JP6087427B2 - 回転電機の回転子及び回転電機の回転子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転子のコアの外周面に永久磁石が配置された回転電機の回転子及び回転電機の回転子の製造方法に関する。

近時、資源枯渇による省エネルギー化の要望、機械加工タクトの短縮又は難切削材加工への対応から、工業用途の回転電機に対する高効率化、高出力化、及び高速回転化へのニーズが非常に高くなっている。

回転電機には、「同期式」と「誘導式」の２通りの駆動方式があり、工業用途の回転電機には、堅牢かつ強固を特徴とする誘導式回転電機がよく用いられている。しかしながら、誘導式回転電機では、原理上、回転子にも電流が流れるため、高効率化及び高出力化を進める上で、当該電流に起因した回転子の発熱が課題となる。そのため、工業用途の回転電機への同期式回転電機の適用が進んでいる。

同期式回転電機は、回転子の界磁に永久磁石を使用するため、回転子の発熱は理論上発生せず、高効率化及び高出力化の面で有利となる。しかしながら、同期式回転電機の高速回転化の実用に向けては、回転時における遠心力による永久磁石の剥離と、インバータＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御のキャリアに起因した高調波損失による発熱の課題に対処する必要がある。ここで、高調波損失は、詳細には高調波渦電流による損失である。

これに対し、特許文献１では、回転子軸の外周に永久磁石を一定の間隔をおいて取付け、永久磁石及び回転子軸の外面に溶射膜リングを形成することで、回転子の回転時における遠心力による永久磁石の剥離を抑制する構造が提案されている。

また、特許文献２では、回転子表面に導電性金属を溶射することで回転時のインバータＰＷＭ制御のキャリアに起因した高調波損失による発熱を抑制する構造が提案されている。

特開平４−１０１６４０号公報 特許第２９７７８４６号公報

特許文献１に記載された回転子によれば、永久磁石及び回転子軸の外面に溶射膜リングが形成されているので、永久磁石自体の発熱を抑制することは可能であるが、金属溶射により形成された溶射膜リングには高調波損失による発熱が生じる。そのため、溶射膜リングの発熱により、永久磁石の温度が上昇し、永久磁石が熱減磁するおそれがある。

また、金属溶射は導電性金属を溶融させて吹き付けることで溶射膜リングを形成する方法であり、金属溶射によって形成された溶射膜リングは少なからず熱劣化する。そのため、当該熱劣化により溶射膜リングの導電率が低下することで、永久磁石で発生する高調波渦電流による損失が増加し、発熱抑制効果が低くなるおそれがある。また、溶射膜リングは酸化物を含むことから、強度確保という点においても信頼性に欠ける。

同様に、特許文献２に記載された回転子表面への金属溶射によれば、金属溶射によって形成された導電性皮膜は少なからず熱劣化する。そのため、当該熱劣化により導電性皮膜の導電率が低下することで、回転子で発生する高調波渦電流による損失が増加し、発熱抑制効果が低くなるおそれがある。また、当該導電性皮膜は酸化物を含むことから、強度確保という点においても信頼性に欠ける。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回転時の遠心力による永久磁石の剥離と高調波損失による永久磁石の温度上昇を抑制可能な回転電機の回転子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る回転電機の回転子は、円筒形状のコアと、前記コアの外周面に貼り付けられた永久磁石と、固相状態の導体粒子が前記コア及び前記永久磁石に吹き付けられて形成され、前記コア及び前記永久磁石を一体化する環状の皮膜と、を備え、前記導体粒子は、前記コア及び前記永久磁石よりも導電率の高い材料から形成されることを特徴とする。

本発明によれば、回転時の遠心力による永久磁石の剥離と高調波損失による永久磁石の温度上昇を抑制可能になる、という効果を奏する。

実施の形態１に係る回転電機の回転子の縦断面図 実施の形態１に係る回転電機の回転子の横断面図 実施の形態１において皮膜を形成する前の回転子の構成を示す縦断面図 実施の形態１において皮膜を形成する前の回転子の構成を示す横断面図 実施の形態１に係る回転電機の回転子の製造工程を示す模式図 実施の形態１に係る回転電機の回転子の製造工程を示す別の模式図 実施の形態１において高調波渦電流による回転子での発熱及び放熱の様子を示す模式図 実施の形態１の変形例に係る回転電機の回転子の縦断面図 実施の形態１の変形例に係る回転電機の回転子の横断面図 実施の形態２に係る回転電機の回転子の縦断面図 実施の形態２に係る回転電機の回転子の横断面図 実施の形態３に係る回転電機の回転子の縦断面図 実施の形態３に係る回転子への導体粒子の付着性を示す縦断面図 実施の形態３の比較例において磁石端部が角状の回転子への導体粒子の付着性を示す縦断面図 実施の形態４に係る回転電機の回転子の縦断面図

以下に、本発明の実施の形態に係る回転電機の回転子及び回転電機の回転子の製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る回転電機の回転子１の縦断面図、図２は、本実施の形態に係る回転電機の回転子１の横断面図である。ここで、図１に示す縦断面図は、回転子１の回転中心軸線２を含む断面による断面図である。また、図２に示す横断面図は、回転中心軸線２と直交する断面による断面図であり、具体的には図１に示すＩ−Ｉ線による断面図である。

図１及び図２に示すように、回転子１は、円筒形状のコア３と、コア３の外周面に貼り付けられた複数個の永久磁石４と、固相状態の導体粒子がコア３及び複数個の永久磁石４に吹き付けられて形成され、コア３及び複数個の永久磁石４を一体化する環状の皮膜５とを備えている。回転子１は、表面永久磁石（ＳＰＭ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）型の同期回転電機の回転子である。

コア３は、電磁鋼板から打抜かれた環状の薄板を回転中心軸線２方向に複数枚積層した積層体又は円筒形状の鋼管から形成される。コア３には、回転中心軸線２方向にコア３を貫通するコア貫通穴６が形成されている。シャフト７はコア貫通穴６を貫通し、コア３に固定されている。なお、以下では、回転中心軸線２方向を「軸方向」という。

複数個の永久磁石４は、コア３の外周面で回転子１の回転方向に配列され、それぞれコア３の外周面に接着剤によって貼り付けられている。図示例では、４個の永久磁石４が回転方向に等間隔で配置されている。また、図示例では、永久磁石４の横断面形状は三日月形状である。すなわち、永久磁石４は、内周面及び外周面ともに弧状である。また、永久磁石４の縦断面形状は矩形状である。永久磁石４の軸方向の長さは、コア３の軸方向の長さよりも短い。永久磁石４は、希土類磁石又はフェライト磁石である。

皮膜５は、コア３及び複数個の永久磁石４を覆う環状の皮膜である。具体的には、皮膜５は、複数個の永久磁石４の外面をすべて覆うと共に永久磁石４間のコア３の外周面を覆うことで、複数個の永久磁石４とコア３を一体化している。ここで、永久磁石４の外面は、永久磁石４の外周面及び軸方向の端面である。皮膜５は、後述するコールドスプレー法によって形成される。

次に、図３から図５を参照して、回転子１の製造方法について説明する。図３は、本実施の形態において皮膜５を形成する前の回転子１である回転子１ａの構成を示す縦断面図、図４は、本実施の形態において皮膜５を形成する前の回転子１である回転子１ａの構成を示す横断面図である。ここで、図３に示す縦断面図は、回転中心軸線２を含む断面による断面図である。また、図４に示す横断面図は、回転中心軸線２と直交する断面による断面図であり、具体的には図３に示すＩＩ−ＩＩ線による断面図である。図３及び図４では、図１及び図２に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。また、図５は、本実施の形態に係る回転電機の回転子の製造工程を示す模式図である。ここで、図５では、回転子１については図１と同様の縦断面図を示し、図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。

まず、回転子１ａを製造する。すなわち、コア３の外周面に複数個の永久磁石４を貼り付ける。また、コア貫通穴６にシャフト７を貫通させ、シャフト７をコア３に固定する。シャフト７のコア３への固定は、永久磁石４の貼り付け前に行ってもよいし、永久磁石４の貼り付け後に行ってもよい。シャフト７は、圧入、焼き嵌め、及び冷やし嵌めの何れかの方法によりコア３に嵌め込まれて固定される。

次に、図５に示すように、コールドスプレー装置１０を用いて皮膜５を形成する。ここで、コールドスプレー装置１０は、コールドスプレー法によって皮膜５を形成する装置であり、コールドスプレー法は、超音速のガス流の中に導体粒子１５を投入して加速させ、導体粒子１５を固相状態のまま基材に衝突させて皮膜を形成する方法である。

図５に示すように、コールドスプレー装置１０は、ガスを供給するガス供給部１１と、導体粒子１５を供給する導体粒子供給部１２と、導体粒子１５が投入されたガスを超音速まで加速するラバル（Ｌａｖａｌ）ノズル１３とを備えている。

ラバルノズル１３には、先端の出口に向かうにつれて拡大する流路が形成されている。ラバルノズル１３は、ガスを超音速まで加速する。導体粒子１５がアルミニウムから形成される場合は、ガスの流速は、５００ｍ／ｓ〜１０００ｍ／ｓに設定される。なお、導体粒子１５がアルミニウム以外の金属から形成される場合は、ガスの流速はこの限りではない。

ガスは、導体粒子１５の融点よりも低い温度に設定される。ガスは、窒素ガス、ヘリウムガス、空気、又はこれらの混合ガスとすることができる。ガスは、常温で又は加熱して使用され、導体粒子１５がアルミニウムから形成される場合は、ガスの温度は常温から５００℃までの範囲で設定される。なお、導体粒子１５がアルミニウム以外の金属から形成される場合は、ガスの温度はこの限りではない。

導体粒子１５の粒径は、導体粒子１５がアルミニウムから形成される場合は、５μｍ〜５０μｍである。なお、導体粒子１５がアルミニウム以外の金属から形成される場合は、導体粒子１５の粒径はこの限りではない。導体粒子１５は、永久磁石４よりも導電率及び熱伝導率の高い材料から形成することができる。具体的には、導体粒子１５は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、又は銅合金から形成することができる。ここで、銅は、純銅であり、銅合金は、クロム銅、コルソン合金、ベリリウム銅、又はアルミナ分散強化銅とすることができる。

上記のように構成されたコールドスプレー装置１０のラバルノズル１３の先端は、コア３の外周面に向き合わされ、ラバルノズル１３の先端からコア３及び複数個の永久磁石４の表面に超音速の導体粒子１５が吹き付けられる。この際、ガスの温度は導体粒子１５の融点よりも低い温度に設定されることから、導体粒子１５は固相状態のままでコア３及び複数個の永久磁石４の表面に衝突し付着する。

なお、ラバルノズル１３は、先端が回転中心軸線２に向かうように配置され、コア３の外周面に向けて導体粒子１５を吹き付ける。また、ラバルノズル１３は、回転中心軸線２と直交する状態から平行となる状態まで姿勢を変えて導体粒子１５を吹き付けることができる。図５では、回転中心軸線２に平行な直線とラバルノズル１３の軸線との間の角度であるスプレー角度をθで表している。図示例では、スプレー角度θは９０°である。また、ラバルノズル１３は、回転中心軸線２の回りに回転移動可能である。

導体粒子１５を吹き付ける際には、スプレー角度θを調整すると共に、ラバルノズル１３を回転中心軸線２の回りに回転移動させることで、コア３及び複数個の永久磁石４の表面に一定の膜厚の皮膜５を形成することができる。なお、ラバルノズル１３を回転中心軸線２の回りに回転移動させる代わりに、回転子１ａを回転中心軸線２の回りに回転させてもよい。

皮膜５の膜厚は特に限定されないが、皮膜５の強度と部材間接合を維持するため、０．３ｍｍ〜５０ｍｍの間に設定することができる。ここで、部材間接合は、皮膜５とコア３又は永久磁石４との接合である。こうして、皮膜５は、コア３及び複数個の永久磁石４と相互に接合される。

上記のようにして回転子１に皮膜５を形成することにより、以下に説明するような作用効果を奏する。

回転子１は、図示しない固定子と共に同期回転電機を構成し、当該同期回転電機は固定子巻線に流れる電流をＰＷＭ制御するインバータを備える。回転子１は、固定子巻線から発生した回転磁界によりトルクを受けて回転中心軸線２の回りに回転する。コア３の外周面に貼り付けられた複数個の永久磁石４は、回転子１の回転に伴って遠心力を受けるが、皮膜５によってコア３と一体化されているので、コア３からの剥離が抑制される。すなわち、皮膜５は、回転子１の回転時の遠心力による永久磁石４のコア３からの剥離を抑制する補強効果を有する。

特に、コールドスプレー法によれば、結晶粒の肥大化が抑制された緻密な皮膜５が形成される。これにより、皮膜５の強度が向上すると共に、コア３及び複数個の永久磁石４は皮膜５によって確実に接合される。

また、コールドスプレー法によれば、導体粒子１５は固相状態のまま吹き付けられるので、皮膜５の酸化及び熱変成が抑制される。これにより、皮膜５の脆性化が抑制され、皮膜５の強度が向上する。また、皮膜５には導体が溶融した場合に生ずる熱収縮もなく、異種部材間に形成される隙間を抑制することができる。これにより、コア３及び複数個の永久磁石４は皮膜５によって確実に接合される。

また、コールドスプレー法によれば、皮膜５の熱劣化が抑制されるので、皮膜５の導電率の低下が抑制される。これにより、回転電機のインバータＰＷＭ制御時に、皮膜５で発生する高調波渦電流による損失が、従来の金属溶射により形成された皮膜で発生する高調波渦電流による損失よりも大きくなり、その分、永久磁石４で発生する高調波渦電流による損失が抑制されるので、永久磁石４での発熱が抑制され、永久磁石４の温度上昇が抑制される。

また、コールドスプレー法によれば、皮膜５の熱伝導率の低下も抑制され、皮膜５で発生した熱をコア３へ効率的に逃すことができ、皮膜５での発熱による永久磁石４の温度上昇が抑制される。

このように、皮膜５を形成することにより、永久磁石４の熱減磁が抑制され、回転電機の効率の低下が抑制される。

また、コールドスプレー法による皮膜５の形成では、溶射、溶接、又はろう付けによる皮膜５で生ずる熱ひずみ及び組成の脆性化を抑制することができ、更に、溶射、溶接、又はろう付けで発生する冷却時間を設ける必要がなく、工数を減らすことができる。

本実施の形態では、コア３にシャフト７を予め装着した状態で皮膜５を形成している。これにより、コア３の内周面に導体粒子１５が固定することを抑制することができ、導体粒子１５を除去する工程を省略して、製造コストの削減を図ることができる。

なお、皮膜５は、コア３にシャフト７を固定する前に形成することも可能である。図６は、本実施の形態に係る回転電機の回転子の製造工程を示す別の模式図である。図６では、図５と同様にコールドスプレー装置１０を用いて皮膜５を形成する工程を模式的に示しており、図５に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。図６では、コア貫通穴６にはシャフト７が嵌め込まれておらず、コア貫通穴６は空洞状態であるが、この場合でも、図５の場合と同様にして、コールドスプレー装置１０を用いて皮膜５を形成することができる。シャフト７は、皮膜５の形成後にコア貫通穴６に嵌め込まれる。

また、導体粒子１５は、永久磁石４よりも導電率の高い材料から形成することができる。これにより、高調波損失による永久磁石４での発熱を抑制することができる。この発熱抑制効果を、図７を参照して詳細に説明する。

図７は、本実施の形態において高調波渦電流による回転子１での発熱及び放熱の様子を示す模式図である。図７では、回転子１の縦断面の一部のみが示されており、図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。インバータＰＷＭ制御のキャリアに起因した高調波によって皮膜５及び永久磁石４にはそれぞれ高調波渦電流１８及び高調波渦電流１９が発生する。高調波渦電流１８による損失と高調波渦電流１９による損失は、皮膜５の導電率と永久磁石４の導電率とに依存して発生する割合が変わり、導電率がより高い材料に、より多くの損失が発生する。導体粒子１５が永久磁石４よりも導電率の高い材料から形成されている場合には、皮膜５で発生する高調波渦電流１８による損失は、永久磁石４で発生する高調波渦電流１９による損失よりも大きい。換言すれば、永久磁石４での高調波渦電流１９による損失をより少なくすることができ、永久磁石４での発熱を抑制することができる。

また、導体粒子１５は、コア３及び永久磁石４よりも熱伝導率の高い材料から形成することができる。具体的には、導体粒子１５は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、又は銅合金から形成することができる。この場合には、図７中で矢印２０により示したように、皮膜５で発生した熱を効率よくコア３へ逃がすことができる。これにより、皮膜５で発生した熱による永久磁石４の温度上昇を抑制することができる。なお、金属では、一般に、導電率が高い材料は熱伝導率も高い。

また、導体粒子１５は、いわゆる高剛性の材料から形成することができる。具体的には、導体粒子１５は、チタン、ステンレス、又は銅合金から形成することができる。ここで、ステンレスはオーステナイト系ステンレスである。これにより、皮膜５の強度がより向上し、回転時の遠心力による永久磁石４の剥離を抑制する効果が向上する。

また、導体粒子１５は、非磁性の材料から形成することができる。導体粒子１５を非磁性の材料から形成することで、漏れ磁束を抑制し、回転電機の出力低下を抑制することができる。なお、上記したアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、及びステンレスはいずれも非磁性の材料である。

なお、図１及び図２に示した永久磁石４の形状は一例であって、図示例に限定されない。永久磁石４の横断面形状は、径方向の厚さが一定の弧状であってもよい。また、各永久磁石４は、それぞれ、軸方向に分割された複数個の磁石から構成されていてもよい。

以上のように、本実施の形態によれば、回転子１の回転時の遠心力による永久磁石４の剥離と、高調波損失による永久磁石４の温度上昇を抑制することができる。また、本実施の形態によれば、回転子１を備えた回転電機、及び当該回転電機を備えた電気機器を提供することができる。

次に、本実施の形態の変形例について説明する。図８は、本実施の形態の変形例に係る回転電機の回転子１の縦断面図、図９は、本実施の形態の変形例に係る回転電機の回転子１の横断面図である。ここで、図８に示す縦断面図は、回転子１の回転中心軸線２を含む断面による断面図である。また、図９に示す横断面図は、回転中心軸線２と直交する断面による断面図であり、具体的には図８に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線による断面図である。なお、図８及び図９では、図１及び図２に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。

図８及び図９に示すように、本変形例に係る回転子１は、円筒形状のコア３と、コア３の外周面に貼り付けられた円筒形状の永久磁石４ａと、固相状態の導体粒子がコア３及び永久磁石４ａに吹き付けられて形成され、コア３及び永久磁石４ａを一体化する環状の皮膜５とを備えている。

すなわち、本変形例では、永久磁石４ａは、１個の円筒状の磁石からなる。また、永久磁石４ａは、コア３の外周面に接着剤によって貼り付けられている。また、永久磁石４ａの軸方向の長さは、コア３の軸方向の長さよりも短い。

皮膜５は、図６と同様にして、コールドスプレー装置１０を用いて形成することができる。皮膜５は、永久磁石４ａの外面をすべて覆うと共に、永久磁石４ａの軸方向の両側におけるコア３の外周面を覆う。ここで、永久磁石４ａの外面は、永久磁石４ａの外周面及び軸方向の端面である。

円筒形状に形成された永久磁石４ａは、回転子１の回転時に、遠心力を受けて割れることがあり得る。本変形例に係る回転子１では、永久磁石４ａは皮膜５によってコア３と一体化されているので、仮に永久磁石４ａが割れて永久磁石４ａが回転子１の回転方向に分割された状態となった場合でも、割れにより回転方向に分割された磁石片がコア３から剥離することが抑制される。

これに対し、従来の構成、すなわち、コア３の外周面に円筒形状の永久磁石４ａを貼り付け、永久磁石４ａとコア３とを一体化する皮膜５を形成しない構成では、回転子１の回転時に遠心力を受けた永久磁石４ａが割れ、永久磁石４ａが回転子１の回転方向に分割された状態となった場合には、割れにより回転方向に分割された磁石片が遠心力を受けてコア３から剥離する可能性がある。

本変形例のその他の構成は、上記した本実施の形態の構成と同様であり、本変形例は、上記した本実施の形態と同様の効果を奏する。また、本変形例に係る回転子１は、上記した実施の形態と同様の製造方法により製造することができる。なお、永久磁石４ａは、軸方向に分割された複数個の磁石から構成されていてもよく、この場合でも、本変形例と同様の効果を奏する。

実施の形態２．
図１０は、本実施の形態に係る回転電機の回転子１の縦断面図、図１１は、本実施の形態に係る回転電機の回転子１の横断面図である。ここで、図１０に示す縦断面図は、回転子１の回転中心軸線２を含む断面による断面図である。また、図１１に示す横断面図は、回転中心軸線２と直交する断面による断面図であり、具体的には図１０に示すＩＶ−ＩＶ線による断面図である。なお、図１０及び図１１では、図１及び図２に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。

図１０及び図１１に示すように、回転子１は、円筒形状のコア３と、コア３の外周面に貼り付けられた複数個の永久磁石４と、固相状態の導体粒子がコア３及び複数個の永久磁石４に吹き付けられて形成され、コア３及び複数個の永久磁石４を一体化する環状の皮膜５と、皮膜５の外周面を覆う環状の補強部材２１とを備えている。永久磁石４は、コア３の外周面で回転子１の回転方向に配列されている。皮膜５は、実施の形態１で説明したように、コールドスプレー法を用いて形成される。

補強部材２１の内周面は、皮膜５の外周面と全周にわたって接触している。また、補強部材２１は断面円環状であり、皮膜５の外周形状は円形状であり、補強部材２１の内周円の半径と皮膜５の外周円の半径が等しい。

回転子１は、コア３の外周面に複数個の永久磁石４を貼り付け、皮膜５を形成した後、皮膜５の外周面に皮膜５を覆う補強部材２１を配置することで製造される。補強部材２１は、皮膜５が形成されたコア３に圧入、焼き嵌め、及び冷やし嵌めの何れかの方法により皮膜５の外周面に配置することができる。なお、補強部材２１を皮膜５の外周面に配置した後に、シャフト７をコア３に圧入、焼き嵌め、及び冷やし嵌めの何れかの方法により装着し、コア３の内周面側からコア３を径方向に拡張することで、コア３と補強部材２１との結合に締め代を与え、当該結合をより強固にすることができる。また、補強部材２１は、補強部材２１の材質によっては、皮膜５が形成されたコア３に直接巻付けることにより皮膜５の外周面に配置することができる。

補強部材２１は、いわゆる高剛性の材料から形成することができる。具体的には、補強部材２１は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）、チタン、又はステンレスから形成することができる。ここで、ステンレスはオーステナイト系ステンレスである。補強部材２１をＣＦＲＰ又はＧＦＲＰから形成する場合には、ＣＦＲＰ又はＧＦＲＰの繊維束又はテープ状の繊維を皮膜５が形成されたコア３に直接巻付けることにより補強部材２１を形成することができる。

また、補強部材２１は、非磁性の材料から形成することができる。これにより、漏れ磁束による回転電機の出力低下を抑制することができる。なお、上記したＣＦＲＰ、ＧＦＲＰ、チタン、及びステンレスは、いずれも非磁性の材料である。

本実施の形態によれば、皮膜５を補強部材２１で覆うようにしたので、回転時の遠心力による永久磁石４の剥離を抑制する補強効果を更に高めることができる。

また、本実施の形態では、補強部材２１は断面円環状であり、皮膜５の外周形状は円形状であり、補強部材２１の内周円の半径と皮膜５の外周円の半径が等しく、補強部材２１の内周面は皮膜５の外周面と全周にわたって接触している。これにより、補強部材２１には皮膜５が面で当たる形となり、回転子１の回転時の遠心力が均一に補強部材２１に加わる形となる。そのため、補強部材２１での応力集中が抑制され、必要強度が低減されるため、補強部材２１の低コスト化を図ることができる。

なお、補強部材２１の形状は一例であり、図示例に限定されない。皮膜５の外周形状を円形状以外の形状とし、補強部材２１の内周形状を皮膜５の外周形状と同一の形状とすることもできる。また、補強部材２１の内周面と皮膜５の外周面とが全面で接触せずに、補強部材２１の内周面の一部と皮膜５の外周面の一部とが接触する構成でもよい。

また、補強部材２１を、ＣＦＲＰ、ＧＦＲＰ、チタン、又はステンレスから形成することで、回転時の遠心力による永久磁石４の剥離を抑制する補強効果を更に高めることができると共に、漏れ磁束を抑制して回転電機の出力低下を抑制することができる。

なお、本実施の形態は、図８及び図９に示した単一の円筒状の永久磁石４ａに適用することもできる。

本実施の形態のその他の構成は、実施の形態１の構成と同様である。本実施の形態のその他の作用効果は、実施の形態１と同様である。

実施の形態３．
図１２は、本実施の形態に係る回転電機の回転子１の縦断面図である。ここで、図１２に示す縦断面図は、回転子１の回転中心軸線２を含む断面による断面図である。なお、図１２に示すＶ−Ｖ線による横断面図は図２と同じである。また、図１２では、図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。

図１２に示すように、本実施の形態に係る回転子１は、円筒形状のコア３と、コア３の外周面に貼り付けられ、軸方向及び回転方向に分割されると共に、各々が前記軸方向の両端部で面取りされた複数個の永久磁石４と、固相状態の導体粒子がコア３及び複数個の永久磁石４に吹き付けられて形成され、コア３及び複数個の永久磁石４を一体化する環状の皮膜５とを備えている。具体的には、永久磁石４は、軸方向の両端部に面取り３０が施された永久磁石４ｂと軸方向の両端部に面取り３０が施された永久磁石４ｃとに軸方向に２分割されている。また、図２に示すように、永久磁石４ｂは、回転子１の回転方向に４分割されている。なお、永久磁石４ｃも永久磁石４ｂと同様に回転子１の回転方向に４分割されている。

図１３は、本実施の形態に係る回転子１への導体粒子１５の付着性を示す縦断面図である。ここで、図１３に示す縦断面図は、回転子１の回転中心軸線２を含む断面による断面図であり、図１２に示す回転子１の構成の一部を示している。図１３では、図１２に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。

図１３に示すように、コア３の外周面に永久磁石４ｂ，４ｃが貼り付けられている。永久磁石４ｂ，４ｃは、軸方向に配列され、互いに距離を隔てて配置されている。また、永久磁石４ｂの軸方向の各端部には面取り３０が施されている。同様に、永久磁石４ｃの軸方向の各端部には面取り３０が施されている。皮膜５は、コールドスプレー装置１０のラバルノズル１３から吹き付けられた導体粒子１５がコア３及び永久磁石４ｂ，４ｃの表面に付着して形成される。この際、永久磁石４ｂには面取り３０が施されているので、永久磁石４ｂの軸方向の各端部での導体粒子１５の付着性が向上する。同様に、永久磁石４ｃには面取り３０が施されているので、永久磁石４ｃの軸方向の各端部での導体粒子１５の付着性が向上する。

図１４は、本実施の形態の比較例において磁石端部が角状の回転子１への導体粒子１５の付着性を示す縦断面図である。図１４に示す縦断面図は、回転子１の回転中心軸線２を含む断面による断面図である。図１４では、図１２に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。

図１４に示すように、コア３の外周面に永久磁石４ｄ，４ｅが貼り付けられている。永久磁石４ｄ，４ｅは、軸方向に配列され、互いに距離を隔てて配置されている。ただし、永久磁石４ｄは面取りされておらず、永久磁石４ｄの軸方向の各端部には直角の角部が形成されている。同様に、永久磁石４ｅは面取りされておらず、永久磁石４ｅの軸方向の各端部には直角の角部が形成されている。皮膜５は、コールドスプレー装置１０のラバルノズル１３から吹き付けられた導体粒子１５がコア３及び永久磁石４ｄ，４ｅの表面に付着して形成される。この際、永久磁石４ｄは面取りされていないので、導体粒子１５は永久磁石４ｄの軸方向の各端部の端面に付着しにくくなる。同様に、永久磁石４ｅは面取りされていないので、導体粒子１５は永久磁石４ｅの軸方向の各端部の端面に付着しにくくなる。そのため、皮膜５は永久磁石４ｄ，４ｅ間で分断され、皮膜５が連続しない付着欠陥が生じやすい。

これに対し、図１３では、永久磁石４ｂ，４ｃにそれぞれ面取り３０を施すことにより、導体粒子の付着性が向上し、皮膜５は永久磁石４ｂ，４ｃ間にわたって連続的に形成することが可能となり、付着欠陥の発生が抑制され、歩留りを向上させることができる。

以上のように、永久磁石４ｂ，４ｃの軸方向の各端部に面取り３０を施すことで、当該各端部の端面が軸方向と直交する方向に対して傾斜し、コールドスプレー法により皮膜５を形成する際に、当該各端部における導体粒子の付着性が向上し、皮膜５の製作効率を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、永久磁石４は軸方向に２分割されているとしたが、３個以上に分割されていてもよい。この場合でも、分割された磁石の各端部の角部に面取り３０を施すことで、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、永久磁石４は軸方向に分割されているとしたが、軸方向に一体でもよい。この場合でも、永久磁石４の軸方向の各端部の角部に面取り３０を施すことで、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、永久磁石４は、回転子１の回転方向に４分割されているとしたが、永久磁石４が４個以外の複数個に分割されている場合でも、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態では、永久磁石４は、回転子１の回転方向にも分割されているとしたが、回転方向に一体でもよい。すなわち、本実施の形態は、図８及び図９に示した円筒状の永久磁石４ａに適用することもできる。この場合、永久磁石４ａの軸方向の各端部の角部に面取り３０を施すことで、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、永久磁石４の横断面形状は、図２に示すように、三日月形状としている。これにより、回転子１の回転方向における永久磁石４の各端部での導体粒子の付着性が向上している。永久磁石４の横断面形状が回転子１の回転方向に一定の厚さの場合には、永久磁石４の回転方向の各端部の角部に面取り３０を施すことで、永久磁石４の回転方向の各端部における導体粒子の付着性も向上する。

本実施の形態のその他の構成は、実施の形態１の構成と同様である。本実施の形態のその他の作用効果は、実施の形態１と同様である。また、本実施の形態と実施の形態２を組み合わせることもできる。

実施の形態４．
図１５は、本実施の形態に係る回転電機の回転子１の縦断面図である。ここで、図１５に示す縦断面図は、回転子１の回転中心軸線２を含む断面による断面図である。なお、図１５に示すＶＩ−ＶＩ線による横断面図は図２と同じである。また、図１５では、図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。

図１５に示すように、回転子１は、外周面に金属コーティング３５ａが施された円筒形状のコア３と、金属コーティング３５ａが施されコア３の外周面に貼り付けられ、表面に金属コーティング３５ｂが施された複数個の永久磁石４と、固相状態の導体粒子が金属コーティング３５ａが施されたコア３及び金属コーティング３５ｂが施された複数個の永久磁石４に吹き付けられて形成され、コア３及び複数個の永久磁石４を一体化する環状の皮膜５とを備えている。すなわち、コールドスプレー法による皮膜５は、金属コーティング３５ａ，３５ｂ上に形成されることとなる。

ここで、金属コーティング３５ａ，３５ｂは、それぞれ、コア３及び複数個の永久磁石４よりも導体粒子の付着性が高い金属材料から形成される。具体的には、金属コーティング３５ａ，３５ｂは、ニッケル、銅、又はアルミニウムから形成することができる。なお、コア３は、電磁鋼板から形成され、永久磁石４は、希土類磁石又はフェライト磁石である。

本実施の形態では、コア３の外周面にコア３よりも導体粒子の付着性のよい金属コーティング３５ａを施し、永久磁石４の表面に永久磁石４よりも導体粒子の付着性のよい金属コーティング３５ｂを施すようにしたので、皮膜５の製作効率を向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、皮膜５の製作効率が向上するので、吹き付け時の導体粒子の速度を低減することができる。これにより、導体粒子の吹き付けに使用するガスを分子量がより大きいものにすることができるので、コストの高いヘリウムから、コストの安い窒素又は空気へ変更することが可能となる。従って、皮膜５の製作コストを低減することができる。

本実施の形態のその他の構成は、実施の形態１の構成と同様である。本実施の形態のその他の作用効果は、実施の形態１と同様である。また、本実施の形態と実施の形態２との組み合わせ、本実施の形態と実施の形態３との組み合わせ、又は本実施の形態と実施の形態２，３との組み合わせも可能である。

１，１ａ 回転子、２ 回転中心軸線、３ コア、４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ 永久磁石、５ 皮膜、６ コア貫通穴、７ シャフト、１０ コールドスプレー装置、１１ ガス供給部、１２ 導体粒子供給部、１３ ラバルノズル、１５ 導体粒子、１８，１９ 高調波渦電流、２０ 矢印、２１ 補強部材、３０ 面取り、３５ａ，３５ｂ 金属コーティング。

Claims (12)

1. 円筒形状のコアと、
   前記コアの外周面に貼り付けられた永久磁石と、
   固相状態の導体粒子が前記コア及び前記永久磁石に吹き付けられて形成され、前記コア及び前記永久磁石を一体化する環状の皮膜と、
   を備え、
   前記導体粒子は、前記コア及び前記永久磁石よりも導電率の高い材料から形成されることを特徴とする回転電機の回転子。
2. 前記皮膜の外周面は、環状の補強部材で覆われていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 前記導体粒子は、前記コア及び前記永久磁石よりも熱伝導率の高い材料から形成されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
4. 前記導体粒子は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、又は銅合金から形成されることを特徴とする請求項３に記載の回転電機の回転子。
5. 前記導体粒子は、非磁性の材料から形成されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
6. 前記補強部材は、非磁性の材料から形成されることを特徴とする請求項２に記載の回転電機の回転子。
7. 前記補強部材は、炭素繊維強化プラスチック、ガラス繊維強化プラスチック、チタン、又はステンレスから形成されることを特徴とする請求項６に記載の回転電機の回転子。
8. 前記コアの軸方向における前記永久磁石の端部が、面取りされていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
9. 前記永久磁石及び前記コアには、それぞれ、前記コア及び前記永久磁石よりも前記導体粒子の付着性が高い金属コーティングが施されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
10. 前記金属コーティングは、ニッケル、銅、又はアルミニウムから形成されることを特徴とする請求項９に記載の回転電機の回転子。
11. 円筒形状のコアの外周面に永久磁石を貼り付ける工程と、
    固相状態の導体粒子を前記コア及び前記永久磁石に吹き付け、前記コア及び前記永久磁石を一体化する環状の皮膜を形成する工程と、
    を含み、
    前記導体粒子は、前記コア及び前記永久磁石よりも導電率の高い材料から形成されることを特徴とする回転電機の回転子の製造方法。
12. 前記皮膜を形成した後、前記皮膜の外周面に前記皮膜を覆う環状の補強部材を配置する工程を含むことを特徴とする請求項１１に記載の回転電機の回転子の製造方法。

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