JP6471704B2

JP6471704B2 - 電動コンプレッサ

Info

Publication number: JP6471704B2
Application number: JP2016005430A
Authority: JP
Inventors: 貴裕貞光
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-01-14
Filing date: 2016-01-14
Publication date: 2019-02-20
Anticipated expiration: 2036-01-14
Also published as: JP2017127139A

Description

本発明は、電動コンプレッサに関し、特に燃料電池システムに好適な電動コンプレッサに関する。

圧縮室に配設されガスを圧縮するターボ翼と、モータ室に配置されターボ翼を回転駆動させるモータと、ターボ翼とモータとを連結する回転軸と、回転軸を回転自在に保持する軸受と、を備えた電動コンプレッサが知られている。特許文献１には、モータ室内において軸受などを潤滑する潤滑油が圧縮室側に流出するのを防止するために、圧縮室とモータ室との間にシール機構を設けた電動コンプレッサが記載されている。

特開２００６−１７７２８０号公報

アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックのカソードに空気を圧送するために電動コンプレッサが用いられている。燃料電池システムでは、電動コンプレッサにおいて潤滑油がモータ室側から圧縮室側に流出すると、潤滑油が燃料電池スタックに流入し出力が大幅に低下してしまう。このため、燃料電池システムに用いられる電動コンプレッサでは、圧縮室とモータ室との間をシールするシール機構が不可欠である。

燃料電池システムに用いる既存の電動コンプレッサにおいて、上述したシール機構として、圧縮室とモータ室との間にはターボ翼とモータとを連結する回転軸を軸として回転する円板状の油排出用回転体が設けられている。油排出用回転体におけるモータ側の表面には、中心部から外周へと延びる曲線溝が複数形成されている。電動コンプレッサの運転中に、ターボ翼とモータとを連結する回転軸が回転（正回転）すると、これに伴って油排出用回転体も回転（正回転）する。電動コンプレッサの運転中、モータ室側から回転軸を伝って油排出用回転体の中心に流入した潤滑油は、遠心力により油排出用回転体の溝を経由して外周の方へと排出される。

電動コンプレッサの運転中において、ターボ翼とモータとを連結する回転軸が逆回転することはない。しかしながら、電動コンプレッサの停止時に、当該回転軸が微小ながらも逆回転する場合があった。当該回転軸が逆回転すると、これに伴って油排出用回転体も逆回転する。上述したように、油排出用回転体が正回転すると、油排出用回転体の中心に流入した潤滑油が遠心力により溝を経由して外周方向へと排出される。これに対し、油排出用回転体が逆回転すると、油排出用回転体の外周付近にある潤滑油が溝を経由して中心方向へと流入するので、潤滑油が圧縮室側へと流出してしまうおそれがある。

本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、運転停止中にターボ翼とモータとを連結する回転軸が逆回転することに起因する、圧縮室側への潤滑油の流出を抑制することができる電動コンプレッサを提供することを目的とする。

本発明は、電動コンプレッサであって、圧縮室内に配置されガスを圧縮するターボ翼と、モータ室内に配置され前記ターボ翼を回転駆動させるモータと、前記ターボ翼と前記モータとを連結する回転軸と、前記圧縮室と前記モータ室の間に配置され、前記回転軸を軸として回転し、前記モータ室内の潤滑油が前記回転軸を伝って前記圧縮室側に流出しないように回転による遠心力で前記潤滑油を前記回転軸の外周方向へと排出させる油排出用回転体と、前記モータの回転を制御する制御部と、を備え、前記モータは、磁石が設けられたロータと、前記ロータの方に突出しコイルが巻回されたティースを有するステータと、を備え、前記制御部は、回転中の前記ロータを停止させるとき、前記ロータに設けられた磁石が前記ティースの位置に来るように、前記ロータの回転速度および回転加速度がそれぞれ所定の閾値以下となったタイミングで前記コイルに電流を印加するものである。

本発明によれば、運転停止中にターボ翼とモータとを連結する回転軸が逆回転することに起因する、圧縮室側への潤滑油の流出を抑制することができる。

本実施の形態にかかる電動コンプレッサの概略構成を示す断面図である。減速制御中における、ロータの回転速度と時間との関係の一例を示す図である。図１の破線で囲んだ領域Ｂを拡大した図である。油排出機構における油排出用回転体を圧縮室側から見た図である。電動コンプレッサの停止中において、回転軸が逆回転するおそれのあるロータとステータのティースとの位置関係について説明する図である。ロータに配設された磁石がティースの位置にある場合のロータとステータのティースとの位置関係を示す図である。ロータに配設された磁石がティースの位置に来るようにロータを停止させる方法について説明する図である。回転駆動中のロータを停止させる際の処理の流れを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

まず、本実施の形態にかかる電動コンプレッサの概略構成について説明する。本実施の形態にかかる電動コンプレッサは、例えば、燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックのカソードに空気を圧送するために用いられる。
図１は、本実施の形態にかかる電動コンプレッサ１の概略構成を示す断面図である。図１に示すように、電動コンプレッサ１は、ターボ翼（インペラ）２と、モータ３と、回転軸４と、制御部５と、油排出機構６と、を備えている。

ターボ翼２は、コンプレッサハウジング７内に形成された圧縮室８に配設されており、ガスを圧縮する。モータ３は、モータハウジング９内に形成されたモータ室１０に配設されており、ターボ翼２を高速回転駆動させる。回転軸４は、ターボ翼２とモータ３とを連結する。回転軸４は、軸受１３，１４によって回転自在に支持されている。

モータ３は、さらに、モータハウジング９に固設されたステータ１１と、ステータ１１に対応して回転軸４に固設されたロータ１２と、を有する。回転軸４において、軸受１３とロータ１２との間にはスペーサ１５が、軸受１４とロータ１２との間にはスペーサ１６が、それぞれ取り付けられている。

油排出機構６は、圧縮室８とモータ室１０との間に配設され、モータ室１０内の潤滑油が圧縮室８側に流出することを防止するシール機構としての役割を果たす。油排出機構６の構造、および、油排出機構６が圧縮室８への潤滑油の流出を防止するメカニズム、については後述する。

制御部５は、外部コントローラ５０などから電動コンプレッサ１の停止信号を受けた場合にロータ１２の減速制御を行う。図２は、減速制御中における、ロータ１２の回転速度と時間との関係（以下、「ロータ減速カーブ」という）の一例を示す図である。図２において、横軸は時間、縦軸はロータ１２の回転速度である。また、実線の接線の傾き角度がロータ１２の回転加速度である。ロータ１２の減速制御では、図２に示すように、ロータ１２を徐々に減速させ停止させるようにする。

次に、油排出機構６の構造、および、油排出機構６が圧縮室への潤滑油の流出を防止するメカニズム、について説明する。なお、以下の説明において図１も適宜参照する。
図３は、図１の破線で囲んだ領域Ｂを拡大した図である。図３に示すように、油排出機構６は、回転軸４を軸として回転する円板状の油排出用回転体６ａと、油排出用回転体６ａの圧縮室８側の面に対向して配置された壁部６ｂと、を備えている。図４は、油排出用回転体６ａを圧縮室８側から見た図（図３に示す矢印Ａから見た図）である。図４に示すように、油排出用回転体６ａの圧縮室８側の面には、中心部から外周へと延びる複数の曲線溝２０が形成されている。油排出用回転体６ａに形成された曲線溝２０と壁部６ｂ（図３参照）とで潤滑油排出路を構成する。

図３および図４に示すように、電動コンプレッサ１の運転中に、回転軸４が回転（正回転）すると、これに伴って油排出機構６の油排出用回転体６ａも回転（正回転）する。電動コンプレッサ１の運転中、油排出用回転体６ａの中心に流入したモータ室１０内の潤滑油は、遠心力により油排出用回転体６ａの曲線溝２０と壁部６ｂとで構成される潤滑油排出路を通って回転軸４の外周方向へと排出される。回転軸４が正回転するときの潤滑油の経路を図３の矢印Ｃで示す。

一方、回転軸４が逆回転すると、これに伴って油排出用回転体６ａも逆回転する。油排出用回転体６ａが逆回転すると、油排出用回転体６ａの外周付近にある潤滑油が油排出用回転体６ａの曲線溝２０と壁部６ｂとで構成される潤滑油排出路を通って油排出用回転体６ａの中心方向へと流入する。このため、潤滑油が圧縮室８側へと流出してしまうおそれがある。回転軸４が逆回転するときの潤滑油の経路を図３の矢印Ｄで示す。潤滑油が圧縮室８側へと流出するのを防ぐためには、回転軸４を逆回転させないようにする必要がある。なお、電動コンプレッサ１の運転中に、回転軸４を逆回転させることはない。

次に、電動コンプレッサ１の停止中において、回転軸４が逆回転するおそれのあるロータ１２とステータ１１のティース１７との位置関係について説明する。
図５は、電動コンプレッサ１の停止中において、回転軸４が逆回転するおそれのあるロータ１２とステータ１１のティース１７との位置関係について説明する図である。なお、図５は、モータ３を圧縮室８側から軸方向に見たときの、ロータ１２とステータ１１との位置関係を示すものである。図５に示すように、ステータ１１は、ロータ１２の方に突出しコイルが巻回された複数のティース１７を有する。ロータ１２は、外周部分に磁極の異なる２つの磁石１９が設けられている（磁極対が１つのロータ）。２つの磁石１９は、一方がＳの磁極、他方がＮの磁極を持つ永久磁石で、互いに１８０度の角度を隔てて配置されている。

ステータ１１において、互いに隣り合うティース１７のなす角度をθとする。電動コンプレッサ１の停止中において、ロータ１２に配設された磁石１９に対して最も近くに位置するティース１７ａ，１７ｂと磁石１９とのなす角度αがθ／２以下であるとする。電動コンプレッサ１の停止中は、ティース１７に巻回されたコイルには通電されていない。このため、ロータ１２の磁石１９が、磁気力によって鉄などの強磁性体の金属で形成されたティース１７ａ，１７ｂに引き寄せられ、ロータ１２が逆回転する。

上述したように、ロータ１２が逆回転すると潤滑油が圧縮室８側に流出する（図３参照）。このようなロータ１２の逆回転を防止するためには、図６に示すように、ロータ１２に配設された磁石１９がティース１７ａ，１７ｂの位置に来るようにロータ１２を停止させればよい。

図７は、ロータ１２に配設された磁石１９がティース１７ａ，１７ｂの位置に来るようにロータ１２を停止させる方法について説明する図である。図７に示すように、ロータ１２の回転速度が十分に減速されたときに、ティース１７ａ，１７ｂにそれぞれ巻回されたコイル１８ａ，１８ｂに直流電流を印加すると、ロータ１２に配設された磁石１９がコイル１８ａ，１８ｂにより発揮される磁力によりティース１７ａ，１７ｂに引き寄せられて、ロータ１２に配設された磁石１９がティース１７ａ，１７ｂの位置に来るようにロータ１２を停止させることができる。ロータ１２の回転速度が十分に減速され、ロータ１２に配設された磁石１９がティース１７ａ，１７ｂの位置に来るようにロータ１２を停止させることができる状態を、以下、ロータ１２を準静的に停止させることが可能な状態であるという。

ロータ１２を準静的に停止させることが可能な状態であるか否かについては、ロータ１２の回転速度および回転加速度によって判断できる。図２に示すように、ロータ１２の回転速度が所定の閾値である第１閾値Ｐ以下（回転速度≦Ｐ）であり、かつ、ロータ１２の回転加速度の絶対値が所定の閾値である第２閾値Ｑ以下（｜回転加速度｜≦Ｑ）である場合に、ロータ１２を準静的に停止させることが可能な状態であると判断する。

次に、回転駆動中のロータ１２を停止させる際の処理の流れについて説明する。なお、以下の説明では、図１および図７についても適宜参照する。なお、ロータ１２が回転駆動中とは、モータ３からの駆動力を受けてロータ１２が回転している状態をいう。
図８は、回転駆動中のロータ１２を停止させる際の処理の流れを示すフローチャートである。図８に示すように、まず、制御部５が電動コンプレッサ１の停止信号を受けたか否かを判断する（ステップＳ１）。ステップＳ１で制御部５が電動コンプレッサ１の停止信号を受けた場合（ＹＥＳの場合）は、ロータ１２の現在の回転速度などからロータ減速カーブ（図２参照）を算出するとともに、ロータ１２の停止位置の予測を行う（ステップＳ２）。ロータ１２の停止位置の予測では、算出されたロータ減速カーブに従ってロータ１２を停止させる場合に、ロータ１２の停止時にロータ１２に配設された磁石１９に対して最も近くに位置するティース１７ａ，１７ｂを予測する。続いて、ステップＳ２で計算した回転加速度でロータ１２が徐々に減速されるように、制御部５がロータ１２の減速制御を行う（ステップＳ３）。

ステップＳ３に続き、ロータ１２を準静的に停止させることが可能な状態か否かを判断する（ステップＳ４）。ステップＳ３でロータ１２を準静的に停止させることが可能な状態であると判断された場合（ＹＥＳの場合）は、制御部５が、ステップＳ２においてロータ１２に配設された磁石１９に対して最も近くに位置すると予測されたティース１７ａ，１７ｂに巻回されているコイル１８ａ，１８ｂに対して直流電流が印加されるように制御し、ロータ１２に配設された磁石１９をティース１７ａ，１７ｂに引き寄せる（ステップＳ５）。ステップＳ３でロータ１２を準静的に停止させることが可能な状態ではないと判断された場合（ＮＯの場合）は、処理をステップＳ２に戻す。

上述したように、ロータ１２が停止する直前（ロータ１２を準静的に停止させることが可能な状態であると判断されたとき）に、ロータ１２の停止位置の予測においてロータ１２に配設されたロータ１２の磁石１９に対して最も近くに位置すると予測されたティース１７ａ，１７ｂに巻回されているコイル１８ａ，１８ｂに直流電流を流す。このようにすることで、ロータ１２に配設された磁石１９をティース１７ａ，１７ｂに引き寄せ、ティース１７ａ，１７ｂの位置にロータ１２の磁石１９が来るようにロータ１２を停止させることができる。これにより、停止時にロータ１２が逆回転して潤滑油が圧縮室８側に流出するのを防止することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。上述した実施の形態では、磁極対が１つのロータの場合について説明したが、本発明は磁極対が２つ以上のロータ（Ｎ極とＳ極の磁石を１対とする磁極対が２対以上設けられたロータ）にも適用できる。また、ロータは、外周部分に磁石が設けられたものに限らず、埋込永久磁石形（ＩＰＭ：ＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ）モータのように内部に磁石が埋め込まれたものであってもよい。

１電動コンプレッサ
２ターボ翼
３モータ
４回転軸
５制御部
６油排出機構
６ａ油排出用回転体
７コンプレッサハウジング
８圧縮室
９モータハウジング
１０モータ室
１１ステータ
１２ロータ
１７（１７ａ，１７ｂ）ティース
１８ａ，１８ｂコイル
１９磁石

Claims

圧縮室内に配置されガスを圧縮するターボ翼と、
モータ室内に配置され前記ターボ翼を回転駆動させるモータと、
前記ターボ翼と前記モータとを連結する回転軸と、
前記圧縮室と前記モータ室の間に配置され、前記回転軸を軸として回転し、前記モータ室内の潤滑油が前記回転軸を伝って前記圧縮室側に流出しないように回転による遠心力で前記潤滑油を前記回転軸の外周方向へと排出させる油排出用回転体と、
前記モータの回転を制御する制御部と、を備え、
前記モータは、磁石が設けられたロータと、前記ロータの方に突出しコイルが巻回されたティースを有するステータと、を備え、
前記制御部は、回転駆動中の前記ロータを停止させるとき、前記ロータに設けられた磁石が前記ティースの位置に来るように、前記ロータの回転速度および回転加速度がそれぞれ所定の閾値以下となったタイミングで前記コイルに電流を印加する、電動コンプレッサ。