(57)【要約】【課題】モータ２の危険速度を向上して高速回転化を図ること、および、ロータイナーシャが小さく応答性の良い電動過給圧縮機を提供する。【解決手段】ロータ径ｄｒ≦軸受径ｄｂとしてロータイナーシャを小さくすることでモータ２の応答性が向上する。また、第１軸受９とインペラ３との間の軸方向距離ｗ１が第１軸受９の軸方向寸法ｗ２より小さいので、第１軸受９とインペラ３の重心との間の距離を短くできる。すなわち、インペラ３の重心を第１軸受９に近づけることができるので、モータ２の危険速度を向上できる。さらに、第１軸受９の少なくとも一部を一方のコイルエンド７ｂ１の内周に配置し、第２軸受１０の少なくとも一部を他方のコイルエンド７ｂ２の内周に配置することにより、第１軸受９及び第２軸受１０をロータコア８ｂの端面近くに配置できるので、モータ２の危険速度を向上できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
径方向の内側に配置されるロータ（８）と外側に配置されるステータ（７）とを有するモータ（２）と、
このモータに駆動されて回転するインペラ（３）とを備え、
前記ロータは、軸方向の一端側が第１軸受（９）に支持され、軸方向の他端側が第２軸受（１０）に支持されるシャフト（８ａ）と、前記第１軸受と前記第２軸受との間で前記シャフトに固定されるロータコア（８ｂ）とを有し、
前記ステータは、前記ロータコアの径方向外側にギャップを有して配置されるステータコア（７ａ）と、このステータコアに巻装されるステータ巻線（７ｂ）とを有し、
前記インペラは、前記第１軸受より反ロータコア側へ突き出る前記シャフトの端部に固定される電動過給圧縮機（１）であって、
前記第１軸受と前記インペラとの間の軸方向距離（ｗ１）が前記第１軸受の軸方向寸法（ｗ２）より小さく設けられ、
前記第１軸受及び前記第２軸受は、どちらも内輪と外輪との間に転動体を配置した転がり軸受であり、前記外輪の外径を軸受径（ｄｂ）と呼ぶ時に、前記ステータ巻線のコイルエンド（７ｂ１、７ｂ２）の内周径（ｄｃ）より前記軸受径の方が小さく形成され、且つ、前記第１軸受の少なくとも一部が前記ステータ巻線の一方のコイルエンド（７ｂ１）の内周に配置され、前記第２軸受の少なくとも一部が前記ステータ巻線の他方のコイルエンド（７ｂ２）の内周に配置され、
前記ロータコアの外径をロータ径（ｄｒ）と呼ぶ時に、
前記ロータ径≦前記軸受径であることを特徴とする電動過給圧縮機。
【請求項２】
請求項１に記載した電動過給圧縮機において、
前記インペラの外径をインペラ径（ｄｉ）と呼ぶ時に、
前記ロータ径／前記インペラ径の値が０．３０〜０．４５の範囲内に設定されることを特徴とする電動過給圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータシャフトの端部に取り付けたインペラを回転駆動して空気を圧縮する電動過給圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、モータシャフトの一方の端部にインペラを取り付けた電動過給圧縮機がある。この電動過給圧縮機は、軸振動を低減させる観点から重量が大きいロータの軸方向両側でモータシャフトを軸受により支持する方式が一般的であり、同方式を採用した従来技術として特許文献１が公知である。
ところで、回転速度がモータ固有の危険速度に近づく位いまで高速回転するモータでは、危険速度を高めるための対策が必要となる。具体的には、モータシャフトを支持する二つの軸受間の距離を短くする、あるいは、ロータに対しインペラ側に配置される一方の軸受とインペラの重心との間の距離を短くすることで危険速度を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３６９４７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１に記載された電動過給圧縮機は、モータシャフトを支持する軸受がステータ巻線のコイルエンドより軸方向の外側に配置されるため、二つの軸受間の距離が長くなる。また、圧縮流体に燃料や薬品等が混入する可能性がある場合、インペラ側に配置される一方の軸受とインペラとの間に密封構造が必要となるため、その密封構造としてラビリンスシール等を設けると、一方の軸受とインペラの重心との間の距離が長くなる。
従って、特許文献１の構造では、モータの危険速度を高めることが容易ではなく、高速回転化への対応が困難である。
【０００５】
また、回転速度が高くなると、ロータに掛かる遠心力が過大となるため、ロータ材料として一般的に用いられる焼結磁石、ボンド磁石、純アルミなどの材料では強度が懸念される。これに対し、特許文献１では、ロータを構成する界磁マグネットに高強度のＭｎＡｌ磁石を用いることで高速回転に耐え得るロータ構造を提案している。
しかし、ＭｎＡｌ磁石は希土類磁石と比較して磁束密度が低いことから、トルクを得るのに多くの磁石量が必要となる。この場合、必然的にロータが大径化してロータイナーシャが増大するため、応答性が悪化することが予測される。
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、危険速度を高めて高速回転化を図ること、および、ロータイナーシャが小さく応答性の良い電動過給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】
【０００６】
請求項１に係る本発明は、径方向の内側に配置されるロータと外側に配置されるステータとを有するモータと、このモータに駆動されて回転するインペラとを備え、前記ロータは、軸方向の一端側が第１軸受に支持され、軸方向の他端側が第２軸受に支持されるシャフトと、前記第１軸受と前記第２軸受との間で前記シャフトに固定されるロータコアとを有し、前記ステータは、前記ロータコアの径方向外側にギャップを有して配置されるステータコアと、このステータコアに巻装されるステータ巻線とを有し、前記インペラは、前記第１軸受より反ロータコア側へ突き出る前記シャフトの端部に固定される電動過給圧縮機であって、前記第１軸受と前記インペラとの間の軸方向距離が前記第１軸受の軸方向寸法より小さく設けられ、前記第１軸受及び前記第２軸受は、どちらも内輪と外輪との間に転動体を配置した転がり軸受であり、前記外輪の外径を軸受径と呼ぶ時に、前記ステータ巻線のコイルエンドの内周径より前記軸受径の方が小さく形成され、且つ、前記第１軸受の少なくとも一部が前記ステータ巻線の一方のコイルエンドの内周に配置され、前記第２軸受の少なくとも一部が前記ステータ巻線の他方のコイルエンドの内周に配置され、前記ロータコアの外径をロータ径と呼ぶ時に、前記ロータ径≦前記軸受径であることを特徴とする。
【０００７】
本発明の電動過給圧縮機は、第１軸受とインペラとの間の軸方向距離が第１軸受の軸方向寸法より小さいので、特許文献１の構成と比較して、第１軸受とインペラの重心との間の距離を短くできる。本発明の電動過給圧縮機は、シャフトの端部にインペラを片持ち支持する構造であるため、インペラの重心を第１軸受に近づけることによりモータの危険速度を向上できる。
また、第１軸受および第２軸受は、軸受径がステータ巻線のコイルエンドの内周径より小さいので、第１軸受の少なくとも一部を一方のコイルエンドの内周に配置し、第２軸受の少なくとも一部を他方のコイルエンドの内周に配置できる。
【０００８】
すなわち、第１軸受のロータコア側の端面と第２軸受のロータコア側の端面との間の軸方向距離を軸受間距離と呼び、軸方向の両コイルエンドを含むステータの軸方向寸法をステータ高さと呼ぶときに、軸受間距離をステータ高さより短くできる。これにより、第１軸受および第２軸受をそれぞれロータコアの端面近くに配置できるので、モータの危険速度を高めることができる。
さらに、ロータ径≦軸受径としてロータ径を小さくしているので、ロータイナーシャが小さくなって応答性が向上する。また、ロータ径を小さくすることでロータ質量が軽くなるため、危険速度の向上にも寄与する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１に係る電動過給圧縮機の断面図である。
【図２】実施例１に係る電動過給圧縮機の寸法関係を示す半断面図である。
【図３】実施例２に係るロータ径／インペラ径と応答性との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。
【実施例】
【００１１】
〔実施例１〕
実施例１の電動過給圧縮機１は、例えば、内燃機関（図示せず）に吸入される空気を圧縮して強制的に内燃機関へ送り込む装置である。
電動過給圧縮機１は、図１に示すように、電力の供給を受けて回転力を発生するモータ２と、このモータ２に駆動されて回転するインペラ３と、このインペラ３を収容するコンプレッサハウジング４等を有する。
モータ２は、内部にモータ室を形成するモータハウジング５、６と、モータ室に収容されるステータ７及びロータ８を有し、ステータ７の内側にラジアルギャップを有してロータ８が配置されるインナロータ型である。
【００１２】
モータハウジング５、６は、軸方向の一端側（図示右側）にプレート壁部５ａを有し、軸方向の他端側が開口する円筒状のハウジング本体５と、このハウジング本体５の他端側の開口部を閉塞するエンドフレーム６とで構成される。ハウジング本体５とエンドフレーム６には、それぞれ、後述する軸受９、１０を保持するための円筒部５ｂ、６ａが一体に設けられる。
ステータ７は、ハウジング本体５に固定されるステータコア７ａと、このステータコア７ａに巻装されるステータ巻線７ｂとを有し、図示しないインバータよりステータ巻線７ｂに三相交流が印加されて回転磁界を発生する。
【００１３】
ロータ８は、シャフト８ａとロータコア８ｂとを有し、シャフト８ａの両端が一組の軸受９、１０を介してモータハウジング５、６に回転自在に支持される。ロータコア８ｂは、例えば、アルミ合金から成るかご型導体を積層鉄心の中に埋め込んだかご型構造を有し、ステータ７に回転磁界が発生することで電流が誘起され、その電流と回転磁界との相互作用によってロータ８に回転力が生じる。
一組の軸受９、１０は、内輪と外輪との間に複数のボールを配置した周知のボールベアリングである。以下、ロータコア８ｂのインペラ側に配置されてハウジング本体５の円筒部５ｂに保持される軸受を第１軸受９と呼び、ロータコア８ｂの反インペラ側に配置されてエンドフレーム６の円筒部６ａに保持される軸受を第２軸受１０と呼ぶ。
【００１４】
コンプレッサハウジング４は、空気の取入口４ａと排出口（図示せず）を有し、その取入口４ａと排出口との間に渦巻き状のスクロール流路４ｂを形成している。このコンプレッサハウジング４は、ハウジング本体５に設けられるプレート壁部５ａの端面にボルト等によって固定される。
インペラ３は、第１軸受９より軸方向の反ロータコア側（図示右側）へ突き出るシャフト８ａの端部に固定され、シャフト８ａと一体に回転することで取入口４ａよりコンプレッサハウジング４の内部に取り込んだ空気を圧縮する。
第１軸受９とインペラ３との間には、シャフト８ａの外周をシールするシール部材１１が配置される。このシール部材１１は、例えば、周知のオイルシールと同様の構造を有し、軸方向の寸法が第１軸受９の軸方向寸法より小さく形成される。
【００１５】
続いて、図２を参照して電動過給圧縮機１の特徴を説明する。
ａ）ロータコア８ｂの外径（以下、ロータ径と呼ぶ）をｄｒとし、軸受９、１０の外径（以下、軸受径と呼ぶ）をｄｂとすると、ｄｒ≦ｄｂである。
ｂ）第１軸受９とインペラ３との間の軸方向距離をｗ１とし、軸受９、１０の軸方向寸法をｗ２とすると、ｗ１＜ｗ２である。
ｃ）円筒部５ｂ、６ａの外径をｄｅとし、ステータ巻線７ｂのコイルエンド７ｂ１、７ｂ２の内周径をｄｃとすると、ｄｅ＜ｄｃである。
【００１６】
ｄ）第１軸受９は、少なくとも一部がステータ巻線７ｂのインペラ側に設けられる一方のコイルエンド７ｂ１の内周に入り込んで配置され、第２軸受１０は、少なくとも一部がステータ巻線７ｂの反インペラ側に設けられる他方のコイルエンド７ｂ２の内周に入り込んで配置される。言い換えると、第１軸受９のロータコア側の端面と第２軸受１０のロータコア側の端面との間の軸方向距離（以下、軸受間距離と呼ぶ）をｈ１とし、ステータ巻線７ｂのコイルエンド７ｂ１、７ｂ２を含むステータ７の軸方向寸法（以下、ステータ高さと呼ぶ）をｈ２とすると、ｈ１＜ｈ２である。
【００１７】
〔実施例１の作用および効果〕
１．ｄｒ≦ｄｂとなるほどにロータ径を小さくしているので、ロータイナーシャが小さくなってモータ２の応答性が向上する。また、ロータ径を小さくすることでロータ質量が軽くなるため、危険速度の向上にも寄与する。
２．第１軸受９とインペラ３との間の軸方向距離ｗ１が軸受９、１０の軸方向寸法ｗ２より小さいので、特許文献１と比較して、第１軸受９とインペラ３の重心との間の距離を短くできる。実施例１の電動過給圧縮機１は、シャフト８ａの端部にインペラ３を片持ち支持する構造であるため、インペラ３の重心を第１軸受９に近づけることによってモータ２の危険速度が向上する。
３．第１軸受９の少なくとも一部を一方のコイルエンド７ｂ１の内周に配置し、第２軸受１０の少なくとも一部を他方のコイルエンド７ｂ２の内周に配置することで、軸受間距離ｈ１をステータ高さｈ２より小さくできる。すなわち、第１軸受９及び第２軸受１０をそれぞれロータコア８ｂの端面近くに配置できるので、モータ２の危険速度を向上できる。
【００１８】
以下、本発明に係る他の実施例について説明する。
なお、実施例１と共通する部品および構成を示すものは、実施例１と同一の符号を付与して詳細な説明は省略する。
〔実施例２〕
実施例２は、インペラ３の外径をインペラ径と呼び、そのインペラ径をｄｉとすると、モータ２の応答性を向上するためにｄｒ／ｄｉの値を所定の範囲内に設定する事例である。
モータ２の応答性を評価するためのシミュレーションを行った結果、図３に示すように、ｄｒ／ｄｉの値が０．３０〜０．４５の間で応答性ＭＡＸ値×０．９７以上の応答性が得られた。
【００１９】
応答性ＭＡＸ値×０．９７以上の応答性とは、モータ２への通電開始後、瞬時（例えば、０．５秒以内）に最高回転数に到達する性能を持つレベルである。
応答性ＭＡＸ値×０．９７より低いレベルの応答性は、例えば、最高回転数を低下させてロータ８に掛かる遠心力を緩和させることで、ロータ径を大きくして高トルク化を図ることにより達成できる。あるいは、ロータ材料をより高磁束密度材料に変更して高トルク化を図ることでも達成可能である。ただし、Ｎｄ（ネオジム）焼結磁石等の最も磁束密度が高い部類の磁石は強度が低い問題があるため、結局は最高回転数を低下させる必要が生じる。
【００２０】
最高回転数を低下させることで、応答性ＭＡＸ値×０．９７より低いレベルの応答性を達成することは可能であっても、ｄｒ／ｄｉの値が０．３０〜０．４５の範囲から外れると、応答性ＭＡＸ値×０．９７以上の応答性を得ることは困難である。
よって、高速回転が求められる電動過給圧縮機１において、ロータ径ｄｒとインペラ径ｄｉとの比率に着目し、その比率を０．３０〜０．４５の間に設定することにより、最高回転数の低下やロータ材料の変更等では達成できない高いレベルの応答性を得ることができる。なお、最高回転数を低下させると、ロータ８に掛かる遠心力が緩和されるので、その分、ロータ径を大きくして高トルク化を図ることにより応答性を向上できる。
【００２１】
〔変形例〕
実施例１に記載したモータ２は、ステータ巻線７ｂに三相交流を印加して回転磁界を発生させる交流モータであるが、ステータ巻線７ｂに直流電流を印加して界磁を形成する巻線界磁式の直流モータでも良い。
実施例１では、第１軸受９及び第２軸受１０のそれぞれ一部をステータ巻線７ｂのコイルエンド７ｂ１、７ｂ２の内周に配置しているが、第１軸受９及び第２軸受１０の全て（軸方向寸法の全て）をコイルエンド７ｂ１、７ｂ２の内周に配置しても良い。これにより、第１軸受９と第２軸受１０との間の軸受間距離ｈ１を更に短く出来るので、危険速度の向上に寄与する。
【符号の説明】
【００２２】
１  電動過給圧縮機    ２    モータ        ３    インペラ
７  ステータ          ７ａ  ステータコア  ７ｂ  ステータ巻線
８  ロータ            ８ａ  シャフト      ８ｂ  ロータコア
９  第１軸受        １０    第２軸受
【図１】
2017108585.tif 000003
【図２】
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【図３】
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