(57)【要約】【課題】回転系の振動を抑えることができ、低い電源電圧で駆動可能な電動機を用いて安定した運転を維持することができる電動アシスト型ターボチャージャーを提供すること。【解決手段】タービン回転部３ａに連結される第１軸受け機構４に対してコンプレッサ２、アシスト電動機６及び第２軸受け機構７が順次配置され、コンプレッサホイール２ａ及び電動機ロータ６ａは、第１及び第２軸受け機構４，７によって両側から支持される。電動機６のステータコイルに繋がる引出し線は回転軸方向に電動機６の外側壁まで延びて外側壁からの突出部が給電用端子として利用される。電動機外側壁に電力変換器１１を取り付けて一体構造にすることができる。電動機６に誘導機を用い、アシスト不要の際は、電力変換器１１をゲートオフしたり電動機６に励磁電流のみを供給して待機状態とすることができる。エンジンブレーキが必要な場合には電動機６を回生モードで運転させる。【選択図】図２
2006320143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気ガスで駆動されるタービン回転部に連結される第１軸受け機構と、
エンジンに加圧空気を送り込むための回転部を有し、回転部の一端が第１軸受け機構により支持されるコンプレッサと、
コンプレッサの回転部の他端に駆動軸の一端が連結されたアシスト電動機と、
アシスト電動機の駆動軸の他端を支持する第２軸受け機構と
を具備することを特徴とする電動アシスト型ターボチャージャー。
【請求項２】
アシスト電動機のステータコイルに繋がる引出し線が回転部の軸方向にアシスト電動機の外側壁まで延びており、
引出し線の外側壁から突出した端部が給電用端子として形成される
ことを特徴とする請求項１に記載の電動アシスト型ターボチャージャー。
【請求項３】
アシスト電動機の外側壁端面には、アシスト電動機を駆動するための電力変換器が取り付けられることを特徴とする請求項２に記載の電動アシスト型ターボチャージャー。
【請求項４】
エンジンの排気ガスで駆動されるタービン回転部に連結され、エンジンに加圧空気を送り込むための回転部を有するコンプレッサと、
コンプレッサの回転部に駆動軸が連結された誘導機構造のアシスト電動機と、
アシスト電動機を駆動する電力変換器と
を具備し、
電力変換器は、アシスト電動機がタービン回転部により強制的に回転されて駆動トルクを必要としない場合に、ゲートオフしアシスト電動機を電源から切り離す
ことを特徴とする電動アシスト型ターボチャージャー。
【請求項５】
エンジンの排気ガスで駆動されるタービン回転部に連結され、エンジンに加圧空気を送り込むための回転部を有するコンプレッサと、
コンプレッサの回転部に駆動軸が連結された誘導機構造のアシスト電動機と、
アシスト電動機を駆動する電力変換器と
を具備し、
電力変換器は、アシスト電動機がタービン回転部により強制的に回転されて駆動トルクを必要としない場合に、アシスト電動機の回転周波数と同じ周波数で励磁電流のみを与える電圧をアシスト電動機に加える
ことを特徴とする電動アシスト型ターボチャージャー。
【請求項６】
エンジンの排気ガスで駆動されるタービン回転部に連結され、エンジンに加圧空気を送り込むための回転部を有するコンプレッサと、
コンプレッサの回転部に駆動軸が連結されたアシスト電動機と、
アシスト電動機を駆動する電力変換器と
を具備し、
電力変換器は、エンジンブレーキが必要な場合に、アシスト電動機を回生モードで運転させる
ことを特徴とする電動アシスト型ターボチャージャー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動車用エンジンを加速する際にターボチャージャーのコンプレッサ駆動を電動機でアシストする電動アシスト型ターボチャージャーに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ターボチャージャー（過給機）を使った自動車用エンジンにおいて、エンジンの加速時に、ターボチャジャーのタービンホイールを駆動するコンプレッサ（圧縮機）の回転数が上がらずエンジンに十分な空気を送り込めないので、コンプレッサ駆動を電動機でアシスト（支援）してエンジンに十分な空気を送り、低速時におけるエンジンの馬力改善や空燃比の改善を行い排ガスの浄化対策を図る技術の開発が進められている。このようにコンプレッサ駆動を電動機でアシストするターボチャージャーには、コンプレッサに電動機を直結する電動機による直接駆動方式があり、直接駆動方式では毎分５万回転以上というような高速度で電動機を回転させる必要がある。
【０００３】
この種の従来技術では、例えば、特許文献１に示されるように、ターボチャージャーのタービンとコンプレッサの間にアシスト電動機が設けられる。
【特許文献１】特表２００４−５１２４５３号公報
【０００４】
このような従来技術による電動アシスト型ターボチャージャーでは、図１に示すように、タービンハウジングＴＨに軸受け部ＢＨを介してアシスト電動機ＡＭ及びコンプレッサＣＭが取り付けられる。軸受け部ＢＨ内の軸受け部材ＢＥを介してタービンホイールＴＷと電動機ロータＭＲ及びコンプレッサホイールＣＷとを連結する回転軸ＲＸは、軸受け部材ＢＥの２つの軸受けＢ１，Ｂ２によって２点で支持され、電動機ロータＭＲ及びコンプレッサホイールＣＷが軸受けＢ１，Ｂ２からオーバーハングしている。また、回転軸ＲＸに結合される電動機ロータＭＲは永久磁石で構成される。
【０００５】
このように、従来方式では、タービンハウジングＴＨ及び軸受け部ＢＲから電動機ＡＭ及びコンプレッサＣＭの回転系がオーバーハングする片側２点支持の軸受け構造になっている。このため、高速回転時には、電動機ロータＭＲの偏心、バネ特性、振れ等が増大するので、電動機ＡＭの高速運転を維持することができなくなることがある。
【０００６】
また、従来方式の電動機ＡＭでは、端子ＴＭに供給される駆動電圧を数十ボルト〔Ｖ〕程度としているので、自動車用電源（通常、１２Ｖ）のような低い電源電圧で駆動するためには電源電圧を昇圧しなければならず、また、ロータＭＲには永久磁石を用いている（同期電動機）ので、高速回転下では、減磁や損失などの電磁的乃至機械的な特性劣化が顕著に現れて実用には耐えられない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明は、このような事情に鑑み、回転系の振動を抑えることができ、低い電源電圧で駆動可能な電動機を用いて安定した運転を維持することができる電動アシスト型ターボチャージャーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の１つの特徴に従うと、エンジン（１）の排気ガス（Ｅｘ）で駆動されるタービン回転部（３ａ）に連結される第１軸受け機構（４）と、エンジン（１）に加圧空気（Ａｒｐ）を送り込むための回転部（２ａ：５）を有し、回転部（２ａ：５）の一端が第１軸受け機構（４）により支持されるコンプレッサ（２）と、コンプレッサ（２）の回転部（２ａ：５）の他端に駆動軸（６ａ：５）の一端が連結されたアシスト電動機（６）と、アシスト電動機（６）の駆動軸（６ａ：５）の他端を支持する第２軸受け機構（７）とを具備する電動アシスト型ターボチャージャー〔請求項１〕が提供される。なお、括弧書きは、理解の便の為に付した実施例の参照記号乃至用語である。
【０００９】
この電動アシスト型ターボチャージャーにおいては、アシスト電動機（６）のステータコイル（ａ〜ｃ）に繋がる引出し線（６ｅ）が回転部（６ａ：５）の軸方向にアシスト電動機（６）の外側壁（６ｄ，１１ｃ）まで延びており、引出し線（６ｅ）の外側壁（６ｄ，１１ｃ）から突出した端部（６ｆ）が給電用端子として形成される〔請求項２〕ように構成することができる。
【００１０】
また、この電動アシスト型ターボチャージャーにおいては、アシスト電動機（６）の外側壁（１１ｃ）端面には、アシスト電動機（６）を駆動するための電力変換器（１１）が取り付けられる〔請求項３〕ように構成することができる。
【００１１】
この発明の別の特徴に従うと、エンジン（１）の排気ガス（Ｅｘ）で駆動されるタービン回転部（３ａ）に連結され、エンジン（１）に加圧空気（Ａｒｐ）を送り込むための回転部（２ａ：５）を有するコンプレッサ（２）と、コンプレッサ（２）の回転部（２ａ：５）に駆動軸（６ａ：５）が連結された誘導機構造のアシスト電動機（６；図６）と、アシスト電動機（６）を駆動する電力変換器（１１）とを具備し、電力変換器（１１）は、アシスト電動機（６）がタービン回転部（３ａ）により強制的に回転されて駆動トルクを必要としない場合に、ゲートオフしアシスト電動機（６）を電源から切り離す（Ｂ１２）電動アシスト型ターボチャージャー〔請求項４〕が提供される。
【００１２】
この発明の更に別の特徴に従うと、エンジン（１）の排気ガス（Ｅｘ）で駆動されるタービン回転部（３ａ）に連結され、エンジン（１）に加圧空気（Ａｒｐ）を送り込むための回転部（２ａ：５）を有するコンプレッサ（２）と、コンプレッサ（２）の回転部（２ａ：５）に駆動軸（６ａ：５）が連結された誘導機構造のアシスト電動機（６；図６）と、アシスト電動機（６）を駆動する電力変換器（１１）とを具備し、電力変換器（１１）は、アシスト電動機（６）がタービン回転部（３ａ）により強制的に回転されて駆動トルクを必要としない場合に、アシスト電動機（６）の回転周波数（ｆｒ）と同じ周波数で励磁電流（ｉｆ）のみを与える電圧（Ｖｍ）をアシスト電動機（６）に加える電動アシスト型ターボチャージャー〔請求項５〕が提供される。
【００１３】
この発明の他の特徴に従うと、エンジン（１）の排気ガス（Ｅｘ）で駆動されるタービン回転部（３ａ）に連結され、エンジン（１）に加圧空気（Ａｒｐ）を送り込むための回転部（２ａ：５）を有するコンプレッサ（２）と、コンプレッサ（２）の回転部（２ａ：５）に駆動軸（６ａ：５）が連結されたアシスト電動機（６）と、アシスト電動機（６）を駆動する電力変換器（１１）とを具備し、電力変換器（１１）は、エンジンブレーキが必要な場合に、アシスト電動機（６）を回生モードで運転させる（Ｂ４，Ｂ５：ｓｆ２）電動アシスト型ターボチャージャー〔請求項６〕が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
従来技術による片側支持のものでは、アシスト電動機の電磁力が、偏心、磁気ばねの負のばね定数による影響、ロータの振れによる磁気力増大等により、“梃子（てこ）の比”で増大して振動感度が高くなり、高速域における３次の振動モードの振幅が大きくなって高速運転を持続することができないのに対して、この発明による電動アシスト型ターボチャージャー〔請求項１〕では、コンプレッサ（２）及びアシスト電動機（６）の回転系（５）の両軸端を第１及び第２軸受け機構（４，７）で支持する構造を採用しているので、特に、高速回転域における３次モードの振動振幅を十分に減衰させて高速運転時の振動問題を解決することができる。また、第１軸受け機構（４）については、ターボチャージャー（電動アシスト無し）に通常使用されている２点支持ベアリングを用いることができるので、大幅な設計変更をしないで済み、生産的にも有利である。
【００１５】
ターボチャージャーのアシスト電動機のように低圧高速電動機では、電動機インダクタンスが非常に小さくなるので、電動機の各相ステータコイル端から引出し線で周面の給電用端子に繋げる従来の構造によると、各相間にインピーダンス差が生じて電流がアンバランスになり、回転振動等の問題が生じるが、この発明による電動アシスト型ターボチャージャー〔請求項２〕では、アシスト電動機（６）の各相給電用端子（６ｆ）に繋がる引出し線（６ｅ）を軸方向に平行に出す構造としているので、電動機内部において、各相ステータコイルを結ぶ電路の長さを等しくすることができ、各相間の電流アンバランスによる諸問題を解決することができる。
【００１６】
ターボチャージャーのアシスト電動機では、使用される自動車用バテリー電源の電圧が１２Ｖと低いので電動機電流は大きく、また、高速で駆動するため電源周波数（２〜３ｋＨｚ）が大きくなってインピーダンス降下は運転上無視し得ない値になる。これに対して、この発明による電動アシスト型ターボチャージャー〔請求項３〕では、電力変換器（１１）がアシスト電動機（６）に直接取り付けられ一体構造になっているので、電動機（６）からの距離を最短にし、インピーダンス降下を極めて小さくすることができる。また、電力変換器（１１）への給電線（１２）については、直流を給電するので、周波数によるインピーダンス降下の影響も無く、さらに、直流給電線の本数も１或いは２本で済み、狭いエンジンルームでの実装も容易になる他、放射ノイズの面でも有利になる。
【００１７】
ターボチャージャーのアシスト電動機は、一般に、負荷率が低いので（一回の負荷時間は数秒、全体負荷率は２０％以下）、この発明による電動アシスト型ターボチャージャー〔請求項４〕では、誘導機構造のアシスト誘導機（６；図６）を使用することにより、ターボチャージャーのタービン（３）で駆動されている時は電力変換器（１１）のインバータ（１１Ａ）をゲートオフ（Ｂ１２）してアシスト電動機（６）を周波数電源（１１Ａ）から遮断して、コンプレッサ（２）をアシスト駆動する負荷時の待機をさせることができる。このように、アシストが不要の際には、電源からアシスト電動機を遮断して待機状態にしておくので、アシスト電動機のロータ損失を発生させないようにしてロータの温度上昇を防止することができる。また、ロータ温度上昇による不安定な回転振動の防止やシステム効率の向上を図ることができる。
【００１８】
また、この発明による電動アシスト型ターボチャージャー〔請求項５〕では、誘導機構造のアシスト電動機（６；図６）を使用することにより、駆動トルクを必要としない際に上述のようにインバータ（１１Ａ）をゲートオフせず、電動機回転周波数（ｆｒ）と同じ周波数の電圧をアシスト電動機（６）に加え、励磁電流（ｉｆ）のみを流して待機状態とすることができ、トルクが必要な際にのみアシスト電動機（６）にトルク指令（ｓｆ）を与える制御を行うことができる。すなわち、コンプレッサ（２）をアシスト駆動する再負荷時は、電動機励磁が待機中に確立しているので、直ちにトルク指令（ｓｆ）により電動機トルクを立ち上げて速やかな応答を実現することができる。さらに、アシストに誘導機を用いるので、同期機を用いた場合のように高速時の制御遅れによるトルクの低下はほとんどない。
【００１９】
この発明による電動アシスト型ターボチャージャー〔請求項６〕では、エンジンブレーキが必要な際に、アシスト電動機を回生モードで動作させるようにしているので、エンジンブレーキ性能を向上し、エネルギーを電源側に回生することにより燃費の改善を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
〔システムの概要〕
図２は、この発明の一実施例による電動アシスト型ターボチャージャーを含むシステムの概要を表わすシステム概要図である。エンジン１は、燃料噴射弁１ａを有し、燃料噴射弁１ａにより噴射される燃料成分をコンプレッサ２からの加圧空気Ａｒｐに混合してマニホルドを通し、燃料成分が気化した加圧混合ガスをシリンダに送り込み、シリンダ内で混合ガスを燃焼させて動力を発生する。燃焼後の排気ガスＥｘは、タービン３に供給された後外部に排出され、エンジン１の高速回転時には、排気ガスＥｘの一部がウェストゲート弁１ｂを通じてそのまま排出される。
【００２１】
タービン３のタービンホイール（翼車）３ａは、第１軸受け部４の２つの軸受け（ベアリング）４ａ，４ｂ（斜線部）を介してコンプレッサ２のコンプレッサホイール（翼車）２ａに連結され（以下、軸受け４ａ，４ｂを夫々「第１軸受け」及び「第２軸受け」と呼ぶ）、コンプレッサホイール２ａには電動機６のロータ６ａが連結される。すなわち、タービンホイール３ａ、コンプレッサホイール２ａ及び電動機６のロータ６ａは相互に結合され、これらが結合された回転系の軸は回転軸５で示される。この回転軸５は、電動機ロータ６ａから更に電動機ハウジング６ｂの外側壁（なお、「外」又は「外側」はタービン３とは反対の軸方向を指す）まで延び、外側壁近傍に設けられた第２軸受け部７の軸受け（ベアリング）７ａ（斜線部）よって回転軸５の端部が支持される。
【００２２】
また、回転軸５の末端には回転センサ８が設けられ、回転センサ８は、回転軸５の回転状態を表わす回転検出信号Ｎｒを信号線９に送り出すことができる。そして、電動機６には交流給電線１０を通じて電力変換器（インバータ）１１からの高周波電力が供給され、電力変換器１１には、直流給電線１２を通じて、１２Ｖのバッテリ電源を含む電源部１３からの直流電力が供給される。
【００２３】
このような構成により、タービン３、コンプレッサ２及び電動機６の回転系が互いに連結されるので、エンジン１の排気ガスＥｘにより回転されるタービンホイール３ａからの動力が与えられるコンプレッサホイール２ａには、さらに、電力変換器１１からの給電により発生する電動機ロータ６ａからの動力が加えられ、エンジンへの加圧空気Ａｒｐは、タービン３のみで駆動する場合よりも加圧することができる。従って、外部からの空気Ａｒをコンプレッサホイール２ａの回転により加圧した加圧空気Ａｒｐをコンプレッサ２からエンジン１に送り込む過給機構の機能を効率化することができる。
【００２４】
エンジン制御部１４は、アクセルペダル１５の操作に基づくスロットル信号Ｔｈ、エンジン１の回転数Ｎｅやクランク角信号Ａｅ、マニホルド信号Ｍｎ、エンジンブレーキ信号Ｅｂ、各種温度センサ信号Ｔｍや車速信号Ｓｐなどの種々の入力を受けて、これらの信号を処理する。そして、燃料制御信号Ｆｃ、ウェストゲート弁制御信号Ｗｃ、変換器制御信号Ｉｃを、それぞれ、燃料噴射弁１ａ、ウェストゲート弁１ｂ、電力変換器１１に出力し、これらの制御機器の動作を制御する。また、電力変換器１１は、エンジン制御部１４からの変換器制御信号Ｓｃ及び回転センサ８からの回転検出信号Ｎｒに基づいて、電動機６への電力供給を制御する。
【００２５】
ここで、図２を用いて、この発明の一実施例による電動アシスト型ターボチャージャーの特徴的な機能を極く概略的に説明すると次のとおりである：この電動アシスト型ターボチャージャーでは、タービン回転部３ａに連結される第１軸受け機構４に対してコンプレッサ２、アシスト電動機６及び第２軸受け機構７が順次配置され、コンプレッサホイール２ａ及び電動機ロータ６ａは、第１及び第２軸受け機構４，７によって、両側から支持される。電動機６のステータコイルに繋がる引出し線は回転軸方向に電動機６の外側壁まで延びて電動機外側壁からの突出部が給電用端子として利用される。電動機外側壁に電力変換器（インバータ）１１を取り付けて一体構造にすることができる。アシスト電動機６に誘導機を用いて、アシスト不要の際は、電力変換器１１をゲートオフしたり電動機６に励磁電流のみを供給して待機状態とすることができる。また、エンジンブレーキが必要な場合には電動機６を回生モードで運転させる。
【００２６】
〔要部の構造例〕
この発明の一実施例による電動アシスト型ターボチャージャーにおいては、回転系の振動抑制のために、タービンハウジングに取り付られた２点支持型の第１軸受け部にコンプレッサが取り付けられ、さらに、コンプレッサの外側にアシスト電動機及び第２軸受け部が順次取り付けられる。つまり、第１軸受け部の２つの軸受けと第２軸受け部の軸受けとによってコンプレッサホイール及び電動機ロータから成る回転系を支持することにより、高速回転時の振動を十分に抑制することができる。図３及び図４は、この発明の一実施例による電動アシスト型ターボチャージャーの要部を軸に直交する方向から見た正面の断面図及び軸方向から電動機側を見た側面図を示す。
【００２７】
タービン３・コンプレッサ２間に介在する第１軸受け部４には、図１の従来技術と同様に、標準的に使われている２点支持型のベアリング構体を使用することができる。すなわち、軸受けハウジング４ｃ内に収納された第１及び第２軸受け４ａ，４ｂは、タービン３のタービンホイール３ａとコンプレッサ２のコンプレッサホイール２ａとの連結軸４ｄを２点で支持する。また、給油口４ｅから供給される潤滑油が両軸受け４ａ，４ｂを潤滑した後、排油口４ｆから排出され、タービンホイール３ａとコンプレッサホイール２ａとの連結部の両端外周と、軸受けハウジング４ｃのタービン３側及びコンプレッサ２側の両側壁内周との間にオイルシール用リング（黒い小部分）が設けられる。
【００２８】
コンプレッサ２は、コンプレッサハウジング２ｂ内にコンプレッサホイール２ａを備え、コンプレッサハウジング２ｂは、電動機６側に外側壁２ｃを有し、何れも回転軸５に直交する方向に向いた空気導入口２ｄ及び加圧空気出力口２ｅ（図４参照）を備える。電動機６は、コンプレッサ２の外側壁２ｃと電動機ハウジング６ｂで囲まれた空間内に、電動機の主要素であるステータ６ｃ及びロータ６ａを備えており、ステータ６ｃは、コンプレッサ外側壁２ｃを挿通する固定部材（ネジ）により電動機ハウジング６ｂの側面部に取り付けられる。なお、コンプレッサーホイール２ａの向きを図示とは逆向きにしてもよい。
【００２９】
以上のようなコンプレッサ２及び電動機６の構造により、コンプレッサハウジング２ｂ及び電動機ハウジング６ｂ内に圧縮機構及び電動機構を備える第１の電動アシストアセンブリ２０が構成される。
【００３０】
電動機ハウジング６ｂは、ステータ６ｃが取り付けられる側面部からコンプレッサ２と反対側に張り出した張出し部６ｄを有し、この張出し部６ｄの外側壁には電動機６のステータコイルの引出し線６ｅが挿通され、これらの引出し線６ｅは、それぞれ、外側壁の外側に設けられた給電用端子６ｆに接続される。また、電動機ロータ６ａの回転軸は、一方の端部がコンプレッサホイール２ａと連結され、他方の端部が第２軸受け部７の軸受け７ａで支持される（以下、軸受け７ａを「第３軸受け」と呼ぶ。）。
【００３１】
このように、コンプレッサホイール２ａ及び電動機ロータ６ａから成る回転系が、回転系の両端にある第１及び第２軸受け４ａ，４ｂ（第１軸受け部４）と第３軸受け７ａ（第２軸受け部７）とによって支持され、オーバーハングしないような構造を採用することにより、高速回転時の振動を十分に抑制することができる。
【００３２】
前述したように、図１に示される従来技術では、タービンハウジング（ＴＨ）及び軸受け部（ＢＲ）から電動機（ＡＭ）及びコンプレッサ（ＣＭ）がオーバーハングする片側軸受け構造になっていると、高速回転に伴い、電動機ロータ（ＭＲ）の偏心、バネ特性、振れ等が増大するので、電動機（ＡＭ）の運転を維持することができなくなる。これは、ターボチャージャーのように高速回転させるものでは、電動機ロータが僅かに偏心していても電磁力の偏位が増大したり、磁気ばねの負のばね定数による電磁力への影響が顕著になり、また、電動機ロータの振れによる磁気力が増大する等、電動機の電磁力が“梃子（てこ）の比”で増大するので、振動感度が高くなり、特に、高速運転域における３次の振動モードの振幅が極端に大きくなってしまい、高速運転が困難となることによる。
【００３３】
図５は、軸受け構造に対応する回転系の回転数と振動振幅との関係を表わす振動特性図を示す。図５において、図１の従来技術による振動特性は、軸受け（ＢＲ）からのオーバーハングがあるために、曲線Ａで表わされるように、３次モード（曲げモードともいう）の振動に大きなピークＰｋ３が出る。これに対して、この発明の一実施例による電動アシスト型ターボチャージャーでは、曲線Ｂで表わされるように、良好な振動特性を示す。
【００３４】
つまり、このターボチャージャーでは、コンプレッサホイール２ａ及び電動機ロータ６ａは、両端に位置する第１及び第２軸受け４ａ，４ｂと第３軸受け７ａで支持され、軸受け部４からのオーバーハングがない構造にしてあるので、図５の振動特性曲線Ｂに示すように、高速運転域における電動機の磁気力の影響を減らして３次の振動モードを十分減衰させることができ、高速回転時の振動問題を解決することができる。また、第１軸受け部４には、標準のターボチャージャー（電動アシスト無し）に用いられている軸受けアセンブリを大幅な構造変更なしに用いることができるので、生産的にも有利である。
【００３５】
図３及び図４の例では、電動機６のロータ６ａは電動機回転軸と一体化され、ロータ６ａと一体化された電動機回転部は、第１及び第２軸受け４ａ，４ｂで支持されるタービンホイール３ａとコンプレッサホイール２ａとの連結部に連なる回転軸と結合されて回転軸５を構成する。さらに、コンプレッサハウジング２ｂの外側壁は、電動機ハウジング６ｂの一部として共用される共通構造になっているので、ターボチャージャーの軸受け４ｂ，７ａ間における回転系の軸長を短くすることができる。また、第２軸受け部７は、電動機ハウジング６ｂの張出し部６ｄ内に取り付けられ、第２軸受け部７から突出した回転軸５の末端部には回転センサ８が設けられる。そして、回転センサ８に接続される信号線９が電動機ハウジング６ｂの張出し部６ｄから外部に取り出される。
【００３６】
この例では、電動機ステータ６ｃに装着されるステータコイルには、バー（棒）状の形状をしたバー導体が使用され、各相ステータコイルの端部となるバー状導体については、そのまま回転軸方向に平行に延び、電動機ハウジング６ｂの外側壁の外面に突出している。そして、これらのバー状導体のステータ６ｃから外側壁までの部分は引出し線６ｅとして機能し、外側壁の外面から突出した端部は給電用端子（口出し線ともいう）６ｆとして用いられる。なお、図示の例では、給電用端子６ｆは３つ備えられ、電力変換器１１から３相交流給電線１０を通じて３相高周波電力が供給される。
【００３７】
図３及び図４には示されていないが、各相ステータコイルを形成するバー状導体の給電端以外の端部は、電動機ステータ６ｃの端面に設けられ渡り線として機能する円弧状の板状接続体で接続され、これらの板状接続体は、各相で電路の長さが等しくなるように形成される（図６参照）。
【００３８】
アシスト電動機６は、低電圧（例えば、自動車用１２Ｖ電源）で高速駆動すると、周波数が高く電動機電流が非常に大きく各相間のインピーダンス差が顕著に現れるので、図１の従来技術のように端子ＴＭを電動機周側面に設けた構造で電動機の各相に給電する場合、各相間のインピーダンスバランスを取ることが難しくなり、各相インピーダンス間にアンバランスが生じて各相電流がアンバランスになってしまい、回転振動等の問題が生じる。そのため、通常は、電源電圧を一旦昇圧してから（例えば、７２Ｖ以上）電力変換器（インバータ）を駆動する方法を採るが、この方法では、昇圧回路が必要になり、電路にインダクタンス成分が必要となって電力変換器のサイズが大きくなる他、損失も大きくなるという弊害がある。
【００３９】
これに対して、この電動アシスト型ターボチャージャーのアシスト電動機では、給電用端子６ｆに繋がる引出し線６ｅは、上述のように、ステータ６ｃのステータコイルから回転軸方向に平行に取り出されて各相で長さを互いに等しくし、また、各相ステータコイルを形成するバー状導体が各相で等長の板状接続体で相互に接続される構造にすることによって、低電圧かつ高速で駆動しても、電動機内部における各相インピーダンス間のばらつきが小さくなって相間のインピーダンス差を低減することができ、上述した諸問題を一挙に解決することができる。
【００４０】
〔アシスト電動機の構成例〕
この発明の一実施例による電動アシスト型ターボチャージャーにおいては、アシスト電動機として、種々のタイプの多相電動機を使用することができるが、特に、誘導電動機が好適に用いられる。図６は、この発明の一実施例による電動アシスト型ターボチャージャーに用いられる誘導電動機の構成例を示す。
【００４１】
図６において、ステータ６ｃは、「クローズドスロットステータ」と呼ばれる構造を呈しており、内周近傍に全閉形かつ深溝形のコイルスロットＳ１〜Ｓ６（参照記号Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６は図示されていない）が設けられ、各スロットの内周側断面が先細になっており、ステータ６ｃの隣接スロット間隔が拡げられている。各スロットＳ１〜Ｓ６のステータ外周側の広い部分は、スロット底部と呼ばれ、断面が円形（矩形でもよい）になっている。スロット底部には、全体的にバー（棒）状の形をしており断面が円形（矩形でもよい）のバー導体ａｉ〜ｃｋが組み込まれる。これによって、各スロットＳ１〜Ｓ６でのコイル占有率を上げ、電流容量を増大すると共に、空隙の磁束密度を高くし、高トルクを得ることができる。
【００４２】
この例では、Ａ相〜Ｃ相ステータコイルは、第１及び第２バー導体ａｉ，ａｋ；ｂｉ，ｂｋ；ｃｉ，ｃｋを備え、各相ステータコイルの端部となる第１バー導体ａｉ，ｂｉ，ｃｉの一端は、ステータ６ｃの一端面から等しい長さで突出しており、これらの突出部分は、図３で説明した引出し線６ｅ及び給電用端子（口出し線）６ｆとして機能する。ステータ６ｃの各端面には、絶縁スペーサｓｐを介して、中性点となる共通接続体ｎ及び各相導体同士を接続する導体間接続体ａｊ〜ｃｊが設けられ、各相ステータコイルの第２バー導体ａｋ，ｂｋ，ｃｋの一端は、ステータ６ｃの一端面で共通接続体ｎにより共通接続され、各相の第１及び第２バー導体ａｉ，ａｋ；ｂｉ，ｂｋ；ｃｉ，ｃｋの他端は、ステータ６ｃの他端面で、導体間接続体ａｊ；ｂｊ；ｃｊにより同一相の第２及び第１バー導体ａｋ，ａｉ；ｂｋ，ｂｉ；ｃｋ，ｃｉの他端と接続される。
【００４３】
中性点共通接続体ｎ及び導体間接続体ａｊ〜ｃｊは、円弧状の板体であり、バー導体との接続点までの距離が等しくなっている。これにより、バー導体ａｉ〜ｃｋの端部（コイルエンド）は、引出し線及び電源供給端子となる端部を除いて、短小となり、軸長を短くし高速駆動に適したものとすることができる。また、導体間接続体ａｊ〜ｃｊは、ステータ６ｃの外周を回さず、ステータ６ｃの端面に設けられるので、製造が容易になるだけでなく、導体間接続要素のインピーダンス低下に寄与することができる。
【００４４】
さらに、導体間接続体ａｊ〜ｃｊにおける導体接続点間の長さや、各相の第１バー導体ａｉ，ｂｉ，ｃｉの突出部分の長さを、各相で等しくし、中性点共通接続体ｎについても形状を円形にして導体接続点間の長さを等しくするなど、ステータコイルの渡り部分長を各相で簡単に合わせることができるので、相間インピーダンス差を少なくし相間インピーダンスバランスを取るのが非常に容易になる。
【００４５】
また、ロータ６ａについては、かご形ロータでもよいが、ステータ側が高透磁率で低抵抗の円柱状ソリッドロータを用い、スリップを少なくして運転効率を高めるようにするのが好ましい。ソリッドロータの場合、さらに、軸心Ｘに近い部分を高強度鋼成分としたり回転軸と一体化することによって、高速回転による遠心力に対する強度を高めることができる。
【００４６】
〔電動機制御機器の配置〕
この発明の一実施例による電動アシスト型ターボチャージャーにおいては、アシスト電動機近傍に、直接、電力変換器を含む電動機制御機器を取り付けることにより、給電路のインピーダンス降下を少なくして、アシスト電動機を低圧で高速回転させても安定に運転することができる。図７は、この発明の一実施例による電動機制御機器を組み込んだ電動アシスト型ターボチャージャー構造を示し、図７（１）は、この構造を軸に直交する方向から見た正面図を示し、図７（２）は、軸方向から電力変換器側を見た側面図を示す。
【００４７】
図７に示される構造は、簡単にいうと、図３で説明した電動アシストアセンブリ２０に対し、電動機６の外側に、直接、電力変換器１１を取り付けて、第２の電動アシストアセンブリ３０としたものである。電力変換器１１は、変換器基板１１ａ及び変換器ハウジング１１ｂを備え、変換器基板１１ａには、変換回路及び制御回路部材が搭載され、変換器ハウジング１１ｂは、軸方向に垂直な中間壁１１ｃを有している。
【００４８】
中間壁１１ｃから外側の変換器ハウジング１１ｂには電力変換部材が収納され、中間壁１１ｃの外面側に変換器基板１１ａが設置され、変換器基板１１ａには、電力変換の主要素である電力用スイッチング素子（ＦＥＴトランジスタ）を含む電力変換回路の回路要素や、電力変換回路を制御する制御回路が取り付けられる。変換器ハウジング１１ｂの外面には直流給電端子台１１ｄや操作盤（図示せず）が設けられ、直流給電端子台１１ｄに設けられた正（＋）及び負（−）端子１１ｅ，１１ｆは、電源部１３に接続される直流給電線１２の端子を受け入れることができる。
【００４９】
変換器ハウジング１１ｂの中間壁１１ｃは、図３で説明した電動機ハウジング６ｂの外側壁と同じ機能をもっている。すなわち、中間壁１１ｃから電動機側の変換器ハウジング１１ｂは、電動機ハウジング６ｂの張出し部６ｄと同じ機能をもち、電動機６の引出し線６ｅの部分や第２軸受け部７を収容しており、引出し線６ｅは中間壁１１ｃ及び変換器基板１１ａを貫通している。また、変換器基板１１ａを突き出た引出し線６ｅの先端部分は電動機６の給電用端子６ｆを形成し、給電用端子６ｆは電力変換器１１の出力端子としても機能する。そして、変換器ハウジング１１ｂの外側の開口部は、変換器カバー１１ｇで封止される。
【００５０】
また、図７の構造例では、図３で説明したコンプレッサハウジング２ｂに電動機ハウジング６ｂの主要部の構造を一体化したコンプレッサハウジング２ｂ’が設けられる。コンプレッサハウジング２ｂ’は、コンプレッサハウジング２ｂの外側壁２ｃの機能を有する中間壁（図示せず）を有し、この中間壁の外側（図示左側）の空間内に電動機６のステータ６ｃ及びロータ６ａを含み、内側（図示右側）の空間内にコンプレッサホイール６ａを含んでいる。また、コンプレッサハウジング２ｂ’は、図３と同様に、タービンハウジング３ｂに設けられた軸受けハウジング４ｃに取り付られ、図７に示すように、コンプレッサハウジング２ｂ’の外側に変換器ハウジング１１ｂが取り付けられる。
【００５１】
以上のようなコンプレッサ２、電動機６及び電力変換器１１を一体化した構造により、コンプレッサハウジング２ｂ’及び変換器ハウジング１１ｂ内に圧縮機構、電動機能及び電力変換機構を備える第２の電動アシストアセンブリ３０が構成される。
【００５２】
さて、低圧かつ高速で電動機を運転するためには、前述のように、電源電圧を昇圧して高圧の直流電圧（７２Ｖ以上）にしてから電力変換器を通じて電動機に電力供給する方法を採るのが通常である。この方法では、基本周波数が高くても電圧降下（ドロップ）の影響は少ないが、昇圧回路を設けるので電力変換器のサイズが大きくなる。さらに、電力変換器から電動機に接続される給電用電線には高周波数電流が流れるので放射ノイズの問題がある上、電線数が相数分あるので電動機から電力変換器までの配線が非常に難しいという実装上の問題もある。
【００５３】
また、ターボチャージャーの用途は主として自動車用であるため、軽量化と高効率化が同時に求められるのに対して、電源電圧には、１２Ｖという低いバテリー電圧を用いなければならないという制約がある。さらに、電源電圧が低いと電流が大きくなり、例えば、アシスト電動機の容量は、一般的には、およそ２ｋｗ程度なので、直流電流で１６７Ａという大きな値になる。そして、効率化と軽量化が求められているので、昇圧による効率低下や電力変換器の大きさの増大を招く（例えば、インダクタンスが必要になるので重く大きくなる）。
【００５４】
一方、高速運転するために、アシスト電動機の駆動に２〜３ｋＨｚ程度の高い周波数電力が供給されるので、インピーダンス降下（ドロップ）は無視し得ない値になる。例えば、給電用電線が通常のインダクタンス値＝１μＨ／ｍをもつものとすると、電源周波数＝３ｋＨｚで２０ＳＱの単線１ｍではインピーダンスが約１９ｍΩとなり、１００Ａでの電圧降下は１．９Ｖとなり、１２Ｖ電源に対して影響が大きくなる。
【００５５】
これに対して、図７で説明した第２の電動アシストアセンブリ３０のように、アシスト電動機６に、直接、電力変換器（制御回路を含む）１１を取り付けると、電動機６から電力変換器１１までの距離を極端に短くすることができ、電動機６・電力変換器１１間の電路インピーダンス降下の影響を最大限まで減らすことができる。さらに、電力変換器１１と電源部（バッテリー電源）１３との間が多少長くなっても、両者間の給電線１２に流れる電流は直流であるため、周波数によるインピーダンス降下の影響は無く、放射ノイズも少なくなり、バッテリー電源１１に繋がる給電線１２は１本（片側接地の場合）或いは２本で済むので、狭いエンジンルームでの実装も容易になる。
【００５６】
〔アシスト電動機の駆動〕
この発明の一実施例による電動アシスト型ターボチャージャーに用いられるアシスト電動機は、直流電源から高周波数交流電力を出力するインバータを用いた電力変換器（ＤＣ／ＡＣ変換器）で駆動される。３相モータについては、例えば、図８に示される電動機駆動回路のように、３相インバータ１１Ａを含む電力変換器が用いられる。すなわち、図６で説明したアシスト電動機のような３相電動機を用いる場合、３相インバータ１１Ａには、自動車に搭載されるバッテリのような電源部１３から直流給電路１２を介して直流電圧〔例えば、ＤＣ１２Ｖ（ボルト）〕が供給され、インバータ１１Ａは３ｋＨｚ程度の高周波の電力をアシスト電動機６の３相ステータコイルａ〜ｃに供給する。
【００５７】
インバータ１１Ａは、電力用ＦＥＴトランジスタのようなスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６を備え、ＣＰＵを含む制御回路１１Ｂは、エンジン制御部１４からの変換器制御信号Ｓｃや回転センサ８からの回転検出信号Ｎｒに従ってこれらスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６にゲート制御信号を送って、インバータ１１Ａから出力される電圧電流を制御し３相電動機６を所望速度に制御する。
【００５８】
この電動アシスト型ターボチャージャーのアシスト電動機６には、永久磁石ロータを備えた同期機構造のものを用いてインバータ１１Ａを所謂“無整流子電動機”方式で運転することができる。しかしながら、後述する理由から、アシスト電動機６には誘導機構造のものを用いることが好ましい。誘導機を用いる場合は、インバータ１１Ａを所謂“ベクトル制御”方式で安定に運転することができ、また、実用的な方法として所謂“すべり周波数制御”方式で運転することもできる。なお、何れのタイプの電動機に何れの運転方式を用いた場合でも、電動機６は、エンジンブレーキが必要な際には、速度指令値の低下などによってタービン３側から駆動される発電機として動作させて回生制動を行い、電力を直流電源１３に回生するように制御することができる。
【００５９】
図９は、アシスト電動機として誘導電動機を使用し、すべり周波数制御方式で運転する場合のアシスト電動機駆動制御システム例を表わすブロック図である。この場合、誘導電動機には、図６で説明したようなソリッド型ロータ又は通常タイプのかご型ロータを備えたものを用いることができる。なお、ベクトル制御方式による運転でも、同様の運転を行うことができる。
【００６０】
このシステムにおける制御回路１１Ｂは、制御信号分配回路Ｂ１、回転検出回路Ｂ２、速度比較器Ｂ３、すべり周波数演算回路Ｂ４、トルク指令制御回路Ｂ５、第１加算器Ｂ６、励磁電圧指令回路Ｂ７、電流検出回路Ｂ８、電圧降下算出回路Ｂ９、第２加算器Ｂ１０、ゲート制御回路Ｂ１１、強制ゲートオフ指令回路Ｂ１２などを備える。ここで、回転検出回路Ｂ２は、回転センサ８からの回転検出信号Ｎｒから電動機６の実際の回転速度を表わす速度実際値ｎｒ及び実際の回転速度に対応する回転周波数値ｆｒを取り出する。また、インバータ１１Ａから電動機６のステータコイルへの給電路には、電動機６に流れる電動機電流Ｉｍを検出するための電流センサ１６が設けられ、電流検出回路Ｂ８は、電流センサ１６の検出信号から電動機電流Ｉｍを表わす１次電流値ｉｍを取り出し、電圧降下算出回路Ｂ９は、予め取得されている電動機６の１次抵抗値Ｒｍを１次電流値ｉｍに掛けて電動機６の１次抵抗による電圧降下値ｖｄ＝ｉｍ・Ｒｍを算出する。
【００６１】
エンジン制御部１４（図２参照）は、スロットル信号Ｔｈ、エンジン回転数信号Ｎｅ、クランク角信号Ａｅ、マニホルド信号Ｍｎ、エンジンブレーキ信号Ｅｂ、車速信号Ｓｐなどの種々の入力信号を受け、その時の状況に応じて、最適のコンプレッサホイール３ａの回転速度を表わす速度指令値ｎｓやアシスト電動機の励磁電流指令値ｉｆを算出すると共に、加速指令ａｃ、減速指令ｅｂ、第１及び第２アシスト不可指令ａｎ１，ａｎ２を発生し、これらの値や指令ｎｓ，ｉｆ，ａｃ，ｅｂ，ａｎ１，ａｎ２を変換器制御信号Ｓｃとして電力変換器１１の制御回路１１Ｂに送信する。制御回路１１Ｂの制御信号分配回路Ｂ１は、エンジン制御部１４から送られてくる変換器制御信号Ｓｃの内容を判断して、速度指令値ｎｓ、励磁電流値ｉｆ、加速指令ａｃ、減速指令ｅｂ、第１及び第２アシスト不可指令ａｎ１，ａｎ２を抽出し、夫々を対応する制御要素に出力する。
【００６２】
上述した各指令ａｃ，ｅｂ，ａｎ１，ａｎ２がエンジン制御部１４から送信されない通常の運転制御の際には、速度指令値ｎｓ及び励磁電流指令値ｉｆが制御信号分配回路Ｂ１からそれぞれ速度比較器Ｂ３及び励磁電圧指令回路Ｂ７に出力されるだけであり、図示の速度フィードバック系がそのまま有効に動作する。速度比較器Ｂ３は、変換器信号分配回路Ｂ１からの速度指令値ｎｓと、回転センサ８からの速度実際値ｎｒとを比較して速度誤差ｎｅを生成する。すべり周波数演算回路Ｂ４は、速度誤差ｎｅ＝ｎｓ−ｎｒが所定値以下の場合は、速度誤差ｎｅに定数ｋ１を掛けてすべり周波数指令値ｆｓ＝ｋ１ｎｅに変換し、速度誤差ｎｅが正負の所定値を越えると一定のすべり周波数指令値ｆｓ＝＋ｓｆ０／−ｓｆ０＝一定値を出力する。
【００６３】
トルク指令制御回路Ｂ５は、通常駆動時には、すべり周波数演算回路Ｂ４からのすべり周波数指令値ｆｓをそのまま電動機６に対するトルク指令として採用し、第１加算器Ｂ６に出力する。第１加算器Ｂ６は、トルク指令として採用されたすべり周波数指令値ｆｓに回転検出器Ｂ２からの回転周波数値ｆｒを加算してインバータ１１Ａの駆動周波数指令値ｆｍ＝ｆｒ＋ｆｓを生成する。励磁電圧指令回路Ｂ７は、駆動周波数指令値ｆｍと変換器信号分配回路Ｂ１から指令される励磁電流指令値ｉｆに基づき、次式（１）に従って、励磁電圧指令値ｖｆを演算する関数発生器である：
ｖｆ＝（√２）・ｉｆ・Ｘｍ・ｅｘｐ（ｊ２πｆｍｔ）                    …（１）
ここで、Ｘｍ：電動機６の励磁リアクタンス、ｔ：時間。
【００６４】
第２加算器Ｂ１０は、励磁電圧指令回路Ｂ７からの励磁電圧指令値ｖｆと電圧降下算出回路Ｂ９からの１次抵抗電圧降下値ｖｄを加算して１次電圧指令値ｖｍ＝ｖｆ＋ｖｄを生成する。１次電圧指令値ｖｍは、インバータ出力電圧Ｖｍの指令値として機能する。そして、ゲート制御回路Ｂ１１は、第２加算器Ｂ１０から出力される１次電圧指令値ｖｍに基づいてインバータ１１Ａのスイッチング素子にゲート制御信号ｇｓを出力し、電動機６への入力電圧Ｖｍを制御する。
【００６５】
エンジン制御部１４では、制御回路１１Ｂの動作モードを、加速モード、減速モード、第１アシスト不可（不要）モード及び第２アシスト不可（不要）モードを、ユーザの希望に応じて或いは自動的に設定することができる。各モードが設定されている場合、エンジン制御部１４は、種々の入力信号の解析により当該モードの動作条件が満足されると、加速指令ａｃ、減速指令ｅｂ、或いは、第１及び第２アシスト不可指令ａｎ１，ａｎ２を発生し、各指令を変換器制御信号Ｓｃに含ませて制御回路１１Ｂの制御信号分配回路Ｂ１に送信し、制御信号分配回路Ｂ１は各指令を対応する制御要素に出力する。そして、これによって、制御回路１１Ｂは、加速モード、減速モード、第１アシスト不可（不要）モード或いは第２アシスト不可（不要）モードで動作し、各指令に基づく動作が通常運転制御時の動作に優先する。
【００６６】
例えば、加速モードが設定されている場合、エンジン制御部１４は、スロットル信号Ｔｈや、エンジン回転数Ｎｅ、車速信号Ｓｂ等から、自動車の始動時にアクセルペダル１５を踏み込んでエンジン１を加速しているという加速条件が満足されていると判断すると、加速指令ａｃをトルク指令制御回路Ｂ５に出力し、システムを加速モードで動作させる。トルク指令制御回路Ｂ５は、すべり周波数演算回路Ｂ４からのすべり周波数指令値ｆｓに優先して、正の一定値“ｓｆ１”をもつ加速用すべり周波数指令値をトルク指令として第１加算器Ｂ６に出力する。これによって、図９の駆動制御系は、すべり周波数指令値ｆｓの内容に拘わらず、加速用すべり周波数指令値ｓｆ１に基づく高い加速トルクで強制的に電動機６を加速するので、エンジンの加速性能をアップすることができる。そして、アクセルペダル１５の踏込みが弱くなったり車速が落ち着くなどにより加速条件が満足されなくなると、加速指令ａｃはリセットされ元の通常運転制御時の動作に戻る。
【００６７】
減速モードが設定されている場合は、エンジンブレーキ信号Ｅｂが発生したり極度のブレーキ操作があるという減速条件が満足されると、減速指令ｅｂをトルク指令制御回路Ｂ５に出力してシステムを減速モードで動作させる。トルク指令制御回路Ｂ５は、すべり周波数指令値ｆｓに優先して負の一定値“ｓｆ２”（｜ｓｆ１｜≒｜ｓｆ２｜）をもつ減速用すべり周波数指令値をトルク指令として第１加算器Ｂ６に出力する。これによって、図９の駆動制御系は、すべり周波数指令値ｆｓに拘わらず電動機６を回生モードで動作させ、加速用すべり周波数指令値ｓｆ２に基づく高い減速トルクで電動機６を減速するので、エンジンブレーキ性能が向上し、しかも、電動機６を発電機として動作させるので、この電動アシスト型ターボチャージャーの回転系が有する回転エネルギーを電源部１３に回生することができる。そして、エンジンブレーキが解除されたり低い車速に落ち着くなどにより減速条件が満足されなくなると、減速指令ｅｂはリセットされ元の通常運転制御時の動作に戻る。
【００６８】
このように、減速モードの動作が行われると、エンジンブレーキの必要時にエンジンブレーキ力をアップすると共に、エネルギー回生により燃費の改善を図ることができる。また、エンジンブレーキの際には、必要に応じて、ターボチャージャーに付属するウエストゲートバルブ１ｂ等をも併用することによってタービン３側からの駆動力を減らし、併せて、コンプレッサー風量の絞込みの制御を行うことが好ましい。なお、加速モード及び減速モードでの加速及び回生動作は、同期機を用いた無整流子電動機方式による運転でも、同様に実現することができる。
【００６９】
第１及び第２アシスト不可モードについては何れか一方を選択的に設定することができる。ここで、第１アシスト不可モードが設定されている場合には、スロットル信号Ｔｈや車速信号Ｓｂ等から、アクセルペダル１５の踏込みが弱かったり車速変化が少なく安定走行中であるというアシスト不可（不要）条件が満足されると、第１アシスト不可指令ａｎ１がトルク指令制御回路Ｂ５に出力される。トルク指令制御回路Ｂ５は、すべり周波数指令値ｆｓに優先して零値“０”のトルク指令として第１加算器Ｂ６に出力する。すなわち、この電動アシスト型ターボチャージャーが電動機６の駆動トルクを必要としないときは、図９の駆動制御系は、すべり周波数指令値ｆｓに拘わらず、すべりゼロで電動機６の発生トルクをゼロにしてを運転させ、電動機６の回転周波数ｆｒと同じ周波数の電圧を電動機６に加え、励磁電流ｉｆのみを流して発生トルクをゼロにする。そして、アクセルペダル１５の踏込みが強くなるなど加速すべき状態になりアシスト不可条件が満足されなくなると、第１アシスト不可指令ａｎ１はリセットされ元の通常運転制御時の動作に戻る。通常運転制御時の動作に戻ったときは、既に励磁電圧ｖｆが確立されているので、速やかに応答して所望のトルクを発生させることができる。
【００７０】
また、第２アシスト不可モードが設定されている場合には、上述と同様のアシスト不可条件が満足されると、第２アシスト不可指令ａｎ２が強制ゲートオフ指令回路Ｂ１２に出力される。強制ゲートオフ指令回路Ｂ１２は、第２アシスト不可指令ａｎ２に基づいて直ちにゲート制御回路Ｂ１１からインバータ１１Ａのスイッチング素子へのゲート制御信号送出をオフし、インバータ１１Ａの動作を停止させる。すなわち、電動アシスト型ターボチャージャーが電動機６の駆動トルクを必要としないときは、インバータ１１Ａの運転を停止して電動機６に電流を供給しないようにすることができ、これによって、電動機６のステータ６ｃ及びロータ６ａの損失を少なくして運転効率を高め、また、電動機ロータ６ａの温度上昇を防止して温度上昇に伴う不安定な振動性の回転を防止することができる。
【００７１】
一般に、永久磁石を使用とした同期機構造の電動機では、永久磁石により常に励磁がなされ、誘起電圧は回転数の上昇に比例して増加する。また、誘起電圧の上昇と共に、誘起電圧と同相のトルクを発生する電流成分が減少しトルクも低下傾向を示すので、実際には、界磁弱め制御を行い、電動機に遅相電流を流してその電機子反作用で永久磁石の磁界と反対方向の磁界を発生させ、全体としての励磁を弱めて誘起電圧を抑え、トルクを発生する電流成分が減少しないようにする。さらに、駆動トルクを必要としない高速領域でも誘起電圧が電源電圧より上がらないようにするために、遅相電流を流し続け界磁弱め制御を行う必要があるので、常にインバータを制御御状態に維持する必要がある。
【００７２】
例えば、永久磁石を使った電動機をアシスト電動機６に使用し、上述した第２アシスト不可モードでの動作した場合のようにインバータ１１Ａのゲートオフを行った場合を考えると、高速時には界磁弱め制御がなくなるので誘起電圧が上昇し、インバータ１１Ａのスイッチング素子（アクティブ素子）と並列に接続されているダイオードを通して、直流電源１３側に大電流が流れ込むと云った不都合が生じる他、直流電源１３側を開路した場合でも、同様に、誘起電圧が上昇し半導体スイッチング素子の耐圧以上になるような不都合がある。このような理由から、永久磁石を使った電動機６では電源オフにすることが困難であるため、無負荷損失が大きくなり、また、インバータ１１Ａの出力電圧に基本の正弦波の他に多くの高調波電圧を含むので、電動機６に高周波電流が流れ、空隙に高周波磁界が発生する。このため、永久磁石ロータの表面には高周波磁界を打ち消すための高周波電流が流れてロータ温度が上がる結果、ロータのバランスの崩れや、永久磁石の減磁等のほか、ステータ側の損失も多くなってしまう。
【００７３】
さらに、ターボチャージャーのアシスト電動機では、基本駆動周波数が高いので、それに対する制御遅れ（アナログ制御としても制御遅れは数十μｓ以上ある）の割合が非常に高くなるので、同期機でありながら力率が非常に悪く、更にトルクも出ない。このため、損失増大によるロータの発熱でロータアンバランスが生じ、安定に高速回転することができない他、ロータが長くなるので回転軸系の設計を難しくしている。
【００７４】
また、電動機の駆動電源には正弦波出力が望ましいが、一般に使用される静止型インバータのインバータ出力電圧には基本正弦波以外に多くの高周波成分が含まれるので、これが電動機損失を増加させる要因となり、高速電動機の場合は、電動機の体積出力比が大きいので発熱処理が大きい問題であり、特に、発熱を逃がすことが難しいロータでは、より大きな問題となる。
【００７５】
ターボチャージャーのアシスト電動機は、特に、コンプレッサのアシスト駆動を行っている負荷状態については、例えば、ターボチャージャーの全運転時間に対する全体負荷率が２０％以下であり、また、一回の負荷時間は数秒というように、比較的低い値を示す。これに対して、アシスト電動機６に誘導電動機（例えば、図６）を使用し、図９で説明したように、第２アシスト不可モードで動作させると、ターボチャージャーのタービン３で駆動されている時は電力変換器１１のインバータ１１Ａをゲートオフし、電動機６にアシストを待機させる待機状態とすることができる。これにより、待機時のロータ損失を発生させないようにすることが可能なのでロータの温度上昇を防止することができ、ロータ温度上昇による不安定な回転振動を防止しシステム効率の向上を図ることができる。
【００７６】
なお、アシスト不可条件の不満足により第２アシスト不可モードによる待機状態から通常運転に戻る再負荷時には、先ず、アシスト電動機６に電動機回転周波数ｆｒと同じ周波数の電圧を印加して励磁電流ｉｆを立ち上げ、続いて、トルク指令に対応するすべり周波数指令値ｆｓを電動機回転周波数ｆｒに加えた周波数ｆｍ＝ｆｒ＋ｆｓの電圧を電動機６に印加して、トルク指令に応じたスリップで電動機６を駆動することにより、再負荷時における制御の行き過ぎによるトルク振動を避け、トルク振動を防止することができる。
【００７７】
このような第２アシスト不可モードに対して、第１アシスト不可モードでの動作は、高い応答性が要求される場合に好適である。すなわち、第１アシスト不可モードの動作では、待機時にも電動機回転周波数ｆｒの電圧を加え、励磁電流ｉｆを流し続け、再負荷時は、直ちに、電動機駆動周波数ｆｍをトルク指令（ｆｓ）に対応するすべり周波数指令値ｆｓを電動機回転周波数ｆｒに加えた周波数ｆｍ＝ｆｒ＋ｆｓの電圧を電動機６に印加してトルクを立ち上げるように制御されるので、速やかな応答を実現することができる。
【００７８】
なお、第１アシスト不可モードでの動作のように、駆動トルクを必要としない際にインバータ１１Ａをゲートオフせず、電動機回転周波数ｆｒと同じ周波数の電圧をアシスト電動機６に加え、励磁電流指令ｉｆによる励磁電流だけを流して待機状態とし、トルクを必要な負荷の際にのみトルク指令を与える制御を行う場合は、待機時も励磁電流を流すことによるロータの損失の発生が懸念されるが、電動機６の励磁リアクタンスＸｍは一次、二次の漏洩リアクタンスと較べて一桁以上大きく、励磁電流ｉｆに含まれる高調波電流流成分は励磁リアクタンスＸｍにより抑えられて平滑され、励磁電流ｉｆの波形は正弦波に近い波形となるので、励磁電流によって発生する損失は、負荷時に発生する損失より一桁以上少なく、ロータ６の温度上昇に大きな影響はない。さらに、誘導機を用いているので、、同期機を用いた場合のように高速時の制御遅れによるトルクの低下は殆ど生じない。
【００７９】
〔種々の実施態様〕
以上、図面を参照しつつこの発明の好適な実施例を詳述したが、これらの実施例は単なる一例であって、この発明の精神を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、図９の駆動制御系では、エンジン制御部からの指令に従って加速モード、減速モード、或いは、第１及び第２アシスト不可モードで強制的な制御をするように構成したが、理想的な速度指令（ｎｓ）がシステムに与えられる場合には、エンジン制御部から加速指令や減速指令を与えなくても速度フィードバック系が適正に動作するので、トルク指令制御回路（Ｂ５）に加速指令（ａｃ）や減速指令（ｅｂ）に応答する機能を持たせなくてもよい。
【００８０】
同様に、理想的な速度指令（ｎｓ）がシステムに与えられる場合には、エンジン制御部から第１及び第２アシスト不可指令（ａｎ１，ａｎ２）を与えるように構成する必要はない。例えば、第１アシスト不可モードについては、トルク指令制御回路（Ｂ５）を省略し、すべり周波数演算回路（Ｂ４）自体に、速度比較器（Ｂ３）からの速度誤差（ｎｅ）＝０近傍の所定範囲で出力値ｆｓ＝０となる「不感帯」特性を持たせることにより、第１アシスト不可指令（ａｎ１）に代えてトルク“ゼロ”指令に基づく励磁機能を実現することができる。また、第２アシスト不可モードについても、同様に、図９の強制ゲートオフ指令回路Ｂ１２に代えて、速度比較器Ｂ３からの速度誤差ｎｅ＝０近傍の所定範囲（ｎｅ＝０を含む）で出力値が「１」となる特性を持つ回路を用い、この回路からの出力値「１」の信号でゲート制御回路（Ｂ１１）をゲートオフさせるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】従来技術を説明するための図である。
【図２】この発明の一実施例による電動アシスト型ターボチャージャーを含むシステムの概要を表わすシステム概要図である。
【図３】この発明の一実施例による電動アシスト型ターボチャージャーの要部断面図である。
【図４】この発明の一実施例による電動アシスト型ターボチャージャーの要部側面図である。
【図５】電動アシスト型ターボチャージャー回転系の振動特性を表わす図である。
【図６】この発明の一実施例による電動アシスト型ターボチャージャーに用いられる誘導電動機の構成例を表わす図である。
【図７】この発明の一実施例による電動機制御機器を取り付けた電動アシスト型ターボチャージャーの構成例を表わす図である。
【図８】この発明の一実施例による電動アシスト型ターボチャージャーのアシスト電動機に適用される駆動回路を表わす図である。
【図９】この発明の一実施例による電動アシスト型ターボチャージャーのアシスト電動機駆動制御系を表わすブロック図である。
【符号の説明】
【００８２】
２  コンプレッサホイール２ａを備えるコンプレッサ、
３  タービンホイール３ａを備えるタービン、
４  ２点支持の第１及び第２軸受け４ａ，４ｂを備える第１軸受け部、
５  コンプレッサ２及びアシスト電動機６の回転系の軸（回転軸）、
６  ロータ６ａを備えるアシスト電動機、
７  第３軸受け７ａを備える第２軸受け部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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