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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 radial nach innen vorstehende Statorzähne aufweist, die von einer mehrphasigen Antriebswicklung zur Erzeugung eines mehrpoligen Antriebsmagnetfelds umwickelt sind.
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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 zur Erzeugung eines mehrpoligen Antriebsmagnetfelds umwickelt sind.
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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 Medienspaltmaschine ist 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 mehrpoligen Antriebsmagnetfelds dient. Durch das Bestromen der Phasen der Antriebswicklung, beispielsweise mittels einer dafür vorgesehenen Leistungselektronik eines Steuergeräts, wird das drehende Antriebsmagnetfeld erzeugt, durch welches der durch die Welle drehbar gelagerte Rotor mit einem vorgebbaren Drehmoment angetrieben wird.
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Um hohe Drehzahlen des Rotors erreichen zu können, die für den Betrieb des Turboladers erforderlich sind, muss die Antriebswicklung mit einer hohen Frequenz angesteuert werden, um eine hohe Drehzahlkommutierung und damit einhergehende elektrische Verluste beherrschen zu können. Hierfür ist eine aufwendige Ansteuerung notwendig, die hohe Ansprüche an die Signalverarbeitung sowie an die verwendeten Komponenten erfüllt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Medienspaltmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Anforderungen an die Ansteuerung sowie an die für die Ansteuerung notwendigen Komponenten reduziert werden, sodass die Medienspaltmaschine insgesamt kostengünstiger und dennoch mit hoher Leistungsfähigkeit in den Turbolader integrierbar ist. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass zum Bilden eines magnetischen Planetenradgetriebes zwischen Stator und Rotor eine koaxial angeordnete Modulatorhülse mit mehreren über den Umfang der Modulatorhülse verteilt angeordneten magnetisch leitfähigen Modulatorelementen angeordnet ist. Die Erfindung sieht also vor, dass die Medienspaltmaschine in der Art eines magnetischen Planetenradgetriebes aufgebaut ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Übersetzung der Drehzahl vom sich drehenden Antriebsmagnetfeld auf den rotierenden Rotor eingestellt wird, wodurch beispielsweise für hohe Drehzahlen des Rotors eine dazu vergleichsweise geringere Drehzahl des Antriebsmagnetfelds ausreichend ist. Hierdurch kann beispielsweise die Drehzahl des Rotors erhöht werden, ohne dass die Ansteuerung des Antriebsmagnetfelds beziehungsweise der Antriebswicklung aufwendig geändert werden muss. Die Modulatorhülse dient dabei als Planetenradträger und die Modulatorelemente als Planetenräder, die aufgrund der koaxialen Anordnung zwischen Stator und Rotor liegen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Modulatorhülse gehäusefest angeordnet ist. Damit sind die Modulatorelemente unbeweglich in dem Gehäuse der Medienspaltmaschine beziehungsweise des Turboladers gehalten, sodass das Planetenradgetriebe einen feststehenden Platenradträger aufweist.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Modulatorhülse an zumindest einer Stirnseite eine den Rotor stirnseitig überdeckende Kappe aufweist. Weil die Kappe von der Modulatorhülse gebildet wird oder an dieser befestigt ist, steht sie ebenfalls still in Bezug auf den rotierenden Rotor. Die Kappe deckt dabei den Rotor ab, sodass sich strömungstechnische Vorteile ergeben, beispielsweise können durch eine entsprechende Ausbildung der Kappe Verwirbelungen und Turbulenzen im Luftstrom vermieden werden.
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Bevorzugt ist die Kappe strömungsoptimiert ausgebildet und stromaufwärts des Rotors angeordnet. Strömungsoptimiert bedeutet, dass die der Strömung zugewandte Seite der Kappe durch eine aerodynamische Formgebung so ausgestaltet ist, dass der Strömungswiderstand möglichst klein wird. Damit liegt die Kappe vor dem Rotor und verhindert, dass der Rotor selbst direkt von dem Luftstrom angeströmt wird. Dies verringert Turbulenzen im Luftstrom und verbessert damit insgesamt die Leistung der Medienspaltmaschine insbesondere in der Verwendung im Turbolader.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Modulatorhülse mehrere Streben aufweist, die radial nach außen in Richtung eines Statorjochs des Stators vorstehen und zu einer an dem Stator befestigten Strömungshülse führen, die koaxial zur Modulatorhülse angeordnet ist. Hierdurch ist eine einfache und kostengünstige Anordnung der Modulatorhülse in der Medienspaltmaschine gewährleistet. Insbesondere ist hierdurch auf einfache Art und Weise gewährleistet, dass die Modulatorhülse und die Kappe berührungsfrei zu dem Rotor in der Medienspaltmaschine angeordnet sind, sodass an der Modulatorhülse und der Kappe keine mechanischen Verschleißerscheinungen auftreten können. Vorzugsweise sind die Modulatorhülse, die Streben und die Strömungshülse, optional auch die Kappe, einstückig miteinander ausgebildet, wodurch ein bei der Montage einfach zu handhabendes Bauteil entsteht. Die Strömungshülse dient insbesondere zur optimierten Strömungsführung des Mediums durch die Medienspaltmaschine. Des Weiteren dient die Strömungshülse der gehäusefesten Halterung der Modulatorhülse. Dazu ist die Strömungshülse insbesondere dazu ausgebildet, an dem Statorjoch und/oder an den Statorzähnen des Stators befestigt zu werden.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordneten Streben jeweils einen Strömungskanal der Medienspaltmaschine zwischen sich bilden. Vorteilhafterweise sind die Streben dabei strömungsoptimiert ausgebildet, sodass der Luftstrom vorteilhaft durch den jeweiligen Medienspalt geleitet wird. Strömungsoptimiert bedeutet, dass die der Strömung zugewandte Seite der Streben durch eine aerodynamische Formgebung so ausgestaltet ist, dass der Strömungswiderstand an den Streben möglichst klein wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist bevorzugt vorgesehen, dass die Modulatorelemente von dem Material der Modulatorhülse umspritzt sind. Damit ergibt sich ein vorteilhaft handhabbares Bauteil, das bei der Montage einfach und mit geringem Zeitaufwand in der Medienspaltmaschine anordenbar und befestigbar ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Modulatorhülse die Streben, die Strömungshplse und die Kappe einstückig miteinander als Spritzteil oder Spritzgussteil ausgebildet sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die durch die Anzahl und Anordnung der Modulatorelemente bestimmte Übersetzung des Planetenradgetriebes gleich 1 ist. Dies stellt den einfachsten Fall des Planetenradgetriebes dar und ist einfach umsetzbar. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die durch die Anordnung und Anzahl der Modulatorelemente bestimmte Übersetzung des Planetenradgetriebes ungleich 1 derart gewählt ist, dass im Betrieb eine Drehzahl des Rotors höher als eine Drehzahl des sich drehenden Antriebsmagnetfelds des Stators ist. Dadurch wird die zuvor bereits erwähnte Drehzahlerhöhung von dem Antriebsmagnetfeld zu dem Rotor einfach und kostengünstig gewährleistet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der Modulatorhülse und Statorzähnen des Stators mehrere Permanentmagnete gehäusefest und koaxial verteilt angeordnet sind. Hierdurch wird die Leistung der Medienspaltmaschine und insbesondere des Planetenradgetriebes weiter erhöht. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Permanentmagnete an der Innenseite des Stators, insbesondere an der Innenfläche der Statorzähne, der Modulatorhülse gegenüberliegend, angeordnet sind. Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Permanentmagnete auf der Außenseite der Modulatorhülse angeordnet sind, sodass die Modulatorhülse sowohl die Permanentmagnete als auch die magnetisch leitfähigen Modulatorelemente trägt.
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Der erfindungsgemäße Turbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 11 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Medienspaltmaschine aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Besonders bevorzugt ist der Turbolader als Abgasturbolader ausgebildet, der eine mit dem Verdichter wirkverbundene Turbine aufweist.
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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 einer Brennkraftmaschine in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung,
- 2 eine vereinfachte perspektivische Darstellung eines Teils der Medienspaltmaschine des Abgasturboladers,
- 3 eine vereinfachte Längsschnittdarstellung eines Teils der Medienspaltmaschine,
- 4 eine vereinfachte Querschnittsdarstellung eines Teils der Medienspaltmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
- 5 eine vereinfachte Längsschnittdarstellung eines Teils der 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 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 eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer Frontansicht eines Teils der Medienspaltmaschine 10. Insbesondere ist dabei ein Teil des Stator 12 der Medienspaltmaschine 10 gezeigt. Der Stator 12 weist ein kreisringförmiges Statorjoch 14 auf, von welchem mehrere gleichmäßig über den Umfang des Statorjochs 14 verteilt angeordnete Statorzähne 15 radial nach innen vorstehen und somit in Richtung des Rotors 11 beziehungsweise der Drehachse der Welle 5 weisen. Zwischen dem Stator 12 und dem Rotor 11 ist vorliegend außerdem eine Modulatorhülse 16 koaxial zu Rotor 11 und Stator 12 angeordnet, die im folgenden näher erläutert werden soll.
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3 zeigt in einer vergrößerten Längsschnittdarstellung die Modulatorhülse 16 der Medienspaltmaschine 10. Die Modulatorhülse 16 weist mehrere in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandet zueinander angeordnete Modulatorelemente 17 aus magnetisch leitfähigem Material auf. Vorliegend sind diese stabförmig ausgebildet und parallel zur Drehachse des Rotors 11 angeordnet beziehungsweise ausgerichtet. Die Modulatorelemente 17 sind somit ringförmig um den Rotor 11 herum angeordnet. Die Modulatorelemente 17 sind dabei als Einlegeteile ausgebildet, die von dem Material der Modulatorhülse 16 umspritzt sind.
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Wie am besten in 2 zu erkennen ist, gehen von der Modulatorhülse 16 mehrere Streben 18 aus, die radial in Richtung des Stators 12 beziehungsweise des Statorjochs 14 weisen und von der Modulatorhülse 16 vorstehen. Dabei führen die Streben 18 zu einer Strömungshülse 19, die einen kreisringförmigen Querschnitt aufweist und insbesondere an den Statorzähnen 15 gehäusefest angeordnet ist. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verlaufen die Streben 18 parallel zu Flussleitelementen 15" der Statorzähne 15 und sind in der Strömungsrichtung gesehen vor diesen angeordnet, wie noch anhand von 4 erläutert wird.. Damit sind auch die Streben 18 in Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordnet, gemäß dem Abstand der benachbarten Statorzähne 15. Hierdurch werden zwischen den Streben 18 und den dahinter angeordneten Flussleitelementen 15" der Statorzähne 15 innerhalb der Strömungshülse 19 Strömungskanäle 20 gebildet, durch welche das Medium beziehungsweise die angesaugte Luft strömen kann. Das Medium strömt somit in dem Bereich zwischen der Strömungshülse 19 und der Modulatorhülse 16 an den Streben 18 und den dahinter liegenden Flussleitelementen 15" vorbei und strömt somit durch den Stator 12.
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Zweckmäßigerweise sind die Streben 18 fest mit der Strömungshülse 19 und mit der Modulatorhülse 16 verbunden. Die Modulatorhülse 16 selbst ist bevorzugt aus einem magnetisch nicht leitfähigen Material, insbesondere aus Kunststoff gefertigt. Insbesondere ist, wie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigt, die Modulatorhülse 16 einstückig mit den Streben 18 und der Strömungshülse 19 ausgebildet.
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Um die Strömungseigenschaften zu optimieren, ist die Modulatorhülse 16 an einem Stirnende durch eine strömungsgünstig optimierte Kappe 21 abgedeckt, wie beispielsweise in 2 und 3 gezeigt. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kappe 21, die Modulatorhülse 16, die Streben 18 sowie die Strömungshülse 19 einstückig miteinander ausgebildet sind. Insbesondere in der Ausführungsform als Spritzgussteil aus Kunststoff gewährleistet dies eine kostengünstige Herstellung sowie eine gut handhabbare Einheit bei der Montage des Abgasturboladers 1.
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4 zeigt hierzu in einer vereinfachten Querschnittsdarstellung einen Teil der Medienspaltmaschine 10 auf Höhe des Rotors 11. Hierbei sind gut die gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneten Modulatorelemente 17 zu erkennen, die in der Modulatorhülse 16 angeordnet sind. Die Schraffur des Querschnitts der Modulatorhülse 16 wurde in diesem Bereich der besseren Übersichtlichkeit wegen weggelassen. Ebenso ist der Rotor 11 nur vereinfacht dargestellt. Wie in 4 und 5 gezeigt, weisen die Statorzähne 15 einen Basisabschnitt 15' auf, der sich von dem Statorjoch 14 aus erstreckt, sowie ein den jeweiligen Basisabschnitt 15' verlängerndes Flussleitelement 15", das durch die Störmungshülse 19 hindurch bis nahe zu der Modulatorhülse 16 führt, wobei ein sehr kleiner Restspalt zwischen den Enden der Flussleitelemente 15" und der Modulatorhülse 16 beispielswiese mit Kunststoff gefüllt werden kann.Zweckmäßigerweise sind die Streben 18 strömungsgünstig ausgebildet und derart angeordnet und ausgerichtet, dass sie in Strömungsrichtung gesehen jeweils einen der Statorzähne 15 beziehungsweise das jeweilige Flussleitstück 15" überdecken, um das Strömungsverhalten durch die Medienspaltmaschine 10 zu optimieren.
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Die Modulatorelemente 17 sind aus einem magnetisch leitfähigem Material gefertigt. Damit wirken die Modulatorelemente 17 zwischen dem Rotor 11 und dem Stator 12 wie Planetenräder eines Planetenradgetriebes, wodurch die Medienspaltmaschine 10 ein magnetisches Planetenradgetriebe 22 mit feststehenden Planeten (Modulatorelemente 17) bildet. Die Anzahl der Modulatorelemente 17 in Verbindung mit der Polpaarzahl des Rotors 11 bestimmt dabei die Übersetzung des Planetenradgetriebes 22. Im einfachsten Fall ist die Übersetzung gleich Eins. Vorteilhafterweise und gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird jedoch durch die Anzahl der Modulatorelemente 17 in Bezug auf die Anzahl der Polpaare des Rotors 11, eine Übersetzung eingestellt, durch welche eine Drehzahl eines drehenden Antriebsmagnetfelds des Stators 12 in eine höhere Drehzahl des Rotors 11 der Medienspaltmaschine 10 übersetzt wird.
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Durch die vorteilhafte Ausbildung der Medienspaltmaschine 10 wird erreicht, dass eine einfache Ansteuerung einer um die Statorzähne 15 des Stators 12 gewickelten nicht dargestellten Antriebswicklung erfolgen kann, und dass trotzdem eine hohe Drehzahl des Rotors 11 gewährleistet ist. Dadurch kann beispielsweise auf herkömmliche Ansteuertechnik für eine elektrische Maschine zurückgegriffen werden, die auch für langsamer drehende Rotoren einsetzbar ist.
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Damit wird insgesamt eine kostengünstige und hochleistungsfähige elektrische Medienspaltmaschine in dem Abgasturbolader 1 realisiert, wodurch der Verdichter 2 beziehungsweise das Verdichterrad 4 auf hohe Drehzahlen unabhängig von dem tatsächlichen Abgasstrom der Brennkraftmaschine gebracht werden kann, um eine hohe Luftfüllung beispielsweise auch bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine zu erreichen.
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Um die Leistung der Medienspaltmaschine 10 weiter zu erhöhen, ist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 5 in einer weiteren Querschnittsdarstellung durch die Medienspaltmaschine 10 gezeigt ist, vorgesehen, dass radial zwischen Modulatorhülse 16 und Statorzähnen 15 mehrere Permanentmagnete gehäusefest angeordnet sind. Die Schraffur des Querschnitts der Modulatorhülse 16 und der Permanentmagnete wurde in diesem Bereich der besseren Übersichtlichkeit wegen weggelassen. Dabei sind die Permanentmagnete 23 koaxial zu Stator 12 und Rotor 11 beziehungsweise Modulatorhülse 16 verteilt angeordnet, sodass die Permanentmagnete 23 ringförmig verteilt sind. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Permanentmagnete 23 an den freien, der Modulatorhülse 16 zugewandten Enden der Statorzähne 15 angeordnet sind. Optional sind die Statorzähne 15 dazu an ihrem freien Ende verbreitert, um ein sicheres Halten und Tragen der Permanentmagnete zu gewährleisten. Alternativ sind die Permanentmagnete auf der Außenseite der Modulatorhülse 16 oder der Strömungshülse 19 angeordnet, sodass die Modulatorhülse 16 sowohl die Modulatorelemente 17 als auch die Permanentmagnete 23 trägt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014210451 A1 [0003]
