キャンド構造の回転電機
【課題】樹脂部、薄板金属部、モータフレームの間で生じる熱膨張差を吸収してそれぞれに過大な応力が生じないようにすることの可能な樹脂層と薄板金属層を有する複層構造キャンを備えた回転電機を提供すること。
【解決手段】円筒状フレーム（１３）内に固定子巻線を装填した固定子鉄心を挿入固定し、該固定子巻線及び該固定子鉄心をキャン（２１）で包囲し、該キャンで囲まれた空間に回転自在にロータを配置したキャンド構造の回転電機において、キャンは、繊維強化プラスチックからなる第１層（２１ａ）と、該第１層の内面に配置された薄板金属とからなる第２層（２１ｂ）とで構成され、第２層の薄板金属キャン端部に該薄板金属より厚い薄板金属からなるベローズ部（２１ｃ）を設け、フレームと第１層の熱膨張差を該ベローズ部で吸収する。
【解決手段】円筒状フレーム（１３）内に固定子巻線を装填した固定子鉄心を挿入固定し、該固定子巻線及び該固定子鉄心をキャン（２１）で包囲し、該キャンで囲まれた空間に回転自在にロータを配置したキャンド構造の回転電機において、キャンは、繊維強化プラスチックからなる第１層（２１ａ）と、該第１層の内面に配置された薄板金属とからなる第２層（２１ｂ）とで構成され、第２層の薄板金属キャン端部に該薄板金属より厚い薄板金属からなるベローズ部（２１ｃ）を設け、フレームと第１層の熱膨張差を該ベローズ部で吸収する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定子がキャンに包囲されたキャンド構造の回転電機に関し、特に回転子室が高圧のポンプ作動液で満たされるノンシールポンプ駆動用電動機として好適なキャンド構造の回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固定子を構成する固定子コア及び固定子巻線がキャンに包囲されたキャンド構造のノンシールポンプ駆動用高圧電動機、特に極数が４Ｐ〜６Ｐの大型（数千ｋＷ）で回転子室が高圧（１〜２ｋｇ／ｍｍ２）のポンプ作動液で満たされる誘導電動機においては、キャンを貫通する磁束によって発生する渦電流損を低減し、且つ高い内圧条件に耐え、高い気密性が要求される。
【０００３】
このようなキャン構造の誘導電動機ではキャン損（渦電流損）を低減させるためには樹脂材等の絶縁材料からなるキャンを使用するのがよく、更に回転子室内を満たす高圧のポンプ作動液に耐えるための構造として、キャンを構成する材料に繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を採用することが考えられる。また、回転子室が高圧のポンプ作動液で満たされ、回転子が高速回転するとポンプ作動液も回転子と同様の周速でキャン表面を流れるため、ＦＲＰで構成されたキャン表面が液流摩擦によるエロージョンが発生し磨耗する場合があり、磨耗の程度が進むとキャンの気密性を損なう可能性がある。そこでキャンの材料にＦＲＰを使用する場合、上記エロージョン対策も必要となる。
【０００４】
また、回転子室内のポンプ作動液が高い周速で流れることから、キャンと回転子間のギャップで流体摩擦損が発生する。この流体摩擦損は設定するギャップの長さによっては莫大な損失量となり、回転子室流体の強制循環による冷却等の一般的な冷却方法では冷却効率の限界から、流体摩擦損も低減する必要がある。
【０００５】
また、上記高圧誘導電動機を原子炉のノンシール構造の冷却ポンプ駆動用に使用する場合は、ポンプ作動液が高温となることから、耐熱性が必要となると共に、耐放射線性も必要となる。
【０００６】
従来、キャン材料にＦＲＰを用いたキャンド構造の電動機としては、特許文献１に開示された耐熱耐圧形永久磁石同期電動機や特許文献２に開示されたガス密性を向上させたキャンドモータがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１５３７４９号公報
【特許文献２】特開２００１−２３１２１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
回転子室を満たす高圧高温のポンプ作動液に対する耐圧性や耐熱性、ＦＲＰ材で構成されたキャンのポンプ作動液の高速流に対する耐エロージョン性に対する対策、更には耐放射線性を考慮したキャンド構造の回転電機として、特願２０１０−２７０１６を出願している。その中で、外径側の第１層を圧力変形、座屈に強いＦＲＰ、内径側の第2層を、流体密封性、耐エロージョン性に優れた薄板金属で構成する複層構造キャンを提案している。高強度樹脂と金属とでは線膨張係数が大きく異なり（例えば、ＰＥＥＫとインコネルでは４倍以上の違いがある。）、第1層ＦＲＰと第2層薄板金属の温度差がない場合でも、使用温度が高いほど樹脂部の方が相対的に長くなりやすい。また、薄板金属部は渦電流により発熱するため、キャン部に内部流体を循環させて冷却するが、それでも薄板金属部からモータフレームまでを等温に保つことは困難で、ここでも熱膨張差が生じる。
【０００９】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、樹脂部、薄板金属部、モータフレームの間で生じる熱膨張差を吸収してそれぞれに過大な応力が生じないようにすることの可能な樹脂層と薄板金属層を有する複層構造キャンを備えた回転電機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】
【００１０】
上記課題を解決するため本発明は、円筒状フレーム内に固定子巻線を装填した固定子鉄心を挿入固定し、該固定子巻線及び該固定子鉄心をキャンで包囲し、該キャンで囲まれた空間に回転自在にロータを配置したキャンド構造の回転電機において、キャンは、樹脂製からなる第１層と薄板金属からなる第２層とで構成される複層構造であり、第２層の薄板金属端部にベローズ部又はダイヤフラム部を設けたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は上記キャンド構造の回転電機において、第１層と前記円筒状フレームとの軸方向の対向箇所の一方に、第１層を円筒フレームに対して軸方向に付勢するバネ機構を設けたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は上記キャンド構造の回転電機において、円筒状フレームの軸方向の両端部にはそれぞれ前記円筒状フレームに接合されたエンドピースが設けられ、第２層の両端はそれぞれのエンドピースに接合されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は上記キャンド構造の回転電機において、第１層の軸方向の両端はそれぞれのエンドピースに対向し、該エンドピース間の間隔は第１層の軸方向の長さより所定量大きくなっていることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は上記キャンド構造の回転電機において、バネ機構を設けた側の円筒状フレームと第１層との隙間部に内径側に弾性変形可能なＯリングを挿入したことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は上記キャンド構造の回転電機において、ベローズ部は円筒形のベローズであることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は上記キャンド構造の回転電機において、ベローズ外径側谷部と該谷部が対向する円筒状フレームの内径側の間に割りリング型強め輪を設けたことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は上記キャンド構造の回転電機において、前記ダイヤフラム部は半径方向に広がるベローズで構成されることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は上記キャンド構造の回転電機において、ダイヤフラム部は円筒状フレームの軸方向端面に対向して設けられ、ダイヤフラム部を構成するベローズはその円筒状フレーム側の谷部と該谷部が対向する円筒状フレームの軸方向端面の間に強め輪を設けたことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は上記キャンド構造の回転電機において、ベローズ部又はダイヤフラム部は第２層の薄板金属より厚い薄板金属で構成されていることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明は上記キャンド構造の回転電機において、ベローズ部又はダイヤフラム部には連続して第２層の薄板金属より厚い薄板金属からなる胴部が設けられており、該胴部で第２層とフレームとの境界部分を覆っていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、キャンの第２層の薄板金属端部にベローズ部又はダイヤフラム部を設けたので、ベローズ部又はダイヤフラム部により、第２層の薄板金属とフレームの熱膨張差を吸収し、第２層の薄板金属に発生する応力を緩和することができ、第２層の座屈変形を防止できる。
【００２２】
また、本発明によれば、キャンの第１層と円筒状フレームとの軸方向の対向箇所の一方に、第１層を円筒フレームに対して軸方向に付勢するバネ機構を設けたので、第１層と他端面と円筒フレーム端面の間に隙間が発生することなく、第２層の薄板金属が隙間に押し込まれて変形することがない。
【００２３】
また、本発明によれば、円筒状フレームの軸方向の両端部にはそれぞれ円筒状フレームに接合されたエンドピースが設けられ、第２層の両端はそれぞれのエンドピースに接合されているので、第２層と円筒状フレームの間の気密性が維持できる。
【００２４】
また、本発明によれば、第１層の軸方向の両端はそれぞれのエンドピースに対向し、該エンドピース間の間隔は第１層の軸方向の長さより所定量大きくなっているので、第１層の端部とエンドピースの間に隙間ができ、該隙間で第１層の軸方向の伸びを吸収することができる。
【００２５】
また、本発明によれば、バネ機構を設けた側の円筒状フレームと第１層との隙間部に内径側に弾性変形可能なＯリングを挿入したので、ベローズの胴部の半径方向変位を抑制できる。
【００２６】
また、本発明によれば、ベローズ部は円筒形のベローズであるので、薄板金属からなる第２層の軸方向の収縮をスムーズに吸収できる。
【００２７】
また、本発明によれば、ベローズ外径側谷部と該谷部が対向する円筒状フレームの内径側の間に割りリング型強め輪を設けたので、強め輪で補強された分ベローズの厚みを小さくでき、ベローズの半径方向の変形を防止できると共に、軸方向の伸縮性を維持できる。
【００２８】
また、本発明によれば、ダイヤフラム部は半径方向に広がるベローズで構成されるので、薄板金属からなる第２層の軸方向の収縮をスムーズに吸収できる。
【００２９】
また、本発明によれば、ダイヤフラム部は円筒状フレームの軸方向端面に対向して設けられ、ダイヤフラム部を構成するベローズはその円筒状フレーム側の谷部と該谷部が対向する円筒状フレームの軸方向端面の間に強め輪を設けたので、強め輪で補強された分ベローズの厚みを小さくでき、ベローズのポンプ作動液圧による変形を防止できると共に、薄板金属からなる第２層の軸方向の収縮をスムーズに吸収できる。
【００３０】
また、本発明によれば、ベローズ部又はダイヤフラム部には連続して第２層の薄板金属より厚い薄板金属からなる胴部が設けられており、該胴部で第２層とフレームとの境界部分を覆っているので、例えば境界部分が熱膨張差などにより微小な凹凸を生じたとしても、この境界部でのポンプ作動液圧による変形や破損を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係るキャンド構造の回転電機の一例としてノンシールポンプと該ポンプを駆動するキャンド構造の誘導電動機からなるポンプモータの概略構成を示す縦断面図である。
【図２（ａ）】図１に示すポンプモータの一部断面構成例を示す図である。
【図２（ｂ）】図１に示すポンプモータの一部断面構成例を示す図である。
【図３（ａ）】図１に示すポンプモータの一部断面構成例を示す図である。
【図３（ｂ）】図１に示すポンプモータの一部断面構成例を示す図である。
【図４（ａ）】図１に示すポンプモータの一部断面構成例を示す図である。
【図４（ｂ）】図１に示すポンプモータの一部断面構成例を示す図である。
【図５（ａ）】図１に示すポンプモータの一部断面構成例を示す図である。
【図５（ｂ）】図１に示すポンプモータの一部断面構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態例について、詳細に説明する。なお、本実施形態例では、回転電機として誘導電動機を例に説明するが、本発明に係る回転電機はこれに限定されるものではない。図１は本発明に係るキャンド構造の回転電機の一例として縦型ノンシールポンプと該ポンプを駆動するキャンド構造の誘導電動機からなるポンプモータの概略構成を示す縦断面図である。図示するように、本ポンプモータは、ポンプ部Ｐとモータ部Ｍから構成されている。ポンプ部Ｐはノンシールポンプであり、吸込口２、吐出口３を具備するポンプケーシング１を備え、該ポンプケーシング１内に主軸６の端部に固定された羽根車５が配置されている。ポンプケーシング１は羽根車側ブラケット７に装着されている。なお、主軸６は上下に配置された軸受１６、１６にて回転自在に支持されている。
【００３３】
モータ部Ｍは誘導電動機であり、モータフレーム１０の円筒状のフレーム本体１１内に挿入固定されたモータ固定子１７を備え、該モータ固定子１７内に主軸６の中央部に固定されたモータ回転子２０が配置されている。フレーム本体１１の両端部は羽根車側のフレーム側板１２と反羽根車側のフレーム側板１３に装着されている。フレーム側板１２はポンプ部Ｐの羽根車側ブラケット７に固定されている。フレーム側板１２には補強環部１８が一体的に設けられ、該補強環部１８の端部はモータ固定子１７の固定子鉄心１７ａの羽根車側端面近傍まで延びている。また、フレーム側板１３には補強環部１９が一体的に設けられ、該補強環部１９の端部はモータ固定子１７の固定子鉄心１７ａの反羽根車側端面近傍まで延びている。
【００３４】
２１は後に詳述するように、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）又はプラスチックからなる第１層と該第１層の内面に配置された薄板金属からなる第２層とで構成される円筒状のキャンである。該キャン２１の外周のＦＲＰ面はモータ固定子１７の固定子鉄心１７ａ、モータフレーム１０を構成する補強環部１８、補強環部１９、フレーム側板１２、及びフレーム側板１３の内周面に密接している。フレーム側板１２及びフレーム側板１３との間に羽根車側のＯリング２２及び反羽根車側のＯリング２３を介在させている。また、フレーム側板１２、１３の軸方向端部は環状のエンドピース１２ａ、１３ａとしてフレーム側板１２、１３の本体とは別体に形成されて、接合部Ｄ（図２（ａ），（ｂ）参照）で溶接されている（ここで、エンドピース１２ａ、１３ａはモータフレーム１０の一部であるフレーム側板１２、１３の一部としている）。そして、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、キャン２１の第２層２１ｂの薄板金属部はエンドピース１２ａ、１３ａと溶接部Ｃで溶接されていて、モータ固定子１７が配置された固定子室１４を密封状態にしている。また、円筒状のキャン２１で囲まれた空間はモータ回転子２０が配置回転する回転子室１５となっている。
【００３５】
上記構成のポンプモータにおいて、モータ部Ｍの固定子巻線１７ｂに電源装置のインバータ（図示せず）から所定周波数、所定電圧の３相電力を供給することにより、回転磁界が発生し、モータ回転子２０が回転する。これにより主軸６に固定された羽根車５が回転し、ポンプケーシング１の吸込口２から吸込まれたポンプ作動液は吐出口３から吐出される。このときポンプ部Ｐはノンシールポンプであるから、回転子室１５内はポンプ作動液で満たされ、該作動液はモータ回転子２０により攪拌され、キャン２１の内周面にはモータ回転子２０の周速と略同じ流速のポンプ作動液が流れると共に、ポンプ作動液の圧力が加わる。
【００３６】
図２は上記構成のポンプモータの一部の断面構成を示す図で、図２（ａ）は反羽根車側の端部を、図２（ｂ）は羽根車側の端部を示す。図示するように、キャン２１は第１層２１ａと第２層２１ｂとからなる２層構造のキャンである。第１層２１ａの構成材料としては、高い耐熱性、機械的強度を持つＰＥＥＫ（ポリエーテル・エーテルケトン）又はＰＩ（ポリイミド）樹脂を使用する。更に、機械的な強度を高めるためガラス、アラミド、カーボンの長繊維等、高強度を有する強化繊維を樹脂中に配して強化したＦＲＰを使用している。なお、ＦＲＰの樹脂としては、ＰＥＥＫやＰＩの他に、ポリエステルアミドイミド、ポリヒダントイン、イソシアヌレート変性ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ポリエステル、エポキシを用いることもできる。これらの樹脂は共通して耐高温性や耐放射線性を有する樹脂であり、耐高温性や耐放射線性を要求される用途に適している。これらの樹脂の中でも、特にＰＥＥＫやＰＩは原子力発電所での使用実績が高く、ＰＥＥＫ又はＰＩは、原子力発電所での使用に特に適している。
【００３７】
また、キャン２１の第２層２１ｂは第１層２１ａの内周面に密接させて配置した薄板金属である。このように、第１層２１ａの内周面に薄板金属からなる第２層２１ｂを密接させて設けることにより、より高い気密度の確保と、キャン２１内のポンプ作動液の液流が耐摩耗性の薄板金属からなる第２層２１ｂの内周面に接することになり、キャン２１内周面のポンプ作動液の液流による磨耗（エロージョン）を防止できる。
【００３８】
上記のようにキャン２１をＦＲＰからなる第１層２１ａの内周面に薄板金属を密接して配置してなる第２層２１ｂを設けることにより、該第２層２１ｂにキャン損（渦電流損）が発生する。しかしながら、該薄板金属の厚さを例えば０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍとすれば、一般的に用いられる金属キャンの厚み０．２ｍｍ〜０．５ｍｍのキャン損に対して、１／１０〜１／２のキャン損となる。また、樹脂層中に導電性のあるカーボン繊維を配した場合も、キャン損（渦電流損）が発生するが、カーボン繊維を配したＦＲＰの体積抵抗率はステンレス鋼等と比較し１００倍程の値であるため、キャン２１が一定の厚みであれば、カーボン繊維を配したＦＲＰ部分のキャン損はステンレス鋼等に対して１／１００と大幅に低減できることは明らかである。
【００３９】
キャン２１の第１層２１ａを形成する樹脂に熱硬化型のＰＩ樹脂を用い、樹脂成形工程中に真空引き及び加圧加熱硬化によってボイドの少ない緻密な組織とすれれば、気密性・止水性の高い第１層２１ａを構成できる。アラミド樹脂からなる繊維で強化したＦＲＰからなる第１層２１ａの円周方向の引っ張り強度はステンレス鋼などの金属材料と比較し同等〜３倍程度となる。
【００４０】
このような複層構造のキャン２１では、線膨張係数の違いが問題になる。例えば、ＰＩやＰＥＥＫは線膨張係数が、約５０×１０−６［／℃］であり、第２層として好適な耐磨耗性の高いインコネルの線膨張係数は約１２×１０−６［／℃］である。仮に、キャン長さが１０００ｍｍでモータ運転時のキャン平均温度が７５℃とすると、常温（２５℃）で長さが等しい樹脂と金属は、使用温度時でδ＝１０００×（７５．２５）×（５０．１２）×１０−６＝１．９ｍｍの伸び差が生じる。本実施形態では、キャン２１の樹脂部分（第１層２１ａ）がＦＲＰで構成されるため、長繊維の方向、密度を調整することにより薄板金属部（第２層２１ｂ）との線膨張係数の差をこの例よりも小さくすることも可能だが、両者の線膨張係数を一致させることは困難である。
【００４１】
また、キャン２１の第２層２１ｂの薄板金属部は渦電流により発熱するため、キャン部に内部流体を循環させて冷却する。しかし、冷却を行っても、薄板金属部がモータフレーム１０より高温となってしまうことは避けられない。この温度差によっても薄板金属である第２層２１ｂとモータフレーム１０間に熱膨張差が生じる。これらの熱膨張差により発生する応力を緩和しないと、特に構造的に脆弱で変位吸収能が最も小さい薄板金属からなる第２層２１ｂが座屈変形してしまい、キャン２１の気密密閉性が破壊される可能性がある。
【００４２】
本実施形態では、キャン２１の薄板金属からなる第２層２１ｂとフレーム側板１２、１３とを、長手方向の少なくとも一方（ここでは反羽根車側）でベローズ部２１ｃを介して接合する。このベローズ部２１ｃにより第２層２１ｂの薄板金属部とモータフレーム１０のフレーム本体１１の熱膨張差を吸収し、第２層２１ｂの薄板金属部に発生する応力を緩和する。図２（ａ）において、第２層２１ｂの薄板金属の長手方向の一端は、ベローズ部２１ｃにＡの箇所で溶接されている。そして図２（ｂ）に示すように、第２層２１ｂの薄板金属部の他端は羽根車５側のエンドピース１２ａに溶接されている。そのエンドピース１２ａ、１３ａはそれぞれフレーム側板１２、１３にＤの箇所で溶接されている。このように第２層２１ｂの薄板金属部の一端はエンドピース１２ａを介して羽根車側のフレーム側板１２に接合されて、もう一方のベローズ部２１ｃの端部はエンドピース１３ａに溶接される。そしてエンドピース１２ａ、１３ａはそれぞれＤの箇所で羽根車側のフレーム側板１２、反羽根車側のフレーム側板１３に溶接される。
【００４３】
なお、キャン２１の第２層２１ｂの薄板金属部は例えば０．０５〜０．１ｍｍの厚さであり、ベローズ部２１ｃの板厚は例えば１ｍｍ程度である。溶接部Ｃ（第２層２１ｂの薄板金属部とエンドピース１２ａ、ベローズ部２１ｃとエンドピース１２ａ、１３ａとの溶接箇所）は、薄板の接合となるためノンフィラー溶接が用いられる。溶加材（フィラー）を用いずに、母材の変形を最小限にしつつ確実な接合を行うために、エンドピース１３ａの内面を先が細くなるように軸方向に延伸することで溶接箇所Ｃを形成している。また、両エンドピース１２ａ、１３ａに挟まれるようにしてキャン２１のＦＲＰ部からなる第１層２１ａが設置される。両エンドピース１２ａ、１３ａの軸方向端面間距離は、第１層２１ａの軸方向長さよりも若干長くなっており、エンドピース１２ａ、１３ａと第１層２１ａの端面が相対する一方の側に軸方向隙間Ｅが生じる。この隙間Ｅで樹脂製である第１層２１ａの軸方向伸びを吸収する。
【００４４】
樹脂製の第１層２１ａの内径側の薄板金属の第２層２１ｂは非常に薄いため、第１層２１ａとエンドピース１３ａの間に軸方向隙間があると、圧力荷重により隙間Ｅ部に薄板金属製の第２層２１ｂが食い込み変形してしまうおそれがある。これを防止するため、エンドピース１３ａと樹脂製の第１層２１ａの隙間Ｅの構成部の内径側は、薄板金属からなる第２層２１ｂ自体ではなく、第２層２１ｂより厚さが厚く圧力変形のし難いベローズ部２１ｃの胴部が覆うようにする。更に、隙間Ｅ部には軸方変形が可能でかつベローズ部２１ｃの胴部の半径方向変位を抑制可能なように弾性Ｏリング２４を挿入すると良い。
【００４５】
また、隙間Ｅの構成部の軸方向他方の樹脂製の第１層２１ａとエンドピース１２ａの接触部に軸方向隙間が生じないよう、隙間Ｅの構成側エンドピース１３ａと樹脂製の第１層２１ａとの間に軸方向に付勢するバネ機構２５が挿入している。これにより、隙間Ｅの構成部の軸方向他方では、常に樹脂製の第１層２１ａがエンドピース１２ａ端面に押し付けられ、隙間が生じないようになっている。バネ機構２５は複数が周方向に均等配置されていてもよいし、第１層２１ａとほぼ同径の単一のバネ機構を用いても良い。また、図ではエンドピース１３ａにバネ機構２５を挿入する溝が設けられているが、樹脂製（ＦＲＰ）の第１層２１ａ側に溝を設けてもよい。
【００４６】
ベローズ部２１ｃは、金属を連続する山谷の波形に成型または加工したものであるが、薄板金属からなる第２層２１ｂの軸方向変位を容易にするためベローズ部２１ｃの厚さを適度に薄くしてバネ強さを低く設計する必要がある。よって、ベローズ部２１ｃが回転子室１５の圧力により変形しないよう、外周側に強め輪２６が装着されている。なお、一般的に、比較的薄いベローズを使用する場合は、ベローズの内側の圧力（本実施形態で言えば、モータ回転子室１５の圧力）により変形しないよう、外周側に強め輪を装着することがある。通常の強め輪は一体の円周方向に連続したリング型で、フープ応力により圧力荷重を支えている。一体リング構造の強め輪はベローズ部２１ｃの形状成型後には装着できないため、ベローズ素材となる平行円筒に強め輪２６を装着しておいて、波型の金型内で一体成型している。しかし、本発明の強め輪２６の場合は、フープ応力をベローズ部２１ｃの外周側に密接するエンドピース１３ａが保持するため、キャン２１の波形状の座屈変形を防止できる機能さえあればよい。従って、強め輪２６は割りリングでよく、ベローズ部２１ｃの形状成型後に装着可能である。
【００４７】
キャン２１のＦＲＰ製の第１層２１ａの外周側、軸方向両端面近くにはそれぞれ、第１層２１ａとフレーム側板１２、１３（又はその補強環部１８、１９）との間に２つずつのＯ−リング２２ａ、２３ａとバックアップリング２２ｂ、２３ｂとが組合されて設置されている。このＯ−リングにより、万が一薄板金属からなる第２層２１ｂが破損して回転子室１５内の高圧流体がＦＲＰ製の第１層２１ａとエンドピース１３ａとの間から侵入したとしても、高圧流体が固定子コアまで到達するのを抑制する。また、フレーム側板１２、１３の内周面には、軸方向の両端近く、Ｏ−リング２２、２３よりもそれぞれの軸方向端面により近い側にリーク圧力の検出孔２７、２８が設けられていて、侵入してきた高圧流体を検出して薄板金属からなる第２層２１ｂ及びベローズ部２１ｃの破壊を検出することができる。検出孔２７、２８それぞれには圧力検出器（図示せず）が接続され、検出孔２７、２８の圧力を常時監視し、圧力が異常に上昇した場合に警報を発する構成とすることができる。
【００４８】
図３は第２の実施形態を示す図で、ポンプモータの一部の断面構成を示す。図３（ａ）は反羽根車側の端部を、図３（ｂ）は羽根車側の端部を示す。第２の実施形態が第１の実施形態と異なるのは、キャン２１の薄板金属からなる第２層２１ｂに軸方向に接合されるベローズ部２１ｄが、円筒形ベローズ部ではなく、エンドピース１３ａの軸方向端面に沿って半径方向に広がるベローズ部２１ｄとして構成されていることである。ベローズ部２１ｄ側の溶接部Ｃを形成するために、エンドピース１３ａの軸方向端面からベローズ部２１ｄの端部まで伸びる薄肉の突起部１３ｂを設けている。また、ベローズ部２１ｄとエンドピース１３ａ軸方向端面との間には径の異なる複数の強め輪２９が設けられている。なお、強め輪２９は割りリングにしなくてもベローズの谷に挿入することができる。
【００４９】
第２実施形態ではベローズ部２１ｄが半径方向に広がっているため、薄板金属からなる第２層２１ｂの伸びは、ベローズ部２１ｄの山谷の伸縮によって吸収されるのではなく、ベローズ部２１ｄがダイヤフラムとして機能することによって吸収される。したがって、本実施例ではベローズを形成したが、ダイヤフラムとして機能する形状であれば、異なった形状を採用することも可能である。
【００５０】
図４は、第１及び第２の実施形態の変形例を示す図で、図４（ａ）は反羽根車側の端部の断面構成を、図４（ｂ）は羽根車側の端部の断面構成を示す。キャン２１の薄板金属からなる第２層２１ｂのベローズ部２１ｃが接合されていない側にも、第２層２１ｂの薄板金属よりも厚い厚板部２１ｅを接合し、この厚板部２１ｅがＦＲＰ製の第１層２１ａとエンドピース１２ａとの接触部Ｅを覆うようにしている。第２層２１ｂの薄板金属は非常に薄く、外周側が接する（実際には回転子室１５の圧力により押圧される）面に少しでも凹凸があると、破損の原因になる可能性がある。図４に示すように第２層２１ｂの薄板金属よりも厚い（１ｍｍ程度）部材がＦＲＰ製の第１層２１ａとエンドピース１２ａとの境界部分（接触部Ｅ）を覆うため、例えこの境界部分が熱膨張差などにより微小な凹凸を生じたとしても、薄板金属（厚板部２１ｅ）の破損を抑制できる。
【００５１】
図５は、第１及び第２の実施形態の変形例を示す図で、図５（ａ）は反羽根車側の端部の断面構成を、図５（ｂ）は羽根車側の端部の断面構成を示す。エンドピースをフレーム側板１２又は１３と一体としたものである。なお、バネ機構２５を設ける側のエンドピースをフレーム側板１３と一体とする場合は、図２、３と異なり、リーク圧力を検出する圧力検出孔を設ける位置を、エンドピースに対向する位置ではなく、図５（ｂ）に示すように、ＦＲＰ製の第１層２１ａに対向する位置に移動させる必要がある。
【００５２】
以上、本発明の実施形態例を説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお、直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造であっても、本願発明の作用効果を奏する以上、本願発明の技術範囲である。例えば、上述の実施形態ではキャン２１の第１層２１ａを構成する樹脂層をＦＲＰで構成したが、強度に問題がなければ、単純な樹脂のみの構成でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、キャンド構造の回転電機のキャンを繊維強化プラスチック又はプラスチックからなる第１層２１ａと、該第１層の内面に配置された薄板金属とからなる第２層２１ｂとで構成し、第２層２１ｂの薄板金属部の端部にベローズ部２１ｃを設けたので、流体摩擦損低減、耐圧性、耐熱性、に優れ、且つ各部材の熱膨張の差による問題を解決することのできるキャンド構造の回転電機を提供するのに利用することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１ ポンプケーシング
２ 吸込口
３ 吐出口
５ 羽根車
６ 主軸
１０ モータフレーム
１１ フレーム本体
１２ 羽根車側のフレーム側板
１２ａ エンドピース
１３ 反羽根車側のフレーム側板
１３ａ エンドピース
１４ 固定子室
１５ 回転子室
１６ 軸受
１７ モータ固定子
１８ 補強環部
１９ 補強環部
２０ モータ回転子
２１ キャン
２１ａ 第１層
２１ｂ 第２層
２１ｃ ベローズ部
２１ｄ ベローズ部
２１ｅ 厚板部
２２ａ 羽根車側のＯリング
２２ｂ バックアップリング
２３ａ 反羽根車側のＯリング
２３ｂ バックアップリング
２４ Ｏリング
２５ バネ機構
２７ 検出孔
２８ 検出孔
Ｐ ポンプ部
Ｍ モータ部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定子がキャンに包囲されたキャンド構造の回転電機に関し、特に回転子室が高圧のポンプ作動液で満たされるノンシールポンプ駆動用電動機として好適なキャンド構造の回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固定子を構成する固定子コア及び固定子巻線がキャンに包囲されたキャンド構造のノンシールポンプ駆動用高圧電動機、特に極数が４Ｐ〜６Ｐの大型（数千ｋＷ）で回転子室が高圧（１〜２ｋｇ／ｍｍ２）のポンプ作動液で満たされる誘導電動機においては、キャンを貫通する磁束によって発生する渦電流損を低減し、且つ高い内圧条件に耐え、高い気密性が要求される。
【０００３】
このようなキャン構造の誘導電動機ではキャン損（渦電流損）を低減させるためには樹脂材等の絶縁材料からなるキャンを使用するのがよく、更に回転子室内を満たす高圧のポンプ作動液に耐えるための構造として、キャンを構成する材料に繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を採用することが考えられる。また、回転子室が高圧のポンプ作動液で満たされ、回転子が高速回転するとポンプ作動液も回転子と同様の周速でキャン表面を流れるため、ＦＲＰで構成されたキャン表面が液流摩擦によるエロージョンが発生し磨耗する場合があり、磨耗の程度が進むとキャンの気密性を損なう可能性がある。そこでキャンの材料にＦＲＰを使用する場合、上記エロージョン対策も必要となる。
【０００４】
また、回転子室内のポンプ作動液が高い周速で流れることから、キャンと回転子間のギャップで流体摩擦損が発生する。この流体摩擦損は設定するギャップの長さによっては莫大な損失量となり、回転子室流体の強制循環による冷却等の一般的な冷却方法では冷却効率の限界から、流体摩擦損も低減する必要がある。
【０００５】
また、上記高圧誘導電動機を原子炉のノンシール構造の冷却ポンプ駆動用に使用する場合は、ポンプ作動液が高温となることから、耐熱性が必要となると共に、耐放射線性も必要となる。
【０００６】
従来、キャン材料にＦＲＰを用いたキャンド構造の電動機としては、特許文献１に開示された耐熱耐圧形永久磁石同期電動機や特許文献２に開示されたガス密性を向上させたキャンドモータがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１５３７４９号公報
【特許文献２】特開２００１−２３１２１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
回転子室を満たす高圧高温のポンプ作動液に対する耐圧性や耐熱性、ＦＲＰ材で構成されたキャンのポンプ作動液の高速流に対する耐エロージョン性に対する対策、更には耐放射線性を考慮したキャンド構造の回転電機として、特願２０１０−２７０１６を出願している。その中で、外径側の第１層を圧力変形、座屈に強いＦＲＰ、内径側の第2層を、流体密封性、耐エロージョン性に優れた薄板金属で構成する複層構造キャンを提案している。高強度樹脂と金属とでは線膨張係数が大きく異なり（例えば、ＰＥＥＫとインコネルでは４倍以上の違いがある。）、第1層ＦＲＰと第2層薄板金属の温度差がない場合でも、使用温度が高いほど樹脂部の方が相対的に長くなりやすい。また、薄板金属部は渦電流により発熱するため、キャン部に内部流体を循環させて冷却するが、それでも薄板金属部からモータフレームまでを等温に保つことは困難で、ここでも熱膨張差が生じる。
【０００９】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、樹脂部、薄板金属部、モータフレームの間で生じる熱膨張差を吸収してそれぞれに過大な応力が生じないようにすることの可能な樹脂層と薄板金属層を有する複層構造キャンを備えた回転電機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】
【００１０】
上記課題を解決するため本発明は、円筒状フレーム内に固定子巻線を装填した固定子鉄心を挿入固定し、該固定子巻線及び該固定子鉄心をキャンで包囲し、該キャンで囲まれた空間に回転自在にロータを配置したキャンド構造の回転電機において、キャンは、樹脂製からなる第１層と薄板金属からなる第２層とで構成される複層構造であり、第２層の薄板金属端部にベローズ部又はダイヤフラム部を設けたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は上記キャンド構造の回転電機において、第１層と前記円筒状フレームとの軸方向の対向箇所の一方に、第１層を円筒フレームに対して軸方向に付勢するバネ機構を設けたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は上記キャンド構造の回転電機において、円筒状フレームの軸方向の両端部にはそれぞれ前記円筒状フレームに接合されたエンドピースが設けられ、第２層の両端はそれぞれのエンドピースに接合されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は上記キャンド構造の回転電機において、第１層の軸方向の両端はそれぞれのエンドピースに対向し、該エンドピース間の間隔は第１層の軸方向の長さより所定量大きくなっていることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は上記キャンド構造の回転電機において、バネ機構を設けた側の円筒状フレームと第１層との隙間部に内径側に弾性変形可能なＯリングを挿入したことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は上記キャンド構造の回転電機において、ベローズ部は円筒形のベローズであることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は上記キャンド構造の回転電機において、ベローズ外径側谷部と該谷部が対向する円筒状フレームの内径側の間に割りリング型強め輪を設けたことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は上記キャンド構造の回転電機において、前記ダイヤフラム部は半径方向に広がるベローズで構成されることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は上記キャンド構造の回転電機において、ダイヤフラム部は円筒状フレームの軸方向端面に対向して設けられ、ダイヤフラム部を構成するベローズはその円筒状フレーム側の谷部と該谷部が対向する円筒状フレームの軸方向端面の間に強め輪を設けたことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は上記キャンド構造の回転電機において、ベローズ部又はダイヤフラム部は第２層の薄板金属より厚い薄板金属で構成されていることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明は上記キャンド構造の回転電機において、ベローズ部又はダイヤフラム部には連続して第２層の薄板金属より厚い薄板金属からなる胴部が設けられており、該胴部で第２層とフレームとの境界部分を覆っていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、キャンの第２層の薄板金属端部にベローズ部又はダイヤフラム部を設けたので、ベローズ部又はダイヤフラム部により、第２層の薄板金属とフレームの熱膨張差を吸収し、第２層の薄板金属に発生する応力を緩和することができ、第２層の座屈変形を防止できる。
【００２２】
また、本発明によれば、キャンの第１層と円筒状フレームとの軸方向の対向箇所の一方に、第１層を円筒フレームに対して軸方向に付勢するバネ機構を設けたので、第１層と他端面と円筒フレーム端面の間に隙間が発生することなく、第２層の薄板金属が隙間に押し込まれて変形することがない。
【００２３】
また、本発明によれば、円筒状フレームの軸方向の両端部にはそれぞれ円筒状フレームに接合されたエンドピースが設けられ、第２層の両端はそれぞれのエンドピースに接合されているので、第２層と円筒状フレームの間の気密性が維持できる。
【００２４】
また、本発明によれば、第１層の軸方向の両端はそれぞれのエンドピースに対向し、該エンドピース間の間隔は第１層の軸方向の長さより所定量大きくなっているので、第１層の端部とエンドピースの間に隙間ができ、該隙間で第１層の軸方向の伸びを吸収することができる。
【００２５】
また、本発明によれば、バネ機構を設けた側の円筒状フレームと第１層との隙間部に内径側に弾性変形可能なＯリングを挿入したので、ベローズの胴部の半径方向変位を抑制できる。
【００２６】
また、本発明によれば、ベローズ部は円筒形のベローズであるので、薄板金属からなる第２層の軸方向の収縮をスムーズに吸収できる。
【００２７】
また、本発明によれば、ベローズ外径側谷部と該谷部が対向する円筒状フレームの内径側の間に割りリング型強め輪を設けたので、強め輪で補強された分ベローズの厚みを小さくでき、ベローズの半径方向の変形を防止できると共に、軸方向の伸縮性を維持できる。
【００２８】
また、本発明によれば、ダイヤフラム部は半径方向に広がるベローズで構成されるので、薄板金属からなる第２層の軸方向の収縮をスムーズに吸収できる。
【００２９】
また、本発明によれば、ダイヤフラム部は円筒状フレームの軸方向端面に対向して設けられ、ダイヤフラム部を構成するベローズはその円筒状フレーム側の谷部と該谷部が対向する円筒状フレームの軸方向端面の間に強め輪を設けたので、強め輪で補強された分ベローズの厚みを小さくでき、ベローズのポンプ作動液圧による変形を防止できると共に、薄板金属からなる第２層の軸方向の収縮をスムーズに吸収できる。
【００３０】
また、本発明によれば、ベローズ部又はダイヤフラム部には連続して第２層の薄板金属より厚い薄板金属からなる胴部が設けられており、該胴部で第２層とフレームとの境界部分を覆っているので、例えば境界部分が熱膨張差などにより微小な凹凸を生じたとしても、この境界部でのポンプ作動液圧による変形や破損を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係るキャンド構造の回転電機の一例としてノンシールポンプと該ポンプを駆動するキャンド構造の誘導電動機からなるポンプモータの概略構成を示す縦断面図である。
【図２（ａ）】図１に示すポンプモータの一部断面構成例を示す図である。
【図２（ｂ）】図１に示すポンプモータの一部断面構成例を示す図である。
【図３（ａ）】図１に示すポンプモータの一部断面構成例を示す図である。
【図３（ｂ）】図１に示すポンプモータの一部断面構成例を示す図である。
【図４（ａ）】図１に示すポンプモータの一部断面構成例を示す図である。
【図４（ｂ）】図１に示すポンプモータの一部断面構成例を示す図である。
【図５（ａ）】図１に示すポンプモータの一部断面構成例を示す図である。
【図５（ｂ）】図１に示すポンプモータの一部断面構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態例について、詳細に説明する。なお、本実施形態例では、回転電機として誘導電動機を例に説明するが、本発明に係る回転電機はこれに限定されるものではない。図１は本発明に係るキャンド構造の回転電機の一例として縦型ノンシールポンプと該ポンプを駆動するキャンド構造の誘導電動機からなるポンプモータの概略構成を示す縦断面図である。図示するように、本ポンプモータは、ポンプ部Ｐとモータ部Ｍから構成されている。ポンプ部Ｐはノンシールポンプであり、吸込口２、吐出口３を具備するポンプケーシング１を備え、該ポンプケーシング１内に主軸６の端部に固定された羽根車５が配置されている。ポンプケーシング１は羽根車側ブラケット７に装着されている。なお、主軸６は上下に配置された軸受１６、１６にて回転自在に支持されている。
【００３３】
モータ部Ｍは誘導電動機であり、モータフレーム１０の円筒状のフレーム本体１１内に挿入固定されたモータ固定子１７を備え、該モータ固定子１７内に主軸６の中央部に固定されたモータ回転子２０が配置されている。フレーム本体１１の両端部は羽根車側のフレーム側板１２と反羽根車側のフレーム側板１３に装着されている。フレーム側板１２はポンプ部Ｐの羽根車側ブラケット７に固定されている。フレーム側板１２には補強環部１８が一体的に設けられ、該補強環部１８の端部はモータ固定子１７の固定子鉄心１７ａの羽根車側端面近傍まで延びている。また、フレーム側板１３には補強環部１９が一体的に設けられ、該補強環部１９の端部はモータ固定子１７の固定子鉄心１７ａの反羽根車側端面近傍まで延びている。
【００３４】
２１は後に詳述するように、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）又はプラスチックからなる第１層と該第１層の内面に配置された薄板金属からなる第２層とで構成される円筒状のキャンである。該キャン２１の外周のＦＲＰ面はモータ固定子１７の固定子鉄心１７ａ、モータフレーム１０を構成する補強環部１８、補強環部１９、フレーム側板１２、及びフレーム側板１３の内周面に密接している。フレーム側板１２及びフレーム側板１３との間に羽根車側のＯリング２２及び反羽根車側のＯリング２３を介在させている。また、フレーム側板１２、１３の軸方向端部は環状のエンドピース１２ａ、１３ａとしてフレーム側板１２、１３の本体とは別体に形成されて、接合部Ｄ（図２（ａ），（ｂ）参照）で溶接されている（ここで、エンドピース１２ａ、１３ａはモータフレーム１０の一部であるフレーム側板１２、１３の一部としている）。そして、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、キャン２１の第２層２１ｂの薄板金属部はエンドピース１２ａ、１３ａと溶接部Ｃで溶接されていて、モータ固定子１７が配置された固定子室１４を密封状態にしている。また、円筒状のキャン２１で囲まれた空間はモータ回転子２０が配置回転する回転子室１５となっている。
【００３５】
上記構成のポンプモータにおいて、モータ部Ｍの固定子巻線１７ｂに電源装置のインバータ（図示せず）から所定周波数、所定電圧の３相電力を供給することにより、回転磁界が発生し、モータ回転子２０が回転する。これにより主軸６に固定された羽根車５が回転し、ポンプケーシング１の吸込口２から吸込まれたポンプ作動液は吐出口３から吐出される。このときポンプ部Ｐはノンシールポンプであるから、回転子室１５内はポンプ作動液で満たされ、該作動液はモータ回転子２０により攪拌され、キャン２１の内周面にはモータ回転子２０の周速と略同じ流速のポンプ作動液が流れると共に、ポンプ作動液の圧力が加わる。
【００３６】
図２は上記構成のポンプモータの一部の断面構成を示す図で、図２（ａ）は反羽根車側の端部を、図２（ｂ）は羽根車側の端部を示す。図示するように、キャン２１は第１層２１ａと第２層２１ｂとからなる２層構造のキャンである。第１層２１ａの構成材料としては、高い耐熱性、機械的強度を持つＰＥＥＫ（ポリエーテル・エーテルケトン）又はＰＩ（ポリイミド）樹脂を使用する。更に、機械的な強度を高めるためガラス、アラミド、カーボンの長繊維等、高強度を有する強化繊維を樹脂中に配して強化したＦＲＰを使用している。なお、ＦＲＰの樹脂としては、ＰＥＥＫやＰＩの他に、ポリエステルアミドイミド、ポリヒダントイン、イソシアヌレート変性ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ポリエステル、エポキシを用いることもできる。これらの樹脂は共通して耐高温性や耐放射線性を有する樹脂であり、耐高温性や耐放射線性を要求される用途に適している。これらの樹脂の中でも、特にＰＥＥＫやＰＩは原子力発電所での使用実績が高く、ＰＥＥＫ又はＰＩは、原子力発電所での使用に特に適している。
【００３７】
また、キャン２１の第２層２１ｂは第１層２１ａの内周面に密接させて配置した薄板金属である。このように、第１層２１ａの内周面に薄板金属からなる第２層２１ｂを密接させて設けることにより、より高い気密度の確保と、キャン２１内のポンプ作動液の液流が耐摩耗性の薄板金属からなる第２層２１ｂの内周面に接することになり、キャン２１内周面のポンプ作動液の液流による磨耗（エロージョン）を防止できる。
【００３８】
上記のようにキャン２１をＦＲＰからなる第１層２１ａの内周面に薄板金属を密接して配置してなる第２層２１ｂを設けることにより、該第２層２１ｂにキャン損（渦電流損）が発生する。しかしながら、該薄板金属の厚さを例えば０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍとすれば、一般的に用いられる金属キャンの厚み０．２ｍｍ〜０．５ｍｍのキャン損に対して、１／１０〜１／２のキャン損となる。また、樹脂層中に導電性のあるカーボン繊維を配した場合も、キャン損（渦電流損）が発生するが、カーボン繊維を配したＦＲＰの体積抵抗率はステンレス鋼等と比較し１００倍程の値であるため、キャン２１が一定の厚みであれば、カーボン繊維を配したＦＲＰ部分のキャン損はステンレス鋼等に対して１／１００と大幅に低減できることは明らかである。
【００３９】
キャン２１の第１層２１ａを形成する樹脂に熱硬化型のＰＩ樹脂を用い、樹脂成形工程中に真空引き及び加圧加熱硬化によってボイドの少ない緻密な組織とすれれば、気密性・止水性の高い第１層２１ａを構成できる。アラミド樹脂からなる繊維で強化したＦＲＰからなる第１層２１ａの円周方向の引っ張り強度はステンレス鋼などの金属材料と比較し同等〜３倍程度となる。
【００４０】
このような複層構造のキャン２１では、線膨張係数の違いが問題になる。例えば、ＰＩやＰＥＥＫは線膨張係数が、約５０×１０−６［／℃］であり、第２層として好適な耐磨耗性の高いインコネルの線膨張係数は約１２×１０−６［／℃］である。仮に、キャン長さが１０００ｍｍでモータ運転時のキャン平均温度が７５℃とすると、常温（２５℃）で長さが等しい樹脂と金属は、使用温度時でδ＝１０００×（７５．２５）×（５０．１２）×１０−６＝１．９ｍｍの伸び差が生じる。本実施形態では、キャン２１の樹脂部分（第１層２１ａ）がＦＲＰで構成されるため、長繊維の方向、密度を調整することにより薄板金属部（第２層２１ｂ）との線膨張係数の差をこの例よりも小さくすることも可能だが、両者の線膨張係数を一致させることは困難である。
【００４１】
また、キャン２１の第２層２１ｂの薄板金属部は渦電流により発熱するため、キャン部に内部流体を循環させて冷却する。しかし、冷却を行っても、薄板金属部がモータフレーム１０より高温となってしまうことは避けられない。この温度差によっても薄板金属である第２層２１ｂとモータフレーム１０間に熱膨張差が生じる。これらの熱膨張差により発生する応力を緩和しないと、特に構造的に脆弱で変位吸収能が最も小さい薄板金属からなる第２層２１ｂが座屈変形してしまい、キャン２１の気密密閉性が破壊される可能性がある。
【００４２】
本実施形態では、キャン２１の薄板金属からなる第２層２１ｂとフレーム側板１２、１３とを、長手方向の少なくとも一方（ここでは反羽根車側）でベローズ部２１ｃを介して接合する。このベローズ部２１ｃにより第２層２１ｂの薄板金属部とモータフレーム１０のフレーム本体１１の熱膨張差を吸収し、第２層２１ｂの薄板金属部に発生する応力を緩和する。図２（ａ）において、第２層２１ｂの薄板金属の長手方向の一端は、ベローズ部２１ｃにＡの箇所で溶接されている。そして図２（ｂ）に示すように、第２層２１ｂの薄板金属部の他端は羽根車５側のエンドピース１２ａに溶接されている。そのエンドピース１２ａ、１３ａはそれぞれフレーム側板１２、１３にＤの箇所で溶接されている。このように第２層２１ｂの薄板金属部の一端はエンドピース１２ａを介して羽根車側のフレーム側板１２に接合されて、もう一方のベローズ部２１ｃの端部はエンドピース１３ａに溶接される。そしてエンドピース１２ａ、１３ａはそれぞれＤの箇所で羽根車側のフレーム側板１２、反羽根車側のフレーム側板１３に溶接される。
【００４３】
なお、キャン２１の第２層２１ｂの薄板金属部は例えば０．０５〜０．１ｍｍの厚さであり、ベローズ部２１ｃの板厚は例えば１ｍｍ程度である。溶接部Ｃ（第２層２１ｂの薄板金属部とエンドピース１２ａ、ベローズ部２１ｃとエンドピース１２ａ、１３ａとの溶接箇所）は、薄板の接合となるためノンフィラー溶接が用いられる。溶加材（フィラー）を用いずに、母材の変形を最小限にしつつ確実な接合を行うために、エンドピース１３ａの内面を先が細くなるように軸方向に延伸することで溶接箇所Ｃを形成している。また、両エンドピース１２ａ、１３ａに挟まれるようにしてキャン２１のＦＲＰ部からなる第１層２１ａが設置される。両エンドピース１２ａ、１３ａの軸方向端面間距離は、第１層２１ａの軸方向長さよりも若干長くなっており、エンドピース１２ａ、１３ａと第１層２１ａの端面が相対する一方の側に軸方向隙間Ｅが生じる。この隙間Ｅで樹脂製である第１層２１ａの軸方向伸びを吸収する。
【００４４】
樹脂製の第１層２１ａの内径側の薄板金属の第２層２１ｂは非常に薄いため、第１層２１ａとエンドピース１３ａの間に軸方向隙間があると、圧力荷重により隙間Ｅ部に薄板金属製の第２層２１ｂが食い込み変形してしまうおそれがある。これを防止するため、エンドピース１３ａと樹脂製の第１層２１ａの隙間Ｅの構成部の内径側は、薄板金属からなる第２層２１ｂ自体ではなく、第２層２１ｂより厚さが厚く圧力変形のし難いベローズ部２１ｃの胴部が覆うようにする。更に、隙間Ｅ部には軸方変形が可能でかつベローズ部２１ｃの胴部の半径方向変位を抑制可能なように弾性Ｏリング２４を挿入すると良い。
【００４５】
また、隙間Ｅの構成部の軸方向他方の樹脂製の第１層２１ａとエンドピース１２ａの接触部に軸方向隙間が生じないよう、隙間Ｅの構成側エンドピース１３ａと樹脂製の第１層２１ａとの間に軸方向に付勢するバネ機構２５が挿入している。これにより、隙間Ｅの構成部の軸方向他方では、常に樹脂製の第１層２１ａがエンドピース１２ａ端面に押し付けられ、隙間が生じないようになっている。バネ機構２５は複数が周方向に均等配置されていてもよいし、第１層２１ａとほぼ同径の単一のバネ機構を用いても良い。また、図ではエンドピース１３ａにバネ機構２５を挿入する溝が設けられているが、樹脂製（ＦＲＰ）の第１層２１ａ側に溝を設けてもよい。
【００４６】
ベローズ部２１ｃは、金属を連続する山谷の波形に成型または加工したものであるが、薄板金属からなる第２層２１ｂの軸方向変位を容易にするためベローズ部２１ｃの厚さを適度に薄くしてバネ強さを低く設計する必要がある。よって、ベローズ部２１ｃが回転子室１５の圧力により変形しないよう、外周側に強め輪２６が装着されている。なお、一般的に、比較的薄いベローズを使用する場合は、ベローズの内側の圧力（本実施形態で言えば、モータ回転子室１５の圧力）により変形しないよう、外周側に強め輪を装着することがある。通常の強め輪は一体の円周方向に連続したリング型で、フープ応力により圧力荷重を支えている。一体リング構造の強め輪はベローズ部２１ｃの形状成型後には装着できないため、ベローズ素材となる平行円筒に強め輪２６を装着しておいて、波型の金型内で一体成型している。しかし、本発明の強め輪２６の場合は、フープ応力をベローズ部２１ｃの外周側に密接するエンドピース１３ａが保持するため、キャン２１の波形状の座屈変形を防止できる機能さえあればよい。従って、強め輪２６は割りリングでよく、ベローズ部２１ｃの形状成型後に装着可能である。
【００４７】
キャン２１のＦＲＰ製の第１層２１ａの外周側、軸方向両端面近くにはそれぞれ、第１層２１ａとフレーム側板１２、１３（又はその補強環部１８、１９）との間に２つずつのＯ−リング２２ａ、２３ａとバックアップリング２２ｂ、２３ｂとが組合されて設置されている。このＯ−リングにより、万が一薄板金属からなる第２層２１ｂが破損して回転子室１５内の高圧流体がＦＲＰ製の第１層２１ａとエンドピース１３ａとの間から侵入したとしても、高圧流体が固定子コアまで到達するのを抑制する。また、フレーム側板１２、１３の内周面には、軸方向の両端近く、Ｏ−リング２２、２３よりもそれぞれの軸方向端面により近い側にリーク圧力の検出孔２７、２８が設けられていて、侵入してきた高圧流体を検出して薄板金属からなる第２層２１ｂ及びベローズ部２１ｃの破壊を検出することができる。検出孔２７、２８それぞれには圧力検出器（図示せず）が接続され、検出孔２７、２８の圧力を常時監視し、圧力が異常に上昇した場合に警報を発する構成とすることができる。
【００４８】
図３は第２の実施形態を示す図で、ポンプモータの一部の断面構成を示す。図３（ａ）は反羽根車側の端部を、図３（ｂ）は羽根車側の端部を示す。第２の実施形態が第１の実施形態と異なるのは、キャン２１の薄板金属からなる第２層２１ｂに軸方向に接合されるベローズ部２１ｄが、円筒形ベローズ部ではなく、エンドピース１３ａの軸方向端面に沿って半径方向に広がるベローズ部２１ｄとして構成されていることである。ベローズ部２１ｄ側の溶接部Ｃを形成するために、エンドピース１３ａの軸方向端面からベローズ部２１ｄの端部まで伸びる薄肉の突起部１３ｂを設けている。また、ベローズ部２１ｄとエンドピース１３ａ軸方向端面との間には径の異なる複数の強め輪２９が設けられている。なお、強め輪２９は割りリングにしなくてもベローズの谷に挿入することができる。
【００４９】
第２実施形態ではベローズ部２１ｄが半径方向に広がっているため、薄板金属からなる第２層２１ｂの伸びは、ベローズ部２１ｄの山谷の伸縮によって吸収されるのではなく、ベローズ部２１ｄがダイヤフラムとして機能することによって吸収される。したがって、本実施例ではベローズを形成したが、ダイヤフラムとして機能する形状であれば、異なった形状を採用することも可能である。
【００５０】
図４は、第１及び第２の実施形態の変形例を示す図で、図４（ａ）は反羽根車側の端部の断面構成を、図４（ｂ）は羽根車側の端部の断面構成を示す。キャン２１の薄板金属からなる第２層２１ｂのベローズ部２１ｃが接合されていない側にも、第２層２１ｂの薄板金属よりも厚い厚板部２１ｅを接合し、この厚板部２１ｅがＦＲＰ製の第１層２１ａとエンドピース１２ａとの接触部Ｅを覆うようにしている。第２層２１ｂの薄板金属は非常に薄く、外周側が接する（実際には回転子室１５の圧力により押圧される）面に少しでも凹凸があると、破損の原因になる可能性がある。図４に示すように第２層２１ｂの薄板金属よりも厚い（１ｍｍ程度）部材がＦＲＰ製の第１層２１ａとエンドピース１２ａとの境界部分（接触部Ｅ）を覆うため、例えこの境界部分が熱膨張差などにより微小な凹凸を生じたとしても、薄板金属（厚板部２１ｅ）の破損を抑制できる。
【００５１】
図５は、第１及び第２の実施形態の変形例を示す図で、図５（ａ）は反羽根車側の端部の断面構成を、図５（ｂ）は羽根車側の端部の断面構成を示す。エンドピースをフレーム側板１２又は１３と一体としたものである。なお、バネ機構２５を設ける側のエンドピースをフレーム側板１３と一体とする場合は、図２、３と異なり、リーク圧力を検出する圧力検出孔を設ける位置を、エンドピースに対向する位置ではなく、図５（ｂ）に示すように、ＦＲＰ製の第１層２１ａに対向する位置に移動させる必要がある。
【００５２】
以上、本発明の実施形態例を説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお、直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造であっても、本願発明の作用効果を奏する以上、本願発明の技術範囲である。例えば、上述の実施形態ではキャン２１の第１層２１ａを構成する樹脂層をＦＲＰで構成したが、強度に問題がなければ、単純な樹脂のみの構成でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、キャンド構造の回転電機のキャンを繊維強化プラスチック又はプラスチックからなる第１層２１ａと、該第１層の内面に配置された薄板金属とからなる第２層２１ｂとで構成し、第２層２１ｂの薄板金属部の端部にベローズ部２１ｃを設けたので、流体摩擦損低減、耐圧性、耐熱性、に優れ、且つ各部材の熱膨張の差による問題を解決することのできるキャンド構造の回転電機を提供するのに利用することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１ ポンプケーシング
２ 吸込口
３ 吐出口
５ 羽根車
６ 主軸
１０ モータフレーム
１１ フレーム本体
１２ 羽根車側のフレーム側板
１２ａ エンドピース
１３ 反羽根車側のフレーム側板
１３ａ エンドピース
１４ 固定子室
１５ 回転子室
１６ 軸受
１７ モータ固定子
１８ 補強環部
１９ 補強環部
２０ モータ回転子
２１ キャン
２１ａ 第１層
２１ｂ 第２層
２１ｃ ベローズ部
２１ｄ ベローズ部
２１ｅ 厚板部
２２ａ 羽根車側のＯリング
２２ｂ バックアップリング
２３ａ 反羽根車側のＯリング
２３ｂ バックアップリング
２４ Ｏリング
２５ バネ機構
２７ 検出孔
２８ 検出孔
Ｐ ポンプ部
Ｍ モータ部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状フレーム内に固定子巻線を装填した固定子鉄心を挿入固定し、該固定子巻線及び該固定子鉄心をキャンで包囲し、該キャンで囲まれた空間に回転自在にロータを配置したキャンド構造の回転電機において、
前記キャンは、樹脂製からなる第１層と薄板金属からなる第２層とで構成される複層構造であり、第２層の薄板金属端部にベローズ部又はダイヤフラム部を設けたことを特徴とするキャンド構造の回転電機。
【請求項２】
請求項１のキャンド構造の回転電機において、
前記第１層と前記円筒状フレームとの軸方向の対向箇所の一方に、前記第１層を前記円筒フレームに対して軸方向に付勢するバネ機構を設けたことを特徴とするキャンド構造の回転電機。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のキャンド構造の回転電機において、
前記円筒状フレームの軸方向の両端部にはそれぞれ前記円筒状フレームに接合されたエンドピースが設けられ、前記第２層の両端はそれぞれの前記エンドピースに接合されていることを特徴とするキャンド構造の回転電機。
【請求項４】
請求項３に記載のキャンド構造の回転電機において、
前記第１層の軸方向の両端はそれぞれの前記エンドピースに対向し、該エンドピース間の間隔は前記第１層の軸方向の長さより所定量大きくなっていることを特徴とするキャンド構造の回転電機。
【請求項５】
請求項２に記載のキャンド構造の回転電機において、
前記バネ機構を設けた側の前記円筒状フレームと前記第１層との隙間部に内径側に弾性変形可能なＯリングを挿入したことを特徴とするキャンド構造の回転電機。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のキャンド構造の回転電機において、
前記ベローズ部は円筒形のベローズであることを特徴とするキャンド構造の回転電機。
【請求項７】
請求項６のキャンド構造の回転電機において、
前記ベローズ外径側谷部と該谷部が対向する前記円筒状フレームの内径側の間に割りリング型強め輪を設けたことを特徴とするキャンド構造の回転電機。
【請求項８】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のキャンド構造の回転電機において、前記ダイヤフラム部は半径方向に広がるベローズで構成されることを特徴とするキャンド構造の回転電機。
【請求項９】
請求項８のキャンド構造の回転電機において、
前記ダイヤフラム部は前記円筒状フレームの軸方向端面に対向して設けられ、前記ダイヤフラム部を構成するベローズはその前記円筒状フレーム側の谷部と該谷部が対向する前記円筒状フレームの軸方向端面の間に強め輪を設けたことを特徴とするキャンド構造の回転電機。
【請求項１０】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のキャンド構造の回転電機において、
前記ベローズ部又はダイヤフラム部は前記第２層の薄板金属より厚い薄板金属で構成されていることを特徴とするキャンド構造の回転電機。
【請求項１１】
請求項１０に記載のキャンド構造の回転電機において、
前記ベローズ部又はダイヤフラム部には連続して前記第２層の薄板金属より厚い薄板金属からなる胴部が設けられており、該胴部で前記第２層と前記フレームとの境界部分を覆っていることを特徴とするキャンド構造の回転電機。
【請求項１】
円筒状フレーム内に固定子巻線を装填した固定子鉄心を挿入固定し、該固定子巻線及び該固定子鉄心をキャンで包囲し、該キャンで囲まれた空間に回転自在にロータを配置したキャンド構造の回転電機において、
前記キャンは、樹脂製からなる第１層と薄板金属からなる第２層とで構成される複層構造であり、第２層の薄板金属端部にベローズ部又はダイヤフラム部を設けたことを特徴とするキャンド構造の回転電機。
【請求項２】
請求項１のキャンド構造の回転電機において、
前記第１層と前記円筒状フレームとの軸方向の対向箇所の一方に、前記第１層を前記円筒フレームに対して軸方向に付勢するバネ機構を設けたことを特徴とするキャンド構造の回転電機。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のキャンド構造の回転電機において、
前記円筒状フレームの軸方向の両端部にはそれぞれ前記円筒状フレームに接合されたエンドピースが設けられ、前記第２層の両端はそれぞれの前記エンドピースに接合されていることを特徴とするキャンド構造の回転電機。
【請求項４】
請求項３に記載のキャンド構造の回転電機において、
前記第１層の軸方向の両端はそれぞれの前記エンドピースに対向し、該エンドピース間の間隔は前記第１層の軸方向の長さより所定量大きくなっていることを特徴とするキャンド構造の回転電機。
【請求項５】
請求項２に記載のキャンド構造の回転電機において、
前記バネ機構を設けた側の前記円筒状フレームと前記第１層との隙間部に内径側に弾性変形可能なＯリングを挿入したことを特徴とするキャンド構造の回転電機。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のキャンド構造の回転電機において、
前記ベローズ部は円筒形のベローズであることを特徴とするキャンド構造の回転電機。
【請求項７】
請求項６のキャンド構造の回転電機において、
前記ベローズ外径側谷部と該谷部が対向する前記円筒状フレームの内径側の間に割りリング型強め輪を設けたことを特徴とするキャンド構造の回転電機。
【請求項８】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のキャンド構造の回転電機において、前記ダイヤフラム部は半径方向に広がるベローズで構成されることを特徴とするキャンド構造の回転電機。
【請求項９】
請求項８のキャンド構造の回転電機において、
前記ダイヤフラム部は前記円筒状フレームの軸方向端面に対向して設けられ、前記ダイヤフラム部を構成するベローズはその前記円筒状フレーム側の谷部と該谷部が対向する前記円筒状フレームの軸方向端面の間に強め輪を設けたことを特徴とするキャンド構造の回転電機。
【請求項１０】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のキャンド構造の回転電機において、
前記ベローズ部又はダイヤフラム部は前記第２層の薄板金属より厚い薄板金属で構成されていることを特徴とするキャンド構造の回転電機。
【請求項１１】
請求項１０に記載のキャンド構造の回転電機において、
前記ベローズ部又はダイヤフラム部には連続して前記第２層の薄板金属より厚い薄板金属からなる胴部が設けられており、該胴部で前記第２層と前記フレームとの境界部分を覆っていることを特徴とするキャンド構造の回転電機。
【図１】
【図２（ａ）】
【図２（ｂ）】
【図３（ａ）】
【図３（ｂ）】
【図４（ａ）】
【図４（ｂ）】
【図５（ａ）】
【図５（ｂ）】
【図２（ａ）】
【図２（ｂ）】
【図３（ａ）】
【図３（ｂ）】
【図４（ａ）】
【図４（ｂ）】
【図５（ａ）】
【図５（ｂ）】
【公開番号】特開２０１１−１９３６６２（Ｐ２０１１−１９３６６２Ａ）
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５８５１１（Ｐ２０１０−５８５１１）
【出願日】平成２２年３月１５日（２０１０．３．１５）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１５日（２０１０．３．１５）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
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