JP6566139B2

JP6566139B2 - モータロータ、過給機、及びモータロータの製造方法

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Publication number: JP6566139B2
Application number: JP2018529800A
Authority: JP
Inventors: 拓也小篠
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2017-07-19
Publication date: 2019-08-28
Anticipated expiration: 2037-07-19
Also published as: CN108886280B; CN108886280A; JPWO2018021104A1; DE112017003790T5; US20190165629A1; WO2018021104A1; US10727711B2

Description

本開示は、モータロータ、過給機、及びモータロータの製造方法に関する。本出願は、２０１６年７月２７日に提出された日本特許出願第２０１６−１４７２４７号に基づいている。本出願は、当該出願に対して優先権の利益を主張するものである。その内容全体は、参照されることによって本出願に援用される。

従来から、過給機においてコンプレッサ翼車に連結された回転軸に、回転駆動力を付加する電動機を備えた電動過給機が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の過給機に搭載された電動機は、回転軸に固定されたモータロータ（回転子）を備える。このモータロータは、回転軸に装着されたインナースリーブと、このインナースリーブを軸周りに囲む永久磁石と、インナースリーブの軸線方向において永久磁石の外側に配置され、インナースリーブの外周に焼嵌めされるエンドリング（リング部材）とを備える。

特開２００７−３３６７３７号公報

従来の技術では、エンドリングの開口部にインナースリーブが挿通される。また、エンドリングはインナースリーブに焼嵌めされる。この焼嵌めの際に、加熱された状態のエンドリングが冷却されると、エンドリングが径方向に収縮してインナースリーブに締結される。この焼嵌めの際に、高温状態のエンドリングの熱の一部は、インナースリーブに伝達されるので、インナースリーブが加熱される。従ってインナースリーブは膨張する。

そして、インナースリーブが冷却されると、インナースリーブに締結されたエンドリングは、インナースリーブの収縮に伴って、インナースリーブの軸線方向に移動する。そのため、エンドリングに隣接する磁石は、エンドリングによって押圧される。磁石がエンドリングによって押されることにより、インナースリーブの軸線方向において磁石に圧縮力が作用する。磁石に作用する圧縮力が増大すると、磁石に割れが生じるおそれがある。

本開示は、エンドリングの焼嵌めの際に、磁石に圧縮力が生じないようにすることが可能なモータロータ、過給機、及びモータロータの製造方法を説明する。

本開示の一態様に係るモータロータは、筒状のインナースリーブと、インナースリーブの径方向においてインナースリーブの外側に装着される環状の磁石と、インナースリーブの軸線方向において磁石の外側に配置され、インナースリーブの径方向においてインナースリーブの外側に装着されるリング部材とを備え、インナースリーブの線膨張係数は、磁石の線膨張係数より高く、リング部材は、焼嵌めによってインナースリーブに装着されたものであり、インナースリーブの軸線方向において、リング部材と磁石との間に隙間が設けられている。

本開示によれば、焼嵌めに伴ってインナースリーブが収縮しても、磁石とリング部材との間に隙間が設けられているので、磁石に圧縮力が作用しない。

図１は、本開示の実施形態に係るモータロータを含む電動機を備えた電動過給機を示す断面図である。図２は、図１中のモータロータを拡大して示す断面図である。図３は、モータロータの組立て手順を示す図である。

このモータロータでは、リング部材と磁石との間に隙間が介在する。この構成によれば、リング部材をインナースリーブに焼嵌めする際に、インナースリーブの収縮に伴ってリング部材が磁石側に移動しても、磁石がリング部材によって押圧されない。従って、磁石に圧縮力が生じない。

いくつかの態様において、モータロータは、インナースリーブの軸線方向において、磁石を挟んで両側に配置された一対のリング部材と、インナースリーブの径方向外側から、磁石及び一対のリング部材を覆う筒状の外装部材と、を備え、隙間は、インナースリーブの軸線方向において、少なくとも片方に設けられている構成でもよい。この構成によれば、インナースリーブの軸線方向において、少なくとも片側に、隙間が設けられる。従って、磁石は両側から押されない。また、この構成によれば、磁石は、外装部材によって径方向外側から覆われる。さらに、磁石は、一対のリング部材によってインナースリーブの軸線方向の両側から覆われる。従って、磁石を保護することができる。

また、本開示の別の態様に係る過給機は、上記のモータロータを含む電動機を備えた過給機であって、回転軸と、回転軸の一端側に連結されたタービン翼車と、回転軸の他端側に連結されたコンプレッサ翼車と、回転軸に装着されたモータロータを含む電動機と、を備える。

この過給機は、上記のモータロータを備える。上記のモータロータでは、リング部材と磁石との間に隙間が介在する。この構成によれば、リング部材をインナースリーブに焼嵌めする際に、インナースリーブの収縮に伴ってリング部材が磁石側に移動しても、磁石がリング部材によって押圧されない。従って、磁石に圧縮力が生じない。

また、本開示のさらに別の態様に係るモータロータの製造方法は、磁石の開口部にインナースリーブを挿通させて、インナースリーブに磁石を装着する工程と、リング部材の開口部にインナースリーブを挿通させて、インナースリーブの軸線方向において、磁石に隣り合うように、リング部材を配置して、インナースリーブにリング部材を焼嵌めする工程と、を含み、リング部材を焼嵌めする工程では、インナースリーブの軸線方向において、リング部材と磁石との間に隙間を設けてリング部材を焼嵌めする。

このモータロータの製造方法では、リング部材と磁石との間に隙間を設けて、リング部材をインナースリーブに対して焼嵌めする。従って、インナースリーブの収縮に伴ってリング部材が磁石側に移動しても、リング部材と磁石と接触が防止される。そのため、磁石がリング部材によって押圧されないので、磁石に圧縮力が生じない。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（電動過給機）
図１に示される電動過給機１は、車両用の過給機である。電動過給機１は、図示しないエンジンから排出された排気ガスを利用して、エンジンに供給される空気を圧縮する。電動過給機１は、タービン２とコンプレッサ（遠心圧縮機）３と電動機４とを備える。電動機４は、回転軸５に回転駆動力を付加する。回転軸５は、コンプレッサ３のコンプレッサ翼車９に連結される。

タービン２は、タービンハウジング６と、タービン翼車８と、を備える。タービン翼車８は、タービンハウジング６に収納される。コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング７と、コンプレッサ翼車９と、を備える。コンプレッサ翼車９は、コンプレッサハウジング７に収納される。

タービン翼車８は回転軸５の一端に設けられる。コンプレッサ翼車９は、回転軸５の他端に設けられる。また、軸受１０及び電動機４は、回転軸５の軸線Ｌ_５方向において、タービン翼車８とコンプレッサ翼車９との間に設けられる。

軸受ハウジング１１は、タービンハウジング６とコンプレッサハウジング７との間に設けられる。回転軸５は、軸受１０を介して軸受ハウジング１１に回転可能に支持される。

タービンハウジング６には、排気ガス流入口（不図示）及び排気ガス流出口１３が設けられる。エンジンから排出された排気ガスは、排気ガス流入口を通じてタービンハウジング６内に流入する。そして、排気ガスは、タービン翼車８を回転させる。その後、排気ガスは、排気ガス流出口１３を通じてタービンハウジング６外に流出する。

コンプレッサハウジング７には、吸入口１４及び吐出口（不図示）が設けられる。上記のようにタービン翼車８が回転すると、回転軸５及びコンプレッサ翼車９が回転する。回転するコンプレッサ翼車９は、吸入口１４を通じて外部の空気を吸入する。コンプレッサ翼車９は、吸入した空気を圧縮して吐出口から吐出する。吐出口から吐出された圧縮空気は、エンジンに供給される。

（電動機）
電動機４は、例えばブラシレスの交流電動機である。電動機４は、回転子であるモータロータ１６と、固定子であるモータステータ１７とを備える。モータロータ１６は、回転軸５に固定される。モータロータ１６は、回転軸５と共に軸周りに回転可能である。モータロータ１６は、回転軸５の軸線Ｌ_５方向において、軸受１０とコンプレッサ翼車９との間に配置される。

モータステータ１７は、複数のコイルと鉄心とを備える。モータステータ１７は、モータロータ１６を回転軸５の周方向に囲むように配置される。モータステータ１７は、軸受ハウジング１１に収容される。モータステータ１７は、回転軸５の周りに磁場を生じさせて、モータロータ１６を回転させる。

電動機４は、回転軸５の高速回転（例えば１０万ｒｐｍ〜２０万ｒｐｍ）に対応する。電動機４は、加速時の回転駆動と減速時の回生運転とができてもよい。また、電動機４の駆動電圧は、車両に搭載されたバッテリの直流電圧と同一あるいはそれより高くてもよい。

（モータロータ）
次に、図２を参照して、モータロータ１６について説明する。図２は、図１中のモータロータ１６を拡大して示す断面図である。なお、図２は、モータロータ１６の軸線方向に切った切断面を示す。モータロータ１６は、インナースリーブ２１と、磁石（環状の磁石）２２と、一対のエンドリング（リング部材）２３，２４と、アーマリング（外装部材）２５とを備える。磁石２２は、たとえば円筒状を成す。

インナースリーブ２１の材質として、例えばステンレス鋼などが挙げられる。エンドリング２３，２４の材質として、例えばステンレス鋼などが挙げられる。アーマリング２５の材質として、例えば高合金鋼などが挙げられる。また、磁石２２の材質として、例えばネオジム磁石などが挙げられる。また、インナースリーブ２１の線膨張係数は、磁石２２の線膨張係数より高い。

インナースリーブ２１は、円筒部２６とつば部２７とを備える。円筒部２６の開口部の内部には、回転軸５が挿通される。円筒部２６は、回転軸５の軸線Ｌ_５方向に延在する。インナースリーブ２１の軸線Ｌ_２１方向において、円筒部２６は、磁石２２より長い。円筒部２６は、磁石２２の外側の位置まで延びる。

つば部２７は、軸線Ｌ_２１方向において円筒部２６の一端側に設けられる。つば部２７は、円筒部２６の外周面２６ａよりも径方向外側に張り出す。つば部２７は、軸線Ｌ_２１方向において、磁石２２より外側に配置される。例えば、つば部２７の外周面２７ａは、インナースリーブ２１の軸線Ｌ_２１に対して傾斜する。つば部２７の外周面２７ａは、軸線Ｌ_２１方向において、一端側（図示左側）から他端側（図示右側）に向かうにつれて、径方向外側に配置される。インナースリーブ２１が回転軸５に装着された状態において、インナースリーブ２１の一端側は、タービン翼車８側に配置される。インナースリーブ２１の他端側は、コンプレッサ翼車９側に配置される。

一対のエンドリング２３，２４は、インナースリーブ２１の軸線Ｌ_２１方向において、磁石２２を挟んで磁石２２両側に配置される。一対のエンドリング２３，２４は、軸線Ｌ_２１方向において磁石２２の外側に配置される。一対のエンドリング２３，２４は、軸線Ｌ_２１方向における磁石２２の端面２２ａ，２２ｂを覆うように配置される。端面２２ａは、軸線Ｌ_２１方向における一端側の端面である。端面２２ｂは、軸線Ｌ_２１方向における他端側の端面である。エンドリング２３は、端面２２ａと対向するように配置される。エンドリング２４は、端面２２ｂと対向するように配置される。

インナースリーブ２１の円筒部２６は、磁石２２及び一対のエンドリング２３，２４の開口部の内部に挿通される。磁石２２は、インナースリーブ２１の径方向においてインナースリーブ２１の外側に装着される。一対のエンドリング２３，２４は、インナースリーブ２１に対して焼嵌めされる。一対のエンドリング２３，２４は、インナースリーブ２１の径方向においてインナースリーブ２１の外側に装着される。エンドリング２３，２４の内周面２３ｂ，２４ｂは、インナースリーブ２１の円筒部２６の外周面２６ａに密着している。

エンドリング２３は、磁石２２のつば部２７側の端面２２ａを覆う。エンドリング２４は、磁石２２のつば部２７とは反対側の端面２２ｂを覆う。

磁石２２の外周面２２ｃ及び一対のエンドリング２３，２４の外周面２３ａ，２４ａは、回転軸５の径方向において、略同じ位置に形成されている。

アーマリング２５は、円筒状を成す。磁石２２及び一対のエンドリング２３，２４は、アーマリング２５の開口部の内部に配置される。アーマリング２５は、磁石２２の外周面２２ｃ及び一対のエンドリング２３，２４の外周面２３ａ，２４ａを覆う。アーマリング２５は、インナースリーブ２１の軸線Ｌ_２１方向において、一対のエンドリング２３，２４の外側の位置まで延びる。アーマリング２５は、全周において磁石２２及び一対のエンドリング２３，２４を覆う。

アーマリング２５は、一対のエンドリング２３，２４及び磁石２２に対して焼嵌めされる。アーマリング２５の内周面２５ａは、一対のエンドリング２３，２４の外周面２３ａ，２４ａ及び磁石２２の外周面２２ｃに密着する。

磁石２２は、軸線Ｌ_２１方向の両側からエンドリング２３，２４によって覆われる。磁石２２は、径方向の外側からアーマリング２５によって覆われる。この構成により磁石２２は、保護される。

ここで、軸線Ｌ_２１方向において、磁石２２とエンドリング２４との間に、隙間２８が形成される。隙間２８は、インナースリーブ２１の全周に亘って形成される。すなわち、インナースリーブ２１の端面２２ｂは、軸線Ｌ_２１方向において、エンドリング２４の端面に対向する。インナースリーブ２１の端面２２ｂは、インナースリーブ２１の全周においてエンドリング２４の端面に接触しない。なお、もう一方のエンドリング２３は、軸線Ｌ_２１方向において、磁石２２と接触してもよい。もう一方のエンドリング２３は、軸線Ｌ_２１方向において、磁石２２と接触しなくてもよい。

（モータロータの製造方法）
次に、図３を参照して、モータロータ１６の製造方法について説明する。まず、図３（ａ）に示されるように、インナースリーブ２１を準備する。例えば、つば部２７が下方に配置されるように、インナースリーブ２１の軸線Ｌ_２１方向が上下方向に沿うようにインナースリーブの２１を配置する。なお、インナースリーブ２１の配置は、つば部２７を下方に配置する場合に限定されない。インナースリーブ２１は、つば部２７を上方に配置してもよい。また、インナースリーブ２１の軸線Ｌ_２１方向は、その他の方向に沿うように配置されていてもよい。

次に、図３（ｂ）に示されるように、インナースリーブ２１の円筒部２６に対して、エンドリング２３を焼嵌めする。具体的には、エンドリング２３の開口部に円筒部２６を挿通させて、エンドリング２３をインナースリーブ２１の円筒部２６に対して焼嵌めする。そして、加熱された状態のエンドリング２３が冷却されて収縮することで、エンドリング２３がインナースリーブ２１に締結される。

次に、図３（ｃ）に示されるように、インナースリーブ２１の円筒部２６に対して、磁石２２を装着する（インナースリーブに対して磁石を装着する工程）。具体的には、磁石２２の開口部に、インナースリーブ２１の円筒部２６を挿通する。このとき、エンドリング２３と磁石２２とは、インナースリーブ２１の軸線Ｌ_２１方向に隣接して配置される。

次に、図３（ｄ）に示されるように、インナースリーブ２１の円筒部２６に対して、エンドリング２４を焼嵌めする（インナースリーブに対してリング部材を焼嵌めする工程）。具体的には、エンドリング２４の開口部に円筒部２６を挿通させて、エンドリング２４をインナースリーブ２１の円筒部２６に対して焼嵌めする。このとき、軸線Ｌ_２１方向において、磁石２２とエンドリング２４との間に隙間２８を設ける。隙間２８の軸線Ｌ_２１方向における長さｄは、例えば、焼嵌めの温度、インナースリーブ２１の線膨張係数、インナースリーブ２１の軸線Ｌ_２１方向の長さ、磁石２２の線膨張係数、磁石２２の軸線Ｌ_２１方向の長さに基づいて算出することができる。

インナースリーブ２１に対して、エンドリング２４を配置する場合には、例えば、専用の治具を用いてもよい。この方法によれば、隙間２８が確実に形成される。

そして、加熱された状態のエンドリング２４が冷却されて収縮することにより、エンドリング２４はインナースリーブ２１に締結される。

次に、図３（ｅ）に示されるように、エンドリング２３，２４及び磁石２２に対して、アーマリング２５を焼嵌めする。アーマリング２５の開口部に、インナースリーブ２１、磁石２２及びエンドリング２３，２４を挿通させて、アーマリング２５を焼嵌めする。加熱された状態のアーマリング２５が冷却されて収縮することにより、アーマリング２５は一対のエンドリング２３，２４及び磁石２２に締結される。

次に、電動過給機１の動作について説明する。

排気ガス流入口（不図示）から流入した排気ガスは、タービンスクロール流路１２ａを通過して、タービン翼車８の入口側に供給される。タービン翼車８は供給された排気ガスの圧力を利用して、回転力を発生させる。この回転力は、回転軸５及びコンプレッサ翼車９をタービン翼車８と一体的に回転させる。これにより、コンプレッサ３の吸入口１４から吸入した空気は、コンプレッサ翼車９により圧縮される。コンプレッサ翼車９によって圧縮された空気は、ディフューザー流路７ａ及びコンプレッサスクロール流路７ｂを通過して吐出口（不図示）から排出される。吐出口から排出された空気は、エンジンに供給される。

この電動過給機１の電動機４は、回転軸５の高速回転（例えば１０万ｒｐｍ〜２０万ｒｐｍ）に対応する。例えば、車両の加速時において、回転軸５の回転トルクが不足している場合に、電動機４は、回転軸５に回転トルクを伝達する。電動機４の駆動源として、車両のバッテリを適用できる。また、車両の減速時において、電動機４は、回転軸５の回転エネルギによって回生発電してもよい。

電動機４は、モータステータ１７によって磁場を生じさせる。電動機４は、この磁場によりモータロータ１６の磁石２２に回転力を発生させる。そして、磁石２２の回転力は、アーマリング２５、一対のエンドリング２３，２４を介して、回転軸５に伝達される。回転軸５の回転に伴って、コンプレッサ翼車９が回転する。回転するコンプレッサ翼車９は、エンジンに供給される空気を圧縮する。

本実施形態のモータロータ１６では、エンドリング２４をインナースリーブ２１に焼嵌めをする際に、磁石２２とエンドリング２４との間に隙間２８が介在する。従って、磁石２２は、エンドリング２４に接触しない。

すなわち、焼嵌めをする際に、エンドリング２４の熱がインナースリーブ２１に伝達されて、インナースリーブ２１が冷却後に収縮しても、磁石２２とエンドリング２４との間に隙間２８が介在しているので、磁石２２がエンドリング２４によって押圧されない。その結果、磁石２２に圧縮力が生じず、磁石２２における割れの発生を抑制することができる。

なお、モータロータ１６が製造された状態において、磁石２２及び一対のエンドリング２３，２４は、アーマリング２５によって覆われている。従って、磁石２２とエンドリング２４と間に隙間２８が設けられているか否かを目視によって確認することはできない。

磁石２２とエンドリング２４との間に隙間２８が設けられていることを確認する場合には、例えば、非破壊検査を適用することができる。非破壊検査として、例えば、放射線透過試験、超音波探傷試験などを用いることができる。これにより、アーマリング２５の外側から、磁石２２とエンドリング２４との間の隙間２８の有無を判別することができる。

本開示は、前述した実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲で下記のような種々の変形が可能である。

上記実施形態では、インナースリーブ２１につば部２７が設けられている構成について説明した。インナースリーブ２１は、径方向外側に張り出すつば部２７が設けられていない構成でもよい。インナースリーブ２１は、その他の構成でもよい。例えば、インナースリーブ２１は、インナースリーブ２１と他の部材とが一体的に形成されていてもよい。例えば、インナースリーブ２１は、インナースリーブ２１と、一方のエンドリング２３と、アーマリング２５とが一体的に形成されている構成でもよい。

上記実施形態では、磁石２２とエンドリング２４との間に隙間２８が設けられている場合について説明した。磁石２２とエンドリング２３との間に隙間２８が設けられている構成でもよい。インナースリーブ２１の軸線Ｌ_２１方向において、磁石２２の両側に隙間２８が設けられている構成でもよい。片側のみに隙間２８が設けられている構成でもよい。

また、上記実施形態では、電動過給機１を車両用として例示した。電動過給機１は車両用に限定されない。電動過給機１は、船舶用のエンジンに用いられてもよい。電動過給機１は、その他のエンジンに用いられてもよい。

また、上記実施形態では、電動過給機１はタービン２を備える構成とした。電動過給機１は、タービン２を備えず、電動機４によって駆動されるものでもよい。

また、上記実施形態では、モータロータ１６を電動過給機１の電動機４に適用する場合について説明した。モータロータ１６は、電動過給機ではなく、その他の電動機に使用することができ、発電機の回転子に使用してもよい。

１電動過給機
２タービン
３コンプレッサ
４電動機
５回転軸
８タービン翼車
９コンプレッサ翼車
１６モータロータ
２１インナースリーブ
２２磁石（環状の磁石）
２３、２４エンドリング（リング部材）
２５アーマリング（外装部材）
２８隙間
Ｌ_２１インナースリーブの軸線

Claims

筒状のインナースリーブと、
前記インナースリーブの径方向において前記インナースリーブの外側に装着される環状の磁石と、
前記インナースリーブの軸線方向において前記磁石の外側に配置され、前記インナースリーブの径方向において前記インナースリーブの外側に装着されるリング部材と、を備え、
前記インナースリーブの線膨張係数は、前記磁石の線膨張係数より高く、
前記リング部材は、焼嵌めによって前記インナースリーブに装着されたものであり、
前記インナースリーブの軸線方向において、前記リング部材と前記磁石との間に隙間が設けられているモータロータ。
前記インナースリーブの軸線方向において、前記磁石を挟んで両側に配置された一対の前記リング部材と、
前記インナースリーブの径方向外側から、前記磁石及び前記一対のリング部材を覆う筒状の外装部材と、を備え、
前記隙間は、前記インナースリーブの軸線方向において、少なくとも片方に設けられている請求項１に記載のモータロータ。
請求項１に記載のモータロータを含む電動機を備えた過給機であって、
回転軸と、
前記回転軸の一端側に連結されたタービン翼車と、
前記回転軸の他端側に連結されたコンプレッサ翼車と、
前記回転軸に装着された前記モータロータを含む前記電動機と、を備える過給機。
請求項２に記載のモータロータを含む電動機を備えた過給機であって、
回転軸と、
前記回転軸の一端側に連結されたタービン翼車と、
前記回転軸の他端側に連結されたコンプレッサ翼車と、
前記回転軸に装着された前記モータロータを含む前記電動機と、を備える過給機。
モータロータを製造する方法であって、
前記モータロータは、
筒状のインナースリーブと、
前記インナースリーブの径方向において前記インナースリーブの外側に装着される環状の磁石と、
前記インナースリーブの軸線方向において前記磁石の外側に配置され、前記インナースリーブの径方向において前記インナースリーブの外側に装着されるリング部材と、を備え、
前記インナースリーブの線膨張係数は、前記磁石の線膨張係数より高く、
前記モータロータを製造する方法は、
前記磁石の開口部に前記インナースリーブを挿通させて、前記インナースリーブに対して前記磁石を装着する工程と、
前記リング部材の開口部に前記インナースリーブを挿通させて、前記インナースリーブの軸線方向において、前記磁石に隣り合うように、前記リング部材を配置して、前記インナースリーブに対して前記リング部材を焼嵌めする工程と、を含み、
前記リング部材を焼嵌めする工程では、前記インナースリーブの軸線方向において、前記リング部材と前記磁石との間に隙間を設けて前記リング部材を焼嵌めするモータロータの製造方法。