JP2000278898A - 永久磁石形回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い安全限界速度を確保し、高速回転可能な
ロータを確保する。 【解決手段】 ステータ１の軸心部にロータ５を回転可
能に内装し、そのロータ５を、シャフト９の周面に界磁
用の複数の永久磁石１１を周方向に配置し、これら永久
磁石１１の表面上に保持環１３を配置した構造とし、前
記保持環１３を、軸方向に分割し、その分割した保持環
１３の内周面に前記永久磁石１１を固着する一方、前記
分割した保持環１３同志及び保持環１３とシャフト９と
を溶接により結合し、シャフト９と保持環１３とを一体
結合の構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、永久磁石の外周
表面を保持環で覆った高速の永久磁石形回転電機に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の一般的な永久磁石形回転電機を図
８と図９を参照して説明する。図８は、ロータの外径
図、図９は、図８のＸ部の拡大断面図である。これらの
図において、１０１はシャフトであり、軸受１０３を介
して図示省略のステータに回転可能に取付けられてい
る。１０５は永久磁石であり、シャフト１０１の表面
に、軸方向と直交する方向の断面弧状のものが複数個周
方向に密着して接着されている。複数個の永久磁石１０
５は、内周側がＳ極で外周側がＮ極に磁化されたもの
と、内・外周の極性が、これと逆向きに磁化されたもの
とが極数に応じて交互に配置され、界磁を発生する。１
０７，１０９はエンドリングであり、永久磁石１０５の
軸方向両端部に位置するシャフト１０１上に焼嵌め固定
されている。１１１は保持環であり、永久磁石１０５の
外周面全体を覆うリング状の形状をしており、永久磁石
１０５の軸方向両端位置のエンドリング１０７，１０９
に焼嵌め固定されている。永久磁石１０５，エンドリン
グ１０７，１０９及び保持環１１１の組合わせは、永久
磁石形回転電機の出力に応じてシャフト１１１の軸方向
に１組あるいは複数組取付けられてロータ１１３を構成
している。

【０００３】このように構成された永久磁石形回転電機
は、ステータから発せられた回転磁界とロータ１１３が
発生する界磁とにより回転トルクを発生し、ロータ１１
３が回転する。このとき、保持環１１１は、ロータ１１
３が回転することによって永久磁石１０５に作用する遠
心力で永久磁石１０５が飛散するのを防止するので、ロ
ータ１１３は高速回転を行うことが可能となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ロータ１１３の界磁発
生手段として永久磁石１０５を用いた従来の永久磁石形
回転電機では、前記したように、永久磁石１０５は遠心
力により飛散しないように保持環１１１で外周側より保
護されているが、ロータ１１３が高速で回転することに
より、保持環１１１の外周表面上に生ずる風損や過電流
損等により保持環１１１の温度が上昇し、且つ遠心力に
よるフープストレス等により保持環１１１の内径が大き
くなり初期嵌合代が減少、あるいは極端な場合、初期嵌
合代がまったくなくなってしまい、ロータ１１３の剛性
に寄与する割合が変化、あるいは、まったく寄与しなく
なり、シャフト１０１に対して保持環１１１及び永久磁
石１０５が単なる付加質量となってしまう。

【０００５】非回転時には保持環１１１とシャフト１０
１は所定の嵌合代で嵌合されているため、保持環１１１
はロータ１１３の剛性に寄与しており比較的高い高速回
転を維持できるが、ロータ１１３が高速回転することに
より、前記したように保持環１１１のロータ１１３への
剛性寄与率が変化するので、高速回転によるロータ１１
３の安全限界速度が変化する。つまり回転数が高くなる
につれて保持環１１１とシャフト１０１の嵌合代が小さ
くなるので、保持環１１１のロータ１１３の剛性寄与率
が低下し、安全限界速度は徐々に低下する事になる。従
って、当初設定した安全限界速度が回転上昇と共に低下
すること、およびシャフト１０１の外周表面に永久磁石
１０５及び保持環１１１を構成するので、低下した後の
ロータ１１３の剛性がシャフト１０１の寸法で限定され
てしまい、ロータ１１３の外形寸法の割に安全限界速度
を高く設定できないので、定格回転数以下で且つ十分に
離調するようにロータ１１３を構成する事が難しく、実
際には高い高速回転を実現できない状況となっていた。

【０００６】また、一般的な永久磁石の熱伝導性は非常
に悪く、熱的過渡状態において保持環１１１とシャフト
１０１は温度差がつきやすい状況であり、保持環１１１
とシャフト１０１に温度差が生じる。この温度差によ
り、保持環１１１はシャフト１０１に対して矢印ｂのよ
うに熱伸びを生じ、嵌合部ａの状況によって、ロータ７
の熱曲がりや回転中の振動の突変の原因ともなり、安定
な高速回転が得られない原因となっていた。

【０００７】そこで、この発明は、安全限界速度が回転
数の増加とともに小さくなる事を防ぎ、且つ保持環とシ
ャフトの熱伸び差による振動の突変、熱曲がり等が生ず
ることはなく、製造性に優れ、かつ高速回転の運転状態
においても、ロータが破損することが無く安定な高速回
転が得られる永久磁石形回転電機を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、この発明の請求項１によれば、電機子鉄心に電機子
巻線を巻回して構成したステータと、このステータの軸
心部に回転可能に内装されたロータとを有し、前記ロー
タを、シャフトの周面に界磁用の複数の永久磁石を周方
向に配置し、これら永久磁石の表面上に保持環を配置す
る構成とした永久磁石形回転電機において、前記保持環
を、軸方向に分割し、その分割した保持環内周面に前記
永久磁石を固着する一方、前記分割した保持環同志及び
保持環とシャフトとを溶接により結合する。

【０００９】これにより、固定子から発せられた回転磁
界とロータが発生する磁界とにより回転トルクが発生
し、ロータが回転する。この時、保持環は、ロータが回
転することによって作用する遠心力により永久磁石が飛
散するのを防止するため、ロータの高速回転が可能とな
る。また、シャフトと保持環とは一体構造となっている
ため、強度剛性が向上し、ロータの安全限界速度を大幅
に高く設定することができる。

【００１０】また、この発明の請求項２によれば、シャ
フトを、軸方向に隙間を有して分割する。

【００１１】これにより、保持環とシャフトとの間に、
温度差が生じ、熱伸びの量に差があっても、隙間によっ
て熱伸びを吸収するため、振動の突変、熱曲がり等を防
ぐことが可能となり、安定した高速回転が得られる。

【００１２】また、この発明の請求項３によれば、分割
された保持環に、永久磁石の軸方向の動きを規制するエ
ンドリング部を設け、前記エンドリング部の中心軸心孔
に、その中心軸心孔の軸心上に位置決めされるようシャ
フトを貫通し、貫通したシャフトと前記保持環とを溶接
により結合する。

【００１３】これにより、保持環とシャフトとは同一軸
心線上に位置決めされた状態での結合が可能となり、バ
ランスのとれたロータとすることができる。また、保持
環とシャフトとの位置合せが容易になると共に、シャフ
トに対する保持環の嵌合の信頼性及び製造性が向上す
る。

【００１４】また、この発明の請求項４によれば、分割
された保持環と保持環の間に位置する中間の保持環に、
永久磁石の軸方向の動きを規制するエンドリング部を設
け、前記エンドリング部の中心軸心孔に、その中心軸心
孔に軸心上に位置決めされるようシャフトを貫通し、前
記中間の保持環と両サイドの保持環とを溶接により結合
する。

【００１５】これにより、分割された保持環と中間の保
持環は、シャフトと同一軸線上に位置決めされた状態で
一体に結合されるため、バランスのとれたロータとする
ことができる。また、シャフトに対する保持環の嵌合の
信頼性及び製造性が向上する。

【００１６】また、この発明の請求項５によれば、分割
された両サイドの保持環と、その保持環と保持環の間に
位置する中間の保持環とに、永久磁石の軸方向の動きを
規制するエンドリング部を設け、そのエンドリング部の
中心軸心孔に、その中心軸心孔の軸心上に位置決めされ
るようシャフトを貫通し、貫通したシャフトと保持環及
び保持環同志をそれぞれ溶接により結合する。

【００１７】これにより、分割された保持環及び中間の
保持環は、シャフトと同一軸線上に位置決めされた状態
で一体に結合されるため、バランスのとれたロータとす
ることができる。また、シャフトに対する保持環の嵌合
の信頼性及び製造性が向上する。

【００１８】また、この発明の請求項６によれば、分割
された保持環とシャフトに、保持環同志及び保持環とシ
ャフトとがそれぞれ嵌合し合うリング状の係合段部を設
ける。

【００１９】これにより、係合段部を嵌め合わすること
で、シャフトに対して保持環を同一軸線上に正しく組立
てることが可能となり、製造性が向上する。また、同芯
に保たれた一体もののロータを構成できるため、バラン
スのよい安定した高速回転が得られる。

【００２０】また、この発明の請求項７によれば、保持
環に固着され、シャフトに装着された永久磁石のシャフ
ト装着面を、シャフトの軸心と同一軸心が確保されるよ
う仕上げ加工する。

【００２１】これにより、シャフトに対する永久磁石の
保持環同芯が容易に確保できるため、同芯に保たれた一
体のロータが得られるようになり、バランスのよい安定
した高速回転が得られる。

【００２２】また、この発明の請求項８によれば、永久
磁石を、保持環より軸方向の長さを短くする。

【００２３】これにより、永久磁石は、保持環と保持環
の溶接時の熱の影響を回避することが可能となり、永久
磁石の特性の劣化を防げるようになる。

【００２４】また、この発明の請求項９によれば、永久
磁石を、保持環と保持環の溶接結合部領域と対向し合う
端面の角部を削り落とす。

【００２５】これにより、保持環と保持環の溶接時に、
永久磁石の熱の影響を小さく抑えることが可能となるた
め、永久磁石の特性の劣化を防げるようになる。

【００２６】また、この発明の請求項１０によれば、溶
接による結合は、電子ビーム溶接とする。

【００２７】これにより、溶接幅は数ミリで済むように
なる。

【００２８】また、この発明の請求項１１によれば、溶
接による結合を、突合せ面に形成された突合せ面同志を
突合せ溶接する。

【００２９】これにより、軸線方向に沿って保持環同志
及び保持環とシャフトの突合せ面の全領域に亘り確実
で、強固な溶接結合が得られる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、図１乃至図３の図面を参照
しながらこの発明の第１の実施形態について具体的に説
明する。

【００３１】図１において、符号１は、永久磁石形回転
電機３のステータ、５はロータをそれぞれ示しており、
ステータ１は電機子鉄心に電機子巻線（図示していな
い）を巻回した構造となっている。

【００３２】ロータ５は軸受７により前記ステータ１の
軸心部に回転可能に支持されると共に、シャフト９の周
面に配置された複数の界磁用の永久磁石１１と、永久磁
石１１を取囲む保持環１３とで構成されている。

【００３３】シャフト９は、両サイドに円板状のフラン
ジ部９ａを有すると共に、中央部位で所定の隙間ｅを有
して２つに分割されている。

【００３４】保持環１３は、左右と中央の３つに分割さ
れ、左右の保持環１３には、前記シャフト９のフランジ
部９ａと対向し合うほぼ同一径のエンドリング部１５が
設けられている。

【００３５】エンドリング部１５は前記永久磁石１１の
軸方向の動きを規制すると共に、中心部位には、中心軸
心孔１７が貫通して設けられている。中心軸心孔１７は
前記シャフト９の軸径より若干径大に設定され、前記シ
ャフト９に対して軸心線上に位置決めされた状態で嵌挿
している。

【００３６】中央に位置する保持環１３の中央部位には
エンドリング部１９が設けられ、その中心部位には中心
軸心孔２１が貫通して設けられている。中心軸心孔２１
は、前記シャフト９の軸径より若干径大に設定され、前
記シャフト９に対して軸心線上に位置決めされた状態で
嵌挿している。シャフト９は中央に位置する前記保持環
１３のエンドリング部１９の厚み内において前記した如
く２つに分割された形状となっている。

【００３７】中央に位置する保持環１３と左右に位置す
る保持環１３の各突合せ面と、左右の保持環１３とシャ
フト９のフランジ部９ａの突合せ面とは、電子ビーム溶
接によって一体に結合されている。これにより、溶接Ｐ
幅は数ミリで済むようになっている。

【００３８】永久磁石１１は、前記保持環１３の軸心方
向の長さより短く設定された断面円弧状に形成されると
共に、外周面は保持環１３の内周面に接着剤等の手段に
よって固定支持されている。永久磁石１１は、内周側が
Ｓ極、外周側がＮ極に磁化されたものと内周側がＮ極、
外周側がＳ極に磁化されたものとが極数に応じて前記シ
ャフト９に交互に配置され、界磁を発生する。

【００３９】永久磁石１１と永久磁石１１の対向面は、
中間に位置する保持環１３と左右に位置する保持環１３
との溶接Ｐ領域となっており、端面１３ａは、リング状
に削り落された形状となっている。これにより、溶接時
の熱の影響を直接受けるのが回避され、永久磁石１１の
特性の劣化を防ぐことが可能となっている。

【００４０】このように構成された永久磁石形回転電機
３によれば、ステータ１から発せられた回転磁界とロー
タ５が発生する界磁とにより回転トルクを発生し、ロー
タ５が回転する。この回転時において保持環１３は、ロ
ータ５が回転することによって作用する遠心力で、永久
磁石１１が飛散するのを防ぐため、高速回転が可能とな
る。

【００４１】同時に、保持環１３及びシャフト９は、一
体構造のため、ロータ５の強度剛性が向上する。

【００４２】強度剛性は、保持環１３の外径寸法で決定
され、一般に棒状の固有振動数は、剛性の１／２乗に比
例し、剛性は断面係数に比例し、丸棒状の場合には、断
面係数は径の４乗に比例する。つまり、ロータ５の固有
振動数は、おおむね径の２乗に比例して高くなるので、
シャフト９の外周面に永久磁石１１，その外周に保持環
１３を有するロータ５の場合には、シャフト９の外径を
ｄ１、保持環１３の内径をｄ２、保持環１３の外径をｄ
３とすると、おおむね剛性は、次式から

【数１】 倍と高くなる。

【００４３】例えば、ｄ３＝１５ｍｍ，ｄ２＝１０ｍ
ｍ，ｄ１＝５ｍｍとすると、固有振動数は約８倍とな
る。従って、ロータ５の安全限界速度を大幅に高く設定
することが可能となる。

【００４４】また、シャフト９が熱の影響で伸びても、
分割された隙間ｅによって、その伸び代を吸収し、振動
の突変、熱曲がり等を未然に防ぎ、安定した高速回転が
得られる。

【００４５】図４と図５はロータ５の第２の実施形態を
示したものである。

【００４６】即ち、保持環１３を複数に分割し、分割し
た保持環１３の一方に凹状の係合段部２３を、他方に凸
状の係合段部２５をそれぞれ設ける一方、分割した右側
のシャフト９のフランジ部９ａに前記保持環１３の凸状
の係合段部２５と係合し合う凹状の係合段部２７を、左
側のシャフト９のフランジ部９ａに、保持環１３の凹状
の係合段部２３と係合し合う凸状の係合段部２９をそれ
ぞれ設けた形状となっている。

【００４７】なお、他の構成要素は、第１の実施形態と
同一のため同一符号を付して詳細な説明を省略する。

【００４８】したがって、この第２の実施形態によれ
ば、例えば、左側のシャフト９のフランジ部９ａの係合
段部２９に、保持環１３の係合段部２３を嵌合させた
後、順々に保持環１３を嵌合させていき、最後に右側の
シャフト９のフランジ部９ａの係合段部２７を保持環１
３の係合段部２５に嵌合させることで、シャフト９と各
保持環１３は同芯に位置決めされた状態で容易に組立て
ることが可能となり、精度の高い溶接結合が得られる。

【００４９】このため、バランスのとれたロータ５が得
られるようになると共に、各係合段部２３，２５，２
７，２９の突合せ面を溶接するため、溶接時の熱の影響
を永久磁石１１に与えることもない。

【００５０】図６はロータ５の第３の実施形態を示した
ものである。

【００５１】即ち、保持環１３の内周面に固着された永
久磁石１１の内側の装着面３１を、シャフト９の外周面
に沿って仕上げ加工し、その仕上げ加工した内側の装着
面３１を、シャフト９の外周面に装着することで、シャ
フト９と保持環１３とを、軸心線Ｘ上に沿う同芯を確保
した構成とするものである。

【００５２】なお、他の構成要素は、第１の実施形態と
同一のため、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

【００５３】したがって、この第３の実施形態によれ
ば、永久磁石１１の装着面３１をシャフト９の外周面に
装着することで、シャフト９と保持環１３との同芯状態
が容易に確保される。

【００５４】このため、組立てが容易になると共に精度
よい溶接結合が可能となり、製造性が向上する。また、
バランスのとれたロータ５が得られる。

【００５５】図７はロータ５の第４の実施形態を示した
ものである。

【００５６】即ち、シャフト９のフランジ部９ａと、左
右の保持環１３のエンドリング部１５とに、前記保持環
１３の肉厚と同一の突合せ面３３，３３を形成し、左右
と中央に位置する保持環１３の各突合せ面３３同志及び
左右の保持環１３とフランジ部９ａの各突合せ面３３同
志を溶接結合した構成とするものである。

【００５７】なお、他の構成要素は、第１の実施形態と
同一のため、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

【００５８】したがって、この第４の実施形態によれ
ば、所定の面積に設定された突合せ面３３を、溶接結合
するため、突合せ面３３の全領域にわたって溶接が浸透
し、確実な溶接結合が得られる。

【００５９】これにより、疲労による溶接剥れは発生せ
ず、長期間に亘り安定した結合状態が得られる。

【００６０】

【発明の効果】以上、説明したように、この発明の永久
磁石形回転電動機によれば、高い安全限界速度を維持す
ることができると共に、ロータの振動の突変、ロータの
熱曲がりを防ぎ、バランスのとれた高速回転可能なロー
タが得られるようになる。

【００６１】また、組立てが容易で、製造性、信頼性の
向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる永久磁石形回転電機の概要断
面図。

【図２】保持環を三つに分割した断面図。

【図３】永久磁石の一部の斜視図。

【図４】第２の実施形態を示したロータの説明図。

【図５】複数に分割された図４の保持環の一部分の断面
図。

【図６】第３の実施形態を示したロータの説明図。

【図７】第４の実施形態を示したロータの説明図。

【図８】従来の永久磁石形回転電機におけるロータの外
径図。

【図９】図８のＸの部分拡大断面図。

【符号の説明】

１ ステータ ５ ロータ ９ シャフト １１ 永久磁石 １３ 保持環

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年３月２９日（１９９９．３．２
９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図６】

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図７】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 布施 俊明 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 三浦 洋嗣 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 新 政憲 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 Ｆターム(参考） 5H002 AA08 AB01 AB07 AC02 AC06 AE08 5H615 AA01 BB01 BB07 BB14 PP02 PP07 SS17 TT05 TT13 5H622 CA02 CA07 CB04 CB05 CB06 PP01 PP05 PP11 PP17 QA06

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電機子鉄心に電機子巻線を巻回して構成
   したステータと、このステータの軸心部に回転可能に内
   装されたロータとを有し、前記ロータを、シャフトの周
   面に界磁用の複数の永久磁石を周方向に配置し、これら
   永久磁石の表面上に保持環を配置する構成とした永久磁
   石形回転電機において、前記保持環を、軸方向に分割
   し、その分割した保持環内周面に前記永久磁石を固着す
   る一方、前記分割した保持環同志及び保持環とシャフト
   とを溶接により結合したことを特徴とする永久磁石形回
   転電機。
2. 【請求項２】 シャフトは、軸方向に隙間を有して分割
   されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石形
   回転電機。
3. 【請求項３】 分割された保持環に、永久磁石の軸方向
   の動きを規制するエンドリング部を設け、前記エンドリ
   ングの中心軸心孔に、その中心軸心孔の軸心上に位置決
   めされるようシャフトを貫通し、貫通したシャフトと前
   記保持環とを溶接により結合することを特徴とする請求
   項１記載の永久磁石形回転電機。
4. 【請求項４】 分割された保持環と保持環の間に位置す
   る中間の保持環に、永久磁石の軸方向の動きを規制する
   エンドリング部を設け、前記エンドリング部の中心軸心
   孔に、その中心軸心孔の軸心上に位置決めされるようシ
   ャフトを貫通し、前記中間の保持環と両サイドの保持環
   とを溶接により結合することを特徴とする請求項１記載
   の永久磁石形回転電機。
5. 【請求項５】 分割された両サイドの保持環と、その保
   持環と保持環の間に位置する中間の保持環とに、永久磁
   石の軸方向の動きを規制するエンドリング部を設け、そ
   のエンドリング部の中心軸心孔に、その中心軸心孔の軸
   心上に位置決めされるようシャフトを貫通し、貫通した
   シャフトと保持環及び保持環同志をそれぞれ溶接により
   結合したことを特徴とする請求項１記載の永久磁石形回
   転電機。
6. 【請求項６】 分割された保持環とシャフトに、保持環
   同志及び保持環とシャフトとがそれぞれ嵌合し合うリン
   グ状の係合段部を設けたことを特徴とする請求項１記載
   の永久磁石形回転電機。
7. 【請求項７】 保持環に固着され、シャフトに装着され
   た永久磁石のシャフト装着面は、シャフトの軸心と同一
   軸心が確保されるよう仕上げ加工されていることを特徴
   とする請求項１記載の永久磁石形回転電機。
8. 【請求項８】 永久磁石は、保持環より軸方向の長さが
   短くなっていることを特徴とする請求項１から７のいず
   れかに記載の永久磁石形回転電機。
9. 【請求項９】 永久磁石は、保持環と保持環の溶接結合
   部領域と対向し合う端面の角部を削り落とすことを特徴
   とする請求項１から８のいずれかに記載の永久磁石形回
   転電機。
10. 【請求項１０】 溶接による結合は、電子ビーム溶接で
    あることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載
    の永久磁石形回転電機。
11. 【請求項１１】 溶接による結合は、突合せ面に形成さ
    れた突合せ面同志の突合せ溶接であることを特徴とする
    請求項１から５及び７から９，１０のいずれかに記載の
    永久磁石形回転電機。