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Die Erfindung betrifft einen Verdichter für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein solcher Verdichter für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, ist beispielsweise bereits der
DE 101 13 308 A1 als bekannt zu entnehmen. Der Verdichter umfasst ein Laufzeug, welches ein Verdichterrad zum Verdichten von der Verbrennungskraftmaschine zuzuführender Luft und eine drehfest mit dem Verdichterrad verbundene Welle aufweist. Dabei ist das Verdichterrad drehbar in einem Lagergehäuse des Verdichters aufgenommen. Die Welle ist zumindest teilweise in einem Lagergehäuse des Verdichters aufgenommen, wobei das Laufzeug über die Welle drehbar an dem Lagergehäuse gelagert ist. Somit können sich das Laufzeug und somit das Verdichterrad und die Welle um eine Drehachse relativ zu dem Verdichtergehäuse und relativ zu dem Lagergehäuse drehen. Der Verdichter umfasst darüber hinaus einen Reluktanzmotor, mittels welchem das Laufzeug und somit insbesondere das Verdichterrad angetrieben werden können. Der Reluktanzmotor weist dabei einen Stator mit Statorspulen auf.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Verdichter der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Kosten des Verdichters in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden können.
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Diese Aufgabe wird durch einen Verdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um einen Verdichter der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass die Kosten des Verdichters in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Statorspulen des Reluktanzmotors, dessen Rotor das Verdichterrad ist, in dem Verdichtergehäuse angeordnet sind. Mittels der beispielsweise durch wenigstens eine oder mehrere elektrische Wicklungen gebildeten elektrischen Statorspulen können Reluktanzkräfte erzeugt beziehungsweise bereitgestellt werden, mittels welchen das Laufzeug, insbesondere über das Verdichterrad, angetrieben werden kann. Mit anderen Worten kann das Verdichterrad mittels der Reluktanzkräfte angetrieben werden.
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Da die Statorspulen in dem Verdichtergehäuse angeordnet sind, in welchem auch das Verdichterrad angeordnet ist, können die mittels der Statorspulen erzeugten beziehungsweise bereitgestellten Reluktanzkräfte zumindest im Wesentlichen direkt, insbesondere unter Umgehung der Welle, auf das Verdichterrad wirken, wodurch das Verdichterrad mittels der Reluktanzkräfte antreibbar ist beispielsweise angetrieben wird. Unter dem Merkmal, dass die Reluktanzkräfte unter Umgehung der Welle auf das Verdichterrad wirken beziehungsweise wirken können ist zu verstehen, dass die Reluktanzkräfte nicht oder nicht zuerst auf die Welle, sondern auf das Verdichterrad wirken. Mit anderen Worten wirken die Reluktanzkräfte bezogen auf das Verdichterrad und die Welle zuerst und/oder ausschließlich auf das Verdichterrad, wodurch das Verdichterrad besonders vorteilhaft mittels des Reluktanzmotors, welcher vorzugsweise als ein geschalteter Reluktanzmotor beziehungsweise als eine geschaltete Reluktanzmaschine ausgebildet ist, angetrieben werden kann.
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Das Verdichterrad ist dabei vorzugsweise derart ausgestaltet und/oder aus einem solchen Werkstoff gebildet, dass das Verdichterrad, insbesondere dessen Werkstoff, mit den Reluktanzkräften wechselwirken kann beziehungsweise wechselwirkt. Hierdurch kann das Verdichterrad mittels der Reluktanzkräfte angetrieben werden. Hierzu ist das Verdichterrad beispielsweise aus Elektroblech, Kobalt-Eisen (CoFe) und/oder Nickel-Eisen (NiFe) beziehungsweise aus entsprechenden Legierungen gebildet.
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Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde: in modernen, auch als Verbrennungsmotoren bezeichneten Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, werden immer häufiger elektrisch unterstützte Verdichter, insbesondere elektrisch unterstützte Abgasturbolader, zum Einsatz gebracht. Die Applikation solcher Abgasturbolader beziehungsweise Verdichter ist begrenzt durch die Gestaltung von zum Einsatz kommenden Elektromotoren, die üblicherweise als Permanent-Synchronmaschinen ausgeführt sind. Der Einbau des Rotormagnets erhöht das Trägheitsmoment des Rotors des Abgasturboladers, was jedoch durch den Einsatz des Elektromotors kompensiert werden kann. Je nach Lage des Rotors und Stators des Elektromotors kann eine vollständige Neugestaltung des Abgasturboladers notwendig sein, insbesondere wenn sich der Stator und der Rotor zwischen dem Verdichter und der Turbine befinden.
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Da erfindungsgemäß der Reluktanzmotor zum Antreiben des Verdichterrads zum Einsatz kommt, kann das Laufzeug vollständig frei von elektrischen Spulen, elektrischen Wicklungen und Magneten, insbesondere Permanentmagneten, zum Antreiben des Laufzeugs sein. Hierdurch können die Teileanzahl, das Gewicht, die Kosten und der Bauraumbedarf des Laufzeugs besonders gering gehalten werden. Da ferner erfindungsgemäß vorgesehen ist, die einfach auch als Spulen oder elektrische Spulen bezeichneten Statorspulen des Stators in dem Verdichtergehäuse angeordnet sind, kann im Vergleich zu herkömmlichen Verdichtern beziehungsweise Abgasturboladern der Aufwand zum Integrieren des Reluktanzmotors in den Verdichter besonders gering gehalten werden.
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Ein großer Nachteil des Einsatzes eines Elektromotors in einem Verdichter ist herkömmlicherweise eine erhöhte mechanische Instabilität einer Lagerung, über die das Laufzeug an dem Lagergehäuse gelagert ist. Außerdem kann es durch Verwendung eines Elektromotors zu einer Versperrung des Verdichtereintritts kommen, insbesondere bewirkt durch herkömmlicherweise zum Einsatz kommende und auch als Dauermagnete bezeichnete Permanentmagnete. Dies kann bei dem erfindungsgemäßen Verdichter vermieden werden.
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Um beispielsweise Elektromotoren in herkömmliche Verdichter zu integrieren, wird ein sehr großer Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator vorgesehen, da Dauermagneten sehr spröde sind und nur geringe Spannungen aushalten können. Dies führt zu Wirkungsgradeinbußen. Permanent erregte Synchronmotoren, deren beispielsweise als Dauermagnete ausgebildete Magnete vor dem Verdichterrad angeordnet sind, sperren den Verdichtereintritt, was den Durchsatz und den Wirkungsgrad des Verdichters verringern kann. Die zuvor genannten Probleme und Nachteile können nun bei dem erfindungsgemäßen Verdichter gelöst beziehungsweise vermieden werden.
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Die Erfindung sieht vor, mittels des Reluktanzmaschinenbetriebs den Verdichter als elektrisch unterstützten Verdichter auszugestalten.
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Der Verdichter ist beispielsweise Bestandteil eines Abgasturboladers, welcher den Verdichter und eine Turbine umfasst. Die Turbine weist ein Verdichterrad auf, welches beispielsweise drehfest mit der Welle verbunden ist und somit Bestandteil des Laufzeugs ist. Das Verdichterrad kann beispielsweise von Abgas der Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden, sodass beispielsweise das Verdichterrad über die Welle von dem TR und somit mittels des Abgases der Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden kann. Durch Verwendung des Reluktanzmotors ist der Abgasturbolader als elektrisch unterstützter Abgasturbolader ausgebildet. Hierdurch kann mittels des Verdichters Luft besonders vorteilhaft effizient verdichtet und in der Folge in die Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in wenigstens einen oder mehrere Brennräume der Verbrennungskraftmaschine, eingebracht werden.
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Der Stator weist beispielsweise Statorzähne auf, an welchen die Statorspulen gehalten sind. Insbesondere sind die Statorspulen und die Statorzähne gewickelt. Dabei sind die Statorzähne in dem Verdichtergehäuse angeordnet. Der auch als Reluktanzrotor bezeichnete Rotor des Reluktanzmotors ist das Verdichterrad, sodass der Bauraumbedarf, die Teilanzahl, das Gewicht und die Kosten in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden können. Das Verdichterrad ist dabei vorzugsweise aus einem geeigneten und vorzugsweise weichmagnetischen Werkstoff wie beispielsweise Elektroblech, CoFe oder NiFe beziehungsweise aus einer entsprechenden Legierung gebildet, die für den Einsatz in Reluktanzmaschinen vorgesehen sind. Hierdurch kann eine thermodynamisch vorteilhafte Form des Verdichterrads geschaffen oder beibehalten werden, sodass beispielsweise ausgehend von einem bereits existierenden Verdichter eine Neuauslegung des Verdichters vermieden werden kann.
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Das Verdichterrad weist beispielsweise Schaufeln zum Verdichten der Luft auf, wobei erste der Schaufeln so genannte Splitterschaufeln und zweite der Schaufeln so genannte Hauptschaufeln sein können. Die Splitterschaufeln sind dabei beispielsweise zwischen den Hauptschaufeln angeordnet. Dabei kann die Form der Statorzähne der Form der Schaufeln folgen, um eine zumindest im Wesentlichen gleichmäßige Energieabgabe zu erreichen. Da beispielsweise die Hauptschaufeln und die Splitterschaufeln einen sehr ähnlichen Verlauf aufweisen, ist eine einzige Form der Statorzähne und der Wicklung ausreichend. Die Spulen umschließen beispielsweise die Statorzähne und weisen eine einfache Form und somit eine geringe Komplexität auf. Ein Luftspalt zwischen dem Verdichterrad und dem Verdichtergehäuse wird beispielsweise wie üblich in Strömungsmaschinen mit wenigen Zehntel Millimetern vorgesehen, wodurch ein besonders hoher Wirkungsgrad realisiert werden kann. Insbesondere kann ein deutlich höherer Wirkungsgrad als bei permanent erregten Synchronmaschinen realisiert werden.
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Bei herkömmlichen Verdichtern ist das Verdichterrad aus einer Aluminium-Legierung hergestellt. Durch die Verwendung von Elektroblech, CoFe und/oder NiFe beziehungsweise entsprechenden Legierungen zum Herstellen des Verdichterrads können die mechanischen Eigenschaften von Aluminium-Legierungen beziehungsweise die mechanischen Eigenschaften von aus Aluminium-Legierungen gebildeten Verdichterräder problemlos erreicht werden. Dies ermöglicht das Erreichen einer höheren Drehzahl als bei herkömmlichen, elektrisch unterstützten Abgasturboladern mit permanent erregten Synchronmaschinen und entsprechenden Permanentmagneten, die vor dem Verdichterrad verbaut werden. Außerdem kann die mechanische Stabilität des auch als Rumpfgruppe bezeichneten Laufzeugs erhöht werden. Permanentmagnete sind sehr spröde und können nun sehr schwer großen Fliehkräften ausgesetzt werden, weswegen der Einsatz von Permanentmagneten auf kleineren Durchmessern und/oder auf kleine Geschwindigkeiten begrenzt ist. Diese Begrenzungen können mit dem Einsatz von weichmagnetischen Werkstoffen und günstigen Formen aufgehoben werden, sodass besonders hohe Drehzahlen erreicht werden können. Dadurch können besonders große elektrische Leistungen an das Laufzeug abgegeben und/oder von dem Laufzeug zurückgewonnen werden. Die Anzahl der Statorpole ist beispielsweise abhängig von den Hauptschaufeln und den Splittern, insbesondere abhängig von deren Anzahl. Je höher die Anzahl der Statorpole ist, desto gleichmäßiger kann elektrische Energie in das Laufzeug abgegeben beziehungsweise von dem Laufzeug zurückgewonnen werden.
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Der Reluktanzmotor ist beispielsweise in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betreibbar, mittels welchem zumindest das Verdichterrad elektrisch angetrieben werden kann. Ferner ist es denkbar, dass der Reluktanzmotor in einem Generatorbetrieb und somit als Generator betrieben werden kann. In dem Generatorbetrieb wird beispielsweise das Verdichterrad über die Welle von dem Turbinenrad angetrieben, wobei mittels des Generators mechanische Energie des sich drehenden Verdichterrads in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Dadurch kann beispielsweise im Abgas enthaltene Energie, insbesondere Abgasenergie, in elektrische Energie umgewandelt werden, die von dem Generator bereitgestellt werden kann. Somit kann im Abgas enthaltene Energie zurückgewonnen werden. Der Verdichter ist somit vorzugsweise für eine Energierückgewinnung ausgebildet. Dadurch kann ein besonders effizienter und insbesondere kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb realisiert werden. Die Verwendung des Reluktanzmotors ermöglicht diese Energierückgewinnung in einem besonders breiten Drehzahlband. Durch eine strömungsgünstige Form und eine große Fläche des Verdichterrads kann eine hinreichende Kühlung des Rotors des Reluktanzmotors gewährleistet werden. Dadurch kann eine hohe Belastbarkeit des Verdichters gewährleistet werden.
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Beispielsweise ist eine aktive Kühlung zum Kühlen des Stators vorgesehen, um dadurch eine besonders hohe Leistungsfähigkeit des Verdichters beziehungsweise des Abgasturboladers realisieren zu können. Insbesondere können mittels der Erfindung die folgenden Vorteile realisiert werden:
- - Verbesserung der mechanischen Stabilität des Laufzeugs
- - kostengünstigere Konstruktion und Montage als bei permanent erregten Synchronmotoren, da keine spezielle Montagevorrichtung benötigt wird; letzteres liegt insbesondere daran, dass keine Dauermagneten des Laufzeugs montiert werden müssen
- - Ersparnis an Montagezeit zum Herstellen des Verdichters insgesamt, da die Teileanzahl des Verdichters besonders gering gehalten werden kann
- - geringere Herstellungskosten, da keine seltenen Erden und spezielle Werkstoffe für das Laufzeug benötigt werden; außerdem kann die Teileanzahl besonders gering gehalten werden, da das Verdichterrad vorzugsweise aus weichmagnetischen Material die Funktion des Rotors des Reluktanzmotors komplett übernimmt
- - breiteres Betriebsfeld in Motor- und Generatorbetrieb, da Drehzahlgrenzen erweitert werden
- - Der Reluktanzmotor ist an zumindest nahezu jedem Abgasturbolader applizierbar, da nur das Verdichtergehäuse angepasst werden muss und der Werkstoff des Verdichterrads in der gleichen Geometrie darstellbar ist, was die Übernahme von bereits vorhandenen Lagerungen beziehungsweise Rumpfgruppen ermöglicht
- - Durch die Anzahl an Rotorpolen und Statorpolen mit entsprechenden Wicklungen können die Kosten für jede Applikation gering gehalten werden, da immer eine hinreichende Anzahl an Schaufeln des Verdichterrads vorhanden ist; dadurch kann die elektrische Energie sowie der Wirkungsgrad flexibler erhöht oder reduziert werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 ausschnittsweise eine schematische und geschnittene Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Verdichters für eine Verbrennungskraftmaschine;
- 2 ausschnittsweise eine schematische und geschnittene Seitenansicht des Verdichters;
- 3 ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht des Verdichters; und
- 4 ausschnittsweise eine weitere schematische Querschnittsansicht des Verdichters.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen und geschnittenen Perspektivansicht einen Verdichter 10 für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Das beispielsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildete Kraftfahrzeug umfasst in seinem vollständig hergestellten Zustand die vorzugsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine und den Verdichter 10. Insbesondere umfasst das Kraftfahrzeug einen Abgasturbolader, welcher den Verdichter 10 umfasst. Der Abgasturbolader weist dabei eine Turbine mit einem Turbinenrad auf, welches von Abgas der Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden kann.
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Aus 1 ist erkennbar, dass der Verdichter 10 ein Laufzeug 12 aufweist, welches ein Verdichterrad 14 umfasst. Das Laufzeug 12 umfasst darüber hinaus eine Welle 16, welche separat von dem Verdichterrad 14 ausgebildet und drehfest mit dem Verdichterrad 14 verbunden ist. Dabei ist die Welle 16 drehbar an einem Lagergehäuse 18 des Verdichters 19 gelagert, sodass das Laufzeug 12 insgesamt über die Welle 16 drehbar an dem Lagergehäuse 18 gelagert ist. Somit können sich die Welle 16 und das Verdichterrad 14 um eine Drehachse relativ zu dem Lagergehäuse 18 drehen.
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Der Verdichter 10 umfasst darüber hinaus ein Verdichtergehäuse 20, in welchem das Verdichterrad 14 drehbar aufgenommen ist. Somit können sich das Verdichterrad 14 und die Welle 16 um die Drehachse relativ zu dem Verdichtergehäuse 20 drehen. Das Verdichtergehäuse 20 und das Lagergehäuse 18 sind als separat voneinander ausgebildete und miteinander verbundene Gehäuseteile ausgebildet. Das zuvor genannte Turbinenrad ist ebenfalls drehfest mit der Welle 16 verbunden, sodass das Verdichterrad 14 über die Welle 16 von dem Turbinenrad angetrieben werden kann. Das Verdichterrad ist ebenfalls Bestandteil des Laufzeugs 12 und somit um die Drehachse relativ zu dem Lagergehäuse 18 und relativ zu dem Verdichtergehäuse 20 drehbar.
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Der Abgasturbolader ist als Elektro unterstützter Abgasturbolader ausgebildet. Hierzu umfasst der Verdichter 10 einen als Reluktanzmotor 22 ausgebildeten Elektromotor, sodass der Verdichter 10 als Elektro Unterstützer Verdichter ausgebildet ist. Mittels des auch als Reluktanzmaschine bezeichneten Reluktanzmotors 22 können das Verdichterrad 14 und somit die Welle 16 angetrieben und somit relativ zu dem Lagergehäuse 18 und relativ zu dem Verdichtergehäuse 20 um die Drehachse gedreht werden. Der Reluktanzmotor 22 weist einen Stator 24 mit Statorspulen 26 auf, welche beispielsweise an jeweiligen, in den Fig. nicht erkennbaren Statorzähnen des Stators 24 gehalten sind. Insbesondere sind die Statorspulen 26 und die Statorzähne gewickelt.
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Um nun die Kosten des Verdichters 10 und somit des Abgasturboladers insgesamt besonders gering halten zu können, sind die einfach auch als Spulen bezeichneten Statorspulen 26 des Reluktanzmotors 22, dessen Rotor das Verdichterrad 14 ist, in dem Verdichtergehäuse 20 angeordnet. Dabei ist zumindest ein Teilbereich des Verdichterrads 14 in radialer Richtung des Laufzeugs 12 und somit der Welle 16 nach außen hin durch die Statorspulen 26 überdeckt. Somit können beispielsweise mittels der Statorspulen 26 erzeugbare beziehungsweise bereitstellbare Reluktanzkräfte direkt mit dem Verdichterrad 14 wechselwirken beziehungsweise direkt auf das Verdichterrad 14 wirken, wodurch das Verdichterrad 14 elektrisch angetrieben werden kann.
Wie in Zusammenschau mit 2 bis 4 erkennbar ist, weist das Verdichterrad 14 Schaufeln 28 auf, mittels welchen die Luft verdichtet werden kann. Erste der Schaufeln sind als Hauptschaufeln 30 ausgebildet, wobei zweite der Schaufeln 28 als Splitterschaufeln 32 ausgebildet sind. Die Splitterschaufeln 32 werden einfach auch als Splitter bezeichnet. Dadurch, dass der Elektromotor als der Reluktanzmotor 22 ausgebildet ist, ist das Laufzeug 12 vollständig frei von elektrischen Spulen, elektrischen Wicklungen und Magneten zum Antreiben des Laufzeugs 12, wodurch die Massenträgheit und das Gewicht des Laufzeugs 12 besonders gering gehalten werden kann. Außerdem kann dadurch eine besonders hohe mechanische Stabilität des Laufzeugs 12 gewährleistet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verdichter
- 12
- Laufzeug
- 14
- Verdichterrad
- 16
- Welle
- 18
- Lagergehäuse
- 20
- Verdichtergehäuse
- 22
- Reluktanzmotor
- 24
- Stator
- 26
- Statorspulen
- 28
- Schaufel
- 30
- Hauptschaufel
- 32
- Splitterschaufel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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