燃料電池用圧縮機
【課題】固有振動数の低下の原因となる回転部分の全長の長大化を生じることなしに、ラジアルフォイル軸受２２、３１により、電動モータ１３の回転軸１０をできるだけ低速で速やかに浮上させると共に前記浮上を安定して維持できる燃料電池用圧縮機６を提供する。
【解決手段】前記ラジアルフォイル軸受２２、３１を、電動モータ１３のステータ１２の、軸方向の両端より外側に設けると共に、前記ステータ１２の軸方向内方に凹入させて設けた空間５２、５６内にも挿入させて配置した。
【解決手段】前記ラジアルフォイル軸受２２、３１を、電動モータ１３のステータ１２の、軸方向の両端より外側に設けると共に、前記ステータ１２の軸方向内方に凹入させて設けた空間５２、５６内にも挿入させて配置した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば燃料電池自動車等の燃料電池に、水素等と反応させて電力を発生させるための酸素を含む空気を圧縮して供給する燃料電池用圧縮機（過給機）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素、アルコール等の燃料を燃焼させずに、燃料電池において電気化学的に空気中の酸素と反応させて電力を発生させ、発生させた電力によって電動機を回転させて走行する燃料電池自動車の開発が進んでいる。燃料電池に空気を供給するためには、電動モータと、前記電動モータの回転軸に連結された遠心圧縮機とを備えた燃料電池用圧縮機が用いられる。
【０００３】
前記燃料電池用圧縮機においては、空気を十分に圧縮した状態で燃料電池に供給する必要があるため、遠心圧縮機のインペラをおよそ数万回転以上といった高速で回転させなければならない。そのため電動モータの回転軸を、通常の転がり軸受等ではなく、フォイル軸受や磁気軸受を用いて、高速回転時に非接触の状態で支持する場合がある。
例えば前記回転軸を、ロータを挟んで回転軸の軸方向の両側で、かつステータの両側の端部より軸方向外方の領域に設けた一対のラジアルフォイル軸受によって径方向から支持すると共に、同領域に設けた一対のアキシアル磁気軸受によって軸方向から支持することが行なわれる（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−１９２１１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ラジアルフォイル軸受は、回転軸のうち前記ラジアルフォイル軸受によって支持する部位より大径に形成した通孔の内面に、ごく薄い金属箔等からなる１枚の、または２枚以上のフォイルセグメントを取り付けて構成される。前記ラジアルフォイル軸受によれば、支持する回転軸の回転数が所定値に達するまでは、前記フォイルセグメントが回転軸の外周面に直接に接触して前記回転軸を径方向から支持し、回転数が所定値以上に達した後は、前記回転軸の外周面とフォイルセグメントとの間に発生する動圧によって、回転軸をその全周に亘ってフォイルセグメントの表面から浮上させて、非接触の状態で支持できる。
【０００５】
前記ラジアルフォイル軸受には、できるだけ回転数が低い間に速やかに回転軸を浮上できることと、浮上後はできるだけ安定に前記浮上を維持できることが求められる。そのためフォイルセグメントの厚み、形状、枚数等を調整したり、通孔の内径と回転軸の外径との差を調整したりすることが行われる。
しかし一般に、できるだけ低速で速やかに回転軸を浮上できるように特性が調整されたラジアルフォイル軸受は浮上の安定性が低く、逆に回転軸の浮上を安定して維持できるように特性が調整されたラジアルフォイル軸受は、低速域で回転軸を速やかに浮上できないことが多い。
【０００６】
そのためラジアルフォイル軸受の、回転軸の軸方向の長さ、すなわちフォイルセグメントの同方向の長さを大きくして、前記回転軸の回転時にその外周面とフォイルセグメントとの間で発生する動圧を高めて前記両特性を共に向上することや、あるいはそれぞれの特性に優れたタイプの異なる２つのラジアルフォイル軸受を組み合わせることが検討された。しかしこのいずれの場合にも、ロータの両側の一対のラジアルフォイル軸受を、それぞれ前記長さの長いものやタイプの異なる２つのラジアルフォイル軸受に置換しなければならないため、回転軸の軸長と、前記回転軸を含む燃料電池用圧縮機の回転部分（ロータ、回転軸、遠心圧縮機のインペラ、アキシアル磁気軸受の磁気ディスク等を含む部分）の全長とがこれまでよりも長くなり、それに伴って前記回転部分の固有振動数の低下を招いて、高速回転に十分に適応できなくなるという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、固有振動数の低下の原因となる回転部分の全長の長大化を生じることなしに、ラジアルフォイル軸受により、電動モータの回転軸をできるだけ低速で速やかに浮上させると共に前記浮上を安定して維持できる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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は、回転軸（１０）、ロータ（１１）およびステータ（１２）を含む電動モータ（１３）と、前記電動モータの回転軸の一端に連結された遠心圧縮機（１５）と、前記回転軸を径方向から支持する一対のラジアルフォイル軸受（２２）（３１）と、前記回転軸を軸方向から支持する一対のアキシアル磁気軸受（２４）（３３）とを備え、前記ステータはロータが挿通される筒状に形成され、前記ロータは、軸方向の両端部が前記ステータの軸方向の両端部より軸方向内方に凹入させて設けられて、前記ステータ内の軸方向両端部には、回転軸との間にステータの軸方向外方と連通する空間（５２）（５６）が設けられており、前記一対のラジアルフォイル軸受は、それぞれステータの軸方向外方から、連続するステータ内の空間に亘る領域に設けられていることを特徴とする燃料電池用圧縮機（６）を提供するものである（請求項１）。なお、カッコ内の英数字は後述の実施の形態における対応構成要素等を表す。
【０００９】
本発明によれば、それぞれステータの両側の端部より軸方向外方の領域だけでなく、前記領域と連続する、ステータの、回転軸との間の空間にもラジアルフォイル軸受を設けることができる。そのため回転軸の軸長、ならびに燃料電池用圧縮機の回転部分の全長を長大化させることなしに、前記ラジアルフォイル軸受として、回転軸の軸方向の長さ、すなわちフォイルセグメントの同方向の長さが大きく、回転軸の回転時に発生する動圧が高いものを用いたり、タイプの異なる２つのラジアルフォイル軸受を用いたりできる。
【００１０】
したがって本発明によれば、前記軸長および全長の長大化を生じることなく、ラジアルフォイル軸受により、電動モータの回転軸をできるだけ低速で速やかに浮上させると共に前記浮上を安定して維持できる燃料電池用圧縮機を提供することができる。
本発明によれば、アキシアル磁気軸受が、ステータの端部より軸端側に設けられた、回転軸を囲む環状の電磁石（４０）（４４）と、前記電磁石に軸方向から対向させて回転軸に取り付けられた磁気ディスク（２５）（３４）とを含む場合に、ラジアルフォイル軸受を、前記電磁石の中心に設けられた通孔（４７）（５３）に嵌め合わされた第１フォイル軸受（２２ａ）（３１ａ）と、前記第１フォイル軸受と別体に形成され、前記電磁石に固定されてステータ内の空間に挿入された第２フォイル軸受（２２ｂ）（３１ｂ）とで構成できる（請求項２）。
【００１１】
この場合、例えば前記第１フォイル軸受および第２フォイル軸受として、それぞれタイプの異なる２つのラジアルフォイル軸受を用いることにより、電動モータの回転軸をできるだけ低速で速やかに浮上させると共に前記浮上を安定して維持することができる。
また両フォイル軸受の特性を同一として、回転軸の軸方向の長さ、すなわちフォイルセグメントの同方向の長さが大きく、回転軸の回転時に発生する動圧が高い一つのラジアルフォイル軸受と同様に機能させることにより、電動モータの回転軸をできるだけ低速で速やかに浮上させると共に前記浮上を安定して維持することもできる。
【００１２】
また本発明によれば、アキシアル磁気軸受が、ステータの端部より軸端側に設けられた、回転軸を囲む環状の電磁石と、前記電磁石に軸端側から対向させて回転軸に取り付けられた磁気ディスクとを含む場合に、ラジアルフォイル軸受を、前記電磁石の中心に設けられた通孔に嵌め合わされた第１部位（３１ｃ）と、前記第１部位と一体に形成されてステータ内の空間に挿入された第２部位（３１ｄ）とで構成できる（請求項３）。
【００１３】
この場合、例えば前記両部位を、それぞれタイプの異なる２つのラジアルフォイル軸受として構成することにより、電動モータの回転軸をできるだけ低速で速やかに浮上させると共に前記浮上を安定して維持することができる。
また両部位を連続した一つのラジアルフォイル軸受として構成して、回転軸の軸方向の長さ、すなわちフォイルセグメントの同方向の長さが大きく、回転軸の回転時に発生する動圧が高いものとして機能させることにより、電動モータの回転軸をできるだけ低速で速やかに浮上させると共に前記浮上を安定して維持することもできる。
【００１４】
さらに本発明によれば、回転軸の、遠心圧縮機が連結された側と反対側の軸端面に、前記回転軸と同軸となるように雌ねじ穴（６２）を設けると共に、磁気ディスクの中心には通孔（６４）を設け、ボルト（６３）を、前記通孔を挿通させて前記雌ねじ穴に螺合させることにより、前記軸端に磁気ディスクを固定できる（請求項４）。
この場合、前記ボルトの頭部を薄肉化すると共に、例えばアキシアル磁気軸受の電磁石の磁力を制御するために回転軸受の軸方向の位置を検知する変位センサのターゲットとして機能させることができる。そのため燃料電池用圧縮機の回転部分の全長を短縮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下には、図面を参照して、この発明の実施形態について具体的に説明する。
図１は、本発明の燃料電池用圧縮機が組み込まれる、例えば車載用の燃料電池装置の一例を示すブロック図である。
図１を参照して、この例の燃料電池装置１は、燃料電池スタック２と、前記燃料電池スタック２から供給される電力を制御する電力制御器３と、燃料電池スタック２に水素を供給する高圧水素タンク４および水素ポンプ５と、燃料電池スタック２に圧縮空気を供給する燃料電池用圧縮機６と、前記燃料電池用圧縮機６で得られた圧縮空気を加湿する加湿器７と、燃料電池スタック２および電力制御器３を冷却する冷却器８とを備えている。
【００１６】
前記燃料電池装置１においては、高圧水素タンク４から水素ポンプ５を介して供給された水素と、外部から取り込んだ空気を燃料電池用圧縮機６で圧縮して得られ、加湿器７で加湿された圧縮空気とを燃料電池スタック２に供給する。そして燃料電池スタック２での水素と圧縮空気との電気化学反応によって、電力制御器３で制御された電力によって自動車を走行させる電動機９が駆動される。
【００１７】
図２は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池用圧縮機６の断面図である。
図２を参照して、この例の燃料電池用圧縮機６は、回転軸１０、ロータ１１およびステータ１２を含む電動モータ１３と、前記電動モータ１３を内部に収容するハウジング１４と、前記ハウジング１４の一端（図において左端）に結合された遠心圧縮機１５とを備えている。ハウジング１４は、この実施形態では筒状をなし、その中心軸線Ｌ１方向の一端側は前記遠心圧縮機１５で閉じられ、他端（図において右端）側は蓋体１６で閉じられている。
【００１８】
回転軸１０は円柱状の軸本体１７を有している。ロータ１１は、内径が前記軸本体１７の外径と一致する筒状をなし、前記軸本体１７に外嵌されて、回転軸１０と一体回転される。
ステータ１２は、外径がハウジング１４の内径と一致する筒状をなすステータ本体１８を含み、前記ステータ本体１８がハウジング１４に内嵌されて、前記ハウジング１４に固定されている。
【００１９】
ハウジング１４の内周のうち遠心圧縮機１５側には、内径がステータ本体１８の外径より小さい環状の段部１９が設けられていると共に、前記段部１９の右端の段差面にステータ本体１８の前記遠心圧縮機１５側の端面が当接されて前記ステータ本体１８、およびステータ１２がハウジング１４の軸方向に位置決めされている。
ステータ本体１８の軸方向両側には、それぞれ筒状をなすステータコイル２０、２１が突設されている。前記ステータ本体１８、およびステータコイル２０、２１はいずれもロータ１１を回転自在に挿通しうる内径を有している。
【００２０】
回転軸１０の、前記軸本体１７より遠心圧縮機１５側（図において左側）には、ラジアルフォイル軸受２２を構成する第１フォイル軸受２２ａによって径方向から支持される軸支部２３、アキシアル磁気軸受２４の磁気ディスク２５が取り付けられる取付部２６、および遠心圧縮機１５のインペラ２７が取り付けられる取付部２８がこの順に設けられている。前記各部は軸本体１７の中心軸線Ｌ２と同軸となるように、前記軸本体１７と一体形成されている。
【００２１】
軸支部２３は軸本体１７より小径で、かつ外周面が、低速回転時に第１フォイル軸受２２ａのフォイルセグメントが周接されると共に回転数が上昇した際に前記フォイルセグメントとの間に動圧を発生させる円筒面とされ、前記第１フォイル軸受２２ａが外挿されている。
取付部２６は前記軸支部２３より小径とされて、円盤状の磁気ディスク２５の中心に設けられた通孔に嵌め合わされている。
【００２２】
取付部２８は前記取付部２６より小径の円柱状とされて、インペラ２７の中心の通孔に挿通されている。取付部２８の先端には雄ねじ部２９が設けられており、前記雄ねじ部２９に図示しないナットが螺合されて、インペラ２７と磁気ディスク２５が回転軸１０に固定される。すなわち軸支部２３と取付部２６との段差面と前記ナットとの間に、スペーサ３０等を介してインペラ２７と磁気ディスク２５が挟まれた状態でナットが締め付けられることにより、前記インペラ２７および磁気ディスク２５が回転軸１０に固定される。
【００２３】
回転軸１０の、前記軸本体１７より蓋体１６側（図において右側）には、ラジアルフォイル軸受３１を構成する第１フォイル軸受３１ａによって径方向から支持される軸支部３２、およびアキシアル磁気軸受３３の磁気ディスク３４が取り付けられる取付部３５がこの順に設けられている。前記両部は軸本体１７の中心軸線Ｌ２と同軸となるように、前記軸本体１７と一体形成されている。
【００２４】
軸支部３２は軸本体１７より小径で、かつ外周面が、低速回転時に第１フォイル軸受３１ａのフォイルセグメントが周接されると共に回転数が上昇した際に前記フォイルセグメントとの間に動圧を発生させる円筒面とされている。
取付部３５は前記軸支部３２より小径とされて、円盤状の磁気ディスク３４の中心に設けられた通孔に嵌め合わされている。
【００２５】
取付部３５の先端には雄ねじ部３６が設けられており、前記雄ねじ部３６に袋ナット３７が螺合されて、磁気ディスク３４が回転軸１０に固定されている。すなわち軸支部３２と取付部３５との段差面と前記袋ナット３７との間に、スペーサ３８を介して磁気ディスク３４が挟まれた状態で袋ナット３７が締め付けられることにより、前記磁気ディスク３４が回転軸１０に固定されている。
【００２６】
ハウジング１４の、遠心圧縮機１５側の一端は環状部材３９によって構成され、前記環状部材３９の環内に、磁気ディスク２５と共にアキシアル磁気軸受２４を構成する環状の電磁石４０が設けられている。
電磁石４０は、環状部材３９に内嵌された、回転軸１０を囲む環状の筐体４１内に電磁コイル４２を埋設して構成されている。電磁石４０は、磁気ディスク２５より回転軸１０の軸方向の軸本体１７側（図において右側、軸方向内方）に設けられており、磁気ディスク２５は、前記電磁石４０に軸方向外方から対向されている。
【００２７】
またハウジング１４の、蓋体１６側の一端は環状部材４３によって構成され、前記環状部材４３の環内に、磁気ディスク３４と共にアキシアル磁気軸受３３を構成する環状の電磁石４４が設けられている。
電磁石４４は、環状部材４３に内嵌された、回転軸１０を囲む環状の筐体４５内に電磁コイル４６を埋設して構成されている。電磁石４４は、磁気ディスク３４より回転軸１０の軸方向の軸本体１７側（図において左側、軸方向内方）に設けられており、磁気ディスク３４は、前記電磁石４４に軸方向外方から対向されている。
【００２８】
電磁石４０の磁気ディスク２５に対向する面、および電磁石４４の磁気ディスク３４に対向する面は、それぞれハウジング１４の中心軸線Ｌ１に直交する平面とされる。また磁気ディスク２５の電磁石４０に対向する面、および磁気ディスク３４の電磁石４４に対向する面は、それぞれ回転軸１０の中心軸線Ｌ２に直交する平面（ターゲット面）とされている。
【００２９】
磁気ディスク２５の電磁石４０に対向する面と、磁気ディスク３４の電磁石４４に対向する面との間の間隔は、前記電磁石４０の磁気ディスクに対向する面と、電磁石４４の磁気ディスク３４に対向する面との間の間隔より、一定のクリアランス分だけ大きめに設定されている。
そのためハウジング１４の中心軸線Ｌ１と回転軸１０の中心軸線Ｌ２とが一致した状態（図２の状態）において、両電磁石４０、４４の電磁コイル４２、４６に通電して磁力を発生させることにより、回転軸１０が、両アキシアル磁気軸受２４、３３により、軸方向に非接触の状態で支持される。
【００３０】
電磁石４０の筐体４１は、環の中心の通孔４７が、第１フォイル軸受２２ａの外径と一致する内径を有しており、前記通孔４７に第１フォイル軸受２２ａが内嵌されて保持されている。
すなわち通孔４７の遠心圧縮機１５側の端部には、径方向内方に突出させて環状の鍔部４８が一体形成され、前記鍔部４８で囲まれた開口に、通孔４７の径方向内方（右方向）から蓋体４９が嵌め合わされている。蓋体４９の中心には、回転軸１０のうちスペーサ３０が外嵌された取付部２６が回転自在に挿通される通孔が設けられている。
【００３１】
また筐体４１の蓋体１６側の端面には蓋体５０がネジ止めされて固定されている。この固定状態において、通孔４７に内嵌された第１フォイル軸受２２ａは、その軸方向の両側から蓋体４９、５０によって挟まれて筐体４１に保持されている。蓋体５０の中心には、回転軸１０のうち軸支部２３が挿通される通孔が設けられている。
蓋体４９の磁気ディスク２５に対向する面は、電磁石４０の磁気ディスク２５に対抗する面と同一平面とされ、前記面には、前記磁気ディスク２５と電磁石４０との間の距離、すなわち回転軸１０の軸方向の変位量を検知するための変位センサ５１が設けられている。
【００３２】
蓋体５０は、この実施形態では、前記第１フォイル軸受２２ａと共にラジアルフォイル軸受２２を構成する第２フォイル軸受２２ｂと一体形成されている。すなわち蓋体５０の蓋体１６側の端面に第２フォイル軸受２２ｂが一体に連成されている。
一対のアキシアル磁気軸受２４、３３によって回転軸１０が軸方向から支持された図２の状態において、ロータ１１の遠心圧縮機１５側の端部は、ステータ１２のうちステータコイル２０の同じ側の端部より軸方向内方、すなわち図において右方向に凹入させて設けられている。これによりステータコイル２０内には、回転軸１０の軸本体１７のうちロータ１１より遠心圧縮機１５側の領域との間に外部と連通する空間５２が設けられ、前記空間５２に第２フォイル軸受２２ｂが挿入されている。
【００３３】
第２フォイル軸受２２ｂは、ステータコイル２０の内径よりわずかに小さい外径を有している。また前記軸本体１７のうちロータ１１より遠心圧縮機１５側の領域は、外周面が、低速回転時に第２フォイル軸受２２ｂのフォイルセグメントが周接されると共に回転数が上昇した際に前記フォイルセグメントとの間に動圧を発生させる円筒面とされている。そして空間５２に挿入された第２フォイル軸受２２ｂが軸本体１７に外挿されて、前記軸本体１７が第２フォイル軸受２２ｂによって径方向から支持されている。
【００３４】
図３は、前記燃料電池用圧縮機のうちラジアルフォイル軸受３１、およびアキシアル磁気軸受３３による軸支部分を拡大した断面図である。
図２、図３を参照して、アキシアル磁気軸受３３を構成する電磁石４４の筐体４５は、環の中心の通孔５３が、ラジアルフォイル軸受３１を構成する第１フォイル軸受３１ａの外径と一致する内径を有しており、前記通孔５３に第１フォイル軸受３１ａが内嵌されて保持されている。
【００３５】
すなわち通孔５３の蓋体１６側の端部には、径方向内方に突出させて環状の鍔部５４が一体形成され、筐体４５の遠心圧縮機１５側の端面には蓋体５５がネジ止めされて固定されている。この固定状態において、通孔５３に内嵌された第１フォイル軸受３１ａは、その軸方向の両側から鍔部５４、および蓋体５５によって挟まれて筐体４５に保持されている。蓋体５５の中心には、回転軸１０のうち軸支部３２が挿通される通孔が設けられている。
【００３６】
蓋体５５は、この実施形態では、前記第１フォイル軸受３１ａと共にラジアルフォイル軸受３１を構成する第２フォイル軸受３１ｂと一体形成されている。すなわち蓋体５５の遠心圧縮機１５側の端面に第２フォイル軸受３１ｂが一体に連成されている。
一対のアキシアル磁気軸受２４、３３によって回転軸１０が軸方向から支持された図２の状態において、ロータ１１の蓋体１６側の端部は、ステータ１２のうちステータコイル２１の同じ側の端部より軸方向内方、すなわち図において左方向に凹入させて設けられている。これによりステータコイル２１内には、回転軸１０の軸本体１７のうちロータ１１より蓋体１６側の領域との間に外部と連通する空間５６が設けられ、前記空間５６に第２フォイル軸受２２ｂが挿入されている。
【００３７】
第２フォイル軸受３１ｂは、ステータコイル２１の内径よりわずかに小さい外径を有している。また前記軸本体１７のうちロータ１１より蓋体１６側の領域は、外周面が、低速回転時に第２フォイル軸受３１ｂのフォイルセグメントが周接されると共に回転数が上昇した際に前記フォイルセグメントとの間に動圧を発生させる円筒面とされている。そして空間５６に挿入された第２フォイル軸受３１ｂが軸本体１７に外挿されて、前記軸本体１７が第２フォイル軸受３１ｂによって径方向から支持されている。
【００３８】
遠心圧縮機１５は、インペラ２７と、前記インペラ２７の回転に伴って外部から空気を取り込み、圧縮して圧縮空気として送り出すための空気の流路５７が設けられたケーシング５８とを備えている。
蓋体１６は環状をなし、環の一端（図において右端）が鏡板５９によって閉じられた形状に一体形成されている。鏡板５９の中心には開口が設けられ、前記開口にセンサ保持部材６０が嵌め合わされている。
【００３９】
袋ナット３７は、蓋体１６側の端面が回転軸１０の中心軸線Ｌ２に直交する平面（センサターゲット面）とされている。またセンサ保持部材６０は、遠心圧縮機１５側の面がハウジング１４の中心軸線Ｌ１に直交する平面とされて、前記袋ナット３７の端面と対向されている。前記センサ保持部材６０の、袋ナット３７の端面と対向する面には変位センサ６１が設けられている。変位センサ６１は、センサ保持部材６０と袋ナット３７との間の距離、すなわち回転軸１０の軸方向の変位量を検知する。
【００４０】
変位センサ６１、および先の変位センサ５１によって検知された変位量は図示しない制御部に入力され、前記制御部はこれらの変位量をもとにして、磁気ディスク２５と電磁石４０との間の距離、および磁気ディスク３４と電磁石４４との間の距離が一定となるように、電磁コイル４２、４６への通電量を制御する。
前記実施形態の燃料電池用圧縮機６においては、第１フォイル軸受２２ａ、３１ａと第２フォイル軸受２２ｂ、３１ｂとして、それぞれタイプの異なる２種のラジアルフォイル軸受を用いることができる。
【００４１】
例えばラジアルフォイル軸受２２を構成する第１および第２フォイル軸受２２ａ、２２ｂのうちの一方、ならびにラジアルフォイル軸受３１を構成する第１および第２フォイル軸受３１ａ、３１ｂのうちの一方を、できるだけ低速で速やかに回転軸を浮上できるように特性が調整されたラジアルフォイル軸受、他方を、回転軸の浮上を安定して維持できるように特性が調整されたラジアルフォイル軸受とすることにより、電動モータ１３の回転軸をできるだけ低速で速やかに浮上させると共に前記浮上を安定して維持することができる。
【００４２】
また前記各フォイル軸受２２ａ、２２ｂ、３１ａ、３１ｂとして、いずれも同じタイプのラジアルフォイル軸受を用いることもできる。
その場合には、第１および第２フォイル軸受２２ａ、２２ｂを、回転軸１０の軸方向の長さ、すなわちフォイルセグメントの同方向の長さが大きく、回転軸１０の回転時に発生する動圧が高い一つのラジアルフォイル軸受２２として機能させることができる。また第１および第２フォイル軸受３１ａ、３１ｂを、同じく回転軸１０の軸方向の長さ、すなわちフォイルセグメントの同方向の長さが大きく、回転軸１０の回転時に発生する動圧が高い一つのラジアルフォイル軸受３１として機能させることができる。
【００４３】
そのため、電動モータの回転軸をできるだけ低速で速やかに浮上させると共に前記浮上を安定して維持することができる。
しかも前記実施形態の燃料電池用圧縮機６においては、前記第２フォイル軸受２２ｂ、３１ｂを、電動モータ１３のステータ１２の両端に設けた空間５２、５６内に挿入させて配置している。
【００４４】
そのため回転軸１０の軸長と、前記回転軸１０を含む燃料電池用圧縮機６の回転部分（回転軸１０、ロータ１１、遠心圧縮機１５のインペラ２７、アキシアル磁気軸受２４、３３の磁気ディスク２５、３４等を含む部分）の全長とが長大化するのを抑制して固有振動数の低下を防止できる。
この発明の実施形態の説明は以上であるが、この発明は、前述の実施形態の内容に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。なお以下では、図１ないし図３に示す実施の形態と異なる点について主に説明し、同様の構成には同様の符号を付してその説明を省略する。
【００４５】
例えば図４に示すようにラジアルフォイル軸受３１は一体形成できる。
すなわち図の変形例では、ラジアルフォイル軸受３１を、電磁石４４の筐体４５の、環の中心の通孔５３に内嵌されて保持された第１部位３１ｃと、前記第１部位３１ｃの遠心圧縮機１５側（図では左側）に一体に連成されてステータ１２の蓋体１６側（図では右側）の空間５６内に挿入された第２部位３１ｄとで一体形成している。
【００４６】
図示していないがラジアルフォイル軸受２２も、同様に電磁石４０の筐体４１の、環の中心の通孔４７に内嵌されて保持される第１部位と、前記第１部位の蓋体１６側に一体に連成されてステータ１２の遠心圧縮機１５側の空間５２内に挿入される第２部位とで一体形成できる。
この場合、例えば１つのラジアルフォイル軸受２２、３１を構成する第１部位と第２部位のうちの一方を、できるだけ低速で速やかに回転軸を浮上できるように特性を調整し、他方を、回転軸の浮上を安定して維持できるように特性を調整することにより、電動モータ１３の回転軸をできるだけ低速で速やかに浮上させると共に前記浮上を安定して維持することができる。
【００４７】
また第１および第２部位の特性を揃えて、ラジアルフォイル軸受２２、３１を、回転軸１０の軸方向の長さ、すなわちフォイルセグメントの同方向の長さが大きく、回転軸１０の回転時に発生する動圧が高いものとして機能させることもできる。
しかも第２部位を、電動モータ１３のステータ１２の両端に設けた空間５２、５６内に挿入させて配置しているため、回転軸１０の軸長と、前記回転軸１０を含む燃料電池用圧縮機６の回転部分（回転軸１０、ロータ１１、遠心圧縮機１５のインペラ２７、アキシアル磁気軸受２４、３３の磁気ディスク２５、３４等を含む部分）の全長とが長大化するのを抑制して固有振動数の低下を防止できる。
【００４８】
また図５に示すように、回転軸１０の蓋体１６側の構造を変更して、前記軸長および回転部分の全長を短縮することもできる。
すなわち図５の変形例では、回転軸１０の蓋体１６側（図では右側）の端部を、取付部３５および雄ねじ部３６を省略した短縮形状として、軸支部３２の軸端面に、前記回転軸１０の中心軸線Ｌ２と同軸となるように雌ねじ穴６２を設けている。
【００４９】
また磁気ディスク３４の中心には、前記雌ねじ穴６２に螺合されるボルト６３が挿通される通孔６４を設けている。そして、前記通孔６４を挿通させたボルト６３を雌ねじ穴６２に螺合させて締め付けることにより、前記磁気ディスク３４が、スペーサ３８を介して回転軸１０の軸端に固定されている。
ボルト６３の頭部６５は、回転軸１０の中心軸線Ｌ２に直交する平面（センサターゲット面）とされて、センサ保持部材６０の遠心圧縮機１５側の面と対向されている。センサ保持部材６０の前記面には変位センサ６１が設けられている。
【００５０】
かかる構造では、ボルト６３の頭部６５を薄肉化すると共に、前記のように変位センサ６１のターゲットとして機能させることができる。そのため袋ナット３７を用いる場合に比べて燃料電池用圧縮機６の回転部分の全長を短縮できる。
その他、本発明の燃料電池用圧縮機は、車載用以外の用途に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の燃料電池用圧縮機が組み込まれる燃料電池装置の一例を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる燃料電池用圧縮機の断面図である。
【図３】前記燃料電池用圧縮機のうち一方のラジアルフォイル軸受、アキシアル磁気軸受による軸支部分を拡大した断面図である。
【図４】前記軸支部分の変形例を示す断面図である。
【図５】回転軸の軸端部の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
６：燃料電池用圧縮機、１０：回転軸、１１：ロータ、１２：ステータ、１３：電動モータ、１５：遠心圧縮機、２２、３１：ラジアルフォイル軸受、２２ａ、３１ａ：第１フォイル軸受、２２ｂ、３１ｂ：第２フォイル軸受、２４、３３：アキシアル磁気軸受、２５、３４：磁気ディスク、３１ｃ：第１部位、３１ｄ：第２部位、４０、４４：電磁石、４７、５３：通孔、５２、５６：空間、６２：雌ねじ穴、６３：ボルト、６４：通孔。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば燃料電池自動車等の燃料電池に、水素等と反応させて電力を発生させるための酸素を含む空気を圧縮して供給する燃料電池用圧縮機（過給機）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素、アルコール等の燃料を燃焼させずに、燃料電池において電気化学的に空気中の酸素と反応させて電力を発生させ、発生させた電力によって電動機を回転させて走行する燃料電池自動車の開発が進んでいる。燃料電池に空気を供給するためには、電動モータと、前記電動モータの回転軸に連結された遠心圧縮機とを備えた燃料電池用圧縮機が用いられる。
【０００３】
前記燃料電池用圧縮機においては、空気を十分に圧縮した状態で燃料電池に供給する必要があるため、遠心圧縮機のインペラをおよそ数万回転以上といった高速で回転させなければならない。そのため電動モータの回転軸を、通常の転がり軸受等ではなく、フォイル軸受や磁気軸受を用いて、高速回転時に非接触の状態で支持する場合がある。
例えば前記回転軸を、ロータを挟んで回転軸の軸方向の両側で、かつステータの両側の端部より軸方向外方の領域に設けた一対のラジアルフォイル軸受によって径方向から支持すると共に、同領域に設けた一対のアキシアル磁気軸受によって軸方向から支持することが行なわれる（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−１９２１１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ラジアルフォイル軸受は、回転軸のうち前記ラジアルフォイル軸受によって支持する部位より大径に形成した通孔の内面に、ごく薄い金属箔等からなる１枚の、または２枚以上のフォイルセグメントを取り付けて構成される。前記ラジアルフォイル軸受によれば、支持する回転軸の回転数が所定値に達するまでは、前記フォイルセグメントが回転軸の外周面に直接に接触して前記回転軸を径方向から支持し、回転数が所定値以上に達した後は、前記回転軸の外周面とフォイルセグメントとの間に発生する動圧によって、回転軸をその全周に亘ってフォイルセグメントの表面から浮上させて、非接触の状態で支持できる。
【０００５】
前記ラジアルフォイル軸受には、できるだけ回転数が低い間に速やかに回転軸を浮上できることと、浮上後はできるだけ安定に前記浮上を維持できることが求められる。そのためフォイルセグメントの厚み、形状、枚数等を調整したり、通孔の内径と回転軸の外径との差を調整したりすることが行われる。
しかし一般に、できるだけ低速で速やかに回転軸を浮上できるように特性が調整されたラジアルフォイル軸受は浮上の安定性が低く、逆に回転軸の浮上を安定して維持できるように特性が調整されたラジアルフォイル軸受は、低速域で回転軸を速やかに浮上できないことが多い。
【０００６】
そのためラジアルフォイル軸受の、回転軸の軸方向の長さ、すなわちフォイルセグメントの同方向の長さを大きくして、前記回転軸の回転時にその外周面とフォイルセグメントとの間で発生する動圧を高めて前記両特性を共に向上することや、あるいはそれぞれの特性に優れたタイプの異なる２つのラジアルフォイル軸受を組み合わせることが検討された。しかしこのいずれの場合にも、ロータの両側の一対のラジアルフォイル軸受を、それぞれ前記長さの長いものやタイプの異なる２つのラジアルフォイル軸受に置換しなければならないため、回転軸の軸長と、前記回転軸を含む燃料電池用圧縮機の回転部分（ロータ、回転軸、遠心圧縮機のインペラ、アキシアル磁気軸受の磁気ディスク等を含む部分）の全長とがこれまでよりも長くなり、それに伴って前記回転部分の固有振動数の低下を招いて、高速回転に十分に適応できなくなるという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、固有振動数の低下の原因となる回転部分の全長の長大化を生じることなしに、ラジアルフォイル軸受により、電動モータの回転軸をできるだけ低速で速やかに浮上させると共に前記浮上を安定して維持できる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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は、回転軸（１０）、ロータ（１１）およびステータ（１２）を含む電動モータ（１３）と、前記電動モータの回転軸の一端に連結された遠心圧縮機（１５）と、前記回転軸を径方向から支持する一対のラジアルフォイル軸受（２２）（３１）と、前記回転軸を軸方向から支持する一対のアキシアル磁気軸受（２４）（３３）とを備え、前記ステータはロータが挿通される筒状に形成され、前記ロータは、軸方向の両端部が前記ステータの軸方向の両端部より軸方向内方に凹入させて設けられて、前記ステータ内の軸方向両端部には、回転軸との間にステータの軸方向外方と連通する空間（５２）（５６）が設けられており、前記一対のラジアルフォイル軸受は、それぞれステータの軸方向外方から、連続するステータ内の空間に亘る領域に設けられていることを特徴とする燃料電池用圧縮機（６）を提供するものである（請求項１）。なお、カッコ内の英数字は後述の実施の形態における対応構成要素等を表す。
【０００９】
本発明によれば、それぞれステータの両側の端部より軸方向外方の領域だけでなく、前記領域と連続する、ステータの、回転軸との間の空間にもラジアルフォイル軸受を設けることができる。そのため回転軸の軸長、ならびに燃料電池用圧縮機の回転部分の全長を長大化させることなしに、前記ラジアルフォイル軸受として、回転軸の軸方向の長さ、すなわちフォイルセグメントの同方向の長さが大きく、回転軸の回転時に発生する動圧が高いものを用いたり、タイプの異なる２つのラジアルフォイル軸受を用いたりできる。
【００１０】
したがって本発明によれば、前記軸長および全長の長大化を生じることなく、ラジアルフォイル軸受により、電動モータの回転軸をできるだけ低速で速やかに浮上させると共に前記浮上を安定して維持できる燃料電池用圧縮機を提供することができる。
本発明によれば、アキシアル磁気軸受が、ステータの端部より軸端側に設けられた、回転軸を囲む環状の電磁石（４０）（４４）と、前記電磁石に軸方向から対向させて回転軸に取り付けられた磁気ディスク（２５）（３４）とを含む場合に、ラジアルフォイル軸受を、前記電磁石の中心に設けられた通孔（４７）（５３）に嵌め合わされた第１フォイル軸受（２２ａ）（３１ａ）と、前記第１フォイル軸受と別体に形成され、前記電磁石に固定されてステータ内の空間に挿入された第２フォイル軸受（２２ｂ）（３１ｂ）とで構成できる（請求項２）。
【００１１】
この場合、例えば前記第１フォイル軸受および第２フォイル軸受として、それぞれタイプの異なる２つのラジアルフォイル軸受を用いることにより、電動モータの回転軸をできるだけ低速で速やかに浮上させると共に前記浮上を安定して維持することができる。
また両フォイル軸受の特性を同一として、回転軸の軸方向の長さ、すなわちフォイルセグメントの同方向の長さが大きく、回転軸の回転時に発生する動圧が高い一つのラジアルフォイル軸受と同様に機能させることにより、電動モータの回転軸をできるだけ低速で速やかに浮上させると共に前記浮上を安定して維持することもできる。
【００１２】
また本発明によれば、アキシアル磁気軸受が、ステータの端部より軸端側に設けられた、回転軸を囲む環状の電磁石と、前記電磁石に軸端側から対向させて回転軸に取り付けられた磁気ディスクとを含む場合に、ラジアルフォイル軸受を、前記電磁石の中心に設けられた通孔に嵌め合わされた第１部位（３１ｃ）と、前記第１部位と一体に形成されてステータ内の空間に挿入された第２部位（３１ｄ）とで構成できる（請求項３）。
【００１３】
この場合、例えば前記両部位を、それぞれタイプの異なる２つのラジアルフォイル軸受として構成することにより、電動モータの回転軸をできるだけ低速で速やかに浮上させると共に前記浮上を安定して維持することができる。
また両部位を連続した一つのラジアルフォイル軸受として構成して、回転軸の軸方向の長さ、すなわちフォイルセグメントの同方向の長さが大きく、回転軸の回転時に発生する動圧が高いものとして機能させることにより、電動モータの回転軸をできるだけ低速で速やかに浮上させると共に前記浮上を安定して維持することもできる。
【００１４】
さらに本発明によれば、回転軸の、遠心圧縮機が連結された側と反対側の軸端面に、前記回転軸と同軸となるように雌ねじ穴（６２）を設けると共に、磁気ディスクの中心には通孔（６４）を設け、ボルト（６３）を、前記通孔を挿通させて前記雌ねじ穴に螺合させることにより、前記軸端に磁気ディスクを固定できる（請求項４）。
この場合、前記ボルトの頭部を薄肉化すると共に、例えばアキシアル磁気軸受の電磁石の磁力を制御するために回転軸受の軸方向の位置を検知する変位センサのターゲットとして機能させることができる。そのため燃料電池用圧縮機の回転部分の全長を短縮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下には、図面を参照して、この発明の実施形態について具体的に説明する。
図１は、本発明の燃料電池用圧縮機が組み込まれる、例えば車載用の燃料電池装置の一例を示すブロック図である。
図１を参照して、この例の燃料電池装置１は、燃料電池スタック２と、前記燃料電池スタック２から供給される電力を制御する電力制御器３と、燃料電池スタック２に水素を供給する高圧水素タンク４および水素ポンプ５と、燃料電池スタック２に圧縮空気を供給する燃料電池用圧縮機６と、前記燃料電池用圧縮機６で得られた圧縮空気を加湿する加湿器７と、燃料電池スタック２および電力制御器３を冷却する冷却器８とを備えている。
【００１６】
前記燃料電池装置１においては、高圧水素タンク４から水素ポンプ５を介して供給された水素と、外部から取り込んだ空気を燃料電池用圧縮機６で圧縮して得られ、加湿器７で加湿された圧縮空気とを燃料電池スタック２に供給する。そして燃料電池スタック２での水素と圧縮空気との電気化学反応によって、電力制御器３で制御された電力によって自動車を走行させる電動機９が駆動される。
【００１７】
図２は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池用圧縮機６の断面図である。
図２を参照して、この例の燃料電池用圧縮機６は、回転軸１０、ロータ１１およびステータ１２を含む電動モータ１３と、前記電動モータ１３を内部に収容するハウジング１４と、前記ハウジング１４の一端（図において左端）に結合された遠心圧縮機１５とを備えている。ハウジング１４は、この実施形態では筒状をなし、その中心軸線Ｌ１方向の一端側は前記遠心圧縮機１５で閉じられ、他端（図において右端）側は蓋体１６で閉じられている。
【００１８】
回転軸１０は円柱状の軸本体１７を有している。ロータ１１は、内径が前記軸本体１７の外径と一致する筒状をなし、前記軸本体１７に外嵌されて、回転軸１０と一体回転される。
ステータ１２は、外径がハウジング１４の内径と一致する筒状をなすステータ本体１８を含み、前記ステータ本体１８がハウジング１４に内嵌されて、前記ハウジング１４に固定されている。
【００１９】
ハウジング１４の内周のうち遠心圧縮機１５側には、内径がステータ本体１８の外径より小さい環状の段部１９が設けられていると共に、前記段部１９の右端の段差面にステータ本体１８の前記遠心圧縮機１５側の端面が当接されて前記ステータ本体１８、およびステータ１２がハウジング１４の軸方向に位置決めされている。
ステータ本体１８の軸方向両側には、それぞれ筒状をなすステータコイル２０、２１が突設されている。前記ステータ本体１８、およびステータコイル２０、２１はいずれもロータ１１を回転自在に挿通しうる内径を有している。
【００２０】
回転軸１０の、前記軸本体１７より遠心圧縮機１５側（図において左側）には、ラジアルフォイル軸受２２を構成する第１フォイル軸受２２ａによって径方向から支持される軸支部２３、アキシアル磁気軸受２４の磁気ディスク２５が取り付けられる取付部２６、および遠心圧縮機１５のインペラ２７が取り付けられる取付部２８がこの順に設けられている。前記各部は軸本体１７の中心軸線Ｌ２と同軸となるように、前記軸本体１７と一体形成されている。
【００２１】
軸支部２３は軸本体１７より小径で、かつ外周面が、低速回転時に第１フォイル軸受２２ａのフォイルセグメントが周接されると共に回転数が上昇した際に前記フォイルセグメントとの間に動圧を発生させる円筒面とされ、前記第１フォイル軸受２２ａが外挿されている。
取付部２６は前記軸支部２３より小径とされて、円盤状の磁気ディスク２５の中心に設けられた通孔に嵌め合わされている。
【００２２】
取付部２８は前記取付部２６より小径の円柱状とされて、インペラ２７の中心の通孔に挿通されている。取付部２８の先端には雄ねじ部２９が設けられており、前記雄ねじ部２９に図示しないナットが螺合されて、インペラ２７と磁気ディスク２５が回転軸１０に固定される。すなわち軸支部２３と取付部２６との段差面と前記ナットとの間に、スペーサ３０等を介してインペラ２７と磁気ディスク２５が挟まれた状態でナットが締め付けられることにより、前記インペラ２７および磁気ディスク２５が回転軸１０に固定される。
【００２３】
回転軸１０の、前記軸本体１７より蓋体１６側（図において右側）には、ラジアルフォイル軸受３１を構成する第１フォイル軸受３１ａによって径方向から支持される軸支部３２、およびアキシアル磁気軸受３３の磁気ディスク３４が取り付けられる取付部３５がこの順に設けられている。前記両部は軸本体１７の中心軸線Ｌ２と同軸となるように、前記軸本体１７と一体形成されている。
【００２４】
軸支部３２は軸本体１７より小径で、かつ外周面が、低速回転時に第１フォイル軸受３１ａのフォイルセグメントが周接されると共に回転数が上昇した際に前記フォイルセグメントとの間に動圧を発生させる円筒面とされている。
取付部３５は前記軸支部３２より小径とされて、円盤状の磁気ディスク３４の中心に設けられた通孔に嵌め合わされている。
【００２５】
取付部３５の先端には雄ねじ部３６が設けられており、前記雄ねじ部３６に袋ナット３７が螺合されて、磁気ディスク３４が回転軸１０に固定されている。すなわち軸支部３２と取付部３５との段差面と前記袋ナット３７との間に、スペーサ３８を介して磁気ディスク３４が挟まれた状態で袋ナット３７が締め付けられることにより、前記磁気ディスク３４が回転軸１０に固定されている。
【００２６】
ハウジング１４の、遠心圧縮機１５側の一端は環状部材３９によって構成され、前記環状部材３９の環内に、磁気ディスク２５と共にアキシアル磁気軸受２４を構成する環状の電磁石４０が設けられている。
電磁石４０は、環状部材３９に内嵌された、回転軸１０を囲む環状の筐体４１内に電磁コイル４２を埋設して構成されている。電磁石４０は、磁気ディスク２５より回転軸１０の軸方向の軸本体１７側（図において右側、軸方向内方）に設けられており、磁気ディスク２５は、前記電磁石４０に軸方向外方から対向されている。
【００２７】
またハウジング１４の、蓋体１６側の一端は環状部材４３によって構成され、前記環状部材４３の環内に、磁気ディスク３４と共にアキシアル磁気軸受３３を構成する環状の電磁石４４が設けられている。
電磁石４４は、環状部材４３に内嵌された、回転軸１０を囲む環状の筐体４５内に電磁コイル４６を埋設して構成されている。電磁石４４は、磁気ディスク３４より回転軸１０の軸方向の軸本体１７側（図において左側、軸方向内方）に設けられており、磁気ディスク３４は、前記電磁石４４に軸方向外方から対向されている。
【００２８】
電磁石４０の磁気ディスク２５に対向する面、および電磁石４４の磁気ディスク３４に対向する面は、それぞれハウジング１４の中心軸線Ｌ１に直交する平面とされる。また磁気ディスク２５の電磁石４０に対向する面、および磁気ディスク３４の電磁石４４に対向する面は、それぞれ回転軸１０の中心軸線Ｌ２に直交する平面（ターゲット面）とされている。
【００２９】
磁気ディスク２５の電磁石４０に対向する面と、磁気ディスク３４の電磁石４４に対向する面との間の間隔は、前記電磁石４０の磁気ディスクに対向する面と、電磁石４４の磁気ディスク３４に対向する面との間の間隔より、一定のクリアランス分だけ大きめに設定されている。
そのためハウジング１４の中心軸線Ｌ１と回転軸１０の中心軸線Ｌ２とが一致した状態（図２の状態）において、両電磁石４０、４４の電磁コイル４２、４６に通電して磁力を発生させることにより、回転軸１０が、両アキシアル磁気軸受２４、３３により、軸方向に非接触の状態で支持される。
【００３０】
電磁石４０の筐体４１は、環の中心の通孔４７が、第１フォイル軸受２２ａの外径と一致する内径を有しており、前記通孔４７に第１フォイル軸受２２ａが内嵌されて保持されている。
すなわち通孔４７の遠心圧縮機１５側の端部には、径方向内方に突出させて環状の鍔部４８が一体形成され、前記鍔部４８で囲まれた開口に、通孔４７の径方向内方（右方向）から蓋体４９が嵌め合わされている。蓋体４９の中心には、回転軸１０のうちスペーサ３０が外嵌された取付部２６が回転自在に挿通される通孔が設けられている。
【００３１】
また筐体４１の蓋体１６側の端面には蓋体５０がネジ止めされて固定されている。この固定状態において、通孔４７に内嵌された第１フォイル軸受２２ａは、その軸方向の両側から蓋体４９、５０によって挟まれて筐体４１に保持されている。蓋体５０の中心には、回転軸１０のうち軸支部２３が挿通される通孔が設けられている。
蓋体４９の磁気ディスク２５に対向する面は、電磁石４０の磁気ディスク２５に対抗する面と同一平面とされ、前記面には、前記磁気ディスク２５と電磁石４０との間の距離、すなわち回転軸１０の軸方向の変位量を検知するための変位センサ５１が設けられている。
【００３２】
蓋体５０は、この実施形態では、前記第１フォイル軸受２２ａと共にラジアルフォイル軸受２２を構成する第２フォイル軸受２２ｂと一体形成されている。すなわち蓋体５０の蓋体１６側の端面に第２フォイル軸受２２ｂが一体に連成されている。
一対のアキシアル磁気軸受２４、３３によって回転軸１０が軸方向から支持された図２の状態において、ロータ１１の遠心圧縮機１５側の端部は、ステータ１２のうちステータコイル２０の同じ側の端部より軸方向内方、すなわち図において右方向に凹入させて設けられている。これによりステータコイル２０内には、回転軸１０の軸本体１７のうちロータ１１より遠心圧縮機１５側の領域との間に外部と連通する空間５２が設けられ、前記空間５２に第２フォイル軸受２２ｂが挿入されている。
【００３３】
第２フォイル軸受２２ｂは、ステータコイル２０の内径よりわずかに小さい外径を有している。また前記軸本体１７のうちロータ１１より遠心圧縮機１５側の領域は、外周面が、低速回転時に第２フォイル軸受２２ｂのフォイルセグメントが周接されると共に回転数が上昇した際に前記フォイルセグメントとの間に動圧を発生させる円筒面とされている。そして空間５２に挿入された第２フォイル軸受２２ｂが軸本体１７に外挿されて、前記軸本体１７が第２フォイル軸受２２ｂによって径方向から支持されている。
【００３４】
図３は、前記燃料電池用圧縮機のうちラジアルフォイル軸受３１、およびアキシアル磁気軸受３３による軸支部分を拡大した断面図である。
図２、図３を参照して、アキシアル磁気軸受３３を構成する電磁石４４の筐体４５は、環の中心の通孔５３が、ラジアルフォイル軸受３１を構成する第１フォイル軸受３１ａの外径と一致する内径を有しており、前記通孔５３に第１フォイル軸受３１ａが内嵌されて保持されている。
【００３５】
すなわち通孔５３の蓋体１６側の端部には、径方向内方に突出させて環状の鍔部５４が一体形成され、筐体４５の遠心圧縮機１５側の端面には蓋体５５がネジ止めされて固定されている。この固定状態において、通孔５３に内嵌された第１フォイル軸受３１ａは、その軸方向の両側から鍔部５４、および蓋体５５によって挟まれて筐体４５に保持されている。蓋体５５の中心には、回転軸１０のうち軸支部３２が挿通される通孔が設けられている。
【００３６】
蓋体５５は、この実施形態では、前記第１フォイル軸受３１ａと共にラジアルフォイル軸受３１を構成する第２フォイル軸受３１ｂと一体形成されている。すなわち蓋体５５の遠心圧縮機１５側の端面に第２フォイル軸受３１ｂが一体に連成されている。
一対のアキシアル磁気軸受２４、３３によって回転軸１０が軸方向から支持された図２の状態において、ロータ１１の蓋体１６側の端部は、ステータ１２のうちステータコイル２１の同じ側の端部より軸方向内方、すなわち図において左方向に凹入させて設けられている。これによりステータコイル２１内には、回転軸１０の軸本体１７のうちロータ１１より蓋体１６側の領域との間に外部と連通する空間５６が設けられ、前記空間５６に第２フォイル軸受２２ｂが挿入されている。
【００３７】
第２フォイル軸受３１ｂは、ステータコイル２１の内径よりわずかに小さい外径を有している。また前記軸本体１７のうちロータ１１より蓋体１６側の領域は、外周面が、低速回転時に第２フォイル軸受３１ｂのフォイルセグメントが周接されると共に回転数が上昇した際に前記フォイルセグメントとの間に動圧を発生させる円筒面とされている。そして空間５６に挿入された第２フォイル軸受３１ｂが軸本体１７に外挿されて、前記軸本体１７が第２フォイル軸受３１ｂによって径方向から支持されている。
【００３８】
遠心圧縮機１５は、インペラ２７と、前記インペラ２７の回転に伴って外部から空気を取り込み、圧縮して圧縮空気として送り出すための空気の流路５７が設けられたケーシング５８とを備えている。
蓋体１６は環状をなし、環の一端（図において右端）が鏡板５９によって閉じられた形状に一体形成されている。鏡板５９の中心には開口が設けられ、前記開口にセンサ保持部材６０が嵌め合わされている。
【００３９】
袋ナット３７は、蓋体１６側の端面が回転軸１０の中心軸線Ｌ２に直交する平面（センサターゲット面）とされている。またセンサ保持部材６０は、遠心圧縮機１５側の面がハウジング１４の中心軸線Ｌ１に直交する平面とされて、前記袋ナット３７の端面と対向されている。前記センサ保持部材６０の、袋ナット３７の端面と対向する面には変位センサ６１が設けられている。変位センサ６１は、センサ保持部材６０と袋ナット３７との間の距離、すなわち回転軸１０の軸方向の変位量を検知する。
【００４０】
変位センサ６１、および先の変位センサ５１によって検知された変位量は図示しない制御部に入力され、前記制御部はこれらの変位量をもとにして、磁気ディスク２５と電磁石４０との間の距離、および磁気ディスク３４と電磁石４４との間の距離が一定となるように、電磁コイル４２、４６への通電量を制御する。
前記実施形態の燃料電池用圧縮機６においては、第１フォイル軸受２２ａ、３１ａと第２フォイル軸受２２ｂ、３１ｂとして、それぞれタイプの異なる２種のラジアルフォイル軸受を用いることができる。
【００４１】
例えばラジアルフォイル軸受２２を構成する第１および第２フォイル軸受２２ａ、２２ｂのうちの一方、ならびにラジアルフォイル軸受３１を構成する第１および第２フォイル軸受３１ａ、３１ｂのうちの一方を、できるだけ低速で速やかに回転軸を浮上できるように特性が調整されたラジアルフォイル軸受、他方を、回転軸の浮上を安定して維持できるように特性が調整されたラジアルフォイル軸受とすることにより、電動モータ１３の回転軸をできるだけ低速で速やかに浮上させると共に前記浮上を安定して維持することができる。
【００４２】
また前記各フォイル軸受２２ａ、２２ｂ、３１ａ、３１ｂとして、いずれも同じタイプのラジアルフォイル軸受を用いることもできる。
その場合には、第１および第２フォイル軸受２２ａ、２２ｂを、回転軸１０の軸方向の長さ、すなわちフォイルセグメントの同方向の長さが大きく、回転軸１０の回転時に発生する動圧が高い一つのラジアルフォイル軸受２２として機能させることができる。また第１および第２フォイル軸受３１ａ、３１ｂを、同じく回転軸１０の軸方向の長さ、すなわちフォイルセグメントの同方向の長さが大きく、回転軸１０の回転時に発生する動圧が高い一つのラジアルフォイル軸受３１として機能させることができる。
【００４３】
そのため、電動モータの回転軸をできるだけ低速で速やかに浮上させると共に前記浮上を安定して維持することができる。
しかも前記実施形態の燃料電池用圧縮機６においては、前記第２フォイル軸受２２ｂ、３１ｂを、電動モータ１３のステータ１２の両端に設けた空間５２、５６内に挿入させて配置している。
【００４４】
そのため回転軸１０の軸長と、前記回転軸１０を含む燃料電池用圧縮機６の回転部分（回転軸１０、ロータ１１、遠心圧縮機１５のインペラ２７、アキシアル磁気軸受２４、３３の磁気ディスク２５、３４等を含む部分）の全長とが長大化するのを抑制して固有振動数の低下を防止できる。
この発明の実施形態の説明は以上であるが、この発明は、前述の実施形態の内容に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。なお以下では、図１ないし図３に示す実施の形態と異なる点について主に説明し、同様の構成には同様の符号を付してその説明を省略する。
【００４５】
例えば図４に示すようにラジアルフォイル軸受３１は一体形成できる。
すなわち図の変形例では、ラジアルフォイル軸受３１を、電磁石４４の筐体４５の、環の中心の通孔５３に内嵌されて保持された第１部位３１ｃと、前記第１部位３１ｃの遠心圧縮機１５側（図では左側）に一体に連成されてステータ１２の蓋体１６側（図では右側）の空間５６内に挿入された第２部位３１ｄとで一体形成している。
【００４６】
図示していないがラジアルフォイル軸受２２も、同様に電磁石４０の筐体４１の、環の中心の通孔４７に内嵌されて保持される第１部位と、前記第１部位の蓋体１６側に一体に連成されてステータ１２の遠心圧縮機１５側の空間５２内に挿入される第２部位とで一体形成できる。
この場合、例えば１つのラジアルフォイル軸受２２、３１を構成する第１部位と第２部位のうちの一方を、できるだけ低速で速やかに回転軸を浮上できるように特性を調整し、他方を、回転軸の浮上を安定して維持できるように特性を調整することにより、電動モータ１３の回転軸をできるだけ低速で速やかに浮上させると共に前記浮上を安定して維持することができる。
【００４７】
また第１および第２部位の特性を揃えて、ラジアルフォイル軸受２２、３１を、回転軸１０の軸方向の長さ、すなわちフォイルセグメントの同方向の長さが大きく、回転軸１０の回転時に発生する動圧が高いものとして機能させることもできる。
しかも第２部位を、電動モータ１３のステータ１２の両端に設けた空間５２、５６内に挿入させて配置しているため、回転軸１０の軸長と、前記回転軸１０を含む燃料電池用圧縮機６の回転部分（回転軸１０、ロータ１１、遠心圧縮機１５のインペラ２７、アキシアル磁気軸受２４、３３の磁気ディスク２５、３４等を含む部分）の全長とが長大化するのを抑制して固有振動数の低下を防止できる。
【００４８】
また図５に示すように、回転軸１０の蓋体１６側の構造を変更して、前記軸長および回転部分の全長を短縮することもできる。
すなわち図５の変形例では、回転軸１０の蓋体１６側（図では右側）の端部を、取付部３５および雄ねじ部３６を省略した短縮形状として、軸支部３２の軸端面に、前記回転軸１０の中心軸線Ｌ２と同軸となるように雌ねじ穴６２を設けている。
【００４９】
また磁気ディスク３４の中心には、前記雌ねじ穴６２に螺合されるボルト６３が挿通される通孔６４を設けている。そして、前記通孔６４を挿通させたボルト６３を雌ねじ穴６２に螺合させて締め付けることにより、前記磁気ディスク３４が、スペーサ３８を介して回転軸１０の軸端に固定されている。
ボルト６３の頭部６５は、回転軸１０の中心軸線Ｌ２に直交する平面（センサターゲット面）とされて、センサ保持部材６０の遠心圧縮機１５側の面と対向されている。センサ保持部材６０の前記面には変位センサ６１が設けられている。
【００５０】
かかる構造では、ボルト６３の頭部６５を薄肉化すると共に、前記のように変位センサ６１のターゲットとして機能させることができる。そのため袋ナット３７を用いる場合に比べて燃料電池用圧縮機６の回転部分の全長を短縮できる。
その他、本発明の燃料電池用圧縮機は、車載用以外の用途に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の燃料電池用圧縮機が組み込まれる燃料電池装置の一例を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる燃料電池用圧縮機の断面図である。
【図３】前記燃料電池用圧縮機のうち一方のラジアルフォイル軸受、アキシアル磁気軸受による軸支部分を拡大した断面図である。
【図４】前記軸支部分の変形例を示す断面図である。
【図５】回転軸の軸端部の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
６：燃料電池用圧縮機、１０：回転軸、１１：ロータ、１２：ステータ、１３：電動モータ、１５：遠心圧縮機、２２、３１：ラジアルフォイル軸受、２２ａ、３１ａ：第１フォイル軸受、２２ｂ、３１ｂ：第２フォイル軸受、２４、３３：アキシアル磁気軸受、２５、３４：磁気ディスク、３１ｃ：第１部位、３１ｄ：第２部位、４０、４４：電磁石、４７、５３：通孔、５２、５６：空間、６２：雌ねじ穴、６３：ボルト、６４：通孔。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸、ロータおよびステータを含む電動モータと、
前記電動モータの回転軸の一端に連結された遠心圧縮機と、
前記回転軸を径方向から支持する一対のラジアルフォイル軸受と、
前記回転軸を軸方向から支持する一対のアキシアル磁気軸受とを備え、
前記ステータはロータが挿通される筒状に形成され、前記ロータは、軸方向の両端部が前記ステータの軸方向の両端部より軸方向内方に凹入させて設けられて、前記ステータ内の軸方向両端部には、回転軸との間にステータの軸方向外方と連通する空間が設けられており、
前記一対のラジアルフォイル軸受は、それぞれステータの軸方向外方から、連続するステータ内の空間に亘る領域に設けられていることを特徴とする燃料電池用圧縮機。
【請求項２】
各アキシアル磁気軸受は、ステータの軸方向外方に設けられた、回転軸を囲む環状の電磁石と、前記電磁石に軸方向から対向させて回転軸に取り付けられた磁気ディスクとを含み、ラジアルフォイル軸受は、前記電磁石の中心に設けられた通孔に嵌め合わされた第１フォイル軸受と、前記第１フォイル軸受と別体に形成され、前記電磁石に固定されてステータの空間に挿入された第２フォイル軸受とを含んでいる請求項１記載の燃料電池用圧縮機。
【請求項３】
アキシアル磁気軸受は、ステータの軸方向外方に設けられた、回転軸を囲む環状の電磁石と、前記電磁石に軸方向から対向させて回転軸に取り付けられた磁気ディスクとを含み、ラジアルフォイル軸受は、前記電磁石の中心に設けられた通孔に嵌め合わされた第１部位と、前記第１部位と一体に形成されてステータ内の空間に挿入された第２部位と含んでいる請求項１記載の燃料電池用圧縮機。
【請求項４】
回転軸の、遠心圧縮機が連結された側と反対側の軸端面には、前記回転軸と同軸となるように雌ねじ穴が設けられていると共に、磁気ディスクの中心には通孔が設けられており、ボルトを、前記通孔を挿通させて前記雌ねじ穴に螺合させることにより、前記軸端に磁気ディスクが固定されている請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池用圧縮機。
【請求項１】
回転軸、ロータおよびステータを含む電動モータと、
前記電動モータの回転軸の一端に連結された遠心圧縮機と、
前記回転軸を径方向から支持する一対のラジアルフォイル軸受と、
前記回転軸を軸方向から支持する一対のアキシアル磁気軸受とを備え、
前記ステータはロータが挿通される筒状に形成され、前記ロータは、軸方向の両端部が前記ステータの軸方向の両端部より軸方向内方に凹入させて設けられて、前記ステータ内の軸方向両端部には、回転軸との間にステータの軸方向外方と連通する空間が設けられており、
前記一対のラジアルフォイル軸受は、それぞれステータの軸方向外方から、連続するステータ内の空間に亘る領域に設けられていることを特徴とする燃料電池用圧縮機。
【請求項２】
各アキシアル磁気軸受は、ステータの軸方向外方に設けられた、回転軸を囲む環状の電磁石と、前記電磁石に軸方向から対向させて回転軸に取り付けられた磁気ディスクとを含み、ラジアルフォイル軸受は、前記電磁石の中心に設けられた通孔に嵌め合わされた第１フォイル軸受と、前記第１フォイル軸受と別体に形成され、前記電磁石に固定されてステータの空間に挿入された第２フォイル軸受とを含んでいる請求項１記載の燃料電池用圧縮機。
【請求項３】
アキシアル磁気軸受は、ステータの軸方向外方に設けられた、回転軸を囲む環状の電磁石と、前記電磁石に軸方向から対向させて回転軸に取り付けられた磁気ディスクとを含み、ラジアルフォイル軸受は、前記電磁石の中心に設けられた通孔に嵌め合わされた第１部位と、前記第１部位と一体に形成されてステータ内の空間に挿入された第２部位と含んでいる請求項１記載の燃料電池用圧縮機。
【請求項４】
回転軸の、遠心圧縮機が連結された側と反対側の軸端面には、前記回転軸と同軸となるように雌ねじ穴が設けられていると共に、磁気ディスクの中心には通孔が設けられており、ボルトを、前記通孔を挿通させて前記雌ねじ穴に螺合させることにより、前記軸端に磁気ディスクが固定されている請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池用圧縮機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１４４５３７（Ｐ２０１０−１４４５３７Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３１９９８８（Ｐ２００８−３１９９８８）
【出願日】平成２０年１２月１６日（２００８．１２．１６）
【出願人】（０００００１２４７）株式会社ジェイテクト (7,053)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１６日（２００８．１２．１６）
【出願人】（０００００１２４７）株式会社ジェイテクト (7,053)
【Ｆターム（参考）】
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