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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schmieranordnung zur Schmierung eines Lagers, welches zur Lagerung z.B. einer elektrischen Maschine benutzt werden kann. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine, welche eine erfindungsgemäße Schmieranordnung umfasst. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Verdichter, welcher durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine angetrieben ist.
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Eine derartige Schmieranordnung ist beispielsweise aus der
DE 10 2010 052 186 A1 bekannt. Hierbei umfasst die Schmieranordnung eine Welle mit einem Hohlwelleneingang und einem Hohlwellenausgang, eine Fördereinrichtung zum Fördern vom Schmiermittel mit einer Vielzahl von Förderstrukturen, einem Eintrittsbereich, einem Austrittsbereich und einem Spalt, wobei die Fördereinrichtung im Spalt angeordnet ist. Ferner ist ein Bauteil an einem Ende der Welle angeordnet, wobei das Schmiermittel über den Eintrittsbereich aus einem Reservoir in den Spalt gelangt.
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Weiterhin sind Schmieranordnungen bekannt, welche eine Dauerschmierung mit Fett oder eine Druckölschmierung, welche durch den Motorölkreislauf versorgt ist, bereitstellen. Allerdings sind diese Schmierungsmethoden bei z.B. elektrischen Maschinen, welche mit hohen Drehzahlen betrieben sind, in den vom Originalausrüstungshersteller (OEM) geforderten breiten Temperaturbereichen kritisch einzustufen und aufwendig. Ferner sind teure keramische Kugellager zur Sicherstellung der geforderten Lebensdauer erfordert. Darüber hinaus ergeben sich sehr hohe Anforderungen an die Koaxialität bzw. an die Form- und Lagetoleranzen der Lagersitze.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Schmieranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine erhöhte Lebensdauer und eine verbesserte Leistung erreicht werden können. Ferner kann ein breiterer Temperaturbereich abgedeckt werden. Weiterhin kann eine Toleranzaufweitung der Lagersitze ermöglicht werden, wodurch Herstellungskosten reduziert und auf Kosten zum Prüfen der Form der Lagersitze verzichtet werden kann. Außerdem kann die erfindungsgemäße Schmieranordnung die Benutzung von Wälzlagern, welche z.B. aus einem kostengünstigen metallischen Werkstoff hergestellt sind, bei einer elektrischen Maschine ermöglichen, was zu einer erheblichen Kosteneinsparung führen kann. Dies wird erfindungsgemäß durch eine sehr einfache Ausgestaltung eines internen Schmiermittelkreislaufs auf Basis einer Fördereinrichtung am Ende einer Drehwelle und das Vorhandensein einer Druckkammer erreicht. Die Druckkammer dient als ein zweites Reservoir, wodurch immer eine ausreichende Schmierung der Lager in unterschiedlichen Betriebszuständen z.B. bei Drehzahlschwankungen sichergestellt werden kann. Hierbei umfasst die Schmieranordnung eine Welle mit einem Hohlwellenbereich, einem Hohlwelleneingang und einem Hohlwellenausgang, eine Fördereinrichtung zum Fördern von Schmiermittel, wobei die Fördereinrichtung eine Vielzahl von Förderstrukturen, einen Eintrittsbereich, einen Austrittsbereich und einen Spalt umfasst, wobei die Förderstrukturen im Spalt angeordnet sind, und ein Hohlraum-Bauteil, welches an einem Ende der Welle angeordnet ist, wobei das Schmiermittel über den Eintrittsbereich aus einem Reservoir in den Spalt gelangt. Erfindungsgemäß umfasst die Schmieranordnung ferner eine Druckkammer, welche durch die Welle und das Hohlraum-Bauteil definiert ist und welche mit der Fördereinrichtung über den Austrittsbereich und mit der Welle über den Hohlwelleneingang in Verbindung steht. Das Schmiermittel ist durch die Förderstrukturen über den Austrittsbereich in die Druckkammer gefördert. Weiterhin gelangt das Schmiermittel aus der Druckkammer über den Hohlwelleneingang in den Hohlwellenbereich und schmiert das Lager über den Hohlwellenausgang.
Erfindungsgemäß sind die Förderstrukturen an einem Außenumfangsbereich der Welle angeordnet. Somit wird ein noch kompakterer Aufbau der erfindungsgemäßen Schmieranordnung ermöglicht. Ebenso erfindungsgemäß ist, wenn die Förderstrukturen an einem zusätzlichen Bauteil angeordnet sind, welches mit der Welle drehfest verbunden ist, wenn die Welle bzw. der Außenumfangbereich der Welle mechanisch nicht einfach bearbeitbar ist.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise kann das Hohlraum-Bauteil eine Hülse mit einem Boden sein, wobei die Hülse eine Radialöffnung aufweist, mit welcher der Eintrittsbereich der Fördereinrichtung in Verbindung steht. Somit kann die Druckkammer mittels eines einfachen und kostengünstigen Massenbauteils definiert werden. Dadurch ergibt sich eine große Kosteneinsparung. Weiterhin kann die Hülse in einfacher Weise bearbeitet werden, wodurch die Radialöffnung ausgebildet und somit die Verbindungsherstellung der Druckkammer mit dem Schmiermittelreservoir bereitgestellt werden kann. Durch die Radialöffnung kann das Schmiermittel der Fördereinrichtung zugeführt werden.
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Weiter bevorzugt können die Hülse und das Wellenende in das Schmiermittelreservoir hineinragen. Durch die Anordnung der Hülse und des Wellenendes im Schmiermittelreservoir kann ein kompakter Aufbau der Schmieranordnung ermöglicht werden. Außerdem kann durch die unmittelbare Verbindung des Schmiermittelreservoirs mit der Fördereinrichtung mittels einer Radialöffnung eine kurze Strömungsstrecke zwischen dem Schmiermittelreservoir und der Fördereinrichtung gewährleistet werden, wodurch Druckverluste und potentielle Leckagen verringert werden können.
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Des Weiteren kann der Spalt zwischen der Hülse und dem Hohlwellenbereich vorgesehen sein. Somit kann ein noch kompakterer Aufbau der erfindungsgemäßen Erfindung ermöglicht werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schmieranordnung können die Förderstrukturen ein Fördergewinde umfassen. Somit kann die Drehung der Welle genutzt werden, um das Fördern des Schmiermittels zu gewährleisten. Dadurch kann auf eine zusätzliche Antriebseinheit zum Antreiben der Fördereinrichtung verzichtet werden. Das Fördergewinde bietet ferner den Vorteil einer genauen Förderung, wobei die Fördermenge je Drehung im Wesentlichen konstant bleiben kann.
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Weiter vorteilhaft ist, wenn die Welle wenigstens einen in radialer Richtung verlaufenden Hohlwellenausgang umfasst, über den Schmiermittel in das Lager gelangt. Somit kann die Schmierung des Lagers bereitgestellt werden, wobei die durch die Drehung der Welle entstehenden Fliehkräfte genutzt werden können. Außerdem kann der wenigstens eine in radialer Richtung verlaufende Hohlwellenausgang die Pumpenwirkung der Fördereinrichtung aufgrund der Fliehkräfte unterstützen.
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Besonders bevorzugt weist die Welle mehrere in radialer Richtung verlaufende Hohlwellenausgänge auf, welche in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Durch das Vorhandensein mehrerer radialer Hohlwellenausgänge kann das Lager schnell geschmiert werden. Die mehreren radialen Hohlwellenausgänge können in Umfangsrichtung gleichmäßig bzw. symmetrisch zueinander verteilt sein, so dass sowohl die Schmierung des Lagers als auch die mechanische Beanspruchung der Welle an der Stelle des Lagers gleichmäßig stattfinden können.
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Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Schmieranordnung einen geschlossenen Schmiermittelkreislauf auf. Dadurch kann dieselbe Menge an Schmiermittel benutzt werden, was zu einer Kostenersparnis und einem kompakten Aufbau des Schmiermittelreservoirs bzw. der Schmieranordnung führen kann.
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Vorteilhafterweise kann die Schmieranordnung einen ersten Hohlwellenausgang und einen zweiten Hohlwellenausgang umfassen, wobei der erste Hohlwellenausgang mit einem ersten Lager und der zweite Hohlwellenausgang mit einem zweiten Lager in Verbindung stehen. Somit können das erste Lager und das zweite Lager über einen separaten Hohlwellenausgang geschmiert werden.
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Weiter bevorzugt ist die Schmieranordnung eingerichtet, die Welle mit einer Drehzahl von höher als 50000 1/min zu betreiben. Somit können Vorrichtungen wie z.B. elektrische Maschinen bei hohen Drehzahlen in kostengünstiger Weise geschmiert werden.
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Dabei können die Tiefe und/oder die Breite des Fördergewindes zwischen 50µm und 500µm sein. Als Tiefe ist der Abstand zwischen einem Außendurchmesser und einem Kerndurchmesser (Innendurchmesser) des Gewindes zu verstehen, wobei die Breite einer Steigung des Gewindes entspricht. Aufgrund der hohen Drehzahl kann somit das Fördergewinde kleiner ausgebildet werden, was zu einem noch kompakteren Aufbau der Schmieranordnung und zur Materialeinsparung führen kann.
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Besonders bevorzugt können die Tiefe und/oder die Breite des Fördergewindes kleiner als 100µm sein.
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Dabei kann das Fördergewinde mittels eines Laserverfahrens wie z.B. Laserschneidens sehr kostengünstig erzeugt werden. Laserverfahren bieten ferner den Vorteil einer hochpräzisen Fertigung, wodurch ein maßgenaues Ergebnis gewährleistet werden kann.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine, welche einen an einer Welle angeordneten Rotor, einen Stator, wenigstens ein Lager und eine erfindungsgemäße Schmiermittelanordnung umfasst. Somit können die Lager der elektrischen Maschine, welche z.B. ein elektrischer Motor oder ein Generator sein kann, in kostengünstiger und kompakter Bauweise geschmiert werden.
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Vorzugsweise kann das Lager Wälzkörper, einen Innenring und einen Außenring aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Stahl, umfassen. Die Verwendung dieser Art von Lagern kann in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Schmieranordnung die Herstellungs- und Wartungskosten der elektrischen Maschine verringern. Außerdem kann durch die Benutzung dieser Art von Lagern sichergestellt werden, dass die Lagerung über die geplante Lebensdauer der elektrischen Maschine aushalten kann. Auf teure Keramiklager kann verzichtet werden.
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Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Verdichter, welcher durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine angetrieben ist. Der Verdichter kann z.B. ein elektrischer Verdichter bzw. ein Zusatzverdichter zur Unterstützung eines Abgasturboladers in einem unteren Motordrehzahlbereich sein. Somit kann der Verdichter in ausfallsicherer Weise betrieben werden, wobei die elektrische Maschine bei hohen Drehzahlen betrieben werden kann.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische, stark vereinfachte Ansicht eines elektrischen Verdichters, welcher durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine mit einer erfindungsgemäßen Schmieranordnung angetrieben werden ist, und
- 2 eine vergrößerte Schnittansicht der in 1 gezeigten Schmieranordnung.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine Schmieranordnung 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist, ist die erfindungsgemäße Schmieranordnung 1 bei einem elektrischen Verdichter 10 benutzt, welcher durch eine elektrische Maschine 9 in der Form eines elektrischen Motors mit einem Rotor 90 und einem Stator 91 angetrieben ist und welcher mittels eines ersten Lagers 7 und eines zweiten Lagers 8 an einer Welle 2 angeordnet ist. Das erste Lager 7 ist beispielweise als Radiallager und das zweite Lager 8 als Axiallager ausgebildet, wobei das erste Lager 7 und das zweite Lager 8 durch die Schmieranordnung 1 geschmiert sind. Ferner weisen die Lager 7, 8 Wälzkörper 70, 80, einen Innenring 71, 81 und einen Außenring 72, 82 aus einem metallischen Werkstoff auf.
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Die erfindungsgemäße Schmieranordnung 1 umfasst die Welle 2, welche einen Hohlwellenbereich 20, einen Hohlwelleneingang 21 und mehrere Hohlwellenausgänge 22, 23 aufweist, eine Fördereinrichtung 3 zum Fördern von Schmiermittel und ein Hohlraum-Bauteil 4, welches an einem Ende 24 der Welle 2 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Hohlraum-Bauteil 4 eine Hülse 40 mit einem Boden 41, wobei die Hülse 40 in einem Reservoir 5 angeordnet ist und das Ende 24 der Welle 2 in die im Reservoir 5 angeordnete Hülse 40 hineinragt. Die Hülse 40 mit dem Boden 41 bildet im Reservoir 5 beispielsweise eine separate Kammer, die gegenüber dem übrigen Innenraum des Reservoirs 5 abgetrennt ist. Die Hülse 40 weist ferner eine Radialöffnung 42 auf, über welche ein Eintrittsbereich 31 der Fördereinrichtung 3 mit dem Reservoir 5 in Verbindung steht (2).
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Weiterhin umfasst die Fördereinrichtung 3 eine Vielzahl von Förderstrukturen 30, einen Austrittsbereich 32 und einen Spalt 33, welcher zwischen der Hülse 40 und dem Hohlwellenbereich 20 der Welle 2 vorgesehen ist (2). Erfindungsgemäß sind die Förderstrukturen 30 an einem Außenumfangsbereich 25 der Welle 2 im Spalt 33 angeordnet und weisen ein Fördergewinde 34 auf. Eine Tiefe t und eine Breite b des Fördergewindes 34 sind kleiner als 100µm und können mittels eines Laserverfahrens erzeugt werden
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Ferner umfasst die Schmieranordnung 1 eine Druckkammer 6, welche zwischen der Welle 2 und dem Hohlraum-Bauteil 4 gebildet ist. Des Weiteren steht die Druckkammer 6 mit der Fördereinrichtung 3 über den Austrittsbereich 32 der Fördereinrichtung 3 und mit dem Hohlwellenbereich 20 über den Hohlwelleneingang 21 der Welle 2 in Verbindung.
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Der Hohlwellenbereich 20 weist mehrere in radialer Richtung verlaufende erste Hohlwellenausgänge 22 und mehrere in radialer Richtung verlaufende zweite Hohlwellenausgänge 23 auf. Die mehreren ersten Hohlwellenausgänge 22 sind in einer gemeinsamen ersten Ebene E1 angeordnet, welche senkrecht zu einer Mittelachse M der Welle 2 liegt, und stehen mit dem ersten Lager 7 in Verbindung (2). Somit versorgen die mehreren ersten Hohlwellenausgänge 22 das erste Lager 7 mit Schmiermittel. Die mehreren zweiten Hohlwellenausgänge 23 sind in einer gemeinsamen zweiten Ebene E2 angeordnet, welche ebenso senkrecht zur Mittelachse M der Welle 2 liegt, und stehen mit dem zweiten Lager 8 in Verbindung. Dadurch kann die Schmierung des zweiten Lagers 8 sichergestellt werden.
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Zur Abdichtung der elektrischen Maschine 9 sind Radialwellendichtringe bzw. Gleitringdichtungen 11 beidseitig des verdichterseitigen zweiten Lagers 8 und einseitig am fördereinrichtungsseitigen ersten Lager 7 angeordnet. Somit kann vermieden werden, dass Schmiermittel in den rotierenden Bereich der elektrischen Maschine 9 bzw. des elektrischen Motors, insbesondere zwischen dem Rotor 90 und dem Stator 91, gelangt.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 2 die Funktion einer Schmieranordnung 1 gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
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Durch das Rotieren der Welle 2 (Pfeil R) gelangt Schmiermittel aus dem Reservoir 5 über die Radialöffnung 42 der Hülse 40 in den Eintrittsbereich 31 der Fördereinrichtung 3 (Pfeil A). Das Schmiermittel wird im Spalt 33 der Fördereinrichtung 3 durch das Fördergewinde 34 gefördert (Pfeile B) und gelangt über den Austrittsbereich 32 der Fördereinrichtung 3 in die Druckkammer 6 (Pfeile C). Dann wird das Schmiermittel aus der Druckkammer 6 über den Hohlwelleneingang 21 der Welle 2 in den Hohlwellenbereich 20 gefördert (Pfeile D). Da der Hohlwellenbereich 20 mit den ersten Hohlwellenausgängen 22 und den zweiten Hohlwellenausgängen 23 versehen ist, werden das erste Lager 7 und das zweite Lager 8 aufgrund der durch die Rotation der Welle 2 entstehenden Fliehkräfte mit dem Schmiermittel entsprechend versorgt (Pfeile E und F).
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Das Schmiermittel wird dann über eine Rücklaufbohrung oder einen Rücklaufkanal in einem Gehäuse der elektrischen Maschine 10, welche aber in 2 nicht näher gezeigt sind, in das Reservoir 5 zurückgefördert (Pfeile G und H). Somit ergibt sich ein geschlossener Schmiermittelkreislauf A-B-C-D-E/F-G/H-A.
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Die erfindungsgemäße Schmieranordnung 1 kann eine bis zum 50% verbesserte Lebensdauer aufweisen. Ferner können kostengünstige, nichtkeramische Wälzlager verwendet werden, wodurch die Kosten gesenkt werden können.
