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Die
Erfindung betrifft eine magnetisierte Mutter zur Befestigung eines
Kompressorrades eines Abgasturboladers an der Turbowelle, wobei
die Mutter einen Grundkörper
aus einem nichtmagnetischen Material aufweist, der einen Hohlraum
zur Aufnahme eines magnetischen Materials bildet, sowie ein Verfahren
zur Herstellung der magnetisierten Mutter.
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Die
von einer Brennkraftmaschine erzeugte Leistung hängt von der Luftmasse und der
Kraftstoffmenge ab, die der Maschine zur Verbrennung zur Verfügung gestellt
werden kann. Um die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern,
muss die zugeführte
Menge der Verbrennungsluft und des Kraftstoffs gesteigert werden.
Diese Leistungssteigerung wird bei einem Saugmotor durch eine Hubraumvergrößerung oder
durch die Erhöhung
der Drehzahl erreicht. Eine Hubraumvergrößerung führt aber grundsätzlich zu
schwereren in den Abmessungen größeren und
damit teureren Brennkraftmaschinen. Die Steigerung der Drehzahl
bringt besonders bei größeren Brennkraftmaschinen
erhebliche Probleme und Nachteile mit sich und ist aus technischen
Gründen begrenzt.
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Eine
viel genutzte technische Lösung
zur Steigerung der Leistung einer Brennkraftmaschine ist die Aufladung.
Damit bezeichnet man die Vorverdichtung der Verbrennungsluft durch
einen Abgasturbolader oder auch mittels eines vom Motor mechanisch angetriebenen
Verdichters. Ein Abgasturbolader besteht im Wesentlichen aus einem
Strömungsverdichter
und einer Turbine, die mit einer gemeinsamen Turbowelle verbunden
sind und mit der gleichen Drehzahl rotieren. Die Turbine setzt die
normalerweise nutzlos verpuffende Energie des Abgases in Rotationsenergie
um und treibt den Verdichter an.
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Der
Verdichter, der in diesem Zusammenhang auch als Kompressor bezeichnet
wird, saugt Frischluft an und fördert
die vorverdichtete Luft zu den einzelnen Zylindern des Motors. Der
größeren Luftmenge
in den Zylindern kann eine erhöhte
Kraftstoffmenge zugeführt
werden, wodurch die Verbrennungskraftmaschine mehr Leistung abgibt.
Der Verbrennungsvorgang wird zudem günstig beeinflusst, so dass
die Verbrennungskraftmaschine einen besseren Gesamtwirkungsgrad
erzielt. Darüber
hinaus kann der Drehmomentverlauf einer mit einem Turbolader aufgeladenen
Brennkraftmaschine äußerst günstig gestaltet
werden. Bei Fahrzeugherstellern vorhandene Seriensaugmotoren können durch
den Einsatz eines Abgasturboladers ohne große konstruktive Eingriffe an
der Brennkraftmaschine wesentlich optimiert werden. Aufgeladene
Brennkraftmaschinen haben in der Regel einen geringeren spezifischen
Kraftstoffverbrauch und weisen eine geringere Schadstoffemission
auf. Darüber
hinaus sind turbogeladene Motoren leiser als Saugmotoren gleicher
Leistung, da der Abgasturbolader selbst wie ein zusätzlicher
Schalldämpfer
wirkt.
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Für Brennkraftmaschinen
mit einem großen Betriebsdrehzahlbereich,
zum Beispiel für
Pkw Brennkraftmaschinen, wird schon bei niedrigen Motordrehzahlen
ein hoher Ladedruck gefordert. Dafür wird bei den Turboladern
ein Ladedruckregelventil, ein so genanntes Waste-Gate-Ventil, eingeführt. Durch
die Wahl eines entsprechenden Turbinengehäuses wird schon bei niedrigen
Motordrehzahlen schnell ein hoher Ladedruck aufgebaut. Das Ladedruckregelventil
(Waste-Gate-Ventil) begrenzt dann bei steigender Motordrehzahl den
Ladedruck auf einen gleich bleibenden Wert. Alternativ dazu kommen Turbolader
mit variabler Turbinengeometrie (VTG) zum Einsatz. Bei diesen Turboladern
wird der Ladedruck über
die Veränderung
der Turbinengeometrie reguliert.
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Bei
zunehmender Abgasmenge kann die maximal zulässige Drehzahl der Kombination
aus dem Turbinenrad, dem Kompressorrad und der Turbowelle, die auch
als Laufzeug des Turboladers bezeichnet wird, überschritten werden. Bei einer
unzulässigen Überschreitung
der Drehzahl des Laufzeuges würde
dieses zerstört
werden, was einem Totalschaden des Turboladers gleichkommt. Gerade
moderne und kleine Turbolader mit deutlich kleineren Turbinen- und
Kompressorraddurchmessern, die durch ein erheblich kleineres Massenträgheitsmoment
ein verbessertes Drehbeschleunigungsverhalten aufweisen, werden
vom Problem der Überschreitung
der zulässigen
Höchstdrehzahl
betroffen. Je nach Ausführung
des Turboladers führt
schon eine Überschreitung
der Drehzahlgrenze um etwa 5% zur kompletten Zerstörung des
Turboladers.
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Zur
Drehzahlbegrenzung haben sich die Ladedruckregelventile bewährt, die
nach dem Stand der Technik von einem aus dem erzeugten Ladedruck
resultierenden Signal angesteuert werden. Überschreitet der Ladedruck
einen vorgegebenen Schwellwert, so öffnet das Ladedruckregelventil
und leitet einen Teil des Abgasmassenstroms an der Turbine vorbei.
Diese nimmt wegen des verringerten Abgasmassenstroms weniger Leistung
auf, und die Kompressorleistung geht in gleichem Maße zurück. Der
Ladedruck und die Drehzahl des Turbinenrades und des Kompressorrades
werden verringert. Diese Regelung ist jedoch relativ träge, da der
Druckaufbau bei einer Drehzahlüberschreitung
des Laufzeuges mit einem zeitlichen Versatz erfolgt. Deshalb muss die
Drehzahlregelung für
den Turbolader mit der Ladedrucküberwachung
besonders im hochdynamischen Bereich (Lastwechsel) durch entsprechend frühzeitige
Ladedruckreduzierung eingreifen, was zu einem Wirkungsgradverlust
führt.
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Aus
der
DE 10 2006
044 667 A1 ist ein Turbolader mit einem Magnetfeld erzeugenden
Element bekannt, bei dem mittels eines aktiven Sensorelementes die Drehzahl
der Turbowelle erfasst wird. Das Magnetfeld erzeugende Element ist
als magnetisierte Mutter zur Befestigung eines Kompressorrades eines
Abgasturboladers an der Turbowelle ausgebildet. Die magnetisierte
Mutter weist einen Grundkörper
aus einem nichtmagnetischen Material auf, der einen Hohlraum zur
Aufnahme eines magnetischen Materials bildet. Das magnetische Material
ist als gesinterter Permanentmagnet ausgebildet, der in den Hohlraum
eingeklebt oder eingeschweißt
ist. Das Einkleben oder Einschweißen des Permanentmagneten ist
aufwendig und führt
zu unausgeglichenen Massenverteilungen in der magnetisierten Mutter.
Da die Mutter zusammen mit der Turbowelle bei sehr hoher Drehzahl
rotiert, wirken sich schon kleinste Fehler bei der Massengleichverteilung
extrem nachteilig aus.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine magnetisierte
Mutter anzugeben, die einfach und kostengünstig herstellbar ist, wobei
eine möglichst
gute Massengleichverteilung im Bezug auf die Rotationsachse der
Mutter gewährleistet
sein soll.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das magnetische Material in den Hohlraum in einem Spritzgussverfahren
eingefügt
ist.
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Dies
hat den Vorteil, dass die magnetisierte Mutter sehr einfach hergestellt
werden kann, weil kein gesinterter Permanentmagnet in den Grundkörper eingeklebt
oder eingeschweißt
werden muss. Auch die durch das Einkleben oder Einschweißen des
gesinterten Permanentmagneten entstehenden Unwuchten entstehen bei
der erfindungsgemäßen magnetisierten
Mutter nicht. Darüber
hinaus können bei
der Herstellung der erfindungsgemäßen magnetisierten Mutter im
Grundkörper
eventuell vorhandene Masseungleichverteilungen im Bezug auf die
Rotationsachse der magnetisierten Mutter (die mit der Rotationsachse
der Turbowelle identisch ist) durch das eingespritzte magnetische
Material ausgeglichen werden. Man kann die Mutter also mit dem magnetischen
Material auswuchten, was einen bedeutenden Vorteil im Vergleich
zu magnetisierten Muttern nach dem Stand der Technik darstellt.
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Bei
einer ersten Ausgestaltung ist der Hohlraum ringförmig ausgebildet.
Durch diese Ausgestaltung des Hohlraums ist es möglich eine große Menge des
magnetischen Materials einzuspritzen und man kann das magnetische
Material in der entsprechenden Menge im Hohlraum verteilen, um die
magnetisierte Mutter auszuwuchten.
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Bei
einer nächsten
Ausgestaltung weist der Hohlraum eine Hinterschneidung auf. Die
Hinterschneidung verhindert das Herausfallen des magnetischen Materials
aus dem Hohlraum, nachdem es in diesen eingespritzt wurde und erstarrt
ist.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung, die auch vorteilhaft mit der zuvor
genannten kombiniert werden kann, weist der Hohlraum an mindestens
einer seiner Wände
eine umlaufende Verzahnung auf und/oder der Hohlraum weist an mindestens
einer seiner Wände
eine umlaufende eine raue Oberfläche auf.
Diese Maßnahmen
dienen dazu, das eingespritzte magnetische Material sicher im Hohlraum
zu fixieren.
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Bei
einer Weiterbildung ist das magnetische Material Epoxid gebundenes
NdFeeB-Pulver. Epoxid gebundenes NdFeeB-Pulver lässt sich gut verspritzen und
härtet
im Hohlraum sehr fest und langzeitbeständig aus. Außerdem lässt es sich
hervorragend magnetisieren, wodurch die magnetisierte Mutter ein magnetisches
Feld mit hoher Feldstärke
erzeugen kann.
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Im
Hinblick auf das Verfahren wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass
der Grundkörper
in ein Spritzgießwerkzeug
eingelegt wird und das magnetische Material in den Hohlraum eingespritzt
wird. Dies ist ein sehr kostengünstiges
und effizientes Vorgehen, bei dem eine magnetisierte Mutter von
hoher Qualität
entsteht. Die magnetisierte Mutter kann sehr einfach hergestellt
werden, weil kein gesinterter Permanentmagnet in den Grundkörper eingeklebt
oder eingeschweißt
werden muss. Auch die durch das Einkleben oder Einschweißen des
gesinterten Permanentmagneten entstehenden Unwuchten entstehen bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung einer magnetisierten Mutter nicht.
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Bei
einer Weiterbildung wird beim Einspritzen des magnetischen Materials
eine möglichst
gute Massengleichverteilung in der magnetisierten Mutter im Bezug
auf die Rotationsachse der magnetisierten Mutter erzeugt. Hierdurch
können
eventuell im Grundkörper
auftretende Massenungleichverteilungen gezielt ausgeglichen werden.
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Bei
einer Ausgestaltung werden Massenungleichverteilungen des Grundkörpers im
Bezug auf die Rotationsachse der magnetisierten Mutter durch das
Einspritzen des magnetischen Materials kompensiert. Man kann die
Mutter also mit dem erfindungsgemäßen Spritzverfahren auswuchten,
was einen bedeutenden Vorteil im Vergleich zum Herstellungsverfahren
von magnetisierten Muttern nach dem Stand der Technik darstellt.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden in den Figuren beispielhaft dargestellt. Es
zeigen:
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1:
einen Abgasturbolader,
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2:
einen Abgasturbolader mit einem Sensor zur Messung der Drehzahl
der Turbowelle nach dem Stand der Technik,
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3:
eine magnetisierte Mutter nach dem Stand der Technik,
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4a,
b, c: die erfindungsgemäße magnetisierte
Mutter von unten, im seitlichen Schnitt und von oben,
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5a,
b, c: eine nächste
erfindungsgemäße magnetisierte
Mutter von unten, im seitlichen Schnitt und von oben,
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6a,
b, c: eine dritte erfindungsgemäße magnetisierte
Mutter von unten, im seitlichen Schnitt und von oben,
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7:
eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Herstellung der
erfindungsgemäßen magnetisierten
Mutter.
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1 zeigt
einen Abgasturbolader 1 mit einer Turbine 2 und
einem Kompressor 3. Im Kompressor 3 ist das Kompressorrad 9 drehbar
gelagert und mit der Turbowelle 5 verbunden. Auch die Turbowelle 5 ist
drehbar gelagert und an ihrem anderen Ende mit dem Turbinenrad 4 verbunden. Über den
Turbineneinlass 7 wird heißes Abgas von einer hier nicht
dargestellten Verbrennungskraftmaschine in die Turbine 2 eingelassen,
wobei das Turbinenrad 4 in Drehung versetzt wird. Der Abgasstrom
verlässt
die Turbine 2 durch den Turbinenauslass 8. Über die
Turbowelle 5 ist das Turbinenrad 4 mit dem Kompressorrad 9 verbunden.
Damit treibt die Turbine 2 den Kompressor 3 an.
In den Kompressor 3 wird Luft durch den Lufteinlass 10 eingesaugt,
die dann im Kompressor 3 verdichtet und über den
Luftauslass 6 einer hier nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine
zugeführt wird.
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2 zeigt
den Kompressor 3 eines Abgasturboladers 1 mit
einem Sensor 12 zur Messung der Drehzahl der Turbowelle 5 nach
dem Stand der Technik. Der Abgasturbolader 1 umfasst eine
Turbowelle 5, auf der das Kompressorrad 9 angeordnet
ist. Das Kompressorrad 9 ist mit einer magnetisierten Mutter 11 mit
der Turbowelle 5 verbunden. Die Rotationsachse der magnetisierten
Mutter 11 ist mit der der Turbowelle 5 identisch.
In der magnetisierten Mutter 11 befindet sich ein gesinterter
Permanentmagnet, der einen Nordpol N und einen Südpol S aufweist. Der Permanentmagnet
ist in einen Hohlraum im Grundkörper
der magnetisierten Mutter 11 eingeklebt oder eingeschweißt. Mit
der Drehung der Turbowelle 5 erfolgt eine Drehung der magnetisierten
Mutter 11 mit dem Magneten, womit sich das vom Nord- und Südpol erzeugte
magnetische Feld im Bezug auf den Sensor 12 ändert. Der
Sensor 12 ist als separates Bauteil in einer Ausnehmung
des Kompressorgehäuses
angeordnet. Hierzu ist eine Dichtung vorgesehen, die das Kompressorgehäuse im Bereich
des Sensors 12 abdichtet.
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3 zeigt
eine magnetisierte Mutter 11 nach dem Stand der Technik.
Der Grundkörper 14 der
magnetisierten Mutter 11 weist einen Hohlraum 15 auf,
in den der gesinterte Permanentmagnet 13 eingeklebt oder
eingeschweißt
wird. Eine auf diese Weise hergestellte magnetisierte Mutter 11 muss
aufwendig nachbearbeitet werden, da der eingeklebte, gesinterte
Permanentmagnet 13 in der Regel eine Unwucht in der magnetisierten
Mutter 11 erzeugt. Da sich die magnetisierte Mutter 11 mit
sehr hoher Geschwindigkeit mit der Turbowelle 5 um deren Rotationsachse
dreht, erzeugt jede noch so geringe Massenunwucht hohe, an der Turbowelle 5 angreifende Kräfte. Derartige
Unwuchten erzeugen in den Lagern der Turbowelle 5 Lagerschäden, was
nur zu vermeiden ist, wenn die Massenunwucht auf der Turbowelle 5 aufwendig
ausgewuchtet wird. Daher ist es wünschenswert, alle mit der Turbowelle 5 rotierenden
Teile mit einer größtmöglichen
Massengleichverteilung in Bezug auf die Rotationsachse herzustellen.
Dies geschieht durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung
der magnetisierten Muttern 11. Nach dem Verfahren hergestellte
magnetisierte Muttern 11 werden in den 4 bis 6 dargestellt.
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4a zeigt
die erfindungsgemäße magnetisierte
Mutter 11 in ihrer Ansicht von unten. Die magnetisierte
Mutter 11 weist einen Grundkörper 14 mit einem
Hohlraum 15 auf, in den das magnetische Material 16 eingespritzt
wurde. Zur Lagesicherung des magnetischen Materials 16 weist
der Grundkörper 14 Ohren 18 auf,
in denen das ausgehärtete
magnetische Material 16 fest verankert ist. Ein Verdrehen
des magnetischen Materials 16 in Bezug auf den Grundkörper 14 ist
damit ausgeschlossen.
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Das
magnetische Material 16 kann derart eingespritzt werden,
dass im Bezug auf die Rotationsachse der Turbowelle 5 alle
Massenungleichverteilungen der magnetisierten Mutter 11 beseitigt
sind.
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Einen
seitlichen Schnitt der magnetisierten Mutter 11 zeigt 4b.
Zu erkennen ist wiederum die Turbowelle 5 mit der Rotationsachse,
um die in axial symmetrischer Weise der Grundkörper 14 gebildet ist.
Der Grundkörper 14 weist
einen Hohlraum 15 auf, in dem das magnetische Material 16 eingespritzt
ist.
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4c zeigt
die magnetisierte Mutter 11 in einer Ansicht von oben.
Auch hier ist der Grundkörper
zu erkennen, in dem ein Eingriff 21 für ein hier nicht dargestelltes
Drehwerkzeug ausgebildet ist. Beispielhaft ist hier der Eingriff 21 für ein Torxschlüssel dargestellt,
wobei jeder andere Eingriff für
ein Drehwerkzeug denkbar ist.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform der
magnetisierten Mutter 11, wobei in 5a wieder die
Ansicht von unten dargestellt ist. Der Grundkörper 14 weist einen
Hohlraum 15 auf, in den das magnetische Material 16 eingespritzt
wurde. Um das magnetische Material 16 im Hohlraum 15 zu
fixieren, ist an der äußeren Wand
des Hohlraumes 15 eine Verzahnung 17 ausgebildet.
Das magnetische Material 16 passt seine Form der Verzahnung 17 beim
Einspritzvorgang an. Damit wird das magnetische Material 16 in
dem Hohlraum 15 der magnetisierten Mutter 11 sicher
in seiner Lage fixiert.
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Eine
seitliche Ansicht der in 5a dargestellten
magnetisierten Mutter 11 zeigt 5b. Zu
erkennen ist der Grundkörper 14 mit
dem Hohlraum 15, in dem das magnetische Material 16 eingebracht
ist. Bei dieser magnetisierten Mutter 11 reicht das magnetische
Material 16 nicht bis an die Turbowelle 5 heran.
Der Hohlraum 15 bildet eine Trennwand zwischen dem magnetischen
Material 16 und der Turbowelle 5.
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5c zeigt
die Draufsicht auf die magnetisierte Mutter 11. Der Eingriff 21 ist
wiederum für
ein Torxdrehwerkzeug ausgebildet. Mit einem Torxeingriff 21 können besonders
hohe Anzugsdrehmomente auf die magnetisierte Mutter 11 übertragen
werden.
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6a zeigt
die Draufsicht einer dritten Ausführungsform der magnetisierten
Mutter 11. Zu erkennen ist der Grundkörper 14 mit dem Hohlraum 15 und
dem darin eingebrachten magnetischen Material 16. Darüber hinaus
ist eine Hinterschneidung 19 angedeutet, die wiederum zur
Lagesicherung des magnetischen Materials 16 im Hohlraum 15 ausgebildet ist.
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Auch 6b zeigt
die Hinterschneidung 19, die an dem Grundkörper 14 ausgebildet
ist. Das im Hohlraum 15 eingebrachte magnetische Material 16 ist
nach seinem Aushärten
durch die Hinterschneidung 19 fest im Hohlraum 15 des
Grundkörpers 14 fixiert
und kann nicht aus diesem herausrutschen.
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6c zeigt
die Draufsicht der magnetisierten Mutter 11 mit dem Eingriff 21 für einen
Torxschlüssel.
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In 7 ist
das Verfahren zur Herstellung der magnetisierten Mutter 11 schematisch
dargestellt. Der Grundkörper 14 weist
den aus den 4 bis 6 bekannten
Hohlraum 15 auf, in den das magnetische Material 16 eingespritzt
wird. Die Spritzdüse 20 kann
so geführt
werden, dass die Ungleichverteilungen der Masse der magnetisierten
Mutter 11 im Bezug auf die Rotationsachse der Turbowelle 5 ausgeglichen
werden, wobei in einem Fertigungsschritt sowohl das magnetische
Material 16 in die magnetisierte Mutter 11 eingebracht
wird, als auch eine Auswuchtung der Massenverteilung der magnetisierten Mutter 11 im
Bezug auf die Rotationsachse der Turbowelle erreicht wird. Mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren
lässt sich
eine hervorragend ausgewuchtete, magnetisierte Mutter 11 sehr
kostengünstig
und schnell herstellen.
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- 1
- Abgasturbolader
- 2
- Turbine
- 3
- Kompressor
- 4
- Turbinenrad
- 5
- Turbowelle
- 6
- Luftauslass
- 7
- Turbineneinlass
- 8
- Turbinenauslass
- 9
- Kompressorrad
- 10
- Lufteinlass
- 11
- Magnetisierte
Mutter
- 12
- Sensor
- 13
- gesinterter
Permanentmagnet
- 14
- Grundkörper
- 15
- Hohlraum
- 16
- magnetisiertes
Material
- 17
- Verzahnung
- 18
- Ohren
- 19
- Hinterschneidung
- 20
- Spritzdüse
- 21
- Eingriff
(für ein
Drehwerkzeug)