JP4043947B2 - 電気駆動式流体圧縮機 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、特に排気ターボ過給機で過給される内燃エンジンにおいて利用するための、請求項１の前文に係る電気駆動式流体圧縮機に関する。
【０００２】
最近の内燃エンジンでは出力向上、燃料消費量低減および排気削減のために、しばしばターボ過給機が利用されている。特に、今日では、ディーゼルエンジンが過給され、商用車ディーゼルエンジンはほとんどもっぱら過給されているが、しかし、火花点火エンジンのいわゆるダウンサイジング、すなわち、ほぼ同じエンジン出力を有していてより一層小さなエンジン（排気量）にすることが、ますます重要なテーマとなっている。現在最も一般的な方法は排気ターボ過給機での過給である。
【０００３】
内燃エンジンの定常運転のとき、排気ターボ過給機は実質的に申し分なく作動する。この運転状態のとき、内燃エンジンは排気タービン、したがって、ターボ過給機の圧縮機を駆動するのに十分な排気エネルギーを発生する。
【０００４】
幾つかの用途、特に、広い回転数帯を有する火花点火エンジンの場合には、過剰の排気エネルギーが存在しており、この排気エネルギーは支障なくそのままタービンに作用するとタービン軸の過回転および／又は過度に高い過給圧力を生じることとなる。これを防止する最も一般的な方法は、タービンの前に取り付けられたコントロールバルブであり、このバルブはタービンで利用されない過剰排気のためのバイパスを形成する。最近では、可変タービン幾何学等の案内装置も利用されている。しかし、それらの方法は排気エネルギーの一部のみを利用しているにすぎない。
【０００５】
主に内燃エンジンの低回転数域において生じる非定常運転、すなわち、始動、加速、登坂、減速、変速等のときには、一方で排気ターボ過給機を加速して他方で十分な過給圧力を発生して所望の（例えば車両加速用の）過剰トルクを得るための排気エネルギーは欠けている。この効果は「ターボラグ」と称され、排気ターボ過給機の「走行具質量（Laufzeugmass）」および内部摩擦の減少によってのみ弱めることができる。そのことから不可避的に、高回転数（２０００００ｒｐｍ超まで）を有するより小さな過給機となるが、流れ断面が小さいので流れ損失が大きくなり、したがって全体の効率が悪くなる。それゆえに従来は、大容積エンジンだけがいまなお明確な利点を有していた。
【０００６】
内燃エンジンを小型軽量化して安価に製造することに狙いをおいた公知の解決策は、タービンの回転数を維持するために付加的電気機械を備えた排気ターボ過給機を使用することである。この種の解決策が、例えば、ＥＰ０３５２０６４Ａ１、ＤＥ３５３９７８２Ａ１又はＤＥ２２０６４５０Ａ１に開示されている。
【０００７】
別の解決策は、排気ターボ過給機を補足して電気駆動式流体圧縮機を使用し、その駆動装置ユニットに個別のコンバータを介して電流を供給することにある。このコンバータは、大抵が大きくて重い。駆動装置ユニットへの給電は給電線を介して行われ、給電線自体は費用のかかる遮蔽措置のもとで電磁放射（ＥＭＶ）を遮断している。
別の利用分野に関連して、電気作動圧縮機が公知であり、そこではモータと制御エレクトロニクスが共通のハウジング内に収容されている。
この種の液体ポンプがＵＳ４５１１３１２Ａに開示されている。
ＵＳ５５７７８８３Ａにより公知の真空ポンプでは外側ポンプハウジングが水冷によって冷却される。モータ又はエレクトロニクスの冷却は述べられていない。
ＵＳ５３６３６７４Ａは気体冷媒用圧縮機を開示しており、そこでは、モータと冷媒との間で熱交換を行うことができるようにモータが冷媒流の内部に配置されている。モータおよびそのエレクトロニクス用の独自の冷却回路は開示されていない。
ＵＳ５３５００３９Ａはやはり気体冷媒用圧縮機を教示しており、そこではモータもエレクトロニクスも冷媒がその周囲を流れる。モータおよびエレクトロニクス用の共通の冷却回路および共通の冷却要素は設けられていない。
ＤＥ１９６２６２１３Ｃ２は、駆動装置およびパワーエレクトロニクス用の液体冷却部を有する電気駆動装置を開示している。ハウジングおよび支承板内に一体化された冷却通路によって液体冷媒用冷却回路が形成される。しかし、その際、冷却通路を一体化したハウジングもしくは支承板の製造に比較的費用がかかる不都合が現れる。
【０００８】
本発明の課題は、電気駆動流体圧縮機をその構造寸法、そのＥＭＶ特性およびその製造費に関して改善することである。
この課題は、請求項１の特徴によって解決される。
【０００９】
本発明によれば、コンバータと電気駆動装置ユニットが一体に配置されている。この配置の利点は、コンパクトな構造様式、すなわち駆動装置ユニットとコンバータとのコンパクトな配置にある。双方の要素は互いに局所的に接近させて組み付けられており、そのことから、所要の構造寸法、ＥＭＶ特性および製造・保守費に関して利点が得られる。駆動装置ユニットとコンバータの一体配置のゆえに、コンバータのパワーエレクトロニクスと駆動装置ユニットとを冷却するのに同じ冷却要素を使用でき、それによって、これらの部材の冷却に関連する本質的利点も得られる。駆動装置ユニットが比較的高い電力消費量を有するので、好適実施の形態において駆動装置ユニットは液体冷媒用冷却回路を有する。コンバータは好適に駆動装置ユニットの冷却回路に結合されている。
【００１０】
有利なことに、この一体配置を共通のハウジング内に収容しておくことができる。
【００１１】
駆動装置ユニット用およびコンバータのパワーエレクトロニクス用の冷却要素として、好ましくは駆動装置ユニットのステータブッシュが使用され、その正面にパワーエレクトロニクスが配置されている。駆動モータの冷却回路にコンバータを結合することによって、例えば、空気又は液体を用いてコンバータを個別に冷却する必要はなくなる。コンバータは、駆動モータと同じ冷却回路内で作動させることができる。
【００１２】
駆動装置ユニットとコンバータとの間の接続線路は、好ましくは、ごく短く、例えば、僅か数ミリメートルに保たれ、ハウジングの内部に配設されている。これにより、これらの線路からはごく僅かな割合の電磁放射が周囲の環境に放出されているにすぎない。このことは特別重要である。というのも、特に密集地域においてかなりの環境汚染をもたらす膨大な車両台数に鑑みれば、車両内で利用する場合に、環境に対する悪影響が存在するからである。
【００１３】
別の好ましい一つの実施の形態は、コンバータが差込コネクタを介して駆動装置ユニットに接続されているものである。こうして、コンバータユニット全体が差し込まれ、僅かな固着点で駆動装置ユニットに連結することができる。コンバータと駆動装置ユニットとの接続は差込により行うことができ、組立と分解が特別簡単となる。整備する場合にもコンバータの交換は簡単に可能である。
【００１４】
駆動装置ユニットとコンバータとの本発明に係る構成は、ごくコンパクトになるように設計されているので、安価な解決策が達成される。費用のかかる付加的冷却措置、線路および個別のハウジングが不要となる。コンバータ全体はハイブリッド方式で、および／又は、ＡＳＩＣ（特定用途向けＩＣ）として、実現される。
【００１５】
別の利点は、駆動装置ユニットとして三相または多相モータを使用する可能性があることである。このことはトルクを高めることができるか、又は、電流負荷は減らすことができる。
【００１６】
以下、２つの図を参考に実施例に基づいて本発明が詳しく説明される。図面と明細書とから本発明のその他の特徴、利点および応用が明らかとなる。
【００１７】
図１に示す流体圧縮機の駆動装置ユニットは、相応する巻線終端１６付きの多相巻線束を有するステータ２と、軸３を有してこのステータ２内に回転可能に配置されたロータとを含む。ロータ軸３は、一方で、ステータ２を取り囲むステータブッシュ１内で支承され、他方で、ステータ２をステータブッシュ１も含めて受容するハウジング９内で支承されている。ロータ軸３がさらに一端で圧縮機インペラ８を担持しており、この圧縮機インペラはハウジング９に接続された圧縮機ハウジング１０内で回転し作動する。このため圧縮機ハウジングが圧縮機入口１８と圧縮機出口１９とを有する。ステータブッシュ１の支承板側ハウジング部分上に本発明によるコンバータ５のパワーエレクトロニクス１３が組み付けられ、その上にある制御エレクトロニクス１１に接続されている。パワーエレクトロニクス１３のパワートランジスタはステータブッシュのブッシング１７を介してステータ２の巻線終端１６に直接接続される。それと共に給電線、すなわち巻線終端の所要ワイヤ長がごく短くなる。コンバータ５は外部からその給電端子１５に車両の搭載電気系統の直流電圧源を接続しなければならないだけであり、その給電線は交流成分を有しておらず、したがって有害なＥＭＶ放射を持たない。回転数または電流の目標値設定、回転数実際値等の入出力を意味するコンバータ５用制御機能は個別の給電線１４を介して実現される。
コンバータ５全体が蓋４で覆われる。
【００１８】
ステータブッシュ１の周面とハウジング９との間には冷却液を受容するための空洞７が残り、冷却液は冷却液入口２０と冷却液出口２１とを介して空洞７内に持ち込まれてそこで循環する。表面積を増大させて冷却を向上するためにステータブッシュ１はリブ６を有することができる。
【００１９】
図２にきわめて良好に認められるように、パワーエレクトロニクス１３はステータブッシュ１の正面に直接配置され、熱伝導的にステータブッシュに接続されており、ステータブッシュ１の冷却によって同時にパワートランジスタ１３が冷却される。ステータブッシュ１はコンバータ５のパワーエレクトロニクス１３用および駆動装置ユニット用の冷却要素を形成する。パワートランジスタへの給電およびブッシング１７を介したステータ２の巻線束への給電は、ここでは１００または数１００アンペアのピーク電流が現れることがあるので、横断面の大きい導体面１２を介して行われる。制御エレクトロニクス１１を有するプリント基板はパワーエレクトロニクス１３の上方に配置されており、それによって、コンバータブロック全体が蓋４によって覆われる。それと共に駆動装置ユニットとコンバータ５は共通のハウジング内に収容されており、一方で線路経路が短く、線路損失が小さく、他方でコンバータ５によって引き起こされる放射妨害が外部に達することはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明に係る流体圧縮機の展開図である。
【図２】 図２は流体圧縮機の縦断面図である。
【符号の説明】
１ ステータブッシュ
２ ステータ
３ ロータ軸
４ 蓋
５ コンバータ
６ リブ
７ 空洞
８ 圧縮機インペラ
９ ハウジング
１０ 圧縮機ハウジング
１１ 制御エレクトロニクス
１２ 導体面
１３ パワーエレクトロニクス
１４ 制御線路
１５ 給電端子
１６ 巻線端子
１７ 穴
１８ 圧縮機入口
１９ 圧縮機出口
２０ 冷却液入口
２１ 冷却液出口

Claims (5)

1. 駆動装置兼圧縮機ユニットと、該駆動装置ユニットに給電し且つ制御するためのコンバータ（５）を有する電気駆動式流体圧縮機であって、前記コンバータ（５）と前記駆動装置ユニット（２、３）が一体な配置を形成し、この配置がハウジング部分（９）とステータブッシュ（１）と蓋（４）とで形成される共通のハウジング内に収容されているものにおいて、
   前記コンバータ（５）のパワーエレクトロニクス（１３）がステータブッシュ（１）の支承板側ハウジング部分上に組み付けられており、前記コンバータ（５）と前記駆動装置ユニット（２、３）が、前記ステータブッシュ（１）によって形成される共通の冷却要素によって冷却され、前記駆動装置ユニット（２、３）が液体冷媒用冷却回路を有し、ステータブッシュ（１）の周面とハウジング（９）との間には冷媒を受容するための空洞（７）が設けられており、この冷媒がステータブッシュ（１）の周りを循環することを特徴とする流体圧縮機。
2. 前記駆動装置ユニット（２、３）と前記コンバータ（５）との間の接続線路（１６）がハウジング（１、４、９）の内部で案内されていることを特徴とする、請求項１記載の流体圧縮機。
3. 前記コンバータ（５）がコンパクトな互換性ユニットとして構成されていることを特徴とする、前記請求項のいずれか１項に記載の流体圧縮機。
4. 前記コンバータ（５）が差込コネクタを介して前記駆動装置ユニット（２、３）に接続されていることを特徴とする、前記請求項のうちいずれか１項に記載の流体圧縮機。
5. 前記駆動装置ユニット（２、３）が三相または多相電気モータであることを特徴とする、前記請求項のうちいずれか１項に記載の流体圧縮機。

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