JP6026065B1 - 回転電機の回転子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

この発明は、高速回転時の回転子の噛み込みの発生や、磁石の剥がれや損傷の発生を抑制できる回転電機の回転子およびその製造方法を得る。回転子は、軸心位置を貫通する回転軸に固着された界磁鉄心と、上記界磁鉄心に装着された界磁コイルと、上記界磁鉄心の外周部に、周方向に複数配列された磁石と、上記磁石の外周を取り囲むよう配置された外筒部材と、上記界磁鉄心と上記外筒部材との間に配設され、上記磁石を保持する押圧力を発生する押圧部材と、を有する。

Description

この発明は、永久磁石を有する回転電機の回転子およびその製造方法に関し、特に、永久磁石の保持構造に関するものである。

従来の回転電機の回転子では、ばね性を有するＣ字状の補強管を、そのＣ字状の開口を広げるようにして回転子鉄心の外周面に配置された磁石の外側を覆うように装着し、補強管の復元力により磁石を回転子鉄心に保持する構造が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、他の従来の回転電機の回転子では、磁石が接着固定された細長い支持片を回転子鉄心の外周に巻き付けた後、支持片を回転子鉄心に接着固定する構造が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００８−１７８２６５号公報 特表２００２−５３２０４５号公報

特許文献１による従来の回転電機の回転子では、補強管の径方向内方に収縮するばね力により磁石を回転子鉄心に保持しているので、高速回転時に磁石に作用する遠心力が大きくなると、補強管が開いて固定子と接触し、補強管が固定子と回転子との間に噛み込まれ、回転電機が損傷するという課題があった。
また、特許文献２による従来の回転電機の回転子では、支持片に磁石を接着固定しているので、使用時の温度変化が大きい場合、異種材料間の線膨張差により、支持片と磁石との接着界面に大きな応力が発生し、磁石の剥離や損傷が発生するという課題があった。

この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、高速回転時のばね部材の噛み込みの発生や、磁石の剥がれや損傷の発生を抑制できる回転電機の回転子およびその製造方法を得ることを目的とする。

この発明に係る回転電機の回転子は、軸心位置を貫通する回転軸に固着された界磁鉄心と、上記界磁鉄心に装着された界磁コイルと、上記界磁鉄心の外周部に、周方向に複数配列された磁石と、上記磁石の外周を取り囲むよう配置された円環状の外筒部材と、上記界磁鉄心と上記外筒部材との間に配設され、上記磁石を保持する押圧力を発生し、上記磁石における軸方向の一側外方から上記界磁鉄心と上記外筒部材との間に上記軸方向に挿入可能な押圧部材と、を有する。

この発明によれば、磁石が界磁鉄心と外筒部材との間に配設された押圧部材の押圧力により保持されている。そこで、押圧部材が高速回転時に作用する遠心力により径方向外方に突出せず、固定子との噛み込みの発生が抑制される。また、磁石を接着固定することに起因する遠心力や温度変化にともなう接着剥がれや磁石の損傷の発生を抑制できる。

この発明の実施の形態１に係る回転電機を示す分解斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子の構造を示す分解斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子を径方向外方から見た平面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における第１爪状界磁鉄心および第２爪状界磁鉄心の１極分の形状を説明する要部斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子におけるバンド装着状態を示す要部斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子におけるバンドの装着状態を径方向外方から見た要部平面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における磁石の装着状態を径方向外方から見た要部平面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における磁石とバンドの装着状態を径方向外方から見た要部平面図である。 図９のＸ−Ｘ矢視断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における磁石保護部材の装着方法を説明する要部斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における磁石保護部材の装着状態を示す要部斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における磁石保護部材の装着状態を径方向外方から見た要部平面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子におけるばねと壁部材の装着方法を説明する径方向内方から見た要部斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子におけるばねと壁部材の装着方法を説明する径方向外方から見た要部斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における磁石保持構造の完成状態を軸方向から見た端面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子におけるファン取付状態を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における回転時の磁石周りを示す模式図である。 回転電機の回転子の磁石保持構造における温度によりバンドにかかる引っ張り荷重の変化を示した図である。 回転電機の回転子の磁石保持構造がばね型の場合のバンドに作用する応力を説明する模式図である。 回転電機の回転子の磁石保持構造が圧入型の場合のバンドに作用する応力を説明する模式図である。 この発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子における磁石保持構造を説明する模式図である。 この発明の実施の形態３に係る回転電機の回転子を示す分解斜視図である。 この発明の実施の形態３に係る回転電機の回転子を示す斜視図である。

以下、本発明の回転電機の回転子の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る回転電機を示す分解斜視図である。

図１において、回転電機は、回転軸１３に支持された磁極を有する回転子１００と、円環状の固定子鉄心２０１および固定子鉄心２０１に装着されたコイル（図示せず）を有する固定子２００と、リアフレーム３００およびフロントフレーム３０１を有するフレーム部と、を備える。固定子２００は、固定子鉄心２０１の外周両縁部が軸方向両側からリアフレーム３００とフロントフレーム３０１に嵌合され、４本ボルト３０２の締着力により、リアフレーム３００とフロントフレーム３０１に保持される。回転子１００は、回転軸１３をリアフレーム３００とフロントフレーム３０１の軸心位置に装着された軸受（図示せず）に支持されて、固定子２００の内側に、同軸に、かつ回転可能に配設される。

つぎに、回転子１００の構造について説明する。図２はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子の構造を示す分解斜視図、図３はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子を径方向外方から見た平面図、図４はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子を示す斜視図である。なお、図４では、永久磁石およびバンドが省略されている。

回転子１００は、図２に示されるように、励磁電流が流されて磁束を発生する界磁コイル１４と、界磁コイル１４を覆うように設けられ、その磁束によって磁極が形成される、鉄製の第１および第２爪状界磁鉄心１，７と、第１および第２爪状界磁鉄心１，７の軸心位置に固着された回転軸１３と、を備えている。

第１爪状界磁鉄心１は、外周面を円筒形状とし、回転軸挿通穴６が軸心位置を貫通して形成された第１ボス部２と、第１ボス部２の軸方向一端縁部から径方向外側に突出する厚肉リング状の第１継鉄部３と、それぞれ、第１継鉄部３の外周部から軸方向他端側に延び出て、周方向に等角ピッチで配列された８つの第１爪部４と、を有している。第１爪部４は、その最外径面形状を略台形形状とし、周方向幅が先端側に向かって徐々に狭くなり、かつ、径方向厚みが先端側に向かって徐々に薄くなる先細り形状に形成されている。さらに、第１谷部５が、第１継鉄部３の隣り合う第１爪部４間に位置する部位のそれぞれに、径方向内方に窪み、かつ軸方向に貫通するように形成されている。

第２爪状界磁鉄心７は、外周面を円筒形状とし、回転軸挿通穴１２が軸心位置を貫通して形成された第２ボス部８と、第２ボス部８の軸方向他端縁部から径方向外側に突出する厚肉リング状の第２継鉄部９と、それぞれ、第２継鉄部９の外周部から軸方向一端側に延び出て、周方向に等角ピッチで配列された８つの第２爪部１０と、を有している。第２爪部１０は、その最外径面形状を略台形形状とし、周方向幅が先端側に向かって徐々に狭くなり、かつ、径方向厚みが先端側に向かって徐々に薄くなる先細り形状に形成されている。さらに、第２谷部１１が、第２継鉄部９の隣り合う第１爪部１０間に位置する部位のそれぞれに、径方向内方に窪み、かつ軸方向に貫通するように形成されている。

このように構成された第１および第２爪状界磁鉄心１，７は、図４に示されるように、第１および第２爪部４，１０を交互に噛み合わせ、かつ、第１ボス部２の他端面と第２ボス部８の一端面とを突き合わせ、回転軸挿通穴６，１２に圧入された回転軸１３に固着されて、回転子鉄心を構成する。このように構成された回転子鉄心は、外周面が略円筒面に形成され、第１および第２爪部４，１０間のそれぞれの周方向間隔が等しくなるように、第１および第２爪状界磁鉄心１，７の周方向位置が調節されている。そして、界磁コイル１４が、第１および第２ボス部２，８、第１および第２継鉄部３，９および第１および第２爪部４，１０に囲まれた空間内に配設されている。

磁石１５が、周方向に隣り合う第１および第２爪部４，１０間のそれぞれに配設されている。そして、磁石１５のそれぞれは、界磁コイル１４への通電により第１および第２爪部４，１０に発生した磁極からの磁束の漏洩を抑制するように着磁されている。ここでは、磁石１５は、図３に矢印で示されるように、着磁方向が、Ｓ極が発生する第１爪部４からＮ極が発生する第２爪部１０に向かうように着磁配向されている。

外筒部材としてのバンド２０が、周方向に配列された磁石１５の軸方向の両端部を覆うように、第１および第２爪状界磁鉄心１，７の組立体の軸方向両端部に、外嵌状態に装着されている。磁石保護部材２１が、軸方向両側から、周方向に配列された磁石１５の軸方向の両端部に装着されている。さらに、壁部材２２と押圧部材としてのばね部材２３が、磁石保護部材２１のそれぞれの内径側に配設されている。これにより、磁石１５は、磁石保護部材２１を介して作用するばね部材２３の押圧力により、バンド２０に押し付けられ、保持される。

つぎに、磁石１５の保持構造について説明する。図５はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における第１爪状界磁鉄心および第２爪状界磁鉄心の１極分の形状を説明する要部斜視図、図６はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子におけるバンド装着状態を示す要部斜視図、図７はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子におけるバンドの装着状態を径方向外方から見た要部平面図、図８はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における磁石の装着状態を径方向外方から見た要部平面図、図９はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における磁石とバンドの装着状態を径方向外方から見た要部平面図、図１０は図９のＸ−Ｘ矢視断面図、図１１はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における磁石保護部材の装着方法を説明する要部斜視図、図１２はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における磁石保護部材の装着状態を示す要部斜視図、図１３はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における磁石保護部材の装着状態を径方向外方から見た要部平面図、図１４はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子におけるばねと壁部材の装着方法を説明する径方向内方から見た要部斜視図、図１５はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子におけるばねと壁部材の装着方法を説明する径方向外方から見た要部斜視図、図１６はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における磁石保持構造の完成状態を軸方向から見た端面図、図１７はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子におけるファン取付状態を示す斜視図である。なお、図１３では、説明の便宜上、バンド２０が省略されている。各図中、矢印Ｚは回転軸１３の軸方向を示している。

図５において、第１爪状界磁鉄心１には、バンド収納溝１６ａが、第１爪部４のそれぞれの根元側外周面に、周方向の一側から他側に至るように形成されている。磁石受け部１７ａが、バンド収納溝１６ａの深さより薄い径方向厚みで、第１爪部４の周方向の外周縁部から周方向両側に突出するように形成されている。彫り込み部１８ａが、第１谷部５の相対する壁面のそれぞれの外径側に、第１谷部５側、軸方向一端側および径方向外側に開口するように、形成されている。さらに、第１抜け止め突起としての突起１９ａが、各彫り込み部１８ａの軸方向一端部の外径側端部から周方向に突出するように形成されている。

一方、第２爪状界磁鉄心７には、バンド収納溝１６ｂが、第２爪部１０のそれぞれの根元側外周面に、周方向の一側から他側に至るように形成されている。磁石受け部１７ｂが、バンド収納溝１６ｂの深さにより薄い径方向厚みで、第２爪部１０の周方向の外周縁部から周方向両側に突出するように形成されている。彫り込み部１８ｂが、第２谷部１１の相対する壁面のそれぞれの外径側に、第２谷部１１側、軸方向他端側および径方向外側に開口するように、形成されている。さらに、第１抜け止め突起としての突起１９ｂが、各彫り込み部１８ｂの軸方向他端部の外径側端部から周方向に突出するように形成されている。

ここで、周方向に隣り合う第１および第２爪部４，１０の相対する側面が平行な平面となっている。そこで、周方向に隣り合う第１および第２爪部４，１０間が磁石収納空間となる。

バンド２０は、強化剤としてガラス繊維や炭素繊維を用い、繊維方向を周方向とするＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）材料で円環状に継ぎ目なく構成されている。バンド２０は、図６に示されるように、第１および第２爪部４，１０の外周面の根元側に設けられたバンド収納溝１６ａ，１６ｂのそれぞれに遊嵌状態に装着されている。そして、図７に示されるように、バンド２０と第２爪部１０の先端面との間に隙間Ｌが形成されるように、バンド収納溝１６ａが形成されている。同様に、バンド２０と第１爪部４の先端面との間に隙間Ｌが形成されるように、バンド収納溝１６ｂが形成されている。

磁石１５は、長さ方向と直交する断面形状が長方形で、長方形断面の短辺と直交する断面が平行四辺形の棒状体に作製されている。磁石１５の平行四辺形断面の長辺で構成される面の、平行四辺形の短辺で構成される面と直交する平面に対する角度が、第１および第２爪部４，１０の相対する側面の、軸方向に対する角度と等しい。また、磁石１５の平行四辺形断面の短辺の長さが、第１および第２爪部４，１０の相対する側面間の周方向距離より僅かに短く、第１および第２爪部４，１０の相対する磁石受け部１７ａ，１７ｂ間の周方向距離より長くなっている。第２爪部１０を挟んで軸方向に突出する２つの磁石１５の端部の相対する側面が、図８に示されるように、軸方向と平行な平坦面１５ａに形成されている。同様に、第１爪部４を挟んで軸方向に突出する２つの磁石１５の端部の相対する側面も、軸方向と平行な平坦面１５ａに形成されている。

なお、磁石１５の長さ方向と直交する断面形状を長方形としたが、実際には、磁石１５の外径側の面は、バンド２０の内径と同じ径の円筒面の一部で構成されている。また、磁石１５の内径側の面も、円筒面の一部で構成されている。

磁石保護部材２１は、樹脂製であり、図１１および図１４に示されるように、外径側の面が磁石１５の内径側の面と同じ径の円筒面の一部で形成され、かつ内径側の面が円筒面の一部で形成された縦壁２１ａと、縦壁２１ａの軸方向の一端部から径方向外方に突出して周方向に延びる庇部２１ｂと、からなるＬ字状に作製される。仕切り部２１ｃが、縦壁２１ａの外径側の面の周方向の中央部、かつ軸方向の一端部側に、縦壁２１ａおよび庇部２１ｂと直交するように立設されている。縦壁２１ａの内径側の面が円筒面の一部で構成され、円柱状の突起２１ｄが、縦壁２１ａの内径側の面の中央部から突出するように形成されている。さらに、突起２１ｅが、縦壁２１ａの周方向の両側面に、周方向の突出量が軸方向の中央部から両端に向かって漸次小さくなる、突出面を円弧面とする凸状に形成されている。

壁部材２２は、図１４および図１５に示されるように、外周面が縦壁２１ａの内径側の面と同じ径の円筒面の一部で構成された基部２２ａと、基部２２ａの外径側の面の中央から突出するように形成された円柱状の突起２２ｂと、を備える。ばね部材２３は、複数の皿ばねを組み合わせて、突起２１ｄ，２２ｂに装着可能に作製されている。

つぎに、磁石１５を第１および第２爪状界磁鉄心１，７の組立体に保持させるには、まず、磁石１５を、図８に示されるように、軸方向から周方向に隣り合う第１および第２爪部４，１０間の磁石収納空間のそれぞれに挿入する。ここで、磁石１５の周方向の側面が、周方向に隣り合う第１および第２爪部４，１０の相対する側面と平行となっている。また、磁石１５の両側面間の周方向距離が、周方向に隣り合う第１および第２爪部４，１０の相対する側面間の周方向距離より僅かに短くなっている。そこで、磁石１５は、周方向に隣り合う第１および第２爪部４，１０の相対する側面に案内されて軸方向にスライド移動し、磁石収納空間に挿入される。また、第１爪部４，又は第２爪部１０を挟んで軸方向に突出する２つの磁石１５の端部の相対する側面が、軸方向と平行な平坦面１５ａに形成されているので、磁石１５の挿入時の互いの干渉が回避される。

ついで、バンド２０が、図９に示されるように、軸方向外側からバンド収納溝１６ａ，１６ｂのそれぞれに遊嵌状態に装着される。これにより、バンド２０は、第１爪部４および第２爪部１０から軸方向の両側に突出する磁石１５の端部をそれぞれ覆っている。そして、磁石１５は、図１０に示されるように、第１および第２爪部４，１０と接触せず、一定の隙間をもって磁石収納空間に収納される。なお、磁石１５を磁石収納空間に収納できれば、磁石１５は、第１および第２爪部４，１０と接触していてもよく、一定の隙間がなくてもよい。

ついで、磁石保護部材２１が、図１１に示されるように、軸方向の一側外方から、縦壁２１ａの周方向両側を、相対する彫り込み部１８ａ内を通して軸方向の他側に移動させる。そして、庇部２１ｂが磁石１５の先端に当接すると、磁石保護部材２１を径方向外方に動かす。そこで、仕切り部２１ｃが、図１３に示されるように、第２爪部１０を挟んで軸方向の一側に突出する磁石１５の端部の平坦面１５ａ間に挿入される。また、突起２１ｄが、突起１９ａの軸方向の他側に、すなわち突起１９ａの界磁コイル１４側に挿入される。これにより、磁石保護部材２１が、図１２に示されるように、周方向に配列された磁石１５の軸方向一端部に装着される。なお、磁石保護部材２１は、周方向に配列された磁石１５の軸方向の他端部にも、同様に装着される。

ついで、図１４および図１５に示されるように、ばね部材２３が突起２２ｂに外嵌状態に装着された壁部材２２を、治具（図示せず）を用いてハンドプレスで、軸方向の一側外方から、磁石保護部材２１の縦壁２１ａの内径側に挿入する。このとき、壁部材２２の基部２２ａが、相対する彫り込み部１８ａの底面上をスライドしつつ軸方向他側に移動する。そして、ばね部材２３が、基部２２ａと縦壁２１ａとの間で圧縮されつつ、基部２２ａとともに軸方向他側に移動し、ついには、縦壁２１ａの内径面に形成された突起２１ｄに嵌合する。このように、ばね部材２３が、略同軸となった突起２１ｄ，２２ｂに外嵌状態に装着されて、基部２２ａと縦壁２１ａとの間に圧入される。このばね部材２３の復元力が、基部２２ａを介して彫り込み部１８ａの底面で受けられて、縦壁２１ａを介して磁石１５を径方向外方に押圧するように作用する。そこで、磁石１５の軸方向の一端部がばね部材２３の復元力によりバンド２０に押圧される。また、ばね部材２３が装着された壁部材２２は、軸方向の他側外方から、磁石保護部材２１の縦壁２１ａの内径側に圧入され、磁石１５の軸方向の他端部がバンド２０に押圧される。

ここで、壁部材２２は、両端部を彫り込み部１８ａ，１８ｂの底面に支持されて、第１谷部５および第２谷部１１に掛け渡される。そして、軸方向外方と界磁コイル１４側とを連結する通風路が、壁部材２２の内径側に確保される。なお、彫り込み部１８ａ，１８ｂの底面が壁部材２２の支持部となる。また、磁石保護部材２１の突起２１ｄと壁部材２２の突起２２ｂとの間の隙間は、ばね部材２３を構成する皿ばね１枚分の厚さより狭くなっており、皿ばねの抜けが防止される。また、バンド２０の周方向に隣り合う第１爪部４の根元部間が、磁石保護部材２１および磁石１５を介して作用するばね部材２３の復元力により径方向外方に変位するので、バンド２０の磁石保護部材２１間の部位が直線状に延びて、遊嵌状態のバンド２０が緊張状態となる。これにより、バンド２０がバンド収納溝１６ａに押し付けられ、第１爪状界磁鉄心１に保持される。同様に、バンド２０が、第２爪状界磁鉄心７に保持される。

これにより、磁石１５が、図１６に示されるように、第１および第２爪状界磁鉄心１，７の組立体に保持される。さらに、板金で作製されたファン２４を第１および第２爪状界磁鉄心１，７に固着して、図１７に示されるように、回転子１００が組み立てられる。

この実施の形態１によれば、磁石１５をバンド２０に押圧保持させるばね部材２３がバンド２０および磁石１５の内径側に配設されているので、回転子１００の高速回転時に、ばね部材２３が回転子１００から外径側に飛び出すことがない。そこで、ばね部材２３が回転子１００と固定子２００との間に噛み込まれることによる回転子１００の損傷が防止される。また、磁石１５がばね部材２３の復元力によりバンド２０に押圧保持されているので、遠心力や温度変化に起因する応力が接着界面に作用して発生する磁石１５の剥離や損傷はない。

回転子１００の高速回転時に、第１および第２爪部４，１０の先端側が径方向外方に変位する。このとき、バンド２０が、第１および第２爪部４，１０の先端に対して隙間Ｌを確保してから離間して第１および第２爪状界磁鉄心１，７に配設されているので、第１および第２爪部４，１０の先端側は、バンド２０と干渉することなく変位する。そこで、磁石１５は、バンド２０により安定して保持される。また、磁石１５が第１および第２爪部４，１０に対して一定の隙間を確保して配設されているので、第１および第２爪部４，１０の先端側は、磁石１５と干渉することなく変位する。そこで、第１および第２爪部４，１０の先端側の変位に起因する磁石１５の損傷の発生が抑制される。

彫り込み部１８ａ，１８ｂが第１および第２谷部５，１１の外径側に形成されている。ばね部材２３の復元力が壁部材２２を介して彫り込み部１８ａ，１８ｂの底面で受けられている。このように、壁部材２２が第１および第２谷部５，１１に架設されているので、壁部材２２と第１および第２谷部５，１１の底部との間に軸方向に貫通する通風路が形成される。そこで、回転子１００の駆動時に、ファン２４により、風が通風路を通って界磁コイル１４側に送り込まれ、界磁コイル１４での発熱が放熱され、界磁コイル１４の温度上昇が抑えられる。これにより、界磁コイル１４の温度上昇に起因するコイルの絶縁被膜の損傷発生が抑制されるとともに、磁石１５が温度上昇することによる熱減磁が抑制される。

磁石１５の内径側の面と磁石保護部材２１の縦壁２１ａの外径側の面が同径の円筒面で構成されているので、磁石１５と縦壁２１ａとが隙間なく接触し、磁石１５の保持の安定性が高められる。
磁石保護部材２１の庇部２１ｂが、径方向に関して、バンド２０の一部および磁石１５と重なるように配設されているので、バンド２０および磁石１５の軸方向の抜けが阻止される。

磁石保護部材２１の仕切り部２１ｃが、第１および第２爪部４，１０を挟んで軸方向に突出する磁石１５の端部の平坦面１５ａ間に、平坦面１５ａと接するように挿入されているので、磁石１５の周方向の位置を精度よく決めることができる。また、ばね部材２３の復元力により、磁石１５をバンド２０に内径側から押圧しているので、磁石１５の径方向の位置を精度よく決めることができる。これにより、バンド２０に対する磁石１５の位置精度が高められる。さらに、磁石１５を第１および第２爪部４，１０に対して一定の隙間を確保して磁石収納空間内に配設することができる。

磁石保護部材２１が装着された状態では、縦壁２１ａの周方向両側部に形成された突起２１ｅが、彫り込み部１８ａ，１８ｂの外径側端部に形成された突起１９ａ，１９ｂの軸方向内側に位置している。すなわち、突起２１ｅ，１９ａ，１９ｂが軸方向に重なっている。そこで、磁石保護部材２１の軸方向外方への移動が、突起２１ｅ，１９ａ，１９ｂの接触により規制されるので、磁石保護部材２１の抜けが阻止される。なお、磁石保護部材２１の装着時には、図１１に示されるように、磁石保護部材２１を軸方向に移動させ、突起２１ｅが突起１９ａ，１９ｂを通り過ぎた後、磁石保護部材２１を径方向外方に移動させることで、突起２１ｅと突起１９ａ，１９ｂとの干渉を回避している。

また、樹脂製の磁石保護部材２１が磁石１５とばね部材２３との間に配設されているので、硬くて脆い材料である磁石１５と、金属で作られているばね部材２３とが直接接触することがなく、磁石１５を傷つけることがない。
また、複数の皿ばねを組み合わせてばね部材２３を構成しているので、皿ばねの円筒軸に対してばね部材２３そのものが傾くことができる。そこで、２つの磁石１５の間に厚みの差があった場合でも、ばね部材２３自身が傾くことにより、段差の影響を吸収して、２つの磁石１５に押圧荷重を加えることができる。

第１および第２爪状界磁鉄心１，７を一体に組み立てた後、磁石１５を装着することができるので、第１および第２爪状界磁鉄心１，７に回転軸１３を圧入した状態で、第１および第２爪状界磁鉄心１，７に切削作業を行った場合でも、切粉が磁石１５に付着することがない。

バンド２０をバンド収納溝１６ａ，１６ｂに装着した後、ばね部材２３のばね力により磁石１５を内径側からバンド２０に押し付けているので、バンド２０を圧入等により周方向に配列された磁石群に外嵌状態に装着する場合に想定される、バンド２０と磁石１５との擦れに起因するバンド２０のＦＲＰ繊維の破断や磁石１５の破損を防止することができ、組立工程での信頼性が向上することができる。

つぎに、回転子１００の高速回転時のバンド２０、磁石１５および第１および第２爪部４，１０の挙動について図１８を参照しつつ説明する。図１８はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における回転時の磁石周りを示す模式図である。図１８中、点線は回転子の停止時の各部材の位置を示し、実線は回転子の高速回転時の各部材の位置を示している。

回転子１００の回転時には、遠心力が、バンド２０、磁石１５および第１および第２爪部４，１０に作用する。そして、回転子１００の高速回転時には、バンド２０は径方向外方に変位し、第１および第２爪部４，１０は先端側が径方向外方に変位する。しかし、磁石１５は軸方向両端部をバンド２０により固定されているので、磁石１５は、その軸方向の中央部が径方向外方に膨らむように変位する。また、磁石１５は、通常、磁性材料を焼結処理して作製されているため、比較的脆性が高い。そのため、曲げに対する応力耐性が低く、変形に弱い。実施の形態１では、高速回転時の磁石１５の中央部の径方向外方への膨らみが、磁石受け部１７ａ，１７ｂに接して、抑えられる。そこで、磁石１５の変形量が、磁石１５の曲げ応力以下となるように、磁石１５と磁石受け部１７ａ，１７ｂとの間の隙間を設定することで、磁石１５の破損を確実に防ぐことができる。したがって、磁石受け部１７ａ，１７ｂは、第１および第２爪部４，１０の軸方向の全域に設ける必要はなく、少なくとも、第１および第２爪部４，１０の軸方向の中央領域に設けられていればよい。

つぎに、ばね部材の復元力を用いて磁石１５を内径側からバンド２０に押し付ける磁石保持構造（以下、ばね型とする）と、周方向に配列された磁石１５の群にバンド２０を外嵌状態に圧入し、バンド２０に張力を付与して磁石１５に押付力を付与する磁石保持構造（以下、圧入型とする）とを対比し、ばね型の効果を説明する。図１９は回転電機の回転子の磁石保持構造における温度によりバンドにかかる引っ張り荷重の変化を示した図、図２０は回転電機の回転子の磁石保持構造がばね型の場合のバンドに作用する応力を説明する模式図、図２１は回転電機の回転子の磁石保持構造が圧入型の場合のバンドに作用する応力を説明する模式図である。

バンド２０により磁石１５を回転子に固定するには、回転によって生じる周方向の最大加速度、もしくは最大トルクで駆動する際に磁石１５に作用する電磁力を上回る摩擦保持力を磁石１５とバンド２０との間に生じさせる必要がある。この必要な摩擦保持力を奏するために必要なバンドにかかる引っ張り応力は、図１９における初期組立時の引っ張り応力であり、保持方法によらず一定の値となる。

しかし、界磁コイル１４の発熱により第１および第２爪状界磁鉄心１，７が高温になると、第１および第２爪状界磁鉄心１，７が線膨張により径方向外方に膨らむ。一方、バンド２０はＦＲＰで作製されており、線膨張係数はほぼゼロに近い。したがって、温度が高くなるにつれ、バンド２０にかかる面圧が高くなる。面圧が高くなると、繊維の破断などによって樹脂の変形が増加するクリープ変形現象等が顕著になり、経時的にバンド２０の伸長や、面圧の差による応力変化によりバンド２０の疲労破壊等が懸念される。

圧入型では、図２１に示されるように、第１および第２爪状界磁鉄心１，７の温度変化の伴う寸法変化を吸収できない。そこで、図１９に示されるように、温度が高くなると、バンド２０にかかる引っ張り応力が大きくなり、バンド２０にかかる面圧が大きくなり、バンド２０のクリープ変形や疲労破断のリスクが増大してしまう。

一方、ばね型では、図２０に示されるように、第１および第２爪状界磁鉄心１，７の温度変化の伴う寸法変化をばねの伸縮により吸収することできる。そこで、図１９に示されるように、温度が高くなっても、バンド２０にかかる引っ張り応力が圧入型に比べて小さくなり、バンド２０にかかる面圧の増大が抑えられ、バンド２０のクリープ変形や疲労破壊のリスクを軽減することができる。
また、バンド２０は、切れ目のないＦＲＰを用いることで、周状に繊維が連続するため、軽量で高い強度が実現できる。

なお、上記実施の形態１では、磁石がバンド側に配設され、壁部材が界磁鉄心側に配設されているが、磁石が界磁鉄心側に配設され、壁部材がバンド側に配設されてもよい。この場合、磁石は、磁石と壁部材との間に配設されたばね部材の押圧力により径方向内方に押圧されて界磁鉄心に保持される。この構成によっても、実施の形態１と同様に、バンドの寸法変化をばねの伸縮により吸収することで、バンドにかかる面圧を小さくすることができる。
また、上記実施の形態１では、彫り込み部１８ａ，１８ｂが、谷部の相対する壁面のそれぞれの外径側に、谷部側、軸方向外側および径方向外側に開口するように形成されているが、彫り込み部は、谷部の相対する壁面のそれぞれの外径側に、谷部側および軸方向外側に開口するように形成されてもよい。この場合、第１抜け止め突起は、彫り込み部の天井面に形成される。

実施の形態２．
図２２はこの発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子における磁石保持構造を説明する模式図である。

実施の形態２では、ばね部材としてのコイルばね２６と、壁部材２７とを用い、コイルばね２６の復元力により、磁石１５を内径側からバンド２０に押し付けて、磁石１５を保持している。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

実施の形態２による磁石保持構造について図２２を用いて説明する。なお、図２２は図１６のＢ−Ｂ断面に相当部分を模式的に示している。また、磁石１５の軸方向両端部での磁石保持構造が同じであるので、ここでは、磁石１５の軸方向の一端部の磁石支持構造のみを説明する。

彫り込み部２５ａは、底面が、第１谷部５の周方向中心を通る径方向と直交する平面を、当該平面と底面の軸方向中央部を通る回転軸１３に直交する平面との公差線を中心として回転させ、軸方向一端から軸方向他端側に向かって上り勾配となる傾斜面に形成されている。さらに、第２抜け止め突起としての突起２５ｂが、彫り込み部２５ａの底面の軸方向一端部に形成されている。なお、他の構成は，実施の形態１における彫り込み部１８ａと同様に構成されている。

壁部材２７は、両端部が第１谷部の相対する壁面に形成された両彫り込み部２５ａに挿入できる長さを有する平板状に作製され、一側の表面を厚み方向と直交する平面とし、他側の表面を一側の平面に対して傾斜する傾斜面としている。なお、他側の傾斜面と一側の平面とのなす角度は、彫り込み部２５ａの底面と、第１谷部５の周方向中心を通る径方向と直交する平面とのなす角度に一致している。

まず、図示していないが、バンド２０が第１および第２爪状界磁鉄心１，７の組立体に装着され、磁石１５が第１および第２爪部４，１０間に収納される。
ついで、コイルばね２６を磁石１５の内径側に配置し、壁部材２７を、傾斜面を内径側に向けて、周方向の両端を軸方向一端側から彫り込み部２５ａ内に入れて、コイルばね２６の内径側に挿入する（状態Ａ）。この状態では、コイルばね２６は自由長さであり、壁部材２７が挿入可能となっている。

ついで、壁部材２７を軸方向他側に移動させる。これにより、壁部材２７の傾斜面が突起２５ｂ上をスライド移動し、壁部材２７が径方向外方に変位し、コイルばね２６が圧縮される（状態Ｂ）。さらに、壁部材２７を軸方向他側に移動させ、壁部材２７が突起２５ｂを乗り越えると、壁部材２７の傾斜面がコイルばね２６の復元力により彫り込み部２５ａの底面に当接し、壁部材２７の組み込みが完了する（状態Ｃ）。この状態では、コイルばね２６が圧縮状態となり、その復元力が彫り込み部２５ａの底面で受けられ、磁石１５がバンド２０に押し付けられる。

このように、実施の形態２においても、磁石１５をバンド２０に押圧保持させるコイルばね２６がバンド２０および磁石１５の内径側に配設され、磁石１５がコイルばね２６の復元力によりバンド２０に内径側から押圧されているので、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

この実施の形態２によれば、彫り込み部２５ａの底面と壁部材２７の内径側の面が傾斜面となっているので、コイルばね２６を圧縮させつつ、壁部材２７を押し込む力が小さくなり、磁石１５の保持作業性が向上する。
また、突起２５ｂが彫り込み部２５ａの底面の軸方向一端部に形成されているので、壁部材２７の軸方向他側への移動が、突起２５ｂに接して阻止される。したがって、突起２５ｂが壁部材２７の軸方向の抜け止めとして機能するので、別部材を設けることなく壁部材２７の固定が可能となる。
また、コイルばね２６を用いているので、コイルばね２６の円筒軸に対してコイルばね２６そのものが傾くことができる。そこで、２つの磁石１５の間に厚みの差があった場合でも、コイルばね２６自身が傾くことにより、段差の影響を吸収して、２つの磁石１５に押圧荷重を加えることができる。

なお、上記実施の形態２では、磁石保護部材が省略されているが、上記実施の形態１と同様に、磁石保護部材をコイルばねと磁石との間に配設してもよい。
また、上記実施の形態２では、コイルばねをばね部材として用いているが、皿ばねを組み合わせてばね部材としてもよい。

実施の形態３．
図２３はこの発明の実施の形態３に係る回転電機の回転子を示す分解斜視図、図２４はこの発明の実施の形態３に係る回転電機の回転子を示す斜視図である。

図２３および図２４において、ばね部材としてのばね部３１が、それぞれ、リング状平板に作製された端板３０の一部を切り起こして，周方向に等角ピッチで８つ形成されている。そして、端板３０が、ばね部３１を第１および第２爪状界磁鉄心１，７の組立体に向けて、第１および第２爪状界磁鉄心１，７の組立体の軸方向の両端面に固着されている。第１および第２爪状界磁鉄心１，７の組立体の軸方向一側では、ばね部３１が、磁石保護部材２１により内径側に撓んで、第１谷部５のそれぞれに挿入されている。第１および第２爪状界磁鉄心１，７の組立体の軸方向他側では、ばね部３１が、磁石保護部材２１により内径側に撓んで、第２谷部１１のそれぞれに挿入されている。そこで、磁石１５は、内径側に撓んだばね部３１の復元力により、バンド２０に押し付けられる。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

このように構成された回転電機１０１では、磁石１５をバンド２０に押圧保持させるばね部３１がバンド２０および磁石１５の内径側に配設され、磁石１５がばね部３１の復元力によりバンド２０に内径側から押圧されている。したがって、実施の形態３においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

この実施の形態３によれば、ばね部３１が端板３０の一部を切り起こして作製されているので、端板３０のばね部３１の外径側の部位が、磁石保護部材２１、磁石１５およびバンド２０の軸方向の抜け止めとして機能する。そこで、第１抜け止め突起としての突起１９ａ，１９ｂが不要となり、第１および第２爪状界磁鉄心１，７の作製が容易となる。なお、突起１９ａ，１９ｂを残してもよい。
また、端板３０が、第１および第２爪状界磁鉄心１，７の組立体の軸方向の両端面に固着されている。このため、端板３０が、ばね部３１の復元力を受けて、第１および第２爪状界磁鉄心１，７に伝えることができるため、ばね部３１の復元力を受ける彫り込み部１８ａ，１８ｂ、および壁部材２２，２７をなくすことができる。なお、彫り込み部１８ａ，１８ｂ、および壁部材２２，２７を残してもよい。
また、ばね部３１が切り起こされて形成された端板３０の穴部が第１および第２谷部５，１１と相対するように位置し、ファン２４による界磁コイル１４や磁石１５の冷却を妨げることがない。

なお、上記実施の形態３では、ばね部の復元力が磁石保護部材を介して磁石に作用するように構成されているが、磁石保護部材を省略し、ばね部の復元力が直接磁石に作用するように構成されてもよい。
また、上記実施の形態３では、ばね部を端板の一部を切り起こして作製されているが、ファンの基部の一部を切り起こしてばね部を作製してもよい。この場合、端板が不要となり、部品点数を削減できる。

また、上記各実施の形態では、ばね部材として皿ばね、コイルばね、板ばねを用いているが、ばね部材はこれらに限定されず、弾性力を有していればよく、例えばゴムでもよい。
また、皿ばね及びコイルばねは、ばねの円筒軸に対してばねそのものが傾くことができる構造のため、２つの磁石の間に厚みの差があった場合、コイルばね自身が傾くことにより、段差の影響を吸収して、双方の磁石に押圧荷重を加えることができる。

Claims (15)

1. 軸心位置を貫通する回転軸に固着された界磁鉄心と、
   上記界磁鉄心に装着された界磁コイルと、
   上記界磁鉄心の外周部に、周方向に複数配列された磁石と、
   上記磁石の外周を取り囲むよう配置された円環状の外筒部材と、
   上記界磁鉄心と上記磁石との間に配設され、上記磁石を保持する押圧力を発生し、上記磁石における軸方向の一側外方から上記界磁鉄心と上記外筒部材との間に上記軸方向に挿入可能な押圧部材と、を有する回転電機の回転子。
2. 磁石保護部材が、上記磁石と上記押圧部材との間に配設されている請求項１記載の回転電機の回転子。
3. 軸心位置を貫通する回転軸に固着された界磁鉄心と、
   上記界磁鉄心に装着された界磁コイルと、
   上記界磁鉄心の外周部に、周方向に複数配列された磁石と、
   上記磁石の外周を取り囲むよう配置された外筒部材と、
   上記界磁鉄心と上記外筒部材との間に配設され、上記磁石を保持する押圧力を発生する押圧部材と、
   上記磁石と上記押圧部材との間に配設されている磁石保護部材と、
   上記界磁鉄心に形成され、上記磁石保護部材に係合して上記磁石保護部材の軸方向外方の移動を規制する第１抜け止め突起と、を有する回転電機の回転子。
4. 上記磁石保護部材は、軸方向からみて、上記磁石と上記外筒部材の一部を覆う庇部を有することを特徴とする請求項３記載の回転電機の回転子。
5. 軸心位置を貫通する回転軸に固着された界磁鉄心と、
   上記界磁鉄心に装着された界磁コイルと、
   上記界磁鉄心の外周部に、周方向に複数配列された磁石と、
   上記磁石の外周を取り囲むよう配置された外筒部材と、
   上記界磁鉄心と上記外筒部材との間に配設され、上記磁石を保持する押圧力を発生する押圧部材と、
   上記界磁鉄心の上記磁石の内径側に形成された谷部と、
   両端部を上記界磁鉄心に支持されて上記谷部に架け渡されて、上記押圧部材の押圧力を受けている壁部材と、を有する回転電機の回転子。
6. 上記壁部材が、上記界磁鉄心の彫り込み部の上を軸方向に移動可能に構成され、上記壁部材の両端部の内径側の面と上記彫り込み部が、軸方向内側に向かって径方向外方に傾斜する面に形成されている請求項５記載の回転電機の回転子。
7. 第２抜け止め突起が上記彫り込み部の軸方向外端部に形成され、軸方向内側に移動した上記壁部材が上記第２抜け止め突起と係合して軸方向外側への移動を規制されている請求項６記載の回転電機の回転子。
8. 端板が、上記界磁鉄心の軸方向端部に配設されて、上記壁部材の一部を覆っている請求項５記載の回転電機の回転子。
9. 上記押圧部材は、コイルばね、または複数の皿ばねにより構成されている請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
10. 軸心位置を貫通する回転軸に固着された界磁鉄心と、
    上記界磁鉄心に装着された界磁コイルと、
    上記界磁鉄心の外周部に、周方向に複数配列された磁石と、
    上記磁石の外周を取り囲むよう配置された外筒部材と、
    上記界磁鉄心と上記外筒部材との間に配設され、上記磁石を保持する押圧力を発生する押圧部材と、
    上記界磁鉄心の軸方向端部に配設された端板と、を備え、
    上記端板は、上記押圧部材を有する回転電機の回転子。
11. 上記界磁鉄心は、第１爪部が、軸方向一端から軸方向他側に突出して、周方向に配列された第１界磁鉄心と、第２爪部が、軸方向他端から軸方向一側に突出して、周方向に上記第１爪部と交互に並ぶように配列された第２界磁鉄心と、を備え、
    上記磁石は、周方向に隣り合う上記第１爪部と上記第２爪部との間に配設され、
    上記外筒部材が、上記第２爪部から軸方向一側に離間して、上記第１爪部の根元側および上記磁石の軸方向に一端部を覆うように上記第１界磁鉄心に装着された第１外筒部材と、上記第１爪部から軸方向他側に離間して、上記第２爪部の根元側および上記磁石の軸方向の他端部を覆うように上記第２界磁鉄心に装着された第２外筒部材と、を備えている請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
12. 磁石受け部が、上記第１爪部および上記第２爪部の軸方向の中央部の外周縁部から周方向に突出され、上記磁石の周方向の縁部を覆っている請求項１１記載の回転電機の回転子。
13. 上記外筒部材は、繊維方向を周方向とするＦＲＰ材料で、継ぎ目なく円環状に成形されていることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
14. 上記押圧部材は、上記界磁鉄心と上記磁石の間に設けられた弾性力を有するばね部材である請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
15. 請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の回転電機の回転子の製造方法であって、
    上記界磁コイルを上記界磁鉄心に装着する工程と、
    上記界磁コイルが装着された上記界磁鉄心を上記回転軸に挿入固定する工程と、
    上記回転軸に固定された上記界磁鉄心に上記外筒部材を装着した後、上記押圧部材により上記磁石を上記外筒部材に押圧させて、上記外筒部材を上記界磁鉄心に固定させる工程と、
    を有する回転電機の回転子の製造方法。

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