JPH10248185A

JPH10248185A - 発電機におけるロータの構造

Info

Publication number: JPH10248185A
Application number: JP9061717A
Authority: JP
Inventors: Hideo Kawamura; 英男河村
Original assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Current assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Priority date: 1997-03-03
Filing date: 1997-03-03
Publication date: 1998-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、永久磁石のセグメント部材を樹脂
材の介在で多数円筒状に配置して大径のロータを構成
し、軽量で高速回転の高い出力を得ることができる発電
機におけるロータの構造を提供する。【解決手段】本発明のロータ５は、永久磁石から成る
弧状セグメント部材１６とそれらの間の樹脂材１７とか
ら円筒部材３に構成し、円筒部材３の外周に非磁性材か
ら成る補強部材４を配置し、円筒部材３の内側に透磁材
から成る積層円筒部材９を配置し、積層円筒部材９の内
側に樹脂材が含浸された軽量な多孔質円筒部材８を配置
し、多孔質円筒部材８を回転軸２に固定した構造を有す
る。円筒部材３は、多数の永久磁石のセグメント部材１
６から構成するので、安価に大径に形成することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ハウジングに回
転可能に取り付けられた径の大きい回転軸に固定された
永久磁石から成るロータと該ロータの外周に配置され且
つハウジングに固定されたステータとから成る発電機に
おけるロータの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、永久磁石の性能が向上するに従っ
て永久磁石を発電機の回転子即ちロータとして使用され
る機会が増加してきた。また、永久磁石をロータとした
発電機或いは電動機は、高い発電効率又は電動効率が得
られることと、簡単な構造で構成できるという特徴を有
することから、最近、工業用機器に多く使用されるよう
になった。

【０００３】通常、円筒形の永久磁石を作製するには、
鉄、ネオジム、サマリウム、コバルト等の元素を含有す
る合金粉末を非磁性体から成る円筒形の成形型に充填
し、合金粉末を高温度で圧縮成形して固化させ、その成
形体を高周波加熱で瞬間的に焼結し、成形体の焼結時に
ＮＳ極即ち磁力をかけて合金中の磁力線を揃えている。
次いで、焼結型から円筒形の永久磁石の焼結体を取り出
し、その焼結体の外周面や内周面を研削加工し、永久磁
石の焼結体を作製する。一方、焼結体を補強するための
補強材として、カーボン長繊維を巻き上げた薄肉外筒を
作製する。そこで、前記薄肉外筒内に永久磁石の焼結体
をプレスで圧入嵌合させて、ロータに仕上げている。ま
た、ロータについては、電圧及び電流が増加するに従っ
てロータの回転が上昇すると、ロータに大きな遠心力が
発生し、その遠心力に耐えられないと破壊されるので、
その遠心力に耐えることが要求される。そのため、ロー
タを構成する永久磁石の外周を補強リング等で補強して
ロータが遠心力に耐えるように構成されているのが一般
的である。

【０００４】また、永久磁石をロータとした発電機とし
ては、例えば、実開昭６０−１６２９７７号公報に開示
された回転電機発電機、又は特開昭６２−２７２８５０
号公報に開示された永久磁石式回転機が知られている。
例えば、特開昭６２−２７２８５０号公報に開示された
永久磁石式回転機は、ロータに永久磁石が配置され、可
動磁性体が封入されたロータの回転で径方向へ可動磁性
体を案内する磁極片形成用の容器をロータに設けたもの
である。また、特開平７−２３６２６０号公報に開示さ
れた高出力交流発電機は、回転速度に応じて磁束密度を
制御して発電量を適正に制御するものであり、ロータと
ステータとの間に制御リングを相対回転可能に配置し、
制御リングに接離可能な透磁性体を設けたものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、永久磁石を
ロータとする発電機は、発電電力がロータの回転速度と
磁界の強さの積であるので、ロータの回転速度が速い
程、発電電力が大きくなる。また、磁界の強さは、永久
磁石の磁力とその面積との積である。しかしながら、永
久磁石を大きな径を持った円筒形に作製することは困難
であり、該永久磁石を大径のロータに構成することは困
難であるので、永久磁石をロータとする以上、大出力の
発電は望めないことになる。また、永久磁石の素材であ
る鉄、ネオジム、サマリウム、コバルト等の材料は、コ
ストが高いので、効率良く利用することが望まれる。発
電機が大型になればなるほど永久磁石を大型化しなけれ
ばならないので、それに対応するため、永久磁石をセグ
メント部材に分割して使用することが考えられるが、永
久磁石をセグメント部材に分割した場合に如何なる構造
に構成すればよいかの課題が有る。

【０００６】また、発電機において、ロータが高速回転
する時に、大きな遠心力が作用するので、その遠心力で
永久磁石がバーストしないような補強が永久磁石の保持
のため常に要求され、そのため、永久磁石の強度をアッ
プさせるための構造上の工夫が要求される。また、発電
機において、ロータを高速回転させることによって高い
出力が得られるので、ロータを軽量に作製すると共に剛
性を高めて高速回転に耐えるため、どのような構造に構
成すれば良いかの課題があった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明の目的は、鉄や
ネオジムの粉末を焼結した永久磁石を平板状に形成する
と、製造コストが大幅に低減できることに着眼し、大径
の回転軸に取り付ける永久磁石から成るロータを構成す
るために、永久磁石を複数の平板状に近い弧状のセグメ
ント部材とし、円筒形の透磁性の良い積層材上に配置し
て該セグメント部材を交番するＮＳ極にそれぞれ構成
し、円筒部材の外側を非磁性材から成る補強部材で補強
すると共に、セグメント部材の間を補強材を含んで樹脂
材を充填して固化し、更に、回転軸と円筒部材間を樹脂
材が含浸された軽量の多孔質円筒部材を配置してロータ
を作製し、前記ロータの剛性を確保すると共に軽量化を
達成し、前記ロータの高速回転を可能にして高い出力を
得ることができる発電機におけるロータの構造を提供す
ることである。

【０００８】この発明は、ハウジングに回転可能に支持
された回転軸、前記回転軸に取り付けられた永久磁石か
ら成るロータ、及び前記ロータの外周に配置され且つ前
記ハウジングに固定されたステータから成る発電機にお
いて、前記ロータは、前記永久磁石から成る複数のセグ
メント部材と前記セグメント部材間に配置された樹脂材
とから円筒形状に構成された円筒部材、前記円筒部材の
外周に配置されて前記円筒部材を補強する非磁性材から
成る補強部材、前記円筒部材の内側に配置された透磁材
から成る積層円筒部材、及び前記積層円筒部材の内側に
配置され且つ前記回転軸に固定された樹脂材が含浸され
た非磁性構造材から成る多孔質円筒部材、から構成され
ていることを特徴とする発電機におけるロータの構造に
関する。

【０００９】また、前記補強部材はカーボン繊維やセラ
ミック繊維を樹脂材で固めて作製されている。或いは、
前記補強部材は非磁性ステンレススチールから線又は薄
板に形成されている。

【００１０】また、前記積層円筒部材は多数の円筒状ケ
イ素鋼板を軸方向に積層して形成されている。

【００１１】また、前記樹脂材には強度と熱伝導性を向
上させるため熱伝導率の大きいセラミック繊維材又はカ
ーボン繊維が混入されている。

【００１２】また、前記多孔質円筒部材は、ステンレス
スチール、アルミニウム、或いはアルミナ、窒化珪素等
のセラミックスの非磁性材から成り、その気孔部に非磁
性樹脂が含浸されている。

【００１３】この発電機におけるロータの構造は、上記
のように、ロータを構成する永久磁石が複数のセグメン
ト部材とセグメント部材間を樹脂材で埋めて円筒部材に
構成したので、全体として大径の永久磁石に構成でき、
大型の発電機を構成することができる。しかも、前記永
久磁石の前記円筒部材の内周側を構成する回転軸には、
樹脂材を含浸した軽量の多孔質円筒部材を取り付けたの
で、ロータの径を大径に構成でき、該ロータを大径に構
成しているにもかかわらず、ロータ自体の重量を軽量に
構成できる。また、永久磁石の部分を大径に構成できる
ので、周速度を高速にすることができ、発電電力を大き
くすることができる。また、永久磁石の内周側にケイ素
鋼板から成る透磁性の積層円筒部材を配置したので、磁
束通路の抵抗が小さく、高い出力の発電機を作ることが
できる。

【００１４】また、この発電機におけるロータの構造で
は、前記円筒部材は樹脂材を含んだカーボン繊維やセラ
ミック繊維、或いはステンレススチールから成る薄板又
は巻回線から筒体形状に形成された補強部材が配置され
ているので、前記円筒部材の遠心力によるバースト強度
を補強できると共に、補強された円筒部材を容易に作製
できる。更に、前記円筒部材の内側には透磁性の積層円
筒部材及び多孔質円筒部材が配置されているので、高い
効率を得ることができるばかりでなく、前記円筒部材を
大径に形成したとしても、軽量な構成部材である前記多
孔質円筒部材を高剛性の軸体として構成することがで
き、耐久性の優れた永久磁石タイプの高速で高出力の発
電機を作ることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
による発電機におけるロータの構造の実施例を説明す
る。図１はこの発明によるロータを組み込んだ発電機を
示す軸方向の断面図、及び図２は図１の発電機を示すＡ
−Ａ断面における断面図である。

【００１６】この発明によるロータを組み込んだ発電機
は、例えば、回転軸２をコージェネレーションシステム
のエンジン、電動−発電機とエンジンを併設したハイブ
リット自動車のエンジン等の出力軸に連結することによ
って、エンジンの回転力が発電機に伝達され、発電機が
発電することになり、大型の発電機を構成することがで
きるものである。

【００１７】この実施例の発電機は、主として、一対の
ハウジング部１Ａ，１Ｂから成るハウジング１に一対の
軸受１３を介して回転可能にそれぞれ支持されている径
の大きい回転軸２、回転軸２に固定されている永久磁石
から成る回転子即ちロータ５、及びロータ５の外周でロ
ータ５との間に隙間１５を形成してハウジング１に固定
されているステータ６を有している。ロータ５は、その
一端が回転軸２に設けられたストッパ１１に当接し、他
端が当て板１２を介在して回転軸２のねじ部１４に螺入
された固定ナット１０によって回転軸２に固定されてい
る。また、回転軸２の一端には、図示していないが、例
えば、伝達歯車が固定され、該伝達歯車にエンジンの出
力軸等の軸に設けた歯車が噛み合っている。ステータ６
は、積層された薄板にステータコイル７が巻き付けられ
ている。

【００１８】この発電機は、特に、回転軸２に固定され
ているロータ５の構造に特徴を有し、回転軸２に対して
固定される大径の多孔質円筒部材８の構造、大径の円筒
状に配置された永久磁石の構造及び永久磁石と回転軸２
との間の取付構造に特徴を有している。ロータ５は、永
久磁石から成る平板状に近い若干弧状のセグメント部材
１６と該セグメント部材１６間に配置された樹脂材１７
から円筒形状に構成された円筒部材３、円筒部材３の外
周に配置され且つ円筒部材３を補強する非磁性材から成
る補強部材４、円筒部材３の内側に配置された透磁材か
ら成る積層円筒部材９、及び積層円筒部材９の内側に配
置され且つ回転軸２に固定された樹脂材が含浸された多
孔質円筒部材８から構成されている。また、積層円筒部
材９は、永久磁石のセグメント部材１６の内周側に透磁
性のケイ素鋼板を軸方向に多数積層して形成され、磁束
通路の抵抗が小さく、渦電流を防止して高い出力の発電
機を作ることができる。

【００１９】また、ロータ５において、補強部材４は、
磁性を持たないカーボン繊維やセラミック繊維を樹脂材
で固めて作製することができる。この時、補強部材４
は、カーボン長繊維を巻き上げた巻線体から構成し、そ
れを樹脂材で固めて作製することができ、永久磁石から
成る円筒部材３の外周に配置され、円筒部材３を強固に
補強することができる。或いは、補強部材４は、磁性を
持たないステンレススチールの円筒体から作製すること
もできる。この場合には、補強部材４と円筒部材３との
隙間には樹脂材を注入して強固に一体化することができ
る。

【００２０】また、ロータ５を構成する永久磁石のセグ
メント部材１６の間に配置されている樹脂材１７には、
強度と熱伝導性を向上させるため熱伝導率の大きいセラ
ミック繊維材又はカーボン繊維を混入することもでき
る。また、樹脂材１７には、強度と熱伝導性をアップす
るため、ＡｌＮ、ＳｉＣ等の熱伝導率の大きいセラミッ
ク繊維材を混入することもできる。また、多孔質円筒部
材８に含浸された樹脂材には、透磁性をアップするた
め、鉄粉が含有されている。或いは、セグメント部材１
６の間に配置された樹脂材１７と多孔質円筒部材８に含
浸された樹脂材とは同一材料で構成することもできる。

【００２１】一般に、ロータ５を回転させて発電させる
場合、高速度で回転させる程、発電電力が大きくなる
が、その遠心力も大きくなる。この発電機におけるロー
タの構造は、上記のように構成されているので、例え
ば、直径が１００ｍｍ以上の大型ロータを持つ発電機に
適用することができ、その時に発生する大きな遠心力に
も十分に耐えることができ、バランス良く回転させるこ
とができる。ロータ５は、大型の発電機の場合、永久磁
石を最小サイズにしないと、コスト高になるが、本発明
のロータ５の永久磁石は、多数のセグメント部材１６か
ら構成されているので、その要件を十分に満足して低コ
ストで作製できるものである。

【００２２】また、ロータ５は、永久磁石の強度を補強
するため、磁性を持たないステンレススチールやセラミ
ック繊維、或いはカーボン繊維から成る補強部材４を永
久磁石から成る円筒部材３の外周に配置して円筒部材３
を補強しているので、高速回転の時に遠心力で破壊され
ることが防止される。また、円筒部材３は、透磁性の優
れた多数のケイ素鋼円筒板から成る積層円筒部材９に溝
加工を行ってその溝に嵌合させて配置し、それを補強部
材４を構成するＳＵＳ円筒に嵌合させて固定することも
できる。

【００２３】更に、多数のケイ素鋼円筒板から成る積層
円筒部材９の内側には、セラミックス又は金属から成る
多孔質円筒部材８が配置され、ロータ全体として大径に
形成できると共に、剛性や強度がアップされている。多
孔質円筒部材８は、回転軸２に固定され、多孔質円筒部
材８と回転軸２とから成る軸自体を大径に構成すること
ができるが、多孔質部には樹脂材が注入されるので全体
的に軽量に構成することができる。更に、ＳＵＳ円筒の
補強部材４の隙間、永久磁石のセグメント部材３の間、
及び多孔質円筒部材８の隙間には、樹脂材が注入され、
ロータ５が完成されている。

【００２４】ロータ５は、上記のように構成されている
ので、全体として、剛性が極めて高くなり且つ軽量に構
成することができ、高速回転に十分耐えることができ、
高い出力を得ることができるようになる。

【００２５】次に、ロータ５を構成する永久磁石の製造
方法について説明する。例えば、永久磁石のセグメント
部材１６を作製するには、鉄、ネオジム、サマリウム、
コバルト等の元素を含有する磁性粉末を半円又は扇形の
セグメントから成る成形型に充填し、高温度で圧縮成形
して固化させて成形体を作製し、その成形体を所定の方
向に磁極ができるように磁界をかけて焼結して磁力線を
揃える。この時、セグメントの成形体の形状は、焼結に
先立って、最終形状が高精度になるように、所定の形状
に近づけた形状に成形する。次いで、成形型から永久磁
石の焼結体のセグメント部材１６を取り出す。一方、焼
結体を補強するための補強材として、カーボン長繊維を
巻き上げて樹脂材で固めた薄肉外筒を作製する。そこ
で、中子と外型とから成る石膏型に薄肉外筒を配置し、
次いで、永久磁石のセグメント部材１６を薄肉外筒内に
嵌入すると共に、セグメント部材１６と中子との間及び
隣接するセグメント部材１６の間に隙間を形成して石膏
型に配置する。更に、中子と外型とから成る石膏型の上
に蓋板を配置して固定する。

【００２６】そこで、樹脂にカーボン繊維を含有する混
合材の樹脂材１７を、高圧タンクから蓋板に形成した供
給通路を通じてセグメント部材１６と中子との間及び隣
接するセグメント部材１６の間の各隙間に充填し、上記
隙間を埋め、樹脂材１７を固化させる。この時、高圧タ
ンクからの混合材中の樹脂材１７は、セグメント部材１
６の間の各隙間を通って薄肉外筒にも浸透し、薄肉外筒
のカーボン繊維とも一体化し、極めて強固に固定された
永久磁石から成る円筒部材３が形成される。石膏型から
固化された円筒部材３を取り出す。次いで、上記のよう
に、円筒部材３の内側に透磁材から成る積層円筒部材９
を嵌合すると共に、積層円筒部材９の内側に多孔質円筒
部材８を嵌合し、多孔質円筒部材８に樹脂材を含浸させ
てロータ５を完成する。そこで、ロータ５の多孔質円筒
部材８を回転軸２に嵌合して締め付けナット１０を回転
軸２のねじ部１４に螺入して発電機に組み立てることが
できる。

【００２７】

【発明の効果】この発明による発電機におけるロータの
構造は、上記のように構成されているので、全体として
大径の永久磁石を安価に構成でき、大型で且つ高速の発
電機を構成することができ、高い出力を得ることができ
る。また、前記円筒部材は樹脂材を含んだカーボン繊維
やセラミック繊維、或いはステンレススチール筒体から
成る補強部材が配置されているので、前記円筒部材の強
度を補強できると共に、補強された円筒部材を容易に作
製できる。また、補強部材に樹脂材を含浸することによ
って、高精度に且つ容易に研削加工を施すことができ、
製造コストを大幅に低減できる。このロータの構造は、
例えば、回転エネルギを電気エネルギに変換する発電・
電動機の交流機におけるロータとして組み込むことがで
き、該交流機をコジェネレーションシステム、ハイブリ
ット自動車用エンジン等に容易に適用でき、所定の高速
回転にも耐えるものに構成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるロータの構造を組み込んだ発電
機を示す断面図である。

【図２】図１の発電機を示すＡ−Ａ断面の断面図であ
る。

【符号の説明】

１ハウジング２回転軸３円筒部材４補強部材５ロータ６ステータ８多孔質円筒部材９積層円筒部材１５隙間１６セグメント部材１７樹脂材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ハウジングに回転可能に支持された回転
軸、前記回転軸に取り付けられた永久磁石から成るロー
タ、及び前記ロータの外周に配置され且つ前記ハウジン
グに固定されたステータから成る発電機において、前記
ロータは、前記永久磁石から成る複数のセグメント部材
と前記セグメント部材間に配置された樹脂材とから円筒
形状に構成された円筒部材、前記円筒部材の外周に配置
されて前記円筒部材を補強する非磁性材から成る補強部
材、前記円筒部材の内側に配置された透磁材から成る積
層円筒部材、及び前記積層円筒部材の内側に配置され且
つ前記回転軸に固定された樹脂材が含浸された非磁性構
造材から成る多孔質円筒部材、から構成されていること
を特徴とする発電機におけるロータの構造。
【請求項２】前記補強部材はカーボン繊維やセラミッ
ク繊維を樹脂材で固めて作製されていることを特徴とす
る請求項１に記載の発電機におけるロータの構造。
【請求項３】前記補強部材は非磁性ステンレススチー
ルから線又は薄板に形成されていることを特徴とする請
求項１に記載の発電機におけるロータの構造。
【請求項４】前記積層円筒部材は多数の円筒状ケイ素
鋼板を軸方向に積層して形成されていることを特徴とす
る請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電機における
ロータの構造。
【請求項５】前記樹脂材には強度と熱伝導性を向上さ
せるため熱伝導率の大きいセラミック繊維材又はカーボ
ン繊維が混入されていることを特徴とする請求項１〜４
のいずれか１項に記載の発電機におけるロータの構造。
【請求項６】前記多孔質円筒部材は、ステンレススチ
ール、アルミニウム、或いはアルミナ、窒化珪素等のセ
ラミックスの非磁性材から成り、その気孔部に非磁性樹
脂が含浸されていることを特徴とする請求項１〜５のい
ずれか１項に記載の発電機におけるロータの構造。