DE202013002034U1

DE202013002034U1 - Elektrische Maschine und Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE202013002034U1
Application number: DE201320002034
Authority: DE
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2013-04-04
Anticipated expiration: 2023-03-02

Abstract

Elektrische Maschine (1), die folgendes aufweist: – ein Gehäuse (2), das bezüglich einer Drehachse (3) stationär angeordnete erste Gehäuseelemente (4) und bezüglich der Drehachse (3) drehbar angeordnete zweite Gehäuseelemente (5) aufweist; – zumindest eine Brennkammer zur Verbrennung eines Kraftstoffes; – zumindest eine innerhalb des Gehäuses (2) angeordnete Umsetzeinrichtung zur Umsetzung bei der Verbrennung gewonnener Energie in Rotationsenergie der zweiten Gehäuseelemente (5); – an den ersten Gehäuseelementen (4) sind Statorwicklungen (24) angeordnet; – an den zweiten Gehäuseelementen (5) ist zumindest ein Magnet angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Generator.
Aus der WO 2003/067033 A1 ist eine elektrische Maschine bekannt, die als Schwenkkolbenmaschine ausgebildet ist und auch als ”Kugelmotor” bezeichnet wird. Derartige Kolbenmaschinen sind verhältnismäßig kompliziert aufgebaut und aufwendig zu fertigen.
Insbesondere für Hybridfahrzeuge werden heutzutage neue Motorkonzepte entwickelt, wobei teilweise Verbrennungsmotoren als sogenannte ”Range Extender” (Reichweitenverlängerer) eingesetzt werden, um, mit einem Generator betrieben, elektrische Energie für einen elektrischen Antriebsmotor bereitzustellen. Ein solches Konzept wird auch als serielles Hybridsystem bezeichnet, weil die Verbrennungsmotoren das Fahrzeug nicht selbst antreiben, sondern für die Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt werden.
Es besteht demnach der Bedarf, Verbrennungsmotoren im Hinblick auf ihre Eignung für die Verwendung in einem seriellen Hybridsystem weiterzubilden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine bereitgestellt, die ein Gehäuse aufweist, das bezüglich einer Drehachse stationär angeordnete erste Gehäuseelemente und bezüglich der Drehachse drehbar angeordnete zweite Gehäuseelemente aufweist. Sie weist ferner zumindest eine Brennkammer zur Verbrennung eines Kraftstoffes und zumindest eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Umsetzeinrichtung zur Umsetzung bei der Verbrennung gewonnener Energie in Rotationsenergie der zweiten Gehäuseelemente auf. An den ersten Gehäuseelementen sind Statorwicklungen angeordnet und an den zweiten Gehäuseelementen ist zumindest ein Magnet angeordnet.
Der Stator ist somit in das Gehäuse einer Verbrennungskraftmaschine integriert, Generator und Verbrennungskraftmaschine sind nicht mehr baulich voneinander getrennte Einheiten.
Die elektrische Maschine kann als Generator betrieben werden und elektrische Energie für einen elektrischen Antriebsmotor eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs bereitstellen. Insbesondere kann sie als Range Extender (Reichweitenverlängerer) eingesetzt werden. Sie kann mit gängigen Kraftstoffen, insbesondere Benzin oder Diesel, Erd- oder Biogas, betrieben werden.
Die elektrische Maschine benötigt nur einen geringen Bauraum, weil sie ohne Bauteile wie beispielsweise eine Nockenwelle auskommt. Vielmehr sind die Verbrennungskraftmaschine und der Generator in einer einzigen Maschine vereinigt, indem Magnete an rotierenden Bauteilen der Maschine angeordnet sind.
Die Umsetzeinrichtung kann beispielsweise ein Kolbenmotor, insbesondere ein Hubkolbenmotor oder ein Wankelmotor, sein. Es kann jedoch auch eine Turbine eingesetzt werden, beispielsweise eine Mikrogasturbine.
In einer Ausführungsform ist die Umsetzeinrichtung als Turbine, insbesondere als Mikrogasturbine, ausgebildet.
In einer Ausführungsform ist die Umsetzeinrichtung als Kolbenmaschine ausgebildet und weist zumindest einen ersten Kolben auf, der in dem Gehäuse bewegbar und um eine Drehachse drehbar angeordnet ist, wobei eine an eine erste Endfläche des ersten Kolbens angrenzende erste Brennkammer bei der Verbrennung des Kraftstoffs periodisch vergrößer- und verkleinerbar ist. Die Drehachse, um die der Kolben drehbar ist, muss nicht mit der Drehachse der zweiten Gehäuseteile zusammenfallen. Bei gängigen Typen von Wankelmotoren mit Exzenterwellen beispielsweise dreht sich die Drehachse des Kolbens um die der zweiten Gehäuseteile.
Bei dieser Ausführungsform wird die Bewegungsenergie des Kolbens in Rotationsenergie der zweiten Gehäuseelemente umgesetzt. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten. Beispielsweise kann die elektrische Maschine ein bezüglich der Drehachse stationäres Kurvenglied mit einer die Drehachse konzentrisch und vollumfänglich umgebenden Steuerkurve aufweisen, wobei der erste Kolben zumindest ein Führungselement aufweist, das mit der Steuerkurve in Kontakt steht. Bei dem Führungselement kann es sich beispielsweise um eine auf der Steuerkurve abrollende Fläche handeln. Dies ist bei einem Wankelmotor der Fall.
In einer Ausführungsform ist jedoch das Führungselement als Führungsglied ausgebildet, das mit der Steuerkurve in Eingriff steht. Dazu kann das Führungsglied beispielsweise Schenkel aufweisen, die das Kurvenglied zumindest teilweise umgreifen. Das hat zur Folge, dass sich der erste Kolben durch seine Hin- und Herbewegung an der Steuerkurve abstemmt und damit um die Drehachse rotiert. Das Führungsglied und die Steuerkurve können auch eine Verzahnung aufweisen.
In einer Ausführungsform ist der zumindest eine erste Kolben zwischen zwei Endstellungen hin und her bewegbar. Die Umsetzeinrichtung ist somit als Hubkolbenmaschine ausgebildet.
Die elektrische Maschine hat den Vorteil, dass sie wenig Bauraum beansprucht und kompakt, leicht und kostengünstig ist. Insbesondere kann sie sehr flach ausgebildet sein, also in einer Richtung besonders wenig Bauraum beanspruchen. Dies hat zur Folge, dass sie im Fahrzeug an bisher ungenutzten Stellen untergebracht werden kann, beispielsweise in einer Ersatzradmulde.
In einer Ausführungsform umfassen die ersten Gehäuseelemente eine erste Abdeckung der elektrischen Maschine, die als im Wesentlichen kreisförmige Scheibe senkrecht zur Drehachse angeordnet ist. Sie umfassen ferner einen zur ersten Abdeckung senkrechten Rand der ersten Abdeckung, auf dem das Kurvenglied mit der Steuerkurve und die Statorwicklungen angeordnet sind, sowie ein konzentrisch zur Drehachse angeordnetes zentrales Rohr. Als zentrales Rohr wird hier eine zentral gelagerte Hohlachse bezeichnet.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass das Kurvenglied, das eine verhältnismäßig große Masse aufweisen kann, als Teil des stationären Gehäuses ausgebildet sein kann. Insbesondere kann das Kurvenglied auch als Statorkern genutzt werden.
Die zweiten Gehäuseelemente umfassen in einer Ausführungsform eine zweite Abdeckung der elektrischen Maschine, die als im Wesentlichen kreisförmige Scheibe senkrecht zur Drehachse angeordnet ist. Sie umfassen ferner einen zur zweiten Abdeckung senkrechten Rand der zweiten Abdeckung, auf dem der zumindest eine Magnet angeordnet ist. Mit der zweiten Abdeckung sind Brennkammern verbunden, in denen die Kolben bewegbar gelagert sind.
Das hat den Vorteil, dass der Rand der zweiten Abdeckung entweder Magnete zur Erzeugung elektrischer Energie im Generatorbetrieb tragen kann oder dass mit ihm Elemente eines Zugmitteltriebs verbunden sein können.
Bei einer derartigen elektrischen Maschine kann die zweite Abdeckung parallel zur ersten Abdeckung angeordnet sein und mit dem ersten Rand und/oder dem zweiten Rand ein zylinderförmiges Gehäuse der elektrischen Maschine ausbilden. Ein derartiges zylinderförmiges Gehäuse hat den Vorteil, dass es besonders flach ausgebildet sein kann. Dazu sind der erste und der zweite Rand lediglich so hoch ausgebildet, dass die Kolben und die Brennkammern darin Platz finden. Auf diese Weise lässt sich eine sehr kompakte, insbesondere sehr flache elektrische Maschine bereitstellen.
In einer Ausführungsform sind die Brennkammern um das zentrale Rohr herum angeordnet, wobei die Bewegungsrichtung der Kolben auf das zentrale Rohr zu bzw. von diesem weg gerichtet ist.
Bei dieser Ausführungsform ergibt sich eine besonders einfache Geometrie für die Brennkammern. Insbesondere können diese auch als ein Gussteil gefertigt werden. Die elektrische Maschine weist relativ viele identische Teile auf und ist daher besonders einfach zu fertigen. Dieser Vorteil ist insbesondere gegenüber den verhältnismäßig kompliziert aufgebauten Kugelmotoren augenfällig.
In einer Ausführungsform ist das Kurvenglied als Statorkern der Statorwicklungen ausgebildet. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass kein separater Statorkern vorgesehen werden muss, sondern das ohnehin vorhandene Kurvenglied als solcher genutzt werden kann. Somit kann erheblich Gewicht eingespart werden.
In einer Ausführungsform weist das zentrale Rohr ein Ansaugrohr und ein Abgasrohr auf. Die Brennkammern werden somit zentral über das zentrale Rohr versorgt, Ansaugtrakt und Abgastrakt sind außerhalb des Gehäuses der elektrischen Maschine angeordnet. Somit kann auch in bekannter Weise eine Abgasnachbehandlung stattfinden.
Zur Versorgung der Brennkammern weist dabei das zentrale Rohr ein Einlassventil und ein Auslassventil auf, die als Schieberventile ausgebildet sind und die das Ansaugrohr bzw. das Abgasrohr mit den Brennkammern verbinden. Die Schieberventile können steuerbar sein. Die elektrische Maschine ist demnach insbesondere als Viertaktmaschine ausgebildet, weist also vorteilhaft einen geringen Kraftstoffverbrauch auf und ermöglicht eine effektive Abgasnachbehandlung.
In einer Ausführungsform ist der mindestens eine mit den zweiten Gehäuseelementen verbundene Magnet als Permanentmagnet ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform sind vorteilhaft eine Mehrzahl von Permanentmagneten über den Umfang der elektrischen Maschine verteilt angeordnet. Alternativ können anstelle der Permanentmagnete auch Rotorwicklungen eines Elektromagneten vorgesehen sein. Jedoch stehen heutzutage sehr leistungsfähige Permanentmagnete zur Verfügung und haben den Vorteil des geringen Bauraumbedarfs und des geringen Verschleißes. Ferner lassen sie mehr Freiheit beim Design der elektrischen Maschine, weil sich das Problem der Stromzuführung zu rotierenden Bauteilen nicht stellt.
In einer Ausführungsform ist die Steuerkurve spiegelsymmetrisch ausgebildet und weist zwei einander gegenüberliegende drehachsennächste Punkte p und zwei einander gegenüberliegende drehachsenfernste Punkte P auf, die oberen und unteren Totpunkten der Kolbenbewegung entsprechen.
Auf diese Weise lässt sich eine Viertaktmaschine realisieren: Befindet sich ein Kolben am ersten drehachsenfernsten Punkt P₁, wird der Kolben maximal weit aus der Brennkammer herausgezogen und es wird angesaugt. Bei der Annäherung an den ersten drehachsennächsten Punkt p₁, der gegen P₁ insbesondere um 90 Grad verdreht angeordnet sein kann, wird komprimiert. Am ersten drehachsennächsten Punkt p₁ wird gezündet. Bei der Annäherung an den zweiten drehachsenfernsten Punkt P₂ verrichtet der Kolben Arbeit. Am zweiten drehachsenfernsten Punkt P₂ beginnt der Auslasshub. Er ist am zweiten drehachsennächsten Punkt p₂ beendet und ein neuer Arbeitszyklus beginnt.
In einer Ausführungsform sind sechs Kolben vorgesehen, die derart zu drei Kolbenpaaren zusammengefasst sind, dass sich jeweils zwei auf einer Achse gegenüberstehen, die der Bewegungsrichtung der Kolben entspricht. Die Bewegung der gegenüberliegenden Kolben ist dann spiegelsymmetrisch. Eine Kolbenmaschine mit sechs Kolben hat den Vorteil, dass das Drehmoment bzw. die elektrische Energie gleichförmiger, d. h. ohne große zeitliche Schwankungen, zur Verfügung gestellt wird.
In einer Ausführungsform ist in dem zentralen Rohr eine Zündkerze angeordnet. Wenn die elektrische Maschine auf eine konstante Drehzahl ausgelegt ist, ist eine einzige Zündkerze ausreichend. Bei einer konstanten Drehzahl ist die eingeschränkte Zündwinkelverstellung vernachlässigbar.
In einer Ausführungsform trägt die zweite Abdeckung Vorsprünge zur Förderung eines Schmiermittels im Betrieb. Das hat den Vorteil, dass Schmiermittel, beispielsweise Öl, im Betrieb durch die Rotation der zweiten Abdeckung automatisch durch Strömung an den Vorsprüngen an die Brennkammerwand gespritzt wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit der beschriebenen elektrischen Maschine bereitgestellt. Das Kraftfahrzeug ist als Hybridfahrzeug ausgebildet und weist einen elektrischen Antriebsmotor auf, wobei die elektrische Maschine zur Bereitstellung elektrischer Energie für den elektrischen Antriebsmotor ausgebildet ist.
Aufgrund ihres geringen Bauraumbedarfs ist die elektrische Maschine besonders gut als Range Extender in einem Hybridfahrzeug geeignet. Sie kann als ”stand-alone-Einheit” ausgebildet sein, unabhängig von externen Kühl- und Schmiermittelkreisläufen. Sie ist daher ohne großen Aufwand nachrüstbar, demontierbar und austauschbar.
Aufgrund ihrer geometrischen Form und ihrer geringen Abmessungen kann die elektrische Maschine in einer Ersatzradmulde des Fahrzeugs angeordnet sein. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die elektrische Maschine nachgerüstet werden soll und ansonsten kein Bauraum zur Verfügung steht.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt schematisch einen Teilschnitt durch eine elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt schematisch einen Teilschnitt durch eine elektrische Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
3 zeigt schematisch einen Teilschnitt durch eine elektrische Maschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
4 zeigt schematisch einen Teilschnitt durch eine elektrische Maschine gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
5 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
6 zeigt schematisch eine perspektivische, teilgeschnittene Ansicht der elektrischen Maschine gemäß 5;
7 zeigt schematisch eine perspektivische, teilgeschnittene Ansicht der elektrischen Maschine gemäß 5 in einer anderen Schnittebene;
8 zeigt schematisch die elektrische Maschine gemäß 5 in einem ersten Arbeitstakt;
9 zeigt schematisch die elektrische Maschine gemäß 5 in einem zweiten Arbeitstakt;
10 zeigt schematisch die elektrische Maschine gemäß 5 in einem dritten Arbeitstakt und
11 zeigt schematisch die elektrische Maschine gemäß 5 in einem vierten Arbeitstakt.
1 zeigt eine elektrische Maschine 1 mit ersten Gehäuseelementen 4, die bezüglich einer Drehachse 3 stationär sind. Die ersten Gehäuseelemente 4 umfassen eine erste Abdeckung 6, die im Wesentlichen ring- oder kreisförmig ausgebildet ist. Ein Rand 7 der ersten Abdeckung 6, der konzentrisch um die Drehachse 3 herum angeordnet ist, trägt Statorwicklungen 24. Die ersten Gehäuseelemente 4 umfassen ferner ein zentrales Rohr 8, das konzentrisch um die Drehachse 3 angeordnet ist.
Die elektrische Maschine 1 weist ferner zweite Gehäuseelemente 5 auf, die im Betrieb um die Drehachse 3 rotieren. Die zweiten Gehäuseelemente 5 umfassen eine zweite Abdeckung 9, die in der hier gezeigten Ansicht im Hintergrund angeordnet ist und die sich parallel zur ersten Abdeckung 6 erstreckt. Sie umfassen weiter einen Rand 10 der zweiten Abdeckung 9, der konzentrisch zu dem Rand 7 der ersten Abdeckung 6 und der Drehachse 3 angeordnet ist und der Permanentmagnete 25 trägt, die den Statorwicklungen 24 gegenüberliegen.
Die elektrische Maschine 1 umfasst ferner eine in 1 nicht gezeigte Umsetzeinrichtung zur Umsetzung von bei einer Verbrennung gewonnener Energie in Rotationsenergie der zweiten Gehäuseelemente 5. Mögliche Bauweisen für eine derartige Umsetzeinrichtung werden anhand der folgenden Figuren erläutert.
Zunächst werden verschiedene Ausführungsformen der elektrischen Maschine 1 anhand der 2 bis 4 in Form von Prinzipdarstellungen erläutert. Diese unterscheiden sich voneinander jeweils in der Ausgestaltung der Umsetzeinrichtung. Anschließend wird die in 4 lediglich schematisch gezeigte dritte Ausführungsform in den folgenden Figuren detailliert dargestellt, wobei Einzelheiten dieser Darstellung auch auf die anderen Ausführungsformen übertragbar sind.
2 zeigt eine erste Ausführungsform, bei der die Umsetzeinrichtung als Mikrogasturbine 40 mit um die Drehachse 3 herum angeordneten Turbinenschaufeln 41 ausgebildet ist. Im Betrieb entspannt sich durch die Mikrogasturbine 40 strömendes Gas und überträgt dabei Impuls auf die Turbinenschaufeln 41. Die Turbinenschaufeln 41 sind drehfest mit den zweiten Gehäuseelementen 5 verbunden und versetzen diese somit in Rotation. Die mitrotierenden Permanentmagnete 25 induzieren eine elektrische Spannung in den stationären Statorwicklungen 24.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform, bei der die Umsetzeinrichtung als Wankelmotor 50 ausgebildet ist. Der Wankelmotor 50 umfasst einen als Läufer bezeichneten Kolben 51, der eine Außenkontur in Form eines bauchigen Dreiecks aufweist. Die Außenkontur rollt in einem Motorgehäuse 52 in Form einer elliptischen Acht ab. Zwischen dem Kolben 51 und dem Motorgehäuse 52 ist eine Brennkammer 55 gebildet. Der Kolben 51 weist eine Innenverzahnung 53 auf, deren Zähne mit denen eines Ritzels 54 ineinandergreifen. Das Ritzel 54 ist drehfest mit stationären ersten Gehäuseelementen 4 verbunden. Der Kolben 51 versetzt die Exzenterwelle in Rotation, die in dem Ritzel 54 gelagert ist. Diese Exzenterwelle bewegt die zweiten Gehäuseelemente 5 und versetzt diese im Betrieb in Rotation um die Drehachse 3. Die mitrotierenden Permanentmagnete 25 induzieren eine elektrische Spannung in den stationären Statorwicklungen 24.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform, bei der die Umsetzeinrichtung als Kolbenmaschine 60 ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform weist die elektrische Maschine 1 sechs Kolben 27 und zugehörige Brennkammern auf, in denen im Betrieb Kraftstoff verbrannt wird. Die Kolben 27 sind jeweils an ihrem Fußpunkt 21 mit einer Steuerkurve 23 eines Kurvenglieds 22 verbunden. Durch die Bewegung der Kolben 27 senkrecht zur Drehachse 3 aufgrund der Verbrennung stemmen sich die Kolben 27 an ihren Fußpunkten 21 an der Steuerkurve 23 ab und rotieren um die Drehachse 23. Die Kolben 27 sind drehfest mit zweiten Gehäuseelementen 5 verbunden und versetzen diese im Betrieb in Rotation um die Drehachse 3. Die mitrotierenden Permanentmagnete 25 induzieren einen elektrischen Strom in den stationären Statorwicklungen 24.
5 zeigt eine elektrische Maschine 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Detail. Die elektrische Maschine 1 weist eine Kolbenmaschine 60 auf, wie in der Prinzipdarstellung in 4 gezeigt.
Sie weist erste Gehäuseelemente 4 auf, die bezüglich einer Drehachse 3 stationär sind. Die ersten Gehäuseelemente 4 umfassen eine erste Abdeckung 6, die im Wesentlichen ring- oder kreisförmig ausgebildet ist und sich parallel zu einer durch die Linie 13 angedeuteten Ebene senkrecht zur Drehachse 3 erstreckt, sowie einen Rand der ersten Abdeckung 7, der senkrecht zur ersten Abdeckung 6 und konzentrisch um die Drehachse 3 herum angeordnet ist. Sie umfassen ferner ein zentrales Rohr 8 mit einer Wand 19, die konzentrisch um die Drehachse 3 angeordnet ist.
Die elektrische Maschine 1 weist ferner zweite Gehäuseelemente 5 auf, die im Betrieb um die Drehachse 3 rotieren. Die zweiten Gehäuseelemente 5 umfassen eine zweite Abdeckung 9, die im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet ist und sich parallel zur ersten Abdeckung 6 erstreckt. Sie umfassen weiter einen Rand 10 der zweiten Abdeckung 9, der konzentrisch zu dem Rand 7 der ersten Abdeckung 6 und der Drehachse 3 angeordnet ist. Die zweiten Gehäuseelemente 5 umfassen ferner insgesamt sechs durch einen Kolbenträger 26 gebildete, auch als Arbeitskammern bezeichnete Brennkammern 11 mit darin angeordneten, in 5 nicht sichtbaren Kolben. Der Kolbenträger 26 ist drehbar an dem zentralen Rohr 8 gelagert.
Das zentrale Rohr 8 erstreckt sich durch die gesamte elektrische Maschine 1 hindurch und ragt in beiden Richtungen über die Abdeckungen 6, 9 hinaus. An seinen beiden Enden weist das zentrale Rohr 8 Lüfter 18 auf, die im Betrieb entstehende Wärme abführen. In das zentrale Rohr 8 ragen ein Ansaugrohr 14 und ein Abgasrohr 15 zur Zufuhr bzw. Abfuhr von Gasgemisch. In der Wand 19 des zentralen Rohrs 8 sind Schieberventile 16 vorgesehen, die die Brennkammern 11 mit dem Ansaugrohr 14 bzw. dem Abgasrohr 15 verbinden können. Ferner ist in dem zentralen Rohr 8 eine Zündkerze 17 zur Zündung des Gasgemisches in den Brennkammern 11 angeordnet.
In der ersten Abdeckung 6 ist eine Öffnung 20 angeordnet zur Rückführung von am Kolben vorbeigeblasenem Gasgemisch in das Ansaugrohr 14 (blow-by return).
Auf der Innenseite des Rands 7 der ersten Abdeckung 6 ist ein Kurvenglied 22 angeordnet mit einer Steuerkurve 23. Die in 5 nicht gezeigten Kolben weisen eine Kolbenstange 12 auf, deren Fußpunkt 21 das Kurvenglied 22 umgreift. Die Kolben sind also an ihrem Fußpunkt stets mit dem Kurvenglied 22 verbunden.
Ferner trägt der Rand 7 Statorwicklungen 24, in denen im Betrieb eine elektrische Spannung induziert wird. Als Statorkern dient das Kurvenglied 22. Den Statorwicklungen 24 stehen an dem Rand 10 der zweiten Abdeckung 9 angeordnete Permanentmagnete 25 gegenüber.
6 zeigt eine weitere Ansicht der elektrischen Maschine 1. In dieser Ansicht ist erkennbar, dass die auf dem Kolbenträger 26 angeordneten Brennkammern 11 durch Rippen 31 miteinander verbunden sind, was die Wärmeabfuhr durch die vergrößerte Oberfläche erhöht. Als Kolbenarme 33 bezeichnete Bereiche der zweiten Gehäuseelemente 5 können als Luftleitschaufeln dienen, so dass sich diese Gehäuseteile bei der Rotation selbst kühlen.
Ferner ist in 6 schematisch eine Kraftstoffleitung 29 gezeigt, die zum Ansaugrohr 14 führt.
Auf der Innenseite der zweiten Abdeckung 9 sind Vorsprünge 30 angeordnet. Die Vorsprünge 30 haben die Aufgabe, zwischen den beiden Abdeckungen 6, 9 vorhandenes Schmiermittel in Bewegung zu halten und von der als Ölwanne dienenden zweiten Abdeckung 9 weg an die Zylinderwände und Kolbenböden zu spritzen. Dazu sind die Vorsprünge 30 als rein passive Elemente ausgebildet, durch die das Schmiermittel im Betrieb durch die Rotation der zweiten Abdeckung 9 in den Innenraum geleitet wird. Die Schmiermittelversorgung tritt somit als Nebeneffekt der Rotation auf. Die elektrische Maschine 1 ist in Bezug auf einen Schmiermittelkreislauf autark.
Sie ist weiter auch in Bezug auf einen Kühlkreislauf autark. Die elektrische Maschine 1 und insbesondere die Schieberventile 16 werden mittels durch das zentrale Rohr 8 strömender Luft gekühlt. Dadurch wird heiße Luft bereitgestellt, die beispielsweise für eine Beheizung eines Fahrzeuginnenraums oder zur Vorwärmung einer Batterie im Winter genutzt werden kann. Zur Kühlung tragen darüber hinaus die Rippen 31 bei sowie die schaufelförmig ausgebildeten Kolbenarme 33.
7 zeigt eine weitere Ansicht der elektrischen Maschine 1, wobei sich diese Ansicht von der in 6 gezeigten durch die Wahl der Schnittebene unterscheidet.
In dieser Ansicht sind die in den Brennkammern 11 beweglich gelagerten Kolben 27 erkennbar, deren Kolbenstange 12 an einem Fußpunkt 21 eine als Führungsglied dienende Umgreifung 28 des Kurvenglieds 22 aufweist.
In 7 ist die in der rechten Bildhälfte gezeigte Brennkammer 11 durch das Schieberventil 16 mit dem Abgasrohr 15 verbunden, die in der linken Bildhälfte gezeigte Brennkammer 11 ist durch das andere Schieberventil 16 mit dem Ansaugrohr 14 verbunden.
Die Arbeitsweise der elektrischen Maschine 1 wird nun anhand der 8 bis 11 näher beschrieben.
8 zeigt die elektrische Maschine 1 in einer halbschrägen Draufsicht, wobei der Übersichtlichkeit halber Teile der elektrischen Maschine 1 weggelassen wurden. Das Kurvenglied 22 weist die Steuerkurve 23 auf, die zwei drehachsenfernste Punkte P₁ und P₂ aufweist, die in den 8 bis 11 oben bzw. unten dargestellt sind. Sie weist weiter zwei drehachsennächste Punkte p₁, p₂ auf, die in den 8 bis 11 rechts bzw. links dargestellt sind. Die Punkte P₁, P₂, p₁ und p₂ entsprechen oberen und unteren Totpunkten der Kolbenbewegung.
Im Folgenden wird ein viertaktiger Arbeitszyklus desjenigen Kolbens 27 betrachtet, der in 8 am Punkt P₁ ist.
In 8 befindet sich der Fußpunkt 21 dieses Kolbens 27 am drehachsenfernsten Punkt P₁. Der Kolben 27 ist somit maximal aus der Brennkammer 11 herausgezogen. Durch das Schieberventil 16 strömt Gasgemisch aus dem Ansaugrohr 14 in die Brennkammer 11. 8 zeigt somit den Ansaugtakt. Im Folgenden bewegt sich der Fußpunkt 21 des Kolbens 27 auf der Steuerkurve 23 von dem drehachsenfernsten Punkt P₁ zum drehachsennächsten Punkt p₁. Der Kolben 27 bewegt sich daher in die Brennkammer 11 hinein, das Gasgemisch wird komprimiert.
In 9 hat sich der Kolben 27 um 90 Grad im Uhrzeigersinn gedreht, sein Fußpunkt 21 befindet sich somit nun am drehachsennächsten Punkt p₁. Der Kolben 27 taucht somit maximal weit in die Brennkammer 11 ein. Zu diesem Zeitpunkt zündet die Zündkerze 17 das maximal komprimierte Gasgemisch in der Brennkammer, was durch den Zündfunken 32 angedeutet ist.
Im Folgenden verrichtet der Kolben 27 bei der Annäherung an den zweiten drehachsenfernsten Punkt P₂ Arbeit. Am zweiten drehachsenfernsten Punkt P₂ beginnt der Auslasshub. Dies ist in 10 gezeigt.
Er ist beendet, wenn der Fußpunkt 21 des Kolbens 27 am zweiten drehachsennächsten Punkt p₂ angekommen ist. Dies ist in 11 gezeigt.
Während des Auslasshubes ist die Brennkammer 11 über das Schieberventil 16 mit dem Abgasrohr 15 verbunden. Am Punkt p₂ beginnt ein neuer Arbeitszyklus.
Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: elektrische Maschine
2: Gehäuse
3: Drehachse
4: erste Gehäuseelemente
5: zweite Gehäuseelemente
6: erste Abdeckung
7: Rand der ersten Abdeckung
8: zentrales Rohr
9: zweite Abdeckung
10: Rand der zweiten Abdeckung
11: Brennkammer
12: Kolbenstange
13: Linie
14: Ansaugrohr
15: Abgasrohr
16: Schieberventil
17: Zündkerze
18: Lüfter
19: Wand
20: Öffnung
21: Fußpunkt
22: Kurvenglied
23: Steuerkurve
24: Statorwicklung
25: Permanentmagnet
26: Kolbenträger
27: Kolben
28: Umgreifung
29: Kraftstoffleitung
30: Vorsprung
31: Rippen
32: Zündfunke
33: Kolbenarm
40: Mikrogasturbine
41: Turbinenschaufel
50: Wankelmotor
51: Kolben
52: Motorgehäuse
53: Innenverzahnung
54: Ritzel
55: Brennkammer
60: Kolbenmaschine
P₁: Punkt
P₂: Punkt
p₁: Punkt
p₂: Punkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2003/067033 A1 [0002]

Claims

Elektrische Maschine (1), die folgendes aufweist: – ein Gehäuse (2), das bezüglich einer Drehachse (3) stationär angeordnete erste Gehäuseelemente (4) und bezüglich der Drehachse (3) drehbar angeordnete zweite Gehäuseelemente (5) aufweist; – zumindest eine Brennkammer zur Verbrennung eines Kraftstoffes; – zumindest eine innerhalb des Gehäuses (2) angeordnete Umsetzeinrichtung zur Umsetzung bei der Verbrennung gewonnener Energie in Rotationsenergie der zweiten Gehäuseelemente (5); – an den ersten Gehäuseelementen (4) sind Statorwicklungen (24) angeordnet; – an den zweiten Gehäuseelementen (5) ist zumindest ein Magnet angeordnet.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, wobei die Umsetzeinrichtung als Turbine ausgebildet ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, wobei die Umsetzeinrichtung als Kolbenmaschine ausgebildet ist und zumindest einen ersten Kolben (27, 51) aufweist, der in dem Gehäuse (2) bewegbar und um eine Drehachse drehbar angeordnet ist, wobei zumindest eine an eine erste Endfläche des ersten Kolbens (27, 51) angrenzende erste Brennkammer (11, 55) bei der Verbrennung des Kraftstoffs periodisch vergrößer- und verkleinerbar ist;
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 3, wobei die elektrische Maschine (1) ein bezüglich der Drehachse (3) stationäres Kurvenglied (22) mit einer die Drehachse (3) konzentrisch und vollumfänglich umgebenden Steuerkurve (23) aufweist und der erste Kolben (27, 51) zumindest ein Führungselement aufweist, das mit der Steuerkurve (23) in Kontakt steht.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 4, wobei das Führungselement als Führungsglied ausgebildet ist, das mit der Steuerkurve (23) in Eingriff steht.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der zumindest eine erste Kolben (27) zwischen zwei Endstellungen hin und her bewegbar ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die ersten Gehäuseelemente (4) folgendes umfassen: – eine erste Abdeckung (6) der elektrischen Maschine (1), die als im Wesentlichen kreisförmige Scheibe senkrecht zur Drehachse (3) angeordnet ist; – einen zur ersten Abdeckung (6) senkrechten Rand (7) der ersten Abdeckung (6), auf dem das Kurvenglied (22) mit der Steuerkurve (23) und die Statorwicklungen (24) angeordnet sind; – ein konzentrisch zur Drehachse (3) angeordnetes zentrales Rohr (8).
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die zweiten Gehäuseelemente (5) folgendes umfassen: – eine zweite Abdeckung (9) der Kolbenmaschine (1), die als im Wesentlichen kreisförmige Scheibe senkrecht zur Drehachse (3) angeordnet ist; – einen zur zweiten Abdeckung (9) senkrechten Rand (10) der zweiten Abdeckung (9), auf dem der zumindest eine Magnet angeordnet ist; – mit der zweiten Abdeckung (9) sind die Brennkammern (11) verbunden, in denen die Kolben (27) bewegbar gelagert sind.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 8, wobei die zweite Abdeckung (9) parallel zur ersten Abdeckung (6) angeordnet ist und mit dem ersten Rand (7) und/oder dem zweiten Rand (10) ein zylinderförmiges Gehäuse (2) der Kolbenmaschine (1) ausbildet.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Brennkammern (11) um das zentrale Rohr (8) herum angeordnet sind, wobei die Bewegungsrichtung der Kolben (27) auf das zentrale Rohr (8) zu bzw. von diesem weg gerichtet ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei das Kurvenglied (22) als Statorkern der Statorwicklungen (24) ausgebildet ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 11, wobei die Steuerkurve (23) spiegelsymmetrisch ausgebildet ist und zwei einander gegenüberliegende drehachsennächste Punkte p₁, p₂ und zwei einander gegenüberliegende drehachsenfernste Punkte P₁, P₂ aufweist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die zweite Abdeckung (9) Vorsprünge (30) zur Förderung eines Schmiermittels im Betrieb trägt.
Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Kraftfahrzeug als Hybridfahrzeug ausgebildet ist und einen elektrischen Antriebsmotor aufweist, wobei die elektrische Maschine (1) zur Bereitstellung elektrischer Energie für den elektrischen Antriebsmotor ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 14, wobei die elektrische Maschine (1) in einer Ersatzradmulde des Fahrzeugs angeordnet ist.