DE3304845A1

DE3304845A1 - Radialverdichter mit integrierter hochfrequenzmaschine

Info

Publication number: DE3304845A1
Application number: DE19833304845
Authority: DE
Inventors: Hubert 6301 Biebertal Kurzok
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-02-12
Filing date: 1983-02-12
Publication date: 1984-11-15

Description

Radialverdichter mit integrierter Hochfrequenzmaschine
Allgemeine Beschreibung Es ist bekannt, daß Radialverdichter (Turboverdichter) über einen Elektromotor und ein Zwischengetrebe angetrieben werden, weiterhin das bei einem Abgasturbolader eine Hochfrequenzmaschine in der Mitte der Welle sitzt, zwischen Verdichter- und Expansionsgehäuse. Der erfindungsgemäße Gedanke lag darin, daß der Rotor der Hochfrequenzmaschine direkt am Verdichterrad sitzt,und dadurch sich ein einfacher Aufbau. kleinere Abmessungen und vor allem keine Dichtigkeitsprobleme ergeben.Auperdem wird bei der erfindungsgemäßen Maschine der-Stator durch den vorbeiströmenden Luftstrom sehr gut gekühlt, dadurch bedingt kann die Leistung wesentlich höher ausfallen als bei bekannten konventionellen Maschinen die zum Stand der Technik gehören.
Beschreibung zu den Zeichnungen Fig 1 zeigt eine erfindungsgemäße Maschine ausgebildet als zweistufiger Verdichter mit inte/griertem Kühler.
Auf der Welle 2a die außen in Wälzlagern gelagert ist,/ befinden sich zwei Verdichtungsräder 1 in deren Mitte der Rotor 4 sitzt. Zusammengehalten werden die Verdichtungsräder mit den Muttern 13b und 13c. Die Statorbleche g aus ferromagnetischem Material haben Wicklungen, die nach bekannten Verfahren gewickelt werden, und danach mit einer temperaturbeständigen Masse in Form gegossen werden, denn sie gehören zum Diffusor dazu, wobei durch die hohe Luftgeschwindigkeit eine hervoragende Ableitung der Verlustwärme entsteht. Die angesaugte Luft nimmt ihren Weg vom Luftfilter am Flansch 17a über den Kanal 8b, wobei diese dann im linken Turbinenrad 1 beschleunigt wird, und über den Diffusor an der Wicklung 10 aus Geschwin, digkeitsenergie in Druckenergie umgewandelt wird. Auf ihrem Weg zum zweiten Verdichterrad, muß die verdichtete Luft an den Kühlröhrchen 16 vorbei, in denen sich ein gesondertes Kühlmedium befindet (Wasser, Öl oder durchsrömende Umgebungsluft). Dadurch wird die komprimierte Luft, bevor sie das rechte Verdichterrad erreicht, heruntergekühlt auf etwa Ansaugtemperatur. Im rechten Verdichterrad wird sie wieder beschleunigt und gelangt über den Diffusor an der Wicklung 10 vorbei in den Kanal 8c. Dort wird sie über die Kühlrbhrchen 16a Wieder heruntergekühlt und über Rohrleitungen vom Flansch 17b entnommen, wo sie an den Verbraucher geführt wird.Das Gehäuse besteht aus zwei Teilen, die am Punkt D zusammengefügt werden und durch Schrauben eine kraftvolle dauerhafte Verbindung ergeben (ist aus dem Schnitt Fig 1 nicht zu entnehmen). Die Lager werden durch die Scheiben 15 abgedichtet und gehalten gegen axiale Verschiebung.
Fig 2 zeigt den Magnetkreis der erfindungsgemäßen Maschine, wobei in diesem Falle der Stator mit Wicklungen 10 als Dreiphasenwechselstrommaschine gewickelt wurde. Dabei ist 0 der Sternpunkt und an A , B ,C wird die hochfreqente Wechselepannung angelegt, die im Frequenzbereich von 500 bis 3000 Hz liegt, abhängig von der Baugröße. Diese Wechselspannung wird entweder aus einer Gleichspannung oder einer niederfrequenten Wechselspannung mit Hilfe eines Thyristorwechselrichters erzeugt; wobei es erst in den letzten Jahren möglich ist, große Leistungen in diesem Frequenzbereich mit einem hohen Wirkungsgrad zu erzeugen, da Thyristoren notwendig sind mit extrem kurzer Schaltzeit. Auf weitere Elektronik wird nicht eingegangen, weil diese zum Stand der Technik gehört.
Fig 3 zeigt eine Seitenansicht des Rotors nach Asynchronbauart. Dabei werden die einzelnen isolierten Bleche aus ferromagnetischem Material 12 , seitlich durch die beiden Verdichtungsrader 1 zusammengehalten, die mit den Muttern 13b und 13c befestigt werden. Der Kurzschlußkäfig wird durch die Bolzen 11 bewirkt (zB. Al-Leg.).Da in den meisten Fällen die Verdichterräder auch aus Al-LegO sind, die gute elektrische Eigenschaften aufweist, eine hohe mech0 Stabilität haben, ergeben sich von dieser Seite keine Probleme. Bei der praktischen Ausführung werden die Bolzen 11 durch die gestanzten Bleche 12 geführt und an den Bohrungen 11a im Verdichterrad zusammengegügt (zB. durch Nieten oder Schweißen).
Fig 4 zeigt eine Draufsicht auf den Rotor, wobei besonders deutlich die Bolzen 11 mit den Bohrungen 11a zu sehen sind, die den Kurzschlußkäfig bilden. Die geometrische Form der Schaufeln kann natürlich strömungsgünstiger sein, wie gezeichnet, aber dies gehört zum Stand der Technik.
Fig 5 zeigt den Rotor der erfindungsgemäßen Maschine nach Synchronbauart, wobei eine Erregung mit Dauermagneten angewand wird. Dabei sind die Teile 5 aus hochbelastbaren ferromagnetischem Material (extremste Belastung durch Fliehkräfte), in denen- dazwischen sich die Dauermagnete 6 befinden. Diese Anordnung wird durch mehrere Schrauben 12 zusammengehalten.
In Fig 6 wird ein erfindungsgemäßer Turbolader dargestellt, wobei sich an dem Verdichterrad 1 der Rotor 4 befindet, die auf der Welle 2 sitzen. Das Expansionsrad 3 wird von Abgasen durchströmt, und gibt die Energie an die Welle 2 weiter, wobei die Luft durch das Verdichterrad 1 beschleunigt wird, und über den Diffusor in Kanal 8 in Druckenrgie umgewandelt wird. Dabei kann über die intergrierte Hochfrequenzmaschie, bestehend aus dem Rotor 4, dem geblechten ferromagnetichen Kern 9 mit der Wicklung 10, entweder elektr. Energie eingespeist werden um einen hohen Ladedruck zu ermöglichen, der Läufer zusätzlich beschleunigt werden oder auch bei Vollast der Verbrennungsmaschine Energie entnommen werden, die z3.
dann in aas Bordnetz eingespeist wird. Dadurch wird erreicht, daß auf das bisher bekannte Abblasventil in der Auspuffleitung verzichtet werden kann, und diese Überschußenergie wird genutzt, wobei der Generator im Fahrzeug (Lichtmaschine) entlastet, oder man zusätzlich in ihn elektr. Energie einspeist, wodurch eine Erhöhung der Motorleistung bei niedrigerem spezifischen Kraftstoffverbrauch erziehlt werden kann. Interessant dürfte dieser erfindungsgemäße Turbolader in Verbindung mit einem Zweitaktmotor sein, wobei im unteren Leistungsbereich der Ladedruck durch zusätzliche elektrische Leistung aufgebaut werden kann, weiterhin zur Beschleunigung des Läufers, und bei Vollast wird die Uberschußleistung, die bekanntlich bei Zweitaktmotoren groß ist, in elektr. Leistung umgewandelt. Dadurch kann auf eine mechanische Zusatzaufladung verzichtet werden, wie sie bisher angewand wurde (Rootslader, Kolbenunterseiten als Luftpumpen).
Ein weiterer Gedanke bei dieser Erfindung ist, daß man nach Fig 6 eine Gasturbine aufbauen kann, wobei diese Turbine als Generator arbeitet und durch einen Umrichter aus der hochfrequenten Wechselselspannung zB. eine 220/380 V / 50 Hz Wechselspannung erzeugt wird.
Bei der praktischen Ausführung wird das Blechpaket 9 zusammengepresst, danach die Wicklungen 10 eingelegt, und zum Schluß mit einer temperaturbeständigen Masse (bis ca. 200 C) ausgegossen und nach Erwärmung des Gehäuseteils (7c Fig 1, 7 Fig 6) in dieses eingepresst, wobei nach der Abkühlung eine sehr haltbare kraftvolle Verbindung zwischen Gehäuse und Blechpaket entsteht.
Weiterhin ist es notwendig, daß die Bleche 9 und 12 sehr wenig Verluste aufweisen, eventuell nur 0,1mm dick statt 0,35mm, damit die Wirbelstromverluste klein gehalten werden. Denn sie stehen in einem quadratischem Verhältnis zur Frequenz. Es wäre auch denkbar, statt einzelner Bleche auch einen Ferritkern einzusetzen, der ja gute magnetische Eigenschaften hat und sehr geringe Wirbelstromverluste. Ob der Rotor nach Synchron- oder Asynchronbauart gefertigt wird, hängt von der Anwendung ab. Wenn die Maschine nur als Motor arbeitet, scheint die Asynchronbauart die bessere zu sein, denn der Rotor läuft bei konstanter Frequenz der Wechselspannung alleine auf seine Nenndrehzahl hoch. Bei der Verwendung als Turbolader oder Gasturbine scheint die Synchronbauart die bessere zu sein, denn es ergeben sich Vorteile bei der Verwendung als Generator. Eine elektrische Erregung des Rotors wäre bei der Synchronbauart möglich, aber dies bedeutet zusätzliche Komplikatinen mit Schleifringen usw.
Dadurch ergeben sich für die Praxis keine Vorteile.
Die Maschine nach Fig 1 kann angewand werden zur Druckluft erzeugung in Betrieben usw. wobei der größte Vorteil gegenüber herkömmlichen Kolbenkompressoren besteht, daß die gelieferte Druckluft ölfrei ist, und nur noch die Feuchtigkeit über einen Kondensator abgeschieden werden muß. Dies trägt dem Umweltschutz bei, denn diese von Kolbenkompressoren bekannte Flüssigkeit (Öl- Wassergemisch) hat-in vielen Betrieben schon große Probleme bereitet. Der zweite Vorteil ist der kleinere leichtere Aufbau, denn die gezeichneten Maschinen im Maßstab 1:1 sind für Leistungen von 5 bis 15 kW, bei Drehfrequenzen von 1000 bis 2000 Hz gedacht. Der magnetische Kreis ist nur vom übertragenen Moment abhängig, die Leistung ist aber das Produkt von Drehfrequenz und Moment. Als weiterer Vorteil ist der niedrige Preis bei einer Herstellung, denn es werden nur wenige Teile gebraucht, und die Kosten für einen Umrichter sind in der heutigen Zeit gering.
Weiterhin ist keine Wartung notwendig, es fehlen Verschleißteile, dadurch ergibt sich eine größere Betriebssicherheit und längere Lebensdauer. Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Maschine muß durch eine Durchflußregelung darauf geachtet werden, daß der Verdichter nicht in das Pumpgebiet kommt. Bei einer Maschine nach Fig 1 kann ein Druckverhältnis von 10 bis 12 erreicht werden, also bei ibar Ansaugdruck 10 bis 12 bar Verdichtungsenddruck. Dies ist für die meisten Anwendungsgebiete ausreichend. Eine Abänderung der Erfindung ist möglich in Verbindung mit konventionellen Asynchron-, Synchronmotoren, wobei die Verdichtungsräder nur für die Kühlung der Wicklungen sorgen, und dadurch eine Leistungssteigerung erreicht wird.

Claims

PATENTASPRUCRE 6)Radialverdichter dadurch gekennzeichnet, daß an einem Verdichterrad direkt ein Rotor sich befindet, nach Synchronbauart oder Asynchronbauart.
2.Radialverdichter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Verdichterrädern sich ein Rotor befindet.
3.Radialverdichter nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß dieser Rotor teilweise oder ganz aus dauermagnetischem Material besteht
4.Radialverdichter nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Verdichterrädern sich einzelne voneinander isolierte ferromagnetische Bleche befinden, die mit Bolzen (11) aus elektrisch leitendem Material mit den Verdichterrädern zusammengefügt sind.
5.Radialverdichter nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß sich im Gehäuse ein oder mehrere inteXgrierte Wärmetauscher sich befinden, duch diese die bei der Verdichtung entstehende Wärme abgeleitet wird.