JP3489041B2 - 永久磁石回転子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、永久磁石式回転電
機の回転子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の永久磁石式回転電機の回転子を図
８を用いて説明する。図８(ａ)は永久磁石式回転電機の
軸方向の断面図、図８(ｂ)は同軸直角方向の断面図であ
る。永久磁石回転子においては、回転子は回転中心とな
る中実の回転軸１の周りに磁束の通路となる回転子鉄心
２を締まりばめではめ込み一体的に結合する。径の小さ
な回転電機の場合は軸１と回転子鉄心２を一体で製造す
る場合もある（時に、回転軸１と回転子鉄心２を締まり
ばめで一体的に結合したもの、又は一体で製造したもの
を一体型回転軸という）。そして回転子鉄心２の周りに
永久磁石３をはめ込む。永久磁石３は、環状の一体物で
も周方向に数分割された物でもよい。この永久磁石３は
接着により回転子鉄心２に固定される場合もあるが、特
に高速回転する回転電機では、永久磁石を接着では支え
きれない。そのため、環状の保持部材４を用いて保持部
材４と回転子鉄心２との間に永久磁石３を挟むことによ
り、回転子鉄心２と保持部材４のはめ合い構造で永久磁
石３を強固に固定する。この保持部材４は、周方向の変
形を少なくするために高剛性の材料が用いられ、最近で
は繊維強化樹脂材なども使われている。製造手順として
は、一般的にまず永久磁石３を環状保持部材４にはめ込
み、永久磁石３内径に対してはめ合いしろ（締め代）を
もたせた外径をもつ回転子鉄心２を冷やし嵌めするなど
により強固に固定する（特開平８ー２６５９９７号）。
このような構造をもつ永久磁石回転子は、それを取り囲
むように配置された、固定子鉄心７、固定子巻き線８、
ケーシング９からなる固定子に、軸受１０を介して固定
される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
回転電機が稼働状態にあるとき、上記のような回転子に
は、回転による遠心力および稼働時の温度上昇により径
方向に膨張変形する。このとき、中実の回転軸１と回転
子鉄心２からなる一体型回転軸の膨張変形に比べて、中
空の保持部材４の方がそれ自身が中空であること及び永
久磁石３の遠心力がかかることなどから膨張変形が大き
く、はめ合いしろが低下する。特に高速回転する回転電
機でははめ合いしろが大きく低下し、永久磁石３を回転
子鉄心２に固定されずに空回りしてトルクを伝えなくな
ってしまうという問題が生じる。この問題を防ぐために
は、初期のはめ合いしろを一体型回転軸と保持部材４の
変形差より大きくしておけばよいが、初期はめ合いしろ
がおおきいと製作が非常に困難になる。

【０００４】本発明は、回転電機の永久磁石回転子にお
いて、回転軸及び回転子鉄心からなる一体型回転軸と保
持部材間での遠心力による変形差を小さくして、両者間
のはめ合いしろ低下を抑制することを目的とした永久磁
石回転子である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】はめ合いしろの低下は、
回転軸１および回転子鉄心２の膨張変形量と保持部材４
の膨張変形量の差に起因する。したがって、この変形差
を小さくすれば、この問題を解決することができる。そ
の方法を図１および図２にしたがって説明する。変形差
を小さくするためには、回転軸１及び回転子鉄心２の膨
張変形量を大きくして保持部材４との膨張変形量と同じ
程度にすればよい。そこで、回転軸１の軸心部を中空と
した図１の構造にすることで、回転軸１をはじめ回転子
鉄心２の膨張変形も大きくできる。この中空部５の径
(穴径)をできるだけ大きくすれば、はめ合いしろの低下
を防ぐことができる。しかしながら、回転軸１および回
転子鉄心２は、永久磁石４から生じる磁束の経路となっ
ており、中空部５を大きくとりすぎると、回転軸１およ
び回転子鉄心２の磁束密度が高くなり、磁束が飽和して
それ以上磁束を通すことができずに、回転電機としての
所定の性能を発揮することができなくなる。そこで、回
転軸１の穴径はある範囲内で適度な値を選ぶ必要があ
る。

【０００６】また、上記磁束飽和を防ぐために、図２に
示すように、回転軸１の中空部５にこの回転軸１と同等
の透磁性をもつ充填軸６を入れることもできる。この充
填軸６は回転時に回転軸１との隙間が生じないように、
比弾性率が回転軸１より小さい材料、すなわち遠心変形
しやすい材料から構成する。充填軸６を採用することに
より、回転軸１の中空部５をより大きくでき、はめ合い
しろを小さくすることができる。一般に回転軸には透磁
率の高い鉄鋼材が用いられる。そこで鉄鋼材と同等の透
磁率で、比弾性率の低いニッケル鋼などを用いると有効
である。

【０００７】また、図７に示すように、充填軸６ａとし
て挿入する軸は、回転軸１と小さな隙間１１を生じるよ
うな軸径のものでも充填軸６ａに磁束が通るため、磁束
密度の飽和を防ぎ、かつはめ合いしろの低下を防ぐこと
ができる。回転軸１に鉄鋼材を用いた場合、この充填軸
６ａを鉄鋼材としても十分に磁束密度の飽和を防ぐこと
ができる。このように、隙間をもって軸を挿入すると、
回転中の振動の原因となることが考えられるが、Ｏリン
グ等で軸６ａの所々を止めておけばよい。

【０００８】以上のことから、本発明の永久磁石回転子
は回転軸と回転子鉄心を一体として次のように構成し
た。本発明は、回転軸と回転子鉄心が一体でなる、ある
いは一体的に結合されてなる一体型回転軸の外周に環状
の永久磁石を、さらに永久磁石外周に環状の支持部材を
有しており、この支持部材により永久磁石を一体型回転
軸に締まりばめで固定してなる、回転電機の永久磁石回
転子であって、一体型回転軸の軸心部に軸方向に穴を形
成し、この穴径を、一体型回転軸、永久磁石および前記
支持部材それぞれの材質、内径および外径と、締まりば
めの締めしろと、永久磁石回転子の稼動状態での回転数
および温度変化量とに基づいて求められる回転電機の稼
働時に永久磁石から一体型回転軸にトルクを伝達するた
めに必要とする、永久磁石と一体型回転軸の両者間の面
圧を保持できる最小径より大きく、かつ永久磁石の磁界
と、一体型回転軸および永久磁石それぞれの内径および
外径と、一体型回転軸の材料の飽和磁束密度から求めら
れる永久磁石によって一体型回転軸に生じる磁束の密度
が飽和しないための最大径より小さくしたものである。

【０００９】また、別の発明は、上記永久磁石回転子に
おいて、一体型回転軸の穴に、この一体型回転軸の材料
より比弾性率が低くかつこの材料と同等以上の透磁率を
もつ材料からなる充填軸を装填したものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図３に示すように回転軸と
回転子鉄心が一体となり軸心部が中空である一体型回転
軸１ａをもつ永久磁石式回転電機の永久磁石回転子を例
として本発明の実施の形態を説明する。なお、回転軸と
回転子鉄心が金属的に連続的な一体外回転軸と、回転軸
と回転子鉄心を締まりばめで結合した一体型回転軸と
は、マクロ的にみれば両者は機械的、磁気的に同様に挙
動する。表１に永久磁石回転子の構成や作用を説明する
のに用いる記号を示す。

【００１１】

【表１】

【００１２】永久磁石回転子は、回転軸・回転子鉄心一
体型で軸心に穴５を形成された一体型回転軸１ａと、こ
の一体型回転軸１ａの外周に装着された永久磁石３と、
永久磁石３の外周を締め付けて装着された保持部材４と
から構成されている。回転中に磁石３を固定するため一
体型回転軸１ａ、永久磁石３、保持部材４は、あるはめ
合いしろδで嵌合されている。はめ合いしろδは、一体
型回転軸１ａの外径と永久磁石３の内径の間もしくは、
永久磁石３の外径と保持部材４の内径に設けられる。永
久磁石３は一般に弾性係数（ヤング率）が高い上に低強
度であるため、永久磁石３の周方向変形を自由にするた
めに、周方向に区分して回転子をくみ上げることが多
い。したがって、はめ合いしろを一体型回転軸１ａ外径
と永久磁石３内径の間に設けた場合は、永久磁石３を保
持部材４に固定した後で一体型回転軸１ａと嵌合させ
る。一方、はめ合いしろを永久磁石３外径と保持部材４
内径の間に設けた場合は、永久磁石３を一体型回転軸１
ａに固定した後に保持部材４と嵌合させる。ここでは、
前者の一体型回転軸１ａ外径と、周方向に区分した永久
磁石３内径との間にはめ合いしろを持たせた場合を例に
説明する。

【００１３】図３に示す永久磁石回転子が角速度ω、停
止状態からの温度変化△Ｔで稼動しているとすると、一
体型回転軸１ａの外径の径方向変位ｕ_s2は式(１)で表さ
れ、一方、保持部材４の内径の径方向変位ｕ_r3は式(２)
で表される。

【００１４】

【数１】

【００１５】ただし、ｐ₂は一体型回転軸１ａと永久磁
石３間の面圧を、ｐ₃は永久磁石３と保持部材４間の面
圧を、ｇは重力加速度を表す。式(１)、式(２)におい
て、右辺第１項は熱膨張による変位、第２項は遠心力に
よる変位、第３項は面圧による変位である。磁石３の内
外径の変位ｕ_m2，ｕ_m3は、磁石３外径と保持部材４外径
が固定されていることから、式(３)、式(４)で表され
る。

【００１６】

【数２】

【００１７】式(３)の右辺において、第１項は磁石３の
内外径の熱膨張差を、第２項は内圧Ｐ₂、外圧Ｐ₃による
内外径変形差を示す。また、一体型回転軸１ａ外径と永
久磁石３内径のはめ合いしろがδであることから、式
(５)が成立し、そしてｐ₂とｐ₃の釣合から式(６)が成立
する。

【００１８】

【数３】

【００１９】式(1)〜(6)を連立することで、面圧ｐ₂，
ｐ₃を求めることができる。なお、式(６)の右辺第２項
は磁石３の遠心力である。ここで、回転機械が軸に最大
トルクΘmaxを伝えるためには、面圧ｐ₂，ｐ₃に対して
次の式(７ａ)、式(７ｂ)が成立しなければならない。

【００２０】

【数４】

【００２１】図４に回転軸中空部５の半径ｒ₁を変化さ
せたときのｐ₂(一体型回転軸１ａと永久磁石３間の面
圧)を示す。図４は横軸を一体型回転軸１ａ外径ｒ₂で規
格化して、縦軸を必要面圧ｐ₂（平均値）＝Θmax／μ_sm
Ａ_smｒ_smで規格化して示している。式(７)を満たすため
には、ｒ₁は点Ａより右側つまりｒ_aより大きくなければ
ならない。

【００２２】一方、永久磁石３は定格回転時に磁束密度
Ｂmとなるように磁気設計される。永久磁石のつくる磁
場の磁路となる回転子軸１ａ（一般に磁路は回転子鉄心
であるが、図３の場合は回転子鉄心と回転子軸は一体）
では、永久磁石の磁束密度をＢmとするために図５に示
すように直径部分で磁束密度Ｂsとならなければならな
い。ここでＢsは式(８)で表される。

【００２３】

【数５】

【００２４】しかしながら、回転子鉄心に用いられる磁
性材においては、図６のように磁束密度Ｂsはある密度
Ｂ₀で飽和してしまい、いくら磁界Ｈを増加させても磁
束密度が上がらない。一体型回転軸１ａの中空部半径ｒ
₁を大きくしていくと、やがて鉄心の磁束密度ＢsはＢ₀
に到達してしまう。したがって、半径ｒ₁を変化させた
ときの回転子鉄心磁束密度Ｂsは図４に示すように変化
し、ある半径ｒ_b以上では永久磁石の磁束密度がＢ_mより
小さくなってしまい、回転電機の所定の性能を得ること
ができなくなる。したがって回転子軸の中空部半径ｒ₁
はｒ_b以下としなければならない。

【００２５】以上のことから回転子軸の中空部半径ｒ₁
はｒ_a＜ｒ₁＜ｒ_bはを満たさなければならない。これら
ｒ_a，ｒ_bは回転子構造および使用する材料について上記
の式から求められる。また、はめ合いしろδには加工時
の寸法公差を考慮し、磁束密度Ｂsには飽和磁束密度Ｂ₀
に材料のばらつきなども考えられるため、回転子軸の中
空部半径ｒ₁はｒ_a＜ｒ₁＜ｒ_bの範囲ではめ合いしろ、磁
束密度の裕度を十分にとった適正な値を選ぶことが好ま
しい。

【００２６】なお、上記式(１)〜(８)は、周方向に分割
された永久磁石３を用いる永久磁石回転子に対して適用
するものであるが、一体型の永久磁石３を用いる永久磁
石回転子に対しては、式(１)〜(８)のうちの式(３)の代
えて次の式(９)を用いる。

【００２７】

【数６】

【００２８】このように一体型の永久磁石を用いる場合
は、前述したように、はめ合いしろを永久磁石３外径と
保持部材４内径の間に設け、永久磁石３を一体型回転軸
１ａに固定した後に保持部材４と嵌合させて、回転子を
製作することになる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
回転軸と回転子鉄心でなる一体型回転軸の軸心部に穴を
設けたので、遠心力で生じる、回転軸の膨張変形量と保
持部材膨張変形量の差を小さくでき、回転子鉄心と保持
部材間で永久磁石を締め付ける初期のはめ合いしろを小
さくでき、永久磁石回転子の加工性を向上させることが
でき、かつ、一体型回転軸の穴径を永久磁石によって一
体型回転軸に生じる磁束の密度が飽和しない程度に小さ
く制限するので、永久磁石回転子の性能を損なうことが
ない。

【００３０】また、一体型回転軸の穴に該回転軸の材料
と透磁率が同等の充填軸を装填することにより、磁束密
度の飽和に対して有利となり、その分だけ一体型回転軸
の穴を大きくでき、回転子鉄心と保持部材間での初期の
はめ合いしろを小さくでき、加工性をより向上させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の永久磁石回転子で、回転軸・回転子鉄
心が嵌合により結合した一体型回転軸に穴を形成した該
回転子の構成図である。

【図２】図１に示す永久磁石回転子の一体型回転軸の穴
に充填軸を配置した永久磁石回転子の構成図である。

【図３】本発明の永久磁石回転子で、回転軸・回転子鉄
心が一体の一体型回転軸に穴を形成した該回転子の構成
図である。

【図４】図３に示す永久磁石回転子について本発明の有
効性を表した図である。

【図５】回転子断面での磁束分布を模式的に示した図で
ある。

【図６】回転子鉄心材の磁束密度と磁化との関係を模式
的に示した図である。

【図７】本発明の永久磁石回転子で、一体型回転軸の穴
に充填軸を微小すきまをもって挿入した該回転子を示す
図である。

【図８】従来の永久磁石回転子の構造を示す図である。

【符号の説明】

１ 回転軸 １ａ 一体型回転軸 ２ 回転子鉄心 ３ 永久磁石 ４ 環状保持部材 ５ 中空部 ６、６ａ 充填軸 ７ 固定子鉄心 ８ 固定子巻線 ９ ケーシング １０ 固定子 １１ 隙間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 一樹 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所 土浦工場内 (72)発明者 ▲高▼橋 直彦 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所 土浦工場内 (56)参考文献 特開 平９−224359（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−10550（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 1/27 H02K 1/22 H02K 1/28

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸と回転子鉄心が一体でなる、ある
   いは一体的に結合されてなる一体型回転軸の外周に環状
   の永久磁石を、さらに該永久磁石外周に環状の支持部材
   を有しており、該支持部材により前記永久磁石を前記一
   体型回転軸に締まりばめして固定してなる、回転電機の
   永久磁石回転子において、前記一体型回転軸の軸心部に
   該軸方向に穴を形成し、該穴径は、前記一体型回転軸、
   前記永久磁石および前記支持部材それぞれの材質、内径
   および外径と、前記締まりばめの締めしろと、前記永久
   磁石回転子の稼動状態での回転数および温度変化量とに
   基づいて求められる回転電機の稼働時に前記永久磁石か
   ら前記一体型回転軸にトルクを伝達するために必要とす
   る該両者間の面圧を保持できる最小径より大きく、かつ
   前記永久磁石の磁界と、前記一体型回転軸および前記永
   久磁石それぞれの内径および外径と、前記一体型回転軸
   の材料の飽和磁束密度から求められる前記永久磁石によ
   って前記一体型回転軸に生じる磁束の密度が飽和しない
   ための最大径より小さいことを特徴とする永久磁石回転
   子。
2. 【請求項２】 前記一体型回転軸の穴に該一体型回転軸
   の材料より比弾性率が低くかつ該材料と同等以上の透磁
   率をもつ材料からなる充填軸を装填した請求項１記載の
   永久磁石回転子。
3. 【請求項３】 前記一体型回転軸の穴に該一体型回転軸
   の材料と透磁率が同等の充填軸をすき間をもって挿入
   し、該充填軸の外周に設けたＯリングを介して前記穴内
   に保持する請求項１記載の永久磁石回転子。