JP2929602B2 - 永久磁石回転機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はDCブラシレスモータ、同期モータ等に用いら
れるロータ等の永久磁石回転機に関する。この永久磁石
回転機は例えば数万rpm〜数十万rpm以上の超高速で回転
する場合に適用できる。

（従来の技術） 従来より例えばDCブラシレスモータでは、永久磁石回
転機として偏平形ロータを使用したものがある。この偏
平形ロータは、第10図および第11図に示すように、固定
板900にベアリング901を介して回転可能に保持されたシ
ャフト902と、シャフト902に同軸的にストッパ903を介
して固定されたディスク904と、ディスク904に保持され
た適数個の永久磁石905とで構成されている。永久磁石9
05は軸方向に磁極としてのＮ極、Ｓ極をもつ。そして第
11図に示すように永久磁石905のＮ極およびＳ極が円周
上にそって交互に配置されている。このロータでは、各
永久磁石905はディスク904に接着剤によって接着されて
いる。

そして、固定板900に保持されている駆動コイル906に
通電して、永久磁石905の磁極の位置に応じて回転磁界
を与えると、ロータがシャフト902と共にシャフト902を
中心として回転する。

（発明が解決しようとする課題） ところで上記したロータでは、ロータの回転数が超高
速回転になると、例えば１万rpmを越えると、遠心力が
極めて大きくなるので、永久磁石905をディスク904に固
定している接着剤が剥がれることがある。殊にロータの
回転のスタート時やストップ時に接着剤が剥がれ易い。
このとき、永久磁石905が脆い材料からなる場合には、
永久磁石905が遠心力で外方へ移動し破壊することにな
る。そのため超高速回転する従来の回転機では永久磁石
905として、脆い材料、例えば、残留磁束密度や保磁力
が優れているが極めて脆いサマリウム−コバルト系の焼
結材料を用いることが事実上不可能であった。

本発明は上記した実情に鑑みなされたものであり、そ
の目的は、永久磁石の破壊を回避するのに有利であり、
永久磁石をサマリウム−コバルト系の焼結材料のように
脆い材料で形成した場合であっても超高速で回転するの
に適する永久磁石回転機を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の永久磁石回転機は、回転可能に保持されるシ
ャフトと、シャフトに同軸的に固定され少なくとも片面
に開口する凹部をもつ非磁性金属材料からなるディスク
と、凹部と対応する形状をもち外壁部が覆われように凹
部に嵌装されシャフトの長さ方向に異なる磁極をもつ永
久磁石と、永久磁石を凹部に嵌装した状態でディスクに
溶接で固定され凹部の少なくとも一方の開口を閉じる強
磁性金属材料からなるカバー部とで構成され、永久磁石
はディスクとカバー部とで又は相対向する前記カバー部
とで挟持されており、且つ、固定部材に配置されたコイ
ルにカバー部が対向していることを特徴とするものであ
る。

非磁性金属材料としては例えばオーステナイト系のス
テンレス鋼を採用でき、強磁性金属材料としてはフェラ
イト系又はマルテンサイト系のステンレス鋼を採用でき
る。

溶接手段としては、熱影響部が少なくて済みかつ溶け
込みが狭くて深いレーザビーム溶接または電子ビーム溶
接を採用できる。電子ビーム溶接は通常、減圧下あるい
は真空下で行う。

永久磁石をディスクとカバー部とで、又は相対向する
カバー部とで挟持するにあたっては、例えば、凹部の深
さ寸法よりも永久磁石の長さ寸法を若干大き目に設定
し、そして、互いに溶接で結合されたディスクとカバー
部とで、又は相対向するカバー部とで永久磁石を挟持す
る構造にできる。この場合、永久磁石の長さ寸法が３〜
7mm程度の場合には、永久磁石は凹部の深さ寸法よりも
0.05〜0.2mm程度大き目に設定できる。

溶接する一例について説明する。即ち、レーザビーム
や電子ビームを照射する照射装置をディスクに対向さ
せ、その状態で照射装置及びディスクの少なくとも一方
を周方向に相対回転させることにより行なうことができ
る。また、照射装置の出力値を下げた状態で、ディスク
とカバー部との溶接すべき境界部分にビームを照射させ
る合わせ工程と、合わせ工程後に照射装置の出力値を上
げた状態で、ディスクとカバー部との溶接すべき境界部
分にビームを照射させる溶接工程とを順に実施すること
ができる。

（作用） 凹部に嵌装された永久磁石ディスクとカバー部とで、
又は、相対向するカバー部とで挟持されているので、永
久磁石の凹部での動きは抑止される。従って、ディスク
が超高速で回転する場合であっても、永久磁石は破壊し
にくくなる。

（実施例） 以下本発明の永久磁石回転機を、DCブラシレスモータ
の偏平ロータに適用した一実施例にしたがって第１図〜
第３図を参照して説明する。

本実施例では、第１図〜第３図に示すように、永久磁
石回転機としてのロータは、非磁性又は強磁性の金属又
はセラミックスからなるシャフト１と、非磁性金属材料
としてのオーステナイト系ステンレス鋼（SUS304）から
なるディスク２と、サマリウム−コバルト系の焼結材料
からなる永久磁石３と、強磁性金属材料としてのマルテ
ンサイト系ステンレス鋼（SUS630）からなるカバー部４
とで構成されている。

更に説明を加える。即ち、シャフト１はその一端が固
定部材としての固定板５の軸受10に回転可能に保持され
ている。

ディスク２の中央部にはシャフト孔20が形成されてい
る。更にディスク２のうち固定板５側の片面には、永久
磁石３嵌装用の凹部21が形成されている。本実施例で
は、凹部21は、浅底状でかつディスク２の軸芯のまわり
をリング状に連続する第１凹部210と、第１凹部210の底
部に第１凹部210よりも深く形成された円筒空洞状の適
数個の第２凹部211とで形成されている。第１図に示す
ように第１凹部210は、幅がD1寸法でかつ深さがH1寸法
とされている。また、第２凹部211は、径がD2寸法でか
つ深さがH2寸法とされている。

このようにディスク２に浅底状の第１凹部210が形成
されているので、第２図に示すようにディスク２には内
周リング部23および外周リング部24が形成されている。
そしてディスク２のシャフト孔20にシャフト１を挿通し
た状態で、ディスク２はシャフト１に止め輪25を介して
シャフト１と同軸的に固定されている。

永久磁石３は軸長が短い円柱形状をなしており、第２
凹部211と酷似する形状とされている。永久磁石３は焼
結材料で形成されているので、焼結の際の収縮等の影響
を受けて寸法安定性が厳密な意味では充分でない。その
ため各永久磁石３は現物合わせにより第２凹部211に嵌
装されている。図１に示すように、各永久磁石３の外壁
部は第２凹部221の内壁部で覆われている。第２凹部211
に嵌装された永久磁石３は、シャフト１の長さ方向に異
なる磁極をもつ。即ち、固定板５側の平面形態をあらわ
す第２図に示すように、隣接し合う３個の永久磁石３は
固定板５側がＳ極とされ、また、別の部分で隣設し合う
３個の永久磁石３は固定板５側がＮ極とされている。
尚、永久磁石３の長さ寸法は4mm程度であり、第２凹部2
11の深さ寸法H2よりも0.1mm程度大き目に設定されてい
る。

カバー部４は薄肉の半リング状をなしている。そし
て、各永久磁石３を第２凹部211に嵌装した状態で、浅
底状の第１凹部210にカバー部４を嵌合すると共に、非
磁性材料としてのオーステナイト系ステンレス鋼（SUS3
04）からなる仕切板６をカバー部４間に実質的に隙間な
く装備する。そしてその状態で、カバー部４の内周部と
内周リング部23とを溶接するとともに仕切板６の内周部
と内周リング部23とを溶接し、これにより内周側でリン
グ状に連続する溶接部位26で結合し、更に、カバー部４
の外周部と外周リング部24とを溶接するとともに仕切板
６の外周部と外周リング部24とを溶接し、これにより外
周側でリング状に連続する溶接部位27で結合している。
これにより各カバー部４は仕切板６と共にディスク２に
一体的に固定され、以てカバー部４は仕切板６と共に第
１凹部210の開口を密閉している。この状態では強磁性
材料からなる各カバー部４は永久磁石３により磁化され
る。尚、仕切板６は磁力線のショートを防止するための
ものである。

本実施例では上記した溶接を行なう手段としてはレー
ザビーム溶接を採用している。レーザビーム溶接は熱影
響部が極めて少ないので、永久磁石３の熱劣化を抑制し
得るかあるいは無くし得る利点がある。

前記したようにカバー部４は仕切板６と共に外周部お
よび内周部において溶接されてディスク２に固定されて
いるので、第２凹部211内に嵌装された永久磁石３はデ
ィスク２とカバー部４とで挟持されている。従って永久
磁石３は、永久磁石３と酷似した形状をもつ第２凹部21
1内でずれ動くことを抑止されている。

特に本実施例では永久磁石３の軸方向の長さ寸法は第
２凹部211の深さ寸法よりも若干大き目に設定されてい
るため、永久磁石３の挟持度が増加する。そのため、永
久磁石３の動きも一層確実に抑止される。

なお、前記した固定板５には駆動コイル50が４相配列
で配置されている。

さて、駆動コイル50に通電して、永久磁石３の磁極の
位置に応じて適当な回転磁界を与えると、ディスク２つ
まりロータがシャフト１を中心として回転する。ロータ
の回転数が数万rpm〜数十万rpmと超高速になった場合に
は遠心力が極めて大きくなるが、永久磁石３はカバー部
４とディスク２とによって挟持され動きが規制されてい
るので、高速回転時、超高速回転時において永久磁石３
が動いて動的なバランスがくずれることを回避でき、故
に永久磁石３はこの遠心力に耐えることが可能となり、
従って、遠心力に起因する永久磁石３の破壊を回避でき
る。

更に溶接後にカバー部４に、永久磁石３を挟持する方
向に作用する熱収縮が作用することを期待できる場合に
は、永久磁石３をディスク２とカバー部４とで挟持する
力の向上を期待できるので、超高速回転時における永久
磁石３の破壊回避に一層有利である。

更に本実施例では第２図から明らかなように永久磁石
３は径小の円柱状をなしているので、永久磁石３を溶接
部位26、27から遠ざけ得て、永久磁石３と溶接部位26、
27との距離を確保できるので、溶接時における永久磁石
３の熱劣化を防止するのに有利であり、従って永久磁石
３の磁気特性維持に有利である。

本発明の異なる実施例を第４図〜第６図に示す。この
例の場合にもDCブラシレスモータの偏平形ロータに適用
した場合である。第４図〜第６図に示す例は、前記した
実施例の場合と基本的には同じ構成である。但し、第２
凹部211の形状は、幅寸法D3の半円リング状をなしてお
り、永久磁石３の形状も第２凹部211に酷似するように
半円リング状をなしている。そして永久磁石３はこれの
軸方向に磁極をもち、第５図に示すように平面形態にお
いて半分がＮ極とされ、他の半分がＳ極とされている。
図４に示すように、各永久磁石３の外壁部は第２凹部22
1の内壁部で覆われている。この実施例においても、ロ
ータの回転数が数万rpm〜数十万rpmと超高速になった場
合にも、永久磁石３はカバー部４とディスク２とによっ
て挟持され動きが規制されているので、永久磁石３はこ
の遠心力に耐えることが可能となり、従って、遠心力に
起因する永久磁石３の破壊を回避できる。又、第４図〜
第６図に示す例にかかる永久磁石３は半円リング状をな
しているので、同じ磁石材質で作製する場合であって
も、磁極面積を増加させ得、残留磁束密度を大目にでき
る。

本発明の更に異なる実施例を第７図〜第９図に示す。
この例の場合にはDCブラシレスモータの偏平形ロータに
適用した場合である。第７図〜第９図に示す例は、前記
した第１図〜第３図に示した実施例の場合と基本的には
同じ構成である。但し、第９図に示すように固定板５に
はリング状の基盤51を介して適数個のホール素子52が等
間隔で分散して設けられている。

この実施例においてロータがシャフト１と共に回転す
ると、永久磁石３もシャフト１のまわりを回転し、永久
磁石３がホール素子52に交播磁界を与え、ホール素子52
の出力電圧が変化する。従って、ディスク２ひいてはシ
ャフト１の回転角度位置を検出することができる。この
実施例においても、ロータの回転数が数万rpm〜数十万r
pmと超高速になった場合にも、永久磁石３はカバー部４
とディスク２とによって挟持され動きが規制されている
ので、前述同様に遠心力に起因する永久磁石３の破壊を
回避できる。

本発明の別の実施例を第12図〜第15図に示す。第12図
に示す実施例は第１図〜第３図に示す実施例と基本的に
は同じ構成をしている。但し、永久磁石３嵌装用の凹部
21は貫通して厚み方向の両側が開口しており、適数個形
成された貫通する第２凹部211の両側に浅底状の第１凹
部210がリング状に形成されている。そして永久磁石３
は、相対向するように第１凹部210に嵌合されたカバー
部４で両側から挟持されている。各永久磁石３の外壁部
は第２凹部221の内壁部で覆われている。この実施例で
は駆動コイル50も両側に配置されている。この実施例で
は、もれ磁束の回避に有利であり、永久磁石３の軸方向
の両側で全ての磁束を有効に利用することができ、永久
磁石３を小型化するのに有利である。

その他、本発明は上記しかつ図面に示す実施例のみに
限定されるものではなく、例えば、永久磁石３と駆動コ
イル50との間の磁気的なギャツプが大きくできる場合に
は、カバー部４および仕切板６を非磁性金属材料で一体
的に形成してもよく、また、永久磁石３はサマリウム−
コバルト系の焼結材料以外のもの例えばネオジウム−鉄
−ボロン系でもよい等、必要に応じて適宜変更して実施
し得るものである。

［発明の効果］ 本発明の永久磁石回転機によれば、凹部に永久磁石を
嵌装した状態でディスクにカバー部が溶接で固定されて
いるので、永久磁石はカバー部とディスクで挟持され、
又は相対向するカバー部で挟持され、動きが規制されて
おり、従って、ディスクが超高速で回転する場合であっ
ても、永久磁石は破壊しにくくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の一実施例を示し、第１図は断
面図、第２図は第１図のＢ−Ｂ線矢視図、第３図は第１
図のＣ−Ｃ線矢視図である。 第４図〜第６図は本発明の異なる実施例を示し、第４図
は断面図、第５図は第４図のＢ−Ｂ線矢視図、第６図は
第４図のＣ−Ｃ線矢視図である。 第７図〜第９図は本発明の更に異なる実施例を示し、第
７図は断面図、第８図は第７図のＢ−Ｂ線矢視図、第９
図は第７図のＣ−Ｃ線矢視図である。 第10図および第11図は従来を示し、第10図は断面図、第
11図は第10図のＢ−Ｂ線矢視図である。 第12図〜第15図は本発明の別の実施例を示し、第12図は
断面図、第13図は第12図のＢ−Ｂ線矢視図、第14図は第
12図のＣ−Ｃ線矢視図、第15図は第12図のＤ−Ｄ線矢視
図である。 図中、１はシャフト、２はディスク、21は凹部、210は
第１凹部、211は第２凹部、３は永久磁石、４はカバー
部を示す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転可能に保持されるシャフトと、前記シ
   ャフトに同軸的に固定され少なくとも片面に開口する凹
   部をもつ非磁性金属材料からなるディスクと、前記凹部
   と対応する形状をもち外壁部が覆われるように前記凹部
   に嵌装され前記シャフトの長さ方向に異なる磁極をもつ
   永久磁石と、前記永久磁石を凹部に嵌装した状態で前記
   ディスクに溶接で固定され前記凹部の少なくとも一方の
   開口を閉じる強磁性金属材料からなるカバー部とで構成
   され、前記永久磁石は前記ディスクと前記カバー部とで
   又は相対向する前記カバー部とで挟持されており、且
   つ、固定部材に配置されたコイルに前記カバー部が対向
   していることを特徴とする永久磁石回転機。