JP4324248B2 - 高速ロータシャフトの改善 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、改良された高速ロータシャフトに関し、特に、高速電動モータのロータシフトに関する。本発明は、特に、ガス、エア、または、冷媒コンプレッサ用の電動モータについて説明されている。しかしながら、本発明の原理は、他の形態の電動モータ用のロータや、他の応用例に用いられる他のロータ構造に応用することができる。
【背景技術】
【０００２】
高速のブラシレスＤＣモータは、周知であるが、全般的に、比較的低出力であって、それ故に用途が限られている。これに関連して、テキスト「直流マシン（D irect Current Machines）」、セイ及びテイラー著（ピットマンインターナショナル）の特に第４．８章、第５．１０章、並びに、第１１．４章を参照のこと。記載された１つの態様において、モータは、ネオジム−鉄−ボロン（硼素）[ＮｄＦｅＢ]の等級等の希土類マグネットを組み入れているロータを備えている。
【非特許文献１】
セイ及びテイラー著「直流マシン」
【０００３】
この材料及び他の希土類磁性材料は、一般に、低い引張り強度を有し、幾分脆く、よってその用途が制限される。他の態様のモータは、フェライト或は他の磁性材料を用いている。このような電動モータの高回転数（速度）は実質的な遠心力を発生するので、マグネットコアが割れたり、歪んだり、崩壊したり、或は、さもなければ使用不可能となったりしないように、ロータを構成することが必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、電動モータ等の高速マシン用のロータであり、希土類マグネット材料等の低い引張り強度を有するマグネットコアを備えたロータを提供することが望まれる。更に、高回転速度で動作するために必要な所定の機械的特性を提供することができるように構成された、電動モータ用のロータを提供することが望まれる。更に、低コストで製造できるロータを提供することが望まれる。更には、希土類マグネットコアを有するロータを構成又は製作する方法を提供することが望まれる。
【０００５】
本発明は、上記の問題点に着目して為されたもので、その目的は、高回転速度で動作するために必要な所定の機械的特性を提供することができるように構成された、電動モータ用のロータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明の第１の態様は、
（ａ）希土類マグネットコアと、
（ｂ）前記希土類マグネットコアを取り囲んで、高速回転中に前記希土類マグネットコアを半径方向に拘束する非磁性材によって形成されたスリーブであって、前記希土類マグネットコアの軸線方向に沿って左右両側へ張り出して延伸しているスリーブと、
（ｃ）前記スリーブの両端内で直接あるいは間接的に前記希土類マグネットコアの各端部にそれぞれ係合された端部材と、
を備えた高速マシン用ロータであって、
外部から前記希土類マグネットコアの軸線方向に圧縮力を付与した状態で、前記スリーブを前記端部材上に熱収縮させ、熱収縮させた前記スリーブによって、前記端部材は前記軸線方向に前記希土類マグネットコアに対し圧縮力を付与し、その結果、前記端部材がスリーブ内で締り嵌めにより前記コアに固定されることを特徴とする、高速マシン用ロータである。
【０００７】
１つの実施例において、このロータは、マグネットコアが径方向に磁化され、そして、コアの材料が好ましくはネオジム-鉄-ボロン[ＮｄＦｅＢ]である、ブラシレスＤＣモータに用いられる。この実施例でのモータは、約２０，０００ｒｐｍから５０，０００ｒｐｍの間の範囲の回転数を有するように設計されている。
【０００８】
また、本発明のロータは、より高い回転数（回転速度）を有するマシン類において使用可能である。現在開発中のモータでは、２５０，０００ｒｐｍ及びそれ以上の設計速度が提案されている。そのような極度に高い回転数を有するモータは非常に小さなサイズではあるが、例えば、冷蔵システム用の遠心コンプレッサを動作するには充分な出力を備えている。本発明の他の態様において、高回転速度によって、発生する各種の力に耐えるように、ロータの構成には過酷な機械的要求が課せられる。
【０００９】
またロータは、共振曲げ振動数が最大回転数を超える程に充分に頑強でなければならない。更にロータは、ベアリングに対する負荷を最小化するように、できる限り軽量でなければならない。本発明の特定の態様において、スリーブはマグネットコアに対して径方向の圧縮力を付与する。こうして、コアは静止状態において、径方向及び軸線方向の双方の圧縮力を受けている。前記径方向の圧縮力の大きさが、最大回転速度時における前記希土類マグネットコアの遠心力と釣り合っている前記径方向の圧縮力と同じ大きさである。
【発明の効果】
【００１０】
このように、スリーブ及び端部材によってコアに加えられる圧縮力によって、コアの材料が無損傷の状態で維持され、そして、回転中のマグネットコアにおける径方向の張力をも低減する。使用される構成モードとロータの所望された構造とによって、端部材は、直接的または間接的の何れかの状態で、コアの端部に係合することができる。ロータのスリーブは、好ましくは、インコネル等の非磁性の高強度金属から形成され、比較的高いヤング率を有して、モータのシャフトに要求される曲げ剛性を提供できる。しかしながら他の高強度材料、例えばチタン及びその合金類等を、ロータのスリーブを形成するために使用することができる。
【００１１】
希土類マグネットコアを軸線方向に圧縮する端部材は、端部材及び希土類マグネットコアからなるアセンブリ（組立部材）上にスリーブを熱収縮することによって、固定される。更に、上述した収縮プロセスによって、希土類マグネットコアに対して、半径方向の所望の圧縮力をも提供する。しかしながら、所望の軸線方向の圧縮力を提供するために、スリーブに予め応力を負荷する他の方法を使用することができる。例えば、スリーブに張力を付与し、または、端部材に圧縮力を付与しつつ、該スリーブに対して、一方または両方の端部材を、機械的に連結し、溶接、接着する。
【００１２】
また、本発明は、希土類マグネットコアを備えた、高速マシン用のロータの組み立て方法をも提供しており、下記工程からなっている。即ち、スリーブ内に配置されるマグネットコアおよび端部材と締り嵌めをなす寸法の内径を有するスリーブを形成する工程と、焼き戻し温度を下回る温度まで前記スリーブを加熱して、前記スリーブを径方向及び軸線方向に膨張させる工程と、前記マグネットコア及び前記端部材を、膨張させたスリーブ内に挿入する工程と、前記端部材に軸線方向の力を付与して、前記コアに圧縮力を付与する工程と、そして、前記スリーブを冷却して、前記スリーブが前記マグネットコア及び前記端部材の外周面上に収縮する工程。このプロセスによって、マグネットコアは、端部材に付与された軸線方向の力、および、マグネットコア上でのスリーブの収縮によって、軸線方向に圧縮される。
【００１３】
一つの態様において、スリーブは、予備焼き入れ、溶液焼き鈍しを施され、超高強度の宇宙空間等級の非磁性金属合金である。このスリーブは、当該スリーブが内部に配置される誘導加熱コイルシステムによってそのスリーブ材料の焼き戻し温度を下回る所望温度まで加熱される。スリーブが所定の温度になると、マグネットコア及び端部材が該スリーブ内に精密に配置される。軸線方向の予じめ負荷した力が端部材に付与され、スリーブが急激に冷却されている間に、マグネットコアを圧縮状態に保持する。この冷却によって、スリーブがマグネットコア及び端部材の外面回りに収縮する。
【００１４】
好ましい態様において、端部材に付与される圧縮力は約６００Ｍパスカル以下である。冷却速度は精密に制御されて、マグネットコアの磁気特性及び表面に対する損傷を防止し、そして、好ましくは、該マグネットコアを係合および把持する前に、端部材と係合し、これを把持する。冷却中におけるスリーブの軸線方向の収縮によって、マグネットコアに対する軸線方向の圧縮を維持し、または、それを発生させる。端部材は、ロータ用のシャフトスタブを備えていてもよい。
【００１５】
本発明の別の態様において、一方の端部材は、インコネル等の非磁性材料から成るシャフト・スタブを備え、他方の端部材または該端部材の一部は、マグネットコアとその他の磁性材料から形成されたシャフトスタブとの間に配置された非磁性スペーサ材である。本発明のロータは、高速ブラシレスＤＣモータにおける特別な用途を有する一方で、例えば、ガスタービンのシャフトが遠心コンプレッサ等のシャフトに磁気的に結合される磁気的カップリング用途においても有用である。この構成の場合、マグネットコアはカップリング目的用に設計され、それ故に、モータ用に設計されたものとは異なる構造を有していてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の理解をより容易にするために、添付図面を参照して、実施例について以下に説明する。
図１は、シャフトを取り囲むモータステータ（固定子）を示すロータシャフトの部分断面を含む概略側面図である。図２は、ロータシャフトのアセンブリの概略図である。図面を参照すると、図示されたロータ１０は、遠心コンプレッサ（図示しない）を駆動するために、高速ブラシレスＤＣモータ用に設計されている。モータは、できる限り小さく設計され、モータ／コンプレッサの組み合わせ全体のサイズをできる限り低減している。しかしながら、モータは、充分な動力をコンプレッサに伝達する必要性がある。ロータ１０は、比較的低い引張り強度を有する焼結された磁性材料であるネオジム−鉄−ボロン[ＮｄＦｅＢ]から形成されたマグネットコア１２を備えている。スリーブ１４は、マグネットコア１２を取り囲み、そこから軸線方向に沿って両方に延伸して中空シャフトを形成している。
【００１７】
この態様において、スリーブ１４は、インコネル（ＩＮＣＯＮＥＬ）７１８から形成されており、それは超高強度の宇宙空間等級である低透磁率の非磁性合金である。スリーブ１４は、予め応力が負荷されて、マグネットコア１２に対して径方向および軸線方向の圧縮力を加えている。更に、コア１２は、非磁性シャフトスタブ１６及び非磁性スペーサ１７の間で軸線方向の圧縮力を受けている。シャフトスタブ１６及びスペーサ１７のいずれに関しても、他の非磁性材料が使用することができるけれども、インコネルによって形成されてもよい。磁性材料からなる第２のシャフトスタブ１８も、スペーサ１７の外方側において、スリーブ１４によって係合さる。この態様のシャフトスタブ１６及び１８の双方は、符号１９で示される磁性ベアリング内においてロータ１０を支持するように設計されている。シャフトスタブ１８の外側端部は冷媒コンプレッサ（図示せず）の羽根車を支持するに適合している。
【００１８】
好ましくは、シャフトスタブ１６，１８及びスペーサ１７は、スリーブ１４の内面と締り嵌めをなす寸法に形成されている。しかしながら、何れか一方が圧縮力をマグネットコア１２に対して付与できるのであれば、シャフトスタブ１８及びスペーサ１７の一方または他方は締り嵌めでなくとも良い。ロータ１０の構造は、比較的頑強で且つ、それ故に、機械的に安定した電動モータ用のロータを形成する。マグネットコア１２は、スリーブ１４とシャフトスタブ１６及びスペーサ１７とによって、径方向及び軸線方向の双方における圧縮力を受けている状態に維持されて、５０，０００ｒｐｍ以下、または、更に２５０，０００ｒｐｍ以下までのロータの高回転動作速度時に生じた遠心力は平衡化される。
【００１９】
図２は、ロータシャフトの構成部品の組立方法を図解的に示したものである。この組立方法によれば、図示されている圧縮力を、誘導ヒータ２１を用いた誘導加熱により、その焼き戻し温度を下回る４００℃から４８０℃の間の温度までスリーブ１４を加熱することで、達成することができる。
【００２０】
できれば、上記の加熱温度をできる限り低く保ってマグネットコア表面を損傷する傾向を低減することが好ましい。上記の加熱に次いで、ジギングツール２２により、希土類マグネットコア１２、非磁性シャフトスタブ（端部材）１６、スペーサ１７、並びに磁性シャフトスタブ（端部材）１８を、加熱により膨張した前記スリーブ内に挿入する。その後、約６００Ｍパスカルまでの軸線方向の力がシャフトスタブ１６及び１８に付与されて、前記希土類マグネットコアに圧縮力を付与する。
しかる後、前記スリーブ１４を迅速に冷却して、前記スリーブを前記希土類マグネットコア１２及び前記シャフトスタブ（端部材）１６の外周面上に収縮させる、
スリーブ１４が希土類マグネットコア１２の外周面上に収縮する間、スペーサ17及び希土類マグネットコア１２を圧縮状態にして予じめ負荷（圧縮力）がかけられている。上記の組み立て方法の全プロセスは約５秒を費やす程度であるから、希土類マグネットコア１２に対する損傷を防止する。シャフトスタブ（端部材）１６及び１８の寸法は、それらが希土類マグネットコア１２よりも先に、冷却されるスリーブ１４によって、径方向に把持される大きさであって、その結果、連続する冷却によっても軸線方向の収縮をもたらし、シャフトスタブ（端部材）１６及び１８とスペーサ１７とが継続して軸線方向の圧縮力を希土類マグネットコア１２に対して付与する。
【００２１】
所望に応じて、シャフトスタブ（端部材）１６及び１８はスリーブ１４に溶接することも可能である。また、ロータの内部は真空にされるか、マグネットと化学的に相溶性のあるガスで充填されて、気密性に優れたユニットを所望に応じて作製することもできる。先に指摘したように、スペーサ１７は、スリーブ１４と締り嵌めにより係合されないような寸法にすることもできる。この場合、圧縮力はシャフトスタブ（端部材）１６及び１８間に付与され、それによってスペーサも圧縮状態に保持される。この構成によれば、スペーサは単に希土類マグネットコア１２をシャフトスタブ（端部材）１８から磁気的に分離するように作用する。スペーサは、所望に応じて、そして、特に、両シャフトスタブ（端部材）が磁性材料から形成されているときは、マグネットコアの各端部に設けることができる。本発明に従って、ロータの設計及び／或は構造において多くの変更が可能であり、そして、本発明の範囲内に入るそのような変更等の全ては上述した説明の範囲内にあると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
上述したように、本発明は、本発明は、改良された高速ロータシャフト、特に、高速電動モータのロータシャフトに関するものであるから、ガス、エア、または、冷媒コンプレッサ用の電動モータについて、その利用効果は大きく、本発明の実施対象は、今後益々増大すると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、シャフトを取り囲むモータステータ（固定子）を示すロータシャフトの部分断面を含む概略側面図である。
【図２】図２は、ロータシャフトのアセンブリの概略図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０ ロータ
１２ 希土類マグネットコア
１４ スリーブ
１６ 非磁性シャフトスタブ（端部材）
１７ スペーサ
１８ 第２のシャフトスタブ（端部材）
１９ 磁性ベアリング
２１ 誘導ヒータ
２２ ジギングツール

Claims (21)

1. （ａ）希土類マグネットコアと、
   （ｂ）前記希土類マグネットコアを取り囲んで、高速回転中に前記希土類マグネットコアを半径方向に拘束する非磁性材によって形成されたスリーブであって、前記希土類マグネットコアの軸線方向に沿って左右両側へ張り出して延伸しているスリーブと、
   （ｃ）前記スリーブの両端内で直接的あるいは間接的に前記希土類マグネットコアの各端部にそれぞれ係合された端部材と、
   を備えた高速マシン用ロータであって、
   外部から前記希土類マグネットコアの軸線方向に圧縮力を付与した状態で、前記スリーブを前記端部材上に熱収縮させ、熱収縮させた前記スリーブによって、前記端部材は前記軸線方向に前記希土類マグネットコアに対し圧縮力を付与し、その結果、前記端部材が前記スリーブ内で締り嵌めにより前記希土類マグネットコアに固定されることを特徴とする、高速マシン用ロータ。
2. 前記希土類マグネットコアが径方向に磁化されており、該希土類マグネットコアの材料がネオジム・鉄・ボロン[ＮｄＦｅＢ]であることを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
3. 前記ロータの共振曲げ振動数が最大回転数を超えていることを特徴する、請求項１または２に記載のロータ。
4. 前記スリーブが前記希土類マグネットコアに対して径方向の圧縮力を付与し、その結果、前記希土類マグネットコアが、その回転停止時に、径方向且つ軸線方向の両方向から圧縮力を受けていることを特徴とする、請求項１から３の何れか１項に記載のロータ。
5. 前記径方向の圧縮力の大きさが、最大回転速度時における前記希土類マグネットコアの遠心力と釣り合っている前記径方向の圧縮力と同じ大きさであることを特徴とする、請求項４に記載のロータ。
6. 前記端部材の少なくとも１つが、非磁性スペーサを介して、前記希土類マグネットコアのそれぞれの端部と間接的に係合されていることを特徴とする、請求項１から５の何れか１項に記載のロータ。
7. 前記ロータのスリーブは磁性の高強度金属から形成され、前記モータのシャフトに対して比較的高い曲げ剛性を有していることを特徴とする、請求項１から６の何れか１項に記載のロータ。
8. 前記ロータの前記スリーブの材料が、インコネル、チタン、並びに、チタン合金から選択されたものであることを特徴とする、請求項７に記載のロータ。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載するロータを有していることを特徴とする、電気モータ。
10. 請求項２に記載するロータを有していることを特徴とする、エレクトリックＤＣモータ。
11. スリーブ内に配置される端部材と締り嵌めにより係合できる寸法の内径を有する前記スリーブを成型する手段を備えた、希土類マグネットコアからなる高速マシン用ロータの組み立て方法であって、さらに、
    （Ａ）前記スリーブを焼き戻し温度以下で加熱して、前記スリーブを径方向及び軸線方向に膨張させ、
    （Ｂ）次いで、前記希土類マグネットコア及び前記端部材を、膨張させた前記スリーブ内に挿入し、
    （Ｃ）その後、前記端部材に軸線方向の力を付与して、前記希土類マグネットコアに圧縮力を付与し、
    （Ｄ）しかる後、前記スリーブを冷却して、前記スリーブが前記希土類マグネットコア及び前記端部材を外周面上に収縮させる、
    手段を備えたことを特徴とする、希土類マグネットコアからなる高速マシン用ロータの組み立て方法。
12. 前記希土類マグネットコアの前記径が前記スリーブと締り嵌めをなす寸法であることを特徴とする、請求項１１に記載の高速マシン用のロータの組み立て方法。
13. 前記スリーブがその内部に配置されている誘導加熱コイルシステムによって、所望温度まれ加熱されることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の高速マシン用のロータの組み立て方法。
14. 前記希土類マグネットコアに圧縮力を付与した状態で前記加熱されたスリーブを迅速に冷却する手段を更に包含していることを特徴とする、請求項１１から１３の何れか１項に記載の高速マシン用のロータの組み立て方法。
15. 前記希土類マグネットコアの磁性特性及び表面の損傷を防止し、さらに、前記スリーブが前記希土類マグネットコアと係合してそれを把持する前に、前記スリーブが前記端部材と係合してそれを把持することを確実にするために、冷却速度を制御する手段を更に含むことを特徴とする、請求項１４に記載の高速用マシンのロータの組み立て方法。
16. （Ｉ）スリーブを成型する手段を備えた、希土類マグネットコアからなる高速マシン用ロータの組み立て方法であって、
    （Ａ）前記希土類マグネットコアを前記スリーブ内に配置し、
    （Ｂ）次に、前記希土類マグネットコアの軸線方向の端部と直接的に或いはスペーサを介して間接的に係合させるための端部材を前記スリーブ内に設け、
    （Ｃ）その後、前記端部材を用いて前記希土類マグネットコアの軸線方向に予め圧縮力を付与し、
    （Ｄ）しかる後、前記希土類マグネットコアの軸線方向に予め圧縮力が付与されている間に前記端部材を前記スリーブに固定する、
    ことを特徴とする、希土類マグネットコアからなる高速マシン用ロータの組み立て方法。
17. 前記スリーブを溶接、接着、または、加熱収縮させることにより生ずる締り嵌め効果によって、前記端部材を前記スリーブに固定することを特徴とする、請求項１６に記載のロータの組み立て方法。
18. 請求項１１から１７の何れか１項に記載の方法によって製作されることを特徴とする、高速マシン用のロータ。
19. ロータの軸線方向に付与される外部圧縮力が６００ＭＰａ以下であることを特徴とする、請求項１から８の何れか１項に記載のロータ。
20. ロータの軸線方向の力が６００ＭＰａ以下であることを特徴とする、請求項１１から１７の何れか１項に記載のロータの組み立て方法。
21. 予めマグネットコアの軸線方向に付与する応力（プレ ストレス）が６００ＭＰａ以下であることを特徴とする、請求項１５から１７の何れか１項に記載のロータの組み立て方法。

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