DE3132805C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Luftturbinen-Generator für Geschosse und insbesondere eine Lageranordnung für die Welle solcher Turbinen- Generatoren.

Luftturbinen-Generatoren zur Verwendung in Geschossen sind aus dem Britischen Patent 13 88 533 bekannt, das einen Generator und dessen Betriebsbedingungen beschreibt. Zu diesen Betriebsbedingungen oder Arbeitsbedingungen gehört, daß die Turbine einer starken und veränderlichen Axialkraft ausgesetzt ist, sowohl infolge der Schub­ wirkung der Luft gegen die Turbine und infolge der Trägheit des Rotors (d. h. Turbine, Generator-Rotor und Welle) beim Abschuß.

In dem obengenannten Patent wird versucht, die Betriebszeit des Generators zu verlängern, zu welchem Zweck der Rotor an separaten Punkten durch Kugellagerlaufringe für axiale und radiale Abstützung gehalten ist, und es ist ein Strömungweg für Luft längs eines Durchganges in der Welle vorgesehen, um die Lager zu schmieren und zu kühlen. Eine solche Kühlung in Kombination mit Kugellagerung führt zu einer verlängerten Betriebsdauer. Eine axiale Bewegung der Welle relativ zu den Lagern wird durch ein Paar Tellerfedern er­ möglicht, die die Bewegung begrenzen und normale Luftdrücke auf die Turbine aufnehmen, es der Welle jedoch erlauben, sich beim Ab­ schuß bzw. Rückstoß an den Statorkörper anzulegen, um eine Rotation zu verhindern, bis der Luftstrom zum Lager einsetzt.

Die beschriebene Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, sehr teuer zu sein. Bei einem relativ aufwendigen Geschoß, das selbst sehr teuer ist, mögen diese Kosten gerechtfertigt sein, für ein Projektil, wie z. B. eine Artillerie-Granate, bei der die Flugzeit in der Größenordnung von weniger als 2 Minuten liegt, und dessen Kosten niedriger sind, ergibt sich entsprechend die Forderung, daß Turbine und Generator, die in Verbindung mit einer solchen Granate verwendet werden sollen, einfach und billig im Aufbau sein sollen, jedoch zuverlässig während der Flug­ zeit arbeiten sollen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Turbine mit Generator für ein Geschoß zu schaffen, das diese Voraussetzungen erfüllt.

Gemäß der Erfindung wird dies erreicht durch einen Generator mit einem Stator, der eine elektromagnetische Wicklung trägt und ein ferromagnetisches Joch aufweist, daß die Wicklung um einen axialen Durchgang durch den Stator gewickelt ist, eine Welle aus nicht­ magnetischem Material, die sich durch den Durchgang erstreckt und über einen Teil ihrer Länge in dem Durchgang mittels Wälzlagern gelagert ist, die die Welle gegen eine radiale Bewegung relativ zu dem Stator abstützten, wobei die Welle einen Permanentmagnet- Rotor trägt und ein Ende geeignet ist, ein Flügelrad oder einen Propeller zu tragen, der in Richtung der Bewegung des Geschosses liegt, in welchem der Generator angeordnet ist, um Schubluft aufzu­ fangen, die axial zur Welle strömt, um die Welle in Rotation zu ver­ setzen, während das andere Ende der Welle im wesentlichen eben aus­ gebildet ist und in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Welle liegt, daß ferner ein axiales Drucklager mit einer Druckplatte vor­ gesehen ist, das den Teil des axialen Durchganges abschließen kann, der das Wälzlager und die Welle enthält, ferner mit einer Kugellagerung, die in einer Aussparung der Druckplatte angeordnet ist, derart, daß sie an diesem anderen Ende der Welle durch elastische Mittel anliegend gehalten ist, die zwischen der Druckplatte und einer Stirnplatte ange­ ordnet sind, welch letztere an dem Statorkörper befestigt ist, wobei diese elastischen oder federnden Mittel auf axiale Kräfte, die auf die Welle wirken und durch die Kugel und die Druckplatte übertragen werden, verformbar reagieren.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben, in der

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Turbine mit Generator eines Geschosses zeigt.

Fig. 2 zeigt in Draufsicht das Flügelrad der Turbine und die Anordnung der Flügel.

In Fig. 1 ist die Turbine mit Generator allgemein mit 10 bezeichnet und in der kegelförmigen Nase einer Granate, wie z. B. einer Artillerie- Granate o. dgl. angeordnet, deren Umriß 11 in gestrichelten Linien dar­ gestellt ist.

Der Generator hat einen Statorkörper 12 aus einem thermoplastischen oder in der Wärme aushärtenden Kunstharz, der um ein Weicheisenjoch 13 und eine elektromagnetische Wicklung 14 geformt ist.

Die Wicklung ist auf das Joch 13 und um eine Längsachse des Stators gewickelt, längs welcher Achse ein Durchgang 15 ausgebildet ist, der sich durch die Form hindurcherstreckt. Der axiale Durchgang 15 ist im Bereich 16 erweitert, um ein Nadellager 17 aufzunehmen, das mit Festsitz in dem Durchgang angeordnet ist. Der Durchgang 15 enthält eine Generatorwelle 18, die über einen größeren Teil ihrer Länge durch das Nadellager 17 drehbar gelagert ist. Die Welle trägt an einem Ende ein Flügelrad 19 aus einem geformten Kunststoffmaterial, das eine kreisförmige Scheibe in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Welle bildet, von deren Oberfläche aus eine Anzahl von Flügelblättern 20 vorstehen, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Auf der Welle 18 ist ferner ein Permanentmagnet-Rotor 22 angeordnet, der durch das Flügelrad gegen eine Schulter 21 der Welle gehalten wird.

Der Rotor 22 besteht aus einem ringförmigen Ring aus einer gesinterten oder gegossenen Aluminium-Nickel-Eisen-Legierung, wie z. B. ALNICO (Waren­ zeichen), wobei dieses Material so magnetisiert ist, daß der Ring Pole derselben Art an gegenüberliegenden Abschnitten hat und in Abständen rechtwinklig hierzu Pole der entgegengesetzten Polarität. Das Joch 13 hat Ansätze 23, die vom Kern der Wicklung ausgehen und parallel zur Welle 18 verlaufen und über die Außenseite der Wicklung hinausragen, derart, daß sie einen Abstand von den gegenüberliegenden Umfangswänden des Ringes haben und einen Luftspalt 24 bilden.

Das äußere Joch verläuft über das andere Ende der Wicklung bis zu einem zentralen Abschnitt, der die Welle umgibt, und es trägt einen ringförmigen Teil 25 mit einem Paar vorstehender nasen (nicht gezeigt), die ebenfalls parallel zur Längsachse der Welle 28 verlaufen und durch den Luftspalt 24 von den gegenüberliegenden Umfangsseiten des Ringes im Abstand liegen, jedoch in einer Ebene rechtwinklig zu den Ansätzen 23 angeordnet sind.

Jeder Pol des magnetischen Rotors entspricht damit einem Vorsprung des Joches.

Die Welle 18 ist in dem Durchgang 15, wie oben beschrieben, drehbar angeordnet und gegen radiale Kräfte durch das Nadellager 17 abgestützt. Das Ende 26 der Welle gegenüber demjenigen, das das Flügelrad trägt, ist im wesentlichen flach und es liegt in einer Ebene senkrecht zu ihrer Längsachse und es wird durch eine axiale Durchlageranordnung 27 abgestützt.

Das Lager 27 umfaßt eine kreisförmige Druckplatte 28 aus einer Aluminium­ legierung, die mit Schiebesitz in einem Abschnitt 29 des Durchganges 15 angeordnet ist, der einen größeren Durchmesser als der Abschnitt 16 hat. Die Druckplatte 28 hat eine Aussparung 30 in ihrer der Welle zugewandten Stirnseite, in welcher Aussparung eine gehärtete Stahlkugel 31 angeordnet ist, die in Kontakt mit der Stirnfläche 26 der Welle steht.

Die Kugel wird gegen die Welle mittels elastischer Mittel, z. B. in Form einer Tellerfeder 32, angedrückt, die zwischen der Druckplatte 28 und einer Stirnplatte 34 angeordnet ist, welche an dem Statorkörper durch Schrauben 35 befestigt ist. Die Druckplatte 28 hat eine Schulter 33 zur Festlegung bzw. Anordnung in der Aussparung der Tellerfeder.

Die Druckplatte 28 ist hinsichtlich ihres Weges längs des Durchganges in Richtung auf den Abschnitt 16 durch eine Schulter 36 des Stator­ körpers 12 begrenzt, gegen welche die Druckplatte unter der Wirkung der Tellerfeder 32 angelegt wird. Die Kugel 31 sitzt mit Haftsitz oder Festsitz in der Aussparung 30 und die Welle 18 kann sich frei längs des Durchganges bewegen, wobei sie durch die magnetische An­ ziehung zwischen dem Rotor-Magnet und dem Eisenjoch des Stators in eine Position gedrückt wird, in der sie in Eingriff mit der Kugel steht. Ein Herausziehen der Welle aus dem Durchgang würde durch An­ stoßen des Flügelrades an der sich verjüngenden Innenwand der Nase des Geschosses verhindert werden.

Wenn das Geschoß abgefeuert wird, werden das Flügelrad und die Welle zurückgesetzt bzw. zurückgedrückt, wobei die Kraft durch die Kugel auf die Druckplatte übertragen wird, was zu einer Abflachung der Tellerfeder führt. Diese Rückdruckkraft ist gewöhnlich groß aber kurz, so daß die Kraft von der Tellerfeder aufgenommen werden kann. Die Tellerfeder flacht sich soweit ab, daß der Rotor 22 sich gegen das ringförmige Joch 25 anlegt, wobei die Elastizität der Tellerfeder gewährleistet, daß dieser Kontakt gleichmäßig erfolgt, ohne Beschädigung des Legierungsmaterials des Rotors. Nach dem Start, d. h. nach dem Austritt des Geschosses aus dem Rohr, wenn die Kraft auf den Rotor nur noch eine Folge des Druckes der Luft gegen das Flügelrad ist, absorbiert die Tellerfeder Veränderungen des axialen Schubs, hält jedoch in Längs­ richtung einen Abstand zwischen dem Rotor und dem Stator. Die Verwendung einer Kugel 31 in Verbindung mit einem im wesentlichen ebenen Ende der Welle führt dazu, daß das Lager nur einen Punktkontakt hat und der Reibungsverlust auch bei beträchtlichen Kräften zwischen Welle und Kugel klein ist, die allenfalls zu einer kleinen Einwölbung der Fläche beim Abschuß führen können.

Der Generator liefert die Energie für das Geschoß, wobei er eine Dreh­ zahl bis zu etwa 60 000 Umdrehungen je Minute über weniger als etwa 2 Minuten Flugzeit erreicht.

Die Vorrichtung erfüllt die obengenannten Betriebsanforderungen, sie ist aber auch einfach und zuverlässig im Aufbau und führt zu einer Verringerung der Kosten.

Beim Zusammenbau wird zunächst der Rotor zusammengesetzt durch Auf­ schieben des Magneten 20 und des Flügelrades 19 auf die Welle 18 und Befestigung an dieser. Der Stator wird gebildet durch Wickeln der Wicklung 14 im Joch 13, worauf diese Teile in den Körper 12 z. B. mittels Spritzformen eingekapselt werden. Die Nadellager 17, die Druckplatte 28 (mit Kugel 31) und die Tellerfeder 32 werden in ihre entsprechenden Abschnitte in dem Durchgang 15 eingesetzt und der Stirndeckel 34 an den Stator 12 angeschraubt. Die Welle des Rotors, die in den Durchgang 15 eingesetzt worden ist, wird durch die magnetische Anziehungskraft zwischen dem Permanentmagnet 22 und dem Eisenjoch gehalten.

Der Aufbau und der Zusammenbau ist somit einfach und erfordert nur wenig Handgriffe, so daß auch eine automatische maschinelle Fertigung mit ungelernten Arbeitskräften möglich ist.

Von Bedeutung für einen einwandfreien und zuverlässigen Zusammenbau sowie zuverlässigen Betrieb ist die genaue Formung bzw. Formgebung und Anordnung der Teile in dem Durchgang 15, d. h. die Aufnahme der Lagerung und die Anordnung des Rotors derart, daß er den richtigen Abstand zum Stator hat. In der beschriebenen Ausführungsform wird der Stator-Körper 12 z. B. durch Spritzformung gebildet. Dies er­ fordert zwar ein Formwerkzeug, aber die spätere Herstellung des Stators ist relativ billig. Der Stator kann jedoch auch in anderer Weise hergestellt werden, beispielsweise durch maschinelle Bearbeitung eines massiven Blockes aus einem geeigneten Kunststoffmaterial, das um das Joch 14 gegossen wird, oder durch Zusammenbau einer Anzahl ringförmiger Elemente, von denen jedes eine zentrale Öffnung hat, die einem der Durchmesser der verschiedenen Abschnitte des axialen Durchganges 15 entspricht.

Modifikationen sind auch bei den anderen Komponenten des Turbinen- Generators möglich. Das Flügelrad 19 besteht bei der vorliegenden Ausführungsform aus Kunststoffmaterial. Es kann aber auch aus Metall, vorzugsweise einer Leichtmetall-Legierung bestehen. Ebenso kann die Druckplatte 28, die aus einer solchen Leichtmetall-Legierung besteht, aus einem geeigneten Kunststoffmaterial hergestellt werden. Die elastischen Mittel sind hier als Tellerfeder ausgebildet, die eine starke Federkraft bei sehr kleiner axialer Länge aufweist. Wenn es die Platzverhältnisse zulassen, können jedoch auch andere Mittel, z. B. eine Schraubenfeder, verwendet werden.

Der Magnet kann an der Welle 18 in unmagnetisierter Form angebracht und an Ort und Stelle beim Zusammenbau des Generators magnetisiert werden. Das verwendete Material ist ein Beispiel für eine Legierung mit isotropen magnetischen Eigenschaften, die es ermöglicht, eine Mehrzahl von Polen längs ihres Umfanges auszubilden. Wenn gewünscht, kann auch ein anderes isotropes Material mit geeigneten magnetischen Eigenschaften verwendet werden.

Claims (11)

1. Turbinen-Generator für ein Geschoß, gekennzeichnet durch einen Stator-Körper, der eine elektromagnetische Stator-Wicklung und ein ferromagnetisches Joch aufweist, wobei die Wicklung um einen axialen Durchgang durch den Körper gewickelt ist, ferner mit einer Welle aus nicht-magnetischem Material, die sich durch den Durchgang erstreckt und über einen Teil ihrer Länge in dem Durchgang mittels Lagern drehbar gelagert ist, die die Welle gegen radiale Bewegung relativ zu dem Körper abstützen, daß die Welle ferner einen Permanentmagnet-Rotor und an einem Ende ein Turbinenrad trägt, das in Bewegungsrichtung des Geschosses blickt, in welchem der Generator angebracht ist, um axial zur Welle strömende Luft aufzunehmen, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird, wobei das andere Ende der Welle im wesentlichen eben ausgebildet ist und in einer Ebene senkrecht zur Längs­ achse der Welle liegt, daß ein axiales Drucklager mit einer Druckplatte vorgesehen ist, die den Abschnitt des axialen Durch­ ganges, der das Lager und die Welle enthält, abschließt, daß eine Lagerkugel in einer Aussparung der Druckplatte angeordnet ist, derart, daß sie gegen dieses andere Ende der Welle durch elastische Mittel angedrückt wird, die zwischen der Druckplatte und einer am Statorkörper befestigten Stirnplatte angeordnet sind, und daß diese elastischen Mittel axiale, auf die Welle wirkende Kräfte, die durch die Kugel und die Druckplatte übertragen werden, verform­ bar aufnehmen.

2. Turbinen-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager eine Mehrzahl von in einem Käfig gehaltenen Nadeln auf­ weist, die in einem Abschnitt des Durchgangs gehalten sind.

3. Turbinen-Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerlänge wenigstens das zweifache des Durchmessers der Welle beträgt.

4. Turbinen-Generator nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Druckplatte aus Metall besteht.

5. Turbinen-Generator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall eine Aluminium-Legierung ist.

6. Turbinen-Generator nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kugel aus gehärtetem Stahl besteht.

7. Turbinen-Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die elastischen Einrichtungen aus einer Tellerfeder bestehen.

8. Turbinen-Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Stator-Körper eine Form aus thermo­ plastischem Kunststoff aufweist, in welche die Stator-Komponenten des Generators eingeformt sind.

9. Turbinen-Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Welle einen Abschnitt mit kleinerem Durchmesser aufweist, auf welchem der Permanentmagnet-Rotor und das Turbinenrad angrenzend aneinander angeordnet sind, und daß der Rotor an einer Schulter der Welle anliegt.

10. Turbinen-Generator nach einem der vorhergehenenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet-Rotor aus einem Ring aus einem isotropen magnetischen Material besteht, der eine Mehrzahl von Polen entgegengesetzter Polarität längs seines Um­ fangs aufweist.

11. Turbinen-Generator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das isotrope Material eine Aluminium-Nickel-Eisen-Legierung ist.