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Die Erfindung betrifft eine elektrische Medienspaltmaschine für einen Turbolader, einen Turbolader mit einer solchen Medienspaltmaschine und eine Leistungserzeugungseinrichtung mit einem solchen Turbolader.
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Eine elektrische Medienspaltmaschine weist ein Gehäuse auf, in dem ein Rotor drehbar gelagert ist. Sie weist außerdem einen gehäusefesten Stator auf, der eine insbesondere mehrphasige Antriebswicklung zur Erzeugung eines insbesondere mehrpoligen Antriebsmagnetfelds aufweist. Zwischen dem Rotor und dem Stator ist ein eine Drehachse des Rotors ringförmig umgreifender Medienspalt ausgebildet, welcher der Medienspaltmaschine ihren Namen verleiht, und der im Betrieb der Medienspaltmaschine von einer Medienströmung eines Mediums durchsetzt ist. Dies erlaubt es zum einen, die Medienspaltmaschine in besonders effizienter und einfacher Weise in Zusammenhang mit der Förderung und/oder Verdichtung eines Mediums einzusetzen, beispielsweise zum Antrieb oder zur Unterstützung eines Medienverdichters, wobei zum anderen die Medienspaltmaschine in vorteilhafter Weise durch das den Medienspalt durchsetzende Medium gekühlt wird. Das den Medienspalt durchsetzende Medium umströmt dabei zwangsläufig auch den Rotor. Um die Anströmung des Rotors zu verbessern, kann diesem entlang der Drehachse in Anströmrichtung versetzt eine Anströmkappe zugeordnet sein, die dann in Axialrichtung stromaufwärts des Rotors, das heißt vor dem Rotor angeordnet ist. Wenn diese Anströmkappe nicht drehfest mit dem Rotor selbst verbunden ist, ist sie über eine Mehrzahl von Stegen drehfest mit dem Gehäuse verbunden.
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Eine solche elektrische Medienspaltmaschine kann insbesondere mit einem Turbolader, insbesondere einem Abgasturbolader einer Leistungserzeugungseinrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine oder einer Brennstoffzelle, kombiniert sein. Die elektrische Medienspaltmaschine dient dann insbesondere zur Unterstützung des Turboladers, beispielsweise um die Verdichtungsleistung des Turboladers weitgehend unabhängig von einem momentanen Abgasstrom einer Leistungserzeugungseinrichtung einstellen zu können, wobei insbesondere ein sogenanntes Turboloch elektromotorisch überwunden oder ein fehlendes Abgasenergieangebot kompensiert werden kann. In bestimmten Betriebspunkten kann die Medienspaltmaschine auch als Generator betrieben werden, sodass beispielsweise Energie, insbesondere Enthalpie, aus dem Abgas durch den Turbolader als elektrische Energie rekuperiert werden kann.
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Das Strömungsverhalten des Mediums in dem Medienspalt ist verbesserungsfähig, ganz besonders mit Blick auf die Anströmung eines der Medienspaltmaschine in Strömungsrichtung nachgelagerten Rades eines Turboladers, insbesondere eines Verdichterrads.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Medienspaltmaschine für einen Turbolader, einen Turbolader mit einer solchen elektrischen Medienspaltmaschine und eine Leistungserzeugungseinrichtung mit einem solchen Turbolader zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest in gewissem Umfang reduziert, vorzugsweise vermieden sind. Insbesondere soll das Strömungsverhalten des Mediums in dem Medienspalt, ganz besonders mit Blick auf den Betrieb eines Turboladers, verbessert werden.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine elektrische Medienspaltmaschine derart weitergebildet wird, dass die Stege, über welche die Anströmkappe drehfest mit dem Gehäuse verbunden ist, derart geformt oder angestellt sind, dass der den Medienspalt durchsetzenden Medienströmung durch die Stege im Betrieb der Medienspaltmaschine ein Drall, das heißt eine rotatorische Bewegungskomponente oder ein Drehimpuls, vermittelt wird. Dadurch kann zum einen das Anströmungsverhalten für ein der Medienspaltmaschine in Strömungsrichtung nachgeordnetes Teil, beispielsweise einen Turbolader, verbessert werden, wobei insbesondere im Fall eines Turboladers eine Pumpgrenze vorteilhaft verschoben werden kann; zum anderen können in einfacher und kostengünstiger Weise zur Verbesserung des Strömungsverhaltens des Mediums in dem Medienspalt die Stege verwendet werden, welche die Anströmkappe halten und insbesondere drehfest mit dem Gehäuse verbinden. Diese sind somit nicht lediglich strömungsgünstig geformt, insbesondere um ihren Strömungswiderstand vorteilhaft zu reduzieren, sondern sie erfüllen eine Funktion mit Blick auf die Strömungseigenschaften des Mediums in dem Medienspalt, indem sie dem Medium, das heißt der Medienströmung, den entsprechenden Drall mitteilen, wenn sie im Betrieb der Medienspaltmaschine von dem Medium umströmt werden.
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Zugleich lenkt die Anströmkappe das anströmende Medium an dem rotierenden Rotor vorbei, sodass auch in diesem Bereich die Medienströmung günstig ausgestaltet ist.
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Die Stege dienen insbesondere als Vorleitapparat zur Drallerzeugung.
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Der Rotor weist vorzugsweise wenigstens einen Permanentmagneten auf, bevorzugt eine Mehrzahl von Permanentmagneten, die im Betrieb der Medienspaltmaschine mit dem durch die Antriebswicklung erzeugten Antriebsmagnetfeld zusammenwirken, um den Rotor in Rotation zu versetzen.
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Dass die Stege derart geformt sind, dass der den Medienspalt durchsetzenden Medienströmung der Drall vermittelt wird, bedeutet insbesondere, dass sie eine geeignete äußere Form, beispielsweise die Form von Schaufeln oder dergleichen, aufweisen, sodass die an den Stegen vorbeiströmende Strömung einen Drall erhält.
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Dass die Stege derart angestellt sind, dass der Medienströmung der Drall vermittelt wird, bedeutet insbesondere, dass sie in einem geeigneten Winkel zu der Medienströmung, insbesondere in einem geeigneten Winkel zu der Axialrichtung, angeordnet sind, sodass der Medienströmung beim Umströmen der Stege ein Drall vermittelt wird.
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Es ist auch möglich, dass die Stege derart geformt und angestellt sind, dass der den Medienspalt durchsetzenden Medienströmung der Drall vermittelt wird.
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Unter einer Axialrichtung wird hier eine Richtung verstanden, die sich parallel zu der Drehachse erstreckt, wobei sie vorzugsweise mit der Drehachse zusammenfällt. Eine radiale Richtung oder Radialrichtung steht senkrecht auf der Drehachse, eine Umfangsrichtung umgreift die Drehachse konzentrisch.
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Die Anströmkappe ist vorzugsweise domförmig oder als Dom ausgebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Stege so geformt oder angestellt, dass sie der Medienströmung mit Bezug auf die Drehrichtung des Verdichterrads einen Mitdrall, das heißt Anströmung in Drehrichtung des Verdichterrads, vermitteln. Dies verschiebt das Verdichterkennfeld vorteilhaft zu geringeren Volumenströmen.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung sind die Stege derart geformt oder angestellt, dass sie der Medienströmung einen Gegendrall vermitteln, das heißt Anströmung entgegen der Drehrichtung des Verdichterrads. Dies verschiebt vorteilhaft das Verdichterkennfeld zu höheren Volumenströmen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anströmkappe in Richtung der Drehachse, das heißt in Axialrichtung, in einem endlichen Abstand zu dem Rotor angeordnet ist, sodass zwischen der Anströmkappe und dem Rotor ein Axialspalt ausgebildet ist. Dies ermöglicht in besonders einfacher Weise eine reibungsfreie Drehung des Rotors relativ zu der Anströmkappe. Die Anströmkappe kann also drehfest mit dem Gehäuse verbunden sein, ohne dass dies die Drehung des Rotors negativ beeinflusst.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anströmkappe über drei Stege mit dem Gehäuse drehfest verbunden ist. Dies hat den Vorteil einer stabilen Halterung der Anströmkappe bei zugleich geringem Strömungswiderstand für die Medienströmung und einer material- und kostensparenden Verwirklichung der Anordnung aus den Stegen und der Anströmkappe.
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Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Anströmkappe über vier Stege mit dem Gehäuse drehfest verbunden ist. In diesem Fall ist vorteilhaft die Stabilität der Anordnung der Anströmkappe und auch der Stege erhöht. Außerdem ist die Wirkung der Stege als Vorleitapparat, das heißt zur Drallerzeugung, vorteilhaft erhöht.
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Die Stege sind bevorzugt in Umfangsrichtung gesehen gleichmäßig verteilt, das heißt in gleichen Winkelabständen zueinander entlang der Umfangsrichtung angeordnet. Insbesondere weist die Anordnung aus den Stegen und der Anströmkappe bevorzugt eine mehrzählige, insbesondere dreizählige oder vierzählige, Rotationssymmetrie auf.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anströmkappe mit dem Rotor fluchtet. Auf diese Weise wird die Anströmung des Rotors in Kombination mit der Anströmung der Anströmkappe durch das Medium besonders strömungsgünstig ausgestaltet.
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Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass ein größter Durchmesser der Anströmkappe gleich einem größten Durchmesser des Rotors ist. In diesem Fall ergibt sich eine besonders günstige, widerstandsarme Umströmung der Anströmkappe und des Rotors. Dies gilt ganz besonders dann, wenn die Anströmkappe mit dem Rotor fluchtet und zugleich der größte Durchmesser der Anströmkappe gleich dem größten Durchmesser des Rotors ist. Die Anströmkappe und der Rotor gehen somit entlang der Hauptströmungsrichtung, das heißt in Axialrichtung, quasi übergangslos, insbesondere ohne radiale Stufe oder radialen Sprung, ineinander über.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anströmkappe und die Stege mindestens einen Kunststoff aufweisen. Auf diese Weise können die Anströmkappe und die Stege kostengünstig und leicht gefertigt sein. Bevorzugt bestehen die Anströmkappe und die Stege aus dem mindestens einen Kunststoff. Dabei verwirklichen sich in besonderer Weise die genannten Vorteile.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Stator, insbesondere die Antriebswicklung des Stators, durch einen Strömungskanal durchsetzt ist, der einenends - insbesondere stromaufwärts des Rotors, oder im Bereich eines stirnseitigen, angeströmten Endes des Rotors, oder im Bereich des Rotors - in die den Medienspalt durchströmende Medienströmung oder in den Medienspalt mündet, wobei er anderenends stromabwärts des Rotors in einen Strömungsbereich hinter dem Medienspalt, das heißt stromabwärts des Medienspalts, insbesondere in einen Bereich eines Verdichterrads eines mit der Medienspaltmaschine ausgestatteten Turboladers, mündet. Auf diese Weise wird vorteilhaft ein durch den Stator, insbesondere durch die Antriebswicklung hindurchführender Rezirkulationskanal geschaffen, der eine zweifache Funktionalität bereitstellt, wobei er zum einen eine kennfeldstabilisierende Maßnahme darstellt, um ein Kennfeld des Turboladers zu verbreitern, wobei er zum anderen dazu beiträgt, den Stator und insbesondere die Antriebswicklung zu kühlen. Der Rezirkulationskanal kann dabei in bevorzugter Ausgestaltung bei der Herstellung des Stators, insbesondere bei der Herstellung der Antriebswicklung, mit erzeugt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Stator selbst innerhalb des Medienspalts angeordnet und durch Statorstege mit dem Gehäuse drehfest verbunden. Der Medienspalt ist dabei aufgeteilt in einen inneren Teil-Medienspalt, der zwischen dem Rotor und dem Stator angeordnet ist, und einen äußeren Teil-Medienspalt, der zwischen dem Stator und dem Gehäuse angeordnet ist. In bevorzugter Ausgestaltung sind auch die Statorstege derart geformt und/oder angestellt, dass der den äußeren Teil-Medienspalt durchsetzenden Medienströmung durch die Statorstege im Betrieb der Medienspaltmaschine ein Drall vermittelt wird. Somit kann zum einen die Kühlung des Stators verbessert werden, zum anderen kann das Strömungsverhalten der Medienströmung weiter optimiert werden. Weiterhin ist es möglich, das Gehäuse der Medienspaltmaschine einfacher auszuführen, da es nicht die Antriebswicklung aufnehmen muss.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Turbolader geschaffen wird, der eine erfindungsgemäße Medienspaltmaschine oder eine Medienspaltmaschine nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Die Medienspaltmaschine ist dabei stromaufwärts eines Verdichterrads des Turboladers angeordnet. Dabei dient die Medienspaltmaschine insbesondere der elektromotorischen Unterstützung der Verdichtung des Turboladers, wobei die zu verdichtende Luft den Medienspalt der Medienspaltmaschine im Betrieb derselben durchströmt. Bei dieser Ausgestaltung verwirklichen sich in besonderer Weise die zuvor bereits in Zusammenhang mit der Medienspaltmaschine erläuterten Vorteile.
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Insbesondere wird über die Stege die Anströmung des Verdichterrads verbessert. Außerdem verbessern die Stege den Wirkungsgrad des Turboladers und definieren präziser dessen Kennfeld.
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Der Turbolader ist bevorzugt als Abgasturbolader einer Leistungserzeugungseinrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine oder einer Brennstoffzelle, ausgebildet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rotor der Medienspaltmaschine mit der Welle des Verdichterrads drehfest verbunden ist. Dies stellt eine besonders kompakte und einfache Ausgestaltung des Turboladers in Kombination mit der Medienspaltmaschine dar.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Leistungserzeugungseinrichtung geschaffen wird, die einen erfindungsgemäßen Turbolader oder einen Turbolader nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. In Zusammenhang mit der Leistungserzeugungseinrichtung ergeben sich insbesondere die bereits in Zusammenhang mit der Medienspaltmaschine und dem Turbolader erläuterten Vorteile.
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Die Leistungserzeugungseinrichtung ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung eine Brennkraftmaschine. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist die Leistungserzeugungseinrichtung eine Brennstoffzelle.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Leistungserzeugungseinrichtung mit einem Ausführungsbeispiel eines Turboladers, der ein Ausführungsbeispiel einer Medienspaltmaschine aufweist.
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Die einzige Fig. zeigt eine schematische Detaildarstellung eines Ausführungsbeispiels einer als Brennkraftmaschine ausgebildeten Leistungserzeugungseinrichtung 1, die einen Turbolader 3 aufweist. Dargestellt ist dabei insbesondere ein Verdichterrad 5 des Turboladers 3.
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Die Leistungserzeugungseinrichtung kann alternativ als Brennstoffzelle ausgebildet sein.
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Der Turbolader 3 weist eine Medienspaltmaschine 7 auf, die derart stromaufwärts des Verdichterrads 5 angeordnet ist, dass sie im Betrieb von zu dem Verdichterrad 5 strömender Verbrennungsluft durchsetzt wird.
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Die elektrische Medienspaltmaschine 7 weist ein Gehäuse 9 auf, in dem ein Rotor 11 drehbar gelagert ist. Außerdem weist die Medienspaltmaschine 7 einen gehäusefesten Stator 13 auf, mit einer insbesondere mehrphasigen Antriebswicklung 15 zur Erzeugung eines insbesondere mehrpoligen Antriebsmagnetfelds.
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Zwischen dem Rotor 11 und dem Stator 13 ist ein Medienspalt 17 ausgebildet, der eine Drehachse A des Rotors 11 ringförmig umgreift. Die Drehachse A definiert dabei eine Axialrichtung. Im Betrieb der Medienspaltmaschine 7 ist der Medienspalt 17 von einer Medienströmung eines Mediums, insbesondere von Verbrennungsluft der Brennkraftmaschine, durchsetzt. Der Medienspalt 17 ist demnach im Betrieb durch die das Verdichterrad 5 anströmende Verbrennungsluft durchsetzt, das heißt die Verbrennungsluft strömt durch den Medienspalt 17 zu dem Verdichterrad 5.
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In Axialrichtung vor dem Rotor 11, das heißt stromaufwärts des Rotors 11, ist eine Anströmkappe 19 angeordnet, die über eine Mehrzahl von Stegen 21, von denen der besseren Übersichtlichkeit wegen hier nur ein Steg 21 dargestellt ist, drehfest mit dem Gehäuse 9 verbunden ist. Die Stege 21 sind derart geformt und/oder angestellt, dass der den Medienspalt 17 durchsetzenden Medienströmung durch die Stege 21 im Betrieb der Medienspaltmaschine 7 ein Drall vermittelt wird. Auf diese Weise wird insbesondere die Anströmung des Verdichterrads 5 verbessert, der Wirkungsgrad des Turboladers 3 wird erhöht, und die Kennfeldlage des Turboladers 3 wird verbessert.
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Insbesondere dienen die Stege 21 - vorzugsweise in Verbindung mit der Anströmkappe 19 - als Vorleitapparat für das Verdichterrad 5.
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Die Anströmkappe 19 ist vorzugsweise in Axialrichtung in einem endlichen Abstand zu dem Rotor 11 angeordnet, so dass zwischen der Anströmkappe 19 und dem Rotor 11 ein Axialspalt 23 ausgebildet ist.
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Vorzugsweise ist die Anströmkappe 19 über drei Stege 21 oder alternativ über vier Stege 21 mit dem Gehäuse 9 drehfest verbunden. Die Stege 21 sind bevorzugt in gleichen Winkelabständen zueinander, das heißt insbesondere in Umfangsrichtung symmetrisch, angeordnet.
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Bevorzugt fluchtet die Anströmkappe 19 mit dem Rotor 11. Alternativ oder zusätzlich ist ein größter Durchmesser der Anströmkappe 19 gleich einem größten Durchmesser des Rotors 11.
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Vorzugsweise weisen die Anströmkappe 19 und die Stege 21 mindestens einen Kunststoff auf. Besonders bevorzugt bestehen sie aus dem mindestens einen Kunststoff.
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Der Rotor 11 ist vorzugsweise mit einer Welle 25 des Verdichterrads 5 drehfest verbunden.
