一種渦輪增壓發(fā)電裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種渦輪增壓發(fā)電裝置，包括外殼、軸承、定子、控制器和由排氣渦輪、進(jìn)氣渦輪、軸、轉(zhuǎn)子鐵心組成的轉(zhuǎn)子。發(fā)動機(jī)排出的廢氣驅(qū)動排氣渦輪后，帶動同軸的進(jìn)氣渦輪和轉(zhuǎn)子鐵心旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對進(jìn)氣的增壓和發(fā)電。由于轉(zhuǎn)子鐵心為4極凸極式結(jié)構(gòu)，無勵磁源，可適應(yīng)廢氣渦輪的超高速運(yùn)轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)子極數(shù)少，徑向尺寸小，因此響應(yīng)速度快；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、耐溫高，勵磁繞組部分外繞、冷卻好，使得發(fā)電裝置可以工作在溫度較高的排氣管附近；所述發(fā)電裝置可以切換為電動機(jī)運(yùn)行，以提高發(fā)動機(jī)低速時的增壓效果。
【專利說明】—種渦輪增壓發(fā)電裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種渦輪增壓發(fā)電裝置，屬于汽車電機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，發(fā)動機(jī)排放的高溫高壓的廢氣大約帶走了燃料熱能的40%，大部分發(fā)動機(jī)不能有效利用這些能量。廢氣渦輪增壓裝置實(shí)現(xiàn)了部分廢氣動能的利用，提高了發(fā)動機(jī)的燃料利用率，目前的應(yīng)用越來越廣泛。
[0003]但是，廢氣渦輪增壓裝置有一定的時滯效應(yīng)，即在發(fā)動機(jī)剛起動時其轉(zhuǎn)速較低，不能有效提供增壓。只有當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2000轉(zhuǎn)/分鐘時增壓效果才比較明顯。因此在廢氣渦輪中增加一個電動機(jī)，在起動時迅速增加渦輪轉(zhuǎn)速，即可以顯著提高增壓效果。
[0004]同時，發(fā)動機(jī)在3000轉(zhuǎn)/分鐘以上的高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，一般通過泄壓閥將大部分廢氣不接入廢氣渦輪，而直接接入到排氣管，防止渦輪轉(zhuǎn)速過快，這樣多余的廢氣能量不能有效利用。
[0005]本發(fā)明公開了一種渦輪增壓發(fā)電裝置，具有電動和發(fā)電兩種功能，在低速時電動運(yùn)行輔助驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)，高速時發(fā)電運(yùn)行回收廢氣能量，具有較高的研究價值和應(yīng)用前景。
[0006]在已有技術(shù)中，廢氣渦輪增壓裝置已被應(yīng)用于多種機(jī)型的發(fā)動機(jī)，其中已有專利提出在廢氣渦輪增壓裝置上增加電機(jī)以實(shí)現(xiàn)電動和發(fā)電功能。例如，授權(quán)的中國發(fā)明專利:與內(nèi)燃機(jī)和控制系統(tǒng)一起使用的電動機(jī)一發(fā)電機(jī)輔助的渦輪增壓系統(tǒng)，專利號ZL971922179，公開了一種帶電機(jī)的廢氣渦輪增壓裝置。但該專利未公開所選用的電機(jī)類型，且該專利已失效。本申請主要公開了一種適合廢氣渦輪增壓使用的、可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)的一種新型電動發(fā)電機(jī)，所公開的技術(shù)是在專利ZL971922179基礎(chǔ)上的有效改進(jìn)和創(chuàng)新。
[0007]授權(quán)的美國發(fā)明專利:Exhaust energy recovery and generator for use withan engine,專利號:4694694,也公開了一種發(fā)動機(jī)廢氣回收用的發(fā)電機(jī),其電機(jī)米用永磁轉(zhuǎn)子，不能適應(yīng)廢氣渦輪所處的高溫、高速運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境。申請?zhí)枮?00910144336.4的發(fā)明專利:發(fā)動機(jī)廢氣渦輪發(fā)電系統(tǒng)，也指出在廢氣渦輪殼上設(shè)置發(fā)電機(jī)可以高效回收發(fā)動機(jī)廢氣能量，但該申請因?yàn)椴痪邆鋭?chuàng)造性，因而未被授權(quán)。申請?zhí)枮?00910133401.3的發(fā)明專利:廢氣驅(qū)動雙凸極發(fā)電機(jī)，公開了一種廢氣驅(qū)動的雙凸極發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)采用典型的雙凸極電機(jī)結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)子無永磁體和繞組，但繞組和永磁體都位于槽內(nèi)，因而槽滿率較高且散熱較為困難，且該申請并未涉及結(jié)合廢氣渦輪增壓的相應(yīng)技術(shù)。申請?zhí)枮?00910230721.0的發(fā)明專利:廢氣渦輪驅(qū)動電勵磁發(fā)電機(jī)，公開了一種廢氣渦輪驅(qū)動的電勵磁發(fā)電機(jī)，該機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部帶有電勵磁繞組，也不適合每分鐘100000轉(zhuǎn)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0008]本發(fā)明公開的渦輪增壓發(fā)電裝置，在技術(shù)上與上述申請皆存在較大的不同，且在具體的電機(jī)本體結(jié)構(gòu)(極數(shù)、極弧系數(shù)、勵磁繞組的繞法、電樞繞組與勵磁繞組匹配方式)和電動發(fā)電控制策略上具有創(chuàng)造性。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]本發(fā)明的目的是提供一種可以實(shí)現(xiàn)對進(jìn)氣的增壓和發(fā)電，且轉(zhuǎn)子鐵心為4極凸極式結(jié)構(gòu)、無勵磁源，可適應(yīng)廢氣渦輪的超高速、高溫運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境的渦輪增壓發(fā)電裝置，以提高發(fā)動機(jī)起動后的增壓效果和高速時的能量利用率。具體是:
一種渦輪增壓發(fā)電裝置，包括外殼、軸承、定子、控制器和由排氣渦輪、進(jìn)氣渦輪、軸、轉(zhuǎn)子鐵心組成的轉(zhuǎn)子，其特征在于:
所述定子極數(shù)為6且極弧系數(shù)為0.5，相對的兩個定子軛部上繞有勵磁線圈，第一勵磁線圈從定子鐵心內(nèi)部往外繞制，第二勵磁線圈從定子鐵心外部向內(nèi)繞制，第一勵磁線圈(Fl)和第二勵磁線圈(F2)串聯(lián)后組成勵磁繞組；
所述的每個定子極上都繞有一個集中式電樞繞組，其繞制方向遵循通正向電流時和勵磁線圈產(chǎn)生同向的磁場；同相位的A相第一電樞線圈(Al)和A相第二電樞線圈(A2)串聯(lián)后組成A相電樞繞組，同相位的B相第一電樞線圈(BI)和A相第二電樞線圈(B2)串聯(lián)后組成B相電樞繞組，同相位的C相第一電樞線圈(Cl)和A相第二電樞線圈(C2)串聯(lián)后組成C相電樞繞組；三相電樞繞組的尾端接在一起，三相電樞繞組的首端分別接逆變器的三個橋臂。
[0010]所述轉(zhuǎn)子鐵心為4極凸極式結(jié)構(gòu)，無勵磁源，轉(zhuǎn)子極寬和定子極寬相等，轉(zhuǎn)子鐵心軛部窄、外徑小，可適應(yīng)超高速運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0011]所述進(jìn)氣渦輪、排氣渦輪、轉(zhuǎn)子鐵心固定在一根軸上，軸通過兩側(cè)的軸承固定在外殼上，軸承采用機(jī)油潤滑的組合式滑動軸承，既可以實(shí)現(xiàn)徑向支撐，又可以實(shí)現(xiàn)軸向支撐。
[0012]如上所述渦輪增壓發(fā)電裝置，既可以作為電動機(jī)運(yùn)行，迅速提高發(fā)動機(jī)起動后的增壓渦輪轉(zhuǎn)速；又可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，回收汽車廢氣能量；作為發(fā)電機(jī)在發(fā)動機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時，控制器給勵磁繞組通以很小或不通勵磁電流，以維持渦輪最低轉(zhuǎn)速；作為發(fā)電機(jī)在發(fā)動機(jī)中高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，通過控制勵磁電流的大小，保持輸出電壓的穩(wěn)定。
[0013]本發(fā)明的有益效果如下:
1、既可以作為電動機(jī)運(yùn)行提高對發(fā)動機(jī)低速增壓效果，又可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行收回發(fā)動機(jī)廢氣能量，提高燃油利用率；
2、轉(zhuǎn)子鐵心為4極凸極式結(jié)構(gòu)，無勵磁源，可適應(yīng)廢氣渦輪的超高速運(yùn)轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)子極數(shù)少,徑向尺寸小，因此響應(yīng)速度快；
3、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、耐溫高，勵磁繞組部分外繞、冷卻好，使得發(fā)電裝置可以工作在溫度較高的排氣管附近；
4、由于勵磁繞組匝數(shù)多，因而勵磁繞組部分外繞的結(jié)構(gòu)可以大大降低定子槽的槽滿率，從而在相同的槽滿率下提高發(fā)電效率和發(fā)電效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明渦輪增壓發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡圖。圖中，1、外殼；2、進(jìn)氣渦輪；3、軸承；
4、電樞繞組；5、勵磁繞組；6、轉(zhuǎn)子鐵心；7、定子鐵心；8、軸；9、廢氣渦輪；
圖2是本發(fā)明渦輪增壓發(fā)電裝置剖面圖；圖中，4、電樞繞組；5、勵磁繞組；6、轉(zhuǎn)子鐵心；
7、定子鐵心；8、軸；
圖3是本發(fā)明三相電樞繞組的磁鏈圖；
圖4是本發(fā)明三相電樞繞組的電勢圖；
圖5是本發(fā)明三相電樞繞組與逆變器接法圖。【具體實(shí)施方式】
[0015]如圖1所示的一種渦輪增壓發(fā)電裝置，包括外殼、軸承、定子、控制器和由排氣渦輪、進(jìn)氣渦輪、軸、轉(zhuǎn)子鐵心組成的轉(zhuǎn)子。所述進(jìn)氣渦輪、排氣渦輪、轉(zhuǎn)子鐵心固定在一根軸上，軸通過軸承固定在外殼上，兩側(cè)的軸承都采用機(jī)油潤滑的組合式滑動軸承，既可以實(shí)現(xiàn)徑向支撐，又可以實(shí)現(xiàn)軸向支撐。這種軸承可以利用機(jī)油的壓力將旋轉(zhuǎn)部件托起來，使軸與孔不接觸，實(shí)現(xiàn)非接觸旋轉(zhuǎn)而且承載力大，轉(zhuǎn)速高。
[0016]所述渦輪增壓發(fā)電裝置正常工作時由排氣渦輪驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，當(dāng)發(fā)動機(jī)剛起動時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低，所述渦輪增壓發(fā)電裝置可以作為電動機(jī)運(yùn)行，迅速提高發(fā)動機(jī)起動后的增壓渦輪轉(zhuǎn)速。所述渦輪增壓發(fā)電裝置又可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，回收汽車廢氣能量。作為發(fā)電機(jī)在發(fā)動機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時，控制器給勵磁繞組通以很小或不通勵磁電流，以維持渦輪最低轉(zhuǎn)速；作為發(fā)電機(jī)在發(fā)動機(jī)中高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，通過控制勵磁電流的大小，保持輸出電壓的穩(wěn)定。
[0017]圖2所示的本發(fā)明渦輪增壓發(fā)電裝置剖面圖；所述渦輪增壓發(fā)電裝置包括外殼、軸承、定子、控制器和由排氣渦輪、進(jìn)氣渦輪、軸、轉(zhuǎn)子鐵心組成的轉(zhuǎn)子。所述定子極數(shù)為6且極弧系數(shù)為0.5，相對的兩個定子軛部上繞有勵磁線圈，第一勵磁線圈(Fl)從定子鐵心內(nèi)部往外繞制，第二勵磁線圈(F2)從定子鐵心外部向內(nèi)繞制；第一勵磁線圈(Fl)和第二勵磁線圈(F2)串聯(lián)后組成勵磁繞組；
所述的每個定子極上都繞有一個集中式電樞繞組，其繞制方向遵循通正向電流時和勵磁線圈產(chǎn)生同向的磁場；同相位的A相第一電樞線圈(Al)和A相第二電樞線圈(A2)串聯(lián)后組成A相電樞繞組，同相位的B相第一電樞線圈(BI)和A相第二電樞線圈(B2)串聯(lián)后組成B相電樞繞組，同相位的C相第一電樞線圈(Cl)和A相第二電樞線圈(C2)串聯(lián)后組成C相電樞繞組；
所述轉(zhuǎn)子鐵心為4極凸極式結(jié)構(gòu)，無勵磁源，轉(zhuǎn)子極寬和定子極寬相等，轉(zhuǎn)子鐵心軛部窄、外徑小，可適應(yīng)超高速運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0018]圖3是本發(fā)明三相電樞繞組的磁鏈圖。其各相磁鏈隨著轉(zhuǎn)子位置的不同而變換。
[0019]圖4是本發(fā)明三相電樞繞組的電勢圖。由于各相電勢的大小與磁鏈的變化率成正t匕，因此三相電樞繞組產(chǎn)生三相交流電。
[0020]圖5是本發(fā)明三相電樞繞組與逆變器接法圖。三相電樞繞組的尾端接在一起，三相電樞繞組的首端分別接逆變器的三個橋臂；
其工作原理為:若給勵磁繞組通以勵磁電流，則各定子極上會產(chǎn)生勵磁磁場。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，會依次增大或減小各定子極上的磁通量，從而引起各相電樞繞組匝鏈的磁通量變化，因此，三相電樞繞組會感應(yīng)出三相交流電，其感應(yīng)電動勢就與磁通量的變化率成正比。這個三相交流電壓經(jīng)整流電路整流就可以給蓄電池充電，或者給汽車用電設(shè)備供電。由于勵磁電流可調(diào)，因此通過調(diào)節(jié)勵磁電流的大小，就可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電狀態(tài)下的輸出電壓的穩(wěn)定。
[0021 ] 作為電動機(jī)運(yùn)行時,通過依次給反電勢為正的的繞組通以正向電流，給反電勢為負(fù)的繞組通以負(fù)向電流，則電機(jī)即可輸出正向轉(zhuǎn)矩，帶動轉(zhuǎn)子加速運(yùn)轉(zhuǎn)。
【權(quán)利要求】
1.一種渦輪增壓發(fā)電裝置，包括外殼、軸承、定子、控制器和由排氣渦輪、進(jìn)氣渦輪、軸、轉(zhuǎn)子鐵心組成的轉(zhuǎn)子，其特征在于: 所述定子極數(shù)為6且極弧系數(shù)為0.5，相對的兩個定子軛部上繞有勵磁線圈，第一勵磁線圈從定子鐵心內(nèi)部往外繞制，第二勵磁線圈從定子鐵心外部向內(nèi)繞制，第一勵磁線圈(Fl)和第二勵磁線圈(F2)串聯(lián)后組成勵磁繞組； 所述的每個定子極上都繞有一個集中式電樞繞組，其繞制方向遵循通正向電流時和勵磁線圈產(chǎn)生同向的磁場；同相位的A相第一電樞線圈(Al)和A相第二電樞線圈(A2)串聯(lián)后組成A相電樞繞組，同相位的B相第一電樞線圈(BI)和A相第二電樞線圈(B2)串聯(lián)后組成B相電樞繞組，同相位的C相第一電樞線圈(Cl)和A相第二電樞線圈(C2)串聯(lián)后組成C相電樞繞組；三相電樞繞組的尾端接在一起，三相電樞繞組的首端分別接逆變器的三個橋臂； 所述轉(zhuǎn)子鐵心為4極凸極式結(jié)構(gòu)，無勵磁源，轉(zhuǎn)子極寬和定子極寬相等，轉(zhuǎn)子鐵心軛部窄、外徑小，可適應(yīng)超高速運(yùn)轉(zhuǎn)； 所述進(jìn)氣渦輪、排氣渦輪、轉(zhuǎn)子鐵心固定在一根軸上，軸通過兩側(cè)的軸承固定在外殼上，軸承采用機(jī)油潤滑的組合式滑動軸承，既可以實(shí)現(xiàn)徑向支撐，又可以實(shí)現(xiàn)軸向支撐。
2.如上所述渦輪增壓發(fā)電裝置，既可以作為電動機(jī)運(yùn)行，迅速提高發(fā)動機(jī)起動后的增壓渦輪轉(zhuǎn)速；又可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，回收汽車廢氣能量；作為發(fā)電機(jī)在發(fā)動機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時，控制器給勵磁繞組通以很小或不通勵磁電流，以維持渦輪最低轉(zhuǎn)速；作為發(fā)電機(jī)在發(fā)動機(jī)中高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，通過控制勵磁電流的大小，保持輸出電壓的穩(wěn)定。
【文檔編號】F02B37/11GK103775196SQ201410075433
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月4日
【發(fā)明者】史立偉, 張學(xué)義, 臧利國 申請人:山東理工大學(xué)