JP2016220492A - ロータ、回転機械、及びロータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転に適したロータ、回転機械、及びロータの製造方法の提供。【解決手段】円筒状のスリーブ１３と、スリーブ１３が焼嵌めされた永久磁石１２と、を有するロータ１０であって、永久磁石１２は、ラジアル方向における磁極が互いに異なる第１永久磁石セグメント１２Ｎと第２永久磁石セグメント１２Ｓとを、それぞれ複数有し、複数の第１永久磁石セグメント１２Ｎと複数の第２永久磁石セグメント１２Ｓは、周方向に交互に配置されると共に、回転中心Ｃを中心とした点対称の位置関係を有する、という手段を採用する。【選択図】図２

Description

本発明は、ロータ、回転機械、及びロータの製造方法に関するものである。

下記特許文献１には、円筒状のスリーブと、上記スリーブに収納された永久磁石と、を備える回転子（ロータ）が、回転源により駆動される発電機（回転機械）に組み付けられたものが開示されている。下記特許文献１に開示されたロータは、ガスタービンエンジンに接続されて高速回転する。高速回転するロータにおいては、遠心力に耐えるために、永久磁石の外側にチタン等の非磁性材から形成された飛散防止用のスリーブを設けている。

ロータは、永久磁石の未着磁のものにスリーブを焼嵌めし、その後着磁して製造される。スリーブを焼嵌めする前に着磁を行うと、焼嵌めの際の熱によって永久磁石が減磁してしまうからである。このようなロータは、非磁性材で且つ所定の厚みを有するスリーブが装着されているため、着磁を行う際には強い磁界が必要となる。このため、着磁は、同心状に巻かれた空芯コイルを用いて行うが、これは一方向にしか磁場を発生できない制約があり、磁極対（Ｎ極、Ｓ極）を１組有する２極構造のロータしか製造できなかった。

特開平１１−２３４９７５号公報

ところで、高速回転仕様のモータにおいては、従来、Ｓｉ原料を用いたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー半導体を有するインバータを用いていたため、スイッチング速度（駆動周波数）に限界があり、インバータの面から、ロータは２極構造で十分であった。
しかしながら、近年、インバータは、ＳｉＣ原料やＧａＮ原料を用いた次世代パワーデバイスの出現により、従来よりもスイッチング速度が向上しており、高周波数帯での駆動において従来の２極構造のロータでは対応できなくなってきている、という問題がある。また、２極構造のロータを組み込んだモータでは、ステータのコイルの巻線を１８０°渡さないといけないため、コイルエンドが長くなり、モータ長が増加する。モータ長が増加すると、ロータの全体の剛性が低くなり、ロータダイナミクス性能が低下する、という問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、高速回転に適したロータ、回転機械、及びロータの製造方法の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、円筒状のスリーブと、前記スリーブが焼嵌めされた永久磁石と、を有するロータであって、前記永久磁石は、ラジアル方向における磁極が互いに異なる第１永久磁石セグメントと第２永久磁石セグメントとを、それぞれ複数有し、複数の前記第１永久磁石セグメントと複数の前記第２永久磁石セグメントは、周方向に交互に配置されると共に、回転中心を中心とした点対称の位置関係を有する、という手段を採用する。

また、本発明においては、回転中心に、軸方向に延びる位置決めロッドを有し、複数の前記第１永久磁石セグメントと複数の前記第２永久磁石セグメントは、前記位置決めロッドを中心に、周方向に交互に配置されて、環状ユニットを形成し、前記位置決めロッドに係合して、軸方向において前記環状ユニットを位置決めする位置決め板を有する、という手段を採用する。

また、本発明においては、前記永久磁石は、前記第１永久磁石セグメントと前記第２永久磁石セグメントとを３組有する、６極構造である、という手段を採用する。

また、本発明においては、先に記載のロータと、前記ロータとラジアル方向で対向するステータと、を有する、回転機械を採用する。

また、本発明においては、円筒状のスリーブと、前記スリーブが焼嵌めされる永久磁石と、を有するロータの製造方法であって、一軸磁気異方性を有する磁石素材セグメントを複数形成するセグメント形成工程と、前記一軸磁気異方性の向きをラジアル方向に向けて、複数の前記磁石素材セグメントを周方向に配置するセグメント配置工程と、周方向に配置した複数の前記磁石素材セグメントの外周に前記スリーブを焼嵌めする焼嵌め工程と、前記スリーブを焼嵌めした後、ラジアル方向において異なる磁極が周方向に交互に配置されるように、回転中心を中心とした点対称の位置関係を有する前記磁石素材セグメントの組を順に着磁していく着磁工程と、を有する、という手段を採用する。

また、本発明においては、回転中心に、軸方向に延びる位置決めロッドが配置されており、前記セグメント配置工程では、前記位置決めロッドを中心に、複数の前記磁石素材セグメントを周方向に配置して環状ユニットを形成する環状ユニット形成工程と、前記位置決めロッドに位置決め板を係合させて、軸方向において前記環状ユニットを位置決めする位置決め工程と、を有する、という手段を採用する。

また、本発明においては、前記セグメント形成工程では、前記磁石素材セグメントを６個形成し、前記着磁工程では、前記着磁を３回行う、という手段を採用する。

本発明では、円筒状のスリーブが焼嵌めされる永久磁石を、複数の第１永久磁石セグメントと複数の第２永久磁石セグメントとを組み合わせた分割構造とする。これら複数の第１永久磁石セグメントと複数の第２永久磁石セグメントは、周方向に交互に配置されると共に、回転中心を中心とした点対称の位置関係を有する。回転中心を中心とした点対称の位置関係を有する第１永久磁石セグメントと第２永久磁石セグメントは、一方向の着磁で同時に着磁できる。このため、ラジアル方向において異なる磁極が周方向に交互に配置されるように順に着磁していくことで、多極のロータを製造できる。多極のロータは、高周波数帯での駆動に適しており、また、ステータの巻線コイルを渡す角度が小さくなるため、コイルエンドを短くできる。このため、モータ長を短くし、ロータダイナミクス性能を向上させることができる。
したがって、本発明では、高速回転に適したロータが得られる。

本発明の実施形態におけるモータの概略構成図である。 図１の矢視Ａ−Ａ断面で視たロータの断面図である。 本発明の実施形態におけるロータの製造工程を示すフロー図である。 本発明の実施形態におけるセグメント形成工程を説明するための図である。 本発明の実施形態におけるセグメント配置工程を説明するための図である。 本発明の実施形態における着磁工程を説明するための図である。 本発明の実施形態における一変形例における位置決めロッドを示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、本発明のロータをモータ（回転機械）に組み込んだ構成を例示する。

図１は、本発明の実施形態におけるモータ１の概略構成図である。また、図２は、図１の矢視Ａ−Ａ断面で視たロータ１０の断面図である。
図１に示すように、モータ１は、ロータ１０と、ステータ２０と、を有する。本実施形態のモータ１は、例えば、ターボ圧縮機に組み込まれ、ロータ１０に接続された不図示のインペラを高速回転（数万ｒｐｍ）で回転させるものである。

ロータ１０は、シャフト１１と、永久磁石１２と、スリーブ１３と、を有する。このロータ１０は、スリーブ１３内に永久磁石１２が焼嵌めにより固定されており、スリーブ１３の両端部にシャフト１１が設けられている。シャフト１１は、軸受４を介してモータケース３に回転自在に支持されている。なお、軸受４は、高速回転仕様の場合、非接触型の磁気軸受とすることが好ましいが、接触型の軸受であってもよい。

モータケース３には、ステータ２０が収容されている。ステータ２０は、ロータ１０とラジアル方向（半径方向）で対向する。ステータ２０は、ステータコア２１と、コイル２２と、を有する。ステータコア２１は、鉄損を軽減するため、軸方向に複数積層された電磁鋼板によって形成されている。コイル２２は、ステータコア２１の不図示のスロットに収容され、ロータ１０の周方向に複数配置される。コイル２２は、不図示のインバータと接続されて回転磁界を形成する。

スリーブ１３は、遠心力による永久磁石１２の飛散を防止するものであり、アーマリングとも称される。スリーブ１３は、円筒状に形成され、永久磁石１２の外周に焼嵌めされている。このスリーブ１３は、遠心力に耐え得る剛性及び非磁性を有する金属材（例えばチタン等）から形成されている。なお、スリーブ１３の焼嵌めは、永久磁石１２の減磁を考慮して、永久磁石１２の着磁前に行われる。

永久磁石１２は、図２に示すように、ラジアル方向における磁極が互いに異なる第１永久磁石セグメント１２Ｎと第２永久磁石セグメント１２Ｓとを、それぞれ複数有する。図２中の矢印は、磁極の向きを示している。第１永久磁石セグメント１２Ｎは、ラジアル方向における磁極がＮ極である。第２永久磁石セグメント１２Ｓは、ラジアル方向における磁極がＳ極である。本実施形態の永久磁石１２は、第１永久磁石セグメント１２Ｎと第２永久磁石セグメント１２Ｓとを３組有する、６極構造となっている。

複数の第１永久磁石セグメント１２Ｎと複数の第２永久磁石セグメント１２Ｓは、周方向に交互に配置されると共に、回転中心Ｃを中心とした点対称の位置関係を有する。すなわち、複数の第１永久磁石セグメント１２Ｎのうち、第１永久磁石セグメント１２Ｎ１は、複数の第２永久磁石セグメント１２Ｓのうち、第２永久磁石セグメント１２Ｓ１と、回転中心Ｃを中心とした点対称の位置関係を有する。

また、第１永久磁石セグメント１２Ｎ２は、第２永久磁石セグメント１２Ｓ２と点対称の位置関係を有し、第１永久磁石セグメント１２Ｎ３は、第２永久磁石セグメント１２Ｓ３と点対称の位置関係を有する。ロータ１０の周方向においては、時計回りに、第１永久磁石セグメント１２Ｎ１、第２永久磁石セグメント１２Ｓ２、第１永久磁石セグメント１２Ｎ３、第２永久磁石セグメント１２Ｓ１、第１永久磁石セグメント１２Ｎ２、第２永久磁石セグメント１２Ｓ３の順に配置される。

図１に戻り、ロータ１０の回転中心Ｃには、位置決めロッド１４が設けられている。位置決めロッド１４は、シャフト１１の一方に固定され、シャフト１１の他方に先端が挿入されている。図２に示すように、複数の第１永久磁石セグメント１２Ｎと複数の第２永久磁石セグメント１２Ｓは、位置決めロッド１４を中心に、周方向に交互に配置されて、環状ユニット１５を形成する。

具体的に、第１永久磁石セグメント１２Ｎ及び第２永久磁石セグメント１２Ｓは、それぞれ略扇状に形成され、周方向において接着剤１６を介して固定されており、全体で環状に繋ぎ合わされている。なお、位置決めロッド１４と、第１永久磁石セグメント１２Ｎ及び第２永久磁石セグメント１２Ｓとの間も、接着剤１６を介して固定されている。

ロータ１０は、図１に示すように、環状ユニット１５を軸方向に複数有する。ロータ１０は、軸方向において環状ユニット１５を位置決めする位置決め板１７を有する。位置決め板１７は、環状ユニット１５と同じ径を有する円板部材である。位置決め板１７は、軸方向において隣り合う環状ユニット１５の間に配置されている。位置決め板１７の中心には、位置決めロッド１４に係合する係合孔１７ａが設けられている。係合孔１７ａは、位置決めロッド１４の径と同じ若しくは若干小さい径を有し、位置決め板１７は、温嵌めにより位置決めロッド１４に係合する。

続いて、上記構成のロータ１０の製造方法について、図３〜図６を参照して説明する。
図３は、本発明の実施形態におけるロータ１０の製造工程を示すフロー図である。また、図４は、本発明の実施形態におけるセグメント形成工程Ｓ１を説明するための図である。また、図５は、本発明の実施形態におけるセグメント配置工程Ｓ２を説明するための図である。また、図６は、本発明の実施形態における着磁工程Ｓ４を説明するための図である。

図３に示すように、ロータ１０は、セグメント形成工程Ｓ１、セグメント配置工程Ｓ２、焼嵌め工程Ｓ３、着磁工程Ｓ４を経て製造される。
セグメント形成工程Ｓ１は、図４に示すように、一軸磁気異方性（図４において双方向矢印で示す）を有する磁石素材セグメント３１を複数形成する。磁石素材セグメント３１は、後述する着磁によって、第１永久磁石セグメント１２Ｎまたは第２永久磁石セグメント１２Ｓとなるものである。

セグメント形成工程Ｓ１では、図４（ａ）に示すように、磁石素材セグメント３１を形成するための磁石素材３０を製造する。磁石素材３０は、ネオジム等の希土類元素を含む希土類磁石原料をブロック状に成形したものである。磁石素材３０の製造は、先ず、一軸磁気異方性を有する原料を溶解して合金化し、その合金を粉砕する。次に、粉砕した原料を磁場中で成形し、その成形体を焼結することで、磁気異方性が一方向に揃った磁石素材３０を製造することができる。

次に、セグメント形成工程Ｓ１では、図４（ｂ）に示すように、磁石素材３０から磁石素材セグメント３１を切り出す。磁石素材セグメント３１は、磁石素材３０から略扇状に切り出される。この磁石素材セグメント３１は、ラジアル方向に一軸磁気異方性を有する。本実施形態では、セグメント形成工程Ｓ１において、磁石素材セグメント３１を６個形成する。

次のセグメント配置工程Ｓ２では、図５に示すように、一軸磁気異方性の向きをロータ１０のラジアル方向に向けて、複数の磁石素材セグメント３１を周方向に配置する。本実施形態では、ロータ１０の回転中心Ｃに、軸方向に延びる位置決めロッド１４が配置されており、セグメント配置工程Ｓ２では、位置決めロッド１４を中心に、６個の磁石素材セグメント３１（３１ａ〜３１ｆ）を周方向に配置して環状ユニット１５を形成する（環状ユニット形成工程）。

次に、位置決めロッド１４に位置決め板１７を係合させて、軸方向において環状ユニット１５を位置決めする（位置決め工程）。具体的には、位置決めロッド１４に位置決め板１７を温嵌めして、環状ユニット１５を軸方向で押さえ付ける。この環状ユニット形成工程と位置決め工程とを交互に繰り返すことで、図１に示すように、軸方向において隣り合う環状ユニット１５の間に、位置決め板１７を配置することができる。なお、周方向で隣り合う磁石素材セグメント３１の間、磁石素材セグメント３１と位置決めロッド１４の間、磁石素材セグメント３１と位置決め板１７との間は、それぞれ接着剤１６で固定する。

次の焼嵌め工程Ｓ３では、周方向に配置した複数の磁石素材セグメント３１の外周にスリーブ１３を焼嵌めする。本実施形態では、セグメント配置工程Ｓ２において、位置決めロッド１４を回転中心Ｃに配置し、複数の磁石素材セグメント３１のラジアル方向における位置決めを行い、また、位置決めロッド１４に位置決め板１７を係合させ、複数の磁石素材セグメント３１の軸方向における位置決めを行っている。このため、永久磁石２を分割構造とした場合であっても、永久磁石２の組み付け精度を確保することができ、スリーブ１３の焼嵌めを精度良く行うことができる。

次の着磁工程Ｓ４では、スリーブ１３を焼嵌めした後、図６に示すように、ラジアル方向において異なる磁極がロータ１０の周方向に交互に配置されるように、回転中心を中心とした点対称の位置関係を有する磁石素材セグメント３１の組を順に着磁していく。着磁は、同心状に巻かれた空芯コイル４０を用いて、一方向に強い磁場を発生させることにより行う。具体的には、図６（ａ）に示すように、回転中心Ｃを中心とした点対称の位置関係を有する磁石素材セグメント３１ａ，３１ｄを着磁する。この着磁により、一組の第１永久磁石セグメント１２Ｎ１と第２永久磁石セグメント１２Ｓ１が形成される。

次に、図６（ｂ）に示すように、ロータ１０の位相を１２０°ずらして、同じく点対称の位置関係を有する磁石素材セグメント３１ｂ，３１ｅを着磁する。この着磁により、一組の第１永久磁石セグメント１２Ｎ２と第２永久磁石セグメント１２Ｓ２が形成される。最後に、図６（ｃ）に示すように、ロータ１０の位相を１２０°ずらして、同じく点対称の位置関係を有する磁石素材セグメント３１ｃ，３１ｆを着磁する。この着磁により、一組の第１永久磁石セグメント１２Ｎ３と第２永久磁石セグメント１２Ｓ３が形成される。このように着磁工程Ｓ４では、着磁を３回行う。

以上により、図２に示すラジアル方向に異方性を有する６極構造のロータ１０を製造することができる。すなわち、永久磁石１２は、ラジアル方向における磁極が互いに異なる第１永久磁石セグメント１２Ｎと第２永久磁石セグメント１２Ｓとを、それぞれ複数有し、複数の第１永久磁石セグメント１２Ｎと複数の第２永久磁石セグメント１２Ｓは、周方向に交互に配置されると共に、回転中心Ｃを中心とした点対称の位置関係を有する。この構成によれば、従来よりも極数が多い６極構造のロータ１０であるため、ＳｉＣ原料やＧａＮ原料を用いた次世代パワーデバイスの高周波数帯での駆動に対応することができる。また、ロータ１０が２極構造から６極構造になると、ステータ２０のコイル２２を渡す角度が１８０°から６０°になるため、コイルエンドを短くできる。このため、モータ長を短くし、ロータダイナミクス性能を向上させることができる。

したがって、上述の本実施形態によれば、円筒状のスリーブ１３と、スリーブ１３が焼嵌めされる永久磁石１２と、を有するロータ１０の製造方法であって、一軸磁気異方性を有する磁石素材セグメント３１を複数形成するセグメント形成工程Ｓ１と、一軸磁気異方性の向きをラジアル方向に向けて、複数の磁石素材セグメント３１を周方向に配置するセグメント配置工程Ｓ２と、周方向に配置した複数の磁石素材セグメント３１の外周にスリーブ１３を焼嵌めする焼嵌め工程Ｓ３と、スリーブ１３を焼嵌めした後、ラジアル方向において異なる磁極が周方向に交互に配置されるように、回転中心Ｃを中心とした点対称の位置関係を有する磁石素材セグメント３１の組を順に着磁していく着磁工程Ｓ４と、を有する、という手段を採用することによって、高速回転に適したロータ１０を製造することができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、本発明は、図７に示すような変形例を採用し得る。なお、以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。
図７は、本発明の一変形例における位置決めロッド１４を示す断面図である。
図７に示す位置決めロッド１４は、永久磁石２の分割数に応じた多角の断面形状を有している。図７に示す例では、永久磁石２の分割数が６に対し、位置決めロッド１４は６角形の断面形状を有している。この構成によれば、位置決めロッド１４の外周が、第１永久磁石セグメント１２Ｎ及び第２永久磁石セグメント１２Ｓと平面で接することができるため、ラジアル方向における位置決めが容易になる。

また、例えば、上記実施形態では、磁極対を３組有する６極構造のロータ１０を例示したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、磁極対を５組有する１０極構造のロータ１０や、磁極対を７組有する１４極構造のロータ１０であっても本発明の構造は成り立つ。

また、例えば、上記実施形態では、回転機械としてモータ１を例示したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、例えば、本発明を発電機に適用してもよい。

また、例えば、上記実施形態のロータ１０の製造方法におけるセグメント配置工程Ｓ２若しくは、焼嵌め工程Ｓ３において、スリーブ１３を焼嵌めし易いように、磁石素材セグメント３１を周方向に配置して接着剤１６で固定した後に、外径研磨加工を行ってもよい。

また、例えば、上記実施形態のロータ１０の製造方法における焼嵌め工程Ｓ３後、着磁工程Ｓ４の前、若しくは、着磁工程Ｓ４の後に、ロータ１０のバランス修正工程があってもよい。

また、例えば、上記実施形態のロータ１０の製造方法における着磁工程Ｓ４において、４極同時に着磁を行ってもよいし、６極同時に着磁を行ってもよい。すなわち、４極や６極のロータ１０の着磁を１回で行ってもよい。

１ モータ（回転機械）
１０ ロータ
１２ 永久磁石
１２Ｎ（１２Ｎ１〜１２Ｎ３） 第１永久磁石セグメント
１２Ｓ（１２Ｓ１〜１２Ｓ３） 第２永久磁石セグメント
１３ スリーブ
１４ 位置決めロッド
１５ 環状ユニット
１７ 位置決め板
２０ ステータ
３１（３１ａ〜３１ｆ） 磁石素材セグメント
Ｃ 回転中心
Ｓ１ セグメント形成工程
Ｓ２ セグメント配置工程
Ｓ３ 焼嵌め工程
Ｓ４ 着磁工程

Claims (7)

1. 円筒状のスリーブと、前記スリーブが焼嵌めされた永久磁石と、を有するロータであって、
   前記永久磁石は、ラジアル方向における磁極が互いに異なる第１永久磁石セグメントと第２永久磁石セグメントとを、それぞれ複数有し、
   複数の前記第１永久磁石セグメントと複数の前記第２永久磁石セグメントは、周方向に交互に配置されると共に、回転中心を中心とした点対称の位置関係を有する、ことを特徴とするロータ。
2. 回転中心に、軸方向に延びる位置決めロッドを有し、
   複数の前記第１永久磁石セグメントと複数の前記第２永久磁石セグメントは、前記位置決めロッドを中心に、周方向に交互に配置されて、環状ユニットを形成し、
   前記位置決めロッドに係合して、軸方向において前記環状ユニットを位置決めする位置決め板を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のロータ。
3. 前記永久磁石は、前記第１永久磁石セグメントと前記第２永久磁石セグメントとを３組有する、６極構造である、ことを特徴とする請求項１または２に記載のロータ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のロータと、前記ロータとラジアル方向で対向するステータと、を有する、ことを特徴とする回転機械。
5. 円筒状のスリーブと、前記スリーブが焼嵌めされる永久磁石と、を有するロータの製造方法であって、
   一軸磁気異方性を有する磁石素材セグメントを複数形成するセグメント形成工程と、
   前記一軸磁気異方性の向きをラジアル方向に向けて、複数の前記磁石素材セグメントを周方向に配置するセグメント配置工程と、
   周方向に配置した複数の前記磁石素材セグメントの外周に前記スリーブを焼嵌めする焼嵌め工程と、
   前記スリーブを焼嵌めした後、ラジアル方向において異なる磁極が周方向に交互に配置されるように、回転中心を中心とした点対称の位置関係を有する前記磁石素材セグメントの組を順に着磁していく着磁工程と、を有する、ことを特徴とするロータの製造方法。
6. 回転中心に、軸方向に延びる位置決めロッドが配置されており、
   前記セグメント配置工程では、
   前記位置決めロッドを中心に、複数の前記磁石素材セグメントを周方向に配置して環状ユニットを形成する環状ユニット形成工程と、
   前記位置決めロッドに位置決め板を係合させて、軸方向において前記環状ユニットを位置決めする位置決め工程と、を有する、ことを特徴とする請求項５に記載のロータの製造方法。
7. 前記セグメント形成工程では、前記磁石素材セグメントを６個形成し、
   前記着磁工程では、前記着磁を３回行う、ことを特徴とする請求項５または６に記載のロータの製造方法。

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