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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen elektrischen Turbolader.
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Technischer Hintergrund
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Ein elektrischer Turbolader, der nachstehend in Patentliteratur 1 beschrieben ist, ist bekannt. Der elektrische Turbolader hat einen Kompressor, der komprimierte Luft erzeugt und zu einer Brennkraftmaschine zuführt; eine Turbine, die eine Drehwelle des Kompressors unter Verwendung der Energie eines Abgases der Brennkraftmaschine dreht; und einen Elektromotor, der die Drehung der Drehwelle unterstützt.
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Zitierungsliste
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Patentliteratur
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Patentliteratur 1: Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr.
2012-062778 -
Zusammenfassung der Erfindung
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Technisches Problem
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In dieser Art von elektrischem Turbolader wirkt eine Druckkraft in eine Richtung von einer Seite eines Elektromotors zu einer Seite eines Kompressorlaufrads auf die Drehwelle. Aus diesem Grund sind Spezifikationen, die die Druckkraft bewältigen können, für einen Stützabschnitt erfordert, der die Drehwelle und dergleichen stützt. Deshalb ist es wünschenswert, dass die Druckkraft klein genug ist, derart, dass die erforderten Spezifikationen für den Stützabschnitt und dergleichen nicht übermäßig werden. Deshalb beschreibt die vorliegende Offenbarung einen elektrischen Turbolader, der eine Druckkraft verringert, die auf eine Drehwelle wirkt.
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Lösung des Problems
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Ein elektrischer Turbolader gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung hat: einen Druckbund, der um eine Drehwelle herum zwischen einem Laufrad eines Kompressors und einem Motor vorsteht; einen ersten Luftlagerabschnitt, der einer laufradseitigen Fläche des Druckbunds zugewandt ist und die Drehwelle in einer Druckrichtung stützt; einen zweiten Luftlagerabschnitt, der einer motorseitigen Fläche des Druckbunds zugewandt ist und die Drehwelle in der Druckrichtung stützt; einen Lagerraum, der zwischen dem ersten Luftlagerabschnitt und dem zweiten Luftlagerabschnitt angeordnet ist und in dem der Druckbund untergebracht ist; und einen Labyrinthdichtungsabschnitt, der entlang einer Außenumfangsfläche des Druckbunds vorgesehen ist und den Lagerraum in eine erste Region, die eine laufradseitige Region ist, und eine zweite Region unterteilt, die eine elektromotorseitige Region ist.
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Wirkungen der Erfindung
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Gemäß dem elektrischen Turbolader der vorliegenden Offenbarung kann eine Druckkraft verringert werden, die auf die Drehwelle wirkt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- 1 ist eine Querschnittsansicht eines elektrischen Turboladers gemäß einem Beispiel.
- 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die die Umgebung von Druckluftlagerabschnitten des elektrischen Turboladers zeigt.
- 3 ist eine perspektivische Ansicht, die die Druckluftlagerabschnitte gezeigt.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Ein elektrischer Turbolader gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung hat: einen Druckbund, der um eine Drehwelle herum zwischen einem Laufrad eines Kompressors und einem Motor vorsteht; einen ersten Luftlagerabschnitt, der einer laufradseitigen Fläche des Druckbunds zugewandt ist und die Drehwelle in einer Druckrichtung stützt; einen zweiten Luftlagerabschnitt, der einer motorseitigen Fläche des Druckbunds zugewandt ist und die Drehwelle in der Druckrichtung stützt; einen Lagerraum, der zwischen dem ersten Luftlagerabschnitt und dem zweiten Luftlagerabschnitt angeordnet ist und in dem der Druckbund untergebracht ist; und einen Labyrinthdichtungsabschnitt, der entlang einer Außenumfangsfläche des Druckbunds vorgesehen ist und den Lagerraum in eine erste Region, die eine laufradseitige Region ist, und eine zweite Region unterteilt, die eine elektromotorseitige Region ist.
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Der elektrische Turbolader gemäß der vorliegenden Offenbarung kann des Weiteren einen Abgabedurchgang haben, der die zweite Region mit einer Außenseite verbindet. Darüber hinaus kann der Abgabedurchgang einen Verbindungsdurchgang haben, der an einem Gehäuse ausgebildet ist, um die zweite Region mit der Außenseite zu verbinden.
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Nachstehend wird ein Beispiel der vorliegenden Offenbarung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen sind die gleichen oder äquivalente Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und doppelte Beschreibungen werden nicht wiederholt. Es sei angemerkt, dass, da dargestellte Teile übertrieben abgebildet sein können, wie es geeignet ist, die Abmessungsproportionen von jedem Teil zwischen den Zeichnungen nicht übereinstimmen müssen.
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1 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel eines elektrischen Turboladers 1 zeigt, und 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die einen Teil des elektrischen Turboladers 1 zeigt. Der elektrische Turbolader 1 ist ein elektrisch unterstützter Turbolader, der beispielsweise in Fahrzeugen oder Schiffen verwendet wird. Der elektrische Turbolader 1 hat eine Turbine 2, einen Kompressor 3 und einen Elektromotor 10, der zwischen der Turbine 2 und dem Kompressor 3 vorgesehen ist. Die Turbine 2, der Kompressor 3 und der Elektromotor 10 sind ins Innere eines Gehäuses 12 des elektrischen Turboladers 1 eingebaut.
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Hier ist das Gehäuse 12 grob gesagt aus einem Turbinengehäuse 4, einem Kompressorgehäuse 5 und einem Motorgehäuse 15 gebildet. Das Gehäuse 12 kann aus mehreren unterteilten Teilen gebildet sein. Die Turbine 2 hat ein Turbinenlaufrad 6, das im Inneren des Turbinengehäuses 4 angeordnet ist. Der Kompressor 3 hat ein Kompressorlaufrad 7, das im Inneren des Kompressorgehäuses 5 angeordnet ist. Das Motorgehäuse 15 ist zwischen dem Turbinengehäuse 4 und dem Kompressorgehäuse 5 installiert. Ein Stator 11 des Elektromotors 10 ist an dem Motorgehäuse 15 fixiert.
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Das Turbinenlaufrad 6 ist an einer Drehwelle 14 des Kompressorlaufrads 7 fixiert. Die Drehung des Turbinenlaufrads 6 wird zu dem Kompressorlaufrad 7 über die Drehwelle 14 übertragen. Deshalb dreht, wenn das Turbinenlaufrad 6 dreht, das Kompressorlaufrad 7. Ein Rotor 13 des Elektromotors 10 ist an der Drehwelle 14 fixiert. Die Drehung der Drehwelle 14 wird durch ein Zusammenwirken zwischen dem Rotor 13 und dem Stator 11 unterstützt.
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In dem elektrischen Turbolader 1 strömt Abgas, das von einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) abgegeben wird, in das Turbinengehäuse 4 durch eine Schnecke 16 und dreht das Turbinenlaufrad 6 um eine Drehachse H herum. Das Abgas, das das Turbinenlaufrad 6 gedreht hat, wird in einer Axialrichtung durch einen Auslassanschluss 8 der Turbine 2 abgegeben. Wenn das Turbinenlaufrad 6 dreht, wie vorstehend beschrieben ist, dreht das Kompressorlaufrad 7 über die Drehwelle 14. Zu dieser Zeit bringt der Elektromotor 10 ein Drehmoment auf die Drehwelle 14 auf, um die Drehung der Drehwelle 14 und des Kompressorlaufrads 7 zu unterstützen. Das drehende Kompressorlaufrad 7 saugt Außenluft in der Axialrichtung durch einen Einlassanschluss 9 hindurch an und gibt die Luft zu einer Schnecke 17 ab. Dann wird komprimierte Luft, die durch die Schnecke 17 komprimiert worden ist, zu der vorstehend beschriebenen Brennkraftmaschine zugeführt.
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Die Drehwelle 14 wird durch eine Vielzahl von Lagern drehbar gestützt. Beispielsweise sind zwei Radiallager 21 und 22 im Inneren des Motorgehäuses 15 vorgesehen, und die Radiallager 21 und 22 sind angeordnet, um den Rotor 13 zwischen sich in der Axialrichtung anzuordnen. Die Drehwelle 14 ist in einer Radialrichtung durch die Radiallager 21 und 22 gestützt. Darüber hinaus sind ein Paar Druckluftlager 23 und 27 und ein Druckbund 29, der eine Scheibenform hat, vorgesehen, um die Drehwelle 14 in einer Druckrichtung zu stützen. Das Paar Druckluftlager 23 und 27 ist zwischen dem Radiallager 21 und dem Kompressorlaufrad 7 angeordnet. Der Druckbund 29 ist vorgesehen, um in einer Flanschform um die Drehwelle 14 herum vorzustehen. Der Druckbund 29 ist durch Flächen 29h und 29t, die senkrecht zu der Drehachse H sind, und eine Außenumfangsfläche 29c definiert, die eine säulenartige Fläche bildet, die die Flächen 29h und 29t verbindet. Die Außenumfangsfläche 29c bildet eine säulenartige Fläche (zylindrische Fläche) mit der Drehachse H als eine Säulenachse (zylindrische Achse). Die Fläche 29h (nachstehend als „vordere Fläche 29h“ bezeichnet) ist eine Fläche der Druckscheibe 29 von einer Seite des Kompressorlaufrads 7. Die Fläche 29t (nachstehend als „Rückfläche 29t“ bezeichnet) ist eine Fläche des Druckbunds 29 von einer Seite des Elektromotors 10.
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Das Druckluftlager 23 (erster Luftlagerabschnitt) und das Druckluftlager 27 (zweiter Luftlagerabschnitt) sind parallel und Seite an Seite miteinander in der Richtung der Drehachse H angeordnet. Die Druckluftlager 23 und 27 sind durch eine Vielzahl von Befestigungsbolzen in solch einer Weise integral miteinander befestigt, um einen Abstandshalter 31 dazwischen sandwichartig zu umgeben. Des Weiteren sind die Druckluftlager 23 und 27 und der Abstandshalter 31, die integriert sind, im Inneren des Motorgehäuses 15 fixiert. Der Abstandshalter 31 hat eine Ringform, die einen Außenumfang des Druckbunds 29 umgibt, und hat eine größere axiale Dicke im Vergleich zu dem Druckbund 29. Der Druckbund 29 ist in einem Raum untergebracht, der von den Druckluftlagern 23 und 27 und dem Abstandshalter 31 umgeben ist. In dem Unterbringungsraum dreht der Druckbund 29 in dem Zustand eines Nichtkontakts mit den Druckluftlagern 23 und 27 und dem Abstandshalter 31.
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Das Druckluftlager 23 hat eine Lagerfläche 23a und die Lagerfläche 23a ist der vorderen Fläche 29h des Druckbunds 29 zugewandt. In gleicher Weise hat das Druckluftlager 27 eine Lagerfläche 27a, und die Lagerfläche 27a ist der Rückfläche 29t des Druckbunds 29 zugewandt. Der Raum, in dem der Druckbund 29 untergebracht ist, wie vorstehend beschrieben ist, wird als „Lagerraum 33“ bezeichnet. Und zwar ist ein Raum, der von den Lagerflächen 23a und 27a und dem Abstandshalter 31 umgeben ist, der Lagerraum 33. Darüber hinaus wird eine Region zwischen der vorderen Fläche 29h des Druckbunds 29 und der Lagerfläche 23a des Druckluftlagers 23 innerhalb des Lagerraums 33 als „erste Region R1“ bezeichnet. Darüber hinaus wird eine Region zwischen der Rückfläche 29t des Druckbunds 29 und der Lagerfläche 27a des Druckluftlagers 27 innerhalb des Lagerraums 33 als „zweite Region R2“ bezeichnet.
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Wie in 3 gezeigt ist, sind die Druckluftlager 23 und 27 in einer Form einer ringförmigen Platte ausgebildet. Löcher 35, durch die hindurch die Drehwelle 14 eingesetzt ist, sind jeweils bei den Mitten der Druckluftlager 23 und 27 ausgebildet. Eine Vielzahl von Vorsprüngen 37, die jeweils eine Fächerform haben, sind an der Lagerfläche 23a des Druckluftlagers 23 in gleichen Abständen in einer Umfangsrichtung ausgebildet. Die Vorsprünge 37 sind beispielsweise in einer bekannten Struktur mit Folien (nicht gezeigt) in der Axialrichtung ausgebildet und erheben sich mit einer geringen Dicke in der Axialrichtung. Darüber hinaus hat das Druckluftlager 27 die gleiche Gestaltung wie die des Druckluftlagers 23. Und zwar sind eine Vielzahl der gleichen Vorsprünge 37 an der Lagerfläche 27a des Druckluftlagers 27 ausgebildet.
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Aufgrund des Vorhandenseins der Lagerflächen 23a und 27a, an denen die Vorsprünge 37 in solch einer Weise ausgebildet sind, werden während einer Drehung der Drehwelle 14 stabile Luftfilme in der ersten Region R1 und der zweiten Region R2 ausgebildet, und die Luftlagerfunktion in der Druckrichtung der Drehwelle 14 wird realisiert. Es sei angemerkt, dass, da eine Dicke der Vorsprünge 37 klein ist, die Vorsprünge 37 in den Zeichnungen von 1 und 2 nicht erscheinen.
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In dem elektrischen Turbolader 1 ist, wie in 2 gezeigt ist, ein Labyrinthdichtungsabschnitt 41 entlang der Außenumfangsfläche 29c des Druckbunds 29 vorgesehen. Der Labyrinthdichtungsabschnitt 41 dichtet einen Spalt zwischen der Außenumfangsfläche 29c des Druckbunds 29 und einer Innenumfangsfläche 31c des Abstandshalters 31, die der Außenumfangsfläche 29c zugewandt ist. Der Labyrinthdichtungsabschnitt 41 unterteilt den Lagerraum 33 in die erste Region R1 und die zweite Region R2.
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In dem Labyrinthdichtungsabschnitt 41 sind vorstehende Abschnitte, die nach Innen in der Radialrichtung vorstehen und sich in der Umfangsrichtung erstrecken, an der Innenumfangsfläche 31c des Abstandshalters 31 ausgebildet. Der Labyrinthdichtungsabschnitt 41 ist durch teilweises Verengen des Spalts zwischen der Außenumfangsfläche 29c des Druckbunds 29 und der Innenumfangsfläche 31c des Abstandshalters 31 über eine Vielzahl von solchen vorstehenden Abschnitten ausgebildet. Es sei angemerkt, dass, anstelle des Ausbildens der vorstehend beschriebenen vorstehenden Abschnitte an der Innenumfangsfläche 31c des Abstandshalters 31, die vorstehend beschriebenen vorstehenden Abschnitte an der Außenumfangsfläche 29c des Druckbunds 29 ausgebildet werden können.
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Darüber hinaus ist in dem elektrischen Turbolader 1 ein Luftabgabedurchgang 43 (siehe 1) ausgebildet, der die zweite Region R2 mit dem Auslassanschluss 8 der Turbine 2 verbindet. Der Luftabgabedurchgang 43 (Verbindungsdurchgang) hat einen Kanal, der an der Lagerfläche 27a des Druckluftlagers 27 ausgebildet ist, und einen Kanal, der innerhalb des Gehäuses 12 ausgebildet ist. Demzufolge ist die zweite Region R2 mit der Außenseite des elektrischen Turboladers 1 durch den Luftabgabedurchgang 43 und den Auslassanschluss 8 in Verbindung. Während eines Betriebs des elektrischen Turboladers 1 wird Luft innerhalb der zweiten Region R2 nach und nach zu der Außenseite durch den Luftabgabedurchgang 43 und den Auslassanschluss 8 hindurch abgegeben. Der Luftabgabedurchgang 43 des vorliegenden Beispiels ist mit dem Auslassanschluss 8 in Verbindung. Jedoch kann eine Öffnung in dem Gehäuse 12 vorgesehen sein, und der Luftabgabedurchgang 43 kann mit der Öffnung des Gehäuses 12 in Verbindung sein. Und zwar kann der Luftabgabedurchgang 43, der in dem Gehäuse 12 vorgesehen ist, die zweite Region R2 mit der Außenseite des Gehäuses 12 direkt verbinden.
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Im Anschluss werden Betriebsweisen und Wirkungen des elektrischen Turboladers 1, der vorstehend beschrieben ist, beschrieben. Im Inneren des Gehäuses 12 des elektrischen Turboladers 1 ist ein Laufradrückraum 47 an einer Seite einer Rückfläche des Kompressorlaufrads 7 ausgebildet. Der Laufradrückraum 47 ist mit dem Lagerraum 33 durch einen Freiraum zwischen der Drehwelle 14 und dem Kompressorgehäuse 5 und durch einen Freiraum zwischen der Drehwelle 14 und dem Druckluftlager 23 verbunden. Im Speziellen ist der Laufradrückraum 47 mit der ersten Region R1 des Lagerraums 33 verbunden.
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Darüber hinaus ist ein Motorraum 49, in dem der Elektromotor 10 untergebracht ist, im Inneren des Gehäuses 12 ausgebildet. Der Motorraum 49 ist mit dem Lagerraum 33 durch einen Freiraum zwischen der Drehwelle 14 und dem Radiallager 21 und durch einen Freiraum zwischen der Drehwelle 14 und dem Druckluftlager 27 verbunden. Im Speziellen ist der Motorraum 49 mit der zweiten Region R2 des Lagerraums 33 verbunden.
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Während eines Betriebs des elektrischen Turboladers 1, da ein Teil der Luft, die von dem Kompressorlaufrad 7 zu der Schnecke 17 abgegeben wird, in den Laufradrückraum 47 strömt, ist der Laufradrückraum 47 ein Raum mit einem relativ hohen Druck. Deshalb ist auch die erste Region R1, die mit dem Laufradrückraum 47 innerhalb des Lagerraums 33 in Verbindung ist, ein Raum mit einem relativ hohen Druck. Es sei angemerkt, dass in dieser Bauart eines Kompressors des Stands der Technik eine Labyrinthdichtung zwischen dem Laufradrückraum 47 und dem Lagerraum 33 vorgesehen sein kann, jedoch ist, da solch eine Labyrinthdichtung in dem elektrischen Turbolader 1 nicht vorhanden ist, die Druckdifferenz zwischen dem Laufradrückraum 47 und der ersten Region R1 klein.
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Des Weiteren strömt ein Teil von Luft eines Diffusors des Kompressors 3 in den Motorraum 49 durch einen Kühlungsluftkanal 51 (siehe 1), um die Radiallager 21 und 22 und dergleichen zu kühlen. Da die Kühlungsluft einen niedrigeren Druck im Vergleich zu dem Druck in dem Laufradrückraum 47 hat, hat der Motorraum 49 einen niedrigeren Druck im Vergleich zu dem Laufradrückraum 47, und die zweite Region R2, die mit dem Motorraum 49 innerhalb des Lagerraums 33 in Verbindung ist, ist ein Raum mit einem relativ niedrigen Druck. Darüber hinaus, da Luft von der zweiten Region R2 zu der Außenseite durch den Luftabgabedurchgang 43 hindurch abgegeben wird, der vorstehend beschrieben ist, wird die zweite Region R2 bei einem relativ niedrigen Druck gehalten.
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Des Weiteren, da die erste Region R1 und die zweite Region R2 durch den Labyrinthdichtungsabschnitt 41 unterteilt sind, wird eine Druckdifferenz zwischen der ersten Region R1 und der zweiten Region R2 erzeugt, und die erste Region R1 ist bei einem höheren Druck als die zweite Region R2. In diesem Fall wirkt, aufgrund der Druckdifferenz, eine Kraft in eine Richtung von der ersten Region R1 zu der zweiten Region R2 (nach links in 1) auf den Druckbund 29.
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Es sei angemerkt, dass während eines Betriebs des elektrischen Turboladers 1, die Strömung von Luft in der Umgebung des Lagerraums 33 wie folgt ist. Luft von dem Motorraum 49 strömt zu der zweiten Region R2 und wird zu der Außenseite durch den Luftabgabedurchgang 43 und den Auslassanschluss 8 hindurch abgegeben. Andererseits strömt Luft von dem Laufradrückraum 47 zu der ersten Region R1 und entweicht geringfügig zu der zweiten Region R2 durch den Labyrinthdichtungsabschnitt 41 aufgrund der vorstehend beschriebenen Druckdifferenz. Anschließend vereinigt sich die entwichene Luft mit der Luft in der zweiten Region R2 und wird zu der Außenseite durch den Luftabgabedurchgang 43 und den Auslassanschluss 8 hindurch abgegeben.
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In dieser Art von Turbolader ist es bekannt, dass eine Druckkraft in einer Richtung von dem Turbinenlaufrad 6 zu dem Kompressorlaufrad 7 (nach rechts in 1) auf die Drehwelle 14 wirkt. Des Weiteren wirkt, gemäß dem elektrischen Turbolader 1, wie vorstehend beschrieben ist, eine Kraft nach links in 1 auf die Drehwelle 14 aufgrund der Druckdifferenz zwischen der ersten Region R1 und der zweiten Region R2. Die nach links gerichtete Kraft gleicht die vorstehend genannte Druckkraft teilweise aus und verringert diese. In solch einer Weise kann gemäß dem elektrischen Turbolader 1 die Druckkraft, die auf die Drehwelle 14 wirkt, verringert werden. Dann werden durch Verringern der Druckkraft die erforderten Spezifikationen für jeden Teil, der die Druckkraft abstützt, auch verringert. Wenn beispielsweise die Druckkraft verringert wird, kann eine Größe des Druckbunds 29 und der Druckluftlager 23 und 27 verringert werden. Als eine Folge kann die Größe des elektrischen Turboladers 1 verringert werden.
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Die vorliegende Offenbarung kann in verschiedenen Formen mit verschiedenen Modifikationen und Verbesserungen auf der Basis des Wissens des Fachmanns realisiert werden, einschließlich des Beispiels, das vorstehend beschrieben ist. Darüber hinaus können Modifikationsbeispiele auch unter Verwendung der technischen Elemente gestaltet sein, die in dem vorstehenden Beispiel beschrieben sind. Die Gestaltungen der Beispiele und dergleichen können kombiniert und verwendet werden, wie es geeignet ist. Beispielsweise ist ein Vorsehen eines Kanals, wie des Luftabgabedurchgangs 43, um die Luft in der zweiten Region R2 zu der Außenseite abzugeben, nicht notwendigerweise erfordert, und beispielsweise kann die Luft in der zweiten Region R2 zu der Außenseite des elektrischen Turboladers 1 durch Spalte zwischen Komponenten des Gehäuses 12 hindurch entweichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrischer Turbolader
- 3
- Kompressor
- 7
- Kompressorlaufrad
- 10
- Elektromotor
- 14
- Drehwelle
- 23
- Druckluftlager (erster Luftlagerabschnitt)
- 27
- Druckluftlager (zweiter Luftlagerabschnitt)
- 29
- Druckbund
- 29c
- Außenumfangsfläche
- 33
- Lagerraum
- 41
- Labyrinthdichtungsabschnitt
- 43
- Luftabgabedurchgang (Verbindungsdurchgang)
- R1
- erste Region
- R2
- zweite Region
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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