JP5068102B2 - 永久磁石式回転電機及びその回転子 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石式回転電機及びその回転子に関するものである。

従来、回転子に永久磁石を備える永久磁石式回転電機がある。この回転子は、磁性体から成る回転子鉄心（界磁ヨーク）と、複数の永久磁石とから成り、永久磁石は、回転子の外周面に、周方向に隣接する磁極が互いに異極となるように、所定の周方向配置ピッチで配置されている。

上記の回転子において、特に、容量が大きく軸長が長いものでは、複数の永久磁石及び回転子鉄心を、軸方向に積層、連結して一つの回転子を構成したものがある。回転子をこのように構成すれば、回転子の軸長を変えることにより、同一断面形状を有する種々の容量の回転電機が得られるという利点がある他、永久磁石の渦電流損失を低減することができるという利点がある。

上記のような回転子の従来技術として、円柱状の回転子鉄心の外周面に永久磁石を配設して界磁とした永久磁石回転電機の回転子において、永久磁石の一端面が当接する段部を有し、この段部により永久磁石の軸方向の位置を規制するように構成した鉄心と、この鉄心に固着した永久磁石とからなる鉄心ブロックを、軸方向に複数個並べ、回転軸に取付けて構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、他の従来技術として、ロータ（回転子）に設けた孔部に磁石を配置する埋め込み磁石型のロータにおいて、前記ロータは、前記孔部を有する軸方向に分割された複数のロータ部材と、前記各ロータ部材の間に配置される仕切り板とを備え、前記複数のロータ部材と仕切り板とを軸方向に積層して一体的に形成されているものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開平０８−３３１７８２号公報 特開２００６−１５８０３７号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された従来の技術によれば、回転子鉄心の外周面に永久磁石を配設しているので、回転子を固定子内に挿入して回転電機を組立てるときに回転子が固定子に当たり、永久磁石表面のコーティングが剥がれたり、永久磁石が欠けてしまう、という問題があった。また、特許文献２に開示された従来の技術においても、回転電機を組立てるときに回転子が固定子に当たり、回転子外周面及び固定子内周面に傷がつく、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回転子を固定子内に挿入して回転電機を組立てるときに、永久磁石表面のコーティングが剥がれたり、永久磁石が欠たりすることがなく、また、回転子外周面及び固定子内周面に傷がつくことのない永久磁石式回転電機及びその回転子を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、円盤形に形成され外周面に複数の永久磁石が配置された回転子ブロックを複数個積層して成る永久磁石回転電機の回転子において、前記回転子ブロック毎に、前記永久磁石を被覆する被覆部を備え、前記被覆部の側面は、前記回転子ブロックの鉄心ブロックの重ね合わせ面より所定寸法だけ内側に形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、永久磁石表面のコーティングが剥がれたり、永久磁石が欠ていたりすることがなく、また、回転子外周面及び固定子内周面に傷がついていない永久磁石式回転電機の回転子が得られる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかる永久磁石式回転電機及びその回転子の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる回転子ブロックの実施の形態１を示す軸直角断面図であり、図２は、実施の形態１の回転子ブロックの軸平行断面図である。

図１及び図２に示すように、実施の形態１の鉄心ブロック１０は、珪素鋼等の磁性体を円盤形に形成したものである。鉄心ブロック１０の外周面１０ａには、外周面１０ａと同じ曲率の内周面１１ａを有する１２個の略矩形板状の永久磁石１１が、周方向に等間隔に配置され貼付されている。

図２に示すように、永久磁石１１のＺ軸（回転軸）方向長さＬは、鉄心ブロック１０の厚さ（Ｚ軸方向幅）Ｈより短く形成され、永久磁石１１は、鉄心ブロック１０の外周面１０ａのＺ軸方向中央部に貼付されている。

略矩形板状の永久磁石１１の内周面１１ａ以外の面、すなわち、外周面１１ｂ、周方向側面１１ｃ、１１ｃ、軸方向側面１１ｄ、１１ｄ及び鉄心ブロック１０の外周面１０ａの露出部分を被覆するように、被覆部としての円環状の樹脂モールド部１２が形成されている。

樹脂モールド部１２のＺ軸方向幅ｈは、鉄心ブロック１０のＺ軸方向幅Ｈと略同じである。鉄心ブロック１０、永久磁石１１及び樹脂モールド部１２により、実施の形態１の回転子ブロック１３を構成している。

外周部が樹脂モールド部１２で被覆された回転子ブロック１３を、Ｚ軸方向に複数積層、連結して回転子とすれば、回転子を固定子内に挿入して回転電機を組立てるときに、永久磁石１１表面のコーティングが剥がれたり、永久磁石１１が欠たりすることがなく、また、固定子内周面に傷がつくことはない。

実施の形態２．
図３は、本発明にかかる回転子ブロックの実施の形態２を示す軸直角断面図であり、図４は、実施の形態２の回転子ブロックの軸平行断面図であり、図５は、実施の形態２の回転子の軸平行断面図であり、図６は、鉄心ブロックと樹脂モールド部の軸方向熱膨張差を示す図である。

図３〜図５に示すように、実施の形態２の鉄心ブロック２０は、珪素鋼等の磁性体を円盤形に形成したものである。鉄心ブロック２０の外周面２０ａには、外周面２０ａと同じ曲率の内周面２１ａを有する１２個の略矩形板状の永久磁石２１が周方向に等間隔に貼付されている。

永久磁石２１のＺ軸方向長さＬは、鉄心ブロック２０の厚さ（Ｚ軸方向幅）Ｈより短く形成され、永久磁石２１は、鉄心ブロック２０の外周面２０ａのＺ軸方向中央部に貼付されている。

略矩形板状の永久磁石２１の内周面２１ａ以外の面、すなわち、外周面２１ｂ、周方向側面２１ｃ、２１ｃ、軸方向側面２１ｄ、２１ｄ及び鉄心ブロック２０の外周面２０ａの露出部分を被覆するように、被覆部としての円環状の樹脂モールド部２２が形成されている。樹脂モールド部２２のＺ軸方向幅ｈは、鉄心ブロック２０のＺ軸方向幅Ｈより短く形成されている。鉄心ブロック２０、永久磁石２１及び樹脂モールド部２２により、実施の形態２の回転子ブロック２３を構成している。

図５に示すように、外周部が樹脂モールド部２２で被覆された回転子ブロック２３をＺ軸方向に複数（４個）積層連結して回転子２５を構成する。実施の形態２の回転子２５は、樹脂モールド部２２のＺ軸方向幅ｈを、鉄心ブロック２０のＺ軸方向幅Ｈより短く形成しているので、回転電機の運転中に回転子２５の温度が上昇して高温になり、樹脂モールド部２２がＺ軸方向に熱膨張しても、隣接する回転子ブロック２３、２３の樹脂モールド部２２、２２同士が干渉することはない。

樹脂モールド部２３のＺ軸方向幅ｈを、鉄心ブロック２０のＺ軸方向幅Ｈと同一寸法とし、回転子ブロック２３を軸方向に３個以上積層連結した回転子２５の場合、回転子２５の温度が上昇すると、中間に位置する回転子ブロック２３の樹脂モールド部２２が熱膨張し、隣接する回転子ブロック２３の樹脂モールド部２２に拘束されて内部応力が発生し、樹脂モールド部２２に割れが発生するおそれがある。

図４に示すように、被覆部としての樹脂モールド部２２の側面２２ｄ、２２ｄを、鉄心ブロック２０の重ね合わせ面２０ｄ、２０ｄより所定寸法Ｓだけ内側に形成し、永久磁石回転電機の運転中に、鉄心ブロック２０が高温になったとき、樹脂モールド部２２と鉄心ブロック２０の熱膨張差により、樹脂モールド部２２の側面２２ｄ、２２ｄが、鉄心ブロック２０の重ね合わせ面２０ｄ、２０ｄの外側まで膨張しないようにし、樹脂モールド部２２の割れを防ぐようにする。

以下に、回転子ブロック２３を軸方向に複数個積層連結して構成した回転子２５が温度上昇しても、樹脂モールド部２２、２２同士が干渉しないようにする最小の隙間量につい検討する。

鉄心ブロック２０の材質が鋼の場合、その線膨張係数は約１２×１０^−６ｍｍ／℃であり、モールド樹脂（エポキシ樹脂）の線膨張係数は約６５×１０^−６ｍｍ／℃であるので、鉄心ブロック２０と樹脂モールド部２２の熱膨張差は５３×１０^−６ｍｍ／℃である。

回転子２５の温度上昇分をΔＴ[℃]、回転子ブロック２３のＺ軸方向幅をＨ[ｍｍ]とすると、上記の熱膨張差から、回転子ブロック２３を軸方向に複数個積層連結した回転子２５が温度上昇したときの、樹脂モールド部２２、２２同士が干渉しない最小の隙間量は、隙間量＝５３×１０^−６×ΔＴ×Ｈ[ｍｍ]により求めることができる。

樹脂モールド部２２のＺ軸方向幅ｈを、鉄心ブロック２０のＺ軸方向幅Ｈより上記の計算式による寸法分以上短くし、かつ、樹脂モールド部２２を鉄心ブロック２０の軸方向の中央部に位置させ、樹脂モールド部２２と鉄心ブロック２０のＺ軸方向寸法差を、鉄心ブロック２０の軸方向の左右に均等に振り分け、前記の所定寸法Ｓを、Ｓ＝５３×１０^−６×ΔＴ×Ｈ／２[ｍｍ]以上の寸法とする。

以上説明したように、回転電機の運転時に回転子２５の温度が上昇しても、上記の計算式により算出した隙間量以上、すなわち、所定寸法Ｓ以上を設けていれば、温度上昇がΔＴ℃以内であれば、樹脂モールド部２２が熱膨張しても、樹脂モールド部２２、２２同士が干渉することはなく、樹脂モールド部２２の割れを防ぐことができる。

図６に示すように、鉄心ブロック２０のＺ軸方向幅Ｈを３０ｍｍとした場合、回転子２５の温度上昇が１００℃のとき、鉄心ブロック２０と樹脂モールド部２２の熱膨張差は０．１６ｍｍとなる。

実施の形態２の回転子２５は、樹脂モールド部２２、２２間に隙間を有しているので、樹脂モールド部間に隙間が無い回転子に比べ、樹脂モールド部２２の、空気と接する表面積が大きくなり、回転子２５の温度が上昇したときの放熱性が高い。また、回転子ブロック２３毎に、樹脂モールド部２２を形成しているので、回転子ブロック２３の積層個数を増減して、軸長及び容量の異なる複数種類の回転子を製作するときにも、１種類のモールド冶具（金型）で対応することができる。また、永久磁石２１及び回転子ブロック２３の外周面２０ａを被覆しているので、永久磁石２１の貼付面に油脂等が浸透して永久磁石２１が剥がれてしまうようなことがない。

さらに、回転子ブロック２３の樹脂モールド部２２、２２同士が接触しないので、寸法精度が高い鉄心ブロック２０、２０の重ね合わせ面２０ｄ、２０ｄ同士を接触させ、回転子２５の全体軸長を精度良く組立てることができる。

実施の形態３．
図７は、本発明にかかる回転子ブロックの実施の形態３を示す軸直角断面図である。図７に示すように、実施の形態３の鉄心ブロック３０は、珪素鋼等の磁性体を円盤形に形成したものである。鉄心ブロック３０の外周面３０ａには、外周面３０ａと同じ曲率の内周面３１ａを有する１２個の略矩形板状の永久磁石３１が周方向に等間隔に貼付されている。永久磁石３１のＺ軸方向幅は、鉄心ブロック３０のＺ軸方向幅より短く形成され、永久磁石３１は、鉄心ブロック３０の外周面３０ａのＺ軸方向中央部に貼付されている。

略矩形板状の永久磁石３１の内周面３１ａ以外の面（外周面及び４側面）を個々に覆うように、被覆部としてのキャップ状の樹脂モールド部３２が形成されている。樹脂モールド部３２は、鉄心ブロック３０の外周面３０ａは被覆していない。樹脂モールド部３２に被覆され鉄心ブロック３０の周方向に配列された永久磁石３１、３１間には、隙間が形成されている。

樹脂モールド部３２のＺ軸方向幅は、実施の形態２と同様に、鉄心ブロック３０のＺ軸方向幅より短く形成している。鉄心ブロック３０、永久磁石３１及び樹脂モールド部３２により、実施の形態３の回転子ブロック３３を構成している。

樹脂モールド部３２のＺ軸方向幅を、鉄心ブロック３０のＺ軸方向幅より短く形成しているので、回転電機の運転中に回転子の温度が上昇して樹脂モールド部３２がＺ軸方向に熱膨張しても、隣接する回転子ブロック３３、３３の樹脂モールド部３２、３２同士が干渉することはない。

実施の形態３の回転子ブロック３３は、周方向に配列された永久磁石３１、３１間に、隙間が形成されているので、永久磁石３１を被覆している樹脂モールド部３２の、空気に触れる表面積が大きく、実施の形態２の回転子ブロック２３に比べ、さらに放熱性が良い。

実施の形態４．
図８は、本発明にかかる回転子ブロックの実施の形態４を示す軸直角断面図であり、図９は、実施の形態４の回転子の軸平行断面図である。

図８及び図９に示すように、実施の形態４の鉄心ブロック６０は、珪素鋼等の磁性体を円盤形に形成したものである。鉄心ブロック６０の外周面６０ａには、外周面６０ａと同じ曲率の内周面６１ａを有する１２個の略矩形板状の永久磁石６１が周方向に等間隔に貼付されている。永久磁石６１のＺ軸方向幅は、鉄心ブロック６０のＺ軸方向幅より短く形成され、永久磁石６１は、鉄心ブロック６０の外周面６０ａのＺ軸方向中央部に貼付されている。

略矩形板状の永久磁石６１の外周面６１ｂを被覆するように、ガラス繊維入りの樹脂テープ６２が巻かれている。樹脂テープ６２は、永久磁石６１の外周面６１ｂに巻かれた後、加熱して固められている。樹脂テープ６２は、鉄心ブロック６０の外周面６０ａや、永久磁石６１の側面は被覆していない。鉄心ブロック６０の周方向に配列された永久磁石６１、６１間は、隙間となっている。

樹脂テープ６２のＺ軸方向幅は、実施の形態２と同様に、鉄心ブロック６０のＺ軸方向幅より短く形成している。鉄心ブロック６０、永久磁石６１及び樹脂テープ６２により、実施の形態４の回転子ブロック６３を構成している。

図９に示すように、外周部が樹脂テープ６２で被覆された回転子ブロック６３をＺ軸方向に複数（４個）積層連結して回転子６５を構成する。樹脂テープ６２のＺ軸方向幅を、鉄心ブロック６０のＺ軸方向幅より短く形成しているので、回転電機の運転中に回転子の温度が上昇して樹脂テープ６２がＺ軸方向に熱膨張しても、隣接する回転子ブロック６３、６３の樹脂テープ６２、６２同士が干渉することはない。

樹脂テープ６２は、鉄心ブロック６０の外周面６０ａや、永久磁石６１の側面を被覆しておらず、鉄心ブロック６０の外周面６０ａや、永久磁石６１の側面が、直接、空気に触れているので、実施の形態４の回転子ブロック６３は、実施の形態３の回転子ブロック３３に比べ、さらに放熱性が良い。

なお、樹脂テープ６２の替わりに、樹脂フィルムを永久磁石６１に熱転写したり、樹脂を塗布したりしても、上記と同様な効果が得られる。

実施の形態５．
図１０は、本発明にかかる回転子ブロックの実施の形態５を示す軸直角断面図であり、図１１は、実施の形態５の回転子の軸平行断面図である。

図１０及び図１１に示すように、実施の形態５の鉄心ブロック４０は、珪素鋼等の磁性体を円盤形に形成したものである。鉄心ブロック４０の外周面４０ａには、外周面４０ａと同じ曲率の内周面４１ａを有する１２個の略矩形板状の永久磁石４１が周方向に等間隔に貼付されている。永久磁石４１のＺ軸方向幅は、鉄心ブロック４０のＺ軸方向幅より短く形成され、永久磁石４１は、鉄心ブロック４０の外周面４０ａのＺ軸方向中央部に貼付されている。

略矩形板状の永久磁石４１の内周面４１ａ以外の面（５つの面）及び鉄心ブロック４０の外周面４０ａの露出した部分を被覆するように、円環状の樹脂モールド部４２が形成されている。樹脂モールド部４２のＺ軸方向幅は、鉄心ブロック４０のＺ軸方向幅より短く形成されている。

また、鉄心ブロック４０には、外周面４０ａに沿って周方向に等間隔に、中心軸線Ｚに平行に、４本のピン孔４７が設けられている。鉄心ブロック４０、永久磁石４１及び樹脂モールド部４２は、実施の形態５の回転子ブロック４３を構成している。

図１１に示すように、外周部が樹脂モールド部４２で被覆された回転子ブロック４３をＺ軸方向に複数（４個）積層し、４個の回転子ブロック４３のピン孔４７に、ピン４６を圧入して４個の回転子ブロック４３を連結して回転子４５を構成する。

実施の形態５の回転子４５は、樹脂モールド部４２のＺ軸方向幅を、鉄心ブロック４０のＺ軸方向幅より短く形成しているので、回転電機の運転中に回転子４５の温度が上昇して樹脂モールド部４２がＺ軸方向に熱膨張しても、隣接する回転子ブロック４３、４３の樹脂モールド部４２、４２同士が干渉することはない。

回転子ブロック４３、４３をピン４６で連結、固定することにより、回転子ブロック４３、４３同士の周方向の位置決めを精度よく行なうことができ、かつ、回転子ブロック４３、４３同士の連結を容易に行なうことができる。また、回転子ブロック４３の積層個数を増減するだけで、軸長及び容量の異なる複数種類の回転子を容易に製作することができる。また、ピン４６に替えて、ボルトやキーを用いてもよい。

図１２は、本発明の永久磁石式回転電機の実施の形態を示す軸平行断面図である。実施の形態１〜５の回転子２５〜６５の両端部の中心に夫々回転軸５２、５３を取付け、回転子を固定子５０内へ挿入し、回転軸５２、５３を固定子５０の両端部のブラケット５１、５１で回転可能に支持することにより、実施の形態の永久磁石式回転電機が得られる。

実施の形態の永久磁石式回転電機によれば、回転子を固定子内に挿入して回転電機を組立てるときに、永久磁石表面のコーティングが剥がれたり、永久磁石が欠たりすることがなく、また、回転子外周面及び固定子内周面に傷がつくことのない永久磁石式回転電機が得られる。

本発明にかかる回転子ブロックの実施の形態１を示す軸直角断面図である。 実施の形態１の回転子ブロックの軸平行断面図である。 本発明にかかる回転子ブロックの実施の形態２を示す軸直角断面図である。 実施の形態２の回転子ブロックの軸平行断面図である。 実施の形態２の回転子の軸平行断面図である。 鉄心ブロックと樹脂モールド部のＺ軸方向熱膨張差を示す図である。 本発明にかかる回転子ブロックの実施の形態３を示す軸直角断面図である。 本発明にかかる回転子ブロックの実施の形態４を示す軸直角断面図である。 実施の形態４の回転子の軸平行断面図である。 本発明にかかる回転子ブロックの実施の形態５を示す軸直角断面図である。 実施の形態５の回転子の軸平行断面図である。 本発明の永久磁石式回転電機の実施の形態を示す軸平行断面図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０，６０ 鉄心ブロック
１１，２１，３１，４１，６１ 永久磁石
１２，２２，３２，４２， 樹脂モールド部
６２ 樹脂テープ
１３，２３，３３，３３，６３ 回転子ブロック
２５，４５，６５ 回転子
４６ ピン
５０ 固定子
５１ ブラケット
５２，５３ 回転軸
Ｚ 中心軸線

Claims (3)

1. 円盤形に形成され外周面に複数の永久磁石が配置された回転子ブロックを複数個積層して成る永久磁石回転電機の回転子において、
   前記回転子ブロック毎に、前記永久磁石を被覆する被覆部を備え、前記被覆部の側面は、前記回転子ブロックの鉄心ブロックの重ね合わせ面より所定寸法だけ内側に形成されていることを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
2. 前記回転子ブロックは、中心軸線と平行な孔を有し、該孔にピンを挿入して積層された前記回転子ブロック同士の周方向位置決め及び連結を行なうことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転電機の回転子。
3. 請求項１又は２に記載の回転子を備えることを特徴とする永久磁石式回転電機。

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