JP2016039664A - 回転電機の回転子及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子ヨーク、出力伝達部材、回転軸の中心軸を精度良く合わせることができる回転電機の回転子及び回転電機を提供する。【解決手段】円筒状の第一円筒部２０を有し、第一円筒部２０の一端から連続して第一円筒部２０の径方向に突出し中心に穴２３の開いた第一フランジ部２１を有する、磁性体からなる回転子ヨーク２と、回転子ヨーク２の第一円筒部２０の外周面に、周方向に間隔を開けて保持する複数の永久磁石３と、第一フランジ部２１の内側に絶縁体５を介して固定して保持され、回転子ヨーク２に発生する回転力を回転軸６に伝達する出力伝達部材４とを備えた回転電機の回転子１００において、出力伝達部材４は、回転軸６と同軸になるように回転軸６の外周面に嵌合する第二円筒部４０と、第二円筒部４０の一端から径方向、外側に突出する第二フランジ部４１とを備える。【選択図】図１

Description

この発明は、主に空気調和装置や家電製品等に用いられる永久磁石を用いた回転電機の回転子及び回転電機に関するものである。

一般に、電気機器の１つとして冷暖房などの空気調和を行う空気調和装置は、送風を行うためのファンおよびそのファンを回転駆動するための回転電機（モータ）を備えている。近年、このような装置に使用するモータとして、メンテナンスやエネルギー効率に優位性のあるブラシレスＤＣモータが採用されることが多くなっている。

このブラシレスＤＣモータには、パルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式（以下、ＰＷＭ方式と記載）のインバータが用いられる。ブラシレスＤＣモータが、ＰＷＭ方式のインバータで駆動される場合、巻線の中性点電位がゼロとならないため、軸受の外輪と内輪間に電位差（以下、軸電圧と記載）を発生させる。軸電圧は、インバータのスイッチングによる高周波成分を含んでおり、軸電圧が軸受内部の油膜の絶縁破壊電圧に達すると、軸受内部に微小電流が流れ、軸受内部に電食が発生する。電食が進行した場合、軸受内輪、軸受外輪または軸受玉に波状摩耗減少が発生し、軸受に起因するモータ音が次第に大きくなることが知られている。

そこで、例えば特許文献１では、マグネットと、ロータヨークと、このロータヨークの内側に位置する平板である出力伝達部と、一体成形により前記ロータヨーク及び前記出力伝達部を連結し、且つ、前記マグネットを前記ロータヨークの外側に固定した絶縁性を有する樹脂部とからなる電動機のロータであり、前記出力伝達部の形状は、外周の数カ所に突出部を設けた形状であり、前記ロータヨークの端面部、前記突出部に対向する部分で凹んだ形状となっている電動機のロータが提案されている。この構成により、ロータヨークと出力軸との間が絶縁され、ロータヨークに発生した電流が出力軸に伝達せず、駆動音の原因となる軸受の電食が発生しにくくなる。

特開２０００−７８７８７号公報（図１，図２）

特許文献１に係る発明では、円盤状の出力伝達部材の軸方向の厚さは、ロータヨークの軸方向の長さに対して非常に薄く、また、出力伝達部材は、ロータヨークの軸方向の一端側に偏って樹脂を介して固定されているため、回転子ヨーク、出力伝達部材、回転軸の中心軸を精度良く合わせることが難しく、高速で回転する回転子にブレが生じ易いという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、軸受等の電食を抑制しつつ回転子ヨーク、出力伝達部材、回転軸の中心軸を容易に精度良く合わせることができ、高速回転時でも回転子コアにブレが生じない回転電機の回転子及び回転電機を提供することを目的とする。

この発明に係る回転電機の回転子は、筒状の第一円筒部と、前記第一円筒部の一端から連続して前記第一円筒部の径方向に突出し中心に穴の開いた第一フランジ部を有する、磁性体からなる回転子ヨークと、
前記回転子ヨークの前記第一円筒部の外周面に、周方向に間隔を開けて保持する複数の永久磁石と、
前記第一フランジ部の内側に絶縁体を介して固定して保持され、前記回転子ヨークに発生する回転力を回転軸に伝達する出力伝達部材とを備えた回転電機の回転子において、
前記出力伝達部材は、前記回転軸と同軸になるように前記回転軸の外周面に嵌合する第二円筒部と、前記第二円筒部の一端から径方向、外側に突出する第二フランジ部とを備えたものである。
この発明に係る回転電機は、上述の回転電機の回転子と、前記回転子を内周側に挿入する固定子とを備えたものである。

この発明に係る回転電機の回転子は、前記出力伝達部材は、前記回転軸と同軸になるように前記回転軸の外周面に嵌合する第二円筒部と、前記第二円筒部の一端から径方向、外側に突出する第二フランジ部とを備えたものなので、軸受等の電食を抑制しつつ出力伝達部材と回転軸の中心軸を容易に精度良く結合することができ、高速回転時でも回転子コアにブレが生じない回転電機の回転子を提供することができる。
この発明に係る回転電機は、上述の回転電機の回転子と、前記回転子を内周側に挿入する固定子とを備えたものなので、高速回転時でも回転子コアにブレが生じない回転電機を提供することができる。

この発明の実施の形態１に係る回転子の正面図、断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転子ヨークと出力伝達部材のみを示す斜視図、正面図である。 この発明の実施の形態１に係る出力伝達部材の正面図、側面図、斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の断面図である。 この発明の実施の形態２に係る回転子の正面図、断面図である。 この発明の実施の形態２に係る回転子ヨークと出力伝達部材のみを示す斜視図、正面図である。 この発明の実施の形態２に係る出力伝達部材の正面図、側面図、斜視図である。 この発明の実施の形態３に係る回転子の断面図である。 この発明の実施の形態４に係る出力伝達部材の正面図、側面図、斜視図である。 この発明の実施の形態５に係る回転子の正面図、断面図である。 この発明の実施の形態５に係る回転子ヨークと出力伝達部材のみを示す斜視図、正面図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１を図を用いて説明する。
なお、本明細書中、軸方向とは、回転子の回転軸の軸方向をいう。また、径方向、周方向とは、回転子ヨークの径方向、周方向をいう。

図１（ａ）は、回転子１００の正面図である。
図１（ｂ）は、図１（ａ）の回転子１００のＡ−Ａ線における断面図である。
図１（ａ）、（ｂ）において、回転子１００は、回転子ヨーク２と、回転子ヨーク２の円筒部２０（第一円筒部）の外周面に等間隔に保持した永久磁石３と、回転子ヨーク２の内側に絶縁体５を介して固定された出力伝達部材４と、出力伝達部材４に圧入された回転軸６を備える。

図２（ａ）は、回転子１００の出力伝達部材４と回転子ヨーク２のみを示す斜視図である。出力伝達部材４と回転子ヨーク２の位置関係、形状を表している。
図２（ｂ）は、図２（ａ）を真上から見た正面図である。
回転子ヨーク２は、鉄などの磁性体からなり、最外周に円筒部２０と円筒部２０の一端から連続して、径方向内側に張り出した環状のフランジ部２１（第一フランジ部）を有する。フランジ部２１の中央には、穴２３が開いている。穴２３の内周面には、等間隔に凹部２３ａと凸部２３ｂが交互に設けられ、穴２３の内周は、図２（ｂ）に示すような凸凹の歯車形状をしている。

回転子ヨーク２の円筒部２０は、永久磁石３から発生する磁束の流路を確保するため、軸長が永久磁石３の軸長と同程度の長さとなっている。回転子ヨーク２は、例えばプレス加工などの生産性の高い工法により製造する。具体的には磁性を有する板材を絞りプレス加工して円筒部２０を成形し、フランジ部中央の穴はプレス打抜き加工によって形成する。この場合、フランジ部２１と円筒部２０の接続部にＲ形状部２４が形成される。

図３（ａ）は、出力伝達部材４を図２（ａ）の上側（軸方向）から見た正面図である。
図３（ｂ）は、出力伝達部材４の側面図である。
図３（ｃ）は、出力伝達部材４の斜視図である。
出力伝達部材４は、内周面４０ｃが回転軸６の外周面に嵌合される円筒部４０（第二円筒部）と、円筒部４０の一端から径方向外側に張り出したフランジ部４１（第二フランジ部）からなる。出力伝達部材４は、一枚の材料から絞り加工により形成され、回転軸６は、出力伝達部材４の円筒部４０に圧入される。

円筒部４０は、出力伝達部材４の回転軸６に対する同軸精度を確保するために必要な寸法を有する。また、円筒部４０を設けて回転軸６と出力伝達部材４の嵌合部の表面積を増やすことにより回転子ヨーク２に発生する回転力を回転軸６に十分に伝達でき、かつ、出力伝達部材４と回転軸６との保持力をより強固にできる。

図３（ａ）に示すように、フランジ部４１を軸方向から見た外周形状は、回転子ヨーク２のフランジ部２１の穴２３を軸方向から見た形状と略相似形であり、等間隔に凹部４１ａと凸部４１ｂが交互に設けられ、凸凹の歯車形状をしている。出力伝達部材４のフランジ部４１の凹部４１ａと回転子ヨーク２のフランジ部２１の凸部２３ｂ、及び、出力伝達部材４のフランジ部４１の凸部４１ｂと回転子ヨーク２のフランジ部２１の凹部２３ａとが、絶縁体５を介して直接接触せずに噛み合う配置となっている。

回転子ヨーク２と出力伝達部材４の間に絶縁体５（図２（ａ）、（ｂ）では省略）が介在することで出力伝達部材４と回転子ヨーク２を電気的に絶縁した状態となる。また、回転子ヨーク２の最内周部２３ｄは、出力伝達部材４の最外周部４１ｄより回転軸６に近い場所に存在する構成となっているので、永久磁石３付近で発生した回転トルクは、回転子ヨーク２のフランジ部２１、絶縁体５、出力伝達部材４、回転軸６の順に伝達される。このとき、回転トルクを受けた絶縁体５は、主に周方向（回転方向）の力を受け、回転子ヨーク２と出力伝達部材４が周方向に重なっている領域５０ａ、５０ｂにおいて引張荷重又は圧縮荷重を受ける。このように、絶縁体５が主に受ける荷重を引張荷重又は圧縮荷重としたことで曲げ荷重に比べ極端な応力集中を防ぎ、信頼性の高い回転電機の回転子１００が得られる。

図１（ｂ）に示すように、回転軸６は、２つの軸受７ａ、７ｂにより支持されており、各軸受７ａ、７ｂは、回転軸６に設けられた溝６０に嵌めこまれたＥリング８に当て止めされている。また、図示しないが、回転軸６に対する圧入荷重を抑えるために、円筒部４０に切り欠き、または回転軸６の圧入部にローレット加工を施してあることが望ましい。

絶縁体５は、出力伝達部材４と回転子ヨーク２を電気的に絶縁した状態で、これらを固定しており、回転子ヨーク２の自重を支えるために穴２３より外周側に分布した形状で一体成型されている。絶縁体５は例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）樹脂などを用い、ガラス繊維などを配合して強度を高め、成形収縮率を抑えたものが望ましい。本実施の形態では、軸方向から見た時に、フランジ部２１の最外周部２３ｅより外側を通る円と、フランジ部４１の最内周部４１ｅより内側を通る円の間を覆うように絶縁体５を設ける。

具体的な回転子１００の製造方法としては、回転子ヨーク２の円筒部２０と出力伝達部材４の円筒部４０を、回転子ヨーク２と出力伝達部材４とが図２に示す相対位置関係になるように成形金型に固定した状態で、これらの上述の範囲を覆うように絶縁体５を一体成型する。これにより、円筒部２０と円筒部４０の同軸精度を高め、結果として回転子ヨーク２と回転軸６の同軸精度を高めることができる。

また、別の製造方法としては、出力伝達部材４と回転軸６を先に圧入した状態で、回転軸６と回転子ヨーク２の円筒部２０を成形金型で保持して絶縁体５を一体成型することもできる。これにより、回転軸６と円筒部２０の同軸精度を更に高めることができる。

図４は、本実施の形態に係る回転電機１の断面図である。
図に示すように、回転子１００を、別途製造する固定子９の中に挿入して回転電機１を得る。

本実施の形態１に係る回転電機の回転子１００及び回転電機１によれば、回転軸６に筒状の円筒部４０を嵌合させることにより、軸受等の電食を抑制しつつ回転子ヨーク２、出力伝達部材４、回転軸６の中心軸を容易に精度良く合わせることができ、高速回転時でも回転子コアにブレが生じない回転電機の回転子及び回転電機を提供することができる。また、絶縁体５への応力集中及び成形収縮を抑制できる。

絶縁体５の軸方向の長さは、回転子ヨーク２の軸方向長さよりも遙かに短い。従って、絶縁体５の軸方向の成形収縮による寸法変化を最低限に抑えることができる。回転子１００のアンバランスなどによって発生するラジアル荷重は出力伝達部材４の円筒部４０から回転軸６に伝わる。そこで、軸受７ａと円筒部４０、軸受７ｂと円筒部４０の距離を等距離にすることで、軸受７ａ、７ｂにかかる荷重を均等にできる。これにより軸受７ａ、７ｂを小型化できる。

また、回転子ヨーク２の円筒部２０の内側の空間に軸受７ｂを配置することができるため、回転軸６の軸長を減らすことができ、回転軸６の材料コスト、加工コストを抑えることができる。

本実施の形態では軸受７ａ、７ｂを当て止めする構成にＥリング８を用いたが、Ｅリング８の代わりに回転軸６に当て止め用の段を設けてもよい。

実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２を図を用いて、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
図５（ａ）は、回転子２００の正面図である。
図５（ｂ）は、図５（ｂ）の回転子２００のＢ−Ｂ線における断面図である。
図６（ａ）は、回転子ヨーク２と出力伝達部材２０４のみを示す斜視図である。出力伝達部材２０４と回転子ヨーク２の位置関係、形状を表している。
図６（ｂ）は、図６（ａ）を真上から見た正面図である。
図７（ａ）は、出力伝達部材２０４を図６の上側（軸方向）から見た正面図である。
図７（ｂ）は、出力伝達部材２０４の側面図である。
図７（ｃ）は、出力伝達部材２０４の斜視図である。

実施の形態１に係る回転子１００と本実施の形態に係る回転子２００では、出力伝達部材２０４の構成が異なる。出力伝達部材２０４は、円筒部２４０と、フランジ部２４１と、フランジ部２４１の外周部から軸方向（円筒部２４０のある側とは反対側）に伸びた突起４３を備えており、回転軸６は円筒部２４０に圧入されている。

出力伝達部材２０４の各突起４３は、回転子ヨーク２のフランジ部２１の凹部２３ａ内に収納され、絶縁体２０５を介して電気的にそれぞれが絶縁された状態で固定されている。また、図６（ｂ）に示すように、出力伝達部材２０４のフランジ部２４１は、軸方向から見たときに回転子ヨーク２のフランジ部２１の凸部２３ｂの先端と重なる状態で絶縁体５によって絶縁、固定されている。

本実施の形態２に係る回転電機の回転子２００及び回転電機によれば、回転軸６と出力伝達部材２０４の嵌合部である円筒部２４０は、回転子ヨーク２の軸方向中央付近に配置されているため、ラジアル荷重は回転子ヨーク２の軸方向中央付近で回転軸６に伝わる。軸受７ａ、７ｂに均等にラジアル荷重を配分できる。これにより軸受７ａ、７ｂにかかる負担が減り、軸受７ａ、７ｂ間の間隔を小さくすることができる。これにより、回転軸６の軸長を抑えた、より小型な回転電機を得ることができる。

また、回転子２００に自重や磁気吸引力などによるアキシャル荷重がかかっても、出力伝達部材２０４のフランジ部２４１と回転子ヨーク２のフランジ部２１が軸方向から見て重なるように配置しているので、双方が重なる部分の絶縁体５に引張荷重、圧縮荷重がかかる。これにより、絶縁体５に対する極端な応力集中を防ぎ、信頼性の高い回転子２００を得ることができる。

実施の形態３．
以下、本発明の実施の形態３を図を用いて、実施の形態１、２と異なる部分を中心に説明する。
図８は、回転子３００の断面図である。
図８に示すように、本実施の形態で採用する円筒部３４０は、実施の形態１の円筒部４０を軸方向に延長した形状である。そして、円筒部３４０の、フランジ部３４１が無い側の端面４４を軸受７ｂの内輪に当設させて軸受止めとして流用している。これにより、実施の形態１で使用したＥリング８の数を減らすことができ、部品コストを削減することができる。

実施の形態４．
以下、本発明の実施の形態４を図を用いて、実施の形態２と異なる部分を中心に説明する。
図９（ａ）は、出力伝達部材４０４の正面図である。
図９（ｂ）は、出力伝達部材４０４の側面図である。
図９（ｃ）は、出力伝達部材４０４の斜視図である。
実施の形態２では、出力伝達部材２０４の突起４３は、フランジ部２４１の外周部から、円筒部２４０の無い側に向かって軸方向に突出していたが、本実施の形態では、図９（ｂ）、（ｃ）に示すように、突起４４３は、フランジ部４４１の外周部から円筒部４４０の有る側に向かって（同じ向きに）軸方向に突出している。その他の構成、効果については実施の形態２と同様であるため省略する。

実施の形態５．
以下、本発明の実施の形態５を図を用いて、実施の形態２〜４と異なる部分を中心に説明する。
図１０（ａ）は、回転子５００の正面図である。
図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の回転子５００のＣ−Ｃ線における断面図である。
図１１（ａ）は、回転子ヨーク２と出力伝達部材４０４のみを示す斜視図である。出力伝達部材４０４と回転子ヨーク２の位置関係、形状を表している。
図１１（ｂ）は、図１１（ａ）を真上から見た正面図である。

図１０に示すように、回転子５００は、回転子ヨーク２と、回転子ヨーク２の内側に配置された出力伝達部材４０４（実施の形態４と同一）と、出力伝達部材４０４と回転子ヨーク２の間に一体成型された絶縁体５０５からなる２組の回転子ヨークユニット１１と、２つの回転子ヨークユニット１１の円筒部２０に保持された永久磁石５０３と、回転子ヨークユニット１１の、それぞれの出力伝達部材４０４の円筒部４４０に圧入された回転軸５０６を備えている。

各回転子ヨークユニット１１は、それぞれの回転子ヨーク２の円筒部２０の開放している側の端面２２を合わせるように隣接して配置している。回転子ヨーク２の円筒部２０の軸長は永久磁石５０３の軸長の半分程度となっている。その他の構成については実施の形態２〜４と同様のため省略する。

本実施の形態５に係る回転電機の回転子５００及び回転電機によれば、２つの円筒部４４０が間隔を隔てて配置されることになり、磁気吸引力のアンバランスによって回転子に発生し得るモーメント荷重に対する剛性が高く、堅牢な回転子５００を得ることができる。
また、回転子ヨーク２の限界絞り深さよりも長い軸長の永久磁石を用いることができ、高出力のモータを得ることができる。

尚、本発明は、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。

１ 回転電機、１００，２００，３００，５００ 回転子、２ 回転子ヨーク、
２０ 円筒部、２１ フランジ部、２２ 端面、２３ 穴、２３ａ，４１ａ 凹部、
２３ｂ，４１ｂ 凸部、２３ｄ 最内周部、２３ｅ 最外周部、２４ Ｒ形状部、
３，５０３ 永久磁石、４，２０４，４０４ 出力伝達部材、
４０，２４０，３４０，４４０ 円筒部、４０ｃ 内周面、
４１，２４１，４４１ フランジ部、４１ｄ 最外周部、４１ｅ 最内周部、
４３，４４３ 突起、４４ 端面、５，２０５，５０５ 絶縁体、６，５０６ 回転軸、５０ａ，５０ｂ 領域、７ａ，７ｂ 軸受、８ リング、９ 固定子、
１１ 回転子ヨークユニット、６０ 溝。

Claims (11)

1. 筒状の第一円筒部と、前記第一円筒部の一端から連続して前記第一円筒部の径方向に突出し中心に穴の開いた第一フランジ部を有する、磁性体からなる回転子ヨークと、
   前記回転子ヨークの前記第一円筒部の外周面に、周方向に間隔を開けて保持する複数の永久磁石と、
   前記第一フランジ部の内側に絶縁体を介して固定して保持され、前記回転子ヨークに発生する回転力を回転軸に伝達する出力伝達部材とを備えた回転電機の回転子において、
   前記出力伝達部材は、前記回転軸と同軸になるように前記回転軸の外周面に嵌合する第二円筒部と、前記第二円筒部の一端から径方向、外側に突出する第二フランジ部とを備えた回転電機の回転子。
2. 前記回転子を軸方向から見た時に、前記第一フランジ部の最内周部が、前記第二フランジ部の最外周部より回転軸に近い位置に形成されている請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 前記第一フランジ部は、内周部に等間隔に設けられた複数の凹部と凸部を有し、
   前記第二フランジ部は、外周部から軸方向に、等間隔に折れ曲がって突出する複数の突起を備え、
   それぞれの前記突起が、それぞれの前記凹部の中に前記絶縁体を介して固定されている請求項２に記載の回転電機の回転子。
4. 前記突起は、前記第二フランジ部から、前記第二円筒部のある側と反対側に向かって突出している請求項３に記載の回転電機の回転子。
5. 前記突起は、前記第二フランジ部から、前記第二円筒部のある側に向かって突出している請求項３に記載の回転電機の回転子。
6. 前記回転子を軸方向から見た時に、前記凸部の先端は、前記第二フランジ部と重なる位置に形成されている請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
7. 前記回転子ヨークに前記出力伝達部材を前記絶縁体を介して固定した回転子ヨークユニットを２組備えた請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
8. ２組の前記回転子ヨークユニットは、前記第一フランジ部が前記回転軸の軸方向外側となるように隣接して配設されている請求項７に記載の回転電機の回転子。
9. 前記第二円筒部の、前記第二フランジ部が無い側の端面が、前記回転軸を回転可能に支持する軸受と当接するように形成されている請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
10. 前記回転子ヨークの前記第一フランジ部がない側の端面よりも軸方向内側に、前記回転軸を回転可能に支持する１つの軸受の一部または全部が配置されている請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の回転電機の回転子と、前記回転子を内周側に挿入する固定子とを備えた回転電機。

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