CN110748417B - 一种基于磁耦合联轴器的涡轮增压器和发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于磁耦合联轴器的涡轮增压器和包含该涡轮增压器的发动机。其中，该涡轮增压器包括设有容纳腔的第一轴，该第一轴一端开口，该容纳腔沿着该开口向该第一轴的另一端沿伸，该容纳腔的腔体壁上设有第一磁耦合联轴器、以及至少一个第一轴承；该涡轮增压器还包括通过该至少一个第一轴承设于该容纳腔内的第二轴，该第二轴的外径上设有与该第一磁耦合联轴器形成径向磁耦合作用的第二磁耦合联轴器。通过上述方式，使得提供的涡轮增压器具有更高的转子动力学稳定性，不易引入转子不平衡问题，具有更高的系统稳定性，同时可以实现涡轮膨胀机和压缩机的效率最优化，以及能够传递更大的力矩和功率。
Description
技术领域
本发明涉及涡轮增压器技术领域，更具体而言，涉及一种基于磁耦合联轴器的涡轮增压器、以及包含该涡轮增压器的发动机。
背景技术
涡轮增压器广泛应用于汽车发动机、轮船发动机等需要高压供气的动力机械上。传统的涡轮增压器结构如图1所示，这种涡轮增压器50中膨胀机51与压缩机52有各自的最佳工作点，这些最佳工作点的转速可能有所不同，当最佳工作点不匹配时，可能造成系统轴系53上的转矩波动，影响轴系寿命；同时，这种波动可能引起系统的扭振，影响系统的整体性能，并可能造成破坏性失效。为解决该技术问题，现有技术中提供了如图2所示的基于轴端外悬式磁耦合联轴器的涡轮增压器结构60，通过将膨胀机61与压缩机62分开，中间通过磁耦合联轴器（63、64）连接，当膨胀机61和压缩机62在负载不匹配的时候可以通过磁耦合器（63、64）的过载保护而异步运动，避免了膨胀机61与压缩机62最佳工作点不同步的情况。然而这种基于轴端外悬式磁耦合联轴器结构会影响转子（65、66）动力学稳定性，降低转子（65、66）柔性模态频率，从而降低涡轮增压器的最高转速，影响膨胀机61和压缩机62的效率；且由于这种轴端外悬式磁耦合联轴器结构容易引入转子（65、66）不平衡问题，造成涡轮增压器震动加大，降低系统稳定性；同时该轴端外悬式磁耦合联轴器（63、64）最大传递力矩也有限。
发明内容
本发明提供了一种基于磁耦合联轴器的涡轮增压器和发动机，以解决现有的涡轮增压器容易引入转子不平衡影响系统稳定性、以及最大传递力矩有限的问题。
为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种基于磁耦合联轴器的涡轮增压器，包括设有容纳腔的第一轴，所述第一轴一端开口，所述容纳腔沿着所述开口向所述第一轴的另一端沿伸，所述容纳腔的腔体壁上设有第一磁耦合联轴器、以及至少一个第一轴承；
所述涡轮增压器还包括通过所述至少一个第一轴承设于所述容纳腔内的第二轴，所述第二轴的外径壁上设有与所述第一磁耦合联轴器形成径向磁耦合作用的第二磁耦合联轴器。
作为本发明的进一步改进，所述涡轮增压器还包括通过至少一个第二轴承间隔套设连接在所述第一轴外围的壳体。
作为本发明的进一步改进，所述涡轮增压器还包括设于所述第一轴的远离所述第二轴的一端的膨胀机叶轮、以及设于所述第二轴的远离所述第一轴的一端的压缩机叶轮，所述第一轴作旋转运动时通过所述径向磁耦合作用带动所述第二轴转动。
作为本发明的进一步改进，所述涡轮增压器还包括设于所述第二轴的远离所述第一轴的一端的膨胀机叶轮、以及设于所述第一轴的远离所述第二轴的一端的压缩机叶轮，所述第二轴作旋转运动时通过所述径向磁耦合作用带动所述第一轴转动。
作为本发明的进一步改进，所述涡轮增压器还包括用于调节所述第一轴与所述第二轴之间的轴向相对位置的轴向磁轴承或轴向驱动装置。
为了进一步解决上述技术问题，本发明第二方面提供了一种基于磁耦合联轴器的涡轮增压器，包括第一轴组件，所述第一轴组件包括设有容纳腔的第一轴、以及通过至少一个第一轴承间隔套设连接在所述第一轴外围的第一壳体，所述第一轴的一端开口，所述容纳腔沿着所述开口向所述第一轴的另一端沿伸，所述容纳腔的腔体壁上设有第一磁耦合联轴器；
所述涡轮增压器还包括设于所述容纳腔内的第二轴组件，所述第二轴组件包括第二轴、以及通过至少一个第二轴承间隔套设连接在所述第二轴外围的第二壳体，所述第二轴的外径壁上设有与所述第一磁耦合联轴器形成径向磁耦合作用的第二磁耦合联轴器。
作为本发明的进一步改进，所述涡轮增压器还包括设于所述第一轴的远离所述第二轴的一端的膨胀机叶轮、以及设于所述第二轴的远离所述第一轴的一端的压缩机叶轮，所述第一轴作旋转运动时通过所述径向磁耦合作用带动所述第二轴转动。
作为本发明的进一步改进，所述涡轮增压器还包括设于所述第二轴的远离所述第一轴的一端的膨胀机叶轮、以及设于所述第一轴的远离所述第二轴的一端的压缩机叶轮，所述第二轴作旋转运动时通过所述径向磁耦合作用带动所述第一轴转动。
作为本发明的进一步改进，所述涡轮增压器还包括用于调节所述第一轴与所述第二轴之间的轴向相对位置的轴向磁轴承或轴向驱动装置。
为了进一步解决上述技术问题，本发明第三方面提供了一种发动机，该发动机包括上述任一实施例所述的基于磁耦合联轴器的涡轮增压器。
与现有技术相比，本发明提供的基于磁耦合联轴器的涡轮增压器中，由于磁耦合联轴器被设计于轴系一体，因而具有更高的转子动力学稳定性，不易引入转子不平衡问题，从而具有更高的系统稳定性，可以实现涡轮膨胀机和压缩机的效率最优化、以及能够传递更大的力矩和功率。本发明提供的发动机因包含该涡轮增压器而具有更高的系统稳定性。
附图说明
图1是现有技术提供的传统涡轮增压器结构示意图；
图2是现有技术提供的基于轴端外悬式磁耦合联轴器的涡轮增压器的结构示意图；
图3是本发明第一实施例基于磁耦合联轴器的涡轮增压器的内部结构示意图；
图4是本发明第二实施例基于磁耦合联轴器的涡轮增压器的内部结构示意图；
图5是本发明第三实施例基于磁耦合联轴器的涡轮增压器的内部结构示意图；
图6是本发明第四实施例基于磁耦合联轴器的涡轮增压器的内部结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
为了解决现有的涡轮增压器容易引入转子不平衡影响系统稳定性、以及最大传递力矩有限的问题。本发明提供了一种基于磁耦合联轴器的涡轮增压器，请参阅图3所示，图3是本发明第一实施例提供的基于磁耦合联轴器的涡轮增压器的内部结构示意图，该涡轮增压器10包括驱动轴11、被驱动轴12、膨胀机叶轮13、压缩机叶轮14、以及外壳体15。其中，驱动轴11间隔套设连接在被驱动轴12的外围，外壳体15间隔套设连接在驱动轴11的外围。膨胀机叶轮13设于驱动轴11的远离被驱动轴12的一端上，压缩机叶轮14设于被驱动轴12的远离驱动轴11的一端上。
外壳体15上固设有至少一个环形的、用于支撑该驱动轴11的外轴承151，在组装成型的涡轮增压器中，驱动轴11穿过该外轴承151，并且可以在该外轴承151中滑动。优选地，外壳体15上固设有两个外轴承151，支撑更稳定。
驱动轴11上固设有至少一个环形的、用于支撑该被驱动轴12的内轴承111，在组装成型的涡轮增压器中，被驱动轴12穿过该内轴承111，并且可以在该内轴承111中滑动。优选地，驱动轴11上固设有两个内轴承111，支撑更稳定。
为了解决膨胀机与压缩机最佳工作点不同步，导致的系统不稳定问题，驱动轴11的内径壁上嵌设有第一磁耦合联轴器112，被驱动轴12的外径壁上嵌设有能够与该第一磁耦合联轴器112形成径向磁耦合作用的第二磁耦合联轴器121。当膨胀机叶轮13做功，推动驱动轴11作旋转运动时，由于存在该径向磁耦合作用，会带动被驱动轴12转动，进而推动压缩机叶轮14做功，压缩气体。相比较于现有技术中提供的轴端外悬式磁耦合联轴器结构，该结构由于磁耦合联轴器被设计于轴系一体，因而具有更高的转子动力学稳定性，不易引入转子不平衡问题，大大提升了系统稳定性；同时可以实现涡轮膨胀机和压缩机的效率最优化、以及能够传递更大的力矩和功率。
可选地，该涡轮增压器10还包括用于调节驱动轴11与被驱动轴12之间的轴向相对位置的轴向磁轴承（图中未示出）或轴向驱动装置（图中未示出）。通过调节驱动轴11和被驱动轴12之间的轴向相对位置，可以改变磁耦合联轴器的有效工作长度，从而改变最大传递转矩，以更好地与膨胀机的工作点以及压缩机的工作点相匹配，提高涡轮增压器的性能。
本发明第一实施例的基于磁耦合联轴器的涡轮增压器具有更高的转子动力学稳定性，不易引入转子不平衡问题，系统稳定性高，同时可以实现涡轮膨胀机和压缩机的效率最优化、以及能够传递更大的力矩和功率。
请参阅图4所示，图4是本发明第二实施例提供的基于磁耦合联轴器的涡轮增压器的内部结构示意图，该涡轮增压器20包括驱动轴21、被驱动轴22、膨胀机叶轮23、压缩机叶轮24、以及外壳体25。其中，被驱动轴22间隔套设连接在驱动轴21的外围，外壳体25间隔套设连接在被驱动轴22的外围。膨胀机叶轮23设于驱动轴21的远离被驱动轴22的一端上，压缩机叶轮24设于被驱动轴22的远离驱动轴21的一端上。
外壳体25上固设有至少一个环形的、用于支撑该被驱动轴22的外轴承251，在组装成型的涡轮增压器中，被驱动轴22穿过该外轴承251，并且可以在该外轴承251中滑动。优选地，外壳体25上固设有两个外轴承251，支撑更稳定。
被驱动轴22上固设有至少一个环形的、用于支撑该驱动轴21的内轴承221，在组装成型的涡轮增压器中，驱动轴21穿过该内轴承221，并且可以在该内轴承221中滑动。优选地，被驱动轴22上固设有两个内轴承221，支撑更稳定。
为了解决膨胀机与压缩机最佳工作点不同步，导致的系统不稳定问题，驱动轴21的外径壁上嵌设有第一磁耦合联轴器211，被驱动轴22的内径壁上嵌设有能够与该第一磁耦合联轴器211形成径向磁耦合作用的第二磁耦合联轴器222。当膨胀机叶轮23做功，推动驱动轴21作旋转运动时，由于存在该径向磁耦合作用，会带动被驱动轴22转动，进而推动压缩机叶轮24做功，压缩气体。相比较于现有技术中提供的轴端外悬式磁耦合联轴器结构，该结构由于磁耦合联轴器被设计于轴系一体，因而具有更高的转子动力学稳定性，不易引入转子不平衡问题，大大提升了系统稳定性；同时可以实现涡轮膨胀机和压缩机的效率最优化、以及能够传递更大的力矩和功率。
可选地，该涡轮增压器20还包括用于调节驱动轴21与被驱动轴22之间的轴向相对位置的轴向磁轴承（图中未示出）或轴向驱动装置（图中未示出）。通过调节驱动轴21和被驱动轴22之间的轴向相对位置，可以改变磁耦合联轴器的有效工作长度，从而改变最大传递转矩，以更好地与膨胀机的工作点以及压缩机的工作点相匹配，提高涡轮增压器的性能。
本发明第二实施例的基于磁耦合联轴器的涡轮增压器具有更高的转子动力学稳定性，不易引入转子不平衡问题，系统稳定性高，同时可以实现涡轮膨胀机和压缩机的效率最优化、以及能够传递更大的力矩和功率。
请参阅图5所示，图5是本发明第三实施例提供的基于磁耦合联轴器的涡轮增压器的内部结构示意图，该涡轮增压器30包括驱动轴组件31、被驱动轴组件32、膨胀机叶轮33、以及压缩机叶轮34，驱动轴组件31间隔套设在被驱动轴组件32的外围。
其中，驱动轴组件31包括驱动轴311、第一磁耦合联轴器312、以及外壳体313；第一磁耦合器312嵌设于该驱动轴311的内径壁上，外壳体313间隔套设连接在该驱动轴311的外围，膨胀机叶轮33设于驱动轴311的远离被驱动轴组件32的一端上。外壳体313上固设有至少一个环形的、用于支撑该驱动轴311的外轴承3131，在组装成型的涡轮增压器中，驱动轴311穿过该外轴承3131，并且可以在该外轴承3131中滑动。优选地，外壳体313上固设有两个外轴承3131，支撑更稳定。
被驱动轴组件32包括被驱动轴321、能够与该第一磁耦合联轴器312形成径向磁耦合作用的第二磁耦合联轴器322、以及内壳体323；第二磁耦合联轴器322嵌设于该被驱动轴321的外径壁上，内壳体323间隔套设连接在被驱动轴321的外围，压缩机叶轮34设于被驱动轴321的远离驱动轴组件31的一端上。内壳体323上固设有至少一个环形的、用于支撑该被驱动轴321的内轴承3231，在组装成型的涡轮增压器中，被驱动轴321穿过该内轴承3231，并且可以在该内轴承3231中滑动。优选地，内壳体323上固设有两个内轴承3231，支撑更稳定。
当膨胀机叶轮33做功，推动驱动轴311作旋转运动时，由于存在该径向磁耦合作用，会带动被驱动轴321转动，进而推动压缩机叶轮34做功，压缩气体。通过上述方式，不仅可以解决膨胀机与压缩机最佳工作点不同步，导致的系统不稳定问题，而且相比较于现有技术中提供的轴端外悬式磁耦合联轴器结构，该结构由于磁耦合联轴器被设计于轴系一体，因而具有更高的转子动力学稳定性，不易引入转子不平衡问题，大大提升了系统稳定性；同时可以实现涡轮膨胀机和压缩机的效率最优化、以及能够传递更大的力矩和功率。此外，通过设置内壳体和外壳体，可以将膨胀机和压缩机分别密封，防止膨胀机的工作气体与压缩机的工作气体混合。
可选地，该涡轮增压器30还包括用于调节驱动轴311与被驱动轴321之间的轴向相对位置的轴向磁轴承（图中未示出）或轴向驱动装置（图中未示出）。通过调节驱动轴311和被驱动轴321之间的轴向相对位置，可以改变磁耦合联轴器的有效工作长度，从而改变最大传递转矩，以更好地与膨胀机的工作点以及压缩机的工作点相匹配，提高涡轮增压器的性能。
本发明第三实施例的基于磁耦合联轴器的涡轮增压器具有更高的转子动力学稳定性，不易引入转子不平衡问题，系统稳定性高；同时可以实现涡轮膨胀机和压缩机的效率最优化、以及能够传递更大的力矩和功率；此外，还能防止膨胀机的工作气体与压缩机的工作气体混合。
请参阅图6所示，图6是本发明第四实施例提供的基于磁耦合联轴器的涡轮增压器的内部结构示意图，该涡轮增压器40包括驱动轴组件41、被驱动轴组件42、膨胀机叶轮43、以及压缩机叶轮44，被驱动轴组件42间隔套设在驱动轴组件41的外围。
其中，驱动轴组件41包括驱动轴411、第一磁耦合联轴器412、以及内壳体413；第一磁耦合器412嵌设于该驱动轴411的外径壁上，内壳体413间隔套设连接在该驱动轴411的外围，膨胀机叶轮43设于驱动轴411的远离被驱动轴组件42的一端上。内壳体413上固设有至少一个环形的、用于支撑该驱动轴411的内轴承4131，在组装成型的涡轮增压器中，驱动轴411穿过该内轴承4131，并且可以在该内轴承4131中滑动。优选地，内壳体413上固设有两个内轴承4131，支撑更稳定。
被驱动轴组件42包括被驱动轴421、能够与该第一磁耦合联轴器412形成径向磁耦合作用的第二磁耦合联轴器422、以及外壳体423；第二磁耦合联轴器422嵌设于该被驱动轴421的内径壁上，外壳体423间隔套设连接在被驱动轴421的外围，压缩机叶轮44设于被驱动轴421的远离驱动轴组件41的一端上。外壳体423上固设有至少一个环形的、用于支撑该被驱动轴421的外轴承4231，在组装成型的涡轮增压器中，被驱动轴421穿过该外轴承4231，并且可以在该外轴承4231中滑动。优选地，外壳体423上固设有两个外轴承4231，支撑更稳定。
当膨胀机叶轮43做功，推动驱动轴411作旋转运动时，由于存在该径向磁耦合作用，会带动被驱动轴421转动，进而推动压缩机叶轮44做功，压缩气体。通过上述方式，不仅可以解决膨胀机与压缩机最佳工作点不同步，导致的系统不稳定问题，而且相比较于现有技术中提供的轴端外悬式磁耦合联轴器结构，该结构由于磁耦合联轴器被设计于轴系一体，因而具有更高的转子动力学稳定性，不易引入转子不平衡问题，大大提升了系统稳定性；同时可以实现涡轮膨胀机和压缩机的效率最优化、以及能够传递更大的力矩和功率。此外，通过设置内壳体和外壳体，可以将膨胀机和压缩机分别密封，防止膨胀机的工作气体与压缩机的工作气体混合。
可选地，该涡轮增压器40还包括用于调节驱动轴411与被驱动轴421之间的轴向相对位置的轴向磁轴承（图中未示出）或轴向驱动装置（图中未示出）。通过调节驱动轴411和被驱动轴421之间的轴向相对位置，可以改变磁耦合联轴器的有效工作长度，从而改变最大传递转矩，以更好地与膨胀机的工作点以及压缩机的工作点相匹配，提高涡轮增压器的性能。
本发明第四实施例的基于磁耦合联轴器的涡轮增压器具有更高的转子动力学稳定性，不易引入转子不平衡问题，系统稳定性高；同时可以实现涡轮膨胀机和压缩机的效率最优化、以及能够传递更大的力矩和功率；此外，还能防止膨胀机的工作气体与压缩机的工作气体混合。
为了进一步解决上述技术问题，本发明还提供了一种发动机，该发动机包含上述任一个实施例中所述的基于磁耦合联轴器的涡轮增压器。因此，该发动机的系统稳定性更高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于磁耦合联轴器的涡轮增压器，其特征在于，包括设有容纳腔的第一轴，所述第一轴一端开口，所述容纳腔沿着所述开口向所述第一轴的另一端沿伸，所述容纳腔的腔体壁上设有第一磁耦合联轴器、以及至少一个第一轴承；
所述涡轮增压器还包括通过所述至少一个第一轴承设于所述容纳腔内的第二轴，所述第二轴的外径壁上设有与所述第一磁耦合联轴器形成径向磁耦合作用的第二磁耦合联轴器；
所述涡轮增压器还包括用于调节所述第一轴与所述第二轴之间的轴向相对位置的轴向磁轴承或轴向驱动装置。
2.根据权利要求1所述的基于磁耦合联轴器的涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮增压器还包括通过至少一个第二轴承间隔套设连接在所述第一轴外围的壳体。
3.根据权利要求1所述的基于磁耦合联轴器的涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮增压器还包括设于所述第一轴的远离所述第二轴的一端的膨胀机叶轮、以及设于所述第二轴的远离所述第一轴的一端的压缩机叶轮，所述第一轴作旋转运动时通过所述径向磁耦合作用带动所述第二轴转动。
4.根据权利要求1所述的基于磁耦合联轴器的涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮增压器还包括设于所述第二轴的远离所述第一轴的一端的膨胀机叶轮、以及设于所述第一轴的远离所述第二轴的一端的压缩机叶轮，所述第二轴作旋转运动时通过所述径向磁耦合作用带动所述第一轴转动。
5.一种基于磁耦合联轴器的涡轮增压器，其特征在于，包括第一轴组件，所述第一轴组件包括设有容纳腔的第一轴、以及通过至少一个第一轴承间隔套设连接在所述第一轴外围的第一壳体，所述第一轴的一端开口，所述容纳腔沿着所述开口向所述第一轴的另一端沿伸，所述容纳腔的腔体壁上设有第一磁耦合联轴器；
所述涡轮增压器还包括设于所述容纳腔内的第二轴组件，所述第二轴组件包括第二轴、以及通过至少一个第二轴承间隔套设连接在所述第二轴外围的第二壳体，所述第二轴的外径壁上设有与所述第一磁耦合联轴器形成径向磁耦合作用的第二磁耦合联轴器；
所述涡轮增压器还包括用于调节所述第一轴与所述第二轴之间的轴向相对位置的轴向磁轴承或轴向驱动装置。
6.根据权利要求5所述的基于磁耦合联轴器的涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮增压器还包括设于所述第一轴的远离所述第二轴的一端的膨胀机叶轮、以及设于所述第二轴的远离所述第一轴的一端的压缩机叶轮，所述第一轴作旋转运动时通过所述径向磁耦合作用带动所述第二轴转动。
7.根据权利要求5所述的基于磁耦合联轴器的涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮增压器还包括设于所述第二轴的远离所述第一轴的一端的膨胀机叶轮、以及设于所述第一轴的远离所述第二轴的一端的压缩机叶轮，所述第二轴作旋转运动时通过所述径向磁耦合作用带动所述第一轴转动。
8.一种发动机，其特征在于，包含权利要求1-7中任一项所述的基于磁耦合联轴器的涡轮增压器。
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