KR20150075197A - Electric turbo-charger - Google Patents
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Abstract
Description
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.The present invention relates to a turbocharger, and more particularly, to an electric turbocharger in which an electric motor is installed on a shaft of a turbocharger to drive a compressor by an electric motor at a low speed, will be.
일반적으로 터보 차저는 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 터빈을 돌린 후, 이 회전력을 이용하여 연소실로 고압의 공기를 공급하여 엔진의 출력을 높이는 장치이다.Generally, a turbocharger is a device for turning the turbine by using the pressure of the exhaust gas discharged from the engine, and then supplying high-pressure air to the combustion chamber using the torque to increase the output of the engine.
최근에는 터보 차저의 적용으로 엔진 다운사이징을 통하여 환경 규제나 배기가스 규제에 대응하고 있다.In recent years, the application of turbochargers has enabled the engine downsizing to cope with environmental regulations and exhaust gas regulations.
이러한 터보 차저는 저속 토크에서 터보 랙(turbo-lag) 현상이 발생되는 근본적인 문제점을 가지고 있다.Such a turbocharger has a fundamental problem in which a turbo-lag phenomenon occurs at a low-speed torque.
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.Accordingly, an electric turbocharger that drives a compressor of a turbocharger shaft by an electric motor to drive a compressor by a driving motor at a low speed torque and drives the compressor by using a rotating force of a turbine rotating by exhaust gas at a high speed .
이러한 전동식 터보 차저는 컴프레서와 터빈, 상기 컴프레서와 터빈 사이에 구성되는 센터 하우징, 상기 컴프레서와 센터 하우징 사이에 구성되는 모터 하우징으로 구성된다.Such an electric turbocharger comprises a compressor and a turbine, a center housing formed between the compressor and the turbine, and a motor housing formed between the compressor and the center housing.
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.At this time, the center housing is provided with a journal bearing for supporting the load of the shaft, and an oil line for lubricating and cooling. The motor housing is provided with a rotor on the shaft, (stator) is installed.
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.However, since the center housing of the electric turbocharger has a bearing and an oil line for lubrication and cooling, the structure of the center housing is complicated and therefore difficult to manufacture. As the shaft and the bearing are rotated at high speed, There is a disadvantage that durability is lowered.
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.Particularly, since the shaft rotates at a high speed and the motor housing is installed, the length of the shaft is longer than that of a general turbocharger. Therefore, the efficiency of the turbocharger is lowered compared to a general turbocharger, And high machining accuracy are required.
아울러, 터보 차저에 있어서, 핵심기술인 고속으로 회전하는 샤프트의 회전성, 내구성 및 가공성을 향상시키기 위해서 샤프트의 길이 축소에 대한 연구가 현재에도 활발하게 진행되고 있다.In order to improve the rotation, durability and processability of the shaft rotating at high speed, which is a core technology of the turbocharger, researches on reduction of the shaft length have been actively carried out.
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.An embodiment of the present invention is to provide an electric motor-driven turbocharger in which the load of a shaft is supported in a motor housing through an air bearing unit provided between the rotor and the stator so as to form an air film and lubricate the motor.
또한, 본 발명의 실시 예는 고속으로 회전하는 샤프트의 길이를 축소할 수 있도록 된 전동식 터보 차저를 제공하고자 한다.The embodiments of the present invention also provide an electric turbocharger capable of reducing the length of a shaft rotating at high speed.
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.The embodiments of the present invention are intended to provide an electric turbocharger capable of reducing the length of the shaft and facilitating high-speed rotation, thereby improving the overall efficiency and durability and workability as the length is reduced.
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.In one or more embodiments of the present invention there is provided an electric turbocharger comprising a motor housing and a center housing disposed between the turbine housing and the compressor housing and a rotor and stator mounted on a shaft connecting the turbine and compressor within the motor housing, And an air bearing unit mounted between the rotor and the stator for supporting a load acting perpendicular to the shaft and forming an air film between the rotor and the stator, A charger may be provided.
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.The air bearing unit may further include: a bump spring provided between the rotor and the stator; A top foil provided between the rotor and the bump spring; And a film layer formed between the rotor and the top foil upon rotation of the rotor.
또한, 상기 범프 스프링은 외주면이 물결모양의 주름부로 형성될 수 있다.Further, the bump spring may be formed as a corrugated portion having a wavy outer surface.
또한, 상기 범프 스프링은 상기 스테이터의 내주면과 접할 수 있다.Further, the bump spring can be in contact with the inner circumferential surface of the stator.
또한, 상기 탑 포일은 일측 단부가 상기 범퍼 스프링을 관통하고, 관통된 단부가 상기 스테이터에 형성되는 고정홈을 통하여 고정될 수 있다.Further, the top foil may be fixed at one end thereof through the bumper spring, and the through-end may be fixed through a fixing groove formed in the stator.
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.An embodiment of the present invention can eliminate the center housing in which the bearing supporting the load of the shaft is installed in the prior art by providing an air bearing unit that forms an air film between the rotor and the stator and supports the lubrication action and the load.
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.In addition, in the embodiment of the present invention, the length of the shaft can be reduced through elimination of the center housing, and high-speed rotation is facilitated through the reduced-length shaft, thereby increasing the overall efficiency of the turbocharger.
또한, 본 발명의 실시 예는 고속으로 회전하는 샤프트의 길이가 축소됨에 따라서, 샤프트의 가공성 및 내구성이 향상될 수 있다.Further, in the embodiment of the present invention, as the length of the shaft rotating at high speed is reduced, the workability and durability of the shaft can be improved.
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.In addition, the embodiment of the present invention is advantageous in that the shaft rotates while being in contact with air through the air bearing unit, so that it is more advantageous for high-speed rotation when rotating at a high speed, and the rotation of the shaft is made noncontact so that durability due to wear and quietness Can be improved.
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.Further, the embodiment of the present invention can be easily applied to a conventional motor housing without any additional processing work, by using an air cooling system of the motor housing, without installing an additional cooling flow path for cooling the air bearing unit.
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.Further, as the embodiment of the present invention lubricates through the air membrane, the cooling and lubricating oil used in the prior art can be eliminated, and the contamination of the apparatus by the oil can be prevented.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전동식 터보 차저의 단면도이다.
도 2는 도 1의 A-A선 부분확대 단면도이다.1 is a cross-sectional view of an electric turbocharger according to an embodiment of the present invention.
2 is an enlarged cross-sectional view of a portion AA of Fig.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
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.It should be understood, however, that the present invention is not limited to the illustrated embodiments, and that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. .
또한, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.In order to clearly illustrate the embodiments of the present invention, parts that are not related to the description are omitted.
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.In an embodiment of the present invention, an electric turbocharger according to an embodiment of the present invention includes an air bearing unit that is provided to lubricate an air film formed between a rotor and a stator, .
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전동식 터보 차저의 단면도이고, 도 1의 A-A선 부분확대 단면도이다.1 is a cross-sectional view of an electric turbocharger according to an embodiment of the present invention, and is an enlarged sectional view taken along line A-A of FIG.
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.Referring to FIGS. 1 and 2, an electric turbocharger 1 according to an embodiment of the present invention includes a
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.The configuration of the
상기 로터(15)와 상기 스테이터(17) 사이에는 에어 베어링 유닛(20)이 장착된다.An air bearing unit (20) is mounted between the rotor (15) and the stator (17).
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.The air bearing
이러한 에어 베어링 유닛(20)은 범프 스프링(21), 탑 포일(23) 및 필름층(25)을 포함한다.The air bearing
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.The
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.The
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.The top foil (23) is provided between the rotor (15) and the bump spring (21). At this time, the
상기 필름층(25)은 상기 로터(15)의 회전 시, 로터(15)와 상기 탑 포일(23) 사이에 형성되는 공간이다.The
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.This
이때, 상기 필름층(25)에 형성되는 에어막을 통해, 상기 로터(15)와 스테이터(17) 사이에서 베어링 역할을 수행한다.At this time, the air layer formed on the
한편, 이러한 구성을 갖는 에어 베어링 유닛(20)은 상기 모터 하우징(7)의 자체 공랭 시스템(40)을 이용하여 냉각될 수도 있다.On the other hand, the air bearing
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.That is, the cooling air (see arrow in FIG. 1) flowing into the
상기 공랭 시스템(40)은 전동식 터보 차저(1)에 적용되는 당업계에서 널리 알려진 공지기술의 구성이므로 이에 대한 도면 및 상세한 설명은 생략하기로 한다. The
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.According to the electric turbocharger 1 of the present invention having such a configuration, when the
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.At this time, the
그리고 상기 고압의 공기를 통해 형성되는 에어막은 저널 베어링의 역할을 수행하면서, 상기 샤프트(13)에 수직하게 작용하는 하중을 지지할 수 있다.The air membrane formed through the high-pressure air can support a load acting perpendicular to the
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. Accordingly, it is possible to eliminate the center housing, which is installed between the
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.Accordingly, the
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.Further, the
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.As the air bearing
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.The air bearing
또한, 공기를 통해 윤활 작용을 함에 따라서, 종래 기술에서 사용되던 냉각 및 윤활 오일을 삭제할 수 있고, 오일에 의한 기기의 오염이 방지될 수 있다.Further, as the lubrication action through the air, the cooling and lubricating oil used in the prior art can be eliminated, and the contamination of the device by the oil can be prevented.
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.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And all changes to the scope that are deemed to be valid.
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 시스템1: Electric turbocharger 3: Turbine housing
5: Compressor housing 7: Motor housing
9: Turbine wheel 11: Compressor wheel
13: shaft 15: rotor
17: stator 20: air bearing unit
21: bump spring 23: top foil
25: film layer 27:
29: inner peripheral surface 31: fixing groove
33: coupling end 40: air cooling system
Claims (5)
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 차저.A motor housing and a center housing provided between the turbine housing and the compressor housing and a rotor and a stator mounted on a shaft connecting the turbine and the compressor within the motor housing,
An air bearing unit mounted between the rotor and the stator for supporting a load acting perpendicular to the shaft and forming an air film between the rotor and the stator;
And an electric motor for driving the electric motor.
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 필름층;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 터보 차저.The method according to claim 1,
The air bearing unit includes:
A bump spring provided between the rotor and the stator;
A top foil provided between the rotor and the bump spring; And
A film layer formed between the rotor and the top foil when the rotor rotates;
And an electric motor for driving the electric motor.
상기 범프 스프링은 외주면이 물결모양의 주름부로 형성되는 것을 특징으로 하는 전동식 터보 차저.3. The method of claim 2,
Wherein the bump spring has an outer circumferential surface formed as a wavy corrugation.
상기 범프 스프링은 상기 스테이터의 내주면과 접하는 것을 특징으로 하는 전동식 터보 차저. The method of claim 3,
Wherein the bump spring is in contact with the inner circumferential surface of the stator.
상기 탑 포일은 일측 단부가 상기 범퍼 스프링을 관통하고, 관통된 단부가 상기 스테이터에 형성되는 고정홈을 통하여 고정되는 것을 특징으로 하는 전동식 터보 차저.
3. The method of claim 2,
Wherein one end of the top foil passes through the bumper spring and the end of the top foil passes through a fixing groove formed in the stator.
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