CN101160462B - 内燃机的具有旋转电机的涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

提供一种具有旋转电机(4)的涡轮增压器(1)，其中磁铁(14)设置在涡轮(6)与压缩机泵轮(8)之间涡轮轴(10)上而使得旋转电机的转子(12)构成在所述涡轮轴上，其中，在涡轮轴上设置圆筒形构件(20)，在所述圆筒形构件中，从外周侧覆盖所述磁铁的磁铁保持件(21)和要被设置在涡轮轴的轴承(35)的内周上的套筒部分(24)彼此成一体设置。

Description

内燃机的具有旋转电机的涡轮增压器 

技术领域

本发明涉及一种旋转电机结合在涡轮轴上的内燃机涡轮增压器。

背景技术

作为用于内燃机的涡轮增压器，公知一种具有旋转电机的涡轮增压器，其中旋转电机结合到涡轮轴上，对涡轮轴进行电驱动以增加增压效果，或者利用涡轮轴的旋转来发电以从排气能量中回收电能。在这种类型的涡轮增压器中，当旋转电机工作时，转子被涡电流加热，涡轮侧暴露于排气热中，使得热负荷变大。因而，建议采取措施对抗旋转电机的发热。作为其一个示例，建议了一种涡轮增压器，其中检测定子侧的温升，并且在温度超过预定值时，朝转子喷射油雾以对之进行冷却(参见日本专利申请公开5-256155号公报)。

当转子暴露于高温时，可能导致结合在转子中的磁铁退磁且旋转电机的效率劣化的不利之处。进一步地，因为磁铁由比较脆的材料制造，所以必须保护磁铁使之免受涡轮轴高速旋转时所引起的离心力的作用，在高温时尤其如此。为了高速地旋转涡轮轴，需要增加涡轮轴的轴刚性及要被设置在其上的旋转部件的刚性，并且在旋转部件安装于涡轮轴上时抑制涡轮轴的弯曲。在采取措施对抗转子发热时也不能忽视这样的要求。

发明内容

考虑上述的情形作出本发明，且本发明的一种目的在于提供一种涡轮增压器，其具有转子的冷却效果很好且转子中的磁铁的保护效果很好的电机，并且其利于允许涡轮轴高速地旋转。

为了实现上述目的，在本发明的一个方面中，提供一种具有旋转电机的涡轮增压器，其中磁铁设置在涡轮与压缩机泵轮之间的涡轮轴上而使得所述旋转电机的转子构成在所述涡轮轴上并且所述转子不能相对于所述涡轮轴旋转，其中在所述涡轮轴上设置有圆筒形构件，在所述圆筒形构件中，从外周侧覆盖所述磁铁的磁铁保持件与要被设置在所述涡轮轴的轴承的内周上的套筒部分彼此成一体设置。

根据上述涡轮增压器，因为磁铁由所述磁铁保持件覆盖，所以即使在涡轮轴高速旋转时施加离心力，磁铁也可以保持在涡轮轴上、从而可以保护磁铁。因为磁铁保持件与套筒部分彼此成一体设置，所以对磁铁保持件和套筒部分之间的热传导的抵抗小，因此，转子的热有效地从磁铁保持件释放到套筒部分，并且传递到套筒部分的热可利用轴承的冷却系统释放。从而，可以增加对转子的冷却效果，并且防止转子的发热。因为磁铁保持件与套筒部分彼此成一体设置，所以可以增加圆筒形构件的轴刚性。可以减少要被安装到涡轮轴上的旋转部件的数量。因此，当旋转部件组装到涡轮轴上时，可以避免轴由于诸如旋转部件的形状误差或装配误差的各种误差而弯曲的情形。由此，可以减少妨碍涡轮高速旋转的因素，从而实现具有有利于增加转速的结构的涡轮增压器。

在本发明的一个实施方式中，所述涡轮增压器可以构造成允许润滑液附着在所述套筒部分和所述磁铁保持件之间。依据此实施方式，可以通过润滑液在热从磁铁保持件传递到套筒部分之前的中间位置处冷却圆筒形构件。从而，可以进一步地增加对转子的冷却效果。在此实施方式中，要被供应到轴承的润滑液可用于作为要附着在所述套筒部分和磁铁保持件之间的润滑液。如果使用了用于轴承的润滑液，则可以相对容易地在套筒部分和磁铁保持件之间引入润滑液以利用圆筒形构件的冷却。

在上述涡轮增压器中，所述圆筒形构件在其外周处可设置有用于通过所述转子的旋转朝所述旋转电机的定子散布所述润滑液的润滑液散布部分。依据这样的实施方式，不仅可以冷却转子、还可以冷却定子以抑制旋转电机的发热。在此情形中，用于从所述磁铁的端面侧覆盖所述磁铁的端面覆盖部分可设置在所述磁铁保持件和套筒部分之间，且所述端面覆盖部分可设置有所述润滑液散布部分。因为磁铁保持件置于定子和转子磁铁之间，优选地，从旋转电机的效率考虑，旋转电机尽可能薄地设置。在另一方面，因为施加到磁铁保持件的离心力根据涡轮轴转数的变化而反复地增加和减少，所以需要充分确保对抗交变应力的疲劳强度。相应地，在设计磁铁保持件时，优选地，磁铁保持件的厚度尽可能地薄且简化形状以便不易产生应力集中。然而，端面覆盖部分设置在磁铁的端面那侧。因此，相较于磁铁保持件，易于确保端面覆盖部分的厚度，从而可以充分地实现对抗由离心力引起的交变应力的强度。相应地，如果端面覆盖部分设置有润滑液散布部分，则可以按照目的来适当地设定 润滑液散布部分的形状、尺寸或位置而不会劣化圆筒形构件的强度，使得润滑液可有效地散布到转子。进一步地，通过去除端面覆盖部分的一部分，可以容易地调节由涡轮轴和轴上的旋转部件构成的旋转体组件的旋转平衡(绕轴线的质量平衡)。

在上述带有端面覆盖部分的实施方式中，朝端面覆盖部分的外周突出的突起部可设置为所述润滑液散布部分。依据此实施方式，附着于圆筒形构件表面上的润滑液通过离心力被引至所述突起部，且所述润滑液可从所述突起部散布到转子周围的部分(优选地散布到定子)。通过部分地去除突起部，可以调节旋转体组件的旋转平衡。

在依据本发明的涡轮增压器的一个实施方式中，所述涡轮增压器可进一步包括用于把要被供应到轴承的润滑液引向涡轮而贯穿所述涡轮轴的润滑液路径。依据此实施方式，可通过润滑液来冷却从涡轮传递到转子的热，并且可以更有效地抑制转子的发热。

如上文所解释的，依据本发明，因为其中覆盖转子磁铁的磁铁保持件与轴承的套筒部分彼此成一体设置的圆筒形构件设置在所述涡轮轴上，所以可以可靠地保护磁铁使之免受离心力作用，有效地把转子的热释放到套筒部分从而将热释放到轴承的冷却系统，减少要组装到涡轮轴上的旋转部件的数量，增加旋转体组件的轴刚性，防止轴弯曲，从而实现具有有利于高速转动的结构的涡轮增压器。

附图说明

图1为依据本发明一个实施方式的涡轮增压器沿其轴向的剖视图；

图2为安装于涡轮轴上的圆筒形构件及其轴承部分的剖视图；

图3为示出圆筒形构件的一端的立体图；

图4为示出一个实施方式的剖视图，所述实施方式中圆筒形构件的磁铁保持件的两侧设置有作为润滑液散布部分的突起部；以及

图5为示出依据本发明的一个实施方式的视图，所述实施方式进一步包括用于把供应到轴承的润滑液引向涡轮侧的润滑液路径。

具体实施方式

图1示出本发明应用于机动车辆内燃机的涡轮增压器的一个实施方式。涡轮增压器1包括排气涡轮部2、压缩机部3以及设置在其间的旋转电机4。排气涡轮部2包括设置为构成内燃机排气通道的一部分的涡轮壳体5以及设置在涡轮壳体5中的涡轮6。在另一方面，压缩机部3包括设置为构成内燃机进气通道的一部分的压缩机壳体7以及设置在压缩机壳体7中的泵轮(压缩机泵轮)8。轴承壳体9设置在涡轮壳体5与压缩机壳体7之间。涡轮6的一端设置有涡轮轴10，使得涡轮轴10能够一体旋转并且不能沿轴向分离。涡轮轴10贯穿轴承壳体9、抵达压缩机壳体7的内部，且泵轮8安装于涡轮轴10的末端，使得泵轮8能够一体旋转。涡轮6、泵轮8以及涡轮轴10间的连接结构并不限于附图中所示出的结构，且可以对该结构进行修改。涡轮壳体5、压缩机壳体7以及轴承壳体9构成为独立部件，并且它们组合在一起以构成涡轮增压器壳体11。在图1中，没有清晰地示出壳体5、7和9的连接位置，但是可以对它们进行适当地设置。

旋转电机4包括设置在涡轮轴10上的转子12以及设置在轴承壳体9上的定子13。转子12通过把磁铁14安装在涡轮轴10的外周上形成，使得磁铁14能够与涡轮轴10一体旋转。定子13包括定子芯15和设置于定子芯15相对各端上的线圈绕组16。定子芯15布置成从外侧环绕磁铁14，且每个线圈绕组16相对磁铁14朝排气涡轮部2或压缩机部3偏置。轴承壳体9设置有比定子芯15更靠近外周的水通道17，且用于冷却涡轮增压器1的冷却水被引入到水通道17内。

圆筒形构件20套在涡轮轴10的外周上。如图2所详细示出的，圆筒形构件20包括覆盖磁铁14的圆筒形磁铁保持管(磁铁保持件)21、以及一对一体地连接到磁铁保持管21以封住磁铁保持管21两端的轴端管22。每个轴端管22包括封住磁铁保持管21的端部并从端面侧覆盖磁铁14的端面覆盖部分23、以及从端面覆盖部分23朝轴向外侧一体地连接的小直径套筒部分24。端面覆盖部分23的外直径朝套筒部分24逐渐减小。换句话说，端面覆盖部分23的外周面形成为其直径朝套筒部分24逐渐减小的渐缩表面，而套筒部分24形成为外直径恒定的圆筒形状。

磁铁保持管21一体地连接到端面覆盖部分23的外周。磁铁保持管21必须能够耐受磁铁14发热，且磁铁保持管21具有使得磁铁14能够 对抗由涡轮轴10的高速旋转所引起的离心力而得以保持的高刚性。相应地，磁铁保持管21优选地由诸如不锈钢、钛等的耐热材料制成。虽然轴端管22可由诸如钢管的各种管材制成，但是优选地，轴端管22由具有极佳导热性且重量轻的材料制成。为了一体地形成(连接)磁铁保持管21和轴端管22，可采用诸如焊接、铜焊或压配合等各种连接方法。端面覆盖部分23和套筒部分24可由相同的材料一体地模制，或者它们可通过诸如焊接、铜焊或压配合的连接方法一体地形成。在任意情形中，在圆筒形构件20结合于涡轮轴10中的状态下，圆筒形构件20可作为一体地设置有磁铁保持管21和至少其中一个套筒部分24从而不能拆开的单个圆筒形部件存在。

如图1所示，圆筒形构件20位于涡轮6那侧的端部抵靠涡轮杆10的增大部分10a。止推环25抵靠圆筒形构件20位于泵轮8那侧的端部，密封环轴环(collar)26和泵轮8顺序地安装在止推环25的相对侧上，泵轮8由螺母27沿轴向紧固，并且这些旋转部件——即，磁铁14、圆筒形构件20、止推环25、密封环轴环26和泵轮8——安装于涡轮轴10上，使得它们能够一体旋转、但是不能沿轴向运动。这些旋转部件、涡轮6以及涡轮轴10构成涡轮增压器1的旋转体组件28。密封环30和31安装于涡轮轴10的增大部分10a和密封环轴环26的外周。密封环30和31与涡轮增压器壳体11在整周上都接触。由此，涡轮壳体5与压缩机壳体7每一个的内部与轴承壳体9的内部之间的空间是密封的。盘状止推轴承32安装于涡轮增压器壳体11上。止推轴承32与止推环25的外周接合，从而抑止旋转体组件28相对于涡轮增压器壳体11的轴向运动。

环状轴承35设置在轴承壳体9中以环绕圆筒形构件20的套筒部分24。位于涡轮6那侧的轴承35夹置在一对定位环36之间，从而把轴承35抑制在相对于轴承壳体9沿轴向的固定位置上，位于压缩机那侧的轴承35夹置在定位环36与止推环25之间，从而把轴承35抑制在相对于轴承壳体9沿轴向的固定位置上。每个轴承35的内直径略大于每个套筒部分24的外直径。因此，在轴承35和套筒部分24之间存在微小的径向间隙。所述径向间隙朝每个端面覆盖部分23的外周敞开。

轴承壳体9形成有用于把润滑液从轴承壳体9的表面引向每个轴承35的外周的润滑液流动路径40。每个轴承35都形成有与润滑液流动路 径40连通的径向通孔35a(参见图2)。因此，引入润滑液流动路径40的润滑液经过通孔35a供应到轴承35与套筒部分24之间的间隙，所述润滑液形成膜，从而套筒部分24沿径向受到支撑。涡轮增压器壳体11进一步形成有用于排出供应到轴承35的润滑液的排出路径41和42。

根据具有上述结构的涡轮增压器1，因为从磁铁14的外周用圆筒形构件20的磁铁保持管21覆盖磁体14，所以，即使涡轮轴10高速旋转，磁铁14也不会因为离心力从涡轮轴10分离，从而，能够将磁铁14可靠地抑制在涡轮轴10上。在转子12中产生的热从磁铁保持管21经由端面覆盖部分23释放到套筒部分24，并且引至套筒部分24的热通过轴承35的润滑液相继消散。因为磁铁保持管21、端面覆盖部分23和套筒部分24彼此成一体设置，其间的导热性高。由此，热不易于在转子12中积聚，且转子12上的冷却效率增加。轴承35和套筒部分24之间的间隙朝端面覆盖部分23的外周敞开。因此，供应到轴承35的润滑液释放到端面覆盖部分23并附着于其表面，从而，圆筒形构件20可以通过所附着的润滑液进一步地冷却，并且可以进一步地增加对转子12的冷却效率。附着于端面覆盖部分23背面的润滑液通过由涡轮轴10旋转而引起的离心力朝端面覆盖部分23外周的拐角部分23a(参见图2)运动，并且从该处朝定子13的线圈绕组16散布。即，在涡轮增压器1中，端面覆盖部分23外周的拐角部分23a起到润滑液散布部分的作用。由此，线圈绕组16也通过润滑液进行冷却，并且进一步有效地抑制了旋转电机4的发热。

进一步地，因为圆筒形构件20具有从磁铁保持管21到套筒部分24的一体化结构，所以，圆筒形构件20自身的刚性高。与套筒部分24和圆筒形构件20形成为独立部件并组装在涡轮轴10上的情形相比，构成旋转体组件28的旋转部件的数量减少。因为旋转部件的数量减少，所以可以抑制由旋转部件的形状误差(例如，旋转部件端面相对于涡轮轴10的旋转轴线的垂直度的偏差)或旋转部件的装配误差所导致的轴弯曲。由此，可以增加涡轮增压器1对涡轮轴10高速旋转的适应性。

进一步地，确保端面覆盖部分23相较于磁铁保持管21具有足够的厚度，从而，如果端面覆盖部分23的外周拐角部分23a的某些部分设置有图2和3中所示的切口23b，则可以校正旋转体组件28的旋转平衡而不会劣化圆筒形构件20的强度。相应地，可以进一步地增加涡轮 增压器1对涡轮轴10高速旋转的适应性。磁铁保持管21的厚度限制为使得磁铁14与定子芯15之间的间隙增加得比所需要的大。因为离心力按照涡轮轴10转速的变化而增加或减少，交变应力施加于磁铁保持管21，因此需要简化磁铁保持管21的形状以防止产生应力集中。从这种情形出发，如果端面覆盖部分23设置有切口23b，则与磁铁保持管21设置有切口23b的情形相比，限制会小得多，并且对应地可以容易地校正旋转平衡。切口23b并不限于拐角部分23a，其可设置在端面覆盖部分23的适当位置中，如图3中的虚线所示。

本发明并不限于上述的实施方式，而是可以不同的方式实现。例如，端面覆盖部分23不限于渐缩形状，而是可形成为沿轴向具有大致恒定厚度的盘状形状，如图4所示。如图4所示，突起部23c可设置在端面覆盖部分23的外周上，作为润滑液散布部分。突起部23c可连续地设置在端面覆盖部分23的整周上，或者多个突起部23c可沿周向彼此之间间隔适当距离地彼此分开地设置。当设置有这种突起部23c时，可利用离心力将附着于圆筒形构件20表面的润滑液收集到突起部23c上，润滑液可有效地朝定子13的线圈绕组16散布以促进冷却操作。如果局部地切割突起部23c，则可以容易地校正旋转平衡。虽然在上述实施方式中，轴承35上的润滑液被引至圆筒形构件20的端面覆盖部分23的表面上，但是润滑液可以从不同的位置引至端面覆盖部分23的表面。

图5示出一个示例，其中位于涡轮6那侧的套筒部分24形成有沿径向延伸的通孔24a，且涡轮轴10设置有用于将经过通孔24a的润滑液引向涡轮6的润滑液路径45。作为一个示例，润滑液路径45包括沿周向环绕涡轮轴10的储液槽45a、两端开设至储液槽45a的第一径向通道45b、设置在涡轮轴10的轴线上且一端与通孔45b连通的轴向通道45c、以及与轴向通道45c连通且两端开设至增大部分10a外周的第二径向通道45d。通过设置这样的润滑液路径45，轴承35上的润滑液可以冷却涡轮轴10位于涡轮6那侧的端部、从而抑制热从涡轮6传递到转子12，并且可以进一步增加转子12的冷却效率。

上述旋转体组件28的结构仅仅是一个示例，可以适当地改变旋转体组件28的结构，只要旋转体组件28具有从磁铁保持管21到至少其中一个套筒部分24一体形成的圆筒形构件20即可。涡轮6与泵轮8相对于涡轮轴10的连接结构也可以适当地改变，并且沿轴向定位涡轮轴10的结构也可以适当地改变。

Claims (7)

1.一种具有旋转电机的涡轮增压器，其中磁铁设置在涡轮与压缩机叶轮之间的涡轮轴上而使得所述旋转电机的转子构成在所述涡轮轴上并且所述转子不能相对于所述涡轮轴旋转，

其中，在所述涡轮轴上设置圆筒形构件，在所述圆筒形构件中，从外周侧覆盖所述磁铁的磁铁保持件、用于从端面侧覆盖所述磁铁的端面覆盖部分以及要被设置在所述涡轮轴的轴承的内周上的套筒部分彼此成一体设置；并且

其中，引至所述轴承的润滑液被供应到所述轴承和所述套筒部分之间。

2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其构造成允许润滑液附着在所述端面覆盖部分。

3.如权利要求2所述的涡轮增压器，其中，供应到所述轴承和所述套筒部分之间的所述润滑液释放至所述端面覆盖部分。

4.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述圆筒形构件在其外周处设置有用于通过所述转子的旋转朝所述旋转电机的定子散布所述润滑液的润滑液散布部分。

5.如权利要求4所述的涡轮增压器，其中，所述端面覆盖部分设置有所述润滑液散布部分。

6.如权利要求5所述的涡轮增压器，其中，朝所述端面覆盖部分的外周突出的突起部设置为所述润滑液散布部分。

7.如权利要求1至6中任一项所述的涡轮增压器，进一步包括用于把要被供应到所述轴承的润滑液引向所述涡轮而贯穿所述涡轮轴的润滑液路径。

Images