WO2009115149A1 - Turbolader mit einer lageranordnung zur lagerung einer welle des turboladers - Google Patents

Turbolader mit einer lageranordnung zur lagerung einer welle des turboladers Download PDF

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Dirk Frankenstein
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Jochen Held
Christian Uhlig
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Definitions

  • Turbocharger having a bearing assembly for supporting a shaft of the turbocharger
  • the invention relates to a turbocharger, in particular for a motor vehicle, having a bearing arrangement for supporting a shaft, wherein a turbine wheel and a compressor wheel of the turbocharger are arranged on the shaft.
  • turbochargers serve to improve the efficiency of an internal combustion engine and thus increase its performance.
  • a shaft is rotatably mounted about the longitudinal axis by means of radial bearings.
  • a turbine wheel and a compressor wheel of the turbocharger are arranged on the shaft.
  • the turbine wheel is driven by an exhaust gas mass flow and in turn drives the compressor wheel. Due to fluid flows acting on the turbine wheel and the compressor wheel, strong axial forces can also occur. Such axial forces can normally not be suitably absorbed by the radial bearings, so that in general at least one thrust bearing is provided.
  • the radial bearings of the turbocharger are usually lubricated by lubricating oil. However, this can lead to a leakage of the lubricating oil, which under certain circumstances can lead to damage of the bearing.
  • a rotor with a magnetic bearing is known.
  • the magnetic bearing consists of a passive radial magnetic bearing system, an active magnetic bearing system with a sensor and an active axial magnetic bearing.
  • the axial active magnetic bearing has an axial bearing disk and axial electromagnets on the stator side.
  • an auxiliary bearing system is provided which has a ball bearing mounted on the rotor and a plurality of stator parts forming a groove.
  • the ball bearing is fastened with its inner ring to the rotor, while the outer ring is provided as a non-fixed ring.
  • the outer ring has a friction surface on an end face.
  • an opposite frictional surface which is located on the stator part.
  • a turbocharger which has a shaft, wherein on the shaft a turbine wheel and a compressor wheel are arranged, wherein the shaft is mounted on a magnetic bearing assembly in a housing of the turbocharger.
  • the turbocharger has the advantage that the shaft can be stored without contact due to the magnetic bearing arrangement, so that no wear occurs. Furthermore, oil leakage, such as rolling bearings, can be prevented because no lubricant is necessary.
  • Magnetla- geran extract a radial magnetic bearing assembly. That The shaft is mounted without contact in the radial direction. This has the advantage that on rolling bearings, which can be dispensed with so far for the radial mounting of the shaft and thus on the associated oil lubrication.
  • the magnetic bearing arrangement has a first and a second magnetic bearing device.
  • the first magnetic bearing device is arranged at the turbine wheel and the second magnetic bearing device at the compressor wheel.
  • two bearing points are provided by the two magnetic bearing devices, wherein a tilting of the shaft from a reference position can be prevented by a suitable control of the magnetic devices.
  • the first and / or second magnetic bearing device has a stator element and a rotor element.
  • the stator element can in this case be arranged, for example, in the housing of the turbocharger and the rotor element on the shaft, opposite the stator element.
  • a magnetic field or magnetic fields between the stator and the rotor element be generated with which the shaft can be stored without contact.
  • the stator element for example, two and more poles.
  • the poles are, for example, each wrapped with at least one or more conductors or have at least one or more coils.
  • a magnetic field can be generated by applying a drive current to the current conductor or the coil, for example, the size and / or direction of the drive current can be varied or adapted to the shaft, for example. to position in a predetermined reference position.
  • the rotor element for example, consists of a Lauferblechung.
  • the liner sheet may be formed in the form of at least one, two or a plurality of rotor laminations, wherein the rotor laminations are insulated from each other, for example. This has the advantage that the magnetic flux can be conducted optimally and furthermore eddy current losses can be kept low.
  • stator element and / or the rotor element are made, for example, of a soft magnetic material, e.g. a soft magnetic steel.
  • a soft magnetic material e.g. a soft magnetic steel.
  • the soft magnetic material has the property of low coercivity and low remanence.
  • the magnetic bearing arrangement or the stator element optionally additionally or alternatively at least one or a plurality of permanent magnets and / or ferromagnetic elements.
  • a permanent magnet may in turn be composed of a plurality of partial magnets which, for example, at least partially abut each other or are spaced from each other. Such permanent magnets have the advantage that they do not have to be magnetized by applying a current first.
  • a part of the poles or all poles of a stator element in each case has its own stabilizing device or are connected to it and can be controlled by it.
  • the stabilizer has the advantage that it supports the shaft of the turbocharger in a contactless manner by a corresponding driving of the poles of the stator element, whereby e.g. the occurrence of a tilting of the shaft can be prevented or a displacement of the shaft from a predetermined reference position or a sufficient air gap is ensured for non-contact bearing of the shaft.
  • At least one or more sensors can be provided, which forward their data to an evaluation device which evaluates the data of the sensors.
  • the evaluation device is connected to the respective stabilization devices and controls them in such a way that, for example, they each apply a suitable current to the poles in order to support the shaft without contact.
  • sensors for determining the position of the shaft and / or, for example, the air gap between a stator element and a rotor element it is possible, for example, to use inductive, capacitive, galavanomagnetic and / or optical sensors, to name but a few examples of types of sensors.
  • the invention is not limited to these sensor types, ultimately, any type of sensor can be used, which is suitable to determine a position of the shaft directly or indirectly. The same applies to the determination of the air gap.
  • At least one axial bearing is provided on the shaft in order to For example, record during the operation of the turbine and compressor axial forces.
  • the axial bearing can be designed, for example, as a gas bearing, for example a hydrodynamic and / or hydrostatic gas bearing.
  • air can be used as the gas, for example ambient air and / or compressed air.
  • Such a gas bearing has the advantage that no lubrication by means of lubricating oil is necessary.
  • the gas storage for example, one or two bearing disk elements which are arranged on the shaft and each form a defined air gap with the housing of the turbocharger.
  • the air gap can be formed a pressure pad for absorbing axial forces.
  • the bearing disk elements each have a projection, between which a projection of the housing, for example a disk element, is arranged.
  • a defined air gap between the respective projection and the projection or disc element can be formed.
  • Such bearing disk elements represent a particularly simple embodiment for a thrust bearing, with basically only one bearing disk element can be used.
  • a backup bearing system which can at least partially or substantially completely absorb or intercept a rotation of the shaft when the magnetic bearing assembly fails.
  • a backup bearing system for example, at least one or more rolling bearings may be provided, which may be fixed to the shaft, the housing or the bearing disk element and, for example, come into contact with an opposing surface for receiving the rotation of the shaft when the magnetic bearing assembly fails.
  • Figure 1 is a sectional view through a housing of a turbocharger, wherein a shaft of the turbocharger, on which a turbine wheel and a compressor wheel are arranged, is mounted with a bearing assembly according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 2 is a perspective view of the magnetic bearing assembly of the shaft of the turbocharger according to the invention.
  • Fig. 1 is a sectional view through a housing 10 of a turbocharger 12 is shown.
  • the shaft 14 of the turbocharger 12 is shown, on which a turbine wheel 16 and a compressor wheel 18 is arranged and the bearing of the shaft 14 in the housing 10 of the turbocharger 12 according to the invention.
  • the shaft 14 is in this case mounted in the bearing housing 20 of the turbocharger 12 via a radial magnetic bearing arrangement 22.
  • the magnetic bearing arrangement 22 in this case has, for example, a first and second magnetic bearing device 24, 26.
  • the first magnetic bearing device 24 is arranged in the direction of the turbine wheel 16. In this case, the first magnetic bearing device 24 can be sealed relative to the turbine wheel 16.
  • two sealing elements are shown in the form of sealing rings 28th
  • the second magnetic bearing device 26 is arranged in the direction of the compressor wheel 18.
  • the second magnetic bearing device 26 can be sealed off from the compressor wheel 18.
  • two sealing rings 28 are provided as sealing elements.
  • the two magnetic bearing devices 24, 26 each have a rotor element 30, 32, which is arranged on the shaft 14.
  • a stator element 34, 36 is arranged, which is fastened in the housing 10.
  • the first stator element 34 rests, for example, against a support surface of the bearing housing 20 and is arranged at a distance from the second stator element 36.
  • a spacer sleeve 38 can be arranged between the two stator elements 34, 36 for adjusting the distance of the two magnetic bearing devices 24, 26 from each other.
  • the outer end of the second stator element 36 may also be limited, for example with a further spacer sleeve 38.
  • stator elements 34, 36 and the rotor elements 30, 32 are arranged on the shaft 14. It is possible optionally additionally to arrange at least one spacer sleeve, for example, between the rotor elements 30, 32.
  • the arrangement of the stator elements 34, 36 and the rotor elements 30, 32 and their attachment in the bearing housing 20 and on the shaft 14 in Fig. 1 is merely exemplary and can be varied as desired to provide a magnetic bearing assembly 22, with the shaft 14 can be stored without contact with the wheels 16, 18. It is not necessary to use spacers.
  • the two magnetic bearing devices 24, 26 ensure that the shaft 14 is supported without contact with the wheels 16, 18 and essentially no deflection of the shaft 14 from a predetermined reference position occurs or an unwanted tilting of the shaft 14.
  • the respective stator 34, 36 and the associated rotor element 30, 32 generates a corresponding magnetic field. Since the radial magnetic bearing assembly 22, the shaft 14 stores substantially contactless, can by means of lubrication
  • Lubricating oil as is the case with bearings omitted.
  • the functioning and structure of the magnetic bearing insert directions 24, 26 will be explained in more detail below with reference to FIG. 2.
  • an axial bearing 40 can optionally additionally be provided.
  • an axial bearing 40 in this case, for example, an axial gas storage can be provided, for example, a hydrodynamic gas storage.
  • air such as ambient air and / or compressed air can be used as the gas.
  • a combination of two bearing plate elements 42, 44 supports the shaft 14 in the axial direction.
  • a projection of the housing 10 or in the present example, as shown in Fig. 1 a disc member 48 of the bearing housing 20 is arranged, wherein a predetermined air gap 50 between the respective bearing disk element 42, 444 and the projection or disc element 48 of the housing 10 is formed.
  • a pressure cushion is formed during rotation or rotation of the shaft in the air gaps 50.
  • the hydrodynamic gas bearing 40 can be combined in the present case, for example, with a hydrostatic gas storage.
  • a gas storage or here air bearing has the advantage that it is dispensed with an oil lubrication can.
  • the second or outer bearing disk member 42 is provided with a gasket, e.g. provided in the form of two sealing rings 28 to seal the magnetic bearing assembly 22 and the thrust bearing 40 relative to the compressor wheel 18.
  • a gasket e.g. provided in the form of two sealing rings 28 to seal the magnetic bearing assembly 22 and the thrust bearing 40 relative to the compressor wheel 18.
  • a backup bearing system (not shown) are provided.
  • a backup storage system is described, for example, in the aforementioned prior art.
  • a magnetic bearing usually does not have emergency running properties, unwanted contact between the shaft 14 or the rotor element 30, 32 and the stator element 34, 36 can occur when the magnetic bearing arrangement 22 fails.
  • the so-called. Fanglagersystem can be provided, which engages in case of failure of the magnetic bearing assembly 22.
  • u.a. Rolling used.
  • two or more bearings can be provided so that when the magnetic bearing assembly 22 fails, the rotation of the shaft 14 is intercepted by the rolling bearings.
  • a rolling bearing can be provided, for example, between the first magnetic bearing device 24 and the turbine wheel 16 and attached to the shaft 14 or the housing 10. In this case, the roller bearing relative to the turbine wheel 16 and / or the magnetic bearing assembly 22 may be sealed.
  • a roller bearing may be provided, for example, between the first bearing disk element 42 and the second magnetic bearing device 26, or may be provided between the first bearing disk element 42 and the second magnetic bearing device 26. terrad 18 and the second bearing disk element 44.
  • the rolling bearing can also be sealed against the compressor wheel 18 and / or the bearing assembly.
  • the rolling bearing can be fastened to the respective bearing disk element 42, 44 or a shoulder of the bearing disk element 42, 44, as shown in FIG. 1, the shaft 14 or the housing 10.
  • the magnetic bearing arrangement 22 consists, for example, of the two previously described magnetic bearing devices 24, 26. These each have the associated stator element 34, 36 and rotor element 30, 32.
  • the respective rotor element 30, 32 can in this case consist, for example, of a laminated track.
  • the through-perforation may consist of a package of thin sheets 52, which are insulated from one another and which may be e.g. have soft magnetic properties, i. low remanence and low coercivity.
  • the stator element 34, 36 may also be made of a soft magnetic material, e.g. consist of a soft magnetic steel. But it can also be designed as a permanent magnet or be composed of ferromagnetic and permanent magnetic parts. When permanent magnets (not shown) are provided, they can be composed of partial magnets, for example.
  • the respective stator element 34, 36 for example, four poles 54, which are each umwi- with a current conductor 56 and a coil.
  • Each of the current conductors 56 can be connected to its own stabilization device (not shown) in order to be supplied with its own, suitable control current.
  • the position of the shaft 14 is determined and / or the air gap between the stator 34,36 and rotor element 30, 32, etc ..
  • the sensor or sensors for example, permanently determine the deviation of the shaft 14 from its rest or reference position.
  • the data of the sensors are correspondingly evaluated in an evaluation device (not shown) and the stabilization devices are controlled accordingly so that the respective poles 54 of the stator element 34, 36 or their current conductors 56 can be supplied with their own control current.
  • the size and direction of the respective control current can be based on the measurement results of the sensors or be adjusted as a function of the position of the shaft 14.
  • the evaluation device may in this case be part of the motor control or be connected to it.
  • the air gap between the shaft 14 or the rotor element 30, 32 and the stator element 34, 36 can be determined and compensated via the stabilizing devices via the sensors, for example. Furthermore, a tilting of the longitudinal axis of the shaft 14 can be determined via the sensors and compensated or adapted via the stabilizing devices, as well as a deflection of the shaft 14 detected via the sensors and optionally the position of the shaft 14 are adjusted via the stabilizers, so that a sufficient air gap between the stator element 34, 36 and associated rotor element 30, 32 is ensured.
  • a stator element 34, 36 may, for example, also have only two or three poles 54 or more than four poles 54, for example five, six and more poles 54.
  • the first and / or second magnetic bearing device 24, 26 may be unipolar, heteropolar or homopolar.
  • sensors for example, inductive, galvanomagnetic, capacitive and / or optical measuring devices can be used, as described above, to determine the position of the shaft 14 or the air gap between the stator 34, 36 and the associated rotor element 30, 32 or a deflection the shaft 14 etc.
  • the bearing arrangement according to the invention described above has the advantage that magnetic bearings which are used in all operating conditions - can also operate without contact during startup and shutdown, and thus no mechanical wear occurs.
  • the absence of lubricants also makes it possible, for example, to prevent oil leakage from the bearing unit, since lubricating oil does not have to be used, as is the case, for example, with roller bearings.
  • the radial bearing is provided by a magnetic system and the axial storage by means of a gaseous medium, such as air realized.
  • the combination of a radial, magnetic bearing and an axial gas-film bearing also has the advantage of improved guidance of the shaft and its wheels by the increased rigidity with a reduced complexity of the magnetic bearing.
  • each pole 54 has its own current conductor 56, whose drive current is regulated via its own stabilization device.
  • a stabilization device for example, can supply a plurality of poles 54 with a drive current.
  • the magnetic bearing assembly 22 of the shaft 14 may be made arbitrary to support the shaft 14 without contact.
  • Figs. 1 and 2 are merely exemplary.
  • one or more permanent magnets and / or ferromagnetic and permanent magnetic parts can alternatively or alternatively be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbolader (12), welcher eine Welle (14) aufweist, wobei auf der Welle (14) ein Turbinenrad (16) und ein Verdichterrad (18) angeordnet sind, wobei die Welle (14) über eine Magnet lageranordnung (22) in einem Gehäuse (10) des Turboladers (12) gelagert ist.

Description

Beschreibung
Turbolader mit einer Lageranordnung zur Lagerung einer Welle des Turboladers
Die Erfindung betrifft einen Turbolader, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Lageranordnung zur Lagerung einer Welle, wobei auf der Welle ein Turbinenrad und ein Verdichterrad des Turboladers angeordnet sind.
Allgemein dienen Turbolader dazu den Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors zu verbessern und damit dessen Leistung zu steigern. In dem Gehäuse des Turboladers ist hierzu eine Welle um die Längsachse mittels Radiallagern drehbar gelagert. Dabei sind ein Turbinenrad und ein Verdichterrad des Turboladers auf der Welle angeordnet. Das Turbinenrad wird hierbei über einen Abgasmassenstrom angetrieben und treibt wiederum das Verdichterrad an. Aufgrund von Fluidströmungen, die an dem Turbinenrad und dem Verdichterrad angreifen, können dabei auch starke Axialkräfte auftreten. Solche Axialkräfte können von den Radiallagern normalerweise nicht geeignet aufgenommen werden, so dass im Allgemeinen entsprechend wenigstens ein Axiallager vorgesehen wird.
An die Lagerung der Welle des Turboladers werden sehr hohe
Anforderungen gestellt. Dies rührt daher, dass der Turbolader einerseits hohen Temperaturen ausgesetzt ist, aufgrund des heißen Abgases, das zum Antreiben des Turbinenrads verwendet wird. Des Weiteren erreicht die Welle eines Turboladers sehr hohe Drehzahlen von beispielsweise bis zu 300.000 U/min. Dies erfordert, dass die sich drehenden Teile des Turboladers sehr genau ausgewuchtet sein müssen, um das Auftreten von Schwingungen möglichst gering zu halten.
Die Radiallager des Turboladers werden in der Regel mittels Schmieröl geschmiert. Dabei kann es jedoch zu einer Leckage des Schmieröls kommen, was unter Umständen zu einer Beschädigung des Lagers führen kann. Aus der DE 199 43 682 Al ist des Weiteren ein Rotor mit einer Magnetlagerung bekannt. Die Magnetlagerung besteht dabei aus einem passiven radialen Magnetlagersystem, einem aktiven Mag- netlagersystem mit einem Sensor und aus einer aktiven axialen Magnetlagerung. Die axiale aktive Magnetlagerung weist dabei eine axiale Lagerscheibe sowie axiale Elektromagnete auf der Statorseite auf. Des Weiteren ist ein Hilfslagersystem vorgesehen, das ein auf dem Rotor befestigtes Kugellager und meh- rere eine Nut bildende Statorteile aufweist. Das Kugellager ist dabei mit seinem Innenring an dem Rotor befestigt, während der Außenring als nicht fixierter Ring vorgesehen ist. Der Außenring weist dabei auf einer Stirnfläche eine Reibungsfläche auf. Zu dieser gehört eine gegenüberliegende Rei- bungsflache, welche sich auf dem Statorteil befindet. Im Falle einer Störung, welche eine radiale Bewegung des Rotors verursacht, wird der Rotor durch einen Elektromagneten der aktiven, axialen Magnetlagerung in seiner axialen Richtung so bewegt, dass die Reibungsflächen zur Berührung kommen. Da- durch wird die radiale Bewegung des Rotors gedämpft, ohne dass die Rotationsbewegung wesentlich abgebremst wird.
Eine solche Lageranordnung ist jedoch lediglich zur Lagerung eines Rotors gedacht, wie beispielsweise dem Rotor einer Pum- pe . Des Weiteren weist die Lageranordnung bestehend aus mehreren Magnetlagersystemen einen kompliziert Aufbau auf und ist daher aufwendig und kostenintensiv in der Herstellung.
Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Turbolader mit einer verbesserten Lageranordnung bereitzustellen, bei welcher eine Ölleckage vermieden werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Demgemäß wird erfindungsgemäß ein Turbolader bereitgestellt, welcher eine Welle aufweist, wobei auf der Welle ein Turbinenrad und ein Verdichterrad angeordnet sind, wobei die Welle über eine Magnetlageranordnung in einem Gehäuse des Turboladers gelagert ist.
Der Turbolader hat den Vorteil, dass durch die Magnetlageran- Ordnung die Welle berührungslos gelagert werden kann, so dass kein verschleiß auftritt. Des Weiteren kann eine Ölleckage, wie bei Wälzlagern, verhindert werden, da kein Schmiermittel notwendig ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist als Magnetla- geranordnung eine radiale Magnetlageranordnung vorgesehen ist. D.h. die Welle wird berührungslos in radialer Richtung gelagert. Dies hat den Vorteil, dass auf Wälzlager, die bisher zur radialen Lagerung der Welle verzichtet werden kann und damit auf die hiermit verbundene Ölschmierung.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist die Magnetlageranordnung eine erste und zweite Magnetlagereinrichtung auf. Die erste Magnetlagereinrichtung ist dabei bei dem Turbinenrad angeordnet und die zweite Magnetlagereinrich- tung bei dem Verdichterrad. Hierbei werden zwei Lagerstellen durch die beiden Magnetlagereinrichtungen bereitgestellt, wobei ein Verkippen der Welle aus einer Referenzposition durch eine geeignete Ansteuerung der Magneteinrichtungen verhindert werden kann.
In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform weist die erste und/oder zweite Magnetlagereinrichtung ein Statorelement und ein Läuferelement auf. Das Statorelement kann hierbei beispielsweise in dem Gehäuse des Turboladers und das Läuferelement auf der Welle angeordnet werden, gegenüberliegend dem Statorelement. Hierbei kann ein Magnetfeld bzw. Magnetfelder zwischen dem Statorelement und dem Läuferelement erzeugt werden, mit dem die Welle berührungslos gelagert werden kann.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist das Statorelement beispielsweise zwei und mehr Pole auf. Die Pole sind dabei beispielsweise jeweils mit wenigstens einem oder mehreren Stromleitern umwickelt bzw. weisen wenigstens eine oder mehrere Spulen auf. Auf diese Weise kann ein Magnetfeld durch Anlegen eines Ansteuerstroms an den Stromleiter bzw. die Spule erzeugt werden, wobei beispielsweise die Größe und/oder Richtung des Ansteuerstroms variiert bzw. angepasst werden kann, um die Welle z.B. in einer vorbestimmten Referenzlage zu positionieren.
In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform besteht das Läuferelement beispielsweise aus einer Lauferblechung. Die Lauferblechung kann dabei in Form von wenigstens einem, zwei oder einer Vielzahl von Läuferblechen ausgebildet sein, wobei die Läuferbleche beispielsweise gegeneinander isoliert sind. Dies hat den Vorteil, dass der magnetische Fluss optimal geleitet werden kann und des Weiteren Wirbelstromverluste gering gehalten werden können.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform sind das Statorelement und/oder das Läuferelement beispielsweise aus einem weichmagnetischen Werkstoff, z.B. einem weichmagnetischen Stahl. Grundsätzlich können aber auch andere Werkstoffe bzw. Werkstoffkombinationen vorgesehen, die geeignet sind ein Magnetfeld zu erzeugen bzw. bereitzustellen. Das weichmagne- tische Material hat die Eigenschaft einer geringen Koerzitiv- feidstärke und einer niedrigen Remanenz.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist die Magnetlageranordnung bzw. das Statorelement wahlweise zu- sätzlich oder alternativ wenigstens einen oder eine Vielzahl von Permanentmagneten und/oder ferromagnetischen Elementen auf. Ein Permanentmagnet kann sich hierbei wiederum aus mehreren Teilmagneten zusammensetzten, die beispielsweise zumin- dest zum Teil aneinander anliegen oder voneinander beabstandet sind. Solche Permanentmagnete haben den Vorteil, dass sie nicht durch Anlegen eines Stroms erst magnetisiert werden müssen .
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weisen ein Teil der Pole oder alle Pole eines Statorelements jeweils eine eigene Stabilisierungseinrichtung auf bzw. sind mit dieser verbunden und über diese ansteuerbar. Die Stabilisie- rungseinrichtung hat den Vorteil, dass sie die Welle des Turboladers berührungslos lagert durch ein entsprechendes Ansteuern der Pole des Statorelements, wobei z.B. das Auftreten eines Verkippens der Welle verhindert werden kann bzw. eine Verlagerung der Welle aus einer vorbestimmten Referenzpositi- on bzw. ein ausreichender Luftspalt sichergestellt wird zum berührungslosen Lagern der Welle.
Zur Bestimmung der Position der Welle oder einer Verbiegung der Welle können in einer Ausführungsform der Erfindung we- nigstens ein oder mehrere Sensoren vorgesehen werden, die ihre Daten an eine Auswerteeinrichtung weiterleiten, welche die Daten der Sensoren auswertet. Die Auswerteeinrichtung ist mit den jeweiligen Stabilisierungseinrichtungen verbunden und steuert diese so an, dass diese beispielsweise jeweils einen geeigneten Strom an die Pole anlegen, um die Welle berührungslos zu lagern. Als Sensoren zur Bestimmung der Position der Welle und/oder beispielsweise des Luftspalts zwischen einem Statorelement und einem Läuferelement können beispielsweise induktive, kapazitive, galavanomagnetische und/oder op- tische Sensor verwendet werden, um nur einige Beispiele für Typen von Sensoren zu nennen. Die Erfindung ist auf diese Sensortypen jedoch nicht beschränkt, letztlich kann jede Art von Sensor eingesetzt werden, die geeignet ist, eine Position der Welle direkt oder indirekt zu bestimmen. Entsprechendes gilt auch für die Bestimmung des Luftspalts.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist wenigstens eine Axiallagerung auf der Welle vorgesehen, um bei- spielsweise während des Betriebs des Turbinen- und Verdichterrads entstehende axiale Kräfte aufzunehmen. Die Axiallagerung kann beispielsweise als eine Gaslagerung ausgebildet sein, beispielsweise eine hydrodynamische und/oder hydrosta- tische Gaslagerung. Als Gas kann dabei Luft, z.B. Umgebungsluft und oder Druckluft eingesetzt werden. Eine solche Gaslagerung hat den Vorteil, dass keine Schmierung mittels Schmieröl notwendig ist.
In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform weist die Gaslagerung beispielsweise ein oder zwei Lagerscheibenelemente auf, die auf der Welle angeordnet sind und mit dem Gehäuse des Turboladers jeweils einen definierten Luftspalt bilden. In dem Luftspalt kann dabei ein Druckpolster zum Aufnehmen axialer Kräfte ausgebildet werden.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weisen die Lagerscheibenelemente jeweils eine Auskragung auf, zwischen der ein Vorsprung des Gehäuses, beispielsweise ein Scheibenelement, angeordnet ist. Dabei kann jeweils ein definierter Luftspalt zwischen der jeweiligen Auskragung und dem Vorsprung bzw. Scheibenelement gebildet werden. Solche Lagerscheibenelemente stellen eine besonders einfache Ausgestaltung für ein Axiallager dar, wobei grundsätzlich auch nur ein Lagerscheibenelement verwendet werden kann.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist wahlweise zusätzlich ein Fanglagersystem vorgesehen, das eine Drehung der Welle zumindest teilweise oder im Wesentlichen vollständig aufnehmen bzw. abfangen kann, wenn die Magnetlageranordnung ausfällt. Als Teile des Fanglagersystems können beispielsweise wenigstens ein oder mehrere Wälzlager vorgesehen werden, die an der Welle, dem Gehäuse oder dem Lagerscheibenelement befestigt werden können und beispielsweise mit einer gegenüberliegenden Fläche in Kontakt kommen, zum Aufnehmen der Drehung der Welle, wenn die Magnetlageranordnung ausfällt. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht durch ein Gehäuse eines Turboladers, wobei eine Welle des Turboladers, auf welcher ein Turbinenrad und ein Verdichterrad angeordnet sind, mit einer Lageranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gelagert ist; und
Fig. 2 eine Perspektivansicht der Magnetlageranordnung der Welle des Turboladers gemäß der Erfindung.
In Fig. 1 ist eine Schnittansicht durch ein Gehäuse 10 eines Turboladers 12 gezeigt. Dabei ist die Welle 14 des Turboladers 12 dargestellt, auf der ein Turbinenrad 16 und ein Verdichterrad 18 angeordnet ist und die Lagerung der Welle 14 in dem Gehäuse 10 des Turboladers 12 gemäß der Erfindung.
Die Welle 14 ist in dem Lagergehäuse 20 des Turboladers 12 hierbei über eine radiale Magnetlageranordnung 22 gelagert. Die Magnetlageranordnung 22 weist hierbei beispielsweise eine erste und zweite Magnetlagereinrichtung 24, 26 auf. Die erste Magnetlagereinrichtung 24 ist dabei in Richtung des Turbinenrads 16 angeordnet. Hierbei kann die erste Magnetlagereinrichtung 24 gegenüber dem Turbinenrad 16 abgedichtet werden. In Fig. 1 sind beispielsweise zwei Dichtelemente dargestellt in Form von Dichtringen 28.
Des Weiteren ist die zweite Magnetlagereinrichtung 26 in Richtung des Verdichterrads 18 angeordnet. Hierbei kann die zweite Magnetlagereinrichtung 26 gegenüber dem Verdichterrad 18 abgedichtet werden. Dabei sind, wie bei der Abdichtung ge- genüber dem Turbinenrad 14, beispielsweise zwei Dichtringe 28 als Dichtelemente vorgesehen. Die beiden Magnetlagereinrichtungen 24, 26 weisen jeweils ein Läuferelement 30, 32 auf, das auf der Welle 14 angeordnet ist. Gegenüber dem jeweiligen Läuferelement 30, 32 ist ein Statorelement 34, 36 angeordnet, das in dem Gehäuse 10 befes- tigt ist. Das erste Statorelement 34 liegt dabei beispielsweise an einer Auflagefläche des Lagergehäuses 20 an und ist von dem zweiten Statorelement 36 beabstandet angeordnet. Dabei kann beispielsweise eine Distanzhülse 38 zwischen den beiden Statorelementen 34, 36 angeordnet werden zum Einstel- len des Abstands der beiden Magnetlagereinrichtungen 24, 26 zueinander. Des Weiteren kann das äußeren Ende des zweiten Statorelements 36 ebenfalls begrenzt sein, beispielsweise mit einer weiteren Distanzhülse 38.
Die den Statorelementen 34, 36 zugeordneten Läuferelemente
30, 32 sind auf der Welle 14 angeordnet. Dabei ist es möglich wahlweise zusätzlich zumindest eine Distanzhülse beispielsweise zwischen den Läuferelementen 30, 32 anzuordnen. Grundsätzlich ist die Anordnung der Statorelemente 34, 36 und der Läuferelemente 30, 32 bzw. deren Befestigung im Lagergehäuse 20 bzw. auf der Welle 14 in Fig. 1 lediglich beispielhaft und kann beliebig variiert werden, um eine Magnetlageranordnung 22 bereitzustellen, mit der die Welle 14 mit den Laufrädern 16, 18 berührungslos gelagert werden kann. Dabei müssen nicht notwendigerweise Distanzhülsen verwendet werden.
Die beiden Magnetlagereinrichtungen 24, 26 sorgen dafür, dass die Welle 14 mit den Laufrädern 16, 18 berührungslos abgestützt wird und im Wesentlichen keine Auslenkung der Welle 14 aus einer vorbestimmten Referenzposition auftritt bzw. eine ungewollte Verkippung der Welle 14. Hierzu wird zwischen dem jeweiligen Statorelement 34, 36 und dem zugeordneten Läuferelement 30, 32 ein entsprechendes Magnetfeld erzeugt. Da die radiale Magnetlageranordnung 22 die Welle 14 im Wesentlichen berührungslos lagert, kann auf eine Schmierung mittels
Schmieröl, wie dies bei Wälzlagern der Fall ist, verzichtet werden. Die Funktionsweise und der Aufbau der Magnetlagerein- richtungen 24, 26 wird im nachfolgenden anhand von Fig. 2 noch näher erläutert.
Neben der radialen Magnetlageranordnung 22 kann des Weiteren wahlweise zusätzlich eine Axiallagerung 40 vorgesehen werden. Als Axiallagerung 40 kann hierbei beispielsweise eine axiale Gaslagerung vorgesehen werden, beispielsweise eine hydrodynamische Gaslagerung. Dabei kann als Gas beispielsweise Luft, wie Umgebungsluft und/oder Druckluft eingesetzt werden.
Bei der Axiallagerung 40, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, stützt eine Kombination aus zwei Lagerscheibenelementen 42, 44, die Welle 14 in axialer Richtung. Zwischen den beiden Lagerscheibenelemente 42, 44 bzw. deren Auskragung 46 ist ein Vorsprung des Gehäuses 10 bzw. im vorliegenden Beispiel, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, ein Scheibenelement 48 des Lagergehäuses 20 angeordnet, wobei ein vorbestimmter Luftspalt 50 zwischen dem jeweiligen Lagerscheibenelement 42, 444 und dem Vorsprung bzw. Scheibenelement 48 des Gehäuses 10 gebildet ist. Bei einer hydrodynamischen, axialen Lagerung 40 bildet sich, wie zuvor beschrieben, beim Drehen bzw. Rotieren der Welle in den Luftspalten 50 ein Druckpolster aus.
Hierbei kann Luft aus der Umgebung des Turboladers 12 beim Drehen der Welle 14 angesaugt werden, um das Druckpolster in den Luftspalten 50 auszubilden. Es ist aber auch möglich, beispielsweise Druckluft separat zuzuführen, um das Druckpolster in den Luftspalten 50 auszubilden. Neben einer hydrodynamischen Luftlagerung ist auch jede andere Form eines Axi- allagers 40 möglich, mit welchem axiale Kräfte der Welle 14 des Turboladers 12 geeignet aufgenommen werden können. Des Weiteren kann statt zwei Lagerscheibenelementen 42, 44 auch nur ein Lagerscheibenelement vorgesehen werden.
Die hydrodynamische Gaslagerung 40 kann im vorliegenden Fall auch beispielsweise mit einer hydrostatischen Gaslagerung kombiniert werden. Eine Gaslagerung bzw. hier Luftlagerung hat den Vorteil, dass auf eine Ölschmierung verzichtet werden kann. Grundsätzlich kann aber auch ein mit einem Schmierstoff, beispielsweise Schmieröl, geschmiertes Axiallager oder ein anderes Axiallager verwendet werden.
Bei der Lageranordnung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, ist das zweite bzw. äußere Lagerscheibenelement 42 mit einer Dichtung, z.B. in Form von zwei Dichtringen 28 versehen, um die Magnetlageranordnung 22 und die Axiallagerung 40 gegenüber dem Verdichterrad 18 abzudichten.
Wahlweise kann zusätzlich zu der erfindungsgemäßen Lageranordnung, bei welchem die Welle 14 mit dem Turbinenrad 16 und dem Verdichterrad 18 berührungslos mittels einer Magnetlageranordnung 22 gelagert ist, ein Fanglagersystem (nicht dar- gestellt) vorgesehen werden. Ein solches Fanglagersystem ist beispielsweise auch in dem zuvor genannten Stand der Technik beschrieben .
Da ein Magnetlager in der Regel nicht über Notlaufeigenschaf- ten verfügt, kann es zu einem ungewollten Kontakt zwischen der Welle 14 bzw. dem Läuferelement 30, 32 und dem Statorelement 34, 36 kommen, wenn die Magnetlageranordnung 22 ausfällt. Aus diesem Grund kann wahlweise zusätzlich das sog. Fanglagersystem vorgesehen werden, das bei einem Ausfall der Magnetlageranordnung 22 eingreift. Bei solchen Fanglagersystemen werden beispielsweise u.a. Wälzlager eingesetzt. Dabei können beispielsweise zwei oder mehr Wälzlager so vorgesehen werden, dass wenn die Magnetlageranordnung 22 ausfällt, die Drehung der Welle 14 über die Wälzlager abgefangen wird. Ein Wälzlager kann dabei beispielsweise zwischen der ersten Magnetlagereinrichtung 24 und dem Turbinenrad 16 vorgesehen werden und an der Welle 14 oder dem Gehäuse 10 befestigt sein. Dabei kann das Wälzlager gegenüber dem Turbinenrad 16 und/oder der Magnetlageranordnung 22 abgedichtet sein.
Des Weiteren kann ein Wälzlager beispielsweise zwischen dem ersten Lagerscheibenelement 42 und der zweiten Magnetlagereinrichtung 26 vorgesehen sein oder zwischen dem Verdich- terrad 18 und dem zweiten Lagerscheibenelement 44. Hierbei kann das Wälzlager ebenfalls gegenüber dem Verdichterrad 18 und/oder der Lageranordnung abgedichtet sein. Das Wälzlager kann dabei auf dem jeweiligen Lagerscheibenelement 42, 44 bzw. einem Absatz des Lagerscheibenelements 42, 44, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, der Welle 14 oder dem Gehäuse 10 befestig sein .
In Fig. 2 ist nun eine vereinfachte schematische Perspektiv- ansieht der Welle 14 und der Magnetlageranordnung 22 gezeigt. Wie zuvor beschrieben besteht die Magnetlageranordnung 22 beispielsweise aus den beiden zuvor beschriebenen Magnetlagereinrichtungen 24, 26. Diese weisen jeweils das zugeordnete Statorelement 34, 36 und Läuferelement 30, 32 auf. Das jewei- lige Läuferelement 30, 32 kann hierbei beispielsweise aus einer Lauferblechung bestehen. Die Lauferblechung kann hierbei zum Beispiel aus einem Paket dünner, gegeneinander isolierter Bleche 52 bestehen, die z.B. weichmagnetische Eigenschaften aufweisen, d.h. eine niedrige Remanenz und eine geringe Koer- zitivfeidstärke . Dadurch kann der magnetische Fluss optimal geleitet werden und andererseits Wirbelstromverluste klein gehalten werden.
Das Statorelement 34, 36 kann ebenfalls aus einem weichmagne- tischen Material, z.B. einem weichmagnetischen Stahl bestehen. Es kann aber auch als Permanentmagnet ausgebildet sein oder aus ferro- und permanentmagnetischen Teilen zusammengesetzt sein. Bei dem Vorsehen von Permanentmagneten (nicht dargestellt) können diese beispielsweise aus Teilmagneten zu- sammengesetzt sein.
Im Beispiel wie es in Fig. 2 dargestellt ist, weist das jeweilige Statorelement 34, 36 beispielsweise vier Pole 54 auf, die jeweils mit einem Stromleiter 56 bzw. einer Spule umwi- ekelt sind. Jeder der Stromleiter 56 kann dabei mit einer eigenen Stabilisierungseinrichtung (nicht dargestellt) verbunden sein, um mit einem eigenen, geeigneten Steuerstrom versorgt zu werden. Über wenigstens einen, zwei, drei oder mehr Sensoren (nicht dargestellt) wird die Position der Welle 14 bestimmt und/oder der Luftspalt zwischen Statorelement 34,36 und Läuferelement 30, 32 usw.. Dabei bestimmen der Sensor bzw. die Sensoren beispielsweise permanent die Abweichung der Welle 14 aus ihrer Ruhe- oder Referenzlage. Die Daten der Sensoren werden entsprechend in einer Auswerteeinrichtung (nicht dargestellt) ausgewertet und die Stabilisierungseinrichtungen entsprechend angesteuert, so dass den jeweiligen Polen 54 des Statorelements 34, 36 bzw. deren Stromleitern 56 ein eigener Steuerstrom zugeführt werden kann.
Dabei kann die Größe und Richtung des jeweiligen Steuerstroms auf Basis der Messergebnisse der Sensoren basieren bzw. in Abhängigkeit von der Position der Welle 14 eingestellt wer- den. Die Auswerteeinrichtung kann hierbei ein Teil der Motorsteuerung sein oder mit dieser verbunden sein.
Dabei kann über die Sensoren beispielsweise auch der Luftspalt zwischen der Welle 14 bzw. dem Läuferelement 30, 32 und dem Statorelement 34, 36 bestimmt und über die Stabilisierungseinrichtungen ausgeglichen werden. Des Weiteren kann eine Verkippung der Längsachse der Welle 14 über die Sensoren bestimmt und über die Stabilisierungseinrichtungen ausgeglichen bzw. angepasst werden, sowie eine Durchbiegung der Welle 14 über die Sensoren festgestellt und gegebenenfalls die Position der Welle 14 über die Stabilisierungseinrichtungen angepasst werden, so dass ein ausreichender Luftspalt zwischen Statorelement 34, 36 und zugeordnetem Läuferelement 30, 32 sichergestellt ist.
Neben den zuvor beschriebenen vier Polen 54 der Statorelemente 34, 36 kann ein Statorelement 34, 36 beispielsweise auch nur zwei oder drei Pole 54 oder mehr als vier Pole 54, beispielsweise fünf, sechs und mehr Pole 54 aufweisen. Des Wei- teren können die erste und/oder zweite Magnetlagereinrichtung 24, 26 unipolar, heteropolar oder homopolar ausgebildet sein. Als Sensoren können beispielsweise induktive, galvanomagnetische, kapazitive und/oder optische Messeinrichtungen genutzt werden, um wie zuvor beschrieben, die Position der Welle 14 zu bestimmen bzw. den Luftspalt zwischen dem Statorelement 34, 36 und dem zugeordneten Läuferelement 30, 32 bzw. eine Durchbiegung der Welle 14 usw..
Die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Lageranordnung hat den Vorteil, dass Magnetlager die dabei verwendet werden in allen Betriebszuständen - auch beim An- und Abfahren berührungslos arbeiten können, und damit kein mechanischer Verschleiß auftritt. Das Fehlen von Schmierstoffen erlaubt es außerdem, dass beispielsweise eine Ölleckage aus der Lagereinheit verhindert werden kann, da nicht, wie beispiels- weise bei Wälzlagern, Schmieröl eingesetzt werden muss. Im vorliegenden Fall, wird die radiale Lagerung dabei durch ein magnetisches System bereitgestellt und die axiale Lagerung mittels einem gasförmigen Medium, wie beispielsweise Luft, realisiert .
Die Kombination aus einer radialen, magnetischen Lagerung und einer axialen Gasfilm-Lagerung hat außerdem den Vorteil einer verbesserten Führung der Welle und ihrer Laufräder durch die erhöhte Steifigkeit bei einer reduzierter Komplexität der Magnetlagerung.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Die vorgenannten Ausführungsformen sind miteinander kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmal davon.
Im vorliegenden Fall, wie er zuvor beschrieben wurde, weist jeder Pol 54 einen eigenen Stromleiter 56 auf, dessen Ansteu- erstrom über eine eigene Stabilisierungseinrichtung geregelt wird. Die Erfindung ist darauf jedoch nicht beschränkt. So kann auch eine Stabilisierungseinrichtung beispielsweise mehrere Pole 54 mit einem Ansteuerstrom versorgen. Des Weiteren ist die Ausbildung der Magnetlageranordnug 22 über ein Statorelement 34, 36 und das zugeordneten Läuferelement 30, 32 lediglich beispielhaft. Die Magnetlageranordnung 22 der Welle 14 kann beliebig ausgeführt sein, um die Welle 14 berührungslos zu lagern. Die Fig. 1 und 2 sind lediglich beispielhaft. Hierbei können wahlweise oder alternativ auch ein oder mehrere Permanentmagnete und/oder ferro- und permanentmagnetische Teile eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Turbolader (12), welcher eine Welle (14) aufweist, wobei auf der Welle (14) ein Turbinenrad (16) und ein Verdichterrad (18) angeordnet sind, wobei die Welle (14) über eine Magnetlageranordnung (22) in einem Gehäuse (10) des Turboladers (12) gelagert ist.
2. Turbolader nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Magnetlageranordnung (22) eine radiale Magnetlageranordnung vorgesehen ist.
3. Turbolader nach wenigstens einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Magnetlageranordnung (22) eine erste und zweite Magnetlagereinrichtung (24, 26) aufweist, wobei beispielsweise die erste Magnetlagereinrichtung (24) im Bereich des Turbinenrads (16) angeordnet ist und die zweite Magnetlagerein- richtung (26) im Bereich des Verdichterrads (18).
4. Turbolader nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erste und/oder zweite Magnetlagereinrichtung (24, 26) ein Statorelement (34, 36) und ein Läuferelement (30, 32) aufweist, wobei beispielsweise das Statorelement in dem Gehäuse (10) des Turboladers und das Läuferelement auf der Welle (14) angeordnet ist.
5. Turbolader nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Statorelement (34, 36) beispielsweise zwei und mehr Pole (54) aufweist, wobei die Pole beispielsweise jeweils mit wenigstens einem Stromleiter (56) bzw. einer Spule umwickelt sind.
6. Turbolader nach wenigstens einem der Ansprüche 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Läuferelement (30, 32) beispielsweise aus einer Läu- ferblechung besteht in Form von wenigstens einem, zwei oder einer Vielzahl von Läuferblechen (52), wobei die Läuferbleche beispielsweise gegeneinander isoliert sind.
7. Turbolader nach wenigstens einem der Ansprüche 4 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Statorelement (34, 36) und/oder das Läuferelement (30, 32) beispielsweise aus einem weichmagnetischen Werk- Stoff, z.B. einem weichmagnetischen Stahl, bestehen oder diesen aufweist.
8. Turbolader nach wenigstens einem der Ansprüche 4 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Statorelement (34, 36) wahlweise zusätzlich oder alternativ wenigstens einen oder eine Vielzahl von Permanentmagneten und/oder ferro- und permanentmagnetischen Elementen aufweist .
9. Turbolader nach wenigstens einem der Ansprüche 4 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Pole (54) des Statorelements (34, 36) beispielsweise über eine jeweils eigene Stabilisierungseinrichtung ansteuerbar sind, wobei die Pole des Statorelements von der Stabili- sierungseinrichtung in Abhängigkeit von der festgestellten Position der Welle (14) angesteuert werden.
10. Turbolader nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass über wenigstens einen oder mehrere Sensoren beispielsweise die Position der Welle (14) bestimmt wird und in einer Auswerteeinrichtung die Daten der Sensoren ausgewertet und über die Stabilisierungseinrichtung der jeweilige Pol (54) des Statorelements (34, 36) geeignet angesteuert wird, wobei ein jeweiliger Sensor beispielsweise ein induktiver, kapazitiver, galavanomagnetischer und/oder optischer Sensor ist.
11. Turbolader nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Axiallagerung (40) auf der Welle (14) vorgesehen ist, wobei die Axiallagerung beispielsweise eine Gaslagerung (40) ist, beispielsweise eine hydrodynamische und/oder hydro- statische Gaslagerung.
12. Turbolader nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Gaslagerung (40) beispielsweise ein oder zwei Lager- Scheibenelemente (42, 44) aufweist, die auf der Welle (14) angeordnet sind und mit dem Gehäuse (10) des Turboladers (12) jeweils einen definierten Luftspalt (50) bilden.
13. Turbolader nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Lagerscheibenelemente (42, 44) jeweils eine Auskragung (46) aufweisen, zwischen der ein Vorsprung des Gehäuses (10), beispielsweise ein Scheibenelement (40) angeordnet ist und jeweils ein definierter Luftspalt (50) zwischen der je- weiligen Auskragung (46) und dem Vorsprung bzw. Scheibenelement (40) gebildet wird.
14. Turbolader nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass wahlweise zusätzlich ein Fanglagersystem vorgesehen ist, das eine Drehung der Welle aufnehmen bzw. abfangen kann, wenn die Magnetlageranordnung (22) im Wesentlichen ausfällt, wobei das Fanglagersystem beispielsweise wenigstens ein oder mehrere Wälzlager aufweist.
15. Turbolader nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass wenigstens die Magnetlageranordnung (22) oder ein oder mehrere Teile der Magnetlageranordnung (22) unipolar, homopo- lar oder heteropolar ausgebildet sind.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120301278A1 (en) * 2011-05-25 2012-11-29 GM Global Technology Operations LLC Engine assembly including turbocharger
CN103061869A (zh) * 2013-01-09 2013-04-24 北京理工大学 电涡轮增压器
WO2012050963A3 (en) * 2010-09-29 2013-07-11 The General Hospital Corporation D/B/A Massachusetts General Hospital Agents providing controls and standards for immuno-precipitation assays
WO2015014606A1 (de) * 2013-08-02 2015-02-05 Siemens Aktiengesellschaft Fanglager zum auffangen einer rotorwelle einer maschine sowie maschine
DE102013019020A1 (de) 2013-11-14 2015-05-21 Daimler Ag Strömungsmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008048861B4 (de) 2008-09-25 2014-08-21 Continental Mechanical Components Germany Gmbh Turbolader mit einer Lageranordnung zum Lagern einer Rotorwelle
DE102008048859B4 (de) 2008-09-25 2017-03-30 Continental Mechanical Components Germany Gmbh Turbolader
DE102009052225B4 (de) 2009-11-06 2019-08-14 Volkswagen Ag Gasdichtung zwischen einer Welle und einem Gehäuse
DE102009056632A1 (de) * 2009-12-02 2011-06-09 Continental Automotive Gmbh Turbolader
DE102010003675A1 (de) * 2010-04-07 2011-10-13 Siemens Aktiengesellschaft Magnetisches Radiallager
DE102015209682A1 (de) * 2015-05-27 2016-12-01 Robert Bosch Gmbh Turbomaschine

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10011419A1 (de) * 2000-03-09 2001-09-27 Daimler Chrysler Ag Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine
DE10005246C1 (de) * 2000-02-05 2001-10-18 Daimler Chrysler Ag Abgasturbolader
DE10216447C1 (de) * 2002-04-12 2003-09-18 Forschungszentrum Juelich Gmbh Abgasturbolader
DE102005030139A1 (de) * 2005-06-28 2007-01-04 Siemens Ag Vorrichtung zur magnetischen Lagerung einer Rotorwelle mit Radialführung und Axialregelung

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5973624A (ja) * 1982-10-18 1984-04-25 Aisin Seiki Co Ltd タ−ボチヤ−ジヤ用軸受装置
DE3808331A1 (de) * 1988-03-12 1989-09-28 Kernforschungsanlage Juelich Magnetische lagerung mit permanentmagneten zur aufnahme der radialen lagerkraefte
US5310311A (en) * 1992-10-14 1994-05-10 Barber-Colman Company Air cycle machine with magnetic bearings
DE19943682A1 (de) 1999-09-13 2001-03-15 Pfeiffer Vacuum Gmbh Rotor mit Magnetlagerung
US6727617B2 (en) * 2002-02-20 2004-04-27 Calnetix Method and apparatus for providing three axis magnetic bearing having permanent magnets mounted on radial pole stack

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10005246C1 (de) * 2000-02-05 2001-10-18 Daimler Chrysler Ag Abgasturbolader
DE10011419A1 (de) * 2000-03-09 2001-09-27 Daimler Chrysler Ag Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine
DE10216447C1 (de) * 2002-04-12 2003-09-18 Forschungszentrum Juelich Gmbh Abgasturbolader
DE102005030139A1 (de) * 2005-06-28 2007-01-04 Siemens Ag Vorrichtung zur magnetischen Lagerung einer Rotorwelle mit Radialführung und Axialregelung

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012050963A3 (en) * 2010-09-29 2013-07-11 The General Hospital Corporation D/B/A Massachusetts General Hospital Agents providing controls and standards for immuno-precipitation assays
US20120301278A1 (en) * 2011-05-25 2012-11-29 GM Global Technology Operations LLC Engine assembly including turbocharger
US8544268B2 (en) * 2011-05-25 2013-10-01 GM Global Technology Operations LLC Engine assembly including turbocharger
CN103061869A (zh) * 2013-01-09 2013-04-24 北京理工大学 电涡轮增压器
WO2015014606A1 (de) * 2013-08-02 2015-02-05 Siemens Aktiengesellschaft Fanglager zum auffangen einer rotorwelle einer maschine sowie maschine
DE102013019020A1 (de) 2013-11-14 2015-05-21 Daimler Ag Strömungsmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen

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