JP2008029153A - 高回転モータ用ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石を保護管に挿入する際に、永久磁石に大きな圧力が加わることなく、また、高速回転時の強い遠心力に対しても永久磁石を破損させることがない構造を備える、高回転モータ用ロータを提供することにある。
【解決手段】永久磁石１０を保護管２０に挿入した後、形状記憶材料からなる内側管２２を形状回復させる。これにより、内側管２２は、外側管２１と永久磁石１０との間において圧縮応力（予圧縮）を生じさせることとなる。この圧縮応力の発生により、永久磁石１０の外周面に対して均一に予圧縮を作用させる。
【選択図】図６

Description

本発明は、高回転モータ用ロータの構造の改善に関する。

高回転モータ用ロータ（回転子）の構造を開示するものとして、特許文献１（特開２００１−３３９８８６号公報）が挙げられる。この文献に開示される高回転モータ用ロータにおいては、円筒形の永久磁石とこの永久磁石の外周面に配置される保護管とを備えている。永久磁石には、回転機において電気エネルギーと回転運動とを高い効率で変換することができ、回転機の小型化や高出力化を実現することが要求されることから、磁束密度の高い希土類磁石などが用いられる。

ここで、希土類磁石は、機械的強度は高くなく、破損しやすい性質を有している。そのため、ロータの回転数が高い、高速回転用モータに対して希土類磁石を用いた場合には、希土類磁石が回転中に強い遠心力を受けて破損するおそれがある。そこで、この遠心力による破損を防止するために、円筒形の永久磁石の外周面を密着して覆う保護管が取り付けられる。

円筒形の永久磁石に保護用の保護管を取り付ける際には、永久磁石の外径と保護管の内径とに大きな寸法差（圧入代または締代）を予め設け、保護管に永久磁石を組付ける。これにより、磁石に予め圧縮力が付加（予圧縮）される結果、高速回転時の強い遠心力に対しても永久磁石が引っ張り応力を受けることを抑制し、永久磁石の遠心力による破損を防止する。

しかしながら、上述したように、保護管に永久磁石を組付ける際には、大きな力を永久磁石に加える必要があるため、この組付け過程において永久磁石が破損してしまうおそれがある。
特開２００１−３３９８８６号公報

この発明が解決しようとする課題は、高回転モータ用ロータにおいて、永久磁石を保護管に組付ける過程において、永久磁石が破損してしまうおそれがある点にある。したがって、この発明の目的は、永久磁石を保護管に組付ける際に、永久磁石に局所的に大きな圧力が加わることなく、また、高速回転時の強い遠心力に対しても永久磁石を破損させることがない構造を備える、高回転モータ用ロータを提供することにある。

本発明に基づいた高回転モータ用ロータは、略円筒形状の磁石の外周に保護管を備える高回転モータ用ロータであって、上記保護管は、外側に位置する円筒形状の外側管と、上記外側管と上記磁石との間に位置する円筒形状の内側管とを有し、上記内側管には、所定の形状回復条件においてその径方向に形状回復する形状記憶材料を用いている。

本発明に基づいた高回転モータ用ロータによれば、磁石への予圧縮を、内側管に形状記憶材料を用い、この形状記憶材料の形状回復により与えることを可能としている。これにより、磁石への保護管の組付け時には、内側管を全体的にその径方向の厚み方向に圧縮した状態にしておくことで、保護管を磁石に容易に組付けることが可能となる。その後、所定の形状回復条件下に本高回転モータ用ロータを配置することで、保護管の内側管が形状回復する。

その結果、内側管は、元の形状には完全に復元できないことから、外側管と磁石との間において圧縮応力（予圧縮）を生じさせることとなる。この圧縮応力の発生により、磁石の外周面に対して均一に予圧縮を作用させることが可能となる。以上のことから、組立時において、磁石を保護管に組付ける際には、磁石に局所的に大きな圧力が加わることがないため、磁石の破損を防止することが可能となる。また、磁石の外周面に対して均一に予圧縮を作用させることを可能としていることから、高速回転時の強い遠心力に対しても磁石が破損することはない。

以下、本発明に基づいた各実施の形態における高回転モータ用ロータについて、図を参照しながら説明する。なお、各実施の形態において、同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

（実施の形態1）
図１から図６を参照して、本実施の形態における高回転モータ用ロータ１００の具体的構成について説明する。図１は、本実施の形態における高回転モータ用ロータ１００の構造を示す全体斜視図である。なお、内部構造の理解を容易にするため、一部破断して図示している。図２は、本実施の形態における高回転モータ用ロータ１００の構造を示す縦断面図である。図３から図５は、本実施の形態における高回転モータ用ロータ１００の組立工程を示す第１から第３工程を示す縦断面模式図である。図６は、組立後の磁石の外周面に対して均一付加される予圧縮の状態を示す縦断面模式図である。

まず、図１および図２を参照して、本実施の形態における高回転モータ用ロータ１００の構造を説明する。本実施の形態における高回転モータ用ロータ１００は、略円筒形状の永久磁石１０の外周に保護管２０を備えている。永久磁石１０は、図示においては、断面が円環状の円筒形状であるが、断面が瓦形状（扇形状）の磁石を中心軸周りに複数個配置し、全体として円筒形状をなす構造でも構わない。

永久磁石１０には、回転機において電気エネルギーと回転運動とを高い効率で変換することができ、回転機の小型化や高出力化を実現することが要求されることから、磁束密度の高い材料の一例として、希土類磁石などが用いられる。

保護管２０は、外側に位置する円筒形状の外側管２１と、この外側管２１と磁石との間に位置する円筒形状の内側管２２とを有している。外側管２１には、非磁性体、高剛性、および、軽量という条件が要求されることから、材料としては、チタン、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等が用いられる。

内側管２２には、所定の形状回復条件においてその径方向に形状回復させることにより、外側管と磁石との間において予圧縮を生じさせるため形状記憶材料が用いられる。所定の形状回復条件としては、所定の温度条件、所定の磁界作用等が挙げられる。形状記憶材料の一例としては、ニッケルチタン合金等が挙げられる。

高回転モータ用ロータ１００の外径寸法としては、要求される性能により様々であるが、一例を示すと（図２参照）、高さ（Ｌ）約５０ｍｍ、外径（Ｄ）約２０ｍｍ、外側管２１の厚さ（ｔ１）約２ｍｍ、内側管２２の厚さ（ｔ２）約１ｍｍ以下程度である。また、外側管２１、内側管２２、および永久磁石１０は、略同じ高さとなるように設けられている。なお、外側管２１と内側管２２とは同じ高さに設け、永久磁石１０の高さを、外側管２１および内側管２２の高さよりも低くなるように設けることも可能である。

次に、上記構成からなる高回転モータ用ロータ１００の組立工程について、図３〜図５を参照しながら説明する。なお、図において、内側管２２の形状回復状態の理解を容易にするために、内側管２２の径方向の厚みを誇大して図示している。まず、図３（Ａ）は、形状記憶材料の形状回復状態での形状を示している。この時、内側管２２の径方向の厚み（Ｘ１）は、前述した組付け状態の内側管２２の厚さ（ｔ２）の約１ｍｍより数十μｍ程度大きな径となっている。

次に、図３（Ｂ）に示すように、内側管２２の径方向に対して圧縮力を印加して、塑性変形させ、内側管２２の厚さ（ｔ２）の約１ｍｍとする。

次に、図４に示すように、塑性変形した内側管２２を外側管２１に挿入する。この時の、内側管２２の外径と外側管２１の内径との寸法差は、微小隙間または弱圧入となる寸法差となるように設定する。その後、図５に示すように、内側管２２に、永久磁石１０を挿入する。この時の、永久磁石１０の外径と内側管２２の内径との寸法差は、微小隙間または弱庄入となる寸法差となるように設定する。

次に、図６に示すように、所定の形状回復条件に設定することにより、内側管２２を形状回復させる。半径方向への形状回復寸法は、数十μｍ程度である。これにより、内側管２２は、元の形状には完全に復元できないことから、外側管２１と永久磁石１０との間において圧縮応力（予圧縮）を生じさせることとなる。この圧縮応力の発生により、永久磁石１０の外周面に対して均一に予圧縮を作用させることが可能となる。

以上、本実施の形態における高回転モータ用ロータ１００によれば、組立時において、永久磁石１０を保護管２０に装着する際には、永久磁石１０に局所的に大きな圧力が加わることがないため、永久磁石１０の破損を防止することが可能となる。また、外側管２１は高剛性であることから、内側管２２が形状復元することにより、内側（永久磁石１０）側に、圧縮力を発生させ、永久磁石に耐遠心力強度に必要な圧縮応力を付加させることが可能となる。また、上記組立工程を採用することができる結果、従来圧入には適していなかったセラミックス等を用いて、外側管２１を成形することが可能となる。

また、回転機の駆動に伴って、磁石で発生した発熱（損失）は、周方向、径方向で不均一となる傾向がある。一方、本実施の形態においては、内側管２２に外側管２１よりも熱伝達率が高くなる形状記憶材料を選択することにより、永久磁石１０内の熱を効率良く放熱（冷却）することが可能となる。

（実施の形態２）
次に、図７から図９を参照して、本実施の形態における高回転モータ用ロータ２００について説明する。上記実施の形態１においては、外側管２１、内側管２２、および永久磁石１０は、略同じ高さとなるように設けていたが、本実施の形態においては、外側管２１と内側管２２とは同じ高さに設け、永久磁石１０の高さを、外側管２１および内側管２２の高さよりも低くなるように設け場合を示している。なお、図７は、高回転モータ用ロータの保護管２０による応力分布を示す図（改善前）であり、図８は、本実施の形態において採用される、内側管２２の構造を示す部分縦断面図であり、図９は、改善後における、高回転モータ用ロータの保護管２０による圧縮応力分布を示す図である。

図７（Ａ）の圧縮応力分布図に示すように、本実施の形態における高回転モータ用ロータにおいては、高回転モータ用ロータの上端部および下端部においては一端が開放されている結果、ロータの上端部および下端部に曲げモーメントが発生することが知られている。そのため、高回転モータ用ロータの上端部および下端部のそれぞれの近傍領域においては、圧縮応力が低下する領域（図中Ａ、Ｂで示す領域）が発生する。

そこで、本実施の形態における保護管２０には、図８に示すように、その径方向において形状回復する厚さが他の領域よりも厚く設けられる圧縮応力調節領域２２ｃを有する内側管２２Ａを用いている。この圧縮応力調節領域２２ｃは、永久磁石１０の上下端部近傍領域に対応した内側管２２Ａ上の位置に形成されている。具体的には、圧縮応力が低下する領域に対応する領域に、通常の厚さ（ｔ２）よりも厚く設けられた円周状の突起領域から構成される圧縮応力調節領域２２ｃ（厚さｔ３）が形成されている。なお、高回転モータ用ロータの他の構成は、上記実施の形態１における高回転モータ用ロータ１００と同じ構成である。

以上、この構成からなる内側管２２Ａを用いることで、外側管２１に内側管２２Ａを組付けた後に内側管２２Ａを形状回復させた場合には、圧縮応力調節領域２２ｃに相当する領域における圧縮応力を上昇させることができる。その結果、高回転モータ用ロータの保護管２０による圧縮応力分布は、図９に示すように、全体において均一化させることが可能となる。これにより、圧縮応力分布の不均一に起因する永久磁石１０の破損を抑制することが可能になる。

以上、本発明に基づく各実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全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全ての変更が含まれることが意図される。

この発明に基づいた実施の形態１における高回転モータ用ロータの構造を示す全体斜視図である。 この発明に基づいた実施の形態１における高回転モータ用ロータの構造を示す縦断面図である。 この発明に基づいた実施の形態１における高回転モータ用ロータの組立工程を示す第１工程縦断面模式図である。 この発明に基づいた実施の形態１における高回転モータ用ロータの組立工程を示す第２工程縦断面模式図である。 この発明に基づいた実施の形態１における高回転モータ用ロータの組立工程を示す第３工程縦断面模式図である。 この発明に基づいた実施の形態１における高回転モータ用ロータの組立後の磁石の外周面に対して均一付加される予圧縮の状態を示す縦断面模式図である。 高回転モータ用ロータの保護管による圧縮応力分布を示す図（改善前）である。 この発明に基づいた実施の形態2において採用される、内側管の構造を示す部分縦断面図である。 高回転モータ用ロータの保護管による圧縮応力分布を示す図（改善後）である。

符号の説明

１０ 永久磁石、２０ 保護管、２１ 外側管、２２，２２Ａ 内側管、１００，２００ 高回転モータ用ロータ。

Claims (4)

1. 略円筒形状の磁石の外周に保護管を備える高回転モータ用ロータであって、
   前記保護管は、外側に位置する円筒形状の外側管と、前記外側管と前記磁石との間に位置する円筒形状の内側管とを有し、
   前記内側管には、所定の形状回復条件においてその径方向に形状回復する形状記憶材料を用いる、高回転モータ用ロータ。
2. 前記内側管は、前記外側管よりも熱伝達率が高く設定される、請求項１に記載の高回転モータ用ロータ。
3. 前記内側管は、その径方向において形状回復する厚さが他の領域よりも厚く設けられる圧縮応力調節領域を有する、請求項１または２に記載の高回転モータ用ロータ。
4. 前記圧縮応力調節領域が、前記磁石の端部近傍領域に対応した前記内側管上の位置に形成される、請求項３に記載の高回転モータ用ロータ。

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