DE102016210948A1

DE102016210948A1 - Elektro-Verdichter mit kompakter Lagerung

Info

Publication number: DE102016210948A1
Application number: DE102016210948.0A
Authority: DE
Inventors: Eugen Bernarding; Jan Ehrhard; Lars Vornweg
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2017-12-21
Also published as: WO2017220324A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen als elektromotorisch betriebenen Laufradverdichter ausgebildeten Elektro-Verdichter (1), insbesondere zur Anordnung in einem Aufladesystem eines Verbrennungsmotors, der einen Laufradverdichter (30) mit Verdichterlaufrad (13), sowie einen Elektromotor (20) mit einem Stator (23) und einem Rotor (12) aufweist. Dabei sind das Verdichterlaufrad (13) und der Rotor (12) auf einer gemeinsamen, Läuferwelle (14) angeordnet und mit der Läuferwelle (15) drehfest verbunden. Die Läuferwelle (15) ist nur in einem zentralen Lagerbereich (41) zwischen Verdichterlaufrad (13) und Rotor (12) mittels einer Lageranordnung (40) um die Läuferdrehachse (15) drehbar gelagert. Die kompakte Anordnung der Lageranordnung (40) ermöglicht eine Minimierung von Fluchtungsfehlern zwischen den einzelnen Lagern und erleichtert die Kühlung der Lager. Dadurch wird die Lebensdauer der Lagerung signifikant verlängert.

Description

Die Erfindung betrifft einen als elektromotorisch betriebenen Laufradverdichter ausgebildeten Elektro-Verdichter, insbesondere zur Anordnung und für den Einsatz in einem Aufladesystem eines Verbrennungsmotors.
Zur Effizienz-Steigerung und zur Einhaltung immer strenger werdender Abgas-Grenzwerte werden moderne Verbrennungsmotore für Kraftfahrzeuge vermehrt mit Aufladesystemen ausgerüstet. Dies geschieht mit dem Ziel den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO₂-Ausstoß zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, den Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken und somit mehr Treibstoff, Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
Dazu werden vermehrt auch Abgasturbolader eingesetzt, mit deren Hilfe die im Abgas des Verbrennungsmotors enthaltene Energie zur Erzeugung des Druckes im Ansaugtrakt genutzt wird.
Solche Abgasturbolader weisen eine im Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnete Abgasturbine, einen im Ansaugtrakt angeordneten Frischluftverdichter und ein dazwischen angeordnetes Läuferlager auf. Die Abgasturbine weist ein Turbinengehäuse und ein darin angeordnetes, durch den Abgasmassenstrom angetriebenes Turbinenlaufrad auf. Der Frischluftverdichter weist ein Verdichtergehäuse und ein darin angeordnetes, einen Ladedruck aufbauendes Verdichterlaufrad auf. Das Turbinenlaufrad und das Verdichterlaufrad sind auf den sich gegenüberliegenden Enden einer gemeinsamen Welle, der sogenannten Läuferwelle, drehfest angeordnet und bilden so den sogenannten Turboladerläufer. Die Läuferwelle erstreckt sich axial zwischen Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad durch das zwischen Abgasturbine und Frischluftverdichter angeordnete Läuferlager und ist in diesem, in Bezug auf die Läuferwellenachse, radial und axial drehgelagert. Gemäß diesem Aufbau treibt das vom Abgasmassenstrom angetriebene Turbinenlaufrad über die Läuferwelle das Verdichterlaufrad an, wodurch der Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors, bezogen auf den Frischluftmassenstrom hinter dem Frischluftverdichter, erhöht und dadurch eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff bewirkt wird. Bei einer Lasterhöhung zum Beispiel im Zusammenhang mit einem Beschleunigungsvorgang eines Kraftfahrzeugs wird der Turboladerläufer erst durch den ansteigenden Abgasdruck beschleunigt. Aus diesem Grund und verstärkt durch die träge Masse des Turboladerläufers erfolgt der Druckaufbau im Ansaugtrakt verzögert, was wiederum ein verzögertes Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors, das allgemein als sogenanntes Turboloch bezeichnet wird, zur Folge hat.
Diesem unerwünschten Effekt wird mit unterschiedlichen Lösungsansätzen entgegengetreten, wie zum Beispiel mit der parallelen oder sequenziellen Anordnung mehrerer Turbolader unterschiedlicher Baugröße, Leistung und Ansprechverhalten. Ein weiterer Lösungsansatz besteht in der zusätzlichen Anordnung einer vom Abgasstrom unabhängig betreibbaren Verdichtereinheit im Ansaugtrakt, die als Ergänzung zu einem Abgasturbolader, gezielt in transienten Betriebsphasen des Verbrennungsmotors, für den schnellen Druckaufbau im Ansaugtrakt, also zur Eliminierung des Turboloches eingesetzt wird.
Für diese Anwendung haben sich elektromotorisch betriebene Verdichter, die auch als E-Booster oder E-Compressor sowie hier vorausgehend und im Folgenden als Elektro-Verdichter bezeichnet werden, als vorteilhaft erwiesen.
Die Verdichterkomponente an sich ist dabei in der Regel als Laufradverdichter ausgeführt und weist somit den gleichen oder einen ähnlichen Aufbau auf, wie ein in einem Abgasturbolader eingesetzter Laufradverdichter. Solche Laufradverdichter sind in bekannten Bauformen als Radialverdichter, als Radial-Axial-Verdichter (Mixed-Flow-Verdichter) oder als Axialverdichter ausgeführt und weisen ein Verdichterlaufrad mit einer auf einer Laufradnabe angeordneten Laufradbeschaufelung auf. Dabei wird das in einem Verdichtergehäuse auf einer Läuferwelle angeordnete Verdichterlaufrad mit hoher Drehzahl angetrieben, in diesem Fall durch einen Elektromotor, saugt das zu verdichtende Medium in der Regel in axialer Richtung an und führt das verdichtete Medium in einer durch die Laufradbeschaufelung und die Laufradnabe sowie das umgebende Verdichtergehäuse vorgegebenen Richtung ab. Die jeweilige Benennung gibt dabei die Richtung des abströmenden verdichteten Mediums an.
1 zeigt schematisiert einen solchen Elektro-Verdichter 1, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, in Schnitt-Darstellung. Dieser weist einen als Radialverdichter ausgebildeten Laufradverdichter 30 mit einem Verdichtergehäuse 31 und einem darin angeordneten Verdichterlaufrad 13, einen Elektromotor 20 mit einem Elektromotorgehäuse 21 mit Stator 23 und Rotor 12 auf. Desweiteren schließt sich bei dieser Ausführung eine elektrische Steuerungseinheit 50 für den Elektromotor, an das Elektromotorgehäuse 51 an, die jedoch auch separat angeordnet sein könnte.
Das Verdichterlaufrad 13 und der Rotor 12 des Elektromotors 20 bilden zusammen mit der Läuferwelle 14 den Verdichterläufer 10 der im Betrieb um die Läuferdrehachse 15 der Läuferwelle 14 rotiert. Die Läuferdrehachse 15 und die Elektro-Verdichter-Achse 2 fallen zusammen und sind durch die eingezeichnete Mittellinie dargestellt, die die axiale Ausrichtung des Elektro-Verdichters 1 kennzeichnet. Der Verdichterläufer 10 ist mit seiner Läuferwelle 14 mittels zweier, durch den Rotor 12 des Elektromotors 20 getrennt voneinander angeordneter Einzellager 42, 43 im Elektromotorgehäuse 21 drehbar gelagert.
Aufgrund der erforderlichen hohen Drehzahlen werden hohe Anforderungen an die Läuferdynamik und somit die Lagerung des Verdichterläufers 10 gestellt. Da in der Regel keine Ölversorgung des Elektro-Verdichters vorgesehen ist, kommen deshalb häufig lebensdauergeschmierte Wälzlagerungen zum Einsatz. Bei den bekannten Konzepten sind durchweg, wie gezeigt, zwei Einzellager 42, 43 beidseitig des Rotors 12 des Elektromotors 20 auf der Läuferwelle 14 angeordnet und in zugehörigen Lagersitzen 44, 45 des Elektromotorgehäuses 21 aufgenommen. Aufgrund des konzeptbedingten Montageablaufes bei dieser Anordnung der Einzellager 42, 43 und der sich daraus ergebenden zwangsläufigen Teilung des Elektromotorgehäuses 21, in zum Beispiel Motorgehäusetopf 21a und Motorgehäusedeckel 21b, sind die beiden Lagersitze 44, 45 weit voneinander entfernt und zwangsläufig in zwei unterschiedlichen Gehäuseteilen 21a, 21b angeordnet.
Dies bringt mehrere Nachteile mit sich. Zum einen hat dies zur Folge, dass Fertigungstoleranzen der beiden Gehäuseteile, die die Lagersitze tragen, und Montagetoleranzen beim Fügen dieser beiden Gehäuseteile unweigerlich zu einem Fluchtungsfehler der beiden Lagersitze führen. Dieser Fluchtungsfehler hat negative Auswirkungen auf die Lebensdauer der Lagerung. Zum Anderen ist bei dieser räumlich weit getrennten Anordnung der beiden Lagersitze zusätzlich eine, aufgrund der Wärmeentwicklung bei der Verdichtung der Ansaugluft erforderliche oder zumindest vorteilhafte, Kühlung der Einzellager erheblich erschwert. Eine mangelhafte Kühlung der dauergeschmierten Radiallager kann zum Austritt des Schmiermittels und so gegebenenfalls sogar zum verfrühten Ausfall der Lager führen. Zugleich verursacht diese Anordnung einen erschwerten Montageablauf bei der Montage des Elektor-Verdichters durch die getrennte Anordnung der Einzellager beidseitig des Rotors und in unterschiedlichen Gehäuseteilen des Elektromotorgehäuses.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es deshalb einen Elektro-Verdichter, also einen mit einem Elektromotor verbundenen und elektromotorisch betriebenen Laufradverdichter anzugeben, bei dem die Lagerung des Verdichterläufers verbessert und zugleich der Montageaufwand gegenüber den bekannten Ausführungen reduziert ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Elektro-Verdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäß weist der insbesondere zur Anordnung in einem Aufladesystem eines Verbrennungsmotors geeignete Elektro-Verdichter einen Laufradverdichter mit einem Verdichtergehäuse und einem darin angeordneten Verdichterlaufrad, sowie einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor in einem Elektromotorgehäuse auf. Das Verdichterlaufrad und der Rotor sind auf einer gemeinsamen, um eine Läuferdrehachse drehbare Läuferwelle angeordnet und mit der Läuferwelle drehfest verbunden. Weiterhin ist der Elektro-Verdichter dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferwelle nur in einem zentralen Lagerbereich zwischen Verdichterlaufrad und Rotor mittels einer Lageranordnung um die Läuferdrehachse drehbar gelagert ist. Das Verdichterlaufrad und der Rotor des Elektromotors sind somit jeweils auf einem freien Ende der Läuferwelle angeordnet und die gesamte Lageranordnung zur radialen und axialen Lagerung des Verdichterläufers ist sehr kompakt und zentral, zwischen Verdichterlaufrad und Rotor angeordnet. Weitere Lagerkomponenten zum Beispiel an den beiden Enden der Läuferwelle sind explizit nicht vorgesehen.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Elektro-Verdichters bestehen dem gemäß darin, dass eine bessere Maßgenauigkeit der Anordnung der Einzellager der Lageranordnung gewährleistet werden kann, wobei zugleich die Montage der Lageranordnung durch die kompakte Anordnung vereinfacht ist. Darüber hinaus ergeben sich Vorteile bei der Wuchtkorrektur des Verdichterläufers, also von Verdichterlaufrad und Rotor im Rahmen der Montage, durch die bessere Zugänglichkeit des Rotors im montierten Zustand. Auch die Anordnung einer Steuereinheit direkt am Elektromotor und die elektrische Verbindung der Steuereinheit mit dem Stator des Elektromotors sind vereinfacht. Nicht zuletzt kann auch eine gezielte Kühlung der Lageranordnung in einfacher Weise realisiert werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes werden in den Unteransprüchen offenbart.
Im Rahmen der Erfindung kann die Lageranordnung des Elektro-Verdichters aus zumindest zwei Einzellagern bestehen, die zumindest als Radiallager wirken, wobei das jeweilige Einzellager als Gleitlager oder als Wälzlager ausgeführt ist. Dadurch wird eine kippstabile Lagerung des Verdichterläufers gewährleistet. Die Lageranordnung kann beispielsweise auch aus mehr als zwei Einzellagern bestehen, die im zentralen Lagerbereich der Läuferwelle in axialer Richtung nebeneinander angeordnet sind.
In vorteilhafter weiterer Ausführung des Elektro-Verdichters weist die Lageranordnung zumindest ein Einzellager auf, das als Axiallager oder als Radial-Axiallager wirkt und die Läuferwelle und somit den Verdichterläufer in axialer Richtung abstützt. Es kann dazu zum Beispiel zusätzlich zu zwei als Radiallager wirkenden Einzellagern ein separates reines Axiallager angeordnet sein. Alternativ kann jedoch auch zumindest ein Einzellager als Radial-Axiallager ausgeführt sein, das die Läuferwelle sowohl in radialer als auch axialer Richtung stützt. Hierzu können beispielsweise Kugellager oder Kegelrollenlager zum Einsatz kommen. Dies dient in vorteilhafter Weise dazu die zum Beispiel vom Verdichterlaufrad im Betrieb verursachten, auf die Läuferwelle wirkenden Axialkräfte abzustützen.
Eine weitere Ausgestaltung des Elektro-Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Einzellager der Lageranordnung in einem bestimmten axialen Abstand von einander in Bezug auf die Läuferdrehachse in dem zentralen Lagerbereich angeordnet sind. Dieser Abstand kann durch eine oder mehrere zwischen den Einzellagern auf der Läuferwelle oder in der Lageraufnahme angeordnete Abstandshülsen festgelegt werden. Durch den bestimmten Abstand der Einzellager wird die Kippstabilität der Läuferwelle weiter erhöht. Dabei muss jedoch ein vertretbarer Kompromiss zwischen Erhöhung der Kippstabilität und Verringerung der Baulänge der Lageranordnung gefunden werden. Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Elektro-Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Einzellager Bestandteil einer als integrales Bauteil ausgebildeten Lagerkartusche sind. Dies ermöglicht einen hochpräzisen Zusammenbau der Lageranordnung im Vorfeld der Endmontage des Elektroverdichters und verringert so die Anzahl der bereitzustellenden Einzelteile und der einzelnen Montageschritte in der Endmontage des Elektro-Verdichters. Eine solche Lagerkartusche kann separat durch einen hoch spezialisierten Zulieferer hergestellt und bereitgestellt werden, was sich in der Regel positiv auf die Qualität und die Kosten auswirkt.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Elektro-Verdichters ist die Lageranordnung in einer einteiligen Lageraufnahme aufgenommen, wobei die Lageraufnahme in einem einteiligen Lageraufnahme-Gehäuseteil ausgebildet ist. Die Lageraufnahme ist beispielsweise als konzentrisch zu der Läuferdrehachse in einem Lageraufnahme-Gehäuseteil angeordnete Durchgangsbohrung ausgebildet, in der, je nach Ausgestaltung der Lageranordnung, die Einzellager oder eine Lagerkartusche aufgenommen und darin festgelegt sind. Dies ermöglicht die hochpräzise Bearbeitung der Lageraufnahme für alle Einzellager der Lageranordnung in einem Arbeitsschritt bei der Herstellung des Lageraufnahme-Gehäuseteils, wodurch Fluchtungsfehler zwischen den Einzellagern vermieden und Lageabweichungen zwischen Läuferdrehachse und Elektro-Verdichter-Achse minimiert werden können.
Die kompakte Gestaltung und zentrale Anordnung der Lageranordnung ermöglicht weiterhin eine erhöhte Flexibilität bei der Gestaltung von Verdichtergehäuse und Elektromotorgehäuse, dadurch, dass das Lageraufnahme-Gehäuseteil dem Verdichtergehäuse oder dem Elektromotorgehäuse zugeordnet werden kann oder zwischen dem Verdichtergehäuse und dem Elektromotorgehäuse, sozusagen als separates Koppelelement, angeordnet werden kann. So kann beispielsweise das Lageraufnahme-Gehäuseteil Bestandteil eines Motorgehäusetopfes sein und den Topfboden des Motorgehäusetopfes bilden, an den sich das Verdichtergehäuse anschließt, wobei im diesem Topfboden die Lageraufnahme für die Lageranordnung ausgebildet ist. Alternativ kann das Lageraufnahme-Gehäuseteil, das die Lageraufnahme aufweist, als separates Koppelelement zwischen Verdichtergehäuse und Elektromotor angeordnet werden, wobei das Lageraufnahme-Gehäuseteil einerseits als Motorgehäusedeckel und Motorschild und andererseits als Rückwand, insbesondere als Diffusorrückwand, des Verdichtergehäuses dient.
Eine weiterführende Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Elektro-Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stator des Elektromotors als mit einer elektrischen Wicklung ausgestatteter Außenstator mit einer axialen Erstreckung in Richtung der Läuferdrehachse ausgeführt ist, der an seinen axialen Endbereichen axial über den Rotor überstehende Wickelköpfe aufweist, wobei die Lageranordnung radial innerhalb des der Lageranordnung zugewandten Wickelkopfes, in axialer Richtung mit dem Wickelkopf überlappend angeordnet ist.
Mit anderen Worten weist der Elektromotor einen mit Kupferdrahtwicklungen ausgestatteten, mit dem Elektromotorgehäuse verbundenen, ein magnetisches Drehfeld erzeugenden Statorkörper auf, der den auf der Läuferwelle angeordneten Rotor, der beispielsweise mit Permanentmagneten ausgestattet ist, umfasst und sich axial über den Rotor erstreckt. Die Kupferdrahtwicklungen stehen in den axialen Endbereichen des Stators über den Statorkörper und den Rotor über und bilden so beidseitig des Statorkörpers sogenannten Wickelköpfe aus. Diese Wickelköpfe erhöhen den Bauraumbedarf des Elektromotors in axialer Richtung. Radial innerhalb der Wickelköpfe besteht jedoch ein freier Bauraum, der bei entsprechender Gestaltung der Lageraufnahme, des Lageraufnahme-Gehäuseteils bzw. entsprechender Anordnung der Lageranordnung genutzt werden kann indem die Lageranordnung radial innerhalb des der Lageranordnung zugewandten Wickelkopfes, in axialer Richtung mit dem entsprechenden Wickelkopf überlappend angeordnet wird. Dies reduziert den Bauraumbedarf des Elektromotors bzw. der Lageranordnung in axialer Richtung.
In einer weiterführenden Ausführung des erfindungsgemäßen Elektro-Verdichters bei dem die Lageraufnahme in einem Lageraufnahme-Gehäuseteil angeordnet ist, bildet das Lageraufnahme-Gehäuseteil einen Teil des Elektromotorgehäuses 21, in dem zugleich der Stator des Elektromotors angeordnet ist. Dies ermöglicht es in vorteilhafter Weise, dass der Aufnahmebereich für den Stator und die Lageraufnahme für die Lageranordnung bei der Herstellung des Lageraufnahme-Gehäuseteils in einer Aufspannung bearbeitet und so präzise konzentrisch zueinander in einer gemeinsamen Flucht ausgerichtet werden können. Dies ermöglicht eine präzise zentrierte Positionierung der Läuferwelle mit dem Rotor im Innenraum des Stators und somit eine Verbesserung des Wirkungsgrads des Elektromotors.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Elektro-Verdichters bei dem die Lageraufnahme in einem Lageraufnahme-Gehäuseteil angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Lageraufnahme-Gehäuseteil einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlmantel-Hohlraum aufweist, der sich zumindest über den Bereich der Lageraufnahme erstreckt. Dies ermöglicht eine effiziente Kühlung der Lageranordnung im Betrieb und somit eine Erhöhung der Lebensdauer der Lageranordnung. Wenn das Lageraufnahme-Gehäuseteil, wie zuvor beschrieben, derart ausgebildet ist, dass es einen Teil des Elektromotorgehäuses, in dem zugleich der Stator des Elektromotors angeordnet ist, bildet, so kann sich der von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlmantel-Hohlraum auch zusätzlich über den Bereich des Stators erstrecken und so die zusätzliche Kühlung des Elektromotors ermöglichen, was sich wiederum positiv auf den Wirkungsgrad des Elektromotors auswirkt.
Die Merkmale und Merkmalskombinationen der vorgenannten Ausführungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind, soweit diese nicht alternativ anwendbar sind oder sich gar gegenseitig ausschließen, einzeln, zum Teil oder insgesamt, auch in gegenseitiger Kombination oder gegenseitiger Ergänzung, in Fortbildung des erfindungsgemäßen Gegenstands anzuwenden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Voreilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der 2 bis 4 dargestellt und im Folgenden erläutert.
Es zeigen:
1 Einen Elektro-Verdichter gemäß dem Stand der Technik mit den wesentlichen Komponenten, in vereinfachter schematischer Schnitt-Darstellung;
2 Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektro-Verdichters.
3 Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektro-Verdichters.
4 Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektro-Verdichters.
Funktions- und/oder Benennungsgleiche Teile sind in den Figuren durchgängig mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
1 betrifft einen Elektro-Verdichter 1 mit allen wesentlichen Komponenten, gemäß dem Stand der Technik, wie einleitend beschrieben.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektro-Verdichters 1, der einen Laufradverdichter 30 mit einem Verdichtergehäuse 31 und einem darin angeordneten Verdichterlaufrad 13, sowie einen Elektromotor 20 mit einem Stator 23 und einem Rotor 12 in einem Elektromotorgehäuse 21 aufweist. Das Verdichterlaufrad 13 und der Rotor 12 sind auf einer gemeinsamen, um eine Läuferdrehachse 15 drehbaren Läuferwelle 14 angeordnet und sind mit der Läuferwelle 14 drehfest verbunden. Erfindungsgemäß ist der Elektro-Verdichter 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferwelle 14 nur in einem zentralen Lagerbereich 41 zwischen Verdichterlaufrad 13 und Rotor 12 mittels einer Lageranordnung 40 um die Läuferdrehachse 15 drehbar gelagert ist.
Der Laufradverdichter 30 weist ein Verdichtergehäuse 31 und das darin angeordnete Verdichterlaufrad 13 auf. Das Verdichtergehäuse 31 weist einen Frischluftzuführkanal 36 auf, der einen Saugrohr-Anschlussstutzen 37 zum Anschluss an das Frischluft-Saugsystem (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors aufweist und in Richtung der Elektro-Verdichter-Achse 2 auf das axiale Ende des Verdichterlaufrades 13 zu verläuft. Über diesen Frischluftzuführkanal 36 wird ein Frischluftmassenstrom vom Verdichterlaufrad 13 aus dem Frischluft-Ansaugsystem angesaugt. Weiterhin weist das Verdichtergehäuse 31 in der Regel einen, ringförmig um die Elektro-Verdichter-Achse 2 und das Verdichterlaufrad 13 angeordneten, sich schneckenförmig vom Verdichterlaufrad 13 weg erweiternden Ringkanal, eine sogenannte Verdichterflute 32, auf. Diese Verdichterflute 32 weist eine zumindest über einen Teil des Innenumfanges verlaufende Spaltöffnung mit definierter Spaltbreite, den sogenannten Diffusor 35 auf, der in radialer Richtung vom Außenumfang des Verdichterlaufrades 13 weg gerichtet in die Verdichterflute 32 hinein verläuft und durch den der Frischluftmassenstrom vom Verdichterlaufrad 13 weg unter erhöhtem Druck in die Verdichterflute 32 strömt. Die Verdichterflute 32 weist weiterhin einen tangential nach außen gerichteten Frischluftabführkanal (nicht dargestellt) mit einem Verteiler-Anschlussstutzen zum Anschluss an ein Ansaugrohr eines Verbrennungsmotors auf. Durch den Frischluftabführkanal wird der Frischluftmassenstrom unter erhöhtem Druck in das Ansaugrohr des Verbrennungsmotors geleitet.
Das Verdichterlaufrad 13 weist eine Laufradbeschaufelung 131 auf, die auf einer Laufradnabe 132 angeordnet ist. In eine zentrisch in der Laufradnabe 132 eingebrachte Durchgangsbohrung 133 ist die Läuferwelle 14 eingefügt und drehfest mit dem Verdichterlaufrad 13 verbunden.
In axialer Richtung schließt sich das Elektromotorgehäuse 21 des Elektromotors 20 an das Verdichtergehäuse 31 an. Das Elektromotorgehäuse 21 weist einen Motorgehäusetopf 21a und einen Motorgehäusedeckel 21b auf. Der Motorgehäusetopf 21a schließt direkt an das Verdichtergehäuse 31 an und weist auf seiner dem Verdichtergehäuse 31 zugewandten Unterseite einen Topfboden 22 auf, der verdichtergehäuseseitig als Motorschild 22a ausgebildet ist, das in dieser Eigenschaft zugleich einen Teil der Rückwand des Verdichtergehäuses 31 und des Diffusors 35 bildet und das Elektromotorgehäuse 20 zum Verdichtergehäuse 31 hin abgrenzt. Auf der vom Verdichtergehäuse 31 abgewandten Seite ist der Motorgehäusetopf 21a mit dem Motorgehäusedeckel 21b verschlossen.
Im Motorgehäusetopf 21a ist, konzentrisch zur Läuferachse 15, der Stator 23 und der konzentrisch innerhalb des Stators 23 angeordnete Rotor 12 des Elektromotors 20 untergebracht. Der Rotor 12 und das Verdichterlaufrad 13 bilden zusammen mit der Läuferwelle 14 den sogenannten Verdichterläufer 10. Die Läuferwelle 14 und somit der Verdichterläufer 10 ist nur in einem zentralen Lagerbereich 41, der zwischen dem Verdichterlaufrad 13 und dem Rotor 12 des Elektromotors 20 angeordnet ist, mittels einer Lageranordnung 40 um die Läuferdrehachse 15 drehbar gelagert, sodass das Verdichterlaufrad 13 und der Rotor 12 jeweils auf einem freien Ende der Läuferwelle 14 angeordnet sind.
Die Lageranordnung 40 ist in einer Lageraufnahme 47 aufgenommen, die im Topfboden 22 des Motorgehäusetopfes 21a einteilig mit dem Motorgehäusetopf 21a ausgebildet ist. Somit stellt bei dieser Ausführung der Motorgehäusetopf 21a zugleich ein einteiliges Lageraufnahme-Gehäuseteil 48 dar, das dem Elektromotorgehäuse 20 zugeordnet ist. Die Lageraufnahme 47 selbst ist als zylinderförmige in den Motorgehäusetopf-Innenraum ragende Erhebung zentrisch zur Elektro-Verdichter-Achse 2 im Topfboden 22 ausgebildet. In der zylinderförmigen Erhebung ist eine, ebenfalls zentrisch zur Elektro-Verdichter-Achse 2 angeordnete, Durchgangsbohrung eingebracht, die zur Aufnahme der Lageranordnung 40 und der Läuferwelle 14, die sich durch die Durchgansbohrung hindurch erstreckt, dient.
Die Lageranordnung 40 selbst besteht hier, sowie auch in der in 3 dargestellten Ausführung, aus zwei Einzellagern 42, 43, die als Wälzlager ausgeführt sind und zumindest als Radiallager wirken. Solche Wälzlager können in gekannter Weise als Kugellager, Rollenlager oder Nadellager ausgeführt sein. In bevorzugter Weise kommt dabei zumindest ein Wälzlager zum Einsatz, das zugleich als Axiallager wirkt, wie dies beispielsweise bei einem Kugelalger oder einem Kegelrollenlager gegeben ist.
Die beiden Einzellager 42, 43 sind hier, in einem durch eine auf der Läuferwelle 14 aufgeschobene Abstandshülse 49 bestimmten axialen Abstand voneinander, direkt in der Durchgangsbohrung der Lageraufnahme 47 aufgenommen. Positionierung und Fixierung der Einzellager 42, 43 bzw. der Lageranordnung 40 in der Lageraufnahme 47 können in an sich bekannter Weise, zum Beispiel mittels in der Durchgangsbohrung und auf der Läuferwelle 14 angeordneter Anschlag-Absätze und Sicherungsringen, erfolgen.
Bei allen in den 2 bis 4 dargestellten Ausführungen des Elektro-Verdichters 1 ist der Stator 23 des Elektromotors 20 als mit einer elektrischen Wicklung, ausgestatteter Außenstator, mit einer axialen Erstreckung in Richtung der Läuferdrehachse 15, ausgeführt. Das heißt, die einzelnen Elektromagnetpole erstrecken sich in axialer Richtung im Elektromotorgehäuse 21, sind auf dem Innenumfang des Motorgehäusetopfes 21a feststehend angeordnet und bilden so quasi einen Hohlzylinder, in dessen Innenraum der Rotor 12 mit der Läuferwelle 14 frei drehend angeordnet ist. Die einzelnen Elektromagnetpole sind mit Kupferdraht- oder Kupferblech-Wicklung ausgestattet, die mittels einer Elektromotor-Steuereinheit 50 wechselnd so mit Strom und Spannung beaufschlagt werden, dass der Stator 23 ein elektromagnetisches Drehfeld erzeugt, das den mit Permanentmagneten ausgestatteten Rotor 12 in Drehung versetzt. Konstruktionsbedingt ragen die Kupferdraht- oder Kupferblech-Wicklungen des Stators 23 in den axialen Endbereichen in axialer Richtung über die Elektromagnetpole und den Rotor 12 hinaus und bilden so die sogenannten Wickelköpfe 24, 25.
Der radial innerhalb des, der Lageranordnung 40 zugewandten Wickelkopfes 24 bestehende Freiraum wird nun dadurch genutzt, dass die Lageranordnung 40 in axialer Richtung in diesen Freiraum hineinragt, und somit mit dem Wickelkopf 24 überlappend angeordnet ist.
Die Steuereinheit 50 ist in allen Figuren lediglich durch das Steuerungsgehäuse 51 symbolisch dargestellt. Es versteht sich, dass eine solche Steuereinheit 50 zumindest einen Teil der für den Betrieb des Elektromotors 20 erforderlichen elektronischen Steuerungs- und Leistungskomponenten aufweist, die mit den Kupferdraht- oder Kupferblech-Wicklungen des Stators 23, also mit dem Stator 23, elektrisch verbunden sind. Die direkte Anordnung der Steuereinheit 50 an dem, vom Verdichtergehäuse 31 abgewandten Ende des Elektromotorgehäuses 21 ermöglicht die elektrische Verbindung zum Stator 23 auf kurzem Weg. Dies wird zusätzlich dadurch begünstigt, dass sich an diesem Ende des Verdichterläufers 10 kein Lager der Läuferwelle 14 befindet. Wie in 2 dargestellt, kann durch diese Anordnung der Steuerungseinheit 50, der Motorgehäusedeckel 21b zugleich als Gehäusedeckel des Steuerungsgehäuses 51 dienen.
3 zeigt eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Elektro-Verdichters 1, dessen Aufbau sich von dem in 2 gezeigten Beispiel lediglich durch die Teilung bzw. den Aufbau des Elektromotorgehäuses 21 unterscheidet. Hier ist zwischen Vedichtergehäuse 31 und Elektromotorgehäuse 21 ein separates Lageraufnahme-Gehäuseteil 48 angeordnet, welches als Koppelelement das Verdichtergehäuse 31 mit dem Motorgehäusetopf 21 a koppelt. In dieser Funktion schließt das Lageraufnahme-Gehäuseteil 48 direkt an das Verdichtergehäuse 31 an und ist auf der Seite des Verdichtergehäuses 31 als Motorschild 22a ausgebildet, das in dieser Eigenschaft zugleich einen Teil der Rückwand des Verdichtergehäuses 31 und des Diffusors 35 bildet. Zugleich bildet das Lageraufnahme-Gehäuseteil 48 auf der Seite des Elektromotors 20 den Motorgehäusedeckel 21b der das Elektromotorgehäuse 20 zum Verdichtergehäuse 31 hin abgrenzt.
Die Lageraufnahme 47 selbst ist als zylinderförmige in den Motorgehäusetopf-Innenraum ragende Erhebung zentrisch zur Elektro-Verdichter-Achse 2 auf der dem Elektromotor 20 zugewandten Seite des Lageraufnahme-Gehäuseteils 48 ausgebildet. In der zylinderförmigen Erhebung ist eine, ebenfalls zentrisch zur Elektro-Verdichter-Achse 2 angeordnete, Durchgangsbohrung eingebracht, die zur Aufnahme der Lageranordnung 40 und der Läuferwelle 14, die sich durch die Durchgangsbohrung hindurch erstreckt, dient.
Der Motorgehäusetopf 21a ist mit seiner Öffnung zum Lageraufnahme-Gehäuseteil 48 hin orientiert und ist auf der vom Lageraufnahme-Gehäuseteil 48 abgewandten Seite mit einem Topfboden 22 geschlossen. Auf der Außenseite des Topfbodens 22 ist unmittelbar das Steuerungsgehäuse 51 der Elektromotor-Steuerungseinheit angeordnet, wodurch sich ähnliche Vorteile wie bei der zuvor beschriebenen Ausführung ergeben.
4 zeigt eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Elektro-Verdichters 1, dessen Aufbau sich von den in den 2 und 3 gezeigten Beispielen durch die Teilung bzw. den Aufbau des Elektromotorgehäuses 21, die Anordnung und Ausführung der Lageraufnahme 47 und eine Kühlungseinrichtung für die Lageranordnung und den Stator 23 des Elektromotors 20 unterscheidet.
Das Elektromotorgehäuse weist hier einen Motorgehäusetopf 21a auf, der einen topfförmigen Aufnahmebereich für den Stator 23 des Elektromotors 20, die Lageraufnahme 47 für die Lageranordnung 40 und einen Kühlmantel-Hohlraum 28 in sich vereint.
Der Aufnahmebereich für den Stator 23 ist durch eine innere Topfwand 29a gebildet und konzentrisch zur Elektro-Verdichter-Achse 2 im Motorgehäusetopf 21a angeordnet. Dieser Aufnahmebereich, weist einen auf der Verdichterseite angeordneten Topfboden 22 auf und ist auf der vom Verdichtergehäuse 31 abgewandten Seite offen ausgebildet. Die Lageraufnahme 47 ist im Topfboden 22 des Motorgehäusetopfes 21a einteilig mit dem Motorgehäusetopf 21a ausgebildet. Somit bildet bei dieser Ausführung das Lageraufnahme-Gehäuseteil 48 einen Teil des Motorgehäusetopfes 21a des Elektromotorgehäuses 21, in dem zugleich der Stator 23 des Elektromotors 20 angeordnet ist. Anders ausgedrückt stellt bei dieser Ausführung der Motorgehäusetopf 21a zugleich ein einstückiges Lageraufnahme-Gehäuseteil 48 dar, das dem Elektromotorgehäuse 20 zugeordnet ist. Dabei ist die Lageraufnahme 47 als zylinderförmige, sich in axialer Richtung von der dem Verdichtergehäuse 31 zugewandten Außenseite des Topfbodens 22, in Richtung des Verdichtergehäuses 31 sich erstreckende Erweiterung des Topfbodens 22 ausgebildet, die zentrisch zur Elektro-Verdichter-Achse 2 im Topfboden 22 angeordnet ist. In dieser zylinderförmigen Erweiterung ist eine, ebenfalls zentrisch zur Elektro-Verdichter-Achse 2 angeordnete, Durchgangsbohrung eingebracht, die zur Aufnahme der Lageranordnung 40 und der Läuferwelle 14, die sich durch die Durchgangsbohrung hindurch erstreckt, dient.
Die Lageranordnung 40 selbst ist in dieser Ausführung dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Einzellager 42, 43 Bestandteil einer als integrales Bauteil ausgebildeten Lagerkartusche 46 sind. Die Lagerkartusche 46 weist alle für die radiale und axiale Lagerung der Läuferwelle 14 erforderlichen Einzellager auf, die als Radiallager, Radial-Axiallager oder Axiallager wirken, und ist als integrale, vormontierte Baueinheit in die einteilig mit dem Motorgehäusetopf 21a ausgebildete Lageraufnahme 47 eingesetzt. Dabei ragt die Lagerkartusche 46, in Richtung auf den Rotor 12 des Elektromotors 20 zu, in den radial innerhalb des Wickelkopfes 24 des Stators 23 bestehenden Freiraum, ist also in axialer Richtung mit dem Wickelkopf 24 überlappend angeordnet.
Der Kühlmantel-Hohlraum 28 ist durch eine äußere Topfwand 29b, die die innere Topfwand 29a in einem radialen Abstand umspannt und sich in axialer Richtung über den Aufnahmebereich für den Stator 23 und die Lageraufnahme 47 erstreckt, zwischen der inneren Topfwand 29a und der äußeren Topfwand 29b ausgebildet. Der Kühlmantel-Hohlraum 28 ist auf der vom Verdichtergehäuse 31 abgewandten Seite des Motorgehäusetopfes 21a durch einen Hohlraumboden 29c geschlossen und zum Verdichtergehäuse 31 hin offen ausgebildet und erstreckt sich in diesem Ausführungsbeispiel über die Lageraufnahme 47 und den Aufnahmebereich für den Stator 23. In anderer Ausführung (nicht dargestellt) kann der Hohlraumboden 29c, zum Beispiel in Richtung zum Verdichtergehäuse 31 hin, verlagert und der Kühlmantel-Hohlraum 28 somit zum Beispiel auf den Bereich der Lageraufnahme 47 begrenzt sein.
Zwischen Verdichtergehäuse 31 und Motorgehäusetopf 21a ist eine Koppelplatte 21c angeordnet, die den Motorgehäusetopf 21a an das Verdichtergehäuse 31 koppelt. In dieser Funktion schließt die Koppelplatte 21c direkt an das Verdichtergehäuse 31 an und ist auf der Seite des Verdichtergehäuses 31 als Motorschild 22a ausgebildet, das in dieser Eigenschaft zugleich einen Teil der Rückwand des Verdichtergehäuses 31 und des Diffusors 35 bildet.
Zugleich bildet die Koppelplatte 21c auf der Seite des Elektromotors 20 die Abdeckung des Kühlmantel-Hohlraums 28 und grenzt das Elektromotorgehäuse 20 zum Verdichtergehäuse 31 hin ab. Zur Abdichtung des Kühlmantel-Hohlraumes 28 sind zwischen Koppelplatte 21c und Motorgehäusetopf 21a Dichtungen, zum Beispiel O-Ring-Dichtungen 28a, angeordnet. In der 4 nicht dargestellt sind die erforderlichen Zu- und Ableitungsanschlüsse, zum Beispiel in der äußeren Topfwand 29b, durch die ein Kühlmedium, das im Betrieb den Kühlmantel-Hohlraum 28 zur Wärmeabfuhr durchströmt, zu- und abgeführt werden kann.
Der Aufnahmebereich des Motorgehäusetopfes 21a für den Stator 23 ist auf der dem Verdichtergehäuse 31 und der Koppelplatte 21c abgewandten Seite mit einem Motorgehäusedeckel 21b geschlossen. Auch hier ist die Steuereinheit 50 direkt an dem, vom Verdichtergehäuse 31 abgewandten Ende des Elektromotorgehäuses 21 angeordnet und ermöglicht so die elektrische Verbindung zum Stator 23 auf kurzem Weg. Wie in 4 dargestellt, kann durch diese Anordnung der Steuerungseinheit 50, der Motorgehäusedeckel 21b zugleich als Gehäusedeckel des Steuerungsgehäuses 51 dienen, wodurch die Anzahl der zu montierenden Einzelteile des Elektro-Verdichters 1 reduziert ist.

Claims

Elektro-Verdichter (1), insbesondere zur Anordnung in einem Aufladesystem eines Verbrennungsmotors, der einen Laufradverdichter (30) mit einem Verdichtergehäuse (31) und einem darin angeordneten Verdichterlaufrad (13), sowie einen Elektromotor (20) mit einem Stator (23) und einem Rotor (12) in einem Elektromotorgehäuse (21) aufweist, wobei das Verdichterlaufrad (13) und der Rotor (12) auf einer gemeinsamen, um eine Läuferdrehachse (15) drehbare Läuferwelle (14) angeordnet und mit der Läuferwelle (14) drehfest verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferwelle (14) nur in einem zentralen Lagerbereich (41) zwischen Verdichterlaufrad (13) und Rotor (12) mittels einer Lageranordnung (40) um die Läuferdrehachse (15) drehbar gelagert ist.
Elektro-Verdichter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung (40) aus zumindest zwei Einzellagern (42, 43) besteht, die zumindest als Radiallager wirken, wobei das jeweilige Einzellager als Gleitlager oder als Wälzlager ausgeführt ist.
Elektro-Verdichter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung (41) zumindest ein Einzellager aufweist, das als Axiallager oder als Radial-Axiallager wirkt und die Läuferwelle (14) in axialer Richtung abstützt.
Elektro-Verdichter (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Einzellager (42, 43) in einem axialen Abstand von einander in Bezug auf die Läuferdrehachse (15) in dem zentralen Lagerbereich (41) angeordnet sind.
Elektro-Verdichter (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Einzellager (42, 43) Bestandteil einer als integrales Bauteil ausgebildeten Lagerkartusche 46 sind.
Elektro-Verdichter (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung (40) in einer Lageraufnahme (47) aufgenommen ist, wobei die Lageraufnahme (47) in einem einteiligen Lageraufnahme-Gehäuseteil (41) ausgebildet ist.
Elektro-Verdichter (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lageraufnahme-Gehäuseteil (41) dem Verdichtergehäuse 31 oder dem Elektromotorgehäuse (21) zugeordnet ist oder zwischen dem Verdichtergehäuse 31 und dem Elektromotorgehäuse (21) angeordnet ist.
Elektro-Verdichter (1) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (23) des Elektromotors (20) als mit einer elektrischen Wicklung ausgestatteter Außenstator mit einer axialen Erstreckung in Richtung der Läuferdrehachse (15) ausgeführt ist, der an seinen axialen Endbereichen axial über den Rotor (12) überstehende Wickelköpfe (24, 25) aufweist, wobei die Lageranordnung (40) radial innerhalb des der Lageranordnung (40) zugewandten Wickelkopfes (24), in axialer Richtung mit dem Wickelkopf (24) überlappend angeordnet ist.
Elektro-Verdichter (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lageraufnahme-Gehäuseteil (41) einen Teil des Elektromotorgehäuses 21 bildet, in dem zugleich der Stator (23) des Elektromotors (20) angeordnet ist.
Elektro-Verdichter (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Lageraufnahme-Gehäuseteil (41) einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlmantel-Hohlraum (48) aufweist, der sich zumindest über die Lageraufnahme (47) erstreckt.