JP4595640B2

JP4595640B2 - 内燃機関の回転電機付きターボ過給機

Info

Publication number: JP4595640B2
Application number: JP2005116754A
Authority: JP
Inventors: 孝佳北田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-04-14
Filing date: 2005-04-14
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2025-04-14
Also published as: CN101160462A; DE112006000639B4; DE112006000639T5; JP2006291923A; WO2006112372A1; CN101160462B

Description

本発明は、タービン軸上に回転電機が組み込まれた内燃機関のターボ過給機に関する。

内燃機関用のターボ過給機として、タービン軸に回転電機を組み込み、タービン軸を電動駆動して過給効果を増加させ、あるいはタービン軸の回転を利用した発電を行って排気エネルギーから電力を回収する回転電機付きターボ過給機が知られている。この種のターボ過給機では、回転電機の作動時に回転子が渦電流で発熱し、タービン側が排気熱に晒されることと相俟って熱的負荷が厳しくなる。そこで、回転電機の発熱対策を講じることが検討されている。その一例として、固定子側の温度上昇を検知し、所定温度を超える場合に回転子に向かってオイルミストを吹き付けて回転子を冷却するターボ過給機が提案されている（特許文献１参照）。
特開平５−２５６１５５号公報

回転子が高温に晒された場合、回転子に組み込まれた磁石が減磁して回転電機の効率が低下するおそれがある。また、磁石は比較的脆い材料にて構成されているため、特に高温下ではタービン軸の高回転に伴う遠心力から磁石を保護する必要がある。一方、タービン軸を高速で回転させるためにはタービン軸及びその軸上に設けられるべき回転部品の軸剛性を高め、またタービン軸上に回転部品を取り付ける際のタービン軸の軸曲がりも抑える必要がある。これらの要求は回転子の発熱対策を行う場合にも無視できない。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、回転子の冷却効果及び回転子の磁石の保護効果が高く、しかもタービン軸の高速回転化にも有利な回転電機付きターボ過給機を提供することを目的とする。

本発明は、タービンと圧縮機インペラとの間のタービン軸上に磁石が配置されて該タービン軸上に回転電機の回転子が構成され、前記回転子が前記タービン軸に対して相対回転不能である回転電機付きターボ過給機において、前記タービン軸上に、前記磁石を外周側から覆う磁石保持部と前記磁石を端面側から覆う端面被覆部と前記タービン軸の軸受の内周に配置されるべきスリーブ部とが一体化された筒状部材が設けられており、前記軸受に供給される潤滑液が前記軸受と前記スリーブ部との間に供給されることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明のターボ過給機においては、磁石保持部にて磁石を覆うことにより、タービン軸の高速回転時に遠心力が作用しても磁石をタービン軸上に拘束して磁石を保護することができる。磁石保持部とスリーブ部とが一体化されているので、磁石保持部とスリーブ部との間の熱伝導に対する抵抗が小さく、回転子の熱を磁石保持部からスリーブ部へと効率よく逃がし、さらにスリーブ部に伝えられた熱を軸受の冷却系を利用して排熱することができる。このため、回転子の冷却効果を高め、回転子の発熱を抑えることができる。磁石保持部とスリーブ部とが一体化されることにより筒状部材の軸剛性を高めることができる。タービン軸上に装着されるべき回転部品の部品点数が削減されるため、タービン軸上に回転部品を組み付ける際に、回転部品の形状誤差、あるいは組み立て誤差といった各種の誤差に起因して生じる軸曲がりを抑えることができる。これにより、タービンの高速回転化の妨げとなる要素を減らして高速回転化に有利な構造のターボ過給機を実現することができる。また、軸受とスリーブ部との間に供給される潤滑液として、軸受に供給される潤滑液が用いられるため、スリーブ部と磁石保持部との間に比較的容易に潤滑液を導いて筒状部材の冷却に使用することができる。

本発明の一形態において、前記端面被覆部に前記潤滑液が付着するようにターボ過給機が構成されてもよい（請求項２）。この形態によれば、磁石保持部からスリーブ部に熱が伝わる途中の位置で筒状部材を潤滑液により冷却することができる。従って、回転子の冷却効果をさらに高めることができる。この形態においては、前記軸受と前記スリーブ部との間に供給された前記潤滑液が前記端面被覆部へ逃げてもよい（請求項３）。

前記筒状部材の外周には前記回転子の回転により前記回転電機の固定子に向かって潤滑液を飛散させるように潤滑液飛散部が設けられてもよい（請求項４）。これにより、回転子のみならず固定子をも潤滑液で冷却して回転電機の発熱を抑えることができる。この場合、前記端面被覆部に前記潤滑液飛散部が設けられてもよい（請求項５）。磁石保持部は固定子と回転子の磁石との間に介在するため、回転電機の効率からみてその肉厚はなるべく薄く設定することが望ましい。一方、磁石保持部に作用する遠心力はタービン軸の回転数の変化に応じて増減を繰り返すため、磁石保持部については繰り返し応力に対する疲労強度を十分に確保する必要がある。このため、磁石保持部の設計にあたっては肉厚がなるべく小さく、しかも応力集中が生じにくいようにその形状も単純化することが望ましい。これに対して端面被覆部は磁石の端面側に配置されるために磁石保持部と比較して肉厚の確保が容易であり、遠心力に伴う繰り返し応力に対して強度に十分に余裕を持たせることができる。このため、端面被覆部に潤滑液飛散部を設けた場合には筒状部材の強度を損なうことなく、潤滑液飛散部の形状、大きさ、あるいは位置を目的に合わせて適当に設定して、回転子に効果的に潤滑液を飛散させることができる。さらに、端面被覆部の一部を除去することにより、タービン軸及びその軸上の回転部品によって構成される回転体アッセンブリの回転バランス（軸線周りの質量の釣り合い）の調整を行うことも容易に行える。

端面被覆部を設ける形態においては、前記潤滑液飛散部として、前記端面被覆部の外周に突出する突起部を設けてもよい（請求項６）。この形態によれば筒状部材の表面に付着した潤滑液を遠心力により突起部に導き、その突起部から回転子の周囲（好適には固定子）へと飛散させることができる。また、突起部の一部を除去することにより回転体アッセンブリの回転バランスを調整することができる。

本発明の一形態のターボ過給機においては、前記軸受に供給される潤滑液を前記タービン軸を貫いて前記タービン側に導く潤滑液経路を備えてもよい（請求項７）。この形態によれば、タービンから回転子側へ伝わる熱を潤滑液で冷却し、それにより回転子の発熱をさらに効果的に抑えることができる。

以上に説明したように、本発明によれば、回転子の磁石を覆う磁石保持部と軸受のスリーブ部とを一体化した筒状部材をタービン軸上に設けているため、磁石を遠心力から確実に保護しつつ回転子の熱をスリーブ部へ効率よく逃がしてその熱を軸受の冷却系に排熱し、さらにはタービン軸上に組み付けられる回転部品を減らし、回転体アッセンブリの軸剛性を高めるとともに軸曲がりを抑え、それにより、高速回転化に有利な構造のターボ過給機を実現することができる。

図１は本発明を自動車用内燃機関のターボ過給機に適用した一形態を示す。ターボ過給機１は、排気タービン部２と、コンプレッサ部３と、それらの間に配置された回転電機４とを備えている。排気タービン部２は、内燃機関の排気通路の一部を構成するように設けられるタービンハウジング５と、そのタービンハウジング５の内部に設けられたタービン６とを備えている。一方、コンプレッサ部３は、内燃機関の吸気通路の一部を構成するように設けられるコンプレッサハウジング７と、そのコンプレッサハウジング７の内部に設けられるインペラ（圧縮機インペラ）８とを備えている。タービンハウジング５とコンプレッサハウジング７との間にはベアリングハウジング９が設けられている。タービン６の一端にはタービン軸１０が一体回転可能かつ軸線方向に分離不能に設けられている。タービン軸１０はベアリングハウジング９を貫いてコンプレッサハウジング７の内部に達し、その先端部にインペラ８が一体回転可能に取り付けられている。但し、タービン６、インペラ８及びタービン軸１０の連結構造は図示のものに限らず適宜に変更してよい。タービンハウジング５、コンプレッサハウジング７及びベアリングハウジング９はそれぞれ別部品として構成され、これらが組み合わされて過給機ハウジング１１が構成される。図１ではハウジング５、７、９の接合位置を明示していないが、それらは適宜に設定してよい。

回転電機４は、タービン軸１０上に設けられた回転子１２と、ベアリングハウジング９の内部に取り付けられた固定子１３とを備えている。回転子１２はタービン軸１０の外周にタービン軸１０と一体回転可能に磁石１４を取り付けることによって構成されている。固定子１３はステータコア１５とそのステータコア１５の両端に配置されるコイル巻線部１６とを備えている。ステータコア１５は磁石１４を外側から取り囲むように配置され、コイル巻線部１６は磁石１４よりも排気タービン部２及びコンプレッサ部３に幾らか偏って配置されている。ベアリングハウジング９には、ステータコア１５よりも外周側に位置するようにして水通路１７が設けられており、その水通路１７にはターボ過給機１を冷却するための冷却水が導入される。

タービン軸１０の外周には筒状部材２０が嵌め合わされている。図２に詳しく示したように、筒状部材２０は磁石１４を覆う円筒状の磁石保持管（磁石保持部）２１と、その磁石保持管２１の両端を塞ぐようにして磁石保持管２１と一体に接合される一対の軸端管２２とを有している。各軸端管２２は、磁石保持管２１の両端を塞いで磁石１４を端面側から覆う端面被覆部２３と、その端面被覆部２３から軸線方向外側に向かって一体に連なる小径のスリーブ部２４とを備えている。端面被覆部２３の外径はスリーブ部２４に向かって漸次絞られている。換言すれば、端面被覆部２３の外周面はスリーブ部２４に向かって徐々に縮径するテーパ面状に形成されている。スリーブ部２４は外径一定の円筒状に形成されている。

磁石保持管２１は端面被覆部２３の外周に一体に接合されている。磁石保持管２１は、磁石１４の発熱に耐えかつタービン軸１０の高速回転に伴う遠心力に抗して磁石１４を保持できる剛性を備えている必要があり、好適にはステンレス、チタン等の耐熱材料によって構成される。軸端管２２は鋼管等の各種のパイプ材から形成してよいが、なるべくは熱伝導率が良好でかつ軽量の材料で構成するとよい。磁石保持管２１と軸端管２２との一体化（接合）には例えば溶接、ロウ付け、圧入等の各種の接合方法を用いてよい。端面被覆部２３及びスリーブ部２４は共通の素材から一体に成形されてもよいし、溶接、ロウ付け、圧入等の接合方法によって一体化されてもよい。いずれにせよ、筒状部材２０は、タービン軸１０に組み付けられた状態において、磁石保持管２１と少なくとも一方のスリーブ部２４とが分解不可能なように一体化された単一の筒状の部品として存在していればよい。

筒状部材２０のタービン６側の端部はタービン軸１０の拡大部１０ａに突き当てられている。筒状部材２０のインペラ８側の端部にはスラストカラー２５が突き当てられ、そのスラストカラー２５の反対側にシールリングカラー２６及びインペラ８が順次装着され、さらにインペラ８がナット２７にて軸線方向に締め込まれることにより、タービン軸１０上にこれらの回転部品、すなわち磁石１４、筒状部材２０、スラストカラー２５、シールリングカラー２６及びインペラ８がタービン軸１０に対して一体回転可能かつ軸線方向には移動不能に取り付けられる。これらの回転部品とタービン６及びタービン軸１０とによってターボ過給機１の回転体アッセンブリ２８が構成される。なお、タービン軸１０の拡大部１０ａ及びシールリングカラー２６のそれぞれの外周にはシールリング３０、３１が取り付けられる。それらのシールリング３０、３１は過給機ハウジング１１と全周に亘って接触し、これによりタービンハウジング５及びコンプレッサハウジング７のそれぞれの内部と、ベアリングハウジング９の内部との間がシールされる。また、過給機ハウジング１１には円板状のスラスト軸受３２が取り付けられ、そのスラスト軸受３２がスラストカラー２５の外周と噛み合うことにより、過給機ハウジング１１に対する回転体アッセンブリ２８の軸線方向の移動が規制される。

ベアリングハウジング９の内部には筒状部材２０のスリーブ部２４を取り囲むようにしてリング状の軸受３５が設けられている。タービン６側の軸受３５は一対の止め輪３６に挟み込まれることにより、ベアリングハウジング９に対して軸線方向定位置に拘束され、コンプレッサ側の軸受３５は止め輪３６及びスラストカラー２５に挟み込まれることにより、ベアリングハウジング９に対して軸線方向定位置に拘束されている。軸受３５の内径はスリーブ部２４の外径よりも幾らか大きく、従って、軸受３５とスリーブ部２４との間には幾らかの半径方向隙間が空いている。それらの半径方向隙間は端面被覆部２３の外周に向かって開いている。

ベアリングハウジング９には、その表面から軸受３５の外周に向かって潤滑液を導く潤滑液流路４０が形成されている。各軸受３５にはその潤滑液流路４０に通じる半径方向の貫通孔３５ａ（図２参照）が形成されている。従って、潤滑液流路４０に導入された潤滑液は貫通孔３５ａを介して軸受３５とスリーブ部２４との隙間に供給され、その潤滑液が膜を形成することによりスリーブ部２４が半径方向に支持される。過給機ハウジング１１には、軸受３５に供給された潤滑液を排出するためのドレン路４１、４２がさらに形成されている。

以上のように構成されたターボ過給機１によれば、磁石１４をその外周側から筒状部材２０の磁石保持管２１で覆っているので、タービン軸１０が高速回転しても遠心力で磁石１４がタービン軸１０から分離することなく、タービン軸１０上に磁石１４を確実に拘束することができる。回転子１２で発生した熱は磁石保持管２１から端面被覆部２３を経てスリーブ部２４に逃げ、そのスリーブ部２４まで導かれた熱は軸受３５の潤滑液に逐次排熱される。磁石保持管２１、端面被覆部２３及びスリーブ部２４は一体構造であるため、それらの間の熱伝導率も高い。従って、回転子１２に熱が溜りにくく、回転子１２の冷却効率が高まる。また、軸受３５とスリーブ部２４との隙間が端面被覆部２３の外周に向かって開いているので、軸受３５に供給された潤滑液は端面被覆部２３に逃げてその表面に付着し、その付着した潤滑液で筒状部材２０がさらに冷却されて回転子１２の冷却効率がさらに高まる。端面被覆部２３の表面に付着した潤滑液はタービン軸１０の回転に伴う遠心力で端面被覆部２３の外周の角部２３ａ（図２参照）に移動し、そこから固定子１３のコイル巻線部１６へ飛散する。つまり、ターボ過給機１においては、端面被覆部２３の外周の角部２３ａが潤滑液飛散部として機能する。これにより、コイル巻線部１６も潤滑液にて冷却され、回転電機４の発熱がさらに効果的に抑制される。

また、筒状部材２０は磁石保持管２１からスリーブ部２４までが一体化された構造であるため、筒状部材２０それ自身の剛性は高い。しかも、スリーブ部２４と筒状部材２０とを別部品としてタービン軸１０上に組み付ける場合と比較して回転体アッセンブリ２８を構成する回転部品の点数が減少する。そして、回転部品の点数が減少することから、回転部品の形状誤差（例えば、タービン軸１０の回転軸線に対する回転部品端面の垂直度のずれ）、あるいは、回転部品の組み立て誤差に起因する軸曲がりも抑えられる。これにより、タービン軸１０の高速回転化に対するターボ過給機１の適応性も高められる。

さらに、端面被覆部２３には磁石保持管２１と比べて十分な肉厚が確保されているので、図２及び図３に示すように、端面被覆部２３の外周角部２３ａの一部に切欠部２３ｂを設けることにより、筒状部材２０の強度を損なうことなく、回転体アッセンブリ２８の回転バランスを修正することもできる。これにより、タービン軸１０の高速回転化に対するターボ過給機１の適応性をさらに高めることができる。磁石保持管２１については、磁石１４とステータコア１５との隙間を必要以上に増加させないようにその肉厚が制限される。また、タービン軸１０の回転速度の変化に応じて遠心力が増減することにより磁石保持管２１には繰り返し応力が作用することから、磁石保持管２１の形状も応力集中が生じにくいように単純化する必要がある。このような事情から磁石保持管２１に切欠部２３ｂを形成するよりも端面被覆部２３に切欠部２３ｂを設ける方が遙かに制限が少なく、回転バランスの修正もそれだけ容易に行える。なお、切欠部２３ｂは角部２３ａに限らず、図３に破線で示したように端面被覆部２３の適宜の位置に設けてよい。

本発明は以上の形態に限定されず、種々の形態にて実施してよい。例えば、端面被覆部２３についてはテーパ状に限らず、図４に示すように軸線方向の肉厚がほぼ一定な円板状に形成してもよい。また、同図に示すように、潤滑液飛散部として端面被覆部２３の外周に突起部２３ｃを設けてもよい。突起部２３ｃは端面被覆部２３の全周に亘って連続的に設けてもよいし、複数の突起部２３ｃを周方向に適当なピッチで離して設けてもよい。このような突起部２３ｃを設けた場合には筒状部材２０の表面に付着した潤滑液を遠心力を利用して突起部２３ｃに集中させ、固定子１３のコイル巻線部１６に潤滑液を効率よく飛ばしてその冷却を促進することができる。さらに、回転バランスの修正においても突起部２３ｃの一部を切除することによりこれを容易に実現することができる。なお、以上の形態では筒状部材２０の端面被覆部２３の表面に軸受３５の潤滑液を導いているが、これとは別の位置から潤滑液を端面被覆部２３の表面に導いてもよい。

図５は、タービン６側のスリーブ部２４に半径方向の貫通孔２４ａを形成し、これに対応して、タービン軸１０には、貫通孔２４ａを通過した潤滑液をタービン６側に導く潤滑液経路４５を設けた例である。潤滑液経路４５は、一例として、タービン軸１０を周方向に一周する液溜め溝４５ａと、両端が液溜め溝４５ａに開口する第１の半径方向通路４５ｂと、タービン軸１０の軸線上に設けられて一端が貫通孔４５ｂに通じる軸方向通路４５ｃと、その軸方向通路４５ｃと通じ、両端が拡大部１０ａの外周に開口する第２の半径方向通路４５ｄとからなる。このような潤滑液経路４５を設けることにより、軸受３５の潤滑液にてタービン軸１０のタービン６側の端部を冷却し、それによりタービン６から回転子１２への熱伝導を抑えて回転子１２の冷却効率をさらに高めることができる。

回転体アッセンブリ２８の構成は一例であり、磁石保持管２１から少なくとも一方のスリーブ部２４までが一体化された構造の筒状部材２０を有する限りにおいて、回転体アッセンブリ２８の構成は適宜に変更してよい。タービン軸１０に対するタービン６及びインペラ８の連結構造も適宜に変更してよく、タービン軸１０を軸線方向に位置決めするための構造も適宜に変更してよい。

本発明の一形態に係るターボ過給機の軸線方向断面図。タービン軸上に取り付けられる筒状部材及びその軸受部分の断面図。筒状部材の一端側の様子を示す斜視図。筒状部材の磁石保持部の両側に潤滑液飛散部としての突起部を設けた形態を示す断面図。軸受に供給された潤滑液をタービン側に導く潤滑液経路をさらに追加した形態を示す図。

符号の説明

１ターボ過給機
２排気タービン部
３コンプレッサ部
４回転電機
６タービン
８インペラ
１０タービン軸
１１過給機ハウジング
１２回転子
１３固定子
１４磁石
１５ステータコア
１６コイル巻線部
２０筒状部材
２１磁石保持管（磁石保持部）
２２軸端管
２３端面被覆部
２３ａ角部（潤滑液飛散部）
２３ｂ切欠部
２３ｃ突起部（潤滑液飛散部）
２４スリーブ部
２８回転体アッセンブリ
３５軸受
４５潤滑液経路

Claims

タービンと圧縮機インペラとの間のタービン軸上に磁石が配置されて該タービン軸上に回転電機の回転子が構成され、前記回転子が前記タービン軸に対して相対回転不能である回転電機付きターボ過給機において、
前記タービン軸上に、前記磁石を外周側から覆う磁石保持部と前記磁石を端面側から覆う端面被覆部と前記タービン軸の軸受の内周に配置されるべきスリーブ部とが一体化された筒状部材が設けられており、
前記軸受に供給される潤滑液が前記軸受と前記スリーブ部との間に供給されることを特徴とする内燃機関の回転電機付きターボ過給機。
前記端面被覆部に前記潤滑液が付着するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機。
前記軸受と前記スリーブ部との間に供給された前記潤滑液が前記端面被覆部へ逃げることを特徴とする請求項２に記載のターボ過給機。
前記筒状部材の外周には前記回転子の回転により前記回転電機の固定子に向かって潤滑液を飛散させるように潤滑液飛散部が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のターボ過給機。
前記端面被覆部に前記潤滑液飛散部が設けられていることを特徴とする請求項４に記載のターボ過給機。
前記潤滑液飛散部として、前記端面被覆部の外周に突出する突起部が設けられていることを特徴とする請求項５に記載のターボ過給機。
前記潤滑液を前記タービン軸を貫いて前記タービン側に導く潤滑液経路を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のターボ過給機。