JP2007532089A - 永久磁石ロータ及び磁石クレードル - Google Patents

Abstract

回転軸線を持つ永久磁石ロータの表面に設けられた凹所状オーバーハングスロットに永久磁石を支持するための磁石クレードルである。クレードルは非磁性であり、永久磁石と当接する上壁及び下壁を有する。クレードルは、永久磁石をオーバーハングスロット内に保持する大きさを備えている。回転軸線に対して概ね垂直な軸線方向端壁は、スロットのオーバーハング部分と直接当接するように形成された周縁部を有する。クレードルの上壁及び下壁の全軸線方向長さは、磁石の全軸線方向長さよりも大きく、これにより、クレードルを磁石の磁束路内に置くことなく、クレードルの軸線方向端壁間に磁石を嵌着できる。

Description

高速永久磁石モータを設計する上での課題の一つは、高速作動中に磁石をロータシャフト上に保持することである。ロータの回転による遠心力により、磁石は、シャフトによって機械的に拘束されなければならない外方（半径方向）への力を及ぼす。遠心力が磁石の質量中心からの半径及び角速度の二乗に比例するため、高速／高出力の永久磁石モータの設計は困難である。

永久磁石モータ及び交流電源は、磁石をロータシャフトに取り付けるのに二つの方法を使用する。第１の方法は、表面取り付け方法と呼ばれ、接着剤を使用して磁石をロータシャフトの表面に結合する。多くの設計において、磁石は、高強度非磁性バンドをロータシャフトの周囲に磁石の上に巻き付けることによって追加に保持される。例えば、ジョンソン等に付与された「保持円錐体を持つ、調和振動場効果損を減少したロータ」という表題の米国特許第５，８０１，４７０号及びヴァン・ディーン等に付与された「高速ロータ用永久磁石保持装置」という表題の米国特許第６，６０３，２３２号を参照されたい。磁石がこの第１の方法に従って取り付けられた永久磁石モータ又は交流電源の速度及び出力は、接着剤及び結合部の強度が限られているために制限される。磁石を永久磁石ロータに保持するための第２の方法は、磁石をシャフトの表面の下に挿入し、機械的手段によって所定の場所に保持する埋設法である。このような方法の一つでは、軸線方向突出部を持つリングが磁石を保持する。スミスに付与された「高速ロータ」という表題の米国特許第６，７００，２８８号を参照されたい。リングは、シャフトの各磁極のところで、あり継ぎ又はモミの木継ぎでシャフトに取り付けられる。中実のリングを使用する場合には、磁極の取り付け部分の間で許容差が積み上がり、隙間が不十分である場合には組み立て中に他の部品と干渉してしまう。更に、中実のリングは機械加工が困難である。この方法の提案された変更には、中実のリングの代わりに各磁石用の個々のキャリヤを設けることが含まれる。例えば、ワイグルホーファー等に付与された「高速ロータ用非磁性磁石保持チャンネル構成」という表題の米国特許第６，５４８，９３２号を参照されたい。

本発明の目的は、永久磁石ロータによって保持された、個々の磁石用の磁石保持システムを提供することである。本発明は、特に大型の永久磁石モータ又は交流電源で有用であり、磁石、積層体、及びステータ磁極の間の低透磁率材料を全てなくしたことを特徴とする。

概説すると、本発明によれば、回転軸線及び概ね円筒形の表面を持つ非磁性円筒形シャフトを含む永久磁石ロータアッセンブリが提供される。円筒形の表面の偶数の凹所をなしたオーバーハングスロットが偶数のリブを画成する。複数の概ねＣ形状の高透磁率の積層スタックがリブを取り囲んでいる。各積層スタックはリブのオーバーハング部分と当接する。永久磁石が凹所をなしたスロットに配置される。これらの磁石は、積層スタックと当接する間隔が隔てられた周端縁面を有する。これらの磁石は上面及び下面を有する。好ましくは、上面及び下面は平行であり、磁石は台形形状を有する。磁石は、各周端縁面に逆の磁極を持ち、どのＣ形状積層スタックと当接する磁極も同じ磁性を持つように磁化されている。

複数の非磁性クレードルが、凹所をなしたスロット内に永久磁石を支持する。各クレードルは、永久磁石の上面及び下面と当接する上壁及び下壁を有し、各クレードルは軸線方向端壁を有し、これらの軸線方向端壁の周縁部はリブのオーバーハング部分と直接当接する。軸線方向におけるクレードルの上面の全軸線方向長さは、積層スタック及び磁石の全軸線方向長さよりも大きく、これにより、積層スタック及び磁石をクレードルの端壁間に嵌着できる。

磁石は、リブに直接支承されたクレードルによって遠心力に抗して固定される。

好ましい実施形態によれば、回転軸線及び概ね円筒形の表面を持ち、前記円筒形の表面が偶数の凹所をなしたオーバーハングスロットを備え、前記偶数の凹所をなしたオーバーハングスロットが偶数のリブをその間に画成する非磁性円筒形シャフトを含む、永久磁石ロータアッセンブリが提供される。リブは、前記回転軸線に対して垂直な平面において概ねＴ形状の断面を有する。複数の概ねＣ形状の高透磁率の積層スタックがリブを取り囲む。積層スタックを形成する個々のプレート間の分離部は、回転軸線に対して垂直な平面内にある。各プレートは、リブのオーバーハング部分と当接する縁面を有する。

永久磁石は、凹所をなしたスロットの各々に配置されている。個々の永久磁石間の分離部は、回転軸線に対して垂直な平面内にある。これらの磁石は、積層スタックのプレートの縁面と当接する間隔が隔てられた周縁面を有する。これらの磁石は、回転軸線に対して垂直に取り出した円筒形シャフトの断面の弦上にある概ね平行な上縁面及び下縁面を有する。磁石は、各周縁面に逆の磁極を持つように、及び、どのＣ形状積層スタックと当接する磁極も同じ磁性を持つように磁化されている。

複数の非磁性クレードルが、凹所をなしたスロット内に永久磁石を支持する。各クレードルは、積層永久磁石の個々の区分の上縁面及び下縁面と当接する上壁及び下壁を有する。各クレードルは、面が回転軸線に対して垂直な平面内にあり且つ縁部がＴ形状リブのオーバーハング部分に直接当接する軸線方向端壁を有する。クレードルの上面及び下面の全軸線方向長さは、積層スタック及び積層磁石の全軸線方向長さよりも大きく、これによって、積層スタック及び積層磁石をクレードルの端壁の延長部間に嵌着できる。

別の実施形態によれば、回転軸線を持つ永久磁石ロータの円筒形表面上の凹所をなしたオーバーハングスロット内に永久磁石を支持するための磁石クレードルが提供される。クレードルは非磁性であり、永久磁石の半径方向表面と当接する上壁及び下壁を含む。クレードルは、上壁及び下壁と当接する軸線方向端壁を有する。端壁は、回転軸線に対して概ね垂直な面を有する。軸線方向端壁の周縁部は、スロットのオーバーハング部分に直接当接するように形成されている。クレードルの上壁の全軸線方向長さは、磁石の全軸線方向長さよりも大きく、これによって、クレードルを磁石の磁束路内に置くことなく、磁石をクレードルの軸線方向端壁間に嵌着できる。

この他の特徴及び他の目的、及び利点は、以下の詳細な説明を添付図面を参照して読むことにより更に明瞭になるであろう。

図１を参照すると、シャフト１０は、本発明による永久磁石ロータの土台を構成する。シャフト１０は、ニッケルコバルト合金等の非磁性高強度材料で形成されている。図２に示すように、シャフト１０は、ロータの回転軸線に対して画成された断続的円筒形表面を有する。シャフトの各端には、ベアリング１２用の構成が設けられている。ベアリング１２はロータの回転軸線を画成する。シャフト１０は、偶数の実質的に同じ凹所即ちオーバーハングスロット１３を有する。スロット１３は、あり表面１５がスロットと隣接した実質的に同じ概ねＴ形状のリブ１１を画成する。磁石は、上文中に説明したようにスロット内に配置され、クレードルによって保持される。

シャフト１０は磁石の近傍に連続した断面（軸線方向に延びる）を備えているけれども、シャフトは個々の区分内に偶数の磁石を支持すると考えるのがよい。図３は、シャフトから取り出したこのような区分を示し、図４は図３の分解図を示す。

図１に明瞭に示すように、電気鋼等の透磁率が高い材料でできた概ねＣ形状の複数の積層スタック１７がＴ形状リブ１１を取り囲む。スタックは、シャフトの回転軸線に対して垂直に位置決めされた個々のシートで形成されている。これらのシートは、リブのオーバーハング即ちあり表面に当接する縁部を有する。このようにして、積層スタックは、シャフトの回転時に遠心力に抵抗するように機械的に固定される。

永久磁石を保持するための複数の非磁性クレードル１８が各スロットに配置される。各クレードル１８は積層永久磁石１９を支持する。クレードルの構造は図４、図６、図７、及び図８に示してある。各クレードルは上壁２１及び下壁２２を有する。これらの壁は、クレードルをロータのスロットに設置したとき、概ね軸線方向及び周方向に延びる。上壁２１はロータの回転時に磁石と当接し、磁石を投げ出そうとする遠心力に抵抗する。クレードルは、チタニウム等の軽量非磁性構造材料で形成されている。クレードルは、上壁及び下壁に接合された軸線方向端壁２３及び２４を有する。下壁は、高い回転速度で上壁が半径方向外方に押圧されたとき、軸線方向端壁が磁石上で潰れないように、これらの軸線方向端壁を固定する。軸線方向端壁２３及び２４は、リブのあり表面１５に当接するように形成された縁部２６を有する。クレードルの軸線方向端壁間の間隔は、磁石の軸線方向長さ及び積層スタックの軸線方向長さに亘って延びるのに十分に大きい。好ましくは、磁石の軸線方向長さ及び積層スタックの軸線方向長さは同じである。クレードルは、クレードル及びオーバーハングリブのあり表面の係合によって、遠心力に抗して固定される。クレードルによって及ぼされた遠心力がリブに加わるということに着目することが重要である。

図６は永久磁石１９を示し、図７はクレードル１８に挿入した永久磁石１９を示す。磁石は、クレードル１８の下壁２２に当接する下縁部３２及びクレードル１８の上壁２１に当接する上縁部３１を有する。磁石の上下の縁部は概ね平行である。好ましくは、磁石は、これらの平行な縁部が円筒形シャフトの断面の弦上にある概ね台形形状を備えている。他の磁石形体が可能であり、例えば磁石の上下の縁部は、円筒形軸線がロータシャフトの回転軸線の近くにある円筒形によって形成されていてもよい。この場合、クレードルの上下の壁は磁石に当接する対応する円筒形の表面を備えている。磁石の周縁部（平行でない縁部）３３はクレードルによって露呈されている。このようにして、磁石の縁部は、図１で最もよくわかるように積層スタックと当接できる。これは本発明の重要な特徴である。磁石と積層体との間に中実の非磁性材料が存在せず、好ましくは磁石が積層体にきつく当接する。

磁石は、代表的には希土類永久磁石である。これらの磁石は、各周縁面のところに逆の磁極を持つように磁化される。どのＣ形状積層スタックに当接する磁極も、極性が同じである。各リブの真上の積層スタックの部分がロータの磁極である。非磁性材料がロータの表面上に配置されており、従って、電磁結合を更に効率的にするため、ロータの磁極をステータ捲線に更に近付けることができるということに着目されたい。

本発明を詳細に、特に特許法によって求められているように説明したが、特許によって保護されることが所望の事項は、特許請求の範囲に記載してある。

ロータの軸線に対して垂直な平面で切った、組み立てたロータの斜視図である。 ロータ軸線に対して垂直に取り出したロータの断面図である。 ロータシャフトのスライスの、組み立てた状態での斜視図である。 本発明による永久磁石ロータシャフトのスライスの分解斜視図である。 本発明による磁石クレードルの斜視図である。 磁石組の斜視図である。 磁石を含む磁石クレードルの斜視図である。 磁石クレードルの軸線方向端面図である。 ロータの軸線方向に対して垂直な平面に沿ったクレードルの断面図である。

Claims (3)

1. 永久磁石ロータアッセンブリにおいて、
   回転軸線及び概ね円筒形の表面を持ち、前記円筒形の表面が偶数の凹所をなしたオーバーハングスロットを有し、前記偶数の凹所をなしたオーバーハングスロットが偶数のリブをその間に画成する、非磁性円筒形シャフト、
   前記リブを取り囲む複数の概ねＣ形状の高透磁率の積層スタックであって、各積層スタックが前記リブのオーバーハング部分と当接する、積層スタック、
   前記凹所をなしたスロットの各々に配置された複数の永久磁石であって、これらの磁石は、前記積層スタックと当接する、間隔が隔てられた周端縁面を有し、前記磁石は上面及び下面を有し、前記磁石は、各周端縁面に逆の磁極を持つように、及び、どのＣ形状積層スタックと当接する磁極も同じ磁性を持つように磁化されている、永久磁石、及び
   前記凹所をなしたスロット内に前記永久磁石を支持するための複数の非磁性クレードルであって、各クレードルは、前記永久磁石の上面及び下面と当接する上壁及び下壁を有し、各クレードルは軸線方向端壁を有し、これらの軸線方向端壁の周縁部は前記リブのオーバーハング部分と直接当接し、軸線方向における前記クレードルの前記上面の全軸線方向長さは、前記積層スタック及び前記磁石の全軸線方向長さよりも大きく、これにより、前記積層スタック及び磁石を前記クレードルの前記端壁間に嵌着できる、クレードル、を備え、
   前記磁石は、前記リブに直接支承された前記クレードルによって遠心力に抗して固定されている、永久磁石ロータアッセンブリ。
2. 永久磁石ロータアッセンブリにおいて、
   回転軸線及び概ね円筒形の表面を持ち、前記円筒形の表面が偶数の凹所をなしたオーバーハングスロットを有し、前記偶数の凹所をなしたオーバーハングスロットが偶数のリブをその間に画成する、非磁性円筒形シャフトであって、前記リブは、前記回転軸線に対して垂直な平面において概ねＴ形状の断面を有する、シャフト、
   前記リブを取り囲む複数の概ねＣ形状の高透磁率の積層スタックであって、前記積層スタックを形成する個々のプレート間の分離部は、前記回転軸線に対して垂直な平面内にあり、各プレートは前記リブのオーバーハング部分と当接する縁面を有する、積層スタック、
   前記凹所をなしたスロットの各々に配置された複数の永久磁石であって、個々の永久磁石間の分離部は、前記回転軸線に対して垂直な平面内にあり、前記磁石は、前記積層スタックのプレートの縁面と当接する、間隔が隔てられた周縁面を有し、前記磁石は、前記回転軸線に対して垂直に取り出した前記円筒形シャフトの断面の弦上にある概ね平行な上縁面及び下縁面を有し、前記磁石は、各周縁面に逆の磁極を持つように、及び、どのＣ形状積層スタックと当接する磁極も同じ磁性を持つように磁化されている、永久磁石、及び
   前記凹所をなしたスロット内に前記積層永久磁石を支持するための複数の非磁性クレードルであって、各クレードルは、前記積層永久磁石の個々の区分の上縁面及び下縁面と当接する上壁及び下壁を有し、各クレードルは、面が前記回転軸線に対して垂直な平面内にあり且つ縁部が前記Ｔ形状リブのオーバーハング部分に直接当接する軸線方向端壁を有し、クレードルの上面及び下面の全軸線方向長さは、前記積層スタック及び前記積層磁石の全軸線方向長さよりも大きく、これによって、前記積層スタック及び磁石を前記クレードルの端壁の延長部間に嵌着できる、クレードル、を備え、
   前記磁石は、前記リブに直接支承された前記クレードルによって遠心力に抗して固定される、永久磁石ロータアッセンブリ。
3. 回転軸線を持つ永久磁石ロータの表面上の凹所をなしたオーバーハングスロット内に永久磁石を支持するための磁石クレードルにおいて、前記クレードルは非磁性であり、前記永久磁石と当接する上壁及び下壁を含み、前記永久磁石を前記オーバーハングスロット内に保持するような大きさを備えており、軸線方向端壁が前記回転軸線に対して概ね垂直であり、前記軸線方向端壁の周縁部は、前記スロットのオーバーハング部分に直接当接するように形成されており、軸線方向における前記クレードルの前記上壁及び前記下壁の全軸線方向長さは、前記磁石の全軸線方向長さよりも大きく、これによって、前記クレードルを前記磁石の磁束路内に置くことなく、磁石を前記クレードルの前記軸線方向端壁間に嵌着できる、磁石クレードル。

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