DE202013105780U1

DE202013105780U1 - Magnetische Hybridaufhängung eines Rotors

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Publication number: DE202013105780U1
Application number: DE202013105780.0U
Authority: DE
Original assignee: SKF Magnetic Mechatronics SAS
Current assignee: SKF Magnetic Mechatronics SAS
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2023-12-19
Also published as: US9863431B2; EP2749780A1; CN203722518U; US20140199179A1

Abstract

Hybridmagnetische Aufhängung eines Rotors (1), der ein erstes Verdichterrad (2) an einem ersten seiner Enden und ein zweites Verdichterrad (3) an einem zweiten seiner Enden aufweist, umfassend: – wenigstens erste und zweite Sätze von Dauermagneten (4, 14; 104, 114), die Bestandteil von ersten und zweiten auf dem Rotor (1) jeweils in der Nähe des ersten und zweiten Verdichterrads (2, 3) angeordneten Schrumpfringen (8, 18) sind, wobei die ersten und zweiten Sätze von Dauermagneten (4, 14, 104, 114) von einem äußeren nichtmagnetischen Ring (9, 19) koaxial zu dem Rotor (1) gehalten werden, – wenigstens dritte und vierte Sätze von Dauermagneten (24, 34; 124, 134), die Bestandteil von ersten und zweiten koaxial zu dem Rotor (1) und mit einem elastischen Material verbundenen jeweils in der Nähe des ersten und zweiten Verdichterrads (2, 3) angeordneten festen Ringen (23, 33) sind, so dass die dritten und vierten Sätze von Dauermagneten (24, 34; 124, 134) den ersten und zweiten Sätzen von Dauermagneten (4, 14; 104, 114) mit einem Abstand dazwischen gegenüberliegen, um ein passives radiales Magnetlager zu definieren, – wenigstens erste und zweite Spulen (6, 16), die jeweils mit ersten und zweiten Magnetankern (10, 20) verbunden sind und ersten und zweiten Rotorteilen (7, 17) gegenüberliegen, die senkrecht zu dem Rotor (1) angeordnet sind, und – Achsensensoren (60, 160), die dazu ausgelegt sind, die axiale Position des Rotors (1) zu erfassen, und Steuermittel (200), die dazu ausgelegt sind, die ersten und zweiten Spulen (6, 16) als Funktion der Ausgaben der Achsensensoren (60, 160) zu speisen, um sowohl Axiallagerkräfte als auch ein Motordrehmoment zu erzeugen, wodurch sie geeignet werden, einen lagerlosen Axialmotor zu definieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine hybridmagnetische Aufhängung eines Rotors mit einem ersten Verdichterrad an einem ersten seiner Enden und einem zweiten Verdichterrad an einem zweiten seiner Enden.
Die Erfindung betrifft insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, elektrisch unterstützte Turbolader, Motorzentrifugalverdichter, Motortandemverdichter, wie zum Beispiel kompakte elektrische Verdichter, die dafür geeignet sind, in Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen von Fahrzeugen verwendet zu werden.
Bei den Fahrzeugen kann es sich insbesondere um Landfahrzeuge, wie zum Beispiel hybridelektrische Fahrzeuge (HEF) oder elektrische Fahrzeuge (EF), aber auch um Flugzeuge oder andere Arten von Verkehrsmitteln handeln.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Konventionelle elektrische Verdichter, wie zum Beispiel Verdichter für Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen für Fahrzeuge, sind in der Regel mit einem Elektromotor verbunden.
Ein Beispiel eines solchen von einem Elektromotor angetriebenen Verdichters findet sich im Patentdokument US 6 183 215 B1 .
Solche Arten von elektromotorisch angetriebenen Verdichtern haben viele Nachteile in Bezug auf Schmierung, Kältemittel, niedrige Betriebsgeschwindigkeit, Reibungsverluste und Verlust an Kompaktheit.
In HEF/EF-Fahrzeugen werden zwei Hauptkategorien von elektrischen Verdichtern für Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen verwendet: rotierende Schaufelverdichter und oszillierende Scrollverdichter.
Beide Arten von elektrischen Verdichtern, die mit einem Elektromotor verbunden sind, haben die folgenden Nachteile:

– es werden Schmiermittel für verschiedene mechanische Teile benötigt,
– die Verträglichkeit des Schmieröls mit den Kältemitteln muss geprüft werden (wie zum Beispiel das Haloalkan-Kältemittel R134a oder das in jüngerer Zeit verwendete Fluorwasserstoffolefin-Kältemittel HFO-1234yf),
– die Schmiermittel sollten sorgfältig ausgewählt werden, um die Wicklungen des Elektromotors von einem Isolierungsversagen zu schützen,
– es werden ein Ölabscheider und Leckdetektionsvorrichtungen benötigt, um eine Kontaminierung der elektrischen Systeme in EF/HEF-Fahrzeugen zu vermeiden,
– die konventionellen elektrischen Verdichter haben eine Drehzahl, die begrenzt ist und 10.000 U/min nicht überschreiten darf,
– Reibungsverluste wirken sich negativ auf das Betriebsverhalten des elektrischen Verdichters aus.

Des Weiteren offenbart Patentdokument US 2002/0040581 A1 einen Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasturbine, die in einem Abgasstrang angeordnet ist, und einem Verdichter, der in einem Ansaugkanal angeordnet ist und mit der Turbine über eine Welle verbunden ist, wobei der Verdichter ein Verdichterrad enthält, das gleichzeitig einen Rotor eines Elektromotors bildet.
Patentdokument EP 1201891 A1 offenbart des Weiteren einen Turbolader mit elektrischer Unterstützung, der ein Rad des Turboladers als Induktionsmotorrotor mit Wicklungen zum Erzeugen eines Magnetfeldes verwendet.
Darum besteht Bedarf an einer Aufhängungsanordnung eines Rotors und einem elektrischen Verdichter, mit denen sich die meisten dieser Probleme lösen lassen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft, wenn auch nicht ausschließlich, automobile Klimatisierungsanwendungen und hat zur Aufgabe, einen elektrischen Verdichter bereitzustellen, der das hohe Maß an Vibrationen berücksichtigt, die in einem Fahrzeug erzeugt werden, und der so kompakt wie möglich ist.
Die Erfindung hat insbesondere die Aufgabe, eine Aufhängung für einen Rotor bereitzustellen, die weder die Länge noch die Masse des Rotors erhöht und darum keine nachteiligen Auswirkungen auf die Rotordynamik hat.
Des Weiteren hat die Erfindung zur Aufgabe, ein kosteneffektives, wartungsfreies und reibungsarmes Aufhängungssystem bereitzustellen, das keine Anliegelager – im Gegensatz zu aktiven magnetischen Aufhängungen, die in fünf Achsen arbeiten können – benötigt.
Die Erfindung ist in den beiliegenden Ansprüchen definiert.
Die Erfindung betrifft eine hybridmagnetische Aufhängung eines Rotors mit einem ersten Verdichterrad an einem ersten seiner Enden und einem zweiten Verdichterrad an einem zweiten seiner Enden, wobei die Aufhängung Folgendes umfasst:

– wenigstens erste und zweite Sätze von Dauermagneten, die Bestandteil von ersten und zweiten auf dem Rotor jeweils in der Nähe des ersten und zweiten Verdichterrads angeordneten Schrumpfringen sind, wobei die ersten und zweiten Sätze von Dauermagneten von einem äußeren nichtmagnetischen Ring koaxial zu dem Rotor gehalten werden,
– wenigstens dritte und vierte Sätze von Dauermagneten, die Bestandteil von ersten und zweiten koaxial zu dem Rotor und mit einem elastischen Material verbundenen jeweils in der Nähe des ersten und zweiten Verdichterrads angeordneten festen Ringen sind, so dass die dritten und vierten Sätze von Dauermagneten den ersten und zweiten Sätzen von Dauermagneten mit einem Abstand dazwischen gegenüberliegen, um ein passives radiales Magnetlager zu definieren,
– wenigstens erste und zweite Spulen, die jeweils mit ersten und zweiten Magnetankern verbunden sind und ersten und zweiten Rotorteilen gegenüberliegen, die senkrecht zu dem Rotor angeordnet sind, und
– Achsensensoren, die dazu ausgelegt sind, die axiale Position des Rotors zu erfassen, und Steuermittel, die dazu ausgelegt sind, die ersten und zweiten Spulen als Funktion der Ausgaben der Achsensensoren zu speisen, um sowohl Axiallagerkräfte als auch ein Motordrehmoment zu erzeugen, wodurch sie geeignet werden, einen lagerlosen Axialmotor zu definieren.

Da die passiven radialen Magnetlager nicht vollkommen stabil sind, dient der axiale lagerlose Motor, zusätzlich zu seiner normalen Funktion, als Stabilisator, und das elastische Material dient als eine dämpfende Stütze.
Bei einer konkreten Ausführungsform enthält jeder Dauermagnet wenigstens einen Einsatz, der aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium.
Die aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehenden Einsätze verringern die axiale Abweichung. Wenn eine Abweichung eintritt, d. h. wenn der Rotor und der Stator nicht zentriert sind und es eine Veränderung des Luftspalts gibt, so ist die Magnetfeldvariation nicht mehr null, und es werden entgegengesetzte Ströme (Felder) in den Einsätzen induziert, wodurch die Kräfte stabilisiert werden.
Bei einer konkreten Ausführungsform befindet sich der aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehende Einsatz in einer Mittenposition zwischen zwei einzelnen Dauermagneten des gleichen Typs in einer Richtung entlang einer Längsachse des Rotors.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform befinden sich zwei aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehende Einsätze auf beiden Seiten eines einzelnen Dauermagneten in einer Richtung entlang einer Längsachse des Rotors.
Bei einer konkreten Ausführungsform werden der erste und der zweite Schrumpfring durch einen einzelnen Hohlzylinder gebildet.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform sind der erste und der zweite Schrumpfring dafür ausgelegt, eine Wärmesperre zu definieren.
Der axiale lagerlose Motor kann einen ersten und einen zweiten Rotorteil umfassen, die jeweils aus einem Teil bestehen, das unter Folgendem ausgewählt ist: einem Teil aus einer elektrisch leitfähigen und magnetischen Legierung zum Definieren eines Induktionsmotors, einem Teil aus einem Dauermagneten zum Definieren eines Dauermagnetmotors oder einem Teil aus einem harten magnetischen Material zum Definieren eines Hysteresemotors oder eines Reluktanzmotors.
Bei einer konkreten Ausführungsform, die insbesondere für einen Motortandemverdichter ausgelegt ist, wie zum Beispiel eine Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlage für Fahrzeuge, befinden sich der erste und der zweite Rotorteil an einer ersten bzw. einer zweiten Vorderfläche des ersten und des zweiten Verdichterrads.
Bei einer weiteren konkreten Ausführungsform, die insbesondere für einen elektrisch unterstützten Turbolader ausgelegt ist, befinden sich der erste und der zweite Rotorteil an einer ersten bzw. einer zweiten Vorderfläche einer Scheibe, die integral senkrecht zu dem Rotor zwischen dem ersten und dem zweiten Verdichterrad angeordnet ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine schematische Längsschnittansicht eines Tandemverdichters gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 ist eine weitere schematische Längsschnittansicht eines Tandemverdichters gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 ist eine weitere schematische Längsschnittansicht eines Turboladers gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
4 ist eine weitere schematische Längsschnittansicht eines Turboladers gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
5 ist eine perspektivische Ansicht eines Rotors, die einen möglichen Weg zum Montieren von Dauermagneten an dem Rotor zeigt;
6 und 7 sind schematische Seitenansichten eines Rotors, die zwei mögliche Wege zum Anordnen von Dauermagneten an dem Rotor zeigen,
8 ist eine schematische Seitenansicht eines Rotors, die eine beispielhafte Anordnung von mehr als zwei Ringen aus Dauermagneten an dem Rotor zeigt;
9 und 10 sind schematische Seitenansichten eines Rotors, die zwei mögliche Wege zum Anordnen von Dauermagneten mit elektrisch leitfähigen Einsätzen an dem Rotor zeigen;
11 und 12 sind schematische Seitenansichten eines Rotors, die zwei weitere mögliche Wege zum Anordnen von Dauermagneten mit elektrisch leitfähigen Einsätzen an dem Rotor zeigen; und
13 ist eine schematische Seitenansicht eines Rotors, die eine beispielhafte Anordnung von mehr als zwei Ringen aus Dauermagneten mit elektrisch leitfähigen Einsätzen an dem Rotor zeigt.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung wird nun in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, die als Beispiele dienen.
1 zeigt ein Beispiel eines Tandemverdichters, der mit einer hybridmagnetischen Aufhängung gemäß der Erfindung ausgestattet ist. Ein solcher Tandemverdichter kann zum Beispiel für eine Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlage verwendet werden, die speziell in hybridelektrischen Fahrzeugen (HEF) oder elektrischen Fahrzeugen (EF) oder ansonsten für Flugzeuge oder andere Arten von Verkehrsmitteln eingesetzt werden.
Eine Rotorwelle 1 ist mit einem ersten Verdichterrad 2 an einem ersten seiner Enden und mit einem zweiten Verdichterrad 3 an einem zweiten seiner Enden gekoppelt.
Ein axialer lagerloser Motor umfasst Rotorteile 7, 17, die senkrecht zu der Rotorwelle 1 angeordnet sind und die sich in der Ausführungsform von 1 insbesondere an der Vorderfläche des ersten bzw. des zweiten Verdichterrads 2, 3 befinden. Die Rotorteile 7, 17 können jeweils aus einem Teil bestehen, das unter Folgendem ausgewählt ist: einem Teil aus einer elektrisch leitfähigen und magnetischen Legierung zum Definieren eines Induktionsmotors, einem Teil aus einem Dauermagneten zum Definieren eines Dauermagnetmotors oder einem Teil aus einem harten magnetischen Material zum Definieren eines Hysteresemotors oder eines Reluktanzmotors. Der axiale lagerlose Motor umfasst des Weiteren einen Stator, der Magnetanker 10, 20 und Wicklungen 6, 16, die den jeweiligen Rotorteilen 7, 17 zugewandt sind, umfasst.
Allgemein ausgedrückt, umfasst ein axialer lagerloser Motor einen Rotorabschnitt, wie zum Beispiel 7, 17, mit mehreren Polpaarankern, und Statorabschnitte, die jeweils einen Kern 10, 20 mit Schlitzen zum jeweiligen Aufnehmen von Wicklungen 6, 16 umfassen, die dafür konfiguriert sind, ein Motordrehmoment und eine axiale Lagerkraft auszuüben, wobei sich die Statorabschnitte jeweils gegenüber den Rotorabschnitten 7, 17 befinden. Die Kerne 10, 20 können einen laminierten magnetischen Eisenstapel oder ein magnetisches Verbundmaterial umfassen.
In den Statorabschnitten des axialen lagerlosen Motors kann jede Spule 6, 16 getrennte Wicklungen umfassen, die dafür verwendet werden, die Lagerkraft (ringförmige Spulen, die auf der Achse der Welle 1 zentriert sind) und das Motordrehmoment (eine mono- oder polyphasige Wicklungsanordnung innerhalb mehrerer Schlitze, die in den Kernen 10, 20 ausgebildet sind) auszuüben.
Alternativ können die benötigte Lagerkraft und das benötigte Motordrehmoment in jeder Spule 6, 16 durch kombinierte Wicklungen erzeugt werden. In einem solchen Fall trägt eine einzelne Spule 6, 16 in jedem Statorabschnitt gemeinsam die erforderlichen Motor- und Lager-Amperewindungen.
Beispielsweise können mehrere Polpaaranker verwendet werden. Jedoch können die Rotorteile 7, 17 je nach dem gewählten Prinzip (Dauermagnet, Induktion, geschaltete Reluktanz, Hysterese) verschiedene Strukturelemente tragen.
Ein erstes und ein zweites passives radiales Magnetlager befinden sich in der Nähe der Verdichterräder 2, 3, um die Welle 1 während des Betriebes des Verdichters in Levitation zu stützen. Jedes passive radiale Magnetlager umfasst Dauermagneten, die fest mit der Welle 1 verbunden sind, und Dauermagneten, die unbeweglich sind.
Genauer gesagt, und wie in 1 gezeigt, umfassen die passiven radialen Magnetlager:

– wenigstens erste und zweite Sätze von Dauermagneten 4, 14, die Bestandteil von ersten und zweiten auf der Rotorwelle 1 jeweils in der Nähe des ersten und zweiten Verdichterrads 2, 3 angeordneten Schrumpfringen 8, 18 sind, wobei die ersten und zweiten Sätze von Dauermagneten 4, 14 durch einen äußeren nicht-magnetischen Ring 9, 19 koaxial zu der Rotorwelle 1 gehalten werden,
– wenigstens dritte und vierte Sätze von Dauermagneten 24, 34, die Bestandteil von ersten und zweiten stillstehenden Ringen 23, 33 sind, die koaxial zu der Rotorwelle 1 angeordnet sind und mit einem elastischen Material 5, 15 jeweils in der Nähe des ersten und des zweiten Verdichterrads 2, 3 verbunden sind, so dass die dritten und vierten Sätze von Dauermagneten 24, 34 jeweils den ersten und zweiten Sätzen von Dauermagneten 4, 14 zugewandt sind, während dazwischen ein Spalt gebildet wird, um ein passives radiales Magnetlager zu definieren.

Die Welle 1 wird dank der radialen Magnetlager in einer kontaktlosen Weise in der Schwebe gehalten. Da die passiven Magnetlager nicht vollkommen stabil sind, fungiert der axiale lagerlose Motor als Stabilisator, und das elastische Material 5, 15 dient als dämpfende Stütze. Das elastische Material 5, 15 kann zum Beispiel in den Dauermagneten 24, 34 vorgeschrumpft oder mit Leim daran befestigt werden.
Die axiale Position der Welle wird durch Sensoren 60, 160, zum Beispiel vom variablen induktiven Typ, überwacht, die jede Abweichung von der Nennposition detektieren und Signale aussenden, die in einem Steuersystem 200 dafür verwendet werden, Ströme in den Wicklungen 6, 16 des axialen lagerlosen Motor zu steuern, um die Welle 1 in ihren Nennposition zurückzuführen.
Aufgrund der Implementierung von passiven Magnetlagern zusammen mit einem axialen lagerlosen Motor und elastischen Mitteln 5, 15 werden keine zusätzlichen Anliegelager zum Stützen der Welle 1 benötigt.
Das Gehäuse oder Flansche und Kühlsysteme mit einem Kältemittel, die zu dem Verdichter gehören, sind von konventioneller Art.
In den passiven Magnetlagern wird die Kraft durch Abstoßung zwischen entgegengesetzt gerichteten Magneten 4, 24 oder 14, 34 erzeugt. Die Rotormagnete 4, 14, die einen Teil eines passiven Magnetlagers bilden, können ringförmig an einem Ring 8, 18 montiert sein, der die Magnete stützt, wobei ein solcher Ring 8, 18 auf die Rotorwelle 1 geschrumpft wird.
Alternativ kann, wie in 5 gezeigt, ein einzelner Hohlzylinder 8, der auf die Rotorwelle 1 geschrumpft ist, zum Montieren der Rotormagnete 4, 14 beider passiver magnetischer Radiallager verwendet werden.
Es können verschiedene Abstoßungskonfigurationen der Dauermagneten 4, 24 und 14, 34 verwendet werden, wie in den 6 und 7 gezeigt, wobei die Magnetisierungsrichtungen entweder senkrecht (6) oder parallel (7) zur Achse der Rotorwelle 1 verlaufen können.
Zusätzlich zu zwei passiven radialen Basismagnetlagern 4, 24 und 14, 34, die sich in der Nähe der Verdichterräder 2, 3 befinden, ist es möglich, einige weitere passive radiale Magnetlager 14', 34'; 14'', 34'' entlang der Rotorwelle 1 hinzuzufügen (siehe 8), da die Kraft der exponierten Oberfläche entspricht und mehrere von mehr als zwei passiven radialen Magnetlagern die durch die passiven Magnetlager erzeugten Kräfte verstärken.
2 veranschaulicht einer Ausführungsvariante, die der Ausführungsform von 1 ähnelt, aber geringfügig verschiedene passive magnetische Radiallager aufweist. Die Elemente, die bei den Ausführungsformen der 1 und 2 gleich sind, haben die gleichen Bezugszahlen und werden nicht noch einmal beschrieben.
Bei der Ausführungsform von 2 sind Einsätze aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium, mit den verschiedenen Dauermagneten kombiniert. So werden Einsätze 12, 112, 122, 132 aus einem elektrisch leitfähigen Material jeweils in die Mitte von Dauermagneten 104, 114, 124, 134 eingesetzt, wie in 2 gezeigt. Das elektrisch leitfähige Material reduziert die axiale Abweichung, die erzeugt wird, wenn eine Abstoßung zwischen entgegengesetzt gerichteten Magneten eintritt. Wenn also aufgrund einer Veränderung des Luftspalts eine Abweichung eintritt, wenn der Rotor und der Stator nicht zentriert sind, so ist die Magnetfeldvariation nicht mehr null, und entgegengesetzte Ströme (und Magnetfelder) werden in den Einsätzen 12, 112, 122, 132 induziert, wodurch die Kräfte stabilisiert werden.
Wie oben angesprochen, können verschiedene Abstoßungskonfigurationen der Dauermagnete 104, 124 und 114, 134 verwendet werden, wie in den 9 und 10 gezeigt, wobei die Magnetisierungsrichtungen entweder senkrecht (9) oder parallel (10) zur Achse der Rotorwelle 1 verlaufen können. Die Bereitstellung der Einsätze 12, 112, 122, 132 aus elektrisch leitfähigem Material ändert nichts an der Tatsache, dass verschiedene Konfigurationen möglich sind.
Zusätzlich zu zwei passiven radialen Basis-Magnetlagern 104, 124 und 114, 134, die sich in der Nähe der Verdichterräder 2, 3 befinden, es ist möglich, einige weitere passive radiale Magnetlager 114', 134' entlang der Rotorwelle 1 hinzuzufügen (siehe 13), da die Kraft der exponierten Oberfläche entspricht und mehrere von mehr als zwei passiven radialen Magnetlagern die durch die passiven Magnetlager erzeugten Kräfte verstärken.
Bei den Beispielen der 2, 9, 10 und 13 befinden sich die Einsätze 12, 112, 122, 132 aus elektrisch leitfähigem Material in der Mitte von Dauermagneten, d. h. zwei identische Dauermagnete 104, 114, 124, 134 befinden sich auf beiden Seiten des mittigen Einsatzes 12, 112, 122, 132 aus elektrisch leitfähigem Material in Richtung der Längsachse der Rotorwelle. Jedoch sind, wie in den 11 und 12 gezeigt, auch andere Konfigurationen möglich.
Somit befinden sich in den Beispielen der 11 und 12 die Dauermagnete 104, 114, 124, 134 in der Mitte, und zwei identische Elementen aus elektrisch leitfähigem Material 12A, 12B, 112A, 112B, 122A, 122B, 132A, 132B befinden sich auf beiden Seiten des mittigen Dauermagneten 104, 114, 124, 134 in Richtung der Längsachse der Rotorwelle.
Bei der Ausführungsform von 2 können die Rotormagnete 104, 114, die einen Teil eines passiven Magnetlagers darstellen, ringförmig auf einem Ring 8, 18 montiert sein, der die Magnete stützt, wobei dieser Ring 8, 18 auf die Rotorwelle 1 geschrumpft werden kann, oder es kann, wie oben mit Bezug auf 5 angesprochen, alternativ ein einzelner Hohlzylinder 8, der auf die Rotorwelle 1 geschrumpft wird, verwendet werden, um die Rotormagnete 104, 114 beider passiver magnetischer Radiallager zu montieren.
Die dritten und vierten Sätze von Dauermagneten 24, 34 können so angeordnet sein, dass sie einen Teil des ersten bzw. des zweiten stationären Rings 23, 33 bilden. Jedoch könnten, gemäß einer Ausführungsvariante, die dritten und vierten Sätze von Dauermagneten 24, 34 auch integral mit dem ersten und zweiten Ring aus elastischem Material 5, 15 ausgebildet sein, d. h. die stationären Ringe 23, 33 könnten mit dem ersten und dem zweiten Ring aus elastischem Material 5, 15 kombiniert werden.
Die 3 und 4 beziehen sich auf weitere Ausführungsformen der Erfindung, die insbesondere auf einen Turbolader angewendet werden können. Die Elemente, die in den Ausführungsformen der 1 und 2 die gleichen sind, haben die gleichen Bezugszahlen und werden nicht noch einmal beschrieben.
Im Grunde kann das passive radiale Magnetlager von 3 mit dem passiven radialen Magnetlager von 1 identisch sein und wird nicht noch einmal beschrieben. Gleichermaßen kann das passive radiale Magnetlager von 4 mit dem passiven radialen Magnetlager von 2 mit Einsätzen aus elektrisch leitfähigem Material 12, 112, 122, 132 identisch sein und wird nicht noch einmal beschrieben. Die Merkmale, die zuvor mit Bezug auf die 5 bis 8 beschrieben wurden, können auch auf die Ausführungsform von 3 angewendet werden, während die Merkmale, die zuvor mit Bezug auf die 9 bis 13 beschrieben wurden, auch auf die Ausführungsform von 4 angewendet werden können.
Bei den Ausführungsformen der 3 und 4 befinden sich der erste und der zweite Rotorteil 7, 17 des axialen lagerlosen Motors nicht an Vorderflächen der Verdichterräder 2, 3, sondern befinden sich jeweils an der ersten bzw. der zweiten Vorderfläche einer Scheibe 13, die integral senkrecht zu der Rotorwelle 1 zwischen dem ersten und dem zweiten Verdichterrad 2, 3 angeordnet ist.
Die erste und die zweite Spule 6, 16 und die entsprechenden Sensoren 60, 160, die mit dem ersten bzw. dem zweiten stationären Magnetanker 10, 20 verbunden sind, sind jeweils den Rotorteilen 7, 17 zugewandt, die sich an den zwei Vorderflächen der Scheibe 13 befinden.
Die Steuereinheit 200 empfängt die Ausgangssignale von den axialen Sensoren 60, 160 und speist die Spulen 6, 16, die als aktive Axiallager dienen, und kann außerdem das Motordrehmoment erzeugen, wie zuvor beschrieben wurde.
Die 1 bis 4 zeigen zwei einzelne Räder 2, 3. Jedoch können auch andere Bauformen des Verdichterabschnitts in Kombination mit den verschiedenen im vorliegenden Text offenbarten Ausführungsformen verwendet werden. Somit kann jedes Verdichterrad 2, 3 erforderlichenfalls Doppelräder enthalten, d. h. die Erfindung kann auch auf einen Verdichterabschnitt angewendet werden, der doppelte Tandemräder enthält.
Obgleich bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, versteht es sich, dass Änderungen und Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne vom Geltungsbereich des Erfindung, wie er in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6183215 B1 [0005]
US 2002/0040581 A1 [0009]
EP 1201891 A1 [0010]

Claims

Hybridmagnetische Aufhängung eines Rotors (1), der ein erstes Verdichterrad (2) an einem ersten seiner Enden und ein zweites Verdichterrad (3) an einem zweiten seiner Enden aufweist, umfassend: – wenigstens erste und zweite Sätze von Dauermagneten (4, 14; 104, 114), die Bestandteil von ersten und zweiten auf dem Rotor (1) jeweils in der Nähe des ersten und zweiten Verdichterrads (2, 3) angeordneten Schrumpfringen (8, 18) sind, wobei die ersten und zweiten Sätze von Dauermagneten (4, 14, 104, 114) von einem äußeren nichtmagnetischen Ring (9, 19) koaxial zu dem Rotor (1) gehalten werden, – wenigstens dritte und vierte Sätze von Dauermagneten (24, 34; 124, 134), die Bestandteil von ersten und zweiten koaxial zu dem Rotor (1) und mit einem elastischen Material verbundenen jeweils in der Nähe des ersten und zweiten Verdichterrads (2, 3) angeordneten festen Ringen (23, 33) sind, so dass die dritten und vierten Sätze von Dauermagneten (24, 34; 124, 134) den ersten und zweiten Sätzen von Dauermagneten (4, 14; 104, 114) mit einem Abstand dazwischen gegenüberliegen, um ein passives radiales Magnetlager zu definieren, – wenigstens erste und zweite Spulen (6, 16), die jeweils mit ersten und zweiten Magnetankern (10, 20) verbunden sind und ersten und zweiten Rotorteilen (7, 17) gegenüberliegen, die senkrecht zu dem Rotor (1) angeordnet sind, und – Achsensensoren (60, 160), die dazu ausgelegt sind, die axiale Position des Rotors (1) zu erfassen, und Steuermittel (200), die dazu ausgelegt sind, die ersten und zweiten Spulen (6, 16) als Funktion der Ausgaben der Achsensensoren (60, 160) zu speisen, um sowohl Axiallagerkräfte als auch ein Motordrehmoment zu erzeugen, wodurch sie geeignet werden, einen lagerlosen Axialmotor zu definieren.
Hybridmagnetische Aufhängung nach Anspruch 1, wobei jeder Dauermagnet (104, 124, 114, 134) wenigstens einen Einsatz (12, 122, 112, 132) aus einem elektrisch leitfähigen Material enthält.
Hybridmagnetische Aufhängung nach Anspruch 2, wobei das elektrisch leitfähige Material entweder Kupfer oder Aluminium ist.
Hybridmagnetische Aufhängung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei sich der Einsatz (12, 122, 112, 132) aus einem elektrisch leitfähigen Material in einer Mittenposition zwischen zwei einzelnen Dauermagneten des gleichen Typs (104, 124, 114, 134), in einer Richtung entlang einer Längsachse des Rotors (1), befindet.
Hybridmagnetische Aufhängung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei sich zwei Einsätze (12A, 12B, 122A, 122B, 112A, 112B, 132A, 132B) aus einem elektrisch leitfähigen Material auf beiden Seiten eines einzelnen Dauermagneten (104, 124, 114, 134) in einer Richtung entlang einer Längsachse des Rotors (1) befinden.
Hybridmagnetische Aufhängung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste und der zweite Schrumpfring (8, 18) durch einen einzelnen Hohlzylinder (8) gebildet werden.
Hybridmagnetische Aufhängung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der erste und der zweite Schrumpfring (8, 18) dafür ausgelegt sind, eine Wärmesperre zu definieren.
Hybridmagnetische Aufhängung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der axiale lagerlose Motor einen ersten und einen zweiten Rotorteil (7, 17) umfasst, die jeweils aus einem Teil bestehen, das unter Folgendem ausgewählt ist: einem Teil aus einer elektrisch leitfähigen und magnetischen Legierung zum Definieren eines Induktionsmotors, einem Teil aus einem Dauermagneten zum Definieren eines Dauermagnetmotors oder einem Teil aus einem harten magnetischen Material zum Definieren eines Hysteresemotors oder eines Reluktanzmotors.
Hybridmagnetische Aufhängung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei sich der erste und der zweite Rotorteil (7, 17) an einer ersten bzw. einer zweiten Vorderfläche des ersten und des zweiten Verdichterrads (2, 3) befinden.
Hybridmagnetische Aufhängung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei sich der erste und der zweite Rotorteil (7, 17) an einer ersten bzw. einer zweiten Vorderfläche einer Scheibe (13) befinden, die integral senkrecht zu dem Rotor (1) zwischen dem ersten und dem zweiten Verdichterrad (2, 3) angeordnet ist.
Motortandemverdichter, der eine hybridmagnetische Aufhängung nach Anspruch 9 umfasst.
Elektrisch unterstützter Turbolader, der eine hybridmagnetische Aufhängung nach Anspruch 10 umfasst.
Motorzentrifugalverdichter, der eine hybridmagnetische Aufhängung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst.
Elektrischer Verdichter, der eine hybridmagnetische Aufhängung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst und der auf eine Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlage für Fahrzeuge angewendet wird.