電機(jī)外置式電輔助增壓器設(shè)計與試驗(yàn)研究

丁占銘，程振宇，曹曉琳，王曉遠(yuǎn)，張巖，門日秀，沈建新

(1.天津大學(xué)電氣自動化與信息工程學(xué)院，天津 300072；2.中國北方發(fā)動機(jī)研究所柴油機(jī)高增壓技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300400；3.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

電輔助渦輪增壓具有壓比可調(diào)可控、加速響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，是渦輪增壓技術(shù)的重要發(fā)展方向[1]。傳統(tǒng)渦輪增壓器靠渦輪回收內(nèi)燃機(jī)排氣余熱驅(qū)動壓氣機(jī)，加速時從排氣能量變化為增壓壓力需要一定時間，不可避免地會出現(xiàn)“渦輪遲滯”現(xiàn)象。在重載或特種柴油機(jī)上，所用渦輪增壓器轉(zhuǎn)動慣量大，渦輪遲滯尤為顯著，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)出現(xiàn)低速扭矩差、起動冒黑煙等問題[2]。電輔助渦輪增壓在發(fā)動機(jī)低速工況下利用高速電機(jī)輔助驅(qū)動，在進(jìn)氣充量調(diào)控、加速響應(yīng)性方面具備傳統(tǒng)渦輪增壓難以比擬的優(yōu)勢。混合動力技術(shù)同樣可以增加動力輸出以提升車輛加速性能，但與之相比，電輔助渦輪增壓技術(shù)有其獨(dú)到的優(yōu)勢。J. Beer等[3]的研究指出，電輔助增壓技術(shù)可使曲軸輸出功率增加其所耗電能的10倍以上，這意味著為了達(dá)到相同的動力提升，混合動力技術(shù)所需電能要10倍于電輔助增壓技術(shù)。在電池功率有限的情形下，電輔助增壓技術(shù)的優(yōu)勢非常明顯。

按照高速電機(jī)安裝位置，電輔助渦輪增壓器可分為電機(jī)外置式和中置式兩種[4]。電機(jī)外置式構(gòu)型將電機(jī)布置在壓氣機(jī)進(jìn)口前，對傳統(tǒng)渦輪增壓器結(jié)構(gòu)改動最小，且電機(jī)距離渦輪最遠(yuǎn)，散熱壓力小，但缺點(diǎn)是軸系長，外置電機(jī)會對壓氣機(jī)進(jìn)氣產(chǎn)生一定影響。電機(jī)中置式構(gòu)型是將高速電機(jī)集成布置在渦輪增壓器中間體之內(nèi)。電機(jī)中置式構(gòu)型整體結(jié)構(gòu)緊湊，不影響壓氣機(jī)性能，缺點(diǎn)是需要重新設(shè)計渦輪增壓器潤滑與密封系統(tǒng)，且渦輪端的高溫排氣對高速電機(jī)熱管理帶來巨大挑戰(zhàn)[5]。

電機(jī)外置式及中置式電輔助渦輪增壓已經(jīng)在F1賽車中得到應(yīng)用，取得了顯著的成效并顯示出良好的推廣應(yīng)用潛力[6]。德國G+L innotech公司提出一種基于電機(jī)氣隙進(jìn)氣的電機(jī)外置式電輔助增壓器結(jié)構(gòu)[7]，其特點(diǎn)是高速電機(jī)氣隙尺寸與壓氣機(jī)進(jìn)口尺寸相當(dāng)，避免了外置電機(jī)對壓氣機(jī)進(jìn)氣的負(fù)面影響。但是氣隙的高磁阻會不可避免地導(dǎo)致電機(jī)功率低、軸向尺寸長等問題?？ㄌ乇死展据^早開展了電機(jī)中置式增壓器結(jié)構(gòu)用于渦輪復(fù)合的研究[8]，并研究了電輔助增壓對柴油機(jī)縮排量及節(jié)能減排的巨大作用[9]。博格華納、蓋瑞特等[10]渦輪增壓器廠商均開展了電機(jī)中置式電輔助增壓器的研制?；诓└袢A納可變噴嘴渦輪增壓器，E. Winward等[11]設(shè)計并研制了電機(jī)中置式電輔助增壓器，其研究顯示電輔助增壓可將發(fā)動機(jī)加速響應(yīng)提升60%，同時發(fā)現(xiàn)中置式高速電機(jī)在發(fā)動機(jī)持續(xù)高負(fù)荷狀態(tài)下會出現(xiàn)溫度過高等問題，高速電機(jī)及控制器的熱管理需要重點(diǎn)研究。日本三菱重工[12]已研制出轉(zhuǎn)速達(dá)到220 000 r/min的電機(jī)中置式電輔助渦輪增壓器。為了減小電機(jī)尺寸和轉(zhuǎn)動慣量，為電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計了碳纖維材料的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。臺架試驗(yàn)表明，電輔助增壓器從起動到轉(zhuǎn)速達(dá)到74 000 r/min的時間比傳統(tǒng)增壓器縮短三分之一；配機(jī)試驗(yàn)表明，電輔助增壓器可使發(fā)動機(jī)低速扭矩增加約17%。英國倫敦帝國理工學(xué)院[13]、巴斯大學(xué)[14]、韓國漢陽大學(xué)[15]等均針對電輔助渦輪增壓開展過仿真或試驗(yàn)研究。

國內(nèi)關(guān)于電輔助渦輪增壓技術(shù)的研究相對較少，主要有電輔助增壓器對內(nèi)燃機(jī)性能影響的仿真研究[16-17]、電輔助增壓器控制研究[18-19]等。天津大學(xué)[20]研究了兼顧加速響應(yīng)性和燃油經(jīng)濟(jì)性的電輔助增壓器控制策略。北京理工大學(xué)的劉張飛[21]對電機(jī)中置式電輔助增壓器的轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性進(jìn)入了深入研究，指出電機(jī)轉(zhuǎn)子長度對第一階和第三階臨界轉(zhuǎn)速有顯著影響，為保證穩(wěn)定性電機(jī)轉(zhuǎn)子的長度不宜過長。

電機(jī)外置式電輔助渦輪增壓是實(shí)現(xiàn)增壓器電動化的重要技術(shù)路線，但目前相關(guān)研究很少，國內(nèi)更是缺乏關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計、轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)設(shè)計及動力學(xué)分析的研制經(jīng)驗(yàn)。為了提高某渦輪增壓器的加速性能，本研究開展了電機(jī)外置式電輔助增壓設(shè)計研究。首先進(jìn)行了高速電機(jī)電磁及結(jié)構(gòu)設(shè)計，高速電機(jī)與渦輪增壓器之間采用超越離合器結(jié)構(gòu)控制二者的連接、分離。為了考察電輔助增壓器工作范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的動力學(xué)特性，開展了轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速及振動穩(wěn)定性分析。最后，完成了電輔助渦輪增壓器的集成設(shè)計與樣機(jī)試制，并開展加速性對比試驗(yàn)研究，以檢驗(yàn)電輔助增壓對加速性提升的效果。

1 高速電機(jī)匹配與設(shè)計

在所設(shè)計的電輔助渦輪增壓器中，高速電機(jī)在起動和低速階段輔助驅(qū)動增壓器；在增壓器轉(zhuǎn)速較高時，渦輪已具有足夠的能量，高速電機(jī)與渦輪轉(zhuǎn)軸脫開。電機(jī)與壓氣機(jī)匹配點(diǎn)見圖1，對應(yīng)壓氣機(jī)壓比1.1、流量0.15 kg/s，電機(jī)最高輔助轉(zhuǎn)速取30 000 r/min。

電輔助增壓器加速過程滿足方程(1)：

(1)

式中：J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，取值3.16×10-4kg·m2；ω為轉(zhuǎn)動角速度；τm為電機(jī)轉(zhuǎn)矩，τt為渦輪轉(zhuǎn)矩；τc為壓氣機(jī)轉(zhuǎn)矩；τs為軸系摩擦轉(zhuǎn)矩。

圖1 壓氣機(jī)MAP與高速電機(jī)匹配點(diǎn)

實(shí)際增壓器加速過程涉及復(fù)雜的非定常氣動效應(yīng)，很難得到真實(shí)的渦輪轉(zhuǎn)矩和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)矩值。為便于設(shè)計計算，在設(shè)計過程中忽略渦輪轉(zhuǎn)矩，且假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩恒定，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸系摩擦轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成正比。

基于高速電機(jī)匹配點(diǎn)參數(shù)，可按照式(2)和式(3)計算壓氣機(jī)轉(zhuǎn)矩。

(2)

(3)

假定高速電機(jī)匹配點(diǎn)處軸系效率為ηs=85%，則可按照式(4)計算摩擦轉(zhuǎn)矩。

(4)

圖2 高速電機(jī)定、轉(zhuǎn)子二維結(jié)構(gòu)

規(guī)定0%—90%最高輔助轉(zhuǎn)速所需時間為電輔助增壓器的加速響應(yīng)時間，純電機(jī)驅(qū)動下加速響應(yīng)時間的設(shè)計目標(biāo)選為1.5 s，則電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩τm≥0.85 N·m，對應(yīng)電機(jī)設(shè)計功率為2.7 kW，考慮到功率裕度，取電機(jī)的設(shè)計功率為3 kW。

由于結(jié)構(gòu)簡單、不需勵磁、效率高和功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，選用永磁無刷直流電機(jī)。所設(shè)計高速電機(jī)二維結(jié)構(gòu)見圖2，電機(jī)為4對極24槽結(jié)構(gòu)。

2 超越離合器結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)與渦輪增壓器轉(zhuǎn)子之間的快速連接與斷開，設(shè)計了微型超越離合器結(jié)構(gòu)。在設(shè)計微型超越離合器時，一方面應(yīng)保證其質(zhì)量和體積小、離合時間短，以盡量減小對整體加速性能和軸系穩(wěn)定性的影響，另一方面需要保證足夠的接合可靠性，在需要接合或斷開時，能夠穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)功能。因此，在離合器設(shè)計時，需要從結(jié)構(gòu)、材料等多方面考慮，尋求多種影響因素和目標(biāo)期望的平衡。

所設(shè)計的超越離合器由離合外套、離合內(nèi)套和摩擦環(huán)組成(見圖3)。其中，電機(jī)軸與離合器內(nèi)套固定，離合器外套與內(nèi)套形成滑動桿連接，再通過內(nèi)套的小凸臺和外套的螺旋槽限制相互運(yùn)動。外套右端嵌入一摩擦環(huán)，摩擦環(huán)的主要作用是傳遞扭矩。電機(jī)軸向增壓器軸傳遞扭矩的順序是：電機(jī)軸—離合器內(nèi)套—離合器外套—摩擦環(huán)—軸端螺母—增壓器軸。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于增壓器轉(zhuǎn)速時，在摩擦環(huán)作用下，離合器外套相對內(nèi)套順時針旋轉(zhuǎn)，同時向左移動，導(dǎo)致離合器外套與螺母分離，實(shí)現(xiàn)脫離功能，如圖3a所示。電機(jī)起動并帶動增壓器加速時，結(jié)合時電機(jī)轉(zhuǎn)速大于增壓器轉(zhuǎn)速，離合器外套相對內(nèi)套逆時針旋轉(zhuǎn)同時向右移動，使得離合器外套與螺母接合，實(shí)現(xiàn)接合傳遞扭矩功能，如圖3b所示。

圖3 微型超越離合器斷開與連接工況

設(shè)計的超越離合器結(jié)構(gòu)簡單可靠，轉(zhuǎn)動慣量不足電輔助增壓器轉(zhuǎn)子總轉(zhuǎn)動慣量的1%，對整體加速性能影響極小。經(jīng)分析，離合器內(nèi)套小凸臺承受的切應(yīng)力最大，因此設(shè)計了雙槽-雙凸臺的承力結(jié)構(gòu)，大幅降低了最大切應(yīng)力，保證了離合器的可靠工作。

3 復(fù)雜支撐長轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動力學(xué)分析

電機(jī)外置式電輔助增壓器具有支撐多、轉(zhuǎn)子長、受力復(fù)雜等特點(diǎn)，轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性與傳統(tǒng)渦輪增壓器大不相同，必須對其轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)分析，摸清臨界轉(zhuǎn)速、固有頻率等振動特性，保證電輔助增壓器能夠安全加速至其最高輔助轉(zhuǎn)速。

電輔助增壓器的轉(zhuǎn)子分為兩大部分：一部分為常規(guī)渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子部件，主要由壓氣機(jī)葉輪、渦輪及轉(zhuǎn)軸等組成；另一部分為電機(jī)轉(zhuǎn)子。根據(jù)該轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)零件之間的裝配及配合關(guān)系，在動力學(xué)計算模型的建立過程將壓氣機(jī)葉輪與主軸、渦輪葉輪和主軸在建模時按照一體來處理。同時為了真實(shí)地反映物理模型，避免陀螺力矩集中，將該壓氣機(jī)與渦輪葉輪等效為圓盤。

將轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)劃分為41個計算節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)5和17布置兩個滾珠軸承，節(jié)點(diǎn)31和32布置兩個浮動軸承，節(jié)點(diǎn)27和40分別為壓氣機(jī)和渦輪的質(zhì)心位置。建立的動力學(xué)計算模型見圖4。

圖4 電輔助增壓器轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)計算模型

圖5示出電輔助增壓器轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速渦動分析。增壓器正常工作過程中，不會出現(xiàn)反進(jìn)動情況，因而只需考慮正進(jìn)動情形。由圖5可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速升到16 366 r/min時與轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的正進(jìn)動阻尼固有頻率線相交，該轉(zhuǎn)速即為轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速，對應(yīng)的振型見圖6。在設(shè)計轉(zhuǎn)速30 000 r/min范圍內(nèi)僅會出現(xiàn)一階臨界轉(zhuǎn)速，高于30 000 r/min后電機(jī)轉(zhuǎn)子脫開，轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)與原增壓器相同，不需重復(fù)分析。

通過非線性瞬態(tài)分析方法計算了一階臨界轉(zhuǎn)速(16 366 r/min)與最高輔助轉(zhuǎn)速(30 000 r/min)下電輔助增壓器轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)實(shí)際的振動三維形態(tài)和最大振幅處的軸心軌跡(見圖7)。從轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的振動三維形態(tài)仿真結(jié)果可知，兩種轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)振動位移最大處均在渦輪出口側(cè)，電機(jī)轉(zhuǎn)子振動位移很小，因此轉(zhuǎn)子振動容許值可參照渦輪增壓器確定，即轉(zhuǎn)子振幅應(yīng)小于等于渦輪及壓氣機(jī)與殼體徑向間隙的50%。對于所選增壓器，振動容許值為0.25 mm。在一階臨界轉(zhuǎn)速下，最大振動位移為0.012 7 mm，在最高輔助轉(zhuǎn)速下，最大振動位移為0.024 5 mm，均遠(yuǎn)小于振動容許值，因此該電輔助增壓器的轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性要求。

圖5 臨界轉(zhuǎn)速Campbell圖

圖6 電輔助增壓器一階模態(tài)振型

圖7 電輔助增壓器瞬態(tài)響應(yīng)分析

4 加速試驗(yàn)研究

電輔助增壓器試驗(yàn)臺架(見圖8)主要由渦輪增壓器、超越離合器、高速電機(jī)、連接支架以及相關(guān)連接管路、輔助系統(tǒng)等組成。采取渦輪冷吹進(jìn)氣的方式開展試驗(yàn)，渦輪進(jìn)氣平均溫度為289 K，試驗(yàn)過程中渦前溫度變化不超過±2 K。試驗(yàn)可分為3個部分：

1) 渦輪增壓加速試驗(yàn)。在電機(jī)脫開狀態(tài)下，測試外吹空氣驅(qū)動渦輪增壓器的加速響應(yīng)。具體試驗(yàn)方法為：首先將四通閥切至外吹狀態(tài)，調(diào)節(jié)壓氣機(jī)背壓閥和渦輪進(jìn)氣閥，使得壓氣機(jī)工作在匹配點(diǎn)，此時得到的壓氣機(jī)背壓閥和渦輪進(jìn)氣閥開度即為試驗(yàn)所需開度。然后切換四通閥關(guān)閉渦輪外吹進(jìn)氣，使增壓器降速至停機(jī)。最后，在保證壓氣機(jī)背壓閥和渦輪進(jìn)氣閥開度不變的前提下，切換四通閥打開渦輪外吹進(jìn)氣。試驗(yàn)中記錄增壓器轉(zhuǎn)速和壓氣機(jī)出口壓力的加速響應(yīng)數(shù)據(jù)，這兩個參數(shù)直接反映增壓器的加速性能。

2) 純電機(jī)驅(qū)動加速試驗(yàn)。切換四通閥使增壓器處于外吹狀態(tài)，關(guān)閉渦前進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥使渦輪無進(jìn)氣，測試純電機(jī)驅(qū)動狀態(tài)下增壓器加速響應(yīng)。

3) 電輔助增壓加速試驗(yàn)。在電機(jī)與渦輪共同驅(qū)動條件下，測試增壓器的加速響應(yīng)。具體壓氣機(jī)背壓閥和渦輪進(jìn)氣閥開度的控制方法與試驗(yàn)1相同，在起動電機(jī)的同時切換四通閥打開渦輪外吹進(jìn)氣，記錄加速數(shù)據(jù)。

圖8 電輔助增壓器試驗(yàn)臺架

試驗(yàn)結(jié)果見圖9。渦輪增壓的響應(yīng)時間較長，為1.47 s。純電機(jī)驅(qū)動時加速曲線與渦輪驅(qū)動狀態(tài)下的近似，達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。在電輔助增壓模式下，增壓器的加速響應(yīng)時間大幅縮短，僅為1.09 s，與純渦輪驅(qū)動相比縮短25.9%。壓氣機(jī)出口壓力響應(yīng)曲線顯示了類似的結(jié)論，即所設(shè)計的電輔助增壓器能夠顯著提升增壓器的加速性能。

圖9 電輔助增壓器加速試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語

為了提升增壓響應(yīng)特性，開展了電機(jī)外置式電輔助渦輪增壓器設(shè)計研究，介紹了基于加速性能的高速電機(jī)與渦輪增壓器匹配設(shè)計、微型超越離合器結(jié)構(gòu)設(shè)計、轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)動力學(xué)分析等方面的方法與結(jié)論，最后加工樣機(jī)并開展了電輔助增壓器加速性能試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，具備離合功能的電輔助增壓器能夠較好地克服長轉(zhuǎn)子的缺點(diǎn)，僅需在電機(jī)輔助轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)滿足穩(wěn)定性要求，因此在高速轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性上具有重大優(yōu)勢。轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析表明，僅一階臨界轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在電機(jī)輔助轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，且轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的最大振動值遠(yuǎn)小于容許值。開展了渦輪增壓、純電機(jī)驅(qū)動、電輔助增壓3種模式下的加速性對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明電機(jī)外置式電輔助渦輪增壓器能夠明顯提升渦輪增壓器加速性能，大幅縮短渦輪遲滯，可使增壓器加速響應(yīng)時間縮短25.9%。