JP2021175321A - モータ及び回転流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却性能の向上が可能なモータ及び回転流体機械を提供する。【解決手段】回転軸線Ａｘまわりに回転するシャフト４及びロータ５と、ロータ５の外周面５２と隙間Ｓ１をもって向かい合う内周面６３を有するステータ６と、冷却機構１０と、を備える。冷却機構１０は、ロータ５の外周面５２に設けられたスクリュー機構１５と、隙間Ｓ１と外部空間Ｓ２とを連通する連通部１１，１２，１３と、を有する。連通部１１は、ステータ６の一端部６５にて隙間Ｓ１に連通し、連通部１２は、ステータ６の他端部６６にて隙間Ｓ１に連通し、連通部１３は、連通部１１と連通部１２との間において隙間Ｓ１に連通する。スクリュー機構１５は、連通部１１，１３の間に設けられ、第１の巻方向に巻かれたスクリュー部１５ａと、連通部１１，１３の間に設けられ、第１の巻方向と反対の第２の巻方向に巻かれたスクリュー部１５ｂと、を含む。【選択図】図１

Description

本開示は、モータ及び回転流体機械に関する。

特許文献１には、回転軸と、回転軸に設けられたロータと、ロータの外周に配置されたステータと、ステータ及びロータを収容するケーシングと、を備える回転電機が記載されている。ケーシングは、金属部材から形成された略円筒状の本体ハウジングを有する。本体ハウジングの外周部には多数の放熱用フィンが形成されている。

特開２０１４−７７８３号公報

回転電機の動作は、熱を発生させる。この熱によって回転電機を構成する各部品の温度が上昇すると、所望の性能を発揮できなくなることが生じ得る。そこで、上記特許文献１に開示された放熱用フィン等の冷却機構が適用される。一方で、回転電機のトルク密度を増加させるためには冷却性能の更なる向上が求められる。

本開示は、冷却性能の向上が可能なモータ及び回転流体機械を提供することを目的とする。

本開示の一形態であるモータは、回転軸線まわりに回転するシャフトと、シャフトの外周面に固定され、シャフトとともに回転軸線まわりに回転するロータと、ロータの外周面と隙間をもって向かい合う内周面を有し、ロータを囲むステータと、ロータ及びステータを冷却する冷却機構と、を備え、冷却機構は、ロータの外周面に設けられたスクリュー機構と、隙間と外部空間とを連通する複数の連通部と、を有し、複数の連通部は、回転軸線に沿う軸方向におけるステータの一端部にて隙間に連通する第１の連通部と、軸方向におけるステータの他端部にて隙間に連通する第２の連通部と、軸方向における第１の連通部と第２の連通部との間において隙間に連通する第３の連通部と、を含み、スクリュー機構は、軸方向における第１の連通部と第３の連通部との間に設けられ、第１の巻方向に巻かれた第１のスクリュー部と、軸方向における第２の連通部と第３の連通部との間に設けられ、第１の巻方向と反対の第２の巻方向に巻かれた第２のスクリュー部と、を含む。

このモータにおいては、冷却機構が、ロータ及びステータの隙間と外部空間とを連通する複数の連通部と、ロータの外周面に設けられたスクリュー機構と、を有する。このスクリュー機構により、モータの動作時の回転を利用して、ロータとステータとの隙間に強制対流を発生させることができる。また、スクリュー機構は、第１の連通部及び第３の連通部の間に設けられた第１のスクリュー部と、第２の連通部及び第３の連通部の間に設けられ、第１のスクリュー部と反対の巻方向に巻かれた第２のスクリュー部と、を含む。このため、モータの一方向の回転によって、ロータとステータとの隙間には互いに対称となる２つの強制対流が発生する。この２つの強制対流による冷媒が、ロータとステータとの隙間を流通するので、ロータ及びステータが効率よく冷却される。したがって、冷却性能を向上させることが可能となる。

一形態のモータにおいて、第３の連通部は、ステータの内周面からステータの外周面に貫通する貫通孔であってもよい。このモータにおいて、冷却機構は、複数の第３の連通部を有し、複数の第３の連通部は、シャフトの径方向に沿って延在する上記貫通孔としての上部孔と、シャフトに対して上部孔とは反対に位置し、上部孔の延在方向に沿って延在する貫通孔としての下部孔と、を含み、下部孔の径は、上部孔の径よりも大きく、第１の巻方向は、シャフトの一端部から軸方向に沿って見たときのシャフトの回転方向と同じ方向であってもよい。この場合、下部孔の上方に上部孔が位置するようにモータが配置された状態において、下部孔を介して、ロータを下方から支持する向きに冷媒が流通するので、ロータのラジアル荷重を低減できる。

一形態のモータにおいて、第３の連通部は、シャフトに設けられ、回転軸線に沿って延在する第１の流路と、ロータの外周面から第１の流路に向けて延在し、隙間と第１の流路とを連通する第２の流路と、を含んでいてもよい。このモータにおいて、第３の連通部は、シャフトの径方向に沿って延在する第２の流路としての上部孔と、第１の流路に対して上部孔とは反対に位置し、上部孔の延在方向に沿って延在する第２の流路としての下部孔と、を含み、下部孔の径は、上部孔の径よりも大きく、第１の巻方向は、シャフトの一端部から軸方向に沿って見たときのシャフトの回転方向と同じ方向であってもよい。この場合も、下部孔の上方に上部孔が位置するようにモータが配置された状態において、下部孔を介して、ロータを下方から支持する向きに冷媒が流通するので、ロータのラジアル荷重を低減できる。

一形態のモータは、ロータ及びステータを収容するモータハウジングを更に備え、モータハウジングは、ステータを囲み、軸方向に沿って延在する周壁と、軸方向における周壁の一端部に設けられた第１の端壁と、軸方向における周壁の他端部に設けられた第２の端壁と、を有し、第１の巻方向は、シャフトの一端部から軸方向に沿って見たときのシャフトの回転方向と同じ方向であってもよい。この場合、第１のスクリュー部による強制対流が第１の端壁に向かって発生し、第２のスクリュー部による強制対流が第２の端壁に向かって発生する。このため、例えば、軸方向に沿う外力等によってロータが軸方向に移動すると、強制対流によってロータに作用する反力は、第１の端壁及び第２の端壁のうちのロータが近づいた方において、ロータが離れた方よりも大きくなる。その結果、軸方向における外力と強制対流による反力とが相互に打ち消し合うので、ロータのスラスト荷重を受ける軸受を削減することができる。

一形態のモータにおいて、第１のスクリュー部及び第２のスクリュー部の少なくとも一方は、ロータに設けられたネジ山であってもよい。この場合、ロータの外周面の表面積がネジ山に対応して増加するので、ロータと冷媒との熱交換効率が上昇する。したがって、冷却性能を更に向上できる。

一形態のモータにおいて、隙間の雰囲気圧力は、外部空間の雰囲気圧力と同じ大きさであってもよい。このモータによれば、モータの動作時の回転を利用して強制対流を発生できるので、ロータとステータとの隙間の雰囲気圧力が外部空間の雰囲気圧力と同じ大きさである構成においても、当該隙間に冷媒を流通させ得る。したがって、例えば冷却用のファン等の装置の省略が可能となるので、モータを小型化できる。

本開示の別の形態である回転流体機械は、上記のいずれかのモータと、軸方向におけるシャフトの一端部において、シャフトに設けられたインペラと、インペラによって移送される流体を流通させる第３の流路と第１の連通部とを仕切る仕切部材と、を備えていてもよい。この場合、インペラによって移送される流体と冷媒とが相互に影響し合うことを回避できる。

本開示によれば、冷却性能の向上が可能なモータ及び回転流体機械を提供することができる。

図１は、実施形態に係る回転流体機械の内部構造を概略的に示す図である。 図２は、図１のモータを説明するための断面図である。 図３は、スクリュー部によって強制対流が生じた際にロータに作用する力の関係について説明するための図である。 図４は、スクリュー部によって強制対流が生じた際にロータに作用する力の関係について説明するための図である。 図５は、変形例に係るモータを説明するための図である。 図６は、別の変形例に係るモータを説明するための図である。 図７は、更に別の変形例に係るモータを説明するための図である。

以下、図面を参照して一実施形態について説明する。なお、図面の説明においては、同一の要素同士、或いは、相当する要素同士には、互いに同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。

図１及び図２を参照し、本実施形態に係る回転流体機械の構成について説明する。図１に示される回転流体機械１は、いわゆる高速回転機械であって、例えばモータ２を動力源として動作する電動コンプレッサである。ただし、回転流体機械１は、ブロア又は電動ターボチャージャ等であってもよく、高速回転機械以外の回転流体機械であってもよい。本実施形態において、回転流体機械１は、モータ２と、コンプレッサ３と、を備える。

図２は、図１のモータを説明するための断面図である。モータ２は、シャフト４と、ロータ５と、ステータ６と、モータハウジング７と、冷却機構１０と、を備える。シャフト４は、回転軸線Ａｘまわりに回転する。シャフト４は、回転軸線Ａｘに沿って延びる外周面４１を有する。ロータ５は、円筒状を呈する。ロータ５の内周面５１は、シャフト４の外周面４１に固定されている。ロータ５は、シャフト４の外周面４１上にこの順で重ねられた１つのロータコア５３、１つの磁石５４、及び１つのアーマリング５５によって構成されている。

ステータ６は、ロータ５を囲んでいる。ステータ６は、回転軸線Ａｘに沿って延びる円筒状のステータコア６１と、ステータコイル６２とを有する。ステータコア６１の内周面６３は、ロータ５の外周面５２と隙間Ｓ１を介して向かい合っている。ステータコイル６２は、ステータコア６１に巻き回された導線によって構成されている。ステータコイル６２において、ステータコア６１から軸方向Ａ１に突出した部分は、いわゆるコイルエンド６２ａ，６２ｂである。なお、軸方向Ａ１は、回転軸線Ａｘに沿った方向である。ステータ６は、ロータ５を回転させるための回転磁界を発生する。具体的には、モータ２において、ステータ６に交流電流が提供されると、ステータ６による回転磁界によってロータ５にトルクが発生する。その結果、ロータ５は、シャフト４とともに回転軸線Ａｘまわりに回転する。

モータハウジング７は、ロータ５及びステータ６等を収容する。モータハウジング７は、例えば円筒状を呈している。モータハウジング７は、回転軸線Ａｘまわりにロータ５及びステータ６を囲む周壁７１と、軸方向Ａ１における周壁７１の一端部７１ａに設けられた端壁７２（第１の端壁）と、軸方向Ａ１における周壁７１の他端部７１ｂに設けられた端壁７３（第２の端壁）とを有する。周壁７１には、ステータ６の外周面６４が固定されている。例えば、ステータ６は、その軸方向Ａ１における中央部が軸方向Ａ１における周壁７１の中央部に一致するように周壁７１に固定されている。図２に示されるように、軸方向Ａ１におけるロータ５の中央部が軸方向Ａ１におけるステータ６の中央部と一致する状態において、端壁７２からロータ５までの距離は、端壁７３からロータ５までの距離と同じである。

端壁７２，７３には、シャフト４のラジアル荷重を受ける軸受７４，７５がそれぞれ設けられている。軸受７４は、軸方向Ａ１におけるシャフト４の一端部４３を回転可能に保持している。軸受７５は、軸方向Ａ１におけるシャフト４の他端部４４を回転可能に保持している。軸受７４，７５は、非接触軸受であり、一例としてガス軸受である。軸受７４，７５は、シャフト４の径方向Ａ２においてシャフト４を非接触に支持する。なお、本実施形態において、モータハウジング７は、スラスト軸受を備えていない。

図１を再び参照する。コンプレッサ３は、インペラ８と、インペラハウジング９と、を備える。本実施形態において、コンプレッサ３は、軸方向Ａ１におけるモータ２の片側のみに設けられている。インペラ８は、軸方向Ａ１におけるシャフト４の一端部４３において、シャフト４に設けられている。インペラ８は、シャフト４において一端部４３及び他端部４４のうちの一方のみに設けられている。本実施形態において、インペラ８は、シャフト４の一端部４３に設けられている。言い換えると、インペラ８は、シャフト４の他端部４４には設けられていない。インペラ８は、シャフト４の回転に伴う回転軸線Ａｘまわりの回転によって流体をインペラハウジング９の流路９１（第３の流路）に移送（圧送）する。

インペラハウジング９は、インペラ８を収容する。また、インペラハウジング９は、インペラ８によって移送される流体を流通させる流路９１を構成している。インペラハウジング９は、軸方向Ａ１に沿ってモータハウジング７と隣接している。インペラハウジング９は、モータハウジング７の端壁７２と向かい合う端壁９２（仕切部材）を有する。

次に、冷却機構１０について説明する。冷却機構１０は、冷媒を用いてロータ５及びステータ６を冷却する。本実施形態において、冷媒は、例えば空気等の気体である。ただし、冷媒は、オイル等の液体であってもよい。冷却機構１０は、モータ２を構成する各部品によって構成されている。冷却機構１０は、ロータ５及びステータ６の隙間Ｓ１に冷媒を流通させる。冷却機構１０は、複数の連通部１１，１２，１３と、スクリュー機構１５と、を有する。

連通部１１、１２，１３は、隙間Ｓ１とモータ２の外部空間Ｓ２とを連通する。連通部（第１の連通部）１１は、軸方向Ａ１におけるステータ６の一端部６５にて、隙間Ｓ１に連通している。本実施形態において、冷却機構１０は、複数の連通部１１を有している。複数の連通部１１は、例えば、モータハウジング７の周壁７１の一端部７１ａにそれぞれ設けられた連通孔である。一例として、複数の連通部１１は、周壁７１のうち端壁７２に隣接する領域において、周壁７１の周方向に沿って並んでいる。ただし、周壁７１のうち端壁７２から離間した領域に連通部１１が設けられていてもよい。あるいは、端壁７２の少なくとも一部が外部空間Ｓ２に露出している場合には、当該端壁７２のうちの外部空間Ｓ２に露出している部分に連通部１１が設けられていてもよい。また、冷却機構１０は、連通部１１を１つのみ有していてもよい。連通部１１は、インペラハウジング９の端壁９２によって流路９１とは仕切られている。

連通部（第２の連通部）１２は、軸方向Ａ１におけるステータ６の他端部６６にて、隙間Ｓ１に連通している。本実施形態において、冷却機構１０は、複数の連通部１２を有している。複数の連通部１２は、例えば、モータハウジング７の周壁７１の他端部７１ｂにそれぞれ設けられた連通孔である。一例として、複数の連通部１２は、周壁７１のうち端壁７３に隣接する領域において、周壁７１の周方向に沿って並んでいる。ただし、周壁７１のうち端壁７３から離間した領域に連通部１２が設けられていてもよく、端壁７３に連通部１２が設けられていてもよい。また、冷却機構１０は、連通部１２を１つのみ有していてもよい。

連通部１３（第３の連通部）は、軸方向Ａ１における連通部１１と連通部１２との間において隙間Ｓ１に連通している。連通部１３は、モータハウジング７の周壁７１の外面から隙間Ｓ１に向けて延在し、外部空間Ｓ２と隙間Ｓ１とを連通している。本実施形態において、冷却機構１０は、互いに同じ大きさの複数の連通部１３を有している。複数の連通部１３は、例えば、軸方向Ａ１におけるステータ６の中央部にて、隙間Ｓ１にそれぞれ連通している。言い換えると、ステータ６の一端部６５から連通部１３までの距離は、ステータ６の他端部６６から連通部１３までの距離と同じである。本実施形態における連通部１３は、モータハウジング７の周壁７１及びステータ６に設けられ、軸方向Ａ１に交差する方向に沿って延在する連通孔によって構成されている。各連通孔は、外部空間Ｓ２から径方向Ａ２に沿って周壁７１及びステータ６を貫通し、隙間Ｓ１に至っている。複数の連通部１３は、周壁７１の周方向に沿って並んでいる。

ただし、連通部１３は、軸方向Ａ１におけるステータ６の中央部以外にて隙間Ｓ１に連通していてもよい。例えば、一端部６５から連通部１３までの距離は、他端部６６から連通部１３までの距離よりも大きくてもよい。あるいは、一端部６５から連通部１３までの距離は、他端部６６から連通部１３までの距離よりも小さくてもよい。連通部１３は、モータハウジング７の周壁７１のうち、ステータ６が固定されていない領域に設けられていてもよい。連通部１３は、軸方向Ａ１及び径方向Ａ２の両方に交差する方向に沿って延在していてもよい。また、冷却機構１０は、連通部１３を１つのみ有していてもよい。冷却機構１０は、軸方向Ａ１における互いに異なる位置にて隙間Ｓ１に連通する複数の連通部１３を有していてもよい。冷却機構１０は、互いに異なる向きに延在する複数の連通部１３を有していてもよい。

連通部１１，１２，１３には、例えばファン等の送風機は設けられていない。本実施形態において、隙間Ｓ１の雰囲気圧力は、外部空間Ｓ２の雰囲気圧力と同じ大きさである。なお、本明細書において「同じ」とは、完全に一致している場合だけでなく、完全に一致している場合と同様な効果が奏され得る程度に僅かな差がある場合を含む。冷却機構１０は、連通部１１，１２，１３を介してモータハウジング７内に冷媒を流通させ、ロータ５及びステータ６を冷却する。

スクリュー機構１５は、ロータ５の外周面５２に設けられている。スクリュー機構１５は、流体中で回転することによって回転軸方向に流体の流れを発生させる機構である。スクリュー機構１５は、モータ２の動作時の回転によって隙間Ｓ１に強制対流を発生させる。スクリュー機構１５は、スクリュー部１５ａ（第１のスクリュー部）とスクリュー部１５ｂ（第２のスクリュー部）とを有する。スクリュー部１５ａは、連通部１１と連通部１３との間における外周面５２の一部の領域に設けられている。例えばスクリュー部１５ａは、連通部１１側の外周面５２の端部から約３分の１の領域に設けられている。スクリュー部１５ｂは、連通部１２と連通部１３との間における外周面５２の一部の領域に設けられている。スクリュー部１５ｂは、連通部１２側の外周面５２の端部から約３分の１の領域に設けられている。スクリュー部１５ａ，１５ｂは、軸方向Ａ１において連通部１３を介して隣り合っている。スクリュー部１５ａ，１５ｂは、それぞれ、軸方向Ａ１における外周面５２の端部を含む領域に設けられている。本実施形態において、スクリュー部１５ａ，１５ｂの間におけるロータ５の外周面５２は、滑らかな曲面である。

ただし、スクリュー部１５ａは、連通部１１と連通部１３との間における外周面５２の全部の領域に設けられていてもよく、スクリュー部１５ｂは、連通部１２と連通部１３との間における外周面５２の全部の領域に設けられていてもよい。スクリュー部１５ａ，１５ｂは、互いに接していてもよい。スクリュー部１５ａ，１５ｂの少なくとも一方は、軸方向Ａ１における外周面５２のうち端部から離間した領域に設けられていてもよい。

スクリュー部１５ａは、第１の巻方向に巻かれた螺旋状のスクリュー部分である。第１の巻方向は、例えば、インペラ８の回転方向が右回転である場合の右巻方向である。なお、インペラ８の回転方向は、シャフト４の一端部４３から軸方向Ａ１に沿って見たときのシャフト４の回転方向である。つまり、第１の巻方向は、シャフト４の一端部４３から軸方向Ａ１に沿って見たときのシャフト４の回転方向と同じ方向である。スクリュー部の巻方向についても、シャフト４の一端部４３から他端部４４に沿ってみた基準での巻方向である。これにより、モータ２の動作時にロータ５がシャフト４とともに回転すると、スクリュー部１５ａは、連通部１３から連通部１１に向かう強制対流を発生させる。

スクリュー部１５ｂは、第２の巻方向に巻かれた螺旋状のスクリュー部分である。第２の巻方向は、第１の巻方向と反対の巻方向である。つまり、インペラ８の回転方向が右回転である場合の左巻方向である。これにより、モータ２の動作時にロータ５がシャフト４とともに回転すると、スクリュー部１５ｂは、連通部１３から連通部１２に向かう強制対流を発生させる。このように、スクリュー部１５ａ，１５ｂは、軸方向Ａ１に沿って互いに反対向きの強制対流を発生させる。

本実施形態において、スクリュー部１５ａ，１５ｂは、ロータ５の外周面５２に設けられたネジ山によって構成されている。なお、ロータ５の外周面５２は、アーマリング（図２参照）の表面である。具体的には、スクリュー部１５ａは、外周面５２に沿って右巻に連続的に延びるネジ山であり、スクリュー部１５ｂは、外周面５２に沿って左巻に連続的に延びるネジ山である。例えば、スクリュー部１５ａ，１５ｂとしてのネジ山は、連続的な螺旋状を呈している。スクリュー部１５ａ，１５ｂとしてのネジ山は、例えば、ロータ５の外周面５２を溝掘り加工することによって形成されている。

本実施形態においては、スクリュー部１５ａを構成するネジ山の高さとスクリュー部１５ｂを構成するネジ山の高さとは互いに同じである。また、スクリュー部１５ａを構成するネジ山のネジピッチとスクリュー部１５ｂを構成するネジ山のネジピッチとは互いに同じである。スクリュー部１５ａとしてのネジ山の軸方向Ａ１に沿った長さとスクリュー部１５ｂとしてのネジ山の軸方向Ａ１に沿った長さとは互いに同じである。軸方向Ａ１におけるロータ５の中心に対して、スクリュー部１５ａ，１５ｂは軸方向Ａ１に互いに対称な形状を有している。これらの構成により、スクリュー部１５ａ，１５ｂは、互いに同じ大きさの強制対流を発生可能である。

ただし、スクリュー部１５ａとしてのネジ山の高さがスクリュー部１５ｂとしてのネジ山の高さよりも大きくてもよい。あるいは、スクリュー部１５ａとしてのネジ山のネジピッチがスクリュー部１５ｂとしてのネジ山のネジピッチよりも大きくてもよい。スクリュー部１５ａとしてのネジ山の軸方向Ａ１に沿った長さがスクリュー部１５ｂとしてのネジ山の軸方向Ａ１に沿った長さよりも大きくてもよい。これらのいずれかの構成により、スクリュー部１５ａがスクリュー部１５ｂよりも大きい強制対流を発生可能であってもよい。また、上記のうちのいずれかと逆の構成により、スクリュー部１５ｂがスクリュー部１５ａよりも大きい強制対流を発生可能であってもよい。

次に、冷媒の流れについて説明する。モータ２の動作時の回転によりシャフト４が回転軸線Ａｘまわりに回転すると、スクリュー機構１５によってロータ５及びステータ６の隙間Ｓ１に強制対流が発生する。具体的には、スクリュー部１５ａ，１５ｂによって互いに対称となる２つの強制対流が発生する。本実施形態においては、スクリュー部１５ａによって連通部１３から連通部１１に向かう強制対流が発生し、スクリュー部１５ｂによって連通部１３から連通部１２に向かう強制対流が発生する。これらの強制対流により、連通部１３においては、外部空間Ｓ２から吸引された冷媒が隙間Ｓ１に流れ込む。外部空間Ｓ２から吸引された冷媒の一部は、連通部１１に向けて隙間Ｓ１を流れるとともに、隙間Ｓ１を通過した後、連通部１１を介して外部空間Ｓ２に排出される。外部空間Ｓ２から吸引された冷媒の別の一部は、連通部１２に向けて隙間Ｓ１を流れるとともに、隙間Ｓ１を通過した後、連通部１２を介して外部空間Ｓ２に排出される。冷媒は、以上のような流れによってモータ２における各部品との熱交換を行う。具体的には、冷媒は、連通部１３においてステータ６と熱交換を行い、隙間Ｓ１においてロータ５及びステータ６と熱交換を行う。以上の冷媒の流れにより、冷却機構１０はロータ５及びステータ６を冷却する。

また、スクリュー機構１５によって生じた強制対流により、冷媒は、ロータ５の位置を維持するように動作する。図３及び図４を参照し、スクリュー部１５ａ，１５ｂによって強制対流が生じた際にロータ５に作用する力の関係について説明する。上述したように、本実施形態におけるスクリュー部１５ａ，１５ｂは、互いに同じ大きさの強制対流を発生可能である。したがって、隙間Ｓ１において、連通部１３から連通部１１に向かう冷媒の流速は、連通部１３から連通部１２に向かう冷媒の流速と同じとなる。このため、図３に示されるように、軸方向Ａ１におけるロータ５の中心位置Ｃ５が軸方向Ａ１におけるステータ６の中心位置Ｃ６と一致する状態においては、互いに同じ程度に減速した冷媒が、それぞれ端壁７２，７３に到達する。速度をもった冷媒が端壁７２，７３に当たることにより、端壁７２，７３は、運動量保存の法則に応じた力Ｐ０１，Ｐ０２を受ける。ここでは、端壁７２に当たる冷媒の速度と端壁７３に当たる冷媒の速度とが互いに同じであるため、端壁７２，７３は互いに同じ大きさの力Ｐ０１，Ｐ０２を受ける。したがって、冷媒は、端壁７２，７３から互いに同じ大きさの反力Ｈ０１，Ｈ０２を受ける。このように互いに釣り合った反力Ｈ０１，Ｈ０２がロータ５に作用するので、軸方向Ａ１において、ロータ５の中心位置Ｃ５が中心位置Ｃ６に一致している場合には、ロータ５の位置が変化しにくくなる。

また、図４に示されるように、シャフト４に外力Ｆ等が作用し、軸方向Ａ１において、ロータ５の中心位置Ｃ５がステータ６の中心位置Ｃ６からずれる場合がある。例えば、外力Ｆがシャフト４の一端部４３に作用する引張力である場合、ロータ５の中心位置Ｃ５がステータ６の中心位置Ｃ６から一端部４３側にずれることが考えられる。つまり、端壁７３よりも端壁７２にロータ５が近づいた状態となる。この状態においては、端壁７２に到達する冷媒が少ししか減速していないのに対し、端壁７３に到達する冷媒は大きく減速している。したがって、端壁７２は、端壁７３が受ける力Ｐ１２よりも大きい力Ｐ１１を受けることとなる。これにより、冷媒は、端壁７３から受ける反力Ｈ１２よりも大きい反力Ｈ１１を端壁７２から受けるので、反力Ｈ１１の大きさと反力Ｈ１２の大きさとの差分だけロータ５には端壁７２から遠ざける向きの押圧力が作用する。その結果、ロータ５の位置は、反力Ｈ１１，Ｈ１２が互いに釣り合うまで軸方向Ａ１に沿って変化する。

図４において仮想線で示されるように、軸方向Ａ１において、ロータ５の中心位置Ｃ５がステータ６の中心位置Ｃ６に再び一致すると、ロータ５に作用する反力Ｈ１１，Ｈ１２が互いに釣り合い、ロータ５の位置が安定する。このように、軸方向Ａ１において、中心位置Ｃ５を中心位置Ｃ６に一致させるように反力Ｈ１１，Ｈ１２がロータ５に作用するので、ロータ５の中心位置Ｃ５が中心位置Ｃ６からずれた場合においても、ロータ５の位置がずれる前の状態に復元されやすくなる。つまり、スクリュー機構１５によって生じた強制対流により、ロータ５の位置を保持するように冷媒を動作させることができる。

以上説明したモータ２及び回転流体機械１の作用効果について説明する。モータ２においては、冷却機構１０が、ロータ５とステータ６との隙間Ｓ１と外部空間Ｓ２とを連通する複数の連通部１１，１２，１３と、ロータ５の外周面５２に設けられたスクリュー機構１５とを有する。このスクリュー機構１５により、モータ２の動作時の回転を利用して、ロータ５とステータ６との隙間Ｓ１に強制対流を発生させることができる。また、スクリュー機構１５は、連通部１１，１３の間に設けられたスクリュー部１５ａと、連通部１２，１３の間に設けられ、スクリュー部１５ａと反対の巻方向に巻かれたスクリュー部１５ｂと、を含む。このため、モータ２の一方向の回転によって、ロータ５とステータ６との隙間Ｓ１には互いに対称となる２つの強制対流が発生する。この２つの強制対流による冷媒が、ロータ５とステータ６との隙間Ｓ１を流通するので、ロータ５及びステータ６が効率よく冷却される。したがって、冷却性能を向上させることが可能となる。

ところで、比較例に係るモータとして、冷却のためのファンが外付けされたモータが挙げられる。しかしながら、このようなモータにおいては、ファンによる大型化、及び、ファンの設置に伴うコストの上昇等の問題があった。これに対し、上記実施形態に係るモータ２によれば、モータ２の動作時の回転を利用してロータ５及びステータ６を冷却できる。これにより、冷却のためのファン等の送風機が省略されるので、モータ２の大型化が抑制されるとともに、ファンの設置に要するコストの上昇を回避できる。ただし、本開示は追加の冷却機構を設けることを排除するものではない。例えば、更なる冷却性能の向上などの要求から、外付ファンを設けてもよい。

別の比較例に係るモータとして、シャフトの内部又はロータの内部に軸方向Ａ１に沿って延在する冷媒流路のみが設けられたモータが挙げられる。このモータにおいては、冷媒が冷媒流路を一方向に流通するので、冷媒が流通する一方向からの外力が特に大きくなりやすい。これにより、シャフトに大きいスラスト荷重が発生し得る。これに対し、上記実施形態に係るモータ２においては、互いに反対の巻方向に巻かれたスクリュー部１５ａ，１５ｂによってロータ５及びステータ６の隙間Ｓ１に互いに対称となる２つの強制対流が発生するので、軸方向Ａ１に沿った二方向からの負荷が互いに相殺し合う。したがって、スラスト荷重の発生を低減できる。なお、二つの強制対流が対称とならなくても、二方向からの負荷の一部が相殺し合い、スラスト荷重を低減することができる。

モータ２は、ロータ５及びステータ６を収容するモータハウジング７を更に備え、モータハウジング７は、ステータ６を囲み、軸方向Ａ１に沿って延在する周壁７１と、軸方向Ａ１における周壁７１の一端部７１ａに設けられた端壁７２と、軸方向Ａ１における周壁７１の他端部７１ｂに設けられた端壁７３と、を有し、第１の巻方向は、シャフト４の一端部４３から軸方向Ａ１に沿って見たときのシャフト４の回転方向と同じ方向である。例えば、軸方向Ａ１に沿う外力Ｆ等によってロータ５にスラスト荷重が発生し、ロータ５が軸方向Ａ１に移動してしまうことが考えられる。これに対し、モータ２においては、上記の構成により、スクリュー部１５ａによる強制対流が端壁７２に向かって発生し、スクリュー部１５ｂによる強制対流が端壁７３に向かって発生する。このため、ロータ５が軸方向Ａ１に移動すると、冷媒の流れによってロータ５に作用する反力Ｈ１１，Ｈ１２は、端壁７２，７３のうちのロータ５が近づいた方において、ロータ５が離れた方よりも大きくなる。その結果、ロータ５の位置が移動前の状態に復元されやすくなる。そのため，本実施形態のように、必要に応じてロータ５のスラスト荷重を受ける軸受（いわゆるスラスト軸受）を削減してもよい。

モータ２において、スクリュー部１５ａ，１５ｂは、ロータ５に設けられたネジ山である。この構成により、ロータ５の外周面５２の表面積がネジ山に対応して増加するので、スクリュー部１５ａ，１５ｂがヒートシンクとしても機能し、ロータ５と冷媒との熱交換効率が上昇する。したがって、冷却性能を更に向上できる。さらに、ロータ５の外周面５２を溝掘り加工するだけでスクリュー部１５ａ，１５ｂを設けることができるので、スクリュー部１５ａ，１５ｂを形成しやすい。

モータ２において、隙間Ｓ１の雰囲気圧力は、外部空間Ｓ２の雰囲気圧力と同じ大きさである。このモータ２によれば、モータ２の動作時の回転を利用して強制対流を発生できるので、ロータ５とステータ６との隙間Ｓ１の雰囲気圧力が外部空間Ｓ２の雰囲気圧力と同じ大きさである構成においても、当該隙間Ｓ１に冷媒を流通させ得る。したがって、冷却用のファン等の装置の省略が可能となるので、モータ２を小型化できる。ただし、本開示は追加の冷却機構を設けることを排除するものではない。例えば、更なる冷却性能の向上などの要求から、冷却用のファンを設けてもよい。

モータ２において、シャフト４のラジアル荷重を受ける軸受７４，７５はガス軸受である。また、冷却機構１０は、空気等の気体を冷媒として用いてロータ５及びステータ６を冷却する。この構成によれば、モータ２のオイルフリー化を実現し得る。これにより、オイルが用いられる場合に生じるメンテナンスの手間を省略できる。ただし、本開示はオイル等の液体を冷媒として用いることを排除するものではない。

上記実施形態に係る回転流体機械１は、モータ２と、軸方向Ａ１におけるステータ６の一端部６５において、シャフト４に設けられたインペラ８と、インペラ８によって移送される流体を流通させる流路９１と連通部１１とを仕切る端壁９２と、を備えている。この構成により、インペラ８によって移送される流体と冷媒とが相互に影響し合うことを回避できる。

本開示は、上記実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

上記実施形態において、スクリュー部１５ａ，１５ｂの巻方向を相互に入れ替えてもよい。例えば、スクリュー部１５ａが左巻方向に巻かれており、スクリュー部１５ｂが右巻方向に巻かれていてもよい。また、インペラ８の回転方向と第１の巻方向及び第２の巻方向との関係も任意である。例えば、インペラ８の回転方向が左回転である場合に、第１の巻方向が右巻方向であって第２の巻方向が左巻方向であってもよい。この場合、モータ２の動作時にシャフト４が回転すると、スクリュー部１５ａが連通部１１から連通部１３に向かう強制対流を発生させ、スクリュー部１５ｂが連通部１２から連通部１３に向かう強制対流を発生させる。

また、スクリュー部１５ａ，１５ｂは、連続的に延びるネジ山によって構成されている場合に限定されない。例えば、スクリュー部１５ａ，１５ｂは、複数の長尺状の凸部によって構成されていてもよい。具体的には、ロータ５の外周面５２に設けられ、第１の巻方向を長手方向とする複数の長尺状の凸部が、全体としてスクリュー部１５ａを構成していてもよい。同様に、ロータ５の外周面５２に設けられ、第２の巻方向を長手方向とする複数の長尺状の凸部が、全体としてスクリュー部１５ｂを構成していてもよい。また、複数の半円形状の凸部が、全体としてスクリュー部１５ａ，１５ｂを構成していてもよい。

図５〜図７は、変形例に係るモータを説明するための図である。図５に示される回転流体機械１Ａのモータ２Ａは、ステータ６に代えてステータ６Ａを備える点、及び冷却機構１０に代えて冷却機構１０Ａを備える点において上記実施形態に係るモータ２と相違し、その他の点においてモータ２と同様に構成されている。

ステータ６Ａは、軸方向Ａ１に沿って並ぶ２つのステータ部材６７Ａを備える。各ステータ部材６７Ａは、軸方向Ａ１における長さがステータ６よりも小さく、その他の点においてステータ６と同様に構成されている。軸方向Ａ１における各ステータ部材６７Ａの長さは、例えば軸方向Ａ１におけるステータ６の長さの約半分である。２つのステータ部材６７Ａは、軸方向Ａ１に隙間Ｓ３をおいて配置され、モータハウジング７の周壁７１に固定されている。冷却機構１０Ａは、連通部１３に代えて連通部１３Ａ（第３の連通部）を有する点において冷却機構１０と相違し、その他の点において冷却機構１０と同様に構成されている。連通部１３Ａは、モータハウジング７の周壁７１に設けられた貫通孔と２つのステータ部材６７Ａの隙間Ｓ３とによって構成されている。なお、連通部１３Ａは、その他の点において連通部１３と同様に構成されている。

このモータ２Ａによっても、スクリュー機構１５によって発生した２つの強制対流による冷媒が、ロータ５とステータ６Ａとの隙間Ｓ１を流通するので、ロータ５及びステータ６Ａが効率よく冷却される。したがって、冷却性能を向上させることが可能となる。

図６に示される回転流体機械１Ｂのモータ２Ｂは、シャフト４Ｂと、ロータ５Ｂと、ステータ６Ｂと、モータハウジング７Ｂと、冷却機構１０Ｂと、を備える。冷却機構１０Ｂは、連通部１３に代えて連通部１３Ｂを有する点において冷却機構１０と相違し、その他の点において冷却機構と同様に構成されている。連通部１３Ｂは、シャフト４Ｂ及びロータ５Ｂに設けられており、ステータ６Ｂ及びモータハウジング７Ｂには設けられていない。なお、シャフト４Ｂ、ロータ５Ｂ、ステータ６Ｂ、及びモータハウジング７Ｂは、その他の点においてシャフト４、ロータ５、ステータ６、及びモータハウジング７とそれぞれ同様に構成されている。

連通部１３Ｂは、シャフト４Ｂに設けられた流路１４ａ（第１の流路）と、ロータ５Ｂに設けられた流路１４ｂ（第２の流路）と、を含む。流路１４ａは、回転軸線Ａｘに沿って延在している。流路１４ａは、例えば軸方向Ａ１に沿ってシャフト４Ｂを貫通する貫通孔である。流路１４ａは、シャフト４Ｂの一端部４３において外部空間Ｓ２に連通する開口１４ｃと、シャフト４Ｂの他端部４４において外部空間Ｓ２に連通する開口１４ｄとを有する。流路１４ｂは、ロータ５Ｂのうち、軸方向Ａ１におけるスクリュー部１５ａ，１５ｂの間に設けられている。例えば、連通部１３Ｂは、複数の流路１４ｂを含んでいる。各流路１４ｂは、ロータ５Ｂの外周面５２から流路１４ａに向けて延在し、隙間Ｓ１と流路１４ａとを連通している。各流路１４ｂは、例えば径方向Ａ２に沿って延在している。複数の流路１４ｂは、互いに同じ径を有していてもよく、互いに異なる径を有していてもよい。

このモータ２Ｂによっても、スクリュー機構１５によって発生した２つの強制対流による冷媒が、ロータ５Ｂとステータ６Ｂとの隙間Ｓ１を流通するので、ロータ５Ｂ及びステータ６Ｂが効率よく冷却される。したがって、冷却性能を向上させることが可能となる。

図７に示される回転流体機械１Ｃのモータ２Ｃは、冷却機構１０に代えて冷却機構１０Ｃを備える点において冷却機構１０と相違し、その他の点において冷却機構１０と同様に構成されている。冷却機構１０Ｃは、複数の連通部１３に代えて複数の連通部１３Ｃを有する点において冷却機構１０と相違し、その他の点において冷却機構１０と同様に構成されている。各連通部１３Ｃは、モータハウジング７の周壁７１及びステータ６に設けられ、軸方向Ａ１に交差する方向に沿って延在する連通孔によって構成されている。複数の連通部１３Ｃは、互いに異なる大きさの上部孔１３ａ及び下部孔１３ｂを含む複数の連通孔である点において、複数の連通部１３と相違し、その他の点において複数の連通部１３と同様に構成されている。上部孔１３ａは、径方向Ａ２に沿って延在している。下部孔１３ｂは、シャフト４に対して上部孔１３ａとは反対の位置において、上部孔１３ａの延在方向に沿って延在している。上部孔１３ａの大きさは、例えば連通部１３と同じである。下部孔１３ｂの径は、上部孔１３ａの径よりも大きい。モータ２Ｃの使用状態において、下部孔１３ｂは、上部孔１３ａの下方（例えば、上部孔１３ａの直下）に位置する。

このモータ２Ｃによっても、スクリュー機構１５によって発生した２つの強制対流による冷媒が、ロータ５とステータ６との隙間Ｓ１を流通するので、ロータ５及びステータ６Ａが効率よく冷却される。したがって、冷却性能を向上させることが可能となる。さらに、モータ２Ｃによれば、下部孔１３ｂの上方に上部孔１３ａが位置するようにモータ２Ｃが配置された状態において、下部孔１３ｂを介して、ロータ５を下方から支持する向きに冷媒が流通するので、ロータ５のラジアル荷重が低減される。つまり、冷却機構１０Ｃを、ラジアル荷重を受ける簡易的なガス軸受としても機能させることができる。したがって、軸受７４，７５への負荷を軽減できる。

なお、モータ２Ｂにおいて、モータ２Ｃと同様の作用効果を得るために、連通部１３Ｂが流路１４ｂとしての上部孔と、流路１４ｂとしての下部孔と、を含んでいてもよい。つまり、複数の流路１４ｂのうちの一つは上部孔であり、複数の流路１４ｂのうちの別の一つは下部孔であってもよい。具体的には、当該上部孔と当該下部孔とは互いに同じ方向に沿って延在している。つまり、流路１４ａとしての下部孔は、流路１４ｂとしての上部孔の延在方向に沿って延在している。流路１４ｂとしての下部孔は、流路１４ａに対して、流路１４ｂとしての上部孔とは反対側に位置している。また、流路１４ｂとしての下部孔の径は、流路１４ｂとしての上部孔の径よりも大きい。モータ２Ｃの使用状態において、流路１４ｂとしての下部孔は、流路１４ｂとしての上部孔の下方（例えば、上部孔の直下）に位置する。

さらに、上記実施形態において、コンプレッサ３は、軸方向Ａ１におけるモータ２の片側のみに設けられていたが、軸方向Ａ１におけるモータ２の両側にコンプレッサ３が設けられていてもよい。モータ２は、シャフト４のスラスト荷重を受けるスラスト軸受を有していてもよい。上記実施形態及び変形例の各構成が相互に組み合わされて適用されてもよい。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 回転流体機械
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ モータ
３ コンプレッサ
４，４Ｂ シャフト
５，５Ｂ ロータ
６，６Ａ，６Ｂ ステータ
７，７Ｂ モータハウジング
８ インペラ
９ インペラハウジング
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 冷却機構
１１ 連通部（第１の連通部）
１２ 連通部（第２の連通部）
１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ 連通部（第３の連通部）
１３ａ 上部孔
１３ｂ 下部孔
１３Ｃ 連通部
１４ａ 流路（第１の流路）
１４ｂ 流路（第２の流路）
１４ｃ，１４ｄ 開口
１５ スクリュー機構
１５ａ スクリュー部（第１のスクリュー部）
１５ｂ スクリュー部（第２のスクリュー部）
４１ 外周面
４３ 一端部
４４ 他端部
５１ 内周面
５２ 外周面
５３ ロータコア
５４ 磁石
５５ アーマリング
６１ ステータコア
６２ ステータコイル
６２ａ コイルエンド
６２ｂ コイルエンド
６３ 内周面
６４ 外周面
６５ 一端部
６６ 他端部
６７Ａ ステータ部材
７１ 周壁
７１ａ 一端部
７１ｂ 他端部
７２ 端壁（第１の端壁）
７３ 端壁（第２の端壁）
７４，７５ 軸受
９１ 流路（第３の流路）
９２ 端壁（仕切部材）
Ａ１ 軸方向
Ａ２ 径方向
Ａｘ 回転軸線
Ｃ５，Ｃ６ 中心位置
Ｆ 外力
Ｈ０１，Ｈ０２，Ｈ１１，Ｈ１２ 反力
Ｐ０１，Ｐ０２，Ｐ１１，Ｐ１２ 力
Ｓ１，Ｓ３ 隙間
Ｓ２ 外部空間

Claims (9)

1. 回転軸線まわりに回転するシャフトと、
   前記シャフトの外周面に固定され、前記シャフトとともに前記回転軸線まわりに回転するロータと、
   前記ロータの外周面と隙間をもって向かい合う内周面を有し、前記ロータを囲むステータと、
   前記ロータ及び前記ステータを冷却する冷却機構と、を備え、
   前記冷却機構は、
   前記ロータの外周面に設けられたスクリュー機構と、
   前記隙間と外部空間とを連通する複数の連通部と、を有し、
   前記複数の連通部は、
   前記回転軸線に沿う軸方向における前記ステータの一端部にて前記隙間に連通する第１の連通部と、
   前記軸方向における前記ステータの他端部にて前記隙間に連通する第２の連通部と、
   前記軸方向における前記第１の連通部と前記第２の連通部との間において前記隙間に連通する第３の連通部と、を含み、
   前記スクリュー機構は、
   前記軸方向における前記第１の連通部と前記第３の連通部との間に設けられ、第１の巻方向に巻かれた第１のスクリュー部と、
   前記軸方向における前記第２の連通部と前記第３の連通部との間に設けられ、前記第１の巻方向と反対の第２の巻方向に巻かれた第２のスクリュー部と、を含む、
   モータ。
2. 前記第３の連通部は、前記ステータの内周面から前記ステータの外周面に貫通する貫通孔を含む、
   請求項１に記載のモータ。
3. 前記冷却機構は、複数の前記第３の連通部を有し、
   前記複数の第３の連通部は、
   前記シャフトの径方向に沿って延在する前記貫通孔としての上部孔と、
   前記シャフトに対して前記上部孔とは反対に位置し、前記上部孔の延在方向に沿って延在する前記貫通孔としての下部孔と、を含み、
   前記下部孔の径は、前記上部孔の径よりも大きく、
   前記第１の巻方向は、前記シャフトの一端部から前記軸方向に沿って見たときの前記シャフトの回転方向と同じ方向である、
   請求項２に記載のモータ。
4. 前記第３の連通部は、
   前記シャフトに設けられ、前記回転軸線に沿って延在する第１の流路と、
   前記ロータの外周面から前記第１の流路に向けて延在し、前記隙間と前記第１の流路とを連通する第２の流路と、を含む、
   請求項１に記載のモータ。
5. 前記第３の連通部は、
   前記シャフトの径方向に沿って延在する前記第２の流路としての上部孔と、
   前記第１の流路に対して前記上部孔とは反対に位置し、前記上部孔の延在方向に沿って延在する前記第２の流路としての下部孔と、を含み、
   前記下部孔の径は、前記上部孔の径よりも大きく、
   前記第１の巻方向は、前記シャフトの一端部から前記軸方向に沿って見たときの前記シャフトの回転方向と同じ方向である、
   請求項４に記載のモータ。
6. 前記ロータ及び前記ステータを収容するモータハウジングを更に備え、
   前記モータハウジングは、
   前記ステータを囲み、前記軸方向に沿って延在する周壁と、
   前記軸方向における前記周壁の一端部に設けられた第１の端壁と、
   前記軸方向における前記周壁の他端部に設けられた第２の端壁と、を有し、
   前記第１の巻方向は、前記シャフトの一端部から前記軸方向に沿って見たときの前記シャフトの回転方向と同じ方向である、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のモータ。
7. 前記第１のスクリュー部及び前記第２のスクリュー部の少なくとも一方は、前記ロータに設けられたネジ山である、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載のモータ。
8. 前記隙間の雰囲気圧力は、前記外部空間の雰囲気圧力と同じ大きさである、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載のモータ。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のモータと、
   前記軸方向における前記シャフトの一端部において、前記シャフトに設けられたインペラと、
   前記インペラによって移送される流体を流通させる第３の流路と前記第１の連通部とを仕切る仕切部材と、を備える、
   回転流体機械。

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