JP7072375B2

JP7072375B2 - 回転機器用ローター及びその製造方法

Info

Publication number: JP7072375B2
Application number: JP2017231582A
Authority: JP
Inventors: 里丘石山
Original assignee: 橘コンサルタンツ株式会社
Priority date: 2017-12-01
Filing date: 2017-12-01
Publication date: 2022-05-20
Anticipated expiration: 2037-12-01
Also published as: JP2019103230A

Description

本発明は、回転機器用ローター及びその製造方法に関する。

モーターあるいは発電機等の回転機器用ローターとしては、鉄等の強磁性体からなるローターコアの外周に複数の永久磁石（以下、磁石と略称する）を取り付けたインナーローターと、ローターコアの内周に複数の磁石を取り付けたアウターローターとが知られている。しかしながら、いずれのタイプであっても、ローターコアが鉄からなるローターは、鉄の密度が室温において約７．９ｇ/ｃｍ^３と比重が大きいため、重量が重く機械的時定数が高くなってしまう。そのため、このようなローターを、例えばモーターに適用した場合に、始動速度を上げ、高速回転を実現できない可能性がある。

モーターにおける始動速度を上げ、回転数を高くするためには、ローターコアを強磁性体によって構成し、かつ、低密度で軽い材料で形成することが好ましい。しかしながら、現状、そのような材料は存在しない。このような課題に対し、特許文献１は、合成樹脂のような非磁性体によるローターコア中に磁石を埋め込んだローターの製造方法を開示している。

特開２０００－１９７２８７号公報

ローターコアが強磁性体であれば、ローターコアと磁石との間の結合力は強いため、ローターの高速回転時において、ローターコアから磁石が剥がれてしまうリスクは緩和される。しかしながら、ローターコアを非磁性体で形成した場合、接着だけではローターコアと磁石との間の結合力が不十分となり、ローターコアから磁石が剥がれてしまうおそれがある。

例えば特許文献１に開示されたようなローターをモーターに適用した場合、ローターは高速で回転するため、経年変化で合成樹脂のローターコアと磁石との結合力が劣化してしまうことがある。この場合には、ローターの高速回転時において合成樹脂のローターコア中に埋設された磁石が回転により剥がれてしまう可能性がある。

また、特許文献１では、合成樹脂のローターコア中に磁石を埋め込むために、例えば複数の磁石の配置を特別な治具でセットしたうえで、特別な金型を用いて射出成形を行うようにしており、特別な治具や金型が必要となるうえに、射出成形作業が必要となる。

本発明の目的は、非磁性体のローターコアであっても磁石が剥がれず、かつ製造時の作業性を改善することのできる回転機器用ローター及びその製造方法を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、回転機器のローターコアの外周側に、軸心方向に関して前記ローターコアと同じ長さを持つ複数の磁石を環状に並べて接着してなる磁石ユニットを有する回転機器用インナーローターにおいて、前記ローターコアは密度が１．５～５．０ｇ／ｃｍ^３の非磁性体材料からなって非積層で円筒状をしており、前記複数の磁石はそれぞれ、前記ローターコアと接する内面とは反対側の外面であって前記軸心方向の両端縁が面取りされており、前記ローターコアの軸心方向の端面及び前記複数の磁石それぞれの前記軸心方向の端面に接する面を有すると共に、前記複数の磁石それぞれの面取りされた部分の少なくとも一部と接して前記ローターコアから離れる半径方向外側への各磁石のずれを掛止する爪を全周にわたって持つ２枚の環状の磁石押さえ部を前記軸心方向の両端に備え、前記２枚の磁石押さえ部を、前記ローターコアの軸心方向の両端面に、周方向に間隔をおいた複数箇所でネジで固定したことを特徴とする回転機器用ローターが提供される。

前記磁石ユニットはハルバッハ配列磁石から成るようにしても良い。

本発明の第２の態様によれば、回転機器のローターコアとして密度が１．５～５．０ｇ／ｃｍ^３の非磁性体材料からなって非積層で円筒状をした前記ローターコアとその軸心方向に関して同じ長さを持つ複数の磁石とを用意し、前記複数の磁石をそれぞれ、前記ローターコアと接する内面とは反対側の外面であって前記軸心方向の両端縁を面取りし、前記ローターコアの外周側に、前記複数の磁石を接着して環状の磁石ユニットを形成し、前記ローターコアの軸心方向の端面及び前記複数の磁石それぞれの前記軸心方向の端面に接する面を有すると共に、前記複数の磁石それぞれの面取りされた部分の少なくとも一部と接して前記ローターコアから離れる半径方向外側への各磁石のずれを掛止する爪を全周にわたって持つ環状の２枚の磁石押さえ部を、前記ローターコアの軸心方向の両端面に、周方向に間隔をおいた複数箇所でネジで固定することにより、前記ローターコアから半径方向外側への前記複数の磁石の剥がれを防止することを特徴とする回転機器用インナーローターの製造方法が提供される。

本発明の第３の態様によれば、複数のコイルを環状に組合せてなるステーターを間にして該ステーターの内周側にはインナーローターコアの外周側に、軸心方向に関して前記インナーローターコアと同じ長さを持つ複数のインナー磁石を環状のハルバッハ配列磁石を構成するように並べて接着してなるインナーローターを配置し、前記ステーターの外周側にはアウターローターコアの内周側に、軸心方向に関して前記アウターローターコアと同じ長さを持つ複数のアウター磁石を環状のハルバッハ配列磁石を構成するように並べて接着してなるアウターローターを配置したダブルハルバッハ配列磁石を備えた回転機器用ローターにおいて、前記インナーローターコア、前記アウターローターコアはそれぞれ、密度が１．５～５．０ｇ／ｃｍ^３の非磁性体材料からなって非積層で円筒状をしており、前記複数のインナー磁石はそれぞれ、前記インナーローターコアと接する内面とは反対側の外面であって前記軸心方向の両端縁が面取りされており、前記インナーローターコアの軸心方向の端面及び前記複数のインナー磁石それぞれの前記軸心方向の端面に接する面を有すると共に、前記複数のインナー磁石それぞれの面取りされた部分の少なくとも一部と接して前記インナーローターコアから離れる半径方向外側への各インナー磁石のずれを掛止する第１の爪を全周にわたって持つ環状の２枚のインナー磁石押さえ部を前記インナーローターコアの軸心方向の両端に備え、前記２枚のインナー磁石押さえ部を、前記インナーローターコアの軸心方向の両端に、周方向に間隔をおいた複数箇所でネジで固定し、前記複数のアウター磁石はそれぞれ、前記アウターローターコアと接する外面とは反対側の内面であって前記軸心方向の両端縁が面取りされており、前記アウターローターコアの軸心方向の端面及び前記複数のアウター磁石それぞれの前記軸心方向の端面に接する面を有すると共に、前記複数のアウター磁石それぞれの面取りされた部分の少なくとも一部と接して前記アウターローターコアから離れる半径方向内側への各アウター磁石のずれを掛止する第２の爪を全周にわたって持つ環状の２枚のアウター磁石押さえ部を前記アウターローターコアの軸心方向の両端に備え、前記２枚のアウター磁石押さえ部を、前記アウターローターコアの軸心方向の両端に、周方向に間隔をおいた複数箇所でネジで固定したことを特徴とする回転機器用ローターが提供される。

本発明の第４の態様によれば、複数のコイルを環状に組合せてなるステーターを間にして該ステーターの内周側にはインナーローターを、外周側にはアウターローターをそれぞれ配置した回転機器用ローターの製造方法において、インナーローターコアとして密度が１．５～５．０ｇ／ｃｍ^３の非磁性体材料からなって非積層で円筒状をした前記インナーローターコアの外周側に、軸心方向に関して前記インナーローターコアと同じ長さを持つ複数のインナー磁石を環状のハルバッハ配列磁石を構成するように並べて接着して前記インナーローターを形成する工程と、アウターローターコアとして密度が１．５～５．０ｇ／ｃｍ^３の非磁性体材料からなって非積層で円筒状をした前記アウターローターコアの内周側に、軸心方向に関して前記アウターローターコアと同じ長さを持つ複数のアウター磁石を環状のハルバッハ配列磁石を構成するように並べて接着して前記アウターローターを形成する工程と、を含み、前記インナーローターを形成する工程は、前記複数のインナー磁石をそれぞれ、前記インナーローターコアと接する内面とは反対側の外面であって前記軸心方向の両端縁を面取りする工程と、前記インナーローターコアの軸心方向の端面及び前記複数のインナー磁石それぞれの前記軸心方向の端面に接する面を有すると共に、前記複数のインナー磁石それぞれの面取りされた部分の少なくとも一部と接して前記インナーローターコアから離れる半径方向外側への各インナー磁石のずれを掛止する第１の爪を全周にわたって持つ環状の２枚のインナー磁石押さえ部を、前記インナーローターコアの軸心方向の両端に、周方向に間隔をおいた複数箇所でネジで固定する工程と、を含み、前記アウターローターを形成する工程は、前記複数のアウター磁石をそれぞれ、前記アウターローターコアと接する外面とは反対側の内面であって前記軸心方向の両端縁を面取りする工程と、前記アウターローターコアの軸心方向の端面及び前記複数のアウター磁石それぞれの前記軸心方向の端面に接する面を有すると共に、前記複数のアウター磁石それぞれの面取りされた部分の少なくとも一部と接して前記アウターローターコアから離れる半径方向内側への各アウター磁石のずれを掛止する第２の爪を全周にわたって持つ環状の２枚のアウター磁石押さえ部を、前記アウターローターコアの軸心方向の両端に、周方向に間隔をおいた複数箇所でネジで固定する工程と、を含むことを特徴とする、ダブルハルバッハ配列磁石を備えた回転機器用ローターの製造方法が提供される。

本発明によれば、密度が１．５～５．０ｇ／ｃｍ^３の非磁性体のローターコアによってローターの軽量化を実現することができ、始動速度を上げ、高速回転を実現できる。そして、高速回転時にあってもローターコアから磁石が剥がれず、かつ製造時の作業性の改善、特に作業時間の短縮を実現することができる。

一般的な同期モーターのローター及びステーターの構造を説明するための断面図である。ローターコアの外周にハルバッハ配列磁石を持つインナーローターの一般的な構成の第１の例を示す図である。ローターコアの外周にハルバッハ配列磁石を持つインナーローターの一般的な構成の第２の例を示す図である。本発明による回転機器用ローターの第１の実施形態を示し、本発明をモーターのインナーローターに適用した例の斜視図である。図４の線Ａ－Ａ´による縦断面図である。本発明による回転機器用ローターの第２の実施形態を示し、本発明をモーターのアウターローターに適用した例の斜視図である。図６の線Ｂ－Ｂ´による縦断面図である。本発明による回転機器用ローターの第３の実施形態を示し、本発明を、ダブルハルバッハ配列磁石を持つモーター用ローターに適用した場合のローター及びステーターの断面図である。図８の線Ｃ－Ｃ´による断面図である。

本発明は、複数の磁石をローターコアの外周又は内周に周方向に並べて設置した通常の回転機器だけでなく、複数の磁石をローターコアの外周又は内周にハルバッハ配列構造にて設置した回転機器にも適用できる。本発明はモーター用ローター、発電機用ローターのいずれにも適用可能であり、特にモーター用ローターに好適である。

そこで、本発明の好ましい実施形態を説明する前に、図１～図３を参照して、一般的な同期モーターの構造と、ローターコアの外周にハルバッハ配列磁石を持つインナーローターの一般的な構成及びその組立手順について説明する。

図１において、この同期モーターはステーター１００と、その内側に回転可能に設置されたローター１１０を有する。ステーター１００は、円筒状のステーターコア１０１の内周に周方向に間隔を置いて形成された複数のティース１０２を有し、各ティース１０２にコイル１０３を設置して成る。ローター１１０はインナーローターであり、強磁性体による円筒状のローターコア１１１の外周に複数の磁石１１２を周方向に並べて接着、固定して成る。

次に、図２を参照して、強磁性体によるローターコア１２０の外周に固定された、ハルバッハ配列磁石を持つ環状の磁石ユニット１３０を構成する複数の磁石における、それぞれの磁石の磁化方向について説明する。

磁石ユニット１３０は、円周方向に対して垂直な第１の磁化領域を有する、第１の主磁石１３０ａ－１、第２の主磁石１３０ａ－２、第３の主磁石１３０ａ－３、第４の主磁石１３０ａ－４を有する。磁石ユニット１３０はまた、円周方向に対して略平行な第２の磁化領域を有する、第１の副磁石１３０ｂ－１、第２の副磁石１３０ｂ－２、第３の副磁石１３０ｂ－３、第４の副磁石１３０ｂ－４を有する。ここで、第１の磁化領域と、第２の磁化領域とは磁化の方向が概ね直交している。

第１の主磁石１３０ａ－１と、第３の主磁石１３０ａ－３とは、中心側に向かう同じ方向の磁化を有している。第２の主磁石１３０ａ－２と、第４の主磁石１３０ａ－４とは、第１の主磁石１３０ａ－１と、第３の主磁石１３０ａ－３の磁化方向に対して、１８０°反転させた方向の磁化を有している。

第１の副磁石１３０ｂ－１と、第３の副磁石１３０ｂ－３とは周方向に沿った同じ方向の磁化を有している。第２の副磁石１３０ｂ－２と、第４の副磁石１３０ｂ－４とは、第１の副磁石１３０ｂ－１と、第３の副磁石１３０ｂ－３の磁化方向に対して、１８０°反転させた方向の磁化を有している。

磁石ユニット１３０において、第１の副磁石１３０ｂ－１は、第１の主磁石１３０ａ－１と、第２の主磁石１３０ａ－２との間に密着させて設けられている。第２の副磁石１３０ｂ－２は、第２の主磁石１３０ａ－２と、第３の主磁石１３０ａ－３との間に密着させて設けられている。第３の副磁石１３０ｂ－３は、第３の主磁石１３０ａ－３と、第４の主磁石１３０ａ－４との間に密着させて設けられている。第４の副磁石１３０ｂ－４は、第１の主磁石１３０ａ－１と、第４の主磁石１３０ａ－４との間に密着させて設けられている。

以上の通り、磁石ユニット１３０は、隣接する磁石の磁化方向が９０°異なったハルバッハ配列による複数の磁石からなる。これにより、インナーローターにおいてバックヨークを構成しなくても漏れ磁束を任意の箇所に集中させて、十分な磁束密度を得ることができる。なお、図２は、磁石ユニット１３０を構成する磁石の数を限定するものではない。具体的には、図２は、４ポールの回転モーターで使用される磁石ユニット１３０の例を示している。通常、回転モーターはｎポール（ｎは偶数）で構成されており、以降で説明される実施形態はポールの数に応じた任意の数の磁石によって磁石ユニット１３０を形成することができる。これは、次に説明される図３の磁石ユニット１３０Ａでも同様である。

図３を参照して、強磁性体によるローターコア１２０Ａの外周に固定された、ハルバッハ配列磁石を持つ環状の磁石ユニット１３０Ａを構成する複数の磁石における、それぞれの磁石の磁化方向について説明する。

図３に示すように、磁石ユニット１３０Ａは、第１の磁石１３０Ａａ－１と、第２の磁石１３０Ａａ－２と、第３の磁石１３０Ａａ－３と、第４の磁石１３０Ａａ－４とを有する。第１の磁石１３０Ａａ－１～第４の磁石１３０Ａａ－４は、それぞれ、周方向の中央部に円周方向と略平行な磁化方向を持つ磁化領域を有している。第１の磁石１３０Ａａ－１～第４の磁石１３０Ａａ－４はまた、それぞれ、両端部において中央部における磁化領域の方向と実質的に直交する方向の磁化方向を有しており、しかも両端部における磁化方向は互いに１８０°反転している。すなわち、第１の磁石１３０Ａａ－１～第４の磁石１３０Ａａ－４は、それぞれ、円周方向において複数（ここでは３種）の磁化領域を有している。

より詳細には、第１の磁石１３０Ａａ－１及び第３の磁石１３０Ａａ－３は、それぞれ、中央部及び両端部において同じ磁化方向を有している。第２の磁石１３０Ａａ－２及び第４の磁石１３０Ａａ－４は、それぞれ、中央部及び両端部において同じ磁化方向を有している。また、第１の磁石１３０Ａａ－１及び第３の磁石１３０Ａａ－３の中央部及び両端部における磁化方向と、第２の磁石１３０Ａａ－２及び第４磁石１３０Ａａ－４の中央部及び両端部の磁化方向とは、それぞれ、１８０°反転している。

このような第１の磁石１３０Ａａ－１～第４の磁石１３０Ａａ－４は、例えば、本発明者により提案されている特願２０１６－２３３１８９号に記載の方法により得ることができる。本例のように、第１の磁石１３０Ａａ－１～第４の磁石１３０Ａａ－４のような複数の磁化領域を有する磁石をローターコア１２０Ａの外周上にハルバッハ配列磁石を成すように配置することによっても、磁束を任意の箇所に集中させて、十分な磁束密度を得ることができる。

なお、アウターローターは、図２、図３の磁石ユニットがローターコアの内周側に配置され、周方向に略平行な磁化方向を持つ磁石の磁化方向が１８０度反転される点を除いてインナーローターと同じと考えて良い。このような違いにより、インナーローターでは、図２で言えば、各磁石の磁極を周方向に略９０°ずつ回転させながら配列しているので、配列の内側の磁場が弱まり、配列の外側では、その分磁場が強くなって、ハルバッハ配列磁石の外側に強い磁場を発生させる。これに対し、アウターローターでは、各磁石の磁極を周方向に略９０°ずつ回転させながら配列しているが、周方向に略平行な磁化方向を持つ磁石の磁化方向を１８０度反転させているので、配列の外側の磁場が弱まり、配列の内側でその分磁場が強くなって、ハルバッハ配列磁石の内側に強い磁場を発生させる。

図２の例の一般的なインナーローター組立の手順を説明する。先ず、図２の円周方向に磁化された磁石１３０ｂ－１、１３０ｂ－２、１３０ｂ－３、１３０ｂ－４を、位置決め冶具を用いてローターコア１２０の正確な外周位置に接着剤を使って接着し、接着剤が十分に固化するまで待機する。固化時間は接着剤によるが８時間～２４時間である。その後に、磁石１３０a－１、１３０a－２、１３０a－３、１３０a－４を同じ接着剤で接着し、十分に固化するまで待機する。

図３の例のインナーローター組立の手順も同様である。また、ローターコアの内周に磁石が配列されるアウターローター組立の手順もほぼ同じである。

図２、図３のいずれの例も、ローターコアが強磁性体であることから、ローターコアと磁石との間に強い結合力が得られるが、接着剤の固化時間を長くしなければならないという問題点がある。

これに対し、インナーローター、アウターローターにおいて、ローターコアの材料として軽量化に有効な密度が１．５～５．０ｇ／ｃｍ^３の非磁性体を使用したことが本発明の第一の特徴であり、しかも高速回転時においてもローターコアから磁石が剥がれにくくしたことが本発明の第二の特徴である。非磁性体材料としては、密度２．７～３．１ｇ／ｃｍ^３のアルミニウム及びアルミニウム合金、合成樹脂、特に密度１．６～２．７ｇ／ｃｍ^３のＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、密度４．５ｇ／ｃｍ^３のチタン等が挙げられる。

（第１の実施形態）
はじめに、図４、図５を参照して、本発明を、図２、図３で説明したようなハルバッハ配列磁石を持つインナーローターに適用した第１の実施形態について説明する。

図４は、本発明による回転機器用ローターの第１の実施形態を示し、本発明を回転モーターのインナーローターに適用した例の斜視図である。図５は、図４の線Ａ－Ａ´による縦断面図である。図５においては、磁石の磁化方向は図示を省略している。

図４において、非磁性体による円筒状のローターコア２００の外周に複数の磁石３００が周方向に並んでハルバッハ配列磁石を形成するように接着、固定されている。複数の磁石３００は、それぞれ、ローターコア２００の軸心方向の長さと同じ長さを有する。複数の磁石３００の配列形態は、図２、図３のいずれの例も適用できる。ローターコア２００の両端には、それぞれ、環状の磁石押さえ部４００（上側のみ図示）が複数のネジでローターコア２００に取り付けられている。上述したように、非磁性体材料としては、アルミニウム及びアルミニウム合金、合成樹脂、特にＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、チタン等が挙げられる。

図５をも参照して、ローターコア２００の外周に、周方向に並べて接着固定された複数の磁石３００は、それぞれ、ローターコア２００と接する面とは反対側の面であってローターコア２００の軸心と同じ方向の両端縁が面取り加工されている。磁石押さえ部４００は、図５中の上側について言えば、ローターコア２００の内径と同じ内径及びローターコア２００の外径より少し大きめの外径を有する環状体である。磁石押さえ部４００はまた、ローターコア２００の軸心方向の端面及び同じ方向の複数の磁石３００の端面に接する面を有すると共に、複数の磁石３００の面取りされた部分、ここでは斜面、の少なくとも一部と接してローターコア２００から離れる方向への磁石３００のずれを掛止する爪４１０を、外周側の全周にわたって持つ。磁石押さえ部４００は、周方向に間隔をおいた複数個所で、頭部埋め込み型のネジ５００によりローターコア２００に取り付けられる。図５中の下側の磁石押さえ部５００についても同様である。磁石押さえ部４００は、ローターコア２００と同様の密度が１．５～５．０ｇ／ｃｍ^３の非磁性体材料が望ましい。

以上のように、環状の磁石押さえ部４００で複数の磁石３００をローターコア２００側に押さえつつ、磁石押さえ部４００をローターコア２００の軸心方向の端面にネジ５００で固定することで、複数の磁石３００を一括して物理的に固定することができる。特に、磁石押さえ部４００は、その一部が、磁石３００とコイルとの間のギャップに突出することなく磁石３００を押さえることができる。

なお、磁石押さえ部４００の爪４１０は、磁石押さえ部４００の周方向に間隔をおいて磁石３００毎に少なくとも１個ずつ設けるようにしても良い。また、磁石３００の面取りを斜面では無く段部とし、磁石押さえ部４００の爪を、前記段部の少なくとも一部と接する逆Ｌ字形状としても良い。これらの変形例は、後述される第２、第３の実施形態においても同様である。

また、ローターコアとして、軸心方向の一端側が回転軸用の穴を除いて塞がれた有底円筒体を用いる場合がある。この場合、ローターコアの底がある方の端部に磁石押さえ部４００と同形状の爪付きの環状突部を一体的に形成して磁石押さえ部として機能させても良い。

次に、本実施形態の組立作業を、図２のハルバッハ配列磁石を持つインナーローターの場合について図２を援用して説明する。はじめに、ローターコア２００と、その軸心方向に関して同じ長さを持つ複数の磁石３００（図２の磁石１３０ａ－１～１３０ａ－４、１３０ｂ－１～１３０ｂ－４）を用意し、これらの磁石３００に対して、それぞれ、ローターコア２００と接する面とは反対側の面であって前記軸心方向の両端縁を面取りする。続いて、ローターコア２００の外周に磁石３００（面取りされた図２の磁石１３０ｂ－１、１３０ｂ－２、１３０ｂ－３、１３０ｂ－４）をエポキシ樹脂等の樹脂系接着剤で接着した後、初期硬化時間５分～３０分後に次の磁石３００（面取りされた図２の磁石１３０a－１、１３０a－２、１３０a－３、１３０a－４）を同じ接着剤で接着する。そして、初期硬化時間後に爪４１０付きの磁石押さえ部４００をローターコア２００にネジ５００で装着することでインナーローターの組立作業が終了する。その結果、前述したこれまでの組立作業に比べて接着作業時間の短縮が著しく、接着後は接着剤の硬化時間を待たずに次の工程に移ることができる。

（第１の実施形態の効果）
本発明の第１の実施形態によれば、密度が１．５～５．０ｇ／ｃｍ^３の非磁性体のローターコア２００によってモーター用ローターの軽量化を実現することができるので、始動速度を上げ、高速回転を実現できる。そして、高速回転時にあってもローターコア２００から磁石３００が剥がれることを防止することができ、かつローター製造時の作業性の改善、特に接着時間の大幅な短縮による組立作業時間の短縮を実現することができる。

（第２の実施形態）
次に、図６、図７を参照して、本発明を、ハルバッハ配列磁石を持つアウターローターに適用した第２の実施形態について説明する。

図６は、本発明による回転機器用ローターの第２の実施形態を示し、本発明を回転モーターのアウターローターに適用した例の斜視図である。図７は、図６の線Ｂ－Ｂ´による縦断面図である。

図６において、円筒状のローターコア６００の内周に複数の磁石７００が周方向に並んでハルバッハ配列磁石を形成するように接着、固定されている。複数の磁石７００は、それぞれ、ローターコア６００の軸心方向の長さと同じ長さを有する。複数の磁石７００の配列形態は、図２、図３のいずれの例（但し、アウターローターとしての例）も適用できる。ローターコア６００の両端には、それぞれ、環状の磁石押さえ部８００が複数のネジでローターコア６００に取り付けられている。前述したように、密度が１．５～５．０ｇ／ｃｍ^３の非磁性体材料としては、アルミニウム及びアルミニウム合金、合成樹脂、特にＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、チタン等が挙げられる。

図７をも参照して、ローターコア６００の内周に、周方向に並べて接着固定された複数の磁石７００は、それぞれ、ローターコア６００と接する面とは反対側の面であってローターコア６００の軸心と同じ方向の両端縁が面取り加工されている。磁石押さえ部８００は、図７中の上側について言えば、ローターコア６００の外径と同じ外径及びローターコア６００の内径より少し小さめの内径を有する環状体である。磁石押さえ部８００はまた、ローターコア６００の軸心方向の端面及び同じ方向の複数の磁石７００の端面に接する面を有すると共に、複数の磁石７００の面取りされた部分、ここでは斜面の少なくとも一部と接してローターコア６００から離れる方向への磁石７００のずれを掛止する爪８１０を、内周側の全周にわたって持つ。磁石押さえ部８００は、周方向に間隔をおいた複数個所で、頭部埋め込み型のネジ９００によりローターコア６００に取り付けられる。図７中の下側の磁石押さえ部８００についても同様である。磁石押さえ部８００は、ローターコア６００と同様の密度が１．５～５．０ｇ／ｃｍ^３の非磁性体材料が望ましい。

以上のように、環状の磁石押さえ部８００で複数の磁石７００をローターコア６００側に押さえつつ、磁石押さえ部８００をローターコア６００の軸心方向の端面にネジ９００で固定することで、複数の磁石７００を一括して物理的に固定することができる。本実施形態においても、磁石押さえ部８００は、その一部が、磁石７００とコイルとの間のギャップに突出することなく磁石７００を押さえることができる。

第１の実施形態と同様、ローターコアとして、軸心方向の一端側が回転軸用の穴を除いて塞がれた有底円筒体を用いる場合がある。この場合、ローターコアの底がある方の端部に磁石押さえ部８００と同形状の爪付きの環状突部を一体的に形成して磁石押さえ部として機能させても良い。

本実施形態の組立作業を、図２のようなハルバッハ配列磁石を持つアウターローターの場合について図２を援用して説明する。はじめに、ローターコア６００と、その軸心方向に関して同じ長さを持つ複数の磁石７００（図２の磁石１３０ａ－１～１３０ａ－４、１３０ｂ－１～１３０ｂ－４）を用意し、これらの磁石７００に対して、それぞれ、ローターコア６００と接する面とは反対側の面であって前記軸心方向の両端縁を面取りする。続いて、ローターコア６００の内周に磁石７００（面取りされた図２の磁石１３０ｂ－１、１３０ｂ－２、１３０ｂ－３、１３０ｂ－４）をエポキシ樹脂等の樹脂系接着剤で接着した後、初期硬化時間５分～３０分後に次の磁石７００（面取りされた図２の磁石１３０a－１、１３０a－２、１３０a－３、１３０a－４）を同じ接着剤で接着する。そして、初期硬化時間後に爪８１０付きの磁石押さえ部８００をローターコア６００にネジ９００で装着することでアウターローターの組立作業が終了する。その結果、前述したこれまでの組立作業に比べて接着作業時間の短縮が著しく、接着後は接着剤の硬化時間を待たずに次の工程に移ることができる。

（第２の実施形態の効果）
本発明の第２の実施形態によれば、密度が１．５～５．０ｇ／ｃｍ^３の非磁性体のローターコア６００によってモーター用ローターの軽量化を実現することができるので、始動速度を上げることができる。本実施形態のようなアウターローターの場合、高速回転による磁石の剥がれを考慮する必要性はほとんど無いが、ローター製造時の作業性の改善、特に接着時間の大幅な短縮による組立作業時間の短縮を実現することができる。

以上述べた第１の実施形態、第２の実地形態のいずれにおいても、ステーターコアについては本発明の要旨ではないので、詳しい図示、説明は省略する。

（第３の実施形態）
次に、図８、図９を参照して、本発明を、ダブル（あるいはデュアル）ハルバッハ配列磁石を持つモーター用ローターに適用した第３の実施形態について説明する。

図８は、本発明による回転機器用ローターの第３の実施形態を示し、本発明を、ダブルハルバッハ配列磁石を持つ回転モーター用ローターに適用した場合のローター及びステーターの断面図である。図９は、図８のＣ－Ｃ´線による縦断面図である。

図８において、ダブルハルバッハ配列磁石を持つモーター用ローターの場合、複数のコイル１０１０を環状に組合せてなるステーター１０００を間にして、内周側にはインナーローター１０２０が、外周側にはアウターローター１０３０が、それぞれ、回転可能に設置されている。インナーローター１０２０は、筒状のインナーローターコア１０２１の外周に複数のインナー磁石１０２２を周方向に並べてハルバッハ配列磁石とし、接着固定して成る。一方、アウターローター１０３０は、筒状のアウターローターコア１０３１の内周に複数のアウター磁石１０３２を周方向に並べてハルバッハ配列磁石とし、接着固定して成る。

インナー磁石１０２２とアウター磁石１０３２の数は同じであり、インナーローター１０２０とアウターローター１０３０は一体的に回転するように構成される。

複数のインナー磁石１０２２のうち径方向に着磁したインナー磁石１０２２の磁極方向と、複数のアウター磁石１０３２のうち径方向に着磁したアウター磁石１０３２の磁極方向は、同じ半径上に配置されているもの同士は同じである。一方、複数のインナー磁石１０２２のうち周方向に着磁したインナー磁石１０２２の磁極方向と、複数のアウター磁石１０３２のうち周方向に着磁したアウター磁石１０３２の磁極方向は、同じ半径上に配置されているもの同士は反対である。

インナーローター１０２０では、インナー磁石１０２２の磁極を周方向に略９０°ずつ回転させながら配列しているので、配列の内側の磁場が弱まり、配列の外側では、その分磁場が強くなって、インナー磁石１０２２の配列の外側に強い磁場を発生させることができる。一方、アウターローター１０３０では、前述したように、アウター磁石１０３２の磁極を周方向に略９０°ずつ回転させながら配列しているが、周方向に略平行な磁化方向を持つ磁石の磁化方向を１８０度反転させているので、配列の外側の磁場が弱まり、配列の内側では、その分磁場が強くなって、アウター磁石１０３２の配列の内側に強い磁場を発生させることができる。その結果、インナーローター１０２０の内径側とアウターローター１０３０の外径側には磁場は殆ど漏れず、コイル１０１０が配置されている空間の磁場が強くなる。

本実施形態では、インナーローター１０２０が第１の実施形態で説明したインナーローターと同じであり、アウターローター１０３０は第２の実施形態で説明したアウターローターと同じである。

図９をも参照して、環状に組合された複数のコイル１０１０を固定子部材１００５に設置してなるステーター１０００の内周側にインナーローター１０２０が回転可能に設置され、ステーター１０００の外周側にはアウターローター１０３０が回転可能に設置されている。それゆえ、インナーローター１０２０には、図５で説明したローターコア２００、磁石３００、爪４１０を持つ磁石押さえ部４００と同じインナーローターコア１０２１、インナー磁石１０２２、爪１０２４を持つインナー磁石押さえ部１０２３、ネジ１０２５が適用される。同じ理由により、アウターローター１０３０には、図７で説明したローターコア６００、磁石７００、爪８１０を持つ磁石押さえ部８００と同じアウターローターコア１０３１、アウター磁石１０３２、爪１０３４を持つアウター磁石押さえ部１０３３、ネジ１０３５が適用される。

また、インナーローター１０２０の組立作業は第１の実施形態（図４、図５）で説明したインナーローターの組立作業と同じであり、アウターローター１０３０の組立作業は第２の実施形態（図６、図７）で説明したアウターローターの組立作業と同じである。

従って、インナーローター１０２０側は第１の実施形態で説明したのと同じ効果を奏し、アウターローター１０３０側は第２の実施形態で説明したのと同じ効果を奏する。

以上、本発明を、ハルバッハ配列磁石を持つ回転モーター用ローターに適用した第１～第３の実施形態について説明したが、ハルバッハ配列磁石を持つ発電機用ローターとしても適用可能であることは言うまでもない。本発明はまた、ハルバッハ配列磁石を持つ回転機器用ローターだけでなく、ハルバッハ配列磁石ではない、通常の配列磁石を持つ通常の回転機器用ローターにも適用可能である。つまり、インナーローターの場合には、図１で説明したようなインナーローター１１０に図５の構造が適用され、アウターローターの場合には図７の構造が適用される。

本発明は、モーター及び発電機等の回転機器用ローター全般において有用に利用することができる。

１００、１０００ステーター
１０１ステーターコア
１０２ティース
１０３、１０１０コイル
１１０、１０２０インナーローター
１１１、１２０、１２０Ａ、２００、６００、１０２１、１０３１ローターコア
１１２、３００、７００、１０２２、１０３２磁石
１３０、１３０Ａ磁石ユニット
４００、８００、１０２３、１０３３磁石押さえ部
４１０、８１０、１０２４、１０３４爪
５００、９００、１０２５、１０３５ネジ
１００５固定子部材
１０３０アウターローター

Claims

回転機器のローターコアの外周側に、軸心方向に関して前記ローターコアと同じ長さを持つ複数の磁石を環状に並べて接着してなる磁石ユニットを有する回転機器用インナーローターにおいて、
前記ローターコアは密度が１．５～５．０ｇ／ｃｍ^３の非磁性体材料からなって非積層で円筒状をしており、
前記複数の磁石はそれぞれ、前記ローターコアと接する内面とは反対側の外面であって前記軸心方向の両端縁が面取りされており、
前記ローターコアの軸心方向の端面及び前記複数の磁石それぞれの前記軸心方向の端面に接する面を有すると共に、前記複数の磁石それぞれの面取りされた部分の少なくとも一部と接して前記ローターコアから離れる半径方向外側への各磁石のずれを掛止する爪を全周にわたって持つ環状の２枚の磁石押さえ部を前記軸心方向の両端に備え、
前記２枚の磁石押さえ部を、前記ローターコアの軸心方向の両端面に、周方向に間隔をおいた複数箇所でネジで固定したことを特徴とする回転機器用インナーローター。
前記磁石ユニットは、ハルバッハ配列磁石から成ることを特徴とする請求項１に記載の回転機器用インナーローター。
前記ローターコアは、アルミニウム、アルミニウム合金、合成樹脂、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、およびチタンから選択された前記非磁性体材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転機器用インナーローター。
回転機器のローターコアとして密度が１．５～５．０ｇ／ｃｍ^３の非磁性体材料からなって非積層で円筒状をした前記ローターコアとその軸心方向に関して同じ長さを持つ複数の磁石とを用意し、
前記複数の磁石をそれぞれ、前記ローターコアと接する内面とは反対側の外面であって前記軸心方向の両端縁を面取りし、
前記ローターコアの外周側に、前記複数の磁石を接着して環状の磁石ユニットを形成し、
前記ローターコアの軸心方向の端面及び前記複数の磁石それぞれの前記軸心方向の端面に接する面を有すると共に、前記複数の磁石それぞれの面取りされた部分の少なくとも一部と接して前記ローターコアから離れる半径方向外側への各磁石のずれを掛止する爪を全周にわたって持つ環状の２枚の磁石押さえ部を、前記ローターコアの軸心方向の両端面に、周方向に間隔をおいた複数箇所でネジで固定することにより、前記ローターコアから半径方向外側への前記複数の磁石の剥がれを防止することを特徴とする回転機器用インナーローターの製造方法。
複数のコイルを環状に組合せてなるステーターを間にして該ステーターの内周側にはインナーローターコアの外周側に、軸心方向に関して前記インナーローターコアと同じ長さを持つ複数のインナー磁石を環状のハルバッハ配列磁石を構成するように並べて接着してなるインナーローターを配置し、前記ステーターの外周側にはアウターローターコアの内周側に、軸心方向に関して前記アウターローターコアと同じ長さを持つ複数のアウター磁石を環状のハルバッハ配列磁石を構成するように並べて接着してなるアウターローターを配置したダブルハルバッハ配列磁石を備えた回転機器用ローターにおいて、
前記インナーローターコア、前記アウターローターコアはそれぞれ、密度が１．５～５．０ｇ／ｃｍ^３の非磁性体材料からなって非積層で円筒状をしており、
前記複数のインナー磁石はそれぞれ、前記インナーローターコアと接する内面とは反対側の外面であって前記軸心方向の両端縁が面取りされており、
前記インナーローターコアの軸心方向の端面及び前記複数のインナー磁石それぞれの前記軸心方向の端面に接する面を有すると共に、前記複数のインナー磁石それぞれの面取りされた部分の少なくとも一部と接して前記インナーローターコアから離れる半径方向外側への各インナー磁石のずれを掛止する第１の爪を全周にわたって持つ環状の２枚のインナー磁石押さえ部を前記インナーローターコアの軸心方向の両端に備え、
前記２枚のインナー磁石押さえ部を、前記インナーローターコアの軸心方向の両端に、周方向に間隔をおいた複数箇所でネジで固定し、
前記複数のアウター磁石はそれぞれ、前記アウターローターコアと接する外面とは反対側の内面であって前記軸心方向の両端縁が面取りされており、
前記アウターローターコアの軸心方向の端面及び前記複数のアウター磁石それぞれの前記軸心方向の端面に接する面を有すると共に、前記複数のアウター磁石それぞれの面取りされた部分の少なくとも一部と接して前記アウターローターコアから離れる半径方向内側への各アウター磁石のずれを掛止する第２の爪を全周にわたって持つ環状の２枚のアウター磁石押さえ部を前記アウターローターコアの軸心方向の両端に備え、
前記２枚のアウター磁石押さえ部を、前記アウターローターコアの軸心方向の両端に、周方向に間隔をおいた複数箇所でネジで固定したことを特徴とする回転機器用ローター。
前記インナーローターコア、前記アウターローターコアはそれぞれ、アルミニウム、アルミニウム合金、合成樹脂、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、およびチタンから選択された前記非磁性体材料からなることを特徴とする請求項５に記載の回転機器用ローター。
複数のコイルを環状に組合せてなるステーターを間にして該ステーターの内周側にはインナーローターを、外周側にはアウターローターをそれぞれ配置した回転機器用ローターの製造方法において、
インナーローターコアとして密度が１．５～５．０ｇ／ｃｍ^３の非磁性体材料からなって非積層で円筒状をした前記インナーローターコアの外周側に、軸心方向に関して前記インナーローターコアと同じ長さを持つ複数のインナー磁石を環状のハルバッハ配列磁石を構成するように並べて接着して前記インナーローターを形成する工程と、
アウターローターコアとして密度が１．５～５．０ｇ／ｃｍ^３の非磁性体材料からなって非積層で円筒状をした前記アウターローターコアの内周側に、軸心方向に関して前記アウターローターコアと同じ長さを持つ複数のアウター磁石を環状のハルバッハ配列磁石を構成するように並べて接着して前記アウターローターを形成する工程と、を含み、
前記インナーローターを形成する工程は、
前記複数のインナー磁石をそれぞれ、前記インナーローターコアと接する内面とは反対側の外面であって前記軸心方向の両端縁を面取りする工程と、
前記インナーローターコアの軸心方向の端面及び前記複数のインナー磁石それぞれの前記軸心方向の端面に接する面を有すると共に、前記複数のインナー磁石それぞれの面取りされた部分の少なくとも一部と接して前記インナーローターコアから離れる半径方向外側への各インナー磁石のずれを掛止する第１の爪を全周にわたって持つ環状の２枚のインナー磁石押さえ部を、前記インナーローターコアの軸心方向の両端に、周方向に間隔をおいた複数箇所でネジで固定する工程と、を含み、
前記アウターローターを形成する工程は、
前記複数のアウター磁石をそれぞれ、前記アウターローターコアと接する外面とは反対側の内面であって前記軸心方向の両端縁を面取りする工程と、
前記アウターローターコアの軸心方向の端面及び前記複数のアウター磁石それぞれの前記軸心方向の端面に接する面を有すると共に、前記複数のアウター磁石それぞれの面取りされた部分の少なくとも一部と接して前記アウターローターコアから離れる半径方向内側への各アウター磁石のずれを掛止する第２の爪を全周にわたって持つ環状の２枚のアウター磁石押さえ部を、前記アウターローターコアの軸心方向の両端に、周方向に間隔をおいた複数箇所でネジで固定する工程と、を含むことを特徴とする、ダブルハルバッハ配列磁石を備えた回転機器用ローターの製造方法。