JP7466772B2 - ROTOR, ROTATING MACHINE USING THE ROTOR, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE ROTOR - Google Patents
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Description
本開示技術は、回転子及びこれを用いた回転機に関する。 The disclosed technology relates to a rotor and a rotating machine using the same.
金属と樹脂とを一体化する技術は、産業機器の部品製造等の広い分野で求められている。金属と樹脂との組合せも色々と考えられるが、一例としてマグネシウム合金とCFRPとを組み合わせることが考えられる。 Technology for integrating metal and resin is in demand in a wide range of fields, including the manufacturing of parts for industrial equipment. There are many possible combinations of metal and resin, but one example would be combining magnesium alloy with CFRP.
例えば特許文献1には、マグネシウム合金にCFRPをエポキシ系接着剤で接着し、マグネシウム合金とCFRPの複合体を作る技術が開示されている。より具体的に特許文献1に係る技術は、マグネシウム合金部品を過マンガン酸塩が含まれる水溶液に浸漬し、表面に超微細凹凸を形成する化成処理工程を含む。For example, Patent Document 1 discloses a technique for bonding CFRP to a magnesium alloy with an epoxy adhesive to create a composite of magnesium alloy and CFRP. More specifically, the technique disclosed in Patent Document 1 includes a chemical conversion treatment process in which a magnesium alloy part is immersed in an aqueous solution containing permanganate to form ultrafine irregularities on the surface.
回転機を構成する回転子においても、マグネシウム合金とCFRPとを一体化して製造したいという要望がある。しかし、回転子に特許文献1に係る技術を適用した場合、化成処理が施された部分の表層の強度が落ち、このままでは高速回転する回転機用途に使えない、という課題があった。There is also a demand for the rotors that make up rotating machines to be manufactured by integrating magnesium alloy and CFRP. However, when the technology described in Patent Document 1 is applied to rotors, there is an issue that the strength of the surface layer of the part that has been subjected to the chemical conversion treatment is reduced, making it impossible to use it in high-speed rotating machines.
本開示技術は上記課題を解決し、マグネシウム合金とCFRPとを一体化して製造した回転子及びこれを備えた回転機を提供することを目的とする。The present disclosed technology aims to solve the above problems and provide a rotor manufactured by integrating magnesium alloy and CFRP, and a rotating machine equipped with the rotor.
本開示技術に係る回転子は、以下の特徴を備える。マグネシウム合金からなり、陽極酸化被膜が形成され、化成処理が施される回転中央部と、チタン合金又はCFRPからなる回転周辺部と、を含み、前記回転中央部と前記回転周辺部とは嵌め合う寸法であり、前記陽極酸化被膜はビッカース硬度が300[Hv]以上である。The rotor according to the disclosed technology has the following characteristics: It includes a rotating central portion made of a magnesium alloy, on which an anodized coating is formed and which is subjected to a chemical conversion treatment, and a rotating peripheral portion made of a titanium alloy or CFRP, the rotating central portion and the rotating peripheral portion are of a size that fits together, and the anodized coating has a Vickers hardness of 300 [Hv] or more.
本開示技術に係る回転子はビッカース硬度が300[Hv]以上である陽極酸化被膜を備えるため、マグネシウム合金に施された被膜において割れが生じ表層の強度が落ちることがない。陽極酸化被膜を用いる本開示技術は、マグネシウム合金とCFRPとを一体化した回転子を実現し、これを備えた回転機を提供する。The rotor according to the disclosed technology has an anodized coating with a Vickers hardness of 300 [Hv] or more, so that the coating applied to the magnesium alloy does not crack and the strength of the surface layer does not decrease. The disclosed technology, which uses an anodized coating, realizes a rotor that integrates magnesium alloy and CFRP, and provides a rotating machine equipped with the rotor.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る回転機100を右側面から見たときの中央断面図である。図1が示すとおり回転機100は、回転子10と、固定子20と、を含む。また回転機100は、図示されていないが外部筐体30により覆われている。回転子10は、鉄心11と、磁石12と、軸部13と、回転中央部14と、回転周辺部15と、締結部材16と、を含む。
Embodiment 1.
Fig. 1 is a central cross-sectional view of a
回転子10の回転中央部14は、マグネシウム合金材料で作られている。回転中央部14用のマグネシウム合金材料は、鋳造であっても、押し出し材であってもよい。マグネシウム合金材料は、具体的には、AZ31、AZ61、AZ91D、ZK10、ZK60、AZX612、WE43、EV31、AE41A、WE54A、AMX602、AZX912、Mg-Zn-Y系合金、のいずれでもよい。マグネシウム合金材料は、質別で分類したときのO材であってもH24材であってもよい。またマグネシウム合金材料は、強度特性が得られるよう、T5熱処理、T6熱処理、若しくはその他の熱処理、又は加工処理が施されていてよい。The rotating
回転機100が航空機、鉄道車両、その他の輸送手段に用いられる場合、燃焼しないことが重要である。本開示技術に用いるマグネシウム合金材料は、難燃性を発揮するためにCa又は希土類が添加されていてよい。難燃性マグネシウム合金材料は、例えばAZX612、AZX912、WE43、又はEV31が挙げられる。When the rotating
回転子10の回転中央部14は、マグネシウムに用いられる陽極酸化被膜を備える。回転中央部14の陽極酸化被膜は、ビッカース硬度が300[Hv]以上であることが望ましい。回転中央部14が備える陽極酸化被膜は、汎用のHAE法により生成された被膜でもよいし、PEO(Plasma Electrolytic Oxidation)系の被膜でもよい。回転中央部14への陽極酸化被膜の生成方法は、ケイ酸ナトリウム、リン酸ナトリウム、リン酸アンモニウム、アルミン酸ナトリウム、又はアンモニウム塩を用いた液からPEO被膜を発生させるものでもよいし、プラズマ電解析出法を使ったコーティング技術が用いられてもよい。回転中央部14は、陽極酸化の処理が施されているときに、フッ素処理が平行してなされていてもよい。The central rotating
ビッカース硬度が300[Hv]以上の被膜が必要な主な理由は、回転子10の組立工程における損傷の防止、及び回転機100が稼働中に生じ得る損傷の防止である。被膜の硬度の上限は、仕様上の決まりはないが、製法の限界から2000[Hv]以下と言える。一般に陽極酸化被膜は、比較的ポーラスが少ないとされるPEO系のものであっても、実際にはポーラスが内在する。ある程度の被膜厚さ及び被膜硬さに偏りが存在しても素地に至る被膜割れを防ぐ観点から、回転中央部14の陽極酸化被膜の硬度は、1700[Hv]以下であることが望ましく、1400[Hv]以下であることがさらに望ましい。The main reason why a coating with a Vickers hardness of 300 [Hv] or more is required is to prevent damage during the assembly process of the
回転中央部14の陽極酸化被膜の厚さは、耐食性の観点から5[μm]以上であることが望ましく、より確実にするためには10[μm]以上であることがさらに望ましい。被膜厚の上限は、合金の材質、及び処理方法に依存するが、一般的には概ね40[μm]と言われている。被膜厚が上限を超えると、被膜は割れが誘発される。よって回転中央部14の陽極酸化被膜の厚さは、30[μm]以下であることが望ましく、25[μm]以下であることがさらに望ましい。From the viewpoint of corrosion resistance, the thickness of the anodized coating on the rotating
本開示技術に係る回転中央部14は、陽極酸化被膜が形成された後、化成処理が施される。化成処理は、化成処理膜を形成し、マグネシウム合金材料で作成された回転中央部14の素地に至るひび割れを防止するために行われる。
なお必須ではないが、陽極酸化被膜が形成された後、化成処理が施される前に、回転中央部14は熱処理が施されてもよい。熱処理は、例えば180[℃]から-65[℃]への冷熱サイクルを5回から100回程度実施するものでもよい。
The rotating
Although not essential, after the anodized coating is formed and before the chemical conversion treatment is performed, the rotating
回転機100が通常使用される環境を考慮すると、腐食に至る最大の原因は塩分である。これはいわゆる塩害であるが、塩分中の塩化物イオンがマグネシウム合金を腐食させる。よって、回転中央部14に施す化成処理は、塩化物イオンによる腐食から保護するために、フッ素イオンによる反応を伴うものが望ましい。Considering the environment in which the
回転中央部14に施す化成処理は、クロム酸を用いたものも考えられる。ただし、環境規制の観点から化成処理は、クロム酸フリーであることが望ましい。回転中央部14に施す化成処理は、例えばフッ化物を活用したジルコニウムを用いたものもよい。具体例を挙げれば化成処理は、フッ化ジルコン酸アンモニウム塩を溶解しpHを2.5から4.5の範囲に調整した処理液が用いられてよい。フッ化物を活用した化成処理は、金属にフッ化表面層を形成する。化成処理膜であるフッ化表面層は、フッ化被膜とも称される。この方法の利点は、化成処理後に蛍光X線を用いて容易に検査ができることである。化成処理は、ジルコニウムに代えて、Mo、V、Ti等のジルコニウムと共析可能な原子と共に被膜が形成されてもよいし、ケイ素化合物と共析されてもよい。また化成処理は、リン酸、又は有機酸が共に入れられてもよい。The chemical conversion treatment applied to the central rotating
化成処理膜に求められる機能は、耐食性を発揮すること、及び被膜が弱境界層とならないこと、である。化成処理膜の膜厚は、上記の観点から15[nm]以上1[μm]未満程度が実際的である。本開示技術に係る回転中央部14の化成処理膜の膜厚は、30~500[nm]が望ましい。ここで、被膜の厚さは透過電子顕微鏡を用いて断面観察より計測するのが理想的である。しかし被膜の厚さは、XPS等の分光法でスパッタリングを行ったときのSiO2換算膜厚として見積もっても差し支えない。The functions required of the chemical conversion coating are to exhibit corrosion resistance and not to form a weak boundary layer. From the above viewpoints, a practical thickness for the chemical conversion coating is 15 nm or more and less than 1 μm. The thickness of the chemical conversion coating of the rotating
本開示技術に係る回転子10の回転周辺部15は、炭素繊維強化プラスチック(以降「CFRP」と称する)で作られている。CFRPを構成する炭素繊維は、PAN系炭素繊維でもピッチ系炭素繊維でもよい。炭素繊維の形態は、一方向材、クロス、短繊維、不織布、等いずれであってもよい。本開示技術に係る回転周辺部15は、汎用性と性能安定性との観点から、例えばPAN系連続繊維の炭素繊維が好適に用いるものとして挙げられる。The rotating
CFRPのマトリックスとして使用される樹脂は、ポリプロピレン、ポリアミド等の熱可塑性樹脂、及びエポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。炭素繊維との接着性及び力学的特性を考慮すると、エポキシ樹脂が適している。Resins used as the matrix for CFRP include thermoplastic resins such as polypropylene and polyamide, and thermosetting resins such as epoxy resin, phenolic resin, and unsaturated polyester resin. Considering adhesion to carbon fiber and mechanical properties, epoxy resin is suitable.
CFRPの成形法は、プレス成形法、オートクレーブ成形法、及びシートワインディング成形法が挙げられる。いずれの成形法においても、マトリックス樹脂組成物は圧力を受け加熱硬化される。 Methods for molding CFRP include press molding, autoclave molding, and sheet winding molding. In all molding methods, the matrix resin composition is subjected to pressure and heated to harden.
CFRPの成形法は、ほかにもRTM法と称されるレンジトランスファー成形技術が用いられてもよい。RTM法は、炭素繊維織物等の炭素繊維基材を裁断し、積層し、賦形してプリフォームを作成し、プリフォームを成形型内に配置して型を閉じ、樹脂を注入してプリフォームに含浸し、硬化させた後に型を開いて成形品を取り出す方法である。Another molding method for CFRP is the range transfer molding technique known as the RTM method. The RTM method involves cutting, laminating, and shaping a carbon fiber substrate such as a carbon fiber fabric to create a preform, placing the preform in a mold and closing the mold, injecting resin to impregnate the preform, allowing it to harden, and then opening the mold to remove the molded product.
回転周辺部15は、CFRPに代えて、チタン合金で作成されてもよい。The rotating
軸部13と回転中央部14、及び回転中央部14と回転周辺部15は、嵌め合うようそれぞれの寸法が決められる(図1参照)。嵌め合う部分は、テーパが設けられていてもよい。図1が示すとおり回転中央部14と回転周辺部15とは、締結部材16によって締結されてよい。締結部材16は、例えばボルトとナットでよい。なお図示はされていないが、鉄心11と回転中央部14とを締結するために、ステンレスボルトが用いられてもよい。The dimensions of the
図2は、図1に示される回転機100のデフォルメされた正面図及び背面図である。図2の右側が正面図であり、図2の左側が背面図である。図2が示すとおり、軸部13と回転中央部14、及び回転中央部14と回転周辺部15、それぞれに、キーがキー溝に嵌る構造(以降、単に「キー溝構造」と称する)が採用されている。キーは、角部に応力が集中しないようにR面取り加工が施されてよい。
Figure 2 is a deformed front view and rear view of the
回転中央部14と回転周辺部15とは、一体化された後に耐食性向上のために塗装が施されてもよい。また回転中央部14と回転周辺部15とは、隙間がある場合、一体化された後に粘度の低い接着性を有する樹脂によってその隙間が充填されてもよい。After the central rotating
図3は、実施の形態1に係る回転機100を右側面から見たときの中央断面図その2である。図4は、図3に示される回転機100のデフォルメされた正面図及び背面図である。図4の右側が正面図であり、図4の左側が背面図である。図3及び図4に示される回転機100は、軸部13と回転中央部14とに代えて、マグネシウム合金材料で作成された軸付き回転中央部14Bを備える。本開示技術に係る回転子10は、軸付き回転中央部14Bを備える構成であってもよい。
Figure 3 is a second central cross-sectional view of the
図5は、図1に示される回転機100のデフォルメされた正面図及び背面図その2である。図5の右側が正面図であり、図5の左側が背面図である。図5に示されるように本開示技術で用いるキー及びキー溝の形状は、曲面を有するものであってもよい。キー溝構造の形状、大きさ及び個数は、適宜設計により決められてよい。
Figure 5 shows a deformed front view and a second rear view of the
本開示技術に係る回転子10を生産方法という観点でまとめると、その工程は、マグネシウム合金からなる回転中央部14にビッカース硬度が300[Hv]以上である陽極酸化被膜を形成するステップと、陽極酸化被膜が形成された前記回転中央部14に化成処理を施すステップと、回転中央部14を回転周辺部15に嵌め合うステップと、を含む。To summarize the
以上のとおり実施の形態1に係る回転子10はビッカース硬度が300[Hv]以上の陽極酸化被膜を備えるため、マグネシウム合金に施された被膜において割れや表層の強度が落ちることがない。その結果、本開示技術に係る回転子10は、従来のチタン合金製の回転子と比較して、20%以上の重量軽減を実現することができる。As described above, the
本開示技術に係る回転子は回転機に適用でき、産業上の利用可能性を有する。 The rotor of the disclosed technology can be applied to rotating machines and has industrial applicability.
10 回転子、 11 鉄心、 12 磁石、 13 軸部、 14 回転中央部、 15 回転周辺部、 16 締結部材、 20 固定子、 30 外部筐体、 40 軸受け、 100 回転機。 10 rotor, 11 iron core, 12 magnet, 13 shaft portion, 14 rotating central portion, 15 rotating peripheral portion, 16 fastening member, 20 stator, 30 outer casing, 40 bearing, 100 rotating machine.
Claims (4)
チタン合金又はCFRPからなる回転周辺部と、を含み、
前記回転中央部と前記回転周辺部とは嵌め合う寸法であり、
前記陽極酸化被膜はビッカース硬度が300[Hv]以上である回転子。 a rotating central portion made of a magnesium alloy, on which an anodized film is formed and on which a chemical conversion treatment is performed;
A rotating peripheral portion made of a titanium alloy or CFRP,
the central rotating portion and the peripheral rotating portion are sized to fit together,
The anodized coating has a Vickers hardness of 300 [Hv] or more.
前記陽極酸化被膜が形成された前記回転中央部に化成処理を施すステップと、
前記回転中央部を回転周辺部に嵌め合うステップと、を含む回転子の生産方法。 forming an anodic oxide coating having a Vickers hardness of 300 [Hv] or more on a rotating central portion made of a magnesium alloy;
a step of subjecting the rotating central portion on which the anodic oxide coating is formed to a chemical conversion treatment;
and mating said rotating central portion with said rotating peripheral portion.
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