JP3485351B2 - 軸流流体電気機械 - Google Patents

軸流流体電気機械

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JP3485351B2 JP12067194A JP12067194A JP3485351B2 JP 3485351 B2 JP3485351 B2 JP 3485351B2 JP 12067194 A JP12067194 A JP 12067194A JP 12067194 A JP12067194 A JP 12067194A JP 3485351 B2 JP3485351 B2 JP 3485351B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は軸流流体電気機械に係
り、特に低コストあるいは長寿命が要求される高速のポ
ンプやファン等の流体機械とこれを駆動する電動機とを
一体的に構成した軸流流体電気機械に関する。
【0002】
【従来の技術】図4は、従来の典型的な軸流流体機械の
構成を示す断面図である。軸流流体機械10は、軸流ポ
ンプであり、軸流羽根車14が回転軸12に固定され、
回転軸12はポンプ軸受13により支持されている。ポ
ンプ10の回転軸12は、ケーシング15に対して軸封
16によりシールされている。一方、電動機11は回転
軸17にモータ回転子18が固定され、励磁コイル20
を備えたモータ固定子19により回転トルクを与えられ
回転運動をする。電動機11の回転軸17はモータ軸受
21により支持され、軸継手22により軸流流体機械1
0の回転軸12と接続されている。
【0003】このように高速のポンプやファン等の流体
回転機械は転がり軸受や滑り軸受で支持された回転軸
が、同じく転がり軸受や滑り軸受で支持された回転軸を
有する電動機により駆動され、その回転軸間の接続は通
常軸継手で行なわれていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、転がり
軸受あるいは滑り軸受で支持された流体回転機械と、転
がり軸受あるいは滑り軸受で支持された電動機との回転
軸間を軸継手で接続していたため、流体回転機械のスペ
ースと電動機のスペースと更に軸継手の設置スペースと
を必要としていた。又、その設置のために設備導入時に
多大のイニシャルコストを必要としていた。又、流体回
転機械の羽根車から発生する軸方向のスラスト力は大き
く、そのスラスト力を補償するため大きなスラスト軸受
を必要としていた。
【0005】本発明は係る従来技術の問題点に鑑みて為
されたものであり、被動機としての流体機械と駆動機と
しての電動機を一体とした構造の軸流流体電気機械を提
供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の態様は、
軸流流体電気機械は回転機械の静止ケーシング側に回転
子を回転運動させる励磁コイルを巻回した固定子を備
え、前記回転子はほぼ軸方向を向いた軸流流体機械の羽
根として作用する磁性材からなる突極構造を有するもの
である。
【0007】 そして、前記回転子と固定子の間の半径
方向の隙間を検出する隙間センサと、前記回転子の半径
方向の位置に応じて前記回転子の半径方向の位置を制御
する固定子に巻回された位置制御コイルとを備え、前記
隙間センサの信号に基づき前記回転子が前記固定子のほ
ぼ中心で回転するように位置制御をすることを特徴とす
る。
【0008】 本発明の第の態様は、前記回転トルク
発生用励磁コイルと半径方向制御コイルとを挿入する固
定子に設けたスロットは、軸方向に対して前記流体機械
の羽根として作用する回転子の突極構造の軸方向からの
ねじれ角に応じて傾けたことを特徴とする。
【0009】 本発明の第の態様は、前記回転子の低
圧側に高圧側と連通したバランス室と、前記回転子の高
圧側に低圧側と連通したバランス室と、該バランス室と
主流流路の間に回転子の軸方向の移動に連動して前記バ
ランス室と主流流路間の漏れ量の変わる絞り機構とから
なるスラストバランス機構を更に備えたことを特徴とす
る。
【0010】 本発明の第の態様は、前記回転子の低
圧側及び高圧側の凹部内面と、静止ケーシング側の低圧
側及び高圧側の凸部とは、前記バランス室を形成し、該
バランス室のそれぞれの円筒状の対向面を接触しても焼
きつきにくい摺動部材を用いて形成したことを特徴とす
る。
【0011】
【作用】本発明の第1の態様によれば、回転機械の静止
ケーシング側に回転子を回転運動させる励磁コイルを巻
回した固定子を備え、回転子が軸流流体機械の羽根とし
て作用し且つ磁性材からなる突極構造により固定子より
回転力を与えられる。従って被動機である軸流流体機械
とこれを駆動する電動機とが一体的に構成される。
【0012】 そして、隙間センサと位置制御コイルと
を備えることから、固定子が磁性材からなる回転子の突
極構造に対して磁気的な吸引力を作用させることができ
る。従って、前記回転子を前記固定子により磁気軸受と
して支持することが可能となる。
【0013】 本発明の第の態様によれば、流体機械
の羽根として作用する回転子の突極構造は、流体機械と
しての機能のため軸方向に対してねじれ角を有してい
る。回転子の羽根即ち突極構造のねじれ角に応じて、固
定子側のスロットを回転軸に対して傾けることにより、
回転子の羽根(突極構造)の先端部分の線を固定子のス
ロットの線と合わせることができる。従って、トルク発
生用励磁コイルを巻回した固定子から磁性材からなる回
転子の羽根(突極構造)の先端部分に効率的に回転トル
クを与えることができる。
【0014】 本発明の第の態様によれば、スラスト
バランス機構を備えることから、高圧側の圧力が低圧側
にフィードバックされ、羽根の回転に伴うスラスト力が
補償され、回転子は回転軸方向に対して負荷が変動して
もほぼ一定位置に保持される。即ち、スラスト力が補償
され、大きなスラスト軸受を必要としなくなる。
【0015】 本発明の第の態様によれば、回転子と
静止ケーシング側の円筒状の対向面を接触しても焼き付
きにくい摺動部材を用いて形成したことから、何らかの
事情で回転子側が静止ケーシングに接触しても軸流流体
電気機械の破損或いは消耗を防止することができる。
【0016】
【実施例】以下、本発明の一実施例について添付図1乃
至図3を参照しながら説明する。
【0017】図1は、本発明の一実施例の軸流流体電気
機械の構成を示す。この軸流流体電気機械30は、回転
トルク発生用励磁コイル31と半径方向位置制御コイル
32とを収納するスロット34を有する固定子33を備
える。回転子35は、固定子33側から回転トルクを与
えられる磁性材料からなる突極構造と兼用の羽根36を
備える。すなわち、回転子35の羽根36は、ほぼ軸方
向を向いた軸流流体機械の羽根として作用し、且つ固定
子33の発生する回転移動磁界から回転トルクを受ける
磁性材の突極構造として作用する。
【0018】流体機械としての流体性能を最適化するた
め、回転子35の流体機械の羽根36は軸方向から周方
向に角度αだけ捩じられた構造となっている。このねじ
れ角αに応じて固定子33に設けた回転トルク発生用励
磁コイルと半径方向制御用励磁コイルを挿入するスロッ
ト34を軸方向から傾ける。このため、固定子33に設
けた回転トルク発生用励磁コイル31と半径方向制御用
励磁コイル32とを挿入するスロット34は、図2
(B)に示すように軸方向に対して角度αだけ傾いて設
けられている。このねじれ角αは、図2(A)に示すよ
うに回転子35の羽根36の先端部分36Aの付け根部
分36Bに対する軸方向からのねじれ角αに応じて設け
られている。
【0019】更に、回転子35と固定子33との間の半
径方向の隙間の大きさを検出する隙間センサ37を備え
る。隙間センサ37は、変位センサでありその検出出力
は、図示しない制御回路にフィードバックされ、固定子
33に巻回された位置制御コイル32の励磁電流を制御
する。固定子33は、回転子35の磁性材である突極構
造36の先端部分に磁性吸引力を作用させて、回転子3
5を磁気軸受として支持する。そして回転子35が固定
子33の励磁電流の制御により、ほぼ中心で回転するよ
うに位置制御される。すなわち、この軸流流体電気機械
30においては、回転子35は非接触の磁気軸受で支持
される。
【0020】又、固定子33は、隔壁48により主流路
から隔てられている。フランジ49は流体の配管路に接
続され、図示しない電源から固定子33の励磁コイル3
1に電力が供給され回転子35の突極構造である羽根3
6に回転トルクを与え回転子35を回転させる。
【0021】又、この軸流流体電気機械30は、回転子
35の低圧側に高圧側と連通したバランス室39、及び
回転子35の高圧側に低圧側と連通したバランス室40
とを備える。ここで流路41は、回転子35の高圧側か
ら低圧側に連通した流路であり、流路40は回転子35
の低圧側から高圧側に連通した流路である。そして、バ
ランス室39,40と主流流路の間に回転子35の軸方
向の移動に連動して、バランス室39,40と主流流路
間の漏れ量の変わる絞り機構43を備える。
【0022】図3は、羽根の回転により発生するスラス
ト力のバランス機構を示す。通常、低圧側の圧力P1
高圧側の圧力P2 、低圧側バランス室39の圧力P3
高圧側バランス室40の圧力P4 の関係は、 P1<P4<P3<P2 で回転している。羽根36の回転により高圧側圧力P2
が高くなり、羽根36及び回転子35が入口側に移動す
ると、入口側バランス室の隙間ΔZが小さくなり各バラ
ンス室の圧力P3 とP4 とがほぼ等しくなり、回転子3
5は出口側に移動する。このようにして絞り機構43及
びバランス室39,40、連通流路41,42からなる
スラストバランス機構により羽根36の回転に伴うスラ
スト力が補償される。回転子35は回転軸方向に対して
負荷が変動してもほぼ一定位置に保持され、大きなスラ
スト軸受は不要となる。
【0023】このように、軸流流体機械から発生する軸
方向のスラスト力を補償するため、通常はスラスト軸受
を用いているが、本実施例では軸流流体機械から発生す
る流体圧力を用いた自己バランス機構により、スラスト
力を補償し、特別のスラスト軸受を設けることなく発生
するスラスト力を補償することができる。
【0024】又、バランス室39,40を形成する回転
子の低圧側及び高圧側凹部内面45と、静止ケーシング
側の低圧側及び高圧側の凸部46から成る対向した円筒
面の対向面を接触しても焼きつきにくい摺動部材を用い
て形成している。接触しても焼きつきにくい摺動部材
は、水中軸受等に使うカーボンやセラミック等の摺動材
であり、回転子位置制御が不調となった時のような回転
機械の非常時に作動する非常用軸受としての機能を持た
せている。
【0025】尚、本実施例においては軸流流体機械の例
としてポンプを用いて説明したが、ポンプに限らずファ
ン、コンプレッサ等の軸流流体機械に適用できるのは勿
論のことである。又、回転子側に永久磁石又は電磁石を
備え、回転トルクを強めるようにしてもよい。このよう
に本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が
可能である。
【0026】
【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
流体機械と電動機とが一体的に構成でき、小型化且つ設
備導入時の低イニシャルコスト化を図ることができる。
又、固定子と回転子間に非接触の磁気軸受作用を持た
せ、高速回転に適した流体電気機械とすることができ
る。更に、スラスト力を補償するバランス機構を設けた
ことにより特別のスラスト軸受を必要としない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の軸流流体電気機械の(A)
回転軸に沿った断面図、(B)BB線の断面図。
【図2】羽根先端と固定子スロットの角度の関係を示す
説明図。
【図3】羽根のスラスト力のバランス機構の説明図。
【図4】従来の軸流流体機械の構成を示す断面図。
【符号の説明】
30 軸流流体電気機械 31 回転トルク発生用励磁コイル 32 半径方向位置制御コイル 33 固定子 34 スロット 35 回転子 36 羽根兼用回転子突極構造 37 隙間センサ 39,40 バランス室 41,42 電通流路 43 スラストバランス用絞り機構 45,46 摺動面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−147598(JP,A) 特開 平1−177496(JP,A) 特開 昭60−228798(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F04D 25/08 F04D 25/06 F04D 29/32

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 回転機械の静止ケーシング側に回転子を
    回転運動させる励磁コイルを巻回した固定子を備え、前
    記回転子はほぼ軸方向を向いた軸流流体機械の羽根とし
    て作用する磁性材からなる突極構造を有する軸流流体電
    気機械において、 前記回転子と固定子の間の半径方向の隙間を検出する隙
    間センサと、前記回転子の半径方向の位置に応じて前記
    回転子の半径方向の位置を制御する固定子に巻回された
    位置制御コイルとを備え、前記隙間センサの信号に基づ
    き前記回転子が前記固定子のほぼ中心で回転するように
    位置制御をすることを特徴とする軸流流体電気機械。
  2. 【請求項2】 回転機械の静止ケーシング側に回転子を
    回転運動させる励磁コイルを巻回した固定子を備え、前
    記回転子はほぼ軸方向を向いた軸流流体機械の羽根とし
    て作用する磁性材からなる突極構造を有する軸流流体電
    気機械において、 転トルク発生用励磁コイルと半径方向位置制御コイル
    とを挿入するスロットを前記固定子に設け、前記スロッ
    トは軸方向に対して前記流体機械の羽根として作用する
    回転子の突極構造の軸方向からのねじれ角に応じて傾け
    たことを特徴とする軸流流体電気機械。
  3. 【請求項3】 回転機械の静止ケーシング側に回転子を
    回転運動させる励磁コイルを巻回した固定子を備え、前
    記回転子はほぼ軸方向を向いた軸流流体機械の羽根とし
    て作用する磁性材からなる突極構造を有する軸流流体電
    気機械において、 前記回転子の低圧側に高圧側と連通したバランス室と、
    前記回転子の高圧側に低圧側と連通したバランス室と、
    該バランス室と主流流路の間に回転子の軸方向の移動に
    連動して前記バランス室と主流流路間の漏れ量の変わる
    絞り機構とからなるスラストバランス機構を更に備えた
    ことを特徴とする軸流流体電気機械。
  4. 【請求項4】 前記回転子の低圧側及び高圧側の凹部内
    面と、静止ケーシング側の低圧側及び高圧側の凸部と
    は、前記バランス室を形成し、該バランス室のそれぞれ
    の円筒状の対向面を接触しても焼きつきにくい摺動部材
    を用いて形成したことを特徴とする請求項記載の軸流
    流体電気機械。
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JP4523961B2 (ja) * 2007-11-26 2010-08-11 三菱重工業株式会社 人工心臓ポンプ
WO2014017051A1 (ja) * 2012-07-25 2014-01-30 パナソニック株式会社 密閉型圧縮機及びそれを備える冷凍装置

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