(57)【要約】電気モータがモータハウジング５２、５６、５８、６０内に設けられたステータ５０と協働して作用する、ロータ軸２０を有するロータを備える、電気モータ駆動可能なコンプレッサ１であって、ロータ軸２０が少なくとも２つのベアリング４６を介してモータハウジング５６、５８、６０に取り付けられ且つ軸方向受け入れ部分３０にてコンプレッサ翼車１０と共に回転しないように固定状態に接続され、基本的に、ロータ軸２０を有するロータと、コンプレッサ翼車１０とから成る回転構成要素が、その第一の臨界の曲げ基本周波数ｗ１が最高の作動回転速度ｎｍａｘを超える範囲にあるような設計とされたコンプレッサである。
2004521267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気モータがモータハウジング内に設けられたステータと協働して作用する、ロータ軸を有するロータを備え、
ロータ軸が、少なくとも２つのベアリングを介してモータハウジング内に取り付けられ且つ軸方向受け入れ部分にてコンプレッサ翼車に関して回転しないように固定状態に接続される、電気モータ駆動可能なコンプレッサにおいて、
基本的に、ロータ軸（２０）を有するロータと、コンプレッサ翼車（１０）とから成る回転構成要素が、その第一の臨界の曲げ基本周波数ｗ１が最高の作動回転速度ｎｍａｘを超える範囲にあるような設計とされることを特徴とする、電気モータ駆動可能なコンプレッサ。
【請求項２】
請求項１に記載のコンプレッサにおいて、基本周波数ｗ１を増大させるため、ロータ軸（２０）が、少なくとも１つの軸方向部分（２４、２６、２８）を備え、該軸方向部分の断面直径は従来の設計基準に従って寸法が設定された直径よりも大きいことを特徴とする、コンプレッサ。
【請求項３】
請求項２に記載のコンプレッサにおいて、ベアリング（４６）と関係した軸受け部分（２６）がより大きい寸法の直径を有することを特徴とする、コンプレッサ。
【請求項４】
請求項３に記載のコンプレッサにおいて、軸受け部分（２６）に隣接する肩部分（２４）が大きい寸法の直径を有することを特徴とする、コンプレッサ。
【請求項５】
請求項３に記載のコンプレッサにおいて、軸受け部分（２６）に隣接する密封部分（２８）が軸受け部分（２６）の直径に等しく又はそれよりも僅かに小さい直径を有することを特徴とする、コンプレッサ。
【請求項６】
請求項１乃至５項の何れか１つに記載のコンプレッサにおいて、ベアリング（４６）がころベアリングであることを特徴とする、コンプレッサ。
【請求項７】
請求項１乃至６項の何れか１つに記載のコンプレッサにおいて、基本周波数ｗ１が最高の作動回転速度ｎｍａｘを少なくとも２５％、好ましくは５０％超える範囲にあることを特徴とする、コンプレッサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分による電気モータにより駆動可能なコンプレッサに関する。
【０００２】
この型式のコンプレッサは、例えば、非同期型モータ又は誘導モータの構造とすることのできる電気モータによって駆動される。該コンプレッサは、基本的に、モータハウジング内に設けられた相応するステータと協働して作用する、ロータ軸を有するロータから成っている。ロータ軸は、２つのジャーナル又はベアリングを介してモータハウジング内で支持されており、コンプレッサ翼車が回転しないように固定される軸方向取り付け部分すなわち受け部分を提供する。モータを励起させると、ロータ軸は回転する一方、ロータ軸は、コンプレッサ翼車を直接駆動することとなる。
【０００３】
取り付けリング、及び多くの場合、必要な軸シールリングを受け入れる軸方向部分は、その直径に対し可能な限り小さいように設計されている。このことは、同様に、例えば、内側取り付けリングのような取り付け部が支持される取り付け点に極く隣接する肩部分にもあてはまる。直径は、コンプレッサが予定された製品寿命の間に生ずる需要に対応することができるような寸法とされている。インテリジェント（ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ）又はカスケード（ｃａｓｃａｄｅ）シミュレーションプログラムを利用する近代の設計処理により、構成要素の振舞いを比較的確実に予測することが可能になり、所定のロータ軸に関係する軸方向部分の直径は比較的小さいような構造又は設計とすることができる。
【０００４】
更に、小さい直径であることは、回転慣性力を減少させることを可能にするため、回転構造体の構成要素にとって望ましいことであると考えられる。その結果、回転速度が変化する間、特に、コンプレッサを加速し又は減速する間、最適な応答性が得られる。
【０００５】
この型式のコンプレッサは、基本的に、実際上、それ自体にて実証しているが、ある不利益な点もある。特に、作動回転速度まで加速する間、振動が生じ、このことは、望ましくない騒音を発生させるのみならず、例えば、ベアリングの損傷に起因して期待寿命を短縮させることが特に認識される。
【０００６】
このように、本発明は、上述の不利益な点がもはや生じないような仕方にて、上記型式のコンプレッサを改良するという課題に関するものである。特に、運転の静粛性及び騒音の発生が改良され、また、期待寿命が長くなるようにしなければならない。
【０００７】
この課題は、請求項１の特徴部分の一般的なコンプレッサによって達成される。
本発明の好ましい実施の形態は、従属請求項の特徴部分に記載されている。
【０００８】
本発明は、今日迄の設計基準の適用において、ロータ軸を有するロータと、コンプレッサ翼車とからほぼ構成される回転構成要素群が、作動回転速度範囲にある臨界の曲げ基本周波数すなわち共振周波数を有することの認識に基づくものである。コンプレッサの加速中、この基本周波数を経なければならず、その時点にて、振動及び騒音の発生が引き起こされる。
【０００９】
例えば、高回転速度にて回転する構成要素によって発生される振動を目標値まで減衰させることを目的とする、コンピュータ用のハードディスクを駆動するといった、その他の技術分野からの対応策が既知である。例えば、米国特許第６，１４０，７９０号には、回転系内の振動を減衰させる複雑な制御過程が記載されている。これは、電気モータ被駆動コンプレッサの当該場合にも転用することが可能であろうが、複雑な補充的な設計及び制御手段が必要である。
【００１０】
これと比較して、本発明は、第一の臨界の曲げ高調波振動数が作動中に生ずる最高の回転速度を超える値まで増大される、簡単な方法にて、従来設計の電気モータ被駆動コンプレッサにて生ずる振動を回避することを可能にする。このようにして、特に、運転の静粛性、騒音の発生及び作動寿命の点にて、作動振舞いを顕著に向上させることができる。このことは、例えば、アクティブ（ａｃｔｉｖｅ）又はパッシブ（ｐａｓｓｉｖｅ）減衰法のような、通常の従来の補充的対応策をとらずに実現され、このため、これらの有利な点は、実際上、補充的な構造上の複雑さ又は投資を伴わずに実現することができる。
【００１１】
好ましくは、高調波振動数の増大は、ロータ軸を改変することで実現されるようにする。軸方向部分の直径を拡大する仕方にて、目標とする改変を行うことにより、ロータ軸は回転構成要素として設計され、従って、軸方向部分の直径に対して問題を生ぜずに改変することができるから、所望の周波数の置き換え（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）を経済的に実現することが可能となる。
【００１２】
ベアリングを受け入れるこれらの軸方向部分は、それ自体、この型式の改変の最初の点であることを実証している。これらの軸受け部分は、より大きい寸法の直径を有する設計又は構造とされている。基本的に、ベアリングの内径は、ベアリングの許容可能な最高の回転速度に依存する限界値を提供する。
【００１３】
基本周波数の増大は、また、取り付け部分に隣接する肩部分の寸法を増大させる結果としても実現される。肩部分は、それぞれ、ころベアリングの内側リングに当接する作用を奏し、このため、軸受け部分の直径を少しでも拡張すれば、必然的に、それに相応して、隣接する肩部分の直径も拡張する。
【００１４】
更に、シール円板を受け入れる軸方向部分を拡張することによって基本周波数を増大させることができる。この軸受け部分の直径は、最大でも、隣接する軸受け部分の直径に等しい程度にしかすることができず、それは、さもなければ、内側ベアリングリングを導入することはもはや不可能であるからであることが理解される。
【００１５】
基本周波数を増大させるための更なる追加的な選択は、ロータ軸のベアリング装置を格別に剛性であるように設計することである。
上述した選択的設計の助けを得て、基本周波数を広範囲に亙って変化させ、特に、最高の作動回転速度から確実な距離の範囲にまで、該周波数を置き換えることが可能となる。最高の作動回転速度に対する基本周波数の安全な距離は、特に、製造及び摩擦に依存する振動をどの程度、考慮に入れなければならないかの関数である。
【００１６】
作動中に生ずる最高の回転速度を少なくとも２５％、好ましくは、５０％だけ超えるように基本周波数を置き換えることが好ましいことが判明している。
次に、図面に概略図で示した実施の形態について本発明を詳細に説明する。
【００１７】
コンプレッサの基本構造を図１から見ることができる。
コンプレッサ１は、ロータ軸２０を介して駆動可能であるコンプレッサ翼車１０を備えている。このため、ロータ軸２０は、受け入れ部分３０を呈し、この受け入れ部分３０に、コンプレッサ翼車１０が着座し且つ固定ナット１２を介して回転しないようにロータ軸に固定され、この固定ナットは、ロータ軸２０のねじ付き部分３２にねじ止めされている。コンプレッサハウジング部分１４を適宜に設計することにより空気通路１６、１８が形成される。
【００１８】
ロータ軸２０は、中央部分２２を備えている。相応するステータ部品５０が設けられている。隙間空間５４は、冷却水通路として機能する。このようにして、コンプレッサ翼車１０を駆動する作用を果たす非同期型モータが形成される。コンプレッサ１の各側部を閉じるハウジング部分６０には、図示しないモータ制御装置が設けられる。
【００１９】
ロータ軸２０を取り付けるため、２つのころベアリング４６が設けられる。ロータ軸２０は、小さい製造許容公差にてベアリングシートとして設計された軸受け部分２６を備えている。同様に、ころベアリング４６の領域内のハウジング部分５６、５８は、小さい製造許容公差にて製造され、このため、所定の嵌め状態が得られる。
【００２０】
軸受け部分２６に隣接して、中央部分２２に移行する肩部分２４が設けられており、この肩部分２４に対して、ころベアリング４６がそれぞれ軸方向に支持されている。
【００２１】
ロータ軸２０は、受け入れ部分３０と軸受け部分２６との間にシール部分２８を有しており、該シール部分は、ピストンリング４４を有するシール円板４２を保持している。これにより、空気通路と非同期型モータの領域との間にシールが形成される。
【００２２】
本発明は、基本的に、ロータ軸２０と、コンプレッサ翼車１０とから成る回転構造体の構成要素が、その第一の臨界の曲げ基本周波数ｗ１が最高の作動速度ｎｍａｘを超えるような設計とされることを特徴とするものである。しかし、数値設計の段階において、同様に、図２に示したロータ軸２０の設計が重要な意義を有するように、遵守しなければならない一連の周辺条件がある。
【００２３】
コンプレッサ翼車１０の設計に関して、材料の性質と関連して、コンプレッサ翼車１０の幾何学的形態に目標通りの影響を与える上で殆ど自由度を許容しない空気熱力学的前提条件を遵守し又は維持しなければならない。このため、ロータ軸２０の幾何学的形態に目標通りの影響を与えることにより、第一の臨界の曲げ基本周波数の置き換えが実現される。
【００２４】
ロータ軸２０の改変時、中央部分２２の領域内の最大直径が全体として予め決定されることを最初に、遵守しなければならず、それは、この最大直径はステータ、特に、ステータ部品５０の幾何学的形態に依存するからである。これらの値は非同期型モータの電力のデータによって決定され、又、要求される駆動条件に対して変更できない。
【００２５】
このように、第一の臨界の曲げ基本周波数に影響を与える第一の可能性は、肩部分２４の領域内で直径を拡張することにある。この直径の拡張は、基本的に、この領域内を伸びるハウジングの外形に関する限界値に従う。
【００２６】
更に、取り付け部分又は軸受け部分２６の領域内で直径を拡張することにより、第一の臨界の曲げ基本周波数ｗ１を増大させることが可能である。可能な最大直径は、ベアリングの設計によって影響を受け且つ下側ベアリング４６の可能な最大内径によって制限される。取り付け部分すなわち軸受け部分２６及び肩部分２４の直径は、少なくとも移行領域内で互いに調和され、すなわち互いに適応され、ころベアリング４６の軸方向支持状態が設計条件を満足し得ることを遵守しなければならない。
【００２７】
第一の臨界の曲げ基本周波数ｗ１を増大する更なる可能性は、最終的に、シール部分２８の領域内で直径を相応して拡張させることにより、実現することもできる。しかし、この直径は、隣接する軸受け部分２６の領域内における直径の値にて最大となり、それは、モータを組み立てる間、ころベアリング４６はシール部分２８の上で且つ軸受け部分２６まで軸方向に摺動しなければならないからである。
【００２８】
上記の判断基準を適用する結果、従来の設計のロータ軸と比較して小型のロータ軸２０となる。対象とする軸方向部分の直径を目標通りに拡張することにより、臨界の曲げ基本周波数ｗ１が最高の作動回転速度ｎｍａｘを確実に超える値まで置き換えられることが実現される。その結果、コンプレッサ１は、作動速度まで加速する間、回転構造体構成要素の第一の臨界の曲げ基本周波数ｗ１をもはや経ることはなく、その結果、運転の静粛性、騒音の発生及び製品寿命に関する作動振舞いが顕著に向上する。
【００２９】
上記の設計概念により実現可能な成功裏の効果は、図３及び図４を比較することにより特に理解することができる。
図３には、回路網によって符号で示したコンプレッサ翼車１０と、ロータ軸２０とから成る第一の構造体の構成要素群が図示されている。この図には、数値シミュレーションのいわゆる「スクリーンショット」が図示されており、ここにおいて、回路網の第一の臨界の曲げ特徴に相応する変形が誇張して示してある。繰り返したパラメータは、１２１０．７１ヘルツの周波数を示す。
【００３０】
図４に示した回転構造体の構成要素は、コンプレッサ翼車１０に関して、同一の設計とされている。相違点は、上述した形態及び仕方にてロータ軸２０の軸方向部分を改変することに関するものである。図４によるスクリーンショットは、ロータ軸２０に対する比較的僅かな改変の結果、第一の臨界の曲げ基本周波数が２１２４．６７ヘルツで置き換え可能であることを示す。シミュレーションの結果、比較的僅かな費用及び複雑さにて、第一の臨界の曲げ基本周波数ｗ１を２倍増大させ、また、これに伴って、この周波数を当該場合、最高の作動回転速度ｎｍａｘを超える範囲まで置き換えることが可能である。
【００３１】
【参照符号リスト】
１  コンプレッサ
１０  コンプレッサ翼車
１２  固定ナット
１４  ハウジング部分
１６  流れ通路
１８  流れ通路
２０  ロータ軸
２２  中央部分
２４  肩部分
２６  軸受け部分
２８  シール部分
３０  受け入れ部分
３２  ねじ付き部分
４２  シール円板
４４  ピストンリング
４６  ころベアリング
５０  ステータ
５２  ハウジング部分
５４  隙間空間
５６  ハウジング部分
５８  ハウジング部分
６０  ハウジング部分
ｗ１  第一の臨界の曲げ基本周波数
ｎｍａｘ  最高の作動回転速度
【図面の簡単な説明】
【図１】
コンプレッサの軸方向図である。
【図２】
ロータ軸の図である。
【図３】
第一のロータの形態に対する変形状態を示す図である。
【図４】
第二のロータの形態に対する変形状態を示す図である。
【図３】
2004521267.tif 000003
【図４】
2004521267.tif 000004
【国際公開パンフレット】
2004521267.tif 000005
2004521267.tif 000006
2004521267.tif 000007
2004521267.tif 000008
2004521267.tif 000009
2004521267.tif 000010
2004521267.tif 000011
2004521267.tif 000012
2004521267.tif 000013
2004521267.tif 000014
2004521267.tif 000015
2004521267.tif 000016
2004521267.tif 000017
2004521267.tif 000018
2004521267.tif 000019
2004521267.tif 000020
2004521267.tif 000021
2004521267.tif 000022
【国際調査報告】
2004521267.tif 000023
2004521267.tif 000024
2004521267.tif 000025