WO2008141670A1 - Turbolader ii - Google Patents

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WO2008141670A1
WO2008141670A1 PCT/EP2007/009446 EP2007009446W WO2008141670A1 WO 2008141670 A1 WO2008141670 A1 WO 2008141670A1 EP 2007009446 W EP2007009446 W EP 2007009446W WO 2008141670 A1 WO2008141670 A1 WO 2008141670A1
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WO
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rotor
turbocharger
compressor wheel
turbocharger according
stator
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/009446
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English (en)
French (fr)
Inventor
Holger GÖDEKE
Rudolf Löffler
Ralf Heber
Thomas Bischof
Sandra Maier
Oliver Kämpfer
Original Assignee
Lindenmaier Ag
Sycotec Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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Priority to PCT/EP2008/003197 priority patent/WO2008141710A1/de
Priority to EP08749032.2A priority patent/EP2158387B1/de
Priority to PL08749032T priority patent/PL2158387T3/pl
Priority to US12/601,690 priority patent/US8550793B2/en
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Priority to ES08749032T priority patent/ES2420968T3/es
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Definitions

  • the invention relates to turbochargers.
  • turbocharger which supplies the right amount of fresh air with the least possible delay, and which is also simple in structure and as little as possible prone to failure.
  • the invention relates to a turbocharger with a compressor assembly for compressing fresh air for internal combustion engines, comprising a compressor and an electric motor with rotor and stator, wherein a rotor magnet of the rotor is formed so that it is partially or completely integrated into the compressor wheel (ie that rotor magnet or rotor on the one hand and the compressor wheel on the other hand are connected to each other) and the smallest inner diameter of the stator is 1.5 to 8 times as large as the largest outer diameter of the rotor.
  • the stated lengths relate in each case to the largest dimensions or smallest extensions of the elements involved, but only in the region of the electrically or magnetically active elements, ie, for example, only over the length of the rotor magnet).
  • the term "turbochargers" is understood to mean all means which can supply combustion air which is precompressed to a combustion engine, resulting in a larger amount of fuel
  • the invention also relates to a turbocharger comprising at least one compressor wheel, wherein the compressor wheel is drivable via at least one electric motor and the electric motor has a rotor, a stator and a rotor gap between rotor and stator and the rotor gap is configured so that at least 50 when the compressor wheel is rotating %, preferably at least 90% of the air mass flow to be compressed are passed through the rotor gap.
  • the stated percentages indicate minimum ranges.
  • the percentages apply in principle for the entire speed range of the turbocharger or a combustion engine connected thereto.
  • the entire air flow which is supplied to the respective compressor wheel should be guided through this rotor gap.
  • the numerical value definition also has the purpose, inter alia, that unwanted or “random” leakage flows, as might occur in the prior art, are correspondingly excluded.
  • a "recirculation flow” between rotor and stator In the case of objects according to the prior art, in which the rotor is mounted on the outside of the compressor wheel, very close to the stator, it should not be regarded as “air mass flow” to be compressed, since such a “recirculation air” Strictly speaking, the compressor wheel has already passed.
  • turbochargers which are used for power generation. These turbochargers are designed as small gas turbines and also have a turbine and a rigidly coupled compressor. On the rotor shaft of the turbine, a conventional generator is flanged to generate electricity. Since the generator is arranged within the intake tract, it represents a high flow resistance, which reduces the efficiency and at the same time there are very high stresses on the bearing components.
  • turbocharger for example, to be used as a microturbine for the power-heat or power-cold coupling.
  • the combustion air flows between the rotor and stator of the electric motor / generator in the compressor and is there compressed and thus preheated to about 200 0 C.
  • the preheated, compressed air is brought by the hot exhaust gas to a higher temperature level.
  • the compressed, warm air is burned together with a fuel such as regenerative gas.
  • the resulting hot gases are released in the turbine and drive the turbine wheel and thus the compressor and the generator.
  • the heat energy of the exhaust gas is partly discharged directly back to the compressed combustion air in the heat exchanger.
  • this turbocharger invention can be coupled to a second heat exchanger to use the entire residual heat for hot water production or supply them to a heating circuit, for example for the building temperature.
  • the generator can be used as an electric motor.
  • the turbocharger according to the invention For example, the cost-effective small cogeneration plants are produced, the essential components consist of large-scale components.
  • the mass of the rotor magnet is between 5g and 1000g, preferably between 10 and 100g for automotive turbocharger.
  • the mass moment of inertia of the magnetically (active) effective mass of the electric motor with respect to the axis of rotation of the rotor in this case is between 0.1 kgmm 2 and 10kgmm 2 , preferably between 0.3 kgmm 2 and 1.0 kgmm 2 for automobile applications.
  • a further advantageous embodiment provides that the compressor wheel is mounted on an axle and contains blades, wherein the leading edges of the blades (ie, the portion of the compressor wheel, on which the air hits first) in Lufteinlassströ- mungsraum downstream with respect to a magnetically active front portion of the rotor and / or a magnetically active front section of the stator.
  • a mixed arrangement of several different rotor magnets at different points of the compressor wheel allows an optimization of the necessary installation space with simultaneous optimization of the engine torque and reduction of the bending load of the rotor shaft.
  • the shape of the rotor / stator does not necessarily have to be circular-cylindrical, but can be adapted to the shape of the compressor wheel.
  • the invention also provides a method for operating the turbocharger according to the invention.
  • the turbocharger has at least one compressor wheel for compressing air, and the compressor wheel can be driven by an electric motor, wherein a rotor gap is arranged between the rotor and stator of the electric motor and at least 50%, particularly preferably at least 90%, of that supplied to the compressor wheel Air mass flow in at least one operating state of the turbocharger are passed through the rotor gap.
  • a “turbocharger” in the sense of the present invention does not necessarily have to include a turbine wheel driven by an exhaust gas flow. It is only important that at least one (however driven compressor wheel) for supplying precompressed combustion air to an internal combustion engine in the "turbocharger" is included.
  • the turbocharger according to the invention includes a turbine wheel and a compressor wheel connected therewith, wherein an electric motor is provided on the side of the compressor wheel facing away from the turbine wheel and a rotor of the electric motor rotatably connected to the compressor wheel is designed to cantilever freely.
  • the electric motor serves to provide an additional acceleration of the compressor wheel by the electric motor in the event of a higher demand for fresh air (eg determined by control electronics).
  • electric motors are favorable, since they can be accelerated without noticeable start-up delay with high torque.
  • the electric motor is not arranged between the turbine wheel and the compressor wheel in the present case. Such an arrangement can lead to thermal problems and also represents a strong structural modification of conventional (purely mechanical) turbochargers. In addition to the increased design effort, the repair effort in such structures is considerable.
  • Electric motor attached. It is possible, but not essential, to install another bearing point here so that the rotor is supported on both sides. Such a bearing can, on the one hand, the electrical properties of the electric motor
  • the drive system according to the invention contains, in addition to the turbocharger according to the invention, a combustion engine.
  • a combustion engine In the context of the present invention, "internal combustion engine” should be understood to mean any engine that requires or produces both fresh air / fresh gas and exhaust gas, so that a corresponding turbocharger could be used here.
  • the drive system also includes a storage for electrical energy.
  • the electric motor of the turbocharger is preferably connected to the storage for electrical energy for the removal of electrical energy in an engine operation of the turbocharger and for the supply of electrical energy in a generator operation of the turbocharger.
  • the exhaust gas is blown off unused up to 30%.
  • the energy of this excess exhaust gas can be used additionally energetically by the electric motor is used as a generator.
  • excess "thermal / kinetic energy” can be recovered as electrical energy, as a result of which the energy balance of the drive system is considerably improved.
  • the turbocharger may even be designed so that the Liehe internal combustion engine no additional alternator needed more.
  • the electric motor of the turbocharger or the electrical storage connected to it is additionally connectable to an electromotive drive of a motor vehicle.
  • This electromotive drive can be, for example, a hub electric motor (or another electric drive provided in the drive train), which is fastened to a drive wheel of the motor vehicle.
  • so-called “hybrid vehicles” in this way both an additional provision of torque or engine power during acceleration achieved, since in addition to the internal combustion engine and the electric hub motors are responsible for the acceleration.
  • the switching of the electric hub motors into the generator mode can achieve a braking effect and thus a recovery of kinetic energy into electrical energy, which is temporarily stored in a corresponding memory.
  • the electric motor of the turbocharger is connected to just this memory, so the entire electrical energy can be centrally "managed” to make them useful at any time retrievable.
  • turbocharger system and the electric hub motors have independent electrical storage.
  • turbocharger according to the invention is also suitable for use in modulatable power generation systems that are fueled with fuels such as natural gas, siggas, heating oil but also renewable gases such as biogas, sewage and landfill gas or solid fuels such as wood chips, pieces of wood, straw, etc. can be operated.
  • fuels such as natural gas, siggas, heating oil
  • renewable gases such as biogas, sewage and landfill gas or solid fuels such as wood chips, pieces of wood, straw, etc.
  • solid fuels such as wood chips, pieces of wood, straw, etc.
  • control parameters used are the rotational speed of the turbine wheel or compressor wheel, actual values of turbine housing-side and compressor housing-side pressure ratios, as well as further torque values relevant to the internal combustion engine.
  • turbine wheel and compressor wheel are permanently connected to each other in a rotationally fixed manner. This means that there is no clutch between turbine wheel and compressor wheel, which would increase the mechanical structure and the susceptibility of the system. Instead, the aim is to be moved by a lightweight rotor, a lightweight compressor wheel, a light shaft and a correspondingly low-mass turbine wheel
  • the housing of the turbocharger is preferably of modular construction, ie, in addition to a turbine housing for the turbine wheel, a compressor housing for the compressor wheel is provided.
  • the turbine housing is Preferably connected to an exhaust manifold, which leads from the individual cylinders of the internal combustion engine exhaust gas to the turbine wheel. Due to the thermal load of the turbine housing, the design requirements are slightly different than the compressor housing that surrounds the compressor.
  • the actual storage of the turbine wheel and compressor wheel preferably takes place exclusively between the turbine wheel and the compressor wheel. This means that no additional support is provided on the side of the compressor wheel facing away from the turbine wheel, since the rotor of the electric motor projects freely here.
  • a bearing housing between the turbine housing and the compressor housing is provided, which would be used to Aufaufme of bearing elements for the turbine wheel and the compressor wheel.
  • the electric motor includes a stator having a substantially cylindrical shape and concentrically surrounding the rotor. It is advantageous that the stator can be designed as part of the inner wall of the compressor housing. The stator may for example be used as an insert in a corresponding opening of the compressor housing.
  • the rotor of the electric motor preferably has a rotor magnet, which is surrounded by a reinforcement. This mechanically protects the rotor magnet. It can also be influenced in this way on the type of magnetic field.
  • the Rotor magnet may be formed so that it is partially or completely integrated in the compressor wheel. If the compressor wheel is made of fiber-reinforced or unreinforced plastic, then the rotor magnet can be encapsulated directly with the plastic compound during production, which enables cost-effective mass production.
  • the armouring of the rotor is "hollow cylinder-shaped".
  • the rotor magnet inside is hollow for attachment to a common shaft with the compressor wheel. In this way, a cost-effective production is possible.
  • the compressor wheel is preferably made of a non-magnetizable material that does not adversely affect the electromagnetic field.
  • the compressor wheel may also be made of a non-metallic material, preferably a reinforced or unreinforced plastic.
  • a further advantageous development provides that the rotor gap between the rotor and the stator represents an (and the only intended) inlet air opening for the compressor wheel.
  • This in turn means that the electric motor hardly obstructs the air flow and that no additional Beerzu Fightingöff- have to be provided, which would increase the flow resistance unnecessarily. It is therefore even possible that the inlet air opening is free of struts between the rotor and stator. Due to the omission of the "counter bearing”, such a bracing is not necessary here. Nevertheless, such a ches “counter bearing”, both in “classic” turbochargers with turbines, as well as in turbochargers, which are designed only as a compressor stage, are used (for example, at particularly high speeds, critical natural frequencies, etc.).
  • the inlet opening can be provided with a large cross-sectional area.
  • the smallest inner diameter of the stator is 1.2 to 10 times, preferably 1.5 to 8 times, more preferably 2 to 4 times as large as the largest outer diameter of the rotor.
  • the indicated lengths refer in each case to the largest expansions or smallest expansions of the elements involved, but only in the region of the electrically or magnetically active elements (ie only over the length of the rotor magnet, for example, a subsequent thickening (for example in the region of the compressor rotor). It is sufficient if the values in a single cross-section (cross-sectional area) are met.
  • the compressor wheel contains a conveying structure in the form of screws, blades or vanes, wherein the leading edges of the conveying structure in the air inlet flow direction downstream or upstream with respect to a magnetically active leading edge of the rotor magnet or a magnetically effective conveying edge of the stator.
  • a conveying structure in the form of screws, blades or vanes, wherein the leading edges of the conveying structure in the air inlet flow direction downstream or upstream with respect to a magnetically active leading edge of the rotor magnet or a magnetically effective conveying edge of the stator.
  • Stator or the rotor with respect to the compressor wheel practically arbitrary, depending on the application.
  • arranging the leading edge of the rotor magnet upstream of the air inlet flow direction makes sense, for example, when a compressor wheel made of a metallic material is used. Due to the fact that the rotor magnet protrudes from the compressor wheel, the electrical or magnetic properties of the corresponding motor are particularly favorable.
  • the rotor magnet can also only begin within a conveying structure of the compressor wheel. This is useful, for example, if the conveyor structure consists of a plastic material.
  • the leading edge of the stator may also be located downstream or upstream with respect to a leading edge of the conveyor structure.
  • space considerations and material considerations in the foreground are also space considerations and material considerations in the foreground.
  • a further (alternatively or cumulatively to the above) design provides that the compressor wheel contains a conveying structure in the form of blades, screws or vanes, wherein the trailing edges of the conveying structure in the air inflow direction downstream or upstream with respect to a trailing edge of the rotor magnet and / or Trailing edge of the stator are.
  • the "driving" elements can also be arranged partially downstream of the conveying structure.
  • Particularly large or powerful stator arrangements or rotor magnets can in this case also be designed so long that they support the conveying structure or the Projecting compressor wheel on both sides axially (ie downstream and upstream).
  • a further advantageous embodiment provides that the stator and / or rotor are inclined with respect to an axis of the compressor wheel.
  • outer contour or the inner contour of the rotor magnet or stator need not be cylindrical or hollow cylindrical, but that other shapes may also be present here, for example truncated cone shapes or hollow truncated cone shapes.
  • the diameter or area ratios according to the invention must also be realized in these inclined structures in only a single cut, in order to realize the patent teaching according to the invention.
  • a further advantageous embodiment provides that the rotor magnet is arranged radially relative to the axis of the compressor wheel outside the hub of the compressor wheel.
  • this arrangement is not always desirable because of the higher mechanical and thermal load of the rotor magnet, but this gives even greater flexibility, such as the possibility of a small-sized hub (or ideally the omission of the hub) and an additional air flow in the center of the compressor wheel .
  • the compressor wheel can also be designed so that air can be guided both radially inside and radially outside the rotor magnet.
  • the rotor magnet is designed substantially annular, but this can also be achieved by an arrangement of a plurality of rotor magnet segments.
  • the compressor wheel can be designed so that at least 50%, preferably at least 70%, particularly preferably at least 90% are guided radially outside the rotor magnet.
  • the primary work of the media gap motor is the promotion of media through the gap between the rotor and stator, or as a generator, the drive through the fluid in the media gap.
  • cross-sectional area of the inlet opening is meant the actual open cross-section in which air or fluid is feasible. So this is the actual “net cross-sectional area of the inlet opening” in this area.
  • the entire circular area is initially assumed, but the corresponding cross-sectional area of the blades or hub (including reinforcement, rotor magnet, etc.) is determined to determine the net cross-sectional area.
  • the dimension found here is thus a ratio of the actual rotor magnet (in terms of area) to the actual air-permeable cross-section.
  • V QE set cross section preferably passes through a region in which not only the rotor magnet is present, but also a magnetically or electrically effective portion of the stator.
  • net cross-sectional areas are the electrically effective ones Specify components of the stator or rotor magnet. Insulating components or non-electrically / magnetically active components are not included here.
  • a metal main body including, for example, copper windings
  • a surrounding insulating plastic is not.
  • only the actual magnetically active areas are included in the rotor magnet, even if the rotor consists of different parts (then the individual areas must be added accordingly, so that a total area of the rotor magnet can be determined).
  • cross sections are preferably perpendicular to the axis of the compressor wheel.
  • a further advantageous embodiment provides that the rotor is connected to the compressor wheel and the compressor wheel is mounted axially on both sides.
  • the compressor can be connected to a turbine or not, it is only important that the compressor is axially mounted on both sides, so do not cant.
  • a further advantageous embodiment provides that the turbocharger only as a compressor system is carried out with at least one compressor wheel and the at least one compressor wheel is mounted on one or both sides axially. In this case, the compressor wheel would therefore not be connected to the turbine wheel.
  • turbocharger has a turbine wheel and the compressor wheel, wherein the electric motor is arranged on the side of the compressor wheel facing the turbine wheel or between the side facing the turbine wheel and the side facing away from the turbine wheel.
  • a further advantageous development provides that the smallest inner diameter of the stator 1.1 to 1.49 times, preferably 1.25 to 1.49 times as large as the largest outer diameter of the rotor.
  • a further advantageous embodiment provides that the smallest inner diameter of the stator 8.01 to 15 times, preferably 8.01 to 12 times as large as the largest outer diameter of the rotor.
  • the lengths given here refer in each case to the largest expansions or smallest expansions of the elements involved, but only in the region of the electrically or magnetically active elements (that is, for example only the rotor magnet, a subsequent thickening, for example in the region of the compressor wheel) not relevant here.
  • the Set voltage of the electric motor more than 12 V, for example 24 or 48 V.
  • the electric motor can be switched over from engine operation to generator operation. If the boost pressure (in the turbine housing) reaches a certain setpoint value, additional energy is generated using a regenerative converter. In addition, it can ideally be achieved by energetic conversion of the braking energy to one
  • Wastegate / pressure can be dispensed to blow off excess exhaust pressure.
  • the control of the motor / generator operation allows for the first time the timely targeted control of the charging process. Since the electric motor is preferably controlled by a frequency converter, the speed of the compressor and the turbine wheel and thus the air mass flow can be determined exactly.
  • the control of the charging of the internal combustion engine is preferably integrated in the central engine control. This makes it possible to realize a characteristic-controlled charging. Thus, an exact tuning and optimization of the combustion parameters (amount of fuel, amount of air, boost pressure, exhaust gas recirculation rate, ignition timing, etc.) is possible, whereby a significant fuel consumption reduction is achieved. This therefore represents an active characteristic field extension, as a result of which the energy balance of the internal combustion engine can be considerably improved. This
  • Control circuit allows the control and optimization of the entire combustion process within the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • Fig. Ia a first embodiment of a turbocharger according to the invention in partial section
  • FIG. 1b shows a view of the turbocharger from FIG. 1a according to FIG.
  • Ic is a view of the turbocharger of Fig. Ia according to B;
  • FIG. 1 d shows a partial explosion drawing of the turbocharger from FIG. 1 a
  • FIG. 2a shows a second embodiment of a turbocharger according to the invention in partial section
  • FIG. 2b is a partial exploded view of the turbocharger of FIG. 2a;
  • 3a shows an explanation of the proportions and arrangement of rotor magnet, stator and compressor wheel.
  • FIG. 3b shows an embodiment of a compressor wheel with inclined rotor and inclined stator.
  • FIGS. 4a to 4c an explanation of geometric relationships of turbochargers according to the invention. Fign.
  • FIGS. 5 and 6 show a further embodiment of a turbocharger according to the invention as a microturbine for the generation of energy.
  • FIGS. Ia to Id show an electrically modified mechanical turbocharger 1, which can be coupled with a turbine housing 5 to an internal combustion engine.
  • the exhaust gas is collected after combustion and used to drive a turbine wheel 2.
  • the turbine wheel 2 is surrounded by the turbine housing 5 and is essentially taken from a conventional mechanical turbocharger.
  • a bearing housing 7 and then a compressor housing 6 adjoin the turbine housing 5.
  • a compressor wheel is mounted, which fed through an inlet port air (this inlet air opening is particularly good in Fig. Ic see) compacted by means of a compressor wheel 3 and not darg Congress way here to the combustion chamber of the
  • the compressor wheel 3 shows in Fig. Ia on the left side an extension, on which a rotor 4a of an electric motor is given.
  • the rotor 4a is mounted centrally in the intake air port 4e.
  • the air inlet flow direction is designated LES in FIG. 1a (here coaxial to the axis of the compressor wheel).
  • stator 4b Around the rotor 4a there is provided a stator 4b, which has a substantially hollow cylindrical shape and as part of the inner wall of the compressor housing. Housing is shown in the region of the intake air opening. In the present case, the stator 4b is even provided as an insert in a corresponding opening, so that it is very easy to install. In the present case, the rotor gap between rotor 4a and 4b in FIG.
  • Stator 4b the intake air opening 4e for the compressor wheel.
  • the inlet air opening 4e is free of struts between the rotor and the stator.
  • the smallest inner diameter of the stator see “d s " in Fig. Id), for example, 1.5 times larger than the largest outer diameter d R of the rotor (the drawing is schematic and only to clarify the size ratios).
  • the rotor 4a of the electric motor 4 has a rotor magnet 4c surrounded by a reinforcement (see, for example, Fig. Id).
  • the reinforcement is designed essentially "cup-shaped", wherein the bottom of the cup to the compressor wheel is almost completely closed (apart from a central mounting hole).
  • the compressor wheel may (but need not) be made of a non-metallic material, here in an embodiment, for example, an unreinforced plastic influencing the electromagnetic field of the electric motor is minimized.
  • the rotor magnet 4c is hollow for mounting on a common shaft with the compressor wheel.
  • a hole 4c of the rotor magnet can be seen in Fig. Id accordingly.
  • compressor wheel 3 shaft 8
  • turbine wheel 2 a sequence of elements is shown, which is a thermal load of the electric motor. Minimize lektrotnotors.
  • the shaft 8 is designed in such a way that the turbine wheel 2, compressor wheel 3 and rotor 4a are firmly connected to one another (non-rotatably), ie can not be separated by a rotary coupling or freewheel.
  • a coupling in the context of the present invention, for example, if the mass of the turbine wheel 2 is very high, but this would also increase the design effort again.
  • the setpoint voltage of the electric motor 4 in FIG. 1 a is 12 V, but other voltages (for example 48 V for hybrid vehicles) are also possible.
  • a turbocharger with a compressor assembly for compressing fresh air for internal combustion engines comprising a compressor 3 and an electric motor 4 with rotor 4a and stator 4b, wherein a rotor magnet 4c of the rotor is formed so that it partially or completely is integrated in the compressor or is connected to this and the smallest inner diameter of the stator is 1.5 to 8 times as large as the largest outer diameter of the rotor.
  • the arrangement of the rotor magnet, of the stator or of the compressor wheel in the axial direction is variable in this case, reference is made in particular to the later FIG. 3a.
  • the mass of the rotor magnet 3c (the total mass, even if it should consist of several parts) is presently 50 g.
  • the moment of inertia of the rotor magnet of the axis of the rotor is relative kgmm 0.6. 2
  • the ratio of the cross-sectional area of the inlet opening to the cross-sectional area of the rotor magnet (V QE ) is 7: 1.
  • the electric motor can be operated both during engine operation (to accelerate and avoid a "turbo lag" and in generator mode (to recover energy).)
  • boost pressure in the turbine housing
  • additional electrical energy is generated using a regenerative converter
  • this energy conversion of the braking energy in the generator mode to a wastegate / pressure box for blowing off excess exhaust gas pressure, as shown in FIG.
  • the turbocharger according to the invention finds application in a drive system according to the invention for motor vehicles, which includes an internal combustion engine connected to the turbocharger and a memory for e- lectric energy.
  • the electric motor of the turbocharger 1 is in this case connected to the memory for e- lectric energy for removal of electrical energy in an engine operation of the turbocharger 1 and for feeding electrical energy into a generator operation of the turbocharger.
  • the electric motor of the turbocharger is connected to an electrical accumulator, wherein this electrical accumulator is additionally connectable to an electromotive drive of a motor vehicle.
  • This connection of the electric turbocharger to a “hybrid” vehicle is particularly energy efficient.
  • an electronic control system for determining the rotational speed of turbine wheel 2 or compressor wheel 3, actual values of turbine housing-side and compressor housing-side pressure conditions and other values relevant to the internal combustion engine torque.
  • FIGS. Ia to Id The most important components of the first embodiment according to FIGS. Ia to Id are shown in Fig. Id, there above right as a partial explosion drawing.
  • a turbocharger 1 which has a turbine wheel 2 and a compressor wheel 3 connected thereto, wherein on the side facing away from the turbine wheel of the compressor wheel, an electric motor 4 is provided (consisting of rotor 4a and stator 4b) and a rotatably connected to the compressor 3 rotor 4a of the electric motor 4 is designed cantilevered.
  • FIGS. 2a and 2b A second embodiment is shown in FIGS. 2a and 2b. In this case, the rotor magnet 4c has been partially integrated into the compressor wheel 3 during manufacture.
  • the stator forms the inner contour of the compressor housing.
  • the electric motor can be operated both during engine operation (to accelerate and avoid a "turbo lag" and in generator mode (to recover energy).)
  • boost pressure in the turbine housing
  • additional energy is generated using a regenerative converter. Due to the energetic conversion of the braking energy in the generator mode can be omitted in this design variant on a wastegate and a pressure cell for blowing off an excess exhaust gas pressure as shown in Fig. Ib number 9.
  • FIG. 3a shows a schematic representation of compressor wheel 3, stator 4b and rotor 4c for illustrating geometric relationships. Shown is the compressor wheel, which is mounted on one axle 10 on one side or both sides and is flown in an air inlet flow direction LES. The inflowing air flow is accelerated by the compressor wheel 3, which has a conveying structure F.
  • the leading edge of the conveyor structure is identified by VF and the trailing edge of the conveyor structure by HF.
  • the leading edge of the rotor magnet 4c is denoted by VR, the trailing edge of the rotor magnet 4c by HR.
  • the front edge of the stator is marked with VS, the rear edge of the stator with HS (the stator is rotationally symmetric, but it has For reasons of reason, the above stator cut is shown).
  • the compressor wheel 3 thus has a conveying structure F in the form of blades, wherein the leading edges VF of the conveying structure in the air inlet flow direction are downstream with respect to a magnetically active leading edge of the rotor magnet 4c and a magnetically active leading edge VS of the stator.
  • the compressor wheel with its trailing edge HF lies upstream in the air inlet flow direction with respect to the trailing edge HR of the rotor magnet 4c and the trailing edge of the stator 4b.
  • FIG. 3 b shows a further embodiment in which the stator 4 b (which is rotationally symmetrical with respect to the axis 10) is inclined relative to the axis 10.
  • the stator therefore has a substantially hollow frustoconical shape.
  • the compressor wheel shown in Fig. 3b is mounted on both sides (see indicated bearings Ll and L2).
  • the 'embodiments of the other figures can in principle be mounted on both sides be (even if this may involve additional construction effort).
  • the rotor magnet 4c relative to the axis 10 of the compressor wheel 3 is arranged radially outside the hub of the compressor wheel.
  • the compressor wheel is in this case designed so that air can be guided both radially inside and radially outside of the rotor magnet.
  • the compressor wheel is also designed so that at least 70% of the supplied air mass (or the supplied air mass flow) are guided radially outside the rotor magnet.
  • Figures 4a and 4b serve to illustrate the determination of the diameter dimensions for non-uniform geometries.
  • FIG. 4a makes clear that the largest diameter d R of the rotor is measured at the point at which this rotor (but only in the area of extent of the rotor magnet) has its greatest extent. A later rotor broadening in the region of the compressor wheel 3 is not here, since the rotor magnet is not continued there.
  • stator at the narrowest point is measured (see d s ) over which the corresponding electrically or magnetically active component of the stator (indicated by the black bar of a sheet metal core with copper wire shows) extends.
  • FIG. 4b shows a more detailed explanation for non-circular cross sections.
  • large outer diameter of the rotor magnet is meant the diameter, showing the smallest circumscribing circle around the overall rotor (for axial positioning, see above, description for 4a).
  • the wavy outline shown in Fig. 4b is not circular, the circle described surrounds substantially outstanding points of the outer rotor.
  • stator 4b which also has no circular shape.
  • the largest circle described is assumed to be the diameter d s .
  • FIG. 4c again shows a cross section through a stator 4b and rotor 4a according to the invention.
  • a rotor magnet 4c which consists of individual segments (three distributed over the circumference).
  • a reinforcement 4d is attached around this rotor magnet 4c.
  • a conveyor structure F (here in section, therefore hatched) is shown on this reinforcement.
  • the inlet opening 4e is defined as an opening which can actually be flowed through, that is to say the surface area within the reinforcement 11, but less the areas of the hatched conveyor structure and the hub of the rotor (the hub includes the reinforcement 4d and everything inside it). What is meant here is the "net cross-sectional area" of the inlet opening.
  • stator As the cross-sectional area of the stator is here only the electrically or magnetically effective part (ie core metal + copper wire, but less copper wire painting and possible "hollow surfaces") understood.
  • core metal + copper wire ie core metal + copper wire, but less copper wire painting and possible "hollow surfaces"
  • rotor magnet here only the cross sections of the pure rotor magnet segments in this cross section are to be used.
  • the above-mentioned ratios for the relation of the smallest inner diameter of the stator to the largest outer diameter of the rotor, in addition to 1.5 to 8 times), may also be at other intervals, namely 1.1 to 1.49 times , preferably 1.25 to 1.49 times.
  • the smallest inner diameter of the stator may be 8.01 to 15 times, preferably 8.01 to 12 times, the size of the largest outer diameter of the rotor.
  • All turbochargers shown in the figures contain at least one compressor wheel 3 for compressing air and are drivable with the electric motor 4, wherein between rotor 4a and stator 4b of the electric motor.
  • a rotor gap is arranged and at least 50%, preferably at least 90% of the compressor air supplied to the air mass flow in at least one operating state of the turbocharger are passed through the rotor gap.
  • this operating state is given at a speed between 5000 and 300,000 rpm, preferably between 40,000 and 200,000 rpm, in this case at 100,000 rpm.
  • the rotational speed of the crankshaft of a connected reciprocating piston engine is between 100 and 15,000 rpm, preferably between 1,500 and 8,000 rpm, in this case for example 2,500 rpm.
  • FIGS. 5 and 6 show the turbocharger according to the invention as a basic module of a microturbine for combined heat and power.
  • Fig. 5 shows the basic structure
  • Fig. 6 is an explanatory exploded view.
  • An electric motor / generator is identified by the reference numeral 11, a recuperator by the reference numeral 12, a heat exchanger by the reference numeral 13 and a heat accumulator by the reference numeral 14.
  • the relevant parts rotor, stator, compressor wheel, turbine wheel
  • the mode of operation is as follows (important here is not primarily the function of the cogeneration, but the fact that the turbocharger according to the invention, which here shows a compressor wheel and a turbine wheel, also outside the automobile can be used.
  • the combustion air flows completely between the rotor and the stator of the electric motor / generator 11 into the compressor. Due to the compression there to about 4 bar, the combustion air already heated to approximately 200 0 C. From the compressor, the heated combustion air is passed in a first heat exchanger and is raised by the hot exhaust gases flowing past to a temperature level of about 500 0 C. In a downstream combustion chamber, the combustion air is burned together with a fuel such as regenerative gas. The resulting hot gases are released in the turbine and drive the turbine wheel and thus the compressor and the generator. The heat energy of the exhaust gas is partially released in the heat exchanger directly back to the compressed combustion air.
  • this turbocharger invention can be coupled to a second heat exchanger to use the entire residual heat for hot water production or supply them to a heating circuit, for example for the building temperature.
  • the generator can be used as an electric motor.
  • inexpensive small combined heat and power plants can be produced, whose essential components consist of large-scale components from the automotive industry.
  • the low-vibration operation avoids noise emission and transmission of structure-borne noise into adjacent buildings. Due to its compact design and low weight, the module is also suitable as an auxiliary drive for power generation in aircraft.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turbolader mit einer Verdichteranordnung zur Verdichtung von Frischluft für Verbrennungskraftmotoren, enthaltend ein Verdichterrad (3) sowie einen Elektromotor (4) mit Rotor (4a) und Stator (4b), wobei ein Rotormagnet (4c) des Rotors so ausgebildet ist, dass er partiell oder auch komplett in das Verdichterrad integriert ist und der kleinste Innendurchmesser des Stators 1,5- bis 8-mal so gross ist wie der grösste Aussendurchmesser des Rotors. Der erfindungsgemässe Turbolader zeichnet sich durch ein sehr spontanes Ansprechverhalten im transienten Bereich sowie einer Möglichkeit zur exakten zeitnahen Massenstromregelung aus. Darüber hinaus ermöglicht er eine Energierückgewinnung und trägt somit zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades einer Verbrennungskraf tmaschine bei.

Description

Lindenmaier AG, SycoTec GmbH & Co . KG 077PCT 1291
Turbolader II
Die Erfindung bezieht sich auf Turbolader.
Verbrennungskraftmaschinen mit Turboladern sind prinzipiell bekannt. Typischerweise wird ein Abgasstrom aus einer Verbrennungskraftmaschine heraus genutzt, um ein Turbinenrad anzutreiben. Dieses Turbinenrad ist beispielsweise über eine Welle mit einem Verdichterrad gekoppelt, das eine Verdichtung von zugeführter Frischluft in dem Brennraum sicherstellt. Eine solche Vorverdichtung bzw. "Aufladung" führt zu einer erhöhten Motorleistung bzw. erhöhtem Drehmoment gegenüber herkömmlichen Verbrennungs- kraftmaschinen. Allerdings besteht bei derartig aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen das Problem des so genannten "Turbolochs11, das insbesondere beim Anfahren und Beschleunigen aus niedrigen Drehzahlen eines Fahrzeugs, also wenn die Verbrennungskraftmaschine rasch in Bereiche höherer Leistung beschleu- nigt werden soll, auftritt. Dies rührt daher, dass der erhöhte Luftmengenbedarf auf der Luftzuführseite nur mit einer Verzögerung bereitgestellt werden kann (unter anderem bedingt durch die Trägheit des Systems Turbinenrad-Verdichterrad) .
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Turbolader zur Verfügung zu stellen, der mit geringstmöglicher Verzögerung die genau richtige Menge Frischluft zuführt, und der darüber hinaus im Aufbau einfach und möglichst wenig störanfällig ist.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Die Erfindung betrifft einen Turbolader mit einer Verdichteranordnung zur Verdichtung von Frischluft für Verbrennungskraftmotoren, enthaltend ein Verdichterrad sowie ein Elektromotor mit Rotor und Stator, wobei ein Rotormagnet des Rotors so ausgebildet ist, dass er partiell oder auch komplett in das Verdichterrad integriert ist (also dass Rotormagnet bzw. Rotor einerseits und Verdichterrad andererseits miteinander verbunden sind) und der kleinste Innendurchmesser des Stators 1,5 bis 8 mal so ist wie der größte Außendurchmesser des Rotors. Die angegebenen Längen beziehen sich hierbei jeweils auf die größten Ausdehnungen bzw. kleinsten Ausdehnungen der beteiligten Elemente, allerdings lediglich im Bereich der elektrisch bzw. magnetisch wirksamen Elemente, d.h. beispielsweise nur über die Länge des Rotormagneten) . Im Kontext der vorliegenden Anmeldung werden unter "Turboladern" sämtliche Mittel verstanden, die einer Verbrennungskraftmaschine vorkomprimierte Verbren- nungsluft zuführen können, wodurch eine größere
Luftmasse in den Brennraum gelangt, (eine klassische Verdichterrad-Turbinenrad-Kopplung ist also nicht zwingend erforderlich) .
Die Erfindung betrifft außerdem einen Turbolader, enthaltend mindestens ein Verdichterrad, wobei das Verdichterrad über mindestens einen Elektromotor antreibbar ist und der Elektromotor einen Rotor, einen Stator sowie einen Rotorspalt zwischen Rotor und Stator aufweist und der Rotorspalt so ausgestaltet ist, dass bei rotierendem Verdichterrad mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 90% des zu verdichtenden Luftmassenstroms durch den Rotorspalt geführt werden .
Die genannten Prozentzahlen geben jeweils Mindestbereiche an. Die Prozentzahlen gelten hierbei prinzipiell für den gesamten Drehzahlbereich des Turboladers bzw. eines daran angeschlossenen Verbrennungs- kraftmotors.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung soll der gesamte Luftstrom, der dem jeweiligen Verdichterrad zugeführt wird, durch diesen Rotorspalt ge- führt werden.
Die zahlenwertmäßige Abgrenzung hat unter anderem auch den Sinn, dass unerwünschte bzw. "zufällige" Leckströmungen, wie sie im Stand der Technik vorkom- men könnten, entsprechend ausgeschlossen werden. Eine "Rezirkulationsströmung" zwischen Rotor und Sta- tor bei Gegenständen nach dem Stand der Technik, bei denen der Rotor auf der Außenseite des Verdichterrades, sehr nahe zu dem Stator, angebracht ist, soll allerdings nicht als "zu verdichtender Luftmassen- ström" gesehen werden, da eine solche "Rezirkulati- onsluft" das Verdichterrad streng genommen bereits passiert hat .
Vorteilhaft ist eine "integrale" Bauform, bei der ein großer Teil des zu verdichtenden Luftmassenstroms bzw. sogar der gesamte zu verdichtende Luftmassenstrom dem mindestens einen Verdichterrad durch den Rotorspalt zugeführt wird.
Im Gegensatz zur Anbringung von Rotoren auf den radialen Außenseiten des Verdichterrades ist es vorteilhaft, den Rotor bzw. seine magnetisch wirksamen Teile möglichst nah an der Drehachse des Verdichterrades anzuordnen. Dies ist zum einen bei schnell laufenden Turboladern aus mechanischer Sicht sehr günstig, da hier durch hohe bzw. sich schnell ändernde Fliehkräfte sonst unter Umständen mechanische Beschädigungen auftreten könnten. Auch vorteilhaft ist, dass die Drehträgheitsmomente auf diese Weise relativ niedrig gehalten werden können, da radial außen liegende Magnete üblicherweise ein hohes spezifisches Gewicht und somit ein sehr hohes Drehträgheitsmoment aufweisen. Dadurch kann das instationäre Verhalten des Verdichters erheblich verbessert wer- den. Hinzu kommt bei am Verdichterrad außen liegenden Magneten, dass diese auch thermisch stärker beansprucht werden, da an diesen Außenseiten starke Erwärmungen durch die Kompressionsarbeit entstehen können, die sich wiederum nachteilig auf die Lebens- dauer der Magnete des Rotors auswirken können. Aus der Literatur sind Turbolader bekannt, die zur Stromerzeugung verwendet werden. Diese Turbloader sind als kleine Gasturbinen ausgebildet und verfügen ebenfalls über eine Turbine sowie einen starr gekoppelten Verdichter. Auf der Läuferwelle der Turbine ist ein konventioneller Generator zur Stromerzeugung angeflanscht. Da der Generator innerhalb des Ansaugtraktes angeordnet ist, stellt er eine hohen Strömungswiderstand dar, der den Wirkungsgrad senkt und gleichzeitig treten sehr hohe Beanspruchungen an den Lagerkomponenten auf .
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Turboladers sieht vor, diesen z.B. als Mikrotur- bine für die Kraft-Wärme- oder Kraft-Kälte-Kopplung zu verwenden. Dabei strömt die Verbrennungsluft zwischen Rotor und Stator des Elektromotors/Generators in den Verdichter und wird dort komprimiert und somit vorgewärmt auf ca. 2000C. In einem Wärmetauscher wird die vorgewärmte, komprimierte Luft durch das heiße Abgas auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. In einer nachgeschalteten Brennkammer wird die komprimiert, warme Luft gemeinsam mit einem Brennstoff z.B. regenerativem Gas verbrannt. Die so entstandenen heißen Gase werden in der Turbine entspannt und treiben das Turbinenrad und somit den Verdichter sowie den Generator an. Die Wärmeenergie des Abgases wird teilweise in dem Wärmetauscher direkt wieder an die komprimierte Verbrennungsluft ab- gegeben. Darüber hinaus kann dieser erfindungsgemäße Turbolader mit einem zweiten Wärmetauscher gekoppelt werden um die gesamte Restwärme zur Warmwassererzeugung zu nutzen oder sie einem Heizkreis z.B. für die Gebäudetemperierung zuzuführen. Zum Starten des Pro- zesses kann der Generator als Elektromotor verwendet. Somit können mit dem erfindungsgemäßen Turbola- der beispielsweise kostengünstige kleine Blockheizkraftwerke erzeugt werden, deren wesentlichen Komponenten aus Grosserienbauteile bestehen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Masse des Rotormagneten zwischen 5g und 1000g beträgt, vorzugsweise zwischen 10 und 100g für Automobilturbolader. Das Massenträgheitsmoment der magnetisch (aktiv) wirksamen Masse des Elektromotors be- züglich der Drehachse des Rotors beträgt hierbei zwischen 0,1 kgmm2 und lOkgmm2 , vorzugsweise zwischen 0,3 kgmm2und 1,0 kgmm2 für Automobilanwendun- gen.
Dadurch, dass relativ große Luftspalte bei dem erfindungsgemäßen Rotorspalt möglich sind, sind also sowohl Massen als auch Massenträgheitsmomente der elektrisch bzw. magnetisch wirksamen Motorbestandteile klein, es bildet sich trotzdem ein sehr horao- genes Feld.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Verdichterrad auf einer Achse gelagert ist und Schaufeln enthält, wobei die Vorderkanten der Schaufeln (also der Abschnitt des Verdichterrades, auf den die Luft zuerst trifft) in Lufteinlassströ- mungsrichtung stromabwärts bezüglich eines magnetisch wirksamen Vorderabschnitts des Rotors und/oder eines magnetisch wirksamen Vorderabschnitts des Sta- tors liegen.
Dies heißt also, dass die aktiven Komponenten des Elektromotors (Rotor bzw. Stator) axial noch stärker zum Lufteinlass hin angeordnet sind und das eigent- liehe Verdichterrad stromabwärts angeordnet ist. Hierdurch wird es unter anderem auch möglich, die gesamte dem Verdichterrad zuzuführende Einlassluft durch den Rotorspalt zu führen.
Es ist jedoch auch konstruktiv möglich den Rotor in das Verdichterrad oder gar auf der Turbinenrad zugewandten Seite des Verdichterrades zu applizieren um das Biegemoment auf der Verdichterwelle zu verringern, dennoch wird der zu verdichtenden Luftmassenstrom primär durch den Rotorspalt durchgeführt.
Ein Mischverbau mehrerer verschiedener Rotormagnete an unterschiedlichen Stellen des Verdichterrades (vor, innerhalb und/ oder hinter) ermöglicht eine Optimierung des notwendigen Bauraums bei gleichzei- tiger Optimierung des Motordrehmoments und Verringerung der Biegebeanspruchung der Läuferwelle. Dabei muss die Form des Rotors/Stators nicht zwangsläufig kreiszylindrisch sein, sondern kann an die Form des Verdichterrades angepasst werden.
Die Erfindung sieht außerdem ein Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Turboladers vor. Der Turbolader weist, wie oben gesagt, mindestens ein Verdichterrad zum Verdichten von Luft auf und das Verdichterrad ist mit einem Elektromotor antreibbar, wobei zwischen Rotor und Stator des Elektromotors ein Rotorspalt angeordnet ist und mindestens 50%, besonders vorzugsweise mindestens 90% des dem Verdichterrad zugeführten Luftmassenstroms in mindes- tens einem Betriebszustand des Turboladers durch den Rotorspalt geführt werden.
Dieses "Betriebsverfahren" ist bereits in den Vorrichtungsansprüchen angesprochen, dass dort Gesagte gilt für das hier beanspruchte Betriebsverfahren entsprechend. Wichtig ist, dass die oben genannten anteiligen Luftmassenströme von mindestens 50% bzw. mindestens 90% bzw. sogar 100% dem üblichen Betrieb des Turboladers erreicht werden, beispielsweise in einem Betriebszustand, bei dem die Drehzahl des Ver- dichterrades zwischen 5000 und 300000 U/min, vorzugsweise zwischen 40000 und 200000 U/min beträgt oder auch die Drehzahl eines angeschlossenen Verbrennungsmotors zwischen 50 und 200000 U/min, vorzugsweise zwischen 100 und 15000 U/min bei Hub- kolbenmotoren beträgt.
Es sei nochmals betont, dass ein "Turbolader" im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht zwangsweise ein von einem Abgasstrom angetriebenes Turbinenrad beinhalten muss. Wichtig ist lediglich, dass mindestens ein (wie auch immer angetriebenes Verdichterrad) zur Zuführung von vorkomprimierter Verbrennungsluft zu einem Verbrennungsmotor im "Turbolader" enthalten ist.
Der erfindungsgemäße Turbolader enthält in einer Weiterbildung ein Turbinenrad sowie ein damit verbundenes Verdichterrad, wobei auf der dem Turbinenrad abgewandten Seite des Verdichterrades ein Elekt- romotor vorgesehen ist und ein mit dem Verdichterrad drehfest verbundener Rotor des Elektromotors frei auskragend ausgeführt ist.
Der Elektromotor dient dazu, bei einer (z.B. von ei- ner Steuerelektronik festgestellten) höheren Frisch- luftanforderung eine zusätzliche Beschleunigung des Verdichterrades durch den Elektromotor bereitzustellen. Hierzu sind Elektromotoren günstig, da diese ohne merkliche Anfahrverzögerung mit hohem Drehmo- ment beschleunigt werden können. Außerdem ist vorteilhaft, dass der Elektromotor im vorliegenden Fall nicht zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad angeordnet ist. Eine solche Anordnung kann zu thermischen Problemen führen und stellt auch eine starke konstruktive Abwandlung von herkömmlichen (rein mechanischen) Turboladern dar. Neben dem erhöhten konstruktiven Aufwand ist der Reparaturaufwand bei solchen Aufbauten erheblich.
Vorteilhaft (aber auch im Rahmen der Erfindung nicht zwingend) ist, dass im vorliegenden Fall in axialer Richtung gesehen eine Abfolge "Turbinenrad, Welle (Lagerung) , Verdichterrad, Elektromotor" gegeben ist. Der Elektromotor ist dann im Wesentlichen nur der Umgebungstemperatur ausgesetzt, so dass es hier nicht zu einer thermischen Zersetzung der Statorwicklung etc. kommen kann.
Ein Vorteil liegt in dem frei auskragenden Ende jen- seits des Verdichterrades. Hier ist der Rotor des
Elektromotors angebracht. Es ist möglich, aber nicht unbedingt notwendig, hier eine weitere Lagerstelle anzubringen, um den Rotor somit beidseitig zu lagern. Eine solche Lagerstelle kann zum einen die e- lektrischen Eigenschaften des Elektromotors unter
Umständen stören und u.U. eine statische Überbestimmung darstellen. Des Weiteren wird die Reibungsarbeit im System erhöht. Außerdem ist auch die Frisch- luftzuführung durch ein solches Lager u.U. behin- dert, da entsprechende Streben die Einlassluftöffnung zum Verdichterrad hin verkleinern. Eine solche Lagerstelle, d.h. eine axial beidseitige Lagerung des Verdichterrades, ist allerdings auch gut möglich. Außerdem ist mit dem "auskragenden" Rotor der konstruktive Unterschied zu rein mechanischen Turboladern denkbar gering, so dass auf diese Weise sehr kostengünstig, modular und leicht reparierbar ein Elektromotor an herkömmliche Turbolader ergänzt werden kann .
Das erfindungsgemäße Antriebssystem enthält neben dem erfindungsgemäßen Turbolader einen Verbrennungs- kraftmotor. Unter "Verbrennungskraftmotor" soll im Kontext der vorliegenden Erfindung jeglicher Motor verstanden werden, der sowohl Frischluft/Frischgas als auch Abgas benötigt bzw. produziert, so dass ein entsprechender Turbolader hier Anwendung finden könnte. Darüber hinaus enthält das Antriebssystem auch einen Speicher für elektrische Energie. Hier ist vorzugsweise der Elektromotor des Turboladers mit dem Speicher für elektrische Energie verbunden zur Entnahme elektrischer Energie in einem Motorbe- trieb des Turboladers und zur Einspeisung elektrischer Energie in einem Generatorbetrieb des Turboladers .
In vielen Betriebszuständen eines Turboladers (z.B. Volllast, Schubbetrieb etc) wird bis zu 30% das Abgas ungenutzt abgeblasen. Mit der beschriebenen Ausführungsform des Turboladers kann die Energie dieses überschüssigen Abgases zusätzlich energetisch genutzt werden, indem der Elektromotor als Generator verwendet wird. Auf diese Weise kann zum einen überschüssige "thermisch/kinetische Energie" als elektrische Energie wieder gewonnen werden, hierdurch wird die Energiebilanz des Antriebssystems erheblich verbessert. Idealerweise kann der Turbolader sogar so ausgelegt sein, dass der im Kraftfahrzeug befind- liehe Verbrennungsmotor keine zusätzliche Lichtmaschine mehr benötigt.
Besonders vorteilhaft bei diesem Antriebssystem ist auch, wenn der Elektromotor des Turboladers bzw. der mit ihm verbundene elektrische Speicher zusätzlich mit einem elektromotorischen Antrieb eines Kraftfahrzeuges verbindbar ist. Dieser elektromotorische Antrieb kann beispielsweise ein Nabenelektromotor (oder ein anderer im Antriebsstrang vorgesehener E- lektromotor) sein, der an einem Antriebsrad des Kraftfahrzeugs befestigt ist. In modernen, so genannten "Hybridfahrzeugen" wird auf diese Weise sowohl eine zusätzliche Bereitstellung von Drehmoment bzw. Motorleistung beim Beschleunigen erzielt, da neben dem Verbrennungskraftmotor auch die elektrischen Nabenmotoren für die Beschleunigung zuständig sind. Bei Bremsvorgängen kann durch das Umschalten der elektrischen Nabenmotoren in den Generatorbe- trieb eine Bremswirkung und somit eine Rückgewinnung von kinetischer in elektrische Energie erreicht werden, die in einem entsprechenden Speicher zwischengespeichert wird. Ist nun auch der Elektromotor des Turboladers mit eben diesem Speicher verbunden, kann somit zentral die gesamte elektrische Energie "verwaltet" werden, um diese jederzeit nutzbringend abrufbar zu machen.
Daneben ist es selbstverständlich aber auch möglich, dass das Turboladersystem und die elektrischen Nabenmotoren (bzw. andere Motore im Antriebssträng) voneinander unabhängige elektrische Speicher haben.
Der erfindungsgemäße Turbolader eignet sich darüber hinaus auch zum Einsatz in modulierbaren Stromerzeugungsanlagen, die mit Brennstoffen wie Erdgas, Flüs- siggas, Heizöl aber auch regenerativen Gasen wie Bio-, Klär- und Deponiegas oder Festbrennstoffen wie Hackschnitzel, Holzstückgut, Stroh etc. betrieben werden können. Durch diese Art der Kraft-Wärme- Kopplung können kostengünstige Anlagen zur Energieerzeugung mit hohem Wirkungsgrad realisiert werden. Der erfindungsgemäße Turbolader kann also auch als Grundmodul einer Mikroturbine für die Kraft-Wärme- Kopplung verwendet werden.
Zur Steuerung der elektrischen Energie, des Lade- und Entladevorgangs bzw. zur Bereitstellung optimalen Drehmoments bei niedrigem Verbrauch ist in dem Antriebssystem vorzugsweise eine Steuerelektronik vorzusehen. Als Regelparameter dienen die Drehzahl von Turbinenrad oder Verdichterrad, Ist-Werte von turbinengehäuseseitigen und verdichtergehäuseseiti- gen Druckverhältnissen sowie weiteren für den Verbrennungskraftmotor drehmomentrelevanten Kenngrö- ßen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass Turbinenrad und Verdichterrad dauerhaft drehfest miteinander verbunden sind. Dies bedeutet, dass keine Kupplung zwischen Turbinenrad und Verdichterrad gegeben ist, wodurch der mechanische Aufbau und die Störanfälligkeit des Systems erhöht würden. Stattdessen wird angestrebt, durch einen leichten Rotor, ein leichtes Verdichterrad, eine leichte Welle und ein entsprechend massearmes Turbinenrad die bewegten
Drehmassen zu begrenzen.
Das Gehäuse des Turboladers ist vorzugsweise modular aufgebaut, d.h., dass neben einem Turbinengehäuse für das Turbinenrad ein Verdichtergehäuse für das Verdichterrad gegeben ist. Das Turbinengehäuse ist vorzugsweise mit einem Abgaskrümmer verbunden, der von den einzelnen Zylindern des Verbrennungskraftmotors Abgas zum Turbinenrad hinführt . Aufgrund der thermischen Belastung des Turbinengehäuses sind die konstruktiven Anforderungen etwas anders als an das Verdichtergehäuse, das das Verdichterrad umgibt. Die eigentliche Lagerung von Turbinenrad und Verdichterrad findet vorzugsweise ausschließlich zwischen Turbinenrad und Verdichterrad statt. D.h., dass auf der dem Turbinenrad abgewandten Seite des Verdichterrades keine zusätzliche Lagerung gegeben ist, da hier ja der Rotor des Elektromotors frei auskragt. Vorzugsweise ist ein Lagergehäuse zwischen Turbinengehäuse und Verdichtergehäuse vorgesehen, das zur Auf- nähme von Lagerelementen für das Turbinenrad und das Verdichterrad dient.
Vorzugsweise enthält der Elektromotor einen Stator, der im Wesentlichen eine zylindrische Form aufweist und der den Rotor konzentrisch umgibt. Hierbei ist vorteilhaft, dass der Stator als Teil der Innenwand des Verdichtergehäuses ausgeführt werden kann. Der Stator kann beispielsweise auch als Einsatz in eine korrespondierende Öffnung des Verdichtergehäuses einsetzbar sein. Vorteilhaft an diesen Ausführungsformen ist, dass nur eine geringstmögliche konstruktive Änderung herkömmlicher mechanischer Turbolader nötig ist, so dass hierdurch insbesondere in der Großserie große Kosten- und Wettbewerbsvorteile rea- lisierbar sind.
Der Rotor des Elektromotors weist vorzugsweise einen Rotormagneten auf, der von einer Armierung umgeben ist. Hierdurch wird der Rotormagnet mechanisch ge- schützt. Es kann außerdem auf diese Weise auf die Art des Magnetfeldes Einfluss genommen werden. Der Rotormagnet kann so ausgebildet sein, dass er partiell oder auch komplett in das Verdichterrad integriert ist. Besteht das Verdichterrad aus faserverstärktem oder unverstärktem Kunststoff, so kann der Rotormagnet bei der Produktion direkt mit der Kunststoffmasse umspritzt werden, wodurch eine kostengünstige Großserienfertigung ermöglicht wird.
Vorzugsweise ist die Armierung des Rotors "hohlzy- linderförmig" ausgeführt.
Fertigungstechnisch ist es vorteilhaft, dass der Rotormagnet innen bereichsweise hohl ist zum Aufstecken auf eine gemeinsame Welle mit dem Verdichter- rad. Auf diese Weise ist eine kostengünstige Fertigung möglich.
Das Verdichterrad besteht vorzugsweise aus einem nicht magnetisierbaren Werkstoff, der das Elektro- magnetfeld nicht negativ beeinträchtigt. Vorzugsweise kann das Verdichterrad auch aus einem nichtmetallischen Material, vorzugsweise einem verstärkten o- der unverstärkten Kunststoff sein.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Rotorspalt zwischen Rotor und Stator eine (und zwar die einzige beabsichtigte) Einlassluftöffnung für das Verdichterrad darstellt. Dies bedeutet wiederum, dass der Elektromotor den Luftzustrom kaum behindert und dass keine zusätzlichen Luftzuführöff- nungen vorgesehen werden müssen, welche den Strömungswiderstand unnötig erhöhen würden. Es ist daher sogar möglich, dass die Einlassluftöffnung frei von Streben zwischen Rotor und Stator ist . Aufgrund des Wegfalls des "Gegenlagers" ist hier eine solche Verstrebung nicht notwendig. Gleichwohl kann ein sol- ches "Gegenlager", sowohl bei "klassischen" Turboladern mit Turbinen, als auch bei Turboladern, die lediglich als Verdichterstufe ausgelegt sind, zur Anwendung kommen (beispielsweise bei besonders hohen Drehzahlen, kritischen Eigenfrequenzen etc.).
Die Einlassöffnung kann, je nach Dimensionierung von Rotor bzw. Stator mit einer großen Querschnittsfläche versehen sein. Vorzugsweise ist der kleinste In- nendurchmesser des Stators 1,2- bis 10-mal, vorzugsweise 1,5- bis 8mal, besonders vorzugsweise 2- bis 4mal so groß ist wie der größte Außendurchmesser des Rotors. Die angegebenen Längen beziehen sich hierbei jeweils auf die größten Ausdehnungen bzw. kleinsten Ausdehnungen der beteiligten Elemente, allerdings lediglich im Bereich der elektrisch bzw. magnetisch wirksamen Elemente (also nur über die Länge des beispielsweise Rotormagneten, eine nachfolgende Verdickung (beispielsweise im Bereich des Verdichterra- des) ist hier nicht maßgeblich. Es ist ausreichend, wenn die Werte in einem einzigen Querschnitt (einer Querschnittfläche) erfüllt sind.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Verdichterrad eine Förderstruktur in Form von Schnecken, Schaufeln oder Flügeln enthält, wobei die Vorderkanten der Förderstruktur in Lufteinlass- strömungsrichtung stromabwärts oder stromaufwärts bezüglich einer magnetisch wirksamen Vorderkante des Rotormagneten oder einer magnetisch wirksamen Förderkante des Stators liegen. Mit "magnetisch wirksamen Vorderkanten" sind in diesem Zusammenhang die tatsächlichen elektrischen bzw. magnetischen Komponenten gemeint, allerdings ohne isolierende Umfas- sungen etc. Hiermit sind Freiheiten gegeben, den
Stator bzw. den Rotor bezüglich des Verdichterrades praktisch beliebig anzuordnen, je nach Anwendungsfall. Beispielsweise ist die Anordnung der Vorderkante des Rotormagneten stromaufwärts zur Luftein- lassströmungsrichtung sinnvoll, wenn beispielsweise ein Verdichterrad aus einem metallischen Material verwendet wird. Dadurch, dass der Rotormagnet aus dem Verdichterrad herausragt, sind die elektrischen bzw. magnetischen Eigenschaften des entsprechenden Motors besonders günstig. Ist allerdings eine Mini- mierung von Bauraum gefragt, kann der Rotormagnet auch erst innerhalb einer Förderstruktur des Verdichterrades beginnen. Dies bietet sich beispielsweise an, wenn die Förderstruktur aus einem Kunststoffmaterial besteht. Die Vorderkante des Stators kann ebenso stromabwärts oder stromaufwärts bezüglich einer Vorderkante der Förderstruktur angeordnet werden. Hier stehen ebenfalls Bauraumerwägungen sowie Materialüberlegungen im Vordergrund.
Eine weitere (alternativ bzw. kumulativ zu dem vorher Gesagten) Bauform sieht vor, dass das Verdichterrad eine Förderstruktur in Form von Schaufeln, Schnecken oder Flügeln enthält, wobei die Hinterkanten der Förderstruktur in Lufteinströmungsrichtung stromabwärts oder stromaufwärts bezüglich einer Hinterkante des Rotormagneten und/oder einer Hinterkante des Stators liegen. Je nach dielektrischen bzw. magnetischen Eigenschaften der umliegenden Materialien, Abmessungen des Rotormagneten bzw. des Stators bzw. des Verdichterrades/der Förderstruktur können also die "antreibenden" Elemente auch teilweise stromabwärts der Förderstruktur angeordnet sein. Besonders große bzw. leistungsfähige Statoranordnungen bzw. Rotormagneten können hierbei auch so lang aus- geführt werden, dass sie die Förderstruktur bzw. das Verdichterrad beidseitig axial (also stromabwärts und stromaufwärts) überragen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass Stator und/oder Rotor bezüglich einer Achse des Verdichterrades geneigt sind.
Dies bedeutet also, dass die Außenkontur bzw. die Innenkontur von Rotormagnet bzw. Stator nicht zy- lindrisch oder hohlzylindrisch sein müssen, sondern dass es hier auch andere Formen geben kann, beispielsweise Kegelstumpf-Formen bzw. Hohlkegelstumpf- Formen. Die erfindungsgemäßen Durchmesser bzw. Flächenverhältnisse müssen bei diesen geneigten Struk- turen auch in lediglich einem einzigen Schnitt verwirklicht sein, um die erfindungsgemäße Patentlehre zu verwirklichen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Rotormagnet bezogen auf die Achse des Verdichterrades radial außerhalb der Nabe des Verdichterrades angeordnet ist. Diese Anordnung ist zwar wegen der höheren mechanischen und auch thermischen Belastung des Rotormagneten nicht immer gewünscht, allerdings gibt dies eine noch höhere Flexibilität, beispielsweise die Möglichkeit einer kleinbauenden Nabe (bzw. im Idealfall des Entfallens der Nabe) und einem zusätzlichen Luftstrom im Zentrum des Verdichterrades. Hierzu kann das Verdichterrad auch so aus- geführt sein, dass Luft sowohl radial innerhalb als auch radial außerhalb des Rotormagneten führbar ist. Hier ist es beispielsweise vorstellbar, dass der Rotormagnet im Wesentlichen kreisringförmig ausgeführt ist, allerdings kann dies auch durch eine Anordnung mehrerer Rotormagnetsegmente verwirklicht werden. Hierbei kann das Verdichterrad so ausgeführt sein, dass mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 70%, besonders vorzugsweise mindestens 90% radial außerhalb des Rotormagneten geführt werden.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass in zumindest einem Querschnitt das Verhältnis der Querschnittsfläche der Einlassöffnung zur Querschnittsfläche des Rotormagneten (formelmäßig ausge- drückt: VQE = AEinlassöffnung/ARotormagnet) zwischen 0,5 und 100, vorzugsweise zwischen 0,8 und 50, besonders vorzugsweise zwischen 2 und 20.
Die primäre Arbeitsleistung des Medienspaltmotors ist die Förderung von Medien durch den Spalt zwischen Rotor und Stator, bzw. als Generator der Antrieb durch das Fördermedium im Medienspalt .
Unter "Querschnittsflache der Einlassöffnung" ist der tatsächliche offene Querschnitt gemeint, in dem Luft bzw. ein Fluid führbar ist. Dies ist also die tatsächliche "Netto-Querschnittsflache der Einlassöffnung" in diesem Bereich. Beispielsweise ist bei einer kreisrunden Einlassöffnung zunächst einmal die gesamte Kreisfläche anzunehmen, zur Ermittlung der Netto-Querschnittsflache wird allerdings die entsprechende Querschnittsfläche der Schaufeln bzw. der Nabe (inkl. Armierung, Rotormagnet etc.). Das hier gefundene Maß ist also ein Verhältnis des tatsächli- chen Rotormagneten (flächenmäßig) zu dem tatsächlich mit Luft durchströmbaren Querschnitt.
Der Ermittlung von VQE angesetzte Querschnitt verläuft vorzugsweise durch einen Bereich, in dem nicht nur der Rotormagnet vorhanden ist, sondern auch ein magnetisch oder elektrisch wirksamer Abschnitt des Stators .
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Verhältnis der Querschnittsfläche des Stators zur Querschnittsfläche des Rotormagneten (formelmäßig ausgedrückt VQS = Astator/ARotormagnet) zwischen 2 und 100 , vorzugsweise zwischen 10 und 50. Hier sind jeweils "Nettoquerschnittsflachen" der elektrisch wirksamen Bestandteile des Stators bzw. Rotormagneten anzugeben. Isolierende Bestandteile bzw. nicht elektrisch/magnetisch wirksame Bestandteile werden hier nicht eingerechnet. So wird bei dem Stator ein Metallgrundkörper (einschließlich beispielsweise Kupferwicklungen) in den Querschnitt mit einberechnet, ein umgebender isolierender Kunststoff allerdings nicht. Entsprechend werden bei dem Rotormagneten auch nur die tatsächlichen magnetisch wirksamen Flächen eingerechnet, auch wenn der Rotor aus ver- schiedenen Teilen besteht (dann sind die Einzelflächen entsprechend zu addieren, so dass sich eine Gesamtfläche des Rotormagneten ermitteln lässt) .
Die oben genannten Querschnitte liegen vorzugsweise senkrecht zur Achse des Verdichterrades.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Rotor mit dem Verdichterrad verbunden ist und das Verdichterrad axial beidseitig gelagert ist. Hierbei kann das Verdichterrad mit einem Turbinenrad verbunden sein oder nicht, wichtig ist lediglich, dass das Verdichterrad auf beiden Seiten axial gelagert ist, also nicht auskragt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Turbolader lediglich als Verdichtersystem mit mindestens einem Verdichterrad ausgeführt ist und das mindestens eine Verdichterrad ein- oder beidseitig axial gelagert ist. In diesem Falle wäre das Verdichterrad also nicht mit dem Turbinenrad verbunden .
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Turbolader ein Turbinenrad und das Verdichterrad aufweist, wobei auf der dem Turbinenrad zuge- wandten Seite des Verdichterrades oder zwischen der dem Turbinenrad zugewandten und der dem Turbinenrad abgewandten Seite des Verdichterrades der Elektromotor angeordnet ist .
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der kleinste Innendurchmesser des Stators 1,1 bis 1,49 mal, vorzugsweise 1,25 bis 1,49 mal so groß ist wie der größte Außendurchmesser des Rotors.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der kleinste Innendurchmesser des Stators 8,01 bis 15 mal, vorzugsweise 8,01 bis 12 mal so groß ist wie der größte Außendurchmesser des Rotors .
Die angegebenen Längen beziehen sich hier jeweils auf die größten Ausdehnungen bzw. kleinsten Ausdehnungen der beteiligten Elemente, allerdings lediglich im Bereich der elektrisch bzw. magnetisch wirksamen Elemente (also nur beispielsweise des Rotor- magneten, eine nachfolgende Verdickung, beispielsweise im Bereich des Verdichterrades) ist hier nicht maßgeblich.
Zur Verringerung der Stromstärke und zur Steigerung der energetischen Effizienz kann hierbei auch die Sollspannung des Elektromotors mehr als 12 V, beispielsweise 24 oder 48 V betragen.
Besonders vorteilhaft ist, dass der Elektromotor vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb umschaltbar ist. Erreicht der Ladedruck (im Turbinengehäuse) einen bestimmten Sollwert, wird unter Verwendung eines rückspeisefähigen Umrichters zusätzliche Energie erzeugt Darüber hinaus kann idealerweise durch die energetische Umwandlung der Bremsenergie auf ein
Wastegate/Druckdose zum Abblasen eines überschüssigen Abgasdrucks verzichtet werden.
Die Steuerung des Motor/Generatorbetriebs ermöglicht erstmalig die zeitnahe gezielte Regelung des Aufladevorgangs . Da der Elektromotor vorzugsweise über einen Frequenzumformer geregelt wird, kann die Drehzahl des Verdichters sowie des Turbinenrades und somit der Luftmassenstrom exakt ermittelt werden. Die Steuerung des Aufladevorgangs des Verbrennungsmotors wird vorzugsweise in die zentrale Motorsteuerung integriert. Damit ist es möglich eine kennfeidgesteuerte Aufladung zu realisieren. Somit ist eine exakte Abstimmung und Optimierung der Verbrennungsparameter (Kraftstoffmenge, Luftmenge, Ladedruck, Abgasrück- führrate, Zündzeitpunkt etc.) möglich, wodurch eine erhebliche Kraftstoffverbrauchsreduzierung erzielt wird. Dies stellt somit eine aktive Kennfelderweiterung dar, wodurch die Energiebilanz des Verbren- nungsmotors erheblich verbessert werden kann. Dieser
Regelkreislaufermöglicht die Regelung und Optimierung des gesamten Verbrennungsprozesses innerhalb des Brennraums einer Verbrennungskraftmaschine.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen werden in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben. Die vorliegende Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. Ia eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Turboladers im Teilschnitt;
Fig. Ib eine Ansicht des Turboladers aus Fig. Ia gemäß A;
Fig. Ic eine Ansicht des Turboladers aus Fig. Ia gemäß B;
Fig. Id eine Teilexplosionszeichnung des Turbola- ders aus Fig. Ia,-
Fig. 2a eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Turboladers im Teilschnitt;
Fig. 2b einen Teilexplosionsansicht des Turboladers gemäß Fig.2a;
Fig. 3a eine Erläuterung der Proportionen und Anordnung von Rotormagnet, Stator und Verdichterrad;
Fig. 3b eine Ausführungsform eines Verdichterrades mit geneigtem Rotor und geneigtem Stator;
Fign. 4a bis 4c eine Erläuterung geometrischer Verhältnisse an erfindungsgemäßen Turboladern. Fign . 5 und 6 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Turboladers als Microturbine für die Energiegewinnung.
Im Folgenden sollen die Grundzüge der Erfindung anhand der ersten Ausführungsform gemäß Fign. Ia bis Id gezeigt werden.
Fign. Ia bis Id zeigen einen elektrisch modifizierten mechanischen Turbolader 1, der mit einem Turbinengehäuse 5 an einen Verbrennungskraftmotor ankoppelbar ist. Durch den in Fig. Ia gezeigten Abgas- krümmer wird nach der Verbrennung das Abgas gesam- melt und zum Antrieb eines Turbinenrades 2 genutzt. Das Turbinenrad 2 ist vom Turbinengehäuse 5 umgeben und ist im Wesentlichen einem herkömmlichen mechanischen Turbolader entnommen. An das Turbinengehäuse 5 schließt sich ein Lagergehäuse 7 und sodann ein Ver- dichtergehäuse 6 an. In diesem Verdichtergehäuse 6 ist ein Verdichterrad angebracht, das durch eine Einlassöffnung zugeführt Luft (diese Einlassluftöffnung ist insbesondere in Fig. Ic gut zu sehen) mittels eines Verdichterrades 3 verdichtet und auf hier nicht dargstellte Weise zu dem Brennraum des
Verbrennungskraftmotors führt. Das Verdichterrad 3 zeigt in Fig. Ia linksseitig einen Fortsatz, an dem ein Rotor 4a eines Elektromotors gegeben ist. Der Rotor 4a ist zentral in der Einlassluftöffnung 4e angebracht. Die Lufteinlassströmungsrichtung ist in Fig. Ia mit LES bezeichnet (hier koaxial zur Achse des Verdichterrades) .
Um den Rotor 4a herum ist ein Stator 4b vorgesehen, der im Wesentlichen eine hohlzylindrische Form aufweist und als Teil der Innenwand des Verdichterge- häuses im Bereich der Einlassluftöffnung dargestellt ist. Vorliegend ist der Stator 4b sogar als Einsatz in eine entsprechende Öffnung vorgesehen, so dass dieser sehr leicht montierbar ist. Vorliegend ist in Fig. Ia also der Rotorspalt zwischen Rotor 4a und
Stator 4b die Einlassluftöffnung 4e für das Verdichterrad. Hierbei ist auch gemäß Fig. Ia die Einlassluftöffnung 4e frei von Streben zwischen Rotor und Stator. In dem gezeigten Schnitt ist der kleinste Innendurchmesser des Stators (siehe "ds" in Fig. Id) beispielsweise 1,5 mal größer als der größte Außendurchmesser dR des Rotors (die Zeichnung ist schematisch und lediglich zur Klarstellung der Größenverhältnisse) .
Der Rotor 4a des Elektromotors 4 weist einen Rotormagneten 4c auf, der von einer Armierung umgeben ist (siehe z.B. Fig. Id) . Hierbei ist die Armierung im Wesentlichen "becherförmig" ausgeführt, wobei der Boden des Bechers zum Verdichterrad hin fast vollständig geschlossen ist (abgesehen von einer zentrischen Montagebohrung) .
Das Verdichterrad kann (muss aber nicht) aus einem nichtmetallischen Material sein, hier bei einer Ausführung beispielsweise aus einem unverstärkten Kunststoff ist die Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes des Elektromotors minimiert. Der Rotormagnet 4c wiederum ist bereichsweise hohl zum Auf- stecken auf eine gemeinsame Welle mit dem Verdichterrad. Hier ist in Fig. Id eine Bohrung 4c des Rotormagneten entsprechend zu sehen. Außerdem ist zu sehen, dass in der Abfolge Rotor (bestehend aus Rotormagnet 4c und Armierung 4d) , Verdichterrad 3, Welle 8, Turbinenrad 2 eine Abfolge von Elementen gezeigt ist, die eine thermische Belastung des E- lektrotnotors minimieren. Die Welle 8 ist hierbei in der vorliegenden Ausführungsform so ausgeführt, dass Turbinenrad 2, Verdichterrad 3 sowie Rotor 4a fest (drehfest) miteinander verbunden sind, also durch keine Drehkupplung bzw. Freilauf trennbar sind. Allerdings ist es prinzipiell möglich, eine solche Kupplung im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzusehen, falls beispielsweise die Masse des Turbinenrades 2 sehr hoch ist, hierdurch würde allerdings der konstruktive Aufwand auch wiederum erhöht.
Die Sollspannung des Elektromotors 4 in Fig. Ia beträgt vorliegend 12 V, es sind allerdings auch andere Spannungen (beispielsweise 48 V für Hybridfahr- zeuge) möglich.
In Fig. 1 d ist ein Turbolader mit einer Verdichteranordnung zur Verdichtung von Frischluft für Verbrennungskraftmotoren gezeigt, enthaltend ein Verdichterrad 3 sowie einen Elektromotor 4 mit Rotor 4a und Stator 4b, wobei ein Rotormagnet 4c des Rotors so ausgebildet ist, dass er partiell oder auch komplett in das Verdichterrad integriert ist bzw. mit diesem verbunden ist und der kleinste Innen- durchmesser des Stators 1,5 bis 8 mal so groß ist wie der größte Außendurchmesser des Rotors. Die Anordnung des Rotormagneten, des Stators bzw. des Verdichterrades in axialer Richtung ist hierbei variabel, hierzu wird auf die spätere Fig. 3a insbesonde- re hingewiesen. Die Masse des Rotormagneten 3c (die Gesamtmasse, auch wenn diese aus mehreren Teilen bestehen sollte) beträgt vorliegend 50 g. Das Massenträgheitsmoment des Rotormagneten bezüglich der Achse des Rotors beträgt 0,6 kgmm2. Das Verhältnis der Querschnittsfläche der Einlassöffnung zur Querschnittsfläche des Rotormagneten (VQE) beträgt 7:1. Das Verhältnis der Querschnittsfläche des Stators zur Querschnittsfläche des Rotor- magneten beträgt beispielsweise VQS = 16:1.
Der Elektromotor ist sowohl im Motorbetrieb (zur Beschleunigung und Vermeidung eines "Turbolochs" als auch im Generatorbetrieb (zur Rückgewinnung von E- nergie) betreibbar. Erreicht der Ladedruck (im Turbinengehäuse) einen bestimmten Sollwert, wird unter Verwendung eines rückspeisefähigen Umrichters zusätzliche elektrische Energie erzeugt. Idealerweise kann durch dieser energetische Umwandlung der Brems- energie im Generatorbetrieb auf ein Wastegate/Druck- dose zum Abblasen eines überschüssigen Abgasdrucks wie sie in Fig. Ib Ziffer 9 dargestellt ist, verzichtet werden.
Der erfindungsgemäße Turbolader findet Anwendung in einem erfindungsgemäßen Antriebssystem für Kraftfahrzeuge, das einen mit dem Turbolader verbundenen Verbrennungskraftmotor sowie einen Speicher für e- lektrische Energie enthält. Der Elektromotor des Turboladers 1 ist hierbei mit dem Speicher für e- lektrische Energie verbunden zur Entnahme elektrischer Energie in einem Motorbetrieb des Turboladers 1 und zur Einspeisung elektrischer Energie in einen Generatorbetrieb des Turboladers . In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Elektromotor des Turboladers mit einem elektrischen Speicher verbunden, wobei dieser elektrische Speicher zusätzlich mit einem elektromotorischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs verbindbar ist. Dies kann ein "Nabenmotor" eines Kraftfahrzeugs sein oder ein anderer Elektromotor, der im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs (beispielsweise im Bereich des Getriebes) vorgesehen ist. Dieser Anschluss des elektrischen Turboladers an ein "Hybrid" -Fahrzeug ist besonders energieeffizient.
Zur effizienten Steuerung des Antriebssystems bzw. des Turboladers ist eine Steuerelektronik zur Ermittlung der Drehzahl von Turbinenrad 2 oder Verdichterrad 3, Ist-Werten von turbinengehäuseseitigen und verdichtergehäuseseitigen Druckverhältnissen sowie weiteren für den Verbrennungskraftmotor drehmomentrelevanten Werten vorgesehen.
Die wichtigsten Komponenten der ersten Ausführungs- form gemäß Fign. Ia bis Id sind in Fig. Id, dort o- ben rechts als Teilexplosionszeichnung gezeigt. Hier ist zu sehen, dass es sich um einen Turbolader 1 handelt, der ein Turbinenrad 2 sowie ein damit verbundenes Verdichterrad 3 aufweist, wobei auf der dem Turbinenrad abgewandten Seite des Verdichterrades ein Elektromotor 4 vorgesehen ist (bestehend aus Rotor 4a und Stator 4b) und einen mit dem Verdichterrad 3 drehfest verbundener Rotor 4a des Elektromotors 4 frei auskragend ausgeführt ist .
Dieses "freie Auskragen" ist vorteilhaft, da damit der konstruktive Aufwand vermindert wird und beispielsweise eine statische Überbestimmung der Gesamtlagerung vermieden wird. Unter "frei auskragend" sollen solche Anordnungen verstanden werden, bei denen der Rotor nicht gesondert und dauernd gelagert wird. Eventuell vorgesehene "Auffangkäfige" etc., die eine zu starke Biegung des frei kragenden Rotors, beispielsweise aufgrund von Biegeresonanzen verhindern sollen, gelten in diesem Sinne nicht als "Lager" . Eine zweite Ausführungsform ist in den Fign. 2a und 2b gezeigt. Hierbei ist der Rotormagnet 4c bei der Herstellung partiell in das Verdichterrad 3 integ- riert worden. Der Stator bildet die Innenkontur des Verdichtergehäuses .
Der Elektromotor ist sowohl im Motorbetrieb (zur Beschleunigung und Vermeidung eines "Turbolochs" als auch im Generatorbetrieb (zur Rückgewinnung von E- nergie) betreibbar. Erreicht der Ladedruck (im Turbinengehäuse) einen bestimmten Sollwert, wird unter Verwendung eines rückspeisefähigen Umrichters zusätzliche Energie erzeugt. Durch die energetische Umwandlung der Bremsenergie im Generatorbetrieb kann in dieser Konstruktionsvariante auf ein Wastegate und eine Druckdose zum Abblasen eines überschüssigen Abgasdrucks wie sie in Fig. Ib Ziffer 9 dargestellt ist, verzichtet werden.
Fig. 3a zeigt eine schematische Darstellung von Verdichterrad 3, Stator 4b sowie Rotor 4c zur Veranschaulichung geometrischer Verhältnisse. Gezeigt ist das Verdichterrad, das auf einer Achse 10 einseitig oder beidseitig gelagert ist und in einer Luftein- lassströmungsrichtung LES beströmt wird. Die einfließende Luftströmung wird beschleunigt durch das Verdichterrad 3, das eine Förderstruktur F aufweist. Die Vorderkante der Förderstruktur wird durch VF, die Hinterkante der Förderstruktur durch HF gekennzeichnet. Die Vorderkante des Rotormagneten 4c wird mit VR gekennzeichnet, die Hinterkante des Rotormagneten 4c mit HR. Die Vorderkante des Stators wird mit VS, die Hinterkante des Stators mit HS gekenn- zeichnet (der Stator ist vorliegenden rotationssymmetrisch, es wurde allerdings hier aus Übersicht- lichkeitsgründen der obige Statorschnitt gezeigt) . Das Verdichterrad 3 hat also eine Förderstruktur F in Form von Schaufeln, wobei die Vorderkanten VF der Förderstruktur in Lufteinlassströmungsrichtung stromabwärts bezüglich einer magnetisch wirksamen Vorderkante des Rotormagneten 4c und einer magnetisch wirksamen Vorderkante VS des Stators liegen. Das Verdichterrad mit seiner Hinterkante HF liegt dagegen in Lufteinlassströmungsrichtung stromauf- wärts bezüglich der Hinterkante HR des Rotormagneten 4c sowie der Hinterkante des Stators 4b.
Es sind hier allerdings auch andere Anordnungen möglich, bei denen Rotormagnet bzw. Stator lediglich über eine Kante des Verdichterrades hinausragen, auch ist es möglich, dass der Rotormagnet vollständig innerhalb des Verdichterrades liegt und also seitlich von Kanten der Förderstruktur eingeschlossen wird.
Fig. 3b zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der der Stator 4b (dieser ist rotationssymmetrisch bezüglich der Achse 10) bezüglich der Achse 10 geneigt ist. Der Stator hat hier also im Wesentlichen hohl- kegelstumpfförmige Form. Entsprechendes gilt auch für den Rotor 4a bzw. den entsprechenden Rotormagneten, auch dieser ist mit seinen Abschnitten geneigt bezüglich der Achse 10 (also nicht parallel/ko- linear, sondern würde diese in Verlängerung schnei- den .
Das in Fig. 3b gezeigte Verdichterrad ist beidseitig gelagert (siehe angedeutete Lagerstellen Ll und L2) . Allerdings können auch die 'Ausführungsformen der weiteren Figuren prinzipiell beidseitig gelagert sein (auch wenn dies u.U. baulichen Mehraufwand bedeutet) .
Für die Fig. 3b gilt, dass der Rotormagnet 4c bezo- gen auf die Achse 10 des Verdichterrades 3 radial außerhalb der Nabe des Verdichterrades angeordnet ist. Das Verdichterrad ist hierbei so ausgeführt, dass Luft sowohl radial innerhalb als auch radial außerhalb des Rotormagneten führbar ist. Hierbei ist das Verdichterrad auch so ausgeführt, dass mindestens 70% der zugeführten Luftmasse (bzw. des zugeführten Luftmassenstroms) radial außerhalb des Rotormagneten geführt werden.
Fig. 4a und 4b dienen der Verdeutlichung der Bestimmung der Durchmessermaße bei nicht durchweg gleichförmigen Geometrien.
Fig. 4a macht klar, dass der größte Durchmesser dR des Rotors an der Stelle gemessen wird, an der dieser Rotor (aber nur im Bereich der Ausdehnung des Rotormagneten) seine größte Ausdehnung hat. Eine spätere Rotorverbreiterung im Bereich des Verdichterrades 3 geht hier nicht ein, da der Rotormagnet dort nicht weitergeführt ist.
Entsprechend ist auch der Stator an der engsten Stelle gemessen (siehe ds) über die sich das entsprechende elektrisch bzw. magnetisch wirksame Bauteil des Stators (angedeutet durch den schwarzen Balken der einen Blechkern mit Kupferdraht zeigt) erstreckt.
Fig. 4b zeigt eine nähere Erläuterung für nicht- kreisrunde Querschnitte. Mit "größter Außendurchmesser" des Rotormagneten ist der Durchmesser gemeint, der den kleinsten umschreibenden Kreis um den Gesamtrotor zeigt (zur axialen Positionierung, siehe oben, Beschreibung zu 4a) . Die in Fig. 4b gezeigte wellige Außenlinie ist nicht kreisrund, der um- beschriebene Kreis tangiert im Wesentlichen herausragende Stellen des Außenrotors.
Entsprechendes gilt für den Stator 4b, der ebenfalls keine kreisrunde Form hat. Hier wird der größte ein- beschriebene Kreis als Durchmesser ds angenommen.
Fig. 4c zeigt nochmals einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Stator 4b und Rotor 4a. Zu sehen ist hier ein Rotormagnet 4c, der aus einzelnen Seg- menten (drei über den Umfang verteilt) besteht. Alternativ hierzu ist natürlich auch ein z.B. zylindrischer Einzelmagnet vorstellbar. Um diesen Rotormagneten 4c herum ist eine Armierung 4d angebracht. Auf dieser Armierung wiederum ist eine Förderstruk- tur F (hier im Schnitt, deshalb schraffiert) gezeigt. Um die Förderstruktur herum ist eine Luftdurchführung bzw. Mediendurchlassöffnung 4e gegeben, diese wird radial nach außen von einer Abschirmung 11 (diese ist aus Kunststoff und magne- tisch/elektrisch isolierend) umgeben. Um die Abschirmung 11 herum ist der elektrisch wirksame Teil des Stators 4b gegeben.
In dem in Fig. 4c gezeigten Querschnitt beträgt die Querschnittsfläche der Mediendurchlassöffnung bzw. des Luftdurchtrittes bzw. der Einlassöffnung 4e zur Querschnittsfläche der vier Segmente des Rotormagneten (definiert als VQE = AEinlassoffnung/ARotormagnet) = 4:1.
Die Einlassöffnung 4e ist hierbei definiert als tatsächlich durchströmbare Öffnung, also der Flächenin- halt innerhalb der Armierung 11, jedoch abzüglich der Flächen der schraffierten Förderstruktur sowie der Nabe des Rotors (die Nabe umfasst die Armierung 4d sowie alles darin Befindliche) . Gemeint ist hier also die "Nettoquerschnittflache" der Einlassöffnung. Der Querschnitt verläuft in der Fig. 5c sichtbar durch den elektrisch und magnetisch wirksamen Abschnitt des Stators 4b. In diesem Querschnitt beträgt das Verhältnis der Querschnittsfläche des Sta- tors zur Querschnittsfläche des Rotormagneten (definiert als VQS = Astator/ARotormagnet)= 13:1.
Als Querschnittsfläche des Stators wird hier lediglich der elektrisch bzw. magnetisch wirksame Teil (also Kernmetall + Kupferdraht, allerdings abzüglich Kupferdrahtlackierung sowie möglicher "Hohlflächen") verstanden. Entsprechend verhält es sich bei dem Rotormagneten, hier sind nur die Querschnitte der reinen Rotormagnetsegmente in diesem Querschnitt heran- zuziehen.
Die oben genannten Verhältnisse für die Beziehung des kleinsten Innendurchmessers des Stators zum größten Außendurchmesser des Rotors können in Ergän- zung zu dem 1,5- bis 8-fachen) auch in anderen Intervallen liegen, nämlich 1,1- bis 1,49-mal, vorzugsweise 1,25- bis 1,49-mal. Entsprechend kann allerdings am anderen Ende der Skala auch der kleinste Innendurchmesser des Stators 8,01- bis 15 -mal, vor- zugsweise 8,01- bis 12-mal so groß sein wie der größte Außendurchmesser des Rotors .
Sämtliche in den Figuren gezeigten Turbolader enthalten mindestens ein Verdichterrad 3 zum Verdichten von Luft und sind mit dem Elektromotor 4 antreibbar, wobei zwischen Rotor 4a und Stator 4b des Elektromo- tors ein Rotorspalt angeordnet ist und mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 90% des dem Verdichterrad zugeführten Luftmassenstroms in mindestens einem Betriebszustand des Turboladers durch den Rotorspalt geführt werden. Bei den Darstellungen in den Figuren ist dieser Betriebszustand bei einer Drehzahl zwischen 5000 und 300000 U/min, vorzugsweise zwischen 40000 und 200000 U/min, vorliegend bei 100000 U/min gegeben. Die Drehzahl der Kurbelwelle eines ange- schlossenen Hubkolbenmotorsmotors beträgt hierbei zwischen 100 und 15000 U/min, vorzugsweise zwischen 1500 und 8000 U/min, vorliegend beispielsweise 2500 U/min.
Fign. 5 und 6 zeigen den erfindungsgemäßen Turbolader als Grundmodul einer Mikroturbine für die Kraft- Wärme-Kopplung. Fig. 5 zeigt den Grundaufbau, Fig. 6 eine erläuternde Explosionsansicht. Ein Elektromotor/Generator ist mit dem Bezugszeichen 11 gekenn- zeichnet, ein Rekuperator mit dem Bezugszeichen 12, ein Wärmetauscher mit dem Bezugszeichen 13 und ein Wärmespeicher mit dem Bezugszeichen 14. In den Figuren sind daher die maßgeblichen Teile (Rotor, Stator, Verdichterrad, Turbinenrad) mit denselben Be- zugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen gekennzeichnet. Die Funktionsweise ist, in anderen Worten formuliert, wie folgt (wichtig ist hier nicht primär die Funktion der Kraft-Wärme- Kopplung, sondern die Tatsache, dass der erfindungs- gemäße Turbolader, der hier ein Verdichterrad und ein Turbinenrad zeigt, auch außerhalb des Automobils eingesetzt werden kann.
Die Verbrennungsluft strömt vollständig zwischen Ro- tor und Stator des Elektromotors/Generators 11 in den Verdichter. Durch die dort erfolgte Verdichtung auf ca. 4bar erwärmt sich die Verbrennungsluft bereits auf ca. 2000C. Aus dem Verdichter wird die erwärmte Verbrennungsluft in einen ersten Wärmetauscher geleitet und durch die vorbeiströmenden heißen Abgase auf ein Temperaturniveau von ca. 5000C angehoben. In einer nachgeschalteten Brennkammer wird die Verbrennungsluft gemeinsam mit einem Brennstoff z.B. regenerativem Gas verbrannt. Die so entstandenen heißen Gase werden in der Turbine entspannt und treiben das Turbinenrad und somit den Verdichter sowie den Generator an. Die Wärmeenergie des Abgases wird teilweise in dem Wärmetauscher direkt wieder an die komprimierte Verbrennungsluft abgegeben. Darüber hinaus kann dieser erfindungsgemäße Turbolader mit einem zweiten Wärmetauscher gekoppelt werden um die gesamte Restwärme zur Warmwassererzeugung zu nutzen oder sie einem Heizkreis z.B. für die Gebäudetemperierung zuzuführen. Zum Starten des Prozesses kann der Generator als Elektromotor verwendet. Somit kön- nen mit dem erfindungsgemäßen Turbolader beispielsweise kostengünstige kleine Blockheizkraftwerke erzeugt werden, deren wesentlichen Komponenten aus Grosserienbauteile aus der Automobilindustrie bestehen. Durch den schwingungsarmen Lauf wird die Ge- räuschemission sowie die Körperschallübertragung in angrenzende Gebäude vermieden. Durch die kompakte Bauweise und das geringe Gewicht eignet sich das Modul auch als Hilfsantrieb zur Stromerzeugung in Flugzeugen.

Claims

Lindenmaier AG, SycoTec GmbH & Co. KG 077 RCTL291Patentansprüche
1. Turbolader mit einer Verdichteranordnung zur Verdichtung von Frischluft für Verbrennungs- kraftmotoren, enthaltend ein Verdichterrad (3) sowie einen Elektromotor (4), mit Rotor (4a) und Stator (4b) , wobei ein Rotormagnet (4c) des Rotors so ausgebildet ist, dass er partiell oder auch komplett in das Verdichterrad integriert ist und der kleinste Innendurchmesser des Stators 1,5- bis 8 -mal so groß ist wie der größte Außendurchmesser des Rotors.
2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorspalt so ausgestaltet ist, dass bei rotierendem Verdichterrad mindestens
50 %, vorzugsweise mindestens 90 % von zu ver- dichtendem Luftmassenstrom durch den Rotorspalt geführt werden.
3. Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbolader ein Turbinenrad (2) aufweist und das mindestens eine Ver- dichterrad (3) damit verbunden ist, wobei auf der dem Turbinenrad abgewandten Seite des Verdichterrades der Elektromotor angeordnet ist.
4. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4a) mit dem Verdichterrad (3) drehfest verbunden ist und frei auskragend ausgeführt ist.
5. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Turbinen- rad (2) vorgesehen ist und mit dem Verdichterrad (3) dauerhaft drehfest miteinander verbunden ist.
6. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein Gehäuse aufweist, das ein Turbinengehäuse (5) für ein Turbinenrad (2) sowie ein Verdichtergehäuse (6) für das Verdichterrad (3) enthält.
7. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung von einem Turbinenrad (2) und/oder Verdichterrad (3) ausschließlich im Bereich zwischen einem Turbinenrad ( 2 ) und Verdichterrad (3) gegeben ist.
8. Turbolader nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Turbinengehäuse (5) und Verdichtergehäuse (6) ein Lagergehäuse (7) vorgesehen ist zur Aufnahme von Lagerelementen für Turbinenrad (2) und Verdichterrad (3) .
9. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4a) des Elektromotors (4) einen Rotormagneten (4c) aufweist, der von einer Armierung (4d) umgeben ist (Figur Id) .
10. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (4) einen Stator (4b) enthält und der Stator (4b) im Wesentlichen eine hohlzylindrische Form aufweist.
11. Turbolader nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (4b) als Teil der In- nenwand des Verdichtergehäuses (6) ausgeführt ist.
12. Turbolader nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (4b) als Einsatz in eine korrespondierende Öffnung des
Verdichtergehäuses (6) einsetzbar ist.
13. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorspalt zwischen Rotor (4a) und Stator (4b) eine Ein- lassluftöffnung (4e) für das Verdichterrad darstellt.
14. Turbolader nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassluftöffnung (4e) frei von Streben zwischen Rotor (4a) und Stator (4b) ist.
15. Turbolader nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierung (4d) des Rotors (4a) zylinderförmig ausgeführt ist.
16. Turbolader nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormagnet
(4c) innen bereichsweise hohl ist zum Aufstecken auf eine gemeinsame Welle (8) mit dem Verdichterrad.
17. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (3) aus einem nichtmetallischen Material ist, vorzugsweise aus einem verstärkten oder unverstärkten Kunststoff.
18. Turbolader nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse
(5) mit einer Abgasleitung eines Verbrennungs- kraftmotors verbunden ist zum Antrieb des Turbinenrades mittels aus dem Verbrennungskraftmotor ausströmenden Abgases.
19. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (4) vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb umschaltbar ist.
20. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollspan- nung des Elektromotors (4) 12, 24 oder 48 V beträgt .
21. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des Rotormagneten (4c) zwischen 50 und 1000 g be- trägt, für Automobilturbolader vorzugsweise zwischen 10 und 100 g.
22. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Massenträgheitsmoment des Rotormagneten (4c) bezüglich der Achse (10) des Rotors (4a) zwischen
0,1 kgmm2 und 10 kgmm2 beträgt, für Automobilanwendungen vorzugsweise zwischen 0,3 kgmm2 und 1 , 0 kgmm2.
23. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad eine Förderstruktur (F) in Form von Schnecken, Schaufeln oder Flügeln enthält, wobei die Vorderkanten (VF) der Förderstruktur in
Lufteinlassströmungsrichtung (LES) stromabwärts oder stromaufwärts bezüglich einer magnetisch wirksamen Vorderkante (VR) des Rotormagneten
(4c) oder einer magnetisch wirksamen Vorderkante
(VS) des Stators (4b) liegen.
24. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad eine Förderstruktur (F) in Form von Schaufeln, Schnecken oder Flügeln enthält, wobei die Hinterkanten (HF) der Förderstruktur in
Lufteinlassströmungsrichtung (LES) stromabwärts oder stromaufwärts bezüglich einer Hinterkante (HR) des Rotormagneten (4c) und/oder einer Hinterkante (HS) des Stators (4b) liegen.
25. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Stator (4b) und/oder Rotor (4a) bezüglich einer Achse (10) des Verdichterrades (3) geneigt sind.
26. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormagnet (4c) bezogen auf die Achse (10) des Verdichterrades (3) radial außerhalb der Nabe des Verdichterrades angeordnet ist.
27. Turbolader nach Anspruch 26, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Verdichterrad (3) so ausgeführt ist, dass Luft sowohl radial innerhalb als auch radial außerhalb des Rotormagneten (4c) führbar ist .
28. Turbolader nach Anspruch 27, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Verdichterrad (3) so ausgeführt ist, dass mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 70 %, besonders vorzugsweise mindestens 90 % radial außerhalb des Rotormagneten geführt werden.
29. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Querschnitt das Verhältnis der Querschnittsfläche der Einlassöffnung (4e) zur Quer- schnittsfläche des Rotormagneten (4c) (VQE = AEin- iassöffnung/ARotormagnet) zwischen 0,5 und 100, vor- zugsweise zwischen 0,8 und 50, besonders vorzugsweise zwischen 2 und 20 liegt.
30. Turbolader nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt auch durch magnetisch oder elektrisch wirksame Abschnitte des Stators (4b) verläuft.
31. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Querschnitt das Verhältnis der Querschnittsfläche des Stators (4b) zur Querschnittsfläche des Rotormagneten (4c) (VQ3 = AStator/ARotormagnet) zwischen 2 und 100, vor- zugsweise zwischen 10 und 50 liegt.
32. Turbolader nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt senkrecht zur Achse (10) liegt.
33. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4a) mit dem Verdichterrad (3) verbunden ist und das Verdichterrad axial beidseitig gelagert ist.
34. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbolader lediglich als Verdichtersystem mit mindestens einem Verdichterrad (3) ausgeführt ist und das mindestens eine Verdichterrad axial ein- oder beidseitig gelagert ist .
35. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbolader ein Turbinenrad (2) und das Verdichterrad (3) aufweist, wobei auf der dem Turbinenrad zuge- wandten Seite des Verdichterrades oder zwischen der dem Turbinenrad zugewandten und der dem Turbinenrad abgewandten Seite des Verdichterrades der Elektromotor (4) angeordnet ist.
36. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kleinste Innendurchmesser des Stators 1,1- bis 1,49-mal, vorzugsweise 1,25- bis 1,49-mal so groß ist wie der größte Außendurchmesser des Rotors .
37. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass der kleinste Innendurchmesser des Stators 8,01- bis 15-mal, vorzugsweise 8,01- bis 12-mal so groß ist wie der größte Außendurchmesser des Rotors .
38. Antriebssystem für Kraftfahrzeuge, enthaltend einen Verbrennungskraftmotor, einen Speicher für elektrische Energie sowie einen Turbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (4) des Turboladers (1) mit dem Speicher für elektrische
Energie verbunden ist zur Entnahme elektrischer Energie in einem Motorbetrieb des Turboladers (1) und zur Einspeisung elektrischer Energie in einem Generatorbetrieb des Turboladers (1) .
39. Antriebssystem nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Elektromotor (4) des Turboladers (1) verbundene elektrische Speicher zusätzlich mit einem elektromotorischen Antrieb eines Kraftfahrzeuges verbindbar ist.
40. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 38 oder
39, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Steuerelektronik oder Sensor zur Ermittlung der Drehzahl von Turbinenrad (2) oder Verdichterrad (3) , Ist-Werten von turbinengehäuseseitigen und verdichtergehäuseseitigen Druckverhältnissen sowie weiteren für den Verbrennungskraftmotor drehmomentrelevanten Werten enthält.
41. Verfahren zum Betrieb eines Turboladers nach einem der Ansprüche 1 bis 37, wobei der Turbolader (1) mindestens ein Verdichterrad (3) zum Verdichten von Luft aufweist und das Verdichterrad mit einem Elektromotor (4) antreibbar ist, wobei zwischen Rotor (4a) und Stator (4b) des Elektromotors ein Rotorspalt angeordnet ist und mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 90 % des dem Verdichterrad zugeführten Luftmassenstroms in mindestens einem Betriebszustand des Turboladers durch den Rotorspalt geführt werden.
42. Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebszustand bei einer Drehzahl zwischen 5000 und 300000 U/min, vorzugsweise zwischen 40000 und 200000 U/min, besonders vor- zugsweise zwischen 40000 und 60000 U/min des
Verdichterrads gegeben ist.
43. Verfahren nach Anspruch 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebszustand bei einer Drehzahl zwischen 50 und 200000 U/min, vorzugs- weise zwischen 100 und 1500 U/min, besonders vorzugsweise zwischen 2000 und 4000 U/min eines von dem Turbolader mit Frischluft versorgten Verbrennungskraftmotors gegeben ist.
44. Verwendung eines Turboladers nach einem der An- Sprüche 1 bis 37 als Grundmodul einer Mikrotur- bine für die Kraft-Wärme-Kopplung.
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