(57)【要約】  本発明は、圧縮機（２）および／またはタービン（３）用、特に内燃機関のターボチャージャ（１）用の電気的な媒体用空隙機械（１０）であって、ハウジング（６）内に回転可能に支持され、ロータ（１１）が相対回動不能に配置されたシャフト（５）、駆動磁界発生用の少なくとも１つの多相の駆動コイル（１６）ならびに半径方向内側に突入している複数のステータ歯（１５）を有する、ハウジングに固定されたステータ（１２）を備えており、駆動コイル（１６）は、軸方向においてステータ（１２）の両側に突出したコイル端部（１８，１９）を有する、ステータ歯（１５）の周りに巻かれた平形導体コイル（１７）として形成されている、電気的な媒体用空隙機械（１０）に関する。駆動コイル（１６）が少なくとも一方のコイル端部（１８，１９）に、ハウジング（６）の所定のハウジング部分を少なくとも部分的に取り付けるための、端面側の凹部（２１）を有している、ということが想定されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（２）および／またはタービン（３）用、特に内燃機関のターボチャージャ（１）用の電気的な媒体用空隙機械（１０）であって、ハウジング（６）内に回転可能に支持され、ロータ（１１）が相対回動不能に配置されたシャフト（５）、駆動磁界発生用の少なくとも１つの多相の駆動コイル（１６）ならびに半径方向内側に突入している複数のステータ歯（１５）を有する、前記ハウジングに固定されたステータ（１２）を備えており、前記駆動コイル（１６）は、軸方向において前記ステータ（１２）の両側に突出したコイル端部（１８，１９）を有する、前記ステータ歯（１５）の周りに巻かれた少なくとも１つの平形導体コイル（１７）として形成されている、電気的な媒体用空隙機械（１０）において、
前記駆動コイル（１６）は少なくとも一方の前記コイル端部（１８，１９）に、前記ハウジング（６）の所定のハウジング部分を少なくとも部分的に取り付けるための、端面側の凹部（２１）を有していることを特徴とする、電気的な媒体用空隙機械（１０）。
【請求項２】
前記ハウジング（６）は、ガス案内用の渦流室（２２）を有しており、前記凹部（２１）は、前記渦流室（２２）を少なくとも部分的に取り付けるように形成されている、請求項１記載の媒体用空隙機械。
【請求項３】
前記凹部（２１）は、前記コイル端部（１９）の全周に沿って延在している、請求項１または２記載の媒体用空隙機械。
【請求項４】
各前記コイル端部は、前記駆動コイル（１６）の内周（２４）から外周（２３）まで所定の半径方向高さ（Ｈ）を有しており、前記凹部（２１）は半径方向において、前記高さ（Ｈ）よりも小さな範囲にわたってのみ延在している、請求項１から３までのいずれか１項記載の媒体用空隙機械。
【請求項５】
前記凹部（２１）は、前記外周（２３）の内側にまで延在している、請求項１から４までのいずれか１項記載の媒体用空隙機械。
【請求項６】
前記凹部（２１）は、前記外周（２３）の方向に増大している、請求項１から５までのいずれか１項記載の媒体用空隙機械。
【請求項７】
各前記平形導体コイル（１７）は、矩形の導体横断面を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の媒体用空隙機械。
【請求項８】
前記ロータ（１１）を周面側において完全に包囲しかつ軸方向では少なくとも部分的に包囲している内側スリーブ（２７）と、該内側スリーブ（２７）に対して同軸的に配置された外側スリーブ（２５）とが設けられており、前記駆動コイル（１６）は、前記外側スリーブ（２５）の半径方向外側に配置されており、前記内側スリーブ（２７）と前記外側スリーブ（２５）との間には、当該媒体用空隙機械（１０）を通る媒体のための流路（２６）が形成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の媒体用空隙機械。
【請求項９】
前記ステータ歯（１５）または前記ステータ歯（１５）の流れガイド部材（１５’’）は、前記流路（２６）を通って少なくとも前記内側スリーブ（２７）まで延在している、請求項１から８までのいずれか１項記載の媒体用空隙機械。
【請求項１０】
前記ステータ歯（１５）または前記ステータ歯（１５）の前記流れガイド部材（１５’’）は、前記内側スリーブを貫通し、前記内側スリーブに突入している、請求項９記載の媒体用空隙機械。
【請求項１１】
圧縮機（２）および／またはタービン（３）、特にターボチャージャ（１）であって、ハウジング（６）、該ハウジング（６）内に回転可能に支持され、少なくとも１つの圧縮機ホイール（４）および／またはタービンホイール（７）が相対回動不能に配置されたシャフト（５）、および前記シャフト（５）に相対回動不能に配置されたロータ（１１）と前記ハウジングに固定されたステータ（１２）とを有する電気的な媒体用空隙機械（１０）を備えており、前記ステータ（１２）は、駆動磁界発生用の駆動コイル（１６）を有している、圧縮機（２）および／またはタービン（３）、特にターボチャージャ（１）において、
前記媒体用空隙機械（１０）は、請求項１から１０までの１つまたは複数に記載の構成を有していることを特徴とする、圧縮機（２）および／またはタービン（３）、特にターボチャージャ（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機および／またはタービン用、特に内燃機関のターボチャージャ用の電気的な媒体用空隙機械であって、ハウジング内に回転可能に支持され、ロータが相対回動不能に配置されたシャフト、駆動磁界発生用の少なくとも１つの多相の駆動コイルならびに半径方向内側に突入している複数のステータ歯を有する、ハウジングに固定されたステータを備えており、駆動コイルは、軸方向においてステータの両側に突出したコイル端部を有する、ステータ歯の周りに巻かれた平形導体コイルとして形成されている、電気的な媒体用空隙機械に関する。
【０００２】
さらに本発明は、圧縮機および／またはタービン、特に内燃機関用のターボチャージャであって、ハウジング、ハウジング内に回転可能に支持され、少なくとも１つの圧縮機ホイールまたはタービンホイールが相対回動不能に配置されたシャフト、およびシャフトに相対回動不能に配置されたロータとハウジングに固定されたステータとを有する電気的な媒体用空隙機械を備えており、ステータは、駆動磁界発生用の駆動コイルを有している、圧縮機および／またはタービン、特に内燃機関用のターボチャージャに関する。
【０００３】
背景技術
冒頭で述べた形式の電気的な媒体用空隙機械および圧縮機またはタービンもしくはターボチャージャは、従来技術に基づき既に周知である。圧縮機、特にターボチャージャまたは排気ターボチャージャは、特に自動車製造において、内燃機関のシリンダ内の空気充填量を増大させ、これにより内燃機関の出力を上げるために利用される。このためには、内燃機関の排気流により駆動されるターボチャージャを使用することが多い。さらに、ターボチャージャを電動モータにより支援し、これにより内燃機関の排気流とは関係無く吸い込まれた外気を圧縮し、内燃機関に高められた供給圧力を供給することができる、ということが周知である。このようなターボチャージャは、例えば公開刊行物である独国特許出願公開第１０２０１４２１０４５１号明細書において提案されている。また、両態様の組み合わせも既に周知である。この場合、ターボチャージャは、ターボチャージャの、圧縮機ホイールならびにタービンホイールが相対回動不能に配置されたシャフトを駆動するために、電気機械を備えている。これにより、例えば供給圧力の上昇を大幅に加速させることができる。この場合、電気機械は一般に、羽根車、つまり圧縮機ホイールまたはタービンホイールの、シャフトを回転可能にハウジング内に支持する軸受とは反対の側に配置されている。
【０００４】
媒体用空隙機械による電動モータ支援の実現は、モータ支援手段は特に構成空間を節約してターボチャージャ内に組み込むことができる、という利点を有している。なぜならば、吸い込まれた外気は、媒体用空隙機械のロータとステータとの間に形成された媒体用空隙を通って案内されるからである。この場合、媒体用空隙機械は流れの経路に構成空間を節約して組み込むことができる。さらに、媒体用空隙機械のロータおよびステータは、運転中に空気流により冷却される、という利点が生じる。
【０００５】
一般に、ステータは円環状のステータ枠ならびにステータ枠から半径方向内側に突入するステータ歯を有しており、ステータ歯は、周方向に見て互いに等間隔に分散されて配置されている。ステータ歯の周りには、一般に多相の駆動コイルが巻かれており、この場合、駆動コイルの複数の相に、このために設けられたパワーエレクトロニクスを介して給電することにより、シャフトにやはり相対回動不能に配置されたロータに作用する回転駆動磁界が生ぜしめられ、この回転駆動磁界により、ロータもしくはシャフトが予め設定可能なトルクでもって駆動されることになる。この場合、ロータは一般に、回転磁界と協働する１つまたは複数の永久磁石を有している。
【０００６】
発明の開示
請求項１記載の特徴を備えた本発明による媒体用空隙機械は、ステータが、ハウジング内に特にコンパクトに配置可能であると共に、特に軸方向において、圧縮機またはタービンの羽根車の特に近くに接近可能である、という利点を有している。本発明ではこのために、駆動コイルが少なくとも一方のコイル端部に、ハウジングの所定のハウジング部分を少なくとも部分的に取り付けるための、端面側の凹部を有している、ということが想定されている。これにより、媒体用空隙機械のロータも、ハウジング内で羽根車の特に近くに配置可能であり、このことは、ロータが軸方向において、シャフトを支持している軸受、特に滑り軸受または転動体軸受のより近くに移動する、という利点を有している。一般に、ターボチャージャのシャフトは、圧縮機ホイールとタービンホイールとの間でハウジング内に、複数の（シャフト）軸受により回転可能に支持されている。シャフトに配置されたロータの、最も近くの軸受までの距離が大きいほど、連続運転中に不可避のアンバランスに基づきロータに生じかつターボチャージャおよび媒体用空隙機械に荷重を加える半径方向の曲げ振動および曲げモーメントの振幅は高くなる。よって、媒体用空隙機械の本発明に基づく構成により、羽根車、つまり特に圧縮機ホイールまでのひいては軸受までの距離が短縮されておりもしくは短縮可能であり、これによりシャフトおよび特にロータの回転特性が改良されている、ということが達成される。
【０００７】
本発明の１つの好適な実施形態では、ハウジングは、ガス案内用の渦流室を有しており、特に圧縮機ホイールに面したコイル端部に設けられた凹部は、渦流室が少なくとも部分的に取り付けられるように形成されている。圧縮機またはタービンを通る外気流または排気流媒体を最適に案内するために、ハウジングは慣例のように、渦流室をハウジング部分として有している。渦流室は、一般にハウジング内もしくはハウジングの内部空間内へ部分的に突入しており、これにより、構成空間を節約する有利な構成が保証されている。駆動コイルが、渦流室を部分的に取り付けるように形成されていることにより、駆動コイルは渦流室の特に近くに配置可能であり、かつステータを、軸方向に見て渦流室の領域のより近くに配置することができるため、ステータは部分的に、渦流室の半径方向内側に位置している。これにより、供与された構成空間が最適に利用され、前記各利点が達成されることになる。
【０００８】
さらに好適には、凹部は、コイル端部の全周に沿って延在している、ということが想定されている。これにより、駆動コイルひいてはステータは全体的に、特に軸方向において渦流室の方にひいては好適な転動体軸受の方に大幅に移動可能である。凹部は、コイル端部の全周にわたり一貫して不変に延在しているか、または特に渦流室の周面の形状が変化している場合には、凹部の形状および／または形態も変化しているため、渦流室または軸受の方向におけるステータの最適な構成空間利用および移動が保証されているもしくは可能になっている。
【０００９】
本発明の１つの好適な改良では、各コイル端部は、内周から外周まで所定の半径方向高さを有しており、凹部は半径方向において、前記高さよりも小さな範囲にわたってのみ延在している、ということが想定されている。つまり凹部は、端面全体にわたり延在しているのではなく、半径方向高さにおいて部分的にのみ延在しており、例えば凹部により所定の周縁部が切り欠かれている。いずれにしろ、軸方向において渦流室の方から最大に離れて延在するコイル端部の部分は残されたままであり、これにより、最も近くに位置するシャフト軸受の特に近くでのロータの配置が保証されている。
【００１０】
さらに好適には、凹部は外周まで延在している、ということが想定されている。よって駆動コイルは外周において、軸方向において内周よりも短くなっている。コイル端部における外周縁部は凹部により切り欠かれ、これにより駆動コイルは残された突出したコイル端部でもって、軸方向において大幅に渦流室内に挿入可能であり、好適には挿入されている。
【００１１】
さらに好適には、凹部は外周の方向に増大する、ということが想定されている。これにより、一般に横断面円形または楕円形に形成された渦流室に対する最適な適合が保証されている。
【００１２】
平形導体コイルは、好適には矩形の導体横断面を有している。これにより、駆動コイルの最大フィルファクタおよび低い電気抵抗が生じ、比較的高い周波数における変位電流の影響が、丸形の導体横断面を有する線材に比べて小さくなり、これにより媒体用空隙機械の、全体としては極僅かな電力損失が生じることになる。
【００１３】
本発明の１つの好適な改良では、媒体用空隙機械は、ロータを周面側において完全に包囲しかつ軸方向では少なくとも部分的に包囲している内側スリーブと、内側スリーブに対して同軸的に配置された外側スリーブとを有しており、この場合、駆動コイルは、外側スリーブの半径方向外側に配置されており、内側スリーブと外側スリーブとの間には、媒体用空隙機械を通る媒体のための流路が形成されている。つまり媒体用空隙機械は、媒体用の流路を画定する装置を有している。この場合、流路は内側スリーブと外側スリーブとの間で画定される。内側スリーブよりも大きな直径を有する外側スリーブは、特に、駆動コイルと、場合によりステータ歯とを支持するように形成されており、これにより、特にコンパクトな実施形態が可能になっている。特に駆動コイルおよび場合によりステータ歯は、脱落不能に、かつ特に外側スリーブの破壊によってのみ分解可能に、外側スリーブに取り付けられており、これによりコンパクトな構造体が提供されている。このために外側スリーブは例えば、外側スリーブに対する駆動コイルおよび場合によりステータ歯の簡単な取付けおよび固定を保証する、特に係止装置を備えたホルダを有している。
【００１４】
特に好適には、ステータ歯またはステータ歯の流れガイド部材は、流路を通って内側スリーブまで、またはそれどころか内側スリーブを貫通して延在している。つまりステータ歯は、媒体用の流路を完全に通り抜けており、流路は、ステータ歯の領域においてステータを通っており、従来周知の媒体用機械において一般的であるように、半径方向においてステータ歯の先端とロータとの間には通っていない。これにより、特にコンパクトな実施形態が保証され、この実施形態はさらに、媒体用空隙機械のステータ歯ひいてはステータが、有利には流路を通流する媒体により冷却される、という利点を有している。
【００１５】
請求項１０記載の特徴を備えた本発明による圧縮機および／または本発明によるタービン、特に圧縮機とタービンの両方を有するターボチャージャは、本発明に基づく媒体用空隙機械において優れている。これにより、既に述べた各利点が生じる。別の利点および好適な特徴および特徴の組み合わせは、特に前記説明ならびに各請求項から明らかである。
【００１６】
以下に本発明を図面につき、より詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】媒体用空隙機械が組み込まれたターボチャージャを示す概略断面図である。
【図２】媒体用空隙機械を示す横断面図である。
【００１８】
図１に概略縦断面図で示すターボチャージャ１は、圧縮機２ならびにタービン３を有している。圧縮機２は、シャフト５に相対回動不能に配置された圧縮機ホイール４を有している。シャフト５自体は、ターボチャージャ１のハウジング６内に回転可能に支持されている。シャフト５の、圧縮機ホイール４とは反対側の端部にはさらに、タービン３のタービンホイール７が、シャフト５に相対回動不能に結合されている。タービンホイール７に内燃機関の排気が流れ込むことによりタービンホイール７が駆動されると、これにより圧縮機ホイール４も同様に回転させられ、その結果、圧縮機ホイール４に供給された外気が圧縮されて内燃機関に供給されるようになっている。
【００１９】
ハウジング６内でのシャフト５の回転可能な支持は、種々様々な形式で実現され得る。第１の実施例では、シャフト５は少なくとも２つの軸受８および９により、ハウジング６内に回転可能に支持されている、ということが想定されている。図１に示すように、好適には軸受８，９として滑り軸受が、軸方向支持用および半径方向支持用に設けられている。択一的に、軸受のうち少なくとも１つは、転動体軸受として形成されている、ということが想定されていてもよい。
【００２０】
択一的に１つの別の実施例（ここには図示せず）では、少なくとも軸受８は磁気軸受として形成されており、この場合、特にスラスト軸受として働く軸受９は、転動体軸受として形成されている、ということが想定されている。
【００２１】
特に圧縮機２が内燃機関の排気流とは関係無く駆動可能であり、これにより、内燃機関のシリンダにおける高度なシリンダ空気充填がいつでも達成可能であるようにするために、本発明ではさらに、ターボチャージャ１は、電気的な媒体用空隙機械１０を有している、ということが想定されている。この媒体用空隙機械１０は、本発明では圧縮機２に組み込まれており、この場合、媒体用空隙機械１０のロータ１１は、シャフト５の、タービンホイール７とは反対側の端部に相対回動不能に配置されている。ロータ１１と協働するステータ１２は、ロータ１１に対して同軸的にハウジングに固定されて、ターボチャージャ１の、圧縮機ホイール４に通じる流れ通路１３内に配置されている。
【００２２】
図２には、媒体用空隙機械１０の斜視断面図が、より良く理解するために示されている。ステータ１２は、環状、特に円環状のステータ枠１４を有しており、ステータ枠１４では、ステータ枠１４の全周にわたって均等に分散されて配置された複数のステータ歯１５が半径方向内側に突入していて、ロータ１１もしくはシャフト５の回転軸線の方を向いている。ステータ歯１５は、ロータ１１に対して半径方向に間隔をあけて終わっているため、ステータ歯１５とロータ１１との間には空隙が残されている。本発明では、ステータ歯は、ステータ枠１４に対応して配置された基部１５’ならびに基部１５’を延長する流れガイド部材１５’’を有しており、流れガイド部材１５’’の自由端部は、ロータ１１に対応して配置されている。
【００２３】
ステータ１２は、特に多相の駆動コイル１６を備えており、駆動コイル１６は、ステータ歯１５の周りに巻かれた複数の平形導体コイル１７から形成されている。平形導体コイル１７は、ステータ１２の各端面に各１つのコイル端部１８もしくは１９を形成しており、コイル端部１８もしくは１９は、軸方向においてステータ歯１５およびステータ枠１４を越えて突出している。この場合、圧縮機２に面したコイル端部１９は、その自由端面２０に凹部２１を有しており、凹部２１は、ターボチャージャ１のハウジング６の所定のハウジング部分を取り付けるように形成されている。
【００２４】
本発明では、圧縮機２は羽根車もしくは圧縮機ホイール４に対応して配置された渦流室２２を有している。特に図１に示すように、渦流室２２はハウジング６により形成されており、軸方向において圧縮機ホイール４を越えて媒体用空隙機械１０に向かって突出している。コイル端部１９の凹部２１は、ハウジング６の渦流室２２が少なくとも部分的に取り付けられるように形成されている。このために凹部２１は、図１の縦断面図に示すように、湾曲して形成されており、この場合、凹部２１の湾曲は、渦流室２２の湾曲に合わせられている。よって凹部２１の形状は、コイル端部１９の全周にわたり変化している。この場合、凹部２１は、コイル端部１９の、駆動コイル１６の外周２３と内周２４との間の高さＨよりも小さな領域にわたり延在している。この場合、凹部２１は、コイル端部１９の外縁部を切り欠くように、外周２３に対応して配置されている。
【００２５】
渦流室２２の形状に対するコイル端部１９の有利な構成および適合に基づき、駆動コイル１６は、渦流室２２と圧縮機ホイール４との間の領域に、構成空間を節約して最適に、軸方向に嵌め込まれている、特に挿入可能である、ということが達成され、これにより、既存の構成空間を最適に利用することができると共に、ターボチャージャを軸方向に、より短く形成することができる。さらに、媒体用空隙機械１０のロータ１１もやはり、圧縮機ホイール４のより近くに配置される、という利点が生じる。この場合、ロータ１１は軸受８のより近くに位置することになり、このことは、ロータ１１に作用するまたはロータ１１により生ぜしめられる振動モーメントもしくは曲げモーメントが、軸受８までの短縮された距離に基づき減少させられ、これによりターボチャージャ１の静かな回転が改良され、ターボチャージャ１の耐用年数が延びる、という利点を有している。平形導体コイル１７は、特に注型または平打巻により製造される。注型の場合には重量およびコストの理由から、好適にはアルミニウムが平形導体コイルの材料として用いられるのに対し、平打巻用には延性の理由から、むしろ銅が原材料として適している。
【００２６】
渦流室２２に対する対応輪郭を形成する凹部２１は、注型される平形導体コイルの場合には、注型過程中にすぐに一緒に製造される。平打巻される平形導体コイルの場合には、後加工過程、特に例えばフライス加工等の切削加工過程または変形加工が必要とされている。ただし、平打巻された構成において既に絶縁された平形線材（ラッカー線材）を使用することにより、最後の絶縁過程が注型態様に比べて大幅に簡単かつ廉価になる。平形導体コイル１７の矩形の導体横断面の使用に基づき、さらに、最大フィルファクタひいては極めて低い電気抵抗が生じる。さらに、比較的高い周波数における変位電流の影響が、丸形のコイル線材に比べて大幅に小さく現れるため、コイルには全体的に極僅かな電力損失が生じる。
【００２７】
図２に示すように、平形導体コイル１７は、有利にはステータ枠１４と、媒体用空隙機械１０を通る媒体、特に外気用の流路２６を半径方向外側において画定する外側スリーブ２５との間に配置されている。外側スリーブ２５には、ステータ歯１５、特にステータ歯１５の流れガイド部材１５’’が突入している。
【００２８】
外側スリーブ２５に対して同軸的に、内側スリーブ２７が外側スリーブ２５の内側に配置されており、内側スリーブ２７はロータ１１に対応して配置されているが、ロータ１１に対して間隔をあけて位置している。ステータ歯１５は、その流れガイド部材１５’’でもって少なくとも内側スリーブ２７まで延在しているか、またはそれどころか内側スリーブ２７を貫通しているため、ステータ歯１５は、外側スリーブ２５と内側スリーブ２７との間の中間スペース全体を通り抜けて延在している。内側スリーブ２７は、流路２６を半径方向内側において画定しており、好適にはその、ロータ１１の上流側に位置する端面を、カバーキャップにより閉じられており、これにより、媒体用空隙機械１０を通って案内される媒体は、内側スリーブ２７と外側スリーブ２５との間の流路２６だけを通って案内されることになる。つまり、流路２６はステータ１２を貫通しており、媒体はステータ歯１５、少なくとも流れガイド部材１５’’の周りを流れるため、ステータ１２およびロータ１１は、有利には媒体により冷却される。任意には、外側スリーブ２５は相応の数のステータ歯１５および平形導体コイル１７を保持しかつ係止するための保持装置を有しているため、平形導体コイル１７は外側スリーブ２５に予め取付け可能であり／予め取り付けられており、外側スリーブ２５と共に、１つの事前取付けユニットを形成する。任意には、内側スリーブ２７はさらに、外側スリーブ２５と結合されており、特に外側スリーブ２５と一体に形成されており、これにより、１つのコンパクトなユニットもしくは事前取付け群が形成される。この場合、例えば内側スリーブ２７と外側スリーブ２５との間には、一体形成を保証する複数の半径方向ウェブが設けられている。半径方向ウェブは特に、それぞれが流れガイド部材１５’’を受容しこれを包囲するように形成されており、これにより、ステータ１２に対する事前取付けユニットのコンパクトで簡単な配置および配向が達成されている。
【図１】
2020534479.tif 000003
【図２】
2020534479.tif 000004
【国際調査報告】
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2020534479.tif 000006
2020534479.tif 000007
2020534479.tif 000008
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