JPH04183238A - 超高速回転機の永久磁石回転子 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は回転機の永久磁石回転子に係り、特にターボチ
ャージャに直結される超高速同期機等に好適な構造を有
する超高速回転機の永久磁石回転子に関する。

［従来の技術］ 従来の回転機の永久磁石回転子が組み込まれるターボチ
ャージャ直結回転機の一例の断面図を第７図に示す。こ
の回転機の構成は、内燃機関より排出される排気ガスを
引き込むタービン６に直結される回転軸６ａに同期機８
の永久磁石回転子８ａと、カラー９と、内燃機関へ過給
を行うコンプレッサ７とが嵌合されてナツト１２で締め
付けられており、回転軸６ａはタービン６と永久磁石回
転子８ａの中間に設けた軸受１０（１０ａ、１０ｂ）に
よりハウジング１１に支持される。

この同期機８の動作は、同期機８を同期モータとして使
用する場合には、回転子８ａと同軸に構成されるコンプ
レッサ７を回転させることができるため、同期モータの
制御により内燃機関への過給を任意に行うことが可能と
なり、内燃機関の低回転時の出力向上や完全燃焼による
黒煙防止ができる。また制御により発電機として使用す
る場合には、排気ガスのエネルギーを電力として回収で
きる。

上記のターボチャージャ直結回転機は、例えば特開昭６
２−４８９３１号公報に記載されているものであるが、
従来の同期機８用の永久磁石回転子８ａは例えば特公昭
６３−３８９４７号公報に記載のように、永久磁石の外
周に強度部材を設けて永久磁石の飛散を防止したものや
、永久磁石を回転軸上に接着剤で貼り付けて固定したも
のがあり、また特開昭６２−２５４６４９号公報に記載
のように回転軸および側面板との間に断熱板および断熱
円筒をはさんだ状態で永久磁石を外筒へ組み込んだ構造
のものなどがあった。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術は例えば５００００〜６００００γ／ｉ＋
ｉｎ程度の中・低速回転における耐破壊性や耐飛散性が
十分であったが、しかしターボチャージャに組み込まれ
るような１００，０００γ／ｍｉｎ以上の超高速回転す
る永久磁石回転子では過大な遠心力を発生するため、外
筒が遠心力により永久歪を生じたり外筒の拡がりによる
永久磁石の割れや欠けを生じてしまい、またこうした状
態になった場合には回転子自体の曲げ剛性が低いために
軸全体の曲げ剛性も低くなってしまい、これらが軸系の
アンバランス量の経時変化に大きな影響を与えるように
なり、さらに軸受のアンバランス量が増大すると回転軸
の曲げ力が大きくなって最終的には軸が破断してしまう
可能性があるなどの問題があった。

本発明の目的は回転軸系のアンバランス量の経時変化の
原因となるような回転子に組み込まれる永久磁石の割れ
を防止し、かつ回転子の曲げの剛性を向上させることに
より、軸系の信頼性を向上させつる超高速回転機の永久
磁石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］ 上記の目的を達成するために、本発明の超高速回転機の
永久磁石回転子は永久磁石の割れを防止するには永久磁
石を外筒へ圧入し、その圧入には外筒を加熱膨張させて
常温の永久磁石を挿入するなどの温度差による圧入方法
を用い、また外筒の材質には非磁性で高張力を有して線
膨張係数の高いものを使用し、かつ回転子の曲げ剛性を
向上させるには外筒両端開口部の外周へ側面板の内周を
印ろう嵌合させ、永久磁石外周を構成する外筒と永久磁
石側面を構成する側面板の一体構造に近い状態とし、ま
た印ろう嵌合部では溶接や接着や圧入などにより固定さ
せ、また外筒全長を永久磁石全長より短くして永久磁石
端面を側面板で抑え、外筒を側面板により外周部のみ抑
えられる構造としたものである。

［作用］ 上記の超高速回転機の永久磁石回転子は永久磁石が外筒
へ圧入されているので、回転軸静止時には永久磁石が外
筒より圧縮力を受けている状態にあり、回転軸回転時に
は永久磁石にかかる応力は外筒圧入による圧縮力と遠心
力による引張応力がかかっている状態となり、回転速度
が上昇して引張応力が圧縮応力より大きくなり永久磁石
引張り強度を越えた時点で永久磁石に割れを発生するこ
とになるから、したがって永久磁石単体で回転させた場
合よりも予備的圧縮応力分だけ永久磁石割れ発生回転速
度を上昇させることが可能となり、また外筒が初期的に
圧入による応力を受けていて回転時に遠心力による応力
も受けるが、これには外筒の材質に非磁性で高張力を有
して線膨張係数の高いものを使用することで対応してお
り、かつ永久磁石外筒の両端開口部外周を側面板で押え
る印ろう嵌合構造としているので、外筒が外側に拡がろ
うとする力を側面板が押えて側面板自体も強度部材の一
部として使用することができ、また印ろう嵌合部を溶接
や接着や圧入すれば永久磁石外筒と側面板を一体構造に
近い状態にすることができ、また外筒の全長を永久磁石
全長より短くすることにより、側面板で永久磁石の軸方
向への動きを抑えることができるから、これらにより永
久磁右回転子の曲げ剛性を向上させることができ、ター
ボチャージャ直結回転機等の超高速回転機の永久磁石回
転子として軸系の信頼性を向上できる。

［実施例コ 以下本発明の実施例を第１図から第６図により説明する
。

第１図は本発明による超高速回転機の永久磁石回転子の
一実施例を示す断面図である。第１図において本永久磁
石回転子は円筒状永久磁石３と。

該永久磁石３の外周に設けら九る外筒１と、該永久磁石
３の側面に設けられる側面板２ａ、２ｂとから成り、永
久磁石を外筒へ圧入し、かつ外筒の両端開口部の外周を
側面板２ａ、２ｂの内周印ろう嵌合とした構成である。

上記の円筒状永久磁石３は例えばＳｍ−Ｃｏ系やＮｄ−
Ｆｅ−Ｂ系の高磁力の永久磁石を用いるが、これらの永
久磁石は一般鋼材に比べて引張強度がかなり弱（Ｓ＋＋
−Ｃｏ系永久磁石においては７〜８ｋｇ　／　ｒｍ　”
程度、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石においては１５〜２０
ｋｇ／ｌｌｌ１１２程度しかないため、第７図のような
ターボチャージャの回転軸６ａ上の軸受１０ａとカラー
９の間に組み込まれる超高速回転機８の回転子８ａとし
て使用する場合には、永久磁石３単体では破損してしま
うし、また従来技術における永久磁石飛散防止のための
外筒を設けた構造では過大遠心力がかがた場合には外筒
内部で永久磁石が不等割れしてしまい、これに起因して
回転子のバランスがくずれ延いては軸系全体のバランス
がくずれて最終的には軸の破断に至たるので、本発明に
おいては永久磁石３を外筒ｌへ温度差圧入し、かっ外筒
１両端間口部の外周へ側面板２ａ、２ｂの内周を印ろう
嵌合させる構造にして、外筒１内部での永久磁石３の割
れ発生を防止し、かつ永久磁石回転子８ａとしての曲げ
の剛性を向上させている。

第２図は第１図の回転子の永久磁石３および外筒１の回
転速度一応力曲線を例示する説明図、第３図は第１図の
回転子静止時の回転子応力状況を例示する説明図である
。第２図において横軸に回転子回転速度を取り、縦軸に
引張・圧縮応力を取って、各回転速度における永久磁石
３と外筒１にかかる各応力をプロットした応力曲線を示
し、また参考として永久磁石３単体での応力曲線をも示
したが、永久磁石３は外筒１へ圧入されているため第３
図に示すように初期的に圧入力にょる圧°縮応力を受け
、また外筒１は初期的に圧入力にょる引張応力を受けて
おり、回転速度が上昇してゆくと外筒１および永久磁石
３の遠心力にょる引張応力が増大し、このとき永久磁石
１にかがる応力は遠心力による引張応力を圧入による圧
縮力が打ち消す形となっていて、永久磁石引張強度に対
応する永久磁石３の割れ発生回転速度を永久磁石単体で
回転させた場合よりも上昇させることが可能となる。

上記の外筒１へ永久磁石３を圧入するためには外筒１を
加熱膨張させて永久磁石３を圧入する方法などがよく、
外筒１を膨張させずに圧入した場合には永久磁石３の材
質が非常にもろいため圧入時に欠けを生じてしまい十分
な圧入が得られない。

また初期圧入寸法は初期圧入力により外筒１の引張耐力
を越えないようにし、がっ使用温度時に圧入力がなくな
らないようにすることが前提条件となり、あとは目標の
回転速度時の遠心力を受けたときに永久磁石３および外
筒が破壊しないように決定する。

また上記の外筒１の材質は永久磁石３外周に設けられる
ため非磁性でなければならないが、また加熱による圧入
を行うため線膨張係数の高いものを使用する必要があり
、これには例えばオーステナイト系耐熱鋼やＮ、基合金
などがよく、これらの材料は高張力であって線膨張係数
が高いうえ耐用温度も高く、耐用温度時の線膨張率がオ
ーステナイト系耐熱鋼で０．０１２５およびＮ、基合金
で０．００９１となっているが、もしこの耐用温度時の
膨張率が０．００７程度以下になった場合には十分な熱
膨張が得られないから加熱圧入方式には不向きと言える
。

第４図は第１図の回転子の組立時における永久磁石３の
外筒１への圧入方法を例示する説明図である。第４図に
おいて、上記のような外筒１を圧六層４に組み付け、そ
の組付部は外筒１の一端面開口部の外周の印ろう嵌合部
を圧六層４で受けるようにする。つぎに圧六層４ごと加
熱炉へ入れて加熱するが、この加熱温度は外筒１の素材
耐用温度を越えてはならず、また組立性および生産設備
を考慮すると加熱温度の限界は約８００℃程度であろう
。この加熱した外筒１を圧六層４ごと加熱炉から取り出
し、圧六層４の中心にある永久磁石ガイドピンに永久磁
石３の内径部を合わせて落し込む。このようにすれば永
久磁石３が外筒１へ挿入途中で止まるという不具合がな
くなり、外筒ｌと永久磁石３の温度差による圧入作業が
良好に実施できる。

つぎに第１図の回転子の外筒１と側面板２ａ。

２ｂの印ろう嵌合部の接合方法は、側面板２ａ。

２ｂの外周部には段が付けてあり、この段付部で外筒１
の両端開口部の段が付いた外周部へ組付けた場合には外
筒１の両端開口部の外周より抑えることができる構造と
なっていて、側面板２ａ、２ｂが外筒１の両端開口部を
閉じるように形成される。外筒ｌは上記のように永久磁
石１を温度差圧入するため円筒状の構造にした方がよい
が、仮に外筒ｌをコの字形にした場合には外筒入口と底
部の熱膨張に差が出てしまい、永久磁石３を底部まで挿
入できなくなってしまう。このような外筒１の両端開口
部の外周の印ろう嵌合部を溶接や接着や圧入などの方法
を用いて接合力を高めることができる。このようにして
外筒１の外側へ広がろうとする力を側面板２ａ、２ｂで
抑えることが可能となり、また永久磁石３の外周部材が
一体に近い構造となるため回転子全体の曲げ剛性が向上
する。

第５図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ本発明による
超高速回転機の永久磁石回転子の他の実施例を示す部分
断面図である。第５図（ａ）、（ｂ）。

（ｃ）において、それぞれ第１図の回転子の外筒ｌと側
面板２ａ、２ｂの印ろう嵌合部構造の変形例を示し、第
５図（ａ）は外筒１の両端面開口部の外周には段のない
円筒状のもので、この両端面開口部の外径部を側面板２
ａ、２ｂの外周段付部で抑える構造であり、第５図（ｂ
）、（Ｃ）は外筒１の両端面開口部と側面板２ａ、２ｂ
の周辺部に相互に凸凹を設け、この凸凹部で外筒１が外
側に広がるのを側面板２ａ、２ｂにより抑える構造であ
る。これらの印ろう嵌合部構造の場合にも、この印ろう
嵌合部を溶接や接着や圧入などの方法で接合力を高める
ことができる。また永久磁石３の外周部材が一体に近い
構造となるため、回転子全体の曲げ剛性が向上する。

第６図は本発明による超高速回転機の永久磁石回転子の
印ろう嵌合部拡大断面図である。第６図において、第１
図の回転子の永久磁石３と外筒と側面板の組立状態を示
し、外筒１の軸方向長さは永久磁石３の軸方向長さより
も短くすることにより、外筒１と側面板２ａ、２ｂの印
ろう嵌合部は円周方向の面のみの接合となり、また永久
磁石３との接合は側面板２ａ、２ｂの側面のみとなる構
造であるため、永久磁石３が外筒１および側面板２ａ、
２ｂの内部でずれや動きを生じることがない。また本回
転子の超高速回転機への取付は時に回転子の軸方向の歪
を生じない構造にできる。

上記実施例の回転子は第７図のターボチャージャの永久
磁石回転子８ａとして組付けられる場合には、回転子８
ａは回転軸６ａへ３〜５μｍ程度ですき間ばめされてお
り、カラー９およびコンプレッサインペラ７を介してナ
ツト１２により締め付けられている状態にあり、ここで
回転子８ａの回転軸６ａへの嵌合部は側面板２ａ、２ｂ
の内径部のみであって、したがって本永久磁石回転子８
ａの軸方向寸法の不変性も重要なポイントであり、本実
施例の回転子がこれに対応できることがわかる。

［発明の効果］ 本発明によれば、超高速回転機の永久磁石回転子の永久
磁石を外筒へ温度差等により圧入し、かつ外筒両端開口
部の外周へ側面板の内周を印ろう嵌合させる構成として
いるので、磁石割れ発生回転速度を上昇させることがで
き、例えば外径２０閣程度の永久磁石を用いた場合には
、永久磁石単体では５ｏｏｏｏγ／ｗｉｎ程度で割れを
生じていたものを１３００００γ／＋ａｉｎ程度まで上
昇させることが可能であり、また外筒の材質によっては
割れ発生回転速度をさらに上昇させることができ、かつ
外筒にかかる外周方向へ拡がろうとする力を外筒両端の
側面板で抑えることが可能となり、回転子の曲げの剛性
を向上させることができる効果がある。

さらに永久磁石軸長を外筒軸長より長くすることにより
、回転子組立時の各部品間の不要間隙をなくして、回転
機本体への組入時の歪を防止できるうえ１回転子臼体の
曲げ剛性を向上でき、また外筒と側面板の印ろう嵌合部
を溶接や接着や圧入することにより、さらに接合力を高
め回転子をより一体構造に近いものにして曲げ剛性をよ
り高めることができる効果が得られ、これらにより回転
子のアンバランスの経時変化を少なくして回転子自体の
曲げ剛性が向上できるため、これをターボチャージャ直
結回転機等に用いれば軸径全体の剛性が向上することと
なり、軸破断回転速度を上昇させて信頼の向上が期待で
きる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超高速回転機の永久磁石回転子の
一実施例を示す断面図、第２図は第１図の永久磁石およ
び外筒の回転速度一応力曲線の説明図、第３図第４図は
第１図の組立圧入方法の一例の説明図、第５図（ａ）、
（ｂ）、（Ｃ）は本発明による他の実施例を示す部分断
面図、第６図は本発明によるさらに他の実施例を示す部
分断面図、第７図は従来のターボチャージャ直結回転機
の一例を示す断面図である。 １・・・外筒、２ａ、２ｂ・・・側面板、３・・・永久
磁石。 ６ａ・・・回転軸、８ａ・・・回転子。 代理人　弁理士　秋　本　正　実 第１図 １−　外筒 ２ａ２ｂ−−−イ則ｎ口」δ（ ３−一一未久＠ｈ 第２図 第３図 第４図 第５図 重 （ｂ） （Ｃ） 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、円筒状永久磁石と、該永久磁石外周を覆う外筒と、
   該永久磁石側面を覆う側面板とから成る永久磁石回転子
   において、該永久磁石を外筒へ圧入し、かつ該外筒の両
   端面開口部の外周を側面板の内周で印ろう嵌合する構成
   にしたことを特徴とする超高速回転機の永久磁石回転子
   。 ２、上記外筒の材質は非磁性であって高抗張力を有し且
   つ線膨張係数の高い材料を使用したことを特徴とする請
   求項１記載の超高速回転機の永久磁石回転子。 ３、上記外筒の全長は永久磁石の全長より短くしたこと
   を特徴とする請求項１記載の超高速回転機の永久磁石回
   転子。 ４、上記印ろう嵌合部は溶接または接着または圧入等を
   施したことを特徴とする請求項１記載の超高速回転機の
   永久磁石回転子。