KR20090009256A - 전동 과급기 - Google Patents

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KR20090009256A
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Abstract

터빈축(12)에 작용하는 축방향 힘(thrust force)을 회전 가능하게 지지하는 트러스트 베어링(30)을 구비한다. 트러스트 베어링(30)은, 터빈축과 함께 회전하는 작은 직경 원판상의 트러스트 칼라(32)와, 트러스트 칼라의 축 방향 이동을 저지하는 터빈측 트러스트 베어링(34) 및 컴프레서측 트러스트 베어링(36)으로 이루어진다. 컴프레서측 트러스트 베어링(36)은, 트러스트 칼라와 접하는 거의 같은 직경의 트러스트면을 갖는 작은 직경 링부(37)와, 터빈측에서 하우징(16)에 고정되는 플랜지부(38a)를 갖고, 이들을 축 방향에서 상이한 위치에 배치한다.

Description

전동 과급기{ELECTRIC SUPERCHARGER}
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.
도 1은 종래의 배기 터빈 과급기의 일례를 도시하는 도면이다. 이 도면에 도시하는 바와 같이, 배기 터빈 과급기는, 일반적으로, 베어링 유니트(40)를 사이에 두고 배치된 컴프레서(41)와 터빈(42)으로 이루어지고, 컴프레서(41)는 컴프레서 임펠러(41a)를, 터빈(42)은 터빈 임펠러(42a)를 각각 내장한다. 컴프레서 임펠러(41a)와 터빈 임펠러(42a)는 베어링 유니트(40)로 지지된 연결축(샤프트(43))으로 서로 연결되며, 엔진의 배기 가스로 터빈 임펠러(42a)를 회전 구동하고, 이 회전력을 샤프트(43)를 통해 컴프레서 임펠러(41a)에 전달해 컴프레서 임펠러(41a)에서 공기를 압축하여 엔진에 과급하게 된다.
또한, 이 도면에서 베어링 유니트(40)는 샤프트(43)의 반지름방향 힘(radial force)을 지지하는 래디얼 베어링(44)과 축방향 힘(thrust force)을 지지하는 트러스트 베어링(45)을 갖는다. 래디얼 베어링(44)은 이 예에서는 풀 플로팅 베어링이 지만, 세미 플로팅 베어링인 경우도 있다.
트러스트 베어링(45)은 이 예에서는, 샤프트(43)와 함께 회전하는 원판상의 트러스트 칼라(46)와, 트러스트 칼라(46)의 축 방향 이동을 저지하는 터빈측 트러스트 베어링(47) 및 컴프레서측 트러스트 베어링(48)으로 이루어진다.
한편, 전술한 배기 터빈 과급기에 있어서, 저속 회전시의 가속을 보조하기 위해 전동기를 내장한 것이 이미 제안되어 있다(예를 들면 특허 문헌 1). 이하, 이와 같은 전동기를 내장한 배기 터빈 과급기를 단순히 "전동 과급기"라고 부른다.
특허 문헌 1의 터보차저는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 로터를 회전 구동하는 전동기(고정자(51)와 회전자(52))를 구비한다. 로터는 터빈 임펠러(53), 컴프레서 임펠러(54), 및 이들을 연결하는 샤프트(55), 및 전동기의 회전자(52)가 장착된 스페이서 칼라(56)로 이루어진다. 샤프트(55)는 단일한 세미 플로팅 베어링(57)으로 지지된다. 이 세미 플로팅 베어링(57)은 터빈(53)의 허브(53a)와 스페이서 칼라(56)에 걸어맞춰지는 트러스트면(57a, 57b)을 갖는다.
이 구성에 의해, 로터에 작용하는 축방향 힘을 세미 플로팅 베어링(57)의 터빈의 허브(53a)와 스페이서 칼라(56)에 걸어맞춰지는 트러스트면(57a, 57b)으로 지지하게 된다.
특허 문헌 1: 미국 특허 제6,449,950호 명세서, "ROTOR AND BEARING SYSTEM FOR ELECTRICALLY ASSISTED TURBOCHARGER"
배기 터빈 과급기에서는, 일반적으로 터빈 임펠러에 작용하는 압력이 컴프레서 임펠러에 작용하는 압력보다 높기 때문에, 컴프레서 임펠러로 향하는 방향에 큰 축방향 힘이 발생한다.
그 때문에, 배기 터빈 과급기의 회전축을 지지하는 트러스트 베어링에는 충분한 양의 윤활유를 공급할 필요가 있다.
그러나, 래디얼 베어링의 외측에 트러스트 베어링을 구비하고 트러스트 베어링과 컴프레서 임펠러의 사이에 전동기를 내장하는 경우, 트러스트 베어링 및 전동기의 길이만큼 샤프트의 오버행량이 커지는 문제가 있다.
예를 들면, 도 1의 종래예에서는, 컴프레서 임펠러(41a)와 씰링 플레이트(49)의 사이에 전동기의 고정자 및 회전자를 내장하면, 적어도 전동기의 고정자에 상당하는 만큼 샤프트의 오버행량을 길게 할 필요가 있어, 고속 회전시의 회전 안정성이 저하될 우려가 있다.
또한, 전동기의 고정자 및 회전자를 내장한 도 2의 종래예에서는, 세미 플로팅 베어링(57)의 양단의 트러스트면(57a, 57b)의 간격이 길기 때문에 열팽창 등에 의해 트러스트 방향으로 틈새(백래시)가 생기기 쉽다는 문제점이 있다. 또한 이 예에서는, 컴프레서 임펠러를 향하는 방향의 큰 축방향 힘을 받는 트러스트면(57a)에 충분한 양의 윤활유를 공급하고 배출하는 것이 곤란하다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것이다. 즉, 본 발명의 목적은, 래디얼 베어링의 외측에 트러스트 베어링을 구비하고, 트러스트 베어링과 컴프레서 임펠러의 사이에 전동기를 내장하는 경우에도, 샤프트의 오버행량을 단축하고, 컴프레서 방향의 큰 축방향 힘을 받는 트러스트면에 충분한 양의 윤활유를 공급하고 또한 윤활유를 트러스트면으로부터 원활히 배출할 수 있는 전동 과급기를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의하면, 컴프레서 임펠러와, 하우징 내에 고정된 모터 스테이터와, 그 모터 스테이터로 회전 구동되는 모터 로터를 구비한 전동 과급기로서, 터빈축에 작용하는 축방향 힘을 회전 가능하게 지지하는 트러스트 베어링을 구비하고, 그 트러스트 베어링은 터빈축과 함께 회전하는 작은 직경 원판상의 트러스트 칼라와, 그 트러스트 칼라의 축 방향 이동을 저지하는 터빈측 트러스트 베어링, 및 컴프레서측 트러스트 베어링으로 이루어지며, 컴프레서측 트러스트 베어링은 트러스트 칼라와 접하는 거의 같은 직경의 트러스트면을 갖는 작은 직경 링부와, 트러스트 칼라보다 터빈측에서 하우징에 고정되는 플랜지부를 갖고, 이들 작은 직경 링부와 플랜지부가 축 방향으로 상이한 위치에서 배치되는 것을 특징으로 하는 전동 과급기가 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 의하면, 모터 스테이터의 터빈측 코일 엔드는 내면이 터빈측으로 넓어지는 테이퍼면으로 형성되고, 또한 컴프레서측 트러스트 베어링과 모터 스테이터의 사이를 나누는 실링 플레이트가 상기 테이퍼면의 내측에 위치하는 절두 원추형으로 형성된다.
또한, 작은 직경 링부와 절두 원추부는 일체 구조 또는 별체 구조이다.
또한, 상기 컴프레서측 트러스트 베어링의 절두 원추부 내면과 이와 대향하는 하우징 외면에는, 서로 대향하면서 배유구를 향해 연장되는 오목홈이 마련되어, 이 조합에 의해 배유구로 향하는 배유로를 형성한다.
상기 본 발명의 구성에 따르면, 터빈축과 함께 회전하는 작은 직경 원판상의 트러스트 칼라와, 그 트러스트 칼라의 축 방향 이동을 저지하는 터빈측 트러스트 베어링 및 컴프레서측 트러스트 베어링으로 이루어지므로, 터빈측 트러스트 베어링 및 컴프레서측 트러스트 베어링으로 트러스트 칼라를 파지하여 터빈축에 작용하는 양 방향의 축방향 힘을 회전 가능하게 지지할 수 있다.
또한, 컴프레서측 트러스트 베어링이 작은 직경 링부와 절두 원추부로 이루어지고, 그 절두 원추부의 터빈측 단부가 트러스트 칼라보다 터빈측에서 하우징에 고정되므로, 컴프레서측 트러스트 베어링의 고정 위치보다 컴프레서측까지 래디얼 베어링을 신장시킬 수 있어, 그만큼 샤프트의 오버행량을 단축시킬 수 있다.
또한, 모터 스테이터의 터빈측 코일 엔드는 내면이 터빈측으로 넓어지는 테이퍼면으로 형성되고, 컴프레서측 트러스트 베어링과 모터 스테이터의 사이를 나누는 씰링 플레이트가 상기 테이퍼면의 내측에 위치하는 절두 원추형으로 형성됨으로써, 각각 절두 원추형의 컴프레서측 트러스트 베어링, 씰링 플레이트 및 모터 스테이터의 터빈측 내면을 동일한 축 방향 위치에서 반경 방향으로 중첩시킬 수 있다.
따라서, 이 구성에 의해, 트러스트 베어링과 컴프레서 임펠러의 사이에 전동기를 내장하는 경우에도, 샤프트의 오버행량을 단축할 수 있다.
또한, 작은 직경 링부와 절두 원추부를 일체 구조로 함으로써, 부품수를 줄일 수 있다. 또한, 반대로 별체 구조로 하여 끼워맞춤 등으로 일체화함으로써 제조 코스트를 낮출 수 있다.
또한, 상기 컴프레서측 트러스트 베어링의 절두 원추부 내면과 이와 대향하는 하우징 외면에 서로 대향하면서 배유구를 향해 연장되는 오목홈을 마련하여, 이 조합에 의해 배유구로 향하는 배유로를 형성함으로써, 배유의 방향을 제어하여 배유성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 배기 터빈 과급기의 일례를 도시하는 도면이다.
도 2는 특허 문헌 1의 터보차저의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 전동 과급기의 전체 구성도이다.
도 4는 도 3의 부분 확대도이다.
도 5는 컴프레서측 트러스트 베어링의 다른 구성도이다.
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 마련되지만, 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 너 트(15)에 의해 일체적으로 회전하도록 연결된다.
베어링 하우징(16)은 터빈축(12)을 래디얼 베어링(17)으로 회전 가능하게 지지한다. 또한, 터빈축(12)은 트러스트 베어링(30)에 의해 축 방향으로 이동하지 않도록 지지된다.
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 날개라도 무방하다.
컴프레서 하우징(20)은 컴프레서 임펠러(14)를 회전 가능하게 둘러싸면서 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.
또한 도 3에서, 본 발명의 전동 과급기(10)는 모터 로터(22) 및 모터 스테이 터(24)를 더 구비한다.
모터 로터(22)는 전동기의 회전자이고, 모터 스테이터(24)는 전동기의 고정자이다. 모터 로터(22)와 모터 스테이터(24)에 의해 브러시리스의 교류 전동기가 구성된다.
본 발명에서, 모터 스테이터(24)의 터빈측 코일 엔드(24a)는 내면이 터빈측으로 넓어지는 테이퍼면으로 형성된다. 이 테이퍼면의 형성은 코일 엔드(24a), 즉 코일을 기능을 손상하지 않는 범위에서 프레스 등으로 변형시키는 것이 좋다.
또한, 모터 로터(22)는 모터 스테이터(24)보다 축 길이가 짧고, 바람직하게는 터빈축(12)의 컴프레서 임펠러(14)에 근접해 고정된다.
이 교류 전동기는, 터빈축(12)의 고속 회전(예를 들면, 적어도 10만 내지 20만 rpm)에 대응할 수 있을 뿐만 아니라 가속시의 회전 구동과 감속시의 회생 운전이 가능한 것이 바람직하다. 또한 이 교류 전동기의 구동 전압은, 차량에 탑재된 배터리의 직류 전압(예를 들면 12V)과 동일하거나 혹은 그것보다 높은(예를 들면 24V 내지 36V) 것이 바람직하다. 구동 전압을 높임으로써 교류 전동기를 소형화할 수 있다.
도 4는 도 3의 부분 확대도이다.
이 도면에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 트러스트 베어링(30)은, 터빈축(12)과 함께 회전하는 작은 직경 원판상의 트러스트 칼라(32)와, 트러스트 칼라(32)의 축 방향 이동을 저지하는 터빈측 트러스트 베어링(34) 및 컴프레서측 트러스트 베어링(36)으로 이루어진다.
컴프레서측 트러스트 베어링(36)은 작은 직경 링부(37)와 절두 원추부(38)로 이루어지는 중앙이 컴프레서측으로 팽창된 절두 원추 형상이다. 이 예에서, 작은 직경 링부(37)와 절두 원추부(38)는 부품수를 줄이기 위해 일체 구조이다.
작은 직경 링부(37)는 트러스트 칼라(32)와 접하는 거의 같은 직경의 트러스트면(37a)을 갖는다. 절두 원추부(38)는 작은 직경 링부(37)의 외주면에서 터빈측으로 점증하는 원추형의 외면을 갖고, 그 터빈측 단부(38a)(즉 플랜지부)가 트러스트 칼라(32)보다 터빈측에서 하우징에 고정된다.
바꾸어 말하면, 컴프레서측 트러스트 베어링(36)은 트러스트 칼라(32)와 접하는 거의 같은 직경의 트러스트면을 갖는 작은 직경 링부(37)와, 트러스트 칼라(32)보다 터빈측에서 하우징에 고정되는 플랜지부(38a)를 갖고, 이들의 작은 직경 링부(37)와 플랜지부(38a)가 축 방향으로 다른 위치에서 배치된다.
따라서, 플랜지부는 작은 직경 링부(37)보다 터빈측에 위치한다.
컴프레서측 트러스트 베어링(36)은 기름 공급 유로(36a)를 갖는다.
기름 공급 유로(36a)는 트러스트 칼라(32)와 접하는 표면(도면에서 왼쪽면)에 베어링 하우징(16) 내로부터 윤활유를 공급하는 기능을 갖는다.
또한, 컴프레서측 트러스트 베어링(36)의 절두 원추부(38)의 내면과 이에 대향하는 베어링 하우징(16)의 외면에는, 터빈축(12)보다 하방에 서로 대향하면서 배유구를 향해 연장되는 오목홈(38b, 16b)이 마련되어, 이 조합에 의해 배유구로 향하는 배유로를 형성한다.
도 5는 컴프레서측 트러스트 베어링의 다른 구성도이다.
이 도면에서, 컴프레서측 트러스트 베어링(36)은 작은 직경 링부(37)와 절두 원추부(38)로 이루어지는 중앙이 컴프레서측으로 팽창된 절두 원추 형상이다. 또한 이 예에서, 작은 직경 링부(37)와 절두 원추부(38)는 제조 코스트를 낮추기 위해, 끼워맞춤 등으로 일체화하는 별체 구조이다. 이 예에서도 터빈측 단부(38a)(즉 플랜지부)가 트러스트 칼라(32)보다 터빈측에서 하우징에 고정되어, 플랜지부(38a)는 작은 직경 링부(37)보다 터빈측에 위치한다.
그 외의 구성은 도 4와 마찬가지이다.
전술한 본 발명의 구성에 따르면, 터빈축(12)과 함께 회전하는 작은 직경 원판상의 트러스트 칼라(32)와, 그 트러스트 칼라의 축 방향 이동을 저지하는 터빈측 트러스트 베어링(34) 및 컴프레서측 트러스트 베어링(36)으로 이루어지므로, 터빈측 트러스트 베어링(34) 및 컴프레서측 트러스트 베어링(36)으로 트러스트 칼라(32)를 파지하여 터빈축(12)에 작용하는 양 방향의 축방향 힘을 회전 가능하게 지지할 수 있다.
또한, 컴프레서측 트러스트 베어링(36)이 작은 직경 링부(37)와 절두 원추부(38)로 이루어지고, 그 절두 원추부(38)의 터빈측 단부(38a)가 트러스트 칼라(32)보다 터빈측에서 베어링 하우징(16)에 고정되므로, 컴프레서측 트러스트 베어링(36)의 고정 위치보다 컴프레서측까지 래디얼 베어링을 신장시킬 수 있어, 그만큼 샤프트의 오버행량을 단축할 수 있다.
또한, 컴프레서측 트러스트 베어링(36)의 절두 원추부(38)의 내면과 이에 대향하는 베어링 하우징(16)의 외면에, 서로 대향하면서 배유구를 향해 연장되는 오 목홈(38b, 16b)을 마련하고, 이 조합에 의해 배유구로 향하는 배유로를 형성함으로써, 배유의 방향을 제어하여 배유성을 향상시킬 수 있다.
도 3 내지 도 4에서, 모터 로터(22)는 컴프레서측 트러스트 베어링(36)과 컴프레서 임펠러(14)의 사이에 설치된다.
또한, 본 발명의 전동 과급기는 씰링 플레이트(26), 기름 멈춤 부재(28), 및 씰링 부재(29)를 더 갖는다.
씰링 플레이트(26)는, 이 예에서는 베어링 하우징(16)에 고정되어, 컴프레서측 트러스트 베어링(36)과 모터 로터(22)의 사이을 나누는 격벽이다. 본 발명에서는, 씰링 플레이트(26)는 전술한 모터 스테이터(24)의 터빈측 테이퍼면의 내측에 위치하며, 절두 원추형으로 형성된다.
이 구성에 의해, 각각 절두 원추형의 컴프레서측 트러스트 베어링(36), 씰링 플레이트(26) 및 모터 스테이터(24)의 터빈측 내면을 동일한 축 방향 위치에서 반경 방향으로 중첩시킬 수 있다.
따라서 이 구성에 의해, 트러스트 베어링과 컴프레서 임펠러의 사이에 전동기를 내장하는 경우에도 샤프트의 오버행량을 단축할 수 있다.
또한 기름 멈춤 부재(28)는 씰링 플레이트(26)와 컴프레서측 트러스트 베어링(36)의 사이에 위치하고, 터빈축(12)에 고정되어 터빈축(12)과 함께 회전한다. 이 기름 멈춤 부재(28)는 컴프레서측 트러스트 베어링(36)의 중공 관통공보다 크고, 또한 터빈축(12)에 거의 직교하는 수직면(28a)을 갖는다.
씰링 부재(29)는 기름 멈춤 부재(28)와 씰링 플레이트(26)의 사이를 액체가 밀봉되게 씰링한다.
한편, 본 발명은 전술한 실시 형태로 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경할 수 있는 것은 물론이다.

Claims (3)

  1. 터빈 임펠러를 일단에 갖는 터빈축과, 터빈축에서 회전 구동되는 컴프레서 임펠러와, 하우징 내에 고정된 모터 스테이터와, 상기 모터 스테이터로 회전 구동되는 모터 로터를 구비한 전동 과급기로서,
    터빈축에 작용하는 축방향 힘을 회전 가능하게 지지하는 트러스트 베어링을 구비하고,
    상기 트러스트 베어링은, 터빈축과 함께 회전하는 작은 직경 원판상의 트러스트 칼라와, 상기 트러스트 칼라의 축 방향 이동을 저지하는 터빈측 트러스트 베어링 및 컴프레서측 트러스트 베어링으로 이루어지고,
    상기 컴프레서측 트러스트 베어링은, 트러스트 칼라와 접하는 거의 같은 직경의 트러스트면을 갖는 작은 직경 링부와, 터빈측에서 하우징에 고정되는 플랜지부를 갖고, 이들 작은 직경 링부와 플랜지부의 축 방향 위치가 상이한 것을 특징으로 하는 전동 과급기.
  2. 제1항에 있어서,
    모터 스테이터의 터빈측 코일 엔드는, 내면이 터빈측으로 넓어지는 테이퍼면으로 형성되고,
    컴프레서측 트러스트 베어링과 모터 스테이터의 사이를 나누는 씰링 플레이트가, 상기 테이퍼면의 내측에 위치하는 절두 원추형으로 더 형성되는 것을 특징으 로 하는 전동 과급기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 컴프레서측 트러스트 베어링의 절두 원추부 내면과 이에 대향하는 하우징 외면에는, 서로 대향하면서 배유구를 향해 연장되는 오목홈이 설치되어, 이 조합에 의해 배유구로 향하는 배유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 전동 과급기.
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