JPS5840895B2

JPS5840895B2 - 水中モ−タ

Info

Publication number: JPS5840895B2
Application number: JP53053759A
Authority: JP
Inventors: 武義大和田; 康朗鈴木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-05-08
Filing date: 1978-05-08
Publication date: 1983-09-08
Also published as: US4329122A; JPS54145901A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は複数の単位モータを直列に積み重ねて一体に構
成するものにおいて、運転時にモータ内外の温度差が大
きくなる環境下でも支障なく使用することのできる水中
モータに関するものであり、特に深井戸用ポンプを駆動
するのに好適な水中モータに関するものである。

井戸の底に水中モータを連結した水中ポンプを設置し、
地下水を汲み上げることが行なわれている。

このとき、井戸が深い場合は、高い揚程を得るために、
水中ポンプを，駆動する水中モータとして当然出力の大
きなものが必要となる。

さて、大きな出力のモータは径が大きいか軸長が長くな
る。

また、あらかじめ掘られた井戸の径によって水中モータ
の最大外径が制限されてしまうことがあり、安易に井戸
の径を広げることは技術的に難しいばかりでなく、多額
の費用が掛かつてしまうことから好しくない。

したがって、井戸の径が小さく制限されると、必要なモ
ータ出力を得るたあには軸長の長い水中モータを用意し
なければならない。

しかし、水中モータの固定子と回転子を極端に細長く構
成してゆくと、固定子の巻線作業あるいは回転子のダイ
キャセト作業などの作業性が著しく悪くなるばかりでな
く、回転部分の歪や振れが発生し易く機械的に不安定と
なってしまう。

そこで、水中モータの組立を容易にするため、固定子と
回転子を複数に分割して単位モータを作成し、この単位
モータを順次直列に接続して一体に構成してゆくことが
行なわれる。

そして、最上部に配置した単位モータに水中ポンプを接
続する。

また、最下部の単位モータに水中ポンプおよび各単位モ
ータの回転軸に掛かる軸方向の荷重を受けるためのスラ
スト軸受を配置することが多い。

このように構成した深井戸用の水中モータは運転により
発熱する。

このとき水中モータの外側の表面が水温に近い、例えば
常に２０’Ｃ程度に冷却されているとすれば、水中モー
タの外側と内側の温度差は気中運転を行なう一般のモー
タに比べ非常に大きくなってしまう。

特に、外側と内側との温度差による影響は、回転子を取
付けた回転軸の熱膨張として端的に表われる。

例えば水中モータの全長が２幀であり、水中モータの運
転中の水中モータの外表面と内部の温度差が５０［ｄ
ｅｇ、ｌ、回転軸の熱膨張係数が１．６Ｘ１０−５
Ｃｍｒｎ／ｄｅｇ）とすればｆ申びｄはｄ＝２，０００Ｘ１．６Ｘ１０−Ｘ５０＝１．６［ｍ
ｍ）となる。

すなわち回転軸は水中モータの運転を続けると１．６（
ｍｉ）だけ外枠に対して熱膨張することになる。

回転軸の下端はスラスト軸受で支えられていることから
回転軸の膨張は主に上部に連結した水中ポンプ側に伝わ
り、水中ポンプのポンプランナを押し上げる。

すると、ポンプランナとポンプケーシング間のギャップ
を適切な値に保つことができなくなり、ポンプ特性が低
下したりポンプ特性の変化により水中モータが過負荷に
なったりする。

また、ポンプランナとポンプケーシングが接触すること
も考えられ、水中ポンプを破損するばかりでなく、異常
なスラスト荷重が発生し水中モータも危険になる。

また上部の単位モータにゆくにしたがい各単位モータの
熱膨張の累積が大きくなり、固定子の磁気中心から回転
子の磁気中心が上方にしだいに大きくずれてゆく。

すると磁気中心がずれたことによって生じる磁気吸引力
の軸方向の分力は、スラスト軸受に掛かる荷重を増す方
向に働くため、スラスト軸受の寿命を短くしてしまう。

このような理由から従来の構造では、軸方向に長い水中
モータは熱膨張による影響を防ぐことが難しいため、大
きな出力のものを製作することができなかった。

そこで本発明は水中モータの熱膨張が、ここに連結する
水中ポンプに伝わらず、しかも水中モータ自身にも熱膨
張の累積による影響が表われない水中モータを提供する
ことを目的とするものである。

すなわち、本発明は水中モータの熱膨張をここに接続す
る水中ポンプに伝えないようにするため、最上部の単位
モータの上側に主スラスト軸受を設け、出力軸に加わる
水中ポンプからの軸方向の荷重および最上部の単位モー
タの回転部分の自重を受けるようにし、また、各単位モ
ータの回転軸の熱膨張を吸収するため最上部に配置した
単位モータ以外の他の単位モータの回転部分の自重を受
ける副スラスト軸受を少なくとも最も下部に配置した単
位モータの下側に配置し、単位モータの回転軸端相互を
この回転軸の伸縮を吸収可能なカンプリングで連結した
ものである。

このように構成した水中モータでは、運転時に水中モー
タの外表面と内側との温度差が大きくなるような環境下
で使用しても、単位モータの熱膨張による影響をほとん
どカップリング部分で吸収することができる。

したがって、水中モータに連結した水中ポンプに不利な
影響を与えることなく水中ポンプの運転を続けることが
できる。

さらに、井戸の径より水中モータの外径が制限されても
、機械的に安定な運転を行なうことのできる単位モータ
を積み重ねることにより必要な容量の水中モータを自由
に製作してゆくことができるものである。

また、本発明の他の目的は、積み重ねる単位モータを一
台毎でも運転できるようにし、部分的なテストを可能に
するものである。

すなわち、このためには各単位モータにそれぞれ回転軸
の振れを受けるラジラル軸受および回転軸に軸方向に掛
かる荷重を受ける主あるいは副スラスト軸受を設は単位
モータ一台だけで運転できるように構成する。

このように構成すると、各単位モータ毎に組立てて運転
・試験を行なうことができる。

そこで各単位モータの運転特性を十分検査した上で水中
モータ全体の組立て作業に移れば、水中モータの運転特
性を常に設計値通りにすることができ、従来のように水
中モータの組立て終了後に検査し、不良品が見つかれば
分解して手直しを行ない、もう一度組立て直すなどの手
間が省ける。

さらに、組立ての終った水中モータの容量変更も簡単に
なる。

以下、図に示す実施例を説明してゆく。

第１図は単位モータ１００．２００．３００を三段に積
み重ねカップリング部４０を夫々挟んで一体に連結した
水中モータである。

最も上部に配置した単位モータ１００の外枠は固定子１
０１を納めたハウジング１０２と主スラスト軸受１２１
を納めた軸受カバー１２０と軸受カバー１２０の最上端
を塞ぐ取付フランジ１２２とで構成する。

１０３゜１０４はハウジング１０２０両開口端に嵌合し
たエンドブラケット、１０５は円筒状のキャンであり、
固定子１０１の内側に配置し、エンドブラケツｌ−１０
３，１０４に両端を溶接することにより固定子１０１を
密封し保護する。

１０６は回転子でありキャン１０５の内側に固定子１０
１と対向して配置する。

１０７は回転子１０６を固定した回転軸、１０８，１０
９はエンドブラケット１０３．１０４の外側にそれぞれ
固定したラジアル軸受であり、回転軸１０７を受けるた
めのラジアルメタル１１０，１１１を備える。

回転軸１０７の上方は軸受カバー１２０および取付フラ
ンジ１２２を貫通し出力軸１１２を構成する。

１１３は回転軸１０７が取付フランジ１２２を貫通する
部分に設けた軸シール、１２３は円板状の軸受フレーム
であり、取付フランジ１２２の内側で回転軸１０７に固
定し、下面にリング状の摺動板１２４を備える。

１２５は摺動板１２４を受けるため３分割したパッドメ
タルであり、下面を球状に加工した凸面１２６を持つメ
タルフレーム１２７によって支える。

１２８は軸受はサポートフレームであり、すりばち状の
球面に構成した凹面１２９でメタルフレーム１２７の凸
面１２６を受ける。

この凹面１２９と凸面１２６のすり合わせにより、メタ
ルフレーム１２７がある範囲で自由に傾くことができる
ように支持されることから自動調心作用が生じ、各パッ
ドメタル１２５に加わる荷重は平均化する。

２２１は中央に配置した単位モータ２００の副スラスト
軸受であり、回転子２０６の下端に取付は一体になって
回転するリング状の摺動板２２４と、この摺動板２２４
を受けるためラジアル軸受２０９の内側上端に取付けた
リング状のスラストメタル２２５とから成る。

単位モータ２００の他の部分については単位モータ１０
０と同様な構造であるから説明を省略する。

３２０は最も下側に配置した単位モータ３００の下端に
連結した軸受カバーであり、副スラスト軸受３２１を納
める。

３２３は円板状の軸受フレームであり、回転軸３０７の
下端に連結しており、下面にリング状の摺動板３２４を
備える。

３２５は摺動板３２４を受けるパッドメタルであり、球
状の凸面を持つメタルフレーム３２７に固定されている
。

メタルフレーム３２７は球状の凹面を持つ軸受サポート
フレーム３２８で受は止められる。

副スラスト軸受３２１は、球状の凸面と球状の凹面のす
り合わせにより主スラスト軸受１２１と同様に自動調心
作用が行なわれる。

３３０は水中モータ内の圧力を適当に保つためのベロー
ズであり軸受サポートフレーム３２８の外側に取付ける
。

また、単位モータ３００の他の部分の構造については、
単位モーフ１００と同様であるから説明を省略する。

４Ｌ４２はカップリングであり、それぞれ回転軸１０７
と２０７、回転軸２０７と３０７を連結するものである
。

このカンプリング４１．４２の内面および回転軸１０７
，２０７゜３０７の軸端部分の筒面にはスプラインを施
し、各単位モータ１００，２００，３００の回転力を伝
えるとともに、回転軸１０７，２０７，３０７の熱膨張
による伸縮を吸収することができるようにしている。

すなわち、第２図に示すように回転軸１０７，２０７，
３０７の相隣り合う突き合わせ箇所には若干の隙間ｄ１
を、また、カップリング４１．４２自身も軸方向に若干
摺動させることができるように遊びｄ２を持たせている
。

次にこのように構成した水中モータに水中ポンプ５０を
連結した場合を第３図によって説明する。

５１は水中ポンプ５００回転軸であり、水中モータの出
力軸１１２にカップリング５２で連結される。

５３は回転軸５１に取付けたポンプランナ、５４はポン
プランナ５３を覆うポンプケーシング、５５は吸込口、
５６は吐出口に連結した揚水管、５７は水中モータに電
力を供給するためのケーブルである。

このように水中モータに水中ポンプ５０を連結して井戸
の底に降し運転を始めると、吸込口５５から吸い込まれ
た水は揚水管５６を介して吐き出される。

すると最も上に配置した単位モータ１００の主スラスト
軸受１２１には水中ポンプ５０と単位モータ１００の回
転部分の自重の他に、水を送り出すことによって生じる
軸方向の荷重が加わる。

また、副スラスト軸受２２１には単位モータ２００の回
転部分の自重が加わる。

副スラスト軸受３２１も同様に最も下側に配置した単位
モータ３００の回転部分の自重を受ける。

水中モータの外側が水によって冷却されているとき、水
中モーフの運転を続は内部の温度が高まり、両者の温度
差が大きくなると、各回転軸１０７゜２０７．３０７の
熱膨張による影響が表われる。

ここで回転軸１０７は主スラスト軸受１２１によって、
これの上端部付近をつり下げられた形で軸方向下側に支
持されていることから、この支持箇所を中心に上下、両
方向に熱膨張による伸びが現われることになる。

しかし、支持箇所より上側軸端までの距離は軸長が短い
ことから伸び量もわずかであり、実用上の問題が生じる
までには及ばない。

むしろ、支持箇所より下側軸端までの距離が相当長いこ
とから、この部分の伸びが回転軸１０７の下端側に端的
に現われる。

さらに説明すると、支持箇所より上側の回転軸１０７付
近には発熱体（固定子、あるいは回転子など）が配置さ
れていないことから、この部分では回転軸１０７自身の
温度上昇も少なく、このことによっても熱膨張によって
現われる伸び量は極めてわずかになる。

また、逆に回転軸２０７．３０７は副スラスト軸受２２
１．３２１により平端部付近が軸方向に支持されている
から熱膨張による伸びは主に上方端に現われることにな
る。

これらの回転軸１０７の下端、回転軸２０７．３０７の
上端に現われた伸びはカップリング部４０に設けた隙間
ｄ１．ｄ２が減少してゆくことで吸収される。

このとき、回転軸１０７の上端、回転軸２０７，３０７
の下端側にも熱膨張による伸びは現われるが、回転軸の
支持箇所より各軸端部までの軸長が短いことから、伸び
量は極めてわずかであるため、実用上例ら問題は生じな
い。

このように実施例によればカップリング部４０で回転軸
１０７，２０７，３０７の熱膨張を吸収することができ
、熱膨張による影響を水中ポンプ５０側に伝えることが
ないため、水中ポンプ５０を常に最良の条件で運転する
ことができる。

このとき熱膨張分を見越して回転軸１０７，２０７゜３
０７が膨張するのと逆の方向にあらかじめ若干ずらして
回転子１０６．２０６．３０６を取付け、水中モータの
内部が運転時の一般的な温度に達したときに固定子１０
１．２０１．３０１と回転子１０６．２０６，３０６の
磁気中心が一致するように構成することもできる。

また、各単位モータ１００．２００，３００には回転軸
１０７゜２０７．３０７の両端を支えるラジアル軸受１
０８．１０９，２０８，２０９，３０８，３０９と回転
部分の自重を受けるスラスト軸受１２１゜２２１．３２
１をそれぞれ備えていることから単位モータ１００．２
００．３００を各単位毎に組立て運転することができる
。

前記の実施例では単位モーフを三個積み重ねた水中モー
タについて説明したが、これは二個あるいは四個以上積
み重ねることも可能である。

また、本発明は水中モータを構成する単位モータの回転
部分の自重が比較的小さな場合、中間に配置する単位モ
ータの副スラスト軸受を省略し、この単位モータの自重
をこれより下方に配置した単位モータの副スラスト軸受
でまとめて受けることができるように水中モータの構造
を簡略化することもできる。

この場合、副スラスト軸受を省略する中間に配置した単
位モータの運転試験は、この中間の単位モータを連結す
る副スラスト軸受を備えたこれより下方に配置する単位
モータと合わせて行なう必要がある。

以上説明したように、本発明の水中モータは回転軸の上
下端をそれぞれ支えるラジアル軸受を備えた複数個の単
位モータの相隣り合う回転軸端をカップリングで連結す
ることにより各単位モータを直列に接続すると共に、最
も上部に配置した単位モータの回転軸を出力軸とし、こ
こに水中ポンプを連結するものにおいて、前記最も上部
に配置した単位モータの回転軸に掛かる荷重を支える主
スラスト軸受を、該単位モーフの固定子鉄心の位置より
も上に配置すると共に、他の単位モータの回転軸に掛か
る荷重を支える副スラスト軸受を、該単位モータの固定
子鉄心の位置よりも下に配置し、且つ主スラスト軸受と
副スラスト軸受にそれぞれ連結した回転軸の相隣り合う
軸端相互を連結するカップリングとして、水中モータの
熱変化に伴なってこれの軸方向に熱伸縮する回転軸の伸
縮を吸収可能なカンプリングを用いることにより、水中
モータの運転時に回転軸が水中モータの外表面に対する
熱膨張による伸びの主な部分を水中モータ内のカップリ
ング部分で吸収し、水中モータの外にはこの水中モータ
の外表面と内側の温度差による熱膨張の影響を伝えない
ように構成したものである。

したがって本発明は水中ポンプを連結する水中モータに
おいて、水中モータの運転・停止中にかかわらず、水中
ポンプの連結部分の回転軸の軸方向の移動（伸縮）が生
じないことから、水中ポンプを安全に、しかも、初期の
ポンプ性能を保ちながら運転し続けることができるもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の水中モータの一つの実施例を説明する
ための一部断面図、第２図は同カップリング部分を示す
一部断面図、第３図は同水中ポンプとの連結を説明する
ための一部断面図である。４１．４２・・・・・・カップリング、５０・・・・・
・水中ポンプ、１００・・・・・・最も上部に配置した
単位モータ、１０１・・・・・・最も上部に配置した単
位モータの固定子、１０７，２０７，３０７・・・・・
・回転軸、１１２・・・・・・出力軸、１２１・・・・
・・主スラスト軸受、２００゜３００・・・・・・その
他の単位モータ、２０１，３０１・・・・・・その他の
単位モータの固定子、２２１、３２１・・・・・・副
スラスト軸受。

Claims

【特許請求の範囲】１回転軸の上下端をそれぞれ支えるラジアル軸受を備
えた複数個の単位モータの相隣り合う回転軸の軸端をカ
ップリングで連結することにより各単位モータを直列に
接続し、最も上部に配置した単位モータの回転軸を出力
軸とし、ここに水中ポンプを連結するものにおいて、前
記最も上部に配置した単位モータの回転軸に掛かる荷重
を支える主スラスト軸受を、該最も上部に配置した単位
モータの固定子の位置よりも上に配置すると共に、他の
単位モータの回転軸に掛かる荷重を支える副スラスト軸
受を、該他の単位モータの固定子の位置よりも下に配置
し、且つ前記主スラスト軸受と副スラスト軸受にそれぞ
れ連結した回転軸の相隣り合う回転軸の軸端相互を連結
する前記カップリングとして、回転軸の軸方向の伸縮を
吸収可能なカンプリングを用いたことを特徴とする水中
モータ。２前記最も上部に配置した単位モータの他ｌこ、複数
個の前記他の単位モータを備えるものにおいて、前記他
の単位モータの回転軸に掛かる荷重を支える前記副スラ
スト軸受を、最も下部に配置した前記他の単位モータの
固定子の位置よりも下に配置し、前記最も上部に配置し
た単位モータの回転軸の軸端とこれより下方に配置する
前記他の単位モータの相隣り合う回転軸の軸端とを、回
転軸の軸方向の伸縮を吸収可能なカンプリングを用いて
連結し、前記他の単位モーフ相互の回転軸の相隣り合う
軸端を回転軸の軸方向に掛かる荷重を伝えるカップソン
グで連結したことを特徴とする特許