(57)【要約】      （修正有）【課題】スクリュ圧縮機において、出力を低下させることなくモータの危険速度（固有振動数）を上昇させ、高回転領域での運転を実現する。【解決手段】モータ１２，１９により駆動され、雌雄咬合するスクリュロータ１１ａ，１１ｂを備えるスクリュ圧縮機において、それぞれの出力の和がスクリュロータ１１ａ，１１ｂを駆動するのに必要な単一のモータと同出力以上になる複数のモータ１２，１９を備え、複数のモータ１２，１９の各回転子１２ａ，１９ａがスクリュロータ１１ａ，１１ｂのロータ軸１５ａ，１５ｂに直結されている。出力を低下させることなくモータ１２，１９の危険速度（固有振動数）を上昇させ、高回転領域での運転を実現できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータにより駆動され、雌雄咬合するスクリュロータを備えるスクリュ圧縮機において、
それぞれの出力の和が前記スクリュロータを駆動するのに必要な単一のモータと同出力以上になる複数のモータを備え、
前記複数のモータの各回転子が前記スクリュロータのロータ軸に直結されていることを特徴とするスクリュ圧縮機。
【請求項２】
前記複数のモータが第１モータ及び第２モータからなり、前記第１モータ及び第２モータは前記雄ロータの両側へ延びるロータ軸の先端側にそれぞれ１つずつ設けられていることを特徴とする請求項１に記載のスクリュ圧縮機。
【請求項３】
前記第１モータ及び第２モータそれぞれに位相が互いに異なる電力を投入することを特徴とする請求項２に記載のスクリュ圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スクリュ圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４に示すように、ロータ軸１０１が軸受１０２に支持された雌雄咬合するスクリュロータ１０３，１０３のうち、一方のスクリュロータ１０３のロータ軸１０１を延長し、そのロータ軸１０１にスクリュロータ１０３を駆動するモータの回転子１０４を直結したスクリュ圧縮機が特許文献１に開示されている。このようなスクリュ圧縮機においては、モータの出力軸とスクリュロータのロータ軸を連結するカップリングが不要となるので、軸の芯出し作業も不要となり、構造を簡易にすることができる。
【０００３】
しかしながら、このような構造は、両側が支持されたスクリュロータ１０３の方を剛体とみなすことができるとした場合、モータの回転子１０４が一方に支持された片持ち構造となる。片持ち構造は、両持ち構造と比較して固有振動数が低くなる。
【０００４】
図５に示すように、モータの回転子１０４を一端に直結したロータ軸１０１の他端がスクリュロータ１０３に固定された片持ち構造のモータの回転子１０４は、スクリュロータの端面１０５を中心に１自由度系の横振動を発生させるものとみなすことができる。その固有振動数は、スクリュロータ１０３のモータの回転子１０４側の端面１０５からモータの回転子１０４の重心までの距離Ｌとモータの回転子１０４の質量Ｍで決定される。スクリュロータ１０３のロータ軸１０１のばね定数ＫはＥをヤング率、Ｉを断面２次モーメントとすると、次式（１）で表される。
【０００５】
【数１】
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一方、固有振動数ωは、次式（２）で表される。
【０００６】
【数２】
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（１）及び（２）式より、（３）式が表される。
【０００７】
【数３】
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【０００８】
モータが片持ち構造である限り、固有振動数が低下するのを回避することはできない。例えば７０００ｒｐｍより高回転で運転できる性能を有するモータを備えるスクリュ圧縮機であっても、危険速度（固有振動数）が７０００ｒｐｍとなっている場合、回転数を７０００ｒｐｍより高回転で運転させることができないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−３４３８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、スクリュ圧縮機において、出力を低下させることなくモータの危険速度（固有振動数）を上昇させ、高回転領域での運転を実現することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するための手段として、本発明のスクリュ圧縮機は、モータにより駆動され、雌雄咬合するスクリュロータを備えるスクリュ圧縮機において、それぞれの出力の和が前記スクリュロータを駆動するのに必要な単一のモータと同出力以上になる複数のモータを備え、前記複数のモータの各回転子が前記スクリュロータのロータ軸に直結されるようにしている。
【００１２】
この構成により、スクリュロータを駆動するのに必要な単一のモータの動力を、複数のモータにより供給するようにすれば、各モータを小型化させることができ、各モータの質量を減少させることができる。これにより、スクリュロータのロータ軸と直結された各モータの固有振動数を上昇させることができ、単一のモータと同等以上の出力を得つつ、高速回転で運転できる。また、スクリュ圧縮機を小型化することができる。
【００１３】
前記複数のモータが第１モータ及び第２モータからなり、前記第１モータ及び第２モータは前記雄ロータの両側へ延びるロータ軸の先端側にそれぞれ１つずつ設けられていることが好ましい。この構成によれば、第１モータ及び第２モータが雄ロータの両側へ延びるロータ軸の先端側にそれぞれ１つずつ設けられているので、雄ロータにより従動される雌ロータへの伝達動力を最も低く抑えることができる。これにより、出力の損失を最低限にできるとともに、装置を壊れにくくすることができる。
【００１４】
前記第１モータ及び第２モータそれぞれに位相が互いに異なる電力を投入することが好ましい。この構成によれば、第１モータ及び第２モータそれぞれに投入される電力となる電流又は電圧の波形を合成した波形を理想的なサインカーブに近づけることができる。その結果、サインカーブからのずれが生じさせる変動トルクを減少させることができ、騒音、振動の発生を減少させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によって、スクリュロータを駆動するのに必要な単一のモータの動力を、複数のモータにより供給するようにすれば、各モータを小型化させることができ、各モータの質量を減少させることができる。これにより、スクリュロータのロータ軸と直結された各モータの危険速度（固有振動数）を上昇させることができ、単一のモータと同等以上の出力を得つつ、高速回転で運転できる。また、スクリュ圧縮機を小型化することができる。
【００１６】
２つのモータが雄ロータの両側へ延びるロータ軸の先端側にそれぞれ１つずつ設けられているので、雄ロータにより従動される雌ロータへの伝達動力を最も低く抑えることができる。これにより、出力の損失を最低限にできるとともに、装置を壊れにくくすることができる。
【００１７】
２つのモータそれぞれに投入された電流又は電圧の波形を合成した波形を理想的なサインカーブに近づけることができる。その結果、サインカーブからのずれが生じさせる変動トルクを減少させることができ、騒音、振動の発生を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明にかかるスクリュ圧縮機のスクリュロータ及びモータの回転子を示す模式図。
【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）は図１と異なる雌雄一対のスクリュロータに対するモータの回転子の配置を示す図。
【図３】図３（ａ）は第１モータと第２モータの入力パルスの位相が同じである場合の合成パルスを示す図、図３（ｂ）は第１モータと第２モータの入力パルスの位相が異なる場合の合成パルスを示す図。
【図４】従来のスクリュ圧縮機のスクリュロータ及びモータの回転子を示す模式図。
【図５】モータの回転子のロータ軸方向に対する横振動を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
【００２０】
図１は、本発明にかかるスクリュ圧縮機（以下、単に圧縮機という。）のスクリュロータ１１ａ，１１ｂ及びモータ１２，１９の回転子１２ａ，１９ａの模式図である。
【００２１】
圧縮機は、雌雄咬合する雄スクリュロータ１１ａと雌スクリュロータ１１ｂを備える。雌雄のスクリュロータ１１ａ，１１ｂの両端へ延びるロータ軸はそれぞれ軸受１４で支持されている。雄ロータ１１ａの両側へ延びるロータ軸１５ａ，１５ｂの先端側に第１モータ１２の回転子１２ａ及び第２モータ１９の回転子１９ａがそれぞれ直結されている。図示しない第１モータ１２及び第２モータ１９のモータケーシングにそれぞれ設けられた固定子から発生する磁界と回転子１２ａ，１９ａ相互作用により回転力を得て雄ロータ１１ａが駆動され、これによって雌ロータ１１ｂは従動される。第１モータ１２及び第２モータ１９は制御装置１７によりインバータ１８ａ，１８ｂを介して制御される。圧縮機は、吸込部１３を通じて、外部からスクリュロータ１１ａ，１１ｂの図示しない圧縮空間に空気を吸い込む。雌雄のスクリュロータ１１ａ，１１ｂが咬合することにより、前記圧縮空間で空気が圧縮され、スクリュロータ１１ａ，１１ｂの吐出部１６から圧縮空気が吐出される。
【００２２】
従来のスクリュ圧縮機では単一のモータで雌雄のスクリュロータを回転させていたのに対して、本実施形態のスクリュ圧縮機は単一のモータを２つのモータ１２，１９に分けることで、モータ１２，１９の共振周波数（危険速度）を上昇させ、より高回転での運転を実現している。以下、単一のモータを２つのモータ１２，１９に分けることで共振周波数が上昇する理由を詳述する。
【００２３】
単一のモータを、動力比Ｆ１：Ｆ２の２つのモータ１２，１９に分けた場合、これらのモータ１２，１９の回転子１２ａ，１９ａの質量比もＦ１：Ｆ２とみなすことができる。従って、単一のモータの場合の回転子の質量をＭとすると、これらのモータ１２，１９の回転子１２ａ，１９ａの質量Ｍ１，Ｍ２は以下の（４）式で表される。
【００２４】
【数４】
2010209746.tif 000006
【００２５】
ここで以下の（５）式で示すように個々のモータ１２，１９への動力分配係数を定義する（α１＋α２＝１）。
【００２６】
【数５】
2010209746.tif 000007
【００２７】
動力分配係数α１，α２を用いると個々のモータ１２，１９の回転子１２ａ，１９ａの質量Ｍ１，Ｍ２は以下の式（６）で表される。
【００２８】
【数６】
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【００２９】
従って、（３），（６）式より動力比Ｆ１：Ｆ２（動力分配比α１，α２）で分けた２つのモータ１２，１９の固有振動数ω１，ω２はそれぞれ以下の式で表される。
【００３０】
【数７】
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【００３１】
２つのモータ１２，１９の固有振動数ω１，ω２と単一のモータの固有振動数ωの関係は以下の（８）式で表される。
【００３２】
【数８】
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【００３３】
例えば、単一のモータを動力比１：１（動力分配係数α１，α２＝１／２）で２つのモータ１２，１９に分けた場合、質量Ｍ１，Ｍ２は１／２Ｍ、つまり単一のモータの場合の半分になる。従って、単一のモータの固有振動数（危険速度）ωが７０００ｒｐｍとすると、２つに分けたモータの固有振動数ω１，ω２は（８）式より共に約９８９８ｒｐｍである。つまり、共振が発生する危険速度が７０００ｒｐｍから約９８９８ｒｐｍに上昇する。
【００３４】
次に、単一のモータを動力比３：７（動力分配係数α１＝３／１０，α２＝７／１０）で２つのモータに分けた場合、質量Ｍ１，Ｍ２はそれぞれ３／１０Ｍ、７／１０Ｍとなる。従って、単一のモータの固有振動数（危険速度）ωが７０００ｒｐｍとすると、２つに分けたモータの固有振動数ω１，ω２は、（８）式よりそれぞれ約１２７８０ｒｐｍ、約８３６７ｒｐｍとなる。つまり、共振が発生する危険速度が７０００ｒｐｍから約８３６７ｒｐｍに上昇する。
【００３５】
また、単一のモータを動力比１：９（動力分配係数α１＝１／１０，α２＝９／１０）で２つのモータに分けた場合、質量Ｍ１，Ｍ２はそれぞれ１／１０Ｍ、９／１０Ｍとなる。従って、単一のモータの固有振動数（危険速度）ωが７０００ｒｐｍとすると、２つに分けたモータの固有振動数ω１，ω２は、（８）式よりそれぞれ約２２１３６ｒｐｍ、約７３７９ｒｐｍとなる。つまり、共振が発生する危険速度が７０００ｒｐｍから約７３７９ｒｐｍに上昇する。
【００３６】
以上から、スクリュロータを駆動するのに必要な単一のモータを、それぞれの出力の和が同じ出力となるような２つのモータ１２，１９にすると、いずれの動力比を有する２つのモータ１２，１９においても圧縮機全体としての固有振動数が上昇することがわかる。とりわけ、単一のモータをそれぞれ５：５の動力比（同じ動力）となるような２つのモータ１２，１９にすると、圧縮機全体としての固有振動数が最も上昇することがわかる。本発明によって、スクリュロータを駆動するのに必要な単一のモータの動力を、複数のモータ１２，１９により供給するようにすれば、各モータ１２，１９を小型化させることができ、各モータ１２，１９の質量を減少させることができる。これにより、スクリュロータ１１ａ，１１ｂのロータ軸１５ａ，１５ｂと直結された各モータ１２，１９の固有振動数を上昇させることができ、単一のモータと同等以上の出力を得つつ、高速回転で運転できる。また、スクリュ圧縮機を小型化することができる。
【００３７】
次に、第１モータ１２及び第２モータ１９の配置について説明する。圧縮機は、雄ロータ１１ａと雌ロータ１１ｂがあり、スクリュロータ１１ａ，１１ｂを駆動する２つのモータ１２，１９の配置として、図１に示す雄ロータ１１ａの一側に第１モータ１２、他側に第２モータ１９が配置された組み合わせ以外に、図２（ａ）に示すように、雄ロータ１１ａに第１モータ１２、雌ロータ１１ｂに第２モータ１９が配置された組み合わせ、及び、図２（ｂ）に示すように、雌ロータ１１ｂの一側に第１モータ１２、他側に第２モータ１９が配置された組み合わせの合計３通りある。
【００３８】
一方、通常、雄ロータ１１ａと雌ロータ１１ｂの仕事の割合は９：１であり、例えば雄ロータ１１ａが駆動され雌ロータ１１ｂが従動される場合と、雌ロータ１１ｂが駆動され雄ロータ１１ａが従動される場合では、雄ロータ１１ａと雌ロータ１１ｂの間の伝達動力は異なる。例えば、雄ロータ１１ａに第１モータ１２及び第２モータ１９の両方を取り付けると、雄ロータ１１ａから雌ロータ１１ｂへの伝達動力は１０％程度である。雌ロータ１１ｂに第１モータ１２及び第２モータ１９の両方を取り付けると、雌ロータ１１ｂから雄ロータ１１ａへの伝達動力は９０％程度である。雄ロータ１１ａに第１モータ１２又は第２モータ１９のいずれか一方を取り付け、雌ロータ１１ｂに第１モータ１２又は第２モータ１９のいずれか他方を取り付けると、雄ロータ１１ａと雌ロータ１１ｂの間の伝達動力は４０％程度である。
【００３９】
スクリュロータ１１ａ，１１ｂ間の伝達動力が大きいと、スクリュロータ１１ａ，１１ｂの損傷及び騒音、振動の原因となるので、伝達動力はなるべく小さいほうがよい。従って、雄ロータ１１ａに第１モータ１２及び第２モータ１９の両方を取り付ける配置が最もよい。２つのモータ１２，１９が雄ロータ１１ａの両側へ延びるロータ軸１５ａ，１５ｂの先端側にそれぞれ１つずつ設けられているので、雄ロータ１１ａにより従動される雌ロータ１１ｂへの伝達動力を最も低く抑えることができる。これにより、出力の損失を最低限にできるとともに、装置を壊れにくくすることができる。
【００４０】
図３（ａ）及び図３（ｂ）の第１モータ１２、第２モータ１９の入力パルスに示すように、制御装置１７は、インバータ１８ａ，１８ｂを介して矩形状の電圧、又は電流をモータ１２，１９に投入する。電圧又は電流の波形はサインカーブを描くように投入されるのが理想的である。モータ１２，１９に発生するトルクは、投入電圧、又は投入電流の波形と近似しているため、変動トルクの原因となるサインカーブからのずれをできるだけ生じさせないようにする。このようにして、変動トルクの発生をできるだけ抑え、騒音及び振動を減少させる。
【００４１】
図３（ａ）に示すように、雄ロータ１１ａの両側に直結された第１モータ１２及び第２モータ１９それぞれに、同一波形（パルス最大値Ａ，周期Ｔ）の電圧又は電流を投入する。第１モータ１２及び第２モータ１９は同軸であるため、２つのモータ１２，１９によって発生するトルクはそれぞれのトルクを足し合わせたものとなる。第１モータ１２及び第２モータ１９に入力されたパルスを合成したパルスは、第１モータ１２及び第２モータ１９それぞれの波形に対してパルス最大値（絶対値）のみが２倍になった波形である。振幅２Ａ、周期Ｔのサインカーブに対して、合成したパルスとのずれを斜線で示す。
【００４２】
この合成したパルスをサインカーブにより近づけるため、第１モータ１２又は第２モータ１９のいずれか一方に投入する電圧又は電流の位相をずらすようにする。図３（ｂ）に示すように、第１モータ１２の位相に対して第２モータ１９の位相をＴ／８だけずらす（遅延させる）と、第１モータ１２及び第２モータ１９に入力されたパルスを合成したパルスは、第１モータ１２の波形の位相に対してＴ／１６だけ遅延し、かつ、第２モータ１９の波形の位相に対してＴ／１６だけ先行したものとなる。図３（ｂ）に示した合成パルスも最大値が２Ａ（絶対値）である点においては、図３（ａ）に示した合成パルスと同様であるが、値がＡ（絶対値）となる範囲も包含している点においては、図３（ａ）に示した合成パルスと異なる。振幅２Ａ、周期Ｔのサインカーブに対して、合成したパルスの波形とのずれを斜線で示す。第１モータ１２及び第２モータ１９に同位相の電力（電圧又電流）を投入するよりも、第１モータ１２の位相に対して位相をＴ／８だけずらした（遅延させた）、異なる位相の電力（電圧又は電流）を第２モータ１９に投入する方がずれ（図３（ａ）及び図３（ｂ）の斜線部分）を小さくすることができる。このようにすると、合成したパルスの波形をサインカーブの形状により近づけることができ、高調波を小さくして、騒音や振動を減少させることができる。
【符号の説明】
【００４３】
１１ａ  雄スクリュロータ
１１ｂ  雌スクリュロータ
１２  第１モータ
１２ａ  回転子
１３  吸込部
１４  軸受
１５ａ，１５ｂ  ロータ軸
１６  吐出部
１７  制御装置
１８ａ，１８ｂ  インバータ
１９  第２モータ
１９ａ  回転子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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