DE102009020646A1 - Laufzeug für eine Fluidenergiemaschine sowie elektrisch angetriebener Turbolader - Google Patents

Laufzeug für eine Fluidenergiemaschine sowie elektrisch angetriebener Turbolader Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laufzeug (21) für eine Fluidenergiemaschine (10), insbesondere für einen elektrisch angetriebenen Turbolader (10), mit einer Welle (22), aus welcher zumindest längenbereichsweise ein Hohlkanal (30) zum Kühlen des Laufzeugs (21) ausgespart ist, und mit zumindest einem drehfest mit der Welle (22) verbundenen Laufrad (26, 28), wobei zumindest ein Verbindungskanal (34) zwischen dem Hohlkanal (30) und dem Laufrad (26, 28) vorgesehen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Laufzeug für eine Fluidenergiemaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie einen elektrisch angetriebenen Turbolader nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 9.
  • Bei elektrisch angetriebenen Turboladern (ETC) mit Kugellagerung besteht das Problem, dass Wärme, welche auf Grund von Ummagnetisierungsverlusten eines Rotors des elektrisch angetriebenen Turboladers entsteht, nur bedingt abführbar ist. Eine auf die beschriebene Art und Weise entstehende Wärme bedeutet Rotorverluste und damit Wirkungsgradeinbußen des elektrisch angetriebenen Turboladers. Derartigen Rotorverlusten wird bei bekannten Lösungen derart versucht entgegen zu wirken, dass ein Drehfeld, mit welchem ein elektrischer Motor des elektrisch angetriebenen Turboladers, welcher einen Rotor und einen Stator umfasst, betrieben wird, einem möglichst perfekten Sinus entspricht. Dieser wird durch eine sehr hohe Taktfrequenz von Leistungshalbleitern und LC-Filtern erzeugt.
  • Derartige Lösungen sind sehr aufwendig und kostenintensiv. Zudem entstehen durch die hohe Taktfrequenz und den bzw. die LC-Filter Verluste in einer Elektronik zur Steuerung des elektrischen Motors. Zudem muss für die LC-Filter ein höherer Bauraumbedarf und zusätzliches Gewicht in Kauf genommen werden.
  • Die US 6 296 441 B1 offenbart einen Verdichter mit einem Laufrad und einer drehbaren Welle, wobei das Laufrad mittels eines Befestigungsbolzen auf der Welle befestigt ist. Zur Kühlung der Welle sind die Welle sowie der Befestigungsbolzen hohl ausgebildet, wodurch eine Kühlflüssigkeit durch sie hindurch strömbar ist.
  • Diese Lösung bedeutet einen ernormen Aufwand hinsichtlich einer Zuführung und einer Führung der Kühlflüssigkeit, woraus sich hohe Kosten für diesen Verdichter ergeben.
  • Zudem kommt bei hohen Drehzahlen, wie sie bei einem ETC vorliegen, eine Kühlflüssigkeit nicht in Frage, da eine derartige Kühlflüssigkeit sich berührende Dichtungen erfordert. Aufgrund von hohen Umfangsgeschwindigkeiten in Folge der hohen Drehzahlen sind derartige, berührende Dichtungen nicht einsetzbar.
  • Die bekannten Lösungen weisen somit eine nur unzureichende Abführungsmöglichkeit der entstehenden Wärme und damit unzureichende Möglichkeiten zur Absenkung der beschriebenen Rotorverluste auf.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Laufzeug für eine Fluidenergiemaschine sowie einen elektrisch angetriebenen Turbolader der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass ein höherer Wirkungsgrad ermöglicht ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Laufzeug für eine Fluidenergiemaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen elektrisch angetriebenen Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den anhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Ein erfindungsgemäßes Laufzeug für eine Fluidenergiemaschine, insbesondere für einen elektrisch angetriebenen Turbolader, mit einer Welle, aus welcher zumindest längenbereichsweise ein Hohlkanal zum Kühlen des Laufzeugs ausgespart ist, und mit zumindest einem drehfest mit der Welle verbundenen Laufrad, ist erfindungsgemäß dadurch geschaffen, dass zumindest ein Verbindungskanal zwischen dem Hohlkanal und dem Laufrad vorgesehen ist. Durch die Ausbildung des zumindest einen Verbindungskanals zwischen dem Hohlkanal und dem Laufrad ist eine verbesserte Kühlung des Laufzeug in Folge eines Wärmeübergangs vom Laufzeug an ein Kühlmedium, welches durch den Hohlkanal und den Verbindungskanal strömt, geschaffen, da das Kühlmedium bei dieser Ausführungsform der Erfindung bis hin zu dem zumindest einen Laufrad führbar ist, wodurch sich ein verbesserter Fluss des Kühlmediums und damit ein effizienterer Wärmeübergang vom Laufzeug an das Kühlmedium ergibt.
  • Durch diesen verbesserten Wärmeübergang ist eine verbesserte Kühlung erreicht, wodurch ein effizienterer Betrieb der Fluidenergiemaschine mit dem erfindungsgemäßen Laufzeug und damit ein höherer Wirkungsgrad ermöglicht ist. Insbesondere in Verbindung mit einem elektrisch angetriebenen Turbolader ergibt sich daraus ein reduzierter Kraftstoffverbrauch und damit reduzierte CO2-Emmisionen einer korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine.
  • An dieser Stelle sei angemerkt, dass das beschriebene Kühlmedium vorteilhafter Weise Luft ist. Aufwendige und damit kostenintensive Vorrichtungen zur Versorgung des Laufzeugs bzw. des Hohlkanals und des Verbindungskanals mit einem anderweitigen Kühlmedium, beispielsweise einer Kühlflüssigkeit, sind damit nicht von Nöten, wodurch sich Kosten für das Laufzeug und damit für die gesamte Fluidenergiemaschine gering halten lassen.
  • Gleichzeitig birgt Luft als Kühlmedium ein ausreichend hohes Potenzial, um das Laufzeug und damit beispielsweise einen Rotor des elektrisch angetriebenen Turboladers durch die hohle Ausbildung der Welle von Innen zu kühlen infolge eines Wärmeübergangs vom Rotor an das Kühlmedium zur Steigerung des Wirkungsgrads.
  • Weist das zumindest eine Laufrad auf einer der Welle zugewandten Stirnseite, insbesondere auf seinem Radrücken, zumindest ein Schaufelelement auf, welches über den zumindest einen Verbindungskanal mit dem Hohlkanal verbunden ist, so birgt dies den Vorteil, dass dadurch das Kühlmedium, welches also insbesondere in Form von Luft vorliegt, durch den Hohlkanal ansaugbar ist. Dadurch ist ein hoher Massenstrom des Kühlmediums geschaffen, was eine äußerst effiziente Kühlung in Folge eines verstärken Wärmeübergangs vom Laufzeug an das Kühlmedium ergibt. Besonders im Zusammenhang mit einer Fluidenergiemaschine in Form eines elektrisch angetriebenen Turboladers, bei welchem enorm hohe Drehzahlen vorliegen, ist durch diese Ausführungsform eine besonders hohe Ansaugwirkung von Luft durch das zumindest eine Schaufelelement und damit eine besonders effiziente Kühlung des Laufzeugs geschaffen, woraus sich eine besonders hohe Wirkungsgradsteigerung ergibt in Folge einer deutlichen Absenkung von Wärmeverlusten.
  • Dieser positive Aspekt der verbesserten Ansaugung und des gesteigerten Wirkungsgrad lässt sich dadurch weiterhin verbessern, dass bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung das zumindest eine Laufrad auf der der Welle zugewandten Stirnseite eine Mehrzahl von Schaufelelementen aufweist, welche jeweils über zumindest einen Verbindungskanal mit dem Hohlkanal der Welle verbunden sind. Diese Schaufelelemente, von welchen beispielsweise drei am Radrücken des Laufrades angeordnet sind, sind vorteilhafter Weise gleichmäßig um einen Umfang am Radrücken des Laufrades verteilt, woraus eine effiziente Ansaugung und damit ein stetiger und hoher Massenstrom des Kühlmediums resultiert. Dies bedeutet also eine weitere Verbesserung der Kühlung des Laufzeugs und damit eine weitere Steigerung des Wirkungsgrads der Fluidenergiemaschine.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Hohlkanal bis zu einer dem Laufrad abgewandten Stirnseite der Welle ausgebildet ist. Dadurch muss das Kühlmedium, also insbesondere die Luft, einen besonders langen Weg durch den Hohlkanal der Welle zurücklegen, wodurch eine besonders große Fläche für den beschriebenen Wärmeübergang vom Laufzeug in das Kühlmedium geschaffen ist. Eine Übergangsfläche kann zusätzlich noch erweitert werden, indem ein Durchmesser des Hohlkanals insbesondere in einem Bereich zwischen dem Laufrad und einem weiteren Laufrad vergrößert wird. Daraus resultiert ein erhöhter Wärmeübergang, was mit einer weiteren Verbesserung der Kühlung des Laufzeugs einher geht. Durch die verbesserte Kühlung kann beispielsweise ein LC-Filter des elektrisch angetriebenen Turboladers kleiner ausfallen bzw. weggelassen werden. Hierdurch verbessert sich ein Wirkungsgrad einer Elektronik. Gleichzeitig sind Bauteilkosten reduziert. LC bedeutet dabei, dass besagter Filter auf zumindest einer Spule (L) und zumindest einem Kondensator (C) basiert.
  • An dieser Stelle sei angemerkt, dass nichts desto trotz weitere, radiale Öffnungen vorgesehen sein können, durch die weiteres Kühlmedium, insbesondere Luft, zur Kühlung des Laufzeugs eintreten kann.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der der Hohlkanal die Welle auf ihrer gesamten Längsrichtung oder annähernd auf ihrer gesamten Längsrichtung die Welle durchzieht, ist eine Maximierung der beschriebenen Kühlwirkung durch den Wärmeübergang vom Laufzeug an das Kühlmedium, insbesondere Luft, erreicht.
  • Vorteilhafter Weise ist der Hohlkanal bis zu einer dem ersten Laufrad abgewandten Stirnseite eines weiteren Laufrads ausgebildet. Das bedeutet also, dass sich der Hohlkanal bis zu einem Radeintrittsbereich des weiteren Laufrads erstreckt, wodurch sich ein besonders günstiger Eintritt des Kühlmediums in den Hohlkanal ergibt. Diese Begünstigung von Strömungsbedingungen resultiert in einer weiteren Verbesserung der Kühlung des Laufzeugs und damit in einer weiteren Wirkungsgradsteigerung der korrespondierenden Fluidenergiemaschine insbesondere in Form eines elektrisch angetriebenen Turboladers, bei welchem durch die erfindungsgemäße Ausführungsform Rotorverluste in Folge entstehender Wärme drastisch reduzierbar sind.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass eine Einströmöffnung des durch die Welle gebildeten Hohlkanals von einer Stirnseite des weiteren Laufrads beabstandet ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass also die Welle das weitere Laufrad bzw. dessen dem ersten Laufrad abgewandten Stirnseite überragt. Bei einem elektrisch angetriebenen Turbolader mit einem Gehäuse, mittels welchem das weitere Laufrad aufgenommen ist, bedeutet dies, dass also die Welle in das Gehäuse, welches beispielsweise als Verdichtergehäuse ausgebildet ist, hineinragt. Dies bedeutet eine weitere Verbesserung der beschriebenen Einströmbedingungen für das Kühlmedium, insbesondere Luft, in den Hohlkanal, wodurch eine effizientere und verlustfreie Strömung des Kühlmediums geschaffen ist, was mit einer weiteren Verbesserung der Kühlung des Laufzeugs und damit des Wirkungsgrads der Fluidenergiemaschine, beispielsweise in Form des elektrisch angetriebenen Turboladers, einher geht.
  • Ist das zumindest eine Laufrad als Turbinenrad ausgebildet, so hat dies den Vorteil inne, dass also der zumindest eine Verbindungskanal bzw. eine Mehrzahl von Verbindungskanälen zwischen dem Hohlkanal und dem Turbinenrad und evtl. zumindest ein Schaufelelement bzw. eine Mehrzahl von Schaufelelementen vorgesehen sind, wodurch also ein effizienter Massenstrom des Kühlmediums durch die Welle zum mit einer hohen Drehzahl drehenden Turbinenrad hin geschaffen ist zur Kühlung des Laufzeugs und zur Steigerung des Wirkungsgrads.
  • Ist das weitere Laufrad als Verdichterlaufrad ausgebildet, so ist ein Fluss des Kühlmediums, insbesondere in Form von Luft, von einer kälteren Luftseite her gestaltbar, wodurch ein besonders effizienter Wärmeübergang vom Laufzeug an das Kühlmedium gestaltbar ist. Sind bei dem Laufzeug insbesondere ein Turbinenrad und ein Verdichterrad vorgesehen, so ergibt sich vorteilhafter Weise ein Massenstrom des Kühlmediums von einer Seite des Verdichterrads zu einer Seite des Turbinenrads. Dies bedeutet also, das Frischluft von der Seite des Verdichterrads durch das Turbinenrad angesaugt und in Richtung des wärmeren Turbinenrads gefördert wird. Somit ist eine effiziente Zirkulation zur Kühlung des Laufzeugs und damit zur Steigerung des Wirkungsgrad geschaffen.
  • Wir bereits angedeutet, kommen die Vorteile einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laufzeugs oder einer Kombination von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Laufzeugs insbesondere dann zum Tragen, wenn es in einem elektrisch angetriebenen Turbolader für einen Kraftwagen mit einem Rotor, welcher einen entsprechendes Laufzeug umfasst, eingesetzt wird.
  • Durch die beschriebene Steigerung des Wirkungsgrads des elektrisch angetriebenen Turboladers ist damit ein effizienterer Betrieb desselbigen geschaffen, woraus sich ein reduzierter Kraftstoffverbrauch und damit reduzierte CO2-Emmisionen einer korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine ergeben.
  • Weist die Welle im Bereich eines an der Welle befestigten Blechpakets des Rotors einen erweiterten Querschnitt auf, insbesondere im Vergleich zu einem Bereich, mittels welchem das zumindest eine Laufrad aufgenommen ist, so birgt dies den Vorteil, dass dadurch eine Montage des elektrisch angetriebenen Turboladers unaufwendig und damit kostengünstiger durchführbar ist.
  • Ein vorteilhafter Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Welle bereichsweise in einen Verdichtereintritt eines Verdichtergehäuses des elektrischen Turboladers hineinragt. Dies ist insofern vorteilbehaftet, als dass dadurch kühle Luft vom Verdichtereintritt vom Verdichtergehäuses ansaugbar und in Richtung einer Turbinenseite des elektrisch angetriebenen Turbinenladers leitbar ist zur Gestaltung eines effizienten Wärmeübergangs vom Laufzeug auf das Kühlmedium zur effizienten Kühlung und Steigerung des Wirkungsgrads des elektrisch angetriebenen Turboladers.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die in der nachfolgenden in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Die Figur zeigt einen elektrisch angetriebenen Turbolader mit einem Laufzeug mit einer Welle, aus welcher ein Hohlkanal zum Kühlen des Laufzeugs ausgespart ist, wobei eine Mehrzahl an Verbindungskanälen zwischen dem Hohlkanal und einem mit der Welle drehfest verbundenen Turbinenrad vorgesehen ist.
  • Die Figur zeigt eine Längsschnittansicht eines elektrisch angetriebenen Turboladers 10, welcher ein Verdichtergehäuse 12 und ein abschnittsweise dargestelltes Lagergehäuse 14 sowie ein nicht dargestelltes Turbinengehäuse umfasst.
  • Mittels des Lagergehäuses 14 ist ein Motorstator 16 sowie Kugellager 18 und 20 aufgenommen, mittels welchem eine Welle 22 gelagert ist.
  • Der elektrisch angetriebene Turbolader 10 umfasst weiterhin ein Laufzeug 20 mit der Welle 22, welche einen zu dem Motorstator 16 korrespondierenden Permanentmagneten 24 aufweist, über welche also die Welle 22 antreibbar ist. Mit der Welle drehfest verbunden sind ein Verdichterrad 26 und ein Turbinenrad 28, welche einerseits durch das Verdichtergehäuse 12 und andererseits durch das nicht dargestellte Turbinengehäuse aufgenommen sind. Die Welle 22, der Permanentmagnet 24 sowie das Verdichterrad 26 und das Turbinenrad 28 bilden somit ein Laufzeug 21 des elektrisch angetriebenen Turboladers 10, welches auch als zu dem Motorstator 16 korrespondierender Rotor bezeichnet werden kann.
  • Wie in der Figur zu sehen ist, ist in der Welle längenbereichsweise ein Hohlkanal 30 ausgespart, welcher einerseits bis zu einer dem Turbinenrad 28 abgewandten Stirnseite 31 der Welle 22 ausgebildet ist, wobei eine Einströmöffnung 33 des Hohlkanals 30 von einer Stirnseite 32 des Verdichterrads 26 beabstandet ist. Dies bedeutet also, dass der Hohlkanal 33 und somit die Welle 22 in das Verdichtergehäuse 12 hineinragen, wodurch kühle Luft von einer Verdichterseite des elektrisch angetriebenen Turboladers 10 ansaugbar und durch den Hohlkanal 30 leitbar ist zur Kühlung des Laufzeugs 21 und damit zur Herabsetzung von Rotorverlusten, womit ein gesteigerter Wirkungsgrad des elektrischen Turboladers 10 ermöglicht ist.
  • Darüber hinaus sind Verbindungskanüle 34 vorgesehen, über welche der Hohlkanal 30 mit dem Turbinenrad 28 verbunden ist, was eine Ansaugung von Kühlluft über die Einströmöffnung 33 verbessert. Den Verbindungskanülen 34, von denen beispielsweise drei an der Zahl vorgesehen sind, ist jeweils ein Schaufelelement an einem Radrücken 36 des Turbinenrads 28 zugeordnet und am Radrücken 36 befestigt, wodurch die beschriebene Ansaugung der Kühlluft und damit die Kühlung des Laufzeugs 20 weiter verbessert ist. Ein Fluss der Kühlluft ist durch die Richtungspfeile 38, 40 und 42 verdeutlicht.
  • Durch die beschriebene Führung und Ansaugung von Kühlluft über die Einströmöffnung 33 durch den Hohlkanal 30 über die Verbindungskanüle 34 zu den jeweiligen Schaufelelementen ist eine effizientere Kühlung des Laufzeugs 21 und damit ein effizienterer Betrieb des elektrisch angetriebenen Turboladers 10 erreicht, was mit einem geringeren Kraftstoffverbrauch und damit mit geringeren CO2-Emmisionen einer zu dem elektrisch angetriebenen Turbolader 10 korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine einher geht.
    • 10
    elektrisch angetriebener Turbolader
    12
    Verdichtergehäuse
    14
    Lagergehäuse
    16
    Motorstator
    18
    Kugellager
    20
    Kugellager
    21
    Laufzeug
    22
    Welle
    24
    Permanentmagnet
    26
    Verdichterrad
    28
    Turbinenrad
    30
    Hohlkanal
    31
    Stirnseite
    32
    Stirnseite
    33
    Einströmöffnung
    34
    Verbindungskanal
    36
    Radrücken
    38
    Richtungspfeil
    40
    Richtungspfeil
    42
    Richtungspfeil
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 6296441 B1 [0004]

Claims (11)

  1. Laufzeug (21) für eine Fluidenergiemaschine (10), insbesondere für einen elektrisch angetriebenen Turbolader (10), mit einer Welle (22), aus welcher zumindest längenbereichsweise ein Hohlkanal (30) zum Kühlen des Laufzeugs (21) ausgespart ist, und mit zumindest einem drehfest mit der Welle (22) verbundenen Laufrad (26, 28), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Verbindungskanal (34) zwischen dem Hohlkanal (30) und dem Laufrad (26, 28) vorgesehen ist.
  2. Laufzeug (21) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (26, 28) auf einer der Welle (22) zugewandten Stirnseite (36), insbesondere seinem Radrücken (36), zumindest ein Schaufelelement aufweist, welches über den zumindest einen Verbindungskanal (34) mit dem Hohlkanal (30) verbunden ist.
  3. Laufzeug (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (26, 28) auf der der Welle (22) zugewandten Stirnseite (36) eine Mehrzahl von Schaufelelementen aufweist, welche jeweils über zumindest einen Verbindungskanal (34) mit dem Hohlkanal (30) der Welle (22) verbunden sind.
  4. Laufzeug (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkanal (30) bis zu einer dem Laufrad (26, 28) abgewandten Stirnseite (31) der Welle (22) ausgebildet ist.
  5. Laufzeug (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkanal (30) bis zu einer dem ersten Laufrad (26, 28) abgewandten Stirnseite (32) eines weiteren Laufrads (26, 28) ausgebildet ist.
  6. Laufzeug (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einströmöffnung (33) des durch die Welle (22) gebildeten Hohlkanals (30) von einer Stirnseite (32) des weiteren Laufrades (26, 28) beabstandet ist.
  7. Laufzeug (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Laufrad (26, 28) als Turbinenrad (28) ausgebildet ist.
  8. Laufzeug (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Laufrad (26, 28) als Verdichterlaufrad (26) ausgebildet ist.
  9. Elektrisch angetriebener Turbolader (10) für einen Kraftwagen mit einem Rotor, welcher ein Laufzeug (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
  10. Elektrisch angetriebener Turbolader (10) nach Anspruch 9, wobei die Welle (22) im Bereich eines an der Welle (22) befestigten Permanentmagnet (24) des Rotors einen erweiterten Querschnitt aufweist.
  11. Elektrisch angetriebener Turbolader (10) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Welle (22) bereichsweise in einen Verdichtereintritt eines Verdichtergehäuses (12) des elektrischen Turboladers (10) hineinragt.
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