JP6350964B2 - ロータコア、そのロータコアを使用したロータおよびロータコアの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に使用するロータコア、そのロータコアを使用したロータおよびロータコアの製造方法に関するものである。

従来、円柱状のロータ１００の周囲に環状のステータ１０２を備えた回転電機１０４が種々開発されている。図７のように磁石埋め込み式の回転電機１０４が圧縮機１０６に適用された場合、円筒状のパイプ１０８の中にステータ１０２が配置され、その中にロータ１００が配置される。圧縮機１０６には、冷媒を供給する管１１０、冷媒を吐出する管１１２、巻線に接続される端子１１４、および圧縮機構１１６が設けられる。ロータ１００が回転すると圧縮機構１１６に冷媒が吸入される。圧縮機構１１６で冷媒が圧縮され、吐出される。

ロータ１００は、図８に示す円盤形状のコアシート１１８を積層したロータコア１２０、ロータコア１２０に形成された磁石孔１２２の中に埋設された磁石１２４、ロータコア１２０の端部に配置された端板１２６、およびロータコア１２０の中心に取り付けられた回転軸１２８を備える。コアシート１１８の表面は絶縁膜を被覆し、コアシート１１８同士に渦電流が発生しないようにしている。

磁石孔１２２の端部はロータコア１２０の外周に達していず、ブリッジ１３０になっている。漏れ磁束がブリッジ１３０で発生する。漏れ磁束はロータ１００の回転に寄与しないため、漏れ磁束を低減することが必要である。たとえば、下記の特許文献１は、磁石１２４からブリッジ１３０まで空隙１３２になっており、ブリッジ１３０に接する部分をレーザ切断することで溶融させ、その後に凝固させた凝固層を形成している。凝固層を形成することにより、ブリッジ１３０の磁束の方向への圧縮応力が発生し、漏れ磁束を低減させている。

凝固層はブリッジ１３０の空隙１３２に接する部分のみであるため、漏れ磁束の低減があまりなされないおそれがある。レーザ切断することで絶縁膜が溶融し、コアシート１１８同士が短絡するおそれがある。コアシート１１８同士が短絡すると、コアシート１１８間に渦電流が発生する。渦電流による発熱は、ロータ１００の回転性能を低下させる。

特開２０１２−７５２５６号公報

本発明は、コアシート同士の短絡を防止しながら漏れ磁束を低減させるロータコア、そのロータコアを使用したロータおよびロータコアの製造方法を提供することを目的とする。

ロータコアは、円筒状であり、電磁鋼板を所定形状に形成した複数のコアシートが積層されて成り、コアシートの積層方向に連通する複数の磁石孔を備える。ロータコアは、コアシートにおける磁石孔よりも外周側である外側コアと、コアシートにおける磁石孔よりも内周側である内側コアと、外側コアと内側コアを連結するブリッジと、ブリッジの少なくとも一部が溶融固化し、溶融固化された部分がコアシートごとに独立しており、電磁鋼板よりも透磁率が低い磁性に改質された磁性改質部とを備える。

コアシートの外周におけるブリッジの部分において、少なくとも一部に形成された凹部を含み、磁性改質部が凹部に形成されている。

磁性改質部が、コアシートの一面および他面を含まない。磁性改質部はコアシートの厚み方向に貫かれない。

ロータは、上記のロータコアと、磁石孔のそれぞれに埋設され、ブリッジに非接触である磁石とを備える。

上記のロータコアの製造方法は、電磁鋼板を準備する工程と、電磁鋼板を打ち抜き加工し、磁石孔、磁石孔よりも外周側である外側コア、磁石孔よりも内周側である内側コアおよび外側コアと内側コアを連結するブリッジを備えた複数のコアシートを形成する工程と、複数のコアシートを積層して、磁石孔の各々が積層方向に連通するように配置された円筒状の積層体を形成する工程と、ブリッジに対して局所的に加熱処理し、ブリッジの少なくとも一部を溶融固化させて、電磁鋼板よりも透磁率が低い磁性に改質された磁性改質部を形成する工程とを含む。

積層方向に隣接する磁性改質部の各々が不連続となるように、磁性改質部をコアシートごとに独立して形成する。

加熱処理は、コアシートのブリッジごとにレーザ照射することを含む。複数のコアシートにわたって連続的な軌跡を描くようにレーザ照射しない。

加熱処理におけるブリッジの温度は、電磁鋼板の融点以上かつ沸点未満である。

コアシートの外周におけるブリッジの部分において、少なくとも一部に凹部を形成し、加熱処理を凹部に対しておこなう。

磁性改質部を形成する工程において、磁性改質部をコアシートの一面および他面に到達させない。

磁性改質部を形成する工程は、積層体を形成する工程の後におこなう。または、磁性改質部を形成する工程は、積層体を形成する工程の前におこなう。

本発明によると、ブリッジに磁性改質部を形成したことにより、ブリッジの漏れ磁束を低減できる。コアシート間の短絡も防止されており、コアシート間の渦電流を防止できる。ブリッジに凹部を設けることで、磁性改質部が突出しても、磁性改質部がロータコアの外周からはみ出さない。ロータとステータのエアギャップを従来と同じように保つことができる。磁石からブリッジまでの空間によって、磁性改質部が突出しても、磁石を磁石孔に埋設することができる。磁石を埋設した後に磁性改質部を形成しても、熱による減磁を防止できる。

本発明のロータコアを示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。 図１の拡大図であり、（ａ）は図１（ａ）の円Ａの拡大図、（ｂ）は図１（ｂ）のブリッジおよび磁性改質部の拡大図である。 図１のロータコアを使用したロータを示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。 ロータコアの製造を示す図であり、（ａ）はコアシートの上面図、（ｂ）はレーザ照射の図である。 レーザ照射位置を移動させたときの磁性改質部の図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。 円弧状の磁石孔を有するロータコアの上面図である。 圧縮機の構成を示す図である。 従来のロータコアを使用したロータの上面図である。

本発明のロータコア、ロータおよびロータコアの製造方法について図面を用いて説明する。ロータコアおよびロータは回転電機に用いられるものである。回転電機は、従来と同様に、圧縮機などに適用できる。複数の実施例の説明において、一の実施例で説明した内容と同一内容について他の実施例では説明を省略する場合がある。

図１と図２に示す本発明のロータコア１０は、板状のコアシート１２を積層したものである。コアシート１２は、電磁鋼板を打ち抜き加工して形成することができる。電磁鋼板は、鉄にケイ素などを添加した軟磁性体から構成される。コアシート１２の厚みは、たとえば約０．２〜１ｍｍであり、好ましくは約０．３〜０．５ｍｍである。コアシート１２の外形は、後述する凹部１４を除いて円形になっている。

コアシート１２の表面に絶縁膜（図示せず）が被覆される。絶縁膜でコアシート１２間の渦電流を防止する。絶縁膜は、たとえば無機質成分水溶液に樹脂成分を添加した材料を塗布し、乾燥させて形成される。絶縁膜は、約０．７μｍの厚みである。

コアシート１２は、回転軸用孔１６および磁石孔１８が形成されている。回転軸用孔１６は、コアシート１２の中心に形成されている。ロータを製造したとき、回転軸用孔１６に回転軸が挿入され、固定される。

磁石孔１８をコアシート１２の平面から見ると帯状であり、かつコの字状、Ｖ字状またはそれらの類似形状になるように折れ曲がっている。磁石孔１８の両端はコアシート１２の外周付近に配置される。各磁石孔１８は同一形状であり、回転軸用孔１６を中心に対称になっている。ロータを製造したとき、磁石孔１８に磁石が埋設される。磁石孔１８の数は偶数であり、磁石孔１８に磁石が埋設されると、ロータコア１０の外周にＳ極とＮ極が交互に配置されることになる。

コアシート１２を積層してロータコア１０を形成したとき、円筒状になる。積層方向に全ての回転軸用孔１６と磁石孔１８が通じる。

コアシート１２は、磁石孔１８よりも外周側の外側コア２０、内周側の内側コア２２、外側コア２０と内側コア２２とを連結するブリッジ２４で構成される。ブリッジ２４は磁石孔１８の端部からコアシート１２の外周までの部分である。

ブリッジ２４は磁性改質部２６を備える。磁性改質部２６は、ブリッジ２４の一部が溶融固化され、もとの電磁鋼板よりも透磁率が低くなった部分である。透磁率を低くすることで、漏れ磁束を低減させる。漏れ磁束低減のために、空気の透磁率にできる限り近づくことが好ましい。外側コア２０と内側コア２２は、上記の電磁鋼板のままである。

磁性改質部２６は、ブリッジ２４の一部であり、かつコアシート１２の外周から磁石孔１８まで形成されている。ブリッジ２４を突き抜けるように設けられることで、その部分の漏れ磁束が低減される。磁性改質部２６は、コアシート１２の厚み方向の中央に形成され、一面ｍと他面ｎには到達されていない。溶融したときに、コアシート１２の絶縁膜が溶融し、コアシート１２間で短絡しないようにするためである。

磁性改質部２６はロータコア１０の外周よりも突出する。そのため、ロータコア１０の外周におけるブリッジ２４の部分に、凹部１４を設ける。凹部１４は磁石孔１８に向けて窪んでいる。凹部１４によって、磁性改質部２６がロータコア１０の外周よりも突出しないようにする。磁性改質部２６が突出しないことにより、ロータコア１０とステータとの間のエアギャップを広げる必要はなく、ロータの回転性能を低下させない。凹部１４の深さは、たとえば約１００μｍである。凹部１４はブリッジ２４の全体になくても良く、少なくとも磁性改質部２６が入るように凹部１４を設ける。

上記ロータコア１０を使用したロータについて説明する。図３に示すロータ３０は、上記のロータコア１０、磁石孔１８に埋設された磁石３２、回転軸用孔１６に挿入され、固定された回転軸３４、およびロータコア１０の一端と他端に配置された端板３６を備える。

磁石３２は、フェライト磁石、ネオジウム磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石などの焼結磁石が挙げられる。磁石３２は、磁石孔１８の内壁に接する形状である。磁石３２の数は偶数であり、ロータコア１０の外周にＮ極とＳ極が交互に配置される。

磁石３２は、磁石孔１８を完全に埋めるように埋設されず、磁石３２からブリッジ２４まで空間３８がある。磁性改質部２６が溶融固化されたときに、磁石孔１８の中にも突出するが、空間３８によって磁石３２の配置に影響されない。

端板３６は、ロータコア１０の端部に配置され、磁石３２が磁石孔１８から飛び出すのを防止する。端板３６は非磁性体で構成され、渦電流が流れることを防止する。端板３６を固定するために、コアシート１２および端板３６に締結用孔４０を設け、締結部材４２を締結用孔４０に挿入し、固定する。締結部材４２としては、リベット、ボルトとナットなどが挙げられ、それらの軸が締結用孔４０に入る。締結部材４２と共にカシメを用いて固定しても良い。

ロータコア１０の中心の回転軸用孔１６に回転軸３４が嵌め込まれて、固定される。また、端板３６にも回転軸が通過するための回転軸用孔を設けておく。ロータ３０を備えた回転電機が圧縮機に適用される場合、回転軸３４は圧縮機構まで延び、圧縮機の回転軸にもなる。ロータコア１０の側方を囲むようにしてステータが配置され、回転電機になる。ステータはコイルを備え、コイルに電流を流して発生させた磁界によって、ロータ３０を回転させる。

次に、ロータコア１０の製造方法について説明する。（１）表面を絶縁体で被膜した電磁鋼板を準備し、図４（ａ）のように、所定形状に打ち抜き加工をおこない、コアシート１２を形成する。打ち抜き加工をおこなう際、コアシート１２に凹部１４、回転軸用孔１６、磁石孔１８および締結用孔４０を形成する。コアシート１２の外形を形成したとき、同一工程または別工程で凹部１４などを形成する。

この打ち抜き加工によって、外側コア２０、内側コア２２およびブリッジ２４が形成される。この段階でブリッジ２４には、磁性改質部２６は形成されていない。

（２）コアシート１２を積層する。コアシート１２を積層するとき、回転軸用孔１６、磁石孔１８および締結用孔４０の位置を一致させる。コアシート１２の積層体を回転軸用孔１６、磁石孔１８および締結用孔４０が貫かれる。凹部１４の位置も一致され、コアシート１２の積層体の外周に帯状になった凹部１４が形成される。

（３）ブリッジ２４の一部を局所加熱し、溶融固化によって磁性改質部２６を形成する。局所加熱の方法は、図４（ｂ）のように、レーザ４４のスポット照射が挙げられる。コアシート１２ごとにレーザ照射する。隣り合うコアシート１２の磁性改質部２６が不連続になるようにレーザ照射する。隣り合うコアシート１２を短絡させないためである。磁性改質部２６は、コアシート１２の一面ｍおよび他面ｎに到達していない。磁性改質部２６が形成されたとき、凹部１４や磁石孔１８に磁性改質部２６が突出する。

レーザ４４の種類としては、炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザが挙げられるが、コアシート１２を溶融固化できるのであれば、レーザ４４の種類は問わない。レーザ照射は、積層されたコアシート１２の位置とレーザ照射装置４６の位置を相対的に移動させながらおこなう。

コアシート１２の外周から磁石孔１８まで溶融固化されるようにする。磁性改質部２６の形状は、円柱や円錐台などの形状になっている。ブリッジ２４を貫くように磁性改質部２６を形成することで、漏れ磁束をできる限り低減させる。

レーザ照射された部分の温度は、電磁鋼板を形成する軟磁性体の融点以上かつ沸点未満になるようにする。沸点以上になるとレーザ照射された部分に孔が空き、漏れ磁束はなくなるが、ブリッジ２４の強度が極端に低下する。融点未満であれば磁性改質部２６が形成されない。たとえば、約１５００〜２９００℃になるようにして、磁性改質部２６が形成されるようにする。

長時間にわたってレーザ照射するとコアシート１２の一面ｍと他面ｎまで熱伝導され、絶縁膜が溶け、コアシート１２同士が短絡されるおそれがある。そのため、レーザ照射時間は短時間にする。たとえば、磁性改質部２６が溶融した直後に加熱停止する。

以上の工程によってロータコア１０を製造できるが、さらに下記の工程によって、ロータ３０を製造することができる。

（４）ロータコア１０の回転軸用孔１６に回転軸３４を挿入し、固定する。固定方法は、焼嵌め、冷やし嵌め、圧入および溶接などが挙げられる。その際、ロータコア１０の締結用孔４０に締結部材４２を挿入し、コアシート１２同士を固定させておく。

（５）磁石孔１８に磁石３２を埋設する。磁石３２を埋設する際、ロータコア１０のいずれか一方の端部に端板３６を配置しても良い。磁石３２を磁石孔１８に挿入する段階で、磁石３２が磁石孔１８から抜け落ちないようにする。磁石３２が埋設された後、他方の端部も端板３６を配置し、磁石３２が磁石孔１８から飛び出さないようにする。

以上の工程によってロータ３０が製造される。磁性改質部２６を形成するのは、コアシート１２を積層した後であれば、どのタイミングでおこなっても良い。上記（４）または（５）の工程の後におこなっても良い。ロータコア１０を製造しながら、ロータ３０を製造する。磁石３２を磁石孔１６に埋設した後にレーザ照射しても、磁石３２とブリッジ２４までに空間３８があるため、磁石３２を熱によって減磁させることはない。

ロータ３０は、環状のステータの内側に配置され、回転電機が構成される。ステータ内のコイルに電流を流し、その電流で発生した磁界によって、ロータ３０が回転する。回転電機を圧縮機に適用される場合、従来技術で示したように、回転軸３４が圧縮機に接続される。ロータ３０が回転することで、圧縮機が駆動する。

以上のように、ブリッジ２４に磁性改質部２６を形成したことにより、漏れ磁束を低減することができる。ロータ３０の回転性能を低下させにくくなっている。コアシート１２間の短絡が防止されており、コアシート１２間の渦電流が発生しない。渦電流による損失を防止できる。

磁性改質部２６を形成する際に生じる突出が非常に小さく、ロータ３０とステータとのエアギャップへの影響が無視できるのであれば、凹部１４を形成する必要は無い。上記（１）の工程で凹部１４は形成しない。

コアシート１２を積層した後にレーザ照射したが、積層する前にレーザ照射しても良い。コアシート１２を１枚ずつ準備し、レーザ照射するため、レーザ照射位置がずれた場合などに他のコアシート１２への影響がない。一のコアシート１２の絶縁膜が溶けたとしても隣り合うコアシート１２の絶縁膜が存在すれば、コアシート１２間の渦電流を防止できる。

１つの磁性改質部２６を形成するとき、レーザ４４の照射位置を徐々に移動させても良い。レーザ４４の照射位置をコアシート１２の平面方向に移動させることにより、図５のように、コアシート１２の平面方向に広がった磁性改質部２６が形成される。磁性改質部２６が広がることで漏れ磁束が通りにくくなる。

磁石孔１８の形状はコの字状やＶ字状に限定されない。図６のコアシート６０のように、回転軸用孔１６に向かって凸になった円弧状の磁石孔６２であっても良い。磁石孔６２に埋設される磁石も円弧状になる。他の実施例と同様にブリッジ２４に磁性改質部２６を形成する。

ロータコア１０に磁性改質部２６を形成した後に磁石３２を埋設する場合、磁石３２は焼結磁石に限定されず、ボンド磁石を磁石孔１８に射出成形して形成しても良い。磁性改質部２６を形成するときの熱が磁石３２に与えることはなく、磁石３２の減磁がない。また、磁性改質部２６を形成した後であれば、磁石孔１８に隙間なく焼結磁石を埋設することもできる。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。各実施例は独立的または排他的な実施例ではなく、種々の実施例の全部または一部を適宜組み合わせて実施しても良い。

１０、６０：ロータコア
１２：コアシート
１４：凹部
１６：回転軸用孔
１８、６２：磁石孔
２０：外側コア
２２：内側コア
２４：ブリッジ
２６：磁性改質部
３０：ロータ
３２：磁石
３４：回転軸
３６：端板
３８：磁石からブリッジまでの空間
４０：締結用孔
４２：締結部材
４４：レーザ
４６：レーザ照射装置

Claims (9)

1. 電磁鋼板を所定形状に形成した複数のコアシートが積層されて成り、該コアシートの積層方向に連通する複数の磁石孔を備えた円筒状のロータコアであって、
   前記コアシートにおける磁石孔よりも外周側である外側ロータコアと、
   前記コアシートにおける磁石孔よりも内周側である内側ロータコアと、
   前記外側ロータコアと内側ロータコアを連結するブリッジと、
   前記コアシートの一面および他面を含まずにブリッジの少なくとも一部が溶融固化し、該溶融固化された部分がコアシートごとに独立しており、電磁鋼板よりも透磁率が低い磁性に改質された磁性改質部と、
   を備えたロータコア。
2. 前記コアシートの外周におけるブリッジの部分において、少なくとも一部に形成された凹部を含み、
   前記磁性改質部が凹部に形成されている請求項１に記載のロータコア。
3. 請求項１または請求項２に記載のロータコアと、
   前記磁石孔のそれぞれに埋設され、ブリッジに非接触である磁石と、
   を備えロータ。
4. 前記電磁鋼板を準備する工程と、
   前記電磁鋼板を打ち抜き加工し、磁石孔、磁石孔よりも外周側である外側ロータコア、磁石孔よりも内周側である内側ロータコアおよび外側ロータコアと内側ロータコアを連結するブリッジを備えた複数のコアシートを形成する工程と、
   前記複数のコアシートを積層して、前記磁石孔の各々が前記積層方向に連通するように配置された円筒状の積層体を形成する工程と、
   前記ブリッジに対して局所的に加熱処理し、コアシートの一面および他面に到達させずにブリッジの少なくとも一部を溶融固化させて、前記電磁鋼板よりも透磁率が低い磁性に改質された磁性改質部を形成する工程と、
   を含み、
   前記磁性物質の形成する工程は、隣接するコアシートの磁性改質部が不連続となるように形成するロータコアの製造方法。
5. 前記加熱処理は、コアシートのブリッジごとにレーザ照射することを含む請求項４に記載のロータコアの製造方法。
6. 前記加熱処理におけるブリッジの温度が、電磁鋼板の融点以上かつ沸点未満である請求項４または請求項５に記載のロータコアの製造方法。
7. 前記コアシートの外周におけるブリッジの部分において、少なくとも一部に凹部を形成し、
   前記加熱処理を前記凹部に対して行う請求項４から請求項６のいずれかに記載のロータコアの製造方法。
8. 前記磁性改質部を形成する工程が、積層体を形成する工程の後におこなう請求項４から請求項７のいずれかのロータコアの製造方法。
9. 前記磁性改質部を形成する工程が、積層体を形成する工程の前におこなう請求項４から請求項７のいずれかのロータコアの製造方法。

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