Lindenmaier AG, SycoTec GmbH & Co . KG 077PCT 1291

Turbolader II

Die Erfindung bezieht sich auf Turbolader.

Verbrennungskraftmaschinen mit Turboladern sind prinzipiell bekannt. Typischerweise wird ein Abgasstrom aus einer Verbrennungskraftmaschine heraus genutzt, um ein Turbinenrad anzutreiben. Dieses Turbinenrad ist beispielsweise über eine Welle mit einem Verdichterrad gekoppelt, das eine Verdichtung von zugeführter Frischluft in dem Brennraum sicherstellt. Eine solche Vorverdichtung bzw. "Aufladung" führt zu einer erhöhten Motorleistung bzw. erhöhtem Drehmoment gegenüber herkömmlichen Verbrennungs- kraftmaschinen. Allerdings besteht bei derartig aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen das Problem des

so genannten "Turbolochs ¹¹ , das insbesondere beim Anfahren und Beschleunigen aus niedrigen Drehzahlen eines Fahrzeugs, also wenn die Verbrennungskraftmaschine rasch in Bereiche höherer Leistung beschleu- nigt werden soll, auftritt. Dies rührt daher, dass der erhöhte Luftmengenbedarf auf der Luftzuführseite nur mit einer Verzögerung bereitgestellt werden kann (unter anderem bedingt durch die Trägheit des Systems Turbinenrad-Verdichterrad) .

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Turbolader zur Verfügung zu stellen, der mit geringstmöglicher Verzögerung die genau richtige Menge Frischluft zuführt, und der darüber hinaus im Aufbau einfach und möglichst wenig störanfällig ist.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Die Erfindung betrifft einen Turbolader mit einer Verdichteranordnung zur Verdichtung von Frischluft für Verbrennungskraftmotoren, enthaltend ein Verdichterrad sowie ein Elektromotor mit Rotor und Stator, wobei ein Rotormagnet des Rotors so ausgebildet ist, dass er partiell oder auch komplett in das Verdichterrad integriert ist (also dass Rotormagnet bzw. Rotor einerseits und Verdichterrad andererseits miteinander verbunden sind) und der kleinste Innendurchmesser des Stators 1,5 bis 8 mal so ist wie der größte Außendurchmesser des Rotors. Die angegebenen Längen beziehen sich hierbei jeweils auf die größten Ausdehnungen bzw. kleinsten Ausdehnungen der beteiligten Elemente, allerdings lediglich im Bereich der elektrisch bzw. magnetisch wirksamen Elemente, d.h. beispielsweise nur über die Länge des Rotormagneten) .

Im Kontext der vorliegenden Anmeldung werden unter "Turboladern" sämtliche Mittel verstanden, die einer Verbrennungskraftmaschine vorkomprimierte Verbren- nungsluft zuführen können, wodurch eine größere

Luftmasse in den Brennraum gelangt, (eine klassische Verdichterrad-Turbinenrad-Kopplung ist also nicht zwingend erforderlich) .

Die Erfindung betrifft außerdem einen Turbolader, enthaltend mindestens ein Verdichterrad, wobei das Verdichterrad über mindestens einen Elektromotor antreibbar ist und der Elektromotor einen Rotor, einen Stator sowie einen Rotorspalt zwischen Rotor und Stator aufweist und der Rotorspalt so ausgestaltet ist, dass bei rotierendem Verdichterrad mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 90% des zu verdichtenden Luftmassenstroms durch den Rotorspalt geführt werden .

Die genannten Prozentzahlen geben jeweils Mindestbereiche an. Die Prozentzahlen gelten hierbei prinzipiell für den gesamten Drehzahlbereich des Turboladers bzw. eines daran angeschlossenen Verbrennungs- kraftmotors.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung soll der gesamte Luftstrom, der dem jeweiligen Verdichterrad zugeführt wird, durch diesen Rotorspalt ge- führt werden.

Die zahlenwertmäßige Abgrenzung hat unter anderem auch den Sinn, dass unerwünschte bzw. "zufällige" Leckströmungen, wie sie im Stand der Technik vorkom- men könnten, entsprechend ausgeschlossen werden. Eine "Rezirkulationsströmung" zwischen Rotor und Sta-

tor bei Gegenständen nach dem Stand der Technik, bei denen der Rotor auf der Außenseite des Verdichterrades, sehr nahe zu dem Stator, angebracht ist, soll allerdings nicht als "zu verdichtender Luftmassen- ström" gesehen werden, da eine solche "Rezirkulati- onsluft" das Verdichterrad streng genommen bereits passiert hat .

Vorteilhaft ist eine "integrale" Bauform, bei der ein großer Teil des zu verdichtenden Luftmassenstroms bzw. sogar der gesamte zu verdichtende Luftmassenstrom dem mindestens einen Verdichterrad durch den Rotorspalt zugeführt wird.

Im Gegensatz zur Anbringung von Rotoren auf den radialen Außenseiten des Verdichterrades ist es vorteilhaft, den Rotor bzw. seine magnetisch wirksamen Teile möglichst nah an der Drehachse des Verdichterrades anzuordnen. Dies ist zum einen bei schnell laufenden Turboladern aus mechanischer Sicht sehr günstig, da hier durch hohe bzw. sich schnell ändernde Fliehkräfte sonst unter Umständen mechanische Beschädigungen auftreten könnten. Auch vorteilhaft ist, dass die Drehträgheitsmomente auf diese Weise relativ niedrig gehalten werden können, da radial außen liegende Magnete üblicherweise ein hohes spezifisches Gewicht und somit ein sehr hohes Drehträgheitsmoment aufweisen. Dadurch kann das instationäre Verhalten des Verdichters erheblich verbessert wer- den. Hinzu kommt bei am Verdichterrad außen liegenden Magneten, dass diese auch thermisch stärker beansprucht werden, da an diesen Außenseiten starke Erwärmungen durch die Kompressionsarbeit entstehen können, die sich wiederum nachteilig auf die Lebens- dauer der Magnete des Rotors auswirken können.

Aus der Literatur sind Turbolader bekannt, die zur Stromerzeugung verwendet werden. Diese Turbloader sind als kleine Gasturbinen ausgebildet und verfügen ebenfalls über eine Turbine sowie einen starr gekoppelten Verdichter. Auf der Läuferwelle der Turbine ist ein konventioneller Generator zur Stromerzeugung angeflanscht. Da der Generator innerhalb des Ansaugtraktes angeordnet ist, stellt er eine hohen Strömungswiderstand dar, der den Wirkungsgrad senkt und gleichzeitig treten sehr hohe Beanspruchungen an den Lagerkomponenten auf .

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Turboladers sieht vor, diesen z.B. als Mikrotur- bine für die Kraft-Wärme- oder Kraft-Kälte-Kopplung zu verwenden. Dabei strömt die Verbrennungsluft zwischen Rotor und Stator des Elektromotors/Generators in den Verdichter und wird dort komprimiert und somit vorgewärmt auf ca. 200 ⁰ C. In einem Wärmetauscher wird die vorgewärmte, komprimierte Luft durch das heiße Abgas auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. In einer nachgeschalteten Brennkammer wird die komprimiert, warme Luft gemeinsam mit einem Brennstoff z.B. regenerativem Gas verbrannt. Die so entstandenen heißen Gase werden in der Turbine entspannt und treiben das Turbinenrad und somit den Verdichter sowie den Generator an. Die Wärmeenergie des Abgases wird teilweise in dem Wärmetauscher direkt wieder an die komprimierte Verbrennungsluft ab- gegeben. Darüber hinaus kann dieser erfindungsgemäße Turbolader mit einem zweiten Wärmetauscher gekoppelt werden um die gesamte Restwärme zur Warmwassererzeugung zu nutzen oder sie einem Heizkreis z.B. für die Gebäudetemperierung zuzuführen. Zum Starten des Pro- zesses kann der Generator als Elektromotor verwendet. Somit können mit dem erfindungsgemäßen Turbola-

der beispielsweise kostengünstige kleine Blockheizkraftwerke erzeugt werden, deren wesentlichen Komponenten aus Grosserienbauteile bestehen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Masse des Rotormagneten zwischen 5g und 1000g beträgt, vorzugsweise zwischen 10 und 100g für Automobilturbolader. Das Massenträgheitsmoment der magnetisch (aktiv) wirksamen Masse des Elektromotors be- züglich der Drehachse des Rotors beträgt hierbei zwischen 0,1 kgmm ² und lOkgmm ² , vorzugsweise zwischen 0,3 kgmm ² und 1,0 kgmm ² für Automobilanwendun- gen.

Dadurch, dass relativ große Luftspalte bei dem erfindungsgemäßen Rotorspalt möglich sind, sind also sowohl Massen als auch Massenträgheitsmomente der elektrisch bzw. magnetisch wirksamen Motorbestandteile klein, es bildet sich trotzdem ein sehr horao- genes Feld.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Verdichterrad auf einer Achse gelagert ist und Schaufeln enthält, wobei die Vorderkanten der Schaufeln (also der Abschnitt des Verdichterrades, auf den die Luft zuerst trifft) in Lufteinlassströ- mungsrichtung stromabwärts bezüglich eines magnetisch wirksamen Vorderabschnitts des Rotors und/oder eines magnetisch wirksamen Vorderabschnitts des Sta- tors liegen.

Dies heißt also, dass die aktiven Komponenten des Elektromotors (Rotor bzw. Stator) axial noch stärker zum Lufteinlass hin angeordnet sind und das eigent- liehe Verdichterrad stromabwärts angeordnet ist. Hierdurch wird es unter anderem auch möglich, die

gesamte dem Verdichterrad zuzuführende Einlassluft durch den Rotorspalt zu führen.

Es ist jedoch auch konstruktiv möglich den Rotor in das Verdichterrad oder gar auf der Turbinenrad zugewandten Seite des Verdichterrades zu applizieren um das Biegemoment auf der Verdichterwelle zu verringern, dennoch wird der zu verdichtenden Luftmassenstrom primär durch den Rotorspalt durchgeführt.

Ein Mischverbau mehrerer verschiedener Rotormagnete an unterschiedlichen Stellen des Verdichterrades (vor, innerhalb und/ oder hinter) ermöglicht eine Optimierung des notwendigen Bauraums bei gleichzei- tiger Optimierung des Motordrehmoments und Verringerung der Biegebeanspruchung der Läuferwelle. Dabei muss die Form des Rotors/Stators nicht zwangsläufig kreiszylindrisch sein, sondern kann an die Form des Verdichterrades angepasst werden.

Die Erfindung sieht außerdem ein Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Turboladers vor. Der Turbolader weist, wie oben gesagt, mindestens ein Verdichterrad zum Verdichten von Luft auf und das Verdichterrad ist mit einem Elektromotor antreibbar, wobei zwischen Rotor und Stator des Elektromotors ein Rotorspalt angeordnet ist und mindestens 50%, besonders vorzugsweise mindestens 90% des dem Verdichterrad zugeführten Luftmassenstroms in mindes- tens einem Betriebszustand des Turboladers durch den Rotorspalt geführt werden.

Dieses "Betriebsverfahren" ist bereits in den Vorrichtungsansprüchen angesprochen, dass dort Gesagte gilt für das hier beanspruchte Betriebsverfahren entsprechend. Wichtig ist, dass die oben genannten

anteiligen Luftmassenströme von mindestens 50% bzw. mindestens 90% bzw. sogar 100% dem üblichen Betrieb des Turboladers erreicht werden, beispielsweise in einem Betriebszustand, bei dem die Drehzahl des Ver- dichterrades zwischen 5000 und 300000 U/min, vorzugsweise zwischen 40000 und 200000 U/min beträgt oder auch die Drehzahl eines angeschlossenen Verbrennungsmotors zwischen 50 und 200000 U/min, vorzugsweise zwischen 100 und 15000 U/min bei Hub- kolbenmotoren beträgt.

Es sei nochmals betont, dass ein "Turbolader" im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht zwangsweise ein von einem Abgasstrom angetriebenes Turbinenrad beinhalten muss. Wichtig ist lediglich, dass mindestens ein (wie auch immer angetriebenes Verdichterrad) zur Zuführung von vorkomprimierter Verbrennungsluft zu einem Verbrennungsmotor im "Turbolader" enthalten ist.

Der erfindungsgemäße Turbolader enthält in einer Weiterbildung ein Turbinenrad sowie ein damit verbundenes Verdichterrad, wobei auf der dem Turbinenrad abgewandten Seite des Verdichterrades ein Elekt- romotor vorgesehen ist und ein mit dem Verdichterrad drehfest verbundener Rotor des Elektromotors frei auskragend ausgeführt ist.

Der Elektromotor dient dazu, bei einer (z.B. von ei- ner Steuerelektronik festgestellten) höheren Frisch- luftanforderung eine zusätzliche Beschleunigung des Verdichterrades durch den Elektromotor bereitzustellen. Hierzu sind Elektromotoren günstig, da diese ohne merkliche Anfahrverzögerung mit hohem Drehmo- ment beschleunigt werden können.

Außerdem ist vorteilhaft, dass der Elektromotor im vorliegenden Fall nicht zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad angeordnet ist. Eine solche Anordnung kann zu thermischen Problemen führen und stellt auch eine starke konstruktive Abwandlung von herkömmlichen (rein mechanischen) Turboladern dar. Neben dem erhöhten konstruktiven Aufwand ist der Reparaturaufwand bei solchen Aufbauten erheblich.

Vorteilhaft (aber auch im Rahmen der Erfindung nicht zwingend) ist, dass im vorliegenden Fall in axialer Richtung gesehen eine Abfolge "Turbinenrad, Welle (Lagerung) , Verdichterrad, Elektromotor" gegeben ist. Der Elektromotor ist dann im Wesentlichen nur der Umgebungstemperatur ausgesetzt, so dass es hier nicht zu einer thermischen Zersetzung der Statorwicklung etc. kommen kann.

Ein Vorteil liegt in dem frei auskragenden Ende jen- seits des Verdichterrades. Hier ist der Rotor des

Elektromotors angebracht. Es ist möglich, aber nicht unbedingt notwendig, hier eine weitere Lagerstelle anzubringen, um den Rotor somit beidseitig zu lagern. Eine solche Lagerstelle kann zum einen die e- lektrischen Eigenschaften des Elektromotors unter

Umständen stören und u.U. eine statische überbestimmung darstellen. Des Weiteren wird die Reibungsarbeit im System erhöht. Außerdem ist auch die Frisch- luftzuführung durch ein solches Lager u.U. behin- dert, da entsprechende Streben die Einlassluftöffnung zum Verdichterrad hin verkleinern. Eine solche Lagerstelle, d.h. eine axial beidseitige Lagerung des Verdichterrades, ist allerdings auch gut möglich.

Außerdem ist mit dem "auskragenden" Rotor der konstruktive Unterschied zu rein mechanischen Turboladern denkbar gering, so dass auf diese Weise sehr kostengünstig, modular und leicht reparierbar ein Elektromotor an herkömmliche Turbolader ergänzt werden kann .

Das erfindungsgemäße Antriebssystem enthält neben dem erfindungsgemäßen Turbolader einen Verbrennungs- kraftmotor. Unter "Verbrennungskraftmotor" soll im Kontext der vorliegenden Erfindung jeglicher Motor verstanden werden, der sowohl Frischluft/Frischgas als auch Abgas benötigt bzw. produziert, so dass ein entsprechender Turbolader hier Anwendung finden könnte. Darüber hinaus enthält das Antriebssystem auch einen Speicher für elektrische Energie. Hier ist vorzugsweise der Elektromotor des Turboladers mit dem Speicher für elektrische Energie verbunden zur Entnahme elektrischer Energie in einem Motorbe- trieb des Turboladers und zur Einspeisung elektrischer Energie in einem Generatorbetrieb des Turboladers .

In vielen Betriebszuständen eines Turboladers (z.B. Volllast, Schubbetrieb etc) wird bis zu 30% das Abgas ungenutzt abgeblasen. Mit der beschriebenen Ausführungsform des Turboladers kann die Energie dieses überschüssigen Abgases zusätzlich energetisch genutzt werden, indem der Elektromotor als Generator verwendet wird. Auf diese Weise kann zum einen überschüssige "thermisch/kinetische Energie" als elektrische Energie wieder gewonnen werden, hierdurch wird die Energiebilanz des Antriebssystems erheblich verbessert. Idealerweise kann der Turbolader sogar so ausgelegt sein, dass der im Kraftfahrzeug befind-

liehe Verbrennungsmotor keine zusätzliche Lichtmaschine mehr benötigt.

Besonders vorteilhaft bei diesem Antriebssystem ist auch, wenn der Elektromotor des Turboladers bzw. der mit ihm verbundene elektrische Speicher zusätzlich mit einem elektromotorischen Antrieb eines Kraftfahrzeuges verbindbar ist. Dieser elektromotorische Antrieb kann beispielsweise ein Nabenelektromotor (oder ein anderer im Antriebsstrang vorgesehener E- lektromotor) sein, der an einem Antriebsrad des Kraftfahrzeugs befestigt ist. In modernen, so genannten "Hybridfahrzeugen" wird auf diese Weise sowohl eine zusätzliche Bereitstellung von Drehmoment bzw. Motorleistung beim Beschleunigen erzielt, da neben dem Verbrennungskraftmotor auch die elektrischen Nabenmotoren für die Beschleunigung zuständig sind. Bei Bremsvorgängen kann durch das Umschalten der elektrischen Nabenmotoren in den Generatorbe- trieb eine Bremswirkung und somit eine Rückgewinnung von kinetischer in elektrische Energie erreicht werden, die in einem entsprechenden Speicher zwischengespeichert wird. Ist nun auch der Elektromotor des Turboladers mit eben diesem Speicher verbunden, kann somit zentral die gesamte elektrische Energie "verwaltet" werden, um diese jederzeit nutzbringend abrufbar zu machen.

Daneben ist es selbstverständlich aber auch möglich, dass das Turboladersystem und die elektrischen Nabenmotoren (bzw. andere Motore im Antriebssträng) voneinander unabhängige elektrische Speicher haben.

Der erfindungsgemäße Turbolader eignet sich darüber hinaus auch zum Einsatz in modulierbaren Stromerzeugungsanlagen, die mit Brennstoffen wie Erdgas, Flüs-

siggas, Heizöl aber auch regenerativen Gasen wie Bio-, Klär- und Deponiegas oder Festbrennstoffen wie Hackschnitzel, Holzstückgut, Stroh etc. betrieben werden können. Durch diese Art der Kraft-Wärme- Kopplung können kostengünstige Anlagen zur Energieerzeugung mit hohem Wirkungsgrad realisiert werden. Der erfindungsgemäße Turbolader kann also auch als Grundmodul einer Mikroturbine für die Kraft-Wärme- Kopplung verwendet werden.

Zur Steuerung der elektrischen Energie, des Lade- und Entladevorgangs bzw. zur Bereitstellung optimalen Drehmoments bei niedrigem Verbrauch ist in dem Antriebssystem vorzugsweise eine Steuerelektronik vorzusehen. Als Regelparameter dienen die Drehzahl von Turbinenrad oder Verdichterrad, Ist-Werte von turbinengehäuseseitigen und verdichtergehäuseseiti- gen Druckverhältnissen sowie weiteren für den Verbrennungskraftmotor drehmomentrelevanten Kenngrö- ßen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass Turbinenrad und Verdichterrad dauerhaft drehfest miteinander verbunden sind. Dies bedeutet, dass keine Kupplung zwischen Turbinenrad und Verdichterrad gegeben ist, wodurch der mechanische Aufbau und die Störanfälligkeit des Systems erhöht würden. Stattdessen wird angestrebt, durch einen leichten Rotor, ein leichtes Verdichterrad, eine leichte Welle und ein entsprechend massearmes Turbinenrad die bewegten

Drehmassen zu begrenzen.

Das Gehäuse des Turboladers ist vorzugsweise modular aufgebaut, d.h., dass neben einem Turbinengehäuse für das Turbinenrad ein Verdichtergehäuse für das Verdichterrad gegeben ist. Das Turbinengehäuse ist

vorzugsweise mit einem Abgaskrümmer verbunden, der von den einzelnen Zylindern des Verbrennungskraftmotors Abgas zum Turbinenrad hinführt . Aufgrund der thermischen Belastung des Turbinengehäuses sind die konstruktiven Anforderungen etwas anders als an das Verdichtergehäuse, das das Verdichterrad umgibt. Die eigentliche Lagerung von Turbinenrad und Verdichterrad findet vorzugsweise ausschließlich zwischen Turbinenrad und Verdichterrad statt. D.h., dass auf der dem Turbinenrad abgewandten Seite des Verdichterrades keine zusätzliche Lagerung gegeben ist, da hier ja der Rotor des Elektromotors frei auskragt. Vorzugsweise ist ein Lagergehäuse zwischen Turbinengehäuse und Verdichtergehäuse vorgesehen, das zur Auf- nähme von Lagerelementen für das Turbinenrad und das Verdichterrad dient.

Vorzugsweise enthält der Elektromotor einen Stator, der im Wesentlichen eine zylindrische Form aufweist und der den Rotor konzentrisch umgibt. Hierbei ist vorteilhaft, dass der Stator als Teil der Innenwand des Verdichtergehäuses ausgeführt werden kann. Der Stator kann beispielsweise auch als Einsatz in eine korrespondierende öffnung des Verdichtergehäuses einsetzbar sein. Vorteilhaft an diesen Ausführungsformen ist, dass nur eine geringstmögliche konstruktive änderung herkömmlicher mechanischer Turbolader nötig ist, so dass hierdurch insbesondere in der Großserie große Kosten- und Wettbewerbsvorteile rea- lisierbar sind.

Der Rotor des Elektromotors weist vorzugsweise einen Rotormagneten auf, der von einer Armierung umgeben ist. Hierdurch wird der Rotormagnet mechanisch ge- schützt. Es kann außerdem auf diese Weise auf die Art des Magnetfeldes Einfluss genommen werden. Der

Rotormagnet kann so ausgebildet sein, dass er partiell oder auch komplett in das Verdichterrad integriert ist. Besteht das Verdichterrad aus faserverstärktem oder unverstärktem Kunststoff, so kann der Rotormagnet bei der Produktion direkt mit der Kunststoffmasse umspritzt werden, wodurch eine kostengünstige Großserienfertigung ermöglicht wird.

Vorzugsweise ist die Armierung des Rotors "hohlzy- linderförmig" ausgeführt.

Fertigungstechnisch ist es vorteilhaft, dass der Rotormagnet innen bereichsweise hohl ist zum Aufstecken auf eine gemeinsame Welle mit dem Verdichter- rad. Auf diese Weise ist eine kostengünstige Fertigung möglich.

Das Verdichterrad besteht vorzugsweise aus einem nicht magnetisierbaren Werkstoff, der das Elektro- magnetfeld nicht negativ beeinträchtigt. Vorzugsweise kann das Verdichterrad auch aus einem nichtmetallischen Material, vorzugsweise einem verstärkten o- der unverstärkten Kunststoff sein.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Rotorspalt zwischen Rotor und Stator eine (und zwar die einzige beabsichtigte) Einlassluftöffnung für das Verdichterrad darstellt. Dies bedeutet wiederum, dass der Elektromotor den Luftzustrom kaum behindert und dass keine zusätzlichen Luftzuführöff- nungen vorgesehen werden müssen, welche den Strömungswiderstand unnötig erhöhen würden. Es ist daher sogar möglich, dass die Einlassluftöffnung frei von Streben zwischen Rotor und Stator ist . Aufgrund des Wegfalls des "Gegenlagers" ist hier eine solche Verstrebung nicht notwendig. Gleichwohl kann ein sol-

ches "Gegenlager", sowohl bei "klassischen" Turboladern mit Turbinen, als auch bei Turboladern, die lediglich als Verdichterstufe ausgelegt sind, zur Anwendung kommen (beispielsweise bei besonders hohen Drehzahlen, kritischen Eigenfrequenzen etc.).

Die Einlassöffnung kann, je nach Dimensionierung von Rotor bzw. Stator mit einer großen Querschnittsfläche versehen sein. Vorzugsweise ist der kleinste In- nendurchmesser des Stators 1,2- bis 10-mal, vorzugsweise 1,5- bis 8mal, besonders vorzugsweise 2- bis 4mal so groß ist wie der größte Außendurchmesser des Rotors. Die angegebenen Längen beziehen sich hierbei jeweils auf die größten Ausdehnungen bzw. kleinsten Ausdehnungen der beteiligten Elemente, allerdings lediglich im Bereich der elektrisch bzw. magnetisch wirksamen Elemente (also nur über die Länge des beispielsweise Rotormagneten, eine nachfolgende Verdickung (beispielsweise im Bereich des Verdichterra- des) ist hier nicht maßgeblich. Es ist ausreichend, wenn die Werte in einem einzigen Querschnitt (einer Querschnittfläche) erfüllt sind.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Verdichterrad eine Förderstruktur in Form von Schnecken, Schaufeln oder Flügeln enthält, wobei die Vorderkanten der Förderstruktur in Lufteinlass- strömungsrichtung stromabwärts oder stromaufwärts bezüglich einer magnetisch wirksamen Vorderkante des Rotormagneten oder einer magnetisch wirksamen Förderkante des Stators liegen. Mit "magnetisch wirksamen Vorderkanten" sind in diesem Zusammenhang die tatsächlichen elektrischen bzw. magnetischen Komponenten gemeint, allerdings ohne isolierende Umfas- sungen etc. Hiermit sind Freiheiten gegeben, den

Stator bzw. den Rotor bezüglich des Verdichterrades

praktisch beliebig anzuordnen, je nach Anwendungsfall. Beispielsweise ist die Anordnung der Vorderkante des Rotormagneten stromaufwärts zur Luftein- lassströmungsrichtung sinnvoll, wenn beispielsweise ein Verdichterrad aus einem metallischen Material verwendet wird. Dadurch, dass der Rotormagnet aus dem Verdichterrad herausragt, sind die elektrischen bzw. magnetischen Eigenschaften des entsprechenden Motors besonders günstig. Ist allerdings eine Mini- mierung von Bauraum gefragt, kann der Rotormagnet auch erst innerhalb einer Förderstruktur des Verdichterrades beginnen. Dies bietet sich beispielsweise an, wenn die Förderstruktur aus einem Kunststoffmaterial besteht. Die Vorderkante des Stators kann ebenso stromabwärts oder stromaufwärts bezüglich einer Vorderkante der Förderstruktur angeordnet werden. Hier stehen ebenfalls Bauraumerwägungen sowie Materialüberlegungen im Vordergrund.

Eine weitere (alternativ bzw. kumulativ zu dem vorher Gesagten) Bauform sieht vor, dass das Verdichterrad eine Förderstruktur in Form von Schaufeln, Schnecken oder Flügeln enthält, wobei die Hinterkanten der Förderstruktur in Lufteinströmungsrichtung stromabwärts oder stromaufwärts bezüglich einer Hinterkante des Rotormagneten und/oder einer Hinterkante des Stators liegen. Je nach dielektrischen bzw. magnetischen Eigenschaften der umliegenden Materialien, Abmessungen des Rotormagneten bzw. des Stators bzw. des Verdichterrades/der Förderstruktur können also die "antreibenden" Elemente auch teilweise stromabwärts der Förderstruktur angeordnet sein. Besonders große bzw. leistungsfähige Statoranordnungen bzw. Rotormagneten können hierbei auch so lang aus- geführt werden, dass sie die Förderstruktur bzw. das

Verdichterrad beidseitig axial (also stromabwärts und stromaufwärts) überragen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass Stator und/oder Rotor bezüglich einer Achse des Verdichterrades geneigt sind.

Dies bedeutet also, dass die Außenkontur bzw. die Innenkontur von Rotormagnet bzw. Stator nicht zy- lindrisch oder hohlzylindrisch sein müssen, sondern dass es hier auch andere Formen geben kann, beispielsweise Kegelstumpf-Formen bzw. Hohlkegelstumpf- Formen. Die erfindungsgemäßen Durchmesser bzw. Flächenverhältnisse müssen bei diesen geneigten Struk- turen auch in lediglich einem einzigen Schnitt verwirklicht sein, um die erfindungsgemäße Patentlehre zu verwirklichen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Rotormagnet bezogen auf die Achse des Verdichterrades radial außerhalb der Nabe des Verdichterrades angeordnet ist. Diese Anordnung ist zwar wegen der höheren mechanischen und auch thermischen Belastung des Rotormagneten nicht immer gewünscht, allerdings gibt dies eine noch höhere Flexibilität, beispielsweise die Möglichkeit einer kleinbauenden Nabe (bzw. im Idealfall des Entfallens der Nabe) und einem zusätzlichen Luftstrom im Zentrum des Verdichterrades. Hierzu kann das Verdichterrad auch so aus- geführt sein, dass Luft sowohl radial innerhalb als auch radial außerhalb des Rotormagneten führbar ist. Hier ist es beispielsweise vorstellbar, dass der Rotormagnet im Wesentlichen kreisringförmig ausgeführt ist, allerdings kann dies auch durch eine Anordnung mehrerer Rotormagnetsegmente verwirklicht werden.

Hierbei kann das Verdichterrad so ausgeführt sein, dass mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 70%, besonders vorzugsweise mindestens 90% radial außerhalb des Rotormagneten geführt werden.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass in zumindest einem Querschnitt das Verhältnis der Querschnittsfläche der Einlassöffnung zur Querschnittsfläche des Rotormagneten (formelmäßig ausge- drückt: V _QE = A _{Einlassöffnung} /A _Rotormagnet ) zwischen 0,5 und 100, vorzugsweise zwischen 0,8 und 50, besonders vorzugsweise zwischen 2 und 20.

Die primäre Arbeitsleistung des Medienspaltmotors ist die Förderung von Medien durch den Spalt zwischen Rotor und Stator, bzw. als Generator der Antrieb durch das Fördermedium im Medienspalt .

Unter "Querschnittsflache der Einlassöffnung" ist der tatsächliche offene Querschnitt gemeint, in dem Luft bzw. ein Fluid führbar ist. Dies ist also die tatsächliche "Netto-Querschnittsflache der Einlassöffnung" in diesem Bereich. Beispielsweise ist bei einer kreisrunden Einlassöffnung zunächst einmal die gesamte Kreisfläche anzunehmen, zur Ermittlung der Netto-Querschnittsflache wird allerdings die entsprechende Querschnittsfläche der Schaufeln bzw. der Nabe (inkl. Armierung, Rotormagnet etc.). Das hier gefundene Maß ist also ein Verhältnis des tatsächli- chen Rotormagneten (flächenmäßig) zu dem tatsächlich mit Luft durchströmbaren Querschnitt.

Der Ermittlung von V _QE angesetzte Querschnitt verläuft vorzugsweise durch einen Bereich, in dem nicht nur der Rotormagnet vorhanden ist, sondern auch ein

magnetisch oder elektrisch wirksamer Abschnitt des Stators .

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Verhältnis der Querschnittsfläche des Stators zur Querschnittsfläche des Rotormagneten (formelmäßig ausgedrückt V _QS = A _stator /A _Rotormagnet ) zwischen 2 und 100 , vorzugsweise zwischen 10 und 50. Hier sind jeweils "Nettoquerschnittsflachen" der elektrisch wirksamen Bestandteile des Stators bzw. Rotormagneten anzugeben. Isolierende Bestandteile bzw. nicht elektrisch/magnetisch wirksame Bestandteile werden hier nicht eingerechnet. So wird bei dem Stator ein Metallgrundkörper (einschließlich beispielsweise Kupferwicklungen) in den Querschnitt mit einberechnet, ein umgebender isolierender Kunststoff allerdings nicht. Entsprechend werden bei dem Rotormagneten auch nur die tatsächlichen magnetisch wirksamen Flächen eingerechnet, auch wenn der Rotor aus ver- schiedenen Teilen besteht (dann sind die Einzelflächen entsprechend zu addieren, so dass sich eine Gesamtfläche des Rotormagneten ermitteln lässt) .

Die oben genannten Querschnitte liegen vorzugsweise senkrecht zur Achse des Verdichterrades.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Rotor mit dem Verdichterrad verbunden ist und das Verdichterrad axial beidseitig gelagert ist. Hierbei kann das Verdichterrad mit einem Turbinenrad verbunden sein oder nicht, wichtig ist lediglich, dass das Verdichterrad auf beiden Seiten axial gelagert ist, also nicht auskragt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Turbolader lediglich als Verdichtersystem

mit mindestens einem Verdichterrad ausgeführt ist und das mindestens eine Verdichterrad ein- oder beidseitig axial gelagert ist. In diesem Falle wäre das Verdichterrad also nicht mit dem Turbinenrad verbunden .

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Turbolader ein Turbinenrad und das Verdichterrad aufweist, wobei auf der dem Turbinenrad zuge- wandten Seite des Verdichterrades oder zwischen der dem Turbinenrad zugewandten und der dem Turbinenrad abgewandten Seite des Verdichterrades der Elektromotor angeordnet ist .

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der kleinste Innendurchmesser des Stators 1,1 bis 1,49 mal, vorzugsweise 1,25 bis 1,49 mal so groß ist wie der größte Außendurchmesser des Rotors.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der kleinste Innendurchmesser des Stators 8,01 bis 15 mal, vorzugsweise 8,01 bis 12 mal so groß ist wie der größte Außendurchmesser des Rotors .

Die angegebenen Längen beziehen sich hier jeweils auf die größten Ausdehnungen bzw. kleinsten Ausdehnungen der beteiligten Elemente, allerdings lediglich im Bereich der elektrisch bzw. magnetisch wirksamen Elemente (also nur beispielsweise des Rotor- magneten, eine nachfolgende Verdickung, beispielsweise im Bereich des Verdichterrades) ist hier nicht maßgeblich.

Zur Verringerung der Stromstärke und zur Steigerung der energetischen Effizienz kann hierbei auch die

Sollspannung des Elektromotors mehr als 12 V, beispielsweise 24 oder 48 V betragen.

Besonders vorteilhaft ist, dass der Elektromotor vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb umschaltbar ist. Erreicht der Ladedruck (im Turbinengehäuse) einen bestimmten Sollwert, wird unter Verwendung eines rückspeisefähigen Umrichters zusätzliche Energie erzeugt Darüber hinaus kann idealerweise durch die energetische Umwandlung der Bremsenergie auf ein

Wastegate/Druckdose zum Abblasen eines überschüssigen Abgasdrucks verzichtet werden.

Die Steuerung des Motor/Generatorbetriebs ermöglicht erstmalig die zeitnahe gezielte Regelung des Aufladevorgangs . Da der Elektromotor vorzugsweise über einen Frequenzumformer geregelt wird, kann die Drehzahl des Verdichters sowie des Turbinenrades und somit der Luftmassenstrom exakt ermittelt werden. Die Steuerung des Aufladevorgangs des Verbrennungsmotors wird vorzugsweise in die zentrale Motorsteuerung integriert. Damit ist es möglich eine kennfeidgesteuerte Aufladung zu realisieren. Somit ist eine exakte Abstimmung und Optimierung der Verbrennungsparameter (Kraftstoffmenge, Luftmenge, Ladedruck, Abgasrück- führrate, Zündzeitpunkt etc.) möglich, wodurch eine erhebliche Kraftstoffverbrauchsreduzierung erzielt wird. Dies stellt somit eine aktive Kennfelderweiterung dar, wodurch die Energiebilanz des Verbren- nungsmotors erheblich verbessert werden kann. Dieser

Regelkreislaufermöglicht die Regelung und Optimierung des gesamten Verbrennungsprozesses innerhalb des Brennraums einer Verbrennungskraftmaschine.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen werden in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. Ia eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Turboladers im Teilschnitt;

Fig. Ib eine Ansicht des Turboladers aus Fig. Ia gemäß A;

Fig. Ic eine Ansicht des Turboladers aus Fig. Ia gemäß B;

Fig. Id eine Teilexplosionszeichnung des Turbola- ders aus Fig. Ia,-

Fig. 2a eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Turboladers im Teilschnitt;

Fig. 2b einen Teilexplosionsansicht des Turboladers gemäß Fig.2a;

Fig. 3a eine Erläuterung der Proportionen und Anordnung von Rotormagnet, Stator und Verdichterrad;

Fig. 3b eine Ausführungsform eines Verdichterrades mit geneigtem Rotor und geneigtem Stator;

Fign. 4a bis 4c eine Erläuterung geometrischer Verhältnisse an erfindungsgemäßen Turboladern.

Fign . 5 und 6 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Turboladers als Microturbine für die Energiegewinnung.

Im Folgenden sollen die Grundzüge der Erfindung anhand der ersten Ausführungsform gemäß Fign. Ia bis Id gezeigt werden.

Fign. Ia bis Id zeigen einen elektrisch modifizierten mechanischen Turbolader 1, der mit einem Turbinengehäuse 5 an einen Verbrennungskraftmotor ankoppelbar ist. Durch den in Fig. Ia gezeigten Abgas- krümmer wird nach der Verbrennung das Abgas gesam- melt und zum Antrieb eines Turbinenrades 2 genutzt. Das Turbinenrad 2 ist vom Turbinengehäuse 5 umgeben und ist im Wesentlichen einem herkömmlichen mechanischen Turbolader entnommen. An das Turbinengehäuse 5 schließt sich ein Lagergehäuse 7 und sodann ein Ver- dichtergehäuse 6 an. In diesem Verdichtergehäuse 6 ist ein Verdichterrad angebracht, das durch eine Einlassöffnung zugeführt Luft (diese Einlassluftöffnung ist insbesondere in Fig. Ic gut zu sehen) mittels eines Verdichterrades 3 verdichtet und auf hier nicht dargstellte Weise zu dem Brennraum des

Verbrennungskraftmotors führt. Das Verdichterrad 3 zeigt in Fig. Ia linksseitig einen Fortsatz, an dem ein Rotor 4a eines Elektromotors gegeben ist. Der Rotor 4a ist zentral in der Einlassluftöffnung 4e angebracht. Die Lufteinlassströmungsrichtung ist in Fig. Ia mit LES bezeichnet (hier koaxial zur Achse des Verdichterrades) .

Um den Rotor 4a herum ist ein Stator 4b vorgesehen, der im Wesentlichen eine hohlzylindrische Form aufweist und als Teil der Innenwand des Verdichterge-

häuses im Bereich der Einlassluftöffnung dargestellt ist. Vorliegend ist der Stator 4b sogar als Einsatz in eine entsprechende öffnung vorgesehen, so dass dieser sehr leicht montierbar ist. Vorliegend ist in Fig. Ia also der Rotorspalt zwischen Rotor 4a und

Stator 4b die Einlassluftöffnung 4e für das Verdichterrad. Hierbei ist auch gemäß Fig. Ia die Einlassluftöffnung 4e frei von Streben zwischen Rotor und Stator. In dem gezeigten Schnitt ist der kleinste Innendurchmesser des Stators (siehe "d _s " in Fig. Id) beispielsweise 1,5 mal größer als der größte Außendurchmesser d _R des Rotors (die Zeichnung ist schematisch und lediglich zur Klarstellung der Größenverhältnisse) .

Der Rotor 4a des Elektromotors 4 weist einen Rotormagneten 4c auf, der von einer Armierung umgeben ist (siehe z.B. Fig. Id) . Hierbei ist die Armierung im Wesentlichen "becherförmig" ausgeführt, wobei der Boden des Bechers zum Verdichterrad hin fast vollständig geschlossen ist (abgesehen von einer zentrischen Montagebohrung) .

Das Verdichterrad kann (muss aber nicht) aus einem nichtmetallischen Material sein, hier bei einer Ausführung beispielsweise aus einem unverstärkten Kunststoff ist die Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes des Elektromotors minimiert. Der Rotormagnet 4c wiederum ist bereichsweise hohl zum Auf- stecken auf eine gemeinsame Welle mit dem Verdichterrad. Hier ist in Fig. Id eine Bohrung 4c des Rotormagneten entsprechend zu sehen. Außerdem ist zu sehen, dass in der Abfolge Rotor (bestehend aus Rotormagnet 4c und Armierung 4d) , Verdichterrad 3, Welle 8, Turbinenrad 2 eine Abfolge von Elementen gezeigt ist, die eine thermische Belastung des E-

lektrotnotors minimieren. Die Welle 8 ist hierbei in der vorliegenden Ausführungsform so ausgeführt, dass Turbinenrad 2, Verdichterrad 3 sowie Rotor 4a fest (drehfest) miteinander verbunden sind, also durch keine Drehkupplung bzw. Freilauf trennbar sind. Allerdings ist es prinzipiell möglich, eine solche Kupplung im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzusehen, falls beispielsweise die Masse des Turbinenrades 2 sehr hoch ist, hierdurch würde allerdings der konstruktive Aufwand auch wiederum erhöht.

Die Sollspannung des Elektromotors 4 in Fig. Ia beträgt vorliegend 12 V, es sind allerdings auch andere Spannungen (beispielsweise 48 V für Hybridfahr- zeuge) möglich.

In Fig. 1 d ist ein Turbolader mit einer Verdichteranordnung zur Verdichtung von Frischluft für Verbrennungskraftmotoren gezeigt, enthaltend ein Verdichterrad 3 sowie einen Elektromotor 4 mit Rotor 4a und Stator 4b, wobei ein Rotormagnet 4c des Rotors so ausgebildet ist, dass er partiell oder auch komplett in das Verdichterrad integriert ist bzw. mit diesem verbunden ist und der kleinste Innen- durchmesser des Stators 1,5 bis 8 mal so groß ist wie der größte Außendurchmesser des Rotors. Die Anordnung des Rotormagneten, des Stators bzw. des Verdichterrades in axialer Richtung ist hierbei variabel, hierzu wird auf die spätere Fig. 3a insbesonde- re hingewiesen. Die Masse des Rotormagneten 3c (die Gesamtmasse, auch wenn diese aus mehreren Teilen bestehen sollte) beträgt vorliegend 50 g. Das Massenträgheitsmoment des Rotormagneten bezüglich der Achse des Rotors beträgt 0,6 kgmm ² .

Das Verhältnis der Querschnittsfläche der Einlassöffnung zur Querschnittsfläche des Rotormagneten (V _QE ) beträgt 7:1. Das Verhältnis der Querschnittsfläche des Stators zur Querschnittsfläche des Rotor- magneten beträgt beispielsweise V _QS = 16:1.

Der Elektromotor ist sowohl im Motorbetrieb (zur Beschleunigung und Vermeidung eines "Turbolochs" als auch im Generatorbetrieb (zur Rückgewinnung von E- nergie) betreibbar. Erreicht der Ladedruck (im Turbinengehäuse) einen bestimmten Sollwert, wird unter Verwendung eines rückspeisefähigen Umrichters zusätzliche elektrische Energie erzeugt. Idealerweise kann durch dieser energetische Umwandlung der Brems- energie im Generatorbetrieb auf ein Wastegate/Druck- dose zum Abblasen eines überschüssigen Abgasdrucks wie sie in Fig. Ib Ziffer 9 dargestellt ist, verzichtet werden.

Der erfindungsgemäße Turbolader findet Anwendung in einem erfindungsgemäßen Antriebssystem für Kraftfahrzeuge, das einen mit dem Turbolader verbundenen Verbrennungskraftmotor sowie einen Speicher für e- lektrische Energie enthält. Der Elektromotor des Turboladers 1 ist hierbei mit dem Speicher für e- lektrische Energie verbunden zur Entnahme elektrischer Energie in einem Motorbetrieb des Turboladers 1 und zur Einspeisung elektrischer Energie in einen Generatorbetrieb des Turboladers . In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Elektromotor des Turboladers mit einem elektrischen Speicher verbunden, wobei dieser elektrische Speicher zusätzlich mit einem elektromotorischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs verbindbar ist. Dies kann ein "Nabenmotor" eines Kraftfahrzeugs sein oder ein anderer Elektromotor, der im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs

(beispielsweise im Bereich des Getriebes) vorgesehen ist. Dieser Anschluss des elektrischen Turboladers an ein "Hybrid" -Fahrzeug ist besonders energieeffizient.

Zur effizienten Steuerung des Antriebssystems bzw. des Turboladers ist eine Steuerelektronik zur Ermittlung der Drehzahl von Turbinenrad 2 oder Verdichterrad 3, Ist-Werten von turbinengehäuseseitigen und verdichtergehäuseseitigen Druckverhältnissen sowie weiteren für den Verbrennungskraftmotor drehmomentrelevanten Werten vorgesehen.

Die wichtigsten Komponenten der ersten Ausführungs- form gemäß Fign. Ia bis Id sind in Fig. Id, dort o- ben rechts als Teilexplosionszeichnung gezeigt. Hier ist zu sehen, dass es sich um einen Turbolader 1 handelt, der ein Turbinenrad 2 sowie ein damit verbundenes Verdichterrad 3 aufweist, wobei auf der dem Turbinenrad abgewandten Seite des Verdichterrades ein Elektromotor 4 vorgesehen ist (bestehend aus Rotor 4a und Stator 4b) und einen mit dem Verdichterrad 3 drehfest verbundener Rotor 4a des Elektromotors 4 frei auskragend ausgeführt ist .

Dieses "freie Auskragen" ist vorteilhaft, da damit der konstruktive Aufwand vermindert wird und beispielsweise eine statische überbestimmung der Gesamtlagerung vermieden wird. Unter "frei auskragend" sollen solche Anordnungen verstanden werden, bei denen der Rotor nicht gesondert und dauernd gelagert wird. Eventuell vorgesehene "Auffangkäfige" etc., die eine zu starke Biegung des frei kragenden Rotors, beispielsweise aufgrund von Biegeresonanzen verhindern sollen, gelten in diesem Sinne nicht als "Lager" .

Eine zweite Ausführungsform ist in den Fign. 2a und 2b gezeigt. Hierbei ist der Rotormagnet 4c bei der Herstellung partiell in das Verdichterrad 3 integ- riert worden. Der Stator bildet die Innenkontur des Verdichtergehäuses .

Der Elektromotor ist sowohl im Motorbetrieb (zur Beschleunigung und Vermeidung eines "Turbolochs" als auch im Generatorbetrieb (zur Rückgewinnung von E- nergie) betreibbar. Erreicht der Ladedruck (im Turbinengehäuse) einen bestimmten Sollwert, wird unter Verwendung eines rückspeisefähigen Umrichters zusätzliche Energie erzeugt. Durch die energetische Umwandlung der Bremsenergie im Generatorbetrieb kann in dieser Konstruktionsvariante auf ein Wastegate und eine Druckdose zum Abblasen eines überschüssigen Abgasdrucks wie sie in Fig. Ib Ziffer 9 dargestellt ist, verzichtet werden.

Fig. 3a zeigt eine schematische Darstellung von Verdichterrad 3, Stator 4b sowie Rotor 4c zur Veranschaulichung geometrischer Verhältnisse. Gezeigt ist das Verdichterrad, das auf einer Achse 10 einseitig oder beidseitig gelagert ist und in einer Luftein- lassströmungsrichtung LES beströmt wird. Die einfließende Luftströmung wird beschleunigt durch das Verdichterrad 3, das eine Förderstruktur F aufweist. Die Vorderkante der Förderstruktur wird durch VF, die Hinterkante der Förderstruktur durch HF gekennzeichnet. Die Vorderkante des Rotormagneten 4c wird mit VR gekennzeichnet, die Hinterkante des Rotormagneten 4c mit HR. Die Vorderkante des Stators wird mit VS, die Hinterkante des Stators mit HS gekenn- zeichnet (der Stator ist vorliegenden rotationssymmetrisch, es wurde allerdings hier aus übersicht-

lichkeitsgründen der obige Statorschnitt gezeigt) . Das Verdichterrad 3 hat also eine Förderstruktur F in Form von Schaufeln, wobei die Vorderkanten VF der Förderstruktur in Lufteinlassströmungsrichtung stromabwärts bezüglich einer magnetisch wirksamen Vorderkante des Rotormagneten 4c und einer magnetisch wirksamen Vorderkante VS des Stators liegen. Das Verdichterrad mit seiner Hinterkante HF liegt dagegen in Lufteinlassströmungsrichtung stromauf- wärts bezüglich der Hinterkante HR des Rotormagneten 4c sowie der Hinterkante des Stators 4b.

Es sind hier allerdings auch andere Anordnungen möglich, bei denen Rotormagnet bzw. Stator lediglich über eine Kante des Verdichterrades hinausragen, auch ist es möglich, dass der Rotormagnet vollständig innerhalb des Verdichterrades liegt und also seitlich von Kanten der Förderstruktur eingeschlossen wird.

Fig. 3b zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der der Stator 4b (dieser ist rotationssymmetrisch bezüglich der Achse 10) bezüglich der Achse 10 geneigt ist. Der Stator hat hier also im Wesentlichen hohl- kegelstumpfförmige Form. Entsprechendes gilt auch für den Rotor 4a bzw. den entsprechenden Rotormagneten, auch dieser ist mit seinen Abschnitten geneigt bezüglich der Achse 10 (also nicht parallel/ko- linear, sondern würde diese in Verlängerung schnei- den .

Das in Fig. 3b gezeigte Verdichterrad ist beidseitig gelagert (siehe angedeutete Lagerstellen Ll und L2) . Allerdings können auch die 'Ausführungsformen der weiteren Figuren prinzipiell beidseitig gelagert

sein (auch wenn dies u.U. baulichen Mehraufwand bedeutet) .

Für die Fig. 3b gilt, dass der Rotormagnet 4c bezo- gen auf die Achse 10 des Verdichterrades 3 radial außerhalb der Nabe des Verdichterrades angeordnet ist. Das Verdichterrad ist hierbei so ausgeführt, dass Luft sowohl radial innerhalb als auch radial außerhalb des Rotormagneten führbar ist. Hierbei ist das Verdichterrad auch so ausgeführt, dass mindestens 70% der zugeführten Luftmasse (bzw. des zugeführten Luftmassenstroms) radial außerhalb des Rotormagneten geführt werden.

Fig. 4a und 4b dienen der Verdeutlichung der Bestimmung der Durchmessermaße bei nicht durchweg gleichförmigen Geometrien.

Fig. 4a macht klar, dass der größte Durchmesser d _R des Rotors an der Stelle gemessen wird, an der dieser Rotor (aber nur im Bereich der Ausdehnung des Rotormagneten) seine größte Ausdehnung hat. Eine spätere Rotorverbreiterung im Bereich des Verdichterrades 3 geht hier nicht ein, da der Rotormagnet dort nicht weitergeführt ist.

Entsprechend ist auch der Stator an der engsten Stelle gemessen (siehe d _s ) über die sich das entsprechende elektrisch bzw. magnetisch wirksame Bauteil des Stators (angedeutet durch den schwarzen Balken der einen Blechkern mit Kupferdraht zeigt) erstreckt.

Fig. 4b zeigt eine nähere Erläuterung für nicht- kreisrunde Querschnitte. Mit "größter Außendurchmesser" des Rotormagneten ist der Durchmesser gemeint,

der den kleinsten umschreibenden Kreis um den Gesamtrotor zeigt (zur axialen Positionierung, siehe oben, Beschreibung zu 4a) . Die in Fig. 4b gezeigte wellige Außenlinie ist nicht kreisrund, der um- beschriebene Kreis tangiert im Wesentlichen herausragende Stellen des Außenrotors.

Entsprechendes gilt für den Stator 4b, der ebenfalls keine kreisrunde Form hat. Hier wird der größte ein- beschriebene Kreis als Durchmesser d _s angenommen.

Fig. 4c zeigt nochmals einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Stator 4b und Rotor 4a. Zu sehen ist hier ein Rotormagnet 4c, der aus einzelnen Seg- menten (drei über den Umfang verteilt) besteht. Alternativ hierzu ist natürlich auch ein z.B. zylindrischer Einzelmagnet vorstellbar. Um diesen Rotormagneten 4c herum ist eine Armierung 4d angebracht. Auf dieser Armierung wiederum ist eine Förderstruk- tur F (hier im Schnitt, deshalb schraffiert) gezeigt. Um die Förderstruktur herum ist eine Luftdurchführung bzw. Mediendurchlassöffnung 4e gegeben, diese wird radial nach außen von einer Abschirmung 11 (diese ist aus Kunststoff und magne- tisch/elektrisch isolierend) umgeben. Um die Abschirmung 11 herum ist der elektrisch wirksame Teil des Stators 4b gegeben.

In dem in Fig. 4c gezeigten Querschnitt beträgt die Querschnittsfläche der Mediendurchlassöffnung bzw. des Luftdurchtrittes bzw. der Einlassöffnung 4e zur Querschnittsfläche der vier Segmente des Rotormagneten (definiert als V _QE = A _{Einlassoffnung} /A _Rotormagnet ) = 4:1.

Die Einlassöffnung 4e ist hierbei definiert als tatsächlich durchströmbare öffnung, also der Flächenin-

halt innerhalb der Armierung 11, jedoch abzüglich der Flächen der schraffierten Förderstruktur sowie der Nabe des Rotors (die Nabe umfasst die Armierung 4d sowie alles darin Befindliche) . Gemeint ist hier also die "Nettoquerschnittflache" der Einlassöffnung. Der Querschnitt verläuft in der Fig. 5c sichtbar durch den elektrisch und magnetisch wirksamen Abschnitt des Stators 4b. In diesem Querschnitt beträgt das Verhältnis der Querschnittsfläche des Sta- tors zur Querschnittsfläche des Rotormagneten (definiert als V _QS = A _stator /A _Rotormagnet )= 13:1.

Als Querschnittsfläche des Stators wird hier lediglich der elektrisch bzw. magnetisch wirksame Teil (also Kernmetall + Kupferdraht, allerdings abzüglich Kupferdrahtlackierung sowie möglicher "Hohlflächen") verstanden. Entsprechend verhält es sich bei dem Rotormagneten, hier sind nur die Querschnitte der reinen Rotormagnetsegmente in diesem Querschnitt heran- zuziehen.

Die oben genannten Verhältnisse für die Beziehung des kleinsten Innendurchmessers des Stators zum größten Außendurchmesser des Rotors können in Ergän- zung zu dem 1,5- bis 8-fachen) auch in anderen Intervallen liegen, nämlich 1,1- bis 1,49-mal, vorzugsweise 1,25- bis 1,49-mal. Entsprechend kann allerdings am anderen Ende der Skala auch der kleinste Innendurchmesser des Stators 8,01- bis 15 -mal, vor- zugsweise 8,01- bis 12-mal so groß sein wie der größte Außendurchmesser des Rotors .

Sämtliche in den Figuren gezeigten Turbolader enthalten mindestens ein Verdichterrad 3 zum Verdichten von Luft und sind mit dem Elektromotor 4 antreibbar, wobei zwischen Rotor 4a und Stator 4b des Elektromo-

tors ein Rotorspalt angeordnet ist und mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 90% des dem Verdichterrad zugeführten Luftmassenstroms in mindestens einem Betriebszustand des Turboladers durch den Rotorspalt geführt werden. Bei den Darstellungen in den Figuren ist dieser Betriebszustand bei einer Drehzahl zwischen 5000 und 300000 U/min, vorzugsweise zwischen 40000 und 200000 U/min, vorliegend bei 100000 U/min gegeben. Die Drehzahl der Kurbelwelle eines ange- schlossenen Hubkolbenmotorsmotors beträgt hierbei zwischen 100 und 15000 U/min, vorzugsweise zwischen 1500 und 8000 U/min, vorliegend beispielsweise 2500 U/min.

Fign. 5 und 6 zeigen den erfindungsgemäßen Turbolader als Grundmodul einer Mikroturbine für die Kraft- Wärme-Kopplung. Fig. 5 zeigt den Grundaufbau, Fig. 6 eine erläuternde Explosionsansicht. Ein Elektromotor/Generator ist mit dem Bezugszeichen 11 gekenn- zeichnet, ein Rekuperator mit dem Bezugszeichen 12, ein Wärmetauscher mit dem Bezugszeichen 13 und ein Wärmespeicher mit dem Bezugszeichen 14. In den Figuren sind daher die maßgeblichen Teile (Rotor, Stator, Verdichterrad, Turbinenrad) mit denselben Be- zugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen gekennzeichnet. Die Funktionsweise ist, in anderen Worten formuliert, wie folgt (wichtig ist hier nicht primär die Funktion der Kraft-Wärme- Kopplung, sondern die Tatsache, dass der erfindungs- gemäße Turbolader, der hier ein Verdichterrad und ein Turbinenrad zeigt, auch außerhalb des Automobils eingesetzt werden kann.

Die Verbrennungsluft strömt vollständig zwischen Ro- tor und Stator des Elektromotors/Generators 11 in den Verdichter. Durch die dort erfolgte Verdichtung

auf ca. 4bar erwärmt sich die Verbrennungsluft bereits auf ca. 200 ⁰ C. Aus dem Verdichter wird die erwärmte Verbrennungsluft in einen ersten Wärmetauscher geleitet und durch die vorbeiströmenden heißen Abgase auf ein Temperaturniveau von ca. 500 ⁰ C angehoben. In einer nachgeschalteten Brennkammer wird die Verbrennungsluft gemeinsam mit einem Brennstoff z.B. regenerativem Gas verbrannt. Die so entstandenen heißen Gase werden in der Turbine entspannt und treiben das Turbinenrad und somit den Verdichter sowie den Generator an. Die Wärmeenergie des Abgases wird teilweise in dem Wärmetauscher direkt wieder an die komprimierte Verbrennungsluft abgegeben. Darüber hinaus kann dieser erfindungsgemäße Turbolader mit einem zweiten Wärmetauscher gekoppelt werden um die gesamte Restwärme zur Warmwassererzeugung zu nutzen oder sie einem Heizkreis z.B. für die Gebäudetemperierung zuzuführen. Zum Starten des Prozesses kann der Generator als Elektromotor verwendet. Somit kön- nen mit dem erfindungsgemäßen Turbolader beispielsweise kostengünstige kleine Blockheizkraftwerke erzeugt werden, deren wesentlichen Komponenten aus Grosserienbauteile aus der Automobilindustrie bestehen. Durch den schwingungsarmen Lauf wird die Ge- räuschemission sowie die Körperschallübertragung in angrenzende Gebäude vermieden. Durch die kompakte Bauweise und das geringe Gewicht eignet sich das Modul auch als Hilfsantrieb zur Stromerzeugung in Flugzeugen.