WO2007069332A1 - ガスタービン用永久磁石発電機ロータ、その製造方法及びガスタービン - Google Patents

ガスタービン用永久磁石発電機ロータ、その製造方法及びガスタービン Download PDF

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shaft
shaft end
generator rotor
cylindrical body
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Yasushi Hayasaka
Hideaki Nagashima
Manabu Sasaki
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Hitachi, Ltd.
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/278—Surface mounted magnets; Inset magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
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    • H02K1/30—Means for mounting or fastening rotating magnetic parts on to, or to, the rotor structures using intermediate parts, e.g. spiders
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    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49009—Dynamoelectric machine

Definitions

  • the present invention relates to a permanent magnet generator rotor for a gas turbine, a manufacturing method thereof, and a gas turbine.
  • a small gas turbine such as a micro gas turbine generally has a structure in which a generator, a compressor, and a turbine are arranged on the same rotating shaft rotor in the order described above. It is.
  • generators used in such gas turbines there are many permanent magnet generator rotors that have a permanent magnet rotating rotor.
  • Patent Document 1 discloses a generator rotor in which a cylindrical permanent magnet and a bearing portion are shrink-fitted and integrated by a nonmagnetic metal pipe.
  • Patent Document 3 discloses that the end of a shrink-fitted nonmagnetic metal pipe (holding body) is welded and fixed to the end of the permanent magnet rotor.
  • Patent Documents 2 and 3 disclose that a permanent magnet generator rotor, a compressor, and a turbine are arranged on the same axis and fixed together with a tie bolt and a nut so as to be integrated.
  • Patent Document 4 discloses the configuration of a permanent magnet generator rotor.
  • Patent Document 1 US Pat. No. 4,667,123
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-012256
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-232232
  • Patent Document 4 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2004-336917
  • Patent Document 3 discloses a micro gas turbine in which a generator rotor, a compressor, and a gas turbine are arranged coaxially in that order and joined together using tie bolts and nuts. ing.
  • the tie bolt also serves as the rotating shaft of the turbine, and a nut and a tie bolt are fastened at the shaft end.
  • a permanent magnet is generally a rare earth element. Since it is composed of a sintered body of magnet material mainly composed of element, it is not easy to obtain a relatively fragile and high degree of dimensional accuracy.
  • a non-magnetic cylindrical body is generally attached to form a magnetic path in the axial direction around the permanent magnet and to ensure the mechanical strength of the permanent magnet.
  • the non-magnetic cylindrical body is fixed by shrink fitting or the like. In this case, it is not easy to ensure magnetic and mechanical coupling between the permanent magnet and the rotor shaft that also has magnetic force. This is because, as described above, the permanent magnet is fragile and cannot be firmly pressure-bonded to the mouth shaft.
  • An object of the present invention is to fix the permanent magnet of a permanent magnet type generator rotor accurately, surely and simply, and to make the generator rotor, the compressor and the turbine easily integrated into one structure. It is to provide a gas turbine structure that can be used.
  • the present invention provides a first rotor shaft shaft end portion having a hollow portion through which a bolt penetrates at the shaft center, a second shaft end portion having a hollow portion and a bearing portion through which the bolt penetrates at the shaft center, A permanent magnet generator rotor sandwiched between the first and second shaft ends, the permanent magnet generator rotor being fixed between the first and second shaft ends;
  • the present invention provides a permanent magnet generator rotor having a permanent magnet held on the outer periphery of the magnetic cylindrical body and a nonmagnetic cylindrical body shrink-fitted on the outer periphery of the permanent magnet.
  • the present invention provides a gas turbine structure in which the rotor, the compressor and the turbine are coaxially arranged and integrated with each other by tie bolts and nuts.
  • the magnetic cylinder on the axial center side of the rotor, the permanent magnet mounted on the magnetic cylinder, and the coupling by shrink fitting between the magnetic cylinder and the rotor shaft ends on both sides are simple. And since it is performed reliably, the assembly of a rotor is easy.
  • FIG. 1 is a developed sectional view of a permanent magnet generator rotor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional view of a gas turbine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a partial sectional view of a gas turbine according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a gas bottle according to still another embodiment of the present invention. Explanation of symbols
  • a permanent magnet generator rotor having an end and a hollow portion of the generator and a bolt penetrating the magnetic cylindrical body.
  • the end of the magnetic cylindrical body is sandwiched between the first and second shaft end portions, and the first and second fittings are respectively formed on the first and second shaft end portions.
  • the permanent magnet generator rotor wherein the permanent magnet generator rotor is inserted into a joint hole.
  • a permanent magnet generator rotor having a non-magnetic cylindrical body shrink-fitted on the outer periphery of a permanent magnet fixed on the magnetic cylindrical body, a hollow portion having a bearing and a bolt passing through the shaft center
  • a first rotor shaft shaft end portion having a shaft, a hollow portion through which the bolt penetrates at the shaft center and a second shaft end portion having a bearing portion, and the first and second shaft end portions.
  • the first rotor shaft shaft end portion having a hollow portion through which a bolt penetrates at the shaft center
  • the second shaft end portion having a hollow portion through which the bolt penetrates in the shaft center and a bearing portion
  • 1st and 1st A permanent magnet generator rotor sandwiched between two shaft end portions, the permanent magnet generator rotor comprising: a magnetic cylinder fixed between the first and second shaft ends; and A permanent magnet held on the outer periphery, a nonmagnetic cylindrical body shrink-fitted on the outer periphery of the permanent magnet, a stator disposed on the outer periphery of the permanent magnet, and the first and second shaft ends and the generator
  • a permanent magnet generator rotor having a hollow portion and a bolt penetrating the magnetic cylindrical body, a compressor connected to the second shaft end, and a turbine connected to the compressor, A gas turbine having a bolt connecting the permanent magnet generator rotor, the compressor, and the turbine.
  • the permanent magnet is used in the form of a ring divided into a plurality of parts in the axial direction of the rotor.
  • the reason is that making a large permanent magnet reduces dimensional accuracy and impairs mechanical reliability. Therefore, by making the ring shape as described above, the above problem can be solved and the magnetic cylinder surface can be more closely adhered.
  • the permanent magnet in a gas turbine including a turbine, a compressor, and a permanent magnet generator rotor configured on the same axis as the turbine and the compressor, the permanent magnet
  • the generator consists of a ring-shaped permanent magnet sandwiched between a magnetic cylinder (magnetic metal pipe) located on the inner circumference side and a non-magnetic metal pipe located on the outer circumference side and divided in the axial direction.
  • the turbine, the compressor, and the permanent magnet generator are fastened by using bolts that are configured to penetrate the inside metal pipe.
  • the bolt may extend the rotating shaft of the turbine, pass through the hollow holes of the compressor and the generator rotor, and fasten with a nut at the end.
  • the ring-shaped permanent magnet is fitted into the inner peripheral pipe, and the outer peripheral pipe is fitted into the ring-shaped permanent magnet by shrink fitting or the like. Mechanical force to give is easy. Furthermore, since the ring-shaped permanent magnet is divided in the axial direction, it is possible to improve the accuracy of drilling the inner diameter of the permanent magnet to pass the inner pipe. Also, by providing an inner pipe on the inner diameter of the ring permanent magnet, the magnet can be protected during assembly by passing the bolt. In other words, it is possible to prevent the permanent magnet ring, which is weak when passing the bolt, from being damaged by contact with the bolt. In addition, the ring-shaped magnet can be protected from the impact when the bolt resonates, and the generator reliability can be improved.
  • FIG. 1 is a developed sectional view of a generator rotor for a gas turbine that is an embodiment of the present invention.
  • the first shaft end 30 has a bearing 96 and a front shaft 94.
  • the first shaft end portion 30 has a flange portion 75 on the generator rotor side. On the central axis side of the flange portion 75, there is a fitting hole 94a for inserting the end portion of the magnetic cylindrical body.
  • the second shaft end portion 50 has a portion having a restricting portion 80 on the generator rotor side, a large-diameter portion 70 adjacent thereto, a bearing portion 95, and a rear shaft 90.
  • the large-diameter portion 70 is for increasing the rigidity of the rotor shaft.
  • the large-diameter portion is preferably designed so as to be positioned approximately at the center of the axial length of the entire gas turbine when the generator rotor, the compressor and the turbine are coaxially arranged and integrated.
  • a fitting hole 90a into which the end 90a of the magnetic cylindrical body is inserted is formed in the second shaft end 50 facing the first shaft end 30.
  • the restricting portion 80 is for attaching one end of the non-magnetic cylindrical body 92 for bringing the permanent magnets 91a, 91b, 91c, 91d, 91e into close contact with the magnetic cylindrical body 93.
  • the non-magnetic cylindrical body can be shrink-fitted with high accuracy.
  • Permanent magnet generator rotor permanent magnet The generator rotor is configured by placing it in an appropriate relationship with the stator 60 corresponding to
  • This restricting portion plays an extremely important role in the shrink fitting operation of the nonmagnetic cylindrical body. In other words, the shrink-fitting operation can be easily and reliably performed by positioning the nonmagnetic cylindrical body using this restricting portion.
  • the first shaft end, the rotor, and the second shaft short portion are formed by tie bolts (not shown in FIG. 1) and nuts (not shown in FIG. 1) inserted along the central axis of the rotor.
  • the generator rotor is configured by fastening.
  • FIG. 2 is a gas turbine in which the generator rotor, the compressor, and the turbine shown in FIG. 1 are assembled.
  • FIG. 1 is a partial sectional view of 1.
  • the turbine rotor 1 is composed of a turbine 2, a compressor 4, a generator rotor 7 configured on the same axis as the turbine 1 and the compressor 2, and a tie bolt 3 is joined to the rotation center of the turbine 2.
  • the tie bolt 3 is passed through a through hole provided at the rotation center of the compressor 4 and the generator 7, the compressor 4 and the generator rotor 7 are stacked, and the end of the bolt 3 is Constructed by tightening.
  • the rear shaft 90 has a shim opening with one end of the inner peripheral side magnetic pipe 93, and is inserted and fixed in a fitting hole 90 a provided in the rear shaft 90.
  • Ring-shaped permanent magnets 91a, 91b, 9lc, 91d, 91e divided in the axial direction are fitted into the inner peripheral side magnetic pipe 93 with gaps in the axial direction. Further, the other end of the inner peripheral side magnetic pipe 93 is inserted into the fitting hole 94a of the front shaft 94 with the front shaft 94 having a certain opening.
  • the inner peripheral side magnetic pipe 93, the rear side shaft 90, the ring permanent magnets 91a, 91b, 91c, 91d, 91e, and the front side shaft 94 are integrated into one another by the outer peripheral side non-magnetic ring 92. They are fitted and integrated with a shim opening Y in the radial direction.
  • the squeegee port Y is used to increase the temperature of the outer non-magnetic ring 92, shrink fit, inner pipe 93, rear shaft 90, ring permanent magnet 9 la, 91b, 91c, 9 Id, 91e.
  • the shim opening Y has an inner peripheral magnetic pipe 93, a rear shaft 90, a ring permanent magnet 9 la, 91b, 91c, 9 Id, 91e, a front shaft 94,
  • the contact surfaces of the non-magnetic ring 92 on the side are not slid and the inner circumferential magnetic pipe 93, the rear shaft 90, the ring permanent magnets 91a, 91b, 91c, 91d, 91e are affected by the compressive load at the shimshi mouth. Therefore, the front shaft 94 and the outer non-magnetic ring 92 are set appropriately so as not to exceed the yield stress and fracture strength of the material.
  • the tie bolt 3 joined to the rotation center of the turbine 2 is passed through the hole provided in the rear shaft 90, the inner peripheral magnetic pipe 93, and the hole provided in the front shaft 94, and the compressor 4 is sandwiched between the generator 7 and the turbine 2, and the end of the bolt 3 is tightened with the nut 10 to assemble the turbine rotor 1.
  • the rear shaft 90 and the front shaft 94 have bearings 96, and the turbine rotor 1 can support its own weight with bearings 96.
  • a permanent magnet type generator is provided in a rotor constituted by a turbine, a compressor, and a permanent magnet generator configured on the same axis as the turbine and the compressor.
  • the electric machine, the turbine, and the compressor can be easily integrated.
  • the inner peripheral side magnetic pipe 93 is provided on the inner periphery of the ring-shaped permanent magnet, the bolt 3 is passed through to protect the magnet during assembly, and the bolt 3 is used when the turbine rotor is rotated up and down.
  • the ring-shaped magnets 91a, 91b, 91c, 91d, 91e can be protected from the impact at the time of resonance, and the reliability of the generator 7 can be improved.
  • the details of the method for manufacturing the turbine rotor 1 will be described with reference to FIG.
  • the rear shaft 90 is inserted into a fitting hole 90 a provided in the rear shaft 90 with a certain opening for the inner peripheral magnetic pipe 93.
  • This shimshi mouth is an interference fit, and the inner peripheral side magnetic pipe 93 is pushed in with a press, shrink fit, or cold fit.
  • the assembling port does not loosen when the generator 7 is assembled, and the accuracy of assembling the permanent magnet ring, which will be described later, can be improved. Can be set so that does not loosen.
  • ring-shaped permanent magnets 91a, 9lb, 91c, 91d, 91e divided in the axial direction are fitted into the inner peripheral side magnetic pipe 93 with a gap X between them.
  • This gap is half
  • the inner circumference of the ring-shaped permanent magnets 91a, 91b, 91c, 91d, 91e and the outer circumference of the inner circumference side magnetic pipe 93 are in contact with each other when the diameter gap is 20 m or less.
  • the machining accuracy of the gap X can be increased by dividing the permanent magnet of the generator 7 in the axial direction like the ring-shaped permanent magnets 91a, 91b, 91c, 91d, 91e.
  • the drilling length can be shortened, and the accuracy of drilling the inner circumference of the ring-shaped permanent magnets 91a, 91b, 91c, 91d, 91e can be improved.
  • a permanent magnet is a sintered material using rare earth elements as described in Patent Document 1 and is difficult to process as compared with metal. Therefore, in the present invention, the ring permanent magnets 91a, 91b, 91c are used.
  • 91d, 91e and the inner diameter of the magnetic pipe 93 on the inner diameter side are designed to cover the inner diameter. As a result, the machining accuracy of the gap X can be easily increased.
  • the inner peripheral side magnetic pipe 93 protruding from the inner diameter of the ring permanent magnet 91 a is inserted into the fitting hole 94 a of the front shaft 94 and fixed.
  • the inner peripheral side magnetic pipe 93 and the fitting hole 94a are provided with a tight fitting mouth. It is assumed that the inner circumferential side magnetic pipe 93 is inserted into the fitting hole 94a by using a pressing force, shrink fitting, and cold fitting. As a result, the assembling port does not loosen when the generator 7 is assembled, and the accuracy of assembling the permanent magnet ring, which will be described later, can be improved. Do not loosen torque transmission changes or shaft vibration unbalance!
  • the inner peripheral magnetic pipe 93, the rear shaft 90, the ring-shaped permanent magnets 91a, 91b, 91c, 9 Id, 91e, and the front shaft 94 are integrated, and the inner peripheral magnetic
  • the body pipe 93, the rear shaft 90, the ring permanent magnets 9 la, 91b, 91c, 9 Id, 91e, and the front shaft 94 are machined by a lathe or polishing, respectively, on the outer peripheral portions 90f, 91f, 94f.
  • the inner peripheral magnetic pipe 93, the rear shaft 90, the ring-shaped permanent magnets 91a, 91b, 91c, 91d, 91e, and the front shaft 94 are connected to a certain non-magnetic ring 92 by a certain opening Y.
  • the mechanical operation is performed with the inner peripheral magnetic pipe 93, the rear shaft 90, the ring permanent magnets 91a, 91b, 91c, 91d, 91e, and the front shaft 94 being integrated. This makes it possible to improve the machining accuracy of the shimishi mouth Y.
  • the bolt jig 97 and the nut 10 are attached.
  • the rear shaft 90, ring-shaped permanent magnets 91a, 91b, 91c, 91d, 91e, and front shaft 94 are tightened, and these axial contact surfaces are given surface pressure and are integrated. Also good.
  • the accuracy of machining by lathe and polishing of the outer peripheral surfaces 90f, 91f, 94f is increased, and the outer peripheral side non-magnetic pipe 92 Can be prevented from bending the rear shaft 90, the ring-shaped permanent magnets 91a, 91b, 91c, 91d, 91e, and the front shaft 94.
  • the rear shaft 90 and the front shaft 94 are made magnetic in the structure shown in FIG.
  • the leakage magnetic flux of the end force of the stationary coils 98, 9960 installed around the ring permanent magnets 91a, 91b, 91c, 91d, 91e can be attracted to the rear shaft 90 and the front shaft 94.
  • induction heating due to leakage magnetic flux is generated in the rear shaft 90 and the front shaft 94 to prevent induction heating in other parts.
  • the rear shaft 90 and the front shaft 94 have bearing portions 95 and 96, respectively, and heat generated by induction heating can be removed by the fluid circulating in the bearing portion.
  • the generator rotor is arranged in an appropriate positional relationship with the stator 60 and the outer casing (not shown).
  • the inner pipe is made of magnetic material, but in some cases it may be made non-magnetic.
  • the ring permanent magnet is fitted into the inner pipe and the outer pipe is fitted into the ring permanent magnet by shrink fitting or the like, so that the ring permanent magnet and the outer ring are squeezed. Therefore, mechanical force is easy.
  • the ring-shaped permanent magnet is divided in the axial direction, it is possible to improve the accuracy of drilling the inner circumference of the permanent magnet to pass the inner circumference ring.
  • the magnet can be protected during assembly by passing the bolt, and the ring magnet can be protected from the impact when the bolt resonates. The reliability of the generator can be increased.
  • the present invention is particularly applicable to small turbines such as micro gas turbines.

Abstract

　軸中心にボルトが貫通する中空部を有する第１のロータシャフト軸端部と、軸中心にボルトが貫通する中空部及び軸受部を有する第２の軸端部と、前記第１及び第２の軸端部に挟まれた永久磁石発電機ロータとを備え、前記永久磁石発電機ロータは、前記第１及び第２の軸端間に固定される磁性円筒体と、該磁性円筒体の外周に保持された永久磁石と、該永久磁石の外周に焼き嵌めされた非磁性円筒体及び前記永久磁石の外周に配置された固定子、及び前記第１、第２の軸端及び発電機の中空部及び前記磁性円筒体を貫通するボルトとを有する永久磁石発電機ロータ。

Description

明 細 書
ガスタービン用永久磁石発電機ロータ、その製造方法及びガスタービン 技術分野
[0001] 本発明は，ガスタービン用永久磁石発電機ロータ、その製造方法及びガスタービン に関する。
背景技術
[0002] マイクロガスタービンなどの小型ガスタービンでは，特許文献 2に開示されているよ うに、発電機，圧縮機，タービンが同一回転軸ロータ上に，前述の順に，配置される 構造が一般的である。このようなガスタービンに用いられる発電機としては，永久磁石 を回転するロータに有する，永久磁石型発電機ロータが多い。永久磁石型発電機口 ータとしては， 円柱状の永久磁石，軸受部を非磁性金属製パイプにより，焼き嵌めし ,一体化する発電機ロータが，特許文献 1に示されている。また、特許文献 3におい ては焼き嵌めした非磁性金属製パイプ (保持体)の端部を永久磁石ロータの端部に 溶接固定することを開示して 、る。
[0003] 特許文献 2、 3には、永久磁石発電機ロータ、圧縮機及びタービンを同軸上に配置 し、タイボルトとナットにより固定して一体ィ匕することが開示されている。また、特許文 献 4には、永久磁石発電機ロータの構成が開示されている。
[0004] 特許文献 1 :米国特許第 4, 667, 123号公報
特許文献 2 :特開 2001—012256号公報
特許文献 3：特開 2004— 232532号公報
特許文献 4：特開 2004 - 336917号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] 特許文献 3には発電機ロータ、圧縮機及びガスタービンを、その順序で同軸上に配 置して、タイボルト及びナットを用いて結合して一体ィ匕したマイクロガスタービンが開 示されている。タイボルトはタービンの回転軸を兼ねており、軸端において、ナットとタ ィボルトを締結する。永久磁石は、特許文献 1に記載されたように、一般に希土類元 素を主体とする磁石材料の焼結体で構成されるため、比較的脆ぐ高度な寸法精度 を出すことが容易でない。永久磁石をロータシャフトに固定する場合に、永久磁石の 回りに、軸方向に磁路を形成し、永久磁石の機械的強度を確保するため、非磁性の 円筒体を取り付けることが一般に行われるが、非磁性円筒体を焼き嵌め等により固定 することが多い。この場合、永久磁石と磁性体力もなるロータシャフトとの磁気的及び 機械的な結合を確保することが容易でない。前述のように、永久磁石は脆いため、口 ータシャフトに強固に圧着することができないからである。
[0006] 本発明の目的は，永久磁石型発電機ロータの永久磁石を正確、確実かつ簡単に 固定することであり、更に発電機ロータ、圧縮機及びタービンを容易に一体構造とす ることのできるガスタービン構造を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0007] 本発明は、軸中心にボルトが貫通する中空部を有する第 1のロータシャフト軸端部 と、軸中心にボルトが貫通する中空部及び軸受部を有する第 2の軸端部と、前記第 1 及び第 2の軸端部に挟まれた永久磁石発電機ロータとを備え、前記永久磁石発電機 ロータは、前記第 1及び第 2の軸端間に固定される磁性円筒体と、該磁性円筒体の 外周に保持された永久磁石と、該永久磁石の外周に焼き嵌めされた非磁性円筒体 を有する永久磁石発電機ロータを提供するものである。更に本発明は、上記ロータと 圧縮機及びタービンを同軸上に配置し、タイボルト及びナットにより一体ィ匕したガスタ 一ビン構造を提供するものである。
発明の効果
[0008] 本発明によれば、ロータの軸中心側にある磁性円筒体とその上に取り付けられた永 久磁石及び上記磁性円筒体とその両側にあるロータ軸端との焼き嵌めによる結合が 簡単かつ確実に行われるので、ロータの組み立てが容易である。
図面の簡単な説明
[0009] [図 1]本発明の実施例による永久磁石発電機ロータの展開断面図。
[図 2]本発明の実施例によるガスタービンの一部断面図。
[図 3]本発明の他の実施例によるガスタービンの一部断面図。
[図 4]本発明の更に他の施例によるガスビンの断面図。 符号の説明
[0010] 1 · · ·タービンロータ、 2· "タービン、 3· · ·タイボルト、 4· "圧縮機、 7· "発電機、 10· · ·ナ ッ卜、 90· · ·後側シャフト、 90a…嵌合穴、 91a, 91b, 91c, 91d, 91e…リング状永久 磁石、 92· · ·外周側非磁性体パイプ、 93· · ·内周側磁性体パイプ、 94…前側シャフト、 94a…嵌合穴、 96· · ·軸受部、 97· · ·ボルト治具、 98…非磁性リング。
発明を実施するための最良の形態
[0011] 本発明の代表的な実施形態の例をあげる。
[0012] ィ)軸中心にボルトが貫通する中空部を有する第 1のロータシャフト軸端部と、軸中 心にボルトが貫通する中空部及び軸受部を有する第 2の軸端部と、前記第 1及び第 2の軸端部に挟まれた永久磁石発電機ロータとを備え、前記永久磁石発電機ロータ は、前記第 1及び第 2の軸端間に固定される磁性円筒体と、該磁性円筒体の外周に 保持された永久磁石と、該永久磁石の外周に焼き嵌めされた非磁性円筒体及び前 記永久磁石の外周に配置された固定子、及び前記第 1、第 2の軸端及び発電機の 中空部及び前記磁性円筒体を貫通するボルトとを有する永久磁石発電機ロータ。
[0013] 口)前記磁性円筒体の端部は、第 1及び第 2の軸端部に挟まれ、前記第 1及び第 2 の軸端部のそれぞれに形成された第 1及び第 2の嵌合孔に挿入されたことを特徴と する前記永久磁石発電機ロータ。
[0014] ハ)前記第 2の軸端部は前記非磁性円筒体の一端を支持する規制部を有する前記 永久磁石発電機ロータ。
[0015] 二)前記第 2の軸端部は、前記軸受部と前記規制部との間に大径部を有する前記 永久磁石発電機ロータ。
[0016] ホ)磁性円筒体上に固定された永久磁石の外周に焼き嵌めされた非磁性円筒体を 備えた永久磁石発電機ロータと、軸受を有し、軸中心にボルトが貫通する中空部を 有する第 1のロータシャフト軸端部と、軸中心に前記ボルトが貫通する中空部及び軸 受部を有する第 2の軸端部と、前記第 1及び第 2の軸端部に挟まれた磁性円筒体を 貫通するボルトによって一体化する工程を含む永久磁石発電機ロータの製造方法。
[0017] へ)軸中心にボルトが貫通する中空部を有する第 1のロータシャフト軸端部と、軸中 心にボルトが貫通する中空部及び軸受部を有する第 2の軸端部と、前記第 1及び第 2の軸端部に挟まれた永久磁石発電機ロータとを備え、前記永久磁石発電機ロータ は、前記第 1及び第 2の軸端間に固定される磁性円筒体と、該磁性円筒体の外周に 保持された永久磁石と、該永久磁石の外周に焼き嵌めされた非磁性円筒体及び前 記永久磁石の外周に配置された固定子、及び前記第 1、第 2の軸端及び発電機の 中空部及び前記磁性円筒体を貫通するボルトとを有する永久磁石発電機ロータと、 前記第 2の軸端部に接続された圧縮機と、該圧縮機に接続されたタービンとを有し、 前記永久磁石発電機ロータと圧縮機とタービンを結合するボルトを有するガスタービ ン。
[0018] ト)前記磁性円筒体の端部は、第 1及び第 2の軸端部に挟まれ、前記第 1及び第 2 の軸端部のそれぞれに形成された第 1及び第 2の嵌合孔に挿入された前記ガスター ビン。
[0019] チ)前記第 2の軸端部は前記非磁性円筒体の一端を支持する規制部を有する前記 ガスタービン。
[0020] リ）前記第 2の軸端部は、前記軸受部と前記規制部との間に大径部を有する前記ガ スタービン。
[0021] ヌ)前記第 1及び第 2の軸端部が磁性体である前記ガスタービン。
[0022] 上記において、発電機ロータと上記永久磁石に対応して固定子を配置された構成 をとる。また、圧縮機及びタービンもそれぞれケーシング内に配置されることは言うま でもない。従って、本発明では、発電機ロータの固定子、圧縮機のケーシング及びタ 一ビンのケーシングは、特に必要でない限り省略して説明する。
[0023] また、永久磁石はロータに軸方向に複数個に分割したリング状にして用いるのが好 ましい。その理由は、大きな永久磁石を作ることは寸法精度を低下させ、また機械的 な信頼性を損ねる。そこで、上記のようなリング状にすることにより、上記の問題を解 決し、かつ上記磁性円筒体面により良く密着させることができる。
[0024] 本発明の一実施形態によれば、タービンと，圧縮機と，前記タービンと前記圧縮機 と同一軸上に構成される永久磁石発電機ロータを備えたガスタービンにおいて，前 記永久磁石発電機は，内周側に位置する磁性円筒体 (磁性金属パイプ)と外周側に 位置する非磁性金属パイプに挟み，かつ，軸方向に分割されたリング状永久磁石に より構成され，前記，内周側金属パイプ内を貫通するボルトを用いて，前記タービン， 圧縮機，永久磁石発電機を締結するのが好ましい。上記ボルトは、特許文献 4に示さ れるように、タービンの回転軸を延長して、圧縮機及び発電機ロータの中空孔を貫通 して、その端部でナットにより締結しても良い。
[0025] さらに，本発明によれば、内周パイプにリング状永久磁石を嵌め込み、外周パイプ を焼き嵌めなどにより，リング状永久磁石に嵌め込むので，リング状永久磁石と外周 パイプのシメシ口を与えるための機械力卩ェが容易である。さらに，リング状永久磁石が 軸方向に分割されているため，内周パイプを通すための，永久磁石の内径穴加工の 精度向上が可能である。また，リング永久磁石の内径に内周パイプを設けることによ り，前記ボルトを通す，組立時における磁石の保護が可能である。すなわち，ボルトを 通す際に強度の弱い永久磁石リングが，ボルトと接触して損傷することを防止するこ とができる。さらに，前記ボルトが共振した際の衝撃から，リング状磁石を保護すること ができ，発電機の信頼性を高めることができる。
[0026] 以下，本発明の実施形態を図面に従って説明する。
(実施例 1)
図 1は本発明の実施例であるガスタービン用発電機ロータの展開断面図である。図 において、第 1の軸端部 30は軸受 96及び前側シャフト 94を有する。第 1の軸端部 3 0は発電機ロータ側にフランジ部 75を有する。フランジ部 75の中心軸側には、磁性 円筒体の端部を挿入する嵌合孔 94aを有する。第 2の軸端部 50は発電機ロータ側 に規制部 80を有する部分とそれに隣接する大径部 70,軸受部 95及び後側シャフト 90を有する。大径部 70はロータシャフトの剛性を高めるためのものである。この大径 部は、発電機ロータ、圧縮機及びタービンを同軸上に配置し、一体ィ匕したときは、ガ スタービン全体の軸長の略中央に位置するように設計するのが好ましい。
[0027] 第 1の軸端部 30と対向する第 2の軸端部 50には、磁性円筒体の端部 90aを挿入す る嵌合孔 90aが形成される。
[0028] 規制部 80は、永久磁石 91a, 91b, 91c, 91d, 91eを磁性円筒体 93に密着するた めの非磁性円筒体 92の一端を付き合わせるためのものである。これによつて、非磁 性円筒体を精度良く焼き嵌めすることができる。永久磁石発電機ロータの永久磁石 に対応する固定子 60と適切な関係に配置することにより、発電機ロータが構成される
。この規制部は、非磁性円筒体の焼き嵌め作業において極めて重要な役割をする。 即ち、この規制部を利用して非磁性円筒体の位置決めをすることにより、焼き嵌め作 業を容易、かつ確実に実施することができる。
[0029] ロータの中心軸に沿つて挿入されたタイボルト（図 1には図示せず）とナット（図 1に は図示せず)とによって、第 1軸端部、ロータ及び第 2軸短部を締結することにより、発 電機ロータが構成される。
[0030] 図 2は、図 1に示した発電機ロータと圧縮機及びタービンを組み立てたガスタービン
1の一部断面図である。
[0031] タービンロータ 1は，タービン 2と圧縮機 4と前記タービン 1と前記圧縮機 2と同一軸 上に構成される発電機ロータ 7より構成され，前記タービン 2の回転中心にタイボルト 3が接合され，前記タイボルト 3を，前記圧縮機 4と前記発電機 7の回転中心に設けた 貫通孔を通し，前記圧縮機 4,発電機ロータ 7を積み重ね，前記ボルト 3の端部をナツ ト 10で締め付けることにより構成される。
[0032] 次に，発電機 7の構造について，組立の手順を説明する。発電機ロータ 7では，後 側シャフト 90に内周側磁性体パイプ 93の一端があるシメシ口を持って，後側シャフト 90に設けられた，嵌合穴 90aに挿入、固定されている。
[0033] 内周側磁性体パイプ 93には，軸方向に分割されたリング状永久磁石 91a, 91b, 9 lc, 91d, 91e力 軸方向にあるギャップをもって，嵌め込まれている。さらに，内周側 磁性体パイプ 93の他端は，前側シャフト 94が，あるシメシ口を持って，前側シャフト 9 4の嵌合孔 94aに挿入される。
[0034] 内周側磁性体パイプ 93,後側シャフト 90,リング永久磁石 91a, 91b, 91c, 91d, 91e,前側シャフト 94は，一体化された状態で，外周側非磁性体リング 92により，半 径方向にあるシメシ口 Yをもって，嵌合され一体化される。シメシ口 Yは，外周側非磁 性体リング 92の温度を上げる力、焼き嵌めや内周側磁性体パイプ 93,後側シャフト 9 0,リング永久磁石 9 la, 91b, 91c, 9 Id, 91e,前側シャフト 94の温度を低下させる 冷やし嵌めやあるいはその両方を用いる，冷やし焼き嵌めにより，与えることができる [0035] シメシ口 Yは，発電機ロータ 7に加わるトルクにより， 内周側磁性体パイプ 93,後側 シャフト 90,リング永久磁石 9 la, 91b, 91c, 9 Id, 91e,前側シャフト 94,外周側非 磁性体リング 92の各接触面が滑ることが無く，かつ，シメシ口による圧縮荷重より，内 周側磁性体パイプ 93,後側シャフト 90,リング永久磁石 91a, 91b, 91c, 91d, 91e ,前側シャフト 94,外周側非磁性体リング 92が，その材料の降伏応力や破壊強度を 越えな 、ように適切に設定する。
[0036] 次に，後側シャフト 90に設けられた穴，内周側磁性体パイプ 93,前側シャフト 94に 設けられた穴に，タービン 2の回転中心に接合されたタイボルト 3を通し，圧縮機 4を 発電機 7とタービン 2で挟み込み，前記ボルト 3の端部をナット 10で締め付けることに より，タービンロータ 1を組み立てる。なお，後側シャフト 90と前側シャフト 94は，ベア リング咅 96を有し，タービンロータ 1は，ベアリング咅 96で自重を支えること ができる。
[0037] 本発明の実施例によれば、タービンと，圧縮機と，前記タービンと前記圧縮機と同 一軸上に構成される永久磁石発電機カゝら構成されるロータにおいて，永久磁石型発 電機とタービンと圧縮機を容易に一体構造とすることができる。さらに，リング状永久 磁石の内周に内周側磁性体パイプ 93を設けているので，前記ボルト 3を通す，組立 時における磁石の保護や，前記ボルト 3がタービンロータの回転昇降速時において， 共振した際の衝撃から，リング状磁石 91a, 91b, 91c, 91d, 91eを保護することが でき，発電機 7の信頼性を高めることができる。
[0038] 図 3を用いて，タービンロータ 1の製作方法の詳細を示す。後側シャフト 90に，内周 側磁性体パイプ 93をあるシメシ口を持って，後側シャフト 90に設けられた，嵌合穴 90 aに差し込む。このシメシ口は，締まり嵌めとし，内周側磁性体パイプ 93をプレスで押 し込むか，焼き嵌め，冷やし嵌めを用いる。これにより，発電機 7の組立時にシメシ口 がゆるまず，後述する永久磁石リングの組立の精度を高めることができ，運転時にお ける，回転による遠心力と発電機 7に温度変化により，シメシ口が緩まないように設定 することができる。
[0039] 次に，内周側磁性体パイプ 93に，軸方向に分割された，リング状永久磁石 91a, 9 lb, 91c, 91d, 91eを，互いにあるギャップ Xをもって，嵌め込む。このギャップは半 径ギャップとして， 20 m以下とし，外周側非磁性パイプを嵌合した際に，リング状永 久磁石 91a, 91b, 91c, 91d, 91eの内周と内周側磁性体パイプ 93の外周が接触 する数値とする。本発明では，発電機 7の永久磁石を，リング状永久磁石 91a, 91b, 91c, 91d, 91eの様に軸方向に分割することにより，ギャップ Xの加工精度を高める ことができる。すなわち，軸方向に分割することにより，穴加工長さを短くすることがで き，リング状永久磁石 91a, 91b, 91c, 91d, 91eの内周穴加工の精度を高めること ができる。一般に，永久磁石は，特許文献 1に記載されたように希土類元素を用いた 焼結材料であり，加工が金属に比べて困難であるため，本発明では，リング永久磁 石 91a, 91b, 91c, 91d, 91eの内径寸法に， 内周側磁性体パイプ 93の外径寸法を 合わせてカ卩ェできる構造とした。これにより，容易にギャップ Xの加工精度を高めるこ とがでさる。
[0040] 次に，リング永久磁石 91aの内径より突き出た， 内周側磁性体パイプ 93を前側シャ フト 94の嵌合穴 94aに差し込み固定する。内周側磁性体パイプ 93と嵌合穴 94aには ,締まり嵌めのシメシ口を持たせる。内周側磁性体パイプ 93をプレスで押し込む力， 焼き嵌め，冷やし嵌めを用いて，嵌合穴 94aに差し込むものとする。これにより，発電 機 7の組立時にシメシ口がゆるまず，後述する永久磁石リングの組立の精度を高める ことができ，運転時における，回転による遠心力と発電機 7に温度変化により，シメシ 口がゆるまず，トルク伝達変化や軸振動アンバランスを発生させることがな!、。
[0041] 次に，内周側磁性体パイプ 93,後側シャフト 90,リング状永久磁石 91a, 91b, 91c , 9 Id, 91e,前側シャフト 94は，一体化された状態で， 内周側磁性体パイプ 93,後 側シャフト 90,リング永久磁石 9 la, 91b, 91c, 9 Id, 91e,前側シャフト 94のそれぞ れ外周部 90f, 91f, 94fを旋盤や研磨により機械加工する。次に，内周側磁性体パ ィプ 93,後側シャフト 90,リング状永久磁石 91a, 91b, 91c, 91d, 91e,前側シャフ ト 94を外周側非磁性体リング 92により，あるシメシ口 Yをもって，嵌合され一体化する 。本発明の上記実施例によれば，内周側磁性体パイプ 93,後側シャフト 90,リング 永久磁石 91a, 91b, 91c, 91d, 91e,前側シャフト 94を一体化した状態で，機械加 ェができるので，シメシ口 Yの加工精度を向上することができる。
[0042] 機械力卩ェゃ焼き嵌めをする際においては，本発明では，ボルト治具 97とナット 10を 用いて，後側シャフト 90,リング状永久磁石 91a, 91b, 91c, 91d, 91e,前側シャフ ト 94を締め上げ，これらの軸方向接触面に面圧を持たせ，一体化した状態で行って もよい。各軸方向接触面の直角度と面粗さを適切に設定することにより，外周面 90f, 91f, 94fの旋盤，研磨による機械加工の精度が高まり，さらに，外周側非磁性体パ ィプ 92を嵌合する際に，後側シャフト 90,リング状永久磁石 91a, 91b, 91c, 91d, 91e,前側シャフト 94の曲りを防止することができる。
[0043] 図 4に示した実施例は，図 2に示した構造において，後側シャフト 90と前側シャフト 94を磁'性体とした。これにより，リング永久磁石 91a, 91b, 91c, 91d, 91eの周りに 設置される静止体コイル 98, 9960の端部力もの漏れ磁束を後側シャフト 90と前側シ ャフト 94に引きつけることができ，漏れ磁束による誘導加熱を防止する。すなわち，後 側シャフト 90と前側シャフト 94に漏れ磁束による誘導加熱を発生させ，他の部位の 誘導加熱を防止する。後側シャフト 90と前側シャフト 94は，それぞれ，軸受部 95, 9 6を有しており，軸受部に循環する流体により，誘導加熱により発生した熱を取り除く ことができる。なお、発電機ロータは、固定子 60及びその外周のケーシング（図示せ ず)と適切な位置関係に配置される。
[0044] 図 4では，リング永久磁石 91a, 91b, 91c, 91d, 91eの前後に非磁性体リング 98 , 99を設けることにより，リング永久磁石 91a, 91b, 91c, 91d, 91e力らの磁束漏れ を防止することができ，発電機効率を高めることができる。図 1、 2に示した実施例に おいては，内周側パイプを磁性体としたが，場合によってはこれを非磁性としてもよ い。
[0045] さらに，本発明の実施例では，内周パイプにリング永久磁石をはめこみ，外周パイ プを焼き嵌めなどにより，リング永久磁石に嵌め込むので，リング永久磁石と外周リン グのシメシロを与えるための機械力卩ェが容易である。さらに，リング状永久磁石が軸 方向に分割されているため，内周リングを通すための，永久磁石の内周穴加工の精 度向上が可能である。また，リング永久磁石の内周に内周パイプを設けることにより， 前記ボルトを通す，組立時の磁石の保護や，前記ボルトが共振した際の衝撃から，リ ング磁石を保護することができ，発電機の信頼性を高めることができる。
産業上の利用可能性 [0046] 本発明は、特にマイクロガスタービンなどの小型タービンに適用できる。

Claims

請求の範囲
[1] 軸中心にボルトが貫通する中空部を有する第 1のロータシャフト軸端部と、軸中心 にボルトが貫通する中空部及び軸受部を有する第 2の軸端部と、前記第 1及び第 2の 軸端部に挟まれた永久磁石発電機ロータとを備え、前記永久磁石発電機ロータは、 前記第 1及び第 2の軸端間に固定される磁性円筒体と、該磁性円筒体の外周に保持 された永久磁石と、該永久磁石の外周に焼き嵌めされた非磁性円筒体及び前記永 久磁石の外周に配置された固定子、及び前記第 1、第 2の軸端及び発電機の中空 部及び前記磁性円筒体を貫通するボルトとを有することを特徴とする永久磁石発電 機ロータ。
[2] 前記磁性円筒体の端部は、第 1及び第 2の軸端部に挟まれ、前記第 1及び第 2の 軸端部のそれぞれに形成された第 1及び第 2の嵌合孔に挿入されたことを特徴とす る請求項 1記載の永久磁石発電機ロータ。
[3] 前記第 2の軸端部は前記非磁性円筒体の一端を支持する規制部を有することを特 徴とする請求項 1記載の永久磁石発電機ロータ。
[4] 前記第 2の軸端部は、前記軸受部と前記規制部との間に大径部を有することを特 徴とする請求項 3記載の永久磁石発電機ロータ。
[5] 磁性円筒体上に固定された永久磁石の外周に焼き嵌めされた非磁性円筒体を備 えた永久磁石発電機ロータと、軸受部有し、軸中心にボルトが貫通する中空部を有 する第 1のロータシャフト軸端部と、軸中心に前記ボルトが貫通する中空部及び軸受 部を有する第 2の軸端部と、前記第 1及び第 2の軸端部に挟まれた磁性円筒体を貫 通するボルトによって一体化する工程を含むことを特徴とする永久磁石発電機ロータ の製造方法。
[6] 軸中心にボルトが貫通する中空部を有する第 1のロータシャフト軸端部と、軸中心 にボルトが貫通する中空部及び軸受部を有する第 2の軸端部と、前記第 1及び第 2の 軸端部に挟まれた永久磁石発電機ロータとを備え、前記永久磁石発電機ロータは、 前記第 1及び第 2の軸端間に固定される磁性円筒体と、該磁性円筒体の外周に保持 された永久磁石と、該永久磁石の外周に焼き嵌めされた非磁性円筒体及び前記永 久磁石の外周に配置された固定子、及び前記第 1、第 2の軸端及び発電機の中空 部及び前記磁性円筒体を貫通するボルトとを有する永久磁石発電機ロータと、前記 第 2の軸端部に接続された圧縮機と、該圧縮機に接続されたタービンとを有し、前記 永久磁石発電機ロータと圧縮機とタービンを結合するボルトを有することを特徴とす るガスタービン。
[7] 前記磁性円筒体の端部は、第 1及び第 2の軸端部に挟まれ、前記第 1及び第 2の 軸端部のそれぞれに形成された第 1及び第 2の嵌合孔に挿入されたことを特徴とす る請求項 6記載のガスタービン。
[8] 前記第 2の軸端部は前記非磁性円筒体の一端を支持する規制部を有することを特 徴とする請求項 6記載のガスタービン。
[9] 前記第 2の軸端部は、前記軸受部と前記規制部との間に大径部を有することを特 徴とする請求項 8記載のガスタービン。
[10] 前記第 1及び第 2の軸端部が磁性体であることを特徴と請求項 6に記載のガスター ビン。
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