JP4010212B2 - Supercharger having rotating electrical machine lubricating oil discharging means - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の過給機に係り、特にタービンと圧縮機の組合せに電動機または電動発電機の如き回転電機が組み込まれた回転電機付き過給機に係る。
【0002】
【従来の技術】
【特許文献1】
特表2001−527613
【特許文献2】
特開平4−178147
【特許文献3】
特開昭63−129829
回転電機付き過給機は、例えば上記特許文献1に記載されている如く公知である。この公報に記載の過給機に於いては、回転電機である電動機は過給機のロータを支持する2つの軸受装置の間に設けられた電動機室内に配置されており、これら2つの軸受装置へ供給された潤滑油のうち電動機室内へ流出した分は電動機室内に軸受装置に沿って形成されたドレーン空間に集められて排出されるようになっている。
【0003】
特許文献2には、電動機に於いて、回転子と固定子の間に異物が侵入することを防止するため、回転子の一端部に設けられたフランジの外縁を固定子上に重なるよう拡径することが提案されている。
【0004】
特許文献3には、発電機と真空ポンプとが共通の駆動軸により駆動される構造に於いて、真空ポンプの摺動部の潤滑のために供給された潤滑油が発電機の側へ侵入するのを防止するため、両者の境界に於いて駆動軸にディスクを取り付け、該ディスクの外周円部を真空ポンプの側へ傾斜させ、その回りに潤滑油を集める環状溝を形成することが提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
過給機は、全力運転時には、毎分20万回転を越えるような高速にて運転される。一方、電動機や電動発電機の如き回転電機は、その作動効率を高めるためには回転子と固定子の間の間隙ができるだけ小さいことが望まれる。そのため過給機に組み込まれた回転電機の回転子と固定子の間の間隙が小さくされたとき、この間隙に潤滑油が侵入すると、この部分で回転子の回転に対する摩擦抵抗が増大することにより、過給機の作動効率が大きく損なわれるという問題がある。
【0006】
本発明は、回転電機付き過給機に於ける上記の問題に着目し、この問題を解決するよう回転電機付き過給機を改良することを課題としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するものとして、本発明は、タービンと圧縮機の組合せに回転電機が組み込まれた回転電機付き過給機にして、前記回転電機の回転子と固定子の間の間隙より潤滑油を排出する手段を有することを特徴とする過給機を提供するものである。
【0008】
前記潤滑油排出手段は前記回転子の少なくとも一方の軸端部に設けられた拡径部であってその上に付着した潤滑油液膜に該回転子の回転に伴い遠心力が作用したとき該遠心力により該液膜に前記間隙外へ向かう軸線方向力を作用させる拡径部を含んでいてよい。この場合、前記拡径部の半径は回転子の軸端へ向けて漸増されていてよい。また、前記拡径部には拡径方向に延在する溝が設けられていてよい。
【0009】
或いはまたは、前記潤滑油排出手段は回転子の外周面に沿って設けられた螺旋溝を含み、該螺旋溝は該回転子が回転するとき該回転子の軸端へ向けて流れる方向に傾斜していてよい。また、前記螺旋溝は外周面の軸線方向中央部から両軸端へ向けて対称に傾斜していてよい。
【0010】
或いはまた、前記潤滑油排出手段は前記間隙に空気を噴き込む手段を含んでいてよい。この場合、空気噴き込み手段は前記間隙の軸線方向中央部に空気を噴き込むようになっていてよい。
【0011】
尚、上記の軸端部の拡径、回転子外周面に沿った螺旋溝の形成、固定子と回転子間の間隙への空気の噴込みは、それぞれ単独で行なわれても、或は適宜に組み合わせて行われてもよい。
【0012】
【発明の作用及び効果】
上記の如くタービンと圧縮機の組合せに回転電機が組み込まれた回転電機付き過給機に於いて、回転電機の回転子と固定子の間の間隙より潤滑油を排出する手段が設けられるときには、回転子と固定子の間に潤滑油が侵入するようなことがあってもそれを該間隙外へ積極的に排除することができ、回転子と固定子の間の小さな間隙に潤滑油が侵入した状態で過給機ロータが高速回転することにより大きな摩擦損失が生ずるような事態を確実に回避することができる。
【0013】
前記潤滑油排出手段が回転電機の回転子の少なくとも一方の軸端部に設けられた拡径部を含み、該拡径部がその上に付着した潤滑油液膜に該回転子の回転に伴い遠心力が作用したとき該遠心力により該液膜に前記間隙外へ向かう軸線方向力を作用させるようになっていれば、過給機の停止中に潤滑油が前記間隙内へ侵入したとしても、過給機の作動開始により回転子が回転すれば、それを間隙外へ引き出して排出することができ、また過給機の作動中には潤滑油が前記間隙内へ向けて移動することを阻止することができる。
【0014】
回転子の端部に拡径部を設けることにより回転子の軸端部にてその周りに付着した潤滑油に対し前記間隙より離れる方向の力を及ぼす作用は、回転子の円筒状部から拡径部にかけてその壁面に付着する形に形成された潤滑油の液膜に拡径部に於いて遠心力による放射方向の力が作用し、それが液膜を伝わって円筒状部に及ぶことによるが、この場合、拡径部が軸端へ向けて半径を漸増させるよう円錐状或いは円弧錐状に形成されていれば、遠心力による放射方向の力が液膜を通じて円筒状部に及ぶ作用をより効果的に達成することができる。
【0015】
更にこの場合、拡径部に拡径方向に延在する溝が設けられていれば、かかる溝によって液膜を保持して拡径部の回転によりよく追従させ、拡径部に於ける液膜により強い遠心力を作用させることにより、円筒状部に於ける液膜に対する軸線方向の引っ張り力をさらに高めることができる。
【0016】
また、前記潤滑油排出手段が回転子の外周面に沿って設けられた螺旋溝を含み、該螺旋溝が該回転子の回転に連れて該回転子の軸端へ向けて流れる方向に傾斜するよう形成されていれば、前記間隙に存在する潤滑油は、回転子の回転で連れてかかる螺旋溝により捉えられ、それに沿って順次回転子の軸端へ向けて送られ、該間隙外へ排出される。この場合、該螺旋溝が回転子外周面の軸線方向中央部から両軸端へ向けて対称に傾斜していれば、前記間隙内に存在する潤滑油を回転子の軸長の半分以下というできるだけ短い距離の移動により該間隙外へ排出することができ、しかもそれを回転子の両軸端側へ分けて排出することにより、該間隙外への潤滑油の排出をより容易にすることができる。
【0017】
前記潤滑油排出手段が前記間隙に空気を噴き込む手段として構成されるときには、潤滑油排出の作用を行った後には自由に大気へ放出されてよい空気という媒体を用いて潤滑油の排出を行うことができ、作動媒体の処理が容易であるという利点が得られる。この場合、空気噴き込み手段が前記間隙の軸線方向中央部に空気を噴き込むようになっていれば、上記の傾斜溝を回転子外周面の軸線方向中央部から両軸端へ向けて対称に傾斜させる場合と同様に、前記間隙内に存在する潤滑油を回転子の軸長の半分以下というできるだけ短い距離の移動により該間隙外へ排出することができ、しかもそれを回転子の両軸端側へ分けて排出することにより、該間隙外への潤滑油の排出をより容易にすることができるという利点が得られる。
【0018】
【発明の実施の形態】
添付の図1は本発明による回転電機潤滑油排出手段を有する過給機の一つの実施例を示す幾分解図的縦断面図である。図に於いて、10はタービン部であり、12は圧縮機部であり、14は回転電機部である。タービン部のタービンロータ16と圧縮機部の圧縮機インペラ18と回転電機部の回転子20とが一体に連結された過給機ロータは、タービンロータと回転子との間の軸部22にて軸受24により回転式に支持されており、圧縮機インペラと回転子との間の軸部26にて軸受28により回転式に支持されている。回転電機14は回転子20の周りに設けられた固定子30を有している。尚、図1に於いては、固定子はコアの部分にてのみ示されており、コイルは図を簡単にするため省略されている。
【0019】
軸受24は、油路32より油路34を経て供給され油路36を経て排出される潤滑油により潤滑され、また軸受28は、油路38より油路40を経て供給され油路42を経て排出される潤滑油により潤滑されるようになっている。
【0020】
図2の(A)は図1に於ける回転電機14の部分を取り出し、幾分拡大して示す図である。(但し、コア30の直径は図示の都合上幾分縮小されている。)図1および2に於いては、回転子20と固定子30のコアの間の環状の間隙44は図を明瞭にする目的で拡大して示されているが、実際には回転電機の作動効率を高めるべく回転子と固定子コアの間に接触を生じない範囲で可及的に小さくされている。従って、そのような小さな間隙に潤滑油が侵入した状態で過給機ロータが高速にて回転されると、過給機ロータには大きな制動力が作用し、それだけ過給機の作動効率が低下する。尚、回転電機の固定子と回転子の間の間隙への潤滑油の侵入に対しては、固定子および回転子を液密にされたケース内に配置して該間隙への潤滑油の侵入を防ぐことも考えられるが、その場合、ケースを設ける分だけ過給機ロータの軸長が増大し、その剛性が低下するので好ましくない
【0021】
そこで図2の(A)に示す実施例に於いては、回転子20はその少なくとも一方の軸端(但し、図示の実施例では両方の軸端)に拡径部46が形成されている。間隙44内に潤滑油が侵入し或いは侵入しつつあるような状態では、当然軸端部上には潤滑油の油膜が形成されているので、このとき軸端部が拡径されていると、回転子の回転に伴って油膜に遠心力が作用し、油膜には放射方向の力が作用するので、拡径部より間隙へ向けて延在する油膜にはこれを間隙外へ引き戻そうとする引き戻し力が作用する。これは拡径部が一種の遠心ポンプ作用を行うことに相当している。
【0022】
上記の如き拡径部による遠心ポンプ作用を得るには、拡径部の表面に形成された液膜に作用する放射方向の力を間隙44へ向けてより効果的に作用させるべく、拡径部46は、その径が漸増するよう、図2の(A)に示されている如く円錐状に形成されるか、或いは図2の(B)に示されている如く円弧錐状に形成されるのが好ましい。
【0023】
更にまた、図2の(A)または(B)に示す如く形成された拡径部46に図3に示す如く拡径方向に延在する溝48が設けられれば、拡径部の表面に形成された油膜が溝48により捕捉されることによって該油膜は回転子の回転と共に確実に回転し、拡径部上の油膜より間隙44へ向けて及ぼされる吸引力はより一層強くなる。かかる溝48は図3に示す如く、拡径部の内周縁より外周縁へ向かうにつれて回転子の回転方向(図中矢印)に見て後方へ傾斜するよう螺旋状に湾曲して形成されるのが好ましく、また図示の如く拡径部の周方向に沿って適当な間隔を置いて複数個設けられるのが好ましい。
【0024】
図4は本発明による回転電機の間隙より潤滑油を排出させる手段の更に他の一つの実施例を示す回転子の外周面の解図的平面図である。この実施例に於いては、回転子20の外周面には、回転子が回転するときその軸端へ向けて流れる方向に傾斜して設けられた螺旋溝50が形成されている。かかる螺旋溝が設けられていると、回転子の外周面に付着した潤滑油は回転子がその外周面を図の矢印方向に移動させるよう回転するとき、螺旋溝50により捕捉されて軸端へ向けて移動され、間隙44外へ排出される。
【0025】
この場合、特に図に示す実施例の如く、螺旋溝50が回転子の軸線方向中央部から両軸端へ向けて対称に傾斜していると、間隙44より潤滑油を押し出す距離は回転子の軸長の半分以下になると同時に、間隙内の潤滑油は間隙の両端へ向けて2つに分かれて排出されるので、間隙44よりの潤滑油の排出がより容易になる。
【0026】
尚、図示の実施例では螺旋溝50は回転子の軸線方向中央部より両軸端へ向けて対称に1本ずつ設けられているが、かかる螺旋溝は周方向の位置をずらせて複数本設けられてもよい。
【0027】
図5は本発明による回転電機の間隙より潤滑油を排出させる手段の更に他の一つの実施例を示す図1と同様の過給機の幾分解図的縦断面図である。図5に於いて、図1に示した部分と同じ部分は図1に於けると同じ符号により示されている。
【0028】
この実施例に於いては、間隙44内へ空気を噴き込むことによって潤滑油が間隙44内へ侵入すること或いは間隙内に侵入した潤滑油を間隙外へ押し出すことが図られている。特に図示の実施例に於いては、導管52の先端部に設けられた空気噴出口54は間隙44の軸線方向中央部に位置しており、空気を間隙44の軸線方向中央部に噴き出すことが図られている。このように間隙の軸線方向中央部にて空気を噴き出すことにより、間隙内に存在する潤滑油は空気によって間隙の奥へ押しやられることなく必ず間隙の開口端へ向かう方向に押しやられ、より効率的に間隙外へ排出される。固定子30のコア56には、図5の矢印6−6方向に見た固定子の断面を示す図6に示されている如くコイル58を装着するための溝60が星形に形成されているので、かかる溝の開口端に沿って導管52の先端部を配置することにより、その空気噴出口54を間隙44の軸線方向中央部に位置させることができる。
【0029】
導管52によりその空気噴出口54を経て間隙44の中央部に噴き出された空気は、間隙の両軸端へ向けて流れた後、そこに残された適当な空隙を経て排出管62および64(排出管64は図5にて導管52の向こう側に偏倚して配置されている)を経て機外へ排出されればよい。
【0030】
以上に於いては本発明をいくつかの実施例について詳細に説明したが、これらの実施例について本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による回転電機潤滑油排出手段を有する過給機の一つの実施例を示す幾分解図的縦断面図。
【図2】図の(A)は図1に於ける回転電機14の部分を取り出し、幾分拡大して示す図であり、図の(B)はその変更例を示す同様の図。
【図3】図2の(A)または(B)に示す拡径部46に溝48を設ける実施例を示す回転子の一部断面による軸線方向図。
【図4】回転電機の間隙より潤滑油を排出させる手段の更に他の一つの実施例を示す回転子外周面の解図的平面図。
【図5】回転電機の間隙より潤滑油を排出させる手段の更に他の一つの実施例を示す図1と同様の幾分解図的縦断面図。
【図6】図5の矢印6−6方向に見た固定子の断面図。
【符号の説明】
10…タービン部、12…圧縮機部、14…回転電機部、16…タービンロータ、18…圧縮機インペラ、20…回転子、22…軸部、24…軸受、26…軸部、28…軸受、30…固定子、32,34,36,38,40,42…油路、44…間隙、46…拡径部、48,50…溝、52…導管、54…空気噴射口、56…コア、58…コイル、60…溝、62,64…排出管[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a supercharger for an internal combustion engine, and more particularly to a supercharger with a rotating electric machine in which a rotating electric machine such as an electric motor or a motor generator is incorporated in a combination of a turbine and a compressor.
[0002]
[Prior art]
[Patent Document 1]
Special table 2001-527613
[Patent Document 2]
JP-A-4-178147
[Patent Document 3]
JP 63-1229829 A
A supercharger with a rotating electrical machine is known as described in Patent Document 1, for example. In the supercharger described in this publication, an electric motor that is a rotating electric machine is disposed in an electric motor chamber provided between two bearing devices that support a rotor of the supercharger. Of the lubricating oil supplied to, the oil that has flowed into the motor chamber is collected in a drain space formed along the bearing device in the motor chamber and discharged.
[0003]
In Patent Document 2, in an electric motor, in order to prevent foreign matter from entering between the rotor and the stator, the diameter of the flange is increased so that the outer edge of the flange provided at one end of the rotor overlaps the stator. It has been proposed to do.
[0004]
In Patent Document 3, in a structure in which a generator and a vacuum pump are driven by a common drive shaft, lubricating oil supplied for lubrication of the sliding portion of the vacuum pump enters the generator side. In order to prevent this, it has been proposed to attach a disk to the drive shaft at the boundary between the two, tilt the outer circumference of the disk toward the vacuum pump, and form an annular groove around it to collect the lubricating oil. ing.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The supercharger is operated at a high speed exceeding 200,000 revolutions per minute during full power operation. On the other hand, in a rotating electrical machine such as an electric motor or a motor generator, it is desired that the gap between the rotor and the stator be as small as possible in order to increase the operating efficiency. Therefore, when the gap between the rotor and the stator of the rotating electrical machine incorporated in the supercharger is reduced, if the lubricating oil enters the gap, the frictional resistance against the rotation of the rotor increases at this part. There is a problem that the operating efficiency of the supercharger is greatly impaired.
[0006]
An object of the present invention is to improve the supercharger with a rotating electrical machine so as to solve this problem by paying attention to the above-mentioned problem in the supercharger with a rotating electrical machine.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a turbocharger with a rotating electrical machine in which a rotating electrical machine is incorporated in a combination of a turbine and a compressor, and lubricates from a gap between the rotor and the stator of the rotating electrical machine. The present invention provides a supercharger characterized by having means for discharging oil.
[0008]
The lubricating oil discharging means is a diameter-enlarged portion provided at at least one shaft end of the rotor, and when a centrifugal force is applied to the lubricating oil film adhering thereto on the lubricating oil film as the rotor rotates. A diameter-enlarged portion that causes an axial force to move out of the gap to the liquid film by centrifugal force may be included. In this case, the radius of the enlarged diameter portion may be gradually increased toward the shaft end of the rotor. Moreover, the said enlarged diameter part may be provided with the groove | channel extended in an enlarged diameter direction.
[0009]
Alternatively, the lubricating oil discharging means includes a spiral groove provided along the outer peripheral surface of the rotor, and the spiral groove is inclined in a direction of flowing toward the axial end of the rotor when the rotor rotates. It may be. Further, the spiral groove may be symmetrically inclined from the axial center portion of the outer peripheral surface toward both axial ends.
[0010]
Alternatively, the lubricating oil discharging means may include means for injecting air into the gap. In this case, the air injecting means may inject air into the central portion in the axial direction of the gap.
[0011]
The above-mentioned diameter expansion of the shaft end, the formation of the spiral groove along the outer peripheral surface of the rotor, and the injection of air into the gap between the stator and the rotor may be performed independently or as appropriate. It may be performed in combination.
[0012]
[Action and effect of the invention]
In the turbocharger with a rotating electrical machine in which the rotating electrical machine is incorporated in the combination of the turbine and the compressor as described above, when a means for discharging the lubricating oil from the gap between the rotor and the stator of the rotating electrical machine is provided, Even if lubricating oil enters between the rotor and the stator, it can be positively excluded from the gap, and the lubricating oil enters the small gap between the rotor and the stator. In this state, it is possible to reliably avoid a situation in which a large friction loss is caused by the high speed rotation of the supercharger rotor.
[0013]
The lubricating oil discharge means includes an enlarged diameter portion provided at at least one shaft end portion of the rotor of the rotating electric machine, and the enlarged diameter portion adheres to the lubricating oil liquid film on the lubricant oil film as the rotor rotates. If the centrifugal force causes the liquid film to act on the liquid film in the axial direction toward the outside of the gap, the lubricating oil may enter the gap while the turbocharger is stopped. If the rotor rotates due to the start of operation of the supercharger, it can be drawn out and discharged out of the gap, and the lubricating oil can move toward the gap during operation of the supercharger. Can be blocked.
[0014]
By providing an enlarged diameter portion at the end of the rotor, the effect of exerting a force in the direction away from the gap on the lubricant oil adhering to the periphery of the shaft end of the rotor is expanded from the cylindrical portion of the rotor. Radial force due to centrifugal force acts on the liquid film of the lubricating oil formed in a shape that adheres to the wall surface over the diameter part, and it is transmitted through the liquid film and reaches the cylindrical part. However, in this case, if the enlarged-diameter portion is formed in a conical shape or an arc-conical shape so as to gradually increase the radius toward the shaft end, the radial force due to the centrifugal force acts on the cylindrical portion through the liquid film. It can be achieved more effectively.
[0015]
Furthermore, in this case, if a groove extending in the diameter expansion direction is provided in the diameter-expanded portion, the liquid film is held by the groove and is made to follow the rotation of the diameter-expanded portion better, and the liquid film in the diameter-expanded portion By applying a stronger centrifugal force, it is possible to further increase the tensile force in the axial direction against the liquid film in the cylindrical portion.
[0016]
The lubricating oil discharging means includes a spiral groove provided along the outer peripheral surface of the rotor, and the spiral groove is inclined in a direction of flowing toward the shaft end of the rotor as the rotor rotates. If it is formed in this way, the lubricating oil present in the gap is caught by the spiral groove along with the rotation of the rotor, and is sequentially sent along the axial direction of the rotor, and discharged out of the gap. Is done. In this case, if the spiral groove is symmetrically inclined from the central portion in the axial direction of the outer peripheral surface of the rotor toward both shaft ends, the lubricating oil existing in the gap can be less than half of the axial length of the rotor. The oil can be discharged out of the gap by a short distance movement, and the oil can be easily discharged out of the gap by discharging the oil separately to both shaft end sides of the rotor. .
[0017]
When the lubricating oil discharging means is configured as means for injecting air into the gap, the lubricating oil is discharged using a medium of air that may be freely released to the atmosphere after the lubricating oil discharging action is performed. And the advantage that the working medium is easy to handle is obtained. In this case, if the air injection means is configured to inject air into the central portion in the axial direction of the gap, the inclined groove is symmetrically directed from the central portion in the axial direction of the outer peripheral surface of the rotor toward both axial ends. As in the case of inclining, the lubricating oil existing in the gap can be discharged out of the gap by moving as short as possible, that is, less than half of the axial length of the rotor, and it can be discharged to both ends of the rotor shaft. By discharging separately to the side, there is an advantage that the lubricating oil can be easily discharged out of the gap.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 attached herewith is a partially exploded longitudinal sectional view showing one embodiment of a supercharger having rotating electrical machine lubricating oil discharging means according to the present invention. In the figure, 10 is a turbine section, 12 is a compressor section, and 14 is a rotating electrical machine section. A turbocharger rotor in which a
[0019]
The
[0020]
FIG. 2A is a view showing a part of the rotating
Therefore, in the embodiment shown in FIG. 2A, the
[0022]
In order to obtain the centrifugal pump action by the above-mentioned enlarged-diameter part, the enlarged-diameter part is more effectively applied to the
[0023]
Furthermore, if a groove 48 extending in the diameter-expanding direction as shown in FIG. 3 is provided in the diameter-expanded
[0024]
FIG. 4 is an illustrative plan view of the outer peripheral surface of the rotor showing still another embodiment of means for discharging lubricating oil from the gap of the rotating electrical machine according to the present invention. In this embodiment, a
[0025]
In this case, in particular, as in the embodiment shown in the figure, when the
[0026]
In the illustrated embodiment, one
[0027]
FIG. 5 is a partially exploded longitudinal sectional view of a turbocharger similar to FIG. 1, showing still another embodiment of means for discharging lubricating oil from the gap of the rotating electrical machine according to the present invention. In FIG. 5, the same parts as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as in FIG.
[0028]
In this embodiment, by injecting air into the
[0029]
The air blown out to the central portion of the
[0030]
While the invention has been described in detail with reference to several embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications can be made to these embodiments within the scope of the invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded longitudinal sectional view showing one embodiment of a supercharger having rotating electrical machine lubricating oil discharging means according to the present invention.
FIG. 2A is a view showing a part of the rotating
FIG. 3 is an axial direction view with a partial cross section of a rotor showing an embodiment in which a groove 48 is provided in the
FIG. 4 is an illustrative plan view of a rotor outer peripheral surface showing still another embodiment of means for discharging lubricating oil from the gap of the rotating electrical machine.
FIG. 5 is an exploded longitudinal sectional view similar to FIG. 1, showing still another embodiment of means for discharging lubricating oil from the gap of the rotating electrical machine.
6 is a cross-sectional view of the stator as seen in the direction of arrow 6-6 in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
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