-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft eine Rotoranordnung, wie sie als Bestandteil einer elektrischen Maschine zur Lagerung eines als Laufrad ausgebildeten Rotors dient. Insbesondere findet die Rotoranordnung Verwendung bei sogenannten Turbomaschinen, bei denen das Laufrad relativ hohe Drehzahlen (gemeint sind hier bei beispielsweise Drehzahlen von mehr als 100.000 min-1) erreicht.
-
Stand der Technik
-
Aus dem
EP 2 401 507 B1 ist eine Rotoranordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Die bekannte Rotoranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass ein mit einem Laufrad drehfest verbundenes Wellenelement an seinem Außenumfang in zwei Lager drehbar angeordnet ist. Die beiden Lager sind wiederum radial innerhalb einer Hülse aufgenommen. Weiterhin befindet sich die Hülse bzw. eines der beiden Lager in axialer Überdeckung mit dem Laufrad.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Rotoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass sie eine alternative konstruktive Ausgestaltung hinsichtlich der Anordnung der Lager ermöglicht. Hierzu ist es erfindungsgemäß gemäß der Lehre des Anspruchs 1 vorgesehen, dass das mit dem Laufrad drehfest verbundene Wellenelement als Hohlwelle ausgebildet ist, dass die beiden Lager innerhalb der Hohlwelle angeordnet sind, und dass die beiden Lager auf einer drehfest angeordneten Achse, die koaxial zu dem Wellenelement verläuft, angeordnet sind. Eine derartige Anordnung bewirkt bei relativ geringem mittlerem Lagerdurchmesser und dadurch geringer Lagerbelastung aufgrund der reduzierten Umfangsgeschwindigkeit der Lager eine Lagerung des Laufrads in Turbomaschinen, bei denen das Laufrad relativ hohe Drehzahlen bzw. Umfangsgeschwindigkeiten erzielen kann.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Rotoranordnung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
-
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung, die neben hohen Festigkeitswerten eine aus Fertigungssicht einfache Herstellung und relativ geringe Montagekosten ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass das Laufrad zusammen mit dem Wellenelement als einstückiges, monolithisches Bauteil ausgebildet ist. Ein derartiges Bauteil lässt sich, je nach Anwendungsfall, entweder bevorzugt als Kunststoffspritzgussteil oder als Metallgussteil ausbilden.
-
Zur Ausbildung einer elektrischen Maschine, d.h. eines Verdichters oder eines Generators, ist es erforderlich, das Laufrad entweder anzutreiben oder die durch Strömungseffekte bedingte Drehung des Laufrads in elektrische Energie umzuwandeln. Hierzu ist es vorgesehen, dass in Umfangsrichtung des Wellenelements mehrere Magnetelemente mit dem Wellenelement verbunden sind.
-
In einer ersten konstruktiven Weiterbildung dieses Vorschlags ist es vorgesehen, dass die Magnetelemente im Bereich einer Innenwand des Wellenelements zwischen den Lagern angeordnet sind. Dadurch wird eine Trennung bzw. mechanische Entkopplung zwischen den Magnetelementen und den Lagern ermöglicht.
-
In Weiterbildung dieses Vorschlags ist es vorgesehen, dass die Innenwand des Wellenelements im Bereich der Magnetelemente eine radial umlaufende Ringnut aufweist, und dass die beiden Lager in axialer Richtung in der Ringnut fixiert aufgenommen sind. Eine derartige Ausgestaltung bewirkt einerseits einen möglichst geringen mittleren Lagerdurchmesser zur Reduzierung der Lagerbelastung, und andererseits eine Anordnung der Magnetelemente, bei denen diese radial möglichst weit nach außen versetzt angeordnet sind. Dadurch wird der elektrische Wirkungsgrad der elektrischen Maschine durch eine Reduzierung des radialen Abstands zwischen den Magnetelementen und den Wicklungen des Stators vergrößert. Darüber hinaus wird durch die Ringnut gleichzeitig die axiale Positionierung der Magnetelemente auch ohne zusätzliche axiale Sicherungselemente ermöglicht.
-
In einer konstruktiv alternativen Gestaltung, die eine besonders geringe axiale Baulänge der Rotoranordnung ermöglicht, ist es vorgesehen, dass die Magnetelemente im Bereich einer Innenwand des Wellenelements angeordnet sind, und dass die Magnetelemente die Lager radial umfassen. Eine derartige Ausbildung bzw. Anordnung bewirkt, dass die Lager an ihrem Außenumfang von den Magnetelementen aufgenommen sind, sodass die Magnetelemente selbst der Befestigung bzw. Lagerung der Lager dienen.
-
Zur Erzielung einer möglichst kompakten axialen Baugröße ist es in Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags vorgesehen, dass die Lager in axialer Richtung der Magnetelemente betrachtet auf einander abgewandten Seiten mit Stirnflächen der Magnetelemente fluchten. Eine derartige Anordnung hat darüber hinaus den besonderen Vorteil, dass der axiale Abstand zwischen den Lagern maximiert wird, was bei auftretenden Querkräften die Lagerbelastung reduziert.
-
In wiederum konstruktiv alternativer Anordnung der Magnetelemente ist es vorgesehen, dass die Magnetelemente am Außenumfang des Wellenelements angeordnet sind. Dabei kann es ggf. erforderlich sein, zur Erhöhung der Festigkeit bzw. zur Vermeidung des Lösens der Magnetelemente von dem Außenumfang des Wellenelements die Magnetelemente mit einem am Außenumfang der Magnetelemente angeordneten banderolenartigen Element zu umwickeln.
-
Eine Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags sieht vor, dass die Magnetelemente und die Lager in Längsrichtung des Wellenelements betrachtet in zumindest teilweiser Überdeckung angeordnet sind. Eine derartige Anordnung bewirkt eine Minimierung der axialen Baulänge der Rotoranordnung.
-
Die Erfindung umfasst auch eine elektrische Maschine in Form eines Verdichters bzw. eines Generators mit einer soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Rotoranordnung.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
-
Figurenliste
-
- 1 zeigt einen perspektivischen Längsschnitt durch eine erste Rotoranordnung,
- 2 einen Teilbereich einer gegenüber 1 modifizierten Rotoranordnung, bei der die Magnetelemente am Außenumfang eines Wellenelements angeordnet sind, in einem Teillängsschnitt und
- 3 einen Teillängsschnitt durch eine gegenüber 1 und 2 nochmals modifizierte Rotoranordnung, bei der die beiden Lager axial beabstandet zu den am Innenumfang des Wellenelements angeordneten Magnetelementen angeordnet sind.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
-
In der 1 ist eine elektrische Maschine 100 in Form eines Verdichters, insbesondere eines Turboverdichters oder Generators dargestellt. Die elektrische Maschine 100 weist eine Rotoranordnung 10 auf, die innerhalb eines Gehäuses 12 der elektrischen Maschine 100 angeordnet ist. Das Gehäuse 12 umfasst beispielhaft ein Ansaugelement 14, bei dem im Falle eines Verdichters angesaugte Luft einem Laufrad 16 zuführbar ist. Das Laufrad 16 ist als Radiallaufrad ausgebildet, d.h., dass die von dem Laufrad 16 angesaugte Luft in Bezug zu einer Drehachse 18 des Laufrads 16 durch die Flügel 19 des Laufrads 16 unter Druckerhöhung radial nach außen aus dem Gehäuse 12 ausgeleitet wird.
-
Das Laufrad 16 ist mit einem Wellenelement 20 verbunden, das als Hohlwelle 22 ausgebildet ist. Insbesondere sind das Laufrad 16 und das Wellenelement 20 zusammen als einstückiges, monolithisches Bauteil 24 ausgebildet. Das Bauteil 24 ist hierzu entweder als Kunststoffspritzgussteil, oder aber als Metallgussteil hergestellt.
-
Die Rotoranordnung 10 umfasst darüber hinaus eine drehfest angeordnete Achse 26, die an einem stirnseitigen Endbereich in einer Gehäuseplatte 28 aufgenommen bzw. befestigt ist. Die Achse 26 verläuft koaxial zur Drehachse 18. Weiterhin ist die Achse 26 radial innerhalb des Wellenelements 20 bzw. der Hohlwelle 22 aufgenommen, wobei zwischen dem der Gehäuseplatte 28 abgewandten Ende und einem Grund des Laufrads 16 ein axialer Spalt 30 ausgebildet ist.
-
Auf der Achse 26 sind in einem axialen Abstand zueinander zwei Lager 32, 34 zur Lagerung des Wellenelements 20 angeordnet. Die Lager 32, 34 weisen beispielhaft jeweils denselben Innendurchmesser und denselben Außendurchmesser auf. Die Lager 32, 34 sind vorzugsweise als aerostatische Lager 32, 34, wie aus dem Stand der Technik an sich bekannt, ausgebildet. An ihrem Außenumfang sind die beiden Lager 32, 34 radial von mehreren, in Umfangsrichtung um die Drehachse 18 angeordneten Magnetelementen 36 umgeben. Insbesondere dienen die länglichen bzw. streifenförmigen Magnetelemente 36 dazu, die Lager 32, 34 an ihrem Außenumfang zu fixieren. Die Anordnung der Lager 32, 34 auf der Achse 26 bzw. zu den Magnetelementen 36 ist derart, dass die einander abgewandten Stirnseiten der Lager 32, 34 bündig mit den Stirnflächen 38 der Magnetelemente 36 abschließen. Die Magnetelemente 36 sind an einer Innenwand 40 der Hohlwelle 22 befestigt bzw. angeordnet.
-
Im Falle eines Verdichters erfolgt über die Magnetelemente 36 die Erzeugung einer Drehbewegung auf das Laufrad 16. Hierzu wirken die Magnetelemente 36 mit einem die Magnetelemente 36 radial umgebenden Stator 42 mit im Einzelnen nicht dargestellten Drahtwicklungen zusammen. Durch eine zeitlich aufeinanderfolgende Bestromung der Drahtwicklungen erfolgt die Initiierung einer Drehbewegung des Laufrads 16. Wie anhand der 1 darüber hinaus erkennbar ist, ist der innerhalb des Gehäuses 12 angeordnete Stator 42 in axialer Überdeckung mit den Magnetelementen 36 angeordnet und im Bereich des Wellenelements 20, d.h. axial beabstandet zum Laufrad 16, angeordnet.
-
In der 2 ist eine gegenüber 1 modifizierte Rotoranordnung 10a gezeigt. Im Unterschied zur Rotoranordnung 10 sind die Magnetelemente 36a dabei am Außenumfang 44 der Hohlwelle 22a angeordnet. Weiterhin sind die Magnetelemente 36a vorzugsweise radial von einer Bandage 46 umwickelt, um die auf die Magnetelemente 36a bei der Drehung des Laufrads 16 entstehenden Fliehkräfte daran zu hindern, die Magnetelemente 36a von der Hohlwelle 22a zu lösen. Weiterhin sind die beiden Lager 32, 34 unmittelbar an der Innenwand 48 der Hohlwelle 22a angeordnet, wobei der axiale Abstand zwischen den beiden Lagern 32, 34 der axialen Länge der Magnetelemente 36a entspricht.
-
Zuletzt ist in der 3 eine Rotoranordnung 10b dargestellt, die sich von der Rotoranordnung 10 dadurch unterscheidet, dass die Magnetelemente 36b nicht der radialen Lagerung bzw. Aufnahme der Lager 32, 34 dienen. Die Magnetelemente 36b sind im Bereich einer radial um die Drehachse 18 in dem Wellenelement 20 bzw. der Hohlwelle 22b im Bereich der Innenwand 40 ausgebildeten Ringnut 50 aufgenommen, wobei die Ringnut 50 gleichzeitig als Axialanschlag für die Magnetelemente 36b in Richtung der Drehachse 18 dient. Beidseitig der Magnetelemente 36b schließen sich unmittelbar die beiden Lager 32, 34 an.
-
Die soweit beschriebenen Rotoranordnungen 10, 10a und 10b können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
