WO2016199821A1

WO2016199821A1 - 回転機械

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Publication number: WO2016199821A1
Application number: PCT/JP2016/067100
Authority: WO
Inventors: 国彰飯塚; 吉田　隆; 達身猪俣; 拓也小篠; 光太来海
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2015-06-11
Filing date: 2016-06-08
Publication date: 2016-12-15
Anticipated expiration: 2017-12-11
Also published as: US20180172019A1; DE112016002624T5; JP2017002822A; CN107532608A

Abstract

回転機械は、回転軸の軸方向の一端部に取り付けられて、回転軸と一体に回転可能なインペラと、インペラの背面側で回転軸に取り付けられて、ハウジングに対して回転軸を回転可能に支持する軸受と、を備える。インペラは、回転軸が貫通する円筒状のボス部と、ボス部に連接して回転軸の径方向に延在するハブ部と、ボス部およびハブ部から径方向および軸方向の一端側に突出する羽根部とを含む。ハブ部の背面には、軸方向におけるハブ部の背面側の端縁よりも一端側に窪んだ凹部が設けられている。ボス部の軸方向の他端は、凹部内に配置されており、軸受の一端側の端面は、凹部内に配置されている。

Description

回転機械

　本開示は、回転軸が軸受によって支持され、回転軸に取り付けられたインペラが回転可能である回転機械に関する。

　このような技術として、特許文献１に記載されるように、コンプレッサホイール（インペラ）が回転軸に取り付けられ、モータによって、回転軸に固定されたモータ回転子を回転させる電動過給機が知られている。この電動過給機では、コンプレッサホイールとモータ回転子との間に軸受が設けられている。この軸受は、モータ回転子の片側を支持している。

特開２０１２－１０２７００号公報

　上記した従来の回転機械では、インペラの背面側と、モータ回転子との間に軸受が配置されている。よって、軸受から回転軸の先端までの長さは、インペラの軸方向の長さ全体を含むことになる。軸受から回転軸の先端までの長さが長いと、軸系の危険速度を増大させることも難しかった。本開示は、軸系の危険速度を増大させることができる回転機械を説明する。

　本開示の一態様に係る回転機械は、ハウジング内で回転可能に支持された回転軸を備える回転機械であって、回転軸の軸方向の一端部に取り付けられて、回転軸と一体に回転可能なインペラと、インペラの背面側で回転軸に取り付けられて、ハウジングに対して回転軸を回転可能に支持する軸受と、を備え、インペラは、回転軸が貫通する円筒状のボス部と、ボス部に連接して回転軸の径方向に延在するハブ部と、ボス部およびハブ部から径方向および軸方向の一端側に突出する羽根部とを含み、ハブ部の背面には、軸方向におけるハブ部の背面側の端縁よりも一端側に窪んだ凹部が設けられており、ボス部の軸方向の他端は、凹部内に配置されており、軸受の一端側の端面は、凹部内に配置されている。

　本開示の一態様によれば、軸系の危険速度を増大させることができる。

図１は、本開示の第１実施形態に係る回転機械の断面図である。図２は、図１中のＡ部を拡大して示す断面図である。図３は、インペラと軸受の位置関係を説明するための図である。図４は、本開示の第２実施形態に係る回転機械の回転部を示す断面図である。

　この回転機械によれば、インペラには、ハブ部の背面に凹部が設けられる。この凹部内に軸受の端面が配置されるので、軸受から回転軸の先端までの長さを縮小することができる。これにより、軸系の危険速度も増大させることができる。

　いくつかの態様において、ハウジングには、軸受を外周側および一端側から包囲すると共に凹部内に突出する軸受包囲部が設けられており、軸受包囲部のハブ部に対する対向面は、凹部の表面に沿って湾曲している。この場合、軸受のみならず、ハウジングの一部である軸受包囲部もインペラの凹部内に突出して凹部内に配置されるので、インペラを軸受に近づけやすくなる。この結果、軸先端部とインペラ重心の、軸受からのオーバーハング量が少なくなるため、上記した作用・効果がより一層好適に奏される。

　いくつかの態様において、ハウジングには、軸受を外周側および一端側から包囲すると共に凹部内に突出する軸受包囲部が設けられており、軸受包囲部の一部分は、軸受の一端側に対向している。

　いくつかの態様において、軸受は、回転軸に圧入された内輪と、複数の玉を介して内輪に対して相対回転可能である外輪とを含むラジアル玉軸受であり、内輪はインペラのボス部に当接している。この場合、インペラは、可能な限り軸受に近づけられるため、回転軸の先端を軸受に近づけやすくなり、上記した作用・効果がより一層好適に奏される。

　いくつかの態様において、回転軸にはロータ部が設けられ、ハウジングにはステータ部が設けられ、上記した回転機械は、ロータ部およびステータ部の相互作用によって回転軸およびインペラを回転させる電動過給機である。

　以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

　図１を参照して、第１実施形態の電動過給機（回転機械）１について説明する。図１に示されるように、電動過給機１は、たとえば車両や船舶の内燃機関に適用されるものである。電動過給機１は、コンプレッサ７を備えている。電動過給機１は、ロータ部１３およびステータ部１４の相互作用によってコンプレッサインペラ８を回転させ、空気等の流体を圧縮し、圧縮空気を発生させる。

　電動過給機１は、ハウジング２内で回転可能に支持された回転軸１２と、回転軸１２の先端部（一端部）１２ａに固定されたコンプレッサインペラ８とを備える。ハウジング２は、ロータ部１３およびステータ部１４を収納するモータハウジング３と、モータハウジング３の他端側（図示右側）の開口を閉鎖する端壁４とを備える。モータハウジング３の一端側（図示左側）には、コンプレッサインペラ８を収納するコンプレッサハウジング６が設けられている。コンプレッサハウジング６は、吸入口９と、スクロール部１０と、吐出口１１とを含んでいる。

　コンプレッサインペラ８は、たとえば樹脂製または炭素繊維強化樹脂（以下、「ＣＦＲＰ」という。ＣＦＲＰ：Carbon　Fiber　Reinforced　Plastic）製であり、これによって軽量化が図られている。

　ロータ部１３は、回転軸１２の軸方向Ｄ１の中央部に固定されており、回転軸１２に取り付けられた１または複数の永久磁石（図示せず）を含む。ステータ部１４は、ロータ部１３を包囲するようにしてモータハウジング３の内面に固定されており、導線１４ａが巻回されてなるコイル部（図示せず）を含む。導線１４ａを通じてステータ部１４のコイル部に交流電流が流されると、ロータ部１３およびステータ部１４の相互作用によって、回転軸１２とコンプレッサインペラ８とが一体になって回転する。コンプレッサインペラ８が回転すると、コンプレッサインペラ８は、吸入口９を通じて外部の空気を吸入し、スクロール部１０を通じて空気を圧縮し、吐出口１１から吐出する。吐出口１１から吐出された圧縮空気は、前述の内燃機関に供給される。

　電動過給機１は、回転軸１２に圧入されて、ハウジング２に対して回転軸１２を回転可能に支持する２個の玉軸受（軸受）２０を備える。玉軸受２０は、回転軸１２の先端部１２ａ付近と基端部１２ｂ付近とにそれぞれ設けられており、回転軸１２を両持ちで支持している。玉軸受２０は、たとえば、グリース潤滑式のラジアル玉軸受である。より詳細には、玉軸受２０は、深溝玉軸受であってもよく、アンギュラ玉軸受であってもよい。図２に示されるように、玉軸受２０は、回転軸１２に圧入された内輪２０ａと、複数の玉２０ｃを介して内輪２０ａに対して相対回転可能な外輪２０ｂとを含んでいる。

　一方の玉軸受２０は、コンプレッサインペラ８の背面側（図示右側）に取り付けられている。一方の玉軸受２０の外周側には、円筒状の軸受スリーブ（円筒部）２１が取り付けられている。図１に示されるように、これらの玉軸受２０および軸受スリーブ２１が、回転軸１２の先端部１２ａに設けられた軸端ナット１６によって、回転軸１２に固定されている。一方の玉軸受２０の外周側には、円筒状の軸受スリーブ２１が配置されている。軸受スリーブ２１は、モータハウジング３の軸方向Ｄ１の一端側に形成された軸受包囲部２３内に圧入されている。

　他方の玉軸受２０は、回転軸１２と端壁４との間に取り付けられている。他方の玉軸受２０の外周側には、円筒状の軸受スリーブ（円筒部）２２が取り付けられている。軸受スリーブ２２は、端壁４の中央でモータハウジング３内に突出するように形成された円筒部に圧入されている。他方の玉軸受２０と端壁４との間には、円環状のスプリング受け２６が設けられている。スプリング受け２６は、端壁４中央の円筒部内に配置されたスプリング２７によって、軸方向Ｄ１の一方に向けて付勢されている。

　モータハウジング３は、たとえばアルミニウム製である。これに対し、玉軸受２０の内輪２０ａおよび外輪２０ｂは鉄製である。そのため、玉軸受２０とモータハウジング３との間に、炭素鋼などの鉄製であって、玉軸受２０と同程度の硬さを有する軸受スリーブ２１，２２が設けられている。軸受スリーブ２１，２２は、玉軸受２０を外周側から包囲している。これにより、比較的柔らかい材料からなるモータハウジング３に対して、摩耗からの保護が図られている。

　回転軸１２と、回転軸１２に固定されたコンプレッサインペラ８、ロータ部１３、玉軸受２０およびスプリング受け２６とは、ハウジング２内で一体となって回転部を構成しており、上記の軸方向Ｄ１の一方に付勢されている。軸受包囲部２３の一部分である円環部２３ｂが玉軸受２０の一端側に対向しており、これにより、軸方向Ｄ１における回転部の位置決めがなされている。

　続いて、図２および図３を参照して、電動過給機１の軸受構造について詳細に説明する。図２および図３に示されるように、コンプレッサインペラ８は、回転軸１２が貫通する円筒状のボス部５１と、ボス部５１に連接して回転軸１２の径方向Ｄ２に延在するハブ部５２と、ボス部５１およびハブ部５２から径方向Ｄ２および軸方向Ｄ１の一端側（図示左側）に突出する羽根部５３とを含んでいる。

　ボス部５１は、玉軸受２０の内輪２０ａに当接している。ハブ部５２は、湾曲した表面を有する。羽根部５３は、コンプレッサインペラ８に求められる性能に応じて、３次元的な形状を有している。

　ハブ部５２の背面には、軸方向Ｄ１の一端側（図示左側）に窪んだ凹部８ａが設けられている。凹部８ａは、軸方向Ｄ１におけるハブ部５２の背面側の端縁５２ｂよりも、軸方向Ｄ１の一端側に窪んでいる。コンプレッサインペラ８をＣＦＲＰ製としたことに加え、コンプレッサインペラ８の背面が削り込み形状とされることで、コンプレッサインペラ８の軽量化が図られている。

　さらに、ボス部５１の軸方向Ｄ１の他端５１ａは、凹部８ａ内に配置されている。玉軸受２０の軸方向Ｄ１の一端面２０ｄは、凹部８ａ内に配置されている。図３に示されるように、玉軸受２０の一端面２０ｄが凹部８ａ内に進入する進入長さＬは、玉軸受２０の軸方向Ｄ１の長さ（厚み）の半分以下であってもよく、４分の１以下であってもよい。進入長さＬは、玉軸受２０の軸方向Ｄ１の長さ（厚み）の半分以上であってもよい。薄型の玉軸受２０が採用される場合、玉軸受２０の全体が凹部８ａ内に配置されてもよい。

　玉軸受２０の内輪２０ａの一端面２０ｄが、凹部８ａ内において、ボス部５１の他端５１ａに当接している。

　図２に示されるように、モータハウジング３には、玉軸受２０を外周側および一端側から包囲する前述の軸受包囲部２３が設けられている。円錐台状の軸受包囲部２３は、凹部８ａ内に突出している。言い換えれば、軸受包囲部２３の円環部２３ｂの全部または一部は、凹部８ａ内に配置されている。軸受包囲部２３のハブ部５２に対する対向面２３ａは、凹部８ａの表面５２ａに沿って湾曲している。これにより、凹部８ａの表面５２ａと軸受包囲部２３の対向面２３ａとの間には、薄く湾曲するように延びる隙間が設けられている。

　以上説明した本実施形態の電動過給機１によれば、コンプレッサインペラ８には、ハブ部５２の背面に凹部８ａが設けられる。この凹部８ａ内に玉軸受２０の一端面２０ｄが配置されるので、玉軸受２０から回転軸１２の先端１２ｄ（図３参照）までの長さが縮小されている。これにより、電動過給機１の回転軸１２の先端１２ｄのたわみ量が低減されており、軸系の危険速度が増大している。危険速度が増大することで、回転軸１２の回転数をアップさせることができる。また、玉軸受２０から回転軸１２の先端１２ｄまでの長さが縮小されている分、コンプレッサインペラ８を軽量化することができ、副次的に、過渡性能の向上に寄与している。

　電動過給機１では、玉軸受２０のみならず、ハウジング２の一部である軸受包囲部２３もコンプレッサインペラ８の凹部８ａ内に突出して、凹部８ａ内に配置される。円環部２３ｂの少なくとも一部は、凹部８ａ内に配置されている。よって、回転軸１２の先端１２ｄを玉軸受２０に近づけやすくなり、上記した作用・効果がより一層好適に奏される。

　さらに、コンプレッサインペラ８のボス部５１は、玉軸受２０に当接することで、可能な限り玉軸受２０に近づけられる。よって、回転軸１２の先端１２ｄを玉軸受２０に近づけやすくなり、上記した作用・効果がより一層好適に奏される。

　以上、本開示の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られない。たとえば、電動過給機１の代わりに、タービンの駆動力により、回転軸およびインペラを回転させる公知の過給機に適用することもできる。さらに、たとえば、図４に示されるように、同軸上に二つのコンプレッサインペラを設けてもよい。図４に示される例では、回転軸１２Ａの一端部１２ａにコンプレッサインペラ８が固定され、回転軸１２Ａの他端部１２ｂに第２のコンプレッサインペラ６０が固定されている。第２のコンプレッサインペラ６０は、ボス部６１と、ハブ部６２と、羽根部６３とを含み、ハブ部６２の背面側に、凹部６０ａが設けられている。この凹部６０ａ内に玉軸受２０の端面２０ｄが配置され、端縁６２ｂから進入長さＬだけ進入している。このような構造によっても、軸系の危険速度を増大されることができる。

　また、軸受包囲部２３が凹部８ａ内に突出していなくてもよい。軸受包囲部２３の対向面２３ａが、凹部８ａの表面５２ａに沿っておらず、凹部８ａの表面５２ａから大きく離間していてもよいし、凹部８ａの表面５２ａとは異なる形状であってもよい。

　玉軸受２０とコンプレッサインペラ８、第２のコンプレッサインペラ６０のボス部５１，６１との間に、他の部材が介在されてもよい。

　軸受は、グリース潤滑式の玉軸受に限られない。たとえば、他の潤滑方式（オイル潤滑等）を採用した玉軸受であってもよい。軸受は、玉軸受に限られず、すべり軸受であってもよい。

　インペラの材質は、ＣＦＲＰに限られない。アルミニウム製またはアルミニウム含有材料からなるインペラとしてもよいし、マグネシウム製またはマグネシウム含有材料からなるインペラとしてもよい。インペラの凹部の形状および大きさ（削り込みの度合い）は、適宜変更することができる。

　本発明の構造は、軸受が回転軸に圧入された、あらゆる回転機械に適用可能である。たとえば、タービンを備えモータによって回転を補助するタイプの電動過給機に本発明を適用することもできる。また、コンプレッサを備える回転機械に限られず、タービンによって発電を行う発電機に本発明を適用することもできる。

　本開示のいくつかの態様によれば、軸系の危険速度を増大させることができる。

１　電動過給機（回転機械）
２　ハウジング
７　コンプレッサ
８　コンプレッサインペラ（インペラ）
８ａ　凹部
１２　回転軸
１２Ａ　回転軸
２０　玉軸受（軸受）
２０ａ　内輪
２０ｂ　外輪
２０ｃ　玉
２０ｄ　一端面（端面）
２３　軸受包囲部
２３ａ　対向面
２３ｂ　円環部（一部分）
５１　ボス部
５２　ハブ部
５２ａ　表面
５２ｂ　端縁
５３　羽根部
６０　第２のコンプレッサインペラ（インペラ）
６０ａ　凹部
６１　ボス部
６２　ハブ部
６２ｂ　端縁
６３　羽根部
Ｄ１　軸方向
Ｄ２　径方向

Claims

　ハウジング内で回転可能に支持された回転軸を備える回転機械であって、
　前記回転軸の軸方向の一端部に取り付けられて、前記回転軸と一体に回転可能なインペラと、
　前記インペラの背面側で前記回転軸に取り付けられて、前記ハウジングに対して前記回転軸を回転可能に支持する軸受と、を備え、
　前記インペラは、前記回転軸が貫通する円筒状のボス部と、前記ボス部に連接して前記回転軸の径方向に延在するハブ部と、前記ボス部および前記ハブ部から前記径方向および前記軸方向の一端側に突出する羽根部とを含み、
　前記ハブ部の背面には、前記軸方向における前記ハブ部の背面側の端縁よりも前記一端側に窪んだ凹部が設けられており、
　前記ボス部の前記軸方向の他端は、前記凹部内に配置されており、
　前記軸受の前記一端側の端面は、前記凹部内に配置されている回転機械。
　前記ハウジングには、前記軸受を外周側および前記一端側から包囲すると共に前記凹部内に突出する軸受包囲部が設けられており、
　前記軸受包囲部の前記ハブ部に対する対向面は、前記凹部の表面に沿って湾曲している請求項１に記載の回転機械。
　前記ハウジングには、前記軸受を外周側および前記一端側から包囲すると共に前記凹部内に突出する軸受包囲部が設けられており、
　前記軸受包囲部の一部分は、前記軸受の一端側に対向している請求項１に記載の回転機械。
　前記軸受は、前記回転軸に圧入された内輪と、複数の玉を介して前記内輪に対して相対回転可能である外輪とを含むラジアル玉軸受であり、
　前記内輪は前記インペラの前記ボス部に当接している請求項１～３のいずれか一項に記載の回転機械。
　前記回転軸にはロータ部が設けられ、
　前記ハウジングにはステータ部が設けられ、
　前記ロータ部および前記ステータ部の相互作用によって前記回転軸および前記インペラを回転させる電動過給機である、請求項１～４のいずれか一項に記載の回転機械。