JPH027842A

JPH027842A - 回転機

Info

Publication number: JPH027842A
Application number: JP1080558A
Authority: JP
Inventors: Yuujirou Watanabe; 渡辺　雄治郎
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1988-03-30
Filing date: 1989-03-30
Publication date: 1990-01-11

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、回転機に関し、更に詳細にはロータに永久磁
石が設置される回転機（例えば、発電機、遠心型圧縮機
、膨張機、真空ポンプ、遠心分離機、ジャイロスコープ
、研削盤、レーザミラーモータ等）に関する。

（従来の技術）電子技術総合研究所研究報告第８０７号（昭和５５年７
月発行）の第５１頁に開示されているターボ膨張機にお
いては、ヘリウムガスにより回転されるロータの内部に
永久磁石が設置されており、このロータの回転により、
永久磁石がステータ側のコイルをして電気を発生せしめ
るようになっている。

（発明が解決しようとする課題）ところが、永久磁石とロータとの連結手段が焼きばめま
たは冷やしぼめであるため、永久磁石とロータとの結合
度が不確定で、ガタを生じ易い。

このため、ロータの高速回転中に動的なバランスが変化
したり、永久磁石が破壊する恐れがあった。

そこで本発明は、永久磁石とロータとの結合度を確実な
らしめることを、その技術的課題とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するために手段）上記した技術的課題を解決するために講じた手段は、当
該回転機において、非磁性金属で形成されたロータのそ
の軸心を通り貫設された径方向穴に永久磁石を嵌合する
と共に、前記径方向穴の両開口部を閉塞する強磁性金属
体を前記ロータに接合したこと、である。

（作用）この構成によれば、永久磁石はロータに埋設されること
になり、永久磁石はロータに一体的に固定される。かく
して、ロータが高速回転しても、前述した諸々の不具合
は生じない。

（実施例）以下、本発明の実施例について、図面に基づき説明する
。

第１図は、本発明の回転機を極低温冷凍機に用いられる
ターボ膨張機の発電機に採用した例を示す。

ターボ膨張機Ｔは、ケーシング２０を有し、該ケーシン
グ２０の内部にはステータコア６ａが装架されていて８
亥ステー、タコアロａにはステータコイル６ｂが巻回さ
れている。ステータコア６ａの円弧状の内周部にはロー
タ３がステータコア６ａの内面との間に所定の間隙を有
して軸方向に遊嵌している。ロータ３の両端部側は、一
対の動圧気体軸受たるテイルティングバッド型のジャー
ナルベアリング７．７に回転可能に支持され且つ径方向
移動が規制されるようになっていて、ジャーナルヘアリ
ング７．７はステム８，８を介してケーシング２０に保
持されている。また、ロータ３は、スパイラルグループ
型の動圧気体軸受たるスラストベアリング９，９により
、その外周部に形成されたフランジ部３ａを回転可能に
支持され且つ軸方向移動が規制されるようになっている
。尚、スラストベアリング９．９はジンバルリング１０
とヒホット１１とから構成されている。ロータ３の左端
部にはタービン４が固定されており、タービン４は軸方
向において作動ガス出口５と対峙すると共に、径方向に
ノズル２を介して作動ガス人口ｌと対峙している。

第２図乃至第４図に詳細に示すように、ロータ３は、非
磁性金属体（オーステナイト系のステンレス鋼等）から
形成されていて、該ロータ３にはその軸心を通り径方向
に貫通して、ロータ３の軸に軸対称な矩形状の断面形状
を有する穴１６が設けられている。穴１６の開口部には
二面巾部１７が形成されている。穴１６内には、サマリ
ウム・コバルト（Ｓｓ’−Ｃｏ）　、ネオジウム・鉄・
ボロン（ＮｄＰｅ−８）等の永久磁石１３が径方向にお
いて対称的に嵌合されている。尚、永久磁石１６の穴１
６の開口側は二面巾部１７に略平行な平面形状を呈して
いる。二面巾部１７は、強磁性金属体１４（例えば、マ
ルテンサイト系のステンレス鋼）により閉塞されている
。具体的には、強磁性金属体１４がｔ　子ビームやレー
ザービームによりロータ３に溶着される。これによって
、永久磁石１３は溶接後の熱収縮により双方の強磁性金
属１４により挟持されているので、予め圧縮応力を受け
ていて、またこの時永久磁石１３の温度は殆ど上がらず
劣れている。

以上の構成からなる本実施例において、作動ガス（ヘリ
ウム）が作動ガス人口ｌに圧送されると、ノズル２にて
作動ガスの圧力エネルギーは速度エネルギーに変換され
て膨張し、作動ガスはタービン４に吹き付けられて、タ
ービン４を回転させる。作動ガスは、タービン４と一体
のロータ３を回転させると共に作動ガス出口５から膨張
して排出される。この時、ロータ３の回転数は５０００
０８０００００ｒｐｍにも達し、これによりロータ３と
ステータコイル６ｂとで同期発電機２１を構成するステ
ータコア６ａに、第５図に示されるような波形の磁束が
生じ、ステータコイル６ｂに起電力が発生する。

しかして本実施例においては、永久磁石１３はロータ３
の穴１６に嵌合されて、穴１６の両開口部に強固に閉塞
された強磁性金属体１４に予め圧縮応力を受けているた
め、ロータ３と永久磁石１３との間にガタが生じること
がなく、ロータ３が支承なく高速回転することができる
と共に、ロータ３の回転時に永久磁石１３に作用する遠
心力の大部分を強磁性金属体１４に持たせることができ
るため、永久磁石１３がロータ３の高速回転により、破
損することが防止される。

第６図乃至第８図は本発明の変形例を示し、この例にお
いては、ロータ３の穴１６の開口部に二面巾部１７が形
成されていないで、穴１６の開口部に強磁性金属体１４
が上述の実施例と同様に溶接されている。本例において
は、強磁性金属体１４の周方向の巾はステータコア６ａ
の内面の周方向巾よりも小さくされていて、これにより
第９図に示すような集中した磁束がステータコア６ａに
発生する。

また、第１０図乃至第１２図は本発明の更なる変形例を
示し、この例においては上述した第２図乃至第４図に示
した例において、穴１６の開口部側の永久磁石１３の端
面形状を二面巾部１７に突出する円弧状とし、強磁性金
属体１４の径方向の肉厚を周方向において４句−として
いる。これにより、第２図乃至第４図及び第６図乃至第
８図においては磁界の高周波成分を含む矩形状の磁束が
生じて、鉄損が大きくなり発電損失が大きいが、この例
においては、第１３図に示すような高周波成分を含まな
い正弦波状の磁束がステータコア６ａに発生し、鉄損を
小さ（できて発電損失を小さくできる。また、第１４図
乃至第１６図は、本発明の更なる変形例を示し、この例
においては第１０図乃至第１２図に示す例において、ロ
ータ３の穴１６の開口部に二面巾部１７が形成されてい
ないで、穴１６の開口部に強磁性金属体１４が溶接され
ている。本例においては、強磁性金属体１４の周方向の
巾はステータコア６ａの内面の周方向巾よりも小さくさ
れていて、これにより第１７図に示すような高周波成分
の少ない正弦波状の集中した磁束がステータコア６ａに
発生する。

以上説明した実施例においては、本発明を発電機に採用
した例について説明したが、本発明は次に示すような電
動機としても利用できるものである。

第１８図は、本発明の回転機を極低温冷凍機に用いられ
るターボ圧縮機のＤＣＣブラシレスモーフ採用した例を
示す。第１８図において、ターボ圧縮機Ｃはケーシング
３０を有し、該ケーシング３０の内部にはステータコア
３１ａが装架されていて該ステータコア３１ａにはステ
ータコイル３１ｂが巻回されている。ステータコア３１
ａの円弧状の内周部にはロータ３３の膨径部３３ａがス
テータコア３１ａの内面との間に所定の間隙を有して軸
方向に遊嵌している。ロータ３３の両端部側は、一対の
動圧気体軸受たるテイルテイングバッド型のジャーナル
ベアリング３７．３７に回転可能に支持され且つ径方向
移動が規制されるようになっていて、ジャーナルベアリ
ング３７．３７はステム３Ｂ、３Ｂを介してケーシング
３０に保持されている。また、ロータ３３は、スパイラ
ルグループ型の動圧気体軸受たるスラストヘアリング３
９．３９により、その外周部に後述する第２段インペラ
３４ｂにより固定されたプレート部４０を回転可能に支
持さ屯且つ軸方向移動が規制されるようになっている。

ロータ３３の左端部には第１段インペラ３４ａが固定さ
れており、第１段インヘラ３４ａは軸方向において作動
ガス人口３５と対峙すると共に、径方向にデイフユーザ
３６に沿って第１段スクロール４１と対峙している。

またロータ３３の右端部には第２段インペラ３４ｂが固
定されており、第２段インペラ３４ｂは軸方向において
作動ガス人口４２と対峙すると共に、径方向にデイフユ
ーザ４３に沿って第２段スクロール４４と対峙している
。

ロータ３３は第１９図乃至第２２図に示すように、上述
した実施例と同様に膨径部３３ａに径方向の穴１１６が
貫通していて、該穴１１６に永久磁石１１３が嵌合され
ている。穴１１６の開口側には二面巾部１１７が設けら
れていて、該二面巾部１１７に強磁性金属体１１４が溶
接されている。

これにより、永久磁石１１３は予め圧縮応力を受けてい
る。

また、本実施例においては第１段インペラ３４ａの背面
にロータ３３と一体的に回転するディスク４５が設けら
れており、該ディスク４５には図示しない複数個の永久
磁石が周方向に埋設されていて、該永久磁石にはケーシ
ング３０に固定された固定板４６に設けられたホール素
子４７が対向している。これにより、ロータ３３の角度
位置を検出できるようになっている。

本実施例においては、ロータ３３の角度位置に応じて適
当な回転磁界をステータコア３１ａに生じるようにリー
ド線４日を介して電流をステータコイル３１ｂに流すと
、ロータ３３はディスク４５、両インペラ３４ａ、３４
ｂと共に一体的に回転する。この時、ジャーナルベアリ
ング３７とススストベアリング３９は動圧気体軸受であ
るので、ステータコイル３１ｂに供給する電流の周波数
を大きくすれば、１１０００００ｒｐ以上の回転数に達
することが可能である。尚、ステータコア３１ａ、ステ
ータコイル３１ｂの鉄損、銅損によって生じる熱は入口
４８から供給される冷却水により冷却水ジャラケット４
９で取り去られ、熱を吸収した冷却水は出口５−０より
排出される。

作動ガスは、作動ガス人口３５より第１段インペラ３４
ａにより吸入されてインペラ７デイフユーザ３６及び第
１段スクロール４１を経て圧縮されて作動ガス出口４１
ａより吐出される。この作動ガスは図示しない冷却器に
よって圧縮熱を取り去られ、更に作動ガス人口４２より
第２段インペラ３４ｂにより吸入されてインペラ、デイ
フユーザ４３及び第２段スクロール４４を経て、−屑圧
縮されて作動ガス出口４４ａより吐出される。

本実施例においても、永久磁石１１３はロータ３３に強
固に固定され一体となっており、且つ予圧縮されている
ので、ロータ３３の高速回転には何ら支承を与えること
なく、またその破損はない。

尚、電動機に本発明を採用するにあたっても、永久磁石
１１３の埋設の仕方は本実施例に限定されるものではな
く、上述した各側は採用可能である。

［発明の効果］以上述べたように、本発明は、ステータ及びステータの
内部に回転可能に配設されたロータを備えた回転機にお
いて、非磁性金属で形成されたロータにその軸心を通り
貫設された径方向穴に永久磁石を嵌合すると共に、前記
径方向穴の両開口部を閉塞する強磁性金属体を前記ロー
タに接合したので、次のような効果を奏する。

■永久磁石はロータに強固に埋設されることになり、永
久磁石はロータに対し一体的に固定される。

かくして、ロータが支承なく高速回転することができる
。

■永久磁石が強磁性金属体により予め圧縮応力を受けて
いるため、ロータの回転時、遠心力の大部分を強磁性金
属体に持たせることができ、永久磁石がロータの高速回
転により破損することを防止できる。

■強磁性金属体の透磁率が高いので、ステータとロータ
間の磁気抵抗が小さくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる回転機を発電機とじて採用した
ターボ膨張機の断面図、第２図は第１図におけるロータ
の平面図、第３図は第２図のｍ＝ＩＩＩ断面図、第４図
は第３図のＩＶ−ＴＶ断面図、第５図は第２図に示すロ
ータの回転角度とステータコアの磁束密度との関係を表
す特性図、第６図は本発明のロータの変形例の平面図、
第７図は第６図のＶｌ−Ｖｌ断面図、第８図は第６図の
■−■断面図、第９図は第６図のロータの回転角度とス
テータコアの磁束密度との関係を表す特性図、第１０図
は本発明のロータの変形例の平面図、第１１図は第１０
図の■−■断面図、第１２図は第１０図の■■断面図、
第１３図は第１０図のロータの回転角度とステータコア
の磁束密度との関係を表す特性図、第１４図は本発明の
ロータの変形例の平面図、第１５図は第１４図のＸ−Ｘ
断面図、第１６図は第１５図のＸＩ−ＸＩ断面図、第１
７図は第１４図のロータの回転角度とステータコアの磁
束密度との関係を表す特性図、第１８図は本発明に係わ
る回転機を電動機として採用したターボ圧縮機の断面図
、第１９図は第１８図におけるロータの部分平面図、第
２０図は第１９図の）ｌ−Ｘｌ？断面図、第２１図は第
２０図のＸＩ［Ｉ−ＸＩ［Ｉ断面図、第２２図は第２０
図のＸＩＶ−ＸｒＶ断面図、第２３図は第１図における
ロータとステータコア及びステータコイルとの関係を示
す断面図である。３・・・ロータ、６ａ・・・ステータコア、６ｂ・・・
ステータコイル、１３・・・永久磁石、１４・・・強磁
性金属体、１６・・・穴、１７・・二面巾部。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ステータ及びステータの内部に回転可能に配設さ
れたロータを備えた回転機において、非磁性金属で形成
されたロータにその軸心を通り貫設された径方向穴に永
久磁石を嵌合すると共に、前記径方向穴の両開口部を閉
塞する強磁性金属体を前記ロータに接合したことを特徴
とする回転機。
（２）前記ロータの径方向穴の開口部に二面巾部を設け
、該二面巾部に前記強磁性金属体を接合したことを特徴
とする請求項（１）に記載の回転機。
（３）前記永久磁石の前記ロータの径方向穴の開口部側
端面を外方へ突出した円弧状に形成したことを特徴とす
る請求項（１）及び（２）に記載の回転機。