CN103775196B - 一种涡轮增压发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涡轮增压发电装置，包括外壳、轴承、定子、控制器和由排气涡轮、进气涡轮、轴、转子铁心组成的转子。发动机排出的废气驱动排气涡轮后，带动同轴的进气涡轮和转子铁心旋转，实现对进气的增压和发电。由于转子铁心为4极凸极式结构，无励磁源，可适应废气涡轮的超高速运转；转子极数少，径向尺寸小，因此响应速度快；转子结构简单、耐温高，励磁绕组部分外绕、冷却好，使得发电装置可以工作在温度较高的排气管附近；所述发电装置可以切换为电动机运行，以提高发动机低速时的增压效果。

Description

一种涡轮增压发电装置

技术领域

本发明涉及一种涡轮增压发电装置，属于汽车电机技术领域。

背景技术

目前，发动机排放的高温高压的废气大约带走了燃料热能的40%，大部分发动机不能有效利用这些能量。废气涡轮增压装置实现了部分废气动能的利用，提高了发动机的燃料利用率，目前的应用越来越广泛。

但是，废气涡轮增压装置有一定的时滞效应，即在发动机刚起动时其转速较低，不能有效提供增压。只有当发动机转速达到2000转/分钟时增压效果才比较明显。因此在废气涡轮中增加一个电动机，在起动时迅速增加涡轮转速，即可以显著提高增压效果。

同时，发动机在3000转/分钟以上的高速运转时，一般通过泄压阀将大部分废气不接入废气涡轮，而直接接入到排气管，防止涡轮转速过快，这样多余的废气能量不能有效利用。

本发明公开了一种涡轮增压发电装置，具有电动和发电两种功能，在低速时电动运行辅助驱动涡轮旋转，高速时发电运行回收废气能量，具有较高的研究价值和应用前景。

在已有技术中，废气涡轮增压装置已被应用于多种机型的发动机，其中已有专利提出在废气涡轮增压装置上增加电机以实现电动和发电功能。例如，授权的中国发明专利：与内燃机和控制系统一起使用的电动机一发电机辅助的涡轮增压系统，专利号ZL971922179，公开了一种带电机的废气涡轮增压装置。但该专利未公开所选用的电机类型，且该专利已失效。本申请主要公开了一种适合废气涡轮增压使用的、可以高速运转的一种新型电动发电机，所公开的技术是在专利ZL971922179基础上的有效改进和创新。

授权的美国发明专利：Exhaustenergyrecoveryandgeneratorforusewithanengine，专利号：4694694，也公开了一种发动机废气回收用的发电机，其电机采用永磁转子，不能适应废气涡轮所处的高温、高速运转环境。申请号为200910144336.4的发明专利：发动机废气涡轮发电系统，也指出在废气涡轮壳上设置发电机可以高效回收发动机废气能量，但该申请因为不具备创造性，因而未被授权。申请号为200910133401.3的发明专利：废气驱动双凸极发电机，公开了一种废气驱动的双凸极发电机，其结构采用典型的双凸极电机结构，其转子无永磁体和绕组，但绕组和永磁体都位于槽内，因而槽满率较高且散热较为困难，且该申请并未涉及结合废气涡轮增压的相应技术。申请号为200910230721.0的发明专利：废气涡轮驱动电励磁发电机，公开了一种废气涡轮驱动的电励磁发电机，该机转子内部带有电励磁绕组，也不适合每分钟100000转的高速运转。

本发明公开的涡轮增压发电装置，在技术上与上述申请皆存在较大的不同，且在具体的电机本体结构（极数、极弧系数、励磁绕组的绕法、电枢绕组与励磁绕组匹配方式）和电动发电控制策略上具有创造性。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以实现对进气的增压和发电，且转子铁心为4极凸极式结构、无励磁源，可适应废气涡轮的超高速、高温运转环境的涡轮增压发电装置，以提高发动机起动后的增压效果和高速时的能量利用率。具体是：

一种涡轮增压发电装置，包括外壳、轴承、定子、控制器和由排气涡轮、进气涡轮、轴、转子铁心组成的转子，其特征在于：

所述定子极数为6且极弧系数为0.5，相对的两个定子轭部上绕有励磁线圈，第一励磁线圈从定子铁心内部往外绕制，第二励磁线圈从定子铁心外部向内绕制，第一励磁线圈（F1）和第二励磁线圈（F2）串联后组成励磁绕组；

所述的每个定子极上都绕有一个集中式电枢绕组，其绕制方向遵循通正向电流时和励磁线圈产生同向的磁场；同相位的A相第一电枢线圈（A1）和A相第二电枢线圈（A2）串联后组成A相电枢绕组，同相位的B相第一电枢线圈（B1）和A相第二电枢线圈（B2）串联后组成B相电枢绕组，同相位的C相第一电枢线圈（C1）和A相第二电枢线圈（C2）串联后组成C相电枢绕组；三相电枢绕组的尾端接在一起，三相电枢绕组的首端分别接逆变器的三个桥臂。

所述转子铁心为4极凸极式结构，无励磁源，转子极宽和定子极宽相等，转子铁心轭部窄、外径小，可适应超高速运转。

所述进气涡轮、排气涡轮、转子铁心固定在一根轴上，轴通过两侧的轴承固定在外壳上，轴承采用机油润滑的组合式滑动轴承，既可以实现径向支撑，又可以实现轴向支撑。

如上所述涡轮增压发电装置，既可以作为电动机运行，迅速提高发动机起动后的增压涡轮转速；又可以作为发电机运行，回收汽车废气能量；作为发电机在发动机低速运转时，控制器给励磁绕组通以很小或不通励磁电流，以维持涡轮最低转速；作为发电机在发动机中高速运转时，通过控制励磁电流的大小，保持输出电压的稳定。

本发明的有益效果如下：

1、既可以作为电动机运行提高对发动机低速增压效果，又可以作为发电机运行收回发动机废气能量，提高燃油利用率；

2、转子铁心为4极凸极式结构，无励磁源，可适应废气涡轮的超高速运转；转子极数少，径向尺寸小，因此响应速度快；

3、转子结构简单、耐温高，励磁绕组部分外绕、冷却好，使得发电装置可以工作在温度较高的排气管附近；

4、由于励磁绕组匝数多，因而励磁绕组部分外绕的结构可以大大降低定子槽的槽满率，从而在相同的槽满率下提高发电效率和发电效果。

附图说明

图1是本发明涡轮增压发电装置结构简图。图中，1、外壳；2、进气涡轮；3、轴承；4、电枢绕组；5、励磁绕组；6、转子铁心；7、定子铁心；8、轴；9、废气涡轮；

图2是本发明涡轮增压发电装置剖面图；图中，4、电枢绕组；5、励磁绕组；6、转子铁心；7、定子铁心；8、轴；

图3是本发明三相电枢绕组的磁链图；

图4是本发明三相电枢绕组的电势图；

图5是本发明三相电枢绕组与逆变器接法图。

具体实施方式

如图1所示的一种涡轮增压发电装置，包括外壳、轴承、定子、控制器和由排气涡轮、进气涡轮、轴、转子铁心组成的转子。所述进气涡轮、排气涡轮、转子铁心固定在一根轴上，轴通过轴承固定在外壳上，两侧的轴承都采用机油润滑的组合式滑动轴承，既可以实现径向支撑，又可以实现轴向支撑。这种轴承可以利用机油的压力将旋转部件托起来，使轴与孔不接触，实现非接触旋转而且承载力大，转速高。

所述涡轮增压发电装置正常工作时由排气涡轮驱动转子旋转，当发动机刚起动时，转子转速低，所述涡轮增压发电装置可以作为电动机运行，迅速提高发动机起动后的增压涡轮转速。所述涡轮增压发电装置又可以作为发电机运行，回收汽车废气能量。作为发电机在发动机低速运转时，控制器给励磁绕组通以很小或不通励磁电流，以维持涡轮最低转速；作为发电机在发动机中高速运转时，通过控制励磁电流的大小，保持输出电压的稳定。

图2所示的本发明涡轮增压发电装置剖面图；所述涡轮增压发电装置包括外壳、轴承、定子、控制器和由排气涡轮、进气涡轮、轴、转子铁心组成的转子。所述定子极数为6且极弧系数为0.5，相对的两个定子轭部上绕有励磁线圈，第一励磁线圈（F1）从定子铁心内部往外绕制，第二励磁线圈（F2）从定子铁心外部向内绕制；第一励磁线圈（F1）和第二励磁线圈（F2）串联后组成励磁绕组；

所述的每个定子极上都绕有一个集中式电枢绕组，其绕制方向遵循通正向电流时和励磁线圈产生同向的磁场；同相位的A相第一电枢线圈（A1）和A相第二电枢线圈（A2）串联后组成A相电枢绕组，同相位的B相第一电枢线圈（B1）和A相第二电枢线圈（B2）串联后组成B相电枢绕组，同相位的C相第一电枢线圈（C1）和A相第二电枢线圈（C2）串联后组成C相电枢绕组；

所述转子铁心为4极凸极式结构，无励磁源，转子极宽和定子极宽相等，转子铁心轭部窄、外径小，可适应超高速运转。

图3是本发明三相电枢绕组的磁链图。其各相磁链随着转子位置的不同而变换。

图4是本发明三相电枢绕组的电势图。由于各相电势的大小与磁链的变化率成正比，因此三相电枢绕组产生三相交流电。

图5是本发明三相电枢绕组与逆变器接法图。三相电枢绕组的尾端接在一起，三相电枢绕组的首端分别接逆变器的三个桥臂；

其工作原理为：若给励磁绕组通以励磁电流，则各定子极上会产生励磁磁场。当转子旋转时，会依次增大或减小各定子极上的磁通量，从而引起各相电枢绕组匝链的磁通量变化，因此，三相电枢绕组会感应出三相交流电，其感应电动势就与磁通量的变化率成正比。这个三相交流电压经整流电路整流就可以给蓄电池充电，或者给汽车用电设备供电。由于励磁电流可调，因此通过调节励磁电流的大小，就可以实现发电状态下的输出电压的稳定。

作为电动机运行时，通过依次给反电势为正的的绕组通以正向电流，给反电势为负的绕组通以负向电流，则电机即可输出正向转矩，带动转子加速运转。

Claims (1)

1.一种涡轮增压发电装置，包括外壳、轴承、定子、控制器和由排气涡轮、进气涡轮、轴、转子铁心组成的转子，其特征在于：

所述定子极数为6且极弧系数为0.5，相对的两个定子轭部上绕有励磁线圈，第一励磁线圈从定子铁心内部往外绕制，第二励磁线圈从定子铁心外部向内绕制，第一励磁线圈(F1)和第二励磁线圈(F2)串联后组成励磁绕组；

所述的每个定子极上都绕有一个集中式电枢绕组，其绕制方向遵循通正向电流时和励磁线圈产生同向的磁场；同相位的A相第一电枢线圈(A1)和A相第二电枢线圈(A2)串联后组成A相电枢绕组，同相位的B相第一电枢线圈(B1)和B相第二电枢线圈(B2)串联后组成B相电枢绕组，同相位的C相第一电枢线圈(C1)和C相第二电枢线圈(C2)串联后组成C相电枢绕组；三相电枢绕组的尾端接在一起，三相电枢绕组的首端分别接逆变器的三个桥臂；

所述转子铁心为4极凸极式结构，无励磁源，转子极宽和定子极宽相等，转子铁心轭部窄、外径小，可适应超高速运转；

所述进气涡轮、排气涡轮、转子铁心固定在一根轴上，轴通过两侧的轴承固定在外壳上，轴承采用机油润滑的组合式滑动轴承，既可以实现径向支撑，又可以实现轴向支撑。