JP2008187828A - 永久磁石型回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータコアの外周面に配置された永久磁石を保持するとともに、永久磁石と対応する軟磁性相の部分と軟磁性相の部分に挟まれた非磁性相の部分とを交互に有する保持環の製造及び保持環のロータコアに対する組み付けが容易な永久磁石型回転電機の回転子を提供する。
【解決手段】回転子１４は、ロータコア１５の外周面に複数個の永久磁石１７が配置されるとともに、永久磁石１７の外周面に接触する状態で配置される保持環１８を備えている。保持環１８は、オーステナイト系ステンレス鋼製の円環に部分的に塑性加工を施して永久磁石１７と対応する部分１８ａが軟磁性相を成し、隣接する永久磁石１７の間と対応する部分１８ｂが非磁性相を成すように構成されている。保持環１８は部分１８ｂにおいてロータコア１５の外周面に溶接により固定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石型回転電機の回転子に関する。

永久磁石型回転電機の回転子として、ロータ鉄心の外周面に永久磁石を接着したものがある。永久磁石を単にロータ鉄心の外周面に接着しただけでは、接着剤が高速回転時の遠心力の引っ張り力に耐えることができず、永久磁石が飛散する虞がある。永久磁石の飛散を防止するため、非磁性材で形成された保持環を永久磁石の外周面に嵌め込んで永久磁石をロータ鉄心に固定している。

保持環に非磁性材を使用した場合には、保持環は磁気的には空隙として作用する。そのため、保持環の厚さを厚くすると固定子（ステータ）との間隙（空隙）が大きくなったことと同じになり、トルク減少等電動機特性として好ましくない。一方保持環に鋼等の強磁性材を使用した場合には、磁極から保持環を伝って隣の磁極へ流れる漏れ磁束が多くなり、そのため主磁束の量が減ってやはりトルクの減少をもたらす。

このような問題を解消するため、永久磁石の外周を囲む保持環が冷間加工によって強磁性を示すオーステナイト鋼よりなり、冷間加工後にその一部を加熱して、部分的にほぼ非磁性相のみとした回転子（ロータ）が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に記載のロータは、図４に示すように、ロータ継鉄３１の周囲に永久磁石３２が取り付けられ、その周囲に保持環３３が取り付けられている。保持環３３はオーステナイトステンレス鋼の厚肉パイプを切断して素材とし、冷間加工を加えて所定のリング寸法とするとともに、保持環３３の磁極間に位置する部分３３ａがレーザー照射による加熱によって非磁性とされている。
特開平６−１３３４８０号公報

特許文献１に記載の回転子の保持環３３を形成する場合は、冷間加工を加えて所定のリング寸法に形成された強磁性のパイプに、非磁性部分を形成するためにレーザー等で加熱焼鈍する熱加工工程が必要になる。その際、局部加熱を加えて部分的に非磁性化する場合、熱影響によってパイプ（管）が歪むことが懸念される。

また、保持環３３が凹凸の無い円管で、永久磁石３２の外側に嵌合されているだけの構成では、強磁性相と非磁性相とが見かけ上同じため、保持環３３を組み付ける際、保持環３３の強磁性相が永久磁石３２と対応しない状態で組み付けられる虞がある。また、保持環３３の強磁性相が永久磁石３２と対応する状態で組み付けられた場合でも、保持環３３と永久磁石３２とが回転子の周方向に相対移動して、保持環３３の強磁性相が永久磁石３２と対応しない位置にずれる虞がある。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、ロータコアの外周面に配置された永久磁石を保持するとともに、永久磁石と対応する軟磁性相の部分と軟磁性相の部分に挟まれた非磁性相の部分とを交互に有する保持環の製造及び保持環のロータコアに対する組み付けが容易な永久磁石型回転電機の回転子を提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、ロータコアの外周面に複数個の永久磁石が配置されるとともに、前記永久磁石の外周面に接触する状態で配置される保持環を備えた永久磁石型回転電機の回転子である。そして、前記保持環は、オーステナイト系ステンレス鋼製の円環に部分的に塑性加工を施して前記永久磁石と対応する部分が軟磁性相を成し、隣接する永久磁石の間と対応する部分が非磁性相を成すように構成されている。

この発明では、保持環は、オーステナイト系ステンレス鋼製の円環（パイプ）に部分的に塑性加工を施して形成されたものが用いられる。円環は塑性加工が施された部分が軟磁性相になり、塑性加工を施さない部分は非磁性相を保持する。したがって、従来技術と異なり、一度強磁性相にした部分を再び非磁性相に戻すという無駄な処理が不要になる。また、保持環の製造に際して、従来技術と異なり、強磁性相にした部分を再び非磁性相に戻す処理として、部分的に加熱処理を行う必要がないため、熱影響で保持環が歪む懸念もない。また、この発明では、円環（パイプ）に部分的に塑性加工が施されることにより、塑性加工が施された部分は、塑性加工が施されない部分に対して円環の中心からの距離が異なる状態になる。したがって、従来技術と異なり、軟磁性相の部分と非磁性相の部分とを簡単に見分けることができ、保持環を組み付ける際に、軟磁性相の部分を永久磁石と対応させた状態で簡単に組み付けることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記塑性加工が施された部分が前記円環の外側に向かって膨出する膨出部として形成されており、前記永久磁石はその膨出部と係合して前記保持環に対する前記ロータコアの周方向への相対移動が規制された状態で、前記保持環により前記ロータコアの外周面に固定されている。この発明では、保持環を組み付ける際、膨出部が永久磁石を覆うように組み付けることにより、自動的に軟磁性相の部分が永久磁石と正確に対応した状態で組み付けることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記保持環は、前記非磁性相の部分において前記ロータコアの外周面に溶接により固定されている。
保持環を永久磁石の外側に嵌合しただけの構成では、保持環の肉厚が薄いと強度不足で、高速回転時に遠心力に負けて保持環が緩む方向に変形する虞がある。一方、保持環の肉厚が厚過ぎる場合は、緩みが出るような変形は防止できるが、保持環を構成する強磁性ステンレスはロータコアや固定子（ステータ）の材料である電磁鋼板やケイ素鋼板に比較すると磁気抵抗が高く、結果的に回転トルクが低下するという問題がある。しかし、この発明では、保持環がロータコアに溶接で固定されているため、保持環の厚さを薄くしても回転子が回転電機に組み立てられて使用された状態において、高速回転時の遠心力により緩みが出るように変形するのを防止することができる。そのため、保持環の厚さを薄くすることによって永久磁石と固定子間の磁気抵抗をより小さくすることができ、トルクを向上させることができる。

本発明によれば、ロータコアの外周面に配置された永久磁石を保持するとともに、永久磁石と対応する軟磁性相の部分と軟磁性相の部分に挟まれた非磁性相の部分とを交互に有する保持環の製造及び保持環のロータコアに対する組み付けが容易な永久磁石型回転電機の回転子を提供することができる。

以下、本発明を永久磁石型回転電機としての表面磁石型電動機に具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。
図１に示すように、固定子（ステータ）１１は、円筒状で内側に複数のティース１２が等間隔で設けられている。ティース１２にはコイル（巻線）１３が巻かれている。コイル１３の巻き付け方法は分布巻であっても集中巻であってもよい。

固定子１１の内側には、回転子（ロータ）１４が配置されている。回転子１４は、電磁鋼板等の高透磁率材からなる円板状の電磁鋼板を複数枚（例えば数十枚）積層したロータコア１５と、ロータコア１５の中心に貫挿されたロータ軸（回転軸）１６とを備えている。電磁鋼板同士は、必要に応じて接着剤等で一体固着されている。そして、回転子１４は、ロータコア１５の外周面がティース１２と所定の間隔を置いた状態で、図示しないハウジングの軸受けにロータ軸１６を介して回転可能に支持されている。

ロータコア１５の外周面には、断面形状がロータコア１５の回転中心を中心とする円弧状の永久磁石１７が複数個（この実施の形態では６個）、周方向に等間隔を置いて配置されている。各永久磁石１７は、永久磁石１７の外周面に接触する状態で配置された保持環１８でロータコア１５に固定されている。永久磁石１７としては、他の永久磁石に比較して磁力の強い希土類磁石が使用され、この実施形態ではネオジウム−鉄−ホウ素磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石）が使用されている。

保持環１８は、オーステナイト系ステンレス鋼製の円環に部分的に塑性加工を施して、永久磁石１７と対応する部分１８ａが軟磁性相を成し、隣接する永久磁石１７の間と対応する部分１８ｂが非磁性相を成すように構成されている。保持環１８は、塑性加工が施された部分１８ａが円環の外側に向かって膨出する膨出部として形成されており、永久磁石１７はその膨出部と係合して保持環１８に対するロータコア１５の周方向への相対移動が規制された状態で、保持環１８によりロータコア１５の外周面に固定されている。保持環１８は、その厚さが、保持環１８を単に永久磁石１７の外側に嵌合した状態では高速回転時の遠心力により緩みが出るような変形が生じるような薄さに形成されている。ロータコア１５は隣接する永久磁石１７の間と対応する箇所に凸部１５ａが形成されており、保持環１８はロータコア１５の凸部１５ａに対して非磁性相の部分１８ｂにおいて溶接により固定されている。

次に前記のように構成された回転子１４の製造方法を説明する。
先ず保持環１８の製造方法を説明する。保持環１８を製造する場合は、オーステナイト系ステンレス鋼製の円環（パイプ）を準備し、内側からロール加工により、所望の箇所に塑性加工を施す。例えば、図２に示すように、凹部２０ａを備えた金型２０を用いて、オーステナイト系ステンレス鋼製の円環（パイプ）２１の内側の所定位置に、ロール２２で押圧処理を行う。所定位置とは、円環２１が保持環１８に形成された状態で、ロータコア１５の外周面に配置された永久磁石１７の外側に配置される際に、永久磁石１７と対応する部分である。この実施形態では回転子１４は、永久磁石１７を６個有するため、円環２１の周方向に沿って所定間隔を置いて６箇所にロール２２によるロール加工が行われる。

円環２１は、ロール加工が施された部分の周方向長さが長くなるため、径方向に膨らみ、凹部２０ａで膨張量が規制されて、永久磁石１７の幅（ロータコア１５の周方向に対応する長さ）と同じ幅の膨出部として部分１８ａが形成される。膨出部は加工誘起変態して軟磁性化される。そして、６箇所のロール加工が終了すると、周方向に軟磁性相の部分１８ａと非磁性相の部分１８ｂとが交互に所定間隔で存在する保持環１８が完成する。

また、周縁に所定間隔で凸部を有する略円板状の電磁鋼板を複数枚（例えば数十枚）積層して、外周面における周方向に等間隔で凸部１５ａを有する高透磁率材からなるロータコア１５を形成する。そして、ロータコア１５の外周面に複数個の永久磁石１７を、各永久磁石１７が凸部１５ａの間に位置するように周方向に等間隔で配置する。永久磁石１７はその磁力でロータコア１５の外周面に吸着する。

そして、外周面に永久磁石１７が吸着されたロータコア１５に対して、保持環１８を部分１８ａが永久磁石１７と対応する状態に配置して、保持環１８を非磁性相の部分１８ｂにおいてロータコア１５の凸部１５ａに溶接する。溶接は、溶接後の残留応力や歪みによる加工誘起変態磁化を最小限に抑えるために、電子ビーム溶接やパルスレーザー溶接等のように入熱が小さく、しかも深溶け込みの溶接を行うのが良い。このようにすれば、部分１８ｂの磁化は溶接ビード付近だけの最小限となり、ビームから少し離れた箇所は非磁性のオーステナイト組織のままであるので、局部磁気焼鈍のような部分的熱処理は不要で、ビーム溶接部分だけ軽く後熱して冷却割れを防止すればよい。以上により回転子１４の製造が完了する。

次に前記のように構成された電動機の作用を説明する。
電動機が負荷状態で駆動される場合は、固定子１１のコイル１３に通電されて回転子１４に回転磁界が作用する。そして、回転磁界と永久磁石１７の磁束との作用により回転子１４が回転する。高速回転時における永久磁石１７の飛散を防止するための保持環１８全体が非磁性体（非磁性材）で形成されている場合は、保持環１８は磁気的には空隙として作用し、固定子１１（ティース１２）と永久磁石１７との間隙（空隙）が大きくなったことと同じになり、トルク減少等電動機特性が低下する。一方、保持環１８全体が強磁性体で形成されている場合は、磁極から保持環１８を伝って隣の磁極へ流れる漏れ磁束が多くなり、そのため主磁束の量が減ってやはりトルクの減少をもたらす。

しかし、この実施形態では保持環１８は、永久磁石１７と対応する部分１８ａが軟磁性相として構成され、かつ軟磁性体の間に非磁性相の部分１８ｂが存在する。したがって、固定子１１と永久磁石１７との間の磁気抵抗が小さくなる。そのため、永久磁石１７から出て固定子１１に向かう磁束の量が多くなり、トルクが向上する。そして、保持環１８が、溶接によりロータコア１５に固着されているため、保持環１８の厚さを薄くしても、回転子１４の高速回転時の遠心力により保持環１８に緩みが出るように変形することが防止される。そのため、保持環１８の厚さを薄くすることによって永久磁石１７と固定子１１間の磁気抵抗をより小さくすることができ、トルクを向上させることができる。また、軟磁性相の部分１８ａが非磁性相の部分１８ｂで区画されているため、磁極から出た磁束の一部が保持環１８を伝って隣の磁極へ流れる漏れ磁束となるのが抑制される。その結果、主磁束の量が減るのが抑制されてトルクの向上に寄与する。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）回転子１４は、ロータコア１５の外周面に複数個の永久磁石１７が配置されるとともに、永久磁石１７の外周面に接触する状態で配置される保持環１８を備えており、保持環１８はオーステナイト系ステンレス鋼製で永久磁石１７と対応する部分１８ａが軟磁性相を成し、隣接する永久磁石１７の間と対応する部分１８ｂが非磁性相を成す。したがって、回転子１４が回転電機に組み立てられて使用された状態において、永久磁石１７と固定子１１間の磁気抵抗が保持環１８全体を非磁性体で形成した場合に比較して小さくなり、また、保持環１８全体を強磁性体で形成した場合に比較して磁極から出た磁束の一部が保持環１８を伝って隣の磁極へ流れる漏れ磁束となるのが抑制される。その結果、トルクを向上させることができる。

（２）保持環１８は、オーステナイト系ステンレス鋼製の円環（パイプ）２１に部分的に塑性加工を施して形成されたものが用いられ、塑性加工が施された部分が軟磁性相になり、塑性加工を施さない部分は非磁性相を保持する。したがって、塑性加工が施された部分１８ａは、塑性加工が施されない部分１８ｂに対して保持環１８の中心からの距離が異なる状態になる。したがって、従来技術と異なり、軟磁性相（強磁性相）の部分１８ａと非磁性相の部分１８ｂとを簡単に見分けることができ、保持環１８を組み付ける際に、軟磁性相の部分１８ａを永久磁石１７と対応させた状態で簡単に組み付けることができる。

（３）保持環１８は、塑性加工が施された部分１８ａが保持環１８の外側に向かって膨出する膨出部として形成されており、永久磁石１７はその膨出部と係合して保持環１８に対するロータコア１５の周方向への相対移動が規制された状態で、保持環１８によりロータコア１５の外周面に固定されている。したがって、保持環１８を組み付ける際、部分（膨出部）１８ａが永久磁石１７を覆うように組み付けることにより、自動的に軟磁性相の部分１８ａが永久磁石１７と正確に対応した状態で組み付けることができる。また、軟磁性相の部分１８ａ（膨出部）が保持環１８の内側に突出するように形成された場合に比較して、軟磁性相の部分１８ａとティース１２との間隙を小さくでき、トルクをより向上させることができる。

（４）保持環１８はロータコア１５に対して非磁性相の部分１８ｂにおいて溶接により固着されている。したがって、保持環１８の厚さを薄くしても回転子１４が回転電機に組み立てられて使用された状態において、高速回転時の遠心力により緩みが出るように変形するのを防止することができる。そのため、保持環１８の厚さを薄くすることによって永久磁石１７と固定子１１間の磁気抵抗をより小さくすることができ、トルクをより向上させることができる。

（５）ロータコア１５は周方向に一定間隔で凸部１５ａが形成され、保持環１８は部分１８ｂが凸部１５ａに溶接されるため、凸部１５ａを有しないロータコア１５に保持環１８を溶接する場合に比較して溶接を容易に行うことができる。凸部１５ａを有しないロータコア１５に部分１８ｂを溶接する場合は、保持環１８の部分１８ｂを内側に凸となるように加工する必要があるため保持環１８の加工が面倒になるが、そのような加工を行う必要がない。

（６）保持環１８をロータコア１５に溶接する際、電子ビーム溶接やパルスレーザー溶接等のように入熱が小さく、しかも深溶け込みの溶接を行う。したがって、部分１８ｂの磁化は溶接ビード付近だけの最小限となり、ビームから少し離れた箇所は非磁性のオーステナイト組織のままであるので、局部磁気焼鈍のような部分的熱処理は不要で、ビーム溶接部分だけ軽く後熱して冷却割れを防止すればよい。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 保持環１８を製造する場合、オーステナイト系ステンレス鋼製の円環２１の外側からロール加工により、所定位置にロール２２で押圧処理を行うようにしてもよい。この場合、図３に示すように、軟磁性相の部分１８ａは全体としては、ロール加工が施されない非磁性相の部分１８ｂより内側に位置する形状となるが、永久磁石１７の外周面と当接する領域は外側に凸の円弧面に形成される。したがって、この場合でも、保持環１８は、軟磁性相（強磁性相）の部分１８ａと非磁性相の部分１８ｂとを簡単に見分けることができ、保持環１８を組み付ける際に、軟磁性相の部分１８ａを永久磁石１７と対応させた状態で簡単に組み付けることができる。

○ 回転子１４の製造方法において、高透磁率材からなるロータコア１５の外周面に複数個の永久磁石１７を周方向に等間隔で接着するロータコアの準備は一連の製造工程の中で行う代わりに、ロータコア１５の外周面に複数個の永久磁石１７が周方向に等間隔で接着されたものを、予め準備あるいは購入するようにしてもよい。

○ 回転子１４の極数即ち永久磁石１７の数は６に限らない。
○ 永久磁石１７はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石に限らず、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石以外の希土類磁石（サマリウム−コバルト磁石）を使用したり、希土類磁石以外の磁石を使用したりしてもよい。しかし、希土類磁石を使用する方が、回転電機の小型化が容易になる。

○ 回転電機は電動機に限らず、発電機に適用してもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項３に記載の発明において、前記ロータコアは周方向に等間隔で凸部が形成され、前記保持環は前記凸部に対して溶接されている。

（２）請求項３又は前記技術的思想（１）に記載の発明において、前記溶接はスポット溶接である。
（３）ロータコアの外周面に複数個の永久磁石が配置されるとともに、前記永久磁石の外周面に接触する状態で配置される保持環を備えた永久磁石型回転電機の回転子の製造方法であって、
オーステナイト系ステンレス鋼製の円環に対して周方向に所定間隔を置いて塑性加工を加えることにより、円環を前記永久磁石と対応する部分が軟磁性相を成し、隣接する永久磁石の間と対応する部分が非磁性相を成すように形成した保持環を、前記非磁性相の部分が前記ロータコアの外周面に配置された前記永久磁石の間と対応するように配置して、前記保持環を非磁性相の部分において前記ロータコアに溶接する永久磁石型回転電機の回転子の製造方法。

一実施形態の回転電機の模式図。 保持環の製造状態を示す模式斜視図。 別の実施形態の回転電機の部分模式図。 従来技術の回転子の模式図。

符号の説明

１４…回転子、１５…ロータコア、１７…永久磁石、１８…保持環、１８ａ，１８ｂ…部分、２１…円環。

Claims (3)

1. ロータコアの外周面に複数個の永久磁石が配置されるとともに、前記永久磁石の外周面に接触する状態で配置される保持環を備えた永久磁石型回転電機の回転子であって、
   前記保持環は、オーステナイト系ステンレス鋼製の円環に部分的に塑性加工を施して前記永久磁石と対応する部分が軟磁性相を成し、隣接する永久磁石の間と対応する部分が非磁性相を成すように構成されていることを特徴とする永久磁石型回転電機の回転子。
2. 前記塑性加工が施された部分が前記円環の外側に向かって膨出する膨出部として形成されており、前記永久磁石はその膨出部と係合して前記保持環に対する前記ロータコアの周方向への相対移動が規制された状態で、前記保持環により前記ロータコアの外周面に固定されている請求項１に記載の永久磁石型回転電機の回転子。
3. 前記保持環は、前記非磁性相の部分において前記ロータコアの外周面に溶接により固定されている請求項１又は請求項２に記載の永久磁石型回転電機の回転子。

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