JPH03203541A - 超高速回転子 - Google Patents

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】 （ａ業上の利用分野） 本発明は、超高速回転するタービン軸などに直結される
回転電機の超高速回転子に関する。

（従来の技術） 近年、内燃機関の排気ガスをタービンに導いて高速回転
させ、該タービン軸に取付けたコンプレッサを駆動し、
内燃機関に過給気を圧送するターボチャージャが広く使
用されている。

そして、この種のターボチャージャのタービン軸に電動
−発電機となる回転電機を取付け、排気エネルギーを電
力として回生じたり、またはバッテリなどからの電源を
回転電機に供給して電動駆動し、その過給作動を助勢す
ることが行われている。

このようなタービン軸に配置した回転型５機の回転子は
超高速回転に駆動される場合が多く、永久磁石を超高速
で回転させると遠心力により高い応力が発生して永久磁
石が破壊される。このため、永久磁石を回転子としたタ
ーボチャージャ用発電機では、第４図に示すように、永
久磁石２の補強としてその外周面にスリーブ１を嵌合さ
せることが行なわれている。

第４図（ａ）は、回転軸１に固着された回転磁極をなす
円筒状の永久磁石２の外周面に密着してスリーブ３を嵌
合した回転子の断面図、同図（ｂ）は回転軸１の軸方向
に沿う横断面図である。この回転子の両側の端面には、
プレート４が配置され、これらが同軸の回転軸１に永久
磁石２の内側中心部において一体に嵌合され、これらス
リーブ３とプレート４によって、回転子の永久磁石２に
圧縮応力を与えるようにしていた（特願平１−２１７１
１０等）。

（発明が解決しようとする課題） ところが、一般に第５図に示すように、永久磁石２の円
筒中心から距離ｒだけ離れた位置に生じる最大上せん断
力は、距１１ｒの２乗に逆比例するから、第４図に示す
従来の回転子では、回転子の遠心力による応力は内周側
はど高くなる。

そのため、外周面をスリーブ３によって補強した場合で
も、永久磁石２の最内周の部分、つまり回転軸１との接
合面には高い引張応力が生じるという問題があった。ま
た、スリーブ３の厚みを大きくして永久磁石の外壁より
対応するだけの反力を加えることもできるが、その場合
には永久磁石の表面磁束密度を低減して、磁気効率を低
下させるという問題も生じる。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、
その目的は超高速回転する回転電機の回転子の永久磁石
に径方向の応力分布を分散させて最大応力を低減し、永
久磁石の破壊を防止するようにした超高速回転子を提供
することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明によれば、回転磁極をなす円筒状の永久磁石と、
該永久磁石の内側で一体に嵌合される同軸の回転軸とか
らなる回転子において、該永久磁石は複数の同心円筒群
に分割されていることを特徴とする超高速回転子が提供
される。

（作用） 本発明では、超高速で回転する回転子の永久磁石に生じ
る大きな遠心力に対応する応力を、複数の同心円筒群に
分割された永久磁石の応力分布に分散し、その最大応力
を低くできる。

（実施例） つぎに本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明
する。

第１図（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施例の構成
を示す断面図である。

同図において、１１は高強度鋼材からなる回転軸で、例
えばターボチャージャのタービンとコンプレッサとの回
転軸となるものであり、該回転軸はベアリングにより軸
支され、片側に取付けられたタービンにより超高速回転
するものである。

１２ａ、１２ｂは、それぞれ厚肉円筒形状の希土類磁石
（永久磁石）からなる外側永久磁石、および内側永久磁
石である。これら内側永久磁石１２ｂの内半径ｂ１、外
半径ｂ２および外側永久磁石１２ａの内半径ａｌ、外半
径ａ２は、ｂｉ＜ｂ２＝ａｌ＜ａ２となっている。そし
てこれら永久磁石１２ａ、１２ｂは、例えばサマリウム
−コバルトのような希土類元素を含んだ磁性体からなり
、所定の方向に着磁されて回転磁極となるもので、対応
する固定子との電磁作用により、電動機または発電機を
構成するものである。

１３は永久磁石１２ａの外周に嵌め込まれたスリーブで
、強靭な金属が用いられ、その外周壁から中心に向って
強力な圧縮応力を与えるため、焼ばめによって嵌め込ま
れている。スリーブを加熱して焼ばめを行うには、所定
の高温度に加熱されて直径が大となったスリーブ１３を
希土類磁石１２ａの外周に嵌合せしめた後、スリーブ１
３を常温に戻すとスリーブ１３の直径が小となり、希土
類磁石１２ａの外周に強固く嵌め込まれ、さらに外周壁
から中心方向に希土類磁石１２ａに対して圧縮応力を与
えるように締め付ける。なお、回転子の両側の端面には
、プレート１４が配置されている。

また、スリーブ１３の素材は非磁性体で高強度のもので
あり、さらに、スリーブ自身の遠心力による引張応力と
、希土類磁石に与える圧縮応力の分の引張応力との両方
が加わるので、スリーブの素材についてはこれらの応力
に十分耐えるものが採用されている。

このような構成の超高速回転子では、回転子の遠心力に
より永久磁石１２ａ、１２ｂにそれぞれ加わる応力は、
第２図に示すように、内周側はど高くなる。この遠心力
に対応する各磁石１２ａ。

１２ｂについての最大応力σは、次の一般式で与えられ
る。

σ＝ρω２・（（１−υ）ｒ＋”Ｈ＋υ）　　ｒ　２’
）／４ここでρは回転子の密度、Ｗは角速度、υはポア
ソン比であり、回転子内半径ｒｌ、回転子外半径ｒ２の
円筒形状の永久磁石について示している。

このように永久磁石１２を複数の同心円筒群１２ａ、１
２ｂに分割すると、永久磁石の径方向の応力分布が、分
割数に応じた不連続な分布に細断される。したがって、
従来の回転子における永久磁石のような分割されていな
い永久磁石２（第５図）と比較すると、それぞれに対応
する最大応力値は低くなる。

また、組合せ円筒では、内と外の遠心力による応力がそ
の同軸の中心からの距離の自乗に反比例して大きくなる
が、それら各円筒をスリーブで補強しない場合（第２図
において、−点鎖線により示す。）には、最も外周側の
永久磁石１２ａの内側に最大応力が生じる。そこで、最
も外周側の永久磁石１２ａに対して、その弾性係数Ｅを
密度ρで除した比弾性率（Ｅ／ρ）が高いスリーブ１３
で補強することにより、更に最大応力値を低くできる（
同図の実線部分）。

この場合、スリーブ１３が受ける反力は最外周の永久磁
石１２ａからの分だけなので、スリーブ１３を薄く構成
することが可能となる。

つぎに、本発明の第２の実施例について説明する。

第３図は第２の実施例の構成を示す断面図で、２１は回
転軸、２２ａ、２２ｂは希土類磁石からなる永久磁石、
２４はプレートで、いずれも第１図と同一のものである
。

ここでは永久磁石２２を複数の同心円筒状の磁石２２ａ
、２２ｂに分割したうえ、それぞれを比弾性率（Ｅ／／
））の高いスリーブ２３ａ、２３ｂで補強している。こ
の場合に、内側永久磁石２２ｂの内半径ｂｌ、外半径ｂ
２および外側永久磁石２２ａの内半径ａｌ、外半径ａ２
は、ｂｌ〈ｂ２〈ａ工＜　ａ　２であり、内側永久磁石
２２ｂの外周面にスリーブ２３ｂが密着している。これ
により回転子に加わる応力分布を分散させ、その結果、
各スリーブ２３ａ、２３ｂの厚みを低減できる。

したがって、磁気効率を低下させることなく補強できる
と共に、より高速回転に耐えることができる。

以上、本発明を上述の実施例によって説明したが、本発
明の主旨の範囲内で種々の変形が可能であり、これらの
変形を本発明の範囲から排除するものではない。

（発明の効果） 本発明の超高速回転子は、永久磁石を複数の同心円筒に
分割することにより、永久磁石に生じる遠心力による応
力の分布を分散して、それぞれについての最大応力を低
くできるので、より高速な回転にたいしても永久磁石が
破壊しない。

また、スリーブにより効率よく最大応力を低くでき、ス
リーブの応力も小さくなるため、スリーブを薄くするこ
とができ、表面磁束密度が向上する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例の構成を示す断面図、
第２図は、同実施例の応力分布を示す説明図、第３図は
、本発明の第２の実施例の構成を示す断面図、第４図は
、従来の回転子の構造を示す断面図、第５図は、その応
力分布を示す説明図である。 １１・・・回転軸、１２ａ、１２ｂ・・・永久磁石、１
３・・・スリーブ（外筒）。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転磁極をなす円筒状の永久磁石と、該永久磁石
   の内側で一体に嵌合される同軸の回転軸とからなる回転
   子において、該永久磁石は複数の同心円筒群に分割され
   ていることを特徴とする超高速回転子。
2. （２）前記同心円筒群のうち最外周の永久磁石を、比弾
   性率の高い材質からなるスリーブによつて補強したこと
   を特徴とする請求項（１）記載の超高速回転子。
3. （３）前記同心円筒群の各永久磁石は、それぞれ比弾性
   率の高い材質からなるスリーブによって補強されている
   ことを特徴とする請求項（１）記載の超高速回転子。