JP2023070691A - 回転子、回転子の製造方法、及び回転子を有する回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁石の形状又は大きさに因らず、磁石をシャフトに精度よく固定することのできる回転子を提供する。【解決手段】シャフト１と、シャフト１の外周面において周方向に配置された複数のセグメント磁石２と、複数のセグメント磁石２の極間に配置されるモールド樹脂３を備え、複数のセグメント磁石２とモールド樹脂３によりセグメント磁石２が連結された磁石ユニット４を構成し、シャフト１に磁石ユニット４を固定することにより回転子を形成する。【選択図】図１

Description

本願は、回転子、回転子の製造方法、及び回転子を有する回転電機に関するものである。

従来の回転電機における回転子では、接着剤で回転子シャフトの外表面に永久磁石を固定した後、回転子シャフトとともに永久磁石を円管状のＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック：ＣＡＲＢＯＮ ＦＩＢＥＲ ＲＥＩＮＦＯＲＣＥＤ ＰＬＡＳＴＩＣＳ）製のカーボンリングに圧入するものがあった。これにより高速回転時の遠心力強度に対して十分な固定強度が得られ、また、永久磁石の破片が飛散するのを防止することができる（特許文献１参照）。

特開２００５－３１２２５０号公報

従来の回転子においては、小型の磁石を使用する場合に、磁石のシャフトに対する位置決め、更には十分な面積を確保した接着をすることが困難であるという課題があった。さらにセグメント磁石の内周面がシャフトの外周面に沿った形状でない場合に、セグメント磁石をシャフトに接着することが困難であるという課題があった。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、磁石の形状又は大きさに因らず、磁石をシャフトに精度よく固定することを目的とする。

本願に開示される回転子は、
シャフトと、
前記シャフトの外周面において周方向に配置された複数のセグメント磁石と、
複数の前記セグメント磁石の極間に配置されるモールド樹脂を備え、
複数の前記セグメント磁石と前記モールド樹脂により磁石ユニットを構成したものである。

本願に開示される回転子の製造方法は、
セグメント磁石とモールド樹脂によりセグメント磁石が連結された磁石ユニットを形成する工程と、
シャフトに磁石ユニットを固定する工程を有するものである。

又本願に開示される別の回転子の製造方法は、
モールド樹脂を用いて一体成形することによりセグメント磁石をシャフトに固定するものである。

更に本願に開示される回転電機は、
回転子と、回転子の外周に対して隙間を介して設置された固定子を備えたものである。

本願に開示される回転子、回転子の製造方法、及び回転子を有する回転電機によれば、磁石の形状又は大きさに因らず、磁石をシャフトに精度よく固定することができる。

実施の形態１による回転子を示す斜視図である。 実施の形態１による回転子を示す断面図である。 実施の形態１による磁石ユニットを示す斜視図である。 実施の形態１によるモールド治具を示す縦断面図である。 実施の形態１によるモールド治具を示す横断面図である。 実施の形態２による回転子を示す断面図である。 実施の形態３による回転子を示す断面図である。 実施の形態４による回転子を示す断面図である。 実施の形態５による回転子を示す断面図である。 実施の形態５による回転子を示す断面図である。 実施の形態５による回転子を示す断面図である。 実施の形態５による１個のセグメント磁石部分を示す拡大断面図である。 実施の形態５による１個のセグメント磁石部分を示す拡大断面図である。 実施の形態６による回転子を示す断面図である。 実施の形態８による回転電機を示す断面図である。

実施の形態１．
本実施の形態は、シャフト表面に磁石を備えた回転子に関するものである。図１は実施の形態１による回転子を示す斜視図であり、図２は実施の形態１による回転子を示す断面図である。図１において、円柱形状のシャフトの長手方向に沿う方向を軸方向とし、更に軸方向に垂直な方向を径方向と定義する。又図２において、磁石が円周方向に配置される方向を周方向と定義する。図３以後においても同様に定義する。図１、図２において、シャフト１の外周面に、セグメント磁石２とモールド樹脂３によって構成された磁石ユニット４が固定されている。

モールド樹脂３がセグメント磁石２の極間に位置している。これにより磁石ユニット４並びに回転子の外周においては、セグメント磁石２とモールド樹脂３が交互に位置している。シャフト１の断面は、円形形状であり、シャフト１は磁性体で構成されている。セグメント磁石２は、シャフト１に接する円弧形状の内周面と回転子の外周を形成する円弧形状の外周面から構成されている。研磨加工によりセグメント磁石２の内周面と外周面を円弧形状に形成する。更に内周面と外周面を繋ぐ２つの側面は互いに平行な面となっている。また、セグメント磁石２はシャフト１の表面にＮ極とＳ極が交互に位置するように配置されている。

シャフト１の形状は図１に示す円柱形状に限らない。円柱形状以外には角柱形状がある。又セグメント磁石２の形状についても、図１に示す内周面がシャフト１の外周面に合致した円弧形状に限らない。またセグメント磁石２の極数は、図１、図２に示す極数（８極）に限らない。図３はセグメント磁石２をモールド樹脂３によって固定した磁石ユニット４を示す斜視図である。磁石ユニット４を構成する際には、治具を用いて磁石を固定する。図４は磁石ユニット４を構成する際に用いるモールド治具を示す縦断面図、図５は同じく横断面図である。モールド治具８においては、内径保持部品５と磁石固定部品６によってセグメント磁石２を軸方向の上下から保持することにより、セグメント磁石２を任意の位置に固定する。

次に外径保持部品７をセグメント磁石２の外周側に取り付け、その後に複数のセグメント磁石２の間の周方向における隙間にモールド樹脂３を充填することで磁石ユニット４を構成する。内径保持部品５と磁石固定部品６によって、セグメント磁石２の位置決めがなされる。又内径保持部品５と外径保持部品７によって磁石ユニット４の内周形状と外周形状がそれぞれ確定されている。内径保持部品５は、磁石ユニット４の内周形状を確定する円柱形状の部分と、他の部品（セグメント磁石２、磁石固定部品６、外径保持部品７）を取り付けるための底面に設けられた円盤形状の部分から構成されている。磁石固定部品６は、内径保持部品５の底面に対して平行な面を持つリング形状の部品であり、その内周形状と外周形状はそれぞれ内径保持部品５の円柱形状の外周面と外径保持部品７の内周形状に合致した円弧形状となっている。

外径保持部品７は、磁石ユニット４の外周形状を確定するための内周面を持つ中空円筒形状となっている。モールド治具８を構成する各部品の形状並びに部品構成については、図４に示す部品形状並びに部品構成に限らない。例えば内径保持部品５と外径保持部品７が分割されておらず、一体に形成してもよい。このように磁石ユニット４を構成したのち、シャフト１に磁石ユニット４を固定することにより、セグメント磁石の形状並びに大きさに因らず、シャフト１にセグメント磁石２を固定した時に、セグメント磁石の径方向及び周方向の位置ずれが発生することを抑制できる。また、回転子にリング磁石を使用する場合と比べると、セグメント磁石２はリング磁石に比べ残留磁束密度が高い。従って、リング磁石を用いず、セグメント磁石２を使用することにより、回転電機としての性能を向上させることができる。即ちセグメント磁石は、その製作工程において磁界をかけながら材料粉末を成型することで、粉末の磁化し易い方向を揃えることができ、その方向に着磁磁界を印加することで高い磁力の実現が可能となる。一方、回転電機の回転子にリング磁石を使用する場合、中心から放射状の方向に着磁する必要があり、磁化し易い方向が揃った状態での成型ができず、セグメント磁石に比べて高い磁力の実現が困難となる。又本実施の形態による回転子の製造方法は、セグメント磁石２とモールド樹脂３によりセグメント磁石２が連結された磁石ユニット４を形成する工程と、シャフト１に磁石ユニット４を固定する工程を有するものである。

実施の形態２．
図６は実施の形態２による回転子を示す断面図である。磁石ユニット４を構成する際、図６に示すように、モールド樹脂３がセグメント磁石２の外周面を被覆することにより、モールド樹脂３の外周面を回転子の外周面とするようにしても良い。モールド樹脂３の外周面の形状は、図６に示す円形に限らない。例えば円形以外に多角形形状であっても良い。また、シャフト１の形状は図６に示すような円柱形状に限らない。又セグメント磁石２の形状についても、図６に示すように内周面がシャフト１の外周面に合致した円弧形状に限らない。セグメント磁石２の内周面が、シャフト１の外周面に合致した形状でない場合でも、磁石ユニット４を構成する際に、その内周面をモールド樹脂３によってシャフト１の外周面に合致した形状とするので問題はない。更にセグメント磁石２の極数は、図６に示す極数（８極）に限らない。

セグメント磁石２の外周面をモールド樹脂３によって被覆することにより、セグメント磁石の防錆効果を得ることができる。更に、永久磁石であるセグメント磁石２の破片が飛散するのを抑制できる。また、モールド樹脂３によって回転子の外周面の形状を任意に確定できるため、セグメント磁石２の外周の形状が不揃いな場合においても、回転子の外周形状が不揃いとなることを防ぐことができる。実施の形態２における磁石ユニット４を形成するための治具は、図３に示したものと同様のものである。この場合セグメント磁石２と外径保持部品７との間に隙間を設け、その隙間にモールド樹脂３を充填する。

実施の形態３．
図７は実施の形態３による回転子を示す断面図である。図７において、磁石ユニット４をシャフト１の外周面に固定した後、磁石ユニット４の外周にＣＦＲＰもしくはＳＵＳ（ステンレス鋼）製のリング９を設けたものである。円柱形状のシャフト１の外周に磁石ユニット４が固定されており、更に磁石ユニット４の外周にリング９が設けられており、リング９の内周面の形状は、セグメント磁石２全ての外周面に接触する円形形状であり、かつリング９の外周面の形状は、円形形状となっている。

リング９の内周面の形状及び外周面の形状は、図７に示す形状に限らない。例えばリングの厚みが一定でない円環形状にすることができる。又切り欠きを持つ円環形状、又は内周面と外周面の両方もしくはどちらか一方が多角形の形状にリングを形成しても良い。シャフト１の形状は図７に示す円柱形状に限らない。セグメント磁石２の形状については、図７に示すように内周面がシャフト１の外周面に接触し、外周面がリング９の内周面に接触した形状に限らない。例えば内周面については、平面もしくはシャフト１の外周面と曲率の異なる曲面に形成することが出来る。又外周面については、平面もしくはリング９の内周面と異なる曲率の曲面に形成することが出来る。また、セグメント磁石２の極数は、図７に示す極数（８極）に限らない。リング９を設けることで、永久磁石であるセグメント磁石２の破片が飛散するのを防止できる。尚図７においては、図１、図２に示された構造にリング９を取り付けた場合を示しているが、図６に示された構造にリング９を取り付けても良い。

実施の形態４．
図８は実施の形態４による回転子を示す断面図である。図８において、リング９の内周面が円形であり、セグメント磁石２の外周面はリング９の内周面に合致させた円弧形状でない場合を示している。図８においては、セグメント磁石２の外周面は平面形状であり、モールド樹脂３によって磁石ユニット４の外周面をリング９の内周面に合致する円形としたものである。尚セグメント磁石２の内周面はシャフト１の外周面に合致した円弧状に形成されている。磁石ユニット４を構成しているモールド樹脂３がセグメント磁石２の外周面とリング９の内周面との間に位置することにより、回転子の外周形状は円形形状となっている。

円柱形状のシャフト１の外周面にセグメント磁石２とモールド樹脂３で構成された磁石ユニット４が固定され、その磁石ユニット４の外周面にリング９が位置している。セグメント磁石２の外周面については、図８に示す平面形状に限らず、リング９の内周面と異なる曲率を有する曲面形状で形成しても良く、更に曲率の大小関係についても限定されない。又シャフト１の形状は図８に示す円柱形状に限らず、セグメント磁石２の形状についても図８に示す形状に限らない。また、セグメント磁石２の極数は図８に示す極数（８極）に限らない。

磁石ユニット４を形成する際に、モールド樹脂３によって磁石ユニット４の外周面をリング９の内周面に合致した形状にすることにより、セグメント磁石２の外周面の形状に関係なく磁石ユニット４の外周にリング９を取り付けることができる。またリング９がセグメント磁石２より外周に位置することで、永久磁石であるセグメント磁石２の破片が飛散するのを防止できる。即ち本実施の形態においては、リングの内周が円形であり、セグメント磁石２の外周面がリングの内周に合致した円弧状でないものである。

実施の形態５．
図９は実施の形態５による回転子を示す断面図である。本実施の形態においては、シャフト１の外周面の形状が円形であり、セグメント磁石２の内周面がシャフト１の外周に合わせた円弧形状でない場合を示している。図９においては、セグメント磁石２の内周面が平面であり、磁石ユニット４を構成する際に、モールド樹脂３の内周面をシャフト１の外周面に合致させた形状とした回転子を示している。尚セグメント磁石２の外周面も平面状に形成しても良い。磁石ユニット４を構成しているモールド樹脂３が、セグメント磁石２の内周面とシャフト１との間に位置している。これにより磁石ユニット４の内周面がシャフト１の外周面に合致した形状となっている。セグメント磁石２の内周面は、図９に示す平面状に限らず、シャフト１の外周面と曲率の異なる曲面状に形成しても良く、その曲率の大小関係についても限定しない。シャフト１の形状は、図９に示す円柱形状に限らず、セグメント磁石２の形状についても図９に示す形状に限らない。即ちシャフト１の形状については、多角形の形状であっても良い。また、セグメント磁石２の形状については、外周面も平面の直方体形状にしても良い。この場合モールド樹脂３がセグメント磁石２の外周面を被覆することになる。また、セグメント磁石２の極数は図９に示す極数（８極）に限らない。

また、ある直径のシャフト１の外周面に合わせた内周面の形状を持つセグメント磁石２を、直径が異なる別のシャフト１に適用して回転子を構成することもできる。図１０、図１１は、同一の断面形状を持つセグメント磁石２を用いて磁石ユニット４を構成した回転子を示す断面図であり、図１０においては、セグメント磁石２の内周面に合ったシャフト１の外周面に磁石ユニット４を固定した８極の回転子を示している。一方図１１は図１０に示されたものと同一の断面形状を持つセグメント磁石２を用いて磁石ユニット４を構成した場合を示しており、図１０に示したシャフトに比べて直径の大きな円柱形状のシャフト１の外周面に磁石ユニット４を固定した２４極の回転子を示している。図１２は図１０における１個のセグメント磁石部分を示す拡大断面図であり、図１３は図１１における１個のセグメント磁石部分を示す拡大断面図である。図１１、図１３に示すように、磁石ユニット４を構成しているモールド樹脂３が、セグメント磁石２の内周面に位置することで、磁石ユニット４の内周面がシャフト１の外周面に合致した形状となっている。シャフト１の形状は図１０、図１１に示す円柱形状に限らず、セグメント磁石２の形状についても、図１０～図１３に示す形状に限らない。また、セグメント磁石２の極数は図１０、図１１に示す極数に限らない。

磁石ユニット４の内周面をモールド樹脂３によってシャフト１の外周面に合った形状とする。これによりセグメント磁石２の内周面の形状によらず、磁石ユニット４とシャフト１を面で接着することができる。また、図１１、図１３に示すように、セグメント磁石２の内周面の曲率がシャフト１の外周面の曲率と異なる曲面に形成されている場合においても、モールド樹脂３によって磁石ユニット４の内周面をシャフト１の外周面に合致した曲面とすることができる。従ってシャフト１の直径又は磁石の極数が異なる回転子であっても、セグメント磁石２を共用化することができる。

実施の形態６．
図１４は実施の形態５による回転子を示す断面図である。本実施の形態においては、セグメント磁石２とモールド樹脂３を用いて磁石ユニット４を構成する際、磁石ユニット４の形状を円筒ではなく、一部に切り欠き１０を設けた形状としたものである。図１４においては、セグメント磁石２とモールド樹脂３を用いて磁石ユニット４を構成する際に、モールド樹脂３の一部に切り欠き１０を設けた場合を示しており、磁石ユニット４を円柱形状のシャフト１の外周面に固定した回転子を示している。

切り欠き１０の位置、形状並びに幅は、図１４に示した位置、形状並びに幅に限らない。シャフト１の形状は図１４に示した円柱形状に限らない。又セグメント磁石２の形状についても図１４に示す形状に限らない。またセグメント磁石２の極数は図１４に示す極数（８極）に限らない。
切り欠き１０を設けることで、シャフト１へ磁石ユニット４を固定した後に、線膨張係数の差によって発生する応力が原因となり、磁石ユニット４に割れ又はひびが生じて損傷が発生することを抑制することができる。

実施の形態７．
回転子を構成する際に、図４、図５に示すように、セグメント磁石２とモールド樹脂３を用いて磁石ユニット４を構成した後にシャフト１へ固定するのではなく、シャフト１とセグメント磁石２とモールド樹脂３とを用いて、一体成形によって回転子を構成しても良い。即ちモールド樹脂３を用いて一体成形することによりセグメント磁石２をシャフト１に固定するものである。この場合、治具としては、図４、図５における内径保持部品５の部分にシャフト１を設置することとなる。その他の製造工程は、図４、図５に基づいて説明した場合と同じである。一体成形により回転子を構成することで、シャフト１の外周面とセグメント磁石２の内周面との距離をより小さくすることができる。

実施の形態８．
図１５は上記実施の形態１～７に示す回転子を備えた回転電機を示す断面図である。回転電機は回転子１１と固定子１２を用いて構成されている。回転子１１は上記実施の形態１～７に示したシャフト１及び磁石ユニット４より構成されている。固定子１２の内周形状と外周形状はともに円形であり、コイル１４を巻回するためのスロット１３が９ヶ所設けられている。回転子１１の外周に所定の隙間を介して固定子１２が位置しており、回転子１１のシャフト１の中心と、固定子１２の内周円の中心とが一致している。また、固定子１２のスロット１３にはコイル１４が巻回されている。図１５においては、回転子１１の極数が８、固定子１２のスロット数が９の回転電機を示しているが、回転子の極数及び固定子のスロット数は図１５に示す数に限らない。また、固定子１２の内周形状と外周形状、そしてスロット１３の形状、コイル１４の巻き数についても図１５に示す形状又は巻き数に限らない。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ シャフト、２ セグメント磁石、３ モールド樹脂、４ 磁石ユニット、
９ リング、１０ 切り欠き、１１ 回転子、１２ 固定子。

Claims (9)

1. シャフトと、
   前記シャフトの外周面において周方向に配置された複数のセグメント磁石と、
   複数の前記セグメント磁石の極間に配置されるモールド樹脂を備え、
   複数の前記セグメント磁石と前記モールド樹脂により磁石ユニットを構成した回転子。
2. 前記モールド樹脂が複数の前記セグメント磁石の外周面を被覆する請求項１記載の回転子。
3. 前記磁石ユニットの外周にリングを配置した請求項１又は請求項２に記載の回転子。
4. 前記リングの内周面を円形状に形成するとともに、前記セグメント磁石の外周面は前記リングの内周面に合致しない形状に形成され、前記セグメント磁石の外周面と前記リングの内周面の間に前記モールド樹脂が介在している請求項３記載の回転子。
5. 前記シャフトの外周面を円形状に形成するとともに、前記セグメント磁石の内周面は前記シャフトの外周面に合致しない形状に形成され、前記セグメント磁石の内周面と前記シャフトの外周面の間に前記モールド樹脂が介在している請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転子。
6. 前記モールド樹脂の一部に切り欠きを設けた請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転子。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転子の製造方法であって、
   前記セグメント磁石と前記モールド樹脂により前記セグメント磁石が連結された前記磁石ユニットを形成する工程と、
   前記シャフトに前記磁石ユニットを固定する工程を有する回転子の製造方法。
8. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転子の製造方法であって、前記モールド樹脂を用いて一体成形することにより前記セグメント磁石を前記シャフトに固定する回転子の製造方法。
9. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転子と、前記回転子の外周に対して隙間を介して設置された固定子を備えた回転電機。

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