KR101966093B1 - 전동식 터보 차저 - Google Patents

Abstract

전동식 터보 차저가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동식 터보 차저는 터빈 하우징과 컴프레서 하우징 사이에 설치되는 모터 하우징 및 센터 하우징과, 상기 모터 하우징 내부에서 터빈과 컴프레서를 연결하는 샤프트 상에 설치되는 로터와 스테이터를 포함하는 전동식 터보 차저에 있어서, 상기 로터와 상기 스테이터 사이에 장착되며, 상기 샤프트와 수직하게 작용하는 하중을 지지하고, 상기 로터와 상기 스테이터 사이에 에어막을 형성하는 에어 베어링 유닛을 포함한다.

Description

전동식 터보 차저{ELECTRIC TURBO-CHARGER}

본 발명은 터보 차저에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터보 차저의 샤프트 상에 전동모터가 설치되어 저속에서 전동모터에 의해 컴프레서를 구동하고, 고속에서는 터빈의 회전을 이용하여 과급하는 전동식 터보 차저에 관한 것이다.

일반적으로 터보 차저는 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 터빈을 돌린 후, 이 회전력을 이용하여 연소실로 고압의 공기를 공급하여 엔진의 출력을 높이는 장치이다.

최근에는 터보 차저의 적용으로 엔진 다운사이징을 통하여 환경 규제나 배기가스 규제에 대응하고 있다.

이러한 터보 차저는 저속 토크에서 터보 랙(turbo-lag) 현상이 발생되는 근본적인 문제점을 가지고 있다.

이에 따라, 터보 차저의 샤프트를 전동모터로 구동시킬 수 있도록 하여 저속 토크에서 구동모터에 의해 컴프레서를 구동시키고, 고속에서는 배기가스에 의해 회전하는 터빈의 회전력을 이용하여 컴프레서를 구동하는 전동식 터보 차저가 적용되고 있다.

이러한 전동식 터보 차저는 컴프레서와 터빈, 상기 컴프레서와 터빈 사이에 구성되는 센터 하우징, 상기 컴프레서와 센터 하우징 사이에 구성되는 모터 하우징으로 구성된다.

이때, 상기 센터 하우징에는 샤프트의 하중을 지지하기 위한 저널 베어링과, 윤활 및 냉각을 위한 오일 라인이 구성되고, 상기 모터 하우징에는 상기 샤프트 상에 로터가 설치되고, 상기 로터(rotor)의 외측으로 스테이터(stator)가 설치된다.

그러나 상기한 전동식 터보 차저의 센터 하우징은 한정적인 내부에 베어링과 윤활 및 냉각을 위한 오일 라인이 구성됨에 따라서 그 구성이 복잡하고, 이로 인해 제작이 어렵고, 고속으로 회전하는 샤프트와 베어링이 접촉됨에 따라서 내구성이 저하되는 단점이 있다.

특히, 상기 샤프트는 고속으로 회전을 하는 것으로서, 상기 모터 하우징이 설치되는 만큼 일반적인 터보 차저에 비해 샤프트의 길이가 연장되고, 이로 인해 고속회전 시, 일반적인 터보 차저에 비해 불리하여 효율이 저하되고, 내구성 및 높은 가공정밀도가 요구되는 단점도 있다.

아울러, 터보 차저에 있어서, 핵심기술인 고속으로 회전하는 샤프트의 회전성, 내구성 및 가공성을 향상시키기 위해서 샤프트의 길이 축소에 대한 연구가 현재에도 활발하게 진행되고 있다.

본 발명의 실시 예는 로터와 스테이터 사이에 에어막을 형성하여 윤활 작용을 하도록 설치되는 에어 베어링 유닛을 통해, 모터 하우징 내에서 샤프트의 하중을 지지하도록 된 전동식 터보 차저를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명의 실시 예는 고속으로 회전하는 샤프트의 길이를 축소할 수 있도록 된 전동식 터보 차저를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명의 실시 예는 샤프트의 길이를 축소시켜, 고속회전에 유리하도록 하여 전체적인 효율 상승과, 길이 축소에 따른 내구성 및 가공성을 향상할 수 있도록 된 전동식 터보 차저를 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 터빈 하우징과 컴프레서 하우징 사이에 설치되는 모터 하우징 및 센터 하우징과, 상기 모터 하우징 내부에서 터빈과 컴프레서를 연결하는 샤프트 상에 설치되는 로터와 스테이터를 포함하는 전동식 터보 차저에 있어서, 상기 로터와 상기 스테이터 사이에 장착되며, 상기 샤프트와 수직하게 작용하는 하중을 지지하고, 상기 로터와 상기 스테이터 사이에 에어막을 형성하는 에어 베어링 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 터보 차저가 제공될 수 있다.

또한, 상기 에어 베어링 유닛은, 상기 로터와 상기 스테이터 사이에 구비되는 범프 스프링; 상기 로터와 상기 범프 스프링 사이에 구비되는 탑 포일; 및 상기 로터의 회전 시, 상기 로터와 상기 탑 포일 사이에 형성되는 필름층이 포함될 수 있다.

또한, 상기 범프 스프링은 외주면이 물결모양의 주름부로 형성될 수 있다.

또한, 상기 범프 스프링은 상기 스테이터의 내주면과 접할 수 있다.

또한, 상기 탑 포일은 일측 단부가 상기 범퍼 스프링을 관통하고, 관통된 단부가 상기 스테이터에 형성되는 고정홈을 통하여 고정될 수 있다.

본 발명의 실시 예는 로터와 스테이터 사이에 에어막을 형성하여 윤활 작용 및 하중을 지지하는 에어 베어링 유닛이 설치되어, 종래 기술에서 샤프트의 하중을 지지하는 베어링이 설치되던 센터 하우징을 삭제할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예는 상기 센터 하우징의 삭제를 통해, 샤프트의 길이를 축소할 수 있고, 길이가 축소된 샤프트를 통해 고속회전이 유리하여 터보 차저의 전체적인 효율을 증대시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예는 고속으로 회전하는 샤프트의 길이가 축소됨에 따라서, 샤프트의 가공성 및 내구성이 향상될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예는 샤프트가 에어 베어링 유닛을 통해 공기와 접촉하면서 회전되어 고속회전 시, 더욱 더 고속회전에 유리하고, 샤프트의 회전이 비접촉으로 이루어져 마모에 의한 내구성과 진동에 따른 정숙성이 향상될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예는 에어 베어링 유닛을 냉각하기 위한 추가적인 냉각유로를 설치하지 않고, 모터 하우징의 공랭 시스템을 이용함에 따라서, 기존 모터 하우징에 별도의 가공작업 없이 쉽게 적용시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예는 에어막을 통해 윤활 작용을 함에 따라서, 종래 기술에서 사용되던 냉각 및 윤활 오일의 삭제가 가능하고, 오일에 의한 기기의 오염을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전동식 터보 차저의 단면도이다.
도 2는 도 1의 A-A선 부분확대 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

단, 도면에 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

또한, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 본 발명의 실시 예에 따른 전동식 터보 차저는 로터와 스테이터 사이에 에어막을 형성하여 윤활 작용을 하도록 설치되는 에어 베어링 유닛을 통해, 모터 하우징 내에서 샤프트의 하중을 지지하도록 된 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전동식 터보 차저의 단면도이고, 도 1의 A-A선 부분확대 단면도이다.

도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전동식 터보 차저(1)는 터빈 하우징(3), 컴프레서 하우징(5), 상기 터빈 하우징(3)과 컴프레서 하우징(5) 사이에 설치되는 모터 하우징(7)과, 상기 모터 하우징(7) 내부에서 터빈 휠(9)과 컴프레서 휠(11)을 연결하는 샤프트(13) 상에 설치되는 로터(15)와 스테이터(17)를 포함한다.

이러한 전동식 터보 차저(1)의 터빈 하우징(3), 컴프레서 하우징(5), 샤프트(13) 등의 구성은 당업계에서 널리 알려진 공지기술의 구성이므로 이에 대한 도면 및 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 로터(15)와 상기 스테이터(17) 사이에는 에어 베어링 유닛(20)이 장착된다.

상기 에어 베어링 유닛(20)은 로터(15)와 스테이터(17) 사이에 장착되고, 상기 샤프트(13)에 수직하게 작용하는 하중을 지지한다. 또한, 로터(15)와 스테이터(17) 사이에 공기를 이용한 에어막을 형성한다.

이러한 에어 베어링 유닛(20)은 범프 스프링(21), 탑 포일(23) 및 필름층(25)을 포함한다.

상기 범프 스프링(21)은 상기 로터(15)와 스테이터(17) 사이에 구비되고, 외부 진동 즉, 상기 샤프트(13)의 회전에 따른 진동 등으로부터 상기 탑 포일(23)과 상기 스테이터(17)의 간격을 일정하게 유지시킨다.

이때, 상기 범프 스프링(21)은 외주면이 물결모양의 주름부(27)로 형성되고, 상기 스테이터(17)의 내주면(29)과 접하며, 일측 단부가 상기 스테이터(17)에 형성되는 고정홈(31)에 끼워져 고정된다.

상기 탑 포일(23)은 상기 로터(15)와 범프 스프링(21) 사이에 구비된다. 이때, 상기 탑 포일(23)은 일측 단부가 절곡되어 형성되는 결합단(33)이 상기 범프 스프링(21)을 관통하면서 상기 고정홈(31)에 범프 스프링(21)의 일측 단부와 함께 끼워져 고정된다.

상기 필름층(25)은 상기 로터(15)의 회전 시, 로터(15)와 상기 탑 포일(23) 사이에 형성되는 공간이다.

이러한 필름층(25)은 로터(15)의 회전 시, 발생되는 동압에 의해 로터(15)와 탑 포일(23) 사이에 형성되고, 그 공간은 고압의 공기가 채워지면서 에어막이 형성된다.

이때, 상기 필름층(25)에 형성되는 에어막을 통해, 상기 로터(15)와 스테이터(17) 사이에서 베어링 역할을 수행한다.

한편, 이러한 구성을 갖는 에어 베어링 유닛(20)은 상기 모터 하우징(7)의 자체 공랭 시스템(40)을 이용하여 냉각될 수도 있다.

즉, 상기 공랭 시스템(40)으로부터 상기 모터 하우징(7) 내부로 유입되는 냉각공기(도 1의 화살표참조)가 상기 범프 스프링(21)의 주름부(27)를 통과하면서 상기 탑 포일(23)과 스테이터(17) 사이를 통과하면서 냉각하여, 에어 베어링 유닛(20)을 냉각시킬 수 있다.

상기 공랭 시스템(40)은 전동식 터보 차저(1)에 적용되는 당업계에서 널리 알려진 공지기술의 구성이므로 이에 대한 도면 및 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 실시 예에 따른 전동식 터보 차저(1)에 의하면, 상기 로터(15)의 회전 시, 로터(15)와 상기 탑 포일(23) 사이에 고압의 공기가 채워지면서 에어막이 형성되고, 이 에어막을 통해 윤활 작용을 하면서 베어링 역할을 수행할 수 있다.

이때, 상기 범프 스프링(21)은 주름부(27)를 통해, 상기 로터(15)의 회전 시, 발생되는 진동과 같은 외력 등으로부터 상기 탑 포일(23)과 스테이터(17) 사이의 간격을 유지시킬 수 있다.

그리고 상기 고압의 공기를 통해 형성되는 에어막은 저널 베어링의 역할을 수행하면서, 상기 샤프트(13)에 수직하게 작용하는 하중을 지지할 수 있다.

이를 통해서, 종래 기술에서 상기 모터 하우징(7)과 터빈 하우징(3) 사이에 설치되고, 상기 샤프트(13)의 하중을 지지하는 일반적인 베어링이 장착되던 센터 하우징의 삭제가 가능할 수 있으며, 상기 센터 하우징의 삭제를 통해 상기 샤프트(13)의 길이를 축소시킬 수 있다.

이에 따라서, 상기 샤프트(13)가 고속회전에 유리하여 전동식 터보 차저(1)의 전체적인 효율 상승과, 샤프트(13)의 길이 축소에 따른 내구성 및 가공성이 향상될 수 있다.

또한, 상기 샤프트(13)가 에어 베어링 유닛(20)을 통해 공기와 접촉하면서 회전되어 고속회전 시, 더욱 더 고속회전에 유리하고, 샤프트(13)의 회전이 비접촉으로 이루어져 마모에 의한 내구성과 진동 등에 따른 정숙성을 향상시킬 수 있다.

그리고 전동식 터보 차저(1)에 설치되는 공랭 시스템(40)을 사용하여 상기 에어 베어링 유닛(20)이 냉각됨에 따라서, 기존 모터 하우징(7)에 별도의 냉각 유로 등의 가공작업 없이 쉽게 적용시킬 수도 있다.

한편, 상기 에어 베어링 유닛(20)은 작동 시, 발생되는 공기의 흐름에 의해 에어 베어링 유닛(20), 로터(15)와 스테이터(17)가 냉각될 수 있고, 별도의 공랭 시스템(40)을 사용하지 않으면서, 자체적으로 냉각기능을 수행할 수도 있다.

또한, 공기를 통해 윤활 작용을 함에 따라서, 종래 기술에서 사용되던 냉각 및 윤활 오일을 삭제할 수 있고, 오일에 의한 기기의 오염이 방지될 수 있다.

이상으로 본 발명의 하나의 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

1: 전동식 터보 차저 3: 터빈 하우징
5: 컴프레서 하우징 7: 모터 하우징
9: 터빈 휠 11: 컴프레서 휠
13: 샤프트 15: 로터
17: 스테이터 20: 에어 베어링 유닛
21: 범프 스프링 23: 탑 포일
25: 필름층 27: 주름부
29: 내주면 31: 고정홈
33: 결합단 40: 공랭 시스템

Claims (5)

1. 터빈 하우징과 컴프레서 하우징 사이에 설치되는 모터 하우징 및 센터 하우징과, 상기 모터 하우징 내부에서 터빈과 컴프레서를 연결하는 샤프트 상에 설치되는 로터와 스테이터를 포함하는 전동식 터보 차저에 있어서,
   상기 로터와 상기 스테이터 사이에 구비되는 범프 스프링과, 상기 로터와 상기 범프 스프링 사이에 구비되는 탑 포일과, 상기 로터의 회전 시, 상기 로터와 상기 탑 포일 사이에 형성되는 에어막으로 이루어지는 필름층으로 구성되어 상기 샤프트와 수직하게 작용하는 하중을 지지하는 에어 베어링 유닛;을 포함하고,
   상기 탑 포일은
   일측 단부가 상기 범프 스프링을 관통한 상태로, 관통된 단부가 상기 스테이터에 형성되는 고정홈을 통하여 고정되는 것을 특징으로 하는 전동식 터보 차저.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 범프 스프링은 외주면이 물결모양의 주름부로 형성되는 것을 특징으로 하는 전동식 터보 차저.
4. 제3항에 있어서,
   상기 범프 스프링은 상기 스테이터의 내주면과 접하는 것을 특징으로 하는 전동식 터보 차저.
5. 삭제

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