JP5094897B2 - 電動遠心圧縮機 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

特表平９−５０９９９９号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の実施形態に係る電動遠心圧縮機の断面説明図である。 前記電動遠心圧縮機の要部断面説明図である。 前記電動遠心圧縮機を構成するベアリングシャフトの要部拡大説明図である。 前記電動遠心圧縮機の、図２中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。 前記電動遠心圧縮機を構成するスラストエア軸受の斜視説明図である。 前記スラストエア軸受の、図５中、ＶＩ−ＶＩ線断面説明図である。 前記ベアリングシャフトをジャーナルエア軸受に挿入する際の説明図である。 特許文献１に開示されている圧縮機の要部説明図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (3)

1. 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。
2. 請求項１記載の電動遠心圧縮機において、前記インペラは、前記ベアリングシャフトの前記軸方向端部に同軸的に嵌合することを特徴とする電動遠心圧縮機。
3. 請求項１又は２記載の電動遠心圧縮機において、前記ベアリングシャフトは、前記保護環の前記突起部に同軸的に嵌合することを特徴とする電動遠心圧縮機。

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