JP5703501B2 - 電気制御ターボチャージャーにおける改良 - Google Patents

Description

本発明は、内燃エンジンと共に用いる電気制御ターボチャージャーの分野に関するものであり、より詳細には、そのようなターボチャージャーの冷却技術および動作効率に対するその他の改良の分野に関する。

従来のターボチャージャーは、エンジン自体の排気ガスを用いてタービンを駆動し、それが、増量した新気をエンジンへ供給するコンプレッサを駆動し、それによりエンジン効率を上げるものとして周知である。

排気マニホールドからのエンジン排気ガスはタービンを高速で駆動し回転させる。タービンはコンプレッサと共用のシャフト上で回転する。コンプレッサは外気を圧縮して、それをエンジンの吸気マニホールドに配給する。圧縮というものは、各燃焼シリンダーにより多くの空気、したがってより多くの酸素を入れることになる。その結果エンジンは、従来型の吸気エンジンよりも高い馬力およびトルクでより高効率に、また、より少ないシリンダー変位で作動する。このように、ターボチャージャーを用いた軽量化エンジンは、ターボチャージャーを用いないエンジンと同等或いはより良い性能を提供しながら消費する燃料はより少ない。

今日の新しい車におけるディーゼルエンジンで、ターボチャージャーなしで動作するものは少ない。ガソリンエンジンにおいてもターボチャージャーはより一般的になってきている。他の、車以外のエンジンもターボチャージャーの恩恵を受けている。

従来のターボチャージャーにおける１つの問題は、エンジン回転数が低いと、充分なコンプレッサ回転速度を得るに足るほど高速でターボチャージャーを駆動するには排気流量が充分でない可能性があるということである。コンプレッサ速度が充分でないと、コンプレッサからエンジンの吸気マニホールドに付加的な空気を供給するに足るほどの力がない。したがって、従来のターボチャージャーを有する自動車において、運転者がアイドルまたは低エンジン回転数から高エンジン回転数に素早く加速した場合、エンジンレスポンスは増加するが、ターボチャージャーブーストの効果には遅れが感じられる。これは主に、ターボチャージャーが、エンジンの吸気マニホールドへの充分な空気量の増加を提供するに足るほどの速度に達するには遅れが出ることによる。したがって、エンジンがより多くの動力を提供するように要求されたまさにその時点では、従来のターボチャージャーは、エンジンの燃焼シリンダーに所望の吸気を供給するにあたり遷移ラグまたは遅延の影響を免れない。

これらの問題故に、要求に必要な速度でタービンを駆動するにはエンジン排気ガスが不十分な場合にコンプレッサを駆動するために、ターボチャージャー内に電動機を含むターボチャージャーが開発された。例えば特許文献１および特許文献２を参照のこと。電気制御ターボチャージャー（「ＥＣＴ」）が用いられた場合、従来のターボチャージャーで通常経験されるラグは実質的に排除される。運転者がアイドルまたは比較的低速度から素早く加速したい場合、ＥＣＴの電動機は、吸気マニホールドと燃焼シリンダーに充分な空気を供給するためにコンプレッサを所望の速度まで素早く加速するように制御される。エンジンがＥＣＴのタービンとコンプレッサの速度を所望のレベルに保持するために排気量が充分となるに足るほど高い回転数に達すると、電動機に供給される動力は、コントローラによって減じられるか排除されて、ターボチャージャーは従来の方式で機能する。

特許文献３において、急速減速時のターボチャージャーの回転運動を電気エネルギーに変換して、自動車の電気需要の少なくとも一部を供給するために発動機／発電機を使用できるということが提案されている。例えば、発動機／発電機は、ハイブリッド車のバッテリーを充電するか、または他の電気需要に対して供給することができる。

ＥＣＴの電動機が、苛酷、高温、高速の環境下で早期破損なく機能し続けられるようにするための多くの取り組みが依然として存在する。通常、ターボチャージャーのタービン側に存在する排気ガス温度（ガソリンエンジンではほぼ１０５０℃、ディーゼルエンジンではそれより低い）は、全体の構造に悪影響を与えるに足るほど高い。加えて、空気圧の上昇は、ターボチャージャーから出される空気温度を典型的には１８０℃の範囲に上昇させるため、ターボチャージャーのコンプレッサ側では著しい温度上昇が起きる。さらに、電動機の固定子の抵抗加熱がＥＣＴの熱負荷をさらに上げる可能性がある。

一般に、熱の管理はターボチャージャーの技術者にとって常なる懸案事項である。その結果、従来のターボチャージャーにおける熱の管理に関して多くの取り組みが開示されてきた。しかし、従来の構造、材料および技法は、ＥＣＴ内部の内装電動機を適切に保護するための改良に関するいくつかの機会を提供している。

高温はＥＣＴの電動機に幾つかの様相で影響する。固定子コイル巻線上の絶縁体が溶融する可能性がある。絶縁体の溶融は剥き出しの巻線を露呈し、コイルどうしの短絡を招く可能性がある。銅線の電気抵抗も、温度上昇につれて著しく増加する。高温での固定子の高い抵抗は電動機の効率を下げ、コイルのさらなる発熱を招く。タービン部を加熱する排気ガスと圧縮部を加熱する空気圧縮から電動機が受け取る熱よりもさらに大量の熱を、コイルの抵抗加熱が電動機内部に発生させる可能性がある。

コンプレッサ回転子の裏側に磁石を取り付け、電動機固定子の巻線を直近に包囲するターボチャージャーハウジングに冷却ジャケットを形成することによってＥＣＴ内の電動機に冷却を施すいくつかの試みが特許文献２に示されている。固定子からの熱の一部を散逸させるために、ジャケットにエンジン冷却剤が循環される。

高速回転も問題を引き起こす。従来のターボチャージャーにおいてはタービンとコンプレッサが互いに隣接しているため、タービンとコンプレッサを連結するシャフトは比較的短い。タービンとコンプレッサの間に電動機を納めるためにはより長いシャフトが必要である。シャフトが長くなると、ターボチャージャーが作動する高い回転速度では、シャフトにおける微妙な不完全さまたは不均衡が拡大する。遠心力は、以下の式に則したものとなる。Ｆ＝ｍ ・ ω²ｒ（１）、ただし、ｍは質量、ωは回転速度（単位時間当たりのラジアン）であり、ｒは半径である。その長さに沿って種々の質量が配置されている回転シャフト組立体では、この式はより複雑なものとなる。それでも、この式は、連続したシャフト半径が増加し、従ってシャフトの質量が増加するにつれ、遠心力も増加するということを依然として示している。加えて、シャフトが長くなるにつれてシャフトの可撓性が高くなり、その固有周波数が低下する。こうして、低速度においてシャフトの共鳴振動が発生する可能性がある。

シャフトが完全に円形で均一でない限り、結果として得られる不均衡が遠心力を発生させ、それがシャフトを振動させる傾向にある。電動機ハウジング内のシャフト上の油または汚染物質も、シャフトの微妙な不均衡を招く可能性がある。シャフトが固有周波数を通過すると、不均衡が共鳴を増幅させる可能性があり、それがターボチャージャーに悪影響を与える可能性がある。

米国特許第４，７６９，９９３号明細書（１９８８） 米国特許第５，６０５，０４５号明細書（１９９７） 米国特許第５，９０６，０９８号明細書（１９９９）

本発明は、ＥＣＴを構築し作動させるに際に生じる課題にいくつかの解決策を提供する。いくつかの実施形態において、ターボチャージャーの軸受を潤滑するために通常供給される、潤滑油などの非導電性液を巻線に吹き付けることによって、ＥＣＴの電動機の固定子巻線に対する付加的な冷却が行なわれる。他の実施形態では、電動機ハウジング内の固定子巻線に吹き付けられる非導電性流体の専用流体源を提供する。さらに別の実施形態では、電動機固定子巻線電動機ボディを直近に包囲するターボチャージャーハウジングに形成された冷却ジャケットを利用する。冷却剤のジャケットの内部と、ハウジング内部の電動機キャビティの間に流路を設けることにより、油などの非導電性液を冷却ジャケットにポンプ注入することが可能となり、その液の一部が電動機キャビティ内へ、固定子巻線上に吹き付けられるようになる。

通常はシャフトの軸受の潤滑を意図した潤滑油などの非導電性液が、電動機キャビティに分岐されて固定子巻線に直接吹き付けられることを見込んだＥＣＴハウジングが論じられる。付加的な電動機冷却のために潤滑油を用いる場合、潤滑油の圧力を、軸受を潤滑するというその主要目的を達成するために確実に充分なものとするために、潤滑路と電動機キャビティの内部との間に弁制御を用いることができる。

付加的な冷却に加えて、ＥＣＴシャフト内の共鳴振動を低減するためにいくつかの技法が用いられるが、それらは、シャフトの上から補強スリーブを提供すること、シャフトの上に溜まる冷却油の量を減らすために補強スリーブ上にオイルフリンガーを配設すること、さらに、シャフト上の回転子の質量を削減する小径クランプを取り付けるための回転子への小径延長部を配設すること、および非対称な寸法の軸受を配設することを含む。

単一シャフトのＥＣＴにおいて、軸受ハウジングの改良は、外側軸受スリーブと、その軸受スリーブを後に取り外して交換できるようにする内側ジャーナル軸受の両方と、唯一のスラスト軸受と封止構成を用いる。

同軸シャフト構成において、ＥＣＴは、高速回転中にシャフトに存在する遠心力に逆らってシャフト間に油を方向付けるための掘り込んだ通路を持つ軸受を利用する改良された潤滑システムを用いている。

内側の中空シャフトの一端に油を供給し、その油が他端と、中間に位置する潤滑ポートとに運ばれて、中空シャフトの内面に沿って形成されたらせん状の溝を介して軸受およびシャフト間の空間とに配給されることによって同軸のシャフトを潤滑するＥＣＴのさらなる改良が示される。

本発明の目的は、電気駆動発動機の固定子巻線上に冷却液を吹き付けることによってＥＣＴの改良された動作を提供することである。

本発明の別の目的は、潤滑油をＥＣＴハウジング内の軸受潤滑路から分岐させて、その分岐した潤滑油を電動機キャビティ内の固定子巻線に吹き付けることである。

本発明の別の目的は、軸受を潤滑するために潤滑油が用いられた後で、潤滑油をＥＣＴの固定子に吹き付けることである。

本発明の別の目的は、冷却ジャケットと電動機キャビティの間に延在するポートを介して冷却油をＥＣＴの固定子に吹き付けることである。

本発明の別の目的は、電気駆動発動機の固定子巻線への潤滑油の制御された分岐を提供する手段をＥＣＴのハウジング内に提供することである。

本発明の別の目的は、電気駆動発動機の固定子巻線に吹き付ける前に潤滑油を浄化することによってＥＣＴの改良された動作を提供することである。

本発明の別の目的は、固定子巻線への吹き付けに引き続き、電動機キャビティから排出された油から空気を除去することによってＥＣＴの改良された動作を提供することである。

本発明の別の目的は、タービン回転子、電気駆動発動機回転子およびコンプレッサ回転子に共通なシャフトを、その自然共鳴を抑制する補強スリーブを付けて提供することによってＥＣＴの改良された動作を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、電動機の回転子上の油の質量を削減するために、前記補強スリーブに、少なくとも１つのオイルフリンガーを配設することである。

本発明の別の目的は、ジャーナル軸受を保持して潤滑するためのジャーナル軸受ハウジングを提供することである。

本発明の別の目的は、ＥＣＴのコンプレッサ段に冷却ジャケットを提供することである。

本発明の別の目的は、ＥＣＴの排気駆動タービン段を係合するクラッチ機構であって、タービンが所定の充分な速度に達した場合に、その係合したタービンにコンプレッサ段を直接駆動させるクラッチ機構を配設することである。

本発明の別の目的は、タービン段とコンプレッサ段の間に延在し、電動機の回転子を含む単一のシャフトを利用する改良されたＥＣＴを提供し、改良された軸受潤滑システムを提供することである。

本発明の別の目的は、同軸のシャフトを利用する改良されたＥＣＴを提供し、シャフトと軸受の改良された潤滑システムを提供することである。

本発明の別の目的は、一端から潤滑油を供給し、内側中空シャフトの内面に形成されたらせん状の溝で、両シャフト間にその全長にわたり潤滑油を運ぶことによって、同軸の内側シャフトおよび外側シャフトの対向面を潤滑する改良されたＥＣＴを提供することである。

本発明の別の目的は、同軸のシャフトの一端から供給される潤滑油を利用し、外側シャフトに開口を設けて、回転する外側シャフトにかかる遠心力によって潤滑油を軸受に押し込むようにさせることで軸受を潤滑する改良されたＥＣＴを提供することである。

オプションのクラッチを示した、電気制御ターボチャージャーのブロック図である。 電気制御ターボチャージャーの外側の透視図である。 電気制御ターボチャージャーの外側の透視図である。 電気制御ターボチャージャーの切欠図である。 周辺アイテムを伴う電気制御ターボチャージャーの断面図である。 図５に示した油分配流路と電動機キャビティの拡大部分図である。 逆止弁の断面図である。 ターボチャージャーのシャフト、電動機回転子およびタービンとコンプレッサの可動部品の斜視図である。 ターボチャージャーのシャフト、電動機回転子およびタービンとコンプレッサの可動部品の切欠斜視図である。 ターボチャージャーのシャフト、電動機回転子およびタービンとコンプレッサの可動部品の断面図である。 シャフトスティフナー要素を伴う電動機の回転子の分解図である。 図１１に示した回転子とシャフトスティフナーの組み立て後の断面平面図である。 図６の横断線ＸＩＩ−ＸＩＩに沿っており、潤滑路から電動機キャビティにつながる、径方向に配向された吹き付けポートを示したＥＣＴの断面図である。 図６の横断線ＸＩＩ−ＸＩＩに沿っており、潤滑路から電動機キャビティにつながる、径方向に向いた吹き付けポートを示したＥＣＴの断面図である。 同軸のシャフトと、潤滑油を軸受と電動機キャビティに押しやるために用いられる潤滑システムを有するＥＣＴの拡大断面図である。 二段コンプレッサとコンプレッサ冷却ジャケットを有する単一シャフトのＥＣＴの断面図である。 二段コンプレッサとコンプレッサ冷却ジャケットを有する同軸シャフトのＥＣＴの断面図である。 二段タービン、二段コンプレッサおよびコンプレッサ冷却ジャケットを有する同軸シャフトのＥＣＴの断面図である。 同軸シャフトの部分の分解・組立図である。 同軸シャフトの部分の分解・組立図である。 同軸シャフトの部分の分解・組立図である。 同軸シャフトの部分の分解・組立図である。 掘り込んだ通路を有する回転軸受の断面図である。 端部供給式潤滑の同軸シャフトＥＣＴの断面図である。 図２１の軸受部分の、浮動軸受要素を抜かした拡大図である。 図２１の軸受部分の、浮動軸受要素を伴う拡大図である。 潤滑油供給連結部を示したＥＣＴの端部の平面図である。 潤滑油供給連結部と、シャフトの端部への通路を示したＥＣＴの端部の部分切欠図である。 図２６に示した如くのＥＣＴの部分の断面図であり、シャフトの端部への潤滑油供給通路を示したものである。 図２６の断面図の拡大図であり、シャフトの端部への潤滑油供給通路連結の詳細を示したものである。 オプションのクラッチ機構の拡大図である。 外部インタークーラー連結のために設計された二段ＥＣＴの斜視図である。 図２８のＥＣＴの断面図である。

図１のブロック図において、電気制御ターボチャージャー１００はタービン２００と、コンプレッサ４００と、電動機３００と、シャフト組立体５００と、コントローラ６００とを備える。電動機３００はタービン２００とコンプレッサ４００の間に配置され、シャフト組立体５００はタービン２００とコンプレッサ４００と電動機３００を相互接続する。タービン２００とコンプレッサ４００はそれぞれシャフト５００に固定されて単一のユニットを形成している。タービン２００、コンプレッサ４００、電動機３００およびシャフト組立体５００は別の相対的な物理的構成を有してもよい。コントローラ６００は接続部６０２（図５）を通して電動機３００の動作を制御する。別法として、クラッチ７００（破線で示す）を電動機３００とタービン２００の間に用いて、電動機３００にコンプレッサ４００を低速時のタービン負荷とは独立して回転させるようにしてもよい。ＥＣＴにおける電動機３００は、低エンジン速度において弱く駆動されるタービンを引き継ぐために用いられるため、タービンを電動機負荷から脱係合するためにクラッチを用いることで、よりコンパクトで小型の電動機を持つＥＣＴの設計が可能となる。勿論、それはタービン２００が電動機３００を引き継ぐに足るほど高速になるまでのことである。クラッチ７００が係合されるとタービン２００がコンプレッサ４００を駆動する。クラッチを使用すると、低速時にタービン負荷の負担がいらなくなるため電動機３００がより高効率になる。図２４に電気式クラッチの実施形態が示されている。しかし、遠心力式、油圧式または一方向機械的デザインなどのその他のクラッチのデザインも考慮されてもよい。

図２および図３の外部透視図において、電気制御ターボチャージャー１００、タービン２００のハウジング２０２は、入口２１２に入口側フランジ２０６を含む。エンジン（図示せず）からの排気ガスは、入口２１２から入って渦巻２１４（図４と図５も参照のこと）を通して流れる。この実施形態において、渦巻２１４は入ってくる排気ガスにらせん状の進路を提供し、そのため、中心に向かって寸法が減少し得る。２１６と２１８（図４と図５）における寸法を比較されたい。この寸法の減少により、渦巻きが内側に向かって渦巻くにつれてその断面積を減少させ、それが、通常の動作においては排気ガスの速度を上げさせる。状況によっては渦巻を別の形状にすることが望ましいこともある。

渦巻２１４は、タービンハウジング２０２の中央開口部２２２と連通する内向きでテーパー状の開口２２０（図４）を有する。タービンホイール２０４はタービンホイールの周りに配置されたタービンブレード２０８を有する。排気ガスが渦巻から開口部２２０を介して通過すると、タービンブレード２０８にガスが作用してタービンホイール２０４を回転させる。タービンハウジング２０２を包囲する構造がないタービンホイール２０４とタービンブレード２０８の別の図に関しては図８、図９および図１０も参照されたい。

フランジ２０６は、排気ガスが入口２１２と渦巻２１４に入るように、エンジン排気マニホールド（図示せず）への相補型の取付物に取り付けられている。排気ガスがタービンホイール２０４を回転させた後で、使用されたガスは開口部２２２を介して排気システムへと通過するが、その排気システムは汚染処理システム、マフラーおよび排気管を含んでもよい。排気ガスの一部は吸気マニホールドに方向付けられて排気ガスを燃焼プロセスに戻すべく再循環させることができる。フランジ２１０は開口部２２２を包囲するものであり、排気システムに取り付けられるように配設されている。

タービンハウジング２０２は、融点が高く、例えばほぼ１０５０℃までの高温排気ガスに曝されたときに強度を維持する、鋳鉄またはその他の材料から形成されていることが好ましい。

タービン２００は、排気ガスにタービンをバイパスさせるウェイストゲートまたはその他の特徴を含むことができる。特定の設置においてタービンが予期された出力より高位で作動することになった場合、余剰な熱とタービン速度が蓄積してコンプレッサはエンジン燃焼シリンダーに多すぎる圧縮空気を提供する可能性がある。ウェイストゲートがこの問題を解決する。

コンプレッサ４００は、図２、３、４および５に図示したコンプレッサハウジング４０４を含む。コンプレッサ４００は出口４０６を介してエンジンの吸気マニホールド（図示せず）へと圧縮空気を排出する。コンプレッサ４００は圧力リリーフ弁（図示せず）をも含むことができる。コンプレッサが意図した出力より上位で作動する場合、コンプレッサ速度が増進しすぎてコンプレッサはエンジン燃焼シリンダーに多すぎる圧縮空気を供給する可能性がある。圧力リリーフ弁はこの問題を解決する。

コンプレッサ４００は図４、５、８、９および１０に図示したコンプレッサホイール４０８を含む。例えばエアフィルタ（図示せず）からの外気はコンプレッサのインレット４１０を介してコンプレッサ４００へと通る。開口４１８はコンプレッサインレットと連通していて空気をディフューザ４１２へと方向付け、そのディフーザ４１２は４１６での小さい内部寸法から４１４での大きい内部寸法へと漸変するらせん形通路とすることができる。コンプレッサホイール４０８はインレット４１０を介して空気を引き込み、開口４１８を通してディフューザ４１２へと空気を径方向に加速させる。ディフューザはその速度を低減させながら空気圧を増加させる。

コンプレッサ４００内での空気圧増加は空気の大幅な加熱を引き起こし、それはコンプレッサハウジング４０４およびコンプレッサ内の他の部品へと伝わる。この熱の一部は電動機３００へと伝わり得る。ターボチャージャーにはコンプレッサと吸気マニホールドの間にインタークーラーが配設され得るが、インタークーラーの主要な機能はコンプレッサからの空気の温度を下げて空気密度を高めることである。インタークーラーは通常コンプレッサからハウジングおよび電動機３００への熱伝達を低減することはない。

電動機３００は、この実施形態では２つの区分３０４および３０６からなるハウジング３０２を有する。この２つの区分は互いに封止されていてよいが、組立体のための内部アクセスを提供するため、並びに修理・補修のために分離可能なものとしてもよい。Ｏリング３２６などのような１つまたは複数の封止体を用いて２つの電動機ハウジング区分を封止する。

電動機３００は誘導電動機、永久磁石電動機、スイッチドリラクタンス電動機、またはその他のタイプの電動機或いは電気機械であってよい。本明細書に開示される実施形態では、固定子巻線と誘導電動機回転子要素を有する電動機が示されている。

電動機ハウジング３０２は、油を受け入れるオイルインレット３０８と、電動機から油を排出するオイルドレイン３１４を含む。この油は内部を経由して可動部品を潤滑するとともに電動機の部品を冷却する。油の源３１０（図５に模式的に示されている）は、エンジンクランクケースオイルまたは別個のオイルポンプの源であってよい。エンジンが始動すると油をエンジンにポンプ注入し始めるエンジン駆動機械式ポンプを有するエンジンもある。これらのエンジンは、初期潤滑に関しては、エンジンシャットダウンの後で可動部品に残っている油に依存することができる。ターボチャージャー１００の一定の部品が、圧送される油からの利益を先に得たほうがよい可能性がある。例えば、適切な油は、ターボチャージャー電動機の冷却用よりターボチャージャー軸受用として、より重要であり得る。

クランクケースオイルの大きな容量は、本願においてさらに説明するように、ターボチャージャー１００からの熱を散逸するための大きな溜め（ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）を提供する。油の源の熱放散能力を増強するために例えば１リットルまたはそれ以上のリットル分クランクケースオイルの容量を増量してもよい。オイルクーラーも使用されてもよい。逆に、別個の源からの油を用いることは、エンジンオイルを汚染する何らかの条件によって油が汚染されることを防止する。

油がエンジンクランクケースから来る場合でも別個の源から来る場合でも、別個のポンプ３２８（図５に模式的に示されている）が固定子と軸受に油をポンプ注入することができる。そのようなポンプは電動式でも機械式でもよい。機械式ポンプは、運転者が車を始動させているがエンジンのコントローラがイグニッションを始動させる前の場合のように、エンジンがかかる前に油の流れを始動させることができる。この別個のオイルポンプは、ハイブリッド車のようにエンジンが頻繁に始動と停止をするエンジンでは有効であろう。別個のオイルポンプはサーモスタット式に制御されるので、エンジンシャットダウン後もターボチャージャー１００の温度が許容できるレベルに下がるまで稼働し続けることができる。

電動機ハウジング３０２は電動機３００への電気接続を提供する電気コネクタ３２２を含む。コントローラ６００からのリード線６０２（図５）は電気コネクタ３２２を介して電動機へと接続することができる。電動機は冷却剤を受け入れるための冷却剤インレット３４８（図２）と冷却剤をラジエータまたはその他の冷却液源へ戻すための冷却剤アウトレット３２０（図３）をも含んでよい。この冷却システムは冷却剤を冷却剤インレット３４８へと方向付けるための別個の電動または機械式ポンプを有していてもよい。そのポンプもまた、サーモスタットからのデータを受け取ることができるコントローラ６００の制御下とすることができる。冷却剤は電動機固定子３３２に隣接した電動機ハウジング区分３０６内に形成された冷却剤ジャケット３１８（図５および６）を循環する。

電動機ハウジング３０２は鋳鉄またはその他の適切な材料から形成されてもよい。電動機ハウジング３０２は種々の内部支持体を含むことができる。鋳鉄は弱くならずにかなりの熱負荷に耐えることができる。しかし、電動機ハウジングの部品への力が高くない場合は、セラミックまたはその他の絶縁体で鋳鉄を置き換えたりそれらを鋳鉄に加えて使用することができる。セラミック材料は鋳鉄よりも熱伝導性が低いので、タービン２００から電動機３００、軸受５１０および５１２への熱の流れを低減することになろう。

関連するエンジンがアイドリングまたは低出力で作動していて、加速のために出力を上げることが要求された場合、コンプレッサ４００を適切に駆動する速度でタービン２００を駆動するためには低排出出力では不十分となり得る。エンジンがコンプレッサを動作出力で駆動するために充分な排出を発生させるまでの遅れを回避するため、電動機３００が通電されてコンプレッサを即座に所望の速度で駆動する。コントローラ６００は負荷、ｒｐｍ、スロットル位置、燃料の流れおよびその他の情報などのエンジン条件に関するデータを受け取って電動機３００を駆動する電力を制御するべく稼働する。遅れを克服するために、コントローラは電動機３００を駆動してシャフト組立体５００にトルクを発生させ、それがコンプレッサ４００をより早く回転させて、低エンジン速度であっても電動機のフル稼働状態まで空気を加圧する。

図４〜図１０に示された単一のシャフト組立体５００は、タービン２００に連結してそこから電動機３００を介してコンプレッサ４００へと延出するシャフト５０４を含む。タービンホイール２０４のブレード２０８に作用する排気ガスからのトルクがシャフトを回転させる。シャフトからの回転がコンプレッサホイール４０８の回転を生む。

電動機ハウジング３０２は電動機３００を包囲する電動機キャビティ３４７を含む。電動機キャビティ３４７はオイルドレイン３１４と開放状態で連通している。シャフト５０４は電動機キャビティ３４７を介して延在し、軸受５１０と５１２によってそこで回転するために懸架されている。

電動機３００はシャフト５０４とともに回転するシャフト５０４上に取り付けられた回転子３３０を有する。固定子３３２は電動機キャビティ３４７内に取り付けられて回転子３３０を包囲する。固定子３３２は緊密に詰まったコイル状の絶縁ワイヤ（図示せず）およびラミネーション積層３４６を有する。ワイヤの材料、ゲージ、巻線、絶縁およびその他の特徴およびラミネーション積層の特性は、それらの電気的、磁気的、環境的およびその他の因子によって選択されることができる。

電動機３００はタービン２００およびコンプレッサ４００からの高温ならびに固定子３３２の抵抗加熱からの高温に曝され得る。電動機３００および全ての関連素子への熱の影響を最小化することが勿論望ましい。図５および図６に示した実施形態において、軸受４５１０および５１２を潤滑するためにハウジング３０２へとポンプ注入された潤滑油は部分的に分岐されて、固定子３３２を冷却するために該固定子に吹き付けられる。固定子を冷却するために、油路３４０と電動機キャビティ３４７の間に延在するオイルジェット３５０および３５２を介して油は固定子に対してジェットで吹き付けられる。油は、エンジンクランクケースまたは別個の油溜めであってよい油源３１０（図５の模式図）から来る。油は、ターボチャージャーの軸受（後述する）を特定的に潤滑するための別の専用の源から来るものでもよい。固定子３３２に吹き付けられた油は次にサンプドレイン３３６（図４および５）に流れ込み、そこで集められてクランクケースか別個の油溜めに流れ戻る。図５に、サンプへと届けられる前に油からの気泡除去を補助するエアセパレーター３１７が描かれている。

タービン２００からの輻射熱を電動機ハウジング３０２と電動機３００から遠ざけるように反射するために輻射熱シールド３３４（図４および６）が配設されている。コンプレッサ４００またはタービン２００から電動機への熱伝導を防ぐために１つまたは複数の伝導熱シールド３５８（図５に模式的に示されている）が配設されてもよい。伝導熱シールドは熱伝導を防ぐセラミックまたはその他の適切な材料であってよい。輻射熱シールドは金属またはその他の材料であってよい。ターボチャージャー１００のいずれの場所にでも付加的な熱シールドおよび絶縁を用いることができる。

ターボチャージャー１００は異標準のターボチャージャータービンとコンプレッサ構成要素を用いることができ、または、構成要素は特別に構成されてもよい。さらに、タービン２００とコンプレッサ４００は可変な形状を用いてよい。二面のコンプレッサホイールを用いることもできる。

図４、５および６に、シャフト５０４を支持する２つの軸受５１０および５１２が示されている。タービン２００とコンプレッサ４００の間に電動機３００を収容するため、シャフト５０４は標準的ターボチャージャーシャフト、すなわち電動機のないターボチャージャーよりも長くすることができる。このようにシャフトの長さが増加することで、軸受５１０と５１２の間の距離が長くなる。他はすべて等しいとすると、長さの増加が、より可撓性の高いシャフトをもたらす。シャフト５０４が高速で回転すると固有周波数を通過して共鳴の対象となる。

シャフトの振動を低減するために、単一のシャフト組立体５００は、シャフト５０４の中心部の周りに配置されたシャフトスティフナー５１６スリーブ要素を含む。図４〜６および８〜１２を参照されたい。回転子はシャフト５０４に直接接するというよりは締まり嵌めによってスティフナーに取り付けられる。スティフナーは共振速度による、また共振速度間での振動を低減した動作を可能にするようにシャフトを強化する。

スティフナー５１６はいくつかの材料から作成されてもよい。しかし、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）合金が、遮熱材として働く特性を有するために好適である。するとスティフナー５１６はシャフト５０４から回転子３３０への熱伝達を低減するために有効になることができる。シャフト５０４は排気ガスとコンプレッサ４００からの熱い加圧空気からの高い熱負荷に曝される可能性がある。また、スティフナーを２つまたはそれ以上の高度に制御された円筒形部品の精密締まり嵌めの組立体として形成して、回転子とスティフナーの間、およびスティフナーとシャフトの間両方の取り付け機構を提供してもよい。スプラインまたはセレーショントルク伝達機構は別の選択肢であるが、それらはシャフトバランス公差の保持の難しさ並びに部品への局所応力の増加のため、あまり望ましくない。

それぞれの軸受けでのシャフトの外径の差に合わせるため、軸受５１０および５１２が異なるサイズとなるようにシャフト５０４は段状になっている。各シャフト軸受は軸方向負荷に対抗しながら部品間の回転を可能にするためにジャーナル軸受とスラスト軸受を含む。両方の軸方向における軸方向負荷に対抗する単一のスラスト軸受で十分であろう。スラスト軸受は加圧油またはその他の液体の薄い層に依存して軸方向スラストを保持する。同様に、ジャーナル軸受５１０および５１２における油の薄い層がシャフト５０４を軸受構造と電動機ハウジング３０２から分離することができる。回転要素軸受または回転要素軸受、ジャーナル軸受およびスラスト軸受の組み合わせも用いることができる。スラスト軸受とシールについては以下で詳細に説明する。

電動機ハウジング３０２は固定子３３２と回転子３３０を実質的に収容する内部構造を含む。電動機ハウジング３０２は、オイルインレット３０８と軸受５１０および５１２を接続する１つまたは複数の油路３４０を含む。図４、５および６を参照されたい。

電動機ハウジング３０２は、通路３４０から油を吹き付ける１つまたは複数のジェット３５０および３５２を含む。図４および６を参照されたい。このジェットは、固定子３３２に対して加圧油を放つノズルとして働くことができる。ジェット３５０および３５２は油を分配するための別個のノズルまたは同様の構造を含むことができる。同様に、ジェット３５０および３５２は、特定の使用例によって扇状、コーン状、直線流、緩慢な滴下またはその他のパターンまたはそのようなパターンの組み合わせなどの所望の吹き付けパターンで油がジェットから排出されるようにする形状を有することができる。加えて、いくつかのジェットが１つのパターンで吹き付け、他のジェットが別のパターンで吹き付けることもできる。ジェットは、軸受５１０および５１２から油を取り去らずに固定子の冷却用に十分な油を提供できるサイズとしてよい。図４および６において、ジェットは固定子３３２の側から油を放つが、適量の油が固定子に接する限り固定子に対してどこに配置されていてもよい。例えば、１つのオイルジェットが使用される場合、油が固定子コイルにわたり重力で滴下するように、ジェットは固定子のラミネーションに対して固定子の頂面から吹き付けられるように配置されることができる。油を軸方向または斜め方向に吹き付けるようにジェットを配置することもできる。油が固定子の所望の位置に達することを目指して、電動機ハウジングのどこにでも付加的なジェットおよび／または開口部を設けることができる。したがって、エンジンクランクケースまたはその他の油源からの油を用いて電動機３００を冷却しシャフト軸受５１０および５１２を潤滑することができる。

固定子３３２は、油がコイル自体に届くように露出コイルで設計されてもよい。油は電気絶縁体であるため油をコイルに接触させても短絡が起きたり、隣接するコイルや電動機内の他の構造に電流を生じさせることはない。固定子は、熱拡散を補助する１つまたは複数のフィン（図示せず）を有することができる。

固定子３３２を冷却するために油が用いられるため、軸受からの油供給は、冷却に使用される油を補填するに十分な容量であるべきである。油冷却のための熱交換器またはその他のシステムが、油システム内の適切な場所に配置されてもよい。

ジェット３５０および３５２は、油圧が所望のレベルに達するまで油の流れを遅れさせる弁をそれぞれ含んでよい。図６および７に模式的に示されている弁３５４を参照されたい。図７に、この目的に適した逆止弁が示されている。この弁では、逆止弁ボール３５３は通常押圧バネの力によって密封閉鎖されている。インレット３５５における流体圧力が所定値を越えると、押圧バネの力に抗してボールが押し開けられる。少なくともその所定圧力値に到達してそれが保持されると、油はスプレーノズル３５１を通過する。こうして、軸受５１０および５１２が十分な油を有しているまたは有していると推定される場合のみ弁は開放状態となり固定子３３２に油を吹き付ける。冷却のために固定子に油が流れているため、弁は油圧を降下させずに軸受への最低量の油圧を維持することができる。

油が固定子３３２とそのコイルの周りに流れると、油はサンプドレイン３３６（図４および５）へと滴下する。油を回転子３３０から遮蔽するため、固定子の下部にトレイ３２４（図６）が延出してよい。トレイ３２４は固定子の周りに１８０°にわたり延在してよい。トレイは１つまたは複数のドレインを有することができる。油がトレイの縁に達すると、油はサンプドレイン３３６内へと滴下する。

サンプドレイン３３６内の油はオイルアウトレット３１４（図２、３、４および５）を介して流れ、そこから油はクランクケースまたはその他の油溜めに戻る。オイルアウトレットは、合理的な車体姿勢（スロープ、傾斜角および角度／直線加速）における油の完全排出を可能にするべく適切なサイズおよび配置とすることができる。

真空ポンプ３１６（図５）はアウトレットを介して油を引き込むためにアウトレット３１４に真空を適用する。通気しない場合、真空ポンプによって生じた電動機ハウジング３０２内の低圧が、タービン２００からの排気ガスを電動機ハウジングに引き込むことがある。したがって、通気孔３５６（図２）が電動機ハウジングに含まれ、そこから新鮮な外気またはクランクケース空気が流れ込んで、電動機ハウジング内に真空が形成されることを防ぐ。こうして、通気孔は排気ガスの電動機ハウジング３０２への引き込みを防止する。通気孔が水またはその他の汚染物を電動機３００に引き込むことを防ぐために、フィルタ、チャコールキャニスター、一方向弁またはその他の阻止用装置を含むことができる。

汚染されていない油は良い電気絶縁体であるが、油は金属粒子および水によって汚染され、それらは両方とも電気装置にとって有害であり得る。したがって汚染物質を濾過してターボチャージャー１００に使用される油から水を離すことは有効であろう。従来のエンジンオイルフィルタおよび油／水セパレータもエンジン潤滑のためのクランクケースオイルを濾過するために適切である。それらがターボチャージャーの要求には不適切であった場合、特別なオイルフィルタおよび油／水セパレータを用いることができる。

冷却に使用される油は曝気されることができる。したがって、油をエアセパレーター３１７を通して流れさせることは有効である。さらに、シャフト５０４、スティフナー５１６および回転子３３０は電動機ハウジング３０２が形成するキャビティ全体内部でウインドシアーを発生させ得る。ジェット３５０と３５２、および他の油用開口とジェットの方向ならびに位置取りがウインドシアーの原因となる。したがって、油が気流を減速させてそれにより回転子を望ましくなく減速させることがないように、油はウインドシアーの流れに対して吹き付けられるべきではない。固定子コイルに直接接触の油冷却を提供するためにこれらのジェットの最低でも１つは存在していなければならない。１つより多いジェットを有することは、固定子の周りにより均一な配分で油冷却を提供することになるため、より望ましいであろう。

回転子内部でのウインドシアーの流れをもたらすために、ジェットは固定子の周縁に対してほぼ接線方向に、かつ内部電動機ハウジングのウインドシアーの方向に油を方向付けるべきである。ジェットは軸方向または径方向またはその任意の斜め方向の組み合わせから固定子と面することができる。例えば、ジェットは９時または１０時位置から３時または４時位置の間の周縁位置に配置されるか、または少なくともその位置に集約されることができる。

電動機部品から油を取り去ることは有効であり得る。固定子３３２、シャフト５０４またはスティフナー５１６上で過熱する油は約２８０℃でコーキングし始める。シャフトまたはスティフナーでのコーキングはシャフト５０４の均衡に影響したり、シャフトとスティフナーの慣性を増加させかねない。コーキングした油はさらにジェット３５０および３５２を含む通路を塞ぐ可能性がある。コーキングが発生しなくても、シャフトまたはスティフナー上の油はシャフトの均衡に悪影響を及ぼし、慣性及び抗力抵抗を望ましくなく増やす可能性がある。

したがって、シャフトは、回転するにつれて流体を径方向外側に流す形状特徴を持つ１つまたは複数のフリンガーを含むことができる。例えば、タービン２００とコンプレッサ４００から油を離しておくために、シャフト上にオイルフリンガー５２０および５２２（図５および６）が配置されてもよい。つまり、シャフトに沿ってタービンまたはコンプレッサに向けて油が流れる場合は必ず、油はフリンガーに会ってそこでタービンまたはコンプレッサから離れる方向に径方向外側に飛ばされる。油はサンプドレイン３３６へと飛ばされるか、または電動機ハウジング３０２の他の構造に向けて飛ばされてそこからサンプへと滴下するかのいずれかになる。

フリンガーがシャフト５０４から油を除去するため、シャフトの有効質量がシャフト上の油によって大幅に増加することはない。したがって、ターボチャージャー１００の急速スプールアップ時の慣性の影響による遅れが低減される。オイルフリンガーは、油を回転するシャフトから除去して固定子コイルおよび電動機ハウジング壁に投下することによって油の脱気にも貢献し得る。

シャフト組立体５００は固定子３３２の側面に整列したフリンガー、例えばスティフナー５１６（図５）の周りのフリンガー５２４および５２６をも有することができる。これらのフリンガーは油を固定子３３２へと戻すように循環させることができる。油をトレイの外側に吹き付けることはトレイから熱を伝導させて取り去りはするが、油はトレイ３２４を避けて方向付けなければならないであろう。トレイの温度降下は固定子から熱を取り去ることとなり得る。

回転子３３０から油を取り去るため、または固定子３３２に達してさらに固定子３３２を冷却する方向に油を流すため、付加的なフリンガー５２４および５２６を含むことも可能である。

フリンガーは、シャフト５０４、スティフナー５１６またはシャフトに結合されたその他の構成要素に付加されるか、またはそこに組み込まれてよい。

電動機ハウジング３０２は固定子３２２を包囲する壁３３８に１つまたは複数の通路３１８（図５および６）を形成してよい。この通路は、そこから冷却剤が流れることができる冷却剤インレット３２０（図３）に連結する。冷却剤は存在するエンジン冷却システムからの冷却剤でよい。エンジンオイルや別個のオイルシステムなどの、車両のシステム以外の冷却システムからの冷却剤をこの通路で用いてもよい。空気はほとんどの液体ほどには熱伝導できないが、大気を用いることも可能である。

通路３１８が油を運ぶ場合、壁３３８は、油が固定子３３２のコイルに滴下するかまたは吹き付けられることを可能にする放射状または別の開口を含むことができる。これに関しては、図１３および１４に関連して以下により詳細に説明される。

熱伝導性が高い材料（例えばアルミにウムまたは銅）の熱伝導媒体３４６（図６）が固定子に接触して、固定子から壁３３８および通路３１８内の冷却剤へと熱を移動させる。冷却剤は電動機ハウジング３０２を包囲する構造を冷却して、電動機ハウジングと、電動機３００の他の部品から熱を伝導させる。

冷却剤が通路へ進入してから通路から排出されるまでの間に、冷却剤が固定子３３２の大部分の周りを移動できるように、通路３１８への冷却剤インレット３４８（図２）および冷却剤アウトレット３２０（図３）を配置することができる。冷却材から除去された熱はエンジン冷却システムの熱負荷に加算される。したがって、エンジン冷却システムはこの加算された熱負荷を凌ぐような大型または大容量である必要がある。

ターボチャージャーの動作の一例として、車両が交通信号のところにあって車両エンジンがアイドリングしている状況を考慮する。運転者が急激に加速したい場合、ターボチャージャーへの排気エネルギーは自然に遅れる。その場合、タービン２００を十分に早く回転させるために十分なトルクを提供するためには排気ガスの量だけでは無理である。結果として、シャフト５０４は、コンプレッサ２００に有効なブーストを提供させるほど十分に速く回転できない。

ところで、コントローラ６００は速度センサ（図示せず）からシャフト５０４および／または回転子３３０に関する速度情報を取得する。固定子３３２に隣接または接触している温度センサが、コントローラに固定子の温度データを供給する。さらにコントローラは、スロットル情報、排出出力および入気量などのエンジンの現在の動作に関するデータをセンサから受け取り得る。

これらのデータを用いてコントローラ６００はシャフトの速度が望ましくなく低いことを判断し、電動機３００を回転させる。電動機はシャフト５０４を回転させてコンプレッサ４００を駆動させることで所望のブーストを提供する。電動機は速度を急速に上げ、それが、タービン２００が単体で行なうよりもずっと早期にコンプレッサを回転させる。エンジン排気ガスが、タービンを駆動するために十分になると、コントローラは電動機への電力を減じるか遮断させることができる。

電動機３００はタービン２００からの出力を低下させるように働くことができる。コントローラ６００が、タービン２００への排気出力が大きすぎると判断した場合（例えば圧力センサからのデータに基づき）、コントローラ６００は電動機をブレーキとして働かせるかまたはタービンの出力を下げさせることができる。電動機は電動機がブレーキとして働く場合に発電をするオルタネータとしても用いられることができる。例えば、タービン２００がシャフト５０４に余剰出力を提供できる場合、電動機はこの余剰出力を電力として抽出することができる。これは、丘登りなどのピークエンジン負荷時に起こることがある。発電された電力は車両のバッテリーを充電するために、または電気デバイスに給電するために使用されることができる。

ターボチャージャーが作動しなければならない高速（例えば１００，０００ＲＰＭ以上）は、電動機の設計に問題を引き起こす。特に、高い求心力は、シャフトにプレス嵌めされた回転子を拡張させてプレス嵌めを弱める。この現象を緩和するために回転子の端部リングを各端部から軸方向に延長させることができる。これらの延長部は、回転子の電気的にアクティブな中心部よりもずっと小径でよい。それらを小径とすることで、それらが被る求心力はずっと少なくなり、それゆえそれらのシャフトへのプレス嵌めを保持することになる。

回転子拡張およびそれに続くプレス嵌めの欠損の現象をさらに緩和するために、回転子の延長部の外側にプレス嵌め式の、強力クランプリングを圧入してもよい。これらのリングは、電動機回転子とシャフトスティフナーの連結をさらに確実にするためのクランプとして働くことができる。

図１１は、電気制御ターボチャージャーの回転子の部分分解図である。図１１は電動機回転子とスティフナー組立体の部分断面側面図を示す。この誘導電動機は２つのバランスリング３３５および３３９、1９本の回転子バー３３３を含む。誘導電動機は、最大強さを提供するために熱処理され、ラミネーション間での電流損失を防止するために酸化物コーティングされた６５のスチールラミネーション３３１（強化電磁鋼Ｈｙｐｅｒｃｏ５０）をも有する。回転子バー３３３は、電動機の性能を補助する高い強さ対密度比（比弾性率）および高い導電性により２２１９アルミニウム合金から製造されてもよい。回転子ラミネーション３３１は積層状に配置される。回転子バー３３３は回転子ラミネーション積層３３１内のスロットに挿入されて次に各端部にバランスリング３３５および３３９が取り付けられる。回転子組立体３３０は軸方向に互いにクランプ締めされてラミネーションを一緒に圧縮する。次に回転子バーは電子ビームプロセスを用いてバランスリングに溶接される。溶接の歪みの影響を最低限にするために、このプロセス中に回転子にヒートシンクを取り付けてもよい。溶接後回転子は、全外面および内径に、同心の内径と外径の間の公差まで機械加工されてもよい。

バランスリング３３５および３３９それぞれはクランプリングを受け入れる小さいネック延長部を有する。バランスリング３３５の場合はネック延長部３３７を有する。バランスリング３３９の場合はネック延長部３４１を有する。図１２に示すように回転子組立体３３０全体がスティフナー５１６にプレス嵌めされ、クランプリング３４３および３４５が、対応するネック延長部３３７および３４１に取り付けられる。

図１３は、ＥＣＴの固定子巻線へ油の冷却吹き付けを提供する別の実施形態を示す。図１３は図５および６に示した実施形態の変更形態である。基本的に図１３は、前述の実施形態の、図６の横断線ＸＩＩ−ＸＩＩに沿って取られた断面図である。しかし、図１３は、潤滑油路３４０の代わりに冷却ジャケット３１８から冷却吹き付けを提供することが図５および６に示した実施形態とは異なっている。この実施形態において、電動機ハウジング３０２は、前述の実施形態と同様に固定子３３２を包囲する冷却ジャケット３１８を有して示されている。しかし、この実施形態において、複数のジェット通路３２１ａ−ｉは冷却ジャケットキャビティ３１８から壁３１９を介して電動機キャビティ３４７へと延出して冷却油を固定子巻線に届ける。この実施形態において、ジェット３２１ａ−ｉは径方向に配向して固定子巻線を包囲する。

図１４は、ＥＣＴの固定子巻線へ油の冷却吹き付けを提供する別の実施形態を示す。図１４は図１３に示した実施形態の変更形態である。この実施形態において、壁３１９’は電動機キャビティ３４７を冷却ジャケットキャビティ３１８から隔てており、スプレージェット３２３ａ−ｉは電動機キャビティ内で発生する回転の方向に対して接線方向に配向している。上記に説明したように、接線方向に吹き付けると、電動機キャビティ内で回転子とシャフトにある回転動作に対する抵抗がより低いと考えられる。

図１３および１４に示した２つの実施形態の場合、油またはその他の非導電性液が、冷却剤ジャケット３１８内を流れる冷却材媒体として用いられる。市販の凍結防止剤または水は適切ではないであろう。

図１６のＥＣＴの実施形態は単一のシャフトに取り付けられて単一のタービンによって駆動される逐次二段コンプレッサを表す。この実施形態において、単一のタービンドライブ１２０８を有するタービン１２００は単一のシャフト１５０４に連結されている。電動機１３００は、シャフトスティフナー１５１６が電動機キャビティ内のシャフト１５０４を包囲する、前に説明したタイプのものである。デュアルコンプレッサ１４００は、シャフト１５０４に取り付けられたラジアルコンプレッサブレード１４０９が設けられた低圧段１４１７と、タンデム配置のラジアルコンプレッサブレード１４０８が設けられた高圧段１４１６を有する。コンプレッサハウジング１４１２は分離シーム１４２０を持つ二体からなる。冷却ジャケット１４１１はコンプレッサハウジング１４１２の外壁内に形成される。コンプレッサディフューザ１４１５内に内部冷却フィン１４１３が配設されている。

図１６の実施形態の利点は、単一のＥＣＴパッケージでの二段ブーストを含む。インタークーラーの前、またはインタークーラーの代わりの圧縮空気の冷却である。低コストの、単一のシャフト構成である。逐次コンプレッサ段の近接したカップリングはより高効率の過渡挙動を提供する。

図１７のＥＣＴの実施形態は２つの同軸のシャフトを有して単一のタービンによって駆動される逐次二段コンプレッサを表す。この実施形態において、単一のタービンドライブ２２０４を有するタービン２２００は内側シャフト２５０４に連結されている。電動機２３００は、外側シャフト２５０５に取り付けられた回転子２３３０を有する。固定子２３３２は、以前の実施形態と同じ方式で回転子２３３０を包囲する。デュアルコンプレッサ２４００は、内側シャフト２５０４に取り付けられたラジアルコンプレッサブレード２４０９により提供される低圧段と、外側シャフト２５０５に取り付けられたタンデム配置のラジアルコンプレッサブレード２４０８により提供される高圧段を有する。この実施形態において、タービンは低圧コンプレッサ段を直接駆動し、電動機は高圧コンプレッサ段を駆動する。

図１７の実施形態の利点は、単一のＥＣＴパッケージでの二段ブーストを含む。インタークーラーの前、またはインタークーラーの代わりの圧縮空気の冷却である。電動機はコンプレッサのみに接続されていてタービンの負荷負担がないため、非常に速いスプールアップを可能にする。逐次コンプレッサ段の近接したカップリングはより高効率の過渡挙動を提供する。加えて、所望ならばクラッチを用いて内側シャフトと外側シャフトを連結して発電を見込み、シャフト速度に合わせることもできる。さらに、低圧コンプレッサは軸流コンプレッサであってもよい。

図１８のＥＣＴの実施形態は２つの同軸のシャフトを有する逐次二段タービンおよびコンプレッサを表す。この実施形態において、タービン３２００は、内側シャフト３５０４に連結された低圧ブレード３２０６と、内側シャフト３５０４に連結された高圧ブレードを有する。電動機３３００は、外側シャフト３５０５に取り付けられた回転子３３３０を有する。固定子３３３２は、以前の実施形態と同じ方式で回転子３３３０を包囲する。二段コンプレッサ３４００は、内側シャフト３５０４に取り付けられたラジアルコンプレッサブレード３４０９により提供される低圧段と、外側シャフト２５０５に取り付けられたタンデム配置のラジアルコンプレッサブレード３４０８により提供される高圧段とを有する。この実施形態において、低圧タービンブレード３２０６は低圧コンプレッサ段ブレード３４０９を直接駆動し、電動機は高圧タービンブレード３２０４と高圧コンプレッサ段ブレード３４０８両方を駆動する。

図１８の実施形態の利点は、単一のＥＣＴパッケージでの、タービンとコンプレッサ両方の二段ブーストを含む。インタークーラーの前、またはインタークーラーの代わりの圧縮空気の冷却である。低圧段と高圧段の独立した制御である。逐次コンプレッサ段の近接したカップリングはより高効率の過渡挙動を提供する。

ＥＣＴ内の軸受の潤滑は、急激な始動、非常に早い動作速度、極度な温度変化、ＥＣＴ内の相反力と潤滑の封じ込めにより、技術者に多くの課題を提示する。

図１５は、ＥＣＴの軸受と同軸二軸シャフト両方を潤滑するために実行されることができる潤滑システムの一実施形態を提示する。この実施形態において、内側の同軸のシャフト５５０４はタービン５２０４に取り付けられ、外側の同軸シャフトは電動機回転子５３３０に連結して示されている。前に説明したように、他の素子の連結も可能である。しかし、この潤滑の実施形態に関しては、そのような連結はその理解のためには重要でない。

この実施形態において、２つのシャフトが干渉し合わずに回転できるような小さな円形の空間が外側シャフト５５０５の内面と外側シャフトの内面５５０４の間にある。接触点間における摩擦を低減するために、潤滑がこの空間で発生することが重要である。この実施形態の主たる目的は、シャフトを支持する軸受を介して、シャフトの間の空間へと潤滑油を押しやることである。加えて、この実施形態はシャフトの間に押しやられる油を利用して固定子巻線に冷却スプレーを提供する。

潤滑油は油路５３４０へと圧送され、そこで油路５３４３と５３４５に分岐し、それぞれの軸受５５１６と５５１９へと直接至る。軸受５５１６と５５１９は、油がそこを通過して内部のシャフト面に接するに至る開口をそれぞれ内部に有する。軸受５５１６は、外側シャフト５５０５内の対応する開口５５１８に至る開口５５１０を有し、開口５５１８は外側シャフト５５０５を通って延出して、同軸のシャフト間の空間および内側シャフト５５０４の外面への潤滑連通を提供する。同様に、軸受５５１９は、外側シャフト５５０５内の対応する開口５５１２に至る開口５５１１を有する。開口５５１２は外側シャフト５５０５を通して延出して、同軸のシャフト間の空間と内側シャフト５５０４の外面とに潤滑連通を提供する。この実施形態において回転子５３３０は、複数の油路５３０５をタービン端に、また油路５３０６をコンプレッサ端に含み、それは同軸のシャフト間の空間から電動機キャビティ５３４７まで延在する。

作動中、油は軸受５５１６および５５１９を介して押し込まれてこれらの軸受に潤滑を提供する。油は開口５５１０および５５１８ならびに開口５５１１および５５１２を介しても押し込まれて、同軸のシャフト５５０４と５５０５の間の同心の空間に入る。潤滑油は同心の空間に沿って進み、回転子通路５３０５および５３０６を介して出され、そこで電動機キャビティ５３４７の固定子コイルに吹き付けられる。高速稼働中にシャフトに存在する高い遠心力により、開口５５１０、５５１８、５５１１および５５１２には強い抵抗が存在して、油をシャフト間の空間に入らせる。そのため、回転子５３３０内の複数の油路５３０５および５３０６を介した潤滑油の連続的な逸出通路が油を空間を通して引き込むように働く。これは、回転子５３３０も高速で回転しており、回転子のより大きい直径と、開口がシャフトの中心線からさらに遠い距離にあることから、回転子の遠心力のほうが大きいという事実による。油路５３０５および５３０６から逸出すると、潤滑油は電動機キャビティ５３４７へと吹き付けられ、サンプドレイン５３３６へと排出される。

図１９Ａ−１９Ｄに、２つのシャフトが別々に回転可能でありながらその２つのシャフトが長手方向への余分な移動を制止されることを可能とするアタッチメント機構を図示した、同軸のシャフト組立体の実施形態の一部の様々な図が提示されている。図１９Ａにおいて、分解図は内側シャフト３５０４、外側シャフト３５０５およびリテーナピン３５０７ａおよび３５０７ｂを示している。外側シャフトは、リテーナピン３５０７ａおよび３５０７ｂにそれぞれ締まり嵌めを提供する寸法の弦開口３５０３ａおよび３５０３ｂ（図１９Ｄ参照）を有するように形成される。内側シャフト３５０４は、内側シャフトとリテーナピン３５０７ａおよび３５０７ｂの間にすきまを見込む深さのサイズとなっている円形溝３５０１を含む。シャフト間の長手方向の移動はリテーナピンが制止しているが、２つのシャフトの独立した回転はこのすきまが可能にしている。図１９Ｂの部分切欠図は、リテーナピン３５０７ａを外側シャフト３５０５の開口３５０３ａに配置した状態の組み立てられた同軸のシャフト３５０４および３５０５を示している。図１９Ｃでは、内側シャフト３５０４と外側シャフト３５０５が長手方向に一緒に保持されながら互いに別個に自在に回転できる組立体が示されている。図１９Ｄでは、図１９Ｃの横断線Ｄ−Ｄに沿ってとられた断面図が提供されている。この図において、円形溝３５０１の深さは３５０７として示されており、内側シャフト３５０４の回転がリテーナピン３５０７ａおよび３５０７ｂによって影響されないようにするため、どれほど許容差を持たせているかを示している。また、潤滑油が通過する、同軸のシャフト間の同心の空間３５０６が示されている。

図２０は、本明細書で論じられた種々のＥＣＴ実施形態で採用されることができる回転軸受の断面図である。軸受２５１０は、掘り込んだ開口２５１１を持つ周縁から入ってくる潤滑油Ｏを取り上げてその潤滑油をその中央領域に押しやるために方向Ｒに回転するように設計されている。各掘り込んだ開口２５１１は、低い先端２５１５と掃気後端２５１３を有する長い外側開口を含む。回転中、掘り込んだ開口は、支持されるシャフト（ここでは図示せず）に存在する遠心力に対抗し、油をシャフト領域に押しやるように機能する。

図２１−２６ＡはＥＣＴに利用される同軸のシャフトの改善された潤滑システムの実施形態を対象とする。図２１は、中空の外側シャフト４５０５と同心に組み付けられた中空の内側シャフト４５０４を持つＥＣＴを示す。この実施形態は、潤滑油を、一端から両方の軸受へと、さらに２つのシャフト間の同心の空間へと運ぶために中空の内側シャフトを用いているところが、以前に説明したＥＣＴの同軸のシャフトの実施形態と異なっている。この実施形態は、高速動作中にシャフトに存在する固有の遠心力に依存して潤滑油を軸受とシャフト間の空間の両方に配給する。図２１からわかるように、潤滑油は中空の内側シャフト４５０４の開放端４５０６へとポンプ圧送される。

図２２および２３は、図２１に示した、端部シャフト供給潤滑油システムで採用されることができる別の軸受構成を示す。この２つの構成の主な違いは、図２３においては、特定の用例において振動をさらに低減するために浮動軸受４８０１が採用されていることである。

図２２において、ジャーナル軸受４５１０は軸受ハウジング４５１４内に配置され、コンプレッサ板４５０２に当接するスラストワッシャー４５１３およびスラスト軸受け４５１２によって定位置に保持されている。内側シャフト４５０４は中空に形成されて、その長さにわたり延在するらせん状の溝４５１７を含む。開口４５０７は外側シャフト４５０５の対応する開口４５０６と長さ方向に整列している。潤滑油は、内側シャフト４５０４の中空通路４５０６を下って運ばれるとき、上記に説明した高い遠心力によって、最初に出会う開口にて逸出する自然な傾向を持つ。らせん状の溝４５０７は、コンプレッサ側の軸受４５０６ばかりでなくタービン側の軸受にも潤滑を提供するために、中空通路４５０６の長さを下る十分な量の油を運ぶ通路を提供する。潤滑油が通路４５０６の長さにわたって移動していくと、潤滑油はスラスト軸受４５１２に供給する内側シャフト４５０４内の開口４５１９に遭遇する。回転する内側シャフト４５０４によって提供される遠心力が開口４５１９を介して油をポンプ注入する。シール４４０３および４９０２は潤滑油がコンプレッサへと逸出することを防ぐ。潤滑油が通路４５０６の長さに沿ってさらに移動していくと、潤滑油は開口４５０７および４５０６に至る。回転する内側シャフト４５０４によって提供される遠心力が、ジャーナル軸受４５０６の内面と外側シャフト４５０５の外面の間の開口４５０７および４５０６を介して油をポンプ注入する。内側シャフトと外側シャフトの間に小空間４５０９があるため、軸受４５０６にポンプ注入された油はその空間４５０９に沿って外側シャフト４５０５内の開口４５２１を介して電動機キャビティ４５４７へと流れる。電動機回転子付近のオイルフリンガー４５１１はシャフトから油を消散させ、その有効回転質量を低減する。

図２３に示した実施形態は、スリーブ４５１０と外側シャフト４５０５の間に浮動リング軸受４８０１が挿入されていることを除いては図２２に示した実施形態と同様に動作する。

図２４〜２６Ａに提示した図はＥＣＴのコンプレッサ側と、同軸シャフトの実施形態の中空の内側シャフトへと潤滑油を供給するために使用される種々の取付物および通路の図である。図では単一のコンプレッサ８４０９を示しているが、この実施形態の実施は図２１に示したような二段コンプレッサにも適用できることが理解される。

図２４では、油供給取付物８４１２および残油ドレイン取付物８４１４がコンプレッサハウジング８４００に示されている。主ドレイン取付物８４１５が示されているが、これは上記に説明したように電動機キャビティから延出しているものである。図２５の切開断面図は、コンプレッサブレード８４０９に連結されて、ブレード８４０９を越えて延出して定置油供給管８５０７の端部とオーバーラップする中空の内側シャフト８５０４を図示している。図２６および２６Ａにさらに示すように、中空の内側シャフト８５０４の端部を可撓性シール接合部８５０８が包囲する。油取付物８４１２と油供給管８５０７を通って届けられる油の大部分が内側シャフト８５０４の中空通路８５０６に入るため、中空通路８５０６内の背圧が、油の一部をオーバーラップ接合部の間に押し戻させることがある。残油は内側シャフト８５０４と管８５０７の間のオーバーラップの間に移動して油溜め８５１３に溜まり、そこで残油ドレイン８４１４を介して排出される。図２５でさらにわかるように、油供給管構成と残油溜めはコンプレッサインレットの定置翼としても機能する３本の支持脚によって圧縮空気インレット８４１０の正面に同軸に懸架されている。

図２７は、タービンがエンジンの排気ガスによって動力不足である場合に、電動機への負荷を減らすためにＥＣＴに採用されることができるクラッチ７０００の一例を示す。
そのようなクラッチは、単一または二段タービンおよび／またはコンプレッサを有する単一のシャフトまたは同軸のシャフトのＥＣＴで使用するのに適している。この例では、同軸のシャフトを持つ二段コンプレッサＥＣＴで採用された状態を示している。低圧コンプレッサブレード７４０８は内側シャフト７５０４および低圧タービンブレード（図示せず）に連結されている。高圧コンプレッサブレード７００１が外側の同軸シャフト７５０５および電動機回転子（図示せず）に連結されている。対向するクラッチ面７００６および７００８はこの例では、クラッチが駆動されていない限り通常は係合または結合をしていない。ブレード７００１の面にマグネット７００２が担持されており、壁７０１０にコイルが収容されている。クラッチ７０００が非駆動状態である場合、クラッチ面７００６および７００８は係合しておらずコンプレッサブレード７００１および７００８は独立して回転する。しかし、コイル７００４が外部電力源（図示せず）によって通電された場合、ブレード７００１のマグネット７００２はコイル７００４のほうに引き付けられ、それが高圧ブレード７００１を長手方向に少し動かして、クラッチ面７００６と７００８が係合される。この例は電気制御クラッチとして構成されるが、一方向機械式、油圧駆動式または同じ目的を達成する他のクラッチも代替物と考え得る。この実施形態におけるクラッチの主たる基準は、所定の動作条件に応動して、低エンジン速度時に低圧タービンおよび／またはコンプレッサ負荷を電動機から分離し、次いでエンジンがコンプレッサを作動させるに適切な速度でタービンを駆動するための十分な排気ガスを生成し始めると低圧構成要素を高圧構成要素に結合するということである。

図２８および２９は、二段コンプレッサが外部インタークーラーの連結用に構成されているさらに別のＥＣＴ実施形態を示す。この実施形態において、コンプレッサからの第１段低圧アウトレットは外部インタークーラーに経由され、次に第２高圧段に戻される。第２高圧段からの出力に続いて、次いで空気がアフタークーラーに送り込まれ、関連するエンジンの吸気部に届けられる。

この記述を通して、示された実施形態は、開示または主張される装置および手順に関する限定というよりは例として考慮されるべきである。多くの例はシステム要素の特定の組み合わせを包含するが、これらの要素を同じ目的を達成するための別の方式で組み合わせてよいことが理解されるべきである。１つの実施形態に関連してのみ説明された要素および特徴は、他の実施形態での同じ役割から除外されることを意図してはいない。

請求項で述べられるミーンズプラスファンクション限定に関しては、ミーンズ（手段）は、この出願で開示された記述される機能を実行するための手段に限定される意図はなく、記述された機能を実行するための、現在既知の、または後に開発される任意の手段を範囲として包含することを意図している。

この出願で使用されている場合、「複数」は２以上を意味する。「組の」物は１つまたは複数のそのような物を含むことができる。明細書でも請求項でも、「備える」「含む」「担持する」「有する」「収容する」「包含する」などは非制限的である、すなわち、「を含むがそれらに限定されない」ということを意味すると理解されるべきである。それぞれ「からなる」「本質的に〜からなる」という移行句のみが、請求項に対する限定または半限定移行句である。請求項要素を変更する請求項内の、「第１の」、「第２の」、「第３の」などの序数句の使用は、それ自体、１請求項要素の他請求項要素に対する如何なる優先性、先行、または順序、または方法の動作が実行される時間的順序を暗示するものではない。これらの用語は単に、請求項要素を区別するために、特定の名前を持つ１つの請求項要素を、同じ名前（順序用語の使用を除いて）を持つ他の要素から区別するためのラベルとして使用されている。

Claims (3)

1. 電動機キャビティと、タービンとコンプレッサとの間の前記電動機キャビティ内に取り付けられた電動機と、を含む電動機ハウジングを備え、前記電動機は外部の源から前記キャビティに入る非導電性液との直接接触により冷却される、電気制御ターボチャージャーであって、
   前記非導電性液は、前記電動機の固定子上に直接吹き付けられる潤滑油であり、
   前記ターボチャージャーは、第１のタービンブレードを第１のコンプレッサブレードに接続する内側シャフトと、前記内側シャフトから離間した同心の外側シャフトとを含み、前記外側シャフトは前記電動機の回転子を搭載しており、前記ハウジングは、前記シャフトを支持する軸受と、加圧源から潤滑油を受け取って前記潤滑油を前記軸受に方向付け、さらに同軸の前記シャフトを隔てている空間へと方向付ける前記ハウジング内の潤滑路を含み、前記回転子は、前記シャフトを隔てている前記空間と前記電動機キャビティとの間で開放状態で連通する油路を含み、前記潤滑油は、前記軸受、前記シャフトを隔てている空間、前記回転子の油路を通って通過して、前記シャフトに隣接した前記電動機キャビティへと入って前記固定子に直接吹き付けられる、電気制御ターボチャージャー。
2. 電動機キャビティと、タービンとコンプレッサとの間の前記電動機キャビティ内に取り付けられた電動機と、を含む電動機ハウジングを備え、前記電動機は外部の源から前記キャビティに入る非導電性液との直接接触により冷却される、電気制御ターボチャージャーであって、
   前記非導電性液は、前記電動機の固定子上に直接吹き付けられる潤滑油であり、
   前記ターボチャージャーは、第１のタービンブレードを第１のコンプレッサブレードに接続する中空の内側シャフトと、前記内側シャフトから離間した同心の外側シャフトとを含み、前記外側シャフトは前記電動機の回転子を搭載しており、前記ハウジングは前記シャフトを支持する軸受を含み、前記中空の内側シャフトは、前記軸受と少なくとも開放連通するようにその長さに沿って配置された複数の開口と、加圧源から潤滑油を受け取って前記中空の内側シャフトの長さに沿って前記開口を介して同軸の前記シャフトを分離している空間と前記軸受へと方向付ける第１の端部と、を有し、前記潤滑油は、前記軸受を通して前記シャフトに隣接した前記電動機キャビティへと入って前記固定子に直接吹き付けられる、電気制御ターボチャージャー。
3. 前記電動機キャビティと連通して吹き付けられた前記液を前記外部の源に戻すドレインを前記ハウジング内にさらに含み、前記電動機キャビティと連通するベントを前記ハウジング内にさらに含む請求項１又は２に記載の電気制御ターボチャージャー。

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