JP6194194B2 - コンパクト電動遠心コンプレッサー - Google Patents

Description

本発明は、コンパクトな電動遠心コンプレッサーに関し、これは、それに限定されるわけではないが、さらに詳しくは、ビークルのヒートベンチレーションエアコンディショニング（ＨＶＡＣ）設備において使用されるよう構成される。

ビークルには、特に、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）あるいは電気自動車（ＥＶ）といった陸上車両、ならびに航空機あるいは、その他の種類のビークルが含まれる。

ビークル用のＨＶＡＣコンプレッサーといった従来型の電動コンプレッサーは、通常、電気モーターと関連付けられる。

そうした電気モーター駆動コンプレッサーの例は、特許文献１に開示されている。

そうしたタイプの電気モーター駆動コンプレッサーは、潤滑、冷却剤、低い運転速度、摩擦損失、およびコンパクトさの損失に関連した、多くの欠点を有する。

二つの主たる種類のＨＶＡＣ電動コンプレッサーがＨＥＶ／ＥＶ車両において使用される。すなわち、ローター状ベーンコンプレッサーおよび振動状スクロール型コンプレッサーである。

電気モーターと関連付けられた両方の種類の電動コンプレッサーは以下の欠点を有する。
・さまざまな機械部品のために潤滑剤が必要である。
・（たとえばハロアルカン冷却剤Ｒ１３４ａあるいはさらに最近使用されるハイドロフルオロオレフィンＨＦＯ‐１２３４ｙｆといった）冷却剤との潤滑油の適合性をチェックすることが必要である。
・潤滑剤は、絶縁不良のリスクから電気モーター巻き線を保護するために慎重に選択されるべきである。
・ＥＶ／ＨＥＶ車両の電気システムの汚染を防止するためにオイルセパレータおよび漏れ検出デバイスが必要である。
・既存の電動コンプレッサーの速度は10,000rpmに制限され、かつ、それを超えることができない。
・摩擦損失は電動コンプレッサーの作動に有害である。

米国特許第6,183,215号明細書

上記問題のほとんどを解決できる電動コンプレッサーを提供することが望まれている。

本発明は、それに限定されるわけではないが、さらに詳しくは、自動車用のエアコンディショニング用途を意図されており、したがって、さらに、ビークルにおいて生じる高レベルの振動を考慮し、かつ、可能な限りコンパクトな電動コンプレッサーを提供することを目的とする。

本発明の実施形態によれば、モーター部分と、シャフトを介してモーター部分によって駆動される遠心コンプレッサー部分とを備えるコンパクトな電動コンプレッサーが提供され、モーター部分は、シャフトに沿って離間させられかつシャフトを回転させると共に電動コンプレッサーの機能的動作中に非接触様式で既定の半径方向ポジションにおいてそれを維持するよう構成された第１および第２のラジアルベアリングレスモーターと、第１および第２のラジアルベアリングレスモーター間に配置されかつ電動コンプレッサーの機能的動作中に規定の軸方向ポジションにおいてシャフトを維持するよう構成されたアキシャル電磁手段とを備え、補助ランディングベアリングが、第１および第２のラジアルベアリングレスモーターのそれぞれの近傍において、シャフトの各端部に配置される。

第１実施形態によれば、アキシャル電磁手段はアキシャルベアリングレスモーターを備える。

第２実施形態によれば、アキシャル電磁手段はアクティブアキシャル磁気ベアリングを備える。

ラジアルベアリングレスモーターとアキシャル電磁手段との間にはセパレータが設けられてもよい。

さらに詳しくは、ラジアルベアリングレスモーターはそれぞれ、複数の極対アーマチュアを有するローター部分と、モータートルクおよび半径方向支持力を印加するよう構成された巻き線を収容するためのスロットを備えたコアを具備するステータ部分とを備える。

モータートルクおよび軸方向支持力を印加するために、ステータ部分のスロット内に別個の巻き線が設けられてもよい。

これに代えて、モータートルクおよび軸方向支持力を印加するために、ステータ部分のスロット内に共有巻き線が設けられてもよい。

ラジアルベアリングレスモーターは、誘導ローター、永久磁石ローター、ヒステリシスローターおよびリラクタンスローターの中から選ばれたローター部分を備える。

特定の実施形態によれば、遠心コンプレッサー部分は、シャフトの第１の端部にホイールを備え、かつ、ラジアルベアリングレスモーターおよびアキシャル電磁手段と関連付けられた制御回路がシャフトの第２の端部に配置され、かつ、フィードスルーを介して、ラジアルベアリングレスモーターおよびアキシャル電磁手段に対して接続される。

遠心コンプレッサー部分は、さまざまな形態を備えることができ、特に、シングルホイール、ダブルホイール、タンデムホイールあるいはダブルタンデムホイールを備えることができる。

アキシャルベアリングレスモーターは、複数の極対アーマチュアを有するローター部分と、第１および第２のステータ部分とを備えていてもよく、第１および第２のステータ部分はそれぞれ、モータートルクおよび軸方向支持力を印加するよう構成された巻き線をそれぞれ収容するためのスロットを備えたコアを具備し、第１および第２のステータ部分はローター部分の各側に配置される。

アキシャル電磁手段がアクティブアキシャル磁気ベアリングあるいはスラストベアリングから構成される場合、アクティブアキシャル磁気ベアリングは、シャフトと一体のディスクアーマチュアと、その各側で非接触様式でディスクアーマチュアに面する第１および第２のステータ電磁石とを備える。

電動コンプレッサーの概略長手方向断面図であり、これは、コンプレッサー部分およびモーター部分を備え、モーター部分は、電気モーターと、二つのラジアル磁気ベアリングおよび磁気スラストベアリングを備え、さらに制御デバイスを大まかに示している。 電動コンプレッサーの別な概略長手方向断面図であり、これは、コンプレッサー部分およびモーター部分を備え、モーター部分は、電気モーターと、二つのラジアル磁気ベアリングおよび磁気スラストベアリングを備える。 電動コンプレッサーの別な概略長手方向断面図であり、これは、コンプレッサー部分およびモーター部分を備え、モーター部分は、電気モーターと、二つのラジアル磁気ベアリングおよび二つの部分に分割された磁気スラストベアリングを備える。 電動コンプレッサーの概略長手方向断面図であり、これは、コンプレッサー部分（図示せず）とモーター部分とを備え、モーター部分は二つのラジアルベアリングレスモーターおよびアクティブアキシャル磁気ベアリングあるいはアキシャルベアリングレスモーターを備える。 アキシャルベアリングレスモーターの斜視図である（巻き線は示していない）。 ラジアルベアリングレスモーターの斜視図である（巻き線は示していない）。 ダブルホイールを備えたコンプレッサー部分の一例の概略図である。 タンデムホイールを備えたコンプレッサー部分の一例の概略図である。 ダブルタンデムホイールを備えたコンプレッサー部分の一例の概略図である。

本発明を、例として提示した好ましい実施形態に関連付けて説明する。

図２は、ヒートベンチレーションエアコンディショニング（ＨＶＡＣ）用の遠心電動コンプレッサーの一例を示しており、これは、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）あるいは電気自動車（ＥＶ）にとって、あるいは、さもなければ航空機あるいはその他の種類のビークルにとって専用のものであってもよい。そうした遠心電動コンプレッサーはまた、ターボチャージャーを増圧するために採用可能である。

モーター部分２０のローターシャフト１５は、遠心コンプレッサーホイール１１を駆動するために、コンプレッサー部分１０の遠心コンプレッサーホイール１１に結合されている。

電気モーター３０は、誘導ローター、永久磁石ローター、ヒステリシスローターおよびリラクタンスローターの中から選ばれ何らかのタイプであってもよいローター３１を備える。電気モーター３０は、さらに、巻き線３２ａを備えたステータ３２を備える。

第１および第２のアクティブ磁気ベアリング４０，５０は、電動コンプレッサーの機能的動作の間、浮揚状態でシャフト１５を支持するために、電気モーター３０の各側に配置される。各アクティブラジアル磁気ベアリング４０，５０は、シャフト１５に固定されたローター４１，５１と、巻き線４２ａ，５２ａを備えたステータ４２，５２とを備える。

アクティブアキシャル磁気ベアリング６０（スラストベアリング）は、一方で、シャフト１５の軸線に対して垂直にマウントされかつローターアーマチュアを構成するディスク６１を、そして他方で、図２に示すように、Ｃ形コアを有してもよいステータ６２，６３に配置された少なくとも一つの環状コイルすなわち巻き線６２ａ，６３ａをそれそれが有する第１および第２のステータ６２，６３を備える。これに代えて、各ステータ６２，６３は二つのコイルを備えたＥ形コアを有することができる。

ラジアルベアリングローター４１，５１は強磁性ラミネーションを備えるが、これは、ステータ４２，５２の電磁石によって形成される磁界によって適所にて保持される。

シャフト１５はラジアル磁気ベアリングによって非接触様式で浮揚させられる。シャフトのポジションは、たとえば可変誘導タイプのセンサー（図示せず）によってモニターされるが、これは、基準ポジションからのズレを検出し、そしてシャフト１５をその基準ポジションへと戻すためにラジアルベアリングの巻き線４２ａ，５２ａ内の電流を制御するための制御システム（図２には示していない）において使用される信号を発する。アキシャルベアリング６０は同じ原理に基づいており、センサー（図示せず）は、シャフト１５の軸方向ポジションを調整するためにアキシャルベアリング６０のコイル６２ａ，６３ａ内のコマンド電流を調整するためのコントローラーへと信号を送る。

補助ランディングベアリング８が、特に、モーター部分２０の始動あるいは停止動作中に、そしてまた、ビークルに存在する、たいてい高いレベルの振動による衝撃荷重が作用する場合の短い間欠的時間の間に、シャフト１５を支持するために使用される。

概して、ローターシャフトが、そのポジションを検出するためのセンサーに基づいてサーボ制御されるアクティブ磁気サスペンションによって懸架される場合、機械が停止している間、あるいは磁気サスペンションの全体的あるいは部分的故障の場合にシャフトを支持するために、補助ベアリング（非常用ベアリングとしても知られる）が設けられ、これによって、ステータ電磁石の巻き線が適切に給電されない場合の、ローターの磁気サーキットと磁気ベアリングあるいはベアリングレスモーターのステータとの間の直接的な接触が抑止され、したがって、そのラミネーションへのダメージが回避される。通常動作時には、補助ベアリングはロータリーシャフトの周囲にクリアランスを残し、それ自体は回転しない。補助ベアリングのために付与されたクリアランスは、概して、磁気ベアリングあるいはベアリングレスモーターのエアギャップの幅の約二分の一である。

補助ランディング／タッチダウンベアリング８は、さまざまな構造を有することができ、かつ、たとえば、転がりベアリング、ニードルベアリング、滑りベアリング、ブッシュ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の、そして電気モーター３０のステータ巻き線間に配置されてもよい。

ケーシングあるいはフランジおよび冷却剤を含む冷却システムは一般的なものであり、図示していない。

図２において、アキシャルベアリング６０は、ディスクアーマチュア６１およびシャフト１５の端部に配置された二つのステータ６２，６３を備え、一方、コンプレッサーホイールはシャフトの別な端部に配置される。だが、図１に示すように、アキシャルベアリング６０はまた、コンプレッサーホイール１１と同じ側に配置されてもよい。

図１に示すように、可変周波数ドライブ７１と、電気モーター３０およびラジアル電磁ベアリング４０，５０，６０と関連付けられた増幅器７２と備えた制御サーキット７０がフランジに組み込まれ、かつ、鉄製シャフト１５の第２の端部に配置されている。制御サーキット７０は、フィードスルー７４を介して、電気モーター３０に、そしてラジアルおよびアキシャル電磁ベアリングに接続されている。コネクター７３は、制御サーキット７０を、電動コンプレッサーから遠隔位置に配置された、さらなるコントローラーに接続する役割を果たす。

図３は図２の実施形態と類似の実施形態を示しているが、アキシャル磁気ベアリングは、シャフト１５の両端に配置された二つの部分６０Ａ，６０Ｂへと分割されている。シャフト１５と一体のディスクアーマチュア６１Ａがコンプレッサーホイール１１近くのシャフト１５の第１の端部に配置されており、それは図１のステータ６２と類似していてもよい第１のコイル６２ａを有する第１のステータ６２と協働する。シャフト１５と一体のディスクアーマチュア６１Ｂがシャフト１５の第２の端部に配置されており、それは図２のステータ６３と類似していてもよい第２のコイル６３ａを有する第２のステータ６３と協働する。

図１ないし図３は、シングルホイールを有するコンプレッサー部分１０を示している。だが、別な設計のコンプレッサー部分１０を、本明細書で説明する、さまざまな実施形態と組み合わせて採用できる。

したがって、図７に示すように、コンプレッサー部分１０は、ダブルホイール１１，１３を含んでいてもよい。図８に示すように、コンプレッサー部分１０Ａ，１０Ｂはタンデムホイール１１，１２を含んでいてもよい。図９にしめすように、コンプレッサー部分１０Ａ，１０Ｂはダブルタンデムホイール１１，１３，１２，１４を含んでいてもよい。図７ないし図９に基づくコンプレッサーホイールの形態は、圧力比を増大させるか、あるいは流量を増大させることを意図したものである。

以下、本発明の好ましい実施形態について図４ないし図６に関連付けて説明する。

図４は、鉄製シャフト１５および図１ないし図３の実施形態よりも、さらにコンパクトなモーター部分２０を備えた実施形態を示している。というのは、電動モーター３０およびラジアル磁気ベアリング４０，５０は、第１および第２のラジアルベアリングレスモーター１４０，１５０で置き換えられているからである。図４において、コンプレッサー部分１０は省略されているが、図１ないし図３、そして図７ないし図９を参照して先に説明したように実現されてもよい。

図４の実施形態は、シャフト長を低減することを可能とし、したがって全体レイアウトを改善する。

ラジアルベアリングレスモーター１４０，１５０はそれぞれ、シャフト１５と一体のディスク状中心アーマチュア１４１，１５１と、巻き線１４２ａ，１５２ａを備えたステータ１４２，１５２とを備える。

ラジアルベアリングレスモーター１８０の一例が図６に示されている。そうしたラジアルベアリングレスモーター１８０はシャフト１５と一体のローター１８１と、コイル１８５を収容するためのスロット１８４を備えたステータ１８２とを備える。ローター１８１は、選択された原理（永久磁石、誘導、スイッチトリラクタンス、ヒステリシス）に依存して、さまざまな構造要素１８３を支持する。

基本的に、ステータ巻き線１８５は、トルク巻き線および懸架力巻き線の両方の機能を発揮する。一例として、二つの磁界（これは１だけ極対数の相違を伴って二つの巻き線セットによって形成されてもよい）が重畳される場合、トルクおよび半径方向の力が生み出される。したがって、リラクタンスモーターの４極モーター巻き線を２極ベアリング巻き線と組み合わせることが可能であるが、多くのそれ以外の実施形態も可能である。

米国特許第6,727,618号明細書は、ベアリングレススイッチトリラクタンスモーターの一例が開示されている。

ラジアルベアリングレスモーター１４０，１５０，１８０のステータ部分１４２，１５２，１８２においては、支持力およびモータートルクを印加するために、別体のコイルが使用されてもよい。

これに代えて、必要な支持力およびモータートルクは、結合巻き線によって各コイルにおいて発生させられてもよい。そうした例では、シングルコイルが、必要なモーターおよびベアリングアンペアターンを共通して受け持つ。

図４において、参照数字１３０は、アキシャルベアリングレスモーターならびにアキシャルアクティブ磁気ベアリングを示している。後者の場合、ディスクアーマチュア１３１ならびに巻き線１３２ａおよび１３２ｂを備えたステータ部分１３２，１３３は、それぞれ図２に示すスラストベアリング６０のように構成されてもよく、すなわち巻き線１３２ａ，１３３ａはシャフト１５の軸線上に中心が置かれた環状コイルによって形成されるであろう。アキシャル磁気ベアリング１３０はまた、図４に示すようにシングル環状コイル１３２ａ，１３３ａを備えたＣ形状を有するか、あるいは二つの同心環状コイルを備えたＥ形状を有するステータ部分１３２，１３３を備えることができる。

先に述べたように、参照数字はまたアキシャルベアリングレスモーターを示すことがある。そうした場合には、図４の実施形態は、第１および第２のラジアルベアリングレスモーター１４０，１５０と、この第１および第２のラジアルベアリングレスモーター１４０，１５０間に配置された中央アキシャルベアリングレスモーターとを備える。アキシャルベアリングレスモーター１３０もまた、シャフト１５と一体のディスクアーマチュア１３１と、このディスクアーマチュア１３１の各側に配置された第１および第２のステータ部分１３２，１３３とを備えるが、巻き線１３２ａおよび１３３ａは異なるように配置される。

図５は、アキシャルベアリングレスモーター１３０の実施可能な形態の一例を斜めから見て示している。図５のアキシャルベアリングレスモーター１３０は、複数の極対アーマチュア１３８を有するローター部分１３１と、モータートルクおよび軸方向支持力を印加するよう構成された巻き線（図５では示していない）をそれぞれ収容するためのスロット１３４，１３５を備えたコアをそれぞれ含む第１および第２のステータ部分１３２，１３３とを具備し、第１および第２のステータ部分１３２，１３３はローター部分１３１の各側に配置される。

アキシャルベアリングレスモーターのステータ部分１３２，１３３においては、支持力およびモータートルクを印加するために別個のコイルを使用可能である。

これに代えて、必要な支持力およびモータートルクを、結合巻き線によって各コイルに発生させることができる。そうした例では、シングルコイルが、必要とされるモーターおよびベアリングアンペアターンを共通して受け持つ。

複数の極対アーマチュア１３８が例として図５に示されている。だが、ローター１３１は、選択された原理（永久磁石、誘導、スイッチトリラクタンス、ヒステリシス）に依存して、さまざまな構造要素を支持することができる。

非限定的例として、ステータ１３２および永久磁石１３８を備えたローター１３１は永久磁石モーターを構成でき、この場合、ローター表面上の永久磁石１３８は、第１の方向（図５の形態においては上方向）に軸方向の力を発生させ、一方、ステータ１３３およびローター１３１は同期リラクタンスモーターを構成でき、この場合、同期リラクタンスモーターの巻き線電流は、第１の方向とは反対の方向（図５の形態においては下方向）に調整可能な軸方向の力を発生させる。ローターの軸方向ポジションは、したがって、同期モーターの電流によって制御可能である。だが、先に述べたように、アキシャルベアリングレスモーター１３０がモータートルクおよび軸方向支持力を印加するという二つの機能を実現するや否や、モータータイプの別な組み合わせが選択されてもよい。

先に説明したアクティブラジアル磁気ベアリング４０および５０と類似の、そしてローターアーマチュア１４１，１５１および巻き線１４２ａ，１５２ａを備えたステータ１４２，１５２を含むアクティブラジアル磁気ベアリング１４０および１５０が、アキシャルベアリングレスモーター１３０の各側に配置されてもよい。

だが、上述したように、第１および第２のラジアルベアリングレスモーター１４０，１５０は、好ましくは、アキシャルベアリングレスモーター１３０あるいはスラスト磁気ベアリングと組み合わせて使用される。

好ましい実施形態について図示説明したが、特許請求の範囲において規定された本発明の趣旨から逸脱することなく、変更および改変が可能であることは明らかである。

８ 補助ランディングベアリング
１０ コンプレッサー部分
１１ 遠心コンプレッサーホイール
１５ ローターシャフト
２０ モーター部分
３０ 電気モーター
３１ ローター
３２ ステータ
３２ａ 巻き線
４０，５０ アクティブ磁気ベアリング
４１，５１ ローター
４２，５２ ステータ
４２ａ，５２ａ 巻き線
６０ アクティブ磁気ベアリング
６１ ディスク（ディスクアーマチュア）
６２，６３ ステータ
６２ａ，６３ａ 巻き線
７０ 制御サーキット
７１ 可変周波数ドライブ
７２ 増幅器
７４ フィードスルー

Claims (11)

1. モーター部分（２０）と、シャフト（１５）を介して前記モーター部分（２０）によって駆動される遠心コンプレッサー部分（１０）と、を備える、ビークル用のヒートベンチレーションエアコンディショニングシステム（ＨＶＡＣ）のコンパクトな電動コンプレッサーであって、前記モーター部分（２０）は、前記シャフト（１５）に沿って離間させられかつ前記シャフト（１５）を回転させると共に前記電動コンプレッサーの機能的動作中に非接触様式で既定の半径方向ポジションにおいてそれを維持するよう構成された第１および第２のラジアルベアリングレスモーター（１４０，１５０）と、前記第１および第２のラジアルベアリングレスモーター（１４０，１５０）間に配置されかつ前記電動コンプレッサーの機能的動作中に規定の軸方向ポジションにおいて前記シャフト（１５）を維持するよう構成されたアキシャルベアリングレスモーター（１３０）と、を備え、補助ランディングベアリング（８）が、前記第１および第２のラジアルベアリングレスモーター（１４０，１５０）のそれぞれの近傍において前記シャフト（１５）の各端部に配置されており、前記遠心コンプレッサー部分（１０）は、前記シャフト（１５）の第１の端部に少なくとも一つのホイール（１１，１３）を備え、かつ、前記ラジアルベアリングレスモーター（１４０，１５０）および前記アキシャルベアリングレスモーター（１３０）と関連付けられた制御回路（７０）が前記シャフト（１５）の第２の端部に配置され、かつ、フィードスルー（７４）を介して、前記ラジアルベアリングレスモーター（１４０，１５０）および前記アキシャルベアリングレスモーター（１３０）に対して接続されていることを特徴とするコンパクトな電動コンプレッサー。
2. 前記ラジアルベアリングレスモーター（１４０，１５０）と前記アキシャルベアリングレスモーター（１３０）との間に、セパレータ（９）が設けられることを特徴とする請求項１に記載のコンパクトな電動コンプレッサー。
3. 前記ラジアルベアリングレスモーター（１４０，１５０）はそれぞれ、複数の極対アーマチュア（１８３）を有するローター部分（１８１）と、モータートルクおよび半径方向支持力を印加するよう構成された巻き線を収容するためのスロット（１８４）を備えたコアを具備するステータ部分（１８２）と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のコンパクトな電動コンプレッサー。
4. 前記ステータ部分（１８２）の前記スロット（１８４）内に別個の巻き線が設けられることを特徴とする請求項３に記載のコンパクトな電動コンプレッサー。
5. 前記ステータ部分（１８２）の前記スロット（１８４）内に共有巻き線が設けられることを特徴とする請求項３に記載のコンパクトな電動コンプレッサー。
6. 前記ラジアルベアリングレスモーター（１４０，１５０）は、誘導ローター、永久磁石ローター、ヒステリシスローターおよびリラクタンスローターの中から選ばれたローター部分（１８１）を備えることを特徴とする請求項１に記載のコンパクトな電動コンプレッサー。
7. 前記遠心コンプレッサー部分（１０Ａ，１０Ｂ）はタンデムホイール（１１，１２）を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のコンパクトな電動コンプレッサー。
8. 前記遠心コンプレッサー部分（１０Ａ，１０Ｂ）はダブルタンデムホイール（１１，１３，１２，１４）を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のコンパクトな電動コンプレッサー。
9. 前記遠心コンプレッサー部分（１０）はダブルホイール（１１，１３）を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のコンパクトな電動コンプレッサー。
10. 前記アキシャルベアリングレスモーター（１３０）は、複数の極対アーマチュア（１３８）を有するローター部分（１３１）と、第１および第２のステータ部分（１３２，１３３）と、を備え、前記第１および第２のステータ部分（１３２，１３３）はそれぞれ、モータートルクおよび軸方向支持力を印加するよう構成された巻き線をそれぞれ収容するためのスロット（１３４，１３５）を備えたコアを具備し、前記第１および第２のステータ部分（１３２，１３３）は前記ローター部分（１３１）の各側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のコンパクトな電動コンプレッサー。
11. ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）あるいは電気自動車（ＥＶ）に適用されることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載のコンパクトな電動コンプレッサー。