特許 7435795 回転機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-13

(45)【発行日】2024-02-21

(54)【発明の名称】回転機械

(51)【国際特許分類】

   H02K 5/22 20060101AFI20240214BHJP

   H02K 5/18 20060101ALI20240214BHJP

   H02K 11/30 20160101ALI20240214BHJP

   H02K 7/14 20060101ALI20240214BHJP

【ＦＩ】

H02K5/22

H02K5/18

H02K11/30

H02K7/14 B

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2022542609

(86)(22)【出願日】2021-07-16

(86)【国際出願番号】 JP2021026859

(87)【国際公開番号】W WO2022034773

(87)【国際公開日】2022-02-17

【審査請求日】2022-12-02

(31)【優先権主張番号】P 2020135825

(32)【優先日】2020-08-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100170818

【弁理士】

【氏名又は名称】小松 秀輝

(74)【代理人】

【識別番号】100133307

【弁理士】

【氏名又は名称】西本 博之

(72)【発明者】

【氏名】中山 隼

(72)【発明者】

【氏名】迫田 晃司

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 裕司

【審査官】佐藤 彰洋

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－０２１７９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１２９９０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０２５４４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０２２１０６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／１３９４９７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－１４８６０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１９３８２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３５４８２１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ ５／２２

Ｈ０２Ｋ ５／１８

Ｈ０２Ｋ １１／３０

Ｈ０２Ｋ ７／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロータ及びステータを備えた電動モータと、
前記電動モータの駆動によって回転する回転軸と、
前記回転軸に取り付けられたインペラと、
前記電動モータの駆動を制御するインバータと、
前記ステータから引き出されて前記インバータに接続された複数の引き出し線と、を備え、
前記ステータは、前記ロータに対面する内周と、前記内周とは反対側の外周とを備え、
前記インバータは、前記ステータの前記外周に沿った周方向に配置されており、
前記インバータは、前記回転軸の軸線方向に並んで配置されている複数の制御基板を備え、
前記複数の制御基板は、板面が前記軸線方向を向くように配置されている、回転機械。

【請求項2】

前記複数の引き出し線は、等ピッチで前記ステータから引き出されている請求項１記載の回転機械。

【請求項3】

前記ステータの前記外周に沿って配置され、前記ステータの前記外周を囲むケーシングを更に備え、
前記インバータは、前記ケーシングの外周に沿って配置されている、請求項１または２記載の回転機械。

【請求項4】

前記ステータは、前記回転軸の軸線方向における端部を備え、
前記引き出し線は、前記ステータの前記端部に沿うと共に、前記ケーシングを越えて延在している、請求項３記載の回転機械。

【請求項5】

前記ケーシングは、前記ステータの前記端部を超えて前記軸線方向に突出すると共に、前記端部を前記周方向に囲む端壁部を備え、
前記端壁部には、前記引き出し線が通される溝部が形成されている、請求項４記載の回転機械。

【請求項6】

前記ステータの前記端部に対面して前記ステータを冷却する冷却部を更に備え、
前記端壁部によって囲まれた内部には前記冷却部と前記ステータとを熱的に接続する樹脂部が設けられている、請求項５記載の回転機械。

【請求項7】

前記複数の制御基板のうち、一の制御基板は、前記冷却部に対面するように配置されている、請求項６記載の回転機械。

【請求項8】

前記回転軸を支持する軸受を更に備え、
前記回転軸は、前記ステータに対し、前記軸受とは反対側に自由端を備え、
前記インペラは、前記ステータと前記自由端との間で前記回転軸に取り付けられている、請求項１～７のいずれか一項記載の回転機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、回転機械に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、インバータを用いてモータ駆動を行うコントローラを備えた電動アシスト型ターボチャージャーが開示されている。コントローラは、モータとは別体の構成として開示されている。また、特許文献２～６には、インバータ装置を備えたインバータ一体型モータ装置が開示されている。この種のモータ装置や、それらを組み込んだ回転機械では、ステータの端部、つまり回転軸の軸線方向の端部にインバータを設置してモータとインバータとを一体化させたり、モータハウジング上にインバータハウジングを設置して一体化させたりしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－８２１６１号公報

【文献】国際公開第２０１３／１１８６７０号

【文献】特開２０１３－１７２５６４号公報

【文献】特開２００４－２７４９９２号公報

【文献】特開２０１３－１９８３１０号公報

【文献】国際公開第２０１５／１７８０８７号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

モータのステータから複数の引き出し線が引き出されている。ステータの端部にインバータを設置する場合、引き出し線をインバータに接続するためのバスバが必要になったり、接続のための余剰の導線が軸線方向に必要になったりするため、軸線方向の寸法を抑え難く、コンパクト化や設計の自由度の観点で改善の余地があった。

【0005】

本開示は、回転軸の軸線方向でのコンパクト化に有利であり、設計の自由度が向上する回転機械を説明する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様に係る回転機械は、ロータ及びステータを備えた電動モータと、電動モータの駆動によって回転する回転軸と、回転軸に取り付けられたインペラと、電動モータの駆動を制御するインバータと、ステータから引き出されてインバータに接続された複数の引き出し線と、を備え、ステータは、ロータに対面する内周と、内周とは反対側の外周とを備え、インバータは、ステータの外周に沿った周方向に配置されている。

【発明の効果】

【0007】

本開示のいくつかの態様によれば、回転軸の軸線方向でのコンパクト化に有利である。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本開示の一実施形態に係る回転機械を示す断面図である。

【図2】図２は、実施形態に係る回転機械の分解斜視図である。

【図3】図３は、ステータの端部を拡大し、樹脂部を一部破断して示す斜視図である。

【図4】図４は、図１のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図であり、樹脂部を省略して示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本開示の一態様に係る回転機械は、ロータ及びステータを備えた電動モータと、電動モータの駆動によって回転する回転軸と、回転軸に取り付けられたインペラと、電動モータの駆動を制御するインバータと、ステータから引き出されてインバータに接続された複数の引き出し線と、を備え、ステータは、ロータに対面する内周と、内周とは反対側の外周とを備え、インバータは、ステータの外周に沿った周方向に配置されている。

【0010】

この回転機械において、インバータは、ステータの端部、つまり回転軸の軸線方向の端部でなく、ステータの外周に沿った周方向に配置されている。したがって、ステータから引き出される複数の引き出し線は、回転軸の軸線方向でなく、ステータの外周に向けて延び、インバータに接続されている。また、複数の引き出し線は、ステータから引き出されており、インバータは、ステータの外周に沿った周方向に配置されている。したがって、複数の引き出し線を短くし易くなり、余剰の導線が不要になってコンパクト化に有利になり、設計の自由度も向上する。

【0011】

いくつかの態様において、複数の引き出し線は、等ピッチでステータから引き出されていてもよい。

【0012】

いくつかの態様において、ステータの外周に沿って配置され、ステータの外周を囲むケーシングを更に備え、インバータは、ケーシングの外周に沿って配置されていてもよい。ステータを囲むケーシングの外周に沿ってインバータを配置することにより、インバータを安定した位置に設置し易くなる。

【0013】

いくつかの態様において、インバータは、複数の制御基板を備え、複数の制御基板は、回転軸の軸線方向に並んで配置されていてもよい。複数の制御基板に分けることにより、各制御基板のサイズを小さくでき、更に、複数の制御基板を軸線方向に並べて配置することで軸線に直交する径方向の寸法拡大を低減できる。

【0014】

いくつかの態様において、ステータは、回転軸の軸線方向における端部を備え、引き出し線は、ステータの端部に沿うと共に、ケーシングを超えて延在していてもよい。

【0015】

いくつかの態様において、ケーシングは、ステータの端部を超えて軸線方向に突出すると共に、端部を周方向に囲む端壁部を備え、端壁部には、引き出し線が通される溝部が形成されていてもよい。ステータの端部に沿って延在する引き出し線は、端壁部を越える箇所で溝部を通るので、引き出し線の軸線方向へのはみ出しを抑えることができ、コンパクト化に有利になる。

【0016】

いくつかの態様において、ステータの端部に対面してステータを冷却する冷却部を更に備え、端壁部によって囲まれた内部には冷却部とステータとを熱的に接続する樹脂部が設けられていてもよい。冷却部はステータの端部に対面して配置されており、冷却部とステータとの間にインバータは存在しないのでコンパクト化に加え、ステータの冷却にも有利になる。また、端壁部の内部の隙間は樹脂部によって埋められるので、冷却部とステータとの間での効果的な熱交換が可能になり、冷却効果を向上させることができる。

【0017】

いくつかの態様において、インバータは、複数の制御基板を備え、複数の制御基板のうち、一の制御基板は、冷却部に対面するように配置されていてもよい。

【0018】

いくつかの態様において、回転軸を支持する軸受を更に備え、回転軸は、ステータに対し、軸受とは反対側に自由端を備え、インペラは、ステータと自由端との間で回転軸に取り付けられていてもよい。回転軸は、軸受から自由端にかけて実質的に片持ち状に支持されている。この形態において、インバータは、ステータの端部に対して回転軸の軸線方向に配置されていないので、片持ち状に支持されている部分を短くでき、回転軸の回転を安定させるのに有利である。

【0019】

次に、本開示の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

【0020】

図１及び図２は、本開示における回転機械１の一例を示しており、具体的には電動アシスト型の過給機である。本開示の回転機械１は、電動モータ２と、電動モータ２の駆動によって回転する回転軸３と、回転軸３に取り付けられたコンプレッサインペラ４とを備えている。また、回転機械１は、電動モータ２の駆動を制御するインバータ６を備えている。

【0021】

電動モータ２は、回転軸３に固定されたロータ７と、ロータ７を囲むように配置されたステータ８とを備えている。ステータ８は、ティース８１と、ティース８１に巻回されたコイル８２とを備えている。ステータ８は、複数相のコイル８２によって形成され、本実施形態では三相のコイル８２によって形成されている。各相のコイル８２の巻き終わりＣｅは、１２０°ピッチ（等ピッチ）で配置されている。コイル８２の巻き終わりＣｅから引き出された導線８２ａは接続端子８３に接続されており、導線８２ａは、接続端子８３を介してインバータ６に接続されている。本実施形態では、導線８２ａ及び接続端子８３によってステータ８からの引き出し線９が形成されている。

【0022】

電動モータ２は、モータハウジング１０内に収容されている。モータハウジング１０は、ステータ８を囲む内側ハウジング１１（ケーシングの一例）と、内側ハウジング１１を囲む外側ハウジング１２とを備えている。ステータ８は、ロータ７に対面する内周８ａと、内周８ａに対して反対側の外周８ｂとを備えている。内側ハウジング１１は、ステータ８の外周８ｂに沿って配置され、ステータ８の外周８ｂを囲む円筒状の主要部１１ａと、主要部１１ａの端で外方に張り出したフランジ部１１ｂとを備えている。内側ハウジング１１は、外側ハウジング１２の内部に配置され、フランジ部１１ｂを介して外側ハウジング１２に固定されている。また、内側ハウジング１１と外側ハウジング１２との間にはスペースがあり、そのスペースにインバータ６が配置されている。

【0023】

インバータ６は、二枚（複数）の制御基板６ａ，６ｂを備えている。二枚の制御基板６ａ，６ｂは、機能的な役割が異なり、一方の制御基板６ａは、主回路用の基板であり、他方の制御基板６ｂは制御回路用である。制御基板６ａ，６ｂ上には、IGBT、バイポーラトランジスタ、MOSFET、またはGTOなどのデバイスや、Capacitorなどの蓄電装置が実装されている。

【0024】

インバータ６は、内側ハウジング１１の外周１１ｃに沿った周方向Ｃｄに配置されている。周方向Ｃｄとは、円筒状である主要部１１ａ（内側ハウジング１１）の円周方向を意図しており、また、回転軸３の回転方向と説明することもできる。インバータ６の制御基板６ａ，６ｂは、内側ハウジング１１の外周１１ｃに沿った湾曲形状を呈する。この湾曲形状について、本実施形態では、一部が切り欠かれた環状（Ｃ字状）であるが、湾曲形状は、Ｃ字状に限定されず、切り欠かれた部分が無い連続的な環状であったり、複数の扇状が間隔を空けて配置された形状であったりしてもよい。

【0025】

制御基板６ａ，６ｂは、内側ハウジング１１の外周１１ｃに沿って配置されている。具体的に説明すると、Ｃ字状に湾曲した制御基板６ａ，６ｂは、中央に内側ハウジング１１の主要部１１ａが通されるように設置されている。制御基板６ａ，６ｂは、内側ハウジング１１または外側ハウジング１２の少なくとも一方に取り付けられている。例えば、内側ハウジング１１や外側ハウジング１２にブラケットや支柱などの取り付け部材を設け、その取付け部材に制御基板６ａ，６ｂを取り付けることができる。ステータ８を囲む内側ハウジング１１の外周１１ｃに沿ってインバータ６（制御基板６ａ，６ｂ）を配置することにより、インバータ６を安定した位置に設置し易くなる。また、二枚の制御基板６ａ，６ｂは、軸線Ｌ方向に並んで配置されている。

【0026】

内側ハウジング１１の主要部１１ａは、ステータ８の端部８ｃよりも軸線Ｌ方向に突出している端壁部１１ｄを備えている。端壁部１１ｄは、ステータ８の端部８ｃを超え、ステータ８の端部８ｃを周方向Ｃｄに囲むように設けられている。端壁部１１ｄで囲まれた内側には、ステータ８から引き出された導線８２ａ及び接続端子８３の一部が（引き出し線９の一部）が配置されている。接続端子８３は、導線８２ａから内側ハウジング１１の外周１１ｃに向けて延在し、端壁部１１ｄを乗り越える。端壁部１１ｄには、接続端子８３（引き出し線９）を避けるための溝部１１ｅが設けられている。インバータ６の二つの制御基板６ａ，６ｂのうち、溝部１１ｅを通された三相の引き出し線９は、主回路用の制御基板６ａに接続されている。

【0027】

回転機械１は、ステータ８の端部８ｃに対面するように配置されたディフューザプレート１３を備えている。ディフューザプレート１３には、コンプレッサインペラ４の回転によって吸い込まれた空気を昇圧するディフューザが形成されている。また、ディフューザプレート１３には、ステータ８を冷却する冷媒が通過する冷却流路１３ａが形成されている。ディフューザプレート１３は、冷却部の一例である。

【0028】

図１及び図３に示されるように、端壁部１１ｄの内部には、隙間を埋めるための樹脂が充填されて樹脂部１４が形成されている。樹脂部１４は、ステータ８の端部８ｃとディフューザプレート１３とを熱的に接続している。熱的に接続するとは、熱交換可能な接続を意味し、空気層が介在する状態の熱抵抗よりも、熱抵抗が小さくなる状態と定義することができる。

【0029】

外側ハウジング１２には、回転軸３を回転自在に支持する軸受１５が設けられている。回転軸３の先端は、軸受等で支持されることなく開放された自由端３ａである。電動モータ２のロータ７は、軸受１５と自由端３ａとの間に取り付けられている。コンプレッサインペラ４は、ロータ７と自由端３ａとの間に取り付けられている。換言すると、回転軸３は、軸受１５と自由端３ａとの間の部分が片持ち状に支持されており、コンプレッサインペラ４は、片持ち状の部分に配置されている。

【0030】

また、外側ハウジング１２には、ステータ８やロータ７を冷却する冷媒が通過する冷却流路１６が形成されている。例えば、ステータ８は、ディフューザプレート１３に対面する端部８ｃに対し、軸線Ｌに沿った方向で反対側の端部８ｄを備えている。冷却流路１６は、ステータ８の反対側の端部８ｄに沿うように冷媒が流れる主流路１６ａを備えている。また、冷却流路１６は、ディフューザプレート１３の冷却流路１３ａと主流路１６ａとを連絡する連絡流路１６ｂを備えている。連絡流路１６ｂは、インバータ６のＣ型の制御基板６ａ，６ｂの切り欠きに配置された連絡部１２ａに設けられている。

【0031】

図４に示されるように、各相のコイル８２の巻き終わりＣｅから引き出された導線８２ａは、回転軸３に直交する断面を想定した場合に回転軸３の接線方向に延在し、それぞれ接続端子８３に接続されている。接続端子８３は、導線８２ａが固定された一方の端部である導線接続部８３ａと、反対側の端部である環状の圧着部８３ｂとを備えている。接続端子８３は、導線接続部８３ａから内側ハウジング１１の溝部１１ｅを通り、更に屈曲して軸線Ｌ方向に沿って延在した後に屈曲して立設され、先端の圧着部８３ｂが制御基板６ａに重なって制御基板６ａに接続されている。

【0032】

次に、本開示の回転機械１の作用、効果を説明する。比較形態として、例えば、インバータをステータの端部に対向するように配置した場合、ステータから引き出される各相のコイルは、基本的に同じ箇所から引き出される必要があり、各相のコイルは、巻き終りの位置から一か所（引き出される位置）まで導かれる必要がある。そのため、コイルを同じ箇所に導くための余剰の巻線が必要になり、あるいはバスバを這わす必要が生じ、コイルエンドの高さが高くなってしまう。その結果として、回転軸の軸線方向でのコンパクト化に不利になり、コンパクト化を優先すると設計の自由度を損なう可能性があった。

【0033】

一方で、上記の回転機械１では、ステータ８の端部８ｃではなく、ステータ８の外周８ｂに沿った周方向Ｃｄにインバータ６が配置されている。したがって、ステータ８から引き出される複数の引き出し線９は、回転軸３の軸線Ｌ方向でなく、ステータ８の外周８ｂに向けて延び、インバータ６に接続される。その結果、複数の引き出し線９の各引き出し位置からインバータ６までの距離を短くでき、特に回転軸３の軸線Ｌ方向でのコンパクト化に有利になり、設計の自由度が増す。また、引き出し線９の長さを短くすることで、配線インダクタンスを小さくできる。余計な配線インダクタンスは、主電源の電圧低下時のモータ性能の低下に繋がるので、配線インダクタンスを短くすることで、このモータ性能の低下を避けることができる。

【0034】

また、回転機械１の複数の引き出し線９は、ステータ８から１２０°ピッチ（等ピッチ）で引き出され、ステータ８の外周８ｂに向けて延在することになるので、複数の引き出し線９の長さを揃え易くなる。その結果、各相の抵抗やインダクタンスのアンバランスが低減される。このインダクタンスのアンバランスの低減は、コイルターンが少ない低インダクタンスの電動モータ２において、特に優位性が高い。

【0035】

また、インバータ６は、複数の制御基板６ａ，６ｂを備え、複数の制御基板６ａ，６ｂは、回転軸３の軸線Ｌ方向に並んで配置されている。本実施形態の場合、二つの制御基板６ａ，６ｂは、主回路用と制御回路用とに分けられている。例えば、一つの制御基板上に両機能を実現するためのデバイス等を搭載する場合に比べ、二つの制御基板６ａ，６ｂに分けることで、制御基板６ａ，６ｂそれぞれのサイズを小さくできる。更に、複数の制御基板６ａ，６ｂを軸線Ｌ方向に並べて配置することで、軸線Ｌに直交する径方向の寸法拡大を低減できる。

【0036】

また、内側ハウジング１１の端壁部１１ｄには引き出し線９が通される溝部１１ｅが形成されている。ステータ８からの引き出し線９は、ステータ８の端部８ｃに沿って延在し、端壁部１１ｄを越える位置で溝部１１ｅに通されているので、引き出し線９の軸線Ｌ方向へのはみ出しを抑えることができ、コンパクト化に有利である。

【0037】

また、回転機械１は、ステータ８の端部８ｃに対面してステータ８を冷却する冷却流路１３ａが形成されたディフューザプレート１３を備えている。本実施形態では、ディフューザプレート１３とステータ８との間にインバータ６は存在しないので、軸線Ｌ方向におけるコンパクト化に加え、ステータ８の冷却にも有利になる。

【0038】

また、内側ハウジング１１の端壁部１１ｄの内部に樹脂部１４が形成されているので、ディフューザプレート１３とステータ８との間での効果的な熱交換が可能になり、冷却効果を向上させることができる。なお、本実施形態では、インバータ６の一部（制御基板６ｂ）は、端壁部１１ｄに配置され、更にディフューザプレート１３に対面するように配置されている。従って、ディフューザプレート１３の冷却流路１３ａによってインバータ６の冷却も可能になる。

【0039】

また、回転機械１は、回転軸３を支持する軸受１５を備え、回転軸３は、ステータ８に対し、軸受１５とは反対側に自由端３ａを備えている。回転軸３は、軸受１５から自由端３ａにかけて実質的に片持ち状に支持されている。そして、回転機械１において、インバータ６は、ステータ８の端部８ｃに対して回転軸３の軸線Ｌ方向に配置されていないので、片持ち状に支持されている部分を短くでき、回転軸３の回転を安定させるのに有利である。

【0040】

本開示は、上記の実施形態のみに限定されない。例えば、上記の実施形態では、回転機械の一例として電動アシスト型の過給機を説明したが、電動モータの駆動で回転するインペラを備えた回転機械に広く適用でき、例えばタービンを備えたターボチャージャーなどであってもよい。

【符号の説明】

【0041】

１ 回転機械
２ 電動モータ
３ 回転軸
３ａ 自由端
４ コンプレッサインペラ（インペラ）
６ インバータ
６ａ 制御基板
６ｂ 制御基板
７ ロータ
８ ステータ
８ａ 内周
８ｂ 外周
８ｃ 端部
９ 引き出し線
１１ 内側ハウジング（ケーシング）
１１ｄ 端壁部
１１ｅ 溝部
１３ ディフューザプレート（冷却部）
１４ 樹脂部
１５ 軸受
Ｃｄ 周方向
Ｌ 軸線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】