JP2008219965A - 回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの温度を上昇させず、磁石減磁の問題をも解決した回転機械を提供することが課題である。
【解決手段】ハウジングに回転可能に支持された回転軸と、該回転軸に取り付けられて外周に永久磁石が設けられたロータと、該ロータの外周に配置され、コイルが巻回されて前記ハウジングに固定されたステータとからなる回転機械において、ロータを永久磁石外周に嵌着したインコネルやハステロイなど、インコネルと同等以上の高温機械特性を有する耐熱高強度材からなる保護環と、非導電性繊維をフィラメントワインディングした保護層とで構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転機械に係り、特に、エンジンに圧縮空気を送り込むコンプレッサなどを駆動する、高速回転用モータなどの回転機械における、永久磁石が飛散することを防止した構造を備えた回転機械に関するものである。

自動車エンジンの出力を増大させたり、エンジン出力の過渡応答を改善するため、図４に示したように、コンプレッサ２１をバッテリ２４からインバータ２２を介して給電されるモータ１０で高速回転させ、コンプレッサ２１への給気２５を圧縮してエンジン２３に圧縮空気２６を送り込むようにした電動過給器が用いられる。こういった電動過給器における、高速モータ１０としての回転機械のロータとコンプレッサ２１とは、一般的にギアレス直結されて回転数は数万ｒｐｍから十数万ｒｐｍに達する。

このようなモータ１０を駆動するインバータ２２は、モータ１０の後方に近接して設置され、コンプレッサ２１、モータ１０、インバータ２２が一体の筐体２０に収納されることが多い。また、こういったモータは、小型化のために永久磁石型モータが用いられることが多いが、高速回転によってこの永久磁石にかかる遠心力が大きいため、一般的に磁石飛散防止用の保護リング（環）が用いられる。なお、この図４において、２７は排気である。

例えば特許文献１には、永久磁石の外周部にバインド線を巻回し、このバインド線の巻回層を樹脂でモールドして構成した回転子において、重量比率１０%以下のガラス繊維で強化したポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂によりモールドすることで、ポリフェニレンサルファイド樹脂へのガラス繊維の含有率が低いため、回転子の外径切削性が良好となり、またヒートショックに対する強度が向上するとした回転子が開示されている。

また特許文献２には、ヨークの外周部に磁石を装着し、前記磁石の外周部に金属管を嵌着して構成する磁石回転子において、金属管に生じる渦電流による損失を低減して効率の良い電動機を構成するため、金属管の嵌着に先立って、金属管の内外周面の一方または両方に、金属管の面上を押圧または切削することによって凹凸を形成するとともに、その内径が前記磁石の外周部へ嵌入可能な寸法となるように拡管成形した、磁石回転子及びその製造方法が示されている。

さらに特許文献３には、回転軸２の周囲に略環状に永久磁石４が配設され、この永久磁石４の外周にインコネル（インコ社(International Nickel Company)の商品名）製外筒５が被せて止められている回転体が示され、特許文献４には、回転時の振動発生を抑制するため、複数の永久磁石が軸線方向に並置されて固着されている永久磁石ロータのロータハブの外周面に、各隣接する永久磁石の境界部を覆うように例えばチタン合金製の保護環が圧入されている、永久磁石ロータ及び永久磁石ロータの製造方法が示されている。

そして特許文献５には、ガスタービンに直結され、直円柱状の永久磁石片が、大きい機械的強度を有する低透磁率磁性材料から成る保持筒内に焼き嵌めされて固定されたロータを備える、高速度回転駆動される回転機械が示されている。この回転機械のロータの永久磁石片には、周方向に１８０°の間隔をあけて一対のＮ、Ｓの磁極が形成され、ステータはロータに同軸のヨークと、ヨークから半径方向内方に延びる歯と、歯の相互間を連結する連結片とを有して全閉スロットが形成されている。また、スロット内、またはヨーク内には、冷却用空気が導かれ、この空気はガスタービンの圧縮機に吸入されて、保持筒は永久磁石片の極間部で磁気飽和し、漏れ磁束を抑制するようにして、回転機械の構成を小形化すると共に高出力とするようにしている。

特開平４−３６８４４０号公報 特開平７−２４５９２１号公報 特開平９−３０３３８０号公報 特開２００１−１６９４８７号公報 特開２００２−３６８４４０号公報

しかしながら、前記したように小型化のため、コンプレッサ、モータ、インバータを一体の筐体に収納した場合、モータを冷やすための冷却風がインバータの発熱で温度が上昇し、また、モータのケース内を直接冷やすことはできないから、モータを効率的に冷却することができずにモータケース内温度が上昇する。また、高速モータであるため、磁石内に渦電流損が発生し、この渦電流損によって磁石温度が上昇して磁石減磁が発生する問題もある。

さらに前記した特許文献１では、永久磁石の外周部に巻回するバインド線が絶縁体であるため、渦電流は発生しないが、材質の熱伝導率が低く、そのため、磁石内の渦電流損による熱がロータ外周から逃げないため、磁石の温度が上昇してしまう。

また、特許文献２乃至５に示された磁石回転子では、磁石の外周部に嵌着した金属管が導電体であるため、渦電流による損失が発生し、そのため、保護環の温度が上昇して、保護環内側の磁石の温度も上昇してしまう。

そのため本発明においては、ロータの温度を上昇させず、磁石減磁の問題をも解決した回転機械を提供することが課題である。

上記課題を解決するため本発明になる回転機械は、
ハウジングに回転可能に支持された回転軸と、該回転軸に取り付けられて外周に永久磁石が設けられたロータと、該ロータの外周に配置され、コイルが巻回されて前記ハウジングに固定されたステータとからなる回転機械において、
前記ロータは、前記永久磁石外周に嵌着した保護環と、非導電性繊維をフィラメントワインディングした保護層とが設けられていることを特徴とする。

このように保護環と、非導電性繊維をフィラメントワインディングした保護層とを永久磁石外周に設けることで、保護環は渦電流が発生するが、非導電性繊維をフィラメントワインディングした保護層も設けられているから、発生する渦電流損と材質の熱伝達率を考慮し、磁石温度上昇が小さくなるようにそれぞれの厚さを設定することができ、ロータの温度を上昇させず、磁石減磁の問題をも解決できる回転機械を提供することができる。

そして、前記ロータの保護環におけるステータ側に、ロータ軸方向に等間隔で周方向に溝を設け、該溝部に前記非導電性繊維をフィラメントワインディングすることで、保護環に設けた溝の部分は保護環の厚さが薄くなるからそれだけ渦電流損が少なくなり、また、保護環がロータ表面に露出するため放熱性が良くなる。ただ、保護環に設けた溝の部分は厚さが薄いために強度が小さくなるが、その部分にフィラメントワインディングを施すから、強度も確保でき、放熱性、強度に優れたロータを有する回転機械とすることができる。

また、前記保護環をロータ軸方向に等間隔に配したリング形状に形成し、前記リングとリングの間に前記非導電性繊維でフィラメントワインディングすることで、保護環がロータ表面に露出するため放熱性が良くなり、また、保護環がリング状であるから渦電流損がなくなる。しかし、リングとリングの間は強度が小さくなるが、その部分にフィラメントワインディングを施すから強度も確保でき、放熱性、強度の優れたロータを有する回転機械とすることができる。

そしてこの場合、前記リングとフィラメントワインディングした非導電性繊維とは、接着剤で筒状に形成することで、ロータへの嵌着なども容易に行うことができるようになる。

そして、前記回転軸と永久磁石とは冷やし嵌めで固着され、前記永久磁石と保護環とは、永久磁石を冷却し、保護環を温めて焼き嵌めにより固着し、前記非導電性繊維はカーボン繊維または硝子繊維とし、前記保護環は、インコネル（インコ社(International Nickel Company)の商品名）と同等以上の高温機械特性に優れた耐熱高強度材で構成することが、本発明の好適な実施形態である。

このように本発明によれば、ロータの温度上昇や磁石減磁の問題に対処した回転機械を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は、本発明になる回転機械の実施例１における、ロータの軸に直角な方向の破断した全体構成断面図（Ａ）と、ロータの軸中心部を通る平面で切断した断面図（Ｂ）と、ロータの軸に直角な方向の断面図（Ｃ）である。

図１（Ａ）において、１０は回転機械たるモータ、１１はそのステータ、１１１はステータ鉄心、１１２はステータ鉄心１１１のティース１１３に巻回されたコイルである。そして、このステータ１１の中心側にはロータ１２が設けられ、図１（Ｂ）のロータ１２の軸中心部を通る平面で切断した断面図と、（Ｃ）のロータ１２の軸に直角な方向の断面図からあきらかなように、ロータ１２の中心部に金属製のシャフト１２１、その周囲に冷やし嵌めで固着された永久磁石１２２が設けられている。

そして更にその外周には、インコネルで形成された保護環１２３が、永久磁石１２２を冷却すると共に保護環１２３を温めて焼き嵌めにより嵌着され、その周囲に更に、カーボン繊維または硝子繊維によるフィラメントワインディング構造による保護層１２４が設けられて、ステータ１１とロータ１２は、空隙（エアギャップ）１３で隔てられている。

このように、保護環１２３をインコネルで構成することで、表１に示したように、インコネルは引っ張り強度が１，１３０［Ｍｐａ］、熱伝導率が１２．３［ＷｍＫ］、導電率が９７０，０００［１／Ωｍ］と、大きな引っ張り強度と非常に大きい熱伝導率、導電率を有し、放熱性に優れていると共に、保護環として最適な強度を有しているが導電率が高いため、渦電流損が発生する。

また、フィラメントワインディング（ＦＷ）構造を構成するカーボン繊維は、これも表１に示したように、引っ張り強度が１，３５０［Ｍｐａ］とインコネルより高く、これらインコネルとカーボン繊維とを組み合わせることで、大きな強度を持つ保護環とすることができる。

すなわち、インコネルからなる保護環１２３と、カーボン繊維または硝子繊維などの非導電性繊維をフィラメントワインディングとした保護層１２４とを、永久磁石１２２の外周にこの順で設けることで、インコネルからなる保護環１２３は渦電流が発生するが、非導電性繊維をフィラメントワインディングした保護層１２４が保護環１２３の外周に設けられているから、ティース１１３と保護環１２３との間には距離ができ、その分、発生する渦電流が小さくなる。

また、フィラメントワインディング（ＦＷ）構造を構成するカーボン繊維は、表１に示したようにインコネルより大きな引っ張り強度を有するから、インコネルからなる保護環１２３に発生する渦電流損と熱伝達率を考慮し、磁石温度上昇が小さくなるようにインコネルの保護環１２３とフィラメントワインディング（ＦＷ）１２４の厚さを設定することで、ロータ１２の温度を上昇させず、磁石減磁の問題をも解決できる回転機械とすることができる。

なお、以上の説明では、保護環１２３としてインコネルを用いた場合を例に説明してきたが、この保護環１２３は、インコネルと同等以上の高温機械特性を有する耐熱高強度材であれば良く、例えばインコネルの他には、ハステロイ（Hastelloy）などの高Ｎｉ系高温高強度材を用いることができ、これは、以下に説明する実施例２、実施例３も同様である。

図２は、本発明になる回転機械を構成する実施例２のロータ１４の、軸中心部を通る平面で切断した断面図（Ａ）と、その斜視図（Ｂ）である。以上説明してきた実施例１のロータ１２は、永久磁石１２２の外周にインコネルからなる保護環１２３を設け、さらにその外周にフィラメントワインディングからなる保護層１２４を設けたが、保護環１２３の外周にフィラメントワインディングからなる保護層１２４を設けたことで、ティース１１３と保護環１２３との間に距離ができて発生する渦電流が小さくはなるが、放熱性の点では保護層１２４が保護環１２３の外周にあるため悪くなる。

そのため、図２に示した実施例２のロータ１４では、中心部の金属製のシャフト１４１に、冷やし嵌めで固着された永久磁石１４２が設けられている点は同一であるが、永久磁石１４２の周囲に設けるインコネルからなる保護環１４３は、軸方向に等間隔で周方向に溝１４５を設け、その溝１４５にカーボン繊維または硝子繊維などの非導電性繊維をフィラメントワインディングして保護層１４４とし、インコネルからなる保護環１４３が、一部ステータ１１のティース１１３側に直接対面して露出するようにした。なお、図中、保護層１４４の一部（図上上側のみ）における小さな○は、その部分が繊維であることを示している。

このようにすることで、インコネルからなる保護環１４３は、溝１４５の部分が薄くなるから、それだけ渦電流損が少なくなり、また、インコネルからなる保護環１４３がロータ１４の表面に露出するため放熱性が良くなる。ただ、保護環１４３に設けた溝１４５の部分は厚さが薄いために強度が小さくなるが、その部分にフィラメントワインディングの保護層１４４を施すから、強度も確保でき、放熱性、強度に優れたロータ１４を有する回転機械とすることができる。

図３は、本発明になる回転機械を構成する実施例３のロータ１５の、軸中心部を通る平面で切断した断面図（Ａ）と、その斜視図（Ｂ）である。実施例２のロータ１４は、永久磁石１４２の周囲に設けたインコネルからなる保護環１４３に、軸方向に等間隔で周方向に溝１４５を設けてカーボン繊維または硝子繊維などの非導電性繊維をフィラメントワインディングし、保護層１４４とした。そのため、溝１４５の部分が薄くなるからそれ分渦電流損が少なくはなるが、保護環１４３がロータ１４の軸方向端部から端部まで存在するからそれなりの渦電流が発生する。

それに対して図３に示した実施例３では、永久磁石１５２の周囲にインコネルからなる保護環１５３を設けることは実施例１、２と同じであるが、この保護環１５３をリング形状に形成してロータ１５の軸方向に等間隔に配し、この保護環１５３と１５３の間にカーボン繊維または硝子繊維などの非導電性繊維をフィラメントワインディングして、保護層１５４を形成したものである。なお、図中、保護層１５４の一部（図上下側のみ）における小さな○は、その部分が繊維であることを示している。

このようにすることで、インコネルからなるリング状の保護環１５３は、ステータ１１のティース１１３側に直接対面して露出するからそれだけ放熱性が高まり、また、保護環がリング状であるから渦電流損がなくなる。しかし、保護環１５３の間は強度が小さくなるが、その部分にフィラメントワインディングからなる保護層１５４を形成するから、強度も確保でき、放熱性、強度の優れたロータ１５を有する回転機械とすることができる。

そしてこの場合、リング状の保護環１５３とフィラメントワインディングからなる保護層１５４は、予め接着剤で筒状に形成すれば、ロータ１５への嵌着なども容易に行うことができる。

以上種々述べてきたように本発明によれば、インコネルやハステロイなど、インコネルと同等以上の高温機械特性を有する耐熱高強度材からなる保護環１２３と、非導電性繊維をフィラメントワインディングした保護層１２４とを永久磁石１２２の外周に設けることで、高温機械特性を有する耐熱高強度材からなる保護環１２３は渦電流が発生するが、非導電性繊維をフィラメントワインディングした保護層１２４も設けられているから、発生する渦電流損と材質の熱伝達率を考慮し、磁石温度上昇が小さくなるようにそれぞれの厚さを設定でき、ロータ１２の温度を上昇させず、磁石減磁の問題をも解決できる回転機械を提供することができる。

本発明によれば、ロータの温度を上昇させず、磁石減磁の問題をも解決した回転機械を提供することができるから、コンプレッサ、回転機械、インバータが一体の筐体に収納されるような電動スーパーチャージャ（電動過給器）の駆動用回転機械として、好適な回転機械を提供することができる。

本発明になる回転機械の実施例１における、ロータの軸に直角な方向の破断した全体構成断面図（Ａ）と、ロータの軸中心部を通る平面で切断した断面図（Ｂ）と、ロータの軸に直角な方向の断面図（Ｃ）である。 本発明になる回転機械を構成する実施例２のロータの、軸中心部を通る平面で切断した断面図（Ａ）と、その斜視図（Ｂ）である。 本発明になる回転機械を構成する実施例３のロータの、軸中心部を通る平面で切断した断面図（Ａ）と、その斜視図（Ｂ）である。 エンジン２３へ圧縮空気２６を送り込む電動スーパーチャージャ（電動過給器）の概略構成図である。

符号の説明

１０ 回転機械（モータ）
１１ ステータ
１１１ ステータ鉄心
１１２ コイル
１１３ ティース
１２ ロータ
１２１ シャフト
１２２ 永久磁石
１２３ 保護環（インコネルと同等以上の高温機械特性を有する耐熱高強度材）
１２４ フィラメントワインディング（ＦＷ）
１３ 空隙（エアギャップ）

Claims (7)

1. ハウジングに回転可能に支持された回転軸と、該回転軸に取り付けられて外周に永久磁石が設けられたロータと、該ロータの外周に配置され、コイルが巻回されて前記ハウジングに固定されたステータとからなる回転機械において、
   前記ロータは、前記永久磁石外周に嵌着した保護環と、非導電性繊維をフィラメントワインディングした保護層とが設けられていることを特徴とする回転機械。
2. 前記ロータの保護環におけるステータ側に、ロータ軸方向に等間隔で周方向に溝を設け、該溝部に前記非導電性繊維をフィラメントワインディングしたことを特徴とする請求項１に記載した回転機械。
3. 前記保護環をロータ軸方向に等間隔に配したリング形状に形成し、前記リングとリングの間に前記非導電性繊維でフィラメントワインディングしたことを特徴とする請求項１に記載した回転機械。
4. 前記リングとフィラメントワインディングした非導電性繊維とは、接着剤で筒状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載した回転機械。
5. 前記回転軸と永久磁石とは冷やし嵌めで固着され、前記永久磁石と保護環とは、永久磁石を冷却し、保護環を温めて固着されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載した回転機械。
6. 前記非導電性繊維はカーボン繊維または硝子繊維であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載した回転機械。
7. 前記保護環は、インコネル（インコ社(International Nickel Company)の商品名）と同等以上の高温機械特性に優れた耐熱高強度材であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載した回転機械。

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