JPS60102850A - 回転機の回転子構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超高速で回転可能な電動機または発電機などの
回転機の回転子構造ｔこ関する。

電動機や発電機などのような磁束の変化を利用して軸出
力を発生したり電圧を誘起する回転機では、巻線の数や
磁極の数など他の条件が同じであれば回転数が大きくな
るほど軸出力や誘起電圧が増大することは一般に知られ
ている。

ところが回転機の回転数が増すと遠心力が増大し回転子
に働く応力が大きくなって回転子の構成部品が破損する
おそれがある。この点につき理論的に分析し試算してみ
ると次のようになる。

回転子の質量をｍ　（ｇ　）、半径をｒ（ｃｍ）。

周速度をｖ　（ｃｍ／秒）とすると、遠心力Ｆは次の式
で表わされる。

ここで回転子の回転数を毎秒ｎとすると、ｖ＝　２π’
＝ｆｎ　・・す・・　（２）（１）　、　（２）式から となる。従って、この加速度の重力加速度に対する比Ｒ
をめると、 ｇ そこで、ｒ−ｒ２ｃｍとしていくつかの回転数ｎに対す
る遠心力の対重力加速度比Ｒを試算してみると、 Ｎ（ｒｐｍ）　Ｒ １５００５０，４ ５０００５５９，５ １００００２２，３８Ｘ１０２ ２００００　８９．５２ＸＩ♂ ５００００　ｓ５．９ｓｘｘｄ３ １０００００　２２．３８Ｘｌ　ｏ４ このように回転数が１００００のオーダーを越える超高
速回転では対重力加速度が相当大きくなるため、超高速
回転の回転機では回転子の直径を小さくして対重力加速
度をできるだけ低く抑えるようにして実用化することが
考えられている（たとえば歯科医で用いる研磨用モータ
）。

一方、超高速回転機ではスリップリングにより回転子磁
極を励磁することが技術的に困難になるため永久磁石を
用いた界磁極を用いる構造が採用されている。ところが
従来磁気特性のすぐれた磁気材料（たとえば希土類コ具
ルト磁石）は引張強度がそれほど大きくなく、せいぜい
１０〜２０ｋｇ／ｍ−である。このために、たとえば直
径２ｃｍの鋼製回転軸にこのような磁石材料（比重は約
８）を厚さ１ｃｒｈで筒状Ｑこ巻き付けて回転子を構成
した場合、超高速回転時の対重力加速度の限界は８０程
度となり、回転数は約１９００１ｍが限界になる。実際
にはさらにディレーティングして考えるとこの数値はず
っと小さくなると考えられる。

そこでそれ以上の超高速回転で回転させるには磁気特性
を多少犠牲にして引張強度の大きい磁石材料を用いて回
転子を構成するか、回転子の周囲に金属製のパイプをか
ぶせて磁石材料の飛出しを抑える方法がとられている。

しかし、磁気特性の低下は回転機出力の低下につながる
し、このような方法でも回転速度に限界がある。

本発明は上記の点にかんがみなされたもので、希土類コ
バルト磁石に代表されるような磁石材料は保磁力が大き
いとともに残留磁束密度も高いために回転子に用いた場
合、回転子と固定子との間に大きな間隙をとることがで
き、間隙をこのように大きくしても出力はほとんど低下
しないという特徴がある。本発明はこの点に着目し且つ
最近新素拐として注目されている炭素繊維の著しい引張
強度に着目し、回転子の磁石材科料の外周に炭素繊維を
密巻きにして超高速回転時における磁石材料の飛出しや
破損を防止して超高速回転を可能にしたものである。

以下図面に基づいて本発明を説明する。

第１図は本発明による回転機の回転子の一実施例の斜視
図であり、ｌは鋼製回転軸、２は回転軸ｌの周囲なこ圧
入して固定したすぐれた磁気特性の磁石材料で、焼結し
たまたは樹脂結合したサマリウムコバルト、４磁石など
の希土類コバルト磁石が好ましい。この磁石材料の両端
に回転子の重量バランスをとるためと後述する補強系の
端末処理のためをこフランジ３ａ　、３ｂを圧入する。

磁石材料２は引張強度がｌＯ〜２０ｋｇ／　ｒｒｍ”−
で比較的小さいために、その周囲に炭素繊維などの補強
糸４を密巻きする。次組繊維は引張強度が２５０〜．４
５０　ｋｇ／ｆｆ１ｍ２で極めて大きく、密巻きする際
予め張力を加えて巻くことにより超高速回転時における
磁石材料の破損や変形を加減して防止することができる
。炭素繊維は密巻きした後マトリクス材を含浸硬化させ
ることにより繊維相互を固定し硬化させると、磁石材料
は一層強固に保持される。補強糸４の端末は磁石材料２
の両端に固定したフランジの溝Ｍに埋め込んで処理する
。この場合マｌ−、ｌＪクス材を付着しながら炭素繊維
を巻き付けてもよい。

ここで直径２ｃｍの鋼製回転軸にＰＪさｌ　ｃｍの磁石
材料（比重８．５）を固定し、その周囲に炭素繊維を０
．２　Ｃｍの厚さで密巻きして直径４．４　ｃｍの回転
子を構成し、表１ｍに３巻いた炭素繊維を圧力容器と考
え１、且つ磁石材料の引張応力をＯと仮定するとＡ　＝
　６３７５　Ｘ　１０−４　Ｒの近似式が成立するので
、−この式に基づいて各回転数に対する対重力加速度比
Ｒおよび回転子表面に働く応力Ａを試算すると次のよう
になる。

Ｎ（ｒｐｍ）　、　ＲＡ（ｋｇ／１ｎ２）ＩＸ１０４　
ｚ、２４ｘｔｏａ　１．４２８５Ｘ１０４　５５．９　
Ｘ１０３　３５．６４６Ｘ１０４　８０．６　Ｘ１０３
　５１．３８７Ｘ１０４　１０９．７Ｘ１０３　６９．
９３８Ｘ１０４　１４３．３Ｘ］０”　９１．３５１０
Ｘ１０４　２２３．８Ｘｌ（１５１４２，６７］５Ｘ］
Ｏ’　５０３．５５ＸｌＯ”　３２１．０２０Ｘ１０４
　８９５．２０Ｘ１０３　５７０．７市販の炭素繊維の
引張強度は約２５０〜４３０ｋｇ１ｍρであるから、こ
れを用いれば、Ｌ記試算例から約１５　Ｘ　ｌ　０４（
ｒｐｍ）以上の超高速回転に耐えられる回転子が実現で
きることがわ力する。

このように磁石材料の破損を防止するための補強は引張
強度の大きい炭素繊維のような補強糸ヲ単に巻くだけで
よいから従来のようニ補強用金属パイプを加工したり回
転軸に固定したりするのに比べて補強のための作業性が
極めてすぐれている。また補強糸に引張強度の太き（・
繊維を用いるので巻回時に予め張力を加えることをこよ
り高速回転時での磁石材料の安定性を強化することがで
きる。

本発明で用いる補強糸の代りに引張強度の大きい繊維で
編んだ細い平布を用いてもよい。

以上説明したように、本発明においては１回転軸に磁気
特性のすぐれた磁石材料を固定し、その磁石材料の外周
に引張強度の大きい補強糸または補強布を密巻きしたの
で、超高速回転時にも磁石材料の破損や飛出しを防止す
ることができ、超高速回転に耐えられる回転子を有する
回転機が実現できる。

なｊ６、不発明による回転子構造を低速回転の回転機に
適用した場合、低速機では周波数が比較的低くなるため
に損失が少なくなり、その結果磁束密度を高くすること
ができる。すなわち回転機の回転子と固定子との間隙を
狭くすることができるため瘉こ（補強糸の巻き付けが薄
くできる）、同転機の単位重量当りの出力を高めること
ができる。このことは、同じ出力を得るのに回転機自体
を小型化することができることを意味し、本発明は超高
速回転機のみならず低速回転機でもすぐれた作用効果が
得られる。

なお、本発明は回転機の回転子のほかに直径の大きいフ
ライホイールの外周に磁極片を固定するような場合をこ
も適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による回転機の回転子の部分断面斜視図
である。 １・・・回転軸　２・・・磁石材料 ３　ａ　＋　３　ｂ・・・フランジ　４・・・補強糸特
許出願人　株式会社雪ケ谷制御研究所第１゛図 ｂ 子糸ダ己ネ山ｊＪ−Ｅ　１．’、ｘ： １１１（矛ｌｌ５８イ１三　３月２３日特許庁長官　若
　杉　和　犬　殿 １　、４Ｉｌ；′ｌ出願の表示 昭和５８年特許願第２０９０９４号 ２、発明の名称 回転機の回転子構造 ３、補正をする者 事ヂ１との関係　特泊出願人 明細刃の発明の詳細な説明の１１￥１ 本願明細書を下記のとおり補正する。 （１）第５頁第５行から第６行の「炭素繊維」を「炭素
繊維や超高強力ポリエチレン＃Ｉ！維や芳香族ポリアミ
ド＃ｌｉａなど」と補正し、第７行の「炭素ｍ維」を「
高張力繊維」と補正する。 （２）第８頁の第３行と第４行との間に［上記実施例で
は、回転子の回転軸と磁石材料の周囲に炭素繊維を巻く
ようにしたが、本発明はこれに限らす予じめ炭素繊維を
筒状に巻いた状態で作っておき、その筒状体の中に回転
軸と磁石材料とを一体にして挿入して固定するようにし
てもよい。また本実施例では炭素ｍ維を用いたが、これ
に代えて超高強力ポリエチレン繊維や芳香族ポリアミド
繊維などの高張力繊維を用いてもよい。 」を加入する。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転軸に磁気特性のすぐれた磁石材料を固定し、
   該磁石材料の外周に引張強度の大きい補強部材を巻いた
   ことを特徴とする回転機の回転子構造。
2. （２）前記磁石材料が希土類コバルト磁石材料である特
   許請求の範囲第１項に記載の回転子構造。
3. （３）前記補強部材が炭素繊維である特許請求の範囲第
   １項または＠２項に記載の回転子構造。