DE3779800T2

DE3779800T2 - Wechselstromgenerator zur verwendung in einem turbokompressor und ein diesen wechselstromgenerator einschliessender turbokompressor.

Info

Publication number: DE3779800T2
Application number: DE8787303593T
Authority: DE
Inventors: Hideo Kawamura; Katsuyuki Tamai
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1986-04-25
Filing date: 1987-04-23
Publication date: 1992-12-10
Anticipated expiration: 2007-04-24
Also published as: EP0243187A3; CA1271509A; DE3779800D1; KR910000092B1; EP0243187A2; EP0243187B1; US4827170A; CA1271509C; KR870010668A; JPS62254649A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Generator zum Betrieb auf der rotierenden Welle eines Turbokompressors, der durch die Abgasenergie angetrieben werden kann, die von einem Verbrennungsmotor mit geschlossenem Brennraum abgegeben wird, und insbesondere solch einen elektrischen Generator, der mit einem Rotor ausgestattet ist, der in der Lage ist, eine Hochgeschwindigkeitsdrehung auszuhalten, und hitzebeständig ist.
In den vergangenen Jahren haben Turbokompressoren eine weit verbreitete Verwendung an Motoren mit geschlossenem Brennraum gefunden. Die Turbokompressoren haben eine Abgasturbine, die durch die Wärmeenergie des von dem Motor mit geschlossenem Brennraum abgegebenen Abgases in Drehung versetzt wird. Ein direkt mit der Abgasturbine verbundener Kompressor wird dadurch angetrieben, um komprimierte Luft zu dem Motor mit geschlossenem Brennraum zu liefern. Eine Turbokompressorkonstruktion schließt einen Generator/Motor ein, der einen Rotor aufweist, der auf der rotierenden Welle des Turbokompressors angebracht ist. Wenn die Abgasturbine durch das Abgas in Drehung versetzt wird, wird der Rotor ebenfalls angetrieben, um elektrische Energie zu erzeugen, so daß die Abgasenergie als elektrische Energie wiedergewonnen werden kann. Der Rotor kann ebenso durch elektrische Energie angetrieben werden, die von einem Inverter geliefert wird, der durch eine Batterie angetrieben wird, um den Kompressor beim Aufladen des Motors zu unterstützen.
Die US-A-4,433,261 und die EP-A-0079100 offenbaren einen Turbokompressor, der einen direkt angeschlossenen Generator beinhaltet, einen Gasturbinengenerator, der einen Rotor aufweist, der zwischen Turbinen- und Kompressorschaufelrädern angeordnet ist und geteilte Permanentmagnete umfaßt, die in einem Zylinder untergebracht sind.
Bei dem offenbarten Gasturbinengenerator ist der Permanentmagnetrotor auf der Turbinenwelle befestigt, die mit hoher Geschwindigkeit umläuft und so eine Wechselstrommaschine bildet. Die Größe und die Anordnung des Rotors sind jedoch nicht für eine Hochgeschwindigkeitsdrehung geeignet. Insbesondere ist seine Trägheit groß, und sein Ansprechen auf Änderungen in der Drehgeschwindigkeit ist schlecht, wenn der Rotor einen großen Durchmesser und ein erhöhtes Gewicht hat. Darüber hinaus erzeugt die rotierende Welle eine Biegeschwingung in Relation zu ihren Lagern und unterliegt der Gefahr eines Bruches infolge Resonanz. Der Rotor, der aus geteilten, in einem Zylinder untergebrachten Permanentmagneten besteht, ist nicht für eine Hochgeschwindigkeitsdrehung geeignet, da es schwierig ist, dessen Größe an Fehlbalance zu reduzieren.
Soweit die rotierende Welle und die Permanentmagnete in direktem Kontakt zueinander gehalten werden, wird die von den Turbinenschaufeln, die dem Hochtemperatur-Abgas ausgesetzt sind, ausgehende Wärme durch die rotierende Welle auf die Permanentmagnete übertragen. Die Permanentmagnete werden folglich durch eine Anhebung ihrer Temperatur demagnetisiert, was zu einer Reduktion des elektrischen Energiebetrages führt, der durch den Generator erzeugt wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Generator zur Anwendung in einem Turbokompressor vorzusehen, der einen Rotor aufweist, dessen Bruch infolge von Resonanz einer rotierenden Welle und einer Fehlbalance vermieden wird, selbst wenn der Turbokompressor mit hoher Geschwindigkeit rotiert, wobei der Rotor einen Magneten hat, der vor einer schädlichen Anhebung der Temperatur geschützt wird, die andernfalls durch Wärme verursacht würde, die von den Hochtemperatur-Turbinenschaufeln übertragen wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein elektrischer Generator zur Verwendung auf der rotierenden Welle eines Turbokompressors vorgesehen, der mit der Abgasenergie angetrieben werden kann, die von einem Verbrennungsmotor mit geschlossenem Brennraum abgegeben wird, wobei der elektrische Generator einen Rotor mit einem einzigen Permanentmagneten, eine äußere zylindrische Hülse, die aus einem Material besteht, das eine hohe Zugfestigkeit hat, wobei der Permanentmagnet in die äußere, zylindrische Hülse eingepreßt ist, und einen wärmeisolierenden Abschnitt zwischen der rotierenden Welle und dem Permanentmagneten einschließt, der einen Luftspalt umfaßt.
Die äußere zylindrische Hülse aus einem Material mit einer hohen Zugfestigkeit und der einzelne Permanentnagnet, der in die äußere, zylindrische Hülse eingepreßt ist, sind auf der rotierenden Welle einer Turbine angebracht. Der Rotor hat eine zylindrische äußere Form, so daß er leicht feingewuchtet werden kann und zentrifugalen Kräften widersteht, die auf ihn aufgrund einer Hochgeschwindigkeitsdrehung wirken. Der wärmeisolierende Abschnitt zwischen der rotierenden Welle und dem Permanentmagneten ist bei der Abschottung von Wärme wirksam, die von den Turbinenschaufeln durch die rotierende Welle zu dem Permanentmagneten übertragen würde. Eine Demagnetisierung des Permanentmagneten wird außerdem verhindert, die durch einen Temperaturanstieg verursacht werden kann.
Ein Beispiel eines Generators gemäß der Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen
Fig. 1 eine Längsquerschnittsansicht einer rotierenden Welle und eines Rotors eines elektrischen Generators in einem Turbokompressor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Rotors ist und
Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Turboladers ist, der einen elektrischen Generator gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, trägt ein Turbokompressor eine rotierende Welle 1, die an ihren sich gegenüberliegenden Enden Turbinenschaufeln 2 und Kompressorschaufeln 3 trägt und in ihrem mittleren Abschnitt mit Hilfe von Lagern 1a, 1b in einem Gehäuse des Turbokompressors drehbar gelagert ist.
Ein in der äußeren Abmessung kleiner Rotor 4 mit einem Permanentmagneten hat eine hohle, zylindrische Form. Die rotierende Welle 1 erstreckt sich durch den hohlen Abschnitt des Rotors 4, der auf der rotierenden Welle 1 zwischen den Kompressorschaufeln 3 und dem Lager 1b angebracht ist.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, schließt der Rotor 4 eine äußere zylindrische Hülse 4a ein, die aus einem Material besteht, das eine hohe Zugfestigkeit hat, wie zum Beispiel eine Titanlegierung. Der Rotor 4 schließt außerdem einen einzigen Permanentmagneten 4b ein, der stramm in die äußere, zylindrische Hülse 4a eingepaßt ist und aus einem Selteneerdenelement besteht, das starke Restmagnetkräfte aufweist. Zwei Seitenplatten 4c, die aus demselben Material bestehen wie die äußere zylindrische Hülse 4a, sind darin untergebracht und jeweils auf sich gegenüberliegenden Seiten des Permanentmagneten 4b angeordnet, um die äußere zylindrische Hülse 4a und den Permanentmagneten 4b auf der rotierenden Welle 1 zu fixieren. Ein als wärmeisolierender Abschnitt zur Verhinderung eines Wärmeaustausches dienender Luftspalt 4d ist zwischen dem zylindrischen Permanentmagneten 4b und der rotierenden Welle 1 festgelegt. Der Permanentmagnet 4b ist magnetisiert, um Linien starker Magnetkraft in einer vorgegebenen radialen Richtung hervorzubringen.
Die Fig. 3 zeigt im Querschnitt einen Turbokompressor, der einen elektrischen Generator gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Die rotierende Welle 1 ist drehbar durch Lager 1a, 1b in einem Gehäuse des Turbokompressors gelagert. Der Rotor 4 ist durch einen Stator 6 umgeben, der Statorwicklungen 6a aufweist. Der Rotor 4 und der Stator 6 bilden zusammen einen Wechselstromgenerator, der Wechselstromenergie bei Drehung des Rotors 4 erzeugt.
Der Turbokompressor hat einen Auspuffgaseinlaß 2a, der an das Auspuffrohr eines Motors mit geschlossenem Brennraum (nicht gezeigt) angeschlossen ist. Das von dem Auspuffrohr abgegebene Abgas wird durch den Abgaseinlaß 2a in ein Turbinengehäuse 2b geleitet, in dem das Abgas Turbinenschaufeln 2 antreibt. Das Abgas wird danach durch einen Abgasauslaß 2c abgeleitet. Der Turbokompressor hat außerdem einen Lufteinlaß 3a, um Luft anzusaugen, die in einem Kompressorgehäuse 3b bei Drehung von Kompressorschaufeln 3 komprimiert wird. Die komprimierte Luft wird dann von einem Luftauslaß 3c in das Einlaßrohr des Motors mit geschlossenem Brennraum geführt.
Der Betrieb des Turbokompressors läuft folgendermaßen ab:
Das von dem Motor mit geschlossenem Brennraum abgegebene Abgas wird über den Abgaseinlaß 2a in das Turbinengehäuse 2b geleitet. Die Turbinenschaufeln 2 werden durch die Abgasenergie angetrieben, so daß sie mit hoher Geschwindigkeit umlaufen und so die Welle 1, die drehbar durch die Lager 1a, 1 b gelagert ist, in Drehung versetzt. Die Kompressorschaufeln 3 rotieren in dem Kompressorgehäuse 3b, um Luft zu komprimieren, die durch den Lufteinlaß 3a eingebracht wird, und liefern die komprimierte Luft von dem Luftauslaß 3c durch das Einlaßrohr in den Motor mit geschlossenem Brennraum, wodurch der Ladedruck angehoben wird, worauf die Leistungsabgabe des Motors mit geschlossenen Brennraum ansteigt.
Da der auf der Welle 1 angebrachte Rotor 4 koaxial an die Turbinenschaufeln 4 angeschlossen ist, wird der Rotor 4 ebenso mit hoher Geschwindigkeit in Drehung versetzt. Aufgrund der Hochgeschwindigkeitsdrehung des Permanentmagneten, der einen starken Restmagnetismus aufweist, kreuzen abwechselnd magnetische Flüsse die Statorwicklungen 6a des Stators 6, um letzterem die Erzeugung elekromotorischer Kräfte zu ermöglichen, die über einen Gleichrichter zum Beispiel für die Ladung einer Batterie in einen Gleichstrom umgewandelt werden. Auf diese Weise wird die Abgasenergie als elektrische Energie wiedergewonnen.
Da die äußere zylindrische Hülse 4a mit hoher Zugfestigkeit über den zylindrischen Permanentmagneten 4b im Preßsitz übergestülpt ist, der mit hoher Geschwindigkeit umläuft, wird der Rotor geschützt gegen Beschädigung oder Bruch unter Zentrifugalkräften aufgrund der Hochgeschwindigkeitsdrehung bei einer Geschwindigkeit von ungefähr 100 000 Umdrehungen pro Sekunde an Ort und Stelle gehalten. Die von den Turbinenschaufeln 2, die dem Hochtemperaturabgas ausgesetzt sind, ausgehende Wärme wird nicht durch die Welle 1 hindurch an den Permanentmagneten 4b weitergegeben, da die Welle 1 und der Permanentmagnet 4b nicht direkt aneinander befestigt sind, sondern voneinander in einem Abstand infolge des Spaltes 4d oder der wärmeisolierenden Hülse 5a gehalten sind. Folglich wird verhindert, daß der Permanentmagnet 4b durch den Temperaturanstieg demagnetisiert wird, der andernfalls eintreten könnte.
Wenn die Turbinenschaufeln 2 aus feinen Keramikmaterialien hergestellt sind, die eine gute wärmeisolierende Eigenschaft und hohe mechanische Festigkeit aufweisen, sind die Turbinenschaufeln 2 leichtgewichtig, und infolgedessen wird die Welle 1 an einer Biegeschwingung in Bezug zu den Lagern gehindert, und sie gestattet eine stabile Hochgeschwindigkeitsdrehung.
Mit der Anordnung der vorliegenden Erfindung, wie vorangehend beschrieben worden ist, ist bei dem auf der rotierenden Welle der Turbinenschaufeln angebrachten Rotor der einzige Permanentmagnet in der äußeren zylindrischen Hülse mit hoher Zugfestigkeit montiert. Deshalb kann der Rotor, der von äußerer zylindrischer Form ist, leicht feingewuchtet werden. Auf den Rotor einwirkende Zentrifugalkräfte aufgrund einer Hochgeschwindigkeitsdrehung der Turbine werden durch die äußere zylindrische Hülse aufgefangen, wodurch ein Unfall wie der Bruch des Rotors während des Betriebes verhindert wird.
Soweit die wärmeisolierende Struktur zwischen dem Permanentmagneten und der rotierenden Welle angeordnet ist, wird der Wärmeübergang von den Turbinenschaufeln über die rotierende Welle durch die wärmeisolierende Struktur verhindert. Der Permanentmagnet kann deshalb nicht durch einen Temperaturanstieg demagnetisiert werden und ist in der Lage, starke magnetische Flüsse zu erzeugen, die die Statorwicklungen schneiden.
Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind nicht auf einen Turbokompressor begrenzt, sondern können auch bei einem elektrischen Generator für die Verwendung in einer Turbine verwirklicht werden.

Claims

1. Ein elektrischer Generator zur Verwendung auf der rotierenden Welle (1) eines Turbokompressors, der mit der Abgasenergie angetrieben werden kann, die von einem Verbrennungsmotor mit geschlossenem Brennraum abgegeben wird, wobei der elektrische Generator einen Rotor (4,4') mit einem einzigen Permanentmagneten (4b) und einer äußeren zylindrischen Hülse (4a) umfaßt, die aus einem Material besteht, das eine hohe Zugfestigkeit hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet in die äußere, zylindrische Hülse eingepreßt ist, und daß ein wärmeisolierender Abschnitt (4d) zwischen der rotierenden Welle und dem Permanentmagneten vorgesehen ist, der einen Luftspalt umfaßt.

2. Ein Generator nach Anspruch 1, bei dem die äußere zylindrische Hülse (4a) aus einer Titanlegierung besteht.

3. Ein Turbokompressor mit einer rotierenden Welle (1), Turbinenschaufeln (2) und Kompressorschaufeln (3), gekennzeichnet durch einen elektrischen Generator gemäß Anspruch 1 oder 2, der auf der Welle (1) zwischen den Turbinenschaufeln (2) und den Kompressorschaufeln (3) angebracht ist.