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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene elektrische Antriebsmaschinen für einen Abgasturbolader bekannt. So offenbart beispielsweise die
DE 10 2017 207 532 A1 einen Abgasturbolader mit einer elektrischen Antriebsmaschine. Derartige Abgasturbolader werden insbesondere im Kraftfahrzeugbau dazu genutzt, die Luftfüllung in Zylindern einer Brennkraftmaschine zu erhöhen, um die Leistung der Brennkraftmaschine zu steigern. Dabei wird ein Abgasturbolader mit einer elektrischen Antriebsmaschine versehen, um die Laderwelle des Abgasturboladers, auf welcher ein Verdichterrad sowie ein Turbinenrad angeordnet sind, anzutreiben. Mittels der elektrischen Antriebsmaschine kann unabhängig von einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine angesaugte Frischluft verdichtet und der Brennkraftmaschine mit erhöhtem Ladedruck zugeführt werden. Hierdurch kann beispielsweise der ansonsten zeitlich verzögerte Ladedruckaufbau maßgeblich beschleunigt werden.
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Eine derartige elektrische Antriebsmaschine weist üblicherweise einen Stator mit einer mehrphasigen Antriebswicklung zur Erzeugung eines Antriebsmagnetfeldes und einen Rotor auf. Der Rotor weist wenigstens einen Permanentmagneten auf und wird drehfest auf der Welle des Abgasturboladers angeordnet. Die Realisierung der elektromotorischen Unterstützung durch eine in den Verdichter oder die Turbine integrierte elektrische Antriebsmaschine hat den Vorteil, dass die motorische Unterstützung besonders bauraumsparend in dem Abgasturbolader angeordnet werden kann. Durch Bestromung der Phasen der Antriebswicklung mittels einer dafür vorgesehenen Leistungselektronik wird das drehende Antriebsmagnetfeld erzeugt, durch welches der durch die Laderwelle drehbar gelagerte Rotor mit einem vorgebbaren Drehmoment angetrieben wird. Der Permanentmagnet wirkt dabei mit dem drehenden Magnetfeld zusammen. Bei der aus der
DE 10 2017 207 532 A1 bekannten elektrischen Antriebsmaschine weist der Rotor einen konzentrisch um eine Drehachse des Rotors ausgebildeten Rotorkörper auf, wobei an dem Rotorkörper eine Aufnahme für wenigstens einen Permanentmagneten ausgebildet ist, wobei wenigstens ein Permanentmagnet in der Aufnahme des Rotorkörpers angeordnet ist. Die aus der
DE 10 2017 207 532 A1 bekannte elektrische Antriebsmaschine verwendet einen vorteilhaften Aufbau, bei dem der einzige Strömungsweg des Mediums durch den Stator der Medienspaltmaschine hindurch gebildet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Antriebsmaschine zum Antrieb eines Verdichters, einer Turbine oder einer Laderwelle eines Abgasturboladers, mit einem um eine Drehachse des Rotors ausgebildeten Rotorkörper, wobei an dem Rotorkörper eine Aufnahme für wenigstens einen Magneten ausgebildet ist, wobei ein Magnet in der Aufnahme des Rotorkörpers angeordnet ist, wobei der Rotorkörper an einer Laderwelle des Abgasturboladers befestigbar ist und eine den wenigstens einen Magneten umgebende Hülse aus unmagnetischen Material aufweist, wobei die Hülse an einem Anschlusselement des Rotorkörpers angeordnet ist. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Magnet ein in die Aufnahme eingebrachtes Magnetpulver umfasst. Unter einem Magnetpulver wird ein Pulver aus magnetischen Partikeln verstanden, das in die Aufnahme eingebracht wird. Dies kann beispielweise durch Einfüllen als Schüttgut geschehen. Es ist aber auch möglich, das Magnetpulver in einem Füllstoff zu dispergieren und diesen in die Aufnahme einzubringen.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotors, welches folgenden Schritte umfasst:
- - Bereitstellen eines Anschlusselementes, wobei das Anschlusselement einen Außenmantel, eine als Innenseite vorgesehene Seite und eine davon abweisende Außenseite aufweist,
- - Bereitstellen einer Hülse aus unmagnetischen Material,
- - Bereitstellen eines ersten Verschlusselementes,
- - Bereitstellens eines Magnetpulvers,
- - Aufsetzen der Hülse auf der Innenseite des Anschlusselementes und Befestigen der Hülse an dem Anschlusselement,
- - Einbringen des Magnetpulvers in die Hülse,
- - Einsetzen des ersten Verschlusselementes in die Hülse und Einpressen des ersten Verschlusselementes gegen das in der Hülse enthaltene Magnetpulver,
- - Befestigen des ersten Verschlusselementes an der Hülse,
- - Anlegen eines Magnetfeldes zur Aufmagnetisierung des Magnetpulvers.
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Vorteile der Erfindung
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Ein wichtiger technischer Zusammenhang bei der Entwicklung einer elektrischen Antriebsmaschine eines elektrisch unterstützten Abgasturboladers ist in dem Verhältnis zwischen dem Drehmoment der elektrischen Antriebsmaschine und dem Massenträgheitsmoment der Läufergruppe des Turboladers zu sehen. Die Masse des auf der Laderwelle montierten Rotors der elektrischen Antriebsmaschine führt im Vergleich zu einem Abgasturbolader ohne elektrische Antriebsmaschine zu einer zusätzlichen Belastung an der Laderwelle und den zugeordneten Lagerbuchsen. Das hohe Drehzahlniveau des Abgasturboladers stellt dabei eine besondere Schwierigkeit dar. Es ist wichtig, dass der Gesamtaufbau auch bei hohen Drehzahlen mechanisch und elektrisch stabil ist. Durch die Zusatzmasse des Rotors wird die Masse der gesamten auf der Laderwelle montierten Läuferanordnung erhöht. Dies bedeutet nicht nur eine Steigerung des Massenträgheitsmoments des Laders, sondern auch eine Verschiebung der Massenschwerpunkt nahezu in das Zentrum einer der Lagerbuchsen der Laderwelle. Dieser Effekt kann sich negativ auf die resultierende Lagerbelastung auswirken, da die Flächenpressung in den beiden Laufflächen der Lagerbuchsen stark variieren kann.
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Neben der mit den Drehmomenten und Massenträgheitsmomenten verbundenen Problematik muss der Rotor in geeigneter Weise an dem Turbolader angebracht werde, damit die elektrische Antriebsmaschine den Turbolader zuverlässig antreiben kann. Dies kann geschehen, indem beispielsweise der Rotor zur Laderwelle ausgerichtet wird, um eine möglichst geringe Unwucht des Gesamtsystems zu erzeugen. Zu diesem Zweck kann der Rotor ein Anschlusselement aufweisen, das mit einer Presspassung auf die Laderwelle gepresst werden kann. Um das Anschlusselement an der Laderwelle mittels schraubbarer Befestigungsmittel festzulegen, kann ein radialen Toleranzausgleich hilfreich sein, der beispielsweise mittels einer „schwimmenden“ Gewindebuchse realisiert werden kann.
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Eine weitere Herausforderung besteht in der Anordnung eines Magneten an dem Rotor. Da Magnetmaterialien zur Korrosion neigen und der Rotor im Ansaugkanal des Turboladers angeordnet ist, muss dieser besonders vor Umwelteinflüssen geschützt werden. Es ist bekannt, einen in eine Aufnahme des Rotorkörpers eingesetzten Magneten durch eine als Armierung wirkende Hülse des Rotorkörpers zu schützen, wie dies in der
DE 10 2017 207 532 A1 dargestellt ist, jedoch wirken aufgrund der sehr hohen Drehzahlen sehr große Fliehkräfte auf den Magneten. Die im Stand der Technik üblicherweise verwandten Permanentmagnete können nur geringe Zugbeanspruchung aufgrund ihrer keramischen Natur aufnehmen. Zudem weisen die üblicherweise eingesetzten magnetischen Werkstoffe eine schlechte Materialfestigkeit auf. Im ungünstigen Fall zerbricht der Permanentmagnet aufgrund der hohen Zentrifugalkräfte und kann beispielsweise durch einen zentralen Riss in zwei Teile gepalten werden, welche durch die Zentrifugalkräfte in entgegengesetzte Richtungen gegen die zur Armierung eingesetzte Hülse des Rotorkörpers angedrückt werden. In diesem Fall wird die Hülse nicht über ihren gesamten Umfang, sondern nur an zwei Stellen durch die Bruchstücke lokal stark belastet und dadurch im Querschnitt gesehen zu einem Ellipsoid deformiert. Im ungünstigen Fall führt dies zum Versagen der elektrischen Antriebsmaschine.
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Bei der Ausgestaltung der Hülse bestehen Rahmenbedingungen, die ein beliebige Steigerung der mechanischen Stabilität nicht zulassen. Die Hülse muss aus einem unmagnetisch Material gefertigt sein, um die Wirbelstromverluste am Magneten zu reduzieren. Die thermische Ausdehnung der Hülse sollte ähnlich sein wie die Ausdehnung des verwendeten Magnetwerkstoffs. Zudem muss die Hülse aus einem Material bestehen, welches eine hohe Festigkeit und Zähigkeit besitzt. Eine zu große Gewichtssteigerung des Rotors aufgrund des Eigengewichts der Hülse ist zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß wird die oben beschriebene Problematik durch die Verwendung eines Magnetpulvers gelöst. Durch die Verwendung eines Magnetpulvers kann sichergestellt werden, dass eine Spaltung des Magneten durch Rissbildungen in einige wenige Bruchstücke vorteilhaft vermieden werden kann. Das aus zahlreichen magnetischen Partikeln bestehende Pulver wird durch die Zentrifugalkräfte stets gleichmäßig gegen den Innenmantel der Hülse gedrückt, so dass diese nicht deformiert wird. Daher kann die Hülse vorteilhaft mit einer geringen Wandstärke ausgelegt werden. Die Hülse kann daher in Hinblick auf die oben genannten Rahmenbedingungen viel einfacher optimiert werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen enthaltenen Merkmale ermöglicht.
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Das Magnetpulver kann beispielsweise ein Pulver aus Samarium-Cobalt-Partikeln oder Neodym-Eisen-Bor-Partikeln umfassen. Diese Werkstoffe weisen gute magnetische Eigenschaften auf und sind in Partikelform leicht herstellbar.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird das Magnetpulver nicht einfach in die Aufnahme eingefüllt, sondern in einem Füllstoff dispergiert. Der Füllstoff kann beispielsweise einen Klebstoff, insbesondere ein Epoxidharz umfassen. Durch den aushärtbaren Füllstoff wird vorteilhaft erreicht, dass die in dem Rotorkörper ausgerichteten Partikel des Magnetpulvers ihre Ausrichtung zuverlässig beibehalten. Im Unterschied zu den gesinterten keramischen Permanentmagneten des Standes der Technik kann der Füllstoff eine deutlich höhere Bruchfestigkeit bei einer Belastung durch hohen Zentrifugalkräfte aufweisen.
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Zur Fixierung des Magnetpulvers in der Aufnahme des Rotorköpers kann der Rotorkörper auf einer dem Anschlusselement abgewandten Seite des Magneten ein erstes Verschlusselement aufweist, das in die Hülse eingepresst ist. Das an der Hülse beispielsweise durch Schweißen befestigte erste Verschlusselement beaufschlagt das Magnetpulver mit einer Presskraft, welche das Pulver verdichtet und zusammenhält. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Anschlusselement einen Außenmantel, eine dem wenigstens einen Magneten zuweisende Innenseite und eine davon abweisende Außenseite aufweist und zwischen der Innenseite des Anschlusselementes und dem wenigstens einen Magneten ein die Innenseite des Anschlusselementes abdeckendes zweites Verschlusselement vorgesehen ist. Das Magnetpulver wird dann vorteilhaft zwischen dem ersten Verschlusselement und dem zweiten Verschlusselement und dem Innenmantel der Hülse verdichtet und eingepresst.
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Weiterhin vorteilhaft ist das oben beschriebene Verfahren zur Herstellung des Rotors, bei dem auf eine aufwändige Nachbearbeitung und Erhöhung der mechanischen Stabilität der Hülse des Rotorkörpers verzichtet werden kann. Darüber hinaus können vorteilhaft Festigkeitsprüfungen eines Permanentmagneten entfallen.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Abgasturboladers mit einer elektrischen Antriebsmaschine mit einem Rotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
- 2 einen Rotor der elektrischen Antriebsmaschine in einer gegenüber 1 leicht veränderten zweiten Ausführungsform,
- 3 eine perspektivische Ansicht eines Rotors gemäß einer dritten Ausführungsform,
- 4 eine perspektivische Ansicht eines Rotors gemäß einer vierten Ausführungsform,
- 5 eine perspektivische Ansicht eines Spannwerkzeuges,
- 6a bis 6d Querschnitte durch die Magnetbraugruppe und den Rotorkörper während der Herstellung des erfindungsgemäßen Rotors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Abgasturbolader 2 einer Brennkraftmaschine mit einer elektrischen Antriebsmaschine 1. Der Abgasturbolader umfasst eine hier nur schematisch dargestelltes Gehäuse 6, das insbesondere auch mehrteilig mit einem Lagergehäuse einem nicht dargestellten Verdichtergehäuse und Turbinengehäuse ausgeführt sein kann. Der Abgasturbolader umfasst einen Verdichter 3 und eine Turbine 4. In 1 ist ein Verdichterrad 13 des Verdichters 3 und ein Turbinenrad 14 der Turbine 4 schematisch eingezeichnet. Das Verdichterrad 13 und das Turbinenrand 14 können auf einer gemeinsamen Laderwelle 5 drehfest angeordnet sein. Die Laderwelle 5 ist in Lagerbuchsen 15 in dem Gehäuse 6 des Abgasturboladers 2 um eine Drehachse A drehbar gelagert.
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Die Turbine 4 kann als rotierende Strömungsmaschine verstanden werden, welche eingerichtet ist, ein Abfallen einer inneren Energie eines strömenden Fluides in eine mechanische Leistung umzuwandeln, welche sie über die Laderwelle 5 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 Laderwelle 5 in Drehung versetzt werden und eine nutzbare Leistung kann an eine angekuppelte Arbeitsmaschine, wie einen Verdichter 3 abgegeben werden. Die Turbine 4 kann eingerichtet sein, um von Auspuffgasen eines Verbrennungsmotors angetrieben zu werden.
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Der Verdichter 3 ist eingerichtet um einen Druck und/oder eine Dichte eines strömenden Gases und insbesondere strömender Luft zu erhöhen. 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 Verdichterrad 13 strömt und anschließend radial, d.h. nach außen abgelenkt wird.
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Die elektrischen Antriebsmaschine
1 ist eingerichtet, um durch Anlegen eines elektrischen Stroms eine Rotationsbewegung eines Rotors zu generieren. Die elektrische Antriebsmaschine ist ganz oder teilweise als Elektromotor ausgestaltet. Insbesondere wird die elektrische Antriebsmaschine verwendet, um den Verdichter, die Turbine oder die Laderwelle
5 des Abgasturboladers
2 anzutreiben. Die elektrische Antriebsmaschine
1 kann insbesondere wie die in der
DE 10 2017 207 532 A1 beschriebene elektrische Antriebsmaschine in einem Abgasturbolader verbaut werden.
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Die elektrische Antriebsmaschine weist einen Rotor 100 und einen Stator 20 auf. Der Stator 20 bildet ein feststehendes Bauteil der elektrischen Antriebsmaschine 1 und weist beispielsweise ein kreisringförmiges Statorjoch sowie radial nach innen von dem Statorjoch vorstehende Statorzähne auf, die in Umfangsrichtung gesehen beabstandet voneinander gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die Statorzähne sind üblicherweise von einer mehrphasigen Antriebswicklung 21 umwickelt, wobei durch Bestromung der Phasen der Antriebswicklung 21 mittels einer dafür vorgesehenen Leistungselektronik das drehende Antriebsmagnetfeld erzeugt wird, durch welches der durch die Laderwelle 5 drehbar gelagerte Rotor 100 mit einem vorgebbaren Drehmoment angetrieben wird. Der Rotor 100 weist einen Rotorkörper 101 auf, welcher dazu eingerichtet ist, einen Magneten 130 aufzunehmen. Der Rotor 100 wirkt mit dem drehenden Magnetfeld des Stators 20 zusammen. Der Rotorkörper 101 des Rotors 100 ist als Rotationskörper um eine Drehachse A herum ausgebildet, insbesondere konzentrische um die Drehachse A ausgebildet. Vorzugsweise ist die Drehachse A des Rotorkörpers 101 identisch mit der Drehachse der Laderwelle 5. An dem Rotorkörper 101 ist eine Aufnahme 190 für Magneten 130 ausgebildet. Der Rotorkörper 101 ist mittels einer Gewindebuchse 140 auf ein Außengewinde 51 der Laderwelle 5 derart aufgeschraubt, dass eine aus der Verschraubung resultierende und in Richtung der Drehachse A wirkende axiale Spannkraft den Rotorkörper 101 unmittelbar oder mittelbar unter Zwischenlage des Verdichterrades 13 und gegebenenfalls weiterer Bauteile, beispielsweise eines Axiallagers der Laderwelle 5, gegen einen Anschlag 52 an der Laderwelle 5 anpresst. Die Laderwelle 5 kann wie dargestellt einteilig ausgebildet sein. Die Laderwelle 5 kann aber auch mehrteilig ausgebildet sein und eine an den Rotor angebundene Rotorwelle aufweisen, welche drehfest mit der Laderwelle beispielsweise über eine Kupplungsvorrichtung koppelbar ist. Die Laderwelle 5 weist einen zylindrischen Außenmantel auf, der an seinem dem Rotor 100 zuweisenden Ende mit dem Außengewinde 51 versehen ist.
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Der leicht abgewandelter Rotorkörper 101 ist in 2 vergrößert dargestellt. Der Rotor 100 ist vorzugsweise mehrteilig aufgebaut und weist beispielsweise den Rotorkörper 101, die Gewindebuchse 140 und den Magneten 130 auf. Der Aufbau des Magneten 120 wird anhand des Herstellungsverfahrens und der 6a bis 6d noch genauer erläutert. Der Rotorkörper 101 kann eine den Magneten 130 umgebende Hülse 120 aufweisen, wobei die Hülse 120 an einem Anschlusselement 110 des Rotorkörpers 101 angeordnet ist. 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 einen Faktor von 1,5, vorzugsweise um einen Faktor von 2, besonders bevorzugt um 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 innere zylinderförmige Wandung der Hülse 120 bildet eine Aufnahme 190 für den Magneten 130. Der Die Hülse 120 besteht aus unmagnetischen beziehungswiese nichtmagnetischen Material. Dadurch kann ein Einfluss der Hülse auf magnetische Eigenschaften des Rotors und/oder des Stators vermieden oder zumindest weitergehend reduziert sein. Beispielsweise kann die Hülse aus dem Material Inconel 718, Titan Grd5 oder Feinkornmetall bestehen. Das Anschlusselement 110 kann einen Außenmantel 111, eine dem wenigstens einen Magneten 130 zuweisende Innenseite 113 und eine davon abweisende Außenseite 112 aufweisen. Das Anschlusselement 110 kann beispielswiese als einfaches Drehteil aus Edelstahl hergestellt sein. An der Innenseite 113 des Anschlusselementes 110 kann beispielsweise konzentrisch zu der Drehachse A eine Absenkung 182 ausgebildet sein, die eine weitere Aufnahme 180 für eine Gewindebuche 140 ausbildet. Zwischen der Innenseite 113 des Anschlusselementes 110 und dem wenigstens einen Magneten 130 ist eine die Gewindebuchse 140 an der Innenseite 113 des Anschlusselementes 110 abdeckende zweites Verschlusselement 160 angeordnet. Auf der von der Gewindebuchse 140 abgewandten Seite des Magneten 130 weist der Rotorkörper 101 ein erstes Verschlusselement 170 auf. Weiterhin weist das Anschlusselement 110 konzentrisch zu der Drehachse A eine zylindrische Bohrung 150 auf. Der Innendurchmesser D1 der zylindrischen Bohrung 150 ist kleiner ausgebildet als der Innendurchmesser D2 der weiteren Aufnahme 180, wodurch eine Stufe 114 gebildet ist, die eine Auflage 115 für die Gewindebuchse 140 bildet. Die Gewindebuchse 140 kann beispielsweise von der Innenseite 113 in die weitere Aufnahme 180 eingesetzt sein. Wie weiterhin in 2 erkennbar ist, weist die Gewindebuchse 140 ein Innengewinde 142 und einen Außenmantel 141 auf. Der Außenmantel 141 der Gewindebuchse und die Innenwandung 181 der weiteren Aufnahme 180 sind dabei derart ausgebildet, dass der Außenmantel 141 bei einer Drehung um die Drehachse A relativ zu dem Rotorkörper 101 an einer Innenwandung 181 der weiteren Aufnahme 180 zur Anlage gelangt. Dazu kann der Außenmantel 141 einen nicht dargestellten Vorsprung aufweisen, der bei einer Drehung um die Drehachse A relativ zu dem Rotorkörper 101 an einer ebenfalls nicht dargestellten Stufe der Innenwandung 181 zur Anlage gelangt. Beispielseise kann der Außenmantel 141 der Gewindebuchse 140 durch einen Sechskant gebildet sein. Dazu korrespondierend kann die Innenwandung 181 des Anschlusselementes 110 ebenfalls als komplementärer Sechskant gebildet sein. Zusätzlich ist der Innendurchmesser D2 der weiteren Aufnahme 180 etwas größer ausgebildet als der Außendurchmesser der Gewindebuchse 140. Dadurch ist sichergestellt, dass senkrecht zur Drehachse A zwischen der Gewindebuchse 140 und dem Rotorkörper 191 in radialer Richtung ein Spiel S1 besteht, wie in 2 erkennbar ist. Die Gewindebuchse 140 ist also mit Spiel in die weitere Aufnahme 180 eingelegt, kann aber bei einer Drehung um die Achse A dennoch zur Anlage an der Innenwandung 181 der weiteren Aufnahme 180 gelangen.
Zwischen dem zweiten Verschlusselement 160 und der Gewindebuchse 140 kann ein weiteres Spiel S2 bestehen. Dadurch ist die Gewindehülse 140 in axialer Richtung (also in Richtung der Drehachse A) und aufgrund des Spiels S1 in radialer Richtung (senkrecht zur Drehachse) beweglich und quasi als „schwimmende“ Buchse in der weiteren Aufnahme 180 beweglich. Wie in 2 weiterhin erkennbar ist, kann die zylindrische Außenwand der Hülse 120 mit der Außenwandung 111 des Anschlusselementes 110 insbesondere fluchtend ausgebildet sein, so dass ein insgesamt zylinderförmiger Aufbau des Rotorkörpers 101 besteht, was aber nicht zwingend notwendig ist.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Rotorkörpers 101 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Zum Erleichtern der Montage des Rotors 100 an der Laderwelle 5 kann der Rotorkörper 101 eine Form aufweisen, die das Ansetzen eines Montagewerkzeugs erlaubt. Wie in 3 gezeigt, weist der Rotorkörper 101 am Außenmantel 111 des Anschlusselementes 110 eine Schlüsselfläche 117 zum Ansetzen eines Werkzeugschlüssels auf. Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Schlüsselfläche 117 zweiflach-förmig ausgebildet.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Rotorkörpers 101 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel aus 3 beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wie in 4 gezeigt, kann die Schlüsselfläche 117 sechskantförmig ausgebildet sein. Alternativ kann die Schlüsselfläche 117 vierkant-förmig oder ähnlich ausgebildet sein.
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5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Spannzange 300. Die Spannzange stellt ein Spannmittel dar, 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. Spannzangen spannen blanke oder bearbeitete Teile schnell, fest und genau zentrisch. Der Außenmantel 111 des Anschlusselementes 110 kann einen Befestigungsabschnitt zum Befestigen der Spannzange 300 aufweisen. Entsprechend kann der Rotor 100 mittels der Spannzange 300 an der Laderwelle 5 befestigt werden, insbesondere in dem man die Laderwelle im Bereich des Turbinenrades festhält und/oder kontert.
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Der fertige Rotor 100 kann mittels einer Schraubverbindung an die Laderwelle 5 angeschraubt und gleichzeitig beispielsweise mit einem zylindrischen Pressverband zur Drehachse A der Laderwelle 5 ausgerichtet werden. Wie bereits dargestellt, kann das Anschlusselement 110 des Rotors 100 konzentrisch zu der Drehachse A eine zylindrische Bohrung 150 aufweisen. Der Innendurchmesser D1 dieser zylindrischen Bohrung 150 kann zum Ausbilden einer Spielpassung oder einer Übermaßpassung zwischen der Laderwelle 5 und der Innenwandung 151 der Bohrung ausgebildet sein.
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Unter einer „Passung“ ist 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.
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Eine Presspassung ist eine maßliche Beziehung zwischen zwei Bauteilen in Form einer Innenform und einer Außenform, 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 Drehmomentanstiegs bei einer Montage des Rotors auf der Laderwelle. Das Torsionsmoment kann grundsätzlich steigen je höher die Verpressung gewählt wird.
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Die Laderwelle 5 weist an ihrem zur Befestigung des Rotors 100 vorgesehenen Ende einen ersten Abschnitt mit einem Außengewinde 51 auf (1). An den mit dem Außengewinde 51 versehenen Abschnitt schließt sich in Richtung der Drehachse A auf der von dem Rotor abgewandten Seite des Außengewindes 51 ein Bereich an, in dem die Laderwelle 5 einen zylindrischen Außenmantel 53 aufweist, welcher als Pressbereich vorgesehen ist. Der zylindrische Außenmantel 53 weist bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in diesem Bereich einen Durchmesser D3 auf, welcher größer als der Innendurchmesser D1 der zylindrischen Bohrung 150 ist.
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Bei der Festlegung des Rotors 100 an der Laderwelle 5, wird der mit dem Außengewinde 51 versehende Bereich durch die Bohrung 150 des Rotorkörpers 101 hindurchgeschoben und in die Gewindebuchse 140 eingeschraubt. Gleichzeitig wird die Innenwandung 151 der Bohrung 150 auf den zylindrischen Außenmantel 53 aufgepresst.
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Beim Aufschrauben des Rotors 100 auf die Laderwelle 5 fungiert die Gewindebuchse 140 als schwimmende Gewindebuchse und erlaubt aufgrund des Spiels S1 einen radialen Toleranzausgleich. Die Gewindebuchse 140 weist ein Innengewinde 142 auf, das ein Innenfeingewinde oder ein Innenregelgewinde sein kann. Das Feingewinde kann gegenüber einem Regelgewinde einen Vorteil hinsichtlich einer höheren Selbsthemmung aufweisen. Das Regelgewinde kann ein standardisiertes Gewinde mit metrischen Abmessungen sein. 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.
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Bei der Befestigung des Rotors 100 erfolgt die Zentrierung des Rotors relativ zur Drehachse A der Laderwelle 5 mittels der Presspassung zwischen der Innenwandung 151 der Bohrung 150 und dem Außenmantel 53 der Laderwelle 5. Mittels der Gewindebuchse 140 wird eine axiale Spannkraft erzeugt, wobei sich die Gewindebuchse 140 an der Auflage 115 des Anschlusselementes 110 abstützt und dadurch eine Spannkraft erzeugt, welche das Anschlusselement 115 mit seiner Außenseite 112 gegen eine Anschlagsfläche am Verdichterrad 13 anpresst, wie am besten in 1 zu erkennen ist. Das Verdichterrad 13 stützt sich wiederum an einem Anschlag 52 der Laderwelle 5 ab, so dass das Verdichterrad 13 zwischen dem Anschlag 52 und dem Anschlusselement 110 des Rotors 100 eingespannt wird. Somit kann mittels des Rotors 100 eine definierte axiale Vorspannkraft auf das Verdichterrad vorgenommen werden.
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Der hier vorgestellte Rotor mit Gewindebuchse ist die bevorzugte Ausführungsform. Jedoch kann auf die Gewindebuchse auch verzichtet werden, wenn der Rotor in anderer Weise auf die Laderwelle aufgeschraubt wird.
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Der Aufbau des Rotors 100 wird im Folgenden anhand eines Verfahrens zur Herstellung des Rotors 100 und den 6a bis 6c erläutert.
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6a zeigt das Anschlusselement 110, welches beispielsweise als einfaches Drehteil aus Edelstahl hergestellt werden kann. Das Anschlusselement 110 weist einen Außenmantel 111, eine späteren Magneten 130 zuweisende Innenseite 113 und eine davon abweisende Außenseite 112 auf. An der Innenseite 113 des Anschlusselementes 110 ist konzentrisch zu der Drehachse A die Absenkung 182 ausgebildet sein, die zur Aufnahme der Gewindebuche 140 dient. Das Anschlusselement 110 kann durch Schleifen und Feinschleifen der Oberflächen bearbeitet werden.
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6b zeigt die Hülse 120, welche als Drehteil gefertigt wird. Die Hülse kann beispielweise aus einer Nickelbasislegierung 718, Titan Grd.5 oder einem Feinkornhartmetall gefertigt werden und anschließend on der Oberfläche geschliffen werden.
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Weiterhin kann das in 6c gezeigte erste Verschlusselement 170 und das zweite Verschlusselement 160 als scheibenförmige Stanzteile aus unmagnetischen Material hergestellt und anschließend einer Wärmebehandlung und einem Schleifprozess unterzogen werden.
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In einem ersten Schritt zur Herstellung des Rotors 100 kann, wie in 6c gezeigt ist, die Hülse 120 auf die Innenseite 113 des Anschlusselementes 110 aufgesetzt werden. Dabei kann die Hülse 120 mit einem Endbereich 121 über einen Absatz 116 an der Innenseite 113 des Anschlusselementes geschoben oder gepresst werden und anschließend in radialer Richtung mit dem Anschlusselement 110 an der Position 202 umlaufend verschweißt werden. Zuvor oder anschließend kann die Gewindebuchse 140 in die weitere Aufnahme 180 des Anschlusselementes 110 eingesetzt werden und das zweite Verschlusselement 160 in die Hülse 120 eingelegt werden, so dass das zweite Verschlusselement 160 an der Innenseite 113 anliegt und die weitere Aufnahme 180 abdeckt.
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Danach kann das Magnetpulver 400 in die Aufnahme 190 eingebracht werden. Das Magnetpulver 400 umfasst wenigstens ein Pulver aus magnetischen Partikeln 401, beispielsweise aus Samarium-Cobalt-Partikeln oder Neodym-Eisen-Bor-Partikeln. Die Pulverherstellung kann derart erfolgen, dass ein Pulver aus Nanokristallen oder feinstkristallinen Partikeln hergestellt wird. Dies kann in an sich bekannter Weise über die rasche Erstarrung einer Schmelze geschehen, gefolgt von einem Schritt des Zerkleinerns und Feinmahlens. Durch das rasche Erstarren einer Schmelze entsteht ein einphasiges, metastabiles Material, das infolge der Sprödigkeit des Samarium-Cobalt in Form kurzer schuppenartigen Bandstücke vorliegt. Dies kann einer Wärmebehandlung unterzogen und werden und anschließend wieder auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Aufgrund der hohen Keimbildungsrate im erstarrten Material führt dies zur Ausbildung eines nanokristallinen Gefüges und vor allem zu einer magnetisch besonders wirksamen, feinen und gleichmäßigen Zellstruktur. Anschließend wird das so gewonnene Material durch Mahlen zerkleinert, bis ein Pulver aus magnetischen Partikeln 401 erhalten wird.
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Dieses Pulver kann wie in 6c gezeigt in die Hülse 190 eingebracht werden. Dabei kann vorzugsweise in eine Richtung senkrecht zur Drehachse A ein Magnetfeld H1 angelegt werden, das eine Ausrichtung der Partikel 401 bewirkt, die in dem vergrößerten Ausschnitt V schematisch dargestellt ist (Die Partikel besitzen im Wesentlichen die gleiche Richtung ihres magnetischen Moments). Gleichzeitig kann das erste Verschlusselement 170 in die Hülse 120 eingepresst werden, wodurch das Pulver verdichtet wird. Die Presskraft zwischen Hülse und Magnetpulver 400 muss ausreichend groß sein, um die erforderlichen Drehmomente übertragen zu können. In beispielsweise axialer Richtung kann schließlich ein weiterer Schweißvorgang zwischen dem umlaufenden Rand der ersten Verschlusselementes 170 und der Hülse 120 an der Position 201 stattfinden und die ganze Braugruppe ausgewuchtet werden. Das in der Hülse 120 zwischen dem ersten Verschlusselement 170 und dem zweiten Verschlusselement 160 verpresste Pulver erzeugt aufgrund der Ausrichtung der magnetischen Momente bereits ein äußeres Magnetfeld.
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Der beschriebene Vorgang kann dadurch modifiziert werden, dass das Pulver zunächst in einem Füllstoff dispergiert wird und der mit dem Pulver vermischte Füllstoff in die Hülse 120 eingefüllt wird. Der Füllstoff kann beispielweise ein Kleber, insbesondere ein Epoxidharzkleber sein.
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Zuletzt erfolgt durch Anlegung eines weiteren Magnetfeldes H2, welches stärker als das Magnetfeld H1 ist, eine Aufmagnetisierung des Magnetpulvers 400, wodurch der endgültige Magnet 130 mit Nordpol und Südpol entsteht. In einem Querschnitt des in 6d gezeigten Magneten 130 senkrecht zu der Ebene der 6d und senkrecht zur Drehachse A bildet der Nordpol die untere Hälfte des Querschnittskreises und der Südpol die obere Hälfte.
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Die Aufmagnetisierung mittels des Magnetfeldes H2 kann aber beispielsweise auch durchgeführt werden, nachdem der Rotor 100 an der Laderwelle 5 angeordnet wurde.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017207532 A1 [0001, 0002, 0007, 0019]
