DE69406262T2

DE69406262T2 - Auf Kolben montierter Generator, insbesondere für Telemetriesysteme

Info

Publication number: DE69406262T2
Application number: DE69406262T
Authority: DE
Inventors: Steven A Archuleta; Richard G Varo
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1994-01-14
Filing date: 1994-12-22
Publication date: 1998-02-12
Anticipated expiration: 2014-12-23
Also published as: JPH085520A; US5459360A; JP2726243B2; DE69406262D1; EP0663588B1; EP0663588A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft auf Kolben montierte Vorrichtungen zur Erzeugung von elektrischem Strom während der Hin- und Rerbewegung des Kolbens; insbesondere eine derartige Vorrichtung, die eine Speisung eines Telemetriebauteils ermöglicht, das auf einem Motorkolben montiert ist, um Daten in bezug auf Zustände an dem Kolben während des Motorbetriebs zu erhalten.

Beschreibung des Standes der Technik

Alle Motorhersteller benötigen Daten von Kolben laufender Motoren, wie Temperatur, Belastung usw.; diese Aufgabe war aber durch Probleme bei der Signalübertragung von den sich hin- und herbewegenden Komponenten begrenzt wie auch durch die Notwendigkeit, ausreichend elektrischen Strom, ohne die Temperatur- und Testdauereinschränkungen von Batterien, zur Aktivierung von Wandlern und Schaltkreisen von Telemetriesystemen zuzuführen.
Gegenwärtig müssen umfassende mechanische Änderungen bei Motoren durchgeführt werden, um kurzlebige "Schwingverbindungen" zur Signalübertragung mittels Draht zu den Kolben einzubauen. Die Verwendung der Telemetrie wird deutlich durch die Lebensdauer der Batterie begrenzt oder durch die Notwendigkeit, komplexe induktive Stromübertragungssysteme einzubauen, die wesentliche motorspezifische Änderungen verlangen. In einem System, das vom Southwest Research Institute angewendet wird, wird ein ballistischer Kern verwendet, der sich frei innerhalb einer Spule zur Stromerzeugung für telemetrische Zwecke bewegt. Diese Vorrichtung arbeitet jedoch erst bei hoher Motordrehzahl und liefert nicht genug Strom zur allgemeinen Verwendung, z.B. wird genug Strom erzeugt, um nur die Kolbentemperaturen messen zu können.
Es gibt zahlreiche Vorrichtungen, die eine Kolbenanordnung zur Stromerzeugung durch Änderung des magnetischen Flusses in einer Spule verwenden. Zum Beispiel offenbart das U.S. Patent Nr.3.206.609 von Dawes einen hin- und hergehenden Magneten, der in einem Kolben eines Zweitaktmotors angeordnet ist, wobei durch das sich bewegende Magnetfeld, das durch den sich bewegenden Kolben erzeugt wird, ein Wechselstrom in einer Transformatorspule erzeugt wird, die den Zylinder umgibt. Zusätzlich wird im U.S. Patent Nr.3.065.366 von Speiser et al. ein Impulsgenerator zur Steuerung einer elektrischen Ausrüstung offenbart, wobei ein kolbenförmiger Permanentmagnet einen elektrischen Impuls in den Ausgangsklemmen einer Spule erzeugt, wenn der magnetische Fluß durch die Spule geändert wird, indem der kolbenförmige Magneten an der Spule vorbeibewegt wird, und ein elektrischer Freikolbenstromgenerator, bei dem der Freikolben einen ringförmigen Magneten an seinem Umfang aufweist und der Zylinder ringförmige Nuten aufweist, die an seiner Innenwand ausgebildet sind und ein nichtmagnetisches Material, wie Keramik oder Epoxid, enthalten, ist aus U.S. Patent Nr.3.105.153 bekannt.
Keines dieser Patente offenbart jedoch eine Anordnung, die ein praktisches Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom während der Hin- und Herbewegung des Kolbens eines Motors darstellt, welches die Speisung eines Telemetriebauteils ermöglicht, das auf dem Motorkolben montiert ist, um Daten in bezug auf Zustände des Kolbens während des Motorbetriebs zu erhalten, noch können sie in einen ansonsten serienmäßigen Motor eingebaut werden, ohne wesentliche Änderungen zu erfordern.
Daher besteht ein Bedarf an einem auf Kolben montierten Stromgenerator, der für Motorkolbentelemetriesysteme geeignet ist, die umfangreichere und effektivere Messungen im Zylinder von Belastung, Temperatur, Vibration usw. bei Leerlaufgeschwindigkeiten zusätzlich zu hohen Betriebsgeschwindigkeiten und über längere Zeiträume ermöglichen, ohne grundlegende Konstruktionsänderungen bei dem Motor zu erfordern.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines auf Kolben montierten Stromgenerators, der für Motorkolbentelemetriesysteme geeignet ist, die Messungen im Zylinder von Belastung, Temperatur, Vibration usw. ermöglichen, ohne wesentliche Motorkonstruktionsänderungen zu erfordern.
In Übereinstimmung mit der vorangehenden Aufgabe ist es auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen auf Kolben montierten Stromgenerator zu schaffen, der rasch und einfach in bestehende Motoren eingebaut werden kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines auf Kolben montierten Stromgenerators, der ausreichend Strom über längere Zeiträume erzeugen kann, selbst bei Motorleerlaufgeschwindigkeiten.
Eine weitere und spezifischere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines auf Kolben montierten Stromgenerators und einer Telemetrieeinheit, die in einen sonst serienmäßigen Motor eingebaut werden können, indem einfach der bestehende Kolben und die Auskleidung durch jene gemäß der vorliegenden Erfindung ersetzt werden.
Diese und andere Aufgaben werden gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gelöst, indem eine Permanentmagneteinheit am Rand eines Motorkolbens befestigt wird, so daß ein geringer Zwischenraum in bezug auf die Wand des Motorzylinders besteht, und flache Nuten in der gegenüberliegenden Wand des Motorzylinders ausgebildet sind, die eine axiale Beabstandung aufweisen, welche jener der Polverlängerungen des Magnets entspricht.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung hervor, die nur zum Zwecke der Veranschaulichung einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist ein Teilschnitt eines Kolbens und Zylinders, die mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestattet sind;
Fig. 2 ist eine teilweise Bodenansicht des Kolbens und Zylinders von Fig. 1;
Fig. 3 u. 4 sind Ansichten entsprechend Fig. 1 bzw. 2, die eine Version der ersten Ausführungsform zeigen, wobei Nuten in der Zylinderwand mit nichtmagnetischem Material gefüllt sind;
Fig. 5 ist ein Teilschnitt eines Kolbens und Zylinders, die mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestattet sind;
Fig. 6 ist eine teilweise Bodenansicht des Kolbens und Zylinders der zweiten Ausführungsform von Fig. 5;
Fig. 7 zeigt einen Kolben mit einem kombinierten Telemetrie- und Stromversorgungsmodul;
Fig. 8 zeigt schematisch das Telemetrie- und Stromversorgungsmodul von Fig. 7; und
Fig. 9 ist ein Schaltbild einer Stromgenerator-Gleichrichterschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
In den Zeichnungen werden in den einzelnen Ausführungsbeispielen dieselben Bezugszeichen zur Kennzeichnung entsprechender Teile benutzt; wobei aber Teile, die sich von einem Ausführungsbeispiel zum anderen unterscheiden, durch einen Strich (')oder Doppelstrich (II) unterschieden werden.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Mit Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 ist ersichtlich, daß der auf einem Kolben montierte Stromgenerator der vorliegenden Erfindung eine auf Kolben montierte Magneteinheit 1 aufweist, die eine Spule 2 mit einem Permanentmagnetkern 3 umfaßt, der mit Polverlängerungen 5 und 6 versehen ist. Die Einheit list an dem Kolbenrand 8 befestigt, wobei die Polverlängerungen einen kleinen Zwischenraum zu der Wand 10 des Kolbenzylinders aufweisen, die von der Zylinderwandauskleidung 12 gebildet wird. In der Oberfläche 10 sind flache Nuten 14 ausgebildet. Die Nuten 14 weisen einen sichelförmigen Längsquerschnitt auf, der sich um den Umfang der Zylinderwand 10 über eine Strecke erstreckt, die nur etwas länger als die Breite der Polverlängerungen ist, so daß nur ein kleiner Teil der Bohrung der Zylinderwand 10 zur Bildung der Nuten maschinell bearbeitet werden muß, wie zum Beispiel mit einem Fräswerkzeug. Die Breite jeder Nut 14 ist gleich dem Abstand zwischen den Polverlängerungen 5 und 6, und der axiale Abstand zwischen benachbarten Paaren von Nuten 14 ist gleich der Dicke der Polverlängerungen 5,6.
Da die Kolbenringe 8a des Kolbens 8 die offenen Nuten 14 nicht überqueren sollten, sollten die Nuten 14 vom Boden der Auskleidung 12 bis unmittelbar unterhalb der unteren Totpunkt-(BDC)-Lage des untersten Kolbenrings reichen. Elektrischer Strom wird in der Spule 2 durch die rasche Änderung des Flusses im Magnetkreis erzeugt, der durch diese verbunden ist, da sich der effektive Spalt zwischen den Polen und der Wand ändert, während die Pole 5, 6 an den Nuten 14 vorbeigehen, und wird maximiert, wenn der Abstand der Pole und Nuten dazu führt, daß der Magnetkreis gleichzeitig an beiden Polen gebildet und unterbrochen wird. Bei der beschriebenen, offenen Nutanordnung wird Strom bei etwa 50% jeder Umdrehung in Form einer frequenz- und amplitudenmodulierten Spannungswellenform erzeugt, die gleichgerichtet, geglättet und reguliert wird, um einen stabilen Gleichstrompegel für den Antrieb von Wandlern und Telemetriemodulen, TTM, zu erhalten, die im Inneren des Kolbens montiert sein können, wie schematisch in Fig. 1 dargestellt ist. Zum Beispiel wurde in einer Testanordnung ein Ausgang von 53 Volt von Spitze zu Spitze über eine 650 Ohm-Last bei einer Geschwindigkeit von 1450 Motorumdrehungenlminute erzeugt. Die Wandler können zum Beispiel herkömmliche Dehnungsmeßstreifen, Thermoelemente und dergleichen mit jedem im Handel erhältlichen Aufbau sein, der für die Motorüberwachung und ähnliche Zwecke bekannt ist.
Zur Steigerung des erzeugten Stroms können die Nuten 14 mit einem nichtmagnetischen Material 15 durch Flammspritzen oder dergleichen vor der Endbearbeitung der Bohrung hinterfüllt werden, wie bei den Nuten 14' in Fig. 3 und 4 dargestellt. Sobald dies geschehen ist, können die Zylinderringe über die gefüllten Nuten 14' streichen, so daß die Nuten sich über die gesamte Länge bis zu der oberen Totpunkt-(TDC)- Lage der Spule 2 erstrecken können, wodurch Strom über den gesamten Motorzyklus hinweg erzeugt werden kann.
Die Verwendung von sichelförmigen Nuten 14, 14' ist der Einfachheit und geringen Herstellungskosten wegen zur Verwendung bei herkömmlichen Kolben bevorzugt (die mit einer Kolbenstange über einen Schwingzapfen 16 verbunden sind und somit nicht um den Umfang rotieren können). Bei speziellen Kolben jedoch, wie bei Kugelkolben, die um den Umfang rotieren können, sind solche sichelförmigen Nuten ungeeignet, da die Anordnungen 1 nicht immer mit den Nuten 14, 14' ausgerichtet wären. Daher ist für solche Kolben 8", wie in Fig. 5 und 6 dargestellt, die Zylinderwand 10" mit ringförmigen Nuten 14" versehen, die wie die Nuten 14' mit nichtmagnetischem Material 15 hinterfüllt sein können.
Die Telemetriemodule, TTM, zur Übertragung des oder der Ausgänge des oder der Wandler können ein im Handel erhältliches Nahfunktelemetriesystem oder Telemetriesysteme sein, die andere Übertragungsmethoden verwenden wie zum Beispiel Infrarotlicht. Ein geeignetes Funktelemetriesystem ist zum Beispiel von PMD, Inc. von Melbourne, Florida, erhältlich, das ein Modul mit einer Thermoelement-Aufbereitungs/Schalteinheit enthält, das mit einem FM-Transmitter zusammengebaut ist. Ein derartiges Modul kann mit der Stromgeneratormagneteinheit 1 der vorliegenden Erfindung zu einem Ring 17 kombiniert werden (Fig. 8), der an der Unterseite des Kolbenrandes 8 montiert wird (Fig. 7), wie durch einen Haltering 18 und Befestigungsstifte 19. Dieses Modul kann auch zum Beispiel mit Thermoelementen (nicht dargestellt) verbunden werden, die im Körper des Kolbens eingebettet sind. In einem solchen Fall wird jedes Thermoelement oder jeder andere Sensor seinerseits abgetastet und der Ausgang zur Modulation eines Funkfrequenzträgersignals verwendet, das zu der Antenne eines stationären Empfängers übertragen wird, der z.B. im Kurbelgehäuse montiert ist. Das empfangene Signal wird dann demoduliert, um die Temperaturinformation zu erhalten. Die gesamte Elektronik auf der Empfängerseite wird von einer Leitung oder Batterie auf herkömmliche Weise gespeist und ist nicht Teil dieser Erfindung, abgesehen von der bloßen Verwendung.
Es wird auch festgehalten, daß eine zyklische Schwankung in der Kolbengeschwindigkeit während jeder Motorumdrehung zu einer Amplituden- und Frequenzmodulation des Generatorausgangs führt. Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung der Generatorausgang gleichgerichtet und geglättet, um einen Gleichstromantrieb für die Telemetrieelektronik zu erhalten. Da jedoch die gesamte Ausgangsspannung mit der Motordrehzahl schwankt, muß der Generator imstande sein, einen ausreichenden Ausgang bei der geringsten zu erwartenden Betriebsgeschwindigkeit (für gewöhnlich beim niedrigsten Leerlauf) zu liefern. Zu diesem Zweck zeigt Fig. 9 ein Schaltdiagramm einer Stromgenerator-Gleichrichterschaltung 20, die zur Optimierung der Ausgangsspannung bei niedrigstem Leerlauf aufgebaut ist, indem die Quellenimpedanz minimiert ist.
Insbesondere bildet ein Kondensator C1 einen Schwingkreis in Verbindung mit der Induktivität der Spule 2 der Magneteinheit 1 bei der mittleren Impulsfrequenz, die einem Leerlauf entspricht, so daß ein Resonanzkreis mit einer Gesamtimpedanz gebildet wird, die nahe dem Gleichstromwiderstand der Spulenwicklungen ist. Die Gleichrichtung und Regulierung werden durch eine Diodenbrücke IC1, Glättungskondensatoren C2, C3 und einen Spannungsregler IC2 erzielt, wobei der Kondensator C2 gewählt wird, um den größtmöglichen Beitrag von jedem Generatorimpuls zu garantieren und dennoch die Ausgangsspannungswelligkeit zu verringern, wobei der Kondensator C3 zum Glätten des regulierten Gleichspannungsausgangs von IC2 dient.
Während verschiedene Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, versteht sich, daß die Erfindung nicht darauf beschränkt ist und zahlreichen Änderungen und Modifizierungen unterzogen werden kann, die dem Fachmann bekannt sind. Zum Beispiel wurde der Stromgenerator der vorliegenden Erfindung zwar zur Verwendung bei der Stromversorgung von Telemetriesystemen für Meßvorrichtungen, wie Dehnungsmeßstreifen, Thermoelemente usw., beschrieben, aber es sollte klar sein, daß der erfindungsgemäße Stromgenerator zur Speisung jeder anderen Art elektronischer Vorrichtung verwendet werden kann, die auf einem Kolben oder einer hin- und hergehenden Komponente montiert sein kann. Ebenso ist bei den dargestellten Ausführungsformen zwar nur eine einzige Generatorspule vorhanden, aber es können mehrere Generatorspulen zur Erhöhung des verfügbaren Stroms oder der verfügbaren Spannung verwendet werden. Daher ist diese Erfindung nicht auf die Einzelheiten beschränkt, die hierin dargestellt und beschrieben sind, und beinhaltet alle Änderungen und Modifikationen, die im Umfang der beiliegenden Ansprüche liegen.

Industrielle Anwendbarkeit

Die vorliegende Erfindung hat einen großen Anwendungsbereich bei der Messung von Betriebsbedingungen im Zylinder von hin- und hergehenden Kolben von Motoren, Kompressoren und anderen kolbenbetriebenen Geräten und der Speisung von auf dem Kolben befestigter Elektronik. Da der erfindungsgemäße Generator rasch eingebaut werden kann, ohne große Motoränderungen zu erfordern, findet die Erfindung ferner in bezug auf bereits bestehende, serienmäßige Motoren Anwendung.

Claims

1. Auf einem Kolben montierter Generator, umfassend eine Permanentmagneteinheit (1) mit einer Spule (2) und einem Magnetkern (3) mit einem Paar axial beabstandeter Polverlängerungen (5, 6), die an einem Rand (8) eines hin- und hergehenden Kolbens befestigt ist, und flache Nuten (14), die in einer gegenüberliegenden Wand eines Zylinders ausgebildet sind, in den der Kolben zur Hin- und Herbewegung eingebaut ist, und die einen axialen Abstand entsprechend jenem der Polverlängerungen (5, 6) des Magnetkerns (3) aufweisen; wobei die Polverlängerungen (5,6) einen radialen Zwischenraum in bezug auf die gegenüberliegende Wand des Zylinders aufweisen, so daß ein Magnetkreis durch die Zylinderwand von einer Polverlängerung zu der anderen erzeugt werden kann, wenn jede der Nuten zwischen den Polverlängerungen angeordnet ist; und wobei jede der Nuten eine ausreichende Tiefe aufweist, um den Magnetkreis zu unterbrechen, wenn jede Nut radial über einer der Polverlängerungen liegt.

2. Auf einem Kolben montierter Generator nach Anspruch 1, wobei die Nuten im Längsquerschnitt sichelförmig sind.

3. Auf einem Kolben montierter Generator nach Anspruch 1, wobei die Nuten ringförmig sind.

4. Auf einem Kolben montierter Generator nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Nuten mit einem nichtmagnetischen Material gefüllt sind.

5. Auf einem Kolben montierter Generator nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Wandler- und Telemetriemodul in den Kolben eingebaut ist und elektrisch mit der Spule der Magneteinheit verbunden ist, um durch diese gespeist zu werden.

6. Auf einem Kolben montierter Generator nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Magneteinheit Teil einer Baugruppe aus ringförmigem Generator und Telemetriemodul bildet, wobei die Baugruppe einen ringförmigen Körper aufweist, der an der Unterseite des Kolbenrandes befestigt ist und in dem die Magneteinheit und ein Sender vorgesehen sind.

7. Auf einem Kolben montierter Generator nach Anspruch 6, wobei eine Thermoelement-Aufbereitungslschalteinheit auch in dem ringförmigen Körper vorgesehen ist.

8. Auf einem Kolben montierter Generator nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Gleichrichterschaltung mit Mitteln zur Optimierung der Ausgangsspannung der Spule durch Minimierung der Quellenimpedanz.

9. Auf einem Kolben montierter Generator nach Anspruch 8, wobei das Mittel zur Optimierung einen Kondensator umfaßt, der einen Schwingkreis in Verbindung mit der Induktivität der Spule der Magneteinheit bei einer mittleren Pulsfrequenz bildet, die einer Motorleerlaufgeschwindigkeit entspricht, so daß ein Resonanzkreis mit einer Gesamtimpedanz gebildet wird, die nahe dem Gleichstromwiderstand der Spule ist.

10. Auf einem Kolben montierter Generator nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Gleichrichterschaltung eine Diodenbrücke, mindestens einen Glättungskondensator und einen Spannungsregler zum Gleichrichten und Regulieren des Spulenausgangs umfaßt.