DE102007025550A1

DE102007025550A1 - Elektromagnetischer Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102007025550A1
Application number: DE102007025550A
Authority: DE
Inventors: Andre Dr. Kaufmann; Markus Dr. Klöpzig; Achim Koch; Markus Dr. Wilke
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2027-06-01
Also published as: WO2008145640A1; DE102007025550B4

Abstract

Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) mit einer ersten und zweiten elektrischen Maschine (205, 206), wobei die erste elektrische Maschine (205) eine erste mit einer Turbine (201) verbundene Welle (203), einen Interrotor (214) und einen ersten Stator (209) aufweist und die zweite elektrische Maschine (206) eine zweite mit einem Verdichter (202) verbundene Welle (204) aufweist. Der Interrotor (214) und die zweite Welle (204) bilden dabei ein gemeinsames Bauteil aus.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Abgasturbolader.
Zur Erhöhung der Leistungsdichte von Verbrennungsmaschinen werden sogenannte Abgasturbolader eingesetzt. Als Teil eines solchen Abgasturboladers wird zum einen eine Turbine im Abgasstrom der Verbrennungsmaschine platziert und zum anderen ein Verdichter im Zuluftkanal derselben Verbrennungsmaschine angeordnet. Die im Abgas der Verbrennungsmaschine enthaltene Enthalpie wird mit Hilfe des Abgasturboladers zur Verdichtung der Frischluft der Verbrennungsmaschine genutzt.
Klassische Turbolader verfügen über eine direkte mechanische Verbindung zwischen der in dem Abgasstrom platzierten Turbine und dem in dem Zuluftkanal der Verbrennungsmaschine angeordneten Verdichter. Beispielsweise können die Turbine und der Verdichter mit einer gemeinsamen Achse mechanisch miteinander verbunden sein. Bei einer derartigen Konstruktion eines Abgasturboladers ist die Verdichterleistung direkt proportional zu der in dem Abgas der Verbrennungsmaschine vorhandenen Enthalpie. Dies hat zur Folge, dass bei einer geringen Drehzahl der Verbrennungsmaschine, bei der im Abgas der Verbrennungsmaschine auch nur eine geringe Enthalpie vorhanden ist, auch die Verdichterleistung des Abgasturboladers gering ist. Dies führt zu einer geringen Leistungsentwicklung einer derart aufgeladenen Verbrennungsmaschine im unteren Drehzahlbereich. Dieses Leistungsdefizit ist allgemein als sogenanntes Turboloch bekannt.
Zur Kompensation des Turbolochs sind verschiedene Maßnahmen im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise können die Schaufeln des Verdichters oder der Turbine mechanisch verstellbar sein, um so den Turbolader an unterschiedliche Betriebszustände der Verbrennungsmaschine anzupassen. Eine wei terhin allgemein aus diesem Stand der Technik bekannte Maßnahme ist es Klappen (waste gate) in das Abgassystem der Verbrennungsmaschine zu integrieren um bei hohen Drehzahlen der Verbrennungsmaschine die Verdichterleistung zu begrenzen. Die genannten Maßnahmen führen jedoch zu keiner prinzipiellen Veränderung der im Wesentlichen proportionalen Abhängigkeit der Verdichterleistung des Abgasturboladers von der im Abgas der Verbrennungsmaschine vorhandenen Enthalpie.
Die Abhängigkeit der Verdichterleistung des Abgasturboladers von der im Abgas der Verbrennungsmaschine vorliegenden Enthalpie kann lediglich durch ein weiteres, zusätzlich mit Energie versorgtes Bauteil aufgehoben werden. So kann beispielsweise der Verdichter eines Abgasturboladers zusätzlich mit einem Elektromotor angetrieben werden. Turbolader, welche zusätzlich mit elektrischer Energie unterstützt werden, werden auch als sogenannte E-Booster bezeichnet.
Derartige E-Booster haben den Vorteil, dass die elektrisch dem Abgasturbolader zugeführte Energie frei regelbar ist, und so die Verdichterleistung, also auch die Verdichterleistung im unteren Drehzahlbereich der Verbrennungsmaschine, frei regelbar ist.
Der direkte elektrische Antrieb des Verdichters eines Turboladers weist jedoch einen entscheidenden Nachteil auf. Da Verdichter und Turbine direkt mechanisch miteinander verbunden sind, führt die zusätzlich dem Verdichter zugeführte elektrische Energie ebenfalls zu einer Beeinflussung des Abgassystems der Verbrennungsmaschine. Um eine derartige Beeinflussung zu vermeiden, kann ein weiterer elektrisch betriebener Verdichter in den Zuluftkanal der Verbrennungsmaschine integriert werden. Eine derartige Maßnahme stellt jedoch einen zusätzlichen konstruktiven Aufwand dar, welcher ebenfalls mit zusätzlichen Kosten verbunden ist.
Alternativ existieren vollständig elektrische Turbolader, welche derart aufgebaut sind, dass eine Turbine im Abgasstrom der Verbrennungsmaschine platziert ist, welche einen elektrischen Generator antreibt. Der im Zuluftkanal der Verbrennungsmaschine vorhandene Verdichter ist mit einem Elektromotor verbunden. Der Elektromotor wird mit elektrischer Energie betrieben, die von dem Generator bereitgestellt wird. Die Übertragung der Energie, welche dem Abgas der Verbrennungsmaschine entnommen wird, erfolgt lediglich auf elektrischem Wege. Folglich ist es notwendig, entsprechend leistungsfähige Umrichter für den Generator und den Elektromotor zu verwenden. Entsprechende Umrichter weisen jedoch einen begrenzten Wirkungsgrad auf, und tragen zu den Gesamtkosten des Systems bei. Weiterhin beansprucht ein derart diskreter Aufbau zusätzliches Volumen im Motorraum.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Abgasturbolader anzugeben, der in Bezug auf die im Stand der Technik vorhandenen technischen Probleme verbessert ist.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Der Erfindung liegt dabei die folgende Überlegung zugrunde:
Zur Energieübertragung zwischen einer im Abgasstrom einer Verbrennungsmaschine vorhandenen Turbine und einem im Zuluftkanal der Verbrennungsmaschine vorhandenen Verdichter sollen sowohl magnetische als auch induktive/elektrische Wechselwirkung zwischen den beiden Bauteilen genutzt werden.
Erfindungsgemäß wird ein elektromagnetischer Abgasturbolader angegeben, der eine erste und eine zweite Welle aufweist. Die erste Welle soll mit einer von einem Abgasstrom angetriebenen Turbine mechanisch verbunden sein. Die zweite Welle soll mit einem Verdichter mechanisch verbunden sein. Weiterhin weist der elektromagnetische Abgasturbolader eine erste und eine zweite elektrische Maschine auf. Die erste elektrische Maschine umfasst zumindest einen ersten Rotor, der zumindest die erste Welle, einen Interrotor und einen ersten Stator umfasst. Der erste Stator umschließt dabei den Interrotor, und dieser umschließt wiederum den ersten Rotor jeweils unter Ausbildung eines Ringspaltes. Die zweite elektrische Maschine umfasst zumindest einen zweiten Stator und einen zweiten Rotor, welcher wiederum zumindest die zweite Welle umfasst. Der Interrotor und der zweite Rotor bilden ein gemeinsames Bauteil, und die erste und die zweite elektrische Maschine sind elektrisch miteinander verbunden.
Die mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass ein Abgasturbolader angegeben werden kann, der eine kompakte Bauform aufweist, gegenüber vollständig elektrischen Abgasturboladern kleiner dimensionierte Umrichter bzw. eine kleiner dimensionierte Regeltechnik zur elektrischen Energieübertragung benötigt, und gleichzeitig die freie Regelbarkeit eines elektrischen Turboladers aufweist. So können die Arbeitspunkte für die Turbine und den Kompressor frei geregelt werden, und ggf. optimal eingestellt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Turboladers gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform gemäß Anspruch 1 mit den Merkmalen eines, vorzugsweise mit denen mehrerer Unteransprüche kombiniert werden. Demgemäß kann der elektromagnetische Turbolader noch die folgenden Merkmale aufweisen:

– Die erste elektrische Maschine kann nach der Art einer Klauenpolmaschine ausgebildet sein.
– Die magnetischen Nord- und Südpole der Klauenpolmaschine können durch Klauenendteile gebildet sein, die sich alternierend in entgegengesetzte axiale Richtungen erstrecken. Die Statorwicklung der ersten elektrischen Maschine kann von einem rotorseitig offenen U-Profil umschlossen sein, welches Statorseitenteile aufweist, die sich in radiale Richtung erstreckenden. Die Statorseitenteile sind gemeinsam mit den Klauenendteilen Teil eines magnetischen Flus ses. Die Statorseitenteile und die Klauenendteile sind mechanisch gesehen diskrete, voneinander getrennte Bauteile führen aber einen gemeinsamen magnetischen Fluss. Das U-Profil kann weiterhin Teil des ersten Stators sein, wobei die Klauenendteile Teil des Interrotors sind. Durch eine Ausgestaltung eines Abgasturboladers gemäß der vorstehenden Ausführungsform kann erreicht werden, dass zwischen Stator und Interrotor keine Drehmomente wirken.
– Die Klauenendteile, die die magnetischen Nordpole bilden und die Klauenendteile, die die magnetischen Südpole bilden können jeweils mit einem scheibenförmigen Seitenteil verbunden sein. Die Statorseitenteile, die scheibenförmigen Seitenteile und die Klauenendteile können Teil eines gemeinsamen magnetischen Flusses sein. Mechanisch gesehen sind die vorgenannte Bauteile diskret, d. h. voneinander getrennt ausgeführt. Die Bauteile führen jedoch einen gemeinsamen magnetischen Fluss. Das U-Profil kann Teil des ersten Stators sein. Die scheibenförmigen Seitenteile und die Klauenendteile können Teil des Interrotors sein. Durch eine Verbindung der Klauenendteile mit den scheibenförmigen Seitenteilen kann die magnetische Kopplung zwischen den Klauenendteilen verbessert werden.
– Der erste Rotor kann nach der Art einer permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine ausgebildet sein. Vorteilhaft weist ein derart ausgestalteter Abgasturbolader eine hohe Leistungsdichte bei einem kleinen Massenträgheitsmoment und einen hohen Wirkungsgrad auf.
– Der erste Rotor kann nach der Art einer Reluktanzmaschine ausgebildet sein. Vorteilhaft weist ein derart ausgestalteter Abgasturbolader ein kleines Massenträgheitsmoment auf und ist für hohe Betriebstemperaturen geeignet.
– Der erste Rotor kann nach der Art einer Asynchronmaschine ausgebildet sein. Vorteilhaft weist ein derartiger Abgas turbolader einen mechanisch stabilen Rotor auf, welcher insbesondere für hohe Drehzahlen geeignet ist.
– Die magnetischen Nord- und Südpole der Klauenpolmaschine können durch Klauenendteile gebildet sein, die sich alternierend in entgegengesetzte axiale Richtungen erstrecken. Die Statorwicklung der ersten elektrischen Maschine kann von einem rotorseitig offenen U-Profil umschlossen sein. Das U-Profil kann sich in radiale Richtung erstreckende Statorseitenteile aufweisen. Der Interrotor kann scheibenförmige Seitenteile umfassen. Die Klauenendteile, die scheibenförmigen Seitenteile und die Statorseitenteile sind Teil eines gemeinsamen magnetischen Flusses. Die vorgenannten Bauteile sind mechanisch gesehen diskret, also voneinander getrennt aufgebaut, sie führen jedoch einen gemeinsamen magnetischen Fluss. Weiterhin kann das U-Profil Teil des ersten Stators sein. Die scheibenförmigen Seitenteile können Teil des Interrotors sein und die Klauenendteile können Teil des ersten Rotors sein. Durch eine Ausgestaltung eines Abgasturboladers gemäß der vorstehenden Ausführungsform kann erreicht werden, dass zwischen Statur und Interrotor keine Drehmomente wirken.
– Die scheibenförmigen Seitenteile können aus zwei getrennten konzentrisch zueinander angeordneten Teilstücken bestehen, wobei ein erstes Teilstück Teil des Interrotors und ein zweites Teilstück Teil des ersten Rotors ist. Durch eine Verbindung der Klauenendteile mit dem zweiten Teilstück der scheibenförmigen Seitenteile kann die magnetische Kopplung zwischen den Klauenendteilen verbessert werden.
– Der Interrotor kann permanentmagnetische Elemente umfassen, und gegenüber dem ersten Rotor nach der Art einer permanentmagnetisch erregten Außenläufersynchronmaschine ausgebildet sein. Ein derart ausgestalteter Abgasturbolader zeichnet sich vor allem durch eine hohe Leistungsdichte und einem hohen Wirkungsgrad aus.
– Der elektromagnetische Abgasturbolader kann permanentmagnetisches Material umfassen. Insbesondere kann das permanentmagnetische Material aus einer Samarium – Kobalt – Legierung gefertigt sein. Permanentmagnetischen Elemente aus Samarium-Kobalt weisen eine hohe Curie-Temperatur auf und sind deswegen für den Einsatz bei hohen Betriebstemperaturen besonders geeignet.
– Die erste und die zweite elektrische Maschine können jeweils mit einem ersten und einem zweiten Umrichter verbunden sein. Die Umrichter wiederum mit einer Steuereinheit verbunden sein, bzw. können mittels der Steuereinheit untereinander verbunden sein. Mittels einer derartigen Verschaltung der ersten und zweiten elektrischen Maschine ist eine präzise Steuerung des elektromagnetischen Abgasturboladers möglich, insbesondere können optimale Arbeitspunkte für den Kompressor und die Turbine eingestellt werden.
– Die Klauenendteile können geblecht sein. Indem die Klauenendteile geblecht ausgeführt sind, können in diesen Teilen auftretende Wirbelströme und damit verbundene Wirbelstromverluste verringert werden.
– Die Klauenendteile können mittels einer Vergussmasse mit einer magnetisch nicht leitfähigen Haltestruktur verbunden sein. Mittels der vorgenannten Maßnahme können die mechanischen Eigenschaften der Klauendteile, insbesondere hinsichtlich ihrer Haltbarkeit bei hohen Drehzahlen des Abgasturboladers verbessert werden.

Weiterhin erfindungsgemäß soll ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungsmaschine und einem elektromagnetischen Turbolader nach einer der vorstehenden Ausführungsformen angegeben werden. Dabei ist die Turbine im Abgasstrom der Verbrennungsmaschine, und der Verdichter im Zuluftkanal der Verbrennungsmaschine angeordnet. Mittels des Verdichters erfolgt eine Verdichtung von Frischluft für die Verbrennungsmaschine.
Vorteilhaft kann mit den vorgenannten Maßnahmen ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungsmaschine angegeben werden, welche insbesondre im unteren Drehzahlbereich der Verbrennungsmaschine eine verbesserte Leistungsfähigkeit aufweist. Weiterhin weist die Verbrennungsmaschine eine kompakte Bauform auf.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Abgasturboladers sowie des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen, sowie aus 2 bis 7 der nachfolgend erläuterten Zeichnung hervor.
Dabei zeigen deren
1 ein Detail des Stators einer Klauenpolmaschine in Perspektivansicht, gemäß dem Stand der Technik,
2 einen Längsschnitt durch einen elektromagnetischen Abgasturbolader,
3 einen Querschnitt durch den in 2 gezeigten elektromagnetischen Abgasturbolader,
4 den in 2 gezeigten elektromagnetischen Abgasturbolader in Perspektivansicht,
5 einen weiteren elektromagnetischen Abgasturbolader im Längsschnitt,
6 den aus 5 bekannten elektromagnetischen Abgasturbolader in Perspektivansicht und
7 eine schematische Darstellung der mechanischen, magnetischen und elektrischen Energieflüsse in einem elektromagnetischen Abgasturbolader gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1 zeigt einen Teil des Ständers einer Klauenpolmaschine in Perspektivansicht, gemäß dem Stand der Technik ("Handbuch elektrische Kleinantriebe"; Kallenbach, Stölting; Hanser Verlag, S.113). Eine derartige Klauenpolmaschine weist Ständerwicklungen 101, 102 auf, welche von U-förmigen Profilen 103, 104 umgeben sind, die rotorseitig offen sind. Teil der U-förmigen Profile 103, 104 sind Statorseitenteile 105, 106, an welche sich Klauenendteile 107a, 107b bzw. 108a, 108b anschließen. Die Klauenendteile 107a, 107b bzw. 108a, 108b bilden jeweils gemeinsam mit dem zugehörigen Statorseitenteil 105 bzw. 106 ein gemeinsames Bauteil aus. Die Klauenendteile 107a, 107b, 108a, 108b bilden jeweils einen magnetischen Pol aus. Gemäß der in 1 dargestellten Klauenpolmaschine bilden die Klauenendteile 107a, 107b magnetische Nordpole und die Klauenendteile 108a, 108b magnetische Südpole aus. Die zuvor genannten magnetischen Pole sind der Statorwicklung 101 zugeordnet. Die der Statorwicklung 102 zugeordneten Klauenendteile, welche ebenfalls magnetische Nord- bzw. Südpole ausbilden, sind in gleicher Weise ausgestaltet. Dargestellt ist eine zweiphasige Klauenpolmaschine, die mechanische Konstruktion der Klauen ist jedoch auch auf Klauenpolmaschinen mit mehr als zwei Phasen anwendbar.
2 zeigt einen elektromagnetischen Abgasturbolader 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Eine Turbine 201, welche in einem Abgasstrom angeordnet ist, ist mit einer ersten Welle 203 verbunden. Vorzugsweise ist die Turbine 201 im Abgasstrom einer Verbrennungsmaschine angeordnet. Ein Verdichter 202 ist mechanisch mit einer zweiten Welle 204 verbunden, und ist vorzugsweise im Zuluftkanal einer Verbrennungsmaschine angeordnet. Die erste Welle 203 und die zweite Welle 204 sind um eine gemeinsame Achse A drehbar gelagert.
Der elektromagnetische Abgasturbolader 200 umfasst weiterhin eine erste und eine zweite elektrische Maschine 205 bzw. 206. Die erste elektrische Maschine 205 umfasst einen Rotor 207, welcher wiederum zumindest die erste Welle 203 und ein System aus permanentmagnetischen Elementen 208 umfasst.
Die erste elektrische Maschine 205 umfasst weiterhin einen ersten Statur 209 mit vorzugsweise ringspulenförmigen Statorwicklungen 210a, 210b, 210c. In axialer Richtung seitlich der Statorwicklungen 210a, 210b, 210c befinden sich Statorseiten teile 211a1 bzw. 211a2. Im Folgenden wird lediglich auf die Statorseitenteile, welche der Statorwicklung 210a zugeordnet sind, Bezug genommen. Gleiches gilt jedoch für die entsprechenden Statorseitenteile der übrigen Statorwicklungen 210b, 210c.
Die Statorwicklungen 210a, 210b, 210c sind von einem gemeinsamen Jochkörper 212 in Umfangsrichtung umschlossen. Ein jeweiliger Abschnitt des Jochkörpers 212 und der Statorseitenteile 211a1, 211a2 können die Statorwicklung 210a, 210b, 210c derart umschließen, dass diese ein magnetisch geschlossenes U-Profil bilden. Ein derart geschlossenes magnetisches U-Profil, welches in Richtung der Achse A offen ist, kann auch durch weitere nicht explizit in 1 dargestellte magnetflussführende Bauteile dargestellt sein. Entscheidend ist, dass mittels der magnetflussführenden Teile ein magnetischer Rückschluss zwischen den Statorseitenteilen, welche in axialer Richtung beidseitig der Statorwicklungen 210a, 210b, 210c angeordnet sind, gegeben ist. Zwischen den Statorseitenteilen 211a1, 211a2 verschiedener Statorwicklungen 210 können Distanzstücke 213 aus magnetisch nicht leitfähigem Material angeordnet sein.
Die erste elektrische Maschine 205 umfasst weiterhin einen Interrotor 214. Der Interrotor 214 kann wiederum scheibenförmige Seitenteile 215a1, 215a2 umfassen, von denen lediglich ein Paar explizit in 1 dargestellt ist. Analoge Aussagen gelten jedoch für die übrigen, den entsprechenden Statorwicklungen 210b und 210c bzw. den entsprechenden Statorseitenteilen zugeordneten scheibenförmigen Seitenteile. Die scheibenförmigen Seitenteile 215a1, 215a2, welche Teil des Interrotors 214 sein können, sind gemeinsam mit den Statorseitenteilen 211a1, 211a2 Teil eines gemeinsamen magnetischen Flusses. Der von den Statorseitenteilen 211a1, 211a2 ausgehende magnetische Fluss überbrückt mehr oder weniger ungehindert den Spalt zwischen dem ersten Stator 209 und dem Interroter 214.
An die scheibenförmigen Seitenteile 215a1, 215a2 können sich Klauenendteile anschließen. Vergleichbar mit der Konstruktion einer Klauenpolmaschine bilden jeweils eine Anzahl von Klauen, welche mit dem Statorseitenteil 215a1 verbunden sind, beispielsweise magnetische Nordpole aus, während eine Anzahl von Klauen, welche mit dem Seitenteil 215a2 verbunden sind, eine Anzahl von magnetischen Südpolen ausbilden.
Alternativ können lediglich die Klauenendteile Teile des Interrotors 214 sein, ohne das diese untereinander mit einem scheibenförmigen Seitenteil 215a1, 215a2 untereinender verbunden sind.
Die Klauenendteile können auf dem Interrotor 214 nach der Art einer Klauenpolmaschine angeordnet sein. So können sich diese in alternierende axiale Richtungen erstrecken. Die Klauenendteile können weiterhin zur Unterdrückung von Wirbelströmen und damit einhergehenden Stromverlusten geblecht ausgeführt sein. Weiterhin können die Klauenendteile mittels einer Vergussmasse mit einer magnetisch nicht leitfähigen Haltestruktur verbunden sein. Die Haltestruktur kann aus magnetisch nicht leitfähigen Blechen aufgebaut sein. Die Verbindung zwischen den Klauenendteilen und der Haltestruktur kann mit einem Spritzgussprozess mit Kunststoff oder mit einem Vakuumvergussprozess mit Gießharz erfolgen.
Zwischen den scheibenförmigen Seitenteilen 215a1, 215a2 können weiterhin Distanzstücke 213 aus einem magnetisch nicht leitfähigen Material vorhanden sein. Der gesamte Interrotor 214 kann ebenfalls mittels einer Vergussmasse zu einem integrierten Bauteil vergossen sein.
Die erste elektrische Maschine 205 umfasst weiterhin einen Rotor 207, welcher zumindest die erste Welle 203 umfasst. Entlang des Umfangs der ersten Welle 203 kann ein System von permanentmagnetischen Elementen 208 angeordnet sein. Die permanentmagnetischen Elemente 208 können insbesondere aus Samarium-Kobalt gefertigt sein.
Die Wechselwirkung zwischen dem Interrotor 214 und dem Rotor 207 kann nach der Art einer permanentmagnetischen erregten Synchronmaschine erfolgen. Alternativ kann die Wechselwirkung zwischen dem ersten Rotor 207 und dem Interrotor 214 nach der Art einer Reluktanzmaschine erfolgen. Weiterhin alternativ kann die Wechselwirkung zwischen dem ersten Rotor und dem Interrotor 214 nach der Art einer Asynchronmaschine erfolgen. Entsprechend kann der erste Rotor 207 wahlweise nach der Art einer permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine, einer Reluktanzmaschine oder einer Asynchronmaschine ausgebildet sein.
Die Statorwicklung 210a, 210b, 210c können elektrisch mit einem ersten Umrichter 216 verbunden sein und weiterhin durch diesen steuerbar sein.
Der in 2 gezeigte elektromagnetische Turbolader 200 weist weiterhin eine zweite elektrische Maschine 206 auf. Die zweite elektrische Maschine 206 weist einen zweiten Stator 217 sowie einen zweiten Rotor auf. Der zweite Rotor weist eine zweite Welle 204 auf. Die zweite elektrische Maschine 206 kann nach der Art einer Synchronmaschine, Asynchronmaschine oder Reluktanzmaschine ausgestaltet sein. Insbesondere kann es sich bei der zweiten elektrischen Maschine 206 um eine weitere, nicht explizit genannte allgemein aus dem Stand der Technik bekannte elektrische Maschine handeln.
Die in 2 nicht näher ausgeführte Statorwicklung der zweiten elektrischen Maschine 206 kann mit einem zweiten Umrichter 218 elektrisch verbunden sein. Der zweite Umrichter 218 kann zur Erregung und/oder Steuerung der Statorwicklung der zweiten elektrischen Maschine 206 dienen.
Der Interrotor 214 und die zweite Welle 204 bilden ein gemeinsames Bauteil aus.
Durch eine derartige Ausgestaltung des elektromagnetischen Turboladers 200 kann eine Übertragung von an die Turbine 210 angreifenden Kräften auf den Verdichter 202 derart erfolgen, dass auf magnetischem Weg Kräfte zwischen dem ersten Rotor 207 und dem Interrotor 214 übertragen werden. Mittels der zweiten elektrischen Maschine 206 kann dem Verdichter 202 weiterhin zusätzlich Energie zugeführt werden.
Der erste und zweite Umrichter 216, 218 sind elektrisch über eine Steuereinheit 219 miteinander verbunden. Eine Energieübertragung von der Turbine 201 auf den Verdichter 202 kann also nicht nur auf magnetischem Weg zwischen dem ersten Rotor 207 und dem Interrotor 214 erfolgen. Es kann weiterhin elektrische Energie von der ersten Maschine 205 über den ersten und zweiten Umrichter 216, 218 und die Steuereinheit 219 auf die zweite elektrische Maschine 206 übertragen werden. Auf diese Weise ist es möglich, dem Abgasstrom, welcher die Turbine 201 antreibt, elektrische Energie zu entnehmen, diese in der Steuereinheit, welche einen Energiespeicher, beispielsweise in eine Batterie umfassen kann, zwischenzuspeichern und gegebenenfalls zu einem späteren Zeitpunkt dem Verdichter 202 über die zweite Maschine 206 zuzuführen. Eine derartige Regelung kann insbesondere abhängig von der Drehzahl einer Verbrennungsmaschine erfolgen.
Ist ein elektromagnetischer Abgasturbolader 200, wie ihn 2 zeigt, in eine Verbrennungsmaschine integriert, so kann die Turbine 210 von dem Abgasstrom der Verbrennungsmaschine angetrieben werden. Weiterhin kann der Verdichter 202 im Zuluftkanal der Verbrennungsmaschine platziert sein. Bei geringen Drehzahl der Verbrennungsmaschine kann über die zweite elektrische Maschine 206 in der Steuereinheit 219 gespeicherte Energie dem Verdichter 202, und somit der Zuluft der Verbrennungsmaschine zugeführt werden. Bei hohen Drehzahlen der Verbrennungsmaschine, bei denen eine zusätzliche Verdichtung der Frischluft der Verbrennungsmaschine nicht notwendig erscheint, kann über die im Abgasstrom der Verbrennungsma schine angeordnete Turbine 201 dem Abgasstrom der Verbrennungsmaschine Energie entzogen werden, und in einem Energiespeicher, der Teil der Steuereinheit 219 ist, gespeichert werden. Alternativ kann die derart gewonnene elektrische Energie weiteren Verbrauchern zugeführt werden.
3 zeigt einen Querschnitt durch den elektromagnetischen Abgasturbolader 200 aus 2, entlang des Schnittes A-A. Der Schnitt erfolgt durch die erste elektrische Maschine 205.
3 zeigt die konzentrisch zu der Achse A angeordneten Bauteile der ersten elektrischen Maschine 205, nämlich deren Stator 209, Interrotor 214 und Rotor 207.
Der Stator 209 weist einen Jochkörper 212 auf, der die Statorwicklung 210b entlang des Umfangs umschließt. Die Statorwicklung 210 ist mittels einer Stromzuführung 301 kontaktiert.
Der Interrotor 214 weist Klauenendteile 302a, 302b auf, welche von einer magnetisch nicht leitfähigen Haltestruktur 303 gehalten bzw. umgeben sind oder in diese eingebettet sind.
Die im Querschnitt gezeigten Klauenendteile 302a, 302b bilden alternierende magnetische Pole aus. So kann beispielsweise das Klauenendteil 302a ein magnetischer Nordpol und das Klauenendteil 302b ein magnetischer Südpol sein.
Weiterhin zeigt 3 den Querschnitt des ersten Rotors 207 der ersten elektrischen Maschine 205. Der erste Rotor 207 umfasst einen Rotorkörper 304, in welchen permanentmagnetische Elemente 208 integriert sein können. Der Rotorkörper 304 ist mit der ersten Welle 203 mechanisch verbunden. Die Verbindung kann zu verschraubt, verschweißt oder auf andere Weise mechanisch realisiert sein, ebenfalls kann der Rotorkörper 302 auf die erste Welle 203 aufgepresst sein.
4 zeigt einen elektromagnetischen Abgasturbolader 200 in Perspektivansicht, wie dieser bereits aus 2 bekannt ist. Mit einer ersten Welle 203 ist eine Turbine 201 verbunden, welche sich in einem Abgasstrom befindet und von diesem angetrieben werden kann. Die erste Welle 203 sowie ein umfänglich auf dieser angeordnetes System von Permanentmagneten 208 ist Teil des ersten Rotors 207. Die zweite Welle 204 ist mit einem Verdichter 202 verbunden, welcher insbesondere im Zuluftkanal einer Verbrennungsmaschine, zur Verdichtung von Frischluft für die Verbrennungsmaschine, angeordnet sein kann. Die erste Welle 203 und die zweite Welle 204 sind mittels mehrerer Lager 401, vorzugsweise Kugellager, gegeneinander bzw. gegenüber einem weiteren statischen Bauteil gelagert. Die erste elektrische Maschine 205 weist weiterhin einen Interrotor 214 auf, welcher mit der zweiten Welle 204 ein gemeinsames Bauteil ausbildet. Die erste elektrische Maschine 205 weist weiterhin einen ersten Stator mit Statorwicklungen 210a, 210b, 210c und entsprechenden, den Statorwicklungen zugeordneten scheibenförmigen Statorteilen 211a1, 211a2, sowie einen den Magnetfluss schließenden Jochkörper 212 auf.
5 zeigt einen elektromagnetischen Abgasturbolader 200 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Der dargestellte elektromagnetische Abgasturbolader weist eine erste und eine zweite elektrische Maschine 205, 206 auf. Der elektromagnetische Abgasturbolader 200 ist ebenfalls mit einer Turbine 201 sowie einem Verdichter 202 verbunden. Das in 5 gezeigte Ausführungsbeispiel eines elektromagnetischen Abgasturboladers 200 unterscheidet sich von dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eines elektromagnetischen Abgasturboladers 200 durch die Ausgestaltung der ersten elektrischen Maschine 205, auf die im Folgenden insbesondere eingegangen werden soll.
Die erste elektrische Maschine 205' weist einen Stator 209 auf, welcher in gleicher oder ähnlicher Weise wie der Stator 209, der in 2 gezeigten ersten elektrischen Maschine 205 ausgestaltet ist. Weiterhin weist die erste elektrische Maschine 205' einen Interrotor 501 auf, welcher magnetflussführende, scheibenförmige Seitenteile 502 sowie permanentmagnetische Elemente 208 aufweist. Die permanentmagnetischen Elemente 208 können als Hallbachmagnete mit in Richtung der Achse A gerichteter Magnetisierung ausgeführt sein. Weiterhin können die permanentmagnetischen Elemente 208 als radial bzw. diametral magnetisierte Magnete mit Eisenrückschluss ausgeführt sein. Die magnetflussführenden scheibenförmigen Seitenteile 502 können weiterhin mittels magnetisch nicht leitfähiger Distanzstücke 213 voneinander getrennt sein.
Die erste elektrische Maschine 205' weist weiterhin einen ersten Rotor 207' auf. Der erste Rotor 207' kann welcher neben der ersten Welle 203 sowohl magnetflussführende scheibenförmige Seitenteile als auch an diese anschließende Klauenendteile aufweist. Ebenfalls kann der erste Rotor 207' lediglich die Klauenendteile aufweisen, wobei diese nicht durch ein scheibenförmiges Seitenteil mit einander verbunden sind.
Der Interrotor 501 sowie der erste Rotor 207', der in 5 gezeigten ersten elektrischen Maschine 205' können nach der Art einer permanent erregten Außenläufersynchronmaschine miteinander in Wechselwirkung stehen. Auf diese Weise können auf magnetischem Weg zwischen dem ersten Rotor 207' und dem Interrotor 501, welcher gemeinsam mit der zweiten Welle 204 ein gemeinsames Bauteil bildet, Kräfte übertragen werden. Die Klauenendteile, welche Teil des ersten Rotors 207' sind, können gemeinsam mit einer nicht näher ausgeführten magnetisch nicht leitfähigen Haltestruktur unter Verwendung einer Vergussmasse zu einem gemeinsamen Bauteil vergossen sein. Die scheibenförmigen magnetflussführenden Seitenteile, welche ebenfalls Teil des ersten Rotors 207' sind, können ferner mittels magnetisch nicht leitfähiger Distanzstücke 213 voneinander getrennt sein.
6 zeigt den aus 5 bekannten elektromagnetischen Abgasturbolader 200 in Perspektivansicht. Es ist unter ande rem die erste elektrische Maschine 205' dargestellt, welche neben dem bereits aus den vorherigen Figuren bekannten Stator einen Interrotor 501 aufweist, welcher permanentmagnetische Elemente 208 aufweist. Der Interrotor weist weiterhin in axialer Richtung seitlich dieser permanentmagnetischen Elemente 208 angeordnete magnetflussführende scheibenförmige Seitenteile 502 auf. Die magnetflussführenden scheibenförmigen Seitenteile 502 können weiterhin mit magnetisch nicht leitfähigen Distanzstücken 213 magnetisch voneinander getrennt sein. Der Rotor der ersten elektrischen Maschine 205' kann ebenfalls magnetflussführende scheibenförmige Seitenteile und an diese anschließende Klauenendteile aufweisen. Der Rotor der ersten elektrischen Maschine 205' kann ebenfalls lediglich die Klauenendteile umfassen, wobei diese nicht durch ein scheibenförmiges Seitenteil miteinander verbunden sind. Die magnetflussführenden scheibenförmigen Seitenteile 502 sowie die Statorseitenteile 211a1, 211a2 sind. Teil eines gemeinsamen magnetischen Flusses. Mechanisch gesehen sind die scheibenförmigen Seitenteile 502 und die Statorseitenteile 211a1, 211a2 jedoch voneinander getrennt. Der von den Statorseitenteilen 211 ausgehende magnetische Fluss überquert den Spalt zwischen Stator und Interrotor 501 wie auch den Spalt zwischen Interrotor 501 und Rotor 207.
Der elektromagnetische Abgasturbolader gemäß den in den 2 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispielen kann beispielsweise einen Gesamtdurchmesser von 53 mm sowie eine ungefähre Gesamtlänge abzüglich der Turbine und des Verdichters von 60 mm aufweisen.
7 zeigt eine schematische Darstellung der elektrischen, magnetischen und mechanischen Energieflüsse zwischen den einzelnen Bauteilen eines elektromagnetischen Turboladers 200 gemäß einem der zuvor genannten Ausführungsbeispiele.
Im Folgenden sei eine mechanische Energieübertragung durch einen durchgezogenen Pfeil, eine magnetische Energieübertragung durch einen gestrichelten Pfeil und eine elektrische Energieübertragung durch einen strichpunktierten Pfeil angedeutet.
Ausgehend von der Turbine 201 wird auf mechanischem Wege Energie auf den ersten Rotor 207 der ersten elektrischen Maschine 205, 205' übertragen. Auf magnetischem Wege wird Energie von dem ersten Rotor 207 (vermittelt über die Klauenendteile) auf den Interrotor 214 und die mit dem Interrotor 214 verbundene zweite Welle 204 übertragen. Mit der zweiten Welle 204 ist der Verdichter 202 mechanisch verbunden, so dass die Energieübertragung zwischen der zweiten Welle 204 und dem Verdichter 202 mechanisch erfolgt.
Alternativ zu der magnetischen Energieübertragung zwischen dem ersten Rotor 207 und dem Interrotor 214 kann Energie induktiv/elektrisch an dem zweiten Stator 209 übertragen werden. Auf elektrischem Wege wird Energie von dem ersten Stator 209 an den ersten Umrichter 216 übertragen. Diese elektrische Energie kann in der Steuereinheit 219 zwischengespeichert werden oder gegebenenfalls gesteuert durch die Steuereinheit 219 an den zweiten Umrichter 218 übertragen werden. Auf elektrischem Wege kann Energie so über den zweiten Umrichter 218 auf den zweiten Stator 217 übertragen werden. Zwischen dem zweiten Stator 217 und dem zweiten Rotor 206 bzw. der zweiten Welle 204 erfolgt die Energieübertragung auf magnetischem Wege. Wiederum mechanisch wird die Energie von der zweiten Welle auf den Verdichter 202 übertragen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der elektromagnetische Abgasturbolader 200 nach einem der Ausführungsbeispiele ein Teil eines Kraftfahrzeuges mit einer Verbrennungsmaschine sein, wobei die Turbine 201 im Abgasstrom der Verbrennungsmaschine angeordnet ist und der Verdichter 202 im Zuluftkanal der Verbrennungsmaschine. Mittels des Verdichters 202 kann eine Verdichtung von Frischluft für die Verbrennungsmaschine erfolgen.
Abgängig vom Betriebszustand der Verbrennungsmaschine kann beispielsweise bei geringen Drehzahlen der Verbrennungsmaschine zur Leistungssteigerung derselben elektrische Energie aus dem Energiespeicher, welcher Teil der Steuereinheit 219 ist, auf elektrischem und magnetischem Wege der zweiten Welle 204 und somit dem Verdichter 202 zugefügt werden. Alternativ kann bei hohen Drehzahlen der Verbrennungsmaschine dem Abgasstrom Energie entzogen werden, so dass diese auf magnetischem und elektrischem Weg einem Energiespeicher innerhalb der Steuereinheit 219 oder alternativ weiteren Verbrauchern des Kraftfahrzeuges zugeführt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- "Handbuch elektrische Kleinantriebe"; Kallenbach, Stölting; Hanser Verlag, S.113 [0026]

Claims

Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) mit – einer ersten Welle (203), die mit einer von einem Abgasstrom angetriebenen Turbine (201) mechanisch verbunden ist, – einer zweiten mit einem Verdichter (202) mechanisch verbundenen Welle (204), – einer ersten elektrischen Maschine (205, 205') mit einem ersten Stator (209), einem Interrotor (214, 501) und einem die erste Welle aufweisenden ersten Rotor (207, 207'), wobei der erste Stator (209) den Interrotor (214, 501) und der Interrotor (214, 501) den ersten Rotor (207, 207') jeweils unter Ausbildung eines Ringspaltes umschließen und – einer zweiten elektrischen Maschine (206) mit einem zweiten Stator (217) und einem zweiten, die zweite Welle (204) aufweisenden Rotor, wobei – der Interrotor (214, 501) und der zweite Rotor ein gemeinsames Bauteil bilden und – die erste und die zweite elektrische Maschine (205, 205', 206) elektrisch miteinander verbunden sind.
Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Maschine (205, 205') nach der Art einer Klauenpolmaschine ausgebildet ist.
Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die magnetischen Nord- und Südpole der Klauenpolmaschine durch Klauenendteile (302) gebildet sind, die sich alternierend in entgegengesetzte axiale Richtungen erstrecken, – die Statorwicklung (210) von einem rotorseitig offenen U-Profil mit sich in radiale Richtung erstreckenden Statorseitenteilen (211) umschlossen ist, wobei – die Statorseitenteile (211) und die Klauenendteilen (302) Teil eines gemeinsamen magnetischen Flusspfades sind und – das U-Profil Teil des ersten Stators (209) ist und die Klauenendteile (302) Teil des Interrotors (214, 501) sind.
Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Klauenendteile (302), die die magnetischen Nordpole bilden und die Klauenendteile (302), die die magnetischen Südpole bilden, mit jeweils einem scheibenförmigen, sich in radialer Richtung erstreckenden Seitenteil (215) verbunden sind, und – die Statorseitenteile (211), die scheibenförmigen Seitenteile (215) und die Klauenendteile (302) Teil eines gemeinsamen magnetischen Flusspfades sind, wobei das U-Profil Teil des ersten Stators (209) ist und die scheibenförmigen Seitenteile (215) und die Klauenendteile (302) Teile des Interrotors sind.
Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rotor (207, 207') nach der Art einer permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine ausgebildet ist.
Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rotor (207, 207') nach der Art einer Reluktanzmaschine ausgebildet ist.
Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rotor (207, 207') nach der Art einer Asynchronmaschine ausgebildet ist.
Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die magnetischen Nord- und Südpole der Klauenpolmaschine durch Klauenendteile (302) gebildet sind, die sich alternierend in entgegengesetzte axiale Richtungen erstrecken, – die Statorwicklung (210) von einem rotorseitig offenen U-Profil umschlossen ist, das sich in radiale Richtung erstreckende Statorseitenteile (211) aufweist und – der Interrotor (214, 501) scheibenförmige Seitenteile (215) umfasst, wobei – die Statorseitenteile (211), die scheibenförmigen Seitenteile (215), und die Klauenendteile (302) Teil eines gemeinsamen magnetischen Flusspfades sind, und – das U-Profil Teil des ersten Stators (209) ist, die scheibenförmigen Seitenteile (215) Teil des Interrotors (214, 501) sind und die Klauenendteile (302) Teil des ersten Rotors (207, 207') sind.
Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die scheibenförmigen Seitenteile (215) aus zwei getrennten, konzentrisch zueinander angeordneten Teilstücken bestehen, wobei ein erstes Teilstück Teil des Interrotors (214, 501) ist und ein weiteres Teilstück Teil des ersten Rotors (207, 207') ist.
Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Interrotor (214, 501) nach der Art einer permanentmagnetisch erregten Außenläufersynchronmaschine ausgebildet ist.
Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch permanentmagnetisches Material aus einer Samarium – Kobalt – Legierung.
Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Maschine (205, 205') mit einem ersten Umrich ter (216) verbunden ist und die zweite elektrische Maschine (206) mit einem zweiten Umrichter (216, 218) verbunden ist, wobei der erste und zweite Umrichter (216, 218) jeweils mit einer Steuereinheit (219) verbunden sind.
Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Klauenendteile (302) geblecht sind.
Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Klauenendteile (302) mittels einer Vergussmasse mit einer magnetisch nicht leitfähigen Haltestruktur (303) verbunden sind.
Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungsmaschine und einem elektromagnetischen Abgasturbolader (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Turbine (201) im Abgasstrom der Verbrennungsmaschine angeordnet ist und der Verdichter (202) im Zuluftkanal der Verbrennungsmaschine, zur Verdichtung von Frischluft für die Verbrennungsmaschine, angeordnet ist.