JPS62185542A - 永久磁石型ロ−タのシユリンクリング製造方法 - 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、航空機用発電機、ガスタービンエンジン駆動
用発電機〜ブラシレスモーク等に利用される永久磁石型
ロータのシュリンクリングの製造方法に関する。

（従来の技術） シュリンクリングは、例えば、第２２図、第２３図で示
す如く発電機のステータ１とロータ２の磁路構成の中に
装着される。

すなわち、永久磁石３、ボール４、ハブ５および軸６か
らなるロータ２において、焼ばめされて、ロータ２の高
速回転（最大回転数１８．００Ｏｒｐｍ）により永久磁
石３が遠心力で飛散しないように軽くて強いものとされ
ている。

なお、第２２図において、１１は磁束の流れ、１２は磁
気ギャップであり、リング７は第２３図で示す如くロー
タ軸方向に分割されている。

このシュリンクリング７は磁性体８と非磁性体９とを円
周方向交互に配置して周方向対応部分のそれぞれが接合
部１０を介して環状に結合されたものであり、従来では
、次のようにして製造されていた。

すなわち、第２４図で示す如く磁性体８と非磁性体９と
を交互に電子ビーム溶接で接合１３シて帯板状素材１４
を作成し、この素材１４を第２５図で示す如＜圧延ロー
ル１５．１６でロール圧延することで非磁性体９の硬度
を上げ、このＩＩＥ延材を第２６図で示す如くリング状
に曲げ加工してからリング材１７の端面同士を突合せて
電子ビームにより接合１８シ、その後、最終加工、熱処
理を施すことで製造されていた。

（発明が解決しようとする問題点） 第２４図から第２６図に示した従来例の製造法によると
、製造工程が複雑である古ともに、接合部１３゜１８が
電子ビーム溶接によるものであることがら溶接部にクラ
ックが発生し、接合境界層が広くなるという問題があっ
た。

具体的にはクランク発生により、シュリンクリングの耐
力、すなわち、ロータ２の高速回転に伴う永久磁石３の
遠心力による内圧と自身の遠心力による応力が加わり、
引張強さが弱くなって破断することがある。

また、接合境界層が広くなることは、磁気特性が明確で
なく、溶接幅が一様でなく、発電機においては出力電圧
値にむらがあること、電圧波形歪が大きいこと、電動機
においては回転むらが発生ずることるこなる。

本発明は斯る従来技術の問題点を解決することができる
新しいシュリンクリングの製造方法の提供を目的とする
。

Ｃ問題点を解決するための手段） 本発明が前述目的を達成するために講じた技術的手段の
特徴とするところは、円周方向交互乙こ配置された磁性
体と非磁性体との周方向対応部分のそれぞれが接合部を
介して環状に結合されている永久磁石型ロータのシュリ
ンクリングを製造する方法において、 カプセルに磁性材料と非磁性材料とを円周方向交互とし
て収めて被処理体を作成し、該被処理体を熱間静水圧加
圧装置の高圧容器に装入し、その後、温度１０００°Ｃ
〜１２００℃、圧力５００〜３０００　ｋｇ　／　ｃｆ
　。

保持時間０．５〜８ｈｒの条件で被処理体に等方的圧力
を作用させて前記磁性材料と非磁性材料との周方向対応
部分のそれぞれを拡散接合してなる複合ビレットを作成
し、 その後、前記複合ビレットをリング形状に加工すること
にある。

（実施例と比較例） 本発明者等は電子ビーム溶接法（以下、ＥＢＷ法という
場合がある）と熱間静水圧加圧法（以下、ＨＩ　Ｐ法と
いう場合がある）とによる２つの方法について試作した
ので前者を比較例とし、後者を本発明の基本例として以
下両者を対比しながら詳述する。

（シュリンクリングの設計強度） シュリンクリングにはロータの遠心力による内圧と自分
自身の遠心力による応力が加わる。薄肉円筒の式を用い
て応力計算をおこない、安全率を１．５とするとシュリ
ンクリングには約５２ｋｇｆ／ｕｎの応力が発生する。

この値がシュリンクリングの耐力以下であればよい。引
張強さの６０％が耐力とみなして引張強さを逆算すると
８７ｋｇｆｈ者となる。そこで、設計強度としては引張
強さの９０ｋｇｆ／ｉｆと設定した。

（電子ビーム溶接法による試作）（比較例）供試材料 磁性体としてマルエージ鋼（１８Ｎ＋−４，Ｍｏ−８゜
５Ｃｏ−ＡＩ−Ｔｉ−残Ｆｅ）を、非磁性体として３５
Ｎｉ−２０，５Ｃｒ−９，５Ｍｏ−３３Ｃｏ−Ｔｉ−Ｂ
の材料りを用いた。素材の機械的性質を第１表に示す。

（次　葉） （製造方法および結果）但し、比較例である。

第１７・１８図に示すようにマルエージ鋼（磁性刊料１
００）を外径１２２Ｎ、内径９９１ｍに機械加工し、。

その後外径側に幅１４酊、深さ８ｍｍ、長さ１１２鰭の
溝１０１を１２ケ所等間隔に加工する。つぎに、溝と同
寸法に加工した材料りを溝にはめこんで境界部を電イビ
ーム溶接１０２シた。なお、第１８図の矢印は溶接部で
ある。溶接終了後析出硬化処理をおこない、その後機械
加工により内外径仕」二げて所定の寸法にした。通常の
溶接速度で溶接すると外観は異常が認められないのに内
部には第２０・２１図に見られるように多数の割れが発
生していた。

この割れは第２０図の符号１８°で示している。

溶接部近傍をこまかく切断し人工的に強制破断して割れ
の破面をＳＥＭおよびＥＰＭＡにより分析した。

低融点物質が粒界に富化していることは確認できなかっ
たが、粒界がまるくなっているＳＥＭ像などからこの割
れは急速加熱による液化割れと推定された。

但し、溶接条件は次の通りである。

加速電圧ｉ　　１５０　ＫＶ　、　　ビーム電流；１５
ｍＡ。

ワークディスタンス；１３６ｍ。

溶接速度；　　５０　ｃｍ／ｍｉｎ、　　　ワイヤなし
。

また、腐食液は次の通りである。

４Ｈα＋ＬＨＮＯ３＋　ＬＣｆｈＣＯＣＩ＋　３　＋　
Ｉｎ２０そこで、液化割れの発生しない溶接条件を求め
るためまずビードオンプレー１による基礎実験をおこな
い溶接条件と割れの関係を求めた。ついで、実機モデル
による溶接実験をおこない断面組織を調べた結果、溶接
速度を遅くするほど割れ発生が少なくなることがわかっ
た。溶接速度とミクロ試料１断面当りの液化割れ個数の
関係を第１９図に示す。はぼ最適溶接条件で溶接したと
きのミクロ組織を観察したところ、非磁性体の熱影響部
に割れが１ケ発生しているのが認められた。これは〜第
２１図のそれとくらべるときわめて少ないことがわかる
。また、シュリンクリングを厚さ５璽１に輪切りにして
引張試験（曲げが加わらないようにリングの内径に半円
形状の鉄製引張治具２ケを入れて試験）した結果を第１
６図に示す。溶接のままおよび溶接後析出硬化処理した
ちのいずれも７０〜８０ｋｇｆ　／　ｍｌ０間にあり設
計目標値に達していない。破断位置はマルエージ鋼と材
料りの融合したビード部であり硬さのもっとも低い部分
で延性破断した。

熱間静水圧加圧法による試作（本発明の基本構成）供試
材料 磁性体としては比較例と同じマルエージ鋼を、非磁性体
としては下記第２表で示す３種類Ａ、　　Ｂ。

Ｃ０Ｎｉ系非磁性合金粉を用いた。その化学成分を第２
表に示す。

第２表　供試粉末の化学成分　　　−ｔ％（製造方法お
よび結果） 磁性合金マルエージ鋼（外形１２２ｍ）の中実体に第１
７図と同じ寸法の溝加工を施し、その外側に５ｕｓ３０
４製のキャン（カプセル）をかぶせた。その後、溝の中
に供試粉末を充填し、５ＵＳ３０製のふたを溶接してか
ら、３００°Ｃで２時間脱ガス（１０−２〜１Ｏ−３Ｔ
ｏｒｒ）後、密封した。ついで、この被処理体を、熱間
静水圧加圧装置の中に入れて第３表に示す条件で加圧お
よび熱処理をおこなった。機械加工によりキャンを削除
し所定の寸法のシュリンクリングに仕上げた。ＨＩＰ処
理のままの顕微鏡組織の代表例を第１５図に示す。界面
はよく結合しており元素が相互に拡散しているのがＥＰ
ＭＡ分析で確認できた。

第３表　ＨＩＰおよび熱処理条件 なお、腐食液は次の通りである。

５％Ｈ２ＳＯ４電解腐食。

また、析出硬化処理後の引張強さを第１６図に示してい
るが、いずれの非磁性材料Ａ、Ｂ、Ｃでも設計目標値以
上の強度が得られたことが理解できる。

（本発明の具体例） （第１具体例） 第１図および第２図において、２０は磁性鋼よりなる円
筒体（芯体）であり、その外周に本例では６個の溝２１
が周方向等配に形成されている。

この円筒体２０に第２図の如く軟鋼カプセル２３が套嵌
され、カプセル２３の内周面と溝２１で形成される空間
に非磁性材である粉末２４を充填する。

なお、第２図において、２５はステンレス鋼よりなる中
子であり、この中子２５の外周面とカプセル２３の内周
面にそれぞれアルミ系パウダー（離型剤）を塗布するこ
とが望ましい。

その後、５ＵＳ３０製の蓋をカプセルに溶接してから３
００°Ｃで２時間脱ガス（１０−２〜１Ｏ−３ＴＯｒｒ
）後、密封して被処理体２６を作成する。

この被処理体２６を第１３図で示す如く熱間静水圧加圧
装置の高圧円筒２７内に本例ではスペーサ２８を介して
４個装入し、前述した（第３表参照）条件で加圧および
熱処理を行なった。

なお、第１３図において、２９は断熱層、３０はヒータ
、３１は一ヒ蓋、３２は下蓋である。

すなわち、被処理体２６に圧媒、例えばアルゴンガスに
よる等方的圧力を作用させて磁性材料と非磁性材料との
周方向対応部分のそれぞれを拡散接合してなる複合ビレ
ソ１−を作成する。

その後、該複合ビレットをリング形状に加工するのであ
る。

すなわち、第１・２図の例では中子２５を引抜いて複合
ビレットの内周面および外周面を機械加工（切削荒加工
と切削・研磨等の仕上げ加工）してリング形状に加工す
るのであり、第２図における符合３３がその内周面の加
工面である。

（第２具体例） 第３図乃至第５図において、芯材として快削鋼よりなる
中実体３４を用い、この中実体３４の外周面にテーパー
拡開状のａ３５を本例では６個周方向等間隔に形成し、
該溝３５に板状又は棒状のマルエージング鋼よりなる磁
性材料３６が嵌合される（第４図参照）。これにより、
円周方向対応部分に溝３７が形成される。その後、第５
図で示す如くカプセル２３を套嵌せしめ、溝３７に非磁
性材料よりなる粉末２４を充填し、第１具体例と同様に
被処理体２６を作成した。

以後の旧Ｐ条件等は前述第１具体例と同様な手順でシュ
リンクリングを製造した。

なお、この第２具体例では中実体３４の材料歩留りは悪
くなるけれども、板状の磁性材料３６は高価であり、快
削鋼は安価であることから、機械加工を加味しても第１
具体例より安価に製造できる。

（第３具体例） 第６図乃至第８図において、これは前述した第１・２具
体例が有するそれぞれの利点を組合せたもので、快削鋼
よりなる円筒体２０を用い、板状（棒状）の磁性材料３
６を用い、円筒体２０を使用することから中子２５を用
いて静水圧加圧による等方的圧力に対して対抗できるよ
うにしたもので、その余は、第１・２具体例と同様であ
る。

（第４具体例） 第９図、第１０図において、軟鋼カプセル２３が第１０
図で示す如く断面中空Ｕ形の室２３八を有する中空円筒
構成であり、室２３Ａに棒状磁性鋼材３６と非磁性粉末
２４を円周方向交互に向合せしめ、室２３Ａがドーナソ
ト形状蓋２３Ｂを溶接することで施蓋されたものである
。

斯る形状の被処理体２６を用いることで、中子を用いな
くとも、等方的ＪモカでＩＩＩＰ処理するとき、該被処
理体２６がいびつに変形されることが防止できる。

その余は第１具体例と同様である。

（第５具体例） 第１１図、第１２図において、この第５具体例は第４具
体例において、磁性鋼材３６として外周に溝３６八を有
する円筒構造を用い、溝３７Ａに粉末２４が充填されて
いる点が異なり、その余は第４具体例と同様である。

なお、第４・５具体例における２３Ｃは脱気管を示して
いる。

また、前述した基本構成および第１〜５具体例において
、非磁性材料としては粉末に限らず、棒状体等であって
もよい。

また、以上の説明では磁性材料に非磁性材料を熱間静水
圧による固相接合（拡散接合）としているが、これは逆
に、非磁性材料に磁性材料を固相接合したものであって
もよい。

また、快削鋼よりなる中実円柱形芯材の外周に、周方向
等間隔に磁性材料（棒状マルエージング鋼）を溶接して
非磁性材のための溝を形成したものでもよい。

更に、磁性材料としては、下記表３−１に示す化学成分
のものであってもよく、その機械的性質は表３−２に対
応して示している。

（次　葉） 次に、前述第２表に示した非磁性体材料Ａ、Ｂ。

Ｃを用い、磁性材料としてマルエージ鋼を用いて熱間静
水圧加圧（Ｉ（ＩＰ）条件の種類をがえて拡散接合した
例を表５に示す。

（次　葉） 表５ 表５で明らかな如く、ＨＩＰ条件は温度；　１０００℃
〜１２００℃、圧力；５００〜３０００眩／ｃｍｌ、保
持時間０．５〜８ｈｒとなる。

ここで、圧力３０００　ｋｇ　／　ｃＪ　、保持時間８
ｈｒとしたのは、これ以上ではコスト的に不経済となる
からである。

（発明の効果） 本発明によれば、円周方向交互に配置された磁性体と非
磁性体との周方向対応部分のそれぞれが接合部を介して
環状に結合されている永久磁石型ロータのシュリンクリ
ングを製造する方法において、 カプセルに磁性材料と非磁性材料とを円周方向交互とし
て収めて被処理体を作成し、該被処理体を熱間静水圧加
圧装置の高圧容器に装入し、その後、温度１０００℃〜
１２００’ｃ、圧力５００〜３０００　ｋｇ　／　ｃｆ
ｌ　。

保持時間０．５〜８ｈｒの条件で被処理体に等方的圧力
を作用させて前記磁性材料と非磁性材料との周方向対応
部分のそれぞれを拡散接合してなる複合ビレットを作成
し、 その後、前記複合ビレットをリング形状に加工すること
を特徴とするので次の利点がある。

電子ビーム熔接法（比較例）では割れ発生の少ない溶接
条件が求められたが、引張強度が設計目標値より若干低
くかつ製造コストがもっとも高い。

また、従来例ではブロック状材料の溶接、圧延等が必要
となり、製造工程が多くコスト高となる。

更に、従来例および比較例のいずれの場合でも接合境界
層が広く、磁気特性が明確でなく、出力電圧値にむらが
あり、電圧波形歪が大きなシュリンクリングとなるとい
う欠陥がある。

これらに対して、本発明では引張強度も設計目標値を十
分満足したものをローコストで製造することができる。

また、本発明では非磁性材料と磁性材料との接合が、熱
間静水圧による拡散接合であることから、接合境界層が
明確となり、その幅もＱ　、　２ｍｍ以下とできること
から、磁気特性が明確となり、出力電圧値のむらがなく
、電圧波形歪が少ない等その永久磁石型ロータのシュリ
ンクリングとして不可欠な条件を十分満足したものを量
産することができる。

更に、ＨＩ　Ｐ条件を温度；　１０００℃〜１２００℃
、圧力；　　５００〜３０００　ｋｇ　／　ｃｌ　、保
持時間；　　０．５〜８ｈｒとしていることから、相対
密度１００％で拡散接合部の幅が０．２ｍ以下のシュリ
ンクリングを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明第１具体例による磁性材料（芯材）の平
面図、第２図は同しく被処理体の平面図、第３図は本発
明第２具体例による芯材の平面図、第４図は第３図の芯
材に磁性材料を組合せた平面図、第５図は同じく被処理
体の平面図、第６図は本発明第３具体例による芯材の平
面図、第７図は第６図の芯材に磁性材料を組合せた平面
図、第８図は同じく被処理体の平面図、第９図は本発明
第４具体例による被処理体の平面（断面）図１．第１０
図は同じく縦断側面図、第１１図は本発明第５具体例に
よる被処理体の平面（断面）図、第１２図は同じく縦断
側面図、第１３図はＨＩ　Ｐ中の一例を示す熱間静水ｍ
加圧装置の要部立面断面図、第１４図は本発明法により
得られた接合部を拡大して示す説明図、第１５図は同じ
く接合部を１００倍して示した金属組織写真、第１６図
は比較例と本発明との引張強度を併せて示すグラフ、第
１７図は比較例と本発明基本例に用いた供試体の平面図
、第１８図は同じく立面図、第１９図は比較例による溶
接速度と液化割れ発生個数を示すグラフ、第２０図は比
較例の溶接部を示す拡大説明図、第２１図は第２０図と
対応する比較例のｆ６接部を４００倍して示した金属組
織写真、第２２図は第２３図Ｆ−Ｆ線で示すステータ及
びロータの組立断面図、第２３図は同しく正面図、第２
４図から第２６図は従来例の製造工程を示す説明図であ
る。 ７・・・シュリンクリング、８．２０．３６・・・磁性
体（磁性材料）　、９．２４・・・非磁性体（非磁性材
料）、１０・・・拡散接合部、２３・・・カプセル、２
７・・・高圧容器。 特　許　出　願　人　　株式会社神戸Ｍ鋼所第７５図 第２１図 Ｎｏ、２ 手続補正書（自制 昭和６１年３月１９日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）円周方向交互に配置された磁性体と非磁性体との
   周方向対応部分のそれぞれが接合部を介して環状に結合
   されている永久磁石型ロータのシュリンクリングを製造
   する方法において、 カプセルに磁性材料と非磁性材料とを円周方向交互とし
   て収めて被処理体を作成し、該被処理体を熱間静水圧加
   圧装置の高圧容器に装入し、その後、温度１０００℃〜
   １２００℃、圧力５００〜３０００ｋｇ／ｃｍ＾２、保
   持時間０．５〜８ｈｒの条件で被処理体に等方的圧力を
   作用させて前記磁性材料と非磁性材料との周方向対応部
   分のそれぞれを拡散接合してなる複合ビレットを作成し
   、 その後、前記複合ビレットをリング形状に加工すること
   を特徴とする永久磁石型ロータのシュリンクリング製造
   方法。