WO2008145640A1 - Electromagnetic exhaust-gas turbocharger - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an electromagnetic exhaust gas turbocharger.
- exhaust gas turbochargers To increase the power density of internal combustion engines so-called exhaust gas turbochargers are used.
- a turbine As part of such an exhaust gas turbocharger, on the one hand, a turbine is placed in the exhaust gas stream of the internal combustion engine and, on the other hand, a compressor is arranged in the supply air duct of the same internal combustion engine.
- the enthalpy contained in the exhaust gas of the internal combustion engine is used with the aid of the exhaust gas turbocharger for compression of the fresh air of the internal combustion engine.
- Compressor with a common axis be mechanically interconnected.
- the compressor power is directly proportional to the enthalpy present in the exhaust gas of the internal combustion engine. This has the consequence that at a low speed of the internal combustion engine, in which only a small enthalpy is present in the exhaust gas of the internal combustion engine, and the compressor power of the exhaust gas turbocharger is low. This leads to a low power development of such a supercharged combustion engine in the lower speed range. This power deficit is commonly known as a so-called turbo lag.
- the blades of the compressor or turbine may be mechanically adjustable so as to adapt the turbocharger to different operating conditions of the internal combustion engine.
- a further terhin generally known from this prior art measure is to integrate flaps (waste gate) in the exhaust system of the internal combustion engine to limit the compressor power at high speeds of the internal combustion engine.
- flaps flap gate
- the measures mentioned do not lead to a fundamental change in the substantially proportional dependence of the compressor output of the exhaust gas turbocharger on the enthalpy present in the exhaust gas of the internal combustion engine.
- the dependence of the compressor capacity of the exhaust gas turbocharger on the enthalpy present in the exhaust gas of the internal combustion engine can only be canceled by another component additionally supplied with energy.
- the compressor of an exhaust gas turbocharger can be additionally driven by an electric motor.
- Turbochargers, which are additionally supported by electrical energy, are also referred to as so-called e-booster.
- Such e-booster have the advantage that the electric power supplied to the exhaust gas turbocharger is freely controllable, and so the compressor power, including the compressor power in the lower speed range of the internal combustion engine, is freely adjustable.
- turbochargers which are constructed such that a turbine in the exhaust stream the internal combustion engine is placed, which drives an electric generator.
- the existing in the supply air duct of the internal combustion engine compressor is connected to an electric motor.
- the electric motor is powered by electrical energy provided by the generator.
- Object of the present invention is to provide an exhaust gas turbocharger, which is improved in relation to the existing technical problems in the prior art.
- the invention is based on the following consideration: For energy transmission between a turbine present in the exhaust gas flow of an internal combustion engine and a compressor present in the supply air duct of the internal combustion engine, both magnetic and inductive / electrical interaction between the two components should be utilized.
- an electromagnetic exhaust gas turbocharger which has a first and a second shaft.
- the first shaft should be mechanically connected to a driven by an exhaust gas turbine.
- the second shaft should be mechanically connected to a compressor.
- the electromagnetic exhaust gas turbocharger on a first and a second electric machine.
- the first electric machine comprises at least a first rotor, which comprises at least the first shaft, an interrotor and a first stator.
- the first stator encloses the interrotor, and this in turn encloses the first rotor each with the formation of an annular gap.
- the second electric machine comprises at least a second stator and a second rotor, which in turn comprises at least the second shaft.
- the interrotor and the second rotor form a common component, and the first and second electric machines are electrically connected to each other.
- an exhaust gas turbocharger can be specified, which has a compact design, compared with completely electric exhaust gas turbochargers smaller dimensioned inverter or a smaller-sized control technology for electrical energy transmission needs, and at the same time the free controllability of having electric turbocharger.
- the operating points for the turbine and the compressor can be freely controlled, and optionally adjusted optimally.
- the electromagnetic turbocharger may still have the following features:
- the first electric machine may be designed in the manner of a claw pole machine.
- the magnetic north and south poles of the claw pole machine may be formed by claw end portions that extend alternately in opposite axial directions.
- the stator winding of the first electric machine may be enclosed by a U-profile which is open on the rotor side and which has stator side parts which extend in the radial direction.
- the stator side parts, together with the claw end parts, are part of a magnetic flux. ses.
- the stator side parts and the claw end parts are mechanically discrete, but separate components lead to a common magnetic flux.
- the U-profile may also be part of the first stator, wherein the Klauenendmaschine are part of the inter-rotor.
- the claw end parts forming the north magnetic poles and the claw end parts forming the south magnetic poles can each be connected to a disk-shaped side part.
- the stator side portions, the disk-shaped side portions, and the claw end portions may be part of a common magnetic flux.
- the aforementioned components are discrete, i. run separately. However, the components carry a common magnetic flux.
- the U-profile may be part of the first stator.
- the disk-shaped side parts and the claw end parts may be part of the inter-rotor.
- the first rotor may be formed in the manner of a permanent-magnetically excited synchronous machine.
- an exhaust gas turbocharger configured in this way has a high power density with a low mass moment of inertia and high efficiency.
- the first rotor may be designed in the manner of a reluctance machine.
- An exhaust gas turbocharger configured in this way advantageously has a low mass moment of inertia and is suitable for high operating temperatures.
- the first rotor may be designed in the manner of an asynchronous machine.
- an exhaust gas turbocharger on a mechanically stable rotor, which is particularly suitable for high speeds.
- the magnetic north and south poles of the claw pole machine may be formed by claw end portions that extend alternately in opposite axial directions.
- the stator winding of the first electric machine can be enclosed by a U-profile which is open on the rotor side.
- the U-profile may have radially extending stator side parts.
- the interrotor may comprise disc-shaped side parts.
- the claw end parts, the disc-shaped side parts and the stator side parts are part of a common magnetic flux.
- the aforementioned components are mechanically discrete, so separated from each other, but they carry a common magnetic flux.
- the U-profile may be part of the first stator.
- the disk-shaped side parts may be part of the inter-rotor and the claw end parts may be part of the first rotor.
- the disk-shaped side parts can consist of two separate concentrically arranged sections, wherein a first section is part of the inter-rotor and a second section is part of the first rotor.
- the interrotor may comprise permanent magnetic elements, and be formed with respect to the first rotor in the manner of a permanent magnetically excited external rotor synchronous machine.
- a configured exhaust gas turbocharger is characterized mainly by a high power density and high efficiency.
- the electromagnetic exhaust gas turbocharger may comprise permanent magnetic material.
- the permanent magnetic material can be made of a samarium-cobalt alloy. Samarium cobalt permanent magnet elements have a high Curie temperature and are therefore particularly suitable for use at high operating temperatures.
- the first and the second electric machine may each be connected to a first and a second inverter.
- the inverters in turn may be connected to a control unit, or may be interconnected by means of the control unit.
- the claw end parts can be laminated. By having the claw end parts laminated, eddy currents and associated eddy current losses occurring in these parts can be reduced.
- the Klauenendmaschine can be connected by means of a potting compound with a magnetically non-conductive support structure.
- a motor vehicle with an internal combustion engine and an electromagnetic turbocharger according to one of the preceding embodiments will be the.
- the turbine in the exhaust stream of the internal combustion engine, and the compressor in the supply air duct of the internal combustion engine is arranged.
- the compressor is a compression of fresh air for the internal combustion engine.
- a motor vehicle with an internal combustion engine can be specified, which in particular has improved performance in the lower rpm range of the internal combustion engine.
- the internal combustion engine has a compact design.
- FIG. 1 shows a detail of the stator of a claw-pole machine in FIG.
- Figure 2 is a longitudinal section through an electromagnetic
- FIG. 3 shows a cross section through the electromagnetic exhaust gas turbocharger shown in FIG. 2,
- FIG. 4 shows the electromagnetic exhaust gas turbocharger shown in Figure 2 in perspective view
- FIG. 6 shows the electromagnetic exhaust-gas turbocharger known from FIG. 5 in a perspective view
- FIG. 7 shows a schematic representation of the mechanical, magnetic and electrical energy flows in an electromagnetic exhaust gas turbocharger according to an embodiment.
- FIG. 1 shows a part of the stand of a claw-pole machine in perspective view, according to the prior art ("Handbook Electric Small Drives", Kallenbach, Stölting, Hanser Verlag, p.113).
- a claw-pole machine has stator windings 101, 102, which consist of U-shaped profiles 103, 104 are surrounded, which are open on the rotor side.
- stator windings 101, 102 which consist of U-shaped profiles 103, 104 are surrounded, which are open on the rotor side.
- Part of the U-shaped profiles 103, 104 are stator side parts 105, 106, which are followed by claw end parts 107a, 107b and 108a, 108b.
- the claw end parts 107a, 107b and 108a, 108b each form together with the associated stator side part
- the claw end portions 107a, 107b, 108a, 108b each form a magnetic pole.
- the claw end portions 107a, 107b form magnetic north poles
- the claw end portions 108a, 108b form magnetic south poles.
- the aforementioned magnetic poles are associated with the stator winding 101.
- the claw end parts associated with the stator winding 102 which likewise form magnetic north or south poles, are configured in the same way. Shown is a two-phase claw pole machine, but the mechanical construction of the claws is also applicable to claw pole machines having more than two phases.
- FIG. 2 shows an electromagnetic exhaust gas turbocharger 200 according to one exemplary embodiment.
- a turbine 201 which is arranged in an exhaust gas flow, is connected to a first shaft 203.
- the turbine 201 is disposed in the exhaust stream of an internal combustion engine.
- a compressor 202 is mechanically connected to a second shaft 204, and is preferably arranged in the supply air duct of an internal combustion engine.
- the first shaft 203 and the second shaft 204 are rotatably supported about a common axis A.
- the electromagnetic exhaust gas turbocharger 200 further comprises a first and a second electric machine 205 or 206.
- the first electric machine 205 comprises a rotor 207, which in turn comprises at least the first shaft 203 and a system of permanent magnetic elements 208.
- the first electric machine 205 further comprises a first stator 209 with preferably ring-coil-shaped stator windings 210a, 210b, 210c.
- a first stator 209 with preferably ring-coil-shaped stator windings 210a, 210b, 210c.
- stator side parts associated with the stator winding 210a will be referred to. The same applies, however, to the corresponding stator side parts of the remaining stator windings 210b, 210c.
- the stator windings 210a, 210b, 210c are enclosed by a common yoke body 212 in the circumferential direction.
- a respective section of the yoke body 212 and the stator side parts 211al, 211a2 can surround the stator winding 210a, 210b, 210c in such a way that they form a magnetically closed U-profile.
- Such a closed magnetic U-profile which is open in the direction of the axis A, can also be represented by further magnetic flux-conducting components not shown explicitly in FIG.
- stator side parts 211al, 211a2 of different stator windings 210 spacers 213 of magnetically non-conductive material can be arranged.
- the first electric machine 205 further comprises an interrotor 214.
- the interrotor 214 may in turn comprise disc-shaped side parts 215al, 215a2, of which only one pair is explicitly illustrated in FIG. Analogous statements, however, apply to the remaining disk-shaped side parts assigned to the corresponding stator windings 210b and 210c or to the corresponding stator side parts.
- the disk-shaped side parts 215al, 215a2, which may be part of the inter-rotor 214, together with the stator side parts 211a1, 211a2 form part of a common magnetic flux.
- the magnetic flux originating from the stator side parts 211al, 211a2 bridges, more or less unhindered, the gap between the first stator 209 and the interrupter 214.
- the disk-shaped side parts 215al, 215a2 can be followed by claw end parts. Similar to the construction of a claw-pole machine, a number of claws respectively connected to the stator side part 215al form magnetic north poles, respectively, while a number of claws connected to the side part 215a2 form a number of south magnetic poles.
- only the claw end parts may be parts of the inner rotor 214 without them being connected to each other with a disc-shaped side part 215al, 215a2 undernender.
- the claw end portions may be disposed on the interrotor 214 in the manner of a claw pole machine. So they can extend in alternating axial directions.
- the claw end parts can furthermore be designed to suppress eddy currents and associated power losses.
- the claw end parts can be connected by means of a casting compound with a magnetically non-conductive support structure.
- the holding structure may be constructed of magnetically non-conductive sheets. The connection between the claw end parts and the support structure can be done with an injection molding process with plastic or with a vacuum casting process with casting resin.
- spacers 213 made of a magnetically nonconductive material may furthermore be present.
- the entire interrotor 214 may also be encapsulated by means of a potting compound to form an integrated component.
- the first electric machine 205 further comprises a rotor 207, which comprises at least the first shaft 203.
- a system of permanent magnetic elements 208 may be arranged.
- the permanent magnetic elements 208 may in particular be made of samarium cobalt.
- the interaction between the interrotor 214 and the rotor 207 may be done in the manner of a permanent magnet synchronous machine excited.
- the interaction between the first rotor 207 and the interrotor 214 may be in the manner of a reluctance machine.
- the interaction between the first rotor and the interrotor 214 may be in the manner of an asynchronous machine.
- the first rotor 207 can optionally be designed in the manner of a permanent-magnetically excited synchronous machine, a reluctance machine or an asynchronous machine.
- the stator winding 210a, 210b, 210c may be electrically connected to, and further controllable by, a first inverter 216.
- the electromagnetic turbocharger 200 shown in FIG. 2 also has a second electric machine 206.
- the second electric machine 206 has a second stator
- the second electric machine 206 may be configured in the manner of a synchronous machine, asynchronous machine or reluctance machine.
- the second electric machine 206 may be another, not explicitly mentioned, electric machine generally known from the prior art.
- the stator winding of the second electric machine 206 which is not detailed in FIG. 2, may be electrically connected to a second converter 218.
- the interrotor 214 and the second shaft 204 form a common component.
- a transmission of forces acting on the turbine 210 to the compressor 202 can take place such that forces are transmitted between the first rotor 207 and the interrotor 214 on a magnetic path.
- the compressor 202 can continue to receive additional energy.
- the first and second inverters 216, 218 are electrically connected to each other via a control unit 219.
- An energy transfer from the turbine 201 to the compressor 202 can thus take place not only on a magnetic path between the first rotor 207 and the interrotor 214.
- electrical energy can be transmitted from the first machine 205 to the second electric machine 206 via the first and second inverters 216, 218 and the control unit 219.
- the control unit which may comprise an energy store, for example in a battery, and possibly to the compressor 202 at a later time to supply the second machine 206.
- Such a control can be carried out in particular depending on the speed of an internal combustion engine.
- an electromagnetic exhaust gas turbocharger 200 as shown in FIG. 2, is integrated in an internal combustion engine
- the turbine 210 can be driven by the exhaust gas flow of the internal combustion engine.
- the compressor 202 may be placed in the intake air duct of the internal combustion engine.
- energy stored in the control unit 219 via the second electric machine 206 can be supplied to the compressor 202, and thus to the supply air of the internal combustion engine.
- high speeds of the internal combustion engine in which an additional compression of the fresh air of the internal combustion engine does not seem necessary, can be determined by the in the exhaust stream of the combustion engine
- Engine arranged turbine 201 are withdrawn energy from the exhaust stream of the internal combustion engine, and in an energy storage, which is part of the control unit 219, are stored.
- the electrical energy thus obtained can be supplied to further consumers.
- FIG. 3 shows a cross section through the electromagnetic exhaust-gas turbocharger 200 from FIG. 2, along the section A-A. The cut is made by the first electric machine 205.
- FIG. 3 shows the components of the first electric machine 205 arranged concentrically with respect to the axis A, namely their stator 209, interrotor 214 and rotor 207.
- the stator 209 has a yoke body 212 which encloses the stator winding 210b along the circumference.
- the stator winding 210 is contacted by means of a power supply 301.
- the interrotor 214 has claw end portions 302a, 302b held by or embedded in a magnetically non-conductive support structure 303.
- the claw end portions 302a, 302b shown in cross section form alternating magnetic poles.
- the claw end portion 302a may be a magnetic north pole and the claw end portion 302b may be a south magnetic pole.
- FIG. 3 shows the cross section of the first rotor 207 of the first electric machine 205.
- the first rotor 207 comprises a rotor body 304 in which permanent-magnetic elements 208 can be integrated.
- the rotor body 304 is mechanically connected to the first shaft 203.
- the connection can be screwed, welded or otherwise mechanically realized, likewise the rotor body 302 can be pressed onto the first shaft 203.
- FIG. 4 shows an electromagnetic exhaust gas turbocharger 200 in perspective view, as already known from FIG.
- a turbine 201 is connected, which is located in an exhaust gas stream and can be driven by this.
- the first shaft 203 and a system of permanent magnets 208 disposed circumferentially on it are part of the first rotor 207.
- the second shaft 204 is connected to a compressor 202, which can be arranged in particular in the supply air duct of an internal combustion engine for the compression of fresh air for the internal combustion engine ,
- the first shaft 203 and the second shaft 204 are supported by means of a plurality of bearings 401, preferably ball bearings, against each other or against another static component.
- the first electric machine 205 further has an interrotor 214, which forms a common component with the second shaft 204.
- the first electric machine 205 further has a first stator with stator windings 210a, 210b, 210c and corresponding disk-shaped stator parts 211al, 211a2 associated with the stator windings, and a yoke body 212 closing the magnetic flux.
- FIG. 5 shows an electromagnetic exhaust-gas turbocharger 200 according to a further exemplary embodiment.
- the illustrated electromagnetic exhaust gas turbocharger has a first and a second electrical machine 205, 206.
- the electromagnetic exhaust gas turbocharger 200 is also connected to a turbine 201 and a compressor 202.
- the exemplary embodiment of an electromagnetic exhaust gas turbocharger 200 shown in FIG. 5 differs from the exemplary embodiment of an electromagnetic exhaust gas turbocharger 200 shown in FIG. 2 by the configuration of the first electric machine 205, which will be discussed in detail below.
- the first electric machine 205 has a stator 209, which in the same or similar manner as the stator 209, the first electric machine shown in Figure 2 205 is configured. Furthermore, the first electrical machine 205 'has an interrotor 501, which has magnetically conducting, disk-shaped side parts 502 and permanent-magnetic elements 208.
- the permanent magnetic elements 208 may be implemented as Hallbach magnets with magnetization directed in the direction of the axis A. Furthermore, the permanent magnetic elements 208 may be designed as radially or diametrically magnetized magnets with iron yoke.
- the magnetic-flux-guiding disc-shaped side parts 502 can furthermore be separated from one another by means of magnetically non-conductive spacers 213.
- the first electrical machine 205 ' also has a first rotor 207'.
- the first rotor 207 ' may have, in addition to the first shaft 203, magnetically-guiding disc-shaped side parts as well as claw end parts adjoining the latter. Also, the first rotor 207 'may have only the claw end portions, which are not connected by a disc-shaped side part with each other.
- the interrotor 501 and the first rotor 207 ', the first electric machine 205' shown in FIG. 5, may interact with each other in the manner of a permanently excited external rotor synchronous machine. In this way, forces can be transmitted magnetically between the first rotor 207 'and the interrotor 501, which forms a common component together with the second shaft 204.
- the claw end parts, which are part of the first rotor 207 ', can be cast together with an unspecified magnetically non-conductive support structure using a potting compound to a common component.
- the disk-shaped magnet-flux-carrying side parts, which are also part of the first rotor 207 ', can furthermore be separated from one another by means of magnetically non-conductive spacers 213.
- FIG. 6 shows the electromagnetic exhaust gas turbocharger 200 known from FIG. 5 in a perspective view.
- the first electrical machine 205 ' which has, in addition to the stator already known from the previous figures, an interrotor 501 which has permanent-magnetic elements 208.
- the interrotor furthermore has magnetically conducting disc-shaped side parts 502 arranged in the axial direction laterally of these permanent-magnetic elements 208.
- the magnetic-flux-guiding disc-shaped side parts 502 can furthermore be magnetically separated from one another by magnetically non-conductive spacers 213.
- the rotor of the first electric machine 205 ' can likewise have magnetically-guiding disk-shaped side parts and adjoining claw end parts.
- the rotor of the first electric machine 205 may also comprise only the claw end parts, which are not interconnected by a disc-shaped side part.
- the magnetic-flux-guiding disc-shaped side parts 502 and the stator side parts 211al, 211a2 are part of a common magnetic flux. Mechanically, however, the disk-shaped side parts 502 and the stator side parts 211al, 211a2 are separated from each other.
- the magnetic flux emanating from the stator side parts 211 traverses the gap between the stator and the interrotor 501 as well as the gap between the interrotor 501 and the rotor 207.
- the electromagnetic exhaust gas turbocharger according to the embodiments shown in Figures 2 to 6, for example, may have a total diameter of 53 mm and an approximate total length minus the turbine and the compressor of 60 mm.
- Figure 7 shows a schematic representation of the electrical, magnetic and mechanical energy flows between the individual components of an electromagnetic turbocharger 200 according to one of the aforementioned embodiments.
- energy may be inductively / electrically transmitted to the second stator 209. Electrically, power is transferred from the first stator 209 to the first inverter 216. This electrical energy can be temporarily stored in the control unit 219 or, if necessary, transmitted to the second converter 218 in a controlled manner by the control unit 219. By electrical means, energy can thus be transmitted via the second converter 218 to the second stator 217. Between the second stator 217 and the second rotor 206 and the second shaft 204, the energy transfer takes place by magnetic means. Again mechanically, the energy from the second shaft is transferred to the compressor 202.
- the electromagnetic exhaust gas turbocharger 200 a part of a motor vehicle with an internal combustion engine, wherein the turbine 201 is disposed in the exhaust stream of the internal combustion engine and the compressor 202 in the supply air duct of the internal combustion engine.
- the compressor 202 By means of the compressor 202, a compression of fresh air for the internal combustion engine can take place.
- electric power from the energy store which is part of the control unit 219, can be added to the second shaft 204 and thus to the compressor 202 electrically and magnetically, for example, at low rotational speeds of the internal combustion engine.
- the exhaust gas flow can be deprived of energy so that it can be supplied to an energy store within the control unit 219 or alternatively to other consumers of the motor vehicle by magnetic and electrical means.
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Abstract
Electromagnetic exhaust-gas turbocharger (200) having a first and second electric machine (205, 206), wherein the first electric machine (205) has a first shaft (203) which is connected to a turbine (201), an interrotor (214) and a first stator (209), and the second electric machine (206) has a second shaft (204) which is connected to a compressor (202). Here, the interrotor (214) and the second shaft (204) form a common component.
Description
Beschreibungdescription
Elektromagnetischer AbgasturboladerElectromagnetic exhaust gas turbocharger
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Abgasturbolader .The invention relates to an electromagnetic exhaust gas turbocharger.
Zur Erhöhung der Leistungsdichte von Verbrennungsmaschinen werden sogenannte Abgasturbolader eingesetzt. Als Teil eines solchen Abgasturboladers wird zum einen eine Turbine im Abgasstrom der Verbrennungsmaschine platziert und zum anderen ein Verdichter im Zuluftkanal derselben Verbrennungsmaschine angeordnet. Die im Abgas der Verbrennungsmaschine enthaltene Enthalpie wird mit Hilfe des Abgasturboladers zur Verdichtung der Frischluft der Verbrennungsmaschine genutzt.To increase the power density of internal combustion engines so-called exhaust gas turbochargers are used. As part of such an exhaust gas turbocharger, on the one hand, a turbine is placed in the exhaust gas stream of the internal combustion engine and, on the other hand, a compressor is arranged in the supply air duct of the same internal combustion engine. The enthalpy contained in the exhaust gas of the internal combustion engine is used with the aid of the exhaust gas turbocharger for compression of the fresh air of the internal combustion engine.
Klassische Turbolader verfügen über eine direkte mechanische Verbindung zwischen der in dem Abgasstrom platzierten Turbine und dem in dem Zuluftkanal der Verbrennungsmaschine angeord- neten Verdichter. Beispielsweise können die Turbine und derClassic turbochargers have a direct mechanical connection between the turbine placed in the exhaust gas stream and the compressor arranged in the supply air duct of the internal combustion engine. For example, the turbine and the
Verdichter mit einer gemeinsamen Achse mechanisch miteinander verbunden sein. Bei einer derartigen Konstruktion eines Abgasturboladers ist die Verdichterleistung direkt proportional zu der in dem Abgas der Verbrennungsmaschine vorhandenen Enthalpie. Dies hat zur Folge, dass bei einer geringen Drehzahl der Verbrennungsmaschine, bei der im Abgas der Verbrennungsmaschine auch nur eine geringe Enthalpie vorhanden ist, auch die Verdichterleistung des Abgasturboladers gering ist. Dies führt zu einer geringen Leistungsentwicklung einer der- art aufgeladenen Verbrennungsmaschine im unteren Drehzahlbereich. Dieses Leistungsdefizit ist allgemein als sogenanntes Turboloch bekannt.Compressor with a common axis be mechanically interconnected. With such a construction of an exhaust gas turbocharger, the compressor power is directly proportional to the enthalpy present in the exhaust gas of the internal combustion engine. This has the consequence that at a low speed of the internal combustion engine, in which only a small enthalpy is present in the exhaust gas of the internal combustion engine, and the compressor power of the exhaust gas turbocharger is low. This leads to a low power development of such a supercharged combustion engine in the lower speed range. This power deficit is commonly known as a so-called turbo lag.
Zur Kompensation des Turbolochs sind verschiedene Maßnahmen im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise können die Schaufeln des Verdichters oder der Turbine mechanisch verstellbar sein, um so den Turbolader an unterschiedliche Be- triebszustände der Verbrennungsmaschine anzupassen. Eine wei-
terhin allgemein aus diesem Stand der Technik bekannte Maßnahme ist es Klappen (waste gate) in das Abgassystem der Verbrennungsmaschine zu integrieren um bei hohen Drehzahlen der Verbrennungsmaschine die Verdichterleistung zu begrenzen. Die genannten Maßnahmen führen jedoch zu keiner prinzipiellen Veränderung der im Wesentlichen proportionalen Abhängigkeit der Verdichterleistung des Abgasturboladers von der im Abgas der Verbrennungsmaschine vorhandenen Enthalpie.To compensate for the turbo lag, various measures are known in the art. For example, the blades of the compressor or turbine may be mechanically adjustable so as to adapt the turbocharger to different operating conditions of the internal combustion engine. A further terhin generally known from this prior art measure is to integrate flaps (waste gate) in the exhaust system of the internal combustion engine to limit the compressor power at high speeds of the internal combustion engine. However, the measures mentioned do not lead to a fundamental change in the substantially proportional dependence of the compressor output of the exhaust gas turbocharger on the enthalpy present in the exhaust gas of the internal combustion engine.
Die Abhängigkeit der Verdichterleistung des Abgasturboladers von der im Abgas der Verbrennungsmaschine vorliegenden Enthalpie kann lediglich durch ein weiteres, zusätzlich mit Energie versorgtes Bauteil aufgehoben werden. So kann beispielsweise der Verdichter eines Abgasturboladers zusätzlich mit einem Elektromotor angetrieben werden. Turbolader, welche zusätzlich mit elektrischer Energie unterstützt werden, werden auch als sogenannte E-Booster bezeichnet.The dependence of the compressor capacity of the exhaust gas turbocharger on the enthalpy present in the exhaust gas of the internal combustion engine can only be canceled by another component additionally supplied with energy. For example, the compressor of an exhaust gas turbocharger can be additionally driven by an electric motor. Turbochargers, which are additionally supported by electrical energy, are also referred to as so-called e-booster.
Derartige E-Booster haben den Vorteil, dass die elektrisch dem Abgasturbolader zugeführte Energie frei regelbar ist, und so die Verdichterleistung, also auch die Verdichterleistung im unteren Drehzahlbereich der Verbrennungsmaschine, frei regelbar ist.Such e-booster have the advantage that the electric power supplied to the exhaust gas turbocharger is freely controllable, and so the compressor power, including the compressor power in the lower speed range of the internal combustion engine, is freely adjustable.
Der direkte elektrische Antrieb des Verdichters eines Turboladers weist jedoch einen entscheidenden Nachteil auf. Da Verdichter und Turbine direkt mechanisch miteinander verbunden sind, führt die zusätzlich dem Verdichter zugeführte e- lektrische Energie ebenfalls zu einer Beeinflussung des Ab- gassystems der Verbrennungsmaschine. Um eine derartige Beeinflussung zu vermeiden, kann ein weiterer elektrisch betriebener Verdichter in den Zuluftkanal der Verbrennungsmaschine integriert werden. Eine derartige Maßnahme stellt jedoch einen zusätzlichen konstruktiven Aufwand dar, welcher ebenfalls mit zusätzlichen Kosten verbunden ist.However, the direct electrical drive of the compressor of a turbocharger has a decisive disadvantage. Since compressor and turbine are mechanically connected directly to each other, the additional electrical energy supplied to the compressor also influences the exhaust system of the internal combustion engine. In order to avoid such influencing, another electrically operated compressor can be integrated into the supply air duct of the internal combustion engine. However, such a measure represents an additional design effort, which is also associated with additional costs.
Alternativ existieren vollständig elektrische Turbolader, welche derart aufgebaut sind, dass eine Turbine im Abgasstrom
der Verbrennungsmaschine platziert ist, welche einen elektrischen Generator antreibt. Der im Zuluftkanal der Verbrennungsmaschine vorhandene Verdichter ist mit einem Elektromotor verbunden. Der Elektromotor wird mit elektrischer Energie betrieben, die von dem Generator bereitgestellt wird. DieAlternatively, there are completely electric turbochargers, which are constructed such that a turbine in the exhaust stream the internal combustion engine is placed, which drives an electric generator. The existing in the supply air duct of the internal combustion engine compressor is connected to an electric motor. The electric motor is powered by electrical energy provided by the generator. The
Übertragung der Energie, welche dem Abgas der Verbrennungsmaschine entnommen wird, erfolgt lediglich auf elektrischem Wege. Folglich ist es notwendig, entsprechend leistungsfähige Umrichter für den Generator und den Elektromotor zu verwen- den. Entsprechende Umrichter weisen jedoch einen begrenzten Wirkungsgrad auf, und tragen zu den Gesamtkosten des Systems bei. Weiterhin beansprucht ein derart diskreter Aufbau zusätzliches Volumen im Motorraum.Transmission of the energy which is taken from the exhaust gas of the internal combustion engine takes place only by electrical means. Consequently, it is necessary to use correspondingly powerful converters for the generator and the electric motor. However, such inverters have limited efficiency and add to the overall cost of the system. Furthermore, such a discrete design claimed additional volume in the engine compartment.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Abgasturbolader anzugeben, der in Bezug auf die im Stand der Technik vorhandenen technischen Probleme verbessert ist.Object of the present invention is to provide an exhaust gas turbocharger, which is improved in relation to the existing technical problems in the prior art.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 ange- gebenen Maßnahmen gelöst.The object according to the invention is achieved by the measures indicated in claim 1.
Der Erfindung liegt dabei die folgende Überlegung zugrunde: Zur Energieübertragung zwischen einer im Abgasstrom einer Verbrennungsmaschine vorhandenen Turbine und einem im Zuluft- kanal der Verbrennungsmaschine vorhandenen Verdichter sollen sowohl magnetische als auch induktive/elektrische Wechselwirkung zwischen den beiden Bauteilen genutzt werden.The invention is based on the following consideration: For energy transmission between a turbine present in the exhaust gas flow of an internal combustion engine and a compressor present in the supply air duct of the internal combustion engine, both magnetic and inductive / electrical interaction between the two components should be utilized.
Erfindungsgemäß wird ein elektromagnetischer Abgasturbolader angegeben, der eine erste und eine zweite Welle aufweist. Die erste Welle soll mit einer von einem Abgasstrom angetriebenen Turbine mechanisch verbunden sein. Die zweite Welle soll mit einem Verdichter mechanisch verbunden sein. Weiterhin weist der elektromagnetische Abgasturbolader eine erste und eine zweite elektrische Maschine auf. Die erste elektrische Maschine umfasst zumindest einen ersten Rotor, der zumindest die erste Welle, einen Interrotor und einen ersten Stator umfasst. Der erste Stator umschließt dabei den Interrotor, und
dieser umschließt wiederum den ersten Rotor jeweils unter Ausbildung eines Ringspaltes. Die zweite elektrische Maschine umfasst zumindest einen zweiten Stator und einen zweiten Rotor, welcher wiederum zumindest die zweite Welle umfasst. Der Interrotor und der zweite Rotor bilden ein gemeinsames Bauteil, und die erste und die zweite elektrische Maschine sind elektrisch miteinander verbunden.According to the invention, an electromagnetic exhaust gas turbocharger is specified which has a first and a second shaft. The first shaft should be mechanically connected to a driven by an exhaust gas turbine. The second shaft should be mechanically connected to a compressor. Furthermore, the electromagnetic exhaust gas turbocharger on a first and a second electric machine. The first electric machine comprises at least a first rotor, which comprises at least the first shaft, an interrotor and a first stator. The first stator encloses the interrotor, and this in turn encloses the first rotor each with the formation of an annular gap. The second electric machine comprises at least a second stator and a second rotor, which in turn comprises at least the second shaft. The interrotor and the second rotor form a common component, and the first and second electric machines are electrically connected to each other.
Die mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass ein Abgasturbolader angegeben werden kann, der eine kompakte Bauform aufweist, gegenüber vollständig elektrischen Abgasturboladern kleiner dimensionierte Umrichter bzw. eine kleiner dimensionierte Regeltechnik zur elektrischen Energieübertragung benötigt, und gleichzeitig die freie Regelbarkeit eines elektrischen Turboladers aufweist. So können die Arbeitspunkte für die Turbine und den Kompressor frei geregelt werden, und ggf. optimal eingestellt werden.The advantages associated with the measures according to the invention are to be seen in particular in that an exhaust gas turbocharger can be specified, which has a compact design, compared with completely electric exhaust gas turbochargers smaller dimensioned inverter or a smaller-sized control technology for electrical energy transmission needs, and at the same time the free controllability of having electric turbocharger. Thus, the operating points for the turbine and the compressor can be freely controlled, and optionally adjusted optimally.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Turboladers gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform gemäß Anspruch 1 mit den Merkmalen eines, vorzugsweise mit denen mehrerer Unteransprüche kombiniert werden. Demgemäß kann der elektromagnetische Turbolader noch die folgenden Merkmale aufweisen :Advantageous embodiments of the electromagnetic turbocharger according to the invention will become apparent from the dependent claims of claim 1. In this case, the embodiment according to claim 1 with the features of, preferably combined with those of several subclaims. Accordingly, the electromagnetic turbocharger may still have the following features:
Die erste elektrische Maschine kann nach der Art einer Klauenpolmaschine ausgebildet sein.The first electric machine may be designed in the manner of a claw pole machine.
Die magnetischen Nord- und Südpole der Klauenpolmaschine können durch Klauenendteile gebildet sein, die sich alternierend in entgegengesetzte axiale Richtungen erstrecken. Die Statorwicklung der ersten elektrischen Maschine kann von einem rotorseitig offenen U-Profil umschlossen sein, welches Statorseitenteile aufweist, die sich in radiale Richtung erstreckenden. Die Statorseitenteile sind gemeinsam mit den Klauenendteilen Teil eines magnetischen Flus-
ses. Die Statorseitenteile und die Klauenendteile sind mechanisch gesehen diskrete, voneinander getrennte Bauteile führen aber einen gemeinsamen magnetischen Fluss. Das U- Profil kann weiterhin Teil des ersten Stators sein, wobei die Klauenendteile Teil des Interrotors sind. Durch eine Ausgestaltung eines Abgasturboladers gemäß der vorstehenden Ausführungsform kann erreicht werden, dass zwischen Stator und Interrotor keine Drehmomente wirken.The magnetic north and south poles of the claw pole machine may be formed by claw end portions that extend alternately in opposite axial directions. The stator winding of the first electric machine may be enclosed by a U-profile which is open on the rotor side and which has stator side parts which extend in the radial direction. The stator side parts, together with the claw end parts, are part of a magnetic flux. ses. The stator side parts and the claw end parts are mechanically discrete, but separate components lead to a common magnetic flux. The U-profile may also be part of the first stator, wherein the Klauenendteile are part of the inter-rotor. By means of an embodiment of an exhaust-gas turbocharger according to the preceding embodiment, it can be achieved that no torques act between the stator and the inter-rotor.
- Die Klauenendteile, die die magnetischen Nordpole bilden und die Klauenendteile, die die magnetischen Südpole bilden können jeweils mit einem scheibenförmigen Seitenteil verbunden sein. Die Statorseitenteile, die scheibenförmigen Seitenteile und die Klauenendteile können Teil eines gemeinsamen magnetischen Flusses sein. Mechanisch gesehen sind die vorgenannte Bauteile diskret, d.h. voneinander getrennt ausgeführt. Die Bauteile führen jedoch einen gemeinsamen magnetischen Fluss. Das U-Profil kann Teil des ersten Stators sein. Die scheibenförmigen Seitenteile und die Klauenendteile können Teil des Interrotors sein. Durch eine Verbindung der Klauenendteile mit den scheibenförmigen Seitenteilen kann die magnetische Kopplung zwischen den Klauenendteilen verbessert werden.The claw end parts forming the north magnetic poles and the claw end parts forming the south magnetic poles can each be connected to a disk-shaped side part. The stator side portions, the disk-shaped side portions, and the claw end portions may be part of a common magnetic flux. Mechanically, the aforementioned components are discrete, i. run separately. However, the components carry a common magnetic flux. The U-profile may be part of the first stator. The disk-shaped side parts and the claw end parts may be part of the inter-rotor. By connecting the claw end parts to the disc-shaped side parts, the magnetic coupling between the claw end parts can be improved.
- Der erste Rotor kann nach der Art einer permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine ausgebildet sein. Vorteilhaft weist ein derart ausgestalteter Abgasturbolader eine hohe Leistungsdichte bei einem kleinen Massenträgheitsmoment und einen hohen Wirkungsgrad auf.- The first rotor may be formed in the manner of a permanent-magnetically excited synchronous machine. Advantageously, an exhaust gas turbocharger configured in this way has a high power density with a low mass moment of inertia and high efficiency.
Der erste Rotor kann nach der Art einer Reluktanzmaschine ausgebildet sein. Vorteilhaft weist ein derart ausgestalteter Abgasturbolader ein kleines Massenträgheitsmoment auf und ist für hohe Betriebstemperaturen geeignet.The first rotor may be designed in the manner of a reluctance machine. An exhaust gas turbocharger configured in this way advantageously has a low mass moment of inertia and is suitable for high operating temperatures.
Der erste Rotor kann nach der Art einer Asynchronmaschine ausgebildet sein. Vorteilhaft weist ein derartiger Abgas-
turbolader einen mechanisch stabilen Rotor auf, welcher insbesondere für hohe Drehzahlen geeignet ist.The first rotor may be designed in the manner of an asynchronous machine. Advantageously, such an exhaust gas turbocharger on a mechanically stable rotor, which is particularly suitable for high speeds.
Die magnetischen Nord- und Südpole der Klauenpolmaschine können durch Klauenendteile gebildet sein, die sich alternierend in entgegengesetzte axiale Richtungen erstrecken. Die Statorwicklung der ersten elektrischen Maschine kann von einem rotorseitig offenen U-Profil umschlossen sein. Das U-Profil kann sich in radiale Richtung erstreckende Statorseitenteile aufweisen. Der Interrotor kann scheibenförmige Seitenteile umfassen. Die Klauenendteile, die scheibenförmigen Seitenteile und die Statorseitenteile sind Teil eines gemeinsamen magnetischen Flusses. Die vorgenannten Bauteile sind mechanisch gesehen diskret, also voneinander getrennt aufgebaut, sie führen jedoch einen gemeinsamen magnetischen Fluss. Weiterhin kann das U-Profil Teil des ersten Stators sein. Die scheibenförmigen Seitenteile können Teil des Interrotors sein und die Klauenendteile können Teil des ersten Rotors sein. Durch eine Ausgestaltung eines Abgasturboladers gemäß der vorstehenden Ausführungsform kann erreicht werden, dass zwischen Stator und Interrotor keine Drehmomente wirken.The magnetic north and south poles of the claw pole machine may be formed by claw end portions that extend alternately in opposite axial directions. The stator winding of the first electric machine can be enclosed by a U-profile which is open on the rotor side. The U-profile may have radially extending stator side parts. The interrotor may comprise disc-shaped side parts. The claw end parts, the disc-shaped side parts and the stator side parts are part of a common magnetic flux. The aforementioned components are mechanically discrete, so separated from each other, but they carry a common magnetic flux. Furthermore, the U-profile may be part of the first stator. The disk-shaped side parts may be part of the inter-rotor and the claw end parts may be part of the first rotor. By means of an embodiment of an exhaust-gas turbocharger according to the preceding embodiment, it can be achieved that no torques act between the stator and the inter-rotor.
Die scheibenförmigen Seitenteile können aus zwei getrenn- ten konzentrisch zueinander angeordneten Teilstücken bestehen, wobei ein erstes Teilstück Teil des Interrotors und ein zweites Teilstück Teil des ersten Rotors ist. Durch eine Verbindung der Klauenendteile mit dem zweiten Teilstück der scheibenförmigen Seitenteile kann die magne- tische Kopplung zwischen den Klauenendteilen verbessert werden .The disk-shaped side parts can consist of two separate concentrically arranged sections, wherein a first section is part of the inter-rotor and a second section is part of the first rotor. By connecting the claw end parts to the second part of the disc-shaped side parts, the magnetic coupling between the claw end parts can be improved.
Der Interrotor kann permanentmagnetische Elemente umfassen, und gegenüber dem ersten Rotor nach der Art einer permanentmagnetisch erregten Außenläufersynchronmaschine ausgebildet sein. Ein derart ausgestalteter Abgasturbolader zeichnet sich vor allem durch eine hohe Leistungsdichte und einem hohen Wirkungsgrad aus.
Der elektromagnetische Abgasturbolader kann permanentmagnetisches Material umfassen. Insbesondere kann das permanentmagnetische Material aus einer Samarium - Kobalt - Le- gierung gefertigt sein. Permanentmagnetischen Elemente aus Samarium-Kobalt weisen eine hohe Curie-Temperatur auf und sind deswegen für den Einsatz bei hohen Betriebstemperaturen besonders geeignet.The interrotor may comprise permanent magnetic elements, and be formed with respect to the first rotor in the manner of a permanent magnetically excited external rotor synchronous machine. Such a configured exhaust gas turbocharger is characterized mainly by a high power density and high efficiency. The electromagnetic exhaust gas turbocharger may comprise permanent magnetic material. In particular, the permanent magnetic material can be made of a samarium-cobalt alloy. Samarium cobalt permanent magnet elements have a high Curie temperature and are therefore particularly suitable for use at high operating temperatures.
- Die erste und die zweite elektrische Maschine können jeweils mit einem ersten und einem zweiten Umrichter verbunden sein. Die Umrichter wiederum mit einer Steuereinheit verbunden sein, bzw. können mittels der Steuereinheit untereinander verbunden sein. Mittels einer derartigen Ver- Schaltung der ersten und zweiten elektrischen Maschine ist eine präzise Steuerung des elektromagnetischen Abgasturboladers möglich, insbesondere können optimale Arbeitspunkte für den Kompressor und die Turbine eingestellt werden.- The first and the second electric machine may each be connected to a first and a second inverter. The inverters in turn may be connected to a control unit, or may be interconnected by means of the control unit. By means of such a circuit of the first and second electric machine, a precise control of the electromagnetic exhaust gas turbocharger is possible, in particular optimal operating points for the compressor and the turbine can be adjusted.
- Die Klauenendteile können geblecht sein. Indem die Klauen- endteile geblecht ausgeführt sind, können in diesen Teilen auftretende Wirbelströme und damit verbundene Wirbelstromverluste verringert werden.- The claw end parts can be laminated. By having the claw end parts laminated, eddy currents and associated eddy current losses occurring in these parts can be reduced.
- Die Klauenendteile können mittels einer Vergussmasse mit einer magnetisch nicht leitfähigen Haltestruktur verbunden sein. Mittels der vorgenannten Maßnahme können die mechanischen Eigenschaften der Klauendteile, insbesondere hinsichtlich ihrer Haltbarkeit bei hohen Drehzahlen des Ab- gasturboladers verbessert werden.- The Klauenendteile can be connected by means of a potting compound with a magnetically non-conductive support structure. By means of the abovementioned measure, the mechanical properties of the claw end parts, in particular with regard to their durability at high rotational speeds of the exhaust gas turbocharger, can be improved.
Weiterhin erfindungsgemäß soll ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungsmaschine und einem elektromagnetischen Turbolader nach einer der vorstehenden Ausführungsformen angegeben wer- den. Dabei ist die Turbine im Abgasstrom der Verbrennungsmaschine, und der Verdichter im Zuluftkanal der Verbrennungsmaschine angeordnet. Mittels des Verdichters erfolgt eine Verdichtung von Frischluft für die Verbrennungsmaschine.
Vorteilhaft kann mit den vorgenannten Maßnahmen ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungsmaschine angegeben werden, welche insbesondre im unteren Drehzahlbereich der Verbren- nungsmaschine eine verbesserte Leistungsfähigkeit aufweist. Weiterhin weist die Verbrennungsmaschine eine kompakte Bauform auf.Furthermore, according to the invention, a motor vehicle with an internal combustion engine and an electromagnetic turbocharger according to one of the preceding embodiments will be the. In this case, the turbine in the exhaust stream of the internal combustion engine, and the compressor in the supply air duct of the internal combustion engine is arranged. By means of the compressor is a compression of fresh air for the internal combustion engine. Advantageously, with the aforementioned measures, a motor vehicle with an internal combustion engine can be specified, which in particular has improved performance in the lower rpm range of the internal combustion engine. Furthermore, the internal combustion engine has a compact design.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Abgasturboladers sowie des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen, sowie aus Figur 2 bis 7 der nachfolgend erläuterten Zeichnung hervor.Further advantageous embodiments of the electromagnetic exhaust gas turbocharger according to the invention and of the motor vehicle according to the invention are apparent from the subclaims not mentioned above and from FIGS. 2 to 7 of the drawing explained below.
Dabei zeigen derenThis show their
Figur 1 ein Detail des Stators einer Klauenpolmaschine inFIG. 1 shows a detail of the stator of a claw-pole machine in FIG
Perspektivansicht, gemäß dem Stand der Technik, Figur 2 einen Längsschnitt durch einen elektromagnetischenPerspective view, according to the prior art, Figure 2 is a longitudinal section through an electromagnetic
Abgasturbolader, Figur 3 einen Querschnitt durch den in Figur 2 gezeigten elektromagnetischen Abgasturbolader,FIG. 3 shows a cross section through the electromagnetic exhaust gas turbocharger shown in FIG. 2,
Figur 4 den in Figur 2 gezeigten elektromagnetischen Abgasturbolader in Perspektivansicht,4 shows the electromagnetic exhaust gas turbocharger shown in Figure 2 in perspective view,
Figur 5 einen weiteren elektromagnetischen Abgasturbolader im Längsschnitt,5 shows a further electromagnetic exhaust gas turbocharger in longitudinal section,
Figur 6 den aus Figur 5 bekannten elektromagnetischen Abgasturbolader in Perspektivansicht undFIG. 6 shows the electromagnetic exhaust-gas turbocharger known from FIG. 5 in a perspective view and FIG
Figur 7 eine schematische Darstellung der mechanischen, mag- netischen und elektrischen Energieflüsse in einem elektromagnetischen Abgasturbolader gemäß einem Ausführungsbeispiel .7 shows a schematic representation of the mechanical, magnetic and electrical energy flows in an electromagnetic exhaust gas turbocharger according to an embodiment.
Figur 1 zeigt einen Teil des Ständers einer Klauenpolmaschine in Perspektivansicht, gemäß dem Stand der Technik ("Handbuch elektrische Kleinantriebe"; Kallenbach, Stölting; Hanser Verlag, S.113). Eine derartige Klauenpolmaschine weist Ständerwicklungen 101, 102 auf, welche von U-förmigen Profilen 103,
104 umgeben sind, die rotorseitig offen sind. Teil der U- förmigen Profile 103, 104 sind Statorseitenteile 105, 106, an welche sich Klauenendteile 107a, 107b bzw. 108a, 108b anschließen. Die Klauenendteile 107a, 107b bzw. 108a, 108b bil- den jeweils gemeinsam mit dem zugehörigen Statorseitenteil1 shows a part of the stand of a claw-pole machine in perspective view, according to the prior art ("Handbook Electric Small Drives", Kallenbach, Stölting, Hanser Verlag, p.113). Such a claw-pole machine has stator windings 101, 102, which consist of U-shaped profiles 103, 104 are surrounded, which are open on the rotor side. Part of the U-shaped profiles 103, 104 are stator side parts 105, 106, which are followed by claw end parts 107a, 107b and 108a, 108b. The claw end parts 107a, 107b and 108a, 108b each form together with the associated stator side part
105 bzw. 106 ein gemeinsames Bauteil aus. Die Klauenendteile 107a, 107b, 108a, 108b bilden jeweils einen magnetischen Pol aus. Gemäß der in Figur 1 dargestellten Klauenpolmaschine bilden die Klauenendteile 107a, 107b magnetische Nordpole und die Klauenendteile 108a, 108b magnetische Südpole aus. Die zuvor genannten magnetischen Pole sind der Statorwicklung 101 zugeordnet. Die der Statorwicklung 102 zugeordneten Klauenendteile, welche ebenfalls magnetische Nord- bzw. Südpole ausbilden, sind in gleicher Weise ausgestaltet. Dargestellt ist eine zweiphasige Klauenpolmaschine, die mechanische Konstruktion der Klauen ist jedoch auch auf Klauenpolmaschinen mit mehr als zwei Phasen anwendbar.105 and 106 a common component. The claw end portions 107a, 107b, 108a, 108b each form a magnetic pole. According to the claw-pole machine shown in FIG. 1, the claw end portions 107a, 107b form magnetic north poles and the claw end portions 108a, 108b form magnetic south poles. The aforementioned magnetic poles are associated with the stator winding 101. The claw end parts associated with the stator winding 102, which likewise form magnetic north or south poles, are configured in the same way. Shown is a two-phase claw pole machine, but the mechanical construction of the claws is also applicable to claw pole machines having more than two phases.
Figur 2 zeigt einen elektromagnetischen Abgasturbolader 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Eine Turbine 201, welche in einem Abgasstrom angeordnet ist, ist mit einer ersten Welle 203 verbunden. Vorzugsweise ist die Turbine 201 im Abgasstrom einer Verbrennungsmaschine angeordnet. Ein Verdichter 202 ist mechanisch mit einer zweiten Welle 204 verbunden, und ist vorzugsweise im Zuluftkanal einer Verbrennungsmaschine angeordnet. Die erste Welle 203 und die zweite Welle 204 sind um eine gemeinsame Achse A drehbar gelagert.FIG. 2 shows an electromagnetic exhaust gas turbocharger 200 according to one exemplary embodiment. A turbine 201, which is arranged in an exhaust gas flow, is connected to a first shaft 203. Preferably, the turbine 201 is disposed in the exhaust stream of an internal combustion engine. A compressor 202 is mechanically connected to a second shaft 204, and is preferably arranged in the supply air duct of an internal combustion engine. The first shaft 203 and the second shaft 204 are rotatably supported about a common axis A.
Der elektromagnetische Abgasturbolader 200 umfasst weiterhin eine erste und eine zweite elektrische Maschine 205 bzw. 206. Die erste elektrische Maschine 205 umfasst einen Rotor 207, welcher wiederum zumindest die erste Welle 203 und ein System aus permanentmagnetischen Elementen 208 umfasst.The electromagnetic exhaust gas turbocharger 200 further comprises a first and a second electric machine 205 or 206. The first electric machine 205 comprises a rotor 207, which in turn comprises at least the first shaft 203 and a system of permanent magnetic elements 208.
Die erste elektrische Maschine 205 umfasst weiterhin einen ersten Stator 209 mit vorzugsweise ringspulenförmigen Statorwicklungen 210a, 210b, 210c. In axialer Richtung seitlich der Statorwicklungen 210a, 210b, 210c befinden sich Statorseiten-
teile 211al bzw. 211a2. Im Folgenden wird lediglich auf die Statorseitenteile, welche der Statorwicklung 210a zugeordnet sind, Bezug genommen. Gleiches gilt jedoch für die entsprechenden Statorseitenteile der übrigen Statorwicklungen 210b, 210c.The first electric machine 205 further comprises a first stator 209 with preferably ring-coil-shaped stator windings 210a, 210b, 210c. In the axial direction laterally of the stator windings 210a, 210b, 210c are stator side parts 211al and 211a2. In the following, only the stator side parts associated with the stator winding 210a will be referred to. The same applies, however, to the corresponding stator side parts of the remaining stator windings 210b, 210c.
Die Statorwicklungen 210a, 210b, 210c sind von einem gemeinsamen Jochkörper 212 in Umfangsrichtung umschlossen. Ein jeweiliger Abschnitt des Jochkörpers 212 und der Statorseiten- teile 211al, 211a2 können die Statorwicklung 210a, 210b, 210c derart umschließen, dass diese ein magnetisch geschlossenes U-Profil bilden. Ein derart geschlossenes magnetisches U- Profil, welches in Richtung der Achse A offen ist, kann auch durch weitere nicht explizit in Figur 1 dargestellte magnet- flussführende Bauteile dargestellt sein. Entscheidend ist, dass mittels der magnetflussführenden Teile ein magnetischer Rückschluss zwischen den Statorseitenteilen, welche in axialer Richtung beidseitig der Statorwicklungen 210a, 210b, 210c angeordnet sind, gegeben ist. Zwischen den Statorseitenteilen 211al, 211a2 verschiedener Statorwicklungen 210 können Distanzstücke 213 aus magnetisch nicht leitfähigem Material angeordnet sein.The stator windings 210a, 210b, 210c are enclosed by a common yoke body 212 in the circumferential direction. A respective section of the yoke body 212 and the stator side parts 211al, 211a2 can surround the stator winding 210a, 210b, 210c in such a way that they form a magnetically closed U-profile. Such a closed magnetic U-profile, which is open in the direction of the axis A, can also be represented by further magnetic flux-conducting components not shown explicitly in FIG. It is crucial that a magnetic inference between the stator side parts, which are arranged in the axial direction on both sides of the stator windings 210a, 210b, 210c, given by the magnetic flux conducting parts. Between the stator side parts 211al, 211a2 of different stator windings 210 spacers 213 of magnetically non-conductive material can be arranged.
Die erste elektrische Maschine 205 umfasst weiterhin einen Interrotor 214. Der Interrotor 214 kann wiederum scheibenförmige Seitenteile 215al, 215a2 umfassen, von denen lediglich ein Paar explizit in Figur 1 dargestellt ist. Analoge Aussagen gelten jedoch für die übrigen, den entsprechenden Statorwicklungen 210b und 210c bzw. den entsprechenden Statorsei- tenteilen zugeordneten scheibenförmigen Seitenteile. Die scheibenförmigen Seitenteile 215al, 215a2, welche Teil des Interrotors 214 sein können, sind gemeinsam mit den Statorseitenteilen 211al, 211a2 Teil eines gemeinsamen magnetischen Flusses. Der von den Statorseitenteilen 211al, 211a2 ausge- hende magnetische Fluss überbrückt mehr oder weniger ungehindert den Spalt zwischen dem ersten Stator 209 und dem Interroter 214.
An die scheibenförmigen Seitenteile 215al, 215a2 können sich Klauenendteile anschließen. Vergleichbar mit der Konstruktion einer Klauenpolmaschine bilden jeweils eine Anzahl von Klauen, welche mit dem Statorseitenteil 215al verbunden sind, beispielsweise magnetische Nordpole aus, während eine Anzahl von Klauen, welche mit dem Seitenteil 215a2 verbunden sind, eine Anzahl von magnetischen Südpolen ausbilden.The first electric machine 205 further comprises an interrotor 214. The interrotor 214 may in turn comprise disc-shaped side parts 215al, 215a2, of which only one pair is explicitly illustrated in FIG. Analogous statements, however, apply to the remaining disk-shaped side parts assigned to the corresponding stator windings 210b and 210c or to the corresponding stator side parts. The disk-shaped side parts 215al, 215a2, which may be part of the inter-rotor 214, together with the stator side parts 211a1, 211a2 form part of a common magnetic flux. The magnetic flux originating from the stator side parts 211al, 211a2 bridges, more or less unhindered, the gap between the first stator 209 and the interrupter 214. The disk-shaped side parts 215al, 215a2 can be followed by claw end parts. Similar to the construction of a claw-pole machine, a number of claws respectively connected to the stator side part 215al form magnetic north poles, respectively, while a number of claws connected to the side part 215a2 form a number of south magnetic poles.
Alternativ können lediglich die Klauenendteile Teile des In- terrotors 214 sein, ohne das diese untereinander mit einem scheibenförmigen Seitenteil 215al, 215a2 untereinender verbunden sind.Alternatively, only the claw end parts may be parts of the inner rotor 214 without them being connected to each other with a disc-shaped side part 215al, 215a2 undernender.
Die Klauenendteile können auf dem Interrotor 214 nach der Art einer Klauenpolmaschine angeordnet sein. So können sich diese in alternierende axiale Richtungen erstrecken. Die Klauenendteile können weiterhin zur Unterdrückung von Wirbelströmen und damit einhergehenden Stromverlusten geblecht ausgeführt sein. Weiterhin können die Klauenendteile mittels einer Ver- gussmasse mit einer magnetisch nicht leitfähigen Haltestruktur verbunden sein. Die Haltestruktur kann aus magnetisch nicht leitfähigen Blechen aufgebaut sein. Die Verbindung zwischen den Klauenendteilen und der Haltestruktur kann mit einem Spritzgussprozess mit Kunststoff oder mit einem Vakuum- vergussprozess mit Gießharz erfolgen.The claw end portions may be disposed on the interrotor 214 in the manner of a claw pole machine. So they can extend in alternating axial directions. The claw end parts can furthermore be designed to suppress eddy currents and associated power losses. Furthermore, the claw end parts can be connected by means of a casting compound with a magnetically non-conductive support structure. The holding structure may be constructed of magnetically non-conductive sheets. The connection between the claw end parts and the support structure can be done with an injection molding process with plastic or with a vacuum casting process with casting resin.
Zwischen den scheibenförmigen Seitenteilen 215al, 215a2 können weiterhin Distanzstücke 213 aus einem magnetisch nicht leitfähigen Material vorhanden sein. Der gesamte Interrotor 214 kann ebenfalls mittels einer Vergussmasse zu einem integrierten Bauteil vergossen sein.Between the disk-shaped side parts 215al, 215a2, spacers 213 made of a magnetically nonconductive material may furthermore be present. The entire interrotor 214 may also be encapsulated by means of a potting compound to form an integrated component.
Die erste elektrische Maschine 205 umfasst weiterhin einen Rotor 207, welcher zumindest die erste Welle 203 umfasst. Entlang des Umfangs der ersten Welle 203 kann ein System von permanentmagnetischen Elementen 208 angeordnet sein. Die permanentmagnetischen Elemente 208 können insbesondere aus Samarium-Kobalt gefertigt sein.
Die Wechselwirkung zwischen dem Interrotor 214 und dem Rotor 207 kann nach der Art einer permanentmagnetischen erregten Synchronmaschine erfolgen. Alternativ kann die Wechselwirkung zwischen dem ersten Rotor 207 und dem Interrotor 214 nach der Art einer Reluktanzmaschine erfolgen. Weiterhin alternativ kann die Wechselwirkung zwischen dem ersten Rotor und dem Interrotor 214 nach der Art einer Asynchronmaschine erfolgen. Entsprechend kann der erste Rotor 207 wahlweise nach der Art einer permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine, einer Reluktanzmaschine oder einer Asynchronmaschine ausgebildet sein .The first electric machine 205 further comprises a rotor 207, which comprises at least the first shaft 203. Along the circumference of the first shaft 203, a system of permanent magnetic elements 208 may be arranged. The permanent magnetic elements 208 may in particular be made of samarium cobalt. The interaction between the interrotor 214 and the rotor 207 may be done in the manner of a permanent magnet synchronous machine excited. Alternatively, the interaction between the first rotor 207 and the interrotor 214 may be in the manner of a reluctance machine. Further alternatively, the interaction between the first rotor and the interrotor 214 may be in the manner of an asynchronous machine. Accordingly, the first rotor 207 can optionally be designed in the manner of a permanent-magnetically excited synchronous machine, a reluctance machine or an asynchronous machine.
Die Statorwicklung 210a, 210b, 210c können elektrisch mit einem ersten Umrichter 216 verbunden sein und weiterhin durch diesen steuerbar sein.The stator winding 210a, 210b, 210c may be electrically connected to, and further controllable by, a first inverter 216.
Der in Figur 2 gezeigte elektromagnetische Turbolader 200 weist weiterhin eine zweite elektrische Maschine 206 auf. Die zweite elektrische Maschine 206 weist einen zweiten StatorThe electromagnetic turbocharger 200 shown in FIG. 2 also has a second electric machine 206. The second electric machine 206 has a second stator
217 sowie einen zweiten Rotor auf. Der zweite Rotor weist eine zweite Welle 204 auf. Die zweite elektrische Maschine 206 kann nach der Art einer Synchronmaschine, Asynchronmaschine oder Reluktanzmaschine ausgestaltet sein. Insbesondere kann es sich bei der zweiten elektrischen Maschine 206 um eine weitere, nicht explizit genannte allgemein aus dem Stand der Technik bekannte elektrische Maschine handeln.217 and a second rotor. The second rotor has a second shaft 204. The second electric machine 206 may be configured in the manner of a synchronous machine, asynchronous machine or reluctance machine. In particular, the second electric machine 206 may be another, not explicitly mentioned, electric machine generally known from the prior art.
Die in Figur 2 nicht näher ausgeführte Statorwicklung der zweiten elektrischen Maschine 206 kann mit einem zweiten Umrichter 218 elektrisch verbunden sein. Der zweite UmrichterThe stator winding of the second electric machine 206, which is not detailed in FIG. 2, may be electrically connected to a second converter 218. The second inverter
218 kann zur Erregung und/oder Steuerung der Statorwicklung der zweiten elektrischen Maschine 206 dienen.218 may serve to excite and / or control the stator winding of the second electric machine 206.
Der Interrotor 214 und die zweite Welle 204 bilden ein gemeinsames Bauteil aus.
Durch eine derartige Ausgestaltung des elektromagnetischen Turboladers 200 kann eine Übertragung von an die Turbine 210 angreifenden Kräften auf den Verdichter 202 derart erfolgen, dass auf magnetischem Weg Kräfte zwischen dem ersten Rotor 207 und dem Interrotor 214 übertragen werden. Mittels der zweiten elektrischen Maschine 206 kann dem Verdichter 202 weiterhin zusätzlich Energie zugeführt werden.The interrotor 214 and the second shaft 204 form a common component. By such a configuration of the electromagnetic turbocharger 200, a transmission of forces acting on the turbine 210 to the compressor 202 can take place such that forces are transmitted between the first rotor 207 and the interrotor 214 on a magnetic path. By means of the second electric machine 206, the compressor 202 can continue to receive additional energy.
Der erste und zweite Umrichter 216, 218 sind elektrisch über eine Steuereinheit 219 miteinander verbunden. Eine Energieübertragung von der Turbine 201 auf den Verdichter 202 kann also nicht nur auf magnetischem Weg zwischen dem ersten Rotor 207 und dem Interrotor 214 erfolgen. Es kann weiterhin elektrische Energie von der ersten Maschine 205 über den ersten und zweiten Umrichter 216, 218 und die Steuereinheit 219 auf die zweite elektrische Maschine 206 übertragen werden. Auf diese Weise ist es möglich, dem Abgasstrom, welcher die Turbine 201 antreibt, elektrische Energie zu entnehmen, diese in der Steuereinheit, welche einen Energiespeicher, beispiels- weise in eine Batterie umfassen kann, zwischenzuspeichern und gegebenenfalls zu einem späteren Zeitpunkt dem Verdichter 202 über die zweite Maschine 206 zuzuführen. Eine derartige Regelung kann insbesondere abhängig von der Drehzahl einer Verbrennungsmaschine erfolgen.The first and second inverters 216, 218 are electrically connected to each other via a control unit 219. An energy transfer from the turbine 201 to the compressor 202 can thus take place not only on a magnetic path between the first rotor 207 and the interrotor 214. Furthermore, electrical energy can be transmitted from the first machine 205 to the second electric machine 206 via the first and second inverters 216, 218 and the control unit 219. In this way, it is possible to remove electrical energy from the exhaust gas flow which drives the turbine 201, to temporarily store this in the control unit, which may comprise an energy store, for example in a battery, and possibly to the compressor 202 at a later time to supply the second machine 206. Such a control can be carried out in particular depending on the speed of an internal combustion engine.
Ist ein elektromagnetischer Abgasturbolader 200, wie ihn Figur 2 zeigt, in eine Verbrennungsmaschine integriert, so kann die Turbine 210 von dem Abgasstrom der Verbrennungsmaschine angetrieben werden. Weiterhin kann der Verdichter 202 im Zu- luftkanal der Verbrennungsmaschine platziert sein. Bei geringen Drehzahl der Verbrennungsmaschine kann über die zweite elektrische Maschine 206 in der Steuereinheit 219 gespeicherte Energie dem Verdichter 202, und somit der Zuluft der Verbrennungsmaschine zugeführt werden. Bei hohen Drehzahlen der Verbrennungsmaschine, bei denen eine zusätzliche Verdichtung der Frischluft der Verbrennungsmaschine nicht notwendig erscheint, kann über die im Abgasstrom der Verbrennungsma-
schine angeordnete Turbine 201 dem Abgasstrom der Verbrennungsmaschine Energie entzogen werden, und in einem Energiespeicher, der Teil der Steuereinheit 219 ist, gespeichert werden. Alternativ kann die derart gewonnene elektri- sehe Energie weiteren Verbrauchern zugeführt werden.If an electromagnetic exhaust gas turbocharger 200, as shown in FIG. 2, is integrated in an internal combustion engine, the turbine 210 can be driven by the exhaust gas flow of the internal combustion engine. Furthermore, the compressor 202 may be placed in the intake air duct of the internal combustion engine. At low speed of the internal combustion engine, energy stored in the control unit 219 via the second electric machine 206 can be supplied to the compressor 202, and thus to the supply air of the internal combustion engine. At high speeds of the internal combustion engine, in which an additional compression of the fresh air of the internal combustion engine does not seem necessary, can be determined by the in the exhaust stream of the combustion engine Engine arranged turbine 201 are withdrawn energy from the exhaust stream of the internal combustion engine, and in an energy storage, which is part of the control unit 219, are stored. Alternatively, the electrical energy thus obtained can be supplied to further consumers.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch den elektromagnetischen Abgasturbolader 200 aus Figur 2, entlang des Schnittes A-A. Der Schnitt erfolgt durch die erste elektrische Maschine 205.FIG. 3 shows a cross section through the electromagnetic exhaust-gas turbocharger 200 from FIG. 2, along the section A-A. The cut is made by the first electric machine 205.
Figur 3 zeigt die konzentrisch zu der Achse A angeordneten Bauteile der ersten elektrischen Maschine 205, nämlich deren Stator 209, Interrotor 214 und Rotor 207.FIG. 3 shows the components of the first electric machine 205 arranged concentrically with respect to the axis A, namely their stator 209, interrotor 214 and rotor 207.
Der Stator 209 weist einen Jochkörper 212 auf, der die Statorwicklung 210b entlang des Umfangs umschließt. Die Statorwicklung 210 ist mittels einer Stromzuführung 301 kontaktiert.The stator 209 has a yoke body 212 which encloses the stator winding 210b along the circumference. The stator winding 210 is contacted by means of a power supply 301.
Der Interrotor 214 weist Klauenendteile 302a, 302b auf, welche von einer magnetisch nicht leitfähigen Haltestruktur 303 gehalten bzw. umgeben sind oder in diese eingebettet sind.The interrotor 214 has claw end portions 302a, 302b held by or embedded in a magnetically non-conductive support structure 303.
Die im Querschnitt gezeigten Klauenendteile 302a, 302b bilden alternierende magnetische Pole aus. So kann beispielsweise das Klauenendteil 302a ein magnetischer Nordpol und das Klau- enendteil 302b ein magnetischer Südpol sein.The claw end portions 302a, 302b shown in cross section form alternating magnetic poles. For example, the claw end portion 302a may be a magnetic north pole and the claw end portion 302b may be a south magnetic pole.
Weiterhin zeigt Figur 3 den Querschnitt des ersten Rotors 207 der ersten elektrischen Maschine 205. Der erste Rotor 207 um- fasst einen Rotorkörper 304, in welchen permanentmagnetische Elemente 208 integriert sein können. Der Rotorkörper 304 ist mit der ersten Welle 203 mechanisch verbunden. Die Verbindung kann zu verschraubt, verschweißt oder auf andere Weise mecha- nisch realisiert sein, ebenfalls kann der Rotorkörper 302 auf die erste Welle 203 aufgepresst sein.
Figur 4 zeigt einen elektromagnetischen Abgasturbolader 200 in Perspektivansicht, wie dieser bereits aus Figur 2 bekannt ist. Mit einer ersten Welle 203 ist eine Turbine 201 verbunden, welche sich in einem Abgasstrom befindet und von diesem angetrieben werden kann. Die erste Welle 203 sowie ein umfänglich auf dieser angeordnetes System von Permanentmagneten 208 ist Teil des ersten Rotors 207. Die zweite Welle 204 ist mit einem Verdichter 202 verbunden, welcher insbesondere im Zuluftkanal einer Verbrennungsmaschine, zur Verdichtung von Frischluft für die Verbrennungsmaschine, angeordnet sein kann. Die erste Welle 203 und die zweite Welle 204 sind mittels mehrerer Lager 401, vorzugsweise Kugellager, gegeneinander bzw. gegenüber einem weiteren statischen Bauteil gelagert. Die erste elektrische Maschine 205 weist weiterhin einen Interrotor 214 auf, welcher mit der zweiten Welle 204 ein gemeinsames Bauteil ausbildet. Die erste elektrische Maschine 205 weist weiterhin einen ersten Stator mit Statorwicklungen 210a, 210b, 210c und entsprechenden, den Statorwicklungen zugeordneten scheibenförmigen Statorteilen 211al, 211a2, sowie einen den Magnetfluss schließenden Jochkörper 212 auf.Furthermore, FIG. 3 shows the cross section of the first rotor 207 of the first electric machine 205. The first rotor 207 comprises a rotor body 304 in which permanent-magnetic elements 208 can be integrated. The rotor body 304 is mechanically connected to the first shaft 203. The connection can be screwed, welded or otherwise mechanically realized, likewise the rotor body 302 can be pressed onto the first shaft 203. FIG. 4 shows an electromagnetic exhaust gas turbocharger 200 in perspective view, as already known from FIG. To a first shaft 203, a turbine 201 is connected, which is located in an exhaust gas stream and can be driven by this. The first shaft 203 and a system of permanent magnets 208 disposed circumferentially on it are part of the first rotor 207. The second shaft 204 is connected to a compressor 202, which can be arranged in particular in the supply air duct of an internal combustion engine for the compression of fresh air for the internal combustion engine , The first shaft 203 and the second shaft 204 are supported by means of a plurality of bearings 401, preferably ball bearings, against each other or against another static component. The first electric machine 205 further has an interrotor 214, which forms a common component with the second shaft 204. The first electric machine 205 further has a first stator with stator windings 210a, 210b, 210c and corresponding disk-shaped stator parts 211al, 211a2 associated with the stator windings, and a yoke body 212 closing the magnetic flux.
Figur 5 zeigt einen elektromagnetischen Abgasturbolader 200 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Der dargestellte elektromagnetische Abgasturbolader weist eine erste und eine zweite elektrische Maschine 205, 206 auf. Der elektromagnetische Abgasturbolader 200 ist ebenfalls mit einer Turbine 201 sowie einem Verdichter 202 verbunden. Das in Figur 5 gezeigte Ausführungsbeispiel eines elektromagnetischen Abgasturbola- ders 200 unterscheidet sich von dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eines elektromagnetischen Abgasturboladers 200 durch die Ausgestaltung der ersten elektrischen Maschine 205, auf die im Folgenden insbesondere eingegangen werden soll .FIG. 5 shows an electromagnetic exhaust-gas turbocharger 200 according to a further exemplary embodiment. The illustrated electromagnetic exhaust gas turbocharger has a first and a second electrical machine 205, 206. The electromagnetic exhaust gas turbocharger 200 is also connected to a turbine 201 and a compressor 202. The exemplary embodiment of an electromagnetic exhaust gas turbocharger 200 shown in FIG. 5 differs from the exemplary embodiment of an electromagnetic exhaust gas turbocharger 200 shown in FIG. 2 by the configuration of the first electric machine 205, which will be discussed in detail below.
Die erste elektrische Maschine 205' weist einen Stator 209 auf, welcher in gleicher oder ähnlicher Weise wie der Stator 209, der in Figur 2 gezeigten ersten elektrischen Maschine
205 ausgestaltet ist. Weiterhin weist die erste elektrische Maschine 205' einen Interrotor 501 auf, welcher magnetflussführende, scheibenförmige Seitenteile 502 sowie permanentmagnetische Elemente 208 aufweist. Die permanentmagnetischen Elemente 208 können als Hallbachmagnete mit in Richtung der Achse A gerichteter Magnetisierung ausgeführt sein. Weiterhin können die permanentmagnetischen Elemente 208 als radial bzw. diametral magnetisierte Magnete mit Eisenrückschluss ausgeführt sein. Die magnetflussführenden scheibenförmigen Seiten- teile 502 können weiterhin mittels magnetisch nicht leitfähiger Distanzstücke 213 voneinander getrennt sein.The first electric machine 205 'has a stator 209, which in the same or similar manner as the stator 209, the first electric machine shown in Figure 2 205 is configured. Furthermore, the first electrical machine 205 'has an interrotor 501, which has magnetically conducting, disk-shaped side parts 502 and permanent-magnetic elements 208. The permanent magnetic elements 208 may be implemented as Hallbach magnets with magnetization directed in the direction of the axis A. Furthermore, the permanent magnetic elements 208 may be designed as radially or diametrically magnetized magnets with iron yoke. The magnetic-flux-guiding disc-shaped side parts 502 can furthermore be separated from one another by means of magnetically non-conductive spacers 213.
Die erste elektrische Maschine 205' weist weiterhin einen ersten Rotor 207' auf. Der erste Rotor 207' kann welcher ne- ben der ersten Welle 203 sowohl magnetflussführende scheibenförmige Seitenteile als auch an diese anschließende Klauen- endteile aufweist. Ebenfalls kann der erste Rotor 207' lediglich die Klauenendteile aufweisen, wobei diese nicht durch ein scheibenförmiges Seitenteil mit einander verbunden sind.The first electrical machine 205 'also has a first rotor 207'. The first rotor 207 'may have, in addition to the first shaft 203, magnetically-guiding disc-shaped side parts as well as claw end parts adjoining the latter. Also, the first rotor 207 'may have only the claw end portions, which are not connected by a disc-shaped side part with each other.
Der Interrotor 501 sowie der erste Rotor 207', der in Figur 5 gezeigten ersten elektrischen Maschine 205' können nach der Art einer permanent erregten Außenläufersynchronmaschine miteinander in Wechselwirkung stehen. Auf diese Weise können auf magnetischem Weg zwischen dem ersten Rotor 207' und dem Interrotor 501, welcher gemeinsam mit der zweiten Welle 204 ein gemeinsames Bauteil bildet, Kräfte übertragen werden. Die Klauenendteile, welche Teil des ersten Rotors 207' sind, können gemeinsam mit einer nicht näher ausgeführten magnetisch nicht leitfähigen Haltestruktur unter Verwendung einer Vergussmasse zu einem gemeinsamen Bauteil vergossen sein. Die scheibenförmigen magnetflussführenden Seitenteile, welche e- benfalls Teil des ersten Rotors 207' sind, können ferner mittels magnetisch nicht leitfähiger Distanzstücke 213 voneinan- der getrennt sein.The interrotor 501 and the first rotor 207 ', the first electric machine 205' shown in FIG. 5, may interact with each other in the manner of a permanently excited external rotor synchronous machine. In this way, forces can be transmitted magnetically between the first rotor 207 'and the interrotor 501, which forms a common component together with the second shaft 204. The claw end parts, which are part of the first rotor 207 ', can be cast together with an unspecified magnetically non-conductive support structure using a potting compound to a common component. The disk-shaped magnet-flux-carrying side parts, which are also part of the first rotor 207 ', can furthermore be separated from one another by means of magnetically non-conductive spacers 213.
Figur 6 zeigt den aus Figur 5 bekannten elektromagnetischen Abgasturbolader 200 in Perspektivansicht. Es ist unter ande-
rem die erste elektrische Maschine 205' dargestellt, welche neben dem bereits aus den vorherigen Figuren bekannten Stator einen Interrotor 501 aufweist, welcher permanentmagnetische Elemente 208 aufweist. Der Interrotor weist weiterhin in axi- aler Richtung seitlich dieser permanentmagnetischen Elemente 208 angeordnete magnetflussführende scheibenförmige Seitenteile 502 auf. Die magnetflussführenden scheibenförmigen Seitenteile 502 können weiterhin mit magnetisch nicht leitfähigen Distanzstücken 213 magnetisch voneinander getrennt sein. Der Rotor der ersten elektrischen Maschine 205' kann ebenfalls magnetflussführende scheibenförmige Seitenteile und an diese anschließende Klauenendteile aufweisen. Der Rotor der ersten elektrischen Maschine 205' kann ebenfalls lediglich die Klauenendteile umfassen, wobei diese nicht durch ein scheibenförmiges Seitenteil miteinander verbunden sind. Die magnetflussführenden scheibenförmigen Seitenteile 502 sowie die Statorseitenteile 211al, 211a2 sind Teil eines gemeinsamen magnetischen Flusses. Mechanisch gesehen sind die scheibenförmigen Seitenteile 502 und die Statorseitenteile 211al, 211a2 jedoch voneinander getrennt. Der von den Statorseitenteilen 211 ausgehende magnetische Fluss überquert den Spalt zwischen Stator und Interrotor 501 wie auch den Spalt zwischen Interrotor 501 und Rotor 207.FIG. 6 shows the electromagnetic exhaust gas turbocharger 200 known from FIG. 5 in a perspective view. It is among other things The first electrical machine 205 ', which has, in addition to the stator already known from the previous figures, an interrotor 501 which has permanent-magnetic elements 208. The interrotor furthermore has magnetically conducting disc-shaped side parts 502 arranged in the axial direction laterally of these permanent-magnetic elements 208. The magnetic-flux-guiding disc-shaped side parts 502 can furthermore be magnetically separated from one another by magnetically non-conductive spacers 213. The rotor of the first electric machine 205 'can likewise have magnetically-guiding disk-shaped side parts and adjoining claw end parts. The rotor of the first electric machine 205 'may also comprise only the claw end parts, which are not interconnected by a disc-shaped side part. The magnetic-flux-guiding disc-shaped side parts 502 and the stator side parts 211al, 211a2 are part of a common magnetic flux. Mechanically, however, the disk-shaped side parts 502 and the stator side parts 211al, 211a2 are separated from each other. The magnetic flux emanating from the stator side parts 211 traverses the gap between the stator and the interrotor 501 as well as the gap between the interrotor 501 and the rotor 207.
Der elektromagnetische Abgasturbolader gemäß den in den Figuren 2 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispielen kann beispielsweise einen Gesamtdurchmesser von 53 mm sowie eine ungefähre Gesamtlänge abzüglich der Turbine und des Verdichters von 60 mm aufweisen.The electromagnetic exhaust gas turbocharger according to the embodiments shown in Figures 2 to 6, for example, may have a total diameter of 53 mm and an approximate total length minus the turbine and the compressor of 60 mm.
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung der elektrischen, magnetischen und mechanischen Energieflüsse zwischen den einzelnen Bauteilen eines elektromagnetischen Turboladers 200 gemäß einem der zuvor genannten Ausführungsbeispiele.Figure 7 shows a schematic representation of the electrical, magnetic and mechanical energy flows between the individual components of an electromagnetic turbocharger 200 according to one of the aforementioned embodiments.
Im Folgenden sei eine mechanische Energieübertragung durch einen durchgezogenen Pfeil, eine magnetische Energieübertragung durch einen gestrichelten Pfeil und eine elektrische
Energieübertragung durch einen strichpunktierten Pfeil angedeutet .In the following, a mechanical energy transfer by a solid arrow, a magnetic energy transfer by a dashed arrow and an electrical Energy transfer indicated by a dash-dotted arrow.
Ausgehend von der Turbine 201 wird auf mechanischem Wege E- nergie auf den ersten Rotor 207 der ersten elektrischen Maschine 205, 205' übertragen. Auf magnetischem Wege wird Energie von dem ersten Rotor 207 (vermittelt über die Klauenend- teile) auf den Interrotor 214 und die mit dem Interrotor 214 verbundene zweite Welle 204 übertragen. Mit der zweiten Welle 204 ist der Verdichter 202 mechanisch verbunden, so dass die Energieübertragung zwischen der zweiten Welle 204 und dem Verdichter 202 mechanisch erfolgt.Starting from the turbine 201, energy is mechanically transferred to the first rotor 207 of the first electric machine 205, 205 '. Magnetically, energy is transferred from the first rotor 207 (mediated via the claw end portions) to the interrotor 214 and the second shaft 204 connected to the interrotor 214. With the second shaft 204, the compressor 202 is mechanically connected, so that the energy transfer between the second shaft 204 and the compressor 202 takes place mechanically.
Alternativ zu der magnetischen Energieübertragung zwischen dem ersten Rotor 207 und dem Interrotor 214 kann Energie induktiv/elektrisch an dem zweiten Stator 209 übertragen werden. Auf elektrischem Wege wird Energie von dem ersten Stator 209 an den ersten Umrichter 216 übertragen. Diese elektrische Energie kann in der Steuereinheit 219 zwischengespeichert werden oder gegebenenfalls gesteuert durch die Steuereinheit 219 an den zweiten Umrichter 218 übertragen werden. Auf elektrischem Wege kann Energie so über den zweiten Umrichter 218 auf den zweiten Stator 217 übertragen werden. Zwischen dem zweiten Stator 217 und dem zweiten Rotor 206 bzw. der zweiten Welle 204 erfolgt die Energieübertragung auf magnetischem Wege. Wiederum mechanisch wird die Energie von der zweiten Welle auf den Verdichter 202 übertragen.As an alternative to the magnetic energy transfer between the first rotor 207 and the interrotor 214, energy may be inductively / electrically transmitted to the second stator 209. Electrically, power is transferred from the first stator 209 to the first inverter 216. This electrical energy can be temporarily stored in the control unit 219 or, if necessary, transmitted to the second converter 218 in a controlled manner by the control unit 219. By electrical means, energy can thus be transmitted via the second converter 218 to the second stator 217. Between the second stator 217 and the second rotor 206 and the second shaft 204, the energy transfer takes place by magnetic means. Again mechanically, the energy from the second shaft is transferred to the compressor 202.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der elektromag- netische Abgasturbolader 200 nach einem der Ausführungsbeispiele ein Teil eines Kraftfahrzeuges mit einer Verbrennungsmaschine sein, wobei die Turbine 201 im Abgasstrom der Verbrennungsmaschine angeordnet ist und der Verdichter 202 im Zuluftkanal der Verbrennungsmaschine. Mittels des Verdichters 202 kann eine Verdichtung von Frischluft für die Verbrennungsmaschine erfolgen.
Abgängig vom Betriebszustand der Verbrennungsmaschine kann beispielsweise bei geringen Drehzahlen der Verbrennungsmaschine zur Leistungssteigerung derselben elektrische Energie aus dem Energiespeicher, welcher Teil der Steuereinheit 219 ist, auf elektrischem und magnetischem Wege der zweiten Welle 204 und somit dem Verdichter 202 zugefügt werden. Alternativ kann bei hohen Drehzahlen der Verbrennungsmaschine dem Abgasstrom Energie entzogen werden, so dass diese auf magnetischem und elektrischem Weg einem Energiespeicher innerhalb der Steuereinheit 219 oder alternativ weiteren Verbrauchern des Kraftfahrzeuges zugeführt werden kann.
According to a further embodiment, the electromagnetic exhaust gas turbocharger 200 according to one of the embodiments, a part of a motor vehicle with an internal combustion engine, wherein the turbine 201 is disposed in the exhaust stream of the internal combustion engine and the compressor 202 in the supply air duct of the internal combustion engine. By means of the compressor 202, a compression of fresh air for the internal combustion engine can take place. Departing from the operating state of the internal combustion engine, electric power from the energy store, which is part of the control unit 219, can be added to the second shaft 204 and thus to the compressor 202 electrically and magnetically, for example, at low rotational speeds of the internal combustion engine. Alternatively, at high rotational speeds of the internal combustion engine, the exhaust gas flow can be deprived of energy so that it can be supplied to an energy store within the control unit 219 or alternatively to other consumers of the motor vehicle by magnetic and electrical means.
Claims
1. Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) mit1. Electromagnetic exhaust gas turbocharger (200) with
- einer ersten Welle (203), die mit einer von einem Abgas- ström angetriebenen Turbine (201) mechanisch verbunden ist,a first shaft (203) which is mechanically connected to a turbine (201) driven by an exhaust gas flow,
- einer zweiten mit einem Verdichter (202) mechanisch verbundenen Welle (204) ,a second shaft (204) mechanically connected to a compressor (202),
- einer ersten elektrischen Maschine (205, 205') mit einem ersten Stator (209), einem Interrotor (214, 501) und einem die erste Welle aufweisenden ersten Rotor (207, 207'), wobei der erste Stator (209) den Interrotor (214, 501) und der Interrotor (214, 501) den ersten Rotor (207, 207') jeweils unter Ausbildung eines Ringspaltes umschließen und- a first electric machine (205, 205 ') having a first stator (209), an interrotor (214, 501) and a first shaft having the first rotor (207, 207'), wherein the first stator (209) the interrotor (214, 501) and the interrotor (214, 501) the first rotor (207, 207 ') each enclosing an annular gap and enclose
- einer zweiten elektrischen Maschine (206) mit einem zweiten Stator (217) und einem zweiten, die zweite Welle (204) aufweisenden Rotor, wobei - der Interrotor (214, 501) und der zweite Rotor ein gemeinsames Bauteil bilden und- A second electric machine (206) with a second stator (217) and a second, the second shaft (204) having rotor, wherein - the interrotor (214, 501) and the second rotor form a common component and
- die erste und die zweite elektrische Maschine (205, 205', 206) elektrisch miteinander verbunden sind.- The first and the second electrical machine (205, 205 ', 206) are electrically connected together.
2. Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Maschine (205, 205' ) nach der Art einer Klauenpolmaschine ausgebildet ist .2. Electromagnetic turbocharger (200) according to claim 1, characterized in that the first electrical machine (205, 205 ') is designed in the manner of a claw pole machine.
3. Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass3. Electromagnetic turbocharger (200) according to claim 2, characterized in that
- die magnetischen Nord- und Südpole der Klauenpolmaschine durch Klauenendteile (302) gebildet sind, die sich alternierend in entgegengesetzte axiale Richtungen erstrecken, - die Statorwicklung (210) von einem rotorseitig offenenthe magnetic north and south poles of the claw-pole machine are formed by claw end parts (302) which extend alternately in opposite axial directions, - the stator winding (210) is open from a rotor side
U-Profil mit sich in radiale Richtung erstreckenden Statorseitenteilen (211) umschlossen ist, wobei - die Statorseitenteile (211) und die Klauenendteilen (302) Teil eines gemeinsamen magnetischen Flusspfades sind undU-profile with radially extending stator side parts (211) is enclosed, wherein - The stator side parts (211) and the Klauenendteilen (302) are part of a common magnetic flux path and
- das U-Profil Teil des ersten Stators (209) ist und die Klauenendteile (302) Teil des Interrotors (214, 501) sind.- The U-profile is part of the first stator (209) and the Klauenendteile (302) are part of the inter-rotor (214, 501).
4. Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass4. An electromagnetic exhaust gas turbocharger (200) according to claim 3, characterized in that
- die Klauenendteile (302), die die magnetischen Nordpole bilden und die Klauenendteile (302), die die magnetischen Südpole bilden, mit jeweils einem scheibenförmigen, sich in radialer Richtung erstreckenden Seitenteil (215) verbunden sind, undthe claw end portions (302) forming the north magnetic poles and the claw end portions (302) forming the south magnetic poles are each connected to a disc-shaped radially extending side portion (215), and
- die Statorseitenteile (211), die scheibenförmigen Seitenteile (215) und die Klauenendteile (302) Teil eines gemein- samen magnetischen Flusspfades sind, wobei das U-Profil Teil des ersten Stators (209) ist und die scheibenförmigen Seitenteile (215) und die Klauenendteile (302) Teile des Interrotors sind.- The stator side parts (211), the disc-shaped side parts (215) and the Klauenendteile (302) are part of a common magnetic flux path, wherein the U-profile is part of the first stator (209) and the disc-shaped side parts (215) and the Claw end parts (302) are parts of the inter-rotor.
5. Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rotor (207, 207') nach der Art einer permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine ausgebildet ist.5. Electromagnetic turbocharger (200) according to any one of the preceding claims, characterized in that the first rotor (207, 207 ') is designed in the manner of a permanent-magnetically excited synchronous machine.
6. Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rotor (207, 207') nach der Art einer Reluktanzmaschine ausgebildet ist.6. Electromagnetic turbocharger (200) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the first rotor (207, 207 ') is designed in the manner of a reluctance machine.
7. Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rotor (207, 207') nach der Art einer Asynchronmaschine ausgebildet ist.7. An electromagnetic exhaust gas turbocharger (200) according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the first rotor (207, 207 ') is formed in the manner of an asynchronous machine.
8. Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass - die magnetischen Nord- und Südpole der Klauenpolmaschine durch Klauenendteile (302) gebildet sind, die sich alternierend in entgegengesetzte axiale Richtungen erstrecken,8. An electromagnetic exhaust gas turbocharger (200) according to claim 2, characterized in that the magnetic north and south poles of the claw-pole machine are formed by claw end parts (302) which extend alternately in opposite axial directions,
- die Statorwicklung (210) von einem rotorseitig offenen U-Profil umschlossen ist, das sich in radiale Richtung erstreckende Statorseitenteile (211) aufweist und- The stator winding (210) is enclosed by a rotor-side open U-shaped profile, which has in the radial direction extending stator side parts (211) and
- der Interrotor (214, 501) scheibenförmige Seitenteile (215) umfasst, wobei - die Statorseitenteile (211), die scheibenförmigen Seitenteile (215), und die Klauenendteile (302) Teil eines gemeinsamen magnetischen Flusspfades sind, und- the interrotor (214, 501) comprises disc-shaped side parts (215), wherein - the stator side parts (211), the disc-shaped side parts (215), and the claw end parts (302) are part of a common magnetic flux path, and
- das U-Profil Teil des ersten Stators (209) ist, die scheibenförmigen Seitenteile (215) Teil des Interrotors (214, 501) sind und die Klauenendteile (302) Teil des ersten Rotors (207, 207') sind.the U-profile is part of the first stator (209), the disk-shaped side parts (215) are part of the inter-rotor (214, 501) and the claw end parts (302) are part of the first rotor (207, 207 ').
9. Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die scheibenförmigen Seitenteile (215) aus zwei getrennten, konzentrisch zueinander angeordneten Teilstücken bestehen, wobei ein erstes Teilstück Teil des Interrotors (214, 501) ist und ein weiteres Teilstück Teil des ersten Rotors (207, 207') ist.9. An electromagnetic exhaust gas turbocharger (200) according to claim 8, characterized in that the disc-shaped side parts (215) consist of two separate, concentrically arranged sections, wherein a first portion is part of the inter-rotor (214, 501) and a further portion of the part first rotor (207, 207 ').
10. Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Interrotor (214, 501) nach der Art einer permanentmagnetisch erregten Außen- laufersynchronmaschine ausgebildet ist.10. An electromagnetic exhaust gas turbocharger (200) according to claim 8 or 9, characterized in that the interrotor (214, 501) is designed in the manner of a permanent magnetically excited outer rotor synchronous machine.
11. Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch permanentmagnetisches Material aus einer Samarium - Kobalt - Legierung.11. An electromagnetic exhaust gas turbocharger (200) according to any one of the preceding claims, characterized by permanent magnetic material of a samarium - cobalt - alloy.
12. Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Maschine (205, 205') mit einem ersten Umrich- ter (216) verbunden ist und die zweite elektrische Maschine (206) mit einem zweiten Umrichter (216, 218) verbunden ist, wobei der erste und zweite Umrichter (216, 218) jeweils mit einer Steuereinheit (219) verbunden sind.12. An electromagnetic exhaust gas turbocharger (200) according to any one of the preceding claims, characterized in that the first electrical machine (205, 205 ') with a first Umrich- ter (216) and the second electric machine (206) is connected to a second converter (216, 218), wherein the first and second converters (216, 218) are each connected to a control unit (219).
13. Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Klauen- endteile (302) geblecht sind.13. An electromagnetic exhaust gas turbocharger (200) according to any one of claims 3 to 12, characterized in that the claw end portions (302) are laminated.
14. Elektromagnetischer Abgasturbolader (200) nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Klauen- endteile (302) mittels einer Vergussmasse mit einer magnetisch nicht leitfähigen Haltestruktur (303) verbunden sind.14. An electromagnetic exhaust gas turbocharger (200) according to any one of claims 3 to 12, characterized in that the claw end portions (302) are connected by means of a potting compound with a magnetically non-conductive support structure (303).
15. Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungsmaschine und einem elektromagnetischen Abgasturbolader (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Turbine (201) im Abgasstrom der Verbrennungsmaschine angeordnet ist und der Verdichter (202) im Zuluftkanal der Verbrennungsmaschine, zur Verdich- tung von Frischluft für die Verbrennungsmaschine, angeordnet ist . 15. Motor vehicle with an internal combustion engine and an electromagnetic exhaust gas turbocharger (200) according to any one of the preceding claims, wherein the turbine (201) is arranged in the exhaust stream of the internal combustion engine and the compressor (202) in the supply air duct of the internal combustion engine, for the compression of fresh air for the Combustion engine, is arranged.
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