JP5931562B2

JP5931562B2 - 電動過給機

Info

Publication number: JP5931562B2
Application number: JP2012099478A
Authority: JP
Inventors: 潤田原; 中島　泰; 泰中島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2032-04-25
Also published as: JP2013227889A

Description

この発明は、電動機と過給機とが一体に構成された電動過給機に関するものである。

自動車の低燃費を目的とし、内燃機関の出力を増加させるために電動機で駆動する過給機が設けられた電動過給機が知られている。電動過給機において、電動機と過給部分を一体化することによってエンジンルーム内の設置スペースを大幅に削減することができるようになる。このような電動過給機の例として、一端側が冷却用空気流通路に連通し、ロータの外表面に接して圧縮空気が流通されるとともに、他端側がインペラ側ベアリングホルダの外周側から筐体の外部に開放される軸冷却流通路を形成することにより、圧縮した空気を電動機の冷却に使用する装置がある（特許文献１参照）。

特開２０１１−２０２５８８号公報

上記特許文献１においては、圧縮空気を電動機の冷却に利用しているが、圧縮された空気は温度が上昇するため、冷却を有効に行えない場合があるという問題点がある。更に電動機部分と過給機部分を覆う筐体が一体に形成され、電動機部分と過給機部分との間に断熱部分がないので、過給機部分で発生した熱が電動機部分に直接伝わり電動機が劣化するという問題点もあった。

又過給機から電動機へ熱が伝わり難くするために過給機と電動機の間に空間を設けることも考えられるが、このように構成すると軸方向の長さが長くなり、特に軸受けからインペラまでの距離が長くなるため、過給機を高速回転で動作させた場合、軸の振動が大きくなり、寿命が低下し、また騒音が大きくなるという問題点があった。

更に電動過給機と機械式過給機を組合せて２段式過給装置とし、電動過給機を補助的に使用して自動車の低燃費化を図るような場合、電動過給機を機械式過給機の後段に配置すると、電動過給機には機械式過給機によって圧縮された空気が流入するため、高温の空気が流入してしまう。そして流入した空気が高温の場合は電動機の温度が上昇し、劣化が早まったり、性能が低下したりすることがあり、このような欠点を除去するため、高価な巻き線皮膜を用いなければならず、経済的負担が大きくなってしまうという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、過給機によって発生した圧縮空気により、電動機の温度が上昇し難くなるようにするとともに、装置の軸方向の長さを短くすることにより、軸の振動を低減することができる電動過給機を提供することを目的とするものである。

この発明に係る電動過給機は、回転軸に圧入されたロータと、このロータに対向して配置されたステータと、ロータ及びステータを収容する電動機ハウジングと、回転軸の一端に固定されたインペラと、インペラを収容するとともにインペラの回転に伴って圧縮空気を発生させる過給機ハウジングとから構成されるものであって電動機ハウジングと過給機ハウジングとの接続部に過給機ハウジングから電動機ハウジングに伝わる熱を遮断するための断熱材を設けるとともに、電動機ハウジングと過給機ハウジングとを固定するためのボルトを電動機ハウジングと過給機ハウジングの最外径部であって、電動機ハウジングと過給機ハウジングとの接続部に設置し、ボルトと電動機ハウジングとの間に第２の断熱材を介在させたものである。

更にこの発明に係る別の電動過給機は、回転軸に圧入されたロータと、このロータに対向して配置されたステータと、ロータ及びステータを収容する電動機ハウジングと、回転軸の一端に固定されたインペラと、インペラを収容するとともにインペラの回転に伴って圧縮空気を発生させる過給機ハウジングとから構成されるものであって、電動機ハウジングと過給機ハウジングとの接続部に過給機ハウジングから電動機ハウジングに伝わる熱を遮断するための断熱材を設け、電動機ハウジングの過給機側にステータを挿入するための開口部を設けるとともに、ステータの側面に固定用ブロックを固定させたものである。

この発明に係る電動過給機によれば、回転軸に圧入されたロータと、このロータに対向して配置されたステータと、ロータ及びステータを収容する電動機ハウジングと、回転軸の一端に固定されたインペラと、インペラを収容するとともにインペラの回転に伴って圧縮空気を発生させる過給機ハウジングとから構成されるものであって、電動機ハウジングと過給機ハウジングとの接続部に過給機ハウジングから電動機ハウジングに伝わる熱を遮断するための断熱材を設けるとともに電動機ハウジングと過給機ハウジングとを固定するためのボルトを電動機ハウジングと過給機ハウジングの最外径部であって、電動機ハウジングと過給機ハウジングとの接続部に設置し、ボルトと電動機ハウジングとの間に第２の断熱材を介在させたものである。
以上のように構成することにより、過給機ハウジングから電動機ハウジングに熱が伝わるのを抑制でき、圧縮空気による電動機の温度上昇を低減することができる。更には電動機ハウジングの過給機側にステータを挿入するための開口部を設けるとともに、ステータの側面に固定用ブロックを固定させたので、ステータを電動機ハウジングの過給機側から挿入できるため、組立性を向上させることができる。

この発明の実施の形態１による電動過給機を示す断面図である。この発明の実施の形態１による電動過給機を示す断面図である。過給機ハウジングの一部分を示す断面図である。この発明の実施の形態１による電動過給機を示す断面図である。この発明の実施の形態１による電動過給機を示す断面図である。この発明の実施の形態１による電動過給機を示す断面図である。この発明の実施の形態１による電動過給機を示す断面図である。この発明の実施の形態２による電動過給機を示す断面図である。この発明の実施の形態２による電動過給機を示す断面図である。

実施の形態１．
以下実施形態を図に基づいて説明する。図１は実施の形態１による電動過給機を示す断面図である。電動機２１はロータ２３とステータ２２により構成され、ステータ２２はロータ２３に対して対向するように配置されている。ステータ２２は電力変換装置７０から電流を供給されて回転磁界を発生させ、ロータ２３を回転させる。ロータ２３は回転軸６０に圧入され、回転軸６０は電動機ハウジング２０に圧入されたインペラ側の軸受け５０と電力変換装置側の軸受け５１によって保持される。又電動機ハウジング２０内にロータ２３及びステータ２２が収容されている。

軸受け５０、５１とロータ２３の間には緩衝材５２、５３が設けられている。回転軸６０の一端側にはインペラ３１がナット６１によって固定され、ロータ２３の回転と共にインペラ３１が回転する。電力変換装置側に設けられた軸受け５１は電動機ハウジング２０に設けたエッジ２０ａにより軸方向の振動が抑制される。インペラ３１は過給機ハウジング３０内に収容されており、インペラ３１が過給機ハウジング３０の中で回転して空気が圧縮され、過給機ハウジング３０内で圧縮空気が発生する。圧縮された空気は温度が上昇し、圧縮空気が接触する過給機ハウジング３０の温度は上昇する。

ここで、電動機ハウジング２０と過給機ハウジング３０の間にエポキシガラス等からなる断熱材１を介在させ、電動機ハウジング２０と過給機ハウジング３０とをカップリングバンド４０で固定して、断熱材１がインペラ側に設けられた軸受け５０を押さえるように一体化して構成する。エポキシガラスは熱伝導率が例えば１Ｗ／ｍＫ未満であり、金属などの他の熱伝導材と比較すると２桁程度小さい熱伝導率を有しているため断熱効果が大きく、過給機ハウジング３０から電動機ハウジング２０へ伝わる熱を軽減することができ、電動機ハウジング２０の温度上昇を抑制することができる。

さらに断熱材１は軸受け５０を保持することもできるので、他の構造を用いる必要もない。又伝熱性を低下させるための空間を設ける必要が無いため、インペラ３１と軸受け５０までの距離を短くすることができるので、軸の振動を低減することができる。そして本実施形態によれば電動機２１の温度上昇を抑制することが出来るので、電動機２１の劣化を抑制して寿命を延ばすことができる。また装置の軸方向の長さを短くできるので、電動機２１自体を小型化することができる。上記においては断熱材１としてエポキシガラスを使用した例を示したが、熱伝導率が小さく、高温でも強度が劣化しない材質であれば他のものを使用してもよい。

電動過給機と機械式過給機を組合せた２段式過給装置において、電動過給機が機械式過給機の後段に配置される場合、圧縮空気は１００度以上となる可能性があるが、エポキシガラスの耐熱温度は１５０度程度のため、このような場合でも十分断熱効果がある。圧縮空気が１００度未満の場合、耐熱温度が１００度程度のフェノール樹脂も断熱材として使用することができる。

カップリングバンド４０は例えば鉄系の材質で構成することができ、高温になっても保持力を低下しないように設定する。また鉄系の材質であれば、熱伝導率も金属材料の中では比較的小さいため熱の伝達量が少なくなり、電動機ハウジング２０の温度上昇を抑えることができ、更に高温になっても保持できる。鉄系材料以外でも強度が高く、降伏点が大きい材料であれば他の材料を使用することも出来る。

カップリングバンド４０を過給機ハウジング３０および電動機ハウジング２０の最外径部であって、過給機ハウジング３０と電動機ハウジング２０との接続部に配置させることにより、伝熱距離を大きくすることができ、熱に対する抵抗力を増すことができる。すなわち、過給機ハウジング３０内の圧縮空気から電動機２１側への熱の伝達を考えたときに、カップリングバンド４０を、電動機ハウジング２０よりも外側に突出させることで、熱の伝達経路は過給機ハウジング３０から、過給機ハウジング３０の外周部、カップリングバンド４０、電動機ハウジング２０の外周部を経て電動機２１本体となり、熱伝達経路を長くすることができる。

このカップリングバンド４０を電動機ハウジング２０及び過給機ハウジング３０の最外径部ではなく、例えば回転軸６０に近い位置に設けてしまうと、熱伝達経路は過給機ハウジング３０からカップリングバンド４０を経て電動機２１という短い経路になってしまい、多くの熱が伝達され、熱に対する抵抗力が小さくなってしまう。本発明のように断熱材１を過給機ハウジング３０と電動機ハウジング２０の間に設けなければ、熱は過給機ハウジング３０から電動機ハウジング２０に直接流入してくる事になり、温度上昇が大きくなる。

電力変換装置７０は電力半導体と制御装置を備え、バッテリ（図示しない）の電力を電動機２１の必要とする電力に変換する。電力変換装置７０は電動機ハウジング２０と別に構成してもよいが、電動機ハウジング２０内に収納させて、電動機ハウジング２０と過給機ハウジング３０を一体化することで装置全体の小型化を図ることができ、エンジンルーム内で搭載し易くすることができる。

回転軸６０は１０万ｒｐｍ程度の高速回転で運転されるため、摩擦の小さい軸受け５０、５１を使用することが好ましい。また、回転軸６０の回転が１０万ｒｐｍ程度の場合はグリス軸受、１５万ｒｐｍ程度の場合は油軸受を使用することが好ましい。また、軸振動を低減するために２つの軸受けによって保持することが好ましい。電動機ハウジング２０と過給機ハウジング３０の材質は熱伝導率の大きいアルミニウムを使用することが好ましい。また燃費を良くするために軽量化を図るという観点においても、アルミニウムが比強度が高いため有効である。またこれらのハウジングを自然空冷により放熱させても良いが、強制空冷あるいは液冷を用いることにより放熱性を高めることができる。空冷の場合電動機ハウジング２０にフィン２４を設ければ効果的である。

電力変換装置７０において電子部品や導体が外部に露出している場合は、塵や水分などにより劣化する恐れがあるため、蓋８０を電動機ハウジング２０にボルト８１で固定して電力変換装置７０を装置内部に収納することにより、塵や水分などから保護することができる。電力変換装置７０と電動機ハウジング２０との接触面や、ステータ２２と電動機ハウジング２０との接触面などに伝熱材を塗布することにより、放熱性を高めて各部品の温度上昇を低減することができる。

以上のような構成により、電動機ハウジング２０と過給機ハウジング３０の間で熱が伝わるのを抑制でき、電動機ハウジング２０の放熱性を向上させ、圧縮空気による電動機２１の温度上昇を低減することができる。又インペラ３１と軸受け５０との距離を短くして軸の振動を抑制することができるため、電動機２１の劣化を抑制して寿命を延ばすことができる。

図２は実施の形態１による他の電動過給機を示す断面図であり、図に示すように過給機ハウジング３０にフィン３３を設けることにより、過給機ハウジング３０からの放熱性が高まり、電動機ハウジング２０への伝熱を抑制することができる。図２においては、フィン３３を過給機ハウジング３０に対して周方向に設けた場合を示したが、図３に示すように、過給機ハウジング３０に対して径方向にフィン３３ａを設けるようにしてもよい。また、カップリングバンド４０にフィン４３を設けることにより、過給機ハウジング３０から電動機ハウジング２０への伝熱をさらに抑制することができる。図２においては、フィン４３をカップリングバンド４０に対して周方向に設けた場合を示したが、図３に示すように、カップリングバンド４０に対して軸方向にフィン４３ａを設けるようにしてもよい。これらのフィンに風を誘導するためのダクトや、フィン自体を覆うようなジャケットを設けることにより、フィン部の風速を大きくすることができ、更に放熱性をより高めることができる。

図４は実施の形態１による他の電動過給機を示す断面図であり、液冷を採用する場合を示している。図４に示すように、流路２５を過給機ハウジング３０とステータ２２の間であって、電動機ハウジング２０内に設けることにより断熱効果を高めることができる。流路２５は断熱材１の近傍に設けることが好ましい。また、発熱源となる電力変換装置７０や半導体モジュールの近傍に流路７５を設けたり、更に軸受け５１の近傍に流路５５を設けても放熱性をさらに高め、電動機２１の寿命を延ばすとともに、性能の低下を抑制する効果がある。尚図４においては、図１の構成にそれぞれの流路を加えた場合について示したが、図２の構成に流路を設けるようにしても良い。

図５は実施の形態１による他の電動過給機を示す断面図であり、図に示すように、過給機ハウジング３０と電動機ハウジング２０を固定するためにボルト４１を用いてもよく、この場合、ボルト４１が伝熱経路となるため、ボルト４１と電動機ハウジング２０の間に断熱材４２（第２の断熱材）を介在させることにより、断熱性を高めることができる。ボルト４１の材質はステンレス鋼などの鉄系の材質にすることができ、このような材質は熱伝導率が金属材料の中で比較的小さいので、熱の伝達量を少なくすることができるとともに、経年劣化を防止できるなどのメリットが得られる。又ボルト４１は電動機ハウジング２０と過給機ハウジング３０の最外径部における接続部に設けることが好ましい。更に図５の構成に図２に示したフィン３３を設けたり、図４に示したそれぞれの流路を設けても良い。

図６は実施の形態１による他の電動過給機を示す断面図であり、図６においては、防水性をさらに高めるために、電動機ハウジング２０と断熱材１の間にシール２６、断熱材１と過給機ハウジング３０の間にシール３６、電動機ハウジング２０と蓋８０との間にシール８２をそれぞれ設けたものである。電動機ハウジング２０と過給機ハウジング３０を固定する場合、あるいは蓋８０と電動機ハウジング２０を固定する際にボルトを用いる場合は、それぞれのシールをボルトより内径側に配置することで防水性を高めることができる。尚図６においては、図１の構成に対してそれぞれのシールを加えた例を示したが、図２〜図５に示した構成にそれぞれのシールを加えるようにしても良い。

図７は実施の形態１による他の電動過給機を示す断面図である。断熱材１の外径を電動機ハウジング２０と過給機ハウジング３０の接続部における最外径より小さく構成し、断熱材１を電動機ハウジング２０に設けられた凹部２９に挿入して設置することができる。このように構成することにより、シールの設置箇所を削減することができ、防水性を確保できるとともに、組立性を向上させることができ、更には材料費を低減することができる。又断熱材１の外径よりも外側であって、電動機ハウジング２０と過給機ハウジング３０との間にシール２８を設けることもできる。

シールは耐熱性が必要な場合はメタルガスケットを用いることが好ましく、樹脂材のＯリングや液状パッキンを用いても良い。上記においては、断熱材１を電動機ハウジング２０側に設けた凹部２９に挿入した場合について説明したが、過給機ハウジング３０側に設けた凹部に挿入しても同等の効果が得られる。図７においては電動機ハウジング２０及び過給機ハウジング３０の両者に凹部を設け、それぞれの凹部に断熱材１を挿入した場合を示したが、どちらか片方に凹部を設け、この凹部に断熱材１を挿入しても良く、どちらか片方に凹部を設け、１つの断熱材を挿入した方が組立性に優れている。また断熱材１の厚みを凹部２９の深さより大きくすることにより、電動機ハウジング２０と過給機ハウジング３０が直接接触する面積を低減することができ、断熱性を高めることができる。尚図７においては、図１の構成に対して適用させた場合を示したが、図２〜図５の構成に対して適用させるようにしても良い。即ち図７の構成にフィン３３、４３を加えても良く、又流路２５、５５、７５を加えても良い。更には図７においてカップリングバンド４０の代わりにボルト４１を用いることもできる。

電動機ハウジング２０の外形はステータ２２が円筒型のため、これに対応して電動過給機１０自体を円筒型にすることにより小型化を図ることができる。また、電動過給機１０を筐体に接続する際に平面がある方が好ましい場合や、過渡的な温度上昇を抑制するために熱容量を増加させたい場合には、電動過給機１０の形状を直方型にして、容積を増加させるとよい。

実施の形態２．
以下、実施の形態２を図に基づいて説明する。図８は実施の形態２による電動過給機を示す断面図である。電動機２１はロータ２３とステータ２２により構成される。ステータ２２は電力変換装置７０から電流を供給されて回転磁界を発生させ、ロータ２３を回転させる。本実施形態においては、ステータ２２は電動機ハウジング２０の過給機側の開口部から挿入して圧入するものである。そしてステータ２２の側面にかぶさるように固定用ブロック９０を電動機ハウジング２０に対してボルト９１で固定する。ここで固定用ブロック９０の材質としては、軸受け５０で発生した熱を電動機ハウジング２０に放熱しなければならないので、電動機ハウジング２０と同様アルミニウムで構成することが望ましい。

そして固定用ブロック９０に軸受け５０を圧入する。ロータ２３は回転軸６０に圧入され、回転軸６０は電動機ハウジング２０に圧入された軸受け５１と、固定用ブロック９０側に圧入された軸受け５０で保持される。回転軸６０の一端側にインペラ３１をナット６１で固定し、ロータ２３の回転と共にインペラ３１が回転する。そしてインペラ３１が過給機ハウジング３０の内部で回転することにより空気を圧縮する。

電動機ハウジング２０の過給機側にステータ２２を挿入するための開口部を設けることにより、ステータ２２を電動機ハウジング２０の過給機側から挿入できるため、組立性を向上させることができる。ここで、電動機ハウジング２０と過給機ハウジング３０の間にエポキシガラスからなる断熱材１を介在させ、カップリングバンド４０で固定して断熱材１が軸受け５０を押さえることができるように一体化させることにより、実施の形態１と同様の効果を発揮することができるとともに、組立性も向上させることができる。

固定用ブロック９０とステータ２２間には隙間を設けて寸法公差に余裕をもたせてもよいが、接触させることにより、ステータ２２を確実に電動機ハウジング２０に固定でき、振動や衝撃などによりステータ２２が電動機ハウジング２０から外れるのを防ぐことができる。尚図８においては、図７の構成に固定用ブロック９０を設けた場合を示したが、図１〜図６に示した構成に固定用ブロックを適用するようにしても良い。尚図４の構成に適合させるためには、流路２５は固定用ブロック９０に設けられることになる。

図９は実施の形態２による他の電動過給機を示す断面図であり、図において、固定用ブロック９０を電動機ハウジング２０にボルト９２で固定するとともに、ステータ２２にボルト９２が貫通する貫通穴２７を設けてステータ２２をボルト９２によって共締めすることにより、寸法公差を気にすることなくステータ２２を確実に電動機ハウジング２０に固定することができる。

図９においては、ボルト９２の配置位置はステータ２２の最外径部よりも内側、即ち回転軸６０に近い場所に位置しているのに対し、図８においては、ボルト９１はステータ２２の最外径部よりも外側に位置している。従って図８の構成においては固定用ブロック９０を電動機ハウジング２０に取り付ける際に、電動機ハウジング２０にボルト９１による取り付け部分（図８のＸで示された部分）を設けなければならず、この取り付け部分だけ肉厚が大きくなる。これに対して図９においては、ボルト９２がステータ２２を貫通して電動機ハウジング２０に達しているため、電動機ハウジング２０にボルト９２の取り付け部分を設ける必要がなくなり、その分だけ電動機ハウジング２０を軽量化できる。尚固定用ブロック９０の外径はステータ２２の外径と原則的に同じであるが、公差の分だけ若干固定用のブロック９０の外径はステータ２２の外径よりも小さくなる。又図１〜図９においては図示されていないが、過給機ハウジング３０を電動機ハウジング２０より鉛直上方に位置させることもできる。このように構成することにより、過給機ハウジング３０の放熱により生じる自然対流の位置を電動機ハウジング２０から遠ざけることができるため好ましいものである。

尚本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１断熱材、１０電動過給機、２０電動機ハウジング、２２ステータ、
２３ロータ、２４，３３，４３フィン、２５流路、２７貫通穴、２９凹部、
３０過給機ハウジング、３１インペラ、４０カップリングバンド、
４１，９２ボルト、４２第２の断熱材、６０回転軸、７０電力変換装置、
９０固定用ブロック。

Claims

回転軸に圧入されたロータと、このロータに対向して配置されたステータと、上記ロータ及び上記ステータを収容する電動機ハウジングと、上記回転軸の一端に固定されたインペラと、上記インペラを収容するとともに上記インペラの回転に伴って圧縮空気を発生させる過給機ハウジングとから構成される電動過給機において、
上記電動機ハウジングと上記過給機ハウジングとの接続部に上記過給機ハウジングから上記電動機ハウジングに伝わる熱を遮断するための断熱材を設けるとともに、
上記電動機ハウジングと上記過給機ハウジングとを固定するためのボルトを上記電動機ハウジングと上記過給機ハウジングの最外径部であって、上記電動機ハウジングと上記過給機ハウジングとの接続部に設置し、上記ボルトと上記電動機ハウジングとの間に第２の断熱材を介在させたことを特徴とする電動過給機。
回転軸に圧入されたロータと、このロータに対向して配置されたステータと、上記ロータ及び上記ステータを収容する電動機ハウジングと、上記回転軸の一端に固定されたインペラと、上記インペラを収容するとともに上記インペラの回転に伴って圧縮空気を発生させる過給機ハウジングとから構成される電動過給機において、
上記電動機ハウジングと上記過給機ハウジングとの接続部に上記過給機ハウジングから上記電動機ハウジングに伝わる熱を遮断するための断熱材を設け、
上記電動機ハウジングの過給機側に上記ステータを挿入するための開口部を設けるとともに、上記ステータの側面に固定用ブロックを固定させたことを特徴とする電動過給機。
上記電動機ハウジング及び上記過給機ハウジングのうちの少なくともいずれか１つに放熱用のフィンを設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電動過給機。
上記断熱材の近傍に液冷のための流路を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電動過給機。
上記断熱材の外径を上記電動機ハウジング及び上記過給機ハウジングの外径よりも小さく構成するとともに、上記断熱材を上記電動機ハウジング又は上記過給機ハウジングの少なくともいずれか一方に設けられた凹部に挿入したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電動過給機。
上記ステータに貫通穴を設け、上記貫通穴にボルトを貫通させることにより上記固定用ブロック及び上記ステータを上記電動機ハウジングに固定したことを特徴とする請求項２記載の電動過給機。
電力変換装置を上記電動機ハウジング内に収納させたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電動過給機。