CN103872846A - 包含具有直流线圈的电力机械的涡轮增压器 - Google Patents

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Abstract

一种联接到具有可旋转轴(16)的压缩机(12)的电力机械(20)，包括：转子，形成可旋转轴的一部分，并具有由倾斜的非磁性部分(24)隔开的至少两个磁性部分(22A,22B)和位于可旋转轴的两端的两个非磁性材料元件；定子，包括磁性铁叠层体(28)，其由绕组(30)包围，并沿所述转子的外围布置，以限定出第一环形间隙(32)；非磁性材料的环(34)，围绕定子布置；直流线圈(38)，围绕非磁性材料的环(34)布置；以及磁性材料的外壳(40)，围绕直流线圈布置，并具有径向壁(40A,40B)，所述径向壁朝向转子向内突出，在所述径向壁和所述转子之间限定出第二环形间隙(42)。

Description

包含具有直流线圈的电力机械的涡轮增压器
技术领域
本发明涉及电力机械的领域，更具体地说，涉及一种涡轮增压器，包括用在机动车内燃机中的、旋转的电力机械。
背景技术
传统地，内燃机装配有涡轮增压器，涡轮增压器具有由废气能量驱动的涡轮机和一体地联接到涡轮机的压缩机。在低发动机转速下，电力机械辅助涡轮增压器。
如US4769993所述，一种给涡轮增压器提供电支持的方式是将电动机结合进涡轮增压器轴中，位于涡轮机叶轮和压缩机叶轮之间。然而，该构造存在一些缺点。具体地说，额外的长度对转子动力学是不利的。额外的惯量导致涡轮迟滞，并降低涡轮增压器的效率。而且，存在关于固定到转子的磁性/电材料(磁体或铜)的热限制，尤其对于对高温敏感的永久磁体而言。
发明内容
本发明之目的是提供一种优选用于涡轮增压器的电力机械，其克服了现有技术的这些缺点。
本发明通过联接到包括可旋转轴的压缩机的电力机械实现该目的，该电力机械包括转子，其形成所述可旋转轴的一部分，并具有由倾斜的非磁性部分隔开的至少两个磁性部分和位于所述可旋转轴的两端的两个非磁性材料元件；定子，包括磁性铁叠层体(laminated magnetic iron stack)，其由绕组包围，并沿所述转子的外围布置，以限定出第一环形间隙；非磁性材料的环，围绕所述定子布置；直流线圈，围绕所述非磁性环布置；以及磁性材料的外壳，围绕所述直流线圈布置，并具有径向壁，所述径向壁朝向所述转子向内突出，在所述径向壁和所述转子之间限定出第二环形间隙。
采用该特定结构，在机器中不需要使用磁体，如果不需要作为电动机的操作，可以切断直流线圈。
有利地，所述转子的所述磁性和非磁性部分具有相以的机械和热性质。
优选地，所述定子绕组包括位于多个槽内的单相或多相绕组结构。
位于可旋转轴的两端的非磁性材料元件可包括两个非磁性材料的盘。
或者，位于可旋转轴的两端的非磁性材料元件可包括两个非磁性材料的轴承组件，例如陶瓷组件。
本发明还涉及一种涡轮增压器，包括压缩机叶轮、涡轮机叶轮和支撑在轴承组件中并联接到所述压缩机叶轮和所述涡轮机叶轮的可旋转轴，所述可旋转轴形成电力机械的转子，如先前所述。
有利地，所述径向壁的两端形成用于所述轴承组件的内部支撑件，所述这轴承组件通过非磁性元件支撑所述可旋转轴，所述非磁性元件具有适于也支撑所述压缩机和涡轮机叶轮的柱形结构。
根据特定实施例，可旋转轴包括由倾斜的非磁性部分隔开的所述至少两个磁性部分，具有沿所述可旋转轴的旋转轴线的纵长孔，非磁性芯插入所述纵长孔内，所述非磁性芯至少在可旋转轴的一端经由非磁性材料的螺母和垫圈固定到可旋转轴。
倾斜的非磁性部分可包括具有椭圆形状的非磁性垫圈。
附图说明
通过参考附图对附有说明性和非限制性示例的下面内容的详细说明，能够更好地理解本发明，其中：
图1是示意性示出根据本发明的一个实施例的电辅助涡轮增压器的纵向截面图；
图2是示意性示出根据本发明的另一实施例的电辅助涡轮增压器的纵向截面图；
图3是示意性示出根据本发明的又一实施例的电辅助涡轮增压器的纵向截面图；以及
图4是示意性示出根据本发明的又一实施例的电辅助涡轮增压器的纵向截面图。
具体实施方式
图1是示意性示出根据本发明的优选用于内燃机的电辅助涡轮增压器的一个实施例的纵向截面图。
基本上，涡轮增压器10包括由支撑在轴承组件18A、18B中的公共可旋转轴16联接起来的压缩机叶轮12和涡轮机叶轮14。涡轮机和压缩机均仅示意性地示出，因为它们可以具有本领域中已知的任何合适构造。例如，轴承组件包括两个安装在轴的相对两端的经向轴承或球轴承。如本领域中已知，能够通过油经由油道(未示出)润滑和冷却这些球轴承。
根据本发明，形成电力机械20的转子的可旋转轴16包括由非磁性材料的倾斜部24隔开的磁性材料的至少两部分22A、22B和布置在可旋转轴两端的非磁性材料的两个盘26A、26B，以避免轴承组件中的磁通量的任何损失。
将由这些不同部分组装起来的转子应能经受显著的机械应力，尤其是在特别高的圆周速率的情况下。而且，有必要处理材料之间的热膨胀差。然而，有利地是，两种材料在热性能以及机械性能方面相似。传统上，热等静压(HIP)工艺可用于该目的，即，所有的磁性和非磁性部分均插入护套(sheath)中，该组件在高压和高温下置于HIP室中。转子的这些部分随后通过扩散焊安装在一起。
电力机械还包括定子，定子包括由绕组30包围的磁性铁叠层体28，其沿转子的外围布置以限定出第一径向环形间隙32。定子绕组必须包括位于多个槽内的单相或多相绕组结构。非磁性材料的环34围绕定子布置，直流线圈38围绕非磁性材料的环34布置。
为了封闭磁通线，磁性材料的外壳40围绕直流线圈布置。该外壳包括径向壁40A、40B，所述径向壁朝向转子向内突出，在所述壁的端部和转子的外围之间限定出第二径向环形间隙42。
在图2的实施例中，外壳40的径向壁的端部形成用于轴承组件18A、18B(支撑可旋转轴16)的内部支撑件。更具体地说，如所示，轴承组件18A、18B直接支撑非磁性盘，根据该实施例，非磁性盘具有还适于支撑压缩机和涡轮机叶轮的柱形结构。
涡轮增压器的运转是已知的，在此不详细介绍。传统上，涡轮机叶轮14通过废气能量高速旋转，从而使公共轴16也使压缩机叶轮12旋转，以将空气引入发动机气缸中。然而，当这种涡轮增压器如本发明所示包括电力机械20时，其运转是不同的，根据电力机械是作为电动机还是作为发电机来运转而改变。
当可旋转轴16高速旋转时(发动机正常运转中的情况)，形成所述轴的一部分的转子也高速旋转。电力机械(作为发电机运转)的转子的这种旋转在转子外围产生磁场，磁通线沿径向方向延伸穿过第一环形间隙32。磁通量的变化在定子中引起电动势，电动势从定子绕组30获得(pick up)，以产生经由整流器电桥(未示出)供给到各负载(例如电池)的电功率。
当可旋转轴16低速旋转时，即当废气流量低时(尤其是在例如发动机开动时的情况)，可通过以电动机运转电力机械来使压缩机更快速地旋转。实际上，由于连接到定子绕组30的交流电池(未示出)，定子在第一环形间隙32中产生旋转的磁场。同时，由直流线圈38产生的直流场流过磁路40，并跨过第二环形间隙42。然而，转子由三部分构成，在转子一侧22A上的可旋转轴16中产生的磁通量因轴上的非磁性屏障(中央倾斜部24和盘26A、26B)而不能继续在转子中流动。由此，磁通量被迫跨过第一环形间隙32，进入定子中，在定子中，其形成叠层体28的常规通量(classical flux)，然后返回转子(位于另一侧22B)。磁路经由磁性外壳40闭合，磁通量返回转子左侧，在转子中产生常规的两极(classical two pole)，转子的旋转允许所述两极旋转。
尽管已示出和描述了优选实施例，但是应理解，在不脱离本发明的范围情况下，可以进行任何改变和修改。更具体地说，如果电力机械描述为与涡轮增压器一起运转，那么明显的是，这样的机器可嵌入例如电动压缩机或离心式电动压缩机。
如果轴承组件18A、18B制造为非磁性材料，例如陶瓷轴承，那么用在图1和2的实施例中的非磁性材料的盘26A和26B可以省略。
这在图3中示出，这样的方案除了使用非磁性轴承组件18A、18B外与图2的实施例对应，其还可用于图1的实施例。
图4示出组装根据本发明的涡轮增压器的旋转元件的可能方式的示例。
包括由倾斜的非磁性部分24隔开的至少两个磁性部分22A、22B的可旋转轴16具有沿可旋转轴16的旋转轴线的纵长孔。由例如铝的非磁性材料制成的芯60或系杆插入所述纵长孔内，所述非磁性芯60至少在可旋转轴的一端通过非磁性材料的螺母61和垫圈62固定到可旋转轴。在图4的示例中，在系杆60的两端使用非磁性材料的螺母61和垫圈62，以使非磁性系杆60与叶轮12、14牢固连接。
具有通孔的倾斜部24可由非磁性材料的垫圈构成。
参考图4所公开的组装方式可与参考图1至3所述的任一实施例组合起来使用，并且仅是用于避免采用热等静压的一种替代方式。

Claims (11)

1.一种联接到具有可旋转轴(16)的压缩机(12)的电力机械(20)，包括：
转子，形成所述可旋转轴的一部分，并具有由倾斜的非磁性部分(24)隔开的至少两个磁性部分(22A,22B)和位于所述可旋转轴的两端的两个非磁性材料元件；
定子，包括磁性铁叠层体(28)，该磁性铁叠层体(28)由绕组(30)包围，并沿所述转子的外围布置，以限定出第一环形间隙(32)；
非磁性材料的环(34)，围绕所述定子布置；
直流线圈(38)，围绕所述非磁性材料的环(34)布置；以及
磁性材料的外壳(40)，围绕所述直流线圈布置，并具有径向壁(40A,40B)，所述径向壁朝向所述转子向内突出，在所述径向壁和所述转子之间限定出第二环形间隙(42)。
2.如权利要求1所述的电力机械，其中，位于所述可旋转轴的两端的所述非磁性材料元件包括两个非磁性材料的盘(26A,26B)。
3.如权利要求1所述的电力机械，其中，位于所述可旋转轴的两端的所述非磁性材料元件包括两个非磁性材料的轴承组件(18A,18B)。
4.如权利要求1所述的电力机械，其中，所述转子的所述磁性部分和非磁性部分具有相似的机械和热性质。
5.如权利要求1所述的电力机械，其中，所述定子绕组包括位于多个槽内的单相或多相绕组结构。
6.一种涡轮增压器(10)，包括：
压缩机叶轮(12)；
涡轮机叶轮(14)；
可旋转轴(16)，支撑在轴承组件(18A,18B)中，并联接到所述压缩机叶轮和所述涡轮机叶轮，所述可旋转轴形成电力机械(20)的转子，所述转子具有由倾斜的非磁性部分(24)隔开的至少两个磁性部分(22A,22B)和位于所述可旋转轴的两端的两个非磁性材料元件(26A,26B;18A,18B)，
所述电力机械还包括：
定子，包括磁性铁叠层体(28)，该磁性铁叠层体(28)由绕组(30)包围，并沿所述转子的外围布置，以限定出第一环形间隙(32)；
非磁性材料的环(34)，围绕所述定子布置；
直流线圈(38)，围绕所述非磁性材料的环(34)布置；以及
磁性材料的外壳(40)，围绕所述直流线圈布置，并具有径向壁(40A,40B)，所述径向壁朝向所述转子向内突出，在所述径向壁和所述转子之间限定出第二环形间隙(42)。
7.如权利要求6所述的涡轮增压器，其中，所述转子的所述磁性部分和非磁性部分具有相似的机械和热性质。
8.如权利要求6所述的涡轮增压器，其中，所述定子绕组包括位于多个槽内的单相或多相绕组结构。
9.如权利要求6所述的涡轮增压器，其中，所述径向壁的两端均形成用于所述轴承组件的内部支撑件，所述轴承组件经由所述非磁性材料元件支撑所述可旋转轴，所述非磁性材料元件具有还适于支撑所述压缩机叶轮和涡轮机叶轮的柱形结构。
10.如权利要求6所述的涡轮增压器，其中，包括由倾斜的非磁性部分(24)隔开的至少两个磁性部分(22A,22B)的所述可旋转轴(16)具有沿所述可旋转轴(16)的旋转轴线的纵长孔，非磁性芯(60)插入所述纵长孔内，所述非磁性芯(60)至少在可旋转轴的一端通过非磁性材料的螺母(61)和垫圈(62)固定到所述可旋转轴。
11.如权利要求10所述的涡轮增压器，其中，所述倾斜的非磁性部分(24)包括具有椭圆形状的非磁性垫圈。
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