DE3873242T2

DE3873242T2 - Turbolader mit elektrischer drehmaschine.

Info

Publication number: DE3873242T2
Application number: DE8888309114T
Authority: DE
Inventors: Shinji Isuzu Fujisawa Dai Hara; Yoshihisa Isuzu Totsuk Koizumi
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1987-09-30
Filing date: 1988-09-30
Publication date: 1992-12-03
Anticipated expiration: 2008-10-01
Also published as: EP0310426A3; DE3873242D1; US4924674A; EP0310426B1; JPH0192526A; EP0310426A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turbolader mit einer rotierenden elektrischen Maschine, der durch die Energie von Abgasen betreibbar ist, die von einem Verbrennungsmotor mit geschlossenen Brennräumen abgegeben werden.
In zurückliegenden Jahren ist ein Turbolader verwendet worden, der eine Abgasturbine hat, die durch die Energie von Abgasen von einem Verbrennungsmotor mit geschlossenen Brennräumen in Drehung versetzbar ist, um einen Kompressor anzutreiben, der auf der sich drehenden Welle der Abgasturbine zum Laden von Luft in den Verbrennungsmotor mit geschlossenen Brennräumen angebracht ist. Die japanische offengelegte Patentpublikation No. 59-101040 offenbart ein Motoraufladesystem, das eine rotierende elektrische Maschine einschließt, die auf der sich drehenden Welle eines Turboladers angebracht ist, der wiederum mit einem Verbrennungsmotor mit geschlossenen Brennräumen verbunden ist. Wenn der Verbrennungsmotor mit geschlossenen Brennräumen mit geringer Geschwindigkeit läuft, arbeitet die rotierende elektrische Maschine als ein elektrischer Motor, um den Ladedruck für eine Anhebung der Leistungsabgabe von dem Verbrennungsmotor anzuheben. Wenn der Verbrennungsmotor mit geschlossenen Brennräumen mit einer hohen Geschwindigkeit läuft, arbeitet die rotierende elektrische Maschine als ein elektrischer Generator, um die elektrische Energie für das Aufladen einer Batterie zu erzeugen. Ein weiterer Turbolader für einen Verbrennungsmotor mit geschlossenen Brennräumen, der in der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung No. 60-195329 offenbart ist, enthält eine rotierende elektrische Maschine, die an der sich drehenden Welle des Turboladers angebracht ist, wobei die rotierende elektrische Maschine als ein elektrischer Motor oder als ein elektrischer Generator in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors mit geschlossenen Brennräumen betreibbar ist.
Für das Betreiben einer rotierenden elektrischen Maschine, die einen Rotor mit einem Permanentmagneten aufweist, ist es notwendig, die Phase der elektrischen Energie zu steuern, die zu einem Stator geliefert wird, und zwar in Abhängigkeit von der Drehung des Rotors, um die rotierende elektrische Maschine mit bestem Wirkungsgrad zu betreiben.
Die in den obengenannten Veröffentlichungen offenbarten Turbolader haben keinerlei Mittel zur Feststellung der Lage von Magnetpolen des Rotors, der einen Permanentmagneten aufweist. Deshalb ist es bei den offenbarten Turboladern unmöglich, die Phase der elektrischen Energie zu steuern, die an den Stator in Abhängigkeit von der Rotation des Rotors geliefert wird, und deshalb kann die rotierende elektrische Maschine nicht effizient betrieben werden.
Die EP-A-0159146 versucht, dieses Problem zu lösen, und offenbart im allgemeinen die Anwendung eines Drehstellungssensors in einem Turbolader mit einer elektrischen Maschine.
Es kann nun generell ein magnetischer Sensor oder ein optischer Sensor für die Feststellung der Winkelposition eines rotierenden Körpers angewendet werden, wenn jedoch ein magnetischer Sensor als Mittel zur Feststellung der Position von Magnetpolen eine Rotors mit einem Permanentmagneten in einer rotierenden elektrischen Maschine eingesetzt wird, ist es für den magnetischen Sensor schwierig, die exakte Winkelposition des Rotors wegen der magnetischen Felder festzustellen, die von dem starken Permanentmagneten des Rotors hervorgerufen werden, oder wegen der intensiven magnetischen Felder, die durch einen starken Strom hervorgerufen werden, der durch die Spulen des Stators fließt, wenn die rotierende elektrische Maschine als ein elektrischer Motor betrieben wird.
Ein optischer Sensor, der eine optische Faser verwendet, ist insofern vorteilhaft, als er nicht in schädlicher Weise durch irgendein Magnetfeld beeinflußt wird, er ist jedoch nachteilig insofern, als er anfällig ist gegen Öl und Staub, und sein Ausgangssignal ist bezüglich des Niveaus stark abgesenkt während des Betriebes über eine lange Zeitperiode, was so zu einem Versagen führt, die exakte Winkelposition des Rotors festzustellen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Turbolader mit einer rotierenden elektrischen Maschine vorzusehen, der Lagefeststellungsmittel zur genauen Erfassung der Winkelposition von magnetischen Polen eines Rotors aufweist, ohne durch ein magnetisches Feld oder durch Öl oder Staub beeinflußt zu werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Turbolader mit einer rotierenden elektrischen Maschine und einschließlich eines Turbinenschaufelrades vorgesehen, das durch die Energie der Abgase angetrieben wird, die von einem Verbrennungsmotor mit geschlossenen Brennräumen ausgestoßen werden, einer rotierenden Welle, deren eines Ende an dem Turbinenschaufelrad befestigt ist, eines Kompressorschaufelrades, das an dem anderen Ende der rotierenden Welle befestigt ist, eines Magnetrotors, der an der rotierenden Welle befestigt ist und einen Permanentmagneten aufweist, sowie des Kerns eines Stators, der um den Magnetrotor herum angeordnet ist und aufgewickelte Statorspulen trägt, gekennzeichnet durch magnetisch erfaßbare Mittel, die an dem Kompressorschaufelrad angebracht sind, sich mit ihm drehen und in einer Position angeordnet sind, die der Winkelposition eines magnetischen Pols des Magnetrotors entspricht;
einen magnetischen Sensor, der in einer Position angebracht ist, in der er den magnetisch erfaßbaren Mitteln zur Erfassung der Winkelposition des Rotors während der Drehung der magnetisch erfaßbaren Mittel bei einer Drehung desselben gegenüberliegt;
Abschirmmittel, die zwischen dem Sensor und der rotierenden elektrischen Maschine zum Schutz des magnetischen Sensors von Einflüssen angebracht sind, die durch Wechsel des magnetischen Feldes infolge der Rotation des magnetischen Rotors oder von Änderungen in dem elektrischen Strom herrühren, der in den Statorspulen fließt.
Zwei Beispiele von Turboladern gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1(a) eine Querschnittsansicht eines Turboladers mit einer rotierenden elektrischen Maschine ist;
Fig. 1(b) ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie I - I der Fig. 1(a);
Fig. 2(a) ist eine Querschnittsansicht eines Teils eines zweiten Turboladers mit einer rotierenden elektrischen Maschine; und
Fig. 2(b) ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie II - II der Fig. 2(a).
Wie in den Figuren 1(a) und 1(b) gezeigt ist, umfaßt der Gehäusezusammenbau 1 eines Turboladers ein Turbinengehäuse 14, ein Kompressorgehäuse 12 und ein mittleres Gehäuse 13, das dazwischen angeordnet ist. In dem Gehäusezusammenbau 1 ist mit Hilfe eines Paares von Lagern 3 eine Welle 2 rotierend gelagert. In dem Turbinengehäuse 14 ist ein Turbinenschaufelrad 4 untergebracht, das an dem einen Ende der Welle 2 befestigt ist, und in dem Kompressorgehäuse 12 ist ein Kompressorschaufelrad 5 untergebracht, das an dem anderen Ende der Welle 2 angebracht ist.
Auf der rotierenden Welle 2 ist in dem mittleren Gehäuse 13 eine rotierende elektrische Maschine 6 angeordnet, die einen auf der Welle 2 angebrachten Magnetrotor 61, einen Statorkern 62 in stirnseitiger Relation zu dem Magnetrotor 61 und Statorspulen 63 umfaßt, die auf den Statorkern 62 aufgewickelt sind. Der Magnetrotor 61 hat die Form eines zylindrischen Permanentmagneten, der aus einer seltenen Erde gemacht ist und einen intensiven Restmagnetismus aufweist. Zum Betreiben der rotierenden elektrischen Maschine als Elektromotor wird an die Statorspulen 63 ein elektrischer Strom angelegt. Wenn die rotierende elektrische Maschine 6 als elektrischer Generator arbeitet, wird elektrische Energie abgezogen, die durch die Statorspulen 63 induziert wird.
Zwischen dem Rotor 61 und dem Kompressorschaufelrad 5 befindet sich ein rohrförmiges Distanzstück 7, das über die Welle 2 geschoben ist. Wenn das Kompressorschaufelrad 5 mit Hilfe einer Mutter 8 an der Welle 2 befestigt ist, hält das Distanzstück 7 den Rotor 61 und das Kompressorschaufelrad 5 in einem bestimmten Abstand voneinander.
In den Rücken der Blätter des Kompressorschaufelrades 5 sind Permanentmagneten 9 zur Feststellung der Lage von Magnetpolen eingebettet, und, wo der Permanentmagnet des Rotors 61 zwei N- und S-Pole hat, sind diese Magnete 9 in radialer Ausrichtung mit den entsprechenden N- und S-Polen angeordnet, wie in Fig. 1(b) gezeigt ist.
In dem mittleren Gehäuse 13 ist ein magnetischer Sensor 10 gehalten. Der magnetische Sensor 10 trägt an seiner inneren Spitze eine Detektorspule 101, die in radialer Lage angeordnet ist und die Permanentmagneten 9 vor sich hat, die in den Rücken der Schaufeln des Kompressorschaufelrades 5 eingebettet sind. Der magnetische Sensor 10 dient dazu, die Winkelposition der magnetischen Pole des Magnetrotors 61 festzustellen, der mit dem Kompressorschaufelrad 5 umläuft, und zwar durch Feststellen eines Wechsels in dem magnetischen Feld, das durch die Bewegung der Permanentmagneten 9 bei einer Rotation des Kompressorschaufelrades 5 hervorgerufen wird. Ein erfaßtes Signal wird von dem magnetischen Sensor 10 zu einem Controller (nicht dargestellt) übertragen.
In dem mittleren Gehäuse 13 ist zwischen dem magnetischen Sensor 11 und dem Magnetrotor 61 eine Abschirmplatte 11 eingebettet. Die Abschirmplatte 11 umfaßt eine ringförmige, dünne Stahlplatte, die aus einem magnetischen Material wie z. B. S10C, S25C oder dergleichen besteht. Die Abschirmplatte 11 dient dazu, Wechsel in dem magnetischen Feld aufgrund der Rotation des Permanentmagneten des Rotors 61 oder infolge von Änderungen in einem elektrischen Strom, der durch die Statorspulen 63 fließt, zu absorbieren und Geräusch zu unterdrücken, das andernfalls in dem magnetischen Sensor 10 durch solche Wechsel in dem magnetischen Feld induziert würde.
Der so konstruierte Turbolader mit der rotierenden elektrischen Maschine arbeitet folgendermaßen: Das Turbinenschaufelrad 4 wird durch die Energie von Abgasen angetrieben, die von einem Verbrennungsmotor mit geschlossenen Brennräumen abgegeben werden, um das Kompressorschaufelrad 5 in Drehung zu versetzen, das Druckluft erzeugt und diese in den Verbrennungsmotor mit geschlossenen Brennräumen liefert. Wenn das Kompressorschaufelrad 5 gedreht wird, werden die Permanentmagneten 9, die in dem Rücken seiner Schaufeln eingebettet sind, ebenfalls in Drehung versetzt. Durch den magnetischen Sensor 10 wird ein Wechsel des Magnetfeldes von den Permanentmagneten 9 festgestellt, der dann ein erfaßtes Signal an den Controller weitergibt. Da das übertragene Signal der Winkelposition der magnetischen Pole des Magnetrotors 61 entspricht, können die Phase oder die Winkelposition der magnetischen Pole des Magnetrotors 61 exakt erfaßt werden. Da die Abschirmplatte 11 zwischen dem magnetischen Sensor 10 und dem Magnetrotor 61 angeordnet ist, absorbiert sie Wechsel in dem magnetischen Feld infolge der Rotation des Permanentmagneten des Rotors 61 oder infolge von Änderungen in einem elektrischen Strom, der durch die Statorspulen 63 hindurchfließt, und unterdrückt ein Geräusch, das andernfalls in dem magnetischen Sensor 10 durch derartige Feldänderungen induziert würde. Das erfaßte Signal von dem magnetischen Sensor 10 hat deshalb eine gute S-/N- Rate. Insofern als die Permanentmagneten 9 für die Feststellung der Winkelfunktion der magnetischen Pole in den Rücken der Schaufeln des Kompressorschaufelrades 5 eingebettet sind, werden sie nicht nachteilig durch Zentrifugalkräfte beeinflußt, die entstehen, wenn das Kompressorschaufelrad 5 mit sehr hohen Geschwindigkeiten läuft, und es ist leicht, Einstellungen für das Drehauswuchten des Kompressorschaufelrades vorzunehmen.
Die Figuren 2(a) und 2(b) zeigen einen Turbolader gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sind dünne, amorphe Schichten 91 aus Silikonstahl an dem Kompressorschaufelrad 5 statt der Permanentmagnete 9 bei dem ersten Ausführungsbeispiel angebracht, Diejenigen Teile in den Figuren 2(a) und 2(b), die denen der Figuren 1(a) und 1(b) gleich sind, sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
In den Figuren 2(a) und 2(b) besteht ein Kompressorschaufelrad 5 aus einem nichtmagnetischen Material wie z.B. einer Aluminiumlegierung, und nichtmagnetisierte dünne Schichten 91 aus amorphem Silikonstahl sind fest auf dem Kompressorschaufelrad 5 an radialen Stellen durch Verdampfung aufgebracht, die den N- und S-Polen des Permanentmagneten eines Rotors 61 entsprechen. Ein magnetischer Sensor 100 hat einen magnetischen Pol und eine Detektorspule zur Feststellung eines Wechsels in dem magnetischen Feld, der durch ein magnetisches Glied hervorgerufen wird, das sich an den magnetischen Sensor 100 annähert. Bei einer solchen Feststellung übermittelt die Detektorspule ein Signal zu einem (nicht dargestellten) Controller wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
Wenn das Kompressorschaufelrad 5 und der Rotor 61 in Drehung versetzt werden, werden die dünnen Schichten 91 aus amorphem Silikonstahl auf dem Kompressorschaufelrad 5 ebenfalls in Drehung versetzt, und in dem magnetischen Feld werden durch das Kompressorschaufelrad 5 aus einer Aluminiumlegierung, das nahe dem magnetischen Sensor 100 rotiert, und die nichtmagnetisierten ferromagnetischen, dünnen Schichten 91 Wechsel hervorgerufen. Deshalb übemittelt der magnetische Sensor 100 ein festgestelltes Signal jedes Mal dann, wenn sich eine der dünnen Schichten 91 an dem magnetischen Sensor 100 vorbeibewegt. Da das übermittelte Signal der Winkelposition des einen der magnetischen Pole des Rotors 61 entspricht, kann die Winkelposition der magnetischen Pole des Rotors 61 während der Drehung exakt erfaßt werden. Eine Abschirmplatte 11 ist ebenfalls vorgesehen, um den magnetischen Sensor 100 vor den magnetischen Feldern von dem Rotor 61 und den Statorspulen 63 zu schützen. Deshalb hat das erfaßte Signal von dem magnetischen Sensor 100 eine gute S-/N-Rate.

Claims

1. Ein Turbolader mit einer rotierenden elektrischen Maschine (6) und einschl. eines Turbinenschaufelrades (4), das durch die Energie der Abgase angetrieben wird, die von einem Motor mit geschlossenem Brennraum ausgestoßen werden, einer rotierenden Welle (2), deren eines Ende an dem Turbinenschaufelrad befestigt ist, eines Kompressorschaufelrades (5), das an dem anderen Ende der rotierenden Welle befestigt ist, eines Magnetrotors (61), der an der rotierenden Welle befestigt ist und einen Permanentmagneten aufweist, sowie des Kerns eines Stators (62), der um den Magnetrotor herum angeordnet ist und aufgewickelte Statorspulen (63) trägt, gekennzeichnet durch magnetisch erfaßbare Mittel (9), die an dem Kompressorschaufelrad (5) angebracht sind, sich mit ihm drehen und in einer Position angeordnet sind, die der Winkelposition eines magnetischen Pols des Magnetrotors (61) entspricht;

einen magnetischen Sensor (10), der in einer Position angebracht ist, in der er den magnetisch erfaßbaren Mitteln (9) zur Erfassung der Winkelposition des Rotors (61) während der Drehung der magnetisch erfaßbaren Mittel bei einer Drehung desselben gegenüberliegt; und

Abschirmmittel (11), die zwischen dem Sensor (10) und der rotierenden elektrischen Maschine (6) zum Schutz des magnetischen Sensors (10) von Einflüssen angebracht ist, die durch Wechsel des magnetischen Feldes infolge der Rotation des magnetischen Rotors (61) oder von Änderungen in dem elektrischen Strom herrühren, der in den Statorwicklungen (63) fließt.

2. Ein Turbolader nach Anspruch 1, bei dem die magnetisch erfaßbaren Mittel (9) in den Rücken einer Schaufel des Kompressorschaufelrades (5) eingebettet sind.

3. Ein Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die magnetisch erfaßbaren Mittel einen oder mehrere Permanentmagneten erfassen.

4. Ein Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die magnetisch erfaßbaren Mittel ein oder mehrere nicht magnetisierbare magnetische Glieder umfassen.

5. Ein Turbolader nach Anspruch 4, bei dem das nicht magnetisierbare magnetische Glied aus einem amorphen Silikonstahl besteht.

6. Ein Turbolader nach Anspruch 5, bei dem das nicht magnetisierbare magnetische Glied aus amorphen Silikonstahl durch Verdampfen auf dem Rücken einer Schaufel des Kompressorschaufelrades aufgebracht ist.

7. Ein Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Abschirmmittel ein Ringglied in der Form einer dünnen magnetischen Stahlplatte (11) umfassen.