JP5062464B2

JP5062464B2 - モータロータ

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Publication number: JP5062464B2
Application number: JP2006167365A
Authority: JP
Inventors: 康行渋井; 政宏清水
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2006-06-16
Filing date: 2006-06-16
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2026-06-16
Also published as: US7834504B2; CN101473512B; WO2007145023A1; US20090195102A1; KR20090011032A; KR101004188B1; EP2031732A4; EP2031732A1; CN101473512A; EP2031732B1; JP2007336738A

Description

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。

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を電動過給機という。

この種の電動過給機の構成について簡単に説明すると、回転軸の両端にタービンイ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が、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。

このような電動過給機のモータロータが、下記特許文献１に開示されている。図４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に挿着されたインナースリーブ５１と、インナースリーブ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、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。

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４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、削られる量によって、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。

このような問題に対処するため、図５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に挿着されたインナースリーブ５１と、インナースリーブ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。

米国特許第６，０８５，５２７号明細書（図５）

図５において符号Ｌは、エンドリング５４に作用する周方向応力の、軸方向における分布を示す曲線である。図５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５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べ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。

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。

上述した課題を解決するため、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、本発明にか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み、締り嵌めで嵌合している中空円筒形の永久磁石と、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。

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。

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。

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。

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。

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。

図１は、本発明の実施形態にか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。

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。

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。また、流路１８ｂにノズル翼１９の無い形態であってもよい。

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ディフューザ２０ｂを有する。

電動過給機は、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。
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。

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。

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の外周面及びベ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。

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。

図２は、図１に示したモータロータ２２の拡大図である。図２に示すように、本実施形態にかかるモータロータ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、からなる。
本実施形態では、モータ軸３０は、タービン軸１２に挿着された中空円筒形のインナースリーブであり、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と一体になって回転する。
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く、この場合、中空円筒形でなくてもよい。

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。

図２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よりも比較的柔らかく弾性変形しやすい。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っていた。

これに対し、本発明にかかるモータロータ２２では、図２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っている。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。

図５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が、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５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３３ａ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。

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く、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。

図５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周方向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。

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。

図３は、本発明の別の実施形態にかかるモータロータ２２の構成を示す断面図である。図３において、図２と同一部分には同一符号を付している。
図２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３２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が、このような構成に代えて、アウタースリーブ３３の外径が、永久磁石３１側からエンドリング３２側に向っ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３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５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２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。

上述したように、図５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。

なお、図３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が、図５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い。また、アウタースリーブの縮径は、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。

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が、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。

本発明の実施形態にか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。本発明の実施形態にかかるモータロータの構成を示す図である。本発明の別の実施形態にかかるモータロータの構成を示す図である。従来のモータロータの構成を示す図である。従来の別のモータロータの構成を示す図である。

符号の説明

１０電動過給機
２１電動機
２２モータロータ
３０モータ軸（インナースリーブ）
３１永久磁石
３２エンドリング
３３アウタースリーブ
３３ａ大径部
３３ｂ小径部
３３ｃテーパ部

Claims

モータ軸と、該モータ軸を軸周りに囲み、締り嵌めで嵌合している中空円筒形の永久磁石と、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。
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。
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。