(57)【要約】  回転子部材（６０）は、筒状のスリーブ（３１）と、スリーブ（３１）の外周側に配置された複数の永久磁石（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）と、複数の永久磁石（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）の外周側に配置された筒状の補強部材（６）とを備える。スリーブ（３１）の内周面（３ｂ）は、スリーブ（３１）の一端部側ほどスリーブの中心軸に近づく第１のテーパ面であり、スリーブの外周面（３ｅ）は、スリーブ（３１）の他端部側ほど中心軸に近づく第２のテーパ面である。
2019150499.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状のスリーブと、
前記スリーブの外周側に配置された複数の永久磁石と、
複数の前記永久磁石の外周側に配置された筒状の補強部材とを備え、
前記スリーブの内周面は、前記スリーブの一端部側ほど前記スリーブの中心軸に近づく第１のテーパ面であり、
前記スリーブの外周面は、前記スリーブの他端部側ほど前記中心軸に近づく第２のテーパ面であることを特徴とする回転子部材。
【請求項２】
前記第１のテーパ面の勾配の大きさは、前記第２のテーパ面の勾配の大きさ以上であることを特徴とする請求項１に記載の回転子部材。
【請求項３】
前記永久磁石の端面を覆うスペーサを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転子部材。
【請求項４】
前記スリーブは、前記第１のテーパ面よりも外径が拡大された外径拡大部と、前記第２のテーパ面よりも内径が拡大された内径拡大部とを前記一端部及び前記他端部に備えることを特徴とする請求項３に記載の回転子部材。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の回転子部材と、前記スリーブに圧入されたシャフトとを有することを特徴とする回転子。
【請求項６】
請求項５に記載の回転子と、固定子とを備えることを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、界磁に永久磁石を使用する回転子部材、回転子及び同期式の回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業用途を中心に、回転電機の高効率化、高出力化、及び高速回転化へのニーズが高まっている。【０００３】
誘導式の回転電機は、回転子に電流が流れる。一方、回転子の界磁に永久磁石を使用する同期式の回転電機は、回転子に電流が流れない。したがって、同期式の回転電機は、回転子が発熱しないため、高効率化及び高出力化の面では、誘導式の回転電機よりも有利である。【０００４】
同期式の回転電機に用いられている回転子は、シャフトに回転子部材を取り付けた構造である。回転子部材は、シャフトが挿入されるスリーブに永久磁石を固定した構造である。同期式の回転電機の高速回転化を実現するにあたっては、回転時に発生する遠心力によって永久磁石がスリーブから剥離しないように、回転子部材に対策を施す必要がある。【０００５】
特許文献１には、スリーブの外周面に取り付けられた永久磁石の外周面を炭素繊維強化プラスチックといった高強度合成材料からなる補強部材で覆うことで、高速回転時の遠心力によって永久磁石がスリーブから剥離することを抑制する構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５６８９５５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
高速回転時に空転が発生することなくシャフトにトルクを伝達するためには、軸出力トルクを常に上回る摩擦力を永久磁石とスリーブの外周面との間に発生させる必要がある。永久磁石とスリーブの外周面との摩擦力は、シャフトをスリーブに挿入する際のしめ代に依存する。すなわち、圧入するシャフトの外径が大きいほどしめ代が大きくなり、補強部材に永久磁石が強く押し付けられ、永久磁石とスリーブの外周面との摩擦力が大きくなる。回転電機が高速回転化されるのにともない、シャフトをスリーブに挿入する際のしめ代に設定すべき値が必然的に増大している。しめ代が増大すると、スリーブの変形量が大きくなり、スリーブが均一に変形せず外周部に凹凸が生じることがある。固定子と永久磁石との空間距離は、回転電機の特性に大きく左右するポイントであり、固定子と永久磁石との空間距離に変化が生じると、誘起電圧及びコギングトルクといったモータの重要な特性に影響する。【０００８】
特許文献１に開示される発明は、スリーブにテーパ状のシャフトを圧入することでしめ代を付加しているため、必然的にシャフトを圧入した後のスリーブの肉厚に差が生じる。シャフトを圧入することによるスリーブの変形量の差を抑制するためには磁石形状を変更することが考えられるが、個々の磁石形状を変更する必要があるため、加工の手間が増加し、結果的にコストアップの要因となる。【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、シャフトを圧入した際に、中心軸から永久磁石の外周面までの距離が軸方向の位置によってばらつくことを抑えた回転子部材を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、筒状のスリーブと、スリーブの外周側に配置された複数の永久磁石と、複数の永久磁石の外周側に配置された筒状の補強部材とを備える。スリーブの内周面は、スリーブの一端部側ほどスリーブの中心軸に近づく第１のテーパ面である。スリーブの外周面は、スリーブの他端部側ほど中心軸に近づく第２のテーパ面である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る回転子部材は、シャフトを圧入した際に、中心軸から永久磁石の外周面までの距離が軸方向の位置によってばらつくことを抑えられるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る回転電機の縦断面図
【図２】実施の形態１に係る回転子部材の縦断面図
【図３】実施の形態１に係る回転子部材の横断面図
【図４】実施の形態１に係る回転子部材のスリーブにシャフトを圧入した際のスリーブの変形を示す図
【図５】実施の形態１に係る回転子部材のスリーブにシャフトを圧入する前後でのスリーブの外径寸法の変形と軸方向の位置との関係を示す図
【図６】実施の形態１に係る別の回転子部材の縦断面図
【図７】本発明の実施の形態２に係る回転子部材の縦断面図
【図８】実施の形態２に係る回転子部材のスリーブにシャフトを圧入した際のスリーブの変形を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施の形態に係る回転子部材、回転子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。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る回転電機の縦断面図である。図２は、実施の形態１に係る回転子部材の縦断面図である。図３は、実施の形態１に係る回転子部材の横断面図である。なお、図２は、図３中のII-II線に沿った断面を示している。図３は、図２中のIII-III線に沿った断面を示している。実施の形態１に係る回転電機１ａは、内部空間１０ａを持つハウジング１０ｂと、ハウジング１０ｂの内部空間１０ａに静止して固定される環状の固定子９と、固定子９の径方向内側に回転可能に設置された回転子１ｂとを備える。
【００１５】
固定子９は、固定子鉄心７と、固定子鉄心７の周方向に離間して配置された複数のコイル８とを有する。固定子鉄心７は、電磁鋼板の薄板を積層することによって形成できるが、これに限定はされない。複数のコイル８は、回転電機１ａの外部に設置された動力源に接続する動力線８１を通じて電力が伝えられる。
【００１６】
回転子１ｂは、ＳＰＭ（Surface  Permanent  Magnet）型とも称される表面永久磁石型の同期式の回転電機に用いられる。回転子１ｂは、筒状の構造体である回転子部材６０と、回転子部材６０を貫通するシャフト２とを有する。回転子部材６０は、円筒形状のスリーブ３１と、円周方向に並ぶようにスリーブ３１の外周面に貼り付けられた複数の永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの隙間に配置された間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄと、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ及び間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの外周側を覆う補強部材６とを有する。永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは、希土類磁石又はフェライト磁石である。
【００１７】
スリーブ３１は、構造用炭素鋼等の磁性の金属材料から作成される。また、スリーブ３１の一端部にはシャフト２を挿入する際に、応力集中によってスリーブ３１自体が座屈変形することを抑制するフランジ部３ｃが形成されている。
【００１８】
スリーブ３１には、中心軸ＡＸに沿った方向に貫通する貫通穴３ａが形成されている。貫通穴３ａを形成するスリーブ３１の内周面３ｂはテーパ形状を有している。スリーブ３１の貫通穴３ａには、内周面３ｂの形状に合うシャフト２が圧入されている。なお、焼き嵌め若しくは冷やし嵌めと圧入とを組み合せてスリーブ３１の貫通穴３ａにシャフト２を固定してもよい。以下、中心軸ＡＸに沿った方向を「軸方向」という。なお、図示する回転子部材６０のシャフト２は、中空孔２ａを有しているが、これに限定されず、シャフト２は中実軸であってもよい。
【００１９】
複数個の永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ及び間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、スリーブ３１の外周面に接着剤によって貼り付けられている。実施の形態１においては、四つの永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと四つの間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄとが円周方向に等間隔で配置されている。また、実施の形態１において、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ及び間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの横断面形状は半径が異なる二つの円から同じ中心角で切り取った扇形同士の差分となる形状である。したがって、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ及び間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、横断面において内周側の辺及び外周側の辺がともに円弧状である。
【００２０】
図示する回転子部材６０は、四つの永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを備えているが、永久磁石の数は、極数に合わせて枚数を増減可能であり、例示する四つに限定されるものではない。
【００２１】
フランジ部３ｃと永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄとは、間に空間を設けて設置されても、密着して設置されてもよい。ただし、フランジ部３ｃと永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄとを密着させる場合は、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄからフランジ部３ｃを介した磁束漏れについて考慮する必要がある。
【００２２】
間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと比重が近い材料で形成されることが好ましい。間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、スリーブ３１及び間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ内部での磁束短絡ロスを考慮すると非磁性材料で形成されることが望ましいが、磁束短絡ロスを許容できるのであれば、非磁性材料でなくてもよい。具体的には、間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、ステンレス、アルミニウム合金、銅合金、鉄合金又は樹脂で形成できるが、これらに限定はされない。
【００２３】
また、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ及び間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの縦断面形状は、矩形状である。永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ及び間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの軸方向の長さは、スリーブ３１の軸方向の長さよりも短い。
【００２４】
補強部材６は、高速回転時の遠心力によって永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ及び間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄがスリーブ３１から剥離することを抑制する。なお、間隙部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを貼付ける作業の作業性の向上及び補強部材６に加わる応力の均等化を目的に設置しているため、補強部材６に加わる応力が補強部材６の疲労強度未満であれば、省略することも可能である。
【００２５】
スリーブ３１の内周面３ｂは、軸方向においてフランジ部３ｃから離れるほど中心軸ＡＸから遠ざかる第１のテーパ面であり、且つスリーブ３１の外周面３ｅは、軸方向においてフランジ部３ｃから離れるほど中心軸ＡＸに近づく第２のテーパ面である。スリーブ３１の内周面３ｂのテーパ角θは、回転電機１ａを運転する際の回転子１ｂの回転速度と、必要しめ代とにより異なるが、作業性を考慮すると０°から１０°の範囲に設定することが好ましい。なお、テーパ角θは、中心軸ＡＸとスリーブ３１の内周面３ｂとがなす角度である。
【００２６】
図４は、実施の形態１に係る回転子部材のスリーブにシャフトを圧入した際のスリーブの変形を示す図である。スリーブ３１は、内周面３ｂと外周面３ｅとが逆向きのテーパを有するため、軸方向においてフランジ部３ｃから離れるほど肉厚が小さくなっている。スリーブ３１は、肉厚が小さい部分ほど、シャフト２が圧入された際の変形量が大きくなる。スリーブ３１の外周面３ｅのテーパ角θａは、スリーブ３１の肉厚の違いによる変形量の差を補正する角度となっている。外周面３ｅがテーパ角θａを有することにより、スリーブ３１にシャフト２を圧入した後には、スリーブ３１の外周面３ｅは、中心軸ＡＸに対して傾きがなく真直な状態となる。すなわち、シャフト２をスリーブ３１に圧入した際に、中心軸ＡＸから永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの外周面までの距離が軸方向の位置によってばらつくことを抑えられる。したがって、実施の形態１に係る回転子１ｂを用いて回転電機１ａを組み立てると、回転子１ｂと固定子９との間は、軸方向の位置によらず一定になる。
【００２７】
図５は、実施の形態１に係る回転子部材のスリーブにシャフトを圧入する前後でのスリーブの外径寸法の変形と軸方向の位置との関係を示す図である。なお、外周面３ｅのテーパ角は、勾配が３０：１となる角度であり、しめ代は０．３ｍｍである。また、軸方向の位置は、フランジ部３ｃが設けられているスリーブ３１の一端部からの軸方向の距離によって定義される。スリーブ３１の外周面３ｅは、スリーブ３１の肉厚の違いによる変形量の差を補正するテーパ角θａを有するテーパ面であるため、スリーブ３１の外径寸法が軸方向の位置によって異なることを抑える。したがって、回転子１ｂと固定子９との間隔は、軸方向の位置によらず一定であり、回転電機１ａの特性が低下することを抑制できる。
【００２８】
図５には、内周面のみがテーパ面であり、軸方向においてフランジ部から離れるほど肉厚が小さくなるスリーブの外径寸法も合わせて示している。内周面のみがテーパ面であり、軸方向においてフランジ部から離れるほど肉厚が小さくなるスリーブは、シャフトが圧入されると、実施の形態１に係る回転子部材６０のスリーブ３１と同様に、肉厚が小さい部分ほど大きく変形する。内周面のみがテーパ面であるスリーブは、フランジ部から離れた肉厚が小さい部分ほど大きく変形することにより、軸方向においてフランジ部から離れるほど外径寸法が大きくなる。したがって、内周面のみがテーパ面であるスリーブを備えた回転子を用いて回転電機を組み立てると、回転子と固定子との間が不均一になり、回転電機の特性が低下してしまう。
【００２９】
以上のように、実施の形態１に係る回転子部材６０は、容易な形状で、しめ代付加後におけるスリーブ３１の外周面３ｅの変形量の差を抑制し、回転電機１ａの特性が低下することを抑制できる。
【００３０】
なお、上記の説明において、スリーブ３１は、一端部側にフランジ部３ｃを備えていたが、他端部側にもフランジ部を備えてもよい。図６は、実施の形態１に係る別の回転子部材の縦断面図である。スリーブ３１は、一端部側のフランジ部３ｃに加え、他端部側にもフランジ部３ｄを備えている。スリーブ３１の他端側にもフランジ部３ｄを設けることにより、シャフト２を圧入する作業を行いやすくなり、スリーブ３１自体が座屈変形することを抑制しやすくなる。スリーブ３１が、フランジ部３ｃ，３ｄを備える場合も、スリーブ３１の外径寸法が軸方向の位置によって異なることを抑えることができるため、回転電機１ａの特性が低下することを抑制できる。また、スリーブ３１がシャフト２を圧入する際に座屈変形しない肉厚を有するのであれば、フランジ部３ｃを省略した構造とすることも可能である。
【００３１】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る回転子部材の縦断面図である。実施の形態２に係る回転子部材は、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄとフランジ部３ｃとの間にリング状のスペーサ５０ａが設置されている。永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄとフランジ部３ｃとの間にスペーサ５０ａを追加することにより、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの端面の保護及び補強部材６を直接巻付ける際の作業性を向上することができる。同様に、フランジ部３ｃが設けられた端と反対側の端部にも、リング状のスペーサ５０ｂが設置されている。
【００３２】
スペーサ５０ａ，５０ｂは、永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄからの磁束漏れを考慮すると非磁性体であることが好ましい。リング状であるスペーサ５０ａ，５０ｂは、大きなしめ代を付加する必要がないため、スリーブ３１は、両端部に内径拡大部３ｂ１，３ｂ２が形成されており、内周面３ｂが両端まで続く場合よりも内径が拡大されている。スリーブ３１の外周面３ｅには、内径拡大部３ｂ１，３ｂ２によるスリーブ３１の変形量の差を補正する外径拡大部３ｆが設けられている。
【００３３】
図８は、実施の形態２に係る回転子部材のスリーブにシャフトを圧入した際のスリーブの変形を示す図である。図８中には、シャフト２をスリーブ３１に圧入する前の補強部材６の形状を破線で図示している。内周面３ｂは、スペーサ５０ａが入る部分のしめ代を軽減するために、内径テーパ角度差Δθを備えた内径拡大部３ｂ２を有しており、かつスリーブ３１の変形を補正するΔａの段差を備えた外径拡大部３ｆを有している。図８には図示していないが、スペーサ５０ｂ側も同様に、内径拡大部３ｂ１は、内径テーパ角度差Δθを備えており、外径拡大部３ｆは、外周面３ｅに対するΔａの段差を備えた外径拡大部３ｆを有している。したがって、シャフト２をスリーブ３１に圧入する前は、補強部材６の端部では外周面３ｅが中心軸ＡＸに対して傾きを有する状態であるが、シャフト２を圧入した後の外周面３ｅは、中心軸ＡＸに対して傾きがなく真直な状態となる。
【００３４】
実施の形態２に係る回転子部材は、シャフト２を圧入した際に、中心軸ＡＸから永久磁石４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの外周面３ｅまでの距離が軸方向の位置によってばらつくことを抑えることができる。なお、内径拡大部３ｂ１，３ｂ２及び外径拡大部３ｆを設けなくても、回転子１ｂと固定子９との隙間を設計値以下とできるのであれば、内径拡大部３ｂ１，３ｂ２及び外径拡大部３ｆを設けない構造とすることも可能である。
【００３５】
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。
【符号の説明】
【００３６】
１ａ  回転電機、１ｂ  回転子、２  シャフト、２ａ  中空孔、３ａ  貫通穴、３ｂ  内周面、３ｂ１，３ｂ２  内径拡大部、３ｃ，３ｄ  フランジ部、３ｅ  外周面、３ｆ  外径拡大部、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ  永久磁石、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ  間隙部材、６  補強部材、７  固定子鉄心、８  コイル、９  固定子、１０ａ  内部空間、１０ｂ  ハウジング、３１  スリーブ、５０ａ，５０ｂ  スペーサ、６０  回転子部材、８１  動力線。
【図１】
2019150499.tif 000003
【図２】
2019150499.tif 000004
【図３】
2019150499.tif 000005
【図４】
2019150499.tif 000006
【図５】
2019150499.tif 000007
【図６】
2019150499.tif 000008
【図７】
2019150499.tif 000009
【図８】
2019150499.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成30年12月20日(2018.12.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状のスリーブと、
前記スリーブの外周側に配置された複数の永久磁石と、
複数の前記永久磁石の外周側に配置された筒状の補強部材とを備え、
前記スリーブの内周面は、前記スリーブの一端部側ほど前記スリーブの中心軸に近づく第１のテーパ面であり、
前記スリーブの外周面は、前記スリーブの他端部側ほど前記中心軸に近づく第２のテーパ面である回転子部材と、
前記スリーブに圧入されたシャフトとを有し、
前記シャフトが圧入された状態において、前記スリーブの外周面は、前記中心軸に対して傾きが無いことを特徴とする回転子。
【請求項２】
前記第１のテーパ面の勾配の大きさは、前記第２のテーパ面の勾配の大きさ以上であることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
【請求項３】
前記永久磁石の端面を覆うスペーサを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転子。
【請求項４】
前記スリーブは、前記第１のテーパ面よりも外径が拡大された外径拡大部と、前記第２のテーパ面よりも内径が拡大された内径拡大部とを前記一端部及び前記他端部に備えることを特徴とする請求項３に記載の回転子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の回転子と、固定子とを備えることを特徴とする回転電機。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、界磁に永久磁石を使用する回転子及び同期式の回転電機に関する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、シャフトを圧入した際に、中心軸から永久磁石の外周面までの距離が軸方向の位置によってばらつくことを抑えた回転子を得ることを目的とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、筒状のスリーブと、スリーブの外周側に配置された複数の永久磁石と、複数の永久磁石の外周側に配置された筒状の補強部材とを備え、スリーブの内周面は、スリーブの一端部側ほどスリーブの中心軸に近づく第１のテーパ面であり、スリーブの外周面は、スリーブの他端部側ほど中心軸に近づく第２のテーパ面である回転子部材を有する。本発明は、スリーブに圧入されたシャフトを有する。シャフトが圧入された状態において、スリーブの外周面は、中心軸に対して傾きが無い。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明に係る回転子は、シャフトを圧入した際に、中心軸から永久磁石の外周面までの距離が軸方向の位置によってばらつくことを抑えられるという効果を奏する。
【国際調査報告】
2019150499.tif 000011
2019150499.tif 000012
2019150499.tif 000013