DE102021210027A1

DE102021210027A1 - Rotor-Baugruppe für einen Turbolader mit elektromotorischem Zusatzantrieb und Turbolader

Info

Publication number: DE102021210027A1
Application number: DE102021210027.9A
Authority: DE
Inventors: Mark Paulov; Dominik Just
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2021-09-10
Filing date: 2021-09-10
Publication date: 2023-03-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotor-Baugruppe (10) für einen Turbolader (100) mit elektromotorischem Zusatzantrieb (150) und einen Turbolader (100) mit einer solchen Rotor-Baugruppe (10).
Die erfindungsgemäße Rotor-Baugruppe (10) weist ein auf einem Turbinenradträger (20) angeordnetes Turbinenrad (21), ein auf einem Verdichterradträger (30) angeordnetes Verdichterrad (31), eine als Hohlwelle ausgebildete, einen Innenhohlraum (43) aufweisende Rotorhohlwelle (40) und eine Rotor-Permanentmagnet-Anordnung (50) auf. Dabei ist der Turbinenradträger (20) mit einem ersten Wellenende (41) der Rotorhohlwelle (40) mechanisch fest verbunden und der Verdichterradträger (30) ist mit einem zweiten Wellenende (42) der Rotorhohlwelle (40) mechanisch fest verbunden. Weiterhin ist die Rotor-Permanentmagnet-Anordnung (50) im Innenhohlraum (43) der Rotorhohlwelle (40) angeordnet, wo sie mechanisch fest mit der Rotorhohlwelle (40) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotor-Baugruppe für einen Turbolader mit elektromotorischem Zusatzantrieb und einen Turbolader mit einer solchen Rotor-Baugruppe.
Turbolader werden seit langem als Abgasturbolader zur Leistungssteigerung bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht mit dem Ziel den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO₂-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen um den Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken und somit mehr Treibstoff, Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
Bei Brennstoffzellen, die einen Baustein der Elektromobilität darstellen können, werden den Elektroden Brennstoffe in Form von gasförmigen Medien, z. B. Luft und Wasserstoff, unter Druck zugeführt, die unter Abgabe von elektrischem Strom zu Wasser reagieren, das in Form von Wasserdampf, quasi als Abgas, abgegeben wird. Auch hier können Turbolader zum Einsatz kommen, die die im Wasserdampf enthaltene Energie zum Druckaufbau in der Zuführung der gasförmigen Brennstoffe nutzen.
Dazu weist ein Turbolader eine im „Abgastrakt“ des Verbrennungsmotors bzw. der Brennstoffzelle angeordnete Turbine, einen im Ansaugtrakt bzw. der Brennstoffzuführung angeordneten Radialverdichter und ein dazwischen angeordnetes Läuferlager auf. Die Abgasturbine weist ein Turbinengehäuse und ein darin angeordnetes, durch den Abgasmassenstrom angetriebenes Turbinenrad auf. Der Radialverdichter weist ein Verdichtergehäuse und ein darin angeordnetes, einen Ladedruck aufbauendes Verdichterrad auf. Das Turbinenrad und das Verdichterrad sind auf den sich gegenüberliegenden Enden einer gemeinsamen Rotorwelle, der sogenannten Läuferwelle, drehfest angeordnet und bilden so die auch als Turboladerläufer bezeichnete Rotor-Baugruppe des Turboladers. Die Rotorwelle erstreckt sich axial zwischen Turbinenrad und Verdichterrad durch das zwischen Abgasturbine und Frischluftverdichter in einem Lagergehäuse angeordnete Läuferlager und ist in diesem, in Bezug auf die Läuferwellenachse, radial und axial drehgelagert. Gemäß diesem Aufbau treibt das vom Abgasmassenstrom angetriebene Turbinenrad über die Rotorwelle das Verdichterrad an, wodurch der Druck im Ansaugtrakt bzw. in der Brennstoffzufuhr des Verbrennungsaggregats, bezogen auf den Gasmassenstrom hinter dem Radialverdichter, erhöht und dadurch eine bessere Befüllung des Brennraumes bzw. Reaktionsaggregats mit Luft-Sauerstoff bzw. Brennstoff bewirkt wird.
Da insbesondere in transienten Betriebsbereichen und bei niedriger Last, aufgrund niedriger Abgasdrücke, häufig das Ansprechverhalten eines Turboladers zu wünschen übrig lässt, bietet es sich an, einen zusätzlichen Antrieb für die Rotor-Baugruppe, zum Beispiel in Form eines elektromotorischen Zusatzantriebs, insbesondere eines Elektromotors, vorzusehen, der die Schwachstellen des Turboladers in diesen Bereichen ausgleicht. Dabei ist der elektromotorische Zusatzantrieb häufig der Hauptantrieb des Laders und die Abgasenergie wird mittels der Turbine zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrades genutzt. Derart ausgestattete Turbolader werden im Weiteren auch kurz als E-Turbolader bezeichnet. Verschiedene Ausführungen solcher E-Turbolader sind beispielsweise in den Dokumenten EP 1 747 364 A1 , EP 1 811 150 B1 , DE 19 518 317 A1 und DE 11 2010 000 875 B4 offenbart.
Eine zentrale Baueinheit des Turboladers stellt dabei die Rotor-Baugruppe dar, die die Läuferwelle, das am einen Läuferwellenende angeordnete Turbinenrad und das am gegenüberliegenden Läuferwellenende angeordnete Verdichterrad aufweist. Das Turbinenrad und das Verdichterrad sind mit der Läuferwelle drehfest verbunden. Die Läuferwelle erstreckt sich im montierten Zustand entlang der Turboladerachse axial durch das Lagergehäuse und ist in diesem mittels einer Lageranordnung axial und radial um seine Längsachse, die Läuferdrehachse, drehgelagert. Bei der speziellen Ausführung als E-Turbolader ist, wie aus den Beispielen der oben genannten Dokumente ersichtlich ist, auf der Läuferwelle zusätzlich zum Beispiel eine Rotor-Permanentmagnet-Anordnung vorgesehen, die mit einem drehfest im Lagergehäuse angeordneten Stator in Wechselwirkung steht und so die elektrische Maschine bzw. den Elektromotor bildet.
Die Rotor-Baugruppe bzw. der Turboladerläufer weist dazu in der Regel eine durchgehende Rotorwelle auf, die auch als Leitwelle bezeichnet wird, auf welche die weiteren Komponenten quasi aufgefädelt werden. Mittels dieser Rotorwelle welche an beiden Enden als Zuganker ausgebildet ist, werden die einzelnen Komponenten, zum Beispiel das Turbinenrad, das Verdichterrad, Axiallagerscheiben, Radiallager, etc., auf der Rotorwelle mittels Schrauben oder Muttern verspannt und dadurch fixiert. Zusätzlich oder wahlweise können auch einzelne Komponenten, zum Beispiel Magnetanordnungen, Radiallager, etc., auf die Rotorwelle aufgepresst werden.
Durch das Auffädeln, Aufpressen und Verspannen der einzelnen Komponenten auf der Rotorwelle kann es durch Toleranzen zur Schiefstellung oder einem Verzug der Rotorwelle und somit der gesamten Rotor-Baugruppe führen. Dadurch können Unwuchten und dadurch im Betrieb hervorgerufene Wellenauslenkung bzw. Schwingungen entstehen, die einen signifikanten negativen Einfluss auf die Laufruhe der Rotor-Baugruppe im Betrieb und die gesamte Rotordynamik haben und so zum Beispiel auch zu verkürzten Lebensdauern der Radiallager beitragen.
Diesem Effekt wird versucht entgegenzuwirken durch sehr kleine Toleranzen der einzelnen Bauteile in der Fertigung und hohe Präzision bei der Montage. Dies erhöht den Fertigungsaufwand und ggf. die Ausschussquote in der Fertigung erheblich, was sich nachteilig auf die Herstellkosten auswirkt.
Die durch die Erfindung zu lösende Aufgabe besteht somit darin, eine Rotor-Baugruppe für einen Turbolader mit elektromotorischem Zusatzantrieb und einen Turbolader zur Verfügung zu stellen, die eine verbesserte Laufruhe im Betrieb bei vertretbarem Fertigungsaufwand aufweisen und zu verbesserten Lebensdauern der Radiallager der Rotorwelle beitragen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Rotor-Baugruppe für einen Turbolader mit elektromotorischem Zusatzantrieb und einen Turbolader mit einer solchen Rotor-Baugruppe gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.
Die Gegenstände gemäß der Erfindung weisen dabei die Vorteile auf, dass keine Verspannung der Rotor-Baugruppe über eine zentrale durchgehende Rotorwelle erfolgt und dadurch fertigungs- und montagetechnisch bedingte Unwuchten der Rotor-Baugruppe reduziert werden.
Die erfindungsgemäße Rotor-Baugruppe für einen Turbolader mit elektromotorischem Zusatzantrieb weist ein auf einem Turbinenradträger angeordnetes Turbinenrad, ein auf einem Verdichterradträger angeordnetes Verdichterrad, eine als Hohlwelle ausgebildete, einen Innenhohlraum aufweisende Rotorhohlwelle und eine Rotor-Permanentmagnet-Anordnung auf. Dabei ist der Turbinenradträger mit einem ersten Wellenende der Rotorhohlwelle mechanisch fest verbunden und der Verdichterradträger ist mit einem zweiten Wellenende der Rotorhohlwelle mechanisch fest verbunden. Weiterhin ist die Rotor-Permanentmagnet-Anordnung im Innenhohlraum der Rotorhohlwelle angeordnet, wo sie mechanisch fest mit der Rotorhohlwelle verbunden ist.
Eine mechanisch feste Verbindung kann sowohl eine formschlüssige, eine kraftschlüssige als auch eine stoffschlüssige Verbindung sein, die zwei oder mehr Bauteile derart miteinander verbindet, dass diese in ihrer Lage zueinander so fixiert sind, dass sie den zu erwartenden mechanischen, äußeren oder inneren Beanspruchungen standhält.
Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen offenbart und im Folgenden sowie anhand der Figuren beschrieben.
Eine zweite Ausführung der Rotor-Baugruppe ist dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenradträger einen ersten Anschlussstutzen aufweist, der am ersten Wellenende der Rotorhohlwelle in den Innenhohlraum der Rotorhohlwelle passgenau um eine erste axiale Einstecklänge hineinragt. Alternativ oder zusätzlich weist
der Verdichterradträger einen zweiten Anschlussstutzen auf, der am zweiten Wellenende der Rotorhohlwelle in den Innenhohlraum der Rotorhohlwelle passgenau um eine zweite axiale Einstecklänge hineinragt. Die erste axiale Einstecklänge und die zweite axiale Einstecklänge können dabei gleich bemessen als auch unterschiedlich sein. Auf diese Weise wirken die Anschlussstutzen vorteilhaft als Versteifung auf die Rotorhohlwelle.
In Ausgestaltung der vorgenannten zweiten Ausführung der Rotor-Baugruppe ist bei einer dritten Ausführung der erste Anschlussstutzen des Turbinenradträgers oder der zweite Anschlussstutzen des Verdichterradträgers jeweils als Hohlstutzen mit einer sich axial erstreckenden umlaufenden Stutzenwand und einer dem Innenhohlraum der Rotorhohlwelle zugewandten, von der Stutzenwand umfassten Ausnehmung ausgebildet. Es können im Rahmen dieser Ausführung jedoch auch sowohl der erste Anschlussstutzen des Turbinenradträgers als auch der zweite Anschlussstutzen des Verdichterradträgers als Hohlstutzen, wie zuvor beschrieben, ausgebildet sein. Mit einer solchen Ausführung kann das Gewicht der Rotor-Baugruppe insgesamt und somit deren Massenträgheit vorteilhaft signifikant reduziert werden.
Eine Weiterentwicklung der genannten zweiten oder dritten Ausführung der Rotor-Baugruppe entspricht einer vierten Ausführung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der erste Anschlussstutzen des Turbinenradträgers oder der zweite Anschlussstutzen des Verdichterradträgers einen radial umlaufenden Anschlagrand aufweist, dessen Außendurchmesser einen Innendurchmesser des Innenhohlraums der Rotorhohlwelle am jeweils zugeordneten ersten oder zweiten Wellenende überragt und die jeweilige erste oder zweite axiale Einstecklänge begrenzt. Auch hier kann im Rahmen der Erfindung sowohl der erste Anschlussstutzen des Turbinenradträgers als auch der zweite Anschlussstutzen des Verdichterradträgers jeweils mit einem entsprechenden radial umlaufenden Anschlagrand ausgestattet sein. Bei einer solche Ausführung ist die Positionierung der Einzelbauteile Rotorhohlwelle, Turbinenradträger und Verdichterradträger zueinander auf einfache Weise mit hoher Genauigkeit ermöglicht.
In weiterer Ausgestaltung der Rotor-Baugruppe gemäß einer der zweiten bis vierten Ausführung ist eine fünfte Ausführung dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschlussstutzen des Turbinenradträgers oder der zweite Anschlussstutzen des Verdichterradträgers mit dem jeweils zugeordneten ersten oder zweiten Wellenende der Rotorhohlwelle mittels einer Pressverbindung oder einer Schweißverbindung mechanisch fest verbunden ist. Es versteht sich, dass auch sowohl der erste Anschlussstutzen des Turbinenradträgers als auch der zweite Anschlussstutzen des Verdichterradträgers mit dem jeweils zugeordneten ersten oder zweiten Wellenende der Rotorhohlwelle mittels einer Pressverbindung oder einer Schweißverbindung mechanisch fest verbunden sein können. Dabei können auch am ersten und am zweiten Anschlussstutzen unterschiedliche Verbindungen gewählt werden. Beispielsweise eine Schweißverbindung, insbesondere eine Reibschweißverbindung, am ersten Anschlussstutzen und eine Pressverbindung am zweiten Anschlussstutzen oder umgekehrt. Beide genannte Arten der Verbindung sind erprobt und montagetechnisch einfach und mit hoher Präzision herstellbar.
In einer weiteren, sechsten Ausführung der Rotor-Baugruppe weist der Turbinenradträger einen sich von der Rotorhohlwelle weg erstreckenden ersten Wellenzapfen auf, auf dem das Turbinenrad mechanisch fest verbunden angeordnet ist oder der Verdichterradträger weist einen, sich von der Rotorhohlwelle weg erstreckenden zweiten Wellenzapfen auf, auf dem das Verdichterrad mechanisch fest verbunden angeordnet ist. Selbstverständlich können im Rahmen diese Ausführung auch sowohl der Turbinenradträger als auch der Verdichterradträger einen entsprechenden Wellenzapfen aufweisen. Dies ermöglicht die Montage von Turbinenrad und Verdichterrad, zum Beispiel mittels einer Spannmutter, auf einfache Weise und ermöglicht die Verwendung konventioneller Ausführungen von Verdichterrad und Turbinenrad.
Ausgehend von der Rotor-Baugruppe gemäß der sechsten Ausführung ist eine siebten Ausführung dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad oder das Verdichterrad oder sowohl das Turbinenrad als auch das Verdichterrad mit dem jeweils zugeordneten ersten Wellenzapfen des Turbinenradträgers oder zweiten Wellenzapfen des Verdichterradträgers mittels einer Pressverbindung oder einer Schweißverbindung oder einer Schraubverbindung mechanisch fest verbunden sind. Auch hier können das Turbinenrad und das Verdichterrad auf die gleiche Weise oder auf unterschiedliche Weise mit dem jeweiligen ersten oder zweiten Wellenzapfen verbunden sein. Die genannten Arten der Verbindung sind montageverfahrenstechnisch erprobt und einfach und mit hoher Präzision herstellbar.
Eine weitere, achte Ausführung der Rotor-Baugruppe ist dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Turbinenradträger oder auf dem Verdichterradträger eine Axiallagerscheibe angeordnet ist, zur axialen Lagerung der Rotor-Baugruppe in einem Lagergehäuse eines Turboladers. Eine solche Axiallagerscheibe dient zur Abstützung von im Betrieb in axialer Richtung auf die Rotor-Baugruppe wirkenden Kräften. Dabei besteht die Möglichkeit, dass die Axiallagerscheibe als integraler Bestandteil des Turbinenradträgers oder des Verdichterradträgers ausgebildet ist. In alternativer Ausführung kann die Axiallagerscheibe jedoch auch als separates Bauteil auf dem Turbinenradträger oder dem Verdichterradträger montiert sein. Eine separate Axiallagerscheibe kann beispielsweise auf einem Absatz des jeweiligen Wellenzapfens aufgesteckt und zusammen mit dem Turbinenrad oder dem Verdichterrad mittels einer Spannmutter auf dem Turbinenradträger oder dem Verdichterradträger festgespannt sein.
Eine weitere Ausgestaltung der Rotor-Baugruppe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorhohlwelle und/oder der Turbinenradträger und/oder der Verdichterradträger einen oder mehrere Durchbrüche zum Innenhohlraum der Rotorhohlwelle hin aufweisen, zur kühlenden Belüftung der Rotor-Permanentmagnet-Anordnung im Innenhohlraum der Rotorhohlwelle. Dies ermöglicht die Reduzierung der Betriebstemperatur der Rotor-Permanentmagnet-Anordnung und somit ein höheres Leistungsniveau des elektromotorischen Zusatzantriebs. So kann beispielsweise im Verdichterradträger eine zentrisch durch den Wellenzapfen verlaufende Durchgangsbohrung vorgesehen sein, durch die Luft aus dem Verdichterbereich in den Innenhohlraum der Rotorhohlwelle geleitet wird. Auf der Gegenüberliegenden Seite der Rotorhohlwelle können beispielsweise im Bereich der Anschlussstutzens des Turbinenradträgers radial durch die Rotorhohlwellenwand und ggf. den Anschlussstutzen bis in den Innenhohlraum verlaufende Durchgangsbohrungen vorgesehen sein, durch die Luft aus dem Innenhohlraum der Rotorhohlwelle in die Umgebung austreten kann.
Eine weitere Ausführung der Rotor-Baugruppe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rotor-Permanentmagnet-Anordnung im Innenhohlraum der Rotorhohlwelle axial und rotatorisch fixiert ist mittels einer Klemmverbindung, einer Pressverbindung oder einer Klebeverbindung. So können beispielsweise einzelne Permanentmagnet-Segmente in einem Trägerbauteil angeordnet und fixiert sein, wobei der Außendurchmesser des Trägerbauteils so bemessen ist, dass eine Presspassung mit dem Innendurchmesser des Innenhohlraums der Rotorhohlwelle gebildet ist. Es können jedoch wahlweise oder ergänzend auch separate Klemmscheiben beiderseits der Rotor-Permanentmagnet-Anordnung eingesetzt werden, die eine Klemmverbindung zwischen Rotorhohlwelle und Rotor-Permanentmagnet-Anordnung herstellen und so die Rotor-Permanentmagnet-Anordnung im Innenhohlraum der Rotorhohlwelle fixieren. Auch eine Fixierung der Rotor-Permanentmagnet-Anordnung durch eine Klebeverbindung kann vorgesehen sein.
Der erfindungsgemäße Turbolader weist eine Abgasturbine mit einem Turbinengehäuse, einen Radialverdichter mit einem Verdichtergehäuse,
eine Lagereinheit mit einem Lagergehäuse in dem eine Lageranordnung und ein Stator eines elektromotorischen Zusatzantriebs angeordnet sind, sowie
eine Rotor-Baugruppe, wie vorausgehend und anhand von im Folgenden dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben, die in der Lageranordnung drehgelagert ist und die mit dem Stator des elektromotorischen Zusatzantriebs zusammenwirkt.
Eine Auswahl von Ausführungsbeispielen der Erfindung sowie verschiedene Kombinationsmöglichkeiten von Merkmalen verschiedener Ausführungen, gemäß der Ansprüche, werden im Folgenden anhand der Darstellungen in der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:

1 bis 9 Unterschiedliche Ausführungen der erfindungsgemäßen Rotor-Baugruppe in schematisch vereinfachter Schnitt-Darstellung;
10 eine Ausführung des erfindungsgemäßen Turboladers in schematisch vereinfachter Schnitt-Darstellung.

Funktions- und Benennungsgleiche Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt schematisiert eine erfindungsgemäße Rotor-Baugruppe 10 für einen Turbolader 100 mit elektromotorischem Zusatzantrieb 150. Dieser weist als zentrales Bauelement eine als Hohlwelle ausgebildete Rotorhohlwelle 40 mit einem ersten Wellenende 41, einem zweiten Wellenende 42 und einem Innenhohlraum 43 auf. Mit dem ersten Wellenende 41 ist ein Turbinenradträger 20 mechanisch fest verbunden. Auf dem Turbinenradträger 20 ist das Turbinenrad 21 angeordnet und mit diesem ebenfalls mechanisch fest verbunden. Mit dem zweiten Wellenende 42 ist ein Verdichterradträger 30 mechanisch fest verbunden, wobei auf dem Verdichterradträger 30 das Verdichterrad 31 angeordnet, das mit diesem ebenfalls fest verbunden ist.
Der Turbinenradträger 20 weist einen ersten Anschlussstutzen 22 auf, der am ersten Wellenende 41 der Rotorhohlwelle 40 in den Innenhohlraum 43 der Rotorhohlwelle 40 passgenau um eine erste axiale Einstecklänge 23 hineinragt. Der erste Anschlussstutzen 22 ist als Hohlstutzen mit einer sich axial erstreckenden umlaufenden Stutzenwand 24 und einer dem Innenhohlraum 43 der Rotorhohlwelle 40 zugewandten, von der Stutzenwand 24 umfassten Ausnehmung ausgebildet. Zur Verbindung des Turbinenradträgers 20 mit der Rotorhohlwelle 40 kann hier beispielsweise eine Pressverbindung oder eine Schweißverbindung zwischen dem ersten Anschlussstutzen 22 und dem ersten Wellenende 41 der Rotorhohlwelle 40 vorgesehen sein. Ein solcher Anschlussstutzen wirkt sich, abhängig von der Bemessung der axialen Einstecklänge 23 und der Materialstärke der Stutzenwand 24, vorteilhaft auf die Steifigkeit und Stabilität der Rotor-Baugruppe 10 aus und ermöglicht eine ebenso zuverlässige wie einfache Verbindung zwischen Turbinenradträger 20 und Rotorhohlwelle 40.
Weiterhin weist der Turbinenradträger 20 einen sich von der Rotorhohlwelle 40 weg erstreckenden ersten Wellenzapfen 26 auf, auf dem das Turbinenrad 21 mechanisch fest verbunden angeordnet ist. Die mechanisch feste Verbindung ist in diesem Ausführungsbeispiel mittels einer Spannmutter 56 realisiert, mit der das Turbinenrad 21 auf dem ersten Wellenzapfen festgespannt ist. Es sind hier jedoch alternativ oder ergänzend auch andere Arten der Verbindung einsetzbar, wie zum Beispiel eine Pressverbindung oder eine Schraubverbindung mittels Gewinde in der Turbinenradbohrung oder eine Schweißverbindung, etc.. Eine solche Ausgestaltung des Turbinenradträgers 20 hat den Vorteil einer einfachen Montage des Turbinenrades 21 auf dem Turbinenradträger 20 und ermöglicht gelichzeitig die Verwendung herkömmlicher Turbinenräder 21, die mit einer Turbinenradbohrung zur Montage auf einer herkömmlichen Rotorwelle ausgestattet sind.
Die in der 1 gezeigte Ausführung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Turbinenradträger 20 eine Axiallagerscheibe 55 angeordnet ist, zur axialen Lagerung der Rotor-Baugruppe 10 in einem Lagergehäuse eines Turboladers. Dabei ist die Axiallagerscheibe 55 ausgebildet als integraler Bestandteil des Turbinenradträgers 20 und begrenzt gleichzeitig die erste axiale Einstecklänge 23 des ersten Anschlussstutzens 22, indem sie als Anschlag für das erste Wellenende wirkt. Auf diese Art ist die Funktion der Axiallagerung auf einfache Weise in die Rotor-Baugruppe 10 integriert und eine einfache und genaue axiale Positionierung des Verdichterradträgers 30 an der Rotorhohlwelle 40 ermöglicht.
Der Verdichterradträger 30 weist einen zweiten Anschlussstutzen 32 auf, der am zweiten Wellenende 42 der Rotorhohlwelle 40 in den Innenhohlraum 43 der Rotorhohlwelle 40 passgenau um eine zweite axiale Einstecklänge 33 hineinragt. Der zweite Anschlussstutzen 32 ist als Hohlstutzen mit einer sich axial erstreckenden umlaufenden Stutzenwand 34 und einer dem Innenhohlraum 43 der Rotorhohlwelle 40 zugewandten, von der Stutzenwand 34 umfassten Ausnehmung ausgebildet. Zur Verbindung des Verdichterradträgers 30 mit der Rotorhohlwelle 40 kann hier auch beispielsweise eine Pressverbindung oder eine Schweißverbindung zwischen dem zweiten Anschlussstutzen 32 und dem zweiten Wellenende 42 der Rotorhohlwelle 40 vorgesehen sein. Auch dieser Anschlussstutzen wirkt sich, abhängig von der Bemessung der axialen Einstecklänge 23 und der Materialstärke der Stutzenwand 34, vorteilhaft auf die Steifigkeit und Stabilität der Rotor-Baugruppe 10 aus und ermöglicht eine ebenso zuverlässige wie einfache Verbindung zwischen Turbinenradträger 20 und Rotorhohlwelle 40.
Weiterhin weist hier der Verdichterradträger 30 einen sich von der Rotorhohlwelle 40 weg erstreckenden zweiten Wellenzapfen 36 auf, auf dem das Verdichterrad 31 mechanisch fest verbunden angeordnet ist. Die mechanisch feste Verbindung ist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls mittels einer Spannmutter 56 realisiert, mit der das Verdichterrad 31 auf dem zweiten Wellenzapfen festgespannt ist. Es sind jedoch auch hier alternativ oder ergänzend andere Arten der Verbindung einsetzbar, wie zum Beispiel eine Pressverbindung oder eine Schraubverbindung mittels Gewinde in der Verdichterradbohrung oder eine Schweißverbindung, etc.. Eine solche Ausgestaltung des Verdichterradträgers 30 hat den Vorteil einer einfachen Montage des Verdichterrades 31 auf dem Verdichterradträger 30 und ermöglicht gleichzeitig die Verwendung herkömmlicher Verdichterräder 31, die mit einer Verdichterradbohrung zur Montage auf einer herkömmlichen Rotorwelle ausgestattet sind.
Wie in 1 dargestellt weist der zweite Anschlussstutzen 32 des Verdichterradträgers 30 einen radial umlaufenden Anschlagrand 35 auf, dessen Außendurchmesser einen Innendurchmesser des Innenhohlraums 43 der Rotorhohlwelle 40 am zugeordneten zweiten Wellenende 42 radial überragt und die zweite axiale Einstecklänge 33 des zweiten Anschlussstutzens 32 begrenzt. Dies ermöglicht eine einfache und genaue axiale Positionierung des Verdichterradträgers 30 an der Rotorhohlwelle 40.
Im Innenhohlraum 43 der Rotorhohlwelle 40 ist eine Rotor-Permanentmagnet-Anordnung 50 angeordnet, die mechanisch fest mit der Rotorhohlwelle 40 verbunden ist. Diese kann beispielsweise aus einem Trägerbauteil und mehreren unterschiedliche polarisierten, darin gehaltenen Magnetsegmenten bestehen, die zusammen in den Innenhohlraum 43 der Rotorhohlwelle 40 eingepresst sind. Eine mechanisch feste Verbindung zwischen Rotorhohlwelle 40 und Rotor-Permanentmagnet-Anordnung 50 kann, wie beispielhaft und schematisch in 1 gezeigt, auch mittels Klemmscheiben 57 hergestellt oder ergänzt werden. Auch eine Klebeverbindung zwischen Rotor-Permanentmagnet-Anordnung 50 und Rotorhohlwelle 40 kann wahlweise oder ergänzend zur Anwendung kommen. Die genannten Verbindungstechnologien sind vielfach erprobt und einfach anwendbar.
2 zeigt prinzipiell den gleichen Aufbau der Rotor-Baugruppe 10. Im Unterscheid zu der in 1 dargestellten Ausführung ist hier jedoch alternativ die Axiallagerscheibe 55 als integraler Bestandteil des Verdichterradträgers 30 ausgeführt und dient zur axialen Lagerung der Rotor-Baugruppe 10 in einem Lagergehäuse eines Turboladers und begrenzt gleichzeitig die zweite axiale Einstecklänge 33 des zweiten Anschlussstutzens 32, indem sie als Anschlag für das zweite Wellenende 42 wirkt. Auf diese Art ist die Funktion der Axiallagerung auf einfache Weise in die Rotor-Baugruppe 10 integriert und eine einfache und genaue axiale Positionierung des Verdichterradträgers 30 an der Rotorhohlwelle 40 ermöglicht
Dafür wird beim Turbinenradträger 20 auf die Axiallagerscheibe verzichtet und es ist nur ein radial umlaufender Anschlagrand 25 vorgesehen, dessen Außendurchmesser einen Innendurchmesser des Innenhohlraums 43 der Rotorhohlwelle 40 am zugeordneten ersten Wellenende 41 radial überragt und die erste axiale Einstecklänge 23 des ersten Anschlussstutzens 22 begrenzt. Dies ermöglicht eine einfache und genaue axiale Positionierung des Turbinenradträgers 20 an der Rotorhohlwelle 40 und dient gleichzeitig zur Begrenzung der ersten axialen Einstecklänge 23.
Die in 3 gezeigte Ausführung entspricht weitgehend der Ausführung der 2. Im Unterschied zur Ausführung der 2 sind hier jedoch der erste Anschlussstutzen 22 des Turbinenradträgers 20 und der zweite Anschlussstutzen 32 des Verdichterradträgers 30 gegenüber der Ausführung in 2 stark verkürzt, wodurch auch die erste axiale Einstecklänge 23 und die zweite axiale Einstecklänge 33 stark reduziert sind. Es sind jedoch auch Ausführungen möglich bei denen nur der erste Anschlussstutzen 22 oder nur der zweite Anschlussstutzen 32 gegenüber dem jeweils anderen Anschlussstutzen verkürzt realisiert ist. Eine zentrierende und positionierende Wirkung ist dadurch nach wie vor gegeben und es wird gleichzeitig der Materialaufwand und das Gewicht der Rotor-Baugruppe reduziert. Zur mechanisch festen Verbindung kann bei einem derart verkürzten ersten oder zweiten Anschlussstutzen 22, 32 beispielsweise ein Reibschweißverfahren zur Anwendung kommen.
Weiterhin unterscheidet sich die in 3 gezeigte Ausführung von der Ausführung der 2 darin, dass eine Axiallagerscheibe 55 vorgesehen ist, die als separates Bauteil ausgeführt und auf dem Verdichterradträger 30 montagetechnisch fixiert, also nicht als integraler Bestandteil des Verdichterradträgers 30 ausgeführt ist. In dem dargestellten Beispiel ist die Axiallagerscheibe 55 auf einem Absatz des zweiten Wellenzapfens 36 des Verdichterradträgers angeordnet und mittels einer Spannmutter 56 zusammen mit dem Verdichterrad 31 festgespannt.
In gleicher Weise kann eine separate Axiallagerscheibe 55 alternativ auch auf dem Turbinenradträger 20 montiert sein.
Die in 4 dargestellte Ausführung zeigt in Übereinstimmung mit 3 die Anordnung einer separaten Axiallagerscheibe 55 auf dem Verdichterradträger 30. Die Ausführung des Turbinenradträgers 20 mit dem darauf angeordneten Turbinenrad 21 entspricht dagegen der in 2 gezeigten Ausführung. Gegenüber 2 und 3 ist bei der Ausführung der 4 jedoch auf die Anordnung einer Klemmscheibe 57 auf der Verdichterseite der Rotor-Permanentmagnet-Anordnung 50, zu deren Fixierung verzichtet. Stattdessen ist der zweite Anschlussstutzen 32 des Verdichterradträgers 30 derart verlängert, dass dieser an der Rotor-Permanentmagnet-Anordnung 50 ansteht und als Gegenlager zur Klemmung mittels der auf der gegenüberliegenden Seite der Rotor-Permanentmagnet-Anordnung 50 angeordneten Klemmscheibe 57 dient. So kann vorteilhaft eine zweite Klemmscheibe 57 eingespart werden.
Die in 5 dargestellte Ausführung entspricht weitgehend der Ausführung aus 2 und unterscheidet sich lediglich dadurch, dass die Rotor-Permanentmagnet-Anordnung 50 eine Kern-Achse 58 aufweist, die sich mittig durch die Rotor-Permanentmagnet-Anordnung 50 und die beidseitig davon angeordneten Klemmscheiben 57 erstreckt und damit verpresst ist. Auf diese Weise trägt die Kern-Achse 58 zur weiteren Versteifung der Rotor-Baugruppe bei. Bei entsprechender Wahl des Materials der Kern-Achse 58, zum Beispiel Weicheisen, kann zudem positiv Einfluss genommen werden auf den magnetischen Fluß der Rotor-Permanentmagnet-Anordnung 50 und somit auf die Leistung des elektromotorischen Zusatzantriebs 150.
Die Ausführung der erfindungsgemäßen Rotor-Baugruppe 10, die in 6 dargestellt ist, weist ergänzend zu der Kern-Achse 58 eine Magnet-Hülse 59 auf, die die Rotor-Permanentmagnet-Anordnung 50 auf ihrer gesamten axialen Erstreckung umfasst. Diese Magnet-Hülse 59 bewirkt eine zusätzliche Versteifung der Rotor-Permanentmagnet-Anordnung 50 und schützt diese vor und während der Montage vor Beschädigungen durch äußere Einflüsse.
Die in 7 gezeigte Ausführung der erfindungsgemäßen Rotor-Baugruppe 10 entspricht weitgehend der in 2 gezeigten Ausführung. Hier besteht lediglich die Rotor-Permanentmagnet-Anordnung 50 aus einem monolithischen Magnetblock, mit segmentweise wechselnder Polarisierung. Dies reduziert die Teileanzahl und somit den Montageaufwand.
Die in 8 gezeigte Ausführung weist, wie die Ausführungen der 3 und 4 eine separate Axiallagerscheibe 55 auf, die auf den Verdichterradträger 30 montiert ist. Darüber hinaus wird sowohl bei dem Turbinenradträger 20 als auch bei dem Verdichterradträger 30 auf einen Anschlagrand 25, 35 verzichtet. Es sind hier auch Ausführungen möglich bei denen jeweils nur am Turbinenradträger 20 oder am Verdichterradträger 30 auf den Anschlagrand 25, 35 verzichtet wird. Dies ermöglicht eine in Grenzen variable erste und zweite axiale Eistecklänge 23, 33 und somit eine Feinjustierung der Gesamtlänge der Rotor-Baugruppe 10 bei der Montage.
Schließlich zeigt die in 9 dargestellte Ausführung eine erfindungsgemäße Rotor-Baugruppe 10 die wiederum der Ausführung aus 2 weitgehend entspricht, jedoch dadurch gekennzeichnet ist, dass die Rotorhohlwelle 40 und/oder der Turbinenradträger 20 und/oder der Verdichterradträger 30 einen oder mehrere Durchbrüche zum Innenhohlraum 43 der Rotorhohlwelle 40 hin aufweisen, zur kühlenden Belüftung der Rotor-Permanentmagnet-Anordnung 50. In dem gezeigten Beispiel ist ein axialer Durchbruch 44 in dem zweiten Wellenzapfen 36 des Verdichterradträgers 30 in Form einer zentrischen axialen Durchgangsbohrung vorgesehen und mehrere radiale Durchbrüche 45 in Form von radial verlaufenden Durchgangsbohrungen durch die Rotorhohlwelle 40 und den ersten Anschlussstutzen 22 des Turbinenradträgers 20. Dies ermöglicht eine Luftzirkulation im Innenhohlraum 43 der Rotorhohlwelle 40 zur kühlenden Belüftung.
10 zeigt einen erfindungsgemäßen Turbolader 100 in vereinfachter schematischer Darstellung. Der Turbolader weist eine Turbine 120 mit einem Turbinengehäuse 121 auf in dem das Turbinenrad der Rotor-Baugruppe 10 angeordnet ist. Weiterhin weist der Turbolader 100 einen Radialverdichter 130 mit einem Verdichtergehäuse 131 auf, in dem das Verdichterrad 31 der Rotor-Baugruppe 10 angeordnet ist.
Zwischen der Turbine 120 und dem Radialverdichter 130 ist eine Lagereinheit 140 mit einem Lagergehäuse 141 angeordnet. In dem Lagergehäuse 141 sind eine Lageranordnung 142 und ein Stator 151 eines elektromotorischen Zusatzantriebs 150 angeordnet, sowie eine erfindungsgemäße Rotor-Baugruppe 10 gemäß einer der vorausgehend beschriebenen Ausführungen. Die Rotor-Baugruppe 10 ist in der Lageranordnung 142 drehgelagert und wirkt mittels ihrer Rotor-Permanentmagnet-Anordnung 50 mit dem Stator 151 des elektromotorischen Zusatzantriebs 150 zusammen.
Bezugszeichenliste

10: Rotor-Baugruppe
20: Turbinenradträger
21: Turbinenrad
22: erster Anschlussstutzen
23: erste axiale Einstecklänge
24: Stutzenwand
25: Anschlagrand
26: erster Wellenzapfen
30: Verdichterradträger
31: Verdichterrad
32: zweiter Anschlussstutzen
33: zweite axiale Einstecklänge
34: Stutzenwand
35: Anschlagrand
36: zweiter Wellenzapfen
40: Rotorhohlwelle
41: erstes Wellenende
42: zweites Wellenende
43: Innenhohlraum
44: axialer Durchbruch
45: radialer Durchbruch
50: Rotor-Permanentmagnet-Anordnung
55: Axiallagerscheibe
56: Spannmutter
57: Klemmscheibe
58: Kern-Achse
100: Turbolader
120: Turbine
121: Turbinengehäuse
130: Radialverdichter
131: Verdichtergehäuse
140: Lagereinheit
141: Lagergehäuse
142: Lageranordnung
150: elektromotorischer Zusatzantrieb
151: Stator

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

EP 1747364 A1 [0005]
EP 1811150 B1 [0005]
DE 19518317 A1 [0005]
DE 112010000875 B4 [0005]

Claims

Rotor-Baugruppe (10) für einen Turbolader (100) mit elektromotorischem Zusatzantrieb (150), die aufweist, - ein auf einem Turbinenradträger (20) angeordnetes Turbinenrad (21); - ein auf einem Verdichterradträger (30) angeordnetes Verdichterrad (31); - eine als Hohlwelle ausgebildete, einen Innenhohlraum (43) aufweisende Rotorhohlwelle (40) und - eine Rotor-Permanentmagnet-Anordnung (50); wobei der Turbinenradträger (20) mit einem ersten Wellenende (41) der Rotorhohlwelle (40) mechanisch fest verbunden ist und wobei der Verdichterradträger (30) mit einem zweiten Wellenende (42) der Rotorhohlwelle (40) mechanisch fest verbunden ist und wobei die Rotor-Permanentmagnet-Anordnung (50) im Innenhohlraum (43) der Rotorhohlwelle (40) angeordnet und mechanisch fest mit der Rotorhohlwelle (40) verbunden ist.
Rotor-Baugruppe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenradträger (20) einen ersten Anschlussstutzen (22) aufweist, der am ersten Wellenende (41) der Rotorhohlwelle (40) in den Innenhohlraum (43) der Rotorhohlwelle (40) passgenau um eine erste axiale Einstecklänge (23) hineinragt und/oder dass der Verdichterradträger (30) einen zweiten Anschlussstutzen (32) aufweist, der am zweiten Wellenende (42) der Rotorhohlwelle (40) in den Innenhohlraum (43) der Rotorhohlwelle (40) passgenau um eine zweite axiale Einstecklänge (33) hineinragt.
Rotor-Baugruppe (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschlussstutzen (22) des Turbinenradträgers (20) und/oder der zweite Anschlussstutzen (32) des Verdichterradträgers (30) als Hohlstutzen mit einer sich axial erstreckenden umlaufenden Stutzenwand (24, 34) und einer dem Innenhohlraum (43) der Rotorhohlwelle (40) zugewandten, von der Stutzenwand (24, 34) umfassten Ausnehmung ausgebildet ist/sind.
Rotor-Baugruppe (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschlussstutzen (22) des Turbinenradträgers (20) und/oder der zweite Anschlussstutzen (32) des Verdichterradträgers (30) einen radial umlaufenden Anschlagrand (25, 35) aufweist, dessen Außendurchmesser einen Innendurchmesser des Innenhohlraums (43) der Rotorhohlwelle (40) am jeweils zugeordneten ersten oder zweiten Wellenende (41, 42) überragt und die jeweilige erste oder zweite axiale Einstecklänge (23, 33) begrenzt.
Rotor-Baugruppe (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschlussstutzen (22) des Turbinenradträgers (20) und/oder der zweite Anschlussstutzen (32) des Verdichterradträgers (30) mit dem jeweils zugeordneten ersten oder zweiten Wellenende (41, 42) der Rotorhohlwelle (40) mittels einer Pressverbindung oder einer Schweißverbindung mechanisch fest verbunden ist/sind.
Rotor-Baugruppe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenradträger (20) einen sich von der Rotorhohlwelle (40) weg erstreckenden ersten Wellenzapfen (26) aufweist, auf dem das Turbinenrad (21) mechanisch fest verbunden angeordnet ist und/oder dass der Verdichterradträger (30) einen, sich von der Rotorhohlwelle (40) weg erstreckenden zweiten Wellenzapfen (36) aufweist, auf dem das Verdichterrad (31) mechanisch fest verbunden angeordnet ist.
Rotor-Baugruppe (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (21) und/oder das Verdichterrad (31) mit dem jeweils zugeordneten ersten Wellenzapfen (26) des Turbinenradträgers (20) oder zweiten Wellenzapfen (36) des Verdichterradträgers (30) mittels einer Pressverbindung oder einer Schweißverbindung oder einer Schraubverbindung mechanisch fest verbunden ist/sind.
Rotor-Baugruppe (10) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Turbinenradträger (20) oder auf dem Verdichterradträger (30) eine Axiallagerscheibe (55) angeordnet ist, zur axialen Lagerung der Rotor-Baugruppe (10) in einem Lagergehäuse (141) eines Turboladers (100).
Rotor-Baugruppe (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Axiallagerscheibe (55) als integraler Bestandteil des Turbinenradträgers (20) oder des Verdichterradträgers (30) ausgebildet ist.
Rotor-Baugruppe (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Axiallagerscheibe (55) als separates Bauteil auf dem Turbinenradträger (20) oder dem Verdichterradträger (30) montiert ist
Rotor-Baugruppe (10) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorhohlwelle (40) und/oder der Turbinenradträger (20) und/oder der Verdichterradträger (30) einen oder mehrere Durchbrüche zum Innenhohlraum (43) der Rotorhohlwelle (40) hin aufweisen, zur kühlenden Belüftung der Rotor-Permanentmagnet-Anordnung 50.
Rotor-Baugruppe (10) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotor-Permanentmagnet-Anordnung (50) im Innenhohlraum (43) der Rotorhohlwelle (40) axial und rotatorisch fixiert ist mittels einer Klemmverbindung, einer Pressverbindung oder einer Klebeverbindung.
Turbolader (100) der aufweist eine Turbine (120) mit einem Turbinengehäuse (121), einen Radialverdichter (130) mit einem Verdichtergehäuse (131), eine Lagereinheit (140) mit einem Lagergehäuse (141) in dem eine Lageranordnung (142) und ein Stator (151) eines elektromotorischen Zusatzantriebs (150) angeordnet sind, sowie eine Rotor-Baugruppe (10) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, die in der Lageranordnung (142) drehgelagert ist und mit dem Stator (151) des elektromotorischen Zusatzantriebs (150) zusammenwirkt.