(57)【要約】【課題】製造コスト増を抑制し、容易に製造することができると共に、保持部材に内側から外側への圧力が加わったとしても、十分な強度を発現しつつ、繊維の剥離の発生を防ぐことができる永久磁石式回転電機の回転子を提供することにある。【解決手段】回転子シャフト１１と、回転子シャフト１１の周囲に配置される複数の永久磁石１２と、複数の永久磁石１２を回転子シャフト１１に固定する円管状の保持部材１３とを有する永久磁石式回転電機の回転子１０であって、保持部材１３は、内周部側に設けられ、繊維２１がフープ巻きされてなるフープ巻き層１４と、フープ巻き層１４の外表面１４ｂに設けられ、繊維２２がヘリカル巻きされてなるヘリカル巻き層１５とを有するようにした。【選択図】図１
2017163752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子シャフトと、前記回転子シャフトの周囲に配置される複数の永久磁石と、前記複数の永久磁石を前記回転子シャフトに固定する円管状の保持部材とを有する回転電機の回転子であって、
前記保持部材は、
内周部側に設けられ、繊維がフープ巻きされてなるフープ巻き層と、
前記フープ巻き層の外周部に設けられ、繊維がヘリカル巻きされてなるヘリカル巻き層と
を有する、ことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項２】
請求項１に記載された永久磁石式回転電機の回転子であって、
前記ヘリカル巻き層の前記繊維は、前記回転子シャフトの中心軸に対して７０°から８０°の高角度の方向へ延在している
ことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載された永久磁石式回転電機の回転子であって、
前記フープ巻き層の前記繊維は炭素繊維強化プラスチック製であり、前記ヘリカル巻き層の前記繊維はガラス繊維強化プラスチック製である
ことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか一項に記載された永久磁石式回転電機の回転子であって、
前記ヘリカル巻き層の厚みは、前記フープ巻き層の厚みと比べて小さい
ことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れか一項に記載された永久磁石式回転電機の回転子であって、
前記ヘリカル巻き層は、前記フープ巻き層と一体である
ことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れか一項に記載された永久磁石式回転電機の回転子であって、
前記保持部材は、前記回転子シャフトの軸方向にて前記複数の永久磁石全体を覆う形状を有する
ことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石式回転電機の回転子に関し、具体的には、複数の永久磁石が円管状の保持部材で表面に固定された永久磁石式回転電機の回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石式回転電機の回転子として、例えば、円管状の保持部材を圧入することで、複数の永久磁石を回転子シャフトの表面に固定した表面磁石型（ＳＰＭ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ）回転電機の回転子がある。
【０００３】
下記特許文献１には、外表面に永久磁石が配置された回転子シャフトに対して円管状の炭素繊維強化プラスチック製リング（以下、ＣＦＲＰリングと称す）を圧入することにより、このＣＦＲＰリングが永久磁石を締め付けて回転子シャフトに固定する方法が開示されている。
【０００４】
下記特許文献２には、回転軸に嵌合されたスリーブと、スリーブの周方向に配列される複数の磁石と、複数の磁石を回転軸に保持する保持部材とを備え、保持部材が互いに異なる直径を有し同心状に配列される複数の筒状部材であり、これら筒状部材を隙間嵌めし、回転軸とスリーブとの間の間隙に供給される油圧でスリーブを拡径して磁石を固定する回転子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３１２２５０号公報
【特許文献２】特開２０１５−１４４５５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１では、ＣＦＲＰリングにその内径側から外径側への圧力が加わった際にＣＦＲＰリングの繊維配向によっては強度的に不十分なものとなる可能性があった。そのため、強度のさらなる向上の要望がある場合には、改善の余地があると考えられていた。
【０００７】
上記特許文献２では、磁石を固定するためには、磁石の内側に配置されるスリーブが薄肉で高強度なものである必要があり、製造コスト増を招いていた。また、複数の筒状部材にＣＦＲＰリングを適用しようとしても、ＣＦＲＰリングは、内外径の加工公差幅が大きい（±０．０５ｍｍ程度）ものであるため、隙間嵌めの管理や、筒状部材の締め代の管理が非常に難しく、容易に製造することができなかった。
【０００８】
ここで、従来の回転電機の回転子について図３を用いて説明する。
従来の永久磁石式回転電機の回転子として、例えば、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、回転子シャフト１０１の周囲に配置される複数の永久磁石１０２を圧入された円管状の保持部材１０３により固定しているものがある。永久磁石式回転電機の回転子が高速回転すると、回転子シャフト１０１の径方向の遠心力が永久磁石１０２に作用して保持部材１０３の周方向へ大きな引張応力が働くことから、保持部材１０３は周方向で最も引張強度の高い、回転子シャフト１０１の中心軸（回転軸）Ｃ３に対し９０°で繊維１２１をフープ巻きしてなるフープ巻き層で構成されていた。
【０００９】
ところで、保持部材１０３は、繊維１２１に樹脂を含浸させながらマンドレルの周方向に巻き、樹脂を硬化させて成形した後に軸方向両端部を切断することで製作される。このため、保持部材１０３の両端部１０３ａ，１０３ｂには繊維１２１の切れ目が露出することになる。このような保持部材１０３に内側から外側への圧力が加わり、この圧力が繊維１２１に含浸される樹脂の強度を超えると、保持部材１０３の両端部１０３ａ，１０３ｂの外表面に露出される繊維１２１の切れ目が剥離する可能性があった。
【００１０】
以上のことから、本発明は、前述した問題に鑑み提案されたもので、製造コスト増を抑制し、容易に製造することができると共に、保持部材に内側から外側への圧力が加わったとしても、十分な強度を発現しつつ、繊維の剥離の発生を防ぐことができる永久磁石式回転電機の回転子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前述した課題を解決する第１の発明に係る永久磁石式回転電機の回転子は、
回転子シャフトと、前記回転子シャフトの周囲に配置される複数の永久磁石と、前記複数の永久磁石を前記回転子シャフトに固定する円管状の保持部材とを有する回転電機の回転子であって、
前記保持部材は、
内周部側に設けられ、繊維がフープ巻きされてなるフープ巻き層と、
前記フープ巻き層の外周部に設けられ、繊維がヘリカル巻きされてなるヘリカル巻き層と
を有する、ことを特徴とする。
【００１２】
前述した課題を解決する第２の発明に係る永久磁石式回転電機の回転子は、第１の発明に係る永久磁石式回転電機の回転子であって、
前記ヘリカル巻き層の前記繊維は、前記回転子シャフトの中心軸に対して７０°から８０°の高角度の方向へ延在していることを特徴とする。
【００１３】
前述した課題を解決する第３の発明に係る永久磁石式回転電機の回転子は、第１または第２の発明に係る永久磁石式回転電機の回転子であって、
前記フープ巻き層の前記繊維は炭素繊維強化プラスチック製であり、前記ヘリカル巻き層の前記繊維はガラス繊維強化プラスチック製であることを特徴とする。
【００１４】
前述した課題を解決する第４の発明に係る永久磁石式回転電機の回転子は、第１から第３の何れか一つの発明に係る永久磁石式回転電機の回転子であって、
前記ヘリカル巻き層の厚みは、前記フープ巻き層の厚みと比べて小さいことを特徴とする。
【００１５】
前述した課題を解決する第５の発明に係る永久磁石式回転電機の回転子は、第１から第４の何れか一つの発明に係る永久磁石式回転電機の回転子であって、
前記ヘリカル巻き層は、前記フープ巻き層と一体であることを特徴とする。
【００１６】
前述した課題を解決する第６の発明に係る永久磁石式回転電機の回転子は、第１から第５の何れか一つの発明に係る永久磁石式回転電機の回転子であって、
前記保持部材は、前記回転子シャフトの軸方向にて前記複数の永久磁石全体を覆う形状を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、フープ巻き層により圧入や遠心力に耐えるのに必要な強度を確保することができる。ヘリカル巻き層により、フープ巻き層の繊維が剥離することを防止できる。すなわち、保持部材に内側から外側への圧力が加わったとしても、外表面の両端部にて繊維が剥離することを防ぐことができる。また、保持部材がフープ巻き層とヘリカル巻き層で構成されることから、保持部材に内側から外側への圧力が加わったとしても、十分な強度を発現することができる。さらに、回転子シャフトに保持部材を固定するだけで永久磁石を回転子シャフトに固定することができ、製造コスト増を抑制しながらも、容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の主な実施形態に係る永久磁石式回転電機の回転子の説明図であって、図１（ａ）にその概略を示し、図１（ｂ）にＢ−Ｂ線矢視断面を示し、図１（ｃ）にそれが備える保持部材を圧入する前の状態を示す。
【図２】前記保持部材の製造方法の説明図であって、図２（ａ）にそれが備えるフープ巻層の作製状態を示し、図２（ｂ）にそれが備えるヘリカル巻層の作製状態を示す。
【図３】従来の永久磁石式回転電機の回転子の説明図であって、図３（ａ）にその斜視を示し、図３（ｂ）にその径方向に沿う断面を示し、図３（ｃ）にそれが備える保持部材を圧入する前の状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の主な実施形態に係る永久磁石式回転電機の回転子について、以下に説明するが、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではない。
【００２０】
［主な実施形態］
本発明の主な実施形態に係る永久磁石式回転電機の回転子について、図１（ａ）〜（ｃ）および図２（ａ），（ｂ）に基づいて説明する。なお、図１（ａ）において永久磁石および保持部材の部分は、破断して図示している。
【００２１】
本実施形態に係る永久磁石式回転電機の回転子１０は、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、回転子シャフト１１と、複数の永久磁石１２と、保持部材１３とを有する。
【００２２】
回転子シャフト１１の径方向断面は、円形状をなしている。回転子シャフト１１の磁石取付部１１ａは、回転子シャフト１１のその他の部分１１ｂより径が大きい形状をなしている。
【００２３】
回転子シャフト１１の磁石取付部１１ａにおける外表面１１ａａには、磁極を構成するための複数の永久磁石１２が、回転子シャフト１１の周方向および軸方向に沿って配置される。
【００２４】
複数の永久磁石１２の外表面１２ａには、永久磁石１２を回転子シャフト１１の外表面１１ａａに締め付けてバインドリングとしての保持部材１３が装着される。すなわち、保持部材１３を圧入することで、複数の永久磁石１２は、回転子シャフト１１の外表面１１ａａに固定される。なお、保持部材１３のフープ巻き層１４の内面１４ａは、永久磁石の外表面１２ａと接触することになる。
【００２５】
保持部材１３は、円管状をなしている。保持部材１３は、回転子シャフト１１の軸方向にて、回転子シャフト１１の磁石取付部１１ａの外表面１１ａａに配置される複数の永久磁石１２全体を覆う形状を有する。保持部材１３は、フープ巻き層１４とヘリカル巻き層１５とを有する。
【００２６】
フープ巻き層１４は、内周部側に設けられる。フープ巻き層１４は、合成樹脂が含浸された繊維からなる。フープ巻き層１４の前記繊維として、例えば、炭素繊維強化プラスチック製の繊維を用いることが好ましい。前記合成樹脂として、例えば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を用いることが好ましい。フープ巻き層１４は、例えば、図２（ａ）に示すように、前記合成樹脂が含浸された繊維２１をマンドレル３０の中心軸Ｃ２（回転子シャフト１１の中心軸Ｃ１）に対し直交する方向へフープ巻きされることが好ましい。その後、前記合成樹脂を含浸した前記繊維は硬化されて（前記合成樹脂が熱硬化性樹脂である場合には熱硬化されて）、保持部材１３のフープ巻き層１４となる。
なお、マンドレル３０として、例えば、複数の永久磁石１２が回転子シャフト１１における磁石取付部１１ａの外表面１１ａａに配置された状態で、保持部材１３のフープ巻き層１４の内面１４ａが圧入により複数の永久磁石１２を回転子シャフト１１に固定することができる締め代を有する直径のものが用いられる。
【００２７】
ヘリカル巻き層１５は、フープ巻き層１４の外表面（外周部）１４ｂ側に、且つ、回転子シャフト１１の軸方向にてフープ巻き層１４の全体を覆うように設けられる。ヘリカル巻き層１５の内面１５ａは、フープ巻き層１４の外表面１４ｂと接触している。ヘリカル巻き層１５は、合成樹脂が含浸された繊維からなる。ヘリカル巻き層１５の前記繊維として、例えば、炭素繊維強化プラスチック製の繊維、または炭素繊維強化プラスチックと比べて引張弾性率の低いガラス繊維強化プラスチック製の繊維を用いることが好ましい。前記合成樹脂として、例えば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を用いることが好ましい。ヘリカル巻き層１５は、例えば、図２（ｂ）に示すように、前記合成樹脂が含浸された繊維２２をマンドレル３０の中心軸Ｃ２（回転子シャフト１１の中心軸Ｃ１）に対し７０°から８０°の高角度θをなす方向へヘリカル巻きされることが好ましい。これにより、フープ巻き層１４の軸方向端部にて露出している繊維２１の切れ目は、ヘリカル巻き層１５の繊維２２が折り重なることになり、フープ巻き層１４の軸方向端部の外表面１４ｂにてフープ巻き層１４の繊維２１の剥離が防止されることになる。その後、前記合成樹脂を含浸した前記繊維は硬化されて（前記合成樹脂が熱硬化樹脂である場合には熱硬化されて）、保持部材１３のヘリカル巻き層１５となる。
【００２８】
なお、フープ巻き層１４とヘリカル巻き層１５とからなる保持部材１３は、軸方向の端部が輪切りに切断されて所望の大きさに成形される。
【００２９】
したがって、本実施形態によれば、回転子シャフト１１と、回転子シャフト１１の周囲に配置される複数の永久磁石１２と、複数の永久磁石１２を回転子シャフト１１に固定する円管状の保持部材１３とを有する回転電機の回転子１０であって、保持部材１３は、内周部側に設けられ、繊維２１がフープ巻きされてなるフープ巻き層１４と、フープ巻き層１４の外表面１４ｂに設けられ、繊維２２がヘリカル巻きされてなるヘリカル巻き層１５とを有することにより、保持部材１３のフープ巻き層１４によって圧入や遠心力に耐えるのに必要な強度を確保することができる。保持部材１３のヘリカル巻き層１５によって、フープ巻き層１４の繊維２１が剥離することを防止できる。すなわち、ヘリカル巻き層１５では、繊維２２を網目状に重ねて巻いており、輪切りに切断した保持部材１３の両端部に繊維２２の切れ目が露出するのは、ヘリカル巻き層１５もフープ巻き層１４と同様であるが、ヘリカル巻き層１５では、フープ巻き層１４と異なり、繊維２２を網目状に織り重ねて巻いており、異なる方向へ延伸する繊維２２が複数厚み方向で織り重なるため、繊維２２が剥離しにくい状態となっている。そのため、保持部材１３に内側から外側への圧力が加わったとしても、外表面における両端部からの繊維２２の剥離を防ぐことができる。また、保持部材１３がフープ巻き層１４とヘリカル巻き層１５で構成されることから、保持部材１３に内側から外側への圧力が加わったとしても、十分な強度を発現することができる。これにより、回転子シャフト１１への圧入による拡径強度や回転電機の回転子１０の回転による耐遠心力強度が高められ、高速回転（例えば、１０，０００ｍｉｎ-1以上の回転速度）に適した構造とすることができる。さらに、回転子シャフト１１に保持部材１３を固定するだけで永久磁石１２を回転子シャフト１１に固定することができ、製造コスト増を抑制しながらも、容易に製造することができる。
【００３０】
ヘリカル巻き層１５の繊維２２は、回転子シャフト１１の中心軸Ｃ１に対して７０°から８０°の高角度の方向へ延在していることにより、ヘリカル巻き層１５の繊維２２がフープ巻き層１４の繊維２１の延在方向と異なる方向へ延在することになり、フープ巻き層１４における両端部にて繊維２１が剥離することをより確実に防止することができる。
【００３１】
本実施形態の変形例として、フープ巻き層１４の繊維２１は炭素繊維強化プラスチック製の繊維で、ヘリカル巻き層１５の繊維２２はガラス繊維強化プラスチック製の繊維とした場合には、ガラス繊維強化プラスチック自体が炭素繊維強化プラスチックよりも引張弾性率が低いため、ヘリカル巻き層１５の繊維２２が炭素繊維強化プラスチック製の繊維の場合と比べて、表面にて剥離が生じる可能性を抑制することができる。
【００３２】
ヘリカル巻き層１５の厚みｄ２は、フープ巻き層１４の厚みｄ１と比べて小さいことが好ましく、例えば、１／８以下であるとより好ましい。ヘリカル巻き層１５の厚みｄ２をフープ巻き層１４の厚みｄ１に対して１／８とすることがより好ましく、１／８より小さくすることがより一層好ましい。これは、フープ巻き層１４により永久磁石式回転電機の回転子１０の周速に応じた必要強度を確保する厚みｄ１とヘリカル巻き層１５により軸方向端部での繊維２２の折り重なる厚みｄ２によって剥離を効果的に防止し、且つ永久磁石式回転電機の回転子１０と固定子（図示せず）とのギャップが少なくすることができるからである。
【００３３】
ヘリカル巻き層１５は、フープ巻き層１４の外表面１４ｂに直接設けることが好ましい。これにより、フープ巻き層１４とヘリカル巻き層１５とが一体となり、複数の永久磁石１２を回転子シャフト１１に固定する作業を容易に行うことができるからである。
【００３４】
上述した保持部材１３は、フープ巻き層１４とヘリカル巻き層１５とが一体にて構成されていることが好ましい。これは、保持部材１３のフープ巻き層１４とヘリカル巻き層１５を別体とした場合と比べて、複数の永久磁石１２を回転子シャフト１１に容易に固定する作業を行うことができるからである。
【００３５】
［他の実施形態］
複数の永久磁石が回転子シャフトの外表面に設けられた溝に嵌め込まれ、複数の永久磁石の外表面が回転子シャフトの外表面よりも径方向外側に位置づけられる永久磁石式回転電機の回転子に適用したり、複数の永久磁石が回転子シャフトの外表面に設けられた溝に嵌め込まれ、複数の永久磁石の外表面が回転子シャフトの外表面と径方向にて同一となる永久磁石式回転電機の回転子に適用したりすることが可能である。
【００３６】
フープ巻き層１４とヘリカル巻き層１５とを一体で構成した保持部材１３を用いて説明したが、保持部材１３のフープ巻き層１４とヘリカル巻き層１５を別体で構成することも可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１０      永久磁石式回転電機の回転子
１１      回転子シャフト
１１ａ    磁石取付部
１１ａａ  外表面
１１ｂ    磁石取付部以外の部分
１２      永久磁石
１２ａ    外表面
１３      保持部材
１４      フープ巻き層
１４ａ    内面（内周部）
１４ｂ    外表面（外周部）
１５      ヘリカル巻き層
１５ａ    内面（内周部）
２１，２２      繊維
３０      マンドレル
ｄ１      フープ巻き層の厚さ
ｄ２      ヘリカル巻き層の厚さ
【図１】
2017163752.tif 000003
【図２】
2017163752.tif 000004
【図３】
2017163752.tif 000005