JP2020105993A - 電動コンプレッサ - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも一対のインペラを有する回転軸の遠心方向への振れ回りを最小限に抑えた電動コンプレッサを提供する。【解決手段】電動コンプレッサ１は、回転軸４０と、回転軸４０に取り付けられた一対のインペラ１０：２０と、一対のインペラ１０：２０の各インペラ１０，２０の間に配置され回転軸４０を回転させる電動機３０と、一対のインペラ１０：２０の各インペラ１０，２０と電動機３０との間にそれぞれ配置され、回転軸４０を回転自在に支持する一次軸受５０と、回転軸４０の周面に対して間隔をあけた状態で、一次軸受５０に対して回転軸４０の端部側に配置されており、回転軸４０に振れ回りが発生した場合に回転軸４０と接触して回転軸４０を回転自在に支持する二次軸受６０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電動コンプレッサに関する。

従来、電動モータにより回転軸を介してインペラを回転させ圧縮した圧縮空気を効率的に供給する過給機として遠心式の電動コンプレッサが知られている。電動コンプレッサは、回転軸と、回転軸の一端に取り付けられたインペラと、回転軸を回転させる電動モータと、回転軸を回転自在に支持する軸受とを有する。電動コンプレッサにおいて、電動モータはハウジング内に設けられている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１１−２１４５２３号公報

回転軸に一対のインペラを備えることにより、供給空気の高圧力化及び高流量化を両立させることができる一方、回転軸の全長が長くなる。回転軸が長くなることに伴い、電動コンプレッサの運転中に回転軸の遠心方向への振れ回りが回転軸の軸受よりも端部側に発生するおそれがある。回転軸の遠心方向への振れ回りによりインペラが電動コンプレッサのハウジングと接触することを防ぐためには、回転軸の径を大きくするなどの対策が必要であり、装置の小型化、低コスト化において改善の余地があった。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、少なくとも一対のインペラを有する回転軸の遠心方向への振れ回りを最小限に抑えた電動コンプレッサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る電動コンプレッサは、回転軸と、前記回転軸に取り付けられた一対のインペラと、前記一対のインペラの各インペラの間に配置され前記回転軸を回転させる電動機と、前記一対のインペラの各インペラと前記電動機との間にそれぞれ配置され、前記回転軸を回転自在に支持する一次軸受と、前記回転軸の周面に対して間隔をあけた状態で、前記一次軸受に対して前記回転軸の端部側に配置されており、前記回転軸に振れ回りが発生した場合に前記回転軸と接触して前記回転軸を回転自在に支持する二次軸受と、を備えることを特徴とする。この態様によれば、電動コンプレッサの運転中に、少なくとも一対のインペラを有する回転軸がその固有振動域に達した場合に、一次軸受より先端側での回転軸の振れ回りを効果的に抑制することができる。さらに、二次軸受は、回転軸の固有振動域外では、回転軸の回転に与える影響を低減させることができる。

また、前記二次軸受は、前記一対のインペラに対して前記回転軸の端部側に配置されていてもよい。この態様によれば、電動コンプレッサの運転中に、少なくとも一対のインペラを有する回転軸がその固有振動域に達した場合に、インペラより先端側での回転軸の振れ回りを効果的に抑制することができる。これにより、インペラと電動コンプレッサの他の構成部分との接触を防ぐことができると共に、回転軸の径を抑制することができ、装置の小型化、低コスト化を実現することができる。

また、前記回転軸の両端部に、互いに間隔をあけて配置された二対以上のインペラが設けられていてもよい。この態様によれば、二対以上のインペラが設けられることにより回転軸における慣性が大きくなり遠心方向での振れ回りが大きくなっても、回転軸の振れ回りを抑制しつつ、空気の高圧縮化及び高流量化を実現することができる。

また、前記二次軸受は、前記二対以上のインペラのうち、隣接するいずれか二対のインペラ間に設けられていてもよい。この態様によれば、回転軸において二対のインペラのうち、端部側に設けられている一対のインペラの、回転軸の振れ回りに起因する振動を抑制することができる。

また、前記二次軸受は、乾式の軸受であってもよい。この態様によれば、潤滑剤が必要にならないため、電動コンプレッサの耐用年数の向上、及び潤滑のためのメンテナンスの手間が省け、さらに、二次軸受からの電動コンプレッサ内への油成分の拡散を防ぐことができる。

また、本発明に係る電動コンプレッサは、自動車に搭載された燃料電池スタックへ空気を供給するエアコンプレッサであってもよい。昨今、二酸化炭素排出規制や燃料規制の観点から、燃料電池自動車の開発が進められている。燃料電池自動車においては、酸素を含む空気を吸引して、圧縮して燃料電池スタックに過給するために電動コンプレッサが用いられている。このような電動コンプレッサにおいては、電動機の回転軸の両端部に同軸に一対のインペラが配置されたエアコンプレッサもある。この態様によれば、燃料電池スタックへの圧縮酸素の供給を安定して行えることができ、かつ、電動コンプレッサの破損、それに伴う自動車の走行停止を回避することができる。

本発明によれば、少なくとも一対のインペラを有する回転軸の遠心方向への振れ回りを最小限に抑えることができる。

本発明に係る電動コンプレッサを回転軸線に沿って断面した断面図である。 本発明に係る電動コンプレッサの回転軸の一端部側を拡大して示す拡大図である。

本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

本発明に係る電動コンプレッサは、燃料電池自動車に搭載された燃料電池スタックの補機であるエアコンプレッサとして用いられる。エアコンプレッサは、酸化剤となる空気を燃料電池スタック（過給対象）へ供給する。図１は、本発明に係る電動コンプレッサ１を回転軸線ｘに沿って断面した断面図である。図２は、電動コンプレッサ１の回転軸４０の一端部側を拡大して示す拡大図である。

本発明に係る電動コンプレッサ１は、２組の一対のインペラ１０：２０と、電動モータ（電動機）３０と、回転軸４０と、一対の一次軸受５０と、一対の二次軸受６０と、を備える。２組の一対のインペラ１０：２０は、回転軸４０に相対的に回動しないように取り付けられている。電動モータ３０は、一対のインペラ１０：２０の間に配置されている。電動モータ３０は、回転軸４０を回転させる。一次軸受５０は、一対のインペラ１０：２０の各インペラと電動モータ３０との間にそれぞれ配置されている。一次軸受５０は、回転軸４０を回転自在に支持する。二次軸受６０は、回転軸４０の周面に対して間隔をあけた状態で、一次軸受５０に対して回転軸４０の端部側に配置されている。二次軸受６０は、回転軸４０に振れ回りが発生した場合に回転軸４０と接触して回転軸４０を回転自在に支持する。以下、電動コンプレッサ１について具体的に説明する。

本発明に係る電動コンプレッサ１は、回転軸４０の両端部に二対のインペラ１０：２０を有する二段型ツインインペラ構造の遠心式コンプレッサである。電動コンプレッサ１のインペラ１０，２０、電動モータ３０、回転軸４０、一次軸受５０及び二次軸受６０は、ハウジング内に収容されている。ハウジングは、一対のコンプレッサハウジング１１０と、モータハウジング１３０と、を有する。

一対のコンプレッサハウジング１１０は、電動モータ３０の回転軸線ｘに沿ったモータハウジング１３０の両端部にそれぞれ設けられている。モータハウジング１３０は、一対のコンプレッサハウジング１１０の間に位置して、略円筒状に形成されている。モータハウジング１３０は、モータ室１３１を有する。コンプレッサハウジング１１０と、モータハウジング１３０との間には、それぞれ円板状のエンドプレート１５０が設けられている。コンプレッサハウジング１１０とモータハウジング１３０とは、互いにエンドプレート１５０を介して複数のボルトＢにより互いに連結されている。

一対のコンプレッサハウジング１１０は、それぞれ吸入ポート１１１と、第１室１１２と、第２室１１３と、を有する。第１室１１２は、第２室１１３に対して吸入ポート１１１の側に設けられている。吸入ポート１１１は、回転軸線ｘにおいてそれぞれ外側を向くコンプレッサハウジング１１０の端面に設けられている。吸入ポート１１１は、外部から空気を電動コンプレッサ１内に取り込む入口である。吸入ポート１１１は、コンプレッサハウジング１１０から回転軸線ｘに沿って突出した円筒状の部分として形成されている。

第１室１１２は、送り流路１１４と、貫通凹部１１５と、を有する。送り流路１１４は、インペラ１０によって加圧された空気を、要求圧力まで圧縮して第２室１１３に案内する。送り流路１１４は、インペラ１０の外周側に形成されている。貫通凹部１１５は、回転軸線ｘと同軸に形成されている。貫通凹部１１５は、エンドプレート１５０の吸入ポート１１１に面する側から、電動モータ３０の側に向かって凹に形成されている。回転軸４０は、貫通凹部１１５に挿入されている。電動モータ３０に面する側の貫通凹部１１５の開口部は、吸入ポート１１１に面する側の貫通凹部１１５の開口部よりも小さくなっている。二次軸受６０は、貫通凹部１１５に収容されて、電動モータ３０の側で支持されている。

第２室１１３は、環状のディフューザ部１１６と、スクロール部１１７と、を有する。ディフューザ部１１６及びスクロール部１１７は、コンプレッサハウジング１１０において、回転軸線ｘを中心として第２室１１３の周囲に形成されている。ディフューザ部１１６は、インペラ２０の外周部からスクロール部１１７へ到る流路である。ディフューザ部１１６は、回転軸４０の回転軸線ｘと交差する２つの平行な壁面によって形成したベーンレス型ディフューザとして構成されている。

各コンプレッサハウジング１１０は、回転軸線ｘに対して交差する面において出口管１１８と接続している。各出口管１１８は、それぞれ過給対象に向かって送られる圧縮空気の流れ方向において下流側で合流して吐出ポート１１９に通じている。

エンドプレート１５０は、貫通凹部１５１を有する。貫通凹部１５１は、回転軸線ｘと同軸に形成されている。貫通凹部１５１は、エンドプレート１５０の吸入ポート１１１に面する側から、電動モータ３０の側に向かって凹に形成されている。回転軸４０は、貫通凹部１５１に挿入されている。電動モータ３０に面する側の貫通凹部１５１の開口部は、吸入ポート１１１に面する側の貫通凹部１５１の開口部よりも小さくなっている。一次軸受５０は、貫通凹部１５１に収容されて、電動モータ３０の側で支持されている。

インペラ１０は、コンプレッサハウジング１１０の第１室１１２に設けられている。インペラ１０は、それぞれ反対方向を向くように回転軸４０に対称に取り付けられている。インペラ２０は、コンプレッサハウジング１１０の第２室１１３に設けられている。インペラ２０は、それぞれ反対方向を向くように回転軸４０に対称に取り付けられている。インペラ１０：２０は、外部から取り入れた空気を圧縮する。

一対のインペラ１０は、外部から取り入れた空気を要求圧力の半数程度まで圧縮する第１インペラ（一段目のエアコンプレッサ）である。一対のインペラ２０は、第１インペラ１０によって圧縮された空気を要求圧力まで圧縮する第２インペラ（二段目のエアコンプレッサ）である。第２インペラ２０は、第１インペラ１０に対して空気の流入方向において下流側に位置している。

第１インペラ１０は、それぞれ回転軸４０の両端部に位置している。第１インペラ１０は、吸入ポート１１１の円筒状の部分にまで延びている。第１インペラ１０は、複数の翼を有している。翼は、吸入ポート１１１から回転軸線ｘに沿って吸入した空気を、要求圧力の半分程度まで圧縮して半径方向外周側へ送る。翼は、螺旋形に捩れている。翼の外縁によって定まる回転体形状としては、第１インペラ１０は、略円錐台形を成している。

第２インペラ２０は、回転軸４０において第１インペラ１０に対して電動モータ３０の側に位置している。第２インペラ２０は、第２室１１３内に収容されている。第２インペラ２０は、複数の翼を有している。翼は、第１インペラ１０によって圧縮されて送られてきた空気をさらに圧縮して過給対象に供給する。翼は、螺旋形に捩れている。翼の外縁によって定まる回転体形状としては、第２インペラ２０は、略円錐台形を成している。

電動モータ３０は、モータハウジング１３０のモータ室１３１に設けられている。電動モータ３０は、回転軸４０を回転させて、回転軸４０に取り付けられた第１インペラ１０及び第２インペラ２０を高速回転させる。電動モータ３０は、ステータ３１と、永久磁石３２と、を有する。ステータ３１は、モータハウジング１３０の内周に嵌合して設けられている。ステータ３１は、ステータコイル（図示せず。）を有している。永久磁石３２は、回転軸４０の外周面に取り付けられた回転子である。永久磁石３２の外周面とステータ３１の内周面は、僅かな隙間（エアギャップ）を介して対向している。

回転軸４０は、第１インペラ１０、第２インペラ２０と電動モータ３０とを連結する。回転軸４０は、一対のエンドプレート１５０にそれぞれ一次軸受５０を介して回転自在に支持されている。回転軸４０は、中心部分から両端部に向かうにつれて細くなっている。回転軸４０の両端には、雄ねじ山（図示せず。）が形成されている。雄ねじ山にナットＮが締結されているので、第１インペラ１０は、回転軸４０から抜け落ちない。

回転軸４０は、一対の軸受段部４１と、一対のインペラ段部４２を有する。軸受段部４１は、インペラ段部４２に対して電動モータ３０の側に位置する。軸受段部４１は、軸受段部４１より回転軸４０の端部側の径よりも僅かに拡大された部分である。軸受段部４１は、一次軸受５０を電動モータ３０の側から支持する。インペラ段部４２は、インペラ段部４２より回転軸４０の端部側の径よりも僅かに拡大された部分である。インペラ段部４２は、第２インペラ２０を電動モータ３０の側から支持する。

一次軸受５０は、ボールベアリングとして形成されており、軸受鋼や、マルテンサイト系のステンレス鋼によって形成されている。一次軸受５０は、外輪５１と、内輪５２と、複数の転動体５３と、を有する。内輪５２には回転軸４０が挿入されている。内輪５２の中心線は、回転軸４０の回転軸線ｘと一致する。内輪５２の内周面は、回転軸４０が回転するように接触している。内輪５２の外周面には、凹状の軌道面が形成されている。複数の転動体５３は、球形状を有する。複数の転動体５３は、外輪５１及び内輪５２の軌道面に接触している。一次軸受５０は、外輪５１においてエンドプレート１５０の貫通凹部１５１の内周面に嵌合している。貫通凹部１５１は、カバー部材１７０により塞がれる。

カバー部材１７０は、円筒部分１７１と、フランジ部分１７２と、を有する。円筒部分１７１は、回転軸４０に対して隙間をもってエンドプレート１５０の貫通凹部１５１内に挿入されている。円筒部分１７１は、その外周面が貫通凹部１５１の内周面と接触している。円筒部分１７１と回転軸４０との間にはラビリンスシール１７３が設けられている。ラビリンスシール１７３は、一次軸受５０寄りの側に設けられている。ラビリンスシール１７３は、一次軸受５０の潤滑油が第１インペラ１０及び第２インペラ２０の側に移動することを防いでいる。フランジ部分１７２は、一次軸受５０とは反対側の円筒部分１７１の端部に設けられている。フランジ部分１７２は、円筒部分１７１から径方向外側に環状に延びている。カバー部材１７０は、フランジ部分１７２においてエンドプレート１５０とコンプレッサハウジング１１０との間で挟まれている。

過給対象へより高圧の圧縮空気を供給するために、電動コンプレッサ１は、二対のインペラ１０：２０を有している。電動コンプレッサ１においては、各対のインペラ１０：２０に対する流量を半分にすることができるので、単段の場合と比べてインペラ１０：２０を小型化（縮径化）することができる。これにより、インペラ１０：２０における慣性モーメントを低減することができ、電動コンプレッサ１において優れた応答性を得ることができる。

しかしながら、インペラ１０：２０の多段化に伴い、回転軸４０を長くする必要がある。回転軸４０の全長を長くすると、電動コンプレッサ１の運転中に、所定の回転速度又は回転速度の所定の範囲内で運転されたとき、回転軸４０が激しい横振動を起こすことがある。この現象が回転軸４０の振れ回りであり、遠心方向への回転軸４０の振れが大きくなる。

回転軸４０の固有振動域は、電動コンプレッサ１の運転時の低回転域にあることが分かった。電動コンプレッサ１は、通常、高回転域において使用されるため、回転軸４０が低回転域において使用される期間は極めて短い。しかしながら、電動コンプレッサ１の始動及び停止の際には必ず低回転域を通過することになる。

回転軸４０は、一次軸受５０により、第２インペラ２０と電動モータ３０との間において常に回転自在に支持されている。したがって、回転軸４０の固有振動域に達した場合であっても、第２インペラ２０と電動モータ３０との間における回転軸４０の振れ回りは抑制されている。

これに対して、第１インペラ１０は、第２インペラ２０に対して回転軸４０の端部側に設けられている。回転軸４０の一次軸受５０より端部側は、自由端となるため、特に第１インペラ１０は、電動コンプレッサ１の低回転域を通過する際には、大きな振れ回りに曝されることになる。回転軸４０の径を大きくして剛性を高めることにより、回転軸４０の振れ回りを抑制する（固有振動域をずらす）ことも検討される。しかし、回転軸４０の径の拡大に伴い、回転軸４０の慣性モーメントが増大してしまう。仮に二対のインペラ１０：２０よりも回転軸４０の端部側に軸受が配置される場合、軸受を支持するための部材を吸入ポート１１１に配置する必要がある。しかし、この部材により第１インペラ１０へのエアの導入が影響を受ける可能性がある。そこで、本発明者らの鋭意研究により、第１インペラ１０と第２インペラ２０との間で回転軸４０に二次軸受６０を設けることが、回転軸４０の振れ回りを抑制するために有意であることがわかった。この態様によれば、インペラへのエアの導入への影響を抑制しつつ、二次軸受６０を適切に配置することができる。

二次軸受６０は、タッチダウン軸受として構成されている。二次軸受６０には、回転軸４０が挿入されている。二次軸受６０の中心線は、回転軸線ｘと一致している。二次軸受６０は、外輪６１、内輪６２と、複数の転動体６３と、を有する。

外輪６１は、コンプレッサハウジング１１０の貫通凹部１１５の内周面に圧入されている。外輪６１の内周面には、凹状の軌道面が形成されている。

内輪６２には回転軸４０が挿入されている。内輪６２の中心線は、回転軸４０の回転軸線ｘと一致する。電動コンプレッサ１の通常運転時（回転軸４０に振れ回りが生じていない。）には、内輪６２の内周面と、回転軸４０の外周面との間には径方向の隙間が形成されている。内輪６２と、回転軸４０の外周面との間の隙間は２０〜５０μｍである。内輪６２の外周面には、凹状の軌道面が形成されている。

複数の転動体６３は、球形状を有する。複数の転動体６３は、外輪６１及び内輪６２の軌道面に接触している。

以上のような電動コンプレッサ１によれば、運転中に、回転軸４０の固有振動域に達して第１インペラ１０の側で回転軸４０に振れ回りが発生した場合（破線で示す（図２参照）。）、回転軸４０は、二次軸受６０の内輪６２と接触するようになっている。これにより、回転軸４０は、二次軸受６０に回転自在に支持され振れ回りは抑制される。振れ回りが抑制されることにより、燃料電池スタックへの圧縮酸素（圧縮空気）を安定して供給することができる。

さらに、二次軸受６０は、回転軸４０の固有振動域を超えた後は、回転軸４０に対して隙間をもって設けられている。二次軸受６０と回転軸４０との接触期間は、電動コンプレッサ１の運転期間において限られており、通常運転時には、回転軸４０と二次軸受６０とは互いに接触していない。そのため、二次軸受６０は、潤滑油を必要としない乾式型の軸受として構成されている。したがって、二次軸受６０から油成分が漏れ出ることはなく、従来の潤滑剤封入型の軸受のように油成分が燃料電池スタックへ侵入するという懸念はない。

＜その他＞
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の概念及び特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含む。また、上述した課題及び効果の少なくとも一部を奏するように、各構成を適宜選択的に組み合わせてもよい。また、例えば、上記実施の形態における各構成要素の形状、材料、配置、サイズ等は、本発明の具体的使用態様によって適宜変更され得る。

上記の実施の形態において、電動コンプレッサ１は、二段型ツインインペラ構造の遠心式コンプレッサであったが、ツインインペラの構造はこれに限定されず、単段、三段以上の形態であってもよい。

また、上記の実施の形態において、電動コンプレッサ１は、ツインインペラ構造であったが、回転軸４０の一端にのみインペラを有する構造であってもよい。この場合、インペラは、単段、多段に設けられていてよい。

１ 電動コンプレッサ
１０ 第１インペラ（インペラ）
２０ 第２インペラ（インペラ）
３０ 電動モータ（電動機）
４０ 回転軸
５０ 一次軸受
６０ 二次軸受

Claims (6)

1. 回転軸と、
   前記回転軸に取り付けられた一対のインペラと、
   前記一対のインペラの各インペラの間に配置され前記回転軸を回転させる電動機と、
   前記一対のインペラの各インペラと前記電動機との間にそれぞれ配置され、前記回転軸を回転自在に支持する一次軸受と、
   前記回転軸の周面に対して間隔をあけた状態で、前記一次軸受に対して前記回転軸の端部側に配置されており、前記回転軸に振れ回りが発生した場合に前記回転軸と接触して前記回転軸を回転自在に支持する二次軸受と、
   を備えることを特徴とする電動コンプレッサ。
2. 前記二次軸受は、前記一対のインペラに対して前記回転軸の端部側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電動コンプレッサ。
3. 前記回転軸の両端部に、互いに間隔をあけて配置された二対以上のインペラが設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動コンプレッサ。
4. 前記二次軸受は、前記二対以上のインペラのうち、隣接するいずれか二対のインペラ間に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の電動コンプレッサ。
5. 前記二次軸受は、乾式の軸受であることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載の電動コンプレッサ。
6. 自動車に搭載された燃料電池スタックへ酸化剤としての空気を供給するエアコンプレッサであることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載の電動コンプレッサ。

Images