JPH10243586A - 永久磁石式同期電動機とその回転子 - Google Patents

永久磁石式同期電動機とその回転子

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JPH10243586A
JPH10243586A JP9043418A JP4341897A JPH10243586A JP H10243586 A JPH10243586 A JP H10243586A JP 9043418 A JP9043418 A JP 9043418A JP 4341897 A JP4341897 A JP 4341897A JP H10243586 A JPH10243586 A JP H10243586A
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ring
permanent magnet
rotor
shaft
permanent
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JP9043418A
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Haruo Miura
治雄 三浦
Kazuki Takahashi
一樹 高橋
Hideo Nishida
秀夫 西田
Naohiko Takahashi
直彦 高橋
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 永久磁石式同期電動機の高速運転時の安定性
を向上させる。 【解決手段】 永久磁石リング2の補強、保持材とし
て、比強度が高く、かつ熱膨張係数も比較的大きいチタ
ンリング3を用い、その内周部の突部3Aをシャフトと
の間に初期締め代を持って直接系合させることにより、
運転中においてもシャフト1とチタンリング3及び永久
磁石リング2との同軸度を保てるようにした。これによ
り、高速運転中に回転子に周方向のアンバランスを生じ
ないので、運転中の振動を抑制でき、また永久磁石に働
く遠心力も保持できるので、安定した、信頼性の高い運
転状態を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮機等を駆動す
る超高速可変速電動機として使用される永久磁石式同期
電動機とその回転子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】永久磁石を回転子に取り付けられた電動
機は、小型かつ高性能の直流あるいは交流サーボモータ
として多くの分野で利用されている。図3は、リング状
永久磁石を有する回転子を備えた永久磁石式同期電動機
の従来構造の一例を示す。同図に於て、電動機のシャフ
ト11にはリング状の永久磁石12が装着され、それに
カーボン繊維(以下CFRPという)を巻き付けて形成
されたCFRPリング13とによって電動機ロータが構
成されている。ロータはケーシング15に保持された軸
受14によって支持されている。コイル17を収納する
固定子16がケーシング15に保持されている。本電動
機はインバータ18により給電される。
【0003】本例のような永久磁石式同期電動機は、回
転子を小さくでき、励磁電流が不要であるため効率を改
善できる、等の長所がある。永久磁石12としては、強
磁束密度を確保するため、ネオジウム永久磁石等が用い
られる。しかしながらこの磁石材料の破壊張力σamは約
8kg/mm2と小さいので、比強度の大きい材料CFRP1
3で巻き付け補強してある。カーボン繊維単独の引張強
度は200kg/mm2以上であるが、実際には繊維方向と遠
心力のかかる方向が一致しないことやエポキシ樹脂を含
浸させていることから、回転子に装着された状態でのC
FRPは数十kg/mm2以上の引張強度を有する。このよう
なCFRPによる補強効果は次式で表される;
【数1】tc=(σm-σam)tm /(σac-σc) ここで、σm;永久磁石に働く遠心張力、σam;永久磁石
の許容引張応力、σaciCFRPの許容引張応力、σc;
CFRPに働く遠心応力、tc;CFRPリングの厚さ、
tm;永久磁石リングの厚さである。この数値例が高橋
勲「超高速モータの開発事例」、平成8年電気全国大会
S.18−3に示されているが、それによると、ロータ
周速196m/sで、およそσmが29.2kg/mm2、σc
が7.8kg/mm2である。今σamを8kg/mm2、安全を見て
σacを50kg/mm2とすると、(数1)からtc/tm
は約2分の1となる。即ち、永久磁石に働く遠心張力σ
am=8kg/mm2をこえていてもtc/tm=1/2程度の厚
みのCFRPを巻き付けることにより、σc(=7.8k
g/mm2)<θac(=50kg/mm2)の条件が成立し、永久
磁石の破壊が防がれる。
【0004】このような永久磁石式回転子の別の従来技
術としては、特開平3−11951号、特開平7−28
4237号等に開示されたものがある。前者の特開平3
−11951号に示された「回転電機の回転子」では、
ロータのシャフトにリング状に取り付けられた永久磁石
の外周に高張力のセラミックリングを嵌め込み、さらに
その外周にチタン合金のリングを嵌め込んだ構造を提案
している。また、特開平7−28423号に示された
「電動機の永久磁石付回転子」では、ロータのシャフト
にリング状に取り付けられた永久磁石の外周を、非磁性
体で構成したリング状の小幅の部材で、締り嵌めにより
取り付けた構造を提案している。さらに上記リング状部
材は、ロータの軸方向に沿って離れて複数個配置され
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記した図3の従来例
の場合の半径方向の歪み量は、CFRPの縦弾性係数を
10000kg/mm2とすると0.00078となる。従っ
て直径100mmのロータであれば、その半径方向の伸び
量は0.078mmとなる。一方、このロータを周速19
6m/sで回転させるとそれは約35000r.p.mに
相当するが、このように数万回転以上の高速でロータを
回転させるとき、上記のようなCFRPの伸びに起因す
るロータ振動を招く恐れがある。
【0006】また、上記した特開平3−11951号に
よれば、セラミックリングの弾性係数は極めて大きいの
で、永久磁石は遠心力により半径方向に伸びて振動等を
引き起こすことはない。また、特開平7−284237
号によれば、やはりリング状部材の締り嵌めによって、
高速回転時の半径方向の伸びを防いでいる。しかし、こ
れらの技術はいずれも永久磁石を締め付ける形で永久磁
石の変形を防止しており、締め付ける側、即ちセラミッ
クリングやリング状部材自体をロータ軸(シャフト)に
対して直接締め付けるようにして取り付けたものではな
い。またセラミックリングを用いるものは、電動機の大
型化に伴い組立等が複雑になる。
【0007】本発明の目的は、高速運転回転時において
も、永久磁石リング及び補強のためのリングと電動機シ
ャフトとの同軸度を高度に維持でき、かつその組立も容
易な構造の永久磁石式同期電動機とその回転子を提供す
ることである。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、シャフトと、該シャフトの軸方向に並
べて装着された複数のリング状永久磁石と、該リング状
永久磁石及びそれ自体の遠心力による伸びに見合う初期
締め代を与えられてその内面の一部をなす直接系合面が
前記シャフトに直接系合され、かつ前記直接系合面以外
の内面が前記リング状永久磁石の該周面に系合されたと
ころのチタンリングと、を備えたことを特徴とする電動
機の回転子を開示する。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。図1は、本発明になる永久磁石式同期電動機の回
転子の構成を示す断面図、図2は、図1のA−A断面図
である。これらの図において、回転子はシャフト1、永
久磁石リング2、チタンリング3から構成され、また、
固定子16にはコイル17が装着されている。永久磁石
リング2は、軸方向に複数個配置され、それぞれのリン
グ間には少しの間隔が設けられているが、このように複
数のリングに分割するのは、電動機がある程度大きくな
ると、大きな幅の永久磁石リングを作成することができ
なくなるからである。チタンリング3も複数個に分割さ
れ、永久磁石リング2を保持するように装着される。各
チタンリング3の内周には突部3Aが設けられており、
その突部3Aは永久磁石リング2の間に配置され、突部
3Aの内周部はシャフト1の表面に系合している。永久
磁石リング2の断面形状は、図2のようにリング状であ
るが、磁気的には少なくともN、S極1対の磁極が形成
されるように磁化されている。
【0010】上記の構成において、チタンリング3の突
起部3Aの内周部、即ちシャフト表面との系合部の内径
とシャフト外径寸法の関係は、永久磁石2の遠心力も考
慮した遠心力伸びに見合う初期締め代(初期締め付け
力)を持たせることのできるものとする。この締め代
は、概略次式で表せる。
【数2】ε≧(Em・tm/Et・tt)εm+εt Δd=εD ここで、Em;永久磁石リングの縦弾性係数、Et;チタン
リングの縦弾性係数、εm;永久磁石リングの遠心力によ
る仮想歪み、εt;チタンリングの遠心力による歪み、
D;チタンリング径、Δd;チタンリングの初期締め
代、tm;永久磁石リングの厚さ、ttはチタンリングの
厚さである。(数2)の右辺第一項は、永久磁石リング
2に働く遠心力を受け持つための締め代に相当し、右辺
第二項は、チタンリング3自身の遠心力伸びを受け持つ
ための締め代に相当している。両者の和以上の初期締め
付け力を与えることにより、回転中にチタンリング3が
シャフト1から離れることがなくなる。かつ永久磁石リ
ング2も、チタンリング3に系合されることによって半
径方向に拘束されるので、シャフト1との同軸度が保た
れる。このようにすることによって、運転中のチタンリ
ング3とシャフト1の同軸度を保つことができるので、
運転中のアンバランスの発生をなくすことができる。
【0011】図1の回転子の組立に当たっては、シャフ
ト1上に1つの永久磁石リング2を嵌め込むと、次に1
つのチタンリング3を嵌め込む。このとき先に嵌め込ん
だ永久磁石リングと、チタンリングの突起部の片端との
間の内周面とが系合し、かつ突起部内周面がシャフトに
系合するように、前記の初期締め代△dを与えてチタン
リングを嵌め込む。次に、今嵌め込んだチタンリングの
突起部ともう1つの端部との間の内周面に次の永久磁石
リングが系合するように当該永久磁石リングを嵌め込
む。以下同様の作業を繰り返すことで回転子に永久磁石
及びチタンリングを取り付けることができるが、このと
き永久磁石リングは引張限界応力が小さいこと、焼きバ
メ作業時のチタンリングと永久磁石リングの組み込み作
業を容易にし、すばやく行うために永久磁石リングのシ
ャフトへの初期締め代は不要、即ち0として作業を行
う。
【0012】本実施の形態によれば、チタンリングをそ
の内周面の突起部で直接シャフト表面に十分な締め代を
与えて系合させるから、チタンリング自体が高速回転時
に遠心力で半径方向に伸びることはなく、かつ永久磁石
もチタンリングに系合され保持されることにより、遠心
力で伸びることも防がれ、高速運転の振動を確実に抑圧
できる。
【0013】図4は、本発明になる永久磁石付回転子の
別の構成例を示すもので、チタンリングの形状を変えた
ものである。同図は図1と同じく回転子の軸を含む断面
図で、かつその上半分の一部分だけを図示している。シ
ャフト1の外周に永久磁石リング2が適当な間隔でもっ
て複数個取り付けられているのは図1の構成と同じであ
るが、チタンリング40は、同図の断面でみると図1の
ものがいわばT型であったのに対し、L型形状をなして
いる。即ち、リングの一端の内周部に突起部40Aが設
けられ、これが永久磁石リングの間に挿入され、シャフ
ト1と直接系合するようになっている。この構成でも、
突起部40Aの内周面の径を(数2)で説明した値に設
定して適当な締め代を与えることによって、図1と同様
な効果がある。さらに図4の場合には、チタンリング4
0の成型が容易になり、かつシャフトへの取り付けもよ
り簡単に行えるようになる。
【0014】図5は、本発明になる永久磁石付回転子の
さらに別の構成例を示すもので、図1の構成の変形例で
ある。即ち、永久磁石2は4個づつ、軸方向に隣接して
配置され、4個おきの間に、その断面がT字型のチタン
リング50の突起部50Aが挿入され、その内周面でシ
ャフト1の表面と系合する構成である。このような構成
は、隣接配置される永久磁石の個数を2、3、・・・と
任意にとることも可能で、これを多くとるほどチタンリ
ングの軸方向幅が長くなり、シャフトへの取り付け作業
工程の減少に効果がある。但し軸方向幅の増大はチタン
内での渦電流損失の増大を招き、またシャフトとの直接
系合面の面積が減少する。従ってこれらのトレードオフ
で適当な永久磁石の個数を選定する必要がある。
【0015】図6は、本発明になる永久磁石付回転子の
さらに別の構成例を示すもので、図4の構成の変形例で
ある。即ち、永久磁石2は4個づつ、軸方向に隣接して
配置され、4個おきの間に、その断面がL字型のチタン
リング60の突起部60Aが挿入され、その内周面でシ
ャフト1の表面と系合する構成である。この場合も、隣
接配置される永久磁石の個数を適当に選ぶことで、シャ
フトへの取り付け工程削減を行うことができる。また、
図5、6のいずれの場合も、突起部の付け根には、高速
回転時の永久磁石及びチタンリング自体の遠心力による
伸びにより大きな曲げモーメントがかかる。曲げモーメ
ントは、チタンリングの軸方向幅が大きいほど大きくな
るから、この点も考慮した設計が必要である。
【0016】
【発明の効果】本発明によれば、高速運転中に回転子に
アンバランスを生じないので、運転中の振動を抑制で
き、また永久磁石に働く遠心力も保持できるので、安定
した、信頼性の高い運転状態を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明になる永久磁石付回転子の構成例を示す
図である。
【図2】図1の回転子のA−A断面図である。
【図3】従来の永久磁石式同期電動機の構成例を示す図
である。
【図4】本発明になる永久磁石付回転子の別の構成例を
示す図である。
【図5】本発明になる永久磁石付回転子のさらに別の構
成例を示す図である。
【図6】本発明になる永久磁石付回転子のさらに別の構
成例を示す図である。
【符号の説明】
1 シャフト 2 永久磁石リング 3、40、50、60 チタンリング 3A、40A、50A、60A 突部 16 固定子鉄心 17 コイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 直彦 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所土浦工場内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シャフトと、 該シャフトの軸方向に並べて装着された複数のリング状
    永久磁石と、 該リング状永久磁石及びそれ自体の遠心力による伸びに
    見合う初期締め代を与えられてその内面の一部をなす直
    接系合面が前記シャフトに直接系合され、かつ前記直接
    系合面以外の内面が前記リング状永久磁石の外周面に系
    合されたところのチタンリングと、 を備えたことを特徴とする電動機の回転子。
  2. 【請求項2】 前記チタンリングの直接系合面は、当該
    チタンリングの軸方向中央部に設けられた内周面の突部
    の先端のなす面であることを特徴とする請求項1記載の
    電動機の回転子。
  3. 【請求項3】 前記チタンリングの直接系合面は、当該
    チタンリングの軸方向の一端に設けられた内周面の突部
    の先端のなす面であることを特徴とする請求項1記載の
    電動機の回転子。
  4. 【請求項4】 請求項1ないし3項の内の1つに記載の
    電動機の回転子を用いて構成した永久磁石式同期電動
    機。
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