DE60035997T2

DE60035997T2 - Wärmeerzeuger für kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE60035997T2
Application number: DE60035997T
Authority: DE
Inventors: Odd Hielm
Original assignee: Konstruktions Bakelit AB
Current assignee: Konstruktions Bakelit AB
Priority date: 1999-06-18
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2020-06-17
Also published as: SE9902321L; EP1197125B1; EP1197125A2; DE60035997D1; WO2000078569A3; ATE370636T1; SE517772C2; JP2003502214A; AU6032700A; WO2000078569A2; SE9902321D0; US6489598B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Wesentlichen auf einen Wärmeerzeuger für Kraftfahrzeuge und primär auf einen Wärmeerzeuger zum Reduzieren von Emissionen aus dem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs.
US-A-4,484,049 offenbart einen wassergekühlten Wärmeerzeuger für den Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs. Der Wärmeerzeuger umfasst eine von dem Fahrzeugmotor angetriebene Welle, die dem Rotor in einem elektrischen Generator und einem Rotor in dem Wärmeerzeuger selbst ähnelt. Der Wechselstrom, der aus der Statorwicklung des elektrischen Generators aufgenommen wird, wird gleichgerichtet und dem Rotor in dem Wärmeerzeuger als magnetisierter Strom zugeführt. Letzterer weist ebenfalls einen laminierten Stator mit Ankerstäben auf, die zwischen zwei Kurzschlussringen verbunden sind, wobei die Stäbe wie die Kurzschlussringe hohl sind. Die Ankerstäbe, in denen der Rotor des Wärmeerzeugers Induktionsströme erzeugt, wenn er rotiert, werden wie die Kurzschlussringe durch Wasser gekühlt, welches durch sie zirkuliert. Das so erwärmte Wasser wird wiederum zum Erwärmen des Fahrgastraums des Kraftfahrzeugs verwendet.
Dieser Wärmeerzeuger ist sperrig, kompliziert und weist eine geringe Effizienz auf.
EP 0 087 727 A1 offenbart einen Wärmeerzeuger, der einen Rotor mit Dauermagneten und einen Stator umfasst. Ein Kühlmedium wird in einen Kanal eingeführt, fließt über eine der Statorflächen und wird in einen Kanal abgelassen. Der Rotor und der Stator sind bezüglich einander bewegbar, um die erzeugte Wärme einzustellen.
US-A-5,573,184 offenbart einen Wärmeerzeuger basierend auf Reibungserwärmung. Dieser Wärmeerzeuger ist ebenfalls sperrig aufgrund eines hohen Volumen/Outputverhältnisses, wobei darüber hinaus eine relativ hochviskose Flüssigkeit erforderlich ist.
PCT/SE99/00283 beschreibt einen Wärmeerzeuger mit einem dauernd magnetisierten scheibenförmigen Rotor, einem Stator, der axial von dem Rotor getrennt ist und in welchem der Rotor elektrische Ströme induziert, während er rotiert, was in dem Stator Wärme erzeugt, sowie einen Kühlkanal für eine fließende Flüssigkeit, der an den Stator angrenzt, um die in dem Stator erzeugte Wärme abzuleiten.
Dieser Wärmeerzeuger ist kompakt und bietet ein sehr effizientes Erwärmen der Kühlflüssigkeit, die gedacht ist für die Verwendung in der Erwärmung des Kühlmittels in einem Verbrennungsmotor in einer Ausgangsphase nach dem Start des Verbrennungsmotors.
Aufgrund der hocheffizienten Umwandlung der mechanischen Arbeit, welche den Wärmeerzeuger antreibt, in erzeugte Wärme in der Kühlflüssigkeit, kann es in vielen Anwendungen notwendig sein, den erzeugten Wärmeoutput gemäß einem variierenden Bedarf zu steuern. Dies kann offensichtlich durch die entsprechende Veränderung der mechanischen Kraftlieferung erfolgen, die den Wärmeerzeuger antreibt, indem die Drehzahl der Rotation des Wärmeerzeugers eingestellt wird. Solch eine Drehzahlveränderung ist jedoch nicht in allen Anwendungen möglich, da andere Voraussetzungen für die Stärke des mechanischen Kraftoutputs entscheidend sein können, wie zum Beispiel die Kraft, die nötig ist, um ein Fahrzeug anzutreiben. Nichtsdestotrotz kann in einem solchen Fall der gewünschte Wärmeoutput erzeugt werden, indem der Wärmeerzeuger periodisch auf die Art verbunden wird, dass der Durchschnittswert des erzeugten Wärmeoutputs dem gewünschten Wärmeoutput entspricht. Diese periodische Verbindung erfordert jedoch eine Verbindungsanordnung, die Raum erfordert und bedeuten kann, dass der Wärmeerzeuger kompliziert und/oder unerwünscht teuer wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmeerzeuger für Kraftfahrzeuge bereitzustellen, der kompakt ist, aber auch ein leichtes Einstellen der erzeugten Wärme erlaubt.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mithilfe eines Wärmeerzeugers gemäß Anspruch 1 erfüllt. Die bevorzugten Ausführungsformen des Wärmeerzeugers werden in den Unteransprüchen dargestellt.
Ein Wärmeerzeuger gemäß der Erfindung weist einen dauernd magnetisierten, scheibenförmigen Rotor auf; einen Stator, der axial von dem Rotor getrennt ist und in welchem der Rotor elektrische Ströme induziert, während er rotiert, was in dem Stator Wärme erzeugt, sowie einen Kühlkanal für eine fließende Kühlflüssigkeit, der an den Stator angrenzt, um die in dem Stator erzeugte Wärme abzuleiten. Der Rotor und der Stator sind darüber hinaus bezüglich einander axial bewegbar, um den Abstand zwischen ihnen einzustellen und dabei die in dem Stator erzeugte Wärme oder den Wärmeoutput einzustellen. Dabei findet die Tatsache Anwendung, dass ein Einstellen des Abstands zwischen dem Rotor und dem Stator die Stärke der Ströme beeinflusst, die der Rotor in dem Stator induziert und somit auch die Stärke der von den Strömen erzeugten Wärme. Letztendlich sind Mittel angeordnet, um den in dem Stator erzeugten Wärmeoutput zu bestimmen, durch axiales Arbeiten auf dem Rotor in der Richtung des Stators mit einer variablen Kraft gegen den Einfluss einer zurückweisenden Kraft, welche durch die in dem Stator induzierten Ströme erzeugt wurde. Der Rotor kann dadurch auf eine axiale Position bezüglich des Stators gesetzt werden, abhängig von dem in dem Stator zu erzeugenden Wärmeoutput.
Der Stator umfasst vorzugsweise zwei metallische Schichten, welche einen engen im Wesentlichen radialen Zwischenraum definieren, der einen Teil des Kühlkanals bildet, welcher für einen radialen Strom ausgelegt ist. Auf diese Art und Weise wird der Abstand, über den die Flüssigkeit in dem Kühlkanal erwärmt wird, relativ klein gehalten, was eine Voraussetzung für ein schnelles Erwärmen unter Verwendung eines hohen Outputs darstellt.
Zusätzlich umfasst der Kühlkanal geeigneterweise zwei ringförmige Räume, die auf der Seite an den radialen Zwischenraum angrenzen, die vom Rotor entfernt ist, und für einen umlaufenden Strom der Kühlflüssigkeit ausgelegt sind. Diese Konstruktion bedeutet, dass die Kühlflüssigkeit den sich kreuzenden Wegen auf beiden Seiten einer der zwei metallischen Schichten folgt, die von der Schicht dargestellt wird, die am weitesten von dem Rotor entfernt ist. Aufgrund dieser sich kreuzenden Ströme der Kühlflüssigkeit können solche Phänomene wie Verdampfen und Filmsieden verhindert werden, die andererseits infolge des schnellen Erwärmens auftreten und zu Hohlraumbildung und Überhitzen führen könnten.
Das Mittel zum axialen Arbeiten auf dem Rotor in der Richtung des Stators, d. h. zum Einstellen des Abstandes zwischen dem Rotor und dem Stator, abhängig zum Beispiel von dem erwünschten Erwärmen der fließenden Flüssigkeit, kann auf viele verschiedene Arten ausgelegt sein, aber es umfasst geeigneterweise ein weichmagnetisches Material, das einen Teil des Stators bildet, so dass das Magnetfeld des Rotors geschlossen ist und eine magnetische Anziehungskraft zwischen dem dauernd magnetisierten Rotor und dem Stator wirkt.
Von den zwei metallischen Schichten kann die dem Rotor am nächsten liegende Schicht ein elektrisch leitendes, vorzugsweise nichtmagnetisches Material umfassen und die am weitesten vom Rotor entfernte Schicht kann das weichmagnetische Material umfassen.
Die in dem Stator erzeugte Kraft, die eine zurückweisende Wirkung auf den Rotor aufweist, kann so dimensioniert sein, dass sie den Rotor mit einer vorbestimmten Drehzahl gegen den Einfluss der magnetischen Anziehungskraft zwischen dem dauernd magnetisierten Rotor und dem Stator von dem Stator weg bewegt. Das wird zum Beispiel durch die Auswahl des magnetischen Statormaterials und durch die Auswahl seines Volumens und dem Abstand von dem Rotor erreicht.
Das Mittel zum axialen Arbeiten auf dem Rotor kann Federmittel, pneumatische oder hydraulische Kolben- und Zylindereinheiten und/oder elektrisch betriebene Einheiten umfassen. Das Mittel kann die magnetische Anziehungskraft oder die zurückweisende Kraft stärken und/oder schwächen, um das Erreichen eines vorbestimmten Output-/Drehzahlprofils zu erlauben.
Das Mittel zum axialen Arbeiten auf dem Rotor kann darüber hinaus ein Beeinflussungsmittel umfassen, um den Rotor positiv in eine gewünschte Outputposition zu bewegen oder den Rotor in einer unteren Outputposition zu sperren, wenn zum Beispiel der gesamte Output des Motors zum Beschleunigen benötigt wird.
Das Mittel zum axialen Arbeiten auf dem Rotor kann darüber hinaus durch ein Beeinflussungssignal von der den Verbrennungsmotor steuernden Steuerelektronik gesteuert werden, welche, um den in dem Stator erzeugten Wärmeoutput durch positives Bewegen des Rotors bezüglich des Stators zu begrenzen und eine Position mit begrenztem Output zu erreichen. Solch ein Beeinflussungssignal kann von der Steuerelektronik in Verbindung mit der Beschleunigung erzeugt werden, zum Beispiel aus dem Stand oder eine vorbestimmte Grenze überschreitend, wobei der Rotor in eine untere Outputposition bewegt und in ihr gesperrt wird.
Indem das Mittel zum Anwenden von Kraft auf den Rotor in der Richtung des Stators ein angemessenes Kraft-/Abstandsprofil erhält, kann der erzeugte Wärmeoutput somit ein vorbestimmtes Output-/Drehzahlprofil annehmen.
Die Ströme, die der Rotor in dem Stator induziert, nehmen normalerweise mit steigender Drehzahl zu. Um diesen zunehmenden Strom zu berücksichtigen, kann auch der Abstand des Rotors von dem Stator entsprechend erhöht werden, wenn die Drehzahl des Rotors steigt. Dieser Anstieg kann zum Beispiel verwendet werden, um das gewünschte Wärmeoutput-/Drehzahlprofil für eine eingestellte Rotordrehzahl zu erreichen. Insbesondere der Anstieg im Abstand zwischen dem Rotor und dem Stator kann lediglich über eine vorbestimmte Drehzahl hinaus initiiert werden, um dadurch den Maximumoutput zu begrenzen.
In einer anderen Ausführungsform umfasst das Mittel zum Anwenden von Kraft auf den Rotor in der Richtung des Stators einen pneumatischen Kolben, dessen Kraft durch Unterdruck oder Überdruck erzeugt werden kann. Wenn sie durch Unterdruck erzeugt wird, kann der pneumatische Kolben vorteilhafterweise mit Federmitteln kombiniert werden, die gleichermaßen eine Kraft auf den Rotor und noch genauer eine vermindernde Kraft anwenden, wenn der Abstand zwischen dem Rotor und dem Stator zunimmt. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Kraftmerkmale der Federmittel so ausgelegt sind, dass bei einer konstanten Rotordrehzahl ein steigender Unterdruck in dem pneumatischen Kolben den Rotor näher zum Stator bewegt.
Zum Schutz vor übermäßigem Erwärmen der Kühlflüssigkeit können Einstellungsmittel entlang des Kühlkanals bereitgestellt werden, die empfindlich auf die Temperatur in dem Kühlkanal sind und die Fähigkeit aufweisen, bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur größtenteils direkt auf den Rotor einzuwirken und seinen Abstand zum Stator auf einen Wert zu vergrößern, bei welchem die in dem Stator erzeugte Wärme vernachlässigbar ist. Auf diese Weise kann das Erwärmen der in dem Kühlkanal fließenden Flüssigkeit über einen vorbestimmten Temperaturwert hinaus verhindert werden, wobei zum Beispiel dort, wo Wasser als Kühlmedium verwendet wird, ein Erwärmen auf über 100°C verhindert werden kann und dabei ein Verdampfen bei Normaldruck verhindert wird.
Die Konstruktion des Kühlkanals ist entscheidend bezüglich des hohen Outputs (mit einer Größenordnung von zehn Kilowatt), das ein Wärmeerzeuger gemäß der Erfindung entwickeln kann. Gemäß der Erfindung werden Kurzflusswege in dem aktivsten Heizbereich erzeugt, welcher dem Rotor am nächsten liegt, indem der Stator mit einer ersten Platte, die sich radial entlang des scheibenförmigen Rotors erstreckt, und mit einer zweiten Platte, die entlang der ersten Platte und auf der gegenüberliegenden Seite des Rotors gelegen ist, konstruiert wird, um einen radialen Zwischenraum zu bilden. Dadurch kann die Kühlflüssigkeit dazu gebracht werden, radial durch den Zwischenraum zu fließen, da er mit Öffnungen um seinen äußeren und inneren Umfang verbunden ist.
In einer weiteren Ausführungsform des Wärmeerzeugers umfasst der Rotor zwei axial getrennte Rotorplatten und der Stator zwei Statorplatten, die zwischen den Rotorplatten angeordnet sind und an jeweils eine davon angrenzen. In diesem Fall werden die Abstandseinstellungen dadurch hergestellt, dass die Rotorplatten axial voneinander weg bewegbar sind und von der jeweiligen Statorplatte, die bezüglich der Axialbewegung fixiert ist.
Auf jeder Rotorplatte kann der dauernd magnetisierte scheibenförmige Rotor eine Mehrzahl Dauermagneten aufweisen und kann im Übrigen aus einem weichmagnetischen Material bestehen und jede Statorplatte kann aus einem elektrisch leitenden Material bestehen. Wenn der Rotor rotiert, bewirkt das von den Dauermagneten erzeugte Magnetfeld Ströme in den Statorplatten, die zusätzlich zur Wärmeerzeugung in den Statorplatten wiederum Magnetfelder erzeugen, die versuchen, dem von den Rotormagneten erzeugten Magnetfeld entgegenzuwirken. Die einander entgegenwirkenden Magnetfelder bewirken zurückweisende Kräfte, die axial zwischen dem Stator und dem Rotor wirken, insbesondere zwischen jedem Paar Statorplatten und jedem Paar Rotorplatten. Diese zurückweisenden Kräfte nehmen zu, wenn die Rotordrehzahl zunimmt und nehmen ab, wenn der Abstand zwischen Rotor und Stator zunimmt.
Im Falle der zwei Statorplatten und zwei Rotorplatten umfasst der Kühlkanal zwei radiale Zwischenräume, die zwischen jeder Statorplatte und einer daneben angebrachten Platte aus magnetischem Material gebildet sind. Diese angebrachte Platte aus magnetischem Material ist ringförmig und verschließt den Flussweg für das magnetische Feld von dem Rotor durch den Stator. Dabei tritt auch eine Anziehungskraft zwischen jeder Rotorplatte und der zugehörigen angebrachten Platte auf, welche versucht, die Rotorplatten in Richtung der jeweiligen Statorplatte zu bewegen. Diese Anziehungskraft ist größtenteils nur vom Abstand abhängig.
Einige Beispiele für Ausführungsformen eines Wärmeerzeugers gemäß der Erfindung werden nachstehend ausführlicher mit Bezug auf die beiliegenden Figuren beschrieben.
1 ist eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Wärmeerzeugers gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 und 3 sind axiale partielle Querschnittsansichten entlang der Linien II-II bzw. III-III in 1.
4 und 5 sind radiale Querschnittsansichten entlang der Linien IV-IV bzw. V-V in 2.
6 und 7 sind axiale Querschnittsansichten einer zweiten und einer dritten Ausführungsform eines Wärmeerzeugers gemäß der Erfindung.
8 ist eine axiale Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform eines Wärmeerzeugers gemäß der Erfindung.
9 ist eine perspektivische Ansicht eines Stators, der einen Teil der Ausführungsform gemäß 8 bildet.
10 ist eine perspektivische Sicht und zeigt einen Wärmeerzeuger gemäß der Erfindung, der auf einer Kurbelwelle eines partiell dargestellten Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug angebracht ist.
11 ist eine Einzelteildarstellung einer fünften Ausführungsform.
12 ist ein Diagramm des Outputs, der als eine Funktion von Drehzahl und Abstand in einer Ausführungsform eines Wärmeerzeugers gemäß der Erfindung entwickelt wurde.
13 ist ein Diagramm einer zurückweisenden Kraft als eine Funktion von Drehzahl und Abstand in einer Ausführungsform eines Wärmeerzeugers gemäß der Erfindung.
Die Ausführungsform eines in 1–5 dargestellten Wärmeerzeugers weist ein Gehäuse 1 auf, welches zwei schalenförmige Schirme 2 und 3 umfasst und einen dazwischen liegenden peripheren Ring 4, die mithilfe von sechs Schraubverbindungen zusammengehalten werden. Eine Welle 6 wird von einem Lager 7, 8 in jedem Schirm 2 bzw. 3 zentral gestützt. Außen am Gehäuse 1 ist eine Riemenscheibe an der Welle 6 befestigt, welche im Innern des Gehäuses 1 einen Rotor 9 stützt.
Der Rotor 9 weist eine Zentralnabe 10 mit sechs radial ausgerichteten Speichen 11 auf, an deren äußeren Enden zwei plane ringförmige Rotorplatten 12 und 13 in axialem Abstand voneinander gehalten werden. Die Rotorscheiben 12, 13 werden mithilfe von sechs Führungsstiften 14, die abwechselnd an der Rotorplatte 12 und der Rotorplatte 13 befestigt sind, für die axiale Bewegung nach außen und von der in 2 und 3 dargestellten Position weg geführt. Sechs temperaturempfindliche zylindrische Mittel 15 sind axial zwischen den Rotorplatten 12 und 13 angeordnet, von denen jede einen daran befestigten äußeren Ring und einen inneren Ring umfasst, wie in 2 und 3 erkennbar. Die zylindrischen Mittel 15 sind von bekannter Art und erhöhen ihre Länge um einen vorbestimmten Wert fast unmittelbar, wenn die Umgebungstemperatur einen vorbestimmten Wert übersteigt.
Die Rotorplatten 12 und 13 werden von sechs Bimetallfedern 16 für jede Rotorplatte in die Richtung der in 2 und 3 dargestellten Position gedrückt, die definiert wird durch ihr Angrenzen an die äußeren Enden der Speichen 11. Die Federn 16 sind zwischen einer der Rotorplatten 12, 13 und einer der zwei Verstärkungsplatten oder Gegenplatten 17, 18 angeordnet, die sich axial außerhalb dieser Platten befinden und an der Welle 6 befestigt sind.
An der Außenseite ist eine Mehrzahl Dauermagnete 19 an den gegenüberliegenden Seiten der Rotorplatten 12, 13 mit axial ausgerichteten Polen und mit Polarität angebracht, die in der umlaufenden Richtung der Rotorplatten von Magnet zu Magnet wechselt.
Ein Stator 20 und ein Kühlkanal 21 befinden sich zwischen den Rotorplatten 12, 13 und sind fest mit dem Gehäuse 1 verbunden. Speziell der Stator 20 weist zwei Statorplatten 22, 23 in Form von flachen Ringen aus elektrisch leitendem, vorzugsweise nicht-magnetischem Material auf, zum Beispiel Kupfer, die an ihren peripheren Außenkanten am Gehäuse 1 befestigt sind, zum Beispiel zwischen jeden der Schirme 2, 3 und dem peripheren Ring geklemmt sind, und an ihren peripheren Innenkanten mit einem Gehäuse 24 verbunden sind, so dass die Statorplatten 22, 23, der periphere Ring 4 und das Gehäuse 24 einen ringförmigen Raum zwischen den Dauermagneten 19 der Rotorplatten 12, 13 bilden und der Raum den Kühlkanal 21 bildet. Der ringförmige Raum wird durch zwei flache Ringe 27, 28, die am Gehäuse 24 angebracht sind, in einen äußeren Kanal 25 und einen inneren Kanal 26 geteilt und es kann ebenfalls gesagt werden, dass er einen Bestandteil des Stators bildet, und einen im Wesentlichen hülsenartigen Ring 29, der zwischen den flachen Ringen 27 und 28 eingefügt ist und sich um sie und zu einer ersten Öffnung 30 in dem peripheren Ring 4 erstreckt, welcher dadurch mit dem inneren Kanal 26 verbunden ist. Eine zweite Öffnung 31 in dem peripheren Ring 4 ist mit dem äußeren Kanal 25 verbunden.
Wie in 2 und 3 deutlich wird, sind die flachen Ringe 27, 28, die vorzugsweise aus weichmagnetischem Material bestehen, in einem kurzen axialen Abstand von den jeweiligen Statorplatten 22, 23 angeordnet, so dass zwei radiale Zwischenräume 32, 33 zwischen ihnen gebildet werden, die den äußeren Kanal 25 und den inneren Kanal 26 verbinden.
Mithilfe der vorstehend beschriebenen Konstruktion kann ein Kühlmedium, zum Beispiel Wasser, durch die Öffnung 30 in die umlaufende Richtung in den inneren Kanal 26 gepumpt werden, radial nach außen über die Zwischenräume 32, 33 in die umlaufende Richtung durch den äußeren Kanal 25 zur zweiten Öffnung 31 und durch dieselbe hinaus. Die Gegenrichtung des Stromes, d. h. von der Öffnung 31 zur Öffnung 30, ist natürlich ebenfalls möglich. Hinsichtlich dieses Strömens kann sich die Querschnittsfläche des Kanals 26, d. h. ihre Erstreckung in die Radialrichtung von der Öffnung 30 weg in Flussrichtung gesehen entsprechend verringern, und die Querschnittsfläche des Kanals 25 kann dementsprechend in Flussrichtung gesehen auf ein entsprechendes Maß in Richtung der Öffnung 31 ansteigen. Die Fließgeschwindigkeit in Längsrichtung eines jeden der Kanäle 25, 26 kann somit größtenteils konstant gehalten werden.
Wenn sich der Rotor 9 in Stillstand befindet und die Rotorplatten 12, 13 so dicht wie möglich beieinander liegen, befindet sich ein Zwischenraum zwischen den Dauermagneten 19 des Rotors 9 und jeder angrenzenden Statorplatte 22, 23. Die Rotorplatten 12, 13 werden dann in ihre Position so nah wie möglich an jede Statorplatte 22 bzw. 23 gedrückt, sowohl durch die Druckfedern 16 als auch durch die Anziehungskraft zwischen den Dauermagneten 19 und den von den flachen Ringen 27, 28 gebildeten befestigten Platten.
Wenn der Rotor 9 zum Rotieren gebracht wird, werden die von den Dauermagneten 19 erzeugten Magnetfelder elektrische Ströme in den Statorplatten 22, 23 erzeugen und dabei die Letzteren stark erwärmen. Die in den Statorplatten 22, 23 erzeugte Wärme wird von der durch die Zwischenräume 32, 33 fließenden Kühlflüssigkeit abgeleitet.
Die elektrischen Ströme in den Statorplatten 22, 23 haben Magnetfelder zur Folge, die eine zurückweisende Kraft bezüglich der Magnetfelder der Dauermagneten 19 erzeugen, infolge dessen die Rotorplatten 12, 13 gezwungen sind, sich gegen den Einfluss der Druckfedern 16 und der Anziehungskraft zwischen den Dauermagneten 19 der Rotorplatten 12, 13 und den Ringen 27, 28 axial von den jeweiligen Statorplatten 22, 23 weg zu bewegen.
Durch das Einstellen der Federeigenschaften der Druckfedern 16 bezüglich der Eigenschaften für die zurückweisenden oder anziehenden Magnetfelder kann ein gewünschtes Output-/Abstandsprofil erreicht werden.
Die in 6 dargestellte zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform darin, dass als Ankermittel für die Druckfedern 16 zwei flache Ringe 34, 35 verwendet werden, die mithilfe von Stiften 36 fest miteinander verbunden sind, welche sich durch Löcher in den inneren Teilen der zwei Rotorplatten 12, 13 erstrecken. Dies bietet ein selbsttragendes und selbstabgleichendes Ankermittel für die Druckfedern 16.
In der in 7 dargestellten dritten Ausführungsform sind die Schraubenfedern 16 durch zwei sternförmige Blattfedern 37, 38 ersetzt, die an ihrem radialen Innenteil an den Seiten einer jeweiligen Rotorplatte 12, 13, die vom Stator 20 entfernt ist, befestigt sind. Die Blattfedern 37, 38 können vorteilhafterweise aus Bimetall bestehen und zusätzlich vorgespannt sein, um eine Druckkraft gegen den Rotor in der in der Figur dargestellten Position auszuüben. Durch Herstellen der Blattfedern 37, 38 aus Bimetall kann der Druck, den sie ausüben, verwendet werden, um beim Ansteigen der Temperatur ein Ansteigen des Abstandes des Rotors von dem Stator schrittweise zu verringern und dabei die in dem Stator entwickelte Wärme zu reduzieren, was folglich eine automatische Steuerung der Temperatur der Flüssigkeit in dem Kühlkanal erlaubt. Bimetallfedern können auch verwendet werden, um bei einer vorbestimmten Temperatur unmittelbar von einer stabilen Position in eine andere stabile Position zu wechseln. Durch Anwenden dieses Betriebsverfahrens können die Blattfedern 37, 38 verwendet werden, um als Schutz gegen übermäßig hohe Flüssigkeitstemperaturen in dem Kühlkanal zu fungieren.
Die in 8–9 dargestellte Ausführungsform eines Wärmeerzeugers gemäß der Erfindung unterscheidet sich von den vorangegangenen Ausführungsformen darin, dass der Rotor 9 lediglich eine Rotorplatte 39 aufweist. In dieser Ausführungsform ist ein pneumatischer Kolben 40, der mit dem Rotor 9 axial bewegbar ist, aber aufgrund eines dazwischen befindlichen Kugellagers 41 nicht mit ihm rotiert, anstelle der zweiten Rotorplatte in den anderen Ausführungsformen angeordnet. Der innere Raum 42 des Kolbens 40 ist mit einer Vakuumquelle (nicht dargestellt) verbunden, die den Unterdruck in dem Kolben 40 steuern kann.
Ein Set 43 Federn, die verschiedene Härten aufweisen können, ist darüber hinaus im Innern des Kolbens 40 angeordnet und versucht, den Kolben 40 nach links in 9 zu bewegen, d. h. den Rotor 9 vom Stator 20 wegzubewegen. Die Eigenschaft des Federsets 43 ist so ausgelegt, dass der Unterschied zwischen den auf den Rotor 9 wirkenden Kräften, die versuchen, den Rotor 9 vom Stator 20 wegzubewegen, und der Anziehungskraft, die aufgrund der Dauermagnete 19 zwischen dem Rotor 9 und dem Stator 20 wirkt, von der Position, die am weitesten vom Stator 20 entfernt ist zu der Position des Rotors 9, die dem Stator am nächsten liegt, gleichförmig zunimmt. Im Ergebnis dieser Konstruktion kann die Position des Rotors 9 mithilfe der Größe des Unterdrucks in dem pneumatischen Kolben 40 leicht und eindeutig gesteuert werden, wobei der Unterdruck auf den Kolben 40 wirkt und somit den Rotor 9 in die Richtung zum oder weg vom Stator 20 bewegt.
10 stellt dar, wie kompakt ein Wärmeerzeuger 44 gemäß der Erfindung bezüglich eines herkömmlichen Verbrennungsmotors 45 ist. Der Wärmeerzeuger 44, dessen Stator 20 an dem Verbrennungsmotor 45 befestigt ist, kann direkt mit der Motorwelle gekoppelt sein, durch die übliche Scheibe 46 für den Transmissionsriemen 47, der die Motorwelle zum Beispiel mit der Servosteuerung und dem Erzeuger koppelt. Die Einlassöffnung und die Auslassöffnung, d. h. die Öffnungen 30, 31 des Wärmeerzeugers sind über Schläuche 48, 49 mit dem Kühlsystem des Verbrennungsmotors 45 verbunden.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform eines Wärmeerzeugers kann offensichtlich in vielerlei Hinsicht modifiziert werden, zum Beispiel können auch andere Mittel, wie z. B. elektrisch betriebene Mittel verwendet werden, um Kraft auf den Rotor in Richtung des Stators anzuwenden. Solch eine Ausführungsform ist in der Einzelteilansicht in 11 dargestellt. Diese Ausführungsform des Wärmeerzeugers gleicht denen in 8 und 9, aber anstelle des pneumatischen Kolbens 40 und des Federsets 43 weist sie zwei Zahnräder 50, 51 mit konischen Nocken 52 bzw. Nockennuten 53 auf. Das Zahnrad 50 wird so gestützt, dass es lediglich axial verlagerbar ist und auf die axiale Position des Rotors 9 wirkt, während das Zahnrad 51 so gestützt ist, dass es lediglich rotieren kann, speziell durch einen Arm 54, der fest mit dem Zahnrad 51 verbunden ist und dessen Rotationsposition wiederum gesteuert werden kann, zum Beispiel mithilfe eines Elektromotors 55 gemäß einem Beeinflussungssignal der den Verbrennungsmotor steuernden Steuerelektronik, um den im Stator erzeugten Wärmeoutput zu begrenzen, indem das Zahnrad 51 positiv gedreht wird und dabei das Zahnrad 50 und der Rotor bezüglich des Stators axial bewegt werden, so dass zum Beispiel eine Position mit einem begrenzten Output erreicht werden kann.
Das Zahnrad 50, 51 kann natürlich auch ein Beeinflussungsmittel für die positive Bewegung des Rotors in eine gewünschte Outputposition bilden.
Als eine weitere Alternative kann das Zahnrad 51 gänzlich feststehend gestaltet sein, d. h. axial unbewegbar und auch nicht-rotierbar und der Arm 54 kann nicht-rotierbar, aber axial bewegbar mit dem Zahnrad 50 verbunden sein. Das Zahnrad, wie in der Ausführungsform in 11, ist wiederum mit dem Rotor 9 axial bewegbar und in Bezug dazu rotierbar gestützt. Diese Alternative ist tatsächlich eine der bevorzugten Alternativen.
12 zeigt ein Diagramm, das schematisch den Stromoutput W (kW) in einem Wärmeerzeuger gemäß der Erfindung als eine Funktion der Drehzahl der Rotation r (U/min) bei verschiedenen Abständen d (d1–d4, zum Beispiel 0,4/0,8/1,3/1,9 mm) zwischen Stator und Rotor darstellt. Es wird deutlich, dass der Stromoutput W mit zunehmender Drehzahl bei einem konstanten Abstand (z. B. d1) zwischen Rotor und Stator zunimmt, und dass die Geschwindigkeit der Zunahme des Stromoutputs W größer ist, je kleiner der Abstand d zwischen Stator und Rotor ist. Umgekehrt verringert sich der Stromoutput W mit zunehmendem Abstand d bei einer konstanten Drehzahl r. Ein gewünschtes Output-/Drehzahlprofil kann somit erreicht werden, indem der Abstand d gemäß der Drehzahl r variiert.
Da die Stärke des Magnetfeldes im Wesentlichen als reziproker Wert des Quadrats des Abstands zwischen dem Rotor und dem Stator variiert, kann eine äußerst akzeptable Veränderung im Output bei einer relativ kleinen Veränderung des axialen Abstands zwischen dem Rotor und dem Stator erhalten werden. Das bedeutet wiederum, dass der Wärmeerzeuger gemäß der Erfindung sehr kompakt gestaltet werden kann.
13 zeigt ein Diagramm, das schematisch die zurückweisende Kraft F (N) in einem Wärmeerzeuger gemäß der Erfindung als eine Funktion der Drehzahl r (U/min) bei verschiedenen Abständen d (zum Beispiel d1–d4 gemäß dem Vorstehenden) zwischen Stator und Rotor darstellt. Wie vorstehend beschrieben, ist diese zurückweisende Kraft das Ergebnis der Interaktion zwischen den Magnetfeldern der Dauermagneten und dem Magnetfeld, das durch die in dem Stator induzierten Ströme erzeugt wird. Es wird deutlich, dass die zurückweisende Kraft F mit zunehmender Drehzahl bei einem konstanten Abstand (z. B. d1) zwischen Rotor und Stator zunimmt und dass die Geschwindigkeit der Zunahme der zurückweisenden Kraft F größer wird, je kleiner der Abstand d zwischen Stator und Rotor ist. Umgekehrt verringert sich die zurückweisende Kraft mit zunehmendem Abstand d bei einer konstanten Drehzahl r.
Um den Abstand d gemäß der Drehzahl r zu variieren mit dem Ziel, ein gewünschtes Output-/Drehzahlprofil zu erreichen, wird die zurückweisende Kraft gemäß der Erfindung entsprechend ausgeglichen durch das axiale Arbeiten auf dem Rotor in der Richtung des Stators mit einer variablen Kraft, die somit gegen die zurückweisende Kraft F gerichtet ist.
In 12 ist eine Linie für einen konstanten Stromoutput von 12,5 kW gezogen (entwickelt ungeachtet der Drehzahl) und die Überschneidungen der Linie mit den Stromoutputkurven für die verschiedenen Abstände d1–d4 sind mit Kreisen gekennzeichnet. Die von den Kreisen gekennzeichneten Drehzahl-/Abstandüberschneidungen sind auch in 13 enthalten. Es wird deutlich, dass sich die zurückweisende Kraft bei zunehmender Drehzahl verringert, wenn der Stromoutput konstant gehalten wird, was bedeutet, dass die Kraft, die erforderlich ist, um die zurückweisende Kraft auszugleichen, sich in diesem Fall auch bei zunehmender Drehzahl entsprechend verringert.
Es wird anerkannt werden, dass eine Reihe weiterer Modifikationen der Ausführungsformen eines vorstehenden Wärmeerzeugers, zum Beispiel verschiedene Kombinationen verschiedener Mittel zum Anwenden von Kraft auf den Rotor in der Richtung des Stators, im Anwendungsbereich der Erfindung möglich sind, wie in den angefügten Patentansprüchen definiert.

Claims

Wärmeerzeuger zum Reduzieren von Emissionen von Kraftfahrzeugen, umfassend einen dauernd magnetisierten, scheibenförmigen Rotor (9, 12, 13), einen Stator (20, 22, 23), welcher axial von dem Rotor getrennt ist und in welchen der Rotor elektrische Ströme induziert während er rotiert, welches Hitze in dem Stator erzeugt, einen Kühlkanal (21), der für eine fließende Kühlflüssigkeit an den Stator angrenzt, um die in dem Stator erzeugte Wärme abzuleiten, wobei der Rotor (9, 12, 13) und der Stator (20, 22, 23) axial bezüglich einander bewegbar sind, um die in dem Stator erzeugte Wärme einzustellen, und Mittel (15, 16, 19, 27, 28, 37, 38, 40) zum Bestimmen des Wärmeoutputs, der in dem Stator durch axiales Arbeiten auf dem Rotor in der Richtung des Stators mit einer variablen Kraft gegen den Einfluss einer zurückweisenden Kraft erzeugt ist, welche durch die in den Stator induzierten Ströme erzeugt ist, wobei die Mittel (15, 16, 19, 27, 28, 37, 38, 40) durch ein weichmagnetisches Material (27, 28), welches Teil des Stators bildet, so dass eine magnetische Anziehungskraft zwischen dem dauernd magnetisierten Rotor (9) und dem Stator (29) wirkt, und Mittel (15, 16, 19, 27, 28, 37, 38, 40) zur Stärkung und/oder Schwächung der magnetischen Anziehungskraft zum Erreichen eines vorbestimmten Output/Drehzahlprofils gekennzeichnet sind.
Wärmeerzeuger gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (20) zwei metallische Schichten (22, 27) umfasst, welche einen schmalen radialen Zwischenraum (32) definieren, welcher einen Teil des Kühlkanals (21) bildet und für einen radialen Strom der Kühlflüssigkeit ausgelegt ist.
Wärmeerzeuger gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (21) zusätzlich zwei ringförmige Räume (25, 26) angrenzend zu dem radialen Zwischenraum umfasst, welche für einen umlaufenden Strom der Kühlflüssigkeit ausgelegt sind.
Wärmeerzeuger gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass von den zwei metallischen Schichten (22, 27) eine Schicht (22) nächst dem Rotor (9) eine elektrisch leitendes, vorzugsweise nichtmagnetisches Material umfasst und eine Schicht (27) am weitesten weg von dem Rotor (9) ein weich magnetisches Material umfasst.
Wärmeerzeuger gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Stator (20) erzeugte zurücktreibende Kraft mittels des magnetischen Materials des Stators und seines Volumens und Abstandes von dem Rotor (9), bei einer vorbestimmten Rotationsgeschwindigkeit, dimensioniert ist, um den Rotor (9) weg von dem Stator (20) gegen den Einfluss der magnetischen Anziehungskraft zwischen ihnen zu bewegen.
Wärmeerzeuger gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (15, 16, 19, 27, 28, 37, 38, 40), die axial auf dem Rotor (9) arbeiten, ein Beeinflussungsmittel (55) zur positiven Bewegung des Rotors (9) zu einer gewünschten Outputposition umfassen.
Wärmeerzeuger gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Einstellungsmittel (15), das empfindlich auf die Temperatur in dem Kühlkanal (21) ist, und das die Kapazität besitzt, bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur, den Abstand zwischen dem Rotor (9, 12, 13) und dem Stator (20, 22, 23) größtenteils unmittelbar zu einem Wert zu vergrößern, bei welchem die in dem Stator erzeugte Wärme vernachlässigbar ist.
Wärmeerzeuger gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (15, 16, 19, 27, 28, 37, 38, 40), die axial auf dem Rotor (9) arbeiten, durch ein Beeinflussungssignal von Steuerelektronik gesteuert sind, welches den Verbrennungsmotor (45) steuert, um den in dem Stator (20) erzeugten Wärmeoutput durch positives Bewegen des Rotors (9) bezüglich des Stators zu begrenzen und eine Position mit begrenztem Output zu erreichen.
Wärmeerzeuger gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (20) eine erste Platte (22) umfasst, die sich radial entlang dem scheibenförmigen Rotor (9) erstreckt, und eine zweite Platte (27), die radial entlang der ersten Statorplatte und auf der gegenüberliegenden Seite des Rotors gelegen ist, um eine radialen Zwischenraum (32) zu bilden, welcher Abgleichöffnungen um seinen äußeren und seinen inneren Umfang besitzt, um einen gleichmäßig verteilten Strom der fließenden Flüssigkeit durch den Zwischenraum (32) und Ableitung der in dem Stator (20) erzeugten Wärme zu erlauben.
Wärmeerzeuger gemäß Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen äußeren ringförmigen Raum (25), welcher sich den Öffnungen an dem äußeren Umfang des Zwischenraums (32) anschließt, und einen inneren ringförmigen Raum (26), welcher sich den Öffnungen an dem inneren Umfang des Zwischenraums (32) anschließt, welche ringförmigen Räume Sammelleitungen für die Flüssigkeit bilden, die zu beziehungsweise von dem Zwischenraum (32) strömt.
Wärmeerzeuger gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen in der zweiten Platte (27) gebildet sind.
Wärmeerzeuger gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (9, 12, 13) zwei axial getrennte Rotorplatten (12, 13) umfasst, und dass der Stator (20, 22, 23) zwei Statorplatten (22, 23) umfasst, die zwischen den zwei Rotorplatten und angrenzend zu jeweils einer von diesen angeordnet sind.
Wärmeerzeuger gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorplatten (12, 13) axial weg voneinander und von den jeweiligen Statorplatten (22, 23) bewegbar sind.
Wärmeerzeuger gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jede Rotorplatte (12, 13) eine Vielzahl von Dauermagneten (19) besitzt, dass jede Statorplatte (22, 23) ein elektrisch leitendes, vorzugsweise nichtmagnetisches Material umfasst, und dass zwei weitere Platten (27, 28) aus magnetischem Material angrenzend zu jeweils einer von den Statorplatten (22, 23) und auf der gegenüberliegenden Seite der jeweiligen Rotorplatten (12, 13) angeordnet sind.
Wärmeerzeuger gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (21) angeordnet ist, um mit dem Kühlsystem eines Verbrennungsmotors (45) verbunden zu werden, welcher verkoppelt ist, um den Rotor (9) anzutreiben, und dessen Emissionswerte durch diese Anordnung verbessert werden sollen.
Wärmeerzeuger gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es einen eingebauten Teil des Temperatursystems und der Emissionssteuerung eines Verbrennungsmotors sowohl mechanisch, thermisch als auch bezüglich der Steuerungstechnik bildet.
Wärmeerzeuger gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal einen engen radialen Zwischenraum (32) umfasst, der an den Stator und die ringförmigen Räume (25, 26) angrenzt, jeder mit einer radialen Seite des radialen Zwischenraums verbunden, welche Räume für gegenseitig entgegengesetzte Kühlflüssigkeitsströme in der umlaufenden Richtung der Kühlflüssigkeit ausgelegt sind, welche so von einem ringförmigen Raum (26) zu den Zwischenraum (32) und von diesem zu dem anderen ringförmigen Raum (25) strömt.