Lagerung für eine Rotorwelle eines elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichters

Abstract

 Die Erfindung betrifft Lagerung für eine Rotorwelle (20) eines elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichters (1) mit wenigstens einem, insbesondere zwei, jeweils einen Lagerabschnitt (26) der Rotorwelle (20) umgreifenden Lager (46,48). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Lager (46,48) ein dauerfettgeschmiertes, insbesondere lebensdauerfettgeschmiertes Wälzlager (46,48) ist. Fernerhin betrifft die Erfindung einen elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichter (1) mit einem Elektromotor (4), welcher über eine gemeinsame Rotorwelle (20) ein Verdichterlaufrad (10) auftreibt. Erfindungsgemäß weist der Strömungsverdichter (1) eine Lagerung (46,48) der vorstehend beschriebenen Art auf.

Beschreibung

[0001] Lagerung für eine Rotorwelle eines elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichters sowie elektromotorisch getriebener Strömungsverdichter.

[0002] Die Erfindung betrifft eine Lagerung für eine Rotorwelle eines elektromotorisch getriebenen Strömungsdichters gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner einen elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichter mit einem Elektromotor, der über eine gemeinsame Rotorwelle ein Verdichterlaufrad antreibt.

[0003] Elektromotorisch getriebene Strömungsverdichter, von der die Erfindung ausgeht, sind schon längere Zeit bekannt. Derartige Strömungsverdichter werden beispielsweise eingesetzt, um eine verbesserte Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise eines Ottomotors eines Kraftfahrzeugs, im unteren Drehzahlbereich zu erzielen. Ein derartiger durch einen Elektromotor angetriebener Strömungsverdichter ist beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift DE 100 23 022 A1 beschrieben.

[0004] Bei herkömmlichen Abgasturboladern, welche bei vergleichsweise hohen Drehzahlen im Bereich von 10000 bis etwa 300000 Umdrehungen pro Minute betrieben werden, werden zur Lagerung der Turboladerwelle mehrheitlich ölgeschmierte Gleitlager eingesetzt.

[0005] Als Zusatzaufladeaggregate eingesetzte elektromotorgetriebene Strömungsverdichter erreichen demgegenüber Drehzahlen von etwa 60.000 - 90.000 Umdrehungen pro Minute.

[0006] Aufgrund der niedrigen Drehzahl und aufgrund der niedrigen thermischen Belastung wurde in der Fachwelt erwogen, die Rotorwelle eines elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichters mittels zweier Wälzlager zu lagern.

[0007] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nunmehr darin, eine Lagerung für eine Rotorwelle eines elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichters vorzustellen, die diesen vorstehend beschriebenen Anforderungen gerecht wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichter bereitzustellen, welcher bei Drehzahlen bis zu 90.000 Umdrehungen pro Minute betrieben werden kann.

[0008] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Lagerung für eine Rotorwelle eines elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichters mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst.

[0009] Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.

[0010] Bei einer Lagerung für eine Rotorwelle eines elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichters, welche wenigstens ein, vorzugsweise jedoch zwei, einen Lagerabschnitt der Rotorwelle umgreifende Lager aufweist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass diese Lager dauerfettgeschmierte, insbesondere lebensdauerfettgeschmierte Wälzlager sind. Die Lager sind hier also mit einem geeigneten Fett befüllt, das vorzugsweise über die gesamte Lebensdauer des Strömungsverdichters deren Schmierung bewerkstelligt.

[0011] Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann damit auf eine gesonderte Ölversorgung für die Lagerung verzichtet werden. Vorteile einer solchen ölfreien Lagerung bestehen in dem Wegfall von Schmiermittelanschlüssen. Durch den Wegfall eigens für eine Ölzufuhr erforderlicher Schmiermittelanschlüsse sowie der Versorgungsleitungen zu dem Schmiermittelreservoir wird die gesamte Anordnung kostengünstiger.

[0012] Ein weiterer Vorteil besteht in einer geringeren Verschmutzung der Verdichterluft, weil kein Öleintrag in die verdichtete Luft im Verdichter erfolgt.

[0013] Die Funktionalität- und Alterungsbeständigkeit des schmierenden Fettes muss über einen vergleichsweise großen Temperaturbereich gewährleistet sein. Darüber hinaus unterliegt es bei jedem Hochlauf einer erheblichen Scherbeanspruchung. Als besonders geeignet hat sich daher die Verwendung von Mehrbereichs EP-Fett auf synthetischer Basis nach DIN 51502 - KPHC 2P-50 erwiesen.

[0014] In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Wälzlager bzw. sind die Wälzlager als Kugellager ausgebildet. Der Vorteil eines Kugellagers besteht darin, dass dieses bei punktförmigem Kontakt zur Laufbahn sowohl axial als auch radial auf das Lager wirkende Kräfte aufnehmen kann.

[0015] Denkbar wäre allerdings auch die Verwendung von Rollenlagern oder Kegelrollenlagern.

[0016] Obwohl der Einsatz metallischer Wälzlager dem Grunde nach möglich ist, hat es sich gemäß der Erfindung als besonders vorteilhaft herausgestellt, sogenannte Hybridlager zu verwenden, bei denen die Wälzringe aus einem anderen Werkstoff ausgebildet sind als die Wälzkörper. Diese Hybridlager erweitern die Einsatzgrenzen metallischer Wälzlager besonders hinsichtlich der Drehzahl und der Lebensdauer.

[0017] Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn der Werkstoff der Wälzkörper Keramik beinhaltet oder vollständig aus Keramik gefertigt ist. Auf Grund der kleineren Dichte des keramischen Wälzkörpermaterials wirken bei sonst gleichen Randbedingungen kleinere dynamische Kräfte auf den Wälzkörpersatz.

[0018] Als keramische Werkstoffe kommen insbesondere solche in Betracht, welche eine geringe Oberflächenrauhigkeit und eine relativ große Härte aufweisen. Hierzu gehören beispielsweise diamantähnliche Karbonschichten (in der Fachsprache auch als Diamond like Carbon = DLC bezeichnet), Silizium Carbid (SiC), Karbonnitrid (C₃N₄), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder dergleichen.

[0019] Das reibungsmindernde Material kann zusätzlich oder alternativ als Beschichtung auf die Lageroberflächen, d.h. die Wälzkörper, die Wälzringe und/oder den Käfig aufgebracht sein.

[0020] Durch diese Werkstoffe kann die Resistenz der Lagerung gegenüber Vibrationen oder Schlagbelastung während des Betriebs erhöht werden. Weiterhin wird die Geräuschentwicklung reduziert. Weitere Vorteile für die Verwendung derartiger Keramikwerkstoffe sind deren Temperaturbeständigkeit, sowie ein vergleichsweise geringer Abrieb, so dass die Gesamtlagerlebensdauer insgesamt positiv beeinflusst wird.

[0021] Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass der Werkstoff der Wälzringe ein Hartmetall beinhaltet. So hat sich insbesondere herausgestellt, dass Hybrid-Wälzlager mit keramischen Wälzkörpern und mit aus Hartmetall, vorzugsweise Edelmetall, bestehenden und/oder gehärtete Oberflächen aufweisenden Wälzringen eine deutlich höhere Lebensdauer aufweisen als rein metallische Wälzlager.

[0022] Wichtig für die Funktionalität der Lagerung ist eine abgestimmte Dimensionierung der Lagersitze der jeweiligen Lager. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass die jeweiligen Lager axial definiert vorgespannt und damit stets durch eine Mindestkraft belastet sind. Dadurch wird einerseits gewährleistet, dass thermische Relativdehnungen aufgenommen werden und andererseits, dass die Lager in keinem Betriebszustand spielbehaftet arbeiten. Durch diese Maßnahme wird die Lebensdauer der Lagerung deutlich erhöht.

[0023] Zur Erzeugung der axialen Vorspannung ist ein mit dem jeweiligen Lager mechanisch gekoppeltes Federelement vorgesehen. Vorzugsweise ist das Federelement als Tellerfeder oder als Ausgleichsscheibe ausgeführt.

[0024] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Lagerkühlungseinrichtung, insbesondere eine Wasserkühlungseinrichtung vorgesehen. Auf diese Weise wird zusätzlich sichergestellt, dass die Lager möglichst in dem für sie vorgesehenen Temperaturbereich bis etwa 120°C betrieben werden.

[0025] Erfindungsgemäß ist ein elektromotorisch getriebener Strömungsverdichter wie nachfolgend beschreiben ausgebildet. Der Strömungsverdichter besteht im wesentlichen aus einem Rotor mit Rotorwelle, der mit einem in einem Gehäuse korrespondierend angeordneten Stator zusammenwirkt. Die Rotorwelle ist über Lager am Gehäuse abgestützt und weist einen axialen Aufnahmeabschnitt auf, an dem ein Verdichterlaufrad verdrehfest angebracht ist. Durch Bestromung des Elektromotors kann die Rotorwelle in Drehung versetzt werden und treibt auf diese Weise das Verdichterlaufrad unmittelbar an. Zur Lagerung der Rotorwelle sind erfindungsgemäß die vorstehend beschriebenen Wälzlager vorgesehen.

[0026] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.

[0027] Es zeigen:

Figur 1

in einer Schnittdarstellung einen von einem Elektromotor antreibbaren Strömungsverdichter;

Figur 2

in einer Detaildarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer Rotorwelle mit erfindungsgemäßer Lagerung;

Figur 3

in einer Detaildarstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer Rotorwelle mit erfindungsgemäßer Lagerung.

[0028] In allen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Teile - sofern nichts anderes angegeben ist - mit gleichen Bezugszeichen versehen worden.

[0029] Der grundsätzliche Aufbau eines erfindungsgemäßen, durch einen Elektromotor angetriebenen Strömungsverdichters ergibt sich aus der Schnittdarstellung in Figur 1.

[0030] In Figur 1 ist der erfindungsgemäße elektromotorisch getriebene Strömungsverdichter mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet.

[0031] Der Strömungsverdichter 1 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Gehäuse 2, in welchem die wesentlichen Bauteile, nämlich das Verdichterlaufrad 10, der Elektromotor 4 und die gemeinsame Rotorwelle 20 angeordnet sind.

[0032] Das Verdichterlaufrad 10 ist über die Rotorwelle 20 antreibbar. Hierzu weist die Rotorwelle 20 einen Aufnahmeabschnitt 30 auf, auf den das Verdichterlaufrad 10 aufgesetzt und mit einer Sicherungsmutter 12, die auf einen Gewindeabschnitt 32 der Rotorwelle 20 aufgeschraubt ist, verdrehfest gehalten ist. Die Strömungskanäle 16, 18 des Strömungsverdichters 1 sind durch eine entsprechende Gestaltung eines als Strömungsgehäuse 14 bezeichneten Gehäuseabschnitts des Gehäuses 2 gebildet.

[0033] Die das Verdichterlaufrad 10 antreibende Rotorwelle 20 weist einen Zentralabschnitt 22 auf, an dem ein den Läufer des Elektromotors 4 bildendes Rotorteil 50 angebracht ist. Korrespondierend hierzu ist ein Statorteil 52 als Axialabschnitt eines Gehäuseteils 56 vorgesehen, das in axialer Überdeckung mit einem Gehäuseteil 58 angeordnet ist. Die Zwischenräume 54 bilden Kanäle für eine Wasserkühlungseinrichtung für den im vorliegenden Fall als Asynchronmotor ausgebildeten Elektromotor 4.

[0034] Eine in Figur 1 nicht näher dargestellte Steuerungselektronik für den Elektromotor 4 ist in einem zum Verdichterlaufrad 10 gegenüberliegenden Gehäuseteil 60 untergebracht, das den elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichter 1 stirnseitig abschließt.

[0035] Zur Lagerung der Rotorwelle 20 sind vorliegend als Kugellager ausgeführte Wälzlager 46, 48 vorgesehen, die - was hier nicht näher dargestellt ist - unter definierter Vorspannung stehen. Die Rotorwelle 20 weist ferner Lagerabschnitte 26 auf, die einen mit engen Toleranzen gestalteten Lagersitz bilden.

[0036] Benachbart zu den Lagerabschnitten 26 sind Schulterabschnitte 24 am Übergang zum Zentralabschnitt 22 angebracht, an denen sich jeweils die Kugellager 46, 48 axial abstützen.

[0037] Die Rotorwelle 20 weist zwischen dem Aufnahmeabschnitt 30 und dem Lagerabschnitt 26 einen Dichtungsabschnitt 28 auf, der eine Dichtungsscheibe 42 mit einem Kolbenring 44 trägt. Hierdurch kann eine Abdichtung zwischen dem Strömungskanal 16, 18 und dem Elektromotor 4 gewährleistet werden.

[0038] Die Figuren 2 und 3 zeigen jeweils detaillierte Darstellungen der Rotorwelle 20 und insbesondere der Kugellager 46, 48 zur Lagerung der Rotorwelle 20. Die beiden Kugellager 46, 48 sind beidseitig am Elektromotor 4 angeordnet. Jeweils ein Kugellager 46, 48 besteht aus einem Käfig 70 und einer Vielzahl frei in dem Käfig 70 beweglicher Kugeln 72. Die Kugellager 46, 48 weisen ferner einen Außenring 84 und einen Innenring 86 auf. Zwischen dem Außenring 84 und dem Innenring 86 sind die von dem Käfig 70 gehaltenen und geführten Kugeln 72 angeordnet, so dass sie bei einer Rotation der Rotorwelle 20 auf diesen abrollen.

[0039] Ein jeweiliges Kugellager 46, 48 ist in einer eigens dafür vorgesehenen Ausnehmung 74, 75 in einem verdichterseitigen Gehäuseteil 58 bzw. in einem steuerungselektronikseitigen Gehäuseteil 56 angeordnet. Innerhalb der jeweiligen Ausnehmung 74, 75 ist jeweils ein Spalt 76 vorhanden, der ein geringfügiges Spiel der jeweiligen Kugellager 46, 48 in axialer Richtung X innerhalb der jeweiligen Ausnehmung 74, 75 ermöglicht.

[0040] Damit können auf die Rotorwelle 20 wirkende Kräfte in axialer Richtung X, die beispielsweise durch Temperaturänderungen oder die Einwirkung nicht ausschließlich radialer Drehmomente entstehen, ausgeglichen werden. Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass die beiden Kugellager 46, 48 unter einer definierten Vorspannung stehen.

[0041] In den vorliegenden Ausführungsbeispielen wird diese Vorspannung dadurch erzeugt, dass eines der Kugellager 46, 48 mit einem Federelement 78 mechanisch gekoppelt ist. Das Federelement 78 beaufschlagt dann jeweils ein Kugellager 46, 48 mit einem permanenten Druck. Die beiden Kugellager 46, 48 weisen ferner jeweils einen Anschlag 80, 82 auf, wobei jeweils ein Anschlag 80, 82 eine Bewegung in jeweils eine andere axiale Richtung X begrenzt. Im Falle des ersten verdichterseitigen Kugellagers 46 verhindert der Anschlag 80 eine über den Anschlag 80 hinausgehende Bewegung in axialer Richtung X, wohingegen der Anschlag 82 des zweiten steuerungselektronikseitigen Kugellagers 48 eine Bewegung in entgegengesetzter axialer Richtung X begrenzt. Die beiden Kugellager 46, 48 stehen somit unter einer definierten Vorspannung, so dass eine Kraft in axialer Richtung X aufgenommen werden kann.

[0042] Das Federelement 78 kann als Tellerfeder, die um die Rotorwelle 20 herum angeordnet ist, ausgebildet sein. Die Tellerfeder kann beidseitig an dem ihm zugeordneten Kugellager 46, 48 angeordnet sein. Ferner kann die Tellerfeder sowohl an dem verdichterseitigen Kugellager 46 (Figur 2) als auch an dem steuerungselektronikseitigen Kugellager 48 (Figur 3) angeordnet sein.

[0043] Alternativ hierzu kann das Federelement 78 auch als Ausgleichsscheibe ausgeführt sein.

[0044] Für die Wälzringe 84, 86 der Kugellager 46, 48 ist ein herkömmlicher Stahl vorgesehen, wohingegen die Kugeln 72 aus einem Keramikwerkstoff bestehen. Solche Hybridlager sind in einer Vielzahl unterschiedlicher Ausgestaltungen allgemein bekannt und eignen sich deshalb für dauerhafte Anwendungen, da tribologisch betrachtet, Keramikkugeln auf Metall eine sehr viel höhere Lebensdauer aufweisen als Metallkugeln auf Metall. Die Keramikkugeln 72 bestehen vorteilhafterweise aus Siliziumnitrid, jedoch könnte hier auch ein anderes geeignetes Keramik-, Metall- oder Kunststoffmaterial verwendet werden. Erfindungsgemäß sind die Kugellager 46, 48 dauerfettgeschmiert, insbesondere lebensdauerfettgeschmiert.

[0045] Das Gehäuse 2 weist im Bereich der Kugellager 46, 48 eine in den Figuren 1 bis 3 nicht näher dargestellte Wasserkühlung auf. Damit lassen sich die beiden dauerfettgeschmierten Kugellager 46, 48, die sich im Betrieb unter Umständen auf über 100°C erwärmen können, abkühlen. Dadurch wird gewährleistet, dass auch bei einem Dauerbetrieb des erfindungsgemäßen elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichters 1 die Kugellager 46, 48 und damit auch deren Fettschmierung nicht zu stark erhitzen und dadurch unerwünschterweise ihre Schmiereigenschaft verlieren.

[0046] In den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurde jeweils eine zweiseitige Lagerung beschrieben, jedoch wäre hier auch eine einseitige Lagerung denkbar. Darüber hinaus wäre es auch möglich, mehr als zwei Lagerstellen vorzusehen.

[0047] Die Lager können sowohl in X-Anordnung als auch O-Anordnung ausgestaltet sein. Welche dieser Lagerungen im Einzelfall verwendet wird, ist typischerweise technisch bedingt.

Bezugszeichenliste

[0048] 

1

elektromotorisch getriebener Strömungsverdichter

2

Gehäuse

4

Elektromotor

10

Verdichterlaufrad

12

Sicherungsmutter

14

Strömungsgehäuse

16, 18

Strömungskanal

20

Rotorwelle

22

Zentralabschnitt

24

Schulterabschnitt

26

Lagerabschnitt

28

Dichtungsabschnitt

30

Aufnahmeabschnitt

32

Gewindeabschnitt

42

Dichtungsscheibe

44

Kolbenring

46

erstes verdichterseitiges Kugellager

48

zweites steuerungselektronikseitiges Kugellager

50

Rotorteil

52

Statorteil

54

Zwischenraum für Wasserkühlung

56

steuerungselektronikseitiges Gehäuseteil

58

verdichterseitiges Gehäuseteil

60

Gehäuseteil zur Aufnahme der Steuerungselektronik

70

Käfig

72

Kugel

74

Ausnehmung

75

Ausnehmung

76

Spalt

78

Federelement

80

erster verdichterseitiger Anschlag der Rotor welle

82

zweiter steuerungselektronikseitiger Anschlag der Rotorwelle

84

Außenring

86

Innenring

X

axiale Richtung

Ansprüche

1. Lagerung für eine Rotorwelle (20) eines elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichters (1) mit wenigstens einem, insbesondere zwei, jeweils einen Lagerabschnitt (26) der Rotorwelle (20) umgreifenden Lager (46,48)
dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (46,48) ein dauerfettgeschmiertes, insbesondere lebensdauerfettgeschmiertes Wälzlager (46,48) ist.

2. Lagerung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das verwendete Fett ein Mehrbereichs EP-Fett auf synthetischer Basis nach DIN 51502 KPHC2P-50 ist.

3. Lagerung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Wälzlager (46,48) als Hybridlager (46,48) ausgebildet ist, bei dem die Wälzringe (84,86) aus einem anderen Werkstoff als die Wälzkörper (72) ausgebildet sind.

4. Lagerung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Werkstoff des Hybridlagers (46,48), insbesondere der Werkstoff der Wälzkörper (72), Keramik beinhaltet.

5. Lagerung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Keramikwerkstoff DLC und/oder Karbonnitrid und/oder Siliziumnitrid und/oder Siliziumkarbid beinhaltet.

6. Lagerung nach Anspruch 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Werkstoff des Hybridlagers (46,48), insbesondere der Werkstoff des Käfigs (70) ein Hartmetall und/oder Kunststoff, insbesondere Polyamid, beinhaltet.

7. Lagerung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Hartmetall ein oberflächengehärteter Stahl, vorzugsweise Edelstahl, ist.

8. Lagerung nach einem der vorhergegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Lager (46,48) in axialer Richtung vorgespannt ist.

9. Lagerung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Erzeugung der axialen Vorspannung ein mit dem Lager (46,48) mechanisch gekoppeltes Federelement (78) vorgesehen ist.

10. Lagerung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Federelement (78) als Tellerfeder oder als Ausgleichsscheibe ausgebildet ist.

11. Lagerung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Lagerkühlungseinrichtung, insbesondere eine Wasserkühlungseinrichtung, vorgesehen ist.

12. elektromotorisch getriebener Strömungsverdichter (1)

- mit einem Elektromotor (4), welcher über eine gemeinsame Rotorwelle (20) ein Verdichterlaufrad (10) antreibt und

- mit einer Lagerung (46,48) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.

Zeichnung