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Die Erfindung betrifft eine elektrische Medienspaltmaschine für einen Turbolader, insbesondere Abgasturbolader, einer Brennkraftmaschine, mit einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Welle, auf welcher ein Rotor drehfest angeordnet ist, und mit einem gehäusefesten Stator, der mehrere radial nach innen vorstehende Statorzähne aufweist, wobei die Statorzähne von einer mehrphasigen Antriebswicklung zur Erzeugung eines mehrpoligen Antriebsmagnetfelds umwickelt sind.
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Weiterhin betrifft die Erfindung einen Turbolader, insbesondere Abgasturbolader, für eine Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse mit einer in dem Gehäuse drehbar gelagerten Welle, auf welcher zumindest ein Verdichterrad drehfest angeordnet ist, und mit einer elektrischen Medienspaltmaschine, die einen auf der Welle drehfest angeordneten Rotor und einen gehäusefesten Stator aufweist, wobei der Stator mehrere radial nach innen vorstehende Statorzähne aufweist, die von einer mehrphasigen Antriebswicklung zur Erzeugung eines mehrpoligen Antriebsmagnetfelds umwickelt sind.
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Stand der Technik
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Medienspaltmaschinen und Turbolader der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. So offenbart beispielsweise die Offenlegungsschrift
DE 10 2014 210 451 A1 einen Turbolader mit einer integrierten elektrischen Medienspaltmaschine. Turbolader, insbesondere Abgasturbolader werden insbesondere im Kraftfahrzeugbau dazu genutzt, die Luftfüllung in Zylindern einer Brennkraftmaschine zu erhöhen, um die Leistung der Brennkraftmaschine zu steigern. Die elektromotorische Unterstützung eines Turboladers hat den Vorteil, dass damit unabhängig von einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine Frischluft ansaugt und verdichtet werden kann, sodass jederzeit der Frischluftanteil in den Zylindern der Brennkraftmaschine unabhängig von einem aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine selbst erhöht werden kann, wodurch beispielsweise das sogenannte Turboloch überwindbar ist.
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Die Realisierung der elektromotorischen Unterstützung durch die Medienspaltmaschine hat den Vorteil, dass diese besonders bauraumsparend in den Turbolader integrierbar ist, weil die angesaugte Frischluft durch einen zwischen Rotor und Stator gebildeten Medienspalt geführt wird. Die Medienspaltmaschine ist daher besonders bauraumsparend in den Strömungskanal des Turboladers integrierbar. Hierdurch ergibt sich außerdem der Vorteil einer verbesserten Kühlung der Medienspaltmaschine durch den Luftstrom. Darüber hinaus ist es möglich, die Medienspaltmaschine sowohl motorisch als auch generatorisch zu betreiben, sodass beispielsweise ein elektrische Energie erzeugender Rekuperationsbetrieb durch den Turbolader möglich ist.
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Der Stator verfügt üblicherweise über ein Statorjoch sowie radial nach innen von dem Statorjoch vorstehende Statorzähne, die in Umfangsrichtung gesehen beabstandet zueinander und gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die Statorzähne sind von einer mehrphasigen Antriebswicklung umwickelt, die zur Erzeugung eines Antriebsmagnetfelds dient. Durch das Bestromen der Phasen der Antriebswicklung, beispielsweise mittels einer dafür vorgesehenen Leistungselektronik eines Steuergeräts, wird das umlaufende Antriebsmagnetfeld erzeugt, durch welches der durch die Welle drehbar gelagerte Rotor mit einem vorgebbaren Drehmoment angetrieben wird.
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Im Falle einer leichten Unwucht des Rotors oder einer dynamischen radialen Biegung des Rotors beziehungsweise der Welle entstehen zusätzliche Lagerkräfte, die auf die Lager der Welle einwirken und von herkömmlichen Lagern einer Medienspaltmaschine nicht dauerhaft ausgehalten werden können. Eine einfache Verstärkung der Lager würde jedoch einen Eingriff in die Konstruktion des Abgasturboladers bedeuten, und eine einfache Integration der Medienspaltmaschine in den Abgasturbolader verhindert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass stabilisierende Querkräfte, die auf den Rotor wirken, auf einfache Art und Weise erzeugt werden können, insbesondere ohne dass eine zusätzliche Drehstromquelle benötigt wird. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Statorzähne zusätzlich zur Antriebswicklung von einer mehrphasigen Querkraftwicklung umwickelt sind, wobei jeweils eine Phase der Antriebswicklung und eine Phase der Querkraftwicklung in Reihe miteinander geschaltet sind. Durch die zusätzliche Querkraftwicklung wird im Betrieb ein zusätzliches Magnetfeld erzeugt, das nicht zum Antreiben des Rotors beziehungsweise zum Erzeugen eines Drehmoments beiträgt, sondern das eine resultierende Querkraft, also eine zumindest im Wesentlichen radial auf den Rotor und/oder die Welle wirkende Kraft erzeugt, die beispielsweise einer durch eine Unwucht oder dergleichen erzeugten radialen Belastung des Rotors entgegenwirkt. Durch die vorteilhafte Verschaltung von Antriebswicklung und Querkraftwicklung wird erreicht, dass für die Querkraftwicklung keine zusätzliche Drehstromquelle notwendig ist und vielmehr die Drehstromquelle für die Antriebswicklung mitgenutzt wird. Durch die Querkraftwicklung wird gezielt eine magnetische Querkraft erzeugt, die auf den Rotor wirkt und insbesondere Resonanzen in Biegeschwingungen des Rotors entgegenwirkt.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die Phasen der Querkraftwicklung derart ausgebildet sind, dass ein von der Querkraftwicklung erzeugtes Querkraftmagnetfeld in fester Beziehung mit dem Antriebsmagnetfeld umläuft. Durch die Serienschaltung werden die Phasen der Antriebswicklung und der Querkraftwicklung, die jeweils in Serie geschaltet sind, von demselben Strom durchflossen. Bei im feldorientierten Koordinatensystem konstantem Statorstromvektor entsteht somit ein konstanter Querkraftvektor, dessen Amplitude und Richtung durch Modulation des Längsstroms und/oder des Querstroms der Medienspaltmaschine beziehungsweise der Statorwicklung, bestehend aus Querkraftwicklung und Antriebswicklung, variiert werden kann, um eine Ausbildung des Querkraftvektors zu erreichen.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist bevorzugt vorgesehen, dass die Phasen der Querkraftwicklung mit den Phasen der Antriebswicklung derart ausgebildet sind, dass ein von der Querkraftwicklung erzeugtes Magnetfeld entgegengesetzt zu dem Antriebsmagnetfeld umläuft. Bei im feldorientierten Koordinatensystem konstantem Statorstromvektor entsteht somit ein Querkraftvektor mit konstanter Amplitude, der mit der doppelten Rotordrehzahl, aber zur Drehrichtung des Rotors entgegengesetzt, umläuft. Auch hier ist es möglich, durch Modulation des Längsstroms und/oder des Querstroms der Medienspaltmaschine die Amplitude und Phasenlage des erzeugten Querkraftvektors zu beeinflussen und in der jeweils gewünschten Weise auszurichten.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass zumindest mehrere der Statorzähne Flussleitstücke aufweisen, welche in einem zwischen Statorzahn und Rotor ausgebildeten Medienspalt hineinragen. Die Flussleitstücke sind insbesondere aus einem magnetisch hochpermeablen Material gefertigt und erhöhen somit den magnetischen Fluss in der elektrischen Maschine in vorteilhafter Weise. Alternativ ist der Stator flussleitstückfrei ausgebildet.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Antriebswicklung und die Querkraftwicklung von einer einzigen mehrphasigen Statorwicklung gebildet sind. Durch das vorteilhafte in Reihe schalten der Phasen der beiden Wicklungen ist es möglich, beide Wicklungen durch eine einzige mehrphasige Statorwicklung zu bilden. Dadurch können die Antriebswicklung und die Querkraftwicklung auf einfache und kostengünstige Art und Weise an der Medienspaltmaschine realisiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Antriebswicklung und die Querkraftwicklung eine unterschiedliche Anzahl von Polpaaren aufweisen. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Querkraftwicklung eine um eins geringere oder um eins höhere Anzahl von Polpaaren im Vergleich zur Antriebswicklung aufweist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Antriebswicklung ein Polpaar und die Querkraftwicklung zwei Polpaare auf.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Rotor selbst ein Polpaar, insbesondere nur ein Polpaar, also zwei magnetische Pole aufweist. Hierdurch ist ein vorteilhafter Betrieb der Medienspaltmaschine mit einer hohen Leistung und Drehzahl auf einfache Art und Weise gewährleistet.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die jeweilige Wicklung einen Zwischenraum zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen nur bereichsweise auffüllt. Dadurch verbleibt ein Freiraum zwischen benachbarten Statorzähnen, der ebenfalls als Medienspalt insbesondere in dem Turbolader zur Durchführung des Luftstroms nutzbar ist.
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Der erfindungsgemäße Turbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Medienspaltmaschine aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
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Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
- 1 einen Abgasturbolader mit einer Medienspaltmaschine in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung,
- 2 die Medienspaltmaschine in einer vereinfachten Draufsicht gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
- 3 die Medienspaltmaschine in einer vereinfachten Draufsicht gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung einen Abgasturbolader 1, der einen Verdichter 2 sowie eine Turbine 3 aufweist. Der Verdichter 2 weist ein Verdichterrad 4 auf, das auf einer Welle 5 drehfest angeordnet ist. Die Welle 5 ist selbst drehbar in einem Gehäuse 6 des Abgasturboladers 1 gelagert. An einem von dem Verdichterrad 4 abgewandten Ende der Welle 5 ist außerdem ein Turbinenrad 7 der Turbine 3 drehfest mit der Welle 5 verbunden. Wenn das Turbinenrad 7 vom Abgas einer Brennkraftmaschine angeströmt und dadurch angetrieben wird, wird damit das Verdichterrad 4 ebenfalls in eine Drehbewegung versetzt, sodass von dem Verdichterrad 4 angesaugte Frischluft verdichtet und der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
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Die drehbare Lagerung der Welle 5 in dem Gehäuse 6 kann auf unterschiedliche Arten realisiert werden. Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Welle 5 durch wenigstens zwei Lager 8 und 9 in dem Gehäuse 6 drehbar gelagert ist. Vorzugsweise sind als Lager 8,9 zwei Wälzkörperlager vorhanden. Zur axialen Lagerung der Welle 5 kann auch vorgesehen sein, dass eines der Wälzkörperlager als Axialwälzkörperlager ausgebildet ist.
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Alternativ und gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Lager 8 als Magnetlager ausgebildet ist, und das Lager 9, das als Axiallager dient, als Wälzkörperlager.
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Damit insbesondere der Verdichter 2 unabhängig vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine antreibbar ist, sodass jederzeit eine hohe Zylinderluftfüllung in den Zylindern der Brennkraftmaschine erreicht werden kann, ist vorliegend außerdem vorgesehen, dass der Abgasturbolader 1 eine elektrische Medienspaltmaschine 10 aufweist. Diese ist vorliegend in den Verdichter 2 integriert, wobei ein Rotor 11 der Medienspaltmaschine 10 drehfest auf dem von dem Turbinenrad 7 abgewandten Ende der Welle 5 angeordnet ist. Ein mit dem Rotor 11 zusammenwirkender Stator 12 ist koaxial zu dem Rotor 11 gehäusefest in dem zu dem Verdichterrad 4 führenden Strömungskanal 13 des Abgasturboladers 1 angeordnet.
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2 zeigt einen Querschnitt durch die Medienspaltmaschine 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Der Stator 12 weist ein kreisringförmiges Statorjoch 14 auf, an welchem mehrere radial nach innen vorstehende Statorzähne 15 angeordnet sind. Die Statorzähne 15 sind insbesondere einstückig mit dem Statorjoch 14 ausgebildet und radial gleich lang. Jedem Statorzahn 15 ist dabei vorliegend optional ein Flussleitstück 17 zugeordnet, das den jeweiligen Statorzahn 15 in Richtung des Rotors 11 verlängert. Der Rotor 11 ist als zweipoliger Rotor ausgebildet und der Stator 12 mit einer Antriebswicklung 16 mit ebenfalls einem Polpaar. Dies wird durch die um die Statorzähne 15 gewickelte Statorwicklung 16 erreicht, die dreiphasig ausgebildet ist und die drei Phasen U, V und W aufweist, wie in 2 beispielhaft gezeigt.
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Zusätzlich zu der Antriebswicklung 16 weist die Medienspaltmaschine 10 eine Querkraftwicklung 18 auf, die ebenfalls dreiphasig ausgebildet ist. Dabei ist vorgesehen, dass die Querkraftwicklung 18 phasenweise mit der Antriebswicklung 16 in Reihe geschaltet ist/wird, indem jeweils eine Phase der Querkraftwicklung 18 in Reihe mit einer Phase der Antriebswicklung 16 geschaltet wird. Die Querkraftwicklung 18 weist die Phasen UQ, VQ und WQ auf. Dabei ist vorgesehen, dass die Phase UQ zu der Phase U der Antriebswicklung 16 in Serie geschaltet ist, die Phase VQ der Querkraftwicklung der Phase V der Antriebswicklung in Reihe zugeschaltet ist, und dass die Phase WQ der Querkraftwicklung zu der Phase W der Antriebswicklung in Reihe geschaltet ist.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 2 ist vorgesehen, dass die Wicklungen der Phase UQ auf denselben Statorzähnen wie die Wicklungen der Phase U, die Wicklungen der Phase VQ auf denselben Statorzähnen wie die Wicklungen der Phase W und die Wicklungen der Phase WQ auf denselben Statorzähnen wie die Wicklungen der Phase V angeordnet sind. Zudem weisen die auf den zwei gegenüberliegenden Zähnen angeordneten Wicklungen der Antriebswicklung 16 (U,V,W) von der Rotorwelle aus betrachtet jeweils einander entgegengesetzten Wicklungssinn auf, wodurch ein zweipoliges Antriebsstatorfeld entsteht. Dagegen weisen die Wicklungen der Querkraftwicklung 18 (UQ, VQ, WQ) von der Rotorwelle aus betrachtet jeweils einen einheitlichen Wicklungssinn auf, wodurch ein vierpoliges Querkraftstatorfeld entsteht. Die Anordnung der eingezeichneten Punkte neben der Antriebswicklung 16 und der Querkraftwicklung 18 geben den Wicklungssinn der Wicklungen an dem jeweiligen Statorzahn 15 an. Der eingezeichnete Punkt bedeutet: von dieser Richtung aus auf die Stirnseite der Spule des Stators 12 gesehen verläuft der Stromfluss (bei positivem Vorzeichen des Stroms) im Uhrzeigersinn. Daraus ergibt sich: Bei der Antriebswicklung 16 wechseln sich Punkt zur Welle hin und Punkt zum Statorjoch hin jeweils ab. Dadurch sind die Phasen geometrisch jeweils 120° gegeneinander versetzt und es entsteht ein zweipoliges Feld.
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Bei der Querkraftwicklung sind alle Punkte immer auf derselben Seite (entweder alle zur Welle hin oder alle zum Joch bzw. zur Antriebswicklung hin). Dadurch sind die Phasen dort geometrisch nur 60° versetzt und wiederholen sich alle 180°, so entsteht ein vierpoliges Feld.
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Die in Reihe geschalteten Phasen werden jeweils von demselben Strom durchflossen. Bei im feldorientierten Koordinatensystem konstantem Statorstromvektor entsteht so ein konstanter Querkraftvektor, der auf den Rotor 11 wirkt, und beispielsweise Resonanzen in Biegeschwingungen des Rotors 11 entgegenwirkt. Der Querkraftvektor kann in Amplitude und Richtung durch Modulation des Längsstroms und/oder des Querstroms der Medienspaltmaschine 10 variiert werden. Weil die Phasen der beiden Wicklungen jeweils in Serie geschaltet sind, können die Phasen von einer gemeinsamen Drehstromquelle bestromt werden. Dadurch gestaltet sich der Aufbau sowie die Ansteuerung der Medienspaltmaschine 10 besonders einfach.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Medienspaltmaschine 10 in einer weiteren Draufsicht, wobei aus 2 bereits bekannte Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und insofern auf die obenstehende Beschreibung verwiesen wird. Im Folgenden soll im Wesentlichen auf die Unterschiede eingegangen werden.
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Im Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel sind bei dem zweiten Ausführungsbeispiel zwei Phasen VQ und WQ der Querkraftwicklung 18 räumlich miteinander vertauscht. Dadurch läuft das vierpolige Querkraftfeld in entgegengesetzter Richtung um wie das zweipolige, drehmomenterzeugende Antriebsmagnetfeld. Bei im feldorientierten Koordinatensystemen konstantem Statorstromvektor entsteht so ein Querkraftvektor konstanter Amplitude, der mit der doppelten Rotordrehzahl, aber zu dessen Drehrichtung entgegengesetzt umläuft. Dieser kann die Amplitude und Phasenlage zudem durch Modulation, insbesondere des Längsstroms und/oder des Querstroms der Medienspaltmaschine variiert werden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die Medienspaltmaschine mit oder ohne Flussleitstücken 17 ausgebildet sein.
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Wie aus 2 und 3 außerdem hervorgeht, sind die Antriebswicklung 16 und die Querkraftwicklung 18 derart ausgebildet, dass zwischen benachbarten Statorzähnen 15 ein Freiraum beziehungsweise Zwischenraum verbleibt, welcher ebenfalls zur Durchführung des Luftstroms zu dem Verdichter 4, also als zusätzlicher Medienspalt dient. Dadurch werden geringe Strömungsverluste und ein hohes Fördervolumen erreicht.
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Befinden sich die beiden in Reihe geschalteten Wicklungsstränge einer Phase der Antriebswicklung 16 und der Querkraftwicklung 18 auf demselben Statorzahn 15, so kann auf eine nachträgliche Reihenschaltung/Serienschaltung der Wicklungen auf diesem Statorzahn 15 verzichtet werden. Stattdessen wird bevorzugt die Wicklung auf diesem Statorzahn 15 mit der Summe der Windungszahlen von Antriebswicklung und Querkraftwicklung ausgeführt, wenn diese auf diesem Statorzahn einheitlichen Wicklungssinn aufweisen, und sie wird mit der Differenz der Windungszahlen von Antriebswicklung und Querkraftwicklung ausgeführt, wenn diese auf diesem Statorzahn 15 zueinander entgegengesetzten Wicklungssinn aufweisen. In beiden Varianten ergibt sich der Vorteil eines vereinfachten Wicklungsaufbaus und eines geringeren Verschaltungsaufwandes. Dadurch werden Herstellungs- und Kostenaufwand reduziert und eine kompakte Ausführungsform der Medienspaltmaschine ermöglicht, die eine vorteilhafte Integration in den Abgasturbolader 1 oder einen einfachen Turbolader erlaubt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014210451 A1 [0003]
