JP5359062B2 - 永久磁石式回転機の回転子構造 - Google Patents

Description

本発明は、超高速回転の永久磁石式回転機の回転子構造に関し、とくに回転軸の外周部に円筒状の永久磁石を配し、永久磁石に働く回転トルクを回転軸に伝達するようにした高速永久磁石式回転機の回転子構造に関する。

従来、超高速回転の永久磁石式同期電動機や、永久磁石式同期発電機等の永久磁石式回転機の回転子構造としては、円筒状の永久磁石を同じく円筒状の非磁性高強度材（以下、補強リングという）で圧入又は焼き嵌め又は冷やし嵌めした回転子構造や、非磁性金属線で巻いた回転子構造が周知となっている（例えば、特許文献１，２参照）。

このようなリング磁石を用いる回転子構造においては、高速回転時に永久磁石の内径側に永久磁石の許容引張応力を超える引張応力が働き永久磁石が破損することを防止するため上記補強リング等に締め代を設けている。さらに、永久磁石に働く回転トルクは、高速回転時に遠心力で軸と永久磁石とが離れないように締め代をとる、または、回転軸と永久磁石とを接着することで回転軸に伝達される。なお、渦電流損失を低減するため補強リングとして炭素繊維などの高強度繊維や非磁性金属線を用いたものもある。

一方、円柱状の永久磁石を補強リングで圧入又は焼き嵌め又は冷やし嵌めした回転子構造もある（例えば、特許文献３参照）。

このような円柱状の永久磁石を用いる回転子構造においては、高速回転時に永久磁石の許容引張強さを超える引張応力が働かないように締め代をとることで永久磁石の破損を防止している。なお、補強リングと軸とは永久磁石の両端で圧入又は冷やし嵌め又は溶接される。そして、永久磁石に働く回転トルクは、高速回転時の遠心力で補強リングと永久磁石、及び軸と永久磁石が離れないように締め代をとることで軸に伝達される。永久磁石が円柱状であるため、同じ外径、長さの円筒状磁石に比較して遠心力に強く、磁石の起磁力を大きく取れるという利点を有している。

特開平０３−１５９５３３号公報 特開２００５−３１２２５０号公報 特開２００２−３５４７２４号公報

しかしながら、上述した特許文献１，２に記載されているような回転子構造においては、永久磁石の許容引張応力を超える引張応力が作用することを防止するため、または遠心力や使用温度条件によって回転軸と永久磁石とが離れることがないようにするためには締め代を大きく取る必要があり、圧入または焼き嵌め温度を実用上困難な温度、換言すると大量生産には不向きな温度まで上昇させる必要があるという問題があった。締め代を大きく取るために実用上困難な温度とする必要があるのは冷やし嵌めを行う場合であっても同様であり、生産性の向上を妨げる虞があった。

永久磁石の回転トルクを、軸と永久磁石を接着することで軸に伝達するような回転子構造にあっては、高温環境下（１００℃以上）では接着剤の機能が低下するおそれがある。接着剤の機能の低下により一度永久磁石が回転軸から剥がれると再度接着状態とはならないために、上記高温環境下では回転軸と永久磁石とが分離してトルクを軸に伝達できなくなる可能性があった。

更に加えて、補強リングとして高強度繊維を用いる場合、該高強度繊維は熱膨張係数が小さいために焼き嵌めが困難であることから、圧入または永久磁石を冷やし嵌めすることとなる。しかし、永久磁石の熱膨張係数は鉄の約半分であるため、締め代を大きく取ることが困難となり、永久磁石の許容引張応力を超える引張応力が作用することを防止すること、遠心力や使用温度条件によらず軸と永久磁石とが離れないようにすることが難しかった。

また、特許文献３に記載されているような回転子構造にあっては、永久磁石の許容引張応力を超える引張応力が働かないように締め代を設定すると、締め代が大きくなり、圧入または焼き嵌め温度を実用上困難な温度、換言すると大量生産に不向きな温度まで上昇させる必要が生じることが考えられ、生産性の向上が抑制される虞があった。これは冷やし嵌めを行う場合であっても同様であった。

更に、円柱状の永久磁石を用いる場合、永久磁石を挟んで回転軸を分断させることとなる。回転軸を永久磁石の両端に固定する方法としては、回転軸を補強リングで圧入または焼き嵌めまたは冷やし嵌めするか、回転軸と補強リングとを溶接で固定する方法があるが、回転軸の歪や剛性に注意が必要であり、作業が煩雑であった。

そして、回転軸を補強リングで圧入または焼き嵌めまたは冷やし嵌めする場合、永久磁石に働く回転トルクを補強リングに伝達し、更に回転軸に伝達することとなるため、遠心力や使用温度条件で補強リングと回転軸、及び補強リングと永久磁石が離れることがないように締め代を取ると、締め代が大きくなり、圧入または焼き嵌め温度を実用上困難な温度、換言すると大量生産に不向きな温度まで上昇させる必要が生じることが考えられる。これは冷やし嵌めを行う場合であっても同様であり、生産性の向上が妨げられる虞があった。

なお、本出願人は特願２００７−２４０４５１において、上述した問題を解決するための一手段として、回転軸の外周部に円筒状の永久磁石を配すとともに、該永久磁石の両端面側に回転軸を一体動可能に嵌入する金属部材からなる環状の側面板を設け、永久磁石と側面板とを金属部材からなる円筒状の補強リングによって一体動可能に締め付けることにより、側面板を介して永久磁石に働く回転トルクを回転軸に伝達するようにした回転子構造において、補強リングの形状を変化させたものを提案している。

しかし、このような回転子構造においては、回転子を広い温度範囲で高速回転させる必要がある場合に、永久磁石及び側面板の熱膨張係数の違いや寸法公差により永久磁石の外径と側面板の外径との間に寸法差が生じることが考えられた。そして、永久磁石の外径と側面板の外径との間の寸法差が大きくなると、永久磁石または側面板のうち外径が大きい方の部材と補強リングの内径とが同等となり、外径が小さい方の部材に対して補強リングによる締め付けが弱くなることが考えられた。

そのため、低温時（例えば、０℃未満）には図７（ａ）に破線で囲んで示すように補強リング１０５の側面板１０４に対する締め付けが弱くなり、永久磁石１０３に働く回転トルクを回転軸１０２に伝達しにくくなるおそれがあった。また、高温時（例えば、１５０℃以上）には図７（ｂ）に破線で囲んで示すように補強リング１０５の永久磁石１０３に対する締め代が少なくなって締め付けが弱くなり、遠心力による永久磁石１０３の応力を抑制する効果が低下し、永久磁石１０３が破損するおそれがあった。

以上のことから、本発明は、広い温度範囲で高速回転させる場合であっても、永久磁石が高速回転に耐え得る補強部材の締め代でありながら、実用的な製造方法により生産性が高く、回転トルクの伝達に優れた永久磁石式回転機の回転子構造を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る永久磁石式回転機の回転子構造は、回転軸の外周部に円筒状に形成された永久磁石を固定し、前記永久磁石に働くトルクを前記回転軸に伝達するようにした永久磁石式回転機の回転子構造において、環状に形成され、軸孔に一体動可能に前記回転軸を嵌入するとともに前記永久磁石の両端面にそれぞれ対向配置され、且つ、前記永久磁石に対向する端面に前記軸孔と同心円状に形成された弾性変形する環状凹溝を有する二つの側面板と、円筒状に形成され、前記永久磁石及び前記側面板に圧入又は焼き嵌めされ前記永久磁石及び前記側面板を一体動可能に締め付ける保持部材とを備えることを特徴とする。

第２の発明に係る永久磁石式回転機の回転子構造は、第１の発明において、前記側面板が、前記端面とは反対側の面に前記軸孔と同心円状に形成されるとともに前記環状凹溝とは異なる径を有する他の弾性変形する環状凹溝を有することを特徴とする。

上述した第１の発明に係る永久磁石式回転機の回転子構造によれば、回転軸の外周部に円筒状に形成された永久磁石を固定し、永久磁石に働くトルクを回転軸に伝達するようにした永久磁石式回転機の回転子構造において、環状に形成され、軸孔に一体動可能に回転軸を嵌入するとともに永久磁石の両端面にそれぞれ対向配置され、且つ、永久磁石に対向する端面に軸孔と同心円状に形成された環状凹溝を有する二つの側面板と、円筒状に形成され、永久磁石及び側面板の外周面を覆って永久磁石及び側面板を一体動可能に締め付ける保持部材とを備えるので、回転機の稼動に伴って永久磁石及び側面板の温度が上昇し、熱膨張係数の違い又は寸法公差によって永久磁石に比較して側面板の外径が大きくなったとしても、側面板が永久磁石に対向する端面に環状凹溝を有するために該環状凹溝より径方向外側の部分が径方向に弾性変形し、永久磁石と側面板との外径の寸法差を吸収するため、保持部材の永久磁石に対する締め代を維持することができ、広い温度範囲で永久磁石に働くトルクを確実に回転軸に伝達することができるとともに遠心力によって永久磁石が破損することを防止できる。

即ち、本発明によれば、広い温度範囲で高速回転させる場合であっても、永久磁石が高速回転に耐え得る締め代を有する補強部材を兼ねた保持部材を備え、実用的な製造方法により生産性が高く、回転トルクの伝達に優れた永久磁石式回転機の回転子構造を提供することができる。

また、上述した第２の発明に係る永久磁石式回転機の回転子構造によれば、側面板が、永久磁石に対向する端面とは反対側の面に軸孔と同心円状に形成されるとともに環状凹溝とは異なる径を有する他の環状凹溝を有するので、第１の発明の効果に加えて、保持部材の永久磁石に対する締め代をより確実に維持することができる。

本発明の実施の形態を以下の実施例において詳細に説明する。

図１乃至図４に基づいて本発明の第１の実施例を説明する。図１（ａ）は本実施例に係る永久磁石式回転機の回転子の構造を示す部分断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、図２は本実施例の側面板の断面図、図３（ａ）は本実施例に係る側面板の低温時における状態を示す断面図、図３（ｂ）は本実施例に係る側面板の高温時における状態を示す断面図である。本実施例は、例えば超高速回転の永久磁石式同期電動機、又は永久磁石式同期発電機に適用されるものである。

図１及び図２に示すように、回転子１は、回転軸２と、円筒状に形成されて回転軸２の外表面に配設される永久磁石３と、永久磁石３の両端面３ａに当接するように配される金属部材からなる側面板４と、円筒状に形成されて永久磁石３及び側面板４の外表面に配される永久磁石３の補強手段を兼ねた保持部材としての保持リング５とを備えている。

側面板４はその軸心部分に軸孔４ａを有する環状の部材であり、この軸孔４ａに圧入または焼き嵌めによって回転軸２が固定されることにより、回転軸２と一体動可能に構成されている。この側面板４は低温時にその外径が永久磁石３の外径とほぼ同一となるように形成されているものとする。

さらに、側面板４の永久磁石３に対向する端面４ｂには、軸孔４ａに対し同心に形成された環状凹溝として環状のＵ溝（以下、単に「Ｕ溝」という）４ｃが設けられている。本実施例において該Ｕ溝４ｃは側面板４の内径と外径のほぼ中間位置に配設され、その底部は断面形状がＵ字状に形成されている。ここで、Ｕ溝４ｃの径方向の幅は側面板４の大きさ等に応じて適宜設定するものとする。

保持リング５は、永久磁石３及び側面板４を同時に圧入又は焼き嵌めすることにより、永久磁石３及び側面板４を一体動可能に締め付ける、換言すると、永久磁石３と側面板４とを一体的に保持する部材であり、これにより、永久磁石３に働くトルクを側面板４を介して回転軸２に伝達することができる。

なお、回転軸２と永久磁石３との間には間隔ｄの隙間６が設けられ、永久磁石３と回転軸１とは非接触に構成されているものとする。

以下に、本実施例による作用効果を説明する。本実施例に係る永久磁石式回転機の回転子構造によれば、上述したように低温時に永久磁石３の外径と側面板４の外径とが一致するように構成されているため、低温時には図３（ａ）に破線で囲んで示すように永久磁石３及び側面板４それぞれの外周面を保持リング５により一体動可能に締め付けることができる。

また、高温時には、図３（ｂ）に示すように、高温時に熱膨張係数の違いにより永久磁石３に比較して側面板４の外径が大きくなった場合であっても、該側面板４に設けたＵ溝４ｃにより側面板４の永久磁石３側の部分であって、特にＵ溝４ｃより径方向外側の部分が径方向に対して縮径するように弾性変形する。これにより図３（ｂ）中に破線で囲んで示すように、側面板４の永久磁石３側の部分の外径が永久磁石３の外径に比較して大きくなることを抑制できるため、保持リング５の永久磁石３に対する締め代が維持され、高温時であっても遠心力による永久磁石３の応力を抑制して永久磁石３の破損を防止することができる。

このように、本実施例に係る永久磁石式回転機の回転子構造によれば、広い温度範囲で永久磁石式回転機の性能を維持することができ、実用的な製造方法により生産性を向上させつつ、保持リング５の締め代を永久磁石３が高速回転に耐え得る値に維持することが可能な回転トルクの伝達に優れた永久磁石式回転機の回転子構造を提供することができる。

ここで、本実施例においてはＵ溝４ｃを側面板４の内径と外径のほぼ中心に配設する例を示したが、Ｕ溝４ｃの位置は上述した位置に限定されるものではない。なお、側面板４の保持リング５に接する側かつ永久磁石３側の角部に所望の大きさのＣ面等の切欠部を形成し、保持リング５の内周面に対向する部分において永久磁石３と側面板４とを離間させる方法も考えられるが、このような構成とした場合、永久磁石３のトルクを伝達するための保持リング５と側面板４との接触面積が減少し、保持リング５の側面板４を保持する力が低下するおそれがある。そのため、Ｕ溝４ｃは側面板４の外周面及び内周面からそれぞれ間隔をおいて設けるようにすると好適である。

図４乃至図６に基づいて本発明の第２の実施例を説明する。図４は本実施例に係る永久磁石式回転機の回転子の構造を示す部分断面図、図５は本実施例の側面板の断面図、図６（ａ）は本実施例に係る側面板の低温時における状態を示す断面図、図６（ｂ）は本実施例に係る側面板の高温時における状態を示す断面図である。本実施例は、図１及び図３に示し上述した実施例１の側面板４に代えて図４に示す複数のＵ溝を有する側面板１４を用いる例である。

図４及び図５に示すように、本実施例において永久磁石３の両端面３ａに当接するように配される側面板１４はその軸心部分に軸孔１４ａを有する環状の部材であり、この軸孔１４ａに圧入または焼き嵌めによって回転軸２が固定されることにより、回転軸２と一体動可能に構成されている。この側面板１４は低温時にその外径が永久磁石３の外径とほぼ同一となるように形成されているものとする。

さらに、側面板１４の両端面１４ｂ，１４ｄには、それぞれ軸孔１４ａに対し同心に形成された環状凹溝として環状のＵ溝（以下、単に「Ｕ溝」という）１４ｃ、他の環状凹溝としてのＵ溝１４ｅが形成されている。ここで、Ｕ溝１４ｃ，１４ｅの径方向の幅は側面板４の大きさ等に応じて適宜設定するものとする。

Ｕ溝１４ｃ，１４ｅはその直径が相互に異なるように（図４ではＵ溝１４ｃの径に対してＵ溝１４ｅの径が小さい）、換言すると、径方向に対して相互に位置が異なるように配設され、かつ、それぞれの底部は断面形状がＵ字状に形成されている。

その他の構成は図１に示し上述した構成と概ね同様であり、実施例１において説明した部材と同一の部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

以下に、本実施例の作用効果を説明する。本実施例に係る永久磁石式回転機の回転子構造によれば、側面板１４の両端面１４ｂ，１４ｄにそれぞれＵ溝１４ｃ，１４ｅを設けたので、実施例１に比較して側面板１４の径方向の幅を全体的に変化させることができる。

例えば、低温時には図６（ａ）に示すように永久磁石３及び側面板１４それぞれの外周面を保持リング５により一体動可能に締め付けることができる。また、高温時には、図６（ｂ）に示すように、熱膨張係数の違いにより永久磁石３に比較して側面板１４の外径が大きくなった場合であっても、該側面板１４に設けたＵ溝１４ｃ，１４ｅにより側面板１４全体が径方向に対して縮径するように弾性変形する。

このように、本実施例によれば、永久磁石３の外径と側面板１４の外径とに寸法差が生じることを抑制することができるため、側面板１４の外径が永久磁石３の外径に比較して小さくなり永久磁石３に働く回転トルクを回転軸２に伝達しにくくなること、および、永久磁石３の外径が側面板１４の外径に比較して小さくなり遠心力による永久磁石３の応力を抑制しにくくなることを防止することができ、回転子２を広い温度範囲で高速回転させる場合であっても、永久磁石３が高速回転に耐え得る保持リング５の締め代を維持しつつ、永久磁石３に働く回転トルクを確実に回転軸２に伝達することができる。

なお、本実施例においては側面板１４の両端面１４ｂ，１４ｄにそれぞれ一つずつＵ溝１４ｃ，１４ｅを形成する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、側面板１４の大きさに応じて例えば側面板１４の両端面１４ｂ，１４ｄにそれぞれ相互に直径の異なるＵ溝を複数設けるなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

本発明は、高速永久磁石式回転機の回転子構造に適用可能であり、特に、回転軸の外周部に該回転軸に対して径方向に間隙を有するように設けられる円筒状の永久磁石、及び、金属部材からなり、圧入または焼き嵌めにより回転軸に一体動可能に固定されるとともに永久磁石の両端に配置される環状の側面板を、円筒状の非磁性高強度材である保持リングで圧入又は焼き嵌めし、永久磁石と回転軸が非接触であっても永久磁石に働くトルクを安定的に回転軸に伝達するようにした永久磁石式回転機に適用して好適なものである。

図１（ａ）は本発明の実施例１に係る永久磁石式回転機の回転子構造を示す部分断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。 本発明の実施例１に係る側面板の断面図である。 図３（ａ）は本発明の実施例１に係る側面板の低温時における状態を示す断面図、図３（ｂ）は本発明の実施例１に係る側面板の高温時における状態を示す断面図である。 本発明の実施例２に係る永久磁石式回転機の回転子構造を示す部分断面図である。 本発明の実施例２に係る側面板の断面図である。 図６（ａ）は本発明の実施例２に係る側面板の低温時における状態を示す断面図、図６（ｂ）は本発明の実施例２に係る側面板の高温時における状態を示す断面図である。 図７（ａ）は低温時における従来の回転子の一部の状態を示す説明図、図７（ｂ）は高温時における従来の回転子の一部の状態を示す説明図である。

符号の説明

１ 回転子
２ 回転軸
３ 永久磁石
４，１４ 側面板
４ａ，１４ａ 軸孔
４ｂ，１４ｂ，１４ｄ 端面
４ｃ，１４ｃ，１４ｅ Ｕ溝
５ 保持リング
６ 隙間

Claims (2)

1. 回転軸の外周部に円筒状に形成された永久磁石を固定し、前記永久磁石に働くトルクを前記回転軸に伝達するようにした永久磁石式回転機の回転子構造において、
   環状に形成され、軸孔に一体動可能に前記回転軸を嵌入するとともに前記永久磁石の両端面にそれぞれ対向配置され、且つ、前記永久磁石に対向する端面に前記軸孔と同心円状に形成された弾性変形する環状凹溝を有する二つの側面板と、
   円筒状に形成され、前記永久磁石及び前記側面板に圧入又は焼き嵌めされ前記永久磁石及び前記側面板を一体動可能に締め付ける保持部材と
   を備えることを特徴とする永久磁石式回転機の回転子構造。
2. 前記側面板が、前記端面とは反対側の面に前記軸孔と同心円状に形成されるとともに前記環状凹溝とは異なる径を有する他の弾性変形する環状凹溝を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の永久磁石式回転機の回転子構造。

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