(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形状のコアと、
前記コアの外周面上に配置され、前記コアの周方向に離間して配置された複数個の永久磁石と、
前記周方向に隣り合う前記永久磁石間の隙間をそれぞれ埋めると共に、前記コアの外周面上に配置された複数個の第１の部材と、
非磁性材料から形成され、少なくとも前記複数個の永久磁石の外周面をコーティングする溶射皮膜と、
前記溶射皮膜の外周面上に配置され、前記複数個の第１の部材及び前記溶射皮膜の外周面を覆う円筒形状の第２の部材と、
を備え、
前記複数個の第１の部材の外周面は、前記第２の部材の内周面に接触し又は前記溶射皮膜を介して前記第２の部材の内周面に接触していることを特徴とする回転電機の回転子。
【請求項２】
前記第１の部材の前記コアの径方向における高さは、前記永久磁石の前記コアの径方向における高さよりも大きく、
前記複数個の第１の部材の外周面は、前記第２の部材の内周面に接触していることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
【請求項３】
前記溶射皮膜は、前記複数個の永久磁石及び前記複数個の第１の部材の外周面をコーティングしており、
前記溶射皮膜の外周面は、前記第２の部材の内周面に接触していることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
【請求項４】
前記第１の部材は、ステンレス、アルミニウム合金、銅合金、鉄合金又は樹脂から形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
【請求項５】
前記溶射皮膜は、アルミニウム合金、銅合金又はセラミックスから形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
【請求項６】
前記溶射皮膜の導電率は、銅の導電率以下であることを特徴とする請求項５に記載の回転電機の回転子。
【請求項７】
前記第２の部材は、炭素繊維強化プラスチック、ガラス繊維強化プラスチック、チタン又はステンレスから形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
【請求項８】
円筒形状のコアと、
前記コアの外周面に前記コアの周方向に隙間なく配置された複数個の永久磁石と、
非磁性材料から形成され、前記複数個の永久磁石の外周面をコーティングする溶射皮膜と、
前記溶射皮膜の外周面上に配置され、前記溶射皮膜の外周面を覆う円筒形状の部材と、
を備えることを特徴とする回転電機の回転子。
【請求項９】
円筒形状のコアと、
前記コアの外周面上に配置され、前記コアの周方向に分割された複数個の永久磁石と、
非磁性材料から形成され、少なくとも前記複数個の永久磁石の外周面をコーティングする溶射皮膜と、
前記溶射皮膜の外周面上に配置され、少なくとも前記溶射皮膜の外周面を覆う円筒形状の部材と、
を備えることを特徴とする回転電機の回転子。
【請求項１０】
円筒形状のコアの外周面に前記コアの周方向に離間して複数個の永久磁石を貼り付ける工程と、
前記周方向に隣り合う前記永久磁石間の隙間をそれぞれ埋める複数個の第１の部材を前記コアの外周面に貼り付ける工程と、
非磁性材料を溶射して、少なくとも前記複数個の永久磁石の外周面をコーティングする皮膜を形成する工程と、
前記皮膜の外周面上に、前記複数個の第１の部材及び前記皮膜の外周面を覆う円筒形状の第２の部材を配置する工程と、
を含み、
前記複数個の第１の部材の外周面は、前記第２の部材の内周面に接触し又は前記皮膜を介して前記第２の部材の内周面に接触していることを特徴とする回転電機の回転子の製造方法。
【請求項１１】
前記皮膜の形成後に、前記回転子の外周面を切削加工する工程を含むことを特徴とする請求項１０に記載の回転電機の回転子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子のコアの外周面に永久磁石が配置された回転電機の回転子及び回転電機の回転子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、資源枯渇による省エネルギー化の要望、機械加工タクトの短縮又は難切削材加工への対応から、工業用途の回転電機に対する高効率化、高出力化、及び高速回転化へのニーズが非常に高くなっている。【０００３】
回転電機には、「同期式」と「誘導式」の２通りの駆動方式があり、工業用途の回転電機には、堅牢かつ強固を特徴とする誘導式回転電機がよく用いられている。しかしながら、誘導式回転電機では、原理上、回転子にも電流が流れるため、高効率化及び高出力化を進める上で、当該電流に起因した回転子の発熱が課題となる。そのため、工業用途の回転電機への同期式回転電機の適用が進んでいる。【０００４】
同期式回転電機は、回転子の界磁に永久磁石を使用するため、回転子の発熱は理論上発生せず、高効率化及び高出力化の面で有利となる。しかしながら、同期式回転電機の高速回転化の実用に向けては、回転時における遠心力による永久磁石の剥離に対処する必要がある。【０００５】
これに対し、特許文献１では、回転子軸の外周面に取り付けられた円筒形状の永久磁石の外周面を繊維強化プラスチックの保護カバーで覆うことで、回転時の遠心力による永久磁石の剥離を抑制する構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１０７６４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、永久磁石の外周面を保護カバーのような補強部材で覆うことによる磁石剥離抑制構造において、永久磁石を周方向に離間した複数個のセグメント状の分割磁石で構成した場合には、複数個の分割磁石にはそれぞれ径方向に遠心力が加わる。これにより、補強部材は、分割磁石間に相当する位置で周方向に互いに逆向きに引っ張られる形となり、分割磁石間に相当する位置に応力が集中することとなる。そのため、補強部材は、当該応力を考慮した高強度な部材を相応量使用して構成する必要がある。【０００８】
また、分割磁石には、寸法精度又は組付け精度により、径方向の高さに少なからずバラつきが生ずる。分割磁石の径方向の高さにバラつきがある状態で補強部材を取り付けると、補強部材には、隣り合う分割磁石のうち径方向の高さがより大きい分割磁石の端に相当する位置で、径方向のせん断応力が加わる。そのため、保護カバーは、当該せん断応力を考慮したより尤度のある高強度な部材を相応量使用して構成する必要がある。【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回転子のコアの外周面に貼り付けられた永久磁石が複数個に分割されて周方向に離間している場合に、回転時の遠心力による永久磁石の剥離をより容易な補強で抑制可能な回転電機の回転子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る回転電機の回転子は、円筒形状のコアと、前記コアの外周面上に配置され、前記コアの周方向に離間して配置された複数個の永久磁石と、前記周方向に隣り合う前記永久磁石間の隙間をそれぞれ埋めると共に、前記コアの外周面上に配置された複数個の第１の部材と、非磁性材料から形成され、少なくとも前記複数個の永久磁石の外周面をコーティングする皮膜と、前記皮膜の外周面上に配置され、前記複数個の第１の部材及び前記皮膜の外周面を覆う円筒形状の第２の部材と、を備え、前記複数個の第１の部材の外周面は、前記第２の部材の内周面に接触し又は前記皮膜を介して前記第２の部材の内周面に接触していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、回転時の遠心力による永久磁石の剥離をより容易な補強で抑制可能な回転電機の回転子を提供することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態に係る回転電機の回転子の縦断面図
【図２】実施の形態に係る回転電機の回転子の横断面図
【図３】実施の形態において皮膜を形成する前の回転子の構成を示す縦断面図
【図４】実施の形態において皮膜を形成する前の回転子の構成を示す横断面図
【図５】実施の形態において皮膜の製造工程を示す模式図
【図６】実施の形態において皮膜が形成された回転子の構成を示す横断面図
【図７】実施の形態において回転子の回転時の応力発生状態を示す模式図
【図８】実施の形態において複数個の部材及び皮膜を除いた回転子の回転時の応力発生状態を示す模式図
【図９】実施の形態において複数個の部材及び皮膜を除いた回転子の回転時の応力発生状態を示す別の模式図
【図１０】実施の形態に係る回転電機の回転子の製造工程を示す別の模式図
【図１１】実施の形態において溶射装置による皮膜の形成後に回転子の外周面をバイトにより切削加工を行う様子を示す模式図
【図１２】実施の形態の第１の変形例に係る回転電機の回転子の横断面図
【図１３】実施の形態の第２の変形例に係る回転電機の回転子の横断面図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施の形態に係る回転電機の回転子及び回転電機の回転子の製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１４】
実施の形態．
図１は、本実施の形態に係る回転電機の回転子１の縦断面図、図２は、本実施の形態に係る回転電機の回転子１の横断面図である。ここで、図１に示す縦断面図は、回転子１の回転中心軸線Ａを含む断面による断面図である。また、図２に示す横断面図は、回転中心軸線Ａと直交する断面による断面図であり、具体的には図１に示すＩ−Ｉ線による断面図である。なお、図１に示す縦断面図は、具体的には図２に示すＩＩ−ＩＩ線による断面図である。
【００１５】
図１及び図２に示すように、回転子１は、円筒形状のコア３と、コア３の外周面に貼り付けられ、コア３の周方向に離間して配置された複数個の永久磁石４と、周方向に隣り合う永久磁石４間の隙間をそれぞれ埋めると共に、コア３の外周面に貼り付けられた複数個の第１の部材である部材５と、非磁性の材料を溶射して形成され、複数個の永久磁石４の外周面をコーティングする皮膜７と、複数個の部材５及び皮膜７の外周面上に配置され、複数個の部材５及び皮膜７の外周面を覆う円筒形状の第２の部材である補強部材９と、を備えている。このように、回転子１は、表面永久磁石（ＳＰＭ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ）型の同期回転電機の回転子である。
【００１６】
コア３は、電磁鋼板から打抜かれた環状の薄板を回転中心軸線Ａ方向に複数枚積層した積層体、円筒形状の鋼管、圧粉鉄心又はそれらの組合せから形成される。コア３には、回転中心軸線Ａ方向にコア３を貫通するコア貫通穴６が形成されている。シャフト２はコア貫通穴６を貫通し、コア３に固定されている。コア３は、回転中心軸線Ａと同軸的である。なお、以下では、回転中心軸線Ａ方向を「軸方向」という。
【００１７】
複数個の永久磁石４は、コア３の外周面でコア３の周方向に分割され、周方向に互いに離間して配置されている。ここで、周方向は、回転子１の回転方向でもある。複数個の永久磁石４は、それぞれコア３の外周面に接着剤によって貼り付けられている。図示例では、４個の永久磁石４が周方向に等間隔で配置されている。複数個の永久磁石４は、周方向にＮ極とＳ極とが交互となるように着磁されている。また、図示例では、永久磁石４の横断面形状は、回転中心軸線Ａを中心とする円環を一定の角度範囲で切り出した形状である。すなわち、永久磁石４は、内周及び外周ともに中心角が等しい円弧状であり、かつ、コア３の径方向における高さが一定である。また、永久磁石４の縦断面形状は矩形状である。永久磁石４の軸方向の長さは、コア３の軸方向の長さよりも短い。永久磁石４は、希土類磁石又はフェライト磁石である。
【００１８】
複数個の部材５は、コア３の外周面でコア３の周方向に離間して配列されている。複数個の部材５は、それぞれコア３の外周面に接着剤によって貼り付けられている。部材５は、永久磁石４間、つまり磁極間に配置される。部材５の個数は永久磁石４の個数と同じである。図示例では、４個の部材５が周方向に等間隔で配置されている。また、図示例では、部材５の横断面形状は、回転中心軸線Ａを中心とする円環を一定の角度範囲で切り出した形状である。すなわち、部材５は、内周及び外周ともに中心角が等しい円弧状であり、コア３の径方向における高さが一定である。ここで、コア３の外周面からの部材５のコア３の径方向における高さは、コア３の外周面からの永久磁石４のコア３の径方向における高さよりも大きい。また、部材５の縦断面形状は矩形状である。部材５の軸方向の長さは、永久磁石４の軸方向の長さと同じであり、コア３の軸方向の長さよりも短い。
【００１９】
第１の部材である部材５は、非磁性材料から形成される。具体的には、部材５は、ステンレス、アルミニウム合金、銅合金、鉄合金又は樹脂から形成される。
【００２０】
皮膜７は、複数個の永久磁石４の外周面をコーティングする。すなわち、複数個の永久磁石４の各々の外周面上には皮膜７が形成される。皮膜７は、部材５の外周面と永久磁石４の外周面との間に形成される段差を解消するためのコーティングである。従って、複数個の皮膜７の外周面と複数個の部材５の外周面とが面一となり、同一の円筒の外周面を形成している。図示例では、皮膜７は、永久磁石４の個数に対応して４個形成されている。
【００２１】
皮膜７は、非磁性材料を溶射して形成される。また、皮膜７は、導電率が永久磁石４の導電率以下となるような材料から形成される。非磁性材料は、具体的には、アルミニウム合金、銅合金又はセラミックスであり、皮膜７の導電率は、銅の導電率以下、具体的には５．６×１０7[Ｓ／ｍ]以下とする。また、皮膜７の膜厚は、皮膜７の強度と部材間接合を維持するため、０．３ｍｍから３ｍｍまでの間に設定される。ここで、部材間接合は、皮膜７と永久磁石４との接合又は皮膜７と部材５との接合である。
【００２２】
第２の部材である補強部材９は、コア３と同軸的に配置され、複数個の部材５及び皮膜７の外周面上に配置されて、複数個の部材５及び皮膜７の外周面を覆っている。ここで、補強部材９の内周面は、複数個の部材５及び皮膜７の外周面と全周にわたって接触している。特に部材５の外周面は、補強部材９の内周面に接触している。補強部材９は横断面円環状であり、複数個の部材５及び皮膜７の外周形状は円形状であり、補強部材９の内周円の半径と複数個の部材５及び皮膜７の外周円の半径が等しい。
【００２３】
補強部材９は、いわゆる高剛性の非磁性材料から形成される。具体的には、補強部材９は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Ｇｌａｓｓ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）、チタン又はステンレスから形成される。ここで、ステンレスはオーステナイト系ステンレスである。補強部材９をＣＦＲＰ又はＧＦＲＰから形成する場合には、ＣＦＲＰ又はＧＦＲＰの繊維束を回転子１ｂに直接巻付け、あるいは、ＣＦＲＰ又はＧＦＲＰのテープ状の繊維を回転子１ｂに直接巻付けることにより補強部材９が形成される。
【００２４】
次に、図３から図６を参照して、回転子１の製造方法について説明する。図３は、本実施の形態において皮膜７を形成する前の回転子１である回転子１ａの構成を示す縦断面図、図４は、本実施の形態において皮膜７を形成する前の回転子１である回転子１ａの構成を示す横断面図である。ここで、図３に示す縦断面図は、回転中心軸線Ａを含む断面による断面図である。また、図４に示す横断面図は、回転中心軸線Ａと直交する断面による断面図であり、具体的には図３に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線による断面図である。なお、図３に示す縦断面図は、具体的には図４に示すＩＶ−ＩＶ線による断面図である。図５は、本実施の形態において皮膜７の製造工程を示す模式図、図６は、本実施の形態において皮膜７が形成された回転子１である回転子１ｂの構成を示す横断面図である。また、図６に示す横断面図は、回転中心軸線Ａと直交する断面による断面図であり、具体的には図５に示すＶ−Ｖ線による断面図である。なお、図５に示す回転子１ｂの縦断面図は、具体的には図６に示すＶＩ−ＶＩ線による断面図である。図３から図６では、図１及び図２に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。
【００２５】
まず、図３及び図４に示すように、回転子１ａを製造する。すなわち、コア３の外周面に複数個の永久磁石４及び複数個の部材５を貼り付ける。この際、部材５は、周方向に隣り合う永久磁石４間の隙間を埋めるように配置される。また、コア貫通穴６にシャフト２を貫通させ、シャフト２をコア３に固定する。シャフト２のコア３への固定は、永久磁石４の貼り付け前に行ってもよいし、永久磁石４の貼り付け後に行ってもよい。シャフト２は、圧入、焼き嵌め、及び冷やし嵌めの何れかの方法によりコア３に嵌め込まれて固定される。
【００２６】
次に、図５に示すように、溶射装置８により皮膜７を形成する。皮膜７は、複数個の永久磁石４の外周面をそれぞれコーティングする。また、複数個の部材５の外周面と皮膜７の外周面とで円筒形状の外周面が形成される。
【００２７】
溶射装置８は、アーク溶射装置である。ただし、溶射装置８は、アーク溶射装置以外の溶射装置としてもよい。すなわち、本実施の形態で使用する溶射方法はアーク溶射に限定されない。溶射装置８から吹き付けられる溶射材料８１は、アルミニウム合金、銅合金又はセラミックスであり、溶射後における溶射材料８１の導電率は５．６×１０7[Ｓ／ｍ]以下とする。
【００２８】
溶射装置８は、先端が回転中心軸線Ａに向かうように配置され、永久磁石４の外周面に向けて当該先端から溶解した溶射材料８１が吹き付けられる。この際、回転子１ｂは冷却風で冷却され、回転子１ｂの温度上昇を抑制しながら作業が行われる。また、溶射装置８は、回転中心軸線Ａと直交する状態から平行となる状態まで姿勢を変えて溶射材料８１を吹き付けることができる。図５では、回転中心軸線Ａに平行な直線と溶射装置８の軸線との間の角度である吹き付け角度をθで表している。図示例では、吹き付け角度θは９０°である。また、溶射装置８は、回転中心軸線Ａの回りに回転移動可能である。溶射装置８から溶射材料８１を吹き付ける際には、吹き付け角度θを調整すると共に、溶射装置８を回転中心軸線Ａの回りに回転移動させることで、複数個の永久磁石４の外周面に一定の膜厚の皮膜７を形成することができる。なお、溶射装置８を回転中心軸線Ａの回りに回転移動させる代わりに、回転子１ｂを回転中心軸線Ａの回りに回転させてもよい。こうして、皮膜７は、複数個の永久磁石４の外周面にコーティングされる。
【００２９】
上記のようにして図６に示す通り、回転子１ｂに皮膜７が形成される。この時点での回転子１ｂの外周面は円筒形状であり、凹凸のない状態となる。
【００３０】
次に、図２に示すように、複数個の部材５及び皮膜７の外周面上に円筒形状の補強部材９を取り付ける。補強部材９は、皮膜７が形成された回転子１ｂに圧入し、焼き嵌めし、又は冷やし嵌めすることにより、複数個の部材５及び皮膜７の外周面上に配置される。なお、補強部材９を複数個の部材５及び皮膜７の外周面上に配置した後に、シャフト２をコア３に圧入し、焼き嵌めし、又は冷やし嵌めすることによりコア３に装着し、コア３の内周面側からコア３を径方向に拡張することで、コア３と補強部材９との結合に締め代を与え、当該結合をより強固にすることができる。また、補強部材９は、補強部材９の材質によっては、皮膜７が形成された回転子１ｂに直接巻付けることにより、複数個の部材５及び皮膜７の外周面に配置することができる。
【００３１】
次に、図１、図２及び図７を参照して、本実施の形態の作用効果について説明する。図７は、本実施の形態において回転子１の回転時の応力発生状態を示す模式図である。
【００３２】
回転子１は、図示しない固定子と共に同期回転電機を構成し、当該同期回転電機は固定子巻線に電流を流す図示しないインバータを備える。回転子１は、固定子巻線から発生した回転磁界によりトルクを受けて回転中心軸線Ａの回りに回転する。コア３の外周面に貼り付けられた複数個の永久磁石４は、回転子１の回転に伴って遠心力を受けるが、補強部材９によって支えられているので、コア３からの剥離が抑制される。
【００３３】
ここで、回転子１では、周方向に隣り合う永久磁石４間の隙間に部材５が埋め込まれ、永久磁石４の外周面は皮膜７でコーティングされ、補強部材９は円筒形状の回転子１ｂの外周面に取り付けられる。このように構成された回転子１を回転した場合、永久磁石４に生ずる遠心力及び部材５に生ずる遠心力の双方が補強部材９に加わる。特に永久磁石４の比重と部材５の比重を同等にした場合は、補強部材９に同一の遠心力が加わる。これにより、補強部材９に集中的な応力が加わることがないので、補強部材９が破断に至ることがなく、補強部材９により永久磁石４を保持することが可能となる。これを図７を参照して具体的に説明する。
【００３４】
図７では、回転子１の横断面の一部を示しており、具体的には、コア３、永久磁石４ａ，４ｂ、部材５ａから５ｃ、皮膜７ａ，７ｂ、及び補強部材９が示されている。永久磁石４ａ，４ｂは、複数個の永久磁石４のうちの２個を符号を区別して示したもの、部材５ａから５ｃは、複数個の部材５のうちの３個を符号を区別して示したもの、皮膜７ａは、皮膜７のうち永久磁石４ａの外周面上に形成される部分を符号を区別して示したもの、皮膜７ｂは、皮膜７のうち永久磁石４ｂの外周面上に形成される部分を符号を区別して示したものである。また、部材５ａから５ｃの比重と永久磁石４ａ，４ｂの比重は互いに等しい。図示例のように構成することで、部材５ａに生ずる遠心力１７ａと、永久磁石４ａに生ずる遠心力１０ａと、部材５ｂに生ずる遠心力１７ｂと、永久磁石４ｂに生ずる遠心力１０ｂと、部材５ｃに生ずる遠心力１７ｃとが、補強部材９に均等に加わることになる。
【００３５】
一方、図８は、本実施の形態において複数個の部材５及び皮膜７を除いた回転子の回転時の応力発生状態を示す模式図である。図８に示すように、永久磁石４ａ，４ｂ間に隙間３０が存在する場合には、永久磁石４ａ，４ｂにそれぞれ遠心力１０ａ，１０ｂが加わる一方で、隙間３０には遠心力が加わらない。そのため、隙間３０と対向する補強部材９の一部１２には、遠心力１０ａ，１０ｂに起因して、周方向に互いに逆向きに応力１１ａ，１１ｂが加わる。このように、部材５が存在しない場合には、補強部材９の一部１２に応力が集中する。これにより、補強部材９の一部１２に亀裂１３が発生し、補強部材９の破断に至る場合がある。
【００３６】
また、図９は、本実施の形態において複数個の部材５及び皮膜７を除いた回転子の回転時の応力発生状態を示す別の模式図であり、具体的には、永久磁石４の径方向の高さにバラつきがある場合を示している。なお、図９では、永久磁石４ａ，４ｂ間で径方向の高さに違いがあることを明確に示すために、コア３の周方向を横方向とし、コア３の径方向を縦方向として模式的に示している。図９では、永久磁石４ａの径方向の高さが、永久磁石４ｂの径方向の高さよりも大きい。このように、永久磁石４ａ，４ｂの径方向の高さに違いが存在する場合は、永久磁石４ａ，４ｂの外周面に補強部材９を取り付けたときに、永久磁石４ａの端に相当する位置にある補強部材９の一部１５に集中的な応力が加わる。すなわち、回転時に補強部材９の一部１５には永久磁石４ａに発生する遠心力に起因して、径方向の応力である、せん断力１４が生ずる。これにより、補強部材９の一部１５に亀裂１６が発生し、補強部材９の破断に至る場合がある。
【００３７】
以上のように、回転子１は、円筒形状のコア３と、コア３の外周面に貼り付けられ、コア３の周方向に離間して配置された複数個の永久磁石４と、周方向に隣り合う永久磁石４間の隙間をそれぞれ埋めると共に、コア３の外周面に貼り付けられた複数個の部材５と、非磁性材料を溶射して形成され、複数個の永久磁石４の外周面をコーティングする皮膜７と、複数個の部材５及び皮膜７の外周面上に配置され、複数個の部材５及び皮膜７の外周面を覆う円筒形状の補強部材９とを備える。
【００３８】
また、回転子１の製造方法は、円筒形状のコア３の外周面にコア３の周方向に離間して複数個の永久磁石４を貼り付ける工程と、周方向に隣り合う永久磁石４間の隙間をそれぞれ埋める複数個の部材５をコア３の外周面に貼り付ける工程と、非磁性材料を溶射して、複数個の永久磁石４の外周面をコーティングする皮膜７を形成する工程と、複数個の部材５及び皮膜７の外周面上に、複数個の部材５及び皮膜７の外周面を覆う円筒形状の補強部材９を配置する工程とを含む。
【００３９】
本実施の形態によれば、補強部材９への集中的な応力を抑制することができるため、従来のように応力集中を考慮して補強部材９の材質及び使用量を選定する必要がなく、よって、回転子１の回転時の遠心力による永久磁石４の剥離を容易な補強で抑制することができる。また、補強部材９に従来のように高強度の部材を選定する必要がなく、部材の使用量も少なくすることができるので、低コスト化が実現される。
【００４０】
なお、永久磁石４間の隙間を部材５で埋めてもなお永久磁石４と部材５との間に隙間が生ずることがあるが、この隙間を周方向幅が２ｍｍ以下に抑えるとより大きな効果が得られる。また、複数個の部材５及び皮膜７の外周面の径方向の凹凸を０．５ｍｍ以下に抑えるとより大きな効果が得られる。
【００４１】
本実施の形態では、部材５は、非磁性材料から形成される。具体的には、部材５は、ステンレス、アルミニウム合金、銅合金、鉄合金又は樹脂から形成される。部材５を非磁性材料から形成することにより、コア３及び部材５の内部での磁束短絡ロスが抑制される。なお、部材５は、非磁性材料以外の材料から形成されてもよい。
【００４２】
また、部材５は、その比重が永久磁石４の比重に等しくなるように材料を選定することができる。これにより、部材５及び永久磁石４における遠心力が均等化されるので、補強部材９への局所的な応力集中が抑制される。なお、部材５の比重が永久磁石４の比重に等しくない場合でも、部材５の比重が永久磁石４の比重により近いほど同様の効果がより高くなる。
【００４３】
本実施の形態では、皮膜７は、非磁性材料を溶射して形成される。具体的には、皮膜７は、アルミニウム合金、銅合金又はセラミックスから形成される。皮膜７を非磁性材料から形成することにより、皮膜７での上記したインバータによる回転子１の駆動時に発生する高調波損失が抑制される。
【００４４】
また、皮膜７は、導電率が銅の導電率以下となるような材料から形成される。これにより、皮膜７での上記したインバータによる回転子１の駆動時に発生する高調波損失が抑制される。
【００４５】
本実施の形態では、補強部材９は、非磁性材料から形成される。具体的には、補強部材９は、炭素繊維強化プラスチック、ガラス繊維強化プラスチック、チタン又はステンレスから形成される。これにより、漏れ磁束による回転電機の出力低下を抑制することができる。
【００４６】
本実施の形態では、皮膜７は、複数個の永久磁石４の外周面上に形成され、複数個の部材５の外周面上には形成されていない。これにより、回転子１の回転時の遠心力による皮膜７の割れを抑制することができる。
【００４７】
なお、皮膜７は、コア３にシャフト２を固定する前に形成することも可能である。図１０は、本実施の形態に係る回転電機の回転子の製造工程を示す別の模式図である。図１０では、図５と同様に溶射装置８を用いて皮膜７を形成する工程を模式的に示しており、図５に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。図１０では、回転子１ｃのコア貫通穴６にはシャフト２が嵌め込まれておらず、コア貫通穴６は空洞状態であるが、この場合でも、図５の場合と同様にして、溶射装置８を用いて皮膜７を形成することができる。シャフト２は、皮膜７の形成後にコア貫通穴６に嵌め込まれる。
【００４８】
また、補強部材９への集中的な応力を抑制する効果を高めるため、回転子１ｂの外周面に加工を施すことで、回転子１の外周形状をより円形でかつ凹凸の少ない形状にすることができる。図１１は、本実施の形態において溶射装置８による皮膜７の形成後に回転子１ｂの外周面をバイト２０により切削加工を行う様子を示す模式図である。図１１では、回転子１ｂを回転中心軸線Ａの回りに回転させつつ、バイト２０により皮膜７及び部材５の外周面を切削し、皮膜７及び部材５からなる切削屑７１を削りとって、回転子１ｂの外周形状が真円に近づくように回転子１ｂを加工している。通常、永久磁石４は、希土類磁石又はフェライト磁石を使用する。これらの磁石は切削加工が非常に困難であり、切削加工をする場合に汎用的な加工機を使用することができない。しかし、本実施の形態では、永久磁石４の外周面に皮膜７がコーティングされているため、皮膜７に切削加工を施すことが可能となる。これにより、汎用的な機械加工をすることで、回転子１ｂの外周形状をより真円に近い形状にすることができる。なお、ここでの汎用的な機械加工とは、切削、研削又はバニシング加工をいう。
【００４９】
なお、図１及び図２に示した永久磁石４及び部材５の形状は一例であって、図示例に限定されない。永久磁石４及び部材５の横断面形状は、径方向の厚さが変化する弓状又は三日月状であってもよい。また、各永久磁石４は、それぞれ、軸方向に分割された複数個の磁石から構成されていてもよい。
【００５０】
また、図３及び図４に示した部材５の取り付け方法は、一例であって図示例に限定されない。部材５は、永久磁石４間の隙間を埋めていればよく、部材５は、永久磁石４の外周面をコーティングする皮膜７上に補強部材９を取付けた後に、永久磁石４間の隙間に挿入されて、接着剤でコア３の外周面に貼り付けられてもよい。あるいは、部材５を樹脂で形成する場合には、部材５は、永久磁石４の外周面をコーティングする皮膜７上に補強部材９を取付けた後に、永久磁石４間の隙間に樹脂を注入し注型することで製作してもよい。
【００５１】
また、本実施の形態によれば、回転子１を備えた回転電機及び当該回転電機を備えた電気機器を提供することができる。
【００５２】
なお、本実施の形態では、皮膜７は、複数個の永久磁石４の外周面のみをコーティングしているとしたが、皮膜７が、複数個の部材５の外周面もコーティングする構成も可能である。図１２は、本実施の形態の第１の変形例に係る回転電機の回転子１ｄの横断面図である。図１２に示す横断面図は、図２に示す横断面図に対応する図である。なお、図１２では、図２に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。
【００５３】
図１２に示すように、回転子１ｄは、円筒形状のコア３と、コア３の外周面に貼り付けられ、コア３の周方向に離間して配置された複数個の永久磁石４と、周方向に隣り合う永久磁石４間の隙間をそれぞれ埋めると共に、コア３の外周面に貼り付けられた複数個の部材５と、非磁性材料を溶射して形成され、複数個の永久磁石４及び複数個の部材５の外周面をコーティングする皮膜７と、皮膜７の外周面上に配置され、複数個の部材５及び皮膜７の外周面を覆う円筒形状の補強部材９とを備える。このように、回転子１ｄでは、皮膜７は、複数個の永久磁石４の外周面のみならず、複数個の部材５の外周面もコーティングしている。すなわち、皮膜７は、数個の永久磁石４及び複数個の部材５の外周面上に形成される。この場合は、補強部材９の内周面のうち部材５と対向する部分は、皮膜７の外周面に接触している。換言すれば、部材５は、皮膜７を介して補強部材９の内周面に接触している。
【００５４】
これにより、皮膜７の外周形状をより円形でかつ凹凸の少ない形状とすることで、回転子１ｄの回転時における補強部材９への集中的な応力が抑制される。なお、図示例では、部材５の径方向の高さは永久磁石４の径方向の高さに等しいが、部材５の径方向の高さが永久磁石４の径方向の高さよりも大きくてもよい。
【００５５】
なお、回転子１ｄの製造方法は、回転子１の製造方法と同様である。すなわち、回転子１ｄの製造方法は、円筒形状のコア３の外周面にコア３の周方向に離間して複数個の永久磁石４を貼り付ける工程と、周方向に隣り合う永久磁石４間の隙間をそれぞれ埋める複数個の部材５をコア３の外周面に貼り付ける工程と、非磁性材料を溶射して、複数個の永久磁石４及び複数個の部材５の外周面をコーティングする皮膜７を形成する工程と、皮膜７の外周面上に、複数個の部材５及び皮膜７の外周面を覆う円筒形状の補強部材９を配置する工程とを含む。
【００５６】
本実施の形態の回転子１と第１の変形例の回転子１ｄの構成をまとめると次のようになる。すなわち、回転電機の回転子は、円筒形状のコア３と、コア３の外周面に貼り付けられ、コア３の周方向に離間して配置された複数個の永久磁石４と、周方向に隣り合う永久磁石４間の隙間をそれぞれ埋めると共に、コア３の外周面に貼り付けられた複数個の部材５と、非磁性材料を溶射して形成され、少なくとも複数個の永久磁石４の外周面をコーティングする皮膜７と、皮膜７の外周面上に配置され、複数個の部材５及び皮膜７の外周面を覆う円筒形状の補強部材９と、を備え、複数個の部材５の外周面は、補強部材９の内周面に接触し又は皮膜７を介して補強部材９の内周面に接触している。
【００５７】
また、本実施の形態では、永久磁石４間に部材５を埋め込むことで永久磁石４間の隙間を埋める構成としたが、永久磁石４が隙間なく貼り付けられていれば、部材５は省略可能である。省略の目安としては、永久磁石４間の隙間の周方向幅が２ｍｍ以下であればよい。
【００５８】
図１３は、本実施の形態の第２の変形例に係る回転電機の回転子１ｅの横断面図である。図１３に示す横断面図は、図２に示す横断面図に対応する図である。なお、図１３では、図２に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。図１３に示すように、回転子１ｅは、円筒形状のコア３と、コア３の外周面にコア３の周方向に隙間なく貼り付けられた複数個の永久磁石４と、非磁性材料を溶射して形成され、複数個の永久磁石４の外周面をコーティングする皮膜７と、皮膜７の外周面上に配置され、皮膜７の外周面を覆う円筒形状の補強部材９とを備える。このように回転子１ｅを構成することで、本実施の形態と同様の効果が得られる。
【００５９】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ  回転子、２  シャフト、３  コア、４，４ａ，４ｂ  永久磁石、５，５ａ，５ｂ，５ｃ  部材、６  コア貫通穴、７，７ａ，７ｂ  皮膜、８  溶射装置、９  補強部材、１０ａ，１０ｂ  遠心力、１１ａ，１１ｂ  応力、１３，１６  亀裂、１４  せん断力、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ  遠心力、２０  バイト、３０  隙間、７１  切削屑、８１  溶射材料。
【要約】
回転電機の回転子１は、円筒形状のコア３と、コア３の外周面に貼り付けられ、コア３の周方向に離間して配置された複数個の永久磁石４と、周方向に隣り合う永久磁石４間の隙間をそれぞれ埋めると共に、コア３の外周面に貼り付けられた複数個の部材５と、非磁性材料を溶射して形成され、複数個の永久磁石４の外周面をコーティングする皮膜７と、複数個の部材５及び皮膜７の外周面上に配置され、複数個の部材５及び皮膜７の外周面を覆う円筒形状の補強部材９とを備える。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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