JP2008178265A - 回転電機のロータ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力を維持しつつ、組立て作業性を向上させた回転電機のロータ構造を提供することにある。
【解決手段】ロータコア１の表面１ａに磁石２が貼り付けられた回転電機のロータ構造１０であって、磁石２の外側を覆う補強管３を具備し、補強管３が、切欠４を有すると共に、この中心に向けて収縮するばね力を有し、この復元力により磁石２に圧縮応力を負荷するようにしたことで、磁石量を低減させず、高出力を維持しつつ、補強管３を焼きばめによらず取り付けることができ組立て作業性を向上させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機のロータ構造に関し、詳細には永久磁石型回転電機のロータ構造に関に関する。

永久磁石を用いたモータ（永久磁石型回転電機）は、誘導電動機と比較して、効率が高く、小型・高出力を実現しており、各種装置の発電機として利用されている。

上記永久磁石型回転電機に代表されるロータに磁石を有した回転機では、軸、積層鋼板、磁石などの主要な部品でロータが構成されている。上記磁石は、上記主要部品にて最も強度が低くなっている。これは、上記磁石が粉末冶金で製造されるため、圧縮応力には強い特性を有するものの、引張応力には弱い特性を有しており、ロータの回転による遠心力により、上記磁石に引張応力が負荷されるためである。よって、磁石が回転中の遠心力により損傷しないようにするため、種々の手法が提案されている。

例えば、磁石自身の強度を向上させることが提案されている。また、ロータ表面にＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）や非磁性の金属材料を用いた円筒を配置して磁石の飛散を防止し、遠心力による最大引張り応力を低減させるために、磁石を円筒の中に圧入して磁石に圧縮応力を付与する構造が提案されている。円筒を配置した場合に、磁石と円筒の接触面が遠心力により変形すると、磁石と円筒の接触面の曲率が変わり、これらの接触状態が面から点となり、磁石の応力が集中してしまう。そのため、上記磁石と上記円筒との間にばねを配置する手法や、ロータ外周の補強板を円形でない形状にする手法が提案されている。上記磁石と上記円筒が金属材料である場合、上記磁石と上記円筒とを高温高圧下環境雰囲気で拡散を助長させ、異種材料の結合を行う手法で一体化して、遠心力により発生する磁力の応力の低減と、ロータの許容回転数の向上とを実現したものが提案されている。

特開平１１−２９９１５１号公報 特開２００５−１６８１２７号公報

磁石を有するロータが高速で回転する場合、磁石が飛散しないように、ロータコアに磁石を埋め込んだＰＭモータ（ＩＰＭ）が用いられる。このモータは、図示していないが、コアに磁石を埋め込むため、コア自身の強度を確保する構造上の寸法が必要となり、磁石量はこの分少なくなり高出力が困難であった。

一方、磁石をロータコア表面に貼り付けたＰＭモータ（ＳＰＭ）では、遠心力により磁石が飛散するため、ロータが低速回転でしか使用されない場合には、ロータコア表面を補強しない構造となっているが、ロータが高速回転で使用される場合には、ロータコアの外周側に補強材を配置する必要がある。

この補強材は、通常磁石からの磁束がロータへ短絡しないように、非磁性材料が用いられている。例えば、オーステナイト系ステンレス鋼やチタン合金、アルミ合金、繊維強化プラスチックなどが挙げられる。ここで、補強材の電気抵抗は、渦電流損失が抵抗に比例するので、小さいほうが良い。補強材の比重は、遠心力が質量に比例するので小さく、強度は高いほうが薄い構造を実現でき、磁石とステータの距離を狭く出来るので、磁束が通り易く、優れた特性のモータを設計できる。

このような補強材を用いて、磁石の飛散を防止する際には、磁石に圧縮力を負荷すると、遠心力による引張応力と重畳し、最大応力がほぼ０あるいは、引張り応力側の材料強度より低くすることができる。

このため、図２に示すように、先に示した非磁性材料で作製した円筒２１と磁石２２を、シャフト２３およびこれに固定され、例えば積層鋼板からなるロータコア２４を高温にして膨張させて磁石２２にはめ込む焼きばめ、あるいは、磁石２２を冷却して収縮させたのち円筒２１をはめ込む冷やしばめにより、使用温度範囲で磁石２２に初期圧縮力を負荷して永久磁石型回転電機２０が作製されている。

なお、永久磁石は高温時には非可逆減磁を生じるため、焼きばめ温度が高いと磁石の保磁力が低下することが知られており、焼きばめ温度（一般的には希土類磁石で１７０℃が望ましい）にも制限があった。

特許文献１に記載のモータでは、ヨーク分割用スリットを有するヨークの内周側に磁石を配置しており、高速回転時の磁石の破壊を防止すると共に、温度上昇による歪みが生じないようにすることができるものの、このヨーク分割用スリットは組み立て時には隙間を詰めた状態となっており、組立て作業性が悪かった。

特許文献２に記載の永久磁石式回転子では、電磁鋼板を積層してなるヨークと、この外周側に配置された複数の永久磁石片を前記ヨークと協働して挟持する環状の保持リングととを具備し、前記永久磁石片を確実に飛散を防止することができるものの、前記永久磁石片の膨張、収縮に対応できないため、温度条件によっては前記永久磁石片にガタつきが起こることがあり、隙間なく焼きばめ等によって前記永久磁石片を挿入すると、膨張時に前記永久磁石片に応力が掛かったり、熱減磁が起こったりなどしてしまう。

そこで、本発明は、前述した問題に鑑み提案されたもので、高出力を維持しつつ、組立て作業性を向上させた回転電機のロータ構造を提供することを目的とする。

前述した課題を解決する第１の発明に係る回転電機のロータ構造は、ロータコアの表面に磁石が貼り付けられた回転電機のロータ構造であって、前記磁石の外側を覆う補強管を具備し、前記補強管が、切欠を有すると共に、この中心に向けて収縮するばね力を有し、この復元力により前記磁石に圧縮応力を負荷するようにしたことを特徴とする。

本発明に係る回転電機のロータ構造によれば、ロータコアの表面に磁石が貼り付けられた回転電機のロータ構造であって、前記磁石の外側を覆う補強管を具備し、前記補強管が、切欠を有すると共に、この中心に向けて収縮するばね力を有し、この復元力により前記磁石に圧縮応力を負荷するようにしたことで、磁石量を低減させず、高出力を維持しつつ、前記補強管を焼きばめによらず取り付けることができ組立て作業性を向上させることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態に係る回転電機のロータ構造について説明する。
図１は、本発明を実施するための最良の形態に係る回転電機のロータ構造を示す説明図であり、図１（ａ）にそれが有する補強管が広げられた状態を示し、図１（ｂ）にそれが組み立てられた状態を示す。

本発明を実施するための最良の形態に係る回転電機のロータ構造は、図１に示すように、ロータコア１の表面１ａに磁石２が貼り付けられた回転電機のロータ構造１０である。この回転電機のロータ構造１０では、磁石２の外側を覆う補強管（補強材）３を具備する。なお、ロータコア１は、シャフト５に固定される。

この補強管３は、図１（ａ）に示すように、一方の開口部（図示せず）側から他方の開口部（図示せず）側に延在する切欠４を有すると共に、この中心Ｃに向けて収縮するばね力（ばね効果）を有する。

よって、上述した回転電機のロータ構造１０では、最初にシャフト５に固定されたロータコア１の表面１ａに磁石２が貼り付けられる。このような状態の磁石２の外側に、切欠４が広げられた状態にて補強管３が配置される。このとき、補強管３の復元力により、磁石２に圧縮応力が負荷される（作用する）。なお、この補強管３は、オーステナイト系ステンレス鋼やチタン合金、アルミ合金、繊維強化プラスチックなどの非磁性材料で作製される。

上述した回転電機のロータ構造１０によれば、補強管３を焼きばめによらず、磁石２に圧縮力を作用させることができるため、次のような作用効果を奏する。

（１）組み立て時には高温環境が不要となるため、磁石２の非可逆減磁が発生せず、磁石２の特性が高い状態で使用が可能となる。
（２）補強管３を機械的に組み立てることができるので、組み立てに関する工程が、焼きばめよりも省力化できる。
（３）磁石２に負荷する圧縮応力の大きさは、補強管３のばね定数で決まるため、焼きばめの温度を制御するより、制御し易くなる。

また、補強管３がばね効果を有するため次のような効果も奏する。

（１）回転速度が規定以上となり、過大な遠心力が負荷されると、補強管３のばね効果により補強管３が図示しないステータ側へ接触するため、自己ブレーキ効果がある。
（２）上記（１）の効果により、高価な磁石２の損傷を防止できる。
（３）使用時の温度変化が大きい場合でも、補強管３がばね効果を有するので、熱変形を吸収し、応力の上昇を緩和させることができる。

したがって、本発明の最良の形態に係る回転電機のロータ構造１０によれば、ロータコア１の表面１ａに磁石２が貼り付けられた回転電機のロータ構造であって、磁石２の外側を覆う補強管３を具備し、補強管３が、切欠４を有すると共に、この中心に向けて収縮するばね力を有し、この復元力により磁石２に圧縮応力を負荷するようにしたことで、磁石量を低減させず、高出力を維持しつつ、補強管３を焼きばめによらず取り付けることができ組立て作業性を向上させることができる。

なお、上記では、磁石２の外側を覆ったときに端部が重なる形状の補強管３を具備する回転電機のロータ構造１０を用いて説明したが、磁石の外側を覆ったときに端部が重ならない形状の補強管を具備する回転電機のロータ構造としても良く、このような回転電機のロータ構造であっても、上述した本発明の最良の形態に係る回転電機のロータ構造１０と同様な作用効果を奏する。

本発明は、回転電機のロータ構造に利用することが可能である。

本発明を実施するための最良の形態に係る回転電機のロータ構造を示す説明図である。 従来の回転電機のロータ構造を示す説明図である。

符号の説明

１ ロータコア
２ 磁石
３ 補強管
４ 切欠
５ シャフト
１０ 回転電機のロータ構造

Claims (1)

1. ロータコアの表面に磁石が貼り付けられた回転電機のロータ構造であって、
   前記磁石の外側を覆う補強管を具備し、
   前記補強管は、切欠を有すると共に、この中心に向けて収縮するばね力を有し、この復元力により前記磁石に圧縮応力を負荷するようにした
   ことを特徴とする回転電機のロータ構造。

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