特表 2024-529300 高速電気機械のための回転子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-08-06

(54)【発明の名称】高速電気機械のための回転子

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/056 20060101AFI20240730BHJP

   F16C 32/06 20060101ALI20240730BHJP

   F16C 17/02 20060101ALI20240730BHJP

   F16C 17/04 20060101ALI20240730BHJP

   F04D 25/06 20060101ALI20240730BHJP

   H02K 7/08 20060101ALI20240730BHJP

【ＦＩ】

F04D29/056 B

F16C32/06 Z

F16C17/02 Z

F16C17/04 Z

F04D25/06

H02K7/08 A

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024500302

(86)(22)【出願日】2022-07-06

(85)【翻訳文提出日】2024-02-20

(86)【国際出願番号】 EP2022068664

(87)【国際公開番号】W WO2023280894

(87)【国際公開日】2023-01-12

(31)【優先権主張番号】21184164.8

(32)【優先日】2021-07-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】518370378

【氏名又は名称】セレロトン・アクチェンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】ＣＥＬＥＲＯＴＯＮ ＡＧ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ブラザー，マヌエル

(72)【発明者】

【氏名】ルーザー，アンドレアス

(72)【発明者】

【氏名】ディエトマン，ファビアン

【テーマコード（参考）】

3H130

3J011

3J102

5H607

【Ｆターム（参考）】

3H130AA12

3H130AB27

3H130AB42

3H130AC30

3H130BA95D

3H130BA95E

3H130DA02X

3H130DB01X

3H130DB02X

3H130DD01X

3H130EA02D

3H130EC12D

3H130EC12E

3H130ED02D

3H130ED02E

3J011AA04

3J011BA02

3J011BA09

3J011KA02

3J011KA03

3J011LA04

3J011SD01

3J102AA07

3J102BA03

3J102EA02

3J102EA07

5H607BB01

5H607CC01

5H607GG01

5H607GG02

5H607GG14

(57)【要約】

気体軸受を有する高速電気機械のための回転子（１）は、少なくとも１つの回転子側ラジアル軸受（２１）と、回転子側アキシャル軸受（３１）と、少なくとも１つの回転子側ラジアル軸受（２１）を備える回転子本体（２）と、回転子側アキシャル軸受を備える回転子エンドピース（３）と、を備え、回転子の回転軸に沿って見たときに、ラジアル軸受区画（２２）は、ラジアル軸受がそれに沿って延在する区画として画定される。その中で、回転子エンドピース（３）は、これらの２つの部品の接合面において回転子本体（２）を半径方向に取り囲む。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

気体軸受を有する高速電気機械のための回転子（１）であって、
少なくとも１つの回転子側ラジアル軸受（２１）と、
回転子側アキシャル軸受（３１）と、
前記少なくとも１つの回転子側ラジアル軸受（２１）を備える回転子本体（２）と、
前記回転子側アキシャル軸受を備える回転子エンドピース（３）と、を備え、
前記回転子の回転軸に沿って見たときに、ラジアル軸受区画（２２）が、ラジアル軸受がそれに沿って延在する区画として画定され、
前記回転子エンドピース（３）は、前記２つの部品の接合面において前記回転子本体（２）を半径方向に取り囲む、回転子（１）。

【請求項2】

前記回転子本体および前記回転子エンドピースは、圧入（１１）によって接合され、特に、前記圧入は円錐嵌合である、請求項１に記載の回転子（１）。

【請求項3】

前記回転子の回転軸に沿って見たときに、前記回転子エンドピース（３）は、前記回転子本体（２）のラジアル軸受区画（２２）と実質的に重ならず、
特に、前記重複が、前記ラジアル軸受区画（２２）における前記回転子本体（２）の直径の１５％未満、または１０％未満、または５％未満であるか、または重複がまったくない、請求項１または２に記載の回転子（１）。

【請求項4】

前記回転子本体（２）の材料が７E－６K^－１未満、特に５E－６K^－１未満、さらに特に４E－６K^－１未満のCTEを有し、前記回転子エンドピース（３）の材料が金属、特に鋼である、先行する請求項のいずれか１項に記載の回転子（１）。

【請求項5】

前記回転子本体（２）の材料は、１０GPaより大きい、特に１５GPaより大きい、さらにより特に２０GPaより大きいHK５またはビッカース硬度を有する、先行する請求項のいずれか１項に記載の回転子（１）。

【請求項6】

前記回転子の回転軸に沿って見た、前記回転子本体と前記回転子エンドピースとが重なる圧入区画の長さは、前記回転子本体の直径の５０％未満、特に前記回転子本体の直径の４０％未満、特に前記回転子本体の直径の３０％未満である、先行する請求項のいずれか１項に記載の、請求項２に従属する回転子（１）。

【請求項7】

前記回転子の回転軸に沿って見たときに、アキシャル軸受区画（３２）が、前記回転子側アキシャル軸受（３１）を含む区画であり、周方向溝（３５）が、前記アキシャル軸受区画（３２）と、前記回転子エンドピース（３）と回転子本体（２）とが重なる区画との間に配置され、
特に、前記周方向溝（３５）の半径方向深さは、前記回転子本体（２）を半径方向に取り囲む場所における前記回転子エンドピース（３）の環状区画の半径方向厚さの少なくとも３０％、特に少なくとも５０％、特に少なくとも７０％である、先行する請求項のいずれか１項に記載の回転子（１）。

【請求項8】

前記回転子エンドピース（３）は中空区画を備え、前記中空区画は、少なくとも前記アキシャル軸受区画（３２）に沿って、特に軸方向における前記回転子エンドピース（３）の長さの少なくとも５０％または７０％に沿って軸方向に延在する、先行する請求項のいずれか１項に記載の回転子（１）。

【請求項9】

前記中空区画容積は、前記回転子の周囲への流体接続を確立する換気ダクトを含むかまたは構成し、特に前記換気ダクトは軸方向に延在する貫通孔である、請求項８に記載の回転子（１）。

【請求項10】

前記中空区画は気密に囲まれており、特に、前記中空区画は、前記回転子本体（２）を前記回転子エンドピース（３）に接合するときに変位したガスを受け入れ、それによって前記圧入を確立するように構成された圧入補償容積部を構成し、さらに特に、前記圧入補償容積は、前記回転子エンドピース（３）に挿入される前記回転子本体（２）の部分の容積の少なくとも１／５の容積を有する、請求項８に記載の回転子（１）。

【請求項11】

回転子（１）が、テンションボルト（６２）によって軸方向に圧縮され、特に、少なくとも回転子端部（３）および回転子本体（２）が圧縮され、任意選択的に、回転子の磁石区画（４２）、および任意選択的に、インペラ（７）または別の負荷も、テンションボルト（６２）によって圧縮される、先行する請求項のいずれか一項に記載の回転子（１）。

【請求項12】

前記回転子本体（２）は、中実体である、先行する請求項のいずれか１項に記載の回転子（１）。

【請求項13】

前記回転子本体（２）は、中空円筒体であるように成形されている、請求項１～１１のいずれか１項に記載の回転子（１）。

【請求項14】

前記回転子（１）は永久磁石（４）を備え、前記回転子の回転軸に沿って見たときに、磁石区画（４２）は前記永久磁石（４）がそれに沿って延在する区画であり、
特に、
・前記永久磁石（４）は前記回転子本体の内側に配置され、特に前記磁石区画が２つのラジアル軸受区画（２２）の間の少なくともほぼ中心にあるか、
・または、前記永久磁石（４）は、前記回転子本体（２）の、前記回転子エンドピース（３）とは反対側の遠位端に配置されている、
先行する請求項のいずれか１項に記載の回転子（１）。

【請求項15】

前記回転子本体（２）は、前記回転子エンドピース（３）に挿入された区画において、隣接する近位軸受区画と同じ外径を有し、
特にまた、第２の遠位軸受区画とも同じ外径である、先行する請求項のいずれか１項に記載の回転子（１）。

【請求項16】

前記回転子エンドピースはアキシャル軸受プレート（３６）を備え、前記アキシャル軸受プレートは環状プレートであり、前記回転子本体（２）に着座しており、
特に、前記回転子本体（２）の材料は、７E－６K^－１よりも低い、特に５E－６K^－１よりも低い、さらに特に４E－６K^－１よりも低いCTEを有し、前記アキシャル軸受プレートは、金属、特に鋼から作成される、請求項７、８、９、１０および１１を除く、先行する請求項のいずれか１項に記載の回転子（１）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気機械の分野に関する。本発明は、独立請求項の前文に記載されているような、気体軸受を有する高速電気機械のための回転子に関する。

【0002】

電気モータは、一般的に、回転子と固定子とを備え、固定子は、電気固定子および軸受を支持および収容する固定子本体を備える。軸受は、気体軸受である１つまたは複数のラジアル（ジャーナルとも呼ばれる）およびアキシャル（スラストとも呼ばれる）軸受を備える。多くの場合、２つのラジアル軸受が存在する。それらは、固定子の対向する両側に配置することができ、すなわち、回転子を駆動する電磁要素が２つのラジアル軸受の間に配置されるか、または固定子の同じ側に配置される。後者の配置は、オーバーハングモータ設計と呼ばれことが多い。オーバーハング設計により、２つのラジアル軸受を単一の部品に統合することができる。しかしながら、この手法の結果として、一般に回転子が長くなり、したがってより重大な回転体力学的挙動および回転子の製造労力の増大をもたらす。このため、回転子を短く保ち、製造の手間、したがってコストを単純化し、例えば回転体力学的挙動によって引き起こされる性能限界を上げるという要望によって、相反する要件が生じる。

【0003】

多くの場合、製造公差および材料要件は、回転子ラジアル軸受と回転子アキシャル軸受とで異なり、製造が単純で、種々のピース、材料、および接合面の数が少ない回転子構造を見出すことが困難になっている。

【0004】

国際公開第２０１８／０４１９３８号および米国特許出願公開第２０１９／２４９６８２号明細書は、ラジアル空気軸受およびアキシャル空気軸受を有するターボ圧縮機シャフトを開示している。管状軸受部分の一端には、インペラおよびアキシャル軸受プレートを担持するためのシャフトが挿入され、他端には、電気モータの要素を担持するための駆動部分が挿入される。管状軸受部分は硬質材料からなり、インペラ部分および／または駆動部分は、管状軸受部分の硬質材料に比べて比較的軟質な材料からなる。

【0005】

米国特許第４０６３８５０号明細書は、部分的にセラミック材料から形成されたセラミックタービンホイールおよび回転子シャフトを有するガスタービン回転子を開示しており、ホイールおよび回転子の一部は一体形成されている。回転子のセラミックシャフト部分は、エンジンの冷却ゾーン内に延在し、そこで支持管を包含し、２つのシャフト部分を架橋する鋼シャフト部分に接続される。セラミックシャフト部分は、ラジアル空気軸受によって支持されている。セラミックアキシャル軸受ディスクは、セラミックシャフト部分と一体に形成される。

【0006】

米国特許第４５８５３９６号明細書、米国特許第４８５４０２５号明細書および米国特許第４６３９１９４号明細書は、鋼回転子シャフトに接続されたセラミックタービンホイールまたはインペラを開示している。

【0007】

国際公開第２０１７２０２９４１号および国際公開第２０２０００２５０９号は、ラジアル軸受およびアキシャル軸受が１つのピースおよび材料から作成される空気軸受を有する回転子を開示している。

【0008】

従来技術の回転子はすべて、製造が困難であり、および／または回転子の種々の部分および機能に最適な材料を使用することができない。

【0009】

したがって、本発明の目的は、従来技術に対する改善を提供する、気体軸受を有する高速電気機械のための回転子を作成することである。

【0010】

これらの目的は、請求項に記載の気体軸受を有する高速電気機械のための回転子によって達成される。

【0011】

回転子は、気体軸受を有する高速電気機械のためのものであり、回転子は、
少なくとも１つの回転子側ラジアル軸受と、
回転子側アキシャル軸受と、
少なくとも１つの回転子側ラジアル軸受を備える回転子本体と、
回転子側アキシャル軸受を備える回転子エンドピースと、を備え、
回転子の回転軸に沿って見たときに、ラジアル軸受区画は、ラジアル軸受がそれに沿って延在する区画として画定される。

【0012】

その中で、回転子エンドピースは、これらの２つの部品の接合面において回転子本体を半径方向に取り囲む。

【0013】

回転子エンドピースが回転子本体を半径方向に取り囲むによって、または逆に、回転子本体が回転子エンドピース内に少なくとも部分的に延在するによって、２つの別個の部品を、２つの部品の接合面付近の回転子本体の変形を比較的小さくして接合することが可能になる。これにより、変形しやすい回転子側ラジアル軸受を接合面に近づけることができ、回転子の長さを低減することができる。加えて、回転子ラジアル軸受区画およびアキシャル軸受区画を単一の部品にするのとは対照的に、回転子を回転子エンドピースと回転子本体とに分割することによって、材料を別個に選択することができ、それによって、特性をアキシャル軸受区画およびラジアル軸受区画の異なる要件に適合させることができる。回転子端部は、製造を容易にするように最適化することができ、回転子本体は、熱および遠心荷重下で膨張を低くするように最適化することができる。

【0014】

実施形態では、回転子が中に使用されるように設計されている高速電気機械はターボ圧縮機であり、その場合、回転子エンドピースに取り付けられたインペラを駆動することができる。他の実施形態では、高速電気機械は、ビームチョッパまたは回転プリズムもしくはミラーまたは任意の他の負荷を駆動する。他の実施形態では、高速電気機械は、ターボ圧縮器インペラと組み合わされて、または組み合わされずに、タービンによって駆動される。

【0015】

別の態様によれば、回転子は、電気機械によって、または電気機械の一部によって駆動されない。

【0016】

気体軸受は、気体潤滑軸受軸受、または気体状流体を有する流体膜軸受とも呼ばれる。気体軸受は空気軸受を含む。

【0017】

実施形態では、回転子本体および回転子エンドピースは、圧入によって接合され、特に、圧入は円錐嵌合である。

【0018】

円錐嵌合は、圧入を構成する要素の公差要件を低減し、回転子本体の内部応力を低減するという利点を有する。

【0019】

実施形態では、回転子の回転軸に沿って見たときに、回転子エンドピースは、回転子本体のラジアル軸受区画と実質的に重ならず、
特に、重複が、ラジアル軸受区画における回転子本体の直径の１５％未満、または１０％未満、または５％未満であるか、または重複がまったくない。

【0020】

実施形態では、回転子本体は、高速回転および高温の両方が高速回転子内に存在するため、a）回転およびb）温度の下で少なくともほぼ、可能な限り膨張しない材料から作成される。回転子と固定子の軸受ブッシングとの間の気体軸受間隙を小さく維持するために、理想的には膨張は最小限にすべきである。さらに、回転子と固定子軸受との間に乾式摩擦がある気体軸受の始動－停止時の摩耗を最小限に抑えるために、材料は理想的には硬質にすべきである。さらに、回転子本体は、回転体力学的性能および軸受性能を増大させる（すなわち、最大安定回転速度を増大させる）ために、軽量かつ剛性にすべきである。

【0021】

回転子本体が高い引張強度を有し、機械加工が容易であることが好ましいが、上述の特性とのトレードオフにおいて、より低い引張強度およびより高い製造労力が許容され得る。これは、回転子本体の直径が小さいことに起因して、回転子本体の方が回転子エンドピースよりも引張応力が低く、さらに回転子本体の形状を単純に保つことによって緩和され、回転子エンドピースよりも容易な製造を可能にする。

【0022】

実施形態では、回転子エンドピースは、引張強度対密度比が高い材料から作成され、これにより、所与の回転速度に対して比較的高い周速度、したがってより大きいアキシャル軸受外径が可能になる。より大きいアキシャル軸受直径は、より大きい最大軸方向荷重を可能にし、これは、例えば回転子に搭載されたインペラから生じる振動および軸方向推力に耐えるのに有益である。さらに、回転子本体よりも複雑な形状を有する回転子エンドピースについては、回転子本体の材料よりも機械加工が容易な材料を使用することができ、機械加工コストを低減することができる。回転子本体について、回転子と固定子アキシャル軸受との間に乾式摩擦がある気体軸受の始動－停止時の摩耗を最小限に抑えるために、材料は理想的には硬質にすべきである。

【0023】

回転子エンドピースは、a）回転およびb）温度下で低い膨張を示すことが好ましいが、上記の特性とのトレードオフにおいて、より高い膨張を許容することができる。

【0024】

結果として、回転子本体および回転子エンドピースの材料が異なる。これにより、回転子を２つの異なる材料から作成することができる２つの部分に分離することによって、
・回転子エンドピース、特に、アキシャル軸受の引張強度対密度比、およびそのより複雑な形態および公差の単純な機械加工、ならびに
・回転子本体、特にラジアル軸受の温度および回転下での低膨張
に対する異なる要件を分離することができ、２つの異なる材料は異なる要件に合わせて最適化される。

【0025】

一方、異なる材料の組み合わせが存在する従来技術では、アキシャル軸受およびインペラを回転子の残りの部分に接続する部分（高い熱膨張係数（CTE）を有する）は、２つの部品の接合面において、内側になるように配置され、その部品は、外側にラジアル軸受区画（低いCTEを有する材料）を含む。本発明によれば、反対の構成を実現することができる。

【0026】

要約すると、回転子本体２には、セラミック系材料とも呼ばれ得る第１の種類の材料が使用される。いくつかの実施形態において、第１の種類の材料は、以下の特性のうちの１つ以上を有する。

【0027】

・低CTE：７E－６K^－１、または５E－６K^－１または４E－６K^－１未満。
・低密度：４５００kg／m^３未満または３５００kg／m^３未満。

【0028】

・高い弾性率密度比：２５０GPa／３１００kg／m^３または３５０GPa／３１００kg／m^３超。

【0029】

・高硬度：１０GPa超、または１５GPa超、または２０GPa超のHK５（ビッカース硬度）。

【0030】

第１のタイプの典型的な材料：セラミック材料、より特定的にはSiN、SiC、AlO。さらなる代替物：鉄－ニッケル合金（Invarなど）、ガラス－セラミック、炭化タングステン、炭化金属。

【0031】

要約すると、金属系材料とも呼ばれ得る第２の種類の材料が、回転子エンドピース３に使用される。実施形態において、第２の種類の材料は、良好な機械加工性を有し、以下の特性のうちの１つ以上を有する。

【0032】

・高硬度（ロックウェル硬度）：４０HRCまたは５０HRCまたは５５HRC超。
・高い引張強度対密度比：７００MPa／７７００kg／m^３または１５００MPa／７７００kg／m^３または２０００MPa／７７００kg／m^３超。

【0033】

典型的な材料：金属、より特定的には鋼、より具体的には高強度・高度鋼、特にEN １００２７－２鋼番号１．４１０８、１．４１２５、１．４１１２。

【0034】

実施形態では、回転子本体材料が７E－６K^－１未満、特に５E－６K^－１未満、さらに特に４E－６K^－１未満のCTEを有し、回転子エンドピース材料が金属、特に鋼であるという特徴を含む、第１の材料特徴セットが存在する。

【0035】

実施形態では、第１の材料特徴セットを含み、回転子本体材料が１０GPaより大きい、特に１５GPaより大きい、さらにより特に２０GPaより大きいHK５またはビッカース硬度を有するという特徴をさらに含む、第２の材料特徴セットが存在する。

【0036】

実施形態では、第２の材料特徴セットを含み、回転子エンドピースが４０HRCより大きい、特に５０HRCより大きい、さらにより特に５５HRCより大きいロックウェル硬度を有するという特徴をさらに含む、第３の材料特徴セットが存在する。

【0037】

実施形態では、第３の材料特徴セットを含み、回転子本体が４５００kg／m^３未満、特に３５００kg／m^３未満の密度を有するという特徴をさらに含む、第４の材料特徴セットが存在する。

【0038】

実施形態では、第４の材料特徴セットを含み、回転子本体が２５０GPa／３１００kg／m^３より大きい、特に３５０GPa／３１００kg／m^３より大きいヤング率対密度比を有するという特徴をさらに含む、第５の材料特徴セットが存在する。

【0039】

実施形態によれば、回転子本体および回転子エンドピースを定義する上述の材料特性の優先事項の順位は、以下の通りである。

【0040】

・第１の優先事項：回転子本体のCTEおよび回転子エンドピースの材料、
・第２の優先事項：回転子本体のビッカース硬度、
・第３の優先事項：回転子エンドピースのロックウェル硬度、
・第４の優先事項：回転子本体の密度、および
・第５の優先事項：ヤング率を回転子本体の密度で除した値、および
・第６の優先事項：高強度を第２の種類の材料の密度で除した値。

【0041】

以下に提示される回転子の他の部品はまた、材料特性に関して同じまたは異なる優先事項を有する第１の種類の材料または第２の種類の材料であってもよい。

【0042】

実施形態では、回転子の回転軸に沿って見た、回転子本体と回転子エンドピースとが重なる圧入区画の長さは、回転子本体の直径の５０％未満、特に回転子本体の直径の４０％未満、特に回転子本体の直径の３０％未満である。

【0043】

実施形態では、圧入区画の長さは、回転子長さの５％未満、特に回転子長さの４％未満、特に回転子長さの３％未満である。

【0044】

このように圧入区画が比較的短くても、十分に強い接続を得ることが依然として可能である場合がある。これにより、回転子を短くすることができる。

【0045】

実施形態では、回転子の回転軸に沿って見たときに、アキシャル軸受区画は、回転子側アキシャル軸受を含む区画であり、周方向溝は、アキシャル軸受区画と、回転子エンドピースと回転子本体とが重なる区画との間に配置される。

【0046】

特に、周方向溝の半径方向深さは、回転子本体を半径方向に取り囲む場所で、回転子エンドピースの環状区画の半径方向厚さの少なくとも３０％、特に少なくとも５０％、特に少なくとも７０％である。

【0047】

これは、風損によって加熱されるアキシャル軸受またはスラスト軸受、および温度変化に敏感である圧入、ならびに、さらにまた、同じく温度変化に敏感なラジアル軸受の間に熱障壁を作り出す。さらなる利点は、周方向溝が、溝がない場合に存在することになる応力に起因する回転子側アキシャル軸受の変形を低減することができることである。そのような応力は、圧入から、または回転子エンドピースの左側と右側との間の軸方向の幾何学的非対称性から生じる。さらに、高速回転中の回転子側アキシャル軸受の遠心膨張に起因する回転子エンドピースと回転子本体との圧入の浮き上がりを回避することができる。

【0048】

実施形態では、回転子エンドピースは、圧入補償容積として作用し、圧入を確立するときに変位したガスを受け入れることができる中空区画を備える。これにより、圧縮ガスが圧入を強制的に離すという問題を排除することができる。さらに、これにより、回転子エンドピースをより弾性にし、圧入を改善することができる。さらに、中空である張り出した回転子エンドピースは、その重量を減少させ、回転子の動的挙動および軸受の安定性を改善する。

【0049】

実施形態では、回転子エンドピースは中空区画を備え、中空区画は、少なくともアキシャル軸受区画に沿って、特に軸方向における回転子エンドピースの長さの少なくとも５０％または７０％に沿って軸方向に延在する。

【0050】

実施形態では、中空区画容積は、回転子の周囲への流体接続を確立する換気ダクトを含むかまたは構成し、特に換気ダクトは軸方向に延在する貫通孔である。

【0051】

実施形態では、中空区画は気密に囲まれており、特に、中空区画は、回転子本体を回転子エンドピースに接合するときに変位したガスを受け入れ、それによって圧入を確立するように構成された圧入補償容積部を構成し、さらに特に、圧入補償容積は、回転子エンドピースに挿入される回転子本体の部分の容積の少なくとも１／５の容積を有する。

【0052】

実施形態では、中空区画の内径は、回転子本体の中央プラグの直径の５０％～１００％である。

【0053】

実施形態では、回転子エンドピースのアキシャル軸受区画以外の領域において、中空区画が存在する場所の回転子エンドピースの壁厚は、同じ軸方向ロケーションにおける回転子エンドピースの半径の最大２５％である。

【0054】

中空区画が換気ダクトを備えるかまたは構成する場合、上述のガスの圧縮を排除することに加えて、プロセスガスを低速に漏出して汚染する可能性があるガスポケットの存在も排除される。

【0055】

中空区画が気密に囲まれている場合、これは、製造中にまたはプロセスガス中に現れる可能性がある粒子または塵芥などの固体材料が回転子に入るのを防ぎ、動作中にプロセスガスの望ましくない摩耗もしくは不均衡、または望ましくない汚染をもたらすという利点を有する。実施形態では、中空区画および／または圧入補償容積を構成する中央孔が、圧入の反対側の端部で閉じられるように機械加工される。他の実施形態では、中央孔は、貫通孔として製造され、キャップまたはプラグ要素で閉じられる。そのようなプラグはまた、中央孔を大きく充填するために使用することができ、回転子本体内のプラグによる回転子エンドピースの変形を補償する。

【0056】

実施形態では、回転子は、テンションボルトによって軸方向に圧縮され、特に、少なくとも回転子端部および回転子本体が圧縮され、任意選択的にまた回転子の磁石区画、および任意選択的にまたインペラまたは別の負荷も、テンションボルトによって圧縮される。

【0057】

これは、圧入を構成する要素の公差要件をさらに低減し、回転子の異なる部品を組み立てる労力を低減するという利点を有する。

【0058】

実施形態では、回転子本体は、回転子エンドピースの中央孔に挿入され、回転子本体および回転子エンドピース上の半径方向に延在する接触面が互いに対向する、軸方向に延在する中央プラグを有するように成形され、
回転子エンドピース上で、中心孔と接触面との間の縁部が面取りされ、回転子本体上で、縁部が丸みを帯び、２つのピースの面取りおよび丸み付けが、圧入区画と回転子本体の丸み付けの始まりとの間の軸方向距離が存在するように選択され、
特に、この軸方向距離は、面取り部の軸方向延在範囲の少なくとも１／４である。面取りは、凹部またはフィレットなどの別の同様の形態で置き換えられてもよい。半径は、一定の半径を有しない別の同様の形態で置き換えられてもよい。

【0059】

言い換えれば、回転子本体の丸み付き縁部の半径は、面取り部の軸方向延在範囲の４分の３未満である。実施形態では、半径は、回転子本体の直径の少なくとも３％である。

【0060】

これにより、面取り部および半径を構築する当業者がそれを構築するように、縁部が鋭利であり、および／または、距離dが小さいかもしくはないのとは対照的に、半径の周りおよび半径と圧入区画との間の領域の両方で、回転子本体の内部応力を低減することが可能になる。

【0061】

実施形態では、回転子本体は中実体である。
すなわち、これは中空体ではない。これにより、その機械的安定性を増大させることができる。

【0062】

実施形態では、回転子本体は、中空円筒体であるように成形される。
これは、製造がより単純であり、軽量化につながり、回転子安定性が増大するという利点を有することができる。

【0063】

実施形態では、回転子は永久磁石を備え、回転子の回転軸に沿って見たときに、磁石区画は永久磁石がそれに沿って延在する区画であり、
特に、
・永久磁石は回転子本体の内側に配置され、特に磁石区画が２つのラジアル軸受区画の間の少なくともほぼ中心にあるか、
・または、永久磁石は、回転子本体の、回転子エンドピースとは反対側の遠位端に配置されている。

【0064】

中心に置かれた永久磁石は、電気機械の電磁要素を、軸方向に見て、ラジアル軸受区画の間に配置することを可能にし、機械の構造が短くなる。

【0065】

遠位端にある永久磁石は、電気機械の電磁要素を、軸方向に見て、ラジアル軸受区画の外側に配置することを可能にし、回転子アセンブリおよび固定子側軸受アセンブリを単純化する。

【0066】

実施形態では、回転子本体は、回転子エンドピースに挿入された区画において、隣接する近位軸受区画と同じ外径を有し、
特にまた、第２の遠位軸受区画とも同じ外径である。

【0067】

これにより、回転子本体の製造が特に容易な形状が作成される。さらに、圧入に起因する回転子本体の内部応力を、回転子本体の直径を段階的にした設計に比べて低減することができる。

【0068】

実施形態では、回転子は、回転子エンドピースとは反対側の回転子の端部に配置されたさらなるエンドピースを備える。さらなるエンドピースは、さらなるインペラまたは任意の他の負荷またはタービンを取り付けるように設計することができる。

【0069】

実施形態では、さらなるエンドピースは、回転子本体の内側に配置された円筒スリーブを備え、永久磁石は円筒スリーブの内側に配置される。

【0070】

実施形態では、回転子エンドピースは、中間リングとアキシャル軸受プレートとを備え、アキシャル軸受プレートは環状プレートであり、中間リングに着座している。中間リングは、回転子本体に着座することができる。特に、アキシャル軸受プレートは、第１の種類の材料またはセラミック系材料から作成することができる。さらに、中間リングは、アキシャル軸受プレートおよび回転子本体に対してより柔らかい金属系材料などの第２の種類の材料から作成することができる。結果として、中間リングは、回転子本体または回転子エンドピースの他の部分の膨張に起因してアキシャル軸受プレートに及ぼされる引張応力を制限することができる。これにより、アキシャル軸受プレートの引張応力をその引張強度未満に保つことができる。

【0071】

実施形態では、第２の材料特徴セットを含み、１０GPaより大きい、特に１５GPaより大きい、さらに特に２０GPaより大きいHK５（ビッカース硬度）を有するアキシャル軸受プレートの特徴をさらに含む、第６の材料特徴セットが存在する。

【0072】

実施形態では、第６の材料特徴セットを含み、４５００kg／m^３未満、特に３５００kg／m^３未満の密度を有するアキシャル軸受プレート材料の特徴をさらに含む、第７の材料特徴セットが存在する。

【0073】

実施形態では、第７の材料特徴セットを含み、４５００kg／m^３未満、特に３５００kg／m^３未満の密度を有する回転子本体材料の特徴をさらに含む、第８の材料特徴セットが存在する。

【0074】

実施形態によれば、アキシャル軸受プレート、回転子本体、および回転子エンドピースを定義する上述の材料特性の優先事項の順位は、以下の通りである。

【0075】

・第１の優先事項：回転子本体のCTEおよび回転子エンドピースの材料、
・第２の優先事項：アキシャル軸受プレートのビッカース硬度、
・第３の優先事項：回転子本体のビッカース硬度、
・第４の優先事項：アキシャル軸受プレートの密度、
・第５の優先事項：回転子本体の密度。

【0076】

実施形態では、回転子エンドピースはアキシャル軸受プレートを備え、アキシャル軸受プレートは環状プレートであり、回転子本体に着座しており、
特に、回転子本体の材料は、７E－６K^－１よりも低い、特に５E－６K^－１よりも低い、さらに特に４E－６K^－１よりも低いCTEを有し、アキシャル軸受プレートは、金属、特に鋼から作成される。

【0077】

言い換えれば、この実施形態では、回転子エンドピースは、主にまたは全体をアキシャル軸受プレートによって構成することができる。

【0078】

実施形態では、回転子本体の材料が７E－６K^－１よりも低い、特に５E－６K^－１よりも低い、さらに特に４E－６K^－１よりもさらに低いCTEを有し、アキシャル軸受プレートが金属、特に鋼から作成されるという特徴を含む、第９の材料特徴セットが存在する。

【0079】

実施形態では、第９の材料特徴セットを含み、回転子本体が１０GPaより大きい、特に１５GPaより大きい、さらにより特に２０GPaより大きいHK５またはビッカース硬度を有するという特徴をさらに含む、第１０の材料特徴セットが存在する。

【0080】

実施形態では、第１０の材料特徴セットを含み、アキシャル軸受プレートが４０HRCより大きい、特に５０HRCより大きい、さらにより特に５５HRCより大きいロックウェル硬度を有するという特徴をさらに含む、第１１の材料特徴セットが存在する。

【0081】

実施形態では、第１１の材料特徴セットを含み、回転子本体が４５００kg／m^３未満、特に３５００kg／m^３未満の密度を有するという特徴をさらに含む、第１２の材料特徴セットが存在する。

【0082】

実施形態によれば、アキシャル軸受プレートおよび回転子本体を定義する上述の材料特性の優先事項の順位は、以下の通りである。

【0083】

・第１の優先事項：回転子本体のCTEおよびアキシャル軸受プレートの材料、
・第２の優先事項：回転子本体のビッカース硬度、
・第３の優先事項：アキシャル軸受プレートのロックウェル硬度、
・第３の優先事項：回転子本体の密度。

【0084】

本発明の一態様によれば、本明細書に記載の周方向溝は、回転子本体および回転子エンドピースが別個の部品であるか否かとは無関係に実装される。この場合、回転子は、以下の特徴によって定義される。

【0085】

気体軸受を有する高速電気機械のための回転子であって、
・少なくとも１つの回転子側ラジアル軸受と、
・回転子側アキシャル軸受と、
・少なくとも１つの回転子側ラジアル軸受と、を備え、
・回転子の回転軸に沿って見たときに、ラジアル軸受区画が、それに沿ってラジアル軸受が延在する部分として画定され、
・回転子の回転軸に沿って見たときに、アキシャル軸受区画は、回転子側アキシャル軸受を含む区画であり、
・周方向溝が、アキシャル軸受区画とその最も近いラジアル軸受区画との間に配置される、回転子。

【0086】

さらなる実施形態は、従属請求項から明らかである。
本発明の主題は、以下を概略的に示す、添付の図面に例示される例示的な実施形態を参照して、以下の本文においてより詳細に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0087】

【図1】高速電気機械のための回転子を示す図である。

【図2】回転子エンドピース、および回転子本体と回転子エンドピースとの間の接合面の詳細図である。

【図3】回転子エンドピース、および回転子本体と回転子エンドピースとの間の接合面の詳細図である。

【図4】回転子エンドピース、および回転子本体と回転子エンドピースとの間の接合面の詳細図である。

【図5】テンションボルトによって軸方向に圧縮された回転子を示す図である。

【図6】接合面のさらなる詳細図である。

【図7】中空回転子本体を有する回転子を示す図である。

【図8】中空回転子本体を有する回転子を示す図である。

【図9】機械加工が単純な回転子本体を有する回転子を示す図である。

【図10】さらなるエンドピースを有する回転子を示す図である。

【図11】回転子スタブシャフトとは別個のアキシャル軸受プレートを有する回転子を示す図である。

【図12】回転子スタブシャフトとは別個のアキシャル軸受プレートを有する回転子を示す図である。

【図13】回転子スタブシャフトとは別個のアキシャル軸受プレートを有する回転子を示す図である。

【図14】回転子スタブシャフトとは別個のアキシャル軸受プレートを有する回転子を示す図である。

【図15】中空回転子本体内に永久磁石を有する回転子の詳細図である。

【図16】中空回転子本体内に永久磁石を有する回転子の詳細図である。

【図17】ラジアル軸受区画に重なる回転子エンドピースを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0088】

原則的に、図面において同一の部品には同じ参照符号が付されている。
図１は、回転子本体２および回転子エンドピース３を有する回転子１を概略的に示す。回転子本体２は、２つの回転子側ラジアル軸受２１を有する。回転子エンドピース３は、回転子側スラスト軸受プレートまたは回転子側アキシャル軸受３１を備える。回転子の回転軸に沿って見たときに、各回転子側ラジアル軸受２１について、対応するラジアル軸受区画２２は、ラジアル軸受２１がそれに沿って延在する区画として画定される。これは、気体軸受が半径方向力を生成する区画である。通常、ラジアル軸受区画は、少なくともほぼ一定のラジアル軸受間隙を有する。同様に、アキシャル軸受区画３２は、回転子側アキシャル軸受３１がそれに沿って延在する部分として画定される。回転子本体２および回転子エンドピース３は、これらの２つの部品の接合面において回転子本体２を半径方向に取り囲む回転子エンドピース３によって、典型的には圧入１１によって接合される。圧入は、締まり嵌め、圧縮嵌めなどとも呼ばれる。回転子エンドピース３は、回転子１によって駆動されるかまたは回転子１を駆動する部品、例えばインペラ、タービン、ビームチョッパ、回転プリズムなどを担持するための軸方向スタブまたは回転子スタブシャフト３８を備える。

【0089】

回転子エンドピース３は、回転子本体２の第１の端部または近位端において回転子本体２に接合される。回転子本体２は、セラミック系材料である第１の種類の材料から作成されており、回転子エンドピース３は、金属系材料である第２の種類の材料から作成されている。

【0090】

回転子本体２の反対側の第２の端部または遠位端において、永久磁石４が回転子本体２に接合されている。回転子の回転軸に沿って見たときに、回転子本体区画２９、回転子端部区画３９、圧入区画１２、および磁石区画４２は、回転子本体２、回転子エンドピース３、圧入１１、および永久磁石４がそれぞれ延在する区画として画定される。

【0091】

明確にするために、図１に示すすべての参照番号が以下の図で繰り返されるわけではない。

【0092】

図２は、一実施形態による回転子エンドピース３、および、回転子本体２に対するその接合面の詳細を概略的に示す。接合面において、回転子本体２の中央プラグ２３が、回転子エンドピース３の中央孔３３に挿入され、圧入１１を形成する。回転子本体２の回転子本体接触面２４が、回転子エンドピース３のエンドピース接触面３４に押し付けられている。中央孔３３は、中央プラグ２３によって変位された空気またはガスを取り込む圧入補償容積３３として機能する。中央孔３３が一端において開口して換気ダクトとして作用する図１の実施形態とは対照的に、し、ここでは、中央孔は、インペラ７、または回転子１によって駆動される別の要素によって閉じられ、中央孔３３の端部を気密に覆う。図３aまたは図３bの実施形態では、中央孔３３は、別個の要素とすることができるか（図３a）、または回転子エンドピース３と組み合わせることができる（図３b）エンドキャップ７１によって覆われている。これにより、固体材料またはガスが中央孔３３に出入りすることが防止される。回転子スタブシャフト３８の直径は、軸方向に沿って見たときに、例えば外径および内径の段階的な変化によって変化する。

【0093】

図１～図３はまた、アキシャル軸受区画３２と、回転子エンドピース３および回転子本体２が重なる区画との間に配置された周方向溝３５を示す。周方向溝３５は、一方では熱障壁を構成し、回転子側アキシャル軸受３１から接合面への熱伝達を低速化し、他方では、回転子側アキシャル軸受３１の変形から接合面において回転子エンドピース３が変形することを低減する。周方向溝３５の半径方向深さは、回転子本体２を半径方向に取り囲む場所で、回転子エンドピース３のリングまたは環状区画の半径方向厚さの少なくとも３０％、特に少なくとも５０％、特に少なくとも７０％である。周方向溝３５は、本明細書に提示される他の実施形態でも実現することができるが、いずれの場合も描かれていない。

【0094】

図４は、円錐嵌合である圧入を示し、回転子本体２および回転子エンドピース３は、軸方向に互いに向かって押圧されている。

【0095】

図５は、テンションボルト６２によって軸方向に圧縮されている回転子１を示す。図の上部では、回転子端部３および回転子本体２、ならびに任意選択的にインペラ（７）または別の負荷を含む圧縮要素のグループが、テンションボルト６２によって圧縮される。図の下部において、グループは、永久磁石４、またはより一般的には磁石区画４２の一部も含む。

【0096】

本明細書に示す他の実施形態では、特に圧入１１が円錐嵌合ではなく円筒において存在する場合、テンションボルト６２も存在することができる。

【0097】

図６は、接合面の詳細を示す。互いに対向する回転子本体２および回転子エンドピース３の半径方向に延在する接触面２４、３４は、間隙を介して描かれているが、実際には、それらは互いに接触してもよく、または間隙を有してもよい。同様に、圧入区画１２には間隙が描かれているが、実際には回転子本体２と回転子エンドピース３との間に圧入がある。回転子エンドピース３において、中央孔３３と接触面３４との間の縁部は面取りされており、面取りの延在範囲はcによって示されている。面取りは、凹部またはフィレットなどの別の同様の形態で置き換えられてもよい。回転子本体２において、面取り部に面する縁部は、半径rの丸みを付けられている。半径は、一定の半径を有しない別の同様の形態で置き換えられてもよい。面取り部のサイズおよび半径は、圧入区画１２と回転子本体の丸み付けの始まりとの間の軸方向距離dが存在するように選択される。これにより、面取り部および半径を構築する当業者がそれを構築するように、縁部が鋭利であり、および／または、距離dが小さいかもしくはないのとは対照的に、半径の周りおよび半径と圧入区画１２との間の領域の両方で、回転子本体２の内部応力を低減することが可能になる。実施形態では、この軸方向距離dは、面取り部の軸方向延在範囲cの少なくとも１／４、および／または半径rの少なくとも１／３である。言い換えれば、回転子本体の丸み付き縁部の半径は、面取り部の軸方向延在範囲の４分の３未満である。実施形態では、半径は、回転子本体の直径の少なくとも３％である。

【0098】

面取りによって可能にされる半径と周方向溝との組み合わせは、圧入区画１２を軸方向に短く保つことを可能にする。

【0099】

図７は、中空回転子本体２を示す。これは、例えば押出成形によって製造することができる。

【0100】

図８は、内部に永久磁石４が配置された中空回転子本体２を示す。永久磁石４は、回転子側ラジアル軸受２１の間に配置される。

【0101】

図９は、その近位端に直径の段差のない回転子本体２を示す。むしろ、近位回転子側ラジアル軸受２１における回転子本体２の外径は、回転子エンドピース３に挿入されたプラグ区画と同じである。

【0102】

図１０は、回転子本体の遠位端に取り付けられたさらなるエンドピース６を有する回転子本体を示す。さらなる端部は、インペラまたは圧縮機またはタービンなどの別の要素を駆動するか、または、別の要素によって駆動されることができる。さらなるエンドピース６は、永久磁石４を担持する。

【0103】

図１１～図１４は、回転子エンドピースがアキシャル軸受プレート３６を備える実施形態を示し、アキシャル軸受プレート３６は、環状プレートであり、回転子本体２（この場合、回転子エンドピース３は、アキシャル軸受プレート３６のみから構成することができ、任意選択的に中間リング３７からも構成することができる）または回転子エンドピース３に着座する。したがって、これらの実施形態では、アキシャル軸受プレート３６は、回転子スタブシャフト３８とは別個に成形された部分である。これは、アキシャル軸受プレート３６を回転子スタブシャフト３８と一体的に成形することができる他の図の実施形態とは対照的である。

【0104】

図１１、図１２および図１４において、回転子本体２は、回転子スタブシャフト３８と一体的に成形されている。図１１、図１２、および図１３では、アキシャル軸受プレート３６は、中間リング３７に着座している。このような構成では、アキシャル軸受プレート３６および回転子本体２をセラミック系材料から作成し、中間リング３７を金属系材料から作成することができる。中間リング３７は、加熱時に回転子本体２の膨張を吸収することができ、そうでなければアキシャル軸受プレート３６に引張応力を誘発し、アキシャル軸受プレート３６を損傷する可能性がある。図１４では、アキシャル軸受プレート３６は金属系材料から作成することができ、中間リング３７は省略することができる。

【0105】

図１５および図１６は、回転子本体２が中空であり、永久磁石４が回転子側ラジアル軸受２１の間で回転子本体２内に配置される実施形態を示す。永久磁石４と回転子本体２との間には、回転子１が加熱されたときの膨張の差を吸収するために、典型的には金属系材料から成る円筒スリーブ６１が配置されている。図１５の実施形態では、図示されていない別の要素を駆動するかまたは別の要素によって駆動されるための、（図１０の実施形態のような）さらなるエンドピース６が存在する。図１６の実施形態では、さらなるエンドピース６は、円筒スリーブ６１と一体的に成形されている。

【0106】

図１７は、回転子の回転軸に沿って見たときに、回転子エンドピース３が回転子本体２のラジアル軸受区画２２に重なる実施形態を示す。ラジアル軸受区画２２は、その近位端に、回転子エンドピース３の上に部分的に延在するが、回転子エンドピース３と回転子本体２との間の接合面または圧入に寄与しない短い張り出し区画を有する。すなわち、張り出し区画は、回転子エンドピース３にいかなる径方向の力も及ぼさず、特に回転子エンドピース３に接触しない。

【0107】

本発明を本実施形態において説明したが、本発明はそれに限定されず、特許請求の範囲内で他の様態でさまざまに具体化及び実践されてもよいことを明確に理解されたい。

【図1】

【図2】

【図3a】

【図3b】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【国際調査報告】