(57)【要約】【課題】 大型化およびコスト増を伴わずに、入力電圧が変動した場合の圧縮空気供給能力の低下を解消した燃料電池用圧縮機を提供する。【解決手段】  モータ20を駆動する駆動装置15は、モータ20をＰＷＭ制御によって制御するモータドライバ16と、モータドライバ16に電力を供給するバッテリー17と、モータドライバ16に入力される電圧を検出する電圧検出手段18とを有している。モータドライバ16は、入力電圧が低下した際にＰＷＭのパルス幅を長くするパルス幅変更手段を有している。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端にインペラを有しケーシングの内側で回転する回転軸と、回転軸を支持する軸受装置と、回転軸を回転させるモータと、モータを駆動する駆動装置とを備え、インペラの回転によって空気をケーシングの気体流通部内の空間で圧縮して燃料電池に供給する燃料電池用圧縮機において、
駆動装置は、モータをＰＷＭ制御によって制御するモータドライバと、モータドライバに電力を供給する電源と、モータドライバに入力される電圧を検出する電圧検出手段とを有しており、モータドライバは、入力電圧が低下した際にＰＷＭのパルス幅を長くするパルス幅変更手段を有していることを特徴とする燃料電池用圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素および酸素からエネルギーを生成する燃料電池装置の酸素供給側に設置されて圧縮空気を燃料電池に供給する燃料電池用圧縮機に関し、特に、燃料電池車への搭載に適した燃料電池用圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を搭載して走行する燃料電池車は、そのプロトタイプが既に製造されており、特許文献１には、燃料電池車の燃料電池に圧縮空気を供給するための圧縮機に適するものとして、スクロール型圧縮機を備えたものが提案されている。
【０００３】
また、圧縮機として、スクロール型以外に、一端にインペラを有しケーシングの内側で回転する回転軸を備え、インペラの回転によって空気をケーシングの気体流通部内の空間で圧縮するタービンコンプレッサなどと称される遠心圧縮機も知られている（特許文献２）。
【特許文献１】特開２００２−７０７６２号公報
【特許文献２】特開平７−９１７６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池車で使用される燃料電池装置においては、その小型化、コスト低減および軽量化などが重要な課題となっており、圧縮機に対しても、より一層の小型化が求められている。そこで、容積形圧縮機の１種である上記特許文献１のスクロール型圧縮機に代えて、圧縮変動がなくかつ小型化が可能な非容積形の遠心圧縮機を使用することが望まれている。
【０００５】
遠心圧縮機では、モータドライバによってモータをＰＷＭ制御することが一般的なものとなっているが、この場合、モータドライバの入力電圧（通常はバッテリー電圧）が変動すると、ＰＷＭ制御しているモータドライバ出力もそれに応じて変動するため、圧縮機による圧縮空気供給能力を一定に保てないという問題が生じる。この問題を解決するには、例えば、電源入力に定電圧を供給するコンバータを設ければよいが、この構成は、大型化およびコスト増となるという問題がある。
【０００６】
この発明の目的は、大型化およびコスト増を伴わずに、入力電圧が変動した場合の圧縮空気供給能力の低下を解消した燃料電池用圧縮機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明による燃料電池用圧縮機は、一端にインペラを有しケーシングの内側で回転する回転軸と、回転軸を支持する軸受装置と、回転軸を回転させるモータと、モータを駆動する駆動装置とを備え、インペラの回転によって空気をケーシングの気体流通部内の空間で圧縮して燃料電池に供給する燃料電池用圧縮機において、駆動装置は、モータをＰＷＭ制御によって制御するモータドライバと、モータドライバに電力を供給する電源と、モータドライバに入力される電圧を検出する電圧検出手段とを有しており、モータドライバは、入力電圧が低下した際にＰＷＭのパルス幅を長くするパルス幅変更手段を有していることを特徴とするものである。
【０００８】
軸受装置は、回転軸に同心状に設けられて回転軸を径方向から支持する１対のラジアルフォイル軸受と、回転軸にアキシアル方向から対向させられて回転軸をアキシアル方向から支持する制御型アキシアル磁気軸受とを備えていることが好ましい。
【０００９】
ラジアルフォイル軸受は、例えば、回転軸に径方向から対向する軸受面を持つ可撓性の軸受フォイルと、軸受フォイルを支持する弾性体と、軸受フォイルおよび弾性体を回転軸との間に保持する軸受ハウジングとを備えているものとされる。
【００１０】
制御型アキシアル磁気軸受は、５軸制御型の磁気軸受装置で使用されている種々のタイプのものを使用することができ、例えば、永久磁石およびアキシアル電磁石からなるものとされることがあり、１対のアキシアル電磁石からなるものとされることがある。
【００１１】
上記軸受装置によると、ラジアル方向の支持はラジアルフォイル軸受が受け持ち、回転軸の回転時に周囲の空気が軸受フォイルと回転軸との間に引き込まれて圧力（動圧）を発生することにより、非接触で回転軸が保持される。また、アキシアル方向の支持はアキシアル磁気軸受が受け持ち、アキシアル電磁石に流される電流が制御されることにより、非接触で回転軸が保持される。
【００１２】
遠心圧縮機は、回転軸をモータで高速回転させることにより、回転軸の一端に設けられたインペラにアキシアル方向から空気を流入させ、圧縮空気を径方向に流出させるものであることから、回転軸には、アキシアル方向の大きな力が作用する。したがって、アキシアル方向の支持をアキシアルフォイル軸受で行った場合には、軸受の剛性が不足する可能性がある。これに対し、アキシアル方向の支持をアキシアル磁気軸受で行うことにより、負荷容量が増大するとともに、アキシアル方向の力の変動に応じて制御電流を変化させることにより、回転負荷変動に対してもアキシアル方向の非接触支持が確保される。
【００１３】
制御型アキシアル磁気軸受は、例えば、回転軸のフランジ部を介して対向するインペラ側の永久磁石および反インペラ側のアキシアル電磁石からなるものとされる。これにより、アキシアル電磁石は、その吸引力が回転によって生じるアキシアル方向の力の向きと逆になるように配置される。このようにすると、通常１対のアキシアル電磁石を有しているアキシアル磁気軸受に比べて、アキシアル方向の長さを短くすることができ、これにより、回転軸の固有振動数が増大して高速回転が可能となるとともに、より小型化および軽量化することができる。そして、アキシアル電磁石の電磁石コイルに制御電流を流すことで、回転軸が反インペラ側に吸引される。
【００１４】
アキシアル磁気軸受が永久磁石およびアキシアル電磁石からなる場合、永久磁石と対をなすアキシアル電磁石は、電磁石ヨークおよび電磁石コイルからなり、ラジアルフォイル軸受とは別体とされてももちろんよいが、アキシアル電磁石をいずれか一方のラジアルフォイル軸受に一体化してもよい。
【発明の効果】
【００１５】
この発明の燃料電池用圧縮機によると、モータドライバのパルス幅変更手段によって、入力電圧が低下した際にＰＷＭのパルス幅が長くされるので、平均電流が低下することが防止され、これにより、圧縮空気の流量および吐出圧を一定に保つことができる。また、パルス幅の変更は、簡単な制御回路を設けることで可能であるため、電源入力に定電圧を供給するコンバータを設ける場合に比べて、圧縮機を安価でコンパクトなものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。
【００１７】
圧縮機(1)は、図１に示すように、一端にインペラ(12)を有しケーシング(11)の内側で回転する回転軸(13)と、回転軸(13)を支持する軸受装置(14)と、回転軸(13)を回転させるモータ(20)と、モータ(20)を駆動する駆動装置(15)とを備えており、燃料電池スタック(19)に圧縮空気を供給する。
【００１８】
駆動装置(15)は、モータをＰＷＭ制御によって制御するモータドライバ(16)と、モータドライバ(16)に電力を供給する電源としてのバッテリー(17)と、モータドライバ(16)に入力される電圧を検出する電圧検出手段(18)とを有している。
【００１９】
モータドライバ(16)は、入力電圧の変動に応じてＰＷＭ波の出力を制御するものとされており、バッテリー(17)から入力する電圧が低下した際にＰＷＭのパルス幅を長くするパルス幅変更手段(16a)を有している。
【００２０】
図２において、（ａ）は、従来のＰＷＭ制御を示しており、パルス幅が一定の制御が行われることによって、入力電圧が低下した場合には、それに比例して、モータドライバに出力される平均電流も低下している。図２（ｂ）は、パルス幅変更手段(16a)を有している上記のモータドライバ(16)によるＰＷＭ制御を示しており、入力電圧が低下した場合には、パルス幅が同図において黒く塗りつぶした分だけ増加させられることによって、パルス幅×電流によって求められる１パルス毎の出力電流が一定に保たれて、モータ(20)に出力されている。この結果、圧縮機(1)によって供給される圧縮空気の流量および吐出圧が一定に保たれている。
【００２１】
上記において、圧縮機(1)の形式や軸受装置(14)の構成は、任意であるが、好ましい実施形態の一例を以下に示す。以下の説明において、図３の右を前、左を後というものとする。
【００２２】
図３は、燃料電池用圧縮機の好ましい実施形態の概略構成を示すもので、燃料電池用圧縮機(1)は、非容積形の遠心圧縮機であって、前後方向の水平軸上に配置された略円筒状の密閉ケーシング(11)と、後端にインペラ(12)を有しケーシング(11)の内側で回転する水平軸状の回転軸(13)と、回転軸(13)を支持する軸受装置(14)とを備えている。
【００２３】
ケーシング(11)は、回転軸(13)を支持する前側の回転軸支持部(11a)と、インペラ(12)が配置されている後側の気体流通部(11b)とから構成されている。
【００２４】
回転軸(13)は、段付軸状をなし、回転軸支持部(11a)内の空間内に配置されている。
【００２５】
回転軸支持部(11a)の内周に、回転軸(13)を高速回転させるビルトイン型モータ(20)、回転軸(13)を径方向から支持する前後１対のラジアルフォイル軸受(21)(22)、および回転軸(13)をアキシアル方向（前後方向）から支持する１組の制御型アキシアル磁気軸受(23)が設けられている。
【００２６】
モータ(20)は、回転軸支持部(11a)側に設けられたステータ(20a)および回転軸(13)側に設けられたロータ(20b)から構成されている。
【００２７】
軸受装置(14)は、前後ラジアルフォイル軸受(21)(22)およびアキシアル磁気軸受(23)を有している。
【００２８】
気体流通部(11b)内の空間の後端に気体流入路(11c)が設けられている。回転軸(13)が回転することにより、インペラ(12)が回転し、インペラ(12)の回転により、空気が、気体流入路(11c)から気体流通部(11b)内の空間(11d)に流入し、同空間(11d)内で圧縮され、同空間(11d)に通じる気体流出路（図示略）を通って排出される。気体流通部(11b)の内面とインペラ(12)との間には、圧縮性能を確保するための所定の大きさの隙間が形成されている。
【００２９】
段付き状の回転軸(13)は、モータ(20)のロータ(20b)がアキシアル方向中間部分に設けられている大径部(31)と、大径部(31)の前後方向外側に連なる前側および後側の小径部(32)(33)と、前側小径部(32)のアキシアル方向中間部分に設けられたフランジ部(34)とからなる。インペラ(12)は、後側小径部(33)の後端部に取り付けられており、各ラジアルフォイル軸受(21)(22)は、大径部(31)の両端部分に設けられている。
【００３０】
図４に示すように、各ラジアルフォイル軸受(21)(22)は、回転軸大径部(31)の径方向外側に軸受隙間(44)を隔てて配置される可撓性を有するトップフォイル（軸受フォイル）(41)と、このトップフォイル(41)の径方向外側に配置されるバンプフォイル（弾性体）(42)と、このバンプフォイル(42)の径方向外側に配置される外輪（軸受ハウジング）(43)とからなる。
【００３１】
トップフォイル(41)は、帯状ステンレス鋼板製で、帯状ステンレス鋼板をその長手方向の両端が隣接するようにロール加工で周方向の重なりがない円筒形に成形した後、この円筒形に成形された鋼板の一端部のアキシアル方向の両端部を径方向に切り起こして先端を屈曲させて形成されている。切り起こされた部分以外の円筒部(41a)がトップフォイルの主部になっており、切り起こされた部分(41b)がトップフォイル(41)の係合部になっている。
【００３２】
バンプフォイル(42)は、ステンレス鋼製の波形板材を円筒形に成形した円筒部(42a)と、円筒部(42a)の一端に連なり円筒部(42a)の径方向外側に位置する係合部(42b)とからなる。
【００３３】
外輪(43)の内周面には、略径方向に延びる係合溝(43a)が形成されている。そして、バンプフォイル(42)の円筒部(42a)が外輪(43)の内周面に沿うように配置されて、その係合部(42b)が外輪(43)の係合溝(43a)に係合させられることにより、バンプフォイル(42)が外輪(43)に取り付けられ、このバンプフォイル(42)と回転軸大径部(31)との間にトップフォイル(41)の円筒部(41a)が介在させられるとともに、その係合部(41b)が外輪(43)の係合溝(43a)に係合させられることにより、トップフォイル(41)が外輪(43)に取り付けられている。
【００３４】
アキシアル磁気軸受(23)は、回転軸(13)のフランジ部(34)を介して対向するようにケーシング(11)の回転軸支持部(11a)に設けられたアキシアル電磁石(24)および永久磁石(25)を有している。アキシアル電磁石(24)は、ヨーク(24a)およびコイル(24b)からなる。回転によりインペラ(12)に作用する力の方向は、後向き（図３の左向き）であり、これに対応して、永久磁石(25)は、フランジ部(34)の後側に配置され、アキシアル電磁石(24)は、その吸引力が回転によって生じるアキシアル方向の力の向きと逆になるようにフランジ部(34)の前側に配置されている。
【００３５】
ケーシング(11)の回転軸支持部(11a)の前壁後面には、回転軸(13)の小径部(32)の前端部に同心状に設けられた軟磁性ステンレス鋼製のターゲット部(35)の後端面中心部に臨まされて回転軸(13)のアキシアル方向の位置を検出するアキシアル位置センサ(26)が設けられている。ケーシング(11)の回転軸支持部(11a)の前壁後面には、さらに、ターゲット部(35)の後端面外周に設けられた凹部(37)に臨まされて回転軸(13)の回転速度を検出する回転センサ(36)が設けられている。
【００３６】
そして、位置センサ(26)で検出された回転軸(13)の位置および回転センサ(36)で検出された回転速度に基づいて、アキシアル磁気軸受(23)の電磁石コイル(24b)に流される電流が制御されている。コイル(24b)に流される電流は、回転によりインペラ(12)に作用する力および永久磁石(25)の吸引力に釣り合う吸引力がアキシアル電磁石(24)に生成されるように制御され、これにより、回転軸(13)は、アキシアル方向の所定位置に非接触支持される。
【００３７】
この実施形態の燃料電池用圧縮機(1)によると、回転軸(13)のラジアル方向の支持は、ラジアルフォイル軸受(21)(22)が受け持っており、回転軸(13)は、回転時には、各フォイル軸受(21)(22)で発生する動圧によって非接触でラジアル方向に支持される。また、回転軸(13)のアキシアル方向の支持は、アキシアル磁気軸受(23)が受け持っており、インペラ(12)に作用するアキシアル方向の力が変動した場合には、これに見合った吸引力がアキシアル電磁石(24)に生成される。これにより、回転軸(13)は、回転負荷変動の影響を受けずに、安定的に非接触支持され、そのスムーズな回転が保証されるとともに、耐久性（寿命）も優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、この発明による燃料電池用圧縮機の１実施形態を模式的に示す図である。
【図２】図２は、この発明による制御部分の特徴を従来と比較して示す図である。
【図３】図３は、燃料電池用圧縮機の詳細な実施形態を模式的に示す縦断面図である。
【図４】図４は、この燃料電池用圧縮機で使用されているラジアルフォイル軸受を示す横断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
(1)        燃料電池用圧縮機
(11)       ケーシング
(12)       インペラ
(13)       回転軸
(14)       軸受装置
(15)       駆動装置
(16)       モータドライバ
(17)       バッテリー（電源）
(18)       電圧検出手段
(20)       モータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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