(57)【要約】【課題】振動を低減できる電動過給機を提供する。【解決手段】電動過給機１０１は、電動モータ３０と、電動モータ３０によって駆動されるインペラ４０とを備える。インペラ４０は流体を過給する翼体４４を備え、翼体４４の数は５以上の素数である。翼体４４の数が素数であるため、電動モータ３０と吐出脈動との振動次数成分がずらされる。【選択図】図２
2015194106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機と、前記回転電機によって駆動されるインペラとを備える電動過給機であって、
前記インペラは流体を過給する翼体を備え、前記翼体の数は５以上の素数である、
電動過給機。
【請求項２】
前記回転電機は磁石および交流巻線を備え、前記磁石の磁極数は偶数であり、前記交流巻線の相数は３である、請求項１に記載の電動過給機。
【請求項３】
前記電動過給機は、前記翼体とは異なる中間翼を備え、
前記翼体は、前記流体の流路に沿って第１の長さに渡って延在し、
前記中間翼は、前記流体の流路に沿って、前記第１の長さより短い長さに渡って延在する、
請求項１または２に記載の電動過給機。
【請求項４】
前記翼体の数は７または１１である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電動過給機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電動過給機に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体機械には、インペラ（コンプレッサホイールとも呼ばれる）を電動モータ等の回転電機で回転駆動するものがある。特許文献１にはこのような流体機械の例として、電動エアポンプの構成が記載されている。
【０００３】
流体機械には、特許文献１のような電動エアポンプとは異なる技術分野に属する、電動過給機がある。電動過給機では、回転駆動に伴って各種の振動が発生する。この振動には、電動モータのトルク変動に起因するものと、流体の吐出脈動に起因するものとがある。
【０００４】
電動モータのトルク変動に起因する振動の振動数は、磁極と巻線との関係に依存する。たとえば、磁極数が２（Ｎ極及びＳ極がそれぞれ１つずつ）であり、かつ巻線の相数が３（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の巻線がそれぞれ１組ずつ）である場合には、回転軸の回転に対して６次の整数倍成分を有する振動が発生する。
【０００５】
また、流体の吐出脈動に起因する振動の振動数は、インペラの翼体の構成に依存する。たとえば６枚の翼体を備えるインペラでは、回転軸の回転に対して６次の整数倍成分を有する振動が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２９１１４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の構成では、電動モータのトルク変動に起因する振動と、流体の吐出脈動に起因する振動との次数がミートし、大きな振動が発生するという問題があった。
【０００８】
ここで「ミートする」とは、それぞれの振動の次数が１以外の公約数を持つことを意味する。たとえば、電動モータのトルク変動に起因する振動と、流体の吐出脈動に起因する振動とが、いずれも６次の整数倍成分を有する場合には、これらは公約数として２、３及び６を有するため、振動の周期が一致して大きな振動が発生する。
【０００９】
この発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、振動を低減できる電動過給機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、この発明に係る電動過給機は、回転電機と、回転電機によって駆動されるインペラとを備える電動過給機であって、インペラは流体を過給する翼体を備え、翼体の数は５以上の素数である。
【００１１】
この電動過給機では、翼体の数が素数であるため、電動モータと吐出脈動との振動次数成分がずらされる。
【００１２】
回転電機は磁石および交流巻線を備え、磁石の磁極数は偶数であり、交流巻線の相数は３であってもよい。
電動過給機は、翼体とは異なる中間翼を備え、翼体は、流体の流路に沿って第１の長さに渡って延在し、中間翼は、流体の流路に沿って、第１の長さより短い長さに渡って延在してもよい。
翼体の数は７または１１であってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
この発明に係る電動過給機によれば、翼体の数が素数であるため、電動モータと吐出脈動との振動次数成分がずらされ、全体の振動を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態１に係る電動過給機の構成を示す断面側面図である。
【図２】図１のインペラを軸方向から見た図である。
【図３】図１のインペラの部分斜視図である。
【図４】図１の電動モータの構成の一部の概略である。
【図５】実施の形態２に係るインペラを軸方向から見た図である。
【図６】図５のインペラの部分斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
まず、この発明の実施の形態１に係る電動過給機１０１の構成を説明する。
図１を参照すると、電動過給機１０１は、吸入した流体（たとえば気体であり、本実施の形態では空気とする）を過給するための過給部１と、過給部１を回転電機である電動モータ３０を用いて駆動するための駆動部２とによって構成されている。
【００１６】
過給部１は、回転することによって吸入空気を過給するインペラ４０と、インペラ４０と一体回転可能なシャフト２２と、コンプレッサカバー１１及びシールプレート１２とを備えている。コンプレッサカバー１１及びシールプレート１２はたとえば金属製であり、互いに組み付けられることによって内部にインペラ４０を収容する。ここで、シャフト２２は回転軸を構成している。
【００１７】
シャフト２２は、コンプレッサカバー１１の内部からシールプレート１２を貫通して駆動部２に延在している。このとき、シールプレート１２はシャフト２２の径方向に延在している。
コンプレッサカバー１１及びシールプレート１２によって囲まれた内部には、インペラ４０を回転可能に収容するインペラ室１５と、インペラ室１５からシャフト２２の軸方向に延在して外部に開口する吸入路１６と、インペラ室１５に連通し且つインペラ４０の周囲を囲むように延在して外部に開口する環状の排出路１７とが形成されている。
【００１８】
駆動部２は、金属製の有底筒状のモータケース１３と、モータケース１３の開口を閉鎖するエンドプレート１４とを備えている。そして、モータケース１３及びエンドプレート１４は、その内部に電動モータ３０を収容するモータ室１８を形成している。ここで、モータ室１８は、回転電機室を構成している。
【００１９】
モータケース１３の筒状の側壁１３ａの外周側には、周囲の空気によるモータケース１３の冷却効率を向上させるために複数の放熱フィン１３ｃが一体に突出形成されている。
そして、コンプレッサカバー１１、シールプレート１２、モータケース１３及びエンドプレート１４は、電動過給機１０１のハウジング１０を形成している。
【００２０】
モータケース１３の底部である底壁１３ｂには、シールプレート１２が固定されている。そして、底壁１３ｂの中央には、モータ室１８内に開口すると共にシールプレート１２に向かって開口する底壁貫通穴１３ｂ１が貫通形成されている。底壁貫通穴１３ｂ１は、シャフト２２の外径よりも大きい内径を有し、シャフト２２を通している。そして、底壁１３ｂは、シャフト２２の径方向に延在している。ここで、底壁１３ｂは、モータ室１８とインペラ室１５とを隔てる隔壁を構成し、底壁貫通穴１３ｂ１は、シャフト２２の回転軸挿通穴を構成している。
【００２１】
さらに、シールプレート１２には、底壁貫通穴１３ｂ１に隣接し且つ連通するプレート貫通穴１２ａが貫通形成されている。そして、シャフト２２は、プレート貫通穴１２ａ及び底壁貫通穴１３ｂ１を通って、モータ室１８内に延在している。このとき、シャフト２２の軸方向はモータケース１３の筒状の側壁１３ａの延在方向に沿う方向となっている。
【００２２】
シャフト２２の外周面２２ｃは、モータ室１８内に設けられた第一軸受２３及び第二軸受２４によって周方向に回転可能に支持されている。第一軸受２３は、底壁１３ｂの近傍でシャフト２２を支持し、第二軸受２４は、エンドプレート１４側の端部２２ｂの近傍でシャフト２２を支持している。第一軸受２３及び第二軸受２４は、いずれも、外輪及び内輪を備えており、外輪及び内輪は互いに回転可能である。第一軸受２３及び第二軸受２４はたとえばボールベアリングである。ボールベアリングとしては、たとえばアンギュラーベアリングを用いることができる。
【００２３】
第一軸受２３は、底壁貫通穴１３ｂ１に隣接して位置している。第一軸受２３は、第一軸受スリーブ２５によって支持及び固定される。第一軸受スリーブ２５は、第一軸受２３の外周を囲むフランジ付円筒形状を有する。第一軸受スリーブ２５は、底壁１３ｂに固定される。底壁貫通穴１３ｂ１の内径は、第一軸受２３の外径よりも小径であり、第一軸受２３は、底壁貫通穴１３ｂ１における底壁１３ｂとシャフト２２との間の隙間を塞いでいる。
【００２４】
第二軸受２４は、第二軸受スリーブ２６によって支持及び固定されている。第二軸受スリーブ２６は、第二軸受２４の外周を囲むフランジ付円筒形状を有する。第二軸受スリーブ２６は、エンドプレート１４に固定される。
【００２５】
シャフト２２は、端部２２ａ側において、インペラ４０の中心の挿通孔４１内に通されている。シャフト２２の外周面２２ｃ上には、固定ナット２７及びシールカラー２８が取り付けられている。シールカラー２８は、インペラ４０に対してシャフト２２における端部２２ａと反対側に且つプレート貫通穴１２ａ内に位置している。さらに、シールカラー２８は、シャフト２２に係合し、インペラ４０と反対側への移動がシャフト２２により阻止されるように構成されている。
【００２６】
固定ナット２７は、インペラ４０に対して端部２２ａ側に位置し、シャフト２２に逆ねじ方式で螺合する。固定ナット２７と締め付けることによって、インペラ４０が固定ナット２７及びシールカラー２８に挟まれて軸方向に固定される。
【００２７】
また、モータ室１８内における第一軸受２３及び第二軸受２４の間において、シャフト２２の外周面２２ｃ上には、円筒状のロータコア３１がシャフト２２と一体に回転するように設けられている。ロータコア３１内には、その外周面に沿って永久磁石３２が埋め込まれている。
【００２８】
さらに、モータ室１８内では、ロータコア３１の外周を囲むようにして円筒状のステータコア３３が設けられている。ステータコア３３は、モータケース１３の側壁１３ａに固定されている。さらに、ステータコア３３内では巻線が巻回され、この巻線はコイル３４（交流巻線）を形成し、ステータコア３３の両端から突出している。
【００２９】
そして、巻線に電力が供給されると、コイル３４から回転磁界が発生し、この回転磁界の作用を永久磁石３２が受けることによって、ロータコア３１がシャフト２２及びインペラ４０と共に回転駆動される。
【００３０】
上述のようなシャフト２２、ロータコア３１、永久磁石３２、ステータコア３３及びコイル３４は、電動モータ３０を構成している。そして、シャフト２２は、インペラ４０及び電動モータ３０の回転軸を兼ねている。
【００３１】
図２及び図３に、インペラ４０の構成の例を示す。図２は軸方向の端部２２ａ側から見た図であり、図３は端部２２ａ寄りの方向から見た部分斜視図である。
インペラ４０は、吸入路１６内に配置される、または吸入路１６に向けて配置される、端面４２を備える。端面４２はたとえば円形に形成される。端面４２の、たとえば中央には、上述の挿通孔４１が開口する。また、インペラ４０は、吸入路１６から排出路１７に向かって広がる斜面４３を備える。斜面４３は漏斗状に形成され、端面４２の付近では傾斜が急であり（すなわち回転軸と平行に近く）、端面４２から離れるにつれて傾斜が緩やかとなる（すなわち回転軸と垂直に近くなる）。
【００３２】
斜面４３には、７枚の翼体４４が設けられる。翼体４４は、吸入側端４４ａと排出側端４４ｂとを有する湾曲した板状に形成される。翼体４４は、インペラ４０の回転に伴ってインペラ室１５内の空気を吸入路１６から排出路１７へと圧送する形状となっている。なお各翼体４４の形状は、図示のものに限らず、他の公知の翼体の形状としてもよい。
【００３３】
７枚の翼体４４は、周方向に等間隔に設けられる。すなわち、互いに隣接する２枚の翼体４４の対応する部位どうし（たとえば排出側端４４ｂどうし）は、軸周りに約５１度の角度をなして配置される。翼体４４は、たとえば７枚すべてが回転対称または実質的に回転対称となるよう設けられてもよい。このような構成により、インペラ４０が軸周りに一定速度で回転すると、排出路１７側では７つ排出側端４４ｂにより回転７次の整数倍成分の吐出脈動が発生することになる。
【００３４】
図４に、電動モータ３０の構成の一部を概略的に示す。なお、図４は説明の便宜上簡略化した図であり、各構成要素の配置及び形状等は図１の内容と厳密には整合しない場合がある。
【００３５】
ロータコア３１（少なくともその一部）は、永久磁石３２の極性により、Ｎ極部分３１ａとＳ極部分３１ｂとに分かれる。磁極数は、図４の例では２（すなわち１組）であるが、偶数であれば４以上（すなわち２組以上）であってもよい。永久磁石３２の各極は周方向に等間隔に設けられる。したがって、各極に対応する部分も、周方向に等間隔に形成されることになる。図４の例では磁極が１組であるため、永久磁石３２のＮ極及びＳ極は（または、ロータコア３１のＮ極部分３１ａ及びＳ極部分３１ｂは）互いに１８０度の角度をなす。
【００３６】
このような構成により、シャフト２２が軸周りに一定速度で回転すると、ロータコア３１と他の磁力源（たとえばステータコア３３）との間に作用する磁力に、回転２Ｎｍ次の整数倍成分の脈動が発生することになる（ただしＮｍは磁極の組数である）。これは電動モータ３０のトルク変動の原因となる。
【００３７】
ステータコア３３及びコイル３４は各相について設けられる。相数は、図４の例では３であるが、それ以上であってもよく、たとえば６相であってもよい。各相のステータコア３３及びコイル３４は、周方向に等間隔に設けられる。図４の例では相数が３であるため、各相は互いに１２０度の角度をなす。このような構成により、シャフト２２が軸周りに一定速度で回転すると、ステータコア３３と、シャフト２２と共に回転する他の磁力源（たとえばロータコア３１）との間に作用する磁力に、回転Ｐ次の整数倍成分の脈動が発生することになる（ただしＰは相数である）。これは電動モータ３０のトルク変動の原因となる。
【００３８】
次に、この発明の実施の形態１に係る電動過給機１０１の動作を説明する。
図１を参照すると、電動過給機１０１において、図示しない電源によって電動モータ３０のコイル３４に電力が印加されると、コイル３４が発生する回転磁界によってロータコア３１が回転駆動され、それによって、シャフト２２及びインペラ４０が中心軸ＣＡを中心に高速回転駆動される。これに伴い、インペラ４０の翼体４４は、吸入路１６から吸入する空気を圧縮つまり過給して排出路１７へと圧送する。
【００３９】
電動モータ３０において、磁極数及び相数に依存するトルク変動が発生し、これが電動過給機１０１の振動の原因となる。図４の例では２次の整数倍成分の振動と、３次の整数倍成分の振動とが発生する（したがって６次の整数倍成分の振動も発生する）。
【００４０】
また、排出路１７またはその周辺において、翼体４４の数に依存する吐出脈動が発生し、これが電動過給機１０１の振動の原因となる。図２の例では７次の整数倍成分の振動が発生する。
【００４１】
ここで、電動モータ３０のトルク変動に起因する振動（またはそのような振動のうち主なもの）は、２次の整数倍成分及び３次の整数倍成分のみを含み、吐出脈動に起因する振動（またはそのような振動のうち主なもの）は、７次の整数倍成分のみを含むので、互いの振動次数成分がずらされ、全体の振動を低減することができる。少なくとも、電動過給機１０１の回転周波数よりも高次の成分については振動が低減される。
【００４２】
このように、本実施形態に係る電動過給機１０１によれば、振動が低減される。また、振動が低減されることにより、電動過給機１０１の信頼性は機械的にも電気的にも高いものとなる。
【００４３】
実施の形態１において、次のような変形を施すことができる。
翼体４４の数は、５以上の素数であれば７枚でなくとも良い。５以上の素数であれば、吐出脈動は２次及び３次の整数倍成分を含まないので、実施の形態１と同様の原理で振動を低減できる。また、翼体４４の数は、素数でなくとも、２の倍数でも３の倍数でもない数とすれば、同様の原理で振動を低減できる。
【００４４】
ただし、翼体を５枚とすると、翼体１枚あたりの吐出脈動が大きくなるため、７枚以上とすると好適である。また、翼体を１３枚以上とすると、翼体自体が占める体積のためインペラの回転あたりの流量が減少するというデメリットが顕著になるため、１１枚以下とすると好適である。以上より、翼体の数を７枚または１１枚とすると好適であるということができる。
【００４５】
電動モータ３０の磁極数は２でなくともよく、相数は３でなくともよい。磁極数を２Ｎｍとし、相数をＰとする場合、翼体４４の数は、２Ｎｍと互いに素であり、かつＰとも互いに素である数とすればよい。
【００４６】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る電動過給機は、実施の形態１に係る電動過給機１０１において、インペラ４０の形状を変更したものである。以下、実施の形態１との相違点を説明する。
【００４７】
図５及び図６に、実施の形態２に係るインペラ１４０の構成の例を示す。図５は軸方向の端部２２ａ側から見た図であり、図６は端部２２ａ寄りの方向から見た部分斜視図である。
実施の形態１のインペラ４０の挿通孔４１、端面４２及び斜面４３と同様に、インペラ１４０には挿通孔１４１、端面１４２及び斜面１４３が設けられる。
【００４８】
斜面１４３には、７枚の翼体１４４に加え、翼体１４４とは異なる７枚の中間翼１４５が設けられる。翼体１４４の形状は、実施の形態１の翼体４４と同様であり、吸入側端１４４ａと排出側端１４４ｂとを有する湾曲した板状である。ここで、翼体１４４は、中間翼と対比した場合には「主翼」と表現することもできる。
【００４９】
翼体１４４と同様に、中間翼１４５も吸入側端１４５ａと排出側端１４５ｂとを備え、インペラ１４０の回転に伴ってインペラ室１５内の空気を吸入路１６から排出路１７へと圧送する形状となっている。ただし、中間翼１４５の長さは、翼体１４４の長さよりも短い。すなわち、翼体１４４は、過給される空気の流路に沿って第１の長さＬ１に渡って延在し、中間翼１４５は、空気の流路に沿って、Ｌ１より短い第２の長さＬ２に渡って延在する。
【００５０】
言い換えると、中間翼１４５の表面積は、翼体１４４の表面積よりも小さいということができ、中間翼１４５のサイズは、翼体１４４のサイズよりも小さいということもでき、また、過給作用に対する中間翼１４５の寄与は、翼体１４４の寄与よりも小さいということもできる。
【００５１】
翼体１４４及び中間翼１４５は、周方向に等間隔に設けられる。すなわち、互いに隣接する翼体１４４及び中間翼１４５の対応する部位どうし（たとえば排出側端１４４ｂと排出側端１４５ｂ）は、軸周りに約２６度の角度をなして配置される。中間翼１４５は、たとえば７枚すべてが回転対称または実質的に回転対称となるよう設けられてもよい
【００５２】
実施の形態２に係る電動過給機は、実施の形態１に係る電動過給機１０１と同様に作用する。また、翼体１４４の吐出脈動に起因する振動と、中間翼１４５の吐出脈動に起因する振動とは、いずれも７次の整数倍成分のみを含むので、電動モータ３０のトルク変動に起因する振動とは振動次数成分がずれており、全体の振動が低減される。
【００５３】
なお、翼体１４４の吐出脈動と中間翼１４５の吐出脈動とが合成された振動については、電動モータ３０の振動と振動次数成分が部分的に一致する場合があるので、そのような部分については、振動低減効果が部分的に弱まる可能性はある。しかしながら、これは実施の形態２において得られる振動低減効果を本質的に喪失させるものではない。
【００５４】
実施の形態２において、次のような変形を施すことができる。
中間翼１４５の数は任意に設計可能である。実施の形態２では翼体１４４：中間翼１４５の枚数比が１：１であるが、たとえば１：２としてもよい。
【００５５】
また、中間翼１４５の形状は、翼体１４４より表面積が小さいか、翼体１４４より長さが短いか、翼体１４４よりサイズが小さいか、または過給作用に対する寄与が翼体１４４より小さくなるような形状であれば、図示のもの以外の形状としてもよい。とくに、中間翼１４５の吸入側端１４５ａ及び排出側端１４５ｂの流路方向における位置は、図示のものに限らない。
【符号の説明】
【００５６】
３０  電動モータ（回転電機）、３２  永久磁石（磁石）、３４  コイル（交流巻線）、４０，１４０  インペラ、４４，１４４  翼体、１４５  中間翼、１０１  電動過給機。
【図１】
2015194106.tif 000003
【図２】
2015194106.tif 000004
【図３】
2015194106.tif 000005
【図４】
2015194106.tif 000006
【図５】
2015194106.tif 000007
【図６】
2015194106.tif 000008