-
Die Erfindung betrifft eine Verdichteranordnung mit mindestens einem Verdichterrad, das drehfest mit einer Verdichterwelle verbunden ist, und mit einem elektromotorischen Antrieb.
-
Stand der Technik
-
Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2012 224 052 A1 sind Brennstoffzellensysteme mit Verdichtern bekannt. Bei Brennstoffzellensystemen oder Brennkraftmaschinen wird beispielsweise zur Erhöhung der Leistung die Luftfüllung in einem Brennraum der Brennstoffzelle oder der Brennkraftmaschine durch den Einsatz eines Verdichters, wie beispielsweise eines Turboladers, erhöht. Der Druck, mit dem die Luft in den Brennraum der Brennstoffzelle oder der Brennkraftmaschine gepresst wird, wird auch als Ladedruck bezeichnet und im Allgemeinen in der Nähe des Brennraums von einem Drucksensor gemessen. Das Drucksignal wird einem geschlossenen Regelkreis zugeführt, welcher den Turbolader steuert und so einen gewünschten Ladedruck einstellt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verdichteranordnung mit mindestens einem Verdichterrad, das drehfest mit einer Verdichterwelle verbunden ist, und mit einem elektromotorischen Antrieb, herstellungstechnisch und/oder funktionell zu verbessern.
-
Die Aufgabe ist bei einer Verdichteranordnung mit mindestens einem Verdichterrad, das drehfest mit einer Verdichterwelle verbunden ist, und mit einem elektromotorischen Antrieb, dadurch gelöst, dass die Verdichterwelle über ein Magnetgetriebe antriebsmäßig mit einer Antriebswelle des elektromotorischen Antriebs verbunden ist. Dabei wird bewusst der Nachteil in Kauf genommen, dass eine zusätzliche Antriebswelle für den Antrieb des Verdichterrads benötigt wird. Daraus ergibt sich unter anderem der Vorteil, dass die Antriebsdrehzahl der Antriebswelle gegenüber der Betriebsdrehzahl der Verdichterwelle reduziert werden kann. Dadurch können herkömmliche Motoren, insbesondere Standardmotoren, verwendet werden, um den elektromotorischen Antrieb darzustellen. Darüber hinaus vereinfacht sich die Kühlung des vorteilhaft entkoppelten elektromotorischen Antriebs. Der elektromotorische Antrieb muss darüber hinaus nicht mehr komplett gegenüber dem Verdichter gekapselt werden. Die Verdichterwelle kann darüber hinaus kürzer und damit leichter ausgeführt werden. Dadurch wird die Verdichterdynamik verbessert. Darüber hinaus kann der Lagerverschleiß im Betrieb der Verdichterwelle reduziert werden. Durch die Entkopplung des elektromotorischen Antriebs wird eine hohe Modularität ermöglicht. Durch das Magnetgetriebe wird auf einfache Art und Weise eine berührungslose Übersetzung und Antriebsmomentübertragung von der Antriebswelle auf die Verdichterwelle ermöglicht.
-
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verdichteranordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetgetriebe ein Übersetzungsverhältnis aufweist, das eine Betriebsdrehzahl der Verdichterwelle realisiert, die größer als eine Antriebsdrehzahl der Antriebswelle des elektromotorischen Antriebs ist. Die Betriebsdrehzahl der Verdichterwelle ist vorzugsweise deutlich größer als die Antriebsdrehzahl der Antriebswelle. Die Betriebsdrehzahl der Verdichterwelle kann zum Beispiel einhunderttausend Umdrehungen pro Minute oder mehr betragen. Durch die deutlich niedrigere Antriebsdrehzahl der Antriebswelle wird der Einsatz einfacher kostengünstiger elektrischer Maschinen ermöglicht. Darüber hinaus kann in dem elektromotorischen Antrieb ein konventioneller kostengünstiger Inverter eingesetzt werden.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verdichteranordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass an einem Ende der Verdichterwelle eine erste Magnetanordnung angebracht ist, die mit einer zweiten Magnetanordnung zusammenwirkt, die drehfest mit der Antriebswelle des elektromotorischen Antriebs verbunden ist. So wird auf einfache Art und Weise die Übertragung des Drehmoments und die Darstellung einer gewünschten Übersetzung mit dem Magnetgetriebe ermöglicht.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verdichteranordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Magnetanordnung radial innerhalb der zweiten Magnetanordnung drehbar angeordnet ist. Dadurch wird die Kopplung der Antriebswelle mit der Verdichterwelle vereinfacht. Die Verdichterwelle ist vorzugsweise koaxial zu der Antriebswelle angeordnet.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verdichteranordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Modulartoranordnung radial zwischen der ersten und der zweiten Magnetanordnung angeordnet ist. Die Modulatoranordnung kann wahlweise sich drehende oder feststehende Modulatoren umfassen.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verdichteranordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Modulatoranordnung feststehend angeordnet ist. Der Begriff feststehend bezieht sich zum Beispiel auf ein Gehäuseteil, mit dem die Modulatoranordnung fest verbunden ist.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verdichteranordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuseteil radial zwischen der ersten und der zweiten Magnetanordnung angeordnet ist. Das zwischen den beiden Magnetanordnungen angeordnete Gehäuseteil ist vorzugsweise nicht magnetisch beziehungsweise mit einer geringen oder keiner Induktivität versehen. So wird mit dem Gehäuseteil eine Kapselung zwischen dem Verdichter und dem elektromotorischen Antrieb ermöglicht.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verdichteranordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der elektromotorische Antrieb einer Lageranordnung für die Antriebswelle des elektromotorischen Antriebs umfasst. Aufgrund der eher geringen Antriebsdrehzahl der Antriebswelle kann die Antriebswelle mit kostengünstigen Lagern, zum Beispiel Wälzlagern, gelagert werden. Die Lageranordnung umfasst mindestens zwei Radiallager, die gegebenenfalls auch eine Axiallagerfunktion übernehmen können.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verdichteranordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichteranordnung eine Gaslageranordnung für die Verdichterwelle umfasst. Die Gaslageranordnung hat sich im Hinblick auf die extrem hohen Drehzahlen der Verdichterwelle im Betrieb als vorteilhaft erwiesen. Die Gaslageranordnung umfasst vorteilhaft zwei Radiallager und mindestens ein Axiallager.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verdichteranordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichteranordnung mindestens ein Turbinenrad umfasst, das drehfest mit der Verdichterwelle verbunden ist. Das Turbinenrad wird vorteilhaft mit Abgas aus einem Brennstoffzellensystem angetrieben. Dadurch kann der Wirkungsgrad im Betrieb der Verdichteranordnung verbessert werden.
-
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Verdichterwelle, eine Antriebswelle und/oder ein Magnetgetriebe, insbesondere eine Magnetanordnung, eine Modulartoranordnung, ein Gehäuseteil, für eine vorab beschriebene Verdichteranordnung. Die genannten Teile sind separat handelbar.
-
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Gaszuführvorrichtung mit einer vorab beschriebenen Verdichteranordnung.
-
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad an einem Außendurchmesser Aussparungen aufweist, deren Projektionsfläche mindestens zwei Prozent einer Gesamtprojektionsfläche des Verdichterrads einnimmt, und die so gestaltet und angeordnet sind, dass im Betrieb der Gaszuführvorrichtung auf das Verdichterrad wirkende Kräfte reduziert werden. Bei dem Brennstoffzellensystem handelt es sich vorzugsweise um ein PEM-Brennstoffzellensystem, wobei die Großbuchstaben PEM für die englischen Begriffe Proton Exchange Membrane stehen. Das mobile Brennstoffzellensystem dient in einem mit dem Brennstoffzellensystem ausgestatteten Kraftfahrzeug zur Bereitstellung von elektrischer Energie, die zum Beispiel über einen Elektromotor in Antriebsenergie für das Kraftfahrzeug umgewandelt wird. In Fahrzeugen mit einem PEM-Brennstoffzellensystem wird der zur Reaktion benötigte Sauerstoff typischerweise durch verdichtete Umgebungsluft zur Verfügung gestellt. Die Verdichtung erfolgt oftmals mit einem elektrisch angetriebenen Turboverdichter. Da die Membrane der Brennstoffzelle idealerweise mit möglichst sauberer Luft betrieben werden sollte, werden zur Lagerung der Welle der Gaszuführvorrichtung möglichst öl- und fettfreie Gaslager, insbesondere Luftlager, eingesetzt. Die Gaslageranordnung umfasst vorzugsweise sowohl Radiallager als auch Axiallager, die als Gaslager ausgeführt sind. Die Gaslager dienen dazu, im Betrieb auftretende Kräfte und Momente aufzunehmen. Darüber hinaus ermöglichen die Gaslager ein möglichst verlustarmes Rotieren der Welle. Die Gaszuführvorrichtung kann alleine durch einen elektrischen Antrieb angetrieben werden. Zusätzlich zum elektrischen Antrieb ist ein weiterer Antrieb durch mindestens eine Turbinenstufe möglich. Insbesondere in der Figurenbeschreibung werden verschiedene Topologien der Gaszuführvorrichtung beschrieben, mit denen unter anderem mindestens einer der vorzugsweise mehrere der folgenden Vorteile erreicht wird: Verbesserung der radialen Positioniergenauigkeit eines Rotors und damit Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Gaszuführvorrichtung durch geringere Laufradspalte; Verbesserung der axialen Positioniergenauigkeit des Rotors und damit Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads der Gaszuführvorrichtung durch geringere Laufradspalte; Steigerung der spezifischen Axiallagertragkraft, wodurch eine kompaktere Bauform eines Axiallagers ermöglicht wird; Reduktion des Verschleißes und damit Erhöhung der Lebensdauer der Gaszuführvorrichtung beziehungsweise einer Anzahl möglicher Start-Stopp-Vorgänge durch einen besseren Verschleißschutz; Reduktion von Lagerverlusten im Betrieb und dadurch reduzierter Kühlbedarf sowie effizienterer Betrieb; Erhöhung der Robustheit der Lager, wodurch rotordynamisch ein stabilerer Betrieb ermöglicht wird. Die Gaszuführvorrichtung dient insbesondere zur Verdichtung von Luft und wird daher auch als Luftverdichter oder Turboverdichter bezeichnet. Bei dem als Gas bezeichneten Arbeitsmedium der Gaszuführvorrichtung kann es sich aber auch um ein anderes Gas oder Gasgemisch als Luft handeln, zum Beispiel ein Gasgemisch mit der Kurzbezeichnung R134, um Kohlendioxid oder um gasförmiges Wasser. Bei dem Schmiermedium für die Lager handelt es sich vorzugsweise um das Arbeitsmedium oder Gas, mit dem die Gaszuführvorrichtung betrieben wird. Die Welle der Gaszuführvorrichtung dreht sich im Betrieb mit sehr hohen Drehzahlen. Die Drehzahlen können einhunderttausend Umdrehungen pro Minute übersteigen. Bei der Gaszuführvorrichtung handelt es sich insbesondere um einen Turbinen-angetriebenen Turboverdichter oder um einen elektrisch angetriebenen Verdichter mit mindestens einem Turbinenrad. Durch die beanspruchte Ausführung der Gaszuführvorrichtung können insbesondere nachstehende Mängel heutiger vorrangig durch Turbinen angetriebene luftgelagerten Luftverdichter behoben beziehungsweise reduziert werden: Reduktion der auf das Verdichterrad beziehungsweise Turbinenrad wirkenden Kräfte; hierdurch Reduktion der resultierenden Kräfte, wodurch das Axiallager entsprechend kleiner dimensioniert werden kann; gezielte Beeinflussung der Axialkraft, so dass diese zum Beispiel immer in die gleiche Richtung wirkt; direkte Reduktion des Massenträgheitsmoments des Rotors durch Reduktion der Massenträgheitsmomente des/der Laufrads/Laufräder, hierdurch verbessertes dynamisches Verhalten des Verdichters; durch weitere Reduktion des Massenträgheitsmoments des Rotors durch Größenreduktion des Axiallagers; im Anwendungsfall eines Turboladers Verbesserung des Turbolochs beziehungsweise Low-End-Torques; Reduktion der Laufradmasse, Reduktion der auftretenden Spannungen und Reduktion der Verformungen, hierdurch bei gleichem Werkstoff höhere Drehzahlen und größer Laufräder möglich; Reduktion der Rotormasse.
-
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad an einem Außendurchmesser Aussparungen aufweist, deren Projektionsfläche mindestens fünf Prozent einer Gesamtprojektionsfläche des Turbinenrads einnimmt, und die so gestaltet und angeordnet sind, dass im Betrieb der Gaszuführvorrichtung auf das Turbinenrad wirkende Kräfte reduziert werden. Zum einen wird so die Masse des Verdichterrads reduziert, und damit auch dessen Massenträgheit. Darüber hinaus kann vorteilhaft eine im Betrieb der Gaszuführvorrichtung auf das Turbinenrad wirkende Axialkraft reduziert werden.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Projektionsfläche der Aussparungen im Turbinenrad kleiner als oder gleich sechzig Prozent einer Gesamtprojektionsfläche ist. So kann zum einen eine gewünschte Leistung erreicht werden. Darüber hinaus können die vorab beschriebenen Vorteile im Hinblick auf die Masse, Massenträgheit und Axialkraft des Turbinenrads erzielt werden.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen teilkreisförmig gestaltet sind. Diese Gestalt hat sich im Hinblick auf eine im Betrieb der Gaszuführvorrichtung auftretende Geräuschentwicklung sowohl bei dem Turbinenrad als auch bei dem Verdichterrad als vorteilhaft erwiesen.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen eine in sich asymmetrische Gestalt aufweisen. Durch Form und Größe der ausgesparten oder abgetragenen Flächen lassen sich gezielt die wirkenden Axialkräfte beeinflussen. Die asymmetrische Gestalt oder Ausformung der Aussparungen ist für eine Gaszuführvorrichtung, insbesondere für einen Verdichter mit rückwärts gekrümmten Laufrädern, vorteilhaft.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen näher zu in Drehrichtung +Laufradschaufeln angeordnet sind. Die asymmetrische Gestalt oder Ausformung der Aussparungen ist für eine Gaszuführvorrichtung, insbesondere für einen Verdichter mit rückwärts gekrümmten Laufrädern, vorteilhaft.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Projektionsfläche der Aussparungen im Verdichterrad kleiner als oder gleich fünfundzwanzig Prozent einer Gesamtprojektionsfläche ist. So kann zum einen eine ausreichende Verdichterleistung realisiert werden. Darüber hinaus können die vorab beschriebenen Vorteile im Hinblick auf die Massen, die Massenträgheit und die Axialkraft auf das Verdichterrad effektiv verwirklicht werden.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen so gestaltet und zwischen Laufradschaufeln angeordnet sind, dass im Betrieb der Gaszuführvorrichtung eine auf die Laufräder wirkende Gesamtkraft in axialer Richtung reduziert wird. Besonders vorteilhaft ist jeweils genau eine Aussparung zwischen zwei Laufradschaufeln angeordnet. Die Aussparungen sind vorteilhaft gleichmäßig über den Umfang des jeweiligen Laufrads verteilt. Durch die verringerte Gesamtkraft in axialer Richtung können die Lagerbelastungen in der beanspruchten Gaszuführvorrichtung wirksam verringert werden.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen so gestaltet und angeordnet sind, dass die im Betrieb der Gaszuführvorrichtung auf die Laufräder wirkende Gesamtkraft in axialer Richtung immer nur in eine Richtung wirkt. So kann, insbesondere unter bestimmten Randbedingungen, nur ein einseitig wirkendes Axiallager zur axialen Lagerung der Welle ausreichen.
-
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Laufrad für eine vorab beschriebene Gaszuführvorrichtung. Das Laufrad ist separat handelbar. Bei dem Laufrad kann es sich um ein Verdichterrad oder um ein Turbinenrad handeln.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
-
Figurenliste
-
Es zeigen: Die
- 1 bis 5 schematische Darstellungen einer Verdichteranordnung mit mindestens einem Verdichterrad, das drehfest mit einer Verdichterwelle verbunden ist, die über ein Magnetgetriebe antriebsmäßig mit einer Antriebswelle eines elektromotorischen Antriebs verbunden ist, gemäß fünf verschiedenen Ausführungsbeispielen;
- 6 eine schematische Querschnittsdarstellung durch das Magnetgetriebe;
- 7 und 8 zwei Ausführungsbeispiele eines Verdichterrads mit Aussparungen am äußeren Umfang, jeweils perspektivisch;
- 9 ein Ausführungsbeispiel eines Turbinenrads mit Aussparungen am äußeren Umfang perspektivisch;
- 10 eine Projektionsfläche der Aussparungen in dem Verdichterrad aus 8;
- 11 eine Projektionsfläche der Aussparungen in dem Turbinenrad aus 9; und
- 12 eine perspektivische Darstellung einer Welle, an deren Enden das Verdichterrad aus 7 und das Turbinenrad aus 8??9 angebracht sind.
-
In den 1 bis 5 ist eine Verdichteranordnung 1 mit einer Verdichterwelle 2 schematisch in verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden zunächst die Gemeinsamkeiten der Ausführungsbeispiele beschrieben, bevor auf deren Unterschiede eingegangen wird.
-
An einem in den 1 bis 5 linken Ende der Verdichterwelle 2 ist ein Verdichterrad 3 angebracht. Das Verdichterrad 3 ist innerhalb einer Verdichtervolute 5 drehbar. Die Verdichtervolute 5 ist an einem Gehäuse 4 der Verdichteranordnung 1 angebracht. Ein Gehäuseteil 6, durch das sich die Verdichterwelle 2 hindurch erstreckt, ist zwischen der Verdichtervolute 5 und dem Gehäuse 4 angeordnet.
-
Das Gehäuse 4 umfasst einen Gehäusegrundkörper 7, der im Wesentlichen die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels aufweist. An seinem in den 1 bis 5 linken Ende ist der Gehäusegrundkörper 7 durch das Gehäuseteil 6 abgeschlossen. An seinem in den 1 bis 5 rechten Ende ist der Gehäusegrundkörper 7 durch eine nicht näher bezeichnete Gehäusewand abgeschlossen, durch welche sich die Verdichterwelle 2 hindurch erstreckt.
-
Die Verdichterwelle 2 wird mit Hilfe einer Gaslageranordnung 11 drehbar in dem Gehäuse 4 gelagert. Die Gaslageranordnung 11 umfasst zwei Radiallager 9, 10 und ein Axiallager 8. Das Axiallager 8 umfasst eine Lagerscheibe 12, die an der Verdichterwelle 2 angebracht ist und zur Darstellung eines zweiseitigen Axiallagers 8 dient. Die Lager 8 bis 10 sind als Gaslager ausgeführt.
-
Zum Antrieb der Verdichteranordnung 1 dient ein elektromotorischer Antrieb 14. Der elektromotorische Antrieb 14 umfasst eine Antriebswelle 15, die in einem Gehäuse 16 mit Hilfe einer Lageranordnung 17 drehbar gelagert ist. Die Lageranordnung 17 umfasst zwei zum Beispiel als Wälzlager ausgeführte Lager 18, 19.
-
Der elektromotorische Antrieb 14 umfasst einen Antriebsrotor 20. Der Antriebsrotor 20 umfasst mindestens einen Permanentmagneten 21, der in die Antriebswelle 15 integriert ist, um den Antriebsrotor 20 darzustellen. Der Antriebsrotor 20 ist innerhalb eines Stators 22 des elektromotorischen Antriebs 14 drehbar.
-
Die Antriebswelle 15 des elektromotorischen Antriebs 14 ist über ein Magnetgetriebe 25 antriebsmäßig mit der Verdichterwelle 2 verbunden. Das Magnetgetriebe 25 umfasst eine erste Magnetanordnung 27, die an einem Antriebswellenteil 23 der Antriebswelle 15 des elektromotorischen Antriebs 14 angebracht ist. Eine zweite Magnetanordnung 28 ist in das in den 1 bis 5 rechte Ende der Verdichterwelle 2 integriert.
-
Das in den 1 bis 5 rechte Ende der Verdichterwelle 2 mit der zweiten Magnetanordnung 28 ist in einem topfartigen Gehäuseteil 29 angeordnet, das von einer Trennwand 34 ausgeht. Die Trennwand 34 ist in axialer Richtung zwischen dem Gehäusegrundkörper 7 der Verdichteranordnung 1 und dem Gehäuse 16 des elektromotorischen Antriebs 14 angeordnet. Die Verdichtewelle 2 erstreckt sich durch die Trennwand 34 hindurch.
-
In 6 ist das Magnetriebe 25 alleine im Querschnitt dargestellt. Das Antriebswellenteil 23 stellt mit der ersten Magnetanordnung 27 einen Außenrotor 24 mit einem Läuferjoch 31 dar. Das Ende der Verdichterwelle 2 mit der zweiten Magnetanordnung 28 stellt einen Innenrotor 26 mit einem Läuferjoch 32 dar. Die Modulartoranordnung 30 ist radial zwischen dem Innenrotor 26 und dem Außenrotor 24 angeordnet. Die Modulatoranordnung 30 umfasst feststehende Modulatoren 33. Die Modulatoren 33 sind fest an dem topfartigen Gehäuseteil 29 angebracht.
-
Das Magnetgetriebe 25 kann mit vorzugsweise schnelldrehendem Innenläufer beziehungsweise Innenrotor 26 oder wahlweise schnelldrehendem Außenläufer beziehungsweise Außenrotor 24 ausgeführt sein. Das Magnetgetriebe 25 hat vorzugsweise den in den 1 bis 5 dargestellten Aufbau mit dem langsamdrehenden Läuferjoch 31, den am langsamdrehenden Läuferjoch 31 fixierten Magnetpolpaaren der ersten Magnetanordnung 27, den wahlweise drehenden oder feststehenden Modulatoren 33 und den schnelldrehenden Magneten der zweiten Magnetanordnung 28, die auf dem schnelldrehenden Läuferjoch 32 fixiert sind.
-
Die dargestellten Magnete sind hier beispielsweise als radial nach außen oder radial nach innen magnetisiert ausgeführt. Die Getriebejoche oder Läuferjoche 31, 32 dienen zur magnetischen Flussführung und als Träger für die beispielsweise aufgeklebten Magnete. Die Getriebejoche oder Läuferjoche 31, 32 sind vorzugsweise aus einem magnetisch leitenden Material ausgeführt. Eine hier nicht dargestellte Variante des Magnetgetriebes 25 umfasst die Nutzung einer Halbach-Anordnung der Magnete, bei der das Jochmaterial nicht magnetisch leitend ausgeführt wird.
-
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Verdichteranordnung 1 ist das zweiseitig oder beidseitig ausgeführte Axiallager 8 in axialer Richtung zwischen dem Gehäuseteil 6 und dem Radiallager 9 angeordnet. In 2 ist das ebenfalls beidseitig ausgeführte Axiallager 8 zwischen den beiden Radiallagern 9 und 10 angeordnet.
-
In 3 ist im Unterschied zu 1 ein Turbinenrad 35 in einer Volute 36 zwischen dem Gehäusegrundkörper 7 und der Trennwand 34 angeordnet. Das Turbinenrad 35 ist, ebenso wie das Verdichterrad 3, drehfest mit der Verdichterwelle 2 verbunden.
-
In 4 ist im Unterschied zu 1 ein Turbinenrad 35 in einer Volute 36 zwischen der Volute 5 und dem Gehäuseteil 6 angeordnet. Ein weiteres Gehäuseteil 13 ist zwischen den beiden Voluten 5 und 36 angeordnet.
-
In 5 sind die Ausführungsbeispiele der 3 und 4 miteinander kombiniert. Das in 5 rechte Turbinenrad und die zugehörige Volute sind in 5 im Unterschied zu 3 mit Bezugszeichen 37 und 38 bezeichnet.
-
Die Gaszuführvorrichtung, die zum Beispiel als Turboverdichter ausgeführt ist, umfasst mindestens ein Radiallager, das als Gaslager oder Luftlager ausgeführt ist. Darüber hinaus umfasst die Gaszuführvorrichtung mindestens ein Axiallager, das ebenfalls als Gaslager oder Luftlager ausgeführt ist. Die exakte Rotortopologie ist, wie vorab beschrieben ist, vielfältig wandelbar. Besonders vorteilhaft sind Anordnungen mit zwei Radiallagern und einem beidseitig wirkenden Axiallager.
-
Das Besondere bei der beanspruchten Gaszuführvorrichtung ist, dass die Verdichter- und/oder die Turbinenräder am Außendurchmesser Aussparungen zwischen den Laufradschaufeln aufweisen. Diese können teilkreisförmig ausgeformt sein oder auch eine beliebige, zum Beispiel asymmetrische, Form aufweisen.
-
Die Laufräder können gehäuseseitig offen oder mit einer Deckscheibe ausgeführt sein. Durch geeignete Wahl beim Einsatz mindestens zweier Laufräder kann neben einer Reduktion der wirkenden Gesamtkraft diese auch gezielt derart beeinflusst werden, dass die Gesamtkraft im gesamten Betriebsbereich der Gaszuführvorrichtung immer in die gleiche Richtung wirkt. Hierdurch kann unter bestimmten Randbedingungen auch nur ein einseitig wirkendes Axiallager zum Einsatz kommen.
-
In den 7 bis 9 sind drei Ausführungsbeispiele eines Laufrads 45; 46; 44 perspektivisch dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Zunächst werden die Gemeinsamkeiten der Laufräder 44; 45; 46 beschrieben. Danach wird auf deren Unterschiede eingegangen.
-
Das Laufrad 44; 45; 46 umfasst eine Nabe 50 mit einem zentralen Durchgangsloch 51. Von der Nabe 50 geht ein Grundkörper 52 mit einem Außendurchmesser 53 aus.
-
Das Laufrad 44; 45; 46 umfasst Laufradschaufeln 54; 55; 56, die über einen Umfang des Laufrads 44; 45; 46 gleichmäßig verteilt sind.
-
Das Laufrad 44; 45; 46 umfasst an seinem Außendurchmesser 53 Aussparungen 64; 65; 66. Zwischen zwei benachbarten Laufradschaufeln 54; 55; 56 ist jeweils eine Aussparung 64; 65; 66 angeordnet.
-
Bei dem in 7 gezeigten Laufrad 45 handelt es sich um ein Verdichterrad. Das Verdichterrad 45 umfasst insgesamt neun Laufradschaufeln 55 und ebenfalls neun Aussparungen 65. Die Aussparungen 65 haben die Gestalt von Teilkreisen. Dabei sind die Aussparungen 65 jeweils in Umfangsrichtung mittig zwischen zwei Laufradschaufeln 55 angeordnet.
-
Das in 8 dargestellte Laufrad 46 ist ebenfalls ein Verdichterrad. Das Verdichterrad 46 umfasst insgesamt neun Laufradschaufeln 56 und ebenfalls neun Aussparungen 66. Die Aussparungen 66 sind in sich asymmetrisch ausgeführt. In einer Drehrichtung oder Rotationsrichtung, die in 8 dem Uhrzeigersinn entspricht, sind die Aussparungen 66 näher an der nachfolgenden Laufradschaufel 53 angeordnet als an der vorangegangenen Laufradschaufel.
-
Bei dem in 9 gezeigten Laufrad 44 handelt es sich um ein Turbinenrad. Das Turbinenrad 44 umfasst sechs Laufradschaufeln 54 und sechs Aussparungen 64. Die Aussparungen 64 haben die Gestalt von Teilellipsen. Daraus ergeben sich im Wesentlichen längliche Vertiefungen mit Rundungen.
-
In den 10 und 11 sind Projektionsflächen 76; 74 der Aussparungen der Laufräder 46; 44 der 8 und 9 gezeigt.
-
Die Projektionsflächen 76 der asymmetrischen Ausformung des Verdichterrads 46 beträgt bezogen auf die Gesamtprojektionsfläche fünfundzwanzig Prozent oder weniger als fünfundzwanzig Prozent. Für das Turbinenrad 44 beträgt die Projektionsfläche 74 der Aussparungen bezogen auf die Gesamtprojektionsfläche sechzig Prozent oder weniger als sechzig Prozent.
-
In 12 ist eine Welle 42 perspektivisch dargestellt. An einem in 12 linken Ende der Welle 42 ist das Laufrad 45 aus 7 befestigt. An einem in 12 rechten Ende der Welle 42 ist das in 9 dargestellte Laufrad 44 befestigt.
-
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
-
- DE 102012224052 A1 [0002]
