JP4877579B2 - 回転子の製造方法とこの方法により製造された回転子およびこの回転子を用いたモータ - Google Patents

Description

本発明は、回転子鉄心の外周に複数個の永久磁石を接着剤で固着した回転子の製造方法と回転子およびそのモータに関する。

従来の永久磁石形の回転子は、回転軸に嵌合固着した回転子ヨーク外周面に加熱硬化形の接着剤を一様に塗布し、前記ヨーク外周面に複数個の永久磁石を等間隔に配設し固定した後、このままの状態で炉に入れ、接着剤を加熱硬化している（例えば、特許文献１参照）。またこのような永久磁石形の回転子には高速回転により強い遠心力が生じるため、接着剤には強い接着力が要求され、通常、加熱硬化形のエポキシ形接着剤が用いられる。
特開２００４−２３６３６６号公報（第３頁）

しかしながら従来の方法では、多数の回転子を炉に入れるため、炉内全体の温度を均一化するために加熱に時間がかかっていた。また加熱時間を短縮すると炉内で加熱ムラが生じ、接着不良などの問題が生じる。さらに炉で回転子全体が加熱されるため、冷めるまでに時間がかかり、次工程に速やかに移行できず製品が放置され、製造工程の効率が悪いという問題があった。
また炉加熱では、熱膨張係数がほぼゼロの永久磁石も１．２×１０^−５／Ｋの鉄心も同じ温度に加熱されるため、接着部に熱膨張差による熱応力が加わり、接着力低下に繋がっているというような問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、永久磁石と鉄心との接着が短時間で効率よく行われるとともに、接着力を向上することができる永久磁石形の回転子とその製造方法およびこの回転子を用いたモータを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明の一の観点によれば、回転軸に積層された鉄心の外周に接着用の樹脂塗布し、この上に複数個のセグメント形の永久磁石を等間隔に固着して製造される回転子の製造方法であって、前記鉄心の外周に前記永久磁石を非金属の固定治具を用いて押圧保持し、前記永久磁石の外周面に高周波コイルを配置し、前記高周波コイルに高周波電流を通電して前記永久磁石および前記鉄心を誘導加熱し、前記永久磁石を前記鉄心の外周に接着するステップと、前記回転軸の中心には貫通穴が設けられており、その中に水冷パイプが挿入されて水冷されるステップと、を有する回転子の製造方法が適用される。
また、前記回転軸の両端部を比透磁率の高い金属筒で覆うものであってもよい。
また、請求項１または２に記載の回転子の製造方法を用いて製造される回転子が適用されてもよい。
また、請求項１または２に記載のモータ回転子の製造方法を用いて製造された回転子を用いたモータが適用されてもよい。

本発明によれば、水冷パイプを通すことで回転軸および鉄心の温度を下げることができ、磁石と鉄心の温度差を大きくすることができる。

また、回転軸を比透磁率の高い金属筒で覆うため、回転軸を加熱する熱を金属筒が奪い、回転軸の温度上昇を抑制することができ、磁石と鉄心の温度差を大きくすることができる

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例１を示す永久磁石形回転子の接着装置の側断面図である。図において、１は回転子であり、回転軸２、鉄心３、および複数個のセグメント形の永久磁石４より構成されている。５は接着剤、６は固定治具、７は高周波コイルである。
つぎに、回転子の製造方法について述べる。
(1) まず、鉄心３に回転軸２を圧入し、洗浄および乾燥後、鉄心３の外周に接着剤５を塗布する。なお、鉄心３の材質にはＳ６０の珪素鋼板を、接着剤５には一液加熱硬化タイプのエポキシ接着剤を用いている。
(2) その後、複数個のネオジウム系の永久磁石４を鉄心３の外周に等間隔で押付け、固定治具６で永久磁石がずれないように保持した。なお固定治具６の材質にはガラスクロス入りの耐熱樹脂を用いている。
(3) 回転子１を高周波コイル７内に設置し、各部の温度が均一化するように高さを調節する。なお高周波コイル７には、φ８の水冷銅パイプを用い、内径φ１００の２ターン巻きのものを使用した。
(4) 高周波電源から高周波コイル７に高周波電流を流して誘電磁界をつくり、コイル内の導体である回転軸２、鉄心３、永久磁石４に渦電流を発生させ、導体自体を直接加熱する。高周波誘導加熱の条件は、周波数１００ｋＨｚ、出力４ｋｗで昇温し、出力１．８ｋｗの条件で６０ｓｅｃ保持した。これにより、鉄心３および永久磁石４の熱で接着剤が硬化し、回転子１が得られた。
なお、高周波誘導加熱の際に、鉄心３および永久磁石４に熱電対を貼り付けて加熱時の温度を測定した結果、永久磁石４の温度（Ｔ_１）が約１６０℃に対して、鉄心３の温度（Ｔ_２）が約１５０℃と、Ｔ_１−Ｔ_２＝１０℃ という結果であった。これは、鉄心３に比べて永久磁石４の方がコイルに近い外側に位置することや、鉄心３は珪素鋼板という渦電流が流れにくい材料を用いているために温度差が生じている。
このようにして作製した回転子の効果を調べた。比較のため、炉で加熱して接着剤を硬化させた従来の一般的な回転子も加え、永久磁石４が飛散するまで回転数を徐々に上げていく破壊試験を行った。その結果、本発明の回転子は、従来の回転子とほぼ同じ回転数Ｎで永久磁石が飛散し、同等の接着力が得られていることが確認された。
本発明では、炉で加熱する方法にくらべて極めて短時間で、なおかつ同等の接着力を有する回転子を製造することが可能である。その結果、生産性を大幅に向上させ、工程のインライン化が可能となる。また鉄心や回転軸の温度がより低いため、回転子全体の温度が高い炉加熱に比べて、冷却時間を短縮することができる。また、本発明の回転子を用いてモータを組み立てれば、製造コストの安価なモータを得ることができる。

図２は、本発明の実施例２を示す永久磁石形回転子の接着装置の側断面図である。図において、８は水冷パイプである。他の符号は実施例１と同じである。
回転軸２にφ６の貫通穴が開いており、その中に銅製の水冷パイプ８を通している。
回転子の製造方法は、実施例１と同じである。すなわち、実施例１と同様に高周波条件で加熱を行い、鉄心３および永久磁石４の熱で接着剤を硬化させ、回転子１を製造した。その際、水冷パイプ８に水を流して回転軸２を冷却し、鉄心３に発生する熱を回転軸２が奪うことで、鉄心３の温度上昇を抑制する。
鉄心３および永久磁石４に熱電対を貼り付けて加熱時の温度を測定した結果、永久磁石４の温度（Ｔ_１）が約１６０℃に対して、鉄心３の温度（Ｔ_２）が約１２５℃と、Ｔ_１−Ｔ_２＝３５℃ という結果であった。
このようにして作製した回転子の効果を実施例１と同様にして調べた。
その結果、本発明の回転子の永久磁石は、従来の回転子の永久磁石に比べ、１．３５倍の回転数で飛散しており、接着力が向上していることが分かった。本発明の製造方法よれば、永久磁石の温度Ｔ_１にくらべて鉄心の温度Ｔ_２は３５℃も低く、その分熱膨張差による熱応力が低く、強い接着力が得られている。また鉄心や回転軸の温度がより低いため、回転子全体の温度が高い炉加熱に比べて、冷却時間を短縮することができる。

図３は、本発明の実施例３を示す永久磁石形回転子の接着装置の側断面図である。図において、９は金属筒、１０は断熱部である。他の符号は実施例１と同じである。
金属筒９は、ステンレス製であり回転軸２の両端に被せられている。断熱部１０は、金属筒９が鉄心３と接触する鉄心３の表面部分に、樹脂がコーティングされたものである。
回転子の製造方法は、実施例１と同じである。すなわち、実施例１と同様の 高周波条件で加熱を行い、鉄心３および永久磁石４の熱で接着剤を硬化させ、回転子１を製造した。その際、回転軸２は、比透磁率の高いステンレス製の金属筒９に熱を奪われるため、鉄心３からの伝熱による温度上昇のみとなる。そのため鉄心３に発生する熱を回転軸２が奪うことにより、鉄心３の温度上昇を抑制する。なお金属筒９の熱は断熱部１０により短時間では鉄心３に伝わることはない。
鉄心３および永久磁石４に熱電対を貼り付けて加熱時の温度を測定した結果、永久磁石４の温度（Ｔ_１）が約１６０℃に対して、鉄心３の温度（Ｔ_２）が約１４０℃と、Ｔ_１−Ｔ_２＝２０℃ という結果であった。
このようにして作製した回転子の効果を実施例１と同様にして調べた。
その結果、本発明の回転子の永久磁石は、従来の回転子の永久磁石に比べ１．２倍の回転数で飛散しており、接着力が向上していることが分かった。本発明の製造方法では、永久磁石の温度Ｔ_１にくらべて鉄心の温度Ｔ_２は２０℃も低く、その分熱膨張差による熱応力が低く、強い接着力が得られている。また鉄心や回転軸の温度がより低いため、回転子全体の温度が高い炉加熱に比べて、冷却時間を短縮することができる。

本実施の形態では、永久磁石４の温度Ｔ_１を約１６０℃としたが、Ｔ_１が高いほど接着剤は短時間で硬化するため、加熱時間を短くすることができる。その場合鉄心３の温度Ｔ_２も高くなり、永久磁石と鉄心の熱膨張差による熱応力が大きくなり、接着力が低下する。またエポキシ系接着剤は、高温で加熱されると接着剤樹脂の分解・発泡などが発生し、接着力低下に繋がるため、１５０〜１６０℃程度の温度が望ましい。

図４は、本発明の実施例４を示す接着装置の側断面図であり、図５はその平面図である。図において、１１は筒状部材である。
回転子の製造方法について述べる。まず、鉄心３に回転軸２を圧入し、洗浄および乾燥後、鉄心３の外周に接着剤５を塗布する。なお、鉄心３の材質にはＳ６０の珪素鋼板を、接着剤５には一液加熱硬化タイプのエポキシ接着剤を用いている。また、鉄心３の積厚は２１０ｍｍのものを使用し、永久磁石４が円周上に８個、軸方向に６段の計４８個取り付くものを用いた。
その後、４８個のネオジウム系の永久磁石４を鉄心３の外周に等間隔で押し付け、その外側から永久磁石の外周に密着する形状の分割形の筒状部材１１を押し当て固定する。筒状部材１１の材質には純度９９.９６％以上の無酸素銅を用いた。なお、この筒状部材１１は、瓦状の永久磁石４の形状に密着するように作られているため、永久磁石４の位置を固定し、接着する前の永久磁石４を保持する役割も同時に果たしている。
このまま回転子１を高周波コイル７内に設置し、各部の温度が均一化するように高さを調節する。なお高周波コイル７には、φ８の水冷銅パイプを用い、内径φ１００の６ターン巻きのものを使用した。
高周波電源から高周波コイル７に高周波電流を流して誘電磁界をつくり、コイル内の導体である回転軸２、鉄心３、永久磁石４、筒状部材１１に渦電流を発生させ、導体自体を直接加熱する。なお最外周である筒状部材１１が最も高温に加熱され、その熱伝達により鉄心３や永久磁石４の接着面の温度を均一化させる。ここでは、高周波誘導加熱装置を用いて、周波数１００ｋＨｚ、出力 ６．２ｋｗで昇温し、出力２ｋｗの条件で６０sec保持するという条件で加熱を行い、鉄心３および永久磁石４の熱で接着剤を硬化させ、回転子１を製造した。
筒状部材１１の表面各部および鉄心３と永久磁石４の間の接着面に熱電対を貼り付けて加熱時の温度を測定した結果、筒状部材１１の温度が１９０℃±１０℃で、金属筒全体の温度差は２０℃以内であった。また接着面の温度は１６０℃〜１７５℃であり、目的とする接着剤の加熱温度範囲に入っていることを確認した。なお比較として、筒状部材１１のかわりに非金属のセラミックス治具を用いて固定した場合、永久磁石４の温度差は３５℃と大きくなってしまった。

図６は、本発明の実施例５を示す永久磁石形回転子の接着装置の概略図である。図において、１２は支持治具、１３は熱電対、１４は高周波電源、１５は固定治具である。
回転子は、実施例４と同様の構成をしており、支持治具１２により支持されている。筒状部材１１の表面に熱電対１３を貼り付け、その信号を高周波電源１４の制御回路に取込むように構成している。なお熱電対１３を貼り付ける位置は、事前の誘導加熱により筒状部材１１表面内で最も温度が低い部分とした。
実施例１と同様の条件で誘導加熱を実施し、加熱時の温度を熱電対１３により高周波電源１０にフィードバックさせることで出力を微妙に変化させ、加熱温度を一定の温度に制御することで永久磁石４を接着した。
このようにして温度フィードバックさせて接着した回転子を２０台、比較としてフィードバックさせなかった回転子を２０台製造した。温度をフィードバックさせた回転子の熱電対の温度は１６０℃、フィードバックさせなかった回転子の熱電対の温度は１５６℃〜１７２℃であった。これは製造時の室温の変化や支持治具１２の温度上昇などが影響している。
製造した各２０台の回転子の接着力を、永久磁石４が飛散するまで回転数を徐々に上げていく破壊試験により調べた。本発明の回転子は２０台すべて回転数Ｎで破壊しなかったのに対し、フィードバックさせなかった回転子は２０台中２台は回転数Ｎで破壊し、１台は０．９Ｎで破壊した。このように本発明の回転子は安定した接着力を得ることができる。

高周波誘導加熱による接着剤の加熱硬化を行うことによって、短時間で磁石接着を行うことができるので、リニアモータなど他の永久磁石を接着固定するモータにも適用できる。

本発明の実施例１を示す永久磁石形回転子の接着装置の側断面図 本発明の実施例２を示す永久磁石形回転子の接着装置の側断面図 本発明の実施例３を示す永久磁石形回転子の接着装置の側断面図 本発明の実施例４を示す永久磁石形回転子の接着装置の側断面図 図４における平面図 本発明の実施例５を示す永久磁石形回転子の接着装置の概略図

符号の説明

１ 回転子
２ 回転軸
３ 鉄心
４ 永久磁石（セグメント形）
５ 接着剤
６ 固定治具
７ 高周波コイル
８ 水冷パイプ
９ 金属筒
１０ 断熱部
１１ 筒状部材
１２ 支持治具
１３ 熱電対
１４ 高周波電源
１５ 固定治具

Claims (4)

1. 回転軸に積層された鉄心の外周に接着剤を塗布し、この上に複数個のセグメント形の永久磁石を等間隔に固着して製造される回転子の製造方法であって、
   前記鉄心の外周に前記永久磁石を非金属の固定治具を用いて押圧保持し、前記永久磁石の外周面に高周波コイルを配置し、前記高周波コイルに高周波電流を通電して前記永久磁石および鉄心を誘導加熱し、前記永久磁石を前記鉄心の外周に接着するステップと、
   前記回転軸の中心には貫通穴が設けられており、その中に水冷パイプが挿入されて水冷されるステップと、を有する回転子の製造方法。
2. 前記回転軸の両端部を比透磁率の高い金属筒で覆うことを特徴とする請求項１に記載の回転子の製造方法。
3. 請求項１または２記載の回転子の製造方法を用いて製造されることを特徴とする回転子。
4. 請求項１または２記載の回転子の製造方法を用いて製造された回転子を用いてなることを特徴とするモータ。
   

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