(57)【要約】【課題】  延性の著しい低下や大きな強度異方性を伴うことなく、高強度かつ薄肉の保持リングを製造する方法を提供する。【解決手段】  保持リング５は、ニッケル基合金を素材とする円筒状のワークに対し、第１冷間加工およびそれに引き続く熱処理と、第２冷間加工およびそれに引き続く時効処理とを施すことにより製造される。第１冷間加工は、１回あるいは複数回の冷間引き抜き加工であり、その加工率が７０％以下となる範囲で行われる。第１冷間加工に引き続く熱処理は、９００℃〜９５０℃の温度で３分以内の範囲で行われる。また、第２冷間加工も、１回あるいは複数回の冷間引き抜き加工であり、その加工率（複数回の場合には、累積加工率）が７０％以下となる範囲で行われる。第２冷間加工に引き続く時効処理は、６４０℃以下の温度で１６時間以内の範囲で行われる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機用回転子の保持リングを製造する方法であって、
ニッケル基合金を筒状に成形してなるワークに累積加工率が７０％以下の範囲で第１の冷間加工を施した後、
前記ワークに所定の温度範囲で所定時間の熱処理を施し、
しかる後、前記ワークに累積加工率が７０％以下の範囲で第２の冷間加工を施す
ことを特徴とする保持リングの製造方法。
【請求項２】
回転電機用回転子の保持リングを製造する方法であって、
ニッケル基合金を筒状に成形してなるワークに累積加工率が７０％以下の範囲で第１の冷間加工を施した後、
前記ワークに所定の温度範囲で短時間の熱処理を施し、
しかる後、前記ワークに累積加工率が７０％以下の範囲で第２の冷間加工を施し、
更に、所定の硬度が得られるように時効処理を施す
ことを特徴とする保持リングの製造方法。
【請求項３】
前記第１の冷間加工後におけるワークの肉厚をｔ１、内径をｄ１とし、前記第２の冷間加工後におけるワークの肉厚をｔ２、内径をｄ２としたとき、（ｔ１／ｔ２）／（ｄ１／ｄ２）が略１となるようにすることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の保持リングの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速回転電機のロータに用いられる保持リングの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型ガスタービン発電装置用の発電機としては、ロータ（回転子）に永久磁石を組み込んだ永久磁石式の同期発電機が一般に採用されている。ガスタービン発電装置の発電機はその定格運転時における回転数が極めて高いため（通常、数万ｒｐｍ）、ロータの外周に永久磁石を環状に設置する場合には、遠心力による破損や飛散を防止すべく、引張強度の低い永久磁石を保持リングによって拘束する必要がある。この種の高速回転電機では、ロータの製造にあたって、通常、保持リングが焼嵌めによって永久磁石の外周に組み付けられる。
【０００３】
焼嵌めにあたっては、保持リングの内径を永久磁石の外径より若干小さく高精度に加工しておき、保持リングを所定の温度に加熱して熱膨張させた後、低温のロータ（永久磁石）を迅速に保持リングに挿入してこれらを急冷する。すると、熱膨張していた保持リングが収縮して保持リングの内周と永久磁石の外周とが接触し、更に室温まで冷却されることにより永久磁石が大きな拘束力で保持リングに締め付けられるようになって焼嵌め工程が完了する。焼嵌め後のロータにおいて、永久磁石には圧縮応力が発生する一方、保持リングには反力としての引張応力が作用する。
【０００４】
ロータが組み込まれた回転電機が運転されると、保持リングには、保持リング自体に作用する遠心力はもとより、永久磁石に作用する遠心力も作用する。一方、永久磁石式の回転電機では、ロータからステータへの磁束量が多いほど、また、永久磁石とステータとのエアギャップが小さいほど、出力やエネルギ変換効率を向上させられるため、保持リングは非磁性体でかつその厚みが小さいことが望ましい。
【０００５】
このように、保持リングは、焼嵌めによる引張応力と回転電機の運転に伴う遠心力とに耐える一方で、その厚みを小さくすることが求められる。本出願人は、このような要求に基づき、高速回転電機のロータに焼嵌めされる保持リングの素材として、非磁性かつ高強度のニッケル基合金材であるインコネル７１８（Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７１８）を用いるものを過去に提案した（特許文献１，２参照）。
【特許文献１】特開２００１−２１１５７９号公報
【特許文献２】特開２００１−２１１５８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
インコネル７１８は、米国の航空宇宙材料規格であるＡＭＳ（Aerospace Material Specifications）５６６２に規定されている通り、０．２％耐力が１０３４ＭＰａ以上、引張強さ１２７６ＭＰａ以上であり、従来の高速電機用ロータの保持リングに用いられているものは、０．２％耐力が１１５０ＭＰａ±１００ＭＰａ程度、引張強さ１３６０ＭＰａ±１００ＭＰａ程度である。そのため、回転電機の最高回転速度での遠心力を考慮すると、保持リングの焼嵌めによる引張応力は、９００ＭＰａ以下に設定せざるを得なかった。つまり、従来の高速回転電機では、保持リングの材料強度（すなわち、耐力や引張強度）に限界があり、最高回転速度で運転させるためには、保持リングの肉厚を大きくすることが避けられなかった。
【０００７】
保持リングの肉厚を大きくした場合、永久磁石とステータとの間隙が大きくなるため、前述したように出力やエネルギ変換効率が低下する。そこで、特許文献１，２では、インコネル７１８に冷間引き抜き加工と時効処理とを施すことで、保持リングにおける高強度と薄肉化とを両立させた。しかしながら、このような方法で強度（硬度）を向上させた場合、延性（すなわち、靱性）が低下したり、軸方向強度に較べて周方向強度の低い強度異方性が生じたりするという別種の問題が発生する。靱性が著しく低下した場合、保持リングは、永久磁石の圧縮応力が解放された際に塑性不安定状態に陥り、変形することなく急激な破壊に至る虞があった。また、保持リングは、回転電機の運転時に遠心力を受けるため、軸方向強度よりも周方向強度が要求される。したがって、上述した強度異方性が大きく発現した場合、保持リングを使用する上で大きな問題となる。
【０００８】
本発明は、このような状況に鑑みなされたもので、延性の著しい低下や大きな強度異方性を伴うことなく、高強度かつ薄肉の保持リングを製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明に係る保持リングの製造方法は、回転電機用回転子の保持リングを製造する方法であって、ニッケル基合金を筒状に成形してなるワークに累積加工率が７０％以下の範囲で第１の冷間加工を施した後、前記ワークに所定の温度範囲で所定時間の熱処理を施し、しかる後、前記ワークに加工率が７０％以下の範囲で第２の冷間加工を施すことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２の発明は、回転電機用回転子の保持リングを製造する方法であって、回転電機用回転子の保持リングを製造する方法であって、ニッケル基合金を筒状に成形してなるワークに加工率が７０％以下の範囲で第１の冷間加工を施した後、前記ワークに所定の温度範囲で短時間の熱処理を施し、しかる後、前記ワークに加工率が７０％以下の範囲で第２の冷間加工を施し、更に、所定の硬度が得られるように時効処理を施す
ことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載された保持リングの製造方法において、前記第１の冷間加工後におけるワークの肉厚をｔ１、内径をｄ１とし、前記第２の冷間加工後におけるワークの肉厚をｔ２、内径をｄ２としたとき、（ｔ１／ｔ２）／（ｄ１／ｄ２）が略１となるようにすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の製造方法によれば、延性の著しい低下や大きな強度異方性を伴うことなく、高強度かつ薄肉の保持リングを得ることが可能となり、回転電機の出力やエネルギ変換効率の向上が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る保持リングが装着された回転電機のロータを示す縦断面図である。図１において、ロータ１は、中心部に軸孔２を有したコア３と、コア３の周囲に配設された複数個（図示例では、８個）の永久磁石４と、永久磁石４の外周に焼嵌めされた保持リング５とを有している。回転電機に組み付けられた状態では、保持リング５の外周に所定のエアギャップｇをもって環状のステータ６が対峙する。
【００１４】
保持リング５は、ニッケル基合金（前述したインコネル７１８）を素材とする円筒状のワークに対し、第１冷間加工およびそれに引き続く熱処理と、第２冷間加工およびそれに引き続く時効処理とを施すことにより製造される。
【００１５】
第１冷間加工は、１回あるいは複数回の冷間引き抜き加工（冷間抽伸ともいう）であり、その加工率（複数回の場合には、累積加工率）が７０％以下となる範囲で行われる。第１冷間加工に引き続く熱処理は、９００℃〜９５０℃の温度で３分以内の範囲で行われる。また、第２冷間加工も、１回あるいは複数回の冷間引き抜き加工であり、その加工率（複数回の場合には、累積加工率）が７０％以下となる範囲で行われる。第２冷間加工に引き続く時効処理は、６４０℃以下の温度で１６時間以内の範囲で行われる。
【００１６】
本実施形態の場合、第１冷間加工後におけるワークの肉厚をｔ１、内径をｄ１とし、第２の冷間加工後におけるワークの肉厚をｔ２、内径をｄ２としたとき、形状比Ｑ（（ｔ１／ｔ２）／（ｄ１／ｄ２））を略１に設定した。
【００１７】
このようなプロセスをもって製造したところ、保持リング５は、０．２％耐力として１，３００ＭＰａ以上を確保できるとともに、その強度異方性率も０．３％以下と小さくすることができ、回転電機の出力やエネルギ変換効率を高めるべくその肉厚を小さくしても、焼嵌めによる引張応力や回転電機の運転に伴う大きな遠心力に耐えるようになった。
【００１８】
本発明者等は、各処理における温度条件や処理時間を決定するために試験を行い、種々の知見を得ることができた。例えば、第１冷間加工と熱処理とを施すことにより、ワークの結晶粒径が微細化して強度が向上する。また、第２冷間加工を施すことにより、大量の歪みがワークに付加されて加工硬化が生じる。更に、時効処理を施すことにより、ワークに析出物が生成され、その結果ワークに生じた析出歪が高強度をもたらす。
【００１９】
図２は累積冷間加工率や熱処理条件を変えた場合の０．２％耐力やElong（伸び）、δ相量の値を示す表であるが、同図から判るように、０．２％耐力は累積冷間加工率が高くなるほど向上するが、累積冷間加工率が７０％になるとδ相量が０．０１８％に上昇してしまう。冷間加工が施されることによりワークに歪エネルギが導入され、その歪エネルギがδ相を粒界に析出させる駆動力となる。δ相の粒界析出は、ワークの強度向上には寄与するが、粒界δ相量と伸びとの関係を示す図３から判るように、その量が多くなると延性を著しく低下させる。そのため、累積冷間加工率は、δ相量が０．０１８％となる７０％程度を限度とすることが望ましい。なお、図４は、累積冷間加工率や時効処理の有無と０．２％耐力との関係を示す表であるが、同図から判るように、０．２％耐力は、累積冷間加工率を高くし、更に時効処理を施すことで向上する。
【００２０】
図５は第１冷間加工後の熱処理条件と粒界δ相量との関係を示すグラフであるが、同図から判るように、９００〜９３０℃で３分以下の熱処理を行った場合に好ましい結果が得られる。
【００２１】
強度異方性は、同一の累積冷間加工率を施し、同一の最終形状の保持リング５を製造する場合であっても、その発現度合いが異なる。これは、管に冷間引抜き加工を施した場合、形状比（内径側の加工率と外径側の加工率との比）によって肉厚方向に強度のばらつきが生じるためである。図６は形状比による異方性率の変化を示す表であり、図７は形状比と異方性率との関係を示すグラフである。図６および図７から判るように、形状比を略１とすることにより、異方性率のごく小さい無異方性の保持リング５を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る保持リングが装着された回転電機のロータを示す縦断面図である。
【図２】累積冷間加工率や熱処理条件を変えた場合の０．２％耐力やElong（伸び）、δ相量の値を示す表である。
【図３】粒界δ相量と伸びとの関係を示すグラフである。
【図４】累積冷間加工率や時効処理の有無と０．２％耐力との関係を示す表である。
【図５】第１冷間加工後の熱処理条件と粒界δ相量との関係を示すグラフである。
【図６】累積冷間加工率および形状比を変えた場合の異方性率の値を示す表である。
【図７】形状比と異方性率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２３】
１      ロータ
４      永久磁石
５      保持リング
６      ステータ
【図１】
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【図２】
2006299300.tif 000004
【図３】
2006299300.tif 000005
【図４】
2006299300.tif 000006
【図５】
2006299300.tif 000007
【図６】
2006299300.tif 000008
【図７】
2006299300.tif 000009