JP2006271139A - 永久磁石式回転電機の低慣性回転子及びこれを備えたモータ及び発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 大容量かつ低慣性の回転子を提供することを目的とする。
【解決手段】 固定子に対面し、かつ磁石が取り付けられる円筒状の表面部材２と、前記表面部材２の軸方向両端に結合される円盤状のフランジ３と、前記フランジ３の中心部に結合されるヨーク４とからなり、前記ヨーク４の内側にトルクを出力するためのシャフト９を結合して、前記表面部材２と前記フランジ３と前記ヨーク４とにより空間を形成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、永久磁石式回転電機の低慣性回転子及びこれを備えたモータ及び発電機に関する。

近年の永久磁石式の回転電機の普及には目覚しいものがある。永久磁石式回転電機は制御用回転電機等として非常に優れており、直流分巻回転電機と特性はほぼ同じながら、分巻回転電機の界磁を永久磁石に置き換えたことにより巻線に電流を流す必要がないため電力消費を抑え、かつ界磁用の巻線も必要ないため回転電機の小型化、省エネルギー化が可能である。このような利点から永久磁石式の回転電機はさまざまな用途における、小型軽量、高効率、低振動、高トルク、低慣性等の要求に対応することができる。この永久磁石式回転電機の一例が下記特許文献１に開示されている。

特開２０００−１５２５３７号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されている永久磁石式回転電機では、回転電機を大容量化した場合に回転子の重量が増大してしまうため、要求される低慣性の水準を満たすことができない。

これらのことから本発明は、大容量かつ低慣性の回転子を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明（請求項１に対応）に係る永久磁石式回転電機の低慣性回転子は、固定子に対面し、かつ磁石が取り付けられる円筒状の表面部材と、前記表面部材の軸方向両端に結合される円盤状のフランジと、前記フランジの中心部に結合されるヨークとからなり、前記ヨークの内側にトルクを出力するためのシャフトを結合して、前記表面部材と前記フランジと前記ヨークとにより空間が形成されていることを特徴とする。

ここで言う円筒状の表面部材とは完全に円筒の部材だけでなく、長細い部材を円筒状に並べたものも含む。また、本発明に係る低慣性回転子は回転電機としてモータ又は発電機のどちらにも適用できる。

上記の課題を解決するための第２の発明（請求項２に対応）に係る永久磁石式回転電機の低慣性回転子は、第１の発明に係る永久磁石式回転電機の低慣性回転子において、前記表面部材と前記ヨークとの間に強度を増すための補強フランジを設けることを特徴とする。

上記の課題を解決するための第３の発明（請求項３に対応）に係る永久磁石式回転電機の低慣性回転子は、第１の発明又は第２の発明に係る永久磁石式回転電機の低慣性回転子において、前記フランジに穴をあけ、前記穴に強度を増すための補強部材を貫通させて２枚の前記フランジを結合することを特徴とする。

上記の課題を解決するための第４の発明（請求項４に対応）に係る永久磁石式回転電機の低慣性回転子は、第１の発明ないし第３の発明のいずれかに係る永久磁石式回転電機の低慣性回転子において、前記フランジを前記フランジの前記表面部材と結合するフランジ周縁部材と、前記ヨークと結合するフランジ中心部材とを、支柱により結合することにより前記フランジに開口部を設けることを特徴とする。

上記の課題を解決するための第５の発明（請求項５に対応）に係る永久磁石式回転電機の低慣性回転子は、第４の発明に係る永久磁石式回転電機の低慣性回転子において、前記支柱を前記フランジ中心部材から放射状に延ばし前記フランジ周縁部と結合することを特徴とする。

上記の課題を解決するための第６の発明（請求項６に対応）に係る永久磁石式回転電機の低慣性回転子は、第４の発明に係る永久磁石式回転電機の低慣性回転子において、前記支柱を前記フランジ中心部から斜めに延びる支柱とそれとは反対方向に斜めに延びる支柱を交差させて網状としたものとして前記フランジ周縁部と結合したことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第７の発明（請求項７に対応）に係るモータは、第１の発明ないし第６の発明のいずれかに係る永久磁石式回転電機の低慣性回転子を備えたことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第８の発明（請求項８に対応）に係る発電機は、第１の発明ないし第６の発明のいずれかに係る永久磁石式回転電機の低慣性回転子を備えたことを特徴とする。

第１の発明ないし第６の発明に係る永久磁石式回転電機の低慣性回転子によれば、表面部材、ヨーク及びフランジにより回転子の内部に空間を形成することができる。これによりこの部分には質量が存在しないため、回転電機の慣性は表面部材、ヨーク及びフランジにのみ生じるので、従来の回転子と比べ極めて低慣性となる。

第２の発明に係る永久磁石式回転電機の低慣性回転子によれば、補強フランジを設けることにより回転子の強度を増すことができ、特に軸方向に長い回転子の場合大きな効果を奏する。これにより、表面部材で発生したトルクを均一かつ確実にヨークに伝達することができる。

第３の発明に係る永久磁石式回転電機の低慣性回転子によれば、補強部材を設けることにより回転子の強度を増すことができ、特に軸方向に長い回転子の場合大きな効果を奏する。これにより、表面部材で発生したトルクを均一かつ確実にヨークに伝達することができる。

第４の発明ないし第６の発明に係る永久磁石式回転電機の低慣性回転子によれば、開口部が空間であるのでこの部分には質量が存在しないため、回転電機の慣性はフランジのフランジ周縁部材、支柱及びフランジ中心部材にのみ生じるので、従来の回転子と比べ極めて低慣性となる。

第６の発明に係る永久磁石式回転電機の低慣性回転子によれば、支柱の形状を交差状としたことにより、軽量化のために開口部を設けた場合であっても十分な強度を得られるため、表面部材で発生したトルクを均一かつ確実にヨークに伝達することができる。

第７の発明に係るモータによれば、低慣性回転子により応答性能が優れているため正逆転を繰り返す制御を行う場合に適している。

第８の発明に係る発電機によれば、大容量化することが可能なので発電量を大きくすることができる。

本発明に係る永久磁石式回転電機の低慣性回転子をモータの回転子に適応した実施例について図１から図９に基づいて説明する。図１は本発明に係る回転子の軸方向での断面図、図２は補強フランジを設けた回転子の軸方向での断面図、図３は補強部材を設けた回転子の軸方向での断面図、図４は２本の補強部材を交差するように設けた回転子の軸方向での断面図、図５は３本の補強部材を設けた回転子の軸方向での断面図、図６は補強フランジ及び補強部材を設けた回転子の軸方向での断面図、図７は本発明に係る回転子の軸方向での側面図、図８は放射状支柱を設けた回転子の軸方向での側面図、図９は交差状支柱を設けた回転子の軸方向での側面図である。

以下、本実施例の回転子１ａの構造を図１に基づいて説明する。回転子１aの径方向最外部には、固定子（図示せず）と対面する円筒状の表面部材２がある。表面部材２の固定子に対面する部位には磁石が設けられる。磁石は、表面部材２の表面に貼り付ける、又は、表面部材２に溝を設け、その溝に挿入することなどにより設けられる。

磁石を表面に貼り付ける場合、表面部材２は通常の鉄板の積層、又は、鋳造により製造する。また、表面部材２に溝を設け磁石を挿入する場合、表面部材２は通常の鉄板の積層により構成する。表面部材２を通常の鉄板の積層により製造する場合、積層する鉄板のグレードはどのようなものを用いてもよい。

表面部材２の軸方向両端部には、表面部材２を支え、表面部材２で発生したトルクを伝達するための２枚のフランジ３がある。フランジ３の軸方向での側面図を図７に示す。フランジ３の形状は円盤状であり、このフランジ３の中心部には、発生したトルクを出力するための回転電機トルク出力軸９（以下、シャフト９）を通すためのシャフト穴１２がある。

また、フランジの周縁部には貫通棒５を貫通させるための穴２６ｂがあけてあり、中心部周辺には貫通棒７を貫通させるための穴２７ａがあけてある。フランジ３は通常の鉄板の積層、又は、鋳造により製造する。フランジ３を通常の鉄板の積層により製造する場合、積層する鉄板のグレードはどのようなものを用いてもよい。

表面部材２とフランジ３には貫通棒５を貫通できるように穴２６ａ，２６ｂがあけられている。表面部材２とフランジ３はこの穴に貫通棒５を挿入し、その両端部を端板６で固定することにより結合している。また、表面部材２とフランジ３とを結合する方法として、表面部材２とフランジ３を鋳造により製造することにより、貫通棒５を用いずに表面部材２とフランジ３を一体とする方法を用いてもよい。

フランジ３の径方向内側には発生したトルクをシャフト９に伝達するための部位４（以下、ヨーク４）がある。ヨーク４は円筒状をなし、通常の鉄板の積層、又は、鋳造により製造する。ヨーク４を通常の鉄板の積層により製造する場合、積層する鉄板のグレードはどのようなものを用いてもよい。

フランジ３とヨーク４には貫通棒７を貫通できるように穴２７ａ，２７ｂがあけられている。フランジ３とヨーク４はこの穴に貫通棒７を挿入し、その両端部を端板８で固定することにより結合している。また、フランジ３とヨーク４とを結合する方法として、フランジ３とヨーク４を鋳造により製造することにより、貫通棒７を用いずにフランジ３とヨーク４を一体構造とする方法を用いてもよい。

ヨーク４の回転子１の軸方向内側にはシャフト９がある。ヨーク４とシャフト９とは一体となっている。このシャフト９により回転子１で発生したトルクを出力する。

本実施例に記載する回転子１ａの構造によれば、矢印Ａで示す部分が空間となり、この部分には質量が存在しないため、回転子１ａの慣性は表面部材２、フランジ３及びヨーク４にのみ生じるので、従来の回転子１と比べ極めて低慣性となる。

以下、本実施例の回転子１ｂの構造を図２に基づいて説明する。本実施例の回転子１ｂは、実施例１に記載する回転子１ａの強度を増すために補強フランジ１０を設けたものである。この補強フランジ１０の形状は円盤状であり、フランジ３と同様に貫通棒５及び貫通棒７を貫通できる穴とシャフトを貫通できる穴があけられている。補強フランジ１０は、例えば２枚のフランジ３との間隔が均一となるような位置で、表面部材２及びヨーク４に挟まれるように設置する。また、軸方向に長い回転子１ａに対しては補強フランジ１０を複数設置する。

本実施例に記載する回転子１ｂの構造によれば、補強フランジ１０を設けることにより回転子１ａの強度を増すことができ、特に軸方向に長い回転子１ａの場合大きな効果を奏する。これにより、表面部材２で発生したトルクを均一かつ確実にヨーク４に伝達することができる。

以下、本実施例の回転子１ｃの構造を図３に基づいて説明する。本実施例の回転子１ｃは、実施例１に記載する回転子１ａの強度を増すために補強部材を設けたものである。図３では補強部材として通しボルト１１及びナット２０を用いた例を示している。フランジ３の表面部材２と結合する位置とヨーク４と結合する位置とのほぼ中間の位置に、通しボルト１１を貫通させられるように穴２１をあける。

通しボルト１１は２つのフランジ３を回転軸と平行に穴２１を貫通し、ナット２０で締め付けることにより２枚のフランジ３と結合する。補強部材には通しボルト１１以外にも幅の狭い軽量の板等を用いてもよい。また、この補強部材はより強度を増すために必要に応じて複数設けてもよい。

図４に示すようにフランジ３に穴２２をあけ、補強部材として２本の通しボルト２３が回転子１ｄ内部で交差するように穴２２を貫通し、ナット２５で締結する。この場合、フランジ３を斜めに貫通する通しボルト２３を固定するために、通しボルト２３のヘッド及びナット２５のための座２４を設ける。

さらに、図５に示すようにフランジ３に穴２１，２２をあけ、回転軸に平行に貫通する通しボルト１１は穴２１に貫通しナット２０で締結して２枚のフランジ３と結合し、回転子１ｅ内部で交差する通しボルト２３は穴２２に貫通しナット２５で締結して２枚のフランジ３と結合する。この場合、フランジ３を斜めに貫通する通しボルト２３を固定するために、通しボルト２３のヘッド及びナット２５のための座２４を設ける。

本実施例に記載する回転子１ｃ，１ｄ，１ｅの構造によれば、補強部材（通しボルト１１，２３）を追加することにより回転子１ｃ，１ｄ，１ｅの強度を増すことができ、特に軸方向に長い回転子１ａの場合大きな効果を奏する。これにより、表面部材２で発生したトルクを均一かつ確実にヨーク４に伝達することができる。

以下、本実施例の回転子１ｆの構造を図６に基づいて説明する。本実施例の回転子１ｆは、実施例２及び実施例３に記載する回転子１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの構造を複合したものである。図６では一例として１枚の補強フランジ１０と補強部材として１本の回転軸に平行に貫通する通しボルト１１を用いて補強した構造を示している。

フランジには穴２１をあけ、補強フランジ１０には穴２６をあける。通しボルト１１を穴２１，２６に貫通しナット２０で締結して２枚のフランジ３を固定する。これら補強フランジ１０の枚数及び通しボルト１１の本数は、より強度を増すために必要に応じて増やすこともできる。

本実施例に記載する回転子１ｆの構造によれば、補強フランジ１０及び通しボルト１１を追加することにより回転子１ｆの強度を増すことができ、特に軸方向に長い回転子１の場合には大きな効果を奏する。これにより、表面部材２で発生したトルクを均一かつ確実にヨーク４に伝達することができる。

以下、本実施例の回転子１の構造を図８に基づいて説明する。本実施例の回転子１は、実施例１に記載する回転子１ａのフランジ３を軽量化したものである。フランジ３の表面部材２と結合するリング状の部位（以下、フランジ周縁部１３）とフランジ３のヨーク４と結合する円盤状の部位（以下、フランジ中心部１４）とはフランジ中心部材１４から放射状に延びる複数の支柱部１５（以下、放射状支柱部１５）がフランジ周縁部１３と結合することにより一体となっている。このような構造により矢印Ｂで示すような扇状の開口部を形成した。この放射状支柱部１５により表面部材２で発生したトルクはヨーク４へと伝達される。

また、フランジ３の中心部には、ヨーク４の内側と結合するシャフト９を通すためのシャフト穴１２があり、フランジ周縁部材１３には貫通棒５を貫通させるための穴２６ｂがあけてあり、フランジ中心部材１４には貫通棒７を貫通させるための穴２７ａがあけてある。フランジ３は通常の鉄板の積層、又は、鋳造により製造する。フランジ３を通常の鉄板の積層により製造する場合、積層する鉄板のグレードはどのようなものを用いてもよい。

本実施例に記載する回転子１の構造によれば、矢印Ｂで示す部分が空間となり、この部分には質量が存在しないため、フランジ３の慣性はフランジ周縁部材１３、フランジ中心部材１４及び放射状支柱１５にのみ生じるので、従来の回転子１と比べ極めて低慣性となる。

また、回転子１を固定子に挿入することにより径方向は磁石の吸引力により支えられ、軸方向はマグネットセンタを合わせようとする力で支えられるため、本実施例に記載する回転子１の構造によれば要求される強度を十分に満たすことができる。

以下、本実施例の回転子１の構造を図９に基づいて説明する。本実施例の回転子１は、実施例１に記載する回転子１のフランジ３を軽量化したものである。リング状のフランジ周縁部材１３と円盤状のフランジ中心部材１４とはフランジ中心部材１４から斜め方向に延びる支柱部１６ａとそれとは反対方向に延びる支柱部１６ｂとを網目状に交差させる（以下、交差状支柱部１６）ことにより一体となっている。このような構造により矢印Ｃで示すような開口部を形成した。このフランジ３は鋳造などにより製造する。この交差状支柱部１６により表面部材２で発生したトルクはヨーク４へと伝達される。

また、フランジ３の中心部には、ヨーク４の内側と結合するシャフト９を通すためのシャフト穴１２があり、フランジ周縁部材１３には貫通棒５を貫通させるための穴２６ｂがあけてあり、フランジ中心部材１４には貫通棒７を貫通させるための穴２７ａがあけてある。フランジ３は通常の鉄板の積層、又は、鋳造により製造する。フランジ３を通常の鉄板の積層により製造する場合、積層する鉄板のグレードはどのようなものを用いてもよい。

本実施例に記載する回転子１の構造によれば、矢印Ｃで示す部分が空間となるのでこの部分には質量が存在しないため、フランジ３の慣性はフランジ周縁部材１３、交差状支柱１６及びフランジ中心部材１４にのみ生じるので、従来の回転子１と比べ極めて低慣性となる。

また、交差状支柱部１６としたことにより、矢印Ｃで示すように軽量化のための開口部を設けた場合であっても十分な強度を得られるため、表面部材２で発生したトルクを均一かつ確実にヨーク４に伝達することができる。

さらに、回転子１を固定子に挿入することにより径方向は磁石の吸引力により支えられ、軸方向はマグネットセンタを合わせようとする力で支えられるため、本実施例に記載する回転子１の構造によれば要求される強度を十分に満たすことができる。

本発明は、大容量かつ低慣性の回転子を要求される場合に特に有効である。

本発明に係る回転子の軸方向での断面図である。 補強フランジを設けた回転子の軸方向での断面図である。 補強部材を設けた回転子の軸方向での断面図である。 ２本の補強部材を交差するように設けた回転子の軸方向での断面図である。 ３本の補強部材を設けた回転子の軸方向での断面図である。 補強フランジ及び補強部材を設けた回転子の軸方向での断面図である。 本発明に係る回転子の軸方向での側面図である。 放射状支柱を設けた回転子の軸方向での側面図である。 交差状支柱を設けた回転子の軸方向での側面図である。

符号の説明

１ 回転子
２ 表面部材
３ フランジ
４ ヨーク
９ シャフト
１０ 補強フランジ
１１ 補強部材
１３ フランジ周縁部
１４ フランジ中心部
１５ 放射状支柱部
１６ａ，１６ｂ 交差状支柱部
２１，２２ 穴

Claims (8)

1. 固定子に対面し、かつ磁石が取り付けられる円筒状の表面部材と、
   前記表面部材の軸方向両端に結合される円盤状のフランジと、
   前記フランジの中心部に結合されるヨークとを備え、
   前記表面部材と前記フランジと前記ヨークとにより空間が形成されている
   ことを特徴とする永久磁石式回転電機の低慣性回転子。
2. 請求項１に記載する永久磁石式回転電機の低慣性回転子において、
   前記表面部材と前記ヨークとの間に強度を増すための補強フランジを設ける
   ことを特徴とする永久磁石式回転電機の低慣性回転子。
3. 請求項１又は請求項２に記載する永久磁石式回転電機の低慣性回転子において、
   前記フランジに穴をあけ、前記穴に強度を増すための補強部材を貫通させて２枚の前記フランジを結合する
   ことを特徴とする永久磁石式回転電機の低慣性回転子。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載する永久磁石式回転電機の低慣性回転子において、
   前記フランジを前記フランジの前記表面部材と結合するフランジ周縁部と、前記ヨークと結合するフランジ中心部とを、支柱部により結合することにより前記フランジに開口部を設ける
   ことを特徴とする永久磁石式回転電機の低慣性回転子。
5. 請求項４に記載する永久磁石式回転電機の低慣性回転子において、
   前記支柱部を前記フランジ中心部から放射状に延ばし前記フランジ周縁部と結合する
   ことを特徴とする永久磁石式回転電機の低慣性回転子。
6. 請求項４に記載する永久磁石式回転電機の低慣性回転子において、
   前記支柱部を前記フランジ中心部から斜めに延びる支柱部とそれとは反対方向に斜めに延びる支柱部を交差させて網状としたものとして前記フランジ周縁部と結合する
   ことを特徴とする永久磁石式回転電機の低慣性回転子。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載する永久磁石式回転電機の低慣性回転子を備えた
   ことを特徴とするモータ。
8. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載する永久磁石式回転電機の低慣性回転子を備えた
   ことを特徴とする発電機。
   

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