CN103867290B - 嵌入了具有永磁体的电机的涡轮增压器 - Google Patents

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Abstract

一种联接到压缩机(12)的电机(20)，所述压缩机具有可旋转轴(16)，该电机包括：转子，形成可旋转轴一部分且具有通过倾斜的非磁性部分(24)分开的至少两个磁性部分(22A，22B)和在可旋转轴的每一个端部处的两个非磁性材料元件(26A，26B)；定子，包括通过绕组(30)围绕的层压磁铁堆叠结构(28)，且沿转子的外周设置，以限定第一环形间隙(32)；非磁性材料环(34)，绕定子设置；和磁性材料壳体(40)，包括永磁体(36)，绕磁性环设置，且具有径向壁(40A，40B)，所述径向壁通过在它们之间限定第二环形间隙(42)而朝向所述转子内向突出。

Description

嵌入了具有永磁体的电机的涡轮增压器
技术领域
本发明涉及电机领域，且更特别地涉及包括旋转电机的涡轮增压器，其用于在汽车的内燃发动机中使用。
背景技术
通常，内燃发动机配备有涡轮增压器，所述涡轮增压器具有通过排气的能量驱动的涡轮和整体地联接到涡轮的压缩机。在低发动机旋转速度下，涡轮增压器被电机辅助。
如US4,769,993所阐述的，提供用于涡轮增压的电支持的一种方式是将电动机并入到涡轮增压器轴，涡轮增压器轴在涡轮叶轮和压缩机叶轮之间。然而，该构造存在一些缺陷。尤其是，额外的长度对转子的动力性能来说是有害的。额外的惯性导致涡轮迟滞并降低涡轮增压器的效率。而且，存在与被固定到转子的磁性/电材料(磁体或铜)相关的热限制，尤其是对于对高温敏感的永磁体机器来说。
发明内容
本发明的目的是提供一种电机，该电机优选用于涡轮增压器，能克服现有技术的这些缺陷。
本发明通过联接到压缩机的电机实现这些目的，所述压缩机具有可旋转轴，所述电机包括：转子，形成可旋转轴的一部分且具有通过倾斜的非磁性部分分开的所述至少两个磁性部分和在可旋转轴每一个端部处的两个非磁性材料元件；定子，包括通过绕组围绕的层压磁铁堆叠结构且沿转子的外周设置，以限定第一环形间隙；非磁性材料环，绕定子设置；和磁性材料壳体包括永磁体，绕所述环设置且具有径向壁，所述径向壁通过在它们之间限定第二环形间隙而朝向所述转子内向突出。
通过该具体结构，没有磁体用在机器的转子中。
有利地,所述转子的所述磁性和非磁性部分具有相似的机械和热性能。
优选地，定子绕组包括在多个槽中的单相或多相绕组结构。
在可旋转轴每一个端部处的非磁性材料元件可以包括两个非磁性材料盘状件。
替换地，在可旋转轴每一个端部处的非磁性材料元件可以包括两个非磁性材料,例如陶器轴承。
取决于所述实施例，所述永磁体定位在所述径向壁的端部处，所述径向壁面对所述转子的所述至少两个磁性部分且绕所述非磁性环定位在所述壳体中。
本发明还涉及涡轮增压器，其包括压缩机叶轮、涡轮、可旋转轴，是可旋转轴被支撑在轴承组件中且联接到所述压缩机叶轮和所述涡轮，所述可旋转轴形成电机的转子，如前所述。
有利地，所述径向壁的每一个形成用于所述轴承组件的内部支撑，其经由所述非磁性盘支撑所述可旋转轴，所述非磁性元件具有圆柱形结构，还适于支撑所述压缩机和涡轮。
根据具体实施例，包括通过倾斜的非磁性部分分开的所述至少两个磁性部分的可旋转轴具有沿所述可旋转轴的旋转轴线的细长孔，非磁性芯部插入所述细长孔中，和所述非磁性芯部通过非磁性材料的螺母和垫圈至少在可旋转轴的一个端部处固定到可旋转轴。
倾斜的非磁性部分可以包括椭圆形的非磁性垫圈。
附图说明
在下面的详细描述中，通过与附随附图有关的非限制性的例子的显示，将能更好地理解本发明，其中：
图1是示意性地示出了根据本发明一个实施例的电辅助涡轮增压器的纵向剖视图，
图2是示意性地示出了根据本发明另一个实施例的电辅助涡轮增压器的纵向剖视图，
图3是示意性地示出了根据本发明又一个实施例的电辅助涡轮增压器的纵向剖视图，且
图4是示意性地示出了根据本发明再一实施例的电辅助涡轮增压器的纵向剖视图。
具体实施方式
图1是示意性地显示了电辅助涡轮增压器的一个实施例的纵向剖视图，所述涡轮增压器优选用于根据本发明的内燃发动机。
通常，涡轮增压器10包括通过公共可旋转轴16联接在一起的压缩机叶轮12和涡轮叶轮14，所述轴16被支撑在轴承组件18A、18B中。涡轮和压缩机仅被示意性地示出，因为它们可以是本领域已知的任何合适的构造。例如，轴承组件包括安装在轴相对端部处的两个轴颈轴承或球轴承。如本领域已知的，这些球轴承可被经由油通道（未示出)而来的油润滑和冷却。
根据本发明，可旋转轴16（其形成电机20的转子）包括至少两个磁性材料部分22A、22B和两个非磁性材料盘26A、26B，所述至少两个磁性材料部分通过非磁性材料的倾斜部分24分开，所述非磁性材料盘设置在可旋转轴的每一个端部处以便避免轴承组件中任何磁通量的损耗。
转子的这些不同部分被组装，其方式是它可以抵抗重大的机械应力，特别是在非常高的周向速度下。而且，处理材料之间的热膨胀差异是必要的。然而，有利地，两种材料在热性能以及机械性能方面是相似的。通常，热等静压（HIP）可被用于该目的，即所有磁性和非磁性部分被插入到护套，且该组件在高的压力和温度下被放在HIP腔室中。转子部件随后通过扩散焊而被装配在一起。
电机进一步包括定子，所述定子包括通过绕组30围绕的层压磁铁堆叠结构28，且沿转子的外周设置，以限定第一径向环形间隙32。定子绕组必须包括在多个槽中的单相或多相绕组结构。非磁性材料环34绕定子设置。
磁性材料的壳体40绕非磁性环设置。该壳体包括径向壁40A、40B，所述径向壁40A、40B向内朝向转子突出，在所述壁接收永磁体36的端部和转子的外周之间限定第二径向环形间隙42。
重要的是应注意，永磁体在径向壁40A、40B面对所述转子的所述至少两个磁性部分的端部处(且因此靠近第二环形间隙42)的位置不是必须的，也可以是如图2示出的围绕定子在壳体40中的位置。
在图2的实施例中，壳体40的径向壁的端部形成用于轴承组件18A、18B的内部支撑，所述轴承组件支撑可旋转轴16。更具体地，如示出的，轴承组件18A、18B直接地支撑非磁性盘，所述非磁性盘根据该实施例具有也适于支撑压缩机和涡轮的圆柱形结构。
涡轮增压器的运行是已知的且将不被详细描述。通常，涡轮叶轮14通过排气的能量而以高速度旋转，且由此使得公共轴16令压缩机叶轮12旋转，以便将空气引入发动机汽缸。当这样的涡轮增压器包括电机20时，如本发明中，其运行则是不同的，且根据电机是作为电动机或是发电机运行而变化。
当可旋转轴16以高速度旋转(这是发动机的正常运行中的情况)时，形成所述轴的一部分的转子也以高速度旋转。电机转子的这种旋转(由此以发电机运行)在转子外周产生磁场，其中磁通线沿径向方向延伸穿过第一环形间隙32。磁通量的这种变化在定子中引起电动势，所述电动势被从定子绕组30引出以生产供应到各种载荷的电功率，例如经由整流桥(未示出)达到电池。
当可旋转轴16以低速度旋转时，即当排气流量低(特别是例如发动机启动期间的情况)时，可以通过使电机作为电动机运行而引起压缩机更快速地旋转。事实上，由于连接到定子绕组30的AC电源(未示出)，定子在第一环形间隙32中形成旋转磁场。同时，通过永磁体36形成的DC场流过磁路40且与跨过第二环形间隙42。然而，转子被制造为三个部分，由于轴上的非磁性障壁（中央倾斜部分24和盘26A、26B)，在转子一侧22A上在可旋转轴16中产生的磁通量不能继续在转子中流动。磁通量由此被迫跨过第一环形间隙32且进入定子中，在该处其遵循层压堆叠结构28的典型（classic）通量，且随后回到转子(在另一侧22B上)。磁通路通过磁性壳体40闭合且通量回到转子的左侧，随后在转子中形成典型的两个极，转子的旋转允许极的旋转。
虽然已经描述和显示了优选实施例，但是应理解可以在不脱离本发明范围的情况下做出许多改变和修改。尤其是，如果电机已经被示出连同涡轮增压器运行，则清楚的是这样的机器可被例如嵌入到马达压缩机（moto-compressor）或离心马达压缩机。
如果轴承组件18A、18B由非磁性材料例如陶瓷轴承制造，则用在图1和2中实施例的非磁性材料盘26A和26B可被省略。
这在图3中示出，其对应于图2的实施例，但是这种使用非磁性轴承组件18A、18B的方案还可应用于图1的实施例。
图4显示了用于组装根据本发明的涡轮增压器的旋转元件的可行方法的例子。
可旋转轴16（其包括通过倾斜的非磁性部分24分开的至少两个磁性部分22A、22B）具有沿可旋转轴16的旋转轴线的细长孔。非磁性材料（例如铝）制造的拉杆或芯部60被插入所述细长孔中且非磁性芯部60通过非磁性材料的螺母61和垫圈62在可旋转轴的至少一个端部处固定到可旋转轴。在图4的例子中，非磁性材料的螺母61和垫圈62被使用在拉杆60的每一个端部处，以使非磁性拉杆60与叶轮12、14固接。
具有通孔的倾斜部分24可通过非磁性材料垫圈构成。
参考图4而公开的组装方法可以与参考图1到3所述的实施例中的任何一个结合使用，且仅是避免实施热等静压的替换方式。

Claims (13)

1.一种联接到具有可旋转轴(16)的压缩机(12)的电机(20)，该电机包括：
转子，形成所述可旋转轴的一部分，且具有通过倾斜的非磁性部分(24)分开的至少两个磁性部分(22A，22B)和两个非磁性材料元件，所述可旋转轴每一个端部处各具有一个非磁性材料元件，
定子，包括通过绕组(30)围绕的层压磁铁堆叠结构(28)，且沿转子的外周设置，以限定第一环形间隙(32)，
非磁性材料环(34)，绕定子设置，和
磁性材料壳体(40)，包括永磁体(36)，其绕所述环设置，且具有径向壁(40A，40B)，所述径向壁朝向所述转子内向突出，在它们之间限定第二环形间隙(42)。
2.如权利要求1所述的电机，其中所述两个非磁性材料元件是两个非磁性材料盘状件(26A，26B)。
3.如权利要求1所述的电机，其中所述两个非磁性材料元件是两个非磁性材料轴承组件(18A，18B)。
4.如权利要求1所述的电机，其中所述转子的所述磁性和非磁性部分具有相似的机械和热性能。
5.如权利要求1所述的电机，其中定子绕组(30)包括在多个槽中的单相或多相绕组结构。
6.如权利要求1所述的电机，其中所述永磁体(36)定位在所述径向壁(40A，40B)面对所述转子的所述至少两个磁性部分(22A，22B)的端部处。
7.如权利要求1所述的电机，其中所述永磁体(36)绕所述非磁性材料环(34)定位在所述壳体(40)中。
8.一种涡轮增压器(10)，包括：
压缩机叶轮(12)，
涡轮叶轮(14)，
可旋转轴(16)，被支撑在轴承组件(18A，18B)中且被联接到所述压缩机叶轮和所述涡轮叶轮，所述可旋转轴形成电机(20)的转子，所述转子具有通过倾斜的非磁性部分(24)分开的至少两个磁性部分(22A，22B)和两个非磁性材料元件(26A，26B；18A，18B)，所述可旋转轴每一个端部处各具有一个非磁性材料元件，
所述电机进一步包括：
定子，包括通过绕组(30)围绕的层压磁铁堆叠结构(28)，且沿所述转子的外周设置，以限定第一环形间隙(32)，
非磁性材料环(34)，绕所述定子设置，和
磁性材料壳体(40)，包括永磁体(36)，绕所述非磁性环设置，且具有径向壁(40A，40B)，所述径向壁朝向所述转子内向突出，在它们之间限定第二环形间隙(42)。
9.如权利要求8所述的涡轮增压器，其中所述转子的所述磁性和非磁性部分具有相似的机械和热性能。
10.如权利要求8所述的涡轮增压器，其中定子绕组(30)包括在多个槽中的单相或多相绕组结构。
11.如权利要求8所述的涡轮增压器，其中所述径向壁的每一个端部形成用于所述轴承组件的内部支撑，其经由所述非磁性元件支撑所述可旋转轴，所述非磁性元件具有还适于支撑所述压缩机和涡轮的圆柱形结构。
12.如权利要求8所述的涡轮增压器，其中包括通过倾斜的非磁性部分(24)分开的所述至少两个磁性部分(22A，22B)的所述可旋转轴(16)具有沿所述可旋转轴(16)的旋转轴线的细长孔，其中非磁性芯部(60)插入所述细长孔中，且其中所述非磁性芯部(60)至少在可旋转轴的一个端部处通过非磁性材料的螺母(61)和垫圈(62)固定到可旋转轴。
13.如权利要求12所述的涡轮增压器，其中所述倾斜的非磁性部分(24)包括椭圆形的非磁性垫圈。
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