WO2007145023A1 - モータロータ - Google Patents

Abstract

　本発明のモータロータ２２は、モータ軸３０と、モータ軸３０を軸周りに囲む永久磁石３１と、モータ軸３０を軸周りに囲むとともに永久磁石３２を軸方向両側から挟む一対のエンドリング３２，３２と、永久磁石３１及び一対のエンドリング３２に締り嵌めによって嵌合する中空円筒形のアウタースリーブ３３とからなる。エンドリング３３の縦弾性係数は永久磁石３２の縦弾性係数よりも大きい。永久磁石３２及び一対のエンドリング３２に嵌合したアウタースリーブ３３に作用する周方向応力が軸方向に均一化するように、アウタースリーブ３３の厚さが軸方向の位置によって異なっている。

Description

明 細 書

モ _々口 々 発明の背景

[0001] 発明の技術分野

本発明は、電動機の高周速化に対応可能なモータロータに関し、特に電動過給機 に搭載される電動機に好適なモータロータに関するものである。

[0002] 関連技術の説明

内燃機関の向上のために、内燃機関の排気ガスで駆動し吸気を圧縮して過給する 過給機（「ターボチャージャ」とも称される。）が広く用いられている。また、過給機の回 転軸と同軸上に電動機を組み込み、コンプレッサの回転駆動を加速補助することに より、加速応答性等を改善した過給機も用レ、られている。このような電動機による電動 アシスト機能をもつ過給機を電動過給機という。

[0003] この種の電動過給機の構成について簡単に説明する。回転軸の両端にタービンィ ンペラとコンプレッサインペラが連結されてなる過給機ロータ力 s、ハウジング内に回転 自在に支持されている。ハウジングには電動機が内蔵されている。回転軸の同軸上 に電動機の回転子（モータロータ）が固定され、ハウジングの内部であって回転子の 周囲に電動機の固定子（モータステータ）が配置されている。内燃機関からの排気ガ スがタービンインペラに供給されると、タービンインペラが回転駆動され、タービンイン ペラに連結されたコンプレッサインペラが回転駆動されることにより、吸気を圧縮して 内燃機関に供給する。またこのとき、電動機によってコンプレッサインペラの回転駆動 が補助される。

[0004] このような電動過給機のモータロータ力 下記特許文献 1に開示されている。図 1は 、特許文献 1に開示された従来のモータロータを示す断面図である。このモータロー タは、過給機のタービン軸 50に揷着されたインナースリーブ 51と、インナースリーブ 5 1を軸周りに囲む永久磁石 52と、永久磁石 52を軸周りに囲む中空円筒形のアウター スリーブ 53と力、らなる。アウタースリーブ 53は、ロータの最高回転数において大きな 遠心力が作用する状況でも、永久磁石 52を十分に保持できるよう焼き嵌めによって 嵌合している。 [0005] 電動過給機の製造工程においては、モータロータの組み立て後、回転バランス試 験を実施して回転バランスを修正することが行なわれる。図 1に示した従来のモータ ロータの場合、永久磁石 52の端面の一部（図の符号 Aで示す部分）を削ってバラン ス修正を行なっていた。しかし、永久磁石 52を削ると、永久磁石の磁力が変化する。 回転バランス修正量には個体差があるため、肖 ljられる量によって、永久磁石の磁力 が製品ごとにまちまちになる。また、永久磁石 52を削ることによって、クラックが入った り、応力的に不均一になったりするために、強度が低下してしまう。

[0006] このような問題に対処するため、図 2に示すような従来の別のモータロータが提案さ れている。このモータロータは、タービン軸 50に揷着されたインナースリーブ 51と、ィ ンナースリーブ 51を軸周りに囲む永久磁石 52と、永久磁石 52を軸方向両側から挟 む 1対のエンドリング 54， 54と、永久磁石 52及び 1対のエンドリング 54， 54を軸周り に囲む中空円筒形のアウタースリーブ 53とからなる。アウタースリーブ 53は、永久磁 石 52とエンドリング 54, 54に焼き嵌めによって嵌合している。

このような構造のモータロータでは、エンドリング 54の一部（図の符号 Bで示す部分 )を削って回転バランス修正を行なう。この場合、永久磁石 52を削らなくて済むので、 磁力変化や強度低下が発生するという問題が生じない。

[0007] 特許文献 1 :米国特許第 6, 085， 527号明細書（図 5)

[0008] 図 2において、上側のグラフは、アウタースリーブ 53に作用する周方向応力の、軸 方向における分布を示している。このグラフにおいて、横軸は軸方向位置、縦軸は周 方向応力であり、アウタースリーブ 53に作用する周方向応力の分布は、符号 Lで示 すような曲線を描く。

図 2に示したモータロータにおいて、エンドリング 54は、回転バランス修正の際に削 られても十分な強度を維持できるような材料からなるため、エンドリング 54の縦弾性 係数は、永久磁石 52の縦弾性係数よりも大きい。すなわち、永久磁石 52は、エンドリ ング 54よりも比較的柔らかく弾性変形しやすい。

このため、図 2に示すように、アウタースリーブ 53が永久磁石 52及びエンドリング 54 に嵌合した状態では、アウタースリーブ 53におけるエンドリング 54に当たる部分の周 方向応力が、永久磁石 52に当たる部分のそれよりも大きくなる。したがって、アウター スリーブ 53において、永久磁石 52との嵌め合いが、エンドリング 54との嵌め合いより も相対的に弱くなる。近年の電動機は、さらなる高周速化が求められており、これに 対応すべくアウタースリーブ 53と永久磁石 52及びエンドリング 54との嵌め合いもより 強力に設定する必要がある。

永久磁石に対して所望の締め付け力が得られるように、アウタースリーブ 53の嵌め 合いの強さを設定することは可能であるが、高周速化に対応させるベく嵌め合いを強 くし過ぎると、アウタースリーブ 53の両端部が塑性変形する恐れがある。このため、従 来のモータロータでは、さらなる高周速化への対応が困難であるという問題があった

発明の要約

[0009] 本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、高周速化に対応可能なモ ータロータを提供することを目的とする。

[0010] 上述した目的を達成するため、本発明にかかるモータロータは、以下の手段を採用 する。

すなわち、本発明に力かるモータロータは、モータ軸と、該モータ軸を軸周りに囲む 永久磁石と、前記モータ軸を軸周りに囲むとともに前記永久磁石を軸方向両側から 挟む一対のエンドリングと、前記永久磁石及び前記一対のエンドリングに締り嵌めに よって嵌合する中空円筒形のアウタースリーブとからなり、前記エンドリングの縦弾性 係数が前記永久磁石の縦弾性係数よりも大きレ、モータロータにぉレ、て、前記永久磁 石及び前記一対のエンドリングに嵌合した前記アウタースリーブに作用する周方向 応力が軸方向に均一化するように、前記アウタースリーブの厚さが軸方向の位置によ つて異なる、ことを特徴とする。

[0011] このように、永久磁石及び一対のエンドリングに嵌合したアウタースリーブに作用す る周方向応力が軸方向に均一化するように、アウタースリーブの厚さが軸方向の位置 によって異なるので、アウタースリーブに作用する周方向応力が均一化する。すなわ ち、アウタースリーブにおいて、永久磁石に当たる部分とエンドリングに当たる部分と で、周方向応力差が緩和される。このため、永久磁石に対して所望の締め付け力が 得られるようにアウタースリーブの嵌め合いの強さを設定しても、エンドリングと接する アウタースリーブの両端部が塑性変形するという問題は生じない。したがって、本発 明によれば電動機の高周速化に対応できるという優れた効果が得られる。

[0012] また、前記アウタースリーブは、前記エンドリングに当たる部分の外径が前記永久磁 石に当たる軸方向中央部分の外径よりも小さい、ことを特徴とする。

また、前記アウタースリーブの外径は、前記永久磁石側から前記エンドリング側に 向って連続的または段階的に縮径する、ことを特徴とする。

[0013] このようにアウタースリーブの形状を設定することにより、アウタースリーブに作用す る周方向応力を軸方向に均一化することができる。

[0014] 以上より、本発明によれば、電動機の高周速化に対応できるという優れた効果が得 られる。

図面の簡単な説明

[0015] [図 1]従来のモータロータの構成を示す図である。

[図 2]従来の別のモータロータの構成を示す図である。

[図 3]本発明の実施形態に力かるモータロータを有する電動機を備えた電動過給機 の構成を示す図である。

[図 4]本発明の実施形態に力、かるモータロータの構成を示す図である。

[図 5]本発明の別の実施形態に力かるモータロータの構成を示す図である。

好ましい実施例の説明

[0016] 以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、 各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

[0017] 図 3は、本発明の実施形態に力かるモータロータを有する電動機を備えた電動過 給機の全体構成図である。この図において、電動過給機 10は、タービン軸 12、コン プレッサインペラ 14、電動機 21、およびハウジングを備える。ハウジングは、この例で は、ベアリングハウジング 16、タービンハウジング 18、及びコンプレッサハウジング 20 からなる。

[0018] タービン軸 12は、タービンインペラ 11を一端（図で左端）に有する。この例において 、タービンインペラ 11はタービン軸 12に一体的に形成されている力 本発明はこれ に限定されず、タービンインペラ 11を別に取り付ける構成であってもよい。 [0019] コンプレッサインペラ 14は、タービン軸 12の他端（図で右端）に軸端ナット 15により 一体で回転するように連結されてレ、る。

[0020] ベアリングハウジング 16は、タービン軸 12のラジアル荷重を受けるジャーナル軸受 17と、スラスト荷重を受けるスラスト軸受 29を内蔵し、ジャーナル軸受 17及びスラスト 軸受 29によりタービン軸 12が回転自在に支持されている。さらに、ベアリングハウジ ング 16は、ジャーナル軸受 17及びスラスト軸受 29を潤滑するための図示しない潤滑 油流路を有している。

[0021] タービンハウジング 18は、タービンインペラ 11を回転可能に囲み、かつベアリング ハウジング 16に連結されている。このタービンハウジング 18の内部には、外部から排 気ガスが導入されるスクロール室 18aと、スクロール室 18aからタービンインペラ 11ま で排気ガスを案内する環状に形成された流路 18bとが設けられている。

さらに、流路 18bには、複数のノズノレ翼 19が周方向に一定の間隔で配置されてい る。このノズノレ翼 19は、可変ノズル翼であり、その間に形成される流路面積を変化で きることが好ましいが、本発明はこれに限定されず固定ノズノレ翼であってもよい。また 、流路 18bにノズル翼 19の無い形態であってもよい。

[0022] コンプレッサハウジング 20は、コンプレッサインペラ 14を回転可能に囲み、かつべ アリングハウジング 16に連結されている。このコンプレッサハウジング 20の内部には、 圧縮空気が導入されるスクロール室 20aと、コンプレッサインペラ 14からスクロール室 20aまで圧縮空気を案内する環状に形成されたディフューザ 20bとが設けられている

[0023] 電動機 21は、モータロータ 22およびモータステータ 24を有する。モータロータ 22 は、電動機 21の回転子であり、モータステータ 24は、電動機 21の固定子である。モ ータロータ 22とモータステータ 24によりブラシレスの交流電動機が構成される。

この交流電動機は、タービン軸 12の高速回転 (例えば少なくとも 10〜20万 rpm)に 対応でき、かつ加速時の回転駆動と減速時の回生運転ができることが好ましい。また この交流電動機の駆動電圧は、車両に搭載されたバッテリの直流電圧と同一あるい はそれより高いことが好ましい。

[0024] 上述のように構成された電動過給機 10では、エンジンからスクロール室 18aにより 排気ガスが導入されると、排気ガスによりタービンインペラ 11が回転駆動される。する と、タービンインペラ 11にタービン軸 12を介して連結されたコンプレッサインペラ 14 が回転駆動され、コンプレッサインペラ 14により吸気が圧縮されてエンジンに供給さ れる。またこのとき、電動機 21によってコンプレッサインペラ 14の回転駆動が補助さ れる。

[0025] 電動過給機 10は、流路形成スリーブ 26とシールプレート 28を備える。流路形成ス リーブ 26は、モータステータ 24の外周面及びべアリングハウジング 16の内周面と密 着し、ベアリングハウジング 16との間に液密の水冷ジャケット 26bを構成する。この水 冷ジャケット 26bには、図示しない冷却水供給口から冷却水が供給され、図示しない 冷却水排出口から冷却水が排出される。ベアリングハウジング 16と流路形成スリーブ 26との間には、水冷ジャケット 26bの内外を液密にシールするシール部材 25a, 25b (例えば Oリング）が介装されている。

[0026] シールプレート 28は、ベアリングハウジング 16とコンプレッサハウジング 20の間に 流路形成スリーブ 26のフランジ部 26aと共に軸方向に共締めされる。このシールプレ ート 28は、コンプレッサハウジング 20とモータステータ 24との間を仕切り、かつ流路 形成スリーブ 26のコンプレッサ側に密着している。

[0027] 図 4は、図 3に示したモータロータ 22の拡大図である。図 4に示すように、本実施形 態に力かるモータロータ 22は、モータ軸 30と、モータ軸 30を軸周りに囲む永久磁石 31と、モータ軸 30を軸周りに囲むとともに永久磁石 31を軸方向両側から挟む一対の エンドリング 32, 32と、永久磁石 31及び一対のエンドリング 32, 32を軸周りに囲む 中空円筒形のアウタースリーブ 33と、力 なる。

本実施形態では、モータ軸 30は、タービン軸 12に揷着された中空円筒形のインナ 一スリーブであり、このモータ軸 30の外周に中空円筒形の永久磁石 31とエンドリング 32が弱い締り嵌めで嵌合している。モータ軸 30は、その軸方向両側から他の部材に 挟まれてタービン軸 12と一体になつて回転する。

なお、モータ軸 30は、タービン軸 12に同軸状に連結された別の回転軸であっても よぐこの場合、中空円筒形でなくてもよい。

[0028] アウタースリーブ 33及びエンドリング 32は、非磁性体材料からなる。アウタースリー ブ 33は、モータロータ 22の最高回転数において大きな遠心力が作用する状況でも、 永久磁石 31及びエンドリング 32が空転しないよう、永久磁石 31及びエンドリング 32 に対して十分な圧縮荷重を付与できる程度の強い締り嵌め（例えば焼き嵌め）により 永久磁石 31及びエンドリング 32に嵌合している。アウタースリーブ 33を焼き嵌めする 前においては、永久磁石 31の外径とエンドリング 32の外径は同一である。

[0029] 図 4において、エンドリング 32の縦弾性係数は、永久磁石 31の縦弾性係数よりも大 きい。したがって、永久磁石 31は、エンドリング 32よりも比較的柔ら力べ弾性変形しや すレ、。図 5に示した従来のモータロータでは、アウタースリーブ 53の厚さ及び外径が 軸方向の全長に渡って一定であったため、エンドリング 54に当たる部分の周方向応 力が、永久磁石 52に当たる部分のそれよりも大きくなつていた。

[0030] これに対し、本発明に力、かるモータロータ 22では、図 4に示すように、永久磁石 31 及び一対のエンドリング 32に嵌合したアウタースリーブ 33に作用する周方向応力が 軸方向に均一化するように、アウタースリーブ 33の厚さが軸方向の位置によって異な つている。具体的には、アウタースリーブ ₃₃は、エンドリング 32に当たる部分の外径 D1が永久磁石 31に当たる軸方向中央部分の外径 D2よりも小さい。すなわち、この アウタースリーブ 33は、大径部 33aとこの大径部 33aの両側に位置する小径部 33bと からなる。

[0031] 図 2に示した従来のモータロータにおけるアウタースリーブ 53において、エンドリン グ 54に当たる部分の周方向応力が永久磁石 52に当たる部分の周方向応力と比較 してどの程度大きくなるかは、永久磁石 52及びエンドリング 54の材質によって異なる 力 ここでは例えば 2〜3割程度であると想定する。本実施形態のモータロータ 22に おける永久磁石 31及びエンドリング 32が、図 2の永久磁石 52及びエンドリング 54と 同じ材質であるとした場合、アウタースリーブ 33におけるエンドリング 32に当たる部分 の厚さが、永久磁石 31に当たる部分の厚さよりも 2〜3割程度薄くなるように大径部 3 3a及び小径部 33bの外径を設定することにより、それぞれの部分における周方向応 力差が緩和される。この結果、アウタースリーブ 33に作用する周方向応力を軸方向 に均一化することができる。

[0032] ここでいう「均一化」とは、必ずしもアウタースリーブ 33の周方向応力が軸方向に完 全に均一になることのみを意味するものではなぐアウタースリーブ 33において、永 久磁石 31に当たる部分とエンドリング 32に当たる部分とで、周方向応力差が緩和さ れることをも含む。また、「緩和される」とは、図 5に示した、軸方向の全長に渡って厚 さ及び外径が一定のアウタースリーブ 53の場合と比較して上記の周方向応力差が 緩和され均一な方向に近づくという意味である。

[0033] 図 2に示したモータロータのアウタースリーブ 53では、エンドリング 54の永久磁石 5 2側の端面よりも永久磁石 52側に若干寄った位置から周方向応力が大きくなつてい たので、本実施形態におけるアウタースリーブ 33の大径部 33aから小径部 33bへの 移行位置（言い換えれば、大径部 33aと小径部 33bの境界部）は、エンドリング 32の 永久磁石 31側の端面よりも永久磁石 31側に若干寄った位置となっている。このよう に、大径部 33aから小径部 33bへの移行位置を適切な位置とすることで、周方向応 力の均一性を高めることができる。

[0034] 上述した本実施形態によれば、永久磁石 31及び一対のエンドリング 32に嵌合した アウタースリーブ 33に作用する周方向応力が軸方向に均一化するように、アウタース リーブ 33の厚さが軸方向の位置によって異なるので、アウタースリーブ 33に作用す る周方向応力が均一化する。すなわち、アウタースリーブ 33において、永久磁石 31 に当たる部分とエンドリング 32に当たる部分とで、周方向応力差が緩和される。この ため、永久磁石 31に対して所望の締め付け力が得られるようにアウタースリーブ 33 の嵌め合いの強さを設定しても、エンドリング 32と接するアウタースリーブ 33の両端 部が塑性変形するという問題は生じない。したがって、本発明によれば電動機の高 周速化に対応できるという優れた効果が得られる。

[0035] 図 5は、本発明の別の実施形態に力、かるモータロータ 22の構成を示す断面図であ る。図 5において、図 4と同一部分には同一符号を付している。

図 4の実施形態では、アウタースリーブ 33に小径部 33bを形成して、エンドリング 3 2に当たる部分の外径が永久磁石 31に当たる軸方向中央部分の外径よりも小さくな る構成とした力 このような構成に代えて、アウタースリーブ 33の外径力 永久磁石 3 1側からエンドリング 32側に向つて連続的または段階的に縮径するように構成しても よい。このように連続的に縮径する構成として、図 5の実施形態では、アウタースリー ブ 33の軸方向両側に向って外径が縮径するテーパ部 33cを有するものとした。 図 2に示したように、周方向応力はステップ状に変化する訳ではないので、本実施 形態のようなテーパ部 33cを形成することで、図 4の小径部 33bを形成した場合よりも 高い均一化効果が得られる。

[0036] 上述したように、図 2に示したモータロータのアウタースリーブ 53では、エンドリング 54の永久磁石 52側の端面よりも永久磁石 52側に若干寄った位置から応力が大きく なっていたので、本実施形態におけるアウタースリーブ 33の縮径が開始する位置（ 言い換えれば、大径部 33aとテーパ部 33cの境界部）は、エンドリング 32の永久磁石 31側の端面よりも永久磁石 31側に若干寄った位置となっている。このように、縮径開 始位置を適切な位置とすることで、周方向応力の均一性を高めることができる。

[0037] なお、図 5の実施形態では、アウタースリーブ 33の外径が連続的に縮径するものと して、テーパ部 33cのように直線的に縮径する例を示した力 図 2に示した周方向応 力の変化により対応させるために、連続的に縮径する他の例として曲線的に縮径す るものであってもよレ、。また、アウタースリーブ 33の縮径は、連続的な縮径に限らず、 段階的に縮径するものであってもよい。

[0038] 上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本 発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の 形態に限定されない。上述した実施形態では、本発明を電動過給機の電動機のモ ータロータに適用した例を説明した力 _S、これに限られず、他の機器に用いられる電動 機のモータロータにも同様に適用することができる。

本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲 の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

Claims

請求の範囲

[1] モータ軸と、該モータ軸を軸周りに囲む永久磁石と、前記モータ軸を軸周りに囲む とともに前記永久磁石を軸方向両側から挟む一対のエンドリングと、前記永久磁石及 び前記一対のエンドリングに締り嵌めによって嵌合する中空円筒形のアウタースリー ブとからなり、前記エンドリングの縦弾性係数が前記永久磁石の縦弾性係数よりも大 きいモータロータにおいて、

前記永久磁石及び前記一対のエンドリングに嵌合した前記アウタースリーブに作用 する周方向応力が軸方向に均一化するように、前記アウタースリーブの厚さが軸方 向の位置によって異なる、ことを特徴とするモータロータ。

[2] 前記アウタースリーブは、前記エンドリングに当たる部分の外径が前記永久磁石に 当たる軸方向中央部分の外径よりも小さい、ことを特徴とする請求項 1に記載のモー タロータ。

[3] 前記アウタースリーブの外径は、前記永久磁石側から前記エンドリング側に向って 連続的または段階的に縮径する、ことを特徴とする請求項 2に記載のモータロータ。