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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Turbine mit variabler Geometrie
und insbesondere die Turbine eines Turboladers für einen Verbrennungsmotor.
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Turbolader
sind gut bekannte Vorrichtungen zum Zuführen von Luft zum Einlass eines
Verbrennungsmotors mit Überdruck
(Ladedruck). Ein herkömmlicher
Turbolader besteht im Wesentlichen aus einem mit Abgas angetriebenen
Turbinenrad, das an einer drehbaren Welle in einem Turbinengehäuse montiert
ist. Durch die Rotation des Turbinenrads dreht sich ein am anderen
Ende der Welle in einem Kompressorgehäuse montiertes Kompressorrad. Das
Kompressorrad fördert
Druckluft zum Einlasskrümmer
des Motors. Die Turboladerwelle wird herkömmlicherweise durch Zapfen-
und Axiallager gelagert, einschließlich geeigneter Schmiersysteme,
die sich in einem zentralen Lagergehäuse, geschaltet zwischen dem
Turbinen- und dem Kompressorradgehäuse, befinden.
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Bei
bekannten Turboladern umfasst die Turbinenstufe eine Turbinenkammer,
in der das Turbinenrad montiert ist, einen ringförmigen Eingangskanal, der um
die Turbinenkammer herum angeordnet ist, einen um den Eingangskanal
herum angeordneten Eingang und einen sich von der Turbinenkammer erstreckenden
Ausgangskanal. Die Kanäle
und Kammern sind miteinander in Verbindung, so dass in die Eingangskammer
eingelassenes Abgas unter Druck durch den Eingangskanal zum Ausgangskanal über die
Turbinenkammer strömt
und das Turbinenrad dreht.
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Turbinen
können
von einem Typ mit fester oder mit variabler Geometrie sein. Turbinen
mit variabler Geometrie unterscheiden sich von Turbinen mit fester
Geometrie dadurch, dass die Größe des Eingangskanals
variiert werden kann, um die Gasströmungsgeschwindigkeiten über eine
Reihe von Durchflussmengen zu optimieren, so dass die Ausgangsleistung
der Turbine passend zu variierenden Motorbedarfseinstellungen variiert
werden kann. Ein Beispiel ist in der
DE 19924228A dargestellt. Ein üblicher
Turbinentyp mit variabler Geometrie hat Flügel, die in den Eingangskanal
verlaufen und die geschwenkt werden können, um die für einströmendes Gas
verfügbare
effektive Querschnittsfläche
sowie den Annäherungswinkel
des Gases zum Turbinenrad zu verändern.
Solche Anordnungen werden im Allgemeinen als Schwenkflügelturbinen
mit variabler Geometrie bezeichnet. Jeder Flügel ist typischerweise um seine
eigene Achse schwenkbar und alle Flügel können einheitlich durch Betätigen eines
Betätigungsmechanismus
geschwenkt werden, der mit einem der Flügel verbunden ist, häufig durch
einen Ring, der Einheitsring genannt wird.
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In
einem anderen üblichen
Turbinentyp mit variabler Geometrie wird eine Wand des Eingangskanals
durch ein bewegliches Wandelement definiert, das allgemein als Düsenring
bezeichnet wird. Die Position des Düsenrings relativ zu einer Stirnwand
des Eingangskanals ist verstellbar, um die Breite des Eingangskanals
zu regeln. So kann beispielsweise, wenn der Gasfluss durch die Turbine
abnimmt, auch die Breite des Eingangskanals verringert werden, um die
Gasgeschwindigkeit zu halten und die Turbinenleistung zu optimieren.
Der Düsenring
ist gewöhnlich mit
Flügeln
versehen, die in den Eingangskanal und durch Schlitze an der Stirnwand
des Eingangskanals verlaufen, um die Bewegung des beweglichen Düsenrings
aufzunehmen. Alternativ können
Flügel
von einer festen Wand durch Schlitze im Düsenring verlaufen. Der Düsenring
ruht im Allgemeinen auf Stangen, die parallel zur Rotationsachse
des Turbinenrades verlaufen, und wird von einem Stellglied bewegt, das
die Stangen axial verschiebt.
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Es
sind verschiedene Stellgliedformen für den Einsatz mit Turbinen
mit variabler Geometrie bekannt, einschließlich pneumatischen, hydraulischen und
elektrischen Stellgliedern, die außerhalb des Turboladers montiert
und über
entsprechende Gestänge
mit dem System mit variabler Geometrie verbunden sind. So umfassen
beispielsweise bekannte elektrische Stellglieder einen Elektromotor,
der am Turboladergehäuse
montiert und über
ein Getriebe und mechanisches Gestänge mit beweglichen Elementen
des Systems mit variabler Geometrie verbunden ist. Solche elektrischen
Stellgliedsysteme haben eine Reihe von Nachteilen. So wird beispielsweise
die Positionsgenauigkeit des Stellglieds durch Herstellungstoleranzen
und Wärmeausdehnung
der mechanischen Getriebezug- und Gestängekomponenten herabgesetzt.
Außerdem
kann die transiente Steuerbarkeit (z.B. die Ansprechzeit usw.) des
Stellglieds durch Spiel und Hysterese im mechanischen Getriebezug
und Gestänge
begrenzt werden.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die obigen Nachteile
abzustellen oder abzumildern.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Turbolader mit variabler Turbinengeometrie bereitgestellt,
der Folgendes umfasst:
ein Turbinenrad, das innerhalb eines
Turbinengehäuses
an einem Ende einer Turboladerwelle für eine Drehung um eine Turboladerachse
montiert ist, wobei das Turbinengehäuse einen ringförmigen Turbineneintritt
um das Turbinenrad definiert;
ein Kompressorrad, das innerhalb
eines Kompressorgehäuses
am anderen Ende der Turboladerwelle für eine Drehung mit dem Turbinenrad
um die Achse montiert ist;
Turboladerwellenlagerbaugruppen,
die innerhalb eines Lagergehäuses
angeordnet sind, das zwischen dem Turbinengehäuse und dem Kompressorgehäuse geschaltet
ist;
einen Mechanismus mit variabler Geometrie für das Variieren
der Größe des ringförmigen Turbineneintritts;
und
einen Elektromotor für
die Betätigung
des Mechanismus mit variabler Geometrie;
wobei der Elektromotor
ein rohrförmiger
Linearelektromotor ist, der einen stationären ringförmigen Statorring und einen
axial beweglichen ringförmigen Forcer-Ring
aufweist, der koaxial um die Turboladerachse angeordnet ist, wobei
die Bewegung des Forcer-Rings die Verstellung des Mechanismus mit variabler
Geometrie bewirkt.
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Der
ringförmige
Linearmotor ist eine besonders kompakte Anordnung, die leicht in
den Turbolader integriert werden kann. Insbesondere befindet sich
in bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung der Motor im Lagergehäuse, zum
Beispiel zwischen der inneren und der äußeren Lagergehäusewand.
In solchen Ausgestaltungen der Erfindung wird der Stellgliedmotor
vor versehentlichen Schäden
oder unbefugten Eingriffen geschützt.
Außerdem
wird dadurch, dass eine Montage von Stellgliedkomponenten außerhalb
des Turbinengehäuses
vermieden wird, die Installationsflexibilität des Turboladers in einer
Motorumgebung verbessert. Diese besondere Baugruppe ist auch baulich
robust und lässt
sich relativ einfach herstellen und zusammensetzen. Auch Kühlung lässt sich
leicht über
die normalen Wasser- und Ölzuführungssysteme
des Turboladers bewerkstelligen. Darüber hinaus verbessert ein Einbauort des
Stellgliedmotors relativ nahe an dem Mechanismus mit variabler Geometrie
die Positionsgenauigkeit beim Steuern des Mechanismus mit variabler Geometrie,
mit produzierten Maßtoleranzen
in Gestängen
zwischen den beiden. Dies verbessert wiederum die transiente Steuerbarkeit
durch reduziertes Spiel und geringere Hysterese in dem Gestänge.
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Es
können
verschiedene Formen des neuen Elektromotors verwendet werden, einschließlich Reluktanzmotoren
und Motoranordnungen, die herkömmlicherweise
in linearen Schritt- und Servomotoren (wie z.B. bürstenlosen
Wechselstromanordnungen) zum Einsatz kommen.
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Weitere
bevorzugte und vorteilhafte Merkmale der Erfindung gehen aus der
nachfolgenden Beschreibung von Ausgestaltungen der Erfindung hervor.
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Spezifische
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden nun, jedoch nur
beispielhaft, mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines Turbolader-Lagergehäuses und
eines Stellgliedsystems mit variabler Geometrie gemäß einer
ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
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2 einen
axialen Querschnitt durch einen Turbolader mit einer Modifikation
des Stellgliedsystems mit variabler Geometrie gemäß 1;
und
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3 eine
schematische Darstellung eines Turbolader-Lagergehäuses und
eines Turbinenstellgliedsystems mit variabler Geometrie gemäß einer zweiten
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
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1 illustriert
schematisch einen radialen Schnitt durch einen Teil eines Turbolader-Lagergehäuses mit
einem elektrischen Stellglied für
eine Turbine mit variabler Geometrie gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Achse des Turboladers wird durch die punktierte Linie 1 angedeutet.
In einem fertigen Turbolader verläuft eine Turboladerwelle durch
das Lagergehäuse
entlang der Achse 1, wobei sich in 1 die Turbine
auf der rechten Seite und der Kompressor auf der linken Seite befinden.
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Das
Lagergehäuse
umfasst eine zylindrische innere Gehäusewand 2 und eine
zylindrische äußere Gehäusewand 3,
die einen ringförmigen
Raum zwischen sich definieren. Der ringförmige Raum ist durch eine Gehäusewand 5,
die radial zwischen der inneren und der äußeren Gehäusewand 2 und 3 verläuft, in
axiale Abschnitte 4a und 4b unterteilt. Der Raumabschnitt 4b beherbergt
eine Turbinendüsenanordnung
mit variabler Geometrie (nicht dargestellt), die beweglich ist,
um die Geometrie eines Turbineneintritts (nicht dargestellt) zu
variieren. Der ringförmige
Raumabschnitt 4a beherbergt einen elektrischen Stellantrieb
für das
System mit variabler Geometrie gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Das
Stellglied ist im Wesentlichen ein rohrförmiger Linearelektromotor,
in dem der Forcer (Bewegungselement) einen inneren Forcer-Ring 6 aus Eisen
(oder einem anderen geeigneten ferromagnetischen Material) umfasst,
der verschieblich an einem zylindrischen Linearlager 7 montiert
ist.
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Wie
in 1 dargestellt, ist der Forcer-Ring 6 im
radialen Querschnitt allgemein C-förmig, mit radial nach außen verlaufenden
ringförmigen
Abschnitten 6a und 6b. Der Motorstator umfasst
einen Außenring 8 (ebenfalls
aus Eisen oder einem anderen geeigneten ferromagnetischen Material)
und ist an der Innenfläche
der äußeren Lagergehäusewand 3 neben
der radialen Gehäusewand 5 befestigt.
Der Statorring 8 hat ebenfalls einen allgemein C-förmigen radialen
Querschnitt, aber in diesem Fall verlaufen die radial verlaufenden
Abschnitte 8a und 8b radial einwärts. Eine
ringförmige
elektrische Spule 9 (aus einem geeigneten gewickelten Leiter)
befindet sich in dem ringförmigen
Kanal 10, der zwischen radial verlaufenden Abschnitten 8a und 8b des
Statorrings 8 definiert wird. Die Spule 9 kann
in einer Epoxidmasse verkapselt werden, um die mechanische Steifigkeit und
Wärmeleitfähigkeit
zu verbessern.
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Axial
ausgerichtete Schubstangen 11 (wenigstens zwei) verlaufen
vom Forcer-Ring 6 an umfangsmäßig beabstandeten Positionen
und durch jeweilige Öffnungen 12 in
der ringförmigen Gehäusewand 5 in
den Raumabschnitt 4b, wo sie auf das bewegliche Düsenelement
(nicht dargestellt) einwirken.
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Die
Zufuhr eines elektrischen Stroms zur Spule 10 erzeugt einen
Magnetfluss, der durch den Forcer- und durch den Stator-Ring 6 und 8 passiert. Die
Wirkung des Magnetflusses übt
eine Kraft aus, die dazu neigt, radial verlaufende Abschnitte 6a und 6b des
Forcer-Rings 6 jeweils auf radial verlaufende Abschnitte 8a bzw. 8b des
Statorrings 8 auszurichten. Dies ist eine Folge des bekannten
Reluktanzeffekts (der Forcer-Ring wird durch das von der Spule erzeugte
Magnetfeld magnetisiert und wird häufig als Reluktanzmagnet bezeichnet).
Da der Statorring 8 stationär ist, hat die erzeugte Kraft
die Wirkung, den inneren Forcer-Ring 6 axial entlang dem
Lagergehäuse
zu bewegen. Die Größe der Antriebskraft
kann durch Regeln der Größe des durch
die Spule fließenden
Stroms geregelt werden (durch eine entsprechende Regelung des an
der Spule anliegenden mittleren Spannungspegels). Dies ermöglicht eine
präzise
Steuerung der axialen Positionierung des inneren Forcer-Rings 6 und
somit der Geometrie der Turbine über
die Schubstangen 11, die auf den Mechanismus mit variabler
Geometrie wirken (z.B. Bewegen des Düsenrings).
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2 illustriert
einen Querschnitt durch einen Turbolader mit einer Turbine mit variabler
Geometrie, mit einer Modifikation des Stellglieds von 1.
Der illustrierte Turbolader umfasst ein Turbinenrad 20 und
ein Kompressorrad 21, die an gegenüberliegenden Enden einer Turboladerwelle 22 montiert
sind. Das Turbinenrad 20 rotiert in einem Turbinengehäuse 23 und
das Kompressorrad 21 rotiert in einem Kompressorgehäuse 24.
Zwischen dem Turbinenrad 20 und dem Kompressorrad 21 passiert
die Welle 22 durch ein Lagergehäuse 25, das das Turbinen-
und das Kompressorgehäuse 23 und 24 verbindet.
Das Lagergehäuse
hat herkömmlicherweise
einen mittleren Abschnitt, der Zapfenlagerbaugruppen 26 und 27 aufnimmt,
die sich jeweils in der Nähe
des Kompressor- und des Turbinenendes des Lagergehäuses befinden.
Das Kompressorende des Lagergehäuses 25 selbst
beherbergt eine Axiallager/Öldichtungs-Baugruppe 28 und
endet in einem radial verlaufenden Diffusor-Abschnitt 29,
der Teil des Kompressorgehäuses
bildet. Ebenso ist eine Öldichtungsanordnung 30 am
Turbinenende der Turboladerwelle 22 vorgesehen, wo sie
in das Turbinengehäuse 23 verläuft. Einzelheiten über die
Lager- und Öldichtungsanordnungen
sind völlig
konventionell und werden hier nicht näher beschrieben.
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Das
Lagergehäuse 25 hat
eine äußere, allgemein
zylindrische Wand 31 und einen inneren, allgemein zylindrischen
Abschnitt 32, der einen ringförmigen Stellgliedraum 33 und
einen Düsenringraum 34 dazwischen
definiert (der den Raumabschnitten 4a und 4b von 1 entspricht).
Ein axial beweglicher Düsenring 35 befindet
sich im Raum 34 und bildet eine ringförmige Wand 35a, die
eine Seite eines ringförmigen
Turbineneintritts 36 definiert. Die gegenüberliegende
Seite des Eintritts 36 wird durch eine Deckscheibe 37 definiert,
die einen im Turbinengehäuse 23 vorgesehenen
ringförmgen
Raum 38 bedeckt. Der Düsenring 35 hat
einen inneren und einen äußeren axial
verlaufenden ringförmigen
Abschnitt 35b und 35c, die in Bezug auf das Lagergehäuse durch
innere und äußere Dichtungsringe 39 abgedichtet
sind. Der Düsenring 35 trägt eine
Umfangsanordnung von Flügeln 40,
die über
den Turbineneintritt 36 und durch Schlitze (nicht dargestellt)
in der Deckscheibe 37 verlaufen. Der Düsenring 35 ruht auf einem
Paar Schubstangen 41, die durch rohrförmige Lager 42 verlaufen,
die in einer radialen Lagergehäusewand 43 vorgesehen
sind, die den Stellgliedraum 33 vom Düsenringraum 34 trennt.
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Die
oben beschriebene Düsenringanordnung
ist im Wesentlichen konventionell und in existierenden Turbinendesigns
mit variabler Geometrie integriert. Wo sich die vorliegende Erfindung
vom Stand der Technik unterscheidet, ist dadurch, dass ein elektrisches
Stellglied im Raum 33 vorgesehen ist, und ferner dadurch,
dass ein lineares Stellglied direkt auf die Schubstangen 41 wirkt,
die den Düsenring 35 tragen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist das Stellglied ein rohrförmiger linearer Elektroreluktanzmotor
mit einem inneren Forcer-Ring 44, der verschieblich auf
einem ringförmigen
Linearlager 45 für eine
axiale Bewegung im Raum 33 montiert ist. Die Schubstangen 41 werden
mittels jeweiliger Befestigungsschraubbolzen 41a, die durch
radial nach außen
vorstehende ringförmige
Abschnitte 44a und 44b an gegenüberliegenden
axialen Enden des Rings 44 verlaufen, an dem Ring 44 befestigt.
Der Forcer-Ring 44 entspricht dem Innenring 6 von 1.
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Die äußere Lagergehäusewand 31 hat
einen radial verdickten Abschnitt 31a neben der radialen Wand 43,
der eine innere radiale Schulter 46 im Stellgliedraum 33 definiert.
Ein ringförmiges
elektrisches Spulenelement 47 ist in der äußeren Lagergehäusewand 31 neben
der ringförmigen
Gehäuseschulter 46 angeordnet
und ist durch einen Ring 48 axial befestigt. Zusammen entsprechen
der die ringförmige Schulter 46 definierende
radial verdickte Abschnitt 31a der Lagergehäusewand,
der Ring 48 und der dazwischen verlaufende Abschnitt der äußeren Lagergehäusewand 31 dem äußeren Ring 8 von 1, und
bilden zusammen mit der elektrischen Spule 47 den Stator
des Stellglieds.
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Die
Bewegungs- und Positionssteuerung des Düsenrings 35 wird durch
Anlegen einer geregelten Spannung an die elektrische Spule 47 erzielt,
um einen Strom darin zu erzeugen, der einen Magnetfluss erzeugt,
der durch die äußere Lagergehäusewand 31, 31a und
den Ring 48 und durch den inneren Forcer-Ring 44 fließt, um dadurch
eine axiale Kraft auf den Forcer-Ring 44 auszuüben, die
wiederum über
die Schubstangen 41 auf den Düsenring 35 wirkt.
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Man
wird verstehen, dass die Einzelheiten des Mechanismus mit variabler
Geometrie, einschließlich
dem Düsenring
und die Art und Weise seiner Montage und Bewegung, von den gezeigten
abweichen können.
Darüber
hinaus wird man verstehen, dass das Stellglied auch auf andere Formen
von Mechanismen mit variabler Geometrie angewendet werden könnte.
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Es
ist ebenfalls zu verstehen, dass Details der jeweiligen Konfiguration
der Komponenten des elektrischen Stellglieds von den gezeigten abweichen
können.
So könnte
zum Beispiel, anstatt die äußere Lagergehäusewand
mit einem vergrößerten radialen
Abschnitt vorzusehen, der eine ringförmige Schulter zum Bilden eines
Teils des Motorstators definiert, ein geeigneter Statorring (der ähnlich wie
in 1 gezeigt konfiguriert ist) in der Lagergehäusewand
des Turboladers von 2 fixiert werden.
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Ebenso
können
Konfiguration und Ort der Schubstangen 41 oder ähnliche
Verbindungen mit dem Düsenring
variieren.
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Man
wird auch verstehen, dass bei den oben beschriebenen Ausgestaltungen
der Erfindung der Stator zwar die radial äußere Komponente des Linearmotors
ist, aber diese Anordnung könnte
auch umgekehrt werden, indem ein beweglicher, radial äußerer Forcer-Ring
und ein stationärer,
radial innerer Stator vorgesehen werden. Ansonsten ist der Betrieb wie
oben beschrieben.
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Die
oben beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung nutzen den Reluktanzeffekt
zum Erzeugen der nötigen
Motorkraft. Alternative Ausgestaltungen der Erfindung können jedoch
Motorkraft durch den Lorentz-Effekt erzeugen. 3 ist
eine schematische Darstellung einer solchen Ausgestaltung.
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3 zeigt
einen axialen Querschnitt durch einen Teil eines Turbolader-Lagergehäuses, der
diesem Teil des schematisch in 1 gezeigten
Lagergehäuses
entspricht. So umfasst das Lagergehäuse eine zylindrische innere
Wand 49 und eine zylindrische äußere Wand 50, die
einen ringförmigen
Stellgliedraum 51 dazwischen definieren. In dieser Ausgestaltung
ist die radiale Gehäusewand 52,
die ein Ende des Raums 51 definiert, eine Endwand des Lagergehäuses und
keine Zwischenwand. In diesem Fall befinden sich die Komponenten
mit variabler Geometrie (nicht dargestellt) innerhalb des Turbinengehäuses in 3 auf
der rechten Seite der Wand 52 (eine ähnliche Modifikation kann auf
die schematisch in 1 illustrierte Ausgestaltung
angewendet werden). Ob sich die Komponenten mit variabler Geometrie
im Lagergehäuse
oder im Turbinengehäuse
befinden oder nicht, ist für
den Betrieb der vorliegenden Erfindung weitgehend irrelevant.
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Ein
ringförmiger,
eine elektrische Spule tragender Forcer 53 ist verschieblich
im Raum 49 zwischen einem radial verdickten Abschnitt 54 der äußeren Lagergehäusewand 50 und
einem inneren Ringmagnet 55 montiert, der um die innere
Lagergehäusewand 49 herum
montiert ist. Der Magnet 55 ist ein Dauermagnet, der einen
radialen Magnetfluss erzeugt, der eine Magnetschaltung durch die
inneren, äußeren und
ringförmigen
Gehäusewandabschnitte 50, 52, 54 bildet
(die somit vorzugsweise aus Eisen oder einem anderen Material mit
höherer
magnetischer Permeabilität
bestehen). Axial verlaufende Schubstangen 56 verlaufen
vom Forcer 53 durch jeweilige Öffnungen 57 durch
die Lagergehäuseendwand 52 und
wirken auf den Mechanismus mit variabler Geometrie ein (nicht dargestellt).
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Die
Magnetspule des Forcers 53 ist so gewickelt, dass die Leiter
weitgehend lotrecht zum Magnetfluss in dem Raum verlaufen. Infolgedessen
erzeugt ein Anlegen einer Wechselspannung an die Spule, so dass
ein variierender Stromfluss durch die Spule bewirkt wird, eine elektromagnetische
Kraft (durch den Lorentz-Effekt), die den Forcer 53 axial
innerhalb des Raum bewegt (im Wesentlichen ein bürstenloser Wechselstrommotor).
Eine Bewegung der Spule bewirkt eine Bewegung des Mechanismus mit
variabler Geometrie über
die Schubstangen 57. Die auf die Spule aufgebrachte Kraft,
und somit die Bewegung und Position des Forcers 53, können genau
durch eine entsprechende Regelung der Spannung und somit des der
Spule zugeführten
Stroms geregelt werden.
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Die
Natur der Krafterzeugung sowie das ausführliche Design des Stellglieds
der vorliegenden Ausgestaltung der Erfindung unterscheiden sich zwar
von den Ausgestaltungen in den 1 und 2,
aber alle Ausgestaltungen haben das gemeinsame Merkmal eines Linearelektromotors,
der sich im Lagergehäuse
befindet.