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Die Erfindung betrifft eine elektrische Medienspaltmaschine für einen Turbolader, insbesondere Abgasturbolader, einer Brennkraftmaschine, mit einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Welle, auf welcher ein Rotor drehfest angeordnet ist, und mit einem gehäusefesten Stator, der mehrere sich mit einer vorbestimmten Länge radial nach innen erstreckende Statorzähne aufweist, wobei die Statorzähne von einer mehrphasigen Antriebswicklung umwickelt sind und einen radialen Medienspalt zum Rotor bilden.
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Weiterhin betrifft die Erfindung einen Turbolader, insbesondere Abgasturbolader, mit einem Gehäuse und mit einer in dem Gehäuse drehbar gelagerten Welle, auf welcher zumindest ein Verdichterrad drehfest angeordnet ist, und mit einer elektrischen Medienspaltmaschine, die einen auf der Welle drehfest angeordneten Rotor und einen gehäusefesten Stator aufweist, wobei der Stator mehrere radial nach innen vorstehende Statorzähne aufweist, die von einer mehrphasigen Antriebswicklung umwickelt sind und einen radialen Medienspalt zum Rotor bilden.
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Stand der Technik
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Medienspaltmaschinen und Turbolader der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. So offenbart beispielsweise die Offenlegungsschrift
DE 10 2014 210 451 A1 einen Turbolader mit einer integrierten elektrischen Medienspaltmaschine. Turbolader, insbesondere Abgasturbolader werden insbesondere im Kraftfahrzeugbau dazu genutzt, die Luftfüllung in Zylindern einer Brennkraftmaschine zu erhöhen, um die Leistung der Brennkraftmaschine zu steigern. Die elektromotorische Unterstützung eines Turboladers hat den Vorteil, dass damit unabhängig von einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine Frischluft ansaugt und verdichtet werden kann, sodass jederzeit der Frischluftanteil in den Zylindern der Brennkraftmaschine unabhängig von einem aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine selbst erhöht werden kann, wodurch beispielsweise das sogenannte Turboloch überwindbar ist.
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Die Realisierung der elektromotorischen Unterstützung durch die Medienspaltmaschine hat den Vorteil, dass diese besonders bauraumsparend in den Turbolader integrierbar ist, weil die angesaugte Frischluft durch einen zwischen Rotor und Stator gebildeten Medienspalt geführt wird. Die Medienspaltmaschine ist daher besonders bauraumsparend in den Strömungskanal des Turboladers integrierbar. Hierdurch ergibt sich außerdem der Vorteil einer verbesserten Kühlung der Medienspaltmaschine durch den Luftstrom. Darüber hinaus ist es möglich, die Medienspaltmaschine sowohl motorisch als auch generatorisch zu betreiben, sodass beispielsweise ein elektrische Energie erzeugender Rekuperationsbetrieb durch den Turbolader möglich ist.
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Der Stator verfügt üblicherweise über ein Statorjoch sowie radial nach innen von dem Statorjoch vorstehende Statorzähne, die in Umfangsrichtung gesehen beabstandet zueinander und gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die Statorzähne sind von einer mehrphasigen Antriebswicklung umwickelt, die zur Erzeugung eines Antriebsmagnetfelds dient. Durch das Bestromen der Phasen der Antriebswicklung, beispielsweise mittels einer dafür vorgesehenen Leistungselektronik eines Steuergeräts, wird das umlaufende Antriebsmagnetfeld erzeugt, durch welches der durch die Welle drehbar gelagerte Rotor mit einem vorgebbaren Drehmoment angetrieben wird.
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Im Falle einer leichten Unwucht des Rotors oder einer dynamischen radialen Biegung des Rotors beziehungsweise der Welle entstehen zusätzliche Lagerkräfte, die auf die Lager der Welle einwirken und von herkömmlichen Lagern einer Medienspaltmaschine nicht dauerhaft ausgehalten werden können. Eine einfache Verstärkung der Lager würde jedoch einen Eingriff in die Konstruktion des Abgasturboladers bedeuten, und eine einfache Integration der Medienspaltmaschine in den Abgasturbolader verhindert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Medienspaltmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat hingegen den Vorteil, dass eine einfache Integration der Medienspaltmaschine in den Turbolader beziehungsweise Abgasturbolader möglich ist, ohne dass eine tiefgreifende Veränderung des Abgasturboladers selbst, insbesondere in Bezug auf die Lagerung der Welle erfolgen muss. Vielmehr erlaubt die vorteilhafte Ausgestaltung der Medienspaltmaschine, dass dieser ohne besonderen Zusatzaufwand in den Abgasturbolader oder Turbolader integrierbar ist. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass zumindest einer der Statorzähne eine Länge aufweist, die von der Länge von zumindest einem anderen der Statorzähne abweicht. Dadurch wird erreicht, dass der Medienspalt in Umfangsrichtung gesehen zwischen den Statorzähnen unterschiedlich groß ausfällt. Der Medienspalt erhält somit einen sich verändernden Verlauf über den Umfang. Dadurch ergeben sich in Summe auf den Rotor wirkende Querkräfte. Insbesondere entstehen Querkräfte jeweils in Polungsrichtung des Rotors auf den längeren Statorzahn zu gerichtet. Der Querkraft weist insbesondere einen Wechselanteil auf, der mit der doppelten Drehzahl des Rotors umläuft. Zudem kann die Querkraft durch eine Variierung des Längsstroms und/oder des Querstroms in der Antriebswicklung moduliert werden. Auf diese Weise können stabilisierende Kraftverläufe erzeugt und insbesondere dem Auftreten von Resonanzen in Biegeschwingungen des Rotors entgegengewirkt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Längen der Statorzähne derart gewählt sind, dass der Medienspalt einen asymmetrischen Verlauf in Umfangsrichtung aufweist. Durch den asymmetrischen Verlauf werden Querkräfte in eine Vorzugsrichtung erzeugt, die beispielsweise bei der Konstruktion berücksichtigt und in Abhängigkeit einer erwarteten Belastung des Rotors und/oder der Welle eingestellt werden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine erste Gruppe Statorzähne von zwei Gruppen der Statorzähne eine erste Länge und eine zweite Gruppe Statorzähne der Gruppen eine zweite zu der ersten Länge verschiedenen Länge aufweist. Die beiden Gruppen umfassen jeweils unterschiedliche Statorzähne, wobei jeder Statorzahn eindeutig einer der beiden Gruppen zugeordnet ist. Somit weisen ein Teil der Statorzähne eine erste Länge und der andere verbleibende Teil der Statorzähne eine zweite Länge auf. Hierdurch ist der Verlauf des Medienspalts auf einfache Art und Weise einstellbar. Natürlich ist es aber auch denkbar, dass die Statorzähne des Stators mehr als nur zwei Gruppen mit unterschiedlichen Längen aufweisen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Gruppe und die zweite Gruppe die gleiche Anzahl von Statorzähnen aufweisen. Alternativ ist vorgesehen, dass die erste Gruppe und die zweite Gruppe eine ungleiche Anzahl von Statorzähnen aufweisen. In beiden Fällen kann ein asymmetrischer Verlauf des Medienspalts gewährleistet werden.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die erste Gruppe und die zweite Gruppe von Statorzähnen in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Das bedeutet, dass über einen ersten Kreisabschnitt des Stators die erste Gruppe von Statorzähnen mit der ersten Länge und über den verbleibenden Kreisabschnitt die zweite Gruppe von Statorzähnen mit der zweiten Länge angeordnet sind. So erstrecken sich beispielsweise die Statorzähne mit der ersten Länge über 180° des Stators und die zweite Gruppe von Statorzähnen über die verbleibenden 180° des Stators. Damit liegen im Wesentlichen die Statorzähne mit der ersten Länge den Statorzähnen mit der zweiten Länge gegenüber. Hierdurch wird der asymmetrische Verlauf und die entsprechend asymmetrisch wirkende Querkraft der Medienspaltmaschine in einfacher Weise bereitgestellt.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist bevorzugt vorgesehen, dass die Statorzähne der zwei Gruppen über den Umfang des Stators abwechselnd verteilt angeordnet sind. Das bedeutet, dass zwischen zwei Statorzähnen der ersten Gruppe jeweils ein Statorzahn der zweiten Gruppe angeordnet ist und umgekehrt. Hierdurch entstehen Querkräfte in der Medienspaltmaschine, die jeweils in Polungsrichtung des Rotors auf den jeweils längeren Statorzahn zu gerichtet sind. Insgesamt entsteht dabei eine Querkraft ohne Gleichanteil, die jedoch mit doppelter Rotorgeschwindigkeit in zu diesem entgegengesetzter Richtung umläuft. Auch diese Querkraft kann durch eine Variierung des Längsstroms und/oder Querstroms der Antriebswicklung modifiziert werden. Auch hierdurch können stabilisierende Kraftverläufe erzeugt und insbesondere beim Auftreten von Resonanzen in Biegeschwingungen des Rotors entgegengewirkt werden. Zum Beeinflussen beziehungsweise Bestromen der Antriebswicklung ist insbesondere ein Steuergerät mit einer Leistungsendstufe vorgesehen, die von beispielsweise einem Mikroprozessor und einer Halbleiterschaltung angesteuert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Statorzähne jeweils ein Basisstück und ein Flussleitstück aufweisen, wobei das jeweilige Flussleitstück den jeweiligen Statorzahn beziehungsweise das jeweilige Basisstück der Statorzähne radial in Richtung des Rotors verlängert, und dass die unterschiedlichen Längen der Statorzähne durch unterschiedliche Ausbildungen der Flussleitstücke bestimmt werden. Damit werden die unterschiedlichen Längen der Statorzähne nicht durch die Basisstücke der Statorzähne, sondern durch die an den Basisstücken angeordneten Flussleitstücken realisiert. Dadurch ist der Stator selbst kostengünstig herstellbar. Insbesondere kann dabei beispielsweise auf einen herkömmlichen Stator mit gleich langen Basis-Statorzähnen zurückgegriffen werden, die dann erst durch die Flussleitstücke unterschiedlich weit in Richtung des Rotors verlängert werden.
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Bevorzugt sind die Flussleitstücke aus dem gleichen Material wie die Basisstücke der Statorzähne gefertigt oder aus einem anderen Material. Hierbei kann auf bereits bekannte Materialkombinationen für Statoren mit Flussleitstücken zurückgegriffen werden. Insbesondere sind die Flussleitstücke aus einem magnetisch hoch-permeablen Material gefertigt. Bevorzugt sind die Flussleistücke jeweils mit dem Basisstück der Statorzähne einstückig ausgebildet.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Medienspaltmaschine ein Steuergerät aufweist, das speziell dazu hergerichtet ist, einen Längsstrom und/oder einen Querstrom der Antriebswicklung zum Einstellen einer auf den Rotor wirkenden Querkraft zu modulieren. Durch Beeinflussung insbesondere des Längsstroms ist eine Einstellung der Querkraft möglich, wobei durch eine entsprechende Ausbildung des Steuergeräts zur Ansteuerung der Antriebswicklung die gewünschte auf den Rotor wirkende Querkraft einstellbar ist, durch welche in vorteilhafter Weise den Resonanzbiegeschwingungen des Rotors entgegengewirkt wird.
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Der erfindungsgemäße Turbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Ausführung der Medienspaltmaschine aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
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Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
- 1 einen Abgasturbolader mit einer Medienspaltmaschine in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung,
- 2 eine vereinfachte Draufsicht auf die Medienspaltmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
- 3 eine vereinfachte Draufsicht auf die Medienspaltmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung einen Abgasturbolader 1, der einen Verdichter 2 sowie eine Turbine 3 aufweist. Der Verdichter 2 weist ein Verdichterrad 4 auf, das auf einer Welle 5 drehfest angeordnet ist. Die Welle 5 ist selbst drehbar in einem Gehäuse 6 des Abgasturboladers 1 drehbar gelagert. An einem von dem Verdichterrad 4 abgewandten Ende der Welle 5 ist außerdem ein Turbinenrad 7 der Turbine 3 drehfest mit der Welle 5 verbunden. Wenn das Turbinenrad 7 vom Abgas einer Brennkraftmaschine angeströmt und dadurch angetrieben wird, wird damit das Verdichterrad 4 ebenfalls in eine Drehbewegung versetzt, sodass dem Verdichterrad 4 zugeführte Frischluft verdichtet und der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
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Die drehbare Lagerung der Welle 5 in dem Gehäuse 6 kann auf unterschiedliche Arten realisiert werden. Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Welle 5 durch wenigstens zwei Lager 8 und 9 in dem Gehäuse 6 drehbar gelagert ist. Vorzugsweise sind als Lager 8,9 zwei Wälzkörperlager vorhanden. Zur axialen Lagerung der Welle 5 kann auch vorgesehen sein, dass eines der Wälzkörperlager als Axialwälzkörperlager ausgebildet ist.
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Alternativ und gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Lager 8 als Magnetlager ausgebildet ist, und das Lager 9, das als Axiallager dient, als Wälzkörperlager.
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Damit insbesondere der Verdichter 2 unabhängig vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine antreibbar ist, sodass jederzeit eine hohe Zylinderluftfüllung in den Zylindern der Brennkraftmaschine erreicht werden kann, ist vorliegend außerdem vorgesehen, dass der Abgasturbolader 1 eine elektrische Medienspaltmaschine 10 aufweist. Diese ist vorliegend in den Verdichter 2 integriert, wobei ein Rotor 11 der Medienspaltmaschine 10 drehfest auf dem von dem Turbinenrad 7 abgewandten Ende der Welle 5 angeordnet ist. Ein mit dem Rotor 11 zusammenwirkender Stator 12 ist koaxial zu dem Rotor 11 gehäusefest in dem zu dem Verdichterrad 4 führenden Strömungskanal 13 des Abgasturboladers 1 angeordnet.
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2 zeigt in einer vereinfachten Draufsicht die elektrische Medienspaltmaschine 10. Der Stator 12 weist ein kreisringförmiges Statorjoch 14 auf, an welchem mehrere, vorliegend sechs, Statorzähne 15 angeordnet sind, die radial nach innen in Richtung des Rotors 11 vorstehen und somit einen Medienspalt zu dem Rotor 11 begrenzen. Die Statorzähne 15 sind gleichmäßig über den Umfang des Statorjochs 14 verteilt angeordnet und vorzugsweise einstückig mit diesem ausgebildet. Um die Statorzähne 15 ist eine Antriebswicklung 16 gewickelt, die mehrphasig ausgebildet ist, und vorliegend die drei Phasen U, V und W aufweist. Der Rotor 11 selbst ist vorliegend als zweipoliger Rotor ausgebildet.
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Die Statorzähne 15 weisen bevorzugt jeweils ein Basisstück 19 auf, auf welchem die Antriebswicklung 16 gewickelt ist. Die Basisstücke 19 ragen vorliegend alle gleich weit in Richtung des Rotors 11 vor, sodass sie die gleiche Länge (radial) aufweisen.
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Jeder Statorzahn 15 weist außerdem ein Flussleitelement 17 auf, das den jeweiligen Statorzahn 15 in Richtung des Rotors verlängert und insbesondere einstückig mit dem jeweiligen Basisstück 19 ausgebildet ist. Die Flussleitelemente 17 sind dabei unterschiedlich lang ausgebildet, sodass die Statorzähne 15 insgesamt unterschiedlich lang in Richtung des Rotors 11 vorstehen. Dabei ist vorliegend vorgesehen, dass eine erste Gruppe von Statorzähnen 15_1 mit Flussleitelementen 17_1 einer ersten Länge und Statorzähne 15_2 einer zweiten Gruppe von Statorzähnen mit Flussleitelementen 17_2 einer zweiten Länge vorhanden sind. Vorliegend sind dabei die Statorzähne 15_1 der ersten Gruppe nebeneinanderliegend angeordnet, und die Statorzähne 15 der zweiten Gruppe auch, sodass sich die Statorzähne 15_1 und 15_2 im Wesentlichen gegenüberliegen und sich jeweils über 180° des Stators 12 erstrecken. Dadurch wird ein über den Umfang gesehen asymmetrischer Verlauf des Medienspalts zwischen den Statorzähnen 15 beziehungsweise den Flussleitelementen 17 zu dem Rotor 11 erreicht. Dabei weist der Medienspalt an den Statorzähnen der ersten Gruppe von Statorzähnen 15_1 eine erste Breite s1 auf, und im Bereich der zweiten Statorzähne 15_2 der zweiten Gruppe mit den vorliegend kürzeren Flussleitelementen 17_2 einen größeren Abstand s2 auf.
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Durch die vorliegende Ausführung der Medienspaltmaschine 10 entstehen Querkräfte jeweils in Polungsrichtung des Rotors 11 auf die längeren Flussleitstücke 17_1 hin gerichtet. Insgesamt entsteht eine konstante Querkraft, die zum mittleren der verlängerten Flussleitstücke 17_1 hin gerichtet ist. Dieser ist ein Wechselanteil überlagert, der mit der doppelten Drehzahl des Rotors 11 umläuft. Zudem kann die Querkraft durch den Längsstrom der Medienspaltmaschine 10 moduliert werden. Auf diese Weise können stabilisierende Kraftverläufe erzeugt und insbesondere dem Auftreten von Resonanzen und Biegeschwingungen des Rotors 11 entgegengewirkt werden.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Medienspaltmaschine 10, wobei aus 2 bereits bekannte Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, sodass insofern auf die oben stehende Beschreibung verwiesen wird. Im Folgenden soll im Wesentlichen auf die Unterschiede eingegangen werden.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 3 ist vorgesehen, dass die Gruppen von Statorzähnen 15_1 und 15_2 nicht nebeneinander, sondern abwechselnd über den Stator 12 verteilt angeordnet sind, sodass immer ein Statorzahn 15_1 zwischen zwei Statorzähnen 15_2 der anderen Gruppe liegt und umgekehrt. Damit ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel jedes Flussleitstück 17_1 in Richtung des Rotors 11 verlängert, sodass sich längere und kürzere Flussleitstücke 17_1 und 17_2 abwechseln. Dadurch entstehen Querkräfte jeweils in Polungsrichtung des Rotors 11 auf das längere Flussleitstück 17_1 hingerichtet. Insgesamt entsteht hier eine Querkraft ohne Gleichanteil, die mit doppelter Rotorgeschwindigkeit in zu diesem entgegengesetzter Richtung umläuft. Auch diese Querkraft kann durch den Längsstrom der Medienspaltmaschine 10 beziehungsweise der Antriebswicklung 16 modifiziert werden. Auf diese Weise können stabilisierende Kraftverläufe erzeugt und insbesondere dem Auftreten von Resonanzen in Biegeschwingungen des Rotors 11 entgegen gewirkt werden. Ist die Medienspaltmaschine 10 ohne Flussleitstücke 17 ausgeführt, wird derselbe Effekt auch dann erreicht, wenn die Statorzähne 15 selbst ohne zusätzliche Flussleitstücke unterschiedlich lang, wie obenstehend beschrieben, ausgebildet sind.
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Grundsätzlich sind auch andere Permutationen von langen und kurzen Flussleitstücken 17 und/oder Statorzähnen 15 möglich. Ein besonderer Vorteil der gezeigten Ausführungsbeispiele ist, dass die Medienspaltmschine 10 jeweils mit einer einzigen dreiphasigen Antriebswicklung 16 auskommt, wodurch Herstellungs- und Kostenaufwand trotz des vorteilhaften Querkraftverhaltens nicht oder kaum erhöht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014210451 A1 [0003]
