DE102022209742A1 - Rotor assembly with hollow shaft for an electric loader with electric motor drive and electric charger - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Rotor-Baugruppe (10) eines Elektroladers (100) mit Rotorhohlwelle (40) mit elektromotorischem Antrieb (150) und einen Elektrolader (100) mit einer solchen Rotor-Baugruppe (10). Die erfindungsgemäße Rotor-Baugruppe (10) weist eine, einen Innenhohlraum (43) aufweisende Rotorhohlwelle (40), ein Verdichterrad (30), das an einem ersten Wellenende (41) der Rotorhohlwelle (40) angeordnet ist und eine Rotor-Permanentmagnet-Anordnung (50), die im Innenhohlraum (43) der Rotorhohlwelle (40) angeordnet und mechanisch fest mit der Rotorhohlwelle (40) verbunden ist auf. Dabei ist das Verdichterrad (30) mittels eines Montage-Anschlussstutzens (32) auf das erste Wellenende (41) der Rotorhohlwelle (40) aufgesteckt und mit dieser mechanisch fest verbunden, wobei der Montage-Anschlussstutzen (32) integraler Bestandteil des Verdichterrades (30) oder integraler Bestandteil eines separaten Verdichterradträgerbauteils (32) ist, auf dem das Verdichterrad (30) mechanisch fest angeordnet ist.The invention relates to a rotor assembly (10) of an electric charger (100) with a hollow rotor shaft (40) with an electric motor drive (150) and an electric charger (100) with such a rotor assembly (10). The rotor assembly (10) according to the invention has a hollow rotor shaft (40) having an inner cavity (43), a compressor wheel (30) which is arranged on a first shaft end (41) of the hollow rotor shaft (40), and a rotor permanent magnet arrangement (50), which is arranged in the inner cavity (43) of the hollow rotor shaft (40) and is mechanically firmly connected to the hollow rotor shaft (40). The compressor wheel (30) is plugged onto the first shaft end (41) of the hollow rotor shaft (40) by means of a mounting connection piece (32) and is mechanically firmly connected to it, with the mounting connection piece (32) being an integral part of the compressor wheel (30). or is an integral part of a separate compressor wheel carrier component (32) on which the compressor wheel (30) is mechanically fixed.
Description
Die Erfindung betrifft eine Rotor-Baugruppe für einen Elektrolader mit elektromotorischem Antrieb, der eine Hohlwelle mit einer darin angeordneten Rotor-Permanentmagnet-Anordnung aufweist und einen Elektrolader mit einer solchen Rotor-Baugruppe.The invention relates to a rotor assembly for an electric charger with an electric motor drive, which has a hollow shaft with a rotor-permanent magnet arrangement arranged therein, and an electric charger with such a rotor assembly.
Unter dem Begriff Elektrolader ist hier ein elektromotorisch angetriebener Verdichter, insbesondere ein Radialverdichter, zu verstehen, der zur Aufladung von Verbrennungsmotoren eingesetzt wird. Solche Elektrolader werden seit langem als sogenannte E-Lader oder E-Booster zur Leistungssteigerung bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht mit dem Ziel den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO2-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. E-Lader oder E-Booster werden auch ergänzend zu Abgasturboladern eingesetzt, um die Leistungsschwächen der Abgasturbolader in transienten Betriebsbereichen, die auch als sogenanntes Turboloch bekannt sind, auszugleichen. Das Wirkprinzip besteht darin, den Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken und somit mehr Treibstoff, Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.The term electric charger here means a compressor driven by an electric motor, in particular a radial compressor, which is used to charge internal combustion engines. Such electric chargers have long been used as so-called e-chargers or e-boosters to increase the performance of motor vehicle internal combustion engines. This is done with the aim of reducing the size and weight of the internal combustion engine while maintaining the same or even increased performance and at the same time reducing consumption and thus CO 2 emissions in view of increasingly strict legal requirements in this regard. E-chargers or e-boosters are also used in addition to exhaust gas turbochargers in order to compensate for the exhaust gas turbochargers' performance weaknesses in transient operating ranges, which are also known as so-called turbo lag. The working principle is to increase the pressure in the intake tract of the internal combustion engine and thus ensure a better filling of the combustion chamber with air-oxygen and thus be able to convert more fuel, petrol or diesel, per combustion process, i.e. increasing the performance of the internal combustion engine.
Bei Brennstoffzellen, die einen Baustein der Elektromobilität darstellen können, werden den Elektroden Brennstoffe in Form von gasförmigen Medien, z. B. Luft und Wasserstoff, unter Druck zugeführt, die unter Abgabe von elektrischem Strom zu Wasser reagieren, das in Form von Wasserdampf, quasi als Abgas, abgegeben wird. Auch hier können Elektrolader, E-Lader bzw. E-Booster zum Einsatz kommen, die zum Druckaufbau in der Zuführung der gasförmigen Brennstoffe genutzt werden können.In fuel cells, which can be a component of electromobility, the electrodes are supplied with fuel in the form of gaseous media, e.g. B. Air and hydrogen, supplied under pressure, which react with the release of electrical current to form water, which is released in the form of water vapor, virtually as exhaust gas. Electric chargers, electric chargers or electric boosters can also be used here, which can be used to build up pressure in the supply of gaseous fuels.
Dazu wird der Elektrolader im Ansaugtrakt bzw. der Brennstoffzuführung angeordnet und weist einen Radialverdichter in einem Verdichtergehäuse, sowie einen Elektromotor, eine Rotor-Baugruppe und eine Lagereinheit auf, die in einem mit dem Verdichtergehäuse verbundenen Lagergehäuse angeordnet sind. Der Radialverdichter weist außer seinem Verdichtergehäuse ein darin angeordnetes, einen Ladedruck aufbauendes Verdichterrad auf, das zur Rotor-Baugruppe gehört. Das Verdichterrad ist auf einem Ende einer ebenfalls zur Rotor-Baugruppe gehörenden Rotorwelle, der sogenannten Läuferwelle, drehfest angeordnet und bildet so die auch als Verdichterläufer bezeichnete Rotor-Baugruppe des Elektroladers. Die Rotorwelle erstreckt sich axial durch das im Lagergehäuse angeordnete Läuferlager und ist in diesem, in Bezug auf die Rotorwellenachse, radial und axial drehgelagert. Gemäß diesem Aufbau treibt ein ebenfalls auf der Rotorwelle angeordneter Elektromotor über die Rotorwelle das Verdichterrad an, wodurch der Druck im Ansaugtrakt bzw. in der Brennstoffzufuhr des Verbrennungsaggregats, bezogen auf den Gasmassenstrom hinter dem Radialverdichter, erhöht und dadurch eine bessere Befüllung des Brennraumes bzw. Reaktionsaggregats mit Luft-Sauerstoff bzw. Brennstoff bewirkt wird.For this purpose, the electric charger is arranged in the intake tract or the fuel supply and has a radial compressor in a compressor housing, as well as an electric motor, a rotor assembly and a bearing unit, which are arranged in a bearing housing connected to the compressor housing. In addition to its compressor housing, the radial compressor has a compressor wheel arranged therein that builds up a boost pressure and is part of the rotor assembly. The compressor wheel is arranged in a rotationally fixed manner on one end of a rotor shaft that is also part of the rotor assembly, the so-called rotor shaft, and thus forms the rotor assembly of the electric charger, also known as the compressor rotor. The rotor shaft extends axially through the rotor bearing arranged in the bearing housing and is rotatably mounted radially and axially in relation to the rotor shaft axis. According to this structure, an electric motor, which is also arranged on the rotor shaft, drives the compressor wheel via the rotor shaft, which increases the pressure in the intake tract or in the fuel supply of the combustion unit, based on the gas mass flow behind the radial compressor, and thereby improves the filling of the combustion chamber or reaction unit with air-oxygen or fuel.
Eine zentrale Baueinheit des Elektroladers stellt dabei die Rotor-Baugruppe dar, die auch als Verdichterläufer bezeichnet wird, welche die Rotorwelle, die entsprechend auch als Läuferwelle bezeichnet wird, den Rotor des Elektromotors und das am Rotorwellenende angeordnete Verdichterrad aufweist. Das Verdichterrad und der Rotor des Elektromotors sind mit der Rotorwelle drehfest verbunden. Die Rotorwelle erstreckt sich im montierten Zustand entlang der Elektroladerachse axial durch das Lagergehäuse und ist in diesem mittels einer Lageranordnung axial und radial um seine Längsachse, die Rotordrehachse, drehgelagert. Bei einer beispielhaften Ausführung eines Elektroladers ist auf der Rotorwelle zum Beispiel eine Rotor-Permanentmagnet-Anordnung vorgesehen, die mit einem drehfest im Lagergehäuse angeordneten Stator in Wechselwirkung steht und so die elektrische Maschine bzw. den Elektromotor bildet.A central structural unit of the electric charger is the rotor assembly, which is also referred to as the compressor rotor, which has the rotor shaft, which is also referred to as the rotor shaft, the rotor of the electric motor and the compressor wheel arranged at the end of the rotor shaft. The compressor wheel and the rotor of the electric motor are connected to the rotor shaft in a rotationally fixed manner. In the assembled state, the rotor shaft extends axially through the bearing housing along the electric charger axis and is rotatably mounted therein by means of a bearing arrangement axially and radially about its longitudinal axis, the rotor rotation axis. In an exemplary embodiment of an electric charger, for example, a rotor-permanent magnet arrangement is provided on the rotor shaft, which interacts with a stator arranged in a rotationally fixed manner in the bearing housing and thus forms the electric machine or the electric motor.
Die Rotor-Baugruppe weist dazu in der Regel eine durchgehende Rotorwelle auf, auf welche die weiteren Komponenten quasi aufgefädelt werden. Mittels dieser Rotorwelle welche an einem Ende beispielsweise als Zuganker ausgebildet ist, werden die einzelnen Komponenten, zum Beispiel das Verdichterrad, Axiallagerscheiben, Radiallager, etc., auf der Rotorwelle mittels Schrauben oder Muttern verspannt und dadurch fixiert. Zusätzlich oder wahlweise können auch einzelne Komponenten, zum Beispiel Magnetanordnungen, Radiallager, etc., auf die Rotorwelle aufgepresst werden.For this purpose, the rotor assembly usually has a continuous rotor shaft onto which the other components are, so to speak, threaded. By means of this rotor shaft, which is designed as a tie rod at one end, for example, the individual components, for example the compressor wheel, axial bearing disks, radial bearings, etc., are braced on the rotor shaft using screws or nuts and thereby fixed. Additionally or optionally, individual components, for example magnet arrangements, radial bearings, etc., can also be pressed onto the rotor shaft.
Durch das Auffädeln, Aufpressen und Verspannen der einzelnen Komponenten auf der Rotorwelle kann es durch Toleranzen zur Schiefstellung oder einem Verzug der Rotorwelle und somit der gesamten Rotor-Baugruppe führen. Dadurch können Unwuchten und dadurch im Betrieb hervorgerufene Wellenauslenkungen bzw. Schwingungen entstehen, die einen signifikanten negativen Einfluss auf die Laufruhe der Rotor-Baugruppe im Betrieb und die gesamte Rotordynamik haben und so zum Beispiel auch zu verkürzten Lebensdauern der Radiallager beitragen.By threading, pressing and clamping the individual components onto the rotor shaft, tolerances can lead to skewing or distortion of the rotor shaft and thus of the entire rotor assembly. This can result in imbalances and shaft deflections or vibrations caused during operation, which have a significant negative influence on the smooth running of the rotor assembly during operation and the overall rotor dynamics and thus, for example, also contribute to shortened service lives of the radial bearings.
Diesem Effekt wird versucht entgegenzuwirken durch sehr kleine Toleranzen der einzelnen Bauteile in der Fertigung, hohe Präzision bei der Montage und ggf. mehrfaches hochgenaues Wuchten. Dies erhöht den Fertigungsaufwand und ggf. die Ausschussquote in der Fertigung erheblich, was sich nachteilig auf die Herstellkosten auswirkt.Attempts are made to counteract this effect through very small tolerances of the individual components in production, high precision during assembly and, if necessary, multiple high-precision balancing. This significantly increases the manufacturing effort and possibly the reject rate in production, which has a negative impact on the manufacturing costs.
Die durch die Erfindung zu lösende Aufgabe besteht somit darin, eine Rotor-Baugruppe für einen Elektrolader mit elektromotorischem Antrieb und einen Elektrolader zur Verfügung zu stellen, die eine verbesserte Laufruhe im Betrieb bei vertretbarem Fertigungsaufwand aufweisen und zu verbesserten Lebensdauern der Radiallager der Rotorwelle beitragen.The problem to be solved by the invention is therefore to provide a rotor assembly for an electric charger with an electric motor drive and an electric charger, which have improved smoothness in operation with reasonable manufacturing effort and contribute to improved service life of the radial bearings of the rotor shaft.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Rotor-Baugruppe mit Hohlwelle für einen Elektrolader mit elektromotorischem Antrieb und einem Elektrolader mit einer solchen Rotor-Baugruppe gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.This task is solved by a rotor assembly with a hollow shaft for an electric charger with an electric motor drive and an electric charger with such a rotor assembly according to the independent patent claims.
Die Gegenstände gemäß der Erfindung weisen dabei die Vorteile auf, dass keine Verspannung der Rotor-Baugruppe über eine zentrale durchgehende Rotorwelle erfolgt und dadurch fertigungs- und montagetechnisch bedingte Unwuchten der Rotor-Baugruppe reduziert werden. Darüber hinaus ist die Rotor-Permanentmagnetanordnung im Innern der Rotorhohlwelle vor mechanischen Einwirkungen bzw. Beschädigungen bei Transport und Montage im Herstellungsprozess wirksam geschützt und im Betrieb gegen die auftretenden hohen Zentrifugalkräfte bei hohen Umdrehungszahlen der Rotor-Baugruppe gesichert.The objects according to the invention have the advantages that there is no tensioning of the rotor assembly via a central, continuous rotor shaft and thereby unbalances of the rotor assembly caused by manufacturing and assembly technology are reduced. In addition, the rotor permanent magnet arrangement inside the hollow rotor shaft is effectively protected from mechanical influences or damage during transport and assembly in the manufacturing process and is secured during operation against the high centrifugal forces that occur at high speeds of rotation of the rotor assembly.
Die erfindungsgemäße Rotor-Baugruppe für einen Elektrolader mit elektromotorischem Antrieb weist eine als Hohlwelle ausgebildete, einen Innenhohlraum aufweisende und um eine Rotor-Drehachse rotierbare Rotorhohlwelle, ein Verdichterrad, das an einem ersten Wellenende der Rotorhohlwelle angeordnet ist, wobei das gegenüberliegende freie, zweite Wellenende geschlossen ist, und eine Rotor-Permanentmagnet-Anordnung, die im Innenhohlraum der Rotorhohlwelle angeordnet und mechanisch fest mit der Rotorhohlwelle verbunden ist. Dabei ist das Verdichterrad mittels eines Montage-Anschlussstutzens auf das erste Wellenende der Rotorhohlwelle aufgesteckt und mit dieser mechanisch fest verbunden ist. Dabei ist der Montage-Anschlussstutzen entweder als integraler Bestandteil des Verdichterrades ausgebildet oder der Montage-Anschlussstutzen ist integraler Bestandteil eines separaten Verdichterradträgerbauteils, auf dem das Verdichterrad mechanisch fest angeordnet ist.The rotor assembly according to the invention for an electric charger with an electric motor drive has a hollow rotor shaft designed as a hollow shaft, having an inner cavity and rotatable about a rotor axis of rotation, a compressor wheel which is arranged on a first shaft end of the hollow rotor shaft, the opposite free, second shaft end being closed is, and a rotor permanent magnet arrangement, which is arranged in the inner cavity of the hollow rotor shaft and is mechanically firmly connected to the hollow rotor shaft. The compressor wheel is plugged onto the first shaft end of the hollow rotor shaft by means of a mounting connection piece and is mechanically firmly connected to it. The mounting connecting piece is either designed as an integral part of the compressor wheel or the mounting connecting piece is an integral part of a separate compressor wheel carrier component on which the compressor wheel is mechanically fixed.
Unter einer mechanisch festen Verbindung ist in diesem Zusammenhang sowohl eine formschlüssige, eine kraftschlüssige als auch eine stoffschlüssige Verbindung zu verstehen, die zwei oder mehr Bauteile derart miteinander verbindet, dass diese in ihrer Lage zueinander so fixiert sind, dass sie den zu erwartenden mechanischen, äußeren oder inneren Beanspruchungen im Betreib standhält.In this context, a mechanically fixed connection is understood to mean both a positive, a non-positive and a cohesive connection that connects two or more components to one another in such a way that their position relative to one another is fixed in such a way that they meet the expected mechanical, external or internal stresses during operation.
Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen offenbart und im Folgenden sowie anhand der Figuren beschrieben.Advantageous embodiments are disclosed in the subclaims and described below and with reference to the figures.
Eine Ausführung der Rotor-Baugruppe ist dadurch gekennzeichnet, dass der Montage-Anschlussstutzen am ersten Wellenende in den Innenhohlraum der Rotorhohlwelle passgenau um eine axiale Aufstecklänge hineinragt. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass für die Anordnung eines Radiallagers auf dem Außenumfang der Rotorhohlwelle mehr Spielraum besteht und das Lager vorteilhaft dicht am Verdichterrad auf der Rotorhohlwelle angeordnet werden kann.One embodiment of the rotor assembly is characterized in that the mounting connection piece at the first shaft end protrudes precisely into the inner cavity of the hollow rotor shaft by an axial insertion length. This design has the advantage that there is more scope for arranging a radial bearing on the outer circumference of the hollow rotor shaft and the bearing can advantageously be arranged close to the compressor wheel on the hollow rotor shaft.
Eine weitere Ausführung der Rotor-Baugruppe ist dadurch gekennzeichnet, dass der Montage-Anschlussstutzen einen Außenumfang des ersten Wellenendes passgenau umfasst und um eine axiale Aufstecklänge übergreift. Der Vorteil dieser Ausführung ist darin zu sehen, dass im Innenraum der Rotorhohlwelle mehr Platz gewonnen wird für die Rotor-Permanentmagnet-Anordnung.A further embodiment of the rotor assembly is characterized in that the mounting connection piece encloses an outer circumference of the first shaft end with a precise fit and overlaps by an axial insertion length. The advantage of this design is that more space is gained in the interior of the hollow rotor shaft for the rotor permanent magnet arrangement.
Weiterhin kann im Rahmen der vorgenannten Ausführungen auch an dem Montage-Anschlussstutzen eine Kombination derart realisiert werden, dass der Montage-Anschlussstutzen am ersten Wellenende in den Innenhohlraum der Rotorhohlwelle passgenau um eine axiale Aufstecklänge hineinragt und gleichwohl mit dem ersten Montage-Anschlussstutzen einen Außenumfang des ersten Wellenendes passgenau umfasst und um eine axiale Aufstecklänge übergreift.Furthermore, within the scope of the above-mentioned embodiments, a combination can also be implemented on the mounting connection piece in such a way that the mounting connection piece at the first shaft end protrudes into the inner cavity of the hollow rotor shaft with a precise fit by an axial plug-on length and, at the same time, with the first mounting connection piece, an outer circumference of the first Shaft end fits precisely and overlaps by an axial insertion length.
Mit anderen Worten ist bei einer solchen Ausführung auf einer der Rotorhohlwelle zugewandten Stirnseite des Montage-Anschlussstutzens des Verdichterrades eine konzentrisch zur Rotor-Drehachse umlaufende axiale Stecknut ausgebildet, in die das jeweilige Ende einer den Innenhohlraum der Rotorhohlwelle umfassende die Rotorhohlwelle bildende Zylinderwand passgenau eingefügt ist. Dabei kann die Tiefe der Stecknut der Aufstecklänge entsprechen, wobei der Stecknutgrund einen Anschlag bildet für das jeweilige eingefügte Rotorwellenende. Diese Art der Verbindung zeichnet sich durch besondere Festigkeit aus und ermöglicht es die axiale Aufstecklänge zu reduzieren bei gleicher Festigkeit der Verbindung.In other words, in such an embodiment, an axial plug-in groove is formed on an end face of the assembly connecting piece of the compressor wheel facing the hollow rotor shaft, which runs concentrically to the rotor axis of rotation, into which the respective end of a cylinder wall surrounding the inner cavity of the hollow rotor shaft and forming the hollow rotor shaft is inserted with a precise fit. The depth of the plug-in groove can correspond to the plug-in length, with the plug-in groove base forming a stop for the respective inserted rotor shaft end. This type of connection is characterized by particular strength and makes it possible to reduce the axial attachment length while maintaining the same strength of the connection.
Eine weitere Ausführung der Rotor-Baugruppe ist dadurch gekennzeichnet, dass der Montage-Anschlussstutzen des Verdichterrades als Hohlstutzen mit einer sich axial erstreckenden um die Drehachse der Rotor-Baugruppe konzentrisch umlaufenden Stutzenwand und einer dem Innenhohlraum der Rotorhohlwelle zugewandten, von der Stutzenwand umfassten Stutzen-Ausnehmung ausgebildet ist. Durch die Ausführung des Montage-Anschlussstutzen als Hohlstutzen wird vorteilhaft das Gewicht der Rotor-Baugruppe reduziert und Material eingespart. Auch die Dynamik der Rotor-Baugruppe im Betrieb wird dadurch positiv beeinflusst.Another version of the rotor assembly is characterized in that the Mon The connecting piece of the compressor wheel is designed as a hollow piece with an axially extending piece wall that runs concentrically around the axis of rotation of the rotor assembly and a piece recess that faces the inner cavity of the hollow rotor shaft and is surrounded by the piece wall. By designing the mounting connection piece as a hollow piece, the weight of the rotor assembly is advantageously reduced and material is saved. This also has a positive influence on the dynamics of the rotor assembly during operation.
In Fortbildung der oben beschriebenen Ausführung ist eine weitere Ausführung der Rotor-Baugruppe dadurch gekennzeichnet, dass sich die Stutzen-Ausnehmung im Montage-Anschlussstutzen des Verdichterrades bis in das Verdichterrad hinein erstreckt. Somit ist nicht nur der Montage-Anschlussstutzen als Hohlstutzen ausgeführt, sondern auch das Verdichterrad ist im Nabenbereich hohl ausgebildet. Der Innendurchmesser der entsprechenden Ausnehmung kann dabei dem Außendurchmesser des Montage-Anschlussstutzens sowie der Nabe des Verdichterrades derart angepasst sein, dass die Wandstärke der jeweiligen Stutzenwand sowie der Nabe des Verdichterrades auf ein Maß minimiert ist, das eine maximale Gewichtsreduzierung ergibt, das jedoch den mechanischen Belastungen im Betrieb noch sicher standhält. Dies reduziert das Gesamtgewicht der Rotor-Baugruppe und den Materialbedarf weiter, wodurch deren Massenträgheit vorteilhaft signifikant reduziert wird.In a further development of the embodiment described above, a further embodiment of the rotor assembly is characterized in that the connecting piece recess in the assembly connecting piece of the compressor wheel extends into the compressor wheel. This means that not only is the assembly connection piece designed as a hollow piece, but the compressor wheel is also hollow in the hub area. The inner diameter of the corresponding recess can be adapted to the outer diameter of the mounting connection piece and the hub of the compressor wheel in such a way that the wall thickness of the respective nozzle wall and the hub of the compressor wheel is minimized to a level that results in a maximum weight reduction, but which does not withstand the mechanical loads still holds up safely during operation. This further reduces the overall weight of the rotor assembly and the material requirement, which advantageously significantly reduces its mass inertia.
Eine weitere Ausgestaltung der vorausgehenden Ausführungen der Rotor-Baugruppe ist dadurch gekennzeichnet, dass der Montage-Anschlussstutzen des Verdichterrades einen konzentrisch zur Rotor-Drehachse umlaufenden Anschlagrand aufweist, der gegenüber der Stirnfläche des ersten Wellenendes angeordnet ist und die axiale Einstecklänge begrenzt. Bei einer solche Ausführung ist die Positionierung der Einzelbauteile Rotorhohlwelle und Verdichterrad zueinander auf einfache Weise mit hoher Genauigkeit ermöglicht. In Fortbildung der oben beschriebenen Ausführung mit in den Innenhohlraum der Rotorhohlwelle hineinragendem Montage-Anschlussstutzen, kann der umlaufende Anschlagrand beispielsweise auf dem Außenumfang des Montage-Anschlusstutzens angeordnet sein und einen Außendurchmesser aufweisen, der den Innendurchmesser des Innenhohlraums der Rotorhohlwelle am ersten Wellenende radial überragt.A further embodiment of the previous embodiments of the rotor assembly is characterized in that the mounting connection piece of the compressor wheel has a stop edge which runs concentrically to the rotor axis of rotation, which is arranged opposite the end face of the first shaft end and limits the axial insertion length. With such a design, the positioning of the individual components, the hollow rotor shaft and the compressor wheel, relative to one another is made possible in a simple manner with a high degree of accuracy. In a further development of the embodiment described above with a mounting connecting piece protruding into the inner cavity of the hollow rotor shaft, the circumferential stop edge can be arranged, for example, on the outer circumference of the mounting connecting piece and have an outer diameter that radially projects beyond the inner diameter of the inner cavity of the hollow rotor shaft at the first shaft end.
In weiterer Ausgestaltung der Rotor-Baugruppe gemäß einer der vorausgehend beschriebenen Ausführungen ist eine weitere Ausführung dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad über den Montage-Anschlussstutzen mit dem zugeordneten ersten Wellenende der Rotorhohlwelle mittels einer Pressverbindung oder einer Schweißverbindung mechanisch fest verbunden ist. Beide genannte Arten der Verbindung sind erprobt und montagetechnisch einfach und mit hoher Präzision vorteilhaft herstellbar.In a further embodiment of the rotor assembly according to one of the previously described embodiments, a further embodiment is characterized in that the compressor wheel is mechanically firmly connected via the mounting connection piece to the assigned first shaft end of the hollow rotor shaft by means of a press connection or a welded connection. Both types of connection mentioned have been tried and tested and can be manufactured easily and advantageously with high precision.
Bei einer Verbindung gemäß dem Ausführungsbeispiel, bei dem der Montage-Anschlussstutzen in den Innenhohlraum der Rotorhohlwelle hineinragt, weist bei einer Pressverbindung beispielsweise der Außendurchmesser des Montage-Anschlussstutzens gegenüber dem Innendurchmesser des Innenhohlraums am zugeordneten ersten Wellenende ein geringes Übermaß auf, so dass eine Presspassung zwischen den beiden Montagepartnern gebildet ist.In a connection according to the exemplary embodiment, in which the mounting connecting piece protrudes into the inner cavity of the hollow rotor shaft, in a press connection, for example, the outer diameter of the mounting connecting piece has a small excess dimension compared to the inner diameter of the inner cavity at the assigned first shaft end, so that a press fit between the two assembly partners.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbespiel ist die Rotor-Baugruppe dadurch gekennzeichnet, dass eine Axiallagerscheibe als integraler Bestandteil des Montage-Anschlussstutzens oder als separates Bauteil auf dem Montage-Anschlussstutzen angeordnet ist, zur axialen Lagerung der Rotor-Baugruppe in einem Lagergehäuse des Elektroladers. Dies ermöglicht vorteilhaft und auf einfache Weise die Abstützung der axial auf die Rotor-Baugruppe wirkenden Kräfte im Betrieb.According to a further exemplary embodiment, the rotor assembly is characterized in that an axial bearing disk is arranged as an integral part of the mounting connection piece or as a separate component on the mounting connection piece, for axially supporting the rotor assembly in a bearing housing of the electric charger. This advantageously and easily enables the forces acting axially on the rotor assembly to be supported during operation.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Rotor-Baugruppe dadurch gekennzeichnet, dass ein separates Verdichterradträgerbauteil vorgesehen ist, das einen, sich von der Rotorhohlwelle weg erstreckenden Wellenzapfen aufweist, auf dem das Verdichterrad mechanisch fest verbunden angeordnet ist. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass herkömmliche Verdichterräder, die zur Aufsteckmontage auf eine herkömmliche Rotorwelle vorgesehen sind, Verwendung finden können, ohne jedoch auf die Vorteile der Rotorhohlwelle mit integrierter Rotor-Permanentmagnet-Anordnung und die Verbindung zwischen Verdichterrad und Motorhohlwelle mittels Montage-Anschlussstutzen verzichten zu müssen. Verdichterrad und Montage-Anschlussstutzen bilden so, alternativ zu der integrierten Ausführung, eine vormontierbare Unterbaugruppe.In a further exemplary embodiment, the rotor assembly is characterized in that a separate compressor wheel carrier component is provided, which has a shaft journal extending away from the hollow rotor shaft, on which the compressor wheel is arranged in a mechanically fixed manner. This design has the advantage that conventional compressor wheels, which are designed to be mounted on a conventional rotor shaft, can be used, but without sacrificing the advantages of the hollow rotor shaft with an integrated rotor-permanent magnet arrangement and the connection between the compressor wheel and the hollow motor shaft by means of mounting connecting pieces to have to. As an alternative to the integrated version, the compressor wheel and mounting connection piece form a pre-assembled subassembly.
Eine Ausgestaltung der vorgenannten Ausführung mit Verdichterradträgerbauteil und Wellenzapfen zeichnet sich dadurch aus, dass das Verdichterrad mit dem Wellenzapfen des Verdichterradträgerbauteils mittels einer Pressverbindung oder einer Schweißverbindung oder einer Schraubverbindung mechanisch fest verbunden ist. Die benannten Verbindungsverfahren sind für die Verbindung zwischen Verdichterrädern erprobt und montagetechnisch gut beherrschbar.An embodiment of the aforementioned embodiment with compressor wheel carrier component and shaft journal is characterized in that the compressor wheel is mechanically firmly connected to the shaft journal of the compressor wheel carrier component by means of a press connection or a welded connection or a screw connection. The connection methods mentioned have been tried and tested for the connection between compressor wheels and are easily manageable from an assembly point of view.
Eine weitere Ausgestaltung der Rotor-Baugruppe ist dadurch gekennzeichnet, dass dass zumindest ein Gegenstand aus einer Gruppe, die gebildet ist durch die Rotorhohlwelle, den Montage-Anschlussstutzen, das Verdichterrad und einen Hohlwellenverschlussdeckel, einen oder mehrere axiale oder radiale Durchbrüche, zum Innenhohlraum der Rotorhohlwelle hin, aufweisen, zur kühlenden Belüftung der Rotor-Permanentmagnet-Anordnung im Innenhohlraum der Rotorhohlwelle. Dies ermöglicht die Reduzierung der Betriebstemperatur der Rotor-Permanentmagnet-Anordnung und somit ein höheres Leistungsniveau des elektromotorischen Antriebs. So kann beispielsweise im Verdichterrad eine zentrisch durch die Nabe verlaufende Durchgangsbohrung vorgesehen sein, durch die Luft aus dem Verdichterbereich in den Innenhohlraum der Rotorhohlwelle geleitet wird. Auf der Gegenüberliegenden Seite der Rotorhohlwelle können beispielsweise radial durch die Rotorhohlwellenwand oder axial durch den Hohlwellenverschlussdeckel bis in den Innenhohlraum verlaufende Durchgangsbohrungen vorgesehen sein, durch die Luft aus dem Innenhohlraum der Rotorhohlwelle in die Umgebung austreten kann.A further embodiment of the rotor assembly is characterized in that at least one object from a group formed by the hollow rotor shaft, the mounting connection piece, the compressor wheel and a hollow shaft closure cover, have one or more axial or radial openings towards the inner cavity of the hollow rotor shaft, for cooling ventilation of the rotor permanent magnet arrangement in the inner cavity of the rotor hollow shaft. This enables the operating temperature of the rotor-permanent magnet arrangement to be reduced and thus a higher performance level of the electromotive drive. For example, a through hole running centrally through the hub can be provided in the compressor wheel, through which air is guided from the compressor area into the inner cavity of the hollow rotor shaft. On the opposite side of the hollow rotor shaft, through holes can be provided, for example, extending radially through the hollow rotor shaft wall or axially through the hollow shaft closure cover into the inner cavity, through which air can escape from the inner cavity of the hollow rotor shaft into the environment.
Eine weitere Ausführung der Rotor-Baugruppe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rotor-Permanentmagnet-Anordnung im Innenhohlraum der Rotorhohlwelle axial und rotatorisch fixiert ist mittels einer Klemmverbindung, einer Pressverbindung oder einer Klebeverbindung. So können beispielsweise einzelne Permanentmagnet-Segmente in einem Trägerbauteil angeordnet und fixiert sein, wobei der Außendurchmesser des Trägerbauteils so bemessen ist, dass eine Presspassung mit dem Innendurchmesser des Innenhohlraums der Rotorhohlwelle gebildet ist. Es können jedoch wahlweise oder ergänzend auch separate Klemmscheiben beiderseits der Rotor-Permanentmagnet-Anordnung eingesetzt werden, die eine Klemmverbindung zwischen Rotorhohlwelle und Rotor-Permanentmagnet-Anordnung herstellen und so die Rotor-Permanentmagnet-Anordnung im Innenhohlraum der Rotorhohlwelle axial und rotatorisch fixieren. Auch eine Fixierung der Rotor-Permanentmagnet-Anordnung durch eine Klebeverbindung kann vorgesehen sein.A further embodiment of the rotor assembly is characterized in that the rotor permanent magnet arrangement is fixed axially and rotationally in the inner cavity of the hollow rotor shaft by means of a clamp connection, a press connection or an adhesive connection. For example, individual permanent magnet segments can be arranged and fixed in a carrier component, the outer diameter of the carrier component being dimensioned such that a press fit is formed with the inner diameter of the inner cavity of the hollow rotor shaft. However, separate clamping disks can optionally or additionally be used on both sides of the rotor-permanent magnet arrangement, which establish a clamping connection between the hollow rotor shaft and the rotor-permanent magnet arrangement and thus axially and rotationally fix the rotor-permanent magnet arrangement in the inner cavity of the hollow rotor shaft. The rotor-permanent magnet arrangement can also be fixed using an adhesive connection.
Eine weitere Ausführung der Rotor-Baugruppe ist dadurch gekennzeichnet, dass die im Innenhohlraum der Rotorhohlwelle angeordnete Rotor-Permanentmagnet-Anordnung eine Kern-Achse aufweist, die sich mittig durch die Rotor-Permanentmagnet-Anordnung erstreckt und /oder eine Magnet-Hülse auf aufweist, die die Rotor-Permanentmagnet-Anordnung auf ihrer gesamten axialen Erstreckung umfasst. Insbesondere die Kern-Achse kann sich dabei auch bis durch die zuvor genannten Klemmscheiben erstrecken, die zu diesem Zweck eine zentrische Durchgangsbohrung aufweisen, in die die Kernachse beispielsweise mittels Presspassung eingefügt ist. Auf diese Weise trägt die Kern-Achse zur weiteren Versteifung der Rotor-Baugruppe bei und trägt zu einer gegenüber Biegeschwingungen lebensdauerfest ausgeführten Rotor-Baugruppe bei. Bei entsprechender Wahl des Materials der Kern-Achse, zum Beispiel Weicheisen, kann zudem positiv Einfluss genommen werden auf den magnetischen Fluß der Rotor-Permanentmagnet-Anordnung und somit auf die Leistung des elektromotorischen Antriebs. Die Magnet-Hülse bewirkt zusätzlich, dass die Rotor-Permanentmagnet-Anordnung vor und während der Montage vor Beschädigungen durch äußere Einflüsse geschützt ist.A further embodiment of the rotor assembly is characterized in that the rotor permanent magnet arrangement arranged in the inner cavity of the hollow rotor shaft has a core axis which extends centrally through the rotor permanent magnet arrangement and/or has a magnet sleeve, which includes the rotor permanent magnet arrangement over its entire axial extent. In particular, the core axis can also extend through the aforementioned clamping disks, which for this purpose have a central through hole into which the core axis is inserted, for example by means of a press fit. In this way, the core axis contributes to further stiffening of the rotor assembly and contributes to a rotor assembly that is designed to be durable against bending vibrations. If the material of the core axis is chosen appropriately, for example soft iron, a positive influence can also be had on the magnetic flux of the rotor-permanent magnet arrangement and thus on the performance of the electromotive drive. The magnet sleeve also ensures that the rotor permanent magnet arrangement is protected from damage caused by external influences before and during assembly.
Der erfindungsgemäße Elektrolader weist einen Radialverdichter mit einem Verdichtergehäuse, eine Lagereinheit mit einem Lagergehäuse, in dem eine Lageranordnung und ein Stator eines elektromotorischen Antriebs angeordnet sind, sowie eine Rotor-Baugruppe, mit zumindest den Merkmalen der vorausgehend erstgenannten Ausführungsform und ggf. weiteren Merkmalen wie vorausgehend und anhand von im Folgenden dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben, die in der Lageranordnung drehgelagert ist und die mit dem Stator des elektromotorischen Antriebs zusammenwirkt.The electric charger according to the invention has a radial compressor with a compressor housing, a bearing unit with a bearing housing in which a bearing arrangement and a stator of an electric motor drive are arranged, and a rotor assembly, with at least the features of the first-mentioned embodiment and possibly further features as above and described using the exemplary embodiments shown below, which is rotatably mounted in the bearing arrangement and which interacts with the stator of the electric motor drive.
Eine Auswahl von Ausführungsbeispielen der Erfindung sowie verschiedene Kombinationsmöglichkeiten von Merkmalen verschiedener Ausführungen, gemäß den Ansprüchen, werden im Folgenden anhand der Darstellungen in der Zeichnung näher erläutert.A selection of exemplary embodiments of the invention as well as various possible combinations of features of different designs, according to the claims, are explained in more detail below using the illustrations in the drawing.
Es zeigen:
-
1 bis 3 unterschiedliche Ausführungen der erfindungsgemäßen Rotor-Baugruppe in Ausführung mit Montage-Anschlussstutzen als integraler Bestandteil des Verdichterrades, in schematisch vereinfachter Schnitt-Darstellung; -
4 bis 6 unterschiedliche Ausführungen der erfindungsgemäßen Rotor-Baugruppe in Ausführung mit Montage-Anschlussstutzen als integraler Bestandteil eines separaten Verdichterradträgerbautels, in schematisch vereinfachter Schnitt-Darstellung; -
7 eine Ausführung des erfindungsgemäßen Elektroladers in schematisch vereinfachter Schnitt-Darstellung.
-
1 to 3 different versions of the rotor assembly according to the invention in a version with a mounting connection piece as an integral part of the compressor wheel, in a schematically simplified sectional representation; -
4 to 6 different versions of the rotor assembly according to the invention in a version with a mounting connection piece as an integral part of a separate compressor wheel carrier component, in a schematically simplified sectional view; -
7 an embodiment of the electric charger according to the invention in a schematically simplified sectional view.
Funktions- und Benennungsgleiche Teile sind in den Figuren durchgehend mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.Parts with the same function and name are marked with the same reference numerals throughout the figures.
Bei der gezeigten Ausführung weist das Verdichterrad 30 einen Montage-Anschlussstutzen 32 auf, der am ersten Wellenende 41 der Rotorhohlwelle 40 in den Innenhohlraum 43 der Rotorhohlwelle 40 passgenau um eine axiale Aufstecklänge 33 hineinragt. Der Montage-Anschlussstutzen 32 ist als integrale Bauteileinheit, einstückig mit dem Verdichterrad 30 gefertigt und als Hohlstutzen mit einer sich axial erstreckenden konzentrisch um die Rotor-Drehachse 11 umlaufenden Stutzenwand 34 und einer dem Innenhohlraum 43 der Rotorhohlwelle 40 zugewandten, von der Stutzenwand 34 umfassten Stutzen-Ausnehmung 36 ausgebildet. Zur Verbindung des Verdichterrads 30 mit der Rotorhohlwelle 40 kann hier beispielsweise eine Pressverbindung oder eine Schweißverbindung zwischen dem Montage-Anschlussstutzen 32 und dem ersten Wellenende 41 der Rotorhohlwelle 40 vorgesehen sein. Ein solcher Montage-Anschlussstutzen 32 wirkt sich, abhängig von der Bemessung der axialen Aufstecklänge 33 und der Materialstärke der Stutzenwand 34, vorteilhaft auf die Steifigkeit und Stabilität der Rotor-Baugruppe 10 aus und ermöglicht eine ebenso zuverlässige wie einfache Verbindung zwischen Verdichterrad 30 und Rotorhohlwelle 40.In the embodiment shown, the
Weiterhin weist der Montage-Anschlussstutzen 32 des Verdichterrads 30 einen auf seinem Außenumfang umlaufenden Anschlagrand 35 auf, der gegenüber der Stirnfläche des ersten Wellenendes 41 angeordnet ist und die axiale Aufstecklänge 33 begrenzt. Dabei überragt der Außendurchmesser des Anschlagrandes 35 einen Innendurchmesser des Innenhohlraums 43 der Rotorhohlwelle 40 am zugeordneten ersten Wellenende 41 in radialer Richtung. Dies ermöglicht eine einfache und genaue axiale Positionierung des Verdichterrads 30 an der Rotorhohlwelle 40.Furthermore, the mounting
Im Innenhohlraum 43 der Rotorhohlwelle 40 ist eine Rotor-Permanentmagnet-Anordnung 50 angeordnet, die mechanisch fest mit der Rotorhohlwelle 40 verbunden ist. Diese kann beispielsweise aus einem Trägerbauteil und mehreren unterschiedliche polarisierten, darin gehaltenen Magnetsegmenten bestehen, die zusammen in den Innenhohlraum 43 der Rotorhohlwelle 40 eingepresst sind. Eine mechanisch feste Verbindung zwischen Rotorhohlwelle 40 und Rotor-Permanentmagnet-Anordnung 50 kann, wie beispielhaft und schematisch in
Die in
Der Montage-Anschlussstutzen 32 des in
Auf diese Weise ist bei dieser Ausführung auf der Stirnseite des Montage-Anschlussstutzens 32, die der Rotorhohlwelle 40 zugewandt ist, eine konzentrisch zur Rotor-Drehachse 11 umlaufende axiale Stecknut 37 ausgebildet, in die das erste Wellenende 41, also die den Innenhohlraum 43 der Rotorhohlwelle 40 umfassende, die Rotorhohlwelle 40 bildende Zylinderwand, passgenau eingefügt ist. Dabei kann die Tiefe der Stecknut 37 der axialen Aufstecklänge 33 entsprechen, wobei der Stecknutgrund 37a einen Anschlagrand bildet für das eingefügte erste Wellenende 41. Zusätzlich ist auch hier eine Stutzen-Ausnehmung 36 vorgesehen, so dass die axiale Stecknut 37 in der sich axial erstreckenden konzentrisch um die Rotor-Drehachse 11 umlaufenden Stutzenwand 34 ausgebildet ist.In this way, in this embodiment, an axial plug-in
Weiterhin weisen die in den
Schließlich zeigen die in den
Das Verdichterradträgerbauteil 31 weist als integralen Bestandteil einen Montage-Anschlussstutzen 32 auf, der am ersten Wellenende 41 der Rotorhohlwelle 40 in den Innenhohlraum 43 der Rotorhohlwelle 40 passgenau um eine erste axiale Einstecklänge 23 hineinragt. Der Montage-Anschlussstutzen 32 ist als Hohlstutzen mit einer sich axial erstreckenden umlaufenden Stutzenwand 34 und einer dem Innenhohlraum 43 der Rotorhohlwelle 40 zugewandten, von der Stutzenwand 34 umfassten Stutzen-Ausnehmung 36 ausgebildet. Zur Verbindung des Verdichterradträgerbauteils 31 mit der Rotorhohlwelle 40 kann hier beispielsweise eine Pressverbindung oder eine Schweißverbindung zwischen dem Montage-Anschlussstutzen 32 und dem ersten Wellenende 41 der Rotorhohlwelle 40 vorgesehen sein. Ein solcher Anschlussstutzen wirkt sich, abhängig von der Bemessung der axialen Einstecklänge 33 und der Materialstärke der Stutzenwand 34, vorteilhaft auf die Steifigkeit und Stabilität der Rotor-Baugruppe 10 aus und ermöglicht eine ebenso zuverlässige wie einfache Verbindung zwischen Verdichterradträgerbauteil 31 und Rotorhohlwelle 40.The compressor
Weiterhin weist das Verdichterradträgerbauteil 31 der
Wie in
Weiterhin ist das Ausführungsbeispiel der in
Die in der
Die in
Darüber hinaus weist diese Ausführung ergänzend zu der Kern-Achse 58 eine Magnet-Hülse 59 auf, die die Rotor-Permanentmagnet-Anordnung 50 auf ihrer gesamten axialen Erstreckung umfasst. Diese Magnet-Hülse 59 bewirkt eine zusätzliche Versteifung der Rotor-Permanentmagnet-Anordnung 50 und schützt diese vor und während der Montage vor Beschädigungen durch äußere Einflüsse.In addition to the
Kern-Achse 58 und Magnet-Hülse 59 tragen beide vorteilhaft zu einer gegenüber Biegeschwingungen lebensdauerfesten Ausführung der Rotor-Baugruppe bei.
Die in
Darüber hinaus wird beim Ausführungsbeispiel der
Es sei darauf hingewiesen, dass die in den
Am Verdichtergehäuse 131 des Radialverdichters 130 ist eine Lagereinheit 140 mit einem Lagergehäuse 141 angeordnet. In dem Lagergehäuse 141 sind eine Lageranordnung 142 und ein Stator 151 eines elektromotorischen Antriebs 150 angeordnet, sowie eine erfindungsgemäße Rotor-Baugruppe 10 gemäß einer der vorausgehend beschriebenen Ausführungen. Die Rotor-Baugruppe 10 ist in der Lageranordnung 142 drehgelagert und wirkt mittels ihrer Rotor-Permanentmagnet-Anordnung 50 mit dem Stator 151 des elektromotorischen Antriebs 150 zusammen.A bearing
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 1010
- Rotor-BaugruppeRotor assembly
- 1111
- Rotor-DrehachseRotor rotation axis
- 3030
- VerdichterradCompressor wheel
- 3131
- VerdichterradträgerbauteilCompressor wheel carrier component
- 3232
- Montage-AnschlussstutzenMounting connection piece
- 3333
- axiale Aufstecklängeaxial attachment length
- 3434
- Stutzenwandnozzle wall
- 3535
- AnschlagrandStop edge
- 3636
- Stutzen-AusnehmungNozzle recess
- 3737
- StecknutPlug-in groove
- 37a37a
- StecknutgrundSlot base
- 3838
- Wellenzapfenshaft journal
- 4040
- RotorhohlwelleRotor hollow shaft
- 4141
- erstes Wellenendefirst wave end
- 4242
- zweites Wellenendesecond shaft end
- 4343
- InnenhohlraumInterior cavity
- 4444
- axialer Durchbruchaxial breakthrough
- 4545
- radialer Durchbruchradial breakthrough
- 5050
- Rotor-Permanentmagnet-AnordnungRotor permanent magnet arrangement
- 5555
- AxiallagerscheibeThrust bearing washer
- 5656
- Spannmutterclamping nut
- 5757
- KlemmscheibeClamping disc
- 5858
- Kern-AchseCore axis
- 5959
- Magnet-HülseMagnet sleeve
- 6060
- Hohlwellenverschlussdeckel Hollow shaft closure cover
- 100100
- ElektroladerElectric loader
- 130130
- RadialverdichterCentrifugal compressor
- 131131
- VerdichtergehäuseCompressor housing
- 140140
- LagereinheitStorage unit
- 141141
- Lagergehäusebearing housing
- 142142
- LageranordnungStorage arrangement
- 150150
- elektromotorischer Antriebelectric motor drive
- 151151
- Statorstator
Claims (14)
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-
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- 2022-09-16 DE DE102022209742.4A patent/DE102022209742A1/en active Pending
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