JP2015090165A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】ラジアルフォイル軸受を備えた電動機においてギャップ長をより短くすることが可能な電動機を提供する。【解決手段】回転軸２０の周りに回転するロータ６ａと、ロータ６ａの外側を囲うステータ２と、ロータ６ａとステータ２との間に配置され、ロータ６ａを回転軸２０の周りに回転可能なように支持するラジアルフォイル軸受３０とを備えた電動機１００ａにおいて、ラジアルフォイル軸受３０は、ステータ２に直接に取付けられたバンプフォイル４と、バンプフォイル４よりもロータ６ａの側に配置されたトップフォイル５とを有する。バンプフォイル４がステータ２の内面にスリーブ等の他の部材を介さずに直接に取付けられているため、ロータ６ａの外径とステータ２の内径とのギャップ長Ｄｓをスリーブの厚さだけ、スリーブを用いたラジアルフォイル軸受６０よりも短くすることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、ラジアルフォイル軸受を備えた電動機に関する。

ラジアルフォイル軸受により、ステータの内側にロータを回転可能なように支持した電動機が提案されている。例えば、特許文献１には、ステータとロータとの間に配置されたラジアルフォイル軸受を備えた遠心型圧縮機が開示されている。特許文献１のラジアルフォイル軸受は、スリーブと、スリーブの内面に取付けられた波状のバンプフォイルと、バンプフォイルの内側に配置されたトップフォイルとを有する。トップフォイルの内側には、ロータが回転可能なように支持される。特許文献１のラジアルフォイル軸受は、ステータの内面にスリーブが接合されることにより、ステータの内側に固定される。

特許文献１のようなラジアルフォイル軸受の例を図１２に示す。図１２に示すように、従来の電動機２００のラジアルフォイル軸受６０は、ハウジング１内のステータ２の内面に接合されたスリーブ３と、スリーブ３の内面に取付けられたバンプフォイル４と、バンプフォイル４の内側に配置されたトップフォイル５を備える。

トップフォイル５の内側には、ロータ６ａが回転可能なように支持される。ロータ６ａは、２極をなす磁石９，１０と、磁石９，１０の表面を覆う筒状カバー８を有する。ステータ２は、巻線７ａ，７ｂを収容するスロット７を有する。バンプフォイル４がスリーブ３の内面にスポット溶接等で固定されている。トップフォイル５がバンプフォイル４にスポット溶接等で固定されている。トップフォイル５の他端は固定されておらず、自由端となっている。

特開２００９‐２８１２１４ 特開２０１０‐１４４５３７

しかし、このようなラジアルフォイル軸受６０をステータ２に取付けると、ロータ６ａの外径とステータ２の内径とのギャップ長Ｄｓがスリーブ３の厚さにより増加する。ギャップ長Ｄｓがスリーブ３の厚さにより増加すると、ステータ２とロータ６ａとの間の磁気の損失等を招く。そのため、ラジアルフォイル軸受６０を備えた電動機２００では、電動機の性能が最適となるギャップ長Ｄｓに設定できない場合がある。

本発明は上記課題を考慮してなされたものであり、ラジアルフォイル軸受を備えた電動機においてギャップ長をより短くすることが可能な電動機を提供することを目的とする。

本発明は、回転軸の周りに回転するロータと、ロータの外側を囲うステータと、ロータとステータとの間に配置され、ロータを回転軸の周りに回転可能なように支持するラジアルフォイル軸受とを備え、ラジアルフォイル軸受は、ステータに直接に取付けられたバンプフォイルと、バンプフォイルよりもロータの側に配置されたトップフォイルとを有する電動機である。

この構成によれば、バンプフォイルがステータの内面にスリーブ等の他の部材を介さずに直接に取付けられているため、ロータの外径とステータの内径とのギャップ長をスリーブの厚さだけ、スリーブを用いたラジアルフォイル軸受よりも短くすることができる。

本発明の電動機によれば、ロータの外径とステータの内径とのギャップ長をスリーブの厚さだけ、スリーブを用いたラジアルフォイル軸受よりも短くすることができる。

第１実施形態の電動機又は発電機を示す縦断面図である。 第１実施形態のラジアルフォイル軸受を示す横断面図である。 第１実施形態のロータの他の態様を示す横断面図である。 第１実施形態のロータの他の態様を示す横断面図である。 第２実施形態のラジアルフォイル軸受を示す横断面図である。 第３実施形態のラジアルフォイル軸受を示す横断面図である。 第３実施形態において、バンプフォイルがスロット開口部に差し込まれて固定されている態様を示す横断面図である。 第３実施形態において、バンプフォイルがスロット開口部に樹脂により固定されている態様を示す横断面図である。 第３実施形態において、スロット開口部の幅よりも厚さが大きいバンプフォイルがスロット開口部に嵌め込まれている態様を示す横断面図である。 第３実施形態において、バンプフォイルがスロット開口部に楔により固定されている態様を示す横断面図である。 第３実施形態において、バンプフォイルがスロット開口部にストッパにより固定されている態様を示す横断面図である。 従来のラジアルフォイル軸受を示す横断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る電動機あるいは発電機について詳細に説明する。図１及び図２に示すように、本発明の第１実施形態に係る電動機（発電機）１００ａは、ハウジング１、ステータ２、ロータ６ａ、回転軸２０及びラジアルフォイル軸受３０を備える。なお、以下に示す第１〜３実施形態の電動機（発電機）１００ａ〜１００ｃは、電気エネルギーによって回転軸２０が回転させられることにより機械的な仕事をする電動機として適用することができ、回転軸２０が外部からの動力によって回転させられることにより電気を発生する発電機としても適用することができる。第１〜３実施形態に係る機器が電動機として適用される場合は、回転軸２０は機械的な仕事の出力軸となる。また、第１〜３実施形態に係る機器が発電機として適用される場合は、回転軸２０は外部から動力を伝えられる駆動軸となる。

ハウジング１は、吸気口８１と排気口８２とを有する。冷却空気Ａは吸気口８１からハウジング１の内部に入り、電動機１００ａの各部を冷却後、排気口８２から排出される。ステータ２はロータ６ａの外側を覆う円筒状の部材である。ステータ２は、スロット７内に巻線７ａ，７ｂを収容する。スロット７は、ステータ２の内面に開口したスロット開口部７ｃを有する。なお、図中では、巻線７ａ，７ｂが収容されているスロット７以外のスロット７に収容されている巻線は記載を省略する。ステータ２には、隣接する二つのスロット７ごとに一つの磁極２ａが形成される。

ロータ６ａは回転軸２０の周りに回転する円筒状の部材である。ロータ６ａは、磁石９，１０と、磁石９，１０の表面を覆う筒状カバー８を有する。筒状カバー８は、磁気の損失を発生させないために、非磁性体である。磁石９はＳ極をなし、磁石１０はＮ極をなす。ロータ６ａは２極のロータとなる。ロータ６ａの一端は回転軸２０に接続されている。ロータ６ａの他端の側は、エアベアリングのスラスト軸受１５，１６に接続されている。スラスト軸受１５，１６により、ロータ６ａの回転軸２０に平行な方向に働く力が受け止められる。なお、本実施形態では、図３に示すロータ６ｂのように、２対の磁石９，１０を配置して、４極のロータとすることができる。また、本実施形態では、図４に示すロータ６ｃのように、中心部にロータ軸１２を配置することができる。ロータ軸１２は、上述した回転軸２０及びスラスト軸受１５，１６と接続される。

ラジアルフォイル軸受３０は、ロータ６ａとステータ２との間に配置されている。ラジアルフォイル軸受３０は、バンプフォイル４とトップフォイル５とを有する。バンプフォイル４は弾性を有する波板状の部材から構成される。バンプフォイル４は、ステータ２の内周面に他の部材を介さずに直接に取付けられている。波板状のバンプフォイル４は、回転軸２０に平行な方向から視て、ステータ２の側に突出したバンプフォイル山部４ａを有する。バンプフォイル４とステータ２との間に空間４ｃが形成される。バンプフォイル山部４ａの数と、ステータ２の磁極２ａの数とは同数である。バンプフォイル山部４ａは、スロット開口部７ｃ以外のステータ２の内面に接する。図２の例では、バンプフォイル４は、回転軸２０に平行な方向から視て、弾性を有する波板状の部材がステータ２の内周面に沿った切れ目の無い円管状を成すことにより構成されている。バンプフォイル４の材質は、磁気の損失が発生しないために、例えば、ステンレス鋼等の非磁性金属である。なお、バンプフォイル４は必ずしも切れ目の無い一体化された円管状である必要は無く、複数個の部材に分割されていても良い。

なお、ステータ２の磁極２ａの数とバンプフォイル山部４ａの数とは、必ずしも同数としなくともラジアルフォイル軸受３０としては成立する。しかし、本実施形態では、安定性の観点から、バンプフォイル山部４ａは、スロット開口部７ｃ以外のステータ２の内面に接するようにすることが好ましい。

バンプフォイル４のロータ６ａの側には、トップフォイル５が配置されている。トップフォイル５は可撓性を有する板状の部材から構成されている。トップフォイル５とバンプフォイル４との間には、空間４ｇが形成される。図２の例では、トップフォイル５は、回転軸２０に平行な方向から視て、可撓性を有する板状の部材が切れ目の無い円管状を成すことにより形成されている。トップフォイル５の材質は、磁気の損失が発生しないために、例えば、ステンレス鋼等の非磁性金属である。以上のように、バンプフォイル４とトップフォイル５とにより、ラジアルフォイル軸受３０が構成される。ラジアルフォイル軸受３０は、ロータ６ａを回転軸２０の周りに回転可能なように支持する。

電動機１００ａの運転時にロータ６ａが回転すると、ロータ６ａの回転に伴いロータ６ａの外周とトップフォイル５との隙間に空気が吸い込まれる。トップフォイル５は可撓性を有するため、吸い込まれた空気により外側に膨らむ。しかし、トップフォイル５は弾性を有するバンプフォイル４により支持されているため、吸い込まれた空気により外側に膨らんだトップフォイル５は内側に押し戻される。このため、ロータ６ａとトップフォイル５との隙間は一定に保たれる。ロータ６ａとトップフォイル５との隙間に吸い込まれた空気により、ロータ６ａの回転軸２０に垂直な方向に働く力が受け止められる。

本実施形態では、回転軸２０の周りに回転するロータ６ａと、ロータ６ａの外側を囲うステータ２と、ロータ６ａとステータ２との間に配置され、ロータ６ａを回転軸２０の周りに回転可能なように支持するラジアルフォイル軸受３０とを備えた電動機１００ａにおいて、ラジアルフォイル軸受３０は、ステータ２に直接に取付けられたバンプフォイル４と、バンプフォイル４よりもロータ６ａ側に配置されたトップフォイル５とを有する。このように、バンプフォイル４がステータ２の内面にスリーブ３等の他の部材を介さずに直接に取付けられているため、ロータ６ａの外径とステータ２の内径とのギャップ長Ｄｓをスリーブ３の厚さだけ、スリーブ３を用いたラジアルフォイル軸受６０よりも短くすることができる。

本実施形態では、ギャップ長Ｄｓを短くできるので、トルクを増加できる等の電動機の性能向上が可能となる。また、本実施形態の機器を発電機として適用した場合には、発電効率の向上が可能となる。また、スリーブ３を用いないことにより、ステータ２の内径をスリーブ３の厚さの２倍分だけ小さくでき、同様にステータ２の外径も小さくでき、さらにハウジング１の外径も小さくできるので、電動機１００ａを小型化できる。また、スリーブ３が無いため、ロータ６ａとステータ２との間の熱伝導が容易になり、ロータ６ａの冷却性能が向上する。さらに、スロット開口部７ｃの空間と空間４ｃとが一体となり、ステータ２の側の冷却空気Ａに接する面積が増加するので、ステータ２の側の冷却性能も向上する。

本実施形態では、ステータ２の磁極２ａの数とバンプフォイル山部４ａの数とは同数である。また、バンプフォイル山部４ａは、スロット開口部７ｃ以外のステータ２の内面に接するため、ステータ２に対するバンプフォイル４の安定性を高めることができる。

以下、本発明の第２実施形態について説明する。図５に示すように、本実施形態の電動機（発電機）１００ｂでは、ラジアルフォイル軸受４０を構成するバンプフォイル４及びトップフォイル５は切れ目の無い円管状をなしてはいない点が上記第１実施形態と異なっている。波板状のバンプフォイル４の回転軸２０に平行な一端であるバンプフォイル端部４ｊが、ステータ２の内周面にスポット溶接等で固定されている。波板状のバンプフォイル４の回転軸２０に平行な他端は固定されておらず、自由端となっている。板状のトップフォイル５の回転軸２０に平行な一端であるトップフォイル端部５ｊがバンプフォイル端部４ｊにスポット溶接等で固定されている。板状のトップフォイル５の回転軸２０に平行な他端は固定されておらず、自由端となっている。それ以外の部位については、上記第１実施形態と同様である。

本実施形態では、上記第１実施形態の作用及び効果に加えて、バンプフォイル端部４ｊがステータ２の内周面に固定され、トップフォイル端部５ｊがバンプフォイル端部４ｊに固定されているため、ロータ６ａの回転に伴ってバンプフォイル４及びトップフォイル５が回転してしまうことを防止することができる。一方、バンプフォイル４及びトップフォイル５の他端は固定されておらず、自由端となっているため、ロータ６ａの熱膨張による外径の変動に対する耐性を向上させることができる。

以下、本発明の第３実施形態について説明する。図６に示すように、本実施形態の電動機（発電機）１００ｃでは、ステータ２のスロット７の数とラジアルフォイル軸受５０を構成するバンプフォイル４のバンプフォイル山部４ａの数とは同数であり、バンプフォイル山部４ａはスロット開口部７ｃに接する。また、バンプフォイル４の一端であるバンプフォイル端部４ｊがスロット開口部７ｃに取付けられている。バンプフォイル４の他端は固定されておらず、自由端となっている。トップフォイル５の一端であるトップフォイル端部５ｊがバンプフォイル端部４ｊにスポット溶接等で固定されている。トップフォイル５の他端は固定されておらず、自由端となっている。それ以外の部位については、上記第１実施形態と同様である。

以下、本実施形態において、バンプフォイル端部４ｊがスロット開口部７ｃに取付けられる態様について説明する。図７に示すように、先端を折り曲げられたバンプフォイル端部４ｊがスロット開口部７ｃに差し込まれることにより、バンプフォイル端部４ｊがスロット開口部７ｃに取付けられる。また、図８に示すように、先端を折り曲げられたバンプフォイル端部４ｊがスロット開口部７ｃに差し込まれた後に、樹脂４ｐなどがスロット開口部７ｃに充填されることにより、バンプフォイル端部４ｊがスロット開口部７ｃに固定される。

また、図９に示すように、スロット開口部７ｃのステータ２の周方向の幅よりも大きな厚さを有するバンプフォイル端部４ｊがスロット開口部７ｃに嵌め込まれることにより、バンプフォイル端部４ｊがスロット開口部７ｃに固定される。また、図１０に示すように、先端を折り曲げられたバンプフォイル端部４ｊがスロット開口部７ｃに差し込まれた後に、バンプフォイル端部４ｊとスロット開口部７ｃとの隙間にスロット開口部７ｃの長手方向の長さに沿った長さの楔１８が嵌めこまれることにより、バンプフォイル端部４ｊがスロット開口部７ｃに固定される。また、図１１に示すように、先端を折り曲げられていないバンプフォイル端部４ｊにスロット開口部７ｃに差し込むことが可能な形状のストッパ１９がスポット溶接等で取り付けられた後に、ストッパ１９がスロット開口部７ｃに差し込まれることにより、バンプフォイル端部４ｊがスロット開口部７ｃに取付けられる。

本実施形態では、上記第１実施形態及び上記第２実施形態の作用及び効果に加えて、バンプフォイル端部４ｊがスロット開口部７ｃに取付けられているため、バンプフォイル４をステータ２にスポット溶接等をすることなく簡易な構造により取付けることが可能となり、電動機１００ｃの製造が容易となる。

１…ハウジング、２…ステータ、２ａ…磁極、３…スリーブ、４…バンプフォイル、４ａ…バンプフォイル山部、４ｃ…空間、４ｇ…空間、４ｊ…バンプフォイル端部、４ｐ…樹脂、５…トップフォイル、５ｊ…トップフォイル端部、６ａ，６ｂ，６ｃ…ロータ、７…スロット、７ａ，７ｂ…巻線、７ｃ…スロット開口部、８…筒状カバー、９，１０…磁石、１２…ロータ軸、１５，１６…スラスト軸受、１８…楔、１９…ストッパ、２０…回転軸、３０，４０，５０…ラジアルフォイル軸受、６０…ラジアルフォイル軸受、８１…吸気口、８２…排気口、１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…電動機（発電機）、２００…電動機。

Claims (1)

1. 回転軸の周りに回転するロータと、
   前記ロータの外側を囲うステータと、
   前記ロータと前記ステータとの間に配置され、前記ロータを前記回転軸の周りに回転可能なように支持するラジアルフォイル軸受と、
   を備え、
   前記ラジアルフォイル軸受は、前記ステータに直接に取付けられたバンプフォイルと、前記バンプフォイルよりも前記ロータの側に配置されたトップフォイルとを有する、電動機。

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