JP2007309101A - 電動機付き過給機の冷却構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】内部に配置した電動機のコイルを効率良く冷却できる過給機の冷却構造を提案する。
【解決手段】電動機を備えた過給機1Aの冷却構造であって、前記過給機のスラスト軸受70へ潤滑油LUを供給する第1の潤滑油通路15、72RUを備え、前記スラスト軸受70に、前記電動機のコイル62に向けて前記スラスト軸受を通過した後の潤滑油を飛散させるオイル飛散部75を設けた。オイル飛散部をコイルの近くに配置しておくことで、過給機の回転軸が回転したときに潤滑後の潤滑油を勢い良くコイルに飛散させて効率の良い冷却を行える。
【選択図】 図3

Description

本発明は、電動機を備えた過給機(以下、ターボチャージャと称す)の冷却構造に関する。
近年、ターボチャージャを備えた内燃機関の割合が増加しつつある。ターボチャージャは、エンジンの排気ガスでタービンのインペラを回転させる。このタービンのインペラの回転軸と同軸にコンプレッサのインペラが固定されている。よって、排気ガスでタービン側を回転させることにより、コンプレッサ側でエンジンに圧縮空気を送り込んで出力を向上させることができる。ところが、エンジンの低回転時、即ち、排気ガスの圧力が低いときには、タービンのインペラに当たる排気ガス量が少ない、或いは排気ガスの圧力が小さいために回転軸を高い回転数で回すことができないときがある。そのために、エンジン始動時などのように回転数が低いときには、コンプレッサ側に必要な圧縮空気を送り込むことができず所望の出力を得られない場合がある。
そこで、回転軸の回転を補助する電動機を取り付けたターボチャージャの提案がある。このように電動機を備えたターボチャージャであれば、エンジンの回転数が低いときに電動機を駆動することにより回転軸を回転させコンプレッサで空気を圧縮し、エンジンに送り込んで出力を高めることができる。例えば、特許文献1は、上記のように電動機を備えたターボチャージャの軸受構造について提案している。この軸受構造は、ラジアル軸受(フローティング軸受)の電動機側への潤滑油の飛散を抑制するリテーナリングを設けた構造を提案している。このリテーナリングにより、軸受を潤滑する潤滑油が電動機方向へ流出することを防止できるので潤滑油の流入に起因した回転抵抗の増加を抑制して、ターボチャージャを円滑に回転させることができる。
特開2005−232998号公報
ところで、ターボチャージャの回転軸は高速回転するため発熱する。よって、電動機を内部に配置したターボチャージャでは、電動機のコイルが過度に昇温しないように配慮する必要がある。しかしながら、上記特許文献1の軸受構造はコイルの冷却については考慮していないので、この点に関しては更に改善する必要がある。
よって、本発明の目的は、内部に配置した電動機のコイルを効率良く冷却できる過給機の冷却構造を提案することである。
上記目的は、電動機を備えた過給機の冷却構造であって、前記過給機のスラスト軸受へ潤滑油を供給する第1の潤滑油通路を備え、前記スラスト軸受に、前記電動機のコイルに向けて前記スラスト軸受を通過した後の潤滑油を飛散させるオイル飛散部を設けた電動機付き過給機の冷却構造により達成される。
本発明によると、潤滑した後の潤滑油を電動機のコイルに向けて飛散させるオイル飛散部が、スラスト軸受に設けてあるので電動機内のコイルを効率良く冷却できる。
また、前記電動機の回転子とラジアル軸受との間に前記スラスト軸受を配置すると共に、前記ラジアル軸受へ潤滑油を供給する第2の潤滑油通路を更に備え、前記スラスト軸受は、前記回転子側となる第1の軸受面に潤滑油の通路出口を有し、前記第1の軸受面と反対側の第2の軸受面と対向する位置には、当該第2の軸受面に前記ラジアル軸受通過後の潤滑油を供給する潤滑油供給構造が設けてある構造としてもよい。
この場合には、1つのスラスト軸受を配置するだけで、過給機の回転軸に作用する両方向へのスラスト力に対処できるので、コイルの冷却を図りながら構造の簡素化も図ることができる。
また、前記スラスト軸受が、前記過給機のコンプレッサ側及びタービン側の両方に設けてある構造としてもよい。この場合には、電動機の両側からコイルを冷却できる。
また、前記スラスト軸受が前記過給機の回転軸に固定される円筒部材を含み、前記円筒部材が半径方向で外側へ突出する環状のフランジ部を有している構造としてもよい。このフランジ部がラジアル軸受の位置決め部材として機能するので、従来、用いていた位置決め用のスナップリングなどを省略して構造の簡素化を図ることができる。
さらに、前記円筒部材が、前記電動機の固定子と回転子との間への前記潤滑油の侵入を防止する突起部を備えていることが更に好ましい。
本発明によると、内部に配置した電動機のコイルを効率良く冷却できる過給機の冷却構造を提供できる。
以下、図面を参照して本発明に係る実施例を説明する。
図1は、実施例1に係る冷却構造が適用されているターボチャージャ1Aの構成を示した図である。なお、以下の説明において、半径方向RDとはターボチャージャの回転軸に垂直であると共に回転軸を中心とした放射方向であり、また、軸方向ADは回転軸の軸芯に沿った方向である。
ターボチャージャ1Aには、軸方向ADにおける一方側にコンプレッサ部20が形成されており、他方側にはタービン部30が形成されている。より具体的には、回転軸3のタービン部30側の端部にはタービンインペラ31が一体に形成されており、後述する部材を途中に介在させて、コンプレッサ部20側の端部にコンプレッサインペラ21が嵌め込まれナット25により締め付け固定されている。上記コンプレッサインペラ21の外周にはコンプレッサハウジング22が配備され、タービンインペラ31の外周にはタービンハウジング32が配備されている。
前記コンプレッサ部20側とタービン部30側との間にはベアリングハウジング10が配設されており、このベアリングハウジング10内は電動機となるモータ60が設けられている。このモータ60の固定子61は上記ベアリングハウジング10の内壁に固定され、回転子65は上記回転軸3に固定されている。固定子61と回転子65とは軸方向ADにおいて略同一位置にあり、また半径方向RDで所定間隙をもって対向配置されている。固定子61にはコイル62が巻かれており、その一部は固定子61より外側に突出するように巻回されている。また、回転子65は回転軸3に固定した円筒状の磁石66及びこの磁石66の外周を覆うように設けた磁石保持管67を含んでいる。上記コイル62に図示しない配線を介して所定の電流を供給して励磁すると、回転子65を固定した回転軸3を回転させることができる。よって、必要時にコイル62に電流を供給することにより、回転軸3を補助駆動することができる。
上記回転子65の両側には半径方向RDで回転軸3を支持するラジアル軸受40、45が配設されている。タービン側のラジアル軸受40は回転軸3に固定したスリーブ41と、このスリーブ41の外周に対向するように配置したラジアル軸受部42とを含んでいる。ラジアル軸受部42は、両側に配置したスナップリング43により軸方向ADの位置決めがされている。ラジアル軸受部42の背部側(図1で上側)にはベアリングハウジング10に形成したオイル通路16により潤滑油が供給されている。
一方、コンプレッサ側のラジアル軸受45の周辺構造は、上記したコンプレッサ側とは異なっている。図2は、ラジアル軸受45の周部を示した図である。この図2を参照して説明する。ラジアル軸受45は上記ベアリングハウジング10とコンプレッサインペラ21との間に配置したベアリングプレート11内の中心部に設けられている。ラジアル軸受45は回転軸3に固定したスリーブ71と、このスリーブ71の外周に対向するように配置したラジアル軸受部46とを含んでいる。ラジアル軸受部46のコンプレッサ側にはスナップリング43が配設されている。ラジアル軸受部42の背部側(図2で上側)にはベアリングプレート11に形成したオイル通路15により潤滑油が供給されている。
なお、上記スリーブ71よりコンプレッサ側の回転軸3には、シーリングカラー26を介挿してコンプレッサインペラ21が嵌め込まれている。このコンプレッサインペラ21をナット25で締め付けることにより、反対側のタービンインペラ31からコンプレッサインペラ21までに配置した各部材が回転軸3に沿って位置決めされている。
図2で示すコンプレッサ側のラジアル軸受45の基本構造は前述したタービン側のラジアル軸受40とほぼ同様であるが、隣接して設けられている構造が異なっている。このラジアル軸受45のモータ60側(図2で右側)には、隣接して軸方向ADの負荷(スラスト力)を受けるスラスト軸受70が設けられている。このスラスト軸受70は、ラジアル軸受45とスリーブ71を共用して、スラスト軸受部72及び回転軸3に固定されたスラストカラー73を含んで構成されている。
なお、ラジアル軸受45に潤滑油を供給しているオイル通路15は途中で分岐しており、上記スラスト軸受部72側にも潤滑油を供給している。また、ラジアル軸受45のラジアル軸受部46の中央には貫通孔47が形成されており、潤滑油がスリーブ71側に流れ易いようになっている。このように貫通孔を設けた構造は反対側のラジアル軸受40についても同様である(図1参照)。
本実施例のターボチャージャ1Aには、上記スラスト軸受70にモータ60のコイル62を冷却するための冷却構造が組込まれている。さらに、図3を参照して、コイル冷却構造について説明する。図3は、図2中の円内CRを拡大した図である。
スラストカラー73は半径方向RDで外側へ突出する環状のフランジ部73FLを備えた円筒部材である。よって、断面は図3で示すように片側がL字型となり、フランジ部73FLが回転軸3から立ち上がった状態となっている。このフランジ部73FLは、図示するようにモータ60のコイル62と接近している位置に形成されている。また、スラストカラー73は、コンプレッサ側の端部(図3で左端)がスリーブ71に当接している。
上記スリーブ71とフランジ部73FLとの間に形成される空間内に、スラスト軸受部72の下端側が一定の間隙を持って配置されている。図3では、スラスト軸受部72が左側にd1の間隙、右側にd2の間隙を持って配置されている。よって、回転軸3がスラスト力を受けたときに上記間隙の範囲内で移動が許容される。なお、スリーブ71のスラスト軸受部72側は、図示するように突起部71PRを設けて、フランジ部73FLと対向する面積を大きく形成した構造としておくのがより好ましい。このように形成しておくとスリーブ71とスラスト軸受部72との対向面積が増加するので、回転軸3にスラスト力が作用してもこれに対抗する力を発生させて軸方向位置を一定に維持できる。また、突起部71PRが軸方向ADにおけるラジアル軸受部46の回転子側を位置決めする機能を果すのでスナップリング43を省略して構成を簡素化できる。
なお、ラジアル軸受部46はベアリングプレート11、スリーブ71及びコンプレッサハウジング22により囲まれた空間SP内に存在することとなり、オイル通路15によって供給される潤滑油LU中で浮いたような状態(フローティング状態)となる。
また、スラスト軸受部72内に形成されたオイル通路72RUの通路出口72EXは上記フランジ部73FL側に形成してある。すなわち、オイル通路15及びオイル通路72RUを通過してきた潤滑油LUが、フランジ部73FLの壁面に吹付けるようにして流れ出すように通路出口72EXが形成してある。
上記構成で、ターボチャージャ1Aの回転軸3を回転させたときに、オイル通路15に一定圧以上で潤滑油LUを供給する。潤滑油LUは、オイル通路15により、ラジアル軸受部46側及びスラスト軸受部72側に供給される。
まず、スラスト軸受70側に流れた潤滑油LUの作用を説明する。スラスト軸受部72側に流れた潤滑油LUはフランジ部73FLを押し返すように作用した後に、回転軸3と共に回転しているフランジ部73FLから遠心力を受けて半径方向RDで外側(放射方向)へ飛散することになる。すなわち、図3で模式的に示すように、フランジ部73FLの先端が基点(以下、オイル飛散部75と称す)となり潤滑油LUを外側に飛散させる(飛び散らせる)ことができる。オイル飛散部75は、飛散させた潤滑油LUがコイル62に容易に到達する位置に設定されている。よって、液滴状或いは霧状となった潤滑油LUがコイル62に接触し、その後に下方へ落下する。この過程で潤滑油LUによりコイル62を冷却することになる。なお、ベアリングハウジング10の下端の所定位置にはオイルドレーン部17、18が設けてある。よって、落下した潤滑油LUはベアリングハウジング10の下側から機外に出され、図示しない内燃機関のオイルパンなどに回収されて循環される。
オイル飛散部75から飛散する潤滑油LUは、液滴状或いは霧状となって均等に分散してコイル62の外周に付着する。このように潤滑油LUを飛散させる遠心力は、回転軸3の高速回転に基づくので、潤滑油流量や流速は十分に大きなものとなるのでコイル62を効率良く強制冷却できる。
次に、ラジアル軸受45側に流れた潤滑油LUの作用を説明する。オイル通路15からラジアル軸受部46側に向かった潤滑油LUは、突起部71PRを超えてスラスト軸受部72の背面(図3で左)側に流れ込むことになる。このようにしてスラスト軸受部72の背面側にも潤滑油が供給されるので、スラスト軸受部72の回転子65側の面が第1の軸受面(スラスト受面)、反対側が第2の軸受面となるので、異なる向き(図3で左向き及び右向き)のスラスト力を受けても回転軸3の移動を抑制できるスラストベアリングとして機能させることができる。
また、図1を再度参照すると、回転子65の外周に配置した磁石保持管67の両端部(タービン側端部及びコンプレッサ側端部)には半径方向外側へ突出する環状の突起部68が形成してある。このような突起部68を設けておくと、モータ60の固定子61と回転子65との間に潤滑油LUが侵入するのを抑制できる。固定子61と回転子65との間に潤滑油LUが侵入してしまうと、潤滑油LUの撹拌抵抗が発生して機械損失が増加してしまう。これに対して、本実施例では回転子65の外側に潤滑油LUの侵入を防止する突起部68を設けあるので回転軸3が回したときの機械損失を低減できる。
以上で説明した実施例1の冷却構造を備えたターボチャージャ1Aは、スラスト軸受70から排出される潤滑油LUを有効に活用してモータ60のコイル62を冷却することができる。よって、構成を簡素化させて、コイル62を確実に効率良く冷却できる。
また、前述したようにスラスト軸受70は、左右どちらの向きのスラスト力にも対応できるのでコンプレッサ側にだけ配置すればよいので、この点でもターボチャージャ1Aの構成を簡素化できる。なお、タービン側はラジアル軸受40だけとなるが、このラジアル軸受40の構造はコンプレッサ側のラジアル軸受45からスラスト軸受70に係る構造を削除した構造となる。ラジアル軸受40側にもオイル通路16により潤滑油が供給され、ラジアル軸受部42を潤滑した後の潤滑油は回転軸3の遠心力を受けて外側に吹き飛ばされる。よって、コンプレッサ側の様に効率的ではないが、タービン側でも潤滑油でコイル62を冷却できる。
また、より好ましい構造として、上記実施例1ではスラスト軸受部72に設ける通路出口EXを回転子65側にだけ設ける場合を説明したが、スラスト軸受部72内のオイル通路72RUを分岐してコンプレッサ側にも通路出口EXを設けてもよい。この場合には、ラジアル軸受45側から潤滑油LUを供給するためにコンプレッサ側に設けた潤滑油供給構造は省略できる。
なお、特許請求の範囲記載との関係では、上記オイル通路15の分岐部分及びスラスト軸受部72内のオイル通路72RUにより第1の潤滑油通路が形成され、オイル通路15の主通路(真っ直ぐな通路)が第2の潤滑油通路となる。また、スリーブ71に突起部71PRを設けて、ラジアル軸受45を潤滑した後の潤滑油LUをラジアル軸受部72の背面側に誘導する油路構造が第2の軸受面に潤滑油を供給する潤滑油供給構造に相当している。
さらに、図を参照して、本発明に係る第2の実施例を説明する。前述した実施例1のターボチャージャ1Aはラジアル軸受45と共に、コンプレッサ側にだけスラスト軸受70を有している。これに対し、実施例2のターボチャージャ1Bはコンプレッサ側及びスラスト側の両方にラジアル軸受及びスラスト軸受を有している。
図4は、実施例2に係る冷却構造が適用されているターボチャージャ1Bの構成を示した図である。なお、図1から図3で示したターボチャージャ1Aと同一の部位については、同じ符号を付すことにより重複する説明を省略する。
このターボチャージャ1Bは、コンプレッサ側に軸受構造80、タービン側に軸受構造90を有している。これら軸受構造80、90はそれぞれが、ラジアル軸受とスラスト軸受とを含んでいる。上記軸受構造80と上記軸受構造90は、モータ60を間にしてほぼ対称(鏡面対称)に形成してある。コンプレッサ側の軸受構造80について説明する。
図5は、ターボチャージャ1Bの軸受構造80の周辺を取り出して示す図である。軸受構造80は回転軸3に固定した円筒状のスペーサ81、このスペーサ81の外周に配置したラジアル軸受部82及びスラスト軸受部84を含んでいる。
スペーサ81は、回転子65側の端部が半径方向RDで外側へ突出する環状のフランジ部81FLを備えた円筒部材である。よって、スペーサ81の断面は図5で示すように片側がL字型となり、フランジ部81FLが回転軸3から立ち上がった状態となる。このフランジ部81FLは、図示するようにモータ60のコイル62下に接近した位置に形成されている。また、スペーサ81はコンプレッサ側の端部(図5で右端)が回転子65に当接している。上記フランジ部81FLの上端には更に半径方向で外側に突出するように環状の突起部81PRが設けられている。この突起部81PRは、潤滑油がモータ60側へ流れて固定子61と回転子65との間に侵入するのを防止するために設けられている。
ラジアル軸受部82は前述した実施例1のラジアル軸受部46と同様の構造を有しており、中央には貫通孔83が形成されている。オイル通路15から供給される潤滑油が、貫通孔83を介してスペーサ81側に流れ易いようになっている。このラジアル軸受部82に隣接してスラスト軸受部84が実施例1の場合と同様に配置されている。ただし、本実施例2ではスペーサ81が、実施例1におけるスリーブ71とスラストカラー73との機能を有し、これらを一体化させた構造となっている。
図6は、図5中の円内CRを拡大した図である。スラスト軸受部84の回転子側の面にオイル通路84RUの通路出口84EXが形成されている。オイル通路15及びオイル通路84RUを通過してきた潤滑油LUが、フランジ部81FLの壁面に吹付けるようにして流れ出すように通路出口84EXが形成してある。よって、スラスト軸受部84の回転子65側の面が軸受面(スラスト受面)となり、回転軸3にコンプレッサ方向(図6で左向き)へのスラスト力が作用したときに対抗する。しかし、本実施例2の場合には、スラスト軸受部84とラジアル軸受部82との間を仕切る部材(実施例1におけるスリーブ71の突起部71PR)が存在していないので、反対方向(図6で右向き)のスラスト力が作用したときには対処できないことになる。この点については次のように対処している。
上記図6で示すスラスト軸受部84は、図4におけるコンプレッサ側(左側)の軸受構造80に含まれる構造である。これと反対側のタービン側(右側)の軸受構造90に含まれるスラスト軸受部94は潤滑油LUの通路出口94EXが逆向きに形成してある。よって、回転軸3にタービン方向(図4で右)へのスラスト力が作用したときに対抗することができる。このように本実施例2では、左右で対称的に配置した一対のスラスト軸受部84、94によって回転軸3に作用する両方向へスラスト力に対処して、軸方向ADにおける回転軸3の位置を一定に維持している。
再度、図6を参照して、スラスト軸受部84に流れた潤滑油LUの作用を説明する。スラスト軸受部84側に流れた潤滑油LUはフランジ部81FLを押し返すように作用した後に、回転軸3と共に回転しているフランジ部81FLから遠心力を受けて半径方向RDで外側(放射方向)へ飛散することになる。図6で示すように、フランジ部81FL先端のオイル飛散部85から潤滑油LUが外側に飛散する。飛散した潤滑油LUは液滴状或いは霧状となったコイル62に接触し、その後に下方へ落下する。よって、本実施例2の場合も前述した実施例1の場合と同様に潤滑油LUによりコイル62を冷却できる。
なお、図4で示すように、回転軸3のタービン側には上記スラスト軸受部84と同様の構造を有するスラスト軸受94が配置されているので、本実施例2ではモータ60の右側のコイル62も同様に冷却できる。
次に、ラジアル軸受部82側に流れた潤滑油LUの作用を説明する。オイル通路15からラジアル軸受部82側に向かった潤滑油LUは、このラジアル軸受部82を潤滑した後にスペーサ81とスラスト軸受部84との間に流れ込むように油路が形成してある。よって、本実施例2では、ラジアル軸受部82に供給された潤滑油LUが、スラスト軸受部84の回転子65側となる軸受面(スラスト受面)がスラスト力に対抗する力を発生させるのに寄与することになる。
なお、前述したようにスペーサ81のフランジ部81FLには突起部81PRが設けられている。このような突起部81PRを設けておくと、モータ60の固定子61と回転子65との間に潤滑油LUが侵入するのを抑制できる。スペーサ81はモータ60の外側に位置しているので、この突起部81PRはモータ60の固定子61の内径より高く(外径を大きく)形成することができる。よって、潤滑油LUの侵入をより確実に抑制して、回転軸3が回したときの機械損失を低減できる。
以上で説明した実施例2の冷却構造を備えたターボチャージャ1Bは、両側に設けた軸受構造80、90から排出される潤滑油LUを有効に活用してモータ60の両側からコイル62を冷却することができる。よって、コイル62の冷却効果を高めることができる。また、円筒部材となるスペーサ81、91が、実施例1のスリーブ71とスラストカラー73を一体化した構造となるので剛性を高めることができる。また、実施例2のスペーサ81、91は、実施例1のスラストカラー73の機能を果すので、回転子65側の位置決め用のスナップリング43を省略してラジアル軸受部82,92の位置決めを行うことができる。よって、この点でも構造の簡素化できる。
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
実施例1に係る冷却構造が適用されているターボチャージャ1Aの構成を示した図である。 ターボチャージャ1Aに適用されているラジアル軸受の周部を示した図である。 図2中の円内CRを拡大した図である。 実施例2に係る冷却構造が適用されているターボチャージャ1Bの構成を示した図である。 ターボチャージャ1Bの軸受構造の周辺を取り出して示す図である。 図5中の円内CRを拡大した図である。
符号の説明
1A、1B ターボチャージャ(過給機)
3 回転軸
15、16 オイル通路
45(46、71) ラジアル軸受
46 ラジアル軸受部
60 モータ(電動機)
61 固定子
62 コイル
65 回転子
70(71、72、73) スラスト軸受
71 スリーブ
72 スラスト軸受部
72EX 通路出口
73 スラストカラー
75 オイル飛散部
80、90 軸受構造
81、91 スペーサ
82,92 ラジアル軸受部
84、94 スラスト軸受部
LU 潤滑油

Claims (5)

  1. 電動機を備えた過給機の冷却構造であって、
    前記過給機のスラスト軸受へ潤滑油を供給する第1の潤滑油通路を備え、
    前記スラスト軸受に、前記電動機のコイルに向けて前記スラスト軸受を通過した後の潤滑油を飛散させるオイル飛散部を設けた、ことを特徴とする電動機付き過給機の冷却構造。
  2. 前記電動機の回転子とラジアル軸受との間に前記スラスト軸受を配置すると共に、前記ラジアル軸受へ潤滑油を供給する第2の潤滑油通路を更に備え、
    前記スラスト軸受は、前記回転子側となる第1の軸受面に潤滑油の通路出口を有し、
    前記第1の軸受面と反対側の第2の軸受面と対向する位置には、当該第2の軸受面に前記ラジアル軸受通過後の潤滑油を供給する潤滑油供給構造が設けてある、ことを特徴とする請求項1に記載の電動機付き過給機の冷却構造。
  3. 前記スラスト軸受が、前記過給機のコンプレッサ側及びタービン側の両方に設けてある、ことを特徴とする請求項1に記載の電動機付き過給機の冷却構造。
  4. 前記スラスト軸受が前記過給機の回転軸に固定される円筒部材を含み、前記円筒部材が半径方向で外側へ突出する環状のフランジ部を有している、ことを特徴とする請求項1又は3に記載の電動機付き過給機の冷却構造。
  5. 前記円筒部材が、前記電動機の固定子と回転子との間への前記潤滑油の侵入を防止する突起部を備えている、ことを特徴とする請求項4に記載の電動機付き過給機の冷却構造。
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