Elektrische Medienspaltmaschine, Verdichter und/oder Turbine

Die Erfindung betrifft eine elektrische Medienspaltmaschine für einen Verdichter und/oder eine Turbine, insbesondere für einen Abgasturbolader einer

Brennkraftmaschine, mit einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Welle, an welcher ein Rotor drehfest angeordnet ist, mit einem gehäusefesten Stator, der zumindest eine mehrphasige Antriebswicklung zur Erzeugung eines

Antriebsmagnetfelds sowie mehrere radial nach innen vorstehende Statorzähne aufweist, wobei die Antriebswicklung als um die Statorzähne gewickelte

Flachleiterspule ausgebildet ist, die an dem Stator axial beidseitig überstehende Wickelköpfe aufweist.

Weiterhin betrifft die Erfindung einen Verdichter und/oder eine Turbine, insbesondere einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, 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 Medienspaltmaschine, die einen auf der Welle drehfest angeordneten Rotor und einen gehäusefesten Stator aufweist, wobei der Stator eine Antriebswicklung zum Erzeugen eines Antriebsmagnetfelds aufweist.

Stand der Technik

Elektrische Medienspaltmaschinen und Verdichter oder Turbinen

beziehungsweise Abgasturbolader der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Verdicher, insbesondere Turbolader oder Abgasturbolader, werden insbesondere im Kraftfahrzeugbau dazu genutzt, die Luftfüllung in Zylindern der 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 Laderdruck zugeführt werden kann. Ein derartiger Turbolader ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2014 210 451 A1 vorgeschlagen worden. 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 Ladedruckaufbau maßgeblich beschleunigt werden. Die elektrische Maschine ist dabei üblicherweise auf einer von einem die Welle drehbar in dem Gehäuse lagernden Lager abgewandten Seite des Laufrads, also Verdichterrad oder Turbinenrad, angeordnet.

Die Realisierung der elektromotorischen Unterstützung durch eine

Medienspaltmaschine 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

Medienspaltmaschine gebildeten Medienspalt geführt wird. Dabei ist die

Medienspaltmaschine in den Strömungsverlauf bauraumsparend integrierbar. Außerdem ergibt sich der Vorteil, dass Rotor und Stator der

Medienspaltmaschine durch Luftstrom im Betrieb gekühlt werden. Üblicherweise verfügt der Stator über ein kreisringförmiges Statorjoch sowie über 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 Bestromung der Phasen der

Antriebswicklung mittels einer dafür vorgesehenen Leistungselektronik ein auf den auf der Welle ebenfalls drehfest angeordneten Rotor wirkendes und drehendes Antriebsmagnetfeld erzeugt wird, durch welches der Rotor beziehungsweise die Welle mit einem vorgebbaren Drehmoment angetrieben werden. Der Rotor weist hierbei üblicherweise einen oder mehrere

Permanentmagnete auf, die mit dem drehenden Magnetfeld zusammenwirken. Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Medienspaltmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass der Stator besonders kompakt in dem Gehäuse anordenbar ist, und insbesondere axial besonders nahe an das Laufrad des Verdichters oder der Turbine heranführbar ist. Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass die Antriebswicklung an zumindest einem der Wickelköpfe eine stirnsteige Vertiefung zur zumindest bereichsweisen Aufnahme eines Gehäuseabschnitts des Gehäuses aufweist. Dadurch ist auch der Rotor der

Medienspaltmaschine besonders nahe zu dem Laufrad in dem Gehäuse anordenbar, was den Vorteil hat, dass der Rotor axial näher zu einem die Welle lagernden Lager, insbesondere Gleitlager oder Wälzkörperlager, rückt.

Üblicherweise ist die Welle eines Abgasturboladers zwischen dem Verdichterrad und dem Turbinenrad in dem Gehäuse drehbar durch mehrere (Wellen-) Lager gelagert. Je weiter beabstandet zum nächsten Lager der Rotor auf der Welle angeordnet ist, desto höher sind die Amplituden radialer Biegeschwingungen und Biegemomente, die auf Grund von unvermeidbaren Unwuchten an dem Rotor im laufenden Betrieb auftreten und den Abgasturbolader und die

Medienspaltmaschine belasten. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der

Medienspaltmaschine wird somit erreicht, dass der Abstand zu dem Laufrad, also insbesondere Verdichterrad, und damit zu dem Lager verringert

beziehungsweise verringerbar und dadurch das Laufverhalten der Welle und insbesondere des Rotors verbessert ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Gehäuse eine Strömungsvolute zur Gasführung auf, und die Vertiefung insbesondere in dem dem Verdichterrad zugewandten Wickelkopf ist zur zumindest

bereichsweisen Aufnahme der Strömungsvolute ausgebildet. Für die optimale Medienführung des Frischluftstroms oder Abgasstroms durch Verdichter oder

Turbine weist das Gehäuse wie üblich eine Strömungsvolute als

Gehäuseabschnitt auf. Diese ragt üblicherweise bereichsweise in das Gehäuse beziehungsweise in den Innenraum des Gehäuses hinein, um eine vorteilhafte bauraumsparende Ausbildung zu gewährleisten. Dadurch, dass die

Antriebswicklung zur bereichsweisen Aufnahme der Strömungsvolute ausgebildet ist, ist die Antriebswicklung besonders nah zu der Strömungsvolute anordenbar und der Stator kann axial gesehen näher an dem Bereich der Strömungsvolute angeordnet werden, sodass er abschnittsweise radial innerhalb der Strömungsvolute liegt. Dadurch wird der zur Verfügung stehende Bauraum optimal ausgenutzt und die oben genannten Vorteile werden erreicht.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass sich die Vertiefung entlang des gesamten Umfangs des Wickelkopfs erstreckt. Dadurch ist die Antriebswicklung und damit der Stator insgesamt besonders weit axial in Richtung der

Strömungsvolute und damit in Richtung des bevorzugten Wälzkörperlagers verschiebbar. Die Vertiefung erstreckt sich über den gesamten Umfang des Wickelkopfs entweder durchgehend unverändert oder weist eine Veränderung in ihrer Form und/oder Gestalt auf, insbesondere dann, wenn sich auch die Strömungsvolute an ihrem Umfang in ihrer Form verändert, sodass eine optimale Bauraumausnutzung und Verschiebung des Stators in Richtung der

Strömungsvolute oder des Lagers gewährleistet beziehungsweise ermöglicht ist.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der jeweilige Wickelkopf von einem Innenumfang bis zu einem Außenumfang eine radiale Höhe aufweist und dass die Vertiefung sich radial nur über einen Bereich erstreckt, der kleiner als diese Höhe ist. Damit erstreckt sich die Vertiefung nicht über die gesamte Stirnseite, sondern nur bereichsweise in radialer Höhe, sodass beispielsweise durch die Vertiefung eine Umfangskante ausgespart ist. In jedem Fall bleibt ein Abschnitt des Wickelkopfs bestehen, der sich axial maximal weit in Richtung der Strömungsvolute erstreckt und dadurch das besonders nahe Anordnen des Rotors zum nächstgelegenen Wellenlager gewährleistet.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass sich die Vertiefung bis zum

Außenumfang erstreckt. Damit ist die Antriebswicklung am Außenumfang axial kürzer als am Innenumfang. Die Außenumfangskante am Wickelkopf wird durch die Vertiefung ausgespart, wodurch die Antriebswicklung mit dem verbleibenden vorstehenden Wickelkopf weit axial in die Strömungsvolute einschiebbar ist und bevorzugt eingeschoben ist. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass sich die Vertiefung in Richtung des Außenumfangs vergrößert. Dadurch ist eine optimale Anpassung an die üblicherweise im Querschnitt kreis- oder ovalförmig geformte Strömungsvolute gewährleistet.

Die Flachleiterspule weist bevorzugt einen rechteckigen Leiterquerschnitt auf. Dadurch ergibt sich ein maximaler Füllfaktor und ein geringer elektrischer Widerstand der Antriebswicklung und ein Stromverdrängungseffekt bei höheren Frequenzen ist gegenüber einem Draht mit rundem Leiterquerschnitt geringer, wodurch sich insgesamt eine sehr geringe Verlustleistung der

Medienspaltmaschine ergibt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die

Medienspaltmaschine eine den Rotor umfangsseitig vollständig und axial zumindest abschnittsweise umgebende Innenhülse und eine koaxial zu der Innenhülse angeordnete Außenhülse auf, wobei die Antriebswicklung radial außerhalb der Außenhülse angeordnet ist und wobei zwischen Innenhülse und Außenhülse der Strömungsweg für das Medium durch die Medienspaltmaschine hindurch gebildet ist. Die Medienspaltmaschine weist somit eine Einrichtung auf, welche den Strömungsweg für das Medium definiert. Dabei wird der

Strömungsweg zwischen Innenhülse und Außenhülse begrenzt. Die Außenhülse, die einen größeren Durchmesser aufweist als die Innenhülse, ist insbesondere dazu ausgebildet, die Antriebswicklung und gegebenenfalls die Statorzähne zu tragen, sodass eine besonders kompakte Ausführungsform ermöglicht ist.

Insbesondere sind die Antriebswicklung und gegebenenfalls die Statorzähne verliersicher und insbesondere nur durch Zerstörung der Außenhülse

demontierbar an der Außenhülse befestigt, sodass ein kompaktes Gebilde geboten ist. Dazu weist die Außenhülse beispielsweise Halterungen,

insbesondere mit Rasteinrichtungen auf, die ein einfaches Montieren und Befestigen der Antriebswicklung und gegebenenfalls der Statorzähne an der Außenhülse gewährleistet.

Besonders bevorzugt erstrecken sich die Statorzähne oder Flussleitelemente der Statorzähne durch den Strömungsweg hindurch bis zur Innenhülse oder durchdringen die Innenhülse sogar. Damit durchdringen die Statorzähne den Strömungsweg für das Medium vollständig und der Strömungsweg führt direkt durch den Stator im Bereich der Statorzähne und nicht, wie bei bisher bekannten Medienmaschinen üblich, radial zwischen den Statorzahnspitzen und dem Rotor. Hierdurch wird eine besonders kompakte Ausführungsform gewährleistet, die darüber hinaus den Vorteil hat, dass die Statorzähne und damit der Stator der

Medienspaltmaschine vorteilhaft durch das durch den Strömungsweg strömende Medium gekühlt wird/werden.

Der erfindungsgemäße Verdichter und/oder die erfindungsgemäße Turbine, insbesondere der Abgasturbolader, der sowohl Verdichter als auch Turbine aufweist, mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnen sich durch die erfindungsgemäße Medienspaltmaschine aus. Es ergeben sich hierdurch 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: Figur 1 einen Abgasturbolader mit einer integrierten Medienspaltmaschine in einer vereinfachten Schnittdarstellung, und

Figur 2 eine Querschnittsdarstellung durch die Medienspaltmaschine. Figur 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 Gleitlager sowohl zur Axial- als auch zur Radiallagerung vorhanden, wie in Figur 1 gezeigt. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass zumindest eines der Lager als Wälzkörperlager ausgebildet ist.

Alternativ ist gemäß einem weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass zumindest das Lager 8 als Magnetlager ausgebildet ist, und das Lager 9, das dann insbesondere 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

Medienspaltmaschine 10 aufweist. Diese ist vorliegend in den Verdichter 2 integriert, wobei ein Rotor 1 1 der Medienspaltmaschine 10 drehfest auf dem von dem Turbinenrad 7 abgewandten Ende der Welle 5 angeordnet ist. Ein mit dem Rotor 1 1 zusammenwirkender Stator 12 ist koaxial zu dem Rotor 1 1 gehäusefest in dem zu dem Verdichterrad 4 führenden Strömungskanal 13 des

Abgasturboladers 1 angeordnet.

Figur 2 zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung der Medienspaltmaschine 10 zum besseren Verständnis. Der Stator 12 weist ein ringförmiges,

insbesondere kreisringförmiges Statorjoch 14 auf, auf welchem mehrere gleichmäßig über den Umfang des Statorjochs 14 verteilt angeordnete

Statorzähne 15 radial nach innen vorstehen und in Richtung des Rotors 1 1 beziehungsweise der Drehachse der Welle 5 weisen. Die Statorzähne 15 enden radial beabstandet zu dem Rotor 1 1 , sodass zwischen den Statorzähnen 15 und dem Rotor 1 1 ein Luftspalt verbleibt. Vorliegend weisen die Statorzähne einen dem Statorjoch 14 zugeordneten Basisabschnitt 15' sowie ein den Basisabschnitt 15' verlängerndes Flussleitelement 15" auf, dessen freies Ende dem Rotor 1 1 zugeordnet ist. Der Stator 12 ist mit einer insbesondere mehrphasigen Antriebswicklung 16 versehen, die aus mehreren um die Statorzähne 15 gewickelten

Flachleiterspulen 17 gebildet ist. Die Flachleiterspulen 17 bilden an den

Stirnseiten des Stators 12 jeweils einen Wickelkopf 18 beziehungsweise 19 aus, der axial über die Statorzähne 15 und das Statorjoch 14 hinausragt. Der

Wickelkopf 19, der dem Verdichter 2 zugewandt ist, weist dabei an seiner freien Stirnseite 20 eine Vertiefung 21 auf, die dazu ausgebildet ist, einen

Gehäuseabschnitt des Gehäuses 6 des Abgasturboladers 1 aufzunehmen.

Vorliegend weist der Verdichter 2 dem Laufrad beziehungsweise Verdichterrad 4 zugeordnet eine Strömungsvolute 22 auf. Die Strömungsvolute 22 wird durch das Gehäuse 6 gebildet und ragt axial über das Verdichterrad 4 in Richtung der Medienspaltmaschine 10 hinaus, wie insbesondere in Figur 1 gezeigt. Die Vertiefung 21 des Wickelkopfs 19 ist derart ausgebildet, dass es die

Strömungsvolute 22 des Gehäuses 6 zumindest bereichsweise aufnimmt. Dazu ist die Vertiefung 22 gekrümmt ausgebildet, wie im Längsschnitt von Figur 1 gezeigt, wobei die Krümmung der Vertiefung 21 der Krümmung der

Strömungsvolute 22 angepasst ist. Damit ändert sich die Form der Vertiefung 21 über den Umfang des Wickelkopfs 19 hinweg. Die Vertiefung 21 erstreckt sich dabei über einen Bereich des Wickelkopfs 19, der kleiner ist als die Höhe H zwischen dem Außenumfang 23 und dem Innenumfang 24 der Antriebswicklung 16. Die Vertiefung 21 ist dabei dem Außenumfang 23 derart zugeordnet, dass sie eine Außenkante des Wickelkopfs 19 ausspart.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung und Anpassung des Wickelkopfs 19 an die Form der Strömungsvolute 22 wird erreicht, dass die Antriebswicklung 16 bauraumsparend und optimal in den Bereich zwischen Strömungsvolute 22 und Verdichterrad 4 axial eingepasst und insbesondere -einführbar ist, sodass der vorhandene Bauraum optimal ausgenutzt und der Abgasturbolader axial kürzer ausgeführt werden kann. Darüber hinaus ergibt sich der Vorteil, dass der Rotor 1 1 der Medienspaltmaschine 10 ebenfalls näher beim Verdichterrad 4

angeordnet wird. Dabei liegt der Rotor 1 1 näher zu dem Lager 8, mit dem Vorteil, dass auf den Rotor 1 1 wirkende oder durch den Rotor 1 1 entstehende

Schwingungs- bzw. Biegemomente aufgrund des verkleinerten Abstands zu dem Lager 5 reduziert werden, dadurch die Laufruhe des Abgasturboladers 1 verbessert und dessen Lebensdauer verlängert werden. Die Flachleiterspulen 17 werden insbesondere durch Gießen oder durch Hochkantwickeln gefertigt.

Während beim Gießen aus Gewichts- und Kostengründen vorzugsweise

Aluminium als Material der Flachleiterspule verwendet wird, bietet sich aus

Duktilitätsgründen für das Hochkantwickeln eher Kupfer als Ausgangsmaterial an.

Die Vertiefung 21 , welche die Gegenkontur zur Strömungsvolute 22 bildet, wird im Fall der gegossenen Flachleiterspule direkt während des Gießprozesses miterstellt. Im Fall der hochkant gewickelten Flachleiterspule ist ein

nachträglicher Bearbeitungsprozess, insbesondere ein spanender

Bearbeitungsprozess, wie beispielsweise Fräsen, oder ein Umformen

erforderlich. Jedoch ist durch die Verwendung eines bereits isolierten

Flachdrahts bei der hochkant gewickelten Lösung (Lackdraht) ein abschließender

Isolationsprozess gegenüber der Gussvariante deutlich vereinfacht und kostengünstiger. Durch die Verwendung eines rechteckförmigen

Leiterquerschnitts der Flachleiterspule 17 ergibt sich außerdem ein maximaler Füllfaktor und somit ein sehr geringer elektrischer Widerstand. Außerdem ist ein Stromverdrängungseffekt bei höheren Frequenzen gegenüber rundem

Wicklungsdraht deutlich geringer ausgeprägt, womit insgesamt eine sehr geringe Verlustleistung in der Spule entsteht.

Wie in Figur 2 gezeigt, sind die Flachleiterspulen 17 vorteilhafterweise zwischen dem Statorjoch 14 und einer Außenhülse 25 angeordnet, die einen durch die

Medienspaltmaschine 10 führenden Strömungsweg 26 für das Medium, insbesondere die Frischluft, radial außen begrenzt. Die Außenhülse 25 wird durch die Statorzähne 15, insbesondere durch deren Flussleitelemente 15" durchstoßen.

Koaxial zu der Außenhülse 25 ist eine Innenhülse 27 innerhalb der Außenhülse 25 angeordnet, die dem Rotor 1 1 zugeordnet ist, jedoch beabstandet zu diesem liegt. Die Statorzähne 15 erstrecken sich mit ihren Flussleitelementen 15" mindestens bis zur Innenhülse 27 oder durchdringen diese sogar, sodass sie sich durch den gesamten Zwischenraum zwischen Außenhülse 25 und Innenhülse 27 hindurch erstrecken. Die Innenhülse 27 begrenzt den

Strömungsweg 26 radial nach innen und ist bevorzugt an ihrer stromaufwärts des Rotors 1 1 liegenden Stirnseite durch eine Abdeckkappe geschlossen, sodass das Medium, das durch die Medienspaltmaschine 10 geführt wird, nur durch den Strömungsweg 26 zwischen Innenhülse 27 und Außenhülse 25 geführt wird. Weil der Strömungsweg 26 somit durch den Stator 12 hindurchführt und das Medium die Statorzähne 15, zumindest die Flussleitelemente 15", umströmt, werden der Stator 12 und der Rotor 1 1 vorteilhaft durch das Medium gekühlt. Optional weist die Außenhülse 25 eine entsprechende Anzahl der Statorzähne 15 und

Haltevorrichtungen zum Halten und Arretieren der Flachleiterspulen 17 auf, sodass diese an der Außenhülse 25 vormontierbar/vormontiert sind und eine Vormontageeinheit zusammen mit der Außenhülse 25 bilden. Optional ist die Innenhülse 27 außerdem mit der Außenhülse 25 verbunden, insbesondere einstückig mit dieser ausgebildet, um eine kompakte Einheit beziehungsweise Vormontagegruppe zu formen. Dabei sind beispielsweise zwischen der

Innenhülse 27 und der Außenhülse 25 Radialstege vorgesehen, durch welche die einstückige Ausbildung gewährleistet ist. Die Radialstege sind insbesondere dazu ausgebildet, jeweils eines der Flussleitelemente 15" aufzunehmen und dieses zu umgeben, sodass eine kompakte und einfache Anordnung und

Orientierung der Vormontageeinheit an dem Stator 12 erreicht ist.