JP2022164008A - 回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】渦電流損失の低減と冷却性能の維持を両立させた回転機械を新たに実現する。【解決手段】固定子たるステータ２と、ステータ２の対向位置にエアギャップＧ１を介して配置される回転子たるロータ１とを含むモータ部３を備えるとともに、ロータ１の回転軸心方向に沿ってエアギャップＧ１に、モータ部３を冷却する空気Ｃを通過させる構成において、ステータ２の内周側表面に、ロータ１とのエアギャップＧ１を狭める非磁性のスペーサ７を配置したので、磁気ギャップＧ２を狭めずとも空気Ｃの流速を上げて冷却効率を高めることが可能になる。【選択図】図１

Description

本発明は、特に高回転・高出力用途に適用して有用となる回転機械に関するものである。

回転機械は、回転駆動部を構成する固定子と回転子が相対移動することで電動機や発電機として機能する。回転機械の効率を向上させるためには、損失を抑える必要がある。

特に、高回転、高出力用途で用いられる回転機械では、回転駆動部の損失密度が上がり、その冷却が不可欠となる。なかでも、永久磁石を採用する回転機械においては、渦電流損失は永久磁石の温度上昇による熱減磁を招き、出力性能を低下させる。このため、回転駆動部の冷却性能は一層重要となる。

回転駆動部の冷却システムとしては、例えば特許文献１に示すものが知られている。同文献のものは、冷却器からの冷風を回転駆動部に導き、回転駆動部を構成する回転子と固定子の間のエアギャップを通すことで、これらを強制冷却するように構成されている。

特開２０１３－３４３３２号公報

ところで、このような回転機械において、渦電流損失が問題になる場合には、渦電流損失を低減するために通常の回転機械に比べて回転子と固定子のエアギャップ寸法を大きく取ることがある。しかしながら、エアギャップの流路断面積が拡大すると、冷却空気の流速が低下するため、逆に冷却性能の低下につながる。つまり、エアギャップ寸法の調整に際しては、回転子の渦電流損失と冷却性能とは背反する関係に立つという問題がある。

本発明は、上記の課題に鑑み、渦電流損失の低減と冷却性能の維持を両立させた回転機械を新たに実現することを目的としている。

本発明は、上記の目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明の回転機械は、固定子と、前記固定子の対向位置にエアギャップを介して配置される回転子とを含む回転駆動部を備えるとともに、前記回転子の回転軸心方向に沿って前記エアギャップに前記回転駆動部を冷却する冷媒を通過させるように構成される回転機械において、前記固定子又は前記回転子の表面に、前記エアギャップを狭める非磁性のスペーサを配置したことを特徴とする。

このようにすると、冷媒の流通量が同じであればエアギャップ部の媒体の流速が増速する。これにより、回転駆動部から冷媒への伝達熱抵抗を低減し、放熱量を増やすことができる。しかも、スペーサに非磁性のものを用いるため、エアギャップを狭めても磁気ギャップはスペーサ挿入前と同じ状態が維持され、スペーサでエアギャップを狭めても渦電流損失を増大させることもない。

回転駆動部に永久磁石を採用する同期型の回転機械においては、回転時に発生する渦電流損失は、永久磁石の温度上昇による熱減磁を招き、出力性能を低下させる。このため、渦電流対策と放熱対策が重要となる。本発明は、同期型の回転機械への適用が特に有用となる。

スペーサは、固定子の表面に設けることが好ましい。固定子の表面に設けることでヒートシンクとの接続がし易くなり、また遠心強度を考慮する必要がないため設置も簡単で安定したものになる

スペーサは、高放熱性のものであることが好ましい。非磁性のみならず高放熱性のスペーサを用いることで、固定子等を通じて放熱効果も大きくなる。

本発明は、回転子の回転軸心方向に回転子と一体回転してコンプレッサを構成するインペラを備え、インペラで圧縮後若しくは圧縮途中の気体の一部を抽出して回転駆動部のエアギャップに冷媒として導入する構成を採用することも有用である。

このような構成では、インペラでの気体抽出はコンプレッサの効率低下につながる。そのため、モータ冷却のためにバイパスする気体流量は少ない方がよい。本発明によれば、エアギャップ部の冷却効率が向上するため、タービンでの気体抽出量を減らしてコンプレッサの効率を向上させる使い方も可能になる。

以上説明した本発明によれば、回転駆動部における渦電流損失の低減と冷却性能の維持を両立させ、高回転・高出力用途であっても有用な回転機械を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る回転機械を適用した遠心圧縮機を示す断面図。 図１の回転機械のステータ構造を示す模式的な図。 図１の回転機械に対してスペーサ挿入前のエアギャップと磁気ギャップの関係を放熱構造とともに示す図。 図１の回転機械に対してスペーサ挿入後のエアギャップと磁気ギャップの関係を放熱構造とともに示す図。 スペーサ挿入前後の冷却機能を対比したグラフ。 本発明の変形例を示す図。 本発明の他の変形例を示す図。 本発明の上記以外の変形例を示す図。 本発明の上記以外の変形例を示す図。 本発明の上記以外の変形例を示す図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に示す回転機械１００は、高回転・高出力用途、例えば燃料電池自動車（ＦＣＶ）に組み込んで使用される遠心圧縮機ＣＭＰに利用されるもので、回転子であるロータ１および固定子であるステータ２からなるモータ部３を構成し、ロータ１を回転軸４を介してハウジング５に支持している。

ロータ１は、磁性材からなる円筒状のロータ本体１１を主体とし、ロータ本体１１の外周に永久磁石１２及び保護リング１３を配置したもので、同期機を構成している。永久磁石１２の配置としては、ＳＰＭモータ構造以外にＩＰＭモータ構造なども適宜採用可能である。

ステータ２は、複数の電磁鋼板が積層された略円筒状の部材であり、ロータ１の外周面を取り囲むように配置される。ステータ２は、図２に示すように、筒状のヨーク２１の内周側に複数のティースを含んで一体的に構成される円筒状のステータコア２２を有し、そのステータコア２２にコイル２３が巻装されている。コイル２３には図示しない制御手段を通じて三相交流電圧が印加される。

回転軸４はロータ１と一体をなし、軸受４１によってハウジング５の内壁に回転可能に支持されて、両端をハウジング５の一部に形成された圧縮室５１，５２に臨ませている。

遠心圧縮機ＣＭＰは、前記回転機械１００の回転軸４の両端にインペラたるタービン６１，６２を取り付けて前記圧縮室５１，５２内に緊密に配置することにより圧縮構造を構成する。

タービン６１、６２は、モータ部３によって駆動されることで、それぞれ軸方向の流入口５１in、５２inから吸入した空気を径方向の流出口５１out、５２outより吐出する遠心型の圧縮を行う。この実施形態では、低圧側圧縮室５１の流出口５１outと高圧側圧縮室５２の流入口５２inとを図示しない中間経路で接続し、空気を２段階で圧縮する構造を採用している。

ハウジング５内の適宜位置、例えばステータ２の外周位置には、ハウジング水路５３が設けられており、モータ部３からの熱をステータ２を介して放熱している。

ロータ１とステータ２の間には、エアギャップＧ１が設けてある。エアギャップＧ１は、一義的にはロータ１とステータ２の接触を避けるためのものであり、通常は機械的精度や熱膨張を加味しつつ、ロータ１とステータ２の間の磁気抵抗を減らすようになるべく狭い状態に設定される。

しかしながら、本実施形態の回転機械１００は高回転・高出力で使用するため、モータの損失密度が上がり、その冷却が課題となる。なかでも、ロータ１に永久磁石１２を採用することから、ロータ１に発生する渦電流損失は永久磁石１２の温度上昇による熱減磁を招き、出力性能を低下させる。そのため、ロータ１の冷却性能を優先的に向上することが求められる。

そこで本実施形態は、ロータ１とステータ２の間のエアギャップＧ１に、軸方向に沿ってモータ部３を冷却する冷媒Ｃを通過させる冷却システムを採用して、ロータ１やステータ２から冷媒Ｃへの放熱経路を形成する。この場合の冷媒Ｃは、この実施形態では上述した第１圧縮室５１から第２圧縮室５２に向かう中間経路から一部を抽気した空気であり、この空気を冷媒流路Ｌ１１を通じエアギャップＧ１内に導入し、エアギャップＧ１内において軸方向一端側から他端側に向かって流通させる。エアギャップＧ１を通過後の空気は冷媒流路Ｌ１２を通じてハウジング５の外部に導出する。

特に本実施形態の回転機械は、燃料電池自動車（ＦＣＶ）用途のモータとして用いるために、十数万ｍiｎ^－１の高速回転および数十ＫＷの高出力が要求され、渦電流損失が問題になる。そこで、図３に誇張して示すように、渦電流損失を低減するために通常の回転機械に比べてロータ１とステータ２のエアギャップＧ１の寸法を大きく取ることで、渦電流損失の低減を図っている。

ただし、エアギャップＧ１の流路断面積が拡大すると、冷却空気の流速が低下するため、逆に冷却性能が低下する。すなわち、このままではエアギャップＧ１の寸法調整に際して、ロータ１の渦電流損失の低減とモータ部３の冷却性能の維持が相反する。

そこで本実施形態は、図３に示すステータ２の内径側に、図２及び図４に示すように円筒状のスペーサ７を追加することで、エアギャップＧ１を縮小している。例えば、本実施形態では、スペーサ７の厚みを図３のエアギャップＧ１の略半分にすることで、図４のエアギャップＧ１も図３のエアギャップＧ１の略半分になっている。

スペーサ７の材質は、非磁性体かつ高熱伝導率のものが好適である。例えば、本実施形態では高放熱性のエポキシ樹脂による樹脂リングを使用している。これにより、エアギャップＧ１は狭まってもモータの磁気特性に関係する磁気ギャップＧ２は図３の場合と変わることがなく、ロータ１の冷却に関係するエアギャップＧ１のみを縮小することが可能になる。

図３，図４において、アルファベットは以下を示している。
Ｔin :空気入口温度
Ｔout ：空気出口温度
Ｗｒ :ロータ損失（渦電流損＋風損）
Ｗｓ ：ステータ損失（銅損＋鉄損）
Ｒgap ：エアギャップの熱抵抗
Ｒar :ロータ表面から空気への伝達熱抵抗
Ｒas ：ステータ内径から空気への伝達熱抵抗
Ｒt1 ：ロータ表面から低圧側タービンまでの熱抵抗
Ｒt2 ：ロータ表面から高圧側タービンまでの熱抵抗
Ｒｓ ：ステータ内径からハウジング水路までの熱抵抗
Ｒｍ ：スペーサの熱抵抗

図３、図４において、熱の発生は、ロータ損失Ｗｒとステータ損失Ｗｓに起因する。ロータ損失Ｗｒは渦電流損と風損を含み、ステータ損失Ｗｓは銅損と鉄損を含む。ロータ１で発生した熱は、経路Ｌ１でエアギャップＧ１（抵抗Ｒgap）を通ってステータ２に伝わり、ステータ２の内径からステータ２（熱抵抗Ｒｓ）を通ってヒートシンクであるハウジング水路５３に放熱される。また、ロータ１の表面からは経路Ｌ２（抵抗Ｒar）を通ってエアギャップＧ１を流れる空気Ｃに放熱され、さらに保護リング１３、永久磁石１２、回転軸４からなる経路Ｌ３（抵抗Ｒt1、Ｒt2）を介し、低圧側・高圧側タービン６１，６２から圧縮空気に放熱される。

エアギャップＧ１内には、低圧側圧縮空気の温度Ｔ２と高圧側圧縮空気の温度Ｔ３との温度差に応じた温度Ｔinの圧縮空気が導入され、その後経路Ｌ２に沿って流れながらロータ１及びステータ２の表面から熱を奪って、Ｔinよりも高い温度ToutでエアギャップＧ１から出ていく。また、熱の一部は、温度Ｔ２、Ｔ３よりも低い温度Ｔ１であるハウジング水路５３に放熱される。

特に、ロータ損失Ｗｒに含まれる渦電流損による発熱は、永久磁石１２の熱減磁を回避するためにも望ましくないため、より一層の冷却を要するのは前述の通りである。

図３に比べて図４のようにスペーサ７によりエアギャップＧ１を半分にすると、同流量においてエアギャップＧ１における空気の流速が２倍になる。これにより、ロータ１の表面から空気Ｃへの伝達熱抵抗Ｒarは図３の場合に比べて図４で低減し、経路Ｌ２への放熱量を増やすことでロータ１の表面からの放熱を促進することができる。ただし、スペーサ７を追加したことで、図４の経路Ｌ１には図３にはなかったスペーサ７の熱抵抗（Ｒｍ）が加算されるため、経路Ｌ１の放熱量は減少する。しかし、経路Ｌ１に元々存在するステータ２の内径からハウジング水路５３までの熱抵抗（Ｒｓ）が支配的なため、スペーサ熱抵抗の影響は無視できるレベルとなる。

図５にシミュレーション結果を示す。横軸はエアギャップＧ１への流入空気流量であり、縦軸はロータ温度である。スペーサ非挿入時のときのロータ温度に対して、スペーサ挿入時のロータ温度は明らかに小さくなっており、放熱が促進されることがわかる。

しかも、図４のスペーサ２は非磁性体であるため、磁気ギャップＧ２は図３と同様の状態に維持される。そのため、エアギャップＧ２を狭めてもロータ渦電流損失は変わらない。したがって、ステータ２の内径にスペーサ７（非磁性体）を追加し、磁気ギャップＧ２を維持したままエアギャップＧ１を縮小することで、ロータ渦電流損失の増加を抑制しつつロータ１の冷却性能を向上することができる。

図１の構成において、第１圧縮室５１のタービン６１で圧縮した空気の一部を中間経路から抽気してモータ部３の冷却に利用すると、モータ冷却のために中間経路からバイパスする空気流量は、冷却後に外部に放出するため損失となり、圧縮効率を低下させる。これは２段圧縮構造でなくとも同様である。そのため、モータ冷却のためにバイパスする空気流量は少ない方が良い。図５からわかるように、同じロータ温度で比較すると、スペーサ挿入時の方がスペーサ非挿入時に比べて空気流量が低減する。したがって、本実施形態の構造では、エアギャップＧ１に流す空気の流量を減らすことで抽気を低減し、圧縮効率を向上させる効果も得られる。

以上説明したように、本実施形態の回転機械は、固定子たるステータ２と、ステータ２の対向位置にエアギャップＧ１を介して配置される回転子たるロータ１とを含む回転駆動部（モータ部）３を備えるとともに、ロータ１の回転軸心方向に沿ってエアギャップＧ１に、モータ部３を冷却する冷媒である空気Ｃを通過させる構成において、ステータ２の内周側表面に、ロータ１とのエアギャップＧ１を狭める非磁性のスペーサ７を配置したものである。

このようにすることで、上述したように空気Ｃの流通量が同じであればエアギャップＧ１の媒体の流速が増速するので、モータ部３から空気Ｃへの伝達熱抵抗を低減し、特にロータ１からの放熱量を増やすことができる。しかも、スペーサ７に非磁性のものを用いることで、エアギャップを狭めても磁気ギャップＧ２はスペーサ７挿入前後で同じ状態を維持することができ、スペーサ７でエアギャップ１を狭めても渦電流損失を増大させてしまうことがない。

特に、本実施形態のようにモータ部３に永久磁石１２を採用する同期型の回転機械においては、回転時に発生する渦電流損失は永久磁石１２の温度上昇による熱減磁を招き、出力性能を低下させるため、渦電流対策と放熱対策が重要となる。そこで、本発明を適用することによる効果が特に顕著なものとなる。

またスペーサ７を、ステータ２の表面に設けているので、ヒートシンクであるハウジング水路５３との接続がし易くなり、また遠心強度を考慮する必要がないため設置も簡単で安定したものになる。

またスペーサ７には、高放熱性のものを用いているため、ステータ２を通じて放熱にも大きな効果を期待することができる。

さらに、本実施形態では、ロータ１の回転軸心方向にロータ１と一体回転してコンプレッサを構成するタービン６１等を備え、タービン６１で圧縮後の気体の一部を抽出してモータ部３のエアギャップＧ１に冷媒Ｃとして導入する構成を採用する。

このような構成では、タービン６１での気体抽出はコンプレッサの効率低下につながる。そのため、モータ冷却のためにバイパスする気体流量は少ない方がよい。本実施形態の構成によれば、エアギャップＧ１の冷却効率が向上するため、タービン６１の圧縮後の気体からの抽出量を減らしてコンプレッサの効率を向上させる使い方も可能になる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。

例えば、図２に示したようにスペーサをステータに対して別部品とする場合に限らず、図６に示すスペーサ７のように、コイル２３やコイルエンド２３´のモールド材を利用する等してステータ２に一体成形してもよい。

また、スペーサ７の内径面は図７（ａ）に示すように軸方向に凹凸形状であってもよく、また図７（ｂ）に示すように周方向に凹凸形状であってもよい。これらの形状は軸方向又は周方向の片方のみに採用することも、双方に採用することもできる。これにより、放熱面積を増加することができ、また空気の流れを乱して放熱性を高めることもできる。

また、上記実施形態ではスペーサをステータ内径に配置したが、ロータ外径に配置しても上記に準じた作用効果が奏される。

またスペーサ材料は、エポキシ樹脂リングに限らず、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）リングや、セラミックリング、絶縁紙を巻いてリング状にしたものなど、非磁性体であれば特に限定されない。また、磁気特性や渦電流損を許容できる範囲であれば、ステンレスやアルミでもよい。

また上記実施形態では、タービンによる圧縮空気の一部を利用した冷却システムを対象に述べたが、ブロワ等により外部から空気を送り込む冷却構造や、回転軸にファンを設置して空気を循環する冷却構造にも本発明を適用することができる。

図８～図１０は、冷却構造が異なる回転機械への本発明の適用例を示す模式図である。

図８に示す回転機械２００は、コンプレッサを構成する一段目のタービン２６１で圧縮後、高温になった空気を冷却器２００ａで冷却し、二段目のタービン２６２に向かう空気の一部をモータ駆動部２０３の内部に取り入れている。取り入れた空気Ｃはステータ２０２の中央のダクト２０２ａを通してロータ２０１とステータ２０２のエアギャップＧ１に導き、ロータ２０１を冷却後に、ハウジング２０５の外部に排出している。このような冷却構造においても、エアギャップＧ１に上記と同様にスペーサを挿入すれば、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

図９に示す回転機械３００は、コンプレッサを構成するタービン３６１の給気部３６１ａ、モータ部３０３の内部、外気流入部ＯＵＴをつなぐ流路３００Ｌを形成し、タービン３６１の回転によって給気部３６１ａが負圧になることを利用して、外気流入部ＯＵＴからモータ部３０３の内部に空気Ｃを引き込んでいる。そして、その空気Ｃをロータ３０１とステータ３０２のエアギャップＧ１に導くことでロータ３０１を冷却している。このような冷却構造においても、エアギャップＧ１に上記と同様のスペーサを挿入すれば、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

図１０に示す回転機械４００は、コンプレッサを構成するタービン４６１で圧縮した空気Ｃの一部をモータ部４０３の内部に取り入れて、回転軸４０４内に設けた通気孔４００ａを通じてロータ４０１を冷却後、再びタービン４６１の給気口４６１ａに戻している。このような冷却構造において、タービン４６１で圧縮した空気Ｃの一部をロータ４０１とステータ４０２のエアギャップＧ１に流して外部に排出する流路４００Ｌを併設し、そのエアギャップＧ１に上記と同様のスペーサを挿入すれば、上記と同様の作用効果を奏することができる。

また、上記実施形態ではインナーロータ構造を採用しているが、アウターロータ構造のエアギャップにスペーサを挿入しても、同様の構成を実現することができる。

また、上記実施形態では本発明の回転機械を圧縮機に利用した場合について説明したが、本発明は圧縮目的以外の回転機械にも適用することができる。

また、上記実施形態では永久磁石を用いた同期型の回転機械に本発明を適用した場合について説明したが、永久磁石を用いない誘導型の回転機械に本発明を適用しても上記に準じた作用効果が奏される。

その他、冷媒として空気以外の気体を利用するなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１…回転子（ロータ）
２…固定子（ステータ）
３…回転駆動部（モータ部）
７…スペーサ
１２…永久磁石
６１…インペラ（タービン）
１００…回転機械
Ｃ…冷媒（空気）
Ｇ１…エアギャップ

Claims (5)

1. 固定子と、前記固定子の対向位置にエアギャップを介して配置される回転子とを含む回転駆動部を備えるとともに、前記回転子の回転軸心方向に沿って前記エアギャップに前記回転駆動部を冷却する冷媒を通過させるように構成される回転機械において、
   前記固定子又は前記回転子の表面に、前記エアギャップを狭める非磁性のスペーサを配置したことを特徴とする、回転機械。
2. 前記回転駆動部は永久磁石を含んで構成される、請求項１に記載の回転機械。
3. 前記スペーサは、固定子の表面に設けられる、請求項１又は２に記載の回転機械。
4. 前記スペーサは、高放熱性のものである、請求項１～３の何れかに記載の回転機械。
5. 前記回転子の回転軸心方向に回転子と一体回転してコンプレッサを構成するインペラを備え、インペラで圧縮後若しくは圧縮途中の気体の一部を抽出して前記回転駆動部のエアギャップに冷媒として導入する構成を備える、請求項１～４の何れかに記載の回転機械。

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