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Stand der Technik
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Aus der
DE 102 29 133 A1 ist eine elektrische Maschine für den Antrieb eines Verdichters eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine bekannt. Die als Zusatzantrieb vorgesehene elektrische Maschine umfasst eine um eine Drehachse drehbar gelagerte Antriebswelle, an der ein Rotor drehfest angeordnet ist, und einen den Rotor umfänglich umgebenden Stator, der eine Antriebswicklung zur Erzeugung eines den Rotor antreibenden Antriebsmagnetfeldes aufweist. Der Stator und der Rotor sind in einer in ein Ansaugohr des Verdichters eingebauten Haltevorrichtung aufgenommen. Weiterhin ist eine als Überholkupplung ausgebildete Kupplung zur Herstellung einer lösbaren Antriebsverbindung zwischen der Antriebswelle der elektrischen Maschine und dem Verdichter vorgesehen. Der Abgasturbolader umfasst eine Turbine und einen Verdichter, die an einer gemeinsamen Laderwelle angeordnet sind. Der Verdichterteil der Aufladeeinrichtung ist in der
DE 102 29 133 A1 über eine aufwändige Freilaufeinrichtung auf der Laderwelle aufgenommen. Bei einer Bestromung der Antriebswicklung des Stators, treibt das Antriebsmagnetfeld den Rotor an, wodurch die Antriebswelle in eine Drehbewegung versetzt wird. Während der Hochlaufphase der Brennkraftmaschine kann die elektrische Maschine den Verdichter des Abgasturboladers deutlich schneller antreiben, als es mit dem reinen Turbinenmoment aus dem Abgasstrom der Verbrennungsmaschine möglich ist. Sobald das Turbinenmoment zum Antrieb des Verdichters ausreicht, sperrt die Freilaufeinrichtung zwischen der Laderwelle und dem Verdichter und die elektrische Maschine wird über die Kupplung von der Laderwelle getrennt. Die beschriebene Konstruktion ist allerdings sehr aufwändig, da das Verdichterrad mittels einer komplizierten Freilaufeinrichtung an der Laderwelle gelagert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für den Antrieb eines Verdichters, einer Turbine oder einer Laderwelle eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine, mit einer um eine Drehachse drehbar gelagerten Antriebswelle, an der ein Rotor drehfest angeordnet ist, mit einem den Rotor umfänglich umgebenden Stator, der eine Antriebswicklung zur Erzeugung eines den Rotor antreibenden Antriebsmagnetfeldes aufweist, und mit einer Kupplung zur Herstellung einer lösbaren Antriebsverbindung zwischen der Antriebswelle der elektrischen Maschine und dem Verdichter, der Turbine oder einer den Verdichter mit der Turbine verbindenden Laderwelle des Abgasturboladers, wobei der Stator und der Rotor in einer Haltevorrichtung angeordnet sind. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Stator in der Haltevorrichtung in einer Kulissenführung drehbeweglich gelagert ist und der Stator und der Rotor entgegen einer Federkraft in der Haltevorrichtung parallel zu der Drehachse axial verschiebbar sind, wobei im Falle einer Bestromung der Antriebswicklung ein aus dem Drehmoment des Rotors resultierendes, auf den Stator einwirkendes Gegendrehmoment den Stator in eine Drehbewegung versetzt, wodurch der in der Kulissenführung geführte Stator mit dem in dem Stator drehbeweglich gelagerten Rotor entgegen der Federkraft parallel zu der Drehachse verschoben wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen Abgasturbolader mit einer derartigen elektrischen Maschine, bei der die Haltevorrichtung der elektrischen Maschine in einen verdichterseitigen oder turbinenseitigen Strömungskanal des Abgasturboladers derart eingebaut ist, dass die Haltevorrichtung von einem in dem Strömungskanal strömenden Medium umströmt wird. Dadurch kann die elektrische Maschine besonders bauraumsparend in dem Abgasturbolader verbaut werden. Wird die elektrische Maschine verdichterseitig verbaut, dann kann die Frischluftströmung des Verdichters vorteilhaft zur Kühlung der elektrischen Maschine verwandt werden.
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Vorteile der Erfindung
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Damit der Abgasturbolader während der Hochlaufphase von der elektrischen Maschine angetrieben werden kann und beim Erreichen einer bestimmten Maximaldrehzahl frei rotieren kann, wird mittels der erfindungsgemäßen drehbeweglichen Lagerung des Stators in einer Haltevorrichtung mit Kulissenführung erreicht, dass die Kupplung bei einer eingeschalteten Bestromung des Stators automatisch schließt und solange geschlossen bleibt, bis die Bestromung abgeschaltet wird. Bei abgeschalteter Bestromung öffnet sich die Kupplung automatisch. In diesem Sinne ist die Kupplung vorteilhaft selbstschließend ausgebildet. Vorteilhaft kann der Abgasturbolader immer dann mit der elektrischen Maschine gekoppelt werden, wenn dies notwendig ist (z.B. beim unterstützenden Hochlauf). Ist dies nicht der Fall wird die elektrische Maschine automatisch abgekoppelt, so dass (z.B. bei genügend großer Turbinenleistung), das elektrische Bordnetz nicht durch einen generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine belastet wird. Ebenso entstehen keine Probleme durch elektrische Bremsmomente, die sich aus der induzierten Spannung einer passiv mitdrehenden elektrischen Maschine ergeben würden.
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Im elektrischen Zusatzbetrieb muss die elektrische Maschine nur die Masse eines konventionellen Turboladers antreiben, da keine aufwändigen Abänderungen und Erweiterungen am Verdichter, der Turbine oder der Laderwelle des Abgasturboladers nötig sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen enthaltenen Merkmale ermöglicht.
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Voreilhaft kann die Haltevorrichtung ein Gehäuseteil aufweisen, in dem der Stator und der Rotor angeordnet sind. Das Gehäuseteil kann die gesamte elektrische Maschine vor einem im Strömungskanal des Abgasturboladers strömenden Medium schützen. Vorteilhaft kann das Gehäuseteil eine Zylinderwand aufweisen, die an ihrem einen Ende durch eine kappenförmige Abdeckung geschlossen ausgebildet ist und die an ihrem anderen Ende eine Öffnung für einen Austritt der Antriebswelle aus dem Gehäuseteil aufweist. Die Abdeckung kann beispielsweise aerodynamisch derart geformt sein, dass der Strömungswiderstand an der kappenförmigen Abdeckung möglichst gering ist. Das in dem Strömungskanal des Abgasturboladers strömende Medium trifft auf die Kappe und wird dort abgelenkt, bis es parallel zu der Außenseite der Zylinderwand an der elektrischen Maschine vorbeiströmt.
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Vorteilhaft kann die Kulissenführung wenigstens eine in der Zylinderwand ausgebildete Nut und wenigstens einen an dem Stator befestigten Führungsstift aufweisen, der in die Nut gleitverschiebbar eingreift. Dadurch ist eine Kulissenführung des Stators in einfacher Weise preisgünstig darstellbar. Natürlich kann der Stator auch mit mehreren Führungsstiften, beispielsweise zwei Führungsstiften in zwei Nuten eingreifen, die sich beispielsweise in Bezug auf eine Mittelachse der Zylinderwand diametral gegenüberliegen.
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Die Kulissenführung kann vorteilhaft zwei endseitige Anschläge aufweisen, welche den Drehwinkelbereich und die axiale Verschiebung des Stators in der Haltevorrichtung begrenzen. Als endseitige Anschläge können beispielsweise die Nutenden einer Nut verwandt werden.
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Die elektrische Maschine ist vorteilhaft so ausgebildet, dass die Federkraft geringer ausgebildet ist als eine den Stator parallel zu der Drehachse verschiebende Axialkraft, die bei einer für den elektrischen Zusatzbetrieb vorgesehenen Bestromung der Antriebswicklung aus dem Gegendrehmoment resultiert. Dadurch wird erreicht, dass die bei einer Bestromung auftretende Axialkraft den Stator mitsamt dem Roter gegen die Federkraft zuverlässig parallel zu der Drehachse verschiebt, während bei einer Stromabschaltung der Antriebswicklung die Federkraft den Stator und den Rotor parallel zu der Drehachse in Richtung der Haltevorrichtung zurückverstellt.
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Beim Einbau der elektrischen Maschine in einen Abgasturbolader kann die Antriebswelle der elektrischen Maschine parallel zu einer Laderwelle des Abgasturboladers ausgerichtet werden. Bei einer aus der Bestromung der Antriebwicklung resultierenden Verschiebung des Stators mit dem Rotor gelangt ein an der Antriebswelle befindliches erstes Kupplungsglied in Eingriff mit einem an dem Verdichter, der Turbine und vorzugsweise der Laderwelle des Abgasturboladers angeordneten zweiten Kupplungsglied.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1a einen schematischen Querschnitt durch einen Abgasturbolader mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einer von dem Abgasturbolader abgekoppelten Stellung,
- 1b, einen schematischen Querschnitt durch die elektrische Maschine aus 1a, senkrecht zur Drehachse,
- 1c eine Draufsicht auf ein Gehäuseteil der elektrischen Maschine auf 1a mit der Kulissenführung,
- 2a einen schematischen Querschnitt durch einen Abgasturbolader mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einer an den Abgasturbolader angekoppelten Stellung,
- 2b, einen schematischen Querschnitt durch die elektrische Maschine aus 2a, senkrecht zur Drehachse,
- 2c eine Draufsicht auf ein Gehäuseteil der elektrischen Maschine auf 2a mit der Kulissenführung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1a zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Abgasturbolader 2, der einen Verdichter 3 und eine Turbine 4 aufweist, die über eine Laderwelle 5 miteinander verbunden sind. Von dem Verdichter 3 ist in 1a das Verdichterrad und das Verdichtergehäuse 6 mit dem Ansaugrohr 61 dargestellt. Das Turbinengehäuse und das Lagergehäuse der Lagerwelle 5 ist der Einfachheit halber nicht gezeigt.
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Wie in 1a zu erkennen ist, ist ein Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 1 im Strömungskanal 61 des Ansaugtraktes, also verdichterseitig angeordnet. Grundsätzlich ist aber auch ein Anordnung auf der Turbinenseite möglich. Die elektrische Maschine 1 umfasst eine Haltevorrichtung 10, die beispielsweise mittels radialer Streben 19, zwischen denen Strömungsfreiräume angeordnet sind, an der Innenwandung des Strömungskanals 61 befestigt ist. Die Haltevorrichtung 10 umfasst vorzugsweise eine Gehäuseteil 10a mit einer Zylinderwand 11, die an ihrem der Strömungsrichtung S zugewandten Ende mit einer kappenförmige Abdeckung 12 geschlossen ausgebildet ist. Innerhalb der Zylinderwand 11 ist der Stator 13 und Rotor 14 der elektrischen Maschine 1 angeordnet. Der Rotor 14 ist drehfest mit einer Antriebswelle 15 verbunden, die durch eine Öffnung 24 an dem von der kappenförmigen Abdeckung 12 abgewandten Ende des Gehäuseteils 10a aus diesem herausgeführt ist. Die Antriebswelle 15 rotiert um eine Drehachse D, die vorzugsweise mit der Drehachse der Laderwelle zusammenfällt. Wie man in 1a gut erkennen kann, strömt ein gasförmiges Medium S, beispielsweise Luft in Richtung des Pfeils auf die kappenförmige Abdeckung 12 und weiter an der Außenseite der Zylinderwand 11 vorbei Richtung Verdichter 3. Die Luft strömt dabei durch die in 1a nicht erkennbaren Strömungsfreiräume zwischen den Streben 19 in Richtung des Verdichters 3 und kühlt dadurch die Zylinderwand 11.
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Wie in 1c zu erkennen ist, ist die Zylinderwand 11 mit wenigstens einer Nut 20 versehen, in die ein erster Führungsstift 21a eingreift. Die Nut 20 kann beispielsweise relativ zur Drehachse D schräg oder wie dargestellt gekrümmt verlaufen. Der erste Führungsstift 21a ist an dem Stator 13 befestigt. Ein zweiter Führungsstift 21b kann, falls erforderlich, dem ersten Führungsstift diametral gegenüberliegen und in eine zweite Nut auf der gegenüberliegenden Seite der Zylinderwand 11 eingreifen. Der Stator 13 ist innerhalb der Zylinderwand 11 beziehungsweise innerhalb der Haltevorrichtung 10 drehbar gelagert. Der in die Nut eingreifende Führungsstift 21a bildet eine Kulissenführung 22 für den drehbeweglichen Stator 13 aus.
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Der Stator 13 weist eine in 1b angedeutete Antriebswicklung 13a auf, welche zur Erzeugung eines Antriebsmagnetfeldes mit einem Strom beaufschlagbar ist. Der Stator umgibt den Rotor 14. Der Rotor 14 ist in an sich bekannter und nicht weiter dargestellter Weise drehbeweglich in dem Stator 13 gelagert. Der Rotor 14 kann über das Antriebsmagnetfeld in eine dauerhafte Rotation um den in 2b dargestellten Drehwinkel ω versetzt werden. Bei einer Strombeaufschlagung der Antriebswicklung 13a wird ein antreibendes Drehmoment am Rotor 14 und der damit verbundenen Antriebswelle 15 erzeugt. Dieses Drehmoment erzeugt nach den klassischen physikalischen Grundgesetzen ein Gegendrehmoment, welches auf den Stator 13 einwirkt, beziehungsweise sich über den Stator abstützt. Bei einem unbeweglich gelagerten Stator würde dieses Gegendrehmoment auf die Streben 19 einwirken. Im vorliegenden Fall ist der Stator jedoch drehbeweglich und wird durch das Gegendrehmoment um den Winkel α in 2b verschwenkt. In 2b ist die Blickrichtung auf das mit der Öffnung 24 versehende Ende des Gehäuseteils 11 gerichtet, wobei nur der Innenraum der elektrischen Maschine dargestellt ist. Das heißt der Rotor 14 dreht sich um den Drehwinkel ω nach links und erzeugt ein rechtsdrehendes Gegendrehmoment, welches auf den Stator 13 einwirkt und bewirkt, dass sich der Stator um den Winkel α in 2b dreht. Dabei wandert der Führungsstift in der Nut 20 entlang in die in 2c gezeigte Endlage der Kulissenführung 22. Mittels der Kulissenführung 22 wird dabei der Stator 13 mitsamt dem darin drehbeweglich gelagerte Rotor 14 relativ zu dem Gehäuseteil 10a in 2a und 2c von links nach rechts parallel zu der Drehachse D verschoben. Dabei wird die Federkraft einer Feder 16, über die sich der Stator 13 an der Innenwand des Gehäuseteils 10 abstützt, durch die aus dem Gegendrehmoment resultierende Axialkraft A überwunden.
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Zu diesem Zweck ist die elektrische Maschine so ausgebildet ist, dass die Federkraft geringer ausgebildet ist als die den Stator 13 parallel zu der Drehachse D verschiebende Axialkraft A, die bei einer für den elektrischen Zusatzbetrieb vorgesehenen Bestromung der Antriebswicklung 13a aus dem Gegendrehmoment resultiert. Die Größe dieser Axialkraft hängt von der Auslegung der elektrischen Maschine 1 ab und ist für den angelegten Strom im Voraus bekannt, so dass die Feder 16 entsprechend ausgelegt werden kann.
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Durch die axiale Verschiebung der elektrischen Maschine 1 in 2a nach rechts wird die Feder 16 gespannt. Gleichzeitig gelangt ein an der Antriebswelle 15 befindliches erstes Kupplungsglied 17 in Eingriff mit einem beispielsweise an der Laderwelle 5 des Abgasturboladers 2 angeordneten zweiten Kupplungsglied 18. In diesem Zustand treibt die elektrische Maschine 1 nunmehr die Laderwelle 5 des Abgasturboladers 2 an.
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Die Zuschaltung der elektrischen Maschine 1 erfolgt vorzugsweise im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine. Sobald die Turbine 4 den Antrieb des Verdichters 3 vollständig übernehmen soll, kann die elektrische Maschine 1 abgeschaltet werden. Bei einer Stromabschaltung der Antriebswicklung 13a verringert sich die aus dem Gegendrehmoment resultierende in Richtung des Pfeils A wirkende Axialkraft, so dass die der Axialkraft entgegenwirkende Federkraft der Feder 16 den Stator 13 und den Rotor 14 parallel zu der Drehachse D in Richtung der Haltevorrichtung 10 und damit in die in 1a gezeigte Stellung zurückstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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