JP2008199841A - 界磁子 - Google Patents

Abstract

【課題】熱変形による界磁磁石の破損の抑制と、回転子鉄心及び界磁磁石の間の固定力の向上とをバランスよく実現できる界磁子を提供することを目的とする。
【解決手段】円筒状の回転子鉄心１の外周面である面１ａに、リング状の界磁磁石２の内周面である面２ａを対向させて配置し、互いに弾性率の異なる接着剤３０，３１により回転子鉄心１と界磁磁石２とを接着固定する。接着剤３０は界磁磁石２の中央で面１ａと面２ａとを接着固定し、接着剤３１は界磁磁石２の磁極面の端部で面１ａと面２ａとを接着固定する。そして、熱変形により、界磁磁石２の磁極の端部における面１ａ及び面２ａの間隙が界磁磁石２の磁極の中央における面１ａ及び面２ａの間隙よりも大きく変化する場合は、接着剤３０は接着剤３１の弾性率よりも大きいものを用いる。
【選択図】図２

Description

本発明は界磁子に関し、例えばリング磁石を用いた界磁子に関する。

ロータヨークの外周表面にリング磁石を接着したロータにおいて、熱応力によるリング磁石の応力破壊を防止するために、ロータヨークの外周とリング磁石の内周との間に柔らかい接着剤を充填してリング磁石とロータヨークを固定する技術が特許文献１の従来の技術の欄に開示されている。

また、本発明に関連する技術として特許文献２が開示されている。

実開平６−５３５０号公報 特開２００４−３３６８４３号公報

しかしながら特許文献１に記載の技術では、柔らかい接着剤のみでロータヨークとリング磁石とを接着しているので、ロータヨークとリング磁石との間の固定力が低下していた。

そこで、本発明は、熱変形による界磁磁石の破損の抑制と、鉄心及び界磁磁石の間の固定力とをバランスよく向上できる界磁子を提供することを目的とする。

本発明に係る界磁子の第１の態様は、所定軸（Ｐ）の延在方向に延在して前記所定軸の 所定軸（Ｐ）の延在方向に延在して前記所定軸の周囲で環状を呈する第１面（１ａ）を有した鉄心（１）と、前記所定軸の延在方向に延在して前記所定軸の周囲で環状を呈する第２面（２ａ）を有し、前記第２面（２ａ）上において前記所定軸を中心とした周方向で異なる磁極面を呈する界磁磁石（２）と、前記周方向での前記磁極面の端部で前記第１面（１ａ）と前記第２面（２ａ）とを接着する第１接着剤（３０）と、前記周方向での前記磁極面の中央で前記第１面（１ａ）と前記第２面（２ａ）とを接着する第２接着剤（３１）とを備え、前記所定軸に対する径方向における前記鉄心の熱膨張係数である第１係数（α１）と、前記磁極面の前記端部での前記径方向における前記界磁磁石の熱膨張係数である第２係数（α２）との差の絶対値である第１値（｜α１−α２｜）を、前記第１係数（α１）と、前記磁極面の前記中央での前記径方向における前記界磁磁石の熱膨張係数である第３係数（α３）との差の絶対値である第２値（｜α１−α３｜）で除算した値から１を減算した値（｜α１−α２｜／｜α１−α３｜−１）の正負と、前記第１接着剤の前記径方向の弾性率（Ｅ１）を前記第２接着剤の前記径方向の弾性率（Ｅ２）で除算した値（Ｅ１／Ｅ２）から１を減算した値（Ｅ１／Ｅ２−１）の正負が同一である。

本発明に係る界磁子の第２の態様は、第１の態様に係る界磁子であって、前記第１値（｜α１−α２｜）が前記第２値（｜α１−α３｜）よりも大きいときに、前記第１接着剤は第２接着剤よりも弾性率が小さい。

本発明に係る界磁子の第３の態様は、第１の態様に係る界磁子であって、前記第１値（｜α１−α２｜）が前記値（｜α１−α３｜）よりも小さいときに、前記第１接着剤は第２接着剤よりも弾性率が大きい。

本発明に係る界磁子の第４の態様は、第１乃至第３の何れか一つの態様に係る界磁子であって、前記界磁磁石は前記所定軸を中心とした周方向で前記磁極面ごとに分割されている。

本発明に係る界磁子の第５の態様は、第４の態様に係る界磁子であって、分割された前記界磁磁石の相互間にも前記第１接着剤が設けられている。

本発明に係る界磁子の第６の態様は、第１乃至第５の何れか一つの態様に係る界磁子であって、前記鉄心は前記第１面を外周側面とする円柱形状を有し、前記所定軸を中心に回転する。

本発明に係る界磁子の第７の態様は、第１乃至第６の何れか一つの態様に係る界磁子であって、前記鉄心はシャフトである。

本発明に係る界磁子の第１の態様によれば、鉄心及び界磁磁石の熱変形による界磁磁石の破損の抑制と、鉄心及び界磁磁石の間の固定力とをバランスよく向上することができる。

本発明に係る界磁子の第２の態様によれば、第１の態様に係る界磁子の実現に寄与する。

本発明に係る界磁子の第３の態様によれば、第１の態様に係る界磁子の実現に寄与する。

本発明に係る界磁子の第４の態様によれば、生産性を向上することができる。

本発明に係る界磁子の第５の態様によれば、界磁磁石を鉄心に装着した際の固定力を向上することができる。

本発明に係る界磁子の第６の態様によれば、本発明を適用したインナーロータを提供できる。インナーロータは一般に高速回転用に用いられることが多い。よって、界磁磁石の破損を抑制するという観点で効果が高い。

本発明に係る界磁子の第７の態様によれば、シャフト及び界磁磁石の熱変形により界磁磁石が破損することを抑制できる。

以下、本発明に係る実施の形態について説明する。なお、同一符号は同一又は相当部分を示し、重畳する説明は省略する。

（第１の実施の形態）
本発明に係る第１の実施の形態の界磁子の一例を図１及び図２に示す。図１は界磁子の概略的な斜視図であり、図２は図１に示す回転軸Ｐに垂直な概略断面図である。本界磁子は、回転子鉄心１と、界磁磁石２と、接着剤３０，３１とを備えている。

回転子鉄心１は回転軸Ｐの延在方向に延在して回転軸Ｐの周囲で環状を呈する面１ａを有している。具体的には回転子鉄心１は回転軸Ｐの延在方向に延在した円筒形状を有している。なお、面１ａは回転子鉄心１の外周面に相当する。また、回転子鉄心１には回転軸Ｐを含む領域にシャフト孔が設けられていてもよいが、本発明の本質とは異なるため図示を省略している。

回転軸Ｐの延在方向に延在して回転軸Ｐの周囲で環状を呈する面２ａを有している。具体的には界磁磁石２は回転軸Ｐの延在方向に延在したリング状の形状を有している。なお、面２ａは界磁磁石２の内周面に相当する。また、面２ａ上において回転軸Ｐを中心とした周方向で異なる２つの磁極面を呈している。具体的には界磁磁石２は例えば平行着磁により２極の磁極面を呈している。なお図において、極性が相互に異なる磁極面の境界（端部）を破線で示しており、当該磁極面によって生じる磁場方向を二点差線のブロック矢印で示している。

そして、回転子鉄心１の外周面である面１ａに界磁磁石２が装着される。具体的には、回転子鉄心１の面１ａと界磁磁石２の面２ａが対面して配置され、回転軸Ｐを中心とした径方向（以下、単に径方向と呼ぶ）で弾性率が互いに異なる接着剤３０，３１が面１ａと面２ａとの間に充填されて回転子鉄心１と界磁磁石２とを接着固定している。接着剤３０は回転軸Ｐの周方向に関する磁極面の端部（以下、単に磁極面の端部と呼ぶ）で面１ａと面２ａとを接着しており、接着剤３１は回転軸Ｐの周方向に関する磁極面の中央（以下、単に磁極面の中央と呼ぶ）で面１ａと面２ａとを接着している。

このような構成の界磁子は、外周側に図示しない固定子が配置されて回転子として機能することができ、いわゆるインナーロータ型の回転子を提供することができる。そして、当該回転子の回転により温度が上昇した場合、回転子鉄心１は径方向でほぼ等方的に熱変形する。他方、界磁磁石２の熱膨張係数は、磁極面によって生じる磁場方向に対する角度に依存して異なるので、径方向で異方的に熱変形する。

即ち、熱変形前は面１ａと面２ａとの間隙が任意の径方向においてほぼ同一であるのに対し、熱変形後は当該間隙が磁極面の中央と端部において異なる。本界磁子においては、熱変形により当該間隙が大きく変化する部分を小さい弾性率を有する接着剤で接着し、小さく変化する部分を弾性率の大きい接着剤で接着する。

以下、具体的に説明する。

＜例１＞
例えば回転子鉄心１が炭素含有率４５重量％の炭素鋼材（Ｓ４５Ｃ）で構成されているとき、その熱膨張係数はおよそ１１．２×１０^-6／℃である。また、例えば界磁磁石２が希土類磁石のとき、磁場方向に垂直な方向における熱膨張係数はおよそ−０．５×１０^-6／℃であり、磁場方向に平行な方向における熱膨張係数は６．５〜７．４×１０^-6／℃である。なお、熱膨張係数が負であることは熱変形により収縮することを表す。

当該炭素鋼材（Ｓ４５Ｃ）の熱膨張係数は全ての方向に略等方的であるので、径方向における回転子鉄心１の熱膨張係数α１は当該熱膨張係数に等しく、およそ１１．２×１０^-6／℃である。他方、磁極面の端部での径方向における界磁磁石２の熱膨張係数α２は磁場方向に垂直な方向における熱膨張係数に等しく、およそ−０．５×１０^-6／℃であり、磁極面の中央での径方向における界磁磁石２の熱膨張係数α３は磁場方向に平行な方向における熱膨張係数に等しく６．５〜７．４×１０^-6／℃である（図２も参照）。

このとき、熱膨張係数α１と熱膨張係数α２の差の絶対値Ａ１（|α１−α２|）はおよそ１１．７×１０^-6／℃であり、熱膨張係数α１と熱膨張係数α３の差の絶対値Ａ２（|α１−α３|）は３．８〜４．７×１０^-6／℃である。つまり、絶対値Ａ１が絶対値Ａ２よりも大きい。

この場合に熱変形した界磁子の一例を、変形を誇張して図３に示す。回転子鉄心１は径方向において等方的に熱膨張するのに対し、界磁磁石２は磁極面の端部において径方向に熱収縮し、磁極面の中央において径方向に熱膨張するので、磁極面の端部における面１ａと面２ａとの間隙は、磁極面の中央における面１ａと面２ａとの間隙よりも大きく変化する。即ち、磁極面の中央に比べて磁極面の端部において界磁磁石２に生じる熱応力が増大し、接着剤３０，３１がなければ、この位置で界磁磁石２が破損する可能性が高い。

ここで、接着剤３１の弾性率Ｅ２よりも小さい弾性率Ｅ１を有する接着剤３０を用いる。即ち、接着剤３０は柔らかいので、熱変形により磁極面の端部に生じる界磁磁石２の熱応力を緩和することができ界磁磁石２の破損を抑制できるとともに、弾性率の高い接着剤３１により回転子鉄心１及び界磁磁石２の間の固定力を維持することができる。言い換えると、界磁磁石２の破損の抑制と、回転子鉄心１及び界磁磁石２の間の固定力をバランスよく向上することができる。

＜例２＞
回転子鉄心１が例１と同一の炭素鋼材で構成され、界磁磁石２がフェライト磁石の場合について説明する。磁場方向に垂直な方向における界磁磁石２の熱膨張係数はおよそ８〜９×１０^-6／℃であり、磁場方向に平行な方向における界磁磁石２の熱膨張係数は１１〜１３×１０^-6／℃である。

このとき、熱膨張係数α１と熱膨張係数α２の差の絶対値Ａ１は２．２〜３．２×１０^-6／℃であり、熱膨張係数α１と熱膨張係数α３の差の絶対値Ａ２は０〜１．８×１０^-6／℃である。つまり、絶対値Ａ１が絶対値Ａ２よりも大きい。この場合に熱変形した界磁子の一例も図３と同様である。つまり、接着剤３１の弾性率Ｅ２よりも小さい弾性率Ｅ１を有する接着剤３０を用いることで、界磁磁石２の破損を抑制できるとともに、回転子鉄心１及び界磁磁石２の間の固定力を維持することができる。

＜例３＞
例えば界磁磁石２が希土類磁石で構成され、径方向における回転子鉄心１の熱膨張係数α１が、磁場方向に平行な方向における界磁磁石２の熱膨張係数よりも磁場方向に垂直な方向における界磁磁石２の熱膨張係数に近い値である場合について説明する。具体的には、径方向における回転子鉄心１の熱膨張係数が３．０×１０^-6／℃よりも小さい値である。

このとき、熱膨張係数α１と熱膨張係数α２の差の絶対値Ａ１は、熱膨張係数α１と熱膨張係数α３の差の絶対値Ａ２よりも小さい。この場合に熱変形した界磁子の一例を、変形を誇張して図４に示す。図４に示すように、磁極面の端部における面１ａと面２ａとの間隙は、磁極面の中央における面１ａと面２ａとの間隙よりも小さく変化する。即ち、磁極面の端部に比べて磁極面の中央において界磁磁石２に生じる熱応力が増大し、接着剤３０，３１がなければ、この位置で界磁磁石２が破損する可能性が高い。

ここで、接着剤３１の弾性率Ｅ２よりも大きい弾性率Ｅ１を有する接着剤３０を用いる。接着剤３１は柔らかいので、熱変形により磁極面の中央に生じる界磁磁石２の熱応力を緩和することができ界磁磁石２の破損を抑制できるとともに、弾性率の高い接着剤３０により回転子鉄心１及び界磁磁石２の間の固定力を維持することができる。

以上のように、絶対値Ａ１が絶対値Ａ２よりも大きいときは接着剤３１の弾性率Ｅ２よりも小さい弾性率Ｅ１を有する接着剤３０を用い、絶対値Ａ１が絶対値Ａ２よりも小さいときは、接着剤３１の弾性率Ｅ２よりも大きい弾性率Ｅ１を有する接着剤３０を用いる。言い換えると、絶対値Ａ１を絶対値Ａ２で除算した値から１を減算した値の正負と、弾性率Ｅ１を弾性率Ｅ２で除算した値から１を減算した値の正負が同一である。

なお、本第１の実施の形態においては界磁磁石２が２極のリング磁石である場合を例に説明したがこれに限らず２極以上であってもよい。一例として、図５に４極の磁極面を有する界磁磁石２を用いた界磁子の概略断面図を示す。界磁磁石２は回転軸Ｐを中心とした周方向において交互に異なる４つの磁極面を呈している。なお、図５において磁極面の境界（端部）が破線で示されており、磁極面によって生じる磁場方向を二点差線のブロック矢印で示している。

図６は、熱膨張係数α１と熱膨張係数α２との差の絶対値Ａ１が、熱膨張係数α１と熱膨張係数α３との差の絶対値Ａ２よりも大きい場合に、熱変形した界磁子の一例を、変形を誇張して示す概略断面図である。図６に示すように、磁極面の端部における面１ａと面２ａとの間隙は磁極面の中央における面１ａと面２ａとの間隙よりも大きく変化する。

このとき、接着剤３１の弾性率Ｅ２よりも小さい弾性率Ｅ１を有する接着剤３０を用いる。よって、界磁磁石２の破損を抑制できるとともに回転子鉄心１及び界磁磁石２の間の固定力を維持することができる。

なお、４極以上の界磁磁石２においては、熱膨張係数α１は磁場方向に平行な方向における熱膨張係数に相当するが、熱膨張係数α２は必ずしも磁場方向に垂直な方向における熱膨張係数に相当しない。この場合、例えば実験により磁極面の端部での径方向における熱膨張係数を求めてもよい。

また、絶対値Ａ１のほうが絶対値Ａ２よりも小さいときは、接着剤３１の弾性率Ｅ２よりも大きい弾性率Ｅ１を有する接着剤３０を用いる。

また、本第１の実施の形態においては、界磁子はインナーロータ型の回転子を提供することができる。一般的にインナーロータ型の回転子は高速回転用に用いられることが多いため、回転により生じる熱量が大きい。よって、例えばアウターロータ型に比べて界磁磁石２の破損を抑制するという観点で効果が高い。

また、本第１の実施の形態に係る界磁子は、回転子鉄心１の代わりにシャフトを用いる態様であってもよい。この場合であっても、シャフトと界磁磁石２の熱変形による界磁磁石２の破損の抑制と、シャフト及び界磁磁石２の間の固定力をバランスよく向上することができる。

（第２の実施の形態）
本発明に係る第２の実施の形態の界磁子の一例を図７及び図８に示す。界磁子は第１の実施の形態と比較して回転子鉄心１の内周面に界磁磁石２が装着されている。

回転子鉄心１は回転軸Ｐの延在方向に延在したリング状の形状を有している。なお、面１ａは回転子鉄心１の内周面に相当する。界磁磁石２は第１の実施の形態と同様の形状を有している。なお、面２ａは界磁磁石２の外周面に相当する。そして、界磁磁石２は平行着磁により２極の磁極面を面２ａ上に呈している。そして、回転子鉄心１の内周面である面１ａに界磁磁石２が装着される。具体的に、接着剤３０が界磁磁石２の磁極面の端部において面１ａと面２ａとを接着し、接着剤３１が界磁磁石２の磁極面の中央において面１ａと面２ａとを接着する。

この場合であっても、回転子鉄心１は径方向においてほぼ等方的に熱変形し、界磁磁石２は径方向において異方的に熱変形する。即ち、熱変形前は面１ａと面２ａとの間隙が任意の径方向においてほぼ同一であるのに対し、熱変形後は当該間隙が磁極面の中央と端部において異なる。

図９は、絶対値Ａ１が絶対値Ａ２よりも大きい場合に、熱変形した界磁子の一例を、変形を誇張して示す概略構成図である。図９に示すように、磁極面の端部における面１ａと面２ａとの間隙は、磁極面の中央における面１ａと面２ａとの間隙よりも大きく変化する。

このとき、接着剤３１の弾性率Ｅ２よりも小さい弾性率Ｅ１を有する接着剤３０を用いる。よって、第１の実施の形態と同様に、界磁磁石２の破損を抑制できるとともに回転子鉄心１と界磁磁石２との固定力を維持することができる。

なお、第１の実施の形態と同様に、絶対値Ａ１が絶対値Ａ２よりも小さい場合には接着剤３１の弾性率Ｅ２よりも大きい弾性率Ｅ１を有する接着剤３０を用いる。また、界磁磁石２は２極以上の磁極面を面２ａ上に呈してもよい。

（第３の実施の形態）
本発明に係る第３の実施の形態の界磁子の一例を図１０に示す。図１０に示すように、第１の実施の形態と比較して第３の実施の形態に係る界磁子においては、界磁磁石２が磁極面ごとに分割されている。そして、分割された界磁磁石２の相互間に接着剤３１が設けられている。なお、第３の実施の形態に係る界磁子の概略的な斜視図は、界磁磁石２が磁極面ごとに分割されていることを除いて図１と同一である。

この場合であれば、分割された界磁磁石２ごとに界磁磁石２を回転子鉄心１に装着できるので、生産性を向上することができる。また、接着剤３１が界磁磁石２の相互間に設けられているので、界磁磁石２を回転子鉄心１に装着した際の固定力を向上することができる。

なお、本発明においては２種類の接着剤３０，３１を用いて回転子鉄心１と界磁磁石２とを接着固定するものとして説明していたがこれに限らず、相互に弾性率の異なる３種類以上の接着剤を用いて接着固定しても構わない。

第１の実施の形態に係る界磁子の一例を示す概略的な斜視図である。 第１の実施の形態に係る界磁子の一例を示す概略的な断面図である。 熱変形後の界磁子の一例を示す概略的な断面図である。 熱変形後の界磁子の一例を示す概略的な断面図である。 第１の実施の形態に係る界磁子の一例を示す概略的な断面図である。 熱変形後の界磁子の一例を示す概略的な断面図である。 第２の実施の形態に係る界磁子の一例を示す概略的な斜視図である。 第２の実施の形態に係る界磁子の一例を示す概略的な断面図である。 熱変形後の界磁子の一例を示す概略的な断面図である。 第３の実施の形態に係る界磁子の一例を示す概略的な断面図である。

符号の説明

１ 回転子鉄心
２ 界磁磁石
３０，３１ 接着剤
１ａ，２ａ 面
α１，α２，α３ 熱膨張係数
Ｅ１，Ｅ２ 弾性率

Claims (7)

1. 所定軸（Ｐ）の延在方向に延在して前記所定軸の周囲で環状を呈する第１面（１ａ）を有した鉄心（１）と、
   前記所定軸の延在方向に延在して前記所定軸の周囲で環状を呈する第２面（２ａ）を有し、前記第２面（２ａ）上において前記所定軸を中心とした周方向で異なる磁極面を呈する界磁磁石（２）と、
   前記周方向での前記磁極面の端部で前記第１面（１ａ）と前記第２面（２ａ）とを接着する第１接着剤（３０）と、
   前記周方向での前記磁極面の中央で前記第１面（１ａ）と前記第２面（２ａ）とを接着する第２接着剤（３１）と
   を備え、
   前記所定軸に対する径方向における前記鉄心の熱膨張係数である第１係数（α１）と、前記磁極面の前記端部での前記径方向における前記界磁磁石の熱膨張係数である第２係数（α２）との差の絶対値である第１値（｜α１−α２｜）を、前記第１係数（α１）と、前記磁極面の前記中央での前記径方向における前記界磁磁石の熱膨張係数である第３係数（α３）との差の絶対値である第２値（｜α１−α３｜）で除算した値から１を減算した値（｜α１−α２｜／｜α１−α３｜−１）の正負と、前記第１接着剤の前記径方向の弾性率（Ｅ１）を前記第２接着剤の前記径方向の弾性率（Ｅ２）で除算した値（Ｅ１／Ｅ２）から１を減算した値（Ｅ１／Ｅ２−１）の正負が同一である、界磁子。
2. 前記第１値（｜α１−α２｜）が前記第２値（｜α１−α３｜）よりも大きいときに、前記第１接着剤は第２接着剤よりも弾性率が小さい、請求項１に記載の界磁子。
3. 前記第１値（｜α１−α２｜）が前記第２値（｜α１−α３｜）よりも小さいときに、前記第１接着剤は第２接着剤よりも弾性率が大きい、請求項１に記載の界磁子。
4. 前記界磁磁石は前記所定軸を中心とした周方向で前記磁極面ごとに分割されている、請求項１乃至３の何れか一つに記載の界磁子。
5. 分割された前記界磁磁石の相互間にも前記第１接着剤が設けられている、請求項４に記載の界磁子。
6. 前記鉄心は前記第１面を外周側面とする円柱形状を有し、前記所定軸を中心に回転する、請求項１乃至５の何れか一つに記載の界磁子。
7. 前記鉄心はシャフトである、請求項１乃至６の何れか一つに記載の界磁子。

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