DE2823261C2

DE2823261C2 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE2823261C2
Application number: DE2823261A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. 7141 Schwieberdingen Frister
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1978-05-27
Filing date: 1978-05-27
Publication date: 1985-05-23
Also published as: GB2021874B; FR2426998B1; FR2426998A1; SE7904477L; GB2021874A; DE2823261A1; US4253031A

Description

nung eines elektrischen Generators zu einem Abgasturboiadersystem,

F i g. 2 eine alternative Ausführungsfonn, bei der die magnetischen Feldlinien, die vom Läufer auf die Ständerwicklung einwirken, in der Hauptsache in axialer Richtung verlaufen,

F i g. 3 eine weitere alternative Ausführungsform eines elektrischen Generators in Kombination mit einem Abgasturbolader im Schnitt, bei der der Läufer wie bei der Ausführungsform der F i g. 2 am Verdichterrad befestigt ist und die magnetischen Feldlinien hauptsächlich in radialer Richtung verlaufen, und die

F i g. 4 und 5 zeigen mögliche Ausbildungsformen von Ständerwicklung in, auch in Form von Ständerteilsegmenten.

Beschreibung der Erfindungsbeispiele

Bevor im folgenden näher auf die dargestellten Ausführungsbeispiele eingegangen wird, wird darauf hingewiesen, daß sich das erfindungsgemäße Grundprinzip für alle möglichen Arten von elektrischen Maschinen eignet, die mit einem Abgasturboladersystem so kombiniert werden, daß die Maschinen nutzbare elektrische Leistung erzeugen können. Das Abgasturboladersystem ist dabei üblicherweise als Teil einer Brennkraftmaschine ausgebildet bzw. einer solchen so zugeordnet, daß dieser im Sinne einer Aufladung ein höherer Ladedruck als der durch ledigliche Ansaugung erzielbare zugeführt wird. Angetrieben wird der Abgasturbolader vom Abgasstrom, d. h. er steht in keiner mechanischen Verbindung mit sich drehenden Teilen der Brennkraftmaschine.

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung beruht darauf, daß das System eines Abgasturboladers so mit Elementen einer elektrischen Maschine kombiniert und vereinigt wird, daß sich ein Generator ergibt, beispielsweise ein Drehstromgenerator, Asynchrongenerator oder eine elektrische Maschine in sonstiger möglicher Ausbildung.

Die F i g. 1,2 und 3 zeigen zunächst in Prinzipdarstellung einen Abgasturbolader 1, bestehend aus einer Turbine, gebildet von einem Turbinenrad 2, und einem Verdichter, gebildet von einem Verdichterrad 3. Turbinenrad 2 und Verdichterrad 3 sitzen auf einer gemeinsamen, bei 4 und 5 gelagerten Welle 6.

Die Schmierung der Turboladerwelle 6 erfolgt über allgemein mit 7 bezeichnete Olzuführungskanäle, wobei bei den Ausführungsformen der F i g. 2 und 3 zwischen dem Turbolader-Wellenbereich und dem Generatorbereich Dichtungselemente 8 angeordnet sind.

Auf weitere Einzelheiten im Aufbau und h der Wirkungsweise des Abgasturboladers braucht nicht eingegangen zu werden, da diese nicht Gegenstand vorliegender Erfindung sind und Abgasturbolader in ihrem Aufbau und ihrer Wirkungsweise für sich gesehen auch bekannt sind.

Wesentlich bei vorliegender Erfindung ist aber, daß zwischen der Turbine (Turbinenrad 2) und dem Verdichter (Verdichterlaufrad 3) bzw. unmittelbar angrenzend an das Verdichterlaufrad 3 der Läufer 9 (Fig. 1), 9a (F i g. 2), bzw. 96 (F i g. 3) einer elektrischen Maschine angeordnet und drehfest mit der Welle 6 bzw. vorzugsweise mit dem Verdichterlaufrad 3 verbunden ist Diese Verbindung kann in bevorzugter Ausgestaltung auch trennbar sein, worauf weiter unten noch eingegangen wird.

Der Läufer 9,9a, 96 der elektrischen Maschine, übli

cherweise eines Drehstromgenerators 10, 10a, iOb, dreht sich daher mit Verdichterdrehzahl und tritt mit einem äußeren Ständer über einen Luftspalt in Wirkverbindung.

Bei der Darstellung der Fig. 1 ist der Läufer 9 etwa mittig zwischen Turbinenrad 2 und Verdichterrad 3 auf der diese beiden Abgasturboladerkomponenten verbindenden Welle 6 gelagert Der Läufer 9 besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus einer inneren zentralen

ίο Büchse 9', die über einen Radialflansch verfügt Die Büchse sitzt auf der Welle 6 und hält mit ihrem Radialfiansch und der durch diesen gebildeten Abschulterung den eigentlichen Magnetteil 9' des Läufers, der bevorzugt aus Permanentmagneten geeigneter Form und Auibaus besteht Das Ständerpaket 11 umfaßt die Ständerwicklung 11a sowie das laminierte Eisenpaket 116, welches beidseitig in von den auch die Lager 4 und 5 für die Abgasturboladerwelle 6 enthaltenden Gehäuseteilen 12 und 13 gebildeten Einpassen 12a und 126 gehalten ist Bei der Ausführungsform der F i g. 1 wirkt der Läufer 9 des so gebildeten elektrischen Generators über einen radialen Luftspalt auf den Ständerbereich ein.

Die folgenden Ausführungen gelten für sämtliche Ausführungsformen der F i g. 1 bis 3. Der Ständer kann eine Vielzahl von Wicklungen, auch in Form von Segmenten aufweisen und verfügt über mindestens ein Wicklungspaket, welches von den ihre Richtung und Intensität jeweils ändernden, vom Läufer 9 ausgehenden magnetischen Feldlinien durchflossen wird. Hierdurch wird in den Wicklungsteilen des Ständerpakets eine elektrische Spannung induziert.

Zur Erzeugung des sich bei rotierendem Läufer 9,9a, 9b ausbildenden magnetischen Wechselfeldes kann der Läufer als Polrad ausgebildet sein und über eingesetzte Dauermagneten verfügen, die, an sich in durchaus beliebiger Form und Ausbildung, so angeordnet sind, daß der jeweilige Luftspalt 14,14a, 146 bei Rotation des Läufers jeweils abwechselnd von einem in die Ständerwicklung eintretenden und austretenden Magnetfluß beeinflußt wird.

Es ist auch möglich, den Läufer 8 als Flußmodulator in Form eines Zahnrads zur Erzeugung der für die Induzierung einer Spannung in der Ständerwicklung erforderlichen Magnetflußpulsationen auszubilden. Schließlich kann der Läufer über eine Kurzschlußwicklung verfügen, so daß sich die hierdurch gebildete elektrische Maschine als Asynchrongenerator betreiben läßt. In der Ständerwicklung wird stets eine bei den hohen Drehzahlen erhebliche Spannung induziert, so daß ein soleher Generator auch bei relativ kleinem und einfachem Aufbau in der Lage ist eine erhebliche elektrische Leistung zu erzeugen. Die in der Ständerwicklung induzierte Spannung kann gleichgerichtet werden, was aber bei bestimmten elektrischen Verbrauchern etwa an Bord eines Kraftfahrzeugs nicht unbedingt erforderlich ist; daher kann bei unterschiedlicher Bewicklung von aufgeteilten Ständersegmenten auch nur eine teilweise Gleichrichtung für solche an das Bordnetz angeschlossene Verbraucher vorgenommen werden, die einer

Gleichstromspeisung bedürfen.

Vorteilhaft ist, daß bei den sich entwickelnden sehr hohen Drehzahlen entweder keine Kühlung erforderlich ist oder die Kühlung des Generators dadurch erfolgt, daß man vom Verdichterlaufrad, wie in F i g. 3 bei 15 gezeigt, einen Zweigluftstrom abzweigt und hiermit den Generator belüftet.

Die Ausführungsform eines elektrischen Generators der F i g. 2 unterscheidet sich zur Ausführungsform der

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F i g. 1 dadurch, daß der Läufer 9a unmittelbar angrenzend an das Verdichterlaufrad 3 angeordnet und befestigt ist und daß der Luftspalt, gesehen in Richtung des Verlaufs der magnetischen Feldlinien, axial verläuft. Das Ständerpaket 16 ist in einen eigenen Träger 17 eingepaßt, der als abgetreppte Scheibe mit radialer Haupterstreckung ausgebildet ist. Das Ständerpaket 16 ist ringförmig ausgebildet, wobei Läufer 9a und Ständerpaket in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind. Der Läufer 9a besteht aus einer unmittelbar am Verdichter- ι ο laufrad 3 befestigten Scheibe bzw. er sitzt auf der Welle 6 unmittelbar angrenzend an das Verdichterlaufrad und trägt einzelne, in ihn eingesetzte Permanentmagnete 18a, 186. Die von diesen Permanentmagneten 18a, 186 gebildeten Pole des Läufers 9a erstrecken sich in axialer Richtung auf die Ständerwicklung, die so ausgebildet ist, daß eine axial einwirkende Magnetfeldänderung in der Wicklung eine Spannung induziert.

Das Ausführungsbeispiel der F i g. 3 bildet wieder die an sich übliche Generatorform in radialer Schichtung aus, wobei der Läufer 9b aber ebenfalls am Verdichterlaufrad 3 befestigt bzw. unmittelbar angrenzend an dieses angeordnet ist Für das Ständerpaket 19 ist wiederum ein Trägerteil 20 vorgesehen, welches mit zugehörigen Gehäuseteilen auf der Verdichterseite des Abgasturboladers das Ständerlamellenpaket in einem Einpaß hält. Das Verdichterlaufrad 3 springt in Richtung auf die Turbinenseite nach innen vor und trägt mit diesem vorspringenden Bereich 3a den Läufer 9b. Die Orientierung des Luftspaltes bei dem Ausführungsbeispiel der F i g. 3 entspricht dem Aufbau der F i g. 1.

Zur Kühlung des Generatorbereichs allgemein und der Ständerwicklung im besonderen kann das Verdichterlaufrad 3 (siehe F i g. 3) von vorn nach hinten verlaufende, weiter vorn schon erwähnte Kanäle 15 aufweisen, die auch den angrenzenden scheibenförmigen Teil des Läufers 9b durchsetzen und so für einen auch die Ständerwicklung umfließenden Kühlluftstrom sorgen, der auf die Wirkung des Verdichterlaufrads 3 zurückzuführen ist

Ein solcher einem Abgasturbolader zugeordneter Generator unterliegt praktisch keinem Verschleiß, und zwar auch nicht bei den üblichen hohen Drehzahlen, da das einzige sich bewegende Teil, nämlich der Läufer 9, 9a, 9b entsprechend gekapselt und gegenüber äußeren Einwirkungen geschützt ausgebildet sein kann. Allerdings ergibt sich bei einem Abgasturbolader ein gewisser Verschleiß der Lager und der Turbinenräder, die daher gelegentlich ausgetauscht werden müssen. Damit nicht gleichzeitig auf die Generatorteile verlorengehen, sind entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung vorliegender Erfindung der Läufer und soweit erforderlich, der Ständer des Generators als Wechselteile ausgelegt, so daß sie wiederverwendet werden können. Der Läufer kann dann so auf seiner Antriebswelle 6 gelagert bzw. am Verdichterlaufrad befestigt sein, daß er sich trennen und auf die gleiche oder eine neue Welle nach Austausch der verschlissenen Abgasturboladerteile wieder aufsetzen läßt

Weitere Ausgestaltungen vorliegender Erfindung sind in den F i g. 4 und 5 gezeigt; es können in radialer Ringform um den Läufer 9, 9a, 96 eine Vielzahl von verschiedenen Wicklungen 21a, 216, 21c des Ständers angeordnet sein, in die unterschiedliche Spannungen induziert werden. So kann beispielsweise eines der Wicklungsteile, etwa 21a, über Gleichrichter das Gleichstrombordnetz eines Kraftfahrzeugs versorgen, während der Wicklungsteil 216 eine Wechselspannung zur Verfügung stellt, die separat Stromverbraucher bedienen kann oder beispielsweise der Scheibenheizung dient, so daß durch diese das Bordnetz nicht belastet wird. Die verschiedenen Wicklungssysteme oder Wicklungsteile können vom Ständer in Form eines oder mehrerer Segmente gebildet werden, wie dies die F i g. 4 und 5 zeigen.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine dient zur Stromerzeugung bei mit Abgasturboladereinrichtungen ausgestatteten Brennkraftmaschinen. Der Läufer ist auf der Welle des der Brennkraftmaschine zugeordneten und von deren Abgasen angetriebenen Abgasturboladers angeordnet Aufgrund der hohen Drehzahlen, mit denen ein Abgasturbolader im Normalbetrieb arbeitet, läßt sich ein entsprechend angetriebener Generator, insbesondere Drehstromgenerator bei gegebenen Abmessungen und sonstigen strukturellen Einzelheiten erheblich besser ausnutzen, da die magnetischen Feldlinien die Wicklungsteile mit höherer Geschwindigkeit schneiden.

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Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 daß der Läufer eine aber Schleifringe mit Gleichstrom Patentansprüche: versorgte Erregerwicklung trägt und die einzelnen Ma gnetpole durch geometrische Gegebenheiten im Läu-

1. Elektrische Maschine, vorzugsweise Dreh- ferbereich gebildet werden (Klauenpolläufer). Durch stromgenerator für Kraftfahrzeuge u-dgL, da- 5 Regelung des der Erregerwicklung zugeführten Gleichdur c h gekennzeichnet, daß der Läufer (9, Stroms erzielt man eine Anpassung der von dem Dreh-9a, 9b) auf der Welle (6) eines einer Brennkraftma- stromgenerator abgegebenen Leistung an die jeweilige schine zugeordneten Abgasturboladers (17) ange- Brennkraftmaschinendrehzahl. Dies ist aufwendig, zuordnet ist mal ein Verschleiß von Schleifringen und Kohlebürsten,

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn- io die aufeinander gleiten, nicht zu vermeiden ist zeichnet daß der Läufer zwischen Turbinenlaufrad Es ist auch bekannt zur Leistungssteigerung von (2) und Verdichterlaufrad (3) des Abgasturboladers Brennkraftmotoren sogenannte Abgasturbolader ein-(1) angeordnet ist und einen zylindrischradialen zusetzen, wobei der Antrieb des Verdichters, der also Luftspalt (10) zu dem äußeren den Läufer (9) ringför- der Ansaugverteilerleitung der Brennkraftmaschine eimig umfassenden Ständerpaket (11) bildet (F i g. 1). 15 nen erhöhten Ladedruck zuführt, mit Hilfe einer einstu-

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- Figen Turbine erfolgt die vom Abgasstrom der Brennkeniuehhnet daß zwischen den Polen (18*. 18b) des kraftmaschine beaufschlagt ist Der Verdichter selbst ist Läufers (9a; und den zugeordneten Ständerwicklun- üblicherweise als Radialgebläse ausgelegt welches zügen ein axialer Luftspalt (14a; besteht (F i g. 2). sammen mit dem Turbinenrad auf einer gemeinsamen

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 20 Welle sitzt Die Betriebsdrehzahlen eines Abgasturboladadurch gekennzeichnet daß der Stator mehrere ge- ders liegen je nach Bautyp zwischen 20 000 und 80 000 trennte Wicklungssysteme (21a, 216, 2IqJ aufweist oder mehr U/min, weisen aber im Normalbetrieb keine von denen mindestens eines über Gleichrichter an so großen Drehzahlschwankungen auf, wie dies bei eidas Bordnetz eines Kraftfahrzeugs angeschlossen ist ner Brennkraftmaschine zwischen Leerlauf und Maxi-(F i g. 4 und 5). 25 maldrehzahl im häufigen Wechsel der Fall ist

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet daß Läufer (9a, 9Z>, 9c) und Vorteile der Erfindung

Ständer (11,16.19) des Generators (10,10a, lOtyals

wiederverwendbare Wechselteile ausgebildet sind. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine (Gene-

6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 30 rator) mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptdadurch gekennzeichnet daß zur Kühlung des Ge- anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sich aufnerators (1), insbesondere der Ständerwicklungen grund der hohen Drehzahlen des Abgasturboladers der Kanäle (15) im Verdichterlaufrad (3) zur Bildung ei- Generator aufgabengemäß besser ausnutzen läßt als bei nes durch den Generator (iOb) geführten Zweigluft- konventionellem Antrieb von der Kurbelwelle der Stroms vorgesehen sind (F i g. 3). 35 Brennkraftmaschine aus. Vorteilhaft ist außerdem, daß

7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der Läufer als Polrad mit Dauermagneten ausgebildet dadurch gekennzeichnet daß der Läufer (9a, 9b) un- sein kann, also ohne jede schleifende Kontaktberührung mittelbar an das Verdichter'.aufrad (3) angebaut ist ist und dennoch infolge der sehr hohen Drehzahlen eine oder der scheibenförmige innere Teil des Läufers ausreichende Leistung durch das vom Läufer gebildete gleichzeitig ein Teil des Verdichterlaufrads (3,3b) ist 40 Magnetfeld in der Ständerwicklung induziert wird, derart daß der periphere Läuferkranz am Verdich- Alternativ ist es möglich, den Läufer mit Kurzschlußterlaufrad befestigt ist (F i g. 2 und 3). wicklung für Asynchrongeneratorbetrieb auszubilden;

auch hier sind keine Schleifkontakte für eine Stromzu-

führung oder Kommutierung erforderlich.

45 Die Kühlung des Generators läßt sich durch Löcher in der Rückwand des Verdichterrades des Abgasturbo-

Stand der Technik laders mit Hilfe eines Zweigluftstromes bewerkstelli

gen.

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Ma- Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten

schine nach der Gattung des Hauptanspruchs. Elektri- 50 Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und sehe Maschinen mit einem rotierenden Läufer und einer Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen den Läufer umgebenden stationären Ständerwicklung elektrischen Maschine möglich. Besonders vorteilhaft sind bekannt da es sich hier um den üblichen Aufbau ist, daß der Läufer und gegebenenfalls der Ständer eines beispielsweise von Wechselstromgeneratoren oder vor- so aufgebauten Generators als wieder verwendbare zugsweise Drehstromgeneratoren handelt, die etwa bei 55 Wechselteile ausgelegt werden können. Hierzu verfügt Kraftfahrzeugen Verwendung finden und ihren Antrieb der Läufer zweckmäßigerweise über eine geteilte Nabe, über einen Keilriemen von der Kurbelwelle einer so daß er sich von den nach längerem Betrieb auszu-Brennkraftmaschine ableiten. Solche bekannten Dreh- wechselnden Teilen des Abgasturboladers, also den Stromgeneratoren müssen für einen sehr großen Dreh- Turbinenrädern und den Lagern bzw. der Welle abziezahl bereich ausgelegt werden, in welchem sie nutzbare ω hen und trennen läßt. Leistung abzugeben haben. Dieser Drehzahlbereich erstreckt sich bei moderneren Drehstromgeneratoren von Zeichnung der Leerlaufdrehzahl bis zur Maximaldrehzahl bei

Brennkraftmaschinen, die 6000 min-'oder mehr errei- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der

chen kann. Es ergibt sich hierdurch etwa ein Drehzahl- 65 Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden verhältnis von 1 :6, gegebenenfalls höher, also ein ex- Beschreibung näher erläutert. Es zeigt trem breiter Drehzahlbereich. Es ist daher auch be- F i g. 1 in schematischer Darstellung in einer seitli-

kannt, solche Drehstromgeneratoren so auszuführen, chen Schnittdarstellung das Grundprinzip der Zuord-