JPH07507197A - ロータ組立体製造のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ロータ組立体製造のための方法及び装置技術分野 本発明は、概して電気機械に関し、特に磁石が取付けられたロータ組立体を製造 するための方法及び装置に関する。

背景技術 永久磁石ロータは、モータ及び発電機のような電気機械において頻繁に用いられ る。多くの応用分野において、永久磁石が、様々な手段によってロータのハブも しくはシャフトに固着される。そのような固着に際しては、磁石が軸方向又は半 径方向のいずれの方向に動くのも防止できるように注意しなければならない。

もし軸方向に動くことができるようであると、１つもしくはそれ以上の磁石が正 確に電機子に整列されず、その結果、発電機効率が減少する。もし半径方向に動 くことができるようであると、ロータとステータが妨害接触する蓋然性を生じる ことになり、結果として発電機部品に摩擦抵抗および／又は損傷が生じる。

予期されるように、回転速度の増加に伴って増加する遠心力は、特に半径方向に 磁石を動かす傾向があるため、磁石を固定する際に、ロータ速度の増加が次第に 問題としてうかびあがる。従って、比較的高速度であり永久磁石ロータを必要と する多くの例において、軸方向の変位を妨げる側板間に磁石をはさみ且つ該鋼板 および磁石の周囲にカーボンファイバーのような繊維状物質を巻き付けて半径方 向の保持を得ることによって、軸方向および半径方向の変位に対する磁石固定が 達成される。この手法の一例が、ナビンチャンドラＲ，パテルに対して１９８７ 年６月２３日に発行された米国特許４，６７４．１７８に開示されている。パテ ルの特許は、端部で緩い部分を持たず、又は緩くなる可能性のないフフイ１＜− を巻き付けることによって取付けられた永久磁石を有するロータ組立体を開示す る。前記永久磁石はハブ内に配置され、隣接する磁石間に充填剤が詰められる。

ハブ上には軸方向に間隔をもって両側の側板が設けられて、磁石と充填剤をはさ む。

ローフ組立の他の方法及び装置が、ニドワードＪ、シェファーに対して１９９０ 年４月２４日に発行された米国特許４，９１８，８０２に開示されている。シエ ファーの特許は、複数の永久磁石セグメント及び外部スリーブすなわちシリンダ ーを有するロータ組立体を開示する。薄壁金属シリンダーが形成され、円弧状の 磁石セグメントが、角度方向に間隔をもった関係で、シリンダーの内部表面に対 向するように配置される。セグメントが半径方向外向きに変位させられて、外部 シリンダーに伸び又は膨張を与え、次いでセグメントは、その外方向に変位した 位置に支持される。セグメントは、拡張用心金、シャフトの先細部分及び先細リ ングなど、種々の装置によって変位させることができる。

ここに開示されたタイプのロータが遭遇する別の問題は、所期のロータ回転軸回 りのバランスを得る困難性である。バランスが得られなければ、ロータを含む発 電機の動作が振動を発生し、その振動がベアリング寿命及び他の発電機構成要素 に悪影響を与えることになる。

本発明の目的は、１つもしくはそれ以上の上記問題を解決することである。

発明の開示 本発明の一つの態様においては、ロータ組立体がシャフトを備え、そのシャフト は第１端部と第２端部を有し、かつ第１及び第２端部の間に形成される截頭円錐 状表面を有している。複数の磁石が截頭円錐状表面に取り付けられる。カバーに は、磁石と接触する截頭円錐状の内面が予め形成され、一対の端フランジがシャ フトに取り付けられる。

本発明の他の態様においては、截頭円錐状表面が形成されたシャフト、複数の磁 石、カバー及び少なくとも一つの端フランジを備えるロータ組立体を製造する方 法は、複数の磁石をシャフトの截頭円錐状表面に取り付け、カバーを複数の磁石 回りに位置づけし、端フランジをシャフトに取り付けるステップからなる。

発明を実施するための最良の形態 図１において、発電機又はモーターのような電気機械ｌＯが示される。前記機械 １０は、全体として中心軸１４を有する円筒状となる多部品構成の外部ケース１ ２を有する。ロータ組立体１６は、ケース１２内で回転自在に配置され、軸１４ に対して芯合わせされており、従来の手法と同様に、複数の（図では１つのみ示 されている）ベアリング２２によって、第１端部１８と第２端部２０で支持され る。図示されていないが、ロータ組立体１６は、もし発電機として用いられるな らば電源に接続され、またもしモーターとして用いられるならばコンプレッサー もしくは歯車駆動のような機械的メカニズムに接続される。

図２にさらに示されるように、この適用例においては、ロータ組立体Ｉ６が、取 付は表面２６と各端部に形成したくびれとを有するシャフト２４を備え、該くび れ部２８にベアリング２２が配置される。内ぐり孔３２を有する一対の端フラン ジ３０が、第１端部１８と第２端部２０の各々で、くびれ部で圧入される。取付 は表面２６は、第１端部１８と第２端部２０の間で、端フランジ３０間に位置し 、はぼ截頭円錐形状で、予め定められた長さを有する。該截頭円錐形状が、この 適用例の場合、約１０から２＠の間で予め定められたテーバを有する。

この適用例において、ロータ組立体１６が、一つの端フランジ３０の一部として 形成される膨張型タービン４０を備える。図１と図２及び５の上部においてよく 示されるように、膨張型タービン４０及び端フランジ３０は一体である。別の構 成として、図２の下部に示されるように、膨張型タービン４０と端フランジ３０ を別部品とし、シャフト２４に圧入することができる。図５の下部に示されるよ うに、端フランジ３０をシャフト２４と一体に形成し、膨張型タービン４０を別 部品として、シャフト２４に圧入することができる。

図３に示されるように、取付は表面２６の截頭円錐形状が、複数のほぼ矩形の平 坦部６８を備える。この適用例において、８個の平坦部を用いる。はぼ矩形の各 平坦部６８は、端フランジ３０間に延びる長さと予め定められた幅を有する。

永久磁石７０は、例えばアームストロングＡ１２接着剤のような室温で硬化する 物質のように、低温度で、柔軟で硬化しない特性を有する接着剤を使用して、各 平坦部に取り付けられる。

別の構成として、本発明の本質を変化させずに、永久磁石７０の代わりに励磁可 能な磁石を使用することができる。図３に示されるように、この適用例において は、各磁石７０に矩形基礎平面７２が形成され、この矩形基礎平面７２が取付は 表面２６の截頭円錐形状の各矩形平坦部６８に取付けられる。各磁石７０の横断 面が、基礎平面７２、そこから延びる一対の側部７４及び一対の側部７４間にわ たる円弧状表面７６を有する。組立てられた位置においては、隣接する磁石７０ の側部７４間にギャップ７８が形成される。磁石７０は、平坦部６８に取り付け られたとき、側部７４と基礎平面７２との間の接続点で隣接する磁石７０と各々 接触する。別の構成として、隣接する磁石７０の対応する側部７４間に小さいギ ャップを形成することもできる。ギャップを形成する場合には、そのギャップを アームストロングＡ１２のような接着剤で埋めることになる。非磁性体のカバー ８０が、各磁石７０の円弧状表面７６の回りに配置される。別の構成として、図 ５に示されるように、ロータ組立体１６において、シャフト２４と一つの端フラ ンジ３０とを一体に構成することができる。第２の端フランジ３０は、磁石７０ 及びカバー８０を取り付けた後に、一体構成のシャフト２４に取り付けられる。

この適用例において、カバー８０が、予め定められた大径と小径を有するテーパ 状又は截頭円錐状アンビルの回りに、エポキシ樹脂のような硬化性樹脂を含浸し たカーボンファイバーのような繊維を巻き付けることによって形成される複合材 料から構成される。アンビルの回りに巻付けると、予め所定の截頭円錐状内面８ ２を有するカバー８０が形成される。カバー８０は、取付は表面２６の截頭円錐 形状の長さとほぼ等しい予め定められた長さと予め定められた厚さを有する。

別の構成として、概念を変えずに、非磁性体の金属から構成することも可能であ る。

図４に最もよく示されるように、ロータ組立体１６が以下のように組み立てられ る。シャフト２４の取付は表面２６に、アームストロングＡ１２を塗布し、各磁 石７０をほぼ矩形の平坦部６８に取り付ける。別の構成として、各磁石７ｏの矩 形基礎平面７２と取付は表面２６の各々に、アームストロングＡ１２を塗布し、 磁石７０を取付は表面２６の截頭円錐形状のほぼ矩形の平坦部６８の各々に取り 付けることもできる。このようにして、磁石７ｏがシャフト２４に固定して取り 付けられ、位置決めされる。磁石７ｏがシャフト２４に取り付けられ、例えば研 磨により磁石７０の円弧状表面７６が形成されることによって、全体として截頭 円錐状の外部形状が形成される。図１．　２．　４及び５によく示されるように 、形成工程の結果、截頭円錐外部形状の小径側端付近の磁石７ｏの厚さより、大 径側端部に一番近い磁石７０の厚さが薄くなる。カバー８０の予め形成された内 部截頭円錐状表面８２が、磁石７０に形成された円弧状表面７６の截頭円錐外部 形状よりも僅かに小さく、全体として適合する。磁石７ｏの円弧状表面７６に潤 滑を施しながら、カバー８０を、その端が磁石７ｏの端にあうまで、磁石７ｏに 圧入する。スリーブ８０は、予め定められたスリーブの直径がスリーブに必要な 所定のプレストレスを生じる値にその直径を増加するまで、截頭円錐状シャフト の上を軸方向に押圧される。先細のロータがこの圧入組立てを可能にする。組立 ての後、カバー８０の端を必要に応じてトリミングしてもよい。このようにして 、カバー８０と磁石７０を取り付けたシャフト２４が組立てられた状態では、予 め定められたプレストレスがカバー８０と磁石７０間に存在する。上記組立て手 順によって、所望の速度で動作できる構造的に一体性をもったロータ組立体重６ が得られる。材料特性による材料選択とカバー８０の厚さを変化させることによ って、任意の動作環境で動作するために、種々のプレストレスの状況を得ること ができる。カバー８０を磁石７０に固定した後、端フランジ３ｏを熱して、シャ フト２４上に圧入する。部品間の相対移動を避けるために、ロックビンもしくは 他の手段によって、端フランジ３０を適切に固定することが可能である。シャフ ト２４と端フランジ３０を一体にする場合には、一つの端フランジのみをシャフ トに圧入することになる。

産業上の利用可能性 作動に際しては、ロータ組立体１６が外部ケース１２内部で組立てられ、電気機 械ＩＯが動作できる状態になる。説明的な目的のために、電気機械１０が発電機 の役割を果たすものとして説明する。

電気エネルギーが発電機に要求される。ロータ組立体１６が外部電源によって駆 動され回転させられる。ロータ組立体１６における永久磁石７ｏが、ステータ組 立体を含む外部ケース１２内部で回転させられ、ループを通過する磁力線フラッ クスの周期的変化が電流を発生させることにより、永久磁石７０が電流を生成す る。

より高い電気エネルギーが要求されるとき、ロータ組立体Ｉ６の回転速度が増加 する。ロータ組立体１６の構造的配置が、速度が大きくなることを許容し、遠心 作用による力に抵抗する。例えば、速度が増加すると、永久磁石７０が持ち上げ られ、シャフト２４から離れようとする。ロータ組立体１６内部のプレストレス がこれらの力に抵抗する。カバー８０が磁石７０の半径方向の動きを制限し、磁 石７０上にプレストレスすなわち力を加え、シャフト上でほぼ矩形の平坦部６８ と永久磁石７０上の矩形基礎平面７２との間の接触を保持する。このようにして 、ロータ組立体１６の構造的関係が、高速度発電機の動作モードを機能的に成し 遂げる。

ロータ組立体１６を更に変更することによって、発電機の作動の際の効率が増加 した。例えば、截頭円錐状外部形状の大径側における磁石７０の厚さが、截頭円 錐状外部形状の小径側における予め定められた厚さよりも小さい。厚さを変化さ せた峙果、大径側におけるフラックス密度が、小径側におけるフラックス密度よ りも小さくなる。ロータ組立体１６が截頭円錐形状である場合は、より高いフラ ックス密度がロータ組立体１６及び外部ケース１２間に広がる必要がある。別の 構成として、効果的ではないが、磁石７０の厚さを均一にすることもできる。

ロータ組立体１６の組立ては、製造コストがかなり削減され、ロータ組立体１６ の組立てに必要な部品の数も減少される。例えば、シャフト２４における截頭円 錐状表面２６に磁石７０を取り付け、截頭円錐形状に研磨し、更に磁石７０の回 りにカバー８０を組み立てる作業が、多大のエネルギーを費やすことなく、より 迅速に、信頼性をもって達成できる。磁石７０が取り付けられたシャフト２４を 冷却し、カバー８０を熱するという従来のステップは除かれる。取付は表面２６ の截頭円錐形状と、それに取り付けられる磁石７０の円弧状表面７６の截頭円錐 形状と、カバー８０の截頭円錐状内部表面８２が、カバー８０を圧入したのちに 、磁石７０の回りにあるカバー８０にストレスを与えることが可能である。端フ ランジ３０とシャフト２４を一体に構成すると、一つのフランジ３０をシャフト ２４に圧入しもしくはボルト止めする必要がなくなり、シャフト２４に単一の端 フランジ３０を圧入するようになれば、フランジ３０をボルト止めする必要性が なくなる。

本ロータ組立体１６は、高速度に耐え得る組立体にしては、経済的に満足のいく コストですむ。本設計では、カバーにプレストレスを与えることなく、通常の方 法でカバー８０を先細の心金に巻き付けることができる。従って、プレストレス をかける設計と比較すると、材料のスクラップとコストの面が改良される。更に 、独自の構造と、磁石７０の円弧状表面７６の予め定められたサイズと、カバー ８０の内部表面８２が、プレストレスされた設計の信頼性を改良する。ロータ組 立体１６は更に確実な接触圧力を与え、磁石７０とシャフト２４が剥離、分離す るのを妨げる。ボルトすなわち締め具を除くことによって、ロータ組立体１６の 作動の際の空気抵抗が減少し、発電機効率が増加する。同様に、ロータのテーパ 形状が発電機効率を改良する。確実に組み立てることによって、高速度の振動が 減少する。

本発明の他の目的及び利点は、図面、開示及び添付請求項を参酌することによっ て得ることができる。

図面の簡単な説明 図１は、本発明の実施例における電気機械の一部を断面で示す側面図である。

図２は、ロータ組立体及び外部ケースの一部の拡大断面図である。

図３は、図２の線３−３に沿ってとった断面図である。

図４は、ロータ組立体の組立分解図である。

図５は、本発明の別の実施例におけるロータ組立体及び外部ケースの一部の拡大 断面図である。

フロントページの続き （７２）発明者　チラシ　ディヴイッド　ジー４アメリカ合衆国　カリフォルニ ア州 ９２１０９　サンディエゴ　２ビー　バーカープレイス　１２３５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１端部（１８）及び第２端部（２０）を有し、第１端部と第２端部（１８ ．２０）の間に截頭円錐状表面（２６）を有するシャフト（２４）；前記截頭円 錐状取付け表面（２６）に取り付けられる複数の磁石（７０）；前記磁石（７０ ）と接触する予め定められる内部せつ截頭円錐状表面（８２）を有するカバー（ ８０）；及び シャフト（２４）に取り付けられる一対の端フランジ（３０）；からなることを 特徴とするロータ組立体。 ２．前記複数の磁石（７０）が前記截頭円錐状取付け表面（２６）に固着される ことを特徴とする請求項１に記載のロータ組立体（１６）。 ３．前記磁石（７０）に対する前記カバー（８０）の前記截頭円錐状内部表面（ ８２）への前記接触が、前記シャフト（２４）への前記磁石（７０）の取付けを 一層確実にすることを特徴とする請求項２に記載のロータ組立体（１６）。 ４．前記カバー（８０）が非磁性体材料から構成されることを特徴とする請求項 １に記載のロータ級立体（１６）。 ５．前記磁石（７０）が前記カバー（８０）の前記截頭円錐状内部表面（８２） と接触する円弧状表面（７６）を有することを特徴とする請求項１に記載のロー タ組立体（１６）。 ６．前記円弧状表面（７６）が、前記カバー（８０）に予め形成された前記截頭 円錐状内部表面（８２）に全体としてマッチすることを特徴とする請求項５に記 載のロータ組立体（１６）。 ７．前記シャフト（２４）の前記截頭円錐状取付け表面（２６）がほぼ矩形の平 坦部（６８）を備え、前記複数の磁石の各々がほぼ平坦な矩形基礎平面（７２） を備え、前記基礎平面（７２）が、接着剤を用いて、前記シャフト（２４）の前 記截頭円錐状表面（２６）の複数の矩形平坦部（６８）の各々に取り付けられる ことを特徴とする請求項１に記載のロータ組立体（１６）。 ８．前記接着剤が室温において硬化する材料（アームストロングＡ１２）である ことを特徴とする請求項７に記載のロータ組立体（１６）。 ９．前記接着剤が低温である程度の柔軟性を保つ性質を有することを特徴とする 請求項８に記載のロータ組立体（１６）。 １０．前記磁石（７０）が更に一対の側部（７４）を備え、これら側部が組立て 位置において隣接する磁石（７０）の間にギャップを形成することを特徴とする 請求項１に記載のロータ組立体（１６）。 １１．前記ギャツプ（７８）に接着剤が施されることを特徴とする請求項１０に 記載のロータ組立体（１６）。 １２．前記接着剤が室温において硬化する材料（アームストロングＡ１２）であ ることを特徴とする請求項１１に記載のロータ組立体（１６）。 １３．前記端フランジ（３０）の一つが前記シャフト（２４）と一体であること を特徴とする請求項１に記載のロータ組立体（１６）。 １４．截頭碓状取付け表面（２６）を有するシャフト（２４）、複数の磁石（７ ０）、カバー（８０）及び一対の端フランジ（３０）を有するロータ組立体（１ ６）を製造する方法であって： 複数の磁石（７０）をシャフト（２４）の截頭円堆状取付け表面（２６）に取り 付け； カバー（８０）を前記複数の磁石（７０）の回りに配置し；端フランジ（３０） の少なくとも一つを前記シャフト（２４）に取り付けるステップからなるロータ 組立体（１６）製造方法。 １５．複数の磁石（７０）をシャフト（２４）の截頭円錐状取付け表面（２６） に取り付ける前記ステップが、前記截頭円錐状取付け表面（２６）に接着剤を塗 布し、前記複数の磁石（７０）と前記シヤフト（２４）の間に接着剤を加圧する ステップを含むことを特徴とする請求項１４に記載のロータ組立体（１６）製造 方法。 １６．複数の磁石（７０）をシャフト（２４）の截頭円錐状取付け表面（２６） に取り付ける前記ステップが、隣接する磁石（７０）の間に形成されるギャップ に接着剤を適用するステップを含むことを特徴とする請求項１５に記載のロータ 組立体（１６）製造方法。 １７．複数の磁石（７０）の回りにカバー（８０）を配置する前記ステップが、 前記磁石（７０）に潤滑を施すステップを含むことを特徴とする請求項１４に記 載のロータ組立体（１６）製造方法。 １８．複数の磁石（７０）の回りにカバー（８０）を配置する前記ステップが、 前記シャフト（２４）に前記複数の磁石（７０）を取り付けるために、前記カバ ー（８０）にプレストレスを加えるステップを含むことを特徴とする請求項１７ に記載のロータ組立体（１６）製造方法。 １９．複数の磁石（７０）の回りにカバー（８０）を配置する前記ステップが、 前記磁石（７０）が取り付けられた前記シャフト（２４）上に、前記カバー（８ ０）を圧入するステップを含むことを特徴とする請求項１７に記載のロータ組立 体（１６）製造方法。 ２０．シャフト（２４）に端フランジ（３０）を取り付ける前記ステップが、少 なくとも一つの前記端フランジ（３０）を熱し、前記端フランジを前記シャフト （２４）上に圧入するステップを含むことを特徴とする請求項１４に記載のロー タ組立体（１６）製造方法。