DE2823261A1 - Elektrische maschine - Google Patents

Elektrische maschine

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DE2823261A1 DE19782823261 DE2823261A DE2823261A1 DE 2823261 A1 DE2823261 A1 DE 2823261A1 DE 19782823261 DE19782823261 DE 19782823261 DE 2823261 A DE2823261 A DE 2823261A DE 2823261 A1 DE2823261 A1 DE 2823261A1
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Description

if
1300/ot/wi
2. Mai 1978
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine nach der Gattung des Hauptanspruchs. Elektrische Maschinen mit einem rotierenden Läufer und einer den Läufer umgebenden stationären Ständerwicklung sind bekannt, da es sich hier um den üblichen Aufbau beispielsweise von Wechselstromgeneratoren oder vorzugsweise Drehstromgeneratoren handelt, die etwa bei Kraftfahrzeugen Verwendung finden und ihren Antrieb über einen Keilriemen von der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine ableiten. Solche bekannten Drehstromgeneratoren müssen für einen sehr großen DrehζahIbereich ausgelegt werden, in welchen sie nutzbare Leistung abzugehen haben. Dieser Drehzahlbereich erstreckt sich bei moderneren Drehstromgeneratoren von der Leerlaufdrehzahl bis zur Maximaldrehzahl bei Brennkraftmaschinen, die 6000 min oder mehr erreichen können. Es ergibt sich hierdurch etwa ein DrehZahlverhältnis von 1:6, gegebenenfalls höher, also ein extrem breiter Drehzahlbereich. Es ist daher auch bekannt, solche Drehstromgeneratoren so auszuführen, daß der Läufer eine über Schleifringe mit Gleichstrom versorgte Erregerwicklung trägt und die einzelnen Magnetpole durch geometrische Gegebenheiten im Läuferbereich erzielt werden (Klauen polläufer). Durch Regelung des der Erregerwicklung zugeführten Gleichstroms erzielt man eine Anpassung der von dem Drehstromgenerator abgegebenen Leistung an die jeweilige Brennkraftmaschinendrehzahl. Dies ist aufwendig, zumal ein Verschleiß von Schleifringen und Kohlebürsten, die aufeinander gleiten, nicht zu vermeiden ist.
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X-
1300/ot/wi S
2. Mai 1978
Es ist auch bekannt, zur Leistungssteigerung von Brennkraftmotoren sogenannte Abgasturbolader einzusetzen ■, wobei der Antrieb des Verdichters, der also der Ansaugverteilerleitung der Brennkraftmaschine einen erhöhten Ladedruck zuführt, mit Hilfe einer einstufigen Turbine erfolgt, die vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine beaufschlagt ist. Der Verdichter selbst ist üblicherweise als Radialgebläse ausgelegt, welches zusammen mit dem Turbinenrad auf einer gemeinsamen Welle sitzt. Die BetriebsdreLzahlen eines Abgasturboladers liegen je nach Bautyp zwischen 20 000 und 80 000 oder mehr U/min, weisen aber im Normalbetrieb keine so großen Drehzahlschwankungen auf, wie dies bei einer Brennkraftmaschine zwischen Leerlauf und Maximaldrehzahl im häufigen Wechsel der Fall ist.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine (Generator) mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sich aufgrund der hohen Drehzahlen des Abgasturboladers der Generator besser ausnutzen läßt als bei konventionellem Antrieb von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine aus. Vorteilhaft ist außerdem, daß der Läufer als Polrad mit Dauermagneten ausgebildet sein kann, also ohne jede schleifende Kontaktberührung ist und dennoch infolge der sehr hohen Drehzahlen eine ausreichende Leistung durch das vom Läufer gebildete Magnetfeld in der Ständerwicklung induziert wird.
Alternativ ist es möglich, den Läufer mit Kurzschlußwicklung für Asynchrongeneratorbetrieb auszubilden; auch hier sind keine Schleifkontakte für eine Stromzuführung oder Kommutierung erforderlich.
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Die Kühlung des Generators läßt sich durch Löcher in der Rückwand des Verdichterrades des Abgasturboladers mit Hilfe eines Zweigluftstromes bewerkstelligen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen elektrischen Maschine möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß der Läufer und gegebenenfalls der Ständer eines so aufgebauten Generators als wieder verwendbare Viechselteile ausgelegt werden können. Hierzu verfügt der Läufer zweckmäßigerweise über eine geteilte Nabe, so daß er sich von den nach längerem Betrieb auszuwechselnden Teilen des Abgasturboladers, also den Turbinenrädern und den Lagern bzw. der Welle abziehen und trennen läßt.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 in schematischer Darstellung in einer seitlichen Schnittdarstellung das Grundprinzip der Zuordnung eines elektrischen Generators zu einem Abgasturboladersystem, Fig. 2 eine alternative Ausführungsform, bei der die magnetischen Feldlinien, die vom Läufer auf die Ständerwicklung einwirken, in der Hauptsache in axialer Richtung verlaufen, Fig. 3 eine weitere alternative Ausführungsform eines elektrischen Generators in Kombination mit einem Abgasturbolader im Schnitt, bei der de- Läufer wie bei der Ausführungsform der Fig. 2 am Verdichterrad befestigt ist und die magnetischen Feldlinien hauptsächlich in radialer Richtung verlaufen, und die Figuren 4 und 5 zeigen mögliche Ausbildungsformen von Ständerwicklungen, auch in Form von Ständerteilsegmenten.
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Beschreibung der Erfindungsbeispiele
Bevor im folgenden näher auf die dargestellten Ausführunrrsbeispiele eingegangen wird, wird darauf hingewiesen, dal 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 Abgasturbolader 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 Figuren 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 sitzen auf einer gemeinsamen, bei 4 und 5 gelagerten Welle
Die Schmierung der Turboladerwelle 6 erfolgt über allgemein mit 7 bezeichnete ölzuführungskanäle, wobei bei den Ausführungsformen der Figuren 2 und 3 zwischen dem Turbolader-Wellenbereich und dem Generatorbereich Dichtungselemente 8 an-
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geordnet sind.
Auf weitere Einzelheiten im Aufbau und in 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 (Fig. 2), bzw. 9b (Fig. 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, 9b der elektrischen Maschine, üblicherweise eines Drehstromgenerators 10, 10a, 10b, 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 Büchse 9', die über einen Radialflansch verfügt. Die Büchse sitzt auf der Welle 6 und hält mit ihrem Radialflansch und der durch diesen gebildeten Abschulterung den eigentlichen Magnetteil 9" des Läufers, der bevorzugt aus Permanentmagneten geeigneter Form und Aufbaus besteht. Das Ständerpaket 11 umfaßt die Ständerwicklung 11a sowie das
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laminierte Eisenpaket 11b, welches beidseitig in von den auch die Lager 4 und 5 für die Abgasturboladerwelle G enthaltenden Gehäuseteilen 12 und 13 gebildeten Einpassen 12a und 12b gehalten ist. Bei der Aus führungsform der Tig. 1 wirkt der Läufer 1J des so gebildeten elektrischen Generators über einen radialen Luftspalt auf den Ständerbereich ein.
Die folgenden Ausführungen gelten für sämtliche Ausführungsformen der Figuren 1 bis 3. Der Ständer kann eine Vielzahl von Wicklungen, auch in Form von Segmenten aufweise-) und verfügt über mindestens ein Wicklungspaket, welches von den ihre Richtung und Intensität jeweils ändernden, vom Läufer 1 auegehenden magnetischen Feldlinien durchflossen wird. Hierdurch wird in den '.«'icklungsteilen des Stünderpakets eine ~le!:trische Spannung induziert.
Zur LrZeugung des sich bei rotierendem Lauf r 1J, Da, 9b ausbildend η magnetischen Viechseifeldes kann der Läufer als Polrad ausgebildet sein und über eingesetzte Dauernutgneten verfügen, die, an sich in durchaus beliebiger Form und Ausbildung, so angeordnet sind, daß der jeweilige Luftspalt 14, 14a, 14b bei Rotation des Läufers jeweils abv/echselnd von einen in die Stünderwicklung eintretenden und austretenden Magnetfluß beeinflußt v/ird.
i;s ist auch möglich, den Läufer J als Flußmodulator in Form eines Zahnrads zur Erzeugung der für die Induzieruno· einer Spannung in der 3tänderwicklun<T 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 Stünderwicklung wird stets eine bei den hohen Drehzahlen erhebliche Spannung induziert, so daß ein solcher
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Generator auch bei relativ kleinen und einfachen Aufbau in der Lage ist, eine erhebliche elektrische Leistung zu erzeugen. Die in der Ständerwicklung induzierte Spannung kann gleichgerichtet v/erden, 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 teilv;eise Gleichrichtung £Ür 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 Fig. 3 bei 15 gezeigt, einen Zweigluftstrom abzweigt und hiermit den Generator belüftet.
Die Ausführungsform eines elektrischen Generators der Fig. 2 unterscheidet sich zur Ausführungsform der Fig. 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 Ilaupterstreckung 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 Verdichterlaufrad 3 befestigten Scheibe bzw. er sitzt auf der Welle 6 unmittelbar angrenzend an das Verdichterlaufrad und trägt einzelne, in ihn eingesetzte Permanentmagnete 18a, 18b. Die von diesen Permanentmagneten 18a, 18b gebildeten Pole des Läufers 9a erstrekken sich in axialer Richtung auf die Ständerwicklung, die so
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ausgebildet ist, daß eine axial einwirkende Magnetfeldänderung in der Wicklung eine Spannung induziert.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 bildet wieder die an sich übliche Generatorform in radialer Schichtung aus, wobei der Laufer 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 Einuaß 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 Luftspaltea bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 entspricht dem Aufbau der Fig. 1 .
Zur Kühlung des Generatorbereichs allgemein und der Ständerwicklung im besonderen kann das Verdichterlaufrad 3 (s. Fig.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 auch die Generatorteile verlorengehen, sind entspre-
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chend einer vorteilhaften Ausgestaltung vorliegender Erfindung der Läufer und soweit erforderlich, der Ständer den Generators als V7echselteile ausgelegt, so daß sie wiederverwendet werden können. Der Läufer kann dann so auf sei.ier Antriebswelle 6 gelagert bzw. am Verdichterlaufrad befestigt sein, dan er sich trennen und auf die gleiche oder eine neue Welle nach Austausch der verschlissenen Abgasturboladerteile wieder aufsetzen läßt.
'-.'eitere Ausgestaltungen vorliegender Erfindung sind in den Figuren 4 und 5 gezeigt; es können in radialer Ringforra um den Läufer 9, 9a, 9b eine Vielzahl von verschiedenen Wicklungen 21a, 21b, 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 21b 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 Figuren 4 und 5 zeigen.
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Claims (11)

  1. Dipl. Ing. Peter Ott· 7033 Herrenberg (Kuppingen)
    Patentanwalt EifelstraBe 7
    Telefon (O 70 32) 319 99
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    2. Mai 1973
    Firma Robert Bosch GmbH, 7000 Stuttgart
    Patentansprüche;
    Elektrische Maschine mit einem rotierenden Läufer und einer diesen umgebenden, stationären Ständerwicklung, vorzugsweise Wechselstromgenerator, Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge u. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (9, 9a, 9b) auf der Welle (6) eines einer Brennkraftmaschine zugeordneten Abgasturboladers (1) angeordnet ist.
  2. 2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer zwischen Turbinenlaufrad (2) und Verdichterlaufrad (3) des Abgasturboladers (1) angeordnet ist und einen zylindrisch-radialen Luftspalt (10) zu dem äußeren den Läufer (9) ringförmig umfassenden Ständerpaket (11) bildet. (Fig. 1)
  3. 3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Polen (18a, 13b) des Läufers (9a) und den zugeordneten Ständerwicklungen ein axialer, ringförmiger Luftspalt (14a) besteht und daß Läufer (9a) und Ständerpaket (16) in axialer Schichtung hintereinanderfolgend angeordnet sind. (Fig. 2)
  4. 4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator mehrere getrennte Wicklungssysteme (21a, 21b, 21c) aufweist, von denen mindestens eines
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    über Gleichrichter an das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs angeschlossen ist. (Figuren 4 und 5)
  5. 5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Läufer (9a, 9b, 9c) und Ständer (11, 16, 19) des Generators (10, 10a, 10b) als wiederverwendbare Wechselteile ausgebildet sind.
  6. 6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (9) lösbar auf der Welle (6) des /vbgas turbolader s angeordnet ist.
  7. 7. Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 0, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung des Generators (1), insbesondere der Ständerwicklungen Kanäle (IiS) im Verdichter lauf rad (3) vorgesehen sind zur Bildung eine.T durch den Generator (10b) geführten Zweigluftstroms vom Verdichter, (rig. 3)
  8. 3. Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (9a, 9b) unmittelbar an das Verdichterlaufrad (3) angebaut ist oder der scheibenförmige innere Teil des Läufers gleichzeitig ein Teil des Verdichterlaufrads (3, 3b) ist derart, daß der periphere Läuferkranz am Verdxchterlaufrad befestigt ist. (Figuren 1 und 3)
  9. 9. Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer als Polrad mit Dauermagneten ausgebildet ist.
  10. 10. Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer als zahnradförmi-
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    rrer Flufinioclulator zur Erzeugung der Magnetflußpulsationen ausgebildet ist.
  11. 11. Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8f dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer zur Bildung eines Asynchrongenerators eine Kurzschlußwicklung aufweist.
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