CN101715509B - 涡轮增压器ⅱ - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮增压器，包括用于压缩用于内燃机的新鲜空气的压缩机系统。所述涡轮增压器包括压缩机涡轮机(3)和具有转子(4a)和定子(4b)的马达(4)，所述转子的转子磁铁(4c)以使其被部分或全部集成到压缩机涡轮机中的方式构造，并且所述定子的最小内径是转子的最大外径的1.5倍至8倍。根据本发明的涡轮增压器的特征在于瞬时范围内非常自发的响应表现以及对团流的准确且现代化的控制的可能性。而且，允许能量再生，因而有助于增加内燃机的总效率。

Description

涡轮增压器Ⅱ
技术领域
本发明涉及涡轮增压器。
背景技术
具有涡轮增压器的内燃机主要在机动车辆领域中为人所知。通常，利用从内燃机排出的废气流驱动涡轮。该涡轮例如通过轴与压缩机轮耦接，该压缩机轮保证在燃烧室中压缩所提供的新鲜空气。这样的预压缩或“增压”导致与传统内燃机相比增加了引擎功率或提高了扭矩。但是，利用通过这种方式增压的内燃机，存在所谓的“涡轮迟滞”问题，该问题特别是当从车辆低转数提速和加速时、进而在要将内燃机快速加速到功率增大的范围内时出现。这是因为对供气侧的空气量要求增加仅可以允许有一些延迟(除了由涡轮和压缩机轮系统的惯性引起的之外)。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种涡轮增压器，该涡轮增压器以最小可能延迟来精确提供准确的新鲜空气量，并且其结构简单而且尽可能不易出故障。
该目的通过专利独立权利要求的主题来实现。
本发明涉及涡轮增压器，该涡轮增压器具有用于压缩用于内燃机的新鲜空气的压缩机装置，包括压缩机轮以及具有转子和定子的电动机，其中，转子的转子磁铁被设计成使其被部分或全部集成到压缩机轮中(这样，在一边的转子磁铁或转子和在另一边的压缩机轮彼此连接)，并且定子的最小内径是转子的最大外径的1.5至8倍。这里指定的长度各自与相关部件的最大延伸或最小延伸相关，但是仅在电有效或磁有效部件的范围内，即例如仅在转子磁铁的长度上。
本发明背景中的“涡轮增压器”应理解为可以将预压缩的空气引导到内燃机的所有装置，通过所述装置，更大的气团进入燃烧室中。(因此传统的压缩轮-涡轮耦接不是必需的)
本发明还涉及一种包括至少一个压缩机轮的涡轮增压器，其中，所述压缩机轮可以通过至少一个电动机驱动，并且所述电动机包括转子、定子以及转子与定子之间的转子间隙，并且该转子间隙被设计成使得压缩机轮旋转时，要压缩的气团流的至少50％、优选是至少90％被引导通过所述转子间隙。
所述百分数每个都指定最小范围。这里，所述百分数基本上应用于涡轮增压器或与其连接的内燃机的整个转速范围。
在特别有利的另一构成中，被引导到相应压缩机轮的全部气流被引导通过所述转子间隙。
关于数值等等的限定是为了相应地排除如现有技术中出现的不希望的或“巧合的”泄露流。但是，利用根据现有技术的主题(根据该现有技术主题，转子被附接到压缩机轮的外侧，很靠近定子)进行的转子与定子之间的“再循环流”不应该被看作“要压缩的气团流”，因为这样的“再循环流”严格来说已经经过压缩机轮。
有利的是“整体”构造形式，利用该形式，要压缩的气团流的大部分、甚至是要压缩的气团流的全部通过转子间隙被引导到至少一个压缩机轮。
与将转子附接到压缩机轮的径向外侧不同，将转子或其磁有效部分布置得尽可能靠近压缩机轮的旋转轴是有利的。这在一方面从机械的观点来看对于快速运转的涡轮增压器是很有利的，原因是在特定情况下，由于很高且快速变化的离心力可能出现机械损伤。还有利的是，通过这种方式，旋转惯性矩可以保持较小，原因是在径向上位于外侧的磁铁通常具有很高的特定重量，因而具有很高的旋转惯性矩。通过这种方式，压缩机的瞬时行为可以得到相当大的改善。此外，磁铁在外侧置于压缩机轮上，这些也在更大程度上受到热负荷，原因是由于压缩功的原因在这些外侧出现更大的温度上升，这又会对磁铁或转子的寿命具有负面影响。
从文献中可知，涡轮增压器用于产生电力。这些涡轮增压器被设计为小的燃气涡轮机，类似地具有涡轮机以及刚性耦接的压缩机。用于产生电力的传统发电机被法兰安装在涡轮机的转子轴上。该发电机由于被布置在入口通道内，所以表现出很高的流阻力，并且该流阻力降低效率，并且同时对轴承部件产生很高的负荷。
关于这点，根据本发明的涡轮增压器的另一有利设计在于被用作电/热联产或电/冷联产的微涡轮机。因此，助燃空气在电动机/发电机的转子和定子之间流过进入压缩机，并且在压缩机中被压缩，从而被预热到大约200℃。经过预热、压缩的空气被热交换器中的热废气加热到更高的温度水平。被压缩的、暖的空气与燃料(例如再生气)一起在布置于下游的燃烧室中燃烧。由此产生的热气在涡轮机中膨胀并驱动涡轮，进而驱动压缩机以及发电机。在热交换器中，废气的热能被部分直接分配给压缩的助燃空气。而且，根据本发明的该涡轮增压器可以与第二热交换器耦接，以利用总剩余热量来提供热水，或者将其引导到加热回路例如用于建筑物的供热和制冷。发电机可以用作用于开始进程的电动机。因此，例如利用根据本发明的涡轮增压器，可以产生小型单岸式热电站，其主要部件包括按大尺度制造的部件。
有利的另一设计在于转子磁铁的质量在5g与1000g之间，对于机动车辆涡轮增压器，优选是在10g与100g之间。这里，电动机的磁有效质量相对于转子的旋转轴的质量惯性矩在0.1kgmm2和10kgmm2之间，对于机动车应用是优选在0.3kgmm2和1.0kgmm2之间。
因此，由于利用根据本发明的转子间隙可以得到较大的空气间隙，所以质量以及电有效或磁有效马达部件的质量惯性矩小，尽管如此，产生非常均匀的场。
又一有利设计在于压缩机轮被安装在轴上并且包括叶片，其中，在进气流方向上，所述叶片的前沿(因而是空气首先撞击的压缩机轮的部分)相对于转子的磁有效前部和/或定子的磁有效前部位于上游。
因此，这意味着电动机的有效部件(转子或定子)在轴向上被布置得更靠向进气口，并且实际的压缩机轮被布置在下游。通过这种方式，可以导致所有的进气通过转子间隙被引导到压缩机轮。
但是，关于设计，可以将转子应用于压缩机轮中或者应用在压缩机轮的面向涡轮的一侧，以减小对压缩机叶轮的弯矩，但是尽管如此，以主要通过转子引导待压缩气团流。
将数个不同的转子磁铁混合构造在压缩机轮的不同位置(前面、内部和/或后面)，能够优化必要的构造空间，同时优化电动机转矩，并且减小叶轮轴的弯曲负荷。由此，转子/定子的形状不一定必须为圆柱形，而是可以适应压缩机轮的形状。
本发明还在于一种用于操作根据本发明的涡轮增压器的方法。如上所述，该涡轮增压器包括用于压缩空气的至少一个压缩机轮，并且所述压缩机轮可以由电动机驱动，其中，在所述电动机的转子与定子之间设有转子间隙，并且被引导到所述压缩机轮的气团流的至少50％、优选是90％在所述涡轮增压器的至少一个操作条件下被引导通过所述转子间隙。
所述“操作方法”已在装置权利要求中说明，并且这里所描述也相应地适用于这里的操作方法。重要的是，例如在压缩机轮的5000rpm和300000rpm之间、优选是在40000rpm和200000rpm之间的操作条件下，或者对于往复式发动机在所连接的内燃机的转速在50rpm和200000rpm之间、优选是在100rpm和1500rpm之间的操作条件下，可以在涡轮增压器的正常操作中达到上述至少50％或至少90％甚至100％比例的气团流。
应当再次注意，本发明背景下的“涡轮增压器”不一定具有由废气流驱动的涡轮。重要的仅在于包括至少一个压缩机轮(由任何装置驱动)用于将预压缩的助燃空气引导到“涡轮增压器”的内燃机。
在又一设计中，根据本发明的涡轮增压器包括涡轮以及与其连接的压缩机轮，其中，在压缩机轮的背离涡轮的一侧设有电动机，并且与压缩机轮以抗扭的方式连接的电动机的转子以自由伸出的方式设计。
在新鲜空气需求增加的情况下(例如，由控制电子装置确定)，电动机用于额外加速压缩机轮。电动机在这种情况下是有利的，原因是这些电动机可以利用大扭矩加速，但不存在显著的加速延迟。
更加有利的是，在本案例中的电动机不是布置在涡轮和压缩机轮之间。这样的布局会导致热问题并且相对于传统(纯机械)涡轮增压器进行了很大的设计改动。除了设计成本增加外，关于这样的构造的维修成本也相当高。
有利的是(但是在本发明的框架下也不是必须的)，在本案例中提出沿轴向方向上具有“涡轮、轴(座架)、压缩机轮、电动机”的顺序。于是电动机仅置于环境温度下，使得不会出现定子绕组等的热分解。
一个优势在于压缩机轮的另一侧的自由突出端。在这里接有电动机的转子。在这里可以接有另一轴承位置，以在两侧安装转子，但是这不是必须的。在特定情况下，这样的轴承位置一方面可能干扰电动机的电特性，而在特定条件下，会具有静态冗余性。此外，系统的摩擦功增加。而且，在特定情况下，新鲜空气的供应也受这样的轴承阻碍，原因是适当的支柱/部件减小了进气口朝向压缩机轮的大小。但是这样的轴承位置，即在两侧安装压缩机轮，也是容易实现的。
而且，利用所述“突出的”转子，与纯机械的涡轮增压器的设计差别相当小，使得电动机可以通过这种方式以非常廉价、模块化和易于维修的方式被补充到传统涡轮增压器上。
除了本发明的涡轮增压器之外，根据本发明的驱动系统还包括内燃机。在本发明环境中的“内燃机”应当理解为需要新鲜空气/新鲜气体并且产生废气的任何发动机，使得这里可以应用适当的涡轮增压器。而且，该驱动系统还包括电能储存装置。这里，优选地，涡轮增压器的电动机连接到电能储存装置，用于在涡轮增压器的马达工作方式下取出电能，并用于在涡轮增压器的发电机工作方式下馈入电能。
在涡轮增压器的许多工作条件下，多达30％的废气被吹走而未利用。通过将电动机用作发电机，利用涡轮增压器的上述实施方式，可以在能量上额外利用上述多余废气的能量。通过这种方式，一方面可以将多余的“热/动能量”恢复为电能，并且通过这种方式可以相当程度上改进驱动系统的能量平衡。理想情况下，涡轮增压器甚至可以被设计成使得位于车辆中的内燃机不再需要任何其它发电机。
如果涡轮增压器的电动机或者与其连接的电储存装置可以额外连接到机动车辆的电动驱动，则对于该驱动系统也特别有利。该电动驱动可以例如为固定在机动车辆的驱动轮上的轮毂电动机(或者传动中的其他电动机)。这样，在现代所谓的“混合型车辆”中，除了内燃机发动机之外，还有轮毂电动机可以用于加速，所以在加速时可以提供额外的扭矩或发动机功率。通过将轮毂电动机切换到发电机工作方式，利用制动过程可以实现制动作用，进而将动能恢复成电能，并且该电能间接储存在适当的储存装置中。如果涡轮增压器的电动机现在是与该储存装置连接的，则可以以集中的方式来“管理”全部电能，以在使用中能够在任何时候依靠电能。
除此之外，当然，涡轮增压器系统和轮毂电动机(或者传动中的其他电动机)也可以具有相互独立的电储存装置。
而且，根据本发明的涡轮增压器还适于应用在发电设备中，所述发电设备可以被调制，并且可以利用燃料工作，所述燃料例如为天然气、液化气、燃料油以及再生气，如生物气、沼气和废气，或者固态燃料如切碎的木头、成块的木材、稻草等。通过这种类型的电/热联产，可以实现高效率的、廉价的能量产生设备。根据本发明的涡轮增压器因此也可以用作电/热联产的微涡轮机的基本模块。
优选是在驱动系统中设有控制电子装置用于控制电能、充电和放电过程，或者用于以低消耗来提供优化的扭矩。涡轮或压缩机轮的转速、涡轮机壳体侧和压缩机壳体侧的压力状况的实际值以及与扭矩有关的内燃机的其它特征变量可以用作控制参数。
另一有利的设计在于涡轮和压缩机轮是以抗扭的方式彼此永久性连接的。这意味着在涡轮和压缩机轮之间不需要耦接，这表示机械构造和系统故障的可能性会增加。相反，争取通过轻的转子、轻的压缩机轮、轻的轴和质量适当轻的涡轮来限制运动的旋转质量。
涡轮增压器的壳体优选是以模块化方式构造，也就是说，除了用于涡轮的涡轮机壳体之外，还有用于压缩机轮的压缩机壳体。涡轮机壳体优选是与将废气从内燃机的各个汽缸引导到涡轮的排气歧管连接。考虑到涡轮机壳体的热负荷，设计需求与围绕压缩机轮的压缩机壳体有些不同。涡轮和压缩机轮的实际座架优选是仅设在涡轮和压缩机轮之间。这意味着在压缩机轮的背离涡轮的一侧没有额外的座架，因为实际上在这里电动机的定子自由伸出。优选地，在涡轮机壳体与压缩机壳体之间设有轴承壳体，该轴承壳体用于容纳涡轮和压缩机轮的轴承部件。
电动机优选是包括定子，该定子具有基本上中空的圆柱形形状并且以同心的方式围绕转子。这里，有利的是定子可以被设计为压缩机壳体的内壁的一部分。定子例如还可以被应用作为压缩机壳体的相应开口的嵌入物。这些实施例的优势在于仅需要对传统机械式涡轮增压器进行尽可能小的设计改变，使得由此可以实现成本和竞争优势，特别是对于大规模生成的情况。
电动机的转子优选是具有转子磁铁，该转子磁铁优选是由护套包围。这样，转子磁铁得到机械上的保护。通过这种方式，也可以影响磁场的类型。转子磁铁可以被设计成使其被部分或全部集成到压缩机轮中。如果压缩机轮由纤维增强型或非增强型塑料制成，则在生产时，转子磁铁可以在周围被直接通过塑料体注塑，通过这种方式，可以实现廉价的大规范制造。
转子的护套优选是以“中空圆柱形”的方式设计。
关于制造工艺，有利的是，转子磁铁在内部区域是中空的，用于放置在具有压缩机轮的公共轴上。通过这种方式可以实现廉价制造。
压缩机轮优选是由不能磁化的材料制成，该材料不会对磁场造成负面危害。压缩机轮也可以由非金属材料制成，优选是由增强型或非增强型材料制成。
另一有利设计在于转子和定子之间的转子间隙代表针对压缩机轮的(特别是唯一的)进气口。这又意味着电动机几乎不挡住进气流，并且不需要提供额外的进气口，该进气口会不必要地增加流阻力。因此，对于入口，甚至可以在转子和定子之间没有支柱。在这里，因为省去了“相应轴承”，所以不一定要提供支柱。尽管如此，对于具有涡轮机的“传统涡轮增压器”以及仅被设计为一个压缩机级的涡轮增压器(例如具有特别高的转速、临界固有频率等)，可以采用这样的“相应轴承”。
取决于转子或定子的尺度，入口可以具有大横截面面积。优选地，定子的最小内径是转子的最大外径的尺寸的1.2至10倍，优选是1.5至8倍，特别优选是2至4倍。这里指定的长度各自与相关部件的最大延伸或最小延伸相关，但是仅在电有效或磁有效部件的范围内(因此例如仅在转子磁铁的长度上)，并且随后变厚(例如在压缩机轮的区域中)在这里并不重要。这些值在(横截面面积的)单个横截面中满足即可。
另一有利设计在于压缩机轮包括螺纹、叶片或翼状物形式的输送结构，其中，所述输送结构的前沿在进气流方向上相对于转子磁铁的磁有效前沿或定子的磁有效前沿位于下游或上游。在本文中，“磁有效前沿”表示实际的电和磁部件，但没有隔离外壳等。这样，根据应用情况，可以自由地以实际上自由的方式相对于压缩机轮布置定子或转子。例如，如果使用金属材料的压缩机轮，则可以将转子磁铁的前沿关于进气流方向被布置在上游。利用转子磁铁伸出压缩机轮，相应的电动机的电特性或磁特性是特别有利的。但是，如果要求构造空间最小化，则转子磁铁可以始于压缩机轮的输送结构内部。这例如适合于输送结构由塑料材料构成的情况。定子的前沿可以类似地关于输送结构的前沿被布置在下游或上游。这里，也是出于对最前面的关于构造空间及材料的考虑。
另一(作为上述构造的替代方式或者另一方式)构造在于压缩机轮包括叶片、螺纹或翼状物形式的输送结构，其中，输送结构的后沿在进气流方向上相对于所述转子磁铁的后沿或定子的后沿位于下游或上游。因此，根据周围材料的电介质或磁特性、转子磁铁或定子或压缩机轮/输送结构的尺度，“待驱动”的部件也可以被部分布置在输送结构的下游。这里，特别大的或大功率的定子装置或转子磁铁还可以被设计成足够长，使得它们在两侧(因此在下游和上游)在轴向上延伸超过输送结构或压缩机轮。
另一有利设计在于定子和/或转子相对于压缩机轮的轴倾斜。
因此，这意味着转子磁铁或定子的外轮廓或内轮廓不需要为圆柱形或中空的圆柱形，而且还意味着这里可以有其它形状，例如截锥形或中空的截锥形形状。利用这些倾斜结构，本发明的直径或面积关系也仅需要在单个步骤中实现，以实现本专利的发明内容。
另一有利设计在于转子磁铁相对于压缩机轮的轴被径向布置在压缩机轮的轮毂外。这种布置尽管由于转子磁铁的机械和热负荷增加的原因而并非总是需要，但是提供了更大的灵活性，例如可以实现紧凑的轮毂(例如，在理想情况下省去轮毂)以及实现压缩机中心的附加气流。为此，压缩机轮也可以被设计成使得可以径向上在转子磁铁内或径向上在转子磁铁外引导空气。例如在这里，可以想到以基本圆环形方式设计转子磁铁，但是这也可以通过布置数个转子磁铁来实现。
关于这点，压缩机轮可以被设计成使得气团流的至少50％、优选是至少70％、特别优选是至少90％在径向上在转子磁铁外部被引导。
另一特别有利的形式在于入口的横截面面积与转子磁铁的横截面面积的比(以公式VQE＝A入口/A转子磁铁表示)在0.5与100之间，优选是在0.8与50之间，特别优选是在2与20之间。
媒介间隙马达的首要工作功是将媒介传送通过转子和定子之间的间隙，或者作为发电机，由媒介间隙中的传送媒介驱动。
“入口的横截面面积”应当理解为空气或流体可以通过的实际开口横截面。因此这是该区域中的实际的“入口净横截面面积”。例如，对于圆圈形入口，首先将其假设为总的圆形面积，但是减去叶片或轮毂(包括护套、转子磁铁等)的相应的横截面面积，以便确定净横截面面积。这里得到的测量值因而是实际转子磁铁(关于面积)与空气可以流过的实际横截面的比。
用于确定VQE的横截面优选是经过不仅存在转子磁铁而且存在转子的磁有效或电有效截面的区域。
另一有利设计在于定子的横截面面积与转子磁铁的横截面面积的比(以公式VQS＝A定子＝/A转子磁铁表示)在2与100之间，优选是在10和50之间。这里，各自为要说明的定子或转子磁铁的电有效部件的“净横截面面积”。未将非电/磁有效的一个或多个隔离部件考虑在内。因此，对于定子，将金属基底主体(例如包括铜绕组)考虑在横截面内，但是周围的隔离塑料为考虑在内。相应地，对于转子磁铁，也仅将实际磁有效面积考虑在内，即使转子由不同部分组成也是如此(于是相应地将各个面积相加，使得可以确定转子磁铁的总面积)。
上述横截面优选与压缩机轮的轴垂直。
另一有利形式在于转子与压缩机轮连接，并且压缩机轮在两侧被轴向安装。这里，压缩机轮可以与涡轮连接或者不与其连接，重要的是压缩机轮在两侧被轴向安装，因此不突出。
另一有利的设计在于涡轮增压器仅仅被设计为具有至少一个压缩机轮的压缩机系统，并且所述至少一个压缩机轮在一侧或两侧被轴向安装。在这种情况下，压缩机轮因此不会与涡轮连接。
另一有利的设计在于涡轮增压器包括涡轮和压缩机轮，其中，在压缩机轮的面向涡轮的一侧、或者在压缩机轮的面向涡轮的一侧与背离涡轮的一侧之间设有电动机。
另一有利设计在于定子的最小内径是转子的最大外径的1.1至1.49倍，优选是1.25至1.49倍。
另一有利设计在于定子的最小内径也是转子的最大外径大小的8.01至15倍，优选是8.01至12倍
这里指定的长度各自与相关部件的最大延伸或最小延伸相关，但是仅在电有效或磁有效部件的范围(因此，例如仅为转子磁铁的范围)内，并且随后变厚(例如在压缩机轮的区域中)在这里并不重要。
为了减小电流强度以及增加能量效率，在这里，电动机的标称电压可以大于12V，例如为24V或48V。
对于电动机特别有利的是能够从马达工作方式切换到发电机工作方式。如果(涡轮机壳体中)增压压力达到特定标称值，则通过使用具有再生能力的换能器产生附加的能量。而且，理想情况下，通过制动能量的能量转换，可以摒弃用于喷出多余废气压的排废门/测压器。
对马达/发电机工作方式的控制首次允许实现对增压过程的几乎实时的、目标化闭环控制。压缩机以及涡轮的转速、进而气团流可以被准确确定，因为电动机优选是通过频率转换器以闭环控制。内燃机的增压过程的控制优选是集成到集中式马达控制中。这样，可以实现以特征曲线控制的增压。因此，可以实现燃烧参数(燃料量、空气量、增压压力、废气返回率、点火时间等)的准确调节和优化，通过这种方式，可以实现显著降低燃料消耗。因此，这表示特征曲线的有效延伸，通过这种方式，内燃机的能量平衡可以得到显著提高。该控制环路允许在内燃机的燃烧室内实现完整燃烧进程的闭环控制和优化。
更多有利设计在其余从属权利要求中说明。
附图说明
下面通过若干附图来说明本发明。在附图中：
图1a为根据本发明的涡轮增压器的第一实施例的局部剖视图；
图1b为图1a所示涡轮增压器依照方向A的截面；
图1c为图1a所示涡轮增压器依照方向B的截面；
图1d为图1a所示涡轮增压器的部分分解图；
图2a为根据本发明的涡轮增压器的第二实施例的局部剖视图；
图2b为图2a所示涡轮增压器的部分分解图；
图3a说明转子磁铁、定子和压缩机轮的比例和布局；
图3b为具有倾斜转子和倾斜定子的压缩机轮；
图4a-4c说明关于根据本发明的涡轮增压器的几何关系；
图5和图6是根据本发明的涡轮增压器的又一实施例，作为用于发电的微涡轮机。
具体实施方式
在下文中通过根据图1a至图1d的第一实施例示出本发明的基本情况。
图1a至图1d示出电方面改进的机械涡轮增压器1，该涡轮增压器1可以与内燃机上的涡轮机壳体5耦接。在燃烧后，废气通过图1a所示的废气扇收集并用于驱动涡轮2。涡轮2由涡轮机壳体5包围并且基本上来自常用的机械涡轮增压器。轴承壳体7连接到涡轮机壳体5，于是连接到压缩机壳体6。压缩机轮6耦接在该压缩机壳体6中，并且将通过入口(该入口尤其在图1c中容易看见)馈送的空气压缩并将其以一方式(这里未示出)引导到内燃机的燃烧室。图1左侧的压缩机轮3示出延续部分，电动机的转子4a与该延续部分连接。转子4a在进气口4e中居中附接。进气流方向4e在图1a中以LES表示(这里，与压缩机轮的轴同轴)。
定子4b具有基本上中空圆柱形的形状并且在进气口区域中代表压缩机壳体的内壁的一部分，并被提供在转子4a周围。这里，定子4b甚至还作为相应开口的嵌入物。，使其易于组装。这里，因此在图1a中，转子4a与定子4b之间的转子间隙是压缩机轮的进气口4e。在这种情况下，再次依据图1a，进气口4e在转子和定子之间不需要支柱。在所示截面中，定子的最小内径(参见图1d的“dS”)例如为转子的最大外径dR的1.5倍(附图是示意性的并且仅用于表明大小关系)。
电动机4的转子4a包括转子磁铁4c，这里，转子磁铁4c由护套包围(见图1d)。在这种情况下，护套以基本上为“烧杯形”的方式设计，其中，烧杯的基底朝向压缩机轮方向几乎完全闭合(忽略中央的组装孔)。
压缩机轮可以(但不是必须)由非金属材料制成，这里，在一个实施例中，例如由非增强型塑料制成，并且对电动机的电磁场的影响最小。转子磁铁4c在用于放置在具有压缩机轮的公共轴上的区域中又是中空的。这里，转子磁铁的孔4c相应地在图1d中可见。而且，可以看出，各部件的顺序是以转子(由转子磁铁4c和护套4d组成)、压缩机轮3、轴8、涡轮2的顺序示出，这使得电动机的热负荷最小。在本实施例中，轴8被设计为使得涡轮2、压缩机轮3以及转子4a彼此牢固(以抗扭的方式)连接，因此不会被旋转离合器或飞轮分离。但是，如果例如在涡轮2的质量非常高的情况下，基本上可以在本发明的框架内提供这样的离合器，但是这样又会增加设计成本。
这里，图1a中电动机4的标称电压为12V，但是也可以为其它电压(例如关于混合式车辆为48V)。
在图1d中示出具有用于压缩用于内燃机的新鲜空气的压缩机装置的涡轮增压器，包括压缩机轮3以及具有转子4a和定子4b的电动机4，其中，转子的转子磁铁4c被设计为使其部分或全部集成到压缩机轮中或者与压缩机轮连接，并且定子的最小内径是转子的最大外径的1.5至8倍。转子磁铁、电子或压缩机轮的布局在轴向方向上是可变的，关于这点可特别参考后面的图3a。转子磁铁3c的质量(总质量，即使转子磁铁是由数个部件组成)在这里为50g。该转子磁铁关于转子的轴的质量惯性矩为0.6kgmm2。
入口的横截面面积与转子磁铁的横截面面积的比(VQE)为7∶1。定子的横截面面积与转子磁铁的横截面面积的比VQS为16∶1。
电动机可以以马达工作方式工作(用于加速以及避免“涡轮迟滞”)，以及以发电机工作方式工作(用于恢复能量)。如果(涡轮机壳体中的)增压压力达到某一标称值，则其它能量通过使用具有再生能力的换能器来产生。理想情况是，通过发电机工作方式下的制动能量的该能量转换，可以废除用于喷出多余废气压的排废门/测压器(如图1b中标号9所示)。
根据本发明的涡轮增压器被用于关于机动车辆的本发明驱动系统中，该驱动系统包括与涡轮增压器连接的内燃机，以及电能储存装置。在这里，涡轮增压器1的电动机与电能储存装置连接，用于在涡轮增压器1的马达工作方式中取出电能，并且在涡轮增压器1的发电机工作方式中馈入电能。在特别优选的实施例中，涡轮增压器的电动机与电储存装置连接，其中，该电储存装置还可连接到机动车辆的电动驱动。这可以是机动车辆的“轮毂电机”或另一电动机，其设置在机动车辆的传动中(例如在齿轮区域中)。电涡轮增压器与混合型车辆的这种连接尤其是高效能的。
用于确定涡轮2或压缩机轮3的转速、涡轮机壳体侧和压缩机壳体侧的压力状况的实际值以及与内燃机的扭矩有关的其它值的控制电子装置被提供用于有效控制驱动系统或涡轮增压器。
根据图1a至1d的第一实施例的最重要的部件在图1d中的右上部被示为部分分解图。这里，可以看出，这是包括涡轮2以及与其连接的压缩机轮3的涡轮增压器1的情况，其中，电动机4被设置在压缩机轮3的背离涡轮的一侧，涡轮包括转子4a和定子4b，并且电动机4的转子4a与压缩机轮3以抗扭的方式连接，并以自由伸出的方式设计。
“自由伸出”的方式是有利的，原因是由此可以减少设计成本，并且避免例如总座架的静态超尺寸。“自由伸出”应理解为其中转子未以分离和永久的方式安装的方案。可能提供的“支撑笼”等在轴承的背景中看不到，所述“支撑笼”等用于防止自由伸出的转子的弯曲，该弯曲例如由于弯曲谐振而可能太大。
在图2a和图2b中示出第二实施例。这里，转子磁铁4c在制造时被部分集成到压缩机轮3中。定子形成压缩机壳体的内轮廓。
电动机可以以马达工作方式工作(用于加速以及避免“涡轮迟滞”)，以及以发电机工作方式工作(用于恢复能量)。如果(涡轮机壳体中的)增压压力达到某一标称值，则其它能量通过使用具有再生能力的换能器来产生。通过发电机工作方式下的制动能量的该能量转换，可以废除用于喷出多余废气压的排废门/测压器(如图1b中标号9所示)。
图3a示出压缩机轮3、定子4b以及转子4c的示意性表示，以便示出几何情况。如图所示，压缩机轮在一侧或两侧被安装在轴10上，并且在进气流方向LES上受到流的作用。吹入的气流被压缩机轮3加速，压缩机轮3包括输送结构F。该输送结构的前沿由VF表示，而输送结构的后沿由HF表示。转子磁铁4c的前沿由VR表示，而转子磁铁4c的后沿由HR表示。定子的前沿由VS表示，而定子的后沿由HS表示(这里，定子是旋转对称的，但是为了更好地观察，示出了上定子部分)。因此，压缩机轮3具有叶片形式的输送结构F，其中，输送结构的前沿VF在进气流方向上相对于转子磁铁4c的磁有效前沿和定子的磁有效前沿VS位于下游。相反，压缩机轮及其后沿HF在进气流方向上相对于转子磁铁4c的后沿HR和定子4b后沿位于上游。
但是，这里也可以使用其它方案，利用该方案，转子磁铁或定子仅仅延伸超过压缩机轮的一边，并且转子磁铁也可以完全在压缩机轮内，因而被输送结构的边在横向上包围。
图3b示出又一实施例，定子4b(该定子关于轴10旋转对称)关于轴10倾斜。这里，定子因此基本上具有中空的截锥形状。这对于转子4a或相应的转子磁铁也是一样，同样，其截面相对于轴10倾斜(因此这些不平行/共线，而是其延长线交叉)。
图3b中所示的压缩机轮在两侧均安装(参见所示出的轴承位置L1和L2)。但是，其它附图中的实施例形式也基本上可以在两侧均安装(即使这在特定情况下意味着更多的构造成本)。
关于图3b，示出的是转子磁铁4c相对于压缩机轮3的轴10在径向上被布置在压缩机轮的轮毂外。这里，压缩机轮被设计成使得空气可以在径向上在转子磁铁内或径向上在转子磁铁外流过。这里，压缩机轮也可以被设计成使得所提供的气团(或所提供的气团流)的至少70％在径向上在转子磁铁外流过。
图4a和图4b用于说明对直径尺寸的确定，所述直径尺寸并非从头到尾都相同。
图4a清楚地指出转子的最大直径dR是在该转子(但是仅在转子磁铁延伸的范围内)具有其最大延伸的位置测得的。不包括该转子的、在压缩机轮3区域中的随后变宽的部分，因为转子磁铁未进一步延伸到那里。
相应地，定子也是在定子的相应电或磁有效部件(由黑色条表示，该黑色条示出具有铜线的层压芯)延伸通过的最窄位置(见dS)处测量的。
图4b是对横截面(非圆形)的进一步说明。转子磁铁的“最大外径”应当理解为表示围绕整个转子的最小外接圆的直径(参见以上相对于轴定位关于4a的说明)。图4b中所示的波浪形外侧线为非圆形，并且外接圆与外转子的突出位置基本上相切。
图4b也是一样，图4b也没有圆形形状。这里，假设最大内接圆具有直径dS。
图4c再次示出穿过根据本发明的定子4b和转子4a的横截面。这里，可以看到由各个分段(三个分布在边界上)组成的转子磁铁4c。可替选地，也可以想到例如圆柱形的单个磁铁。在该转子磁铁4c周围附接有护套4d。而输送结构F(这里为截面，所以用阴影表示)被示为在该护套上。空气通道或媒介通道开口4e设在输送结构周围，并且在径向上在外侧由屏蔽罩11(屏蔽罩11为塑料并且是磁隔离/电绝缘的)包围。定子4b的电有效部分设在护罩11的周围。
在图4c所示的横截面中，媒介通道开口或空气通道或入口4e的横截面面积与转子磁铁的四个分段的横截面面积的比(定义为VQE＝A入口/A转子磁铁)＝4∶1。
这里，入口4e被限定为可以真正用于通流的开口，因此为护套11内含有的面积，但是要减去阴影表示的输送器结构的面积以及转子的轮毂的面积(该轮毂包括护套4d以及位于其中的所有东西)。这里要表达的是入口的“净横截面面积”。图4c的横截面显然经过定子4b的电有效和磁有效部分。在该横截面中，定子的横截面面积与转子磁铁的横截面面积的比(定义为VQS＝A定子/A转子磁铁)＝3∶1。
这里，只有电有效或磁有效部分(因此为金属+铜线，但是减去铜线涂覆层以及可能有的“中空面积”)才被理解为定子的横截面面积。因此，其如同转子磁铁一样，并且这里仅采用纯转子磁铁分段在该横截面中的横截面。
定子的最小内径关于转子的最大外径的上述比例(附加地，为1.5至8倍)也可以位于其它区间，特别是1.1至1.49倍，优选是1.25至1.49倍。但是，相应地，在该比例值的另一端，定子的最小内径也可以是转子的最大外径大小的8.01至15倍，优选是8.01至12倍。
附图中所示的所有涡轮增压器包含用于压缩空气的至少一个压缩机轮3，并且可以由电动机4驱动，其中，在该电动机的转子4a和定子4b之间设有转子间隙，并且馈送到压缩机轮的气团流的至少50％、优选是至少90％在涡轮增压器的至少一个工作情形下被馈送通过转子间隙。通过附图中的表示，该操作条件是在5000rpm和300000rpm之间、优选是在40000rpm和200000rpm之间、主要是在100000rpm的转速下给出的。这里，相连的往复式发动机的曲柄轴的转速在100rpm和15000rpm之间、优选是在1500rpm和8000rpm之间，主要是例如2500rpm。
图5和图6将根据本发明的涡轮增压器示为用于电/热联产的微涡轮机的基底模块。图5示出基本构造，图6为分解图。电动机/发电机以标号11表示，回流换热器以标号12表示，热交换器以标号13表示，热储存装置以标号14表示。因此，在附图中，重要部件(转子、定子、压缩机轮、涡轮)以与前面的实施例相同的标号表示。换句话说，机能的方式如下(在这里，重要的主要不在于电/热联产的功能，而在于包括压缩机轮和涡轮的根据本发明的涡轮增压器还可以用于汽车之外)。
助燃空气完全在电动机/发电机11的转子和定子之间流入到压缩机中。通过向其施加的大约4bar的压缩，助燃空气已加热到大约200℃。加热后的助燃空气被导出压缩机进入第一热交换器，并且通过流过的热废气被提高到大约500℃。在布置在下游的燃烧室中，助燃空气与燃料如再生气一起燃烧。通过这种方式生成的热气在涡轮机中膨胀并且驱动涡轮，进而驱动压缩机和发电机。废气的热能在热交换器中被部分直接再次分配给压缩的助燃空气。而且，根据本发明的涡轮增压器可以与第二热交换器耦合，以利用总剩余热量来提供热水，或者将其引导到加热回路例如用于建筑物的供热和制冷。发电机可以用作用于开始进程的电动机。因此，例如利用根据本发明的涡轮增压器，可以产生廉价的单岸式电站，其主要部件包括来自机动车产业的按大尺度制造的部件。由于低谐振运行，在相邻建筑中避免了噪声释放以及主体声音传输。该模块由于构造紧凑且重量低，还适于作为用于在飞机中发电的辅助驱动。

Claims (58)

1.一种涡轮增压器，具有用于压缩用于内燃机的新鲜空气的压缩机装置，该涡轮增压器包括压缩机轮(3)以及具有转子(4a)和定子(4b)的电动机(4)，其中，所述转子的转子磁铁(4c)被设计成使其部分或全部集成到所述压缩机轮中，并且所述定子的最小内径是所述转子的最大外径的1.5倍至8倍，或者所述定子的最小内径是所述转子的最大外径的1.1倍至1.49倍，或者所述定子的最小内径是所述转子的最大外径的8.01倍至15倍。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述转子和所述定子之间的转子间隙被设计成使得压缩机轮旋转时，要压缩的气团流的至少50％被引导通过所述转子间隙。
3.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述转子间隙被设计成使得压缩机轮旋转时，要压缩的气团流的至少90％被引导通过所述转子间隙。
4.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮增压器包括涡轮(2)并且所述压缩机轮(3)与所述涡轮连接，其中，所述电动机被布置在所述压缩机轮的背离所述涡轮的一侧。
5.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述转子(4a)以抗扭的方式与所述压缩机轮(3)连接，并且以自由伸出的方式设计。
6.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，设置有涡轮(2)，并且所述涡轮以抗扭的方式连接到所述压缩机轮(3)。
7.根据权利要求4或6所述的涡轮增压器，其特征在于包括壳体，所述壳体包括用于所述涡轮(2)的涡轮机壳体(5)以及用于所述压缩机轮(3)的压缩机壳体(6)。
8.根据权利要求4或6所述的涡轮增压器，其特征在于，仅在所述涡轮(2)和所述压缩机轮(3)之间的区域中设置所述涡轮(2)和/或所述压缩机轮(3)的座架。
9.根据权利要求7所述的涡轮增压器，其特征在于，在所述涡轮机壳体(5)与所述压缩机壳体(6)之间设有用于容纳所述涡轮(2)的轴承部件的轴承壳体(7)。
10.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述转子磁铁(4c)被护套(4d)围绕。
11.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述定子(4b)具有基本上中空的圆柱形形状。
12.根据权利要求7所述的涡轮增压器，其特征在于，所述定子(4b)被设计为所述压缩机壳体(6)的内壁的一部分。
13.根据权利要求12所述的涡轮增压器，其特征在于，所述定子(4b)被应用为所述压缩机壳体(6)的相应开口的嵌入物。
14.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，在所述转子(4a)和所述定子(4b)之间的转子间隙代表所述压缩机轮的进气口(4e)。
15.根据权利要求14所述的涡轮增压器，其特征在于，所述进气口(4e)在所述转子(4a)和所述定子(4b)之间没有支柱。
16.根据权利要求10所述的涡轮增压器，其特征在于，所述转子(4a)的护套(4d)被设计为圆柱形形状。
17.根据权利要求10所述的涡轮增压器，其特征在于，所述转子磁铁(4c)在内部区域中是中空的，用于供具有所述压缩机轮的公共轴(8)插入。
18.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述压缩机轮(3)由非金属材料制成。
19.根据权利要求18所述的涡轮增压器，其特征在于，所述非金属材料为增强型或非增强型塑料。
20.根据权利要求7所述的涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮机壳体(5)被连接到内燃机的废气回路，用于通过流出所述内燃机的废气驱动所述涡轮。
21.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述电动机(4)能够从马达工作方式变换到发电机工作方式。
22.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述电动机的标称电压是12V、24V或48V。
23.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述转子磁铁(4c)的质量在50g和1000g之间。
24.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器，其特征在于，对于机动车涡轮增压器，所述转子磁铁(4c)的质量在10g和100g之间。
25.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述转子磁铁(4c)相对于所述转子(4a)的轴(10)的质量惯性矩在0.1kgmm2和10kgmm2之间。
26.根据权利要求25所述的涡轮增压器，其特征在于，对于机动车应用，所述转子磁铁(4c)相对于所述转子(4a)的轴(10)的质量惯性矩在0.3kgmm2和1.0kgmm2之间。
27.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述压缩机轮包括螺纹、叶片或翼状物形式的输送结构(F)，其中，所述输送结构的前沿(VF)在进气流方向(LES)上相对于所述转子磁铁(4c)的磁有效前沿(VR)或定子(4b)的磁有效前沿(VS)位于下游或上游。
28.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述压缩机轮包括叶片、螺纹或翼状物形式的输送结构(F)，其中，所述输送结构的后沿(HF)在进气流方向(LES)上相对于所述转子磁铁(4c)的后沿(HR)或定子(4b)的后沿(HS)位于下游或上游。
29.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述定子(4b)和/或转子(4a)相对于所述压缩机轮(3)的轴(10)倾斜。
30.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述转子磁铁(4c)相对于所述压缩机轮(3)的轴(10)被径向布置在所述压缩机轮的轮毂之外。
31.根据权利要求30所述的涡轮增压器，其特征在于，所述压缩机轮(3)被设计成使得空气径向上在所述转子磁铁(4c)内部及径向上在所述转子磁铁(4c)外部被引导。
32.根据权利要求31所述的涡轮增压器，其特征在于，所述压缩机轮(3)被设计成使得气团流的至少50％在径向上在所述转子磁铁外侧被引导。
33.根据权利要求32所述的涡轮增压器，其特征在于，所述压缩机轮(3)被设计成使得气团流的至少70％在径向上在所述转子磁铁外侧被引导。
34.根据权利要求32所述的涡轮增压器，其特征在于，所述压缩机轮(3)被设计成使得气团流的至少90％在径向上在所述转子磁铁外侧被引导。
35.根据权利要求14所述的涡轮增压器，其特征在于，在穿过所述定子和所述转子的至少一个横截面中，所述进气口(4e)的横截面面积与所述转子磁铁(4c)的横截面面积的比VQE＝A进气口/A转子磁铁在0.5与100之间。
36.根据权利要求35所述的涡轮增压器，其特征在于，所述进气口(4e)的横截面面积与所述转子磁铁(4c)的横截面面积的比在0.8与50之间。
37.根据权利要求35所述的涡轮增压器，其特征在于，所述进气口(4e)的横截面面积与所述转子磁铁(4c)的横截面面积的比在2与20之间。
38.根据权利要求35所述的涡轮增压器，其特征在于，穿过所述定子和所述转子的所述横截面还经过所述定子(4b)的磁有效或电有效截面。
39.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，在穿过所述定子和所述转子的至少一个横截面中，所述定子(4b)的横截面面积与所述转子磁铁(4c)的横截面面积的比VQS＝A定子/A转子磁铁在2与100之间。
40.根据权利要求39所述的涡轮增压器，其特征在于，所述定子(4b)的横截面面积与所述转子磁铁(4c)的横截面面积的比VQS＝A定子/A转子磁铁在10与50之间。
41.根据权利要求35至40之一所述的涡轮增压器，其特征在于，穿过所述定子和所述转子的所述横截面与所述转子(4a)的轴(10)垂直。
42.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述转子(4a)连接到所述压缩机轮(3)，并且所述压缩机轮在两侧被轴向安装。
43.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮增压器仅被设计为具有至少一个压缩机轮(3)的压缩机系统，并且所述至少一个压缩机轮在一侧或两侧被轴向安装。
44.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮增压器包括涡轮(2)和所述压缩机轮(3)，其中，所述电动机(4)被布置在所述压缩机轮的面向所述涡轮的一侧，或者被布置在所述压缩机轮的面向所述涡轮的一侧与所述压缩机轮的背离所述涡轮的一侧之间。
45.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述定子的最小内径是所述转子的最大外径的1.25倍至1.49倍。
46.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述定子的最小内径是所述转子的最大外径的8.01倍至12倍。
47.一种用于机动车辆的驱动系统，包括内燃机、电能储存装置以及根据权利要求1所述的涡轮增压器(1)，其特征在于，所述涡轮增压器(1)的电动机(4)连接到所述电能储存装置，用于在所述涡轮增压器(1)的马达工作方式下取出电量，并且用于在所述涡轮增压器(1)的发电机工作方式下馈入电能。
48.根据权利要求47所述的驱动系统，其特征在于，与所述涡轮增压器(1)的电动机(4)连接的所述电储存装置还连接到机动车辆的电动驱动。
49.根据权利要求47或48所述的驱动系统，其特征在于，所述涡轮增压器包括与至少一个所述压缩机轮(3)连接的涡轮(2)，所述涡轮增压器还包括壳体，所述壳体包括用于涡轮(2)的涡轮机壳体(5)以及用于所述压缩机轮(3)的压缩机壳体(6)，所述驱动系统包括用于确定所述涡轮(2)或压缩机轮(3)的转速、涡轮机壳体侧和压缩机壳体侧的压力状况的实际值以及与扭矩有关的内燃机的其它值的控制电子装置或传感器。
50.一种用于操作根据权利要求1至46之一所述的涡轮增压器的方法，其特征在于，所述涡轮增压器(1)包括用于压缩空气的至少一个压缩机轮(3)，并且所述压缩机轮由电动机(4)驱动，其中，在所述电动机的所述转子(4a)与所述定子(4b)之间设有转子间隙，并且被引导到所述压缩机轮的气团流的至少50％在所述涡轮增压器的至少一个操作条件下被引导通过所述转子间隙。
51.根据权利要求50所述的方法，其特征在于，被引导到所述压缩机轮的气团流的至少90％在所述涡轮增压器的至少一个操作条件下被引导通过所述转子间隙。
52.根据权利要求50所述的方法，其特征在于，在所述压缩机轮的5000rpm和300000rpm之间的转速下给出所述操作条件。
53.根据权利要求52所述的方法，其特征在于，在所述压缩机轮的40000rpm和200000rpm之间的转速下给出所述操作条件。
54.根据权利要求52所述的方法，其特征在于，在所述压缩机轮的40000rpm和60000rpm之间的转速下给出所述操作条件。
55.根据权利要求50或54所述的方法，其特征在于，在由所述涡轮增压器供给新鲜空气的内燃机的50rpm和20000rpm之间的转速下给出所述操作条件。
56.根据权利要求55所述的方法，其特征在于，在由所述涡轮增压器供给新鲜空气的内燃机的100rpm和1500rpm之间的转速下给出所述操作条件。
57.根据权利要求55所述的方法，其特征在于，在由所述涡轮增压器供给新鲜空气的内燃机的2000rpm和4000rpm之间的转速下给出所述操作条件。
58.根据权利要求1至46之一所述的涡轮增压器作为用于电/热联产的微涡轮机的基本模块的用途。
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