CN104040145A - 电辅助涡轮增压器 - Google Patents

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Abstract

一种电辅助涡轮增压器(1)包括一个壳体(3)和一个被设置在该壳体(3)中的电动机定子(22)。定子(22)包括围绕其设置的一对O型圈、或者其他圆周密封件(204，208)。这些O型圈(204，208)是可操作的以用于抵靠该壳体(3)的一个内部密封，以形成围绕该定子(22)的至少一部分的一个环形室(130)以及位于该定子(22)的两个轴向端的一对端腔(122，126)。环形室(130)被适配成允许一种冷却流体围绕定子(22)循环。一对轴承(10，12)可以被设置在该壳体(3)中，在该定子(22)的每一侧上一个轴承。一个轴(7)由这些轴承(10，12)支撑在该壳体(3)中。该轴(7)进而支撑一个涡轮机叶轮(5)和一个压缩机叶轮。一个电动机转子(24)在这些轴承(10，12)之间被设置在轴(7)上和该定子(22)内。

Description

电辅助涡轮增压器
背景
当今的内燃发动机必须满足消费者和政府监管机构要求的日益严格的排放和能效标准。相应地，汽车制造商和供应商在研究和开发改善内燃发动机运行的技术上花费很大的精力和资金。在这种情况下，涡轮增压器是发动机开发的一个特别感兴趣的领域。
涡轮增压器利用通常会被浪费的排气能量来驱动涡轮机。涡轮机被安装到一个轴上，进而驱动一个压缩机。涡轮机将排气的热量和动能转化成驱动压缩机的旋转动力。涡轮增压器的目的是通过增加进入发动机的空气的密度来提高发动机的容积效率。压缩机吸入环境空气并将其压缩进入进气歧管，并最终进入气缸。因此，在每个进气冲程较大的空气质量进入这些气缸。
当涡轮增压器的尺寸被确定成针对一种特定的发动机提供最大的功率输出时，涡轮增压器的低负荷和瞬态响应性能通常低于最佳。涡轮增压器的压缩机性能取决于压缩机的速度。为了使压缩机旋转得足够快以致向发动机提供显著的压缩或升压，则必须存在排气流动的相对应增加。然而，在排气建立并且涡轮机和压缩机叶轮组件的惯性被克服时，存在一个时间延迟。发动机的升压需求与实际的歧管压力增加之间的这个时间延迟通常被称作增压滞后现象(turbo lag)。
为了帮助克服增压滞后现象和低负荷性能的问题，已经开发了电辅助涡轮增压器。电辅助涡轮增压器包括一个电动机，该电动机是可操作的以用于在低负荷和瞬态条件下补充来自于排气的旋转动力。典型地，该电动机连接到与承载涡轮机叶轮和压缩机叶轮的同一个轴上。在某些情况下，电动机的转子磁铁被直接承载在该轴上，而该定子被包含在涡轮增压器的中心壳体内。
电动机对热量和污染敏感。相应地，在电辅助涡轮增压器的应用中控制热量和油迁移(这是与涡轮增压器相关联的常见问题)变得更加困难。例如，过多的热量可能使定子线圈过热，并且可能损坏永磁体。此外，油污染可以在电动机的转子与定子之间产生粘滞阻力，并且将灰尘和碎屑输送到该转子与定子之间的空隙中。
相应地，对于防止油迁移到电动机并且对电动机部件提供足够的冷却的电辅助涡轮增压器的设计存在一种需要。
概述
在此提供了一种电辅助涡轮增压器，该电辅助涡轮增压器包括一个壳体和一个被置于该壳体中的电动机定子。该定子包括围绕其设置的一对O型圈、或者其他圆周密封件。这些O型圈被操作用于抵靠该壳体的一个内部密封，以形成围绕该定子的至少一部分的一个环形室以及位于该定子的两个轴向端的一对端腔。该环形室被适配成允许一种冷却流体围绕该定子循环。
在此说述的技术的某些方面中，一对轴承可以被设置在该壳体中，在该定子的每一侧上一个轴承。一个轴由这些轴承支撑在该壳体中。该轴进而支撑一个涡轮机叶轮和一个压缩机叶轮。一个电动机转子在这些轴承之间被设置在轴上和该定子内。
在本技术的另一个方面中，一对套环被附连到该轴上，各个套环被定位在该转子与一个相对应的轴承之间。各个套环包括邻近其对应的轴承的一个圆柱形抛油环部。该圆柱形抛油环部包括多个径向的排泄孔或缺口，使得从该轴承进入该圆柱形抛油环部的一个凹陷区域中的油通过这些排泄孔向外径向地射出或抛掷，在这些排泄孔处该油排泄离开该套环。各个套环包括与该圆柱形抛油环部相对的一个隔离件部以及被定位在该隔离件部与该圆柱形抛油环部之间的一个活塞环。
在本技术的又另外的方面中，该隔离件部具有一个轴向面向的定位表面或面，该定位表面邻接该转子，并且其中该圆柱形抛油环部具有一个轴向面向的表面，该表面邻接该轴承的一个相对应的轴向面，由此相对这些轴承轴向地定位该转子和轴。该隔离件部包括一个轴向面向的抛油环表面，该抛油环表面面对一个相对应的端腔的一个内表面，其中该抛油环表面是可操作的以用于将迁移通过该活塞环的油引导至沿该端腔的内表面行进，该油然后在该内表面处被排泄离开该定子。
相应地，这些套环提供第一级、第二级、以及第三级油迁移控制结构以防止油迁移到该转子与定子之间的空隙中。第一级油控制装置是由该圆柱形抛油环部提供的。该圆柱形抛油环部引导油离开该活塞环并且朝向形成在该壳体中的多个不同的出油通道。第二级油控制装置是由该活塞环提供的。通过该活塞环密封件防止任何迁移通过该圆柱形抛油环部的油进一步迁移。最后，第三级油迁移控制装置是由该隔离件部的轴向面向的抛油环表面提供的。迁移通过该活塞环的任何油被抛掷出该套环并且沿该端腔的一个内表面引导，并且允许通过形成于该壳体中的多个不同出油通道之一排泄。
在此考虑详细说明和附图之后，该电辅助涡轮增压器的这些和其他方面将变得清楚。然而，应当理解的是，本发明的范围应由所提出的权利要求书确定，而不是由给定的主题是否解决了在背景中指出的任何或所有的问题、或者包括本概述中引用的任何特征或方面来确定。
附图
参照以下附图描述该电辅助涡轮增压器的非限制性的和非穷尽的实施例，包括优选实施例，其中贯穿不同的视图相同的参考数字指代相同的零件，除非另外指明。
图1是根据一个示例性实施例的电辅助涡轮增压器的局部截面透视图；
图2是图1中示出的压缩机端轴承和套环安排的放大的局部截面透视图；并且
图3是图1中示出的涡轮机端轴承和套环安排的放大的局部截面透视图。
详细说明
以下通过参照附图更全面地说明多个实施例，这些附图于此形成这些实施例的一部分并且通过图示的方式示出了多个特定示例性实施例。这些实施例被以足够的细节披露以便使得本领域技术人员能够实践本发明。然而，实施例能够以多种不同的方式来实施并且不应当被解释成受限于在此阐述的这些实施例。因此，以下详述的说明部分不应被理解成具有限制意义。应当理解的是在这些图中并未示出涡轮增压器的所有部件，并且如本领域中为人所知的，本披露想到使用多种不同的涡轮增压器部件。涡轮增压器构造在本领域中是很好理解的，并且涡轮增压器的每一个部件的详尽说明对理解本申请的在此完全说明和披露的技术而言是不必要的。
图1中示出的电辅助涡轮增压器1包括一个壳体3以及设置在该壳体中的一个电动机20。电动机20包括一个定子22以及设置在轴7上的一个转子24。定子22包括一个电枢26，如本领域中为人所知的，该电枢支撑多个线圈绕组28。在一种永磁电动机的情况下，转子24可以包括多个永磁铁。可以使用其他类型的电动机，例如开关磁阻电动机。如本领域所充分理解的，电动机20通过多个适合的导电连接件而被连接到这些适当的控制装置和电源。
定子电枢26包括一对圆周槽202和206，一对O型圈204和208被对应地设置在这对圆周槽中。O型圈204和208是可操作的以用于抵靠壳体3的一个内壁密封，由此形成一个环形室130，该环形室围绕定子22的至少一部分延伸。环形室130被适配成用于使例如油的冷却流体围绕定子22循环。油可以通过端口132而在环形室130中循环。如从该图可认识到的是，在定子22的任一端上创建一对端腔122和126。因此，壳体3的内部被划分成至少三个腔室：一个环形室130以及两个端腔122和126。当环形室130充满冷却油时，这些端腔122和126旨在保持不合油。端腔122、126在一侧由这些O型圈204、208中相对应的一个密封，并且在另一侧由以下将更全面说明的一个相对应的套环32、30密封。
轴7通过轴颈轴承10和12支撑在壳体3中，这些轴颈轴承在转子24的每一侧被设置在壳体3中。如本领域中为人所知的，一个涡轮机叶轮5和一个压缩机叶轮(未示出)被设置在轴7上，该涡轮机叶轮以及该压缩机叶轮包括该涡轮增压器的多个工作部。套环30和32在转子24的任一侧被附连到轴7上并且被对应地设置在该转子与一个相对应的轴承12和10之间。套环30和32是可操作的以用于轴向地定位该转子并且提供第一级、第二级、和第三级密封结构以防止油迁移到转子24与定子22之间的空隙中。套环30和32可以被压到轴7上，由此将转子24捕获和定位在该轴上。
参见图2，应当认识到，压缩机端套环30包括一个隔离件部304以及一个从其延伸的圆柱形抛油环部308。在这种情况下，隔离件部304可以被机加工具有多个特征、例如槽306，以便减少该套环的旋转质量。然而，应当理解的是该槽可以被免除或者该槽可以具有一个不同于这些图中示出的截面。而且，必要时可以从这些套环30、32中的一者或两者中移除这个区域中的材料以便动态地平衡该轴和转子组件。压缩机端套环30的、在这种情况下隔离件部304的外直径的尺寸被确定成使得该外直径充分配合定子22的内直径X以便有助于该涡轮增压器的组装。套环30和32可以由任何适合的材料构成，例如铝、钢、钛、或类似材料。
隔离件部304包括一个邻接该转子24的轴向面向的定位表面或面302。圆柱形抛油环部308具有一个轴向面向的表面309，该表面面对轴承12上的一个相对应的轴向面向的表面。相应地，套环30和套环32以类似的方式是可操作的以用于相对轴承10和12定位转子24和轴7。
圆柱形抛油环部308包括与一个凹陷区域332相交的多个径向排泄孔310。在圆柱形抛油环部308与隔离件部304之间围绕套环30的一个圆周形成一个活塞环凹槽314。活塞环40被设置在凹槽314中并且是可操作的以用于在壳体3与套环30之间提供一个密封件。隔离件部304包括一个轴向面向的抛油环表面312。抛油环表面312延伸进入端腔126并且与端腔表面123协作以使油离开转子24。
通过多个油供给通道、例如图2中示出的油供给通道102向轴颈轴承10和12供油。供给到轴颈轴承10的油与供给到轴颈轴承12的油基本上是相同的，并且在此仅仅说明了轴颈轴承12。在这种情况下，供给到轴承12的油通过两个均是空的油排泄通道104和106排泄到一个共同的充油空间(oil plenum)114中。套环30包括一个圆柱形抛油环部308形式的第一级(或第一)油控制结构。从轴承12朝向套环30排泄的油进入凹陷区域332并且借助离心力通过多个孔310而被朝向一个环形凹槽330抛掷，该环形凹槽形成在壳体3中并且与多个排泄孔310对齐。排泄通道104与环形凹槽330相交，由此抛掷到凹槽330中的油可以通过通道104排泄到该共同充油空间114中。以此方式，圆柱形抛油环部308引导油离开活塞环40。
活塞环40用作一个第二级(或第二)密封结构，该结构防止能够迁移通过圆柱形抛油环部308的任何油沿泄露路径进一步朝向该转子和定子迁移。例如，活塞环40可以是如本领域中为人所知的一个标准活塞环密封件并且可以由钢构成。如这些图中所示出的，活塞环40在壳体3与套环30之间提供了一个密封件。
然而，如果任何油能够迁移通过活塞环40，则隔离件部304的轴向面向的抛油环表面312用作一个第三级(或第三)密封件并且沿端腔126的内表面123径向地抛掷剩余的油。沿表面123引导的油然后通过另一个油排泄通道而排泄到充油空间114中，该油排泄通道类似于与端腔122相关联的油排泄通道112并且以下通过参考图3来进一步解释。
图3中示出的涡轮机端的套环和轴承安排与该压缩机端的那个类似。该涡轮机端包括邻近涡轮机叶轮5的轴承10，该轴承支撑轴7。套环32被设置在轴承10与转子24之间。在此考虑了相同的套环可以被使用在一个涡轮增压器的压缩机端和涡轮机端两者上。在这种情况下，然而，套环30与32之间存在如以下解释的差异。
套环32包括与套环30的那个类似的一个圆柱形抛油环部328。在这种情况下，套环32包括多个排泄缺口311，而不是多个排泄孔。隔离件部324与圆柱形抛油环部328相对，围绕该隔离件部形成任选的凹槽326。定位表面322邻接转子24，并且一个相反面向的轴向表面317邻接轴承10，由此使转子24和轴7定位。套环32包括活塞环凹槽315和活塞环42。隔离件部324还包括一个轴向面向的抛油环表面313，该抛油环表面面对端腔122的内表面124。
如同压缩机端套环30一样，涡轮机侧套环32包括第一级、第二级、以及第三级密封结构。确切地讲，圆柱形抛油环部328将进入凹陷区域334的油通过多个排泄缺口311喷射或抛掷到凹槽336中。凹槽336排泄进入油排泄通道108并且进入充油空间114。通过活塞环42防止任何迁移通过圆柱形抛油环部328的油进一步迁移。然而，在任何油能够迁移通过活塞环42的情况下，抛油环表面313在离心力作用下沿端腔122的表面124推进该油。沿内表面124排泄的油通过油通道112来排泄到共同充油空间114中。
套环30和32可以包括多个协调转位的特征以防止转子24相对轴7和套环30、32旋转。例如，套环32包括形成在定位表面322中的一个或多个槽缝318，该一个或多个槽缝与从转子24伸出的多个相对应的伸出部218相配合。相应地，当套环30和32在转子24的任一侧被压到轴7上时，这些套环中的至少一个接合该转子以便防止转子24相对轴7旋转。在这种情况下，这些槽缝被示出在套环32中；然而，作为一个替代实施方案，这些槽缝可以是在该转子以及该套环上包含的伸出部中形成的。
端腔122和126可以配备有一个正压力源以便进一步地防止油迁移到这些端腔中。适合的压力源例如并且不限制地包括交易空气(truck air)、涡轮机入口/废气门压力、或者来自一个分开的涡轮级的压缩气体。在此进一步考虑了可以给端腔122和126供应空气以提供对该定子的额外冷却。
相应地，该电辅助涡轮增压器已经被描述具有指向这些示例性实施例的一定程度的特殊性。但应当认识到的是，可以对这些示例性实施例作出修改或改变而不脱离在此包含的发明性概念。

Claims (15)

1.一种电辅助涡轮增压器(1)，包括：
一个壳体(3)；
一个电动机定子(22)，该定子被设置在该壳体(3)中；以及
一对圆周密封件(204，208)，这对圆周密封件被设置在该定子(22)上并且是可操作的以用于抵靠该壳体(3)的一个内部密封，以形成围绕该定子(22)的至少一部分的一个环形室(130)以及定位在该定子(22)的两个轴向端的一对端腔(122，126)。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器(1)，其中该环形室(130)被适配成协助一种冷却流体围绕该定子(22)循环。
3.根据权利要求1所述的涡轮增压器(1)，其中这些圆周密封件(204，208)包括O型圈。
4.根据权利要求1所述的涡轮增压器(1)，进一步包括：一对轴承(10，12)，这对轴承被设置在该壳体(3)中，在该定子(22)的每一侧上一个轴承；
一个轴(7)，该轴由这些轴承(10，12)支撑在该壳体(3)中；
一个涡轮机叶轮(5)和一个压缩机叶轮，该涡轮机叶轮和该压缩机叶轮被支撑在该轴(7)上；以及
一个电动机转子(24)，该转子在这些轴承(10，12)之间被设置在轴(7)上和该定子(22)内。
5.根据权利要求4所述的涡轮增压器(1)，进一步包括一对套环(30，32)，这对套环被附连到该轴(7)上，各个套环被定位在该转子(24)与一个相对应的轴承(10，12)之间，其中各个套环(30，32)包括邻近一个相对应的轴承(10，12)的一个圆柱形抛油环部(308)。
6.根据权利要求5所述的涡轮增压器(1)，其中该圆柱形抛油环部(308)包括多个径向的排泄装置(310)，使得从该轴承(10，12)进入该圆柱形抛油环部(308)的一个凹陷区域(332)中的油通过这些排泄装置(310)向外径向地射出。
7.根据权利要求6所述的涡轮增压器(1)，其中各个套环(30，32)包括与该圆柱形抛油环部(308)相对的一个隔离件部(304)以及被定位在该隔离件部(304)与该圆柱形抛油环部(308)之间的一个活塞环(40)。
8.根据权利要求7所述的涡轮增压器(1)，其中该隔离件部(304)包括一个轴向面向的定位表面(302)，该定位表面被适配成邻接该转子(24)，并且其中该圆柱形抛油环部(308)包括一个轴向面向的表面(309)，该表面被适配成邻接该轴承(10，12)的一个相对应的轴向面，由此相对这些轴承(10，12)轴向地定位该转子(24)和轴(7)。
9.根据权利要求8所述的涡轮增压器(1)，其中该隔离件部(304)包括一个轴向面向的抛油环表面(312)，该抛油环表面面对一个相对应的端腔(122，126)的一个内表面(123)，其中该抛油环表面(312)是可操作的以用于将迁移通过该活塞环(40)的油引导至沿该端腔(122，126)的内表面(123)行进。
10.一种电辅助涡轮增压器(1)，包括：
一个壳体(3)；
一个电动机定子(22)，该定子被设置在该壳体(3)中；
一对轴承(10，12)，这对轴承被设置在该壳体(3)中，在该定子(22)的每一侧上一个轴承；
一个轴(7)，该轴由这些轴承(10，12)支撑在该壳体(3)中；
一个涡轮机叶轮(5)和一个压缩机叶轮，该涡轮机叶轮和该压缩机叶轮被支撑在该轴(7)上；
一个电动机转子(24)，该转子在这些轴承(10，12)之间被设置在轴(7)上和该定子(22)内；以及
一对套环(30，32)，这对套环被附连到该轴(7)上，各个套环被定位在该转子(24)与一个相对应的轴承(10，12)之间，其中各个套环(30，32)包括邻近其相对应的轴承(10，12)的一个圆柱形抛油环部(308)。
11.根据权利要求10所述的涡轮增压器(1)，进一步包括一对圆周密封件(204，208)，这对圆周密封件被设置在该定子(22)上并且是可操作的以用于抵靠该壳体(3)的一个内部密封，以形成围绕该定子(22)的至少一部分的一个环形室(130)以及定位在该定子(22)的两个轴向端的一对端腔(122，126)，其中该环形室(130)被配置成协助一种冷却流体围绕该定子(22)循环。
12.根据权利要求10所述的涡轮增压器(1)，其中该圆柱形抛油环部(308)包括多个径向的排泄装置(310)，使得从该轴承(10，12)进入该圆柱形抛油环部(308)的一个凹陷区域(332)中的油通过这些排泄装置(310)向外径向地射出。
13.根据权利要求12所述的涡轮增压器(1)，其中各个套环(30，32)包括与该圆柱形抛油环部(308)相对的一个隔离件部(304)以及被定位在该隔离件部(304)与该圆柱形抛油环部(308)之间的一个活塞环(40)。
14.根据权利要求13所述的涡轮增压器(1)，其中该隔离件部(304)包括一个轴向面向的定位表面(302)，该定位表面被适配成邻接该转子(24)，并且其中该圆柱形抛油环部(308)包括一个轴向面向的表面(309)，该表面被适配成邻接该轴承(10，12)的一个相对应的轴向面，由此相对这些轴承(10，12)轴向地定位该转子(24)和轴(7)。
15.根据权利要求14所述的涡轮增压器(1)，其中该隔离件部(304)包括一个轴向面向的抛油环表面(312)，该抛油环表面面对一个相对应的端腔(122，126)的一个内表面(123)，其中该抛油环表面(312)是可操作的以用于将迁移通过该活塞环(40)的油引导至沿该端腔(122，126)的内表面(123)行进。
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