WO2016051568A1 - 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

回転電機の回転子及び回転電機の回転子の製造方法 Download PDF

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rotor
permanent magnet
core
rotating electrical
electrical machine
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由晴 ▲高▼島
佳樹 岡田
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三菱電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/28—Means for mounting or fastening rotating magnetic parts on to, or to, the rotor structures
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
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    • H02K1/2706—Inner rotors
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    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/278—Surface mounted magnets; Inset magnets
    • H02K1/2781—Magnets shaped to vary the mechanical air gap between the magnets and the stator
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/02—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
    • H02K15/03—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies having permanent magnets

Definitions

  • the present invention relates to a rotor for a rotating electrical machine in which a permanent magnet is disposed on the outer peripheral surface of a core of the rotor and a method for manufacturing the rotor for the rotating electrical machine.
  • Rotating electrical machines have two types of driving methods, “synchronous” and “inductive”, and the rotating electrical machines for industrial use often use robust and strong inductive rotating electrical machines.
  • synchronous Induction rotating electrical machine
  • inductive since a current also flows in the rotor in principle, heat generation of the rotor due to the current becomes a problem in increasing efficiency and output. Therefore, application of the synchronous rotating electrical machine to the rotating electrical machine for industrial use is progressing.
  • the synchronous rotating electric machine uses a permanent magnet for the rotor field, the rotor does not generate heat theoretically, which is advantageous in terms of higher efficiency and higher output.
  • the problem of heat generation due to harmonic loss due to the separation of permanent magnets due to centrifugal force during rotation and the carrier of inverter PWM (Pulse Width Modulation) control It is necessary to deal with it.
  • the harmonic loss is specifically a loss due to the harmonic eddy current.
  • Patent Document 1 permanent magnets are attached to the outer periphery of the rotor shaft at regular intervals, and a sprayed film ring is formed on the outer surface of the permanent magnet and the rotor shaft, so that the rotor can be rotated.
  • a structure that suppresses separation of the permanent magnet due to centrifugal force has been proposed.
  • Patent Document 2 proposes a structure that suppresses heat generation due to harmonic loss caused by the carrier of the inverter PWM control during rotation by spraying a conductive metal on the rotor surface.
  • JP-A-4-101640 Japanese Patent No. 2977846
  • the sprayed film ring is formed on the outer surface of the permanent magnet and the rotor shaft, it is possible to suppress the heat generation of the permanent magnet itself, but by metal spraying.
  • the formed sprayed film ring generates heat due to harmonic loss. Therefore, the temperature of the permanent magnet rises due to heat generated by the sprayed film ring, and the permanent magnet may be thermally demagnetized.
  • metal spraying is a method of forming a sprayed film ring by melting and spraying a conductive metal, and the sprayed film ring formed by metal spraying is not a little thermally deteriorated. For this reason, the conductivity of the sprayed film ring decreases due to the thermal deterioration, and thus the loss due to the harmonic eddy current generated in the permanent magnet increases, and the heat generation suppression effect may be reduced. In addition, since the sprayed film ring contains an oxide, it lacks reliability in terms of securing strength.
  • the conductive coating formed by the metal spraying is not a little thermally deteriorated. For this reason, the electrical conductivity of the conductive film decreases due to the thermal degradation, so that the loss due to the harmonic eddy current generated in the rotor increases and the heat generation suppressing effect may be reduced. Moreover, since the said conductive film contains an oxide, it lacks reliability also in terms of ensuring strength.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a rotor of a rotating electrical machine capable of suppressing the separation of a permanent magnet due to centrifugal force during rotation and the temperature rise of the permanent magnet due to harmonic loss.
  • the rotor of the rotating electrical machine includes a cylindrical core, a permanent magnet attached to the outer peripheral surface of the core, and a solid-state conductor. And an annular film formed by spraying particles onto the core and the permanent magnet, and integrating the core and the permanent magnet.
  • Cross-sectional view of rotor of rotary electric machine according to Embodiment 1 1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a rotor before forming a film in the first embodiment.
  • Cross-sectional view showing the configuration of the rotor before forming a film in the first embodiment Schematic diagram illustrating the manufacturing process of the rotor of the rotating electrical machine according to the first embodiment.
  • Another schematic diagram showing the manufacturing process of the rotor of the rotating electrical machine according to the first embodiment The schematic diagram which shows the mode of the heat_generation
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a rotor 1 of a rotating electrical machine according to the present embodiment
  • FIG. 2 is a transverse sectional view of the rotor 1 of the rotating electrical machine according to the present embodiment.
  • the longitudinal sectional view shown in FIG. 1 is a sectional view of a section including the rotation center axis 2 of the rotor 1.
  • 2 is a cross-sectional view taken along a cross section orthogonal to the rotation center axis 2, and specifically, a cross-sectional view taken along the line II shown in FIG.
  • the rotor 1 includes a cylindrical core 3, a plurality of permanent magnets 4 affixed to the outer peripheral surface of the core 3, and solid-state conductor particles are the core 3 and A plurality of permanent magnets 4 are sprayed to form a core 3 and an annular coating 5 that integrates the plurality of permanent magnets 4.
  • the rotor 1 is a rotor of a surface permanent magnet (SPM: Surface Permanent Magnet) type synchronous rotating electric machine.
  • SPM Surface Permanent Magnet
  • the core 3 is formed of a laminated body or a cylindrical steel pipe in which a plurality of annular thin plates punched from electromagnetic steel sheets are laminated in the direction of the rotation center axis 2.
  • a core through hole 6 is formed in the core 3 so as to penetrate the core 3 in the direction of the rotation center axis 2.
  • the shaft 7 passes through the core through hole 6 and is fixed to the core 3.
  • the direction of the rotation center axis 2 is referred to as “axial direction”.
  • the plurality of permanent magnets 4 are arranged in the rotation direction of the rotor 1 on the outer peripheral surface of the core 3, and are respectively attached to the outer peripheral surface of the core 3 with an adhesive.
  • four permanent magnets 4 are arranged at equal intervals in the rotation direction.
  • the cross-sectional shape of the permanent magnet 4 is a crescent moon shape. That is, the permanent magnet 4 has an arc shape on both the inner peripheral surface and the outer peripheral surface.
  • the longitudinal cross-sectional shape of the permanent magnet 4 is a rectangular shape.
  • the axial length of the permanent magnet 4 is shorter than the axial length of the core 3.
  • the permanent magnet 4 is a rare earth magnet or a ferrite magnet.
  • the coating 5 is an annular coating that covers the core 3 and the plurality of permanent magnets 4. Specifically, the coating 5 covers all the outer surfaces of the plurality of permanent magnets 4 and covers the outer peripheral surface of the core 3 between the permanent magnets 4, thereby integrating the plurality of permanent magnets 4 and the core 3. .
  • the outer surface of the permanent magnet 4 is an outer peripheral surface of the permanent magnet 4 and an end surface in the axial direction.
  • the film 5 is formed by a cold spray method described later.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a configuration of the rotor 1a which is the rotor 1 before forming the film 5 in the present embodiment
  • FIG. 4 is a rotor before forming the film 5 in the present embodiment
  • 1 is a transverse cross-sectional view illustrating a configuration of a rotor 1a that is 1.
  • the longitudinal sectional view shown in FIG. 3 is a sectional view of a section including the rotation center axis 2.
  • 4 is a cross-sectional view taken along a cross section orthogonal to the rotation center axis 2, and specifically, a cross-sectional view taken along the line II-II shown in FIG.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a manufacturing process of the rotor of the rotating electrical machine according to the present embodiment.
  • FIG. 5 about the rotor 1, the longitudinal cross-sectional view similar to FIG. 1 is shown, and the same code
  • the rotor 1a is manufactured. That is, a plurality of permanent magnets 4 are attached to the outer peripheral surface of the core 3. Further, the shaft 7 is passed through the core through hole 6, and the shaft 7 is fixed to the core 3. The shaft 7 may be fixed to the core 3 before the permanent magnet 4 is pasted or after the permanent magnet 4 is pasted. The shaft 7 is fitted and fixed to the core 3 by any one of press fitting, shrink fitting, and cold fitting.
  • the cold spray device 10 accelerates the gas into which the gas particles 11 are supplied, the conductor particle supply unit 12 that supplies the conductor particles 15, and the gas into which the conductor particles 15 are charged to supersonic speed.
  • a Laval nozzle 13 is provided.
  • the Laval nozzle 13 is formed with a channel that expands toward the outlet at the tip.
  • the Laval nozzle 13 accelerates the gas to supersonic speed.
  • the gas flow rate is set to 500 m / s to 1000 m / s.
  • the flow rate of gas is not this limitation.
  • the gas is set at a temperature lower than the melting point of the conductor particles 15.
  • the gas can be nitrogen gas, helium gas, air, or a mixed gas thereof.
  • the gas is used at normal temperature or heated, and when the conductive particles 15 are formed from aluminum, the temperature of the gas is set in the range from normal temperature to 500 ° C.
  • the temperature of gas is not this limitation.
  • the particle diameter of the conductor particles 15 is 5 ⁇ m to 50 ⁇ m when the conductor particles 15 are made of aluminum.
  • the particle size of the conductor particle 15 is not this limitation.
  • the conductive particles 15 can be formed from a material having higher conductivity and thermal conductivity than the permanent magnet 4.
  • the conductor particles 15 can be formed from aluminum, an aluminum alloy, copper, or a copper alloy.
  • copper is pure copper, and the copper alloy can be chromium copper, Corson alloy, beryllium copper, or alumina dispersion strengthened copper.
  • the tip of the Laval nozzle 13 of the cold spray device 10 configured as described above is opposed to the outer peripheral surface of the core 3, and supersonic conductor particles 15 extend from the tip of the Laval nozzle 13 to the surface of the core 3 and the plurality of permanent magnets 4. Is sprayed.
  • the temperature of the gas is set to a temperature lower than the melting point of the conductor particles 15, the conductor particles 15 collide with and adhere to the surfaces of the core 3 and the plurality of permanent magnets 4 in the solid state.
  • the Laval nozzle 13 is arranged so that the tip thereof is directed toward the rotation center axis 2 and sprays the conductor particles 15 toward the outer peripheral surface of the core 3.
  • the Laval nozzle 13 can spray the conductor particles 15 while changing the posture from a state orthogonal to the rotation center axis 2 to a state parallel to the rotation center axis 2.
  • the spray angle which is an angle between the straight line parallel to the rotation center axis 2 and the axis of the Laval nozzle 13 is represented by ⁇ .
  • the spray angle ⁇ is 90 °.
  • the Laval nozzle 13 can be rotated around the rotation center axis 2.
  • the spray angle ⁇ is adjusted, and the Laval nozzle 13 is rotated around the rotation center axis 2 so that the surface of the core 3 and the plurality of permanent magnets 4 has a constant film thickness.
  • a film 5 can be formed.
  • the rotor 1 a may be rotated around the rotation center axis 2.
  • the film thickness of the coating 5 is not particularly limited, but can be set between 0.3 mm and 50 mm in order to maintain the strength of the coating 5 and the joining between members.
  • the joining between members is joining of the film 5 and the core 3 or the permanent magnet 4.
  • the film 5 is bonded to the core 3 and the plurality of permanent magnets 4.
  • the rotor 1 constitutes a synchronous rotating electric machine together with a stator (not shown), and the synchronous rotating electric machine includes an inverter that performs PWM control of a current flowing through the stator winding.
  • the rotor 1 receives a torque by a rotating magnetic field generated from the stator winding and rotates around the rotation center axis 2.
  • the plurality of permanent magnets 4 attached to the outer peripheral surface of the core 3 receive a centrifugal force as the rotor 1 rotates, but are separated from the core 3 by being integrated with the core 3 by the coating 5. Is suppressed. That is, the film 5 has a reinforcing effect that suppresses the peeling of the permanent magnet 4 from the core 3 due to the centrifugal force when the rotor 1 rotates.
  • a dense film 5 in which the enlargement of crystal grains is suppressed is formed.
  • the strength of the coating 5 is improved, and the core 3 and the plurality of permanent magnets 4 are reliably joined by the coating 5.
  • the conductor particles 15 are sprayed in a solid state, so that oxidation and thermal transformation of the coating 5 are suppressed. Thereby, embrittlement of the film 5 is suppressed and the strength of the film 5 is improved.
  • the coating 5 has no thermal contraction that occurs when the conductor is melted, and the gap formed between the different members can be suppressed. Thereby, the core 3 and the plurality of permanent magnets 4 are reliably joined by the coating 5.
  • the cold spray method since the thermal deterioration of the film 5 is suppressed, a decrease in the conductivity of the film 5 is suppressed. Thereby, at the time of inverter PWM control of the rotating electrical machine, the loss due to the harmonic eddy current generated in the coating 5 becomes larger than the loss due to the harmonic eddy current generated in the coating formed by conventional metal spraying, Since the loss due to the harmonic eddy current generated in the permanent magnet 4 is suppressed, heat generation in the permanent magnet 4 is suppressed, and the temperature rise of the permanent magnet 4 is suppressed.
  • a decrease in the thermal conductivity of the coating 5 is also suppressed, and the heat generated in the coating 5 can be efficiently released to the core 3, and the temperature of the permanent magnet 4 due to the heat generated in the coating 5. The rise is suppressed.
  • thermal demagnetization of the permanent magnet 4 is suppressed, and a decrease in efficiency of the rotating electrical machine is suppressed.
  • thermal strain and brittleness of the composition generated in the coating 5 by spraying, welding, or brazing can be suppressed, and further, it occurs by spraying, welding, or brazing. It is not necessary to provide a cooling time, and man-hours can be reduced.
  • the coating 5 is formed in a state where the shaft 7 is mounted on the core 3 in advance. Thereby, it can suppress that the conductor particle 15 fixes to the internal peripheral surface of the core 3, a process of removing the conductor particle 15 can be abbreviate
  • FIG. 6 is another schematic diagram illustrating a manufacturing process of the rotor of the rotating electrical machine according to the present embodiment.
  • the process of forming the film 5 using the cold spray device 10 is schematically shown in the same manner as FIG. 5, and the same components as those shown in FIG. Yes.
  • the shaft 7 is not fitted into the core through hole 6 and the core through hole 6 is in a hollow state, but in this case as well, using the cold spray device 10 as in the case of FIG. 5.
  • a film 5 can be formed.
  • the shaft 7 is fitted into the core through hole 6 after the coating 5 is formed.
  • the conductor particles 15 can be formed from a material having a higher conductivity than the permanent magnet 4. Thereby, the heat_generation
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a state of heat generation and heat dissipation in the rotor 1 due to harmonic eddy currents in the present embodiment.
  • Harmonic eddy currents 18 and harmonic eddy currents 19 are generated in the film 5 and the permanent magnet 4 by the harmonics resulting from the inverter PWM control carrier, respectively.
  • the loss due to the harmonic eddy current 18 and the loss due to the harmonic eddy current 19 change depending on the conductivity of the film 5 and the conductivity of the permanent magnet 4, and the loss is higher for materials with higher conductivity. Loss.
  • the loss due to the harmonic eddy current 18 generated in the film 5 is caused by the harmonic eddy current 19 generated in the permanent magnet 4. Bigger than. In other words, loss due to the harmonic eddy current 19 in the permanent magnet 4 can be further reduced, and heat generation in the permanent magnet 4 can be suppressed.
  • the conductor particles 15 can be formed of a material having a higher thermal conductivity than the core 3 and the permanent magnet 4.
  • the conductor particles 15 can be formed from aluminum, an aluminum alloy, copper, or a copper alloy.
  • the heat generated in the film 5 can be efficiently released to the core 3. Thereby, the temperature rise of the permanent magnet 4 due to the heat generated in the film 5 can be suppressed.
  • a material with high conductivity has high thermal conductivity.
  • the conductive particles 15 can be formed from a so-called highly rigid material.
  • the conductor particles 15 can be formed from titanium, stainless steel, or a copper alloy.
  • the stainless steel is an austenitic stainless steel.
  • the conductive particles 15 can be formed from a nonmagnetic material.
  • the conductor particles 15 can be formed from a nonmagnetic material.
  • leakage magnetic flux can be suppressed and output reduction of the rotating electrical machine can be suppressed.
  • the above-described aluminum, aluminum alloy, copper, copper alloy, titanium, and stainless steel are all non-magnetic materials.
  • the shape of the permanent magnet 4 shown in FIGS. 1 and 2 is an example, and is not limited to the illustrated example.
  • the cross-sectional shape of the permanent magnet 4 may be an arc with a constant radial thickness.
  • Each permanent magnet 4 may be composed of a plurality of magnets divided in the axial direction.
  • the present embodiment it is possible to suppress the separation of the permanent magnet 4 due to the centrifugal force during the rotation of the rotor 1 and the temperature rise of the permanent magnet 4 due to harmonic loss. Moreover, according to this Embodiment, the rotary electric machine provided with the rotor 1 and the electric equipment provided with the said rotary electric machine can be provided.
  • FIG. 8 is a longitudinal sectional view of a rotor 1 of a rotating electrical machine according to a modification of the present embodiment
  • FIG. 9 is a transverse sectional view of the rotor 1 of the rotating electrical machine according to a modification of the present embodiment
  • the longitudinal sectional view shown in FIG. 8 is a sectional view of a section including the rotation center axis 2 of the rotor 1.
  • the transverse sectional view shown in FIG. 9 is a sectional view taken along a section orthogonal to the rotation center axis 2 and specifically, a sectional view taken along the line III-III shown in FIG.
  • FIG. 8 and FIG. 9 the same components as those shown in FIG. 1 and FIG.
  • the rotor 1 As shown in FIGS. 8 and 9, the rotor 1 according to this modification includes a cylindrical core 3, a cylindrical permanent magnet 4 a attached to the outer peripheral surface of the core 3, and a solid state conductor. Particles are formed by spraying the core 3 and the permanent magnet 4a, and an annular coating 5 that integrates the core 3 and the permanent magnet 4a is provided.
  • the permanent magnet 4a is composed of one cylindrical magnet. Further, the permanent magnet 4a is attached to the outer peripheral surface of the core 3 with an adhesive. Further, the axial length of the permanent magnet 4 a is shorter than the axial length of the core 3.
  • the coating 5 can be formed using the cold spray device 10 in the same manner as in FIG.
  • the coating 5 covers the entire outer surface of the permanent magnet 4a and covers the outer peripheral surface of the core 3 on both sides in the axial direction of the permanent magnet 4a.
  • the outer surface of the permanent magnet 4a is the outer peripheral surface of the permanent magnet 4a and the end surface in the axial direction.
  • the permanent magnet 4a formed in a cylindrical shape may be broken by receiving a centrifugal force when the rotor 1 rotates.
  • the permanent magnet 4a is integrated with the core 3 by the film 5
  • the permanent magnet 4a is temporarily broken and the permanent magnet 4a is divided in the rotation direction of the rotor 1. Even when it becomes, it is suppressed that the magnet piece divided
  • the rotation of the rotor 1 When the permanent magnet 4a that has been subjected to centrifugal force sometimes breaks and the permanent magnet 4a is divided in the rotational direction of the rotor 1, the magnet pieces that are divided in the rotational direction due to cracking are subjected to centrifugal force. There is a possibility of peeling from the core 3.
  • the rotor 1 according to the present modification can be manufactured by the same manufacturing method as in the above-described embodiment.
  • the permanent magnet 4a may be composed of a plurality of magnets divided in the axial direction, and in this case as well, the same effects as in the present modification can be obtained.
  • FIG. FIG. 10 is a longitudinal sectional view of the rotor 1 of the rotating electrical machine according to the present embodiment
  • FIG. 11 is a transverse sectional view of the rotor 1 of the rotating electrical machine according to the present embodiment.
  • the longitudinal sectional view shown in FIG. 10 is a sectional view of a section including the rotation center axis 2 of the rotor 1.
  • the transverse sectional view shown in FIG. 11 is a sectional view taken along a section orthogonal to the rotation center axis 2 and specifically, a sectional view taken along the line IV-IV shown in FIG. 10 and 11, the same components as those shown in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
  • the rotor 1 includes a cylindrical core 3, a plurality of permanent magnets 4 affixed to the outer peripheral surface of the core 3, and solid-state conductor particles are the core 3 and An annular coating 5 that is formed by spraying the plurality of permanent magnets 4 and integrates the core 3 and the plurality of permanent magnets 4 and an annular reinforcing member 21 that covers the outer peripheral surface of the coating 5 are provided.
  • the permanent magnets 4 are arranged in the rotation direction of the rotor 1 on the outer peripheral surface of the core 3.
  • the film 5 is formed using the cold spray method as described in the first embodiment.
  • the inner peripheral surface of the reinforcing member 21 is in contact with the outer peripheral surface of the coating 5 over the entire periphery.
  • the reinforcing member 21 has an annular cross section, and the outer peripheral shape of the coating 5 is circular, and the radius of the inner peripheral circle of the reinforcing member 21 is equal to the radius of the outer peripheral circle of the coating 5.
  • the rotor 1 is manufactured by attaching a plurality of permanent magnets 4 to the outer peripheral surface of the core 3 to form the coating 5 and then arranging a reinforcing member 21 covering the coating 5 on the outer peripheral surface of the coating 5.
  • the reinforcing member 21 can be disposed on the outer peripheral surface of the film 5 by any one of press fitting, shrink fitting, and cold fitting to the core 3 on which the film 5 is formed. After arranging the reinforcing member 21 on the outer peripheral surface of the film 5, the shaft 7 is attached to the core 3 by any one of press fitting, shrink fitting, and cold fitting, and the core 3 is attached from the inner peripheral surface side of the core 3.
  • the reinforcing member 21 can be disposed on the outer peripheral surface of the coating 5 by being directly wound around the core 3 on which the coating 5 is formed.
  • the reinforcing member 21 can be formed of a so-called highly rigid material.
  • the reinforcing member 21 can be formed of carbon fiber reinforced plastic (CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics), glass fiber reinforced plastic (GFRP: Glass Fiber Reinforced Plastics), titanium, or stainless steel.
  • CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastics
  • GFRP Glass Fiber Reinforced Plastics
  • titanium or stainless steel.
  • the stainless steel is an austenitic stainless steel.
  • the reinforcing member 21 is formed of CFRP or GFRP
  • the reinforcing member 21 can be formed by directly winding a CFRP or GFRP fiber bundle or a tape-like fiber around the core 3 on which the film 5 is formed.
  • the reinforcing member 21 can be formed of a nonmagnetic material. Thereby, the output fall of the rotary electric machine by leakage magnetic flux can be suppressed.
  • CFRP CFRP
  • GFRP GFRP
  • titanium titanium
  • stainless steel are all non-magnetic materials.
  • the reinforcing effect of suppressing the separation of the permanent magnet 4 due to the centrifugal force during rotation can be further enhanced.
  • the reinforcing member 21 has an annular cross section, the outer peripheral shape of the coating 5 is circular, and the radius of the inner peripheral circle of the reinforcing member 21 is equal to the radius of the outer peripheral circle of the coating 5.
  • the inner peripheral surface of the member 21 is in contact with the outer peripheral surface of the coating 5 over the entire periphery.
  • the reinforcing member 21 comes into contact with the coating 5 on the surface, and the centrifugal force during the rotation of the rotor 1 is uniformly applied to the reinforcing member 21. For this reason, stress concentration in the reinforcing member 21 is suppressed and the required strength is reduced, so that the cost of the reinforcing member 21 can be reduced.
  • the shape of the reinforcing member 21 is an example, and is not limited to the illustrated example.
  • the outer peripheral shape of the film 5 may be a shape other than a circular shape, and the inner peripheral shape of the reinforcing member 21 may be the same shape as the outer peripheral shape of the film 5. Further, the inner peripheral surface of the reinforcing member 21 and the outer peripheral surface of the coating 5 may not be in contact with each other, and a part of the inner peripheral surface of the reinforcing member 21 and a part of the outer peripheral surface of the coating 5 may be in contact with each other. .
  • the reinforcing member 21 by forming the reinforcing member 21 from CFRP, GFRP, titanium, or stainless steel, it is possible to further enhance the reinforcing effect of suppressing the separation of the permanent magnet 4 due to centrifugal force during rotation, and to suppress leakage magnetic flux. Thus, it is possible to suppress a decrease in output of the rotating electrical machine.
  • this Embodiment can also be applied to the single cylindrical permanent magnet 4a shown in FIG.8 and FIG.9.
  • FIG. 12 is a longitudinal sectional view of the rotor 1 of the rotating electrical machine according to the present embodiment.
  • the longitudinal sectional view shown in FIG. 12 is a sectional view of a section including the rotation center axis 2 of the rotor 1.
  • the cross-sectional view taken along line VV shown in FIG. 12 is the same as FIG. In FIG. 12, the same components as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
  • the rotor 1 As shown in FIG. 12, the rotor 1 according to the present embodiment is affixed to a cylindrical core 3 and an outer peripheral surface of the core 3, and is divided in the axial direction and the rotational direction.
  • a plurality of permanent magnets 4 chamfered at both ends in the direction and solid-state conductive particles are sprayed onto the core 3 and the plurality of permanent magnets 4 so that the core 3 and the plurality of permanent magnets 4 are integrated.
  • an annular film 5 to be converted the permanent magnet 4 is divided into two axially divided into a permanent magnet 4b having chamfered 30 at both ends in the axial direction and a permanent magnet 4c having chamfered 30 at both ends in the axial direction. Yes.
  • the permanent magnet 4 b is divided into four in the rotation direction of the rotor 1.
  • the permanent magnet 4c is also divided into four in the rotational direction of the rotor 1 like the permanent magnet 4b.
  • FIG. 13 is a longitudinal sectional view showing the adhesion of the conductor particles 15 to the rotor 1 according to the present embodiment.
  • the longitudinal sectional view shown in FIG. 13 is a sectional view of a section including the rotation center axis 2 of the rotor 1, and shows a part of the configuration of the rotor 1 shown in FIG.
  • the same components as those shown in FIG. 12 are denoted by the same reference numerals.
  • permanent magnets 4 b and 4 c are attached to the outer peripheral surface of the core 3.
  • the permanent magnets 4b and 4c are arranged in the axial direction and are arranged at a distance from each other. Further, a chamfer 30 is applied to each end of the permanent magnet 4b in the axial direction. Similarly, a chamfer 30 is applied to each end of the permanent magnet 4c in the axial direction.
  • the coating 5 is formed by attaching the conductive particles 15 sprayed from the Laval nozzle 13 of the cold spray device 10 to the surfaces of the core 3 and the permanent magnets 4b and 4c.
  • FIG. 14 is a longitudinal sectional view showing the adhesion of the conductor particles 15 to the rotor 1 having a square magnet end in the comparative example of the present embodiment.
  • the longitudinal sectional view shown in FIG. 14 is a sectional view of a section including the rotation center axis 2 of the rotor 1.
  • the same components as those shown in FIG. 12 are denoted by the same reference numerals.
  • permanent magnets 4 d and 4 e are attached to the outer peripheral surface of the core 3.
  • the permanent magnets 4d and 4e are arranged in the axial direction and are arranged at a distance from each other.
  • the permanent magnet 4d is not chamfered, and a right-angled corner is formed at each axial end of the permanent magnet 4d.
  • the permanent magnet 4e is not chamfered, and a right-angled corner is formed at each axial end of the permanent magnet 4e.
  • the coating 5 is formed by the conductive particles 15 sprayed from the Laval nozzle 13 of the cold spray device 10 being attached to the surfaces of the core 3 and the permanent magnets 4d and 4e.
  • the conductor particles 15 are less likely to adhere to the end surfaces of the end portions in the axial direction of the permanent magnet 4d.
  • the conductor particles 15 are less likely to adhere to the end surfaces of the end portions in the axial direction of the permanent magnet 4e. Therefore, the film 5 is divided between the permanent magnets 4d and 4e, and an adhesion defect in which the film 5 does not continue is likely to occur.
  • the end surfaces of the end portions are inclined with respect to the direction orthogonal to the axial direction, and the coating 5 is formed by a cold spray method.
  • the adhesion of the conductor particles at each end is improved, and the production efficiency of the coating 5 can be improved.
  • the permanent magnet 4 is divided into two parts in the axial direction, but may be divided into three or more parts. Even in this case, the same effect as in the present embodiment can be obtained by chamfering 30 at the corners of each end of the divided magnet.
  • the permanent magnet 4 is divided in the axial direction, but may be integrated in the axial direction. Even in this case, the same effects as in the present embodiment can be obtained by chamfering 30 at the corners of each end of the permanent magnet 4 in the axial direction.
  • the permanent magnet 4 is divided into four in the rotation direction of the rotor 1.
  • the present embodiment The same effect as the form can be obtained.
  • the permanent magnet 4 was divided
  • the cross-sectional shape of the permanent magnet 4 is a crescent shape as shown in FIG.
  • the adhesion of the conductor particles at each end of the permanent magnet 4 in the rotation direction of the rotor 1 is improved.
  • chamfering 30 is applied to the corners of each end portion in the rotation direction of the permanent magnet 4 to rotate the permanent magnet 4. The adhesion of the conductor particles at each end in the direction is also improved.
  • FIG. 15 is a longitudinal sectional view of the rotor 1 of the rotating electrical machine according to the present embodiment.
  • the longitudinal sectional view shown in FIG. 15 is a sectional view of a section including the rotation center axis 2 of the rotor 1.
  • the cross-sectional view taken along the line VI-VI shown in FIG. 15 is the same as FIG. In FIG. 15, the same components as those shown in FIG.
  • the rotor 1 includes a cylindrical core 3 having a metal coating 35a on the outer peripheral surface, a metal coating 35a applied to the outer peripheral surface of the core 3, and a metal coating 35b on the surface.
  • a metal coating 35a on the outer peripheral surface
  • a metal coating 35a applied to the outer peripheral surface of the core 3
  • a metal coating 35b on the surface.
  • the metal coatings 35a and 35b are each formed of a metal material having higher adhesion of conductor particles than the core 3 and the plurality of permanent magnets 4.
  • the metal coatings 35a and 35b can be formed from nickel, copper, or aluminum.
  • the core 3 is made of an electromagnetic steel plate, and the permanent magnet 4 is a rare earth magnet or a ferrite magnet.
  • a metal coating 35 a having better adhesion of conductor particles than the core 3 is applied to the outer peripheral surface of the core 3, and a metal coating 35 b having better adhesion of conductor particles than the permanent magnet 4 is applied to the surface of the permanent magnet 4.
  • the production efficiency of the film 5 can be improved.
  • the production efficiency of the film 5 is improved, the speed of the conductor particles at the time of spraying can be reduced.
  • the gas used for spraying the conductor particles can have a higher molecular weight, it is possible to change from expensive helium to cheaper nitrogen or air. Therefore, the manufacturing cost of the film 5 can be reduced.

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Abstract

　円筒形状のコア３と、コア３の外周面に貼り付けられた永久磁石４と、固相状態の導体粒子がコア３及び永久磁石４に吹き付けられて形成され、コア３及び永久磁石４を一体化する環状の皮膜５とを備えた回転電機の回転子１を提供する。これにより、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の温度上昇を抑制可能になる。

Description

回転電機の回転子及び回転電機の回転子の製造方法
　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 (14)

  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請求項１又は２に記載の回転電機の回転子。
  4. 　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３に記載の回転電機の回転子。
  5. 　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４に記載の回転電機の回転子。
  6. 　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又は２に記載の回転電機の回転子。
  7. 　前記導体粒子は、チタン、ステンレス、又は銅合金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。
  9. 　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８に記載の回転電機の回転子。
  10. 　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９のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
  11. 　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１０のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
  12. 　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１１に記載の回転電機の回転子。
  13. 　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、
    　を含むことを特徴とする回転電機の回転子の製造方法。
  14. 　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１３に記載の回転電機の回転子の製造方法。
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