JP5691392B2 - 電動アシストターボチャージャ - Google Patents

Description

本発明は、ターボチャージャに電動機（モータ）を組み合わせた電動アシストターボチャージャに係り、特に、電動機の鉄損を低減すると共にターボ軸に偏荷重が加わらない電動アシストターボチャージャに関するものである。

エンジンにターボチャージャを付加したシステムでは、エンジン回転速度が低くトルクが低いときには排気ガスエネルギが小さいことから排気タービンの回転速度が低く、吸気コンプレッサにて過給される吸気量が少ない。このため、エンジン低回転時に高トルクが要求されると、吸気量が燃料噴射量からくる要求に対して不足してしまう。また、エンジン状態が変動する過渡運転時に、ターボ軸の回転慣性により、ターボチャージャの回転がエンジン状態の変動に対して応答遅れするため、例えば、車両が加速のために燃料噴射量を急速に増加させたい時に、ターボチャージャの回転が上がるのが遅く吸気量が迅速に増加しない。

これに対し、ターボチャージャに電動機を組み合わせた電動アシストターボチャージャが知られている。電動アシストターボチャージャは、エンジン低回転時や過渡運転時に電動機の力でターボ軸の駆動を補助することで、迅速に吸気量を増加させることができる。

従来の電動アシストターボチャージャは、排気ガスにより回転される排気タービンと排気タービンにターボ軸を介して接続された吸気コンプレッサとを有するターボチャージャに、ターボ軸に一体に設けられたロータとロータの外周に位置するステータとを有する電動機を組み合わせてなる。

この電動アシストターボチャージャでは、電動機のロータがターボ軸に一体に設けられるので、ロータはターボ軸と同じ回転速度で回転する。

特開２００４−１６９６２９号公報 特開２００６−３２０１４３号公報

ところが、一般の電動機には、回転速度が低い領域に銅損が大きい領域があり、回転速度が高い領域に鉄損が大きい領域がある。銅損は、巻線に流れる電流によるものである。鉄損は、鉄心に流れる渦電流により電気エネルギが消費されるために生じる。さらに詳しくは、鉄損には、渦電流損とヒステリシス損とがあるが、両者とも回転速度に応じて大きくなる。

一般の電動機は、回転速度が高いと鉄損が大きいので、数千ｒｐｍから２万ｒｐｍの範囲が適切な使用回転速度とされている。

これに対し、ターボチャージャは排気ガスが多くなればなるほど高速で回転されるものであり、例えば、小型エンジンに搭載されるターボチャージャでは回転速度が１０万〜２０万ｒｐｍにもなることがある。この回転速度は、一般の電動機においては渦電流損が大きい領域に相当する。

このように、従来の電動アシストターボチャージャでは、電動機のロータがターボ軸と同じ回転速度となることから、電動機が推奨されない回転速度領域で使用されることになり、鉄損による電力の無駄な消費が避けられない。

なお、１０万ｒｐｍを超える超高速回転でも鉄損増加を抑制できる超高速モータがあるが、特殊な材料や構造を採用しているので高価であり、普及車への搭載には適さない。

また、一般にターボチャージャは、高速で回転しているときにターボ軸に偏荷重が加わると、容易に軸受けが焼き付いてしまう。したがって、鉄損低減対策のために部材を付加するにあたっては、偏荷重を十分に考慮する必要がある。

そこで、本発明の目的は、電動機の鉄損を低減すると共にターボ軸に偏荷重が加わらない電動アシストターボチャージャを提供することにある。

この目的を達成するために創案された本発明は、ターボチャージャと電動機とを減速ギア機構で連結して構成した電動アシストターボチャージャであって、前記減速ギア機構は、前記ターボチャージャのターボ軸に取り付けられたターボ側ギアと、前記電動機のロータに取り付けられた電動機側ギアと、前記ターボ側ギアを挟んで対向するように設けられると共に前記ターボ側ギアと前記電動機側ギアとを連結する２つのアイドルギアと、からなり、前記電動機の回転速度を前記電動機側ギアと前記２つのアイドルギアと前記ターボ側ギアとを介して前記ターボ軸の回転速度よりも低回転速度にすると共に、前記２つのアイドルギアに対する前記ターボ側ギアのバックラッシュ量を前記２つのアイドルギアに対する前記電動機側ギアのバックラッシュ量よりも小さくし、前記２つのアイドルギアと前記ターボ側ギアとが噛み合う遊びの量を前記２つのアイドルギアと前記電動機側ギアとが噛み合う遊びの量よりも小さくした電動アシストターボチャージャである。

前記ターボ側ギアの歯数は、偶数であると良い。

本発明によれば、電動機の鉄損を低減すると共にターボ軸に偏荷重が加わらない電動アシストターボチャージャを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る電動アシストターボチャージャを示す側面図である。 図１の電動アシストターボチャージャの減速ギア機構を示す側面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適な実施の形態に係る電動アシストターボチャージャを示す側面図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る電動アシストターボチャージャ１０は、ターボチャージャ１１と電動機１２とを減速ギア機構１３で連結して構成したものである。

ターボチャージャ１１は、排気ガスにより回転される排気タービン１４と、回転により空気を圧縮する吸気コンプレッサ１５と、排気タービン１４と吸気コンプレッサ１５とを同軸上で接続すると共に排気タービン１４側から吸気コンプレッサ１５側へ回転を伝達するターボ軸１６とを備える。ターボ軸１６は、排気タービン１４側の軸受け１７と吸気コンプレッサ１５側の軸受け１８とにより、２箇所で軸承されている。

図２に示すように、減速ギア機構１３は、ターボチャージャ１１のターボ軸１６に取り付けられたターボ側ギア１９と、電動機１２のロータ２０に取り付けられた電動機側ギア２１と、ターボ側ギア１９を挟んで対向するように設けられると共にターボ側ギア１９と電動機側ギア２１とを連結する２つのアイドルギア２２ａ，２２ｂとからなる。

なお、図１では、図示の都合上、図面手前に位置するアイドルギア２２ｂを省略した。また、図面奥に位置するアイドルギア２２ａを他のギアより幅を太く描いたが、実際には他のギアより幅を太くする必要はない。

電動機側ギア２１が２つのアイドルギア２２ａ，２２ｂのそれぞれに噛み合い、２つのアイドルギア２２ａ，２２ｂがいずれもターボ側ギア１９に噛み合う。２つのアイドルギア２２ａ，２２ｂは、ターボ側ギア１９を挟んで対向しており、アイドルギア２２ａの中心とターボ側ギア１９の中心とアイドルギア２２ｂの中心が一直線上に位置するようになっている。

２つのアイドルギア２２ａ，２２ｂの歯数は特に限定しないが、２つのアイドルギア２２ａ，２２ｂ同士は歯数が同じである。一方、ターボ側ギア１９は、２箇所の軸受け１７，１８の間に設けられており、その歯数は偶数とされる。

２つのアイドルギア２２ａ，２２ｂに対するターボ側ギア１９のバックラッシュ量は、２つのアイドルギア２２ａ，２２ｂに対する電動機側ギア２１のバックラッシュ量よりも小さくされる。これにより、ターボ側ギア１９は２つのアイドルギア２２ａ，２２ｂに常に噛み合うようになっており、他方、電動機側ギア２１は２つのアイドルギア２２ａ，２２ｂに所定の遊びを持って噛み合うようになっている。

図中に矢印で示したように、電動機側ギア２１が反時計回りであれば、２つのアイドルギア２２ａ，２２ｂは時計回りとなり、ターボ側ギア１９は反時計回りとなる。電動機側ギア２１は、ターボ側ギア１９よりも歯数が多く、電動機１２の回転は増速されてターボ軸１６に伝達される構成となっている。

次に、電動アシストターボチャージャ１０の動作を説明する。

電動アシストターボチャージャ１０において、ターボ軸１６の回転速度が低く、吸気コンプレッサ１５から過給される吸気量が少ない状態のとき、燃料噴射量を多くするには、吸気量を多くする必要がある。

このような場合に、電動機１２を回転させることにより、電動機側ギア２１から２つのアイドルギア２２ａ，２２ｂとターボ側ギア１９を介してターボ軸１６の回転を補助する。このとき、電動機１２の回転が増速されてターボ軸１６に伝達されるので、電動機１２は所望するターボ軸１６の回転速度よりも低回転速度で回転させれば良いことになる。

ターボ軸１６の回転速度が高い状態にて、エンジン状態をさらに高負荷なエンジン状態にさせるような過渡運転時（例えば、追い越し運転時）、電動機１２を回転させることにより、ターボ軸１６の回転を補助する。このときは、ターボ軸１６の回転速度は高いが、電動機１２の回転速度は所望するターボ軸１６の回転速度よりも低回転速度となるので、鉄損が小さい回転速度領域で電動機１２が使用される。

ところで、２つのアイドルギア２２ａ，２２ｂを使用せず、電動機側ギア２１がターボ側ギア１９に直接噛み合う構成とすることも考えられるが、この構成においては、ターボ側ギア１９が電動機側ギア２１からの噛み合い圧力を一方向から受けるために、ターボ軸１６に偏荷重が発生しやすい。

これに対し、本実施の形態に係る電動アシストターボチャージャ１０は、ターボ側ギア１９を挟んで対向する２つのアイドルギア２２ａ，２２ｂがそれぞれターボ側ギア１９に噛み合う。このため、アイドルギア２２ａ，２２ｂからの噛み合い圧力が軸対称に同じ大きさで、且つ、噛み合い圧力が正反対の方向（図２の白抜矢印方向）にかかる。この結果、噛み合い圧力によってターボ軸１６に発生する偏荷重が相殺され、ターボ軸１６には偏荷重が加わらなくなる。特に、ターボ側ギア１９の歯数を偶数としているので、２つのアイドルギア２２ａ，２２ｂからの噛み合い圧力が軸対称に全く同じ大きさでかかるので、偏荷重が確実に相殺される。

更に、本実施の形態に係る電動アシストターボチャージャ１０は、２つのアイドルギア２２ａ，２２ｂに対するターボ側ギア１９のバックラッシュ量が、２つのアイドルギア２２ａ，２２ｂに対する電動機側ギア２１のバックラッシュ量よりも小さくされる。このため、２つのアイドルギア２２ａ，２２ｂとターボ側ギア１９とを常に噛み合い状態とすることができ、電動機側ギア２１が回転したときにターボ側ギア１９にかかる噛み合い圧力を確実に相殺することができる形で付与することができ、より偏荷重を低減することが可能である。

以上説明したように、本実施の形態に係る電動アシストターボチャージャ１０は、電動機１２を所望するターボ軸１６の回転速度よりも低回転速度で回転させればよく、電動機１２の鉄損を低減することができる。つまり、電動アシストターボチャージャ１０によれば、鉄損による電力の無駄な消費が節減され、結果的に燃料消費が抑制されるので、燃費を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る電動アシストターボチャージャ１０は、電動機１２が低回転速度で運転されるので、超高速モータを採用する必要がなく、材料や構造が一般的な電動機を採用でき、コストの上昇を抑えることができる。

更に、本実施の形態に係る電動アシストターボチャージャ１０は、電動機側ギア２１がアイドルギア２２ａ，２２ｂの両方に噛み合うようにすると共にターボ側ギア１９の歯数を偶数にしたので、ターボ軸１６に偏荷重が加わらなくなる。

また、２つのアイドルギア２２ａ，２２ｂに対するターボ側ギア１９のバックラッシュ量が、２つのアイドルギア２２ａ，２２ｂに対する電動機側ギア２１のバックラッシュ量よりも小さくされるので、２つのアイドルギア２２ａ，２２ｂとターボ側ギア１９とを常に噛み合い状態とすることができ、電動機側ギア２１が回転したときにターボ側ギア１９にかかる噛み合い圧力をより確実に相殺することができる。

なお、電動機側ギア２１とターボ側ギア１９のギア比としては、５：１〜２０：１が望ましく、例えば１０：１にすれば、ターボ軸１６の回転速度が２０万ｒｐｍのとき、電動機１２の回転速度は２万ｒｐｍで良いことになる。

電動アシストターボチャージャ１０は、排気ガスエネルギに余力がある場合に、電動機１２を発電機として使用し、回生電力を得ることができる。この場合も、電動機１２が高回転速度では発電効率が低下するが、本実施の形態ではターボ軸１６の回転を減速して電動機１２に伝達することにより、発電効率を向上させることができる。

１０ 電動アシストターボチャージャ
１１ ターボチャージャ
１２ 電動機
１３ 減速ギア機構
１４ 排気タービン
１５ 吸気コンプレッサ
１６ ターボ軸
１７ 軸受け（排気タービン側）
１８ 軸受け（吸気コンプレッサ側）
１９ ターボ側ギア
２０ ロータ
２１ 電動機側ギア
２２ａ，２２ｂ アイドルギア

Claims (2)

1. ターボチャージャと電動機とを減速ギア機構で連結して構成した電動アシストターボチャージャであって、
   前記減速ギア機構は、
   前記ターボチャージャのターボ軸に取り付けられたターボ側ギアと、
   前記電動機のロータに取り付けられた電動機側ギアと、
   前記ターボ側ギアを挟んで対向するように設けられると共に前記ターボ側ギアと前記電動機側ギアとを連結する２つのアイドルギアと、
   からなり、
   前記電動機の回転速度を前記電動機側ギアと前記２つのアイドルギアと前記ターボ側ギアとを介して前記ターボ軸の回転速度よりも低回転速度にすると共に、前記２つのアイドルギアに対する前記ターボ側ギアのバックラッシュ量を前記２つのアイドルギアに対する前記電動機側ギアのバックラッシュ量よりも小さくし、前記２つのアイドルギアと前記ターボ側ギアとが噛み合う遊びの量を前記２つのアイドルギアと前記電動機側ギアとが噛み合う遊びの量よりも小さくしたことを特徴とする電動アシストターボチャージャ。
2. 前記ターボ側ギアの歯数は、偶数である請求項１に記載の電動アシストターボチャージャ。

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