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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Überladungsvorrichtung zur Anwendung
bei Verbrennungsmotoren und insbesondere auf eine Kompressorvorrichtung
mit einem integrierten Elektromotor und auf ein Verfahren zur Kombination
der Elemente eines Turboladers und eines elektrischen Motors/Generators
in einer Turboladeranordnung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Turbolader
sind wohlbekannt und werden weithin in Verbrennungsmotoren verwendet.
Im allgemeinen liefern Turbolader mehr Ladungsluft für den Verbrennungsprozess
als sonst durch die natürliche
Beatmung eingeleitet werden könnte.
Diese gesteigerte Luftversorgung gestattet, dass mehr Brennstoff
verbrannt wird, wodurch die Leistung und das Drehmoment gesteigert
werden, die durch einen Motor mit einer gegebenen Verdrängung bzw.
einem gegebenen Hubraum erreichbar sind. Zusätzliche Vorteile sehen die
Möglichkeit
vor, leichtere Motoren mit geringerem Hubraum zu verwenden, und
zwar mit einem entsprechenden geringerem Gesamtgewicht des Fahrzeugs,
um den Brennstoffverbrauch zu verringern, und um verfügbare Produktionsmotoren
zu verwenden, um verbesserte Leistungscharakteristiken zu erreichen.
Einige Turboladeranwendungen weisen das Vorsehen eines Zwischenkühlers auf,
um Wärme
(sowohl die Umgebungswärmekomponente als
auch die Wärme,
die während
der Kompression der Ladungsluft erzeugt wird) aus der Ladungsluft
zu entfernen, bevor sie in den Motor eintritt, wodurch eine noch
dichtere Luftladung zu den Motorzylindern geliefert wird. Eine zwischengekühlte Turboaufladung,
die bei Dieselmotoren angewandt wird, verdoppelt mindestens die
Leistungsausgabe aus einer gegebenen Motorgröße im Vergleich zu natürlich beatmeten
Dieselmotoren mit dem gleichen Hubraum.
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Zusätzliche
Vorteile der Turboaufladung weisen Verbesserungen beim thermischen
Wirkungsgrad durch Anwendung von einem Teil der Energie des Abgasstroms
auf, die sonst in der Umgebung verloren gehen würden, und die Tatsache, dass
man die Nenn-Leistungen auf der Höhe des Meeresspiegels in großen Höhen aufrechterhalten
kann.
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Bei
mittleren bis hohen Motordrehzahlen gibt es ein Übermaß an Energie im Abgasstrom
des Motors, und über
seinen Drehzahlbetriebsbereich kann der Turbolader die Motorzylinder
mit der gesamten Luft versorgen, die für eine wirkungsvolle Verbrennung
und für
maximale Leistungs- und Drehmomentausgabe für eine gegebene Motorkonstruktion
benötigt
werden. Bei gewissen Anwendungen jedoch wird ein Abgasstromauslasstor
benötigt,
um übermäßige Energie
in den Motorabgasstrom abzuleiten, bevor dieser in die Turboladerturbine
eintritt, um zu verhindern, dass der Motor überladen wird. Typischerweise wird
das Auslasstor so eingestellt, dass es sich bei einem Druck öffnet, bei
dem unerwünschte
Vorzündungen
oder ein inakzeptabel hoher interner Motorzylinderdruck erzeugt
werden kann.
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Bei
niedrigen Motordrehzahlen, wie beispielsweise bei einer Leerlaufdrehzahl,
ist jedoch überproportional
wenig Energie im Abgasstrom, wie dies bei höheren Motordrehzahlen zu finden
ist, und dieser Mangel an Energie verhindert, dass der Turbolader
ein signifikantes Aufladungsniveau in dem Motoreinlassluftsystem
vorsieht. Als eine Folge gibt es eine messbare Zeitverzögerung und
eine entsprechende Leistungsverzögerung,
wenn die Drossel zum Zwecke der Beschleunigung des Motors von niedrigen
Drehzahlen, wie beispielsweise aus der Leerlaufdrehzahl, geöffnet wird,
bevor der Abgasenergiepegel ausreichend ansteigt, um die Kompression
der Einlassluft vorzusehen, die für eine verbesserte Motorleistung
benötigt
wird. Der Leistungseffekt dieser Zeitverzögerung kann in Motoren mit
kleinerer Ausgabe bzw. Leistungsstärke hervortreten, die eine relativ
kleine Menge an Leistung und Drehmoment haben, die verfügbar sind,
bevor der Turbolader auf Drehzahlen kommt und die erwünschte Kompression bietet.
Verschiedene Bemühungen
sind unternommen worden, um diesen Aspekt der Zeitverzögerung anzusprechen,
einschließlich
der Verringerung der Trägheit
der Turboladerrotoren.
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Trotz
den sich entwickelnden Konstruktionsveränderungen zur Minimierung der
Trägheit
des Turboladerrotors ist jedoch immer noch die Zeitverzögerungsperiode
in beträchtlichem
Ausmaß vorhanden,
insbesondere bei Turboladern zur Anwendung bei Motoren mit hoher
Nenn-Leistung, die vorgesehen sind, um eine Vielzahl von auf der
Straße
fahrenden und im Gelände
fahrenden Maschinen anzutreiben.
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Weiterhin
setzen kommerzielle Motorvorrichtungen in dem Brennstoffsystem ein,
um den Brennstoff zu begrenzen, der zu den Motorzylindern geliefert
wird, bis ein ausreichend hohes Ladungsniveau durch den Turbolader
vorgesehen werden kann, um Russ vom Abgas und Emissionen während der
Beschleunigungsperioden zu reduzieren, wenn eine optimale Brennstoffverbrennung
schwieriger zu erreichen und aufrechtzuerhalten ist als im Vergleich
zu einem Betrieb mit stetiger Drehzahl. Diese Vorrichtungen verringern
eine übermäßige Aussbildung,
jedoch verursacht die begrenzte Brennstoftlieferungsrate ein langsames
Verhalten beim Ansprechen des Motors auf Veränderungen der Drehzahl und
der Belastung.
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Die
Turboladerverzögerungsperiode
kann abgemildert und in manchen Fällen nahezu eliminiert werden,
indem man eine äußere Leistungsquelle
verwendet, um den Turbolader dabei zu helfen, auf Steigerungen der
Motordrehzahl und der Belastung anzusprechen. Ein solches Verfahren
ist es, eine externe elektrische Energieversorgung zu verwenden,
wie beispielsweise Energie, die in Gleichstrom-Batterien gespeichert
ist, um einen Elektromotor anzutreiben, der an der Turboladerdrehanordnung
angebracht ist. Der Elektromotor kann extern sein und an dem Turboladerrotor
durch einen Kupplungsmechanismus angebracht sein, oder er kann an
der Turboladerdrehanordnung angebracht sein und durch Anwendung
von geeigneten elektronischen Steuerungen eingeschaltet und ausgeschaltet
werden.
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Turboladersysteme
mit integralen Hilfsmotoren werden vollständig in unserem US-Patent 5
605 045 beschrieben.
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Andere
Patente, die Kombinationen aus Turboladern und elektrischen Maschinen
offenbaren sind beispielsweise die US-Patente 5 406 797; 5 038 556;
4 958 708; 4 958 497; 4 901 530; 4 894 991; 4 882 905; 4 878 317
und 4 850 193. Insbesondere offenbart das US-Patent 5 406 797 einen
Turbolader mit einer sich drehenden elektrischen Maschine, die an
der drehbaren Welle eines Turboladers angebracht ist. Die Leistung
zum Betrieb der sich drehenden elektrischen Maschine wird durch
einen elektrischen Wechselstromgenerator geliefert, der in Eingriff
mit dem Schwungrad des Motors gehalten wird. Ein Inverter wandelt
die elektrische Wechselstromleistung, die von dem elektrischen Generator
erzeugt wird, in eine Wechselstrom-Ausgangsleistung um, die eine vorbestimmte
Frequenz hat, wobei der Inverter einen Gleichrichter aufweist, um
die erzeugte elektrische Wechselstromleistung in eine elektrische Gleichstrom-Leistung
gleichzurichten, und noch eine andere Leistungsvorrichtung ist erforderlich,
um die elektrische Gleichstrom-Leistung in eine elektrische Wechselstrom-Leistung
mit der vorbestimmten Frequenz umzuwandeln, um die sich drehende
elektrische Maschine zu erregen.
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Das
US-Patent 4 958 708 offenbart eine weitere sich drehende elektrische
Maschine, die an der Turboladerwelle hinzugefügt ist, an der der Einlassluftkompressor
und die Abgasturbine befestigt sind. Die sich drehende elektrische
Maschine dieses Patentes weist einen Rotor auf, der aus Permanentmagneten
zusammengesetzt ist, und einen Stator mit Windungen mit mehreren
Phasen, der durch einen Inverter/Controller angetrieben wird.
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Die
Anbringung der Permanentmagneten an der Turboladerwelle hat ihren
hauptsächlichen
Nachteil dahingehend, dass die Magneten der Wärme unterworfen sind, die entlang
der Welle von dem heißen Turbinenrad
des Turboladers geleitet wird. Dies kann ein beträchtliches
Problem dahingehend stellen, dass die Permeabilität der Magneten
durch eine solche Aufheizung bis zu einem Niveau verringert werden
kann, welches für
einen effizienten Betrieb der sich drehenden elektrischen Maschine
inakzeptabel sein kann.
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Dies
wird ein schwerwiegendes Problem wenn der turboaufgeladenen Motor
abgeschaltet wird wenn er heiß ist,
und der Ölfluss
durch die Lager und über
die Welle unterbrochen wird. Ein steiler Temperaturgradient wird
für eine
beträchtliche
Zeitdauer vorhanden sein, während
die heißen
Teile des Turboladers von ihrem heißen Inhalt befreit werden.
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Trotz
der Bemühungen,
motorenunterstützte Turboladersysteme
zu entwickeln, gibt es immer noch eine Notwendigkeit für einen
verbesserten Turbolader, der die Leistungscharakteristik und die
Ansprechcharakteristiken bei niedriger Drehzahl des herkömmlichen
Verbrennungsmotors verbessert und auch eine Notwendigkeit für eine verbesserte
durch Motoren unterstützte
Superladungsvorrichtung, wie beispielsweise einen motorgetriebenen
Kompressor.
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US-A-4
253 021 offenbart, dass ein Rotor eines Generators für Turbolader
in Verbrennungsmotoren für
Automobile auf der Turbinenwelle gelegen ist, um sich damit zu drehen,
und zwar bei Turbinendrehzahlen zwischen 20000 U/min bis 80000 U/min,
und der zwischen der Abgasturbinenschaufeleinheit und der Superladungskompressorschaufeleinheit
positioniert ist. Der Rotor ist ein Rotor mit Permanentmagneten,
der mit stationären
Ankerstrukturen zusammenarbeitet, die unterschiedliche getrennte
Windungen darauf haben können,
um unterschiedliche Netzwerke mit unabhängig ausgewählten Spannungen zu beliefern,
beispielsweise eine Fahrzeugbatterie durch ein Gleichrichternetzwerk
und Heizungselemente in einphasiger und dreiphasiger Verbindung, wie
erwünscht,
wie beispielsweise Heizungen für Windschutzscheiben
usw., die direkt mit Wechselstrom erregt werden können. Der
Generator kann einen axialen Luftspalt haben und durch eine komprimierte
Luftableitungsleitung gekühlt
werden, die in der Kompressorschaufeleinheit ausgeformt ist.
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Patent
Abstarcts of Japan, Vol. 011, Nr. 082 (M-571) vom 12. März 1987
und JP 61-237830 A offenbaren einen Turbolader für einen Verbrennungsmotor,
der eine Statorspule aufweist, die von außen mit dreiphasiger Leistung
erregt wird, um das Kompressorlaufrad mit hohen Drehzahlen und mit
hohen Drehmomenten zu drehen, die mit einem Elektromotor erzeugt
werden, der aus einem Stator und einem magnetischen Rotor besteht.
Der Stator und der magnetische Rotor sind axial benachbart zueinander
mit einem axialen Luftspalt dazwischen positioniert.
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DE 33 39 918 A1 schlägt vor,
dass ein Turbolader, der innerhalb des Turboladers einen Elektromotor
aufweist, um der Abgasturbine bei der Drehung des Kompressorrades
zu helfen, bezüglich
seiner axialen Länge
reduziert werden kann, in dem man Teile eines Permanentmagnetenankers
benachbart zum äußeren Teil
der flachen Rückseite
des Kompressorrades einführt
und die Statorteile der elektrischen Maschine an der hinteren flachen
Rückseite
des Kompressorgehäuses
anordnet, und zwar axial von den Teilen des Permanentmagnetenmotors beanstandet.
Das heißt,
dies ist eine Reduzierung der Länge
des Turboladers, in dem man die jeweiligen aktiven Teile des Ankers
und des Stators der elektrischen Maschine in Sitznuten oder Einsenkungen
in dem Kompressorlaufrad oder in dem Kompressorgehäuse anordnet,
und darauf achtet, eine Verringerung der Festigkeit zu vermeiden,
in dem man die Teile des Ankers und des Stators in ein synthetisches
Material eingießt,
um eine beträchtliche mechanische
Abschwächung
des Kompressorlaufrades und das Kompressorgehäuses zu verhindern.
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DE 33 04 845 A1 offenbart
einen Turbolader mit einem Gehäuse,
das ein Kompressorrad und einen benachbarten Anker des elektrischen
Hilfsmotors von der Abgasturbine durch einen breiten Luftraum und
einen langen rohrförmigen,
die Welle tragenden Gehäuseabschnitt
isoliert, wobei beide davon an der sich drehenden Welle angebracht
sind.
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Bei
der vorliegenden Erfindung, wie sie in Anspruch 1 beansprucht wird,
wird das Kompressorrad mit einer umlaufenden Schulter oder Kante
an seiner hinteren Stirnseite ausgeformt, die radial von der drehbaren
Welle beabstandet ist, und die Vielzahl von Motormagneten wird durch
die umlaufende Schulter oder die Kante des Kompressorrades getragen,
wobei eine Vielzahl von Statorwindungen von dem Gehäuse in Umfangsrichtung
und radial nach außen
beabstandet von der Vielzahl von Magneten getragen wird. Bei der
Erfindung hilft eine solche Anordnung der Magneten auf der umlaufenden
Schulter oder auf der Kante auf der hinteren Stirnseite des Kompressors
dabei, die Magneten auf einem akzeptablen Temperaturniveau zu halten.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden in den abhängigen
Ansprüchen
beschrieben.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
somit diese Probleme des Standes der Technik, in dem sie die Motormagneten
an dem kühlsten
Teil der Turboladeranordnung anordnet. Eine besonders vorteilhafte
Lage ist die Nabe des Aluminium-Kompressorrades. Während des
Betriebs des Turboladers tritt Umgebungsluft in dem Kompressorradeinlass
und wird nicht merklich durch den Kompressionsprozess aufgeheizt,
bis die Luft den äußeren Teil
des Rades erreicht. Da weiterhin ungefähr die Hälfte des Temperaturanstieges
in dem Kompressorrad auftritt, und der westliche Temperaturanstieg
in dem stationären
Diffusordurchlass außerhalb
des Kompressorrades auftritt, ist die Anordnung der Magneten an
der Rückseite
des Kompressorrades nahe seiner Mitte eine Lage, wo sie während des
Betriebes auf minimalen Temperaturen bleiben werden. In dem Fall,
dass man im heißen
Zustand abschaltet, wird wenn die Kompressorradflügel dahingehend,
dass sie die Wärme aus
dem Nabenbereich heraus abstrahlen, und die Temperatur der Nabe
führt nahe
dem unteren Ende des Gradienten zwischen den heißen Turbinenteilen und den
Umgebungsbedingungen sein.
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Daher
hält die
vorliegende Erfindung die Magneten auf akzeptablen Betriebstemperaturen
in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel,
und zwar durch Anordnung der Magneten auf der sich drehenden elektrischen
Maschine außerhalb
des Innenteils des mittleren Turboladergehäuses, und zwar montiert auf
dem Nabenabschnitt des Kompressorrades. Als weitere Mittel, um die
Magneten auf einem akzeptablen Temperaturniveau zu halten kann ein
Isolationsmaterial zwischen den Magneten und der Aluminium-Metallfläche auf
dem Kompressorrad angeordnet sein. In dieser Weise kann die Ableitung
der Wärme
in die Magneten aus dem Rad minimiert werden.
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Entsprechend
kombiniert der verbesserte Turbolader der vorliegenden Erfindung
die Elemente einer sich drehenden elektrischen Maschine und eines
Turboladers in einer optimalen integrierten Konstruktion, die das
Drehmoment maximieren kann, welches auf den Turboladerrotor aufgebracht
wird, und welches irgend einen Kompromiss bei der grundlegenden
Konstruktionskonfiguration des Turboladers minimiert. Darüber hinaus
ist eine Vielzahl von Motormagneten in einer im allgemeinen umlaufenden
Anordnung um die Rückseite
des Kompressorrades mit einer konstanten radialen Versetzung von
der Welle montiert, auf der sowohl das Kompressorrad als auch die
Auslassturbine montiert sind. Die Motormagneten sind auf einer umlaufenden
Schulter montiert, die bei einer dazwischenliegenden radialen Distanz
entlang der Rückseite
des Kompressionsrades ausgeformt sind, und die am Platz gegen zentrifugale und
axiale Kräfte
durch eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Stahl-Haltehülse gehalten
werden. Eine Stator- oder Motorwindung wird axial in dem Turboladergehäuse montiert
und erstreckt sich gemäß eines
Ausführungsbeispiels
radial nach außen von
den Magneten, die an dem Kompressorrad befestigt sind. Gemäß eines
anderen Ausführungsbeispiels
ist der Stator in einer entgegengesetzten axial versetzten Beziehung
zu den Motormagneten positioniert.
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Gemäß des Betriebs
der Erfindung wird, wenn der Stator durch die Leistungsquelle erregt wird,
ein sich drehendes elektromagnetisches Kraftfeld benachbart zu den
Motormagneten erzeugt, und die daraus resultierende magnetischen
Gegenwirkung bringt ein Drehmoment auf das Kompressorrad auf, welches
das Drehmoment vergrößert, welches auf
die Verbindungswelle durch den Abgasstrom aufgebracht wird, der
durch die Abgasturbine fließt,
was bewirkt, dass die sich drehende Anordnung des Turboladers sich
schneller dreht als wenn diese nicht mit der Erfindung ausgerüstet wäre. Die
schnellere Drehung des Kompressorrades kann gestatten, dass es dem Motor
mit einem größeren Fluss
von komprimierter Verbrennungsluft mit höherem Druck bei jeder Motordrehzahl
beliefert, wodurch die Motorleistung verbessert wird, während man
die Menge des Russes und der Verunreinigungen verringert, die während der
Beschleunigung des Motors ausgestoßen werden.
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Gemäß noch eines
weiteren Ausführungsbeispiels
der Erfindung kann die Kombination der Kompressor- und Motorelemente,
die für
jedes der ersten beiden beschriebenen Ausführungsbeispiele eingesetzt
wird, in einer getrennten Vorrichtung verwendet werden, um einen
Fluss von komprimierter Luft vorzusehen, wobei jeder der Vielzahl
von Kompressormagneten in Umfangsrichtung um die Rückseite
des Kompressorrades herum angeordnet ist, welches sich um eine kürzere axiale
Welle in Abwesenheit einer Abgasturbine dreht, wodurch die komprimierte
Luft von einer Anordnung mit extrem kompakten Abmessungen geliefert
wird, um als eine motorgetriebene Superladungsvorrichtung für einen
Motor verwendet zu werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus den Zeichnungen und
einer detaillierteren Beschreibung offensichtlich, die folgt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine Querschnittsansicht
von einem Ausführungsbeispiel
der Turboladervorrichtung der vorliegenden Erfindung, aufgenommen
in einer Ebene durch die Längsachse
der Hauptwelle des Turboladers;
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2 ist eine Ansicht eines
Stators, der konfiguriert ist, um radial außerhalb der Kompressorradmagneten
in dem in 1 gezeigten
Turbolader aufgenommen zu werden;
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3 ist eine Querschnittsansicht
von einer weiteren Turboladervorrichtung, die in einer Ebene durch
die Längsachse
der Hauptwelle des Turboladers aufgenommen wurde, die den Stator
zeigt, wie er in einer axial versetzten Orientierung relativ zu
den Kompressorradmagneten montiert ist;
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4 ist eine Ansicht des Kompressorrades der 3, die die Motormagneten
zeigt, die an dem Kompressorrad gesichert sind;
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5 ist eine Ansicht der Motorwindungen, die
an einer Stirnseitenplatte gesichert sind, die an dem Turboladergehäuse benachbart
zu den Motormagneten anzubringen ist;
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6 ist noch eine weitere
Turboladervorrichtung, die in einer Ebene durch die Längsachse der
Hauptwelle des Turboladers aufgenommen wurde, die einen Wassermantel
zeigt, der integral in dem mittleren Gehäuse davon ausgeformt ist, um
einen Motorkühlmittelfluss
aufzunehmen; und
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7 ist ein motorgetriebener
Kompressor, der die kompakte Struktur aus Kompressormagneten und
Stator verwendet, um als eine Superladungsvorrichtung für einen
Verbrennungsmotor verwendet zu werden.
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Es
sei bemerkt, dass die Ausführungsbeispiele
der 3 bis 5 und 7 keinen Teil der vorliegenden Erfindung
bilden sondern einen technischen Hintergrund darstellen, der zum
Verständnis
der Erfindung nützlich
ist.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Mit
Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 kombiniert ein Turbolader 10 die Elemente
einer sich drehenden elektrischen Maschine und eines Turboladers
gemäß der Erfindung.
Der Turbolader 10 hat, außer dass er die Elemente der elektrischen
Maschine aufweist, im wesentlichen eine herkömmliche Konstruktion, Struktur
und Größe. Der
Turbolader 10 weist ein Gehäuse 12 auf, um ein
Abgasturbinenrad 14 mit mehreren Flügeln, und ein Luftladungskompressorrad 16 mit
einer Vielzahl von Flügeln 17,
die auf entgegengesetzten Enden einer gemeinsamen Verbindungswelle 18 montiert sind.
Die Turbine weist ein Turbinegehäuse 20 auf, welches
einen Einlassleitungsraum 22 für einen Abgasstrom hat, der
angeschlossen ist, um Abgas von einem Verbrennungsmotor aufzunehmen,
der bei manchen Anwendun gen eine Auslasssammelleitung hat, die in
zwei Abschnitte aufgeteilt ist, wobei jeder Abschnitt Abgas von
einem anderen Satz von (nicht gezeigten) Motorzylindern aufnimmt.
Das Abgas wird zu dem Turbinenrad und der Welle 18 geleitet
und treibt diese zur Drehung an. Nachdem er durch das Turbinenrad 14 gelaufen
ist, fließt
der Abgasstrom aus dem Turbolader durch eine Abgasentlüftung 24.
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Die
Drehung der Welle 18 dreht das befestigte Kompressorrad 16 an
dem entgegengesetzten Ende der Verbindungswelle 18, und
Verbrennungsluft wird durch eine Lufteinlassöffnung 26 gezogen, die
in einem Kompressorgehäuse 28 ausgeformt
ist, nachdem sie durch einen (nicht gezeigten) geeigneten Filter
gelaufen ist, um Verunreinigungen zu entfernen. Das Kompressorgehäuse 28 weist
einen Leitungsraum 30 auf, um die komprimierte Verbrennungsluft
zu einer (nicht gezeigten) Einlasssammelleitung zu leiten. Das Kompressorrad 16 ist
an der sich drehenden Welle 18 zwischen einer Verriegelungsmutter 32 und
einer Hülse 34 befestigt.
Die herein fließende
Verbrennungsluft wird durch die angetriebenen Kompressorradflügel 17 komprimiert,
die an einer vorderen Stirnseite des Kompressorrades 16 ausgeformt
sind. Nachdem sie durch das Kompressorrad 16 komprimiert
wurde und durch einen DifFusorabschnitt 35 gelaufen ist,
wird die komprimierte Verbrennungsluft durch den Einlassleitungsraum 30 geleitet
und zu dem (nicht gezeigten) Einlasssammelleitungssystem des Motors
geliefert.
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Gemäß der Erfindung
ist eine Vielzahl von Magneten 36 in einer im allgemeinen
umlaufenden Anordnung um die Rückseite
des Kompressorrades 16 mit einer konstanten radialen Versetzung
von der Verbindungswelle 18 montiert, obwohl in Betracht
gezogen wird, dass eine solche Anordnung gestuft sein kann oder
in anderer Weise in Maschinen gemäß der Erfindung anders positioniert
sein kann, und zwar für eine
bessere Balance, für
bessere Trägheit,
für verbessertes
erzeugtes Drehmoment usw.
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Gemäß eines
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung werden die Magneten 36 auf eine
umlaufenden Schulter oder Kante 38 montiert, die in der
Rückseite
des Kompressorrades 18 ausgeformt ist, und werden am Platz
gegen die Zentrifugalkräfte
und Axialkräfte
durch eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Stahl-Haltehülse 40 gehalten.
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Eine
Statorwicklung 42, die aus einem elektrischen Leiter besteht,
wie beispielsweise aus einem Kupferdraht 44, der um einen
laminierten Stahlkern 46 herum gewickelt ist, ist in dem
mittleren Gehäuse 12 des
Turboladers 10 angeordnet und erstreckt sich radial nach
außen
von den Magneten 36, die an dem Kompressorrad 16 befestigt
sind. Ein Luftspalt, der im allgemeinen bei 48 gezeigt
ist, ist zwischen der Stahl-Haltehülse 40 und dem Innendurchmesser
der Motorwicklung 42 vorgesehen, um ein notwendiges Laufspiel
vorzusehen und irgend einem physischen Kontakt dazwischen zu verhindern.
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Die
Drähte 44 der
Wicklung 42 erstrecken sich zu den Verbindungsdrähten 50,
die an einer Stelle 52 enden (außerhalb der Ebene gezeigt),
wo sie aus dem mittleren Gehäuse
durch eine abgedichtete Armatur bzw. einen abgedichteten Anschluss 54 austreten,
und werden von dort zu einer geeigneten elektronischen Steuerung
und einer Leistungsversorgung geführt. Der abgedichtete Anschluss 54 umkapselt die
Verbindungsdrähte 50,
um den Eintritt von Feuchtigkeit und Verunreinigungen zu verhindern.
Die Wicklung 42 wird in einer Orientierung koaxial zur Verbindungswelle 18 durch
eine oder mehrere Einstellschrauben 56 gehalten, die sich
durch ein nach außen
erstreckendes Segment 58 des mittleren Gehäuses 12 erstrecken
und mit dem Aussenumfang der Wicklung 42 in Eingriff sind.
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Gemäß des Betriebs
der Erfindung wird Drehmoment auf das Kompressorrad 16 durch
die Magneten 36 aufgebracht, wenn der Stator, d. h. die Wicklung 42,
durch eine geeignete Leistungsquelle erregt wird, und dies vergrössert das
Drehmoment, welches auf die Verbindungswelle 18 durch die
Abgasturbine 14 aufgebracht wird, was verursacht, dass
die sich drehende Anordnung des Turboladers sich schneller dreht,
als wenn sie nicht mit dieser Erfindung ausgerüstet wäre. Die schnellere Drehung des
Kompressorrades 16 gestattet, dass es den Motor mit einem
größeren Luftfluss
mit höherem
Druck bei jeder Motordrehzahl versorgt, wodurch die Motorleistung
verbessert wird, während
die Menge von Russ und Verunreinigungen verringert werden, die während der
Beschleunigung des Motors ausgestoßen werden.
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Es
wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass die zusätzlichen
Komponenten des Turboladers, die im Detail nicht besprochen werden,
in der Technik bekannt sind, einschließlich der Wellenlager und der Ölabdichtungselemente,
die für
eine zuverlässige
Unterstützung
der sich drehenden Anordnung und zum Abschluss und zur Filterung
des Schmieröls
nötig sind,
welches in herkömmlicher Weise
von einem System für
unter Druck gesetztes Öl
geliefert werden, um die Lager zu schmieren und zu kühlen. Der Ölstrom tritt
in das mittlere Gehäuse bei 60 ein
und fließt
zu dem Kollektor 70 nachdem es durch das Lagersystem gelaufen
ist, welches beispielsweise das Wälzlager 62 und die Ölleitungen 64, 66, 68 mit
einschließt,
und wird dann zurück
zu dem (nicht gezeigten) Motorölsumpf
geleitet.
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Mit
Bezugnahme auf 2 weist
der Stator 42 eine Vielzahl von Lamellen aus einem geeigneten magnetisch
permeablen Material auf. Die Lamellen des Stators 42 sind
so geformt, dass sie sechs Pole definieren, wobei jeder eine Wicklung 72 aus
Kupferdraht 44 trägt,
der elektrisch außerhalb
der Lamellen angeschlossen ist, und die progressiver erregt werden
können,
um einen sich drehendes Magnetfeld um die Außenseite der Magneten 36 herum
zu erzeugen. Das daraus resultierende sich drehende Magnetfeld koppelt
sich mit dem Magnetfeld der Magneten 36, die an dem Kompressorrad 16 angebracht sind,
um bei der Drehung des Turboladers zu helfen, und zwar insbesondere
bei niedrigen Motordrehzahlen.
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Mit
Bezug auf 3 weist ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines Turboladers eine Vielzahl von Magneten 82 auf, die
in radialer Richtung eine größere Abmessung
haben, die sich von einer Schulter 84 erstrecken, die an
einer radialen Zwischenstelle auf der Rückseite des Kompressorrades 16 geformt
sind. Insbesondere erstrecken sich die Magneten 82 des zweiten
Ausfüh rungsbeispiels
zu einer größeren radialen
Höhe in
einem ringförmigen
Raum, der zwischen der Schulter 84 und einer Innenseite 86 des Gehäuseteils 58 definiert
ist. Ein Stator 88 wird in dem Turboladergehäuse 12 in
entgegengesetzter axialer Versetzungsbeziehung zu den Motormagneten 82 getragen.
Eine Haltehülse 85 sichert
die Magneten 82 an dem Kompressorrad 16 gegen
die zentrifugalen und axialen Kräfte
in der zuvor beschriebenen Weise. Die restlichen Komponenten des
in 3 gezeigten Turboladers
sind die Gleichen wie jene, die in 1 gezeigt
wurden, und führen
die gleichen Funktionen aus, wie zuvor beschrieben.
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Die
Montage der Magneten bei denen die Wicklungen axial von den Motormagneten 36 versetzt
sind, wie in 3 gezeigt,
gestattet die Anwendung von größeren Magneten
mit einer vergrößerten Abmessung
in radialer Richtung entlang der Rückseite des Kompressorrades.
Magneten mit größerer Größe entsprechen
größeren Drehmomenten,
die somit auf das Kompressorrad 16 ausgeübt werden können, wenn
man einen Vergleich mit dem in 1 gezeigte
Ausführungsbeispiel
zieht. Jedoch trägt
das in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel,
welches einen axial versetzten Stator verwendet, zusätzlich zum
axialen Raum bzw. Raumbedarf im Inneren des Turboladergehäuses 12 bei
und verlängert
den Überhang
des Kompressorrades 12 von dem Kompressor und den Lagern.
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Wiederum
mit Bezug auf 3 ist
der Stator 88 benachbart zu den Magneten 82 mit
einem kleinen Luftspalt 90 dazwischen positioniert. Die
Wicklungen des Stators 88 weisen sechs laminierte Kerne 92 auf,
um die der Kupferdraht 94 in einer oder mehreren Lagen
gewickelt ist. Die Verbindungen mit jedem Draht 94 werden
zu einer einzigen Stelle geführt und
treten aus dem mittleren Gehäuse 12 durch
einen abgedichteten Anschluss 96 aus und sind zur Verbindung
mit einer geeigneten elektronischen Steuerung und einer Leistungsversorgung
bereit. Die Magneten 82, die an der Rückseite des Kompressorrades 16 angebracht
sind, können
beispielsweise gemäß des Ausführungsbeispiels
angeordnet sein, welches vier Magneten hat, wie in 4 gezeigt; jedoch kann eine größere oder
eine geringere Anzahl von Motormagneten 82 und eine größere oder
geringere Anzahl von Statorpolen bei diesem Turboladersystem verwendet
werden. Gemäß des in 4 gezeigten Ausführungsbeispiels
sind die vier Magneten 82 in abwechselnder Nord-Süd-Polarität um die
Mitte des Stators herum angeordnet und sind elektrisch voneinander
isoliert.
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5 zeigt eine Ansicht der
Eisenkerne 92, die auf einer Stirnseitenplatte 98 vorgesehen
sind, die an dem mittleren Gehäuse 12 des
Turboladers angebracht ist. Einer oder mehrere Hall-Effekt-Sensoren 100,
die an der Anordnung befestigt sind und zwar vorzugsweise an einer
mittleren Stelle auf einem oder mehreren Eisenkernen 92,
werden verwendet, um die Position der Magneten 82 auf dem sich
drehenden Glied zu detektieren und ein Signal an die (nicht gezeigte)
elektronische Steuervorrichtung zu senden, um anzuzeigen, wann jedes
der getrennten Wicklungsfelder zu erregen ist.
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Wie
zuvor beschriebenen bleiben die Motormagneten des Turboladers der
vorliegenden Erfindung relativ kühl,
und zwar deswegen, weil sie an dem sich drehenden Kompressorrades
des Turboladers angebracht sind und davon isoliert werden können. Das
Kompressorrad nimmt Luft mit Umgebungstemperatur auf, und zwar aufgrund
dessen, dass der Kompressionsprozess ziemlich weit außerhalb
der Lage der Magneten auf der Rückseite
des Kompressorrad auftritt. Jedoch können die Wicklungen gekühlt werden,
in dem man einen Wassermantel vorsieht, der in dem mittleren Gehäuse des
Turboladers integriert ist, wie in 6 gezeigt.
Insbesondere tritt das Kühlwasser
von dem Motorkühlsystem
in den Wassermantel 102 beim Einlass 104 ein,
zirkuliert durch den Wassermantel 102 und tritt am Auslass 106 aus.
Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass der Kühlmantel
sich zu speziellen Wärmesenkungszonen
innerhalb des Turboladergehäuses und
durch diese hindurch erstreckt, und dass die Kühlströmungsmittelzirkulation unabhängig von
dem Kühlsystem
des Verbrennungsmotors sein kann, an dem der Turbolader der vorliegenden
Erfindung angebracht ist.
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7 veranschaulicht ein weiteres
Ausführungsbeispiel 110,
in dem die Motor- und Kompressorelemente zu einer integrierten Struktur
kombiniert sind, die einen kompakten motorgetriebenen Kompressor
vorsieht. In gleicher Weise wie in 1 wird jeder
von einer Vielzahl von Magneten 112 in Umfangsrichtung
um die Rückseite
eines Kompressorrades 114 angeordnet und wird daran durch
einen radial äußeren Stahl-Außenring 116 und
eine radial innere Schulter 118 gehalten, die in der Rückseite
des Kompressorrades 114 in der zuvor beschriebenen Weise
ausgeformt ist. Die Statorwicklungen 120 sind radial außerhalb
der Kompressormagneten 112 positioniert. Die sich drehende
Anordnung besteht aus einer kurzen axialen Welle 122, die
an entgegengesetzten Enden davon durch ein Paar von mit fettgeschmierten
Wälzlagern 124, 126 getragen
werden. Dadurch, dass man die Magnete an dem Kompressorrad 114 anbringt
und sie damit antreibt, sind die daraus resultierenden gesamten
Abmessungen eines solchen Kompressors kleiner als die Kompressoranordnungen,
wo die Motorelemente in Längsrichtung
auf einer Welle montiert sind und zwischen den sie tragenden Kugellagern
gelegen sind.