專利名稱：渦輪增壓器Ⅱ的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及渦輪增壓器，該渦輪增壓器具有用于壓縮用于內(nèi)燃機(jī)的新鮮空氣的壓 縮機(jī)裝置，包括壓縮機(jī)輪以及具有轉(zhuǎn)子和定子的電動(dòng)機(jī)，其中，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子磁鐵被設(shè)計(jì)成使 其被部分或全部集成到壓縮機(jī)輪中(這樣，在一邊的轉(zhuǎn)子磁鐵或轉(zhuǎn)子和在另一邊的壓縮機(jī) 輪彼此連接)，并且定子的最小內(nèi)徑是轉(zhuǎn)子的最大外徑的1. 5至8倍。這里指定的長度各自 與相關(guān)部件的最大延伸或最小延伸相關(guān)，但是僅在電有效或磁有效部件的范圍內(nèi)，即例如 僅在轉(zhuǎn)子磁鐵的長度上。 本發(fā)明背景中的"渦輪增壓器"應(yīng)理解為可以將預(yù)壓縮的空氣引導(dǎo)到內(nèi)燃機(jī)的所 有裝置，通過所述裝置，更大的氣團(tuán)進(jìn)入燃燒室中。(因此傳統(tǒng)的壓縮輪-渦輪耦接不是必 需的) 本發(fā)明還涉及一種包括至少一個(gè)壓縮機(jī)輪的渦輪增壓器，其中，所述壓縮機(jī)輪可 以通過至少一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且所述電動(dòng)機(jī)包括轉(zhuǎn)子、定子以及轉(zhuǎn)子與定子之間的轉(zhuǎn)子 間隙，并且該轉(zhuǎn)子間隙被設(shè)計(jì)成使得壓縮機(jī)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，要壓縮的氣團(tuán)流的至少50%、優(yōu)選是 至少90%被引導(dǎo)通過所述轉(zhuǎn)子間隙。 所述百分?jǐn)?shù)每個(gè)都指定最小范圍。這里，所述百分?jǐn)?shù)基本上應(yīng)用于渦輪增壓器或 與其連接的內(nèi)燃機(jī)的整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍。 在特別有利的另一構(gòu)成中，被引導(dǎo)到相應(yīng)壓縮機(jī)輪的全部氣流被引導(dǎo)通過所述轉(zhuǎn) 子間隙。 關(guān)于數(shù)值等等的限定是為了相應(yīng)地排除如現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的不希望的或"巧合 的"泄露流。但是，利用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的主題(根據(jù)該現(xiàn)有技術(shù)主題，轉(zhuǎn)子被附接到壓縮機(jī) 輪的外側(cè)，很靠近定子)進(jìn)行的轉(zhuǎn)子與定子之間的"再循環(huán)流"不應(yīng)該被看作"要壓縮的氣團(tuán)流"，因?yàn)檫@樣的"再循環(huán)流"嚴(yán)格來說已經(jīng)經(jīng)過壓縮機(jī)輪。 有利的是"整體"構(gòu)造形式，利用該形式，要壓縮的氣團(tuán)流的大部分、甚至是要壓縮的氣團(tuán)流的全部通過轉(zhuǎn)子間隙被引導(dǎo)到至少一個(gè)壓縮機(jī)輪。 與將轉(zhuǎn)子附接到壓縮機(jī)輪的徑向外側(cè)不同，將轉(zhuǎn)子或其磁有效部分布置得盡可能靠近壓縮機(jī)輪的旋轉(zhuǎn)軸是有利的。這在一方面從機(jī)械的觀點(diǎn)來看對(duì)于快速運(yùn)轉(zhuǎn)的渦輪增壓器是很有利的，原因是在特定情況下，由于很高且快速變化的離心力可能出現(xiàn)機(jī)械損傷。還有利的是，通過這種方式，旋轉(zhuǎn)慣性矩可以保持較小，原因是在徑向上位于外側(cè)的磁鐵通常具有很高的特定重量，因而具有很高的旋轉(zhuǎn)慣性矩。通過這種方式，壓縮機(jī)的瞬時(shí)行為可以得到相當(dāng)大的改善。此外，磁鐵在外側(cè)置于壓縮機(jī)輪上，這些也在更大程度上受到熱負(fù)荷，原因是由于壓縮功的原因在這些外側(cè)出現(xiàn)更大的溫度上升，這又會(huì)對(duì)磁鐵或轉(zhuǎn)子的壽命具有負(fù)面影響。 從文獻(xiàn)中可知，渦輪增壓器用于產(chǎn)生電力。這些渦輪增壓器被設(shè)計(jì)為小的燃?xì)鉁u輪機(jī)，類似地具有渦輪機(jī)以及剛性耦接的壓縮機(jī)。用于產(chǎn)生電力的傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)被法蘭安裝在渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子軸上。該發(fā)電機(jī)由于被布置在入口通道內(nèi)，所以表現(xiàn)出很高的流阻力，并且該流阻力降低效率，并且同時(shí)對(duì)軸承部件產(chǎn)生很高的負(fù)荷。 關(guān)于這點(diǎn)，根據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器的另一有利設(shè)計(jì)在于被用作電/熱聯(lián)產(chǎn)或電/冷聯(lián)產(chǎn)的微渦輪機(jī)。因此，助燃空氣在電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子之間流過進(jìn)入壓縮機(jī)，并且在壓縮機(jī)中被壓縮，從而被預(yù)熱到大約200°C 。經(jīng)過預(yù)熱、壓縮的空氣被熱交換器中的熱廢氣加熱到更高的溫度水平。被壓縮的、暖的空氣與燃料(例如再生氣) 一起在布置于下游的燃燒室中燃燒。由此產(chǎn)生的熱氣在渦輪機(jī)中膨脹并驅(qū)動(dòng)渦輪，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)以及發(fā)電機(jī)。在熱交換器中，廢氣的熱能被部分直接分配給壓縮的助燃空氣。而且，根據(jù)本發(fā)明的該渦輪增壓器可以與第二熱交換器耦接，以利用總剩余熱量來提供熱水，或者將其引導(dǎo)到加熱回路例如用于建筑物的供熱和制冷。發(fā)電機(jī)可以用作用于開始進(jìn)程的電動(dòng)機(jī)。因此，例如利用根據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器，可以產(chǎn)生小型單岸式熱電站，其主要部件包括按大尺度制造的部件。 有利的另一設(shè)計(jì)在于轉(zhuǎn)子磁鐵的質(zhì)量在5g與1000g之間，對(duì)于機(jī)動(dòng)車輛渦輪增壓器，優(yōu)選是在10g與100g之間。這里，電動(dòng)機(jī)的磁有效質(zhì)量相對(duì)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量慣性矩在0. lkgmm2和10kgmm2之間，對(duì)于機(jī)動(dòng)車應(yīng)用是優(yōu)選在0. 3kgmm2和1. 0kgmm2之間。
因此，由于利用根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子間隙可以得到較大的空氣間隙，所以質(zhì)量以及電有效或磁有效馬達(dá)部件的質(zhì)量慣性矩小，盡管如此，產(chǎn)生非常均勻的場。
又一有利設(shè)計(jì)在于壓縮機(jī)輪被安裝在軸上并且包括葉片，其中，在進(jìn)氣流方向上，所述葉片的前沿(因而是空氣首先撞擊的壓縮機(jī)輪的部分)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的磁有效前部和/或定子的磁有效前部位于上游。 因此，這意味著電動(dòng)機(jī)的有效部件(轉(zhuǎn)子或定子)在軸向上被布置得更靠向進(jìn)氣口，并且實(shí)際的壓縮機(jī)輪被布置在下游。通過這種方式，可以導(dǎo)致所有的進(jìn)氣通過轉(zhuǎn)子間隙被引導(dǎo)到壓縮機(jī)輪。 但是，關(guān)于設(shè)計(jì)，可以將轉(zhuǎn)子應(yīng)用于壓縮機(jī)輪中或者應(yīng)用在壓縮機(jī)輪的面向渦輪的一側(cè)，以減小對(duì)壓縮機(jī)葉輪的彎矩，但是盡管如此，以主要通過轉(zhuǎn)子引導(dǎo)待壓縮氣團(tuán)流。
將數(shù)個(gè)不同的轉(zhuǎn)子磁鐵混合構(gòu)造在壓縮機(jī)輪的不同位置(前面、內(nèi)部和/或后面)，能夠優(yōu)化必要的構(gòu)造空間，同時(shí)優(yōu)化電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，并且減小葉輪軸的彎曲負(fù)荷。由此，
轉(zhuǎn)子/定子的形狀不一定必須為圓柱形，而是可以適應(yīng)壓縮機(jī)輪的形狀。 本發(fā)明還在于一種用于操作根據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器的方法。如上所述，該渦輪
增壓器包括用于壓縮空氣的至少一個(gè)壓縮機(jī)輪，并且所述壓縮機(jī)輪可以由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其
中，在所述電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子之間設(shè)有轉(zhuǎn)子間隙，并且被引導(dǎo)到所述壓縮機(jī)輪的氣團(tuán)流
的至少50%、優(yōu)選是90%在所述渦輪增壓器的至少一個(gè)操作條件下被引導(dǎo)通過所述轉(zhuǎn)子間隙。 所述"操作方法"已在裝置權(quán)利要求中說明，并且這里所描述也相應(yīng)地適用于這里的操作方法。重要的是，例如在壓縮機(jī)輪的5000rpm和300000rpm之間、優(yōu)選是在40000rpm和200000rpm之間的操作條件下，或者對(duì)于往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)在所連接的內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速在50rpm和200000rpm之間、優(yōu)選是在100rpm和1500rpm之間的操作條件下，可以在渦輪增壓器的正常操作中達(dá)到上述至少50%或至少90%甚至100%比例的氣團(tuán)流。
應(yīng)當(dāng)再次注意，本發(fā)明背景下的"渦輪增壓器"不一定具有由廢氣流驅(qū)動(dòng)的渦輪。重要的僅在于包括至少一個(gè)壓縮機(jī)輪(由任何裝置驅(qū)動(dòng))用于將預(yù)壓縮的助燃空氣引導(dǎo)到"渦輪增壓器"的內(nèi)燃機(jī)。 在又一設(shè)計(jì)中，根據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器包括渦輪以及與其連接的壓縮機(jī)輪，其中，在壓縮機(jī)輪的背離渦輪的一側(cè)設(shè)有電動(dòng)機(jī)，并且與壓縮機(jī)輪以抗扭的方式連接的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子以自由伸出的方式設(shè)計(jì)。 在新鮮空氣需求增加的情況下(例如，由控制電子裝置確定)，電動(dòng)機(jī)用于額外加速壓縮機(jī)輪。電動(dòng)機(jī)在這種情況下是有利的，原因是這些電動(dòng)機(jī)可以利用大扭矩加速，但不存在顯著的加速延遲。 更加有利的是，在本案例中的電動(dòng)機(jī)不是布置在渦輪和壓縮機(jī)輪之間。這樣的布局會(huì)導(dǎo)致熱問題并且相對(duì)于傳統(tǒng)(純機(jī)械)渦輪增壓器進(jìn)行了很大的設(shè)計(jì)改動(dòng)。除了設(shè)計(jì)成本增加外，關(guān)于這樣的構(gòu)造的維修成本也相當(dāng)高。 有利的是(但是在本發(fā)明的框架下也不是必須的)，在本案例中提出沿軸向方向上具有"渦輪、軸(座架)、壓縮機(jī)輪、電動(dòng)機(jī)"的順序。于是電動(dòng)機(jī)僅置于環(huán)境溫度下，使得不會(huì)出現(xiàn)定子繞組等的熱分解。 —個(gè)優(yōu)勢(shì)在于壓縮機(jī)輪的另一側(cè)的自由突出端。在這里接有電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子。在這里可以接有另一軸承位置，以在兩側(cè)安裝轉(zhuǎn)子，但是這不是必須的。在特定情況下，這樣的軸承位置一方面可能干擾電動(dòng)機(jī)的電特性，而在特定條件下，會(huì)具有靜態(tài)冗余性。此外，系統(tǒng)的摩擦功增加。而且，在特定情況下，新鮮空氣的供應(yīng)也受這樣的軸承阻礙，原因是適當(dāng)?shù)闹е?部件減小了進(jìn)氣口朝向壓縮機(jī)輪的大小。但是這樣的軸承位置，即在兩側(cè)安裝壓縮機(jī)輪，也是容易實(shí)現(xiàn)的。 而且，利用所述"突出的"轉(zhuǎn)子，與純機(jī)械的渦輪增壓器的設(shè)計(jì)差別相當(dāng)小，使得電動(dòng)機(jī)可以通過這種方式以非常廉價(jià)、模塊化和易于維修的方式被補(bǔ)充到傳統(tǒng)渦輪增壓器上。 除了本發(fā)明的渦輪增壓器之外，根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括內(nèi)燃機(jī)。在本發(fā)明環(huán)境中的"內(nèi)燃機(jī)"應(yīng)當(dāng)理解為需要新鮮空氣/新鮮氣體并且產(chǎn)生廢氣的任何發(fā)動(dòng)機(jī)，使得這里可以應(yīng)用適當(dāng)?shù)臏u輪增壓器。而且，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括電能儲(chǔ)存裝置。這里，優(yōu)選地，渦輪增壓器的電動(dòng)機(jī)連接到電能儲(chǔ)存裝置，用于在渦輪增壓器的馬達(dá)工作方式下取出電能，并用于在渦輪增壓器的發(fā)電機(jī)工作方式下饋入電能。 在渦輪增壓器的許多工作條件下，多達(dá)30%的廢氣被吹走而未利用。通過將電動(dòng)機(jī)用作發(fā)電機(jī)，利用渦輪增壓器的上述實(shí)施方式，可以在能量上額外利用上述多余廢氣的能量。通過這種方式， 一方面可以將多余的"熱/動(dòng)能量"恢復(fù)為電能，并且通過這種方式可以相當(dāng)程度上改進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量平衡。理想情況下，渦輪增壓器甚至可以被設(shè)計(jì)成使得位于車輛中的內(nèi)燃機(jī)不再需要任何其它發(fā)電機(jī)。 如果渦輪增壓器的電動(dòng)機(jī)或者與其連接的電儲(chǔ)存裝置可以額外連接到機(jī)動(dòng)車輛的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，則對(duì)于該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也特別有利。該電動(dòng)驅(qū)動(dòng)可以例如為固定在機(jī)動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)輪上的輪轂電動(dòng)機(jī)(或者傳動(dòng)中的其他電動(dòng)機(jī))。這樣，在現(xiàn)代所謂的"混合型車輛"中，除了內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)之外，還有輪轂電動(dòng)機(jī)可以用于加速，所以在加速時(shí)可以提供額外的扭矩或發(fā)動(dòng)機(jī)功率。通過將輪轂電動(dòng)機(jī)切換到發(fā)電機(jī)工作方式，利用制動(dòng)過程可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)作用，進(jìn)而將動(dòng)能恢復(fù)成電能，并且該電能間接儲(chǔ)存在適當(dāng)?shù)膬?chǔ)存裝置中。如果渦輪增壓器的電動(dòng)機(jī)現(xiàn)在是與該儲(chǔ)存裝置連接的，則可以以集中的方式來"管理"全部電能，以在使用中能夠在任何時(shí)候依靠電能。 除此之外，當(dāng)然，渦輪增壓器系統(tǒng)和輪轂電動(dòng)機(jī)(或者傳動(dòng)中的其他電動(dòng)機(jī))也可以具有相互獨(dú)立的電儲(chǔ)存裝置。 而且，根據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器還適于應(yīng)用在發(fā)電設(shè)備中，所述發(fā)電設(shè)備可以被調(diào)制，并且可以利用燃料工作，所述燃料例如為天然氣、液化氣、燃料油以及再生氣，如生物氣、沼氣和廢氣，或者固態(tài)燃料如切碎的木頭、成塊的木材、稻草等。通過這種類型的電/熱聯(lián)產(chǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高效率的、廉價(jià)的能量產(chǎn)生設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器因此也可以用作電/熱聯(lián)產(chǎn)的微渦輪機(jī)的基本模塊。 優(yōu)選是在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有控制電子裝置用于控制電能、充電和放電過程，或者用
于以低消耗來提供優(yōu)化的扭矩。渦輪或壓縮機(jī)輪的轉(zhuǎn)速、渦輪機(jī)殼體側(cè)和壓縮機(jī)殼體側(cè)的
壓力狀況的實(shí)際值以及與扭矩有關(guān)的內(nèi)燃機(jī)的其它特征變量可以用作控制參數(shù)。 另一有利的設(shè)計(jì)在于渦輪和壓縮機(jī)輪是以抗扭的方式彼此永久性連接的。這意味
著在渦輪和壓縮機(jī)輪之間不需要耦接，這表示機(jī)械構(gòu)造和系統(tǒng)故障的可能性會(huì)增加。相反，
爭取通過輕的轉(zhuǎn)子、輕的壓縮機(jī)輪、輕的軸和質(zhì)量適當(dāng)輕的渦輪來限制運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量。 渦輪增壓器的殼體優(yōu)選是以模塊化方式構(gòu)造，也就是說，除了用于渦輪的渦輪機(jī)
殼體之外，還有用于壓縮機(jī)輪的壓縮機(jī)殼體。渦輪機(jī)殼體優(yōu)選是與將廢氣從內(nèi)燃機(jī)的各個(gè)
汽缸引導(dǎo)到渦輪的排氣歧管連接。考慮到渦輪機(jī)殼體的熱負(fù)荷，設(shè)計(jì)需求與圍繞壓縮機(jī)輪
的壓縮機(jī)殼體有些不同。渦輪和壓縮機(jī)輪的實(shí)際座架優(yōu)選是僅設(shè)在渦輪和壓縮機(jī)輪之間。
這意味著在壓縮機(jī)輪的背離渦輪的一側(cè)沒有額外的座架，因?yàn)閷?shí)際上在這里電動(dòng)機(jī)的定子
自由伸出。優(yōu)選地，在渦輪機(jī)殼體與壓縮機(jī)殼體之間設(shè)有軸承殼體，該軸承殼體用于容納渦
輪和壓縮機(jī)輪的軸承部件。 電動(dòng)機(jī)優(yōu)選是包括定子，該定子具有基本上中空的圓柱形形狀并且以同心的方式圍繞轉(zhuǎn)子。這里，有利的是定子可以被設(shè)計(jì)為壓縮機(jī)殼體的內(nèi)壁的一部分。定子例如還可以被應(yīng)用作為壓縮機(jī)殼體的相應(yīng)開口的嵌入物。這些實(shí)施例的優(yōu)勢(shì)在于僅需要對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械式渦輪增壓器進(jìn)行盡可能小的設(shè)計(jì)改變，使得由此可以實(shí)現(xiàn)成本和競爭優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)于
8大規(guī)模生成的情況。 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子優(yōu)選是具有轉(zhuǎn)子磁鐵，該轉(zhuǎn)子磁鐵優(yōu)選是由護(hù)套包圍。這樣，轉(zhuǎn)子磁鐵得到機(jī)械上的保護(hù)。通過這種方式，也可以影響磁場的類型。轉(zhuǎn)子磁鐵可以被設(shè)計(jì)成使其被部分或全部集成到壓縮機(jī)輪中。如果壓縮機(jī)輪由纖維增強(qiáng)型或非增強(qiáng)型塑料制成，則在生產(chǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁鐵可以在周圍被直接通過塑料體注塑，通過這種方式，可以實(shí)現(xiàn)廉價(jià)的大規(guī)范制造。 轉(zhuǎn)子的護(hù)套優(yōu)選是以"中空?qǐng)A柱形"的方式設(shè)計(jì)。 關(guān)于制造工藝，有利的是，轉(zhuǎn)子磁鐵在內(nèi)部區(qū)域是中空的，用于放置在具有壓縮機(jī)輪的公共軸上。通過這種方式可以實(shí)現(xiàn)廉價(jià)制造。 壓縮機(jī)輪優(yōu)選是由不能磁化的材料制成，該材料不會(huì)對(duì)磁場造成負(fù)面危害。壓縮機(jī)輪也可以由非金屬材料制成，優(yōu)選是由增強(qiáng)型或非增強(qiáng)型材料制成。 另一有利設(shè)計(jì)在于轉(zhuǎn)子和定子之間的轉(zhuǎn)子間隙代表針對(duì)壓縮機(jī)輪的(特別是唯一的)進(jìn)氣口。這又意味著電動(dòng)機(jī)幾乎不擋住進(jìn)氣流，并且不需要提供額外的進(jìn)氣口，該進(jìn)氣口會(huì)不必要地增加流阻力。因此，對(duì)于入口，甚至可以在轉(zhuǎn)子和定子之間沒有支柱。在這里，因?yàn)槭∪チ?相應(yīng)軸承"，所以不一定要提供支柱。盡管如此，對(duì)于具有渦輪機(jī)的"傳統(tǒng)渦輪增壓器"以及僅被設(shè)計(jì)為一個(gè)壓縮機(jī)級(jí)的渦輪增壓器(例如具有特別高的轉(zhuǎn)速、臨界固有頻率等)，可以采用這樣的"相應(yīng)軸承"。 取決于轉(zhuǎn)子或定子的尺度，入口可以具有大橫截面面積。優(yōu)選地，定子的最小內(nèi)徑是轉(zhuǎn)子的最大外徑的尺寸的1. 2至10倍，優(yōu)選是1. 5至8倍，特別優(yōu)選是2至4倍。這里指定的長度各自與相關(guān)部件的最大延伸或最小延伸相關(guān)，但是僅在電有效或磁有效部件的范圍內(nèi)(因此例如僅在轉(zhuǎn)子磁鐵的長度上)，并且隨后變厚(例如在壓縮機(jī)輪的區(qū)域中)在這里并不重要。這些值在(橫截面面積的)單個(gè)橫截面中滿足即可。 另一有利設(shè)計(jì)在于壓縮機(jī)輪包括螺紋、葉片或翼狀物形式的輸送結(jié)構(gòu)，其中，所述輸送結(jié)構(gòu)的前沿在進(jìn)氣流方向上相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁鐵的磁有效前沿或定子的磁有效前沿位于下游或上游。在本文中，"磁有效前沿"表示實(shí)際的電和磁部件，但沒有隔離外殼等。這樣，根據(jù)應(yīng)用情況，可以自由地以實(shí)際上自由的方式相對(duì)于壓縮機(jī)輪布置定子或轉(zhuǎn)子。例如，如果使用金屬材料的壓縮機(jī)輪，則可以將轉(zhuǎn)子磁鐵的前沿關(guān)于進(jìn)氣流方向被布置在上游。利用轉(zhuǎn)子磁鐵伸出壓縮機(jī)輪，相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)的電特性或磁特性是特別有利的。但是，如果要求構(gòu)造空間最小化，則轉(zhuǎn)子磁鐵可以始于壓縮機(jī)輪的輸送結(jié)構(gòu)內(nèi)部。這例如適合于輸送結(jié)構(gòu)由塑料材料構(gòu)成的情況。定子的前沿可以類似地關(guān)于輸送結(jié)構(gòu)的前沿被布置在下游或上游。這里，也是出于對(duì)最前面的關(guān)于構(gòu)造空間及材料的考慮。 另一 (作為上述構(gòu)造的替代方式或者另一方式)構(gòu)造在于壓縮機(jī)輪包括葉片、螺紋或翼狀物形式的輸送結(jié)構(gòu)，其中，輸送結(jié)構(gòu)的后沿在進(jìn)氣流方向上相對(duì)于所述轉(zhuǎn)子磁鐵的后沿或定子的后沿位于下游或上游。因此，根據(jù)周圍材料的電介質(zhì)或磁特性、轉(zhuǎn)子磁鐵或定子或壓縮機(jī)輪/輸送結(jié)構(gòu)的尺度，"待驅(qū)動(dòng)"的部件也可以被部分布置在輸送結(jié)構(gòu)的下游。這里，特別大的或大功率的定子裝置或轉(zhuǎn)子磁鐵還可以被設(shè)計(jì)成足夠長，使得它們?cè)趦蓚?cè)(因此在下游和上游)在軸向上延伸超過輸送結(jié)構(gòu)或壓縮機(jī)輪。
另一有利設(shè)計(jì)在于定子和/或轉(zhuǎn)子相對(duì)于壓縮機(jī)輪的軸傾斜。 因此，這意味著轉(zhuǎn)子磁鐵或定子的外輪廓或內(nèi)輪廓不需要為圓柱形或中空的圓柱形，而且還意味著這里可以有其它形狀，例如截錐形或中空的截錐形形狀。利用這些傾斜結(jié) 構(gòu)，本發(fā)明的直徑或面積關(guān)系也僅需要在單個(gè)步驟中實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)本專利的發(fā)明內(nèi)容。
另一有利設(shè)計(jì)在于轉(zhuǎn)子磁鐵相對(duì)于壓縮機(jī)輪的軸被徑向布置在壓縮機(jī)輪的輪轂 外。這種布置盡管由于轉(zhuǎn)子磁鐵的機(jī)械和熱負(fù)荷增加的原因而并非總是需要，但是提供了 更大的靈活性，例如可以實(shí)現(xiàn)緊湊的輪轂(例如，在理想情況下省去輪轂)以及實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī) 中心的附加氣流。為此，壓縮機(jī)輪也可以被設(shè)計(jì)成使得可以徑向上在轉(zhuǎn)子磁鐵內(nèi)或徑向上 在轉(zhuǎn)子磁鐵外引導(dǎo)空氣。例如在這里，可以想到以基本圓環(huán)形方式設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子磁鐵，但是這也 可以通過布置數(shù)個(gè)轉(zhuǎn)子磁鐵來實(shí)現(xiàn)。 關(guān)于這點(diǎn)，壓縮機(jī)輪可以被設(shè)計(jì)成使得氣團(tuán)流的至少50%、優(yōu)選是至少70%、特 別優(yōu)選是至少90%在徑向上在轉(zhuǎn)子磁鐵外部被引導(dǎo)。 另一特別有利的形式在于入口的橫截面面積與轉(zhuǎn)子磁鐵的橫截面面積的比(以 公式VQE = A入。/A轉(zhuǎn)^磁鐵表示)在0. 5與100之間，優(yōu)選是在0. 8與50之間，特別優(yōu)選是在 2與20之間。 媒介間隙馬達(dá)的首要工作功是將媒介傳送通過轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙，或者作為 發(fā)電機(jī)，由媒介間隙中的傳送媒介驅(qū)動(dòng)。"入口的橫截面面積"應(yīng)當(dāng)理解為空氣或流體可以通過的實(shí)際開口橫截面。因此這 是該區(qū)域中的實(shí)際的"入口凈橫截面面積"。例如，對(duì)于圓圈形入口，首先將其假設(shè)為總的圓 形面積，但是減去葉片或輪轂(包括護(hù)套、轉(zhuǎn)子磁鐵等)的相應(yīng)的橫截面面積，以便確定凈 橫截面面積。這里得到的測量值因而是實(shí)際轉(zhuǎn)子磁鐵(關(guān)于面積)與空氣可以流過的實(shí)際 橫截面的比。 用于確定VQE的橫截面優(yōu)選是經(jīng)過不僅存在轉(zhuǎn)子磁鐵而且存在轉(zhuǎn)子的磁有效或電 有效截面的區(qū)域。 另一有利設(shè)計(jì)在于定子的橫截面面積與轉(zhuǎn)子磁鐵的橫截面面積的比(以公式VQS =A定子二 /A轉(zhuǎn)子磁鐵表示)在2與IOO之間，優(yōu)選是在10和50之間。這里，各自為要說明的 定子或轉(zhuǎn)子磁鐵的電有效部件的"凈橫截面面積"。未將非電/磁有效的一個(gè)或多個(gè)隔離部 件考慮在內(nèi)。因此，對(duì)于定子，將金屬基底主體(例如包括銅繞組)考慮在橫截面內(nèi)，但是 周圍的隔離塑料為考慮在內(nèi)。相應(yīng)地，對(duì)于轉(zhuǎn)子磁鐵，也僅將實(shí)際磁有效面積考慮在內(nèi)，即 使轉(zhuǎn)子由不同部分組成也是如此(于是相應(yīng)地將各個(gè)面積相加，使得可以確定轉(zhuǎn)子磁鐵的 總面積)。 上述橫截面優(yōu)選與壓縮機(jī)輪的軸垂直。 另一有利形式在于轉(zhuǎn)子與壓縮機(jī)輪連接，并且壓縮機(jī)輪在兩側(cè)被軸向安裝。這里， 壓縮機(jī)輪可以與渦輪連接或者不與其連接，重要的是壓縮機(jī)輪在兩側(cè)被軸向安裝，因此不 突出。 另一有利的設(shè)計(jì)在于渦輪增壓器僅僅被設(shè)計(jì)為具有至少一個(gè)壓縮機(jī)輪的壓縮機(jī) 系統(tǒng)，并且所述至少一個(gè)壓縮機(jī)輪在一側(cè)或兩側(cè)被軸向安裝。在這種情況下，壓縮機(jī)輪因此 不會(huì)與渦輪連接。 另一有利的設(shè)計(jì)在于渦輪增壓器包括渦輪和壓縮機(jī)輪，其中，在壓縮機(jī)輪的面向 渦輪的一側(cè)、或者在壓縮機(jī)輪的面向渦輪的一側(cè)與背離渦輪的一側(cè)之間設(shè)有電動(dòng)機(jī)。
另一有利設(shè)計(jì)在于定子的最小內(nèi)徑是轉(zhuǎn)子的最大外徑的1. 1至1.49倍，優(yōu)選是1. 25至1. 49倍。 另一有利設(shè)計(jì)在于定子的最小內(nèi)徑也是轉(zhuǎn)子的最大外徑大小的8.01至15倍，優(yōu)選是8.01至12倍 這里指定的長度各自與相關(guān)部件的最大延伸或最小延伸相關(guān)，但是僅在電有效或磁有效部件的范圍(因此，例如僅為轉(zhuǎn)子磁鐵的范圍)內(nèi)，并且隨后變厚(例如在壓縮機(jī)輪的區(qū)域中)在這里并不重要。 為了減小電流強(qiáng)度以及增加能量效率，在這里，電動(dòng)機(jī)的標(biāo)稱電壓可以大于12V，例如為24V或48V。 對(duì)于電動(dòng)機(jī)特別有利的是能夠從馬達(dá)工作方式切換到發(fā)電機(jī)工作方式。如果(渦輪機(jī)殼體中)增壓壓力達(dá)到特定標(biāo)稱值，則通過使用具有再生能力的換能器產(chǎn)生附加的能量。而且，理想情況下，通過制動(dòng)能量的能量轉(zhuǎn)換，可以摒棄用于噴出多余廢氣壓的排廢門/測壓器。 對(duì)馬達(dá)/發(fā)電機(jī)工作方式的控制首次允許實(shí)現(xiàn)對(duì)增壓過程的幾乎實(shí)時(shí)的、目標(biāo)化閉環(huán)控制。壓縮機(jī)以及渦輪的轉(zhuǎn)速、進(jìn)而氣團(tuán)流可以被準(zhǔn)確確定，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)優(yōu)選是通過頻率轉(zhuǎn)換器以閉環(huán)控制。內(nèi)燃機(jī)的增壓過程的控制優(yōu)選是集成到集中式馬達(dá)控制中。這樣，可以實(shí)現(xiàn)以特征曲線控制的增壓。因此，可以實(shí)現(xiàn)燃燒參數(shù)(燃料量、空氣量、增壓壓力、廢氣返回率、點(diǎn)火時(shí)間等)的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)和優(yōu)化，通過這種方式，可以實(shí)現(xiàn)顯著降低燃料消耗。因此，這表示特征曲線的有效延伸，通過這種方式，內(nèi)燃機(jī)的能量平衡可以得到顯著提高。該控制環(huán)路允許在內(nèi)燃機(jī)的燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)完整燃燒進(jìn)程的閉環(huán)控制和優(yōu)化。
更多有利設(shè)計(jì)在其余從屬權(quán)利要求中說明。


下面通過若干附圖來說明本發(fā)明。在附圖中 圖la為根據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器的第一實(shí)施例的局部剖視圖； 圖lb為圖la所示渦輪增壓器依照方向A的截面； 圖lc為圖la所示渦輪增壓器依照方向B的截面； 圖ld為圖la所示渦輪增壓器的部分分解圖； 圖2a為根據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器的第二實(shí)施例的局部剖視圖； 圖2b為圖2a所示渦輪增壓器的部分分解圖； 圖3a說明轉(zhuǎn)子磁鐵、定子和壓縮機(jī)輪的比例和布局； 圖3b為具有傾斜轉(zhuǎn)子和傾斜定子的壓縮機(jī)輪； 圖4a-4c說明關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器的幾何關(guān)系； 圖5和圖6是根據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器的又一實(shí)施例，作為用于發(fā)電的微渦輪機(jī)。
具體實(shí)施例方式
在下文中通過根據(jù)圖la至圖ld的第一實(shí)施例示出本發(fā)明的基本情況。
圖la至圖ld示出電方面改進(jìn)的機(jī)械渦輪增壓器l，該渦輪增壓器l可以與內(nèi)燃機(jī)上的渦輪機(jī)殼體5耦接。在燃燒后，廢氣通過圖la所示的廢氣扇收集并用于驅(qū)動(dòng)渦輪2。渦輪2由渦輪機(jī)殼體5包圍并且基本上來自常用的機(jī)械渦輪增壓器。軸承殼體7連接到渦輪機(jī)殼體5，于是連接到壓縮機(jī)殼體6。壓縮機(jī)輪6耦接在該壓縮機(jī)殼體6中，并且將通過入 口 (該入口尤其在圖lc中容易看見)饋送的空氣壓縮并將其以一方式(這里未示出)引 導(dǎo)到內(nèi)燃機(jī)的燃燒室。圖1左側(cè)的壓縮機(jī)輪3示出延續(xù)部分，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子4a與該延續(xù)部 分連接。轉(zhuǎn)子4a在進(jìn)氣口 4e中居中附接。進(jìn)氣流方向4e在圖la中以LES表示(這里， 與壓縮機(jī)輪的軸同軸)。 定子4b具有基本上中空?qǐng)A柱形的形狀并且在進(jìn)氣口區(qū)域中代表壓縮機(jī)殼體的內(nèi) 壁的一部分，并被提供在轉(zhuǎn)子4a周圍。這里，定子4b甚至還作為相應(yīng)開口的嵌入物。，使其 易于組裝。這里，因此在圖la中，轉(zhuǎn)子4a與定子4b之間的轉(zhuǎn)子間隙是壓縮機(jī)輪的進(jìn)氣口 4e。在這種情況下，再次依據(jù)圖la，進(jìn)氣口 4e在轉(zhuǎn)子和定子之間不需要支柱。在所示截面 中，定子的最小內(nèi)徑(參見圖ld的"(V')例如為轉(zhuǎn)子的最大外徑4的1.5倍(附圖是示 意性的并且僅用于表明大小關(guān)系)。 電動(dòng)機(jī)4的轉(zhuǎn)子4a包括轉(zhuǎn)子磁鐵4c，這里，轉(zhuǎn)子磁鐵4c由護(hù)套包圍(見圖ld)。 在這種情況下，護(hù)套以基本上為"燒杯形"的方式設(shè)計(jì)，其中，燒杯的基底朝向壓縮機(jī)輪方向 幾乎完全閉合(忽略中央的組裝孔)。 壓縮機(jī)輪可以(但不是必須)由非金屬材料制成，這里，在一個(gè)實(shí)施例中，例如由 非增強(qiáng)型塑料制成，并且對(duì)電動(dòng)機(jī)的電磁場的影響最小。轉(zhuǎn)子磁鐵4c在用于放置在具有壓 縮機(jī)輪的公共軸上的區(qū)域中又是中空的。這里，轉(zhuǎn)子磁鐵的孔4c相應(yīng)地在圖ld中可見。而 且，可以看出，各部件的順序是以轉(zhuǎn)子(由轉(zhuǎn)子磁鐵4c和護(hù)套4d組成)、壓縮機(jī)輪3、軸8、 渦輪2的順序示出，這使得電動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷最小。在本實(shí)施例中，軸8被設(shè)計(jì)為使得渦輪2、 壓縮機(jī)輪3以及轉(zhuǎn)子4a彼此牢固(以抗扭的方式)連接，因此不會(huì)被旋轉(zhuǎn)離合器或飛輪分 離。但是，如果例如在渦輪2的質(zhì)量非常高的情況下，基本上可以在本發(fā)明的框架內(nèi)提供這 樣的離合器，但是這樣又會(huì)增加設(shè)計(jì)成本。 這里，圖la中電動(dòng)機(jī)4的標(biāo)稱電壓為12V，但是也可以為其它電壓(例如關(guān)于混合 式車輛為48V)。 在圖ld中示出具有用于壓縮用于內(nèi)燃機(jī)的新鮮空氣的壓縮機(jī)裝置的渦輪增壓 器，包括壓縮機(jī)輪3以及具有轉(zhuǎn)子4a和定子4b的電動(dòng)機(jī)4，其中，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子磁鐵4c被設(shè) 計(jì)為使其部分或全部集成到壓縮機(jī)輪中或者與壓縮機(jī)輪連接，并且定子的最小內(nèi)徑是轉(zhuǎn)子 的最大外徑的1. 5至8倍。轉(zhuǎn)子磁鐵、電子或壓縮機(jī)輪的布局在軸向方向上是可變的，關(guān)于 這點(diǎn)可特別參考后面的圖3a。轉(zhuǎn)子磁鐵3c的質(zhì)量(總質(zhì)量，即使轉(zhuǎn)子磁鐵是由數(shù)個(gè)部件組 成)在這里為50g。該轉(zhuǎn)子磁鐵關(guān)于轉(zhuǎn)子的軸的質(zhì)量慣性矩為0. 6kgmm2。
入口的橫截面面積與轉(zhuǎn)子磁鐵的橫截面面積的比(VQE)為7 : 1。定子的橫截面 面積與轉(zhuǎn)子磁鐵的橫截面面積的比V^為16 : 1。 電動(dòng)機(jī)可以以馬達(dá)工作方式工作(用于加速以及避免"渦輪遲滯")，以及以發(fā)電 機(jī)工作方式工作(用于恢復(fù)能量)。如果(渦輪機(jī)殼體中的)增壓壓力達(dá)到某一標(biāo)稱值，則 其它能量通過使用具有再生能力的換能器來產(chǎn)生。理想情況是，通過發(fā)電機(jī)工作方式下的 制動(dòng)能量的該能量轉(zhuǎn)換，可以廢除用于噴出多余廢氣壓的排廢門/測壓器(如圖lb中標(biāo)號(hào) 9所示)。 根據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器被用于關(guān)于機(jī)動(dòng)車輛的本發(fā)明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 包括與渦輪增壓器連接的內(nèi)燃機(jī)，以及電能儲(chǔ)存裝置。在這里，渦輪增壓器1的電動(dòng)機(jī)與電能儲(chǔ)存裝置連接，用于在渦輪增壓器1的馬達(dá)工作方式中取出電能，并且在渦輪增壓器1的 發(fā)電機(jī)工作方式中饋入電能。在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，渦輪增壓器的電動(dòng)機(jī)與電儲(chǔ)存裝置 連接，其中，該電儲(chǔ)存裝置還可連接到機(jī)動(dòng)車輛的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。這可以是機(jī)動(dòng)車輛的"輪轂電 機(jī)"或另一電動(dòng)機(jī)，其設(shè)置在機(jī)動(dòng)車輛的傳動(dòng)中(例如在齒輪區(qū)域中)。電渦輪增壓器與混 合型車輛的這種連接尤其是高效能的。 用于確定渦輪2或壓縮機(jī)輪3的轉(zhuǎn)速、渦輪機(jī)殼體側(cè)和壓縮機(jī)殼體側(cè)的壓力狀況 的實(shí)際值以及與內(nèi)燃機(jī)的扭矩有關(guān)的其它值的控制電子裝置被提供用于有效控制驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)或渦輪增壓器。 根據(jù)圖la至Id的第一實(shí)施例的最重要的部件在圖Id中的右上部被示為部分分 解圖。這里，可以看出，這是包括渦輪2以及與其連接的壓縮機(jī)輪3的渦輪增壓器1的情 況，其中，電動(dòng)機(jī)4被設(shè)置在壓縮機(jī)輪3的背離渦輪的一側(cè)，渦輪包括轉(zhuǎn)子4a和定子4b，并 且電動(dòng)機(jī)4的轉(zhuǎn)子4a與壓縮機(jī)輪3以抗扭的方式連接，并以自由伸出的方式設(shè)計(jì)。
"自由伸出"的方式是有利的，原因是由此可以減少設(shè)計(jì)成本，并且避免例如總座 架的靜態(tài)超尺寸。"自由伸出"應(yīng)理解為其中轉(zhuǎn)子未以分離和永久的方式安裝的方案?？赡?提供的"支撐籠"等在軸承的背景中看不到，所述"支撐籠"等用于防止自由伸出的轉(zhuǎn)子的 彎曲，該彎曲例如由于彎曲諧振而可能太大。 在圖2a和圖2b中示出第二實(shí)施例。這里，轉(zhuǎn)子磁鐵4c在制造時(shí)被部分集成到壓 縮機(jī)輪3中。定子形成壓縮機(jī)殼體的內(nèi)輪廓。 電動(dòng)機(jī)可以以馬達(dá)工作方式工作(用于加速以及避免"渦輪遲滯")，以及以發(fā)電 機(jī)工作方式工作(用于恢復(fù)能量)。如果(渦輪機(jī)殼體中的)增壓壓力達(dá)到某一標(biāo)稱值，則 其它能量通過使用具有再生能力的換能器來產(chǎn)生。通過發(fā)電機(jī)工作方式下的制動(dòng)能量的該 能量轉(zhuǎn)換，可以廢除用于噴出多余廢氣壓的排廢門/測壓器(如圖lb中標(biāo)號(hào)9所示)。
圖3a示出壓縮機(jī)輪3、定子4b以及轉(zhuǎn)子4c的示意性表示，以便示出幾何情況。如 圖所示，壓縮機(jī)輪在一側(cè)或兩側(cè)被安裝在軸10上，并且在進(jìn)氣流方向LES上受到流的作用。 吹入的氣流被壓縮機(jī)輪3加速，壓縮機(jī)輪3包括輸送結(jié)構(gòu)F。該輸送結(jié)構(gòu)的前沿由VF表示， 而輸送結(jié)構(gòu)的后沿由HF表示。轉(zhuǎn)子磁鐵4c的前沿由VR表示，而轉(zhuǎn)子磁鐵4c的后沿由HR 表示。定子的前沿由VS表示，而定子的后沿由HS表示(這里，定子是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，但是為 了更好地觀察，示出了上定子部分)。因此，壓縮機(jī)輪3具有葉片形式的輸送結(jié)構(gòu)F，其中， 輸送結(jié)構(gòu)的前沿VF在進(jìn)氣流方向上相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁鐵4c的磁有效前沿和定子的磁有效前沿 VS位于下游。相反，壓縮機(jī)輪及其后沿HF在進(jìn)氣流方向上相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁鐵4c的后沿HR和 定子4b后沿位于上游。 但是，這里也可以使用其它方案，利用該方案，轉(zhuǎn)子磁鐵或定子僅僅延伸超過壓縮 機(jī)輪的一邊，并且轉(zhuǎn)子磁鐵也可以完全在壓縮機(jī)輪內(nèi)，因而被輸送結(jié)構(gòu)的邊在橫向上包圍。
圖3b示出又一實(shí)施例，定子4b (該定子關(guān)于軸10旋轉(zhuǎn)對(duì)稱)關(guān)于軸10傾斜。這 里，定子因此基本上具有中空的截錐形狀。這對(duì)于轉(zhuǎn)子4a或相應(yīng)的轉(zhuǎn)子磁鐵也是一樣，同 樣，其截面相對(duì)于軸10傾斜(因此這些不平行/共線，而是其延長線交叉)。
圖3b中所示的壓縮機(jī)輪在兩側(cè)均安裝(參見所示出的軸承位置L1和L2)。但是， 其它附圖中的實(shí)施例形式也基本上可以在兩側(cè)均安裝(即使這在特定情況下意味著更多 的構(gòu)造成本)。
關(guān)于圖3b，示出的是轉(zhuǎn)子磁鐵4c相對(duì)于壓縮機(jī)輪3的軸10在徑向上被布置在壓 縮機(jī)輪的輪轂外。這里，壓縮機(jī)輪被設(shè)計(jì)成使得空氣可以在徑向上在轉(zhuǎn)子磁鐵內(nèi)或徑向上 在轉(zhuǎn)子磁鐵外流過。這里，壓縮機(jī)輪也可以被設(shè)計(jì)成使得所提供的氣團(tuán)(或所提供的氣團(tuán) 流)的至少70%在徑向上在轉(zhuǎn)子磁鐵外流過。 圖4a和圖4b用于說明對(duì)直徑尺寸的確定，所述直徑尺寸并非從頭到尾都相同。
圖4a清楚地指出轉(zhuǎn)子的最大直徑dK是在該轉(zhuǎn)子(但是僅在轉(zhuǎn)子磁鐵延伸的范圍 內(nèi))具有其最大延伸的位置測得的。不包括該轉(zhuǎn)子的、在壓縮機(jī)輪3區(qū)域中的隨后變寬的 部分，因?yàn)檗D(zhuǎn)子磁鐵未進(jìn)一步延伸到那里。 相應(yīng)地，定子也是在定子的相應(yīng)電或磁有效部件(由黑色條表示，該黑色條示出 具有銅線的層壓芯)延伸通過的最窄位置(見4)處測量的。 圖4b是對(duì)橫截面(非圓形)的進(jìn)一步說明。轉(zhuǎn)子磁鐵的"最大外徑"應(yīng)當(dāng)理解為 表示圍繞整個(gè)轉(zhuǎn)子的最小外接圓的直徑(參見以上相對(duì)于軸定位關(guān)于4a的說明)。圖4b 中所示的波浪形外側(cè)線為非圓形，并且外接圓與外轉(zhuǎn)子的突出位置基本上相切。
圖4b也是一樣，圖4b也沒有圓形形狀。這里，假設(shè)最大內(nèi)接圓具有直徑ds。
圖4c再次示出穿過根據(jù)本發(fā)明的定子4b和轉(zhuǎn)子4a的橫截面。這里，可以看到由 各個(gè)分段(三個(gè)分布在邊界上)組成的轉(zhuǎn)子磁鐵4c。可替選地，也可以想到例如圓柱形的 單個(gè)磁鐵。在該轉(zhuǎn)子磁鐵4c周圍附接有護(hù)套4d。而輸送結(jié)構(gòu)F(這里為截面，所以用陰影 表示)被示為在該護(hù)套上?？諝馔ǖ阑蛎浇橥ǖ篱_口 4e設(shè)在輸送結(jié)構(gòu)周圍，并且在徑向上 在外側(cè)由屏蔽罩11 (屏蔽罩11為塑料并且是磁隔離/電絕緣的)包圍。定子4b的電有效 部分設(shè)在護(hù)罩ll的周圍。 在圖4c所示的橫截面中，媒介通道開口或空氣通道或入口 4e的橫截面面積與轉(zhuǎn) 子磁鐵的四個(gè)分段的橫截面面積的比(定義為V證二 A入口/A轉(zhuǎn)子磁鐵)=4:1。
這里，入口 4e被限定為可以真正用于通流的開口，因此為護(hù)套11內(nèi)含有的面積， 但是要減去陰影表示的輸送器結(jié)構(gòu)的面積以及轉(zhuǎn)子的輪轂的面積(該輪轂包括護(hù)套4d以 及位于其中的所有東西)。這里要表達(dá)的是入口的"凈橫截面面積"。圖4c的橫截面顯然 經(jīng)過定子4b的電有效和磁有效部分。在該橫截面中，定子的橫截面面積與轉(zhuǎn)子磁鐵的橫截 面面積的比(定義為VQs二A舒/A轉(zhuǎn)子磁鐵)=3:1。 這里，只有電有效或磁有效部分(因此為金屬+銅線，但是減去銅線涂覆層以及可 能有的"中空面積")才被理解為定子的橫截面面積。因此，其如同轉(zhuǎn)子磁鐵一樣，并且這里 僅采用純轉(zhuǎn)子磁鐵分段在該橫截面中的橫截面。 定子的最小內(nèi)徑關(guān)于轉(zhuǎn)子的最大外徑的上述比例(附加地，為1.5至8倍)也可 以位于其它區(qū)間，特別是1. 1至1. 49倍，優(yōu)選是1. 25至1. 49倍。但是，相應(yīng)地，在該比例 值的另一端，定子的最小內(nèi)徑也可以是轉(zhuǎn)子的最大外徑大小的8. 01至15倍，優(yōu)選是8. 01
至12倍。 附圖中所示的所有渦輪增壓器包含用于壓縮空氣的至少一個(gè)壓縮機(jī)輪3，并且可 以由電動(dòng)機(jī)4驅(qū)動(dòng)，其中，在該電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子4a和定子4b之間設(shè)有轉(zhuǎn)子間隙，并且饋送到 壓縮機(jī)輪的氣團(tuán)流的至少50%、優(yōu)選是至少90%在渦輪增壓器的至少一個(gè)工作情形下被 饋送通過轉(zhuǎn)子間隙。通過附圖中的表示，該操作條件是在5000rpm和300000rpm之間、優(yōu)選 是在40000rpm和200000rpm之間、主要是在100000rpm的轉(zhuǎn)速下給出的。這里，相連的往
14復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄軸的轉(zhuǎn)速在100rpm和15000rpm之間、優(yōu)選是在1500rpm和8000rpm之 間，主要是例如2500rpm。 圖5和圖6將根據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器示為用于電/熱聯(lián)產(chǎn)的微渦輪機(jī)的基底模 塊。圖5示出基本構(gòu)造，圖6為分解圖。電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)以標(biāo)號(hào)ll表示，回流換熱器以標(biāo) 號(hào)12表示，熱交換器以標(biāo)號(hào)13表示，熱儲(chǔ)存裝置以標(biāo)號(hào)14表示。因此，在附圖中，重要部 件(轉(zhuǎn)子、定子、壓縮機(jī)輪、渦輪)以與前面的實(shí)施例相同的標(biāo)號(hào)表示。換句話說，機(jī)能的方 式如下(在這里，重要的主要不在于電/熱聯(lián)產(chǎn)的功能，而在于包括壓縮機(jī)輪和渦輪的根據(jù) 本發(fā)明的渦輪增壓器還可以用于汽車之外)。 助燃空氣完全在電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)11的轉(zhuǎn)子和定子之間流入到壓縮機(jī)中。通過向 其施加的大約4bar的壓縮，助燃空氣已加熱到大約200°C。加熱后的助燃空氣被導(dǎo)出壓縮 機(jī)進(jìn)入第一熱交換器，并且通過流過的熱廢氣被提高到大約500°C 。在布置在下游的燃燒室 中，助燃空氣與燃料如再生氣一起燃燒。通過這種方式生成的熱氣在渦輪機(jī)中膨脹并且驅(qū) 動(dòng)渦輪，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)。廢氣的熱能在熱交換器中被部分直接再次分配給壓縮 的助燃空氣。而且，根據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器可以與第二熱交換器耦合，以利用總剩余熱量 來提供熱水，或者將其引導(dǎo)到加熱回路例如用于建筑物的供熱和制冷。發(fā)電機(jī)可以用作用 于開始進(jìn)程的電動(dòng)機(jī)。因此，例如利用根據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器，可以產(chǎn)生廉價(jià)的單岸式電 站，其主要部件包括來自機(jī)動(dòng)車產(chǎn)業(yè)的按大尺度制造的部件。由于低諧振運(yùn)行，在相鄰建筑 中避免了噪聲釋放以及主體聲音傳輸。該模塊由于構(gòu)造緊湊且重量低，還適于作為用于在 飛機(jī)中發(fā)電的輔助驅(qū)動(dòng)。
權(quán)利要求
一種渦輪增壓器，具有用于壓縮用于內(nèi)燃機(jī)的新鮮空氣的壓縮機(jī)裝置，該渦輪增壓器包括壓縮機(jī)輪(3)以及具有轉(zhuǎn)子(4a)和定子(4b)的電動(dòng)機(jī)(4)，其中，所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子磁鐵(4c)被設(shè)計(jì)成使其部分或全部集成到所述壓縮機(jī)輪中，并且所述定子的最小內(nèi)徑是所述轉(zhuǎn)子的最大外徑的1.5倍至8倍。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子間隙被設(shè)計(jì)成使得壓縮 機(jī)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，要壓縮的氣團(tuán)流的至少50%、優(yōu)選是至少90%被引導(dǎo)通過所述轉(zhuǎn)子間隙。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述渦輪增壓器包括渦輪(2) 并且所述至少一個(gè)壓縮機(jī)輪(3)與所述渦輪連接，其中，所述電動(dòng)機(jī)被布置在所述壓縮機(jī) 輪的背離所述渦輪的一側(cè)。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子(4a)以抗扭的方 式與所述壓縮機(jī)輪(3)連接，并且以自由伸出的方式設(shè)計(jì)。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，設(shè)置有渦輪(2)，并且所述 渦輪以抗扭的方式連接到所述壓縮機(jī)輪(3)。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪增壓器，其特征在于包括殼體，所述殼體包括用 于渦輪(2)的渦輪機(jī)殼體(5)以及用于所述壓縮機(jī)輪(3)的壓縮機(jī)殼體(6)。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，僅在渦輪(2)和壓縮機(jī)輪 (3)之間的區(qū)域中設(shè)置渦輪(2)和/或壓縮機(jī)輪(3)的座架。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的渦輪增壓器，其特征在于，在所述渦輪機(jī)殼體(5)與所述壓縮 機(jī)殼體(6)之間設(shè)有用于容納所述渦輪(2)的軸承部件的軸承殼體(7)。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)(4)的轉(zhuǎn)子 (4a)包括轉(zhuǎn)子磁鐵(4c)，所述轉(zhuǎn)子磁鐵(4c)被護(hù)套(4d)(圖ld)圍繞。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)(4)包括定子 (b)，并且所述定子(4b)具有基本上中空的圓柱形形狀。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述定子(4b)被設(shè)計(jì)為所述壓 縮機(jī)殼體(6)的內(nèi)壁的一部分。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述定子(4b)可以被應(yīng)用 為所述壓縮機(jī)殼體(6)的相應(yīng)開口的嵌入物。
13. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，在所述轉(zhuǎn)子(4b)和所述 定子(4b)之間的轉(zhuǎn)子間隙代表所述壓縮機(jī)輪的進(jìn)氣口 (4e)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述進(jìn)氣口 (4e)在所述轉(zhuǎn)子 (4a)和所述定子(4b)之間沒有支柱。
15. 根據(jù)權(quán)利要求9至14之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子(4a)的護(hù)套 (4d)被設(shè)計(jì)為圓柱形形狀。
16. 根據(jù)權(quán)利要求9至15之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子磁鐵(4c)在 內(nèi)部區(qū)域中是中空的，用于供具有所述壓縮機(jī)輪的公共軸(8)插入。
17. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述壓縮機(jī)輪(3)由非金 屬材料制成，優(yōu)選是由增強(qiáng)型或非增強(qiáng)型塑料制成。
18. 根據(jù)權(quán)利要求6至17之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述渦輪機(jī)殼體(5)被連接到內(nèi)燃機(jī)的廢氣回路，用于通過流出所述內(nèi)燃機(jī)的廢氣驅(qū)動(dòng)所述渦輪。
19. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)(4)可從馬達(dá) 工作方式變換到發(fā)電機(jī)工作方式。
20. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)的標(biāo)稱電壓是 12V、24V或48V。
21. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子磁鐵(4c)的質(zhì) 量在50g和lOOOg之間，并且對(duì)于機(jī)動(dòng)車渦輪增壓器優(yōu)選在10g和100g之間。
22. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子磁鐵(4c)相對(duì) 于所述轉(zhuǎn)子(4a)的軸(10)的質(zhì)量慣性矩在O. lkgmm2和10kgmm2之間，對(duì)于機(jī)動(dòng)車應(yīng)用是 優(yōu)選在0. 3kgmm2和1. 0kgmm2之間。
23. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述壓縮機(jī)輪包括螺紋、 葉片或翼狀物形式的輸送結(jié)構(gòu)(F)，其中，所述輸送結(jié)構(gòu)的前沿(VF)在進(jìn)氣流方向(LES)上 相對(duì)于所述轉(zhuǎn)子磁鐵(4c)的磁有效前沿(VR)或定子(4b)的磁有效前沿(VS)位于下游或 上游。
24. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述壓縮機(jī)輪包括葉片、 螺紋或翼狀物形式的輸送結(jié)構(gòu)(F)，其中，所述輸送結(jié)構(gòu)的后沿(HF)在進(jìn)氣流方向(LES)上 相對(duì)于所述轉(zhuǎn)子磁鐵(4c)的后沿(HR)或定子(4b)的后沿(HS)位于下游或上游。
25. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述定子(4b)和/或轉(zhuǎn)子 (4a)相對(duì)于所述壓縮機(jī)輪(3)的軸(10)傾斜。
26. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子磁鐵(4c)相對(duì) 于所述壓縮機(jī)輪(3)的軸(10)被徑向布置在所述壓縮機(jī)輪的輪轂之外。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述壓縮機(jī)輪(3)被設(shè)計(jì)成使得 空氣可以徑向上在所述轉(zhuǎn)子磁鐵(4c)內(nèi)部及徑向上在所述轉(zhuǎn)子磁鐵(4c)外部被引導(dǎo)。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述壓縮機(jī)輪(3)被設(shè)計(jì)成使得 氣團(tuán)流的至少50%、優(yōu)選是至少70%、特別優(yōu)選是至少90%在徑向上在所述轉(zhuǎn)子磁鐵外側(cè) 被引導(dǎo)。
29. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，在至少一個(gè)橫截面中，所 述入口 (4e)的橫截面面積與所述轉(zhuǎn)子磁鐵(4c)的橫截面面積的比(VQE = AA。/A^att) 在0. 5與100之間，優(yōu)選是在0. 8與50之間，特別優(yōu)選是在2與20之間。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述橫截面還經(jīng)過所述定子 (4b)的磁有效或電有效截面。
31. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，在至少一個(gè)橫截面中，所 述定子(4b)的橫截面面積與所述轉(zhuǎn)子磁鐵(4c)的橫截面面積的比(VQS = A^/A,磁鐵) 在2與100之間，優(yōu)選是在10與50之間。
32. 根據(jù)權(quán)利要求29至31之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述橫截面與所述軸 (10)垂直。
33. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子(4a)連接到所 述壓縮機(jī)輪(3)，并且所述壓縮機(jī)輪在兩側(cè)被軸向安裝。
34. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述渦輪增壓器僅被設(shè)計(jì) 為具有至少一個(gè)壓縮機(jī)輪(3)的壓縮機(jī)系統(tǒng)，并且所述至少一個(gè)壓縮機(jī)輪在一側(cè)或兩側(cè)被軸向安裝。
35. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述渦輪增壓器包括渦輪 (2)和所述壓縮機(jī)輪(3)，其中，所述電動(dòng)機(jī)(4)被布置在所述壓縮機(jī)輪的面向所述渦輪的 一側(cè)，或者被布置在所述壓縮機(jī)輪的面向所述渦輪的一側(cè)與所述壓縮機(jī)輪的背離所述渦輪 的一側(cè)之間。
36. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述定子的最小內(nèi)徑是所 述轉(zhuǎn)子的最大外徑的1. 1倍至1. 49倍，優(yōu)選是1. 25倍至1. 49倍。
37. 根據(jù)權(quán)利要求1至35之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述定子的最小內(nèi)徑是 所述轉(zhuǎn)子的最大外徑的8. 01倍至15倍，優(yōu)選是8. 01倍至12倍。
38. —種用于機(jī)動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括內(nèi)燃機(jī)、電能儲(chǔ)存裝置以及根據(jù)前述權(quán)利要求 之一所述的渦輪增壓器(l)，其特征在于，所述渦輪增壓器(1)的電動(dòng)機(jī)(4)連接到所述電 能儲(chǔ)存裝置，用于在所述渦輪增壓器(1)的馬達(dá)工作方式下取出電量，并且用于在所述渦 輪增壓器(1)的發(fā)電機(jī)工作方式下饋入電能。
39. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，與所述渦輪增壓器(1)的電動(dòng)機(jī) (4)連接的所述電儲(chǔ)存裝置可以還連接到機(jī)動(dòng)車輛的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。
40. 根據(jù)權(quán)利要求38或39所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括用于確定 所述渦輪(2)或壓縮機(jī)輪(3)的轉(zhuǎn)速、渦輪機(jī)殼體側(cè)和壓縮機(jī)殼體側(cè)的壓力狀況的實(shí)際值 以及與扭矩有關(guān)的內(nèi)燃機(jī)的其它值的控制電子裝置或傳感器。
41. 一種用于操作根據(jù)權(quán)利要求1至37之一所述的渦輪增壓器的方法，其特征在于， 所述渦輪增壓器(1)包括用于壓縮空氣的至少一個(gè)壓縮機(jī)輪(3)，并且所述壓縮機(jī)輪可以 由電動(dòng)機(jī)(4)驅(qū)動(dòng)，其中，在所述電動(dòng)機(jī)的所述轉(zhuǎn)子(4a)與所述定子(4b)之間設(shè)有轉(zhuǎn)子間 隙，并且被引導(dǎo)到所述壓縮機(jī)輪的氣團(tuán)流的至少50%、優(yōu)選是90%在所述渦輪增壓器的至 少一個(gè)操作條件下被弓I導(dǎo)通過所述轉(zhuǎn)子間隙。
42. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，在所述壓縮機(jī)輪的5000rpm和 300000rpm之間、優(yōu)選是在40000rpm和200000rpm之間、特別優(yōu)選在40000rpm和60000rpm 之間的轉(zhuǎn)速下給出所述操作條件。
43. 根據(jù)權(quán)利要求41或42所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，在由所述渦輪增壓器供給新 鮮空氣的內(nèi)燃機(jī)的50rpm和20000rpm之間、優(yōu)選是在100rpm和1500rpm之間、特別優(yōu)選在 2000rpm和4000rpm之間的轉(zhuǎn)速下給出所述操作條件。
44. 根據(jù)權(quán)利要求1至37之一所述的渦輪增壓器作為用于電/熱聯(lián)產(chǎn)的微渦輪機(jī)的基 本模塊的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種渦輪增壓器，包括用于壓縮用于內(nèi)燃機(jī)的新鮮空氣的壓縮機(jī)系統(tǒng)。所述渦輪增壓器包括壓縮機(jī)渦輪機(jī)(3)和具有轉(zhuǎn)子(4a)和定子(4b)的馬達(dá)(4)，所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子磁鐵(4c)以使其被部分或全部集成到壓縮機(jī)渦輪機(jī)中的方式構(gòu)造，并且所述定子的最小內(nèi)徑是轉(zhuǎn)子的最大外徑的1.5倍至8倍。根據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器的特征在于瞬時(shí)范圍內(nèi)非常自發(fā)的響應(yīng)表現(xiàn)以及對(duì)團(tuán)流的準(zhǔn)確且現(xiàn)代化的控制的可能性。而且，允許能量再生，因而有助于增加內(nèi)燃機(jī)的總效率。
文檔編號(hào)H02K5/128GK101715509SQ200780053102
公開日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2007年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月24日
發(fā)明者奧利弗·坎夫, 如多夫·勒夫勒, 托馬斯·畢碩夫, 拉爾夫·黑博爾, 散德拉·邁爾, 霍格·郭得可 申請(qǐng)人:林登邁爾股份有限公司;西歐克泰克有限公司及兩合公司