JP2017103901A

JP2017103901A - 回転電機のロータ

Info

Publication number: JP2017103901A
Application number: JP2015234955A
Authority: JP
Inventors: 久慶 ▲ふく▼楊; Hisayoshi Fukuyo
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-12-01
Filing date: 2015-12-01
Publication date: 2017-06-08

Abstract

【課題】簡易に製造可能で永久磁石の脱落を防止できる回転電機のロータを提供する。【解決手段】回転電機のロータ１０は、円筒外周面２８を有する内側回転体１４と、この円筒外周面２８との間に環状の収容空間を形成する円筒内周面４４を有するスリーブ１６と、環状の収容空間に収容され、周方向に沿って配列された永久磁石３８とを有する。内側回転体１４とスリーブ１６は、別部材として構成される。永久磁石３８に作用する遠心力をスリーブ１６で受けることにより、永久磁石の脱落が防止される。【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機のロータに関し、特にその構造に関する。

電気エネルギを回転の運動エネルギに変換する電動機、回転の運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機、さらに電動機と発電機どちらにも機能する電気機器が知られている。以下において、これらの電気機器を回転電機と記す。

回転電機は、同軸に配置されて相対的に回転する二つの部材を有する。通常は、一方が固定され、他方が回転する。固定された部材（ステータ）にコイルを配置し、回転する部材（ロータ）に永久磁石を配置した回転電機が知られている。ステータのコイルに電力を供給することにより回転する磁界を形成し、この磁界とのロータの永久磁石が相互作用することにより、ロータが回転する。

下記特許文献１には、永久磁石がロータの外周表面に配置された回転電機のロータが示されている。また、下記特許文献２には、永久磁石がロータ内に埋め込まれた回転電機のロータが示されている。

特開２０１３−３１２８７号公報特開２００２−２０９３４９号公報

永久磁石を表面に配置したロータは、製造は簡便であるが、遠心力により永久磁石が脱落しやすい。一方、永久磁石を埋め込んだロータにおいては、永久磁石の脱落は防止できるが、永久磁石が埋め込まれる穴を形成したり、またこの穴に永久磁石を挿入する必要があり製造は複雑になる。

本発明は、製造が簡便で永久磁石を確実に保持することができる回転電機のロータを提供することを目的とする。

本発明に係る回転電機のロータは、円筒外周面を有する内側回転体と、内側回転体の円筒外周面との間に環状の収容空間を形成する円筒内周面を有し、内側回転体に固定されているスリーブと、環状の収容空間に収容され、周方向に沿って配列された永久磁石と、を有する。内側回転体とスリーブは、別部材として構成される。永久磁石に作用する遠心力をスリーブで受けることにより、永久磁石の脱落が防止される。

また、永久磁石は、周方向に隙間なく配列することができる。

また、内側回転体は、円筒外周面から径方向外側に延びる外向きフランジを有するものとでき、スリーブは、円筒内周面から径方向内側に延びる内向きフランジを有するものとできる。永久磁石は、軸線方向において、外向きフランジと内向きフランジの間に保持される。

また、スリーブの内向きフランジが内側回転体の端面に当接するようにでき、内向きフランジから離れているスリーブの端部が径方向内側に曲がって内側回転体の外向きフランジの端面に係合するようにできる。この曲がっている部分と内向きフランジとで内側回転体を挟むことにより、スリーブが内側回転体に装着される。

また、スリーブは、軸線方向に並ぶ第１スリーブと第２スリーブからなるものとでき、第１スリーブと第２スリーブは共に円筒内周面から内側に延びる内向きフランジを有するようにできる。永久磁石は、軸線方向において、第１スリーブの内向きフランジと、第２スリーブの内向きフランジの間に保持される。

また、第１スリーブの内向きフランジと第２スリーブの内向きフランジの各々は、内側回転体の両端面に固定することができる。

さらに、内側回転体と一体に回転するファンを設けることができ、内側回転体には、軸線方向に延びて内側回転体を貫通する貫通孔を形成することができる。ファンが生成した気流が貫通孔を通過し、ロータを冷却する。

内側回転体の円筒外周面に沿って永久磁石を配列し、これに被せるようにスリーブを装着することで、簡易に永久磁石をロータ内に配置することができる。また、スリーブが永久磁石の外側を囲んでいるので、遠心力による永久磁石の脱落を防止することができる。

本発明の第１実施形態のロータを示す分解斜視図である。第１実施形態のロータの断面図である。本発明の第２実施形態のロータを示す分解斜視図である。第２実施形態のロータの断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１は第１の実施形態の回転電機のロータ１０の分解斜視図であり、図２はロータ１０の回転軸線を含む断面図である。以下、特段の断りがない限り、ロータ１０の回転軸線に平行な方向を「軸線方向」、回転軸線に直交する方向を「径方向」と記す。また、ロータ１０の径方向外側に、ロータ１０を囲むようにステータが配置される。

ロータ１０は、ロータシャフト１２と、ロータシャフト１２に結合されて、これと共に一体に回転する内側回転体１４と、内側回転体１４を囲むように配置されるスリーブ１６を含む。ロータシャフト１２、内側回転体１４、およびスリーブ１６の中心線は、ロータ１０の回転軸線に一致する。

内側回転体１４は、中心線が内側回転体１４の中心線に一致する円筒部１８と、円筒部１８の軸線方向の一端に位置し、円筒の開口を覆うように設けられた端面部２０を有する。端面部２０の中央にはボス部２２が設けられ、端面部２０とボス部２２の中心に中心孔２４が形成されている。中心孔２４は、端面部２０から円筒部１８が延出する方向に細くなるテーパ孔となっている。円筒部１８の軸線方向の一端、例えば端面部２０が設けられた端に径方向外に向いた外向きフランジ２６が設けられている。円筒部１８の外周面は、ロータ１０の回転軸線と同軸の円筒面であり、以下、この面を円筒外周面２８と記す。端面部２０には、軸線方向に延び端面部２０を貫く貫通孔３０が形成されている。貫通孔３０は、ボス部２２を取り囲むように、軸対称に複数箇所、例えば４箇所に形成される。また、貫通孔３０は、回転軸線と同心の１つの円周上に等間隔で形成されてもよい。内側回転体１４は、削りだし等により一体部品として形成されてよい。また、内側回転体１４は、円筒部１８と、その他の部分とをそれぞれ一体部品として別個に作製し、これらを結合して形成されてもよい。

ロータシャフト１２には、テーパ部３２と、テーパ部３２の細い側の端に隣接してねじ部３４が形成されている。テーパ部３２は、内側回転体１４の中心孔２４のテーパ形状と同一のテーパ角で形成される。テーパ部３２が中心孔２４に挿入され、さらにねじ部３４にナット３６がねじ結合されて、内側回転体１４がロータシャフト１２上に固定される。

内側回転体１４の円筒外周面２８上には、永久磁石３８が周方向に配列される。永久磁石３８は、直方体または四角柱形状であり、両極を結ぶ軸線が径方向を沿うように配置されている。隣り合う永久磁石３８の極の向きは反対向きである。このロータ１０においては、３２個の永久磁石３８が周方向に隙間なく配列されている。また、永久磁石３８の間に非磁性材料製のスペーサを挟むようにして、永久磁石３８同士の間隔をあけるようにすることもできる。このとき、永久磁石３８とスペーサの間に隙間がないように周方向に配列することができる。

永久磁石３８の外側を囲むようにスリーブ１６が配置される。スリーブ１６は、ロータ１０の回転軸線と同軸の円筒部４０と、円筒部４０の一端に設けられ、径方向内に向いた内向きフランジ４２とを有する。円筒部４０の内周面は、ロータ１０の回転軸線と同軸の円筒面であり、以降、この面を円筒内周面４４と記す。円筒内周面４４は、内側回転体１４の円筒外周面２８と径方向において対向し、これらの間に環状の収容空間が形成される。この収容空間に永久磁石３８が収容される。内側回転体１４の外向きフランジ２６と、スリーブ１６の内向きフランジ４２は、軸線方向において対向し、これらの間に永久磁石３８が保持される。このように、永久磁石３８は、径方向において円筒外周面２８と円筒内周面４４により画定され、かつ軸線方向において外向きフランジ２６と内向きフランジ４２の対向する面により画定される収容空間に収容される。スリーブ１６は、一体部品として形成されてよい。

スリーブ１６の内向きフランジ４２は、内側回転体１４の円筒部１８の端面に当接している。スリーブ１６の円筒部４０の端部（内向きフランジ４２が設けられた側とは反対側の端部）には、内側回転体１４の外向きフランジ２６がはまっている。円筒部４０は、外向きフランジ２６を越えてさらに延び、外向きフランジ２６を越えた部分（かしめ部４６）は、かしめられて内側に曲げられ、外向きフランジ２６の端面に係合している。かしめ部４６は、他の円筒部４０の厚さより薄く形成され、曲げやすくなっている。スリーブ１６は、内向きフランジ４２が内側回転体１４の円筒部４０の端面に当接し、かしめ部４６が内側回転体１４の外向きフランジ２６の端面に係合することにより、軸線方向に関して位置決めされて、内側回転体１４に装着される。

ロータシャフト１２には、スリーブ１６の内向きフランジ４２に隣接するようにファン４８が装着されている。ファン４８は、円筒形状の中心部５０と、中心部５０から外向きに放射状に延びる複数の羽根５２を含む。中心部５０の円筒内にロータシャフト１２が挿入され、中心部５０のねじ穴係合するビス５４の先端がロータシャフト１２に達して、ファン４８がロータシャフト１２に固定される。

ファン４８が発生させる気流は、スリーブ１６の内向きフランジ４２の内側の開口５６を通過し、さらに内側回転体１４の貫通孔３０も通過する。気流が貫通孔３０によく導かれるように、開口５６の径を、複数の貫通孔３０の外接円の径以上とすることが好ましい。また、気流は逆向き、つまり貫通孔３０、開口５６の順に通過するように生成されてもよい。

ファンをさらに追加して設けることもできる。追加のファンは、内側回転体１４に関し、ファン４８と反対側に配置する。追加のファンの生成する気流の向きは、ファン４８と同方向とすることができる。ファン４８が貫通孔３０に気流を送り込むように作用する場合には、追加のファンは貫通孔３０から気流を吸い出すように作用する。

内側回転体１４とスリーブ１６の組み付けについて説明する。まず、内側回転体１４の円筒外周面２８上に永久磁石３８を接着剤等により固定しつつ配列する。次に、かしめ部４６が曲げられる前のスリーブ１６内に、永久磁石３８が固定された内側回転体１４を挿入する。このとき、外向きフランジ２６が設けられた端とは反対側の端を先にして円筒部１８の先端がスリーブ１６の内向きフランジ４２に当接するまで挿入される。最後に、スリーブのかしめ部４６をかしめて内側回転体１４の外向きフランジ２６の端面に係合させる。

円筒外周面２８上に永久磁石３８を配列する際、接着剤を用いず、配列された永久磁石３８の外周をひも、テープ等の長尺可撓性の部材で縛り、仮止めするようにすることもできる。内側回転体１４をスリーブ１６に途中まで挿入した時点で、仮止めのひも等を切るようにできる。このとき、スリーブ１６が永久磁石３８の一部を囲んでいるので、仮止めを解いても永久磁石３８が脱落することはない。その後、上記と同様に、スリーブ１６の内向きフランジ４２に当接するまで内側回転体１４を挿入し、かしめを行い、内側回転体１４とスリーブ１６を一体化する。

図３は第２の実施形態の回転電機のロータ６０の分解斜視図であり、図４はロータ６０の回転軸線を含む断面図である。以下、特段の断りがない限り、ロータ６０の回転軸線に平行な方向を「軸線方向」、回転軸線に直交する方向を「径方向」と記す。また、ロータ６０の径方向外側に、ロータ６０を囲むようにステータが配置される。

ロータ６０は、ロータシャフト６２と、ロータシャフト６２に結合されて、これと共に一体に回転する内側回転体６４と、内側回転体６４を囲むように配置されるスリーブ６６を含む。ロータシャフト６２、内側回転体６４、およびスリーブ６６の中心線は、ロータ６０の回転軸線に一致する。

内側回転体６４は、円筒形状の回転体本体６８と、回転体本体６８の軸線方向における両端面に形成されたボス部７０を有する。回転体本体６８とボス部７０を貫くように中心孔７２が形成されている。中心孔７２の中心線は、ロータ６０の回転軸線に一致する。この中心孔７２にロータシャフト６２が挿入され、内側回転体６４とロータシャフト６２が一体となる。内側回転体６４とロータシャフト６２は、キーおよびキー溝からなる回り止め構造により、回転に関して固定されている。また、回り止め構造はスプラインなど、他の構造であってもよい。内側回転体６４とロータシャフト６２は、軸線方向においても固定されてよい。例えば、ロータシャフト６２にフランジとねじ部を設け、このフランジとねじ部にねじ結合するナットで内側回転体６４を挟むようにして固定することができる。

内側回転体６４の回転体本体６８の外周面は、ロータ６０の回転軸線と同軸の円筒面であり、以下、この面を円筒外周面７４と記す。また、回転体本体６８には、軸線方向に延び、回転体本体６８を貫通するように貫通孔７６が形成されている。貫通孔７６は、ボス部を取り囲むように、軸対称に複数箇所、例えば８箇所に形成される。また、貫通孔３０は、回転軸線と同心の１つの円周上に等間隔で形成されてもよい。内側回転体６４は、一体部品として形成されてよい。

内側回転体６４の円筒外周面７４上には、永久磁石７８が周方向に配列される。永久磁石７８は、直方体または四角柱形状であり、両極を結ぶ軸線が径方向を沿うように配置されている。隣り合う永久磁石７８の極の向きは反対向きである。このロータ６０においては、３２個の永久磁石７８が周方向に隙間なく配列されている。また、永久磁石７８の間に非磁性材料製のスペーサを挟むようにして、永久磁石７８同士の間隔をあけるようにすることもできる。このとき、永久磁石７８とスペーサの間に隙間がないように周方向に配列することができる。

永久磁石７８の外側を囲むようにスリーブ６６が配置される。スリーブ６６は、軸線方向において分かれた第１スリーブ６６Ａと第２スリーブ６６Ｂの２個の部材からなる。第１スリーブ６６Ａと第２スリーブ６６Ｂの対応する部材には、同一の符号を用い、これらを区別する必要がある場合には、その符号の後にＡ，Ｂを付して説明する。

第１スリーブ６６Ａは、円筒部８０Ａと、円筒部８０Ａの一端に設けられ、径方向内に向いた内向きフランジ８２Ａを有する。円筒部８０Ａの内周面は、ロータ６０の回転軸線と同軸の円筒面であり、以降、この面を円筒内周面８４Ａと記す。第２スリーブ６６Ｂも、円筒部８０Ｂと、円筒部８０Ｂの一端に設けられ、径方向内に向いた内向きフランジ８２Ｂを有する。円筒部８０Ｂの内周面は、ロータ６０の回転軸線と同軸の円筒面であり、以降、この面を円筒内周面８４Ｂと記す。第１スリーブ６６Ａと第２スリーブ６６Ｂは、同一形状であってよい。また、第１スリーブ６６Ａと第２スリーブ６６Ｂは、それぞれ一体部品として形成されてよい。

第１および第２スリーブ６６Ａ，６６Ｂの円筒部８０Ａ，８０Ｂは、スリーブ６６の円筒部８０を形成し、円筒内周面８４Ａ，８４Ｂは、スリーブ６６の円筒内周面８４を形成する。円筒内周面８４は、回転体本体６８の円筒外周面７４と径方向において対向し、これらの間に環状の収容空間が形成される。この収容空間に永久磁石７８が収容される。第１スリーブ６６Ａの内向きフランジ８２Ａと、第２スリーブ６６Ｂの内向きフランジ８２Ｂは、軸線方向において対向し、これらの間に永久磁石７８が保持される。このように、永久磁石７８は、径方向において円筒外周面７４と円筒内周面８４により規定され、かつ軸線方向において内向きフランジ８２Ａ，８２Ｂの対向する面により規定される収容空間に収容される。

第１および第２スリーブ６６Ａ，６６Ｂの内向きフランジ８２Ａ，８２Ｂは、各々対応する回転体本体６８の両端面に当接し、ここにねじ８６を用いて固定されている。

ロータシャフト６２には、回転体本体６８に隣接する位置にファン８８が装着されている。ファン８８は、円筒形状の中心部９０と、中心部９０から外向きに放射状に延びる複数の羽根９２を含む。中心部９０の円筒内にロータシャフト１２が挿入され、中心部９０のねじ穴係合するビス９４の先端がロータシャフト１２に達して、ファン８８がロータシャフト６２に固定される。

ファン８８が発生させる気流は、貫通孔７６を通過する。気流が貫通孔７６に入るのを妨げないように、内向きフランジ８２Ａ，８２Ｂの開口９６Ａ，９６Ｂの径は、複数の貫通孔７６の外接円の径以上とすることが好ましい。ファン８８が発生させる気流の向きは、貫通孔７６に向かう向きであっても、その逆であってもよい。

ファンをさらに追加して設けることもできる。追加のファンは、内側回転体６４に関し、ファン８８と反対側に配置する。追加のファンの生成する気流の向きは、ファン８８と同方向とすることができる。ファン８８が貫通孔７６に気流を送り込むように作用する場合には、追加のファンは貫通孔７６から気流を吸い出すように作用する。

内側回転体６４と、第１および第２スリーブ６６Ａ，６６Ｂの組み付けについて説明する。まず、内側回転体６４に一方のスリーブ、例えば第２スリーブ６６Ｂをねじ８６を用いて固定する。これにより、内側回転体６４の円筒外周面７４と第２スリーブ６６Ｂの円筒内周面８４Ｂの間にポケット状の空間が形成され、この空間に永久磁石７８を差し込むようにして、円筒内周面８４Ｂ上に、周方向に配列する。この作業は、内側回転体６４を、その中心軸線を立て、前記のポケット状の空間が上向きに開放するように配置した状態で行うことが好ましい。そして、もう一つのスリーブである第１スリーブ６６Ａを内側回転体６４のねじ８６を用いて固定する。

１０ロータ、１２ロータシャフト、１４内側回転体、１６スリーブ、１８円筒部、２０端面部、２２ボス部、２４中心孔、２６外向きフランジ、２８円筒外周面、３０貫通孔、３２テーパ部、３４ねじ部、３６ナット、３８永久磁石、４０円筒部、４２内向きフランジ、４４円筒内周面、４６かしめ部、４８ファン、５０中心部、５２羽根、５４ビス、５６開口、６０ロータ、６２ロータシャフト、６４内側回転体、６６スリーブ、６６Ａ第１スリーブ、６６Ｂ第２スリーブ、６８回転体本体、７０ボス部、７２中心孔、７４円筒外周面、７６貫通孔、７８永久磁石、８０，８０Ａ,８０Ｂ円筒部、８２Ａ内向きフランジ、８２Ｂ内向きフランジ、８４，８４Ａ，８４Ｂ円筒内周面、８８ファン、９０中心部、９２羽根、９４ビス、９６Ａ，９６Ｂ開口。

Claims

円筒外周面を有する内側回転体と、
内側回転体の円筒外周面との間に環状の収容空間を形成する円筒内周面を有し、内側回転体に固定され、内側回転体とは別部材のスリーブと、
環状の収容空間に収容され、周方向に沿って配列された永久磁石と、
を有する、
回転電機のロータ。
請求項１に記載の回転電機のロータであって、永久磁石は周方向に隙間なく配列されている、回転電機のロータ。
請求項１または２に記載の回転電機のロータであって、
内側回転体は、円筒外周面から径方向外側に延びる外向きフランジを有し、
スリーブは、円筒内周面から径方向内側に延びる内向きフランジを有し、
永久磁石は、軸線方向において、外向きフランジと内向きフランジの間に保持されている、
回転電機のロータ。
請求項３に記載の回転電機のロータであって、
スリーブの内向きフランジは、内側回転体の端面に当接し、
内向きフランジから離れているスリーブの端部は、径方向内側に曲がって内側回転体の外向きフランジの端面に係合しており、この曲がっている部分と内向きフランジとで内側回転体を挟むことにより、スリーブが内側回転体に装着されている、
回転電機のロータ。
請求項１または２に記載の回転電機のロータであって、
スリーブは、軸線方向に並ぶ第１スリーブと第２スリーブからなり、
第１スリーブと第２スリーブは共に円筒内周面から径方向内側に延びる内向きフランジを有し、
永久磁石は、軸線方向において、第１スリーブの内向きフランジと、第２スリーブの内向きフランジの間に保持されている、
回転電機のロータ。
請求項５に記載の回転電機のロータであって、
第１スリーブの内向きフランジと第２スリーブの内向きフランジの各々は、内側回転体の両端面に固定される、
回転電機のロータ。
請求項１から６のいずれか１項に記載の回転電機のロータであって、
内側回転体と一体に回転するファンを有し、
内側回転体には、軸線方向に延びて内側回転体を貫通する貫通孔が形成され、ファンが生成した気流が貫通孔を通過する、
回転電機のロータ。