DE102011119498A1

DE102011119498A1 - Rotationskolbenmotor und System aus einem Rotationskolbenmotor und einem Generator

Info

Publication number: DE102011119498A1
Application number: DE201110119498
Authority: DE
Inventors: Poul Henrik Woelfle; Paul Woelfle
Original assignee: Paul Andreas Woelfle; Poul Henrik Woelfle
Current assignee: WOELFLE, POUL HENRIK, DE
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2031-11-26
Also published as: DE102011119498B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System aus einem Rotationskolbenmotor und einem Generator, das dahingehend optimiert ist, dass der Generator zumindest zum Teil um den Rotationskolbenmotor herum angeordnet und in den Rotationskolbenmotor integriert ist, sowie einen Rotationskolbenmotor, der auf diesen Anwendungsfall angepasst ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotationskolbenmotor und ein System aus einem Rotationskolbenmotor und einem Generator. Rotationskolbenmotoren sind vorrangig in Trochoidenbauart bekannt. Bei solchen Motoren formen zumindest ein mittleres Gehäuse mit einer üblicherweise zweibogig trochoidenförmigen Innenkontur – auch Trochoide genannt – und dieses Gehäuse seitlich abschließende, seitliche Gehäuseteile – auch Seitenteile genannt – einen Arbeitsraum, in dem ein als Rotationskolben ausgebildeter und im Querschnitt üblicherweise die Form eines Dreiecks mit konvexen Seiten aufweisender Läufer – auch Rotor genannt – auf dem Exzenter einer zentralen Welle – auch Exzenterwelle genannt – rotiert. Die Exzenterwelle ist dabei in den Seitenteilen gelagert und außerhalb der Seitenteile mit Gegengewichten zum Rotor bzw. den Rotoren – auch Auswuchtgewichte genannt – versehen, um einen vollständigen Massenausgleich zu erreichen.
Rotationskolbenmotoren lassen sich aufgrund ihrer vergleichsweise kleinen Abmessungen, geringen Vibrationen und gleichmäßigen Leistungsabgabe hervorragend mit Generatoren verbinden. Um den Motor möglichst gut in den Generator zu integrieren und dadurch ein besonders kompaktes System zu erhalten, sind einige Optimierungen bekannt:
Die Exzenterwelle kann mit der Welle des Generators starr verbunden werden, oder es wird eine einteilige Welle verwendet, die gleichzeitig Exzenterwelle und Welle des Generators ist.
Das Auswuchtgewicht auf der dem Generator zugewandten Seite des Motors wird in den Rotor des Generators integriert, sodass Gewicht und Bauraum des Auswuchtgewichts eingespart werden kann.
Die Gehäuse von Motor und Generator können in einander integriert werden, um Bauraum zu sparen und die Einheit besonders kompakt zu gestalten. Sofern der Generator aufgrund seiner Leistung eine Flüssigkeitskühlung benötigt, kann der Flüssigkeits-Kreislauf des Motors dabei mit dem Flüssigkeits-Kreislauf des Generators kombiniert werden.
Trotz der genannten Optimierungen ist bei den bekannten Motor-Generator-Systemen nachteilig, dass Motor und Generator nebeneinander angeordnet sind. Dadurch bauen diese Systeme relativ breit, und die äußeren Dimensionen von Motor und Generator sind die begrenzenden Faktoren für die Gesamthöhe. In manchen Anwendungen wird jedoch ein besonders flach bauendes Motor-Generator-System benötigt. Um dies zu erreichen, muss der Motor möglichst flach konstruiert werden, was ab einem gewissen Punkt nachteilig für die Verbrennungsabläufe im Motor ist. Außerdem muss der Generator ebenfalls möglichst flach konstruiert werden, damit sein äußerer Umfang höchstens so groß ist wie der Umfang des Motors. Dadurch ist die Umfangsgeschwindigkeit des Generator-Rotors geringer als möglich, und es werden besonders starke Spulen und Magnete benötigt, um eine ausreichende Leistungsfähigkeit des Generators zu erreichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden ein System aus einem optimierten Motor und Generator anzugeben, das besonders kompakt und flach ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Innendurchmesser des Generators zumindest teilweise größer ist als der Außendurchmesser des Rotationskolbenmotors, sodass der Generator nicht neben dem Motor, sondern zumindest teilweise um den Motor herum angeordnet wird. Dadurch baut das System bei senkrecht stehender Exzenterwelle flacher als die bekannten Systeme, und es werden höhere Umfangsgeschwindigkeiten des Generators-Rotors erreicht, sodass die Spulen und Magnete des Generators kleiner, leichter und weniger stark ausgeführt werden können. Gleichzeitig bildet der Rotor des Generators eine größere Schwungmasse, sodass das Motor-Generator-System gleichmäßiger läuft.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung erlaubt, dass zwischen dem Rotationskolbenmotor und dem Generator ein Getriebe vorgesehen ist, sodass sich die Drehzahl des Generators in einem festen Verhältnis, in Stufen oder variabel zur Drehzahl des Motors ändert. Dies kann von Vorteil sein, um besonders hohe Drehzahlen oder eine möglichst konstante Drehzahl des Generators zu erreichen.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung erlaubt ebenfalls, dass der Rotor des Generators starr auf der Exzenterwelle des Motors befestigt ist. Dabei kann ein Auswuchtgewicht des Motors entfallen, indem seine Funktion in den Generator-Rotor integriert wird.
Wenn der Generator-Rotor dabei über die Mittelachse eines Rotationskolbenmotors mit nur einem Arbeitsraum – auch Einscheiben-Rotationskolbenmotor genannt – hinausragt, erlaubt die erfindungsgemäße Ausgestaltung außerdem, dass beide Auswuchtgewichte des Motors entfallen können und der Generator-Rotor durch entsprechende Ausgestaltung alleine als Gegengewicht zum Rotor des Motors dient.
Rotationskolbenmotoren sind mit zumindest einem Einlasskanal in den Arbeitsraum und zumindest einem Auslasskanal aus dem Arbeitsraum versehen. Diese sind je nach Bauart radial zur Exzenterwelle im mittleren Gehäuse und/oder beidseitig axial in den Seitenteilen angeordnet. Um einen besonders geringen äußeren Umfang des Motors und damit des Gesamtsystems zu erreichen, erlaubt die erfindungsgemäße Ausgestaltung bei einem Einscheiben-Rotationskolbenmotor, dass die Ein- und/oder Auslasskanäle ausschließlich in einem der beiden Seitenteile vorgesehen sind, und dass die Bauteile eines solchen Motors an die asymmetrische Auslegung angepasst sind.
Die Erfindungsgemäße Ausgestaltung erlaubt des Weiteren ein System aus Rotationskolbenmotor und Generator, bei dem der Generator-Rotor wie zuvor beschrieben auf der Exzenterwelle des Motors befestigt ist und der Stator des Generators in das mittlere Gehäuse des Motors integriert ist. Dadurch kann auch der Kühlkreislauf des Stators in das mittlere Gehäuse des Motors integriert werden, sodass das System insgesamt noch einfacher und kompakter wird.
Es ist verständlich, dass statt des üblicherweise eingesetzten Rotationskolbenmotors in Trochoidenbauart auch ein anderer Rotationskolbenmotor, beispielsweise ein Drehkolbenmotor, eingesetzt werden kann. Auch in diesem Fall kann das Gehäuse des Motors als Teil des Generators (Rotor und/oder Stator) genutzt werden.
Es ist ebenfalls verständlich, dass zur Befestigung, Lagerung, Kühlung, Schmierung, sowie elektrischen und mechanischen Steuerung, Regelung und Anbindung der eingesetzten Komponenten alle bekannten Bauteile und Verfahren angewandt werden können.
Im Folgenden werden in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigen:
1a/1b ein System aus einem herkömmlichen Einscheiben-Rotationskolbenmotor und einem Generator in Draufsicht und in Seitenansicht mit geschnittenem Generator.
2a/2b ein System aus einem für die Anwendung optimierten Einscheiben-Rotationskolbenmotor und einem Generator in Draufsicht und in Seitenansicht mit geschnittenem Generator-Rotor.
In allen Figuren werden für gleiche bzw. gleichartige Bauteile übereinstimmende Bezugszeichen verwendet. Es ist verständlich, dass die dargestellten Bauteile und Konturen lediglich beispielhaft sind und eine beliebige Kombination und Ausführung der beschriebenen Ausgestaltungen möglich ist.
1 zeigt einen Einscheiben-Rotationskolbenmotor (1) mit einem mittleren Gehäuse (2) und das mittlere Gehäuse (2) seitlich abschließenden Seitenteilen (3, 4), sowie einer Exzenterwelle (5). Der Rotor des Rotationskolbenmotors (1) ist nicht dargestellt. Im gezeigten Beispiel hat der Rotationskolbenmotor (1) einen radialen Einlass (6r), einen axialen Einlass (6a) und einen radialen Auslass (7). Auf der Exzenterwelle (5) ist neben dem einen Seitenteil (3) ein Auswuchtgewicht (8) als Gegengewicht zum Rotor des Rotationskolbenmotors (1) angebracht. Auf der gegenüberliegenden Seite des Rotationskolbenmotors (1) ist der Rotor (12) des Generators (11) angebracht. Er ist mit Magneten (13) versehen und asymmetrisch ausgeführt, damit er die Funktion eines ansonsten erforderlichen Auswuchtgewichts übernimmt. Außerhalb des Rotors (12) liegt der Statur (14) des Generators (11), der mit Spulen (15) versehen ist. Der Rotationskolbenmotor (1) befindet sich zum Teil innerhalb des Generators (11), und der Rotor (12) des Generators (11) kann sich um den Rotationskolbenmotor (1) drehen. Dadurch wird im Vergleich zu bekannten Motor-Generator-Systemen eine geringere Bauhöhe erreicht.
2 zeigt ein für die Anwendung optimiertes System aus Rotationskolbenmotor (1) und Generator (11). Wiederum ist ein Rotationskolbenmotor (1) mit mittlerem Gehäuse (2), Seitenteilen (3, 4) und einer Exzenterwelle (5) dargestellt.
Der Stator (14) des Generators (11) mit seinem Spulen (15) ist in diesem Fall in das mittlere Gehäuse (2) des Rotationskolbenmotors (1) integriert, und der Rotor (12) des Generators (11) mit Magneten (13) rotiert außen um den Stator (14).
Der für die Anwendung optimierte Rotationskolbenmotor (1) hat anders als in 1 nur in einem Seitenteil (3) einen seitlichen Einlass (6) und einen seitlichen Auslass (7), während im Seitenteil (4) keine Einlässe oder Auslässe vorgesehen sind. Dadurch kann das Seitenteil (4) schmaler ausgeführt werden, und der Rotationskolbenmotor (1) baut flacher. Darüber hinaus kann das Seitenteil (3) aus einem besonders hitzebeständigen Werkstoff hergestellt werden, während dies für das Seitenteil (4) nicht erforderlich ist. Außerdem ist der Auslass (7) weiter vom Generator (11) entfernt, sodass der Generator (11) besser vor der Abwärme des Auslasses (7) geschützt ist.
Außerdem sind anders als in 1 im mittleren Gehäuse (2) keine Einlässe (6) oder Auslässe (7) vorgesehen, und der Stator (14) ist direkt in das mittlere Gehäuse (2) integriert, sodass die Spulen (15) des Stators (14) vom Kühlkreislauf des mittleren Gehäuses (2) gekühlt werden. Folglich kann der Generator (11) in seinem Außendurchmesser kleiner ausgeführt werden.
Im dargestellten Beispiel ragt der Rotor (12) des Generators (11) über die Mitte des Rotationskolbenmotors (1). Der Rotor (12) ist mit einem auf Höhe des Massenschwerpunkts des nicht dargestellten Rotors des Rotationskolbenmotors (1) angebrachten Auswuchtgewicht (16) versehen. Dieses Auswuchtgewicht (16) reicht aus, um einen vollständigen Massenausgleich des Rotationskolbenmotors (1) zu erreichen. Der Rotationskolbenmotor (1) benötigt somit kein zusätzliches Auswuchtgewicht (8), sodass weiterer Bauraum eingespart werden kann.

Claims

System aus einem Rotationskolbenmotor (1) und einem Generator (11), dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des Generators (11) zumindest teilweise größer ist als der Außendurchmesser des Rotationskolbenmotors (1), sodass der Generator (11) nicht neben dem Rotationskolbenmotor (1), sondern zumindest teilweise um den Rotationskolbenmotor (1) herum angeordnet ist.
System aus einem Rotationskolbenmotor (1) und einem Generator (11) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rotationskolbenmotor und dem Generator ein Getriebe vorgesehen ist, sodass sich die Drehzahl des Generators in einem festen Verhältnis, in Stufen oder variabel zur Drehzahl des Motors ändert.
System aus einem Rotationskolbenmotor (1) und einem Generator (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (12) des Generators (11) auf der Exzenterwelle (4) des Rotationskolbenmotors (1) angeordnet und asymmetrisch ausgeführt ist, sodass er in Kombination mit einem zusätzlichen Auswuchtgewicht (8) einen vollständigen Massenausgleich des Motors herbeiführt.
System aus einem Einscheiben-Rotationskolbenmotor (1) und einem Generator (11), dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (12) des Generators (11) auf der Exzenterwelle (4) des Rotationskolbenmotors (1) angeordnet und mit zumindest einem Auswuchtgewicht (16) auf Höhe des Massenschwerpunkts des Rotors des Rotationskolbenmotors (1) versehen ist, sodass auch ohne ein zusätzliches Auswuchtgewicht (8) auf der Exzenterwelle (4) ein vollständiger Massenausgleich des Motors erreicht wird.
System aus einem Rotationskolbenmotor (1) und einem Generator (11) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (12) asymmetrisch ausgeführt ist, sodass auch ohne zusätzliche Auswuchtgewichte (8, 16) ein vollständiger Massenausgleich des Motors erreicht wird.
System aus einem Rotationskolbenmotor (1) und einem Generator (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (14) des Generators (11) mit seinem Spulen (15) zumindest Teilweise in das Gehäuse (2, 3 und/oder 4) des Rotationskolbenmotors (1) integriert ist.
System aus einem Rotationskolbenmotor (1) und einem Generator (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (14) des Generators (11) und das Gehäuse (2, 3 und/oder 4) des Rotationskolbenmotors (1) von einem gemeinsamen Kühlsystem gekühlt werden.
Rotationskolbenmotor (1), dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Einlässe (6) in den Arbeitsraum des Rotationskolbenmotors (1) nur in einem Seitenteil (3) vorgesehen sind, während im gegenüberliegenden Seitenteil (4) und im mittleren Gehäuse (2) kein Einlass vorgesehen ist.
Rotationskolbenmotor (1), dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Auslässe (7) aus dem Arbeitsraum des Rotationskolbenmotors (1) nur in einem Seitenteil (3) vorgesehen sind, während im gegenüberliegenden Seitenteil (4) und im mittleren Gehäuse (2) kein Auslass vorgesehen ist.
Rotationskolbenmotor (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile des Motors (2, 3, 4, 5, 6, 7 und weitere) an eine asymmetrische Auslegung nach Anspruch 8 oder 9 angepasst sind.
System aus einem Rotationskolbenmotor (1) und einem Generator (11) nach zumindest einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das der Rotationskolbenmotor (1) zumindest einem der Ansprüche 8, 9 und/oder 10 entspricht.