JP7135786B2 - 固定子、磁気軸受、回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、固定子、磁気軸受、回転機械に関するものである。

モータや発電機等の固定子においては、巻線コアをハウジングに対して固定する手法として、ハウジングに対して巻線コアを焼嵌めすることで固定する手法が挙げられる。
しかしながら、上記手法においては、焼嵌め時にハウジングと巻線コアとの間に隙間が生じ、巻線コアが回転子に対して同軸上に設置できない可能性がある。このため、特許文献１に記載されているように、巻線コアをハウジングに対して圧入しつつ、樹脂等によりモールドすることで、巻線コアの位置を固定している。

実開平６－２９３６４号公報

上述した手法においては、樹脂製のモールドが用いられている。しかしながら、モータ等において、流体状の冷媒が用いられている場合に、モールド材と冷媒の種類によっては、モールド材が冷媒と接触し、冷媒と反応する可能性がある。さらに、モールド材が冷媒と接触することで、モールド材が膨張し、ロータシャフトと干渉する場合がある。また、冷媒の性質によっては、モールド材に吸収され、十分な冷媒としての性能を発揮できない場合がある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、流体状の冷媒を用いる場合においても、巻線コアをハウジングに取り付け可能とすることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための固定子に係る第１の手段として、ハウジングと、上記ハウジングに収容されるシャフトが挿通される環状の巻線コアとを備える固定子であって、上記環状の巻線コアの外周に取付けられる保持リングを備え、上記ハウジングには、上記巻線コアと上記保持リングとが嵌合される嵌合孔が形成され、上記環状の巻線コアには、上記保持リングより径方向内側に向けて予圧が作用しているという構成を採用する。

固定子に係る第２の手段として、上記第１の手段において、上記巻線コアの線膨張係数は、上記保持リングの線膨張係数以下であり、上記保持リングの線膨張係数は、上記ハウジングの線膨張係数以上であるという構成を採用する。

固定子に係る第３の手段として、上記第１または第２の手段において、上記保持リングは、上記ハウジングと同一材料により形成されるという構成を採用する。

固定子に係る第４の手段として、上記第１～３のいずれかの手段において、上記保持リングは、上記巻線コアよりもヤング率が小さいという構成を採用する。

固定子に係る第５の手段として、上記保持リングは、上記ハウジングとボルトにより締結されることを特徴とするという構成を採用する。

固定子に係る第６の手段として、上記保持リングに形成されるボルト孔は、周方向において、上記巻線コアの極と重なる位置に形成されるという構成を採用する。

磁気軸受に係る第１の手段として、請求項１～６のいずれか一項に記載の固定子を備えるという構成を採用する。

回転機械に係る第１の手段として、請求項１～６のいずれか一項に記載の固定子と、上記固定子の内側に設けられる回転子とを備えるという構成を採用する。

本発明によれば、保持リングにより巻線コアを保持し、さらに保持リングをハウジングに固定している。これにより、巻線コアをハウジングに対して焼嵌めする必要がなく、保持リングをハウジングに固定することにより、正確な位置においてハウジングに対して巻線コアを固定することができる。したがって、巻線コアをモールドする必要がなく、冷媒にモールド材が影響を与えることがない。

本実施形態における発電機の全体を示す断面図である。 本実施形態に係る磁気軸受の軸方向に沿う断面図である。 本実施形態に係る磁気軸受の軸方向から見た平面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る回転機械の一実施形態について説明する。

まず、本実施形態に係る磁気軸受１が用いられるモータ１００について説明する。
モータ１００は、図１に示すように、略筒状とされるハウジング１１０と、ハウジング１１０の内側の空間内に配されたステータ１２０と、ステータ１２０の内周側に配されるロータシャフト１３０と、ハウジング１１０に取付けられ、ロータシャフト１３０を支持する磁気軸受１とを備えている。
なお、以下の説明においては、ロータシャフト１３０の回転方向を周方向、ロータシャフト１３０の回転軸に沿う方向を軸方向、ロータシャフト１３０の径方向に沿う方向を径方向として説明する。

ステータ１２０は、巻線コア１２１と、巻線１２２とを備えている。巻線コア１２１は、磁性体により構成された略円筒形状の部材であり、複数の円環状の部材が積層されることにより形成されている。巻線１２２は、巻線コア１２１に巻回されており、端部が外部の送電ケーブルと電気的に接続されている。

ロータシャフト１３０は、長尺状の部材であり、端部にタービン翼等が設けられている。また、ロータシャフト１３０には、不図示の磁石が内設されている。このロータシャフト１３０は、ステータ１２０の内側に収容されており、ステータ１２０を挟んで軸方向両側の位置において、磁気軸受１によりハウジング１１０に対して回転可能に支持されている。

磁気軸受１は、図１及び図２に示すように、磁気軸受ハウジング２と、軸受巻線コア３と、保持リング４と、軸受巻線５と、ボルト６とを備えている。なお、本実施形態において、磁気軸受１は、本発明に係る固定子に相当する。また、軸受巻線コア３及び保持リング４は、非磁性部材により構成されている。

磁気軸受ハウジング２は、ステータ１２０を挟んで軸方向両側の位置に設けられた、ステータ１２０の内周面から内周側に延伸する略円環状の部材である。磁気軸受ハウジング２はステータ１２０と対向する面に、当該対向するステータ１２０とは逆側に凹む凹部を備える。当該凹部には、軸方向に延伸する嵌合孔２ａが形成されロータシャフト１３０が挿入される。また、凹部には保持リング４が嵌入され保持されている。つまり、本実施形態において保持リング４はステータ１２０に対向している。また、保持リング４の内周側には、磁気軸受１が取付けられている。これらの磁気軸受ハウジング２には、複数のボルト孔２ｂ（本実施形態においては８か所）が形成され、保持リング４を挟みボルト６が螺合され、保持リング４が取り付けられている。

軸受巻線コア３は、中央に開口を有する円筒状の金属部材である。この軸受巻線コア３は、径方向内側に向けて突出した８本のティース３ａ（極）を有している。ティース３ａには、軸受巻線５が巻回されている。また、軸受巻線コア３は、保持リング４に対して焼嵌めされることにより、保持リング４の内周に隙間なく当接した状態で保持されている。また、軸受巻線コア３の中央の開口には、ロータシャフト１３０が挿入されている。

本実施形態の保持リング４は、図３に示すように、円環状の部材であり、軸方向に分断する切断面を備えていない。つまり、保持リング４は周方向に１周分連続した部位を含む。また、本実施形態では磁気軸受ハウジング２と同一の材質により構成されている。保持リング４の径方向における大きさは、軸受巻線コア３の径方向における大きさ（厚さ）よりも小さく形状設定されている。本実施形態の保持リング４は、軸受巻線コア３よりも十分に体積が小さく設定されている。このような保持リング４は、軸受巻線コア３の外周に設けられており、複数の開口４ａ（本実施形態においては８か所）が周方向において等間隔で形成されている。本実施形態の開口４ａは、嵌装されるボルトのネジ部の径より大きく形成されている(所謂通し穴となっている)。この開口４ａは、組み立て時において、軸受巻線コア３のティース３ａと径方向において重なる位置に配置される。また、開口４ａは、磁気軸受ハウジング２のボルト孔２ｂと軸方向において重なるように設置され、ボルト６が挿入される(つまり、ボルト孔２ｂはらせん状の溝が形成された所謂タップ穴である)。これにより、保持リング４は、磁気軸受ハウジング２と締結されている。
また、本実施形態の保持リング４は、周方向に隣接する開口４ａ同士の間の位置にも貫通孔が形成されている。当該貫通孔は開口４ａより周方向に広い範囲にわたり延在している。保持リング４は、当該貫通孔がある周方向位置において、径方向の厚みが薄くなった薄肉部が形成されている。他方、保持リング４は、貫通孔と開口４ａの間に、上記薄肉部より径方向の厚みが厚くなった厚肉部を備える。つまり、保持リング４は、周方向において、複数の薄肉部と厚肉部とが交互に形成されている。保持リング４を薄肉とすることにより、軸受巻線コア３にかかる予圧の大きさを調整している。
なお、保持リング４は、磁気軸受ハウジング２と同一材料により構成されているため線膨張係数が等しく、軸受巻線コア３の線膨張係数よりも線膨張係数が大きく、かつ軸受巻線コア３よりもヤング率が小さい。また、保持リング４は、焼嵌め前の状態において、軸受巻線コア３の外径よりも径が小さく設定されており、焼嵌め時に保持リング４が膨張し、焼嵌め後に温度が下がり収縮することで軸受巻線コア３と当接した状態となる。

軸受巻線５は、軸受巻線コア３のティース３ａに対して巻回されている金属の細線である。軸受巻線５は、不図示の電源と接続され、電流が流されることにより、磁界を変化させる。これにより、軸受巻線コア３の内側に配置されるロータシャフト１３０は、非接触状態で保持される。

本実施形態におけるモータ１００は、ステータ１２０からの磁力が作用することで、ロータシャフト１３０が回転される。

このようなモータ１００が備える磁気軸受１の取り付け方法について説明する。
まず、保持リング４が加熱された状態で、軸受巻線コア３が嵌入される。このとき保持リング４は、加熱されることで膨張し、径方向外側へと広がった状態となる。このような状態で保持リング４は、軸受巻線コア３が嵌入されると、温度が低下することにより体積が縮小し、軸受巻線コア３が径方向内側に向けて力（予圧）を受けた状態となり、軸受巻線コア３との密着性が向上する。そして、軸受巻線コア３が取り付けられた保持リング４は、常温状態で磁気軸受ハウジング２の嵌合孔２ａに嵌合され、磁気軸受ハウジング２に対してボルト６により取り付けられている。このとき、保持リング４は、外周が磁気軸受ハウジング２に当接した状態とされている。

このような本実施形態に係る磁気軸受１によれば、磁気軸受ハウジング２と同材質の保持リング４に軸受巻線コア３を焼嵌めした後に、保持リング４を磁気軸受ハウジング２に取り付けている。これにより、流体状の冷媒を用いる場合においても、ロータシャフト１３０との同軸度を担保しつつ、磁気軸受ハウジング２に軸受巻線コア３を取り付けることができる。

さらに、軸受巻線コア３の線膨張係数は、保持リング４の線膨張係数よりも大きい。このため、軸受巻線コア３が保持リング４に焼嵌めされた際に、保持リング４と軸受巻線コア３との間は隙間が生じる方向に広がるが、焼嵌による締代でこれを相殺するため、保持リング４の内周面に隙間なく密着した状態となり、軸受巻線コア３の形状を変形させることなく、軸受巻線コア３を保持リング４により保持することが可能である。

また、保持リング４と磁気軸受ハウジング２とが同材質であることにより、線膨張係数が等しい。したがって、モータ１００の運転時において、温度変化が生じても、同一の線膨張係数で体積変形するため、保持リング４と磁気軸受ハウジング２との間に隙間が生じにくく、磁気軸受ハウジング２と軸受巻線コア３との相対的な位置関係が変化することが抑制され、保持リング４のロータシャフト１３０のへの同軸度を担保することができる。

また、本実施形態によれば、軸受巻線コア３よりも保持リング４のヤング率が小さい。このため、保持リング４は、軸受巻線コア３よりも柔らかく、軸受巻線コア３に対して予圧をかけるにあたり、軸受巻線コア３の強度の大幅な低下を抑制する。

また、保持リング４に開口４ａが形成されることで、軸受巻線コア３にボルト用の開口を形成する必要がない。

さらに、この開口４ａは、軸受巻線コア３のティース３ａと径方向において重なる位置に設けられている。これにより、保持リング４と一体とされる軸受巻線コア３の強度の大幅な低下が抑制される。

また、本実施形態においては、モールド材によるモールドを行わずに、保持リング４を磁気軸受ハウジング２に対して嵌合している。したがって、軸受巻線コア３の交換時等において、磁気軸受ハウジング２から保持リング４及び軸受巻線コア３を取り外すことが可能であり、保守交換が容易である。

以上、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

上記実施形態においては、磁気軸受１に対して本発明を適用する例について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、モータ１００のステータ１２０に対して適用するものとしてもよい。この場合、ステータ１２０の巻線コア１２１を保持リング４に焼嵌めした後、ハウジング１１０へと嵌入して固定する。これにより、ステータ１２０をハウジング１１０に対して直接焼嵌めする必要がなく、モールド材を用いずに、ハウジング１１０に対して巻線コア１２１の位置を固定することができる。したがって、ロータシャフト１３０（回転子）との同軸度を担保し、巻線コア１２１を正確な位置に設置することが可能である。

また、同様に、固定子を有する発電機に対して本発明を適用することも可能である。この場合についても、モータの巻線コアに対して、保持リング４を焼嵌めし、さらに保持リング４をハウジングに対して嵌入して固定する。これにより、巻線コアをハウジングに対して直接焼嵌めする必要がなく、モールド材を用いずに、ハウジングに対して巻線コアの位置を固定することができる。したがって、巻線コアの回転子に対する同軸度を担保して正確な位置に設置することが可能である。

また、上記実施形態においては、保持リング４と磁気軸受ハウジング２とが同材質とした。しかしながら、本発明はこれに限定されることなく、磁気軸受ハウジング２と保持リング４とを線膨張係数が近しい異なる素材により構成するものとしてもよい。なお、保持リング４の線膨張係数は、磁気軸受ハウジング２の線膨張係数以上であることが好ましい。

また、保持リング４を軸受巻線コア３よりも軸方向において薄く形状設定することも可能である。この場合、軸受巻線コア３を焼嵌めする際に、過大な応力が軸受巻線コア３にはたらき、軸受巻線コア３が変形することを抑制できる。

また、磁気軸受１の取り付け時において、軸受巻線コア３を冷却して体積を縮小させ、常温状態の保持リング４に対して嵌入することも可能である。この場合、軸受巻線コア３が常温状態となるにしたがって体積が膨張し、保持リング４と軸受巻線コア３とが当接し、軸受巻線コア３に圧縮方向の力が作用することとなる。

また、上記実施形態においては保持リング４が加熱された状態で、軸受巻線コア３が嵌入される場合を説明したが、軸受巻線コア３を冷却して、縮小させてから保持リング４に嵌入してもよい。この場合は、軸受巻線コア３と保持リング４の温度差が小さくなることで軸受巻線コア３が膨張し、保持リング４から内周側への予圧が作用することとなる。

１ 磁気軸受
２ 磁気軸受ハウジング
２ａ 嵌合孔
２ｂ ボルト孔
３ 軸受巻線コア
３ａ ティース(極)
４ 保持リング
４ａ 開口
５ 軸受巻線
６ ボルト
１００ モータ
１１０ ハウジング
１２０ ステータ
１２１ 巻線コア
１２２ 巻線
１３０ ロータシャフト

Claims (7)

1. ハウジングと、前記ハウジングに収容されるシャフトが挿通される環状の巻線コアとを備える固定子であって、
   前記環状の巻線コアの外周に取付けられる保持リングを備え、
   前記ハウジングには、前記巻線コアと前記保持リングとが嵌合される嵌合孔が形成され、
   前記環状の巻線コアには、前記保持リングより径方向内側に向けて予圧が作用しており、
   前記保持リングは、前記巻線コアよりもヤング率が小さいことを特徴とする固定子。
2. 前記巻線コアの線膨張係数は、前記保持リングの線膨張係数以下であり、
   前記保持リングの線膨張係数は、前記ハウジングの線膨張係数以上である
   ことを特徴とする請求項１記載の固定子。
3. 前記保持リングは、前記ハウジングと同一材料により形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の固定子。
4. 前記保持リングは、前記ハウジングとボルトにより締結されることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の固定子。
5. 前記保持リングに形成されるボルト孔は、周方向において、前記巻線コアの極と重なる位置に形成されることを特徴とする請求項４記載の固定子。
6. 請求項１～５のいずれか一項に記載の固定子を備えることを特徴とする磁気軸受。
7. 請求項１～５のいずれか一項に記載の固定子と、
   前記固定子の内側に設けられる回転子と
   を備えることを特徴とする回転機械。
   

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