JP2013176231A

JP2013176231A - 永久磁石式ポンプ電動機

Info

Publication number: JP2013176231A
Application number: JP2012039520A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Koori; 大祐郡; Motonobu Iizuka; 元信飯塚; Atsushi Fukunaga; 淳福永
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2013-09-05
Anticipated expiration: 2032-02-27
Also published as: US20130221780A1; JP5645858B2; US9203277B2

Abstract

【課題】磁気吸引力を帯びた回転子の組立て、取外しを可能にする永久磁石式ポンプ電動機を提供する。
【解決手段】固定子と回転子を備えたポンプモータにおいて、前記回転子には永久磁石が使用されており、前記回転子の軸端部に回転子挿入用の継ぎシャフトを取付けられるようにし、回転子の両端を支持するベアリングを収めるためのベアリングブラケットは回転子シャフトと継ぎシャフトを貫通できる空孔を設けている。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石式回転電機を備えた回転子と固定子とを備えた永久磁石式ポンプ電動機、及びこれを用いた永久磁石式ポンプ電動機システム。

近年、永久磁石の高性能化や高性能なインバータの普及により、小型軽量化、高効率化を可能とする永久磁石式回転電機を採用する気運が高まっている。また、環境負荷を低減するためにも電動機の可変速化が求められつつある。

このような中、ＬＮＧ用ポンプ電動機においても、既存の誘導電動機から永久磁石を用いた電動機の開発が進められている。永久磁石式電動機は回転子が常に磁気を帯びているため、特に固定子へ回転子を挿入する際には磁気吸引力を考慮するための措置が必要となる。回転子を固定子へ挿入または分離するため、様々な形式の構造及び装置が検討されている。

特開２００３−３３７０５１号公報特表２００６−５１９３２８号公報特開２００５−３１２２４１号公報

ＬＮＧ用ポンプ電動機は通常のポンプシステムと異なりポンプのケーシング中に回転子、固定子、インペラ、ディフューザがビルトンされた一体構造となる。ポンプのケーシング中に回転子を挿入する場合、永久磁石式電動機は回転子に永久磁石を使用していることから、常に回転子の周りに磁気吸引力が働いている。このため、既存の誘導電動機と同じ方法で組立てることは困難である。回転子を動かないよう、径方向に固定しながら挿入するため、それらを勘案し挿入冶具や装置等を取付けられるポンプ構造にする必要がある。

特許文献１ではケーシングから水没したモータを取外した状態のインターナルポンプ下方位置に設置される押上装置に着脱可能な継ぎシャフトを備えた発明である。目的はプロペラ等に損傷を当てることなくスティック現象を解除できる点である。電動機自体は取外された状態で使用する発明であり、電動機をケーシングに配置した状態で継ぎシャフトを取付けることは不可能である。また、この構造にて磁気吸引力を帯びた回転子を固定子内に挿入することも困難である。

特許文献２ではポンプが未使用中にポンプシャフトに対して上向きの力が作用し、それによりシャフトを支持している軸受けに負担が生じる。その軸受けの負担を軽減するためのポンプシャフト支持構造である。この構造はポンプシャフトの軸方向の動きを拘束しているのはポンプシャフト支持構造部分であり、軸受けで拘束する構造ではない。特許文献２を永久磁石式ポンプ電動機に適用して、回転子を固定子から取出そうとする場合、ポンプ支持構造部を外す必要がある。この時、前述したようにポンプ支持構造を外した時点で、回転子は軸方向へ動くことができる。この時、回転子は永久磁石が配置されていることから、磁気吸引力が働き移動してしまう可能性がある。無論、組立て時にも軸方向へ拘束が無いため同様の現象が生じる。このことから、永久磁石電動機の場合、磁気吸引力による回転子の拘束が必要不可欠であるため、特許文献２は適用することは困難である。

また、特許文献３では回転子を拘束するための冶具をシャフトと接続して、組立てる方法が記載されている。この方法は、冶具と挿入方法のみ考慮されており、実際には組立てに適した構造をハウジング側にも施す必要がある。特にベアリングを配置するブラケットは片側にしか無く、反対側は不明である。また、組立て手順も固定子や回転子のどちらを先にハウジングへ固定することもできると記載されているが、これは本文献でも記載しているが低速回転の小型モータに関して適用したものである。ＬＮＧ用ポンプ電動機の出力は数ＭＷ級であり、回転数も約７０００min^-1と回転機の中でも中〜大型で高速回転の部類に入る。このことから、特許文献３の方法も適用することが困難である。

本発明では、組立て容易性、メンテナンス性を両立させる永久磁石式回転機電機の構造として、固定子と回転子を備えたポンプモータにおいて、前記回転子には永久磁石が使用されており、前記回転子の軸端部に回転子挿入用の継ぎシャフトを取付けられるようにし、回転子の両端を支持するベアリングを収めるためのベアリングブラケットは回転子シャフトと継ぎシャフトを貫通できる空孔を設けたことを特徴とした点である。

本発明によれば、組立て容易性、メンテナンス性を向上することができる。

永久磁石式ポンプ電動機の実施方法を示した説明図である。（実施例１）永久磁石式ポンプ電動機の実施方法を示した説明図である。（実施例１）永久磁石式ポンプ電動機の実施方法を示した説明図である。（実施例１）永久磁石式ポンプ電動機の冶具取付け実施方法を示した説明図である。（実施例２）永久磁石式ポンプ電動機の冶具取付け実施方法を示した説明図である。（実施例２）永久磁石式ポンプ電動機の冶具取付け実施方法を示した説明図である。（実施例３）永久磁石式ポンプ電動機の冶具取付け実施方法を示した説明図である。（実施例３）永久磁石式ポンプ電動機の組立て実施方法を示した説明図である。（実施例４）永久磁石式ポンプ電動機の組立て実施方法を示した説明図である。（実施例４）永久磁石式ポンプ電動機の組立て実施方法を示した説明図である。（実施例４）永久磁石式ポンプ電動機の組立て実施方法を示した説明図である。（実施例５）永久磁石式ポンプ電動機の組立て実施方法を示した説明図である。（実施例５）永久磁石式ポンプ電動機のシャフト接続の実施方法を示した説明図である。（実施例６）永久磁石式ポンプ電動機の材料変更した場合の実施方法を示した説明図である。（実施例７）永久磁石式ポンプ電動機のＬＮＧプラントシステムの実施方法を示した説明図である。（実施例８）

以下本発明の詳細を図面を用いながら説明する。各図において同一部分は同じ番号を付与している。

図１は、本発明の第１実施例となる永久磁石式ポンプ電動機の断面図である。数ＭＷ級のＬＮＧプラント用に適用されるポンプであり、電源はインバータ２５から三相交流電源が供給され、回転速度は５００〜７０００min^-1の範囲で回転し、図１に示すように電動機部分はポンプ内部にあり、約−１６２℃の液化ＬＮＧが充填された状態で縦置き運転される。永久磁石式ポンプ電動機１はポット５と呼ばれるポンプの最も外側になるケースとポット５の中に各部品を配置して密閉するためのヘッドカバー２にて覆われている。ポット５の内部はステージケース１０が配置されており、ポット５とステージケース１０の間には液化ＬＮＧ２７が流れる流路３０が設けられている。ステージケース１０の中にはポンプの主要部品となるインペラ１１、ディフューザ１２、更にモータケース１３が配置されている。ステージケース１０とモータケース１３の間にも同様に液化ＬＮＧ２７が流れるように流路３０が設けられている。モータケース８の中には電磁鋼板３１にコイル１４を施した、固定子６がモータケース１３の内側に固定配置されている。回転子７は固定子６と同様に電磁鋼板３１に永久磁石８が配置され、シャフトＡ９が締結されている。永久磁石８の材質はネオジウム磁石或いは液化ＬＮＧのような低温での磁気特性に優れたプラセオ磁石が適用される。また、シャフトＡ９も極低温下（−１６２℃）使用されるので材質はサブゼロ処理をしたＳＵＳ６３０を適用している。そのシャフトＡ９の端部にインペラ１１とディフューザ１２が締結されたシャフトＢ３２が連結されている。モータケース１３の軸方向両端部にはベアリングブラケット３とベアリングブラケット３に配置されたベアリング４にて回転子７は支持されている。本発明では回転子７を支持するベアリングブラケット３に貫通した空孔２８を設けた点が特徴である。ベアリングブラケット３付近の拡大図を図２に示す。図２に示すように、ベアリングブラケット３にベアリング４が配置されており、シャフトが貫通できるよう空孔２８が設けてある。本来、ポンプ電動機の上部に位置する部品であるため、液化ＬＮＧ２７を密閉するため、ベアリングブラケット３に空孔２８は必要ないが組立て、メンテナンスを短時間且つ効率的に行うには必要となる。とくに、永久磁石式電動機の場合、回転子７に磁気吸引力が働くため、その磁気吸引力を拘束し固定子６に挿入しなくてはならない。そのため、図３に示すように回転子７に締結されたシャフトＡ９に、継ぎシャフト１５を接続し回転子７の全長を長くする必要がある。よって、ベアリングブラケット３に空孔２８を設けることで永久磁石８が配置された回転子７を固定子６へ挿入、取外しが可能になる。また、空孔２８は図２で示すように、ベアリング４の径よりも大きい径にすることが望ましい。こうすることで、図３に示すように、継ぎシャフト１５はシャフトＡ９の先端径よりも太い継ぎシャフト９を接続することができる。継ぎシャフト１５を接続すると、回転子７の全長が長くなり撓む可能性があるため、継ぎシャフト１５の径を太くすることで剛性を増やし撓みを防止することができる。更にベアリングブラケット３のベアリング４が配置される部分に段を設け、軸方向にベアリング４が移動しないようにしている。こうすることで、分解時に回転子７に継ぎシャフト１５等の分解冶具を回転子７に安定した状態で取付けることができる。実施例２にて、この継ぎシャフト１５用いた回転子７の挿入例を説明する。

図４、図５に本発明の第２実施例となる、挿入用冶具をモータケース１３に取付けた図を示す。図４に回転子７を挿入するための冶具Ａ１６を示す。図４に示すように、冶具Ａ１６は２枚の鋼板３３の間に空間を設けるように複数の柱３４を配置し、鋼板の中央には継ぎシャフト１５を貫通できる空孔２８を設けた構造である。このように、２枚の鋼板間に空間を設けることでモータケース１３に取付けるためのボルト締め等の作業スペースを確保することができる。図５に冶具Ａ１６をモータケース１３に取付けた図を示す。図５に示すように、冶具Ａ１６とモータケース１３をボルト１７にて締結している。このように、ベアリングブラケエト３に空孔２８を設け継ぎシャフト１５を冶具Ａ１６に貫通させることで、径方向へ働く磁気吸引力を拘束し回転子７を軸方向移動することができる。これにより、回転子７を固定子６への挿入、取出しが可能となる。ここで、継ぎシャフト１５はモータケース１３の全長と同等以上の長さを有する必要がある。例えば、継ぎシャフト１５が極端に短い場合は、冶具Ａ１６に継ぎシャフトを貫通する前に、回転子７と固定子６が近接状態になり吸引力が作用してしまう。このことから、継ぎシャフト１５がモータケース１３の全長と同等以上の長さを有することで、回転子７と固定子６間に吸引力が働く前に、継ぎシャフト１５は冶具Ａ１６により保持されるので、安定した挿入、取出しが可能となる。また、冶具Ａ１６の中心に設けた空孔２８は継ぎシャフト１５との嵌め合い隙間をなるべく無くすような精度にすることが好ましい。こうすることで、回転子７の径方向への磁気吸引力による動きを抑制できるため、より安定した挿入、取出しが可能となる。

図６、図７に本発明の第３実施例となる、支持ボルトをモータケース１３に取付けた図を示す。図６に示すように、モータケース１３の端部に冶具Ａ１６を取付け、その反対側のベアリングブラケット３に冶具Ｂ１９をボルト１７により締結している。さらに、冶具Ｂ１９の径方向端部に支持ボルト１８を複数本通して、反対側に取付けた冶具Ａ１６を支持ボルト１８により接続している。こうすることで図６に示すように、回転子７の磁気吸引力が固定子６及ばない位置で両端を支持することが可能となる。また、支持ボルト１８により径方向及び軸方向の移動を抑制できる。軸方向の抑制に関しては図６から、回転子７を固定子６に挿入するように移動すれば良いが、磁気吸引力により急激に固定子６内へ引き込まれる力が発生するので、支持ボルト１３で回転子７の位置を保持することが可能となる。回転子７を挿入するには支持ボルト１３をまわすことにより、少しずつ固定子６内に挿入することができるため、挿入作業時の安全性も確保することができる。更に図７に示すように、モータケース１３の端部をフランジ２９を設けることで、支持ボルト１８の長さを短縮できるため、支持ボルト１８が扱いやすくなり、また、短縮することで支持ボルト１８の撓みを低減できるため、挿入しやすくなる。尚、本実施例では挿入する際の例を説明しているが、回転子７を取出す場合は、挿入した逆の手順にすれば良い。

図８、図９、図１０に本発明の第４実施例となる、挿入装置３５にて回転子７を挿入する図を示す。図８に示すように、モータケース１３は可動台３６に配置される。回転子７は支持台２０に固定された継ぎシャフト１５に接続されており、その継ぎシャフト１５にはベアリングブラケット３も配置される。一方、支持台２０により支持された回転子７の反対側はシャフトＡ９の端部に支持ローラー２２が接続されている。同図で示すように、可動台３６を左へ移動することで、回転子７に取付けられた、支持ローラー２２が転がり固定子６を損傷することなく、回転子７を挿入することができる。尚、固定子６は電磁鋼板３１で構成されていることから、支持ローラー２２の材質は真鍮や樹脂等の電磁鋼板より柔らかい材料が好ましい。また、支持ローラー２２はシャフトＡ６のどの位置でも着脱できるようにした構造である。

挿入した回転子７は図９で示すように、支持台３７が移動し支持台３７に固定された継ぎシャフト１５とシャフトＡ９に接続される。最後は図１０で示すように、支持ローラー２２を着脱し、両端部のベアリングブラケット３をモータケース１３に装着すれば回転子７と固定子６の挿入が完了となる。このような装置３５を用いて、挿入可能な構造にすることで、作業員が直接、回転子等に触れる回数も減り、挿入作業の高効率化、安全性を向上することができる。

図１１、図１２に第５実施例となる、非磁性材スペーサ２３を挿入した図を示す。図１１に示すように、ベアリングブラケット３は非磁性材スペーサ２３を貫通できるようにしている。図１２にはベアリングブラケット３の拡大図を示しており、ベアリングブラケット３の側面に空孔２８を設け、その空孔２８に非磁性材スペーサ２３を挿入する。挿入した非磁性材スペーサ２３は回転子７と固定子６のギャップ間に挿入する。こうすることで、回転子７と固定子６が直接接触することを防止できるため、回転子７と固定子６の挿入及び取外し作業が安定し、両者とも変形や破損する可能性を低減できる。

図１３に第６実施例となる、シャフトＡ９と継ぎシャフト１５を接続した図を示す。図１３に示すように、シャフトＡ９の端部と継ぎシャフト１５の端部をねじ２４加工し、接続できるようにしている。こうすることで、容易にシャフトＡ９と継ぎシャフト１５を接続することができるため、組立て及びメンテナンス時間が短縮される。尚、この時、永久磁石式ポンプ電動機１とインバータ２５を接続するための３相分のケーブル端子を全て短絡させておくことで回転子７が回転することを抑制できるため、シャフトＡ９と継ぎシャフト１５をねじによる接続がし易くなる。

図１４に第７実施例となる、非磁性材を適用したベアリングブラケット３を図に示す。図１４に示すように、シャフトＡ９にＳＵＳ６３０を適用した場合、ＳＵＳ６３０は強磁性体であるため、回転子からの磁束はシャフトＡ９に流れる。このため、組立て時に磁気吸引力がベアリングブラケット３に働くため、ベアリングブラケット３を非磁性材にすることで磁気吸引力の影響を防止でき、組立性が向上する。

図１５は、本発明のＬＮＧ用プラントに配置した例を示す。第１実施例から第７実施例で示した永久磁石式ポンプ電動機１とインバータ２５、ＬＮＧ貯蔵タンク２６を備え、液化ＬＮＧ２７を永久磁石式ポンプ電動機１が駆動することで、ＬＮＧ貯蔵タンク２６へ送られる。永久磁石式ポンプ電動機１はインバータ２５から三相電源が供給され可変速運転される。また、本発明では、地上プラント或いは船舶にも同様に適用可能である。更に、永久磁石式ポンプ電動機は発電機として使用することも可能である。

１永久磁石式ポンプ電動機
２ヘッドカバー
３ベアリングブラケット
４ベアリング
５ポット
６固定子
７回転子
８永久磁石
９シャフトＡ
１０ステージケース
１１インペラ
１２ディフューザ
１３モータケース
１４コイル
１５継ぎシャフト
１６冶具Ａ
１７ボルト
１８支持ボルト
１９冶具Ｂ
２０、３７支持台
２１台
２２支持ローラー
２３非磁性材スペーサ
２４ねじ部
２５インバータ
２６ＬＮＧ貯蔵タンク
２７液化ＬＮＧ
２８空孔
２９フランジ
３０流路
３１電磁鋼板
３２シャフトＢ
３３鋼板
３４柱
３５挿入装置
３６可動式台

Claims

固定子と回転子を備えたポンプモータにおいて、前記回転子には永久磁石が使用されており、前記回転子の軸端部に回転子挿入用の継ぎシャフトを取付けられるようにし、回転子の両端を支持するベアリングを収めるためのベアリングブラケットは回転子シャフトと継ぎシャフトを貫通できる空孔を設けたことを特徴とする永久磁石式ポンプ電動機。
請求項１に記載の永久磁石式ポンプ電動機において、２枚の板間に空間を設けるよう複数の柱を備え、その２枚の板の中央は前記回転子の回転子挿入用の継ぎシャフトが通る空孔が設けられた、継ぎシャフトを支持するための冶具をモータケース端部に取付けられるようにしたことを特徴とする永久磁石式ポンプ電動機。
請求項１に記載の永久磁石式ポンプ電動機において、回転子及び固定子を挿入するモータケースの端部に回転子挿入用の支持ボルトを取付けたことを特徴とする永久磁石式ポンプ電動機。
請求項１に記載の永久磁石式ポンプ電動機において、モータケース内に回転子と固定子が配置され回転子と固定子間のエアギャップの位置に、回転子、固定子の接触を防止できるよう、前記ベアリングブラケットに空孔を設け接触防止部材を挿入できるようにしたことを特徴とする永久磁石式ポンプ電動機。
請求項１あるいは請求項２に記載の永久磁石式ポンプ電動機おいて、回転子と固定子を配置するモータフレームの端部をフランジ形状にしたことを特徴とする永久磁石式ポンプ電動機。
請求項１に記載の永久磁石式ポンプ電動機において、前期回転子シャフトの端部と継ぎシャフトの端部をねじ加工し接続したことを特徴とする永久磁石式ポンプ電動機。
請求項１に記載の永久磁石式ポンプ電動機において、前記ベアリングブラケットを非磁性材料にしたことを特徴とする永久磁石式ポンプ電動機。
請求項１から請求項７のいずれかに記載の前記永久磁石式ポンプ電動機をＬＮＧ用プラントに搭載したことを特徴とする永久磁石式ポンプ電動機システム。