JP6370521B1 - 回転子及び回転電機 - Google Patents

Abstract

回転子（１０）は、筒状のスリーブ（２）と、スリーブ（２）の外周（２ｏ）に間隔を空けて配置された複数の分割磁石（３）とを備える。回転子（１０）は、無機材料で形成され、複数の分割磁石（３）の間でスリーブ（２）の外周（２ｏ）に配置された複数の極間部材（４）を備える。回転子（１０）は、周方向に一体構造の部品であり、複数の分割磁石（３）及び複数の極間部材（４）の外周（３ｏ，４ｏ）に配置された補強スリーブ（５）を備える。

Description

本発明は、表面永久磁石方式の回転子及び回転電機に関する。

分割磁石、スリーブ及び補強スリーブで構成される回転子部材をシャフトに固定した表面磁石型モータの回転子は、シャフトを回転子部材の回転子コアであるスリーブ内に圧入して締結することで、スリーブの外周に配置された分割磁石には内径側から外径側へ向かう拡径方向の力が加わる。したがって、シャフトを回転子部材に圧入した際に、補強スリーブには分割磁石から押し広げようとする力が加わる。ここで、補強スリーブは高強度かつ高剛性の材料で形成されており、分割磁石から加わる力を破断せずに受け止める。したがって、分割磁石は、内径側のスリーブと、外径側の補強スリーブとで両面から挟み込まれ締結される。分割磁石がスリーブと補強スリーブとに挟み込まれることにより、モータ駆動時に回転子がトルクを発生させる際に、分割磁石が円周方向に空転せずにシャフトに追従することができる。

特許文献１に開示される発明のように、スリーブの外周に配置される複数の分割磁石同士の間は空隙となっている。

特開昭５９−１１７４５０号公報

分割磁石から補強スリーブに加えられる力は、シャフト圧入による力だけでなく、回転子が回転する際に、分割磁石の遠心力による力も発生する。しかしながら、特許文献１に開示される発明は、分割磁石同士の間が空隙であるため、回転子の回転時に遠心力によって補強スリーブに生じる応力が周方向に均一ではない。すなわち、遠心力によって補強スリーブにかかる応力は、分割磁石が配置されている部分と空隙の部分とで異なっている。したがって、分割磁石が配置された部分と空隙の部分との境界の部分には、遠心力によって発生する応力の大きさの違いによって剪断力が発生し、疲労により補強スリーブの強度が低下してしまう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、回転時の遠心力による補強スリーブの強度の低下を抑制した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、筒状のスリーブと、スリーブの外周に間隔を空けて配置された複数の分割磁石と、無機材料で形成され、複数の分割磁石の間でスリーブの外周に配置された複数の極間部材とを備える。本発明は、周方向に一体構造の部品であり、複数の分割磁石及び複数の極間部材の外周に配置された補強スリーブを備える。

本発明に係る回転子は、回転時の遠心力による補強スリーブの強度の低下を抑制できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る回転子の回転軸に垂直な断面図 実施の形態１に係る回転子の回転軸に沿った断面図 実施の形態１に係る回転子の回転軸に沿った断面図 実施の形態１に係る回転子のスリーブの外周に極間部材を配置した状態での回転軸に垂直な断面図 実施の形態１に係る回転子のスリーブの外周に分割磁石を配置した状態での回転軸に垂直な断面図 実施の形態１に係る回転子の分割磁石の外周に補強スリーブを配置した状態での回転軸に垂直な断面図 本発明の実施の形態２に係る回転子のシャフトを圧入する前のスリーブと極間部材との接触状態を示す図 実施の形態１に係る回転子のシャフトを圧入する前のスリーブと極間部材との接触状態を示す図 本発明の実施の形態３に係る回転子の極間部材の断面形状を示す図 実施の形態３に係る回転子の極間部材を形成するのに素材を加工する必要がある部分を示す図 本発明の実施の形態４に係る回転子の極間部材とスリーブとの接触状態を示す図 実施の形態１から４のいずれかに係る回転子を用いた回転電機の構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係る回転子及び回転電機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、本発明の実施の形態１に係る回転子の回転軸に垂直な断面図である。図２及び図３は、実施の形態１に係る回転子の回転軸に沿った断面図である。図２は、図１中のII-II線における断面を示し、図３は、図１中のIII-III線における断面を示す。実施の形態１に係る回転子１０は、筒状のスリーブ２と、スリーブ２の外周２ｏに間隔を空けて複数配置された分割磁石３と、分割磁石３同士の空隙に配置された複数の極間部材４と、分割磁石３及び極間部材４の外周３ｏ，４ｏに配置された補強スリーブ５とを有する。回転子１０は、スリーブ２に挿入されて、スリーブ２を押し広げるシャフト１をさらに有している。回転子１０は、軸Ｏを回転軸にして回転する。

スリーブ２は、内周２ｉがテーパを有している。シャフト１は、側面１ｓがテーパを有するテーパシャフトであり、スリーブ２に圧入されている。側面１ｓがテーパを有するシャフト１をスリーブ２に圧入することにより、分割磁石３を加熱することなくシャフト１とスリーブ２とを固定できる。分割磁石３及び極間部材４は、シャフト１が圧入されたスリーブ２と、補強スリーブ５との間に挟まれて、スリーブ２との間に生じる摩擦力及び補強スリーブ５との間に生じる摩擦力によって固定されている。

補強スリーブ５は、継ぎ目のない一体構造の部品である。補強スリーブ５の材料には、シャフト１をスリーブ２に圧入した際に拡径方向の力が内周５ｉに加わっても塑性変形を生じない強度を有する材料が適用される。補強スリーブ５の材料の一例には、炭素繊維強化プラスチックを挙げることができる。

実施の形態１では、極間部材４の材料には、比重が２よりも大きい無機材料が適用される。分割磁石３の比重が７程度であるのに対し、樹脂材料の比重は、高々２である。したがって、比重が２よりも大きい無機材料で極間部材４を形成することで、分割磁石３同士の間が空隙である場合又は極間部材４を樹脂材料で形成する場合よりも、極間部材４の遠心力によって発生して補強スリーブ５に加わる力と分割磁石３が配置されている部分において遠心力によって発生して補強スリーブ５に加わる力とが均一化される。なお、極間部材４の比重が分割磁石３の比重に近いほど補強スリーブ５に加えられる力が均一化されることは言うまでもない。

極間部材４の材料は、磁性材料であっても良い。極間部材４に適用する磁性材料には、比重７．９の炭素鋼、比重７．９のクロムモリブデン鋼、比重７．８のフェライト系ステンレス鋼及び比重７．８のマルテンサイト系ステンレス鋼を例示できるが、これらに限定はされない。

なお、極間部材４の材料は、回転子１０を構成する磁気回路を考慮した場合、非磁性材料であることが好ましい。これは、極間部材４が磁性材料である場合、分割磁石３が発する磁束が極間部材４を鎖交してしまい、起磁力が弱まるためである。すなわち、極間部材４を非磁性材料で形成すれば、回転子１０の起磁力が弱まることはない。極間部材４に適用する非磁性材料には、比重２．７のアルミニウム、比重４．５のチタン、比重７．９のオーステナイト系ステンレス鋼を例示できるが、これらに限定はされない。

実施の形態１に係る回転子１０の組立手順について説明する。図４は、実施の形態１に係る回転子のスリーブの外周に極間部材を配置した状態での回転軸に垂直な断面図である。まず、スリーブ２の外周２ｏに極間部材４を接着剤で設置する。極間部材４を配置する際には、治具を用いて位置決めを行うことで、極間部材４の間隔を規定の値にする。

その後、スリーブ２の外周２ｏの極間部材４同士の間の部分に分割磁石３を接着剤で設置する。図５は、実施の形態１に係る回転子のスリーブの外周に分割磁石を配置した状態での回転軸に垂直な断面図である。ここで、極間部材４間の間隔を分割磁石３の寸法と等しくすることにより、分割磁石３は極間部材４間に配置するだけで位置決めを行えるため、治具を用いて分割磁石３の位置決めを行う必要が無くなり、製作が容易となる。なお、極間部材４間の間隔は、位置決めの誤差の許容範囲であれば、分割磁石３よりも大きくても良い。モータ特性上、分割磁石３同士の隙間は寸法を均等にすることが望ましい。

また、スリーブ２の外周２ｏに極間部材４及び分割磁石３を接着剤により設置する工程において、製作コスト削減に向けて時間短縮化を図るにあたり、接着剤は硬化時間が短いことが好ましい。したがって、極間部材４及び分割磁石３をスリーブ２の外周２ｏに設置する接着剤には、即硬性の接着剤を用いるとよい。なお、極間部材４及び分割磁石３は、同じ硬化型の接着剤を用いて設置することが好ましい。極間部材４の設置と分割磁石３の設置とに同じ硬化型の接着剤を用いることにより、接着剤を硬化させる工程を別々に行う必要がなく、工数を削減できる。具体例を挙げると、極間部材４の設置に熱硬化型の接着剤を用い、分割磁石３の設置に嫌気硬化型の接着剤を用いると、接着剤を硬化させる工程を別々に行う必要があるが、極間部材４の設置及び分割磁石３の設置に嫌気硬化型の接着剤を用いれば、接着剤を硬化させる工程は１工程となる。

分割磁石３をスリーブ２の外周２ｏに配置した後に、分割磁石３及び極間部材４の外周３ｏ，４ｏ側に補強スリーブ５を配置する。図６は、実施の形態１に係る回転子の分割磁石の外周に補強スリーブを配置した状態での回転軸に垂直な断面図である。分割磁石３及び極間部材４の外周３ｏ，４ｏ側に補強スリーブ５を配置した後、スリーブ２にシャフト１を圧入して組付けることにより、図１から図３に示した回転子１０が構成される。

実施の形態１に係る回転子１０は、分割磁石３同士の間に極間部材４が配置されているため、回転子１０が回転する際に、分割磁石３が配置されている部分で遠心力によって発生して補強スリーブ５に加わる力と分割磁石３が配置されていない部分で遠心力によって発生して補強スリーブ５に加わる力との差は、分割磁石３同士の間に極間部材４を配置しない場合よりも小さくなる。したがって、回転時の遠心力に起因する疲労による補強スリーブ５の強度の低下を抑制することができる。

実施の形態１では極間部材４の形状は直方体であってもよいし、内周又は外周が円弧状に湾曲するなどしていてもよく、直方体には限定されない。また、スリーブ２にシャフト１ではなく、外周にテーパを持つ別のスリーブを挿入してもよい。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る回転子のシャフトを圧入する前のスリーブと極間部材との接触状態を示す図である。図８は、実施の形態１に係る回転子のシャフトを圧入する前のスリーブ２と極間部材４との接触状態を示す図である。実施の形態２に係る回転子１０の極間部材４の内周４ｉには、回転子１０の円周方向における中央部に軸方向に延びる溝４１が形成されている。この他は実施の形態１に係る回転子１０と同様である。回転子１０の組立手順は、実施の形態１と同様である。

スリーブ２は、シャフト１が圧入されることにより、外径寸法が増大する。したがって、極間部材４の内周４ｉは、シャフト１を圧入した後のスリーブ２の外周２ｏ以上の曲率を持っており、図８に示すように、実施の形態１に係る回転子１０では、シャフト１を圧入する前のスリーブ２の外周２ｏと極間部材４の内周４ｉとはＰ_１部だけで線接触した状態で、接着剤により接着される。実施の形態２に係る回転子１０は、極間部材４の内周４ｉに溝４１が形成されているため、図７に示すように、シャフト１を圧入する前のスリーブ２の外周２ｏと極間部材４の内周４ｉとは、Ｐ_２部及びＰ_３部の２箇所で線接触した状態で、接着剤により接着される。よって、スリーブ２の外周２ｏに極間部材４を安定して配置でき、極間部材４の位置ずれに起因する組立不良が発生しにくい。

なお、極間部材４の内周４ｉではなく、スリーブ２の外周２ｏに溝を設けることによっても、スリーブ２の外周２ｏに極間部材４を安定して配置できる。ただし、スリーブ２に溝を設けると、シャフト１を圧入した際に溝の部分で応力集中が発生する。したがって、回転子１０の強度が低下することを抑制するためには、極間部材４の内周４ｉに溝４１を形成する方がよい。また、スリーブ２の外周２ｏに溝を設けると、極間部材４をスリーブ２の外周２ｏに配置する際に、溝にあわせて極間部材４を配置する必要が生じる。したがって、汎用性の低下を抑制するためには、極間部材４の内周４ｉに溝４１を形成する方がよい。

実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３に係る回転子の極間部材の断面形状を示す図である。実施の形態３に係る回転子１０の極間部材４の側面４２は、回転子１０の軸Ｏと、点Ｍとを結ぶ線Ｌと平行である。点Ｍは、軸Ｏに垂直な断面において外周４ｏがなす弧の中点である。この他は実施の形態１に係る回転子１０と同様である。回転子１０の組立手順は、実施の形態１と同様である。

工業製品の材料となる素材は、平板状又は平棒状で流通することが一般的であるため、回転子１０の軸Ｏと、点Ｍとを結ぶ線Ｌと極間部材４の側面４２とが平行であれば、素材の側面を極間部材４の側面４２に利用することができる。図１０は、実施の形態３に係る回転子の極間部材を形成するのに素材を加工する必要がある部分を示す図である。直方体の素材５０のＡ部、Ｂ部及びＣ部を加工することにより、極間部材４を形成することができる。一方、極間部材４の側面４３が、回転子１０の軸Ｏと点Ｍとを結ぶ線Ｌと平行ではなく、分割磁石の側面に沿った形状とする場合、極間部材４の側面４３は、機械加工によって面を作り出すテーパ出し加工が必要となる。すなわち、素材５０から極間部材４を形成するにあたって、図１０のＡ部、Ｂ部及びＣ部に加えて、Ｄ部及びＥ部も加工する必要がある。したがって、極間部材４の側面４２を、回転子１０の軸Ｏと点Ｍとを結ぶ線Ｌと平行にすることで、極間部材４の側面４２へのテーパ出しの機械加工が不要となり、製造コストを低減することができる。

なお、実施の形態２では、極間部材４の側面４２を平行とするが、平板から極間部材４を切り出す際に製造上の誤差で生じる範囲の角度は許容されるものとする。

なお、実施の形態２と実施の形態３とを組み合わせて、スリーブ２の外周２ｏ及び極間部材４の内周４ｉの一方に溝を設けるとともに、極間部材４の側面４２を、軸Ｏに垂直な断面において外周４ｏがなす弧の中点と、回転子１０の軸Ｏとを結ぶ線Ｌと平行にすることも可能である。

実施の形態４．
図１１は、本発明の実施の形態４に係る回転子の極間部材とスリーブとの接触状態を示す図である。実施の形態４に係る回転子１０は、スリーブ２の外周２ｏに凸部２１が設けられており、極間部材４の内周４ｉに凹部４４が設けられている。この他は実施の形態１に係る回転子１０と同様である。回転子１０の組立手順は、実施の形態１と同様である。

スリーブ２側の凸部２１と極間部材４側の凹部４４とを係合させることにより、回転子１０の回転速度を加減速する際に分割磁石３に作用する慣性力が、スリーブ２及び補強スリーブ５で挟まれることによって極間部材４に生じる摩擦力よりも大きくなっても、極間部材４はスリーブ２及び補強スリーブ５に対してずれることなく回転に追従できる。

なお、スリーブ２の外周２ｏに凹部を設け、極間部材４の内周４ｉに凸部を設けても、極間部材４のずれを防止する効果は得られる。ただし、上述のように、シャフト１を圧入することによってスリーブ２には応力が発生するため、応力集中によるスリーブ２の破損を防ぐためには、スリーブ２の外周２ｏに凸部２１を設け、極間部材４の内周４ｉに凹部４４を設ける方がよい。

なお、実施の形態３と実施の形態４とを組み合わせて、スリーブ２の外周２ｏ及び極間部材４の内周４ｉの一方に凸部を設け他方に凹部を設けるとともに、極間部材４の側面４２を、軸Ｏに垂直な断面において外周４ｏがなす弧の中点と回転子１０の軸Ｏとを結ぶ線Ｌと平行にすることも可能である。

上記の各実施の形態においては、シャフト１がスリーブ２に圧入されるとしたが、テーパを持たないシャフトとスリーブとを焼き嵌めしてもよい。シャフトとスリーブとを焼き嵌めする場合には、分割磁石の磁力が低下しない温度で行う必要がある。分割磁石の磁力が低下する温度は、一例を挙げると１４０℃である。したがって、分割磁石の磁力が低下する温度以下でも設計強度を満たす焼き嵌め代を確保できる場合に、シャフトとスリーブとを焼き嵌めすることが可能となる。

図１２は、実施の形態１から４のいずれかに係る回転子を用いた回転電機の構成を示す図である。実施の形態１から４のいずれかに係る回転子１０は、筒状の固定子２０の中に挿入することにより、回転電機３０を構成することができる。すなわち、実施の形態１から４のいずれかに係る回転子１０を用いることにより、疲労による補強スリーブ５の強度の低下を抑制した回転子１０を備えた回転電機３０を得られる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ シャフト、２ スリーブ、２ｉ，４ｉ，５ｉ 内周、２ｏ，３ｏ，４ｏ 外周、３ 分割磁石、４ 極間部材、５ 補強スリーブ、１０ 回転子、２０ 固定子、２１ 凸部、３０ 回転電機、４１ 溝、４２，４３ 側面、４４ 凹部、５０ 素材。

Claims (7)

1. 筒状のスリーブと、
   前記スリーブの外周に間隔を空けて配置された複数の分割磁石と、
   無機材料で形成され、複数の前記分割磁石の間で前記スリーブの外周に配置された複数の極間部材と、
   周方向に一体構造の部品であり、複数の前記分割磁石及び複数の前記極間部材の外周に配置された補強スリーブとを備え、
   前記極間部材は、内周のみに、軸方向に延びる溝が形成されていることを特徴とする回転子。
2. 前記極間部材の側面は、軸方向と垂直な断面において、外周の中心点と前記回転子の回転軸とを結ぶ線に平行であることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
3. 前記スリーブの外周には、前記極間部材の内周の前記溝と係合する凸部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転子。
4. 前記極間部材は、比重が２よりも大きい材料で形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回転子。
5. 前記極間部材は、非磁性材料で形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の回転子。
6. 前記スリーブは内周にテーパを有し、前記スリーブ内に圧入されるシャフトを備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の回転子。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の回転子と、
   前記回転子が挿入される筒状の固定子とを有することを特徴とする回転電機。

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