DE102015117373A1

DE102015117373A1 - Magnethalteelement, das in einer elektrischen Rotationsmaschine verwendet wird, Rotor, elektrische Rotationsmaschine und Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102015117373A1
Application number: DE102015117373.5A
Authority: DE
Inventors: Yohei Arimatsu
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2016-04-21
Anticipated expiration: 2035-10-14
Also published as: DE102015117373B4; US9680342B2; CN105529850B; CN105529850A; JP5980874B2; US20160111926A1; JP2016082773A

Abstract

Es handelt sich um ein Magnethalteelement, das die Umdrehungsgeschwindigkeit einer elektrischen Rotationsmaschine erhöhen und ihre Verlässlichkeit verbessern oder beibehalten kann, einen Rotor, der das Magnethalteelement aufweist, eine elektrische Rotationsmaschine, die den Rotor aufweist, und eine Werkzeugmaschine, die die elektrische Rotationsmaschine aufweist. Wenn ein Abschnitt zwischen einem axialen Ende und einem anderen axialen Ende des Rotors als eine Traverse bezeichnet wird, weist das Halteelement eine zylindrische Form auf, die durch spiralförmiges Wickeln eines Faserbündels, das über wenigstens eine Traverse nicht unterbrochen ist, auf den Außenumfang des Rotors von einem axialen Ende zu dem anderen axialen Ende gebildet wird. Das Halteelement wird durch einen FRP gebildet, der ein Harz als Matrix aufweist; und an wenigstens einem aus einem Wicklungsanfangsende und einem Wicklungsabschlussende des Faserbündels wird eine Abschlussbehandlung unter Verwendung eines reaktiven härtenden Harzes durchgeführt.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnethalteelement, das in einer elektrischen Rotationsmaschine verwendet wird, einen Rotor, der das Magnethalteelement aufweist, eine elektrische Rotationsmaschine, die den Rotor aufweist, und eine Werkzeugmaschine, die die elektrische Rotationsmaschine aufweist.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Ein Synchronelektromotor, der einen Stator mit mehreren Magneten umfasst, wobei die Magnete an einer Fläche des Rotors in dessen Umfangsrichtung positioniert sind, ist wohlbekannt. Wenn bei einem derartigen Synchronelektromotor die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors erhöht werden muss, ist es nötig, die Stärke des Halts der Magnete an dem Stator zu erhöhen, um zu verhindern, dass die Magnete aufgrund der Zentrifugalkraft von dem Stator abgetrennt werden.
Als relevantes Dokument des Stands der Technik offenbart zum Beispiel JP H11-089142 A einen Rotor eines Elektromotors, der eine Drehwelle, eine Hülse, die an einer Außenfläche der sich drehenden Welle positioniert ist, einen Dauermagnet mit einer zylindrischen Form, der an einer Außenfläche der Hülse positioniert ist, und ein aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFRP) bestehendes Halteelement, das an einer Außenfläche des Dauermagnets positioniert ist, umfasst.
Um den Rotor mit einer hohen Geschwindigkeit zu drehen, ist es nötig, dass das Halteelement des Magnets eine hohe Stärke aufweist. Wenn zum Beispiel wie in JP H11-089142 A beschrieben ein aus CFRP bestehendes Halteelement verwendet wird, kann die Haltestärke durch Erhöhen der Spannung in der Umfangsrichtung des Halteelements erhöht werden. Doch tatsächlich kann eine Faser des Halteelements locker werden oder kann sich eine äußere Faserschicht von einer inneren Faserschicht in dem Halteelement ablösen, wenn das Halteelement hergestellt wird. Daher ist es schwierig, die Haltestärke durch Erhöhen der Spannung zu erhöhen.
Das Lockerwerden der Faser und/oder das Ablösen der Faserschicht kann zum Beispiel auftreten, wenn als Halteelement ein faserverstärkter Kunststoff verwendet wird, der durch Wickeln eines bogenartigen Materials auf eine zylinderförmige Schablone gebildet wird. Konkret können ein Abschlussende und ein Umgebungsbereich des aufgewickelten Bogenmaterials nicht der ausgeübten Spannung entsprechend ausreichend ausgedehnt werden, und kann die Außenschicht von der Innenschicht abgetrennt werden, wodurch die Verlässlichkeit des Rotors verschlechtert werden kann. Dieses Problem wird wahrscheinlich in dem Abschlussende des aufgewickelten Bogenmaterials auftreten. Zudem können dann, wenn in dem Halteelement aufgrund eines großen Übermaßes des Halteelements eine große Wiederherstellungskraft auftritt, die Fasern der äußeren Schicht gelockert werden, indem sie zwischen die Fasern der inneren Schicht eindringen, wodurch die verlangte Haltestärke nicht erhalten werden kann.
Daher wird ein verlässliches Halteelement benötigt, bei dem sich das Anfangsende und das Abschlussende des aufgewickelten Bogens nicht ablösen und die Fasern der äußeren Schicht nicht zwischen die Fasern der inneren Schicht eindringen, selbst wenn eine hohe Haltestärke des Halteelements benötigt wird.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Magnethalteelement, das die Umdrehungsgeschwindigkeit einer elektrischen Rotationsmaschine erhöhen und ihre Verlässlichkeit verbessern oder beibehalten kann, einen Rotor, der das Magnethalteelement aufweist, eine elektrische Rotationsmaschine, die den Rotor aufweist, und eine Werkzeugmaschine, die die elektrische Rotationsmaschine aufweist, bereitzustellen.
Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung stellt ein Halteelement bereit, das in einer elektrischen Rotationsmaschine mit einem Rotor und mehreren Magneten, die an einer äußeren Umfangsfläche des Rotors positioniert sind, verwendet wird, wobei das Halteelement radial außerhalb der Magnete positioniert ist und ausgebildet ist, um die Magnete radial einwärts zu pressen und zu halten, wobei das Halteelement eine zylindrische Form aufweist, die durch spiralförmiges Wickeln eines Faserbündels, das über wenigstens eine Traverse nicht unterbrochen ist, auf den Außenumfang des Magnets von einem axialen Ende zu dem anderen axialen Ende an der Außenseite des Rotors gebildet ist, wobei die eine Traverse aus Abschnitten zwischen dem einen axialen Ende und dem anderen axialen Ende des Rotors wenigstens einen Abschnitt, in dem die Magnete positioniert sind, umfasst, und wobei das Halteelement durch ein faserverstärktes Harz, das ein Harz als Matrix umfasst, gebildet ist, und eine Abschlussbehandlung wenigstens eines Wicklungsanfangsendes und eines Wicklungsabschlussendes des Faserbündels unter Verwendung eines ersten Harzes, das ein reaktives härtendes Harz ist, durchgeführt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Halteelement durch Vornehmen mehrerer Wickeltätigkeiten gebildet, wobei jede Wickeltätigkeit das Faserbündel der einen Traverse entsprechend wickelt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind das Wicklungsanfangsende und das Wicklungsabschlussende des nicht unterbrochenen Faserbündels an der gleichen Seite des Rotors in dessen Achsenrichtung positioniert und wird die Abschlussbehandlung des Anfangsendes und des Abschlussendes durch Verkleben des Anfangsendes und des Abschlussendes unter Verwendung des ersten Harzes durchgeführt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Faserbündel als flaches Band gebildet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Harz ein Epoxidharz.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird in einem Abschnitt zwischen einem Abschlussbehandlungsbereich des Wicklungsanfangsendes und einem Abschlussbehandlungsbereich des Wicklungsabschlussendes ein zweites Harz verwendet, das sich von dem ersten Harz unterscheidet.
In diesem Fall wird bevorzugt, dass eine Glasübergangstemperatur des zweiten Harzes niedriger als eine Glasübergangstemperatur des ersten Harzes ist. Es wird bevorzugt, dass die Zugscher-Haftfestigkeit des zweiten Harzes, die erhalten wird, wenn die Faserbündel durch das zweite Harz aneinander geklebt werden, niedriger als jene des ersten Harzes ist. Es wird bevorzugt, dass die Izod-Schlagfestigkeit des zweiten Harzes höher als die Izod-Schlagfestigkeit des ersten Harzes ist oder die Izod-Schlagfestigkeit des zweiten Harzes nicht messbar ist, da das zweite Harz bei einem Izod-Schlagversuch nicht zerstört wird. Ferner wird bevorzugt, dass das zweite Harz ein Acrylharz ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Faserbündel eine Kohlefaser.
Ein anderer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung stellt einen Rotor bereit, der das Halteelement der Erfindung umfasst, wobei eine Spannung in einer Umfangsrichtung des Rotors auf das Halteelement ausgeübt wird, und aufgrund der Spannung eine radial einwärts gerichtete elastische Druckkraft auf die Magnete ausgeübt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein gesondertes Element mit einer zylindrischen Form in einem konzentrischen Muster an dem Außenumfang des Halteelements positioniert, wobei eine Spannung in einer Umfangsrichtung des gesonderten Elements auf das gesonderte Element ausgeübt wird und aufgrund der Spannung, die auf das gesonderte Element ausgeübt wird, eine radial einwärts gerichtete Druckkraft auf das Halteelement ausgeübt wird.
Noch ein anderer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung stellt eine elektrische Rotationsmaschine bereit, die den Rotor der Erfindung umfasst.
Noch ein anderer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung stellt eine Werkzeugmaschine bereit, die die elektrische Rotationsmaschine der Erfindung umfasst.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen offensichtlich werden, wobei
1 eine Ansicht ist, die einen schematischen Aufbau eines Elektromotors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine Ansicht ist, die eine Hülse mit einer anderen Form als jener der Hülse des Elektromotors von 1 zeigt;
3 eine Ansicht ist, die eine Tätigkeit zur Positionierung von Dauermagneten an vorherbestimmten Positionen an einem Rotor unter Verwendung der Hülse von 2 zeigt;
4 ein Aufbaubeispiel für ein Magnethalteelement der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ein anderes Aufbaubeispiel für ein Magnethalteelement der vorliegenden Erfindung zeigt;
6a bis 6c ein Beispiel für eine Abschlussbehandlung eines Wicklungsanfangsendes eines Faserbündels, das das Magnethalteelement bildet, zeigen;
7a bis 7c ein anderes Beispiel für eine Abschlussbehandlung eines Wicklungsanfangsendes eines Faserbündels, das das Magnethalteelement bildet, zeigen;
8a und 8b ein Beispiel für eine Abschlussbehandlung eines Wicklungsabschlussendes eines Faserbündels, das das Magnethalteelement bildet. zeigen;
9 eine schematische Ansicht ist, die einen radialen Querschnitt des Rotors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach dem Abschluss des Zusammenbaus des Rotors zeigt; und
10 eine schematische Ansicht ist, die einen radialen Querschnitt des Rotors nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach dem Abschluss des Zusammenbaus des Rotors zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt werden. Der Verkleinerungsmaßstab der veranschaulichten Ausführungsform wird passend verändert, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern.
1 ist eine schematische längsgeschnittene Ansicht eines Dauermagnet-Elektromotors (oder einer elektrischen Rotationsmaschine) 100 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zum Beispiel ist der Elektromotor 100 ein Elektromotor des Typs mit Magneten an der Oberfläche (SPM), bei dem mehrere Dauermagnete an einer Fläche eines Rotors des Motors angebracht sind. Der Elektromotor 100 weist einen Rotor 10 und einen Stator 50 auf, die in einem konzentrischen Muster positioniert sind. Der Elektromotor 100 ist so ausgebildet, dass er durch eine magnetische Wechselwirkung zwischen dem Rotor 10 und dem Stator 50 eine Rotationskraft erzeugt.
Der Stator 50 weist einen zylinderförmigen Eisenkern 52, in dem ein Schlitz (nicht gezeigt), der parallel zu einer Achsenrichtung verläuft, gebildet ist, und eine Spule 54, die durch den Schlitz auf den Eisenkern 52 gewickelt ist, auf. Der Stator 50 ist an einem Gehäuse 102 des Motors 100, das den Stator 50 umgibt, fixiert. Wenn der Elektromotor 100 betrieben wird, wird zum Beispiel ein dreiphasiger Wechselstrom zu der Spule 54 geführt und ein sich drehendes Magnetfeld um den Rotor 10 erzeugt.
Der Rotor 10 weist eine Hülse 14, die zum Beispiel durch eine Presspassung auf einen Außenumfang einer mit einer Spindel einer Werkzeugmaschine verbundenen zylinderförmigen Drehwelle 12 gesetzt ist; mehrere Dauermagnete 16, die an einer äußeren Umfangsfläche der Hülse 14 in deren Umfangsrichtung positioniert sind; und ein Magnethalteelement 20, das so an einem Außenumfang der Magnete 16 angebracht ist, dass es die Magnete 16 hält, auf. Die Drehwelle 12 wird durch ein Lager (nicht gezeigt) so gehalten, dass sie sich um eine Drehachse X dreht, wenn der Elektromotor 100 betrieben wird. Die Hülse 14, die Magnete 16 und das Halteelement 20 sind so ausgebildet, dass sie sich einstückig mit der Drehwelle 12 drehen.
Bei dem Beispiel von 1 ist an einem Ende (dem rechten Ende in der Zeichnung) der Hülse 14 ein Flansch 14a gebildet, der auf eine stufenartige Weise radial nach außen vorspringt. In dem Flansch 14a ist ein Fluidpfad 18 gebildet, der einen Außenraum 22 des Rotors 10 und eine Grenzfläche 24 zwischen einer inneren Umfangsfläche der Hülse 14 und einer äußeren Umfangsfläche der Drehwelle 12 fluidisch verbindet. In dem Fluidpfad 18 ist ein Schraubenloch 18a gebildet, das sich zu dem Innenraum 22 hin öffnet. An beiden axialen Enden der Hülse 14 sind ringförmige Nuten gebildet, und in jeder ringförmigen Nut ist ein Dichtungselement 26 wie etwa ein O-Ring positioniert.
Hier bezieht sich der Ausdruck ”radial nach außen” auf eine Richtung, die in dem Querschnitt von der Drehachse X weg führt, und bezieht sich der Ausdruck ”radial einwärts” auf eine Richtung, die in dem Querschnitt zu der Drehachse X hin führt. Ferner bezieht sich der Ausdruck ”Richtung der Achse” oder ”Achsenrichtung” auf eine Richtung, die zu der Drehachse X parallel verläuft.
Bei dieser Ausführungsform ist der Rotor 10 durch eine hydraulische Druckbefestigung an der Drehwelle 12 angebracht. Mit anderen Worten wird der Durchmesser des Rotors 10 durch einen hydraulischen Druck, der der Grenzfläche 24 zwischen der Hülse 14 und der Drehwelle 12 über Fluidpfade, die in vorherbestimmten Abständen in der Umfangsrichtung der Hülse 14 gebildet sind, zugeführt wird, erhöht. Hier sind Zufuhrdüsen (nicht gezeigt) in Schraubenlöcher 18 eingesetzt, um das Öl in die Fluidpfade 18 zu liefern. In diesem Zusammenhang kann wenigstens ein Fluidpfad 18 zur Entlüftung verwendet werden.
Das zu der Grenzfläche 24 geführte Öl wird durch Dichtungselemente 26, die an den beiden Enden der Hülse 14 positioniert sind, eingeschlossen, so dass es nicht in den Außenraum 22 des Rotors 10 ausläuft. Das Öl wirkt als Schmiermittel zwischen der inneren Umfangsfläche der Hülse 14 und der äußeren Umfangsfläche der Drehwelle 12. Dank dessen kann die Hülse 14 leicht gleitend in der Achsenrichtung an eine vorherbestimmte Position in Bezug auf die Drehwelle 12 bewegt werden.
2 zeigt eine Hülse 14b mit einer anderen Form als jener der Hülse 147 von 1. Eine innere Umfangsfläche der Hülse 14b ist als konische Fläche ausgeführt, deren Durchmesser von einem axialen Ende zu einem anderen axialen Ende hin allmählich abnimmt. Wenigstens ein Bereich der äußeren Umfangsfläche der Drehwelle 12, an der die Hülse 14b fixiert ist, ist als konische Fläche ausgeführt, die sich in die gleiche Richtung wie die innere Umfangsfläche der Hülse 14b neigt. In diesem Fall wird wie in einem oberen Teil von 3 gezeigt die Hülse 14 in Bezug auf die Drehwelle 12 von der Seite mit dem kleinen Durchmesser zu der Seite mit dem großen Durchmesser (von der rechten Seite zu der linken Seite in der Zeichnung) bewegt. In diesem Zusammenhang sind die Abmessungen der Hülse 14b und der Drehwelle 12 so bestimmt, dass ein vorherbestimmtes Übermaß erhalten wird, wenn die Hülse 14b eine vorherbestimmte Position erreicht (wie in einem unteren Teil von 3 gezeigt). In diesem Fall ist es nicht nötig, Fluidpfade 18 einzurichten, und ist die Grenzfläche zwischen der Drehwelle 12 und der Hülse 14b als konische Fläche gebildet.
Mit anderen Worten beträgt das Übermaß in der Position, die in dem oberen Teil von 3 gezeigt ist, null. Während die Hülse 14b aus dem Zustand des oberen Teils von 3 in der Achsenrichtung nach links bewegt (gepresst) wird, wird die Hülse 14b radial und nach außen erweitert. Dann, wenn die Presspassung der Hülse 14b abgeschlossen ist (unterer Teil von 3), ist der Durchmesser der Hülse 14b erweitert. Als Ergebnis wird in dem Halteelement 20 eine Spannung in seiner Umfangsrichtung erzeugt und werden die Magnete 16 aufgrund der elastischen Wiederherstellungskraft durch das Halteelement 20 radial und einwärts gepresst und die Magnete 16 dadurch fest gehalten und gegen die äußere Umfangsfläche der Hülse 14b gepresst. Daher ist es bei dem Beispiel von 3 nicht nötig, den Durchmesser des Halteelements 20 durch einen hydraulischen Druck zu erweitern; statt dessen wird der Durchmesser des Halteelements 20 durch das Gleiten entlang der konischen Fläche erweitert.
So wie bei den Dauermagneten 16 von 1 sind mehrere Dauermagnete in der Umfangsrichtung der Hülse 14b an deren äußerer Umfangsfläche positioniert und kann jeder Magnet eine teilweise zylindrische Form aufweisen. Ferner kann der Dauermagnet 16 in der Achsenrichtung geteilt sind, so dass Dauermagnete 16a, 16b und 16c in einer Reihe angeordnet sind, wie in 2 gezeigt ist.
Wie nachstehend erklärt besteht das Halteelement 20 aus einem zylinderförmigen Element, das durch Wickeln eines Faserbündels mit einer konstanten Breite gebildet ist. Das Halteelement 20 kann durch direktes Wickeln des Faserbündels auf die äußere Umfangsfläche des Magnets gebildet werden oder kann vorab als zylindrische Form gebildet werden und danach an dem Außenumfang des Magnets angebracht werden.
Der Durchmesser des Halteelements 20 wird so erweitert, dass er im Hinblick auf die Passung mit dem Dauermagnet 16 ein vorherbestimmtes Übermaß aufweist. Dank dessen weist das Halteelement 20 eine potentielle Spannung oder Wiederherstellungskraft in seiner Umfangsrichtung auf und wird eine ausreichende Kraft in der radial einwärts gerichteten Richtung erzeugt, um die Magnete 16 gegen die Zentrifugalkraft, die durch die Drehung des Rotors 10 erhalten wird, zu halten. Es ist eine umso höhere Haltestärke (d. h. eine umso höhere Spannung) nötig, je höher die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors ist. Es wird eine umso höhere Spannung erhalten, je größer das Übermaß des Halteelements 20 ist. Daher ist es nötig, dass das Halteelement 20 eine Spannung erzeugt, die der Haltestärke entspricht, welche durch die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors verlangt wird, und wird somit das nötige Übermaß zur Erzeugung der Spannung bestimmt.
Als nächstes werden Einzelheiten des Aufbaus des Halteelements 20 erklärt. Das Halteelement 20 ist aus einem faserverstärkten Kunststoff (nachstehend als ”FRP” bezeichnet) gebildet, worin ein Bündel von Fasern (oder ein Faserbündel) einstückig mit einem Matrixharz ausgeführt ist. Das Faserbündel und das Matrixharz können zu jedem beliebigen Zeitpunkt in einem Prozess zur Bildung des Halteelements 20 an dem Außenumfang des Magnets vereinigt werden. solange die Vereinigung durchgeführt wird, bevor das Halteelement 20 die Spannung erzeugt.
Zum Beispiel kann ein Prepreg-Faserbündel vorbereitet werden, wobei das Matrixharz in das Faserbündel imprägniert ist. Ein zylinderförmiges Element wird gebildet, indem das Prepreg-Faserbündel auf eine Bildungsschablone gewickelt wird und die Schablone von dem Faserbündel entfernt oder abgezogen wird, nachdem das Harz gehärtet ist. Dann wird das Halteelement 20 gebildet, indem das zylinderförmige Element auf den Außenumfang des Magnets gesetzt wird. Oder das Halteelement 20 kann gebildet werden, indem das Prepreg-Faserbündel direkt auf den Umfang des Magnets gewickelt wird und das Harz gehärtet wird.
Alternativ kann ein Faserbündel auf die Bildungsschablone gewickelt werden, während das Matrixharz auf das Faserbündel aufgebracht wird, so dass das Faserbündel einstückig mit dem Matrixharz ausgeführt wird. Nach dem Härten des Harzes kann das zylinderförmige Element gebildet werden, indem die Schablone entfernt wird, und kann das zylinderförmige Element auf den Außenumfang des Magnets gesetzt werden. Oder ein Faserbündel kann direkt auf den Außenumfang des Magnets gewickelt werden, während das Matrixharz auf das Faserbündel aufgebracht wird, so dass das Faserbündel einstückig mit dem Matrixharz ausgeführt wird. In diesem Fall wird das Halteelement 20 durch Härten des Harzes an dem Außenumfang des Magnets an dem Außenumfang des Magnets gebildet.
Alternativ können das Faserbündel und das Matrixharz durch Imprägnieren des Harzes durch Vakuumimprägnierung in die Faser, nachdem das Faserbündel auf die Bildungsschablone gewickelt wurde, vereinigt werden. Das zylinderförmige Element kann durch Entfernen der Schablone, nachdem das Harz gehärtet ist, gebildet werden, und das zylinderförmige Element kann auf den Außenumfang des Magnets gesetzt werden. Oder das Faserbündel und das Matrixharz können durch Imprägnieren des Harzes durch Vakuumimprägnierung in die Faser, nachdem das Faserbündel direkt auf den Außenumfang des Magnets des Rotors gewickelt wurde, vereinigt werden. In diesem Fall wird das Halteelement 20 durch Härten des Harzes an dem Außenumfang des Magnets an dem Außenumfang des Magnets gebildet.
Wie durch das Bezugszeichen 23 in dem unteren Teil von 3 angegeben kann an der äußeren Umfangsfläche der Drehwelle 12 ein Stufenabschnitt (oder ein Anliegeabschnitt 23) gebildet werden, um die Positionierung der Hülse 14b zu erleichtern. Ein Bereich 25 der Drehwelle 12 ist um eine Länge LT eines konischen Abschnitts von dem Stufenabschnitt 23 getrennt, und der Durchmesser des Bereichs 25, der mit einem konischen Abschnitt 27 versehen ist, ist so bestimmt, dass der Bereich 25 nicht störend mit einem Abschnitt der Hülse mit dem kleinsten Durchmesser eingreift (d. h., der Durchmesser des Bereichs 25 ist kleiner als der kleinste Durchmesser der Hülse).
Als Faser des FRP, der zur Bildung des Halteelements 20 verwendet wird, wird zum Beispiel eine Kohlefaser, eine Glasfaser, eine Aramidfaser, eine Siliziumcarbidfaser, eine Borfaser, eine Titanlegierungsfaser, eine ultrahochmolekulare Polyethylenfaser oder eine Polybutylenterephthalatfaser (d. h., ein Material mit einer hohen spezifischen Stärke (oder Zugfestigkeit pro Einheitsdichte)) bevorzugt. Insbesondere wird bevorzugt, dass eine Molekularstruktur der Oberfläche der Faser eine funktionelle Gruppe wie -CO-, C=O oder COOH aufweist.
Als nächstes werden bevorzugte Beispiele für eine Weise des Wickelns des Faserbündels zur Bildung des Halteelements 20 beschrieben werden. Hier wird ein Abschnitt unter den Abschnitten zwischen dem einen axialen Ende und dem anderen axialen Ende des Rotors, der wenigstens einen Abschnitt enthält, in dem der Dauermagnet positioniert ist (nachstehend auch als ”Magnetabschnitt” bezeichnet, siehe den Abschnitt L16 in 2), als eine Traverse (siehe den Abschnitt L20 in 4) bezeichnet. In diesem Fall wird zur Bildung des Halteelements 20 ein Faserbündel verwendet, das über wenigstens eine Traverse (L20) fortlaufend oder nicht unterbrochen ist. Mit anderen Worten wird das Faserbündel von einem axialen Ende zu dem andern axialen Ende fortlaufend und spiralförmig auf den Außenumfang des Rotors oder der Bildungsschablone gewickelt.
Das Halteelement 20 ist so ausgebildet, das es nach der Anordnung an dem Außenumfang des Magnets die Spannung zum Halten des Magnets erzeugt, wenn es an der Drehwelle fixiert wird. Daher ist es nötig, dass das Halteelement 20 (sein Faserbündel) nicht durch die Spannung gelockert wird, und ist es insbesondere nötig, dass ein Wicklungsanfangsende und ein Wicklungsabschlussende des Faserbündels sicher so bearbeitet oder behandelt werden, dass sie nicht gelöst werden. Mit anderen Worten wird der Abschnitt zwischen den Enden nicht gelockert, wenn das Anfangsende und das Abschlussende sicher festgespannt werden. Daher ist ein Prozess oder eine Behandlung zum Festspannen des Anfangsendes und des Abschlussendes wichtig.
4 zeigt ein Beispiel für ein Verfahren zum Bilden des Halteelements 20 durch das Wickeln eines Faserbündels 30 auf den Außenumfang einer Bildungsschablone 21 mit einer zylindrischen oder einer Säulenform. Durch ein ähnliches Verfahren kann das Faserbündel direkt auf den Außenumfang des Magnets 16 gewickelt werden, um das Halteelement 20 direkt auf dem Dauermagnet 16 zu bilden. Das Faserbündel 30 weist an einem Ende des Traversenabschnitts L20 ein Wicklungsanfangsende 30a und an dem anderen Ende des Traversenabschnitts L20 ein Wicklungsabschlussende 30b auf. Das Wicklungsanfangsende 30a wird von einer Innenseite zu einer Außenseite der Wicklung gezogen, und wird für wenigstens eine ”Umrundung” auf den gleichen Umfang (oder die gleiche axiale Position) gewickelt, um einen Überlappungsbereich zu bilden, in dem das Wicklungsanfangsende 30a und ein Abschnitt vor der einen Umrundung des Faserbündels 30 einander überlappen. Dann werden das Anfangsende und der Abschnitt vor der einen Umrundung des Überlappungsbereichs unter Verwendung eines ersten Harzes (hier nachstehend auch als Harz ”A” bezeichnet) gebunden und fixiert (konkret, durch Aufbringen des Harzes ”A” auf den Überlappungsbereich und Härten des Harzes), wodurch ein Fixierungsprozess (oder eine Abschlussbehandlung) des Wicklungsanfangsendes 30a abgeschlossen ist. In diesem Zusammenhang ist das Harz ”A” ein reaktives härtendes Harz, das durch Erwärmen gehärtet werden kann.
Andererseits wird nach dem spiralförmigen Wickeln des Faserbündels von einem Ende zu dem anderen Ende des Traversenabschnitts L20 das Wicklungsabschlussende 30b für wenigstens eine Umrundung auf den gleichen Umfang (oder die gleiche axiale Position) gewickelt, um einen Überlappungsbereich zu bilden, in dem das Wicklungsabschlussende 30b und ein Abschnitt vor der einen Umrundung des Faserbündels 30 einander überlappen. Dann werden das Abschlussende und der Abschnitt vor der einen Umrundung des Überlappungsabschnitts unter Verwendung des Harzes ”A” gebunden und fixiert (konkret, durch Aufbringen des Harzes ”A” auf den Überlappungsabschnitt und Härten des Harzes), wodurch ein Fixierungsprozess (oder eine Abschlussbehandlung) des Wicklungsabschlussendes 30b abgeschlossen ist. In diesem Zusammenhang ist die Länge des Traversenabschnitts L20 gleich oder länger als die Länge des Magnetabschnitts L16 (2). Es wird bevorzugt, dass die Überlappungsbereiche im Hinblick auf das Anfangsende 30a und das Abschlussende 30b durch Wickeln des Faserbündels für eine oder mehrere Umrundungen auf die gleiche axiale Position gebildet werden, und dass der gebundene Bereich breiter als eine Umrundung ist.
An dem Überlappungsbereich kann das Ende des Faserbündels die vorherige Umrundung überlappen, oder kann es unter die vorherige Umrundung eingebracht werden. In letzterem Fall kann das Ende des Faserbündels stark fixiert werden, da beide Seiten des Endes des Faserbündels an den anderen Abschnitt des Faserbündels gebunden werden können. Als Harz ”A” ist ein Harz, das während der Härtung durch eine Reaktion mit einer funktionellen Gruppe an der Oberfläche der Faser eine chemische Bindung herstellen kann, besonders bevorzugt. Beispielweise ist ein Epoxidharz (konkret, ein Harz mit einer Epoxidgruppe) bevorzugt.
Um die Haltestärke des Halteelements 20 in der Achsenrichtung so weit als möglich auszugleichen, wird bevorzugt, dass der obige Bindungsprozess an dem Anfangs- und dem Endpunkt oder in der Nähe dieser Punkte des Traversenabschnitts L20 durchgeführt wird.
5 zeigt ein anderes Beispiel für ein Verfahren zur Bildung des Halteelements 20 durch Wickeln eines Faserbündels 30 auf den Außenumfang einer Bildungsschablone 21. Durch ein ähnliches Verfahren kann das Faserbündel direkt auf den Außenumfang des Magnets 16 gewickelt werden, um das Halteelement 20 direkt auf dem Dauermagnet 16 zu bilden. Bei dem Beispiel von 5 wird das Faserbündel 30 über die axiale Länge, die einer Traverse entspricht, spiralförmig von einem Ende (dem linken Ende in der Zeichnung) zu dem anderen Ende (dem rechten Ende in der Zeichnung) des Traversenabschnitts L20 gewickelt, und das Faserbündel 30 dann von dem anderen Ende zu dem einen Ende gewickelt (d. h., die Wickeltätigkeit über eine Traverse wird mehrere Male wiederholt). Dank dessen kann die radiale Dicke des Halteelements erhöht werden und kann die Haltestärke für die Magnete erhöht werden.
Die Abschlussbehandlung des Wicklungsanfangsendes und des Wicklungsabschlussendes des Faserbündels 30 kann für jede Traverse durchgeführt werden. Es wird jedoch bevorzugt, die Wicklungstätigkeit unter fortlaufendem Verwenden des Faserbündels, ohne es zu durchtrennen, mehrere Male zu wiederholen, wodurch die Anzahl der Bereiche, an denen die Abschlussbehandlung durchgeführt wird, minimiert wird. Der Zweck dessen ist, die Arbeitseffizienz und die Genauigkeit des Fertigmaßes zu verbessern, da die Abmessung des Umrisses des Abschnitts, in dem die Abschlussbearbeitung durchgeführt wird, nicht stabil ist.
Bei dem Beispiel von 5 sind das Wicklungsanfangsende 30a und das Wicklungsabschlussende 30b an der gleichen Seite (der linken Seite in der Zeichnung) positioniert, und wird die Abschlussbehandlung zur Verhinderung, dass das Faserbündel 30 locker wird, durchgeführt. Konkret überlappen einander das Wicklungsanfangsende und das Wicklungsabschlussende 30b so an dem gleichen Umfang, dass ein Überlappungsbereich (oder ein Abschnitt L30) gebildet wird, und werden die Enden unter Verwendung des Harzes ”A” in dem Überlappungsbereich aneinander gebunden. Es wird bevorzugt, dass die beiden Enden einander an der gleichen axialen Position für mehr als eine Umrundung überlappen, und dass der gebundene Bereich breiter als eine Umrundung ist.
Bei dem Beispiel von 5 wird die Abschlussbehandlung nach einer mehrmaligen Durchführung der Wickeltätigkeit für eine Traverse an dem gleichen Ende durchgeführt. Doch wie in 4 gezeigt können das Wicklungsanfangsende 30a und das Wicklungsabschlussende 30b an unterschiedlichen Enden positioniert sein, und kann die Abschlussbehandlung an jedem Ende gesondert durchgeführt werden. Da das Wicklungsanfangsende 30a in diesem Zusammenhang an der innersten Schicht des Faserbündels 30 positioniert ist, kann das Anfangsende 30a vorab herausgeführt und außen entlang einer axialen Endfläche des Faserbündels geführt werden.
6a bis 6c erklären ein Beispiel für die Abschlussbehandlung für das Wicklungsanfangsende des Faserbündels 30 ausführlich. Das Wicklungsanfangsende des Faserbündels kann mit der Ausführung der Wicklungstätigkeit in der innersten Schicht des Faserbündels begraben werden. Daher wird wie in 6a gezeigt ein Abschnitt 30a mit einer bestimmten Länge, der nicht auf die Formungsschablone 21 gewickelt wird, vorab von dem Faserbündel abgezogen.
Als nächstes wird wie in 6b gezeigt der abgezogene Abschnitt 30a des Faserbündels so entlang eines vorher gewickelten axialen Randabschnitts 30c des Faserbündels 30 gefaltet, dass der Abschnitt 30a den Randabschnitt 30c überlappt. Dann wird der abgezogene Abschnitt 30a für eine oder mehrere Umrundungen an der gleichen axialen Position auf den Randabschnitt 30c gewickelt, um einen Überlappungsbereich zu bilden, und werden die Abschnitte unter Verwendung des Harzes ”A” an dem Überlappungsbereich gebunden. Durch ein ähnliches Verfahren kann das Halteelement 20 direkt auf dem Dauermagnet 16 gebildet werden.
7a bis 7c erklären ein anderes Beispiel für die Abschlussbehandlung für das Wicklungsanfangsende des Faserbündels 30 ausführlich, wobei das Wicklungsanfangsende stärker als bei dem Beispiel von 6a bis 6c fixiert werden kann. Zuerst wird wie in 7a gezeigt ein Abschnitt 30a mit einer bestimmten Länge, der nicht auf die Formungsschablone 21 gewickelt wird, vorab von dem Faserbündel abgezogen. Als nächstes wird wie in 7b gezeigt der abgezogene Abschnitt 30a des Faserbündels so entlang eines vorher gewickelten axialen Randabschnitts 30c des Faserbündels 30 gefaltet, dass der Abschnitt 30a den Randabschnitt 30c überlappt.
Dann wird der abgezogene Abschnitt 30a für eine oder mehrere Umrundungen (vorzugsweise eine Umrundung) an der gleichen axialen Position auf den Randabschnitt 30c gewickelt, der abgezogene Abschnitt 30a unter die vorherige Umrundung des Faserbündels eingebracht, und so entlang des Randabschnitts 30c gefaltet, dass der Abschnitt 30a die vorherige Umrundung des Faserbündels überlappt, um einen Überlappungsbereich zu bilden.
Schließlich wird der Überlappungsbereich zwischen der Position, an der der abgezogene Abschnitt eingebracht wird, und der Position des Endes des Faserbündels unter Verwendung des Harzes ”A” gebunden. In diesem Zusammenhang kann das Harz ”A” während der Einbringung des abgezogenen Abschnitts oder während der Bildung des Überlappungsbereichs auf den Überlappungsbereich aufgebracht werden, oder kann es nach der Bildung des Überlappungsbereichs auf den Überlappungsbereich aufgebracht oder in diesen imprägniert werden. Tatsächlich kann auch ein anderer Abschnitt als der Abschnitt, der gebunden werden soll, durch das Harz ”A” gehärtet werden, was abhängig von dem Grad der Härtung kein Problem verursacht. Durch ein ähnliches Verfahren kann das Halteelement 20 direkt auf dem Dauermagnet 16 gebildet werden.
8a bis 8c beschreiben ein Beispiel für die Abschlussbehandlung für das Wicklungsabschlussende 30b des Faserbündels 30 ausführlich. Zuerst wird wie in 8a gezeigt das Wicklungsabschlussende 30b unter die vorherige Umrundung des Faserbündels eingebracht. Dann wird wie in 8b gezeigt das Abschlussende 30b so entlang eines Randabschnitts 30d des Faserbündels 30 gefaltet, dass es die vorherige Umrundung des Faserbündels überlappt und einen Überlappungsbereich bildet. Schließlich wird der Überlappungsbereich zwischen der Position, an der das Abschlussende 30b eingebracht ist, und der Position des Endes des Faserbündels unter Verwendung des Harzes ”A” gebunden.
In diesem Zusammenhang kann das Harz ”A” während der Einbringung des Wicklungsabschlussendes 30b oder während der Bildung des Überlappungsbereichs auf den Überlappungsbereich aufgebracht werden, oder kann es nach der Bildung des Überlappungsbereichs auf den Überlappungsbereich aufgebracht oder in diesen imprägniert werden. Tatsächlich kann auch ein anderer Abschnitt als der Abschnitt, der gebunden werden soll, durch das Harz ”A” gehärtet werden, was abhängig von dem Grad der Härtung im Grunde kein Problem verursacht. Durch ein ähnliches Verfahren kann das Halteelement 20 direkt auf dem Dauermagnet 16 gebildet werden.
Das oben beschriebene Faserbündel kann ein flaches Band sein, und kann spiralförmig von einem axialen Ende zu dem anderen axialen Ende gewickelt werden, während es die vorhergehende Umrundung in deren Breitenrichtung teilweise überlappt. Wenn das Faserbündel 30 durch eine Kohlefaser gebildet ist, kann das Faserbündel 30 zum Beispiel als Bandelement mit einer Dicke von etwa 0,1 mm und einer Breite von 3 mm bis 10 mm angefertigt werden.
Im Vorhergehenden wurden mehrere bevorzugte Ausführungsformen der Abschlussbehandlung der Enden des Faserbündels 30 erklärt. In diesem Zusammenhang wird an einem anderen Bereich (oder Abschnitt) des Faserbündels als den Endabschnitten, an denen die Abschlussbehandlung durch Binden durchgeführt wird, vorzugsweise ein zweites Harz (nachstehend auch als Harz ”B” bezeichnet), das sich von dem Harz ”A” unterscheidet, als Matrixharz verwendet. Das zweite Harz ist schlagfest und flexibel und weist eine hohe zulässige Dehnung auf. Der Grund, warum das zweite Harz verwendet werden sollte, wird nachstehend beschrieben.
Wie oben erklärt wird die Spannung auf das Halteelement ausgeübt, um den Halt zum Halten der Magnete zu erzeugen. Die Spannung wird durch das Übermaß, das zwischen der Hülse 14 oder 14b und der Drehwelle 12 eingerichtet ist, erbracht. Der Durchmesser der Hülse wird durch das Übermaß erweitert, und dann werden die Magnete 16, die an der Hülse positioniert sind, radial nach außen bewegt, wodurch das Halteelement 20 radial nach außen erweitert wird. Als Ergebnis wird die Spannung in der Umfangsrichtung auf das Halteelement 20 ausgeübt, und wird dann die elastische Wiederherstellungskraft zum Halten der Magnete 16 erzeugt. Mit anderen Worten ist ein Verfahren, um die Magnete 16 fest zu halten, das Halteelement 20 stark zu erweitern, um eine große Spannung zu erzeugen. Da die Magnete 16 fest gehalten werden, kann der Rotor mit einer hohen Geschwindigkeit gedreht werden.
Im Allgemeinen ist ein Harz mit einer hohen Bindestärke wie etwa das Harz ”A” hart und spröde. Normalerweise ist bei der Ausübung einer Zugkraft auf ein solches Harz die Bruchdehnung verhältnismäßig gering. Wenn ein solches Harz als das Matrixharz des Halteelements 20 verwendet wird, kann es sein, dass die Dehnung des Harzes nicht der Verformung (oder der Erweiterung des Durchmessers) des Halteelements 20 folgt, weshalb es zu einem Bruch des Harzes kommen kann. Insbesondere dann, wenn das Harz durch Reagieren einer funktionellen Gruppe an der Oberfläche der Faser während der Härtung des Harzes eine chemische Bindung mit der Faser herstellt, kann es durch das Reißen des Harzes auch zu einem Bruch des Harzes kommen, wodurch das Halteelement 20 kritisch beschädigt werden kann.
Daher wird zum Beispiel bevorzugt, dass das als das Matrixharz verwendete Harz ”B” eine Glasübergangstemperatur Tg(B) aufweist, die niedriger als eine Glasübergangstemperatur Tg(A) des Harzes ”A” ist (d. h., Tg(A) > Tg(B)). Im Allgemeinen wird eine umso höhere Bindestärke zwischen der Normaltemperatur und einer hohen Temperatur erhalten, je höher die Glasübergangstemperatur des Harzes ist, doch wird das Harz hart und spröde.
Alternativ wird im Hinblick auf die Zugscher-Haftfestigkeit, die erhalten wird, wenn die Faserbündel durch das Harz aneinandergeklebt werden, während die Faserrichtungen (oder die Längsrichtungen) ausgerichtet werden, bevorzugt, dass die Zugscher-Haftfestigkeit des Harzes ”B” (TSS(B)) geringer als die Zugscher-Haftfestigkeit des Harzes ”A” (TSSA)) ist (d. h., TSS(A) > TSS(B)). Dies liegt daran, dass das Harz vorzugsweise von der Faser in der Faserrichtung verschoben wird, ohne gebrochen zu werden, damit das Harz nicht durch die Dehnung in der Faserrichtung gebrochen wird.
Alternativ wird im Hinblick auf die Izod-Schlagfestigkeit, die durch einen Izod-Schlagfestigkeitsversuch erhalten wird, bevorzugt, dass die Izod-Schlagfestigkeit des Harzes ”B” (II(B)) höher als die Izod-Schlagfestigkeit des Harzes ”A” (II(A)) ist (d. h., II(A) < II(B)), oder dass die Izod-Schlagfestigkeit des Harzes ”B” nicht messbar ist, da das Harz bei dem Izod-Schlagversuch nicht zerstört wird. Dies liegt daran, dass die Wahrscheinlichkeit für ein Brechen des Harzes umso geringer ist, je höher die Izod-Schlagfestigkeit ist (d. h., das Harz geschmeidiger ist).
Als herkömmliches Harz, das wenigstens einer der obigen Harzarten entspricht, wird ein Acrylharz bevorzugt. Insbesondere wird im Hinblick auf die Permeabilität des Harzes in die Faser, die Stärke bei einer hohen Temperatur und die Biegsamkeit nach der Härtung bevorzugt, dass ein Hauptbestandteil des Harzes in seinem Molekül einen Acrylsäureester oder einen Methacrylatester aufweist. Insbesondere ist eine Kombination eines Epoxidharzes als Harz ”A” und eines Acrylharzes als Harz ”B” bevorzugt.
Alternativ kann sowohl das Harz ”A” als auch das Harz ”B” ein Epoxidharz sein. In diesem Fall kann eine bevorzugte Wirkung erhalten werden, wenn die Arten der Harze ”A” und ”B” so gewählt werden, dass eine der obigen Bedingungen hinsichtlich der Glasübergangstemperatur, der Zugschwer-Haftfestigkeit und der Izod-Schlagfestigkeit erfüllt wird.
Als das wie oben beschriebene Faserbündel 30 ist Kohlefaser besonders bevorzugt. Da die spezifische Stärke (die Stärke pro Einheitsdichte) von Kohlefaser verhältnismäßig hoch ist, ist Kohlefaser geeignet, um die hohe Haltestärke zu erhalten, während die Zentrifugalkraft bei einer hohen Umdrehungsgeschwindigkeit beschränkt wird. Normalerweise weist die Molekularstruktur der Oberfläche der Kohlefaser eine funktionelle Gruppe wie etwa -CO-, C=O, oder COOH auf, um die Bindefähigkeit mit einem reaktiven härtenden Harz zu verbessern. Daher kann insbesondere bei der Abschlussbehandlung für das Wicklungsanfangsende und das Wicklungsabschlussende des Faserbündels die Bindewirkung zwischen dem Harz ”A” und der Kohlefaser auf Molekularebene verbessert werden.
9 zeigt einen radialen Querschnitt des Rotors 10 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach dem Abschluss des Zusammenbaus des Rotors. Wie oben beschrieben wird die Spannung auf das Halteelement 20 ausgeübt und werden die Magnete 16 durch die elastische Wiederherstellungskraft des Halteelements 20 in der radial einwärts gerichteten Richtung gehalten. Ferner werden die Magnete 16 durch das Halteelement 20 stark an die äußere Umfangsfläche der Hülse 14 gepresst und daran fixiert.
10 zeigt einen radialen Querschnitt eines Rotors 10' nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach dem Abschluss des Zusammenbaus des Rotors. Der Rotor 10' unterscheidet sich von dem Rotor 10 von 9 darin, dass das Magnethalteelement 20' des Rotors 10' einen Doppelaufbau aufweist, der zwei konzentrische Elemente nebeneinander umfasst; die anderen Bestandteile des Rotors 10' können jenen des Rotors 10 gleich sein. Konkret weist das Halteelement 20' des Rotors 10' ein inneres Halteelement 20a und ein äußeres Halteelement 20b auf.
Wie das oben beschriebene Halteelement 20 wird das innere Halteelement 20a durch Wickeln eines Faserbündels gebildet. Andererseits kann das äußere Halteelement 20b ebenfalls auf die gleiche Weise wie das Halteelement 20 durch Wickeln eines Faserbündels gebildet werden, obwohl das äußere Halteelement 20b durch ein anderes Material oder Verfahren gebildet werden kann. Zum Beispiel wird als Material des äußeren Halteelements 20b ein nichtmagnetisches Metall oder ein FRP mit einer ausreichenden Stärke in seiner Umfangsrichtung bevorzugt. Da das äußere Halteelement 20b als sich drehender Körper verwendet wird, ist in dieser Hinsicht ein Material mit einer hohen spezifischen Stärke (zum Beispiel ein FRP wie etwa ein CFRP oder ein leichtes nichtmagnetisches Metall wie etwa eine Titanlegierung) bevorzugt. Wenn als Material des äußeren Halteelements 20b ein FRP verwendet wird, kann ein Faserbündel aus dem FRP so gewickelt werden, dass das äußere Halteelement gebildet wird, oder kann ein Prepreg-Bogen des FRP auf die Schablone gewickelt und durch Erhitzen gehärtet werden, um das äußere Halteelement zu bilden.
Wenn als Material des äußeren Halteelements 20b ein nichtmagnetisches Metall wie die Titanlegierung verwendet wird, ist es vorteilhaft, ein vorgeformtes dünnwandiges Rohr aus dem nichtmagnetischen Metall zu verwenden. Normalerweise ist dann, wenn ein nichtmagnetisches Metall als äußeres Halteelement 20b verwendet wird, die Wirkung zum Schutz des inneren Halteelements 20a höher als in dem Fall, in dem ein FRP als äußeres Halteelement verwendet wird.
Das Übermaß des inneren Halteelements 20a ist größer als das Übermaß des äußeren Halteelements 20b. Aufgrund dieser Größenbeziehung ist die Spannung, die auf eine Faser des inneren Halteelements 20a ausgeübt wird, größer als jene bei dem äußeren Halteelement 20b. Als Ergebnis ist bei dem äußeren Halteelement 20b die Gefahr einer Beschädigung oder eines Ablösens an dem Bindeabschnitt aufgrund einer übermäßigen Spannung verringert, wodurch die Haltbarkeit des Halteelements verbessert wird. Andererseits wird die Druckkraft in der radial einwärts gerichteten Richtung durch das äußere Halteelement 20b auf die äußere Umfangsfläche des inneren Halteelements 20a ausgeübt, wodurch es unwahrscheinlich ist, dass das Faserbündel, das das innere Halteelement 20a bildet, gelockert wird. Insbesondere werden auch das Wicklungsanfangsende und das Wicklungsabschlussende, an denen die Abschlussbehandlung (oder die Festspannbehandlung) durchgeführt wird, durch das äußere Halteelement 20b von radial außen her gepresst und wird die Gefahr eines Ablösens oder Lockerns des Anfangsendes oder des Abschlussendes durch den Winddruck usw. während der Drehung verringert.
Als Ergebnis ist es bei dem Aufbau von 10 auch über einen langen Zeitraum hinweg unwahrscheinlich, dass das Halteelement 20' gelockert wird. Mit anderen Worten kann ein verlässlicher Rotor bereitgestellt werden, bei dem die Haltestärke für die Magnete auch über einen langen Zeitraum hinweg nicht verringert wird. Da das Übermaß des inneren Halteelements 20a erhöht werden kann, kann zudem die Haltestärke für die Magnete erhöht werden, wodurch der Rotor mit einer hohen Geschwindigkeit gedreht werden kann. Da aufgrund der Erhöhung der Haltestärke ein schwerer Magnet gehalten werden kann, kann die Dicke jedes Magnets erhöht werden, wodurch die Leistungsfähigkeit der elektrischen Rotationsmaschine (wie etwa das Drehmoment oder die Leistung) verbessert werden kann. Da das Übermaß des äußeren Halteelements 20b kleiner als jenes des inneren Halteelements 20a ist, ist die Flexibilität bei der Gestaltung des äußeren Halteelements 20b größer als jene bei dem inneren Halteelement 20a.
Vorzugsweise wird bei einem Herstellungsprozess des Halteelements 20a oder 20b ein Schritt des Härtens des Harzes mehr als einmal oder an zwei oder mehr Bereichen durchgeführt. Obwohl sich ”mehr als einmal” jeweils auf die Schritte des Härtens des Harzes ”A” und ”B” bezieht, kann der Schritt des Härtens jedes Harzes in mehrere Schritte unterteilt werden. Obwohl sich, andererseits ”zwei oder mehr Bereiche” auf die Schritte des Aufbringens und Härtens (Erhitzens) des gleichen oder eines unterschiedlichen Harzes an den unterschiedlichen Bereichen bezieht, können die Schritte gleichzeitig oder der Reihe nach durchgeführt werden. Wenn die Schritte gleichzeitig durchgeführt werden, wird der Härtungsschritt im Wesentlichen ein Mal durchgeführt.
Wenn die Magnete fest gehalten werden sollten (zum Beispiel, wenn der Rotor mit einer hohen Geschwindigkeit gedreht wird), kann die Druckhaltekraft, die durch das Halteelement 20 oder 20' erzeugt wird, erhöht werden. Zur Erhöhung der Druckhaltekraft können die folgenden drei Verfahren wirksam sein.

(1) Erhöhen der radialen Dicke des Halteelements;
(2) Verwenden einer Faser mit einem hohen Elastizitätsmodul als Material des Halteelements;
(3) Erhöhen des Übermaßes zwischen der Hülse und der Drehwelle, um ein Ausmaß der Erweiterung des Durchmessers des Halteelements zu erhöhen.

Bei Verfahren (2) oder (3) wird die Druckhaltekraft durch Erhöhen der Spannung pro Faser des Halteelements erhöht, weshalb die vorliegende Erfindung bei Verfahren (2) oder (3) besonders wirksam verhindert, dass sich die Faser lockert. Die vorliegende Erfindung ist auch bei Verfahren (1) wirksam, was die Verbesserung der Verlässlichkeit über einen langen Zeitraum oder der Lebensdauer des Produkts betrifft.
Zusammengefasst ist der Bildungsprozess des obigen Magnethalteelements wie nachstehend beschrieben. Wenn das zylinderförmige Magnethalteelement einerseits im Voraus gebildet wird, indem das Faserbündel auf die Bildungsschablone gewickelt wird und dann der Außenumfang der Magnete durch das Halteelement abgedeckt wird, umfasst der Bildungsprozess die folgenden Schritte (i) bis (iv).

(i) Wickeln des Faserbündels für wenigstens eine Traverse auf die Schablone;
(ii) Durchführen der Abschlussbehandlung des Wicklungsanfangsendes und des Wicklungsabschlussendes des Faserbündels (d. h., Binden der Enden durch das Harz ”A” und Härten des Harzes ”A”);
(iii) Imprägnieren des Harzes ”B” in den Abschnitt zwischen dem Anfangsende und dem Abschlussende des Faserbündels;
(iv) Abnehmen des gebildeten Magnethalteelements von der Schablone, nachdem das Harz gehärtet ist.

Wenn das Magnethalteelement andererseits ohne Verwendung der Schablone direkt an dem Außenumfang des Magnets gebildet wird, umfasst der Bildungsprozess die folgenden Schritte (v) bis (vii).

(v) Wickeln des Faserbündels für wenigstens eine Traverse auf die Dauermagnete, die an der Hülse positioniert sind;
(vi) Durchführen der Abschlussbehandlung des Wicklungsanfangsendes und des Wicklungsabschlussendes des Faserbündels (d. h., Binden der Enden durch das Harz ”A” und Härten des Harzes ”A”);
(vii) Imprägnieren des Harzes ”B” in den Abschnitt zwischen dem Anfangsende und dem Abschlussende des Faserbündels und Härten des Harzes ”B”.

Der Rotor 10, der das Halteelement 20 nach der vorliegenden Erfindung aufweist, kann mit einer hohen Geschwindigkeit gedreht werden, und daher kann eine kompakte elektrische Rotationsmaschine 100 mit einer hohen Leistung erhalten werden, wenn die elektrische Rotationsmaschine 100 mit dem Rotor 10 versehen wird. Wenn die elektrische Rotationsmaschine 100 auf eine Spindel 103 einer Werkzeugmaschine 101 (siehe 1) angewendet wird, kann eine Werkzeugmaschine 100 mit äußerst hoher Leistungsfähigkeit erhalten werden. Diese Tendenz ist bemerkenswert, wenn als Magnet 16 ein Neodym-Magnet mit einer hohen Magnetkraft verwendet wird.
Nach der vorliegenden Erfindung wird das Halteelement nicht abgelöst oder gelockert, wenn es gedreht wird, weshalb die Verlässlichkeit und die Stärke über einen langen Zeitraum verbessert werden können. Da die Haltestärke zum pressenden Halten der Magnete des Rotors in der radial einwärts gerichteten Richtung erhöht werden kann, kann die Höchstgeschwindigkeit des Rotors erhöht werden, ohne die Verlässlichkeit des Rotors zu verschlechtern. Als Ergebnis kann die Ausgangsleistung der elektrischen Rotationsmaschine, die den Rotor aufweist, erhöht werden. Wenn die Ausgangsleistung erhöht wird, kann die Leistungsfähigkeit der Werkzeugmaschine, die die elektrische Rotationsmaschine aufweist, verbessert werden, wodurch die Bearbeitungsfähigkeit und die Produktionskapazität der Werkzeugmaschine verbessert werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 11-089142 A [0003, 0004]

Claims

Halteelement (20), das in einer elektrischen Rotationsmaschine (100) mit einem Rotor (10) und mehreren Magneten (16), die an einer äußeren Umfangsfläche des Rotors positioniert sind, verwendet wird, wobei das Halteelement radial außerhalb der Magnete positioniert ist und ausgebildet ist, um die Magnete radial einwärts zu pressen und zu halten, wobei das Halteelement eine zylindrische Form aufweist, die durch spiralförmiges Wickeln eines Faserbündels (30), das über wenigstens eine Traverse nicht unterbrochen ist, auf den Außenumfang des Magnets von einem axialen Ende zu dem anderen axialen Ende an der Außenseite des Rotors gebildet ist, wobei die eine Traverse aus Abschnitten zwischen dem einen axialen Ende und dem anderen axialen Ende des Rotors wenigstens einen Abschnitt, in dem die Magnete positioniert sind, umfasst, und wobei das Halteelement durch ein faserverstärktes Harz, das ein Harz als Matrix umfasst, gebildet ist, und eine Abschlussbehandlung wenigstens eines Wicklungsanfangsendes (30a) und eines Wicklungsabschlussendes (30b) des Faserbündels unter Verwendung eines ersten Harzes (A), das ein reaktives härtendes Harz ist, durchgeführt wird.
Halteelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement durch Vornehmen mehrerer Wickeltätigkeiten gebildet ist, wobei jede Wickeltätigkeit das Faserbündel der einen Traverse entsprechend wickelt.
Halteelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wicklungsanfangsende und das Wicklungsabschlussende des nicht unterbrochenen Faserbündels an der gleichen Seite in des Rotors in dessen Achsenrichtung positioniert sind und die Abschlussbehandlung des Anfangsendes und des Abschlussendes durch Verkleben des Anfangsendes und des Abschlussendes unter Verwendung des ersten Harzes durchgeführt wird.
Halteelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserbündel als flaches Band gebildet ist.
Halteelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Harz ein Epoxidharz ist.
Halteelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abschnitt zwischen einem Abschlussbehandlungsbereich des Wicklungsanfangsendes und einem Abschlussbehandlungsbereich des Wicklungsabschlussendes ein zweites Harz (B) verwendet wird, das sich von dem ersten Harz unterscheidet.
Halteelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Glasübergangstemperatur des zweiten Harzes niedriger als eine Glasübergangstemperatur des ersten Harzes ist.
Halteelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugscher-Haftfestigkeit des zweiten Harzes, die erhalten wird, wenn die Faserbündel durch das zweite Harz aneinander geklebt werden, niedriger als jene des ersten Harzes ist.
Halteelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Izod-Schlagfestigkeit des zweiten Harzes höher als die Izod-Schlagfestigkeit des ersten Harzes ist oder die Izod-Schlagfestigkeit des zweiten Harzes nicht messbar ist, da das zweite Harz bei einem Izod-Schlagversuch nicht zerstört wird.
Halteelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Harz ein Acrylharz ist.
Halteelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserbündel eine Kohlefaser umfasst.
Rotor (10), umfassend das Halteelement (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannung in einer Umfangsrichtung des Rotors auf das Halteelement ausgeübt wird, und aufgrund der Spannung eine radial einwärts gerichtete elastische Druckkraft auf die Magnete ausgeübt wird.
Rotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein gesondertes Element mit einer zylindrischen Form in einem konzentrischen Muster an dem Außenumfang des Halteelements positioniert wird, und wobei eine Spannung in einer Umfangsrichtung des gesonderten Elements auf das gesonderte Element ausgeübt wird und aufgrund der Spannung, die auf das gesonderte Element ausgeübt wird, eine radial einwärts gerichtete Druckkraft auf das Halteelement ausgeübt wird.
Elektrische Rotationsmaschine (100), umfassend den Rotor (10) nach Anspruch 12 oder 13.
Werkzeugmaschine (101), umfassend die elektrische Rotationsmaschine (100) nach Anspruch 14.