DE102017204796A1

DE102017204796A1 - Verfahren zum Sichern des Stators bei schnelllaufenden Elektromotoren

Info

Publication number: DE102017204796A1
Application number: DE102017204796.8A
Authority: DE
Inventors: Frederick M. Huscher; Austin Hoke
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2016-04-11
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2017-10-12
Anticipated expiration: 2037-03-23
Also published as: CN107294258B; US9976561B2; US20170292524A1; CN107294258A; JP2017192290A; DE102017204796B4; KR20170116573A

Abstract

Es wird eine elektromechanische Maschine bereitgestellt, die einen elektromagnetischen Rotor, ein Gehäuse mit einer inneren Öffnung mit einem Anschlag, eine erste Lagerbefestigung zum Stützen eines ersten Lagers, das den Rotor in dem Gehäuse drehbar befestigt, eine mit dem Gehäuse verbundene Abdeckung, die einen Ansatz aufweist, der ein Inneres aufweist, das eine zweite Lagerbefestigung bereitstellt, die ein zweites Lager stützt, das den Rotor in dem Gehäuse drehbar befestigt, einen Stator mit einer Spielpassung in der inneren Öffnung des Gehäuses, wobei der Stator in einer Richtung zu der ersten Lagerbefestigung durch den Gehäuseanschlag axial beschränkt wird, wobei der Stator einen axialen Spielraum in einer Richtung zu dem Abdeckungsansatz aufweist, und ein mit einem äußeren Ende des Ansatzes verbundenes elastomeres Abstandsstück, das den axialen Spielraum zwischen dem Stator und dem Ansatz nachgiebig ausfüllt, wodurch der Stator in einer axialen Richtung positioniert und eine Bewegung des Stators in einer Winkelrichtung in der Gehäuseöffnung eingeschränkt wird, umfasst.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Elektromotoren. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Elektromotoren, die bei elektrischen Turboladern eingesetzt werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Zur Verbesserung des Wärmewirkungsgrads von Brennkraftmaschinen ist es oftmals wünschenswert, den Druck der Einlassladung für die Kraftmaschine zu erhöhen. Frühere Lösungen setzten einen Verdichter ein, der entweder durch den Kurbeltrieb der Kraftmaschine mechanisch angetrieben wurde (Aufladung) oder durch den Abgasstrom der Kraftmaschine thermisch und kinetisch angetrieben wurde (Turboaufladung). Eine wesentliche Einschränkung beider Ansätze besteht darin, dass, da sie auf Kraftmaschinenleistung basieren, eine Einlassaufladung zu Zeitpunkten geringer Kraftmaschinenleistung nicht zur Verfügung steht. Eine Lösung dieses Problems besteht darin, entweder einen eigenständigen elektrisch betriebenen Verdichter zu verwenden oder den mit dem Turbolader integralen vorhandenen Verdichter elektrisch zu unterstützen. Aufgrund des erforderlichen thermodynamischen Verhaltens des Verdichters sind hohe Drehzahlen für die elektrische Maschine erforderlich. Die elektrische Maschine wird ähnlich hohen Drehzahlen unterworfen, wodurch ein Elektromotor/Generator mit hoher Drehzahl und niedrigem Drehmoment für diese Anwendung vorgegeben wird.
Die meisten elektrisch unterstützten Verdichter setzen ein durch einen Elektromotor angetriebenes Verdichterrad ein. Der Elektromotor weist in der Regel einen elektromagnetischen Rotor auf, der von einem elektrischen Stator umgeben wird. Um eine Drehung des Stators innerhalb des Gehäuses zu verhindern, wird der Stator in der Regel unter Verwendung eines Haftmittels, eines mechanischen Befestigungsmittels oder einer Presspassung zwischen dem Stator und dem Statorgehäuse festgehalten. Es ist wünschenswert, einen Elektromotor bereitzustellen, der zur Verwendung bei einem elektrisch unterstützten Turbolader oder Lader geeignet ist, wobei ein Stator des Motors eine Spielpassung in dem Motorgehäuse aufweisen kann, wodurch niedrigere Montagekosten aufgrund der leichteren Einführung des Stators in das Motorgehäuse, Verzicht auf Presspassungen, Haftmittel, Befestigungsmittel oder zusätzliche Teile, um eine Drehung des Stators in dem Motorgehäuse zu verhindern, während zugleich eine Passung vorliegt, die eng genug ist, um eine leitende Wärmeübertragung zwischen dem Stator und dem Motorgehäuse zu fördern, gestattet werden.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Um den oben erwähnten Anforderungen zu entsprechen, wird eine Offenbarung der vorliegenden Erfindung angeführt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bietet die vorliegende Erfindung die Freiheit einer elektromechanischen Maschine, die einen elektromagnetischen Rotor, ein Gehäuse mit einer inneren Öffnung mit einem Anschlag, eine erste Lagerbefestigung zum Stützen eines ersten Lagers, das den Rotor in dem Gehäuse drehbar befestigt, eine mit dem Gehäuse verbundene Abdeckung, die einen Ansatz aufweist, der ein Inneres aufweist, das eine zweite Lagerbefestigung bereitstellt, die ein zweites Lager stützt, das den Rotor in dem Gehäuse drehbar befestigt, einen Stator mit einer Spielpassung in der inneren Öffnung des Gehäuses, wobei der Stator in einer Richtung zu der ersten Lagerbefestigung durch den Gehäuseanschlag axial beschränkt wird, wobei der Stator einen axialen Spielraum in einer Richtung zu dem Abdeckungsansatz aufweist, und ein mit einem äußeren Ende des Ansatzes verbundenes elastomeres Abstandsstück, das den axialen Spielraum zwischen dem Stator und dem Ansatz nachgiebig ausfüllt, wodurch der Stator in einer axialen Richtung positioniert und eine Bewegung des Stators in einer Winkelrichtung in der Gehäuseöffnung eingeschränkt wird, umfasst.
Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung gehen aus der hier im Folgenden bereitgestellten detaillierten Beschreibung hervor. Es versteht sich, dass, obgleich die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, sie lediglich der Veranschaulichung dienen sollen und nicht den Schutzumfang der Erfindung einschränken sollen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird durch die detaillierte Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen verständlicher; in den Zeichnungen zeigen:
1 eine perspektivische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer elektromechanischen Maschine der vorliegenden Erfindung, die als Verdichter eingesetzt wird;
2 eine Vergrößerung eines Abschnitts von 1;
3 eine perspektivische Endansicht der elektromechanischen Maschine von 1, wobei eine Abdeckung entfernt ist;
4 eine perspektivische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer elektromechanischen Maschine der vorliegenden Erfindung, die als Turbine eingesetzt wird;
5 eine Vergrößerung eines Abschnitts von 4; und
6 eine perspektivische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer elektromechanischen Maschine der vorliegenden Erfindung, die als Turbolader eingesetzt wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhaft und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen keineswegs beschränken.
Mit Bezug auf 1–3 wird ein elektrisch unterstützter Turbolader 7 und Elektromotor der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. Der Turbolader 7 weist eine elektromagnetische Rotoranordnung 10 auf, die eine Rotorwelle 12 umfasst. An einem Ende der Rotorwelle 12 ist ein Turboladerverdichterrad 14 verbunden. Die Rotorwelle 12 ist an einem ersten Ende durch ein erstes Lager 16 drehbar befestigt. Bei dem ersten Lager 16 kann es sich um ein Rollenlager, ein Fluidfilmlager, ein Magnetlager oder ein Luftfolienlager handeln. Das erste Lager 16 ist in einer ersten Lagerbefestigung 18 positioniert und wird darin gestützt. Die erste Lagerbefestigung 18 ist bezüglich eines Gehäuses 20 fixiert und integral damit ausgebildet. Das Gehäuse ist in der Regel aus Aluminium, Edelstahl, Gusseisen oder Polymer hergestellt. Vor dem ersten Lager 16 befindet sich eine Dichtung 22. Die Rotorwelle 12 weist eine Schulter 24 auf, die an der Dichtung 22 anliegt. Die Rotorwelle 12 weist des Weiteren eine äußere radiale Schulter 26 auf, die an dem ersten Lager 16 anliegt. Das Gehäuse 20 weist eine innere Öffnung 30 auf. Die innere Öffnung weist einen axialen Anschlag auf, der durch eine Schulter 32 bereitgestellt wird.
Eine Abdeckung 38 ist vorgesehen. Die Abdeckung ist in der Regel aus Aluminium, Edelstahl, Gusseisen oder Polymer hergestellt. Die Abdeckung 38 weist eine äußere Fläche 34 auf, die sich allgemein gegenüber der Seite des Gehäuses, die die erste Lagerbefestigung 18 aufweist, befindet. Die Abdeckung weist einen fest verbundenen Ansatz 40 auf. Der Ansatz 40 ist rohrförmig und stellt eine zweite Lagerbefestigung 42 für ein zweites Lager 46 bereit, die die Statorwelle 12 neben einem Ende allgemein gegenüber dem Verdichterrad 14 drehbar befestigt. Das zweite Lager 46 kann mehrere Arten von Lager wie das erste Lager 16 sein. Das Lager 46 liegt an einer Schulter 48 der Rotorwelle 12 an.
Ein elektrischer Stator 50 ist vorgesehen. Der Stator wird in 1 und 2 schematisch gezeigt, jedoch weist der Stator einen ferromagnetischen Körper oder Kern auf, der aus einer Reihe von Schichten hergestellt ist. Die Schichten sind mit Spulenwicklungen 51 umwickelt. Der Stator weist eine Gleitpassung mit der Gehäuseöffnung 30 auf. So wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff Gleitpassung auf eine Spielpassung, die fest, jedoch lose genug ist, um ein leichtes manuelles Einführen oder Drehen des Stators nach dem Einführen in die Gehäuseöffnung zu gestatten. Bei gewissen Anwendungen kann der Außendurchmesser des Stators auch mit Wärmeleitpaste bedeckt sein, die die Wärmeleitung zwischen dem Stator und dem Gehäuse unterstützt. Eine Schicht 52 entlang einem vorderen Ende des Stators berührt die Schulter 32 der Gehäuseöffnung, um ihre axiale Position in einer Richtung zum Verdichterrad 14 hin zu beschränken.
Die Abdeckung 38 weist eine Schulter 56 auf. Die Schulter 56 berührt die Fläche 58 des Gehäuses, wobei sichergestellt wird, dass ein geringer Spielraum zwischen einer Schicht 60 des Stators und einer äußeren axialen Endfläche 62 des rohrförmigen Ansatzes 40 vorliegt, wenn das vordere Ende des Stators an der Gehäuseschulter 32 anliegt. Die axiale Endfläche 62 des rohrförmigen Ansatzes weist eine Geometrie zur Aufnahme eines elastomeren Abstandshalters auf. Bei der Geometrie kann es sich um eine Nut gemäß der Darstellung oder ein beliebiges anderes Muster zur Aufnahme/Ausrichtung eines elastomeren Abstandshalters, wie z. B. unter anderem eines Stegs oder einer anderen Konfiguration, handeln. Der elastomere Abstandshalter kann wie ein O-Ring gemäß der Darstellung geformt sein, kann jedoch andere ringförmige Glieder mit anderen Querschnittsformen, wie z. B. rechtwinkliger, polygonaler und krummliniger Form, sein. Ein elastomerer Abstandshalter berührt die Geometrie 64. Der elastomere Abstandshalter 70 füllt nachgiebig den axialen Spielraum zwischen dem Stator und dem Ansatz 40 aus, wodurch der Stator 50 in einer axialen Richtung positioniert wird und eine Bewegung des Stators in einer Winkelrichtung in dem Gehäuse aufgrund von Haftreibung bei der Grenzfläche des Stators/des elastomeren Abstandshalters/der Kappe (des Ansatzes) eingeschränkt wird.
Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das axiale Zusammendrücken des elastomeren Abstandshalters einen relativ großen axialen Bearbeitungsspielraum und eine relativ große Toleranz zwischen dem Stator und der Kappe gestattet. Da die obige elastomere Grenzfläche zusammengedrückt wird, wird durch das Zusammendrücken eine axiale Kraft zwischen dem Stator und der Schulter des Statorgehäuses ausgeübt, wodurch der Stator ohne eine zusätzliche Fixierung in der axialen Richtung sicher beschränkt wird.
4 und 5 stellen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einer elektromechanischen Maschine der vorliegenden Erfindung eines Turbinengenerators 107 dar. Mit einem in einem Gehäuse 120 und einer Abdeckung 138 befestigten Rotor 100 ist ein Turbinenrad 114 verbunden. Das Kraftmaschinenabgas treibt die Turbine an. Ein O-ringförmiger elastomerer Abstandshalter 170 ist in einer axialen Fläche 162 eines Ansatzes 140 vorgesehen. Der elastomere Abstandshalter 170 beschränkt eine Winkelbewegung des Stators 150. Der Stator 150 wird auch durch einen Anschlag 132 der Gehäuseöffnung axial beschränkt.
6 stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einer elektromechanischen Maschine der vorliegenden Erfindung eines Turboladers 207 dar. Mit einem Rotor 220, der in einem Gehäuse 220 und einer Abdeckung 238 befestigt ist, ist ein Turbinenrad 214 und ein Verdichterrad 215 verbunden. Ein O-ringförmiger elastomerer Abstandshalter 270 ist in einer axialen Fläche 262 eines Ansatzes 240 vorgesehen und ist auch dazu vorgesehen, eine Winkelbewegung des Stators 250 zu beschränken. Der Stator 250 wird auch durch einen Anschlag 232 der Gehäuseöffnung axial beschränkt.
Die Beschreibung der Erfindung ist rein beispielhaft, und somit sollen Variationen, die nicht von dem Kern der Erfindung abweichen, innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung liegen. Solche Variationen sind nicht als Abweichung vom Gedanken und Schutzbereich der Erfindung anzusehen.

Claims

Elektromechanische Maschine, die Folgendes umfasst: einen elektromagnetischen Rotor; ein Gehäuse mit einer inneren Öffnung mit einem Anschlag; eine bezüglich des Gehäuses fixierte erste Lagerbefestigung zum Stützen eines ersten Lagers, das den Rotor in dem Gehäuse drehbar befestigt; eine fest mit dem Gehäuse verbundene Abdeckung, wobei die Abdeckung einen fest verbundenen Ansatz aufweist, der ein Inneres aufweist, das eine zweite Lagerbefestigung bereitstellt, die ein zweites Lager stützt, das den Rotor in dem Gehäuse drehbar befestigt; einen Stator mit einer Spielpassung in der inneren Öffnung des Gehäuses, wobei der Stator in einer Richtung zu der ersten Lagerbefestigung durch den Gehäuseanschlag axial beschränkt wird, wobei der Stator einen axialen Spielraum in einer Richtung zu dem Abdeckungsansatz aufweist; und ein mit einem äußeren Ende des Ansatzes verbundenes elastomeres Abstandsstück, das den axialen Spielraum zwischen dem Stator und dem Ansatz nachgiebig ausfüllt, wodurch der Stator in einer axialen Richtung positioniert und eine Bewegung des Stators in einer Winkelrichtung in der Gehäuseöffnung eingeschränkt wird.
Elektromechanische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Ansatz eine Geometrie an dem äußeren Ende aufweist und eine axiale Fläche des elastomeren Abstandshalters zur Platzierung des elastomeren Abstandshalters darin platziert ist.
Elektromechanische Maschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Anschlag eine Schulter in der inneren Öffnung des Gehäuses ist.
Elektromechanische Maschine nach Anspruch 2 oder nach Anspruch 3, wenn dieser von Anspruch 2 abhängig ist, wobei die Geometrie zwei Seitenwände aufweist.
Elektromechanische Maschine nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Stator Schichten aufweist und wobei eine der Schichten den Anschlag in dem Gehäuse berührt.
Elektromechanische Maschine nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Stator Schichten aufweist und wobei eine der Schichten den elastomeren Abstandshalter berührt.
Elektromechanische Maschine nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Lager aus einer Gruppe gewählt wird, die Rollenlager, Fluidfilmlager, Magnetlager oder Luftfolienlager umfasst.
Elektromechanische Maschine nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zweite Lager aus einer Gruppe gewählt wird, die Rollenlager, Fluidfilmlager, Magnetlager oder Luftfolienlager umfasst.
Elektromechanische Maschine nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Rotor mit einer Komponente verbunden ist, die aus einer Gruppe gewählt wird, die Turbinenräder und Verdichterräder umfasst.
Elektromechanische Maschine nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Rotor mit einem Turbinenrad und einem Verdichterrad verbunden ist.
Elektromechanische Maschine nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Rotor mit einem Turbinenrad verbunden ist und der Stator Teil eines Generators ist.
Elektromechanische Maschine nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor Drehzahlen von bis zu 200.000 rpm erzielen kann.
Elektromechanische Maschine nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abdeckung eine Schulter zur Beschränkung einer axialen Position der Abdeckung bezüglich des Gehäuses aufweist.
Elektromechanische-Maschine-Turbolader, der Folgendes umfasst: einen elektrischen Rotor, der mit mindestens einem einer Gruppe von Rädern, die Turbinenräder und Verdichterräder umfasst, verbunden ist; ein Gehäuse mit einer inneren Öffnung mit einem Schulteranschlag; eine bezüglich des Gehäuses fixierte erste Lagerbefestigung zum Stützen eines Lagers, das den Rotor in dem Gehäuse drehbar befestigt; eine fest mit dem Gehäuse verbundene Abdeckung, wobei die Abdeckung einen fest verbundenen Ansatz aufweist, der ein Inneres aufweist, das eine zweite Lagerbefestigung bereitstellt, die ein zweites Lager stützt, das den Rotor in dem Gehäuse drehbar befestigt, wobei die Abdeckung einen Schulteranschlag zum Festlegen einer axialen Beschränkung der Abdeckung bezüglich des Gehäuses aufweist; einen elektrischen Stator, der Schichten aufweist, die mit Spulenwicklungen umwickelt sind, wobei der Stator eine Spielpassung in dem Gehäuse aufweist, wobei der Stator in einer Richtung zu der ersten Lagerbefestigung durch den die Schichten berührenden Gehäuseschulteranschlag axial beschränkt wird, wobei der Stator einen axialen Spielraum in einer Richtung zu dem Abdeckungsansatz aufweist; und ein in einer Geometrie in einer äußeren axialen Endfläche des Ansatzes verbundenes elastomeres Abstandsstück, das den axialen Spielraum zwischen dem Stator und dem Ansatz nachgiebig ausfüllt, wodurch der Stator in einer axialen Richtung positioniert und eine Bewegung des Stators in einer Winkelrichtung in dem Gehäuse eingeschränkt wird.
Elektromechanische-Maschine-Turbolader, der Folgendes umfasst: einen elektrischen Rotor, der mit einem Turbinenrad und einem Verdichterrad verbunden ist; ein Gehäuse mit einer inneren Öffnung mit einem Schulteranschlag; eine bezüglich des Gehäuses fixierte erste Lagerbefestigung zum Stützen eines Lagers, das den Rotor in dem Gehäuse drehbar befestigt; eine fest mit dem Gehäuse verbundene Abdeckung, wobei die Abdeckung einen fest verbundenen Ansatz aufweist, der ein Inneres aufweist, das eine zweite Lagerbefestigung bereitstellt, die ein zweites Lager stützt, das den Rotor in dem Gehäuse drehbar befestigt, wobei die Abdeckung einen Schulteranschlag zum Festlegen einer axialen Beschränkung der Abdeckung bezüglich des Gehäuses aufweist; einen elektrischen Stator, der Schichten aufweist, die mit Spulenwicklungen umwickelt sind, wobei der Stator eine Spielpassung in dem Gehäuse aufweist, wobei der Stator in einer Richtung zu der ersten Lagerbefestigung durch den die Schichten berührenden Gehäuseschulteranschlag axial beschränkt wird, wobei der Stator einen axialen Spielraum in einer Richtung zu dem Abdeckungsansatz aufweist; und ein in einer Geometrie in einer äußeren axialen Endfläche des Ansatzes verbundenes elastomeres Abstandsstück, das den axialen Spielraum zwischen dem Stator und dem Ansatz nachgiebig ausfüllt, wodurch der Stator in einer axialen Richtung positioniert und eine Bewegung des Stators in einer Winkelrichtung in dem Gehäuse eingeschränkt wird.
Turbolader nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, wobei es sich bei der Geometrie um eine Nut handelt.