JP2004112849A - 永久磁石型回転子 - Google Patents
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Abstract
【課題】高速回転に適合可能であり、渦電流損を極力低減し得ると当時に、径方向寸法および軸方向寸法をより一層低減し得るように改良された永久磁石型回転子を提供する。
【解決手段】永久磁石型回転子を、円柱状をなす中実の永久磁石の軸方向一端に駆動力伝達部材を結合すると共に、永久磁石の外周に補強用スリーブを嵌着してなるものとする。これにより、回転トルクを伝達し且つ剛性を高めるために従来一般に採られている永久磁石に支持軸を貫通させる必要が無くなるので、永久磁石の断面積の減少に伴う永久磁石の軸線方向寸法の増大を招かずに済む上、スリーブで永久磁石を外囲するので、高速回転における遠心応力及び振動による曲げなどの繰り返し応力に対する疲労強度も増強される。
【選択図】 図１
【解決手段】永久磁石型回転子を、円柱状をなす中実の永久磁石の軸方向一端に駆動力伝達部材を結合すると共に、永久磁石の外周に補強用スリーブを嵌着してなるものとする。これにより、回転トルクを伝達し且つ剛性を高めるために従来一般に採られている永久磁石に支持軸を貫通させる必要が無くなるので、永久磁石の断面積の減少に伴う永久磁石の軸線方向寸法の増大を招かずに済む上、スリーブで永久磁石を外囲するので、高速回転における遠心応力及び振動による曲げなどの繰り返し応力に対する疲労強度も増強される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電機や電動機に用いる円柱状で中実の永久磁石を含む回転子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発電機あるいは電動機の回転子は、内部損失に占める軸受け摺動損およびブラシ摺動損からなる機械損の割合が、小型になればなるほど増大するので、特に外径寸法が５ｍｍ以下の回転子は、ブラシを必要としない永久磁石型回転子が多用されている。このような永久磁石型回転子の回転軸は、負荷トルクあるいは駆動トルクを伝達するための機械的強度を確保する都合上、その小径化には限度がある。そのために、例えば特開２０００−１３０１７６号公報に開示されているような、円筒状をなす永久磁石を支持軸が貫通する構造を採ることが考えられるが、この構造によると、支持軸の断面積分だけ永久磁石の断面積が減少するので、永久磁石の外径寸法を抑えて十分なトルクを発生させる磁気エネルギを確保するには、永久磁石の軸方向寸法を増大させる必要がある。
【０００３】
このような不都合に対処するには、例えば特開平１１−２３４９７５号公報に開示されているような、円柱状をなす永久磁石をスリーブに圧入した後、スリーブの両端に軸受け支持部を嵌入し、スリーブの端面から没入した永久磁石の軸方向両端面に軸受け支持部を接合した上で、電子ビーム溶接にてスリーブの両端に軸受け支持部の外周面を溶接した構造を採ることが考えられる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２３４９７５号公報（図２並びに段落番号００１２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記特許文献１に開示の構造によると、軸受け支持部を介して駆動源となるタービンに間接的に接続して駆動力を伝達する構造であり、軸方向寸法の低減に適応したものではない上、スリーブに非磁性材ながらも金属材料を用いているので、渦電流損の発生を余儀なくされる。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、低速回転から１０，０００ｒｐｍ以上の高速回転まで適合可能であり、渦電流損を極力低減し得ると同時に、径方向寸法および軸方向寸法をより一層低減し得るように改良された永久磁石型回転子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明の請求項１においては、永久磁石型回転子（１）を、円柱状をなす中実の永久磁石（２）の軸方向一端に、例えば駆動源となるタービン（３）や、負荷となるフライホイールなどの駆動力伝達部材を一体的に結合すると共に、永久磁石の外周に補強用スリーブ（１２）を嵌着してなることを特徴とするものとした。
【０００８】
このように、駆動力伝達軸に永久磁石を直接結合するものとすれば、回転トルクを伝達し且つ剛性を高めるために従来一般に採られている永久磁石に支持軸を貫通させる必要が無くなるので、永久磁石の断面積の減少に伴う永久磁石の軸方向寸法の増大を招かずに済む。これに加えて、スリーブで永久磁石を外囲するので、高速回転における遠心応力及び振動による曲げなどの繰り返し応力に対する疲労強度も増強される。
【０００９】
特に、永久磁石と駆動力伝達部材との結合をろう付けとすれば（請求項２）、結合強度をより一層高めることができ、また、非金属材である繊維強化合成樹脂材にて補強用スリーブを形成するものとすれば（請求項３）、渦電流損を低減し得る。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明に基づき構成されたタービン一体型の永久磁石型回転子を示している。この回転子１は、小型パワープラントとしてのガスタービンエンジンで駆動される発電機用回転子であり、円柱状をなす永久磁石２の一方の軸方向端面に、駆動力伝達軸となるタービン３の軸部３ａが直接結合されている。そして永久磁石２の他方の軸方向端面には、軸受支持部材４が結合されている。これにより、構成サイズのより一層のコンパクト化が図られている。なお、タービン３の素材は、窒化珪素、炭化珪素などのセラミックス、あるいはインコネル（Ｎｉ−Ｃｒ−ＦｅのＮｉ基合金）などの高耐熱性金属から選ばれる。
【００１２】
図２に示したように、タービン３の軸部３ａと永久磁石２とは、活性ろうを用いて結合されている。例えば、タービン３が窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）の場合、これと一体の軸部３ａと永久磁石２との間に、ろう付け時の熱膨張差に起因して発生する応力の緩衝材および異種のろう材を互いに分離する隔壁として、０．５ｍｍ程度の厚さのコバール（ＦｅとＮｉとＣｏとの合金）層５を介在させ、軸部３ａ側は活性金属を含有する銀ろう（Ａｇ６０Ｃｕ２４Ｉｎ１４Ｔｉ２）６を用い、永久磁石２側はネオジムろう（Ｎｄ７０Ｃｕ２５Ａｌ５）７を用いて結合する。
【００１３】
ここで銀ろうを用いた結合は、真空中において、室温から保持温度の６８０℃まで毎分１０℃の昇温速度で加熱し、６８０℃で１時間保持した後に放冷した。そしてネオジムろうを用いた結合は、真空中において、室温から保持温度の３９０℃まで毎分５℃の昇温速度で加熱し、３９０℃で１時間保持した後に放冷した。
【００１４】
タービン３の材料としてインコネルを用いる場合は、熱膨張率の緩衝材として、０．５ｍｍ程度の厚さの窒化珪素の層を、図２に示したコバール層５に更に重ねると良い。
【００１５】
なお、タービン３の軸部３ａにおける永久磁石２との結合部近傍には、ラジアル軸受Ｒの装着部８が一体形成されている。
【００１６】
他方、軸受支持部材４側は、ネオジムろう（Ｎｄ７０Ｃｕ２５Ａｌ５）７を用いてコバールからなる連結部９が永久磁石２に結合されている。そして連結部９の軸端には、セラミックスからなるラジアル軸受Ｒの装着部１０が、接着剤などをもって外側に結合され、スラスト軸受Ｔの装着部１１が、ねじ手段あるいは圧入をもって内側に結合されている。
【００１７】
永久磁石２の外周には、永久磁石２を遠心応力から保護するためのカーボン繊維、ケブラー繊維、或いはＰＢＯ繊維で強化された合成樹脂材で形成されたスリーブ１２が圧入にて嵌着されている。なお、スリーブ１２は、非磁性の金属材で形成したものを焼き嵌めすることもできるが、非金属材の繊維強化合成樹脂材を用いることにより、渦電流損の低減を企図し得る。
【００１８】
永久磁石２は、一体構造が最も好ましいが、スリーブ１２で外囲するので、軸心に対する垂直面または平行面に沿って分割した形状であっても良い。
【００１９】
ろう付け面の応力低減策として、ろう付け面からタービン３の軸部３ａ側に嵌着したスリーブ１２のオーバーラップ量を適切に定めると良い。即ち、回転子１の直径寸法をＤとし、スリーブ１２の軸方向オーバーラップ寸法をＬとした時の、Ｌ／Ｄ値とろう付け面の破損の有無を試験したところ、表１に示すように、Ｌ／Ｄ値を０．１４以上にすれば、破損が発生しないことが見いだされた。つまり、回転子１の最大径方向引っ張り応力は、スリーブ１２の端面が接する断面に作用するが、Ｌ／Ｄ値を適切に定めることにより、ろう付け面に作用する応力を緩和し、ろう付け面が破断するおそれのないようにすることができる。また強度上は、Ｌ／Ｄ値の上限値に特別な制限は無いが、実用上は、１以上となると軸長が過大になってレイアウト上の問題が生ずるので、１以下が好ましい。
【００２０】
【表１】
【００２１】
スリーブ１２の締め付け力を適切に設定することにより、適宜な圧縮応力を永久磁石２に発生させ、高速回転時に作用する遠心応力を相殺し、永久磁石２が破壊に至らないようにすることができる。つまり、永久磁石２の外径寸法をスリーブ１２の内径寸法よりも大きく設定し、スリーブ１２と永久磁石２との嵌合公差を締まり嵌めとすることにより、スリーブ１２に永久磁石２を圧入した際にスリーブ１２に締め付け応力を発生させる。ここで発生する応力は、用いる永久磁石２及びスリーブ１２の材料の物性によって影響される。従って、最大回転速度の状態において、遠心応力を上回る圧縮応力が永久磁石に残留するように設計することが重要である。回転子１の半径方向圧入代と発生応力との関係の一例を図３に示す。
【００２２】
上記実施例においては、ラジアル軸受Ｒを軸部３ａに装着するものとしたが、永久磁石２の外周面をスリーブ１２で外囲しているので、ラジアル軸受Ｒをスリーブ１２上に配置するように構成することも可能である。
【００２３】
本発明による永久磁石２を用いた回転子１は、発電機は勿論のこと、回転子自体が駆動源となる電動機への適用も可能である。そして発電機の場合は永久磁石２が負荷源として、また電動機の場合は永久磁石２が駆動源として作用する。ここで駆動力伝達軸の構造は、例えばタービンホイールなどの駆動源、または例えばフライホイールなどの負荷源との一体構造が好ましいことは勿論であるが、複数の部分に分割したものを、何らかの手段で互いに結合する構造であっても良い。
【００２４】
【発明の効果】
以上詳述した通り本発明によれば、貫通軸が不要となるので、軸方向寸法を増大させずに十分な磁気エネルギを発生する永久磁石の体積を確保することができる。しかも駆動力伝達軸と永久磁石とをろう付けで一体化し、この結合部および永久磁石の遠心応力に対する保護作用をスリーブで行うので、駆動部または負荷部一体型の永久磁石型回転子をより一層コンパクト化する上に多大な効果を奏することができる。またスリーブの材料として、非磁性材である繊維強化合成樹脂材を使用すれば、渦電流損の低減に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による回転子の断面図
【図２】ろう付け部分の拡大断面図
【図３】圧入代と発生応力との関係を示すグラフ
【符号の説明】
１ 回転子
２ 永久磁石
３ タービン
４ 軸受支持部材
５ コバール
６ 銀ろう
７ ネオジムろう
８ ラジアル軸受装着部
９ 連結部
１０ ラジアル軸受装着部
１１ スラスト軸受装着部
１２ スリーブ
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電機や電動機に用いる円柱状で中実の永久磁石を含む回転子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発電機あるいは電動機の回転子は、内部損失に占める軸受け摺動損およびブラシ摺動損からなる機械損の割合が、小型になればなるほど増大するので、特に外径寸法が５ｍｍ以下の回転子は、ブラシを必要としない永久磁石型回転子が多用されている。このような永久磁石型回転子の回転軸は、負荷トルクあるいは駆動トルクを伝達するための機械的強度を確保する都合上、その小径化には限度がある。そのために、例えば特開２０００−１３０１７６号公報に開示されているような、円筒状をなす永久磁石を支持軸が貫通する構造を採ることが考えられるが、この構造によると、支持軸の断面積分だけ永久磁石の断面積が減少するので、永久磁石の外径寸法を抑えて十分なトルクを発生させる磁気エネルギを確保するには、永久磁石の軸方向寸法を増大させる必要がある。
【０００３】
このような不都合に対処するには、例えば特開平１１−２３４９７５号公報に開示されているような、円柱状をなす永久磁石をスリーブに圧入した後、スリーブの両端に軸受け支持部を嵌入し、スリーブの端面から没入した永久磁石の軸方向両端面に軸受け支持部を接合した上で、電子ビーム溶接にてスリーブの両端に軸受け支持部の外周面を溶接した構造を採ることが考えられる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２３４９７５号公報（図２並びに段落番号００１２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記特許文献１に開示の構造によると、軸受け支持部を介して駆動源となるタービンに間接的に接続して駆動力を伝達する構造であり、軸方向寸法の低減に適応したものではない上、スリーブに非磁性材ながらも金属材料を用いているので、渦電流損の発生を余儀なくされる。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、低速回転から１０，０００ｒｐｍ以上の高速回転まで適合可能であり、渦電流損を極力低減し得ると同時に、径方向寸法および軸方向寸法をより一層低減し得るように改良された永久磁石型回転子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明の請求項１においては、永久磁石型回転子（１）を、円柱状をなす中実の永久磁石（２）の軸方向一端に、例えば駆動源となるタービン（３）や、負荷となるフライホイールなどの駆動力伝達部材を一体的に結合すると共に、永久磁石の外周に補強用スリーブ（１２）を嵌着してなることを特徴とするものとした。
【０００８】
このように、駆動力伝達軸に永久磁石を直接結合するものとすれば、回転トルクを伝達し且つ剛性を高めるために従来一般に採られている永久磁石に支持軸を貫通させる必要が無くなるので、永久磁石の断面積の減少に伴う永久磁石の軸方向寸法の増大を招かずに済む。これに加えて、スリーブで永久磁石を外囲するので、高速回転における遠心応力及び振動による曲げなどの繰り返し応力に対する疲労強度も増強される。
【０００９】
特に、永久磁石と駆動力伝達部材との結合をろう付けとすれば（請求項２）、結合強度をより一層高めることができ、また、非金属材である繊維強化合成樹脂材にて補強用スリーブを形成するものとすれば（請求項３）、渦電流損を低減し得る。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明に基づき構成されたタービン一体型の永久磁石型回転子を示している。この回転子１は、小型パワープラントとしてのガスタービンエンジンで駆動される発電機用回転子であり、円柱状をなす永久磁石２の一方の軸方向端面に、駆動力伝達軸となるタービン３の軸部３ａが直接結合されている。そして永久磁石２の他方の軸方向端面には、軸受支持部材４が結合されている。これにより、構成サイズのより一層のコンパクト化が図られている。なお、タービン３の素材は、窒化珪素、炭化珪素などのセラミックス、あるいはインコネル（Ｎｉ−Ｃｒ−ＦｅのＮｉ基合金）などの高耐熱性金属から選ばれる。
【００１２】
図２に示したように、タービン３の軸部３ａと永久磁石２とは、活性ろうを用いて結合されている。例えば、タービン３が窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）の場合、これと一体の軸部３ａと永久磁石２との間に、ろう付け時の熱膨張差に起因して発生する応力の緩衝材および異種のろう材を互いに分離する隔壁として、０．５ｍｍ程度の厚さのコバール（ＦｅとＮｉとＣｏとの合金）層５を介在させ、軸部３ａ側は活性金属を含有する銀ろう（Ａｇ６０Ｃｕ２４Ｉｎ１４Ｔｉ２）６を用い、永久磁石２側はネオジムろう（Ｎｄ７０Ｃｕ２５Ａｌ５）７を用いて結合する。
【００１３】
ここで銀ろうを用いた結合は、真空中において、室温から保持温度の６８０℃まで毎分１０℃の昇温速度で加熱し、６８０℃で１時間保持した後に放冷した。そしてネオジムろうを用いた結合は、真空中において、室温から保持温度の３９０℃まで毎分５℃の昇温速度で加熱し、３９０℃で１時間保持した後に放冷した。
【００１４】
タービン３の材料としてインコネルを用いる場合は、熱膨張率の緩衝材として、０．５ｍｍ程度の厚さの窒化珪素の層を、図２に示したコバール層５に更に重ねると良い。
【００１５】
なお、タービン３の軸部３ａにおける永久磁石２との結合部近傍には、ラジアル軸受Ｒの装着部８が一体形成されている。
【００１６】
他方、軸受支持部材４側は、ネオジムろう（Ｎｄ７０Ｃｕ２５Ａｌ５）７を用いてコバールからなる連結部９が永久磁石２に結合されている。そして連結部９の軸端には、セラミックスからなるラジアル軸受Ｒの装着部１０が、接着剤などをもって外側に結合され、スラスト軸受Ｔの装着部１１が、ねじ手段あるいは圧入をもって内側に結合されている。
【００１７】
永久磁石２の外周には、永久磁石２を遠心応力から保護するためのカーボン繊維、ケブラー繊維、或いはＰＢＯ繊維で強化された合成樹脂材で形成されたスリーブ１２が圧入にて嵌着されている。なお、スリーブ１２は、非磁性の金属材で形成したものを焼き嵌めすることもできるが、非金属材の繊維強化合成樹脂材を用いることにより、渦電流損の低減を企図し得る。
【００１８】
永久磁石２は、一体構造が最も好ましいが、スリーブ１２で外囲するので、軸心に対する垂直面または平行面に沿って分割した形状であっても良い。
【００１９】
ろう付け面の応力低減策として、ろう付け面からタービン３の軸部３ａ側に嵌着したスリーブ１２のオーバーラップ量を適切に定めると良い。即ち、回転子１の直径寸法をＤとし、スリーブ１２の軸方向オーバーラップ寸法をＬとした時の、Ｌ／Ｄ値とろう付け面の破損の有無を試験したところ、表１に示すように、Ｌ／Ｄ値を０．１４以上にすれば、破損が発生しないことが見いだされた。つまり、回転子１の最大径方向引っ張り応力は、スリーブ１２の端面が接する断面に作用するが、Ｌ／Ｄ値を適切に定めることにより、ろう付け面に作用する応力を緩和し、ろう付け面が破断するおそれのないようにすることができる。また強度上は、Ｌ／Ｄ値の上限値に特別な制限は無いが、実用上は、１以上となると軸長が過大になってレイアウト上の問題が生ずるので、１以下が好ましい。
【００２０】
【表１】
スリーブ１２の締め付け力を適切に設定することにより、適宜な圧縮応力を永久磁石２に発生させ、高速回転時に作用する遠心応力を相殺し、永久磁石２が破壊に至らないようにすることができる。つまり、永久磁石２の外径寸法をスリーブ１２の内径寸法よりも大きく設定し、スリーブ１２と永久磁石２との嵌合公差を締まり嵌めとすることにより、スリーブ１２に永久磁石２を圧入した際にスリーブ１２に締め付け応力を発生させる。ここで発生する応力は、用いる永久磁石２及びスリーブ１２の材料の物性によって影響される。従って、最大回転速度の状態において、遠心応力を上回る圧縮応力が永久磁石に残留するように設計することが重要である。回転子１の半径方向圧入代と発生応力との関係の一例を図３に示す。
【００２２】
上記実施例においては、ラジアル軸受Ｒを軸部３ａに装着するものとしたが、永久磁石２の外周面をスリーブ１２で外囲しているので、ラジアル軸受Ｒをスリーブ１２上に配置するように構成することも可能である。
【００２３】
本発明による永久磁石２を用いた回転子１は、発電機は勿論のこと、回転子自体が駆動源となる電動機への適用も可能である。そして発電機の場合は永久磁石２が負荷源として、また電動機の場合は永久磁石２が駆動源として作用する。ここで駆動力伝達軸の構造は、例えばタービンホイールなどの駆動源、または例えばフライホイールなどの負荷源との一体構造が好ましいことは勿論であるが、複数の部分に分割したものを、何らかの手段で互いに結合する構造であっても良い。
【００２４】
【発明の効果】
以上詳述した通り本発明によれば、貫通軸が不要となるので、軸方向寸法を増大させずに十分な磁気エネルギを発生する永久磁石の体積を確保することができる。しかも駆動力伝達軸と永久磁石とをろう付けで一体化し、この結合部および永久磁石の遠心応力に対する保護作用をスリーブで行うので、駆動部または負荷部一体型の永久磁石型回転子をより一層コンパクト化する上に多大な効果を奏することができる。またスリーブの材料として、非磁性材である繊維強化合成樹脂材を使用すれば、渦電流損の低減に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による回転子の断面図
【図２】ろう付け部分の拡大断面図
【図３】圧入代と発生応力との関係を示すグラフ
【符号の説明】
１ 回転子
２ 永久磁石
３ タービン
４ 軸受支持部材
５ コバール
６ 銀ろう
７ ネオジムろう
８ ラジアル軸受装着部
９ 連結部
１０ ラジアル軸受装着部
１１ スラスト軸受装着部
１２ スリーブ
Claims (3)
- 永久磁石型回転子であって、
円柱状をなす中実の永久磁石の軸方向一端に駆動力伝達部材を結合すると共に、前記永久磁石の外周に補強用スリーブを嵌着してなることを特徴とする永久磁石型回転子。 - 前記結合は、ろう付けであることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転子。
- 前記補強用スリーブは、繊維強化合成樹脂材からなることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転子。
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