JP3850579B2

JP3850579B2 - 永久磁石形回転電機

Info

Publication number: JP3850579B2
Application number: JP08033999A
Authority: JP
Inventors: 豊橋場; 則雄高橋; 俊明布施; 洋嗣三浦; 政憲新
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-03-24
Filing date: 1999-03-24
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2019-03-24
Also published as: JP2000278898A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、永久磁石の外周表面を保持環で覆った高速の永久磁石形回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の一般的な永久磁石形回転電機を図８と図９を参照して説明する。図８は、ロータの外径図、図９は、図８のＸ部の拡大断面図である。これらの図において、１０１はシャフトであり、両端の軸受１０３を介して図示省略のステータに回転可能に取付けられている。１０５は永久磁石であり、シャフト１０１の表面に、軸方向と直交する方向の断面弧状のものが複数個周方向に密着して接着されている。複数個の永久磁石１０５は、中央部位置のエンドリング１０９及び両サイドのエンドリング１０７によって軸方向の動きが拘束される一方、内周側がＳ極で外周側がＮ極に磁化されたものと、内周側がＮ極で、外周側がＳ極に磁化されたものとが極数に応じて交互に配置され、界磁を発生する。１０７は両サイドエンドリング，１０９は中央部位のエンドリングであり、シャフト１０１上に焼嵌め固定されている。１１１は保持環であり、永久磁石１０５の外周面全体を覆うリング状の形状をしている。保持環１１１の一方の端部は両端位置のエンドリング１０７に、他方の端部は中央部位のエンドリング１０９にそれぞれ焼嵌め固定されている。永久磁石１０５，エンドリング１０７，１０９及び保持環１１１の組合わせは、永久磁石形回転電機の出力に応じてシャフト１０１の軸方向に１組あるいは複数組取付けられてロータ１１３を構成している。
【０００３】
このように構成された永久磁石形回転電機は、図示していないステータから発せられた回転磁界とロータ１１３が発生する界磁とにより回転トルクを発生し、ロータ１１３が回転する。このとき、保持環１１１は、ロータ１１３の回転時に発生する遠心力の作用で永久磁石１０５が飛散するのを阻止するようになるためロータ１１３の高速回転が可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、保持環１１１は、遠心力による永久磁石１０５の飛散を防ぐ外に、エンドリング１０７，１０９を介してシャフト１０１に焼嵌め固定されることで、規定された初期嵌合代に基づく嵌め合い強度が確保されるためロータ１１３の剛性が大きく寄与するようになる。
しかしながら、ロータ１１３が高速で回転することにより、保持環１１１の外周表面上に生ずる風損や渦電流損等により保持環１１１の温度が上昇する。また、遠心力によるフープストレス等の各条件によって保持環１１１の内径が大きくなる。この時、保持環１１１は別部材となるエンドリング１０７，１０９を介してシャフト１１１と嵌合し合う２部品となっていることもあって熱の影響を受け易く、初期に設定したシャフト１０１との嵌め合い嵌合代が変化する。
シャフト１０１との嵌め合い嵌合代が変化することは、嵌め合い強度にも影響を与えるようになりロータ１１３への剛性寄与率の減少につながる。
このため、ロータ１１３の高速回転に制約を受けるようになり、しいてはロータ１１３の安全限界速度が低下する。
また、シャフト１０１の外周表面に永久磁石１０５及び保持環１１１を構成するので、低下した後のロータ１１３の剛性がシャフト１０１の寸法で限定されてしまう。このため、ロータ１１３の外形寸法の割に安全限界速度を高く設定できなくなり、実際に高い高速回転を実現できないのが状況となっている。
【０００６】
また、一般的な永久磁石の熱伝導性は非常に悪く、熱的過渡状態において保持環１１１とシャフト１０１は温度差がつきやすい状況であり、保持環１１１とシャフト１０１に温度差が生じる。この温度差により、保持環１１１はシャフト１０１に対して矢印ｂのように熱伸びを生じ、嵌合部ａの状況によって、ロータ７の熱曲がりや回転中の振動の突変の原因ともなり、安定な高速回転が得られない原因となっていた。
【０００７】
そこで、この発明は、保持環とシャフトの熱伸び差による振動の突変、熱曲がり等が生ずることはなく、製造性に優れ、しかも、安定した高速回転が得られる永久磁石形回転電機を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明の請求項１によれば、電機子鉄心に電機子巻線を巻回して構成したステータと、このステータの軸心部に回転可能に内装されたロータとを有し、前記ロータを、シャフトの周面に界磁用の複数の永久磁石を周方向に配置し、これら永久磁石の表面上に保持環を配置する構成とした永久磁石形回転電機において、前記保持環を、軸方向に分割し、その分割した保持環内周面に前記永久磁石を固着する一方、前記分割した保持環同志及び保持環とシャフトとを溶接により結合し、前記シャフトは、軸方向に隙間を有して分割されていることを特徴とする。
【０００９】
これにより、固定子から発せられた回転磁界とロータが発生する磁界とにより回転トルクが発生し、ロータが回転する。この時、保持環は、ロータが回転することによって作用する遠心力により永久磁石が飛散するのを防止するため、ロータの高速回転が可能となる。また、シャフトと保持環とは一体構造となっているため、強度剛性が向上し、ロータの安全限界速度を大幅に高く設定することができる。
【００１１】
また、保持環とシャフトとの間に、温度差が生じ、熱伸びの量に差があっても、隙間によって熱伸びを吸収するため、振動の突変、熱曲がり等を防ぐことが可能となり、安定した高速回転が得られる。
【００１２】
また、この発明の請求項２によれば、分割された保持環に、永久磁石の軸方向の動きを規制する前記保持環と一体形状のエンドリング部を設け、前記エンドリング部の中心軸心孔に、その中心軸心孔の軸心上に位置決めされるようシャフトを貫通し、貫通したシャフトと前記保持環とを溶接により結合する。
【００１３】
これにより、保持環とシャフトとは同一軸心線上に位置決めされた状態での結合が可能となり、バランスのとれたロータとすることができる。また、保持環とシャフトとの位置合せが容易になると共に、シャフトに対する保持環の嵌合の信頼性及び製造性が向上する。
【００１４】
また、この発明の請求項３によれば、分割された保持環と保持環の間に位置する中間の保持環に、永久磁石の軸方向の動きを規制する前記保持環と一体形状のエンドリング部を設け、前記エンドリング部の中心軸心孔に、その中心軸心孔に軸心上に位置決めされるようシャフトを貫通し、前記中間の保持環と両サイドの保持環とを溶接により結合する。
【００１５】
これにより、分割された保持環と中間の保持環は、シャフトと同一軸線上に位置決めされた状態で一体に結合されるため、バランスのとれたロータとすることができる。また、シャフトに対する保持環の嵌合の信頼性及び製造性が向上する。
【００１６】
また、この発明の請求項４によれば、分割された両サイドの保持環と、その保持環と保持環の間に位置する中間の保持環とに、永久磁石の軸方向の動きを規制する前記保持環と一体形状のエンドリング部を設け、そのエンドリング部の中心軸心孔に、その中心軸心孔の軸心上に位置決めされるようシャフトを貫通し、貫通したシャフトと保持環及び保持環同志をそれぞれ溶接により結合する。
【００１７】
これにより、分割された保持環及び中間の保持環は、シャフトと同一軸線上に位置決めされた状態で一体に結合されるため、バランスのとれたロータとすることができる。また、シャフトに対する保持環の嵌合の信頼性及び製造性が向上する。
【００１８】
また、この発明の請求項５によれば、分割された保持環とシャフトに、保持環同志及び保持環とシャフトとがそれぞれ嵌合し合うリング状の係合段部を設ける。
【００１９】
これにより、係合段部を嵌め合わすることで、シャフトに対して保持環を同一軸線上に正しく組立てることが可能となり、製造性が向上する。また、同芯に保たれた一体もののロータを構成できるため、バランスのよい安定した高速回転が得られる。
【００２０】
また、この発明の請求項６によれば、保持環に固着され、シャフトに装着された永久磁石のシャフト装着面を、シャフトの軸心と同一軸心が確保されるよう仕上げ加工する。
【００２１】
これにより、シャフトに対する永久磁石の保持環同芯が容易に確保できるため、同芯に保たれた一体のロータが得られるようになり、バランスのよい安定した高速回転が得られる。
【００２２】
また、この発明の請求項７によれば、永久磁石を、保持環より軸方向の長さを短くする。
【００２３】
これにより、永久磁石は、保持環と保持環の溶接時の熱の影響を回避することが可能となり、永久磁石の特性の劣化を防げるようになる。
【００２４】
また、この発明の請求項８によれば、永久磁石を、保持環と保持環の溶接結合部領域と対向し合う端面の角部を削り落とす。
【００２５】
これにより、保持環と保持環の溶接時に、永久磁石の熱の影響を小さく抑えることが可能となるため、永久磁石の特性の劣化を防げるようになる。
【００２６】
また、この発明の請求項９によれば、溶接による結合は、電子ビーム溶接とする。
【００２７】
これにより、溶接幅は数ミリで済むようになる。
【００２８】
また、この発明の請求項１０によれば、溶接による結合を、突合せ面に形成された突合せ面同志を突合せ溶接する。
【００２９】
これにより、軸線方向に沿って保持環同志及び保持環とシャフトの突合せ面の全領域に亘り確実で、強固な溶接結合が得られる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図３の図面を参照しながらこの発明の第１の実施形態について具体的に説明する。
【００３１】
図１において、符号１は、永久磁石形回転電機３のステータ、５はロータをそれぞれ示しており、ステータ１は電機子鉄心に電機子巻線（図示していない）を巻回した構造となっている。
【００３２】
ロータ５は軸受７により前記ステータ１の軸心部に回転可能に支持されると共に、シャフト９の周面に配置された複数の界磁用の永久磁石１１と、永久磁石１１を取囲む保持環１３とで構成されている。
【００３３】
シャフト９は、両サイドに円板状のフランジ部９ａを有すると共に、中央部位で所定の隙間ｅを有して２つに分割されている。
【００３４】
保持環１３は、左右と中央の３つに分割され、左右の保持環１３には、前記シャフト９のフランジ部９ａと対向し合うほぼ同一径のエンドリング部１５が設けられている。
【００３５】
エンドリング部１５は前記永久磁石１１の軸方向の動きを規制すると共に、中心部位には、中心軸心孔１７が貫通して設けられている。中心軸心孔１７は前記シャフト９の軸径より若干径大に設定され、前記シャフト９に対して軸心線上に位置決めされた状態で嵌挿している。
【００３６】
中央に位置する保持環１３の中央部位にはエンドリング部１９が設けられ、その中心部位には中心軸心孔２１が貫通して設けられている。中心軸心孔２１は、前記シャフト９の軸径より若干径大に設定され、前記シャフト９に対して軸心線上に位置決めされた状態で嵌挿している。シャフト９は中央に位置する前記保持環１３のエンドリング部１９の厚み内において前記した如く２つに分割された形状となっている。
【００３７】
中央に位置する保持環１３と左右に位置する保持環１３の各突合せ面と、左右の保持環１３とシャフト９のフランジ部９ａの突合せ面とは、電子ビーム溶接によって一体に結合されている。これにより、溶接Ｐ幅は数ミリで済むようになっている。
【００３８】
永久磁石１１は、前記保持環１３の軸心方向の長さより短く設定された断面円弧状に形成されると共に、外周面は保持環１３の内周面に接着剤等の手段によって固定支持されている。永久磁石１１は、内周側がＳ極、外周側がＮ極に磁化されたものと内周側がＮ極、外周側がＳ極に磁化されたものとが極数に応じて前記シャフト９に交互に配置され、界磁を発生する。
【００３９】
永久磁石１１と永久磁石１１の対向面は、中間に位置する保持環１３と左右に位置する保持環１３との溶接Ｐ領域となっており、端面１３ａは、リング状に削り落された形状となっている。これにより、溶接時の熱の影響を直接受けるのが回避され、永久磁石１１の特性の劣化を防ぐことが可能となっている。
【００４０】
このように構成された永久磁石形回転電機３によれば、ステータ１から発せられた回転磁界とロータ５が発生する界磁とにより回転トルクを発生し、ロータ５が回転する。この回転時において保持環１３は、ロータ５が回転することによって作用する遠心力で、永久磁石１１が飛散するのを防ぐため、高速回転が可能となる。
【００４１】
同時に、保持環１３及びシャフト９は、一体構造のため、ロータ５の強度剛性が向上する。
【００４２】
強度剛性は、保持環１３の外径寸法で決定され、一般に棒状の固有振動数は、剛性の１／２乗に比例し、剛性は断面係数に比例し、丸棒状の場合には、断面係数は径の４乗に比例する。つまり、ロータ５の固有振動数は、おおむね径の２乗に比例して高くなるので、シャフト９の外周面に永久磁石１１，その外周に保持環１３を有するロータ５の場合には、シャフト９の外径をｄ１、保持環１３の内径をｄ２、保持環１３の外径をｄ３とすると、おおむね剛性は、次式から
【数１】

倍と高くなる。
【００４３】
例えば、ｄ３＝１５ｍｍ，ｄ２＝１０ｍｍ，ｄ１＝５ｍｍとすると、固有振動数は約８倍となる。従って、ロータ５の安全限界速度を大幅に高く設定することが可能となる。
【００４４】
また、シャフト９が熱の影響で伸びても、分割された隙間ｅによって、その伸び代を吸収し、振動の突変、熱曲がり等を未然に防ぎ、安定した高速回転が得られる。
【００４５】
図４と図５はロータ５の第２の実施形態を示したものである。
【００４６】
即ち、保持環１３を複数に分割し、分割した保持環１３の一方に凹状の係合段部２３を、他方に凸状の係合段部２５をそれぞれ設ける一方、分割した右側のシャフト９のフランジ部９ａに前記保持環１３の凸状の係合段部２５と係合し合う凹状の係合段部２７を、左側のシャフト９のフランジ部９ａに、保持環１３の凹状の係合段部２３と係合し合う凸状の係合段部２９をそれぞれ設けた形状となっている。
【００４７】
なお、他の構成要素は、第１の実施形態と同一のため同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４８】
したがって、この第２の実施形態によれば、例えば、左側のシャフト９のフランジ部９ａの係合段部２９に、保持環１３の係合段部２３を嵌合させた後、順々に保持環１３を嵌合させていき、最後に右側のシャフト９のフランジ部９ａの係合段部２７を保持環１３の係合段部２５に嵌合させることで、シャフト９と各保持環１３は同芯に位置決めされた状態で容易に組立てることが可能となり、精度の高い溶接結合が得られる。
【００４９】
このため、バランスのとれたロータ５が得られるようになると共に、各係合段部２３，２５，２７，２９の突合せ面を溶接するため、溶接時の熱の影響を永久磁石１１に与えることもない。
【００５０】
図６はロータ５の第３の実施形態を示したものである。
【００５１】
即ち、保持環１３の内周面に固着された永久磁石１１の内側の装着面３１を、シャフト９の外周面に沿って仕上げ加工し、その仕上げ加工した内側の装着面３１を、シャフト９の外周面に装着することで、シャフト９と保持環１３とを、軸心線Ｘ上に沿う同芯を確保した構成とするものである。
【００５２】
なお、他の構成要素は、第１の実施形態と同一のため、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５３】
したがって、この第３の実施形態によれば、永久磁石１１の装着面３１をシャフト９の外周面に装着することで、シャフト９と保持環１３との同芯状態が容易に確保される。
【００５４】
このため、組立てが容易になると共に精度よい溶接結合が可能となり、製造性が向上する。また、バランスのとれたロータ５が得られる。
【００５５】
図７はロータ５の第４の実施形態を示したものである。
【００５６】
即ち、シャフト９のフランジ部９ａと、左右の保持環１３のエンドリング部１５とに、前記保持環１３の肉厚と同一の突合せ面３３，３３を形成し、左右と中央に位置する保持環１３の各突合せ面３３同志及び左右の保持環１３とフランジ部９ａの各突合せ面３３同志を溶接結合した構成とするものである。
【００５７】
なお、他の構成要素は、第１の実施形態と同一のため、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５８】
したがって、この第４の実施形態によれば、所定の面積に設定された突合せ面３３を、溶接結合するため、突合せ面３３の全領域にわたって溶接が浸透し、確実な溶接結合が得られる。
【００５９】
これにより、疲労による溶接剥れは発生せず、長期間に亘り安定した結合状態が得られる。
【００６０】
【発明の効果】
以上、説明したように、この発明の永久磁石形回転電動機によれば、軸方向に隙間を有して分割されたシャフトと相俟って高い安全限界速度を維持することができると共に、ロータの振動の突変、ロータの熱曲がりを防ぎ、バランスのとれた高速回転可能なロータが得られるようになる。
【００６１】
また、組立てが容易で、製造性、信頼性の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる永久磁石形回転電機の概要断面図。
【図２】保持環を三つに分割した断面図。
【図３】永久磁石の一部の斜視図。
【図４】第２の実施形態を示したロータの説明図。
【図５】複数に分割された図４の保持環の一部分の断面図。
【図６】第３の実施形態を示したロータの説明図。
【図７】第４の実施形態を示したロータの説明図。
【図８】従来の永久磁石形回転電機におけるロータの外径図。
【図９】図８のＸの部分拡大断面図。
【符号の説明】
１ステータ
５ロータ
９シャフト
１１永久磁石
１３保持環

Claims

電機子鉄心に電機子巻線を巻回して構成したステータと、このステータの軸心部に回転可能に内装されたロータとを有し、前記ロータを、シャフトの周面に界磁用の複数の永久磁石を周方向に配置し、これら永久磁石の表面上に保持環を配置する構成とした永久磁石形回転電機において、前記保持環を、軸方向に分割し、その分割した保持環内周面に前記永久磁石を固着する一方、前記分割した保持環同志及び保持環とシャフトとを溶接により結合し、前記シャフトは、軸方向に隙間を有して分割されていることを特徴とする永久磁石形回転電機。
分割された保持環に、永久磁石の軸方向の動きを規制する前記保持環と一体形状のエンドリング部を設け、前記エンドリングの中心軸心孔に、その中心軸心孔の軸心上に位置決めされるようシャフトを貫通し、貫通したシャフトと前記保持環とを溶接により結合することを特徴とする請求項１記載の永久磁石形回転電機。
分割された保持環と保持環の間に位置する中間の保持環に、永久磁石の軸方向の動きを規制する前記保持環と一体形状のエンドリング部を設け、前記エンドリング部の中心軸心孔に、その中心軸心孔の軸心上に位置決めされるようシャフトを貫通し、前記中間の保持環と両サイドの保持環とを溶接により結合することを特徴とする請求項１記載の永久磁石形回転電機。
分割された両サイドの保持環と、その保持環と保持環の間に位置する中間の保持環とに、永久磁石の軸方向の動きを規制する前記保持環と一体形状のエンドリング部をそれぞれ設け、各エンドリング部の中心軸心孔に、その中心軸心孔の軸心上に位置決めされるようシャフトを貫通し、貫通したシャフトと保持環及び保持環同志をそれぞれ溶接により結合したことを特徴とする請求項１記載の永久磁石形回転電機。
分割された保持環とシャフトに、保持環同志及び保持環とシャフトとがそれぞれ嵌合し合うリング状の係合段部を設けたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石形回転電機。
保持環に固着され、シャフトに装着された永久磁石のシャフト装着面は、シャフトの軸心と同一軸心が確保されるよう仕上げ加工されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石形回転電機。
永久磁石は、保持環より軸方向の長さが短くなっていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の永久磁石形回転電機。
永久磁石は、保持環と保持環の溶接結合部領域と対向し合う端面の角部を削り落とすことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の永久磁石形回転電機。
溶接による結合は、電子ビーム溶接であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の永久磁石形回転電機。
溶接による結合は、突合せ面に形成された突合せ面同志の突合せ溶接であることを特徴とする請求項１から４と６，８，９のいずれかに記載の永久磁石形回転電機。