JP7053129B2 - 永久磁石を有したロータアセンブリ、ならびに、その製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石を有したロータアセンブリ、ならびに、その製造方法に関するものである。

永久磁石を利用した高速のモータおよび発電機は、例えば、特許文献１～５に開示されている。

永久磁石を有した高速ロータの場合には、永久磁石を通してモータから来るトルクを伝達するためには、複数の永久磁石からなるスタックをシャフトに対して維持する必要がある。高速時には、遠心力は、通常の接着剤にとっては大きすぎるものとなる。

したがって、コアの周囲に引き伸ばされたスリーブすなわち薄壁の保持シェルと複数の磁石とを使用し、これにより、複数の磁石を所定位置に保持することが、提案されている。

原理的には、ロータに付設された磁石をスリーブに対して維持するために、遠心力と同等の先行荷重を印加する必要がある。制限は、スリーブの機械的耐性によって、および、先行荷重が印加される手法によって、与えられる。

米国特許第５，５６３，４６３号明細書 米国特許第７，８７２，５５３号明細書 米国特許出願公開第２００５／００９３３９１号明細書 米国特許出願公開第２００５／００９９０７９号明細書 米国特許出願公開第２００９／０２６１６７８号明細書

第１の技術課題は、高速モータの場合には、必要とされる干渉度合いが、組立対象をなす構成部材を損傷することなく高温または低温でのスライド嵌合に関して構成部材の熱膨張を使用することによって得ることができるクリアランスよりも実質的に大きいことである。

第２の技術課題は、薄いスリーブが押圧挿入時の並進移動によって挿入される場合には、スリーブ上に印加された非常に大きな軸線方向圧力のために恒久状態において薄いスリーブが破壊されたりあるいは損傷されたりすることである。

本発明における解決課題は、上記の問題点や欠点を軽減し得るような、永久磁石アセンブリを提供することであり、また、その製造方法を提供することである。

より詳細には、本発明の目的は、スリーブに対して、より正確に先行荷重を印加することである。

とりわけ、本発明の目的は、製造プロセスの容易さを向上させることであり、コストの低減化を可能とすることであり、製造プロセスの順次性を高めることである。

本発明は、特許請求の範囲によって規定される。

より詳細には、本発明は、永久磁石型ロータアセンブリに関するものであって、回転に関する長手方向軸線と、第１端部および第２端部と、少なくとも２つの磁極と、を備え、さらに、長手方向軸線の方向に延在する外表面を有した円柱形状シャフトと、環状セグメントの一部を形成するとともに長手方向軸線の方向に延在する複数の永久磁石と、複数の永久磁石を囲む円筒形の外側保持スリーブと、を備え、このような永久磁石型ロータアセンブリにおいて、さらに、複数の永久磁石を支持するための円筒形磁石ハウジングであるとともに、円柱形状シャフト上に取り付けられた円筒形磁石ハウジングを備え、円筒形磁石ハウジングが、磁性材料から形成され、円筒形保持スリーブに対して先行荷重が印加されている
永久磁石型ロータアセンブリに関するものである。

第１実施形態においては、円筒形磁石ハウジングは、１つの円筒形状部分と２つの閉塞フランジ部分とからなる一体部材として形成される。

第２実施形態においては、円筒形磁石ハウジングは、中央の円筒形部分と、互いに個別的とされた２つの閉塞フランジと、を有している。

円筒形保持スリーブは、金属材料から形成することができる。

これに代えて、円筒形保持スリーブは、複合材料から形成することができる。

より詳細には、複合材料から形成された円筒形保持スリーブは、円筒形磁石ハウジングと複数の永久磁石とからなるアセンブリ上へと巻回することができる。

本発明の一見地においては、複数の永久磁石は、接着によってあるいは成型によってあるいは押圧によって、円筒形磁石ハウジング内に組み込まれる。

本発明は、さらに、上記のような永久磁石型ロータアセンブリを製造するための方法に
関するものであって、
円柱形状シャフトを形成し、
内径（ΦＸ）を有した円筒形磁石ハウジングを形成し、この場合、内径（ΦＸ）を、円柱形状シャフトの外径から締まり嵌め分（ＩＦ１）を差し引いた大きさに対応したものとし、さらに、円筒形磁石ハウジングを磁性材料から形成し、
円筒形磁石ハウジング内に、環状セグメントの一部を構成する複数の磁性構成部材あるいは磁化可能な構成部材を組み込み、
複数の磁性構成部材あるいは磁化可能な構成部材を、円筒形磁石ハウジング内に組み込み、磁化可能な構成部材を磁化することによって複数の永久磁石を形成し、
円筒形磁石ハウジング内に前記磁化可能な構成部材として組み込まれて形成された複数の永久磁石の周りに外側保持スリーブを挿入し、
円柱形状シャフトを円筒形磁石ハウジングの内径内へと挿入する
方法に関するものである。

より詳細には、円筒形磁石ハウジング内に、環状セグメントの一部を構成する複数の磁性構成部材あるいは磁化可能な構成部材を組み込むというステップにおいては、磁性構成部材あるいは磁化可能な構成部材を機械加工し、さらに、磁化可能な構成部材を磁化することによって複数の永久磁石を形成する。

そのような場合、円筒形磁石ハウジング内に組み込まれた複数の永久磁石を囲む外側保持スリーブを、単純な挿入によって、配置される。

他の特定の実施形態においては、円筒形磁石ハウジング内に組み込まれた複数の永久磁石を囲む外側保持スリーブは、複合材料から形成されるとともに、円筒形磁石ハウジングの周囲への巻回によって配置される。

複数の永久磁石は、接着によってあるいは成型によってあるいは押圧によって、円筒形磁石ハウジング内に組み込むことができる。

円筒形磁石ハウジングは、１つの円筒形状部分と２つの閉塞フランジ部分とからなる一体部材として形成することができる。

これに代えて、円筒形磁石ハウジングは、中央の円筒形部分と、互いに個別的とされた２つの閉塞フランジと、を有している。

本発明による方法の好ましい実施形態においては、まず最初に、複数の永久磁石を、未磁化構成部材から形成された円筒形磁石ハウジング内に挿入して組み込み、次に、得られた磁石アセンブリを機械加工し、さらに、未磁化構成部材を磁化することによって、複数の永久磁石を形成し、その後に、スリーブを組み付ける。

製造プロセスの第１ステップにおいて、本発明の第１実施形態によるロータアセンブリの各構成部材を示す長手方向断面図である。 製造プロセスの第１ステップにおいて、本発明の第２実施形態によるロータアセンブリの各構成部材を示す長手方向断面図である。 製造プロセスの第２ステップにおいて、本発明の第１実施形態によるロータアセンブリの各構成部材を示す長手方向断面図である。 製造プロセスの第２ステップにおいて、本発明の第２実施形態によるロータアセンブリの各構成部材を示す長手方向断面図である。 製造プロセスの最終ステップにおいて、本発明の第１実施形態によるロータアセンブリの各構成部材を示す長手方向断面図である。 製造プロセスの最終ステップにおいて、本発明の第２実施形態によるロータアセンブリの各構成部材を示す長手方向断面図である。

本発明について、例示としてのいくつかの好ましい実施形態を参照して説明する。

本発明の第１実施形態における典型的な構成が、図１，３，５に図示されている。

図１に示すように、少なくとも２つの磁極を有した永久磁石型ロータアセンブリを構成するに際しては、回転に関する長手方向軸線を有した円柱形状シャフト１を準備する。シャフト１は、長手方向軸線の方向に延在する外表面を有しているとともに、縮径された第１および第２の端部１１，１２を有している。

図１は、さらに、永久磁石となるように磁化されることとなる複数の構成部材２２を示している、あるいは、既に存在する複数の永久磁石２２を示している。磁化されるべき構成部材あるいは永久磁石２２は、環状セグメントの一部を構成するとともに、円筒形状の磁石ハウジング２１内に取り付けられている。円筒形磁石ハウジング２１は、磁性材料から形成されているとともに、内径ΦＸを有している。この内径ΦＸは、円柱形状シャフト１の外径から締まり嵌め分ＩＦ１を差し引いた大きさに対応している。よって、円柱形状シャフト１の外径は、ΦＸ＋ＩＦ１に等しい。

複数の永久磁石あるいは磁化されるべき複数の構成部材２２は、円筒形磁石ハウジング２１の内部に組み付けられる。円筒形磁石ハウジング２１は、１つの円筒形部分と２つの閉塞フランジ部分とからなる一体部材として形成することができる。複数の永久磁石あるいは磁化されるべき複数の構成部材２２は、接着によって、あるいは、成型によって、あるいは、押圧によって、あるいは、複数の永久磁石あるいは磁化されるべき複数の構成部材２２をハウジング２１内へと組み付け得る他の任意の方法によって、ハウジング２１内へと搭載することができる。

既に磁化された複数の永久磁石を使用することに代えて、磁化されることとなる複数の構成部材２２を使用する場合には、ハウジング２１と構成部材２２とからなる磁石アセンブリは、外径ΦＹを有するものであって、必要であれば、この時点で機械加工することができる。これにより、他の任意の磁性材料に対して固着しがちな磁化されたチップや粒子を発生させるというリスクを回避することができる。

ハウジング２１と構成部材２２とからなる磁石アセンブリの仕上げが終わった後に、磁石アセンブリは、最終的な目的のために磁化することができる。

その後、外部保持円筒形スリーブ２３が、円筒形磁石ハウジング２１内に組み付けられた複数の永久磁石２２の周囲に挿入される。

本発明によるモータのロータアセンブリの製造方法における次なるステップが、図３に示されている。シャフト１の端部１２が、固定フレーム１３内に堅固に保持されている。一方、シャフト１の他端１１は、磁石リングアセンブリ２に対向している。磁石リングアセンブリ２は、図１に示すステップにおいて既に製造されたものであって、ハウジング２１内に配置された複数の永久磁石２２を有しており、複数の永久磁石２２は、スリーブ２３によって保持されている。

その後、アセンブリ２は、シャフト１に向けて前方向きに駆動され、これにより、シャフト１は、円筒形磁石ハウジング２１の内径内へと挿入される。この時、外側保持スリーブ２３に対して先行荷重が印加される。

図３において、矢印は、シャフト１上へと磁石リングアセンブリ２を挿入するに際して、磁石リングアセンブリ２のフランジに対して印加される力の印加方向を示している。

スリーブ２３上において必要とされる先行荷重は、用途に依存するものの、上記の式（１）によって与えられる合計の締まり嵌め分によって、高精度で保証することができる。

図５は、結果的に得られる、複数の永久磁石２２を有したロータアセンブリ１０を示している。ロータアセンブリ１０においては、磁石リングアセンブリ２は、一次的な締まり嵌め分ＩＦ１でもっておよび合計の締まり嵌め分ＩＦ２でもってシャフト１上に挿入されている。図５においては、さらに、ロータアセンブリ１０の長手方向軸線Ｘ－Ｘ’が図示されている。

本発明において締まり嵌めを形成しその後に予め組み立てられた磁石リング２をシャフト１上へと押し込む第２ステップを行うというツーステッププロセスにより、高温あるいは低温でのスライド嵌合のために構成部材どうしの熱膨張係数を利用した従来技術による公知の永久磁石型ロータの組立方法において必要とされている過度な高温あるいは過度な低温を印加する必要なく、必要とされた強力な締まり嵌めを得ることができる。

図２，４，６は、図１，３，５の実施形態と全体的に同様であるような変形的な第２実施形態を示している。詳細な説明は省略するものの、円筒形磁石ハウジング２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、中央の円筒形部分２１ａと、互いに個別とされた２つの閉塞フランジ部分２１ｂ，２１ｃと、を有している。図２，４，６の実施形態においては、図１，３，５の実施形態の場合と同じ構成部材には、同じ参照符号が付されており、それらについては、再度の説明を省略する。

中央の円筒形部分２１ａは、円筒形磁石ハウジング２１と同様に、磁性材料から形成されている。個別の閉塞フランジ２１ｂ，２１ｃは、磁性材料から形成することも、あるいは、非磁性材料から形成することも、できる。

図２，４，６の実施形態においては、外側保持スリーブ２３’は、円筒形磁石ハウジング２１ａ，２１ｂ，２１ｃ内に組み込まれた複数の永久磁石２２を囲んでいるものであって、複合材料から形成し得るとともに、円筒形磁石ハウジング２１ａ，２１ｂ，２１ｃのうちの中央の円筒形部分２１ａの周囲に巻回することによって、配置することができる。

本発明による製造方法、および、その結果として得られるような、予め組み立てられたリングを有したロータアセンブリは、様々な利点を有している。

保持スリーブ２３，２３’への挿入の前に、磁石リングアセンブリ２１，２２、あるいは、２１ａ，２１ｂ．２１ｃ，２２の製造中の磁化を容易に行うことができる。なぜなら、シャフト１の重量を支持する必要がないからである。よって、組立、および、まだ磁化されていない構成部材２２の機械加工を、容易に行うことができる。とりわけ、アセンブリの搬送時に損傷を受けるというリスクが低減される。なぜなら、磁界がその後に保持スリーブ２３，２３’の挿入前に形成されることのために、搬送時には磁界が存在していないからである。

上記のような嵌合挿入方法を使用した場合には、スリーブ２３，２３’は、径方向負荷のみを受領することとなる。なぜなら、力が、アセンブリ２，２’の表面上に（例えば、フランジ２１ｂ上に）印加されるからである。そのような表面は、より大きな表面積を有したものであって、より大きな軸線方向の力に耐えることができる。

本発明により、シャフト１上ではなく、アセンブリ２，２’上に磁石を製造することができる。これにより、完全なアセンブリ２，２’をシャフト１上に挿入することができる。そして、従来技術において使用されていたようなシャフト１に関する様々な組立ステップや機械加工を省略することができる。これにより、製造サイクル時間を短縮し得るとともに、順次的な製造をより容易に行うことができる。

最後に、本発明により、スリーブ２３，２３’上に先行荷重を正確に付与することができる。

一般的に言えば、本発明は、製造方法の単純化を提供するものであって、製造を向上させるとともに、コストを低減させる。

いくつかの好ましい実施形態について図示して説明したけれども、添付の特許請求の範囲において規定された本発明の範囲を逸脱することなく、それら実施形態に対して様々な変更や修正を行い得ることは、理解されるであろう。よって、様々な実施形態の各特徴点は、互いに組み合わせることができる。

１ 円柱形状シャフト
１１ 第１端部
１２ 第２端部
２１ 円筒形磁石ハウジング
２１ａ 円筒形磁石ハウジング、中央の円筒形部分
２１ｂ 円筒形磁石ハウジング、閉塞フランジ
２１ｃ 円筒形磁石ハウジング、閉塞フランジ
２２ 永久磁石
２３ 外側保持スリーブ
２３’ 外側保持スリーブ

Claims (5)

1. 永久磁石型ロータアセンブリを製造するための方法であって、
   円柱形状シャフト（１）を形成し、
   内径（ΦＸ）を有した円筒形磁石ハウジング（２１；２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）を形成し、この場合、前記内径（ΦＸ）を、前記円柱形状シャフト（１）の外径から嵌め合い公差分（ＩＦ１）を差し引いた大きさに対応したものとし、ここで、（ＩＦ１）は、前記円柱形状シャフト（１）の外径と、前記円筒形磁石ハウジング（２１；２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）の前記内径（ΦＸ）との間の嵌め合い公差であり、さらに、前記円筒形磁石ハウジング（２１；２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）を磁性材料から形成し、
   前記円筒形磁石ハウジング（２１；２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）内に、複数の磁化可能な構成部材（２２）を組み込み、
   前記複数の前記磁化可能な構成部材（２２）を、前記円筒形磁石ハウジング（２１；２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）内に組み込み、前記磁化可能な構成部材を磁化することによって複数の永久磁石（２２）を形成し、
   前記円筒形磁石ハウジング（２１；２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）内に前記磁化可能な構成部材として組み込まれて形成された前記複数の永久磁石（２２）の周りに外側保持スリーブ（２３，２３’）を挿入し、
   前記円柱形状シャフト（１）を前記円筒形磁石ハウジング（２１；２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）の前記内径（ΦＸ）内へと挿入する
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法において、
   前記円筒形磁石ハウジング（２１；２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）内への、複数の磁化可能な構成部材（２２）の組み込みにおいては、前記磁化可能な構成部材（２２）を磁化することによって複数の永久磁石を形成する前に、前記磁化可能な構成部材を機械加工する
   ことを特徴とする方法。
3. 請求項１または２記載の方法において、
   前記磁化可能な構成部材（２２）を、接着によってあるいは成型によってあるいは押圧によって、前記円筒形磁石ハウジング（２１；２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）内に組み込むことを特徴とする方法。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の方法において、
   前記円筒形磁石ハウジング（２１）を、１つの円筒形状部分と２つの閉塞フランジ部分とからなる一体部材として形成することを特徴とする方法。
5. 請求項１～３のいずれか１項に記載の方法において、
   前記円筒形磁石ハウジング（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）を、中央の円筒形部分（２１ａ）と、互いに個別的とされた２つの閉塞フランジ（２１ｂ，２１ｃ）と、を有するものとすることを特徴とする方法。

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