JP4678337B2 - 回転軸構造および電動過給機 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸構造および電動過給機に関し、特に、電動過給機に含まれる回転軸構造に関する。

回転軸を有する電動過給機が従来から知られている。
たとえば、特表２００１−５２７６１３号公報（特許文献１）においては、電動過給機の回転軸の冷却のために、軸心に冷却通路となる貫通孔を形成し、該貫通孔に空気を流通させることにより回転軸の冷却を行なう構造が開示されている。

また、特開平６−１７３６０２号公報（特許文献２）においては、回転軸のタービンホイール側端部に穴を設けることにより低断面積部が形成された構造が開示されている。

また、特開昭６３−２６６１２６号公報（特許文献３）においては、一端にタービンブレードを固定したシャフトに回転子を配設し、タービンブレード側に位置する軸受と回転子との間のシャフトの外周にセラミックス製の高剛性スリーブを嵌合した構造が開示されている。

また、特開２０００−１４５４６９号公報（特許文献４）においては、電動過給機のロータの両端をスペーサで支持した構造が開示されている。
特表２００１−５２７６１３号公報 特開平６−１７３６０２号公報 特開昭６３−２６６１２６号公報 特開２０００−１４５４６９号公報

電動過給機は、その使用環境や運転条件により、高温下での運転となる場合がある。特に、排気側に位置するタービンホイールは高温に曝される。タービンホイールの熱は、回転軸を介してロータに伝達される。この熱の伝達量が大きいと、ロータの温度が過度に上昇し、たとえばロータ内に永久磁石が設けられている場合、磁石が減磁して電動過給機の性能が確保できなくなる場合がある。したがって、回転軸を介したタービンシャフトからロータへの熱伝達を抑制することが重要である。

特許文献１に記載の構造では、回転軸全体を軸方向に貫通する冷却通路が形成されているが、このようにすることで、回転軸の剛性が低下し、軸振動が大きくなる場合がある。また、特許文献２〜４においても、上記課題を十分に解決する構成は開示されていない。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、回転軸の剛性を過度に低下させることなくロータの温度上昇を抑制することが可能な回転軸構造および該構造を含む電動過給機を提供することにある。

本発明に係る回転軸構造は、電動過給機に含まれる回転軸構造であって、１つの局面では、電動過給機の排気側のホイールであるタービンホイールと、タービンホイールに接続された回転軸と、回転軸に固設されたロータと、ロータに対してタービンホイール側に設けられ、回転軸を支持する軸受部とを備え、タービンホイールとロータとの間に位置する回転軸内に形成された伝熱経路は、ロータと軸受部との間に位置する第１部分と、軸受部の内周に位置する第２部分とを有し、第１部分は、第２部分よりも伝熱経路の断面積が小さい低断面積部を含む。

上記構成によれば、ロータと軸受部との間に位置する伝熱経路の第１部分が低断面積部を含むことで、タービンホイールからの熱がロータに伝達されることを抑制することができる。また、軸受部の内周に位置する伝熱経路の第２部分の断面積をある程度確保することで、回転軸の剛性を一定以上に確保することができる。したがって、回転軸の剛性を過度に低下させることなくロータの温度上昇を抑制することができる。

上記回転軸構造において、回転軸の外周面にタービンホイール側の径が大きくなるような段差部が形成され、ロータは段差部に対してタービンホイールの反対側に位置するように回転軸に固設され、回転軸のタービンホイール側の軸方向端面から回転軸の軸方向に延び、段差部近傍に達する有底孔が形成され、低断面積部は、段差部と有底孔の底部との間に形成される。

これにより、簡単な構造でロータの温度上昇を抑制することができる。また、段差部の近傍よりもタービンシャフト側のみに形成された有底孔により低断面積部を構成することで、シャフト剛性が低下することを抑制しながらロータ温度の上昇を抑制することができる。

好ましくは、上記回転軸構造において、軸受部に対してタービンホイール側に位置する有底孔の径を該有底孔の他の部分に対して大きくする。

これにより、軸受部よりも外側（タービンホイール側）に位置する回転軸の重量を低減することができる。

好ましくは、上記回転軸構造は、ロータの軸方向の両端部に設けられたスペーサをさらに備え、タービンホイール側に位置するスペーサは、回転軸よりも熱伝達率が低い。

これにより、タービンホイールからロータへの熱伝達をさらに抑制することができる。したがって、ロータの温度上昇を抑制する効果をさらに高めることができる。

好ましくは、上記回転軸構造は、電動過給機の吸気側のホイールであるコンプレッサホイールと、ロータの軸方向の両端部に設けられたスペーサとをさらに備え、コンプレッサホイール側に位置するスペーサは、タービンホイール側に位置するスペーサよりも熱伝達率が高い。

これにより、回転電機の作動中にロータに発生した熱を積極的にコンプレッサホイール側に逃がすことができる。したがって、ロータの温度上昇を抑制する効果をさらに高めることができる。

本発明に係る回転軸構造は、電動過給機に含まれる回転軸構造であって、他の局面では、電動過給機の吸気側のホイールであるコンプレッサホイールと、電動過給機の排気側のホイールであるタービンホイールと、コンプレッサホイールおよびタービンホイールに接続された回転軸と、回転軸に固設されたロータと、ロータの軸方向の両端部に設けられたスペーサとを備え、コンプレッサホイール側に位置するスペーサは、タービンホイール側に位置するスペーサよりも熱伝達率が高い。

上記構成によれば、回転電機の作動中にロータに発生した熱を積極的にコンプレッサホイール側に逃がすことができる。したがって、回転軸の剛性を過度に低下させることなくロータの温度上昇を抑制することができる。

本発明に係る電動過給機は、上述した回転軸構造を含む。これにより、回転軸の剛性を過度に低下させることなくロータの温度上昇が抑制された電動過給機が得られる。

本発明によれば、回転軸の剛性を過度に低下させることなくロータの温度上昇を抑制することができる。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の特徴部分を適宜組合わせることは、当初から予定されている。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る回転軸構造を含む回転電機をターボチャージャ（電動過給機）付きエンジンに組付けたシステムの概略構成を示す図である。該システムは、図１に示すように、吸気管１１０および排気管１２０を含むエンジン１００と、吸気管１１０内および排気管１２０内にホイールを含むターボチャージャ２００と、ターボチャージャ２００と同軸上に配置された磁石型電動機３００と、インバータ４００と、システム全体を制御するＥＣＵ５００とを含んで構成される。磁石型電動機３００は、回転軸の外周部に磁石を配置したロータを有する電動機である。

図１に示されるシステムでは、エンジン１００から排出される排気エネルギーにより、排気管１２０側のホイールであるタービンホイール１２１を回転させ、この動力によって、吸気管１１０側のホイールであるコンプレッサホイール１１１を回転させる。このようにすることで、エンジン１００に圧縮空気を供給して、充填効率を高めることができる。上記システムでは、さらに、排気のエネルギーが十分でない場合等に、磁石型電動機３００により、タービンホイール１２１とコンプレッサホイール１１１とを連結するタービンシャフトを強制的に回転させる。磁石型電動機３００への電力は、インバータ４００から供給される。ＥＣＵ５００は、インバータ４００の動作を制御する。

排気管１２０には、タービンホイールを避けて迂回するバイパスが設けられている。バイパスの入口近傍には、ウエイストゲートバルブ１３０が配置されている。過給の必要がない場合等においては、ウエイストゲートバルブ１３０が開弁される。

図２は、磁石型電動機３００に含まれる回転軸構造を示した断面図である。図２を参照して、磁石型電動機３００は、シャフト３１０と、モータロータ３２０と、スペーサ３３０と、フローティング軸受３４０とを含んで構成される。

シャフト３１０は、コンプレッサホイール１１１およびタービンホイール１２１とともに回転する「回転軸」である。モータロータ３２０は、シャフト３１０に固設される。スペーサ３３０は、モータロータ３２０に対してコンプレッサホイール１１１側およびタービンホイール１２１側に設けられるスペーサ３３１，３３２を含む。スペーサ３３１，３３２は、チタン、チタン合金またはステンレスなどを含んで構成される。フローティング軸受３４０は、モータロータ３２０に対してコンプレッサホイール１１１側およびタービンホイール１２１側に設けられるフローティング軸受３４１，３４２を含む。そして、フローティング軸受３４０は、シャフト３１０を径方向に支持する。

図３は、図２に示されるモータロータ３２０の構造をより詳細に示した図である。図３を参照して、モータロータ３２０は、管状部材３２１と、磁石３２２と、嵌入部材３２３とを含んで構成される。管状部材３２１は、たとえばチタンなどの非磁性材料で構成される。磁石３２２は、管状部材３２１の内周側に設けられる。嵌入部材３２３は、たとえばチタンなどの非磁性材料で構成され、磁石３２２とともに管状部材３２１内に嵌入される。

上述した電動過給機の動作時に、排気側に設けられたタービンホイール１２１は特に高温下に曝される。タービンホイール１２１の熱は、シャフト３１０を介してロータ３２０にも伝達する。ここで、ロータ３２０への熱伝達量が過度に大きく、ロータ３２０の温度がロータ３２０内に設けられた磁石３２２の熱減磁限界温度にまで上昇した場合には、磁石３２２が減磁し、電動過給機の性能が確保できなくなることが懸念される。また、ロータ３２０の温度が磁石３２２の減磁温度以下であっても、磁石３２２の磁力はその材料特有の温度係数で支配されているため、温度変化とともに磁力が変化し、回転電機の出力が低下することが懸念される。したがって、タービンホイール１２１からの熱のロータ３２０への伝達を抑制することが重要である。

再び図２を参照して、タービンホイール１２１側に位置するシャフト３１０には、孔部３１１が形成されている。孔部３１１は、シャフト３１０のタービンホイール１２１側の軸方向端面からシャフト軸方向に延びるように形成される。孔部３１１の底面は、フローティング軸受３４２とスペーサ３３２との間に位置する。すなわち、孔部３１１は、フローティング軸受３４２とスペーサ３３２との間に達するように形成される。

図９は、図２に示されるフローティング軸受３４０（フル・フロート・ベアリング）の周辺構造を示した図である。図９を参照して、フローティング軸受３４０は、シャフト３１０と電動過給機を収納するケーシング３６０とに挟持される。ただし、フローティング軸受３４０は、シャフト３１０およびケーシング３６０に固定されていない。そして、フローティング軸受３４０はシャフト３１０とケーシング３６０との間で自由に回転できる。シャフト３１０およびフローティング軸受３４０間と、フローティング軸受３４０およびケーシング３６０間とには、潤滑油が満たされている。この潤滑油により、フローティング軸受３４０およびその周辺が冷却される。フローティング軸受３４０の軸方向の両端部にケーシング３６０に固定されたＣリング３５０が設けられている。これにより、フローティング軸受３４０の位置決めがなされる。

図４は、本実施の形態に係る回転軸構造における孔部３１１の周辺の構造を示した図である。図４を参照して、シャフト３１０の外周面には、段差部３１０Ａが形成される。段差部３１０Ａに対してタービンホイール１２１側に位置するシャフト３１０の径は相対的に大きく、シャフト３１０Ａに対してコンプレッサホイール１１１側に位置するシャフト３１０の径は相対的に小さい。段差部３１０Ａにより、シャフト３１０に固設される「回転子」としてのロータ３２０およびスペーサ３３０（３３２）の位置決めが行なわれる。

図４に示すように、シャフト３１０に孔部３１１が形成されることで、シャフト３１０の断面積が縮小される。そして、フローティング軸受３４２の内周に位置する部分（図４中のＢ部）よりも伝熱経路の断面積が小さくなる部分（図４中のＡ部）が形成される。このように、タービンホイール１２１からロータ３２０へ向かう伝熱経路の断面積がＡ部において縮小された結果、タービンホイール１２１からの熱がロータ３２０に伝達しにくくなる。そして、タービンホイール１２１からの熱は、フローティング軸受３４２に供給された潤滑油により冷却される。Ａ部における伝熱経路の断面積が縮小されていることで、上記潤滑油への伝熱が促進される。

なお、ロータ３２０に対してタービンホイール１２１側に位置するスペーサ３３２は、シャフト３１０よりも熱伝達率が低いことが好ましく、ロータ３２０に対してコンプレッサホイール１１１側に位置するスペーサ３３１は、ロータ３２０に対してタービンホイール１２１側に位置するスペーサ３３２よりも熱伝達率が高いことが好ましい。

スペーサ３３０（３３１，３３２）を構成する素材としては、たとえばチタンが用いられるが、スペーサ３３２の熱伝達率をシャフト３１０（たとえば鉄製）の熱伝達率よりも低くする場合には、スペーサ３３２を構成する素材として、チタンやステンレスを用いることが考えられる。また、スペーサ３３１の熱伝達率をスペーサ３３２（たとえばチタン製）の熱伝達率よりも高くする場合には、スペーサ３３１を構成する素材として、アルミニウムや鉄を用いることが考えられる。

上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る回転軸構造は、電動過給機に含まれる回転軸構造であって、電動過給機の排気側のホイールであるタービンホイール１２１と、タービンホイール１２１に接続された「回転軸」としてのシャフト３１０と、シャフト３１０に固設されたロータ３２０と、ロータ３２０に対してタービンホイール１２１側に設けられ、シャフト３１０を支持する「軸受部」としてのフローティング軸受３４２とを備える。タービンホイール１２１とロータ３２０との間に位置するシャフト３１０内に形成された伝熱経路は、ロータ３２０とフローティング軸受３４２との間に位置する「第１部分」としてのＡ部と、フローティング軸受３４２上に位置する「第２部分」としてのＢ部とを有する。ここで、Ａ部は、Ｂ部よりも伝熱経路の断面積が小さい「低断面積部」を構成する。

より具体的には、シャフト３１０の外周面にタービンホイール１２１側の径が大きくなるような段差部３１０Ａが形成され、ロータ３２０は段差部３１０Ａに対してタービンホイール１２１の反対側に位置するようにシャフト３１０に固設される。シャフト３１０のタービンホイール１２１側の軸方向端面からシャフト３１０の軸方向に延び、段差部３１０Ａ近傍に達する「有底孔」である孔部３１１が形成される。「低断面積部」であるＡ部は、段差部３１０Ａと孔部３１１の底部との間に形成される。

本実施の形態に係る回転軸構造によれば、ロータ３２０とフローティング軸受３４２との間に位置するＡ部における伝熱経路の断面積を縮小することで、タービンホイール１２１からの熱がロータ３２０に伝達されるのを抑制することができる。また、フローティング軸受３４２の内周に位置するＢ部における伝熱経路の断面積をある程度確保することで、シャフト３１０の剛性を一定以上に確保することができる。したがって、シャフト３１０の剛性を過度に低下させることなくロータ３２０の温度上昇を抑制することができる。

また、シャフト３１０に設けられた孔部３１１により「低断面積部」を形成することで、簡単な構造でロータ３２０の温度上昇を抑制することができる。

なお、電動過給機の作動時に生じやすい１次振動の腹は、シャフト３１０の軸方向中心付近に位置する。本実施の形態において、孔部３１１はシャフト３１０の軸方向端部とスペーサ３３２との間にのみ形成されるため、１次振動の腹に近い部分ではシャフト剛性は低下しない。したがって、孔部３１１を形成することによる振動特性への影響は小さい。

また、スペーサ３３２の熱伝達率をシャフト３１０の熱伝達率よりも低くした場合は、タービンホイール１２１からロータ３２０への熱伝達をさらに抑制することができる。したがって、ロータ３２０の温度上昇を抑制する効果をさらに高めることができる。

また、スペーサ３３１の熱伝達率をスペーサ３３２の熱伝達率よりも高くした場合は、回転電機の作動中にロータ３２０に発生した熱をコンプレッサ１１１側のフローティング軸受３４１の潤滑油に積極的に逃がすことができる。したがって、ロータ３２０の温度上昇を抑制する効果をさらに高めることができる。

（実施の形態２）
図５は、実施の形態２に係る回転軸構造を示した断面図である。また、図６は、図５に示される回転軸構造における孔部３１１の周辺の構造を示した図である。図５，図６を参照して、本実施の形態に係る回転軸構造は、実施の形態１に係る回転軸構造の変形例であって、孔部３１１に小径部分３１１Ａと大径部分３１１Ｂとを設けたことを特徴とする。より具体的には、フローティング軸受３４２に対してタービンホイール１２１側に位置する孔部３１１の径を、孔部３１１の他の部分よりも大きくすることで、小径部分３１１Ａと大径部分３１１Ｂとを形成している。

本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、シャフト３１０におけるロータ３２０とフローティング軸受３４２との間に位置する部分において、フローティング軸受３４２の内周に位置する部分（図６中のＢ部）よりも伝熱経路の断面積が小さくなる部分（図６中のＡ部）が形成される。この結果、シャフト３１０の剛性が過度に低下することを抑制しながら、タービンホイール１２１からの熱がロータ３２０に伝達されるのを抑制することができる。

また、本実施の形態においては、上記のように孔部３１１の径を拡大することで、回転体であるシャフト３１０の重量を低減することができる。ここで、フローティング軸受３４２よりも外側（タービンホイール１２１側）に位置する孔部３１１の径を拡大することで、振動特性に影響の大きい部分（フローティング軸受３４２に対して軸方向中心側に位置する部分）のシャフト３１０の剛性は低下しない。以上の結果として、シャフト３１０の振動特性が向上する。

（実施の形態３）
図７は、実施の形態３に係る回転軸構造を示した断面図である。図７を参照して、本実施の形態に係る回転軸構造は、実施の形態１，２に係る回転軸構造の変形例であって、孔部３１１に小径部分３１１Ａと大径部分３１１Ｂとを設けるとともに、タービンホイール１２１にも孔部１２１Ａを設けたことを特徴とする。

本実施の形態においても、実施の形態２と同様に、振動特性に影響の大きい部分のシャフト３１０の剛性を低下させることなく、シャフト３１０を含む回転体の重量を低減することができる。結果として、シャフト３１０の振動特性が向上する。

（実施の形態４）
図８は、実施の形態４に係る回転軸構造を示した断面図である。図８を参照して、本実施の形態に係る回転軸構造は、実施の形態１〜３に係る回転軸構造の変形例であって、孔部３１１を省略し、代わりにスペーサ３３０によってロータ３２０の温度上昇を抑制することを特徴とする。

より具体的には、
（１）スペーサ３３２の熱伝達率をシャフト３１０の熱伝達率よりも低く設定し、
（２）スペーサ３３１の熱伝達率をスペーサ３３２の熱伝達率よりも高く設定している。

すなわち、本実施の形態に係る回転軸構造は、電動過給機の吸気側のホイールであるコンプレッサホイール１１１と、電動過給機の排気側のホイールであるタービンホイール１２１と、コンプレッサホイール１１１およびタービンホイール１２１に接続されたシャフト３１０と、シャフト３１０に固設されたロータ３２０と、ロータ３２０の軸方向の両端部に設けられたスペーサ３３０とを備え、タービンホイール１２１側に位置するスペーサ３３２は、シャフト３１０よりも熱伝達率が低く、コンプレッサホイール１１１側に位置するスペーサ３３１は、タービンホイール１２１側に位置するスペーサ３３２よりも熱伝達率が高い。

このようにすることで、タービンホイール１２１からロータ３２０への熱伝達を抑制するとともに、回転電機の作動中にロータ３２０に発生した熱をコンプレッサ１１１側のフローティング軸受３４１の潤滑油に積極的に逃がすことができる。この結果、ロータ３２０の温度上昇が抑制される。なお、上記（１），（２）のいずれか一方のみが満たされるようにしてもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態１に係る回転軸構造を含む回転電機をターボチャージャ付きエンジンに組付けたシステムの概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る回転軸構造を示した断面図である。 図２に示されるロータの構造をより詳細に示した図である。 本発明の実施の形態１に係る回転軸構造におけるシャフト孔部の周辺の構造を示した図である。 本発明の実施の形態２に係る回転軸構造を示した断面図である。 本発明の実施の形態２に係る回転軸構造におけるシャフト孔部の周辺の構造を示した図である。 本発明の実施の形態３に係る回転軸構造を示した断面図である。 本発明の実施の形態４に係る回転軸構造を示した断面図である。 フローティング軸受の周辺構造を示した図である。

符号の説明

１００ エンジン、１１０ 吸気管、１１１ コンプレッサホイール、１２０ 排気管、１２１ タービンホイール、１２１Ａ 孔部、１３０ ウエイストゲートバルブ、２００ ターボチャージャ、３００ 磁石型電動機、３１０ シャフト、３１０Ａ 段差部、３１１ 孔部、３１１Ａ 小径部分、３１１Ｂ 大径部分、３２０ ロータ、３２１ 管状部材、３２２ 磁石、３２３ 嵌入部材、３３０，３３１，３３２ スペーサ、３４０ フローティング軸受、３５０ Ｃリング、３６０ ケーシング、４００ インバータ、５００ ＥＣＵ。

Claims (6)

1. 電動過給機に含まれる回転軸構造であって、
   前記電動過給機の排気側のホイールであるタービンホイールと、
   前記タービンホイールに接続された回転軸と、
   前記回転軸に固設されたロータと、
   前記ロータに対して前記タービンホイール側に設けられ、前記回転軸を支持する軸受部とを備え、
   前記タービンホイールと前記ロータとの間に位置する前記回転軸内に形成された伝熱経路は、前記ロータと前記軸受部との間に位置する第１部分と、前記軸受部の内周に位置する第２部分とを有し、
   前記第１部分は、前記第２部分よりも伝熱経路の断面積が小さい低断面積部を含み、
   前記回転軸の外周面に前記タービンホイール側の径が大きくなるような段差部が形成され、
   前記ロータは前記段差部に対して前記タービンホイールの反対側に位置するように前記回転軸に固設され、
   前記回転軸の前記タービンホイール側の軸方向端面から前記回転軸の軸方向に延び、前記段差部近傍に達する有底孔が形成され、
   前記低断面積部は、前記段差部と前記有底孔の底部との間に形成される、回転軸構造。
2. 前記軸受部に対して前記タービンホイール側に位置する前記有底孔の径を該有底孔の他の部分に対して大きくした、請求項１に記載の回転軸構造。
3. 前記ロータの軸方向の両端部に設けられたスペーサをさらに備え、
   前記タービンホイール側に位置する前記スペーサは、前記回転軸よりも熱伝達率が低い、請求項１または請求項２に記載の回転軸構造。
4. 前記電動過給機の吸気側のホイールであるコンプレッサホイールと、
   前記ロータの軸方向の両端部に設けられたスペーサとをさらに備え、
   前記コンプレッサホイール側に位置する前記スペーサは、前記タービンホイール側に位置する前記スペーサよりも熱伝達率が高い、請求項１から請求項３のいずれかに記載の回転軸構造。
5. 電動過給機に含まれる回転軸構造であって、
   前記電動過給機の吸気側のホイールであるコンプレッサホイールと、
   前記電動過給機の排気側のホイールであるタービンホイールと、
   前記コンプレッサホイールおよび前記タービンホイールに接続された回転軸と、
   前記回転軸に固設されたロータと、
   前記ロータの軸方向の両端部に設けられたスペーサとを備え、
   前記コンプレッサホイール側に位置する前記スペーサは、前記タービンホイール側に位置する前記スペーサよりも熱伝達率が高い、回転軸構造。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の回転軸構造を含む、電動過給機。

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