JPWO2018216160A1 - 回転子部材及び回転電機 - Google Patents

Abstract

回転子部材（１０）は、筒状の第１スリーブ（１）と、外周（２ｏ）が第１スリーブ（１）の内周（１ｉ）に接するように第１スリーブ（１）に圧入される筒状の第２スリーブ（２）とを備える。回転子部材（１０）は、第１スリーブ（１）の外周（１ｏ）に、周方向に配置された複数の分割磁石（３）と、複数の分割磁石（３）の外周（３ｏ）側に配置され、第１スリーブ（１）との間に複数の分割磁石（３）を挟んで保持する筒状の補強スリーブ（４）とを備える。

Description

本発明は、表面磁石型モータの回転子部材及び回転電機に関する。

表面磁石型モータの回転子は、回転子部材をシャフトに固定して構成される。回転子部材の構造の一例では、分割磁石、スリーブ及び補強スリーブで構成され、油圧嵌め又は圧入によってスリーブとシャフトとが結合されることによって、回転子部材がシャフトに固定される。特許文献１には、回転子部材のスリーブの内周をテーパ面とし、シャフトである回転軸部をスリーブ内に圧入する回転子が開示されている。

特開２０１４−２１２６８０号公報

特許文献１に開示される発明は、スリーブに回転軸部を圧入するため、スリーブへの回転軸の取り付け又は取り外しが容易でないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、シャフトの取り付け及び取り外しが容易な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、筒状の第１スリーブと、外周が第１スリーブの内周に接するように第１スリーブに圧入される筒状の第２スリーブとを備える。本発明は、第１スリーブの外周に周方向に配置された複数の分割磁石と、複数の分割磁石の外周側に配置され、第１スリーブとの間に複数の分割磁石を挟んで保持する筒状の補強スリーブとを備える。

本発明に係る回転子部材は、シャフトの取り付け及び取り外しが容易であるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る回転子部材の回転軸に垂直な断面図 実施の形態１に係る回転子部材の回転軸に沿った断面図 実施の形態１に係る回転子部材の第１スリーブの外周に分割磁石を配置した状態での回転軸に垂直な断面図 実施の形態１に係る回転子部材の第１スリーブの外周に分割磁石を配置した状態での回転軸に沿った断面図 実施の形態１に係る回転子部材の分割磁石の外周側に補強スリーブを配置した状態での回転軸に垂直な断面図 実施の形態１に係る回転子部材の分割磁石の外周側に補強スリーブを配置した状態での回転軸に沿った断面図 実施の形態１に係る回転子部材をシャフトに固定した回転子の回転軸に沿った断面図 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構成を示す図 本発明の実施の形態３に係る回転子部材の回転軸に沿った断面図 本発明の実施の形態４に係る回転子部材の回転軸に沿った断面図 実施の形態４に係る回転子部材を用いた回転子の回転軸に沿った断面図 実施の形態４に係る回転子部材を用いた回転子の回転軸に沿った断面図 本発明の実施の形態５に係る回転子部材の回転軸に沿った断面図 実施の形態５に係る回転子部材を用いた回転子の側面図 実施の形態１から５のいずれかに係る回転子部材を用いた回転子を備えた回転電機の構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係る回転子部材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に係る回転子部材１０の回転軸に垂直な断面図である。図２は、実施の形態１に係る回転子部材１０の回転軸に沿った断面図である。図２は、図１中のII-II線における断面を示す。実施の形態１に係る回転子部材１０は、筒状の第１スリーブ１と、外周２ｏが第１スリーブ１の内周１ｉに接するように第１スリーブ１に圧入される筒状の第２スリーブ２と、第１スリーブ１の外周１ｏに複数配置された分割磁石３と、分割磁石３の外周３ｏ側に配置された筒状の補強スリーブ４とを備える。第１スリーブ１は、内周１ｉがテーパを有する。第２スリーブ２は、第１スリーブ１の内周１ｉと同じ傾斜のテーパを外周２ｏが有する。

第２スリーブ２は、全体が筒部２ｔとなっている。第２スリーブ２の大径側の端部２ｌには、ねじ穴２ａが形成されている。

第２スリーブ２は、第１スリーブ１に圧入されているため、第１スリーブ１の外周１ｏに配置された分割磁石３には、内径側から外径側に向かう力が加わり、分割磁石３は、補強スリーブ４の内周４ｉに押し付けられている。すなわち、第２スリーブ２を第１スリーブ１に圧入すると、分割磁石３は、第１スリーブ１と補強スリーブ４との間に挟み込まれ、補強スリーブ４と分割磁石３との間に生じる摩擦力及び第１スリーブ１と分割磁石３との間に生じる摩擦力によって固定される。補強スリーブ４は、炭素繊維強化プラスチックといった高強度かつ高剛性の材料で形成されている。補強スリーブ４は、分割磁石３が押し付けられても塑性変形又は破断は生じない強度を有している。

第２スリーブ２の軸方向の中央での厚さは、第１スリーブ１の軸方向の中央での厚さよりも厚くなっている。第２スリーブ２は、第１スリーブ１に圧入した際に、第２スリーブ２が変形してしまうことが抑制されるだけの厚さを有している。一例を挙げると、第２スリーブ２の軸方向の中央での厚さは、第１スリーブ１の軸方向の中央での厚さの２倍以上となっている。したがって、第２スリーブ２を第１スリーブ１に圧入した際に、第２スリーブ２が変形してしまうことは抑制される。

第１スリーブ１及び第２スリーブ２は、磁路を形成する観点からは、磁性材料で形成されることが好ましい。また、回転子部材１０の温度が高くなっても、第１スリーブ１と第２スリーブ２との圧入代を確保できるようにするためには、第２スリーブ２の材料の熱膨張率が第１スリーブ１の材料の熱膨張率以上であることが望ましい。第１スリーブ１及び第２スリーブ２を磁性材料で形成することにより、回転子部材１０を用いて構成する回転電機の出力を高めることができる。第１スリーブ１の材料の熱膨張率の方が大きい場合には、第１スリーブ１の材料と第２スリーブ２の材料とで熱膨張率の差が小さいほど好ましい。

実施の形態１に係る回転子部材１０の組立手順について説明する。図３は、実施の形態１に係る回転子部材１０の第１スリーブ１の外周１ｏに分割磁石３を配置した状態での回転軸に垂直な断面図である。図４は、実施の形態１に係る回転子部材の第１スリーブ１の外周１ｏに分割磁石３を配置した状態での回転軸に沿った断面図である。図４は、図３中のIV-IV線における断面を示す。まず、第１スリーブ１の外周１ｏに分割磁石３を配置し接着剤で固定する。分割磁石３を配置する際には、治具を用いて位置決めを行うことで、分割磁石３の間隔を設定値にする。モータ特性上、分割磁石３同士の隙間は寸法を均等にすることが望ましい。

分割磁石３を第１スリーブ１の外周１ｏに配置した後に、分割磁石３の外周３ｏ側に補強スリーブ４を配置する。図５は、実施の形態１に係る回転子部材１０の分割磁石３の外周３ｏ側に補強スリーブ４を配置した状態での回転軸に垂直な断面図である。図６は、実施の形態１に係る回転子部材１０の分割磁石３の外周３ｏ側に補強スリーブ４を配置した状態での回転軸に沿った断面図である。図６は、図５中のVI-VI線における断面を示す。分割磁石３は、第１スリーブ１と補強スリーブ４との間に位置するが、補強スリーブ４の内周４ｉに押し付けられてはいない状態である。

分割磁石３の外周３ｏ側に補強スリーブ４を配置した後に、第２スリーブ２を第１スリーブ１に圧入する。第２スリーブ２を第１スリーブ１に圧入することにより、分割磁石３が補強スリーブ４の内周４ｉに押し付けられる。補強スリーブ４に押し付けられた分割磁石３が、摩擦力によって第１スリーブ１と補強スリーブ４との間に固定されることにより、図１及び図２に示した回転子部材１０が構成される。

図７は、実施の形態１に係る回転子部材１０をシャフト５に固定した回転子１５の回転軸に沿った断面図である。シャフト５にはフランジ部５ａが設けられており、フランジ部５ａには穴５ｂが形成されている。フランジ部５ａが設けられたシャフト５を第２スリーブ２に挿入し、フランジ部５ａに形成されている穴５ｂを通したボルト６をねじ穴２ａに締結することにより、回転子部材１０がシャフト５に固定される。回転子部材１０がシャフト５に固定されることにより、回転子１５が構成される。

回転子部材とシャフトとの固定方法が圧入であると、回転子部材に圧入されたシャフトを容易に取り外すことができない。実施の形態１に係る回転子部材１０を用いれば、第１スリーブ１に第２スリーブ２を圧入する力によって、高速回転時にも分割磁石３を強固に固定することが可能であり、かつ、シャフト５を回転子部材１０から容易に取り外すことが可能となる。その結果、回転子１５を用いた電動機を設置した客先においても、シャフト５を回転子部材１０に容易に取り付け及び取り外しが可能となる。

回転子部材とシャフトとの固定方法が圧入であると、シャフトを圧入する際に回転子部材に塑性変形が生じるため、シャフトから取り外した回転子部材に再度シャフトを圧入しても、元と同じ結合力は得られない。つまり、シャフトから取り外した回転子部材に再度シャフトを圧入しても、回転子部材の塑性変形の影響で、回転子の強度が低下し、電動機の信頼性の低下につながってしまう。実施の形態１に係る回転子部材１０は、圧入することなくシャフト５に固定できるため、シャフト５から取り外した回転子部材１０を再度シャフト５に取り付けても、結合力が低下することはない。したがって、実施の形態１に係る回転子部材１０は、シャフト５から取り外して再利用することができる。

また、実施の形態１に係る回転子部材１０は、組み立てる際に、シャフト５よりも短い第２スリーブ２を第１スリーブ１に圧入すれば良いため、シャフト自体をスリーブに圧入して回転子を組み立てる構造と比較すると、圧入作業の設備を小型化できる。

なお、上記の説明においては、回転子部材１０とシャフト５との固定にボルト６を用いる構成を例示したが、回転子部材１０とシャフト５との固定は、キーとキー溝とを嵌合させる手法、又はスプラインとスプライン穴とを嵌合させる手法を適用することもできる。

実施の形態１に係る回転子部材１０は、シャフト５を圧入することなくシャフト５に固定できるため、シャフト５から取り外す際に大きな力は必要なく、シャフト５から取り外した後に再利用することも可能である。

実施の形態２．
図８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構成を示す図である。実施の形態２に係る回転子部材１０は、第２スリーブ２の大径側の端部２ｌにフランジ部２ｂが形成されている。したがって、実施の形態２においては、第２スリーブ２は、筒部２ｔとフランジ部２ｂとを備えている。フランジ部２ｂにはねじ穴２ａが形成されている。一方、シャフト５にもフランジ部５ａが設けられており、フランジ部５ａには穴５ｂが形成されている。穴５ｂを通したボルト６をねじ穴２ａに締結することにより、回転子部材１０はシャフト５に固定されている。この他は実施の形態１に係る回転子部材１０と同様である。回転子部材１０の組立手順は、実施の形態１と同様である。

実施の形態２に係る回転子部材１０は、第２スリーブ２にフランジ部２ｂが設けられており、大径側の端面の面積がフランジ部２ｂの分だけ拡大されているため、第２スリーブ２がフランジ部２ｂを備えない実施の形態１に係る回転子部材１０と比較した場合、第２スリーブ２を第１スリーブ１に圧入する際に圧力をかけることができる面積が大きくなる。したがって、実施の形態２に係る回転子部材１０は、第２スリーブ２を第１スリーブ１に圧入する作業を行いやすい。

実施の形態２に係る回転子部材１０は、フランジ部２ｂを利用して回転子部材１０をシャフト５に固定するため、ボルト６の径は第２スリーブ２の肉厚による制約を受けない。したがって、回転子部材１０とシャフト５との固定に第２スリーブ２の肉厚以上の径を有するボルト６を用いることで、第２スリーブ２の肉厚未満の径を有するボルトを用いる場合と同じ結合力を、少ない本数のボルト６で実現できる。よって、実施の形態２に係る回転子部材１０は、ボルト６を締結する作業の工数を低減することができる。

また、回転子部材１０とシャフト５との固定にキーを用いるのであれば、第２スリーブ２の筒部２ｔにキー溝を設ける場合よりも、回転軸からキー溝までの径方向の距離を長くとれるため、キーが受けることができるトルクを大きくできる。また、キー溝の深さは第２スリーブ２の肉厚による制約を受けないため、第２スリーブ２の筒部２ｔにキー溝を設ける場合よりも大きいキー溝をフランジ部２ｂに形成することができる。

また、フランジ部２ｂを設けることにより第２スリーブ２の熱容量が大きくなるため、回転子部材１０の温度上昇を抑制しやすくなる。また、第２スリーブ２の向きを容易に判別できるため、第２スリーブ２を大径側の端部２ｌから第１スリーブ１に圧入してしまうことを防止できる。

なお、フランジ部２ｂに翼板を設置し、回転子が回転した際に回転子部材１０に気流が吹き付けられるようにしても良い。

実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３に係る回転子部材の回転軸に沿った断面図である。実施の形態３に係る回転子部材１０は、第２スリーブ２の内周２ｉの軸方向の中間部に凹部２ｃが形成されている。第２スリーブ２は、全体が筒部２ｔとなっている。凹部２ｃは、第２スリーブ２の内周２ｉに全周にわたって形成されている。したがって、第２スリーブ２は、軸方向の中間部の凹部２ｃの部分の内径が、大径側の端部２ｌでの内径及び小径側の端部２ｓでの内径よりも大きくなっている。この他は実施の形態１に係る回転子部材１０と同様である。回転子部材１０の組立手順は、実施の形態１と同様である。

第２スリーブ２の内周２ｉにおいてシャフト５と接する部分は、偏心を防ぐために加工精度が要求され、加工速度を高めることが難しい。実施の形態３に係る回転子部材１０では、軸方向の中間部の凹部２ｃは、内周２ｉがシャフト５と接触しないため、内周２ｉの加工精度は要求されない。したがって、第２スリーブ２の凹部２ｃの部分では内周２ｉの加工速度を速めることができる。また、第２スリーブ２は、内周ｉの大径側の端部２ｌ及び小径側の端部２ｓの内周２ｉがシャフト５と接するため、凹部２ｃの部分で内周２ｉがシャフト５と接していなくても、シャフト５に傾きが生じることは防止できる。凹部２ｃの部分で内周２ｉの加工精度を低くして加工速度を速めることによって、加工コストの低減を図ることができる。

実施の形態３に係る回転子部材１０の第２スリーブ２は、大径側の端部２ｌを把持した状態で、シャフト５と接触する小径側の端部２ｓの内周２ｉを加工したのち、小径側の端部２ｓを把持し直して、小径側の端部２ｓを把持した状態で、シャフト５と接触する大径側の端部２ｌの内周２ｉを加工することができるため、加工精度を高めやすい。

スリーブが一つであり、テーパシャフトをスリーブに圧入する構造の回転子では、スリーブの軸方向の中央部の内周に凹部を設けると、テーパシャフトを圧入した際にスリーブが中膨れを起こしてしまい、軸方向で均一にスリーブを膨張させることが困難である。実施の形態３では、補強スリーブ４との間に分割磁石３を挟み込む第１スリーブ１には凹部が形成されないため、第２スリーブ２を第１スリーブ１に圧入した際に、第１スリーブ１を軸方向で均一に膨張させることができる。

なお、実施の形態２と実施の形態３とを組み合わせて、第２スリーブ２の大径側の端部２ｌにフランジ部２ｂを設けるとともに、第２スリーブ２の内周２ｉの軸方向の中間部に凹部２ｃを形成することも可能である。

実施の形態４．
図１０は、本発明の実施の形態４に係る回転子部材の回転軸に沿った断面図である。第２スリーブ２の内周２ｉに段部２ｄが設けられており、第２スリーブ２の内径は、大径側の端部２ｌにおいて段階的に小さくなっている。この他は実施の形態１に係る回転子部材１０と同様である。回転子部材１０の組立手順は、実施の形態１と同様である。

図１１及び図１２は、実施の形態４に係る回転子部材を用いた回転子の回転軸に沿った断面図である。図１１及び図１２に示すように、実施の形態４に係る回転子部材１０は、フランジ部５ａの大きさが異なるシャフト５に固定できる。シャフト５を第２スリーブ２に挿入する際には、段部２ｄにフランジ部５ａを突き当てることでシャフト５の軸方向の位置決めを容易に行える。

なお、実施の形態３と実施の形態４とを組み合わせて、第２スリーブ２の内周２ｉの軸方向の中間部に凹部２ｃを形成するとともに、第２スリーブ２の内径を、大径側の端部２ｌにおいて段階的に小さくすることも可能である。

実施の形態５．
図１３は、本発明の実施の形態５に係る回転子部材の回転軸に沿った断面図である。実施の形態５に係る回転子部材１０は、第２スリーブ２の内周２ｉに、大径側の端部２ｌから小径側の端部２ｓまでつながった螺旋溝２ｅが設けられている。この他は実施の形態１に係る回転子部材１０と同様である。回転子部材１０の組立手順は、実施の形態１と同様である。

図１４は、実施の形態５に係る回転子部材を用いた回転子の側面図である。回転子部材１０をシャフト５に固定した状態においても、螺旋溝２ｅはシャフト５で塞がれておらず、第２スリーブ２の大径側の端部２ｌから小径側の端部２ｓまで繋がっている。したがって、実施の形態５に係る回転子部材１０を用いた回転子は、第２スリーブ２の大径側の端部２ｌと小径側の端部２ｓとの間に螺旋溝２ｅを通じて流体を流すことができる。

実施の形態５に係る回転子部材を用いた回転子は、螺旋溝２ｅに冷却媒体を流すことで、回転子部材１０を冷却することができる。また、第２スリーブ２がシャフト５にしまり嵌めされている場合は、回転子部材１０をシャフト５から取り外す際に、螺旋溝２ｅに油を流して油圧で第２スリーブ２を拡げることで、回転子部材１０をシャフト５から取り外しやすくすることができる。

第２スリーブ２の大径側の端部２ｌから小径側の端部２ｓまで繋がった溝は、螺旋状である必要はなく、直線状又はジグザグ状の溝であってもよい。第２スリーブ２の大径側の端部２ｌから小径側の端部２ｓまで繋がった溝は、１本である必要はなく、複数本形成されてもよい。

なお、実施の形態２、実施の形態３又は実施の形態４に係る回転子部材１０に、第２スリーブ２の大径側の端部２ｌから小径側の端部２ｓまで繋がった溝を形成することも可能である。

図１５は、実施の形態１から５のいずれかに係る回転子部材を用いた回転子を備えた回転電機の構成を示す図である。実施の形態１から５のいずれかに係る回転子部材１０を用いた回転子１５は、筒状の固定子２０の中に挿入することにより、回転電機３０を構成することができる。すなわち、実施の形態１から５のいずれかに係る回転子部材１０を用いることにより、シャフト５から取り外した後で再利用できる回転子部材１０を備えた回転電機３０を得られる。

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。

１ 第１スリーブ、１ｉ，２ｉ，４ｉ 内周、１ｏ，２ｏ，３ｏ 外周、２ 第２スリーブ、２ａ ねじ穴、２ｂ，５ａ フランジ部、２ｃ 凹部、２ｄ 段部、２ｅ 螺旋溝、２ｌ 大径側の端部、２ｓ 小径側の端部、２ｔ 筒部、３ 分割磁石、４ 補強スリーブ、５ シャフト、５ｂ 穴、６ ボルト、１０ 回転子部材、１５ 回転子、２０ 固定子、３０ 回転電機。

Claims (11)

1. 筒状の第１スリーブと、
   外周が前記第１スリーブの内周に接するように前記第１スリーブに圧入される筒状の第２スリーブと、
   前記第１スリーブの外周に、周方向に配置された複数の分割磁石と、
   複数の前記分割磁石の外周側に配置され、前記第１スリーブとの間に複数の前記分割磁石を挟んで保持する筒状の補強スリーブとを備えることを特徴とする回転子部材。
2. 前記第２スリーブの軸方向の中央での厚さは、前記第１スリーブの軸方向の中央での厚さよりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の回転子部材。
3. 前記第２スリーブの軸方向の中央での厚さは、前記第１スリーブの軸方向の中央での厚さの２倍以上であることを特徴とする請求項２に記載の回転子部材。
4. 前記第２スリーブの材料の熱膨張率は、前記第１スリーブの材料の熱膨張率以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回転子部材。
5. 前記第１スリーブの材料及び前記第２スリーブの材料は、磁性材料であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の回転子部材。
6. 前記第２スリーブは、大径側の端部にフランジ部を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の回転子部材。
7. 前記フランジ部にねじ穴が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の回転子部材。
8. 前記第２スリーブは、軸方向の中間部の内径が両端部の内径よりも大きいことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の回転子部材。
9. 前記第２スリーブは、大径側の端部において、内径が段階的に小さくなることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の回転子部材。
10. 前記第２スリーブは、大径側の端部から小径側の端部まで繋がった溝が内周に形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の回転子部材。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の回転子部材をシャフトに固定した回転子と、
    前記回転子が挿入される筒状の固定子とを有することを特徴とする回転電機。

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