DE102008034342A1 - Method for operating weight of turbo charger, involves determining tumbling motion of rotor body, and changing mass distribution of rotor body such that tumbling motion of rotor body is reduced - Google Patents

Method for operating weight of turbo charger, involves determining tumbling motion of rotor body, and changing mass distribution of rotor body such that tumbling motion of rotor body is reduced Download PDF

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Abstract

The method involves determining a tumbling motion of a rotor body (10), and changing the mass distribution of the rotor body such that the tumbling motion of the rotor body is reduced. The mass distribution of the rotor body is carried out by abrasion of material or applying material on the rotor body.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betriebswuchten eines Abgasturboladers mit aktiver magnetischer Lagerung.The The present invention relates to a method of operating balancing an exhaust gas turbocharger with active magnetic bearing.

Abgasturbolader von Otto- und Dieselmotoren werden mit Drehzahlen bis jenseits der 250 000 U/min betrieben. Bei hohen geforderten Lebensdaueranforderungen werden die Turbolader bei harten Umgebungsbedingungen, insbesondere stark wechselnden Betriebstemperaturen eingesetzt. Daraus ergeben sich besonders hohe Anforderungen an die Lagerung der Rotorwellen von Abgasturboladern. Die sehr verbreitet eingesetzten Öllager, z. B. in Form von hydrodynamischen Gleitlagern weisen relativ hohe Verlustleistungen im hohen Drehzahlbereich auf. Ferner bedingen sie eine thermische Belastung des Motoröls, was zu einer Alterung des Motoröls und damit verbundenen häufigeren Ölwechselintervallen führt.turbocharger of petrol and diesel engines are with speeds up to beyond the Operated 250 000 U / min. For high required service life requirements The turbocharger will be in harsh environmental conditions, in particular strongly changing operating temperatures used. Result from this particularly high demands on the storage of the rotor shafts of exhaust gas turbochargers. The widely used oil storage, z. B. in the form of hydrodynamic plain bearings have relatively high Power losses in the high speed range. Further condition they create a thermal load on the engine oil, resulting in a Aging of the engine oil and associated more frequent oil change intervals leads.

Neue Entwicklungen haben eine berührungslose Lagerung der Rotorwellen von Abgasturboladern zum Gegenstand. Die dabei eingesetzten Magnetlager ermöglichen die Lagerung ohne Materialkontakt mittels Magnetkraft. Man unterscheidet hierfür im Wesentlichen passive Magnetlager, die in der Regel anziehende oder abstoßende Permanentmagnete aufweisen und aktive Magnetlager, die auf geregelten Elektromagneten beruhen, sowie Kombinationen aus beiden Lagergruppen. Eine aktive magnetische Lagerung wird beispielsweise in der DE 199 28 989 C1 beschrieben. Ferner sind noch elektrodynamische Magnetlager verfügbar, die ohne Regelung auskommen. Aktive Magnetlager benötigen ständige Stromversorgung und besitzen zwecks Absicherung eventueller Stromausfälle ein sogenanntes Fanglager bzw. Notlauflager. Ein besonderes Problem besteht darin, die durch Unwuchten auftretenden Kräfte und Vibrationen auszugleichen. Durch die nicht vermeidbaren Fertigungstoleranzen sind diese Unwuchten in einem bestimmten Umfang immer gegeben. Schon kleinste Unwuchten führen aufgrund der großen Drehzahlen eines Abgasturboladers zu großen Lagerkräften. Die vorgenannten Probleme treten nicht nur bei Abgasturboladern auf, sondern bestehen auch bei anderen hochdrehenden Wellen, wie z. B. Zentrifugen.The subject of new developments is the contactless mounting of the rotor shafts of exhaust gas turbochargers. The magnetic bearings used allow storage without material contact by means of magnetic force. For this purpose, a distinction is made essentially passive magnetic bearings, which usually have attractive or repelling permanent magnets and active magnetic bearings, which are based on regulated electromagnets, as well as combinations of two bearing groups. An active magnetic storage is used for example in the DE 199 28 989 C1 described. Furthermore, electrodynamic magnetic bearings are still available, which manage without control. Active magnetic bearings require constant power supply and have a so-called safety bearing or emergency bearing for the purpose of safeguarding any power failures. A particular problem is to compensate for the forces and vibrations caused by imbalances. Due to the unavoidable manufacturing tolerances these imbalances are always given to a certain extent. Even the smallest imbalances lead due to the high speeds of an exhaust gas turbocharger to large bearing forces. The above problems occur not only in exhaust gas turbochargers, but also exist in other high-speed waves, such as. B. centrifuges.

Bisherige Ansätze zur Lösung des Problems konzentrierten sich im Wesentlichen darauf, durch mechanisches Auswuchten die mechanischen Fertigungstoleranzen auszugleichen und dadurch die auf das Lager durch Unwuchten bedingten Kräfte zu begrenzen. Hierzu werden die Einzelteile des Rotors vor dem Zusammenbau zunächst einzeln gewuchtet. Hierbei kommen zur Bestimmung der Unwuchten verschiedene Messverfahren zum Einsatz, z. B. Schwingungssensoren, wie in der DE 19 754 321 A1 beschrieben. Beim Zusammenbau können sich jedoch weitere Unwuchten ergeben (z. B. durch Schweißverzug). Diese werden dann beim ”Betriebswuchten” des komplett zusammengebauten Rotors in der eigentlichen Lagerung minimiert. Dazu wird der Rotor mitsamt Lagerung in eine Wuchtmaschine montiert, die die Auslenkungen des Turbinen- und Verdichterrades während der Rotation misst und so feststellt, an welcher Stelle Ausgleichsmaßnahmen (z. B. Abschleifen von Material) notwendig sind. Das Auswuchten durch Materialabtrag wird beispielsweise in der DE 103 43 801 B4 beschrieben. Die Wuchtmaschine mit Lagersensorik für den Rotor ist teuer und der Einbau und Ausbau des kompletten Lagers in die Maschine ist zeitaufwändig.Previous attempts to solve the problem have focused essentially on balancing the mechanical manufacturing tolerances by mechanical balancing and thereby limiting the forces imposed on the bearing by imbalances. For this purpose, the individual parts of the rotor are first balanced individually before assembly. Here, different measuring methods are used to determine the imbalances, z. B. vibration sensors, as in the DE 19 754 321 A1 described. During assembly, however, further imbalances may result (eg due to welding distortion). These are then minimized during the "balancing" of the fully assembled rotor in the actual storage. For this purpose, the rotor is mounted together with bearings in a balancing machine, which measures the deflections of the turbine and compressor wheel during rotation and thus determines at which point compensation measures (eg grinding of material) are necessary. The balancing by material removal, for example, in the DE 103 43 801 B4 described. The balancing machine with bearing sensors for the rotor is expensive and the installation and removal of the complete bearing into the machine is time-consuming.

Eine aktive magnetische Lagerung basiert auf einem Regelkreis, der die Position des Rotors in den Lagerachsen misst und entsprechend die Ströme in den Lagermagneten so regelt, dass der Rotor in einer kontaktfreien Schwebe bleibt. Die Positionserfassung erfolgt dabei entweder über spezielle Sensoren oder über eine Auswertung der Induktivitäten der Wicklungen der Lagermagnete.A active magnetic bearing is based on a control loop that the Position of the rotor in the bearing axes measures and accordingly the Currents in the bearing magnet controls so that the rotor in a non-contact suspension remains. The position detection takes place either via special sensors or over an evaluation of the inductances of the windings of the bearing magnets.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, das es ermöglicht, Unwuchten am Rotor eines Abgasturboladers in einem eingebauten Zustand in einer aktiven Magnetlagerung mittels der Sensorik der Magnetlagerung festzustellen, ohne dass es erforderlich ist, den Rotorkörper in eine eigene Wuchtmaschine einzubauen.It It is therefore an object of the present invention to provide a method which allows unbalance on the rotor of an exhaust gas turbocharger in an installed state in an active magnetic storage means To establish the gauge of a magnetic bearing without it being necessary is to install the rotor body in its own balancing machine.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere Ausgestaltungen den Unteransprüchen wiedergegeben.These The object is achieved by the in the claim 1 specified characteristics solved. Further embodiments reproduced the subclaims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betriebswuchten eines Abgasturboladers mit wenigstens einer aktiven magnetischen Lagerung eines Rotorkörpers wird zunächst eine Taumelbewegung des sich drehenden Rotorkörpers im in die Lagerung des Abgasturboladers eingebauten Zustand aus einem Positionsdetektorsignal der magnetischen Lagerung des Rotorkörpers oder einem Lageregelkreis der magnetischen Lagerung des Rotorkörpers bestimmt und dann die Masseverteilung des Rotorkörpers so geändert, dass die Taumelbewegung des Rotorkörpers reduziert wird.at the method according to the invention for operating balancing an exhaust gas turbocharger with at least one active magnetic Storage of a rotor body is initially a Tumbling motion of the rotating rotor body in the Storage of the turbocharger built-in state from a position detector signal the magnetic bearing of the rotor body or a position control loop determines the magnetic bearing of the rotor body and then the mass distribution of the rotor body changed so that the wobbling motion of the rotor body is reduced.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Idee besteht darin, dass bekannte Informationen über die Position der Rotorwelle aus dem eingebauten Zustand in eine aktive magnetische Lagerung verwendet werden, so dass das Einspannen in eine zusätzliche Wuchtmaschine entfallen kann. Durch geeignete Algorithmen und eine Wickelsensorik muss der Turbolader nur kurz in seinem eigentlichen Lager eingebaut in Betrieb genommen werden, um festzustellen, ob der Rotor ausreichend gewuchtet ist oder an welchen Stellen Material zum Auswuchten abgetragen werden muss.The idea underlying the present invention is that known information about the position of the rotor shaft from the installed state in an active magnetic storage are used, so that the clamping can be omitted in an additional balancing machine. By using suitable algorithms and a winding sensor system, the turbocharger only has to be put into operation for a short time in its actual warehouse. to determine if the rotor is sufficiently balanced or where the material needs to be removed for balancing.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Positionssensorik und Lageregelung einer magnetischen Lagerung für einen Abgasturbolader zum Auswuchten der Welle verwendet werden können. Eine teure Wuchtmaschine sowie das aufwändige Ein- und Ausbauen des Prüflings in eine gesonderte Wuchtmaschine entfällt.Of the Advantage of the present invention is that the position sensors and position control of a magnetic bearing for a Exhaust gas turbocharger can be used to balance the shaft. An expensive balancing machine and the elaborate input and output Remove the specimen in a separate balancing machine eliminated.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur näher erläutert. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer aktiven magnetischen Lagerung eines Abgasturboladers für das erfindungsgemäße Betriebswuchten. Ein Rotorkörper 10, eines Abgasturboladers erstreckt sich horizontal in der Figur. An seinen Enden sind ein Turbinenrad 20 und ein Verdichterrad 30 des Turboladers befestigt. Zwei als aktive Magnetlager ausgeführte Radiallager 40 sind um den Rotorkörper 10 herum an verschiedenen Stellen angeordnet. Zwischen den Radiallagern 40 ist ein als aktives Magnetlager ausgeführtes Axiallager 50 angeordnet. Zusätzlich sind zwei Notlauflager 60 am Rotorkörper 10 eines nahe dem Turbinenrad 20 und eines nahe dem Verdichterrad 30 dargestellt. Einige wesentliche Baugruppen der Radiallager 40 sind am linken Radiallager 40 als Statorblechung 42, Rotorblechung 44 und Wicklung 46 angegeben. Zwischen den Radiallagern 40 und Turbinenrad 20 bzw. Verdichterrad 30 befindet sich jeweils ein Positionssensor 70. Schematisch sind in 1 auch die wesentlichen Komponenten des Radiallagers 40 beim links dargestellten Radiallager 40 angegeben. Die Statorblechung 42 ist mit einer Wicklung 46 versehen und bildet über den Umfang verteilte Polpaare von Elektromagneten. Die Rotorblechung 44 bildet das magnetische Gegenstück zur Statorblechung 42.The invention will be explained in more detail below with reference to embodiments with reference to the accompanying figure. 1 shows a schematic sectional view of an embodiment of an active magnetic bearing of an exhaust gas turbocharger for the invention balancing operation. A rotor body 10 , An exhaust gas turbocharger extends horizontally in the figure. At its ends are a turbine wheel 20 and a compressor wheel 30 attached to the turbocharger. Two radial bearings designed as active magnetic bearings 40 are around the rotor body 10 arranged around in different places. Between the radial bearings 40 is a designed as an active magnetic bearing thrust bearing 50 arranged. In addition, there are two emergency storage facilities 60 on the rotor body 10 one near the turbine wheel 20 and one near the compressor wheel 30 shown. Some essential assemblies of radial bearings 40 are at the left radial bearing 40 as Statorblechung 42 , Rotor lamination 44 and winding 46 specified. Between the radial bearings 40 and turbine wheel 20 or compressor wheel 30 there is one position sensor each 70 , Schematically are in 1 also the essential components of the radial bearing 40 at the radial bearing shown on the left 40 specified. The stator lamination 42 is with a winding 46 provided and forms distributed over the circumference pole pairs of electromagnets. The rotor lamination 44 forms the magnetic counterpart to the stator lamination 42 ,

Der Rotorkörper 10 mit den daran befestigten Turbinenrad 20 und Verdichterrad 30 ist drehbar mittels der Radiallager 40 gelagert und gegen ein axiales Verschieben mittels des Axiallagers 50 gelagert. Die Radiallager 40 und das Axiallager 50 beruhen als aktive Magnetlager auf geregelten Elektromagneten. Dadurch kann deren Feldstärke verändert und die Position des Rotorkörpers 10 verändert werden. Die aktiven Magnetlager 40, 60 benötigen ständige Stromversorgung und besitzen zur Absicherung eventueller Stromausfälle die Notlauflager 60. Die Positionssensoren 70 dienen der Lagebestimmung des Rotorkörpers 10. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind lediglich Positionssensoren zur Bestimmung der radialen Lage des Rotorkörpers 10 vorgesehen. Erfindungsgemäß kann jedoch ebenso die Lage des Rotorkörpers 10 in axialer Richtung erfasst und ausgewertet werden.The rotor body 10 with the attached turbine wheel 20 and compressor wheel 30 is rotatable by means of radial bearings 40 mounted and against axial displacement by means of the thrust bearing 50 stored. The radial bearings 40 and the thrust bearing 50 are based as active magnetic bearings on regulated electromagnets. As a result, their field strength can be changed and the position of the rotor body 10 to be changed. The active magnetic bearings 40 . 60 require constant power supply and have to protect against any power outages the emergency storage 60 , The position sensors 70 serve the orientation of the rotor body 10 , In the present embodiment, only position sensors for determining the radial position of the rotor body 10 intended. According to the invention, however, also the position of the rotor body 10 be detected and evaluated in the axial direction.

Die Aufnahmefähigkeit für radiale und axiale Kräfte der Magnetlager 40, 50 ist geringer als bei mechanischen Lagern (Wälzlager, Gleitlager). Daher kann die Lage des Rotorkörpers 10 gesteuert werden. Die Lage des Rotorkörpers 10 wird hierzu mittels der Positionssensoren 70 erfasst. Durch eine entsprechende Regelung der Magnetlager 40, 50 kann dann eine gewünschte Lage des Rotorkörpers eingestellt werden.The capacity for radial and axial forces of the magnetic bearings 40 . 50 is lower than with mechanical bearings (rolling bearings, plain bearings). Therefore, the location of the rotor body 10 to be controlled. The position of the rotor body 10 this is done by means of the position sensors 70 detected. By a corresponding regulation of the magnetic bearings 40 . 50 can then be set a desired position of the rotor body.

Erfindungsgemäß wird diese Lageregelung für den Rotorkörper 10 für eine Bestimmung von Unwuchten des Rotorkörpers 10 nach dem Einbau des Rotorkörpers 10 in die Magnetlagerung verwendet. Zunächst wird dazu der Rotorkörper in die Magnetlagerung 40, 50 innerhalb des Abgasturboladers eingebaut. Dann wird der Rotorkörper 10 gedreht. Unwuchten am Rotorkörper 10 führen bei dieser Drehbewegung zu einer dynamischen Lageveränderung des Rotorkörpers 10 und insbesondere zu einer taumelnden Bewegung des Rotorkörpers 10. Die Lageveränderungen des Rotorkörpers 10 werden mit den Positionssensoren 70 erfasst und in die Lagerregelung der Magnetlager 40, 50 eingegeben. Aus den Lageregelkreisinformationen der Magnetlager 40, 50 wird dann erfindungsgemäß die Unwucht des Rotorkörpers 10 bestimmt. Diese Unwucht kann dann mittels einem Abtrag oder Auftrag von Material auf den Rotorkörper 10 behoben werden. Erfindungsgemäß ist dazu der Ausbau des Rotorkörpers 10 aus dem Abgasturbolader nicht zwingend erforderlich. Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren zum Betriebswuchten eines Abgasturboladers besteht darin, dass Unwuchten des Rotorkörpers 10 im in den Turbolader eingebauten Zustand festgestellt werden können und der bisher erforderliche zusätzliche Einbau des Rotorkörpers 10 in eine Wuchtmaschine nach dessen Fertigung nicht mehr erforderlich ist.According to the invention, this position control for the rotor body 10 for a determination of imbalances of the rotor body 10 after installation of the rotor body 10 used in the magnetic bearing. First, the rotor body is in the magnetic bearing 40 . 50 installed inside the exhaust gas turbocharger. Then the rotor body becomes 10 turned. Imbalances on the rotor body 10 lead during this rotational movement to a dynamic change in position of the rotor body 10 and in particular to a tumbling motion of the rotor body 10 , The changes in position of the rotor body 10 be with the position sensors 70 recorded and in the storage control of the magnetic bearing 40 . 50 entered. From the position control loop information of the magnetic bearings 40 . 50 Then, according to the invention, the imbalance of the rotor body 10 certainly. This imbalance can then by means of a removal or order of material on the rotor body 10 be resolved. According to the invention is the expansion of the rotor body 10 not absolutely necessary from the exhaust gas turbocharger. A major advantage of the method according to the invention for balancing the operation of an exhaust gas turbocharger is that unbalance of the rotor body 10 can be detected in the installed state in the turbocharger and the previously required additional installation of the rotor body 10 in a balancing machine after its production is no longer necessary.

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  • - DE 19754321 A1 [0004] DE 19754321 A1 [0004]
  • - DE 10343801 B4 [0004] - DE 10343801 B4 [0004]

Claims (5)

Verfahren zum Betriebswuchten eines Abgasturboladers mit wenigstens einer aktiven magnetischen Lagerung eines Rotorkörpers (10), das folgende Schritte aufweist: a) Bestimmung einer Taumelbewegung des sich drehenden Rotorkörpers (10) im in die Lagerung des Abgasturboladers eingebauten Zustand aus einem Positionsdetektorsignal der magnetischen Lagerung (40, 50) des Rotorkörpers (10) oder einem Lageregelkreis der magnetischen Lagerung des Rotorkörpers (10); b) Änderung der Masseverteilung des Rotorkörpers (10), so dass die Taumelbewegung des Rotorkörpers (10) reduziert wird.Method for operating balancing an exhaust gas turbocharger with at least one active magnetic bearing of a rotor body ( 10 ), comprising the following steps: a) determining a tumbling motion of the rotating rotor body ( 10 ) in the mounted in the storage of the exhaust gas turbocharger state of a position detection signal of the magnetic bearing ( 40 . 50 ) of the rotor body ( 10 ) or a position control loop of the magnetic bearing of the rotor body ( 10 ); b) change in the mass distribution of the rotor body ( 10 ), so that the wobbling motion of the rotor body ( 10 ) is reduced. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt b) die Änderung der Masseverteilung durch einen Abtrag von Material und/oder ein Aufbringen von Material auf den Rotorkörper (10) erzielt wird.A method according to claim 1, characterized in that in step b) the change of the mass distribution by a removal of material and / or an application of material to the rotor body ( 10 ) is achieved. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt b) die Änderung der Masseverteilung auch durch eine räumliche Verlagerung wenigstens einer Masse am Rotorkörper (10) mittels eines Aktors erfolgt.Method according to Claim 1 or Claim 2, characterized in that, in method step b), the change in the mass distribution is also brought about by a spatial displacement of at least one mass on the rotor body ( 10 ) by means of an actuator. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Verlagerung der wenigstens einen Masse am Rotorkörper (10) abhängig von der Rotorkörperdrehzahl verändert wird.A method according to claim 3, characterized in that the spatial displacement of the at least one mass on the rotor body ( 10 ) is changed depending on the rotor body speed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verfahrensschritt a) bei mehreren verschiedenen Drehzahlen des Rotorkörpers (10) die Taumelbewegung des Ro torkörpers (10) ermittelt wird und dass im Verfahrensschritt b) die Masseverteilung des Rotorkörpers (10) so geändert wird, dass die Taumelbewegung des Rotorkörpers (10) bei wenigstens einer Drehzahl reduziert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in method step a) at several different rotational speeds of the rotor body ( 10 ) the wobbling motion of the rotor body ( 10 ) is determined and that in process step b) the mass distribution of the rotor body ( 10 ) is changed so that the wobbling movement of the rotor body ( 10 ) is reduced at least one speed.
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