(57)【要約】      （修正有）【課題】磁石が剥がれにくく、かつ製造時の作業性を改善することのできるモータ用ロータおよびモータ用ロータの製造方法を提供する。【解決手段】モータ用ロータ１００は、非磁性体からなる円筒形状コア１１０と、ロータコア１１０の外周面を覆うように設けられた強磁性体からなる円筒形状プレート１２０と、プレート１２０の外周面を覆うように、プレート１２０の周方向にハルバッハ配列された複数の磁石で形成されている磁石ユニット１３０を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性体からなる円筒形状コアと、
前記ロータコアの外周面を覆うように設けられた強磁性体からなる円筒形状プレートと、
前記プレートの外周面を覆うように、該プレートの周方向にハルバッハ配列された複数の磁石と、を備える、モータ用ロータ。
【請求項２】
前記円筒形状コアは、非磁性金属またはＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）からなる、請求項１に記載のモータ用ロータ。
【請求項３】
前記円筒形状コアと前記円筒形状プレートとの間、および前記円筒形状プレートと前記磁石との間は、第１の接着剤で接着されている、請求項１または２に記載のモータ用ロータ。
【請求項４】
前記ハルバッハ配列された複数の磁石の外周面を覆うように形成された外装体を更に備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータ用ロータ。
【請求項５】
前記外装体は、ＧＦＰＲからなる、請求項４に記載のモータ用ロータ。
【請求項６】
前記複数の磁石と前記外装体との間は、第２の接着剤で接着されている、請求項４または５に記載のモータ用ロータ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のモータ用ロータを備える、電動機。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のモータ用ロータを備える、発電機。
【請求項９】
円筒形状コアを非磁性体で構成し、
前記円筒形状コアの外周面を覆うように強磁性体からなる円筒形状プレートを形成し、
前記円筒形状プレートの外周面を覆うように、該プレートの周方向に複数の磁石をハルバッハ配列する、モータ用ロータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ用ロータおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータ用ロータとして、通常、鉄等の強磁性体からなるロータコアの外周に取り付けた磁石と、その磁石からの磁束を集中させるためのバックヨークとを備えたロータが用いられている。しかしながら、鉄の密度は室温において約７．９ｇ/ｃｍ３と比重が大きいため、ロータコアが鉄からなるロータは、重量が重く機械的時定数が高くなってしまう。そのため、このようなロータをモータ等に適用した場合に、始動速度を上げ、高速回転を実現できない可能性がある。
【０００３】
モータにおける始動速度を上げ、回転数を高くするためには、ロータコアを強磁性体によって構成し、かつ、低密度で軽い材料で形成することが好ましい。しかしながら、現状、そのような材料は存在しない。そこで、特許文献１は、合成樹脂中に永久磁石を埋め込んだロータの製造方法を開示している。
【０００４】
特許文献２は、ハルバッハ配列構造の磁石組立体に関して隣り合う磁石を隙間なく密着させて並べることによって、磁石組立体の性能を向上させたモータ用ロータの製造方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１９７２８７号公報
【特許文献２】特開２００７−２１５２９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ロータコアが強磁性体であれば、ロータコアと磁石との間の結合力は強いため、ロータの高速回転時において、ロータコアから磁石が剥がれてしまうリスクは緩和される。しかしながら、ロータコアを非磁性体で形成した場合、ロータコアと磁石との間の結合力が不十分となり、ロータコアから磁石が剥がれてしまう可能性がある。
【０００７】
例えば特許文献１に開示されたようなロータをモータに適用した場合、ロータは高速に回転するため、合成樹脂と永久磁石との結合力が充分でないことがある。この場合には、ロータの高速回転時おいて合成樹脂中に埋設された磁石が回転により剥がれてしまう可能性がある。
【０００８】
特許文献２はアキシャルディスク型モータ用ロータを開示しており、円筒形状のロータコアを有するロータについては記載していない。また、引用文献２は、磁石組立体を内周保持部及びリング状外周保持部により保時しているが、この構造は多くの部品を必要とするため、作製工程が煩雑になってしまう。また、引用文献２は、磁石を非磁性体からなるロータコアにエポキシ樹脂で直接取り付けていることから、ロータコアと磁石との接着が不十分である可能性もある。
【０００９】
本発明の目的は、磁石が剥がれにくく、かつ製造時の作業性を改善することのできるモータ用ロータおよびモータ用ロータの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様のモータ用ロータは、非磁性体からなる円筒形状コアと、前記円筒形状コアの外周面を覆うように設けられた強磁性体からなる円筒形状プレートと、前記プレートの外周面を覆うように、該プレートの周方向にハルバッハ配列された複数の磁石と、を備える。
【００１１】
本発明の第２の態様の電動機は、本発明の第１の態様のモータ用ロータを備える。
【００１２】
本発明の第３の態様の発電機は、本発明の第１の態様のモータ用ロータを備える。
【００１３】
本発明の第４の態様のモータ用ロータの製造方法は、円筒形状コアを非磁性体で構成し、
前記円筒形状コアの外周面を覆うように強磁性体からなる円筒形状プレートを形成し、
前記円筒形状プレートの外周面を覆うように、該プレートの周方向に複数の磁石をハルバッハ配列する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、磁石が剥がれにくく、かつ製造時の作業性を改善することのできるモータ用ロータおよびモータ用ロータの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係るロータを示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係るロータの一部を構成するロータコアを示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態に係るロータの一部を構成する円筒形状プレートを示す模式図である。
【図４】本発明の実施形態に係る磁石ユニットを示す模式図である。
【図５】本発明の実施形態に係るハルバッハ配列された磁石ユニットの磁化方向を示す模式図である。
【図６】本発明の実施形態の変形例に係るハルバッハ配列された磁石ユニットの磁化方向を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。各図において同一または相当する部分には同一の符号を付して適宜説明を省略する。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態に係るロータを示す模式図である。
【００１８】
ロータ１００は、ロータコア１１０と、プレート１２０と、磁石ユニット１３０とを備えている。ロータコア１１０は、非磁性体からなり、円柱の中心部を部分的にくり抜いた円筒形状を有している。プレート１２０は、ロータコア１１０の外周面において円周方向に沿って取り付けられた強磁性体からなる円筒形状の薄板である。磁石ユニット１３０は、プレート１２０の外周面において周方向に沿ってハルバッハ配列された複数の磁石からなる。
【００１９】
以下、ロータコア１１０、プレート１２０、および磁石ユニット１３０について詳細に説明する。
【００２０】
図２は、本発明の実施形態に係るロータコア１１０の形状を示す模式図である。
【００２１】
図２に示すように、ロータコア１１０は、円柱の中心部を部分的にくり抜いた、底のある円筒形状を有している。このような、ロータコア１１０は、例えば内径Φ１が１０３ｍｍ、外径Φ２が１２３ｍｍ、深さＤが６０ｍｍ、全長Ｌ１が７０ｍｍ、および底の厚さＬ１−Ｄ＝１０ｍｍである。なお、内径Φ１、外径Φ２、深さＤ、および全長Ｌ１に特に制限はなく、各値は設計に応じて適宜変更することができる。
【００２２】
具体的には、ロータコア１１０は、鉄よりも軽い非磁性の金属または非磁性の樹脂材料からなる。非磁性体の金属としては、アルミニウム等を使用することができる。この場合、ロータコア１０は、例えばアルミニウムの丸棒を旋盤で所定の形状に加工することによって形成することができる。または、ロータコア１１０は、アルミニウムからなる鋳物に対し、旋盤で仕上げ加工することによって形成することができる。なお、ロータコア１０は鉄よりも軽く、かつ非磁性の金属であればアルミニウム以外の金属から形成してもよい。
【００２３】
非磁性体の樹脂材料としては、例えばＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastics：グラスファイバー強化プラスチック）等を使用することができる。この場合、ロータコア１１０は、モールド用の型の中に、例えば長さが３〜５ｍｍであり、かつ直径が１０〜１５μｍのガラス繊維と、ポリエステル樹脂と、剥離剤と、着色剤とを混合した混合物を投入し、圧縮成形し硬化することによって形成することができる（ＢＭＣ（Bulk Molding Compound）法）。ここで、ポリエステル樹脂の代わりに、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、フェノール樹脂、またはビニルエステル等を使ってもよい。なお、ロータコア１１０は鉄よりも軽く、かつ非磁性体の樹脂材料であればＧＦＲＰ以外の樹脂材料から形成してもよい。
【００２４】
図３は、ロータコア１１０の外周面に取り付けられる円筒形状のプレートを示す模式図である。
【００２５】
図３に示すように、ロータコア１１０に取り付けられるプレート１２０は、例えば内径Φ２が１２３ｍｍ、外径Φ３が１２４ｍｍ、厚さが０．５ｍｍ、および全長Ｌ２が５０ｍｍである。
【００２６】
具体的には、プレート１２０は、例えば０．１ｍｍ〜２．０ｍｍの鉄製の帯状の薄板をエポキシ樹脂等の接着剤を介してロータコア１１０に巻きつけることで形成されている。また、プレート１２０は、鉄製の帯状の薄板の代わりに、鉄製のリングをロータコア１１０に嵌め込むことで形成してもよい。なお、プレート１２０はケイ素鋼板等の鉄以外の強磁性体から形成してもよい。
【００２７】
図４は、プレート１２０に取り付けられた磁石ユニット１３０を示す模式図である。
【００２８】
図４に示すように、磁石ユニット１３０は、プレート１２０の外周面において周方向に複数の磁石を配列することで形成されている。このような、磁石ユニット１３０は、例えば内径Φ３が１２４ｍｍ、外径Φ４が１４０ｍｍ、および幅が５０ｍｍである。具体的には後述するが、磁石ユニット１３０は、ハルバッハ配列された複数の磁石からなる。
【００２９】
図５を参照して、磁化ユニット１３０を構成する複数の磁石における、それぞれの磁石の磁化方向について説明する。図５は、ハルバッハ配列された複数の磁石の磁化方向を示す模式図である。
【００３０】
磁石ユニット１３０は、円周方向に対して垂直な第１の磁化領域を有する第１の主磁石１３０ａ−１と、第２の主磁石１３０ａ−２と、第３の主磁石１３０ａ−３と、第４の主磁石１３０ａ−４とを有する。また、磁石ユニット１３０は、円周方向に対して平行な第２の磁化領域を有する第１の副磁石１３０ｂ−１と、第２の副磁石１３０ｂ−２と、第３の副磁石１３０ｂ−３と、第４の副磁石１３０ｂ−４とを有する。ここで、第１の磁化領域と、第２の磁化領域とは磁化の方向が概ね直交している。
【００３１】
第１の主磁石１３０ａ−１と、第３の主磁石１３０ａ−３とは、同じ方向の磁化を有している。第２の主磁石１３０ａ−２と、第４の主磁石１３０ａ−４とは、第１の主磁石１３０ａ−１と、第３の主磁石１３０ａ−３の磁化方向に対して、１８０°反転させた方向の磁化を有している。
【００３２】
第１の副磁石１３０ｂ−１と、第３の副磁石１３０ｂ−３とは同じ方向の磁化を有している。第２の副磁石１３０ｂ−２と、第４の副磁石１３０ｂ−４とは、第１の副磁石１３０ｂ−１と、第３の副磁石１３０ｂ−３の磁化方向に対して、１８０°反転させた方向の磁化を有している。
【００３３】
磁石ユニット１３０において、第１の副磁石１３０ｂ−１は、第１の主磁石１３０ａ−１と、第２の主磁石１３０ａ−２との間に設けられている。第２の副磁石１３０ｂ−２は、第２の主磁石１３０ａ−２と、第３の主磁石１３０ａ−３との間に設けられている。第３の副磁石１３０ｂ−３は、第３の主磁石１３０ａ−３と、第４の主磁石１３０ａ−４との間に設けられている。第４の副磁石１３０ｂ−４は、第１の主磁石１３０ａ−１と、第４の主磁石１３０ａ−４との間に設けられている。すなわち、磁気ユニット１３０は、隣接する磁石の磁化方向が９０°異なったハルバッハ配列された複数の磁石からなる。これにより、ロータにおいてバックヨークを構成しなくも漏れ磁束を任意の箇所に集中させて、十分な磁束密度を得ることができる。なお、図４および図５は、磁石プレート１３０を構成する磁石の数を限定するものではない。具体的には、図４および図５は、４ポールのモータで使用される磁石ユニット１３０の例を示している。通常、モータはｎポール（ｎは偶数）で構成されており、本実施形態はポールの数に応じた任意の数の磁石によって磁石プレート１３０を形成することができる。
【００３４】
本実施形態において、磁石ユニット１３０は、プレート１２０上に、例えばエポキシ樹脂を塗布し、塗布したエポキシ樹脂上に磁石を配置することにより形成することができる。複数の磁石をハルバッハ配列する際には、隣接する磁石同士で反発するため組立が困難である場合もあるが、プレート１２０上にエポキシ樹脂を塗布することにより、磁石とプレート１２０の吸着力に加えて、磁石を接着しつつ配列することができるため、容易に磁石ユニット１３０を形成することができる。なお、本実施形態において使用する磁石に制限はなく、例えばＮｄ（ネオジム）−Ｆｅ（鉄）−Ｂ（ホウ素）磁石を使用することができる。
【００３５】
また、磁石ユニット１３０上に、エポキシ樹脂等の接着剤を塗布し、その上にＧＦＲＰからなるシートを巻いて硬化させた外装体（図示しない）を形成してもよい。このような外装体は、例えばＳＭＣ（Sheet Molding Compound）法によって作製された厚さが０．５ｍｍ、幅が５０ｍｍ（磁石ユニット１３０と同じ幅）のＧＦＲＰのシートを用いることができる。これにより、本実施形態は磁石ユニット１３０が補強されるので、磁石ユニット１３０がプレート１２０から剥離して崩壊してしまうことを防止できる。また、磁石ユニット１３０をＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石から形成した場合、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石は錆に弱いが、外装体によって表面が覆われるため、めっき等により表面処理をしなくとも錆の発生を防止できる。したがって、本実施形態は、磁石ユニット１３０の劣化も防止できる。
【００３６】
［変形例］
図６を参照して、本発明の実施形態に係る磁石ユニット１３０の変形例に係る磁石ユニット１３０Ａについて説明する。
【００３７】
図６に示すように、磁石ユニット１３０Ａは、第１の磁石１３０Ａａ−１と、第２の磁石１３０Ａａ−２と、第３の磁石１３０Ａａ−３と、第４の磁石１３０Ａａ−４とを有する。第１の磁石１３０Ａａ−１〜第４の磁石１３０Ａａ−４は、それぞれ、円周方向と平行な磁化方向を持つ磁化を有している。また、第１の磁石１３０Ａａ−１〜第４の磁石１３０Ａａ−４は、それぞれ、両端部において中央部における磁化の方向と実質的に直行する方向の磁化を有しており、両端部における磁化の方向は互いに１８０°反転している。すなわち、第１の磁石１３０Ａａ−１〜第４の磁石１３０Ａａ−４は、それぞれ、円周方向において複数の磁化領域を有している。
【００３８】
より詳細には、第１の磁石１３０Ａａ−１および第３の磁石１３０Ａａ−３は、それぞれ、中央部および両端部において同じ方向の磁化を有している。第２の磁石１３０Ａａ−２および第４磁石１３０Ａａ−４は、それぞれ、中央部および両端部において同じ方向の磁化を有している。また、第１の磁石１３０Ａａ−１および第３の磁石１３０Ａａ−３の中央部および両端部における磁化の方向と、第２の磁石１３０Ａａ−２および第４磁石１３０Ａａ−４の中央部および両端部の磁化の方向とは、それぞれ、１８０°反転している。
【００３９】
このような第１の磁石１３０Ａａ−１〜第４の磁石１３０Ａａ−４は、例えば特願２０１６−２３３１８９号に記載の方法により得ることができる。すなわち、本実施形態は、第１の磁石１３０Ａａ−１〜第４の磁石１３０Ａａ−４のように複数の磁化領域を有する磁石をプレート１２０上にハルバッハ配列することによっても、磁束を任意の箇所に集中させて、十分な磁束密度を得ることができる。なお、図６は、磁石プレート１３０Ａを構成する磁石の数を限定するものではない。本実施形態は、設計に応じた任意の数の磁石によって磁石プレート１３０Ａを形成することができる。
【００４０】
（比較）
次に、ロータコアをアルミニウムおよびＧＦＰＲを用いて形成し、上述した条件でロータを作製し慣性モーメントを算出した。また、比較例として、内径が１０３ｍｍ、外径が１２４ｍｍの鉄からなるロータコアを形成し、プレートを備えていない点を除き、上述の条件でロータを作製し慣性モーメントを算出した。それぞれの慣性モーメントの値を表１に示す。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
表１に示すように、慣性モーメントは、ロータコアがアルミニウムからなる場合は０．００８ｋｇｍ２、ロータコアがＧＦＰＲからなる場合は０．００７ｋｇｍ２、ロータコアが鉄からなる場合は０．０１３ｋｇｍ２である。すなわち、ロータコアの材料を鉄からアルミニウムおよびＧＦＰＲに変更することで、慣性モーメントの値をそれぞれ、約６２％および５７％に低減することができる。また、ロータの機械的時定数をｔｍとすると、機械的時定数ｔｍは、以下の［数１］で表すことができる。
【００４３】
【数１】
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【００４４】
ここで、Ｊは慣性モーメント、Ｒはモータの抵抗、Ｋｔはトルク定数、Ｋｅは逆起電力である。Ｒ、Ｋｔ、およびＫｅは、ロータコアの材料変更によって影響を受けないパラメータである。すなわち、ロータコアの材料を鉄からアルミニウムまたはＧＦＰＲに変更することで、機械的時定数の値もそれぞれ、約６４％または５７％に低減することができる。機械的時定数はモータ等の立ち上がり時間を示す特性値であるため、本実施形態のロータをモータ等に利用することで、モータの立ち上がり時間を早くすることができる。
【００４５】
上述の通り、本実施形態は、ロータコア１１０をアルミニウムまたはＧＦＰＲから形成することで、慣性モーメントを低減することができる。そのため、本実施形態は、モータ等に適用した場合に、モータの停止状態から最高速に達するまでの時間を短縮することができる。
【００４６】
また、本実施形態において、磁石ユニット１３０は、強磁性体からなるプレート１２０に吸着され、かつエポキシ樹脂等の接着剤を介してプレート１２０に接着されている。これにより、本実施形態は、ロータの高速回転時において、磁石ユニット１３０がプレート１２０から剥がれてしまうことを防止できる。また、ロータ１００の製造の際に、磁石とプレート１２０との間の吸着力およびエポキシ樹脂との接着により、磁石をプレート１２０に取り付ける作業がスムーズになるため生産性が向上する。さらに、本実施形態は、容易にロータを作成することができるため、コストの観点からも優れている。
【００４７】
以上、本発明を、実施形態に基づいて説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細は、請求項に記載された本発明の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、電動機および発電機等のモータにおいて、有用に利用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１００・・・ロータ
１１０・・・ロータコア
１２０・・・プレート
１３０，１３０Ａ・・・磁石ユニット
１３０ａ−１・・・第１の主磁石
１３０ａ−２・・・第２の主磁石
１３０ａ−３・・・第３の主磁石
１３０ａ−４・・・第４の主磁石
１３０ｂ−１・・・第１の副磁石
１３０ｂ−２・・・第２の副磁石
１３０ｂ−３・・・第３の副磁石
１３０ｂ−４・・・第４の副磁石
１３０Ａａ−１・・・第１の磁石
１３０Ａａ−２・・・第２の磁石
１３０Ａａ−３・・・第３の磁石
１３０Ａａ−４・・・第４の磁石
【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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