JP2016520282A - ターボチャージャ用高速スイッチリラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

スイッチドリラクタンスモータ１６０のための回転子アセンブリ１６４が提供され、非金属の非伝導性ピン５が磁性薄板プレート３の積層体２を貫通する。【選択図】図１

Description

本出願は、２０１３年５月２２日に「Ａ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｓｗｉｔｃｈ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒ Ｏｎ Ａ Ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ」という名称で出願された米国仮出願第６１／８２６，１９３号に対する優先権及びその全ての利益を主張し、当該仮出願は本出願に参照として組み込まれている。

本発明は内燃機関用ハイブリッドターボチャージャに関する。より具体的には、本発明はハイブリッドターボチャージャに用いられる高速スイッチリラクタンスモータに関する。

ターボチャージャは、内燃機関に用いられる一種の強制誘導システムである。ターボチャージャは圧縮空気をエンジン吸入口に伝達してより多くの燃料が燃焼できるようにし、よってエンジン重量を大きく増加させることなくエンジンの出力を増大させることができる。従って、ターボチャージャは、通常吸気されるより大きなエンジンと同じ量の動力を発生させるより小さなエンジンの使用を可能にする。より小さなエンジンを車両に用いることにより、車両の質量を減少させ、性能を増加させ、かつ燃費を向上させるという望ましい効果が得られる。さらに、ターボチャージャの使用はエンジンに伝達される燃料のより完全な燃焼を可能にするが、これは排出の低減という非常に望ましい目標に寄与する。

従来のターボチャージャは、エンジンの排気マニホールドに連結されるタービンハウジング、エンジンの吸気マニホールドに連結される圧縮機ハウジング、及びタービンハウジングと圧縮機ハウジングとを互いに連結するセンターベアリングハウジングを含む。タービンハウジング内のタービンホイールは、排気マニホールドから供給される排気ガスの流入により回転可能に駆動される。センターベアリングハウジング内で回転可能に支持される軸は、タービンホイールを圧縮機ハウジング内の圧縮機インペラに連結し、それによりタービンホイールの回転によって圧縮機インペラが回転する。圧縮機インペラが回転することにより、前記圧縮機インペラはエンジンの吸気マニホールドを通じてエンジンのシリンダに伝達される空気の質量流量、気流密度及び空気圧を増加させるようになる。

タービンホイールが軸によって圧縮機ホイールに連結されているターボチャージャは、回転子アセンブリの回転慣性を克服し、その後所望の量の空気を吸気マニホールドに提供するのに要する高い回転速度に到逹するために必要な排気エネルギーが存在するようになるまで性能遅延を有する傾向がある。この性能遅延はターボラグとして知られている。ターボラグの問題に対する一解決方法は、圧縮機ホイールを電気モータに連結して、タービン／圧縮機に動力を供給するのに必要な排気エネルギーが存在するようになるまで圧縮機段を駆動させることである。

スイッチドリラクタンスモータは圧縮機の駆動に用いることができる。スイッチドリラクタンスモータ（ＳＲＭ）は、回転子ではなく固定子にある巻線に電力が伝達される一種のモータである。電流は回転子を固定子極と整列されるように引き寄せる磁場を生成する。電流を固定子の一組の極から次の組の極に切り替えることにより、磁場は常に回転子の前にあるようになり、回転子は前に引き寄せられて回転することになる。電流はモータの固定子部にある極を取り囲む巻線に伝達される。モータの回転子部は巻線を有していないが、その代り一般的に極の形態になっている軟磁性材料のコア（典型的には、薄板軟鋼突出部）を有する。

ある様態において、スイッチドリラクタンスモータの回転子アセンブリは、軸；前記軸上に装着される磁性薄板プレートの積層体；前記積層体の一端部で軸上に装着される第１カラー；前記積層体の反対側の端部で軸上に装着される第２カラー；及び前記第１カラーと第２カラーを通じて積層体の回転力を軸に伝達するように構成されている非伝導性の非金属ピンを含む。

回転子アセンブリは次の特徴的事項のうちの一つ以上を含むことができる。前記ピンは、該ピンのそれぞれの端部が前記第１カラーと第２カラーのそれぞれに連結されるように前記磁性薄板プレートの積層体を通って延びており、前記ピンは軸に平行であり、前記第１カラーは磁性薄板プレートの積層体と接触しておらず、前記第２カラーは磁性薄板プレートの積層体と接触している。前記アセンブリは前記第１カラーと磁性薄板プレートの積層体との間に配置されるスプリングワッシャをさらに含む。前記アセンブリは２つないし４つのピンを含む。前記ピンは、ポリエーテルケトン、ポリイミド樹脂、及びフェノール樹脂からなる群より選ばれる材料で形成される。前記ピンは軸の回転軸線に対して対称に配置される。前記第１カラーと第２カラーとが軸に対して固定されている。ピンのそれぞれの端部は、第１カラーと第２カラーのそれぞれにある開口内にきつく嵌合される。

ある様態において、排気ガスターボチャージャは、圧縮機ホイールを含む圧縮機部；タービンホイールを含むタービン部；前記圧縮機ホイールをタービンホイールに連結する軸を支持するベアリングハウジング；及び前記ベアリングハウジング内に配置されるスイッチドリラクタンスモータを含む。前記モータは回転子アセンブリを含み、該回転子アセンブリは、前記軸上に装着される磁性薄板プレートの積層体；前記積層体の一端部で軸上に装着される第１カラー；前記積層体の反対側の端部で軸上に装着される第２カラー；及び前記第１カラーと第２カラーを通じて積層体の回転力を軸に伝達するように構成されている非伝導性の非金属ピンを含む。

前記ターボチャージャは次のような特徴的事項のうちの一つ以上を含むことができる。前記ピンは、該ピンのそれぞれの端部が前記第１カラーと第２カラーのそれぞれに連結されるように前記磁性薄板プレートの積層体を通って延びており、前記ピンは軸に平行であり、前記第１カラーは磁性薄板プレートの積層体と接触しておらず、前記第２カラーは磁性薄板プレートの積層体と接触している。前記ターボチャージャは前記第１カラーと磁性薄板プレートの積層体との間に配置されるスプリングワッシャをさらに含む。前記ピンは軸の回転軸線に対して対称に配置される。前記第１カラーと第２カラーとが軸に対して固定されている。前記ピンは、ポリエーテルケトン、ポリイミド樹脂、及びフェノール樹脂からなる群より選ばれる材料で形成される。前記ピンのそれぞれの端部は、第１カラーと第２カラーのそれぞれにある開口内にきつく嵌合される。

ターボチャージャは、ターボラグに対処するためにスイッチドリラクタンスモータを含む。要求される高速（例えば、１００，０００ｒｐｍ）及びターボチャージャ用として設計されたスイッチドリラクタンスモータで用いられる低強度電気用鋼のために、回転子をターボチャージャの軸上に保持し、かつ回転子を所望の配向に保持することは非常に難しい。このような懸念に対処するため、ターボチャージャはスイッチドリラクタンスモータを含む。該モータは、軸上に装着される磁性薄板要素を有する回転子アセンブリを含み、該磁性薄板要素は非金属の非伝導性ピンによって所定の位置に保持される。また、ピンは薄板要素の運動を軸に伝達する。軸の両側にピンを配置することにより、モータトルクが軸に伝達され、軸に対する薄板要素の配向が固定され、回転子アセンブリの均衡は最小限の影響を受けるようになり、そして薄板要素の組はターボチャージャの作動中に、必要に応じて軸方向に自由に大きくなることができる。また、回転子アセンブリをターボチャージャの内に設置する前に前記回転子アセンブリの均衡をとることができる。

添付の図面と共に以下の詳細な説明を参照して本発明をより良く理解することにより、本発明の利点が容易に分かるであろう。
図１はタービン部と圧縮機部との間で軸上に配置されているスイッチドリラクタンスモータを含むターボチャージャの側断面図である。 図２はターボチャージャから分離されているモータ回転子アセンブリの側断面図である。 図３は２つの非金属の非伝導性ピン及びターボチャージャの軸を有するモータ回転子アセンブリの側断面図である。 図４は２つの非金属の非伝導性ピンを示すモータ回転子アセンブリの端部図を示す。

図１を参照すると、排気ガスターボチャージャ１００は、タービン部１０２、圧縮機部１２０、及び圧縮機部１２０とタービン部１０２との間に配置されて圧縮機部をタービン部に連結するセンターベアリングハウジング１４０を含む。タービン部１０２はタービンハウジング（図示せず）を含み、該タービンハウジングは、排気ガス入口、排気ガス出口、及び前記排気ガス入口と排気ガス出口との間で流体経路に配置されるタービンボリュートを有する。タービンホイール１１２がタービンボリュートと排気ガス出口との間で前記タービンハウジング内に配置されている。

圧縮機部１２０は圧縮機ハウジング（図示せず）を含み、該圧縮機ハウジングは、空気入口、空気出口、及び圧縮機ボリュートを有する。圧縮機ホイール１３０が前記空気入口と圧縮機ボリュートとの間で前記圧縮機ハウジング内に配置されている。

軸１４２がタービンホイール１１２を圧縮機ホイール１３０に連結する。前記軸１４２は、軸方向に互いに離れている一対のジャーナルベアリング１４６、１４８を通じてベアリングハウジング１４０内にあるボア１４４の内部で回転軸線Ｒの周りを回転するように支持される。例えば、圧縮機側ジャーナルベアリング１４６は、圧縮機部１２０に隣接して軸１４２を支持し、タービン側ジャーナルベアリング１４８は、タービン部１０２に隣接して軸１４２を支持する。圧縮機側ジャーナルベアリング１４６とタービン側ジャーナルベアリング１４８との間の軸方向間隔は、これらベアリングの間に配置されるスイッチドリラクタンスモータ１６０によって維持される。さらに、軸１４２に対する軸方向支持を提供するためにスラストベアリングアセンブリ１５０がベアリングハウジング１４０内に配置されている。

使用の際、タービンハウジング内のタービンホイール１１２はエンジン（図示せず）の排気マニホールドから供給される排気ガスの流入によって回転可能に駆動される。軸１４２はベアリングハウジング１４０内で回転可能に支持され、かつタービンホイール１１２を圧縮機ハウジング内の圧縮機ホイール１３０に連結するので、タービンホイール１１２の回転によって圧縮機ホイール１３０が回転される。圧縮機ホイール１３０が回転することにより、前記圧縮機ホイールは、圧縮機空気出口１２６からの流出を通じてエンジンのシリンダに伝達される空気の質量流量、気流密度及び空気圧を増加させるようになり、前記圧縮機空気出口はエンジンの吸気マニホールドに連結されている。

前記ターボチャージャは、車両の起動中に及び／又は低いエンジン速度でターボラグに対処するためにスイッチドリラクタンスモータ１６０を含む。該モータ１６０は、巻回されたフィールドコイルで形成された固定子１６２、及び固定子１６２の内部に配置されて該固定子に対して回転するように構成された回転子アセンブリ１６４を含む。回転子アセンブリ１６４は、各ジャーナルベアリング１４６、１４８間で軸１４２上で回転可能に支持され、かつ以下においてさらに説明するように、モータトルクを軸１４２に伝達するように構成されている。

図２〜４を参照すると、回転子アセンブリ１６４は薄板磁性プレート３の積層体２を含む。例えば、プレート３は鋼で形成されても良い。個々の薄板プレート３は電気的絶縁を提供する結合剤によって結合される。積層体２の形状は個々の磁性薄板要素（例えば、プレート３）の形状によって定められる。プレート３はモータ極１を形成する外向突出部を含む略円形の周縁形状を有する。例えば、４つの極１を有する回転子アセンブリ１６４は、４つの突出部を有する磁性薄板プレート３を積層して形成される。２つないし８つの極１がスイッチドリラクタンスモータでの使用に適切であることが明らかになった。示されている実施形態は４つの極１を含むが（図４）、回転子アセンブリ１６４は４つの極を有するものに限定されない。

それぞれの磁性薄板プレート３は中心開口１４を含み、プレート３は、プレート３が共に積層されると、それぞれの中心開口１４が軸方向に整列されて、積層体２を貫通する中空の管形中心通路４を形成するように配置される。

また、それぞれの磁性薄板プレート３は、ピン５を収容可能な大きさでなる２つ以上の非中心孔１６を有し、プレート３は、磁性薄板金属要素が共に積層されると前記非中心孔１６が軸方向に整列されて、積層体２を貫通する中空の管形ピン通路１８を形成するように配置される。ピン通路１８を形成する各プレート３にある孔１６の数は偶数であっても奇数であっても良く、回転子アセンブリ１６４にある極１の数よりも少なくても多くても良い。２つないし８つの孔が効果的であることが明らかになった。孔１６は回転軸線Ｒに対して対称になるようにプレート３の周囲に配置されても良いが、このような配置に限定されない。さらに、孔１６は極１と整列されても良いが（例えば、半径方向の軸線上で）、必ずしも極１と整列する必要はない。例えば、４極の回転子アセンブリ１６４は対称に配置される２つ又は３つの孔１６を有することができる。

回転子アセンブリ１６４は非金属の非伝導性ピン５を含む。ピン５は積層された磁性薄板プレート３によって形成される各ピン通路１８内に配置され、該ピン通路を通って延びている。それぞれのピン５は薄板プレート３の積層体２の軸方向長さよりも大きな軸方向長さを有し、その結果ピン５の対向する端部５ａ、５ｂが積層体２の各端部から突出するようになる。

回転子アセンブリ１６４は軸１４２上に配置される一対のカラー６、８をさらに含む。磁性薄板プレート３は該一対のカラー６、８によって非金属の非伝導性ピン５上に保持される。特に、第１カラー６は積層体２の第１端部２ａに配置され、第２カラー８は積層体２の第２反対側の端部２ｂに配置される。各カラー６、８が磁性薄板プレート３の全体断面領域を覆うことが好ましい。しかし、カラー６、８は磁性薄板プレート３の正確な形状を有する必要はない。例えば、円形のカラーが４つの突出部を有する磁性薄板プレート３を覆っても良い。

各カラー６、８は対応するピン端部５ａ、５ｂを収容するピン孔９を有するが、該ピン孔はピン端部５ａ、５ｂのためのきつい嵌合を提供し、それによりピン５がカラー６、８に固定される。また、各カラー６、８は軸１４２が貫通する中心開口１１を含む。該中心開口１１の大きさは、カラー６、８が軸１４２にきつく嵌合されるようになっている。従って、プレート３によって発生されたトルクは非金属の非伝導性ピン５を通じてカラー６、８に伝達され、それによりカラー６、８を通じて軸１４２に伝達される。一方のカラー（例えば、カラー８）は磁性薄板プレート３と接触している。他方のカラー（例えば、カラー６）は磁性薄板プレート３の積層体２から少し離れている。選択的に、スプリングワッシャ７がカラー６と磁性薄板プレート３の積層体２との間に装着される。スプリングワッシャ７は、モータ１６０が低温のときに磁性薄板プレート３の積層体２に対する圧力を保持する。モータ１６０の温度が高くなるにつれ、スプリングワッシャ７は積層体２に対する適切な圧力を保持しながら、磁性薄板プレート３の積層体２が膨脹できるようにする。

図２及び３は２つの非金属の非伝導性ピン５を有する回転子アセンブリ１６４の長手方向断面を示す。回転子アセンブリ１６４は、磁性薄板プレート３の積層体２（該積層体２は中心通路４を有し、ターボチャージャの軸１４２が該中心通路を通って延びていても良い）、２つの非金属の非伝導性ピン５、磁性薄板プレート３の積層体２と接触していない第１カラー６、該カラー６と積層体２との間に配置されるスプリングワッシャ７、及び磁性薄板プレート３の積層体２と接触している第２カラーを有する。前記第１カラー６と第２カラー８はいずれも中心孔１１を有する円形リングである。図３で、ターボチャージャの軸１４２は回転子アセンブリ１６４を通って延びている。

図４には、プレート３にある２つの非金属の非伝導性ピン５が示されている。プレート３はプレート中心孔１４を含み、軸１４２がそのプレート中心孔を通って延びていても良い。ピン５は中心孔１４の対向する側で対称に配置され、それによりピン５は回転子アセンブリ１６４の均衡に最小の影響を与えるか又は全く与えない。

回転子アセンブリ１４６に用いられる磁性薄板プレート３は永久に磁化しない強磁性材料で形成される。プレート３の積層体２はこの強磁性特性のため、固定子１６２の巻線に流れる電流によって発生する磁場側に引き寄せられるようになる。様々な種類の強磁性合金が知られており、回転子アセンブリ１６４を製作することに用いることができる。しかし、有効性及びコストの理由により、軟鋼がプレート３を形成するのに有用であることが明らかになった。

回転子アセンブリ１６４にある非金属の非伝導性ピン５の数は、ある程度モータ１６０の大きさに依存する。より大きな動力を有するより大きなモータの場合、各ピン５によって伝達される力を適切なレベルに保持するために非金属の非伝導性ピン５の数はさらに多くても良い。回転子アセンブリ１６４にある非金属の非伝導性ピン５の数は２〜８つであっても良い。回転子アセンブリ１６４にある２〜４つの非金属の非伝導性ピン５が非常に効果的である。非金属の非伝導性ピン５はモータ１６０内部に形成された磁場と干渉しない。非金属の非伝導性ピン５の大きさ（例えば、長さ及び断面寸法）はモータの大きさによって変更できる。より大きな動力を有するより大きなモータの場合、非金属の非伝導性ピン５の大きさ（例えば、断面寸法）は、各ピン５が伝達しなければならないより高いトルクに耐えられるように、さらに大きくても良い。１．５〜３ｍｍの直径を有する非金属の非伝導性ピンが回転子アセンブリ１６４で有用であることが明らかになった。

積層体２にある個々の磁性薄板プレートは必ずしも軸１４２にきつく嵌合される必要はない。このような場合、回転子アセンブリ１６４の要素に加えられる回転力は非金属の非伝導性ピン５を通じてカラー６、８に伝達される。非金属の非伝導性ピン５は回転力を伝達するので、硬質材料で製作されても良い。回転子アセンブリ１６４にある非金属の非伝導性ピン５として用いるのに適した硬質材料には、Ｖｉｃｔｒｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製のＰＥＥＫ ４５０ＦＣ３０等のポリエーテルケトン、Ｅ．Ｉ．ｄｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ ｃｏｍｐａｎｙ製のＶｅｓｐｅｌ^Ｒ等のポリイミド樹脂、及びフェノール樹脂を含む。

カラー６、８は軸１４２及び非金属の非伝導性ピン５にきつく嵌合され、かつ回転力を軸１４２に伝達することができる。一方のカラー８は磁性薄板プレート３の積層体２と直接接触している。他方のカラー６は軸１４２にきつく嵌合されるが、磁性薄板プレート３の積層体２と直接接触していない。選択的に、スプリングワッシャ７が一方のカラー６と磁性薄板プレート３の積層体２との間に配置されても良い。ターボチャージャ１００とモータ１６０の温度が増加するにつれ、磁性薄板プレート３の積層体２が膨脹し得る。モータ１６０が低温のとき、そしてターボチャージャ１００及びモータ１６０の温度が増加するときに前記選択的なスプリングワッシャ７はカラー６、８と磁性薄板プレート３の積層体２との間の接触を保持することができる。また、選択的なスプリングワッシャ７は、磁性薄板プレート３の積層体２が膨脹するときに非金属の非伝導性ピン５に加えられる力によって該非金属の非伝導性ピン５が伸長したり変形したりすることのないように保障する。様々なスプリングワッシャ７が本発明への使用に適合する。例えば、弓形スプリングワッシャ、ベレヴィルワッシャ、ウェーブワッシャ、及びスロットが形成されているディスクワッシャは全て回転子アセンブリ１６４への使用に適合する。スプリングワッシャ７はいくつかの利点を提供するが、このスプリングワッシャは必須ではない。端部のカラー６と回転子薄板プレート３の積層体２との間の間隔が小さい場合、スプリングワッシャ７がなくても動いてしまう可能性はほぼない。

本発明を特定の実施形態に対して図示及び説明したが、当業者であれば以下の請求の範囲に規定されているような本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更及び修正が可能であることを理解するであろう。

Claims (16)

1. スイッチドリラクタンスモータ１６０の回転子アセンブリ１６４であって、
   軸１４２；
   前記軸１４２上に装着される磁性薄板プレート３の積層体２；
   前記積層体２の一端部で軸１４２上に装着される第１カラー６；
   前記積層体２の反対側の端部で軸１４２上に装着される第２カラー８；及び
   前記第１カラー６と第２カラー８を通じて積層体２の回転力を軸１４２に伝達するように構成されている非伝導性の非金属ピン５を含む回転子アセンブリ。
2. 前記ピン５は、該ピン５のそれぞれの端部５ａ、５ｂが前記第１カラー６と第２カラー８のそれぞれに連結されるように前記磁性薄板プレート３の積層体２を通って延びており、
   前記ピン５は軸２に平行であり、
   前記第１カラー６は磁性薄板プレート３の前記積層体２と接触しておらず、前記第２カラー８は磁性薄板プレート３の積層体と接触している請求項１に記載の回転子アセンブリ１６４。
3. 前記第１カラー６と磁性薄板プレート３の積層体との間に配置されるスプリングワッシャ７をさらに含む請求項２に記載の回転子アセンブリ１６４。
4. ２つないし４つのピン５を含む請求項３に記載の回転子アセンブリ１６４。
5. ２つないし４つのピン５を含む請求項２に記載の回転子アセンブリ１６４。
6. 前記ピン５は、ポリエーテルケトン、ポリイミド樹脂、及びフェノール樹脂からなる群より選ばれる材料で形成される請求項１に記載の回転子アセンブリ１６４。
7. 前記ピン５は、ポリエーテルケトン、ポリイミド樹脂、及びフェノール樹脂からなる群より選ばれる材料で形成される請求項２に記載の回転子アセンブリ１６４。
8. 前記ピン５は軸１４２の回転軸線Ｒに対して対称に配置される請求項１に記載の回転子アセンブリ１６４。
9. 前記第１カラー６と第２カラー８とが軸１４２に対して固定されている請求項１に記載の回転子アセンブリ１６４。
10. 前記ピン５のそれぞれの端部５ａ、５ｂは、第１カラー６と第２カラー８のそれぞれにある開口９内にきつく嵌合される請求項２に記載の回転子アセンブリ１６４。
11. 排気ガスターボチャージャ１００であって、
    圧縮機ホイール１３０を含む圧縮機部１２；
    タービンホイール１１２を含むタービン部１０２；
    前記圧縮機ホイール１３０をタービンホイール１１２に連結する軸１４２を支持するベアリングハウジング１４０；及び
    前記ベアリングハウジング１４０内に配置されるスイッチドリラクタンスモータ１６０を含み、
    前記モータ１６０は回転子アセンブリ１６４を含み、
    前記回転子アセンブリは、
    前記軸１４２上に装着される磁性薄板プレート３の積層体２；
    前記積層体２の一端部で軸１４２上に装着される第１カラー６；
    前記積層体２の反対側の端部で軸１４２上に装着される第２カラー８；及び
    前記第１カラー６と第２カラー８を通じて積層体２の回転力を軸１４２に伝達するように構成されている非伝導性の非金属ピン５を含む排気ガスターボチャージャ。
12. 前記ピン５は、該ピン５のそれぞれの端部５ａ、５ｂが前記第１カラー６と第２カラー８のそれぞれに連結されるように前記磁性薄板プレート３の積層体２を通って延びており、
    前記ピン５は軸２に平行であり、
    前記第１カラー６は磁性薄板プレート３の積層体２と接触しておらず、前記第２カラー８は磁性薄板プレート３の積層体と接触している請求項１１に記載の排気ガスターボチャージャ１００。
13. 前記第１カラー６と磁性薄板プレート３の積層体との間に配置されるスプリングワッシャ７をさらに含む請求項１１に記載の排気ガスターボチャージャ１００。
14. 前記ピン５は軸１４２の回転軸線Ｒに対して対称に配置される請求項１１に記載の排気ガスターボチャージャ１００。
15. 前記第１カラー６と第２カラー８とが軸１４２に対して固定されている請求項１１に記載の排気ガスターボチャージャ１００。
16. 前記ピン５のそれぞれの端部５ａ、５ｂは、第１カラー６と第２カラー８のそれぞれにある開口９内にきつく嵌合される請求項１１に記載の排気ガスターボチャージャ１００。

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