JPWO2014170939A1 - 回転機械の回転子 - Google Patents

Abstract

シャフト（４）に圧入固定され、ロータコア（１）のシャフト軸方向の位置を規制するリング状の固定部材（３）と、上記固定部材（３）の外周側に固定され、ロータコア（１）内に埋設された磁石（５）のシャフト軸方向の位置を規制する端板（２）を含み、固定部材（３）によって、シャフト（４）と端板（２）との熱膨張差による影響を緩和する回転機械（１００）の回転子（１０）であって、固定部材（３）の線膨張係数の値は、鉄製のシャフト（４）の線膨張係数と、非磁性体の端板（２）の線膨張係数との中間的な値となるように材料を選定する。

Description

本発明は、回転機械の回転子に関するものである。

電動モータのロータは、多数の電磁鋼板を積層して構成され、軸方向に形成された開口には磁石が埋め込まれている。そして、ロータの両端面には磁石の飛び出し等を防止するためにエンドプレートが配置される。
例えば、エンドプレートの一構造として、ロータの一端に樹脂エンドプレートを配置し、他端に樹脂製の終端リングと金属製の終端リングによって一体構造を形成するエンドプレートを配置したものが知られている。

特開平2004-222348号公報

電動モータのロータの両端面に設けられるエンドプレートは、磁極間の短絡を防止するために非磁性材料から構成される。そして、非磁性材料としては、オーステナイト系ステンレス材を使用することが多い。
しかし、ロータの鉄製のシャフトに対して、ステンレス材は熱膨張率が大きいため、温度変化のあるモータでは、シャフトのステンレス材が熱膨張することにより、エンドプレートとシャフトの間の収縮締結の締め代が緩んで空回りしてしまうという問題があった。
この発明は、上記問題点に鑑み、エンドプレートとシャフト間の熱膨張差による影響を緩和し、締め代が緩むことを抑制することが可能な回転機械の回転子を提供することにある。

この発明の回転機械の回転子は、シャフト、上記シャフトに固定されたロータコア、上記シャフトに圧入固定され、上記ロータコアのシャフト軸方向の位置を規制するリング状の固定部材、上記固定部材の外周側に固定され、上記ロータコア内に埋設された磁石のシャフト軸方向の位置を規制する端板を含み、上記固定部材によって、上記シャフトと上記端板との熱膨張差による影響を緩和することを特徴とするものである。

この発明に係る回転機械の回転子は、固定部材が中間部材としての役割を果たし、温度変化があっても、端板をシャフトに安定して固定することができる効果を有する。
この発明の上記以外の目的、特徴、観点及び効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。

この発明の実施の形態１に係る回転機械の要部断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転機械の回転子の要部断面図である。 この発明の実施の形態２に係る回転機械の回転子の要部断面図である。 この発明の実施の形態２に係る回転機械の回転子の要部断面図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１による回転機械の回転子について、図１、図２を用いて説明する。
図１は回転機械（以下、モータとする。）１００の要部断面図、図２はモータ１００の回転子（以下、ロータとする。）１０の要部断面図を示している。
図１に示すように、電磁鋼板を積層したロータコア１が圧入、または焼きバメによりシャフト４に固定されている。ロータコア１の両端面には、ロータコア１の軸方向の移動を規制する平板リング状の固定部材３がシャフト４に圧入固定されている。平板リング状である固定部材３の最大径は、図２に示すように、ロータコア１の径方向の寸法よりも小さく形成されている。そして、ロータコア１の両端面において、固定部材３の外周側には、同心円状の円環プレートである端板２が圧入固定されている。

図２にロータ１０を示すように、シャフト４の軸方向の２カ所に端板２が配置され、二つの端板２に挟まれるように、ロータコア１が配置されている。
そして、端板２は、ロータコア１に埋設されている磁石５の軸方向の両端部に当接している。さらに、端板２が固定部材３を介してシャフト４に固定されていることで、磁石５が軸方向にずれないように、磁石５の軸方向の移動を規制している。

なお、本発明においては、端板２は、図２に示すように、固定部材３の外側面とロータコア１内の磁石５の端面とに密着する、断面形状が略Ｌ字形であるリング状部材で、この例では、固定部材３よりも厚さが小さい平板によって形成されている。しかし、この図２の端板２の以外の形状とすることも可能である。また、本発明の固定部材３は、平板リング状であることを例示したが、それ以外の形状とすることも可能である。それらの変形例については、次の実施の形態２において説明する。

また、シャフト４には、まず固定部材３、次に端板２の順に固定がなされる。つまり、シャフト４の外周側に固定部材３が固定され、その固定部材３の外周側に端板２が、半径方向に並ぶように固定されている。言い換えれば、端板２の内径に固定部材３が嵌め込まれ、固定部材３の内径にシャフト４が嵌め込まれた状態となっている。

ここで、例えば、シャフト４の材料は鋼等、鉄製の磁性体であり、磁石５に当接する端板２は、磁束の漏れを抑制する非磁性体であり、固定部材３は電磁鋼板である。また、例えば、端板２は、厚さ２〜５ｍｍの薄板によって形成され、図２に示すように、断面形状が略Ｌ字形に形成されている。端板２の軸に垂直な平面部分は、磁石５の側面に接し、シャフト４側面に沿った軸方向に伸びる平面部分は、固定部材３の外側面に接している。
なお、この実施の形態１では、端板２の軸方向突出量は、固定部材３の厚みと同程度である。
また、シャフト４と端板２の中間部材となる固定部材３は、その線膨張係数の値が、シャフト４と端板２の線膨張係数の中間の値となるように選定している。

ここで、例えば、固定部材３が線膨張係数の値が、シャフト４のそれと同じ値であれば、固定部材３と端板２との間で、温度変化にともなって締付強度が弱くなることが考えられる。逆に、固定部材３の線膨張係数の値が、端板２のそれと同じ値であれば、シャフト４と固定部材３との間で温度変化にともなって締付強度が弱くなることが考えられる。
しかし、本願発明の実施の形態１のように、固定部材３の線膨張係数の値を、シャフト４と端板２の線膨張係数の中間的な値とすることによって、シャフト４と固定部材３の線膨張係数の差、固定部材３と端板２の線膨張係数の差を、シャフト４と端板２の線膨張係数の差よりも小さくし、シャフト４と端板２の熱膨張差による影響を緩和することで、締め代が緩むことを抑制することが可能となる。
なお、線膨張係数は、物質の温度変化による長さの変化量を示す値であり、熱膨張係数（熱膨張率）は、体積の変化量を示す値である。

モータ温度が高温になった場合、鉄製のシャフトに、直接、非磁性体のエンドプレートとなる端板を圧入して固定した場合、締め代が減少して端板がモータの回転により回転方向にずれる可能性があり、端板が回転方向にずれると、端板でロータのバランス取りをしている場合、異音、振動が生じるなどモータ性能が低下することが問題であった。また、高温時に端板が回転しないようにするためには、圧入部分の寸法管理を厳しくする必要があり、ロータを安価に製造することができないという問題があったが、本発明の回転機械のロータ１０の構造とすることで、これらの問題を解決できる。

本発明のロータ１０の構造であれば、シャフト４と端板２の間の中間部材となる固定部材３が、シャフト４と端板２の中間的な線膨張係数の値を持つものであるため、モータ温度が高温になった場合でも、シャフト４に圧入された部品の締め代の減少を抑制できることができ、性能の安定したモータを提供することができる。

つまり、本発明のロータ１０は、モータ１００の温度が高温になった場合でも、シャフト４に固定部材３を介して端板２を圧入して固定することで、締め代の減少を抑制できるため、端板２がモータ１００の回転により回転方向にずれることがなく、端板２が回転方向にずれないことで、端板２でロータ１０のバランス取りをしている場合でも、異音、振動が生じることがなく、安定したモータ性能を得ることができる。さらに、シャフトにエンドプレートを直接圧入する場合と比べて、シャフト４に固定部材３、固定部材３に端板２を圧入する際の、圧入部分の寸法管理を厳しくする必要がなく、安価にロータ１０を製造することができる。

実施の形態２.
実施の形態２では、実施の形態１において示した固定部材３と端板２の変形例について説明する。
図３は、この発明の実施の形態２によるロータ１０の断面図である。
上述の実施の形態１においては、固定部材３は平板リング状に形成されていたが、図３にロータ１０の要部断面図を示すように、固定部材３ａは、リング状の断面形状は略コの字の形状になっており、金属材料よりなる薄肉のプレートで形成されている。
この断面形状が略コの字である固定部材３ａは、外側の三つの平面が、それぞれシャフト４の外側面、ロータコア１の軸方向の端面、端板２の内径に沿った内側面にそれぞれ接するように配置されている。

つまり、ロータ１０の固定部材３ａの内周側の薄肉の円環部分の内側に、シャフト４が圧入されて固定されている。さらに、ロータ１０の固定部材３ａの外周側の薄肉の円環部分に、同心円状の円環プレートである端板２が圧入固定されている。
実施の形態１で示したように、固定部材３が中実になっている場合（単純な平板状である場合）は、シャフト４に固定部材３を圧入する際に、締め代を大きくしすぎると円周応力が材料の許容値よりも大きくなり、部品の寸法管理が難しかった。そのため、実施の形態１では、線膨張係数の値をパラメータとして固定部材３の材料を選定することで寸法管理を容易なものとした。

しかし、この実施の形態２では、シャフト４に対する固定部材３ａの圧入部、端板２に対する固定部材３ａの圧入部をそれぞれ薄肉とすることで、円周応力が大きくなりにくい中間部材構造としている。固定部材３ａの材料を薄肉プレートとすることで、より厚い材料とした場合よりも円周応力を抑えつつ締め代を大きくでき、線膨張係数の差に起因する締め代変化の差を、固定部材３ａの材料の厚さを薄くすることによって吸収することができる。
このように、この薄肉プレートよりなる固定部材３ａをシャフト４と端板２との中間部材として介在させることで、シャフト４と端板２との熱膨張差による影響を緩和することが可能となる。

また、図４に示すように、固定部材３ａを反転させてシャフト４に固定し、固定部材３ｂとしてロータ１０に配置することも可能である。
図３の例では、断面形状が略コの字形の薄肉プレートよりなる固定部材３ａの一つの平面がロータコア１の側面に接するように配置された例を示したが、この図４の例では、断面形状が略コの字形状の薄肉プレートよりなる固定部材３ｂの平面が、シャフト４の外側面と端板２（または２ａ、２ｂ。）の内側面に接し、ロータコア１の端面（軸に垂直な面）と固定部材３ｂとは面同士で接しないように配置されている。この固定部材３ｂの配置であっても、固定部材３、３ａと同様の効果を得ることができる。

また、エンドプレートとなる端板２は、図１〜図３では、薄肉のプレートからなる断面形状が略Ｌ字形状のものを例示したが、図４に示すように、平板リング状の端板２ｂを用いることも可能である。
いずれの場合も、固定部材３ａ、３ｂの断面形状コの字の先端部分が、薄肉の板により近い状態となり、その部分で円周応力が低くなるため、中間部材として適した形状であると言える。

実施の形態３．
上述の実施の形態１においては、固定部材３は、その線膨張係数の値がシャフト４と端板２との中間的な値であること、電磁鋼板を用いることができること、実施の形態２においては、固定部材３ａ、３ｂは、断面形状が略コの字形状の薄肉のプレートからなることについて説明した。この実施の形態３では、固定部材３（３ａ、３ｂ）としてバネ材を使用することについて示す。

バネ材とは、バネ性を有する材料であり、一般に、薄板バネやエッチング材、シム板などによく用いられる。代表的な材料に、ＳＵＳ304ＣＳＰやＳＵＳ301ＣＳＰなど、ＳＵＳバネ材と呼ばれるバネ用ステンレス鋼帯がある。
固定部材３（３ａ、３ｂ）をバネ材とすることで、バネ材のバネ力によって固定力を増大させることができ、シャフト４、固定部材３（３ａ、３ｂ）、端板２（２ｂ）の固定がより強固となる。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

この発明の回転機械の回転子は、磁石抜け防止用の端板を備えた電動モータのロータとして用いることができる。

電動モータのロータの両端面に設けられるエンドプレートは、磁極間の短絡を防止するために非磁性材料から構成される。そして、非磁性材料としては、オーステナイト系ステンレス材を使用することが多い。
しかし、ロータの鉄製のシャフトに対して、エンドプレートのステンレス材は熱膨張率が大きいため、温度変化のあるモータでは、シャフトに圧入されるエンドプレートが熱膨張することにより、エンドプレートとシャフトの間の収縮締結の締め代が緩んで空回りしてしまうという問題があった。
この発明は、上記問題点に鑑み、エンドプレートとシャフト間の熱膨張差による影響を緩和し、締め代が緩むことを抑制することが可能な回転機械の回転子を提供することにある。

この発明の回転機械の回転子は、シャフト、上記シャフトに固定されたロータコア、上記シャフトに圧入固定され、上記ロータコアのシャフト軸方向の位置を規制するリング状の固定部材、上記固定部材の外周側に固定され、上記ロータコア内に埋設された磁石のシャフト軸方向の位置を規制する端板を含み、上記固定部材の線膨張係数の値は、上記シャフトの線膨張係数と、上記端板の線膨張係数との中間的な値であり、上記固定部材によって、上記シャフトと上記端板との熱膨張差による影響を緩和することを特徴とするものである。

この発明の回転機械の回転子は、シャフト、上記シャフトに固定されたロータコア、上記シャフトに固定され、上記ロータコアのシャフト軸方向の位置を規制するリング状の固定部材、上記固定部材の外周側に固定され、上記ロータコア内に埋設された磁石のシャフト軸方向の位置を規制する端板を含み、上記固定部材の線膨張係数の値は、上記シャフトの線膨張係数と、上記端板の線膨張係数との中間的な値であり、上記固定部材によって、上記シャフトと上記端板との熱膨張差による影響を緩和することを特徴とするものである。

Claims (4)

1. シャフト、上記シャフトに固定されたロータコア、上記シャフトに圧入固定され、上記ロータコアのシャフト軸方向の位置を規制するリング状の固定部材、上記固定部材の外周側に固定され、上記ロータコア内に埋設された磁石のシャフト軸方向の位置を規制する端板を含み、上記固定部材によって、上記シャフトと上記端板との熱膨張差による影響を緩和することを特徴とする回転機械の回転子。
2. 上記固定部材の線膨張係数の値は、上記シャフトの線膨張係数と、上記端板の線膨張係数との中間的な値であることを特徴とする請求項１記載の回転機械の回転子。
3. 上記固定部材は、薄肉の金属材料により形成されたリング状の部材であり、断面が略コの字形状であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の回転機械の回転子。
4. 上記固体部材は、バネ材によって形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の回転機械の回転子。

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