JP5466040B2 - ロータ組立体 - Google Patents

Description

本発明は、高速圧縮機用のロータ組立体に関する。

多くの高速圧縮機のロータ組立体は、ハウジングに１対の軸受によって取付けられたシャフトを含んでおり、各軸受は、シャフトの両端部に配置されている。シャフトの両端部に軸受を設けることにより、良好な安定性が得られる。しかしながら、ハウジングの中を通る２つの軸受の間の経路は、比較的長く、典型的には、圧縮機の幾つかの別個の構成要素を横切る。寸法公差及び幾何学的形状の公差の結果として、ロータ組立体をハウジング内に正確に整列させることを確保することは、一般に困難である。加えて、高速圧縮機の場合、理想的には、軸受に、滑りを防止する予圧が付与される。

しかしながら、２つの軸受の間の経路に係わる公差の積重なりに起因して、両方の軸受に、滑りを防止する力（予圧荷重）を、過剰になることなしに付与することを確保することは困難であり、もし力が過剰であれば、その結果として軸受が性能不良になる。

第１の側面では、本発明は、ロータ組立体であって、シャフトを有し、このシャフトに、羽根車（インペラ）と、ロータコアと、軸受カートリッジが取付けられ、軸受カートリッジは、羽根車とロータコアとの間に取付けられ、軸受カートリッジは、１対の軸受と、軸受の各々に予圧を付与するばねと、軸受を包囲するスリーブとを有する、ロータ組立体を提供する。

従って、ロータ組立体は、予圧が付与された２つの軸受によって支持される。軸受は、理想的には、予め決められた量だけ間隔を隔て、ばねは、予め決められたばね定数を有する。その結果、２つの軸受に、良好に定められた同じ力の予圧荷重が付与される。滑りを防止するが過剰ではない力（予圧荷重）が軸受に付与されることによって、軸受の寿命を延長させる。

軸受カートリッジは、ロータ組立体をハウジング、フレーム等に固着させる単一の締結部を構成するのがよい。単一の締結部を設けるとき、ロータ組立体の固着は、シャフトの両端部に配置された複数の軸受を有するロータ組立体の固着よりも容易且つ安価である。

スリーブは、２つの軸受、特にその外レースを整列させるように作用する。その結果、ロータ組立体をハウジングに固着するとき、ハウジング内におけるシャフトの整列が確保される。スリーブはまた、軸受のためのヒートシンクとして作用し、かくして、軸受の寿命を延長させる。

羽根車及びロータコアを軸受カートリッジの両側に取付けるとき、ロータ組立体のコンパクトな設計が達成される。更に、ロータ組立体を圧縮機内に組込む前、ロータ組立体を完成ユニットとして動的なバランスをとることができる。このことは、圧縮機内で組立てられなければならず、かくして、完成ユニットとして動的なバランスをとることができない他のロータ組立体に対して対照的である。更に、羽根車及びロータコアを軸受カートリッジの両側に配置するとき、２つの軸受の半径方向負荷を、より均一になるようにバランスをとることができる。実際、この目的のために、ロータ組立体の質量中心は、好ましくは、軸受カートリッジ内の箇所に配置される。

スリーブは、好ましくは、シャフトの熱膨張率と実質的に一致する熱膨張率を有する。その結果、シャフト及びスリーブの熱膨張は、軸受の負荷に悪影響を及ぼさない。加えて、スリーブは、電気的に絶縁された材料で作られるのがよい。このことは、スリーブが、その他の仕方ではロータ組立体の使用中に生じることがある誘導加熱に鈍感であるという利点を有する。かくして、スリーブは、軸受のための有効なヒートシンクとして機能し続けるので、ロータ組立体は、理想的には、高速適用例に適している。更に、スリーブは、非磁性材料で作られるのがよい。その結果、スリーブは、ロータコアとステータの磁気回路に部分的な短絡を与えない。

有利には、ロータ組立体は、スペーサを有し、このスペーサは、シャフトを包囲し、２つの軸受を分離し、シャフトの剛性に寄与する。その結果、特定の臨界速度を有するロータ組立体において、より薄く且つより小さいシャフトが使用される。更に、スペーサは、軸受を予め決められた量だけ間隔を隔てることを確保し、それにより、良好に定められた軸受の予圧を確保する。熱膨張に起因する軸受カートリッジの可能性のある破損を最小にするために、軸受及びスペーサは、好ましくは、シャフト及びスリーブの熱膨張率と実質的に一致する熱膨張率を有する。

シャフトは、有利には、軟磁性材料で作られる。従って、シャフトは、磁気回路のリラクタンスを減少させる。

軸受に、スペーサとスリーブの間に配置された１つ又は２つ以上のばねによって予圧が付与されるのがよい。しかしながら、好ましくは、スペーサを包囲する単一コイルばねが採用される。このことにより、ロータ組立体の組立てを安価且つ容易にする。

ロータ組立体を使用するとき、羽根車の回転により、羽根車に隣接した方の軸受カートリッジの端部のところの圧力が減少する。この圧力の減少により、汚れを含む流体を軸受の環状隙間を介して軸受カートリッジの中を通して引く。従って、ロータ組立体は、好ましくは、ロータコアに隣接した方の軸受の環状隙間を覆う汚れ防止用キャップを有する。例えば、汚れ防止用キャップは、軸受に隣接してシャフトに固着され、環状隙間を覆うようにシャフトから半径方向外方に延びるフランジを有するのがよい。その結果、流体が軸受カートリッジに向かって引かれるとき、流体により運ばれる汚れは、軸受に入ることが阻止される。

第２の側面では、本発明は、ロータ組立体であって、シャフトに取付けられた軸受カートリッジを有し、軸受カートリッジは、１対の軸受と、軸受の各々に予圧を付与するばねと、軸受を包囲するスリーブを有し、スリーブは、シャフトの熱膨張率と実質的に一致する熱膨張率を有する、ロータ組立体を提供する。

軸受カートリッジは、ロータ組立体をハウジング、フレーム等に固着させる単一の締結部を構成する。間隔を隔てた２つの軸受を設けることにより、比較的良好な安定性が得られると共に、スリーブは、２つの軸受を整列させ、ヒートシンクとして使用される。スリーブとシャフトが熱的に一致しているので、シャフト及びスリーブの熱膨張は、熱膨張に引続いて使用される間、軸受の負荷に悪影響を及ぼさない。

本発明をより容易に理解するために、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を例示として説明する。

本発明によるロータ組立体の断面図である。

図１のロータ組立体１は、シャフト２を有し、このシャフト２に、羽根車（インペラ）３と、ロータコア４と、軸受カートリッジ５と、汚れ防止用キャップ６が取付けられている。

羽根車３は、シャフト２の第１の端部に取付けられている。図１に示す羽根車３は、遠心羽根車である。しかしながら、同様に、その他の種類の羽根車を、ロータ組立体１の意図する適用例に応じて採用してもよい。

ロータコア４は、シャフト２の第２の端部に取付けられている。ロータコア４は、硬質磁性材料又は軟磁性材料で作られている。シャフト２は、軟磁性材料で作られ、それにより、磁気回路のリラクタンスを減少させている。しかしながら、変形例として、非磁性材料を、シャフト２に使用してもよい。

軸受カートリッジ５は、羽根車３とロータコア４の間に配置されている。軸受カートリッジ５は、１対の軸受７、８と、スペーサ９と、ばね１０と、スリーブ１１を有している。

軸受７及び軸受８は、同一であり、各々、内レース１２と、複数の玉軸受１４を支持する保持器１３と、外レース１５と、軸受７、８の両端部において外レース１５に固着された１対のシールド１６とを有している。

スペーサ９は、円筒形であり、且つ、２つの軸受７、８を予め決められた量だけ隔てるのに使用される。スペーサ９は、２つの軸受７、８を隔てることに加えて、シャフト２の剛性に寄与する。その結果、スペーサ９の材料及び厚さは、望ましいシャフト剛性を達成するように選択されるのがよい。上述した利点にかかわらず、スペーサ９を軸受カートリッジ５から省略してもよい。この場合、軸受カートリッジ５の組み立て中、２つの軸受７、８の間の予め決められた間隔は、変形例による手段によって達成されるのがよい。

ばね１０は、スペーサ９を包囲するコイルばねであり、コイルばねは、軸受７、８の外レース１５に力を付与する。スペーサ９が予め決められた長さを有し、且つ、ばね１０が予め決められたばね定数を有しているので、軸受７、８の各々に、良好に定められた同じ力が予め付与される。図１に示す特定の実施形態では、ばね１０は、軸受７、８の外レース１５よりもかなり厚い。ばね１０の力が外レース１５に軸線方向に伝達されるために、円形シム１７が、ばね１０と外レース１５の各々との間に設けられている。

スリーブ１１は、２つの軸受７、８を包囲し且つそれに固着されている。スリーブ１１は、３つの目的に使用される。第１に、スリーブ１１は、軸受カートリッジ５をハウジング、フレーム等に（例えば、圧入又は接着によって）固着させることができる外面を設ける。第２に、スリーブ１１は、軸受７、８のためのヒートシンクとして使用される。軸受７、８によって発生した熱がスリーブ１１によって運ばれるので、軸受７、８の寿命が延長される。第３に、これから説明するように、スリーブ１１は、軸受７、８を整列させるように作用する。

軸受７、８をシャフト２に取付ける際、軸受７、８の内レース１２は、同軸に整列させられる。軸受７、８の内レース１２は整列させられるけれども、軸受７、８の外レース１５は整列させられない。その理由は、各軸受７、８の外レース１５が、内レース１２に対して小さい程度の遊びを有しているからである。軸受７、８の外レース１５に予圧を付与するとき、ばね１０によって付与される力は、通常、各外レース１５の周りに一様に分布していない。その結果、軸受７、８の外レース１５は、通常、整列していない。特に、一方の外レースの長手方向軸線は、他方の外レースの長手方向軸線に対して半径方向に変位させられ且つ／又は傾けられる。もしもスリーブ１１が軸受カートリッジ５から省略され、且つ、ロータ組立体１がハウジングに軸受７、８を介して取付けられるならば、軸受７、８の外レース１５が整列していないことにより、ハウジング内においてシャフト２が整列していない状態を生じさせるであろう。このことは、ステータに対するロータコア４の整列、並びに、ハウジング内に保持されているシュラウド及びディフューザに対する羽根車３の整列に、深刻な結果をもたらすであろう。スリーブ１１を２つの軸受７、８の外レース１５の上に固着させる際、外レース１５を互いに同軸に整列させる。その結果、軸受カートリッジ５をハウジングに取付けたとき、ハウジング内におけるシャフト２の正しい整列が確保される。

ロータ組立体１が使用状態にあるとき、軸受カートリッジ５のスリーブ１１は、ロータコア４を駆動するために使用されているロータコア４及び／又はステータからの可変磁界に晒される。スリーブ１１が誘導加熱を受けないようにするために、且つ、スリーブ１１がロータコア４及びステータの磁気回路に対する短絡部分を構成しないために、スリーブ１１は、非磁性であり且つ電気的に絶縁された材料で形成されている。しかしながら、磁性及び／又は導電性材料が使用されてもよい適用例があり、かかる適用例は、例えば、ロータコア４及び／又はステータの磁界強さが比較的弱い場合、ロータ組立体１が比較的低速で回転する場合、軸受カートリッジ５がロータコア４から十分遠くに隔てられている場合、又は磁界に晒されるスリーブ１１の質量が比較的小さい場合である。

軸受カートリッジ５の構成要素（即ち、軸受７、８、スペーサ９、ばね１０及びスリーブ１１）は、シャフト２の熱膨張率と実質的に一致する熱膨張率を有している。このことにより、不均一な熱膨張に起因する軸受カートリッジ５の破損を防止する。しかしながら、１つ又は２つ以上の構成要素の熱的一致は、特にロータ組立体１が作動する温度範囲が比較的小さい場合、必要でないことがある。軸受７、８がシャフト２及びスリーブ１１に固着されているので、シャフト２及びスリーブ１１の不均一な熱膨張が、各軸受７、８の内レース１２を外レース１５に対して移動させる。これにより、軸受７、８の予圧の不都合な変化を引き起こすことがある。少なくともシャフト２とスリーブ１１が熱的に一致することを確保することによって、予圧の不都合な変化を回避することができる。

汚れ防止用キャップ６は、ロータコア４に近接した軸受カートリッジ５の端部に隣接してシャフト２に固着されている。汚れ防止用キャップ６は、カラー１８を有し、カラー１８は、その一端に形成されたフランジ１９を有している。カラー１８は、フランジ１９が軸受７の内レース１２に当接するようにシャフト２に固着されている。フランジ１９は、シャフト２から半径方向外方に延び、内レース１２とシールド１６の間の軸受７の環状隙間を覆っており、その利点をここで説明する。

ロータ組立体１を使用するとき、羽根車３の回転により、羽根車３の下における圧力の減少を引き起こす。しかしながら、ロータコア４における圧力は不変である。その結果、軸受カートリッジ５の長さ方向に沿った圧力勾配が引き起こされ、圧力勾配は、流体を軸受カートリッジ５の中を通るように流す。流体は、ロータコア４に隣接した軸受７の内レース１２とシールド１６の間の隙間から軸受カートリッジ５に入る。流体によって運ばれる汚れは、軸受７によって捕捉されるおそれがあり、かくして、性能が損なわれ、最終的には、軸受７の時期尚早な破損が生じることがある。汚れ防止用キャップ６は、流体をフランジ１９周りの回旋状経路に強制的に従わせることによって、軸受７に入る汚れの量を減少させる。この回旋状経路により、ほとんどの汚れは、軸受７から遠ざかるように半径方向外方に投げ出される。加えて、フランジ１９と軸受７の間の空間は、フランジ１９がシールド１６に対して回転しているときにフランジ１９と軸受７の間に減圧領域を生じさせるのに十分に小さい。その結果、軸受カートリッジ５を横切る圧力勾配が減少し、かくして、軸受カートリッジ５の中を通る流体の流量が減少する。軸受７に入る汚れの量を減少させると、特にロータ組立体１が汚れ含有環境で採用される場合、軸受の寿命が延長される。

各軸受７、８が１対のシールド１６を有しているけれども、軸受カートリッジ５の内部は、外部環境に直接さらされていない。従って、スペーサ９及びばね１０に隣接した方の各軸受７、８の端部のシールド１６を省略してもよい。しかしながら、各シールド１６は、軸受カートリッジ５の中を通る流体の流れに対して抵抗を付与し、かくして、各軸受７、８のいずれかの端部にシールド１６を設けることは、軸受カートリッジ５に入る汚れの量を最小にすることを助ける。

上述した実施形態では、シールド１６は、各軸受７、８の外レース１５に固着されている。従って、汚れ防止用キャップ６は、ロータコア４に隣接している軸受７の内レース１２とシールド１６との間に形成された環状隙間を覆っている。しかしながら、シールド１６が内レース１２にシールされた又は全く省略された変形デザインの軸受７が可能である。結果として、シールド１６と外レース１５の間の環状隙間又は内レース１２と外レース１５の間の環状隙間が、変形例として存在していてもよい。変形デザインの軸受を採用する場合、フランジ１９の直径は、汚れ防止用キャップ６が任意の隙間を覆ったままになるように構成されるのがよい。

本発明のロータ組立体１は、既知のロータ組立体、特に、シャフトが端部軸受によって支持されているロータ組立体に優るいくつかの利点を有する。本発明のロータ組立体１であれば、シャフト２は、間隔を隔てた２つの軸受７、８によって支持され、良好な安定性が得られる。シャフト２をその端部のところではなくその中心のところで支持することによる安定性の減少は、スペーサ９によって補償され、スペーサ９は、シャフト剛性に寄与する。ロータ組立体１の軸受７、８に、良好に定められた同じ力の予圧荷重が付与され、かくして、軸受の寿命を延長させる。このことは、シャフトが端部軸受によって支持され且つ軸受と関連した公差の積重なりにより正確な予圧の付与を困難にするロータ組立体に対して対照的である。ロータ組立体１の更なる利点は、スリーブ１１を設けた点にあり、スリーブ１１は、軸受７、８を整列させるのに使用される。その結果、ロータ組立体１をハウジングに固着させたとき、ハウジング内におけるシャフト２の整列が確保される。このことも、シャフトが端部軸受によって支持され且つ公差の積重なりによりハウジング内におけるシャフトの正確な整列を困難にするロータ組立体に対して対照的である。軸受７、８を整列させることに加えて、スリーブ１１は、軸受７、８のヒートシンクとして作用し、かくして、軸受の寿命を更に延長させる。軸受カートリッジ５は、ロータ組立体１をハウジングに固着させる単一の締結部を構成する。その結果、ロータ組立体１の固着は、複数の端部軸受を有するロータ組立体の固着よりも容易且つ安価である。羽根車及びロータコアが軸受カートリッジの両側でシャフトに取付けられるので、本発明は、ロータ組立体のコンパクトな設計を提供する。更に、２つの質量部が軸受カートリッジの両側に配置されるので、２つの軸受の半径方向負荷がより均一になるようにバランスがとられ、かくして、軸受の寿命を延長させる。このことは、複数の軸受が典型的には異なる半径方向負荷を受ける他のロータ組立体に対して対照的である。最後に、本発明のロータ組立体１は、圧縮機内への組込みの前に、完全なユニット（即ち、シャフト、羽根車、ロータコア及び軸受カートリッジ）として動的なバランスがとられるのがよい。このことは、圧縮機内で組立てられなければならず、従って、完全なユニットとして動的なバランスをとることができない他のロータ組立体に対して対照的である。

１ ロータ組立体
２ シャフト
３ 羽根車
４ ロータコア
５ 軸受カートリッジ
６ 汚れ防止用キャップ
７、８ 軸受
９ スペーサ
１０ ばね
１１ スリーブ
１９ フランジ

Claims (8)

1. ロータ組立体であって、
   シャフトを有し、前記シャフトに、羽根車と、モータのロータコアと、軸受カートリッジが取付けられ、
   前記軸受カートリッジは、前記羽根車と前記モータのロータコアとの間に取付けられ、
   前記軸受カートリッジは、１対の軸受と、前記軸受の各々に予圧を付与するばねと、前記軸受を包囲するスリーブとを有し、各軸受は、内レースと外レースを有し、前記外レースは前記スリーブに固着され、前記内レースは前記シャフトに固着され、
   前記スリーブは、前記シャフトの熱膨張率と実質的に一致する熱膨張率を有する、ロータ組立体。
2. 前記スリーブは、ロータコア及び／又はロータコアを駆動するために使用されるステータからの可変磁界に晒され、電気絶縁性材料で形成される、請求項１に記載のロータ組立体。
3. 前記スリーブは、ロータコア及び／又はロータコアを駆動するために使用されるステータからの可変磁界に晒され、非磁性材料で形成される、請求項１又は２の何れか１項に記載のロータ組立体。
4. 前記ロータ組立体の質量中心が前記軸受カートリッジ内に配置される、請求項１〜３の何れか１項に記載のロータ組立体。
5. 更に、スペーサを有し、前記スペーサは、前記シャフトを包囲し、前記１対の軸受を分離し、前記シャフトの剛性に寄与する、請求項１〜４の何れか１項に記載のロータ組立体。
6. 前記軸受及び前記スペーサは、前記シャフトの熱膨張率と実質的に一致する熱膨張率を有する、請求項５に記載のロータ組立体。
7. 前記シャフトは、軟磁性材料で形成される、請求項１〜６の何れか１項に記載のロータ組立体。
8. 更に、前記モータのロータコアに隣接した方の前記軸受の環状隙間を覆う汚れ防止用キャップを有し、前記汚れ防止用キャップは、前記シャフトに固着され且つフランジを有し、前記フランジは、前記環状隙間を覆うように前記シャフトから半径方向外方に延びる、請求項１〜７の何れか１項に記載のロータ組立体。

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