KR100923188B1 - 전동 과급기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 전동 과급기는 터빈 축(12)에 고정되고 터빈 축과 함께 회전하는 모터 로터(22)와, 모터 로터를 둘러싸고 베어링 하우징(16) 내부에 고정된 모터 스테이터(24)와, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터(26)와, 인버터에 의한 교류 전력의 주파수와 전압을 제어하는 인버터 제어기(28)를 구비한다. 인버터와 인버터 제어기는 드라이버 용기(29)에 수용되고 단열 연결 부재(30)에 의해 컴프레서 하우징(20)에 연결되어 있다.

Description

전동 과급기{ELECTROMOTIVE SUPERCHARGER}

도 1은 특허문헌 1의 터보 과급기의 구성도이다.

도 2는 특허문헌 2의 전동 컴프레서의 구성도이다.

도 3은 본 발명의 전동 과급기의 전체 구성도이다.

[특허문헌 1] 일본 특허 공개 제 2000 - 130176호 공보, 「발전·전동기를 구비한 터보 챠저」

[특허문헌 2] 미국 특허 제 5,904,471호 명세서, 「COOLING MEANS FOR A MOTOR-DRIVEN CENTRIFUGAL AIR COMPRESSOR」

본 발명은 배기 터빈 과급기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전동기를 내장한 전동 과급기에 관한 것이다.

압축기로 밀도를 높인 공기를 기관(엔진)에 공급하는 것을 과급(supercharging)이라 하고, 이 중 배기 에너지로 압축기를 구동하는 것을 배기 터빈 과급기(exhaust-gas turbocharger)라 한다.

배기 터빈 과급기는 일반적으로, 베어링 유닛을 사이에 두고 배치된 압축기(컴프레서)와 터빈으로 이루어지고, 압축기는 컴프레서 임펠러를, 터빈은 터빈 임펠러를 각각 내장한다. 컴프레서 임펠러와 터빈 임펠러는 베어링 유닛으로 지지된 연결축으로 서로 연결되어 있고, 엔진의 배기가스로 터빈 임펠러를 회전구동시키며, 이 회전력을 연결축을 개재하여 컴프레서 임펠러에 전달하고 컴프레서 임펠러로 공기를 압축하여 엔진에 과급하도록 구성되어 있다.

상술한 배기 터빈 과급기에 있어서, 저속 회전시의 가속을 보조하기 위해 전동기를 내장한 것이 이미 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1, 2). 이하, 이와 같은 전동기를 내장한 배기 터빈 과급기를 간단히 ‘전동 과급기’라 한다.

특허문헌 1의 터보 과급기는 도 1에 나타내는 바와 같이, 터빈(51)과 컴프레서(52)를 연결하는 샤프트(53)상에 부착된 발전·전동용 회전자(54)와, 하우징(55)의 내부에 부착된 고정자(56)로 구성되는 발전기와, 고정자를 냉각하기 위해 고정자를 둘러싸는 하우징의 내부에 형성된 냉각용 물 쟈켓(57)을 구비한 것이다.

특허문헌 2는 전동 컴프레서에 관한 것으로, 도 2에 나타내는 바와 같이, 컴프레서 하우징(61), 전동기(62), 원심 컴프레서 휠(63)을 구비하고, 컴프레서 하우징(61)은 외주부에 위치하는 압축 공기 출구를 형성하며, 컴프레서 하우징의 외주 케이싱(61a)과 내측 모터 서포트(61b)가 그 사이로부터 외기를 도입하는 유로를 형성하는 것이다.

배기 터빈 과급기의 회전 속도는 고속으로, 예를 들어, 적어도 10 ~ 20만 rpm에 달한다. 따라서, 상술한 전동 과급기에 내장되는 전동기는 이 고속 회전에 대응하여 고속으로 회전 구동과 회생 운전이 가능할 것이 요구된다.

이 요구를 만족시키기 위해서 전동기로서 브러쉬리스(brushless) 교류 전동기를 사용한 경우, 차량에 탑재된 배터리의 직류 전력을 임의의 주파수의 교류 전력으로 변환하는 인버터가 필요해진다.

그러나, 인버터로 변환한 후의 전력은 교류 전력이기 때문에 인버터와 전동 과급기를 접속하는 전원 공급 케이블의 전기 저항이나 인덕턴스에 의한 전력 손실이 크다는 문제점이 있다. 이 때문에, 특히 주파수가 높은 경우에는 본래 전동기에서 소비하는 전력보다 큰 전력을 인버터로부터 공급할 필요가 있어 손실이 클 뿐만 아니라 인버터 자체도 대형화되는 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 즉, 본 발명의 목적은 인버터와 전동 과급기를 접속하는 전원 공급 케이블에 의한 전력 손실을 대폭으로 저감할 수 있는 전동 과급기를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따르면, 터빈 임펠러를 일단에 가지는 터빈 축과, 터빈 축의 타단에 연결된 컴프레서 임펠러와, 터빈 축을 회전가능하게 지지하는 베어링 하우징과, 터빈 임펠러를 둘러싸고 베어링 하우징에 연결된 터빈 하우징과, 컴프레서 임펠러를 둘러싸고 베어링 하우징에 연결된 컴프레서 하우징을 구비한 전동 과급기로서,

터빈 축에 고정되고 터빈 축과 함께 회전하는 모터 로터와, 모터 로터를 둘러싸고 베어링 하우징의 내부에 고정된 모터 스테이터와, 직류 전력을 교류 전력으 로 변환하여 모터 스테이터에 입력하는 인버터와, 외부 명령을 받아 인버터에 의한 교류 전력의 주파수와 전압을 제어하는 인버터 제어기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전동 과급기가 제공된다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 인버터와 인버터 제어기를 수용하는 드라이버 용기와, 이 드라이버 용기를 컴프레서 하우징에 연결하는 단열 연결 부재를 구비하고,

상기 드라이버 용기는 도넛형 혹은 Ｕ자형으로 형성되며,

상기 단열 연결 부재는 컴프레서 토출 공기의 고온이 드라이버 용기에 전열되지 않도록 그 사이를 단열하는 공냉(空冷) 또는 수냉(水冷)의 단열층을 가진다.

상기 인버터는 주파수와 전압 양쪽 모두를 제어하는 펄스폭 변조파(PWM) 방식의 인버터인 것이 바람직하다.

상술한 본 발명의 구성에 따르면, 전동 과급기가 모터 스테이터, 인버터 및 인버터 제어기를 구비하므로, 인버터와 전동 과급기를 접속하는 전원 공급 케이블의 길이를 대폭으로 단축할 수 있다. 따라서, 전동기와 인버터의 거리가 최소가 되기 때문에 전원 공급 케이블의 전기 저항이나 인덕턴스를 무시가능한 정도까지 저감할 수 있다.

또한, 인버터가 전동 과급기와 일체화되어 있기 때문에 인버터의 설치 장소가 불필요해진다.

본 발명의 그 밖의 목적 및 유리한 특징은 첨부 도면을 참조하면서 이하에 설명한다.

[바람직한 실시예의 설명]

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하면서 설명한다. 한편, 각 도면에서 공통되는 부분에는 동일한 부호를 붙여 중복된 설명을 생략한다.

도 3은 본 발명의 전동 과급기의 전체 구성도이다. 이 도면에 있어서, 본 발명의 전동 과급기(10)는 터빈 축(12), 컴프레서 임펠러(14), 베어링 하우징(16), 터빈 하우징(18), 및 컴프레서 하우징(20)을 구비한다.

터빈 축(12)은 터빈 임펠러(11)를 일단(도면에서 좌단)에 가진다. 이 예에서 터빈 임펠러(11)는 터빈 축(12)에 일체로 형성되어 있으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며 터빈 임펠러(11)를 별도로 부착하는 구성이라도 된다.

컴프레서 임펠러(14)는 터빈 축(12)의 타단(도면에서 우단)에 축단(軸端) 너트(15)로 일체로 회전하도록 연결되어 있다.

베어링 하우징(16)은 터빈 축(12)을 베어링 메탈(17a)로 회전가능하게 지지한다. 또한, 터빈 축(12)은 스러스트 칼라(thrust collar)(17b) 및 스러스트 베어링(17c, 17d)에 의해 축 방향으로 이동하지 않도록 지지되어 있다. 또한, 베어링 하우징(16)은 베어링 메탈(17a), 스러스트 칼라(17b) 및 스러스트 베어링(17c, 17d)을 윤활하기 위한 도시하지 않은 윤활유 유로를 가지고 있다.

터빈 하우징(18)은 터빈 임펠러(11)를 회전가능하게 둘러싸고 또한 베어링 하우징(16)에 연결되어 있다. 이 터빈 하우징(18)은 그 내부에 외부로부터 배기가스가 도입되는 스크롤실(18a)과, 스크롤실(18a)에서 터빈 임펠러(11)까지 배기가스를 안내하는 환상(環狀)으로 형성된 유로(18b)를 가진다.

또한, 유로(18b)에는 복수의 노즐날개(19)가 둘레 방향으로 일정한 간격으로 배치되어 있다. 이 노즐날개(19)는 가변 노즐날개이고, 그 사이에 형성되는 유로 면적을 변화시킬 수 있는 것이 바람직하나 본 발명은 이에 한정되지 않으며 고정 노즐날개여도 된다.

컴프레서 하우징(20)은 컴프레서 임펠러(14)를 회전가능하게 둘러싸고 또한 베어링 하우징(16)에 연결되어 있다. 이 컴프레서 하우징(20)은 내부에 압축 공기가 도입되는 스크롤실(20a)과, 컴프레서 임펠러(14)에서 스크롤실(20a)까지 압축 공기를 안내하는 환상으로 형성된 유로(20b)를 가진다.

상술한 구성에 의해 엔진의 배기가스로 터빈 임펠러(11)를 회전구동하고, 이 회전력을 터빈 축(12)을 개재하여 컴프레서 임펠러(14)에 전달하고 컴프레서 임펠러(14)로 공기를 압축하여 엔진에 과급할 수 있다.

도 3에 있어서, 본 발명의 전동 과급기(10)는 모터 로터(22), 모터 스테이터(24), 인버터(26), 및 인버터 제어기(28)를 더 구비한다.

모터 로터(22)는 터빈 축(12)에 고정되고 터빈 축과 함께 회전하는 전동기의 회전자이다. 또한, 모터 스테이터(24)는 모터 로터(22)를 둘러싸고 베어링 하우징(16)의 내부에 고정된 전동기의 고정자이다. 모터 로터(22)와 모터 스테이터(24)에 의해 브러시리스 교류 전동기가 구성된다.

이 교류 전동기는 터빈 축(12)의 고속 회전(예를 들어, 적어도 10 ~ 20만 rpm)에 대응할 수 있고 또한 가속 시의 회전 구동과 감속시의 회생 운전이 가능한 것이 바람직하다. 또한, 이 교류 전동기의 구동 전압은 차량에 탑재된 배터리의 직 류 전압(예를 들어, 12V)과 동일 혹은 이보다 높은(예를 들어, 24 ~ 36V) 것이 바람직하다. 구동 전압을 높임으로써 교류 전동기를 소형화할 수 있다.

인버터(26)는 차량에 탑재된 배터리의 직류 전력을 임의의 주파수의 교류 전력으로 변환하는 기능을 가진다. 이 인버터(26)는 주파수와 전압 양쪽 모두를 제어하는 펄스폭 변조파(PWM) 방식의 인버터인 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 사용할 전동기에 맞춰 임의의 인버터, 예를 들어, 회생 운전이 용이한 전류형 인버터를 사용해도 된다.

인버터(26)의 입력 단자는 차량에 탑재된 배터리의 직류 전압(예를 들어, 12V)과 도시하지 않은 전력 케이블을 통하여 접속되어 있다. 인버터의 입력 전압은 배터리의 직류 전압(예를 들어, 12V)과 동일하거나 이보다 낮거나 높아도 된다. 또한, 이 전압은 차량 전체의 제어계의 전압과 일치시키는 것이 바람직하다.

인버터(26)의 출력 단자는 모터 스테이터(24)와 전원 공급 케이블(27)을 통하여 접속되어 있다. 이 전원 공급 케이블(27)은 가능한 한 짧고 또한 전기 저항과 인덕턴스를 작게 설정하여 전력 손실을 최소한으로 억제하도록 구성되어 있다.

인버터 제어기(28)는 인버터(26)에 의한 교류 전력의 주파수와 전압을 제어한다. 이 인버터 제어기(28)는 차량 전체의 제어장치, 혹은 엔진 제어장치와 도시하지 않은 제어선으로 접속되어 있으며, 명령을 받아 주파수와 전압을 제어하도록 구성되어 있다.

본 발명의 전동 과급기(10)는 인버터(26)와 인버터 제어기(28)를 수용하는 드라이버 용기(29)와, 이 드라이버 용기(29)를 컴프레서 하우징(20)에 연결하는 단 열 연결 부재(30)를 더 구비한다.

드라이버 용기(29)는 컴프레서 하우징(20)의 원통형 외기 흡입부(20c)의 주위에 외부로 돌출되는 일 없이 부착할 수 있도록, 전체가 도넛형 혹은 Ｕ자형으로 형성되어 있다.

또한, 단열 연결 부재(30)는 컴프레서 토출 공기의 고온이 드라이버 용기(29)로 전열되지 않도록 그 사이를 단열하는 공냉 또는 수냉의 단열층을 가진다. 단열 연결 부재(30)는 또한 컴프레서 하우징(20)의 진동을 드라이버 용기(29)로 전달하지 않도록 방진(防振) 기능을 가진다.

상술한 구성에 의해, 드라이버 용기(29)가 비교적 저온의 외기가 도입되는 컴프레서 하우징(20)에 연결되고 또한 공냉 또는 수냉의 단열층을 가지는 단열 연결 부재(30)로 드라이버 용기(29)를 단열하고 있기 때문에, 드라이버 용기(29) 및 그 내부의 인버터(26)와 인버터 제어기(28)의 과열을 방지할 수 있다.

또한, 드라이버 용기(29)를 컴프레서 하우징의 흡입 측에 마련함으로써 컴프레서가 흡입하는 비교적 저온의 외기의 일부를 드라이버의 내부로 직접 유도할 수 있기 때문에 적극적으로 냉각할 수 있는 탁월한 효과를 가진다.

한편, 본 발명은 상술한 실시형태로 한정되지 않으며 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경할 수 있음은 물론이다.

본 발명에 따르면 인버터와 전동 과급기를 접속하는 전원 공급 케이블에 의한 전력 손실을 대폭으로 저감할 수 있는 전동 과급기를 얻을 수 있다.

Claims (3)

1. 터빈 임펠러를 일단에 가지는 터빈 축과, 터빈 축의 타단에 연결된 컴프레서 임펠러와, 터빈 축을 회전가능하게 지지하는 베어링 하우징과, 터빈 임펠러를 둘러싸고 베어링 하우징에 연결된 터빈 하우징과, 컴프레서 임펠러를 둘러싸고 베어링 하우징에 연결된 컴프레서 하우징을 구비한 전동 과급기로서,

   터빈 축에 고정되고 터빈 축과 함께 회전하는 모터 로터와, 모터 로터를 둘러싸고 베어링 하우징의 내부에 고정된 모터 스테이터와, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 모터 스테이터에 입력하는 인버터와, 외부 명령을 받아 인버터에 의한 교류 전력의 주파수와 전압을 제어하는 인버터 제어기와,

   상기 인버터와 인버터 제어기를 수용하는 드라이버 용기와, 상기 드라이버 용기를 컴프레서 하우징에 연결하는 단열 연결 부재를 구비하고,

   상기 드라이버 용기는 외부 돌출없이 부착될 수 있도록 전체가 도넛형 혹은 Ｕ자형으로 형성되며,

   상기 단열 연결 부재는 컴프레서 토출 공기의 고온이 드라이버 용기에 전열되지 않도록 그 사이를 단열하는 공냉(空冷) 또는 수냉(水冷)의 단열층을 갖으며 컴프레서 하우징의 진동을 드라이버 용기로 전달하지 않는 방진 기능을 가지는 것을 특징으로 하는 전동 과급기.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 인버터는 주파수와 전압 양쪽 모두를 제어하는 펄스폭 변조파(PWM) 방식의 인버터인 것을 특징으로 하는 전동 과급기.

Images