JP2017163744A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】スクリュ圧縮機の効率を向上させることができるようにする。【解決手段】出力軸４を介してスクリュ圧縮機３１のスクリュロータ３２と直結された電動機１は、出力軸４が中心に挿通された回転子２と、回転子２の周りに対向配置されて出力軸４の軸方向に移動可能であって、回転子２との間に電磁力を生じさせて、回転子２を回転させる固定子３と、固定子３を出力軸４の軸方向に移動させるリニアモータ４１と、を有する。リニアモータ４１は、スクリュロータ３２に作用するスラスト力とは反対方向に固定子３を移動させる。【選択図】図２

Description

本発明は、出力軸を介してスクリュ圧縮機のスクリュロータと直結された電動機に関する。

従来、スクリュ圧縮機のスクリュロータを回転させるために、電動機が用いられている。駆動ベルトやギヤを介さずに電動機とスクリュ圧縮機とを直結させた構造は、動力伝達の損失が少なく、スクリュ圧縮機を高効率化することができる。

ここで、スクリュ圧縮機においては、圧縮したガスの反力が、吐出側から吸込側に向かうスラスト力として、スクリュロータに作用する。そのため、スクリュロータを支持する軸受にスラスト荷重がかかり、軸受の長期耐久性や寿命が低下する。

そこで、特許文献１には、ロータ軸にかかるスラスト力を、バランスピストンに作用する背圧で打ち消すオイルフリースクリュ圧縮機が開示されている。特許文献１では、バランスピストンを収容する柱状空間部に圧油を供給することで、バランスピストンに背圧を作用させている。

また、特許文献２には、バランスピストンに作用する流体の圧力でスラスト力を相殺するスクリュ圧縮装置が開示されている。特許文献２では、圧縮機本体の容量に応じて、バランスピストンに作用する流体の圧力を調節している。

また、特許文献３には、逆スラスト荷重をスラストプレートに作用させる圧縮機が開示されている。特許文献３では、バランス機構をスラストプレート側へ押圧するために、バランス機構に作動流体を供給している。

特開２００２−３１７７８２号公報 特開２０１３−２４１９１５号公報 特開２０１５−８３７７６号公報

しかしながら、特許文献１乃至２では、バランスピストンによる油の撹拌量が増大し、動力損失が大きくなる。一方、特許文献３では、スラストプレートを作動流体で直接的に支持しないので、動力損失を低減させることができる。しかし、特許文献３では、スラスト軸受をスラストプレートに当接させるため、摩擦損失が発生する。よって、スクリュ圧縮機の効率が悪くなる。

本発明の目的は、スクリュ圧縮機の効率を向上させることが可能な電動機を提供することである。

本発明は、出力軸を介してスクリュ圧縮機のスクリュロータと直結された電動機において、前記出力軸が中心に挿通された回転子と、前記回転子の周りに対向配置されて前記出力軸の軸方向に移動可能であって、前記回転子との間に電磁力を生じさせて、前記回転子を回転させる固定子と、前記固定子を前記出力軸の軸方向に移動させる移動手段と、を有し、前記移動手段は、前記スクリュロータに作用するスラスト力とは反対方向に前記固定子を移動させることを特徴とする。

本発明によると、スクリュロータに作用するスラスト力とは反対方向に固定子を移動させる。これにより、回転子の回転軸に平行な断面視において、回転子と固定子との間に生じる電磁力の向きは、出力軸の軸方向に対して直交する方向から傾斜する。このとき、電磁力のうち、回転に寄与しない成分を、回転軸に直交する成分と、回転軸に平行な成分とに分解することができる。このうち、回転軸に直交する成分は、１８０度対称な電磁力における回転軸に直交する成分とで打ち消し合うが、回転軸に平行な成分は残る。この回転軸に平行な成分が、スラスト力とは反対方向に回転子を動かす力となる。この力により、回転子がスラスト力の向きとは反対方向に動くので、スラスト力を低減させることができる。このとき、圧油などの作動流体を利用していないので、動力損失は発生しない。また、スラストプレートのような回転体に部材を当接させる構成ではないので、摩擦損失も発生しない。よって、スクリュ圧縮機の効率を向上させることができる。

電動機およびスクリュ圧縮機の断面図である。 電動機およびスクリュ圧縮機の断面図である。 電動機およびスクリュ圧縮機の断面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

［第１実施形態］
（電動機の構成）
本発明の第１実施形態による電動機１は、断面図である図１に示すように、筒状の回転子（ロータ）２と、当該回転子２の周りに対向配置された固定子（ステータ）３と、を有している。電動機１は、回転子２と固定子３との間に電磁力を生じさせて、回転子２を回転させる。

回転子２は、その軸心が固定子３の軸心に一致するように（同軸になるように）固定子３内に配置される。回転子２と固定子３とは、ケーシング５とケーシング６とが形成する空間内に収納されている。ケーシング５とケーシング６とは固定されていない。

回転子２は、永久磁石（図示せず）が内部に埋め込まれたロータコア１１を有している。即ち、本実施形態の電動機１は、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータである。なお、永久磁石がロータコア１１の表面に貼り付けられていてもよい。この場合、電動機１は、ＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）モータである。

ロータコア１１は、例えば、リング板状の電磁鋼板が軸心方向に積層されることによって形成されている。ロータコア１１の中心には、回転子２の回転を外部に取り出す出力軸（シャフト）４が挿通される。出力軸４はその両側を軸受７，８によって回転可能に支持される。軸受７はケーシング５の内部に配置された支持体９の中心に設けられ、軸受８はケーシング６の中心に設けられている。支持体９の端部には、ケーシング５の内面に摺動可能に当接する軸受１０が設けられている。

なお、回転子２に永久磁石のような硬磁性体が用いられた構成に限定されず、軟磁性体が用いられた構成であってもよい。即ち、回転子２と固定子３との間に電磁力が生じる構成であればよい。

固定子３は、回転子２との間に電磁力を生じさせて、回転子２を回転させる。固定子３は、ケーシング５に固定されている。

固定子３は、筒状のステータコア２１と、ステータコア２１の内周面に巻回された巻線２２とを有している。

ステータコア２１は、例えば、複数の電磁鋼板（ケイ素鋼板など）が軸心方向に積層されることによって形成されている。ステータコア２１の内周面には、周方向に沿ってスロットと歯とが交互に連続して形成されており、歯には巻線２２が巻回されている。複数の歯にそれぞれ巻回された巻線２２に対して所定の位相差の電流が供給されることにより、回転磁界が形成される。これにより、回転子２にマグネットトルクとリラクタンストルクとが発生して、回転子２が回転する。ここで、リラクタンストルクとは、磁気抵抗が小さくなろうとする箇所に発生するトルク、即ち、磁気が流れ難いところに磁束を流そうと回転子２が固定子３に対して回転することにより発生するトルクである。

電動機１は、ケーシング５を出力軸４の軸方向に移動させるリニアモータ（移動手段）４１を有する。ケーシング５の移動により、固定子３は軸方向に移動する。図１においては、原点位置に位置した固定子３を図示している。

固定子３が原点位置に位置しているとき、回転子２の回転軸Ｘに平行な断面視において、回転子２と固定子３との間に生じる電磁力の向きは、回転軸Ｘに対して直交する。このとき、電磁力のうち、回転に寄与しない成分は、回転軸Ｘに直交する成分のみである。回転軸Ｘに直交する成分は、１８０度対称な電磁力における回転軸Ｘに直交する成分とで打ち消し合う。なお、電磁力のうち、回転に寄与する成分は、回転子２の接線方向を向いている。

（スクリュ圧縮機の構成）
電動機１はスクリュ圧縮機３１に直結されている。スクリュ圧縮機３１は、雌雄２つのスクリュロータ３２を有している。これらスクリュロータ３２の一方と回転子２とが、出力軸４を介して直結されている。２つのスクリュロータ３２は、ケーシング３３内に収納されている。ケーシング３３は、ケーシング６に固定されている。ケーシング３３には、吸込口３４と吐出口３５とがそれぞれ設けられている。出力軸４の左端は、ケーシング３３内に設けられた軸受３６により回転可能に支持される。

スクリュ圧縮機３１においては、圧縮したガスの反力が、吐出側から吸込側に向かうスラスト力として、スクリュロータ３２に作用する。図１においては、吸込口３４がスクリュロータ３２の左側に位置しており、吐出口３５がスクリュロータ３２の右側に位置している。そのため、スラスト力は、出力軸４に沿って図中左向きに作用する。

（電動機の動作）
断面図である図２に示すように、スクリュロータ３２にスラスト力が作用しているときに、リニアモータ４１で、スラスト力とは反対方向（右方向）にケーシング５（固定子３）を移動させる。これにより、回転子２の回転軸Ｘに平行な断面視において、回転子２と固定子３との間に生じる電磁力の向きは、出力軸４の軸方向に対して直交する方向から傾斜する。このとき、電磁力のうち、回転に寄与しない成分を、回転軸Ｘに直交する成分と、回転軸Ｘに平行な成分とに分解することができる。

電磁力のうち、回転軸Ｘに直交する成分は、１８０度対称な電磁力における回転軸Ｘに直交する成分とで打ち消し合うが、回転軸Ｘに平行な成分は残る。この回転軸Ｘに平行な成分が、スラスト力とは反対方向に回転子２を動かす力となる。この力により、回転子２がスラスト力の向きとは反対方向に動くので、スラスト力を低減させることができる。このとき、圧油などの作動流体を利用していないので、動力損失は発生しない。また、スラストプレートのような回転体に部材を当接させる構成でないので、摩擦損失も発生しない。よって、スクリュ圧縮機３１の効率を向上させることができる。

なお、吸込口３４と吐出口３５との配置関係が逆の場合、スラスト力は図中右向きに作用する。この場合、スラスト力とは反対方向である左方向にケーシング５（固定子３）を移動させる。これにより、電磁力のうち、回転軸Ｘに平行な成分は左向きとなるので、スラスト力を低減させることができる。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る電動機１によると、スクリュロータ３２に作用するスラスト力とは反対方向に固定子３を移動させる。これにより、回転子２の回転軸Ｘに平行な断面視において、回転子２と固定子３との間に生じる電磁力の向きは、出力軸４の軸方向に対して直交する方向から傾斜する。このとき、電磁力のうち、回転に寄与しない成分を、回転軸Ｘに直交する成分と、回転軸Ｘに平行な成分とに分解することができる。このうち、回転軸Ｘに直交する成分は、１８０度対称な電磁力における回転軸Ｘに直交する成分とで打ち消し合うが、回転軸Ｘに平行な成分は残る。この回転軸Ｘに平行な成分が、スラスト力とは反対方向に回転子２を動かす力となる。この力により、回転子２がスラスト力の向きとは反対方向に動くので、スラスト力を低減させることができる。このとき、圧油などの作動流体を利用していないので、動力損失は発生しない。また、スラストプレートのような回転体に部材を当接させる構成ではないので、摩擦損失も発生しない。よって、スクリュ圧縮機３１の効率を向上させることができる。

［第２実施形態］
（電動機の構成）
次に、本発明の第２実施形態に係る電動機２０１について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態の電動機２０１が第１実施形態の電動機１と異なる点は、断面図である図３に示すように、出力軸４の軸方向への出力軸４の変位を検出するセンサ（検出手段）５１と、リニアモータ４１を制御して、出力軸４が変位した方向とは逆方向に固定子３を移動させるコントローラ（制御手段）５２と、を有している点である。

センサ５１は、ケーシング３３の左方に設けられており、ケーシング３３に設けられた開口３３ａを介して、出力軸４の左端の変位を検出するとともに、出力軸４の軸方向への変位量を測定する。センサ５１としては、レーザやカメラを用いて非接触で検出・測定するものが好ましい。変位量は、出力軸４の原点位置からのずれ量である。出力軸４の原点位置は、回転子２が原点位置に位置するときの出力軸４の位置である。

コントローラ５２は、出力軸４が変位した方向とは逆方向（右方向）に固定子３を移動させるようにリニアモータ４１を制御する。これにより、回転子２を動かす力がスラスト力とは反対方向に生じる。この力により、回転子２がスラスト力の向きとは反対方向に動き、スラスト力が低減するので、出力軸４の変位量を減少させることができる。これを、出力軸４の変位量が０になるまで行うことで、スラスト力を打ち消すことができる。

なお、センサ５１の位置は、ケーシング３３の左方に限定されず、例えば、ケーシング５内に設けられて出力軸４の右端の変位を検出するものであってもよい。また、センサ５１は、出力軸４の変位ではなく、回転子２の変位やスクリュロータ３２の変位を検出するものであってもよい。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る電動機２０１によると、出力軸４の変位を検出し、出力軸４が変位した方向とは逆方向に固定子３を移動させるようにリニアモータ４１を制御する。これにより、回転子２を動かす力がスラスト力とは反対方向に生じる。この力により、回転子２がスラスト力の向きとは反対方向に動き、スラスト力が低減するので、出力軸４の変位量を減少させることができる。これを、出力軸４の変位量が０になるまで行うことで、スラスト力を打ち消すことができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１，２０１ 電動機
２ 回転子
３ 固定子
４ 出力軸
５，６ ケーシング
７，８ 軸受
９ 支持体
１０ 軸受
１１ ロータコア
２１ ステータコア
２２ 巻線
３１ スクリュ圧縮機
３２ スクリュロータ
３３ ケーシング
３４ 吸込口
３５ 吐出口
３６ 軸受
４１ リニアモータ（移動手段）
５１ センサ（検出手段）
５２ コントローラ（制御手段）

Claims (2)

1. 出力軸を介してスクリュ圧縮機のスクリュロータと直結された電動機において、
   前記出力軸が中心に挿通された回転子と、
   前記回転子の周りに対向配置されて前記出力軸の軸方向に移動可能であって、前記回転子との間に電磁力を生じさせて、前記回転子を回転させる固定子と、
   前記固定子を前記出力軸の軸方向に移動させる移動手段と、
   を有し、
   前記移動手段は、前記スクリュロータに作用するスラスト力とは反対方向に前記固定子を移動させることを特徴とする電動機。
2. 前記出力軸の軸方向への前記出力軸の変位を検出する検出手段と、
   前記移動手段を制御して、前記出力軸が変位した方向とは逆方向に前記固定子を移動させる制御手段と、
   をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の電動機。

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