JP2008245375A - 電動モータおよび空気コンプレッサ - Google Patents

Abstract

【課題】ステータ１８に生じる熱の軸受への伝導を抑制することにより、熱による軸受の性能低下や耐性の低下を抑制できる電動モータを提供する。
【解決手段】本発明にかかる電動モータは、ステータコア１６およびコイル１７からなるステータ１８と、上記ステータ１８を支持する円筒状のステータハウジング１２と、軸受２０を介して回転軸２３を支承する略円盤状のフロント軸受ハウジング１１と、軸受２２を介して回転軸２３を支承する略円盤状のリア軸受ハウジング１３とを備える。また、上記ステータハウジング１２と上記フロント軸受ハウジング１１との間に断熱材１４を介在させ、かつ上記ステータハウジング１２と上記リア軸受ハウジング１３との間に他の断熱材１５を介在させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動モータに係り、詳しくは熱による軸受の性能低下を抑制した電動モータに関する。また、電動モータを用いた空気コンプレッサに関する。

いずれの用途に使用される場合であっても、電動モータには小型でありながら高出力であることが求められる。特に空気コンプレッサやポンプに使用される場合はその傾向が顕著である。

しかし電動モータの出力が増加すると同モータ内のコイルによる発熱量が大きくなり、小型化すると一般に放熱性は悪くなる。そのため、コイルによって生じた熱はハウジングを介して軸受にも伝導し、軸受の温度が上昇する。軸受の温度が上昇すると、軸受に塗布あるいは封入されたオイルが蒸発などにより消耗する、あるいは軸受自身が熱変形することがある。そうすると、軸受の抵抗が増すなどの性能低下が生じたり、軸受の耐性が低下し、破損や異常な磨耗を生じる原因となる。

これに対して特許文献１にはステータコアとリアブラケットとの間に断熱材を介在させることなどにより、ステータコアに発生する熱をリアブラケットに伝導されにくくする構造が示されている。また、特許文献２および特許文献３にはステータが設置されているハウジングを冷却用管（水路）を流れる冷却液により冷却する構造が示されている。
特開平６−７８５０４号公報 実開平７−３９２７４号公報 特開平９−１４２６６号公報

特許文献１に示される構造によると、ステータコアの熱がリアブラケットに伝導しにくいため、リアブラケットに固定されているリア側の軸受に対しては、熱伝導が抑制される。しかしハウジングに固定されているフロント側の軸受に対しては特に対策が施されておらず、フロント側の軸受に対する熱伝導の問題は解決しない。コンプレッサやポンプに使用する電動モータにおいて、回転翼などの近傍にあるフロント側の軸受により大きな負荷がかかるため、むしろフロント側の軸受に対する熱対策が重要である。特許文献２および特許文献３の方法はステータにおいて発生する熱をハウジングを冷却することにより放出するものであるが、軸受部分への熱伝導を直接防止するものではない。また十分な冷却効果を挙げるためには大量の冷却水が必要であり、更に冷却効率を上げる必要がある。

本発明はかかる実情を鑑みなされたものであり、ステータ部に生じる熱の軸受への伝導を抑制することにより、熱による軸受の性能低下や耐性の低下を抑制できる電動モータを提供することにある。

本発明にかかる電動モータは、ステータコアおよびコイルからなるステータと、上記ステータを支持する円筒状のステータハウジングと、軸受を介して回転軸を支承する略円盤状のフロント軸受ハウジングと、軸受を介して回転軸を支承する略円盤状のリア軸受ハウジングとを備え、上記ステータハウジングと上記フロント軸受ハウジングとの間に断熱材を介在させ、かつ上記ステータハウジングと上記リア軸受ハウジングとの間に他の断熱材を介在させる。

上記構成によるとフロント軸受ハウジングおよびリア軸受ハウジングとステータハウジングの間に断熱材を介するので、ステータを構成するコイルから発した熱がフロント軸受ハウジングおよびリア軸受ハウジングに設置された軸受に伝導することを抑制する。

上記断熱材としては、ガラス素材、ポリアミドイミド樹脂およびセラミックスを単一または複数組み合わせて使用することが好ましい。上記素材はいずれも耐熱性があるため高温環境下で使用できる。

更に、本発明にかかる電動モータは、次の構成であることが好ましい。
上記ステータハウジングを軸方向に貫通し上記回転軸の周方向に並べられた複数の貫通孔からなる軸方向路と、上記ステータハウジングの軸方向の両端面に設けられ且つ隣接する軸方向路同士を２つずつ連通する複数の周方向路とを含み、軸方向同側端面に接続される配管を通して冷却液が出入りされて、回転軸方向の両端面間をジクザグ状に往復する冷却液路が、上記ステータハウジングに内蔵されている。
上記ステータハウジングの軸方向の両端面の各々には、隣接する軸方向路の端部を一括して取り囲む円弧状溝が形成されている。
上記フロント軸受ハウジング側の端面には上記断熱材が取り付けられ、上記リア軸受ハウジング側の端面には上記他の断熱材が取り付けられている。
上記円弧状溝には、円弧状溝の内面との間に上記周方向路を区画する弾性体からなるシール部材が、上記断熱材または他の断熱材によって弾力的に圧縮された状態で、嵌められている。
上記円弧状溝の周壁部に環状段部が形成されており、上記シール部材は、弾力的に圧縮された状態で上記円弧状溝の環状段部と合致する環状段部を有している。

ステータハウジングを軸方向に貫通し回転軸の周方向に並べられた軸方向路と、隣接する軸方向路同士を２つずつ連通する複数の周方向路を含むので、冷却液が回転軸方向の両端面間をジクザグ状に往復する経路を容易に形成できる。また、冷却液が回転軸方向の両端面間をジクザグ状に往復するので、ステータハウジングを均一に冷やすことができる。

また、周方向路は、弾力的に圧縮された状態で円弧状溝の環状段部と合致する環状段部を有するシール部材を、断熱材によって弾力的に圧縮された状態で、端面に形成された円弧状溝に嵌める事により形成できるので、周方向路の形成が容易であり、また、シール性も高い。

また本発明にかかる電動モータは上記冷却液路の内壁面が凹凸形状を有することが好ましい。内壁面が凹凸形状を有することにより表面積が増加し、冷却液による冷却効果が増加する。

更に、上記凹凸の形状が、ねじ溝状、縦溝形状およびスパイラル形状からなる群より選ばれる少なくとも一種からなることが好ましい。

本発明にかかる電動モータは空気コンプレッサに好適に用いられる。

本発明によれば、ステータを構成するコイルから発した熱がフロント軸受ハウジングおよびリア軸受ハウジングに設置された軸受に伝導することを抑制するため、熱による軸受の性能の低下や耐性の低下を抑制できる電動モータを提供できる。

以下、本発明にかかる遠心式空気コンプレッサの一実施形態について図を用いて説明する。

遠心式空気コンプレッサの断面構造を示す断面図である図１を参照して、本実施形態の遠心式空気コンプレッサは、大きくは、コンプレッサ部１とモータ２を備える構成となっている。更に、コンプレッサ部１は、内部で空気を加圧する加圧ボリュート３と、この加圧ボリュート３により囲繞されている回転翼４とを基本的に備える構成となっている。ここで、加圧ボリュート３には、吸入口５をはじめ、導入路６や排出路７、そして図示しない排気口等が設けられている。このようなコンプレッサ部１では、上記回転軸２３の回転に伴って回転翼４が回転すると、同回転翼４の回転により図中の矢印Aの方向に吸入口５から外気が導入され、この導入された外気が導入路６および排出路７を経て加圧されつつ、排気口から加圧空気として排出される。

一方、上記モータ２の外形は、略円盤状のフロント軸受ハウジング１１と、ガラス素材などの断熱部材で形成されるリング状の断熱材１４,１５と、円筒状のステータハウジング１２と、略円盤状のリア軸受ハウジング１３とにより形成されている。

具体的には、同フロント軸受ハウジング１１は上記コンプレッサ部１とねじ止め、接着または溶接等で接続されている。また、同フロント軸受ハウジング１１にはリング状の断熱材１４を介在させて同フロント軸受ハウジング１１がねじ止め等で接続されている。更に、同フロント軸受ハウジング１１にはリング状の断熱材１４を介在させてステータハウジング１２が接続され、ステータハウジング１２には断熱材１５を介在させてリア軸受ハウジング１３が接続されている。

ステータハウジング１２の内側面には電磁石であるステータ１８が、圧入、接着、ねじ止め等の方法により固定されている。ステータ１８は磁性体でできたステータコア１６とコイル１７からなり、このコイル１７に電流を流す事により電磁力を発生させる。フロント軸受ハウジング１１のコンプレッサ部１の反対側の平面には環状の凹部１９が設けられ、この環状の凹部１９に軸受２０がすきま嵌め、しまり嵌め等により固定されている。同様にリア軸受ハウジング１３のコンプレッサ部１の側の平面には環状の凹部２１が設けられ、この環状の凹部２１に軸受２２がすきま嵌め、しまり嵌め等により固定されている。また、上記２つの軸受２０,２２によって、回転軸２３が支承されている。この回転軸２３の一端はコンプレッサ部１側に突き出ており、突き出た部分に上述した回転翼４が固定されている。また、この回転軸２３の、上記２つの軸受２０,２２に挟まれた部分を取り囲むように、永久磁石からなるロータ２４が回転軸２３に固定されている。

そして、この空気コンプレッサに電力が供給されると、ステータ１８に電磁力が発生し、永久磁石からなるロータ２４が回転軸２３を伴って回転する。このため回転軸２３に固定された回転翼４が加圧ボリュート３内で回転すると、同回転翼４の回転により図中の矢印Aの方向に吸入口５から外気が導入され、この導入された外気が導入路６および排出路７を経て加圧されつつ、排気口から加圧空気として排出される。

ここで、ステータ１８はコイル１７に電流を流す事により電磁力を発生させているので、通電時に熱を発生する。この熱はステータハウジング１２に伝導する。しかし、フロント軸受ハウジング１１とステータハウジング１２の間に介在する断熱材１４により、熱が更にフロント軸受ハウジング１１に伝導することを抑制される。そのため軸受２０がステータ１８に生じた熱により加熱されることを防ぐことができる。また、同様にリア軸受ハウジング１３とステータハウジング１２の間に介在する断熱材１５により、熱が更にリア軸受ハウジング１３に伝導することを抑制され、軸受２２がステータ１８に生じた熱により加熱されることを防ぐことができる。

更に本実施形態にかかる空気コンプレッサは上記断熱材による軸受２０,２２の加熱防止に加え、ステータハウジング１２を直接冷却することによって熱を外部に放出し、ステータ１８に生じた熱が伝導によって軸受２０,２２を加熱することを抑制する。図２〜図６を用いてその仕組みを説明する。なお、図２〜図６において図１に示した部分と同一のものには同一符号を付し、その説明を省略する。

ステータハウジング１２の一部破断側面図である図２を参照して、ステータハウジング１２は、アルミニウム合金からなり、ステータハウジング１２を冷却するための冷却液としての冷却水が循環される冷却水路３１を内蔵している。この冷却水路３１は、ステータハウジング１２を回転軸２３方向に貫通した貫通孔からなる複数の軸方向路３２とステータハウジング１２の回転軸方向の両端面、即ち端面１２ａと端面１２ｂとに設けられた複数の周方向路３３とを含み、端面１２ａと端面１２ｂとの間を往復するジクザグ状のものからなる。

なお、隣接する一対の軸方向路３２の、コンプレッサ部１の反対側の端部には、ねじが形成されており、断熱材１５およびリア軸受ハウジング１３を貫通した供給用及び排出用の配管３９，４０がそれぞれねじ込み固定されている。コンプレッサ部１の反対側のステータハウジング１２の端面図である図３を参照して、上記軸方向路３２は、複数のものが円周等配に配列されており、軸方向路３２の両端部は、ステータハウジング１２の軸方向の両端面１２ａ，１２ｂにそれぞれ開口している。また、図２を参照して、上記周方向路３３は、隣接する軸方向路３２同士を２つずつ連通している。各軸方向路３２の両端部に配置される一対の周方向路３３は、上記軸方向路３２をそれぞれ異なる他の軸方向路３２に連通させている。

周方向路３３の横断面を示す図４、及び周方向路３３を構成する部材の分解斜視図である図５を参照して、各周方向路３３は、ステータハウジング１２の各端面、即ち端面１２ａおよび端面１２ｂにそれぞれ形成され且つ隣接する軸方向路３２の開口端を一括して取り囲む円弧状溝３４の内面と、円弧状溝３４に嵌め合わされたシール部材３５との間に区画されている。これらシール部材３５は、対応する断熱材１４,１５によって弾力的に圧縮された状態で、円弧状溝３４に嵌められている。断熱材１４,１５は、それぞれ軸方向に沿うボルト（図示せず）によって、フロント軸受ハウジング１１またはリア軸受ハウジング１３と併せて、ステータハウジング１２の各端面１２ａ，１２ｂに密着するように固定されている。

上記の円弧状溝３４の周壁部は、入口側の大径の部分３４ａと、溝底側の小径の部分３４ｂとを有しており、両者の間に環状段部３４ｃを形成している。一方、シール部材３５は、同様にして、大径の部分３５ａと小径の部分３５ｂとの間に、上記の円弧状溝３４の環状段部３４ｃに弾力的に圧縮された状態で合致する環状段部３５ｃを有している。

次に、軸方向路３２を軸方向に直角な方向から見た一部断面図である図６（ａ）および軸に垂直な方向の断面図である図６（ａ’）に示すように、軸方向路３２の内壁面はねじ溝状の凹凸形状を有する。

また、強度や対腐蝕性が求められる、ステータハウジング１２の外周面１２ｃ、両端面１２ａ，１２ｂ、及び冷却水路３１の内部には、硬質アルマイト処理が施されている。本実施例によれば、ハウジングとして、従来のように内、外筒による２ピース構造を採用する必要がなく、しかも、ステータハウジング１２がアルミニウム合金からなるので、軽量化を達成できる。また、アルミニウム合金の高い放熱性を利用して冷却性能を向上できる。

さらに、ステータハウジング１２に内蔵した冷却水路３１へ冷却水を出入りさせるための配管３９，４０は、ステータハウジング１２の軸方向同側端面１２ｂに接続されるので、配管が邪魔にならない。

さらに、ステータハウジング１２の端面１２ａ，１２ｂの円弧状溝３４に、弾力的に圧縮したシール部材３５を嵌め合わせることにより、ジグザグ状の冷却水路３１を容易に構成でき、且つシール性も高い。しかも、シール部材３５の環状段部３５ｃが、円弧状溝３４の環状段部３４ｃに弾力的に押し付けられるので、シール性を一層高めることができる。特に、この場合、シール面がクランク状となるので、密封性が非常に高く、水漏れの発生を確実に防止することができる。

上記実施形態の空気コンプレッサによれば、以下のような効果を得ることができる。

（１）上記実施形態では、ステータハウジング１２と上記フロント軸受ハウジング１１との間に断熱材１４を介在させ、上記ステータハウジング１２と上記リア軸受ハウジング１３との間に他の断熱材１５を介在させたので、ステータ１８に発生した熱が軸受２０,２２に伝導することを抑制できる。従って、軸受２０,２２の性能の低下および耐性の低下を抑制することができる。

（２）この冷却水路３１は、ステータハウジング１２を回転軸２３方向に貫通した貫通孔からなる複数の軸方向路３２とステータハウジング１２の回転軸方向の両端面、即ち端面１２ａと端面１２ｂとに設けられた複数の周方向路３３とを含むので、冷却液が回転軸方向の両端面間をジクザグ状に往復する経路を容易に形成できる。
また、冷却液用の配管を別段の構成物で形成する、あるいはステータハウジング１２を内筒および外筒による２ピース構成するなどの複雑な構成とする必要がない。

（３）また、冷却液が端面１２ａと端面１２ｂとの間をジクザグ状に往復する構成であるので、ステータハウジング１２を均一に冷却することができる。

（４）また、上記実施形態では、ステータハウジング１２に内蔵した冷却水路３１へ冷却水を出入りさせるための配管３９，４０は、ステータハウジング１２の軸方向同側端面１２ｂに接続されるので、配管が邪魔にならない。

（５）上記実施形態では、上記実施形態では、ステータハウジング１２の端面１２ａ，１２ｂの円弧状溝３４に、弾力的に圧縮したシール部材３５を嵌め合わせることにより、周方向路３３を容易に構成でき、且つシール性も高い。しかも、シール部材３５の環状段部３５ｃが、円弧状溝３４の環状段部３４ｃに弾力的に押し付けられるので、シール性を一層高めることができる。特に、この場合、シール面がクランク状となるので、密封性が非常に高く、水漏れの発生を確実に防止することができる。

（６）上記実施形態では、軸方向路３２の内壁面が、ねじ溝状の凹凸が形成された構造を有するので、内壁面の表面積が大きく、平坦な内壁面を有する軸方向路に比べ、ステータ１８に発生した熱を冷却水に伝える効果が高い。従って、軸方向路の内壁面が平坦である場合より少ない水量でも効率よく冷却できる。

（７）ステータハウジング１２がアルミニウム合金からなるので、小型化、軽量化を達成できる。また、アルミニウム合金の高い放熱性を利用して冷却性能を向上できる。

（８）上記実施形態では、ステータハウジング１２の外周面１２ｃ、両端面１２ａ，１２ｂ、及び冷却水路３１の内部に、硬質アルマイト処理が施されているので、ステータハウジング１２の外周面１２ｃが傷つきにくい。また、ステータハウジング１２の外周面１２ｃに工業用水等がかかった際の腐蝕の発生や、冷却水路３１内の腐蝕の発生を防止することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施形態では断熱材１４および１５にガラス素材を使用したが、耐熱強度を有する断熱材であればいずれの素材も採用しうる。例えば耐熱性樹脂であるポリアミドイミド樹脂やセラミックスなどが採用しうる。これらの素材については必要な強度や、耐熱温度に応じて適宜選択できる。

・上記実施形態では軸方向路３２の内壁面はねじ溝状の凹凸が形成された構造を有したが、図６（ｂ）（ｂ’）に示すように軸方向路３２に平行な溝状の凹凸が形成された構造であっても良い。この構造によると冷却液の進行方向に溝が切られているので、冷却水の滞留が少ない。

・上記実施形態では軸方向路３２の内壁面はねじ溝状形状を有するが、他の構造をとっても良い。例えば、図６（ｃ）図６（ｃ’）に示したスパイラル状の形状を有するものでも良い。要は、内壁面が凹凸形状を有することにより表面積を増大することにより、ステータハウジング１２の冷却効率を高める構造であればよい。

・上記実施形態ではステータハウジング１２はアルミニウム合金からなるが、かかる構成は必須ではない。放熱性や小型化の要件が満たされれば、鋳物などを使用する事により安価に構成しうる。

・上記実施形態では、ステータハウジング１２の外周面１２ｃ、両端面１２ａ，１２ｂ、及び冷却水路３１の内部に、硬質アルマイト処理が施されているが、かかる構造も必須ではない。要はステータハウジング１２の外周面１２ｃの傷つきが防止でき、ステータハウジング１２の外周面１２ｃに工業用水等がかかった際の腐蝕の発生や、冷却水路３１内の腐蝕の発生を防止することができればよく、例えば全体をステンレス鋼で構成すれば、表面加工は不要である。

本発明にかかる空気コンプレッサの一実施形態についてその断面構造を示す断面図。 図１にかかる空気コンプレッサの一部破断側面図。 図１にかかる空気コンプレッサのステータハウジングの端面の正面図。 周方向路を横断するステータハウジングの要部の断面図。 周方向路を区画するステータハウジングの端部およびシール部材の分解斜視図である。 （ａ）内壁面がねじ状溝形状を有する軸方向路の一部断面図。（ａ’）内壁面がねじ状溝形状を有する軸方向路の回転軸に垂直な方向の断面図。（ｂ）内壁面が軸方向路に平行な溝形状を有する軸方向路の一部断面図。（ｂ’）内壁面が軸方向路に平行な溝形状を有する軸方向路の回転軸に垂直な方向の断面図。（ｃ）内壁面がスパイラル状溝形状を有する軸方向路の一部断面図。（ｃ’）内壁面がスパイラル状溝形状を有する軸方向路の回転軸に垂直な方向の断面図。

符号の説明

１・・・コンプレッサ部、２・・・モータ、３・・・加圧ボリュート、４・・・回転翼、５・・・吸入口、６・・・導入路、７・・・排出路、１１・・・フロント軸受ハウジング、１２・・・ステータハウジング、１２ａ，１２ｂ・・・（ステータハウジングの）端面、１２ｃ・・・外周面、１３・・・リア軸受ハウジング、１４・・・断熱材、１５・・・断熱材、１６・・・ステータコア、１７・・・コイル、１８・・・ステータ、１９・・・（フロント軸受ハウジングの）凹部、２０,２２・・・軸受、２１・・・（リア軸受ハウジングの）凹部、２３・・・回転軸、２４・・・ロータ、３１・・・冷却水路、３２・・・軸方向路、３３・・・周方向路、３４・・・円弧状溝、３４ｃ・・・（円弧状溝の）環状段部、３５・・・シール部材、３５ｃ・・・(シール部材の)環状段部、３９，４０・・・配管。

Claims (6)

1. ステータコアおよびコイルからなるステータと、
   前記ステータを支持する円筒状のステータハウジングと、
   軸受を介して回転軸を支承する略円盤状のフロント軸受ハウジングと、
   軸受を介して回転軸を支承する略円盤状のリア軸受ハウジングとを備え、
   前記ステータハウジングと前記フロント軸受ハウジングとの間に断熱材を介在させ、
   かつ前記ステータハウジングと前記リア軸受ハウジングとの間に他の断熱材を介在させた電動モータ。
2. 前記断熱材は、ガラス素材、ポリアミドイミド樹脂およびセラミックスからなる群より選ばれる少なくとも一種からなる請求項１に記載の電動モータ。
3. 前記ステータハウジングを前記回転軸方向に貫通し前記回転軸の周方向に並べられた複数の貫通孔からなる軸方向路と、前記ステータハウジングの軸方向の両端面に設けられ且つ隣接する軸方向路同士を２つずつ連通する複数の周方向路とを含み、軸方向同側端面に接続される配管を通して冷却液が出入りされて、回転軸方向の両端面間をジクザグ状に往復する冷却液路が、前記ステータハウジングに内蔵されており、
   前記ステータハウジングの軸方向の両端面の各々には、隣接する軸方向路の端部を一括して取り囲む円弧状溝が形成され、
   前記フロント軸受ハウジング側の端面には前記断熱材が取り付けられ、
   前記リア軸受ハウジング側の端面には前記他の断熱材が取り付けられ、
   前記円弧状溝には、円弧状溝の内面との間に前記周方向路を区画する弾性体からなるシール部材が、前記断熱材または前記他の断熱材によって弾力的に圧縮された状態で、嵌められており、
   前記円弧状溝の周壁部に環状段部が形成されており、
   前記シール部材は、弾力的に圧縮された状態で前記円弧状溝の環状段部と合致する環状段部を有している請求項１または２に記載の電動モータ。
4. 前記冷却液路の内壁面が凹凸形状を有する請求項３に記載の電動モータ。
5. 前記凹凸の形状が、ねじ溝状、縦溝形状およびスパイラル形状からなる群より選ばれる少なくとも一種からなる請求項４に記載の電動モータ。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の電動モータを備えた空気コンプレッサ。

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