WO2016078945A1 - Electrically operated gas compressor - Google Patents

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WO2016078945A1
WO2016078945A1 PCT/EP2015/076012 EP2015076012W WO2016078945A1 WO 2016078945 A1 WO2016078945 A1 WO 2016078945A1 EP 2015076012 W EP2015076012 W EP 2015076012W WO 2016078945 A1 WO2016078945 A1 WO 2016078945A1
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WO
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drive shaft
compressor
rotor housing
gas compressor
housing
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/076012
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Inventor
Hartmut Rosendahl
Axel-Oliver Koehler
Sergej KUJAT
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B39/00—Component parts, details, or accessories relating to, driven charging or scavenging pumps, not provided for in groups F02B33/00 - F02B37/00
    • F02B39/02—Drives of pumps; Varying pump drive gear ratio
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02C6/04—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
    • F02C6/10—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output supplying working fluid to a user, e.g. a chemical process, which returns working fluid to a turbine of the plant
    • F02C6/12—Turbochargers, i.e. plants for augmenting mechanical power output of internal-combustion piston engines by increase of charge pressure
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/284—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/40—Organic materials
    • F05D2300/43—Synthetic polymers, e.g. plastics; Rubber

Definitions

  • the invention relates to a gas compressor, in particular for an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine of a vehicle according to the preamble of claim 1.
  • the invention is not limited to use in the exhaust gas turbocharger, but rather applicable to any electrically operated gas compressor, such as in the air supply of a fuel cell.
  • the exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine has, in current practice, a compressor whose compressor wheel via a shaft with an exhaust gas turbine in the exhaust gas of the
  • the exhaust gas turbine has a turbine wheel which is offset from the exhaust gas flow and which is connected in a rotationally fixed manner to a drive shaft of the compressor wheel which is arranged in the intake tract of the internal combustion engine.
  • a generic gas compressor has an electric motor whose rotor is drivingly coupled via a drive shaft with a compressor wheel of the gas compressor.
  • Compressor is in a compressor room, which connects a pressure port and a suction nozzle fluidly.
  • the compressor wheel is mounted via a threaded connection to the drive shaft.
  • the compressor wheel and the shaft may be made of different materials, whereby the compressor wheel is to be placed on the drive shaft with the interposition of an additional metallic bushing to make a perfect connection.
  • Compressor reaches the nominal point almost without delay. This is a small one
  • Mass moment of inertia of the rotating compressor components advantageous.
  • the compressor is subject to operationally high heat load, which may be the risk of excessively large heat transfer from the compressor to the pivot bearing or electric drive.
  • the compressor and the leading to the electric drive drive shaft constructed in two parts, resulting in a production-technically complex and costly connection between the compressor and the drive shaft.
  • the object of the invention is a simply constructed gas compressor
  • the invention is based on the problem that in the prior art, the compressor and the drive shaft of the electric drive are constructed in two parts, which is disadvantageous in terms of ease of manufacture and in terms of a space requirement. Against this background forms according to the characterizing part of claim 1 the
  • Compressor and the drive shaft a unit of material and one-piece unit.
  • the manufacturing cost of the gas compressor can be considerably reduced.
  • mechanical problems at the connection points can be omitted, for example failures due to unintentional release of the connection.
  • the mass moment of inertia of the rotating compressor components can be reduced with the uniform material and one-piece connection.
  • the high-temperature resistant plastic can also be reduced, the heat transfer and thus the heat load of the pivot bearing and the electric drive. Due to the reduced mass moment of inertia, the electric drive, for example an electric motor, can also be made smaller. In addition, less energy is required to accelerate the compressor wheel. If the gas compressor in a motor vehicle with
  • the spaced from the compressor shaft end of the drive unit is rotatably coupled to the rotor of the electric motor.
  • the compressor wheel opposite shaft end of the drive shaft can pass into a hollow cylindrical rotor housing, in the interior of which the rotor is arranged.
  • the rotor housing may be attached as a separate attachment to the shaft end of the drive shaft.
  • the drive shaft may have a hub portion which is supported via a pivot bearing on a radially outer bearing flange of a compressor housing.
  • the rotary bearing may have rolling elements in a conventional manner.
  • the inner races of the rolling elements of the rotary bearing may possibly be formed directly in the hub portion or alternatively in a separate inner ring which is placed on the hub portion of the drive shaft.
  • the rotor housing When assembling existing from the compressor and the drive shaft assembly can be used in a first mounting direction from the outside with still dismantled rotor housing with the hub portion in the housing side bearing flange, with the interposition of the above-mentioned pivot bearing. Subsequently, the rotor housing in a, the first mounting direction axially opposite second mounting direction can be attached to the shaft end of the drive shaft. In such an assembly process, therefore, the rotor housing is not introduced by the housing-side bearing flange limited by the stator interior. Rather, the rotor housing is to be mounted on the, the bearing flange axially opposite compressor side. Accordingly, the geometry of the rotor housing is independent of the passage cross section of the housing side
  • the outer diameter of the rotor housing can be dimensioned larger than the outer diameter of the drive shaft.
  • the rotor housing In order to enable such an assembly process, the rotor housing must be made smaller diameter compared to the drive shaft, that is, the rotor housing goes on an annular shoulder in the larger diameter drive shaft, so that the total rotationally symmetrical unit is designed in approximately cone-like and the diameter of the assembly against the mounting direction increases stepwise.
  • the drive shaft can be designed as a hollow shaft whose cavity is closed on one side at the transition to the compressor wheel and on the axially opposite side in the interior of the
  • the rotationally symmetric assembly may have a blind bore at the shaft end opposite the compressor wheel with a smaller diameter portion in the area of the drive shaft (i.e., the shaft cavity) and a larger diameter bore portion forming the interior of the rotor housing.
  • Bore sections forms an axial stop, with which the rotor is in abutment.
  • FIG. 1 is a simplified block diagram of an internal combustion engine of a vehicle with an exhaust gas turbocharger and an electric compressor.
  • Fig. 3 is a unit consisting of the compressor wheel, the drive shaft and the rotor housing unit;
  • Fig. 4 in an exploded view of one of the compressor and the drive shaft
  • FIG. 1 shows a roughly simplified block diagram with an internal combustion engine 1 with an associated exhaust gas turbocharger 8.
  • the block diagram in only insofar as it is necessary for understanding the invention.
  • the internal combustion engine 1 has an intake tract 2 for the intake of fresh air into the cylinders 3 of the internal combustion engine and an exhaust tract 4 for the removal of the combustion exhaust gases from the cylinders 3.
  • an exhaust manifold, not shown, and an exhaust pipe 6 is arranged, between which a through-flow exhaust gas turbine 7 of the exhaust gas turbocharger 8 is connected.
  • the turbine 7 is connected via a shaft 9 in driving connection with a compressor 10, which in the intake tract second
  • High-pressure line 13 in which a charge air cooler, not shown, is arranged in the cylinder 3 of the internal combustion engine 1 passes.
  • a gas compressor 15 is connected with speed-controlled electric motor 16, which is powered by a vehicle battery 17 with electrical energy.
  • the electric motor 16 of the gas compressor 15 is controlled by an electronic control unit, not shown speed controlled.
  • Compressor housing 19 with an axially aligned suction nozzle 21 and a radially outer tangentially adjoining discharge port 23, which open into a compressor chamber 25 in which a compressor 27 is rotatably mounted.
  • a drive shaft 29 Connected to the compressor wheel 27 is a drive shaft 29 leading to the electric motor 16, which merges into a hollow-cylindrical rotor housing 31.
  • the compressor wheel 27, the drive shaft 29 and the rotor housing 31 are summarized in FIGS. 1 and 2 in a unitary and integral unit 33. According to FIG. 2, the drive shaft 29 directly on the compressor wheel 27 a
  • Hub portion 35 which is supported with the interposition of a pivot bearing 37 against a radially outer bearing flange 39.
  • the bearing flange 39 is part of a
  • a stator 43 of the electric motor 16 is arranged rotationally fixed, the stator windings 45 define a hollow cylindrical stator interior, in which the rotor housing 31 of the assembly 33 is rotatably arranged.
  • Stator windings 45 cooperates.
  • the electric motor 16 is indicated above
  • Motor phase lines 49 in conjunction with an electronic control unit to make a speed-controlled control of the gas compressor 15.
  • the rotary bearing 37 has, in FIG. 1, two roller bearings spaced apart from one another in the axial direction by means of intermediate rings, the inner and outer rings of which are respectively supported on the shaft hub section 35 and on the radially outer bearing flange 39.
  • Fig. 3 consisting of the compressor 27, the drive shaft 29 and the rotor housing 31 assembly 33 is shown in isolation.
  • the assembly 33 is made of a high strength and high temperature resistant plastic, preferably Torion, in a plastic injection molding process.
  • the outer diameter d R of the rotor housing 31 is smaller compared to the outer diameter d A of the drive shaft 29, so that the rotor housing 31 at an outer annular shoulder 51 in the larger diameter
  • Drive shaft 29 passes.
  • the assembly 33 is inserted from the outside in a first mounting direction I in the drive housing 41, in such a way that first the rotor housing 31 is inserted with play clearance through the housing side bearing flange 39 into the stator 43 and the hub portion 35 with the interposition of the Swivel 37 is inserted into the housing-side bearing flange 39.
  • the interior of the rotor housing 31 is axially provided in the direction of the compressor 27 with a blind hole 53, that is, the drive shaft is designed as a hollow shaft approximately up to the level of running from solid material compressor wheel 27.
  • the unitary material and one-piece assembly 33 is shown in a further embodiment.
  • the assembly 33 consists of the compressor wheel 27 and the drive shaft 29, while the rotor housing 31 is designed as a separate attachment, for example, with the free end of the shaft 55th
  • the outer diameter d R of the rotor housing 31 is dimensioned larger than the outer diameter d A of the drive shaft 29.
  • the assembly consisting of the compressor 27 and the drive shaft 29 33 in the first mounting direction I from the outside - at still dismantled
  • Hub portion 35 with the interposition of the rotary bearing 37 in the housing-side bearing flange 39 is seated. Subsequently, the rotor housing 31 is connected in a, the first mounting direction I opposite second mounting direction II at the free shaft end 55 of the drive shaft 29.

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Abstract

Gas compressor, especially for a turbocharger. The invention relates to a gas compressor comprising an electric drive (16), in particular for an internal combustion engine (1) of a vehicle, said electric drive (16) including a stator (43) and a rotor (47) that is drivingly coupled to a compressor wheel (27) via an input shaft (29), the compressor wheel (27) being located in a compressor compartment (25) that fluidically connects a discharge port (23) and an intake port (21). According to the invention, at least the compressor wheel (25) and the input shaft (29) form an integral assembly (33) made of a uniform material.

Description

Beschreibung  description
ELEKTRISCH BETRIEBENER GASVERDICHTER ELECTRICALLY OPERATED GAS COMPRESSOR
Die Erfindung betrifft einen Gasverdichter, insbesondere für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Die Erfindung ist jedoch nicht auf den Einsatz im Abgasturbolader beschränkt, sondern vielmehr auf beliebige elektrisch betriebene Gasverdichter anwendbar, etwa bei der Luftversorgung einer Brennstoffzelle. The invention relates to a gas compressor, in particular for an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine of a vehicle according to the preamble of claim 1. However, the invention is not limited to use in the exhaust gas turbocharger, but rather applicable to any electrically operated gas compressor, such as in the air supply of a fuel cell.
Der Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine weist in gängiger Praxis einen Verdichter auf, dessen Verdichterrad über eine Welle mit einer Abgasturbine im Abgastrakt der The exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine has, in current practice, a compressor whose compressor wheel via a shaft with an exhaust gas turbine in the exhaust gas of the
Brennkraftmaschine verbunden ist. Die Abgasturbine weist ein vom Abgasstrom in Rotation versetztes Turbinenrad auf, das drehfest mit einer Antriebswelle des Verdichterrades verbunden ist, das im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Zudem kann der Internal combustion engine is connected. The exhaust gas turbine has a turbine wheel which is offset from the exhaust gas flow and which is connected in a rotationally fixed manner to a drive shaft of the compressor wheel which is arranged in the intake tract of the internal combustion engine. In addition, the
Abgasturbolader einen im Ansaugtrakt angeordneten drehzahlgeregelten Kompressor oder Verdichter mit elektrischem Antrieb aufweisen, der von einer elektronischen Steuereinheit in Abhängigkeit von Fahrbetriebsparametern ansteuerbar ist. Have exhaust gas turbocharger arranged in the intake speed-controlled compressor or compressor with electric drive, which is controlled by an electronic control unit in response to driving parameters.
Ein gattungsgemäßer Gasverdichter weist einen Elektromotor auf, dessen Rotor über eine Antriebswelle mit einem Verdichterrad des Gasverdichters trieblich gekoppelt ist. Das A generic gas compressor has an electric motor whose rotor is drivingly coupled via a drive shaft with a compressor wheel of the gas compressor. The
Verdichterrad ist in einem Verdichterraum, der einen Druckstutzen und einen Saugstutzen strömungstechnisch miteinander verbindet. In gängiger Praxis ist das Verdichterrad über eine Gewindeverbindung an der Antriebswelle montiert. Zudem können das Verdichterrad und die Welle aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein, wodurch das Verdichterrad unter Zwischenlage einer zusätzlichen metallischen Buchse auf der Antriebswelle anzuordnen ist, um eine einwandfreie Verbindung herzustellen. Compressor is in a compressor room, which connects a pressure port and a suction nozzle fluidly. In common practice, the compressor wheel is mounted via a threaded connection to the drive shaft. In addition, the compressor wheel and the shaft may be made of different materials, whereby the compressor wheel is to be placed on the drive shaft with the interposition of an additional metallic bushing to make a perfect connection.
Im Hinblick auf einen einwandfreien Verdichter-Betrieb ist es erforderlich, dass der In order to ensure perfect compressor operation, it is necessary that the
Gasverdichter auf Steuersignale mit hoher Ansprechempfindlichkeit reagiert, damit der Gas compressor responded to high sensitivity control signals, so that the
Verdichter nahezu verzögerungsfrei den Nennpunkt erreicht. Hierfür ist ein geringes Compressor reaches the nominal point almost without delay. This is a small one
Massenträgheitsmoment der rotierenden Verdichter-Bauteile von Vorteil. Zudem unterliegt das Verdichterrad einer betriebsbedingt hohen Wärmebeaufschlagung, wodurch gegebenenfalls das Risiko einer übermäßig großen Wärmeübertragung vom Verdichterrad zum Drehlager oder zum elektrischen Antrieb besteht. Außerdem ist in gängiger Praxis das Verdichterrad und die zum elektrischen Antrieb führende Antriebswelle zweiteilig aufgebaut, wodurch sich eine fertigungstechnisch aufwändige sowie kostenintensive Verbindung zwischen dem Verdichterrad und der Antriebswelle ergibt. Mass moment of inertia of the rotating compressor components advantageous. In addition, the compressor is subject to operationally high heat load, which may be the risk of excessively large heat transfer from the compressor to the pivot bearing or electric drive. In addition, in common practice, the compressor and the leading to the electric drive drive shaft constructed in two parts, resulting in a production-technically complex and costly connection between the compressor and the drive shaft.
Aus der DE 10 2009 004 881 A1 ist ein Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug bekannt. Der Abgasturbolader weist keinen elektrisch betriebenen Gasverdichter im Sinne der Erfindung auf, sondern lediglich ein im Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnetes Turbinenrad, das über eine Welle mit einem im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordneten Verdichterrad trieblich gekoppelt ist. Das Turbinenrad und die Welle sind als ein einstückiges metallisches Pulverspritzgussteil ausgebildet. From DE 10 2009 004 881 A1 an exhaust gas turbocharger for a motor vehicle is known. The exhaust gas turbocharger does not have an electrically operated gas compressor in the sense of the invention, but merely a turbine wheel arranged in the exhaust gas tract of the internal combustion engine, which is drivingly coupled via a shaft to a compressor wheel arranged in the intake tract of the internal combustion engine. The turbine wheel and the shaft are formed as a one-piece metallic powder injection molded part.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen einfach aufgebauten Gasverdichter The object of the invention is a simply constructed gas compressor
bereitzustellen, der unter Bauteilreduzierung den obigen Betriebsanforderungen gerecht wird. to provide the above operating requirements with component reduction.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte The object is solved by the features of claim 1. preferred
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart. Further developments of the invention are disclosed in the subclaims.
Die Erfindung beruht auf der Problematik, dass im Stand der Technik das Verdichterrad und die Antriebswelle des elektrischen Antriebes zweiteilig aufgebaut sind, was im Hinblick auf eine einfache Fertigung sowie im Hinblick auf einen Bauraumbedarf nachteilig ist. Vor diesem Hintergrund bildet gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 das The invention is based on the problem that in the prior art, the compressor and the drive shaft of the electric drive are constructed in two parts, which is disadvantageous in terms of ease of manufacture and in terms of a space requirement. Against this background forms according to the characterizing part of claim 1 the
Verdichterrad und die Antriebswelle eine materialeinheitliche und einstückige Baueinheit. Compressor and the drive shaft a unit of material and one-piece unit.
Entsprechend sind das Verdichterrad und die Antriebswelle aus dem gleichen Werkstoff hergestellt. Bevorzugt kann die Baueinheit aus einem hochfesten sowie hochtemperaturfesten Kunststoff, insbesondere Torion, hergestellt sein. Die Baueinheit kann bevorzugt in einem Kunststoff-Spritzgieß-Verfahren hergestellt werden. Accordingly, the compressor wheel and the drive shaft are made of the same material. Preferably, the assembly of a high-strength and high-temperature resistant plastic, in particular Torion be prepared. The structural unit can preferably be produced in a plastic injection molding process.
Auf diese Weise können die Fertigungskosten des Gasverdichters beträchtlich reduziert werden. Zudem können mechanische Probleme an den Verbindungsstellen entfallen, zum Beispiel Ausfälle durch unbeabsichtigtes Lösen der Verbindung. Zudem kann mit der materialeinheitlichen sowie einstückigen Verbindung das Massenträgheitsmoment der rotierenden Verdichter-Bauteile reduziert werden. Bei Auswahl eines entsprechend In this way, the manufacturing cost of the gas compressor can be considerably reduced. In addition, mechanical problems at the connection points can be omitted, for example failures due to unintentional release of the connection. In addition, the mass moment of inertia of the rotating compressor components can be reduced with the uniform material and one-piece connection. When selecting an appropriate
hochtemperaturfesten Kunststoffes kann zudem auch die Wärmeübertragung und damit die Wärmebelastung des Drehlagers und des elektrischen Antriebes reduziert sein. Aufgrund des reduzierten Massenträgheitsmomentes kann auch der elektrische Antrieb, zum Beispiel ein Elektromotor, kleiner ausgelegt sein. Zudem ist weniger Energie zum Beschleunigen des Verdichterrades erforderlich. Sofern der Gasverdichter in einem Kraftfahrzeug mit high-temperature resistant plastic can also be reduced, the heat transfer and thus the heat load of the pivot bearing and the electric drive. Due to the reduced mass moment of inertia, the electric drive, for example an electric motor, can also be made smaller. In addition, less energy is required to accelerate the compressor wheel. If the gas compressor in a motor vehicle with
Brennkraftmaschine eingesetzt wird, verringert sich daher auch der Kraftstoffverbrauch. Entsprechend sind auch die Anforderungen an das elektrische Bordnetz zur Versorgung des Verdichters mit elektrischer Energie reduziert. Internal combustion engine is used, therefore, the fuel consumption is reduced. Accordingly, the requirements for the electrical system for supplying the compressor with electrical energy are reduced.
Das vom Verdichterrad beabstandete Wellenende der Antriebseinheit ist mit dem Rotor des Elektromotors drehfest gekoppelt. Bevorzugt kann das, dem Verdichterrad gegenüberliegende Wellenende der Antriebswelle in ein hohlzylindrisches Rotorgehäuse übergehen, in dessen Innenraum der Rotor angeordnet ist. In einer ersten Ausführungsform kann das Rotorgehäuse als ein separates Anbauteil am Wellenende der Antriebswelle befestigt sein. The spaced from the compressor shaft end of the drive unit is rotatably coupled to the rotor of the electric motor. Preferably, the compressor wheel opposite shaft end of the drive shaft can pass into a hollow cylindrical rotor housing, in the interior of which the rotor is arranged. In a first embodiment, the rotor housing may be attached as a separate attachment to the shaft end of the drive shaft.
Zudem kann die Antriebswelle einen Nabenabschnitt aufweisen, der über ein Drehlager an einem radial äußeren Lagerflansch eines Verdichtergehäuses abgestützt ist. Das Drehlager kann in an sich bekannter Weise Wälzkörper aufweisen. Die Innenlaufbahnen der Wälzkörper des Drehlagers können gegebenenfalls unmittelbar im Nabenabschnitt ausgebildet sein oder alternativ in einem separaten Innenring, der auf dem Nabenabschnitt der Antriebswelle aufgesetzt ist. In addition, the drive shaft may have a hub portion which is supported via a pivot bearing on a radially outer bearing flange of a compressor housing. The rotary bearing may have rolling elements in a conventional manner. The inner races of the rolling elements of the rotary bearing may possibly be formed directly in the hub portion or alternatively in a separate inner ring which is placed on the hub portion of the drive shaft.
Beim Zusammenbau kann die aus dem Verdichterrad und der Antriebswelle bestehende Baueinheit in einer ersten Montagerichtung von außen bei noch demontiertem Rotorgehäuse mit dem Nabenabschnitt in den gehäuseseitigen Lagerflansch eingesetzt werden, und zwar unter Zwischenlage des oben erwähnten Drehlagers. Anschließend kann das Rotorgehäuse in einer, der ersten Montagerichtung axial entgegengesetzten zweiten Montagerichtung am Wellenende der Antriebswelle befestigt werden. Bei einem solchen Montagevorgang ist somit das Rotorgehäuse nicht durch den gehäuseseitigen Lagerflansch vom Stator begrenzten Innenraum einzuführen. Vielmehr ist das Rotorgehäuse an der, dem Lagerflansch axial gegenüberliegenden Verdichter-Seite zu montieren. Entsprechend ist die Geometrie des Rotorgehäuses unabhängig von dem Durchlassquerschnitt des gehäuseseitigen When assembling existing from the compressor and the drive shaft assembly can be used in a first mounting direction from the outside with still dismantled rotor housing with the hub portion in the housing side bearing flange, with the interposition of the above-mentioned pivot bearing. Subsequently, the rotor housing in a, the first mounting direction axially opposite second mounting direction can be attached to the shaft end of the drive shaft. In such an assembly process, therefore, the rotor housing is not introduced by the housing-side bearing flange limited by the stator interior. Rather, the rotor housing is to be mounted on the, the bearing flange axially opposite compressor side. Accordingly, the geometry of the rotor housing is independent of the passage cross section of the housing side
Lagerflansches. Beispielhaft kann der Außendurchmesser des Rotorgehäuses größer als der Außendurchmesser der Antriebswelle bemessen sein. Bearing flange. By way of example, the outer diameter of the rotor housing can be dimensioned larger than the outer diameter of the drive shaft.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Rotorgehäuse - unter weiterer Bauteilreduzierung - nicht mehr ein separates Anbauteil sein, sondern vielmehr zusammen mit dem Verdichterrad und der Antriebswelle die materialeinheitliche und einstückige Baueinheit bilden. In a further embodiment, the rotor housing - with further component reduction - no longer be a separate attachment, but rather together with the compressor and the drive shaft form the unitary material and one-piece unit.
In einem Montagevorgang wird somit die aus dem Verdichterrad, der Antriebswelle und dem Rotorgehäuse bestehende Baueinheit von außen in der bereits erwähnten axialen In an assembly process, thus, the assembly consisting of the compressor wheel, the drive shaft and the rotor housing from the outside in the already mentioned axial
Montagerichtung mit ihrem Rotorgehäuse mit Bewegungsspiel durch den gehäuseseitigen Lagerflansch geführt und mit ihrem Nabenabschnitt - unter Zwischenlage des Drehlagers - in den gehäuseseitigen Lagerflansch eingesetzt. Auf diese Weise entfällt ein zusätzlicher Montageschritt zum Anbau des Rotorgehäuses an der Antriebswelle. Assembly direction with its rotor housing with movement play through the housing-side bearing flange and with its hub portion - with the interposition of the pivot bearing - in used the housing side bearing flange. In this way, eliminates an additional assembly step for mounting the rotor housing on the drive shaft.
Um einen derartigen Montagevorgang zu ermöglichen, muss das Rotorgehäuse im Vergleich zur Antriebswelle durchmesserkleiner ausgeführt sein, das heißt das Rotorgehäuse geht an einer Ringschulter in die durchmessergrößere Antriebswelle über, so dass die insgesamt rotationssymmetrische Baueinheit in etwa konusartig ausgeführt ist und sich der Durchmesser der Baueinheit entgegen der Montagerichtung stufenartig erhöht. In order to enable such an assembly process, the rotor housing must be made smaller diameter compared to the drive shaft, that is, the rotor housing goes on an annular shoulder in the larger diameter drive shaft, so that the total rotationally symmetrical unit is designed in approximately cone-like and the diameter of the assembly against the mounting direction increases stepwise.
Zur weiteren Reduzierung des Massenträgheitsmomentes kann die Antriebswelle als eine Hohlwelle ausgeführt sein, deren Hohlraum am Übergang zum Verdichterrad einseitig geschlossen ist und an der axial gegenüberliegenden Seite in den Innenraum des To further reduce the mass moment of inertia, the drive shaft can be designed as a hollow shaft whose cavity is closed on one side at the transition to the compressor wheel and on the axially opposite side in the interior of the
Rotorgehäuses übergeht. In einer technischen Ausführung kann die rotationssymmetrische Baueinheit an der, dem Verdichterrad gegenüberliegenden Wellenende eine Sacklochbohrung aufweisen, und zwar mit einem durchmesserkleineren Abschnitt im Bereich der Antriebswelle (d.h. der Wellen-Hohlraum) und einem durchmessergrößeren Bohrungsabschnitt, der den Innenraum des Rotorgehäuses bildet. Die Ringschulter am Übergang zwischen den Rotor housing passes. In a technical embodiment, the rotationally symmetric assembly may have a blind bore at the shaft end opposite the compressor wheel with a smaller diameter portion in the area of the drive shaft (i.e., the shaft cavity) and a larger diameter bore portion forming the interior of the rotor housing. The annular shoulder at the transition between the
Bohrungsabschnitten bildet einen Axialanschlag, mit dem der Rotor in Anlage ist. Bore sections forms an axial stop, with which the rotor is in abutment.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können - außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen - einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen. The advantageous embodiments and / or further developments of the invention explained above and / or reproduced in the dependent claims can be used individually or else in any desired combination with one another, for example in the case of clear dependencies or incompatible alternatives.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 in einem vereinfachten Blockschaltdiagramm eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs mit einem Abgasturbolader sowie einem elektrischen Verdichter; 1 is a simplified block diagram of an internal combustion engine of a vehicle with an exhaust gas turbocharger and an electric compressor.
Fig. 2 in einer Vollschnittdarstellung einen Gasverdichter mit darin integriertem elektrischen Antrieb; FIG. 2 is a full sectional view of a gas compressor with an electric drive integrated therein; FIG.
Fig. 3 eine aus dem Verdichterrad, der Antriebswelle und dem Rotorgehäuse bestehende Baueinheit in Alleinstellung; und Fig. 3 is a unit consisting of the compressor wheel, the drive shaft and the rotor housing unit; and
Fig. 4 in einer Explosionsdarstellung eine aus dem Verdichterrad und der Antriebswelle Fig. 4 in an exploded view of one of the compressor and the drive shaft
bestehende einstückige Baueinheit sowie ein als Anbauteil ausgeführtes Rotorgehäuse. In der Fig. 1 ist ein grob vereinfachtes Blockschaltdiagramm mit einer Brennkraftmaschine 1 mit zugeordnetem Abgasturbolader 8 gezeigt. Das Blockschaltdiagramm in nur insoweit dargestellt, als es zum Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Ansaugtrakt 2 zur Ansaugung von Frischluft in die Zylinder 3 der Brennkraftmaschine und einen Abgastrakt 4 zur Abfuhr der Verbrennungsabgase aus den Zylindern 3 auf. Im Abgastrakt 4 ist ein nicht gezeigter Abgaskrümmer und ein Auspuffrohr 6 angeordnet, zwischen denen eine vom Abgas durchströmte Turbine 7 des Abgasturboladers 8 geschaltet ist. Die Turbine 7 ist über eine Welle 9 in trieblicher Verbindung mit einem Verdichter 10, der im Ansaugtrakt 2 existing one-piece structural unit and designed as an attachment rotor housing. FIG. 1 shows a roughly simplified block diagram with an internal combustion engine 1 with an associated exhaust gas turbocharger 8. The block diagram in only insofar as it is necessary for understanding the invention. The internal combustion engine 1 has an intake tract 2 for the intake of fresh air into the cylinders 3 of the internal combustion engine and an exhaust tract 4 for the removal of the combustion exhaust gases from the cylinders 3. In the exhaust tract 4, an exhaust manifold, not shown, and an exhaust pipe 6 is arranged, between which a through-flow exhaust gas turbine 7 of the exhaust gas turbocharger 8 is connected. The turbine 7 is connected via a shaft 9 in driving connection with a compressor 10, which in the intake tract second
angeordnet ist und aus der Umgebung Frischluft ansaugt, verdichtet und über eine is arranged and from the environment sucks fresh air, compressed and over a
Hochdruckleitung 13, in der ein nicht gezeigter Ladeluftkühler angeordnet ist, in die Zylinder 3 der Brennkraftmaschine 1 leitet. In die Hochdruckleitung 13 ist ein Gasverdichter 15 mit drehzahlgeregeltem Elektromotor 16 geschaltet, der mittels einer Fahrzeugbatterie 17 mit elektrischer Energie versorgt wird. Der Elektromotor 16 des Gasverdichters 15 ist von einer nicht gezeigten elektronischen Steuereinheit drehzahlgeregelt ansteuerbar. High-pressure line 13, in which a charge air cooler, not shown, is arranged in the cylinder 3 of the internal combustion engine 1 passes. In the high pressure line 13, a gas compressor 15 is connected with speed-controlled electric motor 16, which is powered by a vehicle battery 17 with electrical energy. The electric motor 16 of the gas compressor 15 is controlled by an electronic control unit, not shown speed controlled.
Nachfolgend ist anhand der Fig. 2 bis 4 der Aufbau des Gasverdichters 15 mit darin Subsequently, with reference to FIGS. 2 to 4, the structure of the gas compressor 15 with therein
integriertem Elektromotor 16 beschrieben. In der Fig. 2 weist der Gasverdichter 15 ein integrated electric motor 16 described. In Fig. 2, the gas compressor 15 a
Verdichtergehäuse 19 mit einem axial ausgerichteten Saugstutzen 21 und einem radial äußeren tangential anschließenden Druckstutzen 23 auf, die in einen Verdichterraum 25 münden, in dem ein Verdichterrad 27 drehbar angeordnet ist. An dem Verdichterrad 27 schließt sich eine zum Elektromotor 16 führende Antriebswelle 29 an, die in ein hohlzylindrisches Rotorgehäuse 31 übergeht. Das Verdichterrad 27, die Antriebswelle 29 sowie das Rotorgehäuse 31 sind in der Fig. 1 und 2 in einer materialeinheitlichen sowie einstückigen Baueinheit 33 zusammengefasst. Gemäß der Fig. 2 weist die Antriebswelle 29 unmittelbar am Verdichterrad 27 einen Compressor housing 19 with an axially aligned suction nozzle 21 and a radially outer tangentially adjoining discharge port 23, which open into a compressor chamber 25 in which a compressor 27 is rotatably mounted. Connected to the compressor wheel 27 is a drive shaft 29 leading to the electric motor 16, which merges into a hollow-cylindrical rotor housing 31. The compressor wheel 27, the drive shaft 29 and the rotor housing 31 are summarized in FIGS. 1 and 2 in a unitary and integral unit 33. According to FIG. 2, the drive shaft 29 directly on the compressor wheel 27 a
Nabenabschnitt 35 auf, der unter Zwischenlage eines Drehlagers 37 gegen einen radial äußeren Lagerflansch 39 abgestützt ist. Der Lagerflansch 39 ist Bestandteil eines Hub portion 35 which is supported with the interposition of a pivot bearing 37 against a radially outer bearing flange 39. The bearing flange 39 is part of a
Antriebsgehäuses 41 . In dem Antriebsgehäuse 41 ist ein Stator 43 des Elektromotors 16 drehfest angeordnet, dessen Statorwicklungen 45 einen hohlzylindrischen Stator-Innenraum begrenzen, in dem das Rotorgehäuse 31 der Baueinheit 33 drehbar angeordnet ist. Im Drive housing 41. In the drive housing 41, a stator 43 of the electric motor 16 is arranged rotationally fixed, the stator windings 45 define a hollow cylindrical stator interior, in which the rotor housing 31 of the assembly 33 is rotatably arranged. in the
Innenraum des Rotorgehäuses 31 ist ein Rotor-Magnet 47 positioniert, der mit den Interior of the rotor housing 31, a rotor magnet 47 is positioned, which with the
Statorwicklungen 45 zusammenwirkt. Der Elektromotor 16 ist über angedeutete Stator windings 45 cooperates. The electric motor 16 is indicated above
Motorphasenleitungen 49 in Verbindung mit einer elektronischen Steuereinheit um eine drehzahlgeregelte Ansteuerung des Gasverdichters 15 vorzunehmen. Motor phase lines 49 in conjunction with an electronic control unit to make a speed-controlled control of the gas compressor 15.
Das Drehlager 37 weist in der Fig. 1 zwei in Axialrichtung voneinander über Zwischenringe beabstandete Wälzlager auf, deren Innen- und Außenringe jeweils am Wellen-Nabenabschnitt 35 und am radial äußeren Lagerflansch 39 abgestützt sind. In der Fig. 3 ist die aus dem Verdichterrad 27, der Antriebswelle 29 und dem Rotorgehäuse 31 bestehende Baueinheit 33 in Alleinstellung gezeigt. Die Baueinheit 33 ist aus einem hochfesten sowie hochtemperaturfesten Kunststoff, bevorzugt Torion, in einem Kunststoff- Spritzgießverfahren hergestellt. In der Fig. 3 ist der Außendurchmesser dR des Rotorgehäuses 31 im Vergleich zum Außendurchmesser dA der Antriebswelle 29 kleiner ausgeführt, so dass das Rotorgehäuse 31 an einer äußeren Ringschulter 51 in die durchmessergrößere The rotary bearing 37 has, in FIG. 1, two roller bearings spaced apart from one another in the axial direction by means of intermediate rings, the inner and outer rings of which are respectively supported on the shaft hub section 35 and on the radially outer bearing flange 39. In Fig. 3, consisting of the compressor 27, the drive shaft 29 and the rotor housing 31 assembly 33 is shown in isolation. The assembly 33 is made of a high strength and high temperature resistant plastic, preferably Torion, in a plastic injection molding process. In FIG. 3, the outer diameter d R of the rotor housing 31 is smaller compared to the outer diameter d A of the drive shaft 29, so that the rotor housing 31 at an outer annular shoulder 51 in the larger diameter
Antriebswelle 29 übergeht. Bei einem Montagevorgang wird die Baueinheit 33 von außen in einer ersten Montagerichtung I in das Antriebsgehäuse 41 eingeführt, und zwar so, dass zunächst das Rotorgehäuse 31 mit Bewegungsspiel durch den gehäuseseitigen Lagerflansch 39 bis in den Stator 43 eingeführt wird und der Nabenabschnitt 35 unter Zwischenlage des Drehlagers 37 in den gehäuseseitigen Lagerflansch 39 eingesetzt wird. Drive shaft 29 passes. In a mounting operation, the assembly 33 is inserted from the outside in a first mounting direction I in the drive housing 41, in such a way that first the rotor housing 31 is inserted with play clearance through the housing side bearing flange 39 into the stator 43 and the hub portion 35 with the interposition of the Swivel 37 is inserted into the housing-side bearing flange 39.
Zur weiteren Reduzierung der Massenträgheit der Baueinheit 33 ist der Innenraum des Rotorgehäuses 31 axial in Richtung auf das Verdichterrad 27 mit einer Sacklochbohrung 53 versehen, das heißt die Antriebswelle ist etwa bis auf Höhe des aus Vollmaterial ausgeführten Verdichterrads 27 als eine Hohlwelle ausgeführt. To further reduce the mass inertia of the assembly 33, the interior of the rotor housing 31 is axially provided in the direction of the compressor 27 with a blind hole 53, that is, the drive shaft is designed as a hollow shaft approximately up to the level of running from solid material compressor wheel 27.
In der Fig. 4 ist die materialeinheitliche sowie einstückige Baueinheit 33 in einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Im Unterschied zur Fig. 2 und 3 besteht die Baueinheit 33 aus dem Verdichterrad 27 und der Antriebswelle 29, während das Rotorgehäuse 31 als ein separates Anbauteil ausgeführt ist, das zum Beispiel mit dem freien Wellenende 55 4, the unitary material and one-piece assembly 33 is shown in a further embodiment. In contrast to FIGS. 2 and 3, the assembly 33 consists of the compressor wheel 27 and the drive shaft 29, while the rotor housing 31 is designed as a separate attachment, for example, with the free end of the shaft 55th
verschraubbar ist. Im Unterschied zur Fig. 3 ist in der Fig. 4 der Außendurchmesser dR des Rotorgehäuses 31 größer bemessen als der Außendurchmesser dA der Antriebswelle 29. is screwed. In contrast to FIG. 3, in FIG. 4, the outer diameter d R of the rotor housing 31 is dimensioned larger than the outer diameter d A of the drive shaft 29.
Beim Zusammenbau wird die aus dem Verdichterrad 27 und der Antriebswelle 29 bestehende Baueinheit 33 in der ersten Montagerichtung I von außen - bei noch demontiertem During assembly, the assembly consisting of the compressor 27 and the drive shaft 29 33 in the first mounting direction I from the outside - at still dismantled
Rotorgehäuse 31 - in das Antriebsgehäuse 41 eingeführt, und zwar so, dass der Rotor housing 31 - inserted into the drive housing 41, in such a way that the
Nabenabschnitt 35 unter Zwischenlage des Drehlagers 37 im gehäuseseitigen Lagerflansch 39 sitzt. Anschließend wird das Rotorgehäuse 31 in einer, der ersten Montagerichtung I entgegengesetzten zweiten Montagerichtung II am freien Wellenende 55 der Antriebswelle 29 verbunden. Hub portion 35 with the interposition of the rotary bearing 37 in the housing-side bearing flange 39 is seated. Subsequently, the rotor housing 31 is connected in a, the first mounting direction I opposite second mounting direction II at the free shaft end 55 of the drive shaft 29.

Claims

Ansprüche claims
1. Gasverdichter, insbesondere für einen Abgasturbolader (8) einer Brennkraftmaschine (1 ) eines Fahrzeugs, mit einem elektrischen Antrieb (16), der einen Stator (43) und einen Rotor (47) aufweist, der über eine Antriebswelle (29) mit einem Verdichterrad (27) trieblich gekoppelt ist, das in einem, einen Druckstutzen (23) und einen Saugstutzen (21 ) strömungstechnisch verbindenden Verdichterraum (25) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Verdichterrad (25) und die Antriebswelle (29) eine materialeinheitliche und einstückige Baueinheit (33) bilden. 1. Gas compressor, in particular for an exhaust gas turbocharger (8) of an internal combustion engine (1) of a vehicle, with an electric drive (16) having a stator (43) and a rotor (47) via a drive shaft (29) with a Compressor (27) is drivingly coupled, which in a, a pressure port (23) and a suction nozzle (21) fluidly connecting the compressor chamber (25) is arranged, characterized in that at least the compressor wheel (25) and the drive shaft (29) a material-uniform and one-piece assembly (33) form.
2. Gasverdichter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit (33) aus einem hochfesten sowie hochtemperaturfesten Kunststoff, insbesondere aus Torion, hergestellt ist. 2. Gas compressor according to claim 1, characterized in that the structural unit (33) is made of a high-strength and high-temperature resistant plastic, in particular of Torion.
3. Gasverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zum 3. Gas compressor according to claim 1 or 2, characterized in that the
Verdichterrad (27) gegenüberliegende Wellenende (55) der Antriebswelle in ein hohlzylindrisches Rotorgehäuse (31 ) übergeht, in dessen Innenraum der Rotor (47) angeordnet ist, und dass insbesondere das Rotorgehäuse (31 ) als ein separates  Compressor (27) opposite shaft end (55) of the drive shaft merges into a hollow cylindrical rotor housing (31), in the interior of which the rotor (47) is arranged, and in particular the rotor housing (31) as a separate
Anbauteil am Wellenende (55) befestigt ist.  Attachment is attached to the shaft end (55).
4. Gasverdichter nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die 4. Gas compressor according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the
Antriebswelle (29) einen Nabenabschnitt (35) aufweist, der über ein Drehlager (37) an einem radial äußeren Lagerflansch (39) eines Antriebsgehäuses (41 ) abgestützt ist, und dass insbesondere beim Zusammenbau die aus Verdichterrad (27) und Antriebswelle (29) bestehende Baueinheit (33) in einer ersten Montagerichtung (I) von außen bei noch demontiertem Rotorgehäuse (31 ) sowie mit ihrem Nabenabschnitt (29) in den  Drive shaft (29) has a hub portion (35) which is supported via a pivot bearing (37) on a radially outer bearing flange (39) of a drive housing (41), and in particular in the assembly of the compressor wheel (27) and drive shaft (29). existing assembly (33) in a first mounting direction (I) from the outside with the rotor housing (31) still dismantled and with its hub portion (29) in the
gehäuseseitigen Lagerflansch (39) einsetzbar ist und anschließend das Rotorgehäuse (31 ) in einer der ersten Montagerichtung (I) entgegengesetzten zweiten Montagerichtung (II) am Wellenende (55) der Antriebswelle (29) verbindbar ist.  On the housing side bearing flange (39) can be inserted and then the rotor housing (31) in one of the first mounting direction (I) opposite second mounting direction (II) at the shaft end (55) of the drive shaft (29) is connectable.
5. Gasverdichter nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorgehäuse (31 ) durchmessergrößer ist als die Antriebswelle (29). 5. Gas compressor according to one of claims 3 or 4, characterized in that the rotor housing (31) is larger in diameter than the drive shaft (29).
6. Gasverdichter nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorgehäuse (31 ) zusammen mit dem Verdichterrad (27) und der Antriebswelle (29) die materialeinheitliche und einstückige Baueinheit (33) bilden. Gasverdichter nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem 6. Gas compressor according to one of claims 3, 4 or 5, characterized in that the rotor housing (31) together with the compressor wheel (27) and the drive shaft (29) form the unitary material and one-piece structural unit (33). Gas compressor according to claim 6, characterized in that the from
Verdichterrad, der Antriebswelle (29) und dem Rotorgehäuse (31 ) bestehende Baueinheit (33) von außen in der ersten Montagerichtung (I) mit ihrem Nabenabschnitt (35) in den gehäuseseitigen Lagerflansch (39) einsetzbar ist. Compressor, the drive shaft (29) and the rotor housing (31) existing assembly (33) from the outside in the first mounting direction (I) with its hub portion (35) in the housing-side bearing flange (39) can be inserted.
Gasverdichter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorgehäuse (31 ) im Vergleich zur Antriebswelle (29) durchmesserkleiner ausgeführt ist und an einer Ringschulter (51 ) in die durchmessergrößere Antriebswelle (29) übergeht, so dass sich der Durchmesser der Baueinheit (33) entgegen der ersten Montagerichtung (I) stufenartig erhöht. Gas compressor according to claim 6 or 7, characterized in that the rotor housing (31) in comparison to the drive shaft (29) is designed smaller diameter and on an annular shoulder (51) merges into the larger diameter drive shaft (29), so that the diameter of the assembly ( 33) increases stepwise against the first mounting direction (I).
Gasverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (29) eine Hohlwelle ist, deren Hohlraum (53) am Übergang zum Verdichterrad (27) einseitig geschlossen ist und deren Hohlraum (53) axial Gas compressor according to one of the preceding claims, characterized in that the drive shaft (29) is a hollow shaft whose cavity (53) at the transition to the compressor wheel (27) is closed on one side and the cavity (53) axially
gegenüberliegend in den Innenraum des Rotorgehäuses (31 ) übergeht. opposite in the interior of the rotor housing (31) passes.
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