JP6193007B2 - 車輌用遠心式電動コンプレッサ - Google Patents

Description

本発明は、遠心式電動コンプレッサに関し、より具体的には、車輌用の冷暖房空調（ＨＶＡＣ）設備に用いられるように構成された遠心式電動コンプレッサに関する。

車輌は、特に陸上車輌、例えばハイブリッド電気車輌（ＨＥＶ）または電気車輌（ＥＶ）及び航空機もしくは他の種類の車輌を含んでもよい。

従来の電動コンプレッサ、例えば車輌用のＨＶＡＣ用コンプレッサは、通常、電気モータと結合されている。

このような電気モータに駆動されるコンプレッサの例は、特許文献１に示される。

このような型の電気モータに駆動されるコンプレッサは、潤滑、冷媒、低い動作速度、摩擦損失及び小型でないことに関連する多くの欠点を有している。

ＨＥＶ／ＥＶ車輌では主に２つのカテゴリーのＨＶＡＣ用電動コンプレッサが用いられる：ベーンコンプレッサのような回転するもの、スクロール型コンプレッサのような揺動するものである。

電気モータと結合されるこれらの種類の電動コンプレッサ双方は、以下の欠点を有している。
− さまざまな機械的部分に対して潤滑が必要とされる。
− 潤滑オイル及び冷媒（例えばハロアルカン冷媒Ｒ１３４ａまたは最近さらに使用されているハイドロフルオロオレフィン冷媒ＨＦＯ−１２３４ｙｆ）の適合性を確かめる必要がある。
− 電気モータの巻線部を絶縁不良の危険性から保護するために、潤滑剤は、注意して選択されるべきである。
− オイルセパレータ及び漏れ検出装置が、ＥＶ／ＨＥＶ車輌内の電気システムが汚れることを防ぐために必要とされる。
− 従来の電動コンプレッサは、制限された速度を有し、１０，０００ｒｐｍを超えることができない。
− 摩擦損失は、電動コンプレッサの動作に対して好ましくない。

米国特許第６１８３２１５号明細書 米国特許第６７２７６１８号明細書

従って、これら問題の多くを解決することができる電動コンプレッサを提供することが望まれている。

本発明は特に、排他的ではないが、自動車用空調利用を目的としており、従って、車輌で発生する高レベルの振動を考慮した電動コンプレッサを提供することをさらに目的とする。

本発明の実施形態によれば、車輌用冷暖房空調システムのための電動コンプレッサが提供され、該電動コンプレッサは、モータ部分と、シャフトを通じて該モータ部分によって駆動される遠心式コンプレッサ部分と、を備え、前記電動コンプレッサの機能動作中に前記シャフトを空中浮揚させるための電磁式手段と、補助接地ベアリングと、を備えている。

好ましい実施形態によれば、前記モータ部分は、軸方向ベアリングレスモータと、前記シャフトを浮揚させるための径方向電磁式手段と、を備えている。

径方向電磁式手段は、第１能動型径方向磁気ベアリング及び第２能動型径方向磁気ベアリングを備えてもよい。

別の実施形態によれば、径方向電磁式手段は、第１径方向ベアリングレスモータ及び第２径方向ベアリングレスモータを備えている。

遠心式コンプレッサ部分は、単一のホイール、二重ホイール、直列型のホイールまたは二重直列型のホイールを備えてもよい。

特別な特性によれば、軸方向ベアリングレスモータと鉄シャフトを浮揚させるための径方向電磁式手段との間にセパレータが設けられている。

有利には、軸方向ベアリングレスモータは、複数の極の対を持つ電機子を有したロータ部分と、第１ステータ部分及び第２ステータ部分と、を備え、各第１ステータ部分及び第２ステータ部分は、モータトルク及び軸方向支持力を与えるように構成された巻線部を受けるためのスロットをそれぞれ有したコアを備え、第１ステータ部分及び第２ステータ部分は、ロータ部分の両側に設置されている。

モータトルク及び軸方向支持力をそれぞれ与えるために、第１ステータ部分及び第２ステータ部分のスロットに、個別の巻線部が設けられてもよい。

あるいは、モータトルク及び軸方向支持力を与えるために、第１ステータ部分及び第２ステータ部分のスロットに、共通の巻線部が設けられている。

軸方向ベアリングレスモータは、誘導ロータ、永久磁石ロータ、ヒステリシスロータ及びリラクタンスロータのうちから選択されるロータ部分を備えてもよい。

特別な実施形態によれば、遠心式コンプレッサ部分は、前記シャフトの第１端にホイールを備え、軸方向ベアリングレスモータと結合された制御回路及び前記径方向電磁式手段が、前記シャフトの第２端に設置され、且つフィードスルーを介して前記軸方向ベアリングレスモータ及び前記径方向電磁式手段に接続されている。

本発明は、車輌用電動コンプレッサにさらに関し、前記モータ部分は、電気モータを備え、且つ、シャフトを浮揚させるための前記電磁式手段は、能動型軸方向磁気ベアリングと、電気モータの両側に設置された第１能動型径方向磁気ベアリング及び第２能動型径方向磁気ベアリングと、を備えている。

このような場合には、遠心式コンプレッサ部分は、前記シャフトの第１端に少なくとも１つのホイールを備え、能動型軸方向磁気ベアリングは、前記遠心式コンプレッサ部分の近傍に設置され、電気モータと、能動型軸方向磁気ベアリングと、前記第１能動型径方向磁気ベアリング及び前記第２能動型径方向磁気ベアリングと、に結合された制御回路は、前記シャフトの第２端に設置され、且つフィードスルーを介して前記電気モータと、能動型軸方向磁気ベアリングと、前記第１能動型径方向磁気ベアリング及び前記第２能動型径方向磁気ベアリングと、に接続されている。

コンプレッサ部分と、電気モータを備えるモータ部分と、２つの径方向磁気ベアリングと、磁気スラストベアリングと、さらに概略的に示す制御装置と、を備えた電動コンプレッサの概略的な長手方向の断面図である。 コンプレッサ部分と、電気モータを備えたモータ部分と、２つの径方向磁気ベアリングと、磁気スラストベアリングと、を備えた電動コンプレッサの別の概略的な長手方向の断面図である。 コンプレッサ部分と、電気モータを備えたモータ部分と、２つの径方向磁気ベアリングと、２つの部材に分割された磁気スラストベアリングと、を備えた電動コンプレッサの別の概略的な長手方向の断面図である。 コンプレッサ部分（図示せず）と、軸方向ベアリングレスモータを備えたモータ部分と、２つの径方向磁気ベアリングまたは２つの径方向ベアリングレスモータと、を備えた電動コンプレッサの概略的な長手方向の断面図である。 軸方向ベアリングレスモータ（巻線部が示されていない）の斜視図である。 径方向ベアリングレスモータ（巻線部が示されていない）の斜視図である。 二重ホイールを備えたコンプレッサ部分の実施例の概略図である。 直列型のホイールを備えたコンプレッサ部分の実施例の概略図である。 二重直列型のホイールを備えたコンプレッサ部分の実施例の概略図である。

本発明は、例のために示される好ましい実施形態に関連して説明される。

図２は、冷暖房空調（ＨＶＡＣ）のための遠心式電動コンプレッサの実施例を示しており、この遠心式電動コンプレッサは、ハイブリッド電気車輌（ＨＥＶ）もしくは電気車輌（ＥＶ）あるいは航空機または他の種類の車輌に対して利用される。上記遠心式電動コンプレッサは、ターボチャージャを強化するために適用されてもよい。

モータ部分２０のロータシャフト１５は、遠心式コンプレッサホイール１１を駆動するために、コンプレッサ部分１０の遠心式コンプレッサホイール１１に連結されている。

電気モータ３０は、ロータ３１を備えており、ロータ３１は、誘導ロータ、永久磁石ロータ、ヒステリシスロータ及びリラクタンスロータのうちから選択される任意の種類からなる。電気モータ３０は、巻線部３２ａを有したステータ３２をさらに備えている。

第１能動型径方向磁気ベアリング及び第２能動型径方向磁気ベアリング４０，５０が、電気モータ３０の両側に設置され、これにより、電動コンプレッサの機能動作中にシャフト１５を浮揚した状態で支持する。各能動型径方向磁気ベアリング４０，５０は、シャフト１５にしっかりと固定されたロータ４１，５１と、巻線部４２ａ，５２ａを有したステータ４２，５２とを備えている。

図２に示すように、能動型軸方向磁気ベアリング６０（スラストベアリング）が、一方ではシャフト１５の軸に対して垂直に取り付けられ且つロータ電機子を構成するディスク６１と、他方では第１ステータ及び第２ステータ６２，６３であって、それぞれが、Ｃ字状のコアを有したステータ６２，６３に設置された少なくとも１つの環状コイルまたは巻線部６２ａ，６３ａを有した、第１ステータ及び第２ステータ６２，６３と、を備えている。あるいは、各ステータ６２，６３は、２つのコイルを有するＥ字状のコアを有してもよい。

径方向ベアリングロータ４１，５１は、ステータ４２，５２の電磁石によって作り出された磁界によって適切な位置に保持された強磁性積層体を備えている。

シャフト１５は、径方向磁気ベアリングにより接触せずに浮揚している。シャフトの位置は、例えば可変誘導型からなるセンサ（図示せず）によってモニターされている。センサは、所定位置からの如何なるずれも検出して制御システム（図２には示していない）で使用される信号を出し、これにより、シャフト１５をその所定位置に戻すように導くために径方向ベアリングの巻線部４２ａ，５２ａに電流を流すことを命令する。軸方向ベアリング６０は、同じ原理に基づいており、センサ（図示せず）は、制御装置へ信号を送り、軸方向ベアリング６０のコイル６２ａ，６３ａにおける電流の命令を調整してシャフト１５の軸方向位置を調整する。

補助接地ベアリング８が、基本的にはモータ部分２０の開始動作または停止動作中に、ただし通常、車輌に存在する高レベルの振動に起因する衝突荷重が生じる短時間の断続的な期間中にも、シャフト１５を支持するために使用されている。

一般的に言えば、回転シャフトの位置を検出するためのセンサに基づいてサーボ制御された能動型磁気サスペンションにより回転シャフトが一時停止する場合に、非常用ベアリングとして公知の補助ベアリングが設けられ、これにより、機械が停止している間、または磁気サスペンションの完全なもしくは部分的な故障の場合にシャフトを支持する。これにより、ステータの電磁石の巻線部が適切に電力を供給されないときに、ロータの磁気回路と、磁気ベアリングのステータまたはベアリングレスモータとが直接接触することを防止し、従って、その積層体の損傷を防ぐ。通常動作時には、補助ベアリングは、回転シャフトの周囲にクリアランスを残し、それ自体回転しない。補助ベアリングのために設けられるクリアランスは、通常、磁気ベアリングまたはベアリングレスモータにおける空隙の幅の約半分である。

補助接地／タッチダウンベアリング８は、さまざまな構成を有してもよく、例えば転がりベアリング、針状ベアリング、滑りベアリング、ブッシングなどであってもよい。

セパレータ９が、磁気ベアリング４０，５０，６０及び電気モータ３０のステータの巻線部間に設置されている。

ケーシングまたはフランジ及び冷媒を有する冷却システムは、従来型であり、図面には示さない。

図２において、軸方向ベアリング６０は、ディスク電機子６１及びシャフト１５の一端に設置された２つのステータ６２，６３を備えており、コンプレッサホイールは、シャフトの他端に設置されている。しかしながら、図１に示すように、軸方向ベアリング６０は、コンプレッサホイール１１と同じ側に設置されてもよい。

図１に示すように、電気モータ３０及び径方向電磁式ベアリング４０，５０，６０に結合され、可変周波数駆動部７１及び増幅器７２を備えた制御回路７０が、フランジに統合され、且つ鉄シャフト１５の第２端に設置されている。制御回路７０は、フィードスルー７４を介して、電気モータ３０と、径方向電磁式ベアリング及び軸方向電磁式ベアリングと、に接続されている。コネクタ７３が、制御回路７０を電動コンプレッサから離れて設置されたさらなる制御装置へ接続させる働きをする。

図３は、図２の実施形態と同様の実施形態を示している。ただし、軸方向磁気ベアリングは、シャフト１５の端部双方に設置された２つの部分６０Ａ，６０Ｂに分けられている。シャフト１５と一体化されたディスク電機子６１Ａが、コンプレッサホイール１１に近いシャフト１５の第１端に設置され、且つ図１のステータ６２と同様である第１コイル６２ａを有した第１ステータ６２と協働する。シャフト１５と一体化されたディスク電機子６１Ｂが、シャフト１５の第２端に設置され、且つ図１のステータ６３と同様である第２コイル６３ａを有した第２ステータ６３と協働する。

図１から図３は、単一のホイールを有したコンプレッサ部分１０を示している。しかしながら、コンプレッサ部分１０の他の構成は、本明細書に開示される異なる実施形態と組み合わせて用いられてもよい。

従って図７に示すように、コンプレッサ部分１０は、二重ホイール１１，１３を含んでもよい。図８に示すように、コンプレッサ部分１０Ａ，１０Ｂは、直列型のホイール１１，１２を含んでもよい。図９に示すように、コンプレッサ部分１０Ａ，１０Ｂは、二重直列型のホイール１１，１３，１２，１４を含んでもよい。図７から図９によるコンプレッサホイールの構造は、圧縮比を増大させるか、流量を増大させるものである。

以下、本発明の好ましい実施形態を、図４から図６を参照して説明する。

図４は、電気モータ３０及び軸方向ベアリング６０もしくは６０Ａ，６０Ｂが単一の軸方向ベアリングレスモータ１３０によって置換されたので、図１から図３の実施形態よりもよりコンパクトである鉄シャフト１５及びモータ部分２０を有する実施形態を示している。図４では、コンプレッサ部分１０は省略されているが、図１から図３及び図７から図９を参照して上述したものとして実現される。

図４の実施形態は、シャフト長の減少を可能にし、従って全体的な配置を改善する。

軸方向ベアリングレスモータ１３０は、シャフト１５と一体化されたディスク状の中央電機子１３１と、巻線部１３２ａ，１３３ａを有した第１ステータ１３２及び第２ステータ１３３と、を備えている。

図５は、軸方向ベアリングレスモータ１３０の考えられる構造の実施例を斜視図で示している。図５における軸方向ベアリングレスモータ１３０は、複数の極の対を持つ電機子１３８を有したロータ部分１３１と、第１ステータ部分及び第２ステータ部分１３２，１３３と、を備えている。各第１ステータ部分及び第２ステータ部分１３２，１３３は、モータトルク及び軸方向の支持力を与えるように構成された巻線部（図５には示していない）を受けるためにスロット１３４，１３５をそれぞれ有したコアを備え、第１ステータ部分及び第２ステータ部分１３２，１３３は、ロータ部分１３１の両側に設置されている。

コイルから独立した軸方向ベアリングレスモータのステータ部分１３２，１３３は、支持力及びモータトルクを与えるために使用される。

あるいは、必要とされる支持力及びモータトルクが、組み合わせられた巻線部によって各コイルで発生されてもよい。このような場合には、必要とされるモータのアンペア回数及び支持のアンペア回数が単一のコイルによってもたらされる。

複数の極の対を持つ電機子１３８は、例のために図５に示される。しかしながら、ロータ１３１は、選択された原理（永久磁石式、誘導式、スイッチトリラクタンス式、ヒステリシス式）に応じて異なる構造的部材を有してもよい。

限定されない例として、ステータ１３２及び永久磁石１３８を有するロータ１３１は、永久磁石モータを構成し、ロータの表面上の永久磁石１３８は、第１方向（図５の構造における上向きの方向）の軸方向力を生み出し、ステータ１３３及びロータ１３１は、同期リラクタンスモータを構成し、同期リラクタンスモータの巻線部の電流は、第１方向に対する反対方向（図５の構造における下向きの方向）への調節可能な軸方向力を生み出す。従って、ロータの軸方向位置は、同期型モータの電流によって制御することができる。しかしながら、上述したように、軸方向ベアリングレスモータ１３０がモータトルク及び軸方向支持力を与える２つの機能を達成するのであれば、他の種類のモータの組み合わせが選択されてもよい。

上述した能動型径方向磁気ベアリング４０及び５０と同様であり且つロータ電機子１４１，１５１及び巻線部１４２ａ，１５２ａを有したステータ１４２，１５２を備えた能動型径方向磁気ベアリング１４０及び１５０は、軸方向ベアリングレスモータ１３０の両側に設置されている。

しかしながら、別の実施形態によれば、各能動型径方向磁気ベアリング１４０，１５０は、径方向ベアリングレスモータ１８０によって置換されてもよい。

径方向ベアリングレスモータ１８０の実施例は、図６に示されている。このような径方向ベアリングレスモータ１８０は、シャフト１５と一体化されたロータ１８１と、コイル１８５を受けるためのスロット１８４を有したステータ１８２と、を備えている。ロータ１８１は、選択された原理（永久磁石式、誘導式、スイッチトリラクタンス式、ヒステリシス式）に応じて異なる構造的部材１８３を有している。

基本的には、ステータの巻線部１８５は、トルク用巻線部及び停止力用巻線部の機能双方を達成する。実施例として、一組の異なる極を有する２つの巻線部のセットによって作り出される２つの磁界が重ね合わせられると、トルク及び径方向力が生じる。従って、例えばリラクタンスモータの４極のモータ巻線部を２極のベアリング巻線部と組み合わせることが可能であるが、多くの他の実施形態が考えられる。

特許文献２は、ベアリングレススイッチトリラクタンスモータの例を開示している。

好ましい実施形態が示され且つ説明されたが、任意の変更及び改良が、添付の特許請求の範囲に規定されるように本発明の範囲から逸脱することなく本開示の中でなされてもよいことを理解するべきである。

図４において、参照符号１３０は、シャフト１５を支持するために２つの径方向電磁式手段１４０，１５０間に設置された軸方向ベアリングレスモータを示している。径方向電磁式手段１４０，１５０が、例えば図６に開示された第１径方向ベアリングレスモータ及び第２径方向ベアリングレスモータ１８０を備え、軸方向能動型磁気ベアリング、例えば図２に示されたスラストベアリング６０が軸方向ベアリングレスモータ１３０に対して置換されてもよい。

８ 補助接地ベアリング、９ セパレータ、１０ 遠心式コンプレッサ部分、１１ ホイール、１２ ホイール、１３ ホイール、１４ ホイール、１５ シャフト、２０ モータ部分、３０ 電気モータ、４０ 第１能動型径方向磁気ベアリング、５０ 第２能動型径方向磁気ベアリング、６０ 能動型軸方向磁気ベアリング、７０ 制御回路、７４ フィードスルー、１３０ 軸方向ベアリングレスモータ、１３１ ロータ部分、１３２ 第１ステータ部分、１３３ 第２ステータ部分、１３４ スロット、１３５ スロット、１３８ 電機子、１４０ 第１能動型径方向磁気ベアリング、１５０ 第２能動型径方向磁気ベアリング、１８０ 径方向ベアリングレスモータ

Claims (12)

1. 車輌用冷暖房空調システムのための電動コンプレッサであって、
   該電動コンプレッサが、モータ部分（２０）と、シャフト（１５）を通じて前記モータ部分（２０）によって駆動される遠心式コンプレッサ部分（１０）とを備え、
   該電動コンプレッサの機能動作中に前記シャフト（１５）を浮揚させるための電磁式手段と、補助接地ベアリング（８）とをさらに備え、
   前記モータ部分（２０）は、軸方向ベアリングレスモータ（１３０）と、前記シャフト（１５）を浮揚させるための径方向電磁式手段とを備え、
   前記径方向電磁式手段は、第１径方向ベアリングレスモータ及び第２径方向ベアリングレスモータ（１８０）を備えていることを特徴とする、電動コンプレッサ。
2. 前記軸方向ベアリングレスモータ（１３０）と前記鉄シャフト（１５）を浮揚させるための前記径方向電磁式手段との間にセパレータ（９）が設けら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. 前記軸方向ベアリングレスモータ（１３０）は、複数の極の対を持つ電機子（１３８）を有したロータ部分（１３１）と、第１ステータ部分及び第２ステータ部分（１３２，１３３）と、を備え、各第１ステータ部分及び第２ステータ部分（１３２，１３３）は、モータトルク及び軸方向支持力を与えるように構成された巻線部を受けるためのスロット（１３４，１３５）をそれぞれ有したコアを備え、前記第１ステータ部分及び第２ステータ部分（１３２，１３３）は、前記ロータ部分（１３１）の両側に設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。
4. モータトルク及び軸方向支持力をそれぞれ与えるために、前記第１ステータ部分及び前記第２ステータ部分（１３２，１３３）の前記スロット（１３４，１３５）に、個別の巻線部が、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. モータトルク及び軸方向支持力を与えるために、前記第１ステータ部分及び第２ステータ部分（１３２，１３３）の前記スロット（１３４，１３５）に、共通の巻線部が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。
6. 前記軸方向ベアリングレスモータ（１３０）は、誘導ロータ、永久磁石ロータ、ヒステリシスロータ及びリラクタンスロータのうちから選択されるロータ部分（１３１）を備え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。
7. 前記遠心式コンプレッサ部分（１０）は、前記シャフト（１５）の第１端にホイール（１１）を備え、
   前記軸方向ベアリングレスモータ（１３０）及び前記径方向電磁式手段と結合された制御回路（７０）が、前記シャフト（１５）の第２端に設置され、且つフィードスルー（７４）を介して前記軸方向ベアリングレスモータ（１３０）及び前記径方向電磁式手段に接続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。
8. 前記遠心式コンプレッサ部分（１０Ａ，１０Ｂ）は、直列型のホイール（１１，１２）を備えていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電動コンプレッサ。
9. 前記遠心式コンプレッサ部分（１０Ａ，１０Ｂ）は、二重直列型のホイール（１１，１３，１２，１４）を備えていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電動コンプレッサ。
10. 前記遠心式コンプレッサ部分（１０）は、二重ホイール（１１，１３）を備えていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電動コンプレッサ。
11. 前記モータ部分（２０）は電気モータ（３０）を備え、かつ、前記シャフト（１５）を浮揚させるための前記電磁式手段は、能動型軸方向磁気ベアリング（６０）と、前記電気モータ（３０）の両側に設置された第１能動型径方向磁気ベアリング及び第２能動型径方向磁気ベアリング（４０，５０）と、を備え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。
12. 遠心式コンプレッサ部分（１０）は、前記シャフト（１５）の第１端に少なくとも１つのホイール（１１）を備え、
    能動型軸方向磁気ベアリング（６０）は、前記遠心式コンプレッサ部分（１０）の近傍に設置され、
    前記電気モータ（３０）と、前記能動型軸方向磁気ベアリング（６０）と、前記第１能動型径方向磁気ベアリング及び前記第２能動型径方向磁気ベアリング（４０，５０）と、に結合された制御回路（７０）は、前記シャフト（１５）の第２端に設置され、且つフィードスルー（７４）を介して前記電気モータ（３０）と、前記能動型軸方向磁気ベアリング（６０）と、前記第１能動型径方向磁気ベアリング及び前記第２能動型径方向磁気ベアリング（４０，５０）と、に接続されていることを特徴とする請求項１１に記載の電動コンプレッサ。

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