JP2014047795A

JP2014047795A - 回転機

Info

Publication number: JP2014047795A
Application number: JP2012188630A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Ohashi; 聡大橋; Norihisa Handa; 典久半田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2014-03-17
Anticipated expiration: 2032-08-29
Also published as: JP6089502B2

Abstract

【課題】低コストで、効率良く回転機の軸受を冷却する。
【解決手段】回転機は、環状のステータ１２と、ステータの環の中に挿通されるロータ１４と、ロータのシャフト１４ａを回転自在に軸支し、ロータのラジアル方向の荷重を受けるラジアル軸受１６と、ロータのシャフトと一体形成され、シャフトより径の大きい円盤状のスラストカラー１８と、スラストカラーを通じてロータのスラスト方向の荷重を受けるスラスト軸受２０とを備え、シャフトとスラストカラーには、シャフトのラジアル軸受に面した部位およびスラストカラーのスラスト軸受に面した部位の内部を通り、シャフト外周面とスラストカラーの外周面とを連通する連通孔２２が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁力を通じて軸を中心に回転する回転機に関する。

電気自動車等の駆動力を要する装置においては、永久磁石やコイルをロータ（回転子）に配した電動機（モータ）が用いられている。このような電動機においては、ロータの回転に伴うラジアル方向およびスラスト方向の荷重をステータ（固定子）側の軸受（ラジアル軸受、スラスト軸受）で受けている。このような軸受では、摩擦により熱が発生するので、定常的な冷却が必要となる。

このような電動機において、例えば、ロータのシャフトと一体的に回転するスラストカラーや、スラストカラーを通じて荷重を受けるスラスト軸受の構造を工夫し、潤滑油を通じて、軸受の表面を冷却する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１１−１２７４２８号公報

従来、転がり軸受等によりロータのシャフトを軸支していたところ、近年では、回転機（電動機）の高出力化および高速化に伴い、非接触式の軸受が採用されるようになってきた。そうすると、従来では、特許文献１のように、潤滑油等によって軸受を冷却できたが、非接触式の軸受では潤滑油を利用できないので、軸受の温度が上昇してしまうといった問題が生じる。特に、近年では、高出力化や高速化に加え、回転機自体の小型化も望まれ、軸受にかかるエネルギー密度も極めて高くなっており、軸受の高効率な冷却が希求される。

また、非接触式の軸受を冷却しようとすると、気体の冷却媒体を軸受に送り込み、さらに、軸受を冷却した後に冷却媒体を排出する機構、例えば、ファンによる冷却媒体の強制流動機構を要し、コストが増加する傾向にあった。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、低コストで、効率良く回転機の軸受を冷却可能な回転機を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の回転機は、環状のステータと、ステータの環の中に挿入されるロータと、ロータのシャフトを回転自在に軸支し、ロータのラジアル方向の荷重を受けるラジアル軸受と、ロータのシャフトと一体形成され、シャフトより径の大きい円盤状のスラストカラーと、スラストカラーを通じてロータのスラスト方向の荷重を受けるスラスト軸受と、を備え、シャフトとスラストカラーには、シャフトのラジアル軸受に面した部位およびスラストカラーのスラスト軸受に面した部位の内部を通り、シャフト外周面とスラストカラーの外周面とを連通する連通孔が設けられていることを特徴とする。

連通孔のシャフト外周面側の開口部は、ロータの回転雰囲気と連通していてもよい。

回転機は、ステータを外周側から冷却する冷却部と、スラストカラー外周面側の開口部から排出された冷却媒体と冷却部の媒体とを熱交換させ、熱交換後の冷却媒体をロータの回転雰囲気に環流させる連通孔と、をさらに備えていてもよい。

連通孔のシャフト外周面側の開口部は、ロータの回転雰囲気と断絶した空間に連通していてもよい。

本発明によれば、低コストで、効率良く回転機の軸受を冷却することが可能になる。

電動機の回転軸を含む断面図である。ラジアル軸受の回転軸に垂直な断面図である。軸受の冷却構造の比較例を説明した説明図である。シャフトとスラストカラーを抜粋した斜視図である。連通孔の他の構成を説明するための断面図である。軸受の冷却構造を説明した説明図である。冷却構造の他の形態を説明した説明図である。冷却構造のさらに他の形態を説明した説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

回転機は、特定の軸を中心として回転する機械であり、本実施形態は、特に、磁力を通じて電気エネルギーを回転エネルギーに変換する電動機、および、磁力を通じて回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機を含む。ここでは、理解を容易にするため、回転機として電動機１を挙げて説明するが、発電機についても電動機１同様に効果が生じるのは言うまでもない。

（電動機１）
図１は、電動機１の回転軸を含む断面図であり、図２は、ラジアル軸受１６の回転軸に垂直な断面図である。図１に示すように、電動機１は、筐体１０と、ステータ（固定子）１２と、ロータ（回転子）１４と、ラジアル軸受１６と、スラストカラー１８と、スラスト軸受２０とを含んで構成される。

筐体１０は、円筒状に形成され電動機１の外観を構成する。ステータ１２は、筐体１０内側で筐体１０内面に沿って環状に複数配されたコア１２ａそれぞれにコイル１２ｂを巻回して形成される。ロータ１４は、シャフト１４ａに固定されたコア１４ｂにコイル１４ｃを巻回して形成され、ステータ１２の環の中に挿入される。ロータ１４の外周面とステータ１２の内周面との間には、０．５〜１ｍｍ程度の隙間（エアギャップ）が設けられている。

ラジアル軸受１６は、ロータ１４を、シャフト１４ａを通じて回転自在に軸支し、ロータ１４のラジアル方向の荷重を受ける。具体的に、図２に示すように、ラジアル軸受１６には環状部材１６ａ内面に沿って、薄い金属板で形成された、バンプフォイル１６ｂおよびトップフォイル１６ｃとからなるフォイルが形成され、トップフォイル１６ｃがロータ１４のシャフト１４ａ外周面と対向する。

図１に戻り、スラストカラー１８は、円盤形状であり、ロータ１４のシャフト１４ａと一体的に形成される。ただし、スラストカラー１８は、別部材としてもよく、シャフト１４ａに固定されれば足りる。かかる円盤形状は、中心軸が重心となれば、その外形を様々な形状に形成することができる。また、円盤の半径や厚さも任意に設定でき、円柱形状も円盤に含む。

スラスト軸受２０は、スラストカラー１８を狭入するように形成され、スラストカラー１８を通じてロータ１４のスラスト方向の荷重を受ける。ここでは、図示を省略するが、スラスト軸受２０にもラジアル軸受１６同様、フォイルが形成されている。また、図１では、隙間があることを示すため、スラストカラー１８とスラスト軸受２０またはシャフト１４ａとラジアル軸受１６の離間距離を比較的長く表しているが、実際には数ミクロン程度しか離れていない。また、本実施形態の電動機１の両軸受１６、２０は、非接触式を想定しているので、その隙間に潤滑油等の特別な液体は介在していない。

（軸受の冷却構造）
図３は、軸受の冷却構造の比較例を説明した説明図である。上述したラジアル軸受１６やスラスト軸受２０では、ロータ１４の回転に伴って熱が生じる。例えば、ラジアル軸受１６においては、シャフト１４ａの回転に伴って、シャフト１４ａとトップフォイル１６ｃとの微小な隙間で空気層のせん断が発生して熱が生じる。また、スラスト軸受２０においても、スラストカラー１８の回転に伴って、スラストカラー１８とスラスト軸受２０のフォイルとの微小な隙間で発熱する。

フォイルの軸受本体側は、フォイルとその間の空気が断熱機能を果たしてしまい、上記のせん断によって発生した熱が滞ってしまう。そこで、従来、図３に示すように、電動機の外部からファン２８等の駆動源を通じて、Ｘ軸方向に向かって気体の冷却媒体を強制的に送風し、冷却媒体は、図３中実線矢印で示すように、Ｘ軸後方のラジアル軸受１６とシャフト１４ａとの隙間、回転空間３０、Ｘ軸前方のラジアル軸受１６とシャフト１４ａとの隙間、スラスト軸受２０とスラストカラー１８との隙間を順次通過して、再び、外部に排出される。こうして、冷却媒体を通じて、各軸受に生じる熱が外部に放出されることとなる。

しかし、図３の例では、ファン２８等を用いて冷却媒体を電動機内に強制的かつ定常的に流入させなくてはならず、ファン２８やその設置具のコストがかかり、占有体積も大きくなる。そこで、本実施形態では、図１に示すように、シャフト１４ａの外周面とスラストカラー１８の外周面とに開口部２２ａ、２２ｂを形成し、それぞれをシャフト１４ａとスラストカラー１８内部に設けた連通部２２ｃを通じて連通した連通孔２２を設けることとする。また、連通孔２２は、シャフト１４ａのラジアル軸受１６に面した部位およびスラストカラー１８のスラスト軸受２０に面した部位の内部を通る。

図４は、シャフト１４ａとスラストカラー１８を抜粋した斜視図であり、図５は、連通孔の他の構成を説明するための断面図である。図４を参照すると、シャフト１４ａでは、Ｘ軸を中心とした外周の周方向に等間隔に開口部２２ａが配されている。また、スラストカラー１８においてもＸ軸を中心とした外周の周方向に等間隔に開口部２２ｂが配されている。ここで、スラストカラー１８の開口部２２ｂとスラストカラー１８の中心軸との距離は、シャフト１４ａの開口部２２ａとシャフト１４ａの中心軸との距離より大きい。これは、スラスト方向で受け得る単位面積当たりの荷重を下げるためである。したがって、スラストカラー１８の外周方向に推移するに連れ、スラストカラー１８とスラスト軸受２０との相対速度が高くなり、一般に、スラスト軸受２０の方が、ラジアル軸受１６より発熱量が高くなる。

このような電動機１において、シャフト１４ａが図４中白抜き矢印で示したようにＸ軸回りに回転すると、図４中実線矢印で示したように、連通孔２２内に存在する気体（冷却媒体）が、遠心力によりスラストカラー１８の開口部２２ｂから排出される。すると、連通孔２２内の冷却媒体が減圧され、シャフト１４ａの開口部２２ａから新たに冷却媒体が吸引される。本実施形態の冷却媒体としては、空気を用いるが、窒素等、他の様々な気体を用いることができる。

ここで、回転に伴って冷却媒体が排出されるか吸引されるかは、上述した開口部と中心軸との距離に基づいている。すなわち、回転体の外周面に複数の開口部を設けた場合、開口部と中心軸との距離が長い開口部（ここでは、開口部２２ｂ）の方が、開口部と中心軸との距離が短い開口部（ここでは、開口部２２ａ）よりも、内部の冷却媒体に作用する遠心力が大きいため、開口部２２ｂから冷却媒体が排出され、それに伴って開口部２２ａから冷却媒体が吸引される。

こうして、ファン２８等の特別な駆動源を用いることなく、シャフト１４ａの回転を利用して、シャフト１４ａの開口部２２ａ、連通部２２ｃ、スラストカラー１８の開口部２２ｂを通過する冷却媒体の流れが生成され、結果的に、ラジアル軸受１６およびスラスト軸受２０が冷却される。

また、図４では、シャフト１４ａおよびスラストカラー１８において、開口部を周方向に４つ等間隔に配したが、開口部の数や配置態様はこれに限らず、任意に決めることができる。また、開口部の大きさ、連通部２２ｃの断面積および長さも任意に設定することが可能である。さらに、例えば図５のように連通孔の構成を様々に形成することもできる。

図５（ａ）のシャフト１４ａのＹＺ断面図に示すように、連通部２２ｃのうち、開口部２２ａに延伸する連通路２２ｃ１を、シャフト１４ａの軸方向と平行な連通路２２ｃ２の断面外周の接線方向に設ける。このとき、シャフト１４ａの回転により生じるシャフト１４ａ近傍の冷却媒体の流れ方向と連通路２２ｃ１に流入する冷却媒体の流れ方向、すなわち、図５（ａ）の部分拡大図において実線矢印で示した、開口部２２ａにおけるシャフト１４ａの断面外周の接線方向と、一点鎖線で示した連通路２２ｃ１の中心線方向とが鋭角に交わることとなる。このように、シャフト１４ａの回転により生じる冷却媒体の流れに対して、連通路２２ｃ１に流入する冷却媒体の流れが鋭角となるように連通路２２ｃ１を形成し、冷却媒体を連通路２２ｃ１に流入し易くすることで、冷却媒体の吸引効率を向上することができる。

一方、図５（ｂ）のスラストカラー１８のＹＺ断面図に示すように、連通部２２ｃのうち、開口部２２ｂに延伸する連通路２２ｃ３を、シャフト１４ａの軸方向と平行な連通路２２ｃ２の断面外周の接線方向に設ける。このとき、スラストカラー１８の回転により生じるスラストカラー１８近傍の冷却媒体の流れ方向と連通路２２ｃ３から排出する冷却媒体の流れ方向、すなわち、図５（ｂ）の部分拡大図において実線矢印で示した、開口部２２ｂにおけるスラストカラー１８の断面外周の接線方向と、一点鎖線で示した連通路２２ｃ３の中心線方向とが鋭角に交わることとなる。このように、スラストカラー１８の回転により生じる冷却媒体の流れに対して、連通路２２ｃ３から排出する冷却媒体の流れが鋭角となるように連通路２２ｃ３を形成し、冷却媒体を連通路２２ｃ３から排出し易くすることで、冷却媒体の排出効率を向上することができる。

図６は、本実施形態の軸受の冷却構造を説明した説明図である。図４および図５を用いて説明した冷却構造では、上述したように、シャフト１４ａの開口部２２ａ、連通部２２ｃ、スラストカラー１８の開口部２２ｂを通過する冷却媒体の流れが生成される。また、冷却媒体のシャフト１４ａへの吸引に関し、シャフト１４ａの開口部２２ａを、ロータ１４の回転雰囲気（回転空間３０）と連通させることで、ロータ１４の回転により発熱した回転雰囲気中の冷却媒体を効率よく外部に排出させることもできる。このように、電動機１全体でみると、図６中実線矢印で示すように、Ｘ軸後方のラジアル軸受１６とシャフト１４ａとの隙間、回転空間３０、連通孔２２、スラスト軸受２０とスラストカラー１８との隙間を順次通過して、冷却媒体が外部に排出される。

こうして、ファン等の特別な駆動源を追加することなく、既存のシャフト１４ａおよびスラストカラー１８の外観形状を維持した簡易な構成で、効率よく軸受近傍を冷却することが可能となる。

また、通常、シャフト１４ａの回転に伴う空気層のせん断に基づく発熱は、シャフト１４ａの回転数の上昇に応じて高まるが、本実施形態の冷却構造は、シャフト１４ａの回転数の上昇に応じて、遠心力によりその冷却媒体の流動速度も高まるので、特別な制御装置を介入させることなく、発熱に応じた適切な冷却効果を期待することができる。

（冷却構造の他の形態１）
上記では、図示を省略したが、電動機１には、ステータ１２の外周側から液体の媒体（例えば、水）を通じてステータ１２を冷却する冷却部としての水冷ジャケット４０が設けられている。ここでは、かかる水冷ジャケット４０を利用して、軸受の冷却効率を高めることもできる。

図７は、冷却構造の他の形態を説明した説明図である。ここでは、筐体１０におけるスラストカラー１８外周近傍から、回転空間３０の特にステータ１２のコイル１２ｂよりＸ軸後方に連通孔４２を設け、その連通孔４２を水冷ジャケット４０に当接させる。そして、図７中実線矢印で示すように、回転空間３０、連通孔２２、連通孔４２を通じて冷却媒体を完結的に循環させる。このとき、連通孔４２を流通する冷却媒体と水冷ジャケット４０中の媒体とを熱交換させる。

かかる構成では、軸受近傍で生じる熱を、水冷ジャケット４０を通じて放出できるので、自己完結的に放熱可能となり、より効率よく軸受近傍を冷却することができる。

（冷却構造の他の形態２）
上述した冷却構造では、シャフト１４ａの開口部２２ａを、ロータ１４の回転雰囲気（回転空間３０）に連通させたが、かかる場合に限らず、例えば、シャフト１４ａの開口部２２ａを、ロータ１４の回転雰囲気と断絶した空間に連通させてもよい。

図８は、冷却構造のさらに他の形態を説明した説明図である。ここでは、シャフト１４ａの開口部２２ａをＸ軸後方の端部外周に設け、電動機１の外部雰囲気の空間に連通させる。したがって、図８中実線矢印で示すように、開口部２２ａから外部の冷却媒体（空気）を直接吸引して、連通部２２ｃ、スラストカラー１８の開口部２２ｂに流通させることができる。

かかる構成では、Ｘ軸後方のラジアル軸受１６についても、シャフト１４ａ内部を流通する冷却媒体によって冷却することができ、ファン等の特別な駆動源を追加することなく、既存のシャフト１４ａおよびスラストカラー１８の外観形状を維持した簡易な構成で、効率よく全ての軸受近傍を冷却することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、磁力を通じて軸を中心に回転する回転機に利用することができる。

１ …電動機（回転機）
１２ …ステータ
１４ …ロータ
１４ａ …シャフト
１６ …ラジアル軸受
１８ …スラストカラー
２０ …スラスト軸受
２２ …連通孔
２２ａ …開口部
２２ｂ …開口部
２２ｃ …連通部
３０ …回転空間（回転雰囲気）
４０ …水冷ジャケット
４２ …連通孔

Claims

環状のステータと、
前記ステータの環の中に挿入されるロータと、
前記ロータのシャフトを回転自在に軸支し、該ロータのラジアル方向の荷重を受けるラジアル軸受と、
前記ロータのシャフトと一体形成され、該シャフトより径の大きい円盤状のスラストカラーと、
前記スラストカラーを通じて前記ロータのスラスト方向の荷重を受けるスラスト軸受と、
を備え、
前記シャフトと前記スラストカラーには、該シャフトの前記ラジアル軸受に面した部位および該スラストカラーの前記スラスト軸受に面した部位の内部を通り、前記シャフト外周面と前記スラストカラーの外周面とを連通する連通孔が設けられていることを特徴とする回転機。
前記連通孔の前記シャフト外周面側の開口部は、前記ロータの回転雰囲気と連通していることを特徴とする請求項１に記載の回転機。
前記ステータを外周側から冷却する冷却部と、
前記スラストカラー外周面側の開口部から排出された冷却媒体と前記冷却部の媒体とを熱交換させ、熱交換後の冷却媒体を前記ロータの回転雰囲気に環流させる連通孔と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の回転機。
前記連通孔の前記シャフト外周面側の開口部は、前記ロータの回転雰囲気と断絶した空間に連通していることを特徴とする請求項１に記載の回転機。