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Die Erfindung betrifft einen Verdichter, aufweisend ein Verdichtergehäuse mit einer in dem Verdichtergehäuse gelagerten und ein Verdichterrad zur Verdichtung eines Mediums tragenden Verdichterwelle, die direkt oder indirekt angetrieben ist.
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Stand der Technik
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Ein derartiger Verdichter ist aus der
DE 197 36 907 A1 bekannt. Dieser Verdichter weist eine Verdichterwelle auf, die gleichzeitig die Antriebswelle eines elektrischen Antriebsmotors ist. Der Antriebsmotor ist zusammen mit dem Verdichter in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Dabei ist die Baueinheit bestehend aus Verdichter und Antriebsmotor dahingehend ausgelegt, dass diese besonders kleinbauend sein soll. Dazu ist der elektrische Antriebsmotor ringförmig ausgebildet und um den Verdichter herum angeordnet. Diese Baueinheit bestehend aus Verdichter und elektrischem Antriebsmotor ist insbesondere für die Verwendung in Kühlanlagen oder Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen ausgelegt.
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Ein weiterer Verdichter ist aus der
DE 603 15 688 bekannt. Dieser Verdichter bildet ebenfalls eine Baueinheit mit einem elektrischen Antriebsmotor, wobei dieser Verdichter bei einer Brennkraftmaschine insbesondere zur Unterstützung eines Turboladers ausgelegt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter bereitzustellen, der bei einer Inbetriebnahme unverzüglich seine Funktion erfüllen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Verdichter und/oder der Motor einen integrierten wiederaufladbaren Energiespeicher aufweist. Bei dieser allgemeinen Ausgestaltung kann der Motor ein beliebiger Motor sein, der von einem wiederaufladbaren Energiespeicher zumindest für einen vorgegebenen Zeitraum von der in einem passenden wiederaufladbaren Energiespeicher gespeicherten Energie betrieben wird.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Motor eine Elektromaschine und der Energiespeicher ein elektrischer Energiespeicher. Dies ist die bevorzugte Ausgestaltungsform. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass der Motor beispielsweise ein Hydraulikmotor und der Energiespeicher ein Hydraulikfluidspeicher ist, dessen gespeichertes Hydraulikfluid den Hydraulikmotor über einen vorbestimmten Zeitraum antreiben kann. Der Vorteil insbesondere der mit einem elektrischen Energiespeicher zusammenwirkenden Elektromaschine ist es, dass die Baueinheit bestehend aus dem Verdichter und der Elektromaschine sich selber über einen vorgegebenen Zeitraum, nämlich insbesondere bei der Inbetriebnahme, zuverlässig mit elektrischer Energie versorgen kann und dabei unabhängig von fremdmäßig bereitgestellter elektrischer Energie seine Funktion erfüllen kann. Dabei kann der elektrische Energiespeicher in weiterer Ausgestaltung so ausgelegt und bemessen sein, dass dieser eine Leistungsdichte aufweist, die ausreicht, um in sehr kurzer Zeit eine elektrische Leistung bereitzustellen, die ausreicht, den Verdichter unverzüglich auf seine Betriebsdrehzahl zu beschleunigen. Dies hat den Vorteil, dass die von dem Verdichter mit einem Medium versorgte Fremdmaschine insbesondere in einem Startfall schneller mit dem zuzuführenden Medium versorgt wird und diese daher schneller voll einsatzbereit ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der elektrische Energiespeicher ein Akkumulator, beispielsweise ein Li-Ionen-Akkumulator, ein Ni-MH-Akkumulator, ein Ni-Cd-Akkumulator, ein Blei-Akkumulator oder ein sonstiger nach einem galvanischen Prinzip bearbeitender Akkumulator. Alternativ kann der elektrische Energiespeicher auch ein Kondensator sein, beispielsweise ein Li-Ionen-Kondensator, ein Elektrolyt-Kondensator, ein Doppelschicht-Kondensator, ein Ultracap-Kondensator oder ein sonstiger Kondensator. Der Energiespeicher kann aber auch ein sonstiger elektrisch wiederaufladbarer Energiespeicher sein oder aber auch eine Kombination von unterschiedlichen Bauarten eines solches Energiespeichers.
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In Weiterbildung der Erfindung weist der Energiespeicher eine hohe über einen kurzen Zeitraum abgebbare Leistungsdichte auf. Der sich hieraus ergebene Vorteil ist zuvor schon beschrieben worden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung bilden der Verdichter und die Elektromaschine eine Baueinheit. Diese Baueinheit trägt zu einem geringen Platzbedarf bei, wobei der Verdichter eine Strömungsmaschine, beispielsweise in Form einer Turbine oder insbesondere eines Verdichters sein kann. Der Verdichter kann insbesondere auch eine Verdrängungsmaschine, beispielsweise in Form einer Rootsmaschine, einer Schraubenverdrängungsmaschine, einer Spiralverdrängungsmaschine, einer Kolbenverdrängungsmaschine oder einer sonstigen Verdrängungsmaschine sein. Die Elektromaschine kann als permanent erregte oder fremd erregte Synchronmaschine, als Asynchronmaschine, als Gleichstrommaschine, als Reluktanzmaschine, als Transversalflussmaschine oder sonstige energieumwandelnde Maschine ausgebildet sein. Dabei kann die Elektromaschine als Innenläufer, Außenläufer, Stabläufer oder Scheibenläufer ausgebildet sein. Die Anordnung des Verdichters und der Elektromaschine kann nebeneinander, insbesondere in Reihe, übereinander, insbesondere parallel, zumindest teilweise ineinander oder nebeneinander mit Versatz dargestellt sein. Die Betriebsspannung der Elektromaschine und folglich des elektrischen Energiespeichers kann 12 Volt, 16 Volt, 48 Volt oder Hochvolt sein. Auch kann der eigentliche Verdichter einen zusätzlichen integrierten Energiespeicher aufweisen. Dieser Energiespeicher kann beispielsweise in Form von Fedpipes oder beliebigen anderen Konstruktionen ausgelegt sein.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Energiespeicher axial stirnseitig, seitlich am Umfang, ringförmig am Umfang verteilt und/oder ringförmig axial stirnseitig an der Baueinheit bestehend aus Verdichter und Elektromaschine angeordnet. Hier erfolgt eine Auswahl nach den jeweiligen Gegebenheiten der verbauten Teile, insbesondere des Verdichters und der Elektromaschine.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Verdichter mit der Elektromaschine zum Anbau an eine Brennkraftmaschine ausgelegt. Dabei dient der erfindungsgemäße Verdichter dazu, einen vorhandenen Abgasturbolader zu ergänzen. Mit dem Abgasturbolader wird die Verbrennungsluft komprimiert und der Brennkraftmaschine zugeführt. Ein solcher Abgasturbolader hat den Nachteil eines verzögerten und gegebenenfalls unzureichenden Ansprechverhaltens bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine. Um diesen Nachteil zu beseitigen, kommt der erfindungsgemäße Verdichter mit der Elektromaschine und dem integrierten Energiespeicher zum Einsatz, um in diesem Betriebsbereich zusätzliches Medium in Form Verbrennungsluft der Brennkraftmaschine zuführen zu können.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben sind.
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Es zeigen:
- 1 ein Diagramm Drehmoment einer Brennkraftmaschine über Drehzahl einer Brennkraftmaschine mit einer Darstellung des mit dem erfindungsgemäßen Verdichter darstellbaren Zuwachses an Drehmoment,
- 2a, 2b, 2c, 2d schematische Darstellungen der Anordnungsmöglichkeiten eines elektrischen Energiespeichers an einer Baueinheit bestehend aus einem Verdichter und einer Elektromaschine,
- 3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verdichters, der mit einer Elektromaschine eine Baueinheit bildet, 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verdichters, der mit einer Elektromaschine eine Baueinheit bildet,
- 5 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Verdichters, der mit einer Elektromaschine eine Baueinheit bildet,
- 6 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Verdichters, der mit einer Elektromaschine eine Baueinheit bildet.
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1 zeigt ein Diagramm Drehmoment Md einer Brennkraftmaschine über Drehzahl n einer Brennkraftmaschine mit einer Darstellung eines mit einem erfindungsgemäßen Verdichter 1 darstellbaren Zuwachses an Drehmoment. Die Fläche I unter einer Drehmomentkennlinie I1 bezeichnet das maximal drehzahlabhängig darstellbare Drehmoment einer Brennkraftmaschine, das bis hin zu einem Vollastbetrieb ohne Unterstützung durch eine Aufladung erreichbar ist. Das erreichbare Drehmoment gemäß der Fläche II ist von einer Drehmomentkennlinie II2 begrenzt, die sich beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit normaler Abgasturboaufladung ergibt. Erkennbar ist, dass das Drehmoment ausgehend von der Drehmomentkennlinie I1 erst nach Erreichen einer Drehzahl, die höher als eine Mindestdrehzahl nmin ist, langsam bis zu einem Maximalwert Mmax ansteigt und dann wieder über die Nenndrehzahl nnenn hinausgehend bis zu der Drehzahl nmax langsam abfällt.
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Die Fläche III ist durch eine Drehmomentkennlinie III3 begrenzt, die am gleichen Startpunkt der Drehmomentkennlinie II2 auf der Drehmomentkennlinie I1 beginnt, aber schneller bis zu der mit der Brennkraftmaschine darstellbaren maximalen Drehmomentkennlinie ansteigt. Ab dem Drehmomentmaximalwert Mmax entspricht die Drehmomentkennlinie III3 der Drehmomentkennlinie II2. Die Drehmomentkennlinie III3 ist bei Einsatz eines zusätzlichen elektrischen Verdichters erreichbar. Dabei kann der Verdichter der des Abgasturboladers sein, der zusätzlich aus dem Bordnetz der Brennkraftmaschine elektrisch angetrieben wird.
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Die Fläche IV ist von einer erfindungsgemäß darstellbaren beziehungsweise erreichbaren Drehmomentkennlinie IV4 begrenzt, die schon bei der Mindestdrehzahl nmin zumindest fast direkt auf die mit der Brennkraftmaschine darstellbaren maximalen Drehmomentkennlinie ansteigt.
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Die Drehmomentkennlinie IV4 geht über in die Drehmomentkennlinie III3 und die Drehmomentkennlinie II2. Die Drehmomentkennlinie IV4 ist durch den Einsatz einer Baueinheit, bestehend aus dem Verdichter 1 mit elektrischem Antrieb durch eine Elektromaschine 2 und an der Baueinheit integral eingebundenen Energiespeicher 20 erreichbar.
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Die 2a bis 2d zeigen in schematischer Darstellung mögliche Anordnungen des elektrischen Energiespeichers 20, der bevorzugt als Akkumulator oder Kondensator mit jeweils einer hohen über einen kurzen Zeitraum abgebbaren Leistungsdichte ausgebildet ist, an der Baueinheit bestehend aus Verdichter 1 und Elektromaschine 2, die beispielsweise eine permanent erregte Synchronmaschine ist. 2a zeigt eine axial stirnseitige Anordnung des Energiespeichers 20, 2b zeigt eine seitliche Anordnung des Energiespeichers 20 am Umfang des Verdichters 1 und der Elektromaschine 2. 2c zeigt eine Anordnung des Energiespeichers 20 in Form eines Ringes, der auf dem Umfang des Verdichters 1 und/oder der Elektromaschine 2 verteilt angeordnet ist, während 2d eine Anordnung des Energiespeichers 20 zeigt, der axial ringförmig und stirnseitig an der Baueinheit angeordnet ist.
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Bauformen der Baueinheit, bestehend aus Verdichter 1 und Elektromaschine 2 sind in den 3 bis 6 dargestellt, die nachfolgend beschrieben werden. Der Verdichter 1 ist bevorzugt als Spiralverdichter ausgebildet und in einem Verdichtergehäuse 3 eingebaut. Der Verdichter 1 weist eine als Exzenterwelle ausgebildete Verdichterwelle 4 auf, die in Lagern 5a, 5b in dem Verdichtergehäuse 3 gelagert ist. Im Bereich des Lagers 5a ist ein Verdichterwellenabschnitt 6 mit der eigentlichen Verdichterwelle 4 beispielsweise mittels einer Schraubverbindung 7 verbunden. Der Verdichterwellenabschnitt 6 ist beispielsweise als Riemenrad ausgebildet und treibt einen Riemen 8 an, der seinerseits eine Gegenwelle 9 antreibt. In dem exzentrischen Bereich der Verdichterwelle 4 sind Exzenterlager 10a, 10b angeordnet, die letztendlich die Verdrängerspirale 11 des Verdichters tragen. Die Verdrängerspirale 11 weist einen Mittelsteg 21 auf, der über einen Mittelstegfuß mit den Exzenterlagern 10a, 10b zusammenwirkt. Weiterhin ist die Verdrängerspirale ist in einem in dem Verdichtergehäuse 3 ausgebildeten Verdichterraum 12 zur Förderung des Mediums, das in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel Verbrennungsluft ist, ausgelegt. An der Verdichterwelle 4 sind neben den Exzenterlagern 10a, 10b Ausgleichsgewichte 13a, 13b angeordnet. In dem Verdichtergehäuse 3 sind ein nicht dargestellter Zugang und Abgang für Verbrennungsluft in beziehungsweise aus dem Verdichterraum 12 vorgesehen.
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Die Verdichterwelle 4 weist auf der gegenüberliegenden Seite zu dem Verdichterwellenabschnitt 6 einen tellerförmigen Fortsatz 14 auf, an dem Magnete 15 angeordnet beziehungsweise befestigt sind. Neben den Magneten 15 ist ein Stator 16 der Elektromaschine 2 angeordnet, der bestrombare elektrische Wicklungen 17 aufweist. Bei einer Bestromung der Wicklungen 17 wird ein elektrisches Feld erzeugt, das auf die Magnete 15 einwirkt und letztendlich die Verdichterwelle 4 zum Antrieb der Verdrängerspirale 11 in Drehbewegung versetzt. Dadurch wird die Verdrängerspirale 11 in dem Verdichterraum 12 zur Förderung der Verbrennungsluft bewegt. Stirnseitig ist an das Verdichtergehäuse 3 beziehungsweise an einen Stirnwanddeckel 19 ein Deckel 18 angebaut, der auch ein eigenständiges vollständiges Gehäuse darstellen kann. Zwischen dem Stirnwanddeckel 19 und dem Deckel 18 ist in einem Raum 24 die Elektronik zur Steuerung der Elektromaschine 2 untergebracht. Auch kann in diesem Raum 24 der hier nicht dargestellte wiederaufladbare Energiespeicher 20 untergebracht werden.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 unterscheidet sich von dem der 3 dadurch, dass hier der Riemen 8 zum Antrieb der Gegenwelle 9 auf der anderen Seite liegt und der Deckel 18, der das Gehäuse für die Elektronik begrenzt, auf die Größe des tellerförmigen Fortsatzes 14 begrenzt ist. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 3 und 4 sind die Wicklungen 17 und Blechpakete der Elektromaschine 2 in dem Verdichtergehäuse 3 untergebracht. Um möglichst viel axiale Länge einzusparen sind sie vertikal angeordnet. Der sehr schlank aufgebaute Motor mit den Magneten 15, die ebenfalls vertikal angeordnet sind, überträgt das Moment auf dem exzentrischen Teil der Verdichterwelle 4. Diese führt eine kreisförmige Bewegung aus und überträgt diese Bewegung über den Mittelsteg 21 auf die Verdrängerspirale 11.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist wieder grundsätzlich ähnlich zu dem der 3, nur das hier der ringförmige Fortsatz 14 einen Winkelabsatz 22 aufweist, auf dem die Magnete 15 befestigt sind. Der Stator 16 mit den Wicklungen 17 ist radial über dem Magneten 15 in einem Verdichtergehäuseteil 23, das den Stirnwanddeckel 19 aus 3 ersetzt, angeordnet. Hier ist ein Gehäusedeckel 18 zur Unterbringung der Elektronik und gegebenenfalls des Energiespeichers 20 stirnseitig an dem Verdichtergehäuseteil 23 befestigt.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 6 ist bezüglich des grundsätzlichen Aufbaus ähnlich zu dem der 4 und bezüglich der Anordnung der Magnete 15 und der Wicklungen 17 ähnlich dem der 4 ausgestaltet.
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Abschließend wird darauf hingewiesen, dass, soweit dies technisch sinnvoll ist, beliebige zuvor beschriebene und dargestellte Einzelmerkmale miteinander und untereinander kombiniert sein können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19736907 A1 [0002]
- DE 60315688 [0003]
