JP2011185144A - Electric centrifugal compressor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フォイル式気体軸受により回転軸ユニットを支持する電動遠心圧縮機に関する。 The present invention relates to an electric centrifugal compressor that supports a rotary shaft unit by a foil type gas bearing.
一般的に、圧縮空気を効率的に供給する過給機として、電動遠心圧縮機が採用されている。例えば、エンジンに圧縮空気を供給する補機として、あるいは、燃料電池に酸化剤ガスである圧縮空気を供給する補機として、利用されている。 In general, an electric centrifugal compressor is employed as a supercharger that efficiently supplies compressed air. For example, it is used as an auxiliary machine that supplies compressed air to an engine or as an auxiliary machine that supplies compressed air that is an oxidant gas to a fuel cell.
この種の遠心圧縮機では、円環状に配置されたステータの内周側に、永久磁石を有するロータが設けられており、前記ステータに巻回された巻線に通電することにより、前記ロータが回転されるように構成されている。 In this type of centrifugal compressor, a rotor having a permanent magnet is provided on the inner peripheral side of an annularly arranged stator, and the rotor is energized by energizing the winding wound around the stator. It is configured to be rotated.
近年、ロータを高速回転させることが望まれている。その際、高速回転するロータを支持する軸受として、比較的簡単な構成で回転精度が得られるとともに、非接触で摩耗が抑制されることから、気体軸受や磁気軸受が採用されている。 In recent years, it has been desired to rotate the rotor at a high speed. At that time, gas bearings and magnetic bearings are employed as bearings for supporting a rotor that rotates at high speed, because rotational accuracy is obtained with a relatively simple configuration and wear is suppressed in a non-contact manner.
例えば、特許文献1に開示されている圧縮機では、図8に示すように、軸1がジャーナル軸受2及びスラスト軸受3により支持されている。ジャーナル軸受2は、空気潤滑式のティルティングパッドジャーナル軸受からなり、ティルティングパッド4が可撓ピボット5上に支持されている。
For example, in the compressor disclosed in
ところで、上記の圧縮機を組み立てる際、軸1の外周にジャーナル軸受2のティルティングパッド4を外装する作業が行われている。ここで、軸1の先端1aには、テーパ面1bが設けられているが、前記先端1aをティルティングパッド4内に挿入する際に、該先端1aのテーパ角部1cが前記ティルティングパッド4に接触し易い。これにより、ティルティングパッド4が変形したり、損傷したりするという問題がある。
By the way, when assembling the above-described compressor, an operation of mounting the
本発明はこの種の課題を解決するものであり、組み立て時にベアリングシャフトが気体軸受を構成する弾性部材に接触することを確実に防止するとともに、効率的な熱の排出処理が遂行可能な電動遠心圧縮機を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and it is possible to reliably prevent the bearing shaft from coming into contact with the elastic member constituting the gas bearing during assembly, and to perform an efficient heat discharge process. An object is to provide a compressor.
本発明は、円環状の永久磁石の外周が保護環により覆われるロータ、前記ロータの軸方向端部の少なくとも一方に設けられるベアリングシャフト、及び前記ベアリングシャフトの前記ロータ側とは反対の軸方向端部に設けられるインペラを備える回転軸ユニットと、前記回転軸ユニットが収容されるケーシングに設けられ、前記ロータの外周面に対向するステータと、前記ベアリングシャフトの外周面に対向して設けられ、径方向への弾性力を有する弾性部材により前記ベアリングシャフトを保持する気体軸受とを備える電動遠心圧縮機に関するものである。 The present invention relates to a rotor in which an outer periphery of an annular permanent magnet is covered with a protective ring, a bearing shaft provided at at least one of axial end portions of the rotor, and an axial end opposite to the rotor side of the bearing shaft A rotary shaft unit including an impeller provided in a section, a casing provided in the casing in which the rotary shaft unit is accommodated, a stator that faces the outer peripheral surface of the rotor, and a counter shaft that is provided facing the outer peripheral surface of the bearing shaft. The present invention relates to an electric centrifugal compressor including a gas bearing that holds the bearing shaft by an elastic member having an elastic force in a direction.
保護環は、ベアリングシャフトが設けられる端面に、永久磁石の端面よりも軸方向外方に突出する突起部を設けるとともに、前記ベアリングシャフトは、前記突起部に接触する軸方向一端面を有し、前記軸方向一端面の外周から軸方向に向かって径方向外方に傾斜する面取り部が形成され、且つ前記面取り部の最大径終端部に断面円弧状部が連接されている。 The protective ring is provided on the end surface on which the bearing shaft is provided with a protruding portion that protrudes axially outward from the end surface of the permanent magnet, and the bearing shaft has an axial end surface that contacts the protruding portion, A chamfered portion that is inclined radially outward from the outer periphery of the one end surface in the axial direction toward the axial direction is formed, and an arcuate section is connected to the end portion of the maximum diameter of the chamfered portion.
また、インペラは、ベアリングシャフトの軸方向端部に同軸的に嵌合することが好ましい。 The impeller is preferably fitted coaxially to the axial end of the bearing shaft.
さらに、ベアリングシャフトは、保護環の突起部に同軸的に嵌合することが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the bearing shaft is coaxially fitted to the protrusion of the protective ring.
本発明では、ベアリングシャフトの軸方向一端面には、外周から軸方向に向かって径方向外方に傾斜する面取り部が形成されるとともに、前記面取り部の最大径終端部に断面円弧状部が連接されている。すなわち、軸方向一端面側には、ベアリングシャフトの挿入方向後方に向かって拡径する面取り部が設けられ、且つ前記面取り部の最大径終端部に、気体軸受を構成する弾性部材との接触を防止するための断面円弧状部が形成されている。 In the present invention, a chamfered portion that is inclined radially outward from the outer periphery toward the axial direction is formed on one end surface in the axial direction of the bearing shaft, and an arcuate section is formed at the maximum diameter end portion of the chamfered portion. It is connected. That is, a chamfered portion that expands toward the rear in the insertion direction of the bearing shaft is provided on one end surface side in the axial direction, and the maximum diameter end portion of the chamfered portion is in contact with the elastic member that constitutes the gas bearing. An arcuate section is formed to prevent it.
このため、ベアリングシャフトが気体軸受に挿入される際、面取り部及び断面円弧状部の作用下に、前記ベアリングシャフトに前記気体軸受を構成する弾性部材が噛み込むことを確実に阻止することができる。 For this reason, when the bearing shaft is inserted into the gas bearing, it is possible to reliably prevent the elastic member constituting the gas bearing from being caught in the bearing shaft under the action of the chamfered portion and the arcuate section. .
しかも、面取り部と断面円弧状部とを設けることにより、例えば、一端面の外周を断面円弧状部のみで構成する場合に比べ、冷却容積を有効に拡大させることが可能になる。これにより、回転時の回転軸ユニットの熱を効率的に排出することができる。 In addition, by providing the chamfered portion and the cross-section arc-shaped portion, for example, the cooling volume can be effectively expanded as compared with the case where the outer periphery of the one end surface is configured only by the cross-section arc-shaped portion. Thereby, the heat of the rotating shaft unit at the time of rotation can be discharged | emitted efficiently.
図1に示すように、本発明の実施形態に係る電動遠心圧縮機(過給機)10は、ケーシング12を備える。このケーシング12内には、回転軸ユニット14が回転自在に装着される。
As shown in FIG. 1, an electric centrifugal compressor (supercharger) 10 according to an embodiment of the present invention includes a
回転軸ユニット14は、図1及び図2に示すように、円環状の永久磁石16と、前記永久磁石16の外周に設けられ、該永久磁石16を収納(例えば、焼き嵌め)する円筒状の保護環18とにより構成されるロータ20、前記ロータ20の軸方向端部の少なくとも一方、本実施形態では、両方に設けられるベアリングシャフト22、24、前記ベアリングシャフト22の前記ロータ20側と反対の軸方向端部に設けられるインペラ26とを備える。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
インペラ26は、遠心圧縮部28を構成するとともに、テンションシャフト30の大径部30aに端面が当接する。テンションシャフト30には、インペラ26側からベアリングシャフト22、ロータ20及びベアリングシャフト24の順に配置され、これらが、前記テンションシャフト30に螺合する固定部材32により一体的に保持される。
The
固定部材32には、回転軸ユニット14の回転時に矢印A1方向に発生するスラスト力を緩和する機能を有するキャンセラー機構34が設けられる。図1に示すように、キャンセラー機構34は、加圧室36内を矢印A方向に摺動自在なキャンセラーディスク38を備える。この加圧室36には、通路40を介してインペラ26の回転により発生する空気が流入される。
The
ケーシング12内には、ロータ20の外周に位置して円環状のステータ42が装着される。このステータ42及びロータ20によりモータ部46が構成される。
An
ロータ20を構成する保護環18は、高剛性が要求されており、ニッケル系超合金、例えば、インコネル(スペシャルメタル社の商品名)により構成される。ステータ42の外周側には、複数の冷却水流路48が周回形成される。
The
図2に示すように、保護環18は、ベアリングシャフト22、24が設けられる端面に、永久磁石16の端面16a、16bよりも軸方向外方に突出する円筒状突起部18a、18bを設ける。
As shown in FIG. 2, the
ベアリングシャフト22は、軸方向端部である矢印A1方向端部に開放される円筒形状部22aを有し且つ矢印A2方向端部(軸方向一端)に径方向内方に突出する軸方向一端面22bを形成する。ベアリングシャフト24は、同様に軸矢印A2方向端部に開放される円筒形状部24aを有し且つ矢印A1方向端部に径方向内方に突出する軸方向一端面24bを有する。
The
ベアリングシャフト22の軸方向一端面22bは、保護環18の一方の円筒状突起部18aに接触し、ベアリングシャフト24の軸方向一端面24bは、前記保護環18の他方の円筒状突起部18bに接触する。軸方向一端面22b、24bと永久磁石16の端面16a、16bとは、それぞれ距離S1、S2だけ離間する。
One
図3に示すように、ベアリングシャフト22は、軸方向一端面22bの外周から軸方向(矢印A1方向)に向かって径方向外方(矢印B1方向)に傾斜する面取り部22cが形成される。面取り部22cの最大径終端部には、R形状である断面円弧状部22dが一体に連接される。すなわち、軸方向一端面22b側には、ベアリングシャフト22の挿入方向後方に向かって拡径する面取り部22cが設けられ、且つ前記面取り部22cの最大径終端部に、径方向への弾性力を有する弾性部材であるトップフォイル60の噛み込みを防止するための断面円弧状部22dが形成されている。
As shown in FIG. 3, the
ベアリングシャフト24は、上記のベアリングシャフト22と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
The
図1及び図2に示すように、ベアリングシャフト22、24の外周面に対向し、前記ベアリングシャフト22、24を保持するフォイル式気体軸受50が設けられる。フォイル式気体軸受50は、ベアリングシャフト22、24の径方向の位置を保持するジャーナルエア軸受52a、52bと、前記ベアリングシャフト22の軸方向の位置を保持するスラストエア軸受54とを備える。
As shown in FIGS. 1 and 2, a foil type gas bearing 50 that faces the outer peripheral surfaces of the
ベアリングシャフト22、24は、ジャーナルエア軸受52a、52bを構成するとともに、例えば、保護環18と同一材料であるニッケル系超合金により構成される。各ジャーナルエア軸受52a、52bは、ベアリングシャフト22、24の外周に所定の隙間を設けて配置されるリング部材56A、56Bを備える。リング部材56A、56Bは、ベアリングシャフト22、24を回転自在に支持するとともに、回転不能に固定される。
The bearing
図4に示すように、リング部材56Aの内周面56aには、波板形状のバンプフォイル58と平板形状のトップフォイル60との順に配置される。バンプフォイル58は、一枚又は複数枚で構成され、その一端58aがリング部材56Aの内周面56aに溶接されるとともに、その他端が自由端を構成する。トップフォイル60は、平板を環状に湾曲させており、その一端60aがリング部材56Aの内周面56aに溶接される一方、その他端が自由端となっている。なお、リング部材56Bは、上記のリング部材56Aと同様に構成される。
As shown in FIG. 4, a
図1及び図2に示すように、ベアリングシャフト22の外周部には、スラストエア軸受54を構成する大径フランジ部62が設けられる。大径フランジ部62を挟んで軸方向両側には、リング部材64a、64bが配置される。
As shown in FIGS. 1 and 2, a large-
図5に示すように、リング部材64a、64bには、互いに大径フランジ部62に対向する面に、波板形状のバンプフォイル66と平板形状のトップフォイル68とが設けられる。バンプフォイル66及びトップフォイル68は、リング部材64a、64bの内周面を周回して、それぞれ円環状に複数配置される。
As shown in FIG. 5, the
図6に示すように、各バンプフォイル66は、一端66aがリング部材64a、64bに溶接されるとともに、他端66bが自由端を構成する。各トップフォイル68は、一端68aがリング部材64a、64bに溶接される一方、他端68bが自由端となっている。
As shown in FIG. 6, each
図2に示すように、インペラ26の軸方向端部26aは、ベアリングシャフト22の円筒形状部22aに同軸的に嵌合する(インロー構造)。ベアリングシャフト22、24は、それぞれの軸方向一端面22b、24bが保護環18の円筒状突起部18a、18bに同軸的に嵌合する(インロー構造)。
As shown in FIG. 2, the
ケーシング12内には、図1に示すように、モータ部46を構成する保護環18とステータ42との間に、冷媒用流通路70が形成される。この流通路70の入口側及びキャンセラー機構34の通路40は、遠心圧縮部28のコンプレッサ出口72に連通している。インペラ26が回転することにより圧縮された空気は、コンプレッサ出口72から流通路70の入口側及びキャンセラー機構34の通路40に送風される。
In the
このように構成される電動遠心圧縮機10の動作について、以下に説明する。
The operation of the electric
先ず、電動機を構成するステータ42に通電することにより、ロータ20を構成する永久磁石16及び保護環18は、テンションシャフト30と一体に回転する。このため、テンションシャフト30に保持されているインペラ26は、比較的高速で回転し、遠心圧縮部28を介して大気から空気の吸引が行われる。
First, by energizing the
インペラ26により吸引された空気は、遠心圧縮部28により圧送され、例えば、図示しない燃料電池の酸化剤ガス供給系に送られる。燃料電池には、図示しない燃料ガス供給系から燃料ガス(水素ガス)が供給される。従って、カソード側に供給される空気とアノード側に供給される水素との反応により、発電が行われる。
The air sucked by the
遠心圧縮部28により吸引される空気の一部は、圧縮されてコンプレッサ出口72からケーシング12内の流通路70に供給される。この流通路70を通過してモータ部46を冷却した冷却風は、外部に排出される。
A part of the air sucked by the
また、遠心圧縮部28により吸引される空気の一部は、圧縮されてコンプレッサ出口72からキャンセラー機構34を構成する通路40を通って加圧室36に供給される。従って、加圧室36に配設されるキャンセラーディスク38には、インペラ26から離間する方向(矢印A2方向)に押圧力が付与される。これにより、インペラ26の回転によって、矢印A1方向に作用するスラスト力は、キャンセラー機構34により緩和される。
A part of the air sucked by the
ところで、電動遠心圧縮機10を組み立てる際に、ベアリングシャフト22は、図7に示すように、前記ベアリングシャフト22の軸方向一端面22bが、ジャーナルエア軸受52aを構成するトップフォイル60の内面側に挿入される。
By the way, when the electric
この場合、本実施形態では、ベアリングシャフト22の軸方向一端面22bには、前記ベアリングシャフト22の挿入方向後方に向かって拡径する面取り部22cが設けられるとともに、前記面取り部22cの最大径終端部に、トップフォイル60との接触を防止するための断面円弧状部22dが形成されている。
In this case, in the present embodiment, a chamfered portion 22c that increases in diameter toward the rear in the insertion direction of the bearing
従って、面取り部22c及び断面円弧状部22dの作用下に、ベアリングシャフト22にトップフォイル60が噛み込むことを確実に阻止することができるという効果が得られる。
Therefore, it is possible to reliably prevent the
特に、面取り部22cのみが設けられてこの面取り部22cの最大径終端部に角部Eが形成されている場合には、この角部Eにトップフォイル60が引っかかり、前記トップフォイル60を変形させてしまうおそれがある。これに対して、本実施形態では、面取り部22cの最大径終端部に断面円弧状部22dが連接されており、トップフォイル60の引っかかりを可及的に阻止することが可能になる。
In particular, when only the chamfered portion 22c is provided and the corner portion E is formed at the maximum diameter end portion of the chamfered portion 22c, the
しかも、ベアリングシャフト22の軸方向一端面22bには、面取り部22cと断面円弧状部22dとが設けられている。このため、例えば、図7に示すように、一端面の外周を断面円弧状部のみで構成する場合に比べ、冷却容積を領域Sまで拡大させることが可能になる。これにより、回転時の回転軸ユニット14の熱を効率的に排出することができる。
In addition, a chamfered portion 22c and a cross-sectional arc-shaped
なお、本実施形態では、気体軸受としてフォイル式気体軸受50を用いているが、これに限定されるものではない。径方向への弾性力を有する弾性部材として、例えば、ティルティングパッドを備える空気潤滑式のティルティングパッドジャーナル軸受等にも、良好に適用することが可能である。
In addition, in this embodiment, although the foil
10…電動遠心圧縮機 12…ケーシング
14…回転軸ユニット 16…永久磁石
16a、16b…端面 18…保護環
18a、18b…円筒状突起部 20…ロータ
22、24…ベアリングシャフト 22a、24a…円筒形状部
22b、24b…軸方向一端面 22c…面取り部
22d…断面円弧状部 26…インペラ
30…テンションシャフト 32…固定部材
34…キャンセラー機構 36…加圧室
38…キャンセラーディスク 40…通路
42…ステータ 46…モータ部
50…フォイル式気体軸受 52a、52b…ジャーナルエア軸受
54…スラストエア軸受 56A、56B…リング部材
56a…内周面 58、66…バンプフォイル
60、68…トップフォイル 70…流通路
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記回転軸ユニットが収容されるケーシングに設けられ、前記ロータの外周面に対向するステータと、
前記ベアリングシャフトの外周面に対向して設けられ、径方向への弾性力を有する弾性部材により前記ベアリングシャフトを保持する気体軸受と、
を備える電動遠心圧縮機であって、
前記保護環は、前記ベアリングシャフトが設けられる端面に、前記永久磁石の端面よりも軸方向外方に突出する突起部を設けるとともに、
前記ベアリングシャフトは、前記突起部に接触する軸方向一端面を有し、前記軸方向一端面の外周から軸方向に向かって径方向外方に傾斜する面取り部が形成され、且つ前記面取り部の最大径終端部に断面円弧状部が連接されることを特徴とする電動遠心圧縮機。 A rotor whose outer periphery of an annular permanent magnet is covered with a protective ring, a bearing shaft provided at at least one of axial ends of the rotor, and an axial end opposite to the rotor side of the bearing shaft A rotary shaft unit equipped with an impeller, and
A stator provided in a casing in which the rotating shaft unit is accommodated, and facing an outer peripheral surface of the rotor;
A gas bearing that is provided opposite to the outer peripheral surface of the bearing shaft and holds the bearing shaft by an elastic member having an elastic force in a radial direction;
An electric centrifugal compressor comprising:
The protective ring is provided on the end surface on which the bearing shaft is provided with a protruding portion that protrudes axially outward from the end surface of the permanent magnet,
The bearing shaft has an axial end surface that contacts the protrusion, a chamfered portion that is inclined radially outward from the outer periphery of the axial end surface toward the axial direction is formed, and the chamfered portion An electric centrifugal compressor characterized in that an arcuate section is connected to the end portion of the maximum diameter.
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JP5094897B2 (en) | 2012-12-12 |
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