(57)【要約】【課題】永久磁石と固定子間の磁気抵抗を従来に比較して小さくすることができ、トルクを向上させることができる永久磁石型回転電機の回転子を提供する。【解決手段】回転子14は、高透磁率材からなるロータコア15の外周面に、円弧状の永久磁石17が複数個配置され、永久磁石17はその外周面に接触する状態で配置された保持環18によりロータコア15に固定されている。保持環18はオーステナイト系ステンレス鋼製で永久磁石17と対応する部分18ａが強磁性相を成し、隣接する永久磁石１７の間と対応する部分18ｂが非磁性相を成すように構成されている。保持環18は、その厚さが、保持環18を単に永久磁石17の外側に嵌合した状態では高速回転時の遠心力により緩みが出るような変形が生じるような薄さに形成されている。保持環18はロータコア15の凸部15ａに対して非磁性相の部分18ｂにおいて溶接により固着されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータコアの外周面に複数個の永久磁石が配置されるとともに、前記永久磁石の外周面に接触する状態で配置される保持環を備えた永久磁石型回転電機の回転子であって、
前記保持環はオーステナイト系ステンレス鋼製で前記永久磁石と対応する部分が強磁性相を成し、隣接する永久磁石の間と対応する部分が非磁性相を成すように構成されており、前記保持環は前記ロータコアの隣接する永久磁石の間と対応する箇所に対して前記非磁性相の部分において溶接により固着されていることを特徴とする永久磁石型回転電機の回転子。
【請求項２】
ロータコアの外周面に複数個の永久磁石が配置されるとともに、前記永久磁石の外周面に接触する状態で配置される保持環を備えた永久磁石型回転電機の回転子の製造方法であって、
高透磁率材からなるロータコアの外周面に複数個の永久磁石を周方向に等間隔で接着するロータコア準備工程と、
オーステナイト系ステンレス鋼製の円環全体に対して内側から塑性加工を加えて円環全体を強磁性体にする塑性加工工程と、
前記塑性加工が終了した円環に、その円環が前記ロータコアの外周面に配置された前記永久磁石の外側に配置される際に前記永久磁石の間と対応する部分を非磁性のオーステナイト組織に戻す加熱処理を行う加熱処理工程と、
前記円環を溶接により前記ロータコアに固着する円環溶接工程と
を備えていることを特徴とする永久磁石型回転電機の回転子の製造方法。
【請求項３】
前記円環溶接工程は、前記加熱処理工程を兼ねている請求項２に記載の永久磁石型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、永久磁石型回転電機の回転子及び回転子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石型回転電機の回転子として、ロータ鉄心（ロータコア）の外周面に永久磁石を接着したものがある。永久磁石を単にロータ鉄心の外周面に接着しただけでは、接着剤が高速回転時の遠心力の引っ張り力に耐えることができず、永久磁石が飛散する虞がある。永久磁石の飛散を防止するため、非磁性材で形成された保持環を永久磁石の外周面に嵌め込んで永久磁石をロータ鉄心に固定している。
【０００３】
保持環に非磁性材を使用した場合には、保持環は磁気的には空隙として作用する。そのため、保持環の厚さを厚くすると固定子（ステータ）との間隙（空隙）が大きくなったことと同じになり、トルク減少等電動機特性として好ましくない。一方保持環に鋼等の強磁性材を使用した場合には、磁極から保持環を伝って隣の磁極へ流れる漏れ磁束が多くなり、そのため主磁束の量が減ってやはりトルクの減少をもたらす。
【０００４】
このような問題を解消するため、永久磁石の外周を囲む保持環が冷間加工によって強磁性を示すオーステナイト鋼よりなり、冷間加工後にその一部を加熱して、部分的にほぼ非磁性相のみとした回転子（ロータ）が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に記載のロータは、図２に示すように、ロータ継鉄３１の周囲に永久磁石３２が取り付けられ、その周囲に保持環３３が取り付けられている。保持環３３はオーステナイトステンレス鋼を冷間加工したもので強磁性のフェライト相が析出しているとともに、保持環３３の磁極間に位置する部分３３ａがレーザー照射による加熱によって非磁性とされている。
【特許文献１】特開平６−１３３４８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の回転子の保持環３３は、磁極間と対応する部分３３ａが非磁性とされているため、保持環３３全体を非磁性材によって構成した場合に比較して永久磁石３２と対応する部分の磁気抵抗が小さくなる。しかし、従来、保持環３３は永久磁石３２の外側に嵌合されているだけのため、保持環３３の肉厚が薄いと強度不足で、高速回転時に遠心力に負けて保持環３３が緩む方向に変形する虞がある。一方、保持環３３の肉厚が厚過ぎる場合は、緩みが出るような変形は防止できるが、保持環３３を構成する強磁性ステンレスはロータコアや固定子（ステータ）の材料である電磁鋼板やケイ素鋼板に比較すると磁気抵抗が高く、結果的に回転トルクが低下するという問題がある。
【０００６】
本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、永久磁石と固定子間の磁気抵抗を従来に比較して小さくすることができ、トルクを向上させることができる永久磁石型回転電機の回転子及び回転子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】
【０００７】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、ロータコアの外周面に複数個の永久磁石が配置されるとともに、前記永久磁石の外周面に接触する状態で配置される保持環を備えた永久磁石型回転電機の回転子である。そして、前記保持環はオーステナイト系ステンレス鋼製で前記永久磁石と対応する部分が強磁性相を成し、隣接する永久磁石の間と対応する部分が非磁性相を成すように構成されており、前記保持環は前記ロータコアの隣接する永久磁石の間と対応する箇所に対して前記非磁性相の部分において溶接により固着されている。
【０００８】
この発明では、保持環は永久磁石と対応する部分が強磁性相を成しているため、回転子が回転電機に組み立てられて使用された状態において、永久磁石と固定子間の磁気抵抗が保持環を非磁性体で形成した場合に比較して小さくなる。また、保持環が、溶接によりロータコアに固着されているため、保持環の厚さを薄くしても回転子が回転電機に組み立てられて使用された状態において、高速回転時の遠心力により緩みが出るように変形するのを防止することができる。そのため、保持環の厚さを薄くすることによって永久磁石と固定子間の磁気抵抗をより小さくすることができ、トルクを向上させることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、ロータコアの外周面に複数個の永久磁石が配置されるとともに、前記永久磁石の外周面に接触する状態で配置される保持環を備えた永久磁石型回転電機の回転子の製造方法である。そして、高透磁率材からなるロータコアの外周面に複数個の永久磁石を周方向に等間隔で接着するロータコア準備工程と、オーステナイト系ステンレス鋼製の円環全体に対して内側から塑性加工を加えて円環全体を強磁性体にする塑性加工工程とを備えている。また、前記塑性加工が終了した円環に、その円環が前記ロータコアの外周面に配置された前記永久磁石の外側に配置される際に前記永久磁石の間と対応する部分を非磁性のオーステナイト組織に戻す加熱処理を行う加熱処理工程と、前記円環を溶接により前記ロータコアに固着する円環溶接工程とを備えている。
【００１０】
この発明では、塑性加工工程において、オーステナイト系ステンレス鋼製の円環に対して内側から塑性加工が加えられることにより、円環全体が強磁性体になる。その後、全体が強磁性体になった円環に対して加熱処理工程において、円環がロータコアの永久磁石の外側に配置される際に永久磁石の間と対応する部分に加熱処理が施され、加熱処理が施された部分が非磁性のオーステナイト組織に戻されることにより強磁性部分と非磁性部分とが交互に存在する円環が形成される。オーステナイト系ステンレス鋼製の円環が前記塑性加工及び前記加熱処理を受けることにより、円環は強磁性部分と非磁性部分とが交互に存在する保持環となる。円環は溶接によりロータコアに固着される。加熱処理工程と円環溶接工程とは独立して行われるとは限らず、同時に行われる場合もある。加熱処理工程と円環溶接工程とが同時に行われる場合は円環溶接工程が完了した状態で保持環が完成する。円環が溶接によりロータコアに固着されるため、保持環の厚さを薄くしても回転子が回転電機に組み立てられて使用された状態において、高速回転時の遠心力により緩みが出るような変形を防止することができる。そのため、保持環の厚さを薄くすることにより、厚さが厚い場合に比較して塑性加工が容易になる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記円環溶接工程は、前記加熱処理工程を兼ねている。この発明では、円環をロータコアに固着する溶接の際に、強磁性体の組織を非磁性のオーステナイト組織に戻すための加熱処理が行われる。したがって、加熱処理工程と円環溶接工程とが独立して行われる場合に比較して工数を少なくできる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、永久磁石と固定子間の磁気抵抗を従来に比較して小さくすることができ、トルクを向上させることができる永久磁石型回転電機の回転子及び回転子の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を永久磁石型回転電機としての表面磁石型電動機に具体化した一実施形態を図１にしたがって説明する。
図１に示すように、固定子（ステータ）１１は、円筒状で内側に複数のティース１２が等間隔で設けられている。ティース１２にはコイル（巻線）１３が巻かれている。コイル１３の巻き付け方法は分布巻であっても集中巻であってもよい。
【００１４】
固定子１１の内側には、回転子（ロータ）１４が配置されている。回転子１４は、電磁鋼板等の高透磁率材からなる円板状の電磁鋼板を複数枚（例えば数十枚）積層したロータコア１５と、ロータコア１５の中心に貫挿されたロータ軸（回転軸）１６とを備えている。電磁鋼板同士は、必要に応じて接着剤等で一体固着されている。そして、回転子１４は、ロータコア１５の外周面がティース１２と所定の間隔を置いた状態で、図示しないハウジングの軸受けにロータ軸１６を介して回転可能に支持されている。
【００１５】
ロータコア１５の外周面には、断面形状がロータコア１５の回転中心を中心とする円弧状の永久磁石１７が複数個（この実施の形態では６個）、周方向に等間隔を置いて配置されている。各永久磁石１７は、永久磁石１７の外周面に接触する状態で配置された保持環１８でロータコア１５に固定されている。永久磁石１７としては、他の永久磁石に比較して磁力の強い希土類磁石が使用され、この実施形態ではネオジウム−鉄−ホウ素磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石）が使用されている。
【００１６】
保持環１８はオーステナイト系ステンレス鋼製で永久磁石１７と対応する部分１８ａが強磁性相を成し、隣接する永久磁石１７の間と対応する部分１８ｂが非磁性相を成すように構成されている。保持環１８は、その厚さが、保持環１８を単に永久磁石１７の外側に嵌合した状態では高速回転時の遠心力により緩みが出るような変形が生じるような薄さに形成されている。ロータコア１５は隣接する永久磁石１７の間と対応する箇所に凸部１５ａが形成されており、保持環１８はロータコア１５の凸部１５ａに対して非磁性相の部分１８ｂにおいて溶接により固着されている。
【００１７】
次に前記のように構成された回転子１４の製造方法を説明する。
この製造方法は、ロータコア準備工程と、塑性加工工程と、加熱処理工程と、円環溶接工程とを備えている。
【００１８】
ロータコア準備工程では、略円板状の電磁鋼板を複数枚（例えば数十枚）積層して外周面に周方向に等間隔で凸部１５ａを有する高透磁率材からなるロータコア１５を形成する。そして、ロータコア１５の外周面に複数個の永久磁石１７を、各永久磁石１７が凸部１５ａの間に位置するように周方向に等間隔で配置する。永久磁石１７はその磁力でロータコア１５の外周面に吸着する。
【００１９】
塑性加工工程では、オーステナイト系ステンレス鋼製の円環（パイプ）を準備し、円環全体に対して内側から塑性加工を加えて円環全体を強磁性体にする。具体的には円環を、例えばメカニカルエキスパンダや液圧拡管装置を用いて内側から拡径するように加工する。円環に塑性加工を加えることにより、円環が加工誘起変態して円環全体が強磁性体になる。
【００２０】
塑性加工工程の次に加熱処理工程が行われる。加熱処理工程では、塑性加工が終了した円環に、その円環がロータコア１５の外周面に配置された永久磁石１７の外側に配置される際に永久磁石１７の間と対応する部分１８ｂを非磁性のオーステナイト組織に戻す加熱処理を行う。加熱処理は、例えば、部分１８ｂにビーム熱処理を施すことで行う。ビーム熱処理は部分１８ｂにレーザービームを照射して温度が５００℃以上になるまで加熱する。加熱処理により部分１８ｂが非磁性のオーステナイト組織に戻り、円環は強磁性の部分１８ａと非磁性の部分１８ｂとが交互に存在する保持環１８となる。
【００２１】
次に円環（保持環１８）を溶接によりロータコア１５に固着する円環溶接工程が行われる。この実施形態では円環は保持環１８になっているため、保持環溶接工程となる。円環（保持環１８）は、部分１８ａが永久磁石１７と対応し、部分１８ｂが凸部１５ａと対応するように永久磁石１７の外側に配置された状態で、部分１８ｂが凸部１５ａに対して溶接される。溶接はビーム溶接（例えば、レーザービーム溶接）により行われる。溶接の残留応力や歪みによる加工誘起変態磁化を解消するため、後熱処理としてパルス又は低入熱加熱を行う。以上により回転子１４の製造が完了する。
【００２２】
次に前記のように構成された電動機の作用を説明する。
電動機が負荷状態で駆動される場合は、固定子１１のコイル１３に通電されて回転子１４に回転磁界が作用する。そして、回転磁界と永久磁石１７の磁束との作用により回転子１４が回転する。高速回転時における永久磁石１７の飛散を防止するための保持環１８全体が非磁性体（非磁性材）で形成されている場合は、保持環１８は磁気的には空隙として作用し、固定子１１（ティース１２）と永久磁石１７との間隙（空隙）が大きくなったことと同じになり、トルク減少等電動機特性が低下する。一方、保持環１８全体が強磁性体で形成されている場合は、磁極から保持環１８を伝って隣の磁極へ流れる漏れ磁束が多くなり、そのため主磁束の量が減ってやはりトルクの減少をもたらす。
【００２３】
しかし、この実施形態では保持環１８は、永久磁石１７と対応する部分１８ａが強磁性体（強磁性相）として構成され、かつ強磁性体の間に非磁性体（非磁性相）の部分１８ｂが存在する。したがって、固定子１１と永久磁石１７との間の磁気抵抗が小さくなる。そのため、永久磁石１７から出て固定子１１に向かう磁束の量が多くなり、トルクが向上する。そして、保持環１８が、溶接によりロータコア１５に固着されているため、保持環１８の厚さを薄くしても、回転子１４の高速回転時の遠心力により保持環１８に緩みが出るように変形することが防止される。そのため、保持環１８の厚さを薄くすることによって永久磁石１７と固定子１１間の磁気抵抗をより小さくすることができ、トルクを向上させることができる。また、強磁性体（強磁性相）の部分１８ａが非磁性体（非磁性相）の部分１８ｂで区画されているため、磁極から出た磁束の一部が保持環１８を伝って隣の磁極へ流れる漏れ磁束となるのが抑制される。その結果、主磁束の量が減るのが抑制されてトルクの向上に寄与する。
【００２４】
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）回転子１４は、ロータコア１５の外周面に複数個の永久磁石１７が配置されるとともに、永久磁石１７の外周面に接触する状態で配置される保持環１８を備えており、保持環１８はオーステナイト系ステンレス鋼製で永久磁石１７と対応する部分１８ａが強磁性相を成し、隣接する永久磁石１７の間と対応する部分１８ｂが非磁性相を成す。したがって、回転子１４が回転電機に組み立てられて使用された状態において、永久磁石１７と固定子１１間の磁気抵抗が保持環１８全体を非磁性体で形成した場合に比較して小さくなり、また、保持環１８全体を強磁性体で形成した場合に比較して磁極から出た磁束の一部が保持環１８を伝って隣の磁極へ流れる漏れ磁束となるのが抑制される。その結果、トルクを向上させることができる。
【００２５】
（２）保持環１８はロータコア１５に対して非磁性相の部分１８ｂにおいて溶接により固着されている。したがって、保持環１８の厚さを薄くしても回転子１４が回転電機に組み立てられて使用された状態において、高速回転時の遠心力により緩みが出るように変形するのを防止することができる。そのため、保持環１８の厚さを薄くすることによって永久磁石１７と固定子１１間の磁気抵抗をより小さくすることができ、トルクをより向上させることができる。
【００２６】
（３）保持環１８は、オーステナイト系ステンレス鋼製の円環全体に対して内側から塑性加工を加えて円環全体を強磁性体にした後、その円環がロータコア１５の外周面に配置された永久磁石１７の外側に配置される際に永久磁石１７の間と対応する部分１８ｂに加熱処理を施して非磁性のオーステナイト組織に戻すことにより形成される。したがって、
強磁性の部分１８ａと非磁性の部分１８ｂとが交互に存在する保持環１８を、強磁性の部分１８ａと非磁性の部分１８ｂとの位置関係を所望の状態に形成するのが容易になる。
【００２７】
（４）ロータコア１５は周方向に一定間隔で凸部１５ａが形成され、保持環１８は部分１８ｂが凸部１５ａに溶接されるため、凸部１５ａを有しないロータコア１５に保持環１８を溶接する場合に比較して溶接を容易に行うことができる。凸部１５ａを有しないロータコア１５に部分１８ｂを溶接する場合は、保持環１８の部分１８ｂを内側に凸となるように加工する必要があるため保持環１８の加工が面倒になるが、そのような加工を行う必要がない。
【００２８】
（５）保持環１８をロータコア１５に溶接する際、ビーム溶接が行われるため、溶接部分の両側が非磁性のオーステナイト組織のままに保持される。したがって、溶接後に磁気焼鈍的な本格的な熱処理は不要で、ビーム溶接部分だけを後熱すればよい。
【００２９】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○  円環を溶接によりロータコア１５に固着する円環溶接工程が、塑性加工が終了した円環に、その円環がロータコア１５の外周面に配置された永久磁石１７の外側に配置される際に永久磁石１７の間と対応する部分１８ｂを非磁性のオーステナイト組織に戻す加熱処理を行う加熱処理工程を兼ねてもよい。例えば、オーステナイト系ステンレス鋼製の円環全体に対する塑性加工が終了して全体が強磁性体となった円環を、ロータコア１５の外周面に配置された永久磁石１７の外側に配置した後、永久磁石１７の間と対応する部分１８ｂにおいてロータコア１５の凸部１５ａに溶接してもよい。溶接は各部分１８ｂのロータコア１５の軸方向全長にわたって行われ、円環がロータコア１５に溶接により固着される。各部分１８ｂにロータコア１５の軸方向全長にわたって溶接が行われることにより、円環の各部分１８ｂは加熱処理を受けて、強磁性体から非磁性のオーステナイト組織に戻る。その結果、円環溶接工程が終了すると、円環は強磁性の部分１８ａと非磁性の部分１８ｂとが交互に存在する保持環１８となる。したがって、加熱処理工程と円環溶接工程とが独立して行われる場合に比較して工数を少なくできる。
【００３０】
○  ロータコア１５を凸部１５ａ有しない形状とし、保持環１８の非磁性体の部分１８ｂを内側に凸の状態に形成し、その凸の部分において保持環１８をロータコア１５の外周の永久磁石１７の間と対応する部分に溶接で固着してもよい。しかし、ロータコア１５に凸部１５ａを形成した方が保持環１８の製造、即ち円環の加工が簡単になる。
【００３１】
○  保持環１８を製造する際、塑性加工された円環の所定箇所に加熱処理を施して、強磁性の部分１８ａと非磁性の部分１８ｂとが交互に存在する保持環１８を形成した後、溶接処理を行う場合は、各部分１８ｂの溶接をスポット溶接で行ってもよい。
【００３２】
○  回転子１４の製造方法において、高透磁率材からなるロータコア１５の外周面に複数個の永久磁石１７を周方向に等間隔で接着するロータコア準備工程は一連の製造工程の中で行う代わりに、ロータコア１５の外周面に複数個の永久磁石１７が周方向に等間隔で接着されたものを、予め準備あるいは購入するようにしてもよい。
【００３３】
○  回転子１４の極数即ち永久磁石１７の数は６に限らない。
○  永久磁石１７はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石に限らず、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石以外の希土類磁石（サマリウム−コバルト磁石）を使用したり、希土類磁石以外の磁石を使用したりしてもよい。しかし、希土類磁石を使用する方が、回転電機の小型化が容易になる。
【００３４】
○  回転電機は電動機に限らず、発電機に適用してもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１に記載の発明において、前記ロータコアは隣接する永久磁石の間と対応する箇所に凸部が形成されており、前記保持環は前記ロータコアの凸部に対して前記非磁性相の部分において溶接により固着されている。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】一実施形態の回転電機の模式図。
【図２】従来技術の回転子の模式図。
【符号の説明】
【００３６】
１４…回転子、１５…ロータコア、１７…永久磁石、１８…保持環、１８ａ，１８ｂ…部分。
【図１】
2008187827.tif 000003
【図２】
2008187827.tif 000004