JP2015197064A - 電動過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転振動に伴うシャフト先端の振幅を縮小できる電動過給機を提供する。
【解決手段】電動過給機１０１は、回転することにより流体を過給するインペラ４０と、インペラ４０を収容するインペラ室１５と、インペラ４０を回転駆動するモータ３０と、モータ３０を収容するモータ室１８とを備える。インペラ室１５とモータ室１８との間には、流体が流通可能な開口２８が設けられる。開口２８以外の部分において、モータ室１８を外部から隔絶するシール構造５０，５１，５２が設けられる。
【選択図】図１

Description

この発明は、電動過給機に関する。

過給機には、コンプレッサ部とモータ部とを備え、シャフトが動力を伝達する構成の電動過給機がある。シャフトはコンプレッサ部とモータ部とにまたがって配置されるので、シャフトの周りにコンプレッサ部とモータ部とを隔絶するシール構造を設けることが知られている。特許文献１には、このような構成の例が記載されている。

特開２０１３−２２７８８９号公報

しかしながら、従来の構成では、回転振動に伴うシャフト先端の振幅が大きくなるという問題があった。すなわち、シャフトの軸受より先端寄りの位置にシール構造を配置する必要があるため、シャフトのオーバーハング部が長くなり、結果としてシャフト先端の振幅が大きくなる。

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、回転振動に伴うシャフト先端の振幅を縮小でき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、回転することにより流体を過給するインペラと、インペラを収容するインペラ室と、インペラを回転駆動するモータと、モータを収容するモータ室と、インペラ室とモータ室との間に設けられ、流体が流通可能な開口と、開口以外の部分において、モータ室を外部から隔絶するシール構造とを備える。

この電動過給機では、インペラ室とモータ室との間に、シールされない開口を設ける。

電動過給機は、回転軸と、回転軸を回転可能に支持する軸受とをさらに備え、軸受はグリス封入式の軸受であってもよい。
開口には、インペラ室とモータ室との間を隔絶するためのシール構造は設けられないものであってもよい。

また、この発明に係る過給システムは、上述の電動過給機である、第一過給機と、第一過給機の下流に設けられる、第二過給機とを備える。

この発明に係る電動過給機によれば、インペラ室とモータ室との間のシール構造が不要となるので、シャフトのオーバーハング部を短くでき、これによってシャフト先端の振幅を縮小することができる。

この発明の実施の形態１に係る電動過給機の構成を示す断面側面図である。 この発明の実施の形態２に係る過給システムの構成を示す概略図である。

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。
実施の形態１．
まず、この発明の実施の形態１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、吸入した流体（たとえば気体であり、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。

過給部１は、回転することによって吸入空気を過給するインペラ４０と、インペラ４０と一体回転可能なシャフト２２と、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。コンプレッサカバー１１及びシールプレート１２はたとえば金属製であり、互いに組み付けられることによって内部にインペラ４０を収容する。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、インペラ４０を回転可能に収容するインペラ室１５と、インペラ室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、インペラ室１５に連通し且つインペラ４０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及び後端部材３５とを備えている。そして、モータケース１３、エンドプレート１４及び後端部材３５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、エンドプレート１４及び後端部材３５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の底部である底壁１３ｂには、シールプレート１２が固定されている。そして、底壁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底壁貫通穴１３ｂ１が貫通形成されている。底壁貫通穴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、底壁１３ｂは、シャフト２２の径方向に延在している。ここで、底壁１３ｂは、モータ室１８とインペラ室１５とを隔てる隔壁を構成し、底壁貫通穴１３ｂ１は、シャフト２２の回転軸挿通穴を構成している。

さらに、シールプレート１２には、底壁貫通穴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及び底壁貫通穴１３ｂ１を通って、モータ室１８内に延在している。このとき、シャフト２２の軸方向はモータケース１３の筒状の側壁１３ａの延在方向に沿う方向となっている。

インペラ室１５とモータ室１８との間には、開口２８が設けられる。本実施形態では、開口２８は、モータケース１３の底壁１３ｂの底壁貫通穴１３ｂ１と、シールプレート１２のプレート貫通穴１２ａとによって構成される。開口２８は、インペラ室１５とモータ室１８との間にシャフト２２を挿通させるための空間として機能する。

また、開口２８は、インペラ室１５とモータ室１８との間で空気が流通可能な流入口としても機能する。「流通可能」とは、本明細書の記載に基づき当業者が適宜定義可能であるが、たとえば、インペラ室１５とモータ室１８とがいずれも密閉された状態で開口２８の両端に気圧差が生じた場合に、比較的短時間（たとえば１秒未満）で、両端の気圧差が無視できる程度に小さくなるような開口面積があることをいう。なお、本実施形態では、開口２８には、インペラ室１５とモータ室１８との間を隔絶するためのいかなるシール構造も設けられない。

シャフト２２の外周面２２ｃは、モータ室１８内に設けられた第一軸受２３及び第二軸受２４によって周方向に回転可能に支持されている。第一軸受２３は、底壁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及び第二軸受２４は、いずれも、外輪及び内輪を備えており、外輪及び内輪は互いに回転可能である。第一軸受２３及び第二軸受２４はたとえばボールベアリングである。また、本実施形態では、第一軸受２３及び第二軸受２４はグリス封入式のアンギュラーベアリングである。

第一軸受２３は、底壁貫通穴１３ｂ１に隣接して位置している。第一軸受２３は、第一軸受スリーブ２５によって支持及び固定される。第一軸受スリーブ２５は、第一軸受２３の外周を囲むフランジ付円筒形状を有する。第一軸受スリーブ２５は、底壁１３ｂに固定される。底壁貫通穴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、底壁貫通穴１３ｂ１における底壁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、第二軸受スリーブ２６によって支持及び固定されている。第二軸受スリーブ２６は、第二軸受２４の外周を囲むフランジ付円筒形状を有する。第二軸受スリーブ２６は、エンドプレート１４に固定される。

シャフト２２は、端部２２ａ側において、インペラ４０の中心の挿通孔４１内に通されている。シャフト２２の外周面２２ｃ上には、固定ナット２７が取り付けられている。固定ナット２７は、インペラ４０に対して端部２２ａ側に位置し、シャフト２２に逆ねじ方式で螺合する。

シャフト２２は、自由端を持つオーバーハング部２２ｄを含む。オーバーハング部２２ｄとは、シャフト２２が支持されている部分より端部に近い部分をいう。図１の例では、オーバーハング部２２ｄは、端部２２ａから、第一軸受２３の前端２３ａ（第一軸受２３の軸方向両端のうちシャフト２２の端部２２ａに近い側のもの）までの部分として定義される。

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（交流巻線）を形成し、ステータコア３３の両端から突出している。

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及びインペラ４０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、インペラ４０及び電動モータ３０の回転軸を兼ねている。

駆動部２は、開口２８以外の部分において、モータ室１８を外部から隔絶するシール構造を備える。本実施形態では、このシール構造は、Ｏリング５０，５１及び５２を含む。Ｏリング５０は、シールプレート１２とモータケース１３との間において、モータ室１８を外部から隔絶し、Ｏリング５１は、モータケース１３とエンドプレート１４との間において、モータ室１８を外部から隔絶し、Ｏリング５２は、エンドプレート１４と後端部材３５との間において、モータ室１８を外部から隔絶する。なお、このシール構造は、モータケース１３、エンドプレート１４及び後端部材３５を含むということもできる。

次に、この発明の実施の形態１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及びインペラ４０が中心軸ＣＡを中心に高速回転駆動される。これに伴い、インペラ４０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へと圧送する。

ここで、開口２８はシールされていないので、インペラ室１５内で圧縮された空気は、開口２８を通ってモータ室１８に流入することが可能となっている。ただし、モータ室１８は、開口２８以外の部分において外部から隔絶されているので、モータ室１８に流入した空気が開口２８以外の部分からモータ室１８の外部に流出することは抑制される。

電動過給機１０１の動作に伴ってシャフト２２が回転すると、回転振動に伴って端部２２ａが振動する。シャフト２２は第一軸受２３及び第二軸受２４によって支持されているので、端部２２ａの振動の振幅はオーバーハング部２２ｄの長さに依存する。本実施形態では、開口２８にシール構造を設ける必要がないので、開口２８の軸方向の長さを短く設計することができ（たとえば、シールプレート１２やモータケース１３の底壁１３ｂを薄くできる）、オーバーハング部２２ｄの長さを短くできる。結果として、回転振動に伴う端部２２ａの振幅が縮小される。

このように、実施の形態１に係る電動過給機１０１によれば、回転振動に伴う端部２２ａの振幅を縮小することができる。また、シャフト２２の周りにシールカラーやシールリング等を設ける必要がないので、シャフト２２を含む回転体の組み付け精度が向上するとともに、動バランスも向上する。さらに、部品点数が削減されるので、コストも低減可能である。

また、モータ室１８は、開口２８以外の部分において外部から隔絶されているので、圧縮された空気が外部に漏れることがない。したがって、圧縮された空気の漏れ量が低減され、コンプレッサ効率が向上する。

なお、従来の電動過給機では、シールカラーやシールリング等を用いてインペラ室とモータ室との間を隔絶する一方で、モータ室は外部から隔絶しない構成となっているが、このような構成では、シャフトの円滑な回転を保証するため密閉性がある程度犠牲になり、漏れ量が大きくなる。したがって、本実施形態の電動過給機１０１は、従来の構成と比較しても、圧縮された空気の漏れ量を低減するということができる。

また、モータ室１８を、少なくとも開口２８以外の部分において外部から隔絶するという構成は、たとえば外部からモータ室１８への潤滑剤（オイル等）の供給が困難となる可能性があるため、当業者が容易に想到し得ないものである。この点について、本実施形態では、第一軸受２３及び第二軸受２４をグリス封入式の軸受とすることにより、潤滑剤の供給を不要とし、潤滑剤の供給に関する問題を解決している。ただし、モータ室１８をシールしつつ軸受の潤滑が十分に維持できる場合等には、グリス封入式でない軸受を用いる構成としてもよい。

本実施形態では、開口２８には、インペラ室１５とモータ室１８との間を隔絶するためのいかなるシール構造も設けられない。変形例として、開口２８において、空気の流通を抑制すること以外の目的のためのシール構造を設けてもよい。また、インペラ室１５とモータ室１８との間において、空気の流通が可能な程度に維持されるものであれば、空気の流通をある程度抑制する構造等を設けてもよい。

実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１の電動過給機１０１を備える過給システムに係るものである。
図２に、実施の形態２に係る過給システム２００の構成概略を示す。過給システム２００は、いわゆる２ステージターボの構成を有し、吸気を２段階で圧縮し過給する。

過給システム２００は、内燃機関１０３の吸気を過給する。このために、過給システム２００は、実施の形態１に係る電動過給機（第一過給機）１０１と、第二過給機１０２とを備える。第一過給機１０１は低圧側の過給機であり、所定の第一圧力Ｐ１（たとえば大気圧）の空気を、第一圧力Ｐ１より高い所定の第二圧力Ｐ２に圧縮して第二過給機１０２に供給する。

なお、図２は概略を示すものであり、インタークーラーや、逆止弁を含む切り替え構造等については省略しているが、これらを適宜設けてもよい。

第二過給機１０２は高圧側の過給機であり、本実施形態では内燃機関１０３の排気圧を利用して吸気を過給する。第二過給機１０２は、第一過給機１０１の下流に設けられ、第一過給機１０１から供給される第二圧力Ｐ２の空気を、第二圧力Ｐ２より高い所定の第三圧力Ｐ３に圧縮して内燃機関１０３に供給する。

ここで図１を参照すると、第一過給機１０１では動作に伴って内部に熱が発生し、モータ室１８内の温度が上昇する。一方で、開口２８を介して、吐出圧（第二圧力Ｐ２）の圧縮空気がモータ室１８に流入するので、モータ室１８の室内温度は圧縮空気の温度に応じて変動する。したがって、圧縮空気の温度が所定の閾値温度未満となるように、第一過給機１０１の過給率を設定しておけば、モータ室１８内の温度がこの閾値温度以上となった場合には、圧縮空気によってモータ室１８内を冷却することができる。

たとえば、第二圧力Ｐ２の圧縮空気の温度が７０℃またはこれ未満となるように第一過給機１０１を設計することができ、この場合にはモータ室１８内において有意の冷却効果を得ることができる。とくに、図１に示すように第一軸受２３はモータ室１８内において開口２８に近い位置に配置されるので、第一軸受２３に対して大きな冷却効果を得ることができる。

なお、上述のように第一過給機１０１の下流には第二過給機１０２が設けられるので、第二圧力Ｐ２が比較的低い圧力であっても、内燃機関１０３に対しては十分に過給された第三圧力Ｐ３の圧縮空気を供給することが可能である。

このように、実施の形態２に係る過給システム２００によれば、第一過給機１０１において、開口２８を介して第一軸受２３を効率的に冷却することができる。また、実施の形態１と同様に、第一過給機１０１において、回転振動に伴う端部２２ａの振幅を縮小することができる。

なお、図２では第二過給機１０２は電動過給機ではないが、冷却が適切に行える場合には、第二過給機１０２も第一過給機１０１のような電動過給機としてもよい。また、冷却が適切に行える場合において、第二過給機すなわち高圧側の過給機が電動過給機である場合には、第一過給機すなわち低圧側の過給機を電動式以外のもの（たとえば実施の形態２の第二過給機１０２のように排気圧を利用するもの）としてもよい。

１５ インペラ室、１８ モータ室、２２ シャフト（回転軸）、２３ 第一軸受（軸受）、２４ 第二軸受（軸受）、２８ 開口、３０ 電動モータ（モータ）、４０ インペラ、５０，５１，５２ Ｏリング（シール構造）、１０１ 電動過給機（第一過給機）、１０２ 第二過給機、２００ 過給システム。

Claims (4)

1. 回転することにより流体を過給するインペラと、
   前記インペラを収容するインペラ室と、
   前記インペラを回転駆動するモータと、
   前記モータを収容するモータ室と、
   前記インペラ室と前記モータ室との間に設けられ、前記流体が流通可能な開口と、
   前記開口以外の部分において、前記モータ室を外部から隔絶するシール構造と
   を備える、電動過給機。
2. 前記電動過給機は、回転軸と、前記回転軸を回転可能に支持する軸受とをさらに備え、前記軸受はグリス封入式の軸受である、請求項１に記載の電動過給機。
3. 前記開口には、前記インペラ室と前記モータ室との間を隔絶するためのシール構造は設けられない、請求項１または２に記載の電動過給機。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の電動過給機である、第一過給機と、
   前記第一過給機の下流に設けられる、第二過給機と
   を備える、過給システム。

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