(57)【要約】【課題】  軸受の外側に電動機を配してオーバーハング量が増大した場合でも、オイルウィップやオイルホワールの自励振動を抑制して、軸振動と騒音を低減することができる電動過給機の軸受構造を提供する。【解決手段】  外周面がベアリングハウジング１６の軸受孔１６ａに隙間をもって嵌合し、内周面でタービン軸１２を回転可能に支持する中空円筒形のタービン側軸受メタル３０ａ及びコンプレッサ側軸受メタル３０ｂと、タービン側軸受メタル及びコンプレッサ側軸受メタルをタービン軸の半径方向に移動可能に保持し軸方向及び回転方向の移動を阻止する軸受係止部材３２とを備える。軸受メタル３０ｂ（又は３０ｂ）の内周面及び／又は外周面が、非真円軸受に構成されている。【選択図】      図３
2007071165.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンインペラを一端に有するタービン軸と、タービン軸の他端に連結されたコンプレッサインペラと、タービン軸が貫通する円筒形軸受孔を有するベアリングハウジングと、タービンインペラを囲みベアリングハウジングに連結されたタービンハウジングと、コンプレッサインペラを囲みベアリングハウジングに連結されたコンプレッサハウジングと、タービン軸に固定されタービン軸と共に回転するモータロータと、モータロータを囲みベアリングハウジング内に固定されたモータステータと、を備えた電動過給機の軸受構造であって、
外周面が前記ベアリングハウジングの軸受孔に隙間をもって嵌合し、内周面でタービン軸を回転可能に支持する中空円筒形のタービン側軸受メタル及びコンプレッサ側軸受メタルと、
該タービン側軸受メタル及びコンプレッサ側軸受メタルをタービン軸の半径方向に移動可能に保持し軸方向及び回転方向の移動を阻止する軸受係止部材とを備え、
前記コンプレッサ側軸受メタルの内周面及び／又は外周面は、非真円軸受に構成されている、ことを特徴とする電動過給機の軸受構造。
【請求項２】
タービンインペラを一端に有するタービン軸と、タービン軸の他端に連結されたコンプレッサインペラと、タービン軸が貫通する円筒形軸受孔を有するベアリングハウジングと、タービンインペラを囲みベアリングハウジングに連結されたタービンハウジングと、コンプレッサインペラを囲みベアリングハウジングに連結されたコンプレッサハウジングと、タービン軸に固定されタービン軸と共に回転するモータロータと、モータロータを囲みベアリングハウジング内に固定されたモータステータと、を備えた電動過給機の軸受構造であって、
外周面が前記ベアリングハウジングの軸受孔に隙間をもって嵌合し、内周面でタービン軸を回転可能に支持する中空円筒形のタービン側軸受メタル及びコンプレッサ側軸受メタルと、
該タービン側軸受メタル及びコンプレッサ側軸受メタルをタービン軸の半径方向に移動可能に保持し軸方向及び回転方向の移動を阻止する軸受係止部材とを備え、
前記タービン側軸受メタルの内周面及び／又は外周面は、非真円軸受に構成されている、ことを特徴とする電動過給機の軸受構造。
【請求項３】
前記非真円軸受は、複数の円弧面からなる多円弧軸受である、ことを特徴とする請求項１または２に記載の電動過給機の軸受構造。
【請求項４】
前記タービン側軸受メタル及びコンプレッサ側軸受メタルは、一体または別体に構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の電動過給機の軸受構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気タービン過給機に係わり、さらに詳しくは、電動機を内蔵した電動過給機の軸受構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機により密度を高めた空気を機関（エンジン）に供給することを過給（ｓｕｐｅｒｃｈａｒｇｉｎｇ）といい、このうち排気エネルギにより圧縮機の駆動仕事をまかなうものを排気タービン過給機（ｅｘｈａｕｓｔ‐ｇａｓ  ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ）と呼ぶ。
【０００３】
排気タービン過給機は、一般的に、軸受ユニットを挟んで配置された圧縮機（コンプレッサ）とタービンからなり、圧縮機はコンプレッサインペラを、タービンはタービンインペラをそれぞれ内蔵する。コンプレッサインペラとタービンインペラは、軸受ユニットで支持された連結軸で互いに連結されており、エンジンの排ガスでタービンインペラを回転駆動し、この回転力を連結軸を介してコンプレッサインペラに伝達し、コンプレッサインペラで空気を圧縮してエンジンに過給するようになっている。
【０００４】
上述した排気タービン過給機において、低速回転時のレスポンスを改善するために電動機を内蔵したものが既に提案されている（例えば特許文献１〜３）。以下、このような電動機を内蔵した排気タービン過給機を単に「電動過給機」と呼ぶ。
【０００５】
特許文献１のタービチャージャは、図４に示すように、タービン５１とコンプレッサ５２を連結するシャフト５３上に取り付けられた発電・電動用の回転子５４と、ハウジング５５内に取り付けられた固定子５６とから構成される発電機と、固定子を冷却するため固定子を取り囲むハウジングの内部に形成された冷却用の水ジャケット５７とを備えたものである。
【０００６】
特許文献２のモータアシスト  ターボチャージャは、図５に示すように、回転軸６１の両端に取付けられたコンプレッサホイール６２とタービンホイール６３、回転軸のコンプレッサ側に近接した第１ベアリング６４、回転軸のタービン側に近接した第２ベアリング６５、第１ベアリングと第２ベアリングの間に位置するスラストベアリング６６、第１ベアリング、第２ベアリングおよび回転軸を保持するハウジング６７、回転軸のコンプレッサ側に位置するアシスト電動モータ６８、内燃機関からタービンホイールまで排ガスを直接導く排ガス渦巻き部６９、およびコンプレッサホイールから圧縮空気を受けるコンプレッサケーシング７０を備えたものである。
【０００７】
特許文献３の浮動ブッシュ軸受は、図６に示すように、回転軸７１と、その回転軸７１と摺動接触する円筒形状の浮動ブッシュ７２と、その浮動ブッシュ７２の外周側において浮動ブッシュ７２と摺動接触する軸受７３とからなり、浮動ブッシュ７２の内周面または外周面に軸方向に延びる溝７８を設け、浮動ブッシュ７２を回転中の遠心力で多円弧軸受に変形させるものである。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１３０１７６号公報、「発電・電動機を備えたターボチャージャ」
【特許文献２】米国特許第５，８５７，３３２号明細書、「ＢＥＡＲＩＮＧ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＦＯＲ  ＭＯＴＯＲ−ＡＳＳＩＳＴＥＤ  ＴＵＲＢＯＣＨＡＲＧＥＲＳ  ＦＯＲ  ＩＮＴＥＲＮＡＬ  ＣＯＭＢＵＴＩＯＮ  ＥＮＧＩＮＥＳ」
【特許文献３】特開２００２−２１３４５０号公報、「浮動ブッシュ軸受、およびそれを具備したターボチャージャ」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
電動機を内蔵した電動過給機では、回転軸を支持する２つの軸受の外側に電動機を配する構造が全体の小型化を図る上で望ましい。しかしこの場合、一方の軸受の外側に電動機を配するため、オーバーハング量が大きくなり、軸受に作用する荷重が大きくなる。
そのため、軸受として従来の真円のフルフロート軸受を用いた場合、油膜による制振効果が不足して、オイルウィップやオイルホワールと呼ばれる自励振動が発生し、この結果、軸振動と騒音が大きくなり、軸受が焼き付くこともある問題点があった。
【００１０】
オイルウィップ（ｏｉｌ  ｗｈｉｐ）とは、軸受油膜が原因となって生じる自励振動であり、軸回転速度がロータの１次危険速度の２倍に達したあたりから発生する振幅の大きな激しい振動である。またオイルホワール（ｏｉｌ  ｗｈｉｒｌ）は、軸回転速度がロータの１次危険速度の２倍に達するかなり前から発生する振幅が小さい振動であり、１次危険速度の２倍に達したあたりで大振幅のオイルウィップに成長するものである。
【００１１】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、軸受の外側に電動機を配してオーバーハング量が増大した場合でも、オイルウィップやオイルホワールの自励振動を抑制して、軸振動と騒音を低減することができる電動過給機の軸受構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、タービンインペラを一端に有するタービン軸と、タービン軸の他端に連結されたコンプレッサインペラと、タービン軸が貫通する円筒形軸受孔を有するベアリングハウジングと、タービンインペラを囲みベアリングハウジングに連結されたタービンハウジングと、コンプレッサインペラを囲みベアリングハウジングに連結されたコンプレッサハウジングと、タービン軸に固定されタービン軸と共に回転するモータロータと、モータロータを囲みベアリングハウジング内に固定されたモータステータと、を備えた電動過給機の軸受構造であって、
外周面が前記ベアリングハウジングの軸受孔に隙間をもって嵌合し、内周面でタービン軸を回転可能に支持する中空円筒形のタービン側軸受メタル及びコンプレッサ側軸受メタルと、
該タービン側軸受メタル及びコンプレッサ側軸受メタルをタービン軸の半径方向に移動可能に保持し軸方向及び回転方向の移動を阻止する軸受係止部材とを備え、
前記コンプレッサ側軸受メタルの内周面及び／又は外周面は、非真円軸受に構成されている、ことを特徴とする電動過給機の軸受構造が提供される。
【００１３】
また本発明によれば、タービンインペラを一端に有するタービン軸と、タービン軸の他端に連結されたコンプレッサインペラと、タービン軸が貫通する円筒形軸受孔を有するベアリングハウジングと、タービンインペラを囲みベアリングハウジングに連結されたタービンハウジングと、コンプレッサインペラを囲みベアリングハウジングに連結されたコンプレッサハウジングと、タービン軸に固定されタービン軸と共に回転するモータロータと、モータロータを囲みベアリングハウジング内に固定されたモータステータと、を備えた電動過給機の軸受構造であって、
外周面が前記ベアリングハウジングの軸受孔に隙間をもって嵌合し、内周面でタービン軸を回転可能に支持する中空円筒形のタービン側軸受メタル及びコンプレッサ側軸受メタルと、
該タービン側軸受メタル及びコンプレッサ側軸受メタルをタービン軸の半径方向に移動可能に保持し軸方向及び回転方向の移動を阻止する軸受係止部材とを備え、
前記タービン側軸受メタルの内周面及び／又は外周面は、非真円軸受に構成されている、ことを特徴とする電動過給機の軸受構造が提供される。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記非真円軸受は、複数の円弧面からなる多円弧軸受である。
また、前記タービン側軸受メタル及びコンプレッサ側メタルは、一体または別体に構成されている、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
上記本発明の構成によれば、中空円筒形の軸受メタルの外周面がベアリングハウジングの軸受孔に隙間をもって嵌合し、その内周面でタービン軸を回転可能に支持し、軸受係止部材が軸受メタルを半径方向に移動可能に保持し軸方向の移動を阻止するので、軸受メタルは回転せずに半径方向のみに遊動するいわゆる「セミフローティングメタル」として機能し、タービン軸と軸受孔の間に位置してタービン軸の高速回転を支持しながらその間に形成される油膜のバネ特性と減衰特性により、タービン軸の振動を抑制することができる。
【００１６】
また、本発明の構成では、軸方向に間隔を隔てたタービン側軸受メタルとコンプレッサ側軸受メタルを有し、軸受メタルの内周面及び／又は外周面が、非真円軸受（複数の円弧面からなる多円弧軸受）に構成されているので、内周面とタービン軸との隙間、及び／又は外周面と軸受孔との隙間が一定でなく半径方向の向きによって異なるので、その間に形成される油膜のバネ特性と減衰特性も半径方向の向きによって変化し、オイルウィップやオイルホワールの自励振動が生じにくい回転軸系が実現できる。その結果、軸受に発生する動的な荷重を少なくし、電動機を内蔵した過給機において生じることの多い、軸受の焼き付きを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。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、本発明の軸受構造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、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を備える。
【００１８】
タービン軸１２は、細長い円筒形の中実軸であり、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。
【００１９】
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。
【００２０】
ベアリングハウジング１６は、タービン軸１２が貫通する円筒形軸受孔１６ａを有する。この円筒形軸受孔１６ａは、中空円筒形の軸受メタル３０を介してタービン軸１２を回転可能に支持する。
【００２１】
また、タービン軸１２は、スラストカラー１７ｂ及びスラストベアリング１７ｃ，１７ｄにより軸方向に移動しないように支持されている。さらに、ベアリングハウジング１６は、軸受メタル３０、スラストカラー１７ｂ及びスラストベアリング１７ｃ，１７ｄを潤滑するための図示しない潤滑油流路を有している。
【００２２】
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一定間隔の環状流路１８ｂを有する。
さらに、環状流路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。
【００２３】
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一定間隔の環状流路２０ｂを有する。
【００２４】
上述した構成により、エンジンの排ガスでタービンインペラ１１を回転駆動し、この回転力をタービン軸１２を介してコンプレッサインペラ１４に伝達し、コンプレッサインペラ１４で空気を圧縮してエンジンに過給することができる。
【００２５】
図１の電動過給機１０は、さらに、モータロータ２２およびモータステータ２４を備える。
モータロータ２２は、タービン軸１２に固定されタービン軸と共に回転する電動機の回転子である。また、モータステータ２４は、モータロータ２２を囲みベアリングハウジング１６内に固定された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（例えば１２Ｖ）と同一あるいはそれより高い（例えば２４〜３６Ｖ）ことが好ましい。駆動電圧を高めることにより、交流電動機を小型化することができる。
【００２６】
図１において、本発明の軸受構造は、軸受メタル３０と軸受係止部材３２からなる。
軸受メタル３０は中空円筒形の部材であり、その外周面がベアリングハウジング１６の軸受孔１６ａにわずかな隙間をもって嵌合し、内周面でタービン軸１２を回転可能に支持する。
この軸受メタル３０は、軸方向に間隔を隔てたタービン側軸受メタル３０ａとコンプレッサ側軸受メタル３０ｂを有する。
なお、タービン側軸受メタル３０ａとコンプレッサ側軸受メタル３０ｂは、この例では一体であるが、別体に構成してもよい。この場合、軸受係止部材３２は、タービン側軸受メタル３０ａとコンプレッサ側軸受メタル３０ｂのそれぞれに設ける。
【００２７】
また、軸受係止部材３２は、ベアリングハウジング１６の一部にネジ等で固定され、その一部が軸受メタル３０に半径方向に嵌合し、軸受メタル３０をタービン軸１２の半径方向に移動可能に保持し、かつ軸方向及び周方向の移動を阻止するようになっている。
この構成により、軸受メタルは回転せずに半径方向のみに遊動するので、いわゆるセミフローティングメタルであり、タービン軸１２と軸受孔１６ａの間に位置してタービン軸の高速回転を支持しながらその間に形成される油膜のバネ特性と減衰特性により、タービン軸の振動を抑制することができる。
【００２８】
図２は、図１のＡ−Ａ矢視図である。この図において、ベアリングハウジング１６の軸受孔１６ａとタービン軸１２の外周面１２aは真円に形成されおり、コンプレッサ側軸受メタル３０ｂの内周面は、非真円軸受すなわち後述する多円弧軸受に形成されている。
なお、コンプレッサ側軸受メタル３０ｂの内周面と外周面の両方を非真円軸受に構成してもよく、或いは内周面と外周面の一方のみを非真円軸受に形成してもよい。
また、コンプレッサ側軸受メタル３０ｂの代わりに、タービン側軸受メタル３０ａの内周面及び／又は外周面を非真円軸受に構成してもよく、或いは両方を非真円軸受にしてもよい。
【００２９】
図３は、図２の部分拡大図であり、コンプレッサ側軸受メタル３０ｂのみを示している。コンプレッサ側軸受メタル３０ｂの内周面に接する真円の直径をｄとするとき、この内周面をｄ／２よりわずかに大きい半径ｒの複数（この例では４つ）の円弧面で構成する。半径ｒは、ｄ／２より１〜２％程度大きく設定するのがよい。
さらにこの例では、コンプレッサ側軸受メタル３０ｂの内周面と外周面を半径方向に貫通する複数の潤滑油通路３１を有する。この潤滑油通路３１は、軸受孔１６ａとタービン軸１２の隙間が大きい位置に設定するのがよい。
【００３０】
また、外周面を非真円軸受に構成する場合には、コンプレッサ側軸受メタル３０ｂの外周面に接する真円の直径をＤとするとき、この外周面をＤ／２よりわずかに大きい半径Ｒの複数（この例では４つ）の円弧面で構成する。半径Ｒは、Ｄ／２より１〜２％程度大きく設定するのがよい。
なお、円弧面の数は４つに限られず、２円弧、３円弧、あるいは５円弧以上でもよい。また食い違い型軸受であってもよい。
【００３１】
上述した構成により、軸受メタル３０ｂ（又は３０ｂ）の内周面とタービン軸１２との隙間、及び／又は、軸受メタル３０ｂ（又は３０ｂ）の外周面と軸受孔１６ａとの隙間は一定でなく半径方向の向きによって異なるので、その間に形成される油膜のバネ特性と減衰特性も半径方向の向きによって変化し、オイルウィップやオイルホワールの自励振動が生じにくい回転軸系が実現できる。
その結果、軸受に発生する動的な荷重を少なくし、電動機を内蔵した過給機において生じることの多い、軸受の焼き付きを防止することができる。すなわち、軸受面の形状を、軸中心から偏心させた複数の円弧（多円弧）で形成した多円弧軸受を用いることにより、自励振動の発生を防ぎ、安定した軸受とすることができる。
【００３２】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の軸受構造を備えた電動過給機の全体構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図３】図２の部分拡大図である。
【図４】特許文献１のタービチャージャの構成図である。
【図５】特許文献２のモータアシスト  ターボチャージャの構成図である。
【図６】特許文献３の浮動ブッシュ軸受の構成図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  電動過給機、１１  タービンインペラ、１２  タービン軸、
１４  コンプレッサインペラ、１５  軸端ナット、
１６  ベアリングハウジング、１７ｂ  スラストカラー、
１７ｃ，１７ｄ  スラストベアリング、
１８  タービンハウジング、１８ａ  スクロール室、１８ｂ  環状流路、
１９  ノズル翼、２０  コンプレッサハウジング、２０ａ  スクロール室、
２０ｂ  環状流路、２０ｃ  外気吸込部、
２２  モータロータ、２４  モータステータ、
３０  軸受メタル、３０ａ  タービン側軸受メタル、
３０ｂ  コンプレッサ側軸受メタル、３１  潤滑油通路、
３２  軸受係止部材
【図１】
2007071165.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007071165.tif 000007
【図６】
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