(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネット組立体を製造する方法であって、
ボンドマグネットをスリーブで囲む段階と、
前記マグネットを加熱する段階と、
前記マグネット及び前記スリーブが半径方向に膨張するように軸線方向に前記マグネットを圧縮する段階と、
を含む、方法。
【請求項２】
前記マグネットの冷却中に前記マグネットを圧縮する段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
プレス機で前記マグネットを圧縮する段階と、前記マグネットに接触する前記プレス機の部品を加熱する段階とを含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記マグネットがボアを含み、前記方法が、プレス機で前記マグネットを圧縮する段階を含み、前記プレス機は、前記マグネットを載置するピンを含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記スリーブの直径が所定値まで膨張するように前記マグネットを圧縮する段階を含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
壁を有する凹部内に前記マグネットとスリーブとを配置する段階と、前記スリーブが膨張して前記壁と接触するように前記マグネットを圧縮する段階とを含む、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記スリーブが炭素繊維複合材を含む、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法によって製造されたマグネット組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械のロータで使用するのに好適なマグネット組立体を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械のロータは、シャフトに固定されるマグネットを含むことがある。ほとんどのマグネットの引張強さは比較的脆弱である。その結果、マグネットは、高速で回転しているときに破砕される場合がある。そのため、高速用途では、マグネットの周りに強化スリーブが設けられることが多い。
【０００３】
スリーブは、理想的には、マグネットが圧縮状態で維持されるようにプレストレスが与えられる。比較的高い熱膨張係数を有するスリーブ（例えば、鋼材）では、プレストレスは、スリーブをマグネットの周りに装着する前に加熱することにより得ることができる。後に続く冷却中に、スリーブは、マグネットと接触して該マグネットを圧縮する。残念なことに、この組立方法は、比較的低い又は負の熱膨張係数を有するスリーブ（例えば、炭素繊維、又はアラミド複合材）には用いることができない。加えて、直径の差がスリーブの熱膨張により提供されるようにするために、マグネットの外径及びスリーブの内径に比較的厳しい公差が要求されることが多い。
【発明の概要】
【０００４】
第１の態様において、本発明は、マグネット組立体を製造する方法を提供し、本方法は、ボンドマグネットをスリーブで囲む段階と、マグネットを加熱する段階と、マグネット及びスリーブが半径方向に膨張するように軸線方向にマグネットを圧縮する段階と、を含む。
【０００５】
マグネットを加熱及び圧縮することによって、マグネットは、スリーブ内で塑性的に変形される。この変形によって、マグネット及びスリーブが半径方向に膨張するようになり、これはスリーブに円周方向応力を付与する。そのため、軸線方向圧縮力がマグネットから除去されると、スリーブは、マグネットに半径方向の圧縮力を加える。マグネットを加熱することにより、マグネットの圧縮係数が低下する。結果として、マグネットを変形させ、所要円周方向プレストレスを得るのに必要な軸線方向力が小さくなる。
【０００６】
スリーブの加熱又は冷却は必須ではないので、本方法は、比較的低い又は負の熱膨張係数を有するスリーブ内にマグネットを装着するのに用いることができる。加えて、マグネットは圧縮中に半径方向に膨張するので、スリーブのプレストレスは、マグネット及びスリーブの直径に対し厳しい公差を必要とすることなく、スリーブのプレストレスを得ることができる。
【０００７】
本方法は、マグネットの冷却中にマグネットを圧縮する段階を含むことができる。これにより、マグネットが依然として可鍛性であるときにマグネットのクリープ及び応力緩和が最小限になる。
【０００８】
プレス機を用いて、スリーブ内でマグネットを圧縮することができる。マグネットと接触するプレス機の部品は、圧縮中のマグネットの不均等な変形を避けるために加熱することができる。
【０００９】
マグネットは、例えば、接着によってマグネット組立体を従来の手法でシャフトに固定できるように、ボアを含んでもよい。ボアの形状及び直径が圧縮中に維持されるようにするために、マグネットを圧縮するのに利用されるプレス機は、マグネットを載置するピンを含むことができる。ピンの直径は、マグネットのボアと滑り嵌めを形成することができる。
【００１０】
本方法は、スリーブの直径が所定値まで膨張するようにマグネットを圧縮する段階を含むのがよい。結果として、スリーブに発生する円周方向応力の大きさ全体にわたって、比較的良好な制御を達成することができる。例えば、本方法は、壁を有する凹部にマグネット及びスリーブを載置する段階と、スリーブが膨張して壁に接触するようにマグネットを圧縮する段階とを含むことができる。壁は、スリーブの更なる膨張を阻止し、壁の直径は、スリーブが膨張する所定値を定める。
【００１１】
スリーブは、炭素繊維複合材を含んでもよい。高引張応力を有する炭素繊維複合材は、軽量で、非磁性及び非導電性であり、従って、理想的には、電気機械のロータで使用するのに好適である。
【００１２】
第２の態様において、本発明は、前出の段落の何れか１つにおいて記載された方法によって製造されるマグネット組立体を提供する。
【００１３】
ここで、本発明をより十分に理解することができるようにするため、例示として添付図面を参照しながら本発明を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明によるマグネット組立体の斜視図である。
【図２】マグネット組立体を製造する方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１のマグネット組立体１は、スリーブ３によって囲まれたマグネット２を含む。
【００１６】
マグネット２は、磁性粉及びバインダーの複合材を含むボンドマグネットである。マグネット２は、円筒形状であり、マグネット２を軸線方向に貫通して延びる中央ボア４を有する。
【００１７】
スリーブ３は、炭素繊維複合材から形成された中空シリンダである。スリーブ３は、マグネット２を囲み、マグネット２と締まり嵌めを形成する。その上、スリーブ３は、プレストレスが与えられ、マグネット２に半径方向圧縮力を加える。
【００１８】
マグネット組立体１は、電気機械のロータの一部を形成することを目的としている。詳細には、シャフトは、例えば、接着によってマグネット２のボア４内に固定することができる。ロータが回転すると、遠心力によりマグネットに半径方向及び円周方向の応力が加えられる。抑制されなければ、これらの引張応力によりマグネット２が破砕を生じる可能性がある。炭素繊維複合材から形成されているスリーブ３は、マグネット２よりも遙かに剛性がある。その上、スリーブ３にはプレストレスが与えられ、マグネット２に半径方向の圧縮力を加える。そのため、スリーブ３は、回転中に生じる引張応力に対抗する。
【００１９】
次に、マグネット組立体１を製造する方法を、図２を参照しながら説明する。
【００２０】
マグネット組立体は、プレス機５を用いて製造され、該プレス機５は、ベース６、ピン７、及びラム８を備える（例えば、図２）。ピン７は、ベース６を貫通して突出し、該ベース６に対して移動可能である。ラム８は、ピン７と同軸であり、ピン７の直径と一致する凹部９を含む。プレス機５は、電熱体（図示せず）を含み、ベース６、ピン７、及びラム８を所定温度まで加熱するのに使用される。
【００２１】
ボンドマグネット２は、所定温度まで予熱される（例えば、オーブンを用いて）。マグネット２は、円筒形状であり、中央ボア４を有する。所定温度になると、マグネット２はピン７上に置かれる。ピン７は、マグネット２のボア４と滑り嵌めを形成する直径を有する。
【００２２】
炭素繊維複合材から形成される中空スリーブ３は、マグネット２を囲むようにマグネット２を覆って載置される（例えば、図２（ｂ））。マグネット２の外径とスリーブ３の内径は、マグネット２とスリーブ３との間にすきま嵌め又は移動嵌めが形成されるようなサイズにされる。
【００２３】
次いで、ラム８は、所定の力に達するまでマグネット２を軸線方向に圧縮する（例えば、図２（ｃ））。ラム８の直径は、マグネット２だけが圧縮されるようなスリーブ３との滑り嵌めを形成する。ラム８によって加えられる圧縮は、マグネット２を塑性的に変形させる。マグネット２の軸線方向長さが減少し、マグネット２の外径が増大する。マグネット２の外径の増大によりスリーブ３が膨張するようになる。スリーブ３の膨張は、円周方向応力をスリーブ３に発生させる。
【００２４】
ラム８によって所定の力に達すると、マグネット２、スリーブ３、及びプレス機５が冷却される（例えば、圧縮空気を用いて）。冷却中、ラム８は、マグネット２に所定の力を加え続ける。これにより、マグネット２が未だ可鍛性であるときのマグネット２のクリープ及び応力緩和が最小限になる。マグネット２の温度が所定の閾値よりも低下すると、ラム８は引き上げられ、ピン７はベース６に対して降下され、結果として得られるマグネット組立体１がプレス機５から取り外される（例えば、図２（ｄ））。
【００２５】
ラム８によってマグネット２に加わる所定の軸線方向力は、多くの要因によって決まる。詳細には、軸線方向力は、スリーブ３の所要プレストレス、スリーブ３の引張強度、スリーブ３の内径、マグネット２の圧縮係数、及びマグネット２の外径によって決まる。
【００２６】
スリーブ３の所要プレストレスは通常、回転中にマグネット２に付与される引張応力によって決まる。マグネット組立体１が回転すると、遠心力によりマグネット２に半径方向及び円周方向の応力が加わる。これらの引張応力は、マグネット２のボア４において最大となり、円周方向応力は、一般に、半径方向応力よりも大きい。従って、スリーブ３は、理想的には、結果として円周方向の圧縮応力がマグネット２のボア４に付与されて、遠心力によって生じる円周方向の引張応力を相殺する量だけプレストレスが与えられる。従って、例えば遠心力が回転中にマグネット２のボア４に＋３５ＭＰａの円周方向引張応力を付与する場合、スリーブ３は、理想的には、静止時にマグネット２のボア４に少なくとも−３５ＭＰａの円周方向の圧縮応力を付与する。本明細書において、正の値を有する応力は引張応力であり、負の値を有する応力は圧縮応力である。
【００２７】
スリーブ３によってマグネット２に付与される圧縮応力は、理想的には、遠心力によって付与される引張応力を上回る。そのため、マグネット２は、回転中に圧縮状態で維持される。時間の経過に伴って、マグネット２は、スリーブ３によって付与される圧縮応力に起因してクリープを生じることになる。結果として、圧縮応力は時間と共に低下することになる。従って、スリーブ３は、理想的には、スリーブ３によってマグネット２に付与される圧縮応力が遠心力により付与される引張応力をマグネット組立体１の寿命期間にわたって上回るようにプレストレスが与えられる。
【００２８】
マグネット２は、通常、正の熱膨張係数を有する。対照的に、炭素繊維複合材から形成されるスリーブ３は、負の熱膨張係数を有する。従って、マグネット２及びスリーブ３が冷却されると、マグネット２は収縮し、スリーブ３は膨張する。従って、スリーブ３に発生する円周方向応力は冷却中に減少し、理想的には考慮に入れる必要がある。特定の直径及び引張応力を有するスリーブ３については、所要の円周方向のプレストレスを発生させるのに必要な直径の変化は、計算によって割り出すことができる。スリーブ３の必要な直径の変化が求められると、マグネット２の必要な直径の変化を算出することができる。最終的に、マグネット２の直径の変化が得られると、マグネット２の圧縮係数を用いた所要の軸線方向力を算出することができる。
【００２９】
マグネット２が加熱される所定温度もまた、多くの要因によって決まる。マグネット２の温度が上昇すると、圧縮係数が低下する。圧縮係数が低下すると、マグネット２の所要の直径変化をもたらすのに必要な軸線方向力が小さくなる。従って、より小さな軸線方向力を用いることができるように、比較的高い温度を利用することが有利である。しかしながら、過度の温度は、磁気パワーの磁気特性（例えば、磁気強度及び磁化）及び／又はマグネット２のバインダーの接着強度を低下させる可能性がある。従って、所定温度は、理想的には、マグネット２の磁気特性又は機械的特性に悪影響を及ぼすことなく、マグネット２の圧縮係数が有意に低減されるように選択される。
【００３０】
マグネット２が所定温度にある間に、ラム８によって加えられる軸線方向圧縮力が除かれた場合、スリーブ３によって加えられる半径方向圧縮力によりマグネット２が半径方向の収縮を引き起こす可能性がある。結果として、スリーブ３における円周方向応力が低下することになる。最悪の場合、スリーブ３によって加えられる半径方向の力及び冷却中のマグネット２のバルク温度収縮により、円周方向応力が完全に除去されることが生じる場合がある。従って、冷却中にマグネット２の半径方向収縮を最小限にするために、マグネット２の温度が所定の閾値よりも低下するまでラム８によって軸線方向力が加え続けられる。選択される特定の閾値は、この場合も同様に、幾つかの要因によって決まることになる。詳細には、閾値は、スリーブ３に付与される円周方向応力の大きさ、温度に対する圧縮係数の挙動、及びラム８の軸線方向力の除去後のマグネット２の冷却速度によって決まることになる。
【００３１】
マグネット２と接触するプレス機５の部品を加熱することにより、圧縮中にマグネット２の不均等な変形をもたらす恐れのあるマグネット２の局部的な冷却が回避される。例えば、ベース６及びラム８が加熱されない場合には、マグネット２の端部は、ベース６及びラム８と接触したときに温度低下が生じることになる。この結果、マグネット２の圧縮係数は、マグネット２の端部においてより大きくなる。そのため、マグネット２が圧縮されると、マグネット２の半径方向膨張がその中心部において最大となり、マグネット２の輪郭が胴体の膨らんだ樽に類似したものとなる。スリーブ３によってマグネット２に加えられる半径方向圧縮力は、マグネット２の端部において低減され、或いは実際に存在しなくなる。結果として、後続の回転中にマグネット２の端部において破砕が生じる可能性がある。
【００３２】
ピン７は２つの機能を提供する。第１に、ピン７は、ラム８に対してマグネット２及びスリーブ３を整列させる。第２に、ピン７は、圧縮中にマグネット２のボア４の形状及び直径が確実に維持されるようにする。マグネット２と比較して、ピン７は、より大きな熱膨張係数を有する。従って、ピン７は冷却中により大きな量収縮し、結果として、マグネット組立体１をプレス機５から取り出すことができる。
【００３３】
ここで、マグネット組立体１の特定の実施例の製造について説明する。マグネット２は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂボンドマグネットであり、Ｍａｇｎｅｑｕｅｎｃｈ（登録商標）によって供給されるＭＱＰ−Ｂ＋−２００５６−０７０粉体を含む。マグネット２は、２２．００ｍｍの長さ、１７．０７５ｍｍの外径、及び６．２２５ｍｍの内径を有する。スリーブ３は、Ｔｏｒａｙ（登録商標）Ｍ４０炭素繊維複合材を含み、２２．００ｍｍの長さ、１７．７００ｍｍの外径、及び１７．１００ｍｍの内径を有する。従って、マグネット２とスリーブ３との間の半径方向の隙間は、０．０１２５ｍｍである。
【００３４】
マグネット組立体１は、１００，０００ｒｐｍで作動することを目的としている。この速度では、遠心力によってマグネット２のボア４に付与される円周方向引張応力は、＋３５ＭＰａ前後である。従って、スリーブ３は、理想的には、マグネット２のボア４に少なくとも−５０ＭＰａの円周方向圧縮応力を付与し、これは、その後、マグネット組立体１の寿命期間中にマグネット２のクリープを生じさせる効果がある。スリーブ３の定格引張強度は１４００ＭＰａであり、従って、スリーブ３に生じる円周方向プレストレスは、＋１４００ＭＰａを超えることはない。
【００３５】
マグネット２の最大作動温度は１５０℃である。この温度を超えると、マグネットの劣化が生じる可能性がある。従って、マグネット２及びプレス機５が加熱される所定温度は１５０℃である。ラム８によって加えられる所定の力は３０ｋＮである。この力は、およそ０．１２５ｍｍのスリーブの直径の公称膨張をもたらす。０．１２５ｍｍの直径増大は、＋１１５０ＭＰａ前後の円周方向引張応力をスリーブ３に発生させる結果となる。結果として、−７０ＭＰａ前後の円周方向圧縮応力が、スリーブ３によってマグネット２のボア４に付与される。
【００３６】
冷却中、ラム８は、マグネット２の温度が６０℃よりも低くなるまで、３０ｋＮの圧縮力を加え続ける。１００℃を大幅に下回るとマグネット２の圧縮係数は増大する。従って、軸線方向力が除かれると、マグネット２の半径方向収縮はあまり生じない。
【００３７】
上述の実施形態において、ラム８は、所定の力に達するまでマグネット２を圧縮する。或いは、ラム８は、ラム８によって所定距離を移動するまでマグネット２を圧縮することができる。何れの場合においても、結果として得られるスリーブ３の膨張は、公差によって変わることになる。更なる変形例として、ラム８は、スリーブ３の直径が所定値に達するまでマグネット２を加圧することができる。例えば、ベース６は、マグネット２及びスリーブ３が位置付けられる円筒形凹部を含んでもよい。ピン７は、凹部を通して上向きに突出し、マグネット２を凹部内で中心に位置付け、並びにボア４の形状及び直径を保護するよう機能する。凹部の直径は、スリーブ３よりも僅かに大きく、マグネット２の軸線方向圧縮中にスリーブ３が膨張することが許容される量を定める。ラム８がマグネット２を圧縮すると、スリーブ３は、凹部の壁に接触するまで半径方向に膨張する。この時点で、壁によってスリーブ３の更なる膨張が阻止される。次いで、マグネット２の更なる圧縮が停止する。スリーブ３が壁と接触する時点は、ラム８が移動する距離対加えられた力の突発的変化として観測することができる。スリーブ３の直径が所定値まで膨張するまでマグネット２を圧縮することによって、スリーブ３に発生する円周方向応力の大きさ全体にわたって良好な制御を達成することができる。
【００３８】
上記の実施形態で利用されるマグネット２は完全に硬化されている。すなわち、マグネット２は加熱及び圧縮の前に硬化されることになっている。しかしながら、マグネット２は半硬化又は未硬化であってもよい。圧縮後に直ちに冷却をするのではなく、マグネット２は、所定の時間期間（例えば、１又は２時間）の間所定温度（例えば、１５０°）に保持してもよい。これは、マグネット２が単一プロセスにおいてスリーブ３内で加圧され硬化することができる点で有利である。
【００３９】
上述の１つの実施形態において、スリーブ３は、炭素繊維複合材から形成される。炭素繊維複合材は、理想的には、高い引張強度、軽量、非磁性、及び電気絶縁特性を有するので、電気機械のロータで使用するのに好適である。しかしながら、本方法は、例えば、ステンレス鋼又はアラミド複合材料など、他の材料から形成されたスリーブを有するマグネット組立体を製造するのに用いることもできる。更に、マグネット２内にボア４を設けることによりシャフトをマグネット組立体１内に固定できるようになるが、ボア４を必要としない用途もある。
【００４０】
マグネット組立体１の製造中、ラム８によって加えられる軸線方向力は、マグネット２のクリープ及び応力緩和が最小限になるように、冷却中、維持される。しかしながら、冷却中に軸線方向力を維持することは、必ずしも必須のことではない。例えば、マグネット２は、より迅速な速度で冷却してもよく、或いは、冷却中のマグネット２の続いて発生するクリープを考慮して、より大きな円周方向応力をスリーブ３に付与してもよい。
【００４１】
本発明の製造方法では、スリーブの加熱又は冷却を必要とすることなく、マグネットとスリーブとの間に締まり嵌めが形成される。従って、本方法は、比較的低い又は負の熱膨張係数を有するスリーブ内にマグネットを固定するのに用いることができる。加えて、マグネットは、圧縮中に半径方向に膨張するので、マグネット及びスリーブの直径に対して厳しい公差を必要とすることなく、締まり嵌めを達成することができ、また、プレストレスをスリーブに付与することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１  マグネット組立体
２  マグネット
３  スリーブ
４  ボア
５  プレス機
６  ベース
７  ピン
８  ラム
【図１】
0005456749.tif 000002
【図２】
0005456749.tif 000003