JP2018148697A - 回転電気機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータとこのロータを囲うように配置されるステータとを備える回転電気機械にて、ロータの回転軸が細長で軽量なものであっても、低慣性等の性能を維持しつつロータの回転バランスを修正できるようにする。【解決手段】ロータＤｒが、回転軸１と、この回転軸の外周面にその周方向に列設された複数個の永久磁石２と、永久磁石が列設された回転軸の部分に永久磁石を覆うように外挿されて各永久磁石の飛散を防止する筒体３とを備える。永久磁石が、回転軸の径方向に着磁されると共に互いに隣接する永久磁石の径方向外側の磁極が異なるように周方向に交互に配置され、永久磁石相互の間に磁束短絡を防止する非磁性体５が挿入される。非磁性体として質量の異なる２種以上のものを用い、回転軸のアンバランス質量に応じて各永久磁石の間に夫々挿入される非磁性体の種類を変える。【選択図】図２

Description

本発明は、ロータとこのロータを囲うように配置されるステータとを備える回転電気機械に関し、より詳しくは、細長で軽量の回転軸を構成部品とする所謂特殊回転電気機械のロータの構造に関する。

従来、この種の回転電気機械のロータとして、回転軸（コア部材）と、この回転軸の外周面にその周方向に列設された複数個の永久磁石と、これらの永久磁石が列設された回転軸の部分に永久磁石を覆うように外挿されて各永久磁石の飛散を防止する筒体とを備えるものが知られている。そして、各永久磁石が、回転軸の径方向に着磁されると共に互いに隣接する永久磁石の径方向外側の磁極が異なるように配置され、また、永久磁石相互の間には磁束短絡を防止する非磁性体が挿入されている（例えば、特許文献１参照）。また、回転軸の外周面にその周方向に沿って列設される複数の永久磁石を磁石ユニットとし、この磁石ユニットの複数個を軸方向に列設し、軸方向両端に端面カバー（軸アダプタ）を取り付けてロータを構成することが知られている（例えば、特許文献２参照）。ここで、例えば自動車のトランスミッション試験機用の回転電気機械には、低慣性、高出力及び高速回転の各性能が求められ、これらの性能要求を満たすために、通常、細長で軽量の回転軸を用いたロータが使用される。

ところで、ロータの回転バランスを修正する場合、端面カバーの夫々にアンバランス修正用の重りを付加することが一般的である（所謂二面修正）。このとき、低慣性の性能を維持するために可及的に軽い重りで修正しようとすると、回転中心軸から距離（修正半径）を稼ぐ必要があるが、回転軸が細長であると、修正半径を稼ぐことができず、結局、付加する重りを増やさざるを得ない。しかも、修正半径が小さく、重りを増やしていくとその重りを付加できる許容空間や重りを固定したときの遠心力に耐える強度を確保する必要もある。このため、ロータの回転バランスを修正する際に、修正半径、重りの体積と質量、強度に制約が生じるという問題がある。

また、細長の回転軸の中には、ロータを冷却できるように中心軸線に沿ってのびる深孔を回転軸に加工したものがある。この場合、深孔の加工精度によっては回転軸自体にアンバランス重量が発生することがある。このような場合、上記二面修正だけでは、上述の制約を受ける中でロータの回転バランスを修正しきれないおそれがある。

特開平１１−３１８０４８号公報 特開２０１２−２１０００６号公報

本発明は、以上の点に鑑み、ロータの回転軸が細長で軽量なものであっても、低慣性等の性能を維持しつつ、修正半径、重りの体積と質量や、強度の制約を受けずにロータの回転バランスを修正できる回転電気機械を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、ロータとこのロータを囲うように配置されるステータとを備える本発明の回転電気機械は、ロータが、回転軸と、この回転軸の外周面にその周方向に列設された複数個の永久磁石と、これらの永久磁石が列設された回転軸の部分に永久磁石を覆うように外挿されて各永久磁石の飛散を防止する筒体とを備え、各永久磁石が、回転軸の径方向に着磁されると共に互いに隣接する永久磁石の径方向外側の磁極が異なるように周方向に交互に配置され、永久磁石相互の間に磁束短絡を防止する非磁性体が挿入され、非磁性体として質量の異なる２種以上のものを用い、回転軸のアンバランス質量に応じて各永久磁石の間に夫々挿入される非磁性体の種類を変えることを特徴とする。

本発明によれば、磁束短絡を防止するために周方向で互いに隣接する永久磁石の間に夫々挿入される非磁性体に、回転軸自体やロータの回転バランスを修正するときのアンバランス修正用の重りの役割を持たすことで、ロータの回転軸が細長で軽量なものであっても、低慣性等の性能を維持しつつ、修正半径、重りの体積と質量や強度の制約を受けずにロータの回転バランスを修正することができる。

本発明においては、前記回転軸のアンバランス質量の方位から１８０度位相をずらした前記回転軸の外周面に前記非磁性体が係止される係止部が形成され、この係止部に係止される非磁性体としてステンレス製のものを用いることが好ましい。このように比較的機械的強度のあるステンレス製のものを採用すれば、回転軸の機械回転力（トルク）によってこの回転軸に対して各永久磁石が周方向に位置ずれを起こすことを防止しつつ、ロータの回転バランスを修正することができ、有利である。また、互いに点対称となる前記回転軸の外周面に位置する前記非磁性体として同一の質量のものを用いるようにしておけば、回転軸自体に不要なアンバランス重量が発生することが防止できてよい。

また、本発明においては、前記非磁性体が回転軸の軸方向で複数に分割されていることが好ましい。これによれば、回転軸にその中心軸線に沿ってのびる深孔を加工したときの加工精度によって、回転軸自体にアンバランス重量が発生している場合に、そのアンバランス重量の方位や軸方向における位置に応じて、非磁性体の種類を変えることでロータの回転バランスを確実に修正でき、有利である。

本発明の実施形態の回転電気機械をその一部を断面で示す部分省略正面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図。

以下、図面を参照して、回転電気機械を細長で軽量の回転軸を備える電動機とした場合を例に本発明の回転電気機械の実施形態を説明する。

図１を参照して、ＤＭは本実施形態の電動機である。電動機ＤＭはハウジングＤｂを有し、ハウジングＤｂ内にはロータＤｒとこのロータＤｒを囲うように配置されるステータＤｓとが備えられている。本実施形態では、図１中、ロータＤｒの右側が出力軸側、左側が入力軸側となっている。なお、ステータＤｓや後述の回転軸の軸受の構造等のロータＤｒ以外の構成については公知のものが利用できるため、これ以上の詳細な説明は省略する。

図２も参照して、ロータＤｒは、回転軸１と、この回転軸１の外周面にその周方向に列設された同一形態の永久磁石２の複数個と、永久磁石２が列設された回転軸１の部分に永久磁石２を覆うように外挿されて各永久磁石２の飛散を防止する筒体３とを備える。回転軸１としては、低慣性や高速回転等の性能が得られるように細長（例えば、最大径が７５ｍｍ）で軽量のものが用いられる。この場合、回転軸１はコア材を備えていてもよい。また、回転軸１には、その軸方向一端（図１中、左端）から中心軸線Ｃｌに沿ってのびる深孔１１が穿設されている。深孔１１内には、その軸方向一端から入液パイプ１２が挿設され、図外の冷却水循環ユニットより冷却水が入液パイプ１２内に流入され、入液パイプ１２と深孔１１との間の間隙を介して冷却水循環ユニットに戻すことで、ロータＤｒを冷却できるようにしている。

各永久磁石２としては、同一形状の磁石片２１を同一線状に沿って配置したものが用いられ、回転軸１の外周面に例えば接着剤を用いて隙間なく貼付されている。永久磁石２を構成する各磁石片２１は、回転軸１の径方向に夫々着磁され、互いに隣接する永久磁石２の径方向外側の磁極が異なるように周方向に交互に配置されている（本実施形態では６極）。各永久磁石２の両端には、回転軸１に外挿された環状の端面カバー４が夫々取り付けられ、各磁石片２が軸方向に規制されるようになっている。この場合、両端面カバー４，４には、ロータの回転バランスを修正する際、従来例の電動機同様、バランス修正用の重りＷｔが取り付けられるようになっている（所謂二面修正）。なお、端面カバー４に冷却用のファン等を設けるようにしてもよい。

また、永久磁石２相互の間には、各永久磁石２からの磁束の短絡を防止する非磁性体５が挿入されている。非磁性体５としては、各磁石片２１の径方向厚さと同等の短辺と、永久磁石２の軸線方向の全長に亘る長辺とを有する矩形状の板状部材で構成され、ステンレスやアルミニウム製のものが用いられる。筒体３としては、チタン合金製のものが用いられる。

ここで、上記構成の回転軸１を用い、ロータＤｒの回転バランスを修正しようとすると、修正半径や強度等に制約が生じ、その上、深孔１１の加工精度によっては回転軸１自体にアンバランス重量が発生することがある。このため、上記二面修正に代えて、または、これに加えて、低慣性等の性能を維持しつつロータＤｒの回転バランスを修正できることが望まれる。そこで、本実施形態では、非磁性体５として、ステンレス及びアルミニウムからなる単一体積当たりの質量の異なる２種のもの５ａ，５ｂを用い、回転軸１のアンバランス質量に応じて各永久磁石２の間に夫々挿入される非磁性体５の種類を変えることとした。以下に、アンバランス質量の修正も考慮したロータＤｒの構成例を説明する。

中心軸線Ｃｌに沿ってのびる深孔１１が穿設された回転軸１を所定の回転数で回転させ、変位計等を用いて回転軸１のアンバランス質量を特定する。この特定したアンバランス重量の方位から１８０度位相をずらした回転軸１の外周面に、軸方向にのびる係止部としての凹溝１３を形成する。そして、ロータＤｒの組付時、凹溝１３に比較的重量が多くあり、機械的強度を持つステンレス製の非磁性体５ａを、その径方向の内端面を凹溝１３に嵌着することで係止させる。次に、非磁性体５ａの周方向両側に位置する回転軸１の外周面部分に永久磁石２を構成する各磁石片２１を夫々取り付ける。そして、比較的重量が少ないアルミニウム製の非磁性体５ｂを介在させて回転軸１の外周面部分に永久磁石２を構成する各磁石片２１を取り付ける。最後に、互いに点対称となる回転軸１の外周面に位置する箇所に同一の質量のステンレス製の非磁性体５ａを介在させる。この場合、回転軸１のアンバランス重量によっては、アルミニウム製の非磁性体５ｂに代えてステンレス製の非磁性体５ａが用いられる一方で、低慣性等の求められる性能によっては、最後に取り付けられるステンレス製の非磁性体５ａに代えてアルミニウム製の非磁性体５ｂを用いることもできる。

また、回転軸１のアンバランス重量によっては、非磁性体５ａ，５ｂを長手方向で複数の部分に分割し、軸方向で互いに質量の異なる非磁性体５ａ，５ｂを使い分けて互いに隣接する永久磁石２の間に介在させるようにしてもよい。そして、ロータＤｒとステータＤｓとを組み付けた後、必要に応じて、ロータＤｒのアンバランス重量を再度特定し、端面カバー４にバランス修正用の重りＷｔを取り付けて二面修正を行うことができる。

以上の実施形態によれば、磁束短絡を防止するために周方向で互いに隣接する永久磁石２の間に夫々挿入される非磁性体５ａ，５ｂに、ロータＤｒの回転バランスを修正するときのアンバランス修正用の重りの役割を持たすことで、ロータＤｒの回転軸１が細長で軽量なものであっても、低慣性等の性能を維持しつつ、修正半径、重りの体積と質量や強度の制約を受けずにロータＤｒの回転バランスを修正することができる。また、回転軸１のアンバランス質量の方位から１８０度位相をずらした回転軸１の外周面に形成した凹溝１３に係止されるものをステンレス製の非磁性体５ａとしたため、回転軸１の機械回転力（トルク）によってこの回転軸１に対して各永久磁石２の各磁石片２１が周方向に位置ずれを起こすことを防止しつつ、ロータ１の回転バランスを修正することができ、有利である。

また、互いに点対称となる回転軸１の外周面に位置する非磁性体５ａとして同一の質量のものを用いたため、回転軸１自体に不要なアンバランス重量が発生することが防止でき、更に、非磁性体５ａ，５ｂが回転軸１の軸方向で複数に分割されていれば、回転軸１自体にアンバランス重量が発生している場合に、そのアンバランス重量の方位や軸方向における位置に応じて、非磁性体の種類を変えることでロータＤｒの回転バランスを確実に修正でき、有利である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲を逸脱しない範囲で適宜変形が可能である。上記実施形態では、ステンレス製とアルミニウム製の２種類の非磁性体５ａ，５ｂを用いるものを例に説明したが、単位当たりの重量が異なるものを３種以上使用するようにしてもよい。また、上記実施形態では、ロータＤｒの組付の際に回転軸１のバランス修正を行うものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、非磁性体５ａ，５ｂが回転軸１の軸方向で複数に分割されているような場合には、ロータＤｒの組付後に、アンバランス重量に応じてその一部を質量の異なるものに変更してバランス修正することもできる。更に、上記実施形態では、回転電気機械として電動機ＤＭを例に説明したが、発電機にも本発明は広く適用することができる。

ＤＭ…電動機（回転電気機械）、Ｄｓ…ステータ、Ｄｒ…ロータ、１…回転軸、２…永久磁石、３…筒体、５ａ…ステンレス製の非磁性体（非磁性体５）、５ｂ…アルミニウム製の非磁性体（非磁性体５）、１３…凹溝（係止部）。

Claims (4)

1. ロータとこのロータを囲うように配置されるステータとを備える回転電気機械であって、
   ロータが、回転軸と、この回転軸の外周面にその周方向に列設された複数個の永久磁石と、これらの永久磁石が列設された回転軸の部分に永久磁石を覆うように外挿されて各永久磁石の飛散を防止する筒体とを備え、各永久磁石が、回転軸の径方向に着磁されると共に互いに隣接する永久磁石の径方向外側の磁極が異なるように周方向に交互に配置され、永久磁石相互の間に磁束短絡を防止する非磁性体が挿入されるものにおいて、
   非磁性体として質量の異なる２種以上のものを用い、回転軸のアンバランス質量に応じて各永久磁石の間に夫々挿入される非磁性体の種類を変えることを特徴とする回転電気機械。
2. 前記回転軸のアンバランス質量の方位から１８０度位相をずらした前記回転軸の外周面に前記非磁性体が係止される係止部が形成され、この係止部に係止される非磁性体としてステンレス製のものを用いたことを特徴とする請求項１記載の回転電気機械。
3. 互いに点対称となる前記回転軸の外周面に位置する前記非磁性体として同一の質量のものを用いることを特徴とする請求項１または請求項２記載の回転電気機械。
4. 前記非磁性体が回転軸の軸方向で複数に分割されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の回転電気機械。

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