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Die Erfindung betrifft einen Turbolader für ein Kraftfahrzeug mit einer Rotorwelle, an der ein Verdichterrad und ein Turbinenrad angeordnet sind und die eine Magnetlageranordnung mit einer Axiallagereinrichtung und einer mit der Rotorwelle verbundene Axiallagerscheibe aufweist.
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Bei einer Verbrennungskraftmaschine wird zur Steigerung der Leistung bzw. zur Verkleinerung der Verbrennungskraftmaschine bei gleicher Leistung, in der Regel ein Abgasturbolader eingesetzt. Bei dem Turbolader wird über den Abgasmassenstrom eine Turbine angetrieben. Die Turbine treibt wiederum einen Verdichter an, welcher die Frischluft, die dem Motor zugeführt wird, komprimiert. Hierdurch kann mehr Luft in den Brennraum des Motors geführt werden, wobei der Verbrennung ebenfalls mehr Kraftstoff zugemessen werden kann. Dadurch kann wiederum das Drehmoment des Motors erhöht werden.
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Bisher wird bei einem Turbolader die Rotorwelle, auf welcher das Turbinenrad und das Verdichterrad angeordnet sind, mittels einer mit Öl geschmierten Lageranordnung gelagert. Solche mit Öl geschmierten Lagerungen haben jedoch diverse Nachteile. So können Schmutzpartikel des Abgasmassenstroms in das Schmieröl gelangen und dessen Funktionsweise beeinträchtigen. Des Weiteren kann eine nicht ausreichende Schmierung direkt nach einem Starten des Motors auftreten, was insbesondere bei Fahrzeugen mit einer Start-Stopp-Automatik von Nachteil ist.
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Weiterhin offenbart Dokument
DE 102 16 447 C1 einen Abgasturbolader mit einer Welle, auf der ein Turborad und ein Verdichterrad sitzen und die in Radiallagern und wenigstens einem Axiallager geführt ist, wobei die Radiallager als passive Magnetlager und das Axiallager als aktives Magnetlager ausgebildet sind.
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Das Axiallager weist einen Lagerring aus magnetisierbarem Material und wenigstens einen Axiallagerstator aus ferromagnetischem Material auf, das den Lagerring auf beiden Seiten einfaßt.
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Ein weiterer Abgasturbolader, mit einer in einem Gehäuse aufgenommenen Magnet-Lagerungseinrichtung ist in
DE 100 05 246 C1 offenbart. Dabei ist die Lagereinrichtung als Magnetlagerung mit einem bestrombaren Elektromagneten ausgebildet, der die Welle des Verdichters mit einer magnetischen Stützkraft beaufschlagt. Die Abstützung erfolgt in der Weise, dass abgesehen von der Rotation der Welle um ihre Längsachse sämtliche Wellenfreiheitsgrade durch die Magnetlagerung gebunden und beeinflussbar sind. Die Magnetlagerung umfasst vorteilhaft ein axiales Magnetlager, über das die axiale Bewegung der Welle in Richtung ihrer Längsachse abgefangen ist. Zur Messung der auf die Welle wirkenden Axialkräfte ist eine Kraft-Messeinrichtung vorgesehen.
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Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Turbolader mit einer verbesserten Lageranordnung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein Turbolader für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt mit:
einer Rotorwelle, wobei die Rotorwelle eine Magnetlageranordnung aufweist mit einer Axiallageranordnung mit nur einem Pol.
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Ein solcher Turbolader hat den Vorteil, dass durch die axiale Magnetlagereinrichtung die Rotorwelle axial verschoben bzw. eingestellt werden kann, so dass die Rotorwelle eine vorbestimmte Soll-Position einnehmen kann bzw. in axialer Richtung geeignet gelagert werden kann. Außerdem benötigt die axiale Magnetlagereinrichtung bzw. die Axiallagereinrichtung der Magnetlageranordnung keine Ölschmierung.
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Dabei ist die Rotorwelle derart, im Wesentlichen senkrecht, positioniert, so dass die Schwerkraft der Rotorwelle bzw. des Rotors entgegen der Magnetkraft der Magnetlageranordnung wirkt. Dies hat den Vorteil, dass das Axiallager nur einen Pol benötigt bzw. eine Spuleneinrichtung mit einem Statorpaketelement. Mit anderen Worten, es kann auf einen zweiten Pol verzichtet werden, da die Kraft die der Magnetkraft des Axiallagers entgegen wirkt in diesem Fall durch die Schwerkraft erzeugt werden kann.
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Weiterhin weist die Axiallageranordnung eine Spuleneinrichtung mit einem Statorpaketelement auf. Die Axiallageranordnung weist hierbei eine Axiallagerscheibe auf, auf deren einen Seite die Spuleneinrichtung mit dem Statorpaketelement angeordnet ist. Die Spuleneinrichtung erzeugt hierbei eine Magnetkraft die der Gewichtskraft des Rotors entgegenwirkt.
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Somit erzeugt die Axiallageranordnung eine Magnetkraft in eine Richtung entgegen der Schwerkraft der Rotorwelle und des Rotors. Dies hat den Vorteil, dass die Schwerkraft der Rotorwelle bzw. des Rotors als Gegenkraft eingesetzt werden kann und dadurch auf einen zweiten Magnetpol also auf eine zweite Spuleneinrichtung und ein zweites Statorpaketelement verzichtet werden kann. Dies führt zu einer Kostenersparnis und außerdem zu einer kompakteren Bauweise.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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In einer erfindungsgemäßen Ausführung kann die Längsachse der Rotorwelle vorzugsweise in einem Winkel in einem Bereich zwischen 0°, +/–5°, +/–10°, +/–15°, +/–20°, +/–25°, +/–30°, +/–35°, +/–40° bis +/–45° zu einer Senkrechten angeordnet werden. Dabei sind alle ganzzahligen Werte von 0° bis +/–45° mit umfasst.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Rotorwelle derart positioniert bzw. angeordnet, so dass ein Verdichterrad eines Verdichters des Turboladers unten an der Rotorwelle angeordnet ist und ein Turbinenrad einer Turbine des Turboladers oben an der Rotorwelle. Grundsätzlich kann die Anordnung aber auch umgekehrt sein, d. h. das Verdichterrad ist oben angeordnet und das Turbinenrad unten.
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In einer anderen erfindungemäßen Ausführungsform ist das Verdichterrad im Wesentlichen gleich groß oder größer als das Turbinenrad. Auf diese Weise kann das Verdichterrad eine größere Axialkraft erzeugen bzw. eine größere resultierende Kraft in Richtung des Verdichters. Ist das Turbinenrad unten angeordnet, so kann entsprechend das Turbinenrad beispielsweise gleich oder größer als das Verdichterrad ausgebildet werden.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist der Turbolader eine Fanglagereinrichtung auf. Die Fanglagereinrichtung hat dabei den Vorteil, dass sie die Rotorwelle abfängt, wenn beispielsweise die Magnetlageranordnung und insbesondere deren Axiallagereinrichtung ausfällt, die die Rotorwelle mittels Magnetkraft in axialer Richtung lagert.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Magnetkraft der Axiallagereinrichtung ausreichend groß einstellbar, um die Rotorwelle in einer Soll-Position zu halten, wobei die Rotorwelle in der Soll-Position mit der Fanglagereinrichtung außer Kontakt ist. Hierbei kann eine Ist-Position der Rotorwelle über eine entsprechende Sensoreinrichtung erfasst und mit einer Soll-Position verglichen werden. Weicht dabei die Ist-Position von der Soll-Position ab, so wird die Magnetkraft der Axiallagereinrichtung entsprechend angepasst, damit die Rotorwelle die vorbestimmte Soll-Position einnimmt.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Position der Rotorwelle und des Rotors über eine Positionssensoreinrichtung bestimmt. Die Positionssensoreinrichtung weist dabei wenigstens ein oder zwei optische Positionssensoren auf. Es kann neben einer optischen Positionssensoreinrichtung aber auch jeder andere Art von Sensoreinrichtung mit einem oder mehreren Sensoren eingesetzt werden, die geeignet ist die Position des Rotors in axialer Richtung zu bestimmen.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Position der Rotorwelle und des Rotors ermittelt durch das Bestimmen der Induktivität der Spuleneinrichtung und damit der Größe des Luftspalts der Spuleneinrichtung. Dies hat den Vorteil, dass auf einen zusätzlichen Sensor verzichtet werden kann.
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In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Turbolader derart angesteuert, dass er eine vorbestimmte Soll-Position einnimmt auch wenn beispielsweise ein Druck P3 vor der Turbine und im Wesentlichen kein oder nur ein geringer Druck P2 nach dem Verdichter vorliegt. In diesem Fall wird der Druck P2 nach dem Verdichter und/oder der Druck P3 vor der Turbine derart angepasst, dass der Rotor nicht in einen ungewollten Kontakt mit der Fanglagereinrichtung kommt. Zur Anpassung des Drucks P2 nach dem Verdichter und des Drucks P3 vor der Turbine können wenigstens eine oder mehrere der folgenden Einrichtungen, sofern vorhanden, betätigt werden. Darunter ein Schubumluftventil, ein Wastegate, eine variable Turbinengeometrie und ein Zapfluftventil. Dies hat den Vorteil, dass ein Lastsprung geeignet abgefangen werden kann, ohne dass ein Abfangen des Rotors durch die Fanglagereinrichtung erfolgt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Turboladers mit einer herkömmlichen Lageranordnung;
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2 eine schematische Darstellung der Rotorwelle eines Turboladers mit dem darauf angeordneten Verdichterrad und Turbinenrad und den dort angreifenden Kräften;
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3 eine schematische Teilschnittansicht des Turbinengehäuses und des darin angeordneten Turbinenrads;
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4 eine schematische Teilschnittansicht des Verdichtergehäuses und des darin angeordneten Verdichterrads;
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5 ein Diagramm in welchem die Kraft am Verdichterrad in Abhängigkeit von dem Druck P2 nach dem Verdichterrad dargestellt ist;
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6 ein Diagramm in welchem die Kraft an dem Turbinenrad in Abhängigkeit von dem Druck P3 vor dem Turbinenrad dargestellt ist;
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7 eine schematischer Aufbau einer Axiallagereinrichtung in Form einer Magnetlageranordnung; und
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8 eine schematische Ansicht einer Rotorwelle und ihrer Axiallagereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
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In 1 ist eine Schnittansicht durch ein Gehäuse eines Turboladers 10 gezeigt, sowie ein Ausschnitt der Rotorwelle 12 des Turboladers 10. Auf der Rotorwelle 12 ist ein Turbinenrad 14 einer Turbine 16 und ein Verdichterrad 18 eines Verdichters 20 angeordnet. Die Rotorwelle 12 ist dabei über eine mit Öl geschmierte Lagerung gelagert. Die mit Öl geschmierte Lagerung besteht dabei aus zwei Radiallagern 22 und einer Axiallagereinrichtung 32. Im Betrieb des Turboladers 10 wird der Turbine 16 ein Abgasmassenstrom eines Motors zugeleitet. Dieser treibt das Turbinenrad 14 an. Das Turbinenrad 14 treibt wiederum das Verdichterrad 18 an, welches eine zugeführte Frischluft verdichtet und dem Motor zuführt. Die Strömungsrichtungen der Frischluft und des Abgasmassenstroms sind dabei mit Pfeilen in 1 dargestellt.
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Des Weiteren sind Bereiche des Turboladers 10 gekennzeichnet, in denen bestimmte Drücke vorherrschen. Dazu gehört der Druck in Strömungsrichtung des Frischluftmassenstroms vor dem Verdichterrad 18, d. h. der Druck 21. Dieser ist meist geringer als der Umgebungsdruck. Des Weiteren der Druck in Strömungsrichtung nach dem Verdichterrad 18, d. h. der Druck 22, der sog. Ladedruck. Weiter der Druck in Strömungsrichtung des Abgasmassenstromes vor dem Turbinenrad 14, d. h. der Druck 23. Dieser Druck 23 ist dabei meist höher als der Druck 22 in Strömungsrichtung nach dem Verdichterrad 18. Darüber hinaus ist der Druck in Strömungsrichtung nach dem Turbinenrad 14 angegeben, d. h. der Druck 24, der meist etwas höher ist als der Umgebungsdruck. Analog dazu sind im Folgenden die Angaben vor und nach dem Turbinenrad oder Verdichterrad immer in Bezug auf die Strömungsrichtung des Abgasmassenstrom oder des Frischluftmassenstroms zu verstehen.
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Die Rotorwelle 12 an der das Turbinerad 14 sowie das Verdichterrad 18 befestigt sind, wird durch eine Lagerung im Lagergehäuse 26 gehalten. Diese besteht, wie zuvor beschrieben, in der Regel aus den beiden Radiallagern 22 und dem einer Axiallagereinrichtung 32. Dadurch ist die Position der Rotorwelle 12 statisch bestimmt. Normalerweise sind diese Lager als Gleitlager ausgeführt, die auf einem Ölfilm laufen. Die Versorgung mit Öl sowie die Abdichtung des Lagergehäuses 26 gegenüber dem Verdichter 20 sowie der Turbine 16 sind in 1 der Übersichtlichkeit halber weggelassen worden. Insbesondere der Axiallagereinrichtung 32 kommt eine zentrale Rolle zu. Die Axiallagereinrichtung 32 muss die resultierende Kraft der Axialkräfte von Verdichterrad 18 und Turbinenrad 14 aufnehmen.
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2 zeigt einen Rotor 42 mit den in axialer Richtung wirkenden Kräften. Dabei greift an dem Verdichterrad 18 in axialer Richtung die Kraft FVerdichter und an dem Turbinenrad 14 die Kraft FTurbine an. Der Resultierenden aus diesen beiden axialen Kräften wirkt die von der Axiallagereinrichtung 32 erzeugte Kraft FAxiallager entgegen. Es gilt: FAxiallager = FVerdichter + FTUrbine
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Die Entstehung der axialen Kraft FTurbine, welche an dem Turbinenrad 14 angreift, wird mit Hilfe der 3 näher erläutert.
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Wie bereits zuvor erwähnt, ist der Druck P3 vor der Turbine 16 in der Regel höher als der Druck P2 nach dem Verdichter 20. Da die Turbine 16 zu der Rotorwelle 12 hin abgedichtet ist, herrscht auf der Rückseite der Turbine 16 ein Druck der ähnlich hoch ist wie der Druck P3 vor der Turbine 16. Durch die Kreiselwirkung zwischen der Rückseite des Turbinenrades 14 und dem Turbinengehäuse 30 fällt der Druck zu der Rotorwelle 12 hin jedoch etwas ab. Dieser Druck auf der Rückseite des Turbinenrads 14 wird im Folgenden als der Druck P3' bezeichnet.
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Auf das Turbinenrad 14 wirken in axialer Richtung vor allem die Kraft FP3', durch den Druck P3', und die Kraft FImpuls-T, infolge des Impuls an dem Turbinenrad 14 durch die Richtungsänderung der Strömung der Luft von einer radialen Richtung in eine axiale Richtung. Die Kraft FP3, hängt in erster Näherung von dem Druck P3 vor dem Turbinenrad 14 ab. Die Kraft FImpuls-T hängt von dem Massenstrom über das Turbinenrad 14 ab. Der Massenstrom über das Turbinenrad 14 hängt wiederum jedoch in erster Näherung ebenfalls von dem Druck P3 vor der Turbine ab. Die Drehzahl spielt eine geringere Rolle. Es lässt sich also ein direkter Zusammenhang zwischen dem Druck P3 vor dem Turbinenrad 14 und der Kraft FTurbine auf das Turbinenrad 14 bestimmen.
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Die Entstehung der axialen Kraft FVerdichter, welche an dem Verdichterrad 18 angreift, wird in 4 näher erläutert.
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Bei dem Verdichter 20 sind die Mechanismen ähnlich wie bei der Turbine 16. Der Druck am Fuße des Verdichterrads 18, der als der Druck P2' im folgenden bezeichnet wird, ist ähnlich dem Druck P2 nach dem Verdichterrad 18. Der Druck P2' wiederum bestimmt die Kraft FP2' auf den Rücken des Verdichterrads 18. Die Kraft FImpuls-V, d. h. die Kraft infolge des Impulses durch die Umlenkung des Luftstroms von einer axialen Richtung in eine radiale Richtung, hängt von dem Luftmassenstrom ṁV über das Verdichterrad 18 ab. Dieser Luftmassenstrom ṁV ist abhängig von dem Druck P2 nach dem Verdichterrad 18 aber auch von der Drehzahl des Verdichterrads 18. Es lässt sich also nicht ein direkter Zusammenhang zwischen dem Druck P2 nach dem Verdichterrad und der axialen Kraft FVerdichter am Verdichterrad 18 bestimmen. Für diese Bestimmung kommt hier noch die geförderte Luftmasse als weitere Eingangsgröße hinzu.
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Die 5 und 6 zeigen die tendenziellen Zusammenhänge zwischen dem Druck P3 vor dem Turbinenrad 14 und der axialen Kraft FTurbine an dem Turbinenrad 14, sowie zwischen dem Druck P2 nach dem Verdichterrad 18, dem Luftmassenstrom ṁV und der axialen Kraft FVerdichter am Verdichterrad 18.
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Wie in dem Diagramm in 5 gezeigt ist, steigt die Kraft FVerdichter (FV) an dem Verdichterrad 18 mit einer Zunahme des Drucks P2 nach dem Verdichterrad 18 an. Des Weiteren ist die Kraft FVerdichter an dem Verdichterrad 18 bei einem geringen Luftmassenstrom, Mdotgering, größer und steigt außerdem mit zunehmendem Druck P2 nach dem Verdichterrad 18 stärker an, als bei einem hohen Luftmassenstrom, Mdothoch.
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Des Weiteren kann aus 6 entnommen werden, dass die Kraft FTurbine (FT) an dem Turbinenrad 14 mit einer Zunahme des Drucks P3 vor dem Turbinenrad 14 deutlich ansteigt.
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Es lässt sich weiter folgende Feststellung treffen. Die axiale Kraft auf die Rotorwelle 12 hängt von folgenden Größen ab. Einerseits von dem Druck P2 nach dem Verdichterrad 18 und andererseits von dem Druck P3 vor dem Turbinenrad 14 und dem Luftmassenstrom ṁV über das Verdichterrad 18.
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Je nach Betriebspunkt und nach Größenverhältnis von dem Verdichterrad 18 zu dem Turbinenrad 14 kann die daraus resultierende Kraft auf die Axiallagereinrichtung (32) in die eine oder in die andere Richtung wirken.
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In 7 ist ein vereinfachter, schematischer Aufbau einer Axiallagereinrichtung 32 in Form einer Magnetlageranordnung dargestellt.
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Im Rahmen der Turboladerentwicklung werden unter anderem auch alternative Lösungen zur Lagerung der Rotorwelle gesucht, neben den bisher bekannten Öl geschmierten Lagerungen. Stand der Technik ist bisher eine Gleitlagerung auf einem Ölfilm. Eine alternative Lösung hierzu stellt nun die Magnetlageranordnung dar. Diese hat den Vorteil, dass die Lagerung als solche ölfrei ist, was für die Emissionen von Bedeutung ist. Des Weiteren weist die Magnetlageranordnung eine geringere Verlustleistung auf und es treten außerdem keine Probleme, wie bei der Schmierung mit Öl, kurz nach dem Motorstart auf, was besonders vorteilhaft ist, bei Fahrzeugen mit einer Start-Stopp Automatik.
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Die Wirkungsweise einer solchen Magnetlageranordnung wird im Folgenden erläutert.
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Bei der Magnetlageranordnung werden hierbei die Kräfte die den Rotor bzw. die Rotorwelle in der Position halten, durch Magnetfelder um Strom durchflossene Spuleneinrichtungen erzeugt. Der Fluss der Magnetfelder wird dabei durch Eisenpaketelemente, sogenannte Statorpaketelemente geleitet und geht unterbrochen durch den Luftspalt auch durch Teile der Rotorwelle.
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In dem schematischen Aufbau der Axiallagereinrichtung 32, wie sie in 7 gezeigt ist, sind die Magnetfeldlinien, die durch die Luft gehen, bestrebt einen Luftspalt 36 zu verkleinern. Dadurch wird die Axiallagerscheibe 24 der Axiallagereinrichtung 32 und damit die Rotorwelle 12 in die Richtung der bestromten Spuleneinrichtung 38 gezogen. Es lassen sich hierbei immer nur Kräfte in einer Richtung erzeugen. Soll eine Kraft in die andere Richtung erzeugt werden, so muss dies von der Spuleneinrichtung 38' auf der anderen Seite der Axiallagerscheibe 24 erfolgen. Die Kraft, die in axialer Richtung ausgeübt wird, ist von der Größe des Luftspalts 36 abhängig. Nähert sich die Axiallagerscheibe 24 dem Statorpaketelement 40 an, so erhöht sich bei gleichem Stromfluss in der zugehörigen bestromten Spuleneinrichtung 38 die Kraft auf die Axiallagerscheibe 24.
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Es handelt sich bei diesem System also um ein instabiles Gleichgewicht, das einer geeigneten Regelung bedarf. Hierzu muss die Position der Rotorwelle 12 in axialer Richtung bekannt sein. Diese Position der Rotorwelle 12 kann beispielsweise folgendermaßen ermittelt werden:
- – durch eine Positionssensorseinrichtung, beispielsweise wenigstens einen oder mehrere optische Positionssensoren, und/oder
- – durch die Messung des Stromes in der Spuleneinrichtung 38 kann auf deren Induktivität und damit auf die Größe des Luftspalts 36 geschlossen werden. Die Ansteuerung der Spuleneinrichtung 38 erfolgt z. B. über ein Puls-Weiten-Moduliertes(PWM)-Signal. Hierbei wird in schneller Folge die Spannung an der jeweiligen Spuleneinrichtung 38 ein- und ausgeschaltet. Durch das Verhalten des Stromflusses kann auf die Induktivität der Spuleneinrichtung 38 geschlossen werden und damit auf die Größe des Luftspalts 36 zwischen dem Statorpaketelement 40 und der Axiallagerscheibe 24 der Axiallagereinrichtung 32.
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Der Regelung wird dabei beispielsweise eine Soll-Position der Rotorwelle 12 vorgegeben. Aus der Abweichung zwischen der Soll-Position und der Ist-Position wird eine entsprechende Bestromung der jeweiligen Spuleneinrichtung 38 der Axiallagereinrichtung 32 bestimmt, so dass die entsprechenden Kräfte generiert werden können, die die Rotorwelle 12 und somit den gesamten Rotor 42 in der Soll-Position halten.
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Bei der Magnetlageranordnung bestimmt die erforderliche auszuübende Kraft die Größe des Lagers, also die Dimensionierung der Spuleneinrichtung 38, des Statorpaktelements 40 und der Axiallagerscheibe 24. Es ist dabei von Vorteil diese möglichst klein auszulegen um Bauraum, Kosten und Gewicht einzusparen. Die bisher geplante Vorgehensweise ist es, die Axiallagereinrichtung 32 ausreichend groß zu dimensionieren, um in jedem Fall die auftretenden Kräfte auffangen zu können.
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Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht nun vor, die Kombination von dem Verdichterrad 18 und dem Turbinerad 14 so auszulegen, dass die Resultierende der beiden am Turbinenrad 14 und Verdichterrad 18 angreifenden axialen Kräfte in jedem Fall in eine bestimmte Richtung wirkt. Dies erhöht die Funktionsicherheit für die Axiallagereinrichtung 32, die lediglich ein Wicklungspaket also einen Stator-Pol also ein Statorpaketelement 40 aufweist. Um ein Loslaufen der Rotorwelle 12 zu gewährleisten muss diese im Wesentlichen senkrecht verbaut werden, so dass die axiale Magnetlageranordnung den Rotor mit der Rotorwelle 12 gegen die Schwerkraft zum Schweben bringen kann.
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Da das Statorpaketelement 40 einer Magnetlageranordnung lediglich Anziehungskräfte entwickeln kann, also Kräfte die in eine Richtung wirken, ist es normalerweise nötig für eine Fixierung der Rotorwelle 12 in axialer Richtung zwei sich gegenüberliegende Statorpaketelemente vorzusehen. Gemäß der Erfindung ist es aber bereits ausreichend, nur ein Statorpaketelement 40 vorzusehen. Als Gegenkräfte auf die Rotorwelle 12 werden dabei die Gewichtskraft des Rotors 42 sowie die Resultierende der Gaskräfte am Verdichterrad 18 und dem Turbinenrad 14 genutzt.
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8 zeigt einen Rotor 42 eines Abgasturboladers, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einer Axiallagereinrichtung 32 mit nur einem Statorpaketelement 40. Der Rotor 42 ist dabei zusammen mit dem Turbolader 10 im Wesentlichen senkrecht, also im Wesentlichen in Wirkrichtung der Schwerkraft verbaut, so dass die Gewichtskraft des Rotors 42 entgegen der Magnetkraft wirkt. Wenn der Motor gestartet werden soll und der Rotor 42 des Turboladers 10 sich noch im Stillstand befindet, so kann dieser nur durch den einen Pol der Axiallagereinrichtung 32 zum Schweben gebracht werden. In dem vorliegenden Fall, wie er in 8 gezeigt ist, befindet sich nun das Verdichterrad 18 auf der Rotorwelle 12 unten und das Turbinenrad 14 oben. In diesem Fall ist es günstig, wenn das Verdichterrad 18 relativ groß gewählt ist, beispielsweise wenigstens gleich groß oder größer als das Turbinenrad 14, dadurch wirkt die die Resultierende der beiden am Turbinenrad 14 und Verdichterrad 18 angreifenden axialen Kräfte in Richtung des Verdichters 20.
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Mit der Magnetlageranordnung der Axiallagereinrichtung 32 wird nun immer genau soviel Kraft, FAxiallager, aufgebracht, dass der Rotor 42 in einem Schwebezustand gehalten werden kann, ohne dass dieser eine Fanglagereinrichtung berührt. Die Fanglagereinrichtung ist in 8 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Da eine Magnetlageranordnung in der Regel nicht über Notlaufeigenschaften verfügt, kann es zu einem ungewollten Kontakt zwischen der Rotorwelle 12 oder der Axiallagerscheibe 24 und dem Statorpaketelement 40 kommen, wenn die Magnetlageranordnung ausfällt. Aus diesem Grund kann wahlweise zusätzlich eine sog. Fanglageranordnung vorgesehen werden, die bei einem Ausfall der Magnetlageranordnung eingreift. Bei solchen Fanglagersystemen werden beispielsweise Wälzlager eingesetzt. Dabei können ein, zwei oder mehr Wälzlager so vorgesehen werden, dass wenn die Magnetlageranordnung ausfällt, die Drehung der Rotorwelle 12 über die Wälzlager abgefangen wird. Es kann jedoch auch jede andere Art von Fanglagersystem oder Fanglagersystemkombination eingesetzt werden.
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Um nun mit der axialen Magnetlageranordnung im Wesentlichen immer genau soviel Kraft aufzubringen, dass der Rotor 42 in einem Schwebezustand gehalten werden kann, ohne dass dieser eine Fanglagereinrichtung berührt, ist beispielsweise folgendes erforderlich.
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Die Resultierende der Gaskräfte, d. h. die Resultierende der beiden am Turbinenrad 14 und Verdichterrad 18 angreifenden axialen Kräfte des Abgasmassenstroms und des Frischluftmassenstroms, zusammen mit der Gewichtskraft des Rotors 42 sollte immer also in jedem Falle nach unten, das heißt in Richtung der Schwerkraft gerichtet sein. Eine besondere Herausforderung stellt sich an dieses System im Falle eines Lastsprungs. Wenn sich beispielsweise durch einen transienten Vorgang im Betrieb das Turboladers 10 an der Turbine 16 ein erhöhter Druck P3 vor dem Turbinenrad 14 einstellt, obwohl noch kein Ladedruck P2 anliegt oder durch das Öffnen eines Schubumluftventils schon kein Ladedruck P2 mehr anliegt, so kann es vorkommen, dass die Resultierende der Gaskräfte in die andere Richtung d. h. entgegen der Gewichtskraft des Rotors 42 wirkt. Dies kann zu einem Anstreifen des Rotors 42 an einer Fanglagereinrichtung führen.
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Aus diesem Grunde ist für diesen Fall z. B. eine spezielle Reihenfolge der Ansteuerung einer oder mehrerer Einrichtungen beispielsweise zur Regelung der Gasmassenströme des Turboladers 10 bereitgestellt. Als Einrichtung zur Regelung eines Gasstroms des Turboladers 10, d. h. des Fluidmassenstroms des Verdichters 20 oder des Abgasmassenstroms der Turbine 16, kann der Turbolader 10 beispielsweise ein oder mehrere Wastegates WG (nicht dargestellt) aufweisen, eine variable Turbinengeometrie VTG mit beweglichen Leitschaufeln (nicht dargestellt) und/oder eine Schubumluftventileinrichtung (nicht dargestellt) usw..
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Eine oder mehrere dieser Einrichtungen zur Regelung eines jeweiligen Gasstroms können dabei entsprechend angesteuert werden, um die Resultierende der Gaskräfte, d. h. die Kraft die durch den Abgasmassenstrom und die Kraft die durch den Luftmassenstrom erzeugt wird, so einzustellen, dass die Resultierende in 8 nach unten, also in Richtung der Schwerkraft, zu dem Verdichter 20 hin wirkt, um einen Kontakt des Rotors 42 mit der Fanglagereinrichtung zu verhindern. Dabei sollte in einem transienten Betrieb beispielsweise der Druck P2 nach dem Verdichterrad 18 immer möglichst gross sein gegenüber P3, dem Druck vor dem Turbinenrad. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass bei einem schnellen Einbruch des Ladedruck-Sollwerts zuerst ein Wastegate WG (bzw. die Schaufeln einer variablen Turbinengeometrie VTG) geöffnet werden und dann erst ein Schubumluftventil.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
