JP2014050133A - ロータ、電動機及び過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱特性の向上及び小型化が可能なロータ、電動機及び過給機の提供。
【解決手段】周面２３に永久磁石２１が設けられているロータ１３であって、周面２３を覆うように嵌め込まれた円筒状のアーマリング２２を備え、アーマリング２２の外周２４には、凹凸状の放熱部３０が設けられている、という構成を採用する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ロータ、電動機及び過給機に関するものである。

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いられている。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は、電動過給機と称される場合がある。

下記特許文献１には、電動過給機の一形態が開示されている。この電動過給機は、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。そして、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ようになっている。

このような過給機に設けられる電動機のロータは、タービンインペラ及びコンプレッサインペラが高速回転することから、ロータ表面の永久磁石が遠心力で剥離することを防止するために、ロータ周面を円筒状のアーマリング（保持枠部材）で覆っている。アーマリングは、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、永久磁石やエンドリング等を十分に保持できるよう焼き嵌めされている。

特開２０１０−２００４５６号公報

ところで、電動機のロータ側は、回転駆動するため、固定されているステータ側よりも放熱対策が難しい。近年、電動機の小型化が求められており、それに伴ってロータ表面積が減少し、放熱特性が悪化してしまうという問題があった。一方で、ロータの放熱特性を確保するためには、ロータの大きさをある一定の大きさ以上にしなければならず、電動機の小型化の妨げになっていた。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、放熱特性の向上及び小型化が可能なロータ、電動機及び過給機の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、周面に永久磁石が設けられているロータであって、前記周面を覆うように嵌め込まれた円筒状の保持枠部材を備え、前記保持枠部材の外周には、凹凸状の放熱部が設けられている、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記放熱部は、前記保持枠部材の外周に形成された溝によって形成されている、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記溝は、前記保持枠部材の外周にリング状または螺旋状に形成されている、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記放熱部は、前記保持枠部材の外周にコーティングされたコーティング層によって形成されている、という構成を採用する。

また、本発明においては、先に記載のロータと、前記ロータを回転させるステータと、を有する、電動機を採用する。

また、本発明においては、先に記載の電動機を有する、過給機を採用する。

また、本発明においては、永久磁石が設けられている周面を覆うように嵌め込まれた円筒状の保持枠部材を備えて、該保持枠部材の外周に螺旋状に形成された溝によって形成されている凹凸状の放熱部が設けられているロータと、前記ロータを回転させるステータと、前記ロータにかかるスラスト荷重を受けるスラスト軸受と、を有し、前記螺旋状に形成された溝の回転によって生じるスラスト荷重は、前記スラスト軸受が受ける前記スラスト荷重とは逆向きである、過給機を採用する。

本発明によれば、ロータの周面に設けられた永久磁石を保持する保持枠部材の外周に凹凸状の放熱部が設けられているため、表面積が大きくなり、放熱特性が向上する。また、保持枠部材に放熱部を設けることで、ロータ自体について加工する必要はなく、例えば電磁鋼板の形状を加工等せずに、磁気特性に影響を与えないようにすることができる。
したがって、本発明では、放熱特性の向上を図れ、さらに、磁気特性の影響なく容易に小型化を図ることができる。

本発明の第１実施形態における電動過給機の全体構成図である。 本発明の第１実施形態におけるロータの斜視図である。 本発明の第１実施形態におけるロータの断面構成図である。 本発明の第２実施形態におけるロータの斜視図である。 本発明の別実施形態におけるロータの断面構成図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の説明では、電動機による電動アシスト機能を有する過給機（以下、電動過給機と称する）を例示する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における電動過給機１の全体構成図である。
電動過給機１は、回転軸２、コンプレッサインペラ３、電動機４を備える。この電動過給機１のハウジングは、ベアリングハウジング５、タービンハウジング６、及びコンプレッサハウジング７からなる。

回転軸２は、タービンインペラ８を一端（図１において左端）に有する。この例において、タービンインペラ８は回転軸２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８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３は、回転軸２の他端（図１において右端）に軸端ナット９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５は、回転軸２のラジアル荷重を受けるジャーナル軸受１０と、スラスト荷重を受けるスラストベアリング（スラスト軸受）１１を内蔵し、ジャーナル軸受１０及びスラストベアリング１１により回転軸２が回転自在に支持されている。また、ベアリングハウジング５は、ジャーナル軸受１０及びスラストベアリング１１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６は、タービンインペラ８を回転可能に囲み、且つベアリングハウジング５に連結されている。このタービンハウジング６は、内部に外部から排ガスが導入されるスクロール室６ａと、スクロール室６ａからタービンインペラ８まで排ガスを案内する環状に形成された流路６ｂと、タービンインペラ８を通過した排ガスを排出する排出口６ｃと、を有する。

流路６ｂには、複数のノズル翼１２が周方向に一定の間隔で配置されている。ノズル翼１２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ようになっているが、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。また、流路６ｂにノズル翼１２の無い形態であってもよい。

コンプレッサハウジング７は、コンプレッサインペラ３を回転可能に囲み、かつベアリングハウジング５に連結されている。このコンプレッサハウジング７は、内部に圧縮空気が導入されるスクロール室７ａと、コンプレッサインペラ３からスクロール室７ａ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７ｂと、コンプレッサインペラ３の回転によって外部空気を吸気する吸気口７ｃと、を有する。

電動過給機１は、ロータ１３およびステータ１４を有する。ロータ１３は、電動機４の回転子であり、ステータ１４は、電動機４の固定子である。ロータ１３とステータ１４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、回転軸２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。なお、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。

上述のように構成された電動過給機では、エンジンからスクロール室６ａ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８が回転駆動される。すると、タービンインペラ８に回転軸２を介して連結されたコンプレッサインペラ３が回転駆動され、コンプレッサインペラ３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４によってコンプレッサインペラ３の回転駆動が補助される。

電動過給機１は、流路形成スリーブ１５とシール壁１６を備える。流路形成スリーブ１５は、ステータ１４の外周面及びベアリングハウジング５の内周面と密着し、ベアリングハウジング５との間に液密の水冷ジャケット１５ａを構成する。この水冷ジャケット１５ａには、図示しない冷却水供給口と冷却水排出口から冷却水が供給され排出される。ベアリングハウジング５と流路形成スリーブ１５との間には、水冷ジャケット１５ａの内外を液密にシールするシール部材１７ａ，１７ｂ（例えばＯリング）が介装されている。

シール壁１６は、ベアリングハウジング５とコンプレッサハウジング７の間に流路形成スリーブ１５のフランジ部１５ｂと共に軸方向に共締めされる。このシール壁１６は、コンプレッサハウジング７とステータ１４との間を仕切り、かつ流路形成スリーブ１５のコンプレッサ側に密着している。

次に、図２及び図３を参照して、ロータ１３側の放熱対策及びその構成について説明する。
図２は、本発明の第１実施形態におけるロータ１３の斜視図である。図３は、本発明の第１実施形態におけるロータ１３の断面構成図である。

ロータ１３は、図２及び図３に示すように、回転軸２と、電磁鋼板２０と、永久磁石２１と、アーマリング（保持枠部材）２２と、を有する。
電磁鋼板２０は、ロータ１３のコアとなるものであり、回転軸２に設けられ、回転軸２と一体的に回転可能な構成となっている。電磁鋼板２０は、複数の鋼板が重ね合わせられて一体となったものであり、渦電流の発生を抑制すると共に鉄損を減らすことができるようになっている。

永久磁石２１は、電磁鋼板２０の周面に設けられている。このように、本実施形態のロータ１３は、表面磁石形（ＳＰＭ：Surface Permanent Magnet）を採用している。永久磁石２１は、円弧状となって電磁鋼板２０の周方向に所定距離をあけて複数設けられ、全体として円筒状を呈するように配列されている。永久磁石２１は、電磁鋼板２０と共に、回転軸２と一体的に回転可能な構成となっている。

アーマリング２２は、永久磁石２１が設けられた周面２３を覆うように嵌め込まれた円筒状の補強保持枠部材である。アーマリング２２は、永久磁石２１及び電磁鋼板２０を軸周りに締め付け状態で囲むように取り付けられている。このアーマリング２２は、軸の径方向に十分な圧縮荷重を付与できる程度の強い焼き嵌めにより永久磁石２１及び電磁鋼板２０の周りに嵌合している。このアーマリング２２は、チタン等の非磁性体材料から形成されている。

このような円筒状のアーマリング２２は、加熱によって穴を膨張させて拡径し、永久磁石２１及び電磁鋼板２０を含むロータ１３を当該穴に嵌め入れて、その後冷却により収縮させて縮径すると、永久磁石２１及び電磁鋼板２０の周りに固着状態となる。このアーマリング２２は、ロータ１３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２１が剥離等しないよう、永久磁石２１及び電磁鋼板２０に対して十分な圧縮荷重を付与できる程度の焼き嵌めによりロータ１３の周面２３に嵌合している。

このアーマリング２２の外周２４には、凹凸状の放熱部３０が設けられている。本実施形態の放熱部３０は、アーマリング２２の外周２４に形成された溝３１によって形成されている。溝３１は、図２に示すように、アーマリング２２の外周２４にリング状に形成されている。この溝３１は、アーマリング２２の外周２４に所定の深さでその周方向に一回りするように形成されている。本実施形態の溝３１は、アーマリング２２の外周２４にその軸方向において所定間隔をあけて複数形成されている。

上記構成のロータ１３によれば、次のような作用効果が得られる。
図１に示すような電動過給機１においては、回転軸２が高速回転するため、ロータ１３の周面２３に表面実装された永久磁石２１に大きな遠心力がかかる。アーマリング２２は、ロータ１３の周面２３を覆うように焼き嵌めされることによって、永久磁石２１及び電磁鋼板２０に対して十分な圧縮荷重を付与しているため、ロータ１３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２１を十分に保持できる。

回転駆動によりロータ１３が発熱すると、その熱は周面２３に設けられたアーマリング２２に熱伝導される。図２及び図３に示すようにアーマリング２２の外周２４には、凹凸状の放熱部３０が設けられている。このように、ロータ１３の周面２３に設けられた永久磁石２１を保持するアーマリング２２の外周２４に凹凸状の放熱部３０が設けられているため、表面積が大きくなり、放熱特性が向上する。この凹凸状の放熱部３０は、アーマリング２２の外周２４において放熱フィンとして機能し、高速回転することでアーマリング２２を冷却し、永久磁石２１及び電磁鋼板２０から熱を奪って順次放熱を繰り返すことで冷却を行うことができる。

また、本実施形態の放熱部３０は、アーマリング２２の外周２４に形成された溝３１によって形成されている。アーマリング２２は、非磁性体であり、ロータ１３の磁気特性に影響を与えることなく、様々な形状を採用し得る。このようにアーマリング２２に放熱部３０を設けることで、ロータ１３自体について加工する必要はなく、例えば電磁鋼板２０の形状を加工等せずに、磁気特性に影響を与えないようにすることができる。さらに、本実施形態の溝３１は、アーマリング２２の外周２４にリング状に形成されているため、ロータ１３の回転の抵抗となることはなく、風損を増やさないようにすることができる。

したがって、上述の本実施形態によれば、周面２３に永久磁石２１が設けられているロータ１３であって、周面２３を覆うように嵌め込まれた円筒状のアーマリング２２を備え、アーマリング２２の外周２４には、凹凸状の放熱部３０が設けられている、という構成を採用することによって、放熱特性の向上を図れ、さらに、磁気特性の影響なく容易に小型化を図ることができるロータ１３、電動機４及び電動過給機１を得ることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図４は、本発明の第２実施形態におけるロータ１３の斜視図である。
図４に示すように、第２実施形態では、放熱部３０を形成する溝３１が、アーマリング２２の外周２４に螺旋状に形成されている点で、上記実施形態と異なる。

上記構成のロータ１３によれば、次のような作用効果が得られる。
ロータ１３の周面２３に設けられた永久磁石２１を保持するアーマリング２２の外周２４に、螺旋状の溝３１によって凹凸状の放熱部３０が形成されているため、表面積が大きくなり、放熱特性が向上する。この放熱部３０は、高速回転することで、螺旋状の溝３１によって周囲の空気を巻き込み、ロータ１３の軸方向に気流を形成することができる。この気流は、ロータ１３とステータ１４との間を例えば軸方向一方側（図１における紙面右側）から軸方向他方側（図１における紙面左側）に抜けることで、両者を冷却する。

上記構成の第２実施形態によれば、軸方向に対して斜めに溝３１が切られているため、上記実施形態よりは風損に関しては若干不利になるが、ロータ１３の軸方向に気流を形成することができるため、放熱特性を大幅に向上させることができる。
また、上記構成の第２実施形態によれば、螺旋状に形成された溝３１の回転によってロータ１３の軸方向に気流を形成するため、ロータ１３にその分の反力としてスラスト荷重がかかる。ここで、螺旋状に形成された溝３１の回転によって生じる当該スラスト荷重を、図１に示すスラストベアリング１１が受けるスラスト荷重とは逆向きにすれば、スラストベアリング１１が受ける負荷を低減させることができる。

具体的には、スラストベアリング１１は、コンプレッサインペラ３が吸気口７ｃから空気を吸気し圧縮する関係で軸方向一方側から他方側（図１において紙面右側から左側）にスラスト荷重を受ける。一方、ロータ１３が軸方向一方側から他方側に気流を形成すれば、その反力によって、螺旋状に形成された溝３１の回転によって生じるスラスト荷重は、軸方向他方側から一方側（図１において紙面左側から右側）になる。そうすると、スラストベアリング１１が受けるスラスト荷重の少なくとも一部を、螺旋状に形成された溝３１の回転によって生じるスラスト荷重によって相殺することができ、結果、スラストベアリング１１が受ける負荷を低減させ、製品寿命等を向上させることが可能となる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、本発明は、図５に示すような変形例においても上記実施形態と同様の作用効果を奏することが可能である。以下の説明においては、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図５（ａ）に示す別実施形態の凹凸状の放熱部３０は、アーマリング２２の外周２４にコーティングされたコーティング層３２によって形成されている。コーティング層３２は、例えば溶射やコールドスプレー法によって微粒子を堆積・固着させることで細かな凹凸状に形成することができる。この構成によれば、細かい凹凸状となっているため、表面積がより大きくなり、放熱特性が向上する。

図５（ｂ）に示す別実施形態の凹凸状の放熱部３０の溝３１は、断面視で略三角状に形成されている。
図５（ｃ）に示す別実施形態の凹凸状の放熱部３０の溝３１は、断面視で略半円状に形成されている。
上記形状の溝３１であっても上記実施形態と同様の作用効果を奏することが可能であり、また溝３１の数も限定する必要はない。

また、例えば、上記実施形態では、軸方向における溝３１の配置を等間隔に設定したが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、ロータ１３の軸方向中央部は温度が高くなるので、当該中央部の溝３１の間隔は狭くして「密」に配置し、逆にロータ１３の軸方向両端部は外気に触れて温度が低くなるので、当該両端部の溝３１の間隔は広くして「粗」に配置する構成であってもよい。
また、第２実施形態のように螺旋状に溝３１を形成してロータ１３が軸方向に気流を形成できる場合には、周囲の空気を取り込む風上側では空気の流動が小さいので、当該風上側の溝３１の間隔は狭くして「密」に配置し、逆に、風下側では空気の流動が大きいので、当該風下側の溝３１の間隔は広くして「粗」に配置する構成であってもよい。

また、例えば、上記実施形態では、過給機に本発明を適用したが、本発明はこの構成に限定されることなく、例えばターボ圧縮機にも適用可能である。

１…電動過給機（過給機）、４…電動機、１１…スラストベアリング（スラスト軸受）、１３…ロータ、１４…ステータ、２１…永久磁石、２２…アーマリング（保持枠部材）、２３…周面、２４…外周、３０…放熱部、３１…溝、３２…コーティング層

Claims (7)

1. 周面に永久磁石が設けられているロータであって、
   前記周面を覆うように嵌め込まれた円筒状の保持枠部材を備え、
   前記保持枠部材の外周には、凹凸状の放熱部が設けられている、ことを特徴とすることを特徴とするロータ。
2. 前記放熱部は、前記保持枠部材の外周に形成された溝によって形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のロータ。
3. 前記溝は、前記保持枠部材の外周にリング状または螺旋状に形成されている、ことを特徴とする請求項２に記載のロータ。
4. 前記放熱部は、前記保持枠部材の外周にコーティングされたコーティング層によって形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のロータ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のロータと、
   前記ロータを回転させるステータと、を有する、ことを特徴とする電動機。
6. 請求項５に記載の電動機を有する、ことを特徴とする過給機。
7. 永久磁石が設けられている周面を覆うように嵌め込まれた円筒状の保持枠部材を備えて、該保持枠部材の外周に螺旋状に形成された溝によって形成されている凹凸状の放熱部が設けられているロータと、
   前記ロータを回転させるステータと、
   前記ロータにかかるスラスト荷重を受けるスラスト軸受と、を有し、
   前記螺旋状に形成された溝の回転によって生じるスラスト荷重は、前記スラスト軸受が受ける前記スラスト荷重とは逆向きである、ことを特徴とする電動機。

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