JP2007321674A - 回転軸の保持構造および電動過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸の軸長および重量を低減することが可能な回転軸の保持構造および該構造を含む電動過給機を提供する。
【解決手段】回転軸の保持構造は、電動過給機における回転軸の保持構造であって、シャフト３１０と、シャフト３１０に固設されるロータ３２０と、ロータ３２０の軸方向の両端部に設けられたスペーサ３３０とを備える。ここで、スペーサ３３０の軸方向端面にフローティング軸受３４０と回転摺動可能な摺動面が形成され、摺動面と隣接するようにフローティング軸受３４０が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転軸の保持構造および電動過給機に関し、特に、電動過給機に含まれる回転軸の保持構造に関する。

回転電機を含む電動過給機が従来から知られている。
たとえば、特開２０００−１４５４６９号公報（特許文献１）においては、電動過給機に含まれる回転電機のロータであって、ロータの軸方向両端部に設けたスペーサによりロータを回転軸上に保持する構造が開示されている。

また、特開２００５−２３２９９８号公報（特許文献２）においては、フローティング軸受により回転軸を支持したターボチャージャの軸受構造が開示されている。ここでは、フローティング軸受の両端に位置決め用のスナップリングが設けられている。

また、特開２００５−２４８７９９号公報（特許文献３）においては、スラスト軸受を有する電動機一体型ターボチャージャが開示されている。
特開２０００−１４５４６９号公報 特開２００５−２３２９９８号公報 特開２００５−２４８７９９号公報

回転軸にロータが固設された回転体の全長および重量が増大すると、回転体の固有振動数が低減される。タービンシャフトを含む回転体の固有振動数が低減された結果、電動過給機の振動特性が悪化する傾向にある。したがって、回転軸の軸長および重量を低減することが重要である。

特許文献１に記載の電動過給機においては、ロータの軸方向両端部に設けられたスペーサがロータ保持以外の機能を有していない。このことは、回転体の軸長が長くなる要因となる。回転体の軸長が長くなった結果、その重量も増大する。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、回転軸の軸長および重量を低減することが可能な回転軸の保持構造および該構造を含む電動過給機を提供することにある。

本発明に係る回転軸の保持構造は、電動過給機における回転軸の保持構造であって、回転軸と、回転軸に固設される回転子と、回転子と別体に設けられた周辺構造部とを備える。ここで、回転子の軸方向の両端部に周辺構造部と回転摺動可能な摺動面が形成され、摺動面と隣接するように周辺構造部が設けられている。

上記構成によれば、回転子の両端部に形成された摺動面と周辺構造部とを回転摺動可能に隣接させることで、摺動面を介したスラスト力の分担や摺動面による周辺構造部の位置決めなどを行なうことができる。この結果、電動過給機の回転軸長を低減することができる。電動過給機の回転軸長が低減されることで、その重量も低減される。

好ましくは、上記回転軸の保持構造において、周辺構造部は回転軸を径方向に支持するフローティング軸受を含み、フローティング軸受の軸方向端面と摺動面とが回転摺動する。

これにより、フローティング軸受の位置決め部材を省略することができるので、電動過給機の回転軸長を低減することができる。

好ましくは、上記回転軸の保持構造は、回転軸を軸方向に支持するスラスト軸受をさらに備え、スラスト軸受のスラストクリアランスと、周辺構造部と摺動面とのクリアランスとが略等しい。

これにより、スラスト軸受と周辺構造部とで回転軸に作用するスラスト力を分担して支持することができるので、スラストベアリングの容量を低減することができる。この結果、スラスト軸受における損失を低減することができる。

好ましくは、上記回転軸の保持構造において、周辺構造部は電動過給機を収納するハウジングの一部、または、該ハウジングに固定された部材を含む。ここで、周辺構造部は回転軸に作用するスラスト力を支持可能である。

これにより、スラスト軸受を省略することができるので、電動過給機の回転軸長を低減することができる。

本発明に係る電動過給機は、上述した回転軸の保持構造を含む。これにより、回転軸の軸長および重量が低減された電動過給機が提供される。

本発明によれば、回転軸の軸長および重量を低減することが可能な回転軸の保持構造を提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の特徴部分を適宜組合わせることは、当初から予定されている。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る回転軸の保持構造を含む回転電機をターボチャージャ（電動過給機）付きエンジンに組付けたシステムの概略構成を示す図である。該システムは、図１に示すように、吸気管１１０および排気管１２０を含むエンジン１００と、吸気管１１０内および排気管１２０内にホイールを含むターボチャージャ２００と、ターボチャージャ２００と同軸上に配置された磁石型電動機３００と、インバータ４００と、システム全体を制御するＥＣＵ５００とを含んで構成される。磁石型電動機３００は、回転軸の外周部に磁石を配置したロータを有する電動機である。

図１に示されるシステムでは、エンジン１００から排出される排気エネルギーにより、排気管１２０側のホイールであるタービンホイール１２１を回転させ、この動力によって、吸気管１１０側のホイールであるコンプレッサホイール１１１を回転させる。このようにすることで、エンジン１００に圧縮空気を供給して、充填効率を高めることができる。上記システムでは、さらに、排気のエネルギーが十分でない場合等に、磁石型電動機３００により、タービンホイール１２１とコンプレッサホイール１１１とを連結するタービンシャフトを強制的に回転させる。磁石型電動機３００への電力は、インバータ４００から供給される。ＥＣＵ５００は、インバータ４００の動作を制御する。

排気管１２０には、タービンホイールを避けて迂回するバイパスが設けられている。バイパスの入口近傍には、ウエイストゲートバルブ１３０が配置されている。過給の必要がない場合等においては、ウエイストゲートバルブ１３０が開弁される。

図２は、磁石型電動機３００に含まれる回転軸の保持構造を示した断面図である。図２を参照して、磁石型電動機３００は、シャフト３１０と、モータロータ３２０と、スペーサ３３０と、フローティング軸受３４０と、Ｃリング３５０と、スラストベアリング３６０とを含んで構成される。

シャフト３１０は、コンプレッサホイール１１１およびタービンホイール１２１とともに回転する「回転軸」である。モータロータ３２０は、シャフト３１０に固設される。スペーサ３３０は、モータロータ３２０の軸方向の両端部に設けられる。スペーサ３３０は、チタン、チタン合金またはステンレスなどを含んで構成される。フローティング軸受３４０は、モータロータ３２０に対してコンプレッサホイール１１１側およびタービンホイール１２１側に設けられるフローティング軸受３４１，３４２を含む。そして、フローティング軸受３４０は、シャフト３１０を径方向に支持する。Ｃリング３５０は、フローティング軸受３４１，３４２の位置決め用の部材である。スラストベアリング３６０は、シャフト３１０の軸方向にシャフト３１０を支持している。

図３は、図２に示されるモータロータ３２０の構造をより詳細に示した図である。図３を参照して、モータロータ３２０は、管状部材３２１と、磁石３２２と、嵌入部材３２３とを含んで構成される。管状部材３２１は、たとえばチタンなどの非磁性材料で構成される。磁石３２２は、管状部材３２１の内周側に設けられる。嵌入部材３２３は、たとえばチタンなどの非磁性材料で構成され、磁石とともに管状部材３２１内に嵌入される。

図７は、比較例に係る回転軸の保持構造を示した断面図である。また、図８は、図７に示されるフローティング軸受３４０（フル・フロート・ベアリング）の周辺構造を示した図である。図８を参照して、フローティング軸受３４０は、シャフト３１０と電動過給機を収納するケーシング３８０とに挟持される。ただし、フローティング軸受３４０は、シャフト３１０およびケーシング３８０に固定されていない。そして、フローティング軸受３４０はシャフト３１０とハウジング３８０との間で自由に回転できる。シャフト３１０およびフローティング軸受３４０間と、フローティング軸受３４０およびケーシング３８０間とには、潤滑油が満たされている。図７に示される比較例では、フローティング軸受３４０の軸方向の両端部にケーシング３８０に固定されたＣリング３５０が設けられ、フローティング軸受３４０の位置決めがなされている。

これに対し、本実施の形態に係る回転軸の保持構造では、スペーサ３３０の軸方向端面にフローティング軸受３４０と回転摺動可能な摺動面３３１（図３参照）を形成し、図２に示すように、スペーサ３３０とＣリング３５０とでフローティング軸受３４０を軸方向に挟持している。このようにすることで、図７に示されるＣリング３５０の一部を省略することができる。

ここで、スラストベアリング３６０のスラストクリアランスと、フローティング軸受３４１，３４２と摺動面３３１とのクリアランスとをほぼ等しく設定することで、スラストベアリング３６０が支持するスラスト力の一部をフローティング軸受３４０に分担させることができる。この結果、スラストベアリング３６０の容量を低減して、スラストベアリング３６０における損失を低減することができる。また、上記クリアランスの調整により、フローティング軸受３４０の回転数を最適化して、耐久性を向上させることも可能である。

上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る回転軸の保持構造は、電動過給機における回転軸の保持構造であって、「回転軸」としてのシャフト３１０と、シャフト３１０に固設される「回転子」としてのモータロータ３２０およびスペーサ３３０と、「周辺構造部」としてのフローティング軸受３４０とを備える。ここで、スペーサ３３０の軸方向端面にフローティング軸受３４０と回転摺動可能な摺動面３３１が形成され、摺動面３３１と隣接するようにフローティング軸受３４０が設けられている。

本実施の形態に係るシャフト３１０の保持構造によれば、スペーサ３３０の軸方向端面とフローティング軸受３４０とを回転摺動可能に隣接させることで、フローティング軸受の「位置決め部材」としての複数のＣリング３５０の一部を省略することができる。これにより、当該Ｃリング３５０の設置スペースを省略することができるので、シャフト３１０の軸長を低減することができる。シャフト３１０の軸長が低減されることで、シャフト３１０の重量が低減される。また、ハウジング３８０にＣリング３５０を設けるための溝を加工したり、該溝にＣリング３５０を組付けたりする工程を省略することができるので、電動過給機の製造コストを低減することができる。

一般に、回転体の固有振動数ｐは、下記の式（１）で求められる。
ｐ＝（Ｎ²π／Ｌ²）×√（ＥＩ／ρＡ）・・・・（１）
Ｎ：振動の次数
Ｌ：軸長
Ｅ：ヤング率
Ｉ：断面２次モーメント
ρ：密度
Ａ：断面積
式（１）を参照して、シャフトの軸長および重量が増大すると、回転体の固有振動数が低減される。本実施の形態において、シャフト３１０を含む回転体の固有振動数が低減されると、１次振動の固有振動数に加えて高次振動の固有振動数も電動過給機の駆動時の振動数に含まれて、電動過給機の振動特性が悪化することが懸念される。本実施の形態においては、上記のように、シャフト３１０の軸長および重量が低減されることで、電動過給機の振動特性の悪化が抑制される。

また、本実施の形態に係るシャフト３１０の保持構造によれば、電動過給機の駆動時に生じやすい１次振動の腹に近いモータロータ３２０の前後の剛性を効果的に向上させることができるので、電動過給機の振動特性を大幅に改善することができる。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係る回転軸の保持構造を示した断面図である。図４を参照して、本実施の形態に係る回転軸の保持構造は、実施の形態１に係る回転軸の保持構造の変形例であって、スペーサ３３０の軸方向端面と隣接する位置に、モータロータ３２０およびスペーサ３３０を挟持してシャフト３１０を軸方向に支持可能な一対のスラストプレート３７０を設けたことを特徴とする。スラストプレート３７０は、電動過給機を収納するハウジングと一体に形成されたものであってもよいし、ハウジングと別体に形成され該ハウジングの内側に固定されたものであってもよい。

本実施の形態においては、シャフト３１０に作用するスラスト力を支持可能な一対のスラストプレート３７０を設けることで、図４に示すように、スラストベアリング３６０を省略することが可能になる。この結果、スラストベアリング３６０の設置スペースが省略され、シャフト３１０の軸長が低減される。

本実施の形態に係るシャフト３１０の回転軸の保持構造においては、スペーサ３３０に隣接する「周辺構造部」は、電動過給機を収納するハウジングの一部、または、該ハウジングに固定された部材である一対のスラストプレート３７０を含む。スラストプレート３７０は、シャフト３１０に作用するスラスト力の少なくとも一部を支持可能である。

なお、本実施の形態において、スペーサ３３０を省略することも可能である。この場合には、モータロータ３２０の軸方向端面がスラストプレート３７０と回転摺動する「摺動面」となる。

（実施の形態３）
図５は、実施の形態３に係る回転軸の保持構造を示した断面図である。図５を参照して、本実施の形態に係る回転軸の保持構造は、実施の形態１，２に係る回転軸の保持構造の変形例であって、スペーサ３３０に隣接する「周辺構造部」として一対のフローティング軸受３４０およびスラストプレート３７０を併用したことを特徴とする。ここで、シャフト３１０に作用するスラスト力は、典型的にはスラストプレート３７０により支持されるが、スラストプレート３７０およびフローティング軸受３４０により当該スラスト力を分担して支持するようにしてもよい。

本実施の形態に係る回転軸の保持構造によれば、フローティング軸受３４０の位置決め部材としての複数のＣリング３５０の一部およびスラストベアリング３６０を省略することができるので、実施の形態１，２と比較して、シャフト３１０の軸長をさらに低減することができる。

（実施の形態４）
図６は、実施の形態４に係る回転軸の保持構造を示した断面図である。図６を参照して、本実施の形態に係る回転軸の保持構造は、実施の形態１〜３に係る回転軸の保持構造の変形例であって、スペーサ３３０に隣接する「周辺構造部」としてのフローティング軸受３４０をスペーサ３３０とスラストプレート３７０とで挟持したことを特徴とする。

本実施の形態に係る回転軸の保持構造によれば、フローティング軸受３４０の位置決め部材としてのすべてのＣリング３５０およびスラストベアリング３６０を省略することができるので、実施の形態１〜３と比較して、シャフト３１０の軸長をさらに低減することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態１に係る回転軸の保持構造を含む回転電機をターボチャージャ付きエンジンに組付けたシステムの概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る回転軸の保持構造を示した断面図である。 図２に示されるロータの構造をより詳細に示した図である。 本発明の実施の形態２に係る回転軸の保持構造を示した断面図である。 本発明の実施の形態３に係る回転軸の保持構造を示した断面図である。 本発明の実施の形態４に係る回転軸の保持構造を示した断面図である。 比較例に係る回転軸の保持構造を示した断面図である。 フローティング軸受の周辺構造を示した図である。

符号の説明

１００ エンジン、１１０ 吸気管、１１１ コンプレッサホイール、１２０ 排気管、１２１ タービンホイール、１３０ ウエイストゲートバルブ、２００ ターボチャージャ、３００ 磁石型電動機、３１０ シャフト、３２０ モータロータ、３２１ 管状部材、３２２ 磁石、３２３ 嵌入部材、３３０ スペーサ、３４０ フローティング軸受、３５０ Ｃリング、３６０ スラストベアリング、３７０ スラストプレート、３８０ ケーシング、４００ インバータ、５００ ＥＣＵ。

Claims (5)

1. 電動過給機における回転軸の保持構造であって、
   回転軸と、
   前記回転軸に固設される回転子と、
   前記回転子と別体に設けられた周辺構造部とを備え、
   前記回転子の軸方向の両端部に前記周辺構造部と回転摺動可能な摺動面が形成され、
   前記摺動面と隣接するように前記周辺構造部が設けられた、回転軸の保持構造。
2. 前記周辺構造部は前記回転軸を径方向に支持するフローティング軸受を含み、
   前記フローティング軸受の軸方向端面と前記摺動面とが回転摺動する、請求項１に記載の回転軸の保持構造。
3. 前記回転軸を軸方向に支持するスラスト軸受をさらに備え、
   前記スラスト軸受のスラストクリアランスと、前記周辺構造部と前記摺動面とのクリアランスとが略等しい、請求項１または請求項２に記載の回転軸の保持構造。
4. 前記周辺構造部は前記電動過給機を収納するハウジングの一部、または、該ハウジングに固定された部材を含み、
   前記周辺構造部は回転軸に作用するスラスト力を支持可能である、請求項１から請求項３のいずれかに記載の回転軸の保持構造。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の回転軸の保持構造を含む、電動過給機。

Images