JP4941782B2 - 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。
関連技術の説明
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、このような過給を行う場合に、エンジンの排気エネルギにより圧縮機の駆動仕事をまかなうようにした装置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）。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。
また、電動過給機の空冷システムとして、特許文献３が提案されている。
特許文献１のターボチャージャは、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と、コンプレッサインペラ５４と、これらを連結するシャフト５５と、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と当接するスラスト面５７ａと、スペーサカラー５６に当接するスラスト面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、タービンのハブ５３ａとスペーサカラー５６にそれぞれ係合するセミフローティングベアリング５７のスラスト面５７ａ，５７ｂを介してハウジング５０で支持するようになっている。
特許文献２のモータアシストスーパーチャージャは、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６１ａ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の空冷システムでは、図３に示すように、内燃機関７１に連結されたターボチャージャ７２がモータハウジング７３内に収容された電動機を有し、モータハウジング７３はその出入口７３ａ，７３ｂを有する。ターボチャージャ７２はさらにコンプレッサ７４とその出入口７４ａ，７４ｂを有する。さらに第１の冷却ホース７５が、コンプレッサ出口７４ａとモータハウジング入口７３ｂをインタークーラ７６を介して連結し、第２の冷却ホース７７が、モータハウジング出口７３ａとコンプレッサ入口７４ｂを連結して電動機を冷却して加熱された空気をコンプレッサ７４に再循環させる。
米国特許第６，４４９，９５０号明細書、「ＲＯＴＯＲ ＡＮＤ ＢＥＡＲＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬＬＹ ＡＳＳＩＳＴＥＤ ＴＵＲＢＯＣＨＡＲＧＥＲ」 米国特許第６，０３２，４６６号明細書、「ＭＯＴＯＲ−ＡＳＳＩＳＴＥＤ ＴＵＲＢＯＣＨＡＲＧＥＲＳ ＦＯＲ ＩＮＴＥＲＮＡＬ ＣＯＭＢＵＳＴＩＯＮ ＥＮＧＩＮＥＳ」 米国特許第６，００９，３７５号明細書、「ＡＩＲ ＣＯＯＬＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＡＳＳＩＳＴＥＤ ＴＵＲＢＯＣＨＡＲＧＥＲ」
電動過給機では、内蔵した電動機の固定子（モータステータ）及び回転子（モータロータ）が渦電流等で発熱するため、これらを効率よく冷却する必要がある。
しかし、特許文献１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、固定子５１の冷却はケーシング５８ａ，５８ｂを介しての自然放熱のみであり、冷却性能が低い問題点がある。
また、特許文献２の例では、ケーシング６３に固定子６４の外周面と接する水冷ジャケット６６を設けているが、同様に加熱されるコンプレッサホイール６１や回転子６２からの入熱が大きいため、固定子全体を効率よく冷却できない。
さらに、特許文献３の例では、インタークーラ７６で冷却した圧縮空気をモータハウジング７３内に供給するので、モータハウジング内を効率よく冷却できるが、圧縮空気の一部を冷却用に循環使用するため、エンジンに供給される圧縮空気量が減少し、見かけ上のコンプレッサの効率が低下する。
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、圧縮空気の一部を冷却用に使用することなく、電動機の固定子全体を効率よく冷却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、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、
前記モータステータは、固定子鉄心及び固定子巻線とこれらを内部に埋設した熱伝導率の高いモールド部材とからなり、
さらに、モールド部材の外周面及びベアリングハウジングの内面と密着し、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アウタースリーブを備える、ことを特徴とする電動過給機が提供される。
また、参考例によれば、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、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、
前記モータステータは、固定子鉄心及び固定子巻線とこれらを内部に埋設した熱伝導率の高いモールド部材とからなり、
前記モールド部材は、モータロータを囲む内面（半径方向内側を向く面）と軸方向外面（軸方向を向く面）とに密着した断熱層を有する、ことを特徴とする電動過給機が提供される。
また、前記モールド部材は、固定子鉄心を内部に埋設した熱伝導性樹脂からなる中空円筒部と、該中空円筒部の軸方向両端に接し固定子巻線を内部に埋設した熱伝導性樹脂からなる外向き鍔部とからなる。
また、前記アウタースリーブは、中空円筒部及び外向き鍔部の外面に接する内面（半径方向内側を向く面）と外向き鍔部の軸方向内面に接する内面（軸方向を向く面）とを有する。
なお、本発明によると、前記モールド部材は樹脂からなっていなくてもよく、水冷ジャケットとなるアウタースリーブに設けられる冷却水空間（即ち、冷却水が流れる空間）がアウタースリーブの外部に露出しないようにアウタースリーブの内部に形成されていてもよい。
上記本発明の構成によれば、前記モータステータのモールド部材が、固定子鉄心及び固定子巻線を内部に埋設しており、アウタースリーブが、モールド部材の外周面及びベアリングハウジングの内面と密着して、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、圧縮空気の一部を冷却用に使用することなく、水冷ジャケットでモールド部材の外周面を直接冷却し、熱伝導率の高いモールド部材を介して固定子鉄心及び固定子巻線を効率よく冷却できる。
また、モールド部材は、モータロータを囲む内面（半径方向内側を向く面）と軸方向外面（軸方向を向く面）とに密着した断熱層を有するので、コンプレッサホイールやモータロータからの入熱を低減できる。
また、モールド部材は、固定子鉄心を内部に埋設した熱伝導性樹脂からなる中空円筒部と、該中空円筒部の軸方向両端に接し固定子巻線を内部に埋設した熱伝導性樹脂からなる外向き鍔部とからなり、前記アウタースリーブは、中空円筒部及び外向き鍔部の外面に接する内面（半径方向内側を向く面）と外向き鍔部の軸方向内面に接する内面（軸方向を向く面）とを有するので、水冷ジャケットでモールド部材の前記内面から電動機の固定子全体を効率よく冷却できる。
即ち、モールド部材とアウタースリーブとの接触面積が、モールド部材の外向き鍔部の軸方向内面とこれに接するアウタースリーブの内面（軸方向を向く面）との接触面積の分だけ増加する。この接触面積増加により、モータステータを構成するモールド部材と水冷ジャケットを構成するアウタースリーブとの間の伝熱を大幅に向上できる。なお、この効果は、モールド部材が樹脂からなっていなくても得られる。
従って、圧縮機効率を落とさず、モータステータの冷却性能を向上させることができる。
なお、上記のように、モールド部材とアウタースリーブとの接触面積を増加させた場合に、外向き鍔部は中空円筒部よりも半径方向外側に位置する部分を持つので、この部分にも固定子巻線を配置でき（例えば、図５を参照）、その分、固定子巻線の巻数を多くすることもできる。
は、特許文献１のターボチャージャの構成図である。 は、特許文献２のモータアシストスーパーチャージャの構成図である。 は、特許文献３の空冷システムの構成図である。 は、本発明の電動過給機の全体構成図である。 は、図４の部分拡大図である。
好ましい実施例の説明
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。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やノズルのな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およびモータステータ２４を備える。
モータロータ２２は、電動機の回転子であり、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。
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。
図５において、モータステータ２４は、固定子鉄心２４ａ及び固定子巻線２４ｂとこれらを内部に埋設した熱伝導率の高いモールド部材３０とからなる。また、モールド部材３０は、モータロータ２２を囲む内面（即ち、半径方向内側を向く面）と軸方向外面（即ち、軸方向を向く面）とに密着した断熱層３２を有する。言い換えると、断熱層３２は、モールド部材３０の当該内面と当該軸方向外面とに密着して設けられている。
モールド部材３０は、熱伝導率の高い材料、例えばグラファイト、ケイ素、プラスチック等からなるのがよい。また、断熱層３２は、モータステータ２４の磁界を弱めないように薄い層状であり、かつ熱伝導率が低い材料、例えばプラスチックフォーム、シリカウール等からなるのがよい。ここで、熱伝導率が高い材料とは熱伝導率が１W/(m・K)以上の材料である。
また、断熱層３２のモールド部材３０の取り付けは、接着でも、一体モールドでもよい。
また、この例で、モールド部材３０は、固定子鉄心２４ａを内部に埋設した熱伝導性樹脂からなる中空円筒部３０ａと、中空円筒部３０ａの軸方向両端に接し固定子巻線２４ｂを内部に埋設した熱伝導性樹脂からなる外向き鍔部３０ｂとからなる。
さらに本発明の電動過給機１０は、アウタースリーブ２６とシールプレート２８を備える。
アウタースリーブ２６は、モールド部材３０の外周面及びベアリングハウジング１６の内面と密着し、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。
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隔てたシール部材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の内周面をシールする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、半径方向を向く面（例えば、ベアリングハウジング１６の上記内周面）をシールする、または、軸方向を向く面（例えば、フランジ部２６ａの上記軸方向内面）をシールする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、図示しない冷却水供給口と冷却水排出口から冷却水を供給し排出する。
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の間にアウタースリーブ２６のフランジ部２６ａと共に軸方向に共締めされる。
このシールプレート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。
上述した本発明の構成によれば、モータステータ２４のモールド部材３０が、固定子鉄心２４ａ及び固定子巻線２４ｂを内部に埋設しており、アウタースリーブ２６が、モールド部材２４の外周面及びベアリングハウジング１６の内面と密着して、ベアリングハウジングとの間に液密の水冷ジャケット２６ｂを構成するので、圧縮空気の一部を冷却用に使用することなく、水冷ジャケット２６ｂでモールド部材３０の外周面を直接冷却し、熱伝導率の高いモールド部材３０を介して固定子鉄心２４ａ及び固定子巻線２４ｂを効率よく冷却できる。
また、モールド部材３０は、モータロータ２２を囲む内面（即ち、半径方向内側を向く面）と軸方向外面（即ち、軸方向を向く面）とに密着した断熱層３２を有するので、コンプレッサホイール１４やモータロータ２２からの入熱を低減できる。
また、モールド部材３０は、固定子鉄心２４ａを内部に埋設した熱伝導性樹脂からなる中空円筒部３０ａと、中空円筒部３０ａの軸方向両端に接し固定子巻線２４ｂを内部に埋設した熱伝導性樹脂からなる外向き鍔部３０ｂとからなり、アウタースリーブ２６は、中空円筒部３０ａ及び外向き鍔部３０ｂの外面に接する内面（即ち、半径方向内側を向く面）と外向き鍔部３０ｂの軸方向内面に接する内面（即ち、軸方向を向く面）とを有するので、水冷ジャケット２６ｂでモールド部材３０の当該内面から電動機の固定子全体を効率よく冷却できる。
即ち、モールド部材３０とアウタースリーブ２６との接触面積が、モールド部材３０の外向き鍔部３０ｂの軸方向内面とこれに接するアウタースリーブ２６の内面（軸方向を向く面）との接触面積の分のだけ増加する。この接触面積増加により、モータステータ２４を構成するモールド部材３０と水冷ジャケット２６ｂを構成するアウタースリーブ２６との間の伝熱を大幅に向上できる。なお、この効果は、モールド部材３０が樹脂からなっていなくても得られる。即ち、本発明によれば、モールド部材３０が樹脂からなっていなくてもよい。また、この場合、水冷ジャケットとなるアウタースリーブ２６に設けられる冷却水空間（即ち、冷却水が流れる空間）がアウタースリーブ２６の外部に露出しないようにアウタースリーブ２６の内部に形成されていてもよい。
従って、圧縮機効率を落とさず、モータステータ２４の冷却性能を向上させることができる。
なお、上記のように、モールド部材３０とアウタースリーブ２６との接触面積を増加させた場合に、外向き鍔部３０ｂは中空円筒部３０ａよりも半径方向外側に位置する部分を持つので、この部分にも固定子巻線２４ｂを配置でき（例えば、図５を参照）、その分、固定子巻線２４ｂの巻数を多くすることもできる。
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、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、
    前記モータステータは、固定子鉄心及び固定子巻線とこれらを内部に埋設した熱伝導率の高いモールド部材とからなり、
    さらに、モールド部材の外周面及びベアリングハウジングの内面と密着し、液密の水冷ジャケットを構成するアウタースリーブを備え、
    前記モールド部材は、固定子鉄心を内部に埋設した中空円筒部と、該中空円筒部の軸方向両端にそれぞれ接し固定子巻線を内部に埋設した１対の外向き鍔部とからなる、ことを特徴とする電動過給機。
  2. 前記モールド部材は、モータロータを囲む内面と軸方向外面とに密着した断熱層を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の電動過給機。
  3. 前記アウタースリーブは、中空円筒部の外面に接する内面と外向き鍔部の軸方向内面にタービン軸の軸方向に接する内面とを有し、
    前記各外向き鍔部は、前記中空円筒部よりもタービン軸の半径方向外側に位置する部分を有し、
    前記各外向き鍔部の前記部分は、前記軸方向内面を有する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の電動過給機。
  4. 前記中空円筒部と前記各外向き鍔部は、熱伝導性樹脂からなる、ことを特徴とする請求項１、２または３に記載の電動過給機。
  5. 前記アウタースリーブは、前記ベアリングハウジングとの間に前記水冷ジャケットを構成する、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電動過給機。
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