JP4661605B2 - 電動過給機 - Google Patents

Description

本発明は、電動過給機に関し、特に過給機回転軸の回転を支援する回転電機を有する電動過給機に関する。

たとえば、特開２００４−５１２４５３号公報（特許文献１）において、スラスト軸受部を有するモータアシストターボチャージャが開示されている。

また、特開平７−２５９８４７号公報（特許文献２）において、コの字状のスラスト軸受け部材を設け、その軸受け部材のウェブとウェブとの間に軸を囲むようにスラストベアリングを設け、そのスラストベアリングをケーシング等に固定して構成したターボチャージャのスラストベアリングの構造が開示されている。

また、特開２００１−２０８９５号公報（特許文献３）においては、電動機の固定子を回転子に対して翼車と反対側に偏移させて配設することで、回転子に軸方向の電磁力を作用させ、翼車に作用する力を相殺する電動式ターボの構造が開示されている。
特開２００４−５１２４５３号公報 特開平７−２５９８４７号公報 特開２００１−２０８９５号公報

過給機回転軸に作用するスラスト荷重が過大になる場合がある。たとえば、ターボチャージャを作動させる際、過給圧を高く保つ必要があるが、過給圧を高くすることにより、コンプレッサホイールの背面圧力が高くなる。この結果、過給機回転軸がコンプレッサ側に引き寄せられ、スラスト荷重が増大し、ベアリング部での損失が増大する。

これに対し、特許文献３においては、電動機の固定子を回転子に対して偏移させて配設することで翼車に作用する力を相殺しているが、特許文献３の構造では、励磁状態（モータ駆動状態）において力を相殺できるのみであり、電動機が駆動されていない非励磁状態においては、翼車に作用する力を相殺することができない。他方、ターボチャージャにおいては、電動機が駆動されていない連れ回り状態においても、過給圧によるスラスト荷重が発生するため、当該スラスト荷重を低減することが要請される。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、過給機回転軸の回転を支援する回転電機を有し、該回転軸に作用するスラスト荷重が低減された電動過給機を提供することにある。

本発明に係る電動過給機は、過給機回転軸の回転を支援する回転電機を備え、回転電機はロータとステータとを有し、ロータは磁石を含み、ロータとステータとの間における磁束密度の分布がロータの軸方向中心に関して非対称になるようにロータとステータとが設けられる。

上記構成によれば、磁束密度を非対称に分布させることで、磁力による力を発生させ、過給機回転軸に作用するスラスト力を低減することができる。また、軸方向の磁束密度の差による温度差で空気流が発生し、ロータおよびステータの冷却が促進される。

上記電動過給機において、１つの例として、ロータとステータとのギャップをロータの軸方向に沿って変化させることで、ロータの軸方向中心に関して磁束密度を非対称にする。

上記電動過給機において、他の例として、ロータの着磁力を該ロータの軸方向に沿って変化させることで、ロータの軸方向中心に関して磁束密度を非対称にする。

上記電動過給機において、さらに他の例として、ステータの鉄芯の密度を該ステータの軸方向に沿って変化させることで、ロータの軸方向中心に関して磁束密度を非対称にする。

上記電動過給機は、好ましくは、過給機回転軸を軸方向において支持するスラスト軸受をさらに備え、スラスト軸受は、過給機回転軸に所定の軸方向の変位が生じたときにスラスト力を受止める。

上記構成によれば、過給機回転軸の軸方向変位を許容することで、ロータとステータとのオフセットの変位に従って変化する磁力により軸方向位置の自動調整が行なわれ、スラスト軸受の負荷を低減することができる。

本発明によれば、電動過給機の過給機回転軸に作用するスラスト荷重が低減することができる。

以下に、本発明に基づく電動過給機の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電動過給機をエンジンに組付けたシステムの概略構成を示す図である。該システムは、図１に示すように、吸気管１１０および排気管１２０を含むエンジン１００と、吸気管１１０内および排気管１２０内にホイールを含むターボチャージャ２００と、ターボチャージャ２００と同軸上に配置された表面磁石型電動機３００と、インバータ４００と、システム全体を制御するＥＣＵ５００とを含んで構成される。表面磁石型電動機３００は、回転軸の外周表面に磁石を配置したロータを有する電動機である。

図１に示されるシステムでは、エンジン１００から排出される排気エネルギーにより、排気管１２０側のホイールであるタービンホイール１２１を回転させ、この動力によって、吸気管１１０側のホイールであるコンプレッサホイール１１１を回転させる。このようにすることで、エンジン１００に圧縮空気を供給して、充填効率を高めることができる。上記システムでは、さらに、排気のエネルギーが十分でない場合等に、表面磁石型電動機３００により、タービンホイール１２１とコンプレッサホイール１１１とを連結するタービンシャフトを強制的に回転させる。表面磁石型電動機３００への電力は、インバータ４００から供給される。ＥＣＵ５００は、インバータ４００の動作を制御する。

排気管１２０には、タービンホイール１２１を避けて迂回するバイパスが設けられている。バイパスの入口近傍には、ウエイストゲートバルブ１３０が配置されている。過給の必要がない場合等においては、ウエイストゲートバルブ１３０が開弁される。

図２は、電動過給機の回転軸に作用する力を説明する図である。図２を参照して、表面磁石型電動機３００は、ロータ３１０と、ステータ３２０とを含んで構成される。そして、タービンシャフトには、スラストベアリング３３０が設けられる。

ロータ３１０は、磁石と、該磁石の外周側に位置する管状部材とを含む。管状部材は、磁石の破損や飛散を防止するための飛散防止管であって、たとえばチタンやカーボンファイバなどの非磁性材料により構成される。

ステータ３２０は、リング状のステータコアと、ステータコアに巻回されるステータコイルとを含む。ステータコアは、たとえば、鉄または鉄合金などの板状の磁性体を積層することにより構成される。

実際に電動過給機を作動させる際、過給圧が上がるにつれて、コンプレッサホイール１１１の背面１１１Ａの圧力が高くなる。この結果、タービンシャフトには矢印ＤＲ１方向の力が作用し、スラストベアリング３３０に作用する荷重が増大する。

図３は、本実施の形態に係る電動過給機に含まれる回転電機を示した図である。図３を参照して、本実施の形態に係る表面磁石型電動機においては、ロータ３１０とステータ３２０とが互いにオフセットされて設けられている。これにより、矢印ＤＲ１方向のスラスト力を相殺する矢印ＤＲ２方向の磁力を発生させることができる。この結果、スラストベアリング３３０での損失が低減される。

図１０は、図３に示す状態のエアギャップ部の磁束密度の分布を説明する図である。図１０に示すように、本実施の形態に係る表面磁石型電動機においては、ロータ３１０の軸方向中心（座標：Ｚ₀）に対して、磁束密度（Ｂ）が非対称に分布している。より具体的には、座標Ｚ₀に対して矢印ＤＲ１方向においては、磁束密度が高い領域が相対的に短く、座標Ｚ₀に対して矢印ＤＲ２方向においては、磁束密度が高い領域が相対的に長い。これにより、矢印ＤＲ２方向の磁力が発生する。

図４は、本実施の形態に係る電動過給機に含まれる回転電機の変形例を示した図である。図４を参照して、本変形例においては、ロータ３１０とステータ３２０とをオフセットさせるとともに、スラストベアリング３３０の遊びを大きくしている。すなわち、スラストベアリング３３０は、タービンシャフトに所定の軸方向の変位が生じたときにスラスト力を受止める。この場合、たとえば、電動過給機の作動により矢印ＤＲ１方向の力がタービンシャフトに作用し、実際にロータ３１０が矢印ＤＲ１方向に移動したとしても、これを元に戻そうとする矢印ＤＲ２方向の磁力が発生してタービンシャフトの位置が自動調整される。

上述した内容について要約すると、以下の様になる。すなわち、本実施の形態に係る電動過給機は、過給機回転軸の回転を支援する「回転電機」としての表面磁石型電動機３００を備える。表面磁石型電動機３００は、ロータ３１０とステータ３２０とを有し、ロータ３１０は磁石を含む。そして、ロータ３１０とステータ３２０とが軸方向にオフセットされた位置に設けられている。換言すると、ロータ３１０とステータ３２０との間における磁束密度の分布がロータ３１０の軸方向中心（Ｚ₀）に関して非対称になるようにロータ３１０とステータ３２０とが設けられている。なお、上記磁束密度は、ロータ３１０の軸方向中心から軸方向端部にかけて非対称に分布している。

本実施の形態に係る電動過給機によれば、磁力による力を発生させ、タービンシャフトに作用するスラスト力を低減することができる。結果として、過給機回転軸に作用するスラスト力が増大する中負荷、高負荷領域におけるスラストベアリングでの損失が低減された電動過給機が得られる。

（実施の形態２）
図５は、実施の形態２に係る電動過給機に含まれる回転電機を示した図である。図５を参照して、本実施の形態に係る表面磁石型電動機においては、ステータ３２０の内周面をテーパ状に形成し、ロータ３１０とステータ３２０とのギャップをロータ３１０の軸方向に沿って変化させている。より具体的には、ロータ３１０の軸方向中心（Ｚ₀）に対して矢印ＤＲ１方向に位置する部分では、ロータ３１０とステータ３２０とのギャップ（Ｌ１）は相対的に大きく、ロータ３１０の軸方向中心（Ｚ₀）に対して矢印ＤＲ２方向に位置する部分では、ロータ３１０とステータ３２０とのギャップ（Ｌ２）は相対的に小さい。このようにすることで、矢印ＤＲ２方向の磁力を発生させることができる。すなわち、電動過給機の作動により矢印ＤＲ１方向の力がタービンシャフトに作用したとしても、これを相殺する矢印ＤＲ２方向の磁力が発生する。この結果、スラストベアリング３３０での損失が低減される。

図１１は、図５に示す状態のエアギャップ部の磁束密度の分布を説明する図である。図１１に示すように、本実施の形態に係る表面磁石型電動機においては、ロータ３１０の軸方向中心（座標：Ｚ₀）に対して、磁束密度（Ｂ）が非対称に分布している。より具体的には、座標Ｚ₀に対して矢印ＤＲ１方向においては、磁束密度が相対的に低く、座標Ｚ₀に対して矢印ＤＲ２方向においては、磁束密度が相対的に高い。これにより、矢印ＤＲ２方向の磁力が発生する。

図６，図７は、本実施の形態に係る電動過給機に含まれる回転電機の変形例を示した図である。図６に示す変形例においては、ステータ３２０の内周面に段差を設けることにより、ロータ３１０とステータ３２０とのギャップを変化させている。また、図７に示す変形例においては、ロータ３１０の外周面をテーパ状に形成することにより、ロータ３１０とステータ３２０とのギャップを変化させている。図６，図７に示すような構造によっても、矢印ＤＲ２方向の磁力を発生させることができる。

次に、磁束密度差によるロータ３１０およびステータ３２０の冷却効果について、図８を用いて説明する。図８に示すように、Ａ部とＢ部との磁束密度差により、Ａ部の温度（Ｔ１）とＢ部の温度（Ｔ２）とに差が生じる（Ｔ１＞Ｔ２）。ここで、周辺の雰囲気温度（Ｔ０）との温度差により、空気流れＱ１，Ｑ２が生じるが、Ｑ１＞Ｑ２であるため、矢印Ｚの向きに空気流れが発生する。これにより、ロータ３１０とステータ３２０とのギャップ部の空気よりも低い温度の周辺空気が矢印Ｚの向きに循環し、ロータ３１０およびステータ３２０が冷却される。このように、上述した構成によれば、ロータ３１０およびステータ３２０の冷却効果が得られる。

以上説明したように、本実施の形態においても、磁力による力を発生させ、タービンシャフトに作用するスラスト力を低減することができる。結果として、スラストベアリングでの損失が低減された電動過給機が得られる。また、本実施の形態によれば、実施の形態１と比較して、ロータとステータとのオフセット分だけ軸長を短縮することができる。なお、本実施の形態に係る構造と、実施の形態１に係る構造とを組合わせて矢印ＤＲ２方向の磁力の増大を図ることも当然に可能である。

（実施の形態３）
図９は、実施の形態３に係る電動過給機に含まれる回転電機を示した図である。本実施の形態に係る表面磁石型電動機においても、実施の形態１，２と同様に、ロータ３１０の軸方向中心（座標：Ｚ₀）に対して、磁束密度（Ｂ）を非対称に分布させることで、ロータ３１０の軸方向の磁力を発生させている。

１つの例として、ロータ３１０の着磁力を該ロータの軸方向に沿って変化させることで、ロータ３１０の軸方向中心に関して磁束密度を非対称にすることができる。より具体的には、ロータ３１０に含まれる磁性体の密度をロータ３１０の軸方向に沿って変化させる。この場合、たとえば、ロータ３１０に埋め込まれる磁石を複数に分割して、それぞれの密度を異ならせることが考えられる。

他の例として、ステータ３２０の鉄芯の密度を該ステータの軸方向に沿って変化させることで、ロータ３１０の軸方向中心に関して磁束密度を非対称にすることができる。より具体的には、たとえば、ステータ３２０を構成する積層鋼板の厚みをロータ３１０の軸方向に沿って変化させる。一般的には、鋼板の厚みが大きいほど、ステータ鉄芯の密度が高くなる。

このように、本実施の形態においても、磁力による力を発生させ、タービンシャフトに作用するスラスト力を低減することができる。結果として、スラストベアリングでの損失が低減された電動過給機が得られる。また、本実施の形態においても、実施の形態２と同様のロータおよびステータの冷却効果を得ることができる。なお、本実施の形態に係る構造と、実施の形態１，２に係る構造とを組合わせて矢印ＤＲ２方向の磁力の増大を図ることも当然に可能である。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、上述した各実施の形態の特徴部分を適宜組合わせることは、当初から予定されている。また、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。たとえば、上述した各実施の形態においては、コンプレッサホイール側に向けて軸力が作用することを抑制する構成について説明したが、反対に、タービンホイール側に向けて軸力が作用することを抑制する構成であってもよい。つまり、ターボ緒元により、スラストベアリングの負荷がかかる面が異なるため、厳しい側の負荷を低減する方向に磁力を発生させる。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態１に係る電動過給機をエンジンに組付けたシステムの概略構成を示す図である。 電動過給機の回転軸に作用する力を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る電動過給機に含まれる回転電機を示した図である。 本発明の実施の形態１に係る電動過給機に含まれる回転電機の変形例を示した図である。 本発明の実施の形態２に係る電動過給機に含まれる回転電機を示した図である。 本発明の実施の形態２に係る電動過給機に含まれる回転電機の変形例を示した図である。 本発明の実施の形態２に係る電動過給機に含まれる回転電機の他の変形例を示した図である。 磁束密度差によるロータおよびステータの冷却効果を説明する図である。 本発明の実施の形態３に係る電動過給機に含まれる回転電機を示した図である。 磁束密度の分布を説明する図（その１）である。 磁束密度の分布を説明する図（その２）である。

符号の説明

１００ エンジン、１１０ 吸気管、１１１ コンプレッサホイール、１１１Ａ 背面、１２０ 排気管、１２１ タービンホイール、１３０ ウエイストゲートバルブ、２００ ターボチャージャ、３００ 表面磁石型電動機、３１０ ロータ、３２０ ステータ、３３０ スラストベアリング、４００ インバータ、５００ ＥＣＵ。

Claims (4)

1. 過給機回転軸の回転を支援する回転電機を備え、
   前記回転電機はロータとステータとを有し、
   前記ロータは磁石を含み、
   前記ロータと前記ステータとの間における磁束密度の分布が前記ロータの軸方向中心に関して非対称になるように前記ロータと前記ステータとが設けられ、
   前記ロータと前記ステータとのギャップを前記ロータの軸方向に沿って変化させることで、前記ロータの軸方向中心に関して前記磁束密度を非対称にする、電動過給機。
2. 過給機回転軸の回転を支援する回転電機を備え、
   前記回転電機はロータとステータとを有し、
   前記ロータは磁石を含み、
   前記ロータと前記ステータとの間における磁束密度の分布が前記ロータの軸方向中心に関して非対称になるように前記ロータと前記ステータとが設けられ、
   前記ロータの着磁力を該ロータの軸方向に沿って変化させることで、前記ロータの軸方向中心に関して前記磁束密度を非対称にする、電動過給機。
3. 過給機回転軸の回転を支援する回転電機を備え、
   前記回転電機はロータとステータとを有し、
   前記ロータは磁石を含み、
   前記ロータと前記ステータとの間における磁束密度の分布が前記ロータの軸方向中心に関して非対称になるように前記ロータと前記ステータとが設けられ、
   前記ステータの鉄芯の密度を該ステータの軸方向に沿って変化させることで、前記ロータの軸方向中心に関して前記磁束密度を非対称にする、電動過給機。
4. 前記過給機回転軸を軸方向において支持するスラスト軸受をさらに備え、
   前記スラスト軸受は、前記過給機回転軸に所定の軸方向の変位が生じたときにスラスト力を受止める、請求項１から請求項３のいずれかに記載の電動過給機。

Images