涡轮增压器上的高速开关磁阻电机

摘要

提供了一种用于开关磁阻电机(160)的转子组件(164)，其中绝缘非金属销(5)穿过磁性层合板(3)的叠片(2)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机的混合动力涡轮增压器，更具体地，涉及一种用于混合动力涡轮增压器的 高速开关磁阻电机。

背景技术

涡轮增压器是一种与内燃机一起使用的压力感应系统。涡轮增压器将压缩空气输送至发动机进气口， 使更多的燃料燃烧，进而提高了发动机的输出功率而不明显增加发动机重量。因此，涡轮增压器允许使用 能够产生与较大发动机相同功率的较小发动机，通常为吸气发动机。在车辆中使用较小的发动机具有减轻 车辆重量、提升车辆性能和提高燃料经济性的预期效果。此外，涡轮增压器的使用使输送给发动机的燃料 燃烧更为充分，有助于实现减排的高期望目标。

传统的涡轮增压器包括与发动机排气歧管连接的涡轮机壳体、与发动机进气歧管连接的压缩机气缸以 及将涡轮机和压缩机气缸连接在一起的中心轴承壳体。涡轮机壳体中的涡轮机叶轮由排气歧管供给的排气 流入旋转驱动。可转动地支撑在中心轴承壳体内的轴，将涡轮机叶轮连接到压缩机气缸中的压缩机叶轮， 使得涡轮机叶轮的旋转带动压缩机叶轮的旋转。当压缩机叶轮旋转时，增大了通过发动机的进气歧管输送 至发动机气缸的空气质量流量、气流密度和空气压力增大。

涡轮机叶轮通过轴与压缩机叶轮连接的涡轮增压器，往往出现性能滞后，直到必要的排气能量克服转 子组件的旋转惯性，然后才达到向进气歧管提供所需空气量所要求的高转速。这种性能滞后被称作涡轮迟 滞。涡轮迟滞问题的一个解决方案就是将压缩机叶轮连接至电动机，驱动压缩机级，直至产生必要的排气 能量为涡轮/压缩机提供动力。

可使用开关磁阻电机驱动压缩机。开关磁阻电机(SRM)是一种将电力输送至定子中的绕组而非转子 的电机。电流产生磁场，磁场拉动转子向定子磁极对齐。通过将电流从定子的一组磁极向下一组磁极转换， 磁场总是位于转子前方，转子被向前拉动并旋转。电流被输送至绕组，该绕组环绕于电机定子部分的磁极。 电机的转子部分没有绕组，相反具有软磁材料芯，典型层压软钢凸起，通常呈杆状。

发明内容

在某些方面，开关磁阻电机的转子组件包括：轴；磁性层合板叠片，其安装在轴上；第一轴环，其安 装在轴上叠片一端；第二轴环，其安装在轴上叠片的相对端；以及多个绝缘非金属销，其被配置为将叠片 的旋转力通过第一轴环和第二轴环传递至轴。

转子组件可包括以下特征中的一个或多个：销延伸穿过磁性层合板的叠片，使得销的各个端部连接至 第一轴环和第二轴环中的每一个；销与轴平行；第一轴环不与磁性层合板的叠片接触，第二轴环与磁性层 合板叠片接触。该组件还包括放置于第一轴环与磁性层合板叠片之间的弹簧垫片。该组件包括二至四个销。 销由选自于由聚醚酮、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂构成的一组化合物中的一种材料制成。销围绕轴的旋转 轴线对称设置。第一轴环和第二轴环相对于轴固定。销的各自端紧密装配在每个第一轴环和第二轴环的开 口内。

在某些方面，排气涡轮增压器包括：压缩机段，其包含压缩机叶轮；涡轮机段，其包含涡轮机叶轮、 轴承壳体，其支撑将压缩机轮连接至涡轮机叶轮的轴；以及开关磁阻电机，其设置在轴承壳体中的。电机 包括转子组件，该转子组件包括安装于轴上的磁性层合板叠片；第一轴环，其安装于轴上叠片的一端；第 二轴环，其安装于轴上叠片的相对端；以及绝缘非金属销，其配置为将叠片的旋转力通过第一轴环和第二 轴环传递至轴。

涡轮增压器可包括以下特征中的一个或多个：销延伸穿过磁性叠片层合板的叠片，使得销的各自端连 接至第一轴环和第二轴环中的每一个；销与轴平行；第一轴环不与磁性层合板叠片接触，第二轴环与磁性 层合板叠片接触。涡轮增压器还包括放置于第一轴环与磁性层合板叠片之间的弹簧垫片。销围绕轴的旋转 轴线对称设置。第一轴环和第二轴环相对于轴固定。销由选自于由聚醚酮、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂构 成的一组化合物中的一种材料制成。销的各自端紧密装配在每个第一轴环和第二轴环的开口内。

涡轮增压器包括一个开关磁阻电机，以解决涡轮迟滞的问题。由于所要求的速度较高(例如， 100000rpm)并且为涡轮增压器应用所设计的开关磁阻电机采用低强度电工钢，因此，要将转子保持在涡 轮增压器轴上且将转子保持在理想的方向是非常困难的。为了解决这些问题，涡轮增压器包括一个开关磁 阻电机。该电机包括具有磁性叠片元件的转子组件，这些磁性叠片元件安装于轴上并且通过绝缘非金属销 固定。此外，销将叠片元件的运动传递至轴。通过将销布置在轴的相对侧，电机扭矩被传递至轴。叠片元 件相对于轴的方向被锁定，对转子组件的平衡造成最低程度的影响。并且在涡轮增压器运转期间，叠片元 件组必要时可以自由地轴向生长。此外，能够在安装至涡轮增压器之前调平转子组件。

附图说明

结合附图，本发明的优点通过参考下面的详细描述将更好地理解并且由此将会容易被领会，其中：

图1为涡轮增压器的侧剖视图，该涡轮增压器包括设置于涡轮机段与压缩机段之间的轴上的开关磁阻 电机；

图2为与涡轮增压器隔离的电机转子组件的侧剖视图；

图3为具有两个绝缘非金属销和涡轮增压器轴的电机转子组件的侧剖视图；以及

图4示出了电机转子组件的端视图，其图示了两个绝缘非金属销。

具体实施方式

参考图1，排气涡轮增压器100包括涡轮机段102、压缩机段120以及设置于压缩机段120与涡轮机 段102之间并将压缩机段120连接至涡轮机段102的中心轴承壳体140。涡轮机段102包括涡轮机壳体(未 示出)，其限定为废气入口、废气出口以及设置于废气入口与废气出口之间的流体通道中的涡轮蜗壳。涡 轮机叶轮112设置于涡轮蜗壳与废气出口之间的涡轮机壳体中。

压缩机段120包括压缩机壳体(未示出)，其限定为空气入口、空气出口以及压缩机蜗壳。压缩机叶 轮130设置于空气入口与压缩机蜗壳之间的压缩机气缸中。

轴142将涡轮机叶轮112连接至压缩机叶轮130。轴142通过一对轴向分置的轴颈轴承146、148支撑， 在轴承壳体140中的钻孔144内围绕旋转轴线R旋转。例如，压缩机侧的轴颈轴承146支撑邻近压缩机段 120的轴142，涡轮机侧的轴颈轴承148支撑邻近涡轮机段102的轴142。压缩机侧的轴颈轴承146与涡轮 机侧的轴颈轴承148之间的轴向间距由设置在它们之间的开关磁阻电机160保持。此外，推力轴承组件150 设置于轴承壳体140内，用以向轴142提供轴向支撑。

使用中，涡轮机壳体中的涡轮机叶轮112由发动机(未示出)的排气歧管供给的废气流入流可旋转地 驱动。由于轴142可旋转地支撑于轴承壳体140中并将涡轮机叶轮112连接至压缩机气缸中的压缩机叶轮 130，所以涡轮机叶轮112的旋转引起压缩机叶轮130的旋转。随着压缩机叶轮130旋转，增加了经由压 缩机空气出口126的流出流输送至发动机气缸的空气质量流量、气流密度和空气压力。上述压缩机空气出 口126与发动机的进气歧管相连。

涡轮增压器包括开关磁阻电机160，用以解决车辆启动和/或在低发动机速度期间的涡轮迟滞。电机 160包括由绕制磁场线圈形成的定子162，以及设置于定子162内并配置成相对于定子旋转的转子组件164。 转子组件164可旋转地支撑在各个轴颈轴承146、148之间的轴142上，并配置成将电机扭矩传递至轴142， 如下文进一步讨论。

参照图2至图4，转子组件164包括磁性层合板3的叠片2。例如，层合板3可由钢制成。单个层合 板3通过粘合剂结合在一起，提供了电气绝缘。叠片2的形状由单个磁性叠片元件(例如层合板3)的形 状限定。层合板3通常具有圆形的外围形状，该形状包括限定电机极点1的向外凸起。例如，具有四个极 点1的转子组件164将由具有四个凸起的磁性层合板3堆叠形成。已经发现开关磁阻电机中适用二至八个 极点1。尽管图示实施例中包含四个极点1(图4)，但转子组件164不限于具有四个极点。

每一个磁性层合板3包括一个中心开口14，板3如此设置使得当板3层叠在一起时，各自的中心开口 14可轴向对齐并限定穿过叠片2的中空管状的中心通道4。

另外，每一个磁性层合板3都具有两个或多个非中心孔16，非中心孔的尺寸设置成可容纳销5。板3 如此设置使得当磁性层状金属元件层叠在一起时，非中心孔16可轴向对齐并限定穿过叠片2的中空管状 的销通道18。每一板3中限定销通道18的孔16的数量可以是偶数或者奇数，并可以低于或高于转子组件 164中极点1的数量。已发现二至八个孔是有效的。孔16可设置在板3的圆周周围，从而使孔围绕旋转轴 R对称，但孔的设置不限于此。此外，孔16可与极点1排成一列(例如，沿径向轴)，但是并非必须与极 点1排成一列。例如，一个四极转子组件164可具有两个或三个对称设置的孔16。

转子组件164包括绝缘非金属销5。销5设置于由层叠的磁性层合板3限定的每一销通道18内并延伸 穿过每一销通道18。每个销5的轴向长度大于由板3的叠片2的轴向尺寸，从而使得销5的各个端部5a、 5b从叠片2的两端突出。

转子组件164还包括一对设置在轴142上的轴环6、8。磁性层合板3由该对轴环6、8保持在绝缘非 金属销5上。具体而言，第一轴环6设置于叠片2的第一端部2a上，第二轴环8设置于叠片2的第二相 对端部2b上。优选地，每一轴环6、8覆盖磁性层合板3的整个截面区域。然而，轴环6、8不需要具有 磁性层合板3的准确形状。例如，圆形套环可以覆盖具有四个凸起的磁性层合板3。

每一轴环6、8具有一个销孔9，用于接收相应的销端部5a、5b，并且为销端部5a、5b提供紧密配合， 由此将销5固定到轴环6、8。每一轴环6、8还包括用于轴142通过的中心开口11。中心开口11的尺寸 被设置为使得轴环6、8紧密配合到轴142。因此，板3产生的扭矩通过绝缘非金属销5传递至轴环6、8， 并且通过轴环6、8传递至轴142。一个轴环(例如，轴环8)与磁性层合板3接触。另一轴环(例如，轴 环6)与磁性层合板3的叠片2略微分离。任选地，弹簧垫片7安装于轴环6和磁性层合板3的叠片2之 间。当电机160处于冷却时，弹簧垫片7维持磁性层合板3的叠片2上的压力。随着电机160变热，弹簧 垫片7允许磁性层合板3的叠片2扩张，同时维持叠片2上合适的压力。

图2和图3示出具有两个绝缘非金属销5的转子组件164的纵向横截面。转子组件164具有磁性层合 板3的叠片2、两个绝缘非金属销5、第一轴环6、弹簧垫片7，以及第二轴环，其中叠片2具有涡轮增压 器轴142能够延伸通过的中心通道4，第一轴环6与磁性层合板3的叠片2不接触，弹簧垫片7设置在轴 环6和叠片2之间，第二轴环与磁性层合板3的叠片2不接触。第一轴环6和第二轴环8都是具有中心孔 11的圆形环。在图3中，涡轮增压器轴142延伸穿过转子组件164。

图4示出板3中两个绝缘非金属销5的视图。板3包括板中心孔14，轴142能够延伸穿过该中心孔。 销5对称地位于中心孔14的相对侧上，因此销5对转子组件164的平衡有很少或没有影响。

在转子组件164中使用的磁性层合板3由非永磁性铁磁材料构成。由于其铁磁特性，板3的叠层2被 朝向磁场牵引，该磁场由通过定子162的绕组的电流产生。公知有各种各样的铁磁体合金，并可用于构建 转子组件164。然而，由于可用性和成本的原因，发现软钢可用于制成板3。

转子组件164中绝缘非金属销5的数量在一定程度上取决于电机160的尺寸。对于具有更大功率的较 大电机，非金属绝缘销5的数量可以更多，以将每个销5传递的力保持在合适的水平。转子组件164中非 金属绝缘销5的数量可以从两个到八个变化。转子组件164中有两至四个绝缘非金属销5可工作良好。绝 缘非金属销5不会与在电机160内建立的磁场相互干涉。非金属绝缘销5的尺寸(例如，长度和横截面尺 寸)可以随电机的尺寸改变。对于具有更大功率的较大电机，绝缘非金属销5的尺寸(例如，长度和横截 面尺寸)可以更大，以承受每个销5必须传递的更高扭矩。已发现直径1.5-3mm的非金属绝缘销5可用于 转子组件164。

叠片2中单独的磁性层合板不需要紧密装配到轴142。在这种情况下，施加到转子组件164的元件上 的旋转力通过绝缘非金属销5传递至轴环6、8。由于绝缘非金属销5传递旋转力，它们可由硬质材料制成。 适合作为转子组件164中的非金属绝缘销5的硬质材料包括聚醚酮(例如Victrex公司的产品PEEK 450FC30)、聚酰亚胺(例如杜邦公司的产品)以及酚树脂。

轴环6、8紧密装配到轴142及绝缘非金属销5，因此能够将旋转力传递至轴142。轴环8中的一个直 接接触由磁性层合板3的叠片2。另一轴环6紧密装配到轴142，但不直接接触磁性层合板3的叠片2。任 选地，弹簧垫片7可放置在轴环6中的一个和磁性层合板3的叠片2之间。磁性层合板3的叠片2可随涡 轮增压器100与电机160温度的升高而扩张。当电机160处于低温时以及当涡轮增压器100与电机160温 度升高时，可选的弹簧垫片7能够使轴环6、8与磁性层合板3的叠片2之间保持接触。可选的弹簧垫片7 还能保证绝缘非金属销5上的力在磁性层合板3的叠片2扩张时不会导致绝缘非金属销5拉伸或变形。各 类弹簧垫片7均适用于本发明。例如弓形弹簧垫片、贝氏垫片、波形垫片以及开槽圆盘垫片都适合用于转 子组件164。尽管弹簧垫片7具有某些优点，但它并不是必需的。如果端部轴环6与转子层片3的叠片2 之间的间隔很小，即使弹簧垫片7不存在，移动的可能性也很小。

尽管本发明是参照其特定的实施例示来描述的，但本领域的技术人员应该理解，在不脱离所附权利要 求书中所限定的本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改变和变更。