JPH0479740A - 超高速回転電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、超高速回転電機に用いる永久磁石回転子に関
する。

〔従来の技術〕

第２図に従来より提案される超高速回転電機の一例とし
て、自動車等の内燃機関に用いられるターボチャージャ
直結回転電機の構造を示す。

第２図において、１は回転電機（同期機）のハウジング
で、ハウジング１の一方にタービンケース２が、他方に
コンプレッサケース３が配設される。

４は回転軸で、ラジアル軸受５及びスラスト軸受６に支
持されつつ、タービンケース２．ハウジング１．コンプ
レッサケース３を貫通し、回転軸４の一端にタービンイ
ンペラ７が、他端にコンプレッサインペラ８が装着され
る。

回転電機は、円筒状の永久磁石回転子９、固定子巻線１
０等で構成される。このうち、永久磁石回転子９は、回
転軸４に固着されつつ、その外周及び側部が外筒（図示
せず）で覆われて、ハウジング１に内装される。固定子
巻線１０は、永久磁石９と対向してハウジング１内周に
固定配置される。１４はスペーサである。

この種のターボチャージャは、周知のようにタービンケ
ース２に導入される排気ガスのエネルギーによりタービ
ンインペラ７を回転鮭動し、この駆動力により回転軸４
を介してコンプレッサインペラ８を回転させ、コンプレ
ッサにより内燃機関へ過給を行う。

ターボチャージャと同期して回転する回転電機を同期モ
ータとして使用した場合には、この同期モータの回転が
回転軸４及びコンプレッサインペラ８の回転を補助する
ため、モータ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。

特に排ガスエネルギーが低い内燃機関の低回転時の出力
内上等を図り得る。また、切り換え制御により内燃機関
の高回転時に同期発電機として使用した場合には、排ガ
スエネルギーを電力として回収できる利点があるものと
されている。

上記回転電機の永久磁石回転子は、円筒状一体のものや
磁極ごとに分割したものがあるが、遠心力による耐破壊
及び飛散防止を配慮して、これらは非磁性（例えばステ
ンレス）の外筒等により密着状態で覆われている。例え
ば特開昭６２−２５４６４９号公報に開示される従来技
術では、永久磁石回転子を断熱板、断熱円筒にくるんだ
状態で外筒に内装している。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の回転電機では、５ｏｏｏｏ〜６００００ｒ／
ｍｉｎ程度、の中・低速回転における遠心力による永久
磁石回転子の耐破壊、耐飛散性は充分であった。

しかし、ターボチャージャに組み込まれるような１００
０００ｒ／ｍｉｎ以上の超高速回転する回転電機では、
過大な遠心力が発生して永久磁石回転子を覆う外筒に永
久歪や拡がりが発生し、その結果、外筒・永久磁石回転
子間にクリアランスが発生して、外筒の永久磁石回転子
に対する抑えがきかなくなる。そのため、過大な遠心力
が永久磁石に作用すると、永久磁石に割れが発生する。

この永久磁石の割れは、ランダムに発生するので、永久
磁石回転子の重量バランスひいては回転バランスがくず
れる原因となり、軸の摩耗損傷、騒音発生を引き起こす
。

本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、その目的と
するところは、一つには、永久磁石回転子に割れが生じ
た場合でも、割れのバランスを配慮して、最終的には、
永久磁石回転子のバランス良い回転を保証し、信頼性の
高い超高速回転電機の永久磁石回転子を提供することに
ある。

もう一つは、外筒に超高速回転の遠心力に対する理想的
な強度を持たせ、ひいては過大な遠心力による外筒の変
形防止を図り、最終的には、上記同様に永久磁石回転子
のバランス良い回転を保証することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、次のような課題
解決手段を提案する。

第１の課題解決手段は、永久磁石回転に割れが生じた場
合でも、回転バランスをくずさないよう配慮したもので
、その内容とするところは、回転電機の回転子を円筒状
の永久磁石により構成し、この永久磁石の外周及び側部
を外筒で被覆してなるものにおいて、 前記円筒状永久磁石の内周、外周の少なくと一方に、軸
方向に延びる複数の切り込みを周方向に等間隔で配設し
てなる。

第２の課題解決手段も、第１の課題解決手段と同様に永
久磁石回転子に割れが生じても、回転バランスを保つよ
うに配慮したもので、その内容とするところは、 前記切り込みに代わって、回転子となる円筒状永久磁石
に、部分的に材質を弱くした部分（脆弱部）を予め複数
形成し、且つ、これらの複数の脆弱部を周方向に等間隔
に配設してなる。

第３の課題解決手段は、永久磁石回転子の外筒の変形を
防止して、永久磁石回転子の破損防止、回転バランスを
保証を行うためのもので、その内容とするところは、回
転電機の円筒状永久磁石（回転７−）を覆う外筒の厚さ
を前記円筒状永久磁石の外径の１７８以」二としてなる
。

第４の課題解決手段は、第３の課題解決手段の構成を前
提として、さらに前記外筒の厚さを５ｍ以下としてなる
。

〔作用〕

第１の課題解決手段の作用・・・永久磁石（回転子）は
、均等に切り込みを入れた状態で外筒に被覆されるので
、永久磁石が回転し遠心力が加わり、この遠心力が永久
磁石の破壊強度に達した場合には、永久磁石の切り込み
部に応力が集中し、切り込みより割れが生じる。そして
、この切り込みは周方向に等分に配設しであるので、永
久磁石が均等に割れ、ランダムな割れが生じるのを防止
する。

従って、永久磁石回転子に割れが生じたとしても、均等
に割れが生じるので、永久磁石回転子の重量バランスひ
いては回転バランスが良好に保持される。

第２の課題解決手段の作用・・・この場合には、第１の
課題解決手段の切り込みに対応するのが脆弱部に該当す
る。すなわち、永久磁石回転子が回転し遠心力が加わり
、永久磁石の破壊強度に達したとした場合には、永久磁
石の脆弱部に応力が集中し、脆弱部より割れが生じるの
で、第１の課題解決手段と同様に均等な割れが生じ、ラ
ンダムな割れが生じるのを防止する。

第３の課題解決手段の作用・・永久磁石を覆う外筒は、
その厚さを所定以上にしなければ、超高速回転時に、永
久磁石の遠心力と外筒自重の遠心力とにより、外筒に許
容以上の引張応力が発生し変形を招くことになる。この
ような事態は、前述したように永久磁石と外筒との間に
、クリアランスを発生させ、外筒の永久磁石に対する抑
え機能を失って、永久磁石に割れが生じる。

そして、永久磁石の外径を種々変えて、外筒の厚さと外
筒に生じる遠心力による応力（周方向の引張り応力）と
の特性を求めた結果、外筒の厚さを円筒状の永久磁石の
外径の１／８以上であれば、超高速回転に対する外筒の
強度を向上させることができる。すなわち、ここでの１
／８は、外筒が超高速回転時に変形するのを充分に抑制
する必要最小限の厚さとなり、これを目安として、外筒
をあまり厚すぎることなく理想な強度を保てる厚さに選
定することが可能となる。

第４の課題解決手段の作用・・上記のように外筒を永久
磁石の外径の１／８以上としても、磁気回路のエアギャ
ップをあまり広くすると、回転電機の効率が低下するの
で、自ずと限度がある。

この限度は、永久磁石の材質、大きさ等との関係で定め
られる。例えば、磁石をＳ　ｍ　−Ｃｏ系。

Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系等の高磁力の希土類磁石とし、外径を
φ１５〜φ３０ｍｍ程度の永久磁石であれば、５ｍｎ以
下であることが好ましい。

〔実施例〕

本発明の実施例を図面により説明する。

第１図は本発明の一実施例たる永久磁石回転子で、同図
（イ）はその側面断面図、同図（ロ）はその正面断面図
を示す。この永久磁石回転子は、−例としてターボチャ
ージャ直結回転電機に用いられ、第１図に示す符号のう
ち、第２図に示した符号と同一のものは、同−或いは共
通する要素を示す。

本実施例の永久磁石回転子は、回転軸４に円筒状の永久
磁石９を固着し、その外周及び側部を円筒状の外筒１１
で被覆してなる。外筒１１は、１１ａ及びｌｌｂに２分
割され、ｌｌａが永久磁石９の外周及び−側部を覆い、
ｌｌｂが残りの他側部を覆う。

永久磁石９は、Ｓｍ−Ｃｏ系、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の高磁
力の永久磁石を用いる。

永久磁石は、一般鋼材に較べてかなり引張り強度が弱く
６８〜７８　Ｍ　Ｐ　ａ程度しかない。従って、ターボ
チャージャに組み込まれる超高速回転の回転子とする場
合は、単体では破損する。外筒１１は、これを防ぐため
に永久磁石９を密着して覆う。

それでも過大な遠心力が作用すると、外筒が歪み、外筒
・永久磁石間にクリアランスが発生すると、既述のよう
に永久磁石に割れが生しる。本実施例では、この割れを
均等にして、回転バランスを保てるようにするために、
次のような配慮を施す。

永久磁石９は、内周及び外周に軸方向に延びる複数の切
り込み１２及び１３が周方向に等間隔で配設しである。

内周側の切り込み１２と外周側の切り込み１３は、配置
態様が一致するよう設定しである。第１図では、切り込
み１２及び切り込み１３をそれぞれ８個ずつとし、周方
向に４５度間隔で配置される。この数は、これに限定さ
れるものではなく、後述するように、永久磁石の材質及
びその最高回転速度との関係から適宜に設定すればよい
。

切り込み１２．１３が存在することで、永久磁石回転子
が超高速回転した時に、その破壊応力が切り込み１２及
び１３に集中して、永久磁石回転子が切り込み１２．１
３から均等に割れが生じることになる。

ここで、切り込み１２．１３の数について説明する。

永久磁石９に切り込み１２．１３を等間隔に配設して、
永久磁石９に遠心力により故意的に均等な割れを発生さ
せる場合、永久磁石９は２分割以上に割れると、第３図
に示すように断面が扇形となる。さらに割れが進行する
場合には、扇形の中央Ｏを支点として左右の扇形の重心
Ｘａに遠心力が掛かり割れが生じる。

この場合の関係式の、遠心力をＦ、Ｗを扇形半分の重さ
、ｇを重力加速度、Ｘａを扇形半分の重心、ωを角速度
とした場合、 Ｆ＝−・Ｘａ・ω２ となり、第３図の割れ予想面×Ｘ面の面積をＳとして、
×Ｘ面に掛る応力σ８は、 σｘ＝２Ｆｃｏｓ　（θ）／Ｓ となる。σ８が永久磁石の破壊強度に達した時に割れが
発生する。

以上の関係を、外径２３ｍｎ、内径８ＩＩＩ１１、軸長
１６■の円筒状永久磁石（材質Ｓｍ−Ｇｏ）についてあ
てはめた場合、回転速度と割れ数の関係は、次の表の通
りとなる。

すなわち、割れ数は、２，４，８，１６．３２の順で進
行すると考えれば、例えば割れ数４の場合、割れ数８に
なる１０．２×１０４ｒ／ｍｊ、ｎまでは、割れ数４で
あると考えられる。

回転子の最高速度を１５×１０４ｒ　／　ｍ　ｉ　ｎと
設定した場合、割れ数は１６である。すなわち、この場
合に割れ数を１６と設定すれば、割れ数がそれ以上に進
行することなく、均等な割れが生じるに止まって、回転
子のアンバランス発生を防止する。

なお、上記実施例では、切り込み１２．１３の溝形状を
、断面Ｖの字形とするが、断面Ｕの字形、断面矩形とし
てもよい。また、切り込みとなる溝部に樹脂を嵌め込ん
だりしてもよい。

切り込み１２．１３は、永久磁石９の内周、外周の一方
に形成してもよい。

さらに、上記切り込みにかえて、永久磁石製造時に、予
め材質が弱い脆弱部を周方向に等間隔で形成しても、上
記実施例同様の効果を奏し得る。

次に外筒１１の厚さについて説明する。

外筒１１は、ステンレスのような非磁性材で形成される
。外筒１１は、永久磁石９の破壊及び飛散を防止するた
めに設けたものであるが、永久磁石の遠心力による応力
を受けるばかりでなく、外筒の自重による遠心力でも大
きな応力を受ける。

第４図に外筒に掛る応力と外筒の厚さの関係を表す曲線
を示す。

第４図のＡ−Ｆまでの各曲線は、永久磁石の外径をφ１
５〜φ２５ｍｎの範囲で変えた時の外筒厚さ及びその応
力の特性線図を示す。外筒の材質はステンレスで、図中
ｘ点は、永久磁石の外径の１７８に該当する点である。

第４図からも明らかなように、外筒の厚さが１７８以下
の場合、いずれの外径においても急激に応力値が上昇し
ている。これは、永久磁石の遠心力及び外筒の自重によ
る作用する外筒の引張応力が過大となるためである。ま
た、外筒が厚さ５ｍを超えるあたりより、外筒の応力値
が上昇している。これは、外筒の厚さひいてはその自重
が増し。

外筒の自重による遠心力が大きくなるためである。

また、磁気回路的にみた場合においても、５ｒｍを超え
るような広いエアギャップであった場合、磁気的なロス
が大きくなってしまい、効率が悪くなる。

以上をまとめると、超高速回転を行う永久磁石回転子の
外筒の厚さは、永久磁石外径の１７８以上で、厚さが５
１１ＩＩｌ以下の場合が最適とされる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、第１及び第２の課題解決
手段では、永久磁石の周方向に等間隔な切り込み或いは
脆弱部を配設することで、永久磁石へ均等な割れを発生
させることができ、磁石割れが生じても永久磁石回転子
のバランスのくずれをなくし、超高速回転に対応して良
好な回転を係るへ均等な割れを発生させることができ、
磁石割れが生じても永久磁石回転子のバランスのくずれ
をなくし、超高速回転に対応して良好な回転を保持する
ことができる。

また、第３の課題解決手段では、外筒の厚さを永久磁石
外径の１／８に設定することで、外筒へ理想な強度を持
たせ、カバーの超高速回転時の変形を防止し、最終的に
は、磁石割れを極力抑制して、超高速回転に対応した外
筒を提供することができる。

さらに第４の課題解決手段によれば、上記第３の課題解
決手段の効果に加えて、回転子・固定子間のエアギャッ
プも適正に保ち得る。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）は、本発明の一実施例たる永久磁石回転子
の側面断面図、第１図（ロ）はその正面断面図、第２図
は、上記実施例の適用対象となるターボチャージャ直結
回転電機の縦断面図、第３図は、２等分以上に割れた円
筒状永久磁石に掛る力を示す説明図、第４図は、磁石を
覆う外筒の厚さに対する外筒に生じる引張応力の曲線図
である。 ４・・・回転軸、９・・・永久磁石、１１・・・外筒、
１２゜１３・・・切り込み。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転電機の回転子を円筒状の永久磁石により構成し
   、この永久磁石の外周及び側部を円筒状の外筒で被覆し
   てなるものにおいて、 前記円筒状永久磁石の内周、外周の少なくと一方に、軸
   方向に延びる複数の切り込みを周方向に等間隔で配設し
   てなることを特徴とする超高速回転電機の永久磁石回転
   子。 ２、第１請求項において、前記切り込みは、断面がＶの
   字形、Ｕの字形或いは矩形の溝よりなる超高速回転電機
   の永久磁石回転子。 ３、回転電機の回転子を円筒状の永久磁石により構成し
   、この永久磁石の外周及び側部を円筒状の外筒で被覆し
   てなるものにおいて、 前記円筒状永久磁石に、部分的に材質を弱くした箇所（
   脆弱部）を予め複数形成し、且つ、これらの複数の脆弱
   部を周方向に等間隔に配設してなることを特徴とする超
   高速回転電機の永久磁石回転子。 ４、第１請求項ないし第３請求項のいずれか１項におい
   て、前記円筒状永久磁石の前記切り込み或いは前記脆弱
   部により区分けされる数を永久磁石材及び回転電機の最
   高回転数により決定し、希土類系永久磁石においては、
   最高回転速度を１３．８×１０＾４／ｍｉｎ以上に設定
   した場合、１６区分以上としてなる超高速回転電機の永
   久磁石回転子。 ５、回転電機の回転子を円筒状の永久磁石により構成し
   、この永久磁石の外周及び側部を円筒状の外筒で被覆し
   てなるものにおいて、 前記円筒状外筒の厚さを前記円筒状永久磁石の外径の１
   ／８以上に設定してなることを特徴とする超高速回転電
   機の永久磁石回転子。 ６、第５請求項において、前記円筒状外筒は、厚さを５
   ｍｍ以下としてなる超高速回転電機の永久磁石回転子。 ７、第１請求項ないし第４請求項のいずれか１項におい
   て、前記円筒状外筒の厚さを前記円筒状永久磁石の外径
   の１／８以上とし、厚さを５ｍｍ以下としてなる超高速
   回転電機の永久磁石回転子。