JP2006167677A - 遠心機 - Google Patents

Abstract

【課題】理想的な卓上型遠心機の高さ約３００ｍｍを実現し、出力数百Ｗ以上の電動機をチャンバ底部の高さ約１００ｍｍに納めるためになされたものであり、良好な作業高さとチャンバ体積を確保することができるとともに、電動機効率の向上を図ることができる遠心機を提供すること。
【解決手段】チャンバと、該チャンバ内で回転するロータと、該ロータを回転駆動する電動機１を備えた遠心機において、前記電動機１の回転子のコア８両端面に略均等な断面積のエンドリング９を設け、前記回転子の軸受支持部材１８の直径よりも回転子のコアバックの直径を大きく設定し、回転子の両端に配置されたベアリング（軸受）１１を両エンドリング９の内側のコア端面近傍に配置するとともに、電動機１をチャンバの底部に配置しする。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導電動機、ブラシレスマグネットモータ等の電動機を駆動源とする遠心機に関し、更に詳細には、遠心機に好適な電動機の形状及び配置に関するものである。

図８に示す医療検査等に用いられる遠心機は、回転体であるロータ４に、試料或は試験管若しくは複数の試験管を入れたバケット５を搭載し、これを電動機３で回転させることによって試料を遠心分離するものである。ここで、ロータは、遠心分離する試料の種類、或はロータ、ロータとこれに組み合わされるバケットの慣性モーメント、回転風損によってその回転数は様々であり、数千ｒｐｍ〜十数万ｒｐｍのものがある。ロータ回転中の作業者の安全を確保するため、ロータ４は、ロータ室であるチャンバ６の中に配置され、上蓋となるドア７を閉めた状態で運転される。

ところで、遠心機には床置き型と卓上型の２種類があり、用途、ロータの大きさや必要回転数に応じて使い分けられている。ここで、卓上型遠心機は、室内の空間を有効に活用することができ、配置換えも容易であるという特徴を有している。卓上に遠心機を設置する場合、一般的な作業机の高さが平均して約９００ｍｍであることから、設置底面からチャンバ上端部（上蓋を開けた端面）までの高さＸは約３００ｍｍであることが望ましい。従来の卓上型遠心機には、これを満足する構成として、図８及び図９に示すような構成のものがある。

又、駆動源である誘導電動機の公知例としては特許文献１等があり、駆動源となる電動機とロータを結ぶ駆動軸の構成例は特許文献２に開示されている。

尚、図８及び図９においてロータ４は略図的に示されているが、実際には図１１に示すようなスイングロータ形式を構成している。図１１はスイングロータ４の斜視図であり、スイングロータ４においては、軸４１から放射状に複数（図示例では、４本）のアーム４２が水平に延び、それぞれのアーム４２の先端が二股状を成し、各先端部の二股状部分の対向する内面にはピン４３が突設されている。そして、相対向する一対のピン４３には、有底筒状のバケット５が揺動可能に支持され、各バケット５内には複数の試験管穴が形成されたラック４４が収容され、該ラック４４の試験管穴には試験管４５が挿入されている。

特開平１１−０５５９１０号公報 ＷＯ２００２／０８５５２６号公報

遠心機の駆動源としては、低価格で回転数の制御が容易である誘導電動機が広く用いられている。図１０に遠心機に用いられている従来の誘導電動機の例を示す。

図１０は従来の誘導電動機の構成図であり、図示の誘導電動機３の定格出力は約６００Ｗであり、回転子コア８の直径Ｄは約φ７０ｍｍ、積厚Ｚは約７０ｍｍである。そして、回転子コア８の両端には、回転子の導体バーを短絡するエンドリング９が設けられ、更にそれらの軸方向外側にはバランスリング１０とベアリング１１が各々配置されている。尚、エンドリング９の材質には、一般的にアルミニウ合金若しくは銅合金が選定される。

又、回転軸２０の反出力側の軸端には、電動機、ロータの速度又は回転数或は位置検出用のエンコーダ１２が取り付けられている。このように、元々のコア積厚７０ｍｍに加え、軸方向にエンドリング９、バランスリング１０、ベアリング１１及びエンコーダ１２が配置され、誘導電動機３の軸方向長さは約２００ｍｍとなっている。

卓上型遠心機の高さを理想の約３００ｍｍとした場合、試料の搭載量を考慮すると、高さ３００ｍｍの２／３程度（約２００ｍｍ）の空間はチャンバ６として使用したい。よって、設置底面からチャンバ６の底面までの高さＹ（図８参照）は約１００ｍｍとなる。遠心分離する試料の種類、或はロータ、ロータとこれに組み合わされるバケットの慣性モーメント、回転風損から判断して、電動機の出力は数百Ｗ以上が必要である。

ところが、前述のように、従来の誘導電動機は軸方向の寸法が大きく、チャンバの底部から高さ１００ｍｍの空間に誘導電動機を配置するのは不可能であった。このため、従来は、遠心機の高さ３００ｍｍを達成するために図８や図９に示す構造が用いられていた。

図９に示す構造では、従来型の誘導電動機３の回転軸の出力側を鉛直下方に向けてチャンバ６の横に配置し、ベルト駆動で出力軸１３を回転させている。

一方、図８に示す構造では、チャンバ６の底部から従来形の誘導電動機３の出力側の一部を突出させ、これとの干渉を回避するようにロータ４の形状を逃がしている。しかし、図９に示す構造では、チャンバ６の横に電動機３を配置するために該遠心機３の横幅が大きくなり、卓上型遠心機の利点であるコンパクト性が損なわれる。又、ベルト駆動を用いているため、回転時の騒音が発生し、ベルト切れが発生して信頼性も低く、定期的なベルト１４のメンテナンスが必要となる。

又、図８に示す構造では、チャンバ６内に電動機３が突出しているため、チャンバ６の有効体積が減少し、搭載する試料の量が少なくなるとともに、電動機３の発熱がチャンバ６内で放熱されるため、風冷式の場合は試料が温められて不利であり、冷凍機により冷却する場合は冷凍サイクルが大きくなったり、又、電動機３のチャンバ６側の軸受が冷やされ、結露のために軸受の回転不良が起き易いという欠点がある。更に、ドア７を開けた状態でのロータ４の着脱作業性が悪いという問題もある。このように、遠心機の高さ３００ｍｍは実現できても別の問題が発生し、理想的な解決策とは言えなかった。

更に、前記特許文献２に開示されている遠心機では、チャンバ内で回転するロータとして、互いに種類又はサイズの異なる第１のロータと第２のロータを含む少なくとも２個のロータを選択的に搭載して回転させるため、本体に支持されると共に回転トルクを発生する出力軸を備え、この出力軸を軸受を介して支承する動力を発生する電動機と、選択された第１ロータと出力軸とを動力的に接続し、この第１ロータに回転トルクを伝達する弾性回転駆動軸と、選択された第２ロータを支持する剛性回転駆動軸とを有し、これらの回転駆動軸及び支持軸は駆動軸と同軸であり、回転駆動軸は第１のロータと嵌合してこの第１のロータを回転支持する第１クラウン部を有し、この支持軸には回転駆動軸が挿通可能な空間が内部に形成されるとともに、前記第２のロータと嵌合して該第２のロータを回転支持する第２のクラウン部を有する回転駆動軸と組み合わせる場合、回転駆動軸がチャンバ６内で鉛直方向に占めるスペースが大きくなり、従来のようにチャンバ６内に電動機３を突出させることが不可能になっている。
本発明は、理想的な卓上型遠心機の高さ約３００ｍｍを実現し、出力数百Ｗ以上の電動機をチャンバ底部の高さ約１００ｍｍに納めるためになされたものであり、良好な作業高さとチャンバ体積を確保することができるとともに、電動機効率の向上を図ることができる遠心機を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、チャンバと、該チャンバ内で回転するロータと、該ロータを回転駆動する電動機を備えた遠心機において、前記電動機の回転子のコア両端面に略均等な断面積のエンドリングを設け、前記回転子の軸受支持部材の直径よりも回転子のコアバックの直径を大きく設定し、回転子の両端に配置された軸受を両エンドリングの内側のコア端面近傍に配置するとともに、電動機をチャンバの底部に配置したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記固定子のコイルエンドの内側で且つ軸方向位置が重なる位置に回転数検出用エンコーダを取り付けたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記固定子のコイルエンドの内側で且つ軸方向位置が重なる位置に前記回転数検出用エンコーダを取り付けことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の発明において、前記電動機の回転子両端部のコアバック部分に前記軸受支持部より径の大きなリング状の凹部を設け、該凹部の内部に前記軸受を配置したことを特徴とする。

本発明によれば、回転子の軸受間隔を短縮し、出力数百Ｗクラスの電動機の軸方法寸法を約１００ｍｍ以下にすることができ、これにより、高さ約３００ｍｍの卓上形遠心機のチャンバ底部に電動機を配置し、良好な作業高さとチャンバ体積（チャンバ深さ約２００ｍｍ）を確保することができる。

又、本発明によれば、回転子の慣性モーメントが小さく抑えるとともに、回転子の表面積を拡大して該回転子の発熱を空気中に逃がし易くすることができるため、電動機効率の向上を図ることができる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

＜実施の形態１＞
図１は本発明の実施の形態１に係る卓上型遠心機の縦断面図、図２は同卓上型遠心機の誘導電動機の拡大断面図であり、図２においては、図１０に示したものと同一要素には同一符号を付している。

図１に示す卓上型遠心機に搭載された誘導電動機１は、図２に示すように、回転子コア８の積厚Ｚを２０ｍｍとし、コイルエンド１５やケース２４含めた固定子コア１６をチャンバ６の底部までの高さ約１００ｍｍの空間に配置できるようにした。この場合、誘導電動機１に６００Ｗの出力を確保するため、回転子コア８の外径Ｄをφ１００ｍｍ程度として誘導電動機１の電気設計を行った。所定の入力と出力、この場合、誘導電動機１用インバータのＤＣリンク電圧を約１９０Ｖとし、ＰＷＭパルス幅制御及び電圧利用率を考慮して誘導電動機１の入力電圧を約６０Ｖ、出力６００Ｗを満足させるように回転子コア８と固定子コア１６の形状、固定子コア１６の巻線仕様、回転子コア８の導体バー１７の形状を決定した。

尚、図１においてもロータ４は略図的に示されており、その構成は図１１に示すスイングロータ形式を採っている。

図３に回転子コア８の断面を示す。

回転子コア８の外径Ｄが約φ１００ｍｍに対して導体バー１７の径方向長さａを約１０ｍｍとし、回転軸２０と導体バー１７の間のコアバック１９の長さＤ１を回転子コア８の外径Ｄの３０％程度に大きく設計した。そして、このコアバック１９部分の空間を利用してベアリング１１及びその支持部材１８を回転子コア８の端面近傍まで近づけて配置した。尚、図３中の一点鎖線は、ベアリング支持部材１８の外径、点線はエンドリング９の内径を示している。又、本実施の形態では、回転子のエンドリング９を必要な断面積より数１０％程度大きくし、これを一部除去加工することによりバランスリングの役目を兼用させた。

以上により、コアの積厚減少に加え、ベアリング２個分とエンドリング２個分の軸方向寸法を短縮することができる。又、回転子コア８の外径Ｄがφ１００ｍｍと大きく設定されているため、エンコーダ１２としてそれよりも径の小さいものを用いることが容易となる。この結果、固定子コア１６のコイルエンド１５の端部にエンコーダ１２を配置することが可能となる。

ところで、特許文献１（特開平１１−０５５９１０号公報）には、回転子の片側のみに大きなエンドリングを持ち、片側のベアリングのみエンドリングとオーバーラップさせて成る誘導電動機が開示されているが、この構成は以下の点において本願発明の前記構成とは明らかに相違している。
（１）両側のエンドリングが均一な断面形状でないため、エネルギーの利用率が著しく悪い。又、回転子の軸方向アンバランスから振動や強度上の問題が懸念され、遠心機用の電動機としては不適当である。
（２）エンドリングが一体のアルミニウム合金ダイカストによって回転子コアと回転軸を固定しているため、アルミニウム合金ダイカストが回転子コア上面に位置し、ベアリングをコア端面近傍に配置することができない。

一方、図４は本発明に係る誘導電動機１に所定の入力と出力（この場合、入力電圧約６０、出力６００Ｗ）を与えたときの磁束流線を示している。これから明らかなように、回転子コア８のエンドリング１９の面積が大きく、回転軸２０の周囲の多くのコアは磁気的に利用されていない。図４中の二点鎖線はベアリング支持部材１８の直径を示しているが、これと重なる磁路は僅かである。

そこで、この部分の回転子コアを除去し、ベアリングを配置することによって、電動機の軸長を一層短縮することができる。

＜実施の形態２＞
次に、本発明の実施の形態２について説明する。

図５は本発明の実施の形態２に係る卓上型遠心機に搭載された誘導電動機の断面図であり、本実施の形態では、回転子コア８は、例えば厚さ０．３５ｍｍ或は０．５ｍｍの珪素鋼板等をコア形状に打抜いたものを積層し、これらをかしめや溶接によって固定して製造している。そして、２種類の打抜き型を利用して、回転軸２０に圧入される寸法の内径を有するコアブロック２１と、ベアリング支持部材１８よりも大きな内径を有するコアブロック２２を打抜き積層し、前者の両端に後者を重ねて回転軸２０に圧入する。これにより、回転子コア８の両端部に凹部２３が形成され、この凹部２３にベアリング１１及びベアリング支持部材１８を配置している。

又、図６は本実施の形態の第２構造を示す誘導電動機の断面図であり、図示のように、回転子コア８は、ベアリング支持部材１８よりも大きな内径のコア形状を鋼板で打抜き、積層固定することによって構成されている。

一方、回転軸２０は、中央が回転子コア８の内径と略等しく、その両端がベアリング１１の内径と略等しい段差を有する形状に成形され、回転子コア８に圧入されている。このように構成すれば、２種類の打抜き型を用いなくても、固定子コア８の両端部に凹部２３を形成し、その内側にベアリング支持部材１８を配置することができる。

更に、図７は本実施の形態の第３構造を示す誘導電動機の断面図であり、この構成では、回転子コア８を磁性粉を用いて製造している。具体的には、表面に無機絶縁皮膜を形成した鉄粉に、例えばポリイミド樹脂等のバインダを混ぜ、回転軸２０の周りに型を配置して注入し、加熱及び加圧硬化させることによって回転子コア８を構成する。この方法では、両端面に凹部２３を有するコア形状を回転軸２０と一体に成形することができる。

以上、本発明の実施の形態２における３つの構造例を図５〜図７にそれぞれ示したが、どの構造を用いても電動機の電気的な性能を悪化させることなく、軸方向の寸法を小さく抑えることができる。又、このような構造においても、固定子のコイルエンド１５の内側で軸方向位置の重なる位置にエンコーダ１２を配置することができる。

尚、本実施の形態を採用した場合、回転子の慣性モーメントが小さくなり、その分だけ電動機の出力を多く取り出すことができる。又、回転子の表面積が増加するため、回転子の発熱をより多く空気中に逃がすことができ、これらによって電動機の効率を高めることができる。

本発明は、駆動源として誘導電動機を用いる遠心機のみならず、ブラシレスマグネットモータ等の永久磁石式の同期電動機や突極を利用したシンクロナスモータ等、他の任意の電動機を駆動源として使用する遠心機に対しても同様に適用可能である。又、エンドリングを回転バランスを取るバランサとして利用可能である。

本発明の実施の形態１に係る遠心機の縦断面図である。 本発明の実施の形態１に係る遠心機の誘導電動機の断面図である。 図２の誘導電動機の回転子コアの平面図である。 図５の誘導電動機を運転したとき磁束流線の分布図である。 本発明の実施の形態２で用いた誘導電動機の第１構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態２で用いた誘導電動機の第２構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態２で用いた誘導電動機の第３構造を示す断面図である。 従来の遠心機の縦断面図である。 従来の遠心機の縦断面図である。 従来の遠心機の誘導電動機の断面図である。 スイングロータの斜視図である。

符号の説明

１ 誘導電動機
４ ロータ
５ バケット
６ チャンバ
７ ドア
８ 回転子コア
９ エンドリング
１０ バランスリング
１１ ベアリング（軸受）
１２ エンコーダ
１３ 出力軸
１４ ベルト
１５ コイルエンド
１６ 固定子コア
１７ 回転子導体バー
１８ ベアリング支持部材
１９ 回転子コアバック
２０ 回転軸
２１ 回転子コアブロック
２２ 回転子コアブロック
２３ 回転子両端面の凹部
２４ ケース
Ｄ 回転子のコア外径
Ｄ１ 回転子のコアバックの長さ
Ｘ 遠心機設置底面からチャンバ上端部までの高さ
Ｙ 遠心機設置底面からチャンバ底面までの高さ
Ｚ コア積厚
ａ 回転子導体バーの径方向長さ

Claims (4)

1. チャンバと、該チャンバ内で回転するロータと、該ロータを回転駆動する電動機を備えた遠心機において、
   前記電動機の回転子のコア両端面に略均等な断面積のエンドリングを設け、前記回転子の軸受支持部材の直径よりも回転子のコアバックの直径を大きく設定し、回転子の両端に配置された軸受を両エンドリングの内側のコア端面近傍に配置するとともに、電動機をチャンバの底部に配置したことを特徴とする遠心機。
2. 前記固定子のコイルエンドの内側で且つ軸方向位置が重なる位置に回転数検出用エンコーダを取り付けたことを特徴とする請求項１記載の遠心機。
3. 前記固定子のコイルエンドの内側で且つ軸方向位置が重なる位置に前記回転数検出用エンコーダを取り付けことを特徴とする請求項２記載の遠心機。
4. 前記電動機の回転子両端部のコアバック部分に前記軸受支持部より径の大きなリング状の凹部を設け、該凹部の内部に前記軸受を配置したことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の遠心機。

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