(57)【要約】【課題】電動スーパーチャージャを改良した過給装置の大型化を抑える。【解決手段】モータとして機能するときの出力によってインペラ１０を回転させて過給を行うモータジェネレータ３０と、インペラ１０のシャフト１１が連結されるサンギア２１と、エンジンからの動力により回転可能なリングギア２２と、サンギア２１とリングギア２２との間に配置された複数のプラネタリギア２３と、複数のプラネタリギア２３に連結されたキャリア２４とを有する遊星歯車機構２０と、インペラ１０の回転を制限するための制限機構１２と、を設ける。キャリア２４には、シャフト１１が挿通される円筒状の筒部２４ａが形成されており、モータジェネレータ３０のロータ３１が筒部２４ａの外周面と一体化されるとともに、モータジェネレータ３０のステータ３２がロータ３１の径方向外側に配置される。【選択図】図１
2017150319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータとして機能するときの出力によってインペラを回転させて過給を行うモータジェネレータと、
前記インペラのシャフトが連結されるサンギアと、エンジンからの動力により回転可能なリングギアと、前記サンギアと前記リングギアとの間に配置された複数のプラネタリギアと、前記複数のプラネタリギアに連結されたキャリアとを有する遊星歯車機構と、
前記インペラの回転を制限するための制限機構と、
を備え、
前記キャリアには、前記シャフトが挿通される円筒状の筒部が形成されており、
前記モータジェネレータのロータが前記筒部の外周面と一体化されるとともに、前記モータジェネレータのステータが前記ロータの径方向外側に配置されていることを特徴とする過給装置。
【請求項２】
前記制限機構は、前記筒部と前記シャフトとの接続状態および切断状態を切り換えるクラッチである請求項１に記載の過給装置。
【請求項３】
前記制限機構は、前記インペラと前記ハウジングとの接続状態および切断状態を切り換えるクラッチである請求項１に記載の過給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動スーパーチャージャを改良することで汎用性を向上させた過給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの出力を高めるための過給装置として、エンジンからの排気エネルギーを利用してコンプレッサ用のインペラを回転させることによって過給を行うターボチャージャがよく知られている。しかしながら、ターボチャージャにおいては、加速時に過給が開始されるまでの時間差（ターボラグ）が生じるため、これを補うために、インペラを電動式とした電動スーパーチャージャが、ターボチャージャとともに併用されることがある。
【０００３】
ところが、一般的に、電動スーパーチャージャを有効に利用できるのは、上述のようにターボラグの影響が生じやすい急な加速時等に限定されるため、電動スーパーチャージャをより多様な場面で有効に活用することが望まれる。そこで、例えば特許文献１には、電動スーパーチャージャを改良して汎用性を持たせた過給装置が開示されている。この過給装置では、遊星歯車機構を構成するサンギア、リングギアおよびプラネタリギアのいずれかにインペラが連結されるとともに、他のギアにエンジンからの動力が入力され、残りのギアがモータジェネレータ（電気機器）によって回転するように構成されている。
【０００４】
そして、インペラの回転を制限するブレーキを作用させた状態で、モータジェネレータをモータとして動作させることにより、モータからの出力をインペラではなくエンジンに伝達し、エンジンをアシストするマイルドハイブリッドとして動作させることができる。また、モータジェネレータを発電機として動作させることにより、エンジンからの動力により発電することができる。つまり、モータによりインペラを回転させない場合においても、換言すると、過給装置を電動コンプレッサとして利用しない場合においても、過給装置をマイルドハイブリッドや発電機として動作させることで、過給装置を有効に活用できるものとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００９−５２０９１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の過給装置では装置が大型化する傾向がある。すなわち、特許文献１の図１に示されているように、モータジェネレータを遊星歯車機構の軸方向外側に配置した場合には、過給装置の軸方向寸法が大きくなる。また、図２に示されているように、モータジェネレータをリングギアの径方向外側に配置した場合には、過給装置の径方向寸法が大きくなる。その結果、車両への搭載性が悪化するという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、電動スーパーチャージャを改良して汎用性を持たせた過給装置において、装置の大型化を抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる過給装置は、モータとして機能するときの出力によってインペラを回転させて過給を行うモータジェネレータと、前記インペラのシャフトが連結されるサンギアと、エンジンからの動力により回転可能なリングギアと、前記サンギアと前記リングギアとの間に配置された複数のプラネタリギアと、前記複数のプラネタリギアに連結されたキャリアとを有する遊星歯車機構と、前記インペラの回転を制限するための制限機構と、を備え、前記キャリアには、前記シャフトが挿通される円筒状の筒部が形成されており、前記モータジェネレータのロータが前記筒部の外周面と一体化されるとともに、前記モータジェネレータのステータが前記ロータの径方向外側に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、後で詳細に説明するように、過給装置を単に電動コンプレッサとしてだけでなく、マイルドハイブリッドや発電機としても動作させることが可能となり、過給装置の汎用性を向上させることができる。さらに、遊星歯車機構のキャリアには、インペラのシャフトが挿通される円筒状の筒部が形成されており、モータジェネレータのロータが筒部の外周面と一体化されるとともに、モータジェネレータのステータがロータの径方向外側に配置されている。このように、シャフトが挿通されている筒部の径方向外側にモータジェネレータを設けることで、モータジェネレータを遊星歯車機構の軸方向外側に設ける必要がなくなり、軸方向の大型化を回避できる。また、筒部の径を小さくすれば、径方向において筒部とリングギアの外周部との間に十分なスペースを確保できるので、このスペースにモータジェネレータを配置することができ、径方向の大型化も回避できる。以上のように、本発明によれば、軸方向および径方向の両方向において、装置の大型化を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態にかかる過給装置の構成を示す横断面図である。
【図２】第１実施形態における遊星歯車機構の動作を模式的に示す図である。
【図３】第２実施形態にかかる過給装置の構成を示す横断面図である。
【図４】第２実施形態における遊星歯車機構の動作を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［第１実施形態］
以下、第１実施形態にかかる過給装置について、図面を参照しつつ説明する。図１は、第１実施形態にかかる過給装置の構成を示す横断面図である。なお、本実施形態の過給装置は、ターボチャージャと併用されるものとして以下の説明を行うが、ターボチャージャを省略し、本実施形態の過給装置のみを設けるようにすることも可能である。
【００１２】
本実施形態の過給装置１は、インペラ１０、遊星歯車機構２０およびモータジェネレータ３０がハウジング４０に収容された基本構成を有しており、インペラ１０が回転することによって、エンジンに供給される吸気が加圧され過給が行われるものである。ハウジング４０は、主に遊星歯車機構２０を収容する第１ハウジング４１と、主にモータジェネレータ３０を収容する第２ハウジング４２と、主にインペラ１０を収容する第３ハウジング４３とから構成される。
【００１３】
遊星歯車機構２０は、外歯歯車であるサンギア２１と、サンギア２１よりも大径でサンギア２１の周りに配置された内歯歯車であるリングギア２２と、サンギア２１とリングギア２２との間に配置された外歯歯車である複数のプラネタリギア２３と、複数のプラネタリギア２３に連結されたキャリア２４とを有して構成される。キャリア２４は、プラネタリギア２３がサンギア２１の周りを回転（公転）する回転数と同じ回転数で回転する。
【００１４】
サンギア２１は、シャフト１１の一端部（図１の左端部）に連結固定されている。このシャフト１１の他端部（図１の右端部）には、インペラ１０が連結固定されている。これによって、インペラ１０、シャフト１１およびサンギア２１は一体回転する。
【００１５】
リングギア２２の回転軸２２ａは、その一部が第１ハウジング４１から突出しており、突出した部分にプーリ５１が連結固定されている。プーリ５１には、エンジンからの動力（クランクシャフトの回転）を伝達するベルト５２が掛けられており、ベルト５２およびプーリ５１を介して、エンジンからの動力が回転軸２２ａに入力される。逆に、後述するように、過給装置１がマイルドハイブリッドとして動作する場合は、モータジェネレータ３０がモータとして機能する際の出力が、回転軸２２ａ、プーリ５１およびベルト５２を介して、エンジンに伝達される。プーリ５１と回転軸２２ａとの間には、プーリ５１と回転軸２２ａとの接続状態および切断状態を切り換える第１クラッチ５３が設けられている。
【００１６】
複数のプラネタリギア２３が連結されているキャリア２４には、円筒状の筒部２４ａが形成されており、この筒部２４ａにシャフト１１が挿通されている。シャフト１１は筒部２４ａと同軸上に配置される。シャフト１１と筒部２４ａとの間には、シャフト１１と筒部２４ａ（キャリア２４）との接続状態および切断状態を切り換える第２クラッチ１２が設けられている。第２クラッチ１２を接続すると、シャフト１１とキャリア２４とが一体回転し、第２クラッチ１２を切断すると、シャフト１１とキャリア２４とが相対回転可能となる。
【００１７】
なお、第１クラッチ５３および第２クラッチ１２は、例えば電磁クラッチによって構成されており、制御部６０からの指令によって接続状態と切断状態との間で切換可能とされている。
【００１８】
モータジェネレータ３０は、キャリア２４の筒部２４ａの外周面に一体的に取り付けられたロータ３１と、ロータ３１の径方向外側に配置されたステータ３２とからなる。このため、インペラ１０、シャフト１１、遊星歯車機構２０およびモータジェネレータ３０は、互いに同軸上に配置されていることになる。本実施形態では、ロータ３１が例えば磁石によって構成され、ステータ３２が例えば制御部６０によって通電制御が可能なコイルによって構成されるものとするが、ロータ３１およびステータ３２の具体的構成はこれに限定されない。
【００１９】
コイルで構成されているステータ３２は、切換回路６１を介して制御部６０およびバッテリー６２と電気的に接続されている。切換回路６１は、モータジェネレータ３０をモータとして機能させるためのモータ用回路と、発電機として機能させるための発電用回路とを有しており、制御部６０からの指令に応じて、モータ用回路と発電用回路との間で切換可能となっている。
【００２０】
モータジェネレータ３０をモータとして動作させる場合には、制御部６０によって切換回路６１がモータ用回路に切り換えられ、バッテリー６２から切換回路６１を介してステータ３２に電力が供給されることで、ロータ３１がキャリア２４と一体回転する。一方、モータジェネレータ３０を発電機として動作させる場合には、制御部６０によって切換回路６１が発電用回路に切り換えられ、エンジンからの動力を受けてロータ３１がキャリア２４と一体回転することで、ステータ３２から切換回路６１を介してバッテリー６２に充電が行われる。
【００２１】
以上のように構成された過給装置１の動作について、図２を参照しつつ説明する。制御部６０は、例えばアクセルの開度やエンジンの回転数等に基づいて、過給装置１を電動コンプレッサとして動作させるか、マイルドハイブリッドとして動作させるか、あるいは発電機として動作させるかを決定する。
【００２２】
例えば、エンジンの回転数が小さい領域でアクセルの開度が急激に大きくなった場合には、ターボチャージャでターボラグが発生しやすいため、ターボラグによる過給遅れを補うため、過給装置１を電動コンプレッサとして動作させる。具体的には、制御部６０は、第１クラッチ５３を接続し、第２クラッチ１２を切断し、切換回路６１をモータ用回路に切り換える。このとき、図２のａ図に示すように、プラネタリギア２３がリングギア２２の回転方向とは反対方向に回転（公転）するようにロータ３１を回転させる。こうすることで、リングギア２２とプラネタリギア２３の相対回転数差に増速比を乗じた回転数でサンギア２１が回転させられることになり、その結果、インペラ１０の回転数を増速させることができる。ただし、過給のためにエンジンからの動力を利用することは必須ではなく、第１クラッチ５３を切断しておいてもよい。
【００２３】
ところで、モータ（モータジェネレータ３０）からの出力を過給のために利用するのではなく、この出力を直接的にエンジンの回転のアシストに利用したほうが好ましい場合がある。このような場合には、過給装置１をマイルドハイブリッドとして動作させるべく、制御部６０は、第１クラッチ５３および第２クラッチ１２をともに接続し、切換回路６１をモータ用回路に切り換える。このとき、図２のｂ図に示すように、プラネタリギア２３がリングギア２２の回転方向と同じ方向に回転（公転）するようにロータ３１を回転させる。これによって、リングギア２２がプラネタリギア２３につられて回転し、モータ（モータジェネレータ３０）からの出力の一部が、プーリ５１およびベルト５２を介してエンジンに伝達され、エンジンの回転をアシストする。
【００２４】
最後に、例えば減速時等には、エンジンからの動力によってバッテリー６２を充電すべく、過給装置１を発電機として動作させる。この場合、制御部６０は、第１クラッチ５３および第２クラッチ１２をともに接続し、切換回路６１を発電用回路とする。すると、図２のｃ図に示すように、エンジンからの動力によってリングギア２２が回転するのに伴って、プラネタリギア２３が回転（公転）し、ロータ３１がキャリア２４と一体回転することで、ステータ３２で電力が生じる。この電力が、切換回路６１を介してバッテリー６２に充電される。このとき、サンギア２１はプラネタリギア２３と一体回転するので、インペラ１０も回転し、若干の過給が行われる。なお、発電時に第２クラッチ１２を切断することも可能であるが、そうすると、インペラ１０の回転が制限されず、エンジンからの動力がインペラ１０の回転により多く費やされるため、発電効率が低下するおそれがある。
【００２５】
［第２実施形態］
第２実施形態にかかる過給装置について説明する。図３は、第２実施形態にかかる過給装置の構成を示す横断面図である。第１実施形態では、インペラ１０の回転を制限するための制限機構として、キャリア２４の筒部２４ａとシャフト１１との間に第２クラッチ１２を設けたのに対し、第２実施形態では、第２クラッチ１２に代わって、インペラ１０とハウジング４０との間に第３クラッチ１３を設けた点が第１実施形態と異なる。そのほかの構成は、第１実施形態の構成と同様であるので、第１実施形態と同じ構成について同じ符号を付し、説明を省略する。
【００２６】
本実施形態の過給装置２においては、上述のように、インペラ１０とハウジング４０との間、より詳細には、インペラ１０の背面とこれに対向する第２ハウジング４２の側面との間に、第３クラッチ１３が設けられている。第３クラッチ１３は、例えば電磁クラッチによって構成されており、インペラ１０と第２ハウジング４２との接続状態および切断状態を切り換える。制御部６０からの指令により第３クラッチ１３が接続されると、インペラ１０が不動の第２ハウジング４２と接続されるので、インペラ１０の回転が停止する。一方、第３クラッチ１３が切断されると、インペラ１０の回転が可能となる。
【００２７】
このように構成された過給装置２の動作は、基本的に第１実施形態の過給装置１と同じである。すなわち、過給装置２を電動コンプレッサとして動作させる場合は、制御部６０は、第１クラッチ５３を接続し、第３クラッチ１３を切断し、切換回路６１をモータ用回路に切り換える。これによって、インペラ１０の回転数を増速させることができる（図４のａ図参照）。
【００２８】
過給装置２をマイルドハイブリッドとして動作させる場合には、制御部６０は、第１クラッチ５３および第３クラッチ１３をともに接続し、切換回路６１をモータ用回路に切り換える。これによって、モータ（モータジェネレータ３０）からの出力が、プーリ５１およびベルト５２を介してエンジンに伝達され、エンジンの回転をアシストする（図４のｂ図参照）。
【００２９】
過給装置２を発電機として動作させる場合には、制御部６０は、第１クラッチ５３および第３クラッチ１３をともに接続し、切換回路６１を発電用回路に切り換える。こうすることで、エンジンからの動力によってロータ３１が回転し、その結果、ステータ３２で生じた電力が切換回路６１を介してバッテリー６２に充電される（図４のｃ図参照）。
【００３０】
なお、本実施形態の過給装置２がマイルドハイブリッドまたは発電機として動作するときには、第３クラッチ１３を接続することによって、図４のｂ図、ｃ図に示すように、サンギア２１の回転が完全に停止する、すなわち、インペラ１０の回転が完全に停止する点が第１実施形態と異なる。
【００３１】
［効果］
第１実施形態の過給装置１および第２実施形態の過給装置２のいずれも、遊星歯車機構２０のキャリア２４には、インペラ１０のシャフト１１が挿通される円筒状の筒部２４ａが形成されており、モータジェネレータ３０のロータ３１が筒部２４ａの外周面と一体化されるとともに、モータジェネレータ３０のステータ３２がロータ３１の径方向外側に配置されている。このように、シャフト１１が挿通されている筒部２４ａの径方向外側にモータジェネレータ３０を設けることで、モータジェネレータ３０を遊星歯車機構２０の軸方向外側に設ける必要がなくなり、軸方向の大型化を回避できる。また、筒部２４ａの径を小さくすれば、径方向において筒部２４ａとリングギア２２の外周部との間に十分なスペースを確保できるので、このスペースにモータジェネレータ３０を配置することができ、径方向の大型化も回避できる。以上のように、過給装置１、２によれば、軸方向および径方向の両方向において、装置の大型化を抑えることができる。
【００３２】
また、第１実施形態の過給装置１では、インペラ１０の回転を制限するための制限機構が、筒部２４ａとシャフト１１との接続状態および切断状態を切り換える第２クラッチ１２として構成されている。したがって、第２クラッチ１２を接続した場合には、キャリア２４とシャフト１１とが一体回転し、インペラ１０も回転することになる。
【００３３】
ここで、過給装置１が発電機として動作する場合、第２実施形態の過給装置２のようにサンギア２１が完全に停止した状態だと（図４のｃ図参照）、エンジンからの動力によってリングギア２２が回転するのに伴って、プラネタリギア２３が回転（公転）する際に、プラネタリギア２３が減速されてしまい、その結果、ロータ３１の回転速度が遅くなる。これに対して、第１実施形態の過給装置１では、図２のｃ図に示すように、エンジンからの動力によってリングギア２２が回転するのに伴って、プラネタリギア２３がサンギア２１と一体回転するため減速が生じず、ロータ３１の回転速度を第２実施形態よりも速くすることができる。つまり、第１実施形態の過給装置１によれば、発電機として動作する際の発電効率を向上させることができる。
【００３４】
一方、第２実施形態の過給装置２では、インペラ１０の回転を制限するための制限機構が、インペラ１０とハウジング４０との接続状態および切断状態を切り換える第３クラッチ１３として構成されている。このため、第２実施形態の過給装置２では、第３クラッチ１３を接続するとインペラ１０の回転を完全に停止させることができる。
【００３５】
ここで、過給装置２がマイルドハイブリッドとして動作する場合、第１実施形態の過給装置１のようにプラネタリギア２３がサンギア２１と一体回転するよりも（図２のｂ図参照）、図４のｂ図に示すように、サンギア２１が停止しているほうがプラネタリギア２３が回転速度（公転速度）を速くすることができる。このため、エンジンがより高回転の場合にも、モータ（モータジェネレータ３０）からの出力によってエンジンをアシストすることが可能となる。
【００３６】
［他の実施形態］
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上記実施形態の要素を適宜組み合わせまたは種々の変更を加えることが可能である。
【００３７】
例えば、第２実施形態では、第３クラッチ１３をインペラ１０とハウジング４０との間に設け、第３クラッチ１３を接続することでインペラ１０の回転を停止させるものとした。しかしながら、インペラ１０の回転を停止させることのできる構成であれば、クラッチの配設場所を変更してもよい。
【００３８】
また、１つの過給装置に、第２クラッチ１２および第３クラッチ１３を両方とも設けるようにしてもよい。上述のように、第２クラッチ１２を設けた場合は、発電機として動作する際の発電効率を向上させることができ、第３クラッチ１３を設けた場合は、高回転領域においてもエンジンのアシストを行うことが可能となる。したがって、第２クラッチ１２および第３クラッチ１３を両方設け、適切に切り換えを行うことで、発電機としての機能もマイルドハイブリッドとしての機能も向上させることができる。
【符号の説明】
【００３９】
１、２：過給装置
１０：インペラ
１１：シャフト
１２：第２クラッチ（制限機構）
１３：第３クラッチ（制限機構）
２０：遊星歯車機構
２１：サンギア
２２：リングギア
２３：プラネタリギア
２４：キャリア
２４ａ：筒部
３０：モータジェネレータ
３１：ロータ
３２：ステータ
４０：ハウジング
【図１】
2017150319.tif 000003
【図２】
2017150319.tif 000004
【図３】
2017150319.tif 000005
【図４】
2017150319.tif 000006