具有可变负载的涡轮复合引擎的涡轮及其控制器
阅读：1015发布：2020-06-02
专利汇可以提供具有可变负载的涡轮复合引擎的涡轮及其控制器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 申请 描述了一种用于从废气 流体 流提取 能量 的 涡轮 复合引擎的涡轮(10)及其 控制器 (40)。涡轮(10)包括 外壳 (30)；在外壳(30)内转动耦合并由流体流转动以提供转动输出(14)的涡轮 叶轮 (12)；施加负载给转动输出的可变负载(34)；以及控制器(40)。控制器(40)被配置成：接收关于涡轮(10)的工作情况的信息(404)；基于工作情况计算转动输出的最佳工作速度(402)；以及提供 信号 (410)给可变负载(34)，以响应于所述工作情况改变而施加给转动输出(14)的负载，使得转动输出(14)在校正的工作速度(408)转动。这种配置增加了在涡轮的最佳工作速度操作涡轮的能 力 。，下面是具有可变负载的涡轮复合引擎的涡轮及其控制器专利的具体信息内容。
1.一种用于从流体流提取能量的涡轮，该涡轮包括：
外壳；
在所述外壳内转动耦合且能由流体流转动以提供转动输出的涡轮叶轮；
施加负载到该转动输出的可变负载；以及
控制器，被配置成：
接收关于所述涡轮的工作情况的信息；
基于所述工作情况计算所述转动输出的最佳工作速度；以及
响应于所述工作情况，提供信号给所述可变负载以改变施加到所述转动输出的所述负载，由此所述转动输出以校正的工作速度转动，
其中所述可变负载通过发电机被施加到所述转动输出，所述可变负载是对应于所述转动输出的期望的负载扭矩的发电机电流，并且其中所述控制器包括辅助PID控制器，用于接收所述发电机电流的值的信息并根据所述发电机电流的所述值计算所述转动输出的实际扭矩。
2.根据权利要求1所述的涡轮，其中所述可变负载用于加速所述转动输出。
3.根据权利要求1所述的涡轮，其中所述可变负载用于制动所述转动输出。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的涡轮，其中所述控制器使用查找表来基于所述涡轮的所述工作情况、计算所述转动输出的所述最佳工作速度。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的涡轮，其中所述控制器使用PID控制器来比较所述校正的工作速度与所述最佳工作速度，并在所述校正的工作速度不等于所述最佳工作速度情况下，施加校正信号。
6.根据权利要求1-3中任意一项所述的涡轮，其中关于所述涡轮的所述工作情况的所述信息包括所述涡轮的当前膨胀比。
7.根据权利要求6所述的涡轮，其中通过所述流体流内的压力传感器测量所述涡轮的所述当前膨胀比。
8.根据权利要求1-3中任意一项所述的涡轮，其中所述关于所述涡轮的所述工作情况的信息包括所述转动输出的当前速度和/或所述转动输出的当前扭矩。
9.根据权利要求1所述的涡轮，其中所述发电机是同步发电机。
10.根据权利要求1所述的涡轮，其中所述控制器接收计算的实际涡轮扭矩并包括扭矩查找表，用于计算所述最佳工作速度和所述可变负载扭矩负载所需的值，使得该转动输出在所述校正的工作速度转动。
11.根据权利要求1-3中任意一项所述的涡轮，其中所述涡轮包括涡轮轴，且所述转动输出是该涡轮轴的转动速度。
12.一种用于引擎的增压系统，该系统包括：
用于增加进入到所述引擎的气体压力的压缩机；
根据权利要求1至11任意一项所述的涡轮；
被设置用于驱动所述压缩机的电动机。
13.根据权利要求12所述的增压系统，其中所述压缩机和涡轮是机械解耦的。
14.一种用于调节涡轮的速度的控制器，该控制器包括：
输入部，用于接收关于涡轮的当前工作情况的信息；
分析器，用于基于所述输入部接收的所述信息确定所述涡轮的最佳转速；以及输出部，被配置成提供校正信号给所述涡轮，其中该校正信号改变被施加到所述涡轮的负载以增加或降低所述涡轮的转速，从而匹配所述最佳转速，
其中施加到所述涡轮的所述负载由发电机施加，并且其中所述关于所述涡轮的所述当前工作情况的信息是所述发电机电流的值。
15.根据权利要求14所述的控制器，其中所述关于所述涡轮的所述当前工作情况的信息是所述涡轮的膨胀比。
16.根据权利要求14所述的控制器，其中所述控制器使用查找表来基于所述输入部接收的所述信息计算所述校正信号。
17.根据权利要求14所述的控制器，其中所述控制器使用PID控制器来监视所述校正信号。
具有可变负载的涡轮复合引擎的涡轮及其控制器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种涡轮、一种结合该涡轮的增压系统、及其控制器。特别地但非唯一地，本发明涉及一种具有对涡轮负载提供合适控制的控制器的涡轮和一种用于调节用于提供速度的涡轮速度的控制器。该涡轮理想地适合用于例如增压系统的涡轮复合中。
背景技术
[0002] 涡轮复合的概念得到很好的文件证明，且许多结构是已知的。在其各种形式中，涡轮复合涉及限制来自引擎的废气流以提取功率且然后传递该功率用于一些有用的用途的涡轮机(涡轮)。典型地，功率将通过机械、液压或电连接的方式被传递到引擎的机轴。WO2011023282A1提供了机械系统的良好示例，且US7174714B2提供了电系统的良好示例。在电系统的情况中，功率通常被传递到电池或辅助电负载，而不是机轴。典型的应用是具有合理稳定占空比要求的静态或动态活塞引擎，但是该概念还应用到其他引擎，例如燃气涡轮。
[0003] 在一些情况中，涡轮复合能够涉及将废热能(从主引擎)转换成有用功的单独的引擎(另外的热动力循环)。US7866157B2和WO2011058832A1中描述了示例。这些系统典型地在引擎的废气歧管中设置热交换器，将废热转移到另一工作流，然后通过涡轮传递该工作流。
[0004] 通常，在没有控制、可变负载的情况下，已知涡轮对于任意给定量的可用输入功率在一个特定速度工作。涡轮的这种行为是因为其通常由压缩机加载，且涡轮自然地找到压缩机负载平衡涡轮功率的运行速度。因此，涡轮制造商典型地引用实现与特定的指定压缩机的这种平衡的工作“线”。例如，涡轮被引用为针对任意给定U/C(无量纲化的进气速度(涡轮叶片切速度(U)和理想速度(C)))膨胀比提供特定效率或针对任意给定质量流量提供特定压降。实际上，这些工作“线”是假的；在控制、可变负载情况下，涡轮能够具有另外的自由度进行工作。这产生潜在工作状态的“图”，其中控制策略能够影响并调节效率与U/C之间的关系或压降与质量流之间的关系。在此重申：涡轮的工作图是专家普遍已知的且理解的，但是其在涡轮增压器应用中具有有限的相关性，是由于缺少对涡轮的控制。相反，反映涡轮负载的特性的工作线是更相关的构造。
[0005] 现在我们考虑涡轮效率，其中涡轮速度是独立变量。引擎设计者、售后调节者以及涡轮增压器的其他直接用户考虑，当相对U/C绘制时，涡轮效率遵循反抛物线形状。但是设计者知道涡轮的理论行为是抛物线曲线族，其中每个曲线代表特定的涡轮速度，如图2中所示。
[0006] 涡轮增压器的标准负载是定义为涡轮机型的压缩机的涡轮压缩机，不是正排量装置。涡轮压缩机的特性是在与涡轮压缩机的转速的平方成比例的速率消耗功率。在没有外部控制的情况下，压缩机负载加上损失必须消耗所有可用的涡轮功率。或者可替换地，涡轮功率必须恰好匹配负载，加上由于改变涡轮压缩机轴的转动动能消耗或存储的任意另外能量。因此，该系统将“飘”到工作速度，由此压缩机输入功率和涡轮功率(减掉损失)匹配。该速度几乎总是不在针对可用输入功率的最佳涡轮效率点。
[0007] 缓解这些问题的一种尝试是可变叶片几何形状(典型地称为VGT系统-可变几何涡轮)。该系统允许撞击涡轮的废气的入射角被调节。涡轮的最佳工作速度则是叶片位置的函数。虽然VGT系统需要一些另外的损失，但是总效果是更大范围的最佳(更精确、近最佳)的涡轮速度。
[0008] VGT具有局限。实际上，VGT系统很少作为连续体工作。相反，它们允许两个或更多几何形状的选择，允许两个或更多近最佳涡轮速度。这改进了在较低膨胀比的涡轮增压器效率，但是在可能由涡轮负载的可调节控制的程度上来说则没有。此外，VGT硬件本身阻碍气流并使得涡轮低效。此外，当VGT从其宽口位置移动时，其仍能阻碍气流。虽然其有效重新引导气流，但是重新引导的气体的流动路径通常比宽口流动路径更不平滑且更不直。这进一步降低效率，因此VGT曾仅在非常窄的移动范围内使用。最终，VGT系统经常必须在恶劣环境中工作，且其通常不可提供连续控制。相反，VGT系统经常工作在宽口或非宽口，在它们之间具有少量控制或没有控制。可变叶片几何形状是对下面描述的解决方案的补充，以及部分替换。
[0009] 以上论述显示当允许涡轮运行在其设计速度时是最有效率的，但是这实际上仅发生在有限的工作界限。因此，特别是当在暂态应用中使用时，涡轮很少工作在最佳效率。虽然存在扩展可接受工作范围的方式，但基本问题是缺少对涡轮负载的控制，造成速度和功率以不期望的方式被联系起来。
发明内容
[0010] 本发明旨在通过提出一种具有提供对涡轮负载的合适控制的控制器的涡轮来缓解以上的问题。本发明还提供了一种使用这种涡轮和用于调节涡轮的负载和速度以优化其效率或其他方式选择其效率的控制器的增压系统或涡轮复合系统。
[0011] 根据本发明的第一方面，本发明提供了一种用于从流体提取能量的涡轮，该涡轮包括：外壳；在该外壳内转动耦合且可由流体转动以提供转动输出的涡轮叶轮；将负载施加到该转动输出的可变负载；以及控制器，被配置成：接收关于涡轮工作情况的信息；基于该工作情况计算转动输出的最佳工作速度；以及响应于所述工作情况，提供信号给可变负载以改变施加到转动输出的负载，由此转动输出在校正的工作速度转动。
[0012] 控制器的目的是影响涡轮的最佳工作效率，通常增加其工作效率且有时降低该工作效率。增加涡轮的工作效率能够导致涡轮增压器更好的性能(提供额外的压缩空气给引擎和/或更快速克服涡轮延迟)。可替换地或附加地，增加的涡轮效率能够导致过剩的功率从涡轮被提取以用于涡轮复合。在降低的工作效率的情况中，这能够用于实现部分负载引擎工作状态或避免当不期望的过剩功率量可用时对电池或其他存储装置过分充电。这种情形可以是例如在引擎冷时(冷引擎油)是期望的。
[0013] 这种安排的优点是涡轮工作速度能被优化以在检测的当前工作情况最大化涡轮的效率。在低膨胀比，例如在涡轮的预热期间，通过降低施加在转动输出的负载能够降低涡轮的速度。
[0014] 一般来说，涡轮叶轮的转动输出被提供给与涡轮叶轮连接的涡轮轴。
[0015] 在特定实施方式中，涡轮的可变负载用于加速转动输出。这可以通过将负电流施加到负载由此该负载用作电动机来实现。这帮助在预热期间使转动输出快速达到其最佳速度，使得涡轮更快进入其效率高的工作状态。
[0016] 可替换地，实施方式允许可变负载用作转动输出的制动。这能够确保涡轮的转速不超过效率最大的涡轮的最佳设计速度，由此防止涡轮由于过速而损坏。涡轮的设计者已经知道涡轮能够用于结合可限制涡轮速度到期望工作范围的装置，这提供了附加的设计灵活性。例如，设计者不用负责整合效率限制装置，其在或接近涡轮期望最大工作速度对涡轮起作用。效率限制装置的示例包括废气门，其一般被设计用于稍微打开并在涡轮达到其最大速度之前浪费过多功率，以带有安全余量来防止过速。其他示例包括对叶片设计的修改，其降低最高速度效率(效率应当最高的工作区)，反映了这一事实：涡轮在最高速度处于稳态且比在其仍然加速时其在较低速度需要更少的功率。通过使用能够将涡轮置于其最佳工作速度的控制器，通过移除对这种效率限制装置的需要，设计者自由地为在所有速度且特别在最高速度的最大可能的效率改进和优化涡轮设计。
[0017] 在实施方式中，可变负载通过电机被施加到转动输出。
[0018] 一般来说，控制器使用分析器，例如查找表，借助插值或从理论或实验得出的数学关系以基于涡轮的工作情况计算转动输出的最佳工作速度。一般来说，控制器能够使用PID控制器或滑动模式、状态空间或其他架构来比较校正的工作速度与最佳工作速度，且在校正的工作速度不等于最佳工作速度的情况下应用校正信号，由此保证涡轮在其工作寿命的最高可能比例期间保持在最佳工作速度。
[0020] 本发明的实施方式需要关于涡轮的工作情况的信息包括转动输出的当前速度和/或转动输出的当前扭矩。
[0021] 在施加到转动输出的可变负载是电机的情况下，所述电机一般是发电机。在这样的实施方式中，可变负载能够是对应于转动输出的期望负载扭矩的发电机电流。发电机能够是同步发电机。此外，控制器能够包括辅助控制器(即，嵌入环)，用于接收发电机电流的值的信息，并根据该发电机电流的值计算转动输出的实际扭矩。此外，控制器能够接收计算的实际涡轮扭矩，并使用扭矩查找表或其他计算工具来计算最佳转速和可变负载扭矩负载所需的值，由此转动输出在校正的转速转动。
[0022] 该辅助或嵌入式控制器能够实现速度的精确定标以及内部限制(例如以避免过速)的引入。外/主控制器能够基于目标工作状态或效率等级来计算期望的目标速度。辅助/嵌入式控制器能够使用主控制器输出作为其输入，计算期望目标负载以施加到涡轮以实现指定的目标速度。在这两个控制器之间，例如速度限制的非线性可以被应用，和/或控制器状态可以由独立系统(例如设计用于预测服务间隔的软件模块)监视。
[0023] 根据本发明的第二方面，本发明提供了一种用于引擎的增压系统，该系统包括：用于增加进入到引擎的气体压力的压缩机；如上定义的涡轮和被设置用于驱动压缩机的电动机。
[0024] 有利地，该压缩机和涡轮能够机械解耦。这允许涡轮通过改变被施加到转动输出的可变负载的值完全被控制。
[0025] 根据本发明的第三方面，本发明提供了用于调节涡轮速度的控制器，该控制器包括：用于接收关于涡轮的当前工作情况的信息的输入部；用于基于输入部接收的信息计算涡轮的最佳转速的分析器；以及被配置成提供校正信号给涡轮的输出部，其中该校正信号改变施加到涡轮的负载以增加或降低涡轮的转速，从而匹配最佳转速。
[0026] 在一些实施方式中，施加到涡轮的负载由发电机施加。
[0027] 在进一步实施方式中，关于涡轮的当前工作情况的信息是涡轮的膨胀比。
[0029] 优选地，控制器使用查找表来基于输入部接收的信息计算校正信号。控制器可以使用PID、滑动模式、状态空间或其他控制器来监视校正信号。分析器还可以使用查找表来计算涡轮的最佳转速。
[0030] 该方法关于稳定负载，且通常也关于不稳定负载。本发明的最大益处将在处于不稳定工作的引擎配备有涡轮复合的情形中可以看出。这可以包括处于非恒速(包括车辆引擎)、非恒定周围情况(包括改变高度的飞机引擎)和/或非恒定扭矩(包括负载校平或后备功率引擎)的引擎。该文件特别适用于电涡轮复合，但是本领域技术人员能够将该原理的一些应用于液压和离合/齿轮传动系统。
[0032] 在附图中示出了本发明的特定实施方式，其中：
[0033] 图1是根据本发明的涡轮和适合与本发明的控制器使用的涡轮的示意表示，其中涡轮以剖面图被示出以能够标识内部组件；
[0034] 图2是已知液压涡轮设计中的效率vs U/C的曲线图；
[0035] 图3示出了已知液压涡轮设计中效率vs膨胀比的曲线图；
[0036] 图4是在空气动力负载(例如压缩机)下涡轮的典型已知速度和扭矩响应；
[0037] 图5是根据本发明的控制图；
[0038] 图6是根据本发明的在涡轮负载下涡轮的示例速度和扭矩，允许高于标准的效率；
[0039] 图7是示出使用根据本发明的可替换实施方式的第二嵌入PID控制器的控制框图；
[0040] 图8是示出根据本发明的另一可替换实施方式的控制器的控制框图。
具体实施方式
[0041] 图1示出了用于从流体流提取能量并将该能量转换成有用功的涡轮10。该涡轮10典型地用在增压系统中，例如涡轮增压器。涡轮10包括连接到涡轮轴14的涡轮叶轮12。涡轮10还具有进气口16，引擎20的废气18仅由导管22等常规方式连接到该进气口16，由此从引擎气缸出来的燃气流驱动涡轮10。
[0042] 外壳30围绕涡轮轴14。一串永磁铁32围绕涡轮轴14设置并与其耦合。在示出的示例中，磁铁32形成围绕涡轮轴14的连续环，但是可以理解依据所需涡轮应用，环可以是不连续的。磁铁32典型地是4极NdFeB永磁铁。
[0043] 环绕磁铁32的是多个电线圈34。电线圈34典型地被设置在围绕涡轮轴14与永磁铁32的缝隙内。电线圈34相对于磁铁和转子的示例结构可以在申请人的共同未决的专利申请WO2011161408中找到。围绕涡轮轴14的电线圈34和磁铁用作利用来自涡轮轴14的转速的能量的同步发电机36(可替换地称为交流机或励磁机)。实际上，涡轮轴14用作发电机36的转子，而电线圈34用作定子。可替换地，通过以互补的方式(例如使用正电流)激励电线圈34，磁铁32和线圈34用作电动机，其作用于涡轮轴14。磁铁的精确朝向和排列对本发明不是关键的。
[0044] 当没有电流流过线圈34时，磁铁32用作阻碍涡轮轴14的转动的负载(根据楞次定律)。这是同步发电机36的固有负载。该负载是涡轮10的转速的函数，或更精确地，是涡轮轴14生成的扭矩的函数。
[0045] 发电机36的固有负载还取决于磁铁32和线圈34的场强。
[0046] 控制器40通过电连接42被电连接到涡轮10。下面将参考图5更详细描述控制器40。
[0047] 常规地，涡轮10上的负载是空气动力学负载(例如来自压缩机的输入空气)。但是，在压缩机与涡轮10之间没有直接链路的情况下(例如在全电涡轮增压器中)，该约束不再存在。因此，可能应用为涡轮10的所需工作速度和/或扭矩订制的定义的负载。
[0048] 图2是示出一串曲线110-150的曲线图100，该曲线表示在不同工作速度根据涡轮的叶尖速比(U/C)(x轴170)的涡轮效率(y轴160)。该叶尖速比是涡轮转速与流过叶片的空气速度的比。更广泛地，图2示出了随着涡轮速度增加，涡轮效率也增加。
[0049] 通常，涡轮速度不是独立变量，其是涡轮输出轴扭矩的函数，且由此是U/C的函数。因此，图1中示出的反向抛物线被合并成跟踪随着变化功率(U/C和速度一起改变)的涡轮行为的单抛物线。为了绘制涡轮效率与作为独立变量的涡轮速度，如在图2中常规地被视为理论运用；由于缺少涡轮速度控制，数据难以通过实验获得且与引擎设计具有有限相关。
[0050] 从图2能够看出：速度越高，涡轮效率越高。实际上，涡轮的性能在设计速度最佳(设计速度在图2中是155000RPM，但一般可以是任意速度)。在涡轮的设计速度之外，效率下降。性能和效率在设计速度最佳的说法是真的，除非在非常低的膨胀比(当废气进入到涡轮时的废气的入射或入口压力与当废气离开涡轮时的废气的输出或出口压力的比)。这由图3示出。
[0051] 图3是示出在不同涡轮工作速度210-250根据膨胀比270的涡轮效率响应260的曲线图200。在涡轮膨胀比大于1.6 272时，涡轮的最佳转动工作速度是155000RPM(线250)。随着涡轮膨胀比下降，达到阈值(在该情况中在点272示出膨胀比1.6)，其中在低于设计速度的速度达到最佳效率(且随着膨胀比进一步下降，在阈值以外，该速度逐渐更低)。例如，在图3中，在膨胀比1.5(点274)，涡轮的最佳效率在速度135000RPM(线240)达到，而不是在设计速度155000RPM(线250)达到。
[0052] 图4是示出与特定涡轮压缩机负载工作的涡轮的速度310vs功率320和扭矩330vs功率320的形式的曲线图300。如上所述，可以最佳优化涡轮效率的特性可以是在宽范围输入功率水平(或等同地在宽范围膨胀比)下工作在涡轮的设计速度。可以看出涡轮的速度310与涡轮的扭矩330之间的关系是随着增加的功率输入320的宽的抛物线。但是，图4中的等式形式是抛物线，不允许涡轮在任意但是一个输入功率水平达到设计速度。因此，涡轮效率很少达到其看上去那么高。此外，从图3和图4，可以理解如果涡轮轴上的扭矩负载是可变的(独立控制的)，则速度与U/C之间的传统联系被破坏。
[0053] 转到图5，示出框示意图，包括用于涡轮10的控制器40。控制器40操作用于控制提供给涡轮10的负载量，由此扩展膨胀比范围，其中涡轮40工作在其设计速度或设计速度附近。
[0054] 为了实现上述状况，控制器40使用例如查找表406的分析器基于膨胀比404或可用输入功率来计算速度目标402。查找表406基于模拟或测试数据，且在其包含的信息方面类似于图3。一旦该速度目标402已知，控制器40尝试使实际涡轮速度408与目标涡轮速度402协调。期望的涡轮或扭矩负载410是控制器40的输出，该输出然后被施加到可变负载/发电机36并被传递到涡轮10。
[0055] 控制器40确定发电机36提供在涡轮轴14所需的扭矩负载所必须的转子场强。当发电机36负载变化(例如增加)时，涡轮轴14上的扭矩负载由于电枢反作用的变化而变化(增加)。这降低了涡轮轴14的转速，因为发电机36从涡轮轴14提取了更多功率。
[0056] 但是，返回到图3，我们可以看出存在一些情形(依据膨胀比)，涡轮的转速降低是有利的。因此，通过了解膨胀比404且使用查找表406，控制器计算提供涡轮10的最大效率的目标速度402。这对应于涡轮轴14的特定扭矩负载410。
[0057] 设备(过程组合(将输入转变成输出的工作))和致动器(在该情况中是可变负载/电动机线圈/发电机)412将来自控制器40的输入所需扭矩负载410信号转变成输出信号，并将该信号提供给电动机线圈34。从该设备412的输出，可以确定涡轮的真实速度408。比例-积分-微分(PID)控制器414还用于经由反馈输入416计算真实速度408与设定目标速度402之间的误差值，以确定从一个情况到另一个情况的平滑转变。
[0058] 在一般机械术语中，控制器40的输出是施加到涡轮轴14的扭矩负载410。这种负载的一个示例是图1的发电机36。在该实施方式中，输出是发电机的电流值，其对应于期望的负载扭矩(电流到扭矩的传递函数是发电机特性的函数，尤其是电机常数Km)。由于发电机36是可逆的(能够正和负扭矩/正和负电流)，则控制器40以相同方式作用，甚至还能够在没有延迟的情况下达到目标速度。例如，通过用负电流激励发电机，发电机能够施加扭矩到涡轮轴14，对其加速而不是阻碍。
[0059] 该控制器40的效果是在较低膨胀比(以及较低的可用输入功率量)降低涡轮10上的扭矩负载410。这允许涡轮工作在较高速度(更接近设计速度)，改进效率。这通过图4和图6之间的比较示出。
[0060] 图6是示出涡轮工作在由控制器40控制的可变涡轮压缩机负载下的速度vs功率520和扭矩vs功率520的形式的曲线图500。与图4相比，图4中压缩机施加典型的恒定负载到涡轮轴14，在图6中，涡轮轴上的负载是可变的。这与图4中示出的恒定负载下的响应相比，使得扭矩和功率之间的响应更线性，响应于功率需求的速度响应更呈对数性。
[0061] 不是被约束到然后必须被同步到恒定负载的单一工作速度，产生图4的速度响应；在涡轮10的低工作速度，发电机的扭矩需求降低或甚至切换到负的，以允许涡轮快速达到最佳设计速度(在图4和6的情况中，190kRPM)。一旦涡轮轴14达到该设计速度，发电机36的工作速度可以被同步到涡轮轴14的设计速度。施加的发电机36的扭矩进一步增加，则提供生成的功率几乎线性增加。在工作范围，该行为会产生更高效率和U/C曲线上更浅的斜坡。
[0062] 假设电机(电动机/发电机)36能够调整施加到涡轮轴14的扭矩负载410，则涡轮10被驱动以在任意给定进气状态下工作在最佳效率情况。最佳电机扭矩直接被计算或其可以经由如上所述的最佳速度目标被计算。
[0063] 此外，涡轮10和发电机或电机36还能够通过公共轴或其他直接耦合被连接到压缩机(未示出)。在这种情况中，压缩机消耗的功率是速度(以及其他因素(例如压缩机压力比、空气密度等))的函数。因此，当该系统能够被调节以优化涡轮效率时，更好的方式可以是以涡轮性能(效率)和压缩机性能(效率)之间折中的条件平衡作为整体操作该系统。最佳折中在本文中不详细讨论，但是它们很大程度上取决于引擎所需的进气压。
[0064] 在一个实施方式中，控制器40基于耦合到涡轮轴14的发电机36产生的电压信号测量涡轮真实速度。涡轮10的膨胀比还通过设置在涡轮的废气上游和下游的流路径中的滞止压力传感器44来测量。通过使用存储在控制器40的存储器内的查找表406，控制器40确定涡轮10的最佳运行速度。使用该值，控制器40然后计算应当通过发电机定子的电流，作为与真实速度408和最佳速度402的差成比例的分量、与该差随时间的积分成比例的分量、以及与该差关于时间的微分成比例的分量(如图5中所示)。
[0065] 计算的目标电流然后通过使用二极管型无源整流电流将发电机输出整流成直流电流，且然后调节工作在固定开-关循环频率的IGBT(绝缘栅二极管)或MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)型开关的占空比(打开情况中花费的时间百分比)来使其流过发电机36。随着在其固定频率开-关循环内开关打开的时间百分比增加，更多的电流从发电机36流入较低电压负载(例如电池或车辆电气总线)。调节到开关设备的循环频率的电感和电容谐波电路确保电流随时间相对稳定(尽管开关的开-关操作)，且二极管或低端IGBT允许电流在开关关闭时从低压触头被提取。这种类型的调整电流称为PWM(脉宽调制)分压器。申请人共同未决申请WO2011161408的一个主题，是电流传感器和反馈控制器的结合，以在变化电压输入(对应于在该状态中发电机的可变工作状态)产生恒定电流，尤其是在非常高速的电机中实现稳定控制。
[0066] 依据电流和机械的特性，流过控制器40的电流可以有大变化，甚至在恒定开关占空比也是如此。如果存在该大变化，提供传感器来确定该电流产生的电流。该真实电流能够与上述控制器40确定的目标电流进行比较。在该实施方式中，如图7所示，其中等效的特征具有图5中所示的相同的附图标记，辅助的嵌入式反馈控制器420，具有其自己的PID结构，操作用于调节占空比422，直到达到目标电流。可替换地，如果电流随着给定占空比而变化，但是根据发电机速度渐进地和可预测地变化，则查找表可以足以确定给定目标电流和真实速度组合的正确的占空比。
[0067] 在控制器40的另一实施方式中，如图8中所示，涡轮10的压力比不是直接感测。而是，涡轮功率被计算为涡轮的速度450与实际扭矩452的乘积。该扭矩452根据辅助的嵌入式PID控制器测量的发电机电流和发电机的固有特性(其一般使发电机扭矩直接与放大级电流成比例，表达为电机常数Km)来计算。在该实施方式中，压力传感器被去除，可能降低系统成本。计算的涡轮扭矩452能够被直接用于，使用与上述不同的查找表454来经由设备458选择目标扭矩负载456和涡轮10的最佳速度。可替换地，可以根据已知涡轮速度、涡轮功率和涡轮效率映射数据(在查找表中单独测试和提供)来计算膨胀比。
[0068] 控制器的电流调整部分的另一实施方式是有源整流器。该整流器公知的具有从AC输入实现DC输出以及还实现可变压降的双功能。通过结合整流器与电流传感器可以实现恒定电流。这允许其用于流过发电机的电流不稳定的情形(例如，具有大范围工作速度的低阻抗电机)。
[0069] 上述的涡轮和控制系统的一种用途是使用在增压系统中，例如涡轮增压器。特别地，涡轮可以适合用于机械解耦的涡轮增压器，例如在申请人的较早专利GB 2444603中描述的。
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