JP5910036B2 - 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。

小型で大出力が得られる回転機として埋込磁石型同期回転機（ＩＰＭ）がある。このＩＰＭは、強磁性板を積層したロータコアに軸方向に延在する直方体状のスロットが形成され、該スロットに永久磁石が挿入されており、磁石トルクにリラクタンストルクが加わることにより大出力が得られる。しかし、永久磁石の形状が直方体状であるため、ロータコアにおけるロータコアの外周部とスロットの端部との間のブリッジ部において、回転トルクに寄与しない漏れ磁束が発生される。この漏れ磁束を減少させる方法として、ブリッジ部の半径方向の幅を狭めると共に、ブリッジ部と永久磁石との間にエアギャップを設ける方法がある。ところが、狭小幅のブリッジ部では、ロータの高速回転時に遠心力により破断するおそれがある。そこで、漏れ磁束を減少させる別の方法として、ブリッジ部を非磁性化する方法がある。

例えば、特開２００３−３０４６７０号公報（特許文献１）には、強磁性板を積層したロータコアのブリッジ部の外周部に非磁性物質を含有する非磁性塗料を塗布し、非磁性塗料を加熱して拡散浸透させることにより、ブリッジ部を非磁性化したロータが記載されている。また、特開２０１１−６７４１号公報（特許文献２）には、１枚の強磁性板のブリッジ部の表面に非磁性物質を含む非磁性化インクを塗布し、非磁性化インクを加熱して溶融合金化させることにより、ブリッジ部を非磁性化し、その後に複数枚の強磁性板を積層したロータが記載されている。また、特開２０１１−６７０２７号公報（特許文献３）には、２枚の強磁性板のブリッジ部に凹部を形成し、一方の凹部内に非磁性合金を挿入して２枚の強磁性板を凹部同士が対向するように重ね合わせ、強磁性板に対し加圧通電してブリッジ部に非磁性合金層を形成し、その後に複数枚の強磁性板を積層したロータが記載されている。

また、スロットに永久磁石を挿入するときに、永久磁石の表面がスロットの内側面に擦れると永久磁石に傷や割れが発生するおそれがある。そこで、特開平９−２００９８２号公報（特許文献４）には、スロットの開口部を永久磁石のスロット挿入面よりも広く形成しておき、スロットに永久磁石を挿入する。そして、スロットの内側面を永久磁石に圧接させるように、スロットより外側の強磁性板の部分を半径方向内側に押圧し、永久磁石をロータコアに固定保持したロータが記載されている。

特開２００３−３０４６７０号公報 特開２０１１−６７４１号公報 特開２０１１−６７０２７号公報 特開平９−２００９８２号公報

特許文献１に記載の回転機用のロータでは、ブリッジ部の外周部から非磁性塗料を拡散浸透させているため、非磁性塗料が半径方向に浸透し難く、ブリッジ部の半径方向の幅を広くすることが困難である。よって、ブリッジ部がロータの高速回転時に遠心力により破断するおそれがあるという問題がある。また、強磁性板には、複数枚の強磁性板を積層したときに固定するためのカシメ等の固定部を形成する必要がある。この固定部は、形成するときに強磁性板の絶縁被膜が破れて導通するため、導通の影響が少ないブリッジ部に形成したい。しかし、半径方向の幅が狭小のブリッジ部においては、固定部を形成することができないという問題がある。

一方、特許文献２に記載の回転機用のロータでは、ブリッジ部の表面で非磁性物質を溶融合金化しているため、また、特許文献３に記載の回転機用のロータでは、ブリッジ部に形成した凹部に非磁性合金を挿入して非磁性合金層を形成しているため、ブリッジ部の半径方向の幅を広くすることが可能である。しかし、１枚もしくは２枚の強磁性板ごとに非磁性化を行った後に複数枚の強磁性板を積層する必要があるため、非常に手間が掛かり、コスト高になるという問題がある。

また、特許文献４に記載の回転機用のロータでは、スロットより外側の強磁性板の部分を半径方向内側に押圧し、ブリッジ部を塑性変形させてスロットの内側面を永久磁石に圧接している。これにより、永久磁石の表面がスロットの内側面に擦れることはないので、永久磁石に傷や割れが発生するおそれはない。しかし、ブリッジ部の半径方向の幅が広くなると、ブリッジ部の引張強さが高まってブリッジ部を塑性変形させることが困難になるので、永久磁石をロータコアに固定保持することができない場合があるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ブリッジ部の半径方向の幅を広げ、かつブリッジ部における漏れ磁束を減少させることができる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、複数枚の積層された強磁性板からなるロータコアと、該ロータコアに軸方向に形成したスロットに収容された永久磁石と、を備えた回転機用ロータの製造方法であって、前記ロータコアの外周部と前記スロットの端部との間の一層のブリッジ部を、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前記ブリッジ部の外周部から内周部まで均一に非磁性化する。

（請求項２）前記複数枚の強磁性板を積層固定するための固定部を前記ブリッジ部に形成するようにしてもよい。

（請求項３）前記ブリッジ部における非磁性化領域内に前記固定部を形成するようにしてもよい。

（請求項４）前記ブリッジ部における非磁性化領域外に前記固定部を形成するようにしてもよい。

（請求項５）前記ブリッジ部を前記非磁性化の後に前記ロータコアの外周を半径方向内側に向かって押圧変形させることにより、前記スロットの内側面に圧接して前記永久磁石を前記ロータコアに固定保持させるようにしてもよい。

（請求項１）ブリッジ部の少なくとも一部を、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している。これにより、ブリッジ部の半径方向の幅を広げても、ブリッジ部を非磁性化することができ、ブリッジ部における漏れ磁束を減少させ、回転機の高出力化を図ることができる。また、ブリッジ部の半径方向の幅を広げることができるので、ブリッジ部の強度を高めることができ、ロータの高速回転時の遠心力によるブリッジ部の破断を防止することができる。

（請求項２）複数枚の強磁性板を固定部により互いに固定した後、ブリッジ部を、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するので、ロータコアの熱変形を抑制することができる。さらに、ブリッジ部に固定部を形成することにより、特に熱履歴の大きいブリッジ部の熱変形を防止することができる。

（請求項３）固定部を形成することにより強磁性板の絶縁被膜の破れが生じる場合がある。しかし、ブリッジ部の加熱溶融によりブリッジ部の絶縁被膜は溶解し、非磁性化領域内において強磁性板が絶縁できなくなるので、固定部および非磁性化領域内で導通となってしまう。したがって、固定部をブリッジ部における非磁性化領域内とは異なる部位に形成する場合よりも、固定部をブリッジ部における非磁性化領域内に形成する場合の方が、非磁性化領域内のみが導通であるため、ロータコア全体の絶縁被膜の破れや溶解による導通を抑制することができる。

（請求項４）固定部をブリッジ部における非磁性化領域外に形成するときは、非磁性化処理中における固定部の影響を排除することができる。

（請求項５）一般的に、金属材料の引張強さは材料温度の上昇と共に低下するので、高温時は金属材料の塑性加工は容易となる。よって、ブリッジ部の温度が非磁性化処理時の高温の状態から低下しても所定温度以上であれば、ブリッジ部を容易に塑性変形させることが可能であり、永久磁石をロータコアに確実に固定保持することができる。そして、永久磁石とロータコアとの間のエアギャップを低減することができるので、回転機出力を高めることができる。また、スロットの開口部を永久磁石のスロット挿入面よりも広く形成できるので、永久磁石をスロット内に挿入するとき、永久磁石がスロットの内側面に擦れることはなく、永久磁石の傷や割れ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。 固定部の第１の形成状態を示す部分拡大斜視図である。 固定部の第２の形成状態を示す部分拡大斜視図である。 ブリッジ部の非磁性化方法を説明するための模式断面図である。 ブリッジ部の非磁性化方法を説明するための模式斜視図である。 ロータコアの製造方法を説明するためのフローチャートである。 永久磁石の固定方法を説明するための第１の平面図である。 永久磁石の固定方法を説明するための第２の平面図である。

（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、ＩＰＭ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直方体状にそれぞれ形成され、ロータコア２に矩形配置されている。すなわち、各永久磁石３は、ロータコア２の外周部２１の近傍に９０度間隔で軸方向に貫通形成した４つのスロット５にそれぞれ収容され、後述する磁石固定保持工程によりロータコア２に固定保持されている。

４つのスロット５は、矩形状開口部５１および矩形状開口部５１の両端からロータコア２の外周部２１に向かってそれぞれ延びる台形状開口部５２で構成されている。台形状開口部５２は、磁気に対するエアギャップとして形成されている。

図１および図２に示すように、ロータコア２の外周部２１とスロット５の端部３２、詳しくは台形状開口部５２の半径方向の内側面５２ａとの間には、全体が非磁性化されたブリッジ部２２（図１，２において２本の点線で挟まれた範囲）が形成されている。非磁性化は、詳細は後述するが、ブリッジ部２２を加熱溶融してキーホールを形成し、前記キーホールの周囲に非磁性化元素を配置することにより処理される。ブリッジ部２２には、複数枚の強磁性板４を積層固定するための例えばカシメ等の固定部２３が形成されている。

図２に示すように、固定部２３は、ブリッジ部２２における非磁性化領域内に形成されているが、図３に示すように、ブリッジ部２２における非磁性化領域外に形成するようにしてもよい。すなわち、ブリッジ部２２の一部（図３において左側の点線と一点鎖線で挟まれた範囲）は非磁性化されているが、ブリッジ部２２の他部（図３において右側の点線と一点鎖線で挟まれた範囲）は非磁性化されておらず、このブリッジ部２２の他部に固定部２３を形成するようにしてもよい。

ここで、ブリッジ部２２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、ロータコア２のブリッジ部２２に対し、ブリッジ部２２の外周部（ロータコア２の外周部２１）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が照射されるブリッジ部２２の外周部から内周部（台形状開口部５２の内側面５２ａ）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に非磁性化元素８１を配置し、固溶合金化する工程である。非磁性化元素８１（マンガンまたはニッケル等）により形成されたワイヤ８をブリッジ部２２の外周部のレーザＬ照射位置周辺に配置する。そして、ブリッジ部２２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、溶融したブリッジ部２２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、非磁性化元素８１は、ブリッジ部２２の半径方向に拡散し、ブリッジ部２２の外周部から内周部にまで供給される。これにより、ブリッジ部２２は、半径方向に均一に、且つ外周部から内周部まで略同幅で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）
ロータ１の製造方法について図６のフローチャートを参照して説明する。なお、この方法において図略のプレス装置およびレーザ装置付プレス装置が使用される。プレス装置は、後述するプレ強磁性板４０を製作するための打抜き工程、および後述するプレロータコア２０を製作するための加圧工程を行うことができる周知の装置である。レーザ装置付プレス装置は、ロータコア２のブリッジ２２を非磁性化処理するための非磁性化工程、およびロータコア２のスロット５に収容した永久磁石３をロータコア２に固定するための磁石固定保持工程を行うことができる装置である。レーザ装置付プレス装置の金型９は、内径がロータコア２の外径と同一の円筒形状であって、軸方向に９０度間隔で４分割されて構成されている。各分割金型９１は、図略の移動装置により半径方向に移動して加圧可能に構成されている（図７，８参照）。

図６に示すように、例えば電磁鋼板をプレス装置にセットし、非磁性化工程および磁石固定保持工程前のプレ強磁性板４０の形状（図７参照）に打抜く（ステップＳ１）。このプレ強磁性板４０は、各スロット５より外周側の部分が両側のブリッジ部２２を支点に半径方向外側に膨らんだ形状となっている。打抜かれたプレ強磁性板４０は、金型内に落下して収納される。そして、所定枚数のプレ強磁性板４０が打抜かれて金型内に積層されたら（ステップＳ２）、積層された複数枚のプレ強磁性板４０を軸方向にプレスして固定部２３により固定し、非磁性化工程および磁石固定保持工程前のプレロータコア２０とする（ステップＳ３）。

次に、図７に示すように、レーザ装置付プレス装置の各分割金型９１を半径方向外側に移動し、その中央にプレロータコア２０をセットする（ステップＳ４）。そして、プレロータコア２０のブリッジ部２２にレーザを照射してキーホールを形成し（ステップＳ５）、例えばマンガンにより形成されたワイヤを配置してマンガンを供給する（ステップＳ６、本発明の「非磁性化工程」に相当する）。そして、レーザ照射およびワイヤを軸方向に移動させてブリッジ部２２を非磁性化処理する。このときのブリッジ部２２の温度は、例えば１６００°Ｃに達している。

次に、レーザ装置付プレス装置の各分割金型９１をプレロータコア２０に当接するまで半径方向内側に移動する（ステップＳ７）。これにより、プレロータコア２０から各分割金型９１に熱伝導するので、ブリッジ部２２の温度は低下する。ブリッジ部２２の温度が、例えば５００〜７００°Ｃ以上の所定温度以上であるか所定温度以下であるかを判断し（ステップＳ８，Ｓ９）、所定温度以下であるときはブリッジ部２２をレーザ照射して加熱する（ステップＳ１０）。ブリッジ部２２の温度が、所定温度になったら、プレロータコア２０の各スロット５内に永久磁石３をそれぞれ挿入する（ステップＳ１１）。そして、レーザ装置付プレス装置の各分割金型９１を半径方向内側にさらに移動し、プレロータコア２０を半径方向内側に加圧してブリッジ部２２を温間成形する（ステップＳ１２、本発明の「磁石固定保持工程」に相当する）。

これにより、ブリッジ部２２は塑性変形し、図８に示すように、最終的に各分割金型９１が互いに当接して円筒形状になると、プレロータコア２０はロータコア２の形状となる。このとき、各スロット５の内側面５ａが永久磁石３を圧接するので、永久磁石３をロータコア２に固定保持することができる。なお、ブリッジ部２２の温度が例えば５００°Ｃ以下の場合は、再度レーザ照射してブリッジ部２２を加熱する（本発明の「ブリッジ加熱工程」に相当する）。この場合は、レーザ照射の時間短縮や出力低下により、キーホール形成時より、ブリッジ部２２に与える熱量は少なくしてある。また、各分割金型９１をブリッジ部２２の温度と同程度の例えば５００〜７００°Ｃに加熱しておくことにより、ブリッジ部２２を保温しておくことができ、ブリッジ部２２の熱変形をスムーズに行うことができる。そして、レーザ装置付プレス装置の各分割金型９１を半径方向外側に移動し、ロータコア２を金型９から取出す（ステップＳ１３）。以上により、ロータコア２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、一層のブリッジ部２２に対してキーホール６を形成し、ブリッジ部２２の厚みに関わらず、ブリッジ部２２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）
ブリッジ部２２の少なくとも一部を、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している。これにより、ブリッジ部２２の半径方向の幅を広げても、ブリッジ部２２を非磁性化することができ、ブリッジ部２２における漏れ磁束を減少させ、回転機の高出力化を図ることができる。また、ブリッジ部２２の半径方向の幅を広げることができるので、ブリッジ部２２の強度を高めることができ、ロータ２の高速回転時の遠心力によるブリッジ部２２の破断を防止することができる。

また、複数枚の強磁性板４を固定部２３により互いに固定した後、ブリッジ部２２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するので、ロータコア２の熱変形を抑制することができる。さらに、ブリッジ部２２に固定部２３を形成しているので、特に熱履歴の大きいブリッジ部２２の熱変形を防止することができる。また、固定部２３を形成することにより強磁性板４の絶縁被膜の破れが生じる場合がある。しかし、ブリッジ部２２の加熱溶融によりブリッジ部２２の絶縁被膜は溶解し、非磁性化領域内において強磁性板が絶縁できなくなるので、固定部２３および非磁性化領域内で導通となってしまう。したがって、固定部２３をブリッジ部２２における非磁性化領域内とは異なる部位に形成する場合よりも、固定部２３をブリッジ部２２における非磁性化領域内に形成する場合の方が、非磁性化領域内のみが導通であるため、ロータコア２全体の絶縁被膜の破れや溶解による導通を抑制することができる。また、固定部２３をブリッジ部２２における非磁性化領域外に形成するときは、非磁性化処理中における固定部２３の影響を排除することができる。

金属材料の引張強さは材料温度の上昇と共に低下するので、高温時は金属材料の塑性加工は容易となる。よって、ブリッジ部２２の温度が非磁性化処理時の高温の状態から低下しても所定温度以上であれば、ブリッジ部２２を容易に塑性変形させることが可能であり、永久磁石３をロータコア２に確実に固定保持することができる。そして、永久磁石３とロータコア２との間のエアギャップを低減することができるので、回転機出力を高めることができる。また、スロット５の開口部５１を永久磁石３のスロット挿入面３１よりも広く形成できるので、永久磁石３をスロット５内に挿入するとき、永久磁石３がスロット５の内側面５ａに擦れることはなく、永久磁石３の傷や割れを防止することができる。

（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をブリッジ部２２の外周面のレーザ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、ブリッジ部２２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のペレットをブリッジ部２２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、ブリッジ部２２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、キーホール６の形成手段としては、高密度エネルギを照射可能な手段であればよく、レーザＬの代わりに例えば電子ビームでもよい。

また、上述の実施形態では、ブリッジ部２２は、キーホール６を形成することにより非磁性化処理を行うようにしたが、別処理で非磁性化処理を行い、その後に以下の処理を行うようにしてもよい。すなわち、レーザ装置付プレス装置の金型９内にセットされたプレロータコア２０のブリッジ部２２を加熱する（本発明の「ブリッジ加熱工程」に相当する）。そして、ブリッジ部２２の温度が、例えば５００〜７００°Ｃになったら、プレロータコア２０の各スロット５内に永久磁石３をそれぞれ挿入する（本発明の「磁石固定保持工程」に相当する）。そして、レーザ装置付プレス装置の各分割金型９１を半径方向内側にさらに移動し、プレロータコア２０を半径方向内側に加圧する（本発明の「磁石固定保持工程」に相当する）。これにより、ブリッジ部２２は塑性変形し、最終的に各分割金型９１が互いに当接して円筒形状になると、プレロータコア２０はロータコア２の形状となる。

このように、ブリッジ部２２を加熱することによりブリッジ部２２を容易に塑性変形させることが可能となり、永久磁石３をロータコア２に確実に固定保持することができる。そして、永久磁石３とロータコア２との間のエアギャップを低減することができるので、回転機出力を高めることができる。また、スロット５の開口部５１を永久磁石３のスロット挿入面３１よりも広く形成できるので、永久磁石３をスロット５内に挿入するとき、永久磁石３がスロット５の内側面５ａに擦れることはないく、永久磁石３の傷や割れを防止することができる。

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
２１：ロータコアの外周部、 ２２：ブリッジ部、 ２３：固定部
５１：開口部

Claims (5)

1. 複数枚の積層された強磁性板からなるロータコアと、
   該ロータコアに軸方向に形成したスロットに収容された永久磁石と、を備えた回転機用ロータの製造方法であって、
   前記ロータコアの外周部と前記スロットの端部との間の一層のブリッジ部を、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前記ブリッジ部の外周部から内周部まで均一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、
   前記複数枚の強磁性板を積層固定するための固定部を前記ブリッジ部に形成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２において、
   前記ブリッジ部における非磁性化領域内に前記固定部を形成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２において、
   前記ブリッジ部における非磁性化領域外に前記固定部を形成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、
   前記ブリッジ部を前記非磁性化の後に、前記ロータコアの外周を半径方向内側に向かって押圧変形させることにより、前記スロットの内側面に圧接して前記永久磁石を前記ロータコアに固定保持させ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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