DE102015113188A1

DE102015113188A1 - Elektromotor für einen elektrischen Verdichter einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102015113188A1
Application number: DE102015113188.9A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dewenter
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2015-08-11
Filing date: 2015-08-11
Publication date: 2017-02-16
Anticipated expiration: 2035-08-12
Also published as: CN106451832A; DE102015113188B4

Abstract

Elektromotoren (14) für elektrische Verdichter einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Rotor (58), einer Antriebswelle (12), auf der der Rotor (58) zumindest drehfest angeordnet ist, einem den Rotor (58) radial umgebenden Stator (36), der in einem Motorgehäuse (16) befestigt ist und der drei Statorzähne (50) aufweist, auf deren Zahnfüßen (52) Wicklungen (35) angeordnet sind, die radial durch Zahnköpfe (54) begrenzt sind, die in Umfangsrichtung eine größere Ausdehnung aufweisen als die Zahnfüße (52), sind bekannt. Um eine zweipolige Ausführung mit guten akustischen Eigenschaften realisieren zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Stator (36) einen radial inneren Statorteil (46) aufweist, an dem die Statorzähne (50) ausgebildet sind, die im radial inneren Bereich miteinander verbunden und von außen bewickelbar sind, wobei radial äußere Nutöffnungen (56) zwischen den Zahnköpfen (54) durch einen das zweite Statorteil bildenden Rückschlussring (48) geschlossen sind, der die drei Statorzähne (50) radial umgibt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor für einen elektrischen Verdichter einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Rotor, einer Antriebswelle, auf der der Rotor zumindest drehfest angeordnet ist und einem den Rotor radial umgebenden Stator, der in einem Motorgehäuse befestigt ist und der drei Statorzähne aufweist, auf deren Zahnfüßen Wicklungen angeordnet sind, die radial durch Zahnköpfe begrenzt sind, die in Umfangsrichtung eine größere Ausdehnung aufweisen als die Zahnfüße.
Derartige elektrische Verdichter werden in modernen Verbrennungsmotoren eingesetzt, um beispielsweise bei plötzlicher Laststeigerungsanforderung kurzfristig aktiv einen ausreichenden Ladedruck zur Verfügung stellen zu können. Insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit kleinem Hubraum und hoher Leistung ermöglichen diese elektrischen Verdichter im leerlaufnahen Bereich entweder eine zusätzliche Nachverdichtung zum Abgasturbolader oder eine Vorverdichtung für diesen, wodurch dem so genannten Turboloch entgegen gewirkt werden kann. Auch ist der Einsatz als einzelnes Aufladeaggregat im Verbrennungsmotor möglich.
Der Rotor und damit das Laufrad eines derartig genutzten Verdichters müssen in weniger als 0,3 Sekunden auf Drehzahlen von über 65.000 U/min beschleunigt werden. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, möglichst Kleine zu beschleunigende Rotoren zu verwenden, da diese ein geringeres Massenträgheitsmoment aufweisen. Um dabei die elektrische Frequenz möglichst klein halten zu können, ist es wünschenswert zweipolige Elektromotoren zu verwenden. Zur Erzeugung eines derartigen zweipoligen Feldes wird ein dreinutiger Stator benötigt.
Ein derartiger Elektromotor mit drei Statorzähnen wird beispielsweise in der CN 103 370 855 A offenbart. Auch aus der EP 0375 050 ist ein derartiger Elektromotor zum Antrieb einer Regelklappe bekannt.
Diese Elektromotoren haben jedoch den Nachteil, dass die Kombination aus zweipoligem Rotor und dreinutigem Stator zu hohen pulsierenden Kräften auf die Statorzähne führt, wodurch Vibrationen entstehen, die zu einer schlechten Akustik des Elektromotors führen. Diese Nachteile werden noch verstärkt, wenn große Nutöffnungen zwischen den Zahnköpfen vorgesehen werden, um Aufsteckspulen verbauen zu können.
Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Elektromotor für einen elektrischen Verdichter einer Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung zu stellen, der in kürzester Zeit auf hohe Drehzahlen beschleunigt werden kann, eine geringe elektrische Frequenz aufweist und nur zu geringen Schwingungen neigt, so dass verbesserte akustische Eigenschaften erreicht werden.
Diese Aufgabe wird durch einen Elektromotor für einen elektrischen Verdichter einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass der Stator einen radial inneren Statorteil aufweist, an dem die Statorzähne ausgebildet sind, die im radial inneren Bereich miteinander verbunden und von außen bewickelbar sind, wobei radial äußere Nutöffnungen zwischen den Zahnköpfen durch einen das zweite Statorteil bildenden Rückschlussring geschlossen sind, der die drei Statorzähne radial umgibt, wird die Steifigkeit des Stators des Elektromotors deutlich erhöht und damit dessen Schwingungsneigung gesenkt, wodurch die akustischen Eigenschaften des Elektromotors deutlich verbessert werden. Dennoch ist eine Bewicklung von außen direkt auf die Statorzähne durchführbar, wodurch ein besonders in Großserie gut automatisierbares Wickeln möglich wird.
Vorzugsweise ist der Rückschlussring formschlüssig auf dem inneren Statorteil angeordnet, wodurch eine Relativbewegung und insbesondere eine Drehung des Rückschlussrings zum inneren Statorteil verhindert wird. Gleichzeitig werden hierdurch Lücken zwischen den beiden Statorteilen vermieden, die die Steifigkeit herabsetzen würden.
In einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Rotor zweipolig ausgeführt. Hierdurch wird die Grundfrequenz des Motors reduziert. Die resultierende niedrige elektrische Frequenz vereinfacht zusätzlich die Elektronik zur Ansteuerung des Elektromotors.
Eine besonders einfach aufgebaute Ausführung des Elektromotors ergibt sich, wenn der Rotor auf der Antriebswelle befestigte Magnetelemente aufweist, die einen diametral magnetisierten Magnetring bilden. Eine zusätzliche Ausbildung eines Rotors, in dem die Magneten positioniert werden, entfällt.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Magnetelemente auf die Welle geklebt. So entfallen zusätzliche Bauteile zur Befestigung der Magnete.
Vorzugsweise weist der Rotor mehrere axial hintereinander angeordnete Magnetelemente auf. Auf diese Weise werden Verluste in den Magneten verringert, entsprechend wie es im Stator durch das axiale Aufteilen in Bleche erreicht wird.
Eine deutliche Vereinfachung der Montage ergibt sich, wenn der Magnetring durch halbringförmige Magnetelemente gebildet ist, welche in dieser Ausführung radial von außen aufgesetzt und somit nicht über die gesamte Welle geschoben werden müssen, wie dies bei Vollkreismagneten notwendig wäre.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn eine Bandage oder Hülse aus Glasfasern den Magnetring radial umgibt und somit entgegen der auftretenden Zentrifugalkräfte wirkt, welche bei den schnellen Drehungen in erhöhtem Maß auftreten. Somit wird die Stabilität des Rotors noch einmal verbessert.
In einer ergänzenden bevorzugten Ausbildung ist der Rotor an seinen axialen Enden durch jeweils eine Platte begrenzt, über die das gesamte Paket zusätzlich axial fixiert werden kann.
Es wird somit ein Elektromotor für einen elektrischen Verdichter einer Verbrennungskraftmaschine geschaffen, der bezüglich seiner akustischen Eigenschaften durch Versteifung des Stators und Aufnahme der entstehenden pulsierenden Kräften an den Statorzähnen trotz niedriger elektrischer Grundfrequenzen deutlich verbessert ist. Zusätzlich weist der Elektromotor eine einfache Elektronik sowie eine leichte Montierbarkeit auf.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektromotors für einen elektrischen Verdichter einer Verbrennungskraftmaschine ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
1 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines elektrischen Verdichters mit erfindungsgemäßem Elektromotor.
2 zeigt einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Elektromotor aus 1 in geschnittener Darstellung.
Der in der 1 dargestellte Verdichter besteht aus einem Spiralgehäuse 10, durch welches mittels eines Laufrades, das im Spiralgehäuse 10 drehbar angeordnet ist, in bekannter Weise Gas verdichtet wird.
Hierzu ist das Laufrad auf dem Ende einer Antriebswelle 12 eines erfindungsgemäßen Elektromotors 14 befestigt. Die Antriebswelle ist in einem zweiteiligen Motorgehäuse 16 gelagert. Ein erstes Lager 18 ist in einer Lageraufnahme 20 an einem Boden 22 eines ersten topfförmigen Motorgehäuseteils 24 angeordnet. Das am entgegengesetzten Ende des Elektromotors 14 angeordnete zweite Lager 25 ist in einer zweiten Lageraufnahme 26 angeordnet, welche an einem Boden 27 eines zweiten Motorgehäuseteils 28 ausgebildet ist, welches in das erste Motorgehäuseteil 24 unter Zwischenlage einer oder mehrerer Dichtungen 30 eingeschoben wird und an der zum Elektromotor 14 gegenüberliegenden Seite einen Elektronikraum 32 aufweist, in dem die Ansteuerplatine des Elektromotors 14 angeordnet ist. Zur Herstellung einer elektrischen Verbindung ragen Wicklungsenden 34 der Wicklungen 35 eines Stators 36 des Elektromotors 14 durch entsprechende Öffnungen im Boden 27 des zweiten Motorgehäuseteils 28. An seiner radialen Außenwand 40 weist das zweite Motorgehäuseteil 28 zusätzlich eine spiralförmig um den Umfang sich erstreckende Ausnehmung 42 auf, welche durch die radiale Außenwand 44 des ersten Motorgehäuseteils 24 verschlossen wird, so dass ein um den Stator 36 sich windender Kanal gebildet wird, der zur Abführung von Wärme aus dem Motorgehäuse mit Kühlmittel durchströmt werden kann.
Der Stator 36 ist über eine Presspassung im zweiten Motorgehäuseteil 28 fixiert und besteht aus einem radial inneren ersten Statorteil 46, welches als Blechpaket ausgebildet ist und einem das erste Statorteil 46 umgebenden zweiten Statorteil in Form eines Rückschlussrings 48, wie in 2 zu erkennen ist.
Das erste Statorteil 46 weist drei gleichmäßig über den Umfang verteilte Statorzähne 50 auf, deren Zahnfüße 52 die Wicklungen 35 des Elektromotors 14 tragen und im radial inneren Bereich miteinander verbunden sind. An die Zahnfüße 52 schließen sich radial außen Zahnköpfe 54 an, die in Umfangsrichtung eine größere Ausdehnung aufweisen als der bewickelte Teil der Zahnfüße 52. Dennoch verbleiben zwischen den Zahnköpfen 54 radial äußere Nutöffnungen 56. Durch diese Nutöffnungen 56 wird es möglich, die Statorzähne 50 von außen direkt zu bewickeln.
Nach dem Bewickeln der Statorzähne 50 wird der Rückschlussring 48 über den inneren Statorteil 46 geschoben. Der Rückschlussring 48 weist dabei eine Form auf, dass er sich formschlüssig an die Zahnköpfe 54 anlegt und die äußeren Nutöffnungen 56 verschließt. Durch diese Ausführung weist der Stator eine hohe Steifigkeit auf und es wird verhindert, dass die Statorzähne 50 durch die auf sie wirkenden pulsierenden Kräfte schwingen, was zu unerwünschten Geräuschemissionen führen würde. Der Rückschlussring 48 liegt nach dem Einpressen in das zweite Motorgehäuseteil 28 radial an der Außenwand 40 an.
Radial innerhalb des Stators 36 ist ein Rotor 58 des Elektromotors 14 auf der Antriebswelle 12 befestigt. Der Rotor 58 ist zweipolig ausgeführt und weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel insgesamt sechs halbringförmige Magnetelemente 60 auf, wovon jeweils zwei gegenüberliegend zueinander auf die Antriebswelle 12 geklebt werden und einen diametral magnetisierten Magnetring 62 bilden und drei dieser Magnetringe 62 axial hintereinander auf der Antriebswelle 12 angeordnet sind.
Axial liegt gegen die äußeren Magnetringe 62 jeweils eine ringförmige Platte 64 an, die den Rotor 58 axial beidseitig begrenzt. Radial ist um die Magnetringe 62 eine Hülse 66 aus Glasfasern angeordnet, welche ein Lösen der Magnetelemente 60 von der Antriebswelle 12 aufgrund der starken beim Hochfahren des Elektromotors 14 wirkenden Beschleunigungskräfte, die auf die Magnete wirken, abzufangen und so ein Lösen der Klebeverbindung zu verhindern. Diese Hülse 66 umgibt auch radial die beiden Platten 64.
Der beschriebene Elektromotor verfügt über gute akustische Eigenschaften, da Schwingungen der Statorzähne durch den zweiteiligen und formschlüssigen Aufbau des Stators mit geschlossenen Nuten und die daraus resultierende Steifigkeit des Stators verhindert werden, wobei der Formschluss auch ein Lösen des Rückschlussrings verhindert. Dennoch kann der Stator von außen bewickelt werden, wodurch ein besonders in Großserie automatisierbares Wickeln möglich wird. Durch den zweipoligen Aufbau mit den drei Statorzähnen kann bei niedriger elektrischer Frequenz und daraus resultierender einfacher Steuerelektronik ein entsprechend kleiner Rotor mit geringen Trägheitsmomenten für einen schnellen Anlauf realisiert werden.
Es sollte deutlich sein, dass verschiedene konstruktive Varianten im Vergleich zum beschriebenen Ausführungsbeispiel innerhalb des Schutzbereiches des Hauptanspruchs möglich sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

CN 103370855 A [0004]
EP 0375050 [0004]

Claims

Elektromotor (14) für einen elektrischen Verdichter einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Rotor (58), einer Antriebswelle (12), auf der der Rotor (58) zumindest drehfest angeordnet ist, einem den Rotor (58) radial umgebenden Stator (36), der in einem Motorgehäuse (16) befestigt ist und der drei Statorzähne (50) aufweist, auf deren Zahnfüßen (52) Wicklungen (35) angeordnet sind, die radial durch Zahnköpfe (54) begrenzt sind, die in Umfangsrichtung eine größere Ausdehnung aufweisen als die Zahnfüße (52), dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (36) einen radial inneren Statorteil (46) aufweist, an dem die Statorzähne (50) ausgebildet sind, die im radial inneren Bereich miteinander verbunden und von außen bewickelbar sind, wobei radial äußere Nutöffnungen (56) zwischen den Zahnköpfen (54) durch einen das zweite Statorteil bildenden Rückschlussring (48) geschlossen sind, der die drei Statorzähne (50) radial umgibt.
Elektromotor für einen elektrischen Verdichter einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückschlussring (48) formschlüssig auf dem inneren Statorteil (46) angeordnet ist.
Elektromotor für einen elektrischen Verdichter einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (58) zweipolig ausgeführt ist.
Elektromotor für einen elektrischen Verdichter einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (58) auf der Antriebswelle (12) befestigte Magnetelemente (60) aufweist, die einen diametral magnetisierten Magnetring (62) bilden.
Elektromotor für einen elektrischen Verdichter einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetelemente (60) auf die Antriebswelle (12) geklebt sind.
Elektromotor für einen elektrischen Verdichter einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (58) mehrere axial hintereinander angeordnete Magnetelemente (60) aufweist.
Elektromotor für einen elektrischen Verdichter einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetring (62) durch halbringförmige Magnetelemente (60) gebildet ist.
Elektromotor für einen elektrischen Verdichter einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bandage oder Hülse (66) aus Glasfasern den Magnetring (62) radial umgibt.
Elektromotor für einen elektrischen Verdichter einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (58) an seinen axialen Enden durch jeweils eine Platte (64) begrenzt ist.