DE102022120532A1

DE102022120532A1 - Kompressor sowie Rotorbaugruppe für einen Kompressor

Info

Publication number: DE102022120532A1
Application number: DE102022120532.0A
Authority: DE
Inventors: Silvio Koch; Marcel Berrang; Patrick Steingass
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2022-08-15
Filing date: 2022-08-15
Publication date: 2024-02-15
Also published as: CN220452274U; US20240052842A1; KR20240023472A; JP3243375U

Abstract

Beschrieben wird ein Kompressor mit einer Rotorbaugruppe (10), die ein Verdichterrad (11) und einen Rotor (12) eines Elektromotors enthält, und einem Stator (2) des Elektromotors. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Rotorbaugruppe (10) eine Hohlwelle (14) aufweist. Zudem wird eine Rotorbaugruppe (10) für einen solchen Kompressor beschrieben.

Description

Die Erfindung geht von einem Kompressor mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen aus, wie er aus DE 11 2012 002 901 T5 bekannt ist. Derartige Kompressoren werden beispielsweise für einen effizienten Betrieb von Brennstoffzellen benötigt, denen verdichtete Luft zugeführt werden muss.
Ein Kompressor ist eine Vorrichtung zum Komprimieren von Gasen und enthält ein Verdichterrad, das von einem Elektromotor, der einen Rotor und einen Stator aufweist, angetrieben wird. Kompressoren können zusätzlich weitere Teile enthalten, insbesondere eine Turbine. Verdichterrad und Rotor sind Teil einer rotierenden Baugruppe, die als Rotorbaugruppe bezeichnet wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Weg aufzuzeigen, wie die Energieeffizienz von Kompressoren verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Kompressor mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen sowie durch eine Rotorbaugruppe für einen solchen Kompressor gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Eine erfindungsgemäße Rotorbaugruppe weist eine Hohlwelle auf, über die der Elektromotor das Verdichterrad antreibt. Eine erfindungsgemäße Rotorbaugruppe hat deshalb eine vorteilhaft geringe Masse, was einen energieeffizienteren Betrieb ermöglicht.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Rotor Permanentmagnete aufweist, die in der Hohlwelle angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Welle als Rotorgehäuse genutzt werden und so die Anzahl der für die Rotorbaugruppe benötigten Bauteile vorteilhaft reduziert werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Hohlwelle auf beiden Seiten des Rotors einen hohlen Abschnitt aufweist. Auf diese Weise kann das Geweicht der Rotorbaugruppe noch weiter reduziert werden. Dabei kann die Hohlwelle in ihren hohlen Abschnitten auf beiden Seiten des Rotors einen Durchmesser haben, der dem Durchmesser des Rotors entspricht. Die kann beispielsweise auf einer Länge zylindrisch geformt sein, die wenigstens das Doppelte der Rotorlänge beträgt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Hohlwelle aus drei miteinander verschweißten Abschnitten aufgebaut ist. Auf diese Weise ist eine einfache und kostengünstige Fertigung möglich. Dabei kann ein mittlerer Abschnitt der Hohlwelle den Rotor des Elektromotors bilden, also Permanentmagnet tragen. An den mittleren Abschnitt können beidseitig Abschnitte anschließen, die beispielsweise als zylindrische Hülsen ausgebildet sind, insbesondere einen Hülsenboden mit einer Öffnung aufweisen. Der Hülsenboden erleichtert das Ankoppeln des Verdichterrads an die Hohlwelle, beispielweise kann die Öffnung des Hülsenbodens ein Innengewinde aufweisen und das Verdichterrad mittels einer Schraube, die in die Öffnung hineinragt, an der Hohlwelle befestigt werden. Alternativ kann das Verdichterrad aber auch mit der Hohlwelle verschweißt sein.
Weitere Einzelheiten und Vorteile werden an Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Gleiche und einander entsprechende Komponenten sind darin mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet. Es zeigen:

1 einen Kompressor,
2 die Rotorbaugruppe des Kompressors, und
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Rotorbaugruppe.

1 zeigt schematisch einen Kompressor, der ein Gehäuse 1 aufweist, in dem eine Rotorbaugruppe 10, die ein Verdichterrad 11 und einen Rotor 12 eines Elektromotors aufweist, und ein Stator 2 angeordnet sind. Der Rotor 12 und der Stator 2 bilden zusammen einen Elektromotor, mit dem das Verdichterrad 11 angetrieben wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Kompressor nur ein einziges Verdichterrad 11. Es ist aber auch möglich, an beiden Enden des Kompressors ein Verdichterrad vorzusehen. Die Rotorbaugruppe eines Kompressors kann somit auch zwei Verdichterräder enthalten.
In 2 ist die Rotorbaugruppe 10 des Kompressors im Detail dargestellt. Wie darin zu sehen ist, enthält die Rotorbaugruppe 10 eine Hohlwelle 14, über die das Verdichterrad angetrieben wird. Der Rotor 12 ist somit über die Hohlwelle 14 an das Verdichterrad 11 gekoppelt. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist in der Hohlwelle 14 auf beiden Seiten des Rotors 12 ein Hohlraum 15, 16. Im Bereich der Hohlräume 15, 16 stimmt der Durchmesser der Hohlwelle 14 mit dem Durchmesser im Bereich des Rotors 12 im Wesentlichen überein und weicht von ihm um nicht mehr als 5% ab, beispielsweise um 2% oder weniger.
Die Hohlwelle 14 besteht aus drei miteinander verschweißten Abschnitten. Der mittlere Abschnitt 14a der Hohlwelle 14 bildet den Rotor 12 des Elektromagneten.
An den mittleren Abschnitt 14a schließen beidseitig Endabschnitte 14b, 14c der Hohlwelle 14 an, die jeweils einen Boden 14d aufweisen. Die Endabschnitte 14b, 14c sind mit dem mittleren Abschnitt 14a verschweißt und weisen jeweils in ihrem Boden 14d eine Öffnung 14e auf. Durch diese Öffnungen 14e kann beim Verschweißen der verschiedenen Abschnitte 14a, 14b, 14c der Hohlwelle 14 ein Druckaustausch stattfinden. Bei der fertigen Rotorbaugruppe 10 können die Öffnungen 14e verschlossen sein, etwa durch eine Schraube 17, mit der das Verdichterrad 11 an der Hohlwelle 14 befestigt ist. Die Öffnungen 14e können dazu mit einem Innengewinde versehen sein.
Insbesondere wenn die Rotorbaugruppe 10 an jedem ihrer beiden Enden ein Verdichterrad 11 trägt, können die beiden Endabschnitte 14b, 14c der Hohlwelle 14 gleich ausgebildet sein, um die Fertigung zu vereinfachen.
Die Abschnitte 14a, 14b, 14c können stumpf aneinander angrenzen, also beispielsweise mittels einer Stumpfnaht oder einer Y-Naht miteinander verschweißt sein. Alternativ können die Abschnitte aber auch ineinander gesteckt sein und beispielsweise mittels Lochnaht verschweißt werden.
Auf dem größten Teil ihrer Länge hat die Hohlwelle 14 die Form eines Zylinders. Dieser Zylinder wird bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel von dem mittleren Abschnitt und dem größten Teil der an den mittleren Teil angeschweißten Hülsen gebildet.
Der Rotor 12 des Elektromotors hat Permanentmagnete, die dem gezeigten Ausführungsbeispiel innen in der Hohlwelle 14 angeordnet sind. Die Hohlwelle 14 bildet also ein Gehäuse des Rotors 12. Alternativ oder zusätzlich können Permanentmagnete aber auch außen auf der Hohlwelle 14 sitzen.
Die Rotorbaugruppe 10 weist zwischen dem Verdichterrad 11 und dem Rotor 12 eine Ringscheibe 13 auf. An dieser Ringscheibe 13 ist die Rotorbaugruppe 10 axial gelagert. Zusätzlich können radiale Lager für die Rotorbaugruppe 10 vorgesehen sein, insbesondere um die Hohlwelle 14 an ihren beiden Endabschnitten 14b, 14c zu lagern. Die Hohlwelle 14 ist also auf beiden Seiten des Rotors 12 gelagert, beispielsweise mit Luftlagern oder Magnetlagern. Die Radiallagerung kann dabei insbesondere an Bereichen der Hohlwelle 14 durchgeführt werden, deren Durchmesser dem Durchmesser des Rotors 12 entspricht.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Rotorbaugruppe dargestellt, die sich von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel nur dadurch unterscheidet, dass an beiden Enden der Hohlwelle 14 ein Verdichterrad 11 angebracht ist. Das zweite Verdichterrad 11 kann dabei ebenso wie das erste Verdichterrad 11 zum Verdichten von Gas vorgesehen sein oder eine Expanderstufe bilden, also dazu dienen durch Expansion von Gas elektrische Energie zu gewinnen, indem dann der Elektromotor des Kompressors als Generator betrieben wird.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Stator
10: Rotorbaugruppe
11: Verdichterrad
12: Rotor
13: Ringscheibe
14: Hohlwelle
14a: Abschnitt der Hohlwelle
14b: Endabschnitt der Hohlwelle
14c: Endabschnitt der Hohlwelle
14d: Boden
14e: Öffnung
15: Hohlraum
16: Hohlraum
17: Schraube

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112012002901 T5 [0001]

Claims

Kompressor mit einer Rotorbaugruppe (10), die ein Verdichterrad (11) und einen Rotor (12) eines Elektromotors enthält, und einem Stator (2) des Elektromotors, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorbaugruppe (10) eine Hohlwelle (14) aufweist.
Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (12) Permanentmagnete aufweist, die in der Hohlwelle (14) angeordnet sind.
Kompressor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (14) auf beiden Seiten des Rotors (12) einen hohlen Abschnitt (15, 16) aufweist.
Kompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (14) an den hohlen Abschnitten (15, 16) auf beiden Seiten des Rotors (12) einen Durchmesser hat, der mit dem Durchmesser des Rotors (12) übereinstimmt.
Kompressor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (14) aus drei miteinander verschweißten Abschnitten (14a, 14b, 14c) aufgebaut ist.
Kompressor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittlerer Abschnitt (14a) der Hohlwelle (14) Permanentmagnet trägt und den Rotor (12) bildet, während die beiden an den mittleren Abschnitt (14a) anschließenden Abschnitte (14b, 14c) als Hülsen ausgebildet sind, die einen Boden (14d) mit einer Öffnung (14e) aufweisen.
Kompressor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwellen an ihren Endabschnitten (14b, 14c) radial gelagert ist.
Kompressor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (14) zwischen dem Verdichterrad (11) und dem Rotor (12) eine Ringscheibe (13) trägt, an der die Rotorbaugruppe (10) axial gelagert ist.
Kompressor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (11) mittels einer Schraube (17) an der Hohlwelle (14) befestigt ist.
Kompressor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Enden der Hohlwelle (14) ein Verdichterrad (11) angebracht ist.
Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (11) an einem Ende Hohlwelle (14) angebracht ist und an dem anderen Ende der Hohlwelle eine Expanderstufe angebracht ist.
Rotorbaugruppe für einen Kompressor, mit einem Rotor (12) eines Elektromagneten und einem Verdichterrad (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorbaugruppe (10) eine Hohlwelle (14) aufweist.