JP2010200456A

JP2010200456A - モータロータ

Info

Publication number: JP2010200456A
Application number: JP2009041216A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Shimizu; 政宏清水
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2029-02-24
Also published as: JP5322028B2

Abstract

【課題】スリーブ部材の内径仕上げ加工を省略でき、さらに部品点数を削減できるモータロータを提供する。
【解決手段】回転軸２を軸周りに囲む円筒スリーブ形状を成し、油切り部１８ｃとインナスリーブ部１８ｄとからなるスリーブ部材１８と、インナスリーブ部１８ｄを軸周りに囲む永久磁石１９と、インナスリーブ部１８ｄを軸周りに囲むとともに前記永久磁石１９を両側から挟む２本のエンドリング２０、２１と、それらを軸周りに締め付け状態で囲む中空円筒形のアーマリング２２と、からなるモータロータ１３において、インナスリーブ部１８ｄの、ある一定範囲の内径が、油切り部１８ｃの内径よりも大きく作られており、さらに油切り部１８ｃとインナスリーブ部１８ｄが一体にできていることを特徴としている。この構造により、従来までモータロータ１３の組み立て後に行なっていたスリーブ部材１８の内径仕上げ加工を省略でき、また、部品数を削減することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、電動過給機に搭載される電動機に好適なモータロータに関する。

内燃機関の向上のために、内燃機関の排気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」とも称される。）が広く用いられている。また、過給機の回転軸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過給機も用いられている。このような電動機による電動アシスト機能をもつ過給機を電動過給機という。

この種の電動過給機の構成について簡単に説明すると、回転軸の両端にタービンインペラとコンプレッサインペラが連結されてなる過給機ロータが、ハウジング内に回転自在に支持されている。ハウジングには電動機が内蔵されている。回転軸の同軸上に電動機の回転子（モータロータ）が固定され、ハウジングの内部であって回転子の周囲に電動機の固定子（モータステータ）が配置されている。内燃機関からの排気ガスがタービンインペラに供給されると、タービンインペラが回転駆動され、タービンインペラに連結されたコンプレッサインペラが回転駆動されることにより、吸気を圧縮して内燃機関に供給する。またこのとき、電動機によってコンプレッサインペラの回転駆動が補助される。

このような電動過給機のモータロータが、下記特許文献１に開示されている。図１は、特許文献１に開示された、従来の電動過給機のモータロータと油切り部材の拡大断面図である。このモータロータは、過給機の回転軸１０１に挿着されたインナスリーブ１０２と、インナスリーブ１０２を軸周りに囲む永久磁石１０３及び一対のエンドリング１０４と、永久磁石１０３とエンドリング１０４を軸周りに囲む中空円筒形のアーマリング１０５とからなる。アーマリング１０５は、ロータの最高回転数において大きな遠心力が作用する状況でも、永久磁石１０３やエンドリング１０４を十分に保持できるよう焼き嵌めされている。

また、インナスリーブ１０２のタービンインペラ側にはシールプレート１０６とスラストベアリング１０７との間の位置に回転軸１０１を軸周りに囲む油切り部材１０８が設けられている。油切り部材１０８は回転軸１０１に固定され、回転軸１０１と共に回転する。また、油切り部材１０８にはシール部材１０９が設けられており、油切り部材１０８とシールプレート１０６との間が液密にシールされている。

また、別の形態の電動過給機のモータロータが、下記特許文献２に開示されている。図２は、特許文献２の図４に開示された、従来の電動過給機のモータロータの断面図である。このモータロータは、過給機の回転軸に挿着されたインナスリーブ２０１と、インナスリーブ２０１を軸周りに囲む永久磁石２０２と、永久磁石２０２を軸周りに囲む中空円筒形のアーマリング２０３とからなる。アーマリング２０３は、ロータの最高回転数において大きな遠心力が作用する状況でも、永久磁石２０２を十分に保持できるよう焼き嵌めされている。インナスリーブ２０１の内面のうち両端以外の部分は、インナスリーブ２０１の両端の内面と比べて内径が大きく作られている。なお、図示しないが、特許文献２にモータロータにおいても、インナスリーブ２０１に隣接した位置に油切り部材が配置される。

特開２００７−３３６７３７号公報米国特許第６，０８５，５２７号明細書

特許文献１の電動過給機の製造工程において、アーマリング１０５が強い焼き嵌めにより永久磁石１０３やエンドリング１０４を強力に締めるにあたり、その焼き締めの圧力により永久磁石１０３やエンドリング１０４が囲む部分のインナスリーブ１０２の内壁が内側に変形してしまう。そのため、インナスリーブ１０２を回転軸１０１に嵌めるためには、モータロータの組み立て後に、インナスリーブ１０２の内径を大きくする加工（内径仕上げ加工）を実施する必要があった。したがって、内径仕上げ加工を実施する分、組み立て工程を自動化する際の工程が多くなり、コストが高くなってしまっていた。

さらに、油切り部材１０８とインナスリーブ１０２を別々に作製していたため、部品点数が増加し、幾何公差を厳しく管理する必要があった。したがって、これもコストが高くなる原因であった。

また、特許文献２の電動過給機のインナスリーブ２０１は、特許文献１のインナスリーブ１０２と比べると、内径仕上げ加工のときにインナスリーブ２０１の内壁を削る面積を減らすことができる。しかし、内径仕上げ加工を実施する必要がある点では特許文献１と変わらず、コストが高くなってしまっていた。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、内径仕上げ加工を省略でき、さらに部品点数を削減できるモータロータを提供することを目的とする。

上記の問題を解決するため、本発明にかかるモータロータは、以下の技術的手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるモータロータは、軸方向の両端面を構成する第１端面及び第２端面を有し回転軸を軸周りに囲む円筒スリーブ形状を成し、該第１端面から第２端面に向かって所定位置まで軸方向に延びる油切り部と、該油切り部に一体に結合し前記第２端面まで軸方向に延びるインナスリーブ部とからなるスリーブ部材と、前記インナスリーブ部を軸周りに囲む永久磁石と、前記インナスリーブ部を軸周りに囲むとともに前記永久磁石の前記第１端面側にある一端面に接する第１エンドリングと、前記インナスリーブ部を軸周りに囲むとともに前記永久磁石の他端面に接する第２エンドリングと、前記永久磁石、前記第１エンドリング及び前記第２エンドリングを軸周りに締め付け状態で囲む中空円筒形のアーマリングと、を備え、前記油切り部は、内面において前記回転軸と接触して前記回転軸に同心に嵌合し、前記インナスリーブ部の内径は、前記第１エンドリングの前記第１端面側の端面よりも第１端面側の位置から、前記第２端面までの範囲にわたって、前記油きり部の内径よりも大きい、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、永久磁石と一対のエンドリングのある部分のインナスリーブ部の内径を、あらかじめ変形すると見込まれる分大きくしておくことができるため、モータロータの組み立ての後にインナスリーブの内壁を削る内径仕上げ加工の工程を省略することができ、工程が減った分コストを安くすることができる。
さらに、油切り部材とインナスリーブを一体化することによって、部品点数を削減できるので、幾何公差を緩めることができ、コストを削減することができる。

また、前記スリーブ部材の前記第２端面は、前記第２エンドリングの反永久磁石側の端面と面一になっている、ことを特徴とする。

このようにスリーブ部材のインナスリーブ部を構成することにより、コンプレッサインペラとモータロータの接触面積を増やすことができ、コンプレッサインペラをより安定して回転させることができる。

本発明によれば、内径加工を省略でき、さらに部品点数を削減できるという優れた効果が得られる。

従来の特許文献１のモータロータと油切り部材の構成を示す図である。従来の特許文献２のモータロータの構成を示す断面図である。本発明の実施形態にかかるモータロータを有する電動機を備えた電動過給機の構成を示す断面図である。本発明の第１実施形態にかかるモータロータの構成を示す図である。図４に示すスリーブ部材の断面図である。本発明の第２実施形態にかかるモータロータの構成を示す図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付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３は、本発明の第１実施形態にかかるモータロータを有する電動機を備えた電動過給機の全体構成図である。この図において、電動過給機１は、回転軸２、コンプレッサインペラ３、電動機４、およびハウジングを備える。ハウジングは、この例では、ベアリングハウジング５、タービンハウジング６、及びコンプレッサハウジング７からなる。

回転軸２は、タービンインペラ８を一端（図で左端）に有する。この例において、タービンインペラ８は回転軸２に一体的に形成されているが、本発明はこれに限定されず、タービンインペラ８を別に取り付ける構成であってもよい。

コンプレッサインペラ３は、回転軸２の他端（図で右端）に軸端ナット９により一体で回転するように連結されている。

ベアリングハウジング５は、回転軸２のラジアル荷重を受けるジャーナル軸受１０と、スラスト荷重を受けるスラストベアリング１１を内蔵し、ジャーナル軸受１０及びスラストベアリング１１により回転軸２が回転自在に支持されている。また、ベアリングハウジング６は、ジャーナル軸受１０及びスラストベアリング１１を潤滑するための図示しない潤滑油流路を有している。

タービンハウジング６は、タービンインペラ８を回転可能に囲み、かつベアリングハウジング５に連結されている。このタービンハウジング６は、内部に外部から排ガスが導入されるスクロール室６ａと、スクロール室６ａからタービンインペラ８まで排ガスを案内する環状に形成された流路６ｂを有する。
さらに、流路６ｂには、複数のノズル翼１２が周方向に一定の間隔で配置されている。このノズル翼１２は、可変ノズル翼であり、その間に形成される流路面積を変化できることが好ましいが、本発明はこれに限定されず固定ノズル翼であってもよい。また、流路６ｂにノズル翼１２の無い形態であってもよい。

コンプレッサハウジング７は、コンプレッサインペラ３を回転可能に囲み、かつベアリングハウジング５に連結されている。このコンプレッサハウジング７は、内部に圧縮空気が導入されるスクロール室７ａと、コンプレッサインペラ３からスクロール室７ａまで圧縮空気を案内する環状に形成されたディフューザ７ｂを有する。

電動過給機は、モータロータ１３およびモータステータ１４を有する。モータロータ１３は、電動機の回転子であり、モータステータ１４は、電動機の固定子である。モータロータ１３とモータステータ１４によりブラシレスの交流電動機が構成される。
この交流電動機は、回転軸２の高速回転（例えば少なくとも１０〜２０万ｒｐｍ）に対応でき、かつ加速時の回転駆動と減速時の回生運転ができることが好ましい。またこの交流電動機の駆動電圧は、車両に搭載されたバッテリの直流電圧と同一あるいはそれより高いことが好ましい。

上述のように構成された電動過給機では、エンジンからスクロール室６ａにより排気ガスが導入されると、排気ガスによりタービンインペラ８が回転駆動される。すると、タービンインペラ８に回転軸２を介して連結されたコンプレッサインペラ３が回転駆動され、コンプレッサインペラ３により吸気が圧縮されてエンジンに供給される。またこのとき、電動機４によってコンプレッサインペラ３の回転駆動が補助される。

電動過給機１は、流路形成スリーブ１５とシール壁１６を備える。流路形成スリーブ１５は、モータステータ１４の外周面及びベアリングハウジング５の内周面と密着し、ベアリングハウジング５との間に液密の水冷ジャケット１５ａを構成する。この水冷ジャケット１５ａには、図示しない冷却水供給口と冷却水排出口から冷却水が供給され排出される。ベアリングハウジング５と流路形成スリーブ１５との間には、水冷ジャケット１５ａの内外を液密にシールするシール部材１７ａ，１７ｂ（例えばＯリング）が介装されている。

シール壁１６は、ベアリングハウジング５とコンプレッサハウジング７の間に流路形成スリーブ１５のフランジ部１５ｂと共に軸方向に共締めされる。このシール壁１６は、コンプレッサハウジング７とモータステータ１４との間を仕切り、かつ流路形成スリーブ１５のコンプレッサ側に密着している。

図４は、図３に示したモータロータ１３の第１実施形態の拡大図である。図４に示すように、第１実施形態にかかるモータロータ１３は、回転軸２と、回転軸２を軸周りに囲む円筒スリーブ形状のスリーブ部材１８と、そのスリーブ部材の外側に回転軸２を軸周りに囲む永久磁石１９と、スリーブ部材の外側に回転軸２を軸周りに囲むとともに永久磁石１９を軸方向両側から挟む第１エンドリング２０および第２エンドリング２１と、永久磁石１９及び一対のエンドリング２０、２１を軸周りに締め付け状態で囲む中空円筒形のアーマリング２２と、からなる。

図４において、スリーブ部材１８のタービンインペラ側には、スラストベアリング１１が配置されている。スラストベアリング１１は、スリーブ部材１８と回転軸２との間に挟まれ回転軸２及びスリーブ部材１８と一体となって回転する円板状のスラストカラー２３と、スラストカラー２３の両側に対向配置されスラストカラー２３の軸方向移動を阻止するタービン側スラストベアリング２４及びコンプレッサ側スラストベアリング２５とを備える。

図示例の永久磁石１９は、軸方向に分割されていない構成であるが、軸方向に分割された（輪切りにされた）複数のリング状磁石の間に樹脂などの絶縁材料を介在させた構成としてもよく、この構成により鉄損を減らすことができる。

第１エンドリング２０は永久磁石１９のタービンインペラ側に設置され、第２エンドリング２１は永久磁石１９のコンプレッサインペラ側に設置される。また、両エンドリング２０、２１は、永久磁石１９の端面に接した状態で設置される。

本実施形態では、回転軸２に挿着された中空円筒形のスリーブ部材１８の外周に中空円筒形の永久磁石１９とエンドリング２０、２１が弱いしまり嵌めで嵌合している。この本実施形態のモータロータ１３は、その軸方向両側から他の部材に挟まれて回転軸２と一体になって回転する。

また、アーマリング２２は、モータロータ１３の最高回転数において大きな遠心力が作用する状況でも永久磁石１９及びエンドリング２０、２１が空転しないよう、永久磁石１９及びエンドリング２０、２１に対して十分な圧縮荷重を付与できる程度の強い焼き嵌めにより永久磁石１９及びエンドリング２０、２１に嵌合している。このアーマリング２２と第１エンドリング２０および第２エンドリング２１は、非磁性体材料からなる。

スリーブ部材１８は軸方向に延びた円筒スリーブ形状をしており、軸方向の両端面を構成する第１端面１８ａ及び第２端面１８ｂを有する。第１端面１８ａは、図示例では、スラストカラー２３に接している。第２端面１８ｂは、コンプレッサインペラ３に接している。

また、スリーブ部材１８の第１端面１８ａと第２端面１８ｂの間には、周方向に延びるリング溝２６が形成されている。リング溝２６には、シールプレート２７とスリーブ部材１８との間を液密にシールする環状のシール部材２８が嵌合している。このようなシール構造により、スラストベアリング１１側から飛散する潤滑油のコンプレッサインペラ側への浸入が阻止される。シールプレート２７は、この例ではベアリングハウジング５に固定され、コンプレッサ側スラストベアリング２５とコンプレッサインペラ３の間を仕切っている。

図５は図４に示すスリーブ部材１８の断面図である。図５に示すように、スリーブ部材１８は、第１端面１８ａから第２端面１８ｂに向かって所定位置（図示例ではリング溝２６の位置）まで延びる油切り部１８ｃと、油切り部１８ｃに一体に結合し上記の所定位置（図示例ではリング溝２６の位置）から第２端面１８ｂまで軸方向に延びるインナスリーブ部１８ｄとからなる。油切り部１８ｃとインナスリーブ部１８ｄは一体成形されている。

なお、上記の所定位置は、油切り部材としての機能をもつ部分と、インナスリーブとしての機能をもつ部分との境界となる位置として定義されるものである。したがって、図４の構成例ではリング溝２６の位置が上記の所定位置となっているが、リング溝２６を設けないシール構造を採用する場合は、シール構造によってシールされる部位が上記の所定位置となる。

油切り部１８ｃは潤滑油を高速回転による遠心力で半径方向外方に振り飛ばす働きをしている。また、油切り部１８ｃは、内面において回転軸２と接触して回転軸２に同心に嵌合している。すなわち、油切り部１８ｃの内径ｄ１は、内面が回転軸２の外周面と接触し、回転軸２に同心に嵌合する大きさに設定されている。

インナスリーブ部１８ｄの内径ｄ２は、第１エンドリング２０の第１端面１８ａ側の端面２０ａよりも第１端面１８ａ側の位置から第２端面１８ｂまでの範囲にわたり、油切り部１８ｃの内径ｄ１よりも大きく作られている。すなわち、組み立て作業において、スリーブ部材１８に永久磁石１９と２本のエンドリング２０、２１とを弱いしまり嵌めではめた後、アーマリング２２を強い焼き嵌めにより永久磁石１９とエンドリング２０、２１とに嵌合させると、インナスリーブ部１８ｄにおける永久磁石１９とエンドリング２０、２１とが嵌合している部分の内径が圧縮荷重によって縮小する。そのため、あらかじめ圧縮荷重による変形量を見積もり、見積もった変形量の分を加味して、内径縮小後も回転軸の外径より大きくなるようにインナスリーブ部１８ｄの内径を大きく作る。
したがって、スリーブ部材１８は、油切り部１８ｃの内面と、インナスリーブ部１８ｄの油切り部に近い一部の内面とで回転軸２に嵌合することで、回転軸２に対して半径方向に位置決めされている。

上述したように、従来のモータロータ（図１）では、組み立て工程において、インナスリーブ１０２に永久磁石１０３やエンドリング１０４、及びアーマリング１０５を嵌合させた後にインナスリーブ１０２の内径仕上げ加工を実施する必要があったが、本発明のモータロータでは、インナスリーブ部１８ｄにおいてアーマリング２２の嵌合により圧縮荷重を受けて内径が縮小した部分の内径が、回転軸２の外径よりも大きいので、内径仕上げ加工を省略することができる。これにより、組み立て作業の工程を減らすことができるばかりでなく、その分のコストを削減することができる。

また、従来別々の部品であった油切り部材とインナスリーブを一体化し、一つのスリーブ部材１８として製作することにより、部品数が減った分、幾何公差を緩めることができ、またコストを削減することができる。

図６は、本発明の第２実施形態に係るモータロータの構成を示す図である。第２実施形態は、スリーブ部材１８の第２端面１８ｂと第２エンドリング２１の永久磁石１９と反対側の端面２１ａとが面一になっている。そのほかの構成は、第１実施形態と同様である。

この構成により、スリーブ部材１８の第２端面１８ｂだけでなく、第２エンドリング２１の永久磁石１９と反対側の端面２１ａもコンプレッサインペラ３の背面側の端面と接触させることができる。これにより、コンプレッサインペラ３を第１実施形態よりもより安定して回転させることができる。

なお、その他の効果として、スリーブ部材１８の内径仕上げ加工を省略することができる点、部品数が減った分、幾何公差を緩めることができる点、及びコストを削減できる点は、第１実施形態と同様である。

上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１電動過給機
２回転軸
３コンプレッサインペラ
４電動機
８タービンインペラ
１３モータロータ
１４モータステータ
１８スリーブ部材
１８ａ第１端面
１８ｂ第２端面
１８ｃ油切り部
１８ｄインナスリーブ部
１９永久磁石
２０第１エンドリング
２０ａ第１エンドリング２０の第１端面１８ａ側の端面
２１第２エンドリング
２１ａ第２エンドリングの永久磁石１９と反対側の端面
２２アーマリング
２６リング溝
ｄ１油切り部の内径
ｄ２インナスリーブ部の内径

Claims

軸方向の両端面を構成する第１端面及び第２端面を有し回転軸を軸周りに囲む円筒スリーブ形状を成し、該第１端面から第２端面に向かって所定位置まで軸方向に延びる油切り部と、該油切り部に一体に結合し前記第２端面まで軸方向に延びるインナスリーブ部とからなるスリーブ部材と、
前記インナスリーブ部を軸周りに囲む永久磁石と、
前記インナスリーブ部を軸周りに囲むとともに前記永久磁石の前記第１端面側にある一端面に接する第１エンドリングと、
前記インナスリーブ部を軸周りに囲むとともに前記永久磁石の他端面に接する第２エンドリングと、
前記永久磁石、前記第１エンドリング及び前記第２エンドリングを軸周りに締め付け状態で囲む中空円筒形のアーマリングと、を備え、
前記油切り部は、内面において前記回転軸と接触して前記回転軸に同心に嵌合し、
前記インナスリーブ部の内径は、前記第１エンドリングの前記第１端面側の端面よりも第１端面側の位置から、前記第２端面までの範囲にわたって、前記油切り部の内径よりも大きい、ことを特徴とするモータロータ。
前記スリーブ部材の前記第２端面は、前記第２エンドリングの反永久磁石側の端面と面一になっている、ことを特徴とする請求項１に記載のモータロータ。