JP2001271797A

JP2001271797A - 高速モータ駆動圧縮機とその冷却方法

Info

Publication number: JP2001271797A
Application number: JP2000088683A
Authority: JP
Inventors: Kazumi Hasegawa; 和三長谷川; Shinichi Ozaki; 伸一尾崎; Toshio Takahashi; 俊雄高橋; Muneyasu Sugitani; 宗寧杉谷
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2000-03-28
Publication date: 2001-10-05

Abstract

(57)【要約】【課題】インペラを高速電動機で直接駆動する場合で
あっても、ロータ及びステータを効果的に冷却すること
ができ、かつロータのアンバランスの発生を最小限に抑
えその高速回転を可能にする高速モータ駆動圧縮機とそ
の冷却方法を提供する。【解決手段】電動機１のロータ軸５に直結した圧縮機
２１と、圧縮機により圧縮した圧縮ガスを冷却する冷却
器１２と、冷却器で冷却した圧縮ガスの一部を電動機の
ケーシング８内に導入する冷却ライン１４とを備える。
電動機のステータ６は、その軸方向中央部にステータ内
外面を連通するガス通路２４を有する。また、ケーシン
グ８は、ガス通路の外面側に連通するガス入口８ａと軸
方向両端部に設けられた複数のガス出口８ｂとを有す
る。電動機１に直結した圧縮機２１で圧縮した圧縮ガス
を冷却器１２で冷却し、冷却した圧縮ガスの一部をステ
ータ６の軸方向中央部又はその近傍に設けたステータ内
外面を連通するガス通路２４を通してロータ４とステー
タ６との空隙をロータに沿って両端方向に流し、ケーシ
ングの両端部から外部に排出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高速回転時の発熱
部（回転子と固定子）を効果的に冷却することができる
高速モータ駆動圧縮機とその冷却方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ターボ型空気圧縮機は毎分数万回転で駆
動される。駆動源としてはエンジンの排気ガスで駆動さ
れるタービンや電動機が用いられる。タービンの場合は
圧縮機と回転軸を直結するが、電動機の場合その回転数
は毎分数千回転であるので、増速機により増速して駆動
する。

【０００３】図３は電動機により駆動される従来のター
ボ型圧縮機を示す。電動機１はロータ４がロータ軸５と
一体になり軸受７で回転支持され、ロータ４の周囲には
ステータ６が配置されている。ロータ４とステータ６は
ケーシング８で覆われ、内部のロータ軸５にはファン９
が固定され、ロータ軸５の回転によりロータ４、ステー
タ６を冷却する。ロータ軸５は増速機３と接続し、増速
機３の出力軸に圧縮機２が直結している。増速機３で十
数倍に増速し、毎分数万回転にして圧縮機２を駆動す
る。

【０００４】近年、パワートランジスタやサイリスタな
どのパワーエレクトロニクスの進歩により高速回転の電
動機が可能になり、毎分数万回転のものも現れている。
このような高速電動機では増速機を介さず圧縮機と直結
することができる。高速回転のためロータからの発熱が
多く冷却のため図３に示したファンを用いる場合、ロー
タ軸をファン取付け分長くする必要がある。このように
長くすると振動が発生するおそれがある。またファンの
冷却が不十分であるとロータが熱変形し高速運転できな
くなるおそれがある。

【０００５】この問題を解決するため、本発明の発明者
等は、先に、ターボ型空気圧縮機（特開平９−３０８１
８９号）を創案した。このターボ型空気圧縮機は、図４
に例示するように、電動機１と、この電動機１のロータ
軸５に直結した圧縮機２１と、この圧縮機の圧縮した圧
縮空気を冷却する冷却器１２（インタークーラ）と、こ
の冷却器で冷却した圧縮空気の一部を電動機のケーシン
グ８内に導入する冷却ライン１４とを備え、冷却器１２
によって冷却した圧縮空気の一部をケーシング内に導入
してロータ４やステータ６を冷却するようになってい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平９−３
０８１８９号のターボ型空気圧縮機では、圧縮冷媒（こ
の場合圧縮空気）をケーシングの一端より吸入している
ため、ロータの冷媒吸入側と吐出側の温度分布に温度勾
配が生じる。すなわち冷媒吸入口に近いロータ表面は、
冷媒圧力が高く熱伝導率が高いのでよく冷えるが、軸方
向に冷媒が流れるにつれて冷媒圧力が下がり熱伝導率が
低下するので、冷えにくくロータの温度上昇が激しくな
る。その結果、ロータの軸方向に温度差が生じ、かつそ
の温度勾配が非対称となるので、ロータ温度の高い側が
大きく熱変形を起こし、アンバランスとなって高速回転
が不安定となったり、特にインペラを直接駆動する高速
電動機では回転不能となるおそれがある問題点があっ
た。

【０００７】更に、ステータの冷却は円筒形のステータ
の内面に沿って冷媒が流れるだけであるため、コイルに
よる発熱の激しい中心部分を直接冷却することができな
い問題点があった。そのため、ステータ中心部に位置す
るコイルが過熱されて絶縁不良を引き起こすおそれがあ
る問題点があった。

【０００８】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、イン
ペラを高速電動機で直接駆動する場合であっても、ロー
タ及びステータを効果的に冷却することができ、かつロ
ータのアンバランスの発生を最小限に抑えその高速回転
を可能にする高速モータ駆動圧縮機とその冷却方法を提
供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、電動機
（１）と、該電動機のロータ軸（５）に直結した圧縮機
と、該圧縮機により圧縮した圧縮ガスを冷却する冷却器
と、該冷却器で冷却した圧縮ガスの一部を前記電動機の
ケーシング（８）内に導入する冷却ライン（１４）と、
を備え、前記電動機のステータ（６）は、その軸方向中
央部又はその近傍にステータ内外面を連通するガス通路
（２４）を有し、ケーシング（８）は、ガス通路の外面
側に連通するガス入口（８ａ）と軸方向両端部に設けら
れた複数のガス出口（８ｂ）とを有し、ガス入口（８
ａ）に前記冷却ライン（１４）が連結され、これによ
り、冷却した圧縮ガスをロータ（４）とステータ間の空
隙をロータに沿って両端方向に流しケーシングの両端部
から外部に排出する、ことを特徴とする高速モータ駆動
圧縮機が提供される。

【００１０】また、本発明によれば、電動機（１）に直
結した圧縮機で圧縮した圧縮ガスを冷却し、冷却した圧
縮ガスの一部をステータ（６）の軸方向中央部又はその
近傍に設けたステータ内外面を連通するガス通路（２
４）を通してロータ（４）とステータ間の空隙をロータ
に沿って両端方向に流し、ケーシングの両端部から外部
に排出する、ことを特徴とする高速モータ駆動圧縮機の
冷却方法が提供される。

【００１１】上記本発明の装置及び方法によれば、電動
機（１）に直結した圧縮機で圧縮した圧縮ガスを冷却
し、冷却ライン（１４）及びガス入口（８ａ）を介して
冷却した圧縮ガスの一部をステータ（６）の軸方向中央
部に設けたステータ内外面を連通するガス通路（２４）
に導き、これを通してロータ（４）とステータ間の空隙
をロータに沿って両端方向に流し、ケーシングの両端部
のガス出口（８ｂ）から外部に排出することができる。

【００１２】この装置及び方法によれば、（１）圧縮ガ
ス（例えば圧縮空気）を冷媒として使用するため、基本
的に熱伝導率が高く、従来方法に比較して冷却能力が向
上する。（２）また、圧縮ガスを冷媒として使用し、ス
テータ中央（又はその付近）より、ステータに貫通して
開けられた穴を通して冷媒が取り入れられるので、最も
高温となるステータ中心部分を直接冷却することがで
き、ステータ中央部のコイルの絶縁劣化等を防ぐことが
できる。（３）更に、ロータを軸方向に対称に冷却でき
るため、ロータ表面の温度勾配が小さくできる。そのた
め温度上昇が小さくなり、ロータの熱変形の影響を最小
にできることから、アンバランスを回避し、安定した高
速回転が可能となる。

【００１３】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
圧縮機は１段圧縮機２１であり、前記冷却機はインター
クーラ１２である。また、前記圧縮機は２段圧縮機２２
であり、前記冷却機はアフタークーラであってもよい。
１段圧縮機２１とインタークーラ１２を組み合わせるこ
とにより、２段圧縮機２２の負荷を低減できる。また、
２段圧縮機２２とアフタークーラを組み合わせることに
より、より高圧の圧縮ガスを冷媒として用いることがで
きる。

【００１４】更に、圧縮ガスの前記ガス通路（２４）へ
の供給時に、或いはロータとステータ間の空隙への供給
時に、圧縮ガスを断熱膨張させることが好ましい。断熱
膨張により温度低下を利用することにより、ガス通路
（２４）内又はロータとステータ間の空隙をより効果的
に冷却することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において共通す
る部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略す
る。図１は本発明の高速モータ駆動圧縮機の全体構成図
である。この図において、電動機１のロータ４はロータ
軸５に固定され、ロータ軸５は軸受７により高速回転可
能に支持されている。ロータ４の周囲にはステータ６が
配置され電磁力によりロータ４を回転する。ロータ４、
ステータ６はケーシング８により覆われている。電動機
１はパワーエレクトロニクスを用いて製作され高速回転
（例えば毎分数万回転）するようになっている。

【００１６】ロータ軸５の両端はケーシング８より突出
し、一方の端には１段圧縮機２１が結合され、他方の端
には第２圧縮機２２が結合されている。１段圧縮機２１
の羽根車２１ａ（インペラ）はロータ軸５に結合し、羽
根車２１ａは圧縮機ケーシング２１ｂで覆われている。
同様に、2段圧縮機２２の羽根車２２ａはロータ軸５に
結合し、羽根車２２ａは圧縮機ケーシング２２ｂで覆わ
れている。

【００１７】１段圧縮機２１の圧縮機ケーシング２１ｂ
の出口と、2段圧縮機２２の圧縮機ケーシング２２ｂの
入口とは連結路１１で接続され、連結路１１にはインタ
クーラ１２が設けられ、１段圧縮機２１で圧縮した圧縮
ガスを冷却する。圧縮するガスは、空気以外の気体であ
ってもよい。なお以下、の説明では圧縮ガスを圧縮空
気、又は冷媒ガスと呼ぶ。

【００１８】2段圧縮機２２の圧縮機ケーシング２２ｂ
の出口には必要によりアフタクーラ（図示せず）が設け
られ、2段圧縮機２２で圧縮した圧縮空気を冷却する。
インタクーラ１２には冷却管１２ａが設けられ冷却水ま
たは空気により冷却される。

【００１９】本発明の高速モータ駆動圧縮機において、
電動機のステータ６は、その軸方向中央部又はその近傍
にステータ内外面を連通するガス通路２４を有する。こ
のガス通路２４は、積層構造の中間位置にスペーサを用
いてリング状の通路とするのが好ましい。また、密に積
層したステータ６にドリル等で複数の貫通穴を設けても
よい。

【００２０】また、ケーシング８は、ガス通路２４の外
面側に連通するガス入口８ａと軸方向両端部に設けられ
た複数（例えば２つ）のガス出口８ｂとを有する。ま
た、このガス入口８ａに冷却ライン１４が連結されてい
る。

【００２１】更に、図１の実施形態では、１段圧縮機２
１で圧縮した圧縮空気をインタークーラ１２に導き、イ
ンタークーラ１２で冷却した圧縮ガスの一部をガス入口
８ａから電動機のケーシング８内に導入している。ま
た、本発明はこの構成に限定されず、２段圧縮機２２で
圧縮した圧縮空気をアフタークーラ（図示せず）に導
き、アフタークーラで冷却した圧縮ガスの一部をガス入
口８ａから電動機のケーシング８内に導入してもよい。

【００２２】上述した構成の高速モータ駆動圧縮機を用
いて、本発明の冷却方法によれば、電動機１に直結した
圧縮機２１（又は２２）で圧縮した圧縮ガスをインター
クーラ１２（又はアフタークーラ）で冷却し、冷却した
圧縮ガスの一部をステータ６の軸方向中央部に設けたス
テータ内外面を連通するガス通路２４を通してロータ４
とステータ６の間の空隙をロータ４に沿って両端方向に
流し、ケーシングの両端部のガス出口８ｂから外部に排
出する。

【００２３】また、好ましくは、圧縮ガスのガス通路２
４への供給時に、或いはロータ４とステータ６の間の空
隙への供給時に、圧縮ガスを断熱膨張させる。

【００２４】図２は、ロータ温度分布の比較図である。
この図において、横軸はロータ４の軸方向距離であり、
縦軸はロータの温度分布を示している。

【００２５】この図に示すように、本発明は、以下の特
徴を有する。１．圧縮ガス（例えば圧縮空気）を冷媒として使用する
ため、基本的に熱伝導率が高く、従来方法に比較して冷
却能力が向上する。２．圧縮ガスを冷媒として使用し、ステータ中央（又は
その付近）より、ステータに貫通して開けられた穴を通
して冷媒が取り入れられるので、最も高温となるステー
タ中心部分を直接冷却することができ、ステータ中央部
のコイルの絶縁劣化等を防ぐことができる。３．ステー
タ中央に対し、冷媒が左右対称の流れとなるため、軸方
向の冷却面積が実質的に１／２になる。従って，冷媒の
温度上昇も抑えられモータ冷却能力が向上する。４．ロータの温度分布は図の実線のようになり、従来
方法に比較して温度上昇も約１／２となる。これによ
り、ロータ全体の温度分布が均一となり温度勾配が小さ
くなるので、ロータの熱変形によるアンバランスが回避
でき、安定した高速回転が可能となる。

【００２６】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲じ種々に変更でき
ることは勿論である。

【００２７】

【発明の効果】上述したように、本発明の高速モータ駆
動圧縮機とその冷却方法は、インペラを高速電動機で直
接駆動する場合であっても、ロータ及びステータを効果
的に冷却することができ、かつロータのアンバランスの
発生を最小限に抑えその高速回転を可能にすることがで
きる、等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高速モータ駆動圧縮機の全体構成図で
ある。

【図２】ロータ温度分布の比較図である。

【図３】従来のターボ圧縮機の構成図である。

【図４】先行出願の高速モータ駆動圧縮機の模式図であ
る。

【符号の説明】

１電動機、４ロータ、５ロータ軸、６ステー
タ、７軸受、８ケーシング、８ａガス入口、８ｂ
ガス出口、１１連絡路、１２インタークーラ、１
２ａ，１３ａ冷却管、１３アフタークーラ、１４
冷却ライン、１４ａオリフィス、２１１段圧縮機、
２２２段圧縮機、２１ａ，２２ａ羽根車（インペ
ラ）、２１ｂ，２２ｂ圧縮機ケーシング、２４ガス
通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋俊雄東京都江東区豊洲３丁目２番16号石川島播磨重工業株式会社東京エンジニアリングセンター内 (72)発明者杉谷宗寧東京都江東区豊洲３丁目２番16号石川島播磨重工業株式会社東京エンジニアリングセンター内Ｆターム(参考） 3H035 AA01 AA02 AA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電動機（１）と、該電動機のロータ軸
（５）に直結した圧縮機と、該圧縮機により圧縮した圧
縮ガスを冷却する冷却器と、該冷却器で冷却した圧縮ガ
スの一部を前記電動機のケーシング（８）内に導入する
冷却ライン（１４）と、を備え、前記電動機のステータ（６）は、その軸方向中央部又は
その近傍にステータ内外面を連通するガス通路（２４）
を有し、ケーシング（８）は、ガス通路の外面側に連通
するガス入口（８ａ）と軸方向両端部に設けられた複数
のガス出口（８ｂ）とを有し、ガス入口（８ａ）に前記
冷却ライン（１４）が連結され、これにより、冷却した
圧縮ガスをロータ（４）とステータ間の空隙をロータに
沿って両端方向に流しケーシングの両端部から外部に排
出する、ことを特徴とする高速モータ駆動圧縮機。
【請求項２】前記圧縮機は１段圧縮機２１であり、前
記冷却機はインタークーラ１２である、ことを特徴とす
る請求項１に記載の高速モータ駆動圧縮機。
【請求項３】前記圧縮機は２段圧縮機２２であり、前
記冷却機はアフタークーラである、ことを特徴とする請
求項１に記載の高速モータ駆動圧縮機。
【請求項４】電動機（１）に直結した圧縮機で圧縮し
た圧縮ガスを冷却し、冷却した圧縮ガスの一部をステー
タ（６）の軸方向中央部又はその近傍に設けたステータ
内外面を連通するガス通路（２４）を通してロータ
（４）とステータ間の空隙をロータに沿って両端方向に
流し、ケーシングの両端部から外部に排出する、ことを
特徴とする高速モータ駆動圧縮機の冷却方法。
【請求項５】圧縮ガスの前記ガス通路（２４）への供
給時に、或いはロータとステータ間の空隙への供給時
に、圧縮ガスを断熱膨張させる、ことを特徴とする請求
項４に記載の高速モータ駆動圧縮機の冷却方法。