KR20090009255A - 전동 과급기 - Google Patents
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Abstract
터빈 임펠러(11)를 일단에 갖는 터빈축(12)과, 터빈축으로 회전 구동되는 컴프레서 임펠러(14)와, 터빈 임펠러, 터빈축 및 컴프레서 임펠러를 둘러싸는 하우징과, 하우징 내에 고정된 모터 스테이터(24)와, 모터 스테이터로 회전 구동되는 모터 로터(22)를 구비한다. 모터 로터(22)는 컴프레서 임펠러(14)의 내경측에 끼워맞춤에 의해 고정된다.
Description
본 발명은 전동기를 내장한 전동 과급기에 관한 것이다.
압축기에 의해 밀도를 높인 공기를 기관(엔진)에 공급하는 것을 과급(supercharging)이라고 하고, 이 중 배기 에너지에 의해 압축기의 구동을 처리하는 것을 배기 터빈 과급기(exhaust-gas turbocharger)라고 부른다.
배기 터빈 과급기는, 일반적으로, 베어링 유니트를 사이에 두고 배치된 압축기(컴프레서)와 터빈으로 이루어지고, 압축기는 컴프레서 임펠러를, 터빈은 터빈 임펠러를 각각 내장한다. 컴프레서 임펠러와 터빈 임펠러는 베어링 유니트로 지지된 연결축(샤프트)으로 서로 연결되며, 엔진의 배기 가스로 터빈 임펠러를 회전 구동하고, 이 회전력을 연결축을 통해 컴프레서 임펠러에 전달해 컴프레서 임펠러에서 공기를 압축하여 엔진에 과급하게 된다.
전술한 배기 터빈 과급기에 있어서, 저속 회전시의 가속을 보조하기 위해 전동기를 내장한 것이 이미 제안되어 있다(예를 들면 특허 문헌 1, 2). 이하, 이와 같은 전동기를 내장한 배기 터빈 과급기를 단순히 "전동 과급기"라고 부른다.
특허 문헌 1의 터보차저는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 터빈(51)과 컴프레서(52)를 연결하는 샤프트(53) 상에 장착된 발전·전동용의 회전자(54)와, 하우 징(55) 내에 장착된 고정자(56)로 구성되는 발전기와, 고정자를 냉각하기 위해 고정자를 둘러싸는 하우징의 내부에 형성된 냉각용의 워터 자켓(57)을 구비한 것이다.
특허 문헌 2의 모터 어시스트 수퍼차저는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 컴프레서 휠(61)의 축 방향 연장부에 지지된 복수의 자석(62)과, 이 자석(62)으로부터 반경 방향 바깥쪽에 간격을 두고 하우징(63)으로 지지된 복수의 스테이터 코일(64)을 갖는 것이다.
특허 문헌 1: 일본 특허공개 2000-130176호 공보, "발전·전동기를 구비한 터보차저"
특허 문헌 2: 미국 특허 제5,870,894호 명세서, "MOTOR-ASSISTED SUPERCHARGING DEVICES FOR INTERNALCOMBUSTIONENGINES"
전동 과급기에서는, 내장된 전동기에 의해 샤프트로 연결된 컴프레서 임펠러와 터빈 임펠러를 회전 구동하기 때문에, 전동기의 회전자(모터 로터)를 이들에 대해서 불균형이 작아지도록 편심을 작게 고정할 필요가 있다.
그러나, 특허 문헌 1과 같이 샤프트(53)에 회전자(54)(모터 로터)를 직접 고정하는 경우, 다음과 같은 문제점이 있다.
(1) 모터 로터와 샤프트의 틈새를 크게 하면 모터 로터가 치우친 상태로 조립되는 경우가 있기 때문에, 불균형이 커지는 경향이 있다.
그러나, 반대로 동심이 되도록 하여 억지로 끼우면, 조립시, 샤프트에 응력이 생겨 축휨에 의한 불균형이 생길 우려가 있다.
또한, 특허 문헌 2와 같이 컴프레서 휠(61)의 연장부 주위에 자석(62)(모터 로터)을 고정하는 경우에는, 다음과 같은 문제점이 있다.
(2) 모터 로터의 내주측에 위치하는 재료가 일반적으로 비자성체 부재(컴프레서 임펠러의 부재; 알루미늄 합금 등)로서 모터의 자기 회로 형성에 기여하지 않기 때문에, 충분한 체적의 자기 회로를 확보하는 것이 어려워 모터 성능이 저하한다.
(3) 모터 로터 외주의 고정 위치의 직경이 커지기 때문에, 모터 로터에 가해지는 원심 응력이 커져 고속 회전이 곤란하다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것이다. 즉, 본 발명의 목적은, 샤프트로 연결된 컴프레서 임펠러와 터빈 임펠러에 대해 불균형의 증가가 없어 샤프트의 축휨이 생길 우려가 없으며 모터 성능의 저하가 없어 용이하게 고속 회전할 수 있는 전동 과급기를 제공하는 것에 있다.
〈과제를 해결하기 위한 수단〉
본 발명에 의하면, 터빈 임펠러를 일단에 갖는 터빈축과, 터빈축으로 회전 구동되는 컴프레서 임펠러와, 터빈 임펠러, 터빈축 및 컴프레서 임펠러를 둘러싸는 하우징과, 그 하우징 내에 고정된 모터 스테이터와, 그 모터 스테이터로 회전 구동되는 모터 로터를 구비한 전동 과급기로서, 상기 모터 로터는 컴프레서 임펠러의 내경측에 끼워맞춤에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 전동 과급기가 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 의하면, 상기 모터 로터는 터빈축을 둘러싸는 관통공이 있는 중공 원통형의 슬리브를 갖고, 상기 컴프레서 임펠러는 상기 슬리브의 축 방향 단부를 끼워맞춤에 의해 고정하는 중공 원통공을 갖는다.
본 발명의 구성에 따르면, 모터 로터가 컴프레서 임펠러의 내경측에 끼워맞춤에 의해 고정되므로, 모터 로터는 컴프레서 임펠러에 대해 축이 벗어나는 것을 최소로 할 수 있다.
또한, 모터 로터와 컴프레서 임펠러를 끼워맞춤에 의해 일체화함으로써, 조립시의 1개의 부품을 줄일 수 있어 조립이 용이해진다.
또한, 세게 끼워맞추더라도 샤프트는 컴프레서 임펠러를 통해 회전 구동되므로, 샤프트의 휨에 의한 불균형이 생길 우려는 없다.
또한, 본 발명의 구성에 따르면, 모터 로터가 컴프레서 임펠러의 내경측에 끼워맞춤에 의해 고정되므로, 내부 슬리브에 충분한 체적을 갖게 할 수 있어 충분한 자기 회로를 확보할 수 있다. 또한, 모터 로터를 터빈축의 주위 또는 근접해 배치할 수 있기 때문에, 일반적으로 자성체인 터빈축을 자기 회로의 일부로서 이용할 수 있게 되므로 높은 모터 성능을 유지할 수 있다.
또한, 모터 로터를 터빈축의 주위 또는 근접해 배치할 수 있으므로, 모터 로터의 외주의 직경을 작게 할 수 있어 용이하게 고속 회전이 가능하다.
따라서, 본 발명에 따르면, 샤프트(터빈축)로 연결된 컴프레서 임펠러와 터빈 임펠러를 공전(空轉)하지 않고 확실히 회전 구동할 수 있어, 샤프트의 축휨이 생길 우려가 없으며 모터 성능의 저하가 없어 용이하게 고속 회전할 수 있다.
도 1은 특허 문헌 1의 터보차저의 구성도이다.
도 2는 특허 문헌 2의 모터 어시스트 수퍼차저의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 전동 과급기의 전체 구성도이다.
도 4는 도 3의 부분 확대도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 형태도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조해 설명한다. 한편, 각 도면에서 공통되는 부분에는 동일한 부호를 부여하고 중복되는 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 전동 과급기의 전체 구성도이다. 이 도면에서 본 발명의 전동 과급기(10)는, 터빈축(12), 컴프레서 임펠러(14), 및 하우징을 구비한다. 하우징은, 이 예에서는 베어링 하우징(16), 터빈 하우징(18), 및 컴프레서 하우징(20)으로 이루어진다.
터빈축(12)은 터빈 임펠러(11)를 일단(도면에서 왼쪽단)에 갖는다. 이 예에서 터빈 임펠러(11)는 터빈축(12)에 일체적으로 형성되지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고 터빈 임펠러(11)를 별도로 장착하는 구성이라도 무방하다.
컴프레서 임펠러(14)는 터빈축(12)의 타단(도면에서 오른쪽단)에 축단 너트(15)에 의해 일체적으로 회전하도록 연결된다.
베어링 하우징(16)은 터빈축(12)을 래디얼 베어링(17a)으로 회전 가능하게 지지한다. 또한, 터빈축(12)은 트러스트 칼라(17b) 및 트러스트 베어링(17c, 17d)에 의해 축 방향으로 이동하지 않도록 지지된다. 또한, 베어링 하우징(16)은 래디 얼 베어링(17a), 트러스트 칼라(17b), 및 트러스트 베어링(17c, 17d)을 윤활하기 위한 도시하지 않은 윤활유 유로를 갖는다.
터빈 하우징(18)은 터빈 임펠러(11)를 회전 가능하게 둘러싸면서 베어링 하우징(16)에 연결된다. 이 터빈 하우징(18)은, 내부에 외부로부터 배기 가스가 도입되는 스크롤실(18a)과, 스크롤실(18a)로부터 터빈 임펠러(11)까지 배기 가스를 안내하는 환상으로 형성된 유로(18b)를 갖는다.
또한 유로(18b)에는, 복수의 노즐 날개(19)가 둘레 방향에 일정한 간격으로 배치된다. 이 노즐 날개(19)는 가변 노즐 날개로서, 그 사이에 형성되는 유로 면적을 변화시킬 수 있는 것이 바람직하지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고 고정 노즐 날개나 노즐이 없는 형식이라도 무방하다.
컴프레서 하우징(20)은 컴프레서 임펠러(14)를 회전 가능하게 둘러싸고, 또한 베어링 하우징(16)에 연결된다. 이 컴프레서 하우징(20)은, 내부에 압축 공기가 도입되는 스크롤실(20a)과, 컴프레서 임펠러(14)로부터 스크롤실(20a)까지 압축 공기를 안내하는 환상으로 형성된 유로(20b)를 갖는다.
전술한 구성에 의해, 엔진의 배기 가스로 터빈 임펠러(11)를 회전 구동하고, 이 회전력을 터빈축(12)을 통해 컴프레서 임펠러(14)에 전달하여, 컴프레서 임펠러(14)에서 공기를 압축해 엔진에 과급할 수 있다.
도 3에서, 본 발명의 전동 과급기(10)는 모터 로터(22) 및 모터 스테이터(24)를 더 구비한다.
모터 로터(22)와 모터 스테이터(24)에 의해 브러시리스의 교류 전동기가 구 성된다.
이 교류 전동기는 터빈축(12)의 고속 회전(예를 들면 적어도 10만 내지 20만 rpm)에 대응할 수 있고, 또한 가속시의 회전 구동과 감속시의 회생 운전이 가능한 것이 바람직하다. 또한, 전동 과급기의 최고 회전수(예를 들어 20만 rpm 이상)까지의 기계적인 안정성이 확보된다.
도 4는 도 3의 부분 확대도이다. 이 도면에 도시하는 바와 같이, 본 발명에서 모터 로터(22)는 컴프레서 임펠러(14)의 회전축을 포함하는 측면에 끼워맞춤에 의해 고정된다.
즉, 이 예에서 모터 로터(22)는, 터빈축(12)을 둘러싸는 관통공이 있는 중공 원통형의 슬리브(22a)를 갖는다.
또한, 컴프레서 임펠러(14)는 슬리브(22a)의 축 방향 단부(도면에서 오른쪽단)를 끼워맞춤에 의해 고정하는 중공 원통공(14a)을 갖는다.
모터 로터(22)의 슬리브(22a)와 컴프레서 임펠러(14)의 중공 원통공(14a)의 끼워맞춤은, 운전시에도 틈새가 발생하지 않도록 억지끼움(shrink fit)(예를 들면 직경 틈새 0.01㎜ 이상)으로 하는 것이 좋다.
또한, 슬리브(22a)의 내면과 터빈축(12)의 외면의 사이에는 약간의 틈새를 갖는 것이 좋다.
도 5는 도 4와 마찬가지의 본 발명의 다른 실시 형태도이다.
이 도면에서, 모터 로터(22)는 터빈축(12)과 컴프레서 임펠러(14)의 사이에 위치하고, 이들을 동심으로 연결하는 원통형의 슬리브(22b)를 갖는다.
터빈축(12)과 슬리브(22b)의 연결은, 이 예에서는 축단부의 끼워맞춤과 나사의 결합이다. 그러나 본 발명은 이것으로 한정되지 않고, 동심이면서 강고하게 연결 가능한 한 다른 수단이라도 무방하다.
모터 로터(22)의 슬리브(22b)와 컴프레서 임펠러(14)의 중공 원통공(14b)의 끼워맞춤은, 도 4와 마찬가지로 운전시에도 틈새가 발생하지 않도록 충분히 세게 억지끼움(예를 들면 직경 틈새 0.01㎜ 이상)으로 하는 것이 좋다.
그 외의 구성은 도 4와 마찬가지이다.
전술한 본 발명의 구성에 의하면, 모터 로터(22)의 슬리브(22a, 22b)가 컴프레서 임펠러(14)의 내경측에 끼워맞춤에 의해 고정되므로, 이 끼워맞춤에 의해 컴프레서 임펠러와 모터 로터의 무게 중심의 차이를 최소로 할 수 있다. 컴프레서 임펠러는 일반적으로 터빈축과 약간의 틈새를 갖고 체결되어 있기 때문에, 터빈축과의 무게 중심의 차이도 최소가 된다.
또한, 모터 로터(22)의 슬리브(22a, 22b)와 컴프레서 임펠러(14)를 끼워맞춤에 의해 일체화함으로써, 조립시의 부품을 1개 줄일 수 있어 조립이 용이해진다.
즉, 모터 로터(22)와 컴프레서 임펠러(14)를 끼워맞춤에 의해 조립해 미리 2개의 부품을 일체화한 다음, 터빈축과 결합할 수 있다. 종래와 같이 터빈축에 모터 로터(22)를 조립한 다음 터빈축에 컴프레서 임펠러(14)를 조립하는 것보다, 모터 로터(22)와 컴프레서 임펠러(14)의 일체화 조립 작업과 미리 일체화한 모터 로터(22)와 컴프레서 임펠러(14)와 터빈축의 결합 작업을 별개의 공정으로 함으로써, 다른 작업으로서 병행해 실시할 수 있으므로 전체의 조립 시간을 단축할 수 있다.
또한, 본 발명의 구성에 의하면, 모터 로터(22)가 컴프레서 임펠러(14)의 내경측에 끼워맞춤에 의해 고정되므로, 내부 슬리브에 충분한 체적을 갖게 하는 것이 가능해져 충분한 자기 회로를 확보할 수 있다. 또한, 모터 로터(22)를 터빈축(12)의 주위 또는 근접해 배치할 수 있기 때문에, 일반적으로 자성체인 터빈축을 자기 회로의 일부로서 이용하는 것이 가능해지므로 높은 모터 성능을 유지할 수 있다.
또한, 모터 로터(22)를 터빈축(12)의 주위 또는 근접해 배치할 수 있으므로, 모터 로터의 고정 위치의 직경을 작게 할 수 있어 용이하게 고속 회전이 가능하다.
따라서, 본 발명에 따르면, 샤프트(터빈축(12))로 연결된 컴프레서 임펠러(14)와 터빈 임펠러(11)를 공전하지 않고 확실히 회전 구동할 수 있어, 샤프트의 축휨이 생길 우려가 없으며 모터 성능의 저하가 없어 용이하게 고속 회전할 수 있다.
한편, 본 발명은 전술한 실시 형태로 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변경할 수 있는 것은 물론이다.
Claims (3)
- 터빈 임펠러를 일단에 갖는 터빈축과, 터빈축으로 회전 구동되는 컴프레서 임펠러와, 터빈 임펠러, 터빈축 및 컴프레서 임펠러를 둘러싸는 하우징과, 상기 하우징 내에 고정된 모터 스테이터와, 상기 모터 스테이터로 회전 구동되는 모터 로터를 구비한 전동 과급기로서,상기 모터 로터는, 컴프레서 임펠러의 내경측에 끼워맞춤에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 전동 과급기.
- 제1항에 있어서,상기 모터 로터는, 터빈축을 둘러싸는 관통공이 있는 중공 원통형의 슬리브를 갖고,상기 컴프레서 임펠러는, 상기 슬리브의 축 방향 단부를 끼워맞춤에 의해 고정하는 중공 원통공을 갖는 것을 특징으로 하는 전동 과급기.
- 제1항에 있어서,상기 모터 로터는, 터빈축과 컴프레서 임펠러의 사이에 위치하며, 이들을 동심으로 연결하는 원통형의 슬리브를 갖는 것을 특징으로 하는 전동 과급기.
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