JPH0236340B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はロータ装置の製造方法に関する。

この種の方法によつて形成されるロータ装置は
高出力および高速度で使用する発電機に用いられ
るが、発電機はその重量および溶積がある限界値
に制限されるため、良好なロータ装置が求められ
る。当該発電機のロータ装置においては磁性材料
で作られたシヤフトは希土類元素材料で作られた
複数の永久磁石が装着される。この場合シヤフト
の外周面には多数の平坦面が具備されこの平坦面
に永久磁石が当接せしめられることになるが、か
かるロータ装置において本発明を有効に適用でき
る。

（従来の技術） 通常ロータ装置の製造においてはアルミニウム
等の非磁性材料で作られたスペーサがシヤフトの
外周面の永久磁石間に配設され、同様に非磁性材
料で作られたリングがシヤフトの両端部に環状の
永久磁石およびスペーサに対し軸方向に隣接して
配設される。またロータ装置の高速回転中永久磁
石が半径方向外側へ移動されることを抑止するよ
うに非磁性材料で作られた外部スリーブが永久磁
石、スペーサおよびリングの上に焼嵌めにより周
設される。

当該ロータ装置は相対的に低速の発電機に適用
できるが、極めて高速かつ高い出力が要求される
発電機に適用するには各種の問題があつた。第１
にこの種のロータ装置にあつては回転動作時に熱
を発生するが、スペーサとリングを用いて形成す
る上述のロータ装置では部品点数が多く、実際上
各部品間の熱伝導特性を均等にすることは困難で
あるため、ロータ装置内の熱が上昇して希土類材
料で形成される永久磁石が損傷を受ける危惧があ
つた。またスペーサおよびリングを加工し永久磁
石に対し緊密に嵌合させることは高い加工精度が
要求されるので至難であり、一方ロータ装置のリ
ングおよびスペーサが正確に嵌合してない場合各
部材が相対移動されてしまうからロータ装置を高
速で安定回転できない問題があつた。

更にこのロータ装置にあつては、ロータ装置の
剛性が低く且シヤフトの剛性も低いため、不都合
な振動を生ずることなく回転できる最高速度、す
なわちたわみ臨界速度が低くなり、極めて高速で
動作が要求される場合、所定の仕様値で作動し得
ず、製品の歩溜りが悪くなり、延いては製造コス
トが高くなり勝ちであつた。

一方高出力、高速で回転可能なロータ装置の製
造方法が、本件出願人の先行発明、米国特許出願
第515331号（特開昭60−35939号公報参照）にお
いて提案されている。当該ロータ装置にあつては
鋼製のシヤフトに非磁性材料、好ましくはアルミ
ニウムを鋳造して永久磁石用のポケツトを形成
し、このポケツトに永久磁石を嵌着し機械加工を
施した後非磁性材の外部スリーブを焼き嵌めせし
めている。

このロータ装置においては剛性特性が大巾に改
善され、またたわみ臨界速度が増大されて動的な
バランス性が改良され、故障も低減される。且リ
ングおよびスペーサが不要となるので、これに伴
なう高精度の加工も必要がなくなる。更に機械加
工する必要のある部分が少なくなり、ロータ装置
の製造費を低下できる。

（発明が解決しようとする問題点） このロータ装置の製造方法によればロータ装置
の剛性特性が向上され得るが、製造工程が充分に
簡単化されてはいなかつた。また相対的に長手の
ロータ装置を得るにはロータ装置の剛性特性を更
に向上する必要があつた。即ち概して発電機の出
力はロータ装置の長さに正比例するので、出力を
増加するにはロータ装置を長手にすることが好ま
しいが、一方では同一直径および同一特性のロー
タ装置の場合、ロータ装置が長くなるとたわみ臨
界速度が減少するから、この制限を受けることに
なり、出力の増大に結び付かず出力および動作速
度の両方を最大にするには（すなわち出力を最大
にするには）、上記のアルミニウム鋳造法に比べ
優れた方法でロータ装置の剛性特性を更に向上す
る必要があつた。

一方ロータ装置の剛性特性を向上させると共に
アルミニウム鋳造成形法による利点も併有するこ
とが望ましく、例えば、一装置当りの全体の製造
費を低減するため部品の加工数を最小限にする必
要がある。また部品数も最小限に押えてスペーサ
およびリングを用いることなく、ロータ体に永久
磁石を確実且緊密に嵌合させることにより熱上昇
を最小限に押える必要がある。加えて、ロータ装
置を用いた発電機の出力および回転速度を共に高
くできると共に小型化を実現し得、且低廉に製造
され、また製品の歩溜まりを高める必要がある。

（問題点を解決するための手段） 本発明によれば、鋼製の内部シリンダを非磁性
製の外部シリンダに密着して嵌合し、熱間平衡プ
レス接着法（HIP法）による非溶融法で接着し、
次に互いに接着された内部および外部シリンダの
両端部を平坦に加工し、この加工面に摩擦溶接、
慣性溶接により一組の円筒状の端部材を接着し、
次いで両端部に端部材が接着された内部および外
部シリンダでなるシリンダ装置の外部シリンダに
永久磁石を保持するポケツトを加工し、このとき
ポケツトの底面を内部シリンダの外周面にし、ポ
ケツトに永久磁石を密着して嵌合せしめ良好な熱
伝導特性を与えるべく加工し、この永久磁石を希
土類元素材料で作り、内部シリンダと接触するよ
うにポケツト内に装着し、シリンダ装置に永久磁
石を嵌着して得たロータ体の外面を均一な円筒面
として加工しロータ体の両端部を所望の形状に加
工した上、非磁性の外部スリーブに好ましくは外
部スリーブを加熱し焼き嵌めして装着する製造方
法によつて、上記の目的が達成される。

（作用） 本発明においては特にHIP法および慣性溶接法
を用いることにより、ロータ装置を極めて強固に
し得剛性特性も優れ、たわみ臨界速度が大巾に増
大され、アルミニウム鋳造によるロータ装置に比
べ動的バランス性が向上され、且アルミニウム鋳
造工程を不要にするからロータ装置製造時の労力
を低減し装置を大巾に簡単化でき製造費を低減で
きる等々の作用を奏する。

（実施例） 本発明によるロータ装置はアルミニウムを鋳造
して得られるようなロータ装置と同様に永久磁石
が非磁性部材を介在させて支承可能に設けられる
と共に永久磁石上に磁性材料で作られた内部コア
を具備するように構成される。即ち第１図を参照
するに本発明によるロータ装置には鋼のような磁
性材料で作られた内部シリンダ１０を準備し、こ
の内部シリンダ１０を高い非磁性を示す材料、例
えばインコネル（Inconel）材、好ましくはイン
コネル718（Inconel718）材で作られた外部シリン
ダ２０内に挿入する。この場合、内部シリンダ１
０と外部シリンダ２０とが好適に嵌合されるよう
に、内部シリンダ１０の外径を外部シリンダ２０
の内径と高精度に合致せしめる。外部および内部
シリンダ２０，１０間の間隙は0.001〜0.0015イ
ンチ（約0.025〜約0.038mm）の範囲にすることが
好適であることが判明している。また内部シリン
ダ１０を外部シリンダ２０内に挿入する前には内
部および外部シリンダ１０，２０の接合面上に酸
化物、酸化膜等の異物が存在しないように完全な
状態に維持する。次に第１の端板３０を内部およ
び外部シリンダ１０，２０の組立体（以下単に
“シリンダ装置”という）の一端部に接着する。
この場合第１の端板３０は平坦なワツシヤ態様に
設けられ、端板３０により内部および外部シリン
ダ１０，２０の接合部の一端部を完全に遮閉す
る。次に端板３０は内部および外部シリンダ１
０，２０に対しその一端部を密封すべく、好まし
くは溶接により接着する。

一方ピンチ管３６の挿入用の孔３４を具備する
点を除いて第１の端板３０と同一の第２の端板３
２を、シリンダ装置の他端部に接着する。この場
合予め第２の端板３２にピンチ管３６をろう付け
等の好適な手段により固着する。当該第２の端板
３２によりシリンダ装置の他端部において内部お
よび外部シリンダ１０，２０の接合部がピンチ管
３６の固着部分を除き遮閉される。このときピン
チ管３６の一部は端板３２内に位置しており、且
内部および外部シリンダ１０，２０の接合部と連
通する。この第２の端板３２は内部および外部シ
リンダ１０，２０に対し好ましくは溶接されシリ
ンダ１０，２０の接合部の他端部が密封されるこ
とになる。

上述の構成によりシリンダ装置の接合部のピン
チ管３６以外の部分を完全に密封し得ることは理
解されよう。ピンチ管３６は好適な真空ポンプ装
置と接続し、シリンダ装置の接合部に存在する空
気を完全に除去した真空状態にした後潰す。この
段階で内部および外部シリンダ１０，２０の非溶
融態様の溶接作業の準備が完了することになる。
内部および外部シリンダ１０，２０間の溶接には
熱間平衡加圧接着法（以下HIP法と云う）による
ことが好ましく、この場合高圧力を、外部シリン
ダ２０に対しては半径方向内向きに、また内部シ
リンダ１０に対しては半径方向外向きに加え、且
内部および外部シリンンダ１０，２０を共に高温
に加熱する。HIP法は一種の（金属）拡散溶接法
であり、通常内部に高圧アルゴンガスを充填した
オートクレーブ内で実行する。このとき内部およ
び外部シリンダ１０，２０に対し圧力15000psi
（約1055Kg／cm²）、温度1800〓（約982℃）を加え
ることが好ましい。

接着後シリンダ装置の両端部を平坦に機械加工
する。即ち、シリンダ装置の両端部に固着した端
板３０，３２並びに端板３０，３２と内部および
外部シリンダ１０，２０との溶接部を除去する。
この機械加工時には、シリンダ装置の各端部を高
度に平坦にせしめる。

次いで第２図に示す如くシリンダ装置の各端面
に中空円筒状の２個の端部材４０，４２を固着す
る。この端部材４０，４２は非磁性材、好ましく
はインコネル718で作成し、外径を外部シリンダ
２０の外径と等しく、且内径を内部シリンダ１０
の内径と等しく設ける。シリンダ装置の両端部に
対し緊密に接着するように端部材４０，４２の、
シリンダ装置と対面する端部も又高度に平坦に機
械加工する。

端部材４０，４２とシリンダ装置との接合は、
摩擦溶接法又は慣性溶接法等の他の非溶融接着法
が採られる。摩擦溶接法による場合、端部材並び
にシリンダ装置に加圧力を加え、両者を相対回転
したとき、端部材とシリンダ装置との接合面に生
じる熱を両者の接着に利用する。端部材４０は摩
擦溶接法によりシリンダ装置の一端部に、端部材
４２は慣性溶接法によりシリンダ装置の他端部に
接着することが好ましい。

次工程において第３図に示すように、シリンダ
装置の両端部に端部材４０，４２を固着した組立
体でなるロータ体５０に通常フライス加工によつ
てポケツト６０を形成し、且必要に応じて各端部
材４０，４２の軸方向外側部を細径にする。この
場合ポケツト６０を外部シリンダ２０の厚さに相
当する深さまで加工し、ポケツト６０の最内端面
が磁性材料で作られた内部シリンダ１０の外周面
となるように形成する。このポケツト６０内に永
久磁石７０を嵌入し、永久磁石７０を磁性材料で
なる内部シリンダ１０の全長に亘つて接触せしめ
る。この場合ポケツト６０並びに永久磁石７０の
数は組み立てる装置の種類に応じて適宜増減し
得、ロータ体５０に対し装着する永久磁石７０の
数即ち磁極数を変え得る。第３図には磁極数が４
極の例を示してある。永久磁石７０は通常サマリ
ウム・コバルトあるいはネオジウム・鉄のような
希土類元素材料で作成し、必要ならばポケツト６
０並びに永久磁石７０の寸法精度を高くとること
により接着剤を使用することなくポケツト６０内
に装着し得るが、ロクタイト（Loctite）のよう
な高温液体接着剤を使用してポケツト６０に嵌着
することが好ましい。ポケツト６０を高精度に加
工し永久磁石７０をポケツト６０内に緊密に嵌着
することにより優れた伝熱特性が得られることは
理解されよう。

ロータ体５０に永久磁石７０を装着した後、ロ
ータ体５０の表面を所望の最終寸法に加工する
（第４図参照）。即ち通常永久磁石７０は、第３図
に示すようにポケツト６０内に装着する際にロー
タ体５０の表面から僅かに突出するような寸法に
設け最終的に加工して、永久磁石７０、外部シリ
ンダ２０並びに端部材４０，４２の各表面を面一
にする。また永久磁石７０の表面加工によりロー
タ体５０の全表面を高精度に滑らかにし、外部ス
リーブ８０の取付準備を完了する。

これによりロータ体５０は外部スリーブ８０内
に円滑に嵌入される。外部スリーブ８０は非磁性
材料、好ましくはインコネル718で作り、外部ス
リーブ８０の厚さを永久磁石７０とステータ（図
示せず）との間隙が最小限になるように、通常
0.04〜0.28インチ（約1.016〜約7.112mm）にする。
また外部スリーブの厚さは、ロータ体５０の直
径、本ロータ装置の回転速度、ロータ体５０に加
わる遠心力等に応じて決定し得る。

外部スリーブ８０をロータ体５０に対し緊密に
締りばめする。この場合、ロータ体５０をドライ
アイス内に置き、一方外部スリーブ８０を加熱
し、次にロータ体５０を外部スリーブ８０内に迅
速に挿入することが好ましい。次いで永久磁石７
０が熱によつて損傷を来たさないようロータ体５
０を嵌入した外部スリーブ８０に水をかけて急冷
する。ロータ体５０および外部スリーブ８０の組
立体でなるロータ装置はロータ装置に大径の穴
（図示せず）を具備させることによりバランス調
整し得る。外部スリーブ８０とロータ体５０とを
溶接法によることなく緊密に締りばめすることが
できるが、使用条件によつてはバランス調整作業
を行なう前に外部スリーブ８０とロータ体５０と
を溶接してもよい。

更に第５図を参照するに本発明の他の実施例に
おいては、圧力を加え外部スリーブ１１０を僅か
に拡大せしめて外部スリーブ１１０内にロータ体
５０を挿入せしめる。更に詳述するに、本実施例
に用いるハウジング１２０は一端部が開口されて
いて外部スリーブ１１０を受容可能に設けられ、
且内部に一体にタブ１２２，１２４が突設されて
おり、また外部スリーブ１１０は両端部の直径が
中間部の直径より僅かに大にされている。しかし
て外部スリーブ１１０をハウジング１２０内に挿
入しタブ１２２，１２４に係止して位置決めす
る。外部スリーブ１１０の中間部に対面するハウ
ジング１２０の内壁部は環形のくぼみ部１３０と
して形成し、このくぼみ部１３０内には流体圧が
加えられないように設け、且抽気する。従つてハ
ウジング１２０の内部に入口部１３２から圧縮流
体を導入したとき、外部スリーブ１１０を外側へ
僅かに拡大して外部スリーブ１１０の内径を僅か
に増大せしめる。

ロータ体５０は、ハウジング１２０を貫通して
延び一体プレート１４２を具備した流体圧ラム１
４０に装着し、この流体圧ラム１４０によりロー
タ体５０を外部スリーブ１１０内に強制挿入す
る。ハウジング１２０の開口端部に流体圧ラム１
４０を貫通させる開口部を有したカバー１５０を
螺結して密封閉鎖する。

従つて流体圧をハウジング１２０内に導入し
て、外部スリーブ１１０を半径方向外側へ拡大さ
せるに伴い、流体圧ラム１４０によりロータ体５
０を外部スリーブ１１０内に嵌入し、ロータ体５
０を外部スリーブ１１０に合致せしめて所定位置
に位置決めする。この位置決め作業中、ハウジン
グ１２０内に具備された流路１６４を介して、外
部スリーブ１１０の両端部における流体圧を等し
く保ち、外部スリーブ１１０の内部に均等に流体
圧を加える。

本実施例によれば外部スリーブを加熱する必要
がなく、外部スリーブ１１０内にロータ体５０を
挿入する際永久磁石７０が熱により損傷される危
惧が全く無い。

（発明の効果） 上述の如く製造せしめた本発明によるロータ装
置においては、従来のアルミニウム鋳造によるロ
ータ装置に比べ、優れた剛性特性を示すから、回
転動作時の許容限界速度を顕著に高め得、且故障
を招くような動的なアンバランスを解消して良好
な回転特性を保証でき、また高い剛性特性を持つ
ことにより、剛性特性の低いアルミニウム鋳造に
よる場合に比べ長手のロータ装置が得られるため
同一速度での定格値を高く設定できる。

更に本発明によるロータ装置を用いた発電機は
従来のアルミニウム鋳造のロータ装置（リングと
スペーサを用いるロータ装置よりは効率がよい
が）を用いる発電機に比べ少なくとも50％以上出
力を増大できる。またアルミニウム鋳造によるロ
ータ装置のようなアルミニウム鋳造工程が不要と
なるから、低廉に製造可能となる等々の効果を達
成する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるロータの製造方法の一工
程における断面図、第２図は同方法における別の
工程における断面図、第３図は第２図に示す工程
における分解斜視図、第４図は同方法の更に別の
工程における分解斜視図、第５図は本発明の他の
実施例の製造方法の一工程の断面図である。 １０……内部シリンダ、２０……外部シリン
ダ、３０，３２……端板、３４……孔、３６……
ピンチ管、４０，４２……端部材、５０……ロー
タ体、６０……ポケツト、７０……永久磁石、８
０……外部スリーブ、１１０……外部スリーブ、
１２０……ハウジング、１２２，１２４……タ
ブ、１３０……くぼみ部、１３２……入口部、１
４０……流体圧ラム、１４２……一体プレート、
１５０……カバー、１６０，１６２……密封部
材、１６４……流路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 磁性材料で作られた内部シリンダの外面に対
   し非磁性材料で作られた中空の外部シリンダの内
   面を熱間平衡プレス接着法により接着し、シリン
   ダ装置を得る第１の接着工程と、シリンダ装置の
   一端部に対し非磁性材料で作られた第１の端部材
   を慣性溶接法により接着する第２の接着工程と、
   シリンダ装置の他端部に対し非磁性材料で作られ
   た第２の端部材を慣性溶接法により接着する第３
   の接着工程と、外部シリンダの厚さに相応する深
   さだけ加工して複数の永久磁石を受容する複数の
   ポケツトを作り内部シリンダの外面を各ポケツト
   の底面として露出させる加工工程と、複数の永久
   磁石を複数のポケツト内に内部シリンダと接触さ
   せた状態で装着する装着工程と、非磁性材料で作
   られた円筒状スリーブを永久磁石および外部シリ
   ンダの永久磁石間の部分上に対し囲繞する囲繞工
   程とを包有してなるロータ装置の製造方法。 ２ 内部シリンダの外径を外部シリンダの内径よ
   り0.001〜0.0015インチ（約0.025〜約0.038mm）小
   にしてなる特許請求の範囲第１項記載の製造方
   法。 ３ 第１から第３の接着工程には、外部シリンダ
   内に内部シリンダを挿入する工程と、内部および
   外部シリンダ間の接合部を密封し減圧状態にする
   密封工程と、高圧および高熱を与え内部シリンダ
   を外部シリンダに対し非溶融状態で接着する非溶
   融接着工程とを含んでなる特許請求の範囲第１項
   記載の製造方法。 ４ 密封工程には、接着された内部および外部シ
   リンダの一端部に対し密封させて平坦なワツシヤ
   状の第１の端部材を接着する工程と、接着された
   内部および外部シリンダの他端部に対し密封させ
   て平坦なワツシヤ状の第２の端部材を接着する工
   程と、第２の端部材内を貫通し且内部および外部
   シリンダ間の接合部と連通するピンチ管を設ける
   工程と、ピンチ管を介し接合部を減圧状態にして
   ピンチ管を遮閉する工程とを含んでなる特許請求
   の範囲第３項記載の製造方法。 ５ 第１の接着工程後のシリンダ装置の両端部を
   平坦に加工して第１と第２の端部、ピンチ管、お
   よび内部と外部のシリンダと第１と第２の端部と
   の接着に使用された接着材を除去する工程を包有
   されてなる特許請求の範囲第４項記載の製造方
   法。 ６ 非溶融接着工程をオートクレーブ内で行な
   い、高圧力をオートクレーブ内に充満した高圧ガ
   スにより与えてなる特許請求の範囲第３項記載の
   製造方法。 ７ 加工工程をシリンダ装置内にフライス加工に
   よりポケツトを作り永久磁石をポケツト内に密着
   嵌入することにより実行してなる特許請求の範囲
   第１項記載の製造方法。 ８ 加工工程には内部シリンダの一部を除去しポ
   ケツトの底面を平坦にする工程を含んでなる特許
   請求の範囲第１項記載の製造方法。 ９ 装着工程にはポケツト内に永久磁石を保持す
   る接着剤を使用してなる特許請求の範囲第１項記
   載の製造方法。 １０ 永久磁石の装着後且円筒スリーブの取付前
   に円筒スリーブを受容可能にロータの外周面を円
   滑な円周面に加工する工程を含んでなる特許請求
   の範囲第１項記載の製造方法。 １１ 永久磁石をサマリアム・コバルト又はネオ
   ジム・鉄で作つてなる特許請求の範囲第１項記載
   の製造方法。 １２ 非磁性材料はインコネル718である特許請
   求の範囲第１項記載の製造方法。 １３ 囲繞工程後にロータのバランス調整を行な
   う工程を含んでなる特許請求の範囲第１項記載の
   製造方法。 １４ 囲繞工程には、シリンダ装置、永久磁石お
   よび第１と第２の端部材からなるロータ体を冷却
   する工程と、スリーブを加熱し冷却されたシリン
   ダ装置、永久磁石および第１と第２の端部材から
   なるロータ体をスリーブ内に挿入する工程とを含
   んでなる特許請求の範囲第１項記載の製造方法。 １５ 囲繞工程には、スリーブの内部に流体圧を
   加え、スリーブを半径方向外側へ拡大する工程
   と、ロータ体をスリーブ内に挿入する工程とを含
   んでなる特許請求の範囲第１項記載の製造方法。