JP4697492B2 - 電動過給機 - Google Patents

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Description

発明の背景
発明の技術分野
本発明は、電動機を内蔵した電動過給機に関する。
圧縮機により密度を高めた空気を機関(エンジン)に供給することを過給(supercharging)といい、このうち排気エネルギにより圧縮機の駆動仕事をまかなうものを排気タービン過給機(exhaust‐gas turbocharger)と呼ぶ。
排気タービン過給機は、一般的に、軸受ユニットを挟んで配置された圧縮機(コンプレッサ)とタービンからなり、圧縮機はコンプレッサインペラを、タービンはタービンインペラをそれぞれ内蔵する。コンプレッサインペラとタービンインペラは、軸受ユニットで支持された連結軸(シャフト)で互いに連結されており、エンジンの排ガスでタービンインペラを回転駆動し、この回転力を連結軸を介してコンプレッサインペラに伝達し、コンプレッサインペラで空気を圧縮してエンジンに過給するようになっている。
上述した排気タービン過給機において、低速回転時の加速を補助するために電動機を内蔵したものが既に提案されている(例えば特許文献1、2、3)。以下、このような電動機を内蔵した排気タービン過給機を単に「電動過給機」と呼ぶ。
特許文献1の電動過給機は、図1に示すように、ロータを回転駆動する電動機(固定子51と回転子52)を備える。ロータは、タービンインペラ53、コンプレッサインペラ54およびこれらを連結するシャフト55及び電動機の回転子52が取り付けられたスペーサカラー56とからなる。シャフト55は単一のセミフローティングベアリング57で支持される。このセミフローティングベアリング57は、タービン53のハブ53aとスペーサカラー56に係合するスラスト面57a,57bを有する。
この構成により、ロータに作用するスラスト力をセミフローティングベアリング57のタービンのハブ53aとスペーサカラー56に係合するスラスト面57a,57bで支持するようになっている。
特許文献2の電動過給機は、図2に示すように、コンプレッサホイール61の軸方向延長部に支持された回転子62と、この回転子62から半径方向外方に間隔を隔てハウジング63で支持された固定子64を有するものである。
特許文献3の電動過給機は、図3に示すように以下のような構造を有する。中央ハウジング71の内部で、一端にコンプレッサホイール75が連結されたシャフト74が回転可能に支持されている。中央ハウジング71の両側に、コンプレッサハウジング72とタービンハウジング73がボルト82,83により連結されている。中央ハウジング71の内部に電気モータカートリッジ76が固定されている。電気モータカートリッジ76は、第1のカートリッジハウジング部分78と、第2のカートリッジハウジング部分79と、ロータ79と、ステータ80とからなる。この電気モータカートリッジ76は、電動過給機に装着する工程とは別に、生産できる。電機モータカートリッジ76は、カートリッジネジ81によって中央ハウジング71に固定される。また、中央ハウジング71の内部において、電気モータカートリッジ76を囲む部分には、水冷ジャケット71aが形成されている。
米国特許第6,449,950号明細書 米国特許第6,032,466号明細書 特表2006−514526号公報
電動過給機では、内蔵した電動機によりシャフトで連結されたコンプレッサインペラとタービンインペラを回転駆動するため、その反力を受ける電動機の固定子(モータステータ)をケーシングに強固に固定する必要がある。
しかし、特許文献1の電動過給機のように固定子51を軸方向両側から2つの電動機用ケーシング58a,58bで把持する場合、電動機を内蔵しない従来の過給機と比較して、追加のケーシング58a,58bが必要になるばかりでなく、コンプレッサインペラと電動機の固定子が近接しているため、コンプレッサインペラと電動機の両方の冷却が困難である問題点があった。
同様に、特許文献2の電動過給機でも、電動機の固定子64を内蔵するために、追加のケーシング63と固定子64を固定する留め金具65のような専用の固定部品が必要となる。またこの例では、ケーシング63の壁部内に水冷ジャケット66を設けているが、そのためケーシング63の構造が複雑となる。
特許文献3の電動過給機では、追加ケーシングに相当するものはなく、電気モータカートリッジ76を一体の部品として中央ハウジング71に装着する構造となっている。しかしながら、電気モータカートリッジ76を中央ハウジング71に対して固定するためには、カートリッジネジ81のような専用の固定部品を用いる必要がある。また、中央ハウジング71の壁部内に水冷ジャケット71aを設けているため、中央ハウジング71の水冷ジャケット71aを鋳物等で形成する必要があり、その構造が複雑になる。さらに、水冷ジャケット71aにより直接、電気モータカートリッジ76を冷却するのではなくて、中央ハウジング71の壁部を介して電気モータカートリッジ76を冷却する構造となっているので、冷却効率が悪い。
発明の要約
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、電動機を内蔵しない従来の過給機と比較して、追加ケーシングや専用の固定部品を必要とせずに、電動機の固定子(モータステータ)をケーシングに強固に固定することができ、かつコンプレッサインペラと電動機の両方を効率よく冷却することができる電動過給機を提供することにある。
本発明によれば、タービンインペラを一端に有するタービン軸と、タービン軸で回転駆動されるコンプレッサインペラと、タービン軸を回転可能に支持するベアリングハウジングと、コンプレッサインペラを回転可能に囲みかつベアリングハウジングに連結されるコンプレッサハウジングと、ベアリングハウジング内に固定されるモータステータと、該モータステータで回転駆動されるモータロータとを備えた電動過給機であって、ベアリングハウジングに挿着されたステータアッセンブリと、該ステータアッセンブリのコンプレッサ側に密着し且つコンプレッサハウジングとモータステータとの間を仕切るシールプレートとを備え、前記ステータアッセンブリは、前記モータステータと、内周面がモータステータの外周面と密着するとともにモータステータの回転を拘束するように該モータステータを支持するアウタースリーブとを有し、前記モータステータと前記アウタースリーブは一体の部品となって前記ステータアッセンブリを構成しており、前記アウタースリーブは、ベアリングハウジングとの間に液密の水冷ジャケットを構成しており、前記アウタースリーブと前記シールプレートは、前記ベアリングハウジングと前記コンプレッサハウジングの間に軸方向に共締めされている、ことを特徴とする電動過給機が提供される。
本発明の好ましい実施形態によれば、前記アウタースリーブは、ベアリングハウジングとコンプレッサハウジングの間にシールプレートと共締めされる半径方向外方へ延びるフランジ部を有する。
また、本発明によれば、タービンインペラを一端に有するタービン軸と、タービン軸で回転駆動されるコンプレッサインペラと、タービン軸を回転可能に支持するベアリングハウジングと、コンプレッサインペラを回転可能に囲みかつベアリングハウジングに連結されるコンプレッサハウジングと、ベアリングハウジング内に固定されるモータステータと、該モータステータで回転駆動されるモータロータとを備えた電動過給機であって、ベアリングハウジングに挿着されたステータアッセンブリを備え、該ステータアッセンブリは、前記モータステータと、内周面がモータステータの外周面と密着するとともにモータステータの回転を拘束するように該モータステータを支持するアウタースリーブとを有し、前記モータステータと前記アウタースリーブは一体の部品となって前記ステータアッセンブリを構成しており、かつコンプレッサ側の壁面がコンプレッサ吐出空気の通路を形成しており、前記アウタースリーブは、前記ベアリングハウジングと前記コンプレッサハウジングの間に軸方向に共締めされており、かつベアリングハウジングとの間に液密の水冷ジャケットを構成している、ことを特徴とする電動過給機が提供される。
本発明の好ましい実施形態によれば、前記アウタースリーブは、ベアリングハウジングとコンプレッサハウジングの間に共締めされる半径方向外方へ延びるフランジ部を有する。
また、ベアリングハウジングとアウタースリーブの間を液密にシールする軸方向に間隔をおいて配置されたシール部材を有する、ことが好ましい。
上記本発明の構成によれば、アウタースリーブとモータステータとが一体の部品としてステータアッセンブリを構成し、このステータアッセンブリのアウタースリーブとシールプレートが、ベアリングハウジングとコンプレッサハウジングの間に軸方向に共締めされるので、ベアリングハウジングに対してコンプレッサハウジングを固定することにより、同時にモータステータをベアリングハウジングに対して固定することができる。したがって、モータステータ24をベアリングハウジング16に固定するための追加ケーシングや組立時の専用の固定部品(ボルト等の締結具)が不要であり、組立時の部品点数を減らすことができるので、組立/分解が容易となる。
また、アウタースリーブは、モータステータの外周面と密着してモータステータの回転を拘束するようにモータステータを支持するので、電動機の固定子(モータステータ)をケーシングに強固に固定することができる。
また、ステータアッセンブリは、ベアリングハウジングとの間に液密の水冷ジャケットを構成するので、ステータアッセンブリの外壁部(アウタースリーブ)が直接冷却され、これにより、アウタースリーブに密着するモータステータを効率よく冷却することができる。
さらに、シールプレートは、コンプレッサハウジングとモータステータとの間を仕切り、かつアウタースリーブのコンプレッサ側に密着するので、その間の接触面積を十分広く設定でき、シールプレートから水冷ジャケットへの伝熱により、圧縮空気で加熱されるシールプレートも効率よく冷却することができる。
また、ステータアッセンブリとシールプレートが一体となった構成によっても、上記と同様の効果が得られる。
特許文献1の電動過給機の構成図である。 特許文献2の電動過給機の構成図である。 特許文献3の電動過給機の構成図である。 本発明の第1実施形態にかかる電動過給機の全体構成図である。 図4の部分拡大図である。 ステータアッセンブリの構成を示す断面図である。 本発明の第2実施形態にかかる電動過給機の特徴部分を示す図である。 本発明の第3実施形態にかかる電動過給機の特徴部分を示す図である。
以下、本発明の好ましい実施形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図4は、本発明の第1実施形態にかかる電動過給機の全体構成図である。この図において、本発明の電動過給機10は、タービン軸12、コンプレッサインペラ14、およびハウジングを備える。ハウジングは、この例では、ベアリングハウジング16、タービンハウジング18、及びコンプレッサハウジング20からなる。
タービン軸12は、タービンインペラ11を一端(図で左端)に有する。この例において、タービンインペラ11はタービン軸12に一体的に形成されているが、本発明はこれに限定されず、タービンインペラ11を別に取り付ける構成であってもよい。
コンプレッサインペラ14は、タービン軸12の他端(図で右端)に軸端ナット15により一体で回転するように連結されている。
ベアリングハウジング16は、タービン軸12を軸受メタル17aで回転可能に支持する。また、タービン軸12は、スラストカラー17b及びスラストベアリング17c,17dにより軸方向に移動しないように支持されている。さらに、ベアリングハウジング16は、軸受メタル17a、スラストカラー17b及びスラストベアリング17c,17dを潤滑するための図示しない潤滑油流路を有している。
タービンハウジング18は、タービンインペラ11を回転可能に囲み、かつベアリングハウジング16に連結されている。このタービンハウジング18は、内部に外部から排気ガスが導入されるスクロール室18aと、スクロール室18aからタービンインペラ11まで排気ガスを案内する環状に形成された流路18bを有する。
さらに、流路18bには、複数のノズル翼19が周方向に一定の間隔で配置されている。このノズル翼19は、可変ノズル翼であり、その間に形成される流路面積を変化できることが好ましいが、本発明はこれに限定されず固定ノズル翼であってもよい。
また、流路18bにノズル翼19の無い形態であってもよい。
コンプレッサハウジング20は、コンプレッサインペラ14を回転可能に囲み、かつベアリングハウジング16に連結されている。このコンプレッサハウジング20は、内部に圧縮空気が導入されるスクロール室20aと、コンプレッサインペラ14からスクロール室20aまで圧縮空気を案内する環状に形成された流路20bを有する。
上述した構成により、エンジンの排気ガスでタービンインペラ11を回転駆動し、この回転力を、タービン軸12を介してコンプレッサインペラ14に伝達し、コンプレッサインペラ14で空気を圧縮してエンジンに過給することができる。
図4において、本発明の電動過給機10は、さらに、モータロータ22と、ステータアッセンブリ29と、シールプレート28とを備える。
モータロータ22は、電動機の回転子である。モータロータ22には中空部が設けられており、タービン軸12がその中空部に挿通し、モータロータ22とタービン軸12が一体となって回転する。
ステータアッセンブリ29は、ベアリングハウジング16に挿着される部品であり、モータステータ24と、内周面がモータステータ24の外周面と密着するとともにモータステータ24の回転を拘束するようにモータステータ24を支持するアウタースリーブ26とを有する。モータステータ24とアウタースリーブ26は一体の部品となってステータアッセンブリ29を構成する。
モータステータ24は、電動機の固定子である。モータロータ22とモータステータ24によりブラシレスの交流電動機が構成される。
この交流電動機は、タービン軸12の高速回転(例えば少なくとも10〜20万rpm)に対応でき、かつ加速時の回転駆動と減速時の回生運転ができることが好ましい。またこの交流電動機の駆動電圧は、車両に搭載されたバッテリの直流電圧(例えば12V)と同一あるいはそれより高いことが好ましい。
シールプレート28は、中央に開口部を有する円盤状の部材であり、ステータアッセンブリ29のコンプレッサ側に密着し且つコンプレッサハウジング20とモータステータ24との間を仕切る。シールプレート28の表面側の壁部分と、この壁部分に対向するコンプレッサハウジング20の壁部分との間に、上記の流路20bが形成される。
図5は、図4の部分拡大図である。図4、図5に示すように、モータロータ22は、タービン軸12又はコンプレッサインペラ14の側面に嵌め合いにより固定されている。
アウタースリーブ26は、コンプレッサ側の端部に、半径方向外方へ延びるフランジ部26aを有する。
さらに本発明の電動過給機10は、ベアリングハウジング16とアウタースリーブ26の間を液密にシールする軸方向に間隔をおいて配置されたシール部材25a,25bを有する。シール部材25aは、この例ではベアリングハウジング16の外周面をシールするOリングであり、シール部材25bは、この例では、フランジ部26aの軸方向内面をシールするOリングである。なお、シール部材25a,25bの両方を外周用又は面用のOリングにしてもよく、あるいはその他のシールを用いてもよい。
この構成により、ベアリングハウジング16とアウタースリーブ26の間に液密の水冷ジャケット26bを構成する。この水冷ジャケット26bには、モータステータ24を冷却するための冷却水が図示しない冷却水供給口から供給され、図示しない冷却水排出口から冷却水が排出される。
アウタースリーブ26とシールプレート28は、ベアリングハウジング16とコンプレッサハウジング20の間に軸方向に共締めされている。本実施形態では、アウタースリーブ26とシールプレート28は、ベアリングハウジング16のコンプレッサ側の端面と、コンプレッサハウジング20に形成された段差20cの間に挟まれており、ボルト27によってベアリングハウジング16とコンプレッサハウジング20を連結固定することにより、ベアリングハウジング16、アウタースリーブ26、シールプレート28及びコンプレッサハウジング20が一体的に強固に固定される。
上述したように、ステータアッセンブリ29は、アウタースリーブ26とモータステータ24とが一体となった部品であり、ベアリングハウジング16に取り付ける前においても、単一の部品として取扱いが可能である。本実施形態では、ベアリングハウジング16に取り付ける前においてもアウタースリーブ26とモータステータ24とが強固に固着し、アウタースリーブ26に対するモータステータ24の軸方向移動及び回転が拘束されている。したがって、アウタースリーブ26がシールプレート28とともに、ベアリングハウジング16とコンプレッサハウジング20の間に軸方向に共締めされると同時に、ベアリングハウジング16に対するモータステータ24の軸方向移動と回転が拘束される。
なお、ベアリングハウジング16とコンプレッサハウジング20の間に軸方向に共締めされた状態となったときにモータステータ24の軸方向移動と回転が拘束されるのであれば、ベアリングハウジング16に取り付けられる前において、アウタースリーブ26とモータステータ24とに多少の遊びがあってもよい。
次に、図6を参照し、本実施形態におけるステータアッセンブリ29の構成について、より詳細に説明する。図6にステータアッセンブリ29の断面図を示す。
アウタースリーブ26は、熱伝達率のよい金属(例えばアルミニウムなど)からなるのがよい。アウタースリーブ26がこのような金属からなる場合、切削加工や鋳造により成形することができる。アウタースリーブ26の軸方向の中間部には、半径方向内側に窪む環状凹部26cが形成されている。
モータステータ24は、中空円筒形の鉄心30と、鉄心30に巻き付けられた導線31と、導線31を覆いアウタースリーブ26に密着する保持体32とからなる。鉄心30の内周部には、内側に突出するとともに軸方向に延びるフィンが周方向に間隔をおいて複数設けられている。導線31はこのフィン30aに巻き付けられる。保持体32は、合成樹脂からなる。
このような構造のステータアッセンブリ29は、以下の方法により製作できる。
アウタースリーブ26における環状凹部26cが形成された部分の内周部に鉄心30を焼き嵌めする。次に、鉄心30のフィン30aに導線31を巻きつける。次に、鉄心30からはみ出た導線31の両端部を、例えばプレス装置などを用いて、半径方向外側に曲げて断面U字形にする。次に、モールド金型に溶融したモールド樹脂を流し込んで固化させ、図6に示すような断面U字形の保持体32を成形する。
上記の構造を有するステータアッセンブリ29においては、モールド成形によって保持体32が成形されるので、モータステータ24とアウタースリーブ26との密着性が極めて高い。したがって、モータステータ24とアウタースリーブ26との境界部での熱抵抗を極めて小さくできるので、水冷ジャケット26bを流れる冷却水によりモータステータ24を効率よく冷却することができる。
上述した本発明の構成によれば、アウタースリーブ26とモータステータ24とが一体の部品としてステータアッセンブリ29を構成し、このステータアッセンブリ29のアウタースリーブ26とシールプレート28が、ベアリングハウジング16とコンプレッサハウジング20の間に軸方向に共締めされるので、ベアリングハウジング16に対してコンプレッサハウジング20を固定することにより、同時にモータステータ24をベアリングハウジング16に対して固定することができる。したがって、モータステータ24をベアリングハウジング16に固定するための追加ケーシングや組立時の専用の固定部品(ボルト等の締結具)が不要であり、組立時の部品点数を減らすことができるので、組立/分解が容易となる。
また、アウタースリーブ26は、モータステータ24の外周面と密着してモータステータ24の回転を拘束するようにモータステータ24を支持するので、電動機の固定子(モータステータ24)をベアリングハウジング16に強固に固定することができる。
また、ステータアッセンブリ29は、ベアリングハウジング16との間に液密の水冷ジャケット26bを構成するので、ステータアッセンブリ29の外壁部(アウタースリーブ26)が直接冷却され、これにより、アウタースリーブ26に密着するモータステータ24を効率よく冷却することができる。
さらに、シールプレート28は、コンプレッサハウジング20とモータステータ24との間を仕切り、かつアウタースリーブ26のコンプレッサ側に密着するので、その間の接触面積を十分広く設定でき、シールプレート28から水冷ジャケット26bへの伝熱により、圧縮空気で加熱されるシールプレート28を効率よく冷却することができる。
図7は、本発明の第2実施形態にかかる電動過給機の特徴部分を示す図である。以下の本実施形態の説明において、特に言及しない部分については、第1実施形態の構成と同様である。
本実施形態のアウタースリーブ26は、第1実施形態のアウタースリーブ26とシールプレート28を一体に成形したものである。
したがって、アウタースリーブ26は、ベアリングハウジング16とコンプレッサハウジング20の間に軸方向に共締めされている。また、アウタースリーブ26は、コンプレッサ側の壁面がコンプレッサ吐出空気の通路(流路20b)を形成している。
本実施形態によれば、シールプレート28が省略された分、部品点数を減らすことができるので、組立て/分解が一層容易となる。その他、第1実施形態と同様の効果が得られる。
図8は、本発明の第3実施形態にかかる電動過給機の特徴部分を示す図である。以下の本実施形態の説明において、特に言及しない部分については、第1実施形態の構成と同様である。
本実施形態のアウタースリーブ26は、第1実施形態のアウタースリーブ26とシールプレート28(アウタースリーブ26に当たる部分のみ)を一体に成形し、モータステータ24とシールプレート28(モータステータ24に当たる部分のみ)を一体に成形したものである。
したがって、アウタースリーブ26は、ベアリングハウジング16とコンプレッサハウジング20の間に軸方向に共締めされている。また、アウタースリーブ26のコンプレッサ側の壁面とモータステータ24のコンプレッサ側の壁面は、コンプレッサ吐出空気の通路(流路20b)を形成している。
本実施形態によれば、シールプレート28が省略された分、部品点数を減らすことができるので、組立て/分解が一層容易となる。その他、第1実施形態と同様の効果が得られる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

Claims (5)

  1. タービンインペラを一端に有するタービン軸と、タービン軸で回転駆動されるコンプレッサインペラと、タービン軸を回転可能に支持するベアリングハウジングと、コンプレッサインペラを回転可能に囲みかつベアリングハウジングに連結されるコンプレッサハウジングと、ベアリングハウジング内に固定されるモータステータと、該モータステータで回転駆動されるモータロータとを備えた電動過給機であって、
    ベアリングハウジングに挿着されたステータアッセンブリと、
    該ステータアッセンブリのコンプレッサ側に密着し且つコンプレッサハウジングとモータステータとの間を仕切るシールプレートとを備え、
    前記ステータアッセンブリは、前記モータステータと、内周面がモータステータの外周面と密着するとともにモータステータの回転を拘束するように該モータステータを支持するアウタースリーブとを有し、前記モータステータと前記アウタースリーブは一体の部品となって前記ステータアッセンブリを構成しており、前記アウタースリーブは、ベアリングハウジングとの間に液密の水冷ジャケットを構成しており、
    前記アウタースリーブと前記シールプレートは、前記ベアリングハウジングと前記コンプレッサハウジングの間に軸方向に共締めされている、ことを特徴とする電動過給機。
  2. 前記アウタースリーブは、ベアリングハウジングとコンプレッサハウジングの間にシールプレートと共締めされる半径方向外方へ延びるフランジ部を有する、ことを特徴とする請求項1に記載の電動過給機。
  3. タービンインペラを一端に有するタービン軸と、タービン軸で回転駆動されるコンプレッサインペラと、タービン軸を回転可能に支持するベアリングハウジングと、コンプレッサインペラを回転可能に囲みかつベアリングハウジングに連結されるコンプレッサハウジングと、ベアリングハウジング内に固定されるモータステータと、該モータステータで回転駆動されるモータロータとを備えた電動過給機であって、
    ベアリングハウジングに挿着されたステータアッセンブリを備え、
    該ステータアッセンブリは、前記モータステータと、内周面がモータステータの外周面と密着するとともにモータステータの回転を拘束するように該モータステータを支持するアウタースリーブとを有し、前記モータステータと前記アウタースリーブは一体の部品となって前記ステータアッセンブリを構成しており、かつコンプレッサ側の壁面がコンプレッサ吐出空気の通路を形成しており、
    前記アウタースリーブは、前記ベアリングハウジングと前記コンプレッサハウジングの間に軸方向に共締めされており、かつベアリングハウジングとの間に液密の水冷ジャケットを構成している、ことを特徴とする電動過給機。
  4. 前記アウタースリーブは、ベアリングハウジングとコンプレッサハウジングの間に共締めされる半径方向外方へ延びるフランジ部を有する、ことを特徴とする請求項3に記載の電動過給機。
  5. ベアリングハウジングとアウタースリーブの間を液密にシールする軸方向に間隔をおいて配置されたシール部材を有する、ことを特徴とする請求項1又は3に記載の電動過給機。
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