JP2017103901A - 回転電機のロータ - Google Patents

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久慶 ▲ふく▼楊
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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 (7)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
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