DE102020201643A1 - Electric machine for a compressor and / or turbine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (10) für einen Verdichter (2) und/oder eine Turbine (3), mit einer in einem Gehäuse (6) drehbar gelagerten Welle (5), an welcher ein Rotor (11) drehfest angeordnet ist, mit einem gehäusefesten und koaxial zu dem Rotor (11) angeordneten Stator (12), der zumindest eine mehrphasige Antriebswicklung zur Erzeugung eines Antriebsmagnetfelds sowie mehrere radial nach innen in Richtung des Rotors (11) vorstehende Statorzähne (15) aufweist, und mit einer den Rotor (11) stromaufwärts überdeckenden Abdeckkappe (18), an die sich eine koaxial zu dem Rotor (11) angeordnete Hülse (21) anschließt, welche den Rotor (11) umfangsseitig vollständig und axial zumindest abschnittsweise umgibt, wobei die Hülse (21) radial beabstandet zu dem Rotor (11) ist und wobei der Rotor (11) eine axial aus der Hülse (21) zu dem Verdichter (2) und/oder der Turbine (3) herausgeführte und drehfest mit der Welle (5) verbundene Rotorwelle (25) aufweist, an welcher zumindest ein Permanentmagnet (22) innerhalb der Hülse (21) drehfest angeordnet ist. Es ist vorgesehen, dass die Rotorwelle (25) eine außerhalb der Hülse (21) liegende Strömungsumlenkfläche (29) zur partiellen Strömungsumlenkung eines außerhalb der Hülse (21) in Richtung des Verdichters (2) oder der Turbine (3) strömenden Mediums in die Hülse (21) hinein aufweist.The invention relates to an electrical machine (10) for a compressor (2) and / or a turbine (3), with a shaft (5) which is rotatably mounted in a housing (6) and on which a rotor (11) is arranged in a rotationally fixed manner, with a stator (12) fixed to the housing and coaxially to the rotor (11), which has at least one polyphase drive winding for generating a drive magnetic field as well as several stator teeth (15) protruding radially inward in the direction of the rotor (11), and with one the rotor (11) upstream covering cap (18), to which is connected a sleeve (21) which is arranged coaxially to the rotor (11) and which surrounds the rotor (11) completely and axially at least in sections, the sleeve (21) being radially spaced to the rotor (11) and wherein the rotor (11) is a rotor shaft (25) which is axially guided out of the sleeve (21) to the compressor (2) and / or the turbine (3) and connected to the shaft (5) in a rotationally fixed manner has, on which at least egg n permanent magnet (22) is rotatably arranged within the sleeve (21). It is provided that the rotor shaft (25) has a flow deflecting surface (29) located outside the sleeve (21) for partial flow deflection of a medium flowing outside the sleeve (21) in the direction of the compressor (2) or the turbine (3) into the sleeve (21) has inside.
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für einen Verdichter und/oder eine Turbine, mit einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Welle, an welcher ein Rotor drehfest angeordnet ist, mit einem gehäusefesten und koaxial zu dem Rotor angeordneten Stator, der zumindest eine mehrphasige Antriebswicklung zur Erzeugung eines Antriebsmagnetfelds sowie mehrere radial nach innen in Richtung des Rotors vorstehende Statorzähne aufweist, und mit einer den Rotor stromaufwärts überdeckenden Abdeckkappe, an die sich eine koaxial zu dem Rotor angeordnete Hülse anschließt, welche den Rotor umfangsseitig vollständig und axial zumindest abschnittsweise umgibt, wobei die Hülse radial beabstandet zu dem Rotor ist und wobei der Rotor eine axial aus der Hülse zu dem Verdichter und/oder der Turbine herausgeführte und drehfest mit der Welle verbundene Rotorwelle aufweist, an welcher zumindest ein Permanentmagnet innerhalb der Hülse angeordnet ist.The invention relates to an electrical machine for a compressor and / or a turbine, with a shaft rotatably mounted in a housing, on which a rotor is arranged non-rotatably, with a housing-fixed and coaxially to the rotor arranged stator, which generates at least one polyphase drive winding a drive magnetic field as well as a plurality of stator teeth protruding radially inward in the direction of the rotor, and with a cover cap which covers the rotor upstream and which is followed by a sleeve arranged coaxially to the rotor, which surrounds the rotor completely and axially at least in sections, the sleeve is radially spaced from the rotor and wherein the rotor has a rotor shaft axially guided out of the sleeve to the compressor and / or the turbine and non-rotatably connected to the shaft, on which at least one permanent magnet is arranged within the sleeve.
Stand der TechnikState of the art
Elektrische Maschinen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Eine gattungsgemäße Maschine beschreibt beispielsweise die Offenlegungsschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die erfindungsgemäße Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass trotz der Einhausung des Rotors durch Abdeckkappe und Hülse der Rotor eine vorteilhafte Kühlung erfährt, durch welche die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine im Betrieb auch bei längeren Betriebsphasen erhalten bleibt. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass die Rotorwelle eine außerhalb der Hülse liegende Strömungsumlenkfläche zur partiellen Strömungsumlenkung eines außerhalb der Hülse in Richtung des Verdichters strömenden Mediums in die Hülse hinein aufweist. Der Medienstrom, der durch die Abdeckkappe und die Hülse an dem Rotor vorbei geleitet wird, trifft somit auf die Strömungsumlenkfläche und wird durch diese partiell beziehungsweise teilweise in die Hülse hinein umgelenkt. Es folgt dabei somit eine Strömungsumkehr der Medienströmung in die Hülse hinein beziehungsweise in den zwischen Hülse und Rotor verbleibenden Spalt hinein. Durch diesen Medienstrom wird der Rotor im Betrieb gekühlt, wodurch die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine erhöht beziehungsweise auch bei längeren Betriebszeiten beibehalten wird. Die Strömungsumlenkfläche ist dabei derart ausgebildet, dass bevorzugt nur ein kleiner Teil des Gesamt-Medienstroms in die Hülse hinein umgelenkt wird. Der größere Teil des Medienstroms führt dann an der Strömungsumlenkfläche vorbei direkt zum Verdichter. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Strömungsumlenkfläche über nur einen Teilumfang der Rotorwelle oder über den gesamten Umfang der Rotorwelle, sodass die Strömungsumlenkfläche als Ringsegment oder Ringelement ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist die der Strömungsumlenkfläche zugewandte Abströmkante der Hülse derart asymmetrisch ausgebildet, dass über einen begrenzten Umfangsabschnitt der Hülse eine optimierte Luftströmungsumlenkung in Richtung der Strömungsumlenkfläche erfolgt, und über den übrigen Umfangsabschnitt der Abströmkante eine Luftströmung bevorzugt an der Strömungsumlenkfläche vorbei beziehungsweise über die Strömungsumlenkfläche hinweg, sodass in diesem übrigen Umfangsabschnitt keine oder fast keine Umlenkung des Medienstroms in die Hülse hinein erfolgt.The machine according to the invention with the features of
Bevorzugt ist die Strömungsumlenkfläche an einer Wellenschulter ausgebildet. Durch die Wellenschulter wird der Durchmesser der Rotorwelle außerhalb der Hülse vergrößert, sodass insbesondere sichergestellt ist, dass die Strömungsumlenkfläche von dem an der Außenseite der Hülse entlang geleiteten Medienstrom beaufschlagbar ist. Die Strömungsumlenkfläche oder die Wellenschulter sind somit bevorzugt derart ausgebildet, dass sie im Strömungsweg des Medienstroms, der an der Hülse entlang geleitet wird, liegen.The flow deflecting surface is preferably formed on a shaft shoulder. The shaft shoulder increases the diameter of the rotor shaft outside the sleeve, so that it is ensured in particular that the flow deflecting surface can be acted upon by the media flow conducted along the outside of the sleeve. The flow deflecting surface or the shaft shoulder are thus preferably designed in such a way that they lie in the flow path of the media flow that is guided along the sleeve.
Besonders bevorzugt weist die Wellenschulter einen Außendurchmesser auf, der dem Außendurchmesser der Hülse entspricht oder größer als dieser ist. Somit ist der Außendurchmesser der Wellenschulter mindestens so groß wie der der Hülse, sodass in vorteilhafter Weise sichergestellt ist, dass die Strömungsumlenkfläche von dem Medienstrom getroffen und entsprechend in die Hülse umgeleitet wird. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist der Außendurchmesser der Wellenschulter kleiner als der der Hülse, wobei dann bevorzugt ein axialer Abstand zwischen der Hülse und der Wellenschulter beziehungsweise der Strömungsumlenkfläche eingehalten werden muss, der sicherstellt, dass zumindest ein Teil des Medienstroms auf die Strömungsumlenkfläche trifft.The shaft shoulder particularly preferably has an outer diameter which corresponds to the outer diameter of the sleeve or is greater than this. Thus, the outer diameter of the shaft shoulder is at least as large as that of the sleeve, so that it is ensured in an advantageous manner that the flow deflecting surface is hit by the media flow and diverted accordingly into the sleeve. According to an alternative embodiment of the invention, the outer diameter of the shaft shoulder is smaller than that of the sleeve, in which case an axial distance between the sleeve and the shaft shoulder or the flow deflecting surface must preferably be maintained, which ensures that at least part of the media flow hits the flow deflecting surface.
Besonders bevorzugt bildet die Hülse zusammen mit der Abdeckkappe eine geschlossene Topfform. Damit ist die einzige Öffnung in den Spalt zwischen Hülse und Rotor an dem der Wellenschulter zugewandten Ende der Hülse ausgebildet. Das Medium, insbesondere Luft, kann somit nur durch diesen Ringspalt zwischen Hülse und Rotorwelle in den Spalt zwischen Rotor und Hülse eindringen und auch nur dadurch wieder aus dem Spalt heraustreten. Im Betrieb erfolgt eine Zirkulation der in die Hülse hinein gelenkten Luft innerhalb der Hülse, wobei insbesondere die Rotationsbewegung des Rotors diesen Luftstrom vorteilhaft beeinflusst und sicherstellt, dass Luft ein- und auch ausströmt. Diese Funktion wird insbesondere auch durch eine oszillierende Radialbewegung der Rotorwelle beziehungsweise des Rotors in der Hülse unterstützt. Durch die oszillierende Radialbewegung wird das Medium zwischen Hülse und Rotor aus dem Spalt heraus gepumpt.The sleeve particularly preferably forms a closed pot shape together with the cover cap. The only opening in the gap between the sleeve and the rotor is thus formed at the end of the sleeve facing the shaft shoulder. The medium, in particular air, can therefore only penetrate through this annular gap between the sleeve and the rotor shaft into the gap between the rotor and the sleeve and only thereby emerge from the gap again. During operation, the air directed into the sleeve circulates within the sleeve, with the rotational movement of the rotor in particular advantageously influencing this air flow and ensuring that air flows in and out. This function is also supported in particular by an oscillating radial movement of the rotor shaft or of the rotor in the sleeve. The oscillating radial movement pumps the medium out of the gap between the sleeve and the rotor.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Strömungsumlenkfläche wenigstens eine Krümmung auf. Durch die Krümmung wird insbesondere erreicht, dass der Medienstrom im Wesentlichen laminar in die Hülse erfolgt, sodass Turbulenzen vermieden und Strömungsverluste verhindert werden. Durch die Krümmung erfolgt eine gezielte Umlenkung des Medienstroms in die Hülse hinein. Insbesondere ist die Krümmung dazu am radial innenliegenden Ende der Wellenschulter ausgebildet. Insbesondere verläuft die Krümmung um wenigstens 90°, sodass die Wellenschulter durch die Krümmung in die Mantelwand der Welle übergeht. Optional ist die Krümmung derart ausgebildet, dass sie sich über mehr als 90° erstreckt, um so eine vorteilhafte Umlenkung der Medienströmung in die Hülse hinein zu erreichen.According to a preferred development of the invention, the flow deflecting surface has at least one curvature. As a result of the curvature, it is achieved in particular that the media flow into the sleeve is essentially laminar, so that turbulence is avoided and flow losses are prevented. The curvature results in a targeted deflection of the media flow into the sleeve. In particular, the curvature for this purpose is formed on the radially inner end of the shaft shoulder. In particular, the curvature runs by at least 90 °, so that the shaft shoulder merges into the jacket wall of the shaft through the curvature. Optionally, the curvature is designed in such a way that it extends over more than 90 ° in order to achieve an advantageous deflection of the media flow into the sleeve.
Besonders bevorzugt weist die Hülse an ihrem der Strömungsumlenkfläche zugewandten Ende, also an ihrer Abströmkante, eine gezahnte Hinterkante, insbesondere eine Chevron-Kante auf. Durch die gezahnte Hinterkante weist die Hülse mehrere Aussparungen auf, die insbesondere gleichmäßig über den Umfang verteilt ausgebildet sind, durch welche der Medienstrom radial nach innen strömen und insbesondere der Strömungsumlenkfläche zugeführt werden kann. Dies bietet den Vorteil, dass der Außendurchmesser der Wellenschulter nicht größer sein muss als der Außendurchmesser der Hülse und vorzugsweise höchstens gleich groß, vorzugsweise jedoch kleiner ist, wodurch sich vorteilhafte Strömungseigenschaften für die elektrische Maschine insgesamt ergeben. Insbesondere sind die Aussparungen dreiecksförmig oder V-förmig ausgebildet, um ein optimales Strömungsergebnis zu erzielen. Bevorzugt erstreckt sich die gezahnte Hinterkante über nur einen begrenzten Umfangsabschnitt der Abströmkante der Hülse, sodass in diesem Teilabschnitt eine bevorzugte Strömungsumlenkung in Richtung der Strömungsumlenkfläche erfolgt, wie zuvor bereits erwähnt. In dem übrigen Umfangsabschnitt der Abströmkante ist diese stumpf beziehungsweise in Umfangsrichtung gesehen eben erstreckend, also keine Vertiefungen, Aussparungen oder Zacken aufweisend, ausgebildet. Insbesondere ist der übrige Umfangsabschnitt der Abströmkante derart ausgebildet, dass die Mantelaußenfläche im Bereich dieses Umfangsabschnitts zumindest im Wesentlichen bündig zur Mantelaußenfläche der Strömungsumlenkfläche beziehungsweise der Wellenschulter der Rotorwelle ausgebildet ist, sodass in diesem Umfangsabschnitt der Luftstrom zumindest im Wesentlichen an der Strömungsumlenkfläche vorbei zu dem Verdichter geleitet wird. Damit wird der Vorteil erreicht, dass eine Umlenkung der Luftströmung oder Medienströmung partiell nur im Bereich des Umfangsabschnitts mit der gezahnten Hinterkante in die Hülse hinein gelenkt und dadurch gewährleistet wird, dass in der Hülse kein Medienstau entsteht, sondern eine gezielte Umströmung des Rotors, von dem im Bereich der gezahnten Hinterkante und durch die Strömungsumlenkfläche in die Hülse geführten Medienstrom, der dann im Bereich des Umfangsabschnitts mit der stumpfen Hinterkante aus der Hülse wieder austreten kann und bevorzugt durch den Sog der daran vorbei strömenden Luftströmung herausgefördert wird.Particularly preferably, the sleeve has a toothed rear edge, in particular a chevron edge, at its end facing the flow deflecting surface, that is to say at its trailing edge. As a result of the toothed rear edge, the sleeve has several recesses, which are designed in particular to be evenly distributed over the circumference, through which the media flow can flow radially inward and, in particular, can be fed to the flow deflecting surface. This offers the advantage that the outside diameter of the shaft shoulder does not have to be larger than the outside diameter of the sleeve and is preferably at most the same size, but preferably smaller, which results in advantageous flow properties for the electrical machine as a whole. In particular, the recesses are triangular or V-shaped in order to achieve an optimal flow result. The toothed rear edge preferably extends over only a limited circumferential section of the trailing edge of the sleeve, so that a preferred flow deflection in the direction of the flow deflection surface takes place in this subsection, as already mentioned above. In the remainder of the circumferential section of the trailing edge, the latter is designed to be blunt or, viewed in the circumferential direction, to extend evenly, that is to say not to have any depressions, recesses or prongs. In particular, the remaining circumferential section of the trailing edge is designed in such a way that the outer casing surface in the area of this circumferential section is at least essentially flush with the outer casing surface of the flow deflecting surface or the shaft shoulder of the rotor shaft, so that in this circumferential section the air flow is guided at least essentially past the flow deflecting surface to the compressor will. This has the advantage that a deflection of the air flow or media flow is only partially directed into the sleeve in the area of the circumferential section with the toothed rear edge, thereby ensuring that no media jam occurs in the sleeve, but a targeted flow around the rotor from which in the area of the toothed rear edge and through the flow deflecting surface into the sleeve, which can then exit the sleeve again in the area of the circumferential section with the blunt rear edge and is preferably conveyed out by the suction of the air flow flowing past it.
Besonders bevorzugt weist die Wellenschulter ein der Hülse zugewandtes erstes Ende, das die Strömungsumlenkfläche bildet, und ein dem Verdichter oder der Turbine zugewandtes zweites Ende auf, wobei sich der Außendurchmesser der Wellenschulter von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende verkleinert. Dadurch ergeben sich vorteilhafte Strömungseigenschaften für den an der Hülse vorbeigeleiteten Medienstrom. Insbesondere verkleinert sich der Außendurchmesser von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende stetig oder tropfenförmig, um einen optimalen Strömungsverlauf zu erreichen.The shaft shoulder particularly preferably has a first end facing the sleeve, which forms the flow deflecting surface, and a second end facing the compressor or the turbine, the outer diameter of the shaft shoulder decreasing from the first end to the second end. This results in advantageous flow properties for the media flow bypassing the sleeve. In particular, the outer diameter decreases steadily or drop-shaped from the first end to the second end in order to achieve an optimal flow course.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung entspricht der Durchmesser an dem zweiten Ende der Wellenschulter dem Durchmesser des an dem zweiten Ende anliegenden Verdichterradabschnitts des Verdichters beziehungsweise der Turbinenradabschnitt der Turbine. Dadurch ist ein vorteilhafter Strömungsübergang von der Wellenschulter auf das Verdichterrad beziehungsweise das Turbinenrad gewährleistet, der insbesondere ein Strömungsabriss oder eine Strömungskante vermeidet.According to a preferred development of the invention, the diameter at the second end of the shaft shoulder corresponds to the diameter of the compressor wheel section of the compressor or the turbine wheel section of the turbine resting against the second end. This ensures an advantageous flow transition from the shaft shoulder to the compressor wheel or the turbine wheel, which in particular avoids a flow break or a flow edge.
Vorzugsweise sind die Hülsen und die Abdeckkappe einstückig miteinander ausgebildet, wodurch eine hohe Robustheit der Hülse und der Abdeckkappe gewährleistet sind sowie eine kostengünstige Herstellung.The sleeves and the cover cap are preferably formed in one piece with one another, as a result of which a high degree of robustness of the sleeve and the cover cap are ensured, as well as inexpensive manufacture.
Besonders bevorzugt ist de Hülse durch eine koaxial dazu an dem Stator angeordnete Außenhülse in dem Gehäuse der elektrischen Maschine befestigt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer dauerhaft koaxialen Ausrichtung von Hülse und Stator und damit auch von Hülse und Rotor. Insbesondere ist die Hülse durch mehrere, sich insbesondere radial erstreckende Querstege mit der Hülse verbunden, insbesondere einstückig mit dieser ausgebildet. Besonders bevorzugt ist jeder der Querstege als Ummantelung eines der Statorzähne des Stators ausgebildet, sodass die Statorzähne vorteilhaft in die strömungsoptimierte Einrichtung, die zumindest die Hülse, die Abdeckkappe, die Querstege und die Außenhülse aufweist, integriert. Ein zu dem Verdichter oder der Turbine geführter Luftstrom gelangt somit durch die zwischen den Statorzähnen beziehungsweise Querstreben und zwischen Außenhülse und Innenhülse gebildeten Strömungskanäle durch die elektrische Maschine hindurch, wobei der Luftstrom durch Abdeckkappe und Hülse vorteilhaft an dem Rotor vorbei geleitet und mithilfe der zuvor beschriebenen vorteilhaften Strömungsumlenkfläche in den Innenraum der Hülse teilweise gelenkt wird, sodass trotz der eingekapselten Ausbildung von Rotor, Statorzähnen und Stator eine vorteilhafte Kühlung des Rotors erfolgt.The sleeve is particularly preferred by an outer sleeve arranged coaxially therewith on the stator fixed in the housing of the electrical machine. This results in the advantage of a permanently coaxial alignment of the sleeve and stator and thus also of the sleeve and rotor. In particular, the sleeve is connected to the sleeve by several, in particular radially extending, transverse webs, in particular formed in one piece with the latter. Particularly preferably, each of the transverse webs is designed as a casing for one of the stator teeth of the stator, so that the stator teeth are advantageously integrated into the flow-optimized device, which has at least the sleeve, the cover cap, the transverse webs and the outer sleeve. An air flow guided to the compressor or the turbine thus passes through the flow channels formed between the stator teeth or cross struts and between the outer sleeve and inner sleeve through the electrical machine, the air flow being advantageously guided past the rotor through the cover cap and the sleeve and with the aid of the advantageous described above Flow deflecting surface is partially deflected into the interior of the sleeve, so that an advantageous cooling of the rotor takes place despite the encapsulated design of the rotor, stator teeth and stator.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dazu zeigen
-
1 einen vorteilhaften Abgasturbolader mit einer integrierten elektrischen Maschine in einer vereinfachten Längsschn ittdarstell ung, -
2 eine perspektivische Darstellung und eine Einrichtung zur Strömungsoptimierung der elektrischen Maschine, -
3 eine vergrößerte Detailansicht der elektrischen Maschine in einer Längsschnittdarstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel, -
4A und4B eine vorteilhafte Weiterbildung der elektrischen Maschine in unterschiedlichen Ansichten, und -
5 eine vorteilhafte Weiterbildung des in4A und4B gezeigten Ausführungsbeispiels.
-
1 an advantageous exhaust gas turbocharger with an integrated electrical machine in a simplified longitudinal section representation, -
2 a perspective view and a device for optimizing the flow of the electrical machine, -
3 an enlarged detailed view of the electrical machine in a longitudinal sectional illustration according to an embodiment, -
4A and4B an advantageous development of the electrical machine in different views, and -
5 an advantageous development of the in4A and4B embodiment shown.
Die drehbare Lagerung der Welle
Alternativ und gemäß dem in
Damit insbesondere der Verdichter
Der Stator
Die elektrische Maschine
Die Abdeckkappe
Von der Innenhülse
Der Rotor
Die Rotorwelle
Der Hohlwellenabschnitt
Im Betrieb wird die dem Verdichter
Dadurch, dass die Wellenschulter
Durch die Konusform der Wellenschulter
Um das Strömungsverhalten innerhalb der Hülse
Im Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel erstreckt sich die gezackte Hinterkante
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- DE 102017207532 A1 [0002]DE 102017207532 A1 [0002]
Claims (10)
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Patent Citations (1)
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---|---|---|---|---|
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