JP2021069265A - 永久磁石同期回転電機用回転子、および永久磁石同期回転電機用回転子のバランス調整方法 - Google Patents

永久磁石同期回転電機用回転子、および永久磁石同期回転電機用回転子のバランス調整方法 Download PDF

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Abstract

【課題】永久磁石同期回転電機において、高速回転における回転子の振動を低減する。【解決手段】永久磁石同期回転電機用回転子１０は、軸方向の２か所の被支持部で回転可能に支持され回転軸方向に延びたロータシャフト１１と、ロータシャフト１１の２つの被支持部に挟まれた部分の径方向外側に周方向に互いに間隔を空けて取り付けられ軸方向に延びた複数の回転子磁石１２と、互いに隣接する回転子磁石１２の間に配されて磁気的な干渉を低減する複数の回転子磁極セパレータ１３とを備える。回転子磁極セパレータ１３のそれぞれには、軸方向に互いに間隔をおいてバランスウェイト取付け用の複数のねじ穴が形成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、永久磁石同期回転電機用回転子、および永久磁石同期回転電機用回転子のバランス調整方法に関する。
永久磁石同期電動機は、典型的には、各磁極の永久磁石、周方向に互いに隣接する永久磁石間に設けられた磁極セパレータ、これらを保持するためにこれらを囲むように径方向の外側に設けられた保持環、これらの軸方向の両側に取り付けられた止め部材を有する。
回転子は、周方向に質量のアンバランスが存在すると振動が生ずる。特に極数が少ない場合は、高速回転となることから、この傾向が顕著となる。このため、回転子の周方向のアンバランスを低減するためにバランス調整が行われる。バランス調整は、たとえば、回転子鉄心部あるいは止め部材に複数のバランス調整用のねじ穴を設け、軸方向の外側から適切な位置にバランスウェイトを取り付けることにより行われる（特許文献１参照）。
特開２００４−３３６９６５号公報
前述のように、従来は止め部材に設けられたバランス調整用のねじ穴を用いて行われるが、高速回転になると回転子中央に残る残留アンバランスの影響が顕著となり振動が大きくなっていた。
また、回転子における周方向の重量分布については、回転子磁極セパレータの部分が磁石の部分よりも大きく、回転子磁極セパレータに印加される遠心力が大きく、運転時に外側を覆っている保持環への荷重の周方向の変化が大きく、この分、保持環の応力が増大していた。
そこで、本発明は、永久磁石同期回転電機用回転子について、高速回転における振動を低減することを目的とする。
上述の目的を達成するため、本発明に係る永久磁石同期回転電機用回転子は、軸方向の２か所の被支持部で回転可能に支持され回転軸方向に延びたロータシャフトと、前記ロータシャフトの前記２つの被支持部に挟まれた部分の径方向外側に周方向に互いに間隔を空けて取り付けられ、前記軸方向に延びた複数の回転子磁石と、互いに隣接する前記回転子磁石の間に配されて磁気的な干渉を低減する複数の回転子磁極セパレータと、を備え、前記回転子磁極セパレータのそれぞれには、軸方向に互いに間隔をおいてバランスウェイト取付け用の複数のねじ穴が形成されている、ことを特徴とする。
また、本実施形態に係る永久磁石同期回転電機用回転子のバランス調整方法は、複数の回転子磁石および複数の回転子磁極セパレータをロータシャフトに取り付ける低速準備ステップと、低速で永久磁石同期回転電機用回転子を回転させ振動状態を確認する第１回低速バランス試験ステップと、前記第１回低速バランス試験の結果に基づいて前記回転子磁極セパレータにバランスウェイトを取り付けるバランスウェイト第１回取り付けステップと、を有することを特徴とする。
本発明によって、永久磁石同期回転電機用回転子について、高速回転における振動を低減することができる。
実施形態に係る永久磁石同期回転電機用回転子を有する永久磁石同期回転電機の構成を示す縦断面図である。 実施形態に係る永久磁石同期回転電機用回転子の構成を示す図３のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。 実施形態に係る永久磁石同期回転電機用回転子の構成を示す図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図である。 実施形態に係る永久磁石同期回転電機用回転子の回転子磁極セパレータの構成を示す平面図である。 実施形態に係る永久磁石同期回転電機用回転子の回転子磁極セパレータの構成を示す図４のＶ−Ｖ線矢視断面図である。 実施形態に係る永久磁石同期回転電機用回転子の回転子磁極セパレータの構成を示す図４のＶＩ−ＶＩ線矢視断面図である。 実施形態に係る永久磁石同期回転電機用回転子の回転子磁極セパレータとバランスウェイトとの関係を示す断面図である。 実施形態に係る永久磁石同期回転電機用回転子の回転子磁極セパレータにバランスウェイトを取り付けた状態を示す断面図である。 実施形態に係る永久磁石同期回転電機用回転子の回転子磁極セパレータの変形例を示す斜視図である。 実施形態に係る永久磁石同期回転電機用回転子の回転子磁極セパレータの他の変形例を示す斜視図である。 実施形態に係る永久磁石同期回転電機用回転子のバランスディスクを示す斜視図である。 実施形態に係る永久磁石同期回転電機用回転子のバランス調整方法の手順を示すフロー図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る回転子磁極セパレータおよび永久磁石同期電動機について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重畳する説明は省略する。
図１は、実施形態に係る永久磁石同期回転電機用回転子を有する永久磁石同期回転電機１００の構成を示す縦断面図である。
永久磁石同期回転電機１００は、永久磁石同期回転電機用回転子１０、固定子２０、２つの軸受３０、フレーム４０、および２つの軸受ブラケット４５を有する。
永久磁石同期回転電機用回転子１０については、後に図２および図３を引用しながら説明するが、２つの軸受３０に回転可能に支持されている。永久磁石同期回転電機用回転子１０の一方の端部に、結合対象との結合用のカップリング１１ａがもうけられている。結合対象は、永久磁石同期回転電機１００が電動機の場合は駆動対象、永久磁石同期回転電機１００が発電機の場合は原動機である。
固定子２０は、永久磁石同期回転電機用回転子１０の径方向の外側に配され、固定子鉄心２１および固定子巻線２２を有する。
フレーム４０は筒状であり、固定子２０を囲むように固定子２０の径方向外側に配されている。
フレーム４０の両端部には、それぞれ軸受ブラケット４５が取り付けられている。それぞれの軸受ブラケット４５は、それぞれの軸受３０を静止支持し、支持部を構成している。
図２は、実施形態に係る永久磁石同期回転電機用回転子１０の構成を示す図３のＩＩ−ＩＩ矢視断面図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図である。
永久磁石同期回転電機用回転子１０は、ロータシャフト１１、ロータシャフト１１の径方向外側に取り付けられた複数の回転子磁石１２、および複数の回転子磁石１２の間に配された複数の回転子磁極セパレータ１３、保持環１４、および２つのバランスディスク１５を有する。回転子磁石１２は、たとえば永久磁石である。
ロータシャフト１１は、軸方向に延びて、回転子磁石１２等を挟む両側の被支持部で、それぞれ、軸受３０により回転可能に支持されている。
複数の回転子磁石１２は、断面が円弧状で軸方向に同じ長さに延びている。なお、この軸方向に延びたそれぞれの回転子磁石１２は、軸方向に複数に分割されていてもよい。
複数の回転子磁極セパレータ１３は、断面が円弧状で軸方向に同じ長さに延びており、周方向に回転子磁石１２と交互に配されている。
磁極セパレータ１３は、互いに周方向に隣接する回転子磁石１２の相互間の磁気的な干渉を低減する。それぞれの磁極セパレータ１３は、ロータシャフト１１の表面に、周方向に互いに間隔をおいて軸方向に延びるように形成された溝１１ｃに嵌合してたとえば接着剤により取り付けられている。回転子磁石１２も同様に、ロータシャフト１１の表面にたとえば接着剤により取り付けられている。複数の回転子磁石１２および複数の回転子磁極セパレータ１３がロータシャフト１１に取り付けられた状態においては、その外側表面は仮想的な１つの円筒に包絡される。
回転子磁石１２と回転子磁極セパレータ１３とは、周方向の単位長さ当たりの重量が互いに実質的に等しい、すなわち、等しいあるいはほぼ等しいように、材料、寸法が設定されている。
保持環１４は、複数の回転子磁石１２および複数の回転子磁極セパレータ１３がロータシャフト１１に取り付けられた状態において、その径方向外側に嵌め込まれている。なお、図２では、保持環１４は一体であり、その軸方向の長さは、回転子磁石１２および回転子磁極セパレータ１３の長さと同じ場合を例にとって示しているが、これに限定されない。すなわち、これらより短い場合であってもよい。また、保持環１４は、軸方向に分割されていてもよい。
２つのバランスディスク１５は、保持環１４が複数の回転子磁石１２および複数の回転子磁極セパレータ１３の径方向外側に嵌め込まれている状態で、これらを軸方向に挟んで、これらの両側に取り付けられている。バランスディスク１５は、止めねじ等により、ロータシャフト１１に取り付けられてもよいし、あるいは、回転子磁極セパレータ１３に取り付けられてもよい。
図４は、実施形態に係る永久磁石同期回転電機用回転子１０の回転子磁極セパレータ１３の構成を示す平面図、図５は、図４のＶ−Ｖ線矢視断面図、図６は、図４のＶＩ−ＶＩ線矢視断面図である。
回転子磁極セパレータ１３は、平板部１３ｂおよび平板部１３ｂの幅方向の両側に接続する側部１３ａを有し、長手方向に延びている。回転子磁極セパレータ１３の断面は、コの字形であり、平板部１３ｂと２つの側部１３ａにより囲まれた空洞１３ｈが形成される。
平板部１３ｂには、長手方向に互いに間隔をおいて、平板部１３ｂの表面に垂直な方向に平板部１３ｂを貫通するように、複数のねじ穴１３ｃが形成されている。それぞれのねじ穴１３ｃの平板部１３ｂの表面側、すなわち空洞１３ｈの反対側には、テーパ部１３ｄが形成されている。
なお、バランスウェイト１８が、複数種類存在する場合、複数種類のバランスウェイト１８に対応するねじ穴１３ｃの種類を順次変えてもよい。
図７は、実施形態に係る永久磁石同期回転電機用回転子１０の回転子磁極セパレータ１３とバランスウェイト１８との関係を示す断面図である。また、図８は、実施形態に係る永久磁石同期回転電機用回転子１０の回転子磁極セパレータ１３にバランスウェイト１８を取り付けた状態を示す断面図である。
バランスウェイト１８は、円柱状であり、径方向外側表面には、回転子磁極セパレータ１３に形成されたねじ穴１３ｃのそれぞれと螺合するおねじが形成されている。また、バランスウェイト１８の一方の端部には、端部溝１８ｃが形成されており、たとえば、マイナスドライバで操作可能に形成されている。
図８に示すように、回転子磁極セパレータ１３にバランスウェイト１８を螺合させ、その後に、樹脂あるいは接着剤で固定する。この際、表面近くにバランスウェイト１８がある場合でも、テーパ部１３ｄが形成されていることにより、バランスウェイト１８の側面からも樹脂等で固定することができる。
図９は、実施形態に係る永久磁石同期回転電機用回転子１０の回転子磁極セパレータの変形例を示す斜視図である。
変形例による回転子磁極セパレータ１６は、ねじ穴１３ｃに代えて長ねじ穴１６ｃを有する点のみが異なる。
長ねじ穴１６ｃを有することにより、その区間は、連続的にバランスウェイト１８を配することができる。また、バランスウェイト１８を螺合させた後に、バランスウェイト１８の側部から樹脂等でさらに確実に固定することができる。
図１０は、実施形態に係る永久磁石同期回転電機用回転子１０の回転子磁極セパレータの他の変形例を示す斜視図である。
他の変形例による回転子磁極セパレータ１７は、ねじ穴１３ｃに代えて、複合ねじ穴１７ｃを有する点のみが異なる。複合ねじ穴１７ｃは、小径ねじ穴１７ａおよび大径ねじ穴１７ｂを同時に有し、小径のバランスウェイトおよび大径のバランスウェイトのいずれも取り付け可能に形成されている。このため、好む場所に、大径、小径のいずれの太さのバランスウェイト１８も、取り付けることができる。
図１１は、実施形態に係る永久磁石同期回転電機用回転子１０のバランスディスク１５を示す斜視図である。
図２に示した２つのバランスディスク１５は、止めねじ等により、ロータシャフト１１に取り付けられてもよいし、あるいは、回転子磁極セパレータ１３に取り付けられてもよい。なお、バランスディスク１５の取付け用の部分の図示は省略している。
２つのバランスディスク１５のそれぞれは、周方向に互いに間隔を空けて形成された複数のバランスディスク取付け用ねじ穴１５ａを有する。
なお、図１１では、径が同一の円周上に配されている場合を例にとって示したが、複数列に配列してもよい。
図１２は、実施形態に係る永久磁石同期回転電機用回転子１０のバランス調整方法の手順を示すフロー図である。
まず、複数の回転子磁石１２および複数の回転子磁極セパレータ１３をロータシャフトに取り付ける（ステップＳ０１）。なお、このステップの前には、ロータシャフト１１に回転子磁極セパレータ１３と嵌合する溝１１ｃが形成されているものとする。
次に、低速で永久磁石同期回転電機用回転子１０を回転させ振動状態を確認する第１回低速バランス試験を実施する（ステップＳ０２）。ここで、第１回低速バランス試験の回転数は、当該永久磁石同期回転電機用回転子１０が用いられる永久磁石同期回転電機１００の同期回転数より低く、たとえば永久磁石同期回転電機１００の同期回転数の半分以下の回転数である。
次に、第１回低速バランス試験の結果に基づいて回転子磁極セパレータ１３の適切な箇所に１つまたは複数のバランスウェイト１８を取り付ける（ステップＳ０３）。すなわち、回転子磁極セパレータ１３にバランスウェイト１８を取り付けることによりバランス調整を行う。
次に、複数の回転子磁石１２および複数の回転子磁極セパレータ１３の径方向外側に、保持環１４を取り付ける（ステップＳ０４）。
次に、高速で永久磁石同期回転電機用回転子１０を回転させ、振動状態を確認する第２回低速バランス試験を実施する（ステップＳ０５）。第２回低速バランス試験の回転数も、当該永久磁石同期回転電機用回転子１０が用いられる永久磁石同期回転電機１００の同期回転数より低く、たとえば、第１回低速バランス試験の回転数と同じ回転数である。
次に、第２回低速バランス試験の結果に基づいて、バランスディスク１５にバランスウェイト１８を取り付ける（ステップＳ０６）。すなわち、この段階では、バランスディスク１５にバランスウェイト１８を取り付けることによりバランス調整を行う。
次に、永久磁石同期回転電機用回転子１０の組み立てを行い、さらに、永久磁石同期回転電機１００の組み立てを行う（ステップＳ０７）。
次に、永久磁石同期回転電機１００１００が組み立てられた状態で、高速バランス試験を行う（ステップＳ０８）。ここで、高速バランス試験は、当該永久磁石同期回転電機用回転子１０が用いられる永久磁石同期回転電機１００の同期回転数、あるいは、同期回転数に余裕をみてたとえば同期回転数の１１０％の回転数である。
高速バランス試験の結果、必要に応じて、バランス調整を行う（ステップＳ０９）。この段階でのバランス調整は、当該永久磁石同期回転電機用回転子１０の両端に嵌合している回転検出歯車（図示せず）とカップリング１１ａにおいて行う。
以上のように、本実施形態によって、永久磁石同期回転電機用回転子１０について、高速回転における振動を低減することができる。
［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。また、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１０…永久磁石同期回転電機用回転子、１１…ロータシャフト、１１ａ…カップリング、１１ｃ…溝、１２…回転子磁石、１３…回転子磁極セパレータ、１３ａ…側部、１３ｂ…平板部、１３ｃ…ねじ穴、１３ｄ…テーパ部、１３ｈ…空洞、１４…保持環、１５…バランスディスク、１５ａ…バランスディスク取付け用ねじ穴、１６…回転子磁極セパレータ、１６ｃ…長ねじ穴、１７…回転子磁極セパレータ、１７ａ…小径ねじ穴、１７ｂ…大径ねじ穴、１７ｃ…複合ねじ穴、１８…バランスウェイト、１８ａ…本体、１８ｂ…おねじ、１８ｃ…端部溝、１９…固定シール材、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子巻線、３０…軸受、４０…フレーム、４５…軸受ブラケット、１００…永久磁石同期回転電機

Claims (6)

  1. 軸方向の２か所の被支持部で回転可能に支持され回転軸方向に延びたロータシャフトと、
    前記ロータシャフトの前記２つの被支持部に挟まれた部分の径方向外側に周方向に互いに間隔を空けて取り付けられ、前記軸方向に延びた複数の回転子磁石と、
    互いに隣接する前記回転子磁石の間に配されて磁気的な干渉を低減する複数の回転子磁極セパレータと、
    を備え、
    前記回転子磁極セパレータのそれぞれには、軸方向に互いに間隔をおいてバランスウェイト取付け用の複数のねじ穴が形成されている、
    ことを特徴とする永久磁石同期回転電機用回転子。
  2. 前記複数の回転子磁石と前記複数の回転子磁極セパレータの径方向の周囲を覆うようにこれらの径方向外側に、これらと密着するように配された保持環をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期回転電機用回転子。
  3. 前記回転子磁極セパレータのそれぞれと、前記回転子磁石とは、周方向の単位長さ当たりの重量が互いに実質的に等しいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の永久磁石同期回転電機用回転子。
  4. 前記複数の回転子磁石、前記複数の回転子磁極セパレータ、および前記保持環を軸方向に挟んで軸方向の両側に配されて、バランスウェイト取付け用の複数のねじ穴が形成された２つのバランスディスクをさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の永久磁石同期回転電機用回転子。
  5. 複数の回転子磁石および複数の回転子磁極セパレータをロータシャフトに取り付ける低速準備ステップと、
    低速で永久磁石同期回転電機用回転子を回転させ振動状態を確認する第１回低速バランス試験ステップと、
    前記第１回低速バランス試験の結果に基づいて前記回転子磁極セパレータにバランスウェイトを取り付けるバランスウェイト第１回取り付けステップと、
    を有することを特徴とする永久磁石同期回転電機用回転子のバランス調整方法。
  6. 前記バランスウェイト第１回取り付けステップの後に、
    前記複数の回転子磁石および前記複数の回転子磁極セパレータの径方向外側に保持環を取り付ける保持環取り付けステップと、
    前記永久磁石同期回転電機用回転子を回転させ振動状態を確認する第２回低速バランス試験ステップと、
    前記第２回低速バランス試験ステップの結果に基づいてバランスディスクにバランスウェイトを取り付けるバランスウェイト第２回取り付けステップと、
    をさらに有することを特徴とする請求項５に記載の永久磁石同期回転電機用回転子のバランス調整方法。
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