JP2009296800A - 永久磁石形回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石形回転電機の保持環が熱伸びをしても、回転子軸と保持環との接合固定部に亀裂あるいは位置ずれ等の現象が発生しないようにした回転子を有する永久磁石形回転電機を提供する。
【解決手段】環状の電機子鉄心２_−１に電機子巻線２_−２を巻回して構成した固定子２と、電機子鉄心によって形成された空間部に回転自在に配置された回転子３とを備え、この回転子３を、回転子軸４と、回転子軸の周囲を覆いかつ回転子軸に接合固定された保持環５と、保持環５の内周面に固定された永久磁石６とから構成した永久磁石形回転電機において、保持環５は両端部で前記回転子軸４に接合固定されるとともに、ほぼ中央部分において軸方向に２分割５_−１、５_−２され、当該分割された端面の間に所定寸法の隙間８を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は永久磁石形回転電機に関し、特に回転子に発生する熱応力を軽減することのできる永久磁石形回転電機に関する。

永久磁石を回転界磁極に用いた回転電機、すなわち永久磁石形発電機あるいは永久磁石形電動機は、回転子軸の外周に円周方向にＮ極、Ｓ極が交互に着磁された断面弧状の永久磁石を配置固定し、さらにこの永久磁石の外周部全体を円筒状の保持環で覆って高速回転中の遠心力で永久磁石の飛散を防止する構造を採用している（例えば、特許文献１、２参照）。

図３は特許文献１あるいは２に記載の永久磁石形回転電機の回転子の半裁縦断面図である。
図３において、１は永久磁石形回転電機であり、２は電磁鋼板を軸方向に積層して環状に形成された電機子鉄心２_−１およびその電機子鉄心のスロット内に収納した電機子巻線２_−２を有する固定子、３は電機子鉄心２_−１で形成された環状空間部に所定の空隙を介して回転可能に配置され、しかも界磁極に永久磁石を用いた回転子である。

この回転子３は、回転子軸４の外周全体を覆うように形成された長い円筒状の保持環５の内周部に対して、円周方向にＮ極、Ｓ極が交互に配置されるように構成された永久磁石６を接着剤等で固定し、かつ、保持環５の両端部に形成したエンドリング部５Ｒ_−１および５Ｒ_−２によって、回転子軸４の外周面に溶接または焼き嵌め等で接合固定されるように構成されている。７_−１、７_−２は保持環５のエンドリング部５Ｒ_−１および５Ｒ_−２と、回転子軸４の外周面との接合部を表す。
特開２０００−２７８８９８号公報 特開２００４−２６６９１９号公報

通常、回転子３に設けた永久磁石６から出た磁束Φは、保持環５を透過して固定子２に到達する。保持環５は永久磁石６の磁束Φを有効利用するために磁性材料で構成されることが多い。回転子３が回転すると、保持環５の表面に渦電流が発生し、保持環５は渦電流によるジュール熱で加熱されて軸方向に伸びようとするが、その両端のエンドリング部５Ｒ_−１および５Ｒ_−２が接合部７_−１、７_−２で拘束されているため、自由に伸びることができない。このため、保持環５には熱応力が発生する。

接合部７_−１、７_−２に溶接接合を採用した場合は、保持環５の熱伸びによって発生した熱応力で溶接接合部が亀裂等の損傷を受けるおそれがある。また、接合部７_−１、７_−２に焼き嵌めを採用した場合には、保持環５の熱伸びにより保持環５と回転子軸４との接合位置が製作当初の状態からずれてくる。このため、回転電機の起動・停止が繰り返し行われると、保持環６は熱伸び・収縮を繰り返すため、接合部７_−１、７_−２の位置ずれが次第に大きくなり、極端な場合は保持環５が回転子軸４から外れ、回転電機が破損するおそれがある。

このように従来の永久磁石形回転電機における保持環５の接合固定方法では、保持環の熱伸びによって接合部７_−１、７_−２に亀裂や位置ずれ等が発生し、極端な場合は回転電機の破損に至るおそれがある。

そこで本発明の目的は、上記の課題に鑑みてなされたもので、永久磁石を固定する保持環が熱伸びをしても、回転子軸と保持環との接合固定部に亀裂あるいは位置ずれ等の現象が発生しないようにした回転子を有する永久磁石形回転電機を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、環状に形成された電機子鉄心に電機子巻線を巻回して構成した固定子と、前記電機子鉄心によって形成された空間部に回転自在に配置された回転子とを備え、前記回転子を、回転子軸と、当該回転子軸の周囲を覆いかつ回転子軸に接合固定された保持環と、前記保持環の内周面に固定された永久磁石とから構成した永久磁石形回転電機において、前記保持環は両端部で前記回転子軸に接合固定されるとともに、ほぼ中央部分において軸方向に２分割され、当該分割された端面の間に所定寸法の隙間を設けたことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、請求項１記載の永久磁石形回転電機において、前記回転子軸の両端部に段差部を形成し、前記保持環の両端部を前記段差部に当接させて位置決めした状態で接合固定することを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１記載の永久磁石形回転電機において、前記隙間に、分割された各保持環の熱伸びに支障をきたさない弾性材を詰めたことを特徴とする。

本発明によれば、保持環と回転子軸とが溶接接合の場合、保持環の熱伸びによって発生した熱応力による溶接接合部の亀裂等の損傷を抑え、保持環と回転子軸とが焼き嵌めの場合、保持環の熱伸びの繰り返しによる保持環と回転子軸の位置ずれによる回転電機の損傷を抑えることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、各図を通して同一部分には同一符号を付けて、重複する説明は適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１を参照して第１の実施の形態について説明する。
図１は本実施形態による永久磁石形回転電機の回転子を主体にした半裁縦断面図である。

本実施形態が図３で示した従来例との異なる点は、円筒状の保持環５および永久磁石６を軸方向のほぼ中央部分で２分割して、分割保持環５_−１、５_−２、および分割永久磁石６_−１、６_−２とし、分割面間に所定の寸法の隙間８を設けるように構成した点である。ここで、隙間８の所定寸法とは、各分割保持環５_−１、５_−２が、渦電流によるジュール熱で加熱されて軸方向に伸びる場合の最大伸び幅の和よりも少し大きめの寸法に設定しておくものとする。

分割永久磁石６_−１および６_−２は、それぞれ分割保持環５_−１および５_−２の内周面に接着剤等で固定され、一方、分割保持環５_−１および５_−２は両端部すなわち、図示していない軸受側端部をエンドリング部５Ｒ_−１および５Ｒ_−２によって回転子軸４に溶接または焼き嵌め等によって接合固定されるようになっている。

本実施形態による永久磁石形回転電機は以上のように回転子３を構成したので、回転子３の回転により分割保持環５_−１および５_−２の表面にそれぞれ渦電流が発生し、分割保持環５_−１および５_−２はそのジュール熱で加熱されて、軸方向に伸びる。

この場合、分割保持環５_−１および５_−２は、一端がエンドリング５Ｒ_−１、５Ｒ_−２により回転子軸４に接合されて拘束されているが、他端である分割面側は拘束されておらず、しかも所定寸法の隙間８を隔てて対向している。このため、分割保持環５_−１および５_−２は分割面で衝突（干渉）することなく、接合部７_−１、７_−２を起点として隙間８に向って自由に伸びることができる。

このため、接合部７_−１および７_−２に溶接接合を採用した場合は、分割保持環５_−１および５_−２には熱応力は発生せず、接合部７_−１および７_−２に亀裂等が発生することはなく、回転子３の機械的損傷を抑えることができる。

また、接合部７_−１および７_−２に焼き嵌め接合を採用した場合も同様に、回転子軸４からエンドリング５Ｒ_−１、５Ｒ_−２の接合位置が当初の状態から位置ずれを起こさないので、分割保持環５_−１および５_−２が熱伸び・収縮を繰り返しても分割保持環５_−１および５_−２が回転子軸４から外れるようなことはなく、回転子３の機械的損傷を抑えることができる。

（第２の実施形態）
図２を参照して第２の実施の形態について説明する。
図２は本実施形態による永久磁石形回転電機の回転子を主体にした半裁縦断面図である。

本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、分割保持環５_−１および５_−２と回転子軸４との接合部７_−１、７_−２に段差部４_−１、４_−２を設けるようにした点である。その他の点については第１の実施形態と同じなので説明は省略する。

接合部７_−１、７_−２に段差部４_−１、４_−２を形成するには、回転子軸４の分割永久磁石６_−１、６_−２に対向する部分の外径Ｄ_１よりもエンドリング５Ｒ_−１および５Ｒ_−２と接合する部分の外径Ｄ_２を小さくすることによって、回転子軸４自体に寸法差（Ｄ_１−Ｄ_２）による段差部４_−１、４_−２を形成し、さらにエンドリング５Ｒ_−１、５Ｒ_−２の内径を小径部の外径Ｄ_２に適合する寸法にすればよい。

以上のように本実施形態による永久磁石形回転電機は回転子３の回転子軸４の両端部に段差部４_−１、４_−２を形成し、この段差部４_−１、４_−２に分割保持環５_−１および５_−２のエンドリング部５Ｒ_−１および５Ｒ_−２を焼き嵌めによって接合する場合、段差部４_−１および４_−２があることで、回転子軸４の両側から分割保持環５_−１および５_−２を挿入する際、エンドリング部５Ｒ_−１および５Ｒ_−２が段差部４_−１および４_−２に当接した位置で位置決めされるので、適正な隙間８を確保することが可能である。

これに対して回転子軸４に段差部４_−１および４_−２を形成していなければ、分割保持環５_−１および５_−２を挿入する際に、接合部７_−１および７_−２において分割保持環５_−１および５_−２と回転子軸４がずれる可能性があり、隙間８が適正値より小さくなる可能性がある。万一隙間８が適正値より小さいと、分割保持環５_−１および５_−２の熱伸びを吸収することができず、分割保持環７_−１と７_−２が衝突（干渉）して接合部７_−１および７_−２において位置ずれが発生する可能性がある。

したがって、本実施形態では、第１の実施形態に比べ、分割保持環５_−１および５_−２の相互間に適正な隙間８を設けることができる。
なお、分割保持環５_−１および５_−２の熱伸びに支障をきたさないようにして隙間８に弾性材を詰めることにより隙間８に鉄粉や油の飛沫、その他のごみが進入しないようにしてもよい。

以上述べたように、本実施形態によれば、分割保持環５_−１および５_−２が軸方向に熱伸びを起こしても隙間８を設けているので拘束されることなく自由に伸びることができ、しかも、分割保持環５_−１および５_−２のエンドリング５Ｒ_−１および５Ｒ_−２の位置が回転子軸４に形成した段差部４_−１、４_−２で位置決めされるので、分割保持環７_−１と７_−２の自由端が衝突（干渉）することはない。この結果、接合部７_−１および７_−２における位置ずれは発生せず、回転子３の機械的損傷を抑えることができる。

本発明の第１の実施形態による永久磁石形回転電機の回転子半裁縦断面図。 本発明の第２の実施形態による永久磁石形回転電機の回転子半裁縦断面図。 従来の永久磁石形回転電機の回転子半裁縦断面図。

符号の説明

１…永久磁石形回転電機、２…固定子、３…回転子、４…回転子軸、４_−１、４_−２…回転子軸の段差部、５…保持環、５_−１、５_−２…分割保持環、５Ｒ_−１、５Ｒ_−２…エンドリング、６…永久磁石、６_−１、６_−２…分割永久磁石、７_−１、７_−２…接合部、８…隙間、Φ…磁束。

Claims (3)

1. 環状に形成された電機子鉄心に電機子巻線を巻回して構成した固定子と、前記電機子鉄心によって形成された空間部に回転自在に配置された回転子とを備え、前記回転子を、回転子軸と、当該回転子軸の周囲を覆いかつ回転子軸に接合固定された保持環と、前記保持環の内周面に固定された永久磁石とから構成した永久磁石形回転電機において、
   前記保持環は両端部で前記回転子軸に接合固定されるとともに、ほぼ中央部分において軸方向に２分割され、当該分割された端面の間に所定寸法の隙間を設けたことを特徴とする永久磁石形回転電機。
2. 前記回転子軸の両端部に段差部を形成し、前記保持環の両端部を前記段差部に当接させて位置決めした状態で接合固定することを特徴とする請求項１記載の永久磁石形回転電機。
3. 前記隙間に、分割された各保持環の熱伸びに支障をきたさない弾性材を詰めたことを特徴とする請求項１または２記載の永久磁石形回転電機。

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