JP6016380B2 - 電動圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、車載用空気調和機に用いられる電動圧縮機に関する。

空気調和機に多用されているスクロール型の圧縮機は、渦巻状のスクロール壁をそれぞれ有する固定スクロールと旋回スクロールとを備える。そして、固定スクロールに対して旋回スクロールを公転旋回運動させ、双方のスクロール壁の間に形成される圧縮室の容積を減少させることで、圧縮室内の流体の圧縮を行う。

近年、車両用の空気調和機において、電動機により駆動する方式の電動圧縮機が用いられつつある。このような電動圧縮機においては、インバータ回路において、バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換し、この交流電流を電動機に供給することで電動機を回転駆動させて圧縮機を駆動する。

車両用の空気調和機においては、車両のエンジンルーム内に各機器を収容するため、省スペース性が要求されている。そこで、圧縮機と、電動機と、コンデンサ、コイル、インバータ回路等からなるインバータ回路部とが一体化された電動の圧縮機が提供されている（例えば、特許文献１参照。）。
図４に特許文献１に開示されるインバータ一体型の電動圧縮機３００を示している。
電動圧縮機３００は、その外殻をなすアルミニウム合金製のハウジング３０２を有し、このハウジング３０２は、圧縮機側ハウジング３０３と電動機側ハウジング３０４とを、その間に軸受ハウジング３０５を挟んでボルト３０６により締め付け固定されている。
圧縮機側ハウジング３０３内にはスクロール圧縮機構３０８が、また、電動機側ハウジング３０４内には電動機３１０を構成するステータ３１１およびロータ３１２が収容されている。このスクロール圧縮機構３０８と電動機３１０は、主軸３１４を介して連結され、電動機３１０を回転させることにより、スクロール圧縮機構３０８が駆動されるよう構成されている。主軸３１４は、軸受ハウジング３０５に保持されたメインベアリング３１５と、電動機側ハウジング３０４の端部に保持されたサブベアリング３１６とによって回転自在に軸支されている。

電動機側ハウジング３０４の端部には、図示しない冷媒吸入口が設けられており、この冷媒吸入口を介して冷凍サイクルから低圧の冷媒ガスが電動機側ハウジング３０４内に吸入される。この冷媒ガスは、電動機側ハウジング３０４内を流通して電動機３１０を冷却した後にスクロール圧縮機構３０８に吸い込まれ、そこで圧縮されて高温高圧の冷媒ガスとなり、圧縮機側ハウジング３０３の端部に設けられている図示しない吐出口から冷凍サイクルへと吐出される。

特開２０１１−２５２３９８号公報

特許文献１をはじめとするインバータ一体型の電動圧縮機は小型化に寄与するが、小型化の要求は絶え間なく続いている。
そこで本発明は、従来よりも小型化できる電動圧縮機を提供することを目的とする。

図４に示す従来の電動圧縮機を例に、本発明者らは小型化を阻んでいる要因を検討した。その結果、サブベアリング３１６を保持するために設けられたボス３１７が電動機３１０に向けて突出している結果として、ボス３１７の周囲に利用目的のないスペースＳが存在していることに着目した。つまり、このスペースＳをつめることで、電動圧縮機３００を軸方向に小型化することが可能になる。ただし、このボス３１７は、サブベアリング３１６を保持するために必須の要素であり、それ自体をなくすことはできない。そこで本発明者は、ボス３１７を電動機３１０の内側に収容することを着想した。そうすれば、ボスの周囲に無駄なスペースＳが生まれるのを阻止できるからである。

そこでなされた本発明の電動圧縮機は、スクロール式の圧縮機構と、圧縮機構を駆動する電動機と、電動機の回転動力を圧縮機構に伝達する主軸と、主軸を回転自在に支持する第１軸受と、第１軸受よりも電動機側において主軸を回転自在に支持する第２軸受と、を備える。
そして本発明の電動圧縮機は、電動機が、ステータと、ステータの周囲に配置されるロータとを備えており、このステータの内側において、主軸が第２軸受により支持されており、ロータは、円筒状のロータ本体と、ロータ本体の一端側を繋ぐ固定端板と、を備え、固定端板が、第１軸受に支持される主軸の大径部に、固定されることを特徴とする。

本発明の電動圧縮機によると、主軸を電動機側で支持する第２軸受をステータの内側で保持することができるので、従来の電動機のように軸受（第２軸受）を保持するボスが電動機の外側（軸方向の外側）に設けられるのに比べて、軸方向の寸法を短くできる。

本発明の電動圧縮機において、圧縮機構及び電動機を収容するとともに、ステータを固定状態にする柱状の固定部材が一体的に設けられるハウジングを備えることができる。この場合、固定部材は、ステータの内側に圧入されるとともに、第２軸受を保持する構成とすることが好ましい。
そうすることで、格別な部材を設けることなく、ステータをハウジングに対して確実に固定することができる。

本発明の電動圧縮機におけるロータは、固定端板が、第１軸受に支持される主軸の大径部に締結手段により固定することができる。
そうすることで、主軸に対してロータを強固に固定することができる。

本発明の電動圧縮機において、固定部材における第２軸受を保持する領域は、ステータの内側への圧入により生ずる荷重が、他の領域よりも軽減されることが好ましい。

本発明によれば、第２軸受をステータの内側に収容することで、電動圧縮機の軸方向の寸法を短くすることができる。また、本発明によれば、通常は鉄系材料で構成される主軸を短くできるので、電動圧縮機の軽量化に寄与する。

本実施形態における圧縮機を示す図であり、圧縮機の軸線方向に沿った断面図である。 従来の圧縮機と本実施形態における圧縮機とを対比して示す図である。 本実施形態における他の圧縮機を示す図であり、圧縮機の軸線方向に沿った断面図である。 特許文献１に開示される従来の電動圧縮機を示す断面図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１に示すように、電動圧縮機１０は、その外郭をなすハウジング１１を備える。ハウジング１１は、スクロール式の圧縮機構３０を収容する圧縮機側ハウジング１２と、電動機２０を収容する電動機側ハウジング１３と、図示を省略するインバータを収容するインバータ収容ハウジング１４とからなる。これらのハウジングの構成要素は、アルミニウム合金を鋳造（Die Cast）することで作製される。

電動圧縮機１０は、電動機側ハウジング１３の側面に形成された冷媒吸入ポート（図示無し)からハウジング１１内に冷媒が導入され、圧縮機側ハウジング１２の端面に形成された冷媒吐出ポートＰ２から、圧縮機構３０によって圧縮された冷媒を吐出する。

電動機２０は、主軸４０に一体に設けられたロータ２１と、ステータ２２とから構成されている。電動圧縮機１０は、ステータ２２の周囲にロータ２１が配置されているところに特徴の一つがある。
ロータ２１は、円筒状のロータ本体２１ａと、ロータ本体２１ａの軸方向の一端側を繋ぐ円板状の固定端板２１ｂとから構成される。ロータ２１は、永久磁石を収容するためのスリットが形成された電磁鋼板を積層した積層体と、この積層体（電磁鋼板）のスリットに配置された永久磁石と、からなるところは公知技術と同じである。なお、永久磁石はロータ本体２１ａにのみ配置される。
固定端板２１ｂの軸心周りには表裏を貫通する軸孔２１ｃが形成されている。主軸４０の電動機側軸４０ａはこの軸孔２１ｃを貫通して、ロータ本体２１ａ（ステータ２２）の軸方向の中心付近まで延びている。
ロータ２１は、固定端板２１ｂを貫通するボルトＢ１により、主軸４０のジャーナル部４０ｂに固定されることで、主軸４０と一体に回転自在とされている。

ステータ２２は、ロータ本体２１ａの内側の空隙に配置されている。ステータ２２は、コイルが巻き回された一般的な構成を有しており、円筒状の外観をなしている。ステータ２２の外周２２ａは、ロータ本体２１ａに微小間隔を隔てて対向している。ステータ２２の内周２２ｂにはインバータ収容ハウジング１４と一体に形成されている固定柱１４ｂが隙間なく圧入されている。そうすることで、ステータ２２は、固定柱１４ｂとの圧入を介して、ハウジング１１に対して固定される。

ここで、圧入は焼嵌めにより行うことができる。ステータ２２が鉄系の電磁鋼板、固定柱１４ｂがアルミニウム合金で構成されていると、焼嵌めによる圧入にとって有利である。つまり、アルミニウムの線膨張係数が鉄の２倍程度あるため、ステータ２２を加熱して焼嵌めすると、電動機２０の周囲の温度が上昇したとしても、圧入による圧力が大きくなることはあっても緩むことはない。

主軸４０は、メインベアリング４１、サブベアリング４２を介してハウジング１１に回転自在に支持されている。メインベアリング４１には、大径とされた主軸４０のジャーナル部４０ｂが支持され、サブベアリング４２には電動機側軸４０ａが支持される。そして、ロータ２１は、メインベアリング４１とサブベアリング４２の間において、主軸４０と一体に設けられている。

圧縮機構３０は、主軸４０とともに回転する旋回スクロール３２と、ハウジング１１に固定された固定スクロール３３と、を備える。
旋回スクロール３２、固定スクロール３３は、それぞれ円板状の端板３２ａ、３３ａの一面側に、渦巻状のスクロール壁３２ｂ、３３ｂが立設されている。これら旋回スクロール３２と固定スクロール３３は、スクロール壁３２ｂ、３３ｂを互いに組み合わせて、双方のスクロール壁３２ｂ、３３ｂ間に圧縮室３５を形成している。

主軸４０の圧縮機構３０側の端部（一端）には、主軸４０の中心軸から予め定められた寸法だけ偏心した位置に、偏心軸４０ｃが突出形成されている。この偏心軸４０ｃに、ドライブブッシュ４４、ドライブベアリング４５を介し、旋回スクロール３２が回転自在に保持されている。これにより、旋回スクロール３２は、主軸４０の中心に対し、予め定められた寸法だけ偏心しており、主軸４０がその軸線周りに回転すると、旋回スクロール３２は、主軸４０の中心に対し、偏心した寸法を半径とした回転（公転）を行う。これにより、圧縮室３５の容積が減少し、冷媒が圧縮される。なお、旋回スクロール３２が、公転しつつも、自転はしないよう、旋回スクロール３２と主軸４０との間には、オルダムリング３６が介在している。
また、旋回スクロール３２と主軸４０との間には、主軸４０に対して偏心した旋回スクロール３２によるアンバランスを解消するため、バランサ４６が設けられている。

さて、インバータ収容ハウジング１４は、インバータ収容部１４ａと、固定柱１４ｂと、を備えている。インバータ収容部１４ａは、一方が開口する箱型の形状をなしており、その内部に図示を省略したインバータ回路が収容される。このインバータ回路は、電動機２０に供給する電力を制御する。インバータ収容部１４ａの開口端は蓋１５により閉じられ、開口端と対向する背面は、電動機側ハウジング１３と接することによりその開口を閉じる。
円柱状の固定柱１４ｂは、インバータ収容部１４ａの背面から電動機側ハウジング１３に向けて突出する。固定柱１４ｂは、ステータ２２の一方のコイルエンド２２ｃを貫通してコア２２ｄの圧縮機構３０側の端面に達する突出高さを有している。固定柱１４ｂの先端には、主軸４０の先端を受け入れる円筒状の受容溝１４ｃが形成されている。受容溝１４ｃは、先端側に設けられる大径部１４ｄと、大径部１４ｄよりも底側の小径部１４ｅとからなり、大径部１４ｄにはサブベアリング４２が圧入される。サブベアリング４２に回転自在に支持された主軸４０は、その先端が小径部１４ｅにまで達している。

ここで、ステータ２２を焼嵌めすることにより固定柱１４ｂには圧縮方向の圧力が生じる。この圧力がサブベアリング４２に負荷されるのを避けることが好ましい。サブベアリング４２による回転自在に支持するという機能を担保するためである。そこで、本実施形態では、固定柱１４ｂの先端から受容溝１４ｃの底までの領域に対応する部分は、固定柱１４ｂとステータ２２の間に微小な間隙を設けている。ただしこれは本発明の好ましい形態であり、サブベアリング４２の機能を担保できるのであれば、当該領域において固定柱１４ｂとステータ２２が接することを本発明は許容する。

以上のように構成された電動圧縮機１０において、冷凍サイクル中を循環した後の低圧冷媒ガスは、図示しない冷媒吸入口から電動機側ハウジング１３内に吸入され、電動機側ハウジング１３内を流通して圧縮機構３０に吸い込まれる。圧縮機構３０で圧縮され、高温高圧となった冷媒ガスは、圧縮機側ハウジング１２の端部に設けられている吐出ポートＰ２から吐出配管を経て冷凍サイクルへと循環される。
この過程で、インバータ回路（図示省略）により制御されながら電力がステータ２２に供給されると、ロータ２１が回転駆動される。そうすると、ロータ２１に対して固定された主軸４０が、ロータ２１と一体的に回転駆動され、旋回スクロール３２が旋回運動する。そして、主軸４０は、他の部分よりも大径とされたジャーナル部４０ｂがメインベアリング４１で支持され、かつ、ステータ２２の内部に保持されるサブベアリング４２に電動機側軸４０ａが支持されながら、回転駆動される。

以上説明した電動圧縮機１０によると、以下の効果を奏する。
主軸４０の電動機側軸４０ａをサブベアリング４２で回転自在に支持する機構を、ステータ２２の内側に設けることにより、軸方向に余分なスペースが生じなくなった。したがって、電動圧縮機１０は、軸方向の寸法を小さくすることができる。このような支持機構を可能にしたのは、ロータ２１の内側にステータ２２を配置する構成を採用したからである。このことについて、図２を参照して説明する。なお、図２（Ａ）は従来の電動圧縮機２００を、また、図２（Ｂ）は本実施形態による電動圧縮機１０を示している。なお、従来の電動圧縮機２００は、以下説明する部分を除けば、本実施形態による電動圧縮機１０と同じ構成を備えている。

図２（Ａ）に示すように、従来の電動圧縮機２００は、ロータ２２１の外側にステータ２２２を設けたインナ・ロータ型の電動機２２０を備えている。インナ・ロータ型の電動機２２０の場合、主軸２４０をロータ２２１に貫通させてサブベアリング２４２で支持する必要がある。したがって、サブベアリング２４２を保持するボス２５０が必要になり、前述したように、その周囲に利用されないスペースが生じてしまう。仮に、主軸２４０を短くしてその先端がロータ２２１の内部に留まるようにし、ロータ２２１の内部でサブベアリング２４２により主軸２４０を支持しようとしたとする。しかし、図２（Ａ）から容易に理解できるように、サブベアリング２４２で支持される主軸２４０の径を極めて細くしなければならないか、ロータ２２１の内径を相当大きくしなければ、ボス２５０までロータ２２１の内部に配置できないので、実現は困難である。

これに対して電動圧縮機１０によればアウタ・ロータ型の電動機２０とすることにより、上記した不都合はない。そして、図２（Ａ）と（Ｂ）とを比較すれば分かるように、本実施形態による電動圧縮機１０は、電動圧縮機２００に比べて軸方向の寸法を短くすることができる。
また、図２（Ａ）と（Ｂ）とを比較すれば分かるように、本実施形態による電動圧縮機１０は、主軸４０、特に電動機側軸４０ａの部分を、電動圧縮機２００に短くできる。したがって、電動圧縮機１０は軽量化にも寄与する。特に、主軸４０は強度の観点からアルミニウム合金に比べて比重の大きい鉄系材料で作製されているので、固定柱１４ｂの部分を考慮したとしても、軽量化の効果は顕著である。

また、電動圧縮機１０は、アウタ・ロータ型の電動機２０を用いているが、ロータ２１が回転すると周囲の冷媒を撹拌する。インバータ一体型の電動圧縮機１０において、電動機側ハウジング１３内を流れる冷媒は、発熱するインバータ回路の冷却に寄与するが、冷媒が撹拌されることで、インバータ回路の冷却効果が向上する。これに対して、インナ・ロータ型の電動機はロータがステータの内側に配置されていること、及び、ロータからインバータ回路まで離れていることから、ロータの回転による冷媒の撹拌効果がインバータ回路まで及びにくい。

ロータ２１の回転によるインバータ回路の冷却性向上の効果をより発揮させるため、ロータ２１の外周に撹拌を助長させる突起、その他の構成を設けることができる。本実施形態の場合、ロータ２１に設けられるバランスウェイト２３がその役割を果たすことができる。

以上の説明は、インバータ収容部が圧縮機構３０、電動機２０と同軸上に配置された電動圧縮機１０を例にして説明したが、本発明は図３に示すようにインバータ収容部が電動機側ハウジング１３の側方に配置された形態の電動圧縮機１００についても適用できることは言うまでもない。
電動圧縮機１００は、ハウジング１１０が、圧縮機構３０を収容する圧縮機側ハウジング１２０と、電動機２０を収容する電動機側ハウジング１３０とからなり、電動機側ハウジング１３０にインバータ収容部１３５が一体的に形成されている。ハウジング１１０は、電動機側ハウジング１３０の後端側の開口を閉じる封止蓋１４０を備えるが、この封止蓋１４０に固定柱１４ｂと対応する固定柱１４０ｂが一体的に形成されている。
電動圧縮機１００は、電動圧縮機１０と同様の効果を奏するのに加えて、ロータ２１の回転によるインバータ回路の冷却性能向上の効果は、インバータ収容部１３５が電動機側ハウジング１３０の側方に配置されているため、電動圧縮機１０よりも顕著である。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明の趣旨に変更を加えない限り、要素を変更し、または省略することができる。
例えば、以上ではインバータ一体型の電動圧縮機について説明したが、本発明の効果はインバータ一体型の電動圧縮に限らず得ることができる。
また、圧縮機構についても、スクロール型に限らず、ロータリ型の圧縮機構にも本発明を適用できるし、スクロール型圧縮機構とロータリ型圧縮機構の両者を備える多段圧縮機構にも本発明を適用できる。

１０ 電動圧縮機
１１ ハウジング
１２ 圧縮機側ハウジング
１３ 電動機側ハウジング
１４ インバータ収容ハウジング
１４ｂ，１４０ｂ 固定柱
１４ｃ 受容溝
１４ｄ 大径部
１４ｅ 小径部
２０ 電動機
２１ ロータ
２１ａ ロータ本体
２１ｂ 固定端板
２２ ステータ
２２ａ 外周
２２ｂ 内周
４０ 主軸
４０ａ 電動機側軸
４０ｂ ジャーナル部
４０ｃ 偏心軸
４１ メインベアリング
４２ サブベアリング
１００ 電動圧縮機
１１０ ハウジング
１２０ 圧縮機側ハウジング
１３０ 電動機側ハウジング
１３５ インバータ収容部
１４０ 封止蓋

Claims (3)

1. スクロール式の圧縮機構と、
   前記圧縮機構を駆動する電動機と、
   前記電動機の回転動力を前記圧縮機構に伝達する主軸と、
   前記主軸を回転自在に支持する第１軸受と、
   前記第１軸受よりも前記電動機側において前記主軸を回転自在に支持する第２軸受と、を備え、
   前記電動機は、ステータと、前記ステータの周囲に配置されるロータと、備え、
   前記ステータの内側において、前記主軸が前記第２軸受により支持されており、
   前記ロータは、円筒状のロータ本体と、前記ロータ本体の一端側を繋ぐ固定端板と、を備え、
   前記固定端板が、前記第１軸受に支持される前記主軸の大径部に、固定される、
   ことを特徴とする電動圧縮機。
2. 前記圧縮機構及び前記電動機を収容するとともに、前記ステータを固定状態にする柱状の固定部材が一体的に設けられるハウジングを備え、
   前記固定部材は、前記ステータの内側に圧入されるとともに、前記第２軸受を保持する、
   請求項１に記載の電動圧縮機。
3. 前記固定部材における前記第２軸受を保持する領域は、前記ステータの内側への前記圧入により生ずる荷重が、他の領域よりも軽減されている、
   請求項２に記載の電動圧縮機。

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