(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータシャフトの外表面に、永久磁石と、前記ロータシャフトの径方向における前記永久磁石の外方側から前記永久磁石を保持する磁石保持リングと、が固定された永久磁石型回転電機のロータの製造方法において、
前記磁石保持リングの内面に円周方向に並べて複数の前記永久磁石を接着剤で固定する工程と、
前記ロータシャフトを冷却する工程と、
前記永久磁石が接着された前記磁石保持リングに、冷却された前記ロータシャフトを挿入して冷やし嵌めをする工程と、
を含むことを特徴とする永久磁石型回転電機のロータの製造方法。
【請求項２】
前記ロータシャフトを冷却する工程は、前記ロータシャフト内の冷媒路に冷やし嵌めするための冷媒を流し込むことにより行うことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機のロータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石型回転電機のロータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力によってロータが回転する電動機や、ロータが回転することによって発電を行う発電機等の回転電機の中には、ロータ側に永久磁石が備えられるものがある。このような永久磁石型回転電機のロータは、永久磁石はロータシャフトに取り付けられるが、ロータの回転時には永久磁石にも遠心力が作用する。このため、従来の永久磁石型回転電機のロータでは、ロータの回転時に永久磁石が飛散しないようにロータシャフトに取り付けられている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載された永久磁石式回転電機の磁石固定方法では、接着剤で回転シャフトに永久磁石を固定した後、回転シャフトと共に永久磁石を円管状のカーボンリングに圧入している。その際に、回転子シャフト及び永久磁石とカーボンリングを冷却して挿入している。これらにより、カーボンリングによって、永久磁石の外表面全体を覆い、且つ、永久磁石を締め付けて回転子シャフトに固定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３１２２５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、接着剤によって永久磁石を固定したロータシャフトを、永久磁石と共に冷却した場合、接着剤も冷却されることになる。この場合、接着剤の種類によっては硬化し難くなり、接着剤の流動によって接着剤がはみ出たり剥がれたりして寸法精度が悪化し、回転電機の動作時に動力損失が発生する虞がある。また、接着剤を用いずに、カーボンリングによる締め付けのみで永久磁石をロータシャフトに固定する場合、ロータの高速回転時に遠心力に対して、永久磁石を固定する力が不足する虞がある。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ロータシャフトに永久磁石を固定する際の寸法精度を向上させることができ、且つ、ロータシャフトに対して永久磁石を強固に固定することのできる永久磁石型回転電機のロータの製造方法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】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る永久磁石型回転電機のロータの製造方法は、ロータシャフトの外表面に、永久磁石と、前記ロータシャフトの径方向における前記永久磁石の外方側から前記永久磁石を保持する磁石保持リングと、が固定された永久磁石型回転電機のロータの製造方法において、前記磁石保持リングの内面に円周方向に並べて複数の前記永久磁石を接着剤で固定する工程と、前記ロータシャフトを冷却する工程と、前記永久磁石が接着された前記磁石保持リングに、冷却された前記ロータシャフトを挿入して冷やし嵌めをする工程と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
また、上記永久磁石型回転電機のロータの製造方法において、前記ロータシャフトを冷却する工程は、前記ロータシャフト内の冷媒路に冷やし嵌めするための冷媒を流し込むことにより行うことが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る永久磁石型回転電機のロータの製造方法は、ロータシャフトに永久磁石を固定する際の寸法精度を向上させることができ、且つ、ロータシャフトに対して永久磁石を強固に固定することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施形態に係る永久磁石型回転電機のロータの製造方法によって製造されるロータを有するモータの要部断面図である。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図３は、ロータの製造時における処理手順を示すフロー図である。
【図４】図４は、磁石保持リングに永久磁石を固定した状態を示す断面図である。
【図５】図５は、図４のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】図６は、磁石保持リングにロータシャフトを挿入した状態を示す断面図である。
【図７】図７は、図６のＣ−Ｃ断面図である。
【図８】図８は、実施形態に係る製造方法によって製造されるモータの変形例を示す要部断面図である。
【図９】図９は、図８のＤ−Ｄ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明に係る永久磁石型回転電機のロータの製造方法の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。
【００１２】
〔実施形態〕
図１は、実施形態に係る永久磁石型回転電機のロータの製造方法によって製造されるロータを有するモータの要部断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。同図に示すモータ１は、永久磁石型回転電機の一例になっており、このモータ１は、固定子であるステータ１０と、回転子であるロータ２０とを有している。このうち、ステータ１０は、複数のコイルからなるステータコア１２を有しており、ステータコア１２は、複数のコイルを合わせて全体で見た場合に、略円筒状の形状で形成されている。また、ステータ１０には、ステータコア１２の軸方向における両端に、ステータコア１２が有するコイルのコイルエンド１５が配設されている。
【００１３】
ロータ２０は、回転軸がステータコア１２の円筒の軸方向に一致する向きでステータ１０の内側に配設されている。このロータ２０は、ロータシャフト２１を有しており、ロータシャフト２１の外表面２２には、複数の永久磁石２５が、ロータシャフト２１の円周方向に並んで配設されている。ロータシャフト２１は、直径が異なることにより複数の異なる太さの部分を有する略丸棒状の形状で形成されており、ロータ２０の回転軸は、このロータシャフト２１の中心軸になっている。
【００１４】
また、ロータシャフト２１の径方向における永久磁石２５の外方側には、ＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ：炭素繊維強化プラスチック）等の軽量で強度が高い材料からなる磁石保持リング３０が配設されている。この磁石保持リング３０は、略円環状の形状で形成されていると共に、ロータシャフト２１の外表面２２に配設される永久磁石２５を覆っており、これにより磁石保持リング３０は、ロータシャフト２１の径方向における永久磁石２５の外方側から永久磁石２５を保持している。
【００１５】
これらの永久磁石２５と磁石保持リング３０とは、磁石保持リング３０の内面３１に、接着剤によって永久磁石２５が接着されることにより、永久磁石２５が磁石保持リング３０に対して固定されている。また、磁石保持リング３０は、内面３１に永久磁石２５が接着された状態で、ロータシャフト２１に対して締まり嵌めになっている。即ち、磁石保持リング３０と永久磁石２５とは、締まり嵌めによってロータシャフト２１の外表面２２に固定されている。
【００１６】
また、磁石保持リング３０は、外径がステータコア１２の内径よりも若干小さい径になっており、永久磁石２５と磁石保持リング３０とは、ロータ２０の軸方向における長さが、ステータコア１２の長さと同程度の長さになっている。このため、ステータ１０の内側にロータ２０が配設された状態では、永久磁石２５と磁石保持リング３０とは、ステータコア１２が設けられている範囲に配設され、ステータコア１２と磁石保持リング３０との間には、空隙が形成される。
【００１７】
このようにステータ１０の内側に配設されるロータ２０は、ロータシャフト２１が複数の軸受（図示省略）によって回転自在に支持されることにより、ロータ２０全体が回転自在に支持されている。このためロータ２０は、ステータ１０に対して相対的に回転可能に配設されており、これに伴い、ロータ２０が有する永久磁石２５は、ステータ１０が有するステータコア１２に対して、ロータ２０の回転軸を中心として回転可能に配設されている。
【００１８】
これらのように構成されるモータ１の動作について説明すると、モータ１の運転時は、モータ１で発生する動力に応じた電流をステータコア１２に対して流す。これにより、ステータコア１２は磁力を発生し、さらに、複数のステータコア１２で、供給される電流に応じて極性を順次変化させて磁力を発生することにより、ステータコア１２の内側には、回転磁界が発生する。
【００１９】
ロータ２０が有する複数の永久磁石２５は、ステータコア１２で発生する磁力によってそれぞれ引き寄せられたり反発したりするため、永久磁石２５は、回転可能に支持されているロータシャフト２１と共に、ステータコア１２の内側に発生する回転磁界によって回転をする。これにより、ロータ２０は回転し、モータ１は、ステータコア１２に供給する電流に応じた動力を発生する。
【００２０】
次に、このモータ１が有するロータ２０の製造方法について説明する。図３は、ロータの製造時における処理手順を示すフロー図である。図４は、磁石保持リングに永久磁石を固定した状態を示す断面図である。図５は、図４のＢ−Ｂ断面図である。ロータ２０の製造時は、ロータシャフト２１、永久磁石２５、磁石保持リング３０を、設計値通りにそれぞれ加工等を行うことによって製造する。永久磁石２５と磁石保持リング３０とを製造したら、接着剤によって永久磁石２５を磁石保持リング３０へ固定する（ステップＳＴ１０１）。即ち、複数の永久磁石２５を、円環状の磁石保持リング３０の内面３１に接着剤によって接着し、固定する。
【００２１】
次に、ロータシャフト２１を液体窒素で冷却する（ステップＳＴ１０２）。設計値通りに製造されたロータシャフト２１は、冷媒である低温の液体窒素に浸すことにより冷却し、ロータシャフト２１の直径を設計値よりも縮小させる。つまり、ロータシャフト２１は、冷却されることにより、ロータシャフト２１を形成する素材の熱膨張率に応じて体積が収縮するため、液体窒素で冷却することにより、直径が設計値よりも縮小する。
【００２２】
図６は、磁石保持リングにロータシャフトを挿入した状態を示す断面図である。図７は、図６のＣ−Ｃ断面図である。次に、ロータシャフト２１を磁石保持リング３０に挿入する（ステップＳＴ１０３）。詳しくは、接着剤によって内面３１に永久磁石２５が接着されている磁石保持リング３０に対して、冷却したロータシャフト２１を挿入する。即ち、冷却することにより直径が小さくなったロータシャフト２１を、磁石保持リング３０に接着されている永久磁石２５の内側に挿入する。
【００２３】
ロータシャフト２１を挿入したら、常温状態で保持し、冷やし嵌めを行う。つまり、常温状態で保持することにより、温度が低下していたロータシャフト２１は温度が上昇するため、冷却によって収縮していたロータシャフト２１は体積が膨張し、直径が大きくなる。これにより、ロータシャフト２１は、外表面２２が永久磁石２５に密着し、双方の間には、密着方向の力が発生する。
【００２４】
詳しくは、ロータシャフト２１は、直径が大きくなる方向の力が永久磁石２５により抑えられるため、圧縮応力が発生する。一方、永久磁石２５は、ロータ２０の径方向における外方側が磁石保持リング３０に固定されているため、ロータシャフト２１から付与される、直径が大きくなる方向の力は、磁石保持リング３０に伝達される。このため、磁石保持リング３０には、内面３１から、ロータ２０の径方向における外方側への力が付与される。これにより、円環状の磁石保持リング３０には、円周方向の引張り応力が発生し、永久磁石２５には、この引張り応力により、磁石保持リング３０からロータシャフト２１側への力が付与される。従って、永久磁石２５は、ロータシャフト２１に対して、ロータシャフト２１の圧縮応力と磁石保持リング３０の引張り応力とにより強固に固定される。
【００２５】
以上の実施形態に係るロータ２０の製造方法では、永久磁石２５は接着剤で磁石保持リング３０に固定し、ロータシャフト２１は冷却して、永久磁石２５が接着されている状態の磁石保持リング３０に挿入して冷やし嵌めをするので、接着剤を冷却することなく、ロータシャフト２１に固定することができる。これにより、接着剤を冷却することに起因する接着剤の剥がれや流出を防ぐことができ、接着剤の流動に起因して、ロータシャフト２１に永久磁石２５を固定する際における寸法精度が悪化することを防ぐことができる。
【００２６】
また、永久磁石２５は、接着剤によって磁石保持リング３０に固定するため、永久磁石２５が接着された磁石保持リング３０に、ロータシャフト２１を冷やし嵌めすることにより、永久磁石２５をロータシャフト２１の外表面２２に強固に固定することができる。つまり、冷やし嵌めにより、永久磁石２５の内側からロータシャフト２１が膨張することによる圧力が加わり、ロータシャフト２１と永久磁石２５とを強固に固定すると共に、その圧力と接着剤との力とによって、永久磁石２５と磁石保持リング３０とが、より強固に固定され、高い機械強度を得ることができる。これにより、ロータ２０が高速回転をした場合でも、遠心力に打ち勝つ大きな力で、永久磁石２５をロータシャフト２１に固定することができる。これらの結果、ロータシャフト２１に永久磁石２５を固定する際の寸法精度を向上させることができ、且つ、ロータシャフト２１に対して永久磁石２５を強固に固定することができる。
【００２７】
また、これらのように、ロータシャフト２１に永久磁石２５を固定する際の寸法精度を向上させることにより、ロータ２０をほぼ設計値通りに製造することができる。これにより、ロータ２０の永久磁石２５とステータ１０のステータコア１２との相対関係を、理想的な位置関係で組み上げることができる。この結果、モータ１の運転時における動力損失を低減することができ、運転効率の向上を図ることができる。
【００２８】
〔変形例〕
図８は、実施形態に係る製造方法によって製造されるモータの変形例を示す要部断面図である。図９は、図８のＤ−Ｄ断面図である。なお、上述したロータ２０の製造方法では、ロータシャフト２１の冷却は、ロータシャフト２１を液体窒素に浸すことにより行っているが、冷却は、これ以外の手法で行ってもよい。例えば、ロータシャフト２１に、モータ１の駆動時における冷却用の冷却水が流れる冷却用水路４０が形成されている場合には、この冷却用水路４０に液体窒素を流すことにより、ロータシャフト２１を冷却してもよい。つまり、ロータシャフト２１内に、ロータシャフト２１の回転軸に沿った貫通孔によって形成される冷却用水路４０を、冷やし嵌めするための冷媒である液体窒素を流す冷媒路として使用し、この冷却用水路４０に液体窒素を流し込むことにより、ロータシャフト２１の冷却を行ってもよい。
【００２９】
ロータシャフト２１は、このように冷却用水路４０に液体窒素を流すことによっても、ロータシャフト２１を内側から冷却することができるため、直径を設計値よりも縮小させることができ、永久磁石２５が接着されている磁石保持リング３０に対して冷やし嵌めすることができる。これにより、ロータシャフト２１に永久磁石２５を固定する際の寸法精度を向上させることができ、且つ、ロータシャフト２１に対して永久磁石２５を強固に固定することができる。
【００３０】
また、ロータシャフト２１の冷却を、このように冷却用水路４０に液体窒素を流すことによって行うことにより、ロータシャフト２１全体を液体窒素に浸す場合と比較して、液体窒素の使用量を低減することができる。従って、製造コストの低減を図ることができる。
【００３１】
また、外表面２２を液体窒素に晒すことなく、ロータシャフト２１の冷却を行うことができるため、直径を縮小させることを目的として冷却を行う際におけるロータシャフト２１の径管理を、容易に行うことができる。従って、効率よくロータシャフト２１の径を縮小させることができ、ロータ２０の組み立て時における効率を向上させることができる。
【００３２】
また、ロータシャフト２１全体を液体窒素に浸すことなく冷却を行うことができるので、ロータシャフト２１の温度管理を、温度センサ等によって容易に行うことができる。従って、ロータシャフト２１の冷却は、温度管理を行いながら、必要流量の液体窒素を必要な時間だけ流すことにより行うことが可能になるため、より効率よくロータ２０の組み立てを行うことができる。
【００３３】
なお、上述した実施形態の変形例では、液体窒素を流す冷媒路として冷却用水路４０を用いているが、ロータシャフト２１内に液体窒素を流す冷媒路は、冷却用水路４０以外を用いてもよい。例えば、潤滑油が流れる油路を冷媒路として用いてもよく、また、液体窒素を流す専用の孔を形成することにより、冷媒路を形成してもよい。冷媒路の形態は、ロータシャフト２１の冷却時に、冷媒である液体窒素をロータシャフト２１内に流し込むことのできる孔であれば、その形態は問わない。
【００３４】
また、上述した製造方法で製造されるロータ２０は、永久磁石型回転電機の一例であるモータ１で使用されるロータ２０になっているが、上述した製造方法で製造されるロータ２０は、モータ１用のロータ２０以外でもよい。例えば、発電機用のロータ等、ロータシャフトの外表面に永久磁石が固定される永久磁石型回転電機のロータであれば、回転電機の種類は問わない。
【符号の説明】
【００３５】
１  モータ
１０  ステータ
１２  ステータコア
１５  コイルエンド
２０  ロータ
２１  ロータシャフト
２２  外表面
２５  永久磁石
３０  磁石保持リング
３１  内面
４０  冷却用水路
【図１】
0005799827.tif 000002
【図２】
0005799827.tif 000003
【図３】
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【図４】
0005799827.tif 000005
【図５】
0005799827.tif 000006
【図６】
0005799827.tif 000007
【図７】
0005799827.tif 000008
【図８】
0005799827.tif 000009
【図９】
0005799827.tif 000010