JP2020089068A

JP2020089068A - 永久磁石埋め込み型ロータ

Info

Publication number: JP2020089068A
Application number: JP2018220331A
Authority: JP
Inventors: 松尾栄人; Eito Matsuo
Original assignee: Matsuo Eito
Current assignee: Matsuo Eito
Priority date: 2018-11-26
Filing date: 2018-11-26
Publication date: 2020-06-04

Abstract

【課題】同期モータや発電機に使用される永久磁石内蔵回転ロータにおいて、磁石の内臓に使われる高強度の外皮と永久磁石間に高速回転時に隙間が生じて回転軸のアンバランス発生の原因となるという問題がある。【解決手段】外皮と内臓の永久磁石間に舌部を形成された板バネを円筒形状に成形して挿入する。板バネが円筒形状に成形され、平面形状を維持しようとする舌部が外皮で押し曲げられ、板バネの内径部が永久磁石に接し、外皮と永久磁石間の隙間を埋め、バネ力で両者間の距離を維持する働きをして、永久磁石を中心部に保持する。【選択図】図１

Description

永久磁石内臓のロータを用いた高速回転の発電機やモータに関する技術分野

小型高性能の圧縮機やタービンには、高速高性能の永久磁石内臓のモータや発電機が必須である。永久磁石を内蔵した高回転のロータは、IPSMと呼ばれ、永久磁石を高強度のリング状の外皮で遠心力で飛散しない構造となっている。この外皮には、高強度の6アルミ4バナジウムチタン、SCM材、インコネル材、チタン合金材などが使用されている。

特開2013-226023 ロータアセンブリ特開2018-157654(P2018-157654A) ＩＰＭモータのマグネット固定構造特開2016-144290(P2016-144290A) ＩＰＭモータ用ロータ特開2013-198193(P2013-198193A) 回転電機のロータ WO2008/047767 モータ用回転子及びその製造方法特開2005-269874 永久磁石同期モータ用回転子

武田洋次他、埋込磁石同期モータの設計と制御 (オーム社) (2001) 森本茂雄、モータ技術の動向と展望、Panasonic Technical Journal Vol.55 No.3 Oct. 2009 一般社団法人日本電機工業会知っておきたいPMモータ

非特許文献には、SPMとIPMの区別や構造について記載されており、IPMは、磁石の飛散を防止するために、磁石の外周側に高強度の構造壁が設けられている。この構造壁を以下で外皮と呼ぶこととする。従来の文献では、永久磁石が遠心力で飛散しないように外皮を設ける必要があることは示されているが、両者の強度限界や変位量は示されていない。

特許文献5のモータ回転子及びその製造方法では、永久磁石の外周を炭素繊維強化糸で巻き付け、樹脂で固め、外周に設けた筒を焼嵌めた構造が提案されている。この構造では、磁石が分割されているために、炭素繊維で外周側への伸びが抑えられるが、筒は遠心力で外周側へと伸びるために、筒と樹脂で固められた炭素繊維糸との間に隙間ができる。

特許文献6の永久磁石同期モータ用回転子には、複数の磁石挿入孔に挿入された磁石を半径方向に抑える部材を入れて、磁石の動きを止めているが、磁石も部材も遠心力で外周側に押し出される。この場合は、永久磁石も部材も外皮に押し付けられ、外皮の応力が大きくなるために高速回転は困難と考えられます。

永久磁石内臓ロータが高速回転する場合、永久磁石と永久磁石が遠心力による飛散を防止するための外皮ともに遠心力で半径方向に延びる。また、遠心力は半径と回転数の二乗に比例して大きくなる。このために、高速で回転する場合、外皮の伸びが磁石よりも大きく、外皮と磁石の間に隙間が生じることになる。この対策として、外皮と磁石を接着する。外皮を加熱して径を大きくし、磁石を挿入する焼嵌め、磁石を液体窒素などで冷却して外径を小さくして外皮に挿入する冷し嵌めが行われている。しかし、これらの方法では、遠心力によって生じる伸び差を埋めることができず、隙間ができる。このため、高速回転時には、磁石が回転中心に保持されずアンバランスが生じて高速での安定した運転が難しくなる。

外皮の中心部に永久磁石を挿入して、永久磁石内臓ロータが形成されるが、高速回転する場合は、両者に強い遠心力が働くので、径が大きな外皮に大きく、磁石には比較的小さな遠心力が働き、永久磁石に比べて、外皮の伸びが大きいために、隙間が大きくなる。この状態では、永久磁石の位置が定まらず、隙間分外周側へと動き、その位置で遠心力により固定され、永久磁石内臓ロータには、永久磁石の偏心による大きな遠心力が働き、偏心状態で回転する。この時は、軸受に大きな面圧が働き、偏心運動と軸受の損傷が生じる。

内蔵された永久磁石を組立時の位置に固定しておくために、外皮と永久磁石の間に、バネを設置する。

このバネは、バネ板にエッチング、レーザ切断、ワイヤーカットなどで溝状の切断部を設けたものであり、これを円筒状に整形して、外皮と永久磁石間に挿入される。

このバネを円筒状に成型することにより、平面形状を維持される舌部が円筒面より外周側に突き出しているために、外皮内に挿入された場合、舌部が曲げられてバネの働きをする。この時、バネの内周部を永久磁石の外部に接触するように構成すると、永久磁石は外皮内にバネ支持される。

高速回転する時には、外皮と永久磁石の両方が遠心力で外周側へと膨らむが、その膨らみは、外周側の遠心力が大きいために外皮が大きく、永久磁石との間に隙間ができる。外皮と永久磁石の間にバネを挿入することにより、この隙間をバネの伸びで埋めるために隙間はできない。

更に、バネは隙間の増減に応じて伸びちじみするので、常に永久磁石は外皮の中心位置に保持される。この時の永久磁石の位置を保持する力は、バネの厚みと舌部の曲りの大きさによって決まる。曲げの強さは、外皮と永久磁石の隙間の大きさ、舌部の長さで決定される。

外皮と永久磁石の間に板バネを挿入することにより、外皮と永久磁石間の隙間が無くなるために、永久磁石の偏心によるアンバランスの発生が防止され、アンバランス量の低減、偏心回転、偏心運動による軸受の損傷などを防止できる。

永久磁石内臓ロータの構造図板バネリング状に成形した板バネ回転により生じる外皮と磁石間の隙間計算結果

永久磁石を内蔵する永久磁石内臓ロータは、6アルミ4バナジウムチタン、Inco718、SCM435等の高強度材料で作られており、内蔵する永久磁石が外部へ飛散せず、永久磁石が回転中心に保持されるように、外皮と永久磁石間に板バネを円筒状に成形して挿入されている。

実施例の構成を図1に示す。最外周に位置する外皮100、中心部に位置する永久磁石200、その間に設けられた板バネ300で構成されている。板バネ300は、外皮100と永久磁石200の間の隙間に挿入され、円筒形状に成形されている。

板バネ300には、エッチィングやレーザ切断法等により溝310が設けられ、溝で囲まれた舌部320が形成されている。この舌部320は、大舌部321と小舌部322で形成されている。

外皮の両端110に端部120が設けられ、端部の小径部130の外周にジャーナル軸受400が設けられ、永久磁石内臓ロータ500がサポートされている。

永久磁石内臓ロータ500は、外周に設けられたステータ600(図示省略)で発生される磁界で駆動されて高速回転し、その端部に接合された圧縮機羽根車７００を駆動する働きをして、冷媒を圧縮し、小型高性能の空調装置や冷凍装置を構成する。

図1において圧縮機羽根車700に変えてタービン動翼800が接合された永久磁石内臓ロータ500は、タービン動翼800で駆動され、外周に設けられたステータ600で電力を発生する。

永久磁石内臓ロータ500の回転数は、印加電圧に比例し、駆動トルクも増大する。この時、外皮100と磁石200の隙間は、図4に示すように、回転数上昇に伴って増大する。内蔵の永久磁石200が偏心すると大きなアンバランスとなり、安定した運転が府k脳となるばかりでなく、運転を継続すると破壊に至ることもある。

100 外皮
110 両端
120 端部
130 小径部
200 磁石
300 板バネ
310 溝
320 舌部
321 大舌部
322 小舌部
330 切欠部
340 突起部
400 ジャーナル軸受
410 スラストカラー
500 永久磁石内臓ロータ
510 テンションボルト
520 ナット
600 ステータ
700 圧縮機羽根車
800 タービン動翼

Claims

永久磁石を内蔵する永久磁石内臓ロータにおいて、少なくとも1個の円筒状又は円柱状の永久磁石を内蔵するために設けられた補強材である外皮、外皮と永久磁石間の空隙に内蔵された板バネで構成されることを特徴とする永久磁石内臓ロータ。
請求項1に記載の永久磁石内臓ロータにおいて、板バネにエッチング、レーザ切断機、ワイヤーカットなどで設けられた溝で舌部が設けられていることを特徴とする永久磁石内臓ロータ。