JP2017158333A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性を低下させることなくスラスト力を低減させることができるようにする。【解決手段】回転子２の回転軸Ｘに平行な断面視において、回転子２の側面の全部が回転軸Ｘに対して傾斜している。回転子２の回転軸Ｘに平行な断面視において、固定子３の側面は、回転子２の軸方向の一端から他端にわたって、回転子２の側面に沿った形状にされている。【選択図】図１

Description

本発明は、筒状の回転子と、当該回転子の周りに対向配置された固定子との間に電磁力を生じさせて、回転子を回転させる電動機に関する。

従来、スクリュ圧縮機のスクリュロータを回転させるために、電動機が用いられる。駆動ベルトやギヤを介さずに電動機とスクリュ圧縮機とを直結させた構造は、動力伝達の損失が少ないので、スクリュ圧縮機を高効率化することができる。

ここで、スクリュ圧縮機においては、圧縮したガスの反力が、吐出側から吸込側に向かうスラスト力として、スクリュロータに作用する。そのため、スクリュロータを支持する軸受にスラスト荷重がかかり、軸受の長期耐久性や寿命が低下する。

そこで、特許文献１には、主軸にかかるスラスト力を電磁石により支承する磁気軸受装置が開示されている。主軸の中央に設けられたフランジ状のスラスト板に電磁石を非接触で対向させ、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じて、電磁石による支承力を制御することで、軸受に作用するスラスト力を軽減することができる。

特許第４９４２３３７号明細書

しかしながら、特許文献１の磁気軸受装置をスクリュ圧縮機に設けると、部品点数が増加し、構造が複雑になるため、信頼性が低下するという問題がある。

本発明の目的は、信頼性を低下させることなくスラスト力を低減させることが可能な電動機を提供することである。

本発明は、筒状の回転子と、当該回転子の周りに対向配置された固定子との間に電磁力を生じさせて、前記回転子を回転させる電動機において、前記回転子の回転軸に平行な断面視において、前記回転子の側面の全部または一部が前記回転軸に対して傾斜しており、前記回転子の回転軸に平行な断面視において、前記固定子の側面は、前記回転子の軸方向の一端から他端にわたって、前記回転子の側面に沿った形状にされていることを特徴とする。

本発明によると、回転子の回転軸に平行な断面視において、回転子の側面の全部または一部が回転軸に対して傾斜している。回転子の側面が回転軸に対して傾斜している部分においては、回転子にかかる電磁力のうち、回転に寄与しない成分を、回転軸に直交する成分と、回転軸に平行な成分とに分解することができる。このうち、回転軸に直交する成分は、１８０度対称な電磁力における回転軸に直交する成分とで打ち消し合うが、回転軸に平行な成分は残る。この回転軸に平行な成分が、回転子を軸方向に動かす力となる。スクリュ圧縮機に直結された電動機でスクリュ圧縮機のスクリュロータを回転させる場合、スクリュロータに作用するスラスト力により、回転子が軸方向に移動する。そこで、回転軸に平行な成分の向きを、スラスト力の向きと反対にすることで、回転子はスラスト力の向きとは反対方向に動く。これにより、スラスト力を低減させることができる。このとき、部品点数は増加しないので、構造が複雑になることもない。よって、信頼性を低下させることなくスラスト力を低減させることができる。

電動機の断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１の要部Ｂの拡大図である。 電動機の断面図である。 電動機の断面図である。 電動機の断面図である。 電動機の断面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

［第１実施形態］
（電動機の構成）
本発明の第１実施形態による電動機１は、断面図である図１に示すように、筒状の回転子（ロータ）２と、当該回転子２の周りに対向配置された固定子（ステータ）３と、を有している。電動機１は、回転子２と固定子３との間に電磁力を生じさせて、回転子２を回転させる。

回転子２は、その軸心が固定子３の軸心に一致するように（同軸になるように）固定子３内に配置される。回転子２と固定子３とは、図示しないケーシング内に収納されている。

回転子２は、永久磁石（図示せず）が内部に埋め込まれたロータコア１１を有している。即ち、本実施形態の電動機１は、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータである。なお、永久磁石がロータコア１１の表面に貼り付けられていてもよい。この場合、電動機１は、ＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）モータである。

ロータコア１１は、例えば、リング板状の電磁鋼板が軸心方向に積層されることによって形成されている。ロータコア１１の中心には、回転子２の回転を外部に取り出す出力軸（シャフト）４が挿通される。出力軸４は軸受（図示せず）によって回転可能に支持される。

なお、回転子２に永久磁石のような硬磁性体が用いられた構成に限定されず、軟磁性体が用いられた構成であってもよい。即ち、回転子２と固定子３との間に電磁力が生じる構成であればよい。

固定子３は、筒状のステータコア２１と、ステータコア２１の内周面に巻回された巻線２２とを有している。

ステータコア２１は、例えば、複数の電磁鋼板（ケイ素鋼板など）が軸心方向に積層されることによって形成されている。ステータコア２１の内周面には、周方向に沿ってスロットと歯とが交互に連続して形成されており、歯には巻線２２が巻回されている。複数の歯にそれぞれ巻回された巻線２２に対して所定の位相差の電流が供給されることにより、回転磁界が形成される。これにより、回転子２にマグネットトルクとリラクタンストルクとが発生して、回転子２が回転する。ここで、リラクタンストルクとは、磁気抵抗が小さくなろうとする箇所に発生するトルク、即ち、磁気が流れ難いところに磁束を流そうと回転子２が固定子３に対して回転することにより発生するトルクである。

ここで、図１のＡ−Ａ断面図である図２、図３に示すように、固定子３が励磁されると、回転子２には磁気吸引力または磁気反発力が生じる。図２、図３においては、簡単のため、回転子２を２極とし、固定子３に生じたＮ極およびＳ極を図示している。

図２では、固定子３に生じたＮ極およびＳ極により、回転子２に磁気反発力が生じている。磁気反発力は、回転に寄与する成分（接線方向の成分）と、回転に寄与しない成分とに分離することができる。回転に寄与しない成分のうち、回転子２の回転軸Ｘ（図１参照）に直交する成分（径方向の成分）は、１８０度対称な磁気反発力における回転軸Ｘに直交する成分とで打ち消し合う。そして、回転子２に磁気反発力が生じる相対関係を維持しながら、固定子３に生じるＮ極およびＳ極の位置を反時計周りに回転させることで、回転子２が同期して反時計周りに回転する。

一方、図３では、固定子３に生じたＮ極およびＳ極により、回転子２に磁気吸引力が生じている。磁気吸引力は、回転に寄与する成分（接線方向の成分）と、回転に寄与しない成分とに分離することができる。回転に寄与しない成分のうち、回転子２の回転軸Ｘに直交する成分（径方向の成分）は、１８０度対称な磁気吸引力における回転軸Ｘに直交する成分とで打ち消し合う。そして、回転子２に磁気吸引力が生じる相対関係を維持しながら、固定子３に生じるＮ極およびＳ極の位置を反時計周りに回転させることで、回転子２が同期して反時計周りに回転する。

（スクリュ圧縮機の構成）
図１に戻って、電動機１はスクリュ圧縮機３１に直結されている。スクリュ圧縮機３１は、雌雄２つのスクリュロータ３２を有している。これらスクリュロータ３２の一方と回転子２とが、出力軸４を介して直結されている。２つのスクリュロータ３２は、図示しないケーシング内に収納されている。このケーシングは、回転子２および固定子３を収容するケーシングとは別のものである。

スクリュ圧縮機３１においては、圧縮したガスの反力が、吐出側から吸込側に向かうスラスト力として、スクリュロータ３２に作用する。図１においては、吸込側がスクリュロータ３２の左側に位置しており、吐出側がスクリュロータ３２の右側に位置している。そのため、スラスト力は、出力軸４に沿って図中左向きに作用する。

（回転子の形状）
本実施形態では、回転子２の回転軸Ｘ（出力軸４）に平行な断面視において、回転子２の側面の全部を出力軸４に対して傾斜させている。本実施形態では、回転子２の側面の全部を、左から右に向かって拡径するように傾斜させている。固定子３の側面は、回転子２の軸方向の一端から他端にわたって、回転子２の側面に沿った形状にされている。

本実施形態では、磁気反発力を利用して回転子２を回転させている。図１の要部Ｂの拡大図である図４に示すように、回転子２の傾斜した側面においては、回転子２にかかる磁気反発力のうち、回転に寄与しない成分を、回転軸Ｘに直交する成分と、回転軸Ｘに平行な成分とに分解することができる。このうち、回転軸Ｘに直交する成分は、１８０度対称な磁気反発力における回転軸Ｘに直交する成分とで打ち消し合うが、回転軸Ｘに平行な成分は残る。この回転軸Ｘに平行な成分が、回転子２を軸方向に動かす力となる。

ここで、スラスト力は左向きであるのに対して、回転軸Ｘに平行な成分は右向きである。よって、回転軸Ｘに平行な成分により、回転子２はスラスト力の向きとは反対方向に動く。これにより、スラスト力を低減させることができる。このとき、部品点数は増加しないので、構造が複雑になることもない。よって、信頼性を低下させることなくスラスト力を低減させることができる。

なお、磁気吸引力を利用して回転子２を回転させる場合、ベクトルの方向は逆向きになる。磁気吸引力を利用する場合、回転子２の側面の全部を、右から左に向かって拡径するように傾斜させる、即ち、図４とは反対に傾斜させることで、回転軸Ｘに平行な成分は右向きになり、スラスト力を低減させることができる。

（変形例）
なお、断面図である図５に示すように、回転子２の回転軸Ｘ（出力軸４）に平行な断面視において、回転子２の側面の一部を出力軸４に対して傾斜させてもよい。図５では、回転子２の側面の一部を、左から右に向かって拡径するように傾斜させている。このような構成であっても、回転子２の傾斜した側面において、回転子２にかかる磁気反発力のうち、回転軸Ｘに平行な成分はスラスト力とは逆向きとなる。よって、回転軸Ｘに平行な成分により、回転子２はスラスト力の向きとは反対方向に動くので、スラスト力を低減させることができる。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る電動機１によると、回転子２の回転軸Ｘに平行な断面視において、回転子２の側面の全部または一部が回転軸Ｘに対して傾斜している。回転子２の側面が回転軸Ｘに対して傾斜している部分においては、回転子２にかかる電磁力のうち、回転に寄与しない成分を、回転軸Ｘに直交する成分と、回転軸Ｘに平行な成分とに分解することができる。このうち、回転軸Ｘに直交する成分は、１８０度対称な電磁力における回転軸Ｘに直交する成分とで打ち消し合うが、回転軸Ｘに平行な成分は残る。この回転軸Ｘに平行な成分が、回転子２を軸方向に動かす力となる。

スクリュ圧縮機３１に直結された電動機１でスクリュ圧縮機３１のスクリュロータ３２を回転させる場合、スクリュロータ３２に作用するスラスト力により、回転子２が軸方向に移動する。そこで、回転軸Ｘに平行な成分の向きを、スラスト力の向きと反対にすることで、回転子２はスラスト力の向きとは反対方向に動く。これにより、スラスト力を低減させることができる。このとき、部品点数は増加しないので、構造が複雑になることもない。よって、信頼性を低下させることなくスラスト力を低減させることができる。

また、回転子２に、軟磁性体または硬磁性体を用いることで、回転子２と固定子３との間に電磁力を好適に生じさせることができる。

［第２実施形態］
（回転子の形状）
次に、本発明の第２実施形態に係る電動機２０１について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態の電動機２０１が第１実施形態の電動機１と異なる点は、断面図である図６に示すように、回転子２の側面が、回転軸Ｘに対して角度θで傾斜する第１傾斜部２ａと、前記回転軸に対して角度（１８０−θ）で傾斜する第２傾斜部２ｂからなる点である。

第１傾斜部２ａは、回転子２の軸方向の中央から右端にわたって設けられ、左から右に向かって拡径するように傾斜している。第２傾斜部２ｂは、回転子２の軸方向の中央から左端にわたって設けられ、右から左に向かって拡径するように傾斜している。固定子３の側面は、回転子２の軸方向の一端から他端にわたって、回転子２の側面に沿った形状にされている。

本実施形態では、磁気反発力を利用して回転子２を回転させている。第１傾斜部２ａにおいては、磁気反発力のうち、回転軸Ｘに平行な成分は右向きとなり、第２傾斜部２ｂにおいては、回転軸Ｘに平行な成分は左向きとなる。

スクリュロータ３２に作用するスラスト力により、回転子２が軸方向左方に移動すると、第１傾斜部２ａと固定子３とのギャップ（隙間）が狭くなる一方、第２傾斜部２ｂと固定子３とのギャップが広くなる。固定子３とのギャップが狭くなった第１傾斜部２ａにおいては、磁気反発力が強まり、スラスト力とは反対方向を向いた、回転軸Ｘに平行な成分が大きくなる。一方、固定子３とのギャップが広くなった第２傾斜部２ｂにおいては、磁気反発力が弱まり、スラスト力と同じ方向を向いた、回転軸Ｘに平行な成分が小さくなる。よって、２つの回転軸Ｘに平行な成分の差は、スラスト力とは反対向きとなる。この差によって、回転子２をスラスト力の向きとは反対方向に動かすことで、スラスト力を低減させることができる。

なお、回転子２にスラスト力が作用していない場合、２つの回転軸Ｘに平行な成分は打ち消し合うので、回転子２は軸方向に移動しない。これにより、回転子２を軸方向の中心位置に留めることができる。

（変形例）
なお、断面図である図７に示すように、第１傾斜部２ａが、回転子２の軸方向の左端から中央にわたって設けられ、左から右に向かって拡径するように傾斜しているとともに、第２傾斜部２ｂが、回転子２の軸方向の中央から右端にわたって設けられ、右から左に向かって拡径するように傾斜していてもよい。このような構成であっても、スラスト力が作用すると、第１傾斜部２ａと固定子３とのギャップが狭くなり、第１傾斜部２ａにおいて磁気反発力が強くなる一方、第２傾斜部２ｂと固定子３とのギャップが広くなり、第２傾斜部２ｂにおいて磁気反発力が弱くなる。そして、２つの回転軸に平行な成分の差は、スラスト力とは反対向きとなる。この差によって、回転子２をスラスト力の向きとは反対方向に動かすことで、スラスト力を低減させることができる。

また、断面図である図８に示すように、回転子２の側面が、第１傾斜部２ａと第２傾斜部２ｂとの間に、回転軸Ｘに平行な平坦部２ｃを有していてもよい。即ち、回転子２の側面が、第１傾斜部２ａと第２傾斜部２ｂとを、その一部として含む構成であってもよい。このような構成であっても、スラスト力が作用した場合には、２つの回転軸Ｘに平行な成分の差によってスラスト力を低減させることができる。また、スラスト力が作用しない場合には、２つの回転軸Ｘに平行な成分は打ち消し合うので、回転子２を軸方向の中心位置に留めることができる。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る電動機２０１によると、回転子２の回転軸Ｘに平行な断面視において、回転子２の側面が、回転軸Ｘに対して角度θで傾斜する第１傾斜部２ａと、回転軸Ｘに対して角度（１８０−θ）で傾斜する第２傾斜部２ｂと、を含んでいる。このとき、第１傾斜部２ａにおける回転軸Ｘに平行な成分の向きと、第２傾斜部２ｂにおける回転軸Ｘに平行な成分の向きとは、互いに反対になる。回転子２にスラスト力が作用していない場合、２つの回転軸Ｘに平行な成分は打ち消し合うので、回転子２は軸方向に移動しない。これにより、回転子２を軸方向の中心位置に留めることができる。

また、スクリュ圧縮機３１に電動機２０１が直結され、スクリュロータ３２に作用するスラスト力により回転子２が軸方向に移動する場合、第１傾斜部２ａおよび第２傾斜部２ｂの一方と固定子３とのギャップ（隙間）が狭くなる一方、他方と固定子３とのギャップが広くなる。このとき、回転子２には磁気反発力がかかっているため、固定子３とのギャップが狭くなった方においては、磁気反発力が強まり、スラスト力とは反対方向を向いた、回転軸Ｘに平行な成分が大きくなる。一方、固定子３とのギャップが広くなった方においては、磁気反発力が弱まり、スラスト力と同じ方向を向いた、回転軸Ｘに平行な成分が小さくなる。よって、２つの回転軸Ｘに平行な成分の差は、スラスト力とは反対向きとなる。この差によって、回転子２をスラスト力の向きとは反対方向に動かすことで、スラスト力を低減させることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１，２０１ 電動機
２ 回転子
２ａ 第１傾斜部
２ｂ 第２傾斜部
２ｃ 平坦部
３ 固定子
４ 出力軸
１１ ロータコア
２１ ステータコア
２２ 巻線
３１ スクリュ圧縮機
３２ スクリュロータ

Claims (4)

1. 筒状の回転子と、当該回転子の周りに対向配置された固定子との間に電磁力を生じさせて、前記回転子を回転させる電動機において、
   前記回転子の回転軸に平行な断面視において、前記回転子の側面の全部または一部が前記回転軸に対して傾斜しており、
   前記回転子の回転軸に平行な断面視において、前記固定子の側面は、前記回転子の軸方向の一端から他端にわたって、前記回転子の側面に沿った形状にされていることを特徴とする電動機。
2. 前記回転子と前記固定子との間に磁気反発力を生じさせて、前記回転子を回転させており、
   前記回転子の回転軸に平行な断面視において、前記回転子の側面は、前記回転軸に対して角度θで傾斜する第１傾斜部と、前記回転軸に対して角度（１８０−θ）で傾斜する第２傾斜部と、を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
3. スクリュ圧縮機のスクリュロータと、前記回転子とが、当該回転子の中心に挿通された出力軸を介して直結されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動機。
4. 前記回転子に、軟磁性体または硬磁性体が用いられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電動機。

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