JP2009174491A - Electric compressor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electric compressor in which turbine drive is performed by an electric motor and which is suitable for use in a fuel cell powered automobile, the balance of mass-inertia of a shaft on which the turbine is mounted is superior, and which is used even when the shaft is not maintained in a perpendicular state. <P>SOLUTION: The electric compressor includes the shaft 2 having a turbine 1 mounted at one end thereof, a motor rotor 3 mounted on the other end of the shaft 2, an electric motor 4 for rotating and driving the motor rotor 3, and two bearings 5, 5 for rotatably supporting a central portion of the shaft 2. The bearings 5, 5 support near the center of gravity of the shaft 2, the turbine 1, and the motor rotor 3. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、電動ターボチャージャや電動コンプレッサなど、駆動電源を供給されて動作する電動圧縮機に関する。   The present invention relates to an electric compressor such as an electric turbocharger or an electric compressor that operates by being supplied with driving power.

従来、自動車用ターボチャージャは、排気ガス圧によりタービン駆動を行うものが主流となっている。一方、自動車用ターボチャージャとして、電動アシストターボチャージャなどの電動圧縮機が提案されている。   Conventionally, automobile turbochargers are mainly driven by turbines by exhaust gas pressure. On the other hand, electric compressors such as an electric assist turbocharger have been proposed as an automotive turbocharger.

電動アシストターボチャージャや電動アシストターボコンプレッサなどの電動圧縮機は、電動モータによりタービン駆動をアシストするものであり、このような電動圧縮機においては、電動モータがタービンとコンプレッサの間に配置されるため、オーバーハング構造となっている。また、従来の電動圧縮機においては、特許文献１に記載されているように、一端側にタービンが取付けられたシャフトは、他端側において軸受けによって回転可能に支持されており、電動モータは、このシャフトの中央部分に設けられている。この電動モータは、シャフトの中央部分に取付けられたロータを回転駆動するように構成されている。そして、このような従来の電動圧縮機は、シャフトが鉛直とされた状態で使用される縦軸構造となっている。   An electric compressor such as an electric assist turbocharger or an electric assist turbo compressor assists the turbine drive by an electric motor, and in such an electric compressor, the electric motor is disposed between the turbine and the compressor. It has an overhang structure. Further, in the conventional electric compressor, as described in Patent Document 1, the shaft with the turbine attached to one end side is rotatably supported by the bearing on the other end side, and the electric motor is It is provided in the central part of this shaft. This electric motor is configured to rotationally drive a rotor attached to the central portion of the shaft. Such a conventional electric compressor has a vertical axis structure that is used in a state where the shaft is vertical.

特開２００１−１７３５９１公報JP 2001-173591 A

ところで、近年、燃料電池自動車の実用化が望まれている。燃料電池自動車においては、吸気をエアコンプレッサによって過給する必要がある。   By the way, in recent years, the practical application of fuel cell vehicles has been desired. In a fuel cell vehicle, it is necessary to supercharge intake air by an air compressor.

燃料電池自動車用のエアコンプレッサとして電動ターボチャージャを用いる場合、排ガス圧が存在しないので、従来のターボチャージャや電動アシストターボチャージャを使用することはできない。そのため、燃料電池自動車においては、エアコンプレッサとして、電動モータによりタービン駆動を行う電動圧縮機を使用する必要がある。   When an electric turbocharger is used as an air compressor for a fuel cell vehicle, there is no exhaust gas pressure, so a conventional turbocharger or an electric assist turbocharger cannot be used. Therefore, in a fuel cell vehicle, it is necessary to use an electric compressor that drives a turbine with an electric motor as an air compressor.

また、従来の電動圧縮機のシャフトは、他端側を軸受けによって支持され、一端側にタービンが取付けられ、中央部に電動モータのロータが取付けられているため、マス（重量）／イナーシャ（慣性）のバランスをとることが困難である。そして、燃料電池自動車に電動圧縮機を搭載する場合には、設置角度が保証されず、車体が傾斜する場合もあるため、タービンが取付けられたシャフトが鉛直の状態に維持されるとは限らないため、従来の電動圧縮機を使用することができない。   Further, the shaft of a conventional electric compressor is supported by a bearing at the other end side, a turbine is attached to one end side, and a rotor of an electric motor is attached to a central portion, so that mass (weight) / inertia (inertia) ) Is difficult to balance. When an electric compressor is mounted on a fuel cell vehicle, the installation angle is not guaranteed and the vehicle body may tilt, so the shaft to which the turbine is attached is not always maintained in a vertical state. Therefore, a conventional electric compressor cannot be used.

そこで、本発明は、前記の実情に鑑みてなされたものであって、電動モータによりタービン駆動が行われ、燃料電池自動車に用いるに好適であって、また、タービンが取付けられたシャフトのマス／イナーシャのバランスが良好であって、シャフトが鉛直の状態に維持されなくとも使用することが可能となされた電動圧縮機を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and is suitable for use in a fuel cell vehicle driven by a turbine by an electric motor, and also having a mass / mass of a shaft to which the turbine is attached. It is an object of the present invention to provide an electric compressor that has a good balance of inertia and can be used even if the shaft is not maintained in a vertical state.

前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明に係る電動圧縮機は、以下の構成のいずれか一を有するものである。   In order to solve the above-described problems and achieve the above object, an electric compressor according to the present invention has any one of the following configurations.

〔構成１〕
一端側にタービンが取付けられたシャフトと、このシャフトの他端側に取付けられたモータロータと、このモータロータを回転駆動する電動モータと、シャフトの中央部分を回転可能に支持する２個の軸受けとを備え、軸受けは、シャフト、タービン及びモータロータの重心近傍を支持することを特徴とするものである。 [Configuration 1]
A shaft having a turbine attached to one end thereof, a motor rotor attached to the other end of the shaft, an electric motor that rotationally drives the motor rotor, and two bearings that rotatably support the central portion of the shaft. The bearing is characterized by supporting the vicinity of the center of gravity of the shaft, turbine, and motor rotor.

〔構成２〕
構成２を有する電動圧縮機において、オイルが循環するオイルジャケットを備え、オイルジャケット内を循環するオイルは、軸受けの潤滑を行うとともに、電動モータの冷却を行うことを特徴とするものである。 [Configuration 2]
The electric compressor having the configuration 2 includes an oil jacket through which oil circulates, and the oil circulated in the oil jacket lubricates the bearing and cools the electric motor.

〔構成３〕
構成３を有する電動圧縮機において、シャフトに取付けられた羽根によって、オイルジャケット内にオイルが循環されることを特徴とするものである。 [Configuration 3]
In the electric compressor having the configuration 3, the oil is circulated in the oil jacket by the blades attached to the shaft.

構成１を有する本発明に係る電動圧縮機においては、軸受けは、シャフト、タービン及びモータロータの重心近傍を支持するので、シャフトのマス／イナーシャのバランスが良好であり、シャフトが鉛直の状態に維持されなくとも使用することが可能であるため、搭載の自由度が広く、燃料電池自動車に用いるに好適である。   In the electric compressor according to the present invention having the configuration 1, since the bearing supports the vicinity of the center of gravity of the shaft, the turbine, and the motor rotor, the shaft mass / inertia balance is good and the shaft is maintained in a vertical state. Since it can be used even if it is not, the degree of freedom of mounting is wide, and it is suitable for use in a fuel cell vehicle.

構成２を有する電動圧縮機においては、オイルジャケット内を循環するオイルは、軸受けの潤滑を行うとともに、電動モータの冷却を行うので、高い冷却効果を得ることができる。そのため、タービンを１００，０００ｒｐｍ以上の高速で回転させても、十分な冷却を行うことができる。   In the electric compressor having the configuration 2, the oil circulating in the oil jacket lubricates the bearing and cools the electric motor, so that a high cooling effect can be obtained. Therefore, sufficient cooling can be performed even if the turbine is rotated at a high speed of 100,000 rpm or more.

構成３を有する電動圧縮機においては、構造が簡略化されるとともに、タービンの回転数が高くなり電動モータの発熱量が多くなるに従ってオイル循環量が増加するので、効率的な冷却を行うことができる。   In the electric compressor having the configuration 3, the structure is simplified, and the amount of oil circulation increases as the rotational speed of the turbine increases and the amount of heat generated by the electric motor increases. Therefore, efficient cooling can be performed. it can.

すなわち、本発明は、電動モータによりタービン駆動が行われ、燃料電池自動車に用いるに好適であって、また、タービンが取付けられたシャフトのマス／イナーシャのバランスが良好であって、シャフトが鉛直の状態に維持されなくとも使用することが可能となされた電動圧縮機を提供することができるものである。   In other words, the present invention is suitable for use in a fuel cell vehicle driven by a turbine by an electric motor, and has a good mass / inertia balance of the shaft to which the turbine is attached, so that the shaft is vertical. It is possible to provide an electric compressor that can be used without being maintained in a state.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、本発明に係る電動圧縮機の構成を示す断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an electric compressor according to the present invention.

本発明に係る電動圧縮機は、図１に示すように、一端側にタービン１が取付けられたシャフト２と、このシャフト２の他端側に取付けられたモータロータ３とを備えて構成される。このタービン１は、遠心式(ターボ)コンプレッサ用のタービンである。タービン１及びモータロータ３とは、略等しい質量を有して構成されていることが望ましい。モータロータ３は、このモータロータ３を回転駆動する電動モータ４を構成している。すなわち、電動モータ４は、モータロータ３と、このモータロータ３を回転駆動するためのコイル４ａとから構成されている。   As shown in FIG. 1, the electric compressor according to the present invention includes a shaft 2 having a turbine 1 attached to one end thereof, and a motor rotor 3 attached to the other end of the shaft 2. The turbine 1 is a turbine for a centrifugal (turbo) compressor. The turbine 1 and the motor rotor 3 are desirably configured to have substantially the same mass. The motor rotor 3 constitutes an electric motor 4 that rotationally drives the motor rotor 3. That is, the electric motor 4 includes a motor rotor 3 and a coil 4a for driving the motor rotor 3 to rotate.

シャフト２は、中央部分を、２個の軸受け５，５により回転可能に支持されている。これら軸受け５，５は、シャフト２、タービン１及びモータロータ３からなる回転体の重心近傍を支持している。   The center portion of the shaft 2 is rotatably supported by two bearings 5 and 5. These bearings 5 and 5 support the vicinity of the center of gravity of the rotating body including the shaft 2, the turbine 1 and the motor rotor 3.

また、この電動圧縮機は、オイルが循環するオイルジャケット（オイル循環用通路）６を備えている。オイルジャケット６内を循環するオイルは、軸受け５，５の潤滑を行うとともに、電動モータ４の冷却を行うようになっている。このオイルジャケット６内のオイルは、シャフト２に取付けられた羽根（オイルポンプ）７によって、オイルジャケット６内を循環されるようになっている。なお、オイルジャケット６内のオイルは、シャフト２のターピン１側に設けられたシール８により、ターピン１側に流出することが防止されている。   The electric compressor also includes an oil jacket (oil circulation passage) 6 through which oil circulates. The oil circulating in the oil jacket 6 lubricates the bearings 5 and 5 and cools the electric motor 4. The oil in the oil jacket 6 is circulated in the oil jacket 6 by blades (oil pumps) 7 attached to the shaft 2. The oil in the oil jacket 6 is prevented from flowing out to the turpin 1 side by a seal 8 provided on the turpin 1 side of the shaft 2.

また、オイルジャケット６内のオイルの冷却は、間接水冷、あるいは、間接空冷により冷却される。間接水冷を行う場合においては、オイルジャケット６の外側に冷却水路９を設け、この冷却水路９内を流通する冷却水により、オイルジャケット６内のオイルを冷却する。   The oil in the oil jacket 6 is cooled by indirect water cooling or indirect air cooling. In the case of performing indirect water cooling, a cooling water channel 9 is provided outside the oil jacket 6, and the oil in the oil jacket 6 is cooled by the cooling water flowing through the cooling water channel 9.

この電動圧縮機においては、電動モータ４により、シャフト２を介して、タービン１が回転操作される。タービン１が回転操作されることにより、図示しないエアインテークより吸気される空気が圧縮され、過給が行われる。   In this electric compressor, the turbine 1 is rotated by the electric motor 4 via the shaft 2. When the turbine 1 is rotated, air sucked from an air intake (not shown) is compressed and supercharging is performed.

この電動圧縮機は、例えば、燃料電池に対する酸素過給用に好適であり、特に、燃料電池自動車に用いて好適である。この電動圧縮機において、タービン１は、例えば、１００，０００ｒｐｍ乃至１５０，０００ｒｐｍ程度の回転数で回転操作される。この電動圧縮機は、例えば、容量１０ＫＷ乃至２０ＫＷの圧縮機として構成される。   This electric compressor is suitable for, for example, oxygen supercharging to a fuel cell, and is particularly suitable for use in a fuel cell vehicle. In this electric compressor, the turbine 1 is rotated at a rotational speed of, for example, about 100,000 rpm to 150,000 rpm. This electric compressor is configured as a compressor having a capacity of 10 KW to 20 KW, for example.

この電動圧縮機においては、タービン１が回転操作されるとき、オイルジャケット６内を循環するオイルにより、軸受け５，５の潤滑が行われ、電動モータ４の冷却が行われる。この電動圧縮機においては、タービン１の回転数が高くなり電動モータ４の発熱量が多くなるに従って、オイル循環量が増加し、効率的な冷却が行われる。   In this electric compressor, when the turbine 1 is rotated, the bearings 5 and 5 are lubricated by the oil circulating in the oil jacket 6 and the electric motor 4 is cooled. In this electric compressor, as the number of revolutions of the turbine 1 increases and the amount of heat generated by the electric motor 4 increases, the amount of oil circulation increases and efficient cooling is performed.

なお、図１に示した実施の形態においては、電動モータ４は、ラジアルギャップタイプのものとなっているが、本発明に係る電動圧縮機において、電動モータは、アキシャルギャップタイプのものとしてもよい。この場合には、モータロータの形状がディスク状となるので、ラジアルギャップタイプの電動モータと比較して、タービン１とのマス／イナーシャバランスがより取り易くなる。   In the embodiment shown in FIG. 1, the electric motor 4 is of a radial gap type. However, in the electric compressor according to the present invention, the electric motor may be of an axial gap type. . In this case, since the shape of the motor rotor is a disk shape, the mass / inertia balance with the turbine 1 can be more easily obtained as compared with the radial gap type electric motor.

また、本発明に係る電動圧縮機における電動モータは、誘導機としてもよい。この場合には、冷却用のオイルに金属異物が混入しても、ロータに付着することがなく、また、冷却用のオイルの温度が１００°Ｃ乃至２００°Ｃ程度になっても、減磁による特性劣化の虞がない。   The electric motor in the electric compressor according to the present invention may be an induction machine. In this case, even if a metal foreign matter is mixed into the cooling oil, it does not adhere to the rotor, and even if the temperature of the cooling oil reaches about 100 ° C. to 200 ° C. There is no risk of deterioration due to the characteristics.

そして、タービン１は、スクリュータイプのものとしてもよい。ただし、遠心式(ターボ)コンプレッサのほうが、脈動や騒音が小さく、燃料電池自動車に用いるには、騒音低減が図れる点で好適である。   The turbine 1 may be a screw type. However, centrifugal (turbo) compressors are preferred in that they have less pulsation and noise, and can be used for fuel cell vehicles because noise can be reduced.

本発明に係る電動圧縮機の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the electric compressor which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１ タービン
２ シャフト
３ モータロータ
４ 電動モータ
５ 軸受け
６ オイルジャケット
７ 羽根 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Turbine 2 Shaft 3 Motor rotor 4 Electric motor 5 Bearing 6 Oil jacket 7 Blade

Claims (3)

一端側にタービンが取付けられたシャフトと、
前記シャフトの他端側に取付けられたモータロータと、
前記モータロータを回転駆動する電動モータと、
前記シャフトの中央部分を回転可能に支持する２個の軸受けと
を備え、
前記軸受けは、前記シャフト、前記タービン及び前記モータロータの重心近傍を支持する
ことを特徴とする電動圧縮機。 A shaft with a turbine attached to one end,
A motor rotor attached to the other end of the shaft;
An electric motor for rotationally driving the motor rotor;
Two bearings rotatably supporting the central portion of the shaft,
The electric bearing is characterized in that the bearing supports the vicinity of the center of gravity of the shaft, the turbine, and the motor rotor. オイルが循環するオイルジャケットを備え、
前記オイルジャケット内を循環するオイルは、前記軸受けの潤滑を行うとともに、前記電動モータの冷却を行う
ことを特徴とする請求項１記載の電動圧縮機。 It has an oil jacket that circulates oil,
The electric compressor according to claim 1, wherein the oil circulating in the oil jacket lubricates the bearing and cools the electric motor. 前記シャフトに取付けられた羽根によって、前記オイルジャケット内にオイルが循環される
ことを特徴とする請求項２記載の電動圧縮機。 The electric compressor according to claim 2, wherein oil is circulated in the oil jacket by blades attached to the shaft.
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