JP2014128092A - 圧縮ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の圧縮ユニットは、高速回転を可能としながら圧縮機とモータとの回転軸を一体化することが可能な圧縮ユニットを提供することを目的とする。
【解決手段】インバータ回路６から供給される電流に基づいて回転磁界を生成し、該回転磁界に基づいてロータ３１が回転するモータ３と、ロータ３１に直接的に接続されたシャフト２１がロータ３１と同回転数で回転することによりインペラ２２によって流体を圧縮する圧縮機２と、を備え、インバータ回路６のスイッチング素子が、ＳｉＣ素子であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮ユニットに関する。

モータと圧縮機とが一体となっている圧縮ユニットは、空気やガス等の気体を圧縮する圧縮機と、圧縮機を駆動させるモータとを有している。圧縮ユニットでは、圧縮機のケーシングから延在する回転軸と、モータのケーシングから同様に延在するモータの回転軸とが接続され、モータの回転が圧縮機に伝達される。このモータ及び圧縮機の回転軸は、複数の軸受により支持されることで安定して回転する。

例えば、特許文献１では、圧縮ユニットとして、圧縮機のシャフトと圧縮機のシャフトに直結されるモータのロータとが一体化して回転軸を形成し、複数の軸受でこの回転軸を支持するモータ圧縮機が開示されている。このモータ圧縮機は、モータの両端と、圧縮機におけるモータと接続されていない側とにラジアル軸受を配置し、圧縮機のモータと接続されている側にガス支柱を配置して、回転軸を支持している。このような構成とすることで、回転軸を安定して支持することができ、回転を安定させることで信頼性の高いモータ圧縮機を得ることができる。

特開２００７−２１８２５８号公報

上述したような圧縮ユニットは、モータと圧縮機との回転軸を一体化することで圧縮機とモータとを同回転数で回転させることが可能であるが、圧縮機を高速回転させ、かつ大型化を図る場合、高速回転に対応する大型モータが無ければ回転軸を一体化することができない。

ところが、モータはインバータ回路でモータに供給する電圧や周波数を変更することで回転速度が制御されているが、モータを大型にすると供給する電圧や周波数の変動によって生じる電流品質の低下やトルクリップルが顕著となる。そのため、インバータ回路によって精度良く電圧や周波数を変更しなければモータを高速回転させることが難しい。

しかしながら、分子量の軽いガス等を圧縮する圧縮機では高速回転が必要となり、高速回転が可能な大型のモータを用いることが困難である場合、モータと圧縮機との回転軸を一体化させることができない。よって、モータと圧縮機との間にギアを組み込んだ増速機など別の部品を介して圧縮機を高速回転させなければならないという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、高速回転を可能としながら圧縮機とモータとの回転軸を一体化することが可能な圧縮ユニットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の一態様に係る圧縮ユニットは、インバータ回路から供給される電流に基づいて回転磁界を生成し、該回転磁界に基づいてロータが回転するモータと、前記ロータに直接的に接続されたシャフトが該ロータと同回転数で回転することによりインペラによって流体を圧縮する圧縮機と、を備え、前記インバータ回路のスイッチング素子が、ＳｉＣ素子であることを特徴とする。

このような構成の圧縮ユニットよれば、ＳｉＣ素子をスイッチング素子に用いることで、高速スイッチングを行うことができ、電流が正弦波に類似した波形となりモータに供給される電流品質を向上させることができる。さらに、ＳｉＣ素子をスイッチング素子に用いることで、インバータ回路によるモータ制御の精度を向上させることができるため、モータのトルクリップルを抑制することができる。

また、本発明の他の態様に係る圧縮ユニットは、前記モータと前記圧縮機との間に配置され、前記ロータの周方向に作用する荷重を減衰させるダンパー部を有することを特徴とする。

このような構成の圧縮ユニットよれば、ダンパー部によって周方向に作用する荷重を減衰されることができ、モータの回転軸がぶれないため、より安定してモータを高速回転させることが可能となる。

本発明の圧縮ユニットによれば、インバータ回路にＳｉＣ素子を用いることで高速回転を可能としながら圧縮機とモータとの回転軸を一体化することが可能となる。

本発明の実施形態に係る圧縮ユニットを説明する模式図である。 本発明の実施形態に係るインバータ回路から出力される電流と時間との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る実施形態について図１を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態の圧縮ユニット１は、酸素や窒素等分子量の小さい軽いガスを圧縮する数ＭＷ級の大型モータ圧縮機である。圧縮ユニット１は、回転軸として軸線Ｏ方向（図１左右方向）に延在するシャフト２１を有する圧縮機２と、シャフト２１に直接的に接続されるロータ３１を有するモータ３と、シャフト２１を支持する支持部４と、モータ３と圧縮機２とを収容するケーシング５と、モータ３に供給する電流を制御するインバータ回路６とを備えている。

圧縮機２は、軸線Ｏ方向に延在するシャフト２１と、シャフト２１の外周面に固定されたインペラ２２と、インペラ２２を収容するハウジング２３とを有する。
シャフト２１は、軸線Ｏ方向に延在する回転軸であり、軸線Ｏ回りに回転可能に配置されている。シャフト２１は、ハウジング２３から延出しており、後述するケーシング５内において軸線Ｏ方向に延在している。
インペラ２２は、シャフト２１とともに回転し、インペラ２２内部を通過する流体を遠心力により圧縮・加圧して圧縮流体を生成する。
ハウジング２３は、圧縮機２の外装であり、インペラ２２を内部に収容し、軸線Ｏ方向にシャフト２１が貫通して配置されている。

モータ３は、供給される電流に基づいて回転磁界が生成され、ロータ３１に誘導電流が発生し回転する誘導電動機である。モータ３は、シャフト２１に一体となって固定されたロータ３１と、ロータ３１回りに配置されるステータ３２と、ロータ３１及びステータ３２を収容するモータケース３３とを有する。
ロータ３１は、ステータ３２が回転磁界を生成することで誘導電流が流れる鉄心を有しており、シャフト２１と一体となって回転可能に固定されている。
ステータ３２は、コイルを有しており、コイルに電流が流れることで回転磁場を生成している。
モータケース３３は、円筒形状をなして内部にロータ３１及びステータ３２を収容しており、軸線Ｏ方向にシャフト２１が貫通して配置されている。
即ち、モータ３は圧縮機２とギア等を介さずにシャフト２１によって一体となって回転するよう直接的に接続されている。

支持部４は、シャフト２１の周方向に働く荷重を受けてシャフト２１を支持する二カ所の軸受部４１と、シャフト２１の周方向に働く荷重を受けてシャフト２１を支持しつつ、シャフト２１の周方向に働く荷重を減衰させるダンパー部４２とを有している。
軸受部４１は、圧縮機２及びモータ３を挟み込むようにシャフト２１の両端に内部にシャフト２１を挿通させて配置される公知のすべり軸受である。
なお、本実施例ではすべり軸受で説明するが、玉軸受やローラー軸受でも良く、軸受の種類は問わない。

ダンパー部４２は、圧縮機２とモータ３との間に配置され内部にシャフト２１を挿通させている。ダンパー部４２は、シャフト２１を支持する中央軸受部４２ａと、中央軸受部４２ａとケーシング５の内面との間に設けられるオイルダンパー部４２ｂとを有している。
中央軸受部４２ａは、公知のすべり軸受けであり、中心にシャフト２１を挿通させて配置されている。
オイルダンパー部４２ｂは、中央軸受部４２ａとケーシング５の内面との間に配置されており、円筒状のシリンダ内にオイルが充填され、中央軸受部４２ａをピストンとして用いている。

ケーシング５は、軸線Ｏに沿って円筒形状をなしており、圧縮機２とモータ３を内部に収容している。ケーシング５の内面は、圧縮機２とモータ３との間が中心に向かって突出しており、ダンパー部４２が固定されている。

インバータ回路６は、図示しない発電機から供給される電力を直流変換した後、直流から交流に再度変換し、モータ３に任意の周波数に変換した電流を供給する電力変換回路である。そして、インバータ回路６は、スイッチング素子を各相二組ずつ用いた三相出力のＤＣ−ＡＣインバータ回路を有しており、スイッチング素子としてＳｉＣ素子を用いて電力の制御を行う。

インバータ回路６によって行われる制御は、例えば、本実施形態ではＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を行っている。ＰＷＭ制御は、モータ３のＯＮとＯＦＦのスイッチングを早い周期でスイッチング素子にて行うことで、ＯＮのパルス幅に比例した任意の平均電圧を得ることができる。さらに、インバータ回路６ではＰＷＭ制御によってＯＮとしている時間の幅（デューティ）を周期的に大きくしたり小さくしたりと変化させることにより、モータ３が駆動する上で最適な正弦波の平均電圧を出力することができる。このような制御によって、インバータ回路６は、ロータ３１の回転位置に合わせて、出力電圧と出力周波数を任意に制御し、モータ３の回転速度やトルクを制御している。

次に、上記構成の本実施形態の圧縮ユニット１の作用について説明する。
上記のような本実施形態の圧縮ユニット１は、図示しない発電機から供給される電力をインバータ回路６に入力し変換する。インバータ回路６は入力された電力を用いて、ＰＷＭ制御が行われ、ＳｉＣ素子によってスイッチングが行われる。図２（ａ）、（ｂ）に示すように、ＳｉＣ素子によるスイッチングは、Ｓｉ素子等を用いたスイッチング素子よりも数倍高速で行われるため、インバータ回路６から出力される平均電圧に基づく電流はＳｉ素子を用いた場合の波形（図２（ａ））よりも、非常に滑らかな正弦波に類似した波形（図２（ｂ））を示す。このような波形を示す電流がインバータ回路６から出力され、モータ３に供給される。

モータ３に電流に供給されると、供給された電流に基づいて回転磁界が生成されモータ３が回転を開始する。モータ３に供給される電流は、ＳｉＣ素子による高速スイッチングによって非常に滑らかな正弦波に類似した波形となるため、電流品質が向上され、モータ３は６０００ｒｐｍから２００００ｒｐｍと非常に高速で回転する。
モータ３が高速で回転すると、モータ３と圧縮機２との回転軸であるシャフト２１がギア等を介さず一体となっているため、圧縮機２も同回転数で高速で回転する。シャフト２１が高速で回転時には、圧縮機２とモータ３との間に設けられたダンパー部４２の中央軸受部４２ａが軸受としてシャフト２１を支持しながら、オイルダンパー部４２ｂのオイルの粘性によってシャフト２１の周方向に働く荷重を減衰している。
そして、圧縮機２は、圧縮機２のシャフト２１が高速で回転することでインペラ２２がシャフト２１と共に回転し、圧縮機２内に流入する流体であるガスを圧縮して排出している。

上記のような圧縮ユニット１によれば、ＳｉＣ素子をスイッチング素子に用いることで、インバータ回路６で高速スイッチングを行うことができ、インバータ回路６からモータ３に出力される電流が滑らかな正弦波に類似した波形となる。そのため、モータ３に供給される電流の電流品質を向上させることができる。さらに、滑らかな正弦波に類似した波形となるように制御することでより細かい周期でインバータ回路６からモータ３へ供給する電力を制御することができるため、インバータ回路６によってモータ３を制御する精度を向上させることができる。そのため、モータ３のトルクリップルを抑制することができる。これにより、インバータ回路６にＳｉＣ素子を用いることで高速回転を可能としながら、ギアや流体継ぎ手を省略し、圧縮機２とモータ３との回転軸を一体化することが可能となる。
さらに、ギアや流体継ぎ手を省略できることで、圧縮ユニット１の製造コストの低減が可能となる。また、圧縮ユニット１の占有面積を低減することも可能となる。また、ギア等のメンテナンスが不要となるため、メンテナンス期間を短くすることができる。

また、回転軸であるシャフト２１は高速回転すると周方向にぶれ始めるが、ダンパー部４２のオイルダンパー部４２ｂによって周方向に働く荷重を減衰することでシャフト２１が軸線Ｏからずれなくなる。そのため、シャフト２１と一体となって、高速回転するモータ３のロータ３１も軸線Ｏからずれない。これにより、より安定してモータ３を高速回転させることが可能となる。

さらに、圧縮機２のシャフト２１は、圧縮機２から延出し、モータ３のロータ３１と一体となって固定されていることで、シャフト２１はモータ３と圧縮機２との回転軸を兼ねていることとなる。そのため、モータ３のロータ３１と圧縮機２のシャフト２１とを、ギア等の増速機や継手構造を介さずに一体となって形成することが可能となる。つまり、ＳｉＣ素子を用いるインバータ回路６をこのような一体となった圧縮機２とモータ３とに用いることで、圧縮機２及びモータ３を一体としてＭＷ級の大型モータであっても高速回転させることが可能となる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、クレームの範囲によってのみ限定される。

なお、本実施形態のインバータ回路６に用いられる制御方法はＰＷＭ制御に限られるものではなく、例えば、ＰＡＭ制御であっても良い。
また、本実施形態で用いられる軸受部４１や中央軸受部４２ａで用いられる軸受は、すべり軸受であることに限定はされず、例えば、玉軸受や磁気軸受であっても良い。
さらに、本実施形態のダンパー部４２は、オイルダンパー部４２ｂに限定されるものではなく、例えば、オイルダンパーではなくゴム等の弾性部材を用いても良く、公知の運動エネルギーを減衰させるような構造が用いられれば良い。
また、本実施形態のダンパー部４２は、中央軸受部４２ａを有していることに限定されるものではなく、軸受を有しない構造としてもよい。ただし、中央軸受部４２ａを有していることで回転軸であるシャフト２１をより安定させることができる。

Ｏ…軸線 １…圧縮ユニット ２…圧縮機 ２１…シャフト ２２…インペラ ２３…ハウジング ３…モータ ３１…ロータ ３２…ステータ ３３…モータケース ４…支持部 ４１…軸受部 ４２…ダンパー部 ４２ａ…中央軸受部 ４２ｂ…オイルダンパー部 ５…ケーシング ６…インバータ回路

Claims (2)

1. インバータ回路から供給される電流に基づいて回転磁界を生成し、該回転磁界に基づいてロータが回転するモータと、
   前記ロータに直接的に接続されたシャフトが該ロータと同回転数で回転することによりインペラによって流体を圧縮する圧縮機と、を備え、
   前記インバータ回路のスイッチング素子が、ＳｉＣ素子であることを特徴とする圧縮ユニット。
2. 前記モータと前記圧縮機との間に配置され、前記ロータの周方向に作用する荷重を減衰させるダンパー部を有することを特徴とする請求項１に記載の圧縮ユニット。

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