专利名称：发电机转子的结构与该转子的制造方法
技术领域：
本发明是关于一种发电机转子结构的发明，这种发电机由装在旋转轴上的永磁合金构成的转子与配置于该转子外周的定子构成，本发明还是关于该转子的制造方法的发明。
历来，随着永磁合金性能的提高，将永磁合金用作发电机转子的机会也不断增多。用永磁合金做转子的发电机、电动机，因其具有效率高、结构简单等特征，最近被广泛应用于工业机械。
历来的发电机、电动机的转子，随着电压与电流的增加，其转速随之加快，转子上会产生很大的离心力，所以要求其能耐该离心力。因此，在构成转子的永磁合金外周用加强环予以加强，以这样的结构使转子可耐离心力。
已知的用永磁合金做转子的发电机有，例如，日本实开平2-146975号公报所公开的小型发电机，日本特开平7-236260号公报所公开的大功率交流发电机，日本特开昭62-272850号公报所公开的永磁合金旋转式发电机，以及日本实开昭60-162977号公报所公开的旋转发电机。
日本实开平2-146975号公报所公开的小型发电机，由一对月牙板支承着的离心调速器重锤构成的控制器将主轴与转子连接起来，随着主轴转速的提高，离心力使离心调速器重锤脱离主轴，月牙板之间的距离缩小，使转子朝从定子中拔出的方向移动。
日本特开平7-236260号公报所公开的大功率交流发电机，根据转速来控制磁通密度，使发电量得到适当的控制，在转子与定子之间配置有可相对转动的控制环，同时还设有可与控制环接触、脱离的导磁体。
日本特开昭62-272850号公报所公开的永磁合金旋转式发电机，在转子上配置有永磁合金，还设有形成磁靴用的容器，它因封入了动磁体的转子的转动而将动磁体向径向引导。
日本实开昭60-162977号公报所公开的旋转发电机，在可转动的支承轴上设有磁通密度可变装置，它能使与其转速相应的、由永磁合金形成的磁路的磁通密度可变。
在上述的具有永磁合金制的高速旋转转子的发电机中，制造作转子用的永磁合金的方法大多是将铁-钕合金粉末进行烧结，然后对该烧结体按所定形状与精度进行加工，在永磁合金烧结后进行磨削加工时，由于永磁合金材质的关系，用磨削工具加工非常困难，将永磁合金加工成转子需要相当长的加工时间，要进行精密加工所需的工序数非常多，成了转子制造成本上扬的主要原因。这就是说，永磁合金是稀土类合金的烧结体，加工困难，为了防止车刀损坏，必需慢慢地对烧结体进行加工，因此，加工成本要比材料费高得多，制造成本不低。
以永磁合金作转子的发电机，由于发电量为转子的转速与磁场强度之积，所以转子的转速越快，发电量越大。而磁场强度又为永磁合金的磁力与其面积之积。转子的转速随电压与电流的增大而加快时，转子上会产生很大的离心力，如耐不住该离心力就会毁坏，因此要求能耐该离心力。所以，一般要在构成转子的永磁合金外周用加强环等予以加强，使转子可以耐该离心力。
在制造圆筒形的永磁合金时，通常是将含铁、钕、钐、钴等元素的合金粉末充填至由非磁性体制成的圆筒形成形模中，在高温下压缩成形、固化，将该成形体高频加热，瞬间烧结，成形体烧结时被磁化，产生NS极，合金中形成磁力线。磁化后，将圆筒形的永磁合金烧结体从成形模中取出，对该烧结体进行外周面与内周面磨削加工，制成永磁合金烧结体。同时，将碳长纤维卷绕成薄壳外筒，作为加强烧结体的加固件。然后，用压力机将永磁合金烧结体压入上述薄壳外筒，嵌合在内，制成转子。
但是。要对永磁合金烧结体进行外周面或内周面磨削加工是非常困难的，磨削加工需要很长的时间，制造成本大幅上扬。此外，要将永磁合金制成大直径的圆筒形也很困难，由于永磁合金难以构成大直径的转子，所以只要是用永磁合金做转子，就难以做到大功率发电。因此，就存在着如何才能方便、快速地对永磁合金烧结体进行磨削加工，如何对烧结体进行高精度磨削加工，以及如何降低制造成本的课题。
还有，构成永磁合金的材料为铁、钕、钐、钴等，这些材料成本较高，所以希望能高效地加以利用。发电机越大，永磁合金也就要越大，为了解决这个问题，可以考虑将其分割成若干板块加以使用，但是，如将永磁合金分割成若干板块，则又存在着如何将其结合，采用何种结构为好的课题。
此外，在发电机转子高速转动时，会受到很大的离心力的作用，为了使永磁合金不致受离心力的作用而解体，需要对永磁合金予以加强，因此要求在结构上下工夫，提高永磁合金的强度。由于发电机转子转速高，功率就大，所以还存在着采用何种结构才能使转子做得重量轻，同时刚性高，耐高速运转的课题。
再有，在使发电机的永磁合金转子高速运转，提高发电量时，由于铁耗、铜耗等原因，温度要上升，永磁合金会因产生的热而发生退磁现象。转子的永磁合金如退磁，就会解体，必须使永磁合金再磁化，转子越大，永磁合金的再生成本越高，损失也就越大。所以，如转子由永磁合金构成，必须对转子进行冷却，使永磁合金不致退磁，这样就又存在着如何才能取得冷却效果的课题。
本发明的目的是提供一种发电机转子的结构与该转子的制造方法，该转子由铁或钕等的粉末烧结而成的永磁合金构成，该永磁合金必须进行磨削加工的部位由含树脂、金属等易加工材料的非磁性部件制成，以便容易地、高精度地对烧结体进行外周面、内周面磨削加工，并可降低制造成本。
本发明的另一个目的是提供下述的发电机转子的结构，即为了大幅度降低铁、钕等粉末烧结制成的永磁合金的制造成本，制成由装在大直径旋转轴上的永磁合金构成的转子，用若干接近平板状的弧形板块构成圆筒形的永磁合金，将其配置于圆筒形的导磁性良好的叠层材料上，让该板块的NS极相互交替，在圆筒的外侧用非磁性材料构成的加固件加强，同时在板块间充填含加固材料的非磁性金属或树脂，使其固化，在旋转轴与圆筒之间配置浸渍了非磁性金属或树脂的、重量轻的多孔隙圆筒，制成转子，在确保上述转子的刚性的同时，实现了轻量化，上述转子可以高速运转，进行大功率发电。
本发明还有一个目的是提供下述的发电机转子的结构，即制成由若干接近平板状的弧形板块构成的、呈圆筒形配置的永磁合金，在上述板块间配置非磁性金属或树脂，构成圆筒，在上述圆筒的外侧用非磁性材料构成的加固件加强，同时在上述圆筒的内侧配置由导磁材料构成的叠层圆筒，以及具有从一端向另一端延伸的若干通气孔的非磁性多孔隙圆筒，设置冷却装置，制成转子，这样，即使因铁耗、铜耗等产生了热，由于空气流动，转子本身得以冷却，可以防止永磁合金退磁，在确保上述转子刚性的同时可以实现轻量化，上述转子可以高速运转，进行大功率发电。
本发明是关于一种发电机转子结构的发明，该发电机由可转动地支承在机罩上的旋转轴、装在上述旋转轴上的永磁合金构成的转子，以及配置于上述转子的外周、固定于上述机罩上的定子构成，其特征是上述转子由上述永磁合金构成的、形成筒形的圆筒，配置于上述圆筒外周、由纤维卷线或布构成的外筒，以及充填于上述圆筒与上述外筒之间的间隙和上述外筒的上述纤维之间的间隙的、可进行机加工的非磁性材料构成。
在该转子的结构中，上述非磁性材料由树脂或金属组成。上述圆筒由上述永磁合金制成的板块形成圆筒形，在上述圆筒的内周配置由树脂组成的内筒，在上述圆筒的上述板块之间有上述非磁性材料的树脂。
构成上述外筒的上述卷线，由上述非磁性材料的树脂固定，为了提高强度与导热性，在上述树脂材料中混有导热率高的陶瓷纤维或碳纤维。
在上述外筒与上述圆筒的边界部以及上述圆筒与上述内筒的边界部用铝或铝合金熔敷，上述外筒用陶瓷纤维卷绕加强。此外，为了提高导磁性，上述内筒与上述边界部含有铁粉。
上述外筒、上述内筒以及上述边界部，含有树脂材料，具有厚度至少超过磨削加工去除部分的树脂层。上述外筒或者也可以由铝材构成，铝材的厚度至少超过磨削加工去除部分。
该转子的结构是，构成上述外筒的上述卷线由碳纤维或陶瓷纤维构成，构成上述圆筒的上述永磁合金由至少以铁、钕、钐、钴为原料的混合粉末成形固化、烧结，同时磁化而制成。上述外筒用树脂熔融浸渍上述碳纤维或上述陶瓷纤维的上述卷线或布而制成。
该转子的结构还可以是，将上述永磁合金制成的筒体封装于陶瓷纤维组成的上述卷线或布构成的上述外筒内。该转子的结构另外还可以是，为了使上述外筒与上述圆筒很好地匹配，在上述外筒的内侧配置有弹性的碳或石墨的薄层。
此外，该转子的结构又可以是，在上述圆筒的内侧配置由导磁材料构成的叠层圆筒，在上述叠层圆筒的内侧配置固定在上述旋转轴上、浸渍了树脂的非磁性结构材料构成的多孔隙圆筒。构成上述圆筒的上述永磁合金，用接近平板状的弧形上述板块配置成圆筒形，上述板块相互交替，构成NS极。在相邻的上述板块之间配置上述非磁性材料。
构成上述外筒的加固件，用树脂将碳纤维或陶瓷纤维固定而制成。构成上述外筒的加固件，也可以用非磁性的不锈钢线材或薄板形成。
上述叠层圆筒，用许多圆筒形硅钢片轴向叠层形成。在上述树脂中，为了提高其强度与导热性，混有导热率高的陶瓷纤维或碳纤维。
上述多孔隙圆筒，由不锈钢、铝或者矾土、氮化硅陶瓷等非磁性材料构成，在其气孔中浸渍着非磁性树脂。
此外，该转子的结构还可以是，在上述机罩上开设让冷却空气通过的通气孔，上述圆筒由上述永磁合金制成的板块形成圆筒形，上述转子具有配置于上述圆筒内侧的、由导磁材料构成的叠层圆筒，配置于上述叠层圆筒内侧、且固定在上述旋转轴上、具有从一端向另一端延伸的若干通气孔的、由非磁性材料构成的多孔隙圆筒，以及为让空气流通使上述各圆筒冷却而在上述旋转轴上所设的冷却风扇。另外，该转子的结构可以是，构成上述圆筒的上述永磁合金，用接近平板状的弧形上述板块配置成圆筒形，上述板块相互交替，构成NS极。在相邻的上述板块之间配置上述非磁性材料。
上述冷却风扇采用离心式风扇，由于上述离心式风扇，产生从上述机罩上的一些上述通气孔进入，通过上述多孔隙圆筒的上述通气孔，流向上述机罩上的另一些上述通气孔的气流。另外，可在处于上述离心式风扇空气流上游的上述旋转轴上，设置将空气流导向上述板块或上述叠层圆筒延长部的风扇。
上述多孔隙圆筒由形成上述通气孔的蜂窝状部分，以及为加固上述蜂窝状部分由金属或树脂构成的沿圆周方向与半径方向延伸的加固件构成。上述加固件由以树脂固定的非磁性碳纤维或陶瓷纤维的外筒，或者以非磁性的不锈钢线材卷绕或不锈钢板材做成的外筒构成。
上述叠层圆筒，用许多圆筒形硅钢片轴向叠层形成。
在形成上述圆筒的上述板块间的材料为树脂时，为了提高其强度与导热性，在上述树脂中混有导热率高的陶瓷纤维或碳纤维。此外，在构成上述转子的上述板块间与上述多孔隙圆筒的加固件，具有浇灌铝熔液后凝固的结构。
由于该转子具有如上所述的结构，所以可以作为将旋转的动能与电能转换的交流发动机或电动机的转子，该交流电机可方便地适用于废气发电系统，汽车用发动机等的能量回收装置等，可耐所定的高速运转，而且由于转子经高精度磨削加工，所以可以发挥出所需性能。
由于该转子的结构，如上所述，构成转子的永磁合金是由若干板块与充填于板块间的非磁性树脂材料组成的圆筒，所以就整体而言，可以做成大直径的永磁合金，制造大型发动机。而且，因为在构成上述永磁合金的上述圆筒的内周侧的旋转轴上装着浸渍了树脂的重量轻的多孔隙圆筒，所以转子的直径可以做得大，尽管该转子的直径大，但转子本身的重量却很轻。
由于可用若干板块按所需的大直径制成上述永磁合金部分，所以圆周速度可达高速，可以加大发电量。由于在上述永磁合金的内周侧配置了硅钢片构成的导磁性叠层圆筒，磁路的磁阻小，可以制造大功率的发电机。
由于该转子的结构中，在上述圆筒的外周配置了含树脂的碳纤维或陶瓷纤维、或者不锈钢薄板或线材形成的圆筒形加固件，所以可以加强至具有克服因上述圆筒的离心力而解体的强度，同时也使加固的圆筒制造更加方便。这就是说，在上述圆筒的外周配置含金属或树脂的固化碳纤维或陶瓷纤维筒体、或者不锈钢筒体构成的加固件，可以增强上述圆筒的强度。
还有，因为上述圆筒的内侧配置了导磁性的叠层圆筒与多孔隙圆筒，所以不仅能提高效率，而且在上述圆筒直径大的情况下，也可以用重量轻的构成部件，即上述多孔隙圆筒作为高刚性的轴体，制成经久耐用、高速、大功率的永磁发电机。
由于该转子的结构如上所述，用有从一端向另一端延伸的通气孔的多孔隙圆筒构成固定于旋转轴的转子芯部，在旋转轴上设有冷却风扇，上述冷却风扇产生的空气流可冷却大面积的上述多孔隙圆筒，因此可以极好地冷却永磁合金，防止永磁合金退磁，可以圆筒为整体构成大直径的永磁合金，制成大型发电机。
再有，因为上述圆筒内侧配置了导磁性的叠层圆筒与多孔隙圆筒，所以磁通流畅，可防止产生高温，即便上述圆筒直径很大，由于有上述多孔隙圆筒，所以在刚性、强度等方面不存在任何问题，另外，由于可以形成一个大直径的永磁合金整体，永磁合金外周的圆周速度可达高速，实现大功率发电。
此外，由于在构成上述永磁合金的上述圆筒内周侧的旋转轴上装有蜂窝状结构的多孔隙圆筒，因此即便风量不大，也可以有效地冷却多孔隙圆筒，固定于旋转轴上的整个轴可做成大直径的，而且，尽管整个轴的直径大，因为采用了重量轻的上述多孔隙圆筒，所以转子本身的重量却很轻。另外，由于永磁合金部分可以做成大直径，所以永磁合金外周的圆周速度可达高速，实现大功率发电。因为永磁合金的内周侧配置了硅钢片制成的导磁性叠层圆筒，所以可以防止涡流。
本发明还是关于发动机转子制造方法的发明，该方法为将碳纤维或陶瓷纤维的卷线或布制成外筒，在将上述外筒配置于环状烧结模的同时，在上述外筒的内侧至少充填以铁与钕为原料的磁性粉末，将上述磁性粉末挤压成形后，在无氧环境中磁化，同时加热烧结，将上述磁性粉末转化为永磁合金。
该转子制造方法在含上述外筒的上述永磁合金的边界部烧结时产生的间隙中、纤维间的间隙中，加压浸渍了树脂。另外，为了提高强度与导热性，在上述树脂材料中混有导热率高的陶瓷纤维或碳纤维。
该转子制造方法，如上所述，用碳纤维或陶瓷纤维对烧结永磁合金构成的圆筒予以加强，由树脂与碳纤维形成的外筒可方便、快速、高精度地进行磨削加工，同时因为可用外筒的外周面为基准，只需对圆筒的内周面进行磨削加工，因此加工时间可以省去一半以上，制造成本可大幅度降低。特别是，永磁合金在200℃以上的温度时退磁，如在200℃以下的气氛环境中使用，即便外筒与圆筒之间堵满树脂，树脂也不会融化，完全可以维持其强度。
图1是表示具有本发明转子结构的发电机的第1实施例的截面图。
图2是表示图1的发电机的转子结构的第1实施例的的截面图。
图3是表示图1的发电机的转子结构的第2实施例的的截面图。
图4是说明图2的转子结构制造工艺的概略图。
图5是表示具有本发明转子结构的发电机的第2实施例的截面图。
图6是说明图5的转子制造方法的概略图。
图7是表示具有本发明转子结构的发电机的第3实施例的截面图。
图8是表示图7的发电机的A-A截面的截面图。
图9是表示具有本发明转子结构的发电机的第4实施例的截面图。
图10是表示图9的发电机的B-B截面的截面图。
图11是表示图9的转子的凸片与制子附近的C-C截面的截面图。
下面，参照附图，对本发明的发电机转子结构及其制造方法的实施例进行说明。
首先，参照图1-图4，对具有本发明转子的发电机的第1实施例进行说明。
具有第1实施例的转子结构的发电机，主要有在一对机罩1A、1B构成的机壳1上、由一对轴承8分别可转动地支承着的旋转轴2，固定在旋转轴2上的转子5，以及在转子5的外周、与转子5之间形成间隙19、固定在机壳1上的定子6。转子5的一端与设于旋转轴2上的制子9相接，另一端通过拧进旋转轴2的固定螺母10固定在旋转轴2上。在旋转轴2的一端固定着传动齿轮11，传动齿轮11与输出或输入用的齿轮12啮合。定子6是在叠层薄板上绕定子线圈7而构成的。例如，如齿轮12与发动机的输出轴相连接，将发动机的旋转力传到发电机的旋转轴2，发电机就可发电。
转子5由永磁合金构成的圆筒3，以及配置于圆筒3外周、由碳长纤维卷绕而成的加固件构成的外筒4组成，该结构的表面设有非磁性材料的树脂(塑料)，具有容易进行高精度磨削加工的特性。
转子5，如图2或图3所示，由永磁合金制成的板块3A或3B形成圆筒形而构成的圆筒3，用树脂将卷绕在圆筒3外周的碳纤维固定而构成的外筒4，配置于圆筒3内周、由含碳纤维的树脂构成的内筒13，以及介于相邻板块3A或3B之间、由含碳纤维的树脂构成的边界部14构成。内筒13与边界部14所含的树脂与外筒4所含的塑料，即树脂，可以用同样的材料分别构成。
圆筒3，在图2中所示的第1实施例是二等分的，在图3中所示的第2实施例是三等分的，但是也可以四等分或四等分以上，另外，形状、大小也不一定均等，可以不均等地分割。
为了提高强度与导热性，构成置于板块3A、3B内周的内筒13以及位于相邻板块3A或3B之间的边界部14的树脂中，混有AlN、SiC等导热率高的陶瓷纤维。在外筒4与圆筒3的边界部，以及圆筒3与内筒13的边界部，用铝或铝合金熔敷，使各边界部的固定比较坚固，而且散热良好。还有，为了提高导磁性，在内筒13与边界部14内含有铁粉。
构成转子5的外筒4、内筒13与边界部14，具有厚度至少超过磨削加工去除部分的树脂层。同样地，在外筒4采用铝材时，铝材的厚度至少超过磨削加工去除部分。这样便可以按所定大小，方便、快速地对板块3A、3B进行高精度切削加工，将这样的板块3A、3B拼装便可以制成高精度的圆筒3。转子5的外筒4自不必说，就是内筒13也可以按所定大小，方便、快速地进行高精度切削加工，制成高精度的转子5。这样，可以大幅度降低该发电机转子结构的制造成本。
下面参照图4，对该发电机转子结构的制造方法进行说明。首先，将含铁、钕、钐、钴等元素的磁性粉末充填至半圆或扇形的板块成形模中，在高温下压缩成形、固化，制成成形体，对成形体加磁场，使其能按所定方向形成磁极，烧结并形成磁力线。为了使最终形状精度高，烧结前的板块成形体的形状要接近所定形状。接着，将永磁合金烧结体板块3A、3B从成形模中取出。
另外，将碳长纤维卷绕，用树脂固定，制成薄壳外筒4，作为加固烧结体的加固件。将薄壳外筒4置于由模芯20与外模21构成的石膏模中，接着，将永磁合金板块3A、3B嵌入薄壳外筒4内，同时在板块3A、3B与模芯20间以及相邻板块3A、3B间形成间隙，均置于石膏模中。
在由模芯20与外模21构成的石膏模上配置一盖板17，用螺栓18固定。通过盖板17上形成的通道16，将含碳纤维的树脂从高压罐15充填到板块3A、3B与模芯20间以及相邻板块3A、3B间的各间隙中，堵满间隙，使树脂固化。这时，从高压罐15出来的树脂通过板块3A、3B间的各间隙，也浸渗了薄壳外筒4，与薄壳外筒4的碳纤维成为一体，形成了非常坚固的圆筒形永磁合金。将固化了的圆筒3从石膏模中取出，对构成圆筒3的外筒4的外周面与内筒的内周面进行磨削加工，制成永磁合金圆筒3。
下面，参照图5与图6，对具有本发明转子的发电机的第2实施例进行说明。
第2实施例的发电机，主要有在一对机罩31A、31B构成的机壳31上、由一对轴承38分别可转动地支承着的旋转轴32，固定在旋转轴32上的转子35，以及在转子35的外周、与转子35之间形成间隙49、固定在机壳31上的定子36。转子35的一端与设于旋转轴32上的制子39相接，另一端通过拧进旋转轴32的固定螺母40固定在旋转轴32上。在旋转轴32的一端固定着传动齿轮41，传动齿轮41与输出或输入用的齿轮42啮合。定子36是在叠层薄板上绕着定子线圈37。例如，如齿轮42与发动机的输出轴相连接，将发动机的旋转力传到发电机的旋转轴32，发电机就可发电。
转子35由永磁合金构成的圆筒33，以及配置于圆筒33外周、由碳纤维或陶瓷纤维卷线或其布形成的薄壳外筒34构成。圆筒33是在配置于烧结模中的外筒34内充填以铁、钕、钐、钴等为原料的混合磁粉，将磁粉成形、固化，使其密度得到提高，在烧结该成形体的同时，加以NS极的磁场，进行磁化而形成的。
位于圆筒33外周的外筒34用在碳纤维或陶瓷纤维卷线或其布上熔融浸渍塑料，即树脂的非磁性材料制成。树脂可以浸渗卷线的全部，将其固定，保持卷线本身的形状。这样，对外筒34可以进行外周面磨削加工，从而能够对转子35的外径进行高精度的磨削加工。
为了使外筒34与圆筒33很好地匹配，在外筒34的内侧可以配置有弹性的碳或石墨的薄层。为了提高强度与导热性，构成外筒34的树脂中，混有AlN、SiC等导热率高的陶瓷纤维。在构成外筒34的树脂中可以浸渗铝或铝合金。为了提高外筒34的导磁性，可以在树脂中混合铁粉。
下面，对第2实施例的发电机所装的转子结构的制造方法进行说明。
该转子的制造方法，主要是，将碳纤维或陶瓷纤维卷绕，制成薄壳圆筒形的外筒34，将该外筒34置于环状成形模43与环状成形模43中央所设的模芯44构成的非磁性材料成形模中，在外筒34的内侧充填以铁、钕为原料的磁粉33A，将磁粉33A加压成形、提高密度后，在惰性气体或N2气体构成的无氧气氛48中施加NS极磁场46，进行磁化，同时加热烧结，使磁粉33A转化为永磁合金圆筒33。该转子的制造方法还可以有一道在外筒34与永磁合金圆筒33之间的边界部烧结时产生的间隙中加压浸渍树脂的工序。为了提高强度与导热性，在树脂中混有AlN、SiC等导热率高的陶瓷纤维。
在第2实施例中，首先，用树脂将碳长纤维或陶瓷长纤维卷绕成的卷线或其布固定，制成薄壳外筒34，作为加固烧结体的加固件。将薄壳外筒34置于构成烧结模的成形模43中，在外筒34内配置构成烧结模的模芯44，在外筒34与模芯44之间充填以铁、钕、钐、钴等为原料的混合磁粉33A，注入作为惰性气体的氮气48，用压力机45压缩成形，制成成形体，用加热器47加热，在例如1300℃的高温下烧结，同时施加磁场46，使成形体磁化，能按所定方向形成磁极，形成磁力线。为了使最终形状精度高，烧结前的成形体的形状要接近所定形状。
从设于成形模43与模芯44上方的树脂供给高压罐中供给树脂。这就是说，磁粉33A的成形体因烧结的关系，有的部分会产生间隙，外筒34与烧结体之间也会产生间隙。所以，将高压罐供给的熔融树脂浸渗到外筒34与烧结体构成的圆筒33之间的边界部产生的间隙中，并使浸渗到间隙中的熔融树脂固化。这时，从高压罐出来的树脂，也浸渗了外筒34的碳纤维或陶瓷纤维卷线或布，使外筒34与圆筒33的永磁合金处于稳定、牢固的固定状态。
下面，参照图7与图8，对具有本发明转子的发电机的第3实施例进行说明。
第3实施例的发电机，例如将旋转轴52与废气发电系统的发动机、电动-发电机与发动机兼有的混合型汽车的发动机的输出轴连接，就可以将发动机的转动力传到发电机，进行发电，构成大型发电机。
第3实施例的发电机，主要有在一对机罩51A、51B构成的机壳51上、由一对轴承63分别可转动地支承着的大直径旋转轴52，固定在旋转轴52上的永磁合金转子，即转子55，以及在转子55的外周、与转子55之间形成间隙65、固定在机壳51上的定子56。转子55的一端与设于旋转轴52上的制子61相接，另一端通过挡板62由旋进旋转轴52螺纹部64的固定螺母60固定在旋转轴52上。在旋转轴52的一端，例如，固定着传动齿轮，该传动齿轮与在发动机输出轴等轴上所设的齿轮啮合。定子56是在叠层薄板上绕定子线圈57构成的。
第3实施例的发电机，特别是固定在旋转轴52上的转子55的结构方面，有其特征，在相对旋转轴52固定的大口径多孔隙圆筒58的结构，呈大口径圆筒形配置的永磁合金的结构，以及永磁合金与旋转轴52之间的安装结构方面有其特征。
转子55由永磁合金制成的、若干接近平板状的弧形板块66与配置于该板块66之间的树脂67形成圆筒形而构成的圆筒53，配置于圆筒53外周且加强圆筒53的、非磁性材料制成的加固件54，配置于圆筒53内侧的、导磁材料制成的叠层圆筒59，以及配置于叠层圆筒59内侧且固定于旋转轴52的、浸渍了树脂的多孔隙圆筒58构成。叠层圆筒59是在永磁合金板块66的内周侧、由导磁性的硅钢片轴向多层叠层形成的，磁阻小，可防止涡流，制成大功率的发电机。
加固件54可以用树脂将没有磁性的碳纤维或陶瓷纤维固定而制成。这时，加固件54可以由碳长纤维卷绕成卷线构成，用树脂将其固定，配置于永磁合金构成的圆筒53的外周，牢固地加强圆筒53。此外，加固件54也可以用没有磁性的不锈钢圆筒制成。这时，可以在加固件54与圆筒53之间的间隙中注入树脂，使之牢固地成为一体。为了提高强度与导热性，可以在配置于构成转子55的永磁合金板块66之间的树脂67中，混入导热率高的陶瓷纤维或碳纤维。为了提高强度与导热性，也可以在树脂67中混入AlN、SiC等导热率高的陶瓷纤维。为了提高导磁性，可以让浸渍于多孔隙圆筒58的树脂中含有铁粉。配置于板块66之间的树脂67与浸渍于多孔隙圆筒58的树脂67可以用同一材料构成。
让转子55转动，进行发电时，转速越高，发电量越大，但是离心力也就越大。该转子由于具有上述的结构，因此可以适用于具有例如直径100mm以上的大型转子的发电机，完全可以耐得住这时产生的强大的离心力，能很平稳地运转。在大型发电机中，如果永磁合金不能做得最小，成本就要提高，而转子55的永磁合金是由若干板块66构成的，所以转子55能够充分满足上述条件，降低制造成本。
为了加强永磁合金的强度，转子55采用了在永磁合金构成的圆筒53的外周配置没有磁性的不锈钢，或者陶瓷纤维或碳纤维组成的加固件54来加强的方法，因此，能够防止在高速转动时被离心力毁坏。另外，还可以在导磁性良好的多张硅钢片构成的叠层圆筒59上加工出沟槽，将圆筒53嵌合在该沟槽中，再将其嵌合在构成加固件54的不锈钢制圆筒中，予以固定。
还有，在多张圆筒硅钢片构成的叠层圆筒59的内侧，配置陶瓷或金属构成的多孔隙圆筒58，整个形成大直径的转子，同时提高其刚性与强度。多孔隙圆筒58固定于旋转轴52上，多孔隙圆筒58与旋转轴52构成了大直径的轴体，但是因为在多孔隙圆筒58内注入了树脂，所以整个重量很轻。此外，再在不锈钢制圆筒加固件54的间隙，永磁合金板块66之间，以及多孔隙圆筒58的间隙中注入树脂，最终制成转子55。
转子55由于具有上述结构，就其整体而言，刚性极高，而且重量很轻，能经得住高速运转，发电量大。
下面，对构成转子55的永磁合金的制造方法进行说明。
在制造永磁合金板块66时，将含铁、钕、钐、钴等元素的磁性粉末充填至半圆或扇形的板块构成的成形模中，在高温下压缩成形、固化，制成成形体，对成形体施加磁场，使其能按所定方向形成磁极，烧结并形成磁力线。为了使最终形状精度高，烧结前的板块成形体的形状要接近所定形状。接着，将永磁合金烧结体板块66从成形模中取出。
另外，将碳长纤维卷绕，用树脂固定，制成薄壳外筒，作为加固烧结体的加固件。将薄壳外筒置于由模芯与外模构成的石膏模中，接着，将永磁合金板块66嵌入薄壳外筒内，同时在板块66与模芯间以及相邻板块66间形成间隙，均置于石膏模中。在由模芯与外模构成的石膏模上配置一盖板并予以固定。
通过盖板上形成的通道，将含有碳纤维的树脂67从高压罐充填到板块66与模芯之间以及相邻板块66间的各间隙中，堵满间隙，使树脂67固化。这时，从高压罐出来的树脂67通过板块66间的各间隙，也浸渗了薄壳外筒，与薄壳外筒的碳纤维成为一体，形成了非常坚固的永磁合金圆筒53。将固化了的圆筒53从石膏模中取出。然后，如上所述，在圆筒53的内侧嵌合导磁材料构成的叠层圆筒59，同时在叠层圆筒59的内侧嵌合多孔隙圆筒58，让多孔隙圆筒58浸渍树脂，完成转子55的制造。将转子55的多孔隙圆筒58嵌合到旋转轴52上，将安装固定用的螺母60旋入旋转轴52上的螺纹部64，便可以组装成发电机。
下面，参照图9-图11，对具有本发明转子的发电机的第4实施例进行说明。
第4实施例的发电机，例如将旋转轴72与废气发电系统的发动机、混合型汽车的发动机等的输出轴直接或通过传动装置连接，就可以将发动机的转动力传到发电机，进行发电，构成大型发电机。
第4实施例的发电机，主要有在端面开设了通气孔91的机罩71A与外周壁开设了通气孔92的机罩71B构成的机壳71上、由一对轴承83分别可转动地支承着的大直径旋转轴72，固定在旋转轴72上的永磁合金转子，即转子75，以及在转子75的外周、与转子75之间形成间隙85、固定在机壳71上的定子76。
在第4实施例中，转子75与定子76之间的间隙85越小，则损耗越小，输出越大。转子75的一端与设于旋转轴72上的、具有通气孔81a、由非磁性材料制成的制子81相接，另一端通过具有通气孔82a的挡板82由旋进旋转轴72螺纹部84的固定螺母80固定在旋转轴72上。在旋转轴72的一端，图中未表示出，例如，固定着传动齿轮，该传动齿轮与在发动机输出轴等轴上所设的齿轮啮合。定子76是在叠层薄板上绕定子线圈77构成的。
第4实施例的发电机，特别是固定在旋转轴72上的转子75的结构方面，有其特征，在冷却装置的结构方面，在相对旋转轴72固定的、呈大口径圆筒形配置的永磁合金的结构，以及永磁合金与旋转轴72之间的安装结构方面有其特征。
转子75由永磁合金制成的、若干接近平板状的弧形板块86与配置于该板块86之间的金属或树脂构成的连接部件87形成圆筒形而构成的圆筒73，配置于圆筒73外周且加强圆筒73的、非磁性材料制成的加固件74，配置于圆筒73内侧的、导磁材料制成的叠层圆筒79，以及配置于叠层圆筒79内侧且固定于旋转轴72的、具有蜂窝状结构的多孔隙圆筒78，以及为了使各圆筒73、78、79由空气流冷却而设在旋转轴72上的冷却风扇88构成。
由离心风扇构成的冷却风扇88通过支承臂94设置于旋转轴72上。冷却风扇88产生的吸入气流，从机壳71的一方通气孔91进入，通过多孔隙圆筒78的通气孔78a，由机壳71的另一方通气孔92排出，形成空气流。在冷却风扇88的空气流上游侧的旋转轴72上所设的制子81上设有起引导空气流作用的凸片89。凸片89或者也可以装在板块86或叠层圆筒79的延伸部分。凸片89用铝合金等材料制成，在制子81的圆周方向间隔地设置若干个。叠层圆筒79由导磁性的圆筒形硅钢片在轴向多层叠层形成的，磁阻小，可防止涡流，制成大功率的发电机。
多孔隙圆筒78用金属或者树脂构成蜂窝状结构，对该蜂窝状部分93，沿其圆周方向形成加固件90，该加固件同时具有隔开一定间隔沿半径方向与圆周方向延伸的棱部。多孔隙圆筒78，由于其蜂窝状结构，形成了轴向的、从一端向另一端延伸的若干通气孔78a。加固件90可用浇灌融化的陶瓷或铝合金(含硅则强度提高)，形成棱部而制成。例如，在制造多孔隙圆筒78时，可以将弧状的扇形蜂窝状部分93在成形模内配置成圆筒形，在其间隙中注入融化的铝合金或树脂，形成加固件90。或者，也可以将多孔隙圆筒78制成整体的蜂窝状结构，在形成通气孔78a的部分用砂等堵塞，在其他部分注入融化的铝合金而制成加固件90。在用树脂制成多孔隙圆筒78的加固件90时，为了提高树脂的导磁性，可以让树脂中含铁粉。
加固件74可以用树脂固定没有磁性的碳纤维或陶瓷纤维而制成。在这种情况下，加固件74可以用碳长纤维卷绕的卷线构成，用树脂将其固定，将其配置于永磁合金构成的圆筒73的外周，便可以牢固地加强圆筒73。加固件74或者也可以用没有磁性的不锈钢圆筒制成。在这种情况下，可以在加固件74与圆筒73之间的间隙中，注入融化的铝合金或树脂，使其牢固地成为一体。
在用树脂制造配置于构成转子75的永磁合金板块86间的连接部87时，为了提高强度与导热性，可以混有导热率高的陶瓷纤维或碳纤维。此外，为了提高强度与导热性，在连接部87的树脂中，可以混有AlN、SiC等导热率高的陶瓷纤维。配置于板块86之间的连接部87与注入多孔隙圆筒78的加固件90，可以注入例如融化的铝合金等同一材料而构成。
让转子75转动，进行发电时，转速越高，发电量越大，但是离心力也就越大。转子75，由于具有上述的结构，因此可以适用于具有例如直径100mm以上的大型转子的发电机，完全可以耐得住这时产生的强大的离心力，能很平稳地旋转。在大型发电机中，如果永磁合金不能做得最小，成本就要提高，而本发明的转子75的永磁合金是由若干板块86构成的，所以转子75能够充分满足上述条件。
为了加强永磁合金的强度，转子75采用了在永磁合金构成的圆筒73的外周配置没有磁性的不锈钢，或者陶瓷纤维或碳纤维组成的加固件74来加强的方法，因此，能够防止在高速转动时被离心力毁坏。另外，还可以在导磁性良好的多张硅钢片构成的叠层圆筒79上加工出沟槽，将圆筒73嵌合在该沟槽中，再将其嵌合在构成加固件74的不锈钢制圆筒中，予以固定。
还有，在多张圆筒硅钢片构成的叠层圆筒79的内侧，配置陶瓷或金属构成的多孔隙圆筒78，使整个转子75的强度得到了加强。此外，再在不锈钢制圆筒加固件74的间隙，永磁合金板块86之间，以及多孔隙圆筒78的未用砂等堵住的间隙中注入融化的铝合金或树脂，最终制成转子75。
转子75由于具有上述结构，冷却风扇88随着旋转轴72的转动而转动，冷却风扇88从转子75吸入空气，就其整体而言，转子75自身可用空气冷却，可以防止构成圆筒73的永磁合金退磁，可以获得刚性极高，而且重量很轻的结构，能经得住高速运转，发电量大。
下面，对构成转子75的永磁合金的制造方法进行说明。例如，在制造永磁合金板块86时，将含铁、钕、钐、钴等元素的磁性粉末充填至半圆或扇形的板块构成的成形模中，在高温下压缩成形、固化，制成成形体，对成形体施加磁场，使其能按所定方向形成磁极，烧结并形成磁力线。在这种情况下，为了使最终形状精度高，烧结前的板块成形体的形状要接近所定形状。接着，将永磁合金烧结体板块86从成形模中取出。另外，将碳长纤维卷绕，用树脂固定，制成薄壳外筒，作为加固烧结体的加固件。将薄壳外筒置于由模芯与外模构成的石膏模中，接着，将永磁合金板块86嵌入薄壳外筒内，同时在板块86与模芯间以及相邻板块86间形成间隙，均置于石膏模中。在由模芯与外模构成的石膏模上配置一盖板并予以固定。
通过盖板上形成的通道，将含有碳纤维的树脂从高压罐充填到板块86与模芯之间以及相邻板块86间的各间隙中，堵满间隙，使树脂固化，转化为连接部87。这时，从高压罐出来的树脂，通过板块86间的各间隙，也浸渗了薄壳外筒，与薄壳外筒的碳纤维成为一体，形成了非常坚固的永磁合金圆筒73。将固化了的圆筒73从石膏模中取出。然后，如上所述，在圆筒73的内侧嵌合导磁材料构成的叠层圆筒79，同时在叠层圆筒79的内侧嵌合具有通气孔78a的多孔隙圆筒78，完成转子75的制造。将转子75的多孔隙圆筒78嵌合到旋转轴72上，将固定用的螺母80旋入旋转轴72上的螺纹部84，便可以组装成发电机。
权利要求
1.一种发电机转子结构，该发电机由用机罩可转动地支承着的旋转轴与装在上述旋转轴上的永磁合金构成的转子，以及配置于上述转子的外周、固定于上述机罩上的定子构成，其特征是，上述转子由上述永磁合金构成的、形成筒形的圆筒，配置于上述圆筒外周、由纤维卷线或布构成的外筒，以及充填于上述圆筒与上述外筒之间的间隙和上述外筒的上述纤维之间的间隙的、可进行机加工的非磁性材料构成。
2.如权利要求1.所述的发电机转子结构，其特征是，上述非磁性材料为树脂或金属。
3.如权利要求1.所述的发电机转子结构，其特征是，上述圆筒由上述永磁合金构成的板块形成圆筒形而构成，在上述圆筒的内侧配置树脂制成的内筒，上述圆筒的上述板块之间有上述非磁性材料的树脂。
4.如权利要求3.所述的发电机转子结构，其特征是，构成上述外筒的上述卷线用上述非磁性材料的树脂固定。
5.如权利要求3.所述的发电机转子结构，其特征是，为了提高强度与导热性，在上述树脂材料中混有导热率高的陶瓷纤维或碳纤维。
6.如权利要求3.所述的发电机转子结构，其特征是，在上述外筒与上述圆筒的边界部以及上述圆筒与上述内筒的边界部用铝或铝合金熔敷，上述外筒用陶瓷纤维卷绕加强。
7.如权利要求6.所述的发电机转子结构，其特征是，为了提高导磁性，上述内筒与上述边界部含有铁粉。
8.如权利要求3.所述的发电机转子结构，其特征是，上述外筒、上述内筒以及上述边界部，含有树脂材料，具有厚度至少超过磨削加工去除部分的树脂层。
9.如权利要求3.所述的发电机转子结构，其特征是，上述外筒由铝材构成，铝材的厚度至少超过磨削加工去除部分。
10.如权利要求1.所述的发电机转子结构，其特征是，构成上述外筒的上述卷线由碳纤维或陶瓷纤维构成，构成上述圆筒的上述永磁合金由至少以铁、钕、钐、钴为原料的混合粉末成形固化、烧结，同时磁化而制成。
11.如权利要求10.所述的发电机转子结构，其特征是，上述外筒用树脂熔融浸渍上述碳纤维或上述陶瓷纤维的上述卷线或布而制成。
12.如权利要求11.所述的发电机转子结构，其特征是，将上述永磁合金制成的筒体封装于陶瓷纤维组成的上述卷线或布构成的上述外筒内。
13.如权利要求11.所述的发电机转子结构，其特征是，为了使上述外筒与上述圆筒很好地匹配，在上述外筒的内侧配置有弹性的碳或石墨的薄层。
14.如权利要求1.所述的发电机转子结构，其特征是，在上述圆筒的内侧配置由导磁材料构成的叠层圆筒，在上述叠层圆筒的内侧配置固定在上述旋转轴上、浸渍了树脂的非磁性结构材料构成的多孔隙圆筒。
15.如权利要求14.所述的发电机转子结构，其特征是，构成上述圆筒的上述永磁合金，用接近平板状的弧形板块配置成圆筒形，上述板块相互交替，构成NS极，在相邻的上述板块之间配置上述非磁性材料。
16.如权利要求14.所述的发电机转子结构，其特征是，构成上述外筒的加固件是用树脂将碳纤维或陶瓷纤维固定而制成。
17.如权利要求14.所述的发电机转子结构，其特征是，构成上述外筒的加固件用没有磁性的不锈钢线材或薄板形成。
18.如权利要求14.所述的发电机转子结构，其特征是，上述叠层圆筒是用多张圆筒形硅钢片在轴向叠层形成。
19.如权利要求14.所述的发电机转子结构，其特征是，在上述树脂中，为了提高其强度与导热性，混有导热率高的陶瓷纤维或碳纤维。
20.如权利要求14.所述的发电机转子结构，其特征是，上述多孔隙圆筒，由不锈钢、铝或者矾土、氮化硅陶瓷等非磁性材料构成，在其气孔部浸渍着非磁性树脂。
21.如权利要求1.所述的发电机转子结构，其特征是，在上述机罩上开设让冷却空气通过的通气孔，上述圆筒由上述永磁合金制成的板块形成圆筒形，上述转子具有配置于上述圆筒内侧的、由导磁材料构成的叠层圆筒，配置于上述叠层圆筒内侧、且固定在上述旋转轴上、具有从一端向另一端延伸的若干通气孔的、由非磁性材料构成的多孔隙圆筒，以及为让空气流通使上述各圆筒冷却而在上述旋转轴上所设的冷却风扇。
22.如权利要求21.所述的发电机转子结构，其特征是，构成上述圆筒的上述永磁合金，用接近平板状的弧形板块配置成圆筒形，板块相互交替，构成NS极，在相邻的上述板块之间配置上述非磁性材料。
23.如权利要求21.所述的发电机转子结构，其特征是，上述冷却风扇采用离心式风扇，由于上述离心式风扇，产生从上述机罩上的一方上述通气孔进入，通过上述多孔隙圆筒的上述通气孔，流向上述机罩上的另一方上述通气孔的气流。
24.如权利要求23.所述的发电机转子结构，其特征是，在处于上述离心式风扇空气流上游的上述旋转轴上，设置将空气流导向上述板块或上述叠层圆筒延长部的凸片。
25.如权利要求21.所述的发电机转子结构，其特征是，上述多孔隙圆筒由形成上述通气孔的蜂窝状部分，以及为加固上述蜂窝状部分由金属或树脂构成的部分地沿圆周方向与半径方向延伸的加固件构成。
26.如权利要求21.所述的发电机转子结构，其特征是，构成上述外筒的上述加固件由以树脂固定的非磁性的碳纤维或陶瓷纤维构成的外筒，或者以没有磁性的不锈钢线材卷绕或不锈钢板材做成的外筒构成。
27.如权利要求21.所述的发电机转子结构，其特征是，上述叠层圆筒，用多张圆筒形硅钢片在轴向叠层形成。
28.如权利要求21.所述的发电机转子结构，其特征是，在形成上述圆筒的上述板块间的材料为树脂时，为了提高其强度与导热性，在上述树脂中混有导热率高的陶瓷纤维或碳纤维。
29.如权利要求21.所述的发电机转子结构，其特征是，在构成上述转子的上述板块间与上述多孔隙圆筒的加固件，具有浇灌铝熔液后凝固的结构。
30.一种发电机转子结构的制造方法，其特征是，将碳纤维或陶瓷纤维卷线或布制成外筒，在将上述外筒配置于环状烧结模的同时，在上述外筒的内侧至少充填以铁与钕为原料的磁性粉末，将上述磁性粉末压成形后，在无氧环境中磁化，同时加热烧结，将上述磁性粉末转化为永磁合金。
31.如权利要求30所述的发电机转子的制造方法，其特征是，在含上述外筒的上述永磁合金的边界部烧结时产生的间隙中、纤维间的间隙中，加压浸渍了树脂。
32.如权利要求30所述的发电机转子的制造方法，其特征是，为了提高强度与导热性，在上述树脂中混有导热率高的陶瓷纤维。
全文摘要
本发明提供一种极易进行高精度磨削加工的发电机的转子结构。该转子结构由固定于由机罩可转动地支承着的旋转轴上的转子构成。转子由永磁合金板块构成的、形成筒形的圆筒,配置于上述圆筒外周、由纤维卷线或布构成的外筒构成。圆筒与外筒之间的间隙和外筒的间隙中,充填了可进行磨削加工的树脂。
文档编号H02K15/03GK1189001SQ9810010
公开日1998年7月29日 申请日期1998年1月4日 优先权日1998年1月4日
发明者河村英男 申请人:株式会社五十铃硅酸盐研究所