DE102005019019A1 - Kurbelwellenantrieb mit einer integrierten Induktionsanordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kurbelwellenantrieb mit einer integrierten Induktionsanordnung, der eine in einem Kurbelwellengehäuse gelagerte Kurbelwelle mit wenigstens zwei Kurbelwellen-Lagerzapfen und einen im radialen Abstand von deren Drehachse ausgebildeten Pleuel-Lagerzapfen aufweist, wobei letzterer zwischen zwei Kurbelwellen-Wangen angeordnet ist, die mit den Kurbelwellen-Lagerzapfen verbunden und jeweils mit einer Schwungmasse versehen sind. Sie löst die Aufgabe, einen derartigen Kurbelwellenantrieb so zu gestalten, dass der Wirkungsgrad der Induktionsanordnung erhöht ist. Dazu trägt wenigstens eine Kurbelwellen-Wange (9) an ihrem Umfang Permanentmagnete (12), die zur Stromerzeugung oder zum Antrieb der Kurbelwelle mit einem im Kurbelwellengehäuse (1) fest angeordneten und aus Induktionsspulen gebildeten Stator (13) die Induktionsanordnung ausbildet.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Kurbelwellenantrieb mit einer integrierten Induktionsanordnung, insbesondere mit einem integrierten Starter und Generator bei einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs.
• Kurbelwellenantriebe mit einer integrierten Induktionsanordnung bei einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs anstelle eines außen am Verbrennungsmotor (Motor) befestigten Starters und Generators, die über Riemen- und Zahnradtriebe oder direkt von der Kurbelwelle außerhalb des Motors betrieben werden, sind bekannt. So beschreibt die DE 33 41105 A1 eine Induktionsanordnung, die durch wenigstens einen an einem beweglichen Teil des Motors angeordneten Permanentmagneten und wenigstens eine dem Permanentmagneten zugeordnete Induktionsspule (Stator) gekennzeichnet ist. Der Permanentmagnet ist dabei an einem linear beweglichen Element und die Induktionsspule an einem feststehenden Teil des Motors angeordnet, der Permanentmagnet beispielsweise an einem Ventilstößel oder Ventil und der Stator an der zugehörigen Ventilschaftführung. Die Anordnung kann mehrere Permanentmagnete und Induktionsspulen umfassen, wobei letztere zusammengeschaltet sind. Die in der wenigstens einen Induktionsspule induzierte Spannung und der Induktionsstrom werden durch einen Wandler gleichgerichtet und über diesen an die elektrischen Verbraucher und die Batterie des Kraftfahrzeugs angeschlossen. Die Vorteile der integrierten Induktionsanordnung liegen insbesondere in einem äußerst geringen Platzbedarf, einer kompakten Bauweise des Motors, einer Reduzierung der bewegten Bauteile, einer äußerst geringen Störanfälligkeit und Wartungsfreiheit sowie in einer Einsparung von Herstellungs- und Montagekosten und Gewicht.
• Ein derartiger Lineargenerator ist auch aus der DE 37 09 266 A1 bekannt, die ein Stromerzeugungsaggregat mit einem mehrzylindrigen Hubkolben Motor zum Gegenstand hat. Bei diesem ist jeder Kolben über eine Kolbenstange mit einem in einer Kreuzkopfführung geführten Kreuzkopf verbunden und letzterer wiederum über eine Pleuelstange an eine Kurbelwelle angeschlossen. In jedem Kreuzkopf sind die beweglichen Teile – Permanentmagnete bzw. Erregerspulen – und an den zugehörigen Kreuzkopfführungen die unbeweglichen Teile – Statoren – eines Lineargenerators angeordnet.
• Ferner ist mit der DE 36 14 006 A1 eine Druckmaschine mit rotierenden Zylindern bekannt geworden, bei der in einem der Zylinder ein Energiewandler angeordnet ist, der einen Teil der Rotationsenergie des Zylinders in elektrische Energie umwandelt. Eine Ausführung sieht vor, dass auf oder innerhalb des drehenden Zylinders um einen U-Kern eine Spule gewickelt ist. Außerhalb des Zylinders und gegenüber diesem feststehend ist ein Rückschluss mit einem Permanentmagneten derart angeordnet, dass während der Zylinderdrehung ein veränderlicher magnetischer Fluss in dem aus den beiden Elementen U-Kern und Rückschluss gebildeten magnetischen Kreis entsteht. Dieser veränderliche Magnetfluss induziert in der Spule eine elektrische Spannung, und es kann z.B. mit einem oder mehreren Magnetanordnungen, Rückschluss und Permanentmagnet eine Spannung in der Spule erzeugt werden.
• Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kurbelwellenantrieb mit einer integrierten Induktionsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, dass der Wirkungsgrad der Induktionsanordnung erhöht ist.
• Diese Aufgabe wird bei einem Kurbelwellenantrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
• Die Erfindung besteht darin, dass bei einem Kurbelwellenantrieb mit einer integrierten Induktionsanordnung, der eine in einem Kurbelwellengehäuse gelagerten Kurbelwelle mit wenigstens zwei Kurbelwellen-Lagerzapfen und einen im radialen Abstand von deren Drehachse zwischen zwei Kurbelwellen-Wangen ausgebildeten Pleuel-Lagerzapfen aufweist, wobei die Kurbelwellen-Wangen mit den Kurbelwellen-Lagerzapfen drehfest verbunden sind und eine Schwungmasse aufweisen, wenigstens eine Kurbelwellen-Wange an ihrem Umfang Permanentmagnete trägt, die mit einem kurbelwellenfesten Stator die Induktionsanordnung ausbildet. Die Anordnung der Permanentmagnete auf einer Kurbelwellenwange ist mit einer Erhöhung des Wirkungsgrades verbunden, da es beim Betrieb des Motors eine ständige Drehbewegung der Permanentmagnete ohne Unterbrechung und Bewegungsumkehr gibt. Daher kann diese Induktionsanordnung sowohl als Generator zur Stromerzeugung als auch als Starter für den Antrieb der Kurbelwelle und damit des Motors dienen. Bei einem Vierzylindermotor beispielsweise können acht Kurbelwellen-Wangen für eine derartige Induktionsanordnung genutzt werden. Dabei ist es von Vorteil, dass ohnehin vorhandener Bauraum im Bereich des Kurbelwellentriebes im Kurbelwellengehäuse und der Ölwanne genutzt wird. Zudem kommen die eingangs beschriebenen Vorteile der Lineargeneratoren, die uneingeschränkt auch bei dieser Induktionsanordnung zutreffen.
• Der Stator kann die Permanentmagnete umfangsseitig umgeben und mit diesen einen Ringspalt ausbilden, wobei die Permanentmagnete vorteilhaft auf einem Stahlblechring angeordnet und mit diesem verklebt sind. Dieser Ring kann lückenlos mit Permanentmagneten besetzt sein, und der Stator kann ein geschlossener Ring mit Induktionsspulen sein, um den vorhandenen Bauraum optimal zu nutzen und die Leistung zu maximieren. Die Verbindung des Stahlblechringes mit der Kurbelwellenwange kann durch eine Steckverzahnung, durch eine Pressverbindung, durch Schweißen oder durch jedes andere geeignete Fügeverfahren erfolgen.
• Die Montage erfolgt vorteilhaft in der Weise, dass zunächst eine Vormontageeinheit aus der Kurbelwelle, den Permanentmagneten und den Statorringen gebildet wird, wobei letztere mit Abstandshaltern lösbar auf dem Ring aus Permanentmagneten befestigt werden, und dass anschließend diese Vormontageeinheit in den Teil des zweigeteilten Kurbelgehäuse eingelegt wird, an den der Hubzylinder angeschlossen ist, die Abstandshalter entfernt und der Kurbelgehäusedeckel aufgeschraubt werden, wobei die Kurbelwellen-Lagerzapfen in am zylinderseitigen Teil des Kurbelgehäuse an Lagerstegen ausgebildeten Lagerhalbschalen und die Statorringe in die zwischen diesen gegebenen Räume positioniert werden. Anschließend werden auf die Lagerhalbschalen jeweils Lagerdeckel aufgeschraubt, die vorzugsweise an einem Zwischendeckel, einem sog. bed plate, ausgebildet sind, und der zweite Teil des Kurbelgehäuses bzw. der Kurbelgehäusedeckel aufgesetzt und mit dem zylinderseitigen Teil verschraubt, wodurch die Statorringe festgesetzt werden. Über diesen Zwischendeckel können die Statoren elektrisch miteinander verschaltet sein. Die elektrische Verbindung nach außen erfolgt über das Kurbelgehäuses bzw. die Ölwanne.
• Es sei erwähnt, dass auch zweigeteilte Statorringe möglich sind. Bei diesen wird die eine Hälfte vor der Kurbelwellenmontage im Kurbelgehäuse entsprechend positioniert und befestigt und nach dem Einlegen der Kurbelwelle der zweite Teil zusammen mit den Lagerdeckeln. Dabei müssen auch die elektrischen Verbindungen geschlossen werden.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
• 1: einen Schnitt durch ein Kurbelwellengehäuse mit einer integrierten Induktionsanordnung und
• 2: die in diesem angeordnete Kurbelwelle in der Hauptansicht mit der Induktionsanordnung im Schnitt.
• 1 zeigt ein zweigeteiltes Zylinderkurbel(wellen-)gehäuse 1 mit einem (unteren) Teil 1.1 und einem (oberen) Teil 1.2, die zugleich die Ölwanne bilden, wobei der obere Teil 1.2 mit einem Hubzylinder 2 direkt verbunden ist, in dem ein Hubkolben 3 angeordnet ist. Am Hubkolben 3 ist eine Pleuelstange 4 angelenkt, die über ein Pleuelstangenlager 5 mit einer Kurbelwelle 6 verbunden ist. Die Kurbelwelle 6, die in 2 in der Hauptansicht gezeigt ist, weist zwei Kurbelwellen-Lagerzapfen 7 und einen im radialen Abstand von deren Drehachse A ausgebildeten Pleuel-Lagerzapfen 8 auf, an dem die Pleuelstange 4 angeordnet ist. Der Pleuel-Lagerzapfen 8 ist dabei zwischen zwei Kurbelwellen-Wangen 9 angeordnet, die mit den Kurbelwellen-Lagerzapfen 7 verbunden sind und jeweils eine Schwungmasse 10 aufweisen.
• An den beiden Kurbelwellen-Wangen 9 ist jeweils umfangsseitig ein Ring 11 aus Stahlblech mit aufgeklebten Permanentmagneten 12 aufgepresst und somit drehfest angeordnet. Dem jeweiligen Ring 11 ist ein geschlossener Statorring 13 mit miteinander verschalteten Induktionsspulen (nicht dargestellt) zugeordnet, der mit dem Ring 11 bzw. den auf diesem angeordneten Permanentmagneten 12 einen Ringspalt 14 ausbildet und eine Induktionsanordnung darstellt. Der Statorring 13 ist an Anlageflächen 15 festgelegt, die im Innern der Teile 1.1 und 1.2 des Zylinderkurbelgehäuses 1 ausgebildet sind.

1

Zylinderkurbelgehäuse

1.1

unterer Teil

1.2

oberer Teil

2

Hubzylinder

3

Hubkolben

4

Pleuelstange

5

Pleuelstangenlager

6

Kurbelwelle

7

Kurbelwellen-Lagerzapfen

8

Pleuel-Lagerzapfen

9

Kurbelwellen-Wangen

10

Schwungmasse

11

Ring

12

Permanentmagnet

13

Statorring

14

Ringspalt

15

Anlagefläche

A

Drehachse

Claims (5)

1. Kurbelwellenantrieb mit einer integrierten Induktionsanordnung, mit einer in einem Kurbelwellengehäuse gelagerten Kurbelwelle mit wenigstens zwei Kurbelwellen-Lagerzapfen und einem im radialen Abstand von deren Drehachse ausgebildeten Pleuel-Lagerzapfen, wobei letzterer zwischen zwei Kurbelwellen-Wangen angeordnet ist, die mit den Kurbelwellen-Lagerzapfen verbunden sind und jeweils eine Schwungmasse aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kurbelwellen-Wange (9) an ihrem Umfang Permanentmagnete (12) trägt und mit einem im Kurbelwellengehäuse (1) fest angeordneten und aus Induktionsspulen gebildeten Stator (13) die Induktionsanordnung ausbildet.
2. Kurbelwellenantrieb nach Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (13) die Permanentmagnete (12) umfangsseitig umgibt und mit diesen einen Ringspalt (14) ausbildet.
3. Kurbelwellenantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (12) auf einem Ring (11) angeordnet sind, der mit der Kurbelwellen-Wange (9) pressverbunden ist.
4. Kurbelwellenantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (13) aus miteinander verschalteten Induktionsspulen besteht und ringförmig angeordnet ist.
5. Kurbelantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (13) zur Montage in das Kurbelwellengehäuse (1) mit entfernbaren Abstandshaltern auf den ringförmig angeordneten Permanentmagneten (12) angeordnet ist und mit der Kurbelwelle (9) und den Permanentmagneten (12) eine Vormontageeinheit bildet.