JP2016176454A - 電動式過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】過給機において、回転体の質量増加を抑えつつ、かつ、現状の仕様を大幅に変更することなく、回転体の剛性を高めて軸共振の周波数を高める。
【解決手段】過給機１によれば、シャフト４の一端側の部分を他の部分よりも小径にして一端側小径部４ａにすることで段１８を設けるとともに、孔７内に設けた突き当て部１９に段１８を突き当てることで、シャフト４に対する回転翼３の軸方向の位置を決める。さらに、シャフト４の内、孔７の開口２０よりも軸方向の一端側の部分の質量と回転翼３の質量との合計に対する重心Ｇよりも、段１８および突き当て部１９の位置を、軸方向の一端側に設定する。これにより、孔７内に、他端側大径部４ｂを入り込ませて、回転翼３を他端側大径部４ｂで支持することができるので、回転体１６の剛性を高めて軸共振の周波数を高めることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動式過給機（以下、略して過給機と呼ぶことがある。）に関する。

従来から、内燃機関に吸入される吸入空気を、電動機が発生するトルクを利用して圧縮する電動式過給機が周知となっている（例えば、特許文献１、２参照。）。
この過給機は、例えば、以下のような回転翼、シャフトおよびベアリングを備える。すなわち、回転翼は、回転による遠心力を利用して吸入空気を圧縮する部分である。また、シャフトは、電動機が発生するトルクにより回転駆動される部分であり、回転翼に設けた孔に一端が挿入されて回転翼とネジ締結等され、電動機のトルクを回転翼に伝達して回転翼を回転させる。また、ベアリングは、シャフトを回転自在に支持するものであり、回転翼およびシャフトを含む回転体を支えている。

そして、シャフトの内、孔から軸方向の他端側に突き出た部分にベアリングによる支持位置を設定する。また、シャフトの内、ベアリングによる支持位置よりも軸方向の一端側の部分を小径にすることで段を設け、この段を利用してシャフトに対する回転翼の軸方向の位置を決める。すなわち、段に回転翼の他端を突き当てたり、段と回転翼の他端との間にカラーを配置するとともにカラーの他端を段に突き当て、さらに回転翼の他端をカラーの一端に突き当てたりすることで回転翼の位置を決めている。

ところで、電動式過給機では、回転体の内、ベアリングよりも軸方向一端側の部分の剛性を高めて軸共振の周波数を高める要求がある。
しかし、この部分の剛性を上げるために単純にシャフトの径を大きくすると、同時に質量も大きくなってしまい、電動機において、回転翼の回転加速度を同じ値まで引き上げるのに要する消費電力が大きくなってしまう。また、回転体の質量を大きくするには、電動機およびその他の機器における各種の仕様を大幅に変更する必要があり、現状品からの改造も容易ではない。

そこで、回転体の質量増加を抑えつつ、かつ、現状の仕様を大幅に変更することなく、回転体の剛性を高めて軸共振の周波数を高めることができる構造が求められている。

特許第４０４３９４７号公報 特許第５４３３６４３号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、電動機が発生するトルクを利用して回転翼を回転させることで吸入空気を圧縮する電動式過給機において、回転体の質量をさほど大きくすることなく、かつ、現状の仕様を大幅に変更することなく、回転体の剛性を高めて軸共振の周波数を高めることにある。

本願の第１発明によれば、電動式過給機（過給機）は、以下の回転翼、シャフト、ベアリングを備える。
まず、回転翼は、内燃機関に吸入される吸入空気を圧縮するものであり、シャフトは、電動機が発生するトルクにより回転駆動され、回転翼に設けた孔に軸方向一端側の部分が挿入されて回転翼と締結される。また、ベアリングは、シャフトを回転自在に支持する。そして、回転翼をベアリングの軸方向一端側でシャフトに取り付ける。

また、シャフトの内、孔に挿入される部分の中で、更に軸方向一端側の部分を他の部分よりも小径にすることで段を設けるとともに、孔内に設けた突き当て部に段を突き当てることで、シャフトに対する回転翼の軸方向の位置を決める。さらに、シャフトの内、孔の開口よりも軸方向の一端側の部分の質量と回転翼の質量との合計に対する重心（以下、翼部重心と呼ぶことがある。）よりも、段および突き当て部の位置を、軸方向の一端側に設定する。

これにより、孔内に、段よりも軸方向他端側の部分（つまり、大径の部分）を入り込ませることができるので、回転翼をシャフトの太い部分で支持することができる。このため、回転体の内、回転翼近傍の剛性を局所的に高めることができるので、電動式過給機において、回転体の質量増加を抑えつつ、かつ、現状の仕様を大幅に変更することなく、回転体の剛性を高めて軸共振の周波数を高めることができる。

本願の第２発明によれば、回転翼は、孔が設けられるボディを有し、回転翼の羽根は、ボディの軸方向の一端側の表面に複数設けられている。また、羽根が設けられる表面は軸方向他端側ほど径が大きくなるテーパ状であり、吸入空気は、軸方向他端側に向って流れて回転翼に到達した後、羽根同士の隙間を径方向外側、かつ軸方向他端側に向って流れる。そして、羽根の内、羽根同士の隙間に形成される流れの上流端となる部分はボディの軸方向一端よりも軸方向の一端側に存在する。

これにより、羽根同士の隙間の流路（つまり、吸入空気に遠心力を与えて圧縮するための流路）の長さを確保しつつ、回転翼を扁平に設けることができる。このため、翼部重心を、より一層、ベアリングによる支持位置に近づけることができるので、更に、軸共振の周波数を高めることができる。

本願の第３発明によれば、段を突き当て部に突き当てたときにシャフトの一端が孔から軸方向の一端側に突き出るように設定するとともに、シャフトの内、孔から軸方向の一端側に突き出る部分にネジを設ける。そして、ネジにナットを螺合させ、回転翼の一部をナットと段とにより挟むことで、シャフトと回転翼とを締結する。
これにより、シャフトと回転翼とをバランス取りした後、軽量なナットにより、締結することができる。このため、締結後のバランスの低下を抑制することができる。

本願の第４発明によれば、ナットは袋ナットである。
これにより、例えば、吸入空気に排気ガスを還流する場合のように、吸入空気が腐食性を有する場合に、シャフトの腐食を抑制することができる。すなわち、シャフトの素材は、高精度に仕上げる必要性から耐食性よりも加工性を優先して選択される。そこで、袋ナットを耐食性に優れる素材で設けて、シャフトの一端を袋ナットで封止する。このため、シャフトの素材を耐食性よりも加工性を優先して選択しても、袋ナットによってシャフトの腐食を抑制することができる。

電動式過給機の全体を示す断面図である（実施例１）。 電動式過給機の要部を示す部分断面図である（実施例１）。 電動式過給機の要部を示す部分断面図である（実施例２）。

実施形態の電動式過給機を、以下の実施例に基づき説明する。なお、実施例は具体例を開示するものであり、本願発明が実施例に限定されないことは言うまでもない。

〔実施例１の構成〕
実施例１の電動式過給機（以下、過給機１と呼ぶ。）の構成を、図１および図２を用いて説明する。
過給機１は、内燃機関に吸入される吸入空気を、電動機２が発生するトルクを利用して圧縮するものであり、以下の回転翼３、シャフト４、ベアリング５を備える。

回転翼３は、回転による遠心力を利用して吸入空気を圧縮するものである。また、回転翼３は、シャフト４との締結に利用される孔７が設けられるボディ８を有し、回転翼３の羽根９は、ボディ８の軸方向の一端側の表面に複数設けられている。また、羽根９が設けられる表面は軸方向他端側ほど径が大きくなるテーパ状であり、吸入空気は、軸方向他端側に向って流れて回転翼３に到達した後、羽根９同士の隙間を径方向外側、かつ軸方向他端側に向って流れる。これにより、吸入空気は、羽根９同士の隙間を通過する間に、遠心力を与えられて圧縮される。
なお、回転翼３は、ハウジング１０に回転可能に収容されており、吸入空気は、軸方向他端側に向かうようにハウジング１０に吸引された後、羽根９同士の隙間において圧縮され、ハウジング１０から流出する。

シャフト４は、電動機２が発生するトルクにより回転駆動されるものであり、孔７に軸方向一端側の部分が挿入されて回転翼３と締結され、電動機２のトルクを回転翼３に伝達して回転翼３を回転させる。ここで、電動機２は、例えば、インバータにより通電制御されるコイル１２を具備するステータ１３と、永久磁石１４を具備するロータ１５とを有する周知の３相交流モータであり、シャフト４は、永久磁石１４が装着されてロータ１５を構成するとともに、電動機２の出力軸をなす。そして、シャフト４は、回転翼３や永久磁石１４等とともに過給機１における回転体１６を形成し、回転体１６の質量および剛性が決まるとともに、軸共振の周波数が決まる。

また、シャフト４では、孔７に挿入される部分の中で、更に軸方向一端側の部分を他の部分よりも小径にすることで段１８を設けるとともに、孔７内に設けた突き当て部１９に段１８を突き当てることで、シャフト４に対する回転翼３の軸方向の位置を決める。ここで、シャフト４は、円柱の棒体として設けられており、段１８は、軸方向一端側からシャフト４を視ると円環として視える。すなわち、シャフト４では、段１８よりも軸方向一端側の小径の部分（以下、一端側小径部４ａと呼ぶことがある。）と、段１８よりも軸方向他端側の大径の部分（以下、他端側大径部４ｂと呼ぶことがある。）とは同軸であり、両方とも円柱である。なお、軸方向一端側から視た段１８の形状は、必ずしも円環にする必要はなく、様々な形状に設けることができる。

また、孔７は、ボディ８において回転翼３の軸と同軸に設けられており、突き当て部１９は、段１８と同じ形状である。さらに、孔７において、突き当て部１９よりも軸方向一端側の小径の部分（以下、一端側小径孔７ａと呼ぶことがある。）と、段１８よりも軸方向他端側の大径の部分（以下、他端側大径孔７ｂと呼ぶことがある。）とは同軸であり、両方とも円筒である。

さらに、シャフト４の内、孔７の軸方向他端側の開口２０よりも軸方向の一端側の部分（つまり、他端側大径部４ｂの内、孔７の軸方向他端側の開口２０よりも軸方向の一端側の部分、および、一端側小径部４ａ）の質量と、回転翼３の質量との合計に対する重心（翼部重心）Ｇよりも、段１８および突き当て部１９の位置は、軸方向の一端側に設定されている。

また、孔７は軸方向一端側でも開口しており、一端側小径部４ａは、段１８を突き当て部１９に突き当てたときに孔７から軸方向の一端側に突き出る。また、一端側小径部４ａの外周にはネジが設けられており、ネジの部分が孔７から軸方向の一端側に突き出ている。そして、ネジにナット２１を螺合させ、ボディ８の内の一端側小径孔７ａを形成する部分をナット２１と段１８とにより挟むことで、シャフト４と回転翼３とを締結する。

また、ナット２１は袋ナットであり、ナット２１の外側表面は、ハウジング１０に吸引されて軸方向他端側に向かう吸入空気の流れに対して流線形をなす。なお、ナット２１は、例えば、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４またはＳＵＳ４３０のように耐食性に優れる素材を用いて設けられている。

ベアリング５は、シャフト４を回転自在に支持するものであり、回転体１６を支えている。そして、回転翼３は、ベアリング５の軸方向一端側でシャフト４に取り付けられている。
なお、ベアリング５は、例えば、ハウジング１０に装着されるボール軸受である。また、シャフト４の内、永久磁石１４が装着された部分の軸方向他端側にも、ボール軸受からなるベアリング２２が装着されており、シャフト４は２つのベアリング５、２２により軸方向に関して２位置で支持されている。

〔実施例１の効果〕
実施例１の過給機１によれば、シャフト４の軸方向一端側の部分を他の部分よりも小径にして一端側小径部４ａにすることで段１８を設けるとともに、孔７内に設けた突き当て部１９に段１８を突き当てることで、シャフト４に対する回転翼３の軸方向の位置を決める。さらに、シャフト４の内、孔７の開口２０よりも軸方向の一端側の部分の質量（つまり、他端側大径部４ｂの内、開口２０よりも軸方向の一端側の部分、および、一端側小径部４ａの合計質量）と回転翼３の質量との合計に対する重心（翼部重心）Ｇよりも、段１８および突き当て部１９の位置を、軸方向の一端側に設定する。

これにより、孔７内に、他端側大径部４ｂを入り込ませて、回転翼３を他端側大径部４ｂで支持することができる。このため、回転体１６の内、回転翼３近傍の剛性を局所的に高めることができるので、過給機１において、回転体１６の質量増加を抑えつつ、かつ、現状の仕様を大幅に変更することなく、回転体１６の剛性を高めて軸共振の周波数を高めることができる。

また、一端側小径部４ａにネジを設け、一端側小径部４ａの内、孔７から軸方向の一端側に突き出た部分にナット２１を螺合させ、回転翼３の一部をナット２１と段１８とにより挟むことで、シャフト４と回転翼３とを締結する。
これにより、シャフト４と回転翼３とをバランス取りした後、軽量なナット２１により、締結することができる。このため、締結後のバランスの低下を抑制することができる。

さらに、ナット２１は袋ナットである。
これにより、例えば、吸入空気に排気ガスを還流する場合のように、吸入空気が腐食性を有する場合に、シャフト４の腐食を抑制することができる。すなわち、シャフト４の素材は、高精度に仕上げる必要性から耐食性よりも加工性を優先して選択される。そこで、ナット２１を袋ナットにして耐食性に優れる素材で設け、シャフト４の一端を袋ナットで封止する。このため、シャフト４の素材を耐食性よりも加工性を優先して選択しても、シャフト４の腐食を抑制することができる。

〔実施例２〕
実施例２の過給機１によれば、図３に示すように、羽根９の軸方向一端に位置する尖り端９ａは、ナット２１の締結座面８ａよりも軸方向一端側に存在する。ここで、尖り端９ａは、羽根９の内、羽根９同士の隙間に形成される流れの上流端となる部分であり、締結座面８ａはボディ８の軸方向一端をなす。
これにより、羽根９同士の隙間の流路（つまり、吸入空気に遠心力を与えて圧縮するための流路）の長さを確保しつつ、回転翼３を扁平に設けることができる。このため、翼部重心Ｇを、より一層、ベアリング５による支持位置に近づけることができるので、更に、軸共振の周波数を高めることができる。

〔変形例〕
過給機１の態様は実施例に限定されず、種々の変形例を考えることができる。例えば、実施例の過給機１によれば、ナット２１は、袋ナットであったが、例えば、ナット２１として六角ナットを採用してもよい。

また、実施例の過給機１によれば、一端側小径部４ａにネジを設け、このネジにナット２１を螺合させて、回転翼３の一部をナット２１と段１８とにより挟むことで、シャフト４と回転翼３とを締結していたが、シャフト４と回転翼３との締結構造は、この態様に限定されない。例えば、一端側小径孔７ａの内周にネジを設け、このネジにボルトの軸部を螺合させて、回転翼３の一部をボルトの頭部と段１８とにより挟むことで、シャフト４と回転翼３とを締結してもよい。

１ 過給機（電動式過給機） ２ 電動機 ３ 回転翼 ４ シャフト ５ ベアリング ７ 孔 １８ 段 １９ 突き当て部 ２０ 開口 Ｇ 翼部重心（重心）

Claims (4)

1. 内燃機関に吸入される吸入空気を圧縮する回転翼（３）と、
   電動機（２）が発生するトルクにより回転駆動され、前記回転翼（３）に設けた孔（７）に軸方向一端側の部分が挿入されて前記回転翼（３）と締結されるシャフト（４）と、
   このシャフト（４）を回転自在に支持するベアリング（５）とを備え、
   前記回転翼（３）を前記ベアリング（５）の軸方向一端側で前記シャフト（４）に取り付けた電動式過給機（１）において、
   前記シャフト（４）の内、前記孔（７）に挿入される部分の中で、更に軸方向一端側の部分を他の部分よりも小径にすることで段（１８）を設けるとともに、前記孔（７）内に設けた突き当て部（１９）に前記段（１８）を突き当てることで、前記シャフト（４）に対する前記回転翼（３）の軸方向の位置を決め、
   前記シャフト（４）の内、前記孔（７）の開口（２０）よりも軸方向の一端側の部分の質量と前記回転翼（３）の質量との合計に対する重心（Ｇ）よりも、前記段（１８）および前記突き当て部（１９）の位置を、軸方向の一端側に設定したことを特徴とする電動式過給機（１）。
2. 請求項１に記載の電動式過給機（１）において、
   前記回転翼（３）は、前記孔（７）が設けられるボディ（８）を有し、
   前記回転翼（３）の羽根（９）は、前記ボディ（８）の軸方向の一端側の表面に複数設けられ、
   前記羽根（９）が設けられる表面は軸方向他端側ほど径が大きくなるテーパ状であり、吸入空気は、軸方向他端側に向って流れて前記回転翼（３）に到達した後、前記羽根（９）同士の隙間を径方向外側、かつ軸方向他端側に向って流れ、
   前記羽根（９）の内、前記羽根（９）同士の隙間に形成される流れの上流端となる部分（９ａ）は前記ボディ（８）の軸方向一端よりも軸方向の一端側に存在することを特徴とする電動式過給機（１）。
3. 請求項１または請求項２に記載の電動式過給機（１）において、
   前記段（１８）を前記突き当て部（１９）に突き当てたときに前記シャフト（４）の一端が前記孔（７）から軸方向の一端側に突き出るように設定するとともに、前記シャフト（４）の内、前記孔（７）から軸方向の一端側に突き出る部分にネジを設け、
   このネジにナット（２１）を螺合させ、前記回転翼（３）の一部を前記ナット（２１）と前記段（１８）とにより挟むことで、前記シャフト（４）と前記回転翼（３）とを締結することを特徴とする電動式過給機（１）。
4. 請求項３に記載の電動式過給機（１）において、
   前記ナット（２１）は袋ナットであることを特徴とする電動式過給機（１）。

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