JP5207190B2 - 永久磁石形回転電機の回転子の組立方法 - Google Patents

Description

本発明は永久磁石形回転電機の回転子の組立方法に係り、特に回転子軸の表面に永久磁石を配置し、保持環で覆うようにした永久磁石形回転電機の回転子の組立方法に関するものである。

回転子軸の表面に永久磁石を配置した構造の永久磁石形回転電機では、永久磁石の外周部全体を円筒状の保持環で覆って高速回転中の遠心力で永久磁石の飛散を防止する構造を採用している（例えば、特許文献１、２参照）。

図７は特許文献１あるいは２に記載の永久磁石形回転電機の回転子の半裁縦断面図である。
図７において、１は永久磁石形回転電機の回転子全体を示しており、２は回転子軸、３ａ〜３ｄは永久磁石、４は保持環、５ａ、５ｂは接合部である。

保持環４は円筒状に形成され、両端部に接合部５ａ、５ｂを形成し、円筒部分の内周面に円弧状に形成された永久磁石３ａ〜３ｄを円周方向にＮ極、Ｓ極として交互に配置し、接着剤等で固定している。そして、この保持環４の両端部に形成された接合部５ａ、５ｂを回転子軸２に焼き嵌めするように構成されている。

保持環４は永久磁石３ａ〜３ｄが永久磁石形回転電機の運転時に遠心力で外に飛び出さないように保持する必要から高強度な材料が用いられ、さらに永久磁石３ａ〜３ｄから発生する磁力を図示しない固定子に通す役割も果たすために、磁性材料が用いられる。

このように構成された永久磁石形回転電機の回転子１は高速回転時に、過大な遠心力により保持環４の回転子軸２に嵌合している接合部５ａ、５ｂが膨らみ、保持環４が回転子軸２から外れて脱落する恐れがあるため、これを防止するために十分な焼き嵌めの締め代を必要としている。

特開２０００−２７８８９８号公報 特開２００４−２６６９１９号公報

ところが、特許文献１、２等に記載されている従来技術では、保持環４を回転子軸２に焼き嵌めする時は、保持環４の温度を回転子軸２の温度よりも約２００℃くらい高めに加熱して保持環４の接合部５ａ、５ｂの内径を広げた状態で、回転子軸２に嵌め込むが、永久磁石３ａ〜３ｄの材料であるネオジウム−鉄−ボロン系やサマリウム−コバルト系の希土類磁石は、高温に加熱されると、磁気特性が劣化する減磁あるいは磁気が消失する消磁という現象が発生し、所望のエネルギーを得られなくなるという問題がある。

このため、焼き嵌め時の保持環４の加熱温度を、永久磁石３ａ〜３ｄが減磁あるいは消磁を起こさない温度までに抑えつつ、十分な焼き嵌め代の保持環と回転子軸を組立てる方法として、回転子軸２を液体窒素等の冷媒で冷やすことによって、回転子軸２の外径の接合部分の寸法を収縮させるようにした所謂冷やし嵌めする方法がある。
しかし、この冷やし嵌め方法では、回転子軸２を冷やす工程で低温の冷媒を扱うため作業性が悪くなるという問題がある。

また、保持環４の内周面には焼き嵌め作業に先立って永久磁石３ａ〜３ｄを貼り付けているため、保持環４全体が磁力を帯びている。このため焼き嵌め作業時に保持環４と回転子軸２が互いに吸引され、芯出しが困難となるばかりでなく、周囲の鉄製の工具等が保持環４に吸引されてしまい、作業が困難になるという問題がある。

本発明は、以上述べた間題を解決するためになされたもので、永久磁石を減磁あるいは消磁させることなく、また回転子軸に保持環を焼き嵌めする際に回転子軸を低温の冷媒で冷却したり、磁力を帯びた保持環を扱うことによる組立て作業性の低下を招くことのない永久磁石形回転電機の回転子の組立方法を提供することを目的とするものである。

前記の目的を解決するために、請求項１に係る永久磁石形回転電機の回転子の組立方法の発明は、回転子軸の表面に永久磁石を配置し、当該永久磁石の外周部を円筒形状の保持環で覆うことにより遠心力で永久磁石の飛散を防止するようにした永久磁石形回転電機の回転子の組立方法において、（i）保持環を加熱して、一端部に形成した回転子軸に焼き嵌めされる接合部の内径を大きくする工程と、（ii）保持環の一端部に形成した接合部が回転子軸上の所定の嵌め合い位置に到達するまで保持環を回転子軸に挿入する工程と、（iii）回転子軸および保持環の間に環状の隙間が形成されるように、保持環と回転子軸とを同心状に保持した状態で保持環と回転子軸との嵌め合い部を冷却する工程と、（iv）永久磁石の外周面に接着剤を塗った後、保持環の自由端側から、回転子軸と保持環との間の環状の隙間に対して永久磁石を挿入する工程と、からなる。

さらに、請求項２に係る永久磁石形回転電機の回転子の組立方法の発明は、回転子軸の表面に永久磁石を配置し、当該永久磁石の外周部を円筒形状の保持環で覆うことにより遠心力で永久磁石の飛散を防止するようにした永久磁石形回転電機の回転子の組立方法において、（ｉ）軸方向に２分割された各保持環を加熱して、一端部に形成した回転子軸に焼き嵌めされる接合部の内径を大きくする工程と、（ii）各保持環の一端部に形成した接合部が回転子軸上ほぼ中央部の嵌め合い位置に到達するまで保持環を回転子軸に挿入する工程と、（iii）回転子軸および保持環の間に環状の隙間が形成されるように、保持環と回転子軸とを同心状に保持した状態で保持環と回転子軸との嵌め合い部を冷却する工程と、（iv）永久磁石の外周面に接着剤を塗った後、各保持環の自由端側から、回転子軸と保持環との間の環状の隙間に対して永久磁石を挿入する工程と、からなる。

本発明の永久磁石形回転電機の回転子の組立方法によれば、保持環の一端部を回転子軸に焼き嵌めし、焼き嵌めをしていない他端部を熱伸びが自由な自由端とし、保持環の焼き嵌め後に保持環と回転子軸との間の隙間に永久磁石を挿入して固定するようにしたので、組立性のよい永久磁石形回転電機の回転子を得ることができる。

本発明の実施形態１に係る永久磁石形回転電機の回転子の半裁縦断面図。 本発明の実施形態２に係る永久磁石形回転電機の回転子の半裁縦断面図。 本発明の実施形態３に係る永久磁石形回転電機の回転子の半裁縦断面図。 本発明の実施形態４に係る永久磁石形回転電機の回転子の各部分を示す図であり、（ａ）は回転子の半裁縦断面図、（ｂ）は回転子の断面図、（ｃ）は永久磁石の形状を示す図。 本発明の実施形態５に係る永久磁石形回転電機の回転子の各部分を示す図であり、（ａ）は回転子の半裁縦断面図、（ｂ）は回転子の断面図、（ｃ）は永久磁石の形状を示す図。 本発明の実施形態６に係る永久磁石形回転電機の回転子の各部分を示す図であり、（ａ）は回転子の半裁縦断面図、（ｂ）は回転子の断面図、（ｃ）は永久磁石の形状を示す図。 従来の永久磁石形回転電機の回転子の半裁縦断面図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、各図を通して、同一部分には同一符号を付けて、重複する部分は適宜説明を省略する。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１について、図１を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態１に係る永久磁石形回転電機の回転子の半裁縦断面図であり、両軸端の詳細構造は省略してある。

まず、図１において、実施形態１に係る永久磁石形回転電機の回転子の構造について説明する。
１は永久磁石形回転電機の回転子全体を示すもので、２は回転子軸、３ａ〜３ｄは軸方向に４分割され、かつ円周方向に適宜に分割された永久磁石である。４はこの永久磁石３ａ〜３ｄの外周を覆うように円筒状に形成された保持環であり、高強度な磁性材料で構成されている。

この保持環４は、回転子軸２に対して同心的な関係にあり、一端部４_-１に形成した内径がＤ１の接合部５によって回転子軸２の一端部に焼き嵌めされるようになっており、他端部４_-２は軸方向の反対側に開口して自由に熱伸びが可能なように自由端としている。

そして、保持環４の接合部５以外の円筒部分は、回転子軸２との間で永久磁石を収容するのに十分な隙間を形成することができるような内径Ｄ２としている（Ｄ１＜Ｄ２）。すなわち、回転子軸２と保持環４の円筒部分との間には、環状の隙間が形成されている。軸方向に４分割された永久磁石３ａ〜３ｄは、他端４_-２の開口から環状の隙間に挿入されるようになっている。

なお、図１では、永久磁石を軸方向に４分割した例を示したが、永久磁石の挿入作業を行い易いように４分割以外の任意の分割数としてもよい。
次に、本実施形態１による永久磁石形回転電機の回転子１の組立て方法について説明する。

（ｉ）まず、保持環４全体を均等に加熱し、一端部４_-１に形成した回転子軸に焼き嵌めされる接合部５の内径Ｄ１を大きくする。このとき、回転子軸２の温度は常温であり、保持環４は回転子軸２の温度よりも約２００℃高めに加熱する。
（ii）次に、保持環４の一端部４_-１に形成した接合部５が回転子軸２上の所定の嵌め合い位置に到達するまで保持環４を回転子軸２に挿入する。

（iii）次に、回転子軸２と保持環４の円筒部分との間にほぼ均一な環状の隙間が形成されるように、適当な工具を用いて保持環４と回転子軸２とを同心状に保持し、その状態で保持環４の接合部５と回転子軸２とが常温になるまで冷却する。この冷却の場合、歪が生じないように自然冷却が好ましい。接合部５と回転子軸２とが常温になると、保持環４と回転子軸２とは強固に焼き嵌めされる。

（iv）次に、永久磁石３ａ〜３ｄの外周面に接着剤、例えば常温硬化性の接着剤を塗る。
（ｖ）次に、保持環４の自由端４_-２側から、環状の隙間に対して永久磁石３ｄ、３ｃ、３ｂおよび３ａを順次挿入する。永久磁石３ｄ、３ｃ、３ｂおよび３ａの厚みは、スムーズに挿入できるように、環状の隙間寸法よりも若干薄く選定されており、永久磁石３ｄ、３ｃ、３ｂ、３ａの内周面と回転子軸２の外周面との間は、１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の隙間がある。

なお、この永久磁石３ｄ、３ｃ、３ｂ、３ａの挿入工程において、各永久磁石３ｄ、３ｃ、３ｂおよび３ａの磁極面が軸方向に一直線上に揃えなければならないが、このため、例えば、真直ぐな「棒状のガイド部材」を環状の隙間に差し込み、このガイド部材に沿わせて永久磁石３ｄ、３ｃ、３ｂ、３ａを順次挿入する。

（vi）上記工程（ｖ）による永久磁石挿入後、所定時間経過すると、常温硬化性の接着剤が硬化するので、永久磁石３ｄ、３ｃ、３ｂ、３ａは保持環４の内周面に強固に固定される。

本実施形態１による永久磁石形回転電機の回転子は、以上述べた工程（ｉ）から工程（vi）を経て組み立てられるので、従来技術の課題であった保持環の焼き嵌め時に永久磁石の減磁や消磁という問題はなくなり、また、回転子軸の嵌め合い部分の外径を収縮させるために液体窒素等で冷却する必要はない。さらに、従来のように保持環には予め永久磁石を貼り付けておかないので、磁力を帯びた保持環を扱う必要がなくなり、組立て作業性に優れた永久磁石形回転電機の回転子を得ることができる。

（実施形態２）
以下、本発明の実施形態２について、図２を参照して説明する。
図２は、本発明の実施形態２に係る永久磁石形回転電機の回転子の半裁縦断面図であり、両軸端の詳細構造は省略してある。

図２において、本実施形態２に係る永久磁石形回転電機の回転子１が、図１の実施形態１に係る永久磁石形回転電機の回転子１と異なる主な点は、保持環４を４ａ、４ｂとして軸方向に２分割し、対向するそれぞれの一端部４_-１に形成した接合部５ａ、５ｂを回転子軸２の軸方向のほぼ中央部で隣接するように配置した点であり、その他はほぼ同じである。

すなわち、２分割された保持環のうち、一方の保持環４ａの一端４_-１の接合部５ａを回転子軸２のほぼ中央部で回転子軸２ｂに焼き嵌めし、他方の保持環４ｂの一端４_-１の接合部５ｂを回転子軸２のほぼ中央部で回転子軸２ｂに焼き嵌めする。この結果、保持環４ａ、４ｂの両接合部５ａ、５ｂ同士が隣接し、各自由端４_-２は回転子軸２の端部（図示しない軸受部側）に向くように配置される。

保持環４ａと回転子軸２との間の環状の隙間には永久磁石３ｂ、３ａが挿入され配置される。また、保持環４ｂと回転子軸２との間の環状の隙間には永久磁石３ｃ、３ｄが挿入され配置される。

本実施形態２による永久磁石形回転電機の回転子１の組立て方法については、実施形態１の工程（ｉ）から（vi）とほぼ同様であるが、保持環が２分割されている点、保持環の焼き嵌め位置が一端部から中央部に変更されている点等で以下のように工程に若干の相違がある。すなわち、
（ｉ）軸方向に２分割された各保持環４ａ、４ｂを加熱して、それぞれの一端部に形成した回転子軸に焼き嵌めされる接合部５ａ，５ｂの内径を大きくする工程と、
（ii）各保持環４ａ、４ｂの一端部に形成した接合部５ａ、５ｂが回転子軸２上のほぼ中央部の嵌め合い位置に到達するまで保持環を回転子軸に挿入する工程と、
（iii）回転子軸２および保持環４ａ、４ｂの間に環状の隙間が形成されるように、各保持環と回転子軸とを同心状に保持した状態で各保持環と回転子軸との接合部が常温になるまで冷却する工程と、
（iv）永久磁石３ｂ、３ａ、３ｃ、３ｄの外周面に接着剤を塗った後、各保持環４ａ、４ｂの自由端側から、回転子軸と保持環との間の環状の隙間に対して永久磁石を挿入する工程と、
（ｖ）次に、各保持環４の自由端４_-２側から、環状の隙間に対して永久磁石３ｂ、３ａ、３ｃおよび３ｄを順次挿入する。永久磁石３ｂ、３ａ、３ｃおよび３ｄの厚みは、スムーズに挿入できるように、環状の隙間寸法よりも若干薄く選定されており、永久磁石３ｄ、３ｃ、３ｂ、３ａの内周面と回転子軸２の外周面との間は、１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の隙間がある。

なお、この永久磁石３ｂ、３ａ、３ｃおよび３ｄの挿入工程において、永久磁石３ｂ、３ａ、３ｃおよび３ｄの磁極面が軸方向に一直線上に揃うように、例えば、真直ぐな「棒状のガイド部材」を環状の隙間に差し込み、このガイド部材に沿わせて永久磁石３ｂ、３ａ、３ｃおよび３ｄを順次挿入する。

（vi）上記工程（ｖ）による永久磁石挿入後、所定時間経過すると、常温硬化性の接着剤が硬化するので、永久磁石３ｂ、３ａは保持環４ａの内周面に、また、永久磁石３ｃおよび３ｄは保持環４ｂの内周面にそれぞれ強固に固定される。

本実施形態２による永久磁石形回転電機の回転子１は、前述の実施形態１と同様の効果に加えて、保持環４を軸方向に２分割したことにより、１個の保持環４では強度的に問題がある場合でも、十分な強度を得ることができるという特有の効果を奏することができる。

（実施形態３）
以下、本発明の実施形態３について、図３を参照して説明する。
図３は、本発明の実施形態３に係る永久磁石形回転電機の回転子の半裁縦断面図であり、両軸端の詳細構造は省略してある。

図３において、本実施形態３に係る永久磁石形回転電機の回転子１が、図２の実施形態２に係る永久磁石形回転電機の回転子１と異なる主な点は、保持環４ａ、４ｂそれぞれの自由端４_-２に適当な軸方向の隙間ｇを隔てて回転バランス調整部材６ａ、６ｂを配置し、回転子軸２に焼き嵌めした構造としている点であり、その他はほぼ同じである。

この回転バランス調整部材６ａ、６ｂは一例としてリング状に形成されており、渦電流が発生しないように非磁性体で加工の容易な材料で構成することが望ましい。また、前記隙間ｇの大きさは、回転子１の運転中に保持環４ａ、４ｂが熱伸びすることを考慮し、この熱伸び量よりも若干大きくなるように設定してある。

回転体である回転子１は、組立が完成した時点で必ず軸受に載せて回転させることにより、回転バランスを検査しなければならず、高速回転時の振動等を計測して通常は回転子の両側保持環の一部を削る等の作業が必要となる。

これに対して、本実施形態３では、保持環４ａ、４ｂそれぞれの自由端４_-２に隣接して比較的加工し易い材料で構成した回転バランス調整部材６ａ、６ｂを焼き嵌めしてあるので、回転バランスの調整時に回転バランス調整部材６ａ、６ｂをグラインダー等で削ることにより、回転子１のバランシング作業を簡単に行うことができる。

この結果、本実施形態３では、保持環４ａおよび４ｂの端部を削る必要がない。このため、保持環４ｃ、４ｄの強度が低下することがなくなり、組立て作業性に優れ、かつ強度的に信頼性の高い永久磁石形回転電機の回転子を得ることができる。

なお、以上述べた本実施形態３は、図２の実施形態２に係る永久磁石形回転電機の回転子１のみに限定して適用されるものではなく、図１の実施形態１に係る永久磁石形回転電機の回転子にも同様に適用することも可能である。実施形態１に適用する場合は、図１の保持環４の自由端４_-２側に図３で示すような回転バランス調整部材６ａ、６ｂを取り付ければよい。

（実施形態４）
以下、本発明の実施形態４について、図４を参照して説明する。
図４中（ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る永久磁石形回転電機の回転子の半裁縦断面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は永久磁石の形状を示す図である。

図４において、本実施形態４に係る永久磁石形回転電機の回転子１が、実施形態１に係る永久磁石形回転電機の回転子１と異なる主な点は、永久磁石およびこれに対向する回転子軸外周面に対して、案内部をそれぞれ形成した点である。ここで、案内部とは、回転子軸２ａの外周面を永久磁石が配置される軸方向の全長にわたって断面形状が多角形となるように加工された面取り部と、回転子軸２ａの外周面と対向する永久磁石３ｅ〜３ｈの内周面側の面を加工した平坦面との組み合わせたものを指す。

回転子軸２ａの外周面および永久磁石３ｅ〜３ｈの対向面を実施形態１のような円周面ではなく、多角形と平坦面との組み合わせにすることによって、保持環４と回転子軸２ａの開口部から永久磁石３ｅ〜３ｈを挿入する際に、実施形態１の永久磁石の挿入工程（ｖ）で述べたような「真直ぐな棒状のガイド部材」を用いることなく永久磁石の円周方向の位置決めが容易になり、組立て作業性をさらに向上させることができる。

なお、図４では図１の実施形態１に応用した例で説明したが、図２、図３の実施形態２，３に係る永久磁石形回転電機の回転子に応用することも可能である。

（実施形態５）
以下、本発明の実施形態５について、図５を参照して説明する。
図５中（ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る永久磁石形回転電機の回転子の半裁縦断面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は永久磁石の形状を示す図である。

図５において、本実施形態５に係る永久磁石形回転電機の回転子１が、実施形態４に係る永久磁石形回転電機の回転子１と異なる主な点は、永久磁石およびこれに対向する回転子軸外周面に対して、案内部として、永久磁石３ｉ〜３ｌの内径側、すなわち回転子軸２ｂの外周面との対向面に凸部１０を設け、一方、回転子軸２ｂの外周面に永久磁石３ｉ〜３ｌの凸部１０とスムーズに嵌め合うように凹部２０を設けるようにした点であり、その他はほぼ同じである。

回転子軸２ｂおよび永久磁石３ｉ〜３ｌの対向面にこのような凹凸部による嵌め合い部を形成することによって、永久磁石３ｉ〜３ｌを環状の隙間に挿入する際に、実施形態１の磁石挿入工程（ｖ）で述べたような「真直ぐな棒状のガイド部材」を用いることなく、実施形態４と同様に、永久磁石の円周方向の位置決めが容易になり、組立て作業性を向上させることができる。なお、図５では図１の実施形態１に応用した例で説明したが、図２、図３の実施形態２、３に係る永久磁石形回転電機の回転子に応用することも可能である。

（実施形態６）
以下、本発明の実施形態６について、図６を参照して説明する。
図６中（ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る永久磁石形回転電機の回転子の半裁縦断面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は永久磁石の形状を示す図である。

図６において、本実施形態６に係る永久磁石形回転電機の回転子１が、図５の実施形態５に係る永久磁石形回転電機の回転子１と異なる主な点は、永久磁石の内周面およびこれに対向する回転子軸外周面に対して、永久磁石３ｍ〜３ｐに凹部を回転子軸外周面に凸部をそれぞれ加工して案内部とした点であり、その他はほぼ同じである。

すなわち、永久磁石３ｍ〜３ｐの内径側に永久磁石の全長にわたって凹部３０を設け、この永久磁石３ｍ〜３ｐの凹部３０とスムーズに嵌め合うように回転子軸２ｃ外周面に凸部４０を設けるようにしたものである。

この実施形態６の場合も、環状の隙間に永久磁石３ｍ〜３ｐを挿入する際に、前述した実施形態４、５と同様に、「真直ぐな棒状のガイド部材」を用いることなく永久磁石の円周方向の位置決めが容易になり、組立て作業性を向上することができる。
なお、図６では図１の実施形態１に応用した例で説明したが、図２、図３の実施形態２、３に係る永久磁石形回転電機の回転子に応用することも可能である。

１…永久磁石形回転電機の回転子、２，２ａ〜２ｃ…回転子軸、３ａ〜３ｐ…永久磁石、４，４ａ，４ｂ…保持環、５，５ａ，５ｂ…接合部、６ａ，６ｂ…回転バランス調整部材、１０，４０…凸部、２０，３０…凹部。

Claims (2)

1. 回転子軸の表面に永久磁石を配置し、当該永久磁石の外周部を円筒形状の保持環で覆うことにより遠心力で永久磁石の飛散を防止するようにした永久磁石形回転電機の回転子の組立方法において、
   （i）保持環を加熱して、一端部に形成した回転子軸に焼き嵌めされる接合部の内径を大きくする工程と、
   （ii）保持環の一端部に形成した接合部が回転子軸上の所定の嵌め合い位置に到達するまで保持環を回転子軸に挿入する工程と、
   （iii）回転子軸および保持環の間に環状の隙間が形成されるように、保持環と回転子軸とを同心状に保持した状態で保持環と回転子軸との嵌め合い部を冷却する工程と、
   （iv）永久磁石の外周面に接着剤を塗った後、保持環の自由端側から、回転子軸と保持環との間の環状の隙間に対して永久磁石を挿入する工程と、からなる永久磁石形回転電機の回転子の組立方法。
2. 回転子軸の表面に永久磁石を配置し、当該永久磁石の外周部を円筒形状の保持環で覆うことにより遠心力で永久磁石の飛散を防止するようにした永久磁石形回転電機の回転子の組立方法において、
   （i）軸方向に２分割された各保持環を加熱して、一端部に形成した回転子軸に焼き嵌めされる接合部の内径を大きくする工程と、
   （ii）各保持環の一端部に形成した接合部が回転子軸上ほぼ中央部の嵌め合い位置に到達するまで保持環を回転子軸に挿入する工程と、
   （iii）回転子軸および保持環の間に環状の隙間が形成されるように、保持環と回転子軸とを同心状に保持した状態で保持環と回転子軸との嵌め合い部を冷却する工程と、
   （iv）永久磁石の外周面に接着剤を塗った後、各保持環の自由端側から、回転子軸と保持環との間の環状の隙間に対して永久磁石を挿入する工程と、からなる永久磁石形回転電機の回転子の組立方法。

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