JP5980874B2 - 回転電機に使用される磁石保持部材、回転子、回転電機および工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に使用される磁石保持部材、該磁石保持部材を備えた回転子、該回転子を備えた回転電機、および該回転電機を備えた工作機械に関する。

回転子の表面に周方向に配列された複数の磁石を備えた回転子を有する同期電動機が公知である。このタイプの電動機において、回転子の回転数を増加させる場合は、遠心力によって磁石が回転子から脱離するのを防止するために、磁石を保持する保持強度を十分に大きくする必要がある。

これに関連する従来技術として、例えば特許文献１には、回転軸と、該回転軸の外周に設けられたスリーブと、該スリーブの外周に設けられた円筒形状の永久磁石と、該永久磁石を覆うように該永久磁石の外周に設けられたカーボン繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）製の保持部材と、を備えた電動機の回転子が開示されている。

特開平１１−０８９１４２号公報

回転子を高速で回転動作させるためには、磁石を保持する保持部材は高い強度を有する必要がある。例えば特許文献１に記載されたＣＦＲＰ製の保持部材を使用する場合、保持部材に与える周方向の張力を増大することによって保持強度を高められる。しかしながら、実際には、保持部材の製造時に繊維がバラけたり、繊維層が剥れたりするなどのリスクがあるため、張力を上げることによる保持強度の増大は容易ではない。

繊維のバラけや繊維層の剥れは、例えばシート状の材料を筒状の治具に巻きつけて成形されるＦＲＰを、保持部材として利用する場合に発生しうる。具体的には、巻きつけられたシート材の巻きつけの終端部とその近傍が、付与された張力に対して十分に伸長できずに、上下層間の剥れが生じる虞があり、回転子の信頼性の低下につながる。この問題は、特にシート材の巻きつけの終端部において発生しやすい。さらに、保持部材の締め代を大きくした結果として強大な復元力が保持部材に発生する場合、外周側の繊維が内周側の繊維の間に入り込んで緩み、必要な保持強度が損なわれる虞もある。

よって、より高い保持強度を得る場合にも、シートの巻き始めと巻き終わりの剥れの虞がなく、また、外周側の繊維が内周側の繊維間に陥没する虞もない、信頼性の高い保持部材が求められる。

そこで本発明は、上記課題を解決し、回転電機の回転数の増加と信頼性の維持・向上を両立可能な磁石保持部材、該磁石保持部材を備えた回転子、該回転子を備えた回転電機、および該回転電機を備えた工作機械を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、回転子と、前記回転子の外周面に配列された複数の磁石とを有する回転電機において、前記磁石の径方向外側において前記磁石を径方向内側に向って圧縮保持する保持部材であって、前記保持部材は、前記回転子の軸線方向についての一端側から他端側に至る区間のうち、少なくとも前記磁石が配置されている区間を包含する１区間を１トラバースと呼ぶとき、前記磁石の外周において、少なくとも１トラバースにわたって連続した一続きの繊維束が、前記回転子の外周において螺旋状に周回しつつ前記一端側から他端側まで巻かれてなる筒状形状を有し、前記保持部材は、樹脂をマトリクスとする繊維強化樹脂からなり、前記繊維束のうち少なくとも、巻き始め端部および巻き終わり端部が、反応性硬化樹脂である第１の樹脂によって終端処理されている、保持部材を提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記保持部材は、前記繊維束の１トラバース分の巻回操作を複数回繰り返すことによって形成される、保持部材を提供する。

第３の発明は、第２の発明において、前記回転子の軸線方向についての同一端側に、前記一続きの繊維束の巻き始め端部と巻き終わり端部が配置され、両端部同士を互いに前記第１の樹脂によって接着することによって前記巻き始め端部および前記巻き終わり端部が終端処理されている、保持部材を提供する。

第４の発明は、第１〜第３の何れか一つの発明において、前記繊維束は扁平なテープ状である、保持部材を提供する。

第５の発明は、第１〜第４の何れか一つの発明において、前記第１の樹脂はエポキシ樹脂である、保持部材を提供する。

第６の発明は、第１〜第５の何れか一つの発明において、前記巻き始め端部の終端処理部と、前記巻き終わり端部の終端処理部との間の区間では、前記第１の樹脂とは異なる第２の樹脂がマトリクス樹脂として使用されている、保持部材を提供する。

第７の発明は、第６の発明において、前記第２の樹脂のガラス転移温度は、前記第１の樹脂のガラス転移温度よりも低い、保持部材を提供する。

第８の発明は、第６の発明において、前記第２の樹脂は、前記繊維束同士を前記樹脂で接合した際の引張り剪断方向の接着強さが、前記第１の樹脂よりも低い、保持部材を提供する。

第９の発明は、第６の発明において、前記第２の樹脂のアイゾット衝撃値は、前記第１の樹脂のアイゾット衝撃値よりも高いか、または、前記第２の樹脂がアイゾット衝撃試験において破断しないために測定不可能である、保持部材を提供する。

第１０の発明は、第６の発明において、前記第２の樹脂はアクリル系樹脂である、保持部材を提供する。

第１１の発明は、第１〜第１０の何れか一つの発明において、前記繊維束は炭素繊維を含む、保持部材を提供する。

第１２の発明は、第１〜第１１の何れか一つの発明に係る保持部材を有する回転子であって、前記保持部材には周方向に張力が付与され、前記張力に起因する半径方向内側の弾性圧縮力が前記磁石に作用している、回転子を提供する。

第１３の発明は、第１２の発明において、前記保持部材の外周に、予め筒状に整形された別部材が、前記保持部材と同心状に重ねて配置され、前記筒状の別部材にも周方向に張力が付与され、前記張力に起因する半径方向内側の弾性圧縮力が前記保持部材に作用している、回転子を提供する。

第１４の発明は、第１２または第１３の発明に係る回転子を有する回転電機を提供する。

第１５の発明は、第１４の発明に係る回転電機を有する工作機械を提供する。

本発明によれば、保持部材が回転中に剥れたり緩んだりすることがなく、長期的な信頼性・強度を高めることができる。回転子の磁石を径方向軸心方向に向って圧縮保持する保持強度を高めることができるので、回転子の信頼性を損ねることなく回転子の最高回転数を増大させられるようになる。また、その結果として回転電機の出力を増大させることもできるようになる。出力が増大すれば、この回転電機を搭載した工作機械の性能向上に繋がり、加工能力や生産能力をさらに高めることができる。

本願発明の一実施形態に係る電動機の概略構成を示す図である。 図１の電動機が有するスリーブとは異なる形状のスリーブを示す図である。 図２のスリーブを用いて永久磁石を回転子の所定位置に配置する操作を説明する図である。 本願発明に係る磁石保持部材の一構成例を示す図である。 本願発明に係る磁石保持部材の他の構成例を示す図である。 磁石保持部材を構成する繊維束の巻き始め端部の終端処理の一例を説明する図である。 磁石保持部材を構成する繊維束の巻き始め端部の終端処理の他の例を説明する図である。 磁石保持部材を構成する繊維束の巻き終わり端部の終端処理の一例を説明する図である。 本願発明の一実施形態に係る回転子の組み立て完了後の径方向断面の概略図である。 本願発明の他の実施形態に係る回転子の組み立て完了後の径方向断面の概略図である。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。図示される実施形態の構成要素の縮尺は、本発明の理解を助けるために適宜変更されている。

図１は、本発明の一実施形態に係る永久磁石電動機（回転電機）１００を示す概略縦断面図である。電動機１００は、例えば永久磁石が回転子の表面に取付けられる表面磁石型電動機（ＳＰＭ型電動機）である。電動機１００は、互いに同心状に配置された回転子１０および固定子５０を備えている。電動機１００は、それら回転子１０および固定子５０の磁気的相互作用によって回転動力を発生するように形成される。

固定子５０は、軸線方向に対して平行に延在するスロット（図示せず）が形成された円筒状の鉄心５２と、該スロットを通って鉄心５２に巻回されるコイル５４と、を備えている。固定子５０は、固定子５０を包囲するように設けられる電動機１００のハウジング１０２に固定される。電動機１００の動作時には、例えばコイル５４に三相交流の電流が供給され、回転子１０の周りに回転磁界が生成される。

回転子１０は、例えば工作機械の主軸に連結される円筒状の回転軸１２の外周に、例えば締り嵌めによって嵌合するスリーブ１４と、スリーブ１４の外周面に周方向に配列され、円筒形状を周方向に分割してなる部分円筒形状を各々が有する複数の永久磁石１６と、磁石１６を保持するように磁石１６の外周に取付けられる磁石保持部材２０と、を備えている。回転軸１２は、図示されない軸受によって、電動機１００の動作時に回転軸線Ｘ回りに回転可能に支持されている。回転子１０のスリーブ１４、磁石１６および保持部材２０は、いずれも回転軸１２と一体的に回転運動するように形成される。

図１の例では、スリーブ１４の一方の端部（図示例では右端）には、半径方向外側に向かって段状に突出するフランジ１４ａが形成されている。フランジ１４ａには、回転子１０の外部空間２２と、スリーブ１４の内周面と回転軸１２の外周面との間の境界面２４と、の間を流体的に連通する流体通路１８が形成されている。流体通路１８には、外部空間２２に向けて開口するネジ穴１８ａが形成されている。また、スリーブ１４の軸線方向の両端には、環状溝が形成されており、Ｏリングなどの封止部材２６が環状溝に設けられている。

なお、本明細書において、「半径方向外側」とは、横断面において回転軸線Ｘから離間する方向を表す。また、「半径方向内側」とは、横断面において回転軸線Ｘに接近する方向を表す。また、「軸線方向」または「軸方向」とは、回転軸線Ｘに対して平行な方向を表す。

本実施形態において、回転子１０は、油圧嵌めによって回転軸１２に取付けられる。すなわち、スリーブ１４の周方向に所定の間隔を空けて複数設けられた流体通路１８を介してスリーブ１４と回転軸１２との間の境界面２４に供給される油圧によって回転子１０の直径が増大するようになる。このとき、流体通路１８内に油を供給する供給ノズル（図示せず）がネジ穴１８ａにねじ込まれる。少なくとも１つの流体通路１８が空気の抜け穴として利用されうる。

境界面２４に導入された油は、スリーブ１４の両端に設けられた封止部材２６によって封止されていて、回転子１０の外部空間２２への漏出が防止されている。油は、スリーブ１４の内周面と回転軸１２の外周面との間の接触面同士を潤滑する作用も有している。それにより、スリーブ１４を回転軸１２に対して所定の位置まで軸線方向に容易に摺動させられるようになる。

図２は、図１のスリーブ１４とは異なる形状を有するスリーブ１４ｂを示す図である。スリーブ１４ｂの内周面は、複線方向の一端から他端に向かって直径が徐々に小さくなるように形成されたテーパ面になっている。また、スリーブ１４ｂを受容する回転軸１２の外周面のうち、少なくとも回転子部材１０ａが固定される区間は、スリーブ１４ｂの内周面と同一方向に傾斜したテーパ面になっている。この場合、図３の上段に示すように、回転軸１２に対してその小径側から大径側（図示例では右側から左側）に向かってスリーブ１４ｂを移動させ、スリーブ１４ｂが所定の位置に達したとき（図３の下段）に所定の締め代が得られるように、スリーブ１４ｂおよび回転軸１２の寸法が定められる。この場合、流体通路１８は設けなくてもよく、また、回転軸１２とスリーブ１４ｂとの間の境界面２４がテーパ面になっている。

つまり、図３の上段に示す位置では締め代がゼロであり、この状態からさらにスリーブ１４ｂを軸方向左側（軸径が拡大する方向）に移動（圧入）させるにつれて、スリーブ１４ｂは径方向外側に向って拡径される。そしてスリーブ１４ｂの圧入完了時（図３の下段）は、スリーブ１４ｂが拡径され、その結果、保持部材２０に周方向の張力が発生し、保持部材２０の弾性復元力によって磁石１６が径方向内側に向かう力によって、スリーブ１４ｂの外周面に強固に押し付けられて保持される。つまり図３の例では、保持部材２０を油圧で拡径する必要がなく、保持部材２０はテーパ面に沿って摺動されることによって拡径される。

スリーブ１４ｂの外周面において周方向に配列される複数の永久磁石は、図１の永久磁石１６と同様に、スリーブ１４の外周面に周方向に配列され、各々が部分円筒形状を有するようにしてもよく、さらに例えば図２に示す永久磁石１６ａ、１６ｂおよび１６ｃのように、永久磁石１６を軸線方向に分割して連ねて配列するようにしてもよい。

保持部材２０は、後述するように、ある一定の幅を有する繊維束を周回させて筒状に成形された部材から形成される。保持部材２０は、磁石の外周面に直接巻きつけられて成形されてもよいし、予め別途筒状に成形された後、磁石の外周に取り付けられてもよい。

保持部材２０は、永久磁石１６との嵌合に関して所定の締め代を有するように拡径されている。それにより、保持部材２０には、周方向に復元力である張力が内在し、この張力によって、回転子１０が回転する際に発生する遠心力に対抗して磁石１６を保持できるのに十分な力が半径方向内側に向かって作用するようになっている。回転子の回転数が高くなるほど大きな保持力が必要であり、即ち大きな張力が必要である。保持部材２０の締め代が大きいほど、張力は一般的に大きくなる。したがって、保持部材２０は、回転子の回転数に応じて要求される保持力に応じた張力を生じさせることが必要であり、その張力を発生するために必要な所定の締め代が設定される。

次に、保持部材２０の構造の詳細について説明する。保持部材２０は、繊維の束（繊維束）を、マトリクス樹脂で一体化した繊維強化樹脂（以下、「ＦＲＰ」と称する）により形成される。また繊維束とマトリクス樹脂との一体化は、保持部材２０が張力を生じさせる前であれば、保持部材２０を磁石の外周に形成する工程のうち、どの段階で行われてもよい。

例えば、予め繊維束にマトリクス樹脂を含浸させたプリプレグ状の繊維束を用意してもよい。このプリプレグ状繊維材料を成形治具に巻きつけて、樹脂の硬化後に治具を除去する（抜き取る）ことによって筒状部材を形成し、該筒状部材を磁石の外周に嵌めることで保持部材２０の形成が完了する。あるいは、上記プリプレグ状繊維材料を磁石の外周に直接巻きつけて硬化させ、保持部材２０を形成してもよい。

また例えば、繊維束を成形治具に巻きつける際に同時にマトリクス樹脂を塗布しながら巻くことにより、マトリクス樹脂と一体化させてもよい。樹脂の硬化後に治具を除去することによって筒状部材を形成し、該筒状部材を磁石の外周に嵌めてもよい。あるいは、上記繊維束を磁石の外周に直接巻きつけつつ、同時にマトリクス樹脂を塗布しながら巻くことにより、マトリクス樹脂と一体化させてもよい。この場合は、磁石の外周上で硬化することで直接、磁石の外周に保持部材２０が形成される。

また例えば、繊維束を成形治具に巻きつけた後、マトリクス樹脂を真空含浸などによって繊維に含浸することにより、繊維束とマトリクス樹脂とを一体化させてもよい。硬化後に治具を除去することによって筒状部材を形成し、該筒状部材を磁石の外周に嵌めてもよい。あるいは、上記繊維束を回転子の磁石の外周に直接巻きつけた後、マトリクス樹脂を真空含浸などによって繊維に含浸することにより、繊維束とマトリクス樹脂とを一体化させてもよい。この場合は、磁石の外周上で硬化することで直接、磁石の外周に保持部材２０が形成される。

なお図３の下段において参照符号２３で示すように、回転軸１２の外周面には、スリーブ１４ｂの位置決めを容易にするための段差部（突き当て部２３）を形成してもよい。また参照符号２５で示す回転軸１２の領域は、段差部２３よりも回転軸１２のテーパ面区間ＬＴ以上離れた領域であり、該領域２５の軸径は、緩やかな段差部（テーパ）２７を経て、スリーブ側の最小径部分と干渉しないように（すなわち該最小径部分よりも小径に）なっている。

保持部材２０の形成に使用されるＦＲＰの繊維としては、例えば炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、炭化ケイ素繊維、ボロン繊維、チタン合金繊維、超高分子量ポリエチレンおよびポリブチレンテレフタレート繊維など、比強度（単位密度当りの引張強度）に優れた材料が好ましく、特に、繊維表面の分子構造に、−ＣＯ−、Ｃ＝Ｏ、ＣＯＯＨなどの官能基が付与された繊維が好ましい。

次に、保持部材２０を形成する際の、繊維束の巻き方の好適例を具体的に説明する。回転子の軸線方向の一端側から他端側に至る区間のうち、少なくとも永久磁石が配置されている区間（以降、磁石区間とも称する。図２の区間Ｌ１６を参照）を包含する１区間を１トラバース（図４の区間Ｌ２０を参照）と呼ぶとき、保持部材２０の形成には、少なくとも１トラバース（Ｌ２０）の間は連続した一続きの繊維束が用いられる。つまり当該繊維束は、回転子または成形治具の外周を螺旋状に周回しつつ、軸線方向の一端側から他端側に亘って連続的に巻かれる。

ところで保持部材２０は、磁石の外周に設けられた後、回転軸に固定される際に前述の通り、磁石を保持するための張力を生じさせるように構成される。よって保持部材２０（の繊維束）は、この張力によって緩まないことが必要であり、特に巻き始めと巻き終わりは、繊維束が緩まないように確実に処理する必要がある。逆に、巻き始めと巻き終わりを確実に拘束すれば、その間の区間も緩むことはない。よって、巻き始めと巻き終わりを拘束する処理が重要である。

図４は、円筒状または円柱状の成形治具２１の外周に繊維束３０を巻きつけて、保持部材２０を成形する方法の一例を示す図である。なお同様の方法を、磁石１６の外周に直接行うことによって、回転子部材１０ａ上に直接、保持部材２０を成形してもよい。繊維束３０は、トラバース区間Ｌ２０の一方の端部側に巻き始め端部３０ａを有し、他方の端部側に巻き終わり端部３０ｂを有する。内周側からスタートしている巻き始め端部３０ａは、外周側に引き出され、同一周上（軸方向の同一箇所）に１周以上巻かれ、繊維束３０の１周前の部分と巻き始め端部３０ａとを重ね合わせた重ね部を形成し、その重ね部を反応性硬化樹脂である第１の樹脂（以降、樹脂Ａとも称する）で接着固定する（より具体的には、樹脂Ａを塗布して硬化させる）ことにより、巻き始め端部３０ａについての固定処理（端部処理）が完了する。なお樹脂Ａは、反応硬化性樹脂であって、例えば加熱によって硬化する樹脂である。

一方、トラバース区間Ｌ２０の一端側から他端側まで螺旋状に周回してきた繊維束３０の巻き終わり端部３０ｂは、外周上で同一周上（軸方向の同一箇所）に１周以上巻かれ、繊維束３０の１周前の部分と巻き終わり端部３０ｂとを重ね合わせた重ね部を形成しその重ね部を樹脂Ａで接着固定する（より具体的には、樹脂Ａを塗布して硬化させる）ことにより、巻き終わり端部３０ｂについての固定処理（端部処理）が完了する。なおトラバース区間Ｌ２０は、磁石区間長Ｌ１６（図２）と同じか、Ｌ１６より長い。また巻き始め端部３０ａおよび巻き終わり端部３０ｂについての重ね部は、軸方向の同一箇所に繊維束を１周以上重ねて形成されることが好ましく、接着範囲も１周以上にわたることが好ましい。

重ね部では、繊維束の端部を前の周の部分に重ねてもよいし、１周前の繊維束の下をくぐらせつつ重ねてもよい。後者の場合、端部の表面および裏面の双方を繊維束の他の部分に接着できるため、端部をより強固に接着できる。また、樹脂Ａとしては、硬化の過程で繊維表面の官能基と反応して化学的結合を作りうる樹脂が特に好ましく、エポキシ樹脂（より具体的には、エポキシ基を有する樹脂）がその具体例として挙げられる。

また保持部材２０の軸線方向の保持強度を極力均一にするために、この接着処理は、通常、トラバース区間Ｌ２０の始点および終点、またはそれらの近傍で行われることが好ましい。

図５は、成形治具２１の外周に繊維束３０を巻きつけて、保持部材２０を成形する方法の他の例を示す図である。なお同様の方法を、磁石１６の外周に直接行うことによって、回転子部材１０ａ上に直接、保持部材２０を成形してもよい。図５の例では、繊維束３０をトラバース区間Ｌ２０の一方の端部側（図示例では左側）から他端側（図示例では右側）に向って、１トラバースに相当する軸線方向長さにわたって繊維束３０を巻回した後、続いて他端側から一端側に向けて繊維束３０の巻回を行う（つまり１トラバース分の巻回操作を複数回繰り返す）。これにより、保持部材２０の径方向厚さを大きくすることができ、磁石に対する保持力を増大させることができる。

繊維束３０の巻き始めと巻き終わりの端部処理は、１トラバースごとに行われてもよいが、一続きの繊維束を、１トラバース分の巻回操作を複数回繰り返す間、切ることなく連続して使用し、端部処理の箇所の個数を最小限に抑えることが好ましい。その理由は、作業効率の観点と、端部処理の箇所は外径寸法が不安定になりがちなため、仕上がりの寸法精度の観点とからである。また、作業の信頼性の観点からも、端部処理の箇所は少ないことが好ましい。

図５の例では、巻き始め端部３０ａおよび巻き終わり端部３０ｂは同じ側（図示例では左側）にあり、繊維束３０が緩まないための端部処理（終端処理）が施してある。具体的には、巻き始め端部３０ａおよび巻き終わり端部３０ｂは、同一周上に巻きつけられて重ね部（区間Ｌ３０）を形成し、該重ね部において両端部が互いに樹脂Ａで接着されている。なお両端は、軸線方向の同一箇所において互いに１周以上重ねられることが好ましく、１周以上に亘って互いに接着固定されることが好ましい。

なお図５の例では、複数回のトラバースの後、同一端側で終端処理がなされているが、図４のように、巻き始め端部３０ａおよび巻き終わり端部３０ｂをそれぞれ別の端部に配置し、別々に終端処理を施してもよい。なお巻き始め端部３０ａは、繊維束３０の最内層に位置するため、予め端部から引き出しておき、端面を這うようにして外周側に引きまわすことが好ましい。

図６は、繊維束３０の巻き始め端部の終端処理の一例をより詳細に説明する図である。繊維束３０の巻き始め端部は、巻回操作が進むに従い最内層に埋もれてしまうので、そこで先ず図６（ａ）に示すように、予め、冶具２１に巻回されない所定長さの部分３０ａを引き出しておく。

次に、図６（ｂ）に示すように、引き出した繊維束の部分３０ａを、既に巻回された繊維束３０の軸線方向の縁部３０ｃに沿うように折り返し、縁部３０ｃ上に重ねる。そして、引き出し部分３０ａを縁部３０ｃに軸線方向について同一箇所に１周以上巻回して重ね部を形成し、該重ね部を樹脂Ａで接着する。なお同様の方法で、回転子部材１０ａ上に直接、保持部材２０を成形してもよい。

図７は、繊維束３０の巻き始め端部の終端処理の他の例をより詳細に説明する図であり、図６の例よりも巻き始め端部を強固に固定する例を表している。先ず、図７（ａ）に示すように、冶具２１に巻回されない所定長さの部分３０ａを引き出しておき、次に図７（ｂ）に示すように、引き出した繊維束の部分３０ａを、既に巻回され繊維束３０の軸線方向の縁部３０ｃに沿うように折り返し、縁部３０ｃ上に重ねる。

次に、引き出し部分３０ａを縁部３０ｃに軸線方向について同一箇所に１周以上（好ましくは１周）巻回した後、図７（ｃ）に示すように、引き出し部分３０ａを１周手前の繊維束の下をくぐらせ、さらにその縁部３０ｃに沿って折り返して、くぐらせた１周手前の繊維束の上に重ね、重ね部を形成する。

最後に、引き出し部分をくぐらせた箇所から終端部に至る重ね部を、樹脂Ａで接着する。なお樹脂Ａは、引き出し部分をくぐらせる操作や重ね部を形成する操作の途中で塗布してもよいし、重ね部を形成した後にその上から塗布しまたは含浸させてもよい。なお実際には、意図する接合箇所以外も樹脂Ａで一緒に硬化されてしまうことがあるが、これは程度にもよるが構わない。なお同様の方法で、回転子部材１０ａ上に直接、保持部材２０を成形してもよい。

図８は、繊維束３０の巻き終わり端部３０ｂの終端処理の一例をより詳細に説明する図である。先ず図８（ａ）に示すように、繊維束３０の巻き終わり端部３０ｂを、その１周前の繊維束の下をくぐらせる。次に、図８（ｂ）に示すように、巻き終わり端部３０ｂを繊維束３０の縁部３０ｄに沿って折り返し、１周前の繊維束の上に重ね、重ね部を形成する。そして端部３０ｂをくぐらせた箇所から終端部に至る重ね部を、樹脂Ａで接着する。

なお樹脂Ａは、巻き終わり端部３０ｂをくぐらせる操作や重ね部を形成する操作の途中で塗布してもよいし、重ね部を形成した後にその上から塗布しまたは含浸させてもよい。なお実際には、意図する接合箇所以外も樹脂Ａで一緒に硬化されてしまうことがあるが、これは程度にもよるが基本的には構わない。なお同様の方法で、回転子部材１０ａ上に直接、保持部材２０を成形してもよい。

上述の繊維束３０は、扁平なテープ状であることが好ましく、１周前の部分と幅方向について部分的に重ねられながら、螺旋状に軸線方向の一端側から他端側に巻回されてもよい。繊維束３０が炭素繊維からなる場合、繊維束３０は例えば、厚さが約０．１ｍｍであり、幅が３ｍｍ〜１０ｍｍのテープ状部材として供給可能である。

以上、繊維束３０の両端部の端部処理（終端処理）についていくつかの好適例を説明したが、両端部における接着による終端処理（拘束処理）を行う部分以外の繊維束の部分（区間）については、樹脂Ａとは異なり、割れにくく、伸びに対して許容量の大きな、柔軟性のある第２の樹脂（以降、樹脂Ｂとも称する）を、マトリクス樹脂として使用することが好ましい。理由は以下の通りである。

前述の通り、保持部材には、最終的に磁石を保持するための保持力を発生させるために張力が付与される。これは、スリーブ１４または１４ｂと回転軸１２との間に設けられる締め代によって与えられる。この締め代によってスリーブが拡径され、それに伴ってスリーブ上に配置された磁石１６が径方向外側に移動することによって、保持部材２０が径方向外側に押し拡げられる。この結果、保持部材２０に周方向の張力が付与されるとともに、その弾性復元力として、磁石１６を保持する力が発生することになる。即ち、より強固に磁石１６を保持するための一手法は、保持部材２０により大きな伸びを与えて、より大きな張力を発生させることである。より強固に磁石１６を保持することができれば、より高速回転が可能な回転子が得られる。

ところで、樹脂Ａのように、接着力を重視した樹脂は、一般に、硬くて脆い傾向がある。このような樹脂は一般に、ある引張り力を受けたときに、破壊するまでの伸びが小さい。このような樹脂を保持部材２０のマトリクス樹脂として使用すると、保持部材２０の拡径時の変形に対して樹脂の伸びが追従できず、樹脂が割れてしまうことがある。また特に、硬化の過程で繊維表面の官能基と反応して該繊維と化学的結合を形成する樹脂の場合、樹脂の割れに伴って、繊維まで破断することもあり、これは保持部材２０としての致命的な破壊に至る場合がある。

そこで例えば、マトリックス樹脂として使用される樹脂Ｂは、そのガラス転移温度Ｔｇ（Ｂ）が、樹脂Ａのガラス転移温度Ｔｇ（Ａ）より低い（Ｔｇ（Ａ）＞Ｔｇ（Ｂ））ことが好ましい。一般に、ガラス転移温度が高い樹脂ほど、接着強度は常温から高温域まで高くなる反面、硬く脆なる傾向がある。

或いは、繊維束同士をそれらの繊維方向（長手方向）を揃えて樹脂で接合した際の引張り剪断方向の接着強さ（引張り剪断強さ）を考えた場合、樹脂Ｂの引張り剪断強さＴＳＳ（Ｂ）は、樹脂Ａの引張り剪断強さＴＳＳ（Ａ）よりも小さい（ＴＳＳ（Ａ）＞ＴＳＳ（Ｂ））ことが好ましい。繊維方向の伸びに対して樹脂が割れないためには、樹脂が割れるよりも、繊維との間で樹脂が繊維方向に多少ずれる方が、樹脂とともに破断するよりも好ましいからである。

或いは、樹脂Ｂは、アイゾット衝撃試験によって得られるアイゾット衝撃値（ＩＩ（Ｂ））が、アイゾット衝撃試験において破断しないために測定不可能であるか、または、樹脂Ａのアイゾット衝撃値（ＩＩ（Ａ））よりも大きい（ＩＩ（Ａ）＜ＩＩ（Ｂ））ことが好ましい。アイゾット衝撃値が大きい樹脂ほど、割れにくい（延性が高い）からである。

上述の樹脂のうち、少なくとも何れか一つに該当し得る一般的な樹脂として、アクリル系樹脂が好適である。特に好ましくは、分子内に、アクリル酸エステル、又はメタクリル酸エステルを有する主成分を主体とした樹脂が、繊維に含浸する際の繊維への浸透性、また硬化後の柔軟性や高温強度の観点から、好適である。特に、樹脂Ａをエポキシ樹脂、樹脂Ｂをアクリル系樹脂とする組み合わせは好ましい。

また、樹脂Ａおよび樹脂Ｂをいずれもエポキシ樹脂としてもよく、その場合、樹脂Ａおよび樹脂Ｂとして使用されるそれぞれのエポキシ樹脂を、上述したようなガラス転移温度、引張り剪断強さ、またはアイゾット衝撃値に関する何れかの条件を満たすように選定することにより、好ましい効果が得られる。

また、上述の繊維束３０としては、特に炭素繊維が好適である。炭素繊維は比強度（自身の密度に対する強さ）が高いため、高速回転時に発生する遠心力を抑えつつ、高い保持強度を得るのに好適である。また、炭素繊維の表面には、一般に、反応性硬化樹脂との結合性を高めるために、繊維表面の分子構造に、−ＣＯ−、Ｃ＝Ｏ、ＣＯＯＨなどの官能基が付与されている。これにより、特に、繊維束の巻き始め端部および巻き終わり端部の接着処理に於いて、樹脂Ａとの分子レベルでの接着効果が高められるため、好ましい。

図９は、一実施形態に係る回転子１０の組み立て完了後の径方向断面を示す図である。上述のように、保持部材２０には張力が付与され、その弾性復元力によって磁石１６は径方向内側に向かって保持されている。また磁石１６は、保持部材２０によって、スリーブ１４の外周面に強固に押し付けられ、固定されている。

図１０は、他の実施形態に係る回転子１０′の組み立て完了後の径方向断面を示す図である。回転子１０′が図９の回転子１０と異なる点は、磁石保持部材２０′が同心状に重ねられた２つの部材を有する二重構造を有していることであり、他は回転子１０と同様でよい。具体的には、回転子１０′の保持部材２０′は、内側保持部材２０ａと、外側保持部材２０ｂとを有する。

内側保持部材２０ａは、上述の保持部材２０と同様、繊維束を巻回させることによって形成される。一方、外側保持部材２０ｂは、保持部材２０と同様、繊維束を巻回させることによって形成してもよいが、他の材料や製法によって形成してもよい。例えば、外側保持部材２０ｂの材料としては、非磁性金属、または周方向に必要な強度を有するＦＲＰが好ましい。或いは、回転体に使用するため、比強度が高いものが好適であり、ＣＦＲＰなどのＦＲＰ類、または金属の場合はチタン合金などの軽量な非磁性金属が好ましい。外側保持部材２０ｂの材料としてＦＲＰを使用する場合は、上述のように繊維束を巻回して形成してもよいし、或いは、プリプレグシートを治具に巻きつけて加熱硬化によって形成してもよい。

また、チタン合金のような非磁性金属を外側保持部材２０ｂの材料に使用する場合、管状に予め成形された薄肉管を使用すると好都合である。外側保持部材２０ｂに非磁性金属を使用した場合、一般的に、ＦＲＰを使用するよりも、より強力な、内側保持部材２０ａの保護効果が得られる。

内側保持部材２０ａおよび外側保持部材２０ｂに設定される締め代については、内側保持部材２０ａの方が外側保持部材２０ｂより大きい。締め代をこのような大小関係とすることにより、単位繊維あたりに掛かる張力は内側保持部材２０ａの方が大きくなり、その結果、外側保持部材２０ｂについては、過大な張力による破壊、破損、接合の剥れなどのリスクが下がり、耐久性が向上する。一方、内側保持部材２０ａの外周面には、外側保持部材２０ｂによる径方向内側に向う圧縮力がかかるため、内側保持部材２０ａを構成する繊維束が緩みにくくなり、特に、終端処理（拘束処理）がされた巻き始め端部や巻き終わり端部も外側保持部材２０ｂによって径方向外側から押さえられるため、巻き始め端部や巻き終わり端部が回転時の風圧などによって剥れたり緩んだりするリスクが低減される。

その結果、図１０の構成によれば、保持部材２０′が長期的にも緩みにくい、即ち、磁石の保持強度が長期的にも低下しない、信頼性の高い回転子が提供される。また、内側保持部材２０ａの締め代をより高めることができるので、磁石の保持強度が上がり、回転子の更なる高速回転が可能となる。さらに、磁石保持強度が上がる結果、より重い磁石を保持できるようになるので、磁石厚さを厚くすることが可能となり、これは、回転電機の性能（トルクや出力）の向上につながる。なお前述の通り、外側保持部材２０ｂは内側保持部材２０ａより締め代を小さくできるので、構造の自由度としては内側保持部材２０ａよりも広い。

保持部材２０または２０′の製造工程は、２回以上または２箇所以上の樹脂の硬化工程を有することが好ましい。ここで「２回」とは、樹脂Ａの硬化工程および樹脂Ｂの硬化工程を指すが、各樹脂の硬化工程を複数の工程に分けることもできる。また「２箇所」は、例えば、同じまたは異なる樹脂を、それぞれ異なる箇所に塗布して硬化させる（加熱する）工程を指すが、これらの工程は同時に行ってもよい（この場合、硬化工程の回数は１回になる）し、逐次的に行ってもよい。

回転子の高速回転時のように、磁石をより強固に保持する必要がある場合には、保持部材２０または２０′が発生する圧縮保持力を高めるのが、一つの方法である。それには例えば以下の方法が有効である。
（１）保持部材の径方向厚さを厚くする。
（２）より弾性係数の高い繊維を保持部材の材料に用いる。
（３）スリーブと回転軸との間の締め代をより大きくして、保持部材の拡径量を大きくする。

上記（１）〜（３）のうち、特に（２）および（３）の方法は、保持部材の、単位繊維あたりの張力を増大させて圧縮保持力を増大させるため、繊維の緩みを防止する本願発明は、特に有効である。また（１）の方法に対しても、長期的な信頼性、製品寿命を高めるという意味で、本願発明は有効である。

上述の磁石保持部材の成形工程をまとめると、以下のようになる。先ず、治具に繊維束を巻きつけることによって予め磁石保持部材を筒状に形成した後に磁石の外周に被せる場合は以下の（ｉ）〜（iv）となる。
（ｉ）治具に、少なくとも１トラバース分の繊維束を巻きつける。
（ii）繊維束の巻き始め端部および巻き終わり端部の終端処理を行う。即ち、樹脂Ａを用いて端部を接着し、樹脂Ａを硬化させる。
（iii）繊維束の、巻き始め端部と巻き終わり端部との間の区間を、樹脂Ｂで含浸し、硬化させる。
（iv）樹脂Ｂの硬化後、形成された磁石保持部材を治具から取外す。

一方、治具を使用せず、永久磁石の外周に直接、磁石保持部材を形成する場合の成形工程は、以下の（ｖ）〜（vii）となる。
（ｖ）スリーブ上に配置された永久磁石に、少なくとも１トラバース分の繊維束を巻きつける。
（vi）繊維束の巻き始め端部および巻き終わり端部の終端処理を行う。即ち、樹脂Ａを用いて端部を接着し、樹脂Ａを硬化させる。
（vii）繊維束の、巻き始め端部と巻き終わり端部との間の区間を、樹脂Ｂで含浸し、硬化させる。

本願発明に係る磁石保持部材２０を備えた回転子１０は、より高速な回転が可能となり、このような回転子１０を構成すると、コンパクトで且つ高出力の回転電機１００を得ることができる。このような回転電機１００を工作機械の主軸に適用すれば、極めて高性能の工作機械が得られる。またこの傾向は、磁力が高いネオジム磁石を磁石１６として使用した場合、特に顕著となる。

１０、１０′ 回転子
１２ 回転軸
１４、１４ｂ スリーブ
１６ 磁石
２０、２０′ 磁石保持部材
２０ａ 内側保持部材
２０ｂ 外側保持部材
２１ 成形冶具
３０ 繊維束
３０ａ 巻き始め端部
３０ｂ 巻き終わり端部
１００ 回転電機

Claims (12)

1. 回転軸と、前記回転軸の外周に、テーパ面同士の締り嵌めによって嵌合するスリーブと、前記スリーブの外周面に配列された複数の磁石とを有する回転子を備えた回転電機において、前記磁石の径方向外側において前記磁石を径方向内側に向って圧縮保持する保持部材であって、
   前記保持部材は、前記回転子の軸線方向についての一端側から他端側に至る区間のうち、少なくとも前記磁石が配置されている区間を包含する１区間を１トラバースと呼ぶとき、前記磁石の外周において、少なくとも１トラバースにわたって連続した一続きの繊維束が、前記回転子の外周において螺旋状に周回しつつ前記一端側から他端側まで巻かれてなる筒状形状を有し、
   前記保持部材は、樹脂をマトリクスとする繊維強化樹脂からなり、前記繊維束のうち少なくとも、巻き始め端部および巻き終わり端部における繊維同士が、反応性硬化樹脂である第１の樹脂によって終端処理され、
   前記巻き始め端部の終端処理部と、前記巻き終わり端部の終端処理部との間の区間では、前記第１の樹脂とは異なる第２の樹脂がマトリクス樹脂として使用されている、保持部材。
2. 前記第２の樹脂のガラス転移温度は、前記第１の樹脂のガラス転移温度よりも低い、請求項１に記載の保持部材。
3. 前記第２の樹脂は、前記繊維束同士を前記樹脂で接合した際の引張り剪断方向の接着強さが、前記第１の樹脂よりも低い、請求項１に記載の保持部材。
4. 前記第２の樹脂のアイゾット衝撃値は、前記第１の樹脂のアイゾット衝撃値よりも高いか、または、前記第２の樹脂がアイゾット衝撃試験において破断しないために測定不可能である、請求項１に記載の保持部材。
5. 前記保持部材は、前記繊維束の１トラバース分の巻回操作を複数回繰り返すことによって形成される、請求項１〜４の何れか一つに記載の保持部材。
6. 前記回転子の軸線方向についての同一端側に、前記一続きの繊維束の巻き始め端部と巻き終わり端部が配置され、両端部同士を互いに前記第１の樹脂によって接着することによって前記巻き始め端部および前記巻き終わり端部が終端処理されている、請求項５に記載の保持部材。
7. 前記繊維束は扁平なテープ状である、請求項１〜６の何れか一つに記載の保持部材。
8. 前記第１の樹脂はエポキシ樹脂であり、前記第２の樹脂はアクリル系樹脂であり、前記繊維束は炭素繊維を含む、請求項１〜７の何れか一つに記載の保持部材。
9. 請求項１〜８の何れか一つに記載の保持部材を有する回転子であって、
   前記保持部材には周方向に張力が付与され、前記張力に起因する半径方向内側の弾性圧縮力が前記磁石に作用している、回転子。
10. 前記保持部材の外周に、予め筒状に整形された別部材が、前記保持部材と同心状に重ねて配置され、
    前記筒状の別部材にも周方向に張力が付与され、前記張力に起因する半径方向内側の弾性圧縮力が前記保持部材に作用し、前記保持部材の締め代の方が、前記別部材の締め代よりも大きい、請求項９に記載の回転子。
11. 請求項９または１０に記載の回転子を有する回転電機。
12. 請求項１１に記載の回転電機を有する工作機械。

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