JP2013057323A

JP2013057323A - 電動過給機

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Publication number: JP2013057323A
Application number: JP2012281979A
Authority: JP
Inventors: Jun Tawara; 潤田原; Yasushi Nakajima; 泰中島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2013-03-28
Anticipated expiration: 2030-03-12
Also published as: JP5554395B2

Abstract

【課題】簡易な構造で配線を短くして損失を低減し、冷却効果を高めて温度上昇を抑え、性能を改善する。
【解決手段】タービン装置及びコンプレッサ装置の間に同軸に設置され、ステータ２３からの配線２４が半径方向にハウジング５の外周部に引き出されその端部に接続部２５が設けられた電動機２と、上記ハウジングの外周部に対して断熱手段７を介して設置され、上記接続部との接続手段６１、上記電動機を駆動する制御回路６２、及びこの制御回路に対して上記断熱手段とは反対側に設けられた放熱部６３を有する制御装置６とを備え、ステータ２３からの配線２４及び接続部２５は、配線長が最短となるように周方向に複数に分散して配置され、制御装置６は複数の制御装置として構成され、複数の制御装置６は接続部２５に対応して周方向に等間隔で分散して設置されるように構成した。
【選択図】図９

Description

この発明は、エンジンの排ガスを利用した過給機に電動機が内蔵された電動過給機に関するものである。

エンジンの排ガスを利用した過給機において、効率の落ちる低速回転時の過給力を補助するために電動機を内蔵した電動過給機が提案されている。かかる電動過給機として、モータを電気的に制御する装置を、ドーナツ型もしくはＵ字型に構成し、電動過給機のコンプレッサ吐出側に、断熱材を介して固定するようにしたものがある（例えば特許文献１参照）。

特開２００７−４６４７９号公報（第１頁、図１）

上記のような従来の電動過給機においては、モータと制御装置間の配線がコンプレッサ内を経由するため、空気が漏れないように密閉を保つ必要があり構造が複雑となる。また、電動過給機の回転数は１０万〜２０万ｒｐｍにも達してその制御も高周波で行われるため、上記のようにコンプレッサ部分を経由するとその分だけ配線が長くなり、配線インダクタンスが増加して損失が増大する。また、制御装置においては、半導体素子やコンデンサなどの発熱による温度上昇が著しくなり、素子の寿命を保証できる時間が短くなるため、電流を抑制して性能を下げなければならない電動過給機固有の問題があった。また、高速回転に対応して、インバータ駆動のキャリア周波数を、例えば通常のインバータ機器の数倍以上のスイッチング周波数に高める必要があるため、スイッチング損失が増大する問題があった。

この発明は上記のような従来技術の問題を解決するためになされたものであり、構造が簡素で配線を短くすることができ、しかも冷却効果を高めて温度上昇が抑えられ、損失が低減された電動過給機を提供することを目的としている。

この発明に係る電動過給機は、タービン装置及びコンプレッサ装置の間に同軸に設置され、ステータからの配線が半径方向にハウジングの外周部に引き出されその端部に接続部が設けられた電動機と、上記ハウジングの外周部に対して断熱手段を介して設置され、上記接続部との接続手段、上記電動機を駆動する制御回路、及びこの制御回路に対して上記断熱手段とは反対側に設けられた放熱部を有する制御装置とを備え、上記ステータからの配線及び接続部は、配線長が最短となるように周方向に複数に分散して配置され、上記制御装置は複数の制御装置として構成され、複数の上記制御装置は上記接続部に対応して周方向に等間隔で分散して設置されていることを特徴とするものである。

この発明においては、ステータからの配線を半径方向に引き出す一方、制御装置をハウジング外周部に対して断熱手段を介して設置するようにしたので、電動機と制御装置間の配線を短くすることが容易にできる。このため、配線インダクタンスの増加による損失が低減され、しかもレイアウト的に容易に冷却効果を高めることができる。しかも、制御装置を複数化することにより電動機と制御装置間の配線をより短くすることができ、制御装置の放熱部も分散されて熱干渉を少なくすることができる。

本発明の実施の形態１に係る電動過給機の要部構成を模式的に示す断面図。図１に示す電動過給機の第１の変形例の要部構成を模式的に示す断面図。図１に示す電動過給機の第２の変形例の要部構成を模式的に示す断面図。図１に示す電動過給機に冷却手段を備えたときの冷却経路を概略的に示す冷却経路図。図４に示す冷却手段の第１の変形例を示す冷却経路図。図４に示す冷却手段の第２の変形例を示す冷却経路図。図４に示す冷却手段の第３の変形例を示す冷却経路図。本発明の実施の形態２に係る電動過給機の要部構成を模式的に示す断面図。本発明の実施の形態３に係る電動過給機の要部構成を模式的に示す断面図。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る電動過給機の要部構成を模式的に示す図である。図において、電動過給機１００は、共通の回転軸１の中央部に設けられた電動機２と、回転軸１の一側部に連結されたタービン装置３と、回転軸１の他側部に連結されたコンプレッサ装置４と、ハウジング５の外周部に固定された電動機２を制御する制御装置６を備えている。上記タービン装置３は回転軸１に固定されたタービンインペラ３１と、タービンインペラ３１の周りを包囲するように形成されたタービンハウジング３２を備えている。タービンインペラ３１は、タービンハウジング３２に誘導された図示していない内燃機関（エンジン）の排ガスの風力によって回転する。

上記コンプレッサ装置４は、タービンインペラ３１と共通の回転軸１に固定されたコンプレッサインペラ４１と、コンプレッサインペラ４１の周りを包囲するように形成されたコンプレッサハウジング４２を備え、タービンインペラ３１の回転力ないしは後述する電動機２の回転力によって回転して空気を圧縮し、内燃機関へ過給する。
上記電動機２は、共通の回転軸１に固定されたモータロータ２１と、モータロータ２１の周囲を囲むように配設され、図示省略しているステータコイルを有するステータ２３と、ステータ２３を保持するモータハウジング２２を備え、ステータ２３から半径方向に図の下方向にモータハウジング２２を貫通して引き出された配線２４及びこの配線２４の先端部に設けられた制御装置６との電気的な接続部２５を有する。

上記制御装置６は電力源であるバッテリー（図示省略）から供給された直流電力を交流電力に変換し、電動機２のステータ２３に交流電力を印加することにより回転軸１を回転させて図示していない内燃機関に対する燃焼用空気の過給を補助するもので、図１の例では、タービンハウジング３２とコンプレッサハウジング４２の外周部の鉛直下部に対して断熱手段７を介して固定されている。なお、タービンハウジング３２、コンプレッサハウジング４２、及びモータハウジング２２は、全体が一体的に形成された成型物であっても良く、複数の成形物が連結され一体化されたものであっても差し支えなく、特に区別の必要が無い場合ここでは便宜上、包括して単にハウジング５と呼ぶ。

制御装置６は上記電動機２に設けられた接続部２５との接続手段６１、電動機２を駆動する制御回路６２、及びこの制御回路６２に対して断熱手段７とは反対側に設けられた放熱部６３を備えている。詳細図示を省略している制御回路６２は電力用半導体などを有する電力回路（図示しない）を含み、特に発熱の大きい電力回路のデバイスなどが放熱部６３に接続される。なお、制御回路６２は外箱（図示しない）に収容されており、その材質は、耐熱性、及び放熱性に優れる金属でもよく、また、断熱手段７として例えば液冷方式などの強制冷却方式を採用した場合には放熱性が高められることにより、必要耐熱性を下げることができるため、樹脂材でも良い。なお、ハウジング５は動作中に高温となるので、制御装置６はハウジング５の下側に設置することで、ハウジング５の熱が対流により制御装置６に伝わり、制御装置６の温度が上昇するのを抑制できる。

上記ステータ２３からの配線２４は、ステータ２３の軸方向の端部に配線の終端を配設することが、ステータコアの構成上最も小型化できる。そのため、配線２４はステータ２３の軸方向の端部を含む平面部に収めることが、最も小型化でき好ましい。配線２４は電動機２のモータハウジング２２を貫通し、接続部２５はモータハウジング２２の外側に引き出された配線２４の先端部に設けられている。なお、配線２４を、電動機２とコンプレッサ装置４の間から突出させることは、ハウジング５の中で比較的温度が低い箇所であるため好ましい。

接続部２５は、接続手段６１との接続機構に応じて構成や方式を適宜選択し得るものである。例えば該接続部２５は配線２４の端部自体、あるいは端部をリング状に加工したもの、接続機構を雌雄のコネクタとした場合は配線２４の端部に接続されたコネクタの一方などから構成され、さらに配線２４の端部を保持し、あるいはコネクタを構成する絶縁物などを含む。そして該接続部２５は、制御装置６を取付けるときに該制御装置６の接続手段６１に対して、電気的、機械的に接続される。

上記接続部２５と接続手段６１との接続機構や接続方式などは特に限定されるものではなく、例えば嵌合式でもよく、ねじ止め式などでも良い。また、接続部２５は接続機構の一部または全部を構成していても良い。例えば、配線２４の端部自体が接続部２５を構成し、あるいは接続部２５と接続手段６１とによって一つの接続機構を構成するようにしても良い。また、接続手段６１として端子台（図示省略）を設ける一方、配線２４の接続部を貫通穴によって構成し、該貫通穴に挿通されるねじ（図示省略）で接続手段６１を構成する端子台にねじ止めしても良い。なお、この例ではねじ止めによって構成したが、接続機構は例えば雄雌のコネクタで構成しても良い。また、接続部２５と接続手段６１の構成を逆にしても良い。

また、上記断熱手段７として好ましく用いることができるものとしては、例えばセラミックや、熱伝導率があまり高くない鉄などの金属にセラミック皮膜を溶射したものや、グラスウールを成形した素材などを挙げられることができるが、これらのみに限定されるものではない。また、上記放熱部６３の材質は、一般的なアルミや銅などの熱の良導体が好ましく用いられる。また、空冷でも良いし、小型化のために液冷にしても良い。また、モータロータ２１（電動機２）を、コンプレッサインペラ４１側にオフセットして配置することは、高温となるタービンインペラ３１に対する熱抵抗を大きくし、受熱量を減らすことができるので好ましい。

また、配線２４、接続部２５や、接続手段６１から制御装置６に伝わるハウジング５からの熱伝導を低減するために、配線２４、接続部２５や、接続手段６１に用いられる金属関係の材質を、熱伝導率が銅よりも低い、例えばアルミや鉄にすることは好ましい。
なお、図２に示す実施の形態１の第１の変形例は、制御装置６の取付位置を、ハウジング５の中でも、温度がより低くなり易いコンプレッサハウジング４２の側に寄せて設置したものである。

また、図３に示す実施の形態１の第２の変形例は、モータハウジング２２の外径をタービンハウジング３２、あるいはコンプレッサハウジング４２と同等以上になるように拡大して、制御装置６を電動機２により近付ける一方、配線２４をコンプレッサ装置４に対向する側に設けるようにしたものである。上記第２の変形例では、モータロータ２１の径が拡大されることで配線２４の長さを一層短くすることができ、損失をより低減することができる。

また、制御装置６の接続手段６１を構成する配線６１１は、制御回路６２部分の壁面にインサート成形し、そのインサート成形部分にねじ穴を切って接続しても良い。その場合には、電動機２の配線２４の接続部２５を構成する導体端部を直接ねじ止めすることにより、簡易に接続することができる。すなわち、この配置によって、制御装置６におけるタービンからの熱干渉を小さくしながら、配線２４、６１１のインダクタンスを最小限とすることができる。

さらに、図４〜図７は、制御装置６部分の温度上昇を確実に許容温度内に抑制するために、冷却手段８として液体を循環させて強制冷却する手法を用い、放熱部６３、ハウジング５及び電動機２を必須の冷却対象として冷却するようにした場合の構成例を複数示している。なお、用いる液体は、水でも油でも良い。また、冷却手段８は例えばヒートパイプと冷却ファンを用いる方式などであっても良い。
図４は冷却手段８を、ラジエータ８１、循環ポンプ８２、放熱部６３、ハウジング５、電動機２、及びそれら各部を記載順に液体が通流するように直列に接続する循環路８０によって構成したものである。

上記ラジエータ８１及び循環ポンプ８２は、ここでは、一般的な水冷式のエンジンを搭載した車両に具備されているものをそのまま流用し、循環路８０にバイパスさせるように構成されている（図示省略）。なお、ラジエータ８１及び循環ポンプ８２は別途用意しても良い。また、冷却対象である放熱部６３、ハウジング５、及び電動機２には、冷却液を通流させるための流路が必要となるが、それらは従来の例えば液体を通流させる一般的な金属パイプをろう付け等の接合手段により冷却対象物に対して機械的、熱的に結合させる方式や、放熱部６３等に液体を通流させる流路を形成する方式などから適宜選択して用いることができる。ここでは、特に限定されるものではないので、便宜上通流構造や冷却構造は図示省略し、循環路８０に介装された冷却対象物をブロックで示している。

なお、ハウジング５及び電動機２は温度上昇が著しく、液冷の必要性が高いために循環路８０の下流側に設けるようにしたものである。この場合、循環路８０を構成する循環経路は上限温度が低い順にすることが好ましく、放熱部６３、ハウジング５、及び電動機２の順番とすることで、不必要に放熱性を高める必要性がなくなるため経済的である。また、電動機２の冷却部が複数に分かれている場合は、ハウジング５と電動機２の冷却部を交互に通って冷却すれば良い。但し、エンジンルーム内の搭載上の制約によっては、必ずしもこの順番にすることが必要ではないが、ラジエータ８１をより大型化するなどの必要性が生じる。さらに、放熱部６３とハウジング５及び電動機２の冷却方式を車両搭載のものと同一にし、循環路８０のラジエータ８１や循環ポンプ８２を兼用することにより、ラジエータ８１や循環ポンプ８２などの冷却装置を増やすことなく、冷却効果を高めて小型化することができる。

図５に示す冷却手段の第１の変形例は、小型化のために図４の構成に断熱手段７を加えたものである。図４の場合と同様に、断熱手段７と放熱部６３、ハウジング５の冷却方式を同一にし、循環路８０を統一することにより、さらに冷却効果を高めて小型化することができる。また、ハウジング５との一体化によりさらに小型化することができる。この場合も、循環路８０の冷却経路は上限温度が低い順にすることが好ましく、図５の概略図に示すように、放熱部６３、断熱手段７、ハウジング５、及び電動機２の順番が好ましい。

図６に示す冷却手段の第２の変形例は、図５の構成における断熱手段７に変えて、接続手段６１、配線６１１、接続部２５、配線２４を液冷することにより、制御回路６２部分への伝熱をより低減するようにしたものである。この場合において、冷却経路は上限温度が低い側から通った方がよく、図６に示すように、放熱部６３、制御装置６の接続手段６１及び配線６１１、電動機２の接続部２５及び配線２４、ハウジング５及び電動機２の順番が好ましい。

一方、図７に示す冷却手段の第３の変形例は、図５の構成に加えて、接続手段６１、配線６１１、接続部２５、及び配線２４を液冷することにより、制御回路６２部分への伝熱をより低減するようにしたものである。この場合において、冷却経路は、図７に示すように、放熱部６３、断熱手段７、制御装置６の接続手段６１及び配線６１１、電動機２の接続部２５及び配線２４、ハウジング５及び電動機２の順番とすることが好ましい。配線６１１や２４の冷却方法としては、冷却水の配管を絶縁物で構成し配線に接して沿わせるか、配線に貫通孔を設け、その貫通孔に冷却水を通しても良い。なお、本発明者らの実施した試験によれば冷却水を貫通孔に通す方が冷却性能が高まることが確認された。

上記のように構成された実施の形態１においては、ステータ２３からの配線２４を半径方向に図１の下方向（鉛直下方向）に突出させ、その端部に設けられた接続部２５に対向するように制御装置６の接続手段６１を設置させることにより、電動機２の配線２４はモータハウジング２２を貫通する部分のみ介すため、簡易な構造で容易に配線長を短くすることができる。このため、高周波においても配線インダクタンスや抵抗を低減でき、損失を低減することができる。電動過給機で問題となる高キャリア周波数でのスイッチングにおいて、この配線長の低減により、インダクタンスが低減される。その結果スイッチング時のサージ電圧が低減され、スイッチングロスを低減できるため、損失低減上非常に有効である。

また、電動機２を駆動する制御装置６をハウジング５の外周部に対して高耐熱、低熱伝導材で構成した断熱手段７を介して設けるようにしたので、ハウジング５からの熱伝導を低減できる。しかも、制御装置６の、断熱手段７とは反対側に高熱伝導材で構成した放熱部６３を備えたことにより、放熱性を高めることができるため、制御装置６の温度上昇を抑えることができる。このため、制御装置６に搭載されたスイッチング素子など半導体素子（図示しない）の温度上昇が抑制されるので、寿命を保証できる時間を長くすることができる。

また、制御装置６を、ハウジング５の温度が低いコンプレッサ装置４側の外周部に偏倚させて断熱手段７を介して設置したので、冷却効果をさらに高めることができる。
また、電動機２からの配線２４と接続部２５、及び接続手段６１の設置位置を電動機２よりコンプレッサ装置４側に設けるようにしたので、温度上昇が抑制され冷却効果を高めることができる。
また、電動機２からの配線２４と接続部２５、及び接続手段６１の何れか、もしくはすべてを少なくとも銅よりも低熱伝導材としたので、ハウジング５の熱を制御装置６に伝え難くできる。

また、放熱部６３、ハウジング５、及び電動機２に液冷式の冷却手段８を付設（図４）し、または、それに断熱手段７を加えたものに液冷式の冷却手段８を付設（図５）し、または、図４のものに制御装置６の接続手段６１、配線６１１、電動機２の接続部２５、及び配線２４を加えたものに液冷式の冷却手段８を付設（図６）し、あるいは、図６のものに更に断熱手段７を加えたものに液冷式の冷却手段８を付設（図７）したので、制御装置６の温度上昇が更に確実に抑制されるので、信頼性が一層向上する。

また、冷却手段８は、回路内にラジエータ８１及び循環ポンプ８２を介挿して一つの循環路８０によって直列に接続したことにより、冷却経路の車両設備との統一化を図ることができ、ラジエータ８１や循環ポンプ８２などの装置数が減り、小型化、低コスト化ができる。
また、冷却経路を、放熱部６３、ハウジング５のように、許容温度上限の低い側から順に冷却するようにしたので、効率よく冷却できる。
また、制御装置６をハウジング５の中心より鉛直下側に配設するようにしたので、より温度の高いハウジング５の熱が自然対流により制御装置６に伝わることを防げるため、冷却効果を高めることができる。

実施の形態２．
図８は本発明の実施の形態２に係る電動過給機の要部構成を模式的に示す図である。図において、電動過給機１００はツインタービン化され、２つのハウジング５Ａ、５Ｂが回転軸１Ａ、１Ｂを平行に並設されている。制御装置６は、２つのハウジング５Ａ、５Ｂの外周部に跨って鉛直下方部に断熱手段７を介して固定され、該制御装置６と２つのハウジング５Ａ、５Ｂとで、二等辺三角形の位置となるように左右対称的に配設されている。なお、各ハウジング５Ａ、５Ｂの内部には、タービンインペラ、電動機２、及びコンプレッサインペラが、図１〜図３に示すものと同様に設けられている。また、ステータ２３Ａ、２３Ｂからの配線２４は、ハウジング５Ａ、５Ｂの下部からそれぞれ相手側方向に斜め下方向に引き出され、その先端部に、一体化された接続部２５が設けられている。その他の構成は実施の形態１と略同様である。

上記のように構成された実施の形態２においては、電動過給機をツインタービン化することによりハウジングが２つとなり、熱も分散されるのでハウジング５Ａ、５Ｂの温度上昇が低減されるため、ハウジング５Ａ、５Ｂからの伝熱による制御装置６の温度上昇を低減することができる。特に、制御装置６と２つのハウジング５Ａ、５Ｂを二等辺三角形の位置にした例を示したが、インダクタンスを最小限にし、かつ制御装置６からの放熱性を確保しながら、最も小型化できた。但し、エンジンルーム内の制約などによっては必ずしも二等辺三角形の位置になくても良い。また、図８では制御装置６を１つに統一して２つのハウジング５Ａ、５Ｂの外周底部に跨って固定したが、制御装置６をタービン毎に取り付けても良い。

また、各タービンのサイズを互いに異なるものとしても良い。この場合、低速時に稼動するタービンと高速時に稼動するタービンに分けて、それぞれの回転領域で効率的に過給を行うことができる。すなわち、慣性モーメントの小さいタービンが先に過給圧を高め、後から慣性モーメントの大きいタービンの過給圧が立ち上がるなどの特性が得られ、結果として過給圧の立ち上がり特性が向上するなどの効果も得られる。

さらに低速時の効率を改善するため、低速時に稼動するタービンのみを電動過給機にすることにより、サイズを小さくすることができる。さらに、高速時には、低速時に稼動するタービンへの排ガスの供給を停止し、高速時に稼動するタービンのみを稼動することにより、低速時に稼動するタービンのハウジングの温度上昇を低減することもできる。なお、ハウジング５の数、即ちタービンの数は３つ以上でも良い。また、図４〜図７に例示された冷却手段８を設けることができることは、実施の形態１と同様である。

実施の形態３．
図９は本発明の実施の形態３に係る電動過給機の要部構成を模式的に示す図である。図において、電動機２の配線２４は１相毎に１２０°の等角度でステータ２３から放射状に突出され、接続部２５は、該配線２４に対応してハウジング５の外周部に等角度で３箇所に分散して設けられている。また、制御装置６も１相毎に対応して構成することで３分割され、ハウジング５上の接続部２５に対応した位置に断熱手段７を介すように設置され、接続手段６１によって電気的、機械的に接続部２５に接続されている。また、断熱手段７はハウジング５の外周部に直接固定しても良いし、接続部２５を介して固定しても良い。なお、配線２４の突出方向の１つを、真上方向としたが、真下方向となるように上下を反転させた構成としても良い。その他の構成は実施の形態１と同様である。

上記のように構成された実施の形態３においては、ステータ２３からの配線２４を相毎に１２０°の等角度でステータ２３から放射状に突出させ、制御装置６も相毎に対応して構成することで３分割して、ハウジング５上の対応した位置に設けるようにしたことにより、配線２４、６１１の長さをより一層短くできるので、損失をさらに低減することができる。また、放熱部６３も分散配置されるので熱干渉が少なくなり、より小型の放熱器でも十分な放熱性を確保することができるので、放熱器サイズも小型化できる。

１回転軸、２電動機、２１モータロータ、２２モータハウジング、２３ステータ、２４配線、２５接続部、３タービン装置、３１タービンインペラ、３２タービンハウジング、４コンプレッサ装置、４１コンプレッサインペラ、４２コンプレッサハウジング、５、５Ａ、５Ｂハウジング、６制御装置、６１接続手段、６１１配線、６２制御回路、６３放熱部、７断熱手段、８冷却手段、８０循環路、８１ラジエータ、８２循環ポンプ、１００電動過給機。

Claims

タービン装置及びコンプレッサ装置の間に同軸に設置され、ステータからの配線が半径方向にハウジングの外周部に引き出されその端部に接続部が設けられた電動機と、上記ハウジングの外周部に対して断熱手段を介して設置され、上記接続部との接続手段、上記電動機を駆動する制御回路、及びこの制御回路に対して上記断熱手段とは反対側に設けられた放熱部を有する制御装置とを備え、上記ステータからの配線及び接続部は、配線長が最短となるように周方向に複数に分散して配置され、上記制御装置は複数の制御装置として構成され、複数の上記制御装置は上記接続部に対応して周方向に等間隔で分散して設置されていることを特徴とする電動過給機。
複数の上記制御装置は３相回路の各相毎にそれぞれ個別に対応する３個の制御装置で構成されることを特徴とする請求項１に記載の電動過給機。