JP5208055B2 - ロータ構造 - Google Patents

Description

本発明は、円環状に配置されるステータの内周側に設けられ、前記ステータに巻回された巻線に通電することにより回転するロータ構造に関する。

一般的に、圧縮空気を効率的に供給するために、遠心圧縮機が採用されている。例えば、エンジンに圧縮空気を供給する補機として、あるいは、燃料電池に酸化剤ガスである圧縮空気を供給する補機として、利用されている。

この種の遠心圧縮機では、円環状に配置されたステータの内周側に、永久磁石を有するロータが設けられており、前記ステータに巻回された巻線に通電することにより、前記ロータが回転されるように構成されている。

近年、ロータを高速回転させることが望まれている。その際、高速回転するロータを支持する軸受として、比較的簡単な構成で回転精度が得られるとともに、非接触で摩耗が抑制されることから、気体軸受や磁気軸受が採用されている。

ところが、ロータを高速回転させると、このロータに配置されている永久磁石に大きな遠心力が作用するとともに、渦電流によりロータが発熱し、この熱が前記永久磁石に伝導することにより該永久磁石が減磁するという問題がある。特に、非接触の気体軸受や磁気軸受では、伝熱され難く、発熱による影響が著しい。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている回転機械が知られている。この回転機械を構成するロータは、図６に示すように、中心部の金属製のシャフト１の外周には、永久磁石２が冷やし嵌めにより固定されている。

永久磁石２の外周には、インコネル（スペシャルメタル社の商品名）からなる保護環３が設けられるとともに、前記保護環３の外周には、軸方向に等間隔で且つ周方向に複数の溝４が設けられている。この溝４には、カーボン繊維等からなる非導電性皮膜を巻き付けた保護層５が設けられている。

これにより、インコネルからなる保護環３は、溝４の部分が薄くなるため、渦電流損が少なくなる一方、インコネルからなる保護環３がロータの表面に露出するため、放熱性がよくなる、としている。

特開２００８−２１９９６５号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、保護環３の厚さを減少させ得るものの、前記保護環３の内部に配設されている永久磁石２への磁束浸透を抑制することができない。これにより、永久磁石２における渦電流損失が増大するという問題がある。

しかも、保護環３は、インコネル等の熱伝導率の低い材質で構成されるため、永久磁石２での発熱を周囲に放出させることが困難になる。さらに、インコネルは、強度が高いため、保護環３の外周に複数の溝４を形成する切削作業に時間がかかり、製造作業性が低下するという問題がある。

本発明はこの種の課題を解決するものであり、内部の永久磁石に渦電流が発生することを良好に抑制するとともに、製造作業性の向上を図ることが可能なロータ構造を提供することを目的とする。

本発明は、円環状に配置されるステータの内周側に設けられ、前記ステータに巻回された巻線に通電することにより回転するロータ構造に関するものである。

このロータ構造は、円筒状の永久磁石と、前記永久磁石の外周に設けられ、ニッケル基の超合金で構成される永久磁石飛散防止用の第１保護環と、前記第１保護環の外周に設けられ、該第１保護環よりも熱伝導率及び導電率の高い第２保護環とを備えている。そして、第２保護環の外周には、周方向に複数の溝部が形成されることにより、軸方向に沿って凹凸部が設けられている。

また、このロータ構造は、ステータと第２保護環との間には、冷媒用流通路が形成されることが好ましい。

さらに、このロータ構造は、第１保護環の端面には、外周側に円環状に突出する段差部が形成されるとともに、前記段差部は、ステータの端部に対応する位置から軸方向外方に突出する一方、第２保護環には、径方向に前記段差部に対応する部位に、冷媒の流れ方向に沿って傾斜するガイド面を有する凸部が設けられることが好ましい。

さらにまた、このロータ構造は、少なくとも一端にインペラを備えた遠心圧縮機に組み込まれることが好ましい。

また、第２保護環の端部は、伝熱部材を介してインペラに接続されることが好ましい。

さらに、伝熱部材は、エアベアリングに回転自在に支持されるベアリングシャフトであることが好ましい。

さらにまた、インペラとベアリングシャフトと第１及び第２保護環とは、それぞれの端面を接触させてタイシャフトにより一体に軸方向に拘束されることが好ましい。

本発明では、ロータ構造の最外周に、熱伝導率及び導電率の高い第２保護環が設けられている。このため、第２保護環に集中して渦電流が発生し易くなるとともに、前記第２保護環の外周に設けられた溝部により、該第２保護環の渦電流損失の低減が図られる。

しかも、第２保護環は、電磁波遮断環として機能するため、ロータ構造の内部に配設された永久磁石への磁束浸透が抑制され、前記永久磁石に渦電流損失が発生することを良好に抑制することができる。これにより、ロータ構造の内部は、渦電流損失による発熱が抑制され、高速回転化が容易に遂行可能になる。

さらに、第２保護環には、切削性に優れる材料を用いることができる。従って、第２保護環の外周に複数の溝部を形成する切削作業は、例えば、インコネルの切削作業に比べて切削時間が大幅に短縮されて作業性が一挙に向上する。

本発明の第１の実施形態に係るロータ構造が適用される電動遠心圧縮機の断面説明図である。 前記ロータ構造の一部断面斜視説明図である。 前記ロータ構造の断面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係るロータ構造の概略斜視説明図である。 本発明の第３の実施形態に係るロータ構造の概略斜視説明図である。 特許文献１に開示されている回転機械を構成するロータの断面説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係るロータ構造１０が適用される電動遠心圧縮機１２は、ケーシング１４を備え、このケーシング１４内には、円環状のステータ１６が巻線１８を巻回した状態で装着される。

ステータ１６の外周側には、複数の冷却水流路２０が形成される。ステータ１６の内周側には、巻線１８に通電することにより回転する第１の実施形態に係るロータ構造１０が設けられる。ケーシング１４の一端部には、スクロール２２が取り付けられるとともに、前記スクロール２２の略中央側には、インペラ２４が回転自在に配設される。

ロータ構造１０は、図２及び図３に示すように、円筒状の永久磁石２６と、前記永久磁石２６の外周に設けられる永久磁石飛散防止用の第１保護環２８と、前記第１保護環２８の外周に設けられ、該第１保護環２８よりも熱伝導率及び導電率の高い第２保護環３０とを備える。

第１保護環２８は、ニッケル基の超合金で構成され、例えば、インコネル（スペシャルメタル社の商品名）が用いられる。第２保護環３０は、電磁波遮断機能を有しており、例えば、銅やアルミニウム等で構成される。第２保護環３０の外周には、周方向に複数の溝部３２が平行溝として形成されることにより、軸方向（矢印Ａ方向）に沿って凹凸部が設けられる。

図３に示すように、第１保護環２８の軸方向両端面には、外周側に円環状に突出する段差部２８ａ、２８ｂが形成される。段差部２８ａ、２８ｂは、ステータ１６の端部に対応する位置から、すなわち、前記ステータ１６の矢印Ａ方向の幅寸法Ｈから、軸方向外方に突出する。

第２保護環３０には、径方向（矢印Ｂ方向）に段差部２８ａ、２８ｂに対応する部位に、後述する冷媒の流れ方向に沿って傾斜するガイド面３４ａ、３４ｂを有する凸部３６ａ、３６ｂが設けられる。ガイド面３４ａ、３４ｂは、実質的に湾曲面を構成する。

ロータ構造１０の軸方向両端には、第１保護環２８の段差部２８ａ、２８ｂに嵌合（インロー）するベアリングシャフト（伝熱部材）３８ａ、３８ｂが連結される。ベアリングシャフト３８ａ、３８ｂは、第１及び第２保護環２８、３０の各端面に接触する一方、ケーシング１４内に設けられたラジアルベアリング４０ａ、４０ｂに支持される。ラジアルベアリング４０ａ、４０ｂは、例えば、エアベアリング（又は磁気軸受）を構成する。

図１に示すように、ベアリングシャフト３８ａには、フランジ部４２が設けられるとともに、このフランジ部４２は、スラストベアリング４４に支持される。スラストベアリング４４は、例えば、エアベアリング（又は磁気軸受）を構成する。

インペラ２４、ベアリングシャフト３８ａ、ロータ構造１０及びベアリングシャフト３８ｂは、それぞれの端面を接触させてタイシャフト４６により一体に軸方向に拘束される。タイシャフト４６は、インペラ２４側の端部に大径部４８が設けられる一方、ベアリングシャフト３８ｂ側には、固定部材５２が取り付けられる。

ケーシング１４内には、ロータ構造１０を構成する第２保護環３０と巻線１８（実質的には、ステータ１６）との間に、冷媒用流通路５４が形成される。この流通路５４の入口側は、スクロール２２に連通する冷却配管５６に連通するとともに、前記冷却配管５６には、インタークーラ５８が配設される。流通路５４は、ベアリングシャフト３８ｂ側に入口を有し、ベアリングシャフト３８ａ側に出口を有する。

なお、ロータ構造１０では、第２保護環３０の外周には、軸強度を担うためにカーボン系等の巻付構造物（補強材）を巻き付けてもよく、渦電流損によって発生した熱を両端のベアリングシャフト３８ａ、３８ｂに伝達させるための伝熱構造物を設けてもよい。

このように構成される電動遠心圧縮機１２の動作について、第１の実施形態に係るロータ構造１０との関連で、以下に説明する。

先ず、電動機を構成する巻線１８に通電することにより、ロータ構造１０を構成する永久磁石２６、第１保護環２８及び第２保護環３０は、タイシャフト４６と一体に回転する。このため、タイシャフト４６に保持されているインペラ２４は、比較的高速で回転し、スクロール２２を介して大気から空気の吸引が行われる。

インペラ２４により吸引された空気は、スクロール２２により圧送され、例えば、図示しない燃料電池の酸化剤ガス供給系に送られる。燃料電池には、図示しない燃料ガス供給系から燃料ガス（水素ガス）が供給される。従って、カソード側に供給される空気とアノード側に供給される水素との反応により、発電が行われる。

スクロール２２により吸引される圧縮空気の一部は、冷却配管５６を通ってインタークーラ５８で冷却された後、冷却風としてケーシング１４内の流通路５４に供給される。この流通路５４を通過してロータ構造１０を冷却した冷却風は、ベアリングシャフト３８ａ側から排出される。

この場合、第１の実施形態では、ロータ構造１０において、永久磁石２６の外周に、永久磁石飛散防止用の第１保護環２８が設けられるとともに、前記第１保護環２８の外周に、該第１保護環２８よりも熱伝導率及び導電率の高い第２保護環３０が設けられている。このため、第２保護環３０に渦電流が集中して発生し易くなるとともに、前記第２保護環３０の外周に設けられた複数の溝部３２により、該第２保護環３０の渦電流損失の低減が図られるという効果が得られる。

しかも、第２保護環３０は、電磁波遮断環として機能するため、ロータ構造１０の内部に配設された永久磁石２６への磁束浸透が抑制され、前記永久磁石２６に渦電流損失が発生することを良好に抑制することができる。これにより、ロータ構造１０の内部は、渦電流損失による発熱が抑制され、高速回転化が容易に遂行可能になる。

さらに、第２保護環３０には、切削性に優れる材料、例えば、アルミニウムを用いることができる。従って、第２保護環３０の外周に複数の溝部３２を形成する切削作業は、インコネルの切削作業に比べて切削時間が大幅に短縮されて作業性が一挙に向上する。

さらにまた、ロータ構造１０では、ステータ１６及び巻線１８と第２保護環３０との間に、冷媒用の流通路５４が形成されている。このため、流通路５４に沿って、図３中、矢印方向に流動する冷却風の冷却作用下に、ロータ構造１０の表面、すなわち、第２保護環３０の表面で発生した熱を前記ロータ構造１０から確実に取ることができる。これにより、永久磁石２６に熱が伝わることを可及的に阻止することが可能になる。

また、図３に示すように、第１保護環２８の軸方向両端には、ステータ１６の幅寸法Ｈの外方に突出する段差部２８ａ、２８ｂが設けられる一方、第２保護環３０には、前記段差部２８ａ、２８ｂに径方向に対応する部位に、ガイド面３４ａ、３４ｂを有する凸部３６ａ、３６ｂが形成されている。従って、流通路５４に供給される冷却風（冷媒）を良好に整流することができ、ロータ構造１０の冷却効率が有効に向上する。しかも、凸部３６ａ、３６ｂは、磁束に関係しない箇所に設けられており、電動機としての駆動に影響を与えることがない。

ここで、第２保護環３０の外周に設けられる複数の溝部３２では、溝深さが電磁波の浸透する深さ以上に設定されるとともに、溝幅が渦電流損失を十分に抑制できる幅以下に設定される。

さらに、第１の実施形態では、ロータ構造１０が、少なくとも一端にインペラ２４を設けた電動遠心圧縮機１２に組み込まれている。このため、ロータ構造１０の発熱に対する減磁を抑制することが可能になり、高速回転及び小型化が容易に図られる遠心圧縮機１２を構成することができる。

さらにまた、第２保護環３０は、軸方向一端に伝熱部材を構成するベアリングシャフト３８ａを介してインペラ２４に接触している。これにより、第２保護環３０の表面で発生した熱は、ベアリングシャフト３８ａからインペラ２４に効果的に除去することが可能になる。その際、ベアリングシャフト３８ａが伝熱部材として機能するため、専用の伝熱部材を設ける必要がなく、構成の簡素化が図られる。

また、インペラ２４、ベアリングシャフト３８ａ、ロータ構造１０及びベアリングシャフト３８ｂは、それぞれの外周部分が接触するようにしてタイシャフト４６により軸方向に一体に拘束されている。従って、タイシャフト４６の締め付けによりロータ構造１０の軸方向両側に熱を確実に除去することができ、永久磁石２６の渦電流損失（鉄損）を可及的に阻止することが可能になる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係るロータ構造７０の概略斜視説明図である。

なお、第１の実施形態に係るロータ構造１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

ロータ構造７０では、第１保護環２８の外周に、この第１保護環２８よりも熱伝導率及び導電率の高い第２保護環７２が設けられる。第２保護環７２の外周には、スパイラル状に環状の溝部７４が形成されることにより、軸方向に沿って凹凸部が設けられる。

このように構成される第２の実施形態では、第２保護環７２の外周に設けられている溝部７４により渦電流損失の低減を図ることができる。しかも、溝部７４は、スパイラル形状を有することにより、ロータ構造７０が回転することによって周辺の空気を軸方向に移送させることが可能になる。このため、第２保護環７２から周辺空気の熱伝達が促進され、前記第２保護環７２の冷却効率が一層向上するという効果が得られる。

また、空気の輸送による反力を利用することで、インペラ２４によるスラスト力を緩和し、スラストベアリング４４を補助することができるという効果が得られる。

図５は、本発明の第３の実施形態に係るロータ構造８０の概略斜視説明図である。

ロータ構造８０では、第１保護環２８の外周に、前記第１保護環２８よりも熱伝導率及び導電率の高い第２保護環８２が設けられる。第２保護環８２の外周には、複数の溝部３２と軸方向に延在する縦溝８４とが設けられる。これにより、第１の実施形態と同様の効果が得られる他、第２保護環８２の渦電流損失を一層低減可能であるという利点がある。

１０、７０、８０…ロータ構造 １２…電動遠心圧縮機
１４…ケーシング １６…ステータ
１８…巻線 ２０…冷却水流路
２２…スクロール ２４…インペラ
２６…永久磁石 ２８、３０、７２、８２…保護環
２８ａ、２８ｂ…段差部 ３２、７４…溝部
３４ａ、３４ｂ…ガイド面 ３６ａ、３６ｂ…凸部
３８ａ、３８ｂ…ベアリングシャフト ４０ａ、４０ｂ…ラジアルベアリング
４２…フランジ部 ４４…スラストベアリング
４６…タイシャフト ５４…流通路
５６…冷却配管 ５８…インタークーラ
８４…縦溝

Claims (7)

1. 円環状に配置されるステータの内周側に設けられ、前記ステータに巻回された巻線に通電することにより回転するロータ構造であって、
   円筒状の永久磁石と、
   前記永久磁石の外周に設けられ、ニッケル基の超合金で構成される永久磁石飛散防止用の第１保護環と、
   前記第１保護環の外周に設けられ、該第１保護環よりも熱伝導率及び導電率の高い第２保護環と、
   を備えるとともに、
   前記第２保護環の外周には、周方向に複数の溝部が形成されることにより、軸方向に沿って凹凸部が設けられることを特徴とするロータ構造。
2. 請求項１記載のロータ構造において、前記ステータと前記第２保護環との間には、冷媒用流通路が形成されることを特徴とするロータ構造。
3. 請求項２記載のロータ構造において、前記第１保護環の端面には、外周側に円環状に突出する段差部が形成されるとともに、
   前記段差部は、前記ステータの端部に対応する位置から軸方向外方に突出する一方、
   前記第２保護環には、径方向に前記段差部に対応する部位に、冷媒の流れ方向に沿って傾斜するガイド面を有する凸部が設けられることを特徴とするロータ構造。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のロータ構造において、前記ロータ構造は、少なくとも一端にインペラを備えた遠心圧縮機に組み込まれることを特徴とするロータ構造。
5. 請求項４記載のロータ構造において、前記第２保護環の端部は、伝熱部材を介して前記インペラに接続されることを特徴とするロータ構造。
6. 請求項５記載のロータ構造において、前記伝熱部材は、エアベアリングに回転自在に支持されるベアリングシャフトであることを特徴とするロータ構造。
7. 請求項６記載のロータ構造において、前記インペラと前記ベアリングシャフトと前記第１及び第２保護環とは、それぞれの端面を接触させてタイシャフトにより一体に軸方向に拘束されることを特徴とするロータ構造。

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