DE102015214785B3 - Elektrischer Verdichter - Google Patents
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Abstract
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Verdichter zum Verdichten eines Gases insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
- Stand der Technik
- Im Allgemeinen sind Verdichter im Automobilbereich insbesondere im Zusammenhang mit dem Wunsch einer Leistungs- und Effizienzsteigerung einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zu nennen.
- Eine der wohl bekanntesten Ausführungsformen eines Verdichters stellt der Abgasturbolader dar. Der Abgasturbolader dient dazu in den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine eine ausreichende Menge an Verbrennungsluft zu gewährleisten, indem er Umgebungsluft oder ein Umgebungsluft/Abgasgemisch verdichtet und die Zylinder somit mit Überdruck mit dieser Verbrennungsluft versorgt.
- In der Regel besteht der Abgasturbolader aus einer Abgasturbine und einem Verdichterrad, wobei die Abgasturbine und das Verdichterrad auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Die Abgasturbine wandelt die Wärme und die kinetische Energie des Abgases der Verbrennungskraftmaschine in Rotationsenergie um. Diese Rotationsenergie wird über die gemeinsame Welle auf das Verdichterrad übertragen. Über das Verdichterrad wird Umgebungsluft oder ein Gemisch aus Umgebungsluft und Abgas angesaugt und verdichtet. Daraus kann ein höherer Arbeitsdruck bei gleicher Temperatur im Zylinder der Verbrennungskraftmaschine erreicht werden.
- Solange seitens der Verbrennungskraftmaschine genügend Abgas anströmt und die Abgasturbine antreibt, reicht die Drehzahl aus um auf der Ansaugseite einen Überdruck zu bewirken. Beispielsweise beim Beschleunigen des Kraftfahrzeugs kann der Turbo jedoch (auch) bei höheren Drehzahlen verzögert reagieren – dieser Zustand ist gemeinhin als „Turboloch” bekannt.
- Es gibt vielerlei Ansätze um dem „Entstehen” eines Turbolochs entgegen zu wirken. Beispielsweise kann die Trägheit der Abgasturbine reduziert werden indem diese kleiner dimensioniert wird. Dadurch wird zwar der Wirkungsgrad des Turbos geringer, doch dafür kann die Abgasturbine bereits durch einen schwachen Abgasstrom angetrieben werden.
- Ein weiterer Ansatz stellt in diesem Zusammenhang beispielsweise der Einsatz eines (zusätzlichen) elektrisch angetriebenen Verdichters (elektrischer Verdichter) dar, der unabhängig vom Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine arbeitet.
- Die Veröffentlichung
WO 99/10654 A1 - Weiterhin beschreibt das Dokument
DE 10 2008 000 124 A1 einen Kompressor, insbesondere einen elektromotorisch angetriebenen Kompressor, mit zumindest einem Kompressortriebwerk, einem in einem Motorgehäuse angeordneten Elektromotor und einer Steuerschaltung für den Elektromotor. Die Steuerschaltung wird dabei auf einer Statoranschlussplatte derart angeordnet, dass sie das Gehäuse des Kompressors verschließt. - Das Schriftstück
DE 100 56 430 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einem Radialverdichter. Der Radialverdichter weist ein Laufrad auf, wobei das Laufrad einzig über einen Elektromotor antreibbar ist. - Das Dokument
DE 102 51 219 A1 zeigt einen motorbetriebenen Kompressor mit einem Gehäuse, das einen Kompressionsabschnitt zum Verdichten eines Kühlmittels besitzt, einem Motor zum Antreiben des Kompressionsabschnitts und einer Antriebsschaltung zur Steuerung des Motors. An einem Ende des Motors ist ein plattenartiges Verbindungsbauteil angeordnet, das die Spulen des Motors mit der Antriebsschaltung verbindet. - Weiterhin beschreibt das Dokument
US 2011/0 020 153 A1 - Um einen sicheren und störungsfreien Betrieb des Elektromotors gewährleisten zu können, ist insbesondere die fehlerfreie Funktion der Steuereinheit von Nöten, welche wiederum mit einer ausreichenden Kühlung der Steuereinheit bzw. der elektronischen Baueinheiten der Steuereinheit einhergeht. Im Vordergrund steht dabei der Wunsch die Kühlung der elektronischen Baueinheiten der Steuereinheit des elektrischen Verdichters ohne maßgeblichen baulichen Mehraufwand und möglichst platzsparend zu realisieren.
- Aus dem Stand der Technik unterschiedliche Ansätze zur Kühlung von elektronischen Bauteilen bekannt.
- So beschreibt beispielsweise das Dokument
DE 10 2007 005 233 A1 ein Leistungsmodul mit mindestens einem auf einem Substrat angeordneten Halbleiterchip mit nach außen geführten elektrischen Anschlüssen. Der auf dem Substrat angeordnete Halbleiterchip und teilweise die Anschlüsse sind mit einem gut wärmeleitenden, elektrisch isolierenden und nach außen abgedichteten Material thermisch eng gekoppelt. Das Material ist um das Substrat und den Halbleiterchip derart angeordnet, dass sich ein Flachbaukörper ausbildet, der bis auf die Seite mit den nach außen geführten Kontakten mit einem Kühlmedium koppelbar ist. Dabei ist es notwendig das gesamte Leistungsmodul mit thermisch leitfähigem Material zu umziehen und hermetisch abzudichten, so dass das Leistungsmodul in einen Kühlkanal eingesetzt werden kann. - Das Schriftstück
US 2011/0 135 519 A1 - Weiterhin beschreibt das Dokument
DE 102 45 798 B4 einen elektrisch betriebenen Ladeluftverdichter mit integrierter Luftkühlung. Der Ladeluftverdichter weist ein Gehäuse mit einem einen Verdichterraum ausbildenden ersten Gehäuseteil und einem zweiten Gehäuseteil auf. In dem ersten Gehäuseteil ist ein Verdichterrad angeordnet, in dem zweiten Gehäuseteil ist ein Elektromotor angeordnet. In Umfangsrichtung des ersten Gehäuseteils verläuft eine Strömungskanal, der den Verdichterraum des ersten Gehäuseteils mit einem Luftauslass verbindet und der den Elektromotor zumindest teilweise in axialer Richtung umgreift und in thermischer Verbindung mit dem Elektromotor und dem zweiten Gehäuseteil steht. Weiterhin weist das zweite Gehäuseteil einen Diffusorring auf, der den Strömungskanal teilweise begrenzt und thermisch an den Elektromotor gekoppelt ist. - Zusammenfassung der Erfindung
- Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen elektrischen Verdichter der genannten Art anzugeben, der einen sicheren und zuverlässigen Betrieb ohne maßgeblichen baulichen Mehraufwand gewährleistet.
- Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch einen elektrischen Verdichter zum Verdichten eines Gases, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Verdichterrad, einen Elektromotor, wobei das Verdichterrad vermittels des Elektromotors antreibbar ist, eine Steuereinheit, wobei der Elektromotor vermittels der Steuereinheit steuerbar ist, und ein Gehäuse, wobei das Gehäuse zumindest ein offenes Ende zur Aufnahme der Steuereinheit aufweist und wobei das Gehäuse an dem offenen Ende zumindest eine innenumfängliche Ausnehmung aufweist, wobei die Ausnehmung in Richtung des Gehäuseinnenraums offen ausgebildet ist und die Steuereinheit derart in das Gehäuse einsteckbar ist, dass sie das offene Ende des Gehäuses und die innenumfängliche Ausnehmung verschließt, wobei die innenumfängliche Ausnehmung des Gehäuses von einem Kühlfluid durchströmbar ausgebildet ist.
- Der erfindungsgemäße elektrische Verdichter weist ein Verdichterrad, einen Elektromotor, eine Steuereinheit und ein Gehäuse auf.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung dient der Elektromotor dem Antrieb des Verdichterrads.
- Der Elektromotor weist einen Rotor und einen Stator mit zumindest einer Statorwicklung auf.
- Der Rotor des Elektromotors ist bevorzugt drehfest auf der Welle angeordnet und/oder einteilig mit der Welle ausgebildet.
- Das Verdichterrad ist vorzugsweise drehfest auf der Welle angeordnet und/oder einteilig mit der Welle ausgebildet.
- Über die gemeinsame Welle wird die vom Elektromotor generierte Rotationsenergie auf das Verdichterrad übertragen.
- Die Steuereinheit stellt die Leistungs- und Signalelektronik für den Elektromotor dar und umfasst bevorzugt eine Leiterplatte auf der unterschiedliche elektronische Baueinheiten, wie beispielsweise Kondensatoren, Halbleiterchips etc., anordenbar sind.
- Unter der Steuereinheit kann jedoch auch ein Stecker verstanden werden, wobei in diesem Fall die Leiterplatte inklusive der darauf angeordneten unterschiedlichen elektronischen Baueinheiten als externes Steuermodul ausgeführt sind.
- Der Elektromotor ist der Erfindung entsprechend über die Steuereinheit steuerbar, wobei die elektrische Verbindung zwischen dem Elektromotor und der Steuereinheit über zumindest ein Verbindungselement erfolgt.
- Das Gehäuse weist zumindest ein offenes Ende zur Aufnahme der Steuereinheit auf.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Gehäuse an dem offenen Ende zumindest eine innenumfängliche Ausnehmung auf, wobei die Ausnehmung in Richtung des Gehäuseinnenraums des Gehäuses offen ausgebildet ist.
- Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit derart in das Gehäuse einsteckbar, dass sie zum einen das offene Ende des Gehäuses und zum anderen die innenumfängliche Ausnehmung verschließt.
- Insbesondere durch den Verschluss der Ausnehmung vermittels der Steuereinheit lässt sich auf einfache Art und Weise ein geschlossener Kanal, insbesondere ein Kühlkanal ausbilden.
- Erfindungsgemäß ist die innenumfängliche Ausnehmung des Gehäuses von einem Kühlfluid, wie beispielsweise einer Kühlflüssigkeit oder einem Kühlgas, durchströmbar ausgebildet.
- Aufgrund der Durchströmung der vermittels der Steuereinheit verschlossenen Ausnehmung mit Kühlfluid wird auf simplem Weg eine ausreichende Kühlung der Steuereinheit realisiert. Die Steuereinheit wird zumindest teilweise direkt in den Kühlkreislauf integriert.
- Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
- Vorzugsweise ist die Steuereinheit zumindest teilweise von einer Ummantelung umgeben, insbesondere an der Stelle und/oder den Stellen an der/denen die Steuereinheit die Ausnehmung verschließt.
- Die Ummantelung besteht bevorzugt aus einem thermisch gut leitenden Material.
- Zudem ist das Material der Ummantelung vorzugsweise elektrisch isolierend und fluiddicht.
- Bevorzugt handelt es sich bei dem Material der Ummantelung um einen polymeren Werkstoff, insbesondere um einen Duroplasten.
- Es ist von Vorteil, wenn das Gehäuse an seiner Gehäuseinnenseite im Bereich des offenen Endes im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist.
- Vorzugsweise weist das Gehäuse in Bezug auf eine Richtung entlang einer Längsachse des Gehäuses vor und nach der Ausnehmung jeweils zumindest eine ringförmige Nut auf. Die ringförmigen Nuten dienen bevorzugt jeweils der Aufnahme eines Dichtungselements.
- Durch die Anordnung eines Dichtungselements vor und nach der Ausnehmung wird eine besonders fluiddichte Kühlstruktur für die Steuereinheit geschaffen.
- Das Gehäuse des erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters ist vorzugsweise einteilig oder mehrteilig aufgebaut.
- In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters ist in dem Gehäuse zumindest teilweise der Elektromotor des elektrischen Verdichters angeordnet.
- Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Ausnehmung und somit eines Kühlkanals wird ein zuverlässiger Betrieb des elektrischen Verdichters und insbesondere der Steuereinheit des elektrischer Verdichters bei möglichst kompakter sowie bauteiloptimierter Zusammensetzung gewährleistet.
- Die Steuereinheit erfüllt, neben ihrer eigentlichen Funktion der Steuerung des Elektromotors, zudem die Funktion eines Gehäusedeckels und eines Verschlusselements für die innenumfängliche Ausnehmung an dem offenen Ende des Gehäuses.
- Vermittels der durch die Steuereinheit verschlossenen innenumfänglichen Ausnehmung ist es möglich auf einfache Art und Weise und zudem kostengünstig eine integrative Kühlung für die Steuereinheit des erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters zu realisieren.
- Kurzbeschreibung der Zeichnungen
- Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf das in den Zeichnungen beschriebene Ausführungsbeispiel erläutert.
-
1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen elektrischen Verdichter. -
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters. -
3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Gehäuses eines elektrischen Verdichters. -
4 zeigt einen Längsschnitt eines Gehäuses mit einer eingesteckten Steuereinheit eines elektrischen Verdichters. -
5 zeigt eine Draufsicht auf ein Gehäuse mit einer eingesteckten Steuereinheit eines elektrischen Verdichters. - Detaillierte Beschreibung der Erfindung
-
1 zeigt einen Längsschnitt durch einen beispielhaften erfindungsgemäßen elektrischen Verdichter16 . - Der elektrische Verdichter
16 weist ein Verdichterrad17 , einen Elektromotor18 , eine Steuereinheit1 und ein Gehäuse2 auf. - Der Elektromotor
18 ist vermittels der Steuereinheit1 steuerbar und dient dem wahlweisen Antrieb des Verdichterrads17 . - Das Verdichterrad
17 und der Elektromotor18 sind koaxial auf einer gemeinsamen Welle19 angeordnet, wobei die Welle19 entlang einer zentralen Längsachse8 des elektrischen Verdichters16 ausgebildet ist. - Das Verdichterrad
17 ist in einem Verdichterradgehäuse20 angeordnet. - Das Verdichterradgehäuse
20 wird durch den Zusammenschluss eines ersten Verdichterradgehäuseteils21 und eines zweiten Verdichterradgehäuseteils22 gebildet. - Der Elektromotor
18 ist als Innenläufer-Elektromotor ausgebildet und weist einen Rotor23 mit Permanentmagneten24 und einen Stator25 mit Statorwicklungen26 auf. - Der Elektromotor
18 dient dem Antrieb des Verdichterrads17 . - Der Rotor
23 des Elektromotors18 ist einteilig mit der Welle19 ausgebildet. - Das Verdichterrad
17 ist drehfest auf der Welle19 angeordnet. - Über die gemeinsame Welle
19 wird die vom Elektromotor18 generierte Rotationsenergie auf das Verdichterrad17 übertragen. - Die Steuereinheit
1 ist entlang der zentralen Längsachse8 des elektrischen Verdichters16 koaxial zu dem Elektromotor18 angeordnet und über zumindest ein Verbindungselement27 mit dem Elektromotor18 , genauer mit den Statorwicklungen26 des Stators25 des Elektromotors18 , elektrisch verbunden. - Der Elektromotor
18 ist in dem Gehäuse2 angeordnet. - Das Gehäuse
2 und das Verdichterradgehäuse20 bilden somit ein gesamtes Verdichtergehäuse28 aus (2 ). -
2 zeigt den in1 in einem Längsschnitt dargestellten beispielhaften erfindungsgemäßen elektrischen Verdichter16 in einer perspektivischen Ansicht, wobei hier ein Verdichtergas-Eingang29 , ein Verdichtergas-Ausgang30 an dem ersten Verdichterradgehäuseteil21 des Verdichterradgehäuses20 ausgebildet ist. - Zudem ist der Zusammenbau des Verdichterradgehäuses
20 und des Gehäuses2 zu dem Verdichtergehäuse28 des elektrischen Verdichters16 ersichtlich. - Das Verdichterradgehäuse
20 kann auch einteilig mit dem Gehäuse2 des elektrischen Verdichters16 ausgebildet sein. -
3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Gehäuses2 des elektrischen Verdichters16 . - Das Gehäuse
2 weist zumindest ein offenes Ende3 zur Aufnahme der Steuereinheit1 auf. - Das Gehäuse
2 ist an seiner Gehäuseinnenseite7 im Bereich des offenen Endes3 im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. - Das Gehäuse
2 weist an dem offenen Ende3 zumindest eine innenumfängliche Ausnehmung4 auf, wobei die Ausnehmung4 in Richtung des Gehäuseinnenraums5 des Gehäuses2 offen ausgebildet ist. - Die Ausnehmung
4 ist ringförmig entlang der Gehäuseinnenseite7 ausgebildet. - Das Gehäuse
2 weist in Bezug auf eine Richtung entlang einer Längsachse8 des Gehäuses2 vor und nach der Ausnehmung4 jeweils eine ringförmige Nut9 auf. - In die ringförmigen Nuten
9 sind jeweils ringförmige, vollständig umlaufende Dichtungselemente10 eingelegt (4 ). -
4 zeigt einen Längsschnitt des Gehäuses2 des elektrischen Verdichters16 mit eingesteckter Steuereinheit1 . - Die Steuereinheit
1 ist derart in das Gehäuse2 eingebracht, dass sie zum einen das offene Ende3 des Gehäuses2 und zum anderen die innenumfängliche Ausnehmung4 verschließt. - Die Dichtung vermittels der Dichtungselemente
10 in den ringförmigen Nuten9 wird durch Zusammenwirken der Steuereinheit1 und der Dichtungselemente10 bewirkt. - In
4 ist ersichtlich, dass durch die Ausbildung jeweils einer Nut9 mit jeweils einem darin angeordneten Dichtungselement10 in Bezug auf eine Richtung entlang einer Längsachse8 des Gehäuses2 vor und nach der Ausnehmung4 vermittels der eingebrachten Steuereinheit1 ein erster Dichtbereich14 vor und ein zweiter Dichtbereich15 nach der Ausnehmung4 ausgebildet wird. - Die innenumfängliche Ausnehmung
4 des Gehäuses2 ist von einem Kühlfluid durchströmbar ausgebildet. - Das Kühlfluid tritt dabei über einen Kühlfluid-Eintritt
11 in die Ausnehmung4 des Gehäuses ein und über einen Kühlfluid-Austritt12 wieder aus der Ausnehmung4 des Gehäuses2 aus (5 ). - Die Steuereinheit
1 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nahezu vollständig, mit Ausnahme von Kontaktierungsstellen13 , von einer Ummantelung6 umgeben (4 ,5 ). - Insbesondere im Bereich an dem die Steuereinheit
1 die Ausnehmung4 verschließt ist die Steuereinheit1 von der Ummantelung6 umgeben. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Steuereinheit
- 2
- Gehäuse
- 3
- Offenes Ende (des Gehäuses)
- 4
- Ausnehmung
- 5
- Gehäuseinnenraum
- 6
- Ummantelung
- 7
- Gehäuseinnenseite
- 8
- Längsachse
- 9
- Nut
- 10
- Dichtungselement
- 11
- Kühlfluid-Eintritt
- 12
- Kühlfluid-Austritt
- 13
- Kontaktierungsstelle
- 14
- Erster Dichtbereich
- 15
- Zweiter Dichtbereich
- 16
- Elektrischer Verdichter
- 17
- Verdichterrad
- 18
- Elektromotor
- 19
- Welle
- 20
- Verdichterradgehäuse
- 21
- Erstes Verdichterradgehäuseteil
- 22
- Zweites Verdichterradgehäuseteil
- 23
- Rotor
- 24
- Permanentmagnet
- 25
- Stator
- 26
- Statorwicklung
- 27
- Verbindungselement
- 28
- Verdichtergehäuse
- 29
- Verdichtergas-Eingang
- 30
- Verdichtergas-Ausgang
Claims (6)
- Elektrischer Verdichter (
16 ) zum Verdichten eines Gases, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend – ein Verdichterrad (17 ), – einen Elektromotor (18 ), wobei das Verdichterrad (17 ) vermittels des Elektromotors (18 ) antreibbar ist, – eine Steuereinheit (1 ), wobei der Elektromotor (18 ) vermittels der Steuereinheit (1 ) steuerbar ist, und – ein Gehäuse (2 ), wobei das Gehäuse (2 ) zumindest ein offenes Ende (3 ) zur Aufnahme der Steuereinheit (1 ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2 ) an dem offenen Ende (3 ) zumindest eine innenumfängliche Ausnehmung (4 ) aufweist, wobei die Ausnehmung (4 ) in Richtung des Gehäuseinnenraums (5 ) offen ausgebildet ist und die Steuereinheit (1 ) derart in das Gehäuse (2 ) einsteckbar ist, dass sie das offene Ende (3 ) des Gehäuses (1 ) und die innenumfängliche Ausnehmung (4 ) verschließt, wobei die innenumfängliche Ausnehmung (4 ) des Gehäuses (2 ) von einem Kühlfluid durchströmbar ist. - Elektrischer Verdichter (
16 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (1 ) zumindest teilweise von einer Ummantelung (6 ) umgeben ist, wobei die Ummantelung (6 ) aus einem thermisch gut leitenden Material besteht. - Elektrischer Verdichter (
16 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2 ) an seiner Gehäuseinnenseite (7 ) im Bereich des offenen Endes (3 ) im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist. - Elektrischer Verdichter (
16 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entlang einer Längsachse (8 ) des Gehäuses (2 ) vor und nach der Ausnehmung (4 ) jeweils zumindest eine ringförmige Nut (9 ) zur Aufnahme eines Dichtungselements (10 ) ausgebildet ist. - Elektrischer Verdichter (
16 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2 ) einteilig oder mehrteilig aufgebaut ist. - Elektrischer Verdichter (
16 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (2 ) zumindest teilweise der Elektromotor (18 ) des elektrischen Verdichters (16 ) angeordnet ist.
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