JP2014005832A - 永久磁石付き電気機械を内蔵するターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】従来の技術の欠点を克服する、ターボチャージャに対して好ましい電気的機械を提供すること。
【解決手段】回転軸を備える圧縮機に連結された電気機械であって、回転軸の一部を形成し、且つ傾斜した非磁性部によって分割された少なくとも２つの磁性部、および回転軸の各端部における非磁性材料の２つの要素を具備したロータと、巻線によって包囲され、且つ第１の環状隙間を形成するようにロータの周囲に沿って配置された積層磁鉄スタック部を具備したステータと、ステータの周りに配置された、非磁性材料の環体と、永久磁石を具備し、非磁性の環体の周りに配置され、且つロータとの間に第２の環状隙間を規定することによってロータに向かって内向きに突出した径方向壁部を備えた、磁性材料の筺体と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気機械の分野に関し、より詳細には、自動車の内燃エンジンで用いるための、回転電気機械を備えるターボチャージャに関する。

以前から、内燃エンジンには、排気ガスのエネルギーによって駆動されるタービンと、そのタービンに一体的に連結された圧縮機と、を具備するターボチャージャが搭載されている。エンジン速度が低いとき、ターボチャージャは、電気機械によって助勢される。

特許文献１に示されたように、ターボ過給のための電気的支援を提供する一つの方法は、電気モータを、タービンホイールと圧縮機ホイールとの間でターボチャージャの軸と一体化することである。しかしながら、この構成には、いくつかの欠点がある。より具体的には、追加される長さが、ロータに力学上の弊害をもたらす。追加される慣性はターボラグを引き起こし、ターボチャージャの効率を低下する。さらに、ロータに固定された機械的／電気的材料（磁石又は銅）に関して、特に、高い温度に敏感な永久磁石機械については、温度上の限界がある。

米国特許第４，７６９，９９３号

本発明の目的は、従来技術のこれらの欠点を克服する、ターボチャージャに対して好ましい電気機械を提供することである。

本発明は、回転軸を備える圧縮機に連結された電気機械であって、回転軸の一部を形成し、且つ傾斜した非磁性部によって分割された少なくとも２つの磁性部、および回転軸の各端部における非磁性材料の２つの要素を具備したロータと、巻線によって包囲され、且つ第１の環状隙間を形成するようにロータの周囲に沿って配置された積層磁鉄スタック部を具備したステータと、ステータの周りに配置された、非磁性材料の環体と、永久磁石を具備し、非磁性の環体の周りに配置され、且つロータとの間に第２環状の隙間を形成することでロータに向かって内向きに突出した径方向壁部を備えた、磁性材料の筺体と、を具備している電気機械によって、この目的を達成する。

この具体的な構造では、機械のロータには磁石が使われていない。

有利には、ロータの磁性部および非磁性部は、類似の機械特性および熱特性を有する。

好ましくは、ステータの巻線は、複数のスロット内において、単相または多相の巻線構成を備える。

回転軸の各端部にある非磁性材料の要素は、非磁性材料の２つの円板を備えてもよい。

あるいは、回転軸の各端部にある非磁性材料の要素は、セラミック軸受などの、非磁性材料の２つの軸受組立部を備えてもよい。

考慮された実施形態に依存して、永久磁石は、ロータの少なくとも２つの磁性部に面した、径方向壁部の端部に配置されるか、または、非磁性の環体の周りの筺体内へと配置される。

また、本発明は、圧縮機ホイールと、タービンホイールと、軸受組立部で支持され且つ圧縮機ホイールおよびタービンホイールに連結された回転軸と、を具備し、回転軸は前述の電気機械のロータを形成しているターボチャージャにも関係する。

有利には、径方向壁部の各端部は、軸受組立部用の内部支持体を形成し、内部支持体は、回転軸を、圧縮機ホイールおよびタービンホイールをも支持するように適合された円筒構造を有する非磁性の円板を介して支持する。

具体的な実施形態によれば、傾斜した非磁性部によって分割された少なくとも２つの磁性部を含んだ回転軸は、回転軸の回転軸線に沿う細長い孔を備え、非磁性のコアがその細長い孔の中に挿入され、非磁性のコアは、回転軸の少なくとも一端において、非磁性材料のナットおよび座金によって、回転軸に固定される。

傾斜した非磁性部は、非磁性の長円形の座金を備えてもよい。

本発明は、添付の図面に関する例示的な非限定の例を伴う、以下の詳細な説明を考慮して、より良く理解されるものである。

本発明の一実施形態による、電気的に助勢されたターボチャージャを概略的に例示した、長手方向の断面図である。 本発明の別の実施形態による、電気的に助勢されたターボチャージャを概略的に例示した、長手方向の断面図である。 本発明のさらに別の実施形態による、電気的に助勢されたターボチャージャを概略的に例示した、長手方向の断面図である。 本発明のさらに別の実施形態による、電気的に助勢されたターボチャージャを概略的に例示した、長手方向の断面図である。

図１は、好ましくは内燃エンジン用の、本発明による、電気的に助勢されたターボチャージャの一実施形態を概略的に例示した、長手方向の断面図である

基本的に、ターボチャージャ１０は、軸受組立部１８Ａ、１８Ｂにおいて支持された共通の回転軸１６によって一体に連結された、圧縮機ホイール１２およびタービンホイール１４を備える。タービンおよび圧縮機の両方は、当技術分野で知られている任意適切な構造のものであればよいため、概略的にのみ例示されている。例えば、軸受組立部は、軸の両端に備え付けられた２つのジャーナル軸受または玉軸受を備える。当技術分野で知られているように、これらの玉軸受は、油路（図示略）を通るオイルによって潤滑および冷却することができる。

本発明によれば、電気機械２０のロータを形成する回転軸１６は、軸受組立部における磁束のあらゆる損失を回避するために、非磁性材料の傾斜部２４によって分割された少なくとも２つの磁性材料の部分２２Ａ、２２Ｂ、および、回転軸の各端部に配置された非磁性材料の２つの円板２６Ａ、２６Ｂを備える。

ロータのこれらの異なる部分は、特に、非常に高速の周速度において、重大な機械応力に耐えることができるように、組み立てられる。さらに、材料同士の熱膨張の違いに対処することが必要である。しかしながら、有利には、両材料は、熱特性および機械特性において類似している。以前から、熱間等静圧圧縮成形（ＨＩＰ）をこの目的のために用いることができ、すなわち、すべての磁性部および非磁性部がシースに挿入され、この組立体がＨＩＰ容器に高圧且つ高温で入れられる。次いで、ロータ部は、拡散溶接によって一体に嵌められている。

電気機械は、巻線３０によって包囲され且つ第１の径方向環状隙間３２を形成するようにロータの周囲に沿って配置された積層磁鉄スタック部２８を備えたステータをさらに備えている。ステータの巻線は、複数のスロット内において、単相または多相の巻線構成を備えていなければならない。非磁性材料の環体３４が、ステータの周りに配置されている。

磁性材料の筺体４０が、非磁性材料の環体の周りに配置されている。この筺体は、径方向壁部４０Ａ、４０Ｂを備え、それら径方向壁部４０Ａ、４０Ｂは、永久磁石３６を受け入れたそれら壁部の端部と、ロータの外周との間に、第２の径方向環状隙間４２を形成することによって、ロータに向かって内向きに突出する。

ロータの少なくとも２つの磁性部に面した（その結果、第２の環状隙間４２に近い）、径方向壁部４０Ａ、４０Ｂの端部にある永久磁石の位置は、必須のものではないこと、および、図２に示すように、ステータを包囲する筺体４０内の位置も可能であることに注意することは重要である。

図２の実施形態では、筺体４０の径方向壁部の端部は、回転軸１６を支持する軸受組立部１８Ａ、１８Ｂの内部支持体を形成している。より具体的には、例示のように、軸受組立部１８Ａ、１８Ｂは、この実施形態によれば、圧縮機ホイールおよびタービンホイールをも支持するように適合された円筒構造を有する非磁性の円板を直接支持する。

ターボチャージャの運転は公知であり、詳細には説明されない。以前から、タービンホイール１４は、排気ガスのエネルギーによって高速で回転され、それにより、空気をエンジンシリンダに導入するために、共通の軸１６は、圧縮機ホイール１２をも回転させることができる。しかしながら、このようなターボチャージャが、本発明のように、電気機械２０を具備した場合、それの運転は異なり、電気機械がモータとして機能するか、発電機として機能するかに応じて変化する。

回転軸１６が高速で回転する場合（これはエンジンの通常運転での場合である）、この軸の一部を形成するロータも、高速で回転する。（発電機で運転する）電気機械のロータのこの回転は、第１の環状隙間３２を通過して径方向に延びた磁束線をともなった磁界を、ロータの周囲に発生させる。磁束におけるこの変化は、ステータに起電力を誘起し、その起電力はステータの巻線３０から取り出されて、例えば、整流器ブリッジ（図示略）を介した蓄電池といった、様々な負荷に供給される電力を生成する。

回転軸１６が低速で回転する場合、つまり、排気ガスの流れが少ないとき（例えば、特にエンジンの始動の間の場合）、電気機械をモータとして運転することで、圧縮機をより早く回転させることができる。実際、ステータの巻線３０に接続された交流供給部（図示略）のおかげで、ステータは、第１の環状隙間３２において回転磁界を作り出す。同時に、永久磁石３６によって作り出された直流磁界が磁気回路４０を通って流れ、第２の環状隙間４２と交差する。しかしながら、ロータが３つの部分から形成されているため、回転軸１６においてロータの一方側２２Ａで発生された磁束は、軸の非磁性の遮蔽（中央の傾斜部２４および円板２６Ａ、２６Ｂ）のために、ロータにおいて流れ続けることはできない。そのため、磁束は、第１の環状隙間３２と交差させられ、積層スタック部２８の従来の磁束に続くステータへと入るように強いられ、そして、（他方側２２Ｂにおいて）ロータへと戻る。磁束回路は、磁性の筺体４０を通じて閉じられ、磁束はロータの左手側へと戻り、そしてロータにおいて従来の２つの極を作り出し、ロータの回転は、それら極の回転を可能とする。

好的な実施形態が示されて説明されたが、何らかの変形および修正が、本発明の範囲から逸脱することなく、実施形態において行われ得ることは、理解されて当然である。より具体的には、電気機械は、ターボチャージャと共に運転するように例示された場合、このような機械は、例えば、移動式圧縮機または移動式遠心圧縮機内に内蔵することができることは明らかである。

図１および図２の実施形態で用いられた非磁性材料の円板２６Ａおよび２６Ｂは、軸受組立部１８Ａ、１８Ｂがセラミック軸受などの非磁性材料で形成されている場合、省略することができる。

これは、省略されない場合、図２の実施形態に対応した図３に例示されているが、非磁性の軸受組立部１８Ａ、１８Ｂを用いたこの解決策は、図１の実施形態に適用することもできる。

図４は、本発明による、ターボチャージャの回転要素を組み立てるための可能な方法の一例を示している。

傾斜した非磁性部２４によって分割された少なくとも２つの磁性部２２Ａ、２２Ｂを備えた回転軸１６は、回転軸１６の回転軸線に沿った細長い孔を備える。アルミニウムなどの非磁性材料から形成されたコア６０またはタイロッドは、その細長い孔の中に挿入され、非磁性のコア６０は、回転軸の少なくとも一端において、非磁性材料のナット６１および座金６２によって、回転軸に固定される。図４の例において、非磁性材料のナット６１および座金６２は、タイロッド６０の各端部において用いられ、非磁性のタイロッド６０をホイール１２、１４と一体とさせる。

貫通孔を備える傾斜部２４は、非磁性材料の座金によって構成されてもよい。

図４を参照して開示された組立の方法は、図１〜図３を参照しつつ説明された実施形態のうちの任意のものと組み合わされて使用されてもよいし、単に、熱間等静圧圧縮成形の実施を回避する代替である。

１０ ターボチャージャ
１２ 圧縮機ホイール
１４ タービンホイール
１６ 回転軸
１８Ａ 軸受組立部
１８Ｂ 軸受組立部
２０ 電気機械
２２Ａ 磁性部
２２Ｂ 磁性部
２４ 傾斜（非磁性）部
２６Ａ 円板
２６Ｂ 円板
２８ 積層磁鉄スタック部
３０ 巻線
３２ 第１の環状隙間
３４ 環体
３６ 永久磁石
４０ 筺体
４０Ａ 径方向壁部
４０Ｂ 径方向壁部
４２ 第２の環状隙間
６０ コア、タイロッド
６１ ナット
６２ 座金

Claims (13)

1. 回転軸（１６）を備える圧縮機（１２）に連結された電気機械（２０）であって、
   前記回転軸の一部を形成し、且つ傾斜した非磁性部（２４）によって分割された少なくとも２つの磁性部（２２Ａ、２２Ｂ）、および前記回転軸の各端部における非磁性材料の２つの要素を具備したロータと、
   巻線（３０）によって包囲され、且つ第１の環状隙間（３２）を形成するように前記ロータの周囲に沿って配置された積層磁鉄スタック部（２８）を具備したステータと、
   前記ステータの周りに配置された、非磁性材料の環体（３４）と、
   永久磁石（３６）を具備し、前記環体の周りに配置され、且つ前記ロータとの間に第２の環状隙間（４２）を形成することによって前記ロータに向かって内向きに突出した径方向壁部（４０Ａ、４０Ｂ）を備えた、磁性材料の筺体（４０）と、
   を具備している電気機械。
2. 前記回転軸の各端部における非磁性材料の前記要素は、非磁性材料の２つの円板（２６Ａ、２６Ｂ）を具備している、請求項１に記載の電気機械。
3. 前記回転軸の各端部にある非磁性材料の前記要素は、非磁性材料の２つの軸受組立部（１８Ａ、１８Ｂ）を具備している、請求項１に記載の電気機械。
4. 前記ロータの前記磁性部および非磁性部は、類似の機械特性および熱特性を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気機械。
5. 前記ステータの前記巻線（３０）は、複数のスロット内において、単相または多相の巻線構成を具備している、請求項１から４のいずれか一項に記載の電気機械。
6. 前記永久磁石（３６）は、前記ロータの前記少なくとも２つの磁性部（２２Ａ、２２Ｂ）に面した、前記径方向壁部（４０Ａ、４０Ｂ）の端部に配置されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の電気機械。
7. 前記永久磁石（３６）は、非磁性の前記環体（３４）の周りの前記筺体（４０）内に配置されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の電気機械。
8. 圧縮機ホイール（１２）と、
   タービンホイール（１４）と、
   軸受組立部（１８Ａ、１８Ｂ）で支持され、且つ前記圧縮機ホイールおよび前記タービンホイールに連結された回転軸（１６）であって、前記回転軸は電気機械（２０）のロータを形成し、前記ロータは、傾斜した非磁性部（２４）によって分割された少なくとも２つの磁性部（２２Ａ、２２Ｂ）、および、前記回転軸の各端部における非磁性材料の２つの要素（２６Ａ、２６Ｂ；１８Ａ、１８Ｂ）を備えた回転軸と、
   を具備し、
   前記電気機械は、
   巻線（３０）によって包囲され、且つ第１の環状隙間（３２）を形成するように前記ロータの周囲に沿って配置された積層磁鉄スタック部（２８）を具備したステータと、
   前記ステータの周りに配置された、非磁性材料の環体（３４）と、
   永久磁石（３６）を備え、前記非磁性の環体の周りに配置され、且つ前記ロータとの間に第２の環状隙間（４２）を形成することによって前記ロータに向かって内向きに突出した径方向壁部（４０Ａ、４０Ｂ）を備えた、磁性材料の筺体（４０）と、
   をさらに具備しているターボチャージャ（１０）。
9. 前記ロータの前記磁性部および非磁性部は、類似の機械特性および熱特性を有する、請求項８に記載のターボチャージャ。
10. 前記ステータの前記巻線（３０）は、複数のスロット内において、単相または多相の巻線構成を具備している、請求項８に記載のターボチャージャ。
11. 前記径方向壁部の各端部は、前記軸受組立部用の内部支持体を形成し、前記内部支持体は、前記圧縮機ホイールおよび前記タービンホイールをも支持するように適合された円筒構造を有する非磁性の前記要素を介して、前記回転軸を支持している、請求項８に記載のターボチャージャ。
12. 傾斜した非磁性部（２４）によって分割された前記少なくとも２つの磁性部（２２Ａ、２２Ｂ）を含んだ前記回転軸（１６）は、前記回転軸（１６）の回転軸線に沿った細長い孔を備え、非磁性のコア（６０）が前記細長い孔の中に挿入され、非磁性の前記コア（６０）は、前記回転軸の少なくとも一端において、非磁性材料のナット（６１）および座金（６２）によって前記回転軸に固定されている、請求項８に記載のターボチャージャ。
13. 傾斜した前記非磁性部（２４）は、非磁性の長円形の座金を具備している、請求項１２に記載のターボチャージャ。

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