JP2015137549A

JP2015137549A - 電動過給機

Info

Publication number: JP2015137549A
Application number: JP2014007817A
Authority: JP
Inventors: 智則佐々木; Tomonori Sasaki; 賢二望月; Kenji Mochizuki; 望月　　賢二; 祐弥井沢; Yuya Izawa
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2015-07-30

Abstract

【課題】軸受を冷却するための構造を簡易にすると共に搭載スペースの低減を図る電動過給機を提供する。
【解決手段】電動過給機１０１は、電動モータ３０と、コンプレッサホイール２１と、電動モータ３０を収容するモータ室１８を有するハウジング１０と、モータ室１８内に配設され且つコンプレッサホイール２１を回転駆動する電動モータ３０のシャフト２２を回転自在に支持する第一軸受２３及び第二軸受２４とを備える。コンプレッサホイール２１は、重力方向で電動モータ３０の下方に配置され、第一軸受２３は、重力方向で第二軸受２４の下方に配置される。電動モータ３０の動作時、モータ室１８内の空気では、シャフト２２の近位で第一軸受２３から第二軸受２４に向かう方向に沿って流れ、シャフト２２の遠位で第二軸受２４から第一軸受２３に向かう方向に沿って流れる旋回流が生じる。
【選択図】図１

Description

この発明は、電動過給機に関する。

過給機では、コンプレッサホイール、タービンホイール、又はそのいずれもが高速回転し、それにより、コンプレッサホイール及びタービンホイールの回転シャフトの軸受が発熱するため、軸受の冷却が必要になる。
例えば、特許文献１には、エンジンから排出される排気ガスが持つエネルギーにより駆動されるタービンロータ（タービンホイール）と、シャフトを介して連結されたタービンロータの回転駆動力を駆動源として回転して過給した空気をエンジンに供給するコンプレッサロータ（コンプレッサホイール）とを備えたターボチャージャ（過給機）が記載されている。このターボチャージャは、ベアリング（軸受）を介してシャフトを支持するベアリングハウジングを水冷する冷却構造を有している。

この冷却構造は、エンジンの動作時には、同時に動作する水ポンプによって強制的に冷却水を供給してベアリングハウジングを冷却する。さらに、この冷却構造は、エンジンが停止し水ポンプが停止した時には、冷却水の自然対流を利用して環状の冷却水路内で冷却水を循環させ、ベアリングハウジングを冷却する。そして、ベアリングハウジングを冷却することによって、ベアリングも冷却される。

特開２０１３−１１２５３号公報

しかしながら、特許文献１のターボチャージャの冷却構造では、ベアリングハウジングに冷却水を供給するための配管及び水ポンプが必要となるため、コストが増加すると共に搭載スペースが拡大するという問題がある。このような問題は、排気ガスを利用するターボチャージャだけでなく、内蔵する電動モータ等の回転電機によってコンプレッサホイールを回転させることで過給する電動過給機にも該当する。

この発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、軸受を冷却するための構造を簡易にすると共に搭載スペースの低減を図る電動過給機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る電動過給機は、回転電機と、回転電機によって回転駆動されるコンプレッサホイールと、回転電機を収容する回転電機室を有するハウジングと、回転電機室内に配設され、コンプレッサホイールを回転駆動する回転電機の回転軸を回転自在に支持する第一軸受及び第二軸受とを備え、コンプレッサホイールは、重力方向で回転電機の下方に配置され、第一軸受は、重力方向で第二軸受の下方に配置され、回転電機の動作時、回転電機室内の気体では、回転軸の近位で第一軸受から第二軸受に向かう方向に沿って流れ、回転軸の遠位で第二軸受から第一軸受に向かう方向に沿って流れる旋回流が生じる電動過給機。

上記電動過給機は、ハウジング内に設けられ、コンプレッサホイールを収容するホイール室と、重力方向で回転電機室の下方で回転電機室とホイール室とを隔てるハウジングの隔壁と、隔壁を貫通して形成され、ホイール室を回転電機室に連通可能な隔壁貫通穴とをさらに備えてよい。
ハウジングは、回転電機室に隣接し且つ回転軸の長手方向に沿って延在する側壁の外側に放熱フィンを有してよい。

この発明に係る電動過給機によれば、軸受を冷却するための構造を簡易にすると共に搭載スペースを低減することが可能になる。

この発明の実施の形態に係る電動過給機の構成を示す断面側面図である。

実施の形態
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
まず、この発明の実施の形態に係る電動過給機１０１の構成を説明する。
図１を参照すると、電動過給機１０１は、吸入した気体（本実施の形態では空気とする）を過給するための過給部１と、過給部１を回転電機である電動モータ３０を用いて駆動するための駆動部２とによって構成されている。
電動過給機１０１は、例えば、内燃機関を搭載せずに空気の供給を必要とする燃料電池を搭載する車両などに搭載され、空気を過給して燃料電池に供給する。そして、本実施の形態の電動過給機１０１は、空気を過給するつまり圧縮することで昇温する過給部１を重力方向で下方に位置させて搭載される。

過給部１は、回転することによって吸入空気を過給するコンプレッサホイール２１と、コンプレッサホイール２１と一体回転可能なシャフト２２と、互いに組み付けられることによって内部にコンプレッサホイール２１を収容する金属製のコンプレッサカバー１１及びシールプレート１２とを備えている。ここで、シャフト２２は、回転軸を構成している。

シャフト２２は、コンプレッサカバー１１の内部からシールプレート１２を貫通して駆動部２に延在している。このとき、シールプレート１２はシャフト２２の径方向に延在している。
コンプレッサカバー１１及びシールプレート１２によって囲まれた内部には、コンプレッサホイール２１を回転可能に収容するホイール室１５と、ホイール室１５からシャフト２２の軸方向に延在して外部に開口する吸入路１６と、ホイール室１５に連通し且つコンプレッサホイール２１の周囲を囲むように延在して外部に開口する環状の排出路１７とが形成されている。

駆動部２は、金属製の有底筒状のモータケース１３と、モータケース１３の開口を閉鎖するエンドプレート１４とを備えている。そして、モータケース１３及びエンドプレート１４は、その内部に電動モータ３０を収容するモータ室１８を形成している。ここで、モータ室１８は、回転電機室を構成している。
モータケース１３の筒状の側壁１３ａの外周側には、周囲の空気によるモータケース１３の冷却効率を向上させるために複数の放熱フィン１３ｃが一体に突出形成されている。
そして、コンプレッサカバー１１、シールプレート１２、モータケース１３及びエンドプレート１４は、電動過給機１０１のハウジング１０を形成している。

モータケース１３の底部である端壁１３ｂには、シールプレート１２が固定されている。そして、端壁１３ｂの中央には、モータ室１８内に開口すると共にシールプレート１２に向かって開口する端壁貫通穴１３ｂ１が貫通形成されている。端壁貫通穴１３ｂ１は、シャフト２２の外径よりも大きい内径を有し、シャフト２２を通している。そして、端壁１３ｂは、シャフト２２の径方向に延在している。ここで、端壁１３ｂは、モータ室１８とホイール室１５とを隔てる隔壁を構成している。
さらに、シールプレート１２には、端壁貫通穴１３ｂ１に隣接し且つ連通するプレート貫通穴１２ａが貫通形成されている。そして、シャフト２２は、プレート貫通穴１２ａ及び端壁貫通穴１３ｂ１を通って、モータ室１８内に延在している。シャフト２２の軸方向である長手方向は、モータケース１３の側壁１３ａの延在方向に沿う方向となっている。

シャフト２２の外周面２２ｃは、モータ室１８内に設けられたボールベアリング等の第一軸受２３及び第二軸受２４によって周方向に回転自在に支持されている。第一軸受２３は、端壁１３ｂの近傍でシャフト２２を支持し、第二軸受２４は、エンドプレート１４側の端部２２ｂの近傍でシャフト２２を支持している。

第一軸受２３は、その外周を囲むフランジ付円筒形状を有し且つ端壁１３ｂに固定された第一軸受枠２５によって支持及び固定され、端壁貫通穴１３ｂ１に隣接して位置している。端壁貫通穴１３ｂ１の内径は、第一軸受２３の外径よりも小径であり、第一軸受２３は、端壁貫通穴１３ｂ１における端壁１３ｂとシャフト２２との間の隙間を塞いでいる。
第二軸受２４は、その外周を囲むフランジ付円筒形状を有し且つエンドプレート１４に固定された第二軸受枠２６によって支持及び固定されている。

一方の端部２２ａ側でコンプレッサホイール２１の中心に通されたシャフト２２における外周面２２ｃ上には、固定ナット２７及び固定リング２８が取り付けられている。固定ナット２７及び固定リング２８は、コンプレッサホイール２１を両側から挟持してシャフト２２の軸方向でのコンプレッサホイール２１の位置を保持する。

また、モータ室１８内における第一軸受２３及び第二軸受２４の間において、シャフト２２の外周面２２ｃ上には、円筒状のロータコア３１がシャフト２２と一体に回転するように設けられている。ロータコア３１内には、その外周面に沿って永久磁石３２が埋め込まれている。
さらに、モータ室１８内では、ロータコア３１の外周を囲むようにして円筒状のステータコア３３が設けられている。ステータコア３３は、モータケース１３の側壁１３ａに固定されている。さらに、ステータコア３３内では巻線が巻回され、この巻線はコイル３４を形成し、ステータコア３３の両端から突出もしている。
そして、巻線に電力が供給されると、コイル３４から回転磁界が発生し、この回転磁界の作用を永久磁石３２が受けることによって、ロータコア３１がシャフト２２及びコンプレッサホイール２１と共に回転駆動される。

上述のようなシャフト２２、ロータコア３１、永久磁石３２、ステータコア３３及びコイル３４は、電動モータ３０を構成している。そして、シャフト２２は、コンプレッサホイール２１及び電動モータ３０の回転軸を兼ねている。

また、モータケース１３の端壁１３ｂには、モータ室１８内に開口すると共にシールプレート１２に向かって開口する２つの圧力調整穴１３ｂ２が貫通形成されている。２つの圧力調整穴１３ｂ２は、端壁貫通穴１３ｂ１から径方向外側に離れた位置に配置されている。ここで、圧力調整穴１３ｂ２は、隔壁貫通穴を構成している。

次に、この発明の実施の形態に係る電動過給機１０１の動作を説明する。
図１を参照すると、電動過給機１０１において、図示しない電源によって電動モータ３０のコイル３４に電力が印加されると、コイル３４が発生する回転磁界によってロータコア３１が回転駆動され、それによって、シャフト２２及びコンプレッサホイール２１が高速回転駆動される。

高速回転するコンプレッサホイール２１は、吸入路１６から吸入する空気を圧縮つまり過給して排出路１７から排出する。
このとき、圧縮されることによって昇温する空気が、コンプレッサホイール２１、シャフト２２、コンプレッサカバー１１及びシールプレート１２を昇温させる。シャフト２２及びシールプレート１２から伝達する熱によってモータケース１３の端壁１３ｂ及び第一軸受２３が昇温し、そのため、モータ室１８内では、エンドプレート１４側よりも端壁１３ｂ側の空気の方が高温になる。
また、シャフト２２が回転することによって第一軸受２３及び第二軸受２４が昇温するが、シャフト２２及び端壁１３ｂから熱伝達を受ける第一軸受２３の方が、第二軸受２４よりも高温になる。

一方、電動過給機１０１の周囲には外気が導入されるように構成されており、この導入された外気は、モータケース１３の側壁１３ａの多数の放熱フィン１３ｃと熱交換を行って、放熱フィン１３ｃ及び側壁１３ａを冷却する。これによって、モータ室１８内の側壁１３ａ近傍の空気も、側壁１３ａと熱交換を行って冷却される。

よって、モータ室１８内の空気は、エンドプレート１４側よりも端壁１３ｂ側で温度が高く、側壁１３ａ側よりもシャフト２２側で温度が高い温度分布を有する。これにより、モータ室１８内の空気に自然対流が発生する。この自然対流は図１において破線矢印で示されるような旋回流を形成する。この旋回流では、空気は、シャフト２２の近位で第一軸受２３から第二軸受２４へとシャフト２２に沿って重力方向の上方に流れ、さらに温度が低い側壁１３ａにおける重力方向の上部へとエンドプレート１４に沿ってシャフト２２の遠位に向かう側方に流れ、そして、シャフト２２の遠位で側壁１３ａの重力方向の下部へと側壁１３ａに沿って下方に流れ、その後、第一軸受２３へと端壁１３ｂに沿ってシャフト２２の近位に向かう側方に流れる。

このとき、第二軸受２４よりも高温の第一軸受２３には、側壁１３ａに沿って重力方向の下方へ流れる過程での側壁１３ａとの熱交換後の冷却された空気が流れ込むため、第一軸受２３は、効果的に冷却される。第二軸受２４には第一軸受２３との熱交換後の空気が流れ込むが、第二軸受２４は、第一軸受２３よりも低温であるため、流れ込む空気によって十分に冷却される。
そして、第一軸受２３及び第二軸受２４との熱交換後の空気は、側壁１３ａとの熱交換で冷却された後に再び第一軸受２３を冷却する。

また、ホイール室１５内で圧縮を受けて圧力を上昇させた空気の一部は、シールプレート１２及び固定リング２８の間、並びに、固定リング２８及びシャフト２２の間を通って、端壁貫通穴１３ｂ１内に流入する。
端壁貫通穴１３ｂ１内の空気の圧力が上昇するため、流入した圧縮空気は、シールプレート１２及びモータケース１３の端壁１３ｂの間を通って、圧力が低いモータ室１８に連通する圧力調整穴１３ｂ２に流れ、モータ室１８内に流入する。

これにより、端壁貫通穴１３ｂ１内の圧力が低下すると共にモータ室１８内の圧力が上昇し、互いの間の差圧が低くなる。つまり、第一軸受２３における端壁貫通穴１３ｂ１側とモータ室１８側との差圧が低くなる。なお、電動過給機１０１では、モータ室１８内に潤滑油を流通させることができないため、軸受２３及び２４内には、製造時にグリスが封入されている。上述のように第一軸受２３を挟んだモータ室１８の内外の差圧が低くなるため、第一軸受２３に封入されているグリスが端壁貫通穴１３ｂ１内の圧縮空気によって第一軸受２３から抜け出すことが防がれる。

また、モータ室１８内の空気は、圧力調整穴１３ｂ２を通ってモータ室１８の外に流出することもある。流出した空気は、圧力が高い端壁貫通穴１３ｂ１及びホイール室１５へは流れずに、シールプレート１２及び端壁１３ｂの間を通って電動過給機１０１の外部に流出する。

上述のように、モータ室１８内には、圧力調整穴１３ｂ２を介した空気の供給及び排出も行われる。空気が供給されることによって、モータ室１８内での空気の流量が増加するため、第一軸受２３及び第二軸受２４の冷却効率が向上する。また、空気が供給及び排出されることによって、モータ室１８内の空気を新鮮な空気に入れ替えることができ、それにより、第一軸受２３及び第二軸受２４の冷却効率が向上する。

このように、この発明の実施の形態に係る電動過給機１０１は、電動モータ３０と、電動モータ３０によって回転駆動されるコンプレッサホイール２１と、電動モータ３０を収容するモータ室１８を有するハウジング１０と、モータ室１８内に配設され且つコンプレッサホイール２１を回転駆動する電動モータ３０のシャフト２２を回転自在に支持する第一軸受２３及び第二軸受２４とを備える。さらに、コンプレッサホイール２１は、重力方向で電動モータ３０の下方に配置され、第一軸受２３は、重力方向で第二軸受２４の下方に配置される。そして、電動モータ３０の動作時、モータ室１８内の空気では、シャフト２２の近位で第一軸受２３から第二軸受２４に向かう方向に沿って流れ、シャフト２２の遠位で第二軸受２４から第一軸受２３に向かう方向に沿って流れる旋回流が生じる。

このとき、電動モータ３０の動作時、モータ室１８内において、自然対流による空気の旋回流が生じ、このとき、空気は、シャフト２２の近位で第一軸受２３から第二軸受２４に向かう方向に沿って流れた後、シャフト２２の近位から遠位に向かって流れ、さらに、シャフト２２の遠位で第二軸受２４から第一軸受２３に向かう方向に沿って流れ、そして、シャフト２２の遠位から近位に向かって流れる。空気は、流れる過程で、第一軸受２３及び第二軸受２４を冷却する。なお、電動モータ３０の動作時、コンプレッサホイール２１によって圧縮されることで昇温する空気によって、ハウジング１０のモータケース１３の端壁１３ｂが昇温し、第二軸受２４近傍よりも第一軸受２３近傍の空気の温度の方が高くなる。さらに、コンプレッサホイール２１と共にシャフト２２が回転することによって、第一軸受２３及び第二軸受２４が昇温し、シャフト２２の遠位よりも近位での空気の温度の方が高くなる。よって、上述のような空気の旋回流が発生する。
従って、電動過給機１０１は、第一軸受２３及び第二軸受２４を冷却するために、配管、ポンプ等の追加の装置の使用を不要にするため、その構造の簡易化及び省スペース化を可能にする。

また、電動過給機１０１は、ハウジング１０内に設けられ且つコンプレッサホイール２１を収容するホイール室１５と、重力方向でモータ室１８の下方でモータ室１８とホイール室１５とを隔てるハウジング１０の端壁１３ｂと、端壁１３ｂを貫通して形成され且つホイール室１５をモータ室１８に連通可能な圧力調整穴１３ｂ２とを備える。このとき、ホイール室１５とモータ室１８との間の内部の圧力差に対応して、圧力調整穴１３ｂ２を通じてモータ室１８に空気が出入りする。これにより、モータ室１８内への新鮮な空気の供給、及びモータ室１８内からの第一軸受２３及び第二軸受２４との熱交換後の空気の排出が可能となるため、第一軸受２３及び第二軸受２４の冷却効率が向上する。

また、電動過給機１０１において、ハウジング１０は、モータ室１８に隣接し且つシャフト２２の長手方向に沿って延在する側壁１３ａの外側に放熱フィン１３ｃを有する。これにより、シャフト２２の遠位で第二軸受２４から第一軸受２３に向かう方向に沿って流れる空気が熱交換を通じて側壁１３ａに伝達した熱が、放熱フィン１３ｃから効果的に放熱される。よって、シャフト２２の遠位の空気は、効率的に冷却され、その後、コンプレッサホイール２１に近いせいで第二軸受２４よりも温度が高い第一軸受２３に供給されてこれを効果的に冷却する。さらに、シャフト２２の遠位と近位との間の温度差が大きくなるため、モータ室１８内で旋回する空気の流量も増加する。従って、第一軸受２３及び第二軸受２４が効果的に冷却される。

また、実施の形態における電動過給機１０１において、圧力調整穴１３ｂ２は、１つであっても３つ以上であってもよい。さらに、複数の圧力調整穴１３ｂ２が設けられる場合、複数の圧力調整穴１３ｂ２の径、断面形状、シャフト２２からの距離は同一であっても異なっていてもよい。
また、実施の形態における電動過給機１０１では、圧力調整穴１３ｂ２が設けられていたが、圧力調整穴１３ｂ２はなくてもよい。この場合、自然対流による空気流はモータ室１８内で循環するが、モータケース１３の側壁１３ａと熱交換することで冷却されるため、第一軸受２３及び第二軸受２４の冷却は可能である。或いは、電動過給機１０１が自動車に搭載される場合には、圧力調整穴１３ｂ２の代わりに、走行風を導入可能な穴をモータケース１３に形成してもよく、ラジエータなどの他の装置の冷却風を導入可能な穴をモータケース１３に形成してもよい。

また、実施の形態における電動過給機１０１では、２つの軸受２３及び２４が設けられていたが、これに限定されるものでなく、３つ以上の軸受が設けられてもよい。
また、実施の形態の電動過給機１０１における上述した軸受２３及び２４の冷却構造は、軸受を潤滑油に浸して冷却する又は流れる潤滑油で冷却するものでなく、気体を用いて冷却する過給機であれば、適用可能である。

１０ハウジング、１３ａ側壁、１３ｂ端壁（隔壁）、１３ｂ２圧力調整穴（隔壁貫通穴）、１３ｃ放熱フィン、１５ホイール室、１８モータ室（回転電機室）、２１コンプレッサホイール、２２シャフト（回転軸）、２３第一軸受、２４第二軸受、３０電動モータ（回転電機）、１０１電動過給機。

Claims

回転電機と、
前記回転電機によって回転駆動されるコンプレッサホイールと、
前記回転電機を収容する回転電機室を有するハウジングと、
前記回転電機室内に配設され、前記コンプレッサホイールを回転駆動する前記回転電機の回転軸を回転自在に支持する第一軸受及び第二軸受と
を備え、
前記コンプレッサホイールは、重力方向で前記回転電機の下方に配置され、
前記第一軸受は、重力方向で前記第二軸受の下方に配置され、
前記回転電機の動作時、前記回転電機室内の気体では、前記回転軸の近位で前記第一軸受から前記第二軸受に向かう方向に沿って流れ、前記回転軸の遠位で前記第二軸受から前記第一軸受に向かう方向に沿って流れる旋回流が生じる電動過給機。
前記ハウジング内に設けられ、前記コンプレッサホイールを収容するホイール室と、
重力方向で前記回転電機室の下方で前記回転電機室と前記ホイール室とを隔てる前記ハウジングの隔壁と、
前記隔壁を貫通して形成され、前記ホイール室を前記回転電機室に連通可能な隔壁貫通穴と
をさらに備える請求項１に記載の電動過給機。
前記ハウジングは、前記回転電機室に隣接し且つ前記回転軸の長手方向に沿って延在する側壁の外側に放熱フィンを有する請求項１または２に記載の電動過給機。