JP6971644B2 - 回転電機及びそれを備えた半密閉型スクリュー圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機及びそれを備えた半密閉型スクリュー圧縮機に関する。

特許文献１に開示された回転電機の固定子は、巻線の熱膨張を許容しつつ、電磁力による巻線端の変形を抑制するための巻線端支持装置を備える。

特開昭４８−５７１０１号公報

特許文献１の巻線端支持装置は、巻線端を固定して電磁力による変形を抑制する支持環と、固定子に固定された支持腕と、巻線の熱膨張による変位を許容する態様で支持環を支持腕に連結する機構とを備え、構造が複雑である。

また、特許文献１の巻線端支持装置は、アンモニアガス雰囲気のような腐食性ガス雰囲気での使用は考慮されていない。一般に、ワニス、エポキシ樹脂等を巻線端に塗布して固めることで、電磁力による巻線端の変形を抑制できる。しかし、例えば、アンモニアガス雰囲気では、ワニス、エポキシ樹脂等は腐食するため、この手法は採用できない。

本発明は、腐食性ガス雰囲気において、簡易な構造によって、固定子の巻線の熱膨張は許容しつつ、巻線端の電磁力による変形を抑制することを課題とする。

本発明の第１の態様は、腐食性ガス雰囲気に配置された、固定子と、回転子とを備え、前記固定子は、固定子鉄心と、前記固定子鉄心に巻かれた複数の導線からなり、前記固定子鉄心に収容された巻線辺と、前記固定子鉄心の端部の外側に配置された巻線端とをそれぞれ備える複数の巻線と、前記腐食性ガスに対して耐食性を有し、前記巻線端の外側に配置された第１支持部材と、前記腐食性ガスに対して耐食性を有し、前記巻線端を前記第１支持部材に対して結束して固定する第１結束部材とを備え、前記第１支持部材は、前記巻線端以外の要素には固定されておらず、前記導線はアルミニウム又はアルミニウム合金からなる芯線を備え、前記第１支持部材はリング状部材である、回転電機を提供する。

巻線端が第１結束部材によって第１支持部材に対して固定されていることで、電磁力による巻線端の変形が抑制ないし防止される。第１支持部材は巻線端以外の要素には連結されていないので、巻線の熱膨張は許容される。巻線端を第１結束部材によって第１支持部材に結束して固定するという簡易な構成によって、固定子の巻線の熱膨張は許容しつつ、巻線端の電磁力による変形を抑制できる。第１支持部材と第２結束部材はいずれも、腐食性ガスに対して耐食性を有するので、第１支持部材又は第２結束部材が腐食することで、巻線端の電磁力による変形抑制が損なわれることがない。

前記腐食性ガスは、例えばアンモニアガスである。前記導線は前記芯線を覆うテフロン製の外装を備えてもよい。

前記第１結束部材は可撓性を有する長尺部材であってもよい。この場合、前記巻線端は前記第１結束部材によって前記第１支持部材に対して縛り付けられている。

前記巻線端の前記巻線辺と隣接する部分において前記複数の導線を互いに結束する結束要素をさらに備えてもよい。

この構成により、巻線の熱膨張の許容を損なうことなく、巻線端の電磁力による変形をより確実に抑制できる。

具体的には、前記結束要素は、前記複数の導線の外側を囲むカラー部材と、前記カラー部材を前記複数の巻線と共に締め付ける締付部材とを備えてもよい。

回転電機は、前記腐食性ガスに対して耐食性を有し、前記巻線端の外側に配置された第２支持部材と、前記腐食性ガスに対して耐食性を有し、前記巻線端を前記第２支持部材に結束して固定する第２結束部材とをさらに備えてもよい。この場合、前記第２支持部材は、前記巻線端以外の要素には固定されていない。

回転電機は、前記腐食性ガスに対して耐食性を有し、前記巻線端の端部の内側に配置された第３支持部材と、前記腐食性ガスに対して耐食性を有し、前記巻線端を前記第３支持部材に対して結束して固定する第３結束部材とをさらに備えてもよい。この場合、前記第３支持部材は、前記巻線端以外の要素には固定されていない。

本発明の第２の態様は、第１の態様の回転電機と、前記腐食性ガスを圧縮するスクリュー圧縮機本体とを備え、前記回転電機が前記スクリュー圧縮機本体を駆動する電動機であり、前記固定子及び前記回転子を収容する前記電動機のケーシングと、前記スクリュー圧縮機本体のケーシングとが、互いに内部空間が連通する状態で接続されている、半密閉型スクリュー圧縮機を提供する。

本発明の回転電機及びそれを備える半密閉型スクリュー圧縮機によれば、腐食性ガス雰囲気においても、簡易な構造で、固定子の巻線の熱膨張は許容しつつ、巻線端の電磁力による変形を抑制できる。

本発明の第１実施形態に係る電動機を備える圧縮機の断面図。 固定子を図１の矢印Ａの方向から見た図。 固定子の側面図。 巻線端及びリング状部材を示す部分断面拡大図。 導線の断面図。 リング状部材の断面図。 巻線辺が固定子の端部から突出する部分の断面図。 リング部材の代案を示す部分拡大断面図。 本発明の第２実施形態に係る電動機の固定子の側面図。 本発明の第３実施形態に係る電動機の固定子の図２と同様の図。

（第１実施形態）
図１に示す圧縮機１は、半密閉型スクリュー圧縮機であり、圧縮機本体２（スクリュー圧縮機本体）と、本発明の第１実施形態に係る電動機３とを備える。圧縮機本体２は、第１段圧縮機本体４と、第２段圧縮機本体５とを備える。本実施形態における圧縮機本体２は、腐食性ガスの一種であるアンモニアガスを圧縮する。

圧縮機本体２のケーシング６の図１において右側に、電動機３のケーシング７が接続されており、これらのケーシング６，７の端部間に外部に対して密閉された接続空間８が画定されている。

圧縮機本体２のケーシング６は、第１段圧縮機本体４のスクリューロータ対１１が回転可能に収容されたロータ室１２と、このロータ室１２の下方に配置された第２段圧縮機本体５のスクリューロータ対１３が収容されたロータ室１４を備える。各スクリューロータ対１１，１３を構成するスクリューロータのロータ軸１６，１７は、ケーシング６に保持された軸受１８Ａ，１８Ｂ，１９Ａ，１９Ｂによって、水平方向に延びる姿勢で回転自在に支持されている。ロータ軸１６，１７の接続空間８に位置する端部には、従動歯車２１，２２が固定されている。

ケーシング６の図１において左上部には、第１段圧縮機本体４の吸込口２３が設けられている。第１段圧縮機本体４の吐出口２４は接続空間８に開口している。第２段圧縮機本体５の吸込口２５も接続空間８に開口している。つまり、第１段圧縮機本体４の吐出口２４と第２段圧縮機１の吸込口２５は、接続空間８を介して流体的に連通している。ケーシング６の図１において左下部には、第２段圧縮機本体５の吐出口２６が設けられている。

電動機３は、出力軸３１と、出力軸３１に固定された回転子３２と、ケーシング７に固定された固定子３３とを備える。固定子３３は概ね筒状であり、回転子３２の外周面に対して間隔をあけて配置されている。固定子３３と回転子３２は、ケーシング７の内部空間３４に収容されている。出力軸３１は、ケーシング７に保持された軸受３５Ａ，３５Ｂによって、水平方向に延びる姿勢で回転自在に支持されている。出力軸３１は、大部分がケーシング７の内部空間３４内に収容されているが、図において左側の端部は接続空間８内に突出している。出力軸３１の接続空間８内に突出する端部には、駆動歯車３６が固定されている。駆動歯車３６は、第１圧縮機本体２の従動歯車２１と、第２圧縮機本体２の従動歯車２２とに噛合している。

電動機３の出力軸３１の回転は、駆動歯車３６と従動歯車２１，２２を介して、第１段及び第２段圧縮機本体４，５のスクリューロータ対１１，１２に伝達される。スクリューロータ対１１，１２の回転により、第１段圧縮機本体４の吸込口２３から吸い込まれたアンモニアガスが圧縮され、第２段圧縮機本体５の吐出口２６から吐出される。具体的には、第１段圧縮機本体４の吸込口２３から吸い込まれたアンモニアガスは、スクリューロータ対１１によって圧縮され、第１段圧縮機本体４の吐出口２４から接続空間８に吐出される。接続空間８に吐出されたアンモニアガスは、第２圧縮機本体２の吸込口２５から吸い込まれて、スクリューロータ対１３によって圧縮され、吐出口２６から吐出される。接続空間８と電動機３のケーシング７の内部空間３４とは、ケーシング７の図１において右側の端部に設けられた連通孔７ａを介して流体的に連通している。従って、圧縮機本体２の動作中は、ロータ室１２，１４及び接続空間８だけでなく内部空間３４もアンモニアガスが充満している。つまり、前述のように内部空間３４に収容された固定子３３と回転子３２とは、アンモニアガス雰囲気（腐食性ガス雰囲気）にある。言い換えれば、電動機３のケーシング７と圧縮機本体２のケーシング６とが接続されていることによって、ケーシング７の内部空間３４と、ケーシング６の内部空間であるロータ室１２，１４とが、互いに連通している。そして、互いに連通する内部空間３４とロータ室１２，１４とによって半密閉状態の腐食性ガス雰囲気が形成されている。

図１に加えて図２から図４を併せて参照すると、固定子３３は、積層された電磁鋼板からなる固定子鉄心４１と、複数の巻線（コイル）４２とを備える。固定子鉄心４１の内側には複数のスロット４１ａが形成されている。個々の巻線４２は固定子鉄心４１のスロット４１ａに導線４３を巻回することで構成されている。つまり、個々の巻線４２は複数の導線４３により構成されている。個々の巻線４２は、スロット４１ａに収容された巻線辺（コイルサイド）４２ａと、固定子鉄心４１の端部の外側に配置された巻線端（コイルエンド）４２ｂを備える。巻線端４２ｂは出力軸３１の周方向に湾曲されており、隣合う巻線端４２ｂは、周方向で互いに重なり合うように隣接している。

図５を併せて参照すると、本実施形態における導線４３は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる芯線４３ａと、芯線４３ａを覆うテフロン（ＰＴＦＥ）製の外装４３ｂとを備える。前述のように固定子３３が配置された内部空間３４はアンモニアガス雰囲気にあるので、テフロン製の外装４３ｂで覆うことで芯線４３ａが腐食しないように保護されている。

電動機３の作動中に巻線端４２ｂに作用する電磁力は、巻線端４２ｂを図１において矢印Ｂで示す方向（出力軸３１の径方向）に変形させようとする。この電磁力による変形の結果、巻線端４２ｂがケーシング７あるいは回転子３２に接触すると、導線４３の焼損等の原因となり得る。一方、電動機３の作動中、巻線４２、特に、巻線辺４２ａの導線４３が熱膨張し、この熱膨張に起因して巻線端４２ｂが図１において矢印Ｃで示す方向（出力軸３１の長手方向）に変位させようとする。本実施形態では、巻線４２の熱膨張は許容しつつ、電磁力による巻線端４２ｂの変形を抑制ないし防止するために、複数の巻線端４２ｂの外側に配置されたリング状部材４４（第１支持部材）に対して、個々の巻線端４２ｂを固定している。

図６を併せて参照すると、本実施形態におけるリング状部材４４は、一体構造の剛体である本体４４ａと、本体４４ａに巻き付けられて本体４４ａの外周面を覆う絶縁テープ４４ｂとを備える。本体４４ａは、非磁性体である材料からなり、電磁力による巻線端４２ｂの変形を拘束できる程度の強度を有する必要がある。また、本体４４ａはアンモニアガスに対する耐腐食性を有する必要がある。本実施形態におけるリング状部材４４の本体４４ａは、非磁性のプラスチック、非磁性のステンレス鋼、又は非磁性のプラスチックテープで全体が覆われた金属材料からなるリングを、耐腐食性を得るためにテフロン（ＰＴＦＥ）からなる絶縁テープ４４でカバリングしたものを使用している。非磁性のプラスチックテープはテフロン（ＰＴＦＥ）からなる絶縁テープ４４で代用しても良い。絶縁テープ４４ｂは、絶縁性を有するだけでなく、アンモニアガスに対する耐腐食性を有している。

図４に最も明瞭に示すように、本実施形態では、可撓性を有する長尺部材である結束テープ４５（第１結束部材）によって個々の巻線端４２ｂがリング状部材４４に対して縛り付けられ、それによって個々の巻線端４２ｂがリング状部材４４に対して固定されている。結束テープ４５は、フッ素樹脂（例えば、ＰＴＦＥ）からなり、電磁力に抗して巻線端４２ｂをリング状部材４４に固定した状態で維持できる強度を有すると共に、アンモニアガスに対する耐腐食性を有している。

リング状部材４４は、結束テープ４５によって巻線端４２ｂに対して固定されている以外、電動機３を構成するいかなる要素（例えば固定子鉄心４１）に対しても固定されていない。また、結束テープ４５による巻線端４２ｂとリング状部材４４との固定方法（即ち、結束テープ４５の巻き方）は、図４に示した態様に限定されない。

図７に最も明瞭に示すように、個々の巻線４２において、巻線端４２ｂが巻線辺４２ａと隣接する部分では、巻線４２を構成する導線４３が結束具（結束要素）４７によって外側から締め付けられている。これにより、巻線辺４２ａと隣接する部分の巻線端４２ｂにおける巻線４２の剛性を高めることができる。本実施形態における結束具４７は、複数の導線４３の外側を覆う短円筒状のカラー部材４８と、カラー部材４８を介して複数の導線４３を外側から締め付けるタイラップ４９（締付部材）とを備える。カラー部材４８には導線４３の束に対して外側に嵌めるためのスリット４８ａが設けられている。カラー部材４８とタイラップ４９はいずれも、フッ素樹脂（例えば、ＰＴＦＥ）からなり、アンモニアガスに対する耐腐食性を有している。

巻線端４２ｂが結束テープ４５によってリング状部材４４に対して固定されていることで、電磁力による巻線端４２ｂの変形（図１の矢印Ｂ参照）が抑制ないし防止される。また、リング状部材４４は巻線端４２ｂ以外の要素には連結されていないので、巻線４２の熱膨張（図１の矢印Ｃ参照）は許容される。つまり、巻線端４２ｂを結束テープ４５によってリング状部材に対して縛り付けて固定するという簡易な構成によって、固定子３３の巻線４２の熱膨張は許容しつつ、巻線端４２ｂの電磁力による変形を抑制できる。

また、結束具４７によって、巻線端４２ｂの巻線辺４２ａと隣接する部分を外側から締め付けているので、巻線４２の熱膨張の許容を損なうことなく、より効果的に電磁力による巻線端４２ｂの変形が抑制ないし防止される。

さらに、リング状部材４４、結束テープ４５、カラー部材４８、及びタイラップ４９はいずれも、アンモニアガスに対して耐食性を有するので、これらのいずれかが腐食することで、巻線端４２ｂの電磁力による変形抑制が損なわれることがない。

図８に示す代案のリング状部材４４は、アンモニアガスに対する耐腐食性を有する樹脂製であり、２つの半円状の部品、つまり半割部５０Ａ，５０Ｂを備える。これらの半割部５０Ａ，５０Ｂの両端は、一方に設けられた例えば矢尻状の係合部５０ａを他方に設けられた係合孔５０ｂに係合することで互いに連結されている。リング状部材は、１カ所で分割されている１個の要素であって、分割されている１カ所で連結したものであってもよい。また、リング状部材は３個以上の要素を連結したものであってもよい。

リング状部材４４に対する巻線端４２ｂの固定については、結束テープ４５に代えて、可撓性を有し、かつアンモニアガスに対する耐腐食性を有する紐を採用してもよい。

（第２実施形態）
図９に示す本発明の第２実施形態に係る電動機３では、第１実施形態と同様に、複数の巻線端４２ｂの外側にリング状部材４４が配置されて、個々の巻線端４２ｂは結束テープ４５によってリング状部材４４に縛り付けられて固定されている。また、複数の巻線端４２ｂの外側には、リング状部材４４よりも固定子鉄心４１に近い位置に、別のリング状部材５２（第２支持部材）が配置されている。個々の巻線端４２ｂは結束テープ５３（第２結束部材）によってリング状部材５２に対しても固定されている。リング状部材４５は巻線端４２ｂ以外の要素には連結されていない。リング状部材５２及び結束テープ５３の材質と構造は、リング状部材４４及び結束テープ４５とそれぞれ同様である。また、図８に示す構造を、リング状部材５２に対しても適用できる。

複数の巻線端４２ｂの外側に配置された２個のリング状部材４４，５２に対して個々の巻線端４２ｂが固定されているので、巻線４２の熱膨張は許容しつつ、巻線端４２ｂの電磁力による変形をより効果的に抑制できる。

複数の巻線端４２ｂの外側に３個以上のリング状部材を配置し、個々の巻線端４２ｂをそれらのリング状部材に対して結束テープで固定してもよい。

（第３実施形態）
図１０に示す本発明の第２実施形態に係る電動機３では、第１実施形態と同様に、複数の巻線端４２ｂの外側にリング状部材４４が配置されて、個々の巻線端４２ｂは結束テープ４５によってリング状部材４４に縛り付けられて固定されている。また、複数の巻線端４２ｂの内側に、別のリング状部材５４（第３支持部材）が配置されている。個々の巻線端４２ｂは、結束テープ５５（第３結束部材）によって、リング状部材５４に対しても固定されている。リング状部材５４は巻線端４２ｂ以外の要素には連結されていない。リング状部材５４及び結束テープ５５の材質と構造は、リング状部材４４及び結束テープ４５とそれぞれ同様である。また、図８に示す構造を、リング状部材５４に対しても適用できる。

複数の巻線端４２ｂの外側と内側にそれぞれ配置された２個のリング状部材４４，５４に対して個々の巻線端４２ｂが固定されているので、巻線４２の熱膨張は許容しつつ、巻線端４２ｂの電磁力による変形をより効果的に抑制できる。

複数の巻線端４２ｂの外側に２個以上のリング状部材を配置し、個々の巻線端４２ｂをそれそれらのリング状部材に対して結束テープで固定してもよい。また、複数の巻線端４２ｂの外側にリング状部材４４以外に１個又は複数のリング状部材を配置し、結束テープで個々の巻線端４２ｂを固定してもよい。

本発明は、第１実施形態のような上下配置の２段型スクリュー圧縮機の電動機に限定されず、タンデム式の２段型スクリュー圧縮機、単段型のスクリュー圧縮機を含む他の種類の圧縮機を駆動するための電動機に適用できる。また、本発明は、圧縮機の電動機以外の回転電機にも適用できる。例えば、本発明は、スクリュー膨張機のような膨張機によって駆動される発電機にも適用できる。

また、本発明の支持部材としては、周方向に連なる巻線端の特定の一部分における変形を抑制する場合には、リング状部材だけでなく特定の一部分を含む長さの円弧状部材を用いてもよい。さらに、上記本発明の実施形態において、支持部材、結束部材、結束要素、カラー部材および締付部材としてフッ素樹脂（例えば、ＰＴＦＥ）からなるものを示しているが、材料はそれに限定されず、少なくとも表面がアンモニアガスに対して耐食性を有する材料であってもよい。

１ 圧縮機
２ 圧縮機本体
３ 電動機
４ 第１段圧縮機本体
５ 第２段圧縮機本体
６，７ ケーシング
７ａ 連通孔
８ 接続空間
１１ スクリューロータ対
１２ ロータ室
１３ スクリューロータ対
１４ ロータ室
１６，１７ ロータ軸
１８Ａ，１８Ｂ，１９Ａ，１９Ｂ 軸受
２１，２２ 従動歯車
２３，２５ 吸込口
２４，２６ 吐出口
３１ 出力軸
３２ 回転子
３３ 固定子
３４ 内部空間
３５Ａ，３５Ｂ 軸受
３６ 駆動歯車
４１ 固定子鉄心
４１ａ スロット
４２ 巻線
４２ａ 巻線辺
４２ｂ 巻線端
４３ 導線
４３ａ 芯線
４３ｂ 外装
４４ リング状部材（第１支持部材）
４４ａ 本体
４４ｂ 絶縁テープ
４５ 結束テープ（第１結束部材）
４７ 結束具（結束要素）
４８ カラー部材
４８ａ スリット
４９ タイラップ（締付部材）
５０Ａ，５０Ｂ 半割部
５２ リング状部材（第２支持部材）
５３ 結束テープ（第２結束部材）
５４ リング状部材（第３支持部材）
５５ 結束テープ（第３結束部材）

Claims (9)

1. 腐食性ガス雰囲気に配置された、固定子と、回転子とを備え、
   前記固定子は、
   固定子鉄心と、
   前記固定子鉄心に巻かれた複数の導線からなり、前記固定子鉄心に収容された巻線辺と、前記固定子鉄心の端部の外側に配置された巻線端とをそれぞれ備える複数の巻線と、
   前記腐食性ガスに対して耐食性を有し、前記巻線端の外側に配置された第１支持部材と、
   前記腐食性ガスに対して耐食性を有し、前記巻線端を前記第１支持部材に対して結束して固定する第１結束部材と
   を備え、
   前記第１支持部材は、前記巻線端以外の要素には固定されておらず、
   前記導線はアルミニウム又はアルミニウム合金からなる芯線を備え、
   前記第１支持部材はリング状部材である、回転電機。
2. 前記腐食性ガスはアンモニアガスである、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記導線は前記芯線を覆うテフロン製の外装を備える、請求項１又は請求項２に記載の回転電機。
4. 前記第１結束部材は可撓性を有する長尺部材であり、前記巻線端は前記第１結束部材によって前記第１支持部材に対して縛り付けられている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機。
5. 前記巻線端の前記巻線辺と隣接する部分において前記複数の導線を互いに結束する結束要素を備える、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機。
6. 前記結束要素は、
   前記複数の導線の外側を囲むカラー部材と、
   前記カラー部材を前記複数の巻線と共に締め付ける締付部材と
   を備える、請求項５に記載の回転電機。
7. 前記腐食性ガスに対して耐食性を有し、前記巻線端の外側に配置された第２支持部材と、
   前記腐食性ガスに対して耐食性を有し、前記巻線端を前記第２支持部材に結束して固定する第２結束部材と
   をさらに備え、
   前記第２支持部材は、前記巻線端以外の要素には固定されていない、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転電機。
8. 前記腐食性ガスに対して耐食性を有し、前記巻線端の内側に配置された第３支持部材と、
   前記腐食性ガスに対して耐食性を有し、前記巻線端を前記第３支持部材に対して結束して固定する第３結束部材と
   をさらに備え、
   前記第３支持部材は、前記巻線端以外の要素には固定されていない、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の回転電機。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の回転電機と、
   前記腐食性ガスを圧縮するスクリュー圧縮機本体と
   を備え、
   前記回転電機が前記スクリュー圧縮機本体を駆動する電動機であり、
   前記固定子及び前記回転子を収容する前記電動機のケーシングと、前記スクリュー圧縮機本体のケーシングとが、互いに内部空間が連通する状態で接続されている、半密閉型スクリュー圧縮機。

Images