[發明專利]電渦輪增壓器

有效

• 申請號: 201310007071.X
• 申請日: 2013-01-09
• 公開（公告）號: CN103061869A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 黃若;張威力;姜雅力;段曉麗;陳富強
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: F02B37/04
• 分類號: F02B37/04;F02B37/14;F16C32/04;F16D27/02;F16D48/06
• 代理公司: 北京中海智圣知識產權代理有限公司 11282
• 代理人: 李奎書

技術領域

本發明屬于車輛動力機械領域，具體涉及一種安裝有電磁軸承和控制電動發電機與渦輪轉子結合與分離的離合裝置的電渦輪增壓器。

背景技術

渦輪增壓是內燃機強化、節能、環保的最重要技術措施之一。發動機渦輪增壓器利用發動機排出的廢氣能量驅動渦輪、渦輪帶動同軸的壓氣機對空氣做功，將壓縮空氣送入發動機氣缸，在不增加發動機氣缸容積的條件下，增加空氣充量系數，使發動機噴入更多燃油，從而提高發動機輸出功率、改善燃燒，達到強化發動機、減輕排放污染的目的。與自然進氣發動機相比，當代渦輪增壓技術對于汽油機可節能10%～20%、對于柴油機可節能20%～40%。但是,傳統的渦輪增壓器存在油膜力、密封力、不均勻葉尖激振力等多種復雜的激振源，其中，軸承的支撐是引起這些激振的最主要原因。

轉子的振幅隨轉速的增大而增大，到某一轉速時振幅達到最大值，超過這一轉速后振幅隨轉速增大逐漸減少，且穩定于某一范圍內，這一轉子振幅最大的轉速稱為轉子的臨界轉速。研究表明，在一定轉速范圍內，臨界轉速隨軸承剛度的增加而增加。目前的車用渦輪增壓器的工作轉速一般在50000~240000r/min左右，最高工作轉速已達290000r/min，需跨越一階、二階臨界轉速。因此，以軸承作為研究對象改善渦輪增壓器的轉子動力學特性成為研究的重點，目前采取的主要的技術措施有電磁軸承、主動可傾瓦軸承、主動油膜軸承等。由于增壓器越來越向高強化、高緊湊性、智能化的方向發展，通過電磁軸承來實現振動的主動控制、提高增壓器的機械效率與轉速近年來得到越來越多的關注。

利用電場力或磁場力使軸懸浮的軸承統稱為電磁軸承。其中靠電場力使軸懸浮的軸承稱為靜電軸承；靠磁場力使軸懸浮的軸承稱為磁力軸承或磁懸浮軸承。靜電軸承產生的支承力較小，所以一般只用于一些微型的精密儀器中。磁力軸承相對而言支承力高，主要應用于發電機、汽輪機、氣體壓縮機等大型儀器。隨著電子控制技術的進步，磁性材料、電子器件、超導技術、微處理機和大規模集成電路，過去因技術復雜、價格昂貴，僅使用于特殊場合的電磁軸承，現在隨著價格下降，應用范圍逐步擴大，可靠性不斷提高。電磁軸承具有無接觸、無磨損、性能可靠、工作轉速高、功率小、使用壽命長、不需要維修、無潤滑劑污染等諸多優點。電磁軸承另一個突出優點是可對其施加的電磁力進行動態控制，通過電子控制系統可控制軸的位置，調節軸承的剛度，使軸承-轉子系統具有良好的動力學性能。同時，應用在線參數識別和調整、自動不平衡補償等措施后，轉子系統的控制能夠達到很高的精度，能夠滿足現代渦輪增壓器超高轉速的要求。

目前，依靠電磁軸承來降低振動、提高增壓器轉速和效率的方法主要有三種：第一種為徑向電磁軸承，該種方法只能用于控制轉子徑向的振動和偏移。第二種為軸向電磁軸承，該種方法只能用于控制轉子軸向的振動和偏移。第三種為徑/軸向電磁軸承，即將前兩種整合為一體，轉子軸有徑向過大的振動和偏移時通過徑向軸承調整，當有軸向過大的振動和偏移時用軸向軸承調整。

專利號為200820226886.1的《渦輪增壓器》提出了用永磁動磁環和永磁靜磁環來使轉子軸懸浮的方案；專利號為200720043510.2的《制冷機用磁懸浮渦輪增壓裝置》提出了用徑向和軸向電磁軸承加傳感器反饋控制使轉子懸浮的方案。上述兩種技術方案都能夠減少摩擦損失，省去復雜的潤滑油路，沒有泄漏污染，但都沒有提出電磁軸承對轉子振動主動控制的解決方案，亦沒有解決渦輪滯后問題。

渦輪滯后主要是指因為傳統的增壓器與發動機是氣動連接，且氣體是可壓縮的，當發動機加速時增壓空氣量達不到發動機的要求，導致發動機加速過程中燃燒變差、動力不足、排放超標的現象。目前涉及電動、發電的解決方案主要有三種：第一種稱為電輔助渦輪增壓器，該種方法電動機僅作為驅動增壓器轉子的電動機使用；第二種為渦輪發電增壓器，即發動機選配較小的渦輪增壓器以減小轉子轉動慣量、減少渦輪滯后；當發動機廢氣能量過剩時，剩余廢氣能量驅動另一渦輪發電機發電，以提高廢氣能量利用率、改善發動機經濟性，也可將發電機轉子與渦輪轉子設計為一體，即渦輪發電增壓器，但這樣就增大了轉子轉動慣量；第三種為電動發電渦輪增壓器，即將前兩者整合為一體，電動發電渦輪增壓器的發電/電動機在渦輪增壓器轉子低（負荷）速工況下作為電動機使用；在高（負荷）速工況下，作為發電機模式，發電蓄能。上述三種方法雖然能夠解決渦輪滯后問題，但同時也增大了渦輪轉子的轉動慣量，造成能量損失，降低了廢氣能量利用率。

發明內容