特許 7450487 水封式モータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-07

(45)【発行日】2024-03-15

(54)【発明の名称】水封式モータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 5/10 20060101AFI20240308BHJP

   H02K 9/19 20060101ALI20240308BHJP

【ＦＩ】

H02K5/10 Z

H02K9/19 Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020127633

(22)【出願日】2020-07-28

(65)【公開番号】P2022024823

(43)【公開日】2022-02-09

【審査請求日】2023-04-18

(73)【特許権者】

【識別番号】000000239

【氏名又は名称】株式会社荏原製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100169764

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100167553

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 久典

(72)【発明者】

【氏名】野田 麻美子

(72)【発明者】

【氏名】真武 幸三

(72)【発明者】

【氏名】大野 佳彦

(72)【発明者】

【氏名】栗田 要

【審査官】池田 貴俊

(56)【参考文献】

【文献】実開昭５５－０４０６７０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００２－３４５１８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０５７５０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２５８１９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０１６９１２８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ ５／１０

Ｈ０２Ｋ ９／１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

モータ軸と、前記モータ軸を回転させるロータ及びステータと、前記ロータ及びステータを収容するケーシングと、を有し、前記ケーシングの内部に封入水が充満されている水封式モータであって、
前記ステータは、外周面に凹部が形成されたステータコアを有し、
前記ケーシングは、前記ステータコアが内側に嵌め込まれる円筒状のフレームを有し、 前記フレームには、前記凹部に連通する貫通部が形成されており、
前記貫通部は、第１ねじ孔と、前記フレームの径方向において前記第１ねじ孔よりも外側に形成された第２ねじ孔と、前記第１ねじ孔と前記第２ねじ孔との間に形成された接続孔と、有し、
前記第１ねじ孔に螺合し、前記凹部に係合するコアセットボルトと、
前記第２ねじ孔に螺合し、前記コアセットボルトが挿入された前記貫通部を封止するプラグと、を有する、ことを特徴とする水封式モータ。

【請求項2】

前記コアセットボルトと前記プラグとの隙間をＡとし、前記コアセットボルトの前記凹部に対する食い込み深さをＢとしたとき、Ａ＜Ｂの関係を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の水封式モータ。

【請求項3】

前記フレームの線膨張係数は、前記ステータコアの線膨張係数よりも大きい、ことを特徴とする請求項１または２に記載の水封式モータ。

【請求項4】

前記フレームは、オーステナイト系ステンレス鋳鋼である、ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項の水封式モータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水封式モータに関するものである。

【背景技術】

【0002】

下記特許文献１には、外周に凹部を有する電磁鋼板のコアを軸方向に積層形成することで側面に溝が形成されたステータと、内部にステータが嵌め込まれる筒状のハウジングを有する電動モータが開示されている。ステータは、ハウジングの側面に設けられた貫通孔に挿入された固定部材が、外周面の凹部に係合することによって、ハウジングに固定されている。この構成によれば、簡単な構成でステータとハウジングの抜け止めと回り止めをすることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－１１２６７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

水封式モータにおいては、固定子巻線に耐水絶縁電線を使用し、ステータコアを含むモータ内部部品は全てモータ内部に封入されたプロピレングリコール水溶液等からなる封入液に浸った状態で運転される。このような水封式モータは、例えば、公共取水場、或いは原油備蓄基地等に配置される大型の水中ポンプを駆動する用途において、３０～６０年程度の長寿命を要求されるケースが多い。しかし、ステータコアは、ロータの回転に伴う封入液の水流に晒されるので、エロージョン・コロージョンによる腐食が発生し易く、約２０年程度で部分的に欠落して軸受等の摺動部に損傷を与えることがあった。このような場合、水封式モータのフレームからステータコアを脱着し、ステータコアを交換する必要がある。

【0005】

ところで、水封式モータにおいては、ステータコアがフレームに溶接固定されている構成が一般的であり、ステータコアの交換が必要になる場合、まだ寿命に達していないフレームとセットで交換しており、非常に不経済な状況となっていた。このため、上述した特許文献１に記載されたステータ構造を採用し、ステータコアをボルト（固定部材）によってフレームに脱着可能に固定することが考えられる。しかしながら、ボルトには、モータ起動時の衝撃的な剪断力が起動の度に作用し、またステータコアの電磁振動も作用するため、ボルトが緩んでモータ内部の封入液が外部へ漏れ出してしまう虞があった。

【0006】

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、水封式モータの封入液が外部へ漏れ出すことを防止しつつ、フレームからステータコアを容易に脱着できるステータ構造を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様に係る水封式モータは、モータ軸と、前記モータ軸を回転させるロータ及びステータと、前記ロータ及びステータを収容するケーシングと、を有し、前記ケーシングの内部に封入水が充満されている水封式モータであって、前記ステータは、外周面に凹部が形成されたステータコアを有し、前記ケーシングは、前記ステータコアが内側に嵌め込まれる円筒状のフレームを有し、前記フレームには、前記凹部に連通する貫通部が形成されており、前記貫通部に挿入され、前記凹部に係合するコアセットボルトと、前記コアセットボルトが挿入された前記貫通部を封止するプラグと、を有する。

【0008】

上記水封式モータにおいては、前記コアセットボルトと前記プラグとの隙間をＡとし、前記コアセットボルトの前記凹部に対する食い込み深さをＢとしたとき、Ａ＜Ｂの関係を有してもよい。
上記水封式モータにおいては、前記フレームの線膨張係数は、前記ステータコアの線膨張係数よりも大きくてもよい。
上記水封式モータにおいては、前記フレームは、オーステナイト系ステンレス鋳鋼であってもよい。

【発明の効果】

【0009】

上記本発明の態様によれば、水封式モータの封入液が外部へ漏れ出すことを防止しつつ、フレームからステータコアを容易に脱着できるステータ構造を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】一実施形態に係る水封式モータの断面図である。

【図2】一実施形態に係るステータコアの外周面付近の断面図である。

【図3】図２に示す領域Ｘ１の拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の一実施形態に係る水封式モータについて図面を参照して説明する。

【0012】

図１は、一実施形態に係る水封式モータ１の断面図である。
水封式モータ１は、図１に示すように、モータ軸２と、モータ軸２を回転させるロータ３及びステータ４と、ロータ３及びステータ４を収容するケーシング５と、を有する。
以下の説明において、モータ軸２の中心軸Ｏを基準に各部材の位置関係について説明することがある。中心軸Ｏが延びる方向を軸方向と言う。また、中心軸Ｏと直交する方向を径方向と言う。また、中心軸Ｏを周回する方向を周方向と言う。

【0013】

ケーシング５は、軸方向に延びる円筒状のフレーム１０と、フレーム１０の軸方向一方側（反負荷側）の端部に取り付けられた反負荷側ブラケット１１と、フレーム１０の軸方向他方側（負荷側）の端部に取り付けられた負荷側ブラケット１２と、を有する。なお、負荷側とは、モータ軸２の出力軸側を意味し、反負荷側とは、当該負荷側と反対側を意味する。モータ軸２の出力軸側（負荷側）の端部２Ｂは、ケーシング５から突出している。

【0014】

反負荷側ブラケット１１の軸方向一方側には、スラスト受ケース１３が取り付けられている。また、スラスト受ケース１３の軸方向一方側には、エンドカバー１４が取り付けられている。スラスト受ケース１３は、モータ軸２の反負荷側の端部２Ａに取り付けられたスラストディスク１５と軸方向で対向するスラストパッド１６を保持している。エンドカバー１４は、ケーシング５の内部空間５Ａの軸方向一方側を封止している。

【0015】

ケーシング５の内部空間５Ａには、封入水が充満されている。封入水は、一般にプロピレングリコール水溶液から成る無害かつ水溶する不凍液からなる。エンドカバー１４は、内部空間５Ａとケーシング５の外部との圧力差に応じて変形し、当該圧力差を緩和する。封入水は、ロータ３の回転に伴う水流によって内部空間５Ａを循環し、モータ軸２、ロータ３、ステータ４の摺動部や発熱部等を冷却及び潤滑する。

【0016】

反負荷側ブラケット１１は、モータ軸２を滑り支持する反負荷側ラジアルメタル１７を保持している。モータ軸２において、反負荷側ラジアルメタル１７と径方向で対向する部分には、反負荷側軸スリーブ１８が取り付けられている。

【0017】

一方、ロータ３を挟んで反負荷側ブラケット１１と反対側に配置された負荷側ブラケット１２は、モータ軸２を滑り支持する負荷側ラジアルメタル２１を保持している。モータ軸２において、負荷側ラジアルメタル２１と径方向で対向する部分には、負荷側軸スリーブ２２が取り付けられている。

【0018】

モータ軸２の負荷側には、スラストディスク１９が取り付けられている。スラストディスク１９は、ロータ３と負荷側軸スリーブ２２との間に配置されている。負荷側ブラケット１２は、モータ軸２に取り付けられたスラストディスク１９と軸方向で対向するスラストパッド２０を保持している。

【0019】

負荷側ブラケット１２の軸方向他方側には、図示しない水中ポンプ等とモータ軸２を接続するためのブラケット２３が取り付けられている。ブラケット２３は、ケーシング５の内部空間５Ａの軸方向他方側を封止するメカニカルシール２４を保持している。

【0020】

ロータ３は、モータ軸２に取り付けられたロータコア３０を有する。ロータコア３０は、軸方向に積層された複数の珪素鋼板（電磁鋼板）によって円筒状に形成されている。ロータコア３０には、図示しない複数の永久磁石が挿入されている。また、ロータコア３０の軸方向両側には、バランスリング３１が取り付けられている。なお、誘導電動機の場合は、ロータコア３０に挿入されるのは永久磁石ではなく、誘導電動機の二次導体である銅やアルミなどの導体であっても構わない。

【0021】

ステータ４は、フレーム１０の内側に嵌め込まれたステータコア４０と、ステータコア４０に巻き掛けられたコイル４１と、を備える。ステータコア４０は、軸方向に積層された複数の珪素鋼板（電磁鋼板）によって円筒状に形成されている。コイル４１は、ケーシング５の外部に延びるケーブル２５と電気的に接続されている。

【0022】

図２は、一実施形態に係るステータコア４０の外周面４０ａ付近の断面図である。図３は、図２に示す領域Ｘ１の拡大図である。
図２に示すように、ステータコア４０の外周面４０ａには、凹部４３が形成されている。凹部４３は、外周面４０ａにおいて軸方向に間隔をあけて複数（本実施形態では３つ）形成されている。

【0023】

一方、フレーム１０には、凹部４３に連通する貫通部５０が形成されている。貫通部５０は、凹部４３と同じ間隔及び同じ数で形成されている。貫通部５０は、フレーム１０を径方向において貫通している。貫通部５０は、フレーム１０において厚みが部分的に大きくなったリブ部１０Ａに形成されている。

【0024】

リブ部１０Ａは、フレーム１０の外周面１０Ｂよりも径方向外側に突出している。リブ部１０Ａは、外周面１０Ｂに対して一定の高さで形成され、軸方向に延在している。リブ部１０Ａの軸方向両側の端部は、図１に示すように、フレーム１０の軸方向両側の端部に設けられたフランジ部１０Ｃと接続されている。

【0025】

図３に示すように、貫通部５０は、第１ねじ孔５１と、第１ねじ孔５１よりも径方向外側に形成された第２ねじ孔５２と、第１ねじ孔５１と第２ねじ孔５２との間に形成された接続孔５３と、有する。貫通部５０の内径は、第１ねじ孔５１、接続孔５３、第２ねじ孔の順に大きくなっている。

【0026】

第１ねじ孔５１には、コアセットボルト６０が螺合している。コアセットボルト６０は、第１ねじ孔５１に螺合するねじ部６１と、接続孔５３（座ぐり）に収まる頭部６２と、第１ねじ孔５１から径方向内側に突出し、ステータコア４０の凹部４３に挿入される先端部６３と、を有する。先端部６３は、ねじ部６１のねじ谷径相当の丸棒形状となっている。

【0027】

第２ねじ孔５２には、プラグ７０が螺合している。プラグ７０は、コアセットボルト６０よりも径方向外側に配置され、コアセットボルト６０が挿入された貫通部５０を封止する。本実施形態のプラグ７０は、六角穴付きねじプラグであり、コアセットボルト６０と同じように、六角レンチでフレーム１０に対し脱着可能とされている。

【0028】

プラグ７０とコアセットボルト６０との間には、隙間が形成されている。ここで、コアセットボルト６０とプラグ７０との隙間をＡとし、コアセットボルト６０の凹部４３に対する食い込み深さをＢとしたとき、Ａ＜Ｂの関係を有している。なお、コアセットボルト６０の凹部４３に対する食い込み深さとは、ステータコア４０の外周面４０ａから、凹部４３に挿入されたコアセットボルト６０の先端部６３の端面までの長さを意味する。

【0029】

ところで、上述した図１に示すフレーム１０は、ＳＣＳ１３、ＳＣＳ１４等のオーステナイト系ステンレス鋳鋼から形成されている。オーステナイト系ステンレス鋳鋼の線膨張係数は、１６～１８×１０^－６／℃である。一方、ステータコア４０の珪素鋼板の線膨張係数は、約１３×１０^－６／℃である。つまり、フレーム１０の線膨張係数は、ステータコア４０の線膨張係数よりも大きくなっている。上記構成によれば、ステータコア４０を溶接ではなく、焼嵌めによりフレーム１０に取り付けることができる。

【0030】

例えば、ステータコア４０の外径寸法が、４００ｍｍ、フレームとの焼嵌め代（締め代）が０．１ｍｍであった場合、耐熱温度９０℃程度の耐水絶縁電線被覆（架橋ポリエチレン等）で覆われたコイル４１をステータコア４０に取り付けた状態であったとしても、フレーム１０を８０℃に温めれば、１６×１０^－６×４００×（８０－２０（常温））＝０．３８４ｍｍにフレーム１０の内径が拡がるので、０．１＜０．３８４となり、耐水絶縁電線被覆に損傷を与えることなく容易に焼嵌めが可能になる。

【0031】

また、水封式モータ１の定期整備において、フレーム１０のみ再使用する目的で、ステータコア４０及びコイル４１を交換する場合、フレーム１０を含むステータ４の全体を、例えば２２０℃まで加温することにより、（１６－１３）×１０^－６×４００ｍｍ×（２２０－２０（常温））－０．１（焼嵌め代）＝０．１４ｍｍの隙間が生じ、フレーム１０がステータコア４０よりも拡がるので、コアセットボルト６０を取り外した後、ステータコア４０を容易にフレーム１０から取り外すことができ、ステータコア４０及びコイル４１の交換が可能となる。

【0032】

本実施形態の水封式モータ１では、ステータコア４０をフレーム１０から容易に取り外せるようにするため、ステータコア４０にフレーム１０を焼嵌めた後、フレーム１０の外側からコアセットボルト６０を用いてステータコア４０にモミ付ける構造としている。コアセットボルト６０は、図３に示すように、フレーム１０への固定用のねじ部６１と、丸棒形状の先端部６３と、を有している。ステータコア４０の外周面４０ａには、フレーム１０に形成した貫通部５０を下穴利用してドリル加工した凹部４３が形成され、コアセットボルト６０の先端部６３が挿入されている。これにより、コアセットボルト６０の食込み深さがＢとなるモミ付けを確実にし、ステータコア４０の固定及びステータコア４０の回り止めを可能とすることができる。

【0033】

ところで、コアセットボルト６０の先端部６３は、モータ起動時の衝撃的な剪断力が起動の度に作用し、またステータコア４０の電磁振動も作用するため、コアセットボルト６０が運転中に緩んでしまう可能性がある。コアセットボルト６０の緩み防止として、樹脂や接着剤等の封止材を併用する対策も考えられるが、水封式モータ１の場合、モータの発熱等により約６０℃程度に加温された封入液に晒されため、劣化、加水分解等がすすむことが懸念されることから、確実な封止方法として適当な手段ではない。

【0034】

このため、本実施形態では、コアセットボルト６０の外側にプラグ７０を設けて貫通部５０を封止する構造としている。プラグ７０は、コアセットボルト６０の振動が直接伝わらないように若干の隙間を保つようにねじ込まれている。このとき、Ａ＜Ｂとなる隙間とすることにより、コアセットボルト６０が運転中に仮に緩んでしまった場合でも、プラグ７０がコアセットボルト６０の抜け止めとなるので、ステータコア４０の固定及びステータコア４０の回り止め機能は維持され、ステータコア４０が運転中に空回りしたりすることなく、安全性を維持できる。

【0035】

このようなステータ構造によれば、水封式モータ１のライフサイクルにおいて、適時にステータコア４０を交換できるため、安価な定期整備費用にて水封式モータ１を維持管理することができる。また、ステータコア４０の交換時のみならず、最初の製作時においても、コイル４１の巻線工程を、フレーム１０とステータコア４０の固定（焼嵌め）前に実施することができる。従来のステータ構造においては、ステータコア４０とフレーム１０を溶接した後に、巻線工程となるため、作業がやり辛く、多くの時間を要していたが、本実施形態のステータ構造によれば、ステータコア４０とフレーム１０を容易に脱着可能であるので、ステータコア４０が積層品の段階で予め巻線工程を実施できるようになる。そうすると、巻線の挿入作業、コイルエンド成形作業が非常に容易に実施できるので巻線品質が改善され、巻線被覆を傷つけにくくなり、かつ製作時においても巻線時間を削減できるメリットが生じる。

【0036】

このように、上述の本実施形態によれば、モータ軸２と、モータ軸２を回転させるロータ３及びステータ４と、ロータ３及びステータ４を収容するケーシング５と、を有し、ケーシング５の内部に封入水が充満されている水封式モータ１であって、ステータ４は、外周面４０ａに凹部４３が形成されたステータコア４０を有し、ケーシング５は、ステータコア４０が内側に嵌め込まれる円筒状のフレーム１０を有し、フレーム１０には、凹部４３に連通する貫通部５０が形成されており、貫通部５０に挿入され、凹部４３に係合するコアセットボルト６０と、コアセットボルト６０が挿入された貫通部５０を封止するプラグ７０と、を有する、という構成を採用することによって、水封式モータ１の封入液が外部へ漏れ出すことを防止しつつ、フレーム１０からステータコア４０を容易に脱着できるステータ構造を提供することができる。

【0037】

以上、本発明の好ましい実施形態を記載し説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、特許請求の範囲によって制限されている。

【0038】

例えば、上記実施形態では、フレーム１０は複雑なフレーム形状に対応し易いようＳＣＳ１３、ＳＣＳ１４等のオーステナイト系ステンレス鋳鋼としているが、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼からなる製缶構造であっても構わない。

【符号の説明】

【0039】

１ 水封式モータ
２ モータ軸
３ ロータ
４ ステータ
５ ケーシング
１０ フレーム
４０ ステータコア
４０ａ 外周面
４３ 凹部
５０ 貫通部
６０ コアセットボルト

【図1】

【図2】

【図3】