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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Verdichter zum Verdichten eines Gases, insbesondere für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Verdichters.
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Stand der Technik
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Im Allgemeinen sind Verdichter im Automobilbereich insbesondere im Zusammenhang mit dem Wunsch einer Leistungs- und Effizienzsteigerung einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zu nennen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein weiterer Ansatz stellt in diesem Zusammenhang beispielsweise der Einsatz eines (zusätzlichen) elektrisch angetriebenen Verdichters (elektrischer Verdichter) dar, der unabhängig von einem Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine arbeitet. Ein elektrisch angetriebener Verdichter weist in der Regel ebenso ein Verdichterrad auf, das jedoch von einem Elektromotor angetrieben werden kann.
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Die Veröffentlichung
WO 99/10654 beschreibt beispielsweise einen elektrisch angetriebenen Verdichter, wobei der Verdichter und der elektrische Antriebsmotor koaxial zueinander auf einer Welle angeordnet sind und in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Insbesondere steht dabei die Aufgabe im Vordergrund einen möglichst kleinbauenden Verdichter anzugeben.
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Bei der Planung eines elektrischen Verdichters steht insbesondere eine bauteiloptimierte und kompakte Ausführung des gesamten Verdichters im Vordergrund.
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Die gemeinsame Welle des Elektromotors und des Verdichters ist in der Regel über ein Festlager und ein Loslager im Gehäuse des Verdichters gelagert.
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Das Dokument
DE 10 2012 223 008 A1 beschreibt eine Lagervorrichtung, insbesondere für einen Turbolader, mit einem Gehäuse, einer Welle und mit einem Loslager, das ein Wälzkörperlager, insbesondere Schrägkugellager, aufweist, wobei das Wälzkörperlager durch eine Gleitlagerung axial verschieblich gelagert ist und mit wenigstens einem elastisch verformbaren Ringelement, das der Gleitlagerung zugeordnet ist.
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Bei hochdrehenden Motorkomponenten, wie es ein elektrischer Verdichter ist, werden insbesondere an die Lagerung der Welle hohe Anforderungen gestellt., um einen kontinuierlichen und möglichst geräuscharmen Betrieb des elektrischen Verdichters sicherstellen zu können.
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Die Veröffentlichung
DE 10 2008 003 784 A1 beschreibt beispielsweise eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vollverguss von Statoren von Elektromotoren mit innenliegenden Läufern. Bei dem beschriebenen Verfahren wird der Stator während und/oder nach dem Einbringen von fließfähiger Vergussmasse, wobei die Vergussmasse radial von innen nach außen eingebracht wird, in Rotation versetzt, so dass die Vergussmasse während des Rotationsvorgangs holraumausfüllend und gleichmäßig verteilt wird. Bedingt durch die Zentrifugalkräfte, die die Rotation auf die Vergussmasse ausübt, wird diese in sämtliche Hohlräume und Wicklungsstränge des Stators gedrängt. Der Stator wird dabei voll vergossen. Vermittels des Vollvergusses des Stators und insbesondere der Statorwicklungen kann der Elektromotor sehr kompakt ausgeführt werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist zum einen Aufgabe der Erfindung einen alternativen elektrischen Verdichter anzugeben, der bei kompakter, bauteiloptimierter Bauweise zuverlässig und geräuscharm betrieben werden kann und zum anderen ist es Aufgabe der Erfindung ein simples Verfahren zur Herstellung eines solchen Verdichters anzugeben.
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Die Lösung des ersten Aspekts der Aufgabe erfolgt durch einen elektrischen Verdichter zum Verdichten eines Gases, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Steuereinheit, einen Elektromotor, wobei der Elektromotor vermittels der Steuereinheit steuerbar ist, ein Verdichterrad, wobei das Verdichterrad und der Elektromotor koaxial auf einer Welle angeordnet sind und das Verdichterrad vermittels des Elektromotors antreibbar ist, und ein Gehäuse, wobei das Gehäuse zumindest teilweise den Elektromotor umschließt und wobei das Gehäuse vermittels eines Vergussverfahrens derart hergestellt ist, dass einteilig mit dem Gehäuse zumindest eine erste Lagerstelle zur Aufnahme zumindest eines ersten Wellenlagers ausgebildet ist, wobei im Bereich zwischen der ersten Lagerstelle und einem Außenumfang des ersten Wellenlagers zumindest ein elastisches Element angeordnet ist.
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Die Lösung des zweiten Aspekts der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektrischen Verdichters, wobei das Gehäuse vermittels eines Vergussverfahrens derart hergestellt wird, dass einteilig mit dem Gehäuse die erste Lagerstelle zur Aufnahme des ersten Wellenlagers ausgebildet wird.
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Der erfindungsgemäße elektrische Verdichter weist eine Steuereinheit, einen Elektromotor, ein Verdichterrad und ein Gehäuse auf.
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Der Elektromotor ist erfindungsgemäß vermittels der Steuereinheit steuerbar und dient dem wahlweisen Antrieb des Verdichterrads.
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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.
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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.
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Das Verdichterrad und der Elektromotor sind erfindungsgemäß koaxial auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, wobei die Welle entlang einer zentralen Drehachse des Elektromotors ausgebildet ist.
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Die Steuereinheit ist entlang der zentralen Drehachse des Elektromotors bevorzugt koaxial zu dem Elektromotor angeordnet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung dient der Elektromotor dem Antrieb des Verdichterrads.
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Über die gemeinsame Welle wird die vom Elektromotor generierte Rotationsenergie auf das Verdichterrad übertragen.
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Das Gehäuse des erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters dient erfindungsgemäß der Aufnahme von zumindest teilweise dem Elektromotor.
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Bevorzugt dient das Gehäuse des erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters zumindest teilweise der Aufnahme der Steuereinheit.
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Erfindungsgemäß ist das Gehäuse vermittels eines Vergussverfahrens hergestellt, wobei einteilig mit dem Gehäuse eine erste Lagerstelle ausgebildet ist.
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Bei dem Vergussverfahren handelt es sich bevorzugt um ein Spritzgussverfahren oder ein Druckgussverfahren.
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Die erste Lagerstelle dient erfindungsgemäß der Aufnahme eines ersten Wellenlagers.
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Erfindungsgemäß ist in dem Bereich zwischen der ersten Lagerstelle und einem Außenumfang des ersten Wellenlagers zumindest ein elastisches Element angeordnet.
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Das elastische Element ist dabei entweder direkt an dem Außenumfang des ersten Wellenlagers angeordnet, oder kann auch direkt in dem Gehäuse im Bereich der ersten Lagerstelle ausgebildet sein.
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Das elastische Element ist bevorzugt ringförmig ausgebildet und entweder an dem Außenumfang des ersten Wellenlagers angeordnet, oder im Bereich der ersten Lagerstelle einteilig mit dem Gehäuse ausgebildet.
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Eine plattenartige Ausbildung des elastischen Elements ist ebenso denkbar, wobei das elastische Element in dieser Ausführung beispielsweise vermittels eines Klebstoffs an dem Außenumfang des ersten Wellenlagers und/oder an der Kontur der ersten Lagerstelle befestigt sein kann.
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Vermittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des elektrischen Verdichters wird insbesondere eine kompakte und bauteiloptimierte Ausführung, sowie ein zuverlässiger, lebensdaueroptimierter und geräuscharmer Betrieb des elektrischen Verdichters gewährleistet.
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Das erste Wellenlager ist aufgrund der erfindungsgemäßen Ausführung des elektrischen Verdichters radial nicht direkt in der ersten Lagerstelle des Gehäuses angeordnet, sondern über das elastische Element von diesem, insbesondere akustisch, entkoppelt.
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Die Richtungsangabe „radial” bezieht sich auf eine Richtung entlang einer zentralen Drehachse der Welle des erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters.
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Das erste Wellenlager dient dazu die Welle in radialer Richtung in einer Zwangsposition zu halten.
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Das elastische Element ist bevorzugt aus einem elastomeren Werkstoff gefertigt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das erste Wellenlager als Wälzlager ausgebildet.
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Das Wälzlager weist einen Innenring und einen Außenring auf, wobei der Innenring und der Außenring des Wälzlagers vorzugsweise aus Stahl gefertigt sind.
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Des Weiteren weist das Wälzlager bevorzugt zumindest ein Wälzelement auf.
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Das Wälzelement ist zwischen dem Innenring und dem Außenring des Wälzlagers angeordnet und vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff gefertigt.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des elektrischen Verdichters wird der von dem Wälzlager während des Betriebs des elektrischen Verdichters erzeugte Körperschall nicht unmittelbar über den Außenring des Wälzlagers an das Gehäuse und somit in die Umgebung abgestrahlt, sondern über die elastischen Elemente gedämpft, wodurch geräuscharmer Betrieb des elektrischen Verdichters gewährleistet wird. Durch die Ausbildung des ersten Wellenlagers als Wälzlager kann zudem ein verbessertes Ansprechverhalten des elektrischen Verdichters erzielt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist im Bereich der ersten Lagerstelle zumindest ein Federelement angeordnet.
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Das Federelement spannt vorzugsweise zumindest das erste Wellenlager in eine axiale Richtung vor.
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Die Richtungsangabe „axial” bezieht sich auf eine Richtung entlang einer zentralen Drehachse der Welle des erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters.
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Das Federelement dient dazu die Welle in axialer Richtung in eine Zwangsposition zu drücken.
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Derart wird zudem die Lagerung der Welle in axialer Richtung optimiert.
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Es ist von Vorteil, wenn das Gehäuse zumindest teilweise die Steuereinheit umschließt.
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Derart wird eine äußerst kompakte Bauweise des erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters bewirkt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters ist das Gehäuse vermittels des Vergussverfahrens derart hergestellt, dass einteilig mit dem Gehäuse, insbesondere im Gehäuse, eine Kühlstruktur ausgebildet ist.
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Vorzugsweise weist die Kühlstruktur mehrere Kühlkanäle auf.
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Derart kann auf einfache Art und Weise eine bedarfsgerechte Kühlung der in dem Gehäuse angeordneten Bauteile, insbesondere des Elektromotors, erfolgen.
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Das Gehäuse ist bevorzugt aus einem polymeren Werkstoff, einem Kunststoff gefertigt.
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Das Gehäuse ist bevorzugt aus einem thermisch gut leitenden, elektrisch isolierenden Material gefertigt.
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Die in dem Verfahren zur Herstellung des elektrischen Verdichters eingesetzte Vergussmasse entspricht dem Werkstoff des Gehäuses. Als Vergussmassen dienen bevorzugt polymere Materialien, zum Beispiel duroplastische Kunststoffe, thermoplastische Kunststoffe etc. In der Regel sind diese Materialien mit anorganischen Materialien gefüllt, um bestimmte Materialeigenschaften, wie beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit, zu verbessern.
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Durch die Ausbildung des Gehäuses aus einer Vergussmasse aus einem polymeren Werkstoff, insbesondere einem Kunststoff, und der Anordnung des elastischen Elements im Bereich zwischen der ersten Lagerstelle und dem Außenumfang des ersten Wellenlagers kann ein besonders geräuscharmer Betrieb des elektrischen Verdichters gewährleistet werden.
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Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des elektrischen Verdichters wird das Gehäuse vermittels eines Vergussverfahrens derart hergestellt, dass einteilig mit dem Gehäuse die erste Lagerstelle zur Aufnahme des ersten Wellenlagers ausgebildet wird.
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Durch die erfindungsgemäße Herstellung eines Gehäuses mit integrierter erster Lagerstelle zur Aufnahme des ersten Wellenlagers kann auf zusätzliche Bauteile und aufwendige Herstellungsverfahren in diesem Bereich verzichtet werden.
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Des Weiteren können durch die erfindungsgemäße Herstellung des elektrischen Verdichters auch weitere Bauteile optimiert und/oder eingespart werden.
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Das Herstellungsverfahren ist dabei auf einfache Art und Weise durchführbar und die erste Lagerstelle im Gehäuse je nach Bedarf und konstruktiver Ausgestaltung der Welle individuell gestaltbar.
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Bevorzugt wird die erste Lagerstelle vermittels Innendruckspritzgießens und/oder durch das Einbringen von zumindest einem Lagerstellenformkörper hergestellt.
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Bevorzugt wird die Kühlstruktur vermittels Innendruckspritzgießens und/oder durch das Einbringen von zumindest einem Kühlstrukturformkörper hergestellt.
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Der Lagerstellenformkörper und der Kühlstrukturformkörper werden beispielsweise mit dem zu vergießenden Bauteil des erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters, zumindest teilweise dem Elektromotor des erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters, in einer geeigneten Vergussvorrichtung angeordnet und mit Vergussmasse vergossen oder umspritzt.
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Der Lagerstellenformkörper und der Kühlstrukturformkörper werden nach dem Vergussverfahren, d. h. nach Aushärten der Vergussmasse, bevorzugt mechanisch entfernt und/oder durch chemische Reaktion und/oder thermische Reaktion verflüchtigt.
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Bei der Ausbildung der ersten Lagerstelle und/oder der Kühlstruktur vermittels Innendruckspritzgießens wird in eine mit fließfähiger, nicht ausgehärteter Vergussmasse teilgefüllte gasdichte Vorrichtung ein Füllstoff, wie beispielsweise Wasser oder ein Inertgas wie Stickstoff, initiiert. Der Füllstoff wirkt in der Vorrichtung als inneres Formstück und verdrängt die Vergussmasse von innen radial nach außen in Richtung der Innenwände der Vorrichtung. Derart wird ein Hohlraum innerhalb der Vergussmasse geschaffen. Nach Aushärtung der Vergussmasse kann der Füllstoff aus der Vorrichtung entweichen und der entstandene Hohlraum bildet die erste Lagerstelle und/oder die Kühlstruktur aus.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters.
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2 zeigt einen Längsschnitt durch ein Gehäuse inklusive einer Steuereinheit und eines Stators eines Elektromotors eines erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters.
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3 zeigt den Längsschnitt aus 2 inklusive angeordneten Formteilen.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Der in 1 gezeigte elektrische Verdichter weist eine Steuereinheit 2, einen Elektromotor 3, ein Verdichterrad 4 und ein Gehäuse 6 auf.
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Der Elektromotor 3 ist vermittels der Steuereinheit 2 steuerbar und dient dem wahlweisen Antrieb des Verdichterrads 4.
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Das Verdichterrad 4 und der Elektromotor 3 sind koaxial auf einer gemeinsamen Welle 5 angeordnet, wobei die Welle 5 entlang einer zentralen Drehachse 13 des Elektromotors 3 ausgebildet ist.
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Das Verdichterrad 4 ist in einem Verdichterradgehäuse 17 angeordnet.
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Das Verdichterradgehäuse 17 wird durch den Zusammenschluss eines ersten Verdichterradgehäuseteils 18 und eines zweiten Verdichterradgehäuseteils 19 gebildet.
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Der Elektromotor 3 ist als Innenläufer-Elektromotor ausgebildet und weist einen Rotor 14 mit Permanentmagneten 10 und einen Stator 9 mit Statorwicklungen 15 auf.
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Der Elektromotor 3 dient dem Antrieb des Verdichterrads 4.
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Der Rotor 14 des Elektromotors 3 ist einteilig mit der Welle 5 ausgebildet.
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Das Verdichterrad 4 ist drehfest auf der Welle 5 angeordnet.
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Über die gemeinsame Welle 5 wird die vom Elektromotor 3 generierte Rotationsenergie auf das Verdichterrad 4 übertragen.
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Die Steuereinheit 2 ist entlang der zentralen Drehachse 13 des Elektromotors 3 koaxial zu dem Elektromotor 3 angeordnet und mit dem Elektromotor 3 elektrisch verbunden.
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Die Welle 5 ist vermittels einem ersten Wellenlager 11 und einem zweiten Wellenlager 16 gelagert.
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Das erste Wellenlager 11 ist in einer ersten Lagerstelle 26 angeordnet. Die erste Lagerstelle 26 ist vermittels des Vergussverfahrens einteilig mit dem Gehäuse 6 ausgebildet.
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Das zweite Wellenlager 16 ist in einer zweiten Lagerstelle 27 angeordnet, wobei die zweite Lagerstelle 27 in dem zweiten Verdichterradgehäuseteil 19 des Verdichterradgehäuses 17 ausgebildet ist.
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Das erste Wellenlager 11 und das zweite Wellenlager 16 sind jeweils als Kugellager mit einem Innenring 21, einem Außenring 20 und als Kugeln ausgeführten Wälzelementen 22 ausgebildet.
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Entlang des Außenumfangs 23 des Außenrings 20 des ersten Wellenlagers 11 sind zwei ringförmige elastische Elemente 25 angeordnet.
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Zudem ist im Bereich des ersten Wellenlagers 11 ein Federelement 24 angeordnet.
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2 zeigt einen Längsschnitt durch das Gehäuse 6, wobei das Gehäuse 6 die Steuereinheit 2 und den Stator 9 eines Elektromotors 3 umgibt. D. h. in dem Gehäuse 6 des erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters 1 sind der Elektromotor 3 und die Steuereinheit 2 angeordnet.
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Das Gehäuse 6 ist aus einem Vergussverfahren hergestellt, wobei einteilig mit dem Gehäuse 6 eine erste Lagerstelle 26 zur Aufnahme eines ersten Wellenlagers 11 ausgebildet ist.
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Zudem ist einteilig mit dem Gehäuse 6, in dem Gehäuse 6, eine Kühlstruktur 7 ausgebildet.
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Die erste Lagerstelle 26 weist einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt auf und dient der Aufnahme des ersten Wellenlagers 11.
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Die Kühlstruktur 7 weist mehrere Kühlkanäle 8 auf, wobei sich die Kühlkanäle 8 um den Stator 9 des Elektromotors 3 ausbilden.
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Die Kühlstruktur 7 dient im Falle der dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters 1 der Kühlung des Elektromotors 3 und der Steuereinheit 2.
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3 zeigt den Längsschnitt aus 2 mit einem eingesetzten Lagerstellenformkörpern 28 und mehreren Kühlstrukturformkörpern 12.
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Der Lagerstellenformkörper 28 und die Kühlstrukturformkörper 12 werden nach dem Vergussverfahren mechanisch entfernt.
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Der Lagerstellenformkörper 28 dient der Ausbildung der ersten Lagerstelle 26 und weist demnach einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt auf, so dass sich eine kreisrunde erste Lagerstelle 26 für die Aufnahme des ersten Wellenlagers 11 und die Anordnung der Welle 5 und des Rotors 14 des Elektromotors 3 ergibt.
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Die Kühlstrukturformkörper 12 dienen, wie in 3 gezeigt, der Ausbildung von Kühlkanälen 8 der Kühlstruktur 7.
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Der Stator 9 des Elektromotors 3 und die Steuereinheit 2 werden in diesem Ausführungsbeispiel vermittels des Vergussverfahrens vollständig umgossen, lediglich die Stellen an denen die Kühlstrukturformkörper 12 und der Lagerstellenformkörper 28 eingesetzt werden, bleiben frei, so dass die Kühlkanäle 8 der Kühlstruktur 7 und auch die erste Lagerstelle 26 ausgebildet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrischer Verdichter
- 2
- Steuereinheit
- 3
- Elektromotor
- 4
- Verdichterrad
- 5
- Welle
- 6
- Gehäuse
- 7
- Kühlstruktur
- 8
- Kühlkanal
- 9
- Stator
- 10
- Permanentmagnet
- 11
- Erstes Wellenlager
- 12
- Formkörper
- 13
- Zentrale Drehachse
- 14
- Rotor
- 15
- Statorwicklung
- 16
- Zweites Wellenlager
- 17
- Verdichterradgehäuse
- 18
- Erstes Verdichterradgehäuseteil
- 19
- Zweites Verdichterradgehäuseteil
- 20
- Außenring
- 21
- Innenring
- 22
- Wälzelement
- 23
- Außenumfang (des ersten Wellenlagers)
- 24
- Federelement
- 25
- Elastisches Element
- 26
- Erste Lagerstelle
- 27
- Zweite Lagerstelle
- 28
- Lagerstellenformkörper
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 99/10654 [0008]
- DE 102012223008 A1 [0011]
- DE 102008003784 A1 [0013]
