の溶接中に生じる深く狭い穴のことである。複数の部材を溶接する際に、一方の部材にキーホールを形成することで、当該一方の部材と他方の部材とを溶接する。詳細には、一方の部材の表面にレーザなどの熱源を当てた場合に、当該一方の部材にキーホールを形成することで、当該一方の部材の裏面側と他方の部材の表面側とを溶接する。一方、非磁性化処理で形成するキーホール６は、複数層を溶接するためのキーホール溶接とは異なり、一層の非保持部１１に対してキーホール６を形成し、非保持部１１の厚みに関わらず、非保持部１１の外周部から内周部まで均一に磁性改質するものである。このように、溶接の技術分野は、磁性改質の技術分野と全く異なっている。

（３．回転機用ロータの作用効果）
保持環１０の非保持部１１は、加熱溶融しながら非磁性化元素を供給することにより非磁性化されている。非保持部１１においては、非磁性化元素が合金化して非磁性化が進むが、非保持部全体を均一に非磁性化することにはならず、図６に示すように、非保持部１１の溶融中心から周方向の溶融部端に向かうに従って透磁率は徐々に増加、すなわち非磁性体から強磁性体へと緩やかに変化することになる。よって、ロータ１の回転中におけるコギングトルクを低減することができる。

非保持部１１は、非磁性化元素の配合割合を周方向に変化させ、非保持部１１の中央を加熱溶融させて非磁性化元素を攪拌することにより非磁性化されている。非保持部１１においては、加熱溶融の中心部においては高温なため非磁性化元素が合金化して非磁性化が進むが、加熱溶融の中心部から離間するにつれて温度が低下するため非磁性化元素が合金化し難くなる。これにより、非保持部１１の溶融中心から溶融端部に向かうに従って非磁性体から強磁性体へと緩やかに変化させることができる。

また、非保持部１１は、３つに分割され、各分割領域１１ａ，１１ｂ，１１ｃを加熱溶融しながら非磁性化元素を供給することにより非磁性化されている。これにより、非保持部１１の溶融中心から溶融端部に向かうに従って非磁性体から強磁性体へと緩やかに変化させることができる。

また、非保持部１１を、高密度エネルギを照射し、加熱することで、金属蒸発圧と母材表面張力によりキーホールを形成し、キーホール周囲の溶融池に非磁性化元素を固溶合金化することで非磁性化されている。これにより、非保持部の半径方向において深く非磁性化することができ、保持環の厚さを厚く加工することができるので、加工コストを低く抑えることができる。また、保持環の強度を高めることができ、ロータの回転時の遠心力による保持環の破断を防止することができる。

また、保持環１０に鉄系の強磁性体を使用しているため、材料コストは安価である。このため、保持環１０の厚さを従来の極薄の保持環の厚さよりも厚く加工することができ、加工コストを低く抑えることができる。

（４．変形例）
上述の実施形態では、非磁性化元素８１により形成されたワイヤ８を非接触部１１の外周部のレーザＬ照射位置周辺に配置し、キーホール６周囲に形成される溶融池７に非磁性化元素８１を供給して非磁性化処理するようにしたが、以下の方法により非磁性化処理するようにしてもよい。すなわち、非接触部１１の外周部に非磁性化元素８１のペレットを配置し、プレス加工により非磁性化元素８１のペレットを非接触部１１の外周部に打込み、該非磁性化元素８１のペレットにレーザ２を照射して非磁性化処理するようにしてもよい。また、非接触部１１の外周部に非磁性化元素８１の粉末や粗粒あるいは薄膜を配置し、該非磁性化元素８１の粉末にレーザ２を照射して非磁性化処理するようにしてもよい。また、非保持部１１の溶融にレーザＬを用いたが、高密度エネルギを照射可能な手段であればよく、例えば電子ビームでもよい。

１：ロータ、 ２：ロータコア、 ３：永久磁石、 ４：強磁性板、 ５：スロット
６：キーホール
１０：保持環、 １１：非保持部

Claims (5)

1. 複数枚の強磁性板が積層されたロータコアと、
   該ロータコアの外周面に所定の間隔で配置された複数個の永久磁石と、
   該ロータコアの外周部に配置され、鉄系の強磁性体からなり、前記複数個の永久磁石を保持する保持部と、前記永久磁石を保持しない非保持部とで構成される保持環と、を備えた電動機回転機用ロータの製造方法であって、
   前記非保持部を、加熱溶融しながら非磁性化元素の配合割合を変化させて供給することにより、溶融中心から溶融端部に向かって透磁率が増加するように非磁性化することを特徴とする回転機用ロータの製造方法。
2. 請求項１において、
   前記保持環における前記非保持部を、前記非磁性化元素の配合割合を周方向に変化させて供給することにより非磁性化することを特徴とする回転機用ロータの製造方法。
3. 請求項１又は２において、
   前記保持環における前記非保持部の中央を加熱溶融させて前記非磁性化元素を攪拌することにより非磁性化することを特徴とする回転機用ロータの製造方法。
4. 請求項１又は２において、
   前記保持環における前記非保持部を少なくとも２以上に分割し、各分割領域を加熱溶融しながら非磁性化元素を供給することにより非磁性化することを特徴とする回転機用ロータの製造方法。
5. 請求項１−４の何れか一項において、
   前記保持環における前記非保持部の少なくとも一部を、高密度に加熱することでキーホールを形成するとともに前記キーホールの周囲に溶融池を形成し、前記溶融池に非磁性化元素を配置することで非磁性化することを特徴とする回転機用ロータの製造方法。

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