JP5386885B2

JP5386885B2 - 永久磁石式回転機の回転子構造

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Publication number: JP5386885B2
Application number: JP2008217804A
Authority: JP
Inventors: 隆志沖津; 大器松橋; 広光渡辺; 義高東
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2028-08-27
Also published as: JP2010057233A

Description

本発明は、超高速回転に適用可能な永久磁石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、超高速回転に適用可能な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回転子構造として、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ものを提案している。

しかし、上述した特願２００７−２４０４５１の構造においては、補強リングによりトルクが働く永久磁石とトルクが働かない側面板とを一体動可能に締め付ける構造としている。そのため、回転機の駆動時において補強リングに捻り方向の力が働き、渦電流損失が発生して回転機の効率に影響を及ぼすおそれがあった。

このようなことから本発明は、永久磁石が高速回転に耐え得る補強リング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、かつ、渦電流損失の発生を抑制可能な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配し、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、前記永久磁石の両端が突出するように前記永久磁石の外周部に設けられ、内周面が前記永久磁石にのみ接する円筒状の補強部材と、有底の円筒状に形成され、円筒部分に前記永久磁石の前記補強部材から突出した部分を嵌入する一方、底部に形成された軸孔に前記回転軸が嵌入されて、前記永久磁石および前記回転軸と一体動可能に構成された側面部材とを備えたことを特徴とする。

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、前記側面部材は前記円筒部分に小径部と大径部とを有し、前記小径部が前記永久磁石の前記補強部材から突出した部分を嵌入する一方、前記大径部が前記補強部材の端部を被覆することを特徴とする。

第３の発明に係る永久磁石式回転機の回転子構造は、第１または第２の発明において、前記補強部材が、ガラス繊維強化プラスチックまたは炭素繊維強化プラスチックからなることを特徴とする。

上述した本発明の第１の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配し、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、永久磁石の両端が突出するように永久磁石の外周部に設けられる円筒状の補強部材と、有底の円筒状に形成され、円筒部分に永久磁石の補強部材から突出した部分を嵌入する一方、底部に形成された軸孔に回転軸が嵌入されて、永久磁石および回転軸と一体動可能に構成された側面部材とを備えるようにしたので、補強部材の内周面は永久磁石にのみ接することとなり、補強部材に対して捻り方向に力が掛かることがなく、補強部材として金属部材を用いた場合は渦電流損失を抑制することができ、補強部材として捻り方向の力に対する耐性が比較的低い高強度繊維を用いたとしても捻り力による破損を防止することができる。

さらに、無分割の円筒状の永久磁石を用いるため、円筒状の永久磁石を周方向または軸方向に分割した場合と比べて、回転軸に永久磁石を固定した後、外径を研磨するなどの工程が不要であり、生産性を大幅に向上させることができ、低コスト化を実現できる。

また、永久磁石を周方向に分割していないため、補強部材に応力集中が発生せず、補強部材を高強度繊維で構成した場合は、該高強度繊維の高引張強度特性を有効に利用することができる。そのため、永久磁石を周方向に分割した場合と比較して、補強部材の厚みを薄くすることができるとともに、固定子と回転子間の電気的ギャップ（磁石と固定子間の距離）を小さくすることができ、回転機の特性が向上する。

永久磁石の内径は回転軸に接触させる必要がないため、補強部材と永久磁石の締め代は遠心力によって永久磁石が破損しない程度でよい。また、回転軸に永久磁石を接着剤等で固着する必要がなく、高温環境下でも安定して使用することができる。

よって、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、永久磁石に働く回転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、渦電流損失の発生を抑制することができる。

上記第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、側面部材は円筒部分に小径部と大径部とを有し、小径部が永久磁石の補強部材から突出した部分を嵌入する一方、大径部が補強部材の端部を被覆するので、永久磁石の端面と側面部材との当接部分を大径部によって覆うことができ、磁石粉の飛散を抑制することができる。補強部材の外周を側面部材で圧入または焼き嵌めすることができれば、最も効果が高い。

上記第３の発明に係る永久磁石式回転機の回転子構造によれば、補強部材が、ガラス繊維強化プラスチック（以下、ＧＦＲＰ）または炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰ）からなるので、渦電流を生じさせることがなく、補強部材に非磁性金属を用いた場合に比較して回転機駆動時の渦電流損失をより低減することができる。

また、永久磁石の熱膨張係数は６．５×１０^-6／Ｋと鉄の熱膨張係数の半分程度であり、補強部材に永久磁石より高い熱膨張係数を有する材質を用いた場合、高温環境下において永久磁石と補強部材との締め代が少なくなるため、これを考慮して予め締め代を大きくする必要が生じる場合がある。これに対し、ＧＦＲＰまたはＣＦＲＰは熱膨張係数がほぼ０であるため、補強部材の材質として該ＧＦＲＰまたはＣＦＲＰを用いることにより、高温環境下で締め代が増え、補強部材として金属材を用いる場合に比較して締め代を小さくとることが可能となる。

本発明を実施するための実施の形態を以下に示す実施例において詳細に説明する。

図１及び図２に基づいて本発明の第１の実施例を説明する。図１（ａ）は本実施例に係る高速永久磁石式回転機の回転子構造の部分断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ矢視図、図２は本実施例に係る側面部材の断面図である。本実施例に係る高速永久磁石式回転機の回転子構造は、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の回転子に適用される。

図１に示すように、回転子１は、回転軸２と、無分割の完全円筒形状に形成されて回転軸２の外周部に配設される永久磁石３と、永久磁石３の両端面３ａに配される側面部材４と、円筒状に形成されて永久磁石３の外周部に配される補強部材としての補強リング５とを備えている。

補強リング５は、ＧＦＲＰまたはＣＦＲＰからなる円筒状の部材であり、圧入により永久磁石３の外周部を締め付け、回転機の駆動に伴って永久磁石３に作用する遠心力により永久磁石３に該永久磁石３の許容引張応力を超える引張応力が働いて永久磁石３が破損することを防止するものである。

本実施例において補強リング５の軸方向の長さは永久磁石３の軸方向の長さに比較して所定の長さだけ短く、永久磁石３の両端はそれぞれ補強リング５から概ね均等な長さで突出した状態となっている。補強リング５の内径は、永久磁石３に対する締め代が、回転機の駆動に伴って永久磁石３に作用する引張応力が許容引張応力を超えない程度となるように設定するものとする。

また、側面部材４は、非磁性金属材をカップ状、換言すると、有底筒状に形成してなり、図２に示すように、円筒部分４ａと該円筒部分４ａの一方の開口端を閉塞する底部４ｂとを有している。円筒部分４ａは、その軸方向の長さが永久磁石３の補強リング５から突出した部分とほぼ同一の長さとなっている。また、底部４ｂはその軸心部分に軸孔４ｃを有している。

このような側面部材４は、円筒部分４ａによって永久磁石３の補強リング５から突出した部分の外周面を締め付ける一方、圧入又は焼き嵌めにより軸孔４ｃに回転軸２を固定することにより、永久磁石３及び回転軸２を一体動可能に連結するように構成されており、これにより永久磁石３に働くトルクを回転軸２に伝達可能となっている。

なお、永久磁石３は回転軸２に隙間嵌めされており、これにより回転軸２と永久磁石３との間には微小間隔ｄの隙間６が形成された状態となっている。即ち、本実施例において永久磁石３は回転軸２に対して非接触に設定されている。

このように、本実施例の回転子１は、永久磁石３の端部と側面部材４の嵌め合いにより永久磁石３に働くトルクを側面部材４に伝達し、これを側面部材４の軸孔４に圧入または焼き嵌めされた回転軸２に伝達するように構成されている。

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、永久磁石３は無分割の完全円筒形状であり、円筒状の永久磁石３を周方向または軸方向に分割した場合と比べて、回転軸２に永久磁石３を固定した後、外径を研磨するなどの工程が不要であるため、生産性が大幅に向上し安価である。

また、永久磁石３の内径を回転軸２に接触させる必要がないため、補強リング５と永久磁石３の締め代は遠心力によって永久磁石３が破損しない程度でよい。また、回転軸２と永久磁石３とを接着剤などで固着する必要がないため、高温環境下でも安定して使用することができる。

さらに、永久磁石３を周方向に分割していないため、補強リング５に応力集中が発生せず補強リング５を構成するＧＦＲＰまたはＣＦＲＰの高引張強度特性を有効に利用することができる。そのため、永久磁石３を周方向に分割した場合に比較して補強リング５の厚みを薄くすることができるとともに、固定子（図示せず）と回転子１間の電気的ギャップ（永久磁石３と固定子間の距離）を小さくすることができ、回転機の特性が向上する。

さらに加えて、補強リング５の内周面が永久磁石３のみに接触する構成としたため、補強リング５に捻り方向の力が作用することがなく、回転軸２と永久磁石３とを非接触としつつ永久磁石３に働く回転トルクを確実に回転軸２に伝達することが可能な構成でありながら、補強リング５としてＧＦＲＰまたはＣＦＲＰを用いることができる。そのため、渦電流が発生せず、回転機駆動時の渦電流損失を低減することができる。

なお、本実施例においては補強リング５としてＧＦＲＰまたはＣＦＲＰを用いる例を示したが、補強リング５としては非磁性金属を用いてもよい。上述したように本実施例では補強リングの内周面が永久磁石３のみに接触するように構成されているため、補強リング５として非磁性金属を用いたとしても、補強リング５に捻り方向の力が発生することがなく、渦電流損失を抑制することができる。

図３及び図４を用いて本発明の第２の実施例を詳細に説明する。図３は本実施例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４は本実施例に係る側面部材の断面図である。本実施例は図１に示し上述した側面部材４に代えて、図３に示す側面部材１４を用いる例である。その他の構成は図１に示し上述したものと概ね同様であり、以下、同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図３及び図４に示すように、本実施例において側面部材１４は、非磁性金属材を有底筒状に形成してなり、図４に示すように、円筒部分１４ａと該円筒部分１４ａの一方の開口端を閉塞する底部１４ｂとを有している。円筒部分１４ａは、その軸方向の長さが永久磁石３の補強リング５から突出した部分に比較して長くなるように設定されている。また、底部１４ｂはその軸心部分に軸孔１４ｃを有している。

さらに、円筒部分１４ａはその外径が一定である一方、内径が段階的に変化するように形成されている。具体的には、円筒部分１４ａの内周面の軸孔１４ｃ側に小径部１４ｄ、開口端側に小径部１４ｄに比較して内径が大きい大径部１４ｅが形成されている。詳しくは、小径部１４ｄの内径は永久磁石３の外周に対して締め代を有するように、また、大径部１４ｅの内径は補強リング５の外径程度（好ましくは補強リング５の外周に対して締め代を有する程度）にそれぞれ設定されている。

このような側面部材４は、それぞれ圧入又は焼き嵌めにより、小径部１４ｄによって永久磁石３の補強リング５から突出した部分の外周面を締め付ける一方、軸孔１４ｃに回転軸２を固定することにより、永久磁石３に働く回転トルクを回転軸２に伝達するように構成されているのに加えて、大径部１４ｅによって補強リング５の端部を覆うことにより、永久磁石３が固定子側に対して露出することを防止している。

上述した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、実施例１による効果に加えて、高速回転による遠心力で補強リング５と側面部材１４との間に微小な隙間が生じたとしても、そこから永久磁石３の粉末が漏れ出ることがなく、回転機や回転機以外の装置に永久磁石３の粉末が飛散することがない。これにより、回転機や周辺機器等の回転機以外の装置の健全性をより向上させることができる。大径部１４ｅによって補強リング５の外周を圧入または焼き嵌めすることができれば、より高い効果が得られる。

本発明は、超高速回転に適用可能な永久磁石式回転機の回転子構造に利用可能であり、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永久磁石式回転電気の回転子構造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の部分断面図、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における側面部材の断面図である。本発明の第２の実施例に係る永久磁石式回転機の回転子構造の部分断面図である。本発明の実施例２における側面部材の断面図である。

符号の説明

１回転子
２回転軸
３永久磁石
４，１４側面部材
４ａ，１４ａ円筒部分
４ｂ，１４ｂ底部
４ｃ，１４ｃ軸孔
５補強リング
６間隙
１４ｄ小径部
１４ｅ大径部

Claims

回転軸の外周部に円筒状に形成された永久磁石を配し、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、
前記永久磁石の両端が突出するように前記永久磁石の外周部に設けられ、内周面が前記永久磁石にのみ接する円筒状の補強部材と、
有底の円筒状に形成され、円筒部分に前記永久磁石の前記補強部材から突出した部分を嵌入する一方、底部に形成された軸孔に前記回転軸が嵌入されて、前記永久磁石および前記回転軸と一体動可能に構成された側面部材と
を備えたことを特徴とする永久磁石式回転機の回転子構造。
前記側面部材は前記円筒部分に小径部と大径部とを有し、前記小径部が前記永久磁石の前記補強部材から突出した部分を嵌入する一方、前記大径部が前記補強部材の端部を被覆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。
前記補強部材が、ガラス繊維強化プラスチックまたは炭素繊維強化プラスチックからなる
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の永久磁石式回転機の回転子構造。