JP2003088018A - ロータ及びその製造方法、電動機、並びに発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ロータの高速回転化を可能にする。 【解決手段】 本発明によるロータは、空洞を有しない
円柱状に形成された永久磁石（１）と、当該ロータの回
転軸となるシャフト（４）と、永久磁石（１）とシャフ
ト（４）とを接合する接合部材（２、３）とを備えてい
る。空洞を有しない円柱状に形成された永久磁石（１）
は、遠心力に対する強度が高く、ロータの高速回転化が
可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電動機及び発電機
に使用されるロータ（回転子）に関する。本発明は、特
に、永久磁石が設けられたロータに関する。

【０００２】

【従来の技術】回転界磁形の電動機、及び発電機には、
永久磁石により磁界を発生するロータが使用されること
がある。

【０００３】図６は、従来の永久磁石を用いたロータの
構造を示す。図６（ａ）〜（ｄ）に示されているよう
に、鉄心１０１の側面に、それぞれ永久磁石１０２ａ〜
１０２ｄが接合されたロータが知られている。図６
（ａ）に示されているように、永久磁石１０２ａは、円
筒状である場合があり、図６（ｂ）〜（ｄ）にそれぞれ
示された形状を有する永久磁石１０２ｂ〜１０２ｄが、
鉄心１０１の側面に接合されることがある。

【０００４】ロータは、高速回転が可能であることが望
まれる。

【０００５】ロータの機械的強度は、大きいことが望ま
れる。

【０００６】更に、ロータの永久磁石が発生する磁束密
度は、大きいことが望まれる。

【０００７】更に、永久磁石を含むロータの加工精度
は、高いことが望まれる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】

【０００９】本発明の目的は、ロータの高速回転化を可
能にすることにある

【００１０】本発明の他の目的は、永久磁石を含むロー
タの機械的強度を大きくすることにある

【００１１】本発明の他の目的は、ロータの永久磁石が
発生する磁束密度を大きくすることにある。

【００１２】本発明の更に他の目的は、永久磁石を含む
ロータの加工精度を高くする技術を提供することにあ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】以下に、[発明の実施の
形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決す
るための手段が説明される。これらの番号・符号は、
[特許請求の範囲]の記載と[発明の実施の形態]の記載と
の対応関係を明らかにするために付加されている。但
し、付加された番号・符号は、[特許請求の範囲]に記載
されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならな
い。

【００１４】本発明によるロータは、空洞を有しない円
柱状に形成された永久磁石（１）と、当該ロータの回転
軸となるシャフト（４）と、永久磁石（１）とシャフト
（４）とを接合する接合部材（２、３）とを備えてい
る。空洞を有しない円柱状に形成された永久磁石（１）
は、遠心力に対する強度が高く、ロータの高速回転化が
可能である。更に、空洞を有しない円柱状に形成された
永久磁石（１）は、発生する磁束密度を大きくすること
ができる。

【００１５】このとき、永久磁石（１）は、軸方向に順
次に接合された、複数の円柱状の磁石片（１−１〜１−
６）を含むことがある。このような構造は、大きな永久
磁石（１）の提供を可能にする。

【００１６】接合部材（２、３）は、永久磁石（１）が
挿入されている円筒形の保持円筒部材（２）と、保持円
筒部材（２）の端を塞ぐように保持円筒部材（２）に接
合され、且つ、シャフト（４）に接合された側板（３）
を含むことがある。このような構造は、遠心力に対する
強度を更に高くし、ロータの更なる高速回転化を可能に
する。

【００１７】保持円筒部材（２）と側板（３）とは、溶
接により接合されることがある。この場合、側板（３）
と永久磁石（１）との間には、隙間（３ａ）が設けられ
ていることが好ましい。この隙間（３ａ）は、保持円筒
部材（２）と側板（３）との溶接の際の側板（３）の膨
張による永久磁石（１）の損傷を防ぐ。

【００１８】上述のロータは、電動機又は発電機のいず
れにも組み込まれて使用され得る。

【００１９】本発明によるロータ製造方法は、（ａ）空
洞を有しない複数の磁石ブロック（１１）を、一方向に
順次に連結して接合し、磁石ブロック構造体（１２）を
形成する工程と、（ｂ）磁石ブロック構造体（１２）を
研削して、円柱状の永久磁石（１）を形成する工程と、
（ｃ）永久磁石（１）をロータに組み込む工程とを備え
ている。複数の磁石ブロック（１１）を、一方向に順次
に接合して磁石ブロック構造体（１２）を形成した後、
磁石ブロック構造体（１２）を研削することにより、磁
石ブロック（１１）のずれが修正可能であり、大きな永
久磁石（１）を高い加工精度で形成することを可能にす
る。

【００２０】このとき、（ｃ）工程は、（ｄ）円筒形の
保持円筒部材（２）を供給する工程と、（ｅ）保持円筒
部材（２）の温度が前記永久磁石の温度よりも高い状態
で、永久磁石（１）を保持円筒部材（２）に挿入する工
程と、（ｆ）永久磁石（１）が保持円筒部材（２）に挿
入された状態で、保持円筒部材と前記永久磁石との温度
差を小さくする工程と、（ｇ）保持円筒部材（２）の端
を塞ぐように、保持円筒部材（２）に側板（３）を接合
する工程と、（ｆ）側板（３）にシャフト（４）を接合
する工程とを含むことが好ましい。空洞を有しない円柱
状である永久磁石（１）は、圧縮応力に対する強度が高
く、これにより、永久磁石（１）と保持円筒部材（２）
との接合強度を高くとることができる。

【００２１】このとき、（ｇ）工程は、（ｈ）側板
（３）と永久磁石（１）とを、側板（３）と永久磁石
（１）との間に隙間が設けられた状態で保持しながら、
保持円筒部材（２）と側板（３）とを溶接する工程を備
えることが好ましい。

【００２２】本発明によるロータ製造方法は、（ｊ）円
筒形の保持円筒部材（２）と、円柱状の永久磁石（１）
とを供給する工程と、（ｋ）保持円筒部材（２）の温度
が永久磁石（１）の温度よりも高い状態で、永久磁石
（１）を保持円筒部材（２）に挿入する工程と、（ｌ）
永久磁石（１）が保持円筒部材（２）に挿入された状態
で、保持円筒部材（２）と永久磁石（１）との温度差を
小さくし、永久磁石（１）と保持円筒部材（２）とを接
合する工程と、（ｍ）保持円筒部材（２）の端を塞ぐよ
うに、保持円筒部材（２）に側板（３）を接合する工程
と、（ｎ）側板（３）にシャフト（４）を接合する工程
とを備えている。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら、
本発明によるロータの実施の一形態を説明する。

【００２４】本発明によるロータの実施の一形態は、図
１に示されているように、永久磁石１が、保持円筒部材
２とともに設けられている。永久磁石１は、保持円筒部
材２に挿入され保持されている。永久磁石１の断面形状
は、図２に示されているように円であり、永久磁石１
は、内部に空洞を有しない円柱の形状を有する。保持円
筒部材２の断面形状は、中に空洞を有する円筒であり、
その空洞に永久磁石１が挿入されている。

【００２５】図１に示されているように、永久磁石１
は、軸方向に順次に接続された、複数の円柱状の磁石片
１−１〜１−６を含む。現実に製造しようとする場合、
一つの永久磁石の大きさには、制約がある。特に、焼結
されて形成される永久磁石では、その制約が厳しい。そ
こで、永久磁石１を必要な大きさに形成するために、複
数の円柱状の磁石片１−１〜１−６が連結されている。

【００２６】永久磁石１を保持する保持円筒部材２は、
高強度を有し、且つ、非磁性の金属材料で形成される。
このような金属材料として、インコネル７１８が例示さ
れる。

【００２７】保持円筒部材２には、その両端（底面）を
塞ぐように、円盤状の側板３が接合されている。保持円
筒部材２と側板３とは、溶接により接合されている。こ
のとき、永久磁石１と側板３との間には、微小な隙間３
ａが設けられている。隙間３ａは、典型的には、０．１
〜０．２ｍｍである。隙間３ａは、後述されるように、
保持円筒部材２と側板３との溶接の際に、側板３が熱に
より膨張することによる永久磁石１の損傷を防ぐために
設けられている。

【００２８】側板３には、シャフト４が接合される。シ
ャフト４は、当該ロータが回転する回転軸になる。

【００２９】以上に説明された本発明によるロータの実
施の一形態は、電動機及び発電機のいずれにも組み込ま
れて使用され得る。

【００３０】本実施の形態のロータの永久磁石１は空洞
を有さない円柱状であり、機械的強度が高い。これによ
り、当該ロータの耐遠心力が大きくなり、ロータの高速
回転を可能にする。更に、円柱状の永久磁石１は圧縮応
力にも強く、保持円筒部材２が永久磁石１に加える締め
付け力を大きくとることができる。従って、永久磁石１
と保持円筒部材２との接合強度を高くすることができ
る。

【００３１】更に、当該ロータは、発生する磁束密度が
大きい。図３は、空洞を有しない円柱状の永久磁石と、
空洞を有する円筒状の永久磁石とが発生する磁束密度の
比較を示す。比較対象の全ての永久磁石は、直径方向に
同一の大きさの磁化を有すると仮定されている。また、
図３に示された磁束密度は、ロータとステータ間のギャ
ップにおける磁束密度である。

【００３２】図３の曲線１１は、図４（ａ）に示された
空洞を有しない円柱状の永久磁石が発生する磁束密度で
あり、図３の曲線１２、１３、及び１４は、それぞれ、
図４（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）に示されているよう
に、その中心近傍に円柱状の空洞を有する円筒状の永久
磁石が発生する磁束密度である。円柱、円筒の外径はい
ずれも４７ｍｍであり、曲線１１、１２、１３、及び１
４は、それぞれ、円柱状の空洞の直径が０ｍｍ（即ち、
空洞なし）、１０ｍｍ、２０ｍｍ、及び３０ｍｍである
ときの磁束密度である。

【００３３】図３に示されているように、空洞を有しな
い円柱状の永久磁石は、空洞を有する円筒状の永久磁石
よりも、ギャップにおける磁束密度が大きい。このよう
に、空洞を有しない円柱状の永久磁石１を使用した本実
施の形態のロータは、発生する磁束密度を大きくするこ
とができる。

【００３４】以上に説明された、本実施の形態のロータ
は、下記の工程により製造される。

【００３５】図５（ａ）に示されているように、円柱状
の複数の磁石ブロック１１が、軸方向に順次に接着によ
り連結されて、磁石ブロック構造体１２が形成される。
磁石ブロック１１の直径は、最終的に製造される永久磁
石１の直径よりも微小に大きい。典型的には、磁石ブロ
ック１１は、その直径が、永久磁石１の直径よりも１６
０μｍだけ大きく形成される。磁石ブロック１１の中心
軸１１ａは、可能な限り、一の直線上にあるように連結
される。

【００３６】続いて、図５（ｂ）に示されているよう
に、磁石ブロック構造体１２の側面が研削され、永久磁
石１が形成される。このように、磁石ブロック１１の連
結の後に研削が行われるのは、磁石ブロック１１の中心
軸１１ａのずれを修正するためである。実際に磁石ブロ
ック１１を連結する場合、現実として、多少、中心軸１
１ａがずれることは、避けられない。そこで、予め永久
磁石１の直径よりも大きな磁石ブロック１１を連結して
磁石ブロック構造体１２を形成し、その磁石ブロック構
造体１２を研削することにより、加工精度が高められて
いる。これにより、大きな永久磁石１を、高い加工精度
で形成することができる。

【００３７】続いて、形成された永久磁石１が保持円筒
部材２に挿入され、接合される。永久磁石１と保持円筒
部材２との接合は、焼きばめにより行われる。保持円筒
部材２が加熱され、保持円筒部材２の温度が永久磁石１
の温度よりも高くされる。保持円筒部材２は、熱膨張
し、その内径が大きくなる。この状態で、永久磁石１が
保持円筒部材２に挿入される。永久磁石１が保持円筒部
材２に挿入された状態で、保持円筒部材２が冷却され、
永久磁石１と保持円筒部材２との温度差が小さくされ
る。すると保持円筒部材２は収縮し、保持円筒部材２の
収縮により永久磁石１に締め付け力が加えられる。この
締め付け力により永久磁石１は保持円筒部材２に接合さ
れる。

【００３８】このとき、保持円筒部材２が加熱される代
わりに、永久磁石１が冷却されることも可能である。永
久磁石１が冷却されると、永久磁石１は収縮し、その直
径が小さくなる。この状態で、永久磁石１が保持円筒部
材２に挿入される。永久磁石１が保持円筒部材２に挿入
された状態で、永久磁石１が加熱され、永久磁石１と保
持円筒部材２との温度差が小さくされる。すると永久磁
石１は膨張し、保持円筒部材２の収縮により永久磁石１
に締め付け力が加えられる。この締め付け力により、永
久磁石１は保持円筒部材２に接合される。

【００３９】永久磁石１が空洞を有さない円柱状である
ことは、永久磁石１と保持円筒部材２との接合強度を大
きくすることができる点で好ましい。空洞を有さない円
柱状である永久磁石１は、圧縮応力に対する強度が高
い。従って、保持円筒部材２により、永久磁石１に加え
られる締め付け力を大きくすることが可能である。これ
により、永久磁石１と保持円筒部材２との接合強度を大
きくすることができる。

【００４０】続いて、保持円筒部材２の端を塞ぐように
側板３が溶接される。溶接の際には、永久磁石１と側板
３は、それらの間に微小な隙間が存在するように保持さ
れる。その隙間は、典型的には、０．１〜０．２ｍｍで
ある。この隙間は、保持円筒部材２と側板３との溶接の
際に、永久磁石１が損傷を受けるのを防ぐ。保持円筒部
材２と側板３とが溶接されるとき、側板３は加熱されて
膨張する。このとき、隙間３ａが設けられていることに
より、側板３から永久磁石１に過大な力が加えられるこ
とが避けられ、永久磁石１の損傷が防がれる。

【００４１】更に、側板３にシャフト４が接合される。

【００４２】以上の工程が行われた後、永久磁石１の直
径方向に磁界が印加され、永久磁石１が着磁される。本
実施の形態のロータの製造が完了する。

【００４３】このように、本実施の形態のロータの製造
方法は、予め永久磁石１の直径よりも大きな磁石ブロッ
ク１１を連結して磁石ブロック構造体１２を形成し、そ
の磁石ブロック構造体１２を研削することにより、加工
精度が高められている。

【００４４】更に、本実施の形態のロータの製造方法
は、永久磁石１が空洞を有さない円柱状であることによ
り、永久磁石１と保持円筒部材２との接合強度を高くす
ることができる。

【００４５】更に、本実施の形態のロータの製造方法
は、保持円筒部材２と側板３との溶接の際に、永久磁石
１と側板３との間に隙間３ａが設けられ、永久磁石１の
損傷が防がれている。

【００４６】

【発明の効果】本発明により、永久磁石が設けられたロ
ータの機械的強度を大きくすることができる。

【００４７】また、本発明により、ロータの永久磁石が
発生する磁束密度を大きくすることができる。

【００４８】また、本発明により、永久磁石を含むロー
タの加工精度を高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明によるロータの実施の一形態を
示す正面断面図である。

【図２】図２は、本発明によるロータの実施の一形態を
示す側面断面図である。

【図３】図３は、空洞を有しない永久磁石と空洞を有す
る永久磁石とが発生する磁束密度の比較を示す。

【図４】図４は、図３の比較対象である永久磁石の構造
を示す。

【図５】図５は、本発明によるロータ製造方法の実施の
一形態を示す。

【図６】図６は、従来のロータの構造を示す。

【符号の説明】

１：永久磁石 １−１〜１−６：磁石片 ２：保持円筒部材 ３：側板 ４：シャフト １１：磁石ブロック １２：磁石ブロック構造体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森本 雅之 愛知県名古屋市中村区岩塚町字高道１番地 三菱重工業株式会社名古屋研究所内 (72)発明者 東森 弘高 長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号 三 菱重工業株式会社長崎研究所内 Ｆターム(参考） 5H621 AA03 HH01 JK01 5H622 AA03 CA03 CB06 PP03 PP09 PP17 PP19

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円柱状に形成された永久磁石と、 当該ロータの回転軸となるシャフトと、 前記永久磁石と前記シャフトとを接合する接合部材とを
   備えたロータ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のロータにおいて、 前記永久磁石は、軸方向に順次に接合された、複数の円
   柱状の磁石片を含むロータ。
3. 【請求項３】 請求項１に記載のロータにおいて、 前記接合部材は、 前記永久磁石が挿入されている円筒形の保持円筒部材
   と、 前記保持円筒部材の端を塞ぐように前記保持円筒部材に
   接合され、且つ、前記シャフトに接合された側板を含む
   ロータ。
4. 【請求項４】 請求項３に記載のロータにおいて、 前記保持円筒部材と前記側板とは、溶接により接合さ
   れ、 前記側板と前記永久磁石との間には、隙間が設けられた
   ロータ。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項４のいずれか一の請
   求項に記載のロータを備えた電動機。
6. 【請求項６】 請求項１から請求項４のいずれか一の請
   求項に記載のロータを備えた発電機。
7. 【請求項７】 （ａ）複数の磁石ブロックを、一方向に
   順次に連結して接合し、磁石ブロック構造体を形成する
   工程と、 （ｂ）前記磁石ブロック構造体を研削して、円柱状の永
   久磁石を形成する工程と、 （ｃ）前記永久磁石をロータに組み込む工程とを備えた
   ロータ製造方法。
8. 【請求項８】 請求項７に記載のロータ製造方法におい
   て、 前記（ｃ）工程は、 （ｄ）円筒形の保持円筒部材を供給する工程と、 （ｅ）前記保持円筒部材の温度が前記永久磁石の温度よ
   りも高い状態で、前記永久磁石を前記保持円筒部材に挿
   入する工程と、 （ｆ）前記永久磁石が前記保持円筒部材に挿入された状
   態で、前記保持円筒部材と前記永久磁石との温度差を小
   さくして、前記永久磁石と前記保持円筒部材とを接合す
   る工程と、 （ｇ）前記保持円筒部材の端を塞ぐように、前記保持円
   筒部材に側板を接合する工程と、 （ｆ）前記側板にシャフトを接合する工程とを含むロー
   タ製造方法。
9. 【請求項９】 請求項８に記載のロータ製造方法におい
   て、 前記（ｇ）工程は、 （ｈ）前記側板と前記永久磁石とを、前記側板と前記永
   久磁石との間に隙間が設けられた状態で保持しながら、
   前記保持円筒部材と前記側板とを溶接する工程を備えた
   ロータ製造方法。
10. 【請求項１０】 （ｉ）円筒形の保持円筒部材と、円柱
    状の永久磁石とを供給する工程と、 （ｊ）前記保持円筒部材の温度が前記永久磁石の温度よ
    りも高い状態で、前記永久磁石を前記保持円筒部材に挿
    入する工程と、 （ｋ）前記永久磁石が前記保持円筒部材に挿入された状
    態で、前記保持円筒部材と前記永久磁石との温度差を小
    さく前記永久磁石と前記保持円筒部材とを接合する工程
    と、 （ｌ）前記保持円筒部材の端を塞ぐように、前記保持円
    筒部材に側板を接合する工程と、 （ｍ）前記側板にシャフトを接合する工程とを備えたロ
    ータ製造方法。