JP4753033B2 - 電動過給機 - Google Patents

Description

本発明は、電動機を内蔵した電動過給機に関する。

圧縮機により密度を高めた空気を機関（エンジン）に供給することを過給（ｓｕｐｅｒｃｈａｒｇｉｎｇ）といい、このうち排気エネルギにより圧縮機の駆動仕事をまかなうものを排気タービン過給機（ｅｘｈａｕｓｔ‐ｇａｓ ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ）と呼ぶ。

図４は、従来の排気タービン過給機の一例を示す図である。この図に示すように、従来の排気タービン過給機は、一般的に、軸受ユニット４０を挟んで配置されたコンプレッサ４１とタービン４２からなり、コンプレッサ４１はコンプレッサインペラ４１ａを、タービン４２はタービンインペラ４２ａをそれぞれ内蔵する。コンプレッサインペラ４１ａとタービンインペラ４２ａは、軸受ユニット４０で支持された連結軸（シャフト４３）で互いに連結されており、エンジンの排ガスでタービンインペラ４２ａを回転駆動し、この回転力をシャフト４３を介してコンプレッサインペラ４１ａに伝達し、コンプレッサインペラ４１ａで空気を圧縮してエンジンに過給するようになっている。

また、この図において、軸受ユニット４０は、シャフト４３のラジアル力を支持するラジアル軸受４４とスラスト力を支持するスラスト軸受４５とを有する。ラジアル軸受４４はこの例では、フルフローティングベアリングであるが、セミフローティングベアリングの場合もある。
スラスト軸受４５はこの例では、シャフト４３と共に回転する円板状のスラストカラー４６と、スラストカラー４６の軸方向移動を阻止するタービン側スラストベアリング４７及びコンプレッサ側スラストベアリング４８とからなる。

一方、上述した排気タービン過給機において、低速回転時の加速を補助するために電動機を内蔵したものが既に提案されている（例えば特許文献１）。以下、このような電動機を内蔵した排気タービン過給機を単に「電動過給機」と呼ぶ。

特許文献１のターボチャージャは、図５に示すように、ロータを回転駆動する電動機（固定子５１と回転子５２）を備える。ロータは、タービンインペラ５３、コンプレッサインペラ５４およびこれらを連結するシャフト５５及び電動機の回転子５２が取り付けられたスペーサカラー５６とからなる。シャフト５５は単一のセミフローティングベアリング５７で支持される。このセミフローティングベアリング５７は、タービン５３のハブ５３ａとスペーサカラー５６に係合するスラスト面５７ａ，５７ｂを有する。
この構成により、ロータに作用するスラスト力をセミフローティングベアリング５７のタービンのハブ５３ａとスペーサカラー５６に係合するスラスト面５７ａ，５７ｂで支持するようになっている。

米国特許第６，４４９，９５０号明細書、「ＲＯＴＯＲ ＡＮＤ ＢＥＡＲＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬＬＹ ＡＳＳＩＳＴＥＤ ＴＵＲＢＯＣＨＡＲＧＥＲ」

排気タービン過給機では、一般的にタービンインペラに作用する圧力がコンプレッサインペラに作用する圧力より高いため、コンプレッサインペラに向かう方向に大きなスラスト力が発生する。
そのため、排気タービン過給機の回転軸を支持するスラスト軸受には十分な量の潤滑油を供給する必要がある。

しかし、ラジアル軸受の外側にスラスト軸受を備え、スラスト軸受とコンプレッサインペラの間に電動機を内蔵する場合、スラスト軸受及び電動機の長さ分、シャフトのオーバーハング量が大きくなる問題があった。

例えば、図４の従来例では、コンプレッサインペラ４１ａとシールプレート４９の間に、電動機の固定子及び回転子を内蔵すると、少なくとも電動機の固定子に相当する分、シャフトのオーバーハング量を長くする必要があり、高速回転時の回転安定性が低下するおそれがあった。

また、電動機の固定子及び回転子を内蔵した図５の従来例では、セミフローティングベアリング５７の両端のスラスト面５７ａ，５７ｂの間隔が長いので熱膨張等によりスラスト方向に隙間（ガタ）が出やすい問題点があった。またこの例では、コンプレッサインペラに向かう方向の大きなスラスト力を受けるスラスト面５７ａへ十分な量の潤滑油を供給し、排出するのが困難であった。

本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ラジアル軸受の外側にスラスト軸受を備え、スラスト軸受とコンプレッサインペラの間に電動機を内蔵する場合でも、シャフトのオーバーハング量を短縮し、かつコンプレッサ方向の大きなスラスト力を受けるスラスト面へ十分な量の潤滑油を供給し、かつ潤滑油をスラスト面から円滑に排出することができる電動過給機を提供することにある。

本発明によれば、タービンインペラを一端に有するタービン軸と、タービン軸を回転可能に支持するラジアル軸受と、タービン軸で回転駆動されるコンプレッサインペラと、ハウジング内に固定されたモータステータと、該モータステータで回転駆動されるモータロータとを備えた電動過給機であって、
ラジアル軸受の外側に設けられ、タービン軸に作用するスラスト力を回転可能に支持するスラスト軸受を備え、
前記モータステータとモータロータからなる電動機が、前記スラスト軸受とコンプレッサインペラの間に内蔵されており、
前記スラスト軸受は、タービン軸と共に回転する小径円板状のスラストカラーと、該スラストカラーの軸方向移動を阻止するタービン側スラストベアリング及びコンプレッサ側スラストベアリングとからなり、
コンプレッサ側スラストベアリングは、タービン側にスラストカラーと接するほぼ同径のスラスト面を有する小径リング部と、該小径リング部の外周面からタービン側に漸増する円錐状の外面を有する切頭円錐部と、切頭円錐部のタービン側端部に位置しタービン側でハウジングに固定されるフランジ部とを有し、中央がコンプレッサ側に膨らんだ切頭円錐形状である、ことを特徴とする電動過給機が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、モータステータのタービン側コイルエンドは、内面がタービン側に広がるテーパ面に形成されており、
さらに、コンプレッサ側スラストベアリングとモータステータの間を仕切るシールプレートが、前記テーパ面の内側に位置する切頭円錐形に形成されている。

また、小径リング部と切頭円錐部は、一体構造又は別体構造である。

また、前記コンプレッサ側スラストベアリングの切頭円錐部内面とこれと対向するハウジング外面には、互いに対向しかつ排油口に向かって延びる凹溝が設けられ、この組み合わせにより排油口に向かう排油路を形成する。

上記本発明の構成によれば、タービン軸と共に回転する小径円板状のスラストカラーと、該スラストカラーの軸方向移動を阻止するタービン側スラストベアリング及びコンプレッサ側スラストベアリングとからなるので、タービン側スラストベアリング及びコンプレッサ側スラストベアリングでスラストカラーを把持して、タービン軸に作用する両方向のスラスト力を回転可能に支持することができる。

また、コンプレッサ側スラストベアリングが、小径リング部と切頭円錐部とからなり、該切頭円錐部のタービン側端部がスラストカラーよりタービン側でハウジングに固定されるので、コンプレッサ側スラストベアリングの固定位置よりもコンプレッサ側までラジアル軸受を伸ばすことができ、その分、シャフトのオーバーハング量を短縮できる。

さらに、モータステータのタービン側コイルエンドは、内面がタービン側に広がるテーパ面に形成されており、コンプレッサ側スラスト軸受とモータステータの間を仕切るシールプレートが、前記テーパ面の内側に位置する切頭円錐形に形成されていることにより、それぞれ切頭円錐形のコンプレッサ側スラストベアリング、シールプレートおよびモータステータのタービン側内面を同一の軸方向位置で半径方向に重ねることができる。
従って、この構成により、スラスト軸受とコンプレッサインペラの間に電動機を内蔵する場合でも、シャフトのオーバーハング量を短縮することができる。

また、小径リング部と切頭円錐部を、一体構造にすることで、部品点数を減らすことができる。また、逆に別体構造で嵌め込み等で一体化することで製造コストを下げることができる。

また、前記コンプレッサ側スラストベアリングの切頭円錐部内面とこれと対向するハウジング外面に、互いに対向しかつ排油口に向かって延びる凹溝を設け、この組み合わせにより排油口に向かう排油路を形成することにより、排油の向きをコントロールし、排油性を向上することができる。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。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。

図１は、本発明の電動過給機の全体構成図である。この図において、本発明の電動過給機１０は、タービン軸１２、コンプレッサインペラ１４、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。

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が、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。

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いる。

ベアリングハウジング１６は、タービン軸１２をラジアル軸受１７で回転可能に支持する。また、タービン軸１２は、スラスト軸受３０により軸方向に移動しないように支持されている。

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は、内部に外部から排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まで排ガスを案内する環状に形成された流路１８ｂを有する。
さらに、流路１８ｂには、複数のノズル翼１９が周方向に一定の間隔で配置されている。このノズル翼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ル翼であってもよい。

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、かつベ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は、内部に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流路２０ｂを有する。

上述した構成により、エンジンの排ガスでタービンインペラ１１を回転駆動し、この回転力をタービン軸１２を介してコンプレッサインペラ１４に伝達し、コンプレッサインペラ１４で空気を圧縮してエンジンに過給することができる。

また図１において、本発明の電動過給機１０は、さらに、モータロータ２２およびモータステータ２４を備える。
モータロータ２２は、電動機の回転子であり、モータステータ２４は、電動機の固定子である。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。
本発明において、モータステータ２４のタービン側コイルエンド２４ａは、内面がタービン側に広がるテーパ面に形成されている。このテーパ面の形成は、コイルエンド２４ａすなわち巻き線を機能を損なわない範囲で、プレス等で変形させるのがよい。
また、モータロータ２２は、モータステータ２４よりも軸長が短く、好ましくはタービン軸１２のコンプレッサインペラ１４に近接して固定されている。

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（例えば１２Ｖ）と同一あるいはそれより高い（例えば２４〜３６Ｖ）ことが好ましい。駆動電圧を高めることにより、交流電動機を小型化することができる。

図２は、図１の部分拡大図である。
この図に示すように、本発明のスラスト軸受３０は、タービン軸１２と共に回転する小径円板状のスラストカラー３２と、スラストカラー３２の軸方向移動を阻止するタービン側スラストベアリング３４及びコンプレッサ側スラストベアリング３６とからなる。
コンプレッサ側スラストベアリング３６は、小径リング部３７と切頭円錐部３８とからなる中央がコンプレッサ側に膨らんだ切頭円錐形状である。この例において、小径リング部３７と切頭円錐部３８は、部品点数を減らすために一体構造である。

小径リング部３７は、スラストカラー３２と接するほぼ同径のスラスト面３７ａを有する。切頭円錐部３８は、小径リング部３７の外周面からタービン側に漸増する円錐状の外面を有し、そのタービン側端部３８ａ（すなわちフランジ部）がスラストカラー３２よりタービン側でハウジングに固定されている。
言い換えれば、コンプレッサ側スラストベアリング３６は、スラストカラー３２と接するほぼ同径のスラスト面を有する小径リング部３７と、スラストカラー３２よりタービン側でハウジングに固定されるフランジ部３８ａを有し、これらの小径リング部３７とフランジ部３８ａが軸方向に異なった位置で配置されている
従って、フランジ部は小径リング部３７よりタービン側に位置する。

コンプレッサ側スラストベアリング３６は、油供給流路３６ａを有する。
油供給流路３６ａは、スラストカラー３２と接する表面（図で左面）にベアリングハウジング１６内から潤滑油を供給する機能を有する。

また、コンプレッサ側スラストベアリング３６の切頭円錐部３８の内面とこれと対向するベアリングハウジング１６の外面には、タービン軸１２より下方に、互いに対向しかつ排油口に向かって延びる凹溝３８ｂ，１６ｂが設けられ、この組み合わせにより排油口に向かう排油路を形成している。

図３は、コンプレッサ側スラストベアリングの別の構成図である。
この図において、コンプレッサ側スラストベアリング３６は、小径リング部３７と切頭円錐部３８とからなる中央がコンプレッサ側に膨らんだ切頭円錐形状である。またこの例において、小径リング部３７と切頭円錐部３８は、製造コストを下げるために、嵌め込み等で一体化する別体構造である。この例でもタービン側端部３８ａ（すなわちフランジ部）がスラストカラー３２よりタービン側でハウジングに固定されており、フランジ部３８ａは小径リング部３７よりタービン側に位置する。
その他の構成は図２と同様である。

上述した本発明の構成によれば、タービン軸１２と共に回転する小径円板状のスラストカラー３２と、該スラストカラーの軸方向移動を阻止するタービン側スラストベアリング３４及びコンプレッサ側スラストベアリング３６とからなるので、タービン側スラストベアリング３４及びコンプレッサ側スラストベアリング３６でスラストカラー３４を把持して、タービン軸１２に作用する両方向のスラスト力を回転可能に支持することができる。

また、コンプレッサ側スラストベアリング３６が、小径リング部３７と切頭円錐部３８とからなり、該切頭円錐部３８のタービン側端部３８ａがスラストカラー３２よりタービン側でベアリングハウジング１６に固定されるので、コンプレッサ側スラストベアリング３６の固定位置よりもコンプレッサ側までラジアル軸受を伸ばすことができ、その分、シャフトのオーバーハング量を短縮できる。

また、コンプレッサ側スラストベアリング３６の切頭円錐部３８の内面とこれと対向するベアリングハウジング１６の外面に、互いに対向しかつ排油口に向かって延びる凹溝３８ｂ、１６ｂを設け、この組み合わせにより排油口に向かう排油路を形成することにより、排油の向きをコントロールし、排油性を向上することができる。

図１〜図２において、モータロータ２２は、コンプレッサ側スラスト軸受３６とコンプレッサインペラ１４の間に設けられている。
また、本発明の電動過給機は、さらに、シールプレート２６、油切り部材２８、及びシール部材２９を有する。
シールプレート２６は、この例ではベアリングハウジング１６に固定され、コンプレッサ側スラスト軸受３６とモータロータ２２の間を仕切る隔壁である。本発明では、シールプレート２６は、上述したモータステータ２４のタービン側テーパ面の内側に位置し、切頭円錐形に形成されている。

この構成により、それぞれ切頭円錐形のコンプレッサ側スラストベアリング３６、シールプレート２６およびモータステータ２４のタービン側内面を同一の軸方向位置で半径方向に重ねることができる。
従って、この構成により、スラスト軸受とコンプレッサインペラの間に電動機を内蔵する場合でも、シャフトのオーバーハング量を短縮することができる。

また油切り部材２８は、固定隔壁２６とコンプレッサ側スラスト軸受３６との間に位置し、タービン軸１２に固定され、タービン軸１２と共に回転する。この油切り部材２８は、コンプレッサ側スラスト軸受３６の中空貫通孔より大きく、かつタービン軸１２にほぼ直交する垂直面２８ａを有する。
シール部材２９は、油切り部材２８と固定隔壁２６との間を液密にシールする。

この構成により、環状凹溝３６ｂで捕捉できずに環状凹溝３６ｂを超えて電動機側に流れ、油切り部材２８の垂直面２８ａまで達した潤滑油を油切り部材２８の高速回転による遠心力で半径方向外方に振り飛ばすことができる。
従って、垂直面２８ａの軸方向反対側に位置するシール部材２９まで達する潤滑油量を大幅に低減することができ、電動機のシール部に到達する潤滑油量を減らし、シールの性能を確保し、電動過給機全体の信頼性を高めることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明の電動過給機の全体構成図である。 図１の部分拡大図である。 コンプレッサ側スラストベアリングの別の構成図である。 従来の排気タービン過給機の一例を示す図である。 特許文献１のタービチャージャの構成図である。

符号の説明

１０ 電動過給機、１１ タービンインペラ、１２ タービン軸、
１４ コンプレッサインペラ、１５ 軸端ナット、
１６ ベアリングハウジング、１６ｂ 凹溝、１７ ラジアル軸受、
１８ タービンハウジング、１８ａ スクロール室、１８ｂ 流路、
１９ ノズル翼、２０ コンプレッサハウジング、
２０ａ スクロール室、２０ｂ 流路、２２ モータロータ、
２４ モータステータ、２４ａ タービン側コイルエンド、
２６ 固定隔壁、２８ 油切り部材、２９ シール部材、
３０ スラスト軸受、３２ スラストカラー、
３４ タービン側スラストベアリング、
３６ コンプレッサ側スラストベアリング、
３６ａ 油供給流路、
３７ 小径リング部、３８ 切頭円錐部、
３８ａ タービン側端部（フランジ部）、３８ｂ 凹溝

Claims (3)

1. タービンインペラを一端に有するタービン軸と、タービン軸を回転可能に支持するラジアル軸受と、タービン軸で回転駆動されるコンプレッサインペラと、ハウジング内に固定されたモータステータと、該モータステータで回転駆動されるモータロータとを備えた電動過給機であって、
   ラジアル軸受の外側に設けられ、タービン軸に作用するスラスト力を回転可能に支持するスラスト軸受を備え、
   前記モータステータとモータロータからなる電動機が、前記スラスト軸受とコンプレッサインペラの間に内蔵されており、
   前記スラスト軸受は、タービン軸と共に回転する小径円板状のスラストカラーと、該スラストカラーの軸方向移動を阻止するタービン側スラストベアリング及びコンプレッサ側スラストベアリングとからなり、
   コンプレッサ側スラストベアリングは、タービン側にスラストカラーと接するほぼ同径のスラスト面を有する小径リング部と、該小径リング部の外周面からタービン側に漸増する円錐状の外面を有する切頭円錐部と、切頭円錐部のタービン側端部に位置しタービン側でハウジングに固定されるフランジ部とを有し、中央がコンプレッサ側に膨らんだ切頭円錐形状である、ことを特徴とする電動過給機。
2. モータステータのタービン側コイルエンドは、内面がタービン側に広がるテーパ面に形成されており、
   さらに、コンプレッサ側スラストベアリングとモータステータの間を仕切るシールプレートが、前記テーパ面の内側に位置する切頭円錐形に形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の電動過給機。
3. 前記コンプレッサ側スラストベアリングの切頭円錐部内面とこれと対向するハウジング外面には、互いに対向しかつ排油口に向かって延びる凹溝が設けられ、この組み合わせにより排油口に向かう排油路を形成する、ことを特徴とする請求項１に記載の電動過給機。
   

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