JP2002138962A

JP2002138962A - 圧縮機駆動用高速モータとその冷却方法

Info

Publication number: JP2002138962A
Application number: JP2000336382A
Authority: JP
Inventors: Kazumi Hasegawa; 和三長谷川; Shinichi Ozaki; 伸一尾崎; Toshio Takahashi; 俊雄高橋; Itsuki Kuwata; 厳桑田; Muneyasu Sugitani; 宗寧杉谷
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2000-11-02
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2002-05-17

Abstract

(57)【要約】【課題】ロータとステータとの隙間で発生する摩擦損
失と加速損失のうち、加速損失を大幅に低減することが
できる圧縮機駆動用高速モータとその冷却方法を提供す
る。【解決手段】電動機１と、電動機のロータ軸５に直結
した圧縮機と、冷却した圧縮ガス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と、ガス通路の内端に周方向に向けて
設けられたノズル２５とを備え、これにより、ロータと
ステータ間の空隙にロータの回転方向に所定の周方向速
度をもった圧縮ガスを導入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロータとステータ
との隙間で発生する加速損失を低減する圧縮機駆動用高
速モータとその冷却方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ターボコンプレッサ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、従来は、増速機により増速
して駆動していた。

【０００３】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、毎分数万回転数のものも現れてい
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ロータ軸に取付けたファンを用いる
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。

【０００４】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５
に例示するように、高速電動機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た。

【０００５】しかし、特開平９−３０８１８９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。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。

【０００６】この問題点を解決するために、本発明の発
明者等は、「高速モータ駆動圧縮機とその冷却方法」を
既に出願している（特願２０００−８８６８３号、未公
開）。この手段は、図６に模式的に示すように、電動機
のステータ６に、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を設け、ケーシングに、ガス通路
の外面側に連通するガス入口と軸方向両端部に設けられ
た複数のガス出口とを備えて、冷却した圧縮ガスをロー
タ４とステータ６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ものであ
る。これにより、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４及びステータ６を内面から効
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、その高速回転が可能になった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した高速電動機は
大きな発熱を伴う。このうちロータとステータとの隙間
で発生する発熱は、摩擦損失と加速損失に大別すること
ができる。摩擦損失は、隙間に存在する流体の粘性に起
因する損失（発熱）であり、加速損失は、隙間に存在す
る流体を周方向へ加速する際に生ずる損失（発熱）であ
る。これらの損失を低減する手段としては、（１）ロー
タ外径を小さくすることでロータ周速を下げ、摩擦損失
を低減する、（２）冷却空気温度、圧力の最適化により
損失、温度上昇を低減する、等が考えられる。

【０００８】しかし、（１）ロータ外径を小さくする
と、同一出力を確保するためには軸方向長さを長くしな
ければならない。その結果、ロータ剛性が低下し、ロー
タダイナミックス的に不利となる。また、（２）冷却空
気の温度や圧力を調整することで、損失、温度上昇を低
減することはできるが、得られる効果は少ない。

【０００９】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、ロ
ータとステータとの隙間で発生する摩擦損失と加速損失
のうち、加速損失を大幅に低減することができる圧縮機
駆動用高速モータとその冷却方法を提供することにあ
る。

【００１０】

【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、冷却した圧縮ガス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、その軸方向中央部にステータ内
外面を連通するガス通路（２４）と、該ガス通路の内端
に周方向に向けて設けられたノズル（２５）とを備え、
これにより、ロータとステータ間の空隙にロータの回転
方向に所定の周方向速度をもった圧縮ガスを導入する、
ことを特徴とする圧縮機駆動用高速モータが提供され
る。

【００１１】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）を通して供
給し、その内端からロータとステータ間の空隙にロータ
の回転方向に所定の周方向速度をもった圧縮ガスを導入
する、ことを特徴とする圧縮機駆動用高速モータの冷却
方法が提供される。

【００１２】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）及びその内端に周方向に向けて
設けられたノズル（２５）を介して冷却した圧縮ガスの
一部をロータとステータ間の空隙にロータの回転方向に
所定の周方向速度をもった圧縮ガスを導入することがで
きる。

【００１３】この装置及び方法によれば、ロータ、ステ
ータ間では、摩擦損失と加速損失が発生するが予め周方
向速度を与えることで、流体の加速損失を大幅に低減、
もしくはゼロにすることができる。加えて、ロータ寸
法、冷却空気諸元の見直しを組み合わせて行うことで、
更なる損失低減も見込むことができる。

【００１４】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
圧縮機は１軸１段圧縮機又は１軸２段圧縮機である。い
ずれの場合もインタークーラ又はアフタークーラと組み
合わせることにより、外部から冷却ガスを供給すること
なく、低温の圧縮ガスを冷媒として用いることができ
る。

【００１５】更に、圧縮ガスの前記ガス通路への供給時
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。

【００１６】前記周方向速度の平均値をロータ周速の５
０％±１５％以内に設定する、ことが好ましい。ロー
タ、ステータ間では、摩擦損失が必ず発生し、この摩擦
損失による周方向速度は、理論的にロータ周速の約５０
％となる。従って、供給する冷却ガスの周方向速度の平
均値をロータ周速の５０％±１５％以内に設定すること
により、冷却ガス供給後の加速がほとんど不要となり、
加速損失を従来の９％以内に低減することができること
が、確認された。

【００１７】

【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は本発明の圧縮機駆動用高速モータの全体構成
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。

【００１８】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２段圧縮機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。

【００１９】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、圧縮ガスが圧縮空気の場合を
説明する。

【００２０】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。

【００２１】図２（Ａ）は、図１のＡ−Ａ線における断
面図である。図１及び図２（Ａ）に示すように、本発明
の圧縮機駆動用高速モータにおいて、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複
数（この例で４本）のガス通路２４と、このガス通路２
４の内端にロ−タの回転方向に向けて設けられた複数の
ノズル２５とを備えている。ガス通路２４は、この例で
は、ロータ４の外周に接するように、ロータ４の中心か
らオフセットして設けられている。また、ノズル２５は
先細に成形され、ロータ４とステータ６の間の空隙で圧
縮空気を断熱膨張させるようになっている。また、図２
（Ｂ）は、図２（Ａ）の別の実施形態である。この例で
は、ガス通路２４は、ロータ４の中心から放射状に設け
られ、ノズル２５により圧縮空気を周方向に噴射するよ
うに形成されている。なお、本発明はこの実施形態に限
定されず、例えば圧縮空気のガス通路２４への供給時に
圧縮空気を断熱膨張させてもよい。

【００２２】ガス通路２４及びノズル２５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。

【００２３】また、図１の実施形態では、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。なお本発明はこの構成に限定さ
れず、例えばガス入口８ａとガス出口８ｂをそれぞれ１
つづつ設け、ロ−タの片側から反対側に冷却ガスを流す
ようにしてもよい。

【００２４】また、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で冷却した圧縮空気の一部をガス入口
８ａから電動機のケーシング８内に導入しているが、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空気の一部をガス入口８ａか
ら電動機のケーシング８内に導入してもよい。

【００２５】上述した構成の圧縮機駆動用高速モータを
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）で圧縮した圧縮空気をインタ
ークーラ１２（又はアフタークーラ）で冷却し、冷却し
た圧縮空気の一部をステータ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を通して供給
し、その内端ノズル２５からロータとステータ間の空隙
にロータの回転方向に所定の周方向速度をもった圧縮空
気を導入する。なお圧縮空気は、図１の例ではロータ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
流れ、ケーシングの両端部のガス出口８ｂから外部に排
出される。

【００２６】導入する冷却ガスの周方向速度は、その平
均値ｖを、ロータ周速の５０％±１５％以内に設定す
る。以下、その理由を説明する。

【００２７】図３は、ロータ、ステータ間の流速分布の
模式図であり、図４は、周方向平均流速と摩擦損失との
関係図である。図４において、横軸は、ロータ周速に対
する周方向平均流速の割合であり、縦軸は摩擦損失の最
小値を１００とする値である。

【００２８】高速電動機は、高速回転によりロータ、ス
テータ間で大きな発熱を生じる。この発熱の主原因とし
て、摩擦損失、加速損失が挙げられる。摩擦損失は、ロ
ータ、ステータ壁面と流体間の摩擦、流体内部の摩擦
（剪断力）により生じる。ロータが回転すると、流体は
粘性を有するため、ある速度分布を持つ。そこで、ロー
タ、ステータ間での圧縮空気の周方向平均速度を推定す
る。ロータが高速回転するため、隙間での流れは乱流と
なり、流速分布は図３のようになる。

【００２９】この時、ステータと流体間の単位質量当た
りの摩擦損失Ｌ_Sは、損失係数ζ_S、流体の周方向平均流
速ｖとすると、（数１）の式（１）で求められる。同様
に、ロータと流体間の単位質量当たりの摩擦損失Ｌ
_Tは、損失係数ζ_T、ロータ周速ｕとすると、式（２）で
求められる。簡単のため、ζ_S＝ζ_Tとして、ステータ側
とロータ側の摩擦損失合計Ｌ_tを求めると、式（３）の
ようになる。

【００３０】

【数１】

【００３１】上式より、流体の周方向平均速度がロータ
周速の半分になった時、摩擦損失が最小となることがわ
かる（図４参照）。つまり、本計算により、流体は損失
の最も少ない状態で安定となるため、周方向速度はおよ
そロータ周速の半分となる。

【００３２】一方、加速損失は流体を周方向に加速する
損失である。従来の方法では、周方向に速度成分を与え
ていない。周方向速度成分をもたない流体をロータ、ス
テータ間に挿入すると、流体は上記速度まで加速される
ので、速度エネルギーが与えられる。この速度エネルギ
ーが加速損失に相当するわけである。よって、予め流体
に周方向の速度を与えてロータ、ステータ間に導入する
ことで、加速に要するエネルギー（すなわち加速損失）
を減ずる、あるいはゼロにすることができる。上記のよ
うに、予め流体に周方向速度を与えると効果的である
が、周方向平均流速がロータ周速の５０％±１５％（つ
まり、３５％〜６５％）の範囲であれば、損失の増加は
微増（約９％）に抑えられる（図４参照）。

【００３３】なお、加速損失は、（数２）の式（４）で
与えられる。この式により、周方向の初期流速ｖ_t0が平
均流速ｖ_tに達するまでに要する加速損失（すなわち加
速エネルギー）を求めることができる。初期流速ｖ_t0が
０の場合、この加速損失は、図４に示した最小摩擦損失
の２０〜３０％に達する。従って、本発明によりこれを
約９％以内に低減することにより、加速損失を従来の１
／２〜１／３以下にできることがわかる。

【００３４】

【数２】

【００３５】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。

【００３６】

【発明の効果】上述したように、本発明により、加速損
失を従来の１／２〜１／３以下にできる。従って、本発
明の圧縮機駆動用高速モータとその冷却方法は、ロータ
とステータとの隙間で発生する摩擦損失と加速損失のう
ち、加速損失を大幅に低減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】本発明の圧縮機駆動用高速モータの全体構成図
である。

【図２】図１のＡ−Ａ線における模式的断面酢である。

【図３】ロータ、ステータ間の流速分布の模式図であ
る。

【図４】周方向平均流速と摩擦損失との関係図である。

【図５】先行出願の圧縮機駆動用高速モータの模式図で
ある。

【図６】先行出願の別の圧縮機駆動用高速モータの模式
図である。

【符号の説明】

１電動機、２ロータ、４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、２５ノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０２Ｋ 7/14 Ｈ０２Ｋ 7/14 Ｂ 9/18 9/18 Ａ (72)発明者高橋俊雄東京都江東区豊洲２丁目１番１号石川島播磨重工業株式会社東京第一工場内 (72)発明者桑田厳東京都江東区豊洲２丁目１番１号石川島播磨重工業株式会社東京第一工場内 (72)発明者杉谷宗寧東京都江東区豊洲２丁目１番１号石川島播磨重工業株式会社東京第一工場内Ｆターム(参考） 3H003 AA06 AB05 AC02 BE04 CD05 CF04 3H022 AA02 BA01 BA03 CA50 DA03 3H035 AA02 AA06 5H607 AA02 AA11 AA12 BB01 BB14 CC01 CC05 DD08 DD19 FF07 GG01 5H609 BB12 BB19 PP02 PP06 PP07 PP08 PP09 QQ03 QQ13 QQ18 QQ20 RR03 RR11 RR22 RR26 RR36 RR43 RR52 RR53 RR67 RR69 RR73

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、冷却した圧縮ガスを前記電
動機のケーシング（８）内に導入する冷却ライン（１
４）と、を備え、前記電動機のステータ（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）と、該ガス通
路の内端に周方向に向けて設けられたノズル（２５）と
を備え、これにより、ロータとステータ間の空隙にロー
タの回転方向に所定の周方向速度をもった圧縮ガスを導
入する、ことを特徴とする圧縮機駆動用高速モータ。
【請求項２】前記圧縮機は１軸１段圧縮機又は１軸２
段圧縮機である、ことを特徴とする請求項１に記載の圧
縮機駆動用高速モータ。
【請求項３】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）を通して供給し、その内端からロ
ータとステータ間の空隙にロータの回転方向に所定の周
方向速度をもった圧縮ガスを導入する、ことを特徴とす
る圧縮機駆動用高速モータの冷却方法。
【請求項４】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３に記載の圧縮機駆動用高速モータの冷却方法。
【請求項５】前記周方向速度の平均値をロータ周速の
５０％±１５％以内に設定する、ことを特徴とする請求
項３に記載の圧縮機駆動用高速モータの冷却方法。