JP6479053B2 - 電気機械を備えたターボチャージャ - Google Patents

Description

機械は、特に自動車のターボチャージャであって、回転可能に支持されたシャフト上に配置されたコンプレッサホイールを有するコンプレッサを備え、軸方向のコンプレッサ入口の管部分内に電気機械が配置されており、該電気機械は、シャフト上に配置されたロータと、管部分に配置されたステータとを有している、ターボチャージャに関する。

先行技術
冒頭で述べた形式のターボチャージャは、先行技術から公知である。したがって、たとえば欧州特許出願公開第１９９５４２６号明細書は、ターボチャージャ内に統合されている電気モータを開示している。この場合、電気モータは、ロータとステータとの間に媒体通過開口を形成し、圧縮すべき媒体がロータとステータとの間の媒体ギャップを通ってガイドされるようにコンプレッサ入口に配置されている、いわゆる媒体ギャップ型モータ（Medienspaltmotor）を形成する。これによりターボチャージャの特にコンパクトな構造形が可能である。これによって特に、排ガスターボチャージャにおいて、電気モータを統合するためのターボチャージャの全体コンセプトは、電気モータがコンプレッサとタービンとの間に配置されている解決手段に比べて、単に些細に変更されるだけでよい。

上述の解決手段の欠点は、ロータとステータとの間の大きな空気ギャップに基づいて、電気機械の所要のトルク特性を得ることができるように、極めて強い永久磁石がロータに設けられなければならないことにある。これは、公知の解決手段では、高い所要電流、ひいては電気機械の低い効率をもたらす。

発明の開示
請求項１に記載の特徴を備えた本発明に係るターボチャージャは、ロータとステータとの間の有効な空気ギャップが減じられるという利点を有している。このとき、必要となるステータ起磁力（Statordurchflutung）を減少させるか、もしくは弱めて構成してもよく、電気機械の効率が大幅に高められる。内方に向いた、もしくは内方に突出するウェブによって、磁束は最適化される。このとき、ウェブ間で、圧縮すべき媒体は、引き続き僅かな流れ損失のみを伴ってガイドされる。同時にステータは、運転中に媒体により周囲を取り囲むように流過されるウェブによって、極めて良好に冷却もされる。さらに本発明では、ステータが、全周にわたって分配されて配置された、少なくともほぼ軸方向に延びる、内方に突出する複数のウェブを有している。これらのウェブは、少なくともほぼ軸方向に延びる流れ通路を形成するように、互いに対して離間して配置されている。したがってウェブの間には複数の流れ通路が生じ、これらの流れ通路は、圧縮すべき媒体をガイドしかつ導くために用いられる。流れ通路は、この場合特に、ロータの方向で縁部を開放されて形成されている。ウェブの個数および構成は、流れを最適化する設計および磁束を最適化する設計に基づいて生じる。この場合特に、ロータに対して、少なくともウェブの半径方向の延在長さに相当する比較的に大きな間隔を半径方向で有する複数のウェブが設けられているか、またはロータの近傍まで接近してガイドされている少数のウェブが設けられている。

本発明の有利な態様では、ウェブは管部分の全周にわたって均等に分配されて配置されている。これにより、磁束は運転中にさらに最適化される。

さらに、ウェブが強磁性の材料から製造されていると有利である。たとえばウェブは、電磁鋼板（Dynamoblech）から製造されていてもよい。ステータ磁界は、これにより空気よりも約３０００倍も良好に導かれる。これにより、ロータに対応して配置された永久磁石は、電気モータもしくは電気機械の同一のままの出力で、公知の解決手段に比べて小型にまたは低い強度で構成されていてもよい。

本発明の有利な態様では、ステータは、ウェブの領域で巻線なしに形成されている。これにより、ウェブの間に形成された空間は、完全に媒体が貫流するために自由に使えるようになっている。ステータはこれにより最適化されて冷却され、媒体流は、僅かにしか影響を受けない。

さらに、ステータが、ウェブの領域において少なくとも１つの巻線を備えていると有利である。この巻線は、それぞれの流れ通路を単に部分的に占有する。ステータに、ウェブの領域においても巻線が対応して配置されている場合、この巻線は隣接するウェブの間のそれぞれの流れ通路を部分的にしか占有しないので、圧縮すべき媒体のためには常に十分な貫流横断面が開放されるもしくは提供される。この場合、ウェブの間に位置する巻線は、媒体流によっても冷却され、これにより電気機械もしくはターボチャージャの効率がさらに改善される。

好適には、ウェブは流れを最適化する、特に水滴状の輪郭を有している。特に水滴状の輪郭は、軸方向の延在方向で形成されているので、ウェブは媒体流を可能な限り僅かにしか妨害しない。

本発明の有利な態様では、ターボチャージャは、排ガスターボチャージャとして形成されていて、このためには、回転可能に支持されたタービンホイールを備えたタービンを有し、タービンホイールは、コンプレッサホイールにシャフトにより作用接続されている。排ガスターボチャージャは、基本的に公知である。ここで説明されたターボチャージャの有利な構成により、電気モータの統合は、排ガスターボチャージャにおいて大きな変更が実施される必要なしに行われ、この場合に、排ガスターボチャージャ、特に電気機械の高い効率が、本発明による構成によって保証されている。この場合、タービンおよびコンプレッサホイールは、第１の実施の形態によれば互いに相対回動不能に結合されているので、電気機械の運転によりタービンも駆動される。相応してタービンは、電気機械をもたとえばジェネレータのように駆動することができ、これにより電気的なエネルギを生ぜしめることができる。

本発明の特に有利な態様では、コンプレッサホイールと、タービンホイールとは、フリーホイールカップリングによって互いに結合されている。フリーホイールカップリングは、コンプレッサホイールがタービンホイールを上回って回転することを可能にする。この場合、タービンホイールとコンプレッサホイールとは、１つの回転方向で互いに対して相対回動不能に結合されていない。特にフリーホイールカップリングにより、コンプレッサホイールが、タービンホイールとは関係なしに、電気機械により駆動可能である。これにより電気的な駆動時に電気機械に作用する負荷が減少する。特に惰性負荷は、フリーホイールカップリングにより約３分の２減少する。通常は極めて軽量のコンプレッサホイールだけが加速されればよく、重いもしくは惰性のタービンホイールを加速する必要がないからである。これにより、排ガスターボチャージャの、公知の解決手段に比べて改善された動的な反応特性が達成される。

以下に本発明を図面につき詳しく説明する。

排ガスターボチャージャの縦断面図である。 排ガスターボチャージャの第１の実施の形態の横断面図である。 排ガスターボチャージャの第２の実施の形態の横断面図である。

図１は、簡略化した縦断面図で排ガスターボチャージャ１を示している。排ガスターボチャージャ１は、コンプレッサ２と、タービン３とを有している。コンプレッサ２とタービン３とは互いに作用接続されている。コンプレッサ２は、コンプレッサホイール４を有している。このコンプレッサホイール４は、相対回動不能にシャフト５上に配置されている。シャフト５は、排ガスターボチャージャ１の複数部分から成るハウジング６内に回転可能に支持されている。シャフト５の、コンプレッサホイール４に面した自由なシャフト端部には、ロータ７が配置されている。ロータ７は、１つまたは複数の永久磁石（ここでは個別に図示せず）を支持している。ロータ７に対応して、ステータ８が配置されている。ステータ８は、コンプレッサ入口１０を形成する管部分９に配置されている。ロータ７およびステータ８は共に、管部分９もしくは弁入口１０内に配置されている電気機械１１を形成し、特にシャフト５を駆動するために、ひいてはコンプレッサホイール４を駆動するために用いられる。このとき電気機械１１は、媒体ギャップ型モータを形成している。媒体ギャップ型モータは、ロータ７とステータ８との間に、圧縮すべき媒体のための環状の貫流ギャップが存在することで優れている。ステータ８の内径は、したがってロータ７の外径よりも大きく形成されている。それゆえコンプレッサ入口１０を通って矢印１２の方向に流入する圧縮すべき媒体は、電気機械１１を通ってコンプレッサホイール４へと流れる。

シャフト５は、コンプレッサホイール４の、ロータ７とは反対に位置する側で、単に略示されたフリーホイールカップリング１３により、タービンシャフト１４に連結されている。タービンシャフト１４は、タービン３のタービンホイール１５を支持している。フリーホイールカップリング１３は、電気機械１１によるコンプレッサホイール４の駆動をタービンホイール１５とは関係なしに可能にするように構成されている。したがって、フリーホイールカップリング１３により、コンプレッサホイール４を、タービンホイール１５を上回って、もしくはタービンホイール１５よりも高い回転数で運転することが可能である。コンプレッサホイール４が停止しているか、または電気機械により駆動されている限り、コンプレッサホイール４の動きはタービンホイール１５の動きから切り離されている。これによって、タービンホイール１５の慣性モーメントは、同様に遮断されており、かつこれにより電気機械１１の極めて高い角加速度を達成することができる。

電気機械１１は、ステータ８に、該ステータ８の全周にわたって均一に分配されて配置された複数のウェブ１６を有している。これらのウェブ１６は、シャフト５の軸方向の延在方向に関する軸方向に、ステータ内面にもしくは半径方向内方に突出して延びている。したがって隣り合ったウェブ１６の間には、流れ通路１７を成すフリースペースが形成される。流れ通路１７も、ウェブの軸方向の延在方向に対応して軸方向に延びている。

これに関して図２は、排ガスターボチャージャ１の電気機械１１の第１の実施の形態をロータ７およびステータ８の横断面図で、記入された磁界特性線と共に示している。この実施の形態では、複数のウェブ１６が設けられている。これらのウェブ１６のうち、見やすさの理由から単に幾つかのウェブ１６にのみ符号が備えられている。隣り合うそれぞれ２つのウェブ１６の間には、上述のそれぞれ１つの流れ通路１７が形成されている。ウェブ１６は、ロータ７に対して半径方向で離間して終端している。これによりロータ７とステータ８との間にギャップＳが生じる。このギャップＳは、ロータ７に向かって縁部を開放する流れ通路１７に対してさらに、圧縮すべき媒体により貫流可能である。

図３は、電気機械１１の第２の実施の形態を、同様に横断面図で示している。この第２の実施の形態は、上述の第１の実施の形態とは、以下のことにより異なっている。すなわち、ウェブ１６の個数が極めて少なく選択されている。この場合、残っているウェブ１６は、ロータ７に対して、極めて小さい僅かな半径方向の間隔もしくはギャップを有している。したがってウェブ１６は、ロータ７に向かう方向で、半径方向でさらに内方に向かって管部分９内に突出している。両方の実施の形態は、圧縮すべき媒体用、特に外気用のフリーの貫流横断面積が同一であるという共通点を有している。

ここで紹介された排ガスターボチャージャ１は、同一のままの出力において、公知の解決手段に比べて、電気機械１１を運転するためにより少ない電力消費が必要である、という利点を有している。特に、たとえば電磁鋼板（Dynamoblech）のような強磁性の材料から成るウェブ１６またはステータティースの統合により、ステータ磁界は従来に比べて極めて良好に伝導される。ウェブ１６の間で、場合によっては排ガス戻し案内に基づく排ガス成分を有する、コンプレッサ２の吸込み空気が流れ、これによりステータ８は、特に極めて良好に冷却される。流れ損失を減じ、場合によってはコンプレッサのサージ挙動を改善するために、ウェブは好適には空力学的に成形され、特に水滴状の輪郭を備えられる。好適には、ウェブ１６は、その鉄心横断面に関連しても最適化される（空気横断面に対する鉄心横断面の比）。ウェブ１６により、ロータ７とステータ８との間の有効な空気ギャップが減少し、これによりロータ７の１つまたは複数の永久磁石および所要のステータ起磁力が小さくなるかもしくは減少する。したがって、電気機械１１の効率が向上する。フリーホイールカップリング１３は、電気機械１１の負荷を軽減する。フリーホイールカップリング１３は、比較的軽量のコンプレッサホイール４を駆動するだけでよく、重い、ひいては慣性質量を有するタービンホイール１５を駆動する必要がないからである。これにより、対応する排ガスターボチャージャを備えた自動車の特に制限された電気的な搭載電源エネルギで、電気的に駆動可能な排ガスターボチャージャ１の大幅に改善された動的な応答特性が達成される。

公知の解決手段と比べて同一の磁石装備／出力において、提案された解決手段により、磁束は、空気ギャップ中で約３０％〜約３００％だけ幾何学形状に応じて増大する。したがって、同一の出力の電気機械１１では、同一の因数だけ少ない起磁力が必要とされる。つまり必要となる巻線数、ロータ長さおよび／または電力の強さは、電磁的な設計に応じて減少する。したがって、効率も機械効率（モータ容積に対する出力）も向上する。

特に横断面で見たウェブ１６の形状は、今日、コーティングされた電磁鋼板により三次元に形成されてもよく、特にこれにより空力学的に最適化されている、もしくは圧縮すべき空気中でわずかな流れ損失しか生ぜしめない。空力学的に成形されたウェブ１６により、コンプレッサ２のいわゆるニューマチック的なサージング限界線が、比較的大きな圧力がかかっている付近で小さな空気流の方向にずらされる。これによりコンプレッサ２はより効率的になり、大きな空間を要する幾何学的な変更なしにより高い動作点が可能となる。圧縮すべき媒体もしくは空気は、電気機械１１のギャップを通って流れ、かつこの場合にロータもステータも冷却する。半径方向内方に突出するもしくは進入するウェブ１６もしくはステータティースは、さらにステータ８のための冷却ボディとして作用するので、ステータ８の損失熱を、圧縮すべき空気においてさらに良好に導出することができる。

さらにステータ巻線が、ウェブ１６の領域において設けられていることも考えられるが、このステータ巻線は、貫流通路１７を部分的にしか占有しないので、可能な限り大きな貫流横断面を備えた電気機械１１の貫流も引き続き保証されている。１つまたは複数の巻線をウェブ１６の領域において設けることによって、巻線も冷却され、電気機械１１の挙動はさらに最適化される。さらに磁気拡散が減少する。電気的かつ永続的に励磁された起磁力が空間的に互いに密に位置しており、この場合、起磁力のわずかな割合がロータ７およびステータ８に結び付いていないからである。

したがって、全体的に排ガスターボチャージャ１は、付加的に電気的に駆動可能な追加コンプレッサを有する排ガスターボチャージャに匹敵する。上述の構成により、コンプレッサ段の、匹敵するダイナミクスが達成される。このとき、コンプレッサ２への電気機械１１の統合により、排ガスターボチャージャ１の存在する構成部分を、特に支持部、ハウジング、パイプおよび冷却に関して、共用することができる。電気機械１１のために必要となるエレクトロニクスを、フレキシブルに、もしくは簡単な形式で排ガスターボチャージャ１のハウジング６に取り付けることができ、特にフランジ結合するか、または大きすぎる個別の構成部材が生じないように排ガスターボチャージャ１のハウジング６の近傍に配置してもよい。

排ガスターボチャージャ１は、駆動装置として内燃機関を有する自動車における使用に特に適している。

Claims (6)

1. ターボチャージャ（１）であって、回転可能に支持されたシャフト（５）上に配置されたコンプレッサホイール（４）を有するコンプレッサ（２）を備え、軸方向のコンプレッサ入口（１０）の管部分（９）内に電気機械（１１）が配置されており、該電気機械（１１）は前記シャフト（５）上に配置されたロータ（７）と、前記管部分（９）に配置されたステータ（８）とを有している、ターボチャージャにおいて、
   前記ステータ（８）は、全周にわたって分配されて配置された、軸方向に延びる、内方に向かって突出した複数のウェブ（１６）を備え、該ウェブ（１６）は、軸方向に延びる流れ通路（１７）を形成するように互いに離間して配置されており、
   前記ステータ（８）は、前記ウェブ（１６）の領域において、少なくとも１つの巻線を備えており、該巻線はそれぞれの流れ通路（１７）を部分的にしか占有せず、
   前記ウェブ（１６）は、軸方向の延在方向で形成された水滴状の輪郭を有している、
   ことを特徴とする、ターボチャージャ。
2. 前記ウェブ（１６）は、全周にわたって均等に分配されて配置されている、請求項１記載のターボチャージャ。
3. 前記ステータ（８）の少なくとも前記ウェブ（１６）は、強磁性の材料から製造されている、請求項１または２記載のターボチャージャ。
4. 前記ターボチャージャ（１）は、排ガスターボチャージャとして構成されており、かつ回転可能に支持されたタービンホイール（１５）を備えたタービン（３）を有し、前記タービンホイール（１５）は、前記コンプレッサホイール（４）に前記シャフト（５）により作用接続されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のターボチャージャ。
5. 前記コンプレッサホイール（４）および前記タービンホイール（１５）は、フリーホイールカップリング（１３）により互いに作用接続されており、該フリーホイールカップリング（１３）は、前記コンプレッサホイール（４）が前記タービンホイール（１５）を上回って回転することを可能にする、請求項４記載のターボチャージャ。
6. 前記ターボチャージャ（１）は、自動車用のターボチャージャ（１）である、請求項１から５までのいずれか１項記載のターボチャージャ。

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