CN102077443B - 永磁式回转机械的转子构造 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁式回转机械的转子构造。在该转子构造中，在旋转轴(2)的外周部固定有形成为圆筒状的永久磁铁(3)，能够使作用于永久磁铁(3)的转矩传递到旋转轴(2)，该转子构造设有：两个侧面板(4)，它们为环状，能与旋转轴(2)一体运动地将该旋转轴(2)嵌入在轴孔(4a)中，并且该侧面板(4)分别与永久磁铁(3)的两端面面对地配置，且在与永久磁铁(3)面对的端面(4b)上具有与轴孔呈同心圆状地形成的U形槽(4c)；保持环(5)，其形成为圆筒状，且覆盖永久磁铁(3)和侧面板(4)的外周面地以能使永久磁铁(3)和侧面板(4)一体运动的方式紧固该永久磁铁(3)和侧面板(4)。

Description

永磁式回转机械的转子构造

技术领域

本发明涉及一种超高速旋转的永磁式回转机械的转子构造，特别是涉及一种在旋转轴的外周部配置有圆筒状的永久磁铁、能够将作用于永久磁铁的转矩传递给旋转轴的高速永磁式回转机械的转子构造。 

背景技术

以往，作为超高速旋转的永磁式同步电动机、永磁式同步发电机等永磁式回转机械的转子构造，公知如下构造，即，将圆筒状的永久磁铁用与该永久磁铁同为圆筒状的非磁性高强度材料(以下称作加强环)压入或热压配合或冷缩配合而成的转子构造、用非磁性金属线卷绕的转子构造(例如参照专利文献1、2)。 

在这种使用环状磁铁的转子构造中，为了防止在高速旋转时大于永久磁铁的容许拉伸应力的拉伸应力作用于永久磁铁的内径侧而由此损坏永久磁铁，在上述加强环等构件上设置过盈量。此外，以高速旋转时的离心力不会使轴与永久磁铁分开的方式设置过盈量，或者将旋转轴和永久磁铁粘接起来，从而能够使作用于永久磁铁的转矩传递到旋转轴。另外，为了减少涡流损耗，也有使用了碳纤维等高强度纤维、非磁性金属线的加强环。 

另一方面，还有如下转子构造，即，将圆柱状的永久磁铁以加强环压入或热压配合或冷缩配合而成的转子构造(例如参照专利文献3)。 

在这种使用圆柱状的永久磁铁的转子构造中，为了防止在高速旋转时大于永久磁铁的容许拉伸强度的拉伸应力作用于永久磁铁，设置过盈量，从而能够防止永久磁铁受损。另外，加强环和轴被压入或热压配合或冷缩配合在永久磁铁的两端。并且，以高速旋转时的离心力 不会使加强环与永久磁铁、以及轴与永久磁铁分开的方式设置过盈量，从而能够使作用于永久磁铁的转矩传递给轴。由于永久磁铁为圆柱状，因此与相同外径、相同长度的圆筒状磁铁相比，能够较强地克服离心力，具有能够获得较大的磁铁的磁动势的优点。 

专利文献1：日本特开平03-159533号公报 

专利文献2：日本特开2005-312250号公报 

专利文献3：日本特开2002-354724号公报 

但是，在上述专利文献1、2所述那样的转子构造中，为了防止大于永久磁铁的容许拉伸应力的拉伸应力作用于永久磁铁、或者为了防止旋转轴和永久磁铁因离心力的作用、使用温度条件的影响而分开，必须获取较大的过盈量，由此存在下述问题，即，必须使压入或热压配合的温度上升至很难在实际应用中达到的温度、换言之即是不适合大量生产的温度。在进行冷缩配合时，同样也必须达到很难在实际应用中达到的温度，以获取较大的过盈量，由此可能不利于提高生产率。 

在通过粘接轴和永久磁铁来将永久磁铁的转矩传递给轴的那样的转子构造中，在高温环境下(100℃以上)，粘接剂的功能可能下降。一旦永久磁铁因为粘接剂的功能下降而自旋转轴脱离，则不能再次形成粘接状态，因此在上述高温环境下，可能因旋转轴与永久磁铁分离而无法将转矩传递给轴。 

而且，在使用高强度纤维作为加强环的情况下，由于该高强度纤维的热膨胀系数较小，因此不易进行热压配合，所以进行永久磁铁的压入或冷缩配合。但是，由于永久磁铁的热膨胀系数大约是铁的一半，因此很难获得较大的过盈量，从而很难防止大于永久磁铁的容许拉伸应力的拉伸应力作用于永久磁铁，无论离心力、使用温度条件怎样，都很难不使轴与永久磁铁分开。 

另外，在专利文献3所述的那样的转子构造中，在为了防止大于永久磁铁的容许拉伸应力的拉伸应力作用于永久磁铁而设置过盈量时，过盈量变大，可以认为必须使压入或热压配合的温度上升至很难在实际应用中达到的温度、换言之即是不适合大量生产的温度，因此 可能抑制生产率的提高。在进行冷缩配合时，也存在该问题。 

此外，在使用圆柱状的永久磁铁的情况下，以夹着永久磁铁的方式分开设置旋转轴。作为将旋转轴固定在永久磁铁的两端的方法，有用加强环压入或热压配合或冷缩配合旋转轴的方法、或焊接固定旋转轴和加强环的方法，但必须留意旋转轴的应变、刚性，作业较复杂。 

并且，在用加强环压入或热压配合或冷缩配合旋转轴的情况下，为了将作用于永久磁铁的转矩传递给加强环、然后进一步传递给旋转轴，以加强环与旋转轴、以及加强环与永久磁铁不会因离心力的作用、使用温度条件的影响而分开的方式获取过盈量，此时过盈量变大，可以认为必须使压入或热压配合的温度上升至很难在实际应用中达到的温度、换言之即是不适合大量生产的温度。在进行冷缩配合时，也存在该问题，担心不利于提高生产率。 

另外，作为用于解决上述问题的技术之一，本发明人在日本特愿2007-240451号公报中提出了如下的技术，即，在下述的转子构造中改变了加强环的形状，该转子构造为：在旋转轴的外周部配置圆筒状的永久磁铁，并且在该永久磁铁的两端面侧设置由金属构件构成的环状的侧面板，使旋转轴能够与该侧面板一体运动地将该旋转轴嵌入在该侧面板中，利用由金属构件构成的圆筒状的加强环以能使永久磁铁和侧面板一体运动的方式紧固该永久磁铁和侧面板，从而能够将作用于永久磁铁的转矩经由侧面板传递给旋转轴。 

但是，可以认为在这种转子构造中，当需要使转子在较大的温度范围内高速旋转时，由于永久磁铁与侧面板存在热膨胀系数的不同、尺寸公差，因此在永久磁铁的外径与侧面板的外径之间产生尺寸差。并且，可以认为在永久磁铁的外径与侧面板的外径之间的尺寸差变大时，永久磁铁或侧面板中的外径相对较大的构件的外径与加强环的内径变成相同尺寸，加强环对外径相对较小的构件的紧固作用变弱。 

因此，在低温时(例如小于0℃)，如图7的(a)中用虚线包围的部分所示，加强环105对侧面板104的紧固作用变弱，从而可能不易使作用于永久磁铁103的转矩传递给旋转轴102。另外，在高温时 (例如150℃以上)，如图7的(b)中用虚线包围的部分所示，加强环105相对于永久磁铁103的过盈量减小，紧固作用变弱，抑制由离心力产生的永久磁铁103的应力的效果下降，可能损坏永久磁铁103。 

发明内容

鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种永磁式回转机械的转子构造，即使在较大的温度范围内使该构造高速旋转的情况下，该构造也能获得可使永久磁铁经得住高速旋转的加强构件的过盈量，并且能够利用具有实用性的制造方法以较高的生产率进行生产，且具有优异的转矩传递性能。 

在用于解决上述问题的第1技术方案的永磁式回转机械的转子构造中，在旋转轴的外周部固定有形成为圆筒状的永久磁铁，将作用于上述永久磁铁的转矩传递到上述旋转轴，其特征在于，具备：两个侧面板，它们形成为环状，且具有轴孔，上述旋转轴能与上述侧面板一体运动地嵌入在上述轴孔中，并且该两个侧面板分别与上述永久磁铁的两端面面对地配置，且在与上述永久磁铁面对的端面上具有与上述轴孔呈同心圆状地形成的环状凹槽；保持构件，其形成为圆筒状，覆盖上述永久磁铁和上述侧面板的外周面地以能使上述永久磁铁和上述侧面板一体运动的方式紧固该永久磁铁和该侧面板，使作用于上述永久磁铁的转矩经由上述侧面板传递到上述旋转轴；在上述侧面板的热膨胀系数比上述永久磁铁的热膨胀系数大，上述侧面板的外径比上述永久磁铁的外径大的情况下，由于用上述保持构件进行紧固，因此，上述侧面板的比上述环状凹槽靠径向外侧的部分以相对于上述环状凹槽的径向内侧缩径的方式进行弹性变形。 

第2技术方案的永磁式回转机械的转子构造在第1技术方案的基础上，其特征在于，上述侧面板在上述端面的相反侧的面上具有直径与上述环状凹槽的直径不同的另外的环状凹槽，该另外的环状凹槽与上述轴孔呈同心圆状地形成。 

第3技术方案的永磁式回转机械的转子构造在第1或第2技术方案的基础上，其特征在于，上述侧面板在低温时具有与上述永久磁铁的外径相同的外径。 

采用上述的第1技术方案的永磁式回转机械的转子构造，在将形成为圆筒状的永久磁铁固定在旋转轴的外周部而将作用于永久磁铁的转矩传递到上述旋转轴的永磁式回转机械的转子构造中，具备2个侧面板和保持构件，上述侧面板形成为环状，具有轴孔，上述旋转轴能与上述侧面板一体运动地嵌入在上述轴孔中，并且该两个侧面板分别与永久磁铁的两端面面对地配置，且在与永久磁铁面对的端面上具有与轴孔呈同心圆状地形成的环状凹槽，上述保持构件形成为圆筒状，覆盖永久磁铁和侧面板的外周面地以能使永久磁铁和侧面板一体运动的方式紧固该永久磁铁和该侧面板，使作用于上述永久磁铁的转矩经由上述侧面板传递到上述旋转轴，因此即使永久磁铁和侧面板的温度随着回转机械的运转而上升，永久磁铁与侧面板存在热膨胀系数的不同，由此使侧面板的外径大于永久磁铁的外径，由于侧面板在面对永久磁铁的端面上具有环状凹槽，因此能够使相比该环状凹槽靠径向外侧的部分沿径向弹性变形，吸收永久磁铁的外径与侧面板的外径的尺寸差，所以能够维持保持构件相对于永久磁铁的过盈量，能够在较大的温度范围内将作用于永久磁铁的转矩可靠地传递给旋转轴，并且能够防止永久磁铁在离心力的作用下受损。 

即，采用本发明，能够提供如下的永磁式回转机械的转子构造，该转子构造具有兼作加强构件的保持构件，即使在较大的温度范围内使该转子构造高速旋转的情况下，该保持构件也能获得可使永久磁铁经得住高速旋转的过盈量，因此该转子构造能够利用实用的制造方法以较高的生产率进行生产，且具有优异的转矩传递性能。 

另外，采用上述第2技术方案的永磁式回转机械的转子构造，侧面板在面对永久磁铁的端面的相反侧的面上具有直径与环状凹槽的直 径不同的另外的环状凹槽，该另外的环状凹槽与轴孔呈同心圆状地形成，因此在第1技术方案的效果的基础上，能够更加可靠地维持保持构件相对于永久磁铁的过盈量。 

另外，采用上述第3技术方案的永磁式回转机械的转子构造，由于侧面板在低温时具有与永久磁铁的外径相同的外径，因此在低温时，能够利用保持构件以能使永久磁铁和侧面板一体运动的方式紧固该永久磁铁和侧面板各自的外周面，在高温时，即使因为永久磁铁与侧面板的热膨胀系数不同而使侧面板的外径大于永久磁铁的外径时，也能够使该侧面板以在径向缩径的方式进行弹性变形，从而能够抑制侧面板的永久磁铁侧的部分的外径大于永久磁铁的外径，因此能够维持保持构件相对于永久磁铁的过盈量，能够抑制由离心力产生的永久磁铁的应力，从而能够防止永久磁铁受损。 

附图说明

图1的(a)是表示本发明的实施例1的永磁式回转机械的转子构造的局部剖视图，图1的(b)是图1的(a)的A-A线剖视图。 

图2是本发明的实施例1的侧面板的剖视图。 

图3的(a)是表示本发明的实施例1的侧面板的低温时的状态的剖视图，图3的(b)是表示本发明的实施例1的侧面板的高温时的状态的剖视图。 

图4是表示本发明的实施例2的永磁式回转机械的转子构造的局部剖视图。 

图5是本发明的实施例2的侧面板的剖视图。 

图6的(a)是表示本发明的实施例2的侧面板的低温时的状态的剖视图，图6的(b)是表示本发明的实施例2的侧面板的高温时的状态的剖视图。 

图7的(a)是表示低温时的以往的转子的一部分的状态的说明图， 图7的(b)是表示高温时的以往的转子的一部分的状态的说明图。 

具体实施方式

在下述实施例中详细说明本发明的实施方式。 

实施例1 

根据图1～图4说明本发明的第1实施例。图1的(a)是表示本实施例的永磁式回转机械的转子构造的局部剖视图，图1的(b)是图1的(a)的A-A线剖视图，图2是本实施例的侧面板的剖视图，图3的(a)是表示本实施例的侧面板的低温时的状态的剖视图，图3的(b)是表示本实施例的侧面板的高温时的状态的剖视图。本实施例例如能够应用在超高速旋转的永磁式同步电动机、或永磁式同步发电机中。 

如图1和图2所示，转子1包括旋转轴2、永久磁铁3、侧面板4和作为保持构件的保持环5，上述永久磁铁3形成为圆筒状且配置在旋转轴2的外表面上，上述侧面板4由金属构件构成且与永久磁铁3的两端面抵接地配置在该两端面上，上述保持环5形成为圆筒状且配置在永久磁铁3和侧面板4的外表面上，该保持环5兼作永久磁铁3的加强部件。 

侧面板4是在轴心部分具有轴孔4a的环状构件，利用压入或热压配合处理将旋转轴2固定在该轴孔4a中，从而能够使侧面板4与旋转轴2一体运动。在低温时，该侧面板4的外径与永久磁铁3的外径大致相同。 

此外，在侧面板4的与永久磁铁3面对的端面4b中设置有环状的U形槽(以下简称为“U形槽”)4c，该U形槽4c作为与轴孔4a同心地形成的环状凹槽。在本实施例中，该U形槽4c配置在侧面板4的内径与外径的大致中间位置，且该U形槽4c的底部的截面形状形成为U字形。这里，可以依据侧面板4的大小等而适当地设定U形槽4c的径向宽度。 

保持环5是如下构件，即，通过将永久磁铁3和侧面板4同时压入或热压配合于保持环5，能够以可使永久磁铁3和侧面板4一体运 动的方式紧固该永久磁铁3和侧面板4，换言之能够一体地保持永久磁铁3和侧面板4，由于保持环5是上述那样的构件，因此能够将作用于永久磁铁3的转矩经由侧面板4传递到旋转轴2。 

另外，在旋转轴2与永久磁铁3之间设置有间隔为d的间隙6，从而以非接触的方式构成永久磁铁3和旋转轴2。 

下面，说明本实施例的作用效果。采用本实施例的永磁式回转机械的转子构造，如上所述在低温时永久磁铁3的外径与侧面板4的外径是一致的，因此在低温时，如图3的(a)中用虚线包围的部分所示，能够利用保持环5以可使永久磁铁3和侧面板4一体运动的方式紧固该永久磁铁3和侧面板4各自的外周面。 

另外，在高温时，如图3的(b)所示，即使在因为永久磁铁3与侧面板4在高温时的热膨胀系数存在不同而使侧面板4的外径大于永久磁铁3的外径的情况下，也能利用被设置在该侧面板4中的U形槽4c来使侧面板4的永久磁铁3侧的部分、特别是相比U形槽4c靠径向外侧的部分以在径向缩径的方式进行弹性变形。由此，如图3的(b)中用虚线包围的部分所示，能够抑制侧面板4的永久磁铁3侧的部分的外径大于永久磁铁3的外径，因此能够维持保持环5的相对于永久磁铁3的过盈量，从而即使在高温时，也能抑制由离心力产生的永久磁铁3的应力，能够防止永久磁铁3受损。 

这样，采用本实施例的永磁式回转机械的转子构造，能够提供如下的永磁式回转机械的转子构造，即，能够在较大的温度范围内维持永磁式回转机械的性能、能够利用实用的制造方法提高生产率、并且能够将保持环5的过盈量维持成能使永久磁铁3经得住高速旋转的值、且具有优异的转矩传递性能的转子构造。 

这里，在本实施例中例示了将U形槽4c配置在侧面板4的内径与外径的大致中心处的情况，但U形槽4c的位置并不限定于上述位置。另外，也可以考虑如下方法，即，在侧面板4的与保持环5接触的一侧、且在永久磁铁3侧的角部形成期望大小的倒角(日文：C面)等缺口部，从而使永久磁铁3与侧面板4在面对保持环5的内周面的 部分上分开。但在采用这种结构的情况下，用于传递永久磁铁3的转矩的保持环5与侧面板4的接触面积减小，保持环5的用于保持侧面板4的力可能减弱。因此，优选与侧面板4的外周面和内周面均空有间隔地设置U形槽4c。 

实施例2 

接下来，根据图4～图6说明本发明的第2实施例。图4是表示本实施例的永磁式回转机械的转子构造的局部剖视图，图5是本实施例的侧面板的剖视图，图6的(a)是表示本实施例的侧面板的低温时的状态的剖视图，图6的(b)是表示本实施例的侧面板的高温时的状态的剖视图。本实施例是使用图4所示的具有多个U形槽的侧面板14来代替图1和图3所示的上述实施例1中的侧面板4的例子。 

如图4和图5所示，在本实施例中，与永久磁铁3的两端面抵接地配置在该两端面上的侧面板14是在轴心部分具有轴孔14a的环状构件，利用压入或热压配合处理将旋转轴2固定在该轴孔14a中，从而能够使侧面板14与旋转轴2一体运动。在低温时，该侧面板14的外径与永久磁铁3的外径大致相同。 

此外，在侧面板14的两端面14b、14d分别设置有与轴孔14a同心地形成的作为环状凹槽的环状U形槽(以下简称为“U形槽”)14c和作为另一环状凹槽的U形槽14e。这里，可以依据侧面板14的大小等而适当地设定U形槽14c、14e的径向宽度. 

U形槽14c、14的直径彼此不同(在图4中，U形槽14e的直径比U形槽14c的直径小)，换言之，在径向上，U形槽14c、14e的位置彼此不同，且U形槽14c、14e的底部的截面形状均为U字形。 

本实施例的其他结构与图1所示的上述结构大致相同，对与在实施例1中说明了的构件相同的构件标注相同的附图标记，省略重复说明。 

下面，说明本实施例的作用效果。采用本实施例的永磁式回转机械的转子构造，由于在侧面板14的两端面14b、14d中分别设置有U形槽14c、14e，因此与实施例1相比，能够使侧面板14的径向宽度 在整体上发生变化。 

例如，在低温时，如图6的(a)所示，能够利用保持环5以可使永久磁铁3和侧面板14一体运动的方式紧固该永久磁铁3和侧面板14各自的外周面。另外，在高温时，如图6的(b)所示，即使因为永久磁铁3与侧面板14的热膨胀系数不同而使侧面板14的外径大于永久磁铁3的外径时，也能够利用被设置在该侧面板14中的U形槽14c、14e来使整个侧面板14以在径向缩径的方式进行弹性变形。 

这样，采用本实施例，能够抑制在永久磁铁3的外径与侧面板14的外径之间产生尺寸差，因此能够防止下述情况的发生，即，侧面板14的外径小于永久磁铁3的外径而不易将作用于永久磁铁3的转矩传递到旋转轴2的情况以及因永久磁铁3的外径小于侧面板14的外径而难以抑制由离心力产生的永久磁铁3的应力的情况，由此，即使在较大的温度范围内使转子2高速旋转的情况下，也能够维持可使永久磁铁3经得住高速旋转的保持环5的过盈量，并且能够将作用于永久磁铁3的转矩可靠地传递到旋转轴2。 

另外，在本实施例中，例示了在侧面板14的两端面14b、14d中各形成有1个U形槽14c和1个U形槽14e的情况，但本发明并不限定于此，当然可以在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变更，如依据侧面板14的大小而例如在侧面板14的两端面14b、14d中各设置多个直径互不相同的U形槽等等。 

工业实用性 

本发明能够应用在高速永磁式回转机械的转子构造中，特别是能够较佳地应用在下述永磁式回转机械中，该永磁式回转机械将圆筒状的永久磁铁和环状的侧面板用圆筒状的作为非磁性高强度材料的保持环进行压入或热压配合，上述永久磁铁在径向上与旋转轴之间存在间隙地设置在该旋转轴的外周部，上述侧面板由金属构件构成且利用压入或热压配合以能与旋转轴一体运动的方式被固定，且配置在永久磁铁的两端，在该永磁式回转机械中，即使以非接触的方式配置永久磁铁与旋转轴，也能够将作用于永久磁铁的转矩稳定地传递给旋转轴。 

附图标记说明 

1转子 

2旋转轴 

3永久磁铁 

4、14侧面板 

4a、14a轴孔 

4b、14b、14d端面 

4c、14c、14e U形槽 

5保持环 

6间隙 

Claims (3)

1.一种永磁式回转机械的转子构造，该转子构造在旋转轴的外周部固定有形成为圆筒状的永久磁铁，将作用于上述永久磁铁的转矩传递到上述旋转轴，其特征在于，

该转子构造具备：

两个侧面板，它们形成为环状，且具有轴孔，上述旋转轴能与上述侧面板一体运动地嵌入在上述轴孔中，并且该两个侧面板分别与上述永久磁铁的两端面面对地配置，且在与上述永久磁铁面对的端面上具有与上述轴孔呈同心圆状地形成的环状凹槽；

保持构件，其形成为圆筒状，且覆盖上述永久磁铁和上述侧面板的外周面地以能使上述永久磁铁和上述侧面板一体运动的方式紧固该永久磁铁和该侧面板，使作用于上述永久磁铁的转矩经由上述侧面板传递到上述旋转轴；

在上述侧面板的热膨胀系数比上述永久磁铁的热膨胀系数大，上述侧面板的外径比上述永久磁铁的外径大的情况下，在上述保持构件的紧固作用下，上述侧面板的比上述环状凹槽靠径向外侧的部分以在径向缩径的方式进行弹性变形。

2.根据权利要求1所述的永磁式回转机械的转子构造，其特征在于，在上述侧面板的与上述永久磁铁面对的端面的相反侧的面上具有直径与上述环状凹槽的直径不同的另外的环状凹槽，该另外的环状凹槽与上述轴孔呈同心圆状地形成。

3.根据权利要求1或2所述的永磁式回转机械的转子构造，其特征在于，上述侧面板在低温时具有与上述永久磁铁的外径相同的外径。

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