Stand der Technik Im Stand der Technik sind Konzepte für Turboverdichter be- kannt, die die zugeführte Frischluft für den Kolben- Verbrennungsmotor mittels eines Elektromotors verdichten. Al- lerdings sind die bisherigen Lösungsansätze nur mit erhebli- chen Einschrankungen für den Serieneinsatz in Kraftfahrzeugen realisierbar. Die Drehzahl eines derartigen Elektromotors muß relativ hoch sein (etwa 120.000-200.000 Umdrehungen pro Mi- nute), um die erforderlichen Ladedrücke fur die Kolben- Verbrennungsmotoren bereitzustellen. Diese hohen Drehzahlen bei geringen bewegten Massen, um eine hohe Dynamik bei Dreh- zahlanderungen sicherzustellen, sowie eine ausreichende Leis- tung (mehrere Kilowatt für PKW-Verbrennungsmotoren) sollen mittels eines kompakt bauenden Elektromotors bereitgestellt werden. Außerdem sind die Betriebsbedingungen ur den Elekt- romotor aufgrund der hohen Temperaturbelastungen des Turbo- verdichters, der Vibration des Verbrennungsmotors, an den der Turboverdichter angeschlossen ist, etc. relativ ungünstig.

Schließlich ist auch die Dauerstandfestigkeit des Elektromo- tors und dessen kostengünstige Herstellung ebenfalls ein we- sentliches Kriterium bei der Gestaltung des Turboverdichters und des darin zum Einsatz kommenden Elektromotors.

Die DE 199 38 624 Al offenbart einen Abgasturbolader mit ei- ner Abgasturbine, die über eine Turbinenwelle triebmäßig mit einem Kreiselverdichter verbunden ist. Die Turbinenwelle ist über eine in Antriebsrichtung sperrende Uberholkupplung mit

einer Verdichterwelle koppelbar. Auf der Turbinenwelle ist ein Reluktanzmotor angeordnet, dessen Rotor triebmäßig mit dem Kreiselverdichter verbunden ist.

Der Erfindung zuqrundeliegendes Problem Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Turboverdich- ter fur einen Kolben-Verbrennungsmotor bereitzustellen, der die oben genannten Eigenschaften aufweist um fur den Groß- Serieneinsatz im Kraftfahrzeug-Bereich einsetzbar zu sein.

ErfindunqsqemaSe Lösung Zur Lösung dieses Problems lehrt die Erfindung einen Turbo- verdichter fur einen Kolben-Verbrennungsmotor, wobei der Tur- boverdichter einen Frischlufteinlaß und einen Frischluftaus- lag aufweist, der Turboverdichter mit dem Verbrennungsmotor über den FrischluftauslaS zu verbinden ist, der Turboverdich- ter eine mit einer elektrischen Maschine gekoppelte Ubertra- gungswelle fur wenigstens ein Verdichterrad aufweist, um durch die elektrische Maschine das Verdichterrad in Rotation zu versetzen, wodurch am FrischluftauslaS verdichtete Frisch- luft bereitgestellt wird, und wobei die elektrische Maschine eine Reluktanzmaschine ist.

Die Reluktanzmaschine des Turboverdichters weist eine den Laufer umgebende Ständeranordnung aus im wesentlichen C- förmigen Jochen auf, wobei jedes Joch zwei freie Schenkel aufweist, die jeweils soweit in Richtung des Läufers ragen, daß sie an den Stirnflächen eines Läufers angeordnete Zähne zumindest teilweise überdecken, wenn die Zahne des Läufers mit den Schenkeln der Joche fluchten.

Ein derartiger Turboverdichter erfüllt die oben genannten An- forderungen und kann dabei mit einer sehr geringen Massen- tragheit des Antriebsmotors fur das Verdichterrad ausgestat- tet werden, so daß zum Beispiel eine Drehzahlanderung von et- wa 5000 upm auf etwa 100.000 upm in 200 ms erfolgen kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboverdichters weist die Reluktanzmaschine einen im wesentlichen kreiszylindrischen Laufer auf, der koaxial zu seiner Rotationsachse angeordnete, voneinander beabstandete Zahne aus gestapeltem Eisenblech hat. Dies erlaubt eine besonders einfache Art der Massenfertigung mit sehr guten elektrischen/magnetischen Eigenschaften.

Bei einer Variante hiervon ist der im wesentlichen kreiszylindrische Laufer durch ein spiralförmig aufgewickeltes Eisenblech gebildet, wobei koaxial zur Rotationsachse des Läufers in die Mantelfläche des Laufers Nuten eingearbeitet sind, zwischen denen die Zahne gebildet sind.

Alternativ dazu kann der im wesentlichen kreiszylindrische Laufer durch einen nicht-metallischen Tragkörper gebildet sein, in dem koaxial zur Rotationsachse des Läufers entlang des Umfangs verteilte Ausnehmungen vorgesehen sind, in die Zähne aus gestapeltem Eisenblech eingebracht sind.

Um eine möglichst steile Modulationskennlinie des magneti- schen Feldes des Reluktanz-Elektromotors zu erreichen, sind einer Ausführungsform die Zahne in ihrer Langsrichtung durch quergerichtete Ausnehmungen in ihrer Langserstreckung unter- brochen.

Des weiteren weist erfindungsgemäß der Laufer eine Stander- spulenanordnung auf, die den Laufer zumindest teilweise um- gibt.

Erfindungsgemäß ist der Laufer mit der Übertragungswelle fur das wenigstens eine Verdichterrad drehfest verbunden.

Die so gestaltete Anordnung des Turboverdichters verwendet eine Innenlaufermaschine als Antrieb. Es ist jedoch auch mog- lich, mit dem erfindungsgemäßen Konzept fur den Turboverdich- ter eine Außenläufermaschine zu realisieren.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gedan- kens wird ein Turbolader fur einen Kolben-Verbrennungsmotor bereitgestellt, wobei der Turbolader einen Frischlufteinlaß und einen FrischluftauslaS aufweist, der Turbolader mit dem Verbrennungsmotor über den Frischluftauslaß zu verbinden ist, der Turbolader eine mit einer elektrischen Maschine gekoppel- te Ubertragungswelle fur wenigstens ein Verdichterrad auf- weist, um durch die elektrische Maschine das Verdichterrad in Rotation zu versetzen, wodurch am Frischluftauslaß verdichte- te Frischluft fur den Verbrennungsmotor bereitgestellt wird, und die elektrische Maschine eine Reluktanzmaschine ist, wo- bei der Turbolader zusatzlich einen Abgaseinlaß und einen Ab- gasauslaß aufweist, der Turbolader mit dem Verbrennungsmotor über den Abgaseinlaß zu verbinden ist, auf der mit der elekt- rischen Maschine gekoppelten Übertragungswelle wenigstens ein Turbinenrad angeordnet ist, das durch einen Abgasstrom aus dem Verbrennungsmotor in Rotation versetzt wird. Die Reluk- tanzmaschine weist eine Sta- toranordnung aus im wesentlichen C-formigen Jochen auf, die jeweils soweit radial nach innen ragen, daß sie an den Stirn- flachen des Läufers angeordnete Zahne zumindest teilweise u- berdecken, wenn die Zähne des Laufers mit den Schenkeln der Joche fluchten.

Dies ermöglicht zusätzlich zu dem Reluktanz-Elektromotor- getriebenen Betreiben ein Verbrennungsmotor-getriebenes Betreiben des erfindungsgemäßen Turboladers mit dem Abgas des Verbrennungsmotors.

Erfindungsgemäß ist dazu eine Ansteuerschaltung fur die e- lektrische Maschine vorgesehen, die diese so ansteuert, daß bei einer niedrigen Drehzahl des Verbrennungsmotors der Tur- boverdichter elektro-motorenunterstutzt verdichtete Frisch- luft fur den Verbrennungsmotor bereitstellt.

Des weiteren steuert die Ansteuerschaltung fur die elektri- sche Maschine diese so an, daß bei einer hohen Drehzahl des Verbrennungsmotors die elektrische Maschine als Generator ar- beitet und elektrische Leistung bereitstellt.

Obwohl der erfindungsgemäße Turboverdichter wie er vorstehend beschrieben ist, mit dem Reluktanz-Elektromotor besonders hervorragende Eigenschaften und Vorteile hat, ist die Erfin- dung nicht nur auf den Turboverdichter beschrankt. Sie be- trifft in gleicher Weise auch den Reluktanz-Elektromotor an sich, wie er vorstehend beschrieben ist.

Weitere Eigenschaften, Merkmale, Vorteile und Abwandlungen werden anhand der nachstehenden Beschreibung der Zeichnung deutlich, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung darge- stellt sind.

Kurzbeschreibung der Zeichnung Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboverdichters mit einem Reluktanzmotor in einer schemati- schen Darstellung, bei der der Turboverdichter an einen Ver- brennungsmotor angeschlossen ist.

Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Stirnseite eines Laufers eines Reluktanzmotors, wie er in der Fig. 1 ge- zeigt ist.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsge- massen Turboladers mit einem Reluktanzmotor in einer schema- tischen Darstellung, bei der der Turbolader an einen Verbren- nungsmotor angeschlossen ist.

Beschreibung einer bevorzugten Ausfuhrunqsform In der einzigen Fig. ist eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, wobei an einem (lediglich schematisch veranschau- lichten) Kolben-Verbrennungsmotors 10 ein erfindungsgemäßer Turboverdichter 20 vorgesehen ist. Dabei ist die Darstellung

des Turboverdichters 20 im Verhältnis zu dem Kolben- Verbrennungsmotor 10 nicht maßstäblich.

Der Turboverdichter 20 hat eine Verdichterkammer 22 mit einem Frischlufteinlaß 24 und einem Frischluftauslaß 26 zur Bereit- stellung von verdichteter Luft fur den Verbrennungsmotor 10.

Dazu ist der Lufteinlaß des Verbrennungsmotors 10 mit dem Turboverdichter 20 durch dessen FrischluftauslaS 26 verbun- den. Der Turboverdichter 20 hat in der Verdichterkammer 22 ein Verdichterrad 34, das auf einer Ubertragungswelle 32 drehfest angeordnet ist. Diese Übertragungswelle 32 ragt aus der Verdichterkammer 22 seitlich heraus und ist mit einer e- lektrischen Maschine 30 gekoppelt, um durch die elektrische Maschine 30 das Verdichterrad 34 in Rotation zu versetzen, wodurch am Frischluftauslaß 26 verdichtete Frischluft bereit- gestellt wird. Die elektrische Maschine 30 des Turboverdich- ters 20 ist eine Reluktanzmaschine, deren Aufbau nachstehend im Detail erläutert wird.

Die Reluktanzmaschine 30 hat einen im wesentlichen kreiszylindrischen Laufer 40, der koaxial zu seiner Rotationsachse (der Übertragungswelle 32) angeordnete, voneinander beabstandete Zähne 42 aus gestapeltem Eisenblech hat.

Dazu ist der Laufer 40 durch einen nicht-metallischen Trag- körper 48 gebildet, in dem koaxial zur Rotationsachse 32 des Laufers 40 entlang des Umfangs verteilte Ausnehmungen 44 vor- gesehen sind, in die jeweils ein Zahn 42 aus gestapeltem Eisenblech eingebracht ist. In Fig. 2 sind der Übersicht halber nur in einigen der Ausnehmungen 44 die Zahne 42 aus gestapeltem Eisenblech dargestellt. Jeder der Zähne 42 ist so dimensioniert, daß er weder in axialer Richtung noch in radialer Richtung den kreiszylindrischen Tragkörper 48 uberragt. Aus Stabilitätsgründen kann der Laufer durch eine nicht-magnetische Bandage (Edelstahl, kunststoffverstärkte Kohle-oder Glasfasern) umgeben sein, die sicherstellt, daß bei den hohen Drehzahlen des Laufers die Zahne 42 nicht aus

hohen Drehzahlen des Läufers die Zahne 42 nicht aus den Aus- nehmungen 44 geschleudert werden.

Die Zähne 42 können in ihrer Längsrichtung durch quergerich- tete (nicht weiter dargestellte) Ausnehmungen in ihrer Langs- erstreckung unterbrochen sein. Damit läßt sich die fur den Betrieb des Reluktanzmotors 30 wesentliche Luftspaltstrecke einstellen, ohne daß die axiale Baulänge des Reluktanzmotors 30 zunimmt.

Des weiteren hat die Reluktanzmaschine 30 eine Statoranord- nung aus im wesentlichen C-förmigen Jochen 50 aus gestapeltem Eisenblech. Jedes Joch 50 ist so dimensioniert, daß es den Laufer 40 in axialer Richtung unter Bildung eines Luftspaltes L an den beiden Stirnflachen 46,48 des Laufers 40 überragt.

Dabei hat jedes Joch 50 zwei freie Schenkel 52,54, die so- weit radial nach innen ragen, und die Anzahl der Joche 50 und deren Verteilung um den Laufer 40 ist so gewählt, daß sie die Zahne 42 an den Stirnflächen 46,48 des Läufers 40 zumindest teilweise überdecken, wenn die Zahne 42 des Laufers 40 mit den Schenkeln 52,54 der Joche 50 fluchten.

Zwischen den Jochen 50 und dem Laufer 40 ist eine kreiszy- lindrische Statorspulenanordnung 60 angeordnet, durch die der Laufer 40 im Bereich seiner Mantelflache umgeben ist.

In einer weiteren, in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform hat der Turboverdichter zusatzlich zu den in Fig. 1 gezeigten Komponenten eine Abgaskammer 120 mit einen Abgaseinlaß 122 und einem Abgasauslaß 124, so daß ein Turbolader 121 gebildet ist. Die Abgaskammer 120 ist mit dem Verbrennungsmotor 10 u- ber den Abgaseinlaß 122 verbunden. In die Abgaskammer 120 ragt die mit der elektrischen Maschine 30 gekoppelte Ubertra- gungswelle 32, auf der in der Abgaskammer 120 ein Turbinenrad 130 drehfest angeordnet ist, das durch einen Abgastrom aus dem Verbrennungsmotor 10 in Rotation versetzt wird. Damit

kann zusatzlich zu dem elektrischen Antrieb des Verdichterra- des 34 auch eine abgasbetriebene Unterstützung erfolgen.

Um das Zusammenspiel des Turboverdichters 20,121 mit dem Verbrennungsmotor 10 im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 ko- ordiniert zu bewerkstelligen, dient eine Ansteuerschaltung ECU fur die elektrische Maschine 30. Diese Ansteuerschaltung ECU steuert in Abhangigkeit von einem Drehzahlsignal S von der Abtriebswelle 12 des Verbrennungsmotors 10 die elektri- sche Maschine 30 so an, daß insbesondere bei einer niedrigen Drehzahl des Verbrennungsmotors 10 der Turboverdichter 20, 121 elektromotorenunterstutzt verdichtete Frischluft fur den Verbrennungsmotor 10 bereitstellt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 kann die Ansteuerschaltung ECU auch so gestaltet sein, daß neben der abgasunterstutzten Rotation des Verdich- terrades 34 bei einer hohen Drehzahl des Verbrennungsmotors 10 die elektrische Maschine 30 als Generator arbeitet und e- lektrische Leistung bereitstellt.