(57)【要約】【課題】小さいイナーシャによる高応答性、コギングレスによる高追従性を有する車載用電動ターボモータ、ターボチャージャ、エンジン、車両を提供する。【解決手段】ターボチャージャに備えられる車載用電動ターボモータであって、モータは、コアレスモータであり、当該モータは、ハウジング内に収容され、ハウジングに回転自在に支持され、両端部にターボチャージャのタービン、コンプレッサを備えた回転軸と、回転軸の外周側に配置され、回転軸に固定された円筒状のコイルと、円筒状のコイルと回転軸との間に配置され、且つ、ハウジングに固定された円筒状のマグネットと、コイルに電気的に接続される整流子と、整流子に接触するブラシと、を有し、円筒状のコイルと円筒状のマグネットと回転軸は、同心円状に配置され、且つ、タービンとコンプレッサの間に配置されている。【選択図】図２
2017044073.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボチャージャに備えられる車載用電動ターボモータであって、
前記モータは、コアレスモータであり、
当該モータは、ハウジング内に収容され、前記ハウジングに回転自在に支持され、両端部にターボチャージャのタービンおよびコンプレッサを備えた回転軸と、
前記回転軸の外周側に配置され、前記回転軸に固定された円筒状のコイルと、
前記円筒状のコイルと前記回転軸との間に配置され、且つ、前記ハウジングに固定された円筒状のマグネットと、
前記コイルに電気的に接続される整流子と、
前記整流子に接触するブラシと、を有し、
前記円筒状のコイルと前記円筒状のマグネットと前記回転軸は、同心円状に配置され、且つ、前記タービンと前記コンプレッサの間に配置されていることを特徴とする
車載用電動ターボモータ。
【請求項２】
前記整流子及び前記ブラシは、前記ハウジング内のコンプレッサ側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の車載用電動ターボモータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の車載用電動ターボモータを備えたターボチャージャ。
【請求項４】
請求項３に記載のターボチャージャを備えたエンジン。
【請求項５】
請求項４に記載のエンジンを備えた車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車載用電動ターボモータ、ターボチャージャ、エンジン、車両に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ターボチャージャは、タービンの回転軸に連結したコンプレッサを備えている。タービンがエンジン（内燃機関）の排気ガスにより高速回転した場合、コンプレッサが連動して高速回転することにより、エンジンへ所定の過給圧の圧縮空気等を供給する。
【０００３】
ターボチャージャにはイナーシャが存在するため、エンジン加速時、ターボ機能が効き始めるまでに時間が掛かる（ターボラグ）。
【０００４】
ターボチャージャの回転軸の回転をモータ駆動によりアシストして、ターボラグを短縮するターボチャージャが知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載のターボチャージャにはＳＲモータが用いられている。
【０００５】
また、ステータに複数のスリットを有するブラシレス構造のモータを搭載したターボチャージャが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１３３３９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載のターボチャージャは、ＳＲモータを用いているので、大きい振動や騒音を発生する、複雑な電流制御を行う制御回路を要する、などの問題点がある。
【０００８】
また、ステータに複数のスリットを有するブラシレス構造のモータを搭載したターボチャージャの場合、低速回転時にコギングトルクが発生するという問題点がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の車載用電動ターボモータは、以下の構成を少なくとも具備するものである。
ターボチャージャに備えられる車載用電動ターボモータであって、
前記モータは、コアレスモータであり、
当該モータは、ハウジング内に収容され、前記ハウジングに回転自在に支持され、両端部にターボチャージャのタービンおよびコンプレッサを備えた回転軸と、
前記回転軸の外周側に配置され、前記回転軸に固定された円筒状のコイルと、
前記円筒状のコイルと前記回転軸との間に配置され、且つ、前記ハウジングに固定された円筒状のマグネットと、
前記コイルに電気的に接続される整流子と、
前記整流子に接触するブラシと、を有し、
前記円筒状のコイルと前記円筒状のマグネットと前記回転軸は、同心円状に配置され、且つ、前記タービンと前記コンプレッサの間に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明のターボチャージャは、上記本発明の車載用電動ターボモータを備える。
【００１１】
本発明のエンジンは、上記本発明のターボチャージャを有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の車両は、上記本発明のエンジンを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の車載用電動ターボモータは、小さいイナーシャを有し、高応答性を備える。また、本発明の車載用電動ターボモータは、コギングレスによる高追従性を有する。本発明のターボチャージャは高応答性を有する。本発明のエンジンは高応答性を有する。本発明によれば、上記エンジンを備えた車両を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る車載用電動ターボモータを有する車両の一例を示す図。
【図２】図１に本発明の実施形態に係る車載用電動ターボモータの一例を示す断面模式図。
【図３】図２に示した車載用電動ターボモータの回転子の一例を示す図。
【図４】図２に示した車載用電動ターボモータのＡ−Ａ線に沿った断面の一例を示す図。
【図５】本発明の実施形態に係る車載用電動ターボモータのトルク特性の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態に係る車載用電動ターボモータは、ターボチャージャの回転軸にコアレス構造のＤＣモータ（コアレスモータ）を有する。このモータは、要求に応じてターボチャージャの回転軸を回転駆動することで、回転軸の回転をアシストし、ターボチャージャにより所定の過給圧をエンジンへ供給する。また、このモータは、必要に応じて回転軸の回転エネルギーを電気エネルギーに変換し、バッテリに電気エネルギーを蓄える回生機能を有する。このコアレスモータ（ＤＣモータ）は小型に形成されており、小さいイナーシャを有する。このコアレスモータを備えたターボチャージャは高い応答性を有する。
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。本発明の実施形態は図示の内容を含むが、これのみに限定されるものではない。なお、以後の各図の説明で、既に説明した部位と共通する部分は同一符号を付して重複説明を一部省略する。
【００１７】
図１に示したように、本発明の実施形態に係る車載用電動ターボモータ２を有する車両１００は、エンジン１０１（内燃機関）、ターボチャージャ１、インタークーラ５、スロットルバルブ６、バイパスバルブ７、コンプレッサ８、ＥＧＲクーラ１０、ＤＣ電源回路１１、制御部１２（ＥＣＵ）、及びバッテリＢＴを有する。ターボチャージャ１は、コンプレッサ３、タービン４、及び車載用電動ターボモータ２を有する。
【００１８】
コンプレッサ３とタービン４は回転軸２１で連結されている。コンプレッサ３とタービン４の間に車載用電動ターボモータ２が配置されている。このモータ２はコアレス構造を有するコアレスモータ（ＤＣモータ）である。
【００１９】
ＤＣ電源回路１１はバッテリＢＴおよびモータ２に接続されており、制御部１２の制御により、電力をモータ２に供給する。本実施形態では、モータ２として、コアレスモータ（ＤＣモータ）を採用しているので、インバータなどの複雑な駆動回路が不要である。この場合、必要に応じてコアレスモータに電流を供給するだけで、モータ２を簡単に回転駆動することができる。
【００２０】
エンジン１０１は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンなどの内燃機関である。エンジン１０１の吸気管Ｌａはターボチャージャ１のコンプレッサ３側に連結されており、排気管Ｌｂはターボチャージャ１のタービン４側に連結されている。
【００２１】
吸気管Ｌａには、圧縮空気を冷却するインタークーラ５が設けられている。インタークーラ５の下流側にはスロットルバルブ６が設けられている。スロットルバルブ６の下流側は、バイパスバルブ７を介してエンジン１０１の吸気側に連結されている。
【００２２】
また、本実施形態では、エンジン１０１は、排気ガス還流システム（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）システムを採用している。ＥＧＲシステムは、排気ガスの一部分を吸気側へ再循環させるように構成され、燃費を向上させる。具体的には、エンジン１０１の排気管Ｌｂに、排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ１０の上流側が連結され、ＥＧＲクーラ１０の下流側にガス流量を調整するバイパスバルブ９が設けられている。バイパスバルブ９の下流側にはコンプレッサ８（電動式コンプレッサ等）が連結され、コンプレッサ８の下流側がエンジン１０１の吸気側に接続されている。
【００２３】
ＥＣＵなどの制御部１２は、エンジン１０１や車両の状況等に応じて、スロットルバルブ６の開度制御、バイパスバルブ７のガス流量制御、バイパスバルブ９のガス流量制御、モータ２のアシスト制御、モータ２の回生制御、などの制御を行う。
【００２４】
詳細には、図２、図３に示したように、ターボチャージャ１は、ハウジングＨ内に、コンプレッサ３、タービン４、コンプレッサ３とタービン４を連結する回転軸２１、及びコアレスモータ２を備える。
【００２５】
ハウジングＨは、コンプレッサハウジングＨＣ、モータハウジングＨＭ、タービンハウジングＨＴを有する。コンプレッサハウジングＨＣは筒状に形成され、内部にコンプレッサ３のインペラ３ａ（羽根車）を収容している。タービンハウジングＨＴは筒状に形成され、内部にタービン４のインペラ４ａ（羽根車）を収容している。モータハウジングＨＭは略筒状に形成され、コンプレッサハウジングＨＣとタービンハウジングＨＴの間に配置され、コンプレッサハウジングＨＣとタービンハウジングＨＴに接続されている。モータハウジングＨＭの内径は、コンプレッサハウジングＨＣとタービンハウジングＨＴの内径よりも小さい。
【００２６】
モータハウジングＨＭとコンプレッサハウジングＨＣの間には、回転軸２１を回転自在に軸支する軸受部材２８と仕切部ＨＭａが設けられている。モータハウジングＨＭとタービンハウジングＨＴの間には、回転軸２１を回転自在に軸支する軸受部材２９と仕切部ＨＭｂが設けられている。
【００２７】
モータハウジングＨＭ内には、コアレスモータ２の構成部材が配置されている。詳細には、コアレスモータ２は、回転軸２１、ヨーク２２、マグネット２３、コイル２５、整流子２６、ブラシ２７などを有する。
【００２８】
図２、図３に示したように、回転軸２１の一方の端部にコンプレッサ３のインペラ３ａが設けられ、回転軸２１の他方の端部にタービン４のインペラ４ａが設けられている。この回転軸２１はモータ２の回転子を兼ねている。
【００２９】
コイル２５は、円筒形状に形成され、回転軸２１の外周側に配置され、一方の端部が回転軸２１に固定されている。詳細には、コイル２５の一方の端部には整流子２６が設けられ、整流子２６とコイル２５が電気的に接続されている。
【００３０】
整流子２６は、回転軸２１に固定され、コイル２５に電気的に接続されている。詳細には、整流子２６の大径部２６ａにコイル２５が電気的に接続され、小径部２６ｂにブラシ２７が接触するように構成されている。具体的には、ブラシ２７の一方の端部は整流子２６に接触するように配置され、ブラシ２７の他方の端部は外部端子部（不図示）に電気的に接続されている。外部端子部はＤＣ電源回路と電気的に接続されている。
【００３１】
この整流子２６やブラシ２７は、コンプレッサ３とタービン４の間で、コンプレッサ３に近い位置、つまり、吸気側に近い位置（排気側から遠い位置）に配置されている。詳細には、整流子２６やブラシ２７は、コンプレッサ３と、コイル２５又はマグネット２３の間に配置されている。コンプレッサ３側はタービン４側と比較して低温である。すなわち、整流子２６やブラシ２７を低温位置に配置することで、整流子２６やブラシ２７の性能低下や損傷を低減することができる。
【００３２】
ヨーク２２は、円筒形状に形成され、内周側に回転軸２１が配置されている。ヨーク２２と回転軸２１の間には隙間Ｇが形成されている。また、ヨーク２２の一方の端部はモータハウジングＨＭの仕切部ＨＭｂに固定されている。このヨーク２２は磁性金属材料で構成されている。
【００３３】
マグネット２３は、円筒形状に形成され、ヨーク２２の外周側に配置され、ヨーク２２に固定されている。マグネット２３は、アルニコ磁石や希土類磁石などの適宜な永久磁石用材料によって構成され、径方向に相反する磁極を有する。詳細には、マグネット２３は、円筒状のコイル２５と回転軸２１との間に配置され、且つ、ハウジングＨにヨーク２２を介して固定されている。
【００３４】
図３に示したように、回転軸２１、円筒状のコイル２５（２５ａ，２５ｂ）、円筒状のマグネット２３は、コンプレッサ３とタービン４の間に配置されている。また、図４に示したように、回転軸２１、円筒状のコイル２５（２５ａ，２５ｂ）、円筒状のマグネット２３は、同心円状に配置されている。
【００３５】
本発明の実施形態では、ターボチャージャ１のモータ２として、コアレスモータ（ＤＣモータ）を採用したので、モータの回転子のイナーシャが小さい。図５に実線ＬＡで示したように、コアレスモータ（ＤＣモータ）に電流が供給された場合、所定のトルク値（例えば１０ｍＮ・ｍ）となるまでの時間（立ち上がり時間）が比較的短い。
【００３６】
比較例として、ステータに複数のスリットを有するブラシレス構造のモータを駆動させた場合、図５に点線ＬＢで示したように、所定のトルク値（例えば１０ｍＮ・ｍ）となるまでの時間（立ち上がり時間）が比較的長い。
【００３７】
次に、本発明の実施形態に係るコアレスモータ２を有するターボチャージャなどの動作の一例を説明する。
エンジン１０１からの排気ガスの排出により、ターボチャージャ１のタービン４が回転し、タービン４の回転に連動してコンプレッサ３が回転し、エンジン１０１に過給圧を供給する。
【００３８】
加速時、アクセルが踏み込まれた場合、制御部１２は、スロットルバルブの開度を大きくする制御を行い、モータ２を回転駆動して、ターボチャージャの回転軸２１の回転をアシストする。コアレスモータ２は、小さいイナーシャを有するので高応答性を有する。すなわち、ターボチャージャの回転軸が短時間で高回転となり、所定の過給圧をエンジンに供給することができ、加速時のターボチャージャのターボラグが低減する。
【００３９】
また、回転軸２１を高回転から低回転に減速する場合、コアレスモータ２は、小さいイナーシャを有するので、短時間に高回転から低回転へと減速することができる。
【００４０】
また、制御部１２が必要に応じてコアレスモータ２の回生機能を有効にした場合、回転軸２１の回転エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリを充電することで、短時間に、回転軸２１を高回転から低回転に減速することができる。
【００４１】
以上、説明したように、本発明の実施形態に係る車載用電動ターボモータ２は、コアレス構造を有するＤＣモータ（コアレスモータ）である。回転子であるコイル２５や回転軸２１（シャフト）が軽量であり、小さいイナーシャを有する。すなわち、車載用電動ターボモータ２は、高応答性を有する。
また、本発明の実施形態に係る車載用電動ターボモータ２は、コギングトルクがなく、制御部によるモータの駆動制御に応じて、高追従性を実現することができる。
【００４２】
詳細には、本発明の実施形態に係るコアレスモータ２（ＤＣモータ）は、ハウジングＨ内に収容され、ハウジングＨに回転自在に支持され、両端部にターボチャージャ１のタービン４およびコンプレッサ３を備えた回転軸２１と、回転軸２１の外周側に配置され、回転軸２１に固定された円筒状のコイル２５（２５ａ、２５ｂ）と、円筒状のコイル２５と回転軸２１との間に配置され、且つ、ハウジングＨに固定された円筒状のマグネット２３と、コイル２５（２５ａ、２５ｂ）に電気的に接続される整流子２６と、整流子２６に接触するブラシ２７と、を有する。円筒状のコイル２５と円筒状のマグネット２３と回転軸は、同心円状に配置され、且つ、タービン４とコンプレッサ３の間に配置されている。
すなわち、小型で高性能の車載用電動ターボモータ２を提供することができる。
【００４３】
また、上記車載用電動ターボモータ２を備えた小型で高性能のターボチャージャ１を提供することができる。
【００４４】
また、上記ターボチャージャ１を備えた小型で高性能のエンジンを提供することができる。
【００４５】
また、上記小型で高性能のエンジンを備えた車両１００を提供することができる。車両１００としては、自動車、自動二輪車、ハイブリッド車、などを挙げることができる。
【００４６】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。
また、上述の各図で示した実施形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの記載内容を組み合わせることが可能である。
また、各図の記載内容はそれぞれ独立した実施形態になり得るものであり、本発明の実施形態は各図を組み合わせた一つの実施形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４７】
１…ターボチャージャ、２…車載用電動ターボモータ（コアレスモータ）、３…コンプレッサ、４…タービン、１１…ＤＣ電源回路、１２…制御部、２１…回転軸、２２…ヨーク、２３…マグネット（磁石）、２５、２５ａ、２５ｂ…コイル、２６…整流子、２７…ブラシ、ＢＴ…バッテリ（蓄電池）、Ｈ…ハウジング、ＨＣ…コンプレッサハウジング、ＨＭ…モータハウジング、ＨＴ…タービンハウジング
【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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