DE102018206156A1

DE102018206156A1 - Elektrische Medienstrommaschine, Verdichter und/oder Turbine

Info

Publication number: DE102018206156A1
Application number: DE102018206156.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Baeuerle; Thomas Fruehschuetz; Maximilian Auracher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-04-20
Filing date: 2018-04-20
Publication date: 2019-10-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrische Medienstrommaschine (10) für ein Verdichter (2) und/oder eine Turbine (3), insbesondere eines Abgasturboladers (1) einer Brennkraftmaschine, mit einem einen Medieneinlass (24) und einen Medienauslass (25) aufweisenden Gehäuse (6), mit einer in dem Gehäuse (6) drehbar gelagerten Welle (5), mit einem drehfest an der Welle (5) angeordneten Rotor (11) und mit einem gehäusefesten Stator (12), der eine Antriebswicklung (17) und mehrere radial nach innen vorstehende Statorzähne (15) aufweist, mit einer den Rotor (11) umfangsseitig umgebenden Innenhülse (19) und einer koaxial zum Rotor (11) angeordneten Außenhülse (20), wobei durch die sich durch die Außenhülse (20) zumindest bis zur Innenhülse (19) erstreckenden Statorzähne (15), die Innenhülse (19) und die Außenhülse (20) mehrere durch den Stator (12) führende Strömungskanäle (21,26) als einzige Durchströmungswege durch die Medienstrommaschine (10) für das vom Medieneinlass (24) zum Medienauslass (25) strömende Medium gebildet sind. Es ist vorgesehen, dass zumindest einer der Statorzähne (15) zumindest einen Axialdurchbruch (25) als weiteren Strömungskanal (26) aufweist.

Description

Elektrische Medienstrommaschine für ein Verdichter und/oder eine Turbine, insbesondere eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine, mit einem einen Medieneinlass und einen Medienauslass aufweisenden Gehäuse, mit einer in dem Gehäuse drehbar gelagerten Welle, mit einem drehfest an der Welle angeordneten Rotor und mit einem gehäusefesten Stator, der eine Antriebswicklung und mehrere radial nach innen vorstehende Statorzähne aufweist, mit einer den Rotor umfangsseitig koaxial umgebenden Innenhülse und einer koaxial zum Rotor angeordneten Außenhülse, wobei durch die beziehungsweise zwischen den sich durch die Außenhülse zumindest bis zur Innenhülse erstreckenden Statorzähne, die Innenhülse und die Außenhülse mehrere durch den Stator führende Strömungskanäle als einzige Durchströmungswege durch die Medienstrommaschine für das vom Medieneinlass zum Medienauslass strömende Medium gebildet sind.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verdichter und/oder eine Turbine, insbesondere Abgasturbolader, mit einem Gehäuse und mit einer in dem Gehäuse drehbar gelagerten Welle, auf welcher zumindest ein Verdichterrad oder Turbinenrad drehfest angeordnet ist, und mit einer elektrischen Medienstrommaschine, die einen auf der Welle drehfest angeordneten Rotor und einen gehäusefesten Stator aufweist, wobei der Stator eine Antriebswicklung und mehrere radial nach innen vorstehende Statorzähne aufweist.
Stand der Technik
Medienstrommaschinen und Abgasturbolader der oben 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 Medienstrommaschine. Turbolader, insbesondere Abgasturbolader, werden insbesondere im Kraftfahrzeugbau dazu genutzt, die Luftfüllung in Zylindern einer Brennkraftmaschine zu erhöhen, um die Leistung der Brennkraftmaschine zu steigern. Häufig werden dazu Abgasturbolader eingesetzt, die vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine angetrieben werden. Darüber hinaus ist es bekannt, einen Turbolader elektromotorisch zu unterstützen, sodass unabhängig von einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine angesaugte Frischluft verdichtet und dem Verbrennungsmotor mit erhöhtem Ladedruck zugeführt werden kann. Auch eine Kombination beider Varianten ist bereits bekannt. Dabei wird ein Abgasturbolader mit einer elektrischen Maschine versehen, um die Welle des Abgasturboladers, auf welcher ein Verdichterrad sowie ein Turbinenrad drehfest angeordnet sind, anzutreiben. Hierdurch kann beispielsweise der ansonsten zeitlich verzögerte Ladedruckaufbau maßgeblich beschleunigt werden.
Die Realisierung der elektromotorischen Unterstützung durch eine Medienstrommaschine hat den Vorteil, dass die motorische Unterstützung besonders bauraumsparend in den Turbolader integrierbar ist, weil die angesaugte Frischluft durch einen zwischen Rotor und Stator der Medienstrommaschine gebildeten Medienspalt geführt wird. Damit ist die Medienstrommaschine in den Strömungsverlauf bauraumsparend integrierbar. Außerdem gibt sich dadurch der Vorteil, dass Rotor und Stator der Medienstrommaschine durch den Luftstrom gekühlt werden.
Der Stator verfügt üblicherweise über ein kreisringförmiges Statorjoch sowie radial nach innen von dem Statorjoch vorstehende Statorzähne, die in Umfangsrichtung gesehen beabstandet voneinander gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die Statorzähne sind üblicherweise von einer mehrphasigen Antriebswicklung umwickelt, wobei durch Bestromen der Phasen der Antriebswicklung mittels einer dafür vorgesehenen Leistungselektronik das drehende Antriebsmagnetfeld erzeugt wird, durch welches der durch die Welle drehbar gelagerte Rotor mit einem vorgebbaren Drehmoment angetrieben wird. Der Rotor weist dabei zweckmäßigerweise zumindest einen Permanentmagneten auf, der mit dem drehenden Magnetfeld zusammenwirkt.
Aus der oben bereits genannten Offenlegungsschrift ist es außerdem bekannt, eine Einrichtung vorzusehen, welche zur Strömungsoptimierung dient und dazu den Statorzähnen, die in den Medienspalt zwischen Rotor und Stator hineinragen, und an welchen das zu fördernde Medium vorbeiströmt, ein strömungsoptimiertes Profil, insbesondere ein tropfenförmiges Profil verleiht.
Aus der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2017 207 532 ist es außerdem bekannt, den Medienstrom nicht durch den Medienspalt zwischen den Statorzähnen und dem Rotor zu führen, sondern durch den Stator hindurch. Dazu sind im Stator eine den Rotor umschließende und statorfest angeordnete Innenhülse sowie eine koaxial dazu angeordnete, die Innenhülse einschließende, Außenhülse, vorhanden, die zusammen mit den Statorzähnen mehrere Strömungskanäle durch den Stator hindurch formen. Die Strömungskanäle werden dabei seitlich durch Außenhülse, Innenhülse und die sich durch die Außenhülse hindurch zumindest bis zu der Innenhülse, gegebenenfalls auch durch die Innenhülse hindurch erstreckenden Statorzähne begrenzt. Außerdem ist stromaufwärts des Rotors eine Abdeckkappe angeordnet, die in die Innenhülse übergeht, oder die Innenhülse erstreckt sich stromaufwärts des Rotors auch stirnseitig mit dem Rotor, um ein Eindringen von Medium in den Medienspalt, der radial zwischen den Statorzähnen und dem Rotor vorliegt, zu verhindern.
Offenbarung der Erfindung
Die elektrische Medienstrommaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine Homogenisierungsstrecke des Mediums stromabwärts der Medienstrommaschine, insbesondere in Richtung des Verdichters, verkürzt wird, sodass der Stator näher zu dem Verdichter platziert werde kann. Darüber hinaus wird der magnetisch wirksame Querschnitt der Statorzähne vergrößert, wodurch der magnetische Widerstand reduziert wird und die Leistungsdichte und Effizienz der Medienstrommaschine steigen. Auch ergibt sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Medienstrommaschine eine verbesserte Kühlung insbesondere des Stators aufgrund der erhöhten Oberfläche des Stators, die mit dem Medienstrom in Kontakt kommt. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zumindest einer der Statorzähne zumindest einen Axialdurchbruch als weiteren Strömungskanal aufweist. Damit werden die Strömungskanäle nicht nur zwischen den Statorzähnen, der Innenhülse und der Außenhülse gebildet, sondern auch durch zumindest einen Statorzahn selbst. Durch den Axialdurchbruch ergibt sich eine vergrößerte Oberfläche des Statorzahns, die mit dem Strömungsmedium in Kontakt kommt, wodurch sich die bereits genannte verbesserte Kühlung ergibt. Darüber hinaus wird durch den zusätzlichen Strom durch den Axialdurchbruch die Homogenisierungsstrecke stromabwärts reduziert. Insbesondere ist die Querschnittsfläche des Statorzahns, der durch den Axialdurchbruch geteilt ist, insgesamt größer als der eines Statorzahns ohne einen derartigen Axialdurchbruch, wobei jedoch die Teilflächen der Statorzahnabschnitte, die den Axialdurchbruch begrenzen, jeweils kleiner ist als die des Statorzahns ohne Axialdurchbruch. Der jeweilige Axialdurchbruch ist bevorzugt strömungsoptimiert geformt und weist dazu beispielsweise einen ovalen oder schlitzförmigen Querschnitt auf, der zumindest im Wesentlichen radial in dem jeweiligen Statorzahn ausgerichtet ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weisen mehrere der Statorzähne, insbesondere alle Statorzähne, jeweils einen Axialdurchbruch als weiteren Strömungskanal auf. Dadurch ist ein einheitlicher Aufbau des Stators gewährleistet, wodurch Herstellungskosten und Aufwand reduziert sowie die Homogenisierung und Kühlung insgesamt verbessert werden.
Besonders bevorzugt liegt der jeweilige Axialdurchbruch zumindest im Wesentlichen radial zwischen der Außenhülse und der Innenhülse. Damit liegt der Axialdurchbruch im Radialbereich der übrigen Strömungskanäle, die zwischen den Statorzähnen, der Innenhülse und der Außenhülse verlaufen. Insbesondere endet der Axialdurchbruch radial beabstandet zu der Außenhülse und der Innenhülse, sodass er vollständig innerhalb des Bereichs zwischen Außenhülse und Innenhülse liegt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform erstreckt sich der Axialdurchbruch zumindest in die Innenhülse hinein, insbesondere derart, dass die freien Enden der Statorzahnabschnitte, die den Axialdurchbruch seitlich begrenzen, nicht mehr zusammengeführt werden und an ihrer dem Rotor zugewandten Seite beabstandet zueinander vorliegen. Bevorzugt werden die freien Enden alternativ zusammengeführt, sodass der Axialdurchbruch radial geschlossen beziehungsweise begrenzt ist, um beispielsweise zu vermeiden, dass ein Medienstrom durch den Axialdurchbruch in den Bereich zwischen Rotor und Innenhülse gelangt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der jeweilige einen Axialdurchbruch aufweisende Statorzahn als in Umfangsrichtung gespaltener Zahn ausgebildet. Dadurch wird beispielsweise die oben beschriebene Teilung der Statorzahnabschnitte an ihren freien Enden in einfacher Art und Weise erreicht. Durch die gespaltene beziehungsweise zweigeteilte Ausbildung ist eine einfache Montage des Stators insbesondere unter Berücksichtigung des jeweiligen Axialdurchbruchs gewährleistet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der jeweilige einen Axialdurchbruch aufweisende Statorzahn in Umfangsrichtung einteilig ausgebildet. Hierdurch ergibt sich insbesondere eine robuste Ausführung des Stators sowie eine vorteilhafte Magnetflussleitung, die durch einen fehlenden Spalt zwischen den aneinander liegenden Abschnitten des Statorzahns in dem Bereich benachbart zu dem Axialdurchbruch verbessert ist. Dabei können die freien Enden der Statorzahnabschnitte zusammengeführt oder getrennt voneinander vorliegen. Zumindest statorjochseitig werden die Statorzahnabschnitte zusammengeführt und miteinander einstückig verbunden.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass sich eine Querschnittsfläche zumindest eines, insbesondere mehrerer oder aller Statorzähne in ihrer Axialerstreckung verändert, insbesondere in Strömungsrichtung verringert. Hierdurch wird das Homogenisieren des Medienstroms weiter optimiert. Insbesondere dadurch, dass sich die Querschnittsfläche in Strömungsrichtung verringert, erfolgt ein vorteilhaftes Zusammenführen der Medienteilströme, die die Strömungskanäle in Richtung des Verdichters verlassen. Der Homogenisierungsweg wird dadurch weiter verkürzt und die Effizienz der Medienstrommaschine und insbesondere des sich daran anschließenden Verdichters erhöht.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Statorzähne dazu ausgebildet sind, eine Drallströmung des Mediums zu erzeugen. Dazu sind die Statorzähne beispielsweise in axialer Richtung geschränkt ausgebildet, um einen Mitdrall der Strömung in Drehrichtung des Verdichters zu erzeugen. Insbesondere sind die Statorzähne dreigeteilt, mit einem ersten Abschnitt, der von dem Statorjoch bis zur Außenhülse führt, einem zweiten Teil, der von der Außenhülse bis zur Innenhülse führt, und einen dritten Teil, der sich durch die Innenhülse in Richtung des Rotors erstreckt. Diese Teilabschnitte sind bevorzugt in axialer Richtung geschränkt angeordnet, um die Drallströmung zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich weisen die Statorzähne bevorzugt ein gekrümmtes Profil in Drehrichtung auf, sodass sie in Strömungsrichtung zumindest abschnittsweise schräg verlaufen, um den Drall zu erzeugen. Optional sind die Statorzähne oder Teil-Abschnitte axial versetzt zueinander angeordnet, um den Drall am Ende der Medienstrommaschine, in Strömungsrichtung gesehen, zu erzeugen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Medienstrommaschine eine den Rotor stromaufwärts überdeckende Abdeckkappe auf, die in die Innenhülse übergeht und durch jeweils eine jeweils einen der Statorzähne stromaufwärts überdeckende Haltestrebe mit der Außenhülse verbunden ist. Die Abdeckkappe weist insbesondere ein strömungsoptimiertes Profil auf, um die Teilströme in die Strömungskanäle vorteilhaft aufzuteilen. An den Statorzähnen, die einen Axialdurchbruch aufweisen, bildet die Abdeckkappe beziehungsweise die jeweilige Haltestrebe den Axialdurchbruch weiter und weist dazu bevorzugt eine Öffnung auf, die mit dem jeweiligen Axialdurchbruch fluchtet, um das Medium in diesen zu leiten. Dazu ist die jeweilige Öffnung in den Haltestreben ausgebildet, wobei die Haltestreben bevorzugt ein strömungsoptimiertes Profil zum Leiten der Strömung in die jeweilige Öffnung und in den Axialdurchbruch des dahinterliegenden Statorzahns aufweisen. Optional bildet die Abdeckkappe selbst den jeweiligen Axialdurchbruch weiter. Dazu weist die Abdeckkappe zumindest einen Führungskanal für das Medium auf, der durch die Abdeckkappe zu den Axialdurchbrüchen der Statorzähne führt. Insbesondere führt der Führungskanal über Haltestege der Abdeckkappe zu den Axialdurchbrüchen der Statorzähne. Dabei wird optional auf die Öffnungen in den Haltestreben teilweise oder vollständig verzichtet, sodass das Medium zumindest im Wesentlichen nur durch die Axialdurchbrüche der Abdeckkappe in die Axialdurchbrüche der Statorzähne gelangt. Die Innengeometrie der Abdeckkappe ist bevorzugt zusammen mit der Außengeometrie der Abdeckkappe aerodynamisch optimiert, sodass Kantenbildung im Strömungsweg des Mediums vermieden wird und die Abdeckkappe, Innenhülse und Haltestreben zumindest im Wesentlichen stetig ineinander übergehen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist zumindest einer der einen Axialdurchbruch aufweisenden Statorzähne mindestens einen in Umfangsrichtung ausgerichteten Seitendurchbruch auf, der in den Axialdurchbruch mündet. Durch den Seitendurchbruch wird eine Querströmung aus einem der Strömungskanäle, der zwischen Statorzahn, Innenhülse und Außenhülse gebildet ist, in den Axialdurchbruch ermöglicht. Durch den Medienstrom, der durch den Axialdurchbruch geführt wird, entsteht ein Sog in dem Seitendurchbruch, der dazu führt, dass das Medium aus dem Strömungskanal auf einen Axialdurchbruch geführt wird. Insbesondere erfolgt damit eine Absaugung einer Grenzschicht an der Außenseite des Statorzahns, wodurch erreicht wird, dass ein Ablösen der Strömung von der Außenseite des Statorzahns verhindert oder zumindest erschwert wird, wodurch Verwirbelungen vermieden und die Homogenisierung weiter verbessert wird.
Insbesondere ist der Seitendurchbruch daher stromaufwärts einer Strömungsablösestelle des Statorzahns ausgebildet. Die Strömungsablösestelle ist zuvor durch Versuche und/oder Berechnungen zu ermitteln. Durch den geeigneten Abstand des Seitendurchbruchs zu der Stromablösestelle ist gewährleistet, dass die Grenzschicht sicher abgesaugt und das Lösen des Medienstroms von dem Statorzahn vermieden werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Seitendurchbruch zwischen zumindest einer der Haltestreben und dem zugeordneten Statorzahn ausgebildet. Dadurch liegt der Seitendurchbruch axial zwischen der Stirnseite des Statorzahns und der zugeordneten Haltestrebe. Dadurch ist der Seitendurchbruch besonders einfach darstellbar, durch einen gewählten Abstand zwischen Statorzahn und Haltestrebe. Durch ein einfaches beabstandetes Anordnen der Haltestreben zu den Statorzähnen ist damit die gewünschte Funktion bei allen der Statorzähne einfach und sicher gewährleistet.
Zusätzlich oder alternativ ist der jeweilige Seitendurchbruch beabstandet zu einer Stirnseite des Statorzahns ausgebildet und liegt damit in der Axialerstreckung des Statorzahns innerhalb des Statorzahns. Der Seitendurchbruch ist beispielsweise dadurch realisiert, dass der durch Statorlamellen gefertigte Stator mit dem Statorzahn an einem an einer der Lamellen im Bereich des Statorzahns eine Aussparung aufweist oder eine verkürzte Statorzahnlamelle, sodass der Seitendurchbruch realisiert ist. Alternativ wird der Seitendurchbruch nachträglich durch Bohren oder Fräsen in den Statorzahn eingebracht.
Besonders bevorzugt münden in zumindest einem, insbesondere in mehreren oder allen Statorzähnen zwei oder mehr Seitendurchbrüche in den Axialdurchbruch axial beabstandet zueinander. Dadurch wird an mehreren Stellen die Grenzschicht abgesaugt und das Ablösen der Medienströmung verhindert.
Bevorzugt durchstreckt der jeweilige Seitendurchbruch den jeweiligen einen Axialdurchbruch aufweisenden Statorzahn derart, dass er von zwei Seiten in den Axialdurchbruch mündet. Dadurch wird an beiden Außenseiten des Statorzahns die Grenzabsaugung gewährleistet und die Homogenisierung des Mediums insgesamt optimiert.
Die erfindungsgemäße Turbine und/oder der erfindungsgemäße Verdichter, insbesondere der erfindungsgemäße Abgasturbolader, mit den Merkmalen des Anspruchs 15 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Medienstrommaschine aus. Es ergeben sich dadurch die bereits genannten Vorteile.
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 ein Abgasturbolader mit einer vorteilhaften Medienstrommaschine,
2 eine Draufsicht auf die Medienspaltmaschine,
3 eine Schnittdarstellung der vorteilhaften Medienspaltmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
4A bis 4D weitere Ausführungsbeispiele der Medienstrommaschine, jeweils in einer vereinfachten Schnittdarstellung.

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 dem Verdichterrad 4 zugeführte Frischluft verdichtet und der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
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.
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.
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 Medienstrommaschine 10 aufweist. Diese ist vorliegend in den Verdichter 2 integriert, wobei ein Rotor 11 der Medienstrommaschine 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.
2 zeigt eine vereinfachte Draufsicht auf die Medienstrommaschine 10. Der Stator 12 weist ein kreisringförmiges Statorjoch 14 auf, von welchem mehrere gleichmäßig über den Umfang des Statorjochs 14 verteilt angeordnete Statorzähne 15 radial nach innen vorstehen und in Richtung des Rotors 11 weisen. Die Statorzähne 15 enden radial beabstandet zu dem Rotor 11, sodass zwischen den Statorzähnen 15 und dem Rotor 11 jeweils ein axialer Luftspalt 16 verbleibt.
Der Stator 12 ist mit einer insbesondere mehrphasigen Antriebswicklung 17 versehen, wie beispielsweise auch in 1 gezeigt. Die Antriebswicklung 17 kann als eine über den Stator gewickelte Wicklung oder eine radial auf die Statorzähne 15 aufgesteckte Wicklung, insbesondere bestehend aus mehreren Spulen, ausgebildet sein, wobei auf jeden Statorzahn wenigstens eine Spule aufgeschoben ist, wie beispielsweise in der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2017 207 532 beschrieben.
Die Medienstrommaschine 10 weist weiterhin eine Einrichtung 18 auf, die dazu ausgebildet ist, das Strömungsverhalten des von dem Abgasturboladers 1 geförderten Mediums, also insbesondere der Frischluft, durch die Medienstrommaschine 10 hindurch zu optimieren. Dazu weist die Einrichtung 18 eine dem Rotor 11 zugeordnete Innenhülse 19 auf, deren Innendurchmesser größer ist als der Rotor 11, sodass dieser in der Innenhülse 19 aufgenommen ist, wie beispielsweise in 2 gezeigt, und berührungsfrei in dieser liegt, sodass der Rotor 11 verschleißfrei innerhalb der Innenhülse 19 rotieren kann. Die Innenhülse 19 ist an dem Stator 12 befestigt, sodass die Innenhülse 19 gehäusefest vorliegt.
Die Einrichtung 18 weist weiterhin eine Außenhülse 20 auf, die koaxial zum Rotor 11 beziehungsweise zur Drehachse der Welle 5 angeordnet ist und einen Innendurchmesser aufweist, der größer ist als der Außendurchmesser der Innenhülse 19, sodass die Außenhülse 20 radial nach außen beabstandet zu der Innenhülse 19 an dem Stator 12, insbesondere an den Statorzähnen 15 befestigt ist.
Der Außenring 20 weist ein Außendurchmesser auf, der kleiner als der Innendurchmesser des Statorjochs 14, sodass zwischen Außenring 20 und Statorjoch 14 Freiräume zwischen den benachbarten Statorzähnen 15 bestehen, in welchen die Statorwicklung 17 angeordnet oder ausgebildet ist. Durch die Außenhülse 20 ist die Antriebswicklung 17 vor dem Medium geschützt, wird aber dennoch über die Hülse gekühlt.
Die Statorzähne 15 erstrecken sich durch die Außenhülse 20 hindurch bis zu der Innenhülse 19, sodass zwischen Innenhülse 19, Statorzähnen 15 und Außenhülse 20 mehrere Strömungskanäle 21 gebildet sind, durch welche das Medium durch die Medienstrommaschine 10 hindurchströmt. Die Strömungskanäle 21 bilden insbesondere die einzigen Strömungswege, durch welche das Medium die Medienstrommaschine 10 durchdringen kann. Vorzugsweise ist dazu dem Rotor 11 eine Abdeckkappe 22 stromaufwärts zugeordnet, welche den Rotor 11 stromaufwärts überdeckt und insbesondere strömungsoptimiert ausgebildet ist, um das Medium in die Strömungskanäle 21 zu lenken.
Im Unterschied zu herkömmlichen Medienspaltmaschinen liegt der Medienweg somit nicht radial zwischen Statorzahn und Rotor, sondern wird durch die Strömungskanäle 21 in dem Stator 12 selbst bereitgestellt, sodass das Medium vollständig durch den Stator 12 hindurchströmt. Hierdurch erfolgt eine besonders vorteilhafte Statorkühlung und das Ablagern von magnetischen und/oder magnetisierbaren Partikeln auf dem Rotor wird verhindert oder zumindest im Wesentlichen vermieden.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Innenhülse 19 und die Außenhülse 20 zylinderförmig ausgebildet, sodass sie sich insgesamt koaxial beziehungsweise in Strömungsrichtung parallel zur Drehachse der Welle 5 oder des Rotors 11 erstreckt, wie insbesondere in 1 ersichtlich.
Die Abdeckkappe 22 weist einen konischen oder ovoiden Längsschnitt auf und geht an ihrem Außenumfang in die Innenhülse insbesondere einstückig über. Weiterhin weist die Abdeckkappe 22 Haltestreben 23 auf, die sich radial nach außen erstrecken und jeweils einem der Statorzähne 15 derart zugeordnet sind, dass sie den Statorzahn 15 im Bereich der Strömungskanäle 21 stromaufwärts überdecken. Die Haltestreben 23 sind außerdem mit der Außenhülse 20 verbunden, insbesondere einstückig mit dieser ausgebildet, und gewährleisten somit den Zusammenhalt von Abdeckkappe 22, Innenhülse 19 und Außenhülse 20.
Die Haltestreben 23 weisen außerdem jeweils eine Öffnung 24 auf, die sich schlitzförmig radial erstreckt und mit einem Axialdurchbruch 25 des in Strömungsrichtung dahinterliegenden Statorzahns 15 fluchtet.
3 zeigt hierzu eine vereinfachte Längsschnittdarstellung der Medienstrommaschine 1 durch einen der Statorzähne 15. Die dem Statorzahn 15 zugeordnete Haltestrebe 23 weist die Öffnung 24 auf, die mit dem Axialdurchbruch 25 des Statorzahns 15 fluchtet. Dabei ist die Haltestrebe 24 strömungsoptimiert ausgebildet, sodass sich aus der Form der Haltestrebe 24 und der Form des Statorzahns 15 insbesondere eine Tropfenform des Statorzahns 15 ergibt, die einen strömungsoptimierten Verlauf in Längserstreckung bietet. Der Axialdurchbruch 25 erstreckt sich in Längserstreckung durch den Statorzahn 15 zumindest im Wesentlichen mittig hindurch, sodass ein Mediumstrom, der durch die Öffnung 24 durch die Haltestrebe 23 eintritt, wie durch einen Pfeil gezeigt, durch den dahinterliegenden Axialdurchbruch und den Statorzahn 15 hindurchströmt, um sich stromabwärts des Statorzahns 15 mit den weiteren Teilströmen, die durch die Strömungskanäle 21 gelangen, zu vermengen. Somit wird durch den Axialdurchbruch 25 und auch die Öffnung 24 der Halteströme 23 ein weiterer Durchströmungskanal 26 geboten, der zusammen mit den bereits genannten Strömungskanälen 21 die einzigen Strömungswege für das den Medienstrommotor 1 durchströmende Medium darstellen.
Dadurch, dass das Medium durch den Statorzahn 15 hindurch geleitet wird, ergibt sich ein kürzerer Homogenisierungsweg der Teilströme stromabwärts der Medienstrommaschine 1 beziehungsweise des Stators 12.
Durch die vorteilhafte Ausbildung weisen die Statorzähne 15 eine vorteilhaft Querschnittsfläche auf, die im Vergleich zu Statorzähnen ohne Axialdurchbruch größer ist. Durch den Axialdurchbruch wird der Statorzahn 15 zumindest in Statorzahnabschnitte 15_1 und 15_2 geteilt, die in Umfangsrichtung gesehen nebeneinander angeordnet sind und zwischen sich den Axialdurchbruch 25 einschließen, wie in 3 gezeigt. Die einzelnen Querschnittsflächen der Statorzahnabschnitte 15_1 und 15_2 jeweils kleiner sind als der Querschnitt eines Statorzahns ohne Axialdurchbruch 25. Dadurch fällt die Homogenisierungsstrecke der Medienströmung stromabwärts der Statorzähne 15 geringer aus, womit der Stator 12 besonders nahe zu dem Verdichterrad des Verdichters 2 anordenbar ist. Gleichzeitig sinkt durch den größeren magnetisch wirksamen Querschnitt der magnetische Widerstand und die Leistungsdichte und Effizienz der Medienstrommaschine 1 steigen. Gegenüber einem Einzelzahn weisen die Statorzahnabschnitte 15_1 und 15_2 in Summe eine größere Oberfläche gegenüber dem Gesamtluftkanal, der von den Strömungskanälen 21, 26 gebildet wird, auf, sodass aufgrund der Kühlwirkung des Luftmassenstroms eine deutliche Verbesserung der Statorentwärmung realisiert ist.
Bevorzugt werden die Statorzahnabschnitte 15_1 und 15_2 im Bereich der Innenhülse 19 wieder zusammengeführt, sodass die Querschnittsfläche des Zahns am Luftspalt zum Rotor nochmals erhöht wird. Dadurch vergrößert sich der Anteil des Rotormagnetflusses, der in den Stator 12 eintritt und eine Steigerung der Leistungsdichte der Elektromaschine bewirkt. Des Weiteren begünstigt eine Zusammenführung der beiden Statorzahnabschnitte 15_1 und 15_2 die mechanische Stabilität der Medienstrommaschine 1.
Die Statorzähne 15 sind radial gesehen in drei Abschnitte unterteilt. Ein erster, radial außenliegender Abschnitt dient zur Aufnahme der Antriebswicklung 17. Ein zweiter, mittlerer Abschnitt führt durch den Bereich zwischen Außenhülse 20 und Innenhülse 19 und weist den jeweils vorteilhaften Axialdurchbruch 25 auf. Ein dritter Abschnitt führt von der Innenhülse 19 zu dem Rotor und endet beabstandet zu diesem, wobei der radiale Abstand zwischen diesem Abschnitt und dem Rotor den sogenannten Luftspalt definiert.
Optional sind die Statorzahnabschnitte in axialer Richtung geschränkt angeordnet, um einen Drall der Medienströmung in Drehrichtung des Verdichterrads zu erzeugen. Der Effekt des Dralls kann ebenfalls durch ein gekrümmtes Profil der Statorzähne 15 in Drehrichtung des Verdichterrads erzeugt werden. Auch besteht die Möglichkeit, die Statorzahnabschnitte axial leicht versetzt anzuordnen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wie es beispielsweise in 4C und 4D gezeigt ist, wird die Zahnbreite des jeweiligen Statorzahns 15 in axialer Richtung in seiner Axialerstreckung verändert, insbesondere in Strömungsrichtung verjüngt, um die Homogenisierungsstrecke der Medienströmung stromabwärts der Statorzähne 15 zu reduzieren.
4A und 4D zeigen weitere Ausführungsbeispiele der vorteilhaften Medienstrommaschine 1 in jeweils einer vereinfachten Längsschnittdarstellung gemäß 3, wobei sich die Ausführungsbeispiele der 4 von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel dadurch unterscheiden, dass zusätzlich zu den Axialdurchbrüchen 25 in den Statorzähnen 15 Seitendurchbrüche 27 vorhanden sind.
4A zeigt dazu gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel einen Längsschnitt, wie er in 3 gezeigt ist. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel von 3 ist zwischen der Haltestrebe 23 und dem Statorzahn 15 ein axialer Abstand vorhanden, durch welchen ein Seitendurchbruch 27 entsteht, der eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem Strömungskanal 26, der durch den Axialdurchbruch 25 und die Öffnung 24 gebildet ist, sowie den dazu benachbarten Strömungskanälen 21 herstellt. Der Seitendurchbruch 27 erstreckt sich insoweit durch beide Statorzahnabschnitte 15_1 und 15_2, sodass er von beiden Längsseiten des Statorzahns 15 in den Axialdurchbruch 25 mündet.
Der Seitendurchbruch 27 dient dazu, eine Grenzschicht an der Außenseite des Statorzahns 25 und/oder der Haltestrebe 23 abzusaugen, wie durch Pfeile in 4A gezeigt, sodass eine Sogwirkung und Verwirbelungen an den Seitenflächen des Statorzahns 15 vermieden und dadurch ein Abriss des Luftstroms von dem Statorzahn 15 verhindert wird. Hierdurch wird eine verbesserte Homogenisierung stromabwärts des Statorzahns 15 gewährleistet.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel von 4A sieht das Ausführungsbeispiel von 4B vor, dass der Seitendurchbruch 27 axial beabstandet zu der Haltestrebe 23 in dem Statorzahn 15 ausgebildet ist. Die genaue Position des Seitendurchbruchs 27 wird insbesondere in Abhängigkeit von einer erwarteten Ablösestelle des Medienstroms von dem Statorzahn 15 gewählt. Die Ablösestelle wird bevorzugt vorab durch Versuche und/oder Berechnungen ermittelt. Der Seitendurchbruch 27 wird stromaufwärts der Ablösestelle ausgebildet, um im Bereich der Ablösestelle das Ablösen zu verhindern.
Weiterhin unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel von 4B von dem Vorherigen dadurch, dass stromabwärts des Seitendurchbruchs 27 die Breite des Statorzahns 15 verjüngert/verringert ist, um die Homogenisierungsstrecke stromabwärts des Statorzahns 15 weiter zu verkürzen, wie zuvor bereits erwähnt.
Das Ausführungsbeispiel von 4C unterscheidet sich von dem Vorherigen lediglich dadurch, dass stromabwärts des Seitendurchbruchs 27 der Querschnitt beziehungsweise die Breite des Statorzahns 15 in zwei Schritten, vorliegend gestuft, verjüngert wird, um die Homogenisierung stromabwärts zu verbessern. Alternativ zu einer gestuften Verringerung der Breite des Statorzahns 15 ist es auch denkbar, eine kontinuierliche Verringerung oder eine erhöhte Anzahl von Stufen vorzusehen.
4D unterscheidet sich von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel dadurch, dass zusätzlich zu dem Seitendurchbruch 27 in dem Statorzahn 15 ein weiterer Seitendurchbruch 27 zwischen dem Statorzahn 15 und der Haltestrebe 23 vorhanden ist, sodass an mehreren Stellen entlang der Axialerstreckung des Statorzahns 15 eine Grenzschichtabsaugung im Betrieb erfolgt.
Durch die Seitendurchbrüche 27 wird die oberflächennahe sehr langsam strömende Grenzschicht abgesaugt, sodass Strömungsablösung beziehungsweise Verwirbelungen verhindert oder vermindert werden. Vorteilhafterweise ist die jeweilige Haltestrebe 23 oder die Stirnseite des jeweiligen Statorzahns 15 derart geformt, dass ein Treibstrahl in den Axialdurchbruch 25 geleitet wird, der für den Unterdruck an dem jeweiligen Seitendurchbruch 27 sorgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014210451 A1 [0003]
DE 102017207532 [0007, 0029]

Claims

Elektrische Medienstrommaschine (10) für ein Verdichter (2) und/oder eine Turbine (3), insbesondere eines Abgasturboladers (1) einer Brennkraftmaschine, mit einem einen Medieneinlass (24) und einen Medienauslass (25) aufweisenden Gehäuse (6), mit einer in dem Gehäuse (6) drehbar gelagerten Welle (5), mit einem drehfest an der Welle (5) angeordneten Rotor (11) und mit einem gehäusefesten Stator (12), der eine Antriebswicklung (17) und mehrere radial nach innen vorstehende Statorzähne (15) aufweist, mit einer den Rotor (11) umfangsseitig umgebenden Innenhülse (19) und einer koaxial zum Rotor (11) angeordneten Außenhülse (20), wobei durch die sich durch die Außenhülse (20) zumindest bis zur Innenhülse (19) erstreckenden Statorzähne (15), die Innenhülse (19) und die Außenhülse (20) mehrere durch den Stator (12) führende Strömungskanäle (21,26) als einzige Durchströmungswege durch die Medienstrommaschine (10) für das vom Medieneinlass (24) zum Medienauslass (25) strömende Medium gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Statorzähne (15) zumindest einen Axialdurchbruch (25) als weiteren Strömungskanal (26) aufweist.
Elektrische Medienstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Statorzähne (15), insbesondere alle Statorzähne (15) jeweils einen Axialdurchbruch (25) als weiteren Strömungskanal (26) aufweisen.
Elektrische Medienstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Axialdurchbruch (25) radial zwischen der Außenhülse (20) und der Innenhülse (19) liegt.
Elektrische Medienstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige einen Axialdurchbruch (25) aufweisende Statorzahn (15) als in Umfangsrichtung gespaltener Statorzahn (15) ausgebildet ist.
Elektrische Medienstrommaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige einen Axialdurchbruch (25) aufweisende Statorzahn (15) in Umfangsrichtung einteilig ausgebildet ist.
Elektrische Medienstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Querschnittsfläche zumindest eines, insbesondere mehrerer oder aller Statorzähne (15) in ihrer Axialerstreckung verändert, insbesondere in Strömungsrichtung verringert.
Elektrische Medienstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorzähne (15) dazu ausgebildet sind, eine Drallströmung des Mediums zu erzeugen.
Elektrische Medienstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der einen Axialdurchbruch (25) aufweisende Statorzähne (15) mindestens einen in Umfangsrichtung ausgerichteten Seitendurchbruch (27) aufweist, der in den Axialdurchbruch (25) mündet.
Elektrische Medienstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Seitendurchbruch (27) stromaufwärts einer Strömungsablösestelle des Statorzahns (15) ausgebildet ist.
Elektrische Medienstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine den Rotor stromaufwärts überdeckende Abdeckkappe (22), die in die Innenhülse (19) übergeht und durch jeweils eine einen der Statorzähne (15) stromaufwärts überdeckende Haltestrebe (23) mit der Außenhülse (20) verbunden ist.
Elektrische Medienstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Seitendurchbruch (27) zwischen zumindest einer der Haltestreben (23) und dem zugeordneten Statorzahn (15) ausgebildet ist.
Elektrische Medienstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Seitendurchbruch (27) axial beabstandet zu einer Stirnseite des Statorzahns (15) ausgebildet ist.
Elektrische Medienstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem, insbesondere mehreren oder allen Statorzähnen (15) zwei oder mehr Seitendurchbrüche (27) ausgebildet sind, die in den Axialdurchbruch (25) münden.
Elektrische Medienstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Seitendurchbruch (27) den jeweiligen einen Axialdurchbruch (25) aufweisenden Statorzahn (15) derart durchstreckt, sodass er von zwei Seiten in den Axialdurchbruch (25) mündet.
Turbine (3) und/oder Verdichter (2), insbesondere Abgasturbolader (1), mit einem einen Medieneinlass (24) und einen Medienauslass (25) aufweisenden Gehäuse (6) und mit einer in dem Gehäuse (6) drehbar gelagerten Welle (5), auf welcher zumindest ein Verdichterrad (4) oder Turbinenrad (7) drehfest angeordnet ist, und mit einer elektrischen Medienstrommaschine (10), die einen auf der Welle (5) drehfest angeordneten Rotor (11) und einen gehäusefesten Stator (12) aufweist, wobei der Stator (12) eine Antriebswicklung (17) zum Erzeugen eines Antriebsmagnetfelds aufweist, gekennzeichnet durch die Ausbildung der Medienstrommaschine (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14.