CN104105857B - 用于电辅助涡轮增压器的位置传感器布置 - Google Patents

Abstract

一种电辅助涡轮增压器(10)包括一个具有转子(72)和定子(74)的电动马达(70)。该转子(72)响应于该涡轮增压器(10)的操作而进行旋转，并且该定子(74)相对于转子(72)是固定的。一个部件(40，48，24)与转子(72)协同地旋转并且包括多个特征(80，84，86，90)。为了控制电动马达(70)的相位激励的正时，一个位置传感器(82)被安装到该涡轮增压器(10)上以便检测该旋转的部件(40，48，24)上的该多个特征(80，84，86，90)，从而确定转子(72)的旋转位置。

Description

用于电辅助涡轮增压器的位置传感器布置

相关申请的交叉引用

本申请要求在2012年2月17日提交的并且题为“用于电辅助涡轮增压器的位置传感器布置”的美国临时申请号61/600,126的优先权及所有权益。

发明背景

1.发明领域

本发明涉及用于内燃发动机的电辅助涡轮增压器。更确切地说，本发明涉及一种用于感测电辅助涡轮增压器中转子位置的方法。

2.相关技术的说明

涡轮增压器是一种与内燃发动机一起使用的强制进气系统。涡轮增压器将压缩的空气传送到发动机进气端从而允许燃烧更多的燃料，因此增加了发动机的马力而没有明显地增加发动机的重量。因此，涡轮增压器允许使用较小的发动机而形成与较大的、正常吸气的发动机相同量的马力。在车辆中使用较小发动机具有减小车辆质量、提高性能并且增强燃料经济性的所希望效果。此外，使用涡轮增压器允许被递送至发动机的燃料的完全燃烧，这有助于实现更清洁环境的这一高度希望的目标。

涡轮增压器典型地包括连接至发动机的排气歧管上的一个涡轮机壳体、连接至发动机的进气歧管上的一个压缩机壳体、以及将该涡轮机壳体和压缩机壳体联接在一起的一个中央轴承壳体。涡轮机壳体内的一个涡轮机叶轮是由从该排气歧管供应的排气进气流可旋转地驱动的。可旋转地支撑在该中央轴承壳体内的一个轴将该涡轮机叶轮连接至该压缩机壳体内的一个压缩机叶轮上，这样使得该涡轮机叶轮的旋转造成了该压缩机叶轮的旋转。将该涡轮机叶轮与该压缩机叶轮相连接的轴限定了一条旋转轴线。当压缩机叶轮旋转时，它增大了经由发动机进气歧管被递送至发动机汽缸的空气质量流速、空气流密度和空气压力。

为了进一步改善发动机效率，已知的是将电动马达整合到该涡轮增压器的轴中。这种类型的涡轮增压器称作电辅助涡轮增压器。在此类构型中，该马达在低发动机速度下被供电以便向该轴施加额外的旋转，这增大了压缩机叶轮的旋转以便将涡轮迟滞现象最小化。该电动马达还可以被用作将轴的功转变为电力的发电机。由该发电机产生的电能可以被用来运行多个辅助性的电气部件或用来运行安装在该发动机曲轴上的马达，从而以其他方式回收排气中的废能量。

整合到涡轮增压器的轴中的电动马达的一个实例是一个开关磁阻马达(SRM)。SRM的操作原理是简单的、众所周知的并且是基于磁阻转矩的。SRM具有带有多个集中绕组的一个定子和不带有绕组的一个转子。在电辅助涡轮增压器中，该转子与该涡轮增压器的轴相结合并且该定子环绕该转子。典型的SRM可以具有六个定子磁极和四个转子磁极，表示为“6/4SRM”。6/4SRM具有三个相位，每个相位由位于相反的定子磁极上的两个绕组组成。一个相位中的绕组是同时被供电的并且产生一个磁通量。由这些绕组产生的磁通量遵循最小磁阻路径，这意味着该通量将流动穿过最靠近这些受激定子磁极的这些转子磁极，由此将这些转子磁极磁化并且致使该转子本身与这些受激定子磁极对齐。电磁转矩是通过这些转子磁极与这些受激电子磁极对齐的倾向而产生的。当该转子转动时，将连续地激励多个不同相位以保持该转子转动。对用作发电机而言，这些相位是在这些定子磁极和转子磁极分开时、而不是在它们接近时受激。因此，控制相位激励的正时(无论是用作马达还是发电机)对该电辅助涡轮增压器的操作是重要的。

为了恰当地控制相位激励的正时，需要准确地感测转子相对于定子的位置。因此，希望的是提供具有对电动马达转子的简单且准确的位置感测的一种电辅助涡轮增压器。

发明概述

根据本发明的一个方面，一种电辅助涡轮增压器包括安装在一个轴的一端上的一个涡轮机叶轮以及安装在该轴的相反一端上的一个压缩机叶轮。该轴和压缩机叶轮响应于该涡轮机叶轮的旋转而进行旋转。一个电动马达的转子被固定至该涡轮机叶轮与该压缩机叶轮之间的轴上并且随着该轴旋转。该电动马达的定子是相对于该转子而固定的。一个部件(例如压缩机螺母、抛油环套筒或该压缩机叶轮)随着该轴旋转并且包括多个特征，例如平台、瓣片或扇形凹口。一个位置传感器被安装到该涡轮增压器上并且被安排成用于检测该旋转部件上的该多个特征，以用于确定该转子的旋转位置，从而控制该电动马达中的相位激励的正时。

附图的简要说明

本发明的优点将是容易了解的，因为这些优点通过参照以下详细说明在结合附图考虑时将变得更好理解，在附图中：

图1是包括电动马达的一个电辅助涡轮增压器的截面视图；

图2是该电动马达的、被安装在涡轮机叶轮的轴上的一个转子的截面视图；

图3A是根据本发明一个实施例的一个包括多个特征的压缩机螺母的透视图；

图3B是图3A所示的压缩机螺母的一个端视图，展示了用于位置传感器的一个位置；

图4A是根据本发明另一个实施例的一个包括多个特征以及一个插件的抛油环套筒的局部切开截面视图，展示了用于位置传感器的另一个位置；

图4B是图4A所示的抛油环轮的一个端视图；

图5A是根据本发明又另一个实施例的一个包括多个特征的与压缩机叶轮的部分切开截面视图，展示了用于位置传感器的另一个位置；

图5B是图5A所示的压缩机叶轮的一个后端视图；并且

图6是根据本发明还又一个实施例的一个包括多个扇形切口的压缩机叶轮的前端视图。

实施方式的详细说明

参见附图，图1中展示了总体上为10的一个涡轮增压器。涡轮增压器10包括一个壳体组件12，该壳体组件由彼此连接的一个涡轮机壳体14、一个轴承壳体16、以及一个压缩机壳体18组成。一个涡轮机叶轮20被布置在该涡轮机壳体14内并且是由从发动机排气歧管供应的排气进气流可旋转地驱动的。在驱动了涡轮机叶轮20之后，排气从涡轮机壳体14中通过一个中央出口管或出口导流器21被排出。可旋转地支撑在该轴承壳体16内的一个轴22将该涡轮机叶轮20连接至该压缩机壳体18内的一个压缩机叶轮24上，这样使得该涡轮机叶轮20的旋转造成了该压缩机叶轮24的旋转。将该涡轮机叶轮20与该压缩机叶轮24相连接的轴22限定了一条旋转轴线R1。当该压缩机叶轮24旋转时，空气通过入口通道25被抽入该压缩机壳体18中并且被压缩以便以升高的压力递送至一个发动机进气歧管中。

该轴22通过一对间隔开的轴颈轴承26、28而可旋转地支撑在该轴承壳体16内。该涡轮机叶轮20典型地被对焊至该轴22的一端上、直接与该轴22的一个扩大的肩台部分30邻接。该轴22通过一个形成在该轴承壳体16的涡轮机侧中的活塞环孔32进入该轴承壳体16中。肩台部分30被放置在该活塞环孔32内。一个活塞环34被放置在该肩台部分30上的一个凹槽内并且在该轴22与该轴承壳体16之间形成密封。该轴22的相反一端具有一个直径减小的部分36，该压缩机叶轮24安装在该部分上。该轴22的远端38是带螺纹的并且一个压缩机螺母40将该压缩机叶轮24牢固地保持在该轴22上。与该轴颈轴承28相邻，该轴22的直径减小的部分36携带了一个止推垫圈42，该止推垫圈与一个静止的止推轴承构件44协作以便应对该涡轮增压器10中的轴向荷载。该直径减小的部分36还携带了一个插件46和一个抛油环套筒48，它们被定位成直接与该压缩机叶轮24的后壁50相邻。止推垫圈42、止推轴承构件44、插件46以及抛油环套筒48组装到一个形成在该轴承壳体16的压缩机侧中的止推轴承凹座52中。该插件46与抛油环套筒48协作以防止油被吸进该压缩机壳体14中并且用于防止压缩空气泄露至该轴承壳体16中。该抛油环套筒48包括与该压缩机叶轮24相邻的一个外部部分54以及与该止推垫圈42相邻的一个内部部分56，最好参见图4A。该轴22通过一个形成在该插件46中的活塞环孔58离开该轴承壳体16。该抛油环套筒48随着该轴22而旋转并且其外部部分54被布置在该活塞环孔58内。一个活塞环60被放置在该抛油环套筒48的外部部分54上的一个凹槽内并且在该抛油环套筒48与该插件46的内部圆周之间形成了密封。一个0形环62被放置在该插件46上的外圆周上的一个凹槽内并且在该插件46与该轴承壳体16之间形成了密封。一个卡扣环64将该插件46固定在位。该抛油环套筒48的内部部分56被布置在该止推轴承构件44的一个孔内。该抛油环套筒48还包括位于该外部部分与内部部分54、56之间的一个唇缘66，该唇缘具有的圆周比该外部部分和内部部分54、56各自的圆周更大。该唇缘66被布置在该插件46与该止推轴承构件44之间。

油循环穿过该轴承壳体16来向这些轴颈轴承26、28提供润滑并且去除来自该涡轮机壳体14的热量。通过该活塞环34防止了排气在涡轮机侧进入轴承壳体16中。类似地，通过活塞环60防止了压缩空气在压缩机侧上进入轴承壳体16中。在涡轮机侧上，随着轴22旋转离开轴颈轴承26的油被该肩台部分30的一个面68拾取并且被引导进入一个第一槽缝(该槽缝开向该轴承壳体16的排油空腔)中，如图2中最佳所见。在压缩机侧上，随着轴22旋转离开该轴颈轴承28的油被该抛油环套筒48的唇缘66拾取并且被引导进入一个第二槽缝(该槽缝同样开向该轴承壳体16的排油空腔)中。

一个电动马达被引入该涡轮增压器10中。在本实施例中，该马达是一个开关磁阻马达(SRM)，总体上示出为70。然而应了解，在不脱离本发明范围的情况下该电动马达可以是任何合适的马达。该SRM 70被布置在该轴承壳体16内、大致在间隔开的轴颈轴承26、28之间。SRM 70包括随着轴22旋转的一个转子72以及带有多个集中绕组的一个定子74，该定子是静止的并且环圆周地环绕该转子72。在本实施例中，该转子72具有四个转子磁极并且该定子74具有六个定子磁极。涡轮机侧上的一个套环76被固定至该轴22上并且在轴颈轴承26与该转子72之间起到间隔件的作用。类似地，压缩机侧上的一个套环78被固定至该轴22上并且在轴颈轴承28与该转子72之间起到间隔件的作用。为了恰当地控制SRM中的相位激励的正时，需要准确感测该转子72的位置，如本领域技术人员熟知的。然而，由于在该壳体组件12内的某些区域中的空间限制和极端条件，用于安排传统位置传感器以便检测转子位置的地方很少。由于该轴22与该转子72协同地旋转，对轴22的精确位置感测将满足这个要求。同样地，与该转子72相关的任何旋转部件可以被用来辅助对转子72的位置感测。可以将平台、瓣片、扇形凹口或其他特征添加至这些旋转部件上以便通过位置传感器检测。考虑到该位置传感器可以是适用于监测这些特征的任何类型的传感器，例如磁性拾取(霍尔效应)传感器或反射型(光学)传感器。进一步考虑到了多个不同的因素将在所使用类型的位置传感器中具有作用。例如，不管这些特征是磁性或非磁性的、不管这些特征的形状和大小以及该位置传感器相对于这些特征的接近度如何。

在本实施例中，方便的是向该涡轮增压器10中的旋转部件添加四个特征以便与转子72的磁极数相对应，从而简化SRM 70的相位激励所需要的控制和电子器件。然而应了解的是，在不脱离本发明范围的情况下可以使用更少或更多的特征。另外，可能希望的是，将该旋转部件上的这些特征定向或“锁定”成使得这些特征与该转子72的磁极是对齐的，但是这些特征与这些磁极的这种对齐不是必须的。

在图3A和3B所示的本发明的一个实施例中，该压缩机螺母40的外周边或圆周具有四个特征80并且一个位置传感器82被安装在该压缩机壳体18的入口通道25内以用于在轴22的旋转过程中检测这些特征80。在所示出的实施例中，特征80是平台，然而在不脱离本发明范围的情况下特征80可以具有一些其他的形式。另外，特征80被示出为围绕该压缩机螺母40的圆周等距地间隔开。换言之，这些特征80是围绕旋转轴线R1等距地间隔开的。然而，这些特征80并非必须围绕旋转轴线R1等距地间隔开。

在图4A和4B所示的本发明的另一个实施例中，该抛油环套筒48的外周边或圆周具有四个特征84并且该位置传感器82被附着至该插件46上以用于在轴22的旋转过程中检测这些特征84。这些特征84被定位成与该止推轴承构件44相邻。在所示出的实施例中，这些特征84是瓣片，然而在不脱离本发明范围的情况下特征84可以具有某种其他形式。更确切而言，这些特征84从唇缘66径向地向外延伸并且被示出为围绕该唇缘66的圆周等距地间隔开。换言之，这些特征84是围绕旋转轴线R1等距地间隔开的。然而，这些特征84并非必须围绕旋转轴线R1等距地间隔开。

在图5A和5B所示的本发明的又另一个实施例中，该压缩机叶轮24的外周边或圆周(与该压缩机叶轮24的后壁50相邻)具有四个特征86并且该位置传感器82被定位在该轴承壳体16的压缩机侧中以用于在轴22的旋转过程中检测这些特征86。在所示出的实施例中，这些特征86是瓣片，然而在不脱离本发明范围的情况下这些特征86可以具有某种其他形式。另外，这些特征86被示为围绕该压缩机叶轮24的外圆周等距地间隔开。换言之，这些特征86是围绕旋转轴线R1等距地间隔开的。然而，这些特征86并非必须围绕旋转轴线R1等距地间隔开。考虑到在不脱离本发明范围的情况下，可以将这些特征86定位在该压缩机叶轮24的与该压缩机螺母40相邻的、位于该压缩机叶轮24的后壁50上的、或该后壁50的外周边上的一个鼻部88上。在这类情况情况，将位置传感器82被定位在该涡轮增压器10内的方式为相应地检测这些特征86。进一步考虑到了，除了位置感测之外，可以使用该压缩机叶轮24的后壁50之上或附近的这些特征86来进行该压缩机叶轮24的平衡校正。这样，这些特征86可以是不同等大小的。应了解的是，该压缩机叶轮24典型地是由铝制成的。这样，该位置传感器82是一个光学传感器而不是磁性传感器。

在图6所示的本发明的还又一个实施例中，该压缩机叶轮24的后壁50的外周边具有四个特征90并且该位置传感器82总体上被定位在该压缩机壳体18内和/或该轴承壳体16的压缩机侧内以用于在轴22的旋转过程中检测这些特征90。可以将该位置传感器82径向地、轴向地或以它们之间的一些角度进行定位。在所示出的实施例中，这些特征90是扇形切口，然而在不脱离本发明范围的情况下这些特征90可以具有某种其他形式。特征90被示出为围绕该后壁50的外圆周等距地间隔开。换言之，这些特征90是围绕旋转轴线R1等距地间隔开的。然而，这些特征90并非必须围绕旋转轴线R1等距地间隔开。考虑到除了位置感测之外，还可以使用该压缩机叶轮24的后壁50的外周边上的这些特征90来进行压缩机叶轮24的平衡校正。这样，这些特征90可以是不同等大小的。

在此以展示性的方式描述了本发明，并且应理解的是，所使用的术语旨在本质上是描述词语而非限制词语。鉴于以上的传授内容，本发明的许多修改和变体都是可能的。因此应理解的是，在所附权利要求书的范围内，可以按照与在本说明内具体列举的不同方式来实践本发明。

Claims (14)

1.一种电辅助涡轮增压器(10)，包括：

开关磁阻马达，所述开关磁阻马达具有响应于所述电辅助涡轮增压器(10)的操作而进行旋转的一个转子(72)以及相对于所述转子(72)固定的一个定子(74)；

与该转子(72)协同地旋转的一个部件，其中，所述部件提供多个结构特征(84，86，90)，所述部件是抛油环套筒(48)、压缩机螺母(40)或压缩机叶轮(24)；

一个位置传感器(82)，该位置传感器被安装至所述电辅助涡轮增压器(10)上，其中，所述位置传感器(82)在所述部件的旋转过程中检测所述部件上的所述多个结构特征(84，86，90)从而确定所述转子(72)的旋转位置，用于控制所述开关磁阻马达中的相位激励的正时；以及

轴承壳体，所述轴承壳体具有用于容纳所述开关磁阻马达、所述抛油环套筒(48)以及一个插件(46)的凹部，所述插件(46)位于所述抛油环套筒(48)的径向外侧，其中，所述轴承壳体的一部分在所述开关磁阻马达和位置传感器(82)之间间隔开，所述抛油环套筒(48)和插件(46)位于所述压缩机叶轮(24)和所述开关磁阻马达之间。

2.一种电辅助涡轮增压器(10)，包括：

响应于所述电辅助涡轮增压器(10)的操作而进行旋转的一个轴(22)；

开关磁阻马达，所述开关磁阻马达具有固定至所述轴(22)上以随之旋转的一个转子(72)以及相对于所述转子(72)固定的一个定子(74)；

安装在所述轴上的套环，所述套环具有第一端和第二端，所述第一端与所述开关磁阻马达相邻；

与所述轴和所述套环的第二端相邻的轴颈轴承(28)；

止推轴承(44)，所述止推轴承(44)与所述轴(22)和所述轴颈轴承(28)相邻；

抛油环套筒(48)和插件(46)，所述插件(46)位于所述抛油环套筒(48)的径向外侧，所述抛油环套筒(48)和插件(46)与所述轴(22)和所述止推轴承(44)相邻；压缩机叶轮(24)，所述压缩机叶轮安装在所述轴上，并与所述抛油环套筒(48)和插件(46)相邻；

固定至所述轴(22)上以随之旋转的一个部件，所述部件包括围绕所述部件的外圆周间隔开的多个结构特征(84，86，90)，其中，所述部件是抛油环套筒(48)、压缩机螺母(40)或所述压缩机叶轮(24)；

一个位置传感器(82)，该位置传感器被安装至所述电辅助涡轮增压器(10)上，其中所述位置传感器(82)在所述部件的旋转过程中检测所述部件上的所述多个结构特征(84，86，90)从而确定所述转子(72)的旋转位置，用于控制所述开关磁阻马达中的相位激励的正时；以及

轴承壳体，所述轴承壳体具有用于容纳所述开关磁阻马达的凹部和用于容纳所述轴颈轴承(28)、所述止推轴承(44)、所述抛油环套筒(48)和插件(46)的凹部，其中，所述轴承壳体的一部分位于所述开关磁阻马达和压缩机叶轮之间。

3.如权利要求2所述的电辅助涡轮增压器(10)，其中所述部件是所述抛油环套筒(48)，并且其中所述多个结构特征为瓣片(84)，所述瓣片(84)与唇缘(66)连接并从所述唇缘(66)延伸，围绕所述抛油环套筒(48)的外圆周间隔开并与所述抛油环套筒(48)的外圆周连接。

4.如权利要求2所述的电辅助涡轮增压器(10)，其中所述部件是所述压缩机叶轮(24)，并且其中所述多个结构特征为围绕所述压缩机叶轮(24)的外圆周间隔开的瓣片(86)或扇形凹口(90)。

5.如权利要求2所述的电辅助涡轮增压器(10)，其中所述轴(22)限定了一条旋转轴线(R1)，并且其中所述多个结构特征(84，86，90)是围绕所述旋转轴线(R1)等距地间隔开的。

6.如权利要求2所述的电辅助涡轮增压器(10)，其中所述轴(22)限定了一条旋转轴线(R1)，并且其中所述多个结构特征(84，86，90)不是围绕所述旋转轴线(R1)等距地间隔开的。

7.如权利要求2所述的电辅助涡轮增压器(10)，其中所述多个结构特征(86，90)不是相同大小的。

8.一种电辅助涡轮增压器(10)，所述电辅助涡轮增压器(10)包括：

一个轴(22)；

安装在所述轴(22)的一端上的一个涡轮机叶轮(20)，其中所述轴(22)响应于所述涡轮机叶轮(20)的旋转而旋转；

压缩机叶轮(24)，所述压缩机叶轮(24)在所述轴(22)的相对端安装在压缩机壳体内，用于与所述轴一起旋转；

开关磁阻马达，所述开关磁阻马达具有固定在所述涡轮机叶轮(20)与所述压缩机叶轮(24)之间的所述轴(22)上的一个转子(72)，所述转子(72)随着所述轴(22)进行旋转；

相对于所述转子(72)固定的一个定子(74)；

套环，所述套环安装在所述轴上并且与所述开关磁阻马达相邻；

与所述轴和所述套环相邻的轴颈轴承(28)；

止推轴承(44)，所述止推轴承(44)与所述轴(22)和所述轴颈轴承(28)相邻；

抛油环套筒(48)和插件(46)，所述插件(46)位于所述抛油环套筒(48)的径向外侧，所述抛油环套筒(48)和插件(46)与所述轴(22)相邻并位于所述止推轴承(44)和所述压缩机叶轮之间；

固定至所述轴(22)上以随之旋转的一个部件，所述部件包括围绕所述部件的外圆周间隔开的多个结构特征(84，86，90)，其中，所述部件是抛油环套筒(48)、压缩机螺母(40)或所述压缩机叶轮(24)；以及

一个位置传感器(82)，该位置传感器被安装至所述电辅助涡轮增压器(10)上，其中在所述部件的旋转过程中所述位置传感器(82)检测所述部件上的所述多个结构特征(84，86，90)从而确定所述转子(72)的旋转位置，用于控制所述开关磁阻马达中的相位激励的正时；以及

轴承壳体，所述轴承壳体与所述压缩机壳体连接，并且具有用于容纳开关磁阻马达的凹部和用于容纳所述轴颈轴承(28)、所述止推轴承(44)、所述抛油环套筒(48)和插件(46)的凹部，其中，所述轴承壳体的壁将所述开关磁阻马达与压缩机叶轮和位置传感器分开并间隔开。

9.如权利要求8所述的电辅助涡轮增压器(10)，其中所述部件是所述抛油环套筒(48)，所述抛油环套筒(48)被布置在所述压缩机叶轮(24)与所述转子(72)之间。

10.如权利要求9所述的电辅助涡轮增压器(10)，其中所述插件(46)包括一个活塞环孔(58)并且所述抛油环套筒(48)包括被布置在所述活塞环孔(58)中的一个外部部分(54)，并且其中所述位置传感器(82)被安装在所述插件(46)上以便在所述抛油环套筒(48)的旋转过程中检测所述多个结构特征(84)。

11.如权利要求8所述的电辅助涡轮增压器(10)，其中所述部件是所述压缩机叶轮(24)，所述轴(22)限定了一条旋转轴线(R1)，并且其中所述多个结构特征(86，90)不是围绕所述旋转轴线(R1)等距地间隔开的。

12.如权利要求11所述的电辅助涡轮增压器(10)，其中所述多个结构特征(86，90)不是相同大小的。

13.如权利要求2所述的电辅助涡轮增压器(10)，其中，所述压缩机螺母(40)具有基本规则的多边形外周边，并且与所述轴(22)联接以便与所述轴一起旋转，所述压缩机螺母的基本规则的多边形外周边包括多个结构特征(80)。

14.如权利要求8所述的电辅助涡轮增压器(10)，其中，所述压缩机螺母(40)将压缩机叶轮(24)保持在轴(22)上，所述压缩机螺母(40)包括一个基本圆柱形的部分，所述基本圆柱形的部分与一个基本规则的多边形部分整体地连接，所述压缩机螺母具有螺纹孔，所述螺纹孔延伸穿过所述基本圆柱形的部分和所述基本规则的多边形部分，用于螺纹地接收所述轴，其中，所述基本规则的多边形部分的外周边具有多个结构特征(80)，所述多个结构特征(80)由所述基本规则的多边形部分的外周边的平台形成。