CN103061869B

CN103061869B - 电涡轮增压器

Info

Publication number: CN103061869B
Application number: CN201310007071.XA
Authority: CN
Inventors: 黄若; 张威力; 姜雅力; 段晓丽; 陈富强
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2013-01-09
Filing date: 2013-01-09
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2033-01-09
Also published as: CN103061869A

Abstract

本发明涉及一种电涡轮增压器，包括径向电磁轴承、径向电磁轴承控制电路、轴向电磁轴承、轴向电磁轴承控制电路、电动发电机、离合装置和离合控制系统；所述电动发电机、离合装置、径向电磁轴承、轴向电磁轴承位于中间体与压气机背盘和涡轮壳组成的空间内、并围绕涡轮转子设置，所述离合装置用于控制电动发电机与涡轮转子之间的结合与分离，所述电动发电机、离合装置受离合控制系统控制，所述径向电磁轴承受径向电磁轴承控制电路控制，所述轴向电磁轴承轴受电磁轴承控制电路控制。本发明实现了对轴承-转子系统动力学特性的主动控制；省去的润滑油路、解决了密封问题；提高涡轮增压器机械效率；提高废气能量利用率；解决涡轮滞后问题。

Description

电涡轮增压器

技术领域

本发明属于车辆动力机械领域，具体涉及一种安装有电磁轴承和控制电动发电机与涡轮转子结合与分离的离合装置的电涡轮增压器。

背景技术

涡轮增压是内燃机强化、节能、环保的最重要技术措施之一。发动机涡轮增压器利用发动机排出的废气能量驱动涡轮、涡轮带动同轴的压气机对空气做功，将压缩空气送入发动机气缸，在不增加发动机气缸容积的条件下，增加空气充量系数，使发动机喷入更多燃油，从而提高发动机输出功率、改善燃烧，达到强化发动机、减轻排放污染的目的。与自然进气发动机相比，当代涡轮增压技术对于汽油机可节能10%～20%、对于柴油机可节能20%～40%。但是,传统的涡轮增压器存在油膜力、密封力、不均匀叶尖激振力等多种复杂的激振源，其中，轴承的支撑是引起这些激振的最主要原因。

转子的振幅随转速的增大而增大，到某一转速时振幅达到最大值，超过这一转速后振幅随转速增大逐渐减少，且稳定于某一范围内，这一转子振幅最大的转速称为转子的临界转速。研究表明，在一定转速范围内，临界转速随轴承刚度的增加而增加。目前的车用涡轮增压器的工作转速一般在50000~240000r/min左右，最高工作转速已达290000r/min，需跨越一阶、二阶临界转速。因此，以轴承作为研究对象改善涡轮增压器的转子动力学特性成为研究的重点，目前采取的主要的技术措施有电磁轴承、主动可倾瓦轴承、主动油膜轴承等。由于增压器越来越向高强化、高紧凑性、智能化的方向发展，通过电磁轴承来实现振动的主动控制、提高增压器的机械效率与转速近年来得到越来越多的关注。

利用电场力或磁场力使轴悬浮的轴承统称为电磁轴承。其中靠电场力使轴悬浮的轴承称为静电轴承；靠磁场力使轴悬浮的轴承称为磁力轴承或磁悬浮轴承。静电轴承产生的支承力较小，所以一般只用于一些微型的精密仪器中。磁力轴承相对而言支承力高，主要应用于发电机、汽轮机、气体压缩机等大型仪器。随着电子控制技术的进步，磁性材料、电子器件、超导技术、微处理机和大规模集成电路，过去因技术复杂、价格昂贵，仅使用于特殊场合的电磁轴承，现在随着价格下降，应用范围逐步扩大，可靠性不断提高。电磁轴承具有无接触、无磨损、性能可靠、工作转速高、功率小、使用寿命长、不需要维修、无润滑剂污染等诸多优点。电磁轴承另一个突出优点是可对其施加的电磁力进行动态控制，通过电子控制系统可控制轴的位置，调节轴承的刚度，使轴承-转子系统具有良好的动力学性能。同时，应用在线参数识别和调整、自动不平衡补偿等措施后，转子系统的控制能够达到很高的精度，能够满足现代涡轮增压器超高转速的要求。

目前，依靠电磁轴承来降低振动、提高增压器转速和效率的方法主要有三种：第一种为径向电磁轴承，该种方法只能用于控制转子径向的振动和偏移。第二种为轴向电磁轴承，该种方法只能用于控制转子轴向的振动和偏移。第三种为径/轴向电磁轴承，即将前两种整合为一体，转子轴有径向过大的振动和偏移时通过径向轴承调整，当有轴向过大的振动和偏移时用轴向轴承调整。

专利号为200820226886.1的《涡轮增压器》提出了用永磁动磁环和永磁静磁环来使转子轴悬浮的方案；专利号为200720043510.2的《制冷机用磁悬浮涡轮增压装置》提出了用径向和轴向电磁轴承加传感器反馈控制使转子悬浮的方案。上述两种技术方案都能够减少摩擦损失，省去复杂的润滑油路，没有泄漏污染，但都没有提出电磁轴承对转子振动主动控制的解决方案，亦没有解决涡轮滞后问题。

涡轮滞后主要是指因为传统的增压器与发动机是气动连接，且气体是可压缩的，当发动机加速时增压空气量达不到发动机的要求，导致发动机加速过程中燃烧变差、动力不足、排放超标的现象。目前涉及电动、发电的解决方案主要有三种：第一种称为电辅助涡轮增压器，该种方法电动机仅作为驱动增压器转子的电动机使用；第二种为涡轮发电增压器，即发动机选配较小的涡轮增压器以减小转子转动惯量、减少涡轮滞后；当发动机废气能量过剩时，剩余废气能量驱动另一涡轮发电机发电，以提高废气能量利用率、改善发动机经济性，也可将发电机转子与涡轮转子设计为一体，即涡轮发电增压器，但这样就增大了转子转动惯量；第三种为电动发电涡轮增压器，即将前两者整合为一体，电动发电涡轮增压器的发电/电动机在涡轮增压器转子低（负荷）速工况下作为电动机使用；在高（负荷）速工况下，作为发电机模式，发电蓄能。上述三种方法虽然能够解决涡轮滞后问题，但同时也增大了涡轮转子的转动惯量，造成能量损失，降低了废气能量利用率。

发明内容

为克服现有技术的不足，提高涡轮增压器机械效率、解决转子振动过大，以及电动发电机器件引起的涡轮转子转动惯量过大等问题带来的废气能量利用率低、转速无法进一步提高的问题，本发明提出了一种具有电磁轴承、电动发电机和离合装置的电涡轮增压器。所述电涡轮增压器能够（1）实现对轴承-转子系统动力学特性的主动控制；（2）提高涡轮增压器机械效率；（3）省去复杂的润滑油路以及密封等问题，使涡轮增压器不需消耗机油、简化结构；（4）降低涡轮增压器转子质量，提高废气能量利用率；（5）解决涡轮滞后问题。

本发明所述电涡轮增压器，包括压气机、中间体、转子轴、涡轮、轴承，所述压气机和涡轮分别设置在转子轴的两端，所述中间体位于压气机和涡轮之间、并与压气机和涡轮连接、通过轴承与转子轴相配合，所述涡轮与中间体的之间设有隔热套，中间体靠近涡轮的一端设有冷却水腔，在中间体与压气机组成的空间内、围绕转子轴设置有径向电磁轴承、径向电磁轴承控制电路、轴向电磁轴承、轴向电磁轴承控制电路、电动发电机、离合装置和离合控制系统；所述离合装置用于控制电动发电机与转子轴之间的结合与分离，所述电动发电机、离合装置受离合控制系统控制，所述径向电磁轴承受径向电磁轴承控制电路控制，所述轴向电磁轴承轴受电磁轴承控制电路控制。

优选地，所述中间体靠近压气机一端也设置有冷却水腔，其横截面积小于中间体靠近涡轮的一端的冷却水腔的横截面积。

优选地，所述径向电磁轴承包括安装于转子轴上的轴承内圈、安装于中间体上的轴承外圈、固结在轴承外圈上的电磁绕组，所述电磁绕组是由铁芯片及电感线圈构成；所述径向电磁轴承控制电路由速度传感器、位移传感器、第一控制器及电源组成，每一径向电磁轴承安装两个呈径向90°分布的位移传感器，所述电源为速度传感器、位移传感器、第一控制器供电，所述速度传感器、位移传感器均与第一控制器电连接，所述第一控制器与电感线圈相连。

优选地，所述的轴向电磁轴承由与转子轴采用过盈配合连接的推力盘、安装在推力盘上的永磁铁及电磁线圈组成；所述轴向电磁轴承控制电路由位移传感器、第二控制器及电源构成，位移传感器沿轴向安装，第二控制器与电磁线圈、位移传感器连接，所述电源为位移传感器、第二控制器供电。

优选地，所述的径向电磁轴承的轴承内圈采用铁氧体或铝镍钴合金加工而成，所述轴向电磁轴承的推力盘采用铝合金或钛合金加工而成。

优选地，所述离合装置为电磁离合装置，主要由离合器电磁线圈、衔铁、弹簧及导柱、摩擦片组、轴套组成，轴套与转子轴采用反螺纹连接，轴套通过铆钉分别与周向布置的三组弹簧及导柱和衔铁连接，衔铁上附有摩擦片组，离合器电磁线圈固定于中间体上，所述离合控制系统包括：电控单元（简称ECU），分别与ECU连接的离合器控制单元、电控调速单元、电能变换及蓄能控制单元和电源模块，所述电源模块包括蓄电池和稳定电源，所述电能变换及蓄能控制单元还与电源模块连接；所述离合器控制单元通过导线与电源模块、离合装置连接，所述电动发电机通过导线与电控调速单元、电能变换及蓄能控制单元、电源模块连接。

本发明具有以下有益效果：

（1）应用电磁轴承可以实现涡轮增压器转子动力学特性的主动控制，无机械摩擦，大幅度提高所述涡轮增压器总效率；改善涡轮转子动力学性能，减少振动，提高增压器可靠性。

（2）能够实时根据发动机工况和涡轮增压器运行参数，灵活、精确控制电动发电机和电磁轴承部分的工作，提供理想的增压压力和空气量，解决涡轮滞后、增压发动机加速性能差问题，改善发动机低速性能与排放。

（3）通过离合装置实现在不同工况下电动发电机与涡轮增压器转子轴的分离与结合，有效的降低了涡轮增压器转子的转动惯量，大大减少了因为电动发电机转子转动惯量增加带来的能量消耗，提高了发动机废气能量利用率，进而提高了增压发动机的效率。

（4）取消了传统机械轴承的润滑油系统，取消了油密封结构，简化了机械系统结构，提高增压器的可靠性。

附图说明

图1为本发明所述电涡轮增压器一实施方式结构示意图；

图2为图1的局部放大图；

图3为所述轴向电磁轴承控制电路的结构框图；

图4为所述轴向电磁轴承控制电路的控制方法的流程图；

图5为所述径向电磁轴承控制电路结构框图；

图6为所述径向电磁轴承控制电路的控制方法的流程图；

图7为所述离合控制系统一实施例的结构框图；

图8为所述离合控制系统一实施例的控制方法的流程图。

图中：1-压气机叶轮，2-压气机背盘，3-中间体，4-电动发电机定子，5-导线，6-摩擦片组，7-离合器电磁线圈，8-轴向电磁轴承，9-轴承挡圈，10-轴承外圈，11-电磁绕组，12-轴承内圈，13-隔热套，14-涡轮壳，15-涡轮叶轮，16-密封环，17-转子轴，18-封装环，19-冷却水腔，20-第一电磁线圈，21-推力盘，22-永磁铁，23-衔铁，24-弹簧，25-导柱，26-第一空气轴承，27-电动发电机转子，28-第二空气轴承，29-压气机壳

具体实施方式

为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1、图2所示，本发明所述电涡轮增压器，包括压气机、中间体3、转子轴17、涡轮、轴承，径向电磁轴承、径向电磁轴承控制电路、轴向电磁轴承8、轴向电磁轴承8控制电路、电动发电机、离合装置和离合控制系统。所述压气机包括压气机叶轮1、压气机壳29、压气机背盘2，所述涡轮包括涡轮壳14、涡轮叶轮15，所述转子轴17为一端设置有涡轮叶轮15的转子轴17，所述压气机叶轮1装配在转子轴17的压气机端。所述转子轴17上的涡轮叶轮15位于涡轮壳14与隔热套13、中间体3组成的空间内。隔热套13设置在涡轮叶轮15与中间体3之间，所述涡轮叶轮15与隔热套13通过密封环16密封，隔热套13能够防止涡轮端的废气的热量对电动发电机、离合装置、径向电磁轴承、轴向电磁轴承8的影响，降低废气热量向中间体3内部传递。同时，在中间体3靠近涡轮壳14的一端设置有冷却水腔19，所述冷却水腔19中的冷却介质为水。所述压气机叶轮1位于压气机壳29和压气机背盘2组成的空间内。压气机背盘2与转子轴17通过密封环16配合。所述中间体3设置在转子轴17上、位于压气机背盘2和涡轮壳14之间并与压气机背盘2、涡轮壳14连接，所述中间体3与转子轴17的配合处为密封配合，所述电动发电机、离合装置、径向电磁轴承、轴向电磁轴承8位于中间体3与压气机背盘2和涡轮壳14组成的空间内、并围绕转子轴17设置。所述离合装置用于控制电动发电机与转子轴17之间的结合与分离，所述离合装置可以为机械离合装置，也可以为电磁离合装置。所述电动发电机、离合装置受离合控制系统控制。所述径向电磁轴承受径向电磁轴承控制电路控制，所述轴向电磁轴承8轴受轴向电磁轴承8控制电路控制。

进一步地，在所述中间体3靠近压气机一端也设置有冷却水腔19，其横截面积小于中间体3靠近涡轮一端的冷却水腔19的横截面。所述中间体3靠近涡轮叶轮15的一端与转子轴17的配合处为密封配合，例如采用密封环16密封或采用机械迷宫式密封的方式密封。

具体地，所述径向电磁轴承包括安装于转子轴17上的轴承内圈12、安装于中间体3上的轴承外圈10、固结在轴承外圈10上的电磁绕组11，所述电磁绕组11由铁芯片及电感线圈构成，电感线圈外部还设有封装环，以防止电感线圈受损。所述径向电磁轴承控制电路由速度传感器、位移传感器、第一控制器及电源组成，每一径向电磁轴承安装两个呈径向90°分布的位移传感器分别为第一位移传感器、第二位移传感器，所述电源为速度传感器、位移传感器、第一控制器供电，所述速度传感器、位移传感器均与第一控制器电连接，所述第一控制器与电感线圈相连，如图3所示。为了防止所述径向电磁轴承在轴向方向上的滑动，在所述径向电磁轴承的一侧设置轴承挡圈9，如图1所示。在运行前，如图4所示，首先在第一控制器中预设转子轴17的转速为一阶临界转速的90%到110%和二阶临界转速的90%到110%所组成的集合，预设转子轴17的在径向上的位移值为避免涡轮叶轮15与涡轮壳14之间以及压气机转轮与压气机壳29之间为避免在旋转过程中干涉在径向方向所允许的最小间隙，一般为0.03~0.08mm。在运行过程中，速度传感器和第一位移传感器、第二位移传感器将所感应得到的信号实时的传送给第一控制器，第一控制器接收到速度传感器和两个位移传感器信号并与预设值对比。当第一控制器接收到的速度传感器检测到的转速值在预设转速值的范围内时，减小第一位移传感器、第二位移传感器所对应的两个方向的电磁力，降低转子轴17的刚度，进而降低临界转速，使转子轴17当前的转速不同于新的临界转速，达到减小振动的目的。将第一控制器接收到的位移传感器检测到的位移与预设值对比，当任意一位移传感器检测到的位移值小于预设位移值时，增大这一位移传感器所对应方向上电磁力；当任意一位移传感器检测到的位移值大于预设位移值时，减小这一位移传感器所对应方向上电磁力。

如图5所示，所述的轴向电磁轴承8由与转子轴17采用过盈配合连接的推力盘21、安装在推力盘21上的永磁铁22及第一电磁线圈20组成。所述轴向电磁轴承8控制电路由位移传感器、第二控制器及电源构成，位移传感器沿轴向安装，第二控制器与第一电磁线圈20、位移传感器连接，所述电源为位移传感器、第二控制器供电。首先在第二控制器中预设位移值为转子轴17沿轴向正、负两方向所允许的最大位移值，一般为0.05~0.11mm，位移传感器实时的将所检测到的转子轴17在轴向方向上的位移值传送给第二控制器，第二控制器将所接收的位移值与预设位移值对比，当位移传感器检测的正位移值大于等于正向的最大预设位移值时，增大负位移方向上的电磁力，保证位移值小于最大限值；反之，当位移传感器检测的负位移值大于等于负向的最大预设位移值时，增大正位移方向上的电磁力，保证位移值小于最大限值；轴向电磁轴承8控制电路如图6所示。

进一步地，为了减轻所述电涡轮增压器的质量，所述的径向电磁轴承的轴承内圈12采用铁氧体、铝镍钴合金等轻质永磁材料加工而成，所述轴向电磁轴承8的推力盘21采用铝合金、钛合金等轻质、高强材料加工而成。

电动发电机采用直流无刷永磁式电动发电机，包括电动发电机转子27、电动发电机定子4。所述电动发电机定子4为永磁体，所述电动发电机转子27为线圈结构，电动发电机转子27通过第一空气轴承26与转子轴17连接、形成轴向磁场，电动发电机定子4以与电动发电机转子相对的方向安装在涡轮增压器中间体3上，电动发电机定子4与电动发电机转子之间采用第二空气轴承28连接。所述离合装置为电磁离合装置。如图1所示，电磁离合装置主要由离合器电磁线圈7、衔铁23、弹簧24及导柱25、摩擦片组6、轴套组成，轴套与涡轮转子采用反螺纹连接，轴套通过铆钉分别与周向布置的三组弹簧24及导柱25和衔铁23连接，衔铁23上附有摩擦片组6，离合器电磁线圈固定于中间体3上。如图7所示，所述离合控制系统包括ECU，分别与ECU连接的离合器控制单元、电控调速单元、电能变换及蓄能控制单元和电源模块，所述电源模块包括蓄电池和稳定电源，所述电能变换及蓄能控制单元还与电源模块连接；所述离合器控制单元通过导线5与电源模块、离合装置连接，所述电动发电机通过导线5与电控调速单元、电能变换及蓄能控制单元、电源模块连接。如图8所示，ECU实时获得发动机工况参数并进行综合分析，对离合器控制单元、电控调速单元、电源变换及蓄能控制单元进行综合控制。该涡轮增压器分为电动辅助增压、断电空载、发电蓄能三种工作状态。

具体地，当发动机处于机低速（负荷）工况及加速工况时，ECU对离合控制模块发出信号，离合装置中电磁线圈断电，衔铁23电磁力消失，弹簧24恢复原长，摩擦片组6结合，电源变换及蓄能控制单元将电动发电机调整为电动机模式，通过电源模块对电动机供电，为电动辅助增压状态。电动发电机转子与涡轮一起带动同轴压气机旋转，缓解发动机加速性差、低速性能恶化，进气不足，燃烧不理想，排放性、经济性差等方面的不足。当发动机处于中速（负荷）工作、空档或滑行模式时，ECU对离合控制模块发出信号，离合装置中电磁线圈10通电，在电磁力的作用下衔铁23被吸引，弹簧24被压缩，摩擦片组6分离，增压器转子轴17与电动机转子分离。电源变换及蓄能控制单元断开电动发电机电源，电动发电机处于断电空载状态，此时压气机仅靠同轴涡轮带动。电动发电机转子与涡轮增压器转子轴17的分离，仅带动轻质、高强的轴套旋转，能够减少转子系统的重量，降低转动惯量，提高转子的加速性能，并降低较大质量转子带来的废气能量损失。当发动机处于高速（负荷）工作模式时，ECU对离合控制模块发出信号，离合装置中电磁线圈断电，衔铁23所受电磁力消失，弹簧24恢复至原长，摩擦片组6结合，电源变换及蓄能控制单元将电动发电机调整为发电机模式，并将电池调整为充电模式。涡轮增压器转子轴17带动电动发电机转子旋转，电动发电机定子4线圈在电动发电机转子产生的交变磁场作用下发电，将多余的废气能量转换成为电能储存在电源模块中的蓄电池内，提高废气能量利用率，改善发动机的经济性。

以上实施例仅为本发明的较佳实施例，并非本发明所有实施方式的穷举，本领域技术人员在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.电涡轮增压器，包括压气机、中间体(3)、转子轴(17)、涡轮、轴承，所述压气机和涡轮分别设置在转子轴(17)的两端，所述中间体(3)位于压气机和涡轮之间、并与压气机和涡轮连接、通过轴承与转子轴(17)相配合，所述涡轮与中间体(3)的之间设有隔热套(13)，中间体(3)靠近涡轮的一端设有冷却水腔(19)，其特征在于，在中间体(3)与压气机组成的空间内、围绕转子轴(17)设置有径向电磁轴承、径向电磁轴承控制电路、轴向电磁轴承(8)、轴向电磁轴承(8)控制电路、电动发电机、离合装置和离合控制系统；所述离合装置用于控制电动发电机与转子轴(17)之间的结合与分离，所述电动发电机、离合装置受离合控制系统控制，所述径向电磁轴承受径向电磁轴承控制电路控制，所述轴向电磁轴承(8)轴受电磁轴承控制电路控制，所述径向电磁轴承包括安装于转子轴(17)上的轴承内圈(12)、安装于中间体(3)上的轴承外圈(10)、固结在轴承外圈(10)上的电磁绕组(11)，所述电磁绕组(11)是由铁芯片及电感线圈构成；所述径向电磁轴承控制电路由速度传感器、位移传感器、第一控制器及电源组成，每一径向电磁轴承安装两个呈径向90°分布的位移传感器，所述电源为速度传感器、位移传感器、第一控制器供电，所述速度传感器、位移传感器均与第一控制器电连接，所述第一控制器与电感线圈相连，所述的轴向电磁轴承(8)由与转子轴(17)采用过盈配合连接的推力盘(21)、安装在推力盘(21)上的永磁铁(22)及第一电磁线圈(20)组成；所述轴向电磁轴承(8)控制电路由位移传感器、第二控制器及电源构成，位移传感器沿轴向安装，第二控制器与第一电磁线圈(20)、位移传感器连接，所述电源为位移传感器、第二控制器供电。

2.根据权利要求1所述的电涡轮增压器，其特征在于，所述中间体(3)靠近压气机一端也设置有冷却水腔(19)，其横截面积小于中间体(3)靠近涡轮的一端的冷却水腔(19)的横截面。

3.根据权利要求1所述的电涡轮增压器，其特征在于，所述的径向电磁轴承的轴承内圈(12)采用铁氧体或铝镍钴合金加工而成，所述轴向电磁轴承(8)的推力盘(21)采用铝合金或钛合金加工而成。

4.根据权利要求1所述的电涡轮增压器，其特征在于，所述离合装置为电磁离合装置，主要由离合器电磁线圈(7)、衔铁(23)、弹簧(24)及导柱(25)、摩擦片组(6)、轴套组成，轴套与转子轴(17)采用反螺纹连接，轴套通过铆钉分别与周向布置的三组弹簧(24)及导柱(25)和衔铁(23)连接，衔铁(23)上附有摩擦片组(6)，离合器电磁线圈(7)固定于中间体(3)上。

5.根据权利要求4所述的电涡轮增压器，其特征在于，所述离合控制系统包括：ECU，分别与ECU连接的离合器控制单元、电控调速单元、电能变换及蓄能控制单元和电源模块，所述电源模块包括蓄电池和稳定电源，所述电能变换及蓄能控制单元还与电源模块连接；所述离合器控制单元通过导线与电源模块、离合装置连接，所述电动发电机通过导线与电控调速单元、电能变换及蓄能控制单元、电源模块连接。