JP6505345B1

JP6505345B1 - 回転子部材、回転子及び回転電機

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Publication number: JP6505345B1
Application number: JP2018566985A
Authority: JP
Inventors: 佳樹岡田; 由晴 ▲高▼島; 勇樹工藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2019-04-24
Anticipated expiration: 2038-01-31
Also published as: WO2019150500A1; JPWO2019150500A1

Abstract

回転子部材（６０）は、シャフトを圧入可能な筒状であり、外周面（３ｅ）に円周方向の全周にわたって連続する溝（３ｆ）が形成されたスリーブ（３１）と、溝（３ｆ）に配置された複数の永久磁石（４ａ，４ｃ）と、溝（３ｆ）の側面と複数の永久磁石（４ａ，４ｃ）の軸方向の端部との間に設置され、複数の永久磁石（４ａ，４ｃ）の両端部を挟み込む固定部材（５１ａ，５１ｂ）と、複数の永久磁石（４ａ，４ｃ）を径方向外側から覆う補強部材（６）とを備える。

Description

本発明は、界磁に永久磁石を使用する回転子部材、回転子及び同期式の回転電機に関する。

工業用途を中心に、回転電機の高効率化、高出力化、及び高速回転化へのニーズが高まっている。

誘導式の回転電機は、回転子に電流が流れる。一方、回転子の界磁に永久磁石を使用する同期式の回転電機は、回転子に電流が流れない。したがって、同期式の回転電機は、回転子が発熱しないため、高効率化及び高出力化の面では、誘導式の回転電機よりも有利である。

同期式の回転電機に用いられている回転子は、シャフトに回転子部材を取り付けた構造である。回転子部材は、シャフトが挿入されるスリーブに永久磁石を固定した構造である。同期式の回転電機の高速回転化を実現するにあたっては、回転時に発生する遠心力によって永久磁石がスリーブから剥離しないように、回転子部材に対策を施す必要がある。

特許文献１には、スリーブの外周面に取り付けられた永久磁石の外周面を炭素繊維強化プラスチックといった高強度合成材料からなる保護カバーで覆うことで、高速回転時の遠心力によって永久磁石がスリーブから剥離することを抑制する構造が開示されている。

特許第５６８９５５０号公報

高速回転時に空転が発生することなくシャフトにトルクを伝達するためには、軸出力トルクを常に上回る摩擦力を永久磁石とスリーブの外周面との間に発生させる必要がある。永久磁石とスリーブの外周面との摩擦力は、シャフトをスリーブに挿入する際のしめ代に依存する。すなわち、圧入するシャフトの外径が大きいほどしめ代が大きくなり、補強部材に永久磁石が強く押し付けられ、永久磁石とスリーブの外周面との摩擦力が大きくなる。回転電機が高速回転化されるのにともない、シャフトをスリーブに挿入する際のしめ代に設定すべき値が必然的に増大している。しめ代が増大すると、スリーブの変形量が大きくなる。スリーブの外周面側の変形量が大きいとスリーブと永久磁石との隙間を埋める接着剤といった固定部材に大きなせん断力が働くことになる。せん断力が接合部材の強度を超えると破断に至り、スリーブと永久磁石との接合強度を向上させる妨げとなる。

特許文献１に開示される発明は、スリーブにテーパ状のシャフトを圧入することでしめ代を付加しているため、必然的にシャフトを圧入した後のスリーブの外周面側に変形が生じ、スリーブと永久磁石との接合強度の向上を妨げる恐れがある。スリーブの変形量を抑制するためにはしめ代を小さくすることが考えられる。しかし、上述した理由により、しめ代を小さくすることは、使用回転速度を制限する要因となり、モータの高速回転化の妨げになる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高速回転時にスリーブから永久磁石が脱落することを抑制した回転子部材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、シャフトを圧入可能な筒状であり、外周面に円周方向の全周にわたって連続する溝が形成されたスリーブと、溝に配置された複数の永久磁石とを備える。本発明は、溝の側面と複数の永久磁石の軸方向の端部との間に設置され、複数の永久磁石の両端部を挟み込む固定部材と、複数の永久磁石を径方向外側から覆う補強部材とを備える。

本発明に係る回転子部材は、高速回転時にスリーブから永久磁石が脱落すること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に係る回転電機の縦断面図実施の形態１に係る回転子部材の縦断面図実施の形態１に係る回転子部材の横断面図実施の形態１に係る回転子部材のロータにシャフトを圧入した際の応力発生の様相を示した縦断面図実施の形態１に係る回転子部材のロータにシャフトを圧入した際の応力発生の様相を示した横断面図実施の形態１に係る回転子部材のスリーブにシャフトを圧入した後の様相を示した模式図実施の形態１に係る回転子部材のスリーブにシャフトが圧入されたときに作用する応力を示した模式図実施の形態１に係る別の回転子部材の縦断面図本発明の実施の形態２に係る回転子部材を用いた回転子の模式図本発明の実施の形態３に係る回転子部材の模式図本発明の実施の形態４に係る回転子部材の模式図

以下に、本発明の実施の形態に係る回転子部材、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に係る回転電機の縦断面図である。図２は、実施の形態１に係る回転子部材の縦断面図である。図３は、実施の形態１に係る回転子部材の横断面図である。なお、図２は、図３中のII-II線に沿った断面を示している。図３は、図２中のIII-III線に沿った断面を示している。実施の形態１に係る回転電機１ａは、内部空間１０ａを持つハウジング１０ｂと、ハウジング１０ｂの内部空間１０ａに静止して固定される環状の固定子９と、固定子９の径方向内側に回転可能に設置された回転子１ｂとを備える。

固定子９は、固定子鉄心７と、固定子鉄心７の周方向に離間して配置された複数のコイル８とを有する。固定子鉄心７は、電磁鋼板の薄板を積層することによって形成できるが、これに限定はされない。複数のコイル８は、回転電機１ａの外部に設置された動力源に接続する動力線８１を通じて電力が伝えられる。

回転子１ｂは、ＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）型とも称される表面永久磁石型の同期式の回転電機１ａに用いられる。回転子１ｂは、筒状の構造体である回転子部材６０と、回転子部材６０を貫通するシャフト２とを有する。回転子部材６０は、円筒形状のスリーブ３１と、円周方向に並ぶようにスリーブ３１に貼り付けられた複数の永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの隙間に配置された間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄと、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ及び間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの外周側を覆う補強部材６とを有する。永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは、希土類磁石又はフェライト磁石である。

スリーブ３１は、構造用炭素鋼等の磁性の金属材料から作成される。また、スリーブ３１の一端部にはシャフト２を挿入する際に、応力集中によってスリーブ３１自体が座屈変形することを抑制するフランジ部３ｃが形成されている。スリーブ３１の外周面３ｅには、円周方向に全周にわたって連続する溝３ｆが形成されており、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ及び間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、溝３ｆの底面に設置されている。

スリーブ３１には、中心軸ＡＸに沿った方向に貫通する貫通穴３ａが形成されている。貫通穴３ａを形成するスリーブ３１の内周面３ｂはテーパ形状を有している。スリーブ３１の貫通穴３ａには、内周面３ｂの形状に合うシャフト２が圧入されている。なお、焼き嵌め若しくは冷やし嵌めと圧入とを組み合せてスリーブ３１の貫通穴３ａにシャフト２を固定してもよい。以下、中心軸ＡＸに沿った方向を「軸方向」という。なお、図示する回転子部材６０のシャフト２は、中空孔２ａを有しているが、これに限定されず、シャフト２は中実軸であってもよい。

複数個の永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ及び間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、スリーブ３１に接着剤によって貼り付けられている。実施の形態１においては、四つの永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと四つの間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄとが円周方向に等間隔で配置されている。また、実施の形態１において、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ及び間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの横断面形状は半径が異なる二つの円から同じ中心角で切り取った扇形同士の差分となる形状である。したがって、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ及び間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、横断面において内周側の辺及び外周側の辺がともに円弧状である。

図示する回転子部材６０は、四つの永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを備えているが、永久磁石の数は、極数に合わせて枚数を増減可能であり、例示する四つに限定されるものではない。

フランジ部３ｃと永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄとは、間に空間を設けて設置されても、密着して設置されてもよい。ただし、フランジ部３ｃと永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄとを密着させる場合は、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄからフランジ部３ｃを介した磁束漏れについて考慮する必要がある。

間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと比重が近い材料で形成されることが好ましい。間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、スリーブ３１及び間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ内部での磁束短絡ロスを考慮すると非磁性材料で形成されることが望ましいが、磁束短絡ロスを許容できるのであれば、非磁性材料でなくてもよい。具体的には、間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、ステンレス、アルミニウム合金、銅合金、鉄合金又は樹脂で形成できるが、これらに限定はされない。

また、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ及び間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの縦断面形状は、矩形状である。永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ及び間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの軸方向の長さは、スリーブ３１の軸方向の長さよりも短い。

補強部材６は、高速回転時の遠心力によって永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ及び間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄがスリーブ３１から剥離することを抑制する。なお、間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを貼付ける作業の作業性の向上及び補強部材６に加わる応力の均等化を目的に設置しているため、補強部材６に加わる応力が補強部材６の疲労強度未満であれば、省略することも可能である。

スリーブ３１の内周面３ｂは、軸方向においてフランジ部３ｃから離れるほど中心軸ＡＸから遠ざかる第１のテーパ面である。スリーブ３１の内周面３ｂのテーパ角θは、回転電機１ａを運転する際の回転子１ｂの回転速度と、必要しめ代とにより異なるが、作業性を考慮すると０°から１０°の範囲に設定することが好ましい。なお、テーパ角θは、中心軸ＡＸとスリーブ３１の内周面３ｂとがなす角度である。

回転子部材６０は、外周面３ｅの溝３ｆの側面と永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ及び間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄとの隙間を埋める固定部材５１ａ，５１ｂを有している。固定部材５１ａ，５１ｂは、環状の部材である。固定部材５１ａ，５１ｂは、樹脂材料又は燒結金属を用いて形成可能であるが、これらの材料に限定はされない。また、固定部材５１ａ，５１ｂは、外周面３ｅの溝３ｆの側面と永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ及び間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄとの隙間に充填した接着剤を固化したものであっても良い。

図４は、実施の形態１に係る回転子部材のロータにシャフトを圧入した際の応力発生の様相を示した縦断面図である。図５は、実施の形態１に係る回転子部材のロータにシャフトを圧入した際の応力発生の様相を示した横断面図である。なお、図４は、図５中のIV-IV線に沿った断面を示している。シャフト２をスリーブ３１に圧入してしめ代を付加することにより、シャフト２とスリーブ３１との空転が防止される。また、シャフト２をスリーブ３１に圧入してしめ代を付加することにより、スリーブ３１は内径及び外径が拡大する方向に変形し、スリーブ３１及び補強部材６には、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを挟持する径方向の応力１１ａ，１１ｂが発生する。

図６は、実施の形態１に係る回転子部材のスリーブにシャフトを圧入した後の様相を示した模式図である。シャフト２が圧入されたことによるスリーブ３１の円周方向の変形１２ａ，１２ｂにより、接着層２１には大きなせん断応力が働き、亀裂１３ａ，１３ｂが生じやすくなる。接着層２１に亀裂１３ａ，１３ｂが発生すると、接着層２１による永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの保持力が低下し、信頼性も低下する。

図７は、実施の形態１に係る回転子部材のスリーブにシャフトが圧入されたときに作用する応力を示した模式図である。スリーブ３１の外周面３ｅの溝３ｆはシャフト２の圧入による径方向の応力１１ａ，１１ｂにより変形するが、軸方向の位置には変化がないため、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは、固定部材５１ａ，５１ｂを支える軸方向の応力１４ａ，１４ｂにより、安定して保持される。したがって、接着層２１に亀裂１３ａ，１３ｂが発生しても、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄとスリーブ３１とが固定部材５１ａを挟む力の反作用によって永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが保持される。スリーブ３１が変形することで補強部材６とスリーブ３１とから永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄに加えられる径方向からの挟持力、及びスリーブ３１が変形することで固定部材５１ａから永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄに加えられる軸方向からの挟持力を向上させることで、接着層２１に亀裂１３ａ，１３ｂが発生した場合であっても、高速回転に耐えうる保持力を発揮させることができる。すなわち、スリーブ３１と永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄとの接合強度の向上を図ることができる。

以上のように、実施の形態１に係る回転子部材６０によれば、高速回転時にスリーブ３１から永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが脱落することを抑制できる。また、実施の形態１に係る回転子部材６０を用いることにより、高速回転可能な回転子１ｂを備えた回転電機を提供できる。

なお、上記の説明において、スリーブ３１は、一端部側にフランジ部３ｃを備えていたが、他端部側にもフランジ部を備えてもよい。図８は、実施の形態１に係る別の回転子部材の縦断面図である。スリーブ３１は、一端部側のフランジ部３ｃに加え、他端部側にもフランジ部３ｄを備えている。スリーブ３１の他端部側にもフランジ部３ｄを設けることにより、シャフト２を圧入する作業を行いやすくなり、スリーブ３１自体が座屈変形することを抑制しやすくなる。スリーブ３１が、フランジ部３ｃ，３ｄを備える場合も、スリーブ３１の外径寸法が軸方向の位置によって異なることを抑えることができるため、回転電機１ａの特性が低下することを抑制できる。また、スリーブ３１がシャフト２を圧入する際に座屈変形しない肉厚を有するのであれば、フランジ部３ｃを省略した構造とすることも可能である。

実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２に係る回転子部材を用いた回転子の模式図である。スリーブ３１の内周面３ｂは、フランジ部３ｃが設けられた一端部側ほど中心軸ＡＸから離れるテーパ面であり、スリーブ３１の一端部側の内周側には、内周面３ｂよりも勾配の大きいテーパ面であるテーパ増大部３ｇが設けられている。すなわち、スリーブ３１の内周側には、シャフト２の圧入方向において前方となる端部にテーパ増大部３ｇが設けられている。内周面３ｂとテーパ増大部３ｇとのテーパ面の角度差は、Δθとなっている。

テーパ増大部３ｇを設けることにより、シャフト２の圧入方向での前方となるスリーブ３１の端部は、テーパ増大部３ｇが設けられていない部分と比較すると、シャフト２が圧入された際の変形量が大きくなる。したがって、テーパ増大部３ｇを設けることにより、固定部材５１ａに働く軸方向の応力１４ａ，１４ｂは、実施の形態１に係る回転子よりも大きくなる。これにより、実施の形態１に係る回転子よりも永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを固定する力が増大する。

実施の形態２に係る回転子は、高速回転時にスリーブ３１から永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが脱落することが抑制されるため、高速回転させることができる。

実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３に係る回転子部材の模式図である。シャフト２には、軸径が拡大された軸径拡大部２ｂが設けられている。軸径拡大部２ｂは、シャフト２をスリーブ３１に圧入した際に、圧入方向において後方となるスリーブ３１の端部に配置される。

軸径拡大部２ｂを設けることにより、シャフト２の圧入方向での後方となるスリーブ３１の端部は、軸径拡大部２ｂが設けられていないシャフトが圧入された場合よりも変形量が大きくなる。したがって、軸径拡大部２ｂを設けることにより、固定部材５１ｂに働く軸方向の応力１４ａ，１４ｂは、実施の形態１に係る回転子よりも大きくなる。これにより、実施の形態３に係る回転子では、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを固定する力は、実施の形態１に係る回転子よりも増大する。

実施の形態３に係る回転子は、高速回転時にスリーブ３１から永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが脱落することが抑制されるため、高速回転させることができる。

実施の形態４．
図１１は、本発明の実施の形態４に係る回転子部材の模式図である。実施の形態４に係る回転子部材６０は、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの端部を覆うスペーサ５０ａ，５０ｂを備えている。永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄとフランジ部３ｃとの間にスペーサ５０ａを追加することにより、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの端面の保護及び補強部材６を直接巻付ける際の作業性を向上することができる。同様に、フランジ部３ｃが設けられた端と反対側の端部にも、リング状のスペーサ５０ｂが設置されている。

スペーサ５０ａ，５０ｂは、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄからの磁束漏れを考慮すると非磁性体であることが好ましい。

実施の形態４に係る回転子部材６０は、実施の形態１に係る回転子部材６０と同様に、高速回転時にスリーブ３１から永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが脱落することを抑制できる。さらに、実施の形態４に係る回転子部材６０は、スペーサ５０ａ，５０ｂが永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの端部を覆うことにより、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの腐食が防止されるため、耐環境性を高めることができる。

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。

１ａ回転電機、１ｂ回転子、２シャフト、２ａ中空孔、２ｂ軸径拡大部、３ａ貫通穴、３ｂ内周面、３ｃ，３ｄフランジ部、３ｅ外周面、３ｆ溝、３ｇテーパ増大部、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ永久磁石、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ間隙部材、６補強部材、７固定子鉄心、８コイル、９固定子、１０ａ内部空間、１０ｂハウジング、３１スリーブ、５０ａ，５０ｂスペーサ、５１ａ，５１ｂ固定部材、６０回転子部材、８１動力線。

Claims

シャフトを圧入可能な筒状であり、両端部にフランジ部を備え、外周面に円周方向の全周にわたって連続する溝が前記フランジ部とは間隔を空けて形成されたスリーブと、
前記溝に配置された複数の永久磁石と、
前記溝の側面と複数の前記永久磁石の軸方向の端部との間に設置され、複数の前記永久磁石の両端部を挟み込む固定部材と、
複数の前記永久磁石を径方向外側から覆う補強部材とを備えることを特徴とする回転子部材。
前記永久磁石の端部を覆うスペーサを備えることを特徴とする請求項１に記載の回転子部材。
前記スリーブの内周面は、前記スリーブの一端部側ほど前記スリーブの中心軸から離れるテーパ面であり、
前記スリーブの一端部側の内周側には、前記内周面よりも勾配の大きいテーパ面であるテーパ増大部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転子部材。
請求項１から３のいずれか１項に記載の回転子部材と、前記回転子部材に圧入されたシャフトとを有することを特徴とする回転子。
前記シャフトは、軸径が拡大された軸径拡大部が設けられており、
前記軸径拡大部は、前記シャフトを前記スリーブに圧入した際に、前記スリーブの他端部に配置されることを特徴とする請求項４に記載の回転子。
請求項４又は５に記載の回転子と、固定子とを備えることを特徴とする回転電機。