JP6032769B2 - 車両用電動圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、車両用電動圧縮機に係り、さらに詳細には、車両用電動圧縮機の電動モーターの性能を向上させることができる構造を有する車両用電動圧縮機に関する。

最近、化石燃料の枯渇と環境汚染などの問題による低公害、高燃費の政策によって、化石燃料と電気の両方を駆動源とするハイブリッド自動車や電気自動車が脚光を浴びており、それに関する研究が活発に行われている。ハイブリッド自動車や電気自動車は、電動モーターによって車両の推進のための動力を得る。それにより、従来の車両空調システムにおいて機械式圧縮機が広く使用されていたこととは異なり、最近、電動式圧縮機を使用する趨勢に変わっている。

電動式圧縮機は、電気エネルギーを力学的エネルギーに変換する電動モーターと、電動モーターの回転を制御するインバーターとを備えて構成される。このような電動式圧縮機の電動モーターは、一般的に円筒状の回転子と、その外周を取り囲むコイルが巻かれた固定子とを備えて構成され、コイルの巻線方式によって分布巻と集中巻などに分けられる。このような電動式圧縮機では、インバーターから供給される電源によってコイルに電流が印加されることによって、電動モーターに構成される回転子が回転し、このような回転子の回転力は回転軸に伝達される。そして、回転軸から力学的エネルギーを伝達された機械的手段が往復運動を行うことで冷媒を圧縮する。

従来の機械式圧縮機に比べて、圧縮機の冷媒圧縮性能が劣るという欠点があったが、それは、電動モーターによる駆動力が、エンジンの回転力を利用して駆動される機械式圧縮機に比べて弱く、振動がひどく、インバーターの制御性能が高くないという問題点のためであった。また、電動モーターの効率が低いため、車両に供給される電気が浪費されるという問題点があった。

このような電動モーターの振動を引き起こし、精密性を低下させる多くの原因の一つは、永久磁石とスロットとの相互作用によって発生するコギングトルク（ｃｏｇｇｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ）とトルクリップル（ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ）であり、スロットが存在するモーターにおいてコギングトルクとトルクリップルは必然的に存在する。コギングトルクは、モーターシステムの磁気エネルギーが最小である位置、すなわち、平衡の状態で移動しようとする半径方向の力であって、負荷電流とは関係なく、永久磁石の磁極とスロットとの相互作用によって発生する不均一なトルクであり、モーターの制御及び精密度に大きな影響を及ぼす。
このようなコギングトルクを低減させるために、永久磁石の極数とスロット数を構造的に適切に組み合わせることでコギングトルクを低減させる技法が知られている。しかし、ハイブリッド自動車用圧縮機に使用される電動モーターの分野では、磁極とスロット数の最適の割合、あるいは、コギングトルク及びトルクリップルを低減させることができる構造及び設計などに関する具体的な研究成果は未だに多くない。

本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、ハイブリッド車両用圧縮機に使用される電動モーターにおいて、コギングトルク及びトルクリップルを最小化できる永久磁石及びスロットの構造と、回転子及び固定子の設計数値を提示することで、高出力であり、制御が容易であり、エネルギー効率が高い電動モーターを備える車両用電動圧縮機を提供することである。

前述のような目的を達成するため、本発明による車両用電動圧縮機は、円筒状に形成され、内部が軸方向に貫通され、その内周面には軸方向に平行に延長されて、内部にコイルが巻き取られる複数の巻線スロット（１５）が形成される固定子（１０）と、円筒状に形成され、前記固定子（１０）の内部に同軸に設けられる回転子（４０）とを備えて構成される電動モーター（１００）が備えられる車両用電動圧縮機において、前記回転子（４０）には６個の永久磁石が軸方向に挿入され、前記回転子（４０）の中心を貫通し、一つの永久磁石の両端に接する二つの直線がなす角は、４８．７゜ないし５１゜の範囲内にあり、前記巻線スロット（１５）は、前記固定子（１０）の内周面に沿って一定の間隔で２７個備えられ、前記固定子（１０）の外周面には、コネクター（３０）のボディーを固定させるための固定スロット（１１）と冷媒流路となる複数の溝（１３）とが形成され、前記固定スロット（１１）は、所定の深さの窪みからなり、前記固定子（１０）の中心方向に近づくにつれて窪みの幅が大きくなるように形成されることを特徴とする。

前記電動モーターには、前記固定子の内周面に沿って所定の間隔で２７個の巻線スロットが備えられることを特徴とする。

さらに、前記回転子の半径と前記固定子の半径との割合は、０．４８ないし０．５１の範囲内の値を有することを特徴とする。

また、前記回転子の中心と前記永久磁石との間の最短距離と前記回転子の半径との割合は、０．７４ないし０．７８の範囲内の値を有することを特徴とする。

本発明による車両用電動圧縮機は、次のような効果がある。電動モーターにおいて、コギングトルク及びトルクリップルを最小化できるため、電動モーターの出力が向上し、その制御が容易であり、それによって空調性能が向上する。さらに、本発明による車両用電動圧縮機によれば、電動モーターの出力が向上し、エネルギー効率が上昇するため、車両の燃費が向上する。

本発明の具体的な実施形態による車両圧縮機用電動モーターの概略的な構成を示す斜視図である。 本発明の具体的な実施形態による車両圧縮機用電動モーターの断面図である。 本発明の具体的な実施形態による車両圧縮機用電動モーターの永久磁石の円弧角のサイズによるコギングトルクの変化を示すグラフである。 本発明の具体的な実施形態による車両圧縮機用電動モーターの永久磁石の円弧角のサイズによるトルクリップルの変化を示すグラフである。 本発明の具体的な実施形態による車両圧縮機用電動モーターの永久磁石の円弧角と、回転子の半径Ｒｒと固定子の半径Ｒｓとの割合Ｒｒ／Ｒｓによるコギングトルクの特性を示すグラフである。 本発明の具体的な実施形態による車両圧縮機用電動モーターの永久磁石の円弧角と、回転子の半径Ｒｒと固定子の半径Ｒｓとの割合Ｒｒ／Ｒｓによるトルクリップルの特性を示すグラフである。 本発明の具体的な実施形態による車両圧縮機用電動モーターの永久磁石の円弧角と、回転子の中心と永久磁石との間の最短距離Ｒｍと回転子の半径Ｒｒとの割合Ｒｍ／Ｒｒによるコギングトルクの特性を示すグラフである。 本発明の具体的な実施形態による車両圧縮機用電動モーターの永久磁石の円弧角と、回転子の中心と永久磁石との間の最短距離Ｒｍと回転子の半径Ｒｒとの割合Ｒｍ／Ｒｒによるトルクリップルの特性を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明による車両用電動圧縮機の好ましい実施形態を詳細に説明する。

車両用電動圧縮機は、一般的に、冷媒が機械構成の往復運動によって圧縮される圧縮部と、前記圧縮部に力学的エネルギーを伝達する電動モーターと、電動モーターに電気エネルギーを供給するインバーターとを備えて構成される。しかし、本発明の要部は、電動モーターの構造にあり、その他の圧縮機の構成は一般的な車両用電動圧縮機の構成とあまり異なっていないため、以下では本発明による車両用電動圧縮機の電動モーターを中心に説明する。

図１は、本発明の具体的な実施形態による車両圧縮機用電動モーターの概略的な構成を示す斜視図であり、図２は、本発明の具体的な実施形態による車両圧縮機用電動モーターの断面図である。図１及び図２に示すように、本発明の実施形態による車両圧縮機用電動モーター１００は、略円筒状の固定子１０を備えて構成される。固定子１０は、図２に示す横断面から確認できるように、その内部が円筒状に貫通されるリング状の断面を有する。

固定子１０の内周面には、固定子１０の貫通方向に延長される複数の巻線スロット１５が形成される。巻線スロット１５には、コイルが巻線スロット１５に沿って、その延長方向に巻き取られる。巻線スロット１５の数は、電動モーター１００の設計によって変わり得るが、本発明の実施形態では、２７個の巻線スロット１５が所定の間隔で備えられる。すなわち、それぞれの巻線スロット１５は、隣接した巻線スロット１５と約１３．３度の角度を形成する。

一方、巻線スロット１５に巻き取られたコイル束は、固定子１０の両端で外部に露出して、エンドターン（ｅｎｄ‐ｔｕｒｎ）２０を形成する。エンドターン２０は、固定子１０の両端で固定子１０から所定長さだけ露出する。そして、固定子１０の外周面には、コネクター３０が固定される。コネクター３０は、コイルエンドターン２０から延長されるコイルの末端に備えられる複数の端子を取り囲んで固定する役割を行う。

コネクター３０は、その内部に複数の端子を備える熱可塑性樹脂などの素材で構成された一つのボディーで形成されることができ、固定子１０の外周面に固定されるために、ボディーから一体に延設される一つ以上の突起を備えることができる。さらに、コネクター３０は、エンドターン２０を干渉しないために、略‘Ｌ’字状に形成される。このように、コネクター３０が固定子１０に固定されることで、コネクター３０を固定子１０に対して軸方向に支持することができる。

このために、固定子１０の外周面の一側には、コネクター３０のボディーを固定子１０に直接固定させるための固定スロット１１が形成されることもできる。固定スロット１１は、固定子１０の外周面から所定深さに窪むように形成されることができ、図２に示すように、固定子１０の中心方向に近づくにつれ、その幅が大きくなる形状に形成され、固定スロット１１に嵌め込まれるコネクター３０を離脱しにくくすることができる。一方、固定子１０の外周面には、複数の溝１３が窪むように形成されることによって冷媒流路を形成して、冷媒が受ける抵抗を減少させることによって圧縮機性能の向上を図ることもできる。

一方、図２に示すように、円筒状に貫通された固定子１０の内部には、回転子４０が設けられる。このとき、図２は、コイルが巻き取られていない電動モーター１００の断面を示す。回転子４０は、固定子１０が貫通された空間に設けられる円筒状の部材であって、固定子１０に巻き取られたコイルに電流が印加されることによって発生する電磁気力を受けて回転できるように、複数の永久磁石を備えて構成されることができる。回転子４０には回転軸（図示せず）などが連結されて、圧縮機の内部に備えられる圧縮部に回転力を伝達する。

回転子４０には、永久磁石Ｍが挿入されるように、回転子４０の回転軸に平行に貫設される複数の挿入孔４１が形成される。挿入孔４１には、永久磁石Ｍが回転子４０の回転軸方向にそれぞれ挿入されるが、隣接した挿入孔４１には、相異なる極を有する永久磁石Ｍを挿入する。このように、永久磁石Ｍを、回転子４０の表面ではなく、内部に挿入させれば、マグネチックトルク（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｏｒｑｕｅ：磁場の配列性と磁場の強度によるトルク）とともに、リラクタンストルク（Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｔｏｒｑｕｅ：磁気抵抗の変化によるトルク）を利用することができるため、より小さい電流を利用して同一のトルクを発生させることができる。また、電動モーター１００の効率を高めることができる。挿入孔４１と永久磁石Ｍは、それぞれ回転子４０に６個ずつ形成される。すなわち、隣接した二つの挿入孔４１は互いに１２０度の角度をなす。

一方、回転子４０には、必要によって複数のリベットホール４３が貫設されることができる。リベットホール４３には、リベット（図示せず）が挿入されることができる。さらに、回転子４０には、回転子４０を回転軸方向に貫通する数個の貫通孔４５が形成されることができる。そして、回転子４０の中央には、圧縮機の圧縮部に回転子４０の回転力を伝達するための回転軸が設けられる軸孔４７が貫設される。

このような構成の電動モーター１００では、６個の永久磁石Ｍを構成して電動モーター１００の効率を極大化するとともに、インバーターのスイチング周波数を考慮した最適の極数を提供し、６個の永久磁石Ｍに対応して無負荷逆起電力の歪率（Ｔｏｔａｌ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を最小化することができる数である、２７個の巻線スロット１５を備えることができる。

さらに、回転子４０の中心と、挿入孔４１に挿入された永久磁石Ｍの両端とを連結する二つの直線間の円弧角をαとすれば、前記のような２７個の巻線スロット１５と６個の永久磁石Ｍを有する電動モーターにおいて、円弧角αは略４８．７゜ないし５１゜の範囲内で形成されることが好ましい。

圧縮機用電動モーターのコギングトルクがその定格トルクの３％以下であれば、コギングトルクによる電動モーターの振動ノイズを最小化することができる。したがって、コギングトルクが定格トルクの３％以下の値を有することが好ましく、本発明者らは、このような条件を満たすことができる円弧角αの範囲を捜すために多様な実験を行い、以下で同実験結果を参照して説明する。

図３は、本発明の具体的な実施形態による車両圧縮機用電動モーターの永久磁石の円弧角のサイズによるコギングトルクの変化を示すグラフであって、同グラフによれば、円弧角αが４８．７゜ないし５１゜の範囲で３％以下の低いコギングトルクを有することが分かる。コギングトルクは、電動モーター１００に電源が印加されていない状態で回転子４０が回転する際に、固定子１０のスロットに巻き取られたコイルと回転子４０の永久磁石Ｍとの相互作用によるもので、これは、電源を印加して回転子４０に加えようとするトルク成分ではないため、その数値が低いほど回転子４０の回転を容易に制御することができる。したがって、図３のグラフから、コギングトルクが低く測定された円弧角αの範囲を導出した。

さらに、前記のようにコギングトルクを最小化すれば、電源の印加時に発生するトルクリップル（Ｔｏｒｑｕｅ Ｒｉｐｐｌｅ：トルクの振動）も低減して、無負荷逆起電力が正弦波に近づく、それにより、インバーターの電動モーター１００に対する制御性能が向上し、電動モーター１００から発生する振動やノイズも低減する。

図４は、本発明の具体的な実施形態による車両圧縮機用電動モーターの永久磁石の円弧角のサイズによるトルクリップルの変化を示すグラフであって、同グラフによれば、円弧角αが、前述のように、略４８．７゜ないし５１゜の範囲内で形成された場合には、略９％以内のトルクリップルのみが存在することが分かる。したがって、前記のような円弧角の範囲がコギングトグを最小化するとともに、トルクリップルを最小化できることが分かる。

一方、図２で、回転子４０の半径をＲｒとし、回転子４０の中心からの固定子１０の半径をＲｓとすると、両半径間の割合Ｒｒ／Ｒｓは、円弧角αの範囲に対して０．４８ないし０．５１の値を有することが好ましい。

図５は、本発明の具体的な実施形態による車両圧縮機用電動モーターの永久磁石の円弧角αと、回転子の半径Ｒｒと固定子の半径Ｒｓとの割合Ｒｒ／Ｒｓによるコギングトルクの特性を示すグラフである。すなわち、前述のように、コギングトルクが３％以下の値を有する領域において、円弧角αが、前述のような４８．７゜ないし５１゜の範囲を有することができる回転子の半径Ｒｒと固定子の半径Ｒｓとの割合Ｒｒ／Ｒｓは０．４８ないし０．５１であることが分かる。

さらに、電動モーターの永久磁石の円弧角と、回転子の半径Ｒｒと固定子の半径Ｒｓとの割合Ｒｒ／Ｒｓによるトルクリップルの特性を示すグラフである図６を参照すれば、円弧角αが前述のような４８．７゜ないし５１゜の範囲であるとき、トルクリップルが９％以下である領域に対応する回転子の半径Ｒｒと固定子の半径Ｒｓとの割合Ｒｒ／Ｒｓは、図５に示されるものと同様に、０．４８ないし０．５１であることが分かる。

結局、コギングトルクが３％以下の値を有し、トルクリップルが９％以下である領域に対応して、円弧角αが４８．７゜ないし５１゜の範囲を有することができる回転子の半径Ｒｒと固定子の半径Ｒｓとの割合Ｒｒ／Ｒｓは０．４８ないし０．５１であることが好ましい。さらに、前述のように、コギングトルクの割合が定格トルクの３％以下の値を有し、トルクリップルが９％以下である条件を満たす設計上の項目として、回転子４０の半径と、回転子４０の中心から永久磁石Ｍまでの最短距離Ｒｍとの割合Ｒｍ／Ｒｒは、０．７４ないし０．７８の範囲内にあることが好ましい。

図７は、本発明の具体的な実施形態による車両圧縮機用電動モーターの永久磁石の円弧角と、回転子の中心と永久磁石との間の最短距離Ｒｍと回転子の半径Ｒｒとの割合Ｒｍ／Ｒｒによるコギングトルクの特性を示すグラフである。図８は、本発明の具体的な実施形態による車両圧縮機用電動モーターの永久磁石の円弧角と、回転子の中心と永久磁石との間の最短距離Ｒｍと回転子の半径Ｒｒとの割合Ｒｍ／Ｒｒによるトルクリップルの特性を示すグラフである。

同図に示されるように、図７において、コギングトルクが３％以下の値を有する領域で、円弧角αが前述のような４８．７゜ないし５１゜の範囲を有することができる回転子の中心と永久磁石との間の最短距離Ｒｍと回転子の半径Ｒｒとの割合Ｒｍ／Ｒｒは０．７４ないし０．７８の範囲内にあることが分かる。また、図８においても、トルクリップルが９％以下である領域に対応して、円弧角αが４８．７゜ないし５１゜の範囲を有することができる割合Ｒｍ／Ｒｒは０．７４ないし０．７８の範囲内にあることが分かる。

本発明の権利範囲は、前記の実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載されたものによって定義され、本発明の技術分野で通常の知識を有する者が特許請求の範囲に記載された権利範囲内で多様な変形や改作ができるということは明らかである。

Claims (1)

1. 円筒状に形成され、内部が軸方向に貫通され、その内周面には軸方向に平行に延長されて、内部にコイルが巻き取られる複数の巻線スロット（１５）が形成される固定子（１０）と、円筒状に形成され、前記固定子（１０）の内部に同軸に設けられる回転子（４０）とを備えて構成される電動モーター（１００）が備えられる車両用電動圧縮機において、
   前記回転子（４０）には６個の永久磁石が軸方向に挿入され、前記回転子（４０）の中心を貫通し、一つの永久磁石の両端に接する二つの直線がなす角は、４８．７゜ないし５１゜の範囲内にあり、前記巻線スロット（１５）は、前記固定子（１０）の内周面に沿って一定の間隔で２７個備えられ、
   前記固定子（１０）の外周面には、コネクター（３０）のボディーを固定させるための固定スロット（１１）と冷媒流路となる複数の溝（１３）とが形成され、前記固定スロット（１１）は、所定の深さの窪みからなり、前記固定子（１０）の中心方向に近づくにつれて窪みの幅が大きくなるように形成されることを特徴とする車両用電動圧縮機。
   

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