DE112010000875B4

DE112010000875B4 - Verbesserungen in einem elektrisch gesteuerten Turbolader

Info

Publication number: DE112010000875B4
Application number: DE201011000875
Authority: DE
Inventors: Will Hippen; Franz J. Laimboeck; Peter Hofbauer; Tyler Garrard
Original assignee: EcoMotors International Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2009-01-12
Filing date: 2010-01-12
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2030-01-13
Also published as: JP5703501B2; CN102301111A; DE112010000875T5; GB201109843D0; GB2478877A8; WO2010081123A9; GB2478877A; DE112010000875T9; JP2012515287A; US20100175377A1; WO2010081123A1

Abstract

Elektrisch gesteuerter Turbolader mit einem Motorgehäuse (302), das einen Motorhohlraum (347) enthält, und einem Elektromotor (300), der in dem Motorhohlraum (347) zwischen einem Turbinenrad (200) und einem Kompressor (400) angebracht ist, wobei der Motor (300) durch direkten Kontakt mit Schmieröl gekühlt wird, das von einer externen Quelle in den Hohlraum (347) eintritt, wobei der Turbolader eine Welle (500) umfasst, die das Turbinenrad (200) mit dem Kompressor (400) verbindet, und wobei das Gehäuse (302) Lager (510, 512) zum Abstützen der Welle (500) und Schmieröldurchgänge (340) innerhalb des Gehäuses (302) zum Empfangen von Schmieröl von einer Druckquelle und Lenken des Schmieröls zu den Lagern (510, 512) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Schmieröls von den Durchgängen (340) zum Motorhohlraum (347) umgeleitet wird, um es mittels sich zwischen den Öldurchgängen (340) und dem Motorhohlraum (347) erstreckenden Öldüsen (350, 352) direkt auf den Stator (332) des Motors (300) strahlzusprühen.

Description

Hintergrund
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist auf das Gebiet von elektrisch gesteuerten Turboladern zur Verwendung bei Brennkraftmaschinen und insbesondere auf das Gebiet von Kühltechniken und anderen Verbesserungen für die Betriebseffizienzen solcher Turbolader gerichtet.
Beschreibung des Standes der Technik
Von herkömmlichen Turboladern ist gut bekannt, dass sie die eigenen Abgase der Kraftmaschine verwenden, um ein Turbinenrad anzutreiben, das wiederum einen Kompressor antreibt, der Frischluft mit erhöhtem Volumen zur Kraftmaschine liefert, um dadurch die Kraftmaschineneffizienz zu erhöhen.
Kraftmaschinenabgase vom Auslasskrümmer treiben ein Turbinenrad an und drehen es mit hoher Drehzahl. Das Turbinenrad dreht sich an einer Welle, die mit einem Kompressor geteilt wird. Der Kompressor komprimiert Außenluft und führt sie dem Einlasskrümmer der Kraftmaschine zu. Die Kompression verursacht, dass mehr Luft und folglich mehr Sauerstoff in jeden Verbrennungszylinder eintreten. Folglich arbeitet die Kraftmaschine bei höheren PS und höherem Drehmoment und mit niedrigerem Zylinderhubraum effizienter als herkömmliche Saugkraftmaschinen. Folglich verbrauchen leichtere Kraftmaschinen unter Verwendung von Turboladern weniger Kraftstoff, während sie dieselbe oder eine bessere Leistung als Kraftmaschinen ohne Turbolader schaffen.
Wenige Dieselkraftmaschinen in neuen Fahrzeugen arbeiten heute ohne Turbolader. Turbolader werden auch bei Benzinkraftmaschinen zunehmend üblich. Andere Nicht-Fahrzeug-Kraftmaschinen profitieren ebenfalls von Turboladern.
Ein Problem bei herkömmlichen Turboladern besteht darin, dass bei niedrigen Kraftmaschinendrehzahlen der Abgasstrom nicht ausreichen könnte, um den Turbolader mit einer genügend hohen Drehzahl anzutreiben, um eine ausreichende Kompressordrehzahl zu erhalten. Ohne ausreichende Kompressordrehzahl ist nicht genügend Kraft vorhanden, um zusätzliche Luft vom Kompressor zum Einlasskrümmer der Kraftmaschine zuzuführen. In einem Fahrzeug, das einen herkömmlichen Turbolader aufweist, nimmt folglich, wenn ein Fahrer schnell vom Leerlauf oder von niedrigen Kraftmaschinendrehzahlen auf hohe Kraftmaschinendrehzahlen beschleunigt, die Kraftmaschinenreaktion zu, aber es wird festgestellt, dass der Effekt der Turboladeraufladung nacheilt. Dies liegt hauptsächlich daran, dass der Turbolader beim Erreichen einer genügend hohen Drehzahl, um eine effektive Erhöhung des Luftvolumens zum Kraftmaschineneinlasskrümmer zu liefern, verzögert ist. Gerade wenn angefordert wird, dass eine Kraftmaschine mehr Leistung liefert, leidet folglich der herkömmliche Turbolader unter einer vorübergehenden Nacheilung oder Verzögerung beim Liefern der gewünschten Luftströmung zu den Verbrennungszylindern der Kraftmaschine.
Aufgrund dieser Probleme wurden Turbolader entwickelt, die einen Elektromotor innerhalb des Turboladers umfassen, um den Kompressor anzutreiben, wenn die Kraftmaschinenabgase unzureichend sind, um das Turbinenrad mit den Drehzahlen anzutreiben, die für die Anforderung notwendig sind. Siehe beispielsweise US 4 769 993 A (1988) und US 5 605 045 A (1997). In Fällen, in denen ein elektrisch gesteuerter Turbolader (”ECT”) verwendet wird, ist die Verzögerung, die normalerweise bei herkömmlichen Turboladern erfahren wird, im Wesentlichen beseitigt. Wenn der Fahrer schnell vom Leerlauf oder von relativ niedrigen Drehzahlen beschleunigen will, wird der Elektromotor des ECT so gesteuert, dass er den Kompressor schnell bis auf eine gewünschte Drehzahl beschleunigt, um ausreichend Luft zum Einlasskrümmer und zu den Verbrennungszylindern zu liefern. Nachdem die Kraftmaschine eine ausreichend hohe Drehzahl erreicht, damit das Abgasvolumen ausreicht, um die Drehzahl des Turbinenrades und des Kompressors des ECT auf dem gewünschten Niveau zu halten, wird die dem Elektromotor zugeführte Leistung durch eine Steuereinheit verringert oder beseitigt und der Turbolader funktioniert in einer herkömmlichen Weise.
In US 5 906 098 A (1999) wird vorgeschlagen, dass ein Motor-Generator verwendet werden könnte, um die Drehbewegung des Turboladers während einer schnellen Verlangsamung in elektrische Energie umzuwandeln, um zumindest einen Teil der elektrischen Bedürfnisse des Fahrzeugs zu liefern. Der Motor-Generator könnte beispielsweise Batterien aufladen oder andere elektrische Bedürfnisse eines Hybridfahrzeugs versorgen.
Es existieren immer noch signifikante Herausforderungen, so dass der Elektromotor eines ECT weiterhin in der rauen Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Drehzahl ohne vorzeitige Ausfälle funktioniert. Typischerweise sind die Abgastemperaturen, die auf der Turbinenradseite eines Turboladers vorhanden sind (≈ 1050°C in Benzinmotoren; niedriger in Dieselmotoren), hoch genug, um sich auf die ganze Struktur nachteilig auszuwirken. Außerdem verursacht die Kompressorseite des Turboladers signifikante Temperaturerhöhungen, da die Erhöhung des Luftdrucks die Lufttemperatur erhöht, die aus dem Turbolader ausgegeben wird, typischerweise im Bereich von 180°C. Überdies kann die Widerstandserwärmung im Stator des Elektromotors zur Wärmebelastung eines ECT beitragen.
Im Allgemeinen ist das Wärmemanagement ein ständiges Anliegen unter Turboladertechnikern. Folglich wurden viele Anstrengungen im Hinblick auf das Wärmemanagement in herkömmlichen Turboladern offenbart. Die früheren Strukturen, Materialien und Techniken bieten jedoch mehrere Gelegenheiten für eine Verbesserung, um intern angebrachte Elektromotoren innerhalb ECTs angemessen zu schützen.
Hohe Temperaturen wirken sich auf den Elektromotor eines ECT in mehreren Weisen aus. Die Isolation an der Statorspulenverdrahtung kann schmelzen. Das Isolationsschmelzen legt eine bloße Verdrahtung frei und kann dazu führen, dass die Spulen miteinander kurzschließen. Der elektrische Widerstand eines Kupferdrahts erhöht sich auch signifikant mit erhöhter Temperatur. Ein höherer Widerstand in den Statorspulen bei hohen Temperaturen verringert die Motoreffizienz und verursacht, dass die Spulen noch mehr Wärme erzeugen. In einigen Fällen kann die Widerstandserwärmung der Spulen innerhalb des Motors mehr Wärme erzeugen als die Wärme, die der Motor von den Abgasen, die den Turbinenradabschnitt erwärmen, und der Luftkompression, die den Kompressionsabschnitt erwärmt, empfängt.
In US 5 605 045 A (1997) sind einige Versuche gezeigt, um eine Kühlung für den Elektromotor in einem ECT durch Montieren von Magneten an der Rückseite des Kompressorrotors und mit einem Kühlmantel, der im Turboladergehäuse ausgebildet ist, der die Motorstatorwicklungen unmittelbar umgibt, zu schaffen. Kraftmaschinenkühlmittel wird im Mantel zirkuliert, um einiges der Wärme vom Stator abzuleiten.
Eine Drehung mit hoher Drehzahl verursacht auch Probleme. Da das Turbinenrad und der Kompressor in herkömmlichen Turboladern zueinander benachbart sind, ist die Welle, die das Turbinenrad und den Kompressor verbindet, relativ kurz. Um einen Elektromotor zwischen dem Turbinenrad und dem Kompressor in einem ECT aufzunehmen, ist eine längere Welle erforderlich. Mit einer längeren Welle werden geringfügige Unvollkommenheiten oder ein Ungleichgewicht in der Welle bei hohen Drehzahlen, mit denen Turbolader arbeiten, vergrößert, Die Zentrifugalkraft folgt der folgenden Gleichung: F = m·ω²r (1), wobei m die Masse ist, ω die Drehzahl (in Radiant pro Zeiteinheit) ist und r der Radius ist. Für eine Drehwellenanordnung mit verschiedenen Massen, die entlang ihrer Länge angeordnet sind, wird die Gleichung komplexer. Trotzdem zeigt die Gleichung dennoch, dass, wenn der Radius der festen Welle vergrößert wird, was ihre Masse erhöht, die Zentrifugalkraft auch zunimmt. Außerdem wird, wenn die Wellenlänge vergrößert wird, die Welle biegsamer und ihre Eigenfrequenzen fallen ab. Folglich können Resonanzschwingungen in der Welle bei niedrigeren Drehzahlen auftreten.
Wenn die Welle nicht vollkommen rund und gleichmäßig ist, verursachen resultierende Ungleichgewichte eine Zentrifugalkraft, die gewöhnlich die Welle in Schwingung versetzt. Irgendein Öl oder Verunreinigungen auf der Welle innerhalb des Motorgehäuses können auch zu geringfügigen Ungleichgewichten der Welle führen. Wenn die Welle Eigenfrequenzen durchläuft, können Ungleichgewichte Resonanzen verstärken, die sich auf den Turbolader nachteilig auswirken können.
Aus der US 6 943 468 B2 ist ein Turbolader mit einem Elektromotor bekannt, bei dem das für den Motorstator vorgesehene Schmieröl durch um die Laderwelle herum ausgebildete Ringspalte in den Motorraum geleitet wird, wo es durch die Zentrifugalkraft bedingt in Richtung des Stators geschleudert wird.
Aus der US 4 329 000 A ist ein Hochgeschwindigkeits-Kugellager bekannt, welches vorgespannt ist, um thermische Ausdehnung während des Betriebs aufzunehmen.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung schafft mehrere Lösungen für Probleme, die beim Konstruieren und Betreiben von ECTs entstehen. In einigen Ausführungsformen wird eine zusätzliche Kühlung für die Statorwicklung des Elektromotors eines ECT durch Besprühen der Wicklungen mit nicht leitenden Flüssigkeiten wie z. B. Schmieröl, das normalerweise zum Schmieren der Lager des Turboladers zugeführt wird, erreicht. Andere Ausführungsformen sehen vor, dass eine zweckgebundene Quelle von nicht leitendem Fluid auf die Statorwicklungen innerhalb des Motorgehäuses gesprüht wird. Noch weitere Ausführungsformen verwenden den im Turboladergehäuse ausgebildeten Kühlmantel, der unmittelbar die Motorstatorwicklungs-Motorkörper umgibt. Durch Vorsehen von Fluiddurchgängen zwischen dem Inneren des Kühlmantels und dem Motorhohlraum innerhalb des Gehäuses ist es möglich, nicht leitende Flüssigkeit wie z. B. Öl in den Kühlmantel zu pumpen und zu ermöglichen, dass Teile der Flüssigkeit in den Motorhohlraum auf die Statorwicklungen gesprüht werden.
Es werden ECT-Gehäuse beschrieben, die ermöglichen, dass nicht leitende Flüssigkeiten wie z. B. Schmieröl, das normalerweise zum Schmieren der Lager der Welle bestimmt ist, teilweise in den Motorhohlraum umgeleitet und direkt auf die Statorwicklungen gesprüht werden. Im Fall der Verwendung von Schmieröl für eine zusätzliche Motorkühlung kann ein Ventil zwischen den Schmierdurchgängen und dem Inneren des Motorhohlraums verwendet werden, um sicherzustellen, dass das Schmieröl einen ausreichenden Druck aufweist, um seinen Hauptzweck zum Schmieren der Lager zu erreichen.
Zusätzlich zu einer zusätzlichen Kühlung werden die verschiedenen Techniken verwendet, um die Resonanzschwingungen in der ECT-Welle zu verringern, einschließlich Vorsehen einer Versteifungshülse über der Welle, Vorsehen von Ölwerfern an der Versteifungshülse, um die Menge an Kühlöl, das auf der Welle abgeschieden wird, zu verringern, und auch Vorsehen von Ausdehnungen mit kleinerem Durchmesser für den Rotor zum Montieren von Klemmen mit kleinerem Durchmesser, die die Masse des Rotors an der Welle verringern, und Vorsehen von asymmetrisch bemessenen Lagern.
In einem Einzelwellen-ECT verwendet eine Lagergehäuseverbesserung sowohl eine äußere Lagerhülse und ein inneres Zapfenlager, um eine zukünftige Entfernung und einen zukünftigen Austausch der Lagerhülse zu ermöglichen, als auch einzigartige Axiallager- und Dichtungskonfigurationen.
In einer konzentrischen Wellenkonfiguration verwendet der ECT ein verbessertes Schmiersystem, das ein Lager mit schaufelartigen Durchgängen zum Lenken des Öls zwischen den Wellen gegen die Zentrifugalkräfte, die an den Wellen während Drehungen mit hoher Drehzahl vorhanden sind, verwendet.
Zusätzliche Verbesserungen eines ECT werden gezeigt, in dem konzentrische Wellen durch Zuführen von Öl zu einem Ende einer inneren Hohlwelle geschmiert werden und das Öl zur Verteilung zu den Lagern und zum Raum zwischen den Wellen zum anderen Ende und zu dazwischen angeordneten Schmierkanälen über eine Schraubenliniennut, die entlang der inneren Oberfläche der Hohlwelle ausgebildet ist, befördert wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Betrieb eines ECT durch Sprühen eines Kühlfluids auf die Statorwicklungen des Antriebselektromotors zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Schmieröl von Lagerschmierdurchgangen in einem ECT-Gehäuse umzuleiten und das umgeleitete Schmieröl auf die Statorwicklungen innerhalb des Motorhohlraums zu sprühen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Schmieröl auf den Stator eines ECT zu sprühen, nachdem solches Öl verwendet wurde, um die Lager zu schmieren.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Kühlöl auf den Stator eines ECT durch Kanäle zu sprühen, die sich zwischen dem Kühlmantel und dem Motorhohlraum erstrecken.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mittel innerhalb des Gehäuses eines ECT zu schaffen, das für die gesteuerte Umleitung von Schmieröl zu den Statorwicklungen des Antriebselektromotors sorgt.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Betrieb eines ECT durch Dekontaminieren des Schmieröls, bevor es auf die Statorwicklungen des Antriebselektromotors gesprüht wird, zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Betrieb eines ECT durch Entfernen von Luft vom Öl, das aus dem Motorhohlraum nach dem Besprühen der Statorwicklungen abgelassen wird, zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Betrieb eines ECT durch Versehen der gemeinsamen Welle des Turbinenradrotors, des Antriebselektromotorrotors und des Kompressorrotors mit einer Versteifungshülse, um ihre Eigenresonanz zu unterdrücken, zu schaffen.
Es ist eine nochmals weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Versteifungshülse mit mindestens einem Ölwerfer zu versehen, um die Ölmasse auf dem Rotor des Motors zu verringern.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Zapfenlagergehäuse zum Festhalten und Schmieren eines Zapfenlagers zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kühlmantel für die Kompressorstufe eines ECT zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kupplungsmechanismus zum Einrücken der durch Abgas angetriebenen Turbinenradstufe eines ECT zu schaffen, um zu ermöglichen, dass das eingerückte Turbinenrad die Kompressorstufe direkt antreibt, wenn das Turbinenrad eine vorbestimmte und ausreichende Drehzahl erreicht.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten ECT zu schaffen, der eine einzelne Welle verwendet, die sich zwischen der Turbinenrad- und Kompressorstufe erstreckt, und den Rotor des Elektromotors und ein verbessertes Lagerschmiersystem enthält.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten ECT zu schaffen, der konzentrische Wellen und ein verbessertes Schmiersystem für die Wellen und die Lager verwendet.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten ECT zu schaffen, der gegenüberliegende Oberflächen von inneren und äußeren konzentrischen Wellen durch Zuführen von Schmieröl von einem Ende und Befördern des Öls zwischen den Wellen für ihre ganzen Längen schmiert, wobei eine Schraubenliniennut in der inneren Oberfläche der inneren Hohlwelle ausgebildet ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten ECT zu schaffen, der Lager unter Verwendung von Schmieröl, das von einem Ende der konzentrischen Wellen zugeführt wird, und durch Vorsehen von Öffnungen in der äußeren Welle, um zu ermöglichen, dass Zentrifugalkräfte, die der rotierenden äußeren Welle verliehen werden, das Schmieröl in die Lager drängen, schmiert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm eines elektrisch gesteuerten Turboladers, das eine optionale Kupplung zeigt.
2 und 3 sind äußere perspektivische Ansichten eines elektrisch gesteuerten Turboladers.
4 ist eine aufgeschnittene Ansicht eines elektrisch gesteuerten Turboladers.
5 ist eine Querschnittsansicht eines elektrisch gesteuerten Turboladers mit peripheren Elementen.
6 ist ein vergrößerter Abschnitt der Ölverteilungsdurchgänge und des Motorhohlraums, die in 5 gezeigt sind.
7 ist eine Querschnittsansicht eines Rückschlagventils.
8 ist eine perspektivische Ansicht der Turboladerwelle, des Motorrotors und der beweglichen Teile des Turbinenrades und des Kompressors.
9 ist eine perspektivische, aufgeschnittene Ansicht der Turboladerwelle, des Motorrotors und der beweglichen Teile des Turbinenrades und des Kompressors.
10 ist eine Schnittansicht der Turboladerwelle, des Motorrotors und der beweglichen Teile des Turbinenrades und des Kompressors.
11 ist eine Ansicht des Rotors und des Motors in auseinandergezogener Anordnung mit dem Wellenversteifungselement.
12 ist eine Querschnittsdraufsicht des zusammengefügten Rotors und der Wellenversteifung, die in 11 gezeigt sind.
13 ist eine Querschnittsansicht des ECT entlang der Schnittlinie XII-XII in 6, die radial gerichtete Sprühkanäle zeigt, die von den Schmierdurchgängen zum Motorhohlraum führen.
14 ist eine Querschnittsansicht des ECT entlang der Schnittlinie XII-XII in 6, die rotatorisch gerichtete Sprühkanäle zeigt, die von den Schmierdurchgängen zum Motorhohlraum führen.
15 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines ECT mit konzentrischen Wellen und dem Schmiersystem, das verwendet wird, um Schmieröl in die Lager und den Motorhohlraum zu drängen.
16 ist eine Querschnittsansicht eines Einzelwellen-ECT mit einem zweistufigen Kompressor und einem Kompressorkühlmantel.
17 ist eine Querschnittsansicht eines ECT mit konzentrischen Wellen mit einem zweistufigen Kompressor und einem Kompressorkühlmantel.
18 ist eine Querschnittsansicht eines ECT mit konzentrischen Wellen mit einem zweistufigen Turbinenrad, einem zweistufigen Kompressor und einem Kompressorkühlmantel.
19A–19d sind Ansichten in auseinandergezogener Anordnung und zusammengesetzte Ansichten eines Abschnitts der konzentrischen Wellen.
20 ist eine Querschnittsansicht eines Drehlagers mit schaufelartigen Durchgängen.
21 ist eine Querschnittsansicht eines ECT mit konzentrischen Wellen mit einer Endzufuhrschmierung.
22 ist eine vergrößerte Ansicht des Lagerabschnitts von 21, der ohne Loslagerelement gezeigt ist.
23 ist eine vergrößerte Ansicht des Lagerabschnitts von 21, der mit einem Loslagerelement gezeigt ist.
24 ist eine Draufsicht des Endes eines ECT, die Schmierölzufuhrverbindungen zeigt.
25 ist eine teilweise aufgeschnittene Ansicht des Endes eines ECT, die Schmierölzufuhrverbindungen und -durchgänge zum Ende einer Welle zeigt.
26 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines ECT, wie in 26 gezeigt, die Schmierölzufuhrdurchgänge zum Ende einer Welle zeigt.
26A ist eine vergrößerte Querschnittsansicht von 26, die Details der Schmierölzufuhrdurchgang-Verbindung zum Ende einer Welle zeigt.
27 ist eine vergrößerte Ansicht eines optionalen Kupplungsmechanismus.
28 ist eine perspektivische Ansicht eines zweistufigen ECT, der zur externen Zwischenkühlerverbindung ausgelegt ist.
29 ist eine Querschnittsansicht des ECT in 28.
Ausführliche Beschreibung
Im Blockdiagramm von 1 umfasst ein elektrisch gesteuerter Turbolader 100 ein Turbinenrad 200, einen Kompressor 400, einen Motor 300, eine Wellenanordnung 500 und eine Steuereinheit 600. Der Motor 300 ist zwischen dem Turbinenrad 200 und dem Kompressor 400 angeordnet und die Wellenanordnung 500 verbindet das Turbinenrad 200, den Kompressor 400 und den Motor 300 miteinander. Das Turbinenrad 200 und der Kompressor 400 sind jeweils an der Welle 500 befestigt, um eine einzige Einheit zu bilden. Das Turbinenrad 200, der Kompressor 400, der Motor 300 und die Wellenanordnung 500 können andere relative physikalische Anordnungen aufweisen. Die Steuereinheit 600 steuert den Betrieb des Motors 300 durch die Verbindung 602 (5). Alternativ kann eine Kupplung 700 (in gestrichelten Linien gezeigt) zwischen dem Motor 300 und dem Turbinenrad 200 verwendet werden, um zu ermöglichen, dass der Elektromotor 300 den Kompressor 400 unabhängig von der Turbinenradlast bei niedrigen Drehzahlen dreht. Da der Elektromotor 300 in einem ECT verwendet wird, um für ein schwach angetriebenes Turbinenrad bei niedrigen Kraftmaschinendrehzahlen zu übernehmen, ermöglicht die Verwendung einer Kupplung, um das Turbinenrad von der Motorlast zu lösen, dass ein ECT mit einem kompakteren und kleineren Motor konstruiert wird. Natürlich, bis das Turbinenrad 200 eine genügend hohe Drehzahl erreicht, um für den Elektromotor 300 zu übernehmen. Die Kupplung 700 wird eingerückt, um zu ermöglichen, dass das Turbinenrad 200 den Kompressor 400 antreibt. Die Verwendung einer Kupplung ermöglicht, dass der Motor 300 effizienter ist, da er nicht die Belastung der Turbinenradlast bei niedrigen Drehzahlen aufweist. Eine Ausführungsform einer elektrischen Kupplung ist in 24 gezeigt. Andere Kupplungskonstruktionen wie z. B. mechanische Fliekraft-, Hydraulik- oder Freilaufkonstruktionen können jedoch auch in Betracht gezogen werden.
In den externen perspektivischen Ansichten von 2 und 3 des elektrisch gesteuerten Turboladers 100 umfasst das Gehäuse 202 des Turbinenrades 200 einen Einlassflansch 206 am Einlass 212. Abgase von einer Kraftmaschine (nicht dargestellt) treten in den Einlass 212 ein und strömen durch einen Diffusor 214 (siehe auch 4 und 5). In dieser Ausführungsform schafft der Diffusor 214 einen Spiralweg für die ankommenden Abgase und kann daher in Richtung der Mitte eine abnehmende Abmessung aufweisen. Vergleiche die Abmessungen bei 216 und 218 (4 und 5). Diese abnehmende Abmessung verkleinert die Querschnittsfläche des Diffusors, wenn er spiralförmig nach innen läuft, was im normalen Betrieb eine erhöhte Geschwindigkeit der Abgase bewirkt. In Abhängigkeit von den Umständen kann es erwünscht sein, dass der Diffusor eine andere Form aufweist.
Der Diffusor 214 weist eine nach innen weisende, verjüngte Öffnung 220 (4), die mit der zentralen Öffnung 222 des Turbinenradgehäuses 202 in Verbindung steht, auf. Das Turbinenlaufrad 204 weist Turbinenradschaufeln 208 auf, die um das Turbinenlaufrad beabstandet sind. Wenn Abgase durch die Öffnung 220 von dem Diffusor hindurchtreten, wirken die Gase auf die Turbinenradschaufeln 208 und bewirken, dass sich das Turbinenlaufrad 204 dreht. Siehe auch 8, 9 und 10 für andere Ansichten des Turbinenlaufrades 204 und der Turbinenradschaufeln 208 ohne die umgebende Struktur des Turbinenradgehäuses 202.
Der Flansch 206 ist an einem komplementären Anschlussstück am Kraftmaschinen-Auslasskrümmer (nicht dargestellt) befestigt, so dass Abgase in den Einlass 212 und den Diffusor 214 eintreten. Nachdem die Abgase das Turbinenlaufrad 204 drehen, strömen die verbrauchten Gase durch die Öffnung 222 und in ein Auslasssystem, das ein Schadstoffbehandlungssystem, einen Schalldämpfer und ein Auspuffendrohr umfassen kann. Ein Teil der Abgase kann zum Einlasskrümmer gelenkt werden, um Abgas wieder in den Verbrennungsprozess zurückzuführen. Der Flansch 210 umgibt die Öffnung 222 und ist zur Befestigung am Auslasssystem vorgesehen.
Das Turbinenradgehäuse 202 ist vorzugsweise aus Gusseisen oder einem anderen Material mit einem hohen Schmelzpunkt gebildet, das seine Festigkeit aufrechterhält, wenn es Abgasen mit hoher Temperatur, beispielsweise bis zu 1050°C ausgesetzt wird.
Das Turbinenrad 200 kann einen Ladedruckbegrenzer oder andere Merkmale umfassen, die ermöglichen, dass Abgase das Turbinenrad umgehen. Wenn in einer speziellen Installation das Turbinenrad über einer festgelegten Ausgangsleistung arbeiten würde, könnten übermäßige Wärme und Turbinenraddrehzahl aufgebaut werden und der Kompressor könnte zu stark komprimierte Luft zu den Kraftmaschinenverbrennungszylindern zuführen. Ein Ladedruckbegrenzer würde dieses Problem lösen.
Der Kompressor 400 umfasst ein Kompressorgehäuse 404, das in 2, 3, 4 und 5 dargestellt ist. Der Kompressor 400 lässt Druckluft durch einen Auslass 406 in den Einlasskrümmer (nicht dargestellt) der Kraftmaschine aus. Der Kompressor 400 kann auch ein Druckentlastungsventil (nicht dargestellt) umfassen. Wenn der Kompressor über einer festgelegten Ausgangsleistung arbeiten würde, kann sich zu viel Kompressordrehzahl aufbauen und der Kompressor könnte zu stark komprimierte Luft zu den Kraftmaschinenverbrennungszylindern zuführen. Das Druckentlastungsventil löst dieses Problem.
Der Kompressor 400 umfasst ein Kompressorrad 408, das in 4, 5, 8, 9 und 10 dargestellt ist. Außenluft, z. B. von einem Luftfilter (nicht dargestellt), wird in den Kompressor 400 durch den Kompressoreinlass 410 geleitet. Eine Öffnung 418 steht mit dem Kompressoreinlass in Verbindung, um Luft zum Diffusor 412 zu leiten, der ein Spiraldurchgang sein kann, der sich von einer kleineren inneren Größe bei 416 zu einer größeren inneren Größe bei 414 aufweitet. Das Kompressorrad 408 saugt Luft durch den Einlass 410 und beschleunigt die Luft radial durch die Öffnung 418 zum Diffusor 412. Der Diffusor erhöht den Luftdruck, während er ihre Geschwindigkeit verringert.
Der erhöhte Luftdruck innerhalb des Kompressors 400 verursacht eine beträchtliche Erwärmung der Luft, die zum Kompressorgehäuse 404 und zu anderen Teilen innerhalb des Kompressors wandert. Einiges dieser Wärme kann zum Elektromotor 300 geleitet werden. Obwohl ein Zwischenkühler in einem Turbolader zwischen dem Kompressor und dem Einlasskrümmer vorgesehen sein kann, besteht die Hauptfunktion des Zwischenkühlers darin, die Lufttemperatur aus dem Kompressor zu senken und die Luftdichte zu erhöhen. Normalerweise verringert er nicht die Übertragung von Wärme vom Kompressor zum Gehäuse und zum Elektromotor 300.
Der Motor 300 umfasst ein Gehäuse 302, das in dieser Ausführungsform in zwei Abschnitten 304 und 306 vorliegt. Die zwei Abschnitte können aneinander abgedichtet sein, können jedoch trennbar sein, um internen Zugang zur Montage sowie zur Reparatur und Wartung zu schaffen. Eine oder mehrere Dichtungen wie z. B. ein O-Ring 326 werden verwendet, um die zwei Motorgehäuseabschnitte abzudichten.
Der Motor 300 kann ein Induktionsmotor, ein Permanentmagnetmotor, ein geschalteter Reluktanzmotor oder andere Typen von Motoren oder einer Elektromaschine sein. In den hier offenbarten Ausführungsformen ist ein Elektromotor gezeigt, der eine Statorwicklung und ein Induktionsmotor-Rotorelement aufweist.
Das Motorgehäuse 302 umfasst einen Öleinlass 308 zum Empfangen von Öl und einen Ölablauf 314 zum Leiten von Öl aus dem Motor. Dieses Öl wird intern zum Schmieren von beweglichen Teilen und Kühlen von Teilen des Motors gelenkt. Die Quelle 310 des Öls (schematisch in 5 gezeigt) kann Kraftmaschinenkurbelgehäuseöl oder eine separate Ölpumpenquelle sein. Einige Kraftmaschineen weisen durch die Kraftmaschine angetriebene mechanische Pumpen auf, die das Pumpen von Öl in die Kraftmaschine beginnen, wenn die Kraftmaschine beginnt zu arbeiten. Diese Kraftmaschinen können auf Öl, das auf beweglichen Teilen nach dem Kraftmaschinenabschalten verbleibt, für die anfängliche Schmierung beruhen. Einige Teile des Turboladers 100 können von Öl unter Druck schneller profitieren. Angemessenes Öl kann beispielsweise für die Turboladerlager kritischer sein als für die Kühlung des Turboladermotors.
Das große Volumen des Kurbelgehäuseöls schafft ein größeres Reservoir zum Ableiten von Wärme vom Turbolader 100, wie in dieser Anmeldung weiter erläutert. Das Kurbelgehäuseölvolumen könnte auch vergrößert werden, beispielsweise um einen oder mehrere Liter, um zur Wärmeableitungsfähigkeit der Ölquelle beizutragen. Ein Ölkühler könnte auch verwendet werden. Die Verwendung von Öl von einer separaten Quelle verhindert dagegen, dass das Öl durch irgendwelche Bedingungen, die das Kraftmaschinenöl verunreinigen, verunreinigt wird.
Ob das Öl vom Kraftmaschinenkurbelgehäuse oder von einer separaten Quelle stammt, kann eine separate Pumpe 328 (in 5 schematisch gezeigt) das Öl für den Stator und die Lager pumpen. Eine solche Pumpe könnte elektrisch oder mechanisch sein. Eine elektrische Pumpe kann die Ölströmung einleiten, bevor sich die Kraftmaschine umdreht, wie z. B. wenn der Fahrer das Fahrzeug startet, aber bevor die Steuereinheit der Kraftmaschine die Zündung einleitet. Diese separate Ölpumpe kann bei Kraftmaschinen vorteilhaft sein, die häufig starten und stoppen, wie z. B. jene in Hybridfahrzeugen. Die separate Ölpumpe kann thermostatisch gesteuert werden und kann daher nach der Kraftmaschinenabschaltung weiter laufen, bis die Temperaturen im Turbolader 100 auf annehmbare Pegel fallen.
Das Motorgehäuse 302 umfasst einen elektrischen Verbindungsstecker 322, der elektrische Verbindungen mit dem Motor 300 vorsieht. Eine Zuleitung 602 von der Steuereinheit 600 (5) kann mit dem Motor durch den elektrischen Verbindungsstecker 322 verbinden. Der Motor kann auch einen Kühlmitteleinlass 348 (2) zum Empfangen von Kühlmittel und einen Kühlmittelauslass 320 (3) zum Zurückführen des Kühlmittels zu einem Kühler oder einer anderen Kühlfluidquelle umfassen. Das Kühlsystem kann eine separate elektrische oder mechanische Pumpe aufweisen, um Kühlmittel zum Kühlmitteleinlass 348 zu lenken. Diese Pumpe kann auch unter der Steuerung der Steuereinheit 600 stehen, die Daten von einem Thermostaten empfangen kann. Das Kühlmittel zirkuliert durch einen Kühlmantel 318 (5 und 6), der innerhalb des Motorgehäuseabschnitts 306 benachbart zum Motorstator 332 ausgebildet ist.
Das Motorgehäuse 302 kann aus Gusseisen oder einem anderen geeigneten Material ausgebildet sein. Das Motorgehäuse 302 kann verschiedene interne Stützen umfassen, Gusseisen kann den beträchtlichen Wärmebelastungen ohne Schwächung standhalten. Trotzdem könnte ein keramischer oder anderer Isolator das Gusseisen ersetzen oder zusätzlich zu diesem verwendet werden, wenn Kräfte an den Teilen des Motorgehäuses nicht hoch sind. Da ein Keramikmaterial weniger wärmleitend ist als Gusseisen, verringert es die Wärmeströmung vom Turbinenrad 200 zum Motor 300 und zu den Lagern 510 und 512.
Wenn die zugehörige Kraftmaschine im Leerlauf oder mit niedriger Ausgangsleistung arbeitet und eine Anforderung für erhöhte Leistung zur Beschleunigung durchgeführt wird, kann ein niedriger Abgasausgang unzureichend sein, um das Turbinenrad 200 mit einer Drehzahl anzutreiben, die den Kompressor 400 angemessen antreibt. Um eine Verzögerung zu vermeiden, bis die Kraftmaschine ausreichend Abgas entwickelt, um den Kompressor mit der Betriebsausgangsleistung anzutreiben, wird der Motor 300 erregt, um den Kompressor unmittelbar mit der gewünschten Drehzahl anzutreiben. Die Steuereinheit 600 empfängt Daten über die Kraftmaschinenbedingungen, wie z. B. Last, Drehzahl, Drosselklappenposition, Kraftstoffströmung und andere Informationen und wirkt zum Steuern der elektrischen Leistung, um den Motor 300 anzutreiben. Um die Verzögerung zu beseitigen, aktiviert die Steuereinheit den Motor 300, um ein Drehmoment an der Wellenanordnung 500 zu erzeugen, das bewirkt, dass sich der Kompressor 400 schneller dreht, und um die Luft bis auf die volle Kapazität des Motors mit Druck zu beaufschlagen, selbst bei niedrigeren Kraftmaschinendrehzahlen.
Die in 4–10 gezeigte Einzelwellenanordnung 500 umfasst eine Welle 504, die mit dem Turbinenrad 200 verbindet und sich zu diesem, über den Motor 300 und in den Kompressor 400 erstreckt. Das Drehmoment von Abgasen, die auf Schaufeln 208 des Turbinenlaufrades 204 wirken, verursachen, dass sich die Welle dreht. Die Drehung der Welle führt zur Drehung des Kompressorrades 408.
Das Motorgehäuse 302 enthält einen Motorhohlraum 347, der den Elektromotor 300 umgibt. Der Motorhohlraum 347 steht mit einem Ölablauf 314 in offener Verbindung. Die Welle 504 verläuft durch den Motorhohlraum 347 und ist zur Drehung darin durch Lager 510 und 512 aufgehängt.
Der Motor 300 weist einen Rotor 330 auf, der an der Welle 504 angebracht ist und der sich mit der Welle 504 dreht. Der Stator 332 ist innerhalb des Motorhohlraums 347 so angebracht, dass er den Rotor 330 umgibt. Der Stator 332 kann eng gepackte isolierte Drähte in Spulen (nicht dargestellt) und einen Lamellierungsstapel 346 aufweisen. Das Material, die Stärke, die Wicklung, die Isolation und andere Merkmale des Drahts und die Eigenschaften des Lamellierungsstapels können wegen ihrer elektrischen, magnetischen, Umgebungs- und anderer Faktoren gewählt werden.
Der Motor 300 kann hohen Temperaturen vom Turbinenrad 200 und Kompressor 400 und von der Widerstandserwärmung im Stator 332 ausgesetzt werden. Es ist natürlich erwünscht, die Auswirkungen der Wärme auf den Motor 300 und alle zugehörigen Elemente zu minimieren. In der in 5 und 6 gezeigten Ausführungsform wird das in das Gehäuse 302 für den Zweck des Schmierens der Lager 4510 und 512 gepumpte Schmieröl teilweise auf den Stator 332 für den Zweck des Kühlens des Stators umgeleitet und gesprüht. Um den Stator zu kühlen, wird Öl durch Öldüsen 350 und 352, die sich zwischen den Öldurchgängen 340 und dem Motorhohlraum 347 erstrecken, gegen den Stator strahlgesprüht. Das Öl stammt von der Ölquelle 310 (5 schematisch), die das Kraftmaschinenkurbelgehäuse oder ein separates Ölreservoir sein kann. Das Öl kann auch von einer alternativen und zweckgebundenen Quelle spezifisch zum Schmieren der Lager des Turboladers (nachstehend beschrieben) stammen. Das auf den Stator 332 gesprühte Öl strömt dann in einen Sumpfablauf 336 (4 und 5), wo es sich sammelt und zum Kurbelgehäuse oder einem separaten Ölreservoir zurück strömt. In 5 ist ein Luftabscheider 317 dargestellt, um die Entfernung von Luftblasen aus dem Öl vor der Rückführung zum Sumpf zu unterstützen.
Eine Strahlungswärmeabschirmung 334 (4 und 6) kann vorgesehen sein, um Strahlungswärme vom Turbinenrad 200 vom Motorgehäuse 302 und vom Motor 300 weg zu reflektieren. Eine oder mehrere leitende Wärmeabschirmungen 358 (in 5 schematisch gezeigt) können vorgesehen sein, um der Wärmeübertragung vom Kompressor 400 oder Turbinenrad 200 auf den Motor Widerstand zu leisten. Die leitende Wärmeabschirmung kann Keramik oder ein anderes geeignetes Material sein, das der Wärmeübertragung Widerstand leistet. Strahlungswärmeabschirmungen können Metall oder ein anderes Material sein. Zusätzliche Wärmeabschirmungen und eine zusätzliche Wärmeisolation könnten anderswo im Turbolader 100 verwendet werden.
Der Turbolader 100 kann verschiedene Standard-Turboladerturbinenrad- und -Kompressorkomponenten verwenden oder die Komponenten können speziell konstruiert sein. Außerdem können das Turbinenrad 200 und der Kompressor 400 eine variable Geometrie verwenden. Doppelseitige Kompressorräder könnten verwendet werden.
In 4, 5 und 6 sind zwei Lager 510 und 512 als die Welle 504 abstützend gezeigt. Um den Motor 300 zwischen dem Turbinenrad 200 und dem Kompressor 400 unterzubringen, kann die Welle 504 länger sein als Standard-Turboladerwellen, d. h. Turbolader ohne Motoren. Diese zusätzliche Wellenlänge vergrößert die Länge zwischen den Lagern 510 und 512. Während alle anderen Dinge gleich sind, führt die zusätzliche Länge zu einer flexibleren Welle. Wenn sich die Welle 504 mit hohen Drehzahlen dreht, kann sie ihre Eigenfrequenzen durchlaufen und einer Resonanz unterzogen werden.
Um die Wellenschwingungen zu verringern, umfasst die Einzelwellenanordnung 500 ein Hülsenelement einer Wellenversteifung 516, das um einen zentralen Abschnitt der Welle 504 angeordnet ist. Siehe 4–6 und 8–12. Der Rotor ist durch einen Presssitz vielmehr an der Versteifung als direkt in Kontakt mit der Welle 504 befestigt. Die Versteifung verstärkt die Welle in einer Weise, die einen in der Schwingung verringerten Betrieb durch und zwischen Resonanzdrehzahlen ermöglicht.
Die Versteifung 516 kann aus verschiedenen Materialien bestehen. Eine Inconel^®-Legierung ist jedoch bevorzugt, da Inconel Eigenschaften aufweist, die bewirken, dass es als Wärmebarriere wirkt. Folglich kann die Versteifung 516 auch beim Verringern der Übertragung von Wärme von der Welle 504 zum Rotor 330 wirksam sein. Die Welle 504 kann hohen Wärmebelastungen von Abgasen und heißer Druckluft im Kompressor 400 ausgesetzt werden. Die Versteifung kann auch als Anordnung eines Präzisionspresssitzes von zwei oder mehr sehr gesteuerten zylindrischen Teilen ausgebildet sein, um einen Mechanismus zur Befestigung zwischen sowohl dem Rotor und der Versteifung als auch der Versteifung und der Welle zu schaffen. Keile oder andere gezahnte Drehmomentübertragungsmechanismen sind Alternativen, obwohl sie aufgrund der Schwierigkeit beim Halten von Wellengleichgewichtstoleranzen und erhöhter lokaler Belastung an den Teilen weniger erwünscht sein können.
Die Welle 504 ist abgestuft, so dass die Lager 510 und 512 verschiedene Größen aufweisen, um Differenzen des Außendurchmessers der Welle an den jeweiligen Lagern auszugleichen. Jedes Wellenlager umfasst ein Zapfenlager und ein Axiallager, um eine Drehung zwischen Teilen zu ermöglichen, während sie axialen Lasten Widerstand leisten. Ein einzelnes Axiallager, das axialen Lasten in beiden axialen Richtungen Widerstand leistet, kann genügen. Axiallager beruhen auf einer dünnen Schicht von Drucköl oder einer anderen Flüssigkeit, um den axialen Druck abzustützen. Ebenso kann eine dünne Ölschicht in den Zapfenlagern 510 und 512 die Welle 504 von der Lagerstruktur und vom Motorgehäuse 302 trennen. Wälzelementlager oder eine Kombination von Wälzelement- und Zapfen- und Axiallagern können auch verwendet werden. Axiallager und Dichtungen werden nachstehend genauer erläutert.
Das Motorgehäuse 302 umfasst innere Strukturen, die den Stator 332 und den Rotor 330 im Wesentlichen umgeben. Das Motorgehäuse 302 umfasst einen oder mehrere Öldurchgänge 340, die zwischen dem Öleinlass 308 und den Lagern 510 und 512 verbinden. Siehe 4, 5 und 6.
Das Motorgehäuse 302 umfasst eine oder mehrere Düsen 350 und 352, die Öl aus dem Durchgang 340 sprühen. Siehe 4 und 6. Die Düsen können als Mündungsstücke zum Sprühen von Drucköl gegen den Stator 332 wirken. Die Düsen 350 und 352 können separate Mündungsstücke oder ähnliche Strukturen umfassen, um das Öl auszugeben. Ebenso können die Düsen 350 und 352 Formen aufweisen, die bewirken, dass das Öl in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung die Düsen in gewünschten Sprühmustern wie z. B. Fächern, Kegeln, geraden Strömen, langsamen Tropfen oder anderen Mustern oder Kombinationen der Muster verlässt. Außerdem können einige Düsen in einem Muster sprühen und andere Düsen können in anderen Mustern sprühen. Die Düsen können so bemessen sein, dass sie reichlich Öl zum Kühlen des Stators bereitstellen, ohne den Lagern 510 und 512 das Öl vorzuenthalten. In 4 und 6 sprühen die Düsen Öl von den Seiten des Stators 332, aber die Düsen können anderswo relativ zum Stator angeordnet sein, solange eine angemessene Zufuhr von Öl den Stator kontaktiert. Wenn beispielsweise eine Öldüse verwendet wird, kann sie so positioniert sein, dass sie an der Oberseite des Stators gegen die Statorlamellierungen sprüht, so dass das Öl unter der Schwerkraft über die Statorspulen abläuft. Düsen könnten auch so positioniert sein, dass sie Öl in einer axialen oder schrägen Richtung sprühen. Zusätzliche Düsen und/oder Öffnungen können über das ganze Motorgehäuse vorgesehen sein und so gezielt sein, dass das Öl gewünschte Stellen am Stator erreicht. Öl vom Kraftmaschinenkurbelgehäuse oder von einer anderen Ölquelle kann folglich verwendet werden, um den Motor 300 zu kühlen und die Wellenlager 510 und 512 zu schmieren.
Der Stator 332 kann mit freigelegten Spulen konstruiert sein, so dass das Öl die Spulen selbst erreicht. Öl ist ein elektrischer Isolator, so dass das Ermöglichen, dass das Öl die Spulen kontaktiert, keine Kurzschlüsse verursacht oder einen elektrischen Fluss zu benachbarten Spulen oder einer anderen Struktur im Motor ermöglicht. Der Stator kann eine oder mehrere Rippen (nicht dargestellt) aufweisen, um die Verteilung von Wärme zu unterstützen.
Da Öl zum Kühlen des Stators 332 verwendet wird, sollte die Ölzufuhr für die Lager eine ausreichende Kapazität aufweisen, um zum Kühlen verwendetes Öl zu kompensieren. Ein Wärmetauscher oder ein anderes System zum Kühlen des Öls kann an geeigneten Stellen im Ölsystem vorgesehen sein.
Die Düsen 350 und 352 können jeweilige Ventile umfassen, um die Ölströmung zu verzögern, bis der Öldruck gewünschte Pegel erreicht. Siehe das Ventil 354, das in 6 und 7 schematisch gezeigt ist. In 7 ist ein Rückschlagventil gezeigt, das für diesen Zweck geeignet ist. In diesem Ventil ist eine Rückschlagventilkugel 353 normalerweise durch die Kraft der Vorbelastungsfeder abgedichtet geschlossen. Wenn der Druck des Fluids am Einlass 355 einen vorbestimmten Wert überschreitet, wird die Kugel gegen die Vorbelastungsfederkraft aufgeschoben. Beim Erreichen und Aufrechterhalten zumindest dieses vorbestimmten Druckwerts tritt das Öl durch die Sprühdüse 351 hindurch. In dieser Weise bleiben die Ventile nur dann offen, um Öl auf den Stator 332 zu sprühen, wenn die Lager 510 und 512 genügend Öl aufweisen oder von diesen abgeschätzt wird, dass sie genügend Öl aufweisen. Die Ventile können einen minimalen Öldruck für die Lager aufrechterhalten, ohne zu ermöglichen, dass der Öldruck aufgrund von Öl, das zum Kühlen zum Stator strömt, abfällt.
Wenn Öl um den Stator 332 und seine Spulen strömt, tropft es in den Sumpfablauf 336 (4 und 5). Um das Öl vom Rotor 330 abzuhalten, kann sich eine Schale 324 (6) unter einem Teil des Stators erstrecken. Die Schale 324 kann sich etwa 180° um den Stator erstrecken. Die Schale kann einen oder mehrere Abläufe aufweisen. Wenn das Öl die Kanten der Schale erreicht, tropft das Öl in den Sumpfablauf 336.
Öl im Sumpfablauf 336 kann durch einen Ölauslass 314 (2, 3, 4 und 5) strömen, von dem das Öl zum Kurbelgehäuse oder einem anderen Ölreservoir zurückkehrt. Der Ölauslass kann geeignet bemessen und angeordnet sein, um einen vollständigen Ablauf von Öl bei angemessenen Fahrzeuglagen (Steigungen, Neigungswinkel und Winkel- und lineare Beschleunigung) zu ermöglichen.
Eine Vakuumpumpe 316 (5) bringt einen Unterdruck auf den Auslass 314 auf, um Öl durch den Auslass zu saugen. Ohne Lüftung könnte der niedrige Druck innerhalb des Motorgehäuses 302, der durch die Vakuumpumpe verursacht wird, Abgase vom Turbinenrad 200 in das Motorgehäuse saugen. Daher ist eine Lüftungsöffnung 356 (2) im Motorgehäuse enthalten, durch die frische Umgebungs- oder Kurbelgehäuseluft strömt, um zu verhindern, dass sich ein Unterdruck im Motorgehäuse bildet. Folglich verhindert die Lüftungsöffnung das Saugen von Abgas in das Motorgehäuse 302. Um zu verhindern, dass die Lüftungsöffnung Wasser oder andere Verunreinigungen in den Motor 300 saugt, kann ein Filter, ein Aktivkohlebehälter, ein Einwegventil oder eine andere Sperrvorrichtung enthalten sein.
Unverunreinigtes Öl ist ein guter elektrischer Isolator, aber Öl kann mit Metallpartikeln und Wasser verunreinigt werden, die beide für elektrische Vorrichtungen schädlich sein können. Daher können das Ausfiltern von Verunreinigungen und das Abtrennen von Wasser von Öl, das im Turbolader 100 verwendet wird, wertvoll sein. Herkömmliche Kraftmaschinenölfilter und Öl/Wasser-Abscheider sind wahrscheinlich zum Filtern von Kurbelgehäuseöl für die Kraftmaschinenschmierung geeignet. Wenn sie für die Anforderungen des Turboladers ungeeignet sind, können spezielle Ölfilter und/oder Öl/Wasser-Abscheider verwendet werden.
Das zum Kühlen verwendete Öl kann einer Belüftung unterzogen werden. Daher kann es wertvoll sein, dass die Ölströmung durch einen Luftabscheider 317 stattfindet. Außerdem können die Welle 504, die Versteifung 516 und der Rotor 330 eine Windscherung innerhalb des ganzen Hohlraums erzeugen, den das Motorgehäuse 302 bildet. Die Positionierung und Richtung der Düsen 350 und 352 und irgendwelcher anderen Ölöffnungen und Düsen sollten die Windscherung berücksichtigen. Folglich sollte das Öl nicht gegen die Strömung der Windscherung gesprüht werden, so dass das Öl die Strömung von Luft nicht verlangsamt und dadurch den Rotor unerwünscht verlangsamt. Eine dieser Düsen muss mindestens vorhanden sein, um die Statorspulen mit einer Ölkühlung mit direktem Kontakt zu versehen. Es kann erwünschter sein, dass mehr als eine Düse vorhanden ist, da sie eine gleichmäßigere Verteilung der Ölkühlung um den Stator schaffen.
Um die Strömung der Windscherung innerhalb des Rotors zu berücksichtigen, sollten die Düsen wahrscheinlich Öl fast tangential zum Statorumfang und in der Richtung der internen Motorgehäusewindscherung richten. Die Düsen können dem Stator aus einer axialen oder radialen Richtung oder irgendeiner schrägen Kombination davon zugewandt sein. Die Düsen könnten beispielsweise in oder zumindest konzentriert in Umfangspositionen zwischen den Positionen 9:00 oder 10:00 bis 3:00 oder 4:00 angeordnet sein.
Das Wegbewegen des Öls von den Motorteilen kann wertvoll sein. Öl, das sich am Stator 332, an der Welle 504 oder an der Versteifung 516 überhitzt, kann bei etwa 280°C zu verkoken beginnen. Das Verkoken auf der Welle oder Versteifung kann sich auf das Gleichgewicht der Welle 504 auswirken und die Trägheit der Welle und der Versteifung erhöhen. Verkoktes Öl kann auch Durchgänge mit den Düsen 350 und 352 verstopfen. Selbst wenn das Verkoken nicht auftritt, kann sich Öl auf der Welle oder Versteifung auf das Wellengleichgewicht negativ auswirken und kann die Trägheit und den Luftwiderstand unerwünscht erhöhen.
Folglich kann die Welle einen oder mehrere Werfer umfassen, die geometrische Merkmale sind, die Fluid radial nach außen beseitigen, wenn sie sich drehen. Ölwerfer 520 und 522 (5 und 6) können beispielsweise an der Welle angeordnet sein, um das Öl aus dem Turbinenrad 200 und dem Kompressor 400 zu halten. Das heißt, wenn irgendein Öl entlang der Welle in Richtung des Turbinenrades oder des Kompressors strömt, trifft das Öl auf die Werfer, wo es radial nach außen vom Turbinenrad oder Kompressor weg geschleudert wird. Entweder wird das Öl in den Sumpfablauf 336 geschleudert oder das Öl wird in Richtung einer anderen Struktur im Motorgehäuse 302 geschleudert und tropft von dort in den Sumpf.
Da die Werfer Öl von der Welle 504 entfernen, nimmt die effektive Masse der Welle aufgrund von Öl auf der Welle nicht signifikant zu. Daher wird die Verzögerung von den Trägheitseffekten während des schnellen Anlaufs des Turboladers 100 verringert. Die Ölwerfer können auch zur Entlüftung des Öls durch Entfernen des Öls von der sich drehenden Welle und Schleudern desselben auf die Statorspulen und Motorgehäusewände beitragen.
Die Wellenanordnung 500 kann Werfer aufweisen, die auf die Seiten des Stators 332 ausgerichtet sind, beispielsweise Werfer 524 und 526 um die Versteifung 516 (5). Diese Werfer können Öl auf den Stator 332 zurückführen. Öl kann gezielt werden müssen, um die Schale 324 zu meiden, obwohl das Sprühen von Öl auf die Außenseite der Schale Wärme von der Schale ableitet. Irgendeine Temperaturverringerung der Schale kann Wärme vom Stator abziehen.
Zusätzliche Werfer 524 und 526 können enthalten sein, um Öl vom Rotor 330 weg zu beseitigen oder um Öl in einer Richtung zu beseitigen, die den Stator 332 erreicht und ihn weiter kühlt.
Die Werfer können zur Welle 504, Versteifung 516 oder irgendeiner anderen mit der Welle gekoppelten Komponente hinzugefügt oder in diese integriert sein.
Das Motorgehäuse 302 kann einen oder mehrere Durchgänge 318 in der Wand 338 (5 und 6) bilden, die den Stator 332 umgeben. Die Durchgänge können mit dem Kühlmitteleinlass 320 (3) verbinden, durch den Kühlmittel strömen kann. Das Kühlmittel kann das Kühlmittel vom existierenden Kraftmaschinenkühlsystem sein. Das Kühlmittel von einem anderen Kühlsystem als dem System des Fahrzeugs wie z. B. Kraftmaschinenöl oder einem separaten Ölsystem kann mit den Durchgängen verwendet werden. Umgebungsluft könnte auch verwendet werden, obwohl Luft Wärme nicht so gut leiten kann wie die meisten Flüssigkeiten.
Wenn der Durchgang 318 Öl führt, kann die Wand 338 radiale oder andere Öffnungen umfassen, um zu ermöglichen, dass Öl auf die Spulen des Stators 332 tropft oder gesprüht wird. Dies wird nachstehend mit Bezug auf 13 und 14 genauer erläutert.
Ein wärmeleitendes Medium 346 (6) aus einem Material, das Wärme gut leitet (z. B. Aluminium oder Kupfer), kontaktiert den Stator, um Wärme vom Stator auf die Wand 338 und das Kühlmittel im Durchgang 318 zu übertragen. Das Kühlmittel kühlt die umgebenden Strukturen des Motorgehäuses 302, um Wärme vom Motorgehäuse und von anderen Teilen des Motors 300 zu leiten.
Der Kühlmitteleinlass 348 (2) und der Kühlmittelauslass 320 (3) zum Durchgang 318 (5 und 6) können so angeordnet sein, dass das Kühlmittel um das Meiste des Stators 332 vom Eintritt des Kühlmittels in den Durchgang zum Ablauf des Kühlmittels aus dem Durchgang strömt. Die durch das Kühlmittel entfernte Wärme trägt zur Wärmebelastung des Kraftmaschinenkühlsystems bei. Folglich kann das Kühlsystem der Kraftmaschine größer sein müssen oder eine größere Kapazität aufweisen müssen, um die zusätzliche Wärmebelastung abzuweisen
Als Beispiel des Betriebs des Turboladers soll die Situation betrachtet werden, in der sich eine Fahrzeugkraftmaschine im Leerlauf befindet, während sich das Fahrzeug an einer Verkehrsampel befindet. Wenn der Fahrer schnell beschieunigen will, eilt die Abgasenergie dem Turbolader natürlich nach. Die Menge an Abgas allein kann dann außerstande sein, ausreichend Drehmoment bereitzustellen, um das Turbinenrad 200 schnell genug zu drehen. Folglich würde sich die Welle 504 nicht schnell genug drehen, damit der Kompressor 200 eine effektive Aufladung schafft.
Unterdessen erhält die Steuereinheit 600 Drehzahlinformationen über die Welle 504 und/oder den Rotor 330 von einem Drehzahlsensor (nicht dargestellt). Ein Temperatursensor benachbart zu oder in Kontakt mit dem Stator 332 kann die Statortemperaturdaten der Steuereinheit zuführen. Die Steuereinheit kann auch Daten von Sensoren über den gegenwärtigen Betrieb der Kraftmaschine empfangen, wie z. B. Drosselklappeninformationen, Abgasausgang und Lufteingang.
Unter Verwendung dieser Daten bestimmt die Steuereinheit 600, wenn die Wellendrehzahl unerwünscht niedrig ist, und bewirkt, dass sich der Motor 300 dreht. Der Motor dreht die Welle 504, um den Kompressor 400 anzutreiben, um die gewünschte Aufladung zu schaffen. Der Motor erhöht die Drehzahl schnell, was den Kompressor viel eher dreht, als das Turbinenrad 200 dies selbst tun könnte. Wenn das Kraftmaschinenabgas ausreichend wird, um das Turbinenrad anzutreiben, kann die Steuereinheit eine Verringerung oder Abschaltung der elektrischen Leistung für den Motor veranlassen.
Der Motor 300 kann auch zum Verringern der Ausgangsleistung aus dem Turbinenrad 200 wirken. Wenn die Steuereinheit 600 feststellt, dass die Abgasausgangsleistung zum Turbinenrad 200 zu groß ist (z. B. auf der Basis von Daten von Drucksensoren), kann die Steuereinheit 600 veranlassen, dass der Motor als Bremse wirkt, um die Ausgangsleistung des Turbinenrades zu verringern. Der Motor kann auch als Wechselstromgenerator verwendet werden, um Elektrizität zu erzeugen, wenn der Motor als Bremse wirkt. Wenn beispielsweise das Turbinenrad 200 überschüssige Leistung zur Welle 504 liefern kann, kann der Motor diese überschüssige Leistung als Elektrizität abzapfen. Dies kann beispielsweise während Spitzenkraftmaschinenlastpunkten wie z. B. Berganfahrten geschehen. Die erzeugte elektrische Leistung kann verwendet werden, um die Batterie des Fahrzeugs aufzuladen oder elektrische Vorrichtungen zu speisen.
Die hohen Drehzahlen, mit denen ein Turbolader arbeiten muss (z. B. 100000 + min^–1) stellen Probleme bei der Elektromotorkonstruktion dar. Insbesondere verursachen hohe Zentripetalkräfte, dass ein Rotor, der auf eine Welle aufgepresst ist, sich ausdehnt und den Presssitz schwächt. Um dieses Phänomen zu mildern, können die Endringe des Rotors axial von jedem Ende erweitert werden. Diese Erweiterungen können im Durchmesser viel kleiner sein als der elektrisch aktive mittlere Abschnitt des Rotors. Indem sie im Durchmesser kleiner gemacht werden, erfahren sie viel weniger Zentripetalkraft und halten daher ihren Presssitz an der Welle aufrecht.
Um das Phänomen der Rotorausdehnung und des anschließenden Verlusts des Presssitzes weiter zu mildern, können Klemmringe mit hoher Festigkeit auf die Außenseite der erweiterten Abschnitte des Rotors gepresst werden. Diese Ringe können als Klemmen wirken, um weiter eine Verbindung zwischen dem Elektromotorrotor und der Wellenversteifung sicherzustellen.
11 zeigt eine teilweise Ansicht des Rotors eines elektrisch gesteuerten Turboladers in auseinandergezogener Anordnung. 11 zeigt eine teilweise Querschnittsseitenansicht der Elektromotorrotor- und Versteifungsanordnung. Dieser Induktionsmotor weist zwei Ausgleichsringe 335 und 339, 19 Rotorstäbe 333 auf. Er weist auch 65 Stahllamellierungen 331 (elektrischer Stahl Hyperco 50 mit hoher Festigkeit) auf, die wärmebehandelt sein können, um maximale Festigkeit zu schaffen, und mit Oxid beschichtet sein können, um Stromverluste zwischen Lamellierungen zu verhindern. Die Rotorstäbe 333 können aus einer 2219 Al-Legierung wegen ihres hohen Festigkeits-Dichte-Verhältnisses (spezifischer Modul) und hohen elektrischen Leitfähigkeit bestehen, was der Motorleistung hilft. Die Rotorlamellierungen 331 sind in einem Stapel angeordnet. Die Rotorstäbe 333 werden in Schlitze im Rotorlamellierungsstapel 331 eingesetzt und dann werden die Ausgleichsringe 335 und 339 an jedem Ende installiert. Die Rotoranordnung 330 wird axial zusammengeklemmt, um die Lamellierungen zusammenzupressen. Die Rotorstäbe werden dann unter Verwendung eines Elektronenstrahlprozesses an die Ausgleichsringe geschweißt. Wärmeableiter können am Rotor während dieses Prozesses befestigt werden, um die Verzerrungseffekte der Schweißung zu minimieren. Nach dem Schweißen können die Rotoren an allen äußeren Oberflächen und am ID auf Toleranzen zwischen dem konzentrischen ID und CD maschinell bearbeitet werden.
Jeder der Ausgleichsringe 335 und 339 weist eine kleinere Halsausdehnung auf, um einen Klemmring aufzunehmen. Im Fall des Ausgleichsrings 335 weist er eine Halsausdehnung 337 auf. Im Fall des Ausgleichsrings 339 weist er eine Halsausdehnung 341 auf. Die ganze Rotoranordnung 330 ist auf die Versteifung 516 aufgepresst, wie in 12 gezeigt, und die Klemmringe 343 und 345 sind an den jeweiligen Halsausdehnungen 337 und 341 installiert.
13 stellt eine alternative Ausführungsform zum Zuführen von Kühlspray von Öl zur Statorwicklung eines ECT dar. 13 ist eine Modifikation an der in 5 und 6 gezeigten Ausführungsform. Grundsätzlich ist 13 eine Querschnittsansicht dieser vorher beschriebenen Ausführungsform entlang der Schnittlinie XII-XII in 6. 13 unterscheidet sich jedoch von der in 5 und 6 gezeigten Ausführungsform durch Zuführen von Kühlspray vom Kühlmantel 318 anstelle der Schmieröldurchgänge 340. In dieser Ausführungsform ist das Motorgehäuse 302 mit einem Kühlmantel 318 gezeigt, der den Stator 332 wie in der vorherigen Ausführungsform umgibt. In dieser Ausführungsform erstrecken sich jedoch mehrere Düsendurchgänge 321 a-i durch die Wand 319 vom Kühlmantelhohlraum 318 in den Motorhohlraum 347, um Kühlöl zu den Statorwicklungen zuzuführen. In dieser Ausführungsform sind die Düsen 321a–i radial orientiert und umgeben die Statorwicklung.
14 stellt eine weitere alternative Ausführungsform zum Zuführen von Kühlspray von Öl zur Statorwicklung eines ECT dar. 14 ist eine Modifikation an der in 13 gezeigten Ausführungsform. In dieser Ausführungsform trennt eine Wand 319' den Motorhohlraum 347 vom Kühlmantelhohlraum 318 und die Sprühdüsen 323a–i sind tangential zur Richtung der Drehung orientiert, die innerhalb des Motorhohlraums stattfindet. Wie vorstehend erläutert, wird angenommen, dass das tangentiale Sprühen weniger Widerstand gegen die Drehkraft bietet, die dem Rotor und der Welle innerhalb des Motorhohlraums auferlegt wird.
Im Fall der in 13 und 14 gezeigten zwei Ausführungsformen wird Öl oder irgendeine andere nicht leitende Flüssigkeit für das Kühlmedium verwendet, das im Kühlmantel 318 strömt. Kommerziell erhältliches Frostschutzmittel oder Wasser wäre nicht geeignet.
Die Ausführungsform des ECT in 16 stellt einen sequentiellen zweistufigen Kompressor dar, der an einer einzelnen Welle angebracht ist und durch ein einzelnes Turbinenrad angetrieben wird. In dieser Ausführungsform ist ein Turbinenrad 1200 mit einem einzelnen Turbinenradantrieb 1208 mit einer einzigen Welle 1504 verbunden. Der Motor 1300 ist von dem vorher beschriebenen Typ, in dem eine Wellenversteifung 1516 die Welle 1504 innerhalb des Motorhohlraums umgibt. Der duale Kompressor 1400 weist eine Niederdruckstufe 1417, die durch eine radiale Kompressorschaufel 1409 vorgesehen ist, die an der Welle 1504 angebracht ist, und eine Hochdruckstufe 1416, die durch eine in Reihe angebrachte radiale Kompressorschaufel 1408 vorgesehen ist, auf. Das Kompressorgehäuse 1412 besteht aus zwei Teilen mit einer Trennnaht 1420. Ein Kühlmantel 1411 ist innerhalb der äußeren Wand des Kompressorgehäuses 1412 ausgebildet. Interne Kühlrippen 1413 sind innerhalb des Kompressordiffusors 1415 vorgesehen.
Vorteile der Ausführungsform von 16 umfassen die zweistufige Aufladung in einer einzelnen ECT-Packung. Die Kühlung von Druckluft vor oder anstelle eines Zwischenkühlers. Eine kostengünstige einzige Wellenanordnung. Eine enge Kopplung der sequentiellen Kompressorstufen schafft ein effizienteres Übergangsverhalten.
Die Ausführungsform des ECT in 17 stellt einen sequentiellen zweistufigen Kompressor mit dualen konzentrischen Wellen, der durch ein einzelnes Turbinenrad angetrieben wird, dar. In dieser Ausführungsform ist ein Turbinenrad 2200 mit einem einzigen Turbinenradantrieb 2204 mit einer inneren Welle 2504 verbunden. Der Motor 2300 weist einen Rotor 2330 auf, der an einer äußeren Welle 2505 angebracht ist. Der Stator 2332 umgibt den Rotor 2330 in derselben Weise wie in den früheren Ausführungsformen. Der duale Kompressor 2400 weist eine Niederdruckstufe, die durch eine radiale Kompressorschaufel 2409 vorgesehen ist, die an der inneren Welle 2504 angebracht ist, und eine Hochdruckstufe, die durch eine in Reihe angebrachte radiale Kompressorschaufel 2408 vorgesehen ist, die an der äußeren Welle 2505 angebracht ist, auf. In dieser Ausführungsform treibt das Turbinenrad die Niederdruck-Kompressorstufe direkt an und der Elektromotor treibt die Hochdruck-Kompressorstufe an.
Vorteile der Ausführungsform von 17 umfassen die zweistufige Aufladung in einer einzelnen ECT-Packung. Die Kühlung von Druckluft vor oder anstelle eines Zwischenkühlers. Der Elektromotor ist nur mit dem Kompressor verbunden und weist nicht die Belastung des Turbinenrades auf, wodurch ein äußerst schnelles Anlaufen ermöglicht wird. Eine enge Kopplung der sequentiellen Kompressorstufen schafft ein effizienteres Übergangsverhalten. – Außerdem kann eine Kupplung verwendet werden, um die innere und die äußere Welle zu koppeln, um die Erzeugung von elektrischer Leistung zu ermöglichen und die Wellendrehzahlen abzugleichen, falls erwünscht. Ein Niederdruckkompressor könnte auch ein axialer Kompressor sein.
Die Ausführungsform des ECT in 18 stellt sequentielle zweistufige Turbinenräder und Kompressoren mit dualen konzentrischen Wellen dar. In dieser Ausführungsform weist ein Turbinenrad 3200 eine Niederdruckschaufel 3206, die mit einer inneren Welle 3504 verbunden ist, und eine Hochdruckschaufel, die mit einer inneren Welle 3504 verbunden ist, auf. Der Motor 3300 weist einen Rotor 3330 auf, der an der äußeren Welle 3505 angebracht ist. Der Stator 3332 umgibt den Rotor 3330 in derselben Weise wie in vorherigen Ausführungsformen. Der zweistufige Kompressor 3400 weist eine Niederdruckstufe, die durch eine radiale Kompressorschaufel 3409 vorgesehen ist, die an der inneren Welle 3504 angebracht ist, und eine Hochdruckstufe, die durch eine in Reihe angebrachte radiale Kompressorschaufel 3408 vorgesehen ist, die an der äußeren Welle 2505 angebracht ist, auf. In dieser Ausführungsform treibt die Niederdruck-Turbinenradschaufel 3206 direkt die Niederdruck-Kompressorstufenschaufel 3409 an und der Elektromotor treibt sowohl die Hochdruck-Turbinenradschaufel 3204 als auch die Hochdruck-Kompressorstufenschaufel 3408 an.
Vorteile der Ausführungsform von 18 umfassen die zweistufige Aufladung sowohl des Turbinenrades als auch des Kompressors in einer einzelnen ECT-Packung. Die Kühlung von Druckluft vor oder anstelle eines Zwischenkühlers. Eine unabhängige Steuerung der Nieder- und der Hochdruckstufe. Eine enge Kopplung der sequentiellen Kompressorstufen schafft ein effizienteres Übergangsverhalten.
Die Schmierung der Lager in ECTs stellt viele Herausforderungen für den Techniker aufgrund von plötzlichen Starts, sehr hohen Betriebsdrehzahlen, extremen Temperaturschwankungen, entgegenwirkenden Kräften innerhalb des ECT und Schmiereindämmung dar.
15 stellt eine Ausführungsform eines Schmiersystems dar, das implementiert werden kann, um sowohl die Lager als auch die dualen konzentrischen Wellen eines ECT zu schmieren. In dieser Ausführungsform ist die innere konzentrische Welle 5504 an der Turbinenradschaufel 5204 befestigt gezeigt und die äußere konzentrische Welle ist mit dem Motorrotor 5330 verbunden. Andere Elementverbindungen sind möglich, wie vorher erörtert. Für Zwecke dieser Schmierausführungsform sind jedoch solche Verbindungen für ihr Verständnis nicht entscheidend.
In dieser Ausführungsform ist ein kleiner kreisförmiger Raum zwischen der inneren Oberfläche der äußeren Welle 5505 und der inneren Oberfläche der äußeren Welle 5504 vorhanden, der ermöglicht, dass sich die zwei Wellen ohne Störung drehen. Es ist wichtig, dass die Schmierung in diesem Raum stattfindet, um die Reibung zwischen beliebigen Kontaktpunkten zu verringern. Der Hauptzweck dieser Ausführungsform besteht darin, Schmieröl durch die Lager, die die Wellen abstützen, und in den Raum zwischen den Wellen zu drängen. Außerdem verwendet die Ausführungsform das zwischen die Wellen gedrängte Öl, um Kühlspray zu den Statorwicklungen zuzuführen.
Schmieröl wird unter Druck in den Öldurchgang 5340 zugeführt, wo es sich zwischen dem Öldurchgang 5343 und 5345 aufteilt, die direkt zu den jeweiligen Lagern 5516 und 5519 führen. Die Lager 5516 und 5519 weisen jeweils Öffnungen darin auf, um zu ermöglichen, dass das Öl hindurchtritt, um die Wellenoberfläche darin zu kontaktieren. Das Lager 5516 weist eine Öffnung 5510 auf, die zu einer entsprechenden Öffnung 5518 in der äußeren Welle 5505 führt. Die Öffnung 5518 erstreckt sich durch die äußere Welle 5505, um eine Schmierverbindung zum Raum zwischen den konzentrischen Wellen und der äußeren Oberfläche der inneren Welle 5504 zu schaffen. Ebenso weist das Lager 5519 eine Öffnung 5511 auf, die zu einer entsprechenden Öffnung 5512 in der äußeren Welle 5505 führt. Die Öffnung 5512 erstreckt sich durch die äußere Welle 5505, um eine Schmierverbindung zu dem Raum zwischen den konzentrischen Wellen und der äußeren Oberfläche der inneren Welle 5504 zu schaffen. Der Rotor 5330 ist in dieser Ausführungsform so modifiziert, dass er mehrere Öldurchgänge 5305 am Turbinenradende und 5306 am Kompressorende umfasst, die sich vom Raum zwischen den konzentrischen Wellen zum Motorhohlraum 5347 erstrecken.
Während des Betriebs wird Öl durch die Lager 5516 und 5519 gedrängt und schafft eine Schmierung für diese Lager. Öl wird auch durch die Öffnungen 5510 und 5518 sowie die Öffnungen 5511 und 5512 gedrängt, damit es in den konzentrischen Raum zwischen den konzentrischen Wellen 5504 und 5505 eintritt. Das Schmieröl verläuft entlang des konzentrischen Raums und tritt durch Rotordurchgänge 5305 und 5306 aus, wo es auf die Statorspulen im Motorhohlraum 5347 gesprüht wird. Aufgrund der hohen Zentrifugalkräfte, die an den Wellen während Operationen mit hoher Drehzahl vorhanden sind, ist ein Widerstand in den Öffnungen 5510, 5518, 5511 und 5512 vorhanden, um zu ermöglichen, dass das Öl in den Raum zwischen den Wellen eintritt. Aus diesem Grund wirkt der kontinuierliche Austrittsweg für das Schmieröl durch die mehreren Öldurchgänge 5305 und 5306 im Rotor 5330 zum Saugen des Öls durch den Raum. Dies liegt an der Tatsache, dass der Rotor 5330 sich auch mit hoher Drehzahl dreht und seine Zentrifugalkräfte aufgrund seines größeren Radius größer sind und die Öffnungen in einem weiteren Abstand von der Wellenmittellinie liegen. Sobald es die Öldurchgänge 5305 und 5306 verlässt, wird das Schmieröl in den Motorhohlraum 5347 gesprüht und läuft in den Sumpfablauf 5336 ab.
In 19A–19D sind verschiedene Ansichten eines Abschnitts einer Ausführungsform der konzentrischen Wellenanordnung dargestellt, die einen Befestigungsmechanismus darstellen, der ermöglicht, dass die zwei Wellen longitudinal von einer übermäßigen Bewegung eingeschränkt sind, während ermöglicht wird, dass sich die zwei Wellen unabhängig drehen. In 19A zeigt eine Ansicht in auseinandergezogener Anordnung die innere Welle 3504, die äußere Welle 3505 und Haltestifte 3507a und 3507b. Die äußere Welle ist so ausgebildet, dass sie Sehnenöffnungen 3503a und 3503b aufweist (siehe 19D), die so bemessen sind, dass sie einen Presssitz für die Haltestifte 3507a bzw. 3507b schaffen. Die innere Welle 3504 enthält eine kreisförmige Nut 3501, die in ihrer Tiefe so bemessen ist, dass sie einen Zwischenraum zwischen der inneren Welle und den Haltestiften 3507a und 3507b ermöglicht. Dieser Zwischenraum ermöglicht eine unabhängige Drehung der zwei Wellen, während die Haltestifte eine Längsbewegung zwischen den Wellen einschränken. In 19B zeigt eine teilweise aufgeschnittene Ansicht die zusammengefügten konzentrischen Wellen 3504 und 3505, wobei der Haltestift 3507a in der Öffnung 3503a der äußeren Welle 3505 angeordnet ist. In 19C ist die Anordnung gezeigt, in der die innere Welle 3504 und die äußere Welle 3505 sich unabhängig voneinander frei drehen können, während sie in einer longitudinalen Weise zusammengehalten werden. In 19D ist eine Querschnittsansicht vorgesehen, die entlang der Schnittlinie D-D in 19C genommen ist. In dieser Ansicht ist die Tiefe der kreisförmigen Nut 3501 als 3507 dargestellt, um darzustellen, wie die innere Welle 3504 in einer Weise eine Toleranz aufweist, so dass ihre Drehung nicht durch die Haltestifte 3507a und 3507b beeinflusst ist. Der konzentrische Raum 3506 zwischen den konzentrischen Wellen, durch den Schmieröl strömt, ist auch gezeigt.
20 ist eine Querschnittsansicht eines Drehlagers, das in den hier erörterten verschiedenen ECT-Ausführungsformen verwendet werden kann. Das Lager 2510 ist so ausgelegt, dass es sich in der Richtung R dreht, um Schmieröl O, das von seinem Umfang eintritt, mit schaufelartigen Öffnungen 2511 aufzunehmen und das Öl in seinen zentralen Bereich zu drängen. Jede schaufelartige Öffnung 2511 enthält eine langgestreckte äußere Öffnung mit einer niedrigen Vorderkante 2515 und einer Kehrhinterkante 2513. Während der Drehung funktionieren die schaufelartigen Öffnungen, um den Zentrifugalkräften entgegenzuwirken, die an der abgestützten Welle (hier nicht gezeigt) vorhanden sind, und das Öl in den Wellenbereich zu drängen.
21–26A sind auf eine Ausführungsform eines verbesserten Schmiersystems für konzentrische Wellen, wie in einem ECT verwendet, gerichtet. 21 stellt ein ECT mit einer hohlen inneren Welle 4504 dar, die konzentrisch mit einer hohlen äußeren Welle 4505 zusammengefügt ist. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den vorher dargestellten konzentrischen Wellenausführungsformen eines ECT in der Verwendung einer hohlen inneren Welle, um Schmieröl von einem Ende zu den beiden Lagern und zum konzentrischen Raum zwischen den zwei Wellen zu befördern. Diese Ausführungsform beruht auf den innewohnenden Zentrifugalkräften, die an den Wellen während Operationen mit hoher Drehzahl vorhanden sind, um das Schmieröl zu beiden Lagern und zu dem Raum zwischen den Wellen zu verteilen. Wie aus 21 zu sehen ist, wird Schmieröl unter Druck in ein offenes Ende 4506 der hohlen inneren Welle 4504 gepumpt.
22 und 23 stellen alternative Lagerkonfigurationen dar, die in dem Endwellenversorgten Schmierölsystem, das in 21 gezeigt ist, verwendet werden können. Der Hauptunterschied zwischen den zwei Konfigurationen besteht darin, dass in 23 ein Loslager 4801 verwendet wird, um die Schwingung in bestimmten Anwendungen weiter zu verringern.
In 22 ist ein Zapfenlager 4510 in einem Lagergehäuse 4514 angeordnet und durch eine Druckscheibe 4513 und ein Axiallager 4512, das an der Kompressorplatte 4502 anliegt, an der Stelle gehalten. Die innere Welle 4504 ist so ausgebildet, dass sie hohl ist, und enthält eine Schraubenliniennut 4517, die entlang ihrer Länge verläuft. Öffnungen 4507 sind der Länge nach auf entsprechende Öffnungen 4506 in der äußeren Welle 4505 ausgerichtet. Wenn Schmieröl den hohlen Durchgang 4506 der inneren Welle 4504 hinab getragen wird, hat es eine natürliche Tendenz, an der ersten Öffnung, die es antrifft, aufgrund der vorstehend erörterten hohen Zentrifugalkräfte auszutreten. Die Schraubennut 4507 schafft einen Weg, der genügend Öl die Länge des hohlen Durchgangs 4506 hinab trägt, um eine Schmierung nicht nur für das Lager 4506 am Kompressorende, sondern auch für das Lager am Turbinenradende zu schaffen. Wenn das Schmieröl die Länge des Durchgangs 4506 hinab strömt, trifft es auf die Öffnung 4519 in der inneren Welle 4504, die zum Axiallager 4512 führt. Zentrifugalkräfte, die durch die rotierende innere Welle 4504 geschaffen werden, pumpen das Öl durch die Öffnung 4519. Dichtungen 4403 und 4902 verhindern, dass das Schmieröl in den Kompressor entweicht. Wenn das Schmieröl weiter entlang der Länge des Durchgangs 4506 strömt, trifft es auf Öffnungen 4507 und 4506. Zentrifugalkräfte, die durch die rotierende innere Welle 4504 geschaffen werden, pumpen Öl durch Öffnungen 4507 und 4506 und zwischen die innere Oberfläche des Zapfenlagers 4506 und die äußere Oberfläche der äußeren Welle 4505. Da ein kleiner Raum 4509 zwischen der inneren und der äußeren Welle vorhanden ist, strömt Öl, das zum Lager 4506 gepumpt wird, entlang des Raums 4509, durch die Öffnung 4521 in der äußeren Welle 4505 und in den Motorhohlraum 4547. Ein Ölwerfer 4511 nahe dem Motorrotor führt das Öl von der Welle ab, um ihre effektive rotierende Masse zu verringern.
Die in 23 gezeigte Ausführungsform arbeitet identisch zu der in 22 gezeigten Ausführungsform, außer dass das Losringlager 4801 zwischen die Hülse 4510 und die äußere Welle 4505 eingesetzt ist.
Die in 24–26A dargestellten Ansichten sind vom Kompressorende eines ETC und den verschiedenen Anschlussstücken und Durchgängen, die verwendet werden, um Schmieröl in die hohle innere Welle einer Ausführungsform mit koaxialen Wellen zuzuführen. Obwohl die Darstellung eine einzelne Kompressorschaufel 8409 zeigt, könnte die Implementierung dieser Ausführungsform selbstverständlich auch in einem zweistufigen Kompressor gelten, wie in 21 dargestellt.
In 24 sind das Ölzufuhranschlussstück 8412 und das Restölablaufanschlussstück 8414 am Kompressorgehäuse 8400 gezeigt. Das Hauptablaufanschlussstück 8415 ist gezeigt, aber es erstreckt sich vom Motorhohlraum, wie vorstehend erörtert. In 25 stellt ein aufgeschnittener Querschnitt die hohle innere Welle 8504 dar, die mit der Kompressorschaufel 8409 verbunden ist und sich an der Schaufel 8409 vorbei erstreckt, so dass sie mit dem Ende eines stationären Ölzufuhrrohrs 8507 überlappt. Wie in 26 und 26A weiter gezeigt, umgibt eine flexible Dichtungsverbindungsstelle 8508 das Ende der inneren Welle 8504. Obwohl das Meiste des durch das Ölanschlussstück 8412 und das Ölzufuhrohr 8507 zugeführten Öls in den hohlen Durchgang 8506 der inneren Welle 8504 eintritt, kann der Gegendruck innerhalb des hohlen Durchgangs 8506 verursachen, dass einiges Öl zwischen der Überlappungsverbindung zurückgedrängt wird. Restliches Öl, das zwischen der Überlappung zwischen der inneren Welle 8504 und dem Rohr 8507 wandert, wird in der Ölfalle 8513 eingefangen, wo es durch den Restölablauf 8414 abgelassen wird. Wie in 25 weiter zu sehen ist, sind das Ölzufuhrrohr und die Restölfalle koaxial vor dem Drucklufteinlass 8410 durch drei Stützstege aufgehängt, die auch als stationäre Flügel für den Kompressoreinlass fungieren.
27 stellt ein Beispiel einer Kupplung 7000 dar, die in einem ECT verwendet werden kann, um die Last am Elektromotor zu verringern, wenn das Turbinenrad durch Kraftmaschinenabgase zu wenig getrieben ist. Eine solche Kupplung ist zur Verwendung in einem ECT mit einzelner Welle oder konzentrischen Wellen mit einzelnen oder zweistufigen Turbinenrädern und/oder Kompressoren geeignet. In diesem Beispiel ist es in einem ECT mit zweistufigem Kompressor mit konzentrischen Wellen verwendet gezeigt. Eine Niederdruck-Kompressorschaufel 7408 ist mit einer inneren Welle 7504 und mit einer Niederdruck-Turbinenradschaufel (nicht dargestellt) verbunden. Eine Hochdruck-Kompressorschaufel 7001 ist mit einer äußeren konzentrischen Welle 7505 und dem Elektromotorrotor (nicht dargestellt) verbunden. Gegenüberliegende Kupplungsflächen 7006 und 7008 sind in diesem Beispiel normalerweise nicht eingerückt oder gekoppelt, wenn die Kupplung nicht betätigt wird. Magnete 7002 sind an der Fläche der Schaufel 7001 getragen und Spulen sind in einer Wand 7010 enthalten. Wenn sich die Kupplung 7000 in einem nicht betätigten Zustand befindet, sind die Kupplungsflächen 7006 und 7008 nicht eingerückt und die Kompressorschaufeln 7001 und 7008 drehen sich unabhängig. Wenn jedoch die Spulen 7004 durch eine externe elektrische Quelle (nicht dargestellt) erregt werden, werden die Magnete 7002 in der Schaufel 7001 zu den Spulen 7004 hin angezogen, was eine geringfügige Längsbewegung der Hochdruckschaufel 7001 bewirkt, und die Kupplungsflächen 7006 und 7008 werden eingerückt. Obwohl dieses Beispiel als elektrisch gesteuerte Kupplung strukturiert ist, werden mechanische Freilauf-, hydraulisch betätigte oder andere Kupplungen, die dasselbe Ziel erreichen, auch als Alternativen gesehen. Die Hauptkriterien für eine Kupplung in dieser Ausführungsform bestehen darin, auf vorbestimmte Betriebsbedingungen zu reagieren und die Niederdruck-Turbinenrad- und/oder Kompressorlast vom Motor während niedrigen Kraftmaschinendrehzahlen abzukoppeln und dann die Niederdruckkomponenten mit den Hochdruckkomponenten zu koppeln, wenn die Kraftmaschine ausreichend Abgase erzeugt, um das Turbinenrad mit Drehzahlen anzutreiben, die zum Betreiben des Kompressors geeignet sind.
28 und 29 stellen noch eine weitere ECT-Ausführungsform dar, in der ein zweistufiger Kompressor für eine externe Zwischenkühlerverbindung konfiguriert ist. In dieser Ausführungsform ist ein Niederdruckauslass der ersten Stufe vom Kompressor zu einem externen Zwischenkühler geleitet und dann zur zweiten Hochdruckstufe zurückgeführt. Nach dem Ausgang aus der zweiten Hochdruckstufe wird die Luft dann zu einem Nachkühler geschickt, bevor sie zum Lufteinlass der zugehörigen Kraftmaschine zugeführt wird.
In dieser ganzen Beschreibung sollten die gezeigten Ausführungsformen vielmehr als Beispiele als Begrenzungen für die offenbarten oder beanspruchten Vorrichtungen und Verfahren betrachtet werden. Obwohl viele der Beispiele spezifische Kombinationen von Systemelementen beinhalten, können diese Elemente selbstverständlich in anderen Weisen kombiniert werden, um dieselben Ziele zu erreichen. Elemente und Merkmale, die nur in Verbindung mit einer Ausführungsform erörtert sind, sollen nicht in anderen Ausführungsformen aus einer ähnlichen Rolle ausgeschlossen werden.
Für in den Ansprüchen angeführte Begrenzungen eines Mittels plus Funktion sollen die Mittel nicht auf die in dieser Anmeldung offenbarten Mittel zum Durchführen der angeführten Funktion begrenzt sein, sondern sollen im Schutzbereich irgendein Mittel, das nun bekannt ist oder später entwickelt wird, zum Durchführen der angeführten Funktion abdecken.
Wie in dieser Anmeldung verwendet, bedeutet ”mehrere” zwei oder mehr. Ein ”Satz” von Gegenständen kann einen oder mehrere solcher Gegenstände umfassen. Ob in der schriftlichen Beschreibung oder in den Ansprüchen, sollen die Begriffe ”umfassen”, ”einschließen”, ”tragen”, ”aufweisen”, ”enthalten”, ”beinhalten” und dergleichen offen verstanden werden, d. h. einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf, bedeuten. Nur die Übergangsausdrücke ”bestehend aus” bzw. ”bestehend im Wesentlichen aus” sind geschlossene oder halbgeschlossene Übergangsausdrücke in Bezug auf die Ansprüche. Die Verwendung von Ordnungsbegriffen wie z. B. ”erste”, ”zweite”, ”dritte” usw. in den Ansprüchen, um ein Anspruchselement zu modifizieren, bedeutet nicht allein irgendeine Priorität, Präzedenz oder Reihenfolge von einem Anspruchselement gegenüber einem anderen oder die zeitliche Reihenfolge, in der Handlungen eines Verfahrens durchgeführt werden. Diese Begriffe werden nur als Bezeichnungen verwendet, um ein Anspruchselement mit einem bestimmten Namen von einem anderen Element mit einem gleichen Namen (aber unter Verwendung des Ordnungsbegriffs) zu unterscheiden, um die Anspruchselemente zu unterscheiden.
Im folgenden Teil der vorliegenden Beschreibung sind nummerierte Beispiele aufgelistet, die auf Ausführungsformen der Erfindung gerichtet sind. Diese Beispiele und Ausführungsformen gehören zur vorliegenden Offenbarung und Beschreibung. Die aufgelisteten Ausführungsformen, Beispiele und Merkmale können, separat oder gruppenweise, in jedweder Form kombiniert werden, um Ausführungsformen zu bilden, die der vorliegenden Offenbarung angehören.
Beispiel/Ausführungsform 1:
Elektrisch gesteuerter Turbolader mit einem Motorgehäuse, das einen Motorhohlraum enthält, und einem Elektromotor, der in dem Motorhohlraum zwischen einem Turbinenrad und einem Kompressor angebracht ist, wobei der Motor durch direkten Kontakt mit einer nicht leitenden Flüssigkeit, die von einer externen Quelle in den Hohlraum eintritt, gekühlt wird.

2. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 1, wobei die nicht leitende Flüssigkeit Schmieröl ist, das direkt auf den Stator des Motors gesprüht wird.
3. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 2, wobei der Turbolader eine Welle umfasst, die das Turbinenrad mit dem Kompressor verbindet, wobei das Gehäuse Lager zum Abstützen der Welle und Schmieröldurchgänge innerhalb des Gehäuses zum Empfangen von Schmieröl von einer Druckquelle und Lenken des Schmieröls zu den Lagern enthält, wobei ein Teil des Schmieröls von den Durchgängen zum Motorhohlraum umgeleitet wird, um es direkt auf den Stator zu sprühen.
4. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 3, wobei das Schmieröl durch Öffnungen umgeleitet wird, die im Gehäuse so ausgebildet sind, dass sie sich zwischen den Durchgängen und dem Motorhohlraum erstrecken.
5. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 4, wobei der Elektromotor ein Rotorelement umfasst, das so angebracht ist, dass es sich mit der Welle dreht, und die Öffnungen zum Sprühen der Flüssigkeit in Richtungen, die zur Drehrichtung des Rotors tangential sind, orientiert sind.
6. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 4, wobei mindestens ein Rückschlagventil zwischen den Schmieröldurchgängen und mindestens eine Öffnung vorgesehen sind, um zumindest einen vorbestimmten Öldruck in den Schmieröldurchgängen zum Schmieren der Lager aufrechtzuerhalten.
7. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 2, wobei der Turbolader eine Welle umfasst, die das Turbinenrad mit dem Kompressor verbindet, wobei das Gehäuse Lager zum Abstützen der Welle, Schmierdurchgänge innerhalb des Gehäuses zum Empfangen von Schmieröl von einer Druckquelle und Lenken des Schmieröls zu den Lagern und einen Rotor, der an der Welle angebracht ist, enthält, wobei das Schmieröl durch die Lager hindurchtritt und in den Motorhohlraum benachbart zu der Welle eintritt, um es direkt auf den Stator zu sprühen.
8. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 2, wobei der Turbolader eine innere Welle zum Verbinden einer ersten Turbinenradschaufel mit einer ersten Kompressorschaufel und eine konzentrische äußere Welle, die von der inneren Welle beabstandet ist, umfasst und an der äußeren Welle ein Rotor des Elektromotors angebracht ist, wobei das Gehäuse Lager zum Abstützen der Wellen, Schmiermitteldurchgänge innerhalb des Gehäuses zum Empfangen von Schmieröl von einer Druckquelle und Lenken des Schmieröls zu den Lagern und in den Raum, der die konzentrischen Wellen trennt, enthält, wobei der Rotor Öldurchgänge in offener Verbindung zwischen dem Raum, der die Wellen trennt, und dem Motorhohlraum enthält, wobei das Schmieröl durch die Lager, den Raum, der die Wellen trennt, die Rotordurchgänge strömt und in den Motorhohlraum benachbart zu der Welle eintritt, um es direkt auf den Stator zu sprühen.
9. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 2, wobei der Turbolader eine hohle innere Welle zum Verbinden einer ersten Turbinenradschaufel mit einer ersten Kompressorschaufel und eine konzentrische äußere Welle, die von der inneren Welle beabstandet ist, umfasst und an der äußeren Welle ein Rotor des Elektromotors angebracht ist, wobei das Gehäuse Lager zum Abstützen der Wellen enthält, wobei die hohle innere Welle mehrere Öffnungen aufweist, die entlang ihrer Länge so beabstandet sind, dass sie zumindest mit den Lagern in offener Verbindung stehen, wobei ein erstes Ende zum Empfangen von Schmieröl von einer Druckquelle und Lenken des Schmieröls entlang der Länge der hohlen inneren Welle durch die Öffnungen in den Raum, der die konzentrischen Wellen trennt, und zu den Lagern verbunden ist, wobei das Schmieröl durch die Lager in den Motorhohlraum benachbart zu der Welle strömt, um es direkt auf den Stator zu sprühen.
10. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 9, wobei die hohle innere Welle eine Schraubenliniennut aufweist, die an ihrer inneren Oberfläche ausgebildet ist und so orientiert ist, dass sie Zentrifugalkräfte, die innerhalb der inneren Welle entwickelt werden, verwendet, um Öl während einer Drehung mit hoher Drehzahl vom ersten Ende über die Länge der inneren Welle zu tragen.
11. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 1, wobei der Turbolader ein Gehäuse umfasst, das einen Kühlmantel zum Empfangen einer Strömung der nicht leitenden Flüssigkeit zum Entziehen von Wärme vom Gehäuse enthält, wobei der Stator innerhalb des Gehäuses so angebracht ist, dass er zum Kühlmantel benachbart ist, und das Gehäuse Durchgänge enthält, um zu ermöglichen, dass ein Teil der nicht leitenden Flüssigkeit vom Kühlmantel strömt, um sie direkt auf den Stator zu sprühen.
12. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 11, wobei das Gehäuse ein wärmeleitendes Element zwischen dem Stator und dem Kühlmantel umfasst, um einen zusätzlichen Wärmeentzug vom Stator zu schaffen.

Beispiel/Ausführungsform 13:
Elektrisch gesteuerter Turbolader mit einem Motorgehäuse, das einen Motorhohlraum enthält, einer Welle, die das Turbinenrad mit dem Kompressor verbindet, einem Elektromotor mit einem Stator, der am Gehäuse im Motorhohlraum angebracht ist, und einem Rotor, der zur Drehung mit der Welle zwischen dem Turbinenrad und dem Kompressor angebracht ist, und einem Wellenversteifungselement mit einer Hülse, die die Welle innerhalb des Motorhohlraums eng umgibt, zwischen dem Rotor und der Welle, um Resonanzschwingungen in der Welle zu unterdrücken.

14. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 13, wobei das Gehäuse Lager zum Abstützen der Welle enthält und das Wellenversteifungselement Lagerlaufringflächen zum Eingriff mit den Lagern enthält.
15. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 14, wobei das Wellenversteifungselement mindestens einen Werfer enthält, der sich davon radial nach außen erstreckt.
16. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 13, wobei das Wellenversteifungselement aus einem Material mit Wärmeisolationseigenschaften ausgebildet ist, um einer Wärmeübertragung von der Welle auf den Rotor Widerstand zu leisten.
17. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 13, wobei der Rotor mit Ausgleichsringen an jedem Ende mit zentralen Öffnungen konstruiert ist, die so bemessen sind, dass sie über das Wellenversteifungselement des Rotors passen, und Hälse mit verringertem Durchmesser, die sich vom Rotor nach außen erstrecken, Klemmringe aufnehmen, die den Rotor an der Versteifung und an den Wellenstahlzylinderringen befestigen, wobei die Hälse mit verringertem Durchmesser eine geringe Masse für den Rotor vorsehen und die Auswirkungen einer Zentripetalbelastung auf den Rotor während einer Drehung mit hoher Drehzahl verringern.
18. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 1, der ferner einen Ablauf in dem Gehäuse in Verbindung mit dem Motorhohlraum umfasst, um zu ermöglichen, dass die gesprühte Flüssigkeit zur externen Quelle zurückkehrt.
19. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 18, der ferner einen Luftabscheider zwischen dem Ablauf und der externen Quelle umfasst, um Luft aus der Flüssigkeit zu entfernen.
20. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 18, der ferner eine Lüftungsöffnung in dem Gehäuse in Verbindung mit dem Motorhohlraum umfasst, um den Druck innerhalb des Motorhohlraums aufgrund der Entfernung von Flüssigkeit aus dem Hohlraum auszugleichen.
21. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 1, wobei die nicht leitende Flüssigkeit Öl ist, das direkt auf den Stator des Motors gesprüht wird, und das Öl unter Druck von einer externen Quelle zugeführt wird und die Quelle einen Wasserabscheider umfasst, um einen Aufbau von Wasser zu verhindern, und zu verhindern, dass andere elektrisch leitende Flüssigkeiten das Öl verunreinigen.

Beispiel/Ausführungsform 22:
Elektrisch gesteuerter Turbolader zum Zuführen von Druckluft zum Einlass einer zugehörigen Brennkraftmaschine mit einem Motorgehäuse, das einen Motorhohlraum enthält, und einem Elektromotor, der in dem Motorhohlraum zwischen einem Turbinenrad und einem Kompressor angebracht ist, einer Welle, die das Turbinenrad mit dem Kompressor verbindet, wobei das Gehäuse Lager zum Abstützen der Welle und Schmieröldurchgänge innerhalb des Gehäuses zum Empfangen von Schmieröl von einer elektrischen Ölpumpe enthält, die Druckschmieröl zum Lagersystem unmittelbar beim Start der zugehörigen Kraftmaschine zuführt.

23. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 22, wobei die elektrische Ölpumpe nach einem Abschalten der heißen Kraftmaschine Öl weiterhin zuführt, um eine Überhitzung des Turboladers und Ölverkoken zu verhindern.

Beispiel/Ausführungsform 24:
Elektrisch gesteuerter Turbolader zum Zuführen von Druckluft zum Einlass einer zugehörigen Brennkraftmaschine mit einem Motorgehäuse, das einen Motorhohlraum enthält, und einem Elektromotor, der in dem Motorhohlraum zwischen einem Turbinenrad und einem Kompressor angebracht ist, einer Welle, die den Motor mit dem Kompressor verbindet, und einer Kupplung zwischen dem Elektromotor und dem Turbinenrad, um das Turbinenrad vom Elektromotor und vom Kompressor abzukoppeln, wenn sich das Turbinenrad unter vorbestimmten Drehzahlen dreht.

25. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 24, wobei die Kupplung eine Freilaufkupplung ist, die zwischen dem Motor und dem Turbinenrad angebracht ist.
26. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 24, wobei die Kupplung eine elektrisch steuerbare Kupplung ist, die gemäß vorbestimmten Parametern gekoppelt und abgekoppelt wird.
27. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 24, wobei die Kupplung eine pneumatisch betätigte Kupplung ist, die gemäß vorbestimmten Parametern gekoppelt und abgekoppelt wird.
28. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 2, wobei der Turbolader eine innere Welle zum Verbinden einer ersten Turbinenradschaufel mit einer Niederdruck-Kompressorschaufel eines zweistufigen Kompressors und eine konzentrische äußere Welle, die von der inneren Welle beabstandet ist, umfasst, wobei an der äußeren Welle ein Rotor des Elektromotors angebracht ist, der mit einer Hochdruck-Kompressorschaufel verbunden ist, damit sie direkt durch den Motor angetrieben wird.
29. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 28, wobei der Turbolader ein Kompressorgehäuse umfasst, das einen Kühlmantel enthält, in den gekühlte Fluide geleitet werden, um Wärme von der Druckluft innerhalb des Kompressorgehäuses abzuführen.
30. Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Beispiel 29, wobei ein innerer Abschnitt des Gehäuses, der Niederdruckluft von der Niederdruck-Kompressorschaufel benachbart zum Kühlmantel ausgesetzt ist, Wärmeableitungsrippen enthält, die der Niederdruckluft innerhalb des Kompressorgehäuses ausgesetzt sind.

Beispiel/Ausführungsform 31:
Elektrisch gesteuerter Turbolader mit einem Turbinenradabschnitt, einem Kompressorabschnitt, einem Elektromotor und einer konzentrischen Doppelwellenanordnung mit einer inneren Welle und einer hohlen äußeren Welle mit jeweils kreisförmigen Querschnitten, die sich unabhängig voneinander drehen, während sie von einer relativen Längsbewegung eingeschränkt sind, wobei die innere Welle mindestens eine kreisförmige Nut enthält und die äußere Welle mehrere Öffnungen enthält, die entlang definierter Sehnen des Durchmessers der äußeren Welle ausgerichtet sind, wobei die mindestens eine Nut der inneren Welle so ausgerichtet ist, dass sie unter mehreren ausgerichteten Öffnungen in der äußeren Welle liegt, und die Wellenanordnung ferner mehrere Stifte umfasst, die jeweils in ausgerichtete Öffnungen in der äußeren Welle eingepresst sind und durch einen Abschnitt der mindestens einen Nut verlaufen, wobei die Querschnittsabmessungen der mindestens einen Nut größer sind als der Durchmesser der Stifte.

Claims

Elektrisch gesteuerter Turbolader mit einem Motorgehäuse (302), das einen Motorhohlraum (347) enthält, und einem Elektromotor (300), der in dem Motorhohlraum (347) zwischen einem Turbinenrad (200) und einem Kompressor (400) angebracht ist, wobei der Motor (300) durch direkten Kontakt mit Schmieröl gekühlt wird, das von einer externen Quelle in den Hohlraum (347) eintritt, wobei der Turbolader eine Welle (500) umfasst, die das Turbinenrad (200) mit dem Kompressor (400) verbindet, und wobei das Gehäuse (302) Lager (510, 512) zum Abstützen der Welle (500) und Schmieröldurchgänge (340) innerhalb des Gehäuses (302) zum Empfangen von Schmieröl von einer Druckquelle und Lenken des Schmieröls zu den Lagern (510, 512) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Schmieröls von den Durchgängen (340) zum Motorhohlraum (347) umgeleitet wird, um es mittels sich zwischen den Öldurchgängen (340) und dem Motorhohlraum (347) erstreckenden Öldüsen (350, 352) direkt auf den Stator (332) des Motors (300) strahlzusprühen.
Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Anspruch 1, wobei das Schmieröl durch Öffnungen umgeleitet wird, die in dem Gehäuse (302) so ausgebildet sind, dass sie sich zwischen den Durchgängen (340) und dem Motorhohlraum (347) erstrecken.
Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Anspruch 2, wobei mindestens ein Rückschlagventil zwischen den Schmieröldurchgängen (340) und mindestens einer Öffnung vorgesehen ist, um zumindest einen vorbestimmten Öldruck in den Schmieröldurchgängen (340) zum Schmieren der Lager (510, 512) aufrechtzuerhalten.
Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Anspruch 1, wobei der Turbolader eine innere Welle (4504) zur Verbindung einer ersten Turbinenradschaufel (208) mit einer ersten Kompressorschaufel (408) und eine konzentrische äußere Welle (4505), die von der inneren Welle (4504) beabstandet ist, umfasst und an der äußeren Welle (4505) ein Rotor (330) des Elektromotors (300) angebracht ist, wobei das Gehäuse (302) Lager (510, 512) zum Abstützen der Wellen (4504, 4505), Schmierdurchgänge (340) innerhalb des Gehäuses (302) zum Empfangen von Schmieröl von einer Druckquelle und Lenken des Schmieröls zu den Lagern (510, 512) und in den Raum (4509), der die konzentrischen Wellen (4504, 4505) trennt, enthält, wobei der Rotor (330) Öldurchgänge in offener Verbindung zwischen dem Raum (4509), der die Wellen (4504, 4505) trennt, und dem Motorhohlraum (347) enthält, wobei das Schmieröl durch die Lager (510, 512), den Raum (4509), der die Wellen (4504, 4505) trennt, die Rotordurchgänge strömt und in den Motorhohlraum (347) benachbart zur Welle eintritt, um direkt auf den Stator (332) gesprüht zu werden.
Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Anspruch 1, wobei der Turbolader eine hohle innere Welle (4504) zum Verbinden einer ersten Turbinenradschaufel (208) mit einer ersten Kompressorschaufel (408) und eine konzentrische äußere Welle (4505), die von der inneren Welle (4504) beabstandet ist, umfasst, und an der äußeren Welle (4505) ein Rotor (330) des Elektromotors (300) angebracht ist, wobei das Gehäuse (302) Lager (510, 512) zum Abstützen der Wellen (4504, 4505) enthält, wobei die hohle innere Welle (4504) mehrere Öffnungen, die entlang ihrer Länge so beabstandet sind, dass sie zumindest mit den Lagern (510, 512) in offener Verbindung stehen, ein erstes Ende (4506), das zum Empfangen von Schmieröl von einer Druckquelle und Lenken des Schmieröls entlang der Länge der hohlen inneren Weile (4504) durch die Öffnungen in den Raum (4509), der die konzentrischen Wellen (4504, 4505) trennt, und zu den Lagern (510, 512) verbunden ist, aufweist, wobei das Schmieröl durch die Lager (510, 512) in den Motorhohlraum (347) benachbart zu der Welle strömt, um es direkt auf den Stator (332) zu sprühen.
Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Anspruch 1, mit einem Motorgehäuse (302), das einen Motorhohlraum (347) enthält, einer Welle (500), die das Turbinenrad (200) mit dem Kompressor (400) verbindet, einem Elektromotor (300) mit einem Stator (332), der an dem Gehäuse (302) in dem Motorhohlraum (347) befestigt ist, und einem Rotor (330), der zur Drehung mit der Welle (500) zwischen dem Turbinenrad (200) und dem Kompressor (400) angebracht ist, und einem Wellenversteifungselement (516) mit einer Hülse, die die Welle (500) innerhalb des Motorhohlraums (347) eng umgibt, zwischen dem Rotor (330) und der Welle (500), um Resonanzschwingungen in der Welle (500) zu unterdrücken.
Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Anspruch 6, wobei das Wellenversteifungselement (516) mindestens einen Werfer (524, 526) enthält, der sich hiervon radial nach außen erstreckt.
Elektrisch gesteuerter Turbolader nach Anspruch 1, der ferner einen Ablauf (314) in dem Gehäuse (302) in Verbindung mit dem Motorhohlraum (347), um zu ermöglichen, dass die gesprühte Flüssigkeit zur externen Quelle zurückkehrt, und eine Lüftungsöffnung (356) in dem Gehäuse (302) in Verbindung mit dem Motorhohlraum (347) umfasst.