DE102018216907A1

DE102018216907A1 - Elektrische Antriebsmaschine für einen Verdichter und/oder eine Turbine, Turbolader und/oder Turbine

Info

Publication number: DE102018216907A1
Application number: DE102018216907.1A
Authority: DE
Inventors: Konstantin Lindenthal; Markus Knepper; Claus-Christian Oetting; Rene Schepp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-10-02
Filing date: 2018-10-02
Publication date: 2020-04-02

Abstract

Es wird eine elektrische Antriebsmaschine (112) für einen Verdichter (114) und/oder eine Turbine (116), insbesondere für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, vorgeschlagen, Die elektrische Antriebsmaschine (112) umfasst mindestens einen Stator (126). Der Stator (126) weist mindestens eine mehrphasige Antriebswicklung (128) zur Erzeugung eines Antriebsmagnetfelds auf. Weiterhin umfasst die elektrische Antriebsmaschine (112) mindestens einen Rotor (130). Der Rotor (130) weist mindestens eine Rotorwelle (132) auf. Die Rotorwelle (132) ist zum Befestigen an einer Welle (120) des Verdichters (114) und/oder der Turbine (116) ausgebildet. Die Rotorwelle (132) weist weiterhin mindestens eine Aufnahme (136) auf. In der Aufnahme (136) ist ein Permanentmagnet (160) aufgenommen. Die Aufnahme (136) ist ausgebildet durch mindestens ein Abschlusselement (164), mindestens eine Hülse (166) und mindestens ein Anschlusselement (138) zum Anschließen der Rotorwelle (132) an die Welle (120), welche jeweils als separates Element ausgebildet sind. Die Hülse (166) ist mit dem Abschlusselement (164) und mit dem Anschlusselement (138) jeweils formschlüssig verbunden.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene elektrische Antriebsmaschinen und Turbolader bekannt. So offenbart beispielsweise die DE 10 2014 210 451 A1 einen Turbolader mit einer integrierten elektrischen Antriebsmaschine. Turbolader, insbesondere Abgasturbolader, werden insbesondere im Kraftfahrzeugbau dazu genutzt, die Luftfüllung in Zylindern einer Brennkraftmaschine zu erhöhen, um die Leistung der Brennkraftmaschine zu steigern. Häufig werden dazu Abgasturbolader eingesetzt, die vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine angetrieben werden.
Darüber hinaus ist es bekannt, einen Turbolader elektromotorisch zu unterstützen, sodass unabhängig von einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine angesaugte Frischluft verdichtet und der Brennkraftmaschine mit erhöhtem Ladedruck zugeführt werden kann. Auch eine Kombination beider Varianten ist bereits bekannt. Dabei wird ein Abgasturbolader mit einer elektrischen Antriebsmaschine versehen, um die Welle des Abgasturboladers, auf welcher ein Verdichterrad sowie ein Turbinenrad drehfest angeordnet sind, anzutreiben. Hierdurch kann beispielsweise der ansonsten zeitlich verzögerte Ladedruckaufbau maßgeblich beschleunigt werden.
Eine derartige elektrische Antriebsmaschine weist üblicherweise einen Stator, der zumindest eine mehrphasige Antriebswicklung zur Erzeugung eines Antriebsmagnetfelds aufweist, und einen Rotor auf. Der Rotor weist einen Permanentmagneten auf und wird drehfest auf der Welle des Abgasturboladers angeordnet. Die Realisierung der elektromotorischen Unterstützung durch eine elektrische Antriebsmaschine hat den Vorteil, dass die motorische Unterstützung besonders bauraumsparend in den Turbolader integrierbar ist. Durch Bestromen der Phasen der Antriebswicklung mittels einer dafür vorgesehenen Leistungselektronik wird das drehende Antriebsmagnetfeld erzeugt, durch welches der durch die Welle drehbar gelagerte Rotor mit einem vorgebbaren Drehmoment angetrieben wird. Der Permanentmagnet wirkt dabei mit dem drehenden Magnetfeld zusammen.
In EP 1995 426 B1 wird ein Elektromotor beschrieben. Der Elektromotor weist einen Stator, einen Rotor mit einem Rotormagneten und eine mittlere Durchgangsöffnung zwischen dem Stator und dem Rotor auf. Der kleinste Innendurchmesser des Stators ist so groß wie der größte Außendurchmesser des Rotormagneten. Der Elektromotor ist ein Permanentmagnet-Synchronmotor. Der Rotormagnet besteht aus Seltenerdmaterial, insbesondere aus Neodymeisenbor und Samariumkobalt.
In US 8550793 B2 wird eine Verdichteranordnung zum Verdichten von Frischluft für Verbrennungsmotoren, mit einem Verdichterrad und einem Elektromotor mit mindestens einem Stator und mindestens einem Rotor, einem Rotor Magnet und einen Rotorspalt zwischen Rotor und Stator beschrieben. Der Rotorspalt ist derart ausgebildet, dass bei Drehung des Kompressorrades mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 90%, besonders bevorzugt 100% des zu verdichtender Luftmassenstrom wird durch den Rotorspalt geführt wird.
In US 8371121 B2 wird Turbolader, umfassend: ein Turbinenrad; ein Kompressorrad, das mit dem Turbinenrad verbunden ist; ein Elektromotor, der auf einer Seite des Verdichterrads angeordnet ist, die von dem Turbinenrad entfernt ist; und einen Rotor, der drehfest mit dem Verdichterrad verbunden und frei vorspringend ausgebildet ist, beschrieben
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Antriebsmaschinen beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So ist es eine Herausforderung, das Verdichterrad des Turboladers mit einer definierten Kraft axial vorzuspannen und den Rotor ideal zur Turboladerwelle auszurichten, um eine möglichst geringe Unwucht des Gesamtsystems zu erzeugen.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher eine elektrische Antriebsmaschine, ein Verdichter und/oder eine Turbine, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors vorgeschlagen, die die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden und die insbesondere ausgebildet ist, das Verdichterrad des Turboladers mit einer definierten Kraft axial vorzuspannen und den Rotor ideal zur Turboladerwelle auszurichten, um eine möglichst geringe Unwucht des Gesamtsystems zu erzeugen. Weiterhin soll ein Permanentmagnet des Rotors vor Umwelteinflüssen, insbesondere Abgasen und Kondensaten, geschützt werden und somit eine Korrosion vermieden oder zumindest reduziert werden.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Antriebsmaschine für einen Verdichter und/oder eine Turbine, insbesondere für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Die elektrische Antriebsmaschine umfasst mindestens einen Stator. Der Stator weist mindestens eine mehrphasige Antriebswicklung zur Erzeugung eines Antriebsmagnetfelds auf. Weiterhin umfasst die elektrische Antriebsmaschine mindestens einen Rotor. Der Rotor weist mindestens eine Rotorwelle auf. Die Rotorwelle ist zum Befestigen an einer Welle des Verdichters und/oder der Turbine ausgebildet. Die Rotorwelle weist weiterhin mindestens eine Aufnahme auf. In der Aufnahme ist ein Permanentmagnet aufgenommen. Die Aufnahme ist ausgebildet durch mindestens ein Abschlusselement, mindestens eine Hülse und mindestens ein Anschlusselement zum Anschließen der Rotorwelle an die Welle, welche jeweils als separate Elemente ausgebildet sind. Die Hülse ist mit dem Abschlusselement und mit dem Anschlusselement jeweils formschlüssig verbunden. Insbesondere kann die Rotorwelle weiterhin mindestens ein erstes Dichtungselement und mindestens ein zweites Dichtungselement aufweisen. Die Hülse kann mit dem Abschlusselement mittels des ersten Dichtungselements verbunden sein und die Hülse kann weiterhin mit dem Anschlusselement mittels des zweiten Dichtungselements verbunden sein.
Unter einem „Turbolader“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Baugruppe eines Verbrennungsmotors zu verstehen, welche für eine Leistungs- und/oder Effizienzsteigerung geeignet ist. Insbesondere kann ein Teil einer Energie eines Motorabgases genutzt werden, um einen Druck in einem Ansaugsystem zu erhöhen und dadurch mehr Außenluft in einen Zylinder zu befördern als bei einem nicht aufgeladenen Motor.
Unter einer „Turbine“, insbesondere einer Abgasturbine, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige rotierende Strömungsmaschine zu verstehen, welche eingerichtet ist, ein Abfallen einer inneren Energie eines strömenden Fluides in eine mechanische Leistung umzuwandeln, welche sie über ihre Welle abgibt. Einem Fluidstrom kann durch eine möglichst wirbelfreie laminare Umströmung von Turbinenschaufeln ein Teil einer inneren Energie, insbesondere umfassend Bewegungsenergie, Lageenergie und/oder Druckenergie entzogen werden, welcher auf Laufschaufeln der Turbine übergehen kann. Über den Teil der inneren Energie kann dann die Turbinenwelle in Drehung versetzt werden und eine nutzbare Leistung kann an eine angekuppelte Arbeitsmaschine, wie beispielsweise an einen Generator, abgegeben werden. Die Abgasturbine kann eingerichtet sein, um von Auspuffgasen eines Verbrennungsmotors angetrieben zu werden. Eine Wellenleistung der Abgasturbine kann insbesondere für einen Antrieb eines Verdichters zur Aufladung eines Motors verwendet werden.
Unter einem „Verdichter“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung zu verstehen, welche eingerichtet ist, einem eingeschlossenen Gas mechanische Arbeit zuzuführen. Der Verdichter kann insbesondere eingerichtet sein, einen Druck und eine Dichte des Gases zu erhöhen. Der Verdichter kann daher auch als Kompressor bezeichnet werden. Der Verdichter kann insbesondere ein Radialverdichter sein. Der Radialverdichter kann eingesetzt sein, um durch einen rotierenden Läufer nach den Gesetzen der Strömungsmechanik einem strömenden Fluid Energie zuzusetzen. Der Radialverdichter kann derart ausgebildet sein, dass das Gas im Wesentlichen axial in ein Laufrad strömt und anschließend radial, d.h. nach außen abgelenkt wird.
Unter einer „elektrischen Antriebsmaschine“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung zu verstehen, welche eingerichtet ist, durch ein Anlegen eines elektrischen Stroms eine Bewegung, insbesondere eine Rotationsbewegung, eines anderen Objekts zu erzeugen oder zu generieren. Insbesondere kann die elektrische Antriebsmaschine eingerichtet sein, elektrische Energie in Bewegungsenergie umzuwandeln. Insbesondere kann die elektrische Antriebsmaschine ganz oder teilweise als Elektromotor ausgestaltet sein. Insbesondere kann die elektrische Antriebsmaschine beispielsweise verwendet werden, um einen Verdichter und/oder eine Turbine, insbesondere für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, anzutreiben. Die elektrische Antriebsmaschine kann hierfür mindestens einen Rotor und mindestens einen Stator aufweisen, welche im Nachfolgenden näher beschrieben werden.
Unter einem „Stator“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein feststehendes Bauteil einer elektrischen Antriebsmaschine, wie beispielsweise einem Elektromotor, zu verstehen, das als gemeinsamer Kern für Induktionsspulen dient. Der Stator verfügt üblicherweise über ein kreisringförmiges Statorjoch sowie radial nach innen von dem Statorjoch vorstehende Statorzähne, die in Umfangsrichtung gesehen beabstandet voneinander gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die Statorzähne sind üblicherweise von einer mehrphasigen Antriebswicklung umwickelt, wobei durch Bestromen der Phasen der Antriebswicklung mittels einer dafür vorgesehenen Leistungselektronik das drehende Antriebsmagnetfeld erzeugt wird, durch welches der durch die Welle drehbar gelagerte Rotor mit einem vorgebbaren Drehmoment angetrieben wird.
Unter einem „Rotor“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein rotierendes Bauteil einer elektrischen Antriebsmaschine, wie beispielsweise einem Elektromotor, zu verstehen, das alternativ auch als Läufer bezeichnet wird. Der Rotor weist dabei zweckmäßigerweise zumindest einen Permanentmagneten auf, der mit dem drehenden Magnetfeld des Stators zusammenwirkt.
Der Rotor kann mittels einer Schraubverbindung an die Turboladerwelle angeschraubt und gleichzeitig mit einem zylindrischen Pressverband zur Wellenachse ausgerichtet werden. Der Begriff „Schraubverbindung“ bezeichnet grundsätzlich eine beliebige Verbindung zwischen einem ersten Element und einem zweiten Element durch ein Ineinandergreifen von einem Gewinde des ersten Elements und einem Gewinde des zweiten Elements. Das Anschlusselement kann mittels einer Schraubverbindung mit der Welle verbunden sein. Das Anschlusselement kann ein Innengewinde aufweisen, welches zum Greifen in ein Außengewinde der Welle ausgebildet ist. Auf diese Weise kann mittels des Rotors die axiale Vorspannung auf das Verdichterrad vorgenommen werden. Die bei herkömmlichen Turboladern zum Befestigen des Rotors benötigte Mutter kann entsprechend entfallen. Dadurch kann ein Bauteil eingespart werden, was wiederum ein Gesamtgewicht der Turboladerwellenbaugruppe reduzieren kann. Dies wiederum hat Vorteile bezüglich der Stabilität des Rotorlaufs, was grundsätzlich eine Erhöhung der Lebensdauer der Lagerung des Turboladers bewirkt. In die Rotorwelle ist somit das Innengewinde zum Aufbringen einer definierten Axialkraft integriert. Die Axialkraft kann eingerichtet sein, um das Verdichterrad des Turboladers bei hohen Drehzahlen lagerichtig zu fixieren, denn eine Breite und/oder Länge des Verdichterrads kann aufgrund von hohen Drehzahlen im Betrieb schrumpfen.
Unter einer „Rotorwelle“ ist grundsätzlich ein beliebiges langes zylinderförmiges Maschinenelement für einen Rotor zu verstehen, welches für ein Weiterleiten von Drehbewegungen und Drehmomenten sowie zum Tragen und Lagern von mit der Welle fest verbundenen rotierenden Teilen Verwendung finden kann. Die Rotorwelle kann an ein oder mehreren Stellen, insbesondere an zwei Stellen, drehbar gelagert sein.
Der Begriff „Anschlusselement“ bezeichnet grundsätzlich ein beliebiges Element, welches eingerichtet ist, ein Element an ein anderes Element anzuschließen. Insbesondere kann das Anschlusselement eingerichtet sein, das Element mit dem anderen zu verbinden, insbesondere formschlüssig, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung. Das Anschlusselement kann daher insbesondere eine Aufnahme für die Welle aufweisen. Das Anschlusselement kann daher ein Innengewinde aufweisen. Das Abschlusselement kann eine Oberfläche aufweisen, welche dem Permanentmagneten zugewandt ist. Die Oberfläche kann sich quer, insbesondere senkrecht zu der axialen Richtung, insbesondere zu der Längserstreckungsrichtung des Rotors, erstrecken. Die Hülse kann ein erstes Ende und ein zweites, dem ersten Ende gegenüberliegendes Ende aufweisen. Das Abschlusselement kann an am ersten Ende angebracht sein und das Anschlusselement kann an dem zweiten Ende angebracht sein.
Das Anschlusselement kann mindestens einen ersten Abschnitt und mindestens einen zweiten Abschnitt aufweisen. Die Begriffe „erster Abschnitt“ und „zweiter Abschnitt“ sind als reine Beschreibungen anzusehen, ohne eine Reihenfolge oder Rangfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von ersten Abschnitten und/oder zweiten Abschnitten oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein kann. Weiterhin können zusätzliche Abschnitte, beispielsweise ein oder mehrere dritte Abschnitte vorhanden sein. Der Begriff „Abschnitt“ bezeichnet grundsätzlich einen Teil oder eine Komponente eines beliebigen Elements.
Der erste Abschnitt kann das Innengewinde aufweisen. Der zweite Abschnitt kann innen hohl sein und einen Innendurchmesser aufweisen. Der Innendurchmesser kann zum Ausbilden einer Übermaßpassung zwischen der Rotorwelle und der Welle des Verdichters und/oder der Turbine ausgebildet sein. Anstelle einer Bohrung kann auch eine Kombination aus einem Gewinde und einem Konus denkbar sein.
Unter einer „Passung“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine maßliche Beziehung zwischen zwei Bauteilen, die ohne Nacharbeit zusammenpassen sollen, zu verstehen. Diese Bauteile haben an der Fügestelle dieselbe Kontur einmal als Innenform und einmal als Außenform. Beide Konturen haben das gleiche Nennmaß. Unterschiedlich sind die beiden Toleranzfelder, innerhalb derer das jeweilige bei der Fertigung entstehende Ist-Maß von Innenform und Außenform liegen muss.
Unter einer „Presspassung“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine maßliche Beziehung zwischen zwei Bauteilen in Form einer Innenform und einer Außenform zu verstehen, bei der das Größtmaß einer Innenkontur der Außenform in jedem Fall kleiner als ein Kleinstmaß einer Außenkontur der Innenform ist. Die Presspassung kann auch als Übermaßpassung bezeichnet werden. Das Übermaß soll grundsätzlich so gering wie möglich ausgeführt sein aufgrund eines zu erwartenden Drehmomentenanstiegs bei einer Montage des Rotors auf die Welle. Das Torsionsmoment kann grundsätzlich steigen je höher die Verpressung gewählt wird und somit kann eine Belastung auf die Welle ebenfalls steigen. Das Übermaß kann grundsätzlich so gering wie möglich ausgeführt sein aufgrund eines zu erwartenden Drehmomentanstiegs bei einer Montage des Rotors auf die Welle. Das Torsionsmoment kann grundsätzlich steigen je höher die Verpressung gewählt wird und somit kann auch eine Belastung auf die Welle steigen.
Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt können in einer axialen Richtung der Rotorwelle aneinander angrenzen. Somit lässt sich die Rotorwelle grundsätzlich kompakt gestalten.
Die Begriffe „axiale Richtung“ und „axial“ bezeichnen grundsätzlich eine Richtung entlang einer Achse bzw. eine Anordnung von zwei oder mehr Elementen an einer Achse, insbesondere an einer gemeinsamen Achse. Insbesondere kann die axiale Richtung eine Richtung entlang einer Längsachse der Rotorwelle entsprechen. Somit lässt sich die Rotorwelle grundsätzlich kompakt gestalten. Der erste Abschnitt kann zwischen dem Rotor und dem zweiten Abschnitt angeordnet sein.
Der zweite Abschnitt kann eine axiale Länge aufweisen, welche mindestens einem Faktor 0,8 des Innendurchmessers entspricht. Insbesondere kann die axiale Länge einem Faktor von 0,8 bis 2 des Innendurchmessers entsprechen. Somit kann der Rotor ideal zu der Wellenachse ausgerichtet sein. Dies kann sich positiv auf eine Unwucht des Systems auswirken. Der Rotor kann bei einer Montage drehwinkelgesteuert angezogen werden, um eine geforderte Axialkraft zu gewährleisten.
Das Innengewinde des ersten Abschnitts kann ein Innenfeingewinde oder ein Innenregelgewinde sein. Für die Montage wird somit grundsätzlich kein spezielles Gewinde benötigt. Das Feingewinde kann gegenüber einem Regelgewinde einen Vorteil hinsichtlich einer höheren Selbsthemmung aufweisen.
Unter einem „Regelgewinde“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein standardisiertes Gewinde mit metrischen Abmessungen zu verstehen. Üblicherweise weist dieses einen 62° Flankenwinkel auf. Derartige Gewinde sind beispielsweise nach der DIN 13-1 genormt. Das Regelgewinde kann darüber hinaus ein UNF-Gewinde sein. Unter einem „Feingewinde“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Gewinde zu verstehen, das im Vergleich zum Regelgewinde ein engeres Gewindeprofil hat. Zur Unterscheidung wird es üblicherweise zusätzlich zum Außendurchmesser mit dem Maß seiner ebenfalls kleineren Steigung gekennzeichnet.
Der Permanentmagnet ist, wie oben ausgeführt, in der Aufnahme aufgenommen Damit ist grundsätzlich eine kompakte Anordnung des Permanentmagneten in der Rotorwelle angegeben. Der Permanentmagnet kann ausgebildet sein, mittels eines Magnetfeldes, das über den Stator induziert wird, den Turbolader elektrisch anzutreiben. Insbesondere kann die Aufnahme mit einem Innendurchmesser zum Ausbilden einer Übermaßpassung zwischen der Rotorwelle und dem Permanentmagneten ausgebildet sein. Die Rotorwelle kann derart dimensioniert sein, damit das Drehmoment und die Drehzahl übertragen werden können.
Die Rotorwelle kann in der Aufnahme eine Schlüsselfläche zum Ansetzen eines Werkzeugschlüssels aufweisen. Damit lässt die Rotorwelle in einfacher Weise an der Welle des Turboladers befestigen. Weiterhin kann die Schlüsselfläche in der Aufnahme als Innensechskant oder Innen-Torx ausgebildet sein. Somit wird für die Montage der Rotorwelle an der Welle des Turboladers grundsätzlich kein Spezialwerkzeug benötigt, was die Montage erleichtert. Weiterhin kann die Schlüsselfläche in der Aufnahme in dem Abschlusselement ausgebildet sein. Somit ist die Schlüsselfläche grundsätzlich gut zugänglich.
Die Rotorwelle kann zumindest in der Aufnahme aus mindestens einem nicht-magnetischen Material hergestellt sein. Dadurch wird die magnetische Wechselwirkung zwischen Stator und Permanentmagnet grundsätzlich nicht gestört.
Der Begriff „Aufnahme“ bezeichnet grundsätzlich eine beliebige Vertiefung, welche eingerichtet ist, um mindestens ein beliebiges Objekt zu halten, insbesondere in einer gewünschten Position, und/oder das Objekt von einer Umgebung des Objekts zu trennen. Die Aufnahme kann daher einen Hohlraum aufweisen. Der Hohlraum kann eine Form aufweisen, welche komplementär zu dem Objekt ist. Das Objekt kann Abmessungen aufweisen welche vorzugsweise kleiner sind als die Abmessungen der Aufnahme. Das Objekt kann derart in der Aufnahme angeordnet sein, dass sich das Objekt in der Aufnahme bewegen kann, beispielsweise durch Kippen. Vorzugsweise ist die Aufnahme jedoch derart ausgebildet, dass eine Bewegung des Objekts innerhalb der Aufnahme vermieden oder zumindest reduziert ist. Dabei können Wände der Aufnahme in Kontakt stehen mit Oberflächen des Objekts. Die Aufnahme kann eine axiale Aufnahme sein. Der Begriff „axiale Aufnahme“ bezeichnet grundsätzlich, dass sich die Aufnahme entlang einer Achse erstecken kann. Insbesondere kann sich eine Längsachse der axialen Aufnahme parallel zu einer Längsachse des Rotors erstecken.
Wie oben bereits ausgeführt, ist die Aufnahme ausgebildet durch die mindestens eine Hülse. Der Begriff „Hülse“ bezeichnet grundsätzlich einen beliebigen, länglichen Hohlkörper. Der Hohlkörper kann eine Länge und einen Durchmesser aufweisen. Die Länge kann größer sein als der Durchmesser, beispielsweise um mindestens einen Faktor von 1,5, vorzugsweise um mindestens einen Faktor von 2, besonders bevorzugt um mindestens einen Faktor von 3. Der Durchmesser kann insbesondere eine runde Form aufweisen. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich denkbar. Die Hülse kann daher auch als „Rohr“ bezeichnet werden.
Die Hülse kann aus mindestens einem Material hergestellt sein, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere einem Verbundwerkstoff umfassend Kohlenstofffasern; Titan; einer Legierung, insbesondere einer Nickel-Chrom-Legierung. Insbesondere kann die Hülse aus NiCr₁₉Fe₁₉Nb₅Mo₃ und/oder NiCr₁₉NbMo hergestellt sein. Weiterhin kann die Hülse Glasfasern, insbesondere ein Verbundmaterial aus Kohlenstofffasern und Glasfasern, aufweisen. Beispielsweise kann die Hülse einen Kohlenstofffaserverbund als Bandagierung und einen darüberliegenden Glasfaserverbund als Opferschicht aufweisen, insbesondere um eventuell entstehende große Unwuchten durch den Wickelprozess, beispielsweise durch Überschleifen reduzieren zu können.
Der Faserverbundwerkstoff kann insbesondere hochfest und leicht ausgebildet sein. Durch einen Einsatz des Faserverbundwerkstoffs kann folglich ein Gesamtgewicht des Rotors und somit auch ein Gesamtgewicht des Turboladers reduziert sein. Dies kann wiederrum einen Vorteil bezüglich einer Stabilität eines Rotorlaufs haben. Eine Lebensdauererhöhung einer Lagerung des Turboladers oder eine Verbesserung eines Trägheitsverhaltens kann grundsätzlich erzielt werden. Weiterhin können durch eine Verwendung des Faserverbundwerkstoffs Wirbelstromverluste und Luftspalte zu dem Stator reduziert werden. Hierdurch kann grundsätzlich eine Verbesserung eines Gesamtwirkungsgrads erzielt werden. Die Hülse kann insbesondere aus einem nicht-magnetischen Material hergestellt sein. Dadurch kann ein Einfluss der Hülse auf magnetische Eigenschaften des Permanentmagneten und/oder des Stators vermieden oder zumindest weitergehend reduziert sein. Die Hülse kann weiterhin eingerichtet sein, den Permanentmagneten, insbesondere radial, vor Korrosion zu schützen.
Die Hülse eine Wandstärke aufweisen. Die Wandstärke kann von einer maximalen Drehzahl und eine Durchmesser des Permanentmagneten abhängen. Bei höheren Drehzahlen kann der Permanentmagnet stärker verpresst und/oder bandagiert werden damit er nicht durch die Fliehkräfte beschädigt wird. Eine höhere Verpressung kann zu einer Zunahme der Spannung in der Hülse führen, die wiederum durch ein Anheben der Wandstärke reduziert werden kann. Beispielsweise kann ein Permanentmagnet mit einem Durchmesser von 13.5 mm eingesetzt werden und die Hülse kann NiCr₁₉Fe₁₉Nb₅Mo₃ umfassen. Die maximale Drehzahl kann 200000 U/min betragen. Die Hülse kann eine Wandstärke von 0,1 mm bis 5 mm, insbesondere von 0,5 mm bis 2 mm, vorzugsweise von 0,8 mm bis 1,5 mm und besonders bevorzugt von 1,05 mm aufweisen.
Es kann, im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Rotoren eines Turboladers, ein Gesamtdurchmesser des Rotors, d.h. eine Dicke quer zu der axialen Richtung, reduziert werden. Dadurch kann ein Strömungswiderstand des Rotors in einem Ansaugkanal der elektrischen Antriebsmaschine verringert sein. Folglich kann ein Druckverlust über den Ansaugkanal zu dem Verdichterrad reduziert werden. Folglich kann ein Wirkungsgrad des Turboladers erhöht werden.
Wie bereits oben ausgeführt, ist die axiale Aufnahme weiterhin ausgebildet durch das mindestens eine Abschlusselement. Der Begriff „Abschlusselement“ bezeichnet grundsätzlich ein beliebiges Element, welches eingerichtet ist, ein anderes Element zu verschließen. Das Abschlusselement kann insbesondere ein zumindest weitgehend planares Element sein. Insbesondere kann das Abschlusselement als ein scheibenförmiges Element ausgebildet sein. Das Abschlusselement kann sich quer, insbesondere senkrecht zu der axialen Richtung, insbesondere zu der Längserstreckungsrichtung des Rotors, erstrecken. Die Hülse kann ein erstes Ende und ein zweites, dem ersten Ende gegenüberliegendes Ende aufweisen. Das Abschlusselement kann an am ersten Ende angebracht sein und das Anschlusselement kann am dem zweiten Ende angebracht sein.
Wie bereits oben ausgeführt, ist die axiale Aufnahme ausgebildet durch das Anschlusselement, insbesondere durch die mindestens eine Oberfläche des Anschlusselements. Die Oberfläche kann daher mindestens eine Oberfläche einer Kopfseite des Anschlusselements sein, welche dem Abschlusselement bzw. einem Inneren der axialen Aufnahme zugewandt ist.
Der Begriff „formschlüssige Verbindung“ bezeichnet grundsätzlich, eine beliebige Verbindung zwischen einem ersten Element und einem zweiten Element, bei welchen eine erste Komponente des ersten Elements und eine zweite Komponente des zweiten Elements ineinandergreifen. Beispielsweise kann das erste Element eine Aussparung aufweisen und das zweite Element kann einen Vorsprung aufweisen. Der Vorsprung kann eingerichtet sein, um in die Aussparung aufgenommen zu werden. Der Vorsprung kann daher eine Form aufweisen, welche komplementär zu einer Form der Aussparung ist. Dadurch können sich das erste Element und das zweite Element auch ohne oder bei unterbrochener Kraftübertragung grundsätzlich nicht voneinander lösen. Primär sind grundsätzlich das erste Element und das zweite Element miteinander verbunden. Jedoch kann die formschlüssige Verbindung mithilfe eines dritten Elements erfolgen. Das dritte Element kann daher als Verbindungselement bezeichnet werden. Die Verbindung kann reversibel oder irreversibel sein, vorzugsweise jedoch reversibel.
Die Begriffe „erstes Dichtungselement“ und „zweites Dichtungselement“ sind als reine Beschreibungen anzusehen, ohne eine Reihenfolge oder Rangfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von ersten Dichtungselement und/oder zweiten Dichtungselementen oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein kann. Weiterhin können zusätzliche Dichtungselemente, beispielsweise ein oder mehrere dritte Dichtungselemente vorhanden sein. Der Begriff „Dichtungselement“ bezeichnet grundsätzlich ein beliebiges Element, welches eingerichtet ist, einen ungewollten Stoffübergang von einem Raum in einen anderen Raum zu verhindern oder zumindest weitgehend zu reduzieren.
Das Dichtungselement kann beispielsweise aus mindestens einem Kunststoffmaterial, insbesondere aus mindestens einem Thermoplast hergestellt sein. Insbesondere kann das Dichtungselement aus mindestens einem Material hergestellt sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Polyetheretherketon (PEEK); Polyphthalamid 6T/66; Polyphtalamid 9T (PA9T); einem Federstahl, insbesondere X₁₀CrNi_18-8. Der Federstahl kann weiterhin ein vulkanisiertes Elastomer aufweisen, insbesondere in den Dichtungsbereichen.
Das Dichtungselement kann beispielsweise eingerichtet sein, auf mindestens eine Oberfläche der Hülse, des Abschlusselements und/oder des Anschlusselements geklipst zu werden. Das Dichtungselement kann insbesondere eingerichtet sein, auf mindestens eine Oberfläche der Hülse, des Abschlusselements und/oder des Anschlusselements einzurasten. Eine derartige Ausgestaltung kann insbesondere kostengünstig sein. Weitere Vorteile liegen grundsätzlich in der einfachen Montage.
Die Begriffe „erste Hülsennut“ und „zweite Hülsennut“ sind als reine Beschreibungen anzusehen, ohne eine Reihenfolge oder Rangfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von ersten Hülsennuten und/oder zweiten Hülsennuten oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein kann. Weiterhin können zusätzliche Hülsennute, beispielsweise ein oder mehrere dritte Hülsennute vorhanden sein.
Der Begriff „Nut“ bezeichnet grundsätzlich eine Vertiefung, insbesondere eine längliche Vertiefung, eines beliebigen Elements. Die Vertiefung kann auch als Aufnahme ausgebildet sein. Die Nut kann eingerichtet sein, ein Bauelement, insbesondere ein längliches Bauelement zu fixieren, zu führen und/oder zu versenken. Dadurch kann eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Element und dem Bauelement vorliegen. Die Nut kann zumindest teilweise einen rechteckigen und/oder trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Weiterhin kann die Nut eine nach außen geschrägte Wand aufweisen. Auch andere Ausgestaltungen sind grundsätzlich denkbar.
Die Hülse kann mindestens eine erste Hülsennut aufweisen. Das Abschlusselement kann mindestens eine Abschlusselementnut aufweisen. Das erste Dichtungselement kann teilweise in der ersten Hülsennut und teilweise in der Abschlusselementnut aufgenommen sein. Die Hülse kann mindestens eine zweite Hülsennut aufweisen. Das Anschlusselement kann mindestens eine Nut aufweisen. Das zweite Dichtungselement kann teilweise in der zweiten Hülsennut und teilweise in der Nut aufgenommen sein.
Weiterhin kann das erste Dichtungselement und/oder das zweite Dichtungselement auf mindestens einer Oberfläche aufgespritzt sein, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Hülsenoberfläche der Hülse; einer Abschlusselementoberfläche des Abschlusselements; einer Anschlusselementoberfläche des Anschlusselements. Das erste Dichtungselement und/oder das zweite Dichtungselement können mindestens ein Material aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Polyetheretherketon (PEEK); Polyphthalamid 6T/66; Polyphtalamid 9T (PA9T); Polyphenylensulfid (PPS). Auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar.
Das erste Dichtungselement und/oder das zweite Dichtungselement kann mit mindestens einem Verfahren aufgespritzt werden ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Kunststoffspritzgießverfahren, einem Zweikomponenten-Spritzgießverfahren, Vulkanisieren. Auch andere Verfahren sind grundsätzlich denkbar.
Die Rotorwelle kann an einer Außenfläche eine Schlüsselfläche zum Ansetzen eines Werkzeugschlüssels aufweisen. Damit kann die Schlüsselfläche gut von außen zugänglich sein, was die Montage der Rotorwelle an der Welle des Turboladers grundsätzlich erleichtert. Die Schlüsselfläche kann zweiflach-, vierkant oder sechskant-förmig ausgebildet sein. Somit kann für die Montage der Rotorwelle an der Welle des Turboladers kein Spezialwerkzeug benötigt werden, was die Montage grundsätzlich erleichtert.
Die Rotorwelle kann an einer Außenfläche einen Befestigungsabschnitt zum Befestigen einer Spannzange aufweisen. Somit kann für eine Montage der Rotorwelle an der Welle des Turboladers grundsätzlich kein Spezialwerkzeug benötigt werden, was die Montage grundsätzlich erleichtert.
Unter einer „Spannzange“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Spannmittel zu verstehen, um Werkstücke bzw. Werkzeuge mit hoher Genauigkeit schnell und kraftschlüssig aufzuspannen. Sie besteht aus einer außen kegelförmigen radial geschlitzten Hülse mit einer runden, mitunter auch quadratischen oder sechseckigen Bohrung definierter Größe. Zu einer Spannzange gehört eine Spannzangenaufnahme mit einem zur Spannzange passenden Innenkegel. Gespannt wird durch Anziehen einer Überwurfmutter, mit der die Spannzange in den Innenkegel der Spannzangenaufnahme gedrückt wird. Durch die Schlitzung der Spannzange wird die Bohrung in ihrem Innern gleichmäßig zusammengedrückt, wodurch das Werkstück oder Werkzeug kraftschlüssig festgehalten wird. Der Spannbereich einer Spannzange ist sehr gering, dadurch müssen für verschiedene Durchmesser Spannzangen mit entsprechenden Abmessungen vorgehalten werden. Spannzangen spannen blanke oder bearbeitete Teile schnell, fest und genau zentrisch.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verdichter und/oder Turbine, insbesondere Abgasturbolader, mit einem Gehäuse, einer in dem Gehäuse drehbar gelagerten Welle, auf welcher zumindest ein Verdichterrad oder Turbinenrad drehfest angeordnet ist, und mit einer elektrischen Antriebsmaschine nach einem der zuvor beschriebenen Ausbildungen auf, wobei die Rotorwelle an der Welle des Verdichters und/oder der Turbine befestigt ist.
Die Rotorwelle kann an der Welle des Verdichters und/oder der Turbine derart befestigt sein, dass das Verdichterrad oder Turbinenrad axial vorgespannt ist. Die Axialkraft kann grundsätzlich notwendig sein, um das Verdichterrad des Turboladers bei hohen Drehzahlen lagerichtig zu fixieren, denn seine Breite und/oder seine Länge schrumpft grundsätzlich aufgrund der hohen Drehzahlen im Betrieb.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Antriebsmaschine wie sie bereits beschrieben wurde oder im Folgenden noch beschrieben wird, vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann die Verfahrensschritte, welche im Folgenden beschrieben werden, umfassen. Die Verfahrensschritte können vorzugsweise in der vorgegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Hierbei können ein oder sogar mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig oder zeitlich überlappend durchgeführt werden. Weiterhin können einer, mehrere oder alle der Verfahrensschritte einfach oder auch wiederholt durchgeführt werden. Das Verfahren kann darüber hinaus noch weitere Verfahrensschritte umfassen.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen mindestens eines Rohmaterials für den Permanentmagneten;
b) Befestigen des Abschlusselements und des Anschlusselements jeweils an mindestens einer Oberfläche des Rohmaterials;
c) Einbringen des Rohmaterials, des Abschlusselements und des Anschlusselements in die Hülse;
d) Formschlüssiges Verbinden der Hülse jeweils mit dem Abschlusselement und dem Anschlusselement;
e) Auswuchten einer Einheit umfassend das Rohmaterial, das Abschlusselement, das Anschlusselement und die Hülse; und
f) Magnetisieren des Rohmaterials, wobei sich der Rotor ausbildet.

Nach Schritt a) können ein oder mehrere Oberflächen des Rohmaterials geschliffen werden. Schritt b) kann insbesondere durch Kleben erfolgen. Auch andere Verfahren sind jedoch grundsätzlich denkbar. Nach Schritt b) können ein oder mehrere Oberflächen des Rohmaterials, des Abschlusselements und/oder des Anschlusselements geschliffen werden. In Schritt d) kann insbesondere ein Aufbringen des ersten Dichtungselements und des zweiten Dichtungselements erfolgen, derart, dass das Rohmaterial vor einer äußeren Umgebung abgedichtet wird. Der Begriff „Auswuchten“ bezeichnet grundsätzlich einen beliebigen Vorgang, bei welchem eine Massenverteilung eines Körpers ausgeglichen wird. Während Durchführen des Schritts e) kann eine Unwucht der Einheit beseitigt oder zumindest verringert werden. Das Anschlusselement und/oder das Abschlusselement können insbesondere einen ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen wie das Rohmaterial bzw. der Permanentmagnet.
Die Hülse kann, wie oben ausgeführt, aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt werden. Für eine Herstellung der Hülse kann der Faserverbundwerkstoff auf einen Dorn gewickelt werden. Anschließend können Nuten, insbesondere die erste Hülsennut und die zweite Hülsennut, sowie Fasen geschliffen werden.
Weiterhin kann die Hülse, wie oben ausgeführt, aus Titan oder aus einer Nickel-Chrom-Legierung hergestellt sein. Für eine Herstellung der Hülse kann zunächst ein Rohling gedreht werden. Anschließend kann ein Schleifen des Rohlings erfolgen.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung, insbesondere der erfindungsgemäße Rotor der Sensoranordnung, und die beschriebenen Verfahren weisen gegenüber herkömmlichen Sensoranordnungen, insbesondere gegenüber herkömmlichen Rotoren, und Verfahren der genannten Art zahlreiche Vorteile auf. Mittels des Rotors kann die axiale Vorspannung auf das Verdichterrad vorgenommen werden. Die bei herkömmlichen Turboladern zum Befestigen des Rotors benötigte Mutter kann entsprechend entfallen. Dadurch kann ein Bauteil eingespart werden, was wiederum ein Gesamtgewicht die Turboladerwellenbaugruppe reduzieren kann. Dies wiederum hat Vorteile bezüglich einer Stabilität des Rotorlaufs, was grundsätzlich eine Erhöhung der Lebensdauer der Lagerung des Turboladers bewirkt. In die Rotorwelle ist somit das Innengewinde zum Aufbringen einer definierten Axialkraft integriert. Die Axialkraft kann eingerichtet sein, um das Verdichterrad des Turboladers bei hohen Drehzahlen lagerichtig zu fixieren, denn eine Breite und/oder Länge des Verdichterrads kann aufgrund von hohen Drehzahlen im Betrieb schrumpfen. Weiterhin soll ein Permanentmagnet des Rotors vor Umwelteinflüssen, insbesondere Abgasen und Kondensaten, geschützt werden und somit eine Korrosion vermieden oder zumindest reduziert werden.
Figurenliste
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:

1 eine Schnittansicht eines Turboladers mit einer elektrischen Antriebsmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 eine perspektivische Ansicht einer Rotorwelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
3 eine perspektivische Ansicht einer Rotorwelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
4A und 4B eine perspektivische Ansicht einer Spannzange (4A) und eine Schnittansicht einer Rotorwelle (4B);
5A bis 5F ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rotorwelle in einer Schnittdarstellung (5A), in verschiedenen perspektivischen Darstellungen ( 5B und 5C) sowie in verschiedenen Detailansichten (5C bis 5F); und
6A bis 6G ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Rotors.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Längsschnittansicht eines Turboladers 110 mit einer elektrischen Antriebsmaschine 112 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Turbolader 110 ist als Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine ausgebildet. Der Turbolader 110 weist einen Verdichter 114 sowie eine Turbine 116 auf. Der Verdichter 114 kann ein Verdichterrad 118 aufweisen, das auf einer Welle 120 des Turboladers 110 drehfest angeordnet ist. Die Welle 120 kann selbst drehbar in einem Gehäuse 124 des Turboladers 110 gelagert sein. An einem von dem Verdichterrad 118 abgewandten Ende der Welle 120 kann außerdem ein Turbinenrad 122 der Turbine 116 drehfest mit der Welle 120 verbunden sein. Wenn das Turbinenrad 122 vom Abgas einer Brennkraftmaschine angeströmt und dadurch angetrieben wird, wird damit das Verdichterrad 118 ebenfalls in eine Drehbewegung versetzt, so dass dem Verdichterrad 118 zugeführte Frischluft verdichtet und der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
Die drehbare Lagerung der Welle 120 in dem Gehäuse 124 kann auf unterschiedliche Arten realisiert werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Welle 120 durch wenigstens zwei Lager 125 in dem Gehäuse 124 drehbar gelagert ist. Vorzugsweise sind als Lager 125 zwei Spezialgleitlager vorhanden. Zur axialen Lagerung der Welle 120 kann auch vorgesehen sein, dass eines der Spezialgleitlager als Axialgleitlager ausgebildet ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass ein Lager als Magnetlager ausgebildet ist, und das andere Lager, das als Axiallager dient, als Wälzkörperlager.
Damit insbesondere der Verdichter 114 unabhängig vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine antreibbar ist, so dass jederzeit eine hohe Zylinderluftfüllung in den Zylindern der Brennkraftmaschine erreicht werden kann, ist vorliegend außerdem vorgesehen, dass der Turbolader 110 eine elektrische Antriebsmaschine 112 aufweist. Die elektrische Antriebsmaschine 112 ist vorliegend dem Verdichter 114 zugeordnet bzw. grenzt an diesen an, wie nachstehend ausführliche beschrieben wird.
Die elektrische Antriebsmaschine 112 weist einen Stator 126 auf. Der Stator 126 weist zumindest eine mehrphasige Antriebswicklung 128 zur Erzeugung eines Antriebsmagnetfelds auf. Die elektrische Antriebsmaschine 112 weist weiterhin einen Rotor 130 auf. Der Rotor 130 ist koaxial von dem Stator 126 umgeben. Der Rotor 130 weist eine Rotorwelle 132 und einen Permanentmagneten 134 auf. Die Rotorwelle 132 ist zum Befestigen an der Welle 120 des Verdichters 114 und/oder der Turbine 116 ausgebildet.
Die Rotorwelle 132 weist mindestens eine Aufnahme 136 und ein Anschlusselement auf. Die Aufnahme 136 und das Anschlusselement 138 können in axialer Richtung der Rotorwelle 132 aneinander angrenzen. Weitere Details des der Aufnahme 136 werden in den nachfolgenden Figuren beschrieben.
Das Anschlusselement 138 kann einen ersten Abschnitt 135 und einen zweiten Abschnitt 137 aufweisen. Der erste Abschnitt 135 kann ein Innengewinde 140 aufweisen. Alternativ kann das Innengewinde 140 ein Innenregelgewinde sein. Das Innengewinde 140 kann ein Innenfeingewinde sein. Das Innengewinde 140 ist zum Greifen in ein Außengewinde 141 der Welle 120 des Verdichters 114 und/oder der Turbine 116 ausgebildet.
Der zweite Abschnitt 137 kann hohl ausgebildet sein. Der zweite Abschnitt 137 kann darüber hinaus kegelig ausgebildet sein, insbesondere wenn das Verdichterrad 118 ein konisch ausgebildetes Gegenstück aufweist und ohne Spiel auf der Welle 120 montiert ist. Weiterhin kann der zweite Abschnitt 137 einen Innendurchmesser 142 aufweisen. Der Innendurchmesser 142 kann zum Ausbilden einer Übermaßpassung zwischen der Rotorwelle 132 und der Welle 120 des Verdichters 114 und/oder der Turbine 116 ausgebildet sein.
In 1 ist der Rotor 130 mittels der Rotorwelle 132 auf der Welle 120 des Verdichters 114 und/oder der Turbine 116 befestigt. Bei dieser Ausführungsform grenzt der zweite Abschnitt 137 an ein Ende 144 der Rotorwelle 132 an. Das Ende 144 ist im befestigten Zustand der Rotorwelle 132 dem Verdichterrad 118 zugewandt bzw. liegt an diesem an.
Der Rotor 130 wird an der Welle 120 des Abgasturboladers 110 befestigt, in dem die Rotorwelle 132 mittels des Innengewindes 140 auf die Welle 120 geschraubt wird. Wie in 1 gezeigt, liegt das Verdichterrad 118 an einem Anschlag 146 der Welle 120 an. Durch das Schrauben wird eine axiale Kraft auf das Verdichterrad 118 aufgebracht. So wird die Rotorwelle 132 derart an der Welle 120 befestigt, dass das Verdichterrad 118 axial vorgespannt ist. So wird die Rotorwelle 132 mit einer axialen Kraft von 4 kN bis 13 kN auf die Welle 120 geschraubt, wie beispielsweise mit einer axialen Kraft von 13 kN. Die Übermaßpassung zwischen der Rotorwelle 132 und der Welle 120 in dem zweiten Abschnitt 137 der Rotorwelle 132 zentriert dabei den Rotor 130 zur Welle 120.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Rotorwelle 132 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Zum Erleichtern der Montage des Rotors 130 an der Welle 120 kann die Rotorwelle 132 eine Form aufweisen, die das Ansetzen eines Montagewerkzeugs erlaubt. Wie in 2 gezeigt, weist die Rotorwelle 132 an einer Außenfläche 148 eine Schlüsselfläche 150 zum Ansetzen eines Werkzeugschlüssels auf. Die Schlüsselfläche 150 befindet sich an dem Anschlusselement 138. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Schlüsselfläche 150 zweiflach-förmig ausgebildet.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Rotorwelle 132 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel Rotorwelle 132 beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wie in 3 gezeigt, kann die Schlüsselfläche 150 sechskant-förmig ausgebildet sein. Alternativ kann die Schlüsselfläche 150 vierkant-förmig ausgebildet sein.
4A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Spannzange 152 und 4B zeigt eine Schnittansicht einer Rotorwelle 132. Die Außenfläche 154 der Rotorwelle 132 weist einen Befestigungsabschnitt 156 zum Befestigen der Spannzange 152 auf. Entsprechend kann der Rotor132 mittels der Spannzange 152 an der Welle 120 befestigt werden, insbesondere in dem man die Welle im Bereich des Turbinenrad festhält und/oder kontert.
5A bis 5F zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rotorwelle 132 in einer Schnittdarstellung (5A), in verschiedenen perspektivischen Darstellungen (5B und 5C) sowie in verschiedenen Detailansichten (5C bis 5F). Die Rotorwelle 132 entspricht zumindest weitegehend der Rotorwelle 132 des Turboladers 110 gemäß 1, sodass auf die Beschreibung der 1 oben verwiesen werden kann.
Die Rotorwelle 132 umfasst, wie in den 5A bis 5C dargestellt, die Aufnahme 136 und das Anschlusselement 138.
Die Aufnahme 136 kann eine axiale Aufnahmevertiefung 158 sein. In der axialen Aufnahmevertiefung 158 kann ein Permanentmagnet 160 aufgenommen sein. Die axiale Aufnahmevertiefung 158 ist ausgebildet durch mindestens eine Oberfläche 162 des Anschlusselements 138, mindestens ein Abschlusselement 164 und mindestens eine Hülse 166. Die Oberfläche 162 kann daher mindestens eine Oberfläche einer Kopfseite 184 des Anschlusselements 138 sein, welche dem Abschlusselement 164 bzw. einem Inneren 186 der axialen Aufnahmevertiefung 158 zugewandt ist.
Der Rotor 130 weist weiterhin mindestens ein erstes Dichtungselement 168 und mindestens ein zweites Dichtungselement 170 auf. Die Hülse 166 ist mit dem Abschlusselement 164 mittels des ersten Dichtungselements 168 verbunden und die Hülse 166 ist weiterhin mit dem Anschlusselement 138 mittels des zweiten Dichtungselements 170 verbunden. Die Aufnahme 136 und das Anschlusselement 138 können in einer axialen Richtung 172 aneinander angrenzen.
Die Hülse 166 kann beispielsweise aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt sein. Durch einen Einsatz des Faserverbundwerkstoffs kann folglich das Gesamtgewicht des Rotors und somit auch ein Gesamtgewicht des Turboladers reduziert sein. Dies kann wiederrum Vorteile bezüglich einer Stabilität eines Rotorlaufs haben. Die Wandstärke 174 kann von einer maximalen Drehzahl und eine Durchmesser des Permanentmagneten abhängen. In diesem Ausführungsbeispiel kann der Permanentmagnet 134 einen Durchmesser von 13.5 mm aufweisen und die Hülse kann NiCr₁₉Fe₁₉Nb₅Mo₃ umfassen. Die maximale Drehzahl kann 200000 U/min betragen. Die Hülse 166 kann eine Wandstärke von 1,05 mm aufweisen.
Es kann, im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Rotoren eines Turboladers, ein Gesamtdurchmesser 176 der Rotorwelle 132 reduziert werden. Dadurch kann ein Strömungswiderstand des Rotors in einem Ansaugkanal der elektrischen Antriebsmaschine verringert sein.
Das Abschlusselement 164 kann als ein scheibenförmiges Element 178 ausgebildet sein. Das Abschlusselement 164 kann sich quer, insbesondere senkrecht zu der axialen Richtung 172 erstrecken. Die Hülse 166 kann ein erstes Ende 180 und ein zweites, im ersten Ende gegenüberliegendes Ende 182 aufweisen. Das Abschlusselement kann an am ersten Ende 180 angebracht sein und das Anschlusselement 138 kann an dem zweiten Ende 182 angebracht sein.
Wie in den 5A dargestellt, kann die Hülse 166 mindestens eine erste Hülsennut 188 und mindestens eine zweite Hülsennut 190 aufweisen. Das Abschlusselement 164 kann mindestens eine Abschlusselementnut 192 aufweisen. Das erste Dichtungselement 168 kann teilweise in der ersten Hülsennut 188 und teilweise in der Abschlusselementnut 192 aufgenommen sein. Das Anschlusselement 138 kann mindestens eine Nut 194 aufweisen. Das zweite Dichtungselement 170 kann teilweise in der zweiten Hülsennut 190 und teilweise in der Nut 194 aufgenommen sein. Das erste Dichtungselement 168 und/oder das zweite Dichtungselement 170 können beispielsweise aus mindestens einem Kunststoffmaterial, insbesondere aus mindestens einem Thermoplast hergestellt sein.
Wie in den 5D bis 5F dargestellt, kann die zweite Hülsennut 190 eine Aussparung sein mit einem rechteckigen Querschnitt. Die Nut 194 kann zumindest teilweise einen rechteckigen und/oder trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Das zweite Dichtungselement 170 kann insbesondere eingerichtet sein, teilweise in der zweiten Hülsennut 190 und teilweise in der Nut 194 aufgenommen zu sein. Die erste Hülsennut 188 kann ebenfalls eine Aussparung sein mit einem rechteckigen Querschnitt. Die Abschlusselementnut 192 kann ebenfalls zumindest teilweise einen rechteckigen und/oder trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Das erste Dichtungselement 168 kann insbesondere eingerichtet sein, teilweise in der ersten Hülsennut 188 und teilweise in der Abschlusselementnut 192 aufgenommen zu sein.
6A bis 6G zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Rotors 130 für eine elektrische Antriebsmaschine 112. Der Rotor 130 entspricht zumindest weitegehend dem Rotor des Turboladers 110 gemäß 1, sodass auf die Beschreibung der 1 oben verwiesen werden kann. In den 6A bis 6G sind Schnittdarstellungen gezeigt.
In einem ersten Schritt, wie in 6A dargestellt, wird ein Rohmaterial 196 für den Permanentmagneten 160 bereitgestellt. Das Rohmaterial 196 kann eine zylinderförmige Form aufweisen. Ein oder mehrere Oberflächen 198, insbesondere Oberflächen an Stirnseiten 200 des Rohmaterials 196 können geschliffen werden.
In einem nächsten Schritt, wie in 6B dargestellt, kann das Abschlusselement 164 und das Anschlusselement 138 jeweils an eine Oberfläche des Rohmaterials, insbesondere jeweils an die Stirnseite 200, befestigt werden, insbesondere durch Kleben. In einem nächsten Schritt, wie in 6C dargestellt, können ein oder mehrere Oberflächen 202, insbesondere Oberflächen an Längsseiten 204 des Rohmaterials 196 geschliffen werden.
In einem nächsten Schritt, wie in 6D dargestellt, können das Rohmaterial 196, das Abschlusselement 164 und das Anschlusselement 138 in die Hülse 166 eingebracht werden. Anschließend, wie in 6E dargestellt, kann das erste Dichtungselement 168 und das zweite Dichtungselement 170 montiert werden. Es kann eine Einheit 205 gebildet werden.
Anschließend kann, wie in den 6F und 6G dargestellt, die Einheit 205 ausgewuchtet werden, insbesondere in einer ersten Wuchtebene 206 und einer zweiten Wuchtebene 208 und die Einheit 205 kann magnetisiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014210451 A1 [0001]
EP 1995426 B1 [0004]
US 8550793 B2 [0005]
US 8371121 B2 [0006]

Claims

Elektrische Antriebsmaschine (112) für einen Verdichter (114) und/oder eine Turbine (116), insbesondere für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, umfassend mindestens einen Stator (126), wobei der Stator (126) mindestens eine mehrphasige Antriebswicklung (128) zur Erzeugung eines Antriebsmagnetfelds aufweist, und mindestens einen Rotor (130), wobei der Rotor (130) mindestens eine Rotorwelle (132) aufweist, wobei die Rotorwelle (132) zum Befestigen an einer Welle (120) des Verdichters (114) und/oder der Turbine (116) ausgebildet ist, wobei die Rotorwelle (132) weiterhin mindestens eine Aufnahme (136) aufweist, wobei in der Aufnahme (136) mindestens ein Permanentmagnet (160) aufgenommen ist, wobei die Aufnahme (136) ausgebildet ist durch mindestens ein Abschlusselement (164), mindestens eine Hülse (166) und mindestens ein Anschlusselement (138) zum Anschließen der Rotorwelle (132) an die Welle (120), dadurch gekennzeichnet, dass das Abschlusselement (164), die Hülse (166) und das Anschlusselement (138) jeweils als separate Elemente ausgebildet sind, wobei die Hülse (166) mit dem Abschlusselement (164) und mit dem Anschlusselement (138) jeweils formschlüssig verbunden ist.
Elektrische Antriebsmaschine (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Hülse (166) aus mindestens einem Material hergestellt ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere einem Verbundwerkstoff umfassend Kohlenstofffasern; Titan; einer Nickel-Chrom-Legierung; Glasfasern; einem Verbundmaterial aus Kohlenstofffasern und Glasfasern.
Elektrische Antriebsmaschine (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hülse (166) eine Wandstärke (174) von 0,1 mm bis 5 mm aufweist.
Elektrische Antriebsmaschine (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotorwelle (132) weiterhin mindestens ein erstes Dichtungselement (168) und mindestens ein zweites Dichtungselement (170) aufweist, wobei die Hülse (166) mit dem Abschlusselement (164) mittels des ersten Dichtungselements (168) verbunden ist und wobei die Hülse (166) mit dem Anschlusselement (138) mittels des zweiten Dichtungselements (170) verbunden ist.
Elektrische Antriebsmaschine (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Hülse (166) mindestens eine erste Hülsennut (188) aufweist, wobei das Abschlusselement (164) mindestens eine Abschlusselementnut (192) aufweist, wobei das erste Dichtungselement (168) teilweise in der ersten Hülsennut (188) und teilweise in der Abschlusselementnut (192) aufgenommen ist.
Elektrische Antriebsmaschine (112) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hülse (166) mindestens eine zweite Hülsennut (190) aufweist, wobei das Anschlusselement (138) mindestens eine Anschlusselementnut (194) aufweist, wobei das zweite Dichtungselement (170) teilweise in der zweiten Hülsennut (190) und teilweise in der Anschlusselementnut (194) aufgenommen ist.
Elektrische Antriebsmaschine (112) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Dichtungselement (168) und/oder das zweite Dichtungselement (170) auf mindestens einer Oberfläche aufgespritzt sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Hülsenoberfläche der Hülse (166) ; einer Abschlusselementoberfläche des Abschlusselements (148); einer Anschlusselementoberfläche des Anschlusselements (138).
Elektrische Antriebsmaschine (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anschlusselement (138) mindestens einen ersten Abschnitt (135) und mindestens einen zweiten Abschnitt (137) aufweist, wobei der erste Abschnitt (135) das Innengewinde (140) aufweist, wobei der zweite Abschnitt (137) innen hohl ist und einen Innendurchmesser(142) aufweist, wobei der Innendurchmesser (142) zum Ausbilden einer Übermaßpassung zwischen der Rotorwelle (132) und der Welle (130) des Verdichters (114) und/oder der Turbine (116) ausgebildet ist.
Verdichter (114) und/oder Turbine (116), insbesondere Abgasturbolader, mit einem Gehäuse (124), einer in dem Gehäuse (124) drehbar gelagerten Welle (120), auf welcher zumindest ein Verdichterrad (118) oder Turbinenrad (122) drehfest angeordnet ist, und mit einer elektrischen Antriebsmaschine (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotorwelle (132) an der Welle (120) des Verdichters (114) und/oder der Turbine (116) befestigt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Rotors (130) für eine elektrische Antriebsmaschine (112) nach einem der vorhergehenden, eine elektrische Antriebsmaschine (112) betreffenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen mindestens eines Rohmaterials (196) für den Permanentmagneten (160); b) Befestigen des Abschlusselements (164) und des Anschlusselements (138) jeweils an mindestens einer Oberfläche (162) des Rohmaterials (196); c) Einbringen des Rohmaterials (196), des Abschlusselements (164) und des Anschlusselements (138) in die Hülse (166); d) Formschlüssiges Verbinden der Hülse (166) jeweils mit dem Abschlusselement (164) und dem Anschlusselement (138); e) Auswuchten einer Einheit (205) umfassend das Rohmaterial (196), das Abschlusselement (164), das Anschlusselement (138) und die Hülse (166); und f) Magnetisieren des Rohmaterials (196), wobei sich der Rotor (130) ausbildet.