JP2013138587A - 回転電気機械および回転電気機械の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電気機械において、保持部材を破損等させることなく、永久磁石を保持すること。
【解決手段】モータ（10）を対象とし、シャフト（50）は、軸方向において２つの分割シャフト（51,51）に分割される一方、ロータコア（12）の軸孔（12a）内において分割シャフト（51,51）同士を互いに押圧することで両シャフト（51,51）の接触部分においてロータコア（12）の軸孔（12a）の孔径よりも大きい外径に形成される拡径部（55）を備えている。
【選択図】図４

Description

本発明は、回転電気機械およびその製造方法に関し、特に、永久磁石の保持手段に係るものである。

従来より、圧縮機構などを電動機によって回転駆動させる回転電気機械が知られている（特許文献１参照）。この種の回転電気機械は、駆動軸に取り付けられたロータと、該ロータの外周に配置されるステータとを備え、駆動軸を回転させることで圧縮機構を回転駆動させている。

ここで、高速回転用の電動機に用いられるロータでは、回転の遠心力に対抗するために、ロータコアの周囲を金属製の保持リングなどで覆うようにしている。このようなロータの製造方法としては、保持リングを加熱・膨張させて、ロータコアの外周に嵌め込む方法がある。これにより、保持リングに内圧を加え、保持リングとロータコアとの間の永久磁石を保持するようにしていた。

特開２０１１−２０２５８９号公報

ところで、上述した方法は、保持リングの材質として金属材料を用いた場合においてのみ適用することができる。

しかしながら、保持リングの材質として炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などを用いた場合、保持リングを加熱・膨張させることができない。これにより、炭素繊維強化プラスチックなどの加熱・膨張させることが難しい材料を用いた保持リングによって永久磁石を保持することができないという問題があった。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、回転電気機械において、保持部材に炭素繊維強化プラスチックなどの加熱・膨張をさせるのが難しい材料を用いて永久磁石を保持することを目的とする。

第１の発明は、駆動軸（50）を挿通させる軸孔（12a）が設けられた円筒形状のロータコア（12）と該ロータコア（12）の外周面との間で永久磁石（14）を保持する保持部材（15）を有するロータ（11）と、該ロータ（11）の外周側に配置されるステータ（21）とを備えた回転電気機械であって、上記駆動軸（50）は、軸方向において少なくとも２つの分割軸（51,51）に分割される一方、上記ロータコア（12）の軸孔（12a）内において上記分割軸（51,51）同士を互いに押圧することで両分割軸（51,51）の接触部分に形成され、且つ上記ロータコア（12）の軸孔（12a）の孔径よりも大きい外径の拡径部（55）を備えている。

上記第１の発明に係るロータ（11）では、ロータコア（12）の軸孔（12a）に駆動軸（50）が挿通され、ロータコア（12）の外周面と保持部材（15）との間で永久磁石（14）が保持されて形成されている。このロータ（11）の外周側には、ステータ（21）が配置されている。

ここで、上記駆動軸（50）は、その軸方向において少なくとも２つの分割軸（51,51）に分割されている。駆動軸（50）では、ロータコア（12）の軸孔（12a）内において、２つの分割軸（51,51）同士を互いに押圧し、両分割軸（51,51）の接触部分に拡径部（55）を形成する。この拡径部（55）は、ロータコア（12）の軸孔（12a）の孔径よりも大きい外径に形成される。すなわち、拡径部（55）が形成されることで、ロータコア（12）の軸孔（12a）内において拡径部（55）がロータコア（12）を内側から押圧することになる。このため、ロータコア（12）が径方向外方に変形し、変形した部分によって永久磁石（14）が保持部材（15）に押し当てられる。こうすることで、保持部材（15）に径方向外方の内圧が加わり、ロータコア（12）と保持部材（15）との間で永久磁石（14）を確実に保持できる。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記永久磁石（14）は、ロータコア（12）の外周を覆うように設けられ、且つ半径方向に分断されて形成されている。

上記第２の発明では、ロータコア（12）と保持部材（15）との間に、該ロータコア（12）の外周を覆うように配置される永久磁石（14）が半径方向に分断されている。このため、ロータコア（12）の軸孔（12a）内において形成された拡径部（55）によってロータコア（12）が径方向外方に変形しても、永久磁石（14）への周方向の引張応力が増大することはない。このため、ロータコア（12）に押圧され、保持部材（15）へ押し当てられた永久磁石（14）が破損・変形等するのを防止することができる。

第３の発明は、駆動軸（50）を挿通させる軸孔（12a）が設けられた円筒形状のロータコア（12）と該ロータコア（12）の外周面との間で永久磁石（14）を保持する保持部材（15）を有するロータ（11）と、該ロータ（11）の外周側に設けられたステータ（21）とを備えた回転電気機械の製造方法であって、上記ロータコア（12）の軸孔（12a）内において、上記駆動軸（50）が軸方向に少なくとも２つに分割されて形成される分割軸（51,51）同士を互いに押圧させる押圧工程と、上記両分割軸（51,51）の接触部分に上記ロータコア（12）の軸孔（12a）の孔径よりも大きい外径となる拡径部（55）を形成する形成工程とを含んでいる。

上記第３の発明では、ロータコア（12）の外周面と保持部材（15）との間に永久磁石（14）が配置される。また、駆動軸（50）は、その軸方向において、少なくとも２つの分割軸（51,51）に分割されている。押圧工程では、ロータコア（12）の軸孔（12a）内において、分割軸（51,51）同士を互いに押圧する。そして、形成工程では、両分割軸（51,51）の接触部分にロータコア（12）の軸孔（12a）の孔径よりも大きい外径となる拡径部（55）を形成する。

こうすることで、拡径部（55）がロータコア（12）を内側から押圧し、ロータコア（12）が径方向外方に変形する。このロータコア（12）の変形部分が永久磁石（14）を保持部材（15）に押し当てる。こうすることで、保持部材（15）に径方向外方への内圧が加わり、ロータコア（12）と保持部材（15）との間で永久磁石（14）を確実に保持できる。

上記第１および第３の発明によれば、ロータコア（12）の軸孔（12a）内において拡径部（55）を形成したため、ロータコア（12）を内側から押圧して変形させることができる。このため、変形させたロータコア（12）によって永久磁石（14）を保持部材（15）に押し当てることができる。つまり、保持部材（15）に対して軸方向への力を加えることなく、径方向外方のみに内圧を加えることができる。これにより、ロータコア（12）と保持部材（15）との間で永久磁石（14）を確実に保持することができる。

上記第２の発明によれば、永久磁石（14）を半径方向に分断したため、変形したロータコア（12）によって保持部材（15）へ押し当てられる永久磁石（14）への周方向の引張応力を低減することができる。つまり、永久磁石（14）への圧力集中を防止することができる。これにより、ロータコア（12）と保持部材（15）との間に保持される永久磁石（14）の破損・変形等を確実に防止することができる。

本実施形態１に係る圧縮機の構成を示す概略の断面図である。 本実施形態１に係るモータの構成を示す斜視図である。 本実施形態１に係るロータを分解して示す斜視図である。 本実施形態１に係るロータの製造方法を示す概略の断面図である。 本実施形態１に係るロータを示す概略の断面図である。 本実施形態２に係るロータの製造方法を示す概略の断面図である。 本実施形態３に係るロータの製造方法を示す概略の断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

〈発明の実施形態１〉
図１に示すように、本実施形態１に係る圧縮機（1）は、冷媒が循環して冷凍サイクルが行われる冷媒回路に接続され、該冷媒回路を流れる冷媒を圧縮するものである。上記圧縮機（1）は、ターボ型の圧縮機に構成されており、モータ（10）と、ケーシング（30）と、羽根車（40）とを備えている。

上記ケーシング（30）は、両端が閉塞された円筒状に形成され、円筒軸線が水平向きとなるように配置されている。ケーシング（30）内の空間は、壁部（31）によって区画されている。壁部（31）よりも右側の空間が、羽根車（40）を収容するインペラ室（32）を形成し、壁部（31）よりも左側の空間が、モータ（10）を収容するモータ空間（33）を形成している。また、インペラ室（32）の外周側には、インペラ室（32）と連通する圧縮空間（32a）が形成されている。さらに、ケーシング（30）には、外部からの気体（例えば、冷凍回路からの冷媒）をインペラ室（32）へ導くための吸入管（34）と、インペラ室（4）内で圧縮された高圧の気体を外部（例えば、冷媒回路）へ戻すための吐出管（35）とが接続されている。羽根車（40）は、複数の羽根によって外形が略円錐形状となるように形成されている。羽根車（40）は、インペラ室（32）内に収容されている。

上記モータ（10）は、羽根車（40）を駆動するために用いられるものであって、本発明に係る回転電気機械を構成している。モータ（10）は、ブラシレスＤＣモータに構成されている。モータ（10）は、ロータ（11）と、ステータ（21）とを備え、圧縮機（1）のケーシング（30）に収容されている。尚、本実施形態では、軸方向とは、ロータ（11）のシャフト（50）の軸心の方向をいい、径方向とは、シャフト（50）の軸方向と直交する方向をいう。また、外周側とは、シャフト（50）の軸心からより遠い側をいい、内周側とは、シャフト（50）の軸心により近い側をいう。

上記ステータ（21）は、円筒状のステータコア（22）と、コイル（20）（図２では、図示を省略）とを備えた固定子である。上記ステータコア（22）は、電磁鋼板をプレス加工によって打ち抜いて積層板を作製し、複数の積層板を軸方向に積層することにより構成された積層コアである。ステータコア（22）は、バックヨーク部（23）と、複数のティース部（24,24,…）と、複数のツバ部（25,25,…）とを備えている。バックヨーク部（23）は、ステータコア（22）の外周部に形成され、円環状に形成されている。バックヨーク部（23）の外周は、ケーシング（30）の内面に固定されている。ティース部（24）は、バックヨーク部（23）の内周面から径方向に伸びる直方体状に形成されている。ティース部（24,24,…）の間には、コイル（20）が収容されるコイル用スロットが形成されている。ティース部（24）にはコイル（20）が巻回されている。巻回されたコイル（20）は、コイル用スロット内に収容されている。これにより、ティース部（24,24,…）の各々において電磁石が形成される。ツバ部（25）は、ティース部（24）の内周側に連続形成されている。ツバ部（25）は、ティース部（24）よりも幅（周方向の長さ）が大きく構成され、内周側の面が円筒面に形成されている。ツバ部（25）の円筒面は、ロータ（11）の外周面（円筒面）と所定の距離（エアギャップ（G））をもって対向している。

上記ロータ（11）は、図２に示すように、シャフト（50）に一体形成されたシャフト一体型の回転子である。尚、シャフト（50）についての詳細は後述する。ロータ（11）は、所定の距離（エアギャップ（G））を隔ててステータ（21）に対向するように、ステータ（21）に挿入されている。図３に示すように、ロータ（11）は、ロータコア（12）と、永久磁石（14）と、ＣＦＲＰパイプ（15）とを備えている。

上記ロータコア（12）は、磁性体からなり、ロータコア（12）には、シャフト（50）の軸方向に延びて該シャフト（50）を挿通させる軸孔（12a）が形成されている。

上記永久磁石（14,14）は、希土類金属を用いた永久磁石であり、半径方向に分断され、且つ互いに同一の形状を有する２つの永久磁石で構成されている。永久磁石（14,14）は、その外周面がロータコア（12）の外径と略同一の内径を有する円弧状に形成されている。

上記ＣＦＲＰパイプ（15）は、炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰという。）製の円筒状の部材であって、本発明に係る保持部材を構成している。ＣＦＲＰパイプ（15）は、その内径が永久磁石（14）の外径とほぼ同一に形成されている。そして、ＣＦＲＰパイプ（15）は、永久磁石（14,14）の外周面を覆うように取り付けられ、ロータコア（12）との間で永久磁石（14）を保持している。

上記シャフト（50）は、軸受機構（36）によって回転可能に支持された非磁性材料からなる回転軸であって、本発明に係る駆動軸を構成している。また、軸受機構（36）は、２つのタッチダウン軸受（37,37）と、２つの磁気軸受（38,38）を備えている。磁気軸受（38,38）は、シャフト（50）を非接触状態で支持するように構成されている。タッチダウン軸受（37,37）は、例えば、玉軸受で構成され、磁気軸受（38）の非通電時にシャフト（50）を支持する。このシャフト（50）は、その軸方向において分割された２つの分割シャフト（51,51）で構成されている。

各分割シャフト（51）は、本体シャフト（52）とストッパ部（53）と挿入部（54）とを備えている。本体シャフト（52）は、略円筒状に形成された軸本体である。ストッパ部（53）は、ＣＦＲＰパイプ（15）の外径とほぼ同じ外径に形成され、分割シャフト（51）の軸方向への移動を規制するものである。挿入部（54）は、分割シャフト（51）の先端部分に形成される略円筒形状の部分であって、ロータコア（12）の軸孔（12a）に挿入されるものである。この挿入部（54）は、ロータコア（12）の軸孔（12a）の孔径よりもやや小さい外径に形成されている。挿入部（54）には拡径部（55）が形成される。拡径部（55）は、挿入部（54）の先端側に形成される部分であって、挿入部（54）の外径、およびロータコア（12）の軸孔（12a）の内径よりも大きい外径に形成される。

−ロータの製造方法−
次に、本実施形態１に係るロータの製造方法について説明する。

図４に示すように、本製造方法では、まず、押圧工程が行われる。押圧工程では、ロータコア（12）の外側に永久磁石（14）を取り付け、この状態でＣＦＲＰパイプ（15）に挿入する。そして、一方の分割シャフト（51）の挿入部（54）をロータコア（12）の軸孔（12a）内に一端側（図４における右側）から挿入する。このとき、一方の分割シャフト（51）は、そのストッパ部（53）がＣＦＲＰパイプ（15）の一端部に押し当たるところまで挿入されて止まり、挿入部（54）の先端は、ロータコア（12）の軸孔（12a）内の概ね中位まで挿入される。

次に、他方の分割シャフト（51）の挿入部（54）をロータコア（12）の軸孔（12a）内に他端側（図４における左側）から挿入する。このとき、他方の分割シャフト（51）は、そのストッパ部（53）がＣＦＲＰパイプ（15）の他端部に押し当たるところまで挿入され、挿入部（54）の先端が一方の分割シャフト（51）の挿入部（54）の先端に押し当たる。

次に、形成工程が行われる。形成工程では、両分割シャフト（51,51）がロータコア（12）の軸孔（12a）内において互いに押圧しあうため、両分割シャフト（51,51）の挿入部（54,54）の一方、又は両方の先端が潰れて変形する。これにより、図５に示すように、両分割シャフト（51）の挿入部（54,54）の接触位置に拡径部（55）が形成される。この拡径部（55）は、上記ロータコア（12）を内側から押圧し、ロータコア（12）が径方向外方へ変形する。これによって、ロータコア（12）によって永久磁石（14）およびＣＦＲＰパイプ（15）に対して内圧が加わり、該永久磁石（14）がロータコア（12）とＣＦＲＰパイプ（15）との間で保持される。このとき、永久磁石（14）は半径方向に分断されている。このため、ロータコア（12）の軸孔（12a）内において形成された拡径部（55）によってロータコア（12）が径方向外方に変形しても、永久磁石（14）への周方向の引張応力が増大することはない。このため、ロータコア（12）に押圧され、保持部材（15）へ押し当てられた永久磁石（14）が破損・変形等するのを防止することができる。

−実施形態１の効果−
上記実施形態１によれば、ロータコア（12）の軸孔（12a）内において拡径部（55）を形成したため、ロータコア（12）を内側から押圧して変形させることができる。このため、変形させたロータコア（12）によって永久磁石（14）をＣＦＲＰパイプ（15）に押し当てることができる。つまり、ＣＦＲＰパイプ（15）に対して軸方向への力を加えることなく、径方向外方のみに内圧を加えることができる。これにより、ロータコア（12）とＣＦＲＰパイプ（15）との間で永久磁石（14）を確実に保持することができる。

また、永久磁石（14）を半径方向に分断したため、変形したロータコア（12）によってＣＦＲＰパイプ（15）へ押し当てられる永久磁石（14）への周方向の引張応力を低減することができる。つまり、永久磁石（14）への圧力集中を防止することができる。これにより、ロータコア（12）とＣＦＲＰパイプ（15）との間に保持される永久磁石（14）の破損・変形等を確実に防止することができる。

〈発明の実施形態２〉
次に、本実施形態２について説明する。本実施形態２に係る圧縮機は、上記実施形態１に係るものとは、ロータ（11）の構造が異なっている。本実施形態２では、上記実施形態１と異なる部分についてのみ説明する。

具体的に、図６に示すように、本実施形態２に係るロータコア（12）は、磁性体からなり、該ロータコア（12）には、シャフト（50）の軸方向に延びて該シャフト（50）を挿通させる軸孔（12a）が形成されている。この軸孔（12a）には、軸方向の中央部分に近づくのに伴って内径が小さくなるテーパ面（56a）が形成されている。

上記シャフト（50）は、軸受機構（36）によって回転可能に支持された非磁性材料からなる回転軸であって、本発明に係る駆動軸を構成している。このシャフト（50）は、その軸方向において分割された２つの分割シャフト（51,51）で構成されている。

各分割シャフト（51）は、本体シャフト（52）とストッパ部（53）と挿入部（54）とを備えている。本体シャフト（52）は、略円筒状に形成された軸本体である。ストッパ部（53）は、ＣＦＲＰパイプ（15）の外径とほぼ同じ外径に形成され、分割シャフト（51）の軸方向への移動を規制するものである。挿入部（54）は、分割シャフト（51）の先端部分に形成される略円筒形状の部分であって、ロータコア（12）の軸孔（12a）に挿入されるものである。この挿入部（54）は、先端に向かって先細るテーパ面（56b）が形成されている。つまり、各分割シャフト（51）のテーパ面（56b）が形成された挿入部（54）が上記ロータコア（12）の軸孔（12a）のテーパ面（56a）に沿って挿入されるため、両分割シャフト（51,51）の軸中心を揃えることができる。各分割シャフト（51）の挿入部（54）の先端には、拡径部が形成されている。この拡径部は、各分割シャフト（51）の挿入部（54）の先端側にそれぞれ形成される部分であって、挿入部（54）の外径、およびロータコア（12）の軸孔（12a）の内径よりも大きい外径に形成されている。その他の構成、作用・効果は上記実施形態１と同様である。

〈発明の実施形態３〉
次に、本実施形態３について説明する。本実施形態３に係る圧縮機は、上記実施形態１に係るものとは、ロータ（11）の構造が異なっている。本実施形態３では、上記実施形態１と異なる部分についてのみ説明する。

具体的に、図７に示すように、本実施形態３に係るロータコア（12）は、磁性体からなり、該ロータコア（12）には、シャフト（50）の軸方向に延びて該シャフト（50）を挿通させる軸孔（12a）が形成されている。

上記シャフト（50）は、軸受機構（36）によって回転可能に支持された非磁性材料からなる回転軸であって、本発明に係る駆動軸を構成している。このシャフト（50）は、その軸方向において分割される第１分割シャフト（51a）と第２分割シャフト（51b）とで構成されている。

第１分割シャフト（51a）は、本体シャフト（52）とストッパ部（53）と挿入部（54）とを備えている。本体シャフト（52）は、略円筒状に形成された軸本体である。ストッパ部（53）は、ＣＦＲＰパイプ（15）の外径とほぼ同じ外径に形成され、第１分割シャフト（51a）の軸方向への移動を規制するものである。挿入部（54）は、第１分割シャフト（51a）の先端部分に形成される略円筒形状の部分であって、ロータコア（12）の軸孔（12a）に挿入されるものである。第１分割シャフト（51a）の挿入部（54）とストッパ部（53）との間には、段差部（57）が形成されている。

第２分割シャフト（51b）は、本体シャフト（52）とストッパ部（53）と挿入部（54）とを備えている。本体シャフト（52）は、略円筒状に形成された軸本体である。ストッパ部（53）は、ＣＦＲＰパイプ（15）の外径とほぼ同じ外径に形成され、第２分割シャフト（51b）の軸方向への移動を規制するものである。挿入部（54）は、第２分割シャフト（51b）の先端部分に形成される略円筒形状の部分であって、ロータコア（12）の軸孔（12a）に挿入されるものである。第２分割シャフト（51b）の挿入部（54）の先端には、一端側（図７における右方向）に凹む凹部（58）が形成されている。この凹部（58）は、上記第１分割シャフト（51a）の挿入部（54）の先端の外径とほぼ同じ内径を有するものである。したがって、第１分割シャフト（51a）の挿入部（54）の先端が第２分割シャフト（51b）の挿入部（54）の凹部（58）に入り込むことで、両分割シャフト（51a,51b）の軸中心を揃えることができる。

また、第１分割シャフト（51a）の挿入部（54）の先端を第２分割シャフト（51b）の凹部（58）の底面に押圧することで拡径部が形成される。この拡径部は、第１分割シャフト（51a）の挿入部（54）の先端側に形成される部分であって、挿入部（54）の外径、および凹部（58）の内径よりも大きい外径に形成されている。この拡径部は、第２分割シャフト（51b）の凹部（58）を内側から押圧し、第２分割シャフト（51b）の挿入部（54）が径方向外方に変形し、この変形部分がロータコア（12）を内側から押圧し、ロータコア（12）を径方向外方へ変形させる。これによって、ロータコア（12）によって永久磁石（14）およびＣＦＲＰパイプ（15）に対して内圧が加わり、該永久磁石（14）がロータコア（12）とＣＦＲＰパイプ（15）との間で保持される。その他の構成、作用・効果は実施形態１と同様である。

尚、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、回転電気機械について有用である。

１１ ロータ
１２ ロータコア
１２ａ 軸孔
１４ 永久磁石
１５ ＣＦＲＰパイプ
２１ ステータ
５０ シャフト
５１ 分割シャフト
５５ 拡径部

Claims (3)

1. 駆動軸（50）を挿通させる軸孔（12a）が設けられた円筒形状のロータコア（12）と該ロータコア（12）の外周面との間で永久磁石（14）を保持する保持部材（15）を有するロータ（11）と、該ロータ（11）の外周側に配置されるステータ（21）とを備えた回転電気機械であって、
   上記駆動軸（50）は、軸方向において少なくとも２つの分割軸（51,51）に分割される一方、上記ロータコア（12）の軸孔（12a）内において上記分割軸（51,51）同士を互いに押圧することで両分割軸（51,51）の接触部分において上記ロータコア（12）の軸孔（12a）の孔径よりも大きい外径に形成される拡径部（55）を備えている
   ことを特徴とする回転電気機械。
2. 請求項１において、
   上記永久磁石（14）は、ロータコア（12）の外周を覆うように設けられ、且つ半径方向に分断されて形成されている
   ことを特徴とする回転電気機械。
3. 駆動軸（50）を挿通させる軸孔（12a）が設けられた円筒形状のロータコア（12）と該ロータコア（12）の外周面との間で永久磁石（14）を保持する保持部材（15）を有するロータ（11）と、該ロータ（11）の外周側に設けられたステータ（21）とを備えた回転電気機械の製造方法であって、
   上記ロータコア（12）の軸孔（12a）内において、上記駆動軸（50）が軸方向に少なくとも２つに分割されて形成される分割軸（51,51）同士を互いに押圧させる押圧工程と、
   上記両分割軸（51,51）の接触部分に上記ロータコア（12）の軸孔（12a）の孔径よりも大きい外径となる拡径部（55）を形成する形成工程とを含んでいる
   ことを特徴とする回転電気機械の製造方法。

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