JP2007040255A - 電動機付過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】 ディフューザ部におけるオイルミストの固化堆積を抑制あるいは防止でき、かつ、そのための冷却系統の構造を簡素化できる電動機付過給機を提供する。
【解決手段】 本発明の電動機付過給機１０では、電動機２０はコンプレッサインペラ６に隣接する位置に配置されており、センターハウジング１４は、電動機２０を取り囲み且つディフューザ部２５に隣接するように形成された冷却液流路３４を有する。冷却液流路３４のうち、電動機２０側の部位に第１冷却構造部３８が形成され、ディフューザ部側２５の部位に第２冷却構造部３９が形成されており、第１冷却構造部３８により電動機２０を冷却し、第２冷却構造部３９によりディフューザ部２５を冷却するようになっている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の排ガスにより駆動し吸気を圧縮して過給する過給機において、コンプレッサの回転駆動を補助する電動機を備えた電動機付過給機に関する。

内燃機関の性能向上のために、内燃機関の排ガスで駆動し吸気を圧縮して過給する過給機（「ターボチャージャ」ともいう。）が広く用いられている。また、過給機のシャフトと同軸上に電動機を組み込み、コンプレッサの回転駆動を加速補助することにより、加速応答性等を改善した電動機付過給機も用いられている。

下記特許文献１には、電動機付過給機に関する先行技術が開示されている。図３は、特許文献１に開示された電動機付過給機５０の構成を示す断面図である。過給機５０のハウジング５１内部には、排気通路側にタービンインペラ５２、吸気通路側にコンプレッサインペラ５３が配設されており、タービンインペラ５２とコンプレッサインペラ５３はシャフト５４により連結されている。シャフト５４はハウジング５１に内蔵されたベアリング５５によって回転自在に支持されている。またハウジング５１には、シャフト５４と同軸上に連結された回転子５６と、回転子５６の周囲に配設された固定子５７とを有する電動機５８が内蔵されている。このように構成された過給機５０では、内燃機関（エンジン）からの排ガスによりタービンインペラ５２を回転して、これに連結されたコンプレッサインペラ５３を回転駆動すると共に電動機５８によりその回転駆動を補助し、吸気を過給して内燃機関に供給する。

このような電動機付過給機では、過給機の稼働中、電動機５８が高速回転し風損や渦電流損により自己発熱する。また、タービンには高温の排ガスが流れるため、タービンインペラ５２からシャフト５４、シャフト５４から電動機５８の回転子５６への熱伝導により電動機５８が高温となる。電動機５８が高温になると内部の永久磁石が減磁したり、電動機５８の効率が低下したりするという問題がある。そこで、特許文献１の過給機では、図３に示すように、ハウジング５１の内部に、電動機５８を取り囲むように冷却液流路６０を形成し、この冷却液流路６０に冷却液６１を流して電動機５８を冷却するように構成している。

また、電動機付過給機における電動機の冷却に関する他の先行技術として、下記特許文献２も開示されている。この特許文献２に開示された電動機付過給機は、図４に示すように、インタークーラ７１出口の空気の一部を過給機７０のハウジング７３内部へ導く冷気導入路７２を備え、ハウジング７３内部に導入した冷却空気により電動機７０を冷却するようになっている。

特開２００３−２９３７８５号公報 特開２００５−６９１７８号公報

上述した特許文献１の冷却構造では、電動機５８の固定子５６側を冷却することはできるが、回転子５６は固定子５７から所定間隔を置いて配設されているため、固定子５７側への熱伝導が十分に行われない。このため、電動機の回転子を十分に冷却することができず、永久磁石が減磁したり、電動機の効率が低下したりするという問題が依然として残る。また、この問題を解決するために、上述した特許文献２に示された冷却構造のようにインタークーラ７１出口からの冷却空気を電動機７０に導く方法が考えられる。しかし、この方法によると、冷気導入路７２のような外部配管を付加する必要があるため、過給機自体の重量やコストの増大を招くという問題がある。

本発明は、上述した問題点に鑑み、外部配管を付加することなく、電動機の固定子及び回転子を効果的に冷却することができ、これにより電動機の高温化を抑制して永久磁石の減磁を防止し、電動機の効率低下を防止することができる電動機付過給機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、第１の発明は、内燃機関の排ガスによって回転駆動されるタービンインペラと、該タービンインペラを囲むタービンハウジングと、前記タービンインペラとシャフトで連結されて回転し吸気を圧縮するコンプレッサインペラと、該コンプレッサインペラを囲むコンプレッサハウジングと、前記タービンインペラと前記コンプレッサインペラとの間に位置し前記シャフトを回転駆動し得る電動機と、前記シャフトを回転自在に支持し且つ前記電動機を内蔵するセンターハウジングと、を備えた電動機付過給機において、前記センターハウジング内に、前記コンプレッサハウジング内の圧縮空気の一部を前記電動機へと導く空気導入路と、該空気導入路を流れる空気を冷却する冷却構造部と、を有する、ことを特徴とするものである。

第２の発明は、上記第１の発明において、前記センターハウジングは、前記電動機を取り囲むように形成され内部に電動機を冷却するための冷却液を流通させる冷却液流路を有し、前記冷却構造部は、前記冷却液と前記空気導入路を流れる空気との間で熱交換可能に構成されている、ことを特徴とするものである。

第３の発明は、上記第１の発明において、前記冷却構造部は、前記センターハウジング内を流れる潤滑油と前記空気導入路を流れる空気との間で熱交換可能に構成されている、ことを特徴とするものである。

上記第１の発明によれば、コンプレッサハウジング出口側の空気の一部を前記電動機の回転子へと導き、その導入過程において空気を冷却構造部により冷却するので、電動機の固定子及び回転子の両方を効果的に冷却することができる。このため、電動機の永久磁石を冷却しその高温化を抑制することができる。また、冷却空気を導入する空気導入路は、センターハウジング内に形成されているので、外部配管を付加することなく冷却空気を電動機まで導くことができる。

上記第２の発明によれば、電動機をその周囲から冷却するための冷却液流路を有し、空気導入路を流れる空気と冷却液流路を流れる冷却液との間で熱交換して空気を冷却するように構成したので、空気を冷却するための専用の冷却系統を設けることなく簡単な構造で冷却手段を構成することができる。

上記第３の発明によれば、センターハウジング内を流れる潤滑油と空気導入路を流れる空気との間で熱交換して空気を冷却するように構成したので、空気を冷却するための専用の冷却系統を設けることなく簡単な構造で冷却手段を構成することができる。

したがって、上記本発明によれば、外部配管を付加することなく、電動機の固定子及び回転子を効果的に冷却することができ、これにより電動機の高温化を抑制して永久磁石の減磁を防止し、電動機の効率低下を防止することができるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は本発明の実施形態に係る電動機付過給機の断面図である。図１に示すように、この電動機付過給機１０は、タービンインペラ２、タービンハウジング４、シャフト１２、コンプレッサインペラ６、コンプレッサハウジング８、電動機２０、センターハウジング１４等の構成要素からなる。

排気通路側には、内燃機関の排ガスＧにより回転駆動されるタービンインペラ２と、このタービンインペラ２を囲むタービンハウジング４が配設されている。吸気側通路には、吸気を圧縮するコンプレッサインペラ６と、このコンプレッサインペラ６を囲むコンプレッサハウジング８が配設されている。タービンインペラ２とコンプレッサインペラ６はシャフト１２により連結されており、シャフト１２はセンターハウジング１４に内蔵された軸受１６によって回転自在に支持されている。タービンハウジング４とセンターハウジング１４とは、カップリング３により連結され、コンプレッサハウジング８とセンターハウジングとは、ボルト５により連結されている。

電動機２０は、センターハウジング１４に内蔵されており、シャフト１２と同軸上に連結されシャフト１２と共に回転する永久磁石からなる回転子２０Ａ（ロータ）と、回転子２０Ａの周囲に配設されたコイルからなる固定子２０Ｂ（ステータ）とから構成される。

センターハウジング１４には、軸受１６に潤滑油４２を供給するための油供給路２２と、軸受１６内部を通過して軸受１６を潤滑・冷却した潤滑油４２を排出するための油排出路２４とが形成されている。油供給路２２には、外部に設置された潤滑油ポンプ（図示せず）により例えば８０℃前後の潤滑油４２が供給されるようになっている。

センターハウジング１４のタービンインペラ２側には、センターハウジング１４とシャフト１２の隙間から潤滑油４２が漏れるのを防止するためのタービン側シールリング２６が介装されている。

図２は、図１の部分拡大図である。図２に示すように、センターハウジング１４内の電動機２０と軸受部と間の位置に設けられたシールプレート２８とシャフト１２との間には、その隙間から潤滑油が漏れるのを防止するコンプレッサ側シールリング３０が介装されており、これによりオイルシール部３２を構成している。

また、センターハウジング１４には、電動機２０を取り囲むように冷却液流路３４が形成されている。この冷却液流路３４は、センターハウジング１４内を周方向に延びて環状に形成され、内部に電動機２０を冷却するための冷却液を流通させるようになっている。冷却液流路３４は、電動機２０の外周を完全に一周するように形成されても良いし、シャフト１２の軸方向から見てＣ字状に形成されても良い。冷却液流路３４の径方向内側にはフィン形状部３４ａが形成され熱伝導の効率を高めるようになっている。冷却液は、冷却液供給口（図示せず）を介して外部に設置された冷却液ポンプ（図示せず）により冷却液流路３４に供給され、冷却液排出口（図示せず）から外部に排出される。なお、冷却液としては例えば、水を適用することができる。また、内燃機関の燃料（ガソリン等）を冷却液として用いても良い。

さらに、センターハウジング１４内部には、コンプレッサハウジング８の内部とセンターハウジング１４内の電動機２０が設けられた空間３６とを連通しコンプレッサハウジング８内の圧縮空気Ａの一部を電動機２０へと導く空気導入路３８と、この空気導入路３８を流れる空気Ａを冷却する冷却構造部４０とが設けられている。

本実施形態において、冷却構造部４０は、冷却液流路３４を流れる冷却液と空気導入路３８を流れる空気Ａとの間で熱交換を行うように構成されている。すなわち、空気導入路３８は、冷却液流路３４の近傍を通るように形成され、空気導入路３８を流れる空気Ａの熱を冷却液流路３４の冷却液に伝達するようになっている。空気導入路３８のうち冷却構造部４０に対応する部分は、その内部を流れる空気Ａと冷却液流路３４の冷却液との間の熱交換が十分に行われるような伝熱面積を確保するために、冷却液流路３４に沿って周方向にある程度延びる形状とするのが好ましい。また、冷却液流路３４のうち空気導入路３８側の内面にはフィン形状部３４ｂが形成され、熱伝導の効率を高めるようになっている。

このように構成された電動機付過給機１０では、内燃機関（エンジン）からの排ガスＧによりタービンインペラ２を回転して、シャフト１２を介して連結されたコンプレッサインペラ６を回転駆動すると共に電動機２０によりその回転駆動を補助する。そして、コンプレッサインペラ６により吸気を圧縮・加圧して内燃機関に供給する。コンプレッサインペラ６により吸気する空気（Ｐ点）は例えば２０℃、常圧であり、これがインペラ出口（Ｑ点）で例えば１８０℃、１．５気圧まで昇温・昇圧し、コンプレッサハウジング出口（Ｒ点）で例えば１８０℃、２．０気圧まで昇圧する。

また、冷却液流路３４には冷却液が供給され、これにより電動機２０をその周囲から冷却する。また、コンプレッサハウジング８内の圧縮空気Ａの一部は、空気導入路３８により電動機２０側の空間３６へ導かれる。このとき、コンプレッサハウジング８内から空気導入路３８に導入される空気Ａは、コンプレッサインペラ６により圧縮・加圧されているため高温（例えば１８０℃）となっているが、センターハウジング１４内に設けられた冷却構造部４０において冷却液流路３４内の冷却液との間で熱交換を行うため低温まで（例えば５０℃）冷却される。この結果、冷却された空気Ａが電動機２０側の空間３６へ供給される。これにより、電動機２０の回転子２０Ａは空気導入路３８から導入された空気Ａによって直接冷却される。なお、電動機２０を冷却した空気Ａは、空気排出路（図示せず）から排出される。あるいは、空気排出路を設けずに、電動機２０を冷却した空気Ａをコンプレッサインペラ６背面を通ってＱ点へ戻すようにすれば、コンプレッサ性能の低下を最小限に抑えることができる。

このように、上述した本発明の電動機付過給機１０によれば、コンプレッサハウジング８内の圧縮空気Ａの一部を電動機２０の回転子２０Ａへと導き、その導入過程において空気を冷却構造部４０により冷却するので、導入した空気Ａにより電動機２０の固定子２０Ｂ及び回転子２０Ａの両方を効果的に冷却することができる。このため、電動機２０の永久磁石を冷却しその温度上昇を抑制することができる。また、冷却空気Ａを導入する空気導入路３８は、センターハウジング１４内に形成されているので、外部配管を付加することなく冷却空気Ａを電動機まで導くことができる。

また、本発明の電動機付過給機１０によれば、電動機２０をその周囲から冷却するための冷却液流路３４を有し、空気導入路３８を流れる空気と冷却液流路３４を流れる冷却液との間で熱交換して空気Ａを冷却するように構成したので、電動機へ導入する空気を冷却するための専用の冷却系統を設けることなく簡単な構造で冷却構造部を構成することができる。

したがって、本発明の電動機付過給機によれば、外部配管を付加することなく、電動機の固定子及び回転子を効果的に冷却することができ、これにより電動機の温度上昇を抑制して永久磁石の減磁を防止し、電動機の効率低下を防止することができるという優れた効果が得られる。

また、上述した実施形態では、コンプレッサハウジング８内の加圧空気Ａ（例えば２．０気圧）を電動機２０側に導入しているため、電動機２０側の圧力が高まる。このため、潤滑油が流れる軸受１６側からの流入は、電動機２０側の高圧力により抑制され、オイルシール部３２のシール性が向上するという効果も得られる。

なお、上述した実施形態では、タービン側にシャフト１２の軸受１６が配設され、コンプレッサ側に電動機２０が配設された電動機付過給機を対象としたが、本発明の適用範囲はこれに限られず、図３に示したような、中央部に電動機が配設されその両側に軸受を配設した形式の電動機付過給機にも当然に適用することができる。

また、上述した実施形態では、冷却液流路３４を流れる冷却液と空気導入路３８を流れる空気Ａとの間で熱交換を行うように構成したが、センターハウジング内１４を流れる潤滑油４２と空気導入路３８を流れる空気Ａとの間で熱交換が可能な構造とし、これにより電動機２０へ導く空気を冷却するようにしてもよい。また、外部の空気と空気導入路３８を流れる空気との間で熱交換が可能な構造とし、これにより電動機２０へ導く空気を冷却するようにしてもよい。

その他、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明の実施形態を示す断面図である。 図１の部分拡大図である。 従来技術を説明する図である。 従来技術を説明する図である。

符号の説明

２ タービンインペラ
４ タービンハウジング
６ コンプレッサインペラ
８ コンプレッサハウジング
１０ 電動機付過給機
１２ シャフト
１４ センターハウジング
１６ 軸受
２０ 電動機
２０Ａ 回転子
２０Ｂ 固定子
２２ 油供給路
２４ 油排出路
２６ タービン側シールリング
２８ シールプレート
３０ コンプレッサ側シールリング
３２ オイルシール部
３４ 冷却液流路
３４ａ，３４ｂ フィン形状部
３６ 空間
３８ 空気導入路
４０ 冷却構造部
４２ 潤滑油
Ａ 空気
Ｇ 排ガス

Claims (3)

1. 内燃機関の排ガスによって回転駆動されるタービンインペラと、該タービンインペラを囲むタービンハウジングと、前記タービンインペラとシャフトで連結されて回転し吸気を圧縮するコンプレッサインペラと、該コンプレッサインペラを囲むコンプレッサハウジングと、前記タービンインペラと前記コンプレッサインペラとの間に位置し前記シャフトを回転駆動し得る電動機と、前記シャフトを回転自在に支持し且つ前記電動機を内蔵するセンターハウジングと、を備えた電動機付過給機において、
   前記センターハウジング内に、前記コンプレッサハウジング内の圧縮空気の一部を前記電動機へと導く空気導入路と、該空気導入路を流れる空気を冷却する冷却構造部と、を有する、
   ことを特徴とする電動機付過給機。
2. 前記センターハウジングは、前記電動機を取り囲むように形成され内部に電動機を冷却するための冷却液を流通させる冷却液流路を有し、
   前記冷却構造部は、前記冷却液と前記空気導入路を流れる空気との間で熱交換可能に構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の電動機付過給機。
3. 前記冷却構造部は、前記センターハウジング内を流れる潤滑油と前記空気導入路を流れる空気との間で熱交換可能に構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の電動機付過給機。

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