JP6595251B2

JP6595251B2 - 空気圧縮機

Info

Publication number: JP6595251B2
Application number: JP2015157561A
Authority: JP
Inventors: 力吉田; 拓也大澤; 敬堀; 秀和香ノ木
Original assignee: Max Co Ltd
Current assignee: Max Co Ltd
Priority date: 2015-08-07
Filing date: 2015-08-07
Publication date: 2019-10-23
Anticipated expiration: 2035-08-07
Also published as: JP2017036691A

Description

この発明は、空気圧縮機に関し、特に、モータを作動させたときの騒音を抑制できる空気圧縮機に関する。

工事現場などでは、現場毎に移動できる可搬型の空気圧縮機が使用されている。このような、可搬型の空気圧縮機の多くは、圧縮機構と、圧縮機構を駆動するモータと、圧縮空気を貯留するタンクとが一体に構成されている。これらを一体に構成するため、クランクケース内にモータの回転軸を回転自在に設け、この回転軸にクランク構造を直結させたものが使用されている（例えば特許文献１参照）。

従来の空気圧縮機では、例えば図６に示すように、モータのステータ３５'はボルトＢなどの固定手段でクランクケースに固定される。この例が示すように、ステータ３５'の固定箇所は周方向に均等に配置されることが一般的であった。このような均等配置が選択されるのは、加工上・型製作上で手間がかからないためである。

特開２００９−２４６０３号公報

しかしながら、上記のようにステータとクランクケースとの固定箇所を周方向に均等配置とした場合、固定箇所を節とした均一なモード振動が発生するため、モータの回転の基本周波数（及び次数倍の周波数）によってステータのモード振動が増幅され、騒音が発生する場合があった。

近年の空気圧縮機は、インバータ制御によって駆動され、効率よく空気圧縮を行えるように電圧変動や負荷変動に応じて、モータ回転数が動的に変動する。このようにモータ回転数が動的に変動した結果、特定の回転数においてステータの共振によって振動が増大し、大きな騒音が発生することがある。

しかも、可搬式の空気圧縮機では軽量化も重要な要素であり、ステータを肉薄にしたいという要求がある。ステータを肉薄にした場合、ステータの振動が抑制しにくいために上記したような騒音が発生しやすくなる。
そこで、本発明は、ステータを肉薄にした場合でも共振を抑制でき、騒音の発生を抑制することができる空気圧縮機を提供することを課題とする。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、以下を特徴とする。

請求項１記載の発明は、クランクケースと、前記クランクケースに取り付けられる圧縮機構と、前記圧縮機構を作動させるためのモータと、を備え、前記モータは、回転軸と、前記回転軸に固定されたロータと、前記クランクケースに固定されたステータと、を備え、前記ステータは、周方向に不等間隔で設けられた複数の固定部において前記クランクケースに固定されており、前記圧縮機構は、低圧用圧縮機構と高圧用圧縮機構とを備え、前記低圧用圧縮機構及び前記高圧用圧縮機構は、前記回転軸を挟んで対向配置され、前記複数の固定部のうちの少なくとも１つは、前記低圧用圧縮機構と前記高圧用圧縮機構とが対向配置された中心線上に配置されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、上記した請求項１に記載の発明の特徴点に加え、前記複数の固定部のうちの少なくとも１つは、前記中心線と直交し、かつ前記回転軸を通過する線上に配置されていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明は上記の通りであり、前記ステータは、周方向に不等間隔で設けられた複数の固定部において前記クランクケースに固定されている。このような構成によれば、ステータの固定箇所が不均等であるため、振動の節以外の場所に固定箇所が配置されることとなり、低次のモード振動が発生しにくくなる。よって、ステータを肉薄にした場合でもモータの回転による共振を抑制でき、騒音の発生を抑制することができる。

また、前記複数の固定部のうちの少なくとも１つは、前記低圧用圧縮機構と前記高圧用圧縮機構とが対向配置された中心線上に配置されている。このように低圧用圧縮機構と高圧用圧縮機構との中心に固定箇所を設けることで、特に影響の大きい二次モードの振動を効果的に抑制することができる。

また、請求項２に記載の発明は上記の通りであり、前記複数の固定部のうちの少なくとも１つは、前記中心線と直交し、かつ前記回転軸を通過する線上に配置されているので、より効果的に二次モードの振動を抑制することができる。

空気圧縮機の内部構造を示すために一部を断面で表示した平面図である。カバーを取り外した空気圧縮機の側面図である。クランクケースとモータとの固定箇所を示す図である。ステータの固定部のバリエーションを示す図である。ステータの固定部の更なるバリエーションを示す図である。従来のステータの固定部を示す図である。

本発明の実施形態について、図を参照しながら説明する。

本実施形態に係る空気圧縮機１０は、可搬型コンプレッサであり、図１及び図２に示すように、クランクケース１１と、クランクケース１１に取り付けられる圧縮機構４０と、圧縮機構４０を作動させるためのモータ３０と、圧縮機構４０によって生成した圧縮空気を貯留するためのタンク４５と、を備えている。
クランクケース１１は、圧縮機構４０を収容するためのものであり、ケース本体１４と、ケース本体１４の開口を覆うケースキャップ２０と、を備えている。

ケース本体１４は、例えばアルミニウム等の金属材料からなる中空容器として形成されている。ケース本体１４の前部には、開口が設けられ、この開口をケースキャップ２０が覆っている。また、このケース本体１４の両側には、圧縮機構４０のシリンダ４１ｃ，４２ｃが取り付けられている。また、このケース本体１４の後部には、圧縮機構４０の駆動源となるモータ３０が取付けられている。具体的には、ケース本体１４の後部には、周壁部１５が突出して設けられており、この周壁部１５の端部にモータ３０のステータ３５が取り付けられている。

ケースキャップ２０は、例えばアルミニウム等の金属材料からなる円盤状の部材である。このケースキャップ２０には、外部に開口した吸気口が設けられている。

上記したクランクケース１１の内部は圧縮機構４０に圧縮用の空気を供給するための給気室Ｓとなっている。この給気室Ｓは圧縮機構４０のシリンダ４１ｃの内部と連通しており、給気室Ｓの空気を使用して圧縮空気が生成される。具体的には、圧縮機構４０の圧縮行程において、ピストン４１ｂが上死点側に移動することで給気室Ｓ内に負圧が発生し、ケースキャップ２０に設けられた吸気口を通じて外部の空気が給気室Ｓに取り込まれる。続く吸気工程において、ピストン４１ｂが下死点側に移動し、シリンダ４１ｃの圧縮室が負圧となって給気室Ｓ内の空気がシリンダ４１ｃ内に導入されて圧縮されるようになっている。

モータ３０は、ロータ３２を環状のステータ３５の内側に配置したインナーロータ型のＤＣブラシレスモータである。ロータ３２及びステータ３５は、例えば鋼板を積層して形成されている。本実施形態に係るステータ３５は、例えば図４（ａ）に示すようなステータコア３７にコイルを巻回して形成されている。具体的には、ステータコア３７は、リング状の環状部３７ａと環状部３７ａの内側に等間隔で突出した歯部３７ｂとを備えており、この歯部３７ｂのそれぞれにコイルを巻回して形成されている。

なお、モータ３０の回転軸３１は、ケース本体１４に取り付けられた第１軸受１２と、ケースキャップ２０に取り付けられた第２軸受１３とにより回転自在に支持されている。回転軸３１にはロータ３２が固定されており、モータ３０が作動してロータ３２が回転したときに、ロータ３２と一体的に回転軸３１が回転する。

本実施形態に係る空気圧縮機１０は、モータ３０を大径化することにより、トルクアップと、低回転化が図られている。具体的には、従来の同等の機種においては、モータ３０のサイズ（ロータ３２の外径、厚さ）が約φ７０×３０ｍｍであったのに対し、本実施形態に係る空気圧縮機１０においては、モータ３０のサイズを約φ９０×２０ｍｍとしている。このようにモータ３０を大径化したことにより、モータ３０が薄型になっている。

圧縮機構４０は、上記したモータ３０によって作動するものであり、ピストン４１ｂ，４２ｂを往復動させることでシリンダ４１ｃ，４２ｃ内に導入された空気を圧縮する。本実施形態に係る圧縮機構４０は、低圧用圧縮機構４１と高圧用圧縮機構４２とを備えた多段圧縮機構である。すなわち、給気室Ｓ内の空気は、まず低圧用圧縮機構４１によって圧縮される。低圧用圧縮機構４１によって圧縮された空気は、高圧用圧縮機構４２に導入され、高圧用圧縮機構４２によって更に圧縮される。このように二段階で圧縮された空気がタンク４５に送られて貯留される。

上記した低圧用圧縮機構４１及び高圧用圧縮機構４２は、図１及び図２に示すように、クランクケース１１の両側に対向配置されている。すなわち、クランクケース１１の片側に低圧用圧縮機構４１が突出して取り付けられており、この低圧用圧縮機構４１の反対側に高圧用圧縮機構４２が突出して取り付けられている。

低圧用圧縮機構４１及び高圧用圧縮機構４２は、それぞれモータ３０の回転軸３１に接続されたコンロッド４１ａ，４２ａを備えている。このコンロッド４１ａ，４２ａは、回転軸３１に固定された偏心板を介して回転軸３１に接続されており、回転軸３１の回転運動を往復動に変換する。このコンロッド４１ａ，４２ａの先端にはピストン４１ｂ，４２ｂが取り付けられているため、モータ３０の回転に伴いピストン４１ｂ，４２ｂがシリンダ４１ｃ，４２ｃ内で往復動し、シリンダ４１ｃ，４２ｃ内の空気を圧縮する。

ところで、上述したように、モータ３０のステータ３５はクランクケース１１（詳しくはケース本体１４の周壁部１５）に取り付けられている。クランクケース１１にステータ３５を取り付けるときには、ボルトなどの留具をステータ３５に貫通させ、ステータ３５に貫通させた留具をクランクケース１１に螺着させて固定する。留具で数箇所を固定することにより、クランクケース１１にステータ３５を取り付ける。この複数の留具の取り付け位置が、ステータ３５の固定部３６である。

従来の取付方法では、図６に示すように、周方向に均等に配置されたボルトＢでステータ３５'を固定していた。このように固定箇所を均等配置としていたのは、クランクケース１１、ステータ３５'の加工上・型製作上で手間がかからないためである。また、一般的に強度を向上させるには、均等配置とした方が、応力に偏りが無くなり有利であるからである。しかしながら、固定箇所を均等配置とした場合、固定箇所を節とした均一なモード振動が発生しやすいため、モータ３０の回転の基本周波数（及び次数倍の周波数）によってステータ３５'のモード振動が共振により増幅され、騒音が発生する場合があった。

この点、本実施形態においては、図３に示すように、ステータ３５は、周方向に不等間隔で設けられた複数の固定部３６においてクランクケース１１に固定されている。このため、ステータ３５の固定箇所すべてが節となるような振動は、高次モードの振動に限られるため、モータ３０の回転による共振が発生しにくい。

また、この複数の固定部３６のうちの１つは、低圧用圧縮機構４１と高圧用圧縮機構４２の駆動方向に直交し、かつ回転軸３１を通過する中心線Ｃ上に配置されている。本実施形態においては、低圧用圧縮機構４１及び高圧用圧縮機構４２のシリンダ４１ｃ，４２ｃの軸が水平方向に配置されているため、ピストン４１ｂ，４２ｂの往復動方向も水平方向となる。このピストン４１ｂ，４２ｂの往復動方向に直交し、モータ３０の回転軸３１を通過する中心線Ｃ上（本実施形態においては、モータ３０の回転軸３１の中心を通過する鉛直線上）に少なくとも１つの固定部３６が設けられている。

このように低圧用圧縮機構４１と高圧用圧縮機構４２とが対向配置された圧縮機構４０では、圧縮方向（この場合水平方向）及び圧縮方向と直交する方向（この場合垂直方向）において、最も振幅が大きくなるような振動を発生させるため、最も振幅が大きい箇所を固定することで、振動を抑制できる。

上記したように、本実施形態によれば、前記ステータ３５は、周方向に不等間隔で設けられた複数の固定部３６において前記クランクケース１１に固定されている。

固有振動は、節の位置が等間隔で出現するので、隣り合う固定部３６同士の間隔が広いところと、狭いところがあれば、全ての固定部３６が節になることが無い。本実施形態は、固定部３６を不等間隔で設けているため、隣り合う固定部３６同士の間隔が広いところと、狭いところが存在しており、固定箇所すべてが節となるような固有振動が発生しにくい。

よって、ステータ３５を肉薄にした場合でも共振を抑制でき、騒音の発生を抑制することができる。

ところで、本実施形態にかかる空気圧縮機１０は可搬型コンプレッサである。この種の建築用の可搬型コンプレッサに共通する課題として、小型軽量化と低騒音化がある。本実施形態においては、小型軽量化のために圧縮機構４０を密閉式のカバーで覆っていない。このため、運転時の作動音が問題になりやすいが、こうした機械であっても騒音の発生を抑制することができる。

なお、低周波数のモード振動を発生しにくくするためには、ステータ３５の形状を不均一にする方法も考えられるが、ステータ３５の形状を不均一にした場合には作成コストが嵩んだり、軽量化の弊害となったりといった問題がある。この点、本実施形態によれば、ステータ３５の固定箇所を不均等にすることで低次のモード振動を発生しにくくしているので、ステータ３５の形状を不均一にする必要がない。よって、本実施形態に係るステータ３５は、図３等に示すように、低圧用圧縮機構４１と高圧用圧縮機構４２とが対向配置された中心線Ｃを対称軸として線対称に形成され、肉厚も均一に形成されている。

また、前記複数の固定部３６のうちの少なくとも１つは、前記低圧用圧縮機構４１と前記高圧用圧縮機構４２とが対向配置された中心線Ｃ上に配置されている。このように低圧用圧縮機構４１と高圧用圧縮機構４２との中心に固定箇所を設けることで、特に影響の大きい二次モードの振幅を効果的に抑制するので、共振による騒音の発生を抑制することができる。

なお、本発明の実施形態としては上記した態様に限らず、例えば図４及び図５に示すような態様としてもよい。図４（ａ）及び（ｂ）は、固定部３６が３箇所の例である。図４（ｃ）〜（ｆ）は、固定部３６が４箇所の例である。図５（ａ）〜（ｅ）は、固定部３６が５箇所の例である。図５（ｆ）〜（ｈ）は、固定部３６が６箇所の例である。図５（ｉ）は、固定部３６が１０箇所の例である。これらの例が示すように、固定部３６のバリエーションは種々のものが考えられ、ステータ３５の固有振動数やモード振動数を考慮して適宜変更が可能である。
例えば、図４（ｃ）、図４（ｅ）、図５（ｅ）、図５（ｇ）、図５（ｈ）、図５（ｉ）が示すように、中心線Ｃ上に２つの固定部３６を設けてもよい。

また、図４（ｄ）、図４（ｅ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）、図５（ｄ）、図５（ｆ）、図５（ｇ）、図５（ｈ）、図５（ｉ）が示すように、複数の固定部３６を、中心線Ｃを対称軸として線対称で配置してもよい。

また、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）、図４（ｆ）、図５（ａ）、図５（ｅ）が示すように、複数の固定部３６を、中心線Ｃを対称軸として非線対称で配置してもよい。

また、図５（ａ）〜（ｉ）が示すように、ステータコア３７の形状を異なる形状としてもよい。

なお、低周波数帯で発生する二次の振動モードを想定すると、節が９０度間隔で出現するため４５度の位置における振幅が大きい。４５度の位置に固定部を配置すれば、振動を抑制できるので、４５度に均等配置しなくても、４５度位置に１か所配置するだけで、二次の振動を抑制する効果が得られる。例えば、複数の固定部３６のうちの少なくとも１つを、中心線Ｃと直交する線上（シリンダ４１ｃ，４２ｃの軸方向の線上）に配置するようにすれば、より効果的に二次モードの振動を抑制することができる。

１０空気圧縮機
１１クランクケース
１２第１軸受
１３第２軸受
１４ケース本体
１５周壁部
２０ケースキャップ
３０モータ
３１回転軸
３２ロータ
３５ステータ
３６固定部
３７ステータコア
３７ａ環状部
３７ｂ歯部
４０圧縮機構
４１低圧用圧縮機構
４１ａコンロッド
４１ｂピストン
４１ｃシリンダ
４２高圧用圧縮機構
４２ａコンロッド
４２ｂピストン
４２ｃシリンダ
４５タンク
Ｓ給気室
Ｃ中心線
Ｂボルト

Claims

クランクケースと、
前記クランクケースに取り付けられる圧縮機構と、
前記圧縮機構を作動させるためのモータと、
を備え、
前記モータは、回転軸と、前記回転軸に固定されたロータと、前記クランクケースに固定されたステータと、を備え、
前記ステータは、周方向に不等間隔で設けられた複数の固定部において前記クランクケースに固定されており、
前記圧縮機構は、低圧用圧縮機構と高圧用圧縮機構とを備え、
前記低圧用圧縮機構及び前記高圧用圧縮機構は、前記回転軸を挟んで対向配置され、
前記複数の固定部のうちの少なくとも１つは、前記低圧用圧縮機構と前記高圧用圧縮機構とが対向配置された中心線上に配置されていることを特徴とする、空気圧縮機。
前記複数の固定部のうちの少なくとも１つは、前記中心線と直交し、かつ前記回転軸を通過する線上に配置されていることを特徴とする、請求項１記載の空気圧縮機。