KR20070017032A

KR20070017032A - 전동기 부착 과급기

Info

Publication number: KR20070017032A
Application number: KR1020060073314A
Authority: KR
Inventors: 야스유키 시부이; 유키오 타카하시
Original assignee: 이시카와지마-하리마 주고교 가부시키가이샤
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2007-02-08
Also published as: KR100923186B1

Abstract

본 발명의 전동기 부착 과급기(10)에서, 전동기(20)는 컴프레서 임펠러(6)와 터빈 임펠러(2) 사이에 배치되어 있고 센터 하우징(14)은 전동기(20)를 둘러싼다. 또한, 센터 하우징(14)은 전동기를 냉각시키기 위한 냉각액을 유통시키는 냉각액 유로(34)와, 컴프레서 하우징(8) 내부의 압축 공기 A의 일부를 전동기(20)로 유도하는 공기 도입로(38)를 가진다. 공기 도입로(38)를 흐르는 공기는 냉각액 유로(34)를 흐르는 냉각액과의 열 교환으로 냉각되어 전동기(20)를 냉각시킨다.

Description

전동기 부착 과급기{SUPERCHARGER WITH ELECTRIC MOTOR}

도 1은 종래 기술을 설명하는 도면이다.

도 2는 다른 종래 기술을 설명하는 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시형태를 나타내는 단면도이다.

도 4는 도 3의 부분 확대도이다.

[특허문헌 1] 일본 특허 공개 제 2003 - 293785호 공보

[특허문헌 2] 일본 특허 공개 제 2005 - 69178호 공보

본 발명은 내연기관의 배기가스에 의해 구동되고 흡기를 압축하여 과급(過給)하는 과급기에 관한 것으로, 특히 컴프레서의 회전 구동을 보조하는 전동기를 구비한 전동기 부착 과급기에 관한 것이다.

내연기관의 성능 향상을 위해 내연기관의 배기가스로 구동되고 흡기를 압축하여 과급하는 과급기(‘터보 챠저(turbocharger)’라고도 한다)가 널리 이용되고 있다. 또한, 과급기의 샤프트와 동축상에 전동기를 삽입하고 컴프레서의 회전 구동 을 가속 보조함으로써 가속 응답성 등을 개선한 전동기 부착 과급기도 이용되고 있다.

상기의 특허문헌 1에는 전동기 부착 과급기에 관한 선행 기술이 개시되어 있다. 도 1은 특허문헌 1에 개시된 전동기 부착 과급기(50)의 구성을 나타내는 단면도이다. 과급기(50)의 하우징(51) 내부에는 배기 통로 측에 터빈 임펠러(turbine impeller)(52), 흡기 통로 측에 컴프레서 임펠러(53)가 배치되어 있고, 터빈 임펠러(52)와 컴프레서 임펠러(53)는 샤프트(54)로 연결되어 있다. 샤프트(54)는 하우징(51)에 내장된 베어링(55)에 의해 회전가능하게 지지되어 있다. 또한 하우징(51)에는 샤프트(54)와 동축상으로 연결된 회전자(56)와 회전자(56) 주위에 배치된 고정자(57)를 가지는 전동기(58)가 내장되어 있다. 이와 같이 구성된 과급기(50)에서는 내연기관(엔진)에서 발생한 배기가스로 터빈 임펠러(52)를 회전시켜 이것에 연결된 컴프레서 임펠러(53)를 회전구동시킴과 함께 전동기(58)로 이 회전 구동을 보조하고 흡기를 과급하여 내연기관에 공급한다.

이러한 전동기 부착 과급기에서는 과급기의 가동 중 전동기(58)가 고속 회전하여 풍손(風損)이나 와전류손(渦電流損, Eddy-Current loss)에 의해 자기발열한다. 또한, 터빈에는 고온의 배기가스가 흐르기 때문에 터빈 임펠러(52)로부터 샤프트(54), 샤프트(54)로부터 전동기(58)의 회전자(56)로의 열전도에 의해 전동기(58)가 고온이 된다. 전동기(58)가 고온이 되면 내부의 영구자석의 자속이 감소하거나 전동기(58)의 효율이 저하되는 문제점이 있었다. 이에, 특허문헌 1의 과급기에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 하우징(51)의 내부에 전동기(58)를 둘러싸도록 냉 각액 유로(60)를 형성하고 이 냉각액 유로(60)에 냉각액(61)을 흘려 전동기(58)를 냉각시키도록 구성하고 있다.

또한, 전동기 부착 과급기에 있어서의 전동기의 냉각에 관한 다른 선행 기술은 상기의 특허문헌 2에도 개시되어 있다. 이 특허문헌 2에 개시된 전동기 부착 과급기는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 인터쿨러(intercooler)(71) 출구의 공기의 일부를 과급기(70)의 하우징(73) 내부로 유도하는 냉기 도입로(72)를 구비하고, 하우징(73) 내부로 도입된 냉각 공기로 전동기(70)를 냉각시키도록 구성되어 있다.

상술한 특허문헌 1의 냉각 구조에서는 전동기(58)의 고정자(56) 측을 냉각하는 것은 가능하나 회전자(56)는 고정자(57)로부터 소정간격을 두고 배치되어 있기 때문에 고정자(57) 측으로의 열전도가 충분히 행해지지 않는다. 이 때문에 전동기의 회전자를 충분히 냉각시킬 수 없어 영구자석의 자속이 감소하거나 전동기의 효율이 저하되는 문제가 여전히 남는다. 또한, 이 문제를 해결하기 위해 상술한 특허문헌 2에 제시된 냉각 구조와 같이 인터쿨러(71) 출구로부터 배출된 냉각 공기를 전동기(70)로 유도하는 방법을 생각할 수 있다. 그러나, 이 방법에 따르면 냉기 도입로(72)와 같은 외부 배관을 부가할 필요가 있기 때문에 과급기 자체의 중량과 비용의 증대를 초래하는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점에 착안하여 외부 배관을 부가하는 일 없이 전동기의 고정자 및 회전자를 효과적으로 냉각시킬 수 있으며, 이에 의해 전동기의 고온화를 억제함으로써 영구자석의 자속 감소를 방지하고 전동기의 효율 저하를 방지할 수 있는 전동기 부착 과급기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 제 1 발명은, 내연기관의 배기가스에 의해 회전구동되는 터빈 임펠러와, 이 터빈 임펠러를 둘러싸는 터빈 하우징과, 상기 터빈 임펠러와 샤프트로 연결되어 회전하고 흡기를 압축하는 컴프레서 임펠러와, 이 컴프레서 임펠러를 둘러싸는 컴프레서 하우징과, 상기 터빈 임펠러와 상기 컴프레서 임펠러 사이에 위치하고 상기 샤프트를 회전구동할 수 있는 전동기와, 상기 샤프트를 회전가능하게 지지하고 또한 상기 전동기를 내장하는 센터 하우징을 구비한 전동기 부착 과급기에 있어서, 상기 센터 하우징 내부에 상기 컴프레서 하우징 내부의 압축 공기의 일부를 상기 전동기로 유도하는 공기 도입로와, 이 공기 도입로를 흐르는 공기를 냉각하는 냉각 구조부를 가지는 것을 특징으로 하는 것이다.

제 2 발명은, 상기 제 1 발명에 있어서, 상기 센터 하우징은 상기 전동기를 둘러싸도록 형성되고 그 내부에 전동기를 냉각시키기 위한 냉각액을 유통시키는 냉각액 유로를 가지며, 상기 냉각 구조부는 상기 냉각액과 상기 공기 도입로를 흐르는 공기 사이에서 열 교환이 가능하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

제 3 발명은, 상기 제 1 발명에 있어서, 상기 냉각 구조부는 상기 센터 하우징의 내부를 흐르는 윤활유와 상기 공기 도입로를 흐르는 공기 사이에서 열 교환이 가능하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

상기 제 1 발명에 따르면, 컴프레서 하우징의 출구 측 공기의 일부를 상기 전동기의 회전자로 유도하고, 이 도입 과정에서 공기를 냉각 구조부로 냉각하므로 전동기의 고정자 및 회전자 양쪽 모두를 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 따라서, 전동기의 영구자석을 냉각하여 고온화를 억제할 수 있다. 또한, 냉각 공기를 도입하는 공기 도입로는 센터 하우징의 내부에 형성되어 있기 때문에 외부 배관을 부가하는 일 없이 냉각 공기를 전동기까지 유도할 수 있다.

상기 제 2 발명에 따르면, 전동기를 그 주위부터 냉각시키기 위한 냉각액 유로를 가지고, 공기 도입로를 흐르는 공기와 냉각액 유로를 흐르는 냉각액 사이에서 열 교환하여 공기를 냉각시키도록 구성했기 때문에, 공기를 냉각시키기 위한 전용 냉각 계통을 마련하는 일 없이 간단한 구조로 냉각 수단을 구성할 수 있다.

상기 제 3 발명에 따르면, 센터 하우징의 내부를 흐르는 윤활유와 공기 도입로를 흐르는 공기 사이에서 열 교환하여 공기를 냉각시키도록 구성했기 때문에, 공기를 냉각시키기 위한 전용 냉각 계통을 마련하는 일 없이 간단한 구조로 냉각 수단을 구성할 수 있다.

따라서, 상기 본 발명에 따르면, 외부 배관을 부가하는 일 없이 전동기의 고정자 및 회전자를 효과적으로 냉각시킬 수 있으며, 이에 의해 전동기의 고온화를 억제함으로써 영구자석의 자속 감소를 방지하고 전동기의 효율 저하를 방지할 수 있는 탁월한 효과를 얻을 수 있다.

[바람직한 실시예의 설명]

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를 도면에 근거하여 상세히 설명한다. 한편, 각 도면에서 공통되는 부분에는 동일한 부호를 붙여 중복된 설명을 생략한다.

도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 전동기 부착 과급기의 단면도이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 이 전동기 부착 과급기(10)는 터빈 임펠러(2), 터빈 하우징(4), 샤프트(12), 컴프레서 임펠러(6), 컴프레서 하우징(8), 전동기(20), 센터 하우징(14) 등의 구성요소로 이루어진다.

배기 통로 측에는 내연기관의 배기가스 G에 의해 회전구동되는 터빈 임펠러(2)와, 이 터빈 임펠러(2)를 둘러싸는 터빈 하우징(4)이 배치되어 있다. 흡기 측 통로에는 흡기를 압축하는 컴프레서 임펠러(6)와, 이 컴프레서 임펠러(6)를 둘러싸는 컴프레서 하우징(8)이 배치되어 있다. 터빈 임펠러(2)와 컴프레서 임펠러(6)는 샤프트(12)에 의해 연결되어 있고 샤프트(12)는 센터 하우징(14)에 내장된 베어링(16)에 의해 회전가능하게 지지되어 있다. 터빈 하우징(4)과 센터 하우징(14)은 커플링(3)에 의해 연결되고 컴프레서 하우징(8)과 센터 하우징은 볼트(5)에 의해 연결되어 있다.

전동기(20)는 센터 하우징(14)에 내장되어 있고 샤프트(12)와 동축상으로 연결되며 샤프트(12)와 함께 회전하는 영구자석으로 이루어지는 회전자(20A)(로터)와, 회전자(20A) 주위에 배치된 코일로 이루어지는 고정자(20B)(스테이터)로 구성된다.

센터 하우징(14)에는 베어링(16)에 윤활유(42)를 공급하기 위한 기름 공급로(22)와, 베어링(16) 내부를 통과하여 베어링(16)을 윤활·냉각시킨 윤활유(42)를 배출하기 위한 기름 배출로(24)가 형성되어 있다. 기름 공급로(22)에는 외부에 마련된 윤활유 펌프(미도시)에 의해, 예를 들어, 80℃ 전후의 윤활유(42)가 공급되도 록 구성되어 있다.

센터 하우징(14)의 터빈 임펠러(2) 측에는 센터 하우징(14)과 샤프트(12)의 틈으로부터 윤활유(42)가 새는 것을 방지하기 위한 터빈 측 씰 링(26)이 개재되어 있다.

도 4는 도 3의 부분 확대도이다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 센터 하우징(14) 내부의 전동기(20)와 베어링부 사이의 위치에 마련된 씰 플레이트(28)와 샤프트(12) 사이에는, 그 틈으로 윤활유가 새는 것을 방지하는 컴프레서 측 씰 링(30)이 개재되어 있고 이에 의해 오일 씰부(32)를 구성하고 있다.

또한, 센터 하우징(14)에는 전동기(20)를 둘러싸도록 냉각액 유로(34)가 형성되어 있다. 이 냉각액 유로(34)는 센터 하우징(14)의 내부를 둘레 방향으로 연장하여 환상으로 형성되고 그 내부에 전동기(20)를 냉각시키기 위한 냉각액을 유통시키도록 구성되어 있다. 냉각액 유로(34)는 전동기(20)의 외주를 완전히 일주하도록 형성되어도 되고 샤프트(12)의 축 방향에서 보았을 때 Ｃ자 모양으로 형성되어도 된다. 냉각액 유로(34)의 지름 방향의 안쪽에는 핀 형상부(34a)가 형성되어 열전도 효율을 높이도록 구성되어 있다. 냉각액은 냉각액 공급구(미도시)를 통하여 외부에 마련된 냉각액 펌프(미도시)에 의해 냉각액 유로(34)에 공급되고, 냉각액 배출구(미도시)로부터 외부로 배출된다. 한편, 냉각액으로서는, 예를 들어, 물을 적용할 수 있다. 또한, 내연기관의 연료(가솔린 등)를 냉각액으로 이용해도 된다.

또한, 센터 하우징(14)의 내부에는 컴프레서 하우징(8)의 내부와 센터 하우징(14) 내부의 전동기(20)가 마련된 공간(36)을 연통시켜 컴프레서 하우징(8) 내부 의 압축 공기 A의 일부를 전동기(20)로 유도하는 공기 도입로(38)와, 이 공기 도입로(38)를 흐르는 공기 A를 냉각시키는 냉각 구조부(40)가 마련되어 있다.

본 실시형태에 있어서, 냉각 구조부(40)는 냉각액 유로(34)를 흐르는 냉각액과 공기 도입로(38)를 흐르는 공기 A 사이에서 열 교환하도록 구성되어 있다. 즉, 공기 도입로(38)는 냉각액 유로(34)의 근방을 지나도록 형성되어 공기 도입로(38)를 흐르는 공기 A의 열을 냉각액 유로(34)의 냉각액에 전달하도록 되어 있다. 공기 도입로(38) 중 냉각 구조부(40)에 대응하는 부분은 그 내부를 흐르는 공기 A와 냉각액 유로(34)의 냉각액 사이의 열 교환이 충분히 행해지는 전열(傳熱) 면적을 확보하기 위해 냉각액 유로(34)를 따라 둘레 방향으로 어느 정도 연장되는 형상으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 냉각액 유로(34) 중 공기 도입로(38) 측의 내면에는 핀 형상부(34b)가 형성되어 열전도 효율을 높이도록 구성되어 있다.

이와 같이 구성된 전동기 부착 과급기(10)에서는 내연기관(엔진)으로부터 배출된 배기가스 G에 의해 터빈 임펠러(2)를 회전시켜 샤프트(12)를 개재하여 연결된 컴프레서 임펠러(6)를 회전구동함과 함께 전동기(20)에 의해 이 회전 구동을 보조한다. 그리고 컴프레서 임펠러(6)로 흡기를 압축·가압하여 내연기관에 공급한다. 컴프레서 임펠러(6)로 흡기하는 공기(P점)는, 예를 들어, 20℃, 상압(常壓)이며, 이것이 임펠러 출구(Q점)에서, 예를 들어, 180℃, 1.5 기압까지 승온·승압되고, 컴프레서 하우징 출구(R점)에서, 예를 들어, 180℃, 2.0 기압까지 승압된다.

또한, 냉각액 유로(34)에는 냉각액이 공급되고, 이에 의해 전동기(20)를 그 주위부터 냉각시킨다. 또한, 컴프레서 하우징(8) 내부의 압축 공기 A의 일부는 공 기 도입로(38)에 의해 전동기(20) 측의 공간(36)으로 유도된다. 이때, 컴프레서 하우징(8)의 내부에서 공기 도입로(38)로 도입되는 공기 A는 컴프레서 임펠러(6)에 의해 압축·가압되고 있기 때문에 고온(예를 들어, 180℃)이 되어 있으나, 센터 하우징(14)의 내부에 마련된 냉각 구조부(40)에서 냉각액 유로(34) 내부의 냉각액과의 사이에서 열 교환하기 때문에 저온까지(예를 들어, 50℃) 냉각된다. 이 결과, 냉각시킨 공기 A가 전동기(20) 측의 공간(36)으로 공급된다. 이에 의해, 전동기(20)의 회전자(20A)는 공기 도입로(38)로부터 도입된 공기 A에 의해 직접 냉각된다. 한편, 전동기(20)를 냉각시킨 공기 A는 공기 배출로(미도시)로부터 배출된다. 혹은, 공기 배출로를 마련하지 않고 전동기(20)를 냉각시킨 공기 A를 컴프레서 임펠러(6)의 배면을 통하여 Q점으로 되돌리도록 하면 컴프레서 성능의 저하를 최소한으로 억제할 수 있다.

이와 같이, 상술한 본 발명의 전동기 부착 과급기(10)에 따르면, 컴프레서 하우징(8) 내부의 압축 공기 A의 일부를 전동기(20)의 회전자(20A)로 유도하고, 이 도입 과정에서 공기를 냉각 구조부(40)로 냉각시키므로, 도입된 공기 A에 의해 전동기(20)의 고정자(20B) 및 회전자(20A) 양쪽 모두를 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 따라서, 전동기(20)의 영구자석을 냉각시켜 온도 상승을 억제할 수 있다. 또한, 냉각 공기 A를 도입하는 공기 도입로(38)는 센터 하우징(14)의 내부에 형성되어 있기 때문에 외부 배관을 부가하는 일 없이 냉각 공기 A를 전동기까지 유도할 수 있다.

또한, 본 발명의 전동기 부착 과급기(10)에 따르면, 전동기(20)를 그 주위부 터 냉각시키기 위한 냉각액 유로(34)를 가지고, 공기 도입로(38)를 흐르는 공기와 냉각액 유로(34)를 흐르는 냉각액 사이에서 열 교환하여 공기 A를 냉각시키도록 구성하였기 때문에 전동기로 도입하는 공기를 냉각시키기 위한 전용 냉각 계통을 마련하는 일 없이 간단한 구조로 냉각 구조부를 구성할 수 있다.

따라서, 본 발명의 전동기 부착 과급기에 따르면, 외부 배관을 부가하는 일 없이 전동기의 고정자 및 회전자를 효과적으로 냉각시킬 수 있으며, 이에 의해 전동기의 온도 상승을 억제함으로써 영구자석의 자속 감소를 방지하여 전동기의 효율 저하를 방지할 수 있는 탁월할 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상술한 실시형태에서는 컴프레서 하우징(8) 내부의 가압 공기 A(예를 들어 2.O 기압)를 전동기(20) 측에 도입하고 있기 때문에 전동기(20) 측의 압력이 높아진다. 따라서, 윤활유가 흐르는 베어링(16) 측으로부터의 유입이 전동기(20) 측의 높은 압력에 의해 억제됨으로써 오일 씰부(32)의 씰링성이 향상되는 효과도 얻을 수 있다.

한편, 상술한 실시형태에서는 터빈 측에 샤프트(12)의 베어링(16)이 배치되고 컴프레서 측에 전동기(20)가 배치된 전동기 부착 과급기를 대상으로 하였으나, 본 발명의 적용 범위는 이에 한정되지 않으며, 도 1에 나타낸 바와 같은 중앙부에 전동기가 배치되고 그 양측에 베어링을 배치한 형식의 전동기 부착 과급기에도 당연히 적용할 수 있다.

또한, 상술한 실시형태에서는 냉각액 유로(34)를 흐르는 냉각액과 공기 도입로(38)를 흐르는 공기 A 사이에서 열 교환하도록 구성하였으나, 센터 하우징(14)의 내부를 흐르는 윤활유(42)와 공기 도입로(38)를 흐르는 공기 A 사이에서 열 교환이 가능한 구조로 구성함으로써 전동기(20)로 유도하는 공기를 냉각시키도록 해도 된다. 또한, 외부의 공기와 공기 도입로(38)를 흐르는 공기 사이에서 열 교환이 가능한 구조로 하고, 이에 의해 전동기(20)로 유도하는 공기를 냉각시키도록 해도 된다.

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

본 발명에 따르면 외부 배관을 부가하는 일 없이 전동기의 고정자 및 회전자를 효과적으로 냉각시킬 수 있으며, 이에 의해 전동기의 고온화를 억제함으로써 영구자석의 자속 감소를 방지하고 전동기의 효율 저하를 방지할 수 있는 전동기 부착 과급기를 얻을 수 있다.

Claims

내연기관의 배기가스에 의해 회전구동되는 터빈 임펠러와, 이 터빈 임펠러를 둘러싸는 터빈 하우징과, 상기 터빈 임펠러와 샤프트로 연결되어 회전하고 흡기를 압축하는 컴프레서 임펠러와, 이 컴프레서 임펠러를 둘러싸는 컴프레서 하우징과, 상기 터빈 임펠러와 상기 컴프레서 임펠러 사이에 위치하고 상기 샤프트를 회전구동할 수 있는 전동기와, 상기 샤프트를 회전가능하게 지지하고 또한 상기 전동기를 내장하는 센터 하우징을 구비한 전동기 부착 과급기에 있어서,

상기 센터 하우징 내부에 상기 컴프레서 하우징 내부의 압축 공기의 일부를 상기 전동기로 유도하는 공기 도입로와, 이 공기 도입로를 흐르는 공기를 냉각하는 냉각 구조부를 가지는 것을 특징으로 하는 전동기 부착 과급기.
제 1항에 있어서,

상기 센터 하우징은 상기 전동기를 둘러싸도록 형성되고 그 내부에 전동기를 냉각시키기 위한 냉각액을 유통시키는 냉각액 유로를 가지며,

상기 냉각 구조부는 상기 냉각액과 상기 공기 도입로를 흐르는 공기 사이에서 열 교환이 가능하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전동기 부착 과급기.
제 1항에 있어서,

상기 냉각 구조부는 상기 센터 하우징의 내부를 흐르는 윤활유와 상기 공기 도입로를 흐르는 공기 사이에서 열 교환이 가능하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전동기 부착 과급기.