DE102007042318B4

DE102007042318B4 - Kompakter trockenlaufender Kolbenverdichter

Info

Publication number: DE102007042318B4
Application number: DE102007042318.9A
Authority: DE
Inventors: Jörg Mellar; Michael Hartl
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH; Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH; Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2017-11-30
Anticipated expiration: 2027-09-07
Also published as: CN101796297A; EP2185820A1; BRPI0816383B1; EP2185820B1; WO2009033556A1; BRPI0816383A2; DE102007042318A1; CN101796297B; US20100221128A1

Abstract

Kompakter trockenlaufender Kolbenkompressor mit mindestens einem Zylinder (1) zur Kompression von Luft mittels eines zugeordneten Kolbens (2), der per Elektromotor (10) von einem aus Kurbelwelle (4) und Pleuel (5) bestehenden Kurbeltrieb bewegbar ist, welcher in einem ölbadfreien Kompressorgehäuse (7) über dauergeschmierte Wälzlager (6a, 6b) drehbar gelagert ist und infolge des Bewegungszyklus einen gehäuseinternen Kühlluftstrom erzeugt, wobei das Kompressorgehäuse (7) zwei über eine Trennwand (16) getrennte Gehäusehälften (8, 9) umfasst, um innerhalb der ersten Gehäusehälfte (8) den Kurbeltrieb unterzubringen und innerhalb der zweiten Gehäusehälfte (9) der Elektromotor (10) unterzubringen, wobei in die Trennwand (16) ein dem Kurbeltrieb sowie dem Elektromotor (10) gemeinsames Wälzlager (6b) eingesetzt ist, welches in dem die erste Gehäusehälfte (8) passierenden Kühlluftstrom liegt, wobei die Kurbelwelle (4) neben dem in der Trennwand (16) angeordneten Wälzlager (6b) zur anderen Seite hin durch ein weiteres Wälzlager (6a) drehgelagert ist, welches in einem in der Grundform flachen Deckel (15) der ersten Gehäusehälfte (8) nach außen hin abgekapselt eingesetzt ist und ebenfalls im die erste Gehäusehälfte (8) passierenden Kühlluftstrom liegt, der ventilgesteuert über einen zylinderseitigen Kanal (17) in das Innere der ersten Gehäusehälfte (8) gelangt und diese durch eine ventilbeschaltete Öffnung (18) verlässt, wobei zur Umlenkung von Teilen des Kühlluftstroms der ersten Gehäusehälfte (8) in die zweite Gehäusehälfte (9) die Trennwand (16) Öffnungen (19) aufweist, wobei ferner der Rotor (12) des Elektromotors (10) direkt an einem in die zweite Gehäusehälfte (9) hineinragenden Ende der Kurbelwelle (4) angebracht ist, und der Rotor (12) des Elektromotors (10) über die beiden Wälzlager (6a, 6b) der Kurbelwelle (4) gelagert ist,.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kompakten trockenlaufenden Kolbenkompressor, insbesondere für Nutzfahrzeuge, mit mindestens einem Zylinder zur Kompression von Luft mittels eines zugeordneten Kolbens, der per Elektromotor von einem aus Kurbelwelle und Pleuel bestehenden Kurbeltrieb bewegbar ist, welcher in einem ölbadfreien Kompressorgehäuse über dauergeschmierte Wälzlager drehbar gelagert ist und in Folge des Bewegungszyklus einen gehäuseinternen Kühlluftstrom erzeugt.
Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf den Schienenfahrzeug- sowie Nutzfahrzeugbau. Hier kommen als Hilfskompressoren kleine elektromotorisch betriebene Baueinheiten zum Einsatz, welche Druckluft für fahrzeuginterne Verbraucher erzeugen. In der Vergangenheit kamen zu diesem Zwecke vornehmlich ölgeschmierte Kolbenkompressoren zum Einsatz. Neuartige Verdichterkonzepte auf Basis von Kolbenkompressoren lassen auch einen ölfreien Betrieb zu. Anstelle einer Ölbefüllung des Kurbelgehäuses werden die Lagerstellen des Kurbeltriebs hier wälzgelagert und die Wälzlagerungen mit einer örtlichen Dauerschmierung versehen. Der ölfreie Kolbenkompressor wurde insbesondere aus wartungs- und umwelttechnischen Gründen entwickelt.
Aus der DE 10 2004 042 944 A1 geht ein gattungsgemäßer trockenlaufender Kolbenkompressor hervor. Der Kolbenkompressor besteht im Wesentlichen aus einer Verdichtereinheit zur Erzeugung von Druckluft, welche von einer Antriebseinheit zur Erzeugung einer Drehbewegung angetrieben wird. Die Antriebseinheit ist hierbei meist nach Art eines Elektromotors ausgebildet. Innerhalb des Kurbelgehäuses der Verdichtereinheit ist eine Kurbelwelle drehbar gelagert. An der Kurbelwelle sind zwei Pleuel angebracht, die mit zugeordneten Kolben in Verbindung stehen, um die antriebsseitige Drehbewegung in eine Linearbewegung der Kolben umzuwandeln, welche zum Komprimieren von Luft innerhalb zugeordneter Zylinder untergebracht sind. Die Zylinder sind hier in 180°-Stellung am Kurbelgehäuse angebracht. Zur Verbesserung der Kühlung der Zylinder ist ein einlassseitiges Ventil vorgesehen, welches bei einem durch die Bewegung des Kolbens erzeugten Unterdruck im Kurbelgehäuse in seine Offenstellung gelangt. Hierüber wird von außen Kühlluft angesaugt und mindestens ein zweites beabstandet hiervon am Kurbelgehäuse angeordnetes auslassseitiges Ventil gelangt bei einem durch die Bewegung des Kolbens erzeugten Überdruck im Kurbelgehäuse in seine Offenstellung. Hierdurch wird verbrauchte Kühlluft ausgestoßen, so dass in Folge des Bewegungszyklus der Kolben ein interner Kühlluftstrom durch das Kurbelgehäuse fließt.
Zwar wird durch diese technische Lösung ein Kühlluftstrom zur Innenkühlung eines trockenlaufenden Kolbenkompressor genutzt, jedoch ist der angeflanschte Elektromotor separat zu kühlen, was üblicherweise durch ein Lüfterrad am Elektromotor erfolgt. Hierüber kann wiederum aus der Umgebung Feuchtigkeit und Schmutz eindringen. Um dies zu verhindern, erfolgte bislang eine zusätzliche Kapselung des Kolbenkompressors samt Elektromotor, was jedoch den Platzbedarf der Baueinheit erheblich vergrößert.
Die DD 238 645 A1 offenbart einen kompaktbauenden trockenlaufenden Kolbenkompressor, dessen verdichterseitiger Kurbeltrieb direkt am Wellenende des antreibenden Elektromotors angeordnet ist. Eine recht große Öffnung in der Seitenwand des Verdichtergehäuses bildet eine Eintrittstelle für einen verdichterinternen Kühlluftstrom.
Die DE 197 26 943 A1 offenbart einen Kältemittelkompressor, dessen Kurbelwelle über Gleitlagerstellen drehbar in einem Kompressorgehäuse gelagert ist. Von außen her zugeführtes Kältemittel dient einer kompressorinternen Kühlung, welche zunächst dem antreibenden Elektromotor zugeführt wird.
Aus der US 2007/0041847 A1 geht ein kompaktbauender trockenlaufender Kolbenkompressor hervor, bei dem ein Kühlluftstrom zunächst eine motorseitige Gehäusehälfte durchströmt und dabei vom Elektromotor vorerwärmt wird, ehe der Kühlluftstrom in die verdichterseitige Gehäusehälfte gelangt, um die dort angeordneten Wälzlager zu kühlen. Es ist mit einer entsprechend reduzierten Kühlwirkung für die Wälzlager zu rechnen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kompakten trockenlaufenden Kolbenkompressor zu schaffen, welcher zum Einsatz in verschmutzten Umgebungen geeignet ist und sich durch eine lange Lebensdauer auszeichnet.
Die Aufgabe wird durch einen Kolbenkompressor gemäß Anspruch 1 gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Kompressorgehäuse zwei über eine Trennwand getrennte Gehäusehälften umfasst, um innerhalb der ersten Gehäusehälfte den Kurbeltrieb unterzubringen und innerhalb der zweiten Gehäusehälfte den Elektromotor unterzubringen, wobei in der Trennwand ein dem Kurbeltrieb sowie dem Elektromotor gemeinsames Wälzlager eingesetzt ist, welches in dem die erste Gehäusehälfte passierenden Kühlluftstrom liegt.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass ein gemeinsames Gehäuse für die Verdichtereinheit sowie den Antrieb geschaffen wird, der eine vollständige Abkapselung gegenüber verschmutzten Umgebungen gewährleistet. Gleichzeitig werden die mit einer solchen Kapselung auftretenden thermischen Probleme insgesamt für Verdichtereinheit und Antriebseinheit mit einem gemeinsamen Kühlluftstrom gelöst. Die erfindungsgemäße Lösung geht von der Erkenntnis aus, dass der abtriebsseitige Kopf von Motorwicklungen die entscheidende Wärmequelle ist, welche sich durch ortsnahe Kühlmaßnahmen in Verbindung mit einem gemeinsamen Gehäuse effizient kühlen lässt. Die erfindungsgemäße Lösung ist optimiert im Hinblick auf die erforderliche Anzahl von Wälzlagern. So kann gemeinsam für den Elektromotor und der Kurbelwellenlagerung ein einziges Wälzlager zum Einsatz kommen. Wird dieses gezielt gekühlt, so wird eine auch für den Elektromotor ausreichende Kühlwirkung erzielt, was durch die Wärmeleitung im Bereich der Trennwand möglich wird.
Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass in der Trennwand mindestens eine Öffnung zur Umlenkung von Teilen des Kühlluftstroms der ersten Gehäusehälfte in die zweite Gehäusehälfte vorgesehen ist. Hierdurch kann der Kühlluftstrom gezielt auch in den Bereich der zweiten Gehäusehälfte hinein geleitet werden, so dass die Kühlwirkung mit dieser Maßnahme verbessert werden kann.
Vorzugsweise ist die Kurbelwelle neben dem in der Trennwand angeordneten Wälzlager zur anderen Seite hin durch ein weiteres Wälzlager drehgelagert. Somit sind insgesamt zwei Wälzlager für die Kurbelwelle ausreichend, um den Kurbeltrieb samt Elektromotor drehzulagern. Das weitere Wälzlager lässt sich dabei in einem in der Grundform flachen Deckel der ersten Gehäusehälfte nach außen hin abgekapselt einsetzen. Durch den flachen Deckel erhöhen sich die äußeren geometrischen Abmessungen des Kolbenkompressors nicht erheblich. Gleichzeitig schafft der flache Deckel eine einfach zu demontierende Zugangsmöglichkeit zum Inneren des Kurbelgehäuses. Das zweite Wälzlager sollte ebenfalls in dem die erste Gehäusehälfte passierenden Kühlluftstrom liegen.
Um die Kompaktheit zu maximieren, wird vorgeschlagen, den Rotor des Elektromotors direkt an einem in die zweite Gehäusehälfte hineinragenden Ende der Kurbelwelle anzubringen. Diese Anbringung kann über einen konischen Flansch mit stirnseitiger Verschraubung erfolgen. Daneben ist es jedoch auch denkbar, Kurbelwelle und Rotor einstückig auszubilden. Dies macht insbesondere dann Sinn, wenn der Elektromotor nach Art eines bürstenlosen Elektromotors ausgeführt ist, dessen Rotor lediglich mit Permanentmagneten zu bestücken ist. Demgegenüber ist der Stator mit elektrischen Spulenwicklungen versehen.
Die für einen derartigen hier vorzugsweise einzusetzenden bürstenlosen Elektromotors erforderliche Kommutierungselektronik lässt sich in einfacher Weise ebenfalls in die zweite Gehäusehälfte integrieren. Vorzugsweise sollte die Kommutierungselektronik auf einer flachbauenden Platine angeordnet sein, welche in den Bereich der Gehäusewandung angeordnet ist. Zur besseren Zugänglichkeit der Kommutierungselektronik kann diese mit einem anschraubbaren Deckel verschlossen sein. Die zweite Gehäusehälfte ist stirnseitig mit einem ebenfalls in der Grundform flachen Deckel verschlossen. Nach der Montage dieses Deckels ist der Innenbereich des Elektromotors für Wartungs- und Reparaturzwecke zugänglich.
Das erfindungsgemäß ausgeführte integrierte Kompressorgehäuse weist im Bereich der ersten Gehäusehälfte ferner eine Öffnung zur lösbaren Anbringung eines vorzugsweise als separates Bauteil ausgeführten Zylinders auf. Durch die separate Ausbildung des Zylinders lässt sich das integrierte Kompressorgehäuse mit den beiden Gehäusehälften gusstechnisch in einfacher Weise vorzugsweise im Leichtmetallguss ausführen.
In Weiterbildung der Erfindung sind in dem Kolbenkompressor Einströmkanäle vorgesehen, deren Querschnitte so variieren, dass die einzelnen Baugruppen mit unterschiedlichen Kühlluftströmen durchströmt werden. Die einzelnen Baugruppen sind hierbei das Kurbelgehäuse, der Wicklungsraum des Elektromotors und die Kommutierungselektronik. Vorteilhaft ist hierbei, dass die entsprechenden Bereiche mit einer ausreichenden Menge an Kühlluft optimal versorgt werden.
Weitere, die Erfindung verbessernden Maßnahmen werden nachstehenden gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigt:
1 einen Längsschnitt durch einen kompakten trockenlaufenden Kolbenkompressor, und
2 einen Längsschnitt durch einen kompakten trockenlaufenden Kolbenkompressor mit Einströmkanälen.
Gemäß 1 weist der Kompressor einen einzige Zylinder 1 auf, in welchem ein Kolben 2 zum Komprimieren von aus der Umgebung über einen Zylinderdeckel 3 angesaugter Druckluft angeordnet ist. Die lineare Arbeitsbewegung für den Kolben 2 wird über einen Kurbeltrieb erzeugt, welcher im Wesentlichen aus Kurbelwelle 4 mit Pleuel 5 besteht. Die Kurbelwelle 4 ist über zwei Wälzlager 6a und 6b drehbar gegenüber dem Kompressorgehäuse 7 gelagert.
Das Kompressorgehäuse 7 besteht aus einer ersten Gehäusehälfte 8, die das Kurbelgehäuse bildet und einer zweiten Gehäusehälfte 9, die einen Elektromotor 10 beherbergt.
Der Elektromotor 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel als bürstenloser Elektromotor ausgeführt und umfasst einen Stator 11 aus Spulenwicklungen mit Eisenkern, der mit einem Permanentmagneten bestückten Rotor 12 zusammenwirkt. Der Rotor 12 des Elektromotors 10 ist an einem in die zweite Gehäusehälfte 9 hineinragenden konischen Ende der Kurbelwelle 4 angeschraubt. Eine Kommutierungselektronik 13 des Elektromotors 10 ist in der Wandung der zweiten Gehäusehälfte 9 integriert. Zur platzsparenden Anordnung ist die Kommutierungselektronik 13 auf einer Platine untergebracht. Die zweite Gehäusehälfte 9 ist mit einem flachen Deckel 14 stirnseitig über einzelne Schrauben verschlossen. Auch die erste Gehäusehälfte 8 weist einen in der Grundform flachen Deckel 15 auf, der diese stirnseitig über Verschraubungen verschließt.
Der Deckel 15 der ersten Gehäusehälfte 8 umfasst einen Sitz für das Wälzlager 6a der Kurbelwelle 4. Das andere Wälzlager ob der Kurbelwelle 4 ist in einer Trennwand 16 des Kompressorgehäuses 8 platziert. Das Wälzlager 6b ist sowohl zur einseitigen Lagerung der Kurbelwelle 4 als auch zur Lagerung des Rotors 12 des Elektromotors 10 vorgesehen.
Beide Wälzlager 6a und ob liegen in einem die erste Gehäusehälfte 8 passierenden Kühlluftstrom. Der Kühlluftstrom gelangt ventilgesteuert über einen zylinderseitigen Kanal 17 aufgrund des Bewegungszyklus des Kurbeltriebs in das Innere der ersten Gehäusehälfte 8 und verlässt diese durch eine ventilbeschaltete Öffnung 18. Der Kühlluftstrom wird dabei derart durch die erste Gehäusehälfte 8 geleitet, dass beide Wälzlager 6a und 6b hierdurch gekühlt werden. Zur Umlenkung von Teilen des Kühlluftstroms der ersten Gehäusehälfte 8 in die zweite Gehäusehälfte 9 weist die Trennwand 16 ein Kranz von Öffnungen 19 auf.
Im Unterschied dazu sind bei 2 Einströmkanäle 20 vorgesehen, die über den Kanal 17 mit Luft versorgt werden. Diese Einströmkanäle befördern Kühlluft zu den einzelnen Bauteilen, wobei die Menge an Kühlluft durch die jeweiligen Querschnitte definiert wird. Das Strömen der Luft wird durch die Hohlpfeile in der Figur verdeutlicht.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, den Elektromotor nach einer anderen Bauart auszuführen. Prinzipiell eignet sich jede Bauart, welche sich gekapselt innerhalb der Gehäusehälfte 9 unterbringen lässt.
Bezugszeichenliste

1: Zylinder
2: Kolben
3: Zylinderkopf
4: Kurbelwelle
5: Pleuel
6: Wälzlager
7: Kompressorgehäuse
8: erste Gehäusehälfte
9: zweite Gehäusehälfte
10: Elektromotor
11: Stator
12: Rotor
13: Kommutierungselektronik
14: Deckel
15: Deckel
16: Trennwand
17: Kanal
18: Öffnung
19: Öffnung
20: Einströmkanäle

Claims

Kompakter trockenlaufender Kolbenkompressor mit mindestens einem Zylinder (1) zur Kompression von Luft mittels eines zugeordneten Kolbens (2), der per Elektromotor (10) von einem aus Kurbelwelle (4) und Pleuel (5) bestehenden Kurbeltrieb bewegbar ist, welcher in einem ölbadfreien Kompressorgehäuse (7) über dauergeschmierte Wälzlager (6a, 6b) drehbar gelagert ist und infolge des Bewegungszyklus einen gehäuseinternen Kühlluftstrom erzeugt, wobei das Kompressorgehäuse (7) zwei über eine Trennwand (16) getrennte Gehäusehälften (8, 9) umfasst, um innerhalb der ersten Gehäusehälfte (8) den Kurbeltrieb unterzubringen und innerhalb der zweiten Gehäusehälfte (9) der Elektromotor (10) unterzubringen, wobei in die Trennwand (16) ein dem Kurbeltrieb sowie dem Elektromotor (10) gemeinsames Wälzlager (6b) eingesetzt ist, welches in dem die erste Gehäusehälfte (8) passierenden Kühlluftstrom liegt, wobei die Kurbelwelle (4) neben dem in der Trennwand (16) angeordneten Wälzlager (6b) zur anderen Seite hin durch ein weiteres Wälzlager (6a) drehgelagert ist, welches in einem in der Grundform flachen Deckel (15) der ersten Gehäusehälfte (8) nach außen hin abgekapselt eingesetzt ist und ebenfalls im die erste Gehäusehälfte (8) passierenden Kühlluftstrom liegt, der ventilgesteuert über einen zylinderseitigen Kanal (17) in das Innere der ersten Gehäusehälfte (8) gelangt und diese durch eine ventilbeschaltete Öffnung (18) verlässt, wobei zur Umlenkung von Teilen des Kühlluftstroms der ersten Gehäusehälfte (8) in die zweite Gehäusehälfte (9) die Trennwand (16) Öffnungen (19) aufweist, wobei ferner der Rotor (12) des Elektromotors (10) direkt an einem in die zweite Gehäusehälfte (9) hineinragenden Ende der Kurbelwelle (4) angebracht ist, und der Rotor (12) des Elektromotors (10) über die beiden Wälzlager (6a, 6b) der Kurbelwelle (4) gelagert ist,.
Kompakter trockenlaufender Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trennwand (16) mindestens eine Öffnung (19) zur Umlenkung von Teilen des Kühlluftstroms der ersten Gehäusehälfte (8) in die zweite Gehäusehälfte (9) vorgesehen ist.
Kompakter trockenlaufender Kolbenkompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über das im Kühlluftstrom liegende Wälzlager (6b) sowie der Wärmeleitung der Trennwand (16) der in der zweiten Gehäusehälfte (9) untergebrachte abtriebsseitige Wicklungskopf des Elektromotors (10) mit gekühlt wird.
Kompakter trockenlaufender Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (10) nach Art eines bürstenlosen Gleichstrommotors ausgeführt ist, dessen Stator (11) aus Spulenwicklungen mit Eisenkern besteht und dessen Rotor (12) mit Permanentmagneten bestückt ist.
Kompakter trockenlaufender Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kommutierungselektronik (13) des Elektromotors (10) auf einer in der zweiten Gehäusehälfte (9) mit untergebrachten Platine angeordnet ist.
Kompakter trockenlaufender Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gehäusehälfte (9) mit einem in der Grundform flachen Deckel (14) stirnseitig verschlossen ist.
Kompakter trockenlaufender Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gehäusehälfte (8) eine Öffnung zur lösbaren Anbringung des als separates Bauteil ausgeführten Zylinders (1) aufweist.
Kompakter trockenlaufender Kolbenkompressor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Einströmkanäle (20) vorgesehen sind, deren Querschnitte so variieren, dass die einzelnen Baugruppen mit unterschiedlichen Kühlluftströmen durchströmt werden.