JP6730233B2 - 回転子、回転電機及び回転子の製造方法 - Google Patents

回転子、回転電機及び回転子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、回転子、これを備えた回転電機及び回転子の製造方法に関する。
回転子に永久磁石を用いた電動機の一種として、回転部材(スリーブ、回転軸等)の外周側に、永久磁石を配置したSPM(Surface Permanent Magnet)型の電動機が知られている。このSPM型の電動機では、高速回転時に遠心力により永久磁石が回転子から脱落することを抑制するため、回転子の外周側に円筒状の被覆筒(保護筒)が装着されている。被覆筒の材料としては、強度が高く、軽量である等の理由から、繊維強化プラスチック(FRP)、特に炭素繊維強化プラスチック(以下、「CFRP」ともいう)が広く用いられている。従来、CFRPにより形成された被覆筒を永久磁石の配置された回転部材の外周側に装着するための手法として、主に冷やし嵌めが用いられている(例えば、特許文献1、2参照)。
特開平8−107641号公報 特開2005−312250号公報
CFRPにより形成された被覆筒を、冷やし嵌めにより永久磁石の配置された回転部材の外周側に装着する場合、温度変化による氷、結露等の影響を受けるだけでなく、冷却装置の性能にも制約があるため、回転部材の外周側に配置された永久磁石に対して被覆筒を十分な締め代で装着することは困難であった。
本発明は、回転部材の外周側に配置された永久磁石に対して被覆筒をより大きな締め代で装着できる回転子、回転電機及び回転子の製造方法を提供することを目的とする。
(1) 本発明は、回転部材(例えば、後述するスリーブ31)と、前記回転部材の外周側に配置される複数の永久磁石(例えば、後述する永久磁石32)と、前記永久磁石の外周側に装着され、前記永久磁石を被覆する、繊維強化プラスチックにより形成される被覆筒(例えば、被覆筒33)と、を備え、前記回転部材及び前記永久磁石の少なくとも1つは、前記被覆筒の内径以下の第1径域(例えば、後述する第1径域dt1)から前記永久磁石の外径以上の第2径域(例えば、後述する第2径域dt2)まで拡径する拡径周面を有する拡径部(例えば、後述する拡径部40)を備える回転子(例えば、後述する回転子30)に関する。
(2) (1)の回転子において、前記拡径部は、回転軸方向の少なくとも一方の端部に設けられてもよい。
(3) (1)の回転子において、前記拡径部は、回転軸方向の両端部に設けられ、前記被覆筒は、回転軸方向に沿って分割されていてもよい。
(4) (1)から(3)までのいずれかの回転子において、前記拡径部は、前記回転部材の先端部と連結されて構成されてもよい。
(5) (4)の回転子において、前記拡径部及び前記回転部材は、前記拡径部及び前記回転部材の回転中心を一致させるインロー部を備えていてもよい。
(6) (1)から(5)までのいずれかの回転子において、前記拡径部の前記拡径周面は、テーパー状又は曲線状に形成されてもよい。
(7) 本発明は、(1)から(6)までのいずれかの回転子と、前記回転子を支持する回転軸(例えば、後述する回転軸35)と、前記回転子の外周側に設けられる固定子(例えば、後述する固定子20)と、を備える回転電機(例えば、後述する電動機1)に関する。
(8) 本発明は、複数の永久磁石が外周側に配置された回転部材の外側に、繊維強化プラスチックにより形成される被覆筒を装着する回転子の製造方法であって、前記被覆筒を、前記回転部材及び前記永久磁石の少なくとも1つに備えられ、前記被覆筒の内径以下の第1径域から前記永久磁石の外径以上の第2径域まで拡径する拡径周面を有する拡径部の前記第1径域から圧入して、前記被覆筒の内径を前記拡径部の前記第2径域で拡径しながら、前記永久磁石の外周側に挿入する工程を備える回転子の製造方法に関する。
本発明によれば、回転部材の外周側に配置された永久磁石に対して被覆筒をより大きな締め代で装着できる回転子、回転電機及び回転子の製造方法を提供することができる。
第1本実施形態における電動機1の構成を示す断面図である。 回転子30の分解斜視図である。 第1実施形態の回転子30の構成及び製造方法を説明する図である。 第1実施形態の回転子30を示す図である。 第2実施形態の回転子130の構成及び製造方法を説明する図である。 第2実施形態の回転子130の構成及び製造方法を説明する図である。 第2実施形態の回転子130を示す図である。 第3実施形態の回転子230の構成及び製造方法を説明する図である。 第3実施形態の回転子230を示す図である。 第4実施形態の回転子330の構成及び製造方法を説明する図である。 第4実施形態の回転子330の構成及び製造方法を説明する図である。 第4実施形態の回転子330を示す図である。 第5実施形態の回転子430の構成及び製造方法を説明する図である。 第5実施形態の回転子430を示す図である。 第6実施形態の回転子530の構成及び製造方法を説明する図である。 第6実施形態の回転子530を示す図である。 第7実施形態の回転子630の構成及び製造方法を説明する図である。 第7実施形態の回転子630を示す図である。 第8実施形態の回転子730の構成及び製造方法を説明する図である。 第8実施形態の回転子730の構成及び製造方法を説明する図である。 第9実施形態の回転子830の構成及び製造方法を説明する図である。 第9実施形態の回転子830の構成及び製造方法を説明する図である。 第10実施形態の回転子930の構成及び製造方法を説明する図である。 第10実施形態の回転子930の構成及び製造方法を説明する図である。
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本明細書に添付した図面は、いずれも模式図であり、理解しやすさ等を考慮して、各部の形状、縮尺、縦横の寸法比等を、実物から変更又は誇張している。例えば、後述する回転子の製造方法を説明する図においては、回転子の回転軸方向の長さを短く誇張すると共に、永久磁石の全体形状を簡略化している。また、図面においては、部材の断面を示すハッチングを適宜に省略する。
本明細書等において、形状、幾何学的条件、これらの程度を特定する用語、例えば「平行」、「方向」等の用語については、その用語の厳密な意味に加えて、ほぼ平行とみなせる程度の範囲、概ねその方向とみなせる範囲を含む。
本明細書等においては、後述する回転軸35の回転中心となる線を「回転軸線L」と呼称し、この回転軸線Lに沿う方向を「回転軸方向」ともいう。なお、「回転軸線L」、「回転軸方向」は、回転子を構成する各部、例えば、後述するスリーブ、拡径部、永久磁石、スリーブ積層体にも適用される。
(第1実施形態)
まず、第1実施形態の回転子30を備えた、回転電機としての電動機1について説明する。なお、電動機1の構成は、後述する他の実施形態に共通する。
図1は、第1本実施形態における電動機1の構成を示す断面図である。なお、図1に示す電動機1の構成は一例であり、第1実施形態の回転子30を適用可能であれば、どのような構成であってもよい。
図1に示すように、電動機1は、主な構成要件として、フレーム10と、固定子20と、回転子30と、回転軸35と、軸受13と、を備える。
フレーム10は、電動機1の外装部材であり、フレーム本体11と、軸穴12と、を備える。
フレーム本体11は、固定子20を包囲すると共に保持する筐体である。フレーム本体11は、軸受13を介して回転子30を保持する。フレーム本体11は、供給口14、排出口15及び孔部16を備える。供給口14は、固定子枠22の流路23に冷媒を供給するための開口であり、冷媒の供給配管(不図示)に接続されている。排出口15は、流路23を流通した冷媒を排出させるための開口であり、冷媒の排出配管(不図示)に接続されている。孔部16は、固定子20から引き出された動力線27を貫通させるための開口である。
軸穴12は、回転軸35(後述)が貫通する穴である。
固定子20は、回転子30を回転させるための回転磁界を形成する複合部材である。固定子20は、全体として円筒形に形成され、フレーム10の内部に固定されている。固定子20は、鉄心21と、固定子枠22と、を備える。
鉄心21は、内側に巻線26を配置可能な部材である。鉄心21は、円筒形に形成され、固定子枠22の内側に配置されている。鉄心21は、内側面に複数の溝(不図示)が形成され、この溝に巻線26が配置される。なお、巻線26の一部は、鉄心21の軸方向において、鉄心21の両端部から突出している。鉄心21は、例えば、電磁鋼板等の薄板を複数枚重ねて積層体とし、この積層体を接着、かしめ等で一体化することにより作製される。
固定子枠22は、その内側に、鉄心21を保持する部材である。固定子枠22は、円筒形に形成され、固定子20の外側に配置されている。鉄心21は、回転子30のトルクにより生じる反力を受け止めるために、固定子枠22と強固に接合されている。図1に示すように、本実施形態の固定子枠22は、外側面に、鉄心21から伝わる熱を冷却するための流路23を備える。流路23は、固定子枠22の外側面に形成された一条又は多条の螺旋溝である。フレーム本体11(フレーム10)の供給口14から供給された冷媒(不図示)は、固定子枠22の外側面を螺旋状に沿うように流路23内を流通した後、フレーム本体11の排出口15から外部に排出される。
固定子20の鉄心21からは、巻線26と電気的に接続された動力線27が引き出されている。この動力線27は、電動機1の外部に設置された電源装置に接続される(不図示)。電動機1の動作時に、例えば、鉄心21に三相交流電流が供給されることにより、回転子30を回転させるための回転磁界が形成される。
回転子30は、固定子20により形成された回転磁界との磁気的な相互作用により回転する部品である。回転子30は、固定子20の内周側に設けられる。回転子30の構成については、後述する。
回転軸35は、回転子30を支持する部材である。回転軸35は、回転子30の軸中心を貫通するように挿入され、回転子30に固定される。回転軸35には、一対の軸受13が嵌合されている。軸受13は、回転軸35を回転自在に支持する部材であり、フレーム本体11に設けられる。回転軸35は、フレーム本体11及び軸受13により、回転軸線Lを中心として回転自在に支持されている。また、回転軸35は、軸穴12を貫通し、例えば、切削工具のツールチャック、外部に設置された動力伝達機構、減速機構等(いずれも不図示)に接続される。
図1に示す電動機1において、固定子20(鉄心21)に三相交流電流を供給すると、回転磁界が形成された固定子20と回転子30との間の磁気的な相互作用により回転子30に回転力が発生し、その回転力が回転軸35を介して外部に出力される。なお、本実施形態では、電動機1を前述したSPM形の同期電動機として説明するが、電動機1は、例えば、IPM(Interior Permanent Magnet)形の同期電動機であってもよい。
次に、回転子30の構成について説明する。
図2は、回転子30の分解斜視図である。図2に示すように、回転子30は、スリーブ(回転部材)31と、永久磁石32と、被覆筒33と、を備える。
スリーブ31は、複数の永久磁石32が取り付けられる略円筒形状の部材であり、回転軸35(図1参照)と複数の永久磁石32との間に設けられている。複数の永久磁石32は、スリーブ31の周方向に沿って配置されている。スリーブ31は、例えば、炭素鋼等の磁性材料により形成される。内周側にスリーブ31を有する回転子30は、回転軸35の外周に、締まり嵌めにより嵌合される。
永久磁石32は、磁界を発生する部材であり、図2に示すように、スリーブ31の外周側において、周方向に沿って8列設けられている(図2では、手前側の4列のみを図示)。8列の永久磁石32は、スリーブ31の周方向において、N極用の永久磁石32とS極用の永久磁石32とが交互に配置されている。永久磁石32は、スリーブ31の外周面に、接着層34を介して貼り付けられている。本実施形態では、各列の永久磁石32が回転子30の長手方向(X方向)に沿って2分割された例を示すが、これに限らず、永久磁石32は、回転子30の長手方向に沿って3つ以上に分割されていてもよいし、分割されていなくてもよい。また、図2では、本実施形態における永久磁石32の特徴的な構成である拡径部(後述)の図示を省略している。
被覆筒33は、複数の永久磁石32を被覆するための円筒形状の部材である。被覆筒33は、スリーブ31に配置された永久磁石32の外周面に装着される。永久磁石32の外周面に被覆筒33を装着することにより、回転子30の回転によって生じる遠心力により、永久磁石32が回転子30から脱落することを抑制できる。本実施形態では、後述するように、永久磁石32の外周面に直接、被覆筒33を装着する例について説明するが、被覆筒33は、永久磁石32の外周面に、例えば、接着層等を介して装着されてもよい。
被覆筒33は、例えば、CFRP用の繊維シートを、樹脂と共に筒状の治具に巻き付けることにより成形することができる。なお、被覆筒33を形成する素材としては、CFRPのほかに、例えば、ガラス繊維、アラミド繊維、炭化ケイ素繊維、ボロン繊維、チタン合金繊維等の比強度の高い材料を含む繊維強化プラスチックを用いることができる。
被覆筒33は、後述するように、所定の内径まで拡径された状態で回転子30に挿入され、締め代に応じた収縮力により回転子30に装着される。それにより、被覆筒33には、回転子30が回転する際に生じる遠心力に抗して、永久磁石32を保持するのに十分な反力が半径方向の内側に向かって作用する。このように、被覆筒33において、半径方向の内側に向かって反力が作用することにより、遠心力により永久磁石32が回転子30から脱落することが抑制される。半径方向の内側とは、回転子30の外側から回転軸線Lに接近する方向である。
なお、締め代とは、図2に示すように、拡径される前(装着される前)の被覆筒33の内径D1に対して、スリーブ31に配置された永久磁石32の外径D2がオーバーする分(D2−D1)の寸法である。この締め代が大きいほど、被覆筒33を永久磁石32の外周面に装着することが難しくなるが、装着した被覆筒33から、より大きな反力を半径方向の内側に向かって作用させることができる。
次に、第1実施形態における回転子30の構成について説明する。図3Aは、第1実施形態の回転子30の構成及び製造方法を説明する図である。図3Bは、第1実施形態の回転子30を示す図である。図3A及び図3Bは、回転子30の回転軸線L(図1,図2参照)に沿った断面を示している。なお、図3A及び図3Bにおいては、例えば、接着層34等の図示を省略する(他の実施形態の図面についても同様)。
図3Aに示すように、第1実施形態の回転子30は、永久磁石32の回転軸方向の一方の端部に拡径部40が設けられている。拡径部40は、拡径される前(装着される前)の被覆筒33の内径D1以下の第1径域dt1から、永久磁石32の外径D2以上の第2径域dt2まで拡径する拡径周面50を有する。拡径部40は、永久磁石32の回転軸方向の一方の端部において、周方向に沿って設けられている。本実施形態の拡径周面50は、第1径域dt1から第2径域dt2まで一定の勾配比で拡径するテーパー状に形成されている(他の実施形態の拡径部にも共通)。なお、以下の説明においては、外周側に複数の永久磁石32が貼り付けられたスリーブ31を総称して「スリーブ積層体S」ともいう。
本実施形態において、スリーブ積層体Sに被覆筒33を装着する作業は、図3Aに示すように、スリーブ積層体Sにおいて、拡径部40が設けられていない側の端部を作業面Fの上に載置する。そして、スリーブ積層体Sにおいて、拡径部40が設けられた側から被覆筒33を、圧入装置(不図示)により圧力を掛けながらスリーブ積層体Sに挿入する。これにより、挿入された被覆筒33は、永久磁石32の拡径部40(拡径周面50)により、第1径域dt1から第2径域dt2まで徐々に拡径され、図3Bに示すように、スリーブ積層体S(永久磁石32)の外周面に挿入される。スリーブ積層体Sに挿入された被覆筒33は、締め代に応じた収縮力の作用により、スリーブ積層体Sに締まり嵌めにより装着される。
第1実施形態の回転子30によれば、スリーブ31の外周側に配置された永久磁石32に対して、被覆筒33をより大きな締め代で装着できる。これによれば、回転時に生じる遠心力に抗して、永久磁石32をより強い反力で保持できるため、遠心力による永久磁石32の脱落をより効果的に抑制できる。上記効果は、後述する実施形態に共通する。
(第2実施形態)
図4A及び図4Bは、第2実施形態の回転子130の構成及び製造方法を説明する図である。図4Cは、第2実施形態の回転子130を示す図である。図4A〜図4Cは、回転子130の回転軸線L(図1,図2参照)に沿った断面を示している。
第2実施形態の回転子130は、拡径部及び被覆筒の構成が第1実施形態と相違する。第2実施形態において、その他の構成は、第1実施形態と同じである。そのため、第2実施形態の説明及び図面において、第1実施形態と同等の部材等には、第1実施形態と同一の符号又は末尾(下2桁)に同一の符号を付し、構成、作用等の説明を適宜に省略する。
図4Aに示すように、第2実施形態の回転子130は、永久磁石32の回転軸方向の両端部に拡径部140が設けられている。また、第2実施形態の被覆筒33は、第1被覆筒33a及び第2被覆筒33bにより構成される。第1被覆筒33a及び第2被覆筒33bは、被覆筒33を、回転軸方向の中間で2分割したものである。
本実施形態において、スリーブ積層体Sに被覆筒33を装着する作業は、図4Aに示すように、スリーブ積層体Sのいずれか一方の端部を作業面Fの上に載置する。そして、スリーブ積層体Sの上側から第1被覆筒33aを、圧入装置(不図示)により圧力を掛けながらスリーブ積層体Sに挿入する。これにより、挿入された第1被覆筒33aは、永久磁石32の拡径部140により拡径され、スリーブ積層体S(永久磁石32)の上側半分の外周面に挿入される。第1被覆筒33aは、締め代に応じた収縮力の作用により、スリーブ積層体Sの下側部分に締まり嵌めにより装着される。
続いて、スリーブ積層体Sの上下方向を入れ替えて、図4Bに示すように、第1被覆筒33aが下側となるようにスリーブ積層体Sを作業面Fの上に載置する。そして、スリーブ積層体Sの上側から第2被覆筒33bを、圧入装置により圧力を掛けながらスリーブ積層体Sに挿入する。これにより、挿入された第2被覆筒33bは、永久磁石32の拡径部140により拡径され、図4Cに示すように、スリーブ積層体Sの上側半分の外周面に挿入される。第2被覆筒33bは、締め代に応じた収縮力の作用により、スリーブ積層体Sの上側部分に締まり嵌めにより装着される。このように、第2実施形態の回転子130においては、第1被覆筒33a及び第2被覆筒33bが順に装着されることにより、被覆筒33が一体化される。
第2実施形態の回転子130は、被覆筒33が2分割されているため、第1実施形態のように、1つの被覆筒33をスリーブ積層体Sに挿入する場合に比べて、それぞれの被覆筒(33a,33b)をスリーブ積層体Sに挿入する際の抵抗をより小さくできる。これによれば、被覆筒33の締め代を大きくすることにより、被覆筒33を挿入する際の抵抗が大きくなっても、被覆筒33を挿入する際の抵抗により、スリーブ積層体Sに変形等が生じる不具合を抑制できる。なお、第2実施形態では、被覆筒33を2分割した例について説明したが、被覆筒33は、3分割以上であってもよい。
(第3実施形態)
図5Aは、第3実施形態の回転子230の構成及び製造方法を説明する図である。図5Bは、第3実施形態の回転子230を示す図である。図5A及び図5Bは、回転子230の回転軸線L(図1,図2参照)に沿った断面を示している。
第3実施形態の回転子230は、拡径部がスリーブに設けられている点が第1実施形態と相違する。第3実施形態において、その他の構成は、第1実施形態と同じである。そのため、第3実施形態の説明及び図面において、第1実施形態と同等の部材等には、第1実施形態と同一の符号又は末尾(下2桁)に同一の符号を付し、構成、作用等の説明を適宜に省略する。
図5Aに示すように、第3実施形態の回転子230(スリーブ積層体S)は、スリーブ31の回転軸方向の一方の端部に拡径部240が設けられている。拡径部240の構成は、第1実施形態の拡径部40と実質的に同じである。拡径部240は、スリーブ31と一体に形成され、スリーブ31の回転軸方向の一方の端部において、周方向に沿って設けられている。拡径部240の拡径側と永久磁石32の外周面とは、略面一となっている。
本実施形態において、スリーブ積層体Sに被覆筒33を装着する作業は、図5Aに示すように、スリーブ積層体Sにおいて、拡径部240が設けられていない側の端部を作業面Fの上に載置する。そして、スリーブ積層体Sにおいて、拡径部240が設けられた側から被覆筒33を、圧入装置(不図示)により圧力を掛けながらスリーブ積層体Sに挿入する。これにより、挿入された被覆筒33は、スリーブ31の拡径部240により拡径され、図5Bに示すように、スリーブ積層体S(永久磁石32)の外周面に挿入される。スリーブ積層体Sに挿入された被覆筒33は、締め代に応じた収縮力の作用により、スリーブ積層体Sに締まり嵌めにより装着される。
第3実施形態の回転子230によれば、拡径部240がスリーブ31に設けられているため、被覆筒33をスリーブ積層体Sに挿入した際の永久磁石32の位置ずれを抑制できる。
(第4実施形態)
図6A及び図6Bは、第4実施形態の回転子330の構成及び製造方法を説明する図である。図6Cは、第4実施形態の回転子330を示す図である。図6A〜図6Cは、回転子330の回転軸線L(図1,図2参照)に沿った断面を示している。
第4実施形態の回転子330は、拡径部及び被覆筒の構成が第3実施形態と相違する。第4実施形態において、その他の構成は、第3実施形態と同じである。そのため、第4実施形態の説明及び図面において、第3実施形態と同等の部材等には、第1実施形態と同一の符号又は末尾(下2桁)に同一の符号を付し、構成、作用等の説明を適宜に省略する。
図6Aに示すように、第4実施形態の回転子330(スリーブ積層体S)は、スリーブ31の回転軸方向の両端部に拡径部340が設けられている。また、第4実施形態の被覆筒33は、第1被覆筒33a及び第2被覆筒33bにより構成される。第1被覆筒33a及び第2被覆筒33bは、第2実施形態と同じく、被覆筒33を、回転軸方向の中間で2分割したものである。
本実施形態において、スリーブ積層体Sに被覆筒33を装着する作業は、図6Aに示すように、スリーブ積層体Sのいずれか一方の端部を作業面Fの上に載置する。そして、スリーブ積層体Sの上側から第1被覆筒33aを、圧入装置(不図示)により圧力を掛けながらスリーブ積層体Sに挿入する。これにより、挿入された第1被覆筒33aは、スリーブ31の拡径部340により拡径され、スリーブ積層体S(永久磁石32)の上側半分の外周面に挿入される。第1被覆筒33aは、締め代に応じた収縮力の作用により、スリーブ積層体Sの下側部分に締まり嵌めにより装着される。
続いて、スリーブ積層体Sの上下方向を入れ替えて、図6Bに示すように、第1被覆筒33aが下側となるようにスリーブ積層体Sを作業面Fの上に載置する。そして、スリーブ積層体Sの上側から第2被覆筒33bを、圧入装置により圧力を掛けながらスリーブ積層体Sに挿入する。これにより、挿入された第2被覆筒33bは、スリーブ31の拡径部340により拡径され、図6Cに示すように、スリーブ積層体Sの上側半分の外周面に挿入される。第2被覆筒33bは、締め代に応じた収縮力の作用により、スリーブ積層体Sの上側部分に締まり嵌めにより装着される。このように、第4実施形態の回転子330においては、第1被覆筒33a及び第2被覆筒33bが順に装着されることにより、被覆筒33が一体化される。
第4実施形態の回転子330は、被覆筒33が2分割されているため、第2実施形態と同様に、被覆筒33の締め代を大きくすることにより、被覆筒33を挿入する際の抵抗が大きくなっても、被覆筒33を挿入する際の抵抗により、スリーブ積層体Sに変形等が生じる不具合を抑制できる。なお、第4実施形態では、被覆筒33を2分割した例について説明したが、被覆筒33は、3分割以上であってもよい。
(第5実施形態)
図7Aは、第5実施形態の回転子430の構成及び製造方法を説明する図である。図7Bは、第5実施形態の回転子430を示す図である。図7A及び図7Bは、回転子430の回転軸線L(図1,図2参照)に沿った断面を示している。
第5実施形態の回転子430は、スリーブ本体に拡径部が設けられてスリーブが構成される点が第3実施形態と相違する。第5実施形態において、その他の構成は、第3実施形態と同じである。そのため、第5実施形態の説明及び図面において、第3実施形態と同等の部材等には、第3実施形態と同一の符号又は末尾(下2桁)に同一の符号を付し、構成、作用等の説明を適宜に省略する。
図7(A)に示すように、第5実施形態の回転子430(スリーブ積層体S)において、スリーブ31は、スリーブ本体(回転部材本体)311と、拡径部440と、を備える。
スリーブ本体311は、後述する拡径部440と共にスリーブ31を構成する略円筒形の部材である。スリーブ本体311は、回転軸方向の一方の端部に凹部314が設けられている。凹部314は、拡径部440の凸部460(後述)と嵌合可能な凹形状を有する。拡径部440の凸部460は、スリーブ31の凹部314に、例えば、接着、かしめ、ネジ、嵌め合い構造等により接合される。
拡径部440は、略リング状に形成された部材であり、スリーブ本体311の回転軸方向の一方の端部に設けられる。拡径部440は、拡径周面450と、凸部460と、を備える。拡径周面450は、例えば、第1実施形態の拡径部40に形成された拡径周面50と同じであり、第1径域dt1から第2径域dt2まで一定の勾配比で拡径するテーパー状に形成されている(図3A参照)。凸部460は、スリーブ31の回転軸方向の一方の端部に設けられた凹部314と嵌合可能な凸形状を有する部分であり、拡径部440の周方向に沿って設けられている。拡径部440は、スリーブ31と同じ材料により形成されることが好ましい。なお、拡径部440は、回転子30(電動機1)の使用時には、スリーブ31(回転子30の一部)として回転する。
本実施形態において、スリーブ積層体Sに被覆筒33を装着する作業は、図7Aに示すように、スリーブ積層体Sにおいて、凹部314が設けられていない側の端部を作業面Fの上に載置する。そして、スリーブ積層体Sの凹部314と拡径部440の凸部460とを嵌合させ、上述した手法により両者を一体に接合する。
そして、拡径部440が設けられた側から、被覆筒33を、圧入装置(不図示)により圧力を掛けながらスリーブ積層体Sに挿入する。これにより、挿入された被覆筒33は、スリーブ31に取り付けられた拡径部440により拡径され、図7Bに示すように、スリーブ積層体S(永久磁石32)の外周面に挿入される。スリーブ積層体Sに挿入された被覆筒33は、締め代に応じた収縮力の作用により、スリーブ積層体Sに締まり嵌めにより装着される。
第5実施形態の回転子430によれば、拡径部140がスリーブ31に設けられているため、被覆筒33をスリーブ積層体Sに挿入した際の永久磁石32の位置ずれを抑制できる。また、同じスリーブ本体311(スリーブ31)に対して、拡径周面450の形状(勾配比等)が異なる拡径部440を取り付けることができるため、装着する被覆筒33の締め代に適した拡径を行うことができる。更に、第5実施形態の回転子430は、一体的に形成される拡径部を有するスリーブと比べて、スリーブ31の製造が容易である。
なお、第5実施形態の回転子430において、拡径部440に凹部を設け、スリーブ積層体Sに凸部を設けた構成としてもよい。
(第6実施形態)
図8Aは、第6実施形態の回転子530の構成及び製造方法を説明する図である。図8Bは、第6実施形態の回転子530を示す図である。図8A及び図8Bは、回転子530の回転軸線L(図1,図2参照)に沿った断面を示している。
第6実施形態の回転子530は、拡径部の構成が第1実施形態と相違する。第6実施形態において、その他の構成は、第1実施形態と同じである。そのため、第6実施形態の説明及び図面において、第1実施形態と同等の部材等には、第1実施形態と同一の符号又は末尾(下2桁)に同一の符号を付し、構成、作用等の説明を適宜に省略する。
図8Aに示すように、第6実施形態の回転子530には、永久磁石32の回転軸方向の全域に亘って延在する拡径部540が設けられている。拡径部540は、被覆筒33の内径D1以下の第1径域dt1から、永久磁石32の外径D2以上の第2径域dt2まで拡径する拡径周面550を有する。また、拡径部540は、永久磁石32の周方向に沿って設けられている。
本実施形態において、スリーブ積層体Sに被覆筒33を装着する作業は、図8Aに示すように、スリーブ積層体Sにおいて、拡径部540の第2径域dt2側の端部を作業面Fの上に載置する。そして、スリーブ積層体Sにおいて、拡径部540の第1径域dt1側から、被覆筒33を圧入装置(不図示)により圧力を掛けながらスリーブ積層体Sに挿入する。これにより、挿入された被覆筒33は、永久磁石32の拡径部540により拡径され、図8Bに示すように、スリーブ積層体S(永久磁石32)の外周面に挿入される。スリーブ積層体Sに挿入された被覆筒33は、締め代に応じた収縮力の作用により、スリーブ積層体Sに締まり嵌めにより装着される。
第6実施形態の回転子530において、拡径部540は、永久磁石32の回転軸方向の全域に沿って形成された拡径周面550を有する。そのため、被覆筒33を同一径に拡径する場合において、回転軸方向の長さが短い拡径部(例えば、第1実施形態の拡径部40)に比べて、テーパー部分の勾配比をより緩やかにできる。また、被覆筒33とテーパー部分が接する角度及びテーパー部分と永久磁石32の接続部分との角度を大きくできる。これによれば、永久磁石32の回転軸方向の全域が拡径周面550となるため、拡径部540の回転軸方向の長さを短くできる(もしくは、拡径部540を無くすことができる)。更に、テーパー部分と永久磁石32との接続部分を無くすことができる。
このように、拡径部540の長さが短くなると、回転子530のイナーシャ(慣性)が小さくなるため、任意の回転数に達するまでの時間を短縮できる。また、被覆筒33とテーパー部分とが接する角度が大きくなることで、被覆筒33の曲げ半径を小さくできる。これによれば、曲げによる圧縮応力を小さくできるため、被覆筒33に変形、損傷等が生じる不具合を抑制できる。
なお、第6実施形態の回転子530において、拡径周面550を、永久磁石32の回転軸方向の上半分の領域に形成し、下半分の領域を同一径としてもよい。
(第7実施形態)
図9Aは、第7実施形態の回転子630の構成及び製造方法を説明する図である。図9Bは、第7実施形態の回転子630を示す図である。図9A及び図9Bは、回転子630の回転軸線L(図1,図2参照)に沿った断面を示している。
第7実施形態の回転子630は、拡径部がスリーブと永久磁石の両方に跨がって設けられている点が第1実施形態と相違する。第7実施形態において、その他の構成は、第1実施形態と同じである。そのため、第7実施形態の説明及び図面において、第1実施形態と同等の部材等には、第1実施形態と同一の符号又は末尾(下2桁)に同一の符号を付し、構成、作用等の説明を適宜に省略する。
図9Aに示すように、第7実施形態の回転子630(スリーブ積層体S)は、スリーブ31の回転軸方向の一方の端部に第1拡径部640aが設けられている。第1拡径部640aの構成は、第3実施形態の拡径部240(図5A参照)と実質的に同じである。また、第1拡径部640aは、第3実施形態の拡径部240(拡径周面50)と同様に拡径周面650bを有する。第1拡径部640aは、スリーブ31の回転軸方向の一方の端部において、周方向に沿って設けられている。
また、第7実施形態の回転子630は、永久磁石32の回転軸方向の一方の端部(第1拡径部640aと同じ側の端部)に第2拡径部640bが設けられている。第2拡径部640bは、スリーブ31に設けられた第1拡径部640aの拡径周面650aと略面一となる拡径周面650bを有する。第2拡径部640bは、永久磁石32の回転軸方向の一方の端部において、周方向に沿って設けられている。
上述した第1拡径部640a及び第2拡径部640bは、本実施形態における拡径部640を構成する。
本実施形態において、スリーブ積層体Sに被覆筒33を装着する作業は、図9Aに示すように、スリーブ積層体Sにおいて、拡径部640が設けられていない側の端部を作業面Fの上に載置する。そして、スリーブ積層体Sにおいて、拡径部640が設けられた側から被覆筒33を、圧入装置(不図示)により圧力を掛けながらスリーブ積層体Sに挿入する。これにより、挿入された被覆筒33は、スリーブ31の拡径部640(第1拡径部640a+第2拡径部640b)により拡径され、図9Bに示すように、スリーブ積層体S(永久磁石32)の外周面に挿入される。スリーブ積層体Sに挿入された被覆筒33は、締め代に応じた収縮力の作用により、スリーブ積層体Sに締まり嵌めにより装着される。
本実施形態の回転子630によれば、拡径部640がスリーブ31と永久磁石32とを跨ぐように設けられているため、拡径部640におけるテーパー部分の勾配比をより緩やかにできる。そのため、被覆筒33の締め代を大きくした場合でも、被覆筒33をよりスムーズにスリーブ積層体Sに挿入できる。
なお、本実施形態の構成は、例えば、第1〜第5実施形態等にも適用できる。
次に、拡径部を備えたスリーブ積層体に、被覆筒を装着する実施形態について説明する。
(第8実施形態)
図10A、図10Bは、第8実施形態の回転子730の構成及び製造方法を説明する図である。
第8実施形態の説明及び図面において、第1実施形態と同等の部材等には、第1実施形態と同一の符号又は末尾(下2桁)に同一の符号を付し、構成、作用等の説明を適宜に省略する。
図10Aに示すように、第8実施形態のスリーブ積層体Sにおいて、スリーブ31の回転軸方向の両端部は、永久磁石32よりも突出している。本実施形態において、永久磁石32から突出したスリーブ31の一部は、拡径部740とスリーブ31との回転軸線(回転中心)Lを一致させるためのインロー部(位置決め部)として機能する。
また、第8実施形態のスリーブ31は、回転軸方向の一方の端部に拡径部740を備える。
拡径部740は、略円筒形に形成された部材である。拡径部740は、拡径周面750と、筒嵌合部760と、を備える。拡径周面750は、被覆筒33の内径D1以下の第1径域dt1から、永久磁石32の外径D2以上の第2径域dt2まで一定の勾配比で拡径するテーパー状に形成されている。拡径周面750は、拡径部740の周方向に沿って設けられている。また、拡径部740において、第2径域dt2側の端面には、凹部741が設けられている。凹部741は、スリーブ積層体Sから突出したスリーブ31(インロー部)と嵌合可能に形成された環状の溝である。凹部741は、拡径部740とスリーブ31との回転軸線(回転中心)Lを一致させるためのインロー部(位置決め部)として機能する。凹部741は、スリーブ積層体Sから突出したスリーブ31と嵌合するように、拡径部740の周方向に沿って形成されている。
筒嵌合部760は、被覆筒33が嵌合される部分である。筒嵌合部760は、被覆筒33の内径D1と嵌合可能な外径を有し、円筒形に形成されている。筒嵌合部760に嵌合された被覆筒33は、上下方向にスライドさせることができる。
拡径部740は、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼等の非磁性材(樹脂を含む)により形成される。
本実施形態において、スリーブ積層体Sに被覆筒33を装着する場合、まず、図10Aに示すように、スリーブ積層体Sにおいて、拡径部740が設けられている側とは反対側の端部を作業面Fの上に載置する。
次に、被覆筒33を、拡径部740の筒嵌合部760に嵌合させる。そして、筒嵌合部760に嵌合させた被覆筒33を、圧入装置(不図示)により圧力を掛けながらスリーブ積層体Sに挿入する。これにより、被覆筒33は、拡径部740(拡径周面750)により拡径され、図10Bに示すように、スリーブ積層体S(永久磁石32)の外周面に挿入される。スリーブ積層体Sに挿入された被覆筒33は、締め代に応じた収縮力の作用により、スリーブ積層体Sに締まり嵌めにより装着される。
これにより、永久磁石32の外周側に被覆筒33の装着された回転子730が得られる。
第8実施形態による回転子730によれば、スリーブ31の外周側に配置された永久磁石32に対して、被覆筒33をより大きな締め代で装着できる。これによれば、回転時に生じる遠心力に抗して、永久磁石32をより強い反力で保持できるため、遠心力による永久磁石32の脱落をより効果的に抑制できる。
第8実施形態による回転子730によれば、拡径部740の凹部741を、永久磁石32から突出したスリーブ31(スリーブ積層体S)の一部に嵌合させることにより、拡径部740とスリーブ31の回転軸線Lとを一致させることができる。また、拡径部740をスリーブ31に嵌合させることにより、被覆筒33をスリーブ積層体Sに挿入する間において、被覆筒33の位置ずれを抑制できる。
第8実施形態による回転子730によれば、スリーブ31及び永久磁石32にテーパー状の拡径部を形成する必要がないため、スリーブ積層体Sの加工時間を短縮できる。
(第9実施形態)
図11A、図11Bは、第9実施形態の回転子830の構成及び製造方法を説明する図である。
第9実施形態の説明及び図面において、第8実施形態と同等の部材等には、第8実施形態と同一の符号又は末尾(下2桁)に同一の符号を付し、構成、作用等の説明を適宜に省略する。
図11Aに示すように、第9実施形態のスリーブ積層体Sにおいて、スリーブ31の回転軸方向の一方の端部(又は両端部)は、永久磁石32と同一面となるように形成されている。このような構成は、例えば、回転子の回転軸方向の長さを短くして、回転子全体をよりコンパクトな形状とする場合に用いられる。第9実施形態のスリーブ31において、内周面の一方の端部31aは、拡径部840とスリーブ31との回転軸線(回転中心)Lを一致させるためのインロー部(位置決め部)として機能する。
また、第9実施形態のスリーブ31は、回転軸方向の一方の端部に拡径部840を備える。
拡径部840は、略円筒状に形成された部材である。拡径部840は、拡径周面850と、筒嵌合部860と、を備える。拡径周面850は、上述した第8実施形態の拡径部740(図10A参照)と同様に、被覆筒33の内径D1以下の第1径域dt1から、永久磁石32の外径D2以上の第2径域dt2まで一定の勾配比で拡径するテーパー状に形成されている。拡径周面850は、拡径部840の周方向に沿って設けられている。また、拡径部840において、筒嵌合部860と反対側の端面には、凸部841が設けられている。凸部841は、スリーブ積層体Sの回転軸方向の端部と嵌合可能に形成された円柱状の突起である。凸部841は、拡径部840とスリーブ31との回転軸線(回転中心)Lを一致させるためのインロー部(位置決め部)として機能する。
筒嵌合部860は、被覆筒33が嵌合される部分である。筒嵌合部860は、被覆筒33の内径D1と嵌合可能な外径を有し、円筒形に形成されている。筒嵌合部860に嵌合された被覆筒33は、上下方向にスライドさせることができる。
本実施形態の拡径部840を構成する材料、構造等は、第8実施形態の拡径部740と同じであるため、説明を省略する。
本実施形態において、スリーブ積層体Sに被覆筒33を装着する場合、まず、図11Aに示すように、スリーブ積層体Sにおいて、拡径部840が設けられている側とは反対側の端部を作業面Fの上に載置する。
次に、被覆筒33を、拡径部840の筒嵌合部860に嵌合させる。そして、筒嵌合部860に嵌合させた被覆筒33を、圧入装置(不図示)により圧力を掛けながらスリーブ積層体Sに挿入する。これにより、挿入された被覆筒33は、拡径部840(拡径周面850)により拡径され、図11Bに示すように、スリーブ積層体S(永久磁石32)の外周面に挿入される。スリーブ積層体Sに挿入された被覆筒33は、締め代に応じた収縮力の作用により、スリーブ積層体Sに締まり嵌めにより装着される。
これにより、永久磁石32の外周側に被覆筒33の装着された回転子830が得られる。
第9実施形態による回転子830においても、前述した第8実施形態と同等の効果を得ることができる。
第9実施形態において、スリーブ31は、回転軸方向の全域が中空構造であってもよいし、回転軸方向の端部側が中空構造で、それ以外の部分が円柱状となる構成であってもよい。
(第10実施形態)
図12A、図12Bは、第10実施形態の回転子930の構成及び製造方法を説明する図である。
第10実施形態の説明及び図面において、第1実施形態と同等の部材等には、第1実施形態と同一の符号又は末尾(下2桁)に同一の符号を付し、構成、作用等の説明を適宜に省略する。
図12Aに示すように、第10実施形態の回転軸35は、外周側にスリーブを介さずに複数の永久磁石32が貼り付けられている。以下の説明においては、外周側に複数の永久磁石32が貼り付けられた回転軸35を総称して、「回転軸積層体S1」ともいう。
また、第10実施形態の回転軸35(回転部材)は、回転軸方向の一方の端部に拡径部940を備える。
拡径部940は、略円筒状に形成された部材である。拡径部940は、拡径周面950と、筒嵌合部960と、を備える。拡径周面950は、上述した第8実施形態の拡径部740(図10A参照)と同様に、被覆筒33の内径D1以下の第1径域dt1から、永久磁石32の外径D2以上の第2径域dt2まで一定の勾配比で拡径するテーパー状に形成されている。拡径周面950は、拡径部940の周方向に沿って設けられている。また、拡径部940には、凹部941が設けられている。凹部941は、回転軸35の凸部351(後述)と嵌合可能に形成された略円筒状の窪みである。凹部941は、拡径部940と回転軸35との回転軸線(回転中心)Lを一致させるためのインロー部(位置決め部)として機能する。
筒嵌合部960は、被覆筒33が嵌合される部分である。筒嵌合部960は、被覆筒33の内径D1と嵌合可能な外径を有し、円筒形に形成されている。筒嵌合部960に嵌合された被覆筒33は、上下方向にスライドさせることができる。
本実施形態の拡径部940を構成する材料、構造等は、第8実施形態の拡径部740と同じであるため、説明を省略する。
回転軸35は、回転軸方向の一方の側に凸部351を備える。凸部351は、拡径部940の凹部941と嵌合可能に形成された部分である。凸部351は、拡径部940と回転軸35との回転軸線(回転中心)Lを一致させるためのインロー部(位置決め部)として機能する。
本実施形態において、回転軸積層体S1に被覆筒33を装着する場合、まず、図12Aに示すように、回転軸積層体S1において、拡径部940が設けられている側とは反対側の端部を作業面Fの上に載置する。
次に、被覆筒33を、拡径部940の筒嵌合部960に挿入する。そして、筒嵌合部960に挿入した被覆筒33を、圧入装置(不図示)により圧力を掛けながら回転軸積層体S1に挿入する。これにより、挿入された被覆筒33は、拡径部940(拡径周面950)により拡径され、図12Bに示すように、回転軸積層体S1(永久磁石32)の外周面に挿入される。回転軸積層体S1に挿入された被覆筒33は、締め代に応じた収縮力の作用により、回転軸積層体S1に締まり嵌めにより装着される。
これにより、永久磁石32の外周側に被覆筒33の装着された回転子930が得られる。
第10実施形態による回転子930においても、前述した第8実施形態と同等の効果を得ることができる。
本発明に係る回転子及び回転子の製造方法は、各実施形態において説明した効果に加えて、更に以下のような効果を奏する。
本発明に係る回転子及び回転子の製造方法においては、被覆筒のスリーブ積層体又は回転軸積層体への装着を常温下で行うことができるため、温度を管理する設備が不要となり、設備コストを削減できる。
本発明に係る回転子及び回転子の製造方法においては、被覆筒のスリーブ積層体又は回転軸積層体への装着を常温下で行うことができるため、製造工程に冷却工程又は加熱工程を含む場合に比べて、CFRP等の繊維強化プラスチックで形成される被覆筒の品質の劣化を抑制できる。
本発明に係る回転子及び回転子の製造方法においては、被覆筒を拡径部により徐々に拡径しながらスリーブ積層体に挿入するため、一般的な圧入のように、永久磁石の角部でCFRP等の繊維強化プラスチックで形成される被覆筒が削られにくくなる。これによれば、被覆筒を形成する繊維の切断、樹脂の割れが生じにくくなるため、被覆筒の品質並びに強度の低下を抑制できる。また、繊維の切断、樹脂の割れが生じにくくなるため、被覆筒の回転軸方向に沿って、締め代をほぼ均一に保つことができる。
被覆筒をスリーブ積層体又は回転軸積層体に装着した際に、削られた繊維、樹脂が被覆筒と永久磁石との間に異物として混入すると、被覆筒が部分的に凸形状となり、回転時に応力が集中して、被覆筒の強度が低下する。本発明に係る回転子及び回転子の製造方法においては、削られた繊維、樹脂が被覆筒と永久磁石との間に異物として混入することがほとんどないため、被覆筒の強度が低下することを抑制できる。
本発明に係る回転子及び回転子の製造方法においては、被覆筒を拡径部により徐々に拡径しながらスリーブ積層体に挿入するため、例えば、被覆筒が永久磁石の角部を乗り越えるように圧入する場合に比べて、被覆筒を圧入する際の力をより小さくできる。そのため、圧入した際の圧力による被覆筒の変形、破損を抑制できる。
一般的な冷やし嵌め等による圧入では、スリーブに配置された永久磁石の外径にばらつきがある場合に、被覆筒が局所的に大きく削られるおそれがある。これに対して、本発明に係る回転子及び回転子の製造方法によれば、永久磁石の外径にばらつきがある場合でも、被覆筒が局所的に削られることがないため、被覆筒の品質並びに強度の低下を抑制できる。このような効果は、例えば、コギング対策として、回転子の外形を概略多角形とした場合にも奏される。
本発明に係る回転子及び回転子の製造方法においては、スリーブの外周側への永久磁石の貼り付け工程と、被覆筒の製造工程とを並行に進めることができるので、スリーブの外周側への永久磁石の貼り付けた後、永久磁石の外周側に繊維を巻き付けて被覆筒を形成する場合に比べて、回転子の組立時間を短縮できる。また、本発明に係る回転子及び回転子の製造方法においては、冷やし嵌めのように、部材を低温にする工程が不要となるため、回転子の組み立て時間を短縮できる。
本発明に係る回転子及び回転子の製造方法においては、回転子の回転軸方向に対する拡径部の位置、形状を変えることにより、スリーブ積層体に装着される被覆筒の位置を適宜に調整できる。これによれば、永久磁石が被覆筒で被覆される面積を増やすことができるので、永久磁石の回転子からの脱落(飛散)をより効果的に抑制できる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、後述する変形形態のように種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内に含まれる。また、実施形態に記載した効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、実施形態に記載したものに限定されない。なお、上述の実施形態及び後述する変形形態は、適宜に組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。
(変形形態)
第8〜第10実施形態では、スリーブ又は回転軸に拡径部を備えた回転子について説明したが、これに限定されない。被覆筒を回転子に装着した後、拡径部をスリーブ又は回転軸から取り外してもよい。
各実施形態では、拡径部の拡径周面をテーパー状とする例について説明したが、これに限定されない。拡径周面は、例えば、R形状等の曲線状であってもよい。また、拡径部の拡径周面は、例えば、テーパー状と曲線を組み合わせた形状であってもよい。
1:電動機、20:固定子、30,130,230,330,430,530,630,730,830,930:回転子、31:スリーブ、32:永久磁石、33:被覆筒、35:回転軸、40,140,240,340,440,540,640,740,840,940:拡径部、50,450,550,650,750,850,950:拡径周面、760,860,960:筒嵌合部、311:スリーブ本体、dt1:第1径域、dt2:第2径域

Claims (6)

  1. 外周側に複数の永久磁石が配置されるスリーブ又は回転軸からなる回転部材と、
    前記回転部材の外周側に配置される複数の永久磁石と、
    前記永久磁石の外周側に装着され、前記永久磁石を被覆する、繊維強化プラスチックにより形成される被覆筒と、を備え、
    前記回転部材及び前記永久磁石の一部には、前記被覆筒の内径以下の第1径域から前記永久磁石の外径の第2径域まで拡径する拡径周面を有する拡径部が両方を跨ぐように設けられ前記永久磁石の他部には、前記第2径域と同じ外径の非拡径部が設けられる
    回転子。
  2. 前記拡径部は、回転軸方向の少なくとも一方の端部に設けられる、
    請求項1に記載の回転子。
  3. 前記拡径部は、回転軸方向の両端部に設けられ、
    前記被覆筒は、回転軸方向に沿って分割されている、
    請求項1又は2に記載の回転子。
  4. 前記拡径部は、前記回転部材の先端部と連結されて構成される、
    請求項1〜3までのいずれか一項に記載の回転子。
  5. 前記拡径部の前記拡径周面は、テーパー状又は曲線状に形成される、
    請求項1〜4までのいずれか一項に記載の回転子。
  6. 請求項1〜5までのいずれか一項に記載の回転子と、
    前記回転子を支持する回転軸と、
    前記回転子の外周側に設けられる固定子と、
    を備える回転電機。
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