JP4292606B2

JP4292606B2 - Electric turbo equipment

Info

Publication number: JP4292606B2
Application number: JP35756998A
Authority: JP
Inventors: 浩司堀川
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1998-12-16
Filing date: 1998-12-16
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2018-12-16
Also published as: JP2000179498A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内設されたモータによってタービン翼車が高速回転駆動される電動ターボ機器（コンプレッサ／ブロア）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大出力のレーザを連続して得るために実用されている気体レーザ装置では、例えば、炭酸ガスと他のガスを混合してレーザ管に導き放電励起し、共振させてレーザ出力を得ているが、このときガスの温度が上昇するのでガスを循環させ、熱交換器を通して冷却している。このガスの循環に電動ターボブロアが用いられている。
【０００３】
図４に従来の電動ターボブロアの構成を示す。ターボブロア５１は、翼車５２およびモータ回転子５４Ｂがシャフト５３に軸着され、ハウジング６７の上部と下部に配設された軸受５６、５７により軸支されている。モータ５４は、可変周波数のインバータ６５により励磁されることにより高速で回転し、翼車５２を回転駆動する。翼車５２の回転により吸入口Ｐｉｎから吸入されたガスは、圧縮されて出口Ｐｏｕｔから導出される。
【０００４】
シャフト５３には同心でシャフト中空穴６２が穿孔されており、さらにその下部にはスロープを持った中空の遠心ポンプ部６１が形成されている。遠心ポンプ部６１は、オイルため６０に浸漬されており、シャフト５３の回転により、オイルため６０に満たされている潤滑オイルがシャフト中空穴６２の内壁に沿って汲み上げられる。またシャフト５３には軸受５６、５７の上部にシャフト中空穴６２に通じる穴６３、６４が穿孔されており、前記の中空穴６２の内壁に沿って汲み上げられた潤滑オイルは、シャフト５３の回転により遠心力で前記の穴６３、６４から軸受５６、５７の上部に放出され、軸受５６、５７を潤滑する。軸受５６、５７を潤滑した潤滑オイルは、重力によりオイル戻り路５８、５９を通ってオイルため６０にもどる。潤滑オイルは、モータ駆動部の空間６９内に噴霧状態および循環状態にて存在する。潤滑オイルがガス圧縮部７０に漏出することはラビリンスシール等のシール機構６８により防止されている。さらに、潤滑オイルのガス圧縮部７０への漏出を防ぐためにモータ駆動部の空間６９内がガス圧縮部７０に対して低圧に保持されるように穴６６から管路により真空ポンプに接続されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電動ターボブロアは以上のように構成されているが、翼車を駆動するモータは、作動時、固定子と回転子それぞれに損失が生じ発熱する。固定子の損失による発熱は、ハウジングに水冷ジャケットなどの冷却手段を配設することにより温度上昇を押さえる対策が取られるが、回転子の損失による発熱はシャフトを経由して軸受からハウジングへ、および翼車からガスに放熱されるが、ガスが希薄である場合には積極的な冷却にはなり得ない。このため回転子の温度上昇が著しくなり、回転子の二次導電体であるアルミニウム製のエンドリングが高温となり軟化して変形し、破損に及ぶことが生じ得る。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、軸受の潤滑に供した潤滑オイルを用いてモータ回転子の導電体を冷却し、回転子の破損を防止することができる電動ターボ機器を提供することを目的とする。
【０００６】
【問題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明の電動ターボ機器は、モータ回転子およびタービン翼車が軸着された駆動軸からなる回転体、該回転体を軸支する上下一対の軸受、該軸受を潤滑するための潤滑オイル供給のポンプと潤滑オイル流路を駆動軸内に設け、前記駆動軸の軸端を潤滑オイルために浸漬し、前記駆動軸が回転することにより潤滑オイルが前記ポンプにより前記駆動軸内を上昇し、前記駆動軸の軸受部の上部に穿孔された穴から潤滑オイルが供給されるようにしてなる電動ターボ機器において、上部軸受を潤滑し、オイルためへ戻る過程の潤滑オイルを受皿等で集め、モータ回転子の二次巻線を成す導電体に導き、モータ回転子導電体を冷却し得るように電動ターボ機器を構成したことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明が提供する電動ターボ機器の実施例を示す構成図である。
ターボブロア１の翼車２およびモータ回転子４Ｂがシャフト３に軸着され、ハウジング１７の上部と下部に配設された軸受６、７により軸支されている。モータ４は、可変周波数のインバータ１５により励磁されることにより高速で回転し、翼車２を回転駆動する。翼車２の回転により吸入口Ｐｉｎから吸入されたガスは、圧縮されて出口Ｐｏｕｔから導出される。
【０００８】
シャフト３には同心でシャフト中空穴１２が穿孔されており、さらにその下部にはスロープを持った中空の遠心ポンプ部１１が形成されている。遠心ポンプ部１１は、オイルため１０に浸漬されており、シャフト３の回転により、オイルため１０に満たされている潤滑オイルがシャフト中空穴１２の内壁に沿って汲み上げられる。またシャフト３には軸受６、７の上部にシャフト中空穴１２に通じる穴１３、１４が穿孔されており、前記の中空穴１２の内壁に沿って汲み上げられた潤滑オイルは、シャフト３の回転により遠心力で前記の穴１３、１４から軸受６、７の上部に放出され、軸受６、７を潤滑する。軸受６、７を潤滑した潤滑オイルは、オイル戻り路８、９を通って重力によりオイルため１０にもどる。この潤滑オイルは、モータ駆動部の空間１９内に噴霧状態および循環状態にて存在する。潤滑オイルがガス圧縮部２０に漏出することはラビリンスシール等のシール部１８により防止されている。さらに、潤滑オイルのガス圧縮部２０への漏出を防ぐためにモータ駆動部の空間１９内がガス圧縮部２０に対して低圧に保持されるように穴１６から管路により真空ポンプに接続されている。
【０００９】
モータ４は、可変周波数のインバータ１５で駆動されるが、一般によく用いられる誘導形のモータでは、効率が８０から９０％であり、入力電力の約１０から２０％は損失となり発熱する。そしてその損失の約２／３が固定子４Ａで、残り約１／３が回転子４Ｂで生じる。例えば７．５ＫＷで効率８５％のモータでは、固定子４Ａで約７５０Ｗ、回転子４Ｂで約３７５Ｗの損失が生じ、これにより発熱する。固定子４Ａの発熱は前記したようにハウジング１７に放熱される。一方、回転子４Ｂの発熱は、シャフト３から翼車２を経由して流れているガスへ、シャフト３から軸受６、７を経由してハウジング１７へ、回転体の表面からハウジング１７等への輻射により放熱されるが、これら熱伝達路のインピーダンスが高く、十分な伝達ができないためモータ回転子４Ｂの温度が上昇する。一般に最も良く用いられるかご形誘導モータの回転子は導体としてアルミニウムを用い、鉄心の溝に鋳込む形でかご形の二次巻線が形成されるが、アルミの高応力下での変形温度は３００〜３５０℃であり、回転子４Ｂの放熱手段を設けないとこの温度を越える温度上昇が起こり破損することになる。
【００１０】
このため、図１の実施例では、上部の軸受６を潤滑した潤滑オイルをオイル受け５に集め、モータ回転子４Ｂ（特に導電体のエンドリング４Ｃ）に流下させるようにし、積極的に潤滑オイルに放熱させることにより回転子４Ｂ（エンドリング４Ｃ）の温度を、十分に軟化変形温度より低い安全な温度まで下げることができるようにしたものである。モータ回転子４Ｂを冷却し温度の上昇した潤滑オイルは、オイル戻り路８、９を通ってオイルため１０に戻り、オイルからハウジングに放熱される。このようにして、モータ回転子４Ｂの発熱による温度上昇からの破損を防止することができる。
【００１１】
図２は本発明の他の実施例であり、図に示すように、モータ回転子４Ｂのエンドリング４Ｃのシャフト３に面する側面を開口部を大きくするように傾斜させることにより、オイル受け５で集められた、軸受６を潤滑した潤滑オイルがエンドリング４Ｃとシャフトの間に流下するようにしたものである。この場合、回転子４Ｂの回転により潤滑オイルがエンドリング４Ｃの斜面を上昇しながらエンドリング４Ｃから熱を吸収するので、回転子４Ｂ（エンドリング４Ｃ）の冷却を効果的になすことができる。
【００１２】
図３は本発明の更に他の実施例であり、図２と同様に構成したエンドリング４Ｃに内面（シャフト３側）から外面（固定子４Ａ側）に向かって細孔を複数個穿孔し、潤滑オイルの通路を設けたものである。これによりシャフト３とエンドリング４Ｃの間に流下した潤滑オイルがモータ３の回転により、エンドリング４Ｃの斜面を上昇し、一部は上記細孔から遠心力により外面に流出し、その過程でエンドリング４Ｃから熱を吸収するので、エンドリング４Ｃの冷却をより効果的になすことができる。
【００１３】
上記の実施例では、翼車２は、遠心翼車で示したが、他の翼車形状、例えば軸流翼車であっても良い。また、上記の実施例では、シャフト中空穴１２の下部から中空穴に潤滑オイルを汲み上げるのにスロープを持つ遠心ポンプを示したが、他の形式のポンプでもよい。さらに、オイル受け５をハウジング１７と別部品で示したが、ハウジング１７と一体で軸受６を潤滑した潤滑オイルを集め、エンドリング４Ｃに流下させる構造にすることもできる。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の電動ターボ機器は上記のように構成されており、上部軸受を潤滑した潤滑オイルを集めてモータ回転子の導電体のエンドリングに流下することにより、回転子の発熱により軟化変形して破損する恐れのあるエンドリングを効果的に冷却し、安全な温度範囲で電動ターボ機器を運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる電動ターボ機器の一実施例の構成を示す図である。
【図２】本発明の請求項２の発明に係わるモータ回転子エンドリングの形状について実施例を示す図である。
【図３】本発明の請求項３の発明に係わるモータ回転子エンドリングの形状について実施例を示す図である。
【図４】従来の電動ターボ機器の構成を示す図である。
【符号の説明】
１・・・・ターボブロア２・・・・翼車
３・・・・シャフト４・・・・モータ
４Ａ・・・・固定子４Ｂ・・・・回転子
４Ｃ・・・・エンドリング５・・・・オイル受け
６、７・・・・軸受８、９・・・・オイル戻り路
１０・・・・オイルため１１・・・・遠心ポンプ部
１２・・・・シャフト中空穴１３、１４、１６、２１・・・・穴
１５・・・・インバータ１７・・・・ハウジング
１８・・・・シール部２０・・・・ガス圧縮部
Ｐｉｎ・・・・吸入口Ｐｏｕｔ・・・・出口[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electric turbo equipment (compressor / blower) in which a turbine impeller is driven to rotate at high speed by an internal motor.
[0002]
[Prior art]
In a gas laser device that is practically used to continuously obtain a high-power laser, for example, carbon dioxide gas and another gas are mixed, guided to a laser tube, excited by discharge, and resonated to obtain a laser output. At this time, since the temperature of the gas rises, the gas is circulated and cooled through a heat exchanger. An electric turbo blower is used to circulate this gas.
[0003]
FIG. 4 shows the configuration of a conventional electric turbo blower. In the turbo blower 51, an impeller 52 and a motor rotor 54 </ b> B are attached to a shaft 53, and are supported by bearings 56 and 57 disposed on an upper portion and a lower portion of a housing 67. The motor 54 rotates at high speed by being excited by the variable frequency inverter 65, and drives the impeller 52 to rotate. The gas sucked from the suction port Pin by the rotation of the impeller 52 is compressed and led out from the outlet Pout.
[0004]
A shaft hollow hole 62 is concentrically formed in the shaft 53, and a hollow centrifugal pump portion 61 having a slope is formed in the lower portion thereof. The centrifugal pump 61 is immersed in the oil 60, and the lubricating oil filled in the oil 60 is pumped up along the inner wall of the shaft hollow hole 62 by the rotation of the shaft 53. The shaft 53 is formed with holes 63 and 64 communicating with the shaft hollow hole 62 in the upper portions of the bearings 56 and 57, and the lubricating oil pumped up along the inner wall of the hollow hole 62 is rotated by the rotation of the shaft 53. The bearings 56 and 57 are lubricated by being discharged from the holes 63 and 64 to the upper portions of the bearings 56 and 57 by centrifugal force. The lubricating oil that has lubricated the bearings 56 and 57 returns to the oil 60 through the oil return paths 58 and 59 by gravity. Lubricating oil is present in the space 69 of the motor drive unit in a sprayed state and a circulating state. The lubricating oil is prevented from leaking to the gas compression unit 70 by a sealing mechanism 68 such as a labyrinth seal. Further, in order to prevent leakage of lubricating oil to the gas compression unit 70, the space 69 of the motor drive unit is connected to a vacuum pump through a pipe 66 from a hole 66 so as to be held at a low pressure with respect to the gas compression unit 70. .
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Although the conventional electric turbo blower is configured as described above, the motor that drives the impeller generates heat due to loss in the stator and the rotor during operation. Heat generated by the loss of the stator can be prevented by installing a cooling means such as a water cooling jacket in the housing, but the heat generated by the loss of the rotor is taken from the bearing to the housing via the shaft, and Although heat is dissipated from the impeller to the gas, it cannot be actively cooled when the gas is lean. For this reason, the temperature rise of the rotor becomes remarkable, and the end ring made of aluminum, which is the secondary conductor of the rotor, becomes high temperature and softens, deforms, and may be damaged.
The present invention has been made in view of such circumstances, and an electric turbocharger that can cool a conductor of a motor rotor using lubricating oil used for bearing lubrication and prevent damage to the rotor. The purpose is to provide equipment.
[0006]
[Means for solving problems]
In order to solve the above-described problems, an electric turbo equipment according to the present invention includes a rotating body including a drive shaft on which a motor rotor and a turbine impeller are attached, a pair of upper and lower bearings that support the rotating body, and the bearing. A lubrication oil supply pump for lubrication and a lubrication oil flow path are provided in the drive shaft, the shaft end of the drive shaft is immersed for lubrication oil, and when the drive shaft rotates, the lubrication oil is fed by the pump. Lubricating oil in the process of going up in the drive shaft and lubricating the upper bearing and returning to the oil in the electric turbo equipment in which the lubricating oil is supplied from the hole drilled in the upper portion of the bearing portion of the drive shaft The electric turbo equipment is configured so that the motor rotor conductor can be cooled by collecting it in a saucer or the like and guiding it to the conductor forming the secondary winding of the motor rotor.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of an electric turbo equipment provided by the present invention.
The impeller 2 and the motor rotor 4B of the turbo blower 1 are attached to the shaft 3 and supported by bearings 6 and 7 disposed on the upper and lower portions of the housing 17, respectively. The motor 4 is rotated at a high speed by being excited by the variable frequency inverter 15 and rotationally drives the impeller 2. The gas sucked from the suction port Pin by the rotation of the impeller 2 is compressed and led out from the outlet Pout.
[0008]
A shaft hollow hole 12 is formed concentrically on the shaft 3, and a hollow centrifugal pump portion 11 having a slope is formed below the shaft hollow hole 12. The centrifugal pump unit 11 is immersed in the oil 10, and the lubricating oil filled in the oil 10 is pumped up along the inner wall of the shaft hollow hole 12 by the rotation of the shaft 3. Further, the shaft 3 has holes 13 and 14 communicating with the shaft hollow hole 12 in the upper portions of the bearings 6 and 7, and the lubricating oil pumped up along the inner wall of the hollow hole 12 is caused by the rotation of the shaft 3. The bearings 6 and 7 are lubricated by being discharged from the holes 13 and 14 to the upper portions of the bearings 6 and 7 by centrifugal force. The lubricating oil that has lubricated the bearings 6 and 7 returns to the oil 10 by gravity through the oil return paths 8 and 9. This lubricating oil exists in the spraying state and the circulating state in the space 19 of the motor drive unit. The lubricating oil is prevented from leaking to the gas compression unit 20 by a seal unit 18 such as a labyrinth seal. Further, in order to prevent the lubricating oil from leaking to the gas compression unit 20, the space 19 of the motor drive unit is connected to a vacuum pump through a pipe line from the hole 16 so as to be held at a low pressure with respect to the gas compression unit 20. .
[0009]
The motor 4 is driven by an inverter 15 having a variable frequency. In general, an induction motor, which is often used, has an efficiency of 80 to 90%, and about 10 to 20% of input power is lost and generates heat. About 2/3 of the loss occurs in the stator 4A, and the remaining 1/3 occurs in the rotor 4B. For example, in a motor with an efficiency of 85% at 7.5 KW, a loss of about 750 W is generated in the stator 4A and about 375 W in the rotor 4B, thereby generating heat. The heat generated by the stator 4A is radiated to the housing 17 as described above. On the other hand, the heat generated by the rotor 4B is generated from the shaft 3 to the gas flowing through the impeller 2, from the shaft 3 to the housing 17 through the bearings 6 and 7, and from the surface of the rotating body to the housing 17 and the like. Although the heat is radiated by radiation, the temperature of the motor rotor 4B rises because the impedance of these heat transfer paths is high and cannot be sufficiently transmitted. In general, the rotor of a squirrel-cage induction motor, which is most commonly used, uses aluminum as a conductor, and a cage-shaped secondary winding is formed by casting it into a groove in an iron core. The deformation temperature of aluminum under high stress is If it is 300-350 degreeC and the thermal radiation means of the rotor 4B is not provided, the temperature rise exceeding this temperature will occur and it will be damaged.
[0010]
For this reason, in the embodiment of FIG. 1, the lubricating oil that lubricated the upper bearing 6 is collected in the oil receiver 5 and allowed to flow down to the motor rotor 4B (particularly the end ring 4C of the conductor). The temperature of the rotor 4B (end ring 4C) can be lowered to a safe temperature sufficiently lower than the softening deformation temperature. The lubricating oil whose temperature has been increased by cooling the motor rotor 4B returns to the oil 10 through the oil return paths 8 and 9, and is radiated from the oil to the housing. In this way, it is possible to prevent damage from temperature rise due to heat generation of the motor rotor 4B.
[0011]
FIG. 2 shows another embodiment of the present invention. As shown in the drawing, the side surface of the end ring 4C of the motor rotor 4B facing the shaft 3 is inclined so as to enlarge the opening, thereby receiving the oil receiver 5. The lubricating oil that has collected the bearing 6 and lubricated the bearing 6 flows between the end ring 4C and the shaft. In this case, since the lubricating oil absorbs heat from the end ring 4C while moving up the slope of the end ring 4C by the rotation of the rotor 4B, the rotor 4B (end ring 4C) can be effectively cooled.
[0012]
FIG. 3 shows still another embodiment of the present invention, in which a plurality of pores are drilled from an inner surface (shaft 3 side) to an outer surface (stator 4A side) in an end ring 4C configured similarly to FIG. A lubricating oil passage is provided. As a result, the lubricating oil that has flowed between the shaft 3 and the end ring 4C rises on the slope of the end ring 4C by the rotation of the motor 3, and partly flows out from the pores to the outer surface by centrifugal force. Since heat is absorbed from the ring 4C, the end ring 4C can be cooled more effectively.
[0013]
In the above embodiment, the impeller 2 is shown as a centrifugal impeller, but other impeller shapes such as an axial flow impeller may be used. In the above-described embodiment, the centrifugal pump having the slope is shown for pumping the lubricating oil from the lower portion of the shaft hollow hole 12 into the hollow hole. However, other types of pumps may be used. Furthermore, although the oil receiver 5 is shown as a separate part from the housing 17, it is also possible to have a structure in which the lubricating oil that lubricates the bearing 6 integrally with the housing 17 is collected and allowed to flow down to the end ring 4 </ b> C.
[0014]
【The invention's effect】
The electric turbo equipment of the present invention is configured as described above, and collects the lubricating oil that has lubricated the upper bearing and flows down to the end ring of the conductor of the motor rotor, thereby softening and deforming due to the heat generated by the rotor. The end ring which may be damaged can be effectively cooled, and the electric turbo equipment can be operated in a safe temperature range.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of an electric turbo equipment according to the present invention.
FIG. 2 is a view showing an embodiment of the shape of a motor rotor end ring according to the invention of claim 2 of the present invention.
FIG. 3 is a view showing an embodiment of the shape of a motor rotor end ring according to the invention of claim 3 of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a conventional electric turbo equipment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Turbo blower 2 ... Impeller 3 ... Shaft 4 ... Motor 4A ... Stator 4B ... Rotor 4C ... End ring 5 ... · Oil receivers 6 and 7 ··· Bearings 8 and 9 · · · Oil return path 10 · · · For oil 11 · · · Centrifugal pump portion 12 · · · Hollow shaft hole 13, 14, 16, 21... Hole 15... Inverter 17... Housing 18... Seal portion 20.

Claims

モータ回転子およびタービン翼車が軸着された駆動軸からなる回転体、該回転体を軸支する上下一対の軸受、該軸受を潤滑するため潤滑オイルを供給するポンプと潤滑オイル流路を駆動軸内に設け、前記駆動軸の軸端を潤滑オイルために浸漬し、前記駆動軸が回転することにより潤滑オイルが前記ポンプにより前記駆動軸内を上昇し、前記駆動軸の軸受部の上部に穿孔された穴から潤滑オイルが供給されるようにしてなる電動ターボ機器において、上記モータ回転子の上部にオイル受けを設けることにより、上部軸受を潤滑し、オイルためへ戻る過程の潤滑オイルを集めモータ回転子の二次巻線を成す導電体に導き、潤滑オイルによりモータ回転子導電体を冷却し得るようにしたことを特徴とする電動ターボ機器。Rotating body composed of a drive shaft on which a motor rotor and a turbine impeller are attached, a pair of upper and lower bearings supporting the rotating body, a pump for supplying lubricating oil to lubricate the bearing, and driving a lubricating oil passage Provided in the shaft, the shaft end of the drive shaft is immersed for lubricating oil, and when the drive shaft rotates, the lubricating oil rises in the drive shaft by the pump, and is placed above the bearing portion of the drive shaft. In the electric turbo equipment in which the lubricating oil is supplied from the drilled hole, the upper bearing of the motor rotor is provided with an oil receiver to lubricate the upper bearing and collect the lubricating oil in the process of returning to the oil. An electric turbo equipment characterized in that the motor rotor conductor can be cooled by lubricating oil guided to a conductor constituting a secondary winding of the motor rotor.

上記モータ回転子のエンドリングの駆動軸に直面する側面に傾斜を付し上部に開口するように構成したことを特徴とする請求項１記載の電動ターボ機器。 2. The electric turbo equipment according to claim 1, wherein a side surface facing the drive shaft of the end ring of the motor rotor is inclined and opened to the top.

上記モータ回転子のエンドリングの駆動軸に直面する側面に傾斜を付し上部に開口するように構成し、かつエンドリングの駆動軸側から固定子に面する側にかけて複数の穴を設けたことを特徴とする請求項１記載の電動ターボ機器。 The side face facing the drive shaft of the end ring of the motor rotor is configured to be inclined and open to the top, and a plurality of holes are provided from the drive shaft side of the end ring to the side facing the stator. The electric turbo equipment according to claim 1.