JP4605380B2

JP4605380B2 - 電動過給機

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Publication number: JP4605380B2
Application number: JP2005229005A
Authority: JP
Inventors: 康行渋井; 幸雄高橋; 成文遠嶋
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2005-08-08
Filing date: 2005-08-08
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2025-08-08
Also published as: JP2007046479A; CN1912364A; EP1752635A3; EP1752635A2; CN100557211C; US20070108772A1; US7352077B2; EP1752635B1

Description

本発明は、排気タービン過給機に係わり、さらに詳しくは、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‐ｇａｓｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ）と呼ぶ。

排気タービン過給機は、一般的に、軸受ユニットを挟んで配置された圧縮機（コンプレッサ）とタービンからなり、圧縮機はコンプレッサインペラを、タービンはタービンインペラをそれぞれ内蔵する。コンプレッサインペラとタービンインペラは、軸受ユニットで支持された連結軸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を回転駆動し、この回転力を連結軸を介してコンプレッサインペラに伝達し、コンプレッサインペラ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。

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、２）。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のタービチャージャは、図２に示すように、タービン５１とコンプレッサ５２を連結するシャフト５３上に取り付けられた発電・電動用の回転子５４と、ハウジング５５内に取り付けられた固定子５６とから構成される発電機と、固定子を冷却するため固定子を取り囲むハウジングの内部に形成された冷却用の水ジャケット５７とを備えたものである。

特許文献２は、電動コンプレッサに関するものであり、図３に示すように、コンプレッサハウジング６１、電動機６２、遠心コンプレッサホイール６３を備え、コンプレッサハウジング６１は外周部に位置する圧縮空気出口を形成し、コンプレッサハウジングの外周ケーシング６１ａと内側モータサポート６１ｂが、その間から外気を導入する流路を形成するものである。

特開２０００−１３０１７６号公報、「発電・電動機を備えたターボチャージャ」米国特許第５，９０４，４７１号明細書、「ＣＯＯＬＩＮＧＭＥＡＮＳＦＯＲＡＭＯＴＯＲ−ＤＲＩＶＥＮＣＥＮＴＲＩＦＵＧＡＬＡＩＲＣＯＭＰＲＥＳＳＯＲ」

排気タービン過給機の回転速度は、高速であり、例えば少なくとも１０〜２０万ｒｐｍに達する。そのため、上述した電動過給機に内蔵される電動機は、この高速回転に対応して高速で回転駆動と回生運転ができることが要望される。
この要望を満たすために、電動機としてブラシレスの交流電動機を用いた場合、車両に搭載されたバッテリの直流電力を任意の周波数の交流電力に変換するインバータが不可欠となる。

しかし、インバータで変換後の電力は交流電力であるため、インバータと電動過給機を接続する電源供給ケーブルの電気抵抗やインダクタンスにより、電力の損失が大きい問題点があった。そのため、特に周波数が高い場合には、本来電動機で消費する電力よりも大きな電力をインバータから供給する必要があり、損失が大きいばかりでなく、インバータ自体も大型化してしまう問題点があった。

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、インバータと電動過給機を接続する電源供給ケーブルによる電力の損失を大幅に低減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、タービン軸の他端に連結されたコンプレッサインペラと、タービン軸を回転可能に支持するベアリングハウジングと、タービンインペラを囲みベアリングハウジングに連結されたタービンハウジングと、コンプレッサインペラを囲みベアリングハウジングに連結されたコンプレッサハウジングとを備えた電動過給機であって、
さらに、タービン軸に固定されタービン軸と共に回転するモータロータと、モータロータを囲みベアリングハウジング内に固定されたモータステータと、直流電力を交流電力に変換してモータステータに入力するインバータと、外部指令を受けてインバータによる交流電力の周波数と電圧を制御するインバータ制御器と、
前記インバータとインバータ制御器を収容するドライバ容器と、
該ドライバ容器をコンプレッサハウジングに連結する断熱連結部材とを備え、
前記ドライバ容器は、ドーナツ型もしくはＵ字型に形成され、
前記断熱連結部材は、コンプレッサ吐出空気の高温がドライバ容器に伝熱されないようにその間を断熱する空冷又は水冷の断熱層を有する、ことを特徴とする電動過給機が提供される。

上述した本発明の構成によれば、電動過給機がモータステータ、インバータ及びインバータ制御器を備えるので、インバータと電動過給機を接続する電源供給ケーブルの長さを大幅に短縮できる。したがって、電動機とインバータの距離が最小となるため、電源供給ケーブルの電気抵抗やインダクタンスが無視できる程度まで低減できる。
また、インバータが電動過給機と一体化しているので、インバータの設置場所が不要となる。

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、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を備える。

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を軸受メタル１７ａで回転可能に支持する。また、タービン軸１２は、スラストカラー１７ｂ及びスラストベアリング１７ｃ，１７ｄにより軸方向に移動しないように支持されている。さらに、ベアリングハウジング１６は、軸受メタル１７ａ、スラストカラー１７ｂ及びスラストベアリング１７ｃ，１７ｄを潤滑するための図示しない潤滑油流路を有している。

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。

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、モータステータ２４、インバータ２６、およびインバータ制御器２８を備える。
モータロータ２２は、タービン軸１２に固定されタービン軸と共に回転する電動機の回転子である。また、モータステータ２４は、モータロータ２２を囲みベアリングハウジング１６内に固定された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。
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。

インバータ２６は、車両に搭載されたバッテリの直流電力を任意の周波数の交流電力に変換する機能を有する。このインバータ２６は、周波数と電圧の両方を制御するパルス幅変調波（ＰＷＭ）方式のインバータであるのが好ましい。しかし、本発明はこれに限定されず、使用する電動機に合わせて任意のインバータ、例えば回生運転が容易な電流形インバータを用いてもよい。
インバータ２６の入力端子は、車両に搭載されたバッテリの直流電圧（例えば１２Ｖ）と図示しない電力ケーブルを介して接続されている。インバータの入力電圧は、バッテリの直流電圧（例えば１２Ｖ）と同一かそれより低くても高くてもよい。なおこの電圧は、車両全体の制御系の電圧と一致させることが好ましい。
インバータ２６の出力端子は、モータステータ２４と電源供給ケーブル２７を介して接続されている。この電源供給ケーブル２７は、できるだけ短くかつ電気抵抗とインダクタンスを小さく設定し、電力損失を最小限に抑えるようになっている。

インバータ制御器２８は、インバータ２６による交流電力の周波数と電圧を制御する。このインバータ制御器２８は、車両全体の制御装置、或いはエンジン制御装置と図示しない制御線で接続しており、指令を受けて、周波数と電圧を制御するようになっている。

本発明の電動過給機１０は、さらに、インバータ２６とインバータ制御器２８を収容するドライバ容器２９と、このドライバ容器２９をコンプレッサハウジング２０に連結する断熱連結部材３０とを備える。
ドライバ容器２９は、コンプレッサハウジング２０の円筒形の外気吸込部２０ｃのまわりに、外部に突出することなく取り付けできるように、全体がドーナツ型もしくはＵ字型に形成されている。
また、断熱連結部材３０は、コンプレッサ吐出空気の高温がドライバ容器２９に伝熱されないようにその間を断熱する空冷又は水冷の断熱層を有する。断熱連結部材３０はさらに、コンプレッサハウジング２０の振動をドライバ容器２９に伝達しないように防振機能を有する。

上述した構成により、ドライバ容器２９が比較的低温の外気が導入されるコンプレッサハウジング２０に連結され、かつ空冷又は水冷の断熱層を有する断熱連結部材３０でドライバ容器２９を断熱しているので、ドライバ容器２９及びその内部のインバータ２６とインバータ制御器２８の過熱を防止することができる。
またドライバ容器２９をコンプレッサハウジングの吸入側に設置することにより、コンプレッサが吸入する比較的低温の外気の一部をドライバの内部に直接導くことができ、積極的に冷却ができるという優れた効果を有する。

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。特許文献１のタービチャージャの構成図である。特許文献２の電動コンプレッサの構成図である。

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、１７ａ軸受メタル、１７ｂスラストカラー、
１７ｃ，１７ｄスラストベアリング、
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、２０ｃ外気吸込部、
２２モータロータ、２４モータステータ、
２６インバータ、２７電源供給ケーブル、
２８インバータ制御器、２９ドライバ容器、３０断熱連結部材

Claims

タービンインペラを一端に有するタービン軸と、タービン軸の他端に連結されたコンプレッサインペラと、タービン軸を回転可能に支持するベアリングハウジングと、タービンインペラを囲みベアリングハウジングに連結されたタービンハウジングと、コンプレッサインペラを囲みベアリングハウジングに連結されたコンプレッサハウジングとを備えた電動過給機であって、
さらに、タービン軸に固定されタービン軸と共に回転するモータロータと、モータロータを囲みベアリングハウジング内に固定されたモータステータと、直流電力を交流電力に変換してモータステータに入力するインバータと、外部指令を受けてインバータによる交流電力の周波数と電圧を制御するインバータ制御器と、
前記インバータとインバータ制御器を収容するドライバ容器と、
該ドライバ容器をコンプレッサハウジングに連結する断熱連結部材とを備え、
前記ドライバ容器は、ドーナツ型もしくはＵ字型に形成され、
前記断熱連結部材は、コンプレッサ吐出空気の高温がドライバ容器に伝熱されないようにその間を断熱する空冷又は水冷の断熱層を有する、ことを特徴とする電動過給機。