ES2218337T3 - Compresor de flujo accionado electricamente. - Google Patents

Abstract

Compresor de flujo, accionado eléctricamente, con una unidad motriz y de compresor (2, 3, 8, 9), así como un convertidor (5) para la alimentación eléctrica y el control de la unidad motriz (2, 3), formando el convertidor (5) y la unidad motriz (2, 3) una disposición integral que está alojada en una carcasa común formada por una carcasa (9), un casquillo (1) de estator y una campana (4), caracterizado porque una electrónica (13) de potencia del convertidor (5) está montada sobre una parte de la carcasa del casquillo (1) del estator, situada en el lado de la placa de cojinete, porque el convertidor (5) y la unidad motriz (2, 3) se refrigeran mediante un elemento de refrigeración común, formado por el casquillo (1) del estator, y porque la unidad motriz (2, 3) presenta un circuito de refrigeración para un medio de refrigeración líquido, estando previsto entre el contorno del casquillo (1) del estator y la carcasa (9) un espacio (7) hueco para el alojamiento del medio de refrigeración que circula alrededor del casquillo (1) del estator.

Description

Compresor de flujo accionado eléctricamente.

La invención trata de un compresor de flujo accionado eléctricamente según el preámbulo de la reivindicación 1, especialmente para el uso en motores de combustión interna que se sobrealimentan mediante un turbosobrealimentador de gas de escape.

En los motores de combustión interna modernos se usa con frecuencia un turbosobrealimentador para el aumento de la potencia y la reducción del consumo y del gas de escape. En la actualidad se sobrealimentan, especialmente, los motores de gas-oil y los motores de gas-oil para vehículos industriales, casi exclusivamente, pero cada vez aumenta más la importancia del llamado "downsizing" (reducción) de los motores Otto, es decir, un motor más pequeño (cilindrada) con una potencia de motor aproximadamente igual. El procedimiento más usual hasta ahora es la sobrealimentación con sobrealimentadores de gas de escape.

En funcionamiento estacionario del motor de combustión interna trabaja básicamente de manera satisfactoria un sobrealimentador de gas de escape. En este estado de funcionamiento, el motor de combustión interna genera suficiente energía de gas de escape para poder accionar la turbina de gas de escape y, con esto, el compresor del turbosobrealimentador.

En algunas aplicaciones, especialmente en los motores Otto con una banda de número de revoluciones muy expandida, existe un exceso de energía de gas de escape, que, si no se impide su acción sobre la turbina, provocaría una velocidad excesiva del árbol de la turbina y/o una presión de admisión inadmisiblemente alta. El procedimiento más usual para evitarlo es una válvula de purga, situada antes de la turbina, que en una derivación desvía de la turbina el gas de escape excedente, no usado. Desde hace poco tiempo también se usan aparatos conductores, como la geometría de turbinas variable. No obstante, con esto la energía del gas de escape sólo se puede aprovechar parcialmente.

En el funcionamiento no estacionario, es decir, durante el arranque, la aceleración, la subida de pendientes, la desaceleración, el cambio de marchas, etc., que se desarrolla principalmente a un número reducido de revoluciones del motor de combustión interna, falta de energía de gas de escape, por una parte, para acelerar el turbosobrealimentador de gas de escape y, por otra parte, para generar suficiente presión de admisión para alcanzar el exceso de momento de torsión deseado (por ejemplo, para la aceleración del vehículo). Este efecto se denomina "turboagujero" y sólo se puede aminorar con la reducción de la "masa de material de rodadura" y de la fricción interna del turbosobrealimentador de gas de escape. Esto lleva forzosamente a sobrealimentadores cada vez más pequeños con un número de revoluciones cada vez mayor (hasta más de 200000 rpm) y a pérdidas de flujo crecientes debido a las menores secciones transversales del flujo, lo que provoca el empeoramiento de la eficiencia. Por esta razón, el motor de gran volumen tiene aún ventajas evidentes.

Las conocidas soluciones dirigidas a construir motores de combustión interna más ligeros y económicos, usan un sobrealimentador de gas de escape con una máquina eléctrica adicional para mantener la turbina en el número de revoluciones. Las soluciones de este tipo se dan a conocer, por ejemplo, en los documentos EP0352064A1, DE3539782A1 o DE2206450A1. Otra solución consiste en usar un compresor de flujo accionado eléctricamente, adicional al sobrealimentador de gas de escape, cuya unidad motriz se alimente con corriente mediante un convertidor por separado. Este convertidor casi siempre es grande y pesado. El suministro de corriente de la unidad motriz se realiza aquí mediante líneas de alimentación que aíslan ellas mismas la radiación electromagnética (EMV) mediante costosas medidas de blindaje.

En relación con otros campos de aplicación se conocen compresores eléctricos, en los que el motor y la electrónica de control están alojados en una carcasa común. Una bomba hidráulica de este tipo se da a conocer en el documento US4511312A que representa el estado más cercano de la técnica. Del documento US5577883A se conoce una carcasa de bomba externa que se enfría por refrigeración de agua. No se describe una refrigeración del motor o de la electrónica. El documento US5363674A da a conocer un compresor para refrigerante gaseoso, en el que el motor está dispuesto dentro de la corriente de refrigerante y así se puede efectuar un intercambio de calor entre el motor y el refrigerante. No se da a conocer un circuito de refrigeración para el motor y su electrónica. El documento US5350039A también describe un compresor para un refrigerante gaseoso, en el que tanto el motor como la electrónica son barridos por el refrigerante. No están previstos un circuito de refrigeración propio y un elemento refrigerante común para el motor y la electrónica.

El documento DE19626213C2 da a conocer un accionamiento eléctrico con refrigeración hidráulica para el accionamiento y la electrónica de potencia. A través de canales de refrigeración, que están integrados a la carcasa y a la placa de cojinete, se crea un circuito de refrigeración para un medio refrigerante líquido. Sin embargo, en este sentido se considera una desventaja que la fabricación de una carcasa o una placa de cojinete con canales de refrigeración integrados es relativamente costosa.

El objetivo de la invención radica en mejorar un compresor de flujo, accionado eléctricamente, en lo relacionado con su tamaño constructivo, su comportamiento EMV, su refrigeración y sus costes de fabricación.

Este objetivo se alcanza mediante las características de la reivindicación 1.

El convertidor y la unidad motriz eléctrica forman, según la invención, una disposición integral. La ventaja de esta disposición consiste en la forma de construcción compacta, es decir, la disposición compacta de la unidad motriz y el convertidor. Ambos elementos están ensamblados localmente tan cerca que se obtienen ventajas en relación con el tamaño de construcción necesario, el comportamiento EMV, así como los costos de fabricación y mantenimiento. Mediante la disposición integral de la unidad motriz y el convertidor también se logran ventajas básicas en relación con la refrigeración de estos elementos debido a que se puede usar el mismo elemento refrigerante para la refrigeración de la electrónica de potencia del convertidor y de la unidad motriz. Dado que la unidad motriz tiene un consumo de energía eléctrica relativamente alto, ésta presenta un circuito de refrigeración para un medio de refrigeración líquido. Aquí, el convertidor está vinculado al circuito de refrigeración de la unidad motriz.

Ventajosamente, la disposición integral puede estar alojada en una carcasa común.

Como elemento de refrigeración para la unidad motriz y la electrónica de potencia del convertidor se usa, preferentemente, el casquillo del estator de la unidad motriz, en cuyo lado frontal está dispuesta la electrónica de potencia. Mediante la vinculación del convertidor al circuito de refrigeración del motor de accionamiento resulta innecesaria una refrigeración por separado del convertidor, por ejemplo, mediante aire o líquido. El convertidor puede funcionar en el mismo circuito de refrigeración que el motor de accionamiento.

Las líneas de conexión entre la unidad motriz y el convertidor se mantienen, preferentemente, muy cortas, por ejemplo, sólo de pocos milímetros, y se guían dentro de la carcasa. Por esta razón, estas líneas sólo entregan una parte muy pequeña de la radiación electromagnética al entorno. Esto es especialmente importante, pues, cuando se usa en vehículos, esta radiación influye negativamente en el entorno, lo que se debe ver considerando la gran cantidad de vehículos que provocan recargas ambientales considerables especialmente en zonas de concentración.

Una forma de realización preferida prevé que el convertidor esté unido a la unidad motriz a través de conexiones enchufables. Con esto se puede enchufar una unidad de convertidor completa y conectarla a la unidad motriz mediante unos pocos puntos de fijación. La unión del convertidor a la unidad motriz se puede realizar de forma enchufable, resultando especialmente fáciles el montaje y el desmontaje. En caso de servicio técnico también es muy fácil la reposición del convertidor.

Dado que la configuración de unidad motriz y convertidor, según la invención, está construida de una manera muy compacta, se alcanza una solución económica. Se eliminan costosas medidas de refrigeración adicionales, líneas y carcasas por separado. El convertidor completo puede estar realizado en una forma de construcción híbrida y/o como ASIC.

Ventajosamente también existe la posibilidad de usar un motor trifásico o polifásico como unidad motriz. Con esto se puede aumentar el momento de torsión o reducir la carga de corriente.

La invención se explica detalladamente a continuación mediante un ejemplo de realización con referencias a dos figuras. Otras características, ventajas y aplicaciones de la invención resultan de los dibujos y la descripción.

Muestran:

Fig. 1 una representación despiezada del compresor de flujo según la invención y

Fig. 2 un corte longitudinal a través del compresor de flujo.

La unidad motriz del compresor de flujo, representado en la figura 1, comprende un estator 2 con un paquete de arrollamiento polifásico con conexiones 16 de arrollamiento correspondientes, así como un rotor con árbol 3 que está dispuesto de forma giratoria en el estator 2. El árbol 3 de rotor está apoyado, por una parte, en un casquillo 1 de estator que rodea el estator 2 y, por otra parte, en una carcasa 9 que aloja el estator 2 junto con el casquillo 1 de estator. El árbol 3 de rotor sostiene además en un extremo una rueda 8 de compresor que gira y trabaja en una carcasa 10 de compresor, unida a la carcasa 9. Para ello la carcasa del compresor presenta una entrada 18 de compresor, así como una salida 19 de compresor. En la pieza de carcasa del casquillo 1 del estator, situada en el lado de la placa de cojinete, está montada, según la invención, la electrónica 13 de potencia del convertidor 5 y está conectada a la electrónica 11 de control situada encima. Los transistores de potencia de la electrónica 13 de potencia se unen directamente a través de pasos 17 en el casquillo del estator a las conexiones 16 del arrollado del estator 2. Con esto es mínima la longitud de alambre necesaria para las líneas de alimentación, es decir, de las conexiones del arrollado. Hay que unir el convertidor 5 desde fuera, sólo en su conexión 15 de alimentación de corriente, a una tensión continua de la red de a bordo del vehículo, cuyas líneas de alimentación no presenten componentes de corriente alterna y, por tanto, ninguna radiación perjudicial EMV. Las funciones de control del convertidor 5 se realizan a través de una línea 14 de alimentación por separado que representa entradas y salidas para las especificaciones de valor nominal de la cantidad de revoluciones o la corriente, valor real de la cantidad de revoluciones, etc.

Todo el convertidor 5 está cubierto por una campana 4.

Entre el contorno del casquillo 1 del estator y la carcasa 9 queda un espacio 7 hueco para alojar un líquido refrigerante que se introduce al espacio 7 hueco a través de una entrada 20 de líquido refrigerante y una salida 21 de líquido refrigerante y que circula allí. Para aumentar la superficie y para una mejor refrigeración, el casquillo 1 del estator puede presentar nervios 6.

Como se puede ver bien en la figura 2, la electrónica 13 de potencia está dispuesta directamente en el lado frontal del casquillo 1 del estator y está unida a este con posibilidad de conducción del calor de manera que se pueden refrigerar simultáneamente los transistores 13 de potencia mediante la refrigeración del casquillo 1 del estator. El casquillo 1 del estator constituye el elemento de refrigeración tanto para la electrónica 13 de potencia del convertidor 5 como para la unidad motriz. La alimentación de corriente a los transistores de potencia y a través de los pasos 17 a los paquetes de arrollado del estator 2 se realiza mediante superficies 12 conductoras de gran sección transversal, pues aquí pueden aparecer corrientes de cresta de 100 o varios cientos de amperios. La tarjeta impresa con la electrónica 11 de control está dispuesta por encima de la electrónica 13 de potencia, estando cubierto todo el bloque del convertidor por una campana 4. Con esto, la unidad motriz y el convertidor 5 están alojados en una carcasa común de manera que, por una parte, los recorridos de las líneas son cortos y las pérdidas de las líneas son pocas y, por otra parte, no puede salir la radiación perturbadora producida por el convertidor 5.

Referencias

1

Casquillo del estator

2

Estator

3

Árbol/rotor

4

Campana

5

Convertidor

6

Nervios

7

Espacio hueco

8

Rueda del compresor

9

Carcasa

10

Carcasa del compresor

11

Electrónica de control

12

Superficies conductoras

13

Electrónica de potencia

14

Líneas de control

15

Conexión de alimentación de corriente

16

Conexión del arrollado

17

Taladro

18

Entrada del compresor

19

Salida del compresor

20

Entrada del líquido refrigerante

21

Salida del líquido refrigerante

Claims (5)

1. Compresor de flujo, accionado eléctricamente, con una unidad motriz y de compresor (2, 3, 8, 9), así como un convertidor (5) para la alimentación eléctrica y el control de la unidad motriz (2, 3), formando el convertidor (5) y la unidad motriz (2, 3) una disposición integral que está alojada en una carcasa común formada por una carcasa (9), un casquillo (1) de estator y una campana (4), caracterizado porque una electrónica (13) de potencia del convertidor (5) está montada sobre una parte de la carcasa del casquillo (1) del estator, situada en el lado de la placa de cojinete, porque el convertidor (5) y la unidad motriz (2, 3) se refrigeran mediante un elemento de refrigeración común, formado por el casquillo (1) del estator, y porque la unidad motriz (2, 3) presenta un circuito de refrigeración para un medio de refrigeración líquido, estando previsto entre el contorno del casquillo (1) del estator y la carcasa (9) un espacio (7) hueco para el alojamiento del medio de refrigeración que circula alrededor del casquillo (1) del estator.

2. Compresor de flujo según la reivindicación 1, caracterizado porque las líneas (16) de conexión entre la unidad motriz (2, 3) y el convertidor (5) están guiadas dentro de la carcasa (9) a través de pasos (17) en la parte de la carcasa del casquillo (1) del estator, situada en el lado de la placa de cojinete.

3. Compresor de flujo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el convertidor (5) está construido como unidad compacta y recambiable.

4. Compresor de flujo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el convertidor (5) está unido a la unidad motriz (2, 3) a través de uniones enchufables.

5. Compresor de flujo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la unidad motriz (2, 3) es un motor eléctrico trifásico o polifásico.