JP2006067675A - 回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】 ロータコア部分の信頼性が高められた回転電機を提供する。
【解決手段】 電磁鋼板５２に重ねてステンレスプレート５１を取付ける。ステンレスプレート５１によって、磁石挿入用の貫通孔の上部が塞がれた状態となる。これにより永久磁石を固定するための接着剤５４によって電磁鋼板５２とエンドプレート４０が接着されるのが防がれる。ステンレスプレートの冷熱による熱膨張および収縮量Ｄ５１は、エンドプレートの熱膨張および収縮量Ｄ４０よりも電磁鋼板５２の熱膨張および収縮量Ｄ５２に近いので、従来と比べると電磁鋼板に働く応力は小さくなる。したがって、エンドプレートと電磁鋼板の線膨張係数の差で電磁鋼板が疲労破壊されるのが防止される。
【選択図】 図５

Description

この発明は、回転電機の回転子に関する。

モータや発電機等（回転電機）には、ロータ（回転子）に永久磁石を含む永久磁石型同期回転機がある。

特開２０００-３７０５３号公報(特許文献１)には、固定子巻線を有する固定子と、回転子鉄心に設けられた貫通孔に磁極形成用の永久磁石を組み込んで構成された回転子と、回転子鉄心に圧入される回転軸とを備える回転電機が開示されている。

この文献の実施の形態のうちの１つに、回転軸に圧入される非磁性体の端板の回転子鉄心側に接着剤を塗布し、高速回転時の端板および永久磁石の抜け止めを確実に行なう旨が記載されている。
特開２０００-３７０５３号公報 特開平１０-２８５８５０号公報 特開２０００-２０１４４４号公報 特開２００３-２５９５７７号公報

しかしながら、非磁性体の端板と回転子鉄心とを直接接着すると、両者の材質の線膨張係数の違いから、回転電機に対して発熱、冷却の熱サイクルが繰返された場合に鉄心部に負担がかかる。

図１０は、回転子鉄心として用いられる電磁鋼板５２の形状を説明するための図である。

図１０を参照して、電磁鋼板５２は、中央部分に孔が設けられた円環状の鋼板であり、中央部の孔部分にはシャフトと嵌合して位置決めを行なうための突起１１１，１１２が設けられている。また周辺部分には、永久磁石を挿入するための孔１０１，１０２が設けられている。

このような電磁鋼板５２が積層されることにより、回転子の鉄心が形成される。

図１１は、図１０におけるＸＩ−ＸＩ部分に対応する回転子の断面部分を説明するための図である。

図１１を参照して、エンドプレート４１の上部に複数の電磁鋼板５２が積層される。図１０の電磁鋼板５２の孔１０１，１０２部分は、永久磁石５６を挿入するための鉄心（コア）の貫通孔を形成する。この貫通孔に接着剤５４が注入され、そして永久磁石５６が挿入され最後にエンドプレート４０がコアの上に組付けられる。すると、エンドプレート４０，４１と回転子の鉄心との隙間に接着剤５４が侵入し、エンドプレート４０，４１と回転子鉄心の端部の電磁鋼板とが接着される可能性がある。

図１２は、エンドプレートと電磁鋼板との間に働く応力を説明するための図である。

図１２を参照して、エンドプレート４０と電磁鋼板５２とは接着剤５４によって一部分が接着された状態となったとする。たとえば図１０には孔１０１、孔１０２の周辺部分が接着剤によってエンドプレート４０と部分的に接着されてしまう場合が考えられる。

エンドプレート４０は通常アルミ合金が用いられ、図１２に示すようにアルミ合金の熱膨張および熱収縮量Ｄ４０は、電磁鋼板５２の熱膨張および熱収縮量Ｄ５２に比べると大きい。

エンドプレート４０と電磁鋼板５２の線膨張係数が大きく異なると、加熱、冷却の繰返しによって、薄く、また形状的に不利な電磁鋼板５２の方に過大な応力が加わる。特に、図１０の領域１０３は孔１０１，１０２が設けられることにより細くなっている。孔１０１，１０２付近の電磁鋼板５２が接着剤によりエンドプレート４０と接着されると、線膨張係数の差による応力がこの領域１０３に集中してしまう。このような応力の繰返しの印加によって電磁鋼板が疲労破壊するおそれがあるという問題が生ずる。

この発明の目的は、信頼性が高められた回転電機の回転子を提供することである。

この発明は、要約すると、回転電機の回転子であって、回転軸と、回転軸の周りに配置され、複数の貫通孔が設けられる鉄心部と、複数の貫通孔にそれぞれ収容される複数の永久磁石と、複数の貫通孔内部の各々における永久磁石と鉄心部との隙間に充填された充填剤と、貫通孔の開口を塞ぐように鉄心部を両側から挟みこむ１対のエンドプレートと、エンドプレートと鉄心部との境界部分に設けられ、充填剤によるエンドプレートと鉄心部との接着を抑制する接着抑制部とを備える。

好ましくは、接着抑制部は、１対のエンドプレートと鉄心部との隙間に介在する非磁性部材であり、非磁性部材の線膨張係数と鉄心部の線膨張係数との差は、エンドプレートの線膨張係数と鉄心部の線膨張係数との差よりも小さい。

より好ましくは、非磁性部材は、少なくとも貫通孔を塞ぐように形成されるプレート形状の部材である。

より好ましくは、非磁性部材は、ステンレス製である。

好ましくは、接着抑制部は、１対のエンドプレートと鉄心部との隙間に介在する非磁性部材であり、非磁性部材は、エンドプレートよりも弾性を有する。

好ましくは、接着抑制部は、エンドプレートに塗布された離型剤の層である。

好ましくは、エンドプレートは、非磁性体の主部材と、主部材に嵌め込まれ孔を覆う非磁性体の副部材とを含み、副部材の線膨張係数と鉄心部の線膨張係数との差は、主部材の線膨張係数と鉄心部の線膨張係数との差よりも小さい。

より好ましくは、副部材は、ステンレス製である。

好ましくは、エンドプレートは、非磁性体の主部材と、主部材に嵌め込まれ貫通孔を覆う非磁性体の副部材とを含み、副部材は、主部材よりも弾性を有する。

この発明の他の局面に従うと、回転電機の回転子であって、回転軸と、回転軸の周りに配置され、複数の貫通孔が設けられる鉄心部と、複数の貫通孔にそれぞれ収容される複数の永久磁石と、貫通孔の開口を塞ぐように鉄心部を両側から挟みこむ１対のエンドプレートと、複数の貫通孔内部の各々における永久磁石と鉄心部との隙間に充填された充填剤とを備える。充填剤は、硬化するが周囲部材に対する接着力が弱いパテ材である。

好ましくは、鉄心部は、回転軸に直交する面に平行に積層された複数の強磁性体の板体を含み、板体の各々には、積層されることにより貫通孔を形成するための孔が設けられる。

本発明によれば、接着剤によるエンドプレートと電磁鋼板の接着が抑制され、エンドプレートと電磁鋼板の線膨張係数の差で電磁鋼板が疲労破壊されるのが防止される。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、本実施の形態の回転電機の回転子（ロータ）の断面図である。

図１を参照して、ロータ１０は、シャフト２０と、シャフト２０の周りに保持されるロータコア５０と、ロータコア５０を挟むエンドプレート４０，４１と、ロータ１０の回転を検出するレゾルバ３０と、レゾルバ３０を抜けないように固定するスナップリング３２とを含む。

シャフト２０の周りには、電磁鋼板を積層したロータコア５０を保持するためのフランジ２２が形成されている。

図２は、図１のＡ部を詳細に説明するための図である。

図３は、ロータの組立工程を説明するためのフローチャートである。

図２、図３を参照して、まずステップＳ１において図１のシャフト２０にエンドプレート４１を取付ける。続いて、ステップＳ２においてエンドプレートの上部にステンレスプレート５８を取付ける。さらに、ステップＳ３においてステンレスプレート５８に重ねて電磁鋼板５２を積層したロータコアを取付ける。

電磁鋼板５２が積層された結果、図１０に示した孔１０１，１０２によって永久磁石を挿入するための貫通孔が形成され、その下部がステンレスプレート５８で塞がれた状態となる。

続いてステップＳ４において永久磁石５６を挿入するための貫通孔に接着剤５４を適量注入する。続いてステップＳ５において永久磁石５６を孔へ挿入する。これにより、接着剤５４はその液面が上昇してロータコア５０の磁石挿入用の貫通孔全体に行きわたる。

続いてステップＳ６において電磁鋼板５２に重ねてステンレスプレート５１を取付ける。ステンレスプレート５１によって、磁石挿入用の貫通孔の上部が塞がれた状態となる。

最後にシャフト２０にエンドプレート４０を取付け、組立が終了する。

エンドプレート４０，４１およびステンレスプレート５１，５８は、永久磁石の磁束がシャフトの回転軸と平行な方向に漏れて損失を生じないように非磁性体が採用されている。エンドプレート４０，４１は、好ましくは軽量のアルミ合金製である。

図４は、ステンレスプレート５１の形状を説明するための図である。

図４を参照して、ステンレスプレート５１は、図１０で説明した電磁鋼板５２の形状において孔１０１，１０２が設けられていないドーナツ状の形状を有する。中央部の孔部分にはシャフトと嵌合して位置決めを行なうための突起６１，６２が設けられている。電磁鋼板５２をステンレスプレート５１と重ねることにより磁石挿入用の貫通孔がこのステンレスプレート５１によって塞がれることになる。

なお、図２のステンレスプレート５８は、ステンレスプレート５１と同様の形状を有するので説明は繰返さない。

図５は、実施の形態１における電磁鋼板に働く応力を説明するための図である。

図５を参照して、エンドプレート４０と電磁鋼板５２との間にはステンレスプレート５１が介在する。このステンレスプレート５１は、電磁鋼板５２に設けられている永久磁石挿入用の孔を塞ぐような形状である。

したがって、永久磁石を固定するための接着剤５４によって電磁鋼板５２とエンドプレート４０が接着されるのが防がれる。

たとえばエンドプレート４０はアルミ合金が用いられ、その線膨張係数はおよそ２４×１０^-6であり、電磁鋼板５２の線膨張係数はおよそ１３×１０^-6である。これに対してステンレスの線膨張係数はおよそ１８×１０^-6であり、アルミ合金の線膨張係数よりも鋼板の線膨張係数に近い。

したがってＰ部に働く繰返しの応力が図１２で示した場合よりも緩和される。つまりステンレスプレートの冷熱による熱膨張および収縮量Ｄ５１は、エンドプレートの熱膨張および収縮量Ｄ４０よりも電磁鋼板５２の熱膨張および収縮量Ｄ５２に近いので、図１２に示した場合と比べると電磁鋼板に働く応力は小さくなる。

したがって、エンドプレートと電磁鋼板の線膨張係数の差で電磁鋼板が疲労破壊されるのが防止される。

エンドプレートは磁気回路の損失を防ぐため非磁性体とする必要がある。また積層した電磁鋼板を両側から加圧しておくためある程度の剛性が必要とされる。またロータ全体の重量を抑えるためエンドプレートは軽いほうがよい。このためたとえばアルミ合金などが用いられている。

図２で示したように、薄いステンレスプレート５１，５８をエンドプレート４０，４１と電磁鋼板５２との間に介在させることにより、高価なステンレス材をエンドプレートとして用いるよりもコストが低く抑えられ、かつ重量も軽くすることができる。

なお、実施の形態１ではステンレスを電磁鋼板とエンドプレートとの間に挟むプレートの材質として例示したが、これに限らず、非磁性体であってロータコアを構成する電磁鋼板と線膨張係数が近い材質のものであればプレートは他の材質のものであってもよい。

また、線膨張係数に拘わらず、薄いステンレスプレート５１，５８に代えて弾性を有する材質の非磁性体のプレートとすれば、電磁鋼板に対する応力を緩和することができる。

［実施の形態２］
図６は、実施の形態２のロータを説明するための図である。

図６を参照して、実施の形態２のロータは、図２で説明した実施の形態１のロータにおいてエンドプレート４０，４１およびステンレスプレート５１，５８に代えて主部材８０および副部材９０によって構成されるエンドプレートと、主部材８１および副部材９１によって構成されるエンドプレートとを含む。

主部材８０には非磁性体の副部材９０が嵌め込まれている。また主部材８１には非磁性体の副部材９１が嵌め込まれている。主部材８０，８１は実施の形態１のエンドプレート４０，４１と同様軽量で非磁性体であるアルミ合金を用いることが好ましい。また、副部材９０，９１は、電磁鋼板５２に線膨張係数が近い非磁性体を用いる。たとえば、副部材９０，９１にステンレスを用いることができる。

図７は、図６におけるエンドプレートの一部分を拡大して示した図である。

図７において、破線で示した電磁鋼板の孔１０１，１０２の開口付近にあたるエンドプレートの主部材８０の部分には副部材９０が嵌め込まれている。副部材９０の形状は、ロータの回転によって生ずる遠心力によって外周方向に主部材８０から飛び出ないような形状となっている。

回転子が組立てられた状態になると、副部材９０によって電磁鋼板の孔１０１，１０２の開口が塞がれる。したがって、副部材９０は接着剤の主部材８０に対する接着力を抑制する接着抑制部としての働きを有する。同様に図６の副部材９１も接着剤の主部材８１に対する接着力を抑制する接着抑制部としての働きを有する。

エンドプレートの主部材８０はたとえばアルミ合金であり、副部材９０はたとえば非磁性体であるステンレスである。そして副部材９０の線膨張係数は、主部材８０の線膨張係数よりも電磁鋼板５２の線膨張係数に近い。

そして主部材８０と副部材９０との線膨張係数の差を緩和するように、主部材８０と副部材９０との境界部分には弾性体９２が設けられる。この弾性体９２は、たとえばゴムや硬化しても柔軟性を有する接着剤などが考えられる。これにより、永久磁石を固定するための接着剤５４により電磁鋼板と副部材９０とが接着されたとしても、その応力は従来よりも緩和され、電磁鋼板の疲労破壊が防止される。

図８は、実施の形態２の変形例を示した図である。

図８では、弾性体９２を電磁鋼板の永久磁石を挿入する孔付近に嵌め込んでいる。これにより、電磁鋼板と弾性体９２とが永久磁石固定のための接着剤により接着されたとしても、熱サイクルの印加時には弾性体９２が変形するので電磁鋼板に加わる応力を小さくすることができる。したがって電磁鋼板の疲労破壊が防止される。

［実施の形態３］
図９は、実施の形態３のロータを説明するための図である。

図９を参照して、実施の形態３においては、予めエンドプレート４０，４１の電磁鋼板に接触する側に離型剤を塗布して離型剤の層７０，７１を設けておく。この離型材の層７０，７１は、接着剤のエンドプレート４０，４１に対する接着力を抑制する接着抑制部としての働きを有する。

離型剤の具体例としては、たとえばシリコン系コーティング剤やフッ素系コーティング剤（テフロン（登録商標）コート）などが用いられる。

これにより接着剤５４によって電磁鋼板５２とエンドプレート４０，４１とが接着されるのが防止されるため、エンドプレート４０，４１が熱サイクルにより膨張、収縮を行なっても電磁鋼板５２に加わる応力を小さくすることができる。

［実施の形態４］
実施の形態４では、図１１において用いた接着剤５４を、エンドプレート４０，４１に対する接着力が小さい充填剤に置換える。この充填材は、硬化はするが周囲部材に対する接着力が弱いパテ材である。

このパテ材の例である充填剤としては、歯科用などに用いられる、金属にはつき難く凝固して硬化する歯科用接着剤などが一例として考えられる。

なお、硬化して隙間に充填されることにより磁石のがたつきが防止されるものであれば他の充填剤、たとえばコーキング材のようなものでもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、電磁鋼板とエンドプレートとが接着されるのが防止され、エンドプレートと電磁鋼板の線膨張係数の差で電磁鋼板が疲労破壊してしまうのを防止することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本実施の形態の回転電機の回転子（ロータ）の断面図である。 図１のＡ部を詳細に説明するための図である。 ロータの組立工程を説明するためのフローチャートである。 ステンレスプレート５１の形状を説明するための図である。 実施の形態１における電磁鋼板に働く応力を説明するための図である。 実施の形態２のロータを説明するための図である。 図６におけるエンドプレートの一部分を拡大して示した図である。 実施の形態２の変形例を示した図である。 実施の形態３のロータを説明するための図である。 回転子鉄心として用いられる電磁鋼板５２の形状を説明するための図である。 図１０におけるＸＩ−ＸＩ部分に対応する回転子の断面部分を説明するための図である。 エンドプレートと電磁鋼板との間に働く応力を説明するための図である。

符号の説明

１０ ロータ、２０ シャフト、２２ フランジ、３０ レゾルバ、３２ スナップリング、４０，４１ エンドプレート、５０ ロータコア、５１，５８ ステンレスプレート、５２ 電磁鋼板、５４ 接着剤、５６ 永久磁石、６１，６２ 突起、１１１，１１２ 突起、７０，７１ 離型剤の層、８０，８１ 主部材、９０，９１ 副部材、９２ 弾性体、１０１，１０２ 孔。

Claims (11)

1. 回転軸と、
   前記回転軸の周りに配置され、複数の貫通孔が設けられる鉄心部と、
   前記複数の貫通孔にそれぞれ収容される複数の永久磁石と、
   前記複数の貫通孔内部の各々における前記永久磁石と前記鉄心部との隙間に充填された充填剤と、
   前記貫通孔の開口を塞ぐように前記鉄心部を両側から挟みこむ１対のエンドプレートと、
   前記エンドプレートと前記鉄心部との境界部分に設けられ、前記充填剤による前記エンドプレートと前記鉄心部との接着を抑制する接着抑制部とを備える、回転電機の回転子。
2. 前記接着抑制部は、前記１対のエンドプレートと前記鉄心部との隙間に介在する非磁性部材であり、
   前記非磁性部材の線膨張係数と前記鉄心部の線膨張係数との差は、前記エンドプレートの線膨張係数と前記鉄心部の線膨張係数との差よりも小さい、請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 前記非磁性部材は、少なくとも前記貫通孔を塞ぐように形成されるプレート形状の部材である、請求項２に記載の回転電機の回転子。
4. 前記非磁性部材は、ステンレス製である、請求項２または３に記載の回転電機の回転子。
5. 前記接着抑制部は、前記１対のエンドプレートと前記鉄心部との隙間に介在する非磁性部材であり、
   前記非磁性部材は、前記エンドプレートよりも弾性を有する、請求項１に記載の回転電機の回転子。
6. 前記接着抑制部は、前記エンドプレートに塗布された離型剤の層である、請求項１に記載の回転電機の回転子。
7. 前記エンドプレートは、
   非磁性体の主部材と、
   前記主部材に嵌め込まれ前記孔を覆う非磁性体の副部材とを含み、
   前記副部材の線膨張係数と前記鉄心部の線膨張係数との差は、前記主部材の線膨張係数と前記鉄心部の線膨張係数との差よりも小さい、請求項１に記載の回転電機の回転子。
8. 前記副部材は、ステンレス製である、請求項７に記載の回転電機の回転子。
9. 前記エンドプレートは、
   非磁性体の主部材と、
   前記主部材に嵌め込まれ前記貫通孔を覆う非磁性体の副部材とを含み、
   前記副部材は、前記主部材よりも弾性を有する、請求項１に記載の回転電機の回転子。
10. 回転軸と、
    前記回転軸の周りに配置され、複数の貫通孔が設けられる鉄心部と、
    前記複数の貫通孔にそれぞれ収容される複数の永久磁石と、
    前記貫通孔の開口を塞ぐように前記鉄心部を両側から挟みこむ１対のエンドプレートと、
    前記複数の貫通孔内部の各々における前記永久磁石と前記鉄心部との隙間に充填された充填剤とを備え、
    前記充填剤は、硬化するが周囲部材に対する接着力が弱いパテ材である、回転電機の回転子。
11. 前記鉄心部は、
    前記回転軸に直交する面に平行に積層された複数の強磁性体の板体を含み、
    前記板体の各々には、積層されることにより前記貫通孔を形成するための孔が設けられる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。

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