JP3944505B2 - 回転電機及びその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、円筒状のフレームの内周面に固定子磁極が圧入固定される回転電機及びその製造方法に関するものである。

この種の回転電機としては、例えば、特許文献１に示されるように、フレームが、鋳造用アルミニウム材を用いて鋳造されたものであり、このフレームに鋳込まれた鋼管の内径側に固定子鉄心が圧入固定されている。この構成では、鋼管の線膨張率は固定子鉄心の線膨張率と近似しているので、高温域まで鋼管による固定子鉄心の固定保持がなされる。

また、特許文献２に示される回転電機は、支持ブラケットの筒部に固定子鉄心を圧入し、固定子鉄心の圧入部に対向する筒部の外周部に、環状部材を嵌合している。このため、支持ブラケットの剛性が強化されて、電動機の振動・騒音を防止することができるものである。

特開２００１−１６９５００号公報 特開２００２−３４２０２号公報

このように鋼管等の鉄材からなる円筒状のフレームの内周面に、固定子鉄心の外周面を圧入固定する回転電機においては、該内周面および該外周面の寸法管理が重要である。両者の寸法のばらつきによって圧入代がばらついて、圧入荷重が変動する。固定子鉄心を確実に固定するために、更に圧入代を大きくすると圧入荷重が過大となる場合があり、その応力で固定子鉄心の内周面の真円度の悪化などによって、回転電機の性能がばらつき、またコギングトルクが増加するなどの問題を引き起こすことがあった。

回転電機の外殻となるフレームが鉄材から構成されているものにおいては、一般的に耐食性向上のために、例えば５μｍ程度の亜鉛めっきが行われることが多い。耐食性を更に向上させるためには、カチオン塗装等が行われることもある。前記特許文献１および２には、亜鉛めっきやカチオン塗装等の記載はないが、亜鉛めっき等を行なっている場合には、更に圧入荷重がばらつきやすいという問題があり、カチオン塗装等を行なっている場合では、固定子鉄心を圧入する内周面に塗装が付着しないようにマスキングを行なう必要があるなどの問題があった。

また、前記特許文献１および２には防水シールなどの記載がないが、回転電機のフレームとハウジング（ブラケット）との接合部におけるシール剤とフレームとの接着力がばらつきやすいという問題があり、フレームの表面処理面とシール剤との接着力を確保する必要があるなどの問題があった。

この発明は、固定子磁極のフレームへの圧入荷重が安定し回転電機の性能が安定するとともに、耐食性と防錆シール性能が良く安価な回転電機、特に、電動パワーステアリング装置用モータに適した回転電機及びその製造方法を得ることを目的とする。

この発明は、円筒状の鋼板製フレームの内周面に固定子磁極が圧入固定され、該固定子磁極の内周側には空隙を介して回転子が配設され、前記フレームと該フレームと当接するアルミニウム材からなるハウジングとの当接面に液体シール剤が塗布されて構成されている回転電機において、前記フレームは、鋼板の表面にアルミニウム、マグネシウム、シリコン、残部が亜鉛からなるめっき層を有し、該めっき層の上に、更に化成処理による潤滑皮膜を結合して設けた表面処理鋼板を、プレス加工によって円筒状に形成して構成されている。
また、この発明は、円筒状の鋼板製フレームの内周面に固定子磁極が圧入固定され、該固定子磁極の内周側には空隙を介して回転子が配設され、前記フレームと該フレームと当接するアルミニウム材からなるハウジングとの当接面に液体シール剤が塗布されて構成されている回転電機の製造方法において、鋼板の表面にアルミニウム、マグネシウム、シリコン、残部が亜鉛からなるめっき層を有し、該めっき層の上層に、更に化成処理による潤滑皮膜を結合して設けた表面処理鋼板を有底の円筒状にプレス成形して前記フレームを形成する工程と、前記フレームの内周部に前記固定子磁極の固定子鉄心外周部を圧入嵌合する工程と、前記固定子磁極の内周側に空隙を介して前記回転子を配設する工程と、前記フレームの開放端側と前記ハウジングの当接面とを液体シール剤により接着する工程とを含むものである。

この発明によれば、フレームとして用いる表面処理鋼板のめっき層の耐食性が良く硬度も高いため、めっき層を薄膜にできるとともに安定した摩擦係数を得られ、固定子磁極の圧入荷重が安定すると共に、フレームの変形、固定子磁極へのストレスも軽減できるので性能のばらつきが小さく、コギングトルクの増加も抑制された、耐食性が良く安価な回転電機を得ることができる。
特に、この発明による回転電機を電動パワーステアリング装置用モータとして用いた場合、コギングトルクやトルクリップルの増加が抑制されて操舵感が良く、好適である。

実施の形態１.
図1はこの発明の実施の形態１のブラシレスモータの構成を示す断面図である。ブラシレ
スモータ１０は、有底の円筒状に形成した鋼板製のフレーム１１の内周に、固定子鉄心１３に固定子コイル１４を巻装した固定子磁極１２が圧入によって挿着されると共に、フレーム１１の開放端側にはアルミニウム材からなるハウジング１５が取り付けられている。ハウジング１５の中心部にはフロントベアリング１６が設けられ、フレーム１１の有底側にリアベアリング１７が保持されている。回転子１８は、鋼材から製造されるシャフトに接着により固定される永久磁石１９と一体構造であり、ハウジング１５にその外輪を固定されるフロントベアリング１６と、フレーム１１にその外輪を支持されるリアベアリング１７により支持されて回転する。

図２は、固定子鉄心１３に固定子コイル１４を巻装した固定子磁極１２が圧入されたフレーム１１の側面図（ハウジング側から見た図）及び断面図であり、フレーム１１は鋼板の表面にアルミニウム、マグネシウム、シリコン、残部が亜鉛からなるめっき層を形成した表面処理鋼板によって有底の円筒状にプレス成形されたものであり、この底部にはリアベアリング１７の外輪を収納する形状を備えている。

図３は固定子磁極１２の側面図及び断面図であり、固定子磁極１２は鉄心片を積層して円環状に形成した固定子鉄心１３に固定子コイル１４が巻回されて構成されており、固定子鉄心１３の外周面が、フレーム１１の内周面に圧入固定されている。

なお、この固定子磁極１２は、図４に示すように、電磁鋼板からなる鉄心片を多数枚積層して板形状に構成された固定子鉄心１３Ａに固定子コイル１４Ａを装着した後、これを図５に示すように円環状に屈曲させて構成することもできる。この場合には、固定子鉄心１３Ａの巻き込みが容易にでき、図３の場合と同様に固定子鉄心１３Ａをフレーム１１に圧入固定し、製造コストを低くできる。

この様に構成されたブラシレスモータ１０において、フレーム１１は表面処理鋼板の防錆性能を有し、固定子磁極１２のフレーム１１への固定は固定子磁極１２の固定子鉄心外周部をフレーム１１の内周部に圧入嵌合することにより行われている。そのため接着剤、固定具等が不要のため製造コストを低くできる。

しかして、鉄鋼材料の防食に対しては溶融亜鉛めっきが一般的に行われているが、この実施の形態１においては、フレーム１１として、新日本製鐵株式会社製鋼板：商品名スーパーダイマ（Ｓｕｐｅｒ Ｄｙｍａ，以下ＳＤと称する）を用いている。このＳＤは、めっき層成分が亜鉛を主に、２〜１９質量％のアルミニウム、１〜１０質量％のマグネシウム、０．０１〜２質量％のシリコンを添加したもので、これらの添加元素の複合効果で耐食性を高めた高耐食性めっき鋼板である。特にシリコンは、アルミニウムを含有するめっき層の加工性を高めると同時に、マグネシウムとの複合作用によって腐食抑制効果をより高めている。ＳＤは、その高耐食性から、主に建設部材や土木資材に使用されていた。ＳＤとしては、亜鉛を主に、１１質量％のアルミニウム、３質量％のマグネシウム、０．２質量％のシリコンを添加したものが一般的である。

図９（ａ）は、各種の表面処理を施した表面処理鋼板をフレーム１１に用いた場合について、連続塩水噴霧による赤錆発生までの時間を比較したデータを示す図で、Ａは通常の亜鉛めっき５μｍを施したもの、Ｂは通常の亜鉛めっき８μｍを施したもの、Ｃはカチオン塗装品に通常の亜鉛めっき５μｍを施したもの、Ｄはめっき層の質量パーセントがアルミニウム１１質量％、マグネシウム３質量％、シリコン０.２質量％、残部が亜鉛からな
るような処理（以下ＳＤ処理と呼ぶ）を施したもの、ＥはＳＤ処理の上にさらに化成処理を施したものを示している。なお、化成処理としては、例えばウレタン樹脂＋ワックス＋添加物からなる混合物をＳＤ処理表面の上に、１μｍ程度被覆する方法を用いることができる。

この比較データからＳＤ処理を施したＤ，Ｅのケースが防錆性に優れていることが明らかである。その理由は、ＳＤ処理品は含まれるアルミニウム内にある亜鉛の溶出量が少なく抑えられるので防錆効果が長期に渡るものと考えられる。また、ＳＤ処理に化成処理を施したものはさらに僅かにその防錆効果を高めるが主たる効果はＳＤ処理によるものと考えられる。

次に、図９（ｂ）は、各種の表面処理を施した表面処理鋼板をフレーム１１に用いた場合について、フレーム１１に固定子磁極１２を圧入する際の摩擦力の大小に関係するフレーム１１と固定子磁極１２の摩擦係数を比較したデータを示す図で、Ｆは通常の後めっき（亜鉛めっき）のみを施したもの、Ｇは通常の後めっき（亜鉛めっき）に更にワックス処理を施したもの、ＨはＳＤ処理を施したもの、ＩはＳＤ処理を施したものに更にワックス処理を施したもの、ＪはＳＤ処理を施したものに更に化成処理を施したものを示している。

すなわち、Ｆのようにフレーム１１表面に後めっきのみを施した場合は、摩擦が大きいため多大な圧入力を必要とし、そのためフレーム１１及び固定子磁極１２に変形、損傷を生じることがある。Ｇはこの変形等を防止するために圧入力を低減する目的でワックスを後めっき表面に塗布した場合を示す。ＨのＳＤ処理については、めっき層が後めっきに比べて硬度が高いため、ワックス塗布をしなくともある程度の摩擦係数低減を図ることができる。また、ＩのようにＳＤ処理にワックス処理を施すと更に低減化がある。更に、ＪのようにＳＤ処理に加えて化成処理を施すことによりワックス処理の摩擦係数を上回る摩擦係数を得ることができる。この場合の化成処理はＳＤ表面に強く結合した潤滑皮膜であるためワックス処理の皮膜より安定した摩擦を得られる。

また、図９（ｃ）は、フレーム１１とハウジング１５の間に防水を目的とした液体シール剤が塗布されている場合において、図９（ｂ）と同一の各種表面処理鋼板Ｆ−Ｊをフレーム１１に用いた場合について、液体シール剤とフレーム１１との接着力を比較したデータを示す図で、この場合には、液体シールのシール効果を確実にするために液体シール剤と特に表面処理にコーティングを施しているフレーム１１との接着力を確保することが必要となる。この場合の液体シール剤としては、シリコーン（メーカ：株式会社スリーボンド）を主成分とするものを用いるのが有効である。

この比較データから分かるように、Ｆの後めっきと、ＨのＳＤ処理と、ＪのＳＤ処理+化成処理はほぼ同じ接着力を期待できシール効果が高い。しかしながら、Ｇの後めっき+
ワックス処理とＩのＳＤ処理+ワックス処理についてはワックスの影響で接着性が阻害さ
れシール効果は低く防水性能が期待できないことになる。
特に、ＪのＳＤ処理+化成処理については接着性を確保しながら前述の摩擦係数を安定
できるため、フレーム１１の表面に皮膜処理を施すことで固定子磁極１２を変形・損傷無く安定して圧入でき、安定した防水性能を期待できるので製造コストを低くできかつ高い防錆性能を得ることができる。

以上のように、この実施の形態1によれば、フレームが鋼板の表面にアルミニウム、マ
グネシウム、シリコン、残部が亜鉛からなるめっき層を形成した表面処理鋼板を、プレス加工によって円筒状に形成して構成されているので、めっき層の耐食性が良く硬度も高いため、めっき層を薄膜にできるとともに安定した摩擦係数を得るため固定子磁極の圧入荷重が安定する。また、フレームの変形、固定子鉄心へのストレスも軽減できるので性能のばらつきが小さく、コギングトルクの増加も抑制された、耐食性が良く安価な回転電機を得ることができる。特に、電動パワーステアリング装置用モータに用いた場合には、コギングトルクやトルクリップルの増加が抑制されて操舵感が良く、好適なものとなし得る。

特に、めっき層が、アルミニウム１１質量％、マグネシウム３質量％、シリコン０．２質量％、残部が亜鉛からなるＳＤ処理を施したものを用いた場合には、効果的に固定子磁極の圧入荷重を安定させることができ、鋼板の入手性も良く、安価な回転電機を得ることができる。

また、ＳＤ処理の上層に、更に化成処理により潤滑皮膜を設けた表面処理鋼板を用いているので、摩擦係数が減少して、更に効果的に固定子磁極の圧入荷重を安定させることができる。また、予め潤滑皮膜を設けた表面処理鋼板であるので生産性がよく、アルミニウム、マグネシウム、シリコンを含む溶融亜鉛めっき鋼板を、固定子磁極の圧入固定する回転電機のフレームとして容易に適用することができる。

更に、フレームと、該フレームと当接するアルミニウム材からなるハウジングとの当接面に、液体のシール剤を塗布しているので、気密性が向上し防水性が良く、フレームとハウジングの電食が防止されて耐久性が向上する。

実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態に係わる回転電機（ブラシモータ）の構成を示す断面図である。２０は回転電機であるブラシモータを示し、２１はヨークを形成するフレーム、２２は固定子磁極で永久磁石２３とこれを保持するマグネットホルダ２４とで構成されている。２５はハウジング、２６はフロントベアリング、２７はリアベアリング、２８はアマチュア、２９はブラシホルダである。アマチュア２８は電磁鋼板を積層したコアをシャフトに固定し、コイルを装着しており、フロントベアリング２６及びリアベアリング２７により回転自在に支持される。

図７は固定子磁極２２の側面図及び断面図である。永久磁石２３は、マグネットホルダ２４の支持枠に嵌合することにより支持される。

図８はフレーム２１に永久磁石２３及びマグネットホルダ２４からなる固定子磁極２２が装着される構造を示す断面図及び側面図である。

この実施の形態２においても、フレーム２１は、実施の形態１と同様の表面処理鋼板を用いてプレス成形されたものであり、その内周部に永久磁石２３とマグネットホルダ２４から構成される固定子磁極２２を圧入嵌合し固定支持する。またフレーム２１にはリアベアリング２７を収納する形状が備えられている。

実施の形態２の回転電機はこのように構成されているので、実施の形態１と同様に高い防錆性能を有し、永久磁石２３及びマグネットホルダ２４からなる固定子磁極２２を、接着剤、固定具を必要とせず固定できるため製造コストを低くできる。
また、固定子磁極２２は、表面処理鋼板を用いたフレーム２１の内周面に圧入固定されているので、実施の形態１と同じく固定子磁極２２の圧入荷重を安定させることができて、性能が安定しコギングトルクの増加も抑制された回転電機を得ることができる。

この発明の実施の形態１の構成を示すブラシレスモータの断面図である。 実施の形態１におけるフレームの側面図及び断面図である。 実施の形態１における固定子磁極の側面図及び断面図である。 実施の形態１における固定子磁極の他の例を示す巻線後（丸め前）の正面図である。 図４の固定子磁極の完成状態（丸め後）を示す側面図及び断面図である。 この発明の実施の形態２の構成を示すブラシモータの断面図である。 実施の形態２における固定子磁極の側面図及び断面図である。 実施の形態２における固定子磁極をフレームに圧入した側面図及び断面図である。 フレームに用いる各種の表面処理鋼板の比較データを示す図である。

符号の説明

１０ ブラシレスモータ、１１ フレーム、１２ 固定子磁極、１３，１３Ａ 固定子鉄心、１４，１４Ａ 固定子コイル、１５ ハウジング、１６ フロントベアリング、１７
リアベアリング、１８ 回転子、１９ 永久磁石
２０ ブラシモータ、２１ フレーム、２２ 固定子磁極、２３ 永久磁石、２４ マグネットホルダ、２５ ハウジング、２６ フロントベアリング、２７ リアベアリング、２８ アマチュア、２９ ブラシホルダ

Claims (9)

1. 円筒状の鋼板製フレームの内周面に固定子磁極が圧入固定され、該固定子磁極の内周側には空隙を介して回転子が配設され、前記フレームと該フレームと当接するアルミニウム材からなるハウジングとの当接面に液体シール剤が塗布されて構成されている回転電機において、前記フレームは、鋼板の表面にアルミニウム、マグネシウム、シリコン、残部が亜鉛からなるめっき層を有し、該めっき層の上に、更に化成処理による潤滑皮膜を結合して設けた表面処理鋼板を、プレス加工によって円筒状に形成して構成されていることを特徴とする回転電機。
2. 前記表面処理鋼板のめっき層は、アルミニウム１１質量％、マグネシウム３質量％、シリコン０．２質量％、残部が亜鉛からなることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 前記固定子磁極は、鉄心片を積層して形成した円環状の固定子鉄心に固定子コイルが巻回されて構成されており、該固定子鉄心の外周面が、前記フレームの内周面に圧入固定されていることを特徴とする請求項１または２記載の回転電機。
4. 前記固定子磁極は、鉄心片を積層して板形状に構成された固定子鉄心に固定子コイルを装着した後、該固定子鉄心を円環状に屈曲させて構成されていることを特徴とする請求項３記載の回転電機。
5. 前記固定子磁極は、永久磁石および該永久磁石を保持するマグネットホルダによって構成され、前記フレームの内周面に圧入固定されていることを特徴とする請求項１または２記載の回転電機。
6. 電動パワーステアリング装置用モータであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の回転電機。
7. 円筒状の鋼板製フレームの内周面に固定子磁極が圧入固定され、該固定子磁極の内周側には空隙を介して回転子が配設され、前記フレームと該フレームと当接するアルミニウム材からなるハウジングとの当接面に液体シール剤が塗布されて構成されている回転電機の製造方法において、
   鋼板の表面にアルミニウム、マグネシウム、シリコン、残部が亜鉛からなるめっき層を有し、該めっき層の上層に、更に化成処理による潤滑皮膜を結合して設けた表面処理鋼板を有底の円筒状にプレス成形して前記フレームを形成する工程と、
   前記フレームの内周部に前記固定子磁極の固定子鉄心外周部を圧入嵌合する工程と、
   前記固定子磁極の内周側に空隙を介して前記回転子を配設する工程と、
   前記フレームと前記ハウジングとの当接面に液体シール剤を塗布する工程とを
   含むことを特徴とする回転電機の製造方法。
8. 前記表面処理鋼板のめっき層は、アルミニウム１１質量％、マグネシウム３質量％、シリコン０．２質量％、残部が亜鉛からなることを特徴とする請求項７記載の回転電機の製造方法。
9. 前記液体シール剤はシリコーン（メーカ：株式会社スリーボンド）を主成分とするものであることを特徴とする請求項7または８記載の回転電機の製造方法。

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