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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Rotor eines Synchronmotors mit einem Verstärkungselement zum Anpressen eines Magneten.
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Beschreibung der verwandten Technik
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Ein Synchronmotor ist mit einem um eine Drehachse rotierenden Rotor und einem um den Rotor herum angeordneten Stator ausgestattet. Es ist bekannt, dass die Rotoren von Synchronmotoren einen Rotor enthalten, in dem Rotorkerne, die ein Joch und Permanentmagnete bilden, abwechselnd in Umfangsrichtung angeordnet sind, und einen Rotor, bei dem Permanentmagnete in den Rotorkern eingebettet sind. Weiterhin ist ein Oberflächenmagnet-Rotor bekannt, bei dem eine Vielzahl von Permanentmagneten in Umfangsrichtung auf einer äußeren Umfangsfläche eines Rotorkerns angeordnet sind.
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Bei einem Oberflächenmagnet-Rotor wirkt bei der Drehung des Rotors eine radial nach außen gerichtete Kraft auf den Permanentmagneten. Zum Beispiel wirken die Fliehkraft durch die Rotation des Rotors und die magnetische Anziehungskraft durch das vom Stator erzeugte Magnetfeld in radialer Richtung des Rotors nach außen. Aus diesem Grund ist es notwendig, den Dauermagneten am Rotorkern zu befestigen, damit sich der Dauermagnet auch dann nicht vom Rotorkern löst, wenn eine radiale Kraft über längere Zeit auf den Dauermagneten wirkt.
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In der verwandten Technik ist ein Synchronmotor bekannt, der so ausgebildet ist, dass ein an der Oberfläche eines Rotorkerns befestigter Permanentmagnet von außen durch ein zylindrisches Element fixiert wird (siehe z.B. Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2017-225316A, Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. S64-81634A und
Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2017-195751A ).
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In einem Synchronmotor mit Permanentmagnet kann es je nach der Position der Nut des Statorkerns gegenüber der äußeren Umfangsfläche des Rotors zu einer Drehmomentpulsation kommen. Eine solche Drehmomentpulsation wird als Rastmoment bezeichnet. Das Rastmoment wird vorzugsweise reduziert, da es eine gleichmäßige Rotation des Rotors verhindern oder Geräusche oder Vibrationen verursachen kann.
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Um das Rastmoment zu reduzieren, ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Form der dem Stator zugewandten Oberfläche des Rotors eingestellt wird. Bei einem Rotor vom Oberflächenmagnettyp kann beispielsweise jeder Magnet so geformt werden, dass die Dicke des Mittelabschnitts in Umfangsrichtung größer ist als die Dicke des Endabschnitts in Umfangsrichtung. Das heißt, der Magnet kann so geformt werden, dass der Durchmesser der äußeren Umfangsfläche im Mittelabschnitt des Magneten größer ist als der Durchmesser der äußeren Umfangsfläche im Endabschnitt. Der Magnet hat eine Form, bei der sich ein Mittelabschnitt in Umfangsrichtung nach außen wölbt.
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Selbst in einem Rotor, in dem ein Magnet mit einem gewölbten Mittelabschnitt angeordnet ist, kann der Magnet durch ein zylindrisches Element gepresst werden. Da jedoch die äußere Umfangsfläche des Magneten im Querschnitt nicht kreisförmig ist, wird das zylindrische Element entlang der äußeren Umfangsfläche des Magneten in eine Form verformt. Daher besteht das Problem, dass die Kraft zum Pressen des Magneten schwächer ist als die des Rotors einschließlich des Magneten, der im Querschnitt eine kreisförmige Form der äußeren Umfangsfläche hat. Insbesondere in einem Synchronmotor, in dem ein Rotor mit hoher Geschwindigkeit rotiert, gibt es einen Fall, in dem sich der Magnet vom Rotorkern löst, weil die Zentrifugalkraft des Magneten erhöht wird. Als Folge davon kann sich die Position des Magneten in Bezug auf den Rotorkern verschieben.
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Der Innendurchmesser des zylindrischen Elements zur Befestigung des Magneten wird entsprechend dem Durchmesser des Mittelabschnitts und dem Durchmesser des Endabschnitts des Magneten eingestellt. Um die Festigkeit des zylindrischen Elements zu sichern, ist der Bereich, in dem der Innendurchmesser des zylindrischen Elements erweitert werden kann, begrenzt. Die Abmessungen der Welle, des Rotorkerns und der Magnete enthalten jedoch Herstellungsfehler. Aus diesem Grund kann der Innendurchmesser des zylindrischen Elements einen Grenzwert für die Erweiterung überschreiten und die Stärke des zylindrischen Elements verringert werden, wenn der Fehler, den man durch Addition eines Fehlers der Welle, eines Fehlers des Rotorkerns und eines Fehlers des Magneten erhält, zur positiven Seite hin groß ist.
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Andernfalls, wenn der Fehler, den man durch Addition eines Fehlers der Welle, eines Fehlers des Rotorkerns und eines Fehlers des Magneten erhält, zur Minusseite hin klein ist (der Absolutwert ist groß), kann es vorkommen, dass keine ausreichende Anpresskraft auf den Magneten ausgeübt wird. Infolgedessen kann sich der Magnet vom Rotorkern lösen, wenn sich der Rotor dreht. Wenn ein Fehler, der durch Addition eines Fehlers der Welle, eines Fehlers des Rotorkerns und eines Fehlers des Magneten erhalten wird, berücksichtigt wird, wird alternativ dazu eine Toleranz zum Zeitpunkt der Konstruktion klein, und es kann manchmal schwierig sein, einen Magneten oder ähnliches herzustellen.
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Ein Rotor eines Synchronmotors ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung mit einem Rotorkern, der sich um eine Drehachse dreht, einer Vielzahl von Permanentmagneten, die an einer äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns befestigt sind, und einem Verstärkungselement mit einer zylindrischen Form versehen, das so geformt ist, dass es die Permanentmagnete in Richtung des Rotorkerns presst. Zwischen dem Permanentmagneten und dem Verstärkungselement ist ein Zwischenlageelement angeordnet. Der Permanentmagnet enthält eine äußere Umfangsfläche, deren Mittelabschnitt sich in Bezug auf einen auf der Drehachse zentrierten Kreis nach außen wölbt, wenn entlang einer Ebene senkrecht zur Drehachse geschnitten wird. Das Zwischenpositionselement ist so geformt, dass es die gesamte äußere Umfangsfläche des Permanentmagneten bedeckt. Die äußere Umfangsfläche des Zwischenlageelements ist so geformt, dass sie sich beim Schneiden entlang einer Ebene senkrecht zur Drehachse entlang eines auf der Drehachse zentrierten Kreises erstreckt und in engem Kontakt mit einer inneren Umfangsfläche des Verstärkungselements steht.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Querschnittsansicht eines ersten Rotors gemäß einer Ausführungsform beim Schneiden entlang einer Ebene senkrecht zu einer Drehachse.
- 2 ist eine Querschnittsansicht des ersten Rotors beim Schneiden entlang einer Ebene parallel zur Drehachse.
- 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils, in dem Magnete des ersten Rotors angeordnet sind.
- 4 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines akkumulierten Fehlers in Bezug auf eine radiale Dimension des Rotors.
- 5 ist ein vergrößerter Querschnitt eines Abschnitts, in dem die Magnete eines zweiten Rotors entsprechend der Ausführungsform angeordnet sind.
- 6 ist ein vergrößerter Querschnitt eines Abschnitts zwischen den Magneten des zweiten Rotors.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Ein Rotor eines Synchronmotors nach Ausführungsformen wird mit Bezug auf FIGen. 1 bis 6 beschrieben. Der Synchronmotor besteht aus einem Stator und einem im Stator angeordneten Rotor. Der Stator wird z.B. durch Laminieren einer Vielzahl von elektromagnetischen Stahlplatten in einer Richtung gebildet, in der sich eine Welle erstreckt. Eine Vielzahl von Spulen ist in Umfangsrichtung des Stators angeordnet. Der Synchronmotor der vorliegenden Ausführungsform ist im Inneren eines Spindelkopfes einer Werkzeugmaschine angeordnet, um die Spindel der Werkzeugmaschine zu drehen. Der Rotor des Synchronmotors ist nach der vorliegenden Ausführungsform ein oberflächenmagnetischer Rotor, bei dem Permanentmagnete auf der Oberfläche des Rotorkerns angeordnet sind.
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1 ist eine Querschnittsansicht eines ersten Rotors gemäß einer vorliegenden Ausführungsform beim Schneiden entlang einer Ebene senkrecht zu einer Drehachse. 2 ist ein Querschnitt des ersten Rotors gemäß der vorliegenden Ausführungsform beim Schneiden entlang einer Ebene parallel zur Drehachse. 2 ist ein Querschnitt beim Schneiden entlang der Linie A-A in 1. Unter Bezugnahme auf 1 und 2 enthält ein erster Rotor 1 eine Welle 11, die sich um eine Drehachse 31 dreht. Die Welle 11 ist säulenförmig ausgebildet.
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Der Rotor 1 enthält einen Rotorkern 12, der an der Welle 11 befestigt ist. Der Rotorkern 12 hat nach der vorliegenden Ausführungsform eine zylindrische Form. Der Rotorkern 12 dreht sich um die Drehachse 31. Der Rotorkern 12 umfasst eine äußere Umfangsfläche 12a, die beim Schneiden entlang einer Ebene senkrecht zur Drehachse 31 eine kreisförmige Form aufweist. Der Rotorkern 12 wird z.B. durch Stapeln mehrerer elektromagnetischer Stahlbleche in Richtung der Drehachse 31 gebildet. Alternativ kann der Rotorkern 12 aus einem einzigen Element gebildet werden. Der Rotorkern 12 kann zum Beispiel durch Schneiden eines magnetischen Elements, wie z.B. Eisen, geformt werden. Der Rotorkern 12 wird auf der Welle 11 befestigt. Zusätzlich kann der Rotorkern die Welle enthalten. Das heißt, die Welle 11 und der Rotorkern 12 in der vorliegenden Ausführungsform können einteilig aus einem Element gebildet werden.
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Der Rotor 1 hat eine Vielzahl von Magneten 13, die an der äußeren Umfangsfläche 12a des Rotorkerns 12 befestigt sind. Der Magnet 13 ist nach der vorliegenden Ausführungsform ein plattenförmig ausgebildeter Dauermagnet. Die Vielzahl von Magneten 13 sind in gleichen Abständen entlang der Umfangsrichtung angeordnet. Die Anzahl der Magnete 13 hängt von der Polzahl des Rotors 1 ab. Abhängig von der Polzahl des Rotors können beliebig viele Magnete am Rotorkern befestigt werden. In dem in 1 dargestellten Beispiel ist ein vierpoliger Rotor dargestellt, in dem vier Magnete 13 angeordnet sind. Die in 1 und 2 dargestellten Magnete 13 erstrecken sich von einem axialen Ende des Rotorkerns 12 zum anderen. Die Form des Magneten 13 ist nicht auf diese Konfiguration beschränkt, und eine Vielzahl von Magneten kann in der Erstreckungsrichtung der Drehachse 31 angeordnet werden. So kann z.B. eine Gruppe von zwei Magneten in Richtung der Drehachse 31 gebildet werden, und eine Vielzahl von Gruppen kann in Umfangsrichtung angeordnet werden.
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Der Rotor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält ein Verstärkungselement 15, das so geformt ist, dass es den Magneten 13 gegen den Rotorkern 12 presst. Das Verstärkungselement 15 in der vorliegenden Ausführungsform presst den Magneten 13 in Richtung der Drehachse 31. Das Verstärkungselement 15 hat eine zylindrische Form. Zwischen dem Magneten 13 und dem Verstärkungselement 15 ist ein Zwischenlageelement 14 angeordnet. Mindestens ein Teil des Zwischenlageelements 14 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist zwischen dem Magneten 13 und dem Verstärkungselement 15 angeordnet. Das Zwischenlageelement 14 ist so ausgebildet, dass es die gesamte Mehrzahl der Magnete 13 abdeckt. Das Verstärkungselement 15 ist so ausgebildet, dass es das Zwischenlageelement 14 bedeckt. Das Verstärkungselement 15 ist so geformt, dass es das Zwischenlageelement 14 in Richtung der Drehachse 31 drückt. Das heißt, eine Druckkraft wird durch das Verstärkungselement 15 auf das Zwischenlageelement 14 ausgeübt. Der Magnet 13 wird durch das Zwischenlageelement 14 in Richtung der Drehachse 31 gedrückt.
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Das Verstärkungselement 15 nach der vorliegenden Ausführungsform besteht aus einem faserverstärkten Kunststoff (FRP). Der faserverstärkte Kunststoff umfasst einen kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK), bei dem einem Kunststoff Kohlenstofffasern als Verstärkungsmaterial hinzugefügt werden, oder einen glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK), bei dem einem Kunststoff Glasfasern als Verstärkungsmaterial hinzugefügt werden.
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3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils des Magneten des ersten Rotors gemäß der vorliegenden Darstellung. 3 ist eine Querschnittsansicht beim Schneiden entlang einer Ebene senkrecht zur Drehachse 31. In Bezug auf 1 bis 3 enthält der Magnet 13 einen Mittelabschnitt 13a in Umfangsrichtung und Endabschnitte 13b auf beiden Seiten in Umfangsrichtung. Der Magnet 13 umfasst eine innere Umfangsfläche 13c, die eine radial innere Oberfläche des Rotors 1 ist, und eine äußere Umfangsfläche 13d, die eine radial äußere Oberfläche ist. Die innere Umfangsfläche 13c ist an der äußeren Umfangsfläche 12a des Rotorkerns 12 befestigt. Der Magnet 13 enthält auf beiden Seiten in Umfangsrichtung Endflächen 13e. Dabei gibt der Mittelabschnitt 13a die Position des Mittelpunktes der Umfangslänge zwischen den Endflächen 13e auf beiden Seiten an.
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Die innere Umfangsfläche 13c des Magneten 13 hat eine Form, die sich beim Schneiden entlang einer Ebene senkrecht zur Drehachse 31 entlang eines Kreises erstreckt, der auf der Drehachse 31 zentriert ist. Der Radius von der Drehachse 31 zur inneren Umfangsfläche 13c im Mittelabschnitt 13a ist der gleiche wie der Radius von der Drehachse 31 zur inneren Umfangsfläche 13c im Endabschnitt 13b. Die innere Umfangsfläche 13c des Magneten 13 steht in engem Kontakt mit der äußeren Umfangsfläche 12a des Rotorkerns 12.
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Andererseits hat die äußere Umfangsfläche 13d des Magneten 13 eine Form, bei der sich der Mittelabschnitt 13a in Bezug auf einen auf der Drehachse 31 zentrierten Kreis nach außen wölbt. Der Radius von der Drehachse 31 zur äußeren Umfangsfläche 13d im Mittelabschnitt 13a, dargestellt durch den Pfeil 81, ist größer als der Radius von der Drehachse 31 zur äußeren Umfangsfläche 13d im Endabschnitt 13b, dargestellt durch den Pfeil 82. Mit anderen Worten, der Mittelabschnitt 13a des Magneten 13 entspricht einem Abschnitt mit großem Durchmesser. Der Endabschnitt 13b des Magneten 13 entspricht einem Abschnitt mit kurzem Durchmesser. Die Dicke des Magneten 13 im Mittelabschnitt 13a ist größer als die Dicke im Endabschnitt 13b.
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Die Form der äußeren Umfangsfläche 13d, in der sich der Mittelabschnitt 13a als solcher nach außen wölbt, kann mit jeder beliebigen Methode festgelegt werden. In der vorliegenden Ausführungsform hat die äußere Umfangsfläche 13d beim Schneiden entlang einer Ebene senkrecht zur Drehachse 31 eine Bogenform. Die Form der äußeren Umfangsfläche 13d wird durch Verschiebung des Mittelpunktes des Bogens der äußeren Umfangsfläche 13d von der Drehachse 31 aus bestimmt. In der Querschnittsform ist der Mittelpunkt des Bogens der inneren Umfangsfläche 13c die Drehachse 31. In der Querschnittsform ist der Mittelpunkt des Bogens der äußeren Umfangsfläche 13d ein Punkt 32, der von der Drehachse 31 nach außen verschoben ist. Wie oben beschrieben, ist in der vorliegenden Ausführungsform die Krümmung der inneren Umfangsfläche 13c so geformt, dass sie sich von der Krümmung der äußeren Umfangsfläche 13d unterscheidet. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Krümmungsradius der äußeren Umfangsfläche 13d so ausgebildet, dass er kleiner als der Krümmungsradius der inneren Umfangsfläche 13c ist. Zusätzlich zu den obigen Ausführungen kann beispielsweise die Querschnittsform der äußeren Umfangsfläche 13d durch eine Funktion wie eine hyperbolische Kosinusfunktion eingestellt werden.
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Das Zwischenlageelement 14 in der vorliegenden Ausführungsform ist so ausgebildet, dass es mindestens die äußere Umfangsfläche 13d des Magneten 13 bedeckt. Das Zwischenlageelement 14 ist so geformt, dass es die gesamte äußere Umfangsfläche 13d des Magneten 13 bedeckt. Das heißt, das Zwischenlageelement 14 ist so ausgebildet, dass es den Mittelabschnitt 13a und den Endabschnitt 13b bedeckt, die für die äußere Umfangsfläche 13d unterschiedliche Durchmesser von der Drehachse 31 haben.
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Bei dem ersten Rotor 1 ist das Zwischenlageelement 14 im Bereich zwischen der äußeren Umfangsfläche 13d des Magneten 13 und der inneren Umfangsfläche 15a des Verstärkungselements 15 sowie im Bereich zwischen den in Umfangsrichtung benachbarten Magneten 13 angeordnet. Das Zwischenlageelement 14 ist so ausgebildet, dass es den gesamten Bereich ausfüllt, der von der äußeren Umfangsfläche 12a des Rotorkerns 12, der inneren Umfangsfläche 15a des Verstärkungselements 15 und der äußeren Umfangsfläche 13d und der Endfläche 13e des Magneten 13 umgeben ist. Daher ist die Dicke des Zwischenlageelements 14 am Endabschnitt 13b des Magneten 13 größer als die Dicke des Zwischenlageelements 14 am Mittelabschnitt 13a. Die äußere Umfangsfläche 14a des Zwischenlageelements 14 ist so geformt, dass sie beim Schneiden entlang einer Ebene senkrecht zur Drehachse 31 entlang eines auf der Drehachse 31 zentrierten Kreises folgt. Insbesondere ist die äußere Umfangsfläche 14a des Zwischenlageelements 14 so ausgebildet, dass sie konzentrisch mit der äußeren Umfangsfläche 12a des Rotorkerns 12 ist. Das Zwischenlageelement 14 erstreckt sich von einer Endfläche des Rotorkerns zur anderen Endfläche entlang der Richtung, in der sich die Drehachse 31 erstreckt.
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Das Zwischenlageelement 14 kann aus einem nichtmagnetischen Material gebildet werden. Das Zwischenlageelement 14 wird nach der vorliegenden Ausführungsform aus einem Harz gebildet. Zum Beispiel kann das Zwischenlageelement 14 aus einem Epoxidharz gebildet werden. Das Zwischenlageelement 14 kann zusätzlich zu einem Harz aus einer Keramik oder einem nichtmagnetischen Metall gebildet werden.
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Die äußere Umfangsfläche 14a des Zwischenlageelementes 14 ist nach der vorliegenden Ausführungsform so geformt, dass sie beim Schneiden entlang einer Fläche senkrecht zur Drehachse 31 eine kreisförmige Querschnittsform aufweist. Obwohl die Dicke des Magneten 13 entlang der Umfangsrichtung nicht konstant ist, kann der Magnet 13 mit der gleichen Kraft gepresst werden, wie wenn die Querschnittsform der äußeren Umfangsfläche 13d des Magneten ein Kreis ist. Mit anderen Worten, selbst wenn die Dicke des Magneten 13 in Umfangsrichtung nicht konstant ist, nimmt die Anpresskraft nicht ab.
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Wenn z.B. das Zwischenlageelement 14 nicht vorhanden ist, berührt der Magnet 13 das Verstärkungselement 15. Das Verstärkungselement 15 wird entlang der äußeren Umfangsfläche 13d des Magneten 13 in eine Form verformt, und die Anpresskraft gegen den Magneten 13 wird im Vergleich zu dem Fall reduziert, bei dem die Querschnittsform der äußeren Umfangsfläche 13d des Magneten 13 ein Kreis ist. Wenn sich der Rotor 1 dreht und eine Zentrifugalkraft wirkt, neigt der Magnet 13 daher dazu, sich am Endabschnitt 13b vom Rotorkern 12 zu lösen. Infolgedessen kann sich der Magnet 13 vom Rotorkern 12 lösen und die Position des Magneten 13 relativ zum Rotorkern 12 verschieben. In der vorliegenden Ausführungsform kann der Magnet 13 jedoch mit der gleichen Presskraft gepresst werden wie in dem Fall, dass die Querschnittsform der äußeren Umfangsfläche 13d des Magneten 13 ein Kreis ist, und die Ablösung des Magneten 13 vom Rotorkern 12 kann wirksam unterdrückt werden.
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Insbesondere in einem Synchronmotor, in dem der Rotor 1 mit hoher Geschwindigkeit rotiert, nimmt die Fliehkraft zu. Die Fliehkraft nimmt proportional zum Quadrat der Drehzahl zu. Aus diesem Grund neigt der Magnet 13 bei hoher Drehzahl des Rotors 1 dazu, sich vom Rotorkern 12 zu lösen. Im Rotor 1 nach der vorliegenden Ausführungsform kann jedoch, da der Magnet 13 ausreichend gegen den Rotorkern 12 angepresst werden kann, ein Abschälen des Magneten 13 unterdrückt werden. Die Drehzahl des Synchronmotors bei hoher Drehzahl kann z.B. durch 10.000 U/min oder mehr veranschaulicht werden. Der Synchronmotor ist nach der vorliegenden Ausführungsform ein Motor zum Drehen der Spindel der Werkzeugmaschine und rotiert mit hoher Drehzahl. Der Rotor 1 nach der vorliegenden Ausführungsform ist für einen Synchronmotor geeignet, bei dem eine solche Welle 11 mit hoher Geschwindigkeit rotiert.
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4 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Herstellungsfehlers. Jedes Element wird so hergestellt, dass die Abmessungen innerhalb der zum Zeitpunkt des Entwurfs festgelegten Toleranzen liegen. Der Herstellungsfehler kann zu einer Vergrößerung oder Verkleinerung des Gesamtmaßes führen. 4 zeigt einen Fall, in dem die Gesamtabmessung zunehmen kann. Bei dem Rotor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform treten bei der Herstellung der Welle 11 Maßfehler auf. Zum Beispiel tritt ein Fehler im Durchmesser der äußeren Umfangsfläche 11a der Welle 11 auf. Außerdem tritt bei der Herstellung des Rotorkerns 12 ein Fehler im Durchmesser der äußeren Umfangsfläche 12a des Rotorkerns 12 auf. Außerdem tritt bei der Herstellung des Magneten 13 ein Fehler in der Dicke auf. Der Fehler im Durchmesser (Radius von der Drehachse 31 zur äußeren Umfangsfläche 13d) der äußeren Umfangsfläche 13d des Magneten 13 ist ein Wert, der durch Addieren des Fehlers im Durchmesser der äußeren Umfangsfläche 11a der Welle 11, des Fehlers im Durchmesser der äußeren Umfangsfläche 12a des Rotorkerns 12 und des Fehlers in der Dicke des Magneten 13 erhalten wird. Wenn der Fehler der Welle 11 zur positiven Seite hin groß ist, der Fehler des Rotorkerns 12 zur positiven Seite hin groß ist und der Fehler der Dicke des Magneten 13 zur positiven Seite hin groß ist, wird der Fehler des Durchmessers der äußeren Umfangsfläche 13d des Magneten 13 sehr groß. Das heißt, der akkumulierte Fehler wird groß.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird, wie später beschrieben wird, nach der Bildung des Zwischenlageelements 14 auf der äußeren Umfangsfläche 13d des Magneten 13 das Verstärkungselement 15, dessen Innendurchmesser entsprechend dem Durchmesser der äußeren Umfangsfläche 14a des Zwischenlageelements 14 eingestellt ist, auf die äußere Umfangsfläche 14a montiert.
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In dem Rotor ohne das Zwischenlageelement 14 wird der Innendurchmesser des Verstärkungselements so eingestellt, dass eine notwendige Anpresskraft entsprechend dem Durchmesser der äußeren Umfangsfläche 13d im Endabschnitt 13b des Magneten 13 und dem Durchmesser der äußeren Umfangsfläche 13d im Mittelabschnitt 13a aufgebracht werden kann. Zum Beispiel kann ein Innendurchmesser des Verstärkungselements, das eine notwendige Anpresskraft auf die äußere Umfangsfläche liefern kann, mit einem Durchmesser zwischen dem Durchmesser der äußeren Umfangsfläche 13d im Endabschnitt 13b und dem Durchmesser der äußeren Umfangsfläche 13d im Mittelabschnitt 13a angenommen werden. Wenn der Durchmesser des Verstärkungselements 15 vergrößert wird, gibt es jedoch eine Grenze für die Größe der Ausdehnung. So hat beispielsweise ein aus einem faserverstärkten Kunststoff geformtes Verstärkungselement einen Bereich, in dem der Innendurchmesser vergrößert werden kann. Wenn der kumulierte Fehler groß ist, kann der Innendurchmesser den Bereich überschreiten, in dem der Innendurchmesser vergrößert werden kann, wodurch die Festigkeit des Verstärkungselements 15 verringert werden kann.
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Andernfalls, wenn der Fehler der Welle 11 zur negativen Seite hin groß ist, der Fehler des Rotorkerns 12 zur negativen Seite hin groß ist und der Fehler der Dicke des Magneten 13 zur negativen Seite hin groß ist, wird die Abmessung der äußeren Umfangsfläche 13d des Magneten 13 in radialer Richtung sehr klein (der absolute Wert des Fehlers wird groß). Daher gibt es im Rotor ohne das Zwischenlageelement 14 einen Fall, in dem die Kraft zum Anpressen des Magneten 13 durch das Verstärkungselements 15 schwach wird. Infolgedessen kann sich der Magnet 13 vom Rotorkern 12 lösen, wenn sich der Rotor dreht.
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Andererseits enthält der erste Rotor 1 nach der vorliegenden Ausführungsform ein Zwischenlageelement 14. Das Zwischenlageelement 14 ist so geformt, dass es die äußere Umfangsfläche 13d des Magneten 13 bedeckt, und ist ferner so geformt, dass die äußere Umfangsfläche 14a des Zwischenlageelements 14 eine kreisförmige Querschnittsform hat. Daher kann das Verstärkungselement 15 das Zwischenlageelement 14 und den Magneten 13 mit einer Kraft in Richtung der Drehachse 31 drücken, die gleich groß ist wie in dem Fall, dass die Querschnittsform der äußeren Umfangsfläche 13d des Magneten 13 ein Kreis ist.
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Das Zwischenlageelement 14 gemäß dem ersten Rotor 1 ist so geformt, dass es den Magneten 13 im Mittelabschnitt 13a und im Endabschnitt 13b abdeckt. Das Zwischenlageelement 14 ist vorzugsweise dick ausgebildet, um maximalen Maßfehlern entgegenzuwirken, die auf der Toleranz der Welle 11, der Toleranz des Rotorkerns 12 und der Toleranz des Magneten 13 in der Konstruktion beruhen. Durch diese Konfiguration können der Herstellungsfehler der Welle 11, der Herstellungsfehler des Rotorkerns 12 und der Herstellungsfehler des Magneten 13 im Dickeabschnitt des Zwischenlageelements 14 absorbiert werden.
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Ferner kann, wie später beschrieben wird, das Zwischenlageelement 14 so geformt werden, dass die Querschnittsform der äußeren Umfangsfläche 14a des Zwischenlageelements 14 entlang eines Kreises folgt, der auf der Drehachse 31 zentriert ist. Dadurch ist es möglich, eine Reduzierung der auf den Magneten 13 ausgeübten Kraft gegenüber dem Fall zu unterdrücken, dass die Querschnittsform der äußeren Umfangsfläche 13d des Magneten 13 ein Kreis ist. Ferner kann durch die Einstellung der Dicke des Zwischenlageelements 14 auf der Grundlage des Innendurchmessers des Verstärkungselements 15 die auf den Magneten 13 ausgeübte Druckkraft in einem geeigneten Bereich eingestellt werden.
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Das Verstärkungselement 15 nach der vorliegenden Ausführungsform besteht aus einem faserverstärkten Kunststoff. Durch diese Konfiguration kann der Magnet 13 durch ein leichtes und starkes Verstärkungselement befestigt werden. Da der faserverstärkte Kunststoff leicht ist, wird die Zentrifugalkraft bei der Drehung des Rotors 1 reduziert. Aus diesem Grund ist das aus faserverstärktem Kunststoff gefertigte Verstärkungselement für den mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Rotor 1 geeignet.
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Das Material des Verstärkungselements ist nicht auf ein Material beschränkt, das ein Harz enthält, und kann aus einem Material ohne Magnetismus gebildet werden. Zum Beispiel kann das Verstärkungselement aus einem nichtmagnetischen Metall bestehen. Das Verstärkungselement kann z.B. aus rostfreiem Stahl oder Kupfer ohne magnetische Eigenschaften gebildet werden. Wenn das aus einem Metall gebildete Verstärkungselement erhitzt wird, vergrößert sich der Innendurchmesser des Verstärkungselements. Das heißt, der Durchmesser des Verstärkungselements kann leicht vergrößert werden. Als nächstes wird der Rotorkern, an dem der Magnet und das Zwischenelement befestigt sind, im Inneren des Verstärkungselements angeordnet. Danach kann der Rotorkern an der Innenseite des Verstärkungselements befestigt werden, indem das Verstärkungselement gekühlt wird. Auf diese Weise kann der Rotorkern an der Innenseite des Verstärkungselements durch Schrumpfmontage befestigt werden. Das aus einem Metall geformte Verstärkungselement kann den Rotorkern leicht im Inneren des Verstärkungselements befestigen.
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Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors nach der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Unter Bezugnahme auf 1 und 3 werden zunächst mehrere Magnete 13 an einer äußeren Umfangsfläche 12a des Rotorkerns 12 befestigt. Dann wird ein zylindrisches Rahmenelement mit einer Form, die der Form des Verstärkungselements 15 entspricht, vorbereitet. Die innere Umfangsfläche des Rahmenelements wird aus einem Material mit formbaren Eigenschaften in Bezug auf das Harz gebildet. Das Rahmenelement kann z.B. aus einem Metall gebildet werden.
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Als nächstes wird der Rotorkern 12, an dem der Magnet 13 befestigt ist, in ein solches Rahmenelement eingesetzt. Vorzugsweise ist der Innendurchmesser des Rahmenteils größer als der Innendurchmesser des Verstärkungselements 15. Als nächstes wird ein Bereich, der von dem Rahmenelement, dem Magneten 13 und dem Rotorkern 12 umgeben ist, mit einem Material gefüllt, das als Zwischenlageelement 14 dient. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Harz vor dem Aushärten zum Einfließen gebracht. Bei dem Verfahren zur Herstellung des ersten Rotors 1 wird das Harz nicht nur im Bereich zwischen den Magneten 13 und dem Rahmenelement, sondern auch im Bereich zwischen den Magneten 13 spaltfrei eingefüllt. Anschließend wird das Material, das das Zwischenlageelement 14 sein soll, ausgehärtet. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Zwischenlageelement 14 durch Aushärten des Harzes gebildet. Der Rotorkern 12, an dem der Magnet 13 und das ZwischenlageelementZwischenelement 14 befestigt sind, kann geformt werden.
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Als nächstes wird die äußere Umfangsfläche 14a des Zwischenlageelementes 14 so geschnitten, dass die Querschnittsform der äußeren Umfangsfläche 14a des Zwischenlageelementes 14 zu einem Kreis wird, der auf der Drehachse 31 zentriert ist. Zu diesem Zeitpunkt wird der Schnitt so ausgeführt, dass der Durchmesser der äußeren Umfangsfläche 14a des Zwischenlageelements 14 innerhalb der Toleranz des Entwurfs liegt. Der Schnitt wird so ausgeführt, dass der Durchmesser der äußeren Umfangsfläche 14a des Zwischenlageelements 14 dem Durchmesser der inneren Umfangsfläche 15a des Verstärkungselements 15 entspricht. Es ist zum Beispiel möglich, so zu schneiden, dass der Durchmesser der äußeren Umfangsfläche 14a des Zwischenlageelementes 14 etwas größer ist als der Durchmesser der inneren Umfangsfläche 15a des Verstärkungselements 15. Eine Werkzeugmaschine o.ä. kann für den Schneidvorgang des Zwischenlageelements 14 verwendet werden.
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Als nächstes wird das Verstärkungselement 15 an der Außenseite der äußeren Umfangsfläche 14a des Zwischenlageelements 14 angebracht. Da der Durchmesser der äußeren Umfangsfläche 14a des Zwischenlageelements 14 größer als die innere Umfangsfläche 15a des Verstärkungselements 15 ist, kann zu diesem Zeitpunkt die gesamte äußere Umfangsfläche 14a des Zwischenlageelements 14 gepresst werden. Der Magnet 13 wird mit einer ausreichenden Kraft durch das Zwischenlageelement 14 gepresst.
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Wie oben beschrieben, umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Rotors gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen Formgebungsschritt, bei dem ein Zwischenlageelement so geformt wird, dass es zumindest die gesamte äußere Umfangsfläche des Permanentmagneten bedeckt, und einen Schneideschritt, bei dem die äußere Umfangsfläche des Zwischenlageelements geschnitten wird. In dem Formschritt wird das Zwischenlageelement so geformt, dass der Außendurchmesser des Zwischenlageelements größer ist als der Innendurchmesser des Verstärkungselements. Im Schneideschritt wird das Schneiden so ausgeführt, dass die äußere Umfangsfläche des Zwischenlageelements zu einem Kreis wird, der auf der Drehachse zentriert ist, wenn entlang einer Ebene senkrecht zur Drehachse geschnitten wird. Gemäß diesem Herstellungsverfahren kann der Durchmesser der äußeren Umfangsfläche des Zwischenlageelements dem Innendurchmesser des Verstärkungselements entsprechen. Der kumulierte Fehler, der durch Addition des Fehlers der Welle 11, des Fehlers des Rotorkerns 12 und des Fehlers der Dicke des Magneten 13 erhalten wird, kann durch die Dicke des Zwischenlageelements ausgeglichen werden. Dadurch ist es möglich, die Verringerung der Festigkeit des Verstärkungselements 15 durch Überschreiten der Grenze der Durchmesserausdehnung des Verstärkungselements 15 aufgrund eines großen Herstellungsfehlers zu unterdrücken. Weiterhin ist es möglich, eine Schwächung der Anpresskraft gegen den Magneten 13 zu unterdrücken. Ferner kann die Länge in radialer Richtung, die durch das Verstärkungselement 15 angezogen werden soll, in einem geeigneten Bereich eingestellt werden.
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Insbesondere Magnete lassen sich nur schwer mit hoher Maßgenauigkeit formen. Da im Rotor nach der vorliegenden Ausführungsform die Form der äußeren Umfangsfläche des Zwischenlageelementes einstellbar ist, kann die Konstruktionstoleranz des Magneten 13 groß eingestellt werden. Dadurch kann der Magnet 13 leicht hergestellt werden. Alternativ können die Herstellungskosten des Rotors 1 reduziert werden.
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Ferner kann die äußere Umfangsfläche 14a des Zwischenlageelementes 14 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit hoher Genauigkeit durch eine Werkzeugmaschine oder ähnliches leicht bearbeitet werden. Aus diesem Grund muss der Betrag, um den das Verstärkungselement 15 aufgeweitet wird (radiale Länge zur Vergrößerung des Durchmessers), nicht übermäßig groß sein. Das heißt, es ist nicht notwendig, den Betrag der Durchmesserausdehnung übermäßig zu erhöhen. Daher ist es möglich, eine Beschädigung des Verstärkungselements 15 durch Überschreiten der Durchmesserausdehnungsgrenze des Verstärkungselements 15 zu verhindern.
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Bei dem ersten Rotor 1 nach der vorliegenden Ausführungsform ist das Zwischenlageelement 14 in dem gesamten Bereich angeordnet, der von dem Rotorkern 12, dem Magneten 13 und dem Verstärkungselement 15 umgeben ist. Das Zwischenlageelement ist nicht auf diese Form beschränkt und kann so ausgebildet werden, dass es zumindest die gesamte äußere Umfangsfläche des Permanentmagneten bedeckt.
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5 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Magnetabschnitts eines zweiten Rotors gemäß der vorliegenden Darstellung. In dem zweiten Rotor 2 wird für jeden Magneten 13 ein Zwischenlageelement 16 gebildet. Das Zwischenlageelement 16 ist so ausgebildet, dass es den Bereich zwischen der äußeren Umfangsfläche 13d des Magneten 13 und der inneren Umfangsfläche 15a des Verstärkungselements 15 ausfüllt. Ein Hohlraumabschnitt 21 wird zwischen den in Umfangsrichtung benachbarten Magneten 13 gebildet.
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Der zweite Rotor 2 kann mit dem gleichen Herstellungsverfahren wie der erste Rotor 1 hergestellt werden. Auch beim Herstellungsverfahren des zweiten Rotors 2 wird der Magnet 13 auf dem Rotorkern 12 befestigt. Ein Rotorkern 12, an dem ein Magnet 13 befestigt ist, wird innerhalb eines vorher gebildeten Rahmenteils angeordnet. Das Rahmenelement zur Bildung des zweiten Rotors 2 umfasst einen Wandabschnitt, der entlang der Endfläche 13e des Magneten 13 gebildet wird. Ein Bereich, der von dem Wandabschnitt, der äußeren Umfangsfläche 13d des Magneten 13 und der inneren Umfangsfläche 15a des Verstärkungselements 15 umgeben ist, ist mit einem Material gefüllt, das als Zwischenlageelement dient. Zum Beispiel wird ein Harz gefüllt. Anschließend kann durch Aushärten des als Zwischenlageelement dienenden Materials das Zwischenlageelement für jeden Magneten geformt werden. Durch Aushärten des Harzes kann z.B. das Zwischenlageelement 16 in Bezug auf den Magneten 13 gebildet werden. Als nächstes wird das Zwischenlageelement 16 durch eine Werkzeugmaschine oder ähnliches so geschnitten, dass die Querschnittsform der äußeren Umfangsfläche 16a des Zwischenlageelements 16 entlang eines Kreises folgt, der auf der Drehachse 31 zentriert ist. Als nächstes wird der Rotorkern 12, an dem der Magnet 13 und das Zwischenlageelement 16 befestigt sind, an der Innenseite des Verstärkungselements 15 befestigt.
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6 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die die Wirkung des zweiten Rotors gemäß der vorliegenden Darstellung veranschaulicht. In 6 ist der Krümmungsradius des Rotors zum Zweck der Erklärung kleiner als in 5. Im zweiten Rotor 2 wird zwischen den Magneten 13 ein Hohlraumabschnitt 21 gebildet. In dem Bereich, in dem das Zwischenlageelement 16 angeordnet ist, enthält das Verstärkungselement 15 einen gekrümmten Abschnitt 15b, der entlang der äußeren Umfangsfläche 16a des Zwischenlageelements 16 so ausgebildet ist, dass er eine bogenförmige Querschnittsform aufweist. Andererseits wird in dem Bereich, in dem der Hohlraumabschnitt 21 gebildet wird, ein flacher Abschnitt 15c gebildet, der sich in einer ebenen Form erstreckt.
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Da an der Grenze zwischen dem gekrümmten Abschnitt 15b und dem flachen Abschnitt 15c Spannungen erzeugt werden, hat der zweite Rotor 2 die Eigenschaft, dass die Festigkeit geringer ist als die des ersten Rotors 1. Im zweiten Rotor 2 kann jedoch, wie im Fall des ersten Rotors 1, der Magnet 13 mit ausreichender Kraft gepresst werden, im Vergleich zu dem Fall, in dem das Zwischenlageelement 16 nicht vorgesehen ist. Die andere Wirkung und der Effekt des zweiten Rotors 2 sind die gleichen wie die des ersten Rotors 1, und deshalb wird die Beschreibung hier nicht wiederholt.
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Der Elektromotor nach der vorliegenden Ausführungsform ist ein Elektromotor, der die Spindel einer Werkzeugmaschine dreht, aber die Ausführungsform ist nicht darauf beschränkt, und ein Rotor nach der vorliegenden Ausführungsform kann für jeden Elektromotor übernommen werden. Insbesondere eignet er sich, wie oben beschrieben, für einen Elektromotor mit einer großen Drehzahl.
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Nach einem Aspekt der vorliegenden Offenlegung ist es möglich, einen leicht herstellbaren Rotor eines Synchronmotors zu liefern, der das Abschälen eines Magneten unterdrücken kann.
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Bei jedem der oben beschriebenen Herstellungsschritte kann die Reihenfolge der Schritte entsprechend geändert werden, sofern die Funktion und die Aktion nicht verändert werden.
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Die oben genannten Ausführungsformen können je nach Bedarf kombiniert werden. In jeder der obigen Abbildungen werden die gleichen oder gleichwertige Teile durch die gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Es ist zu beachten, dass die obige Ausführungsform ein Beispiel ist und die Erfindung nicht einschränkt. Zusätzlich enthalten die Ausführungsformen auch Änderungen der in den Ansprüchen gezeigten Ausführungsformen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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