Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Verdichter zum Verdichten eines Gases, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.

Stand der Technik

Im Allgemeinen sind Verdichter im Automobilbereich insbesondere im Zusammenhang mit dem Wunsch einer Leistungs- und Effizienzsteigerung einer Ver- brennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zu nennen.

Eine der wohl bekanntesten Ausführungsformen eines Verdichters stellt der Abgasturbolader dar. Der Abgasturbolader dient dazu in den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine eine ausreichende Menge an Verbrennungsluft zu gewähr- leisten, indem er Umgebungsluft oder ein Umgebungsluft/Abgasgemisch verdichtet und die Zylinder somit mit Überdruck mit dieser Verbrennungsluft versorgt.

In der Regel besteht der Abgasturbolader aus einer Abgasturbine und einem Verdichterrad, wobei die Abgasturbine und das Verdichterrad auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Die Abgasturbine wandelt die Wärme und die kinetische Energie des Abgases der Verbrennungskraftmaschine in Rotationsenergie um. Diese Rotationsenergie wird über die gemeinsame Welle auf das Verdichterrad übertragen. Über das Verdichterrad wird Umgebungsluft oder ein Gemisch aus Umgebungsluft und Abgas angesaugt und verdichtet.. Daraus kann ein höherer Arbeitsdruck bei gleicher Temperatur im Zylinder der Verbrennungskraftmaschine erreicht werden.

Solange seitens der Verbrennungskraftmaschine genügend Abgas anströmt und die Abgasturbine antreibt, reicht die Drehzahl aus um auf der Ansaugseite einen Überdruck zu bewirken. Beispielsweise beim Beschleunigen des Kraftfahrzeugs kann der Turbo jedoch (auch) bei höheren Drehzahlen verzögert reagieren - dieser Zustand ist gemeinhin als„Turboloch" bekannt. Es gibt vielerlei Ansätze um dem„Entstehen" eines Turbolochs entgegen zu wirken. Beispielsweise kann die Trägheit der Abgasturbine reduziert werden indem diese kleiner dimensioniert wird. Dadurch wird zwar der Wirkungsgrad des Turbos geringer, doch dafür kann die Abgasturbine bereits durch einen schwachen Abgasstrom angetrieben werden.

Ein weiterer Ansatz stellt in diesem Zusammenhang beispielsweise der Einsatz eines (zusätzlichen) elektrisch angetriebenen Verdichters (elektrischer Verdichter) dar, der unabhängig vom Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine arbeitet. Die Veröffentlichung WO 99/10654 beschreibt beispielsweise einen elektrisch angetriebenen Verdichter, wobei der Verdichter und der elektrische Antriebsmotor koaxial zueinander auf einer Welle angeordnet sind und in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Insbesondere steht dabei die Aufgabe im Vordergrund einen möglichst kleinbauenden Verdichter anzugeben.

Um elektrisch angetriebene Verdichter möglichst klein gestalten zu können, ist insbesondere die Auslegung des elektrischen Antriebsmotors und dessen Kontak- tierung zu einer Steuereinheit essentiell. Hierzu gibt es nach dem Stand der Technik ebenso vielerlei Ansätze. So beschreibt beispielsweise das Dokument DE 198 42 170 A1 einen Elektromotor und die Kontaktierung von Motorwicklungen. Dabei kommt ein Kontaktträger zum Einsatz, der eine Grundplatte aufweist, die Vorrichtungen zur Kontaktierung der Statorwicklungen des Elektromotors trägt, wobei die Enden der Statorwicklun- gen zur Außenseite der Grundplatte geführt werden und über Leiterbleche miteinander elektrisch verbunden werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen alternativen elektrischen Verdichter der genannten Art anzugeben, der durch seine konstruktive Ausgestaltung platzsparend aufgebaut ist und insbesondere eine einfache, bauteiloptimierte und sichere elektrische Verbindung zwischen einem Elektromotor und einer Steuereinheit des Elektromotors erlaubt.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch einen elektrischen Verdichter zum Verdichten eines Gases, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Verdichterrad, einen Elektromotor, wobei das Verdichterrad vermittels des Elektromotors antreibbar ist, und eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit über zumindest ein Verbindungselement mit dem Elektromotor elektrisch verbunden ist, so dass der Elektromotor vermittels der Steuereinheit steuerbar ist, wobei das Verbindungselement zwischen dem Elektromotor und der Steuereinheit angeordnet ist, und wobei das Verbindungselement zumindest teilweise von einer Ummantelung um- geben ist und einstückig mit der Ummantelung ein erstes Gehäuseteil des elektrischen Verdichters ausbildet ist.

Der erfindungsgemäße elektrische Verdichter weist ein Verdichterrad, einen Elektromotor und eine Steuereinheit auf. Das Verdichterrad und der Elektromotor sind koaxial auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, wobei die Welle entlang einer zentralen Drehachse des Elektromotors ausgebildet ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung dient der Elektromotor dem Antrieb des Verdichterrads.

Der Elektromotor weist einen Rotor und einen Stator mit zumindest einer Statorwicklung auf.

Der Rotor des Elektromotors ist bevorzugt drehfest auf der Welle angeordnet und/oder einteilig mit der Welle ausgebildet.

Das Verdichterrad ist vorzugsweise drehfest auf der Welle angeordnet und/oder einteilig mit der Welle ausgebildet.

Über die gemeinsame Welle wird die vom Elektromotor generierte Rotationsenergie auf das Verdichterrad übertragen. Die Steuereinheit stellt die Leistungs- und Signalelektronik für den Elektromotor dar und umfasst bevorzugt eine Leiterplatte auf der unterschiedliche elektronische Baueinheiten, wie beispielsweise Kondensatoren, Halbleiterchips etc., anordenbar sind.

Unter der Steuereinheit kann jedoch auch ein Stecker verstanden werden, wobei in diesem Fall die Leiterplatte inklusive der darauf angeordneten unterschiedlichen elektronischen Baueinheiten als externes Steuermodul ausgeführt sind. Der Elektromotor ist der Erfindung entsprechend über die Steuereinheit steuerbar, wobei die elektrische Verbindung zwischen dem Elektromotor und der Steuereinheit über zumindest ein Verbindungselement erfolgt. Das Verbindungselement stellt somit die elektrische Schnittstelle zwischen dem Elektromotor und der Steuereinheit dar.

Das Verbindungselement ist dabei erfindungsgemäß zwischen dem Elektromotor und der Steuereinheit angeordnet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Verbindungselement zumindest teilweise von einer Ummantelung umgeben, wobei die Ummantelung zudem ein erstes Gehäuseteil des elektrischen Verdichters ausbildet. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des elektrischen Verdichters kann zum einen eine äußerst platzsparende Anordnung erreicht werden, zum anderen wird eine einfache und insbesondere sichere elektrische Verbindung zwischen dem Elektromotor und der Steuereinheit des Elektromotors bewerkstelligt. Durch die einstückige Ausbildung der Ummantelung des Verbindungselements und des ersten Gehäuseteils wird zudem eine bauteiloptimierte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters bewirkt.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschrei- bung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.

Vorzugsweise sind in dem ersten Gehäuseteil des elektrischen Verdichters zumindest der Elektromotor, das Verbindungselement und die Steuereinheit angeordnet. Derart kann auf einfache Art und Weise ein modularer Aufbau des erfindungsge- mäßen elektrischen Verdichters erreicht werden.

Bevorzugt sind zwischen dem Elektromotor und der Steuereinheit mehrere Ver- bindungselemente axial hintereinander oder spiralförmig nebeneinander angeordnet.

Die Begrifflichkeit„axial" beschreibt in diesem Zusammenhang eine Richtung entlang der Drehachse des Elektromotors bzw. eines Rotors des Elektromotors.

Die Begrifflichkeit„radial" beschreibt eine Richtung normal auf die Drehachse des Elektromotors bzw. des Rotors des Elektromotors.

Vermittels der Anordnung der Verbindungselemente axial hintereinander oder spiralförmig nebeneinander ist eine Verschaltung von mehreren Statorwicklungen des Elektromotors in unterschiedlichen Ebenen möglich. Dabei steht im Vordergrund, dass eine beliebige Kombination von Statorwicklungen miteinander elektrisch verbunden werden kann und so unterschiedliche Verschaltungen der Statorwicklungen realisiert werden können.

Im Falle einer Anordnung der Verbindungselemente spiralförmig nebeneinander sind die Verbindungselemente in- und/oder umeinander angeordnet und befinden sich somit in einer Ebene normal auf die zentrale Drehachse des Elektromotors. Insbesondere durch die Anordnung der Verbindungselemente spiralförmig nebeneinander ist eine überaus kompakte Gestaltung der elektrischen Schnittstelle Elektromotor/Steuereinheit möglich.

Das Verbindungselement besteht zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfä- higen Material, wie beispielsweise einem metallischen Werkstoff oder einem ge- eigneten Verbundwerkstoff, wie beispielsweise einem Kunststoff- Ruß- Verbundmaterial.

Die Ummantelung und somit das erste Gehäuseteil hingegen besteht bevorzugt aus einem elektrisch nicht leitenden Material, wie beispielsweise einem polymeren Werkstoff, wie Kunststoff, oder einem keramischen Werkstoff.

Die Ausführung der Ummantelung und somit des ersten Gehäuseteils aus einem elektrisch nicht leitenden Material bewirkt eine Isolation zwischen den Verbin- dungselementen und führt somit zu einem sicheren und robusten Aufbau.

Besonders bevorzugt sind die Ummantelung und somit das erste Gehäuseteil vermittels eines Gießverfahrens, wie zum Beispiel einem Spritzgussverfahren, einteilig hergestellt.

Die Ummantelung kann aber auch als einzelnes Einlegeteil ausgeführt sein.

Eine derartige Herstellung der Ummantelung und somit des ersten Gehäuseteils ist einfach realisierbar und in Bezug auf anfallende Produktionskosten optimiert durchführbar.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Verbindungselement im Wesentlichen in Form eines offenen oder geschlossenen Rings und zudem flach ausgebildet.

Vermittels der flachen Ausgestaltung des Verbindungselements ist eine besonders kompakte Bauweise der elektrischen Schnittstelle Steuereinheit und Elektromotor darstellbar. Vorteilhaft ist dabei beispielsweise eine C-förmige Ausbildung des Verbindungs- elements.

Derart wird die elektrische Schnittstelle von Elektromotor zu Steuereinheit auch gewichtsoptimiert.

Besonders bevorzugt weist das Verbindungselement entlang seiner Außenkontur und/oder Innenkontur zumindest eine Aufnahmekontur zur Aufnahme zumindest eines Kontaktierungselements auf.

Das Kontaktierungselement ist ebenso bevorzugt zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt.

Es ist von Vorteil, wenn das Kontaktierungselement fest mit dem Verbindungsele- ment elektrisch leitend verbunden ist und/oder einteilig mit diesem ausgebildet ist.

Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Kontaktierungselement und dem Verbindungselement kann beispielsweise durch Verschweißen, Verlöten, Verkrimpen, Verklemmen und/oder durch Verklebung mit einem geeigneten Kleb- stoff erfolgen.

Derart ist eine sehr stabile und sichere elektrische Verbindung zwischen dem Elektromotor und der Steuereinheit herstellbar. Vorteilhafterweise ist das Kontaktierungselement mit der Statorwicklung des Elektromotors und/oder der Platine der Steuereinheit elektrisch leitend verbindbar.

Das Kontaktierungselement ist bevorzugt ebenso zumindest teilweise von der Ummantelung umgeben, so dass eine notwendige Isolierung zu anderen elektrisch leitfähigen Bauteilen erfolgt. Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf das in den Zeichnungen beschriebene Ausführungsbeispiel erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt eines beispielhaften elektrischen

Verdichters ohne Ummantelung und/oder erstem Gehäuseteil.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt eines beispielhaften elektrischen

Verdichters mit Ummantelung und/oder erstem Gehäuseteil.

Fig. 3 zeigt eine Detailansicht beispielhafter Verbindungselemente.

Fig. 4 zeigt eine weitere Detailansicht beispielhafter Verbindungselemente.

Fig. 5 zeigt die Detailansicht beispielhafter Verbindungselemente aus Fig. 4 in einem Längsschnitt.

Fig. 6 zeigt eine perspektivische Teilansicht des beispielhaften elektrischen Verdichters. Fig. 7 zeigt eine weitere perspektivische Teilansicht des beispielhaften elektrischen Verdichters.

Fig. 8 zeigt eine Seitenansicht der in Fig. 5 dargestellten Teilansicht des beispielhaften elektrischen Verdichters. Fig. 9 zeigt eine Draufsicht auf die beispielhaften Verbindungsele- mente und eine Leiterplatte einer Steuereinheit.

Fig. 10 zeigt eine perspektivische Ansicht des beispielhaften elektri- sehen Verdichters.

Fig. 1 1 zeigt eine weiter perspektivische Ansicht des beispielhaften elektrischen Verdichters.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Der beispielhafte elektrische Verdichter 1 weist ein Verdichterrad 2, einen Elektromotor 3 und eine Steuereinheit 4 auf (Fig. 1 , Fig. 2).

Wie in Fig. 1 und Fig. 2 ersichtlich sind das Verdichterrad 2 und der Elektromotor 3 koaxial auf einer gemeinsamen Welle 14 angeordnet.

Die Welle 14 erstreckt sich dabei somit entlang einer zentralen Drehachse 30 des Elektromotors 3.

Die Steuereinheit 4 ist in Bezug auf die zentrale Drehachse 30 koaxial zu dem Elektromotor 3 angeordnet. Der Elektromotor 3 ist zwischen dem Verdichterrad 2 und der Steuereinheit 4 angeordnet.

Der Elektromotor 3 weist einen Stator 21 und einen Rotor 22 auf und ist als Innenläufer-Elektromotor konzipiert, sprich der Stator 21 und der Rotor 22 sind im We- sentlichen ringförmig ausgebildet und koaxial angeordnet, wobei der Stator 21 den Rotor 22 umgibt.

Der Rotor 22 des Elektromotors 3 ist drehfest auf der Welle 14 angeordnet.

Der Rotor 22 des Elektromotors umfasst mehrere Permanentmagnete.

Die Welle 14 wird vermittels des Elektromotors 3 in eine (Dreh-)Bewegung um eine zentrale Drehachse 30 des Elektromotors 3 versetzt, wobei derart das Ver- dichterrad 2 angetrieben wird.

Das Verdichterrad 2 ist in einem Verdichterradgehäuse 18 angeordnet.

Das Verdichterradgehäuse 18 wird durch den Zusammenschluss eines zweiten Gehäuseteils 16 und eines dritten Gehäuseteils 17 gebildet.

Sowohl das zweite Gehäuseteil 16, wie auch das dritte Gehäuseteil 17 sind bevorzugt aus einem Leichtmetall, wie beispielsweise Aluminium, einem Kunststoff und/oder einem Verbundmaterial gefertigt.

Das Verdichterradgehäuse 18 ist auf der dem Elektromotor 3 zugewandten Seite vermittels einer gasgeschmierten Gleitringdichtung 31 abgedichtet.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters 1 weist das dritte Gehäuseteil 17 einen Gas-Eingang 19 und einen Gas-Ausgang 20 auf (Fig. 8, Fig. 1 1 ), wobei in einem Betrieb des elektrischen Verdichters 1 vermittels des Verdichterrads 2 über den Gas-Eingang 19 Gas in das Verdichterradgehäuse 18 gesaugt wird. Das Gas ist in diesem Zusammenhang bevorzugt als Umgebungsluft oder ein Umgebungsluft/Abgasgemisch zu sehen.

Innerhalb des Verdichterradgehäuses 18 wird das Gas vermittels des Verdichter- rads 2 verdichtet und über den Gas-Ausgang 20 wiederum aus dem Verdichterradgehäuse 18 abgeführt.

Das Verdichterrad 2 ist drehfest auf der Welle 14 angeordnet. Der Stator 21 des Elektromotors umfasst mehrere Statorwicklungen 12 - in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Stator insgesamt sechs Statorwicklungen 12 auf (Fig. 6).

Jede dieser Statorwicklungen 12 weist jeweils zwei Kontaktenden 23 auf (Fig. 6).

Die Steuereinheit 4 des erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters 1 umfasst eine Leiterplatte 13 auf der unterschiedliche elektronische Bauteile 24, wie beispielsweise Kondensatoren, angeordnet sind (Fig. 9). Der Elektromotor 3 ist über die Steuereinheit 4 steuerbar, wobei die elektrische Verbindung zwischen dem Elektromotor 3 und der Steuereinheit 4 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel über drei Verbindungselemente 5 erfolgt.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die drei Verbindungselemente 5 formgleich ausgebildet und entlang der zentralen Drehachse 30 des Elektromotors 3, genauer des Rotors 22 des Elektromotors 3, axial hintereinander, also axial versetzt zwischen dem Elektromotor 3 und der Steuereinheit 4 angeordnet (Fig. 3, Fig. 7). Der Elektromotor 3, die Verbindungselemente 5 und die Steuereinheit 4 sind in Bezug auf die zentrale Drehachse des Elektromotors koaxial angeordnet.

In Fig. 3 sind die Verbindungselemente 5 axial hintereinander angeordnet im De- tail dargestellt. Fig. 7 zeigt eine perspektivische Teilansicht des beispielhaften elektrischen Verdichters 1 bei der insbesondere die Anordnung der Verbindungselemente 5 axial hintereinander angeordnet innerhalb des elektrischen Verdichters 1 dargestellt ist. Die drei Verbindungselemente 5 in Fig. 3 sind flach und im Wesentlichen C-förmig ausgebildet und weisen jeweils entlang ihrer Außenkontur 8 zwei Aufnahmekonturen 10 und entlang ihrer Innenkontur 9 vier Aufnahmekonturen 10 zur Aufnahme von insgesamt sechs Kontaktierungselementen 1 1 auf. Die drei Verbindungselemente 5 sind in Bezug auf ihren Umfang versetzt angeordnet (Fig. 3, Fig. 7).

Die Aufnahmekonturen 10 sind unterschiedlich ausgeführt und in erste Aufnahmekonturen 25 und zweite Aufnahmekonturen 26 einzuteilen.

Die Kontaktierungselemente 1 1 sind den Ausgestaltungen der jeweiligen Aufnahmekontur 25, 26 angepasst und in erste Kontaktierungselemente 27 und zweite Kontaktierungselemente 28 einzuteilen.

Erste Aufnahmekonturen 25 dienen der Aufnahme von ersten Kontaktierungselementen 27, wobei die ersten Kontaktierungselemente 27 hülsenartig ausgebildet sind. lm Bereich jeweils einer ersten Aufnahmekontur 25 ist jeweils ein erstes Kontaktie- rungselement 27 fest, elektrisch leitend mit dem Verbindungselement 5 verbunden. Zweite Aufnahmekonturen 26 dienen der Aufnahme von zweiten Kontaktierungs- elementen 28, wobei die zweiten Kontaktierungselemente 28 hülsenartig ausgebildet sind.

Im Bereich jeweils einer zweiten Aufnahmekontur 26 ist jeweils ein zweites Kon- taktierungselement 28 fest, elektrisch leitend mit dem Verbindungselement 5 verbunden.

Zwei erste Kontaktierungselemente 27 verbinden jeweils eines der zwei Kontaktenden 23 einer Statorwicklung 12 des Elektromotors 3 elektrisch mit dem Verbin- dungselement 5.

Über die zweiten Kontaktierungselemente 28 ist das jeweilige Verbindungselement 5 mit der Leiterplatte 13 der Steuereinheit 4 elektrisch verbunden. Die zweiten Kontaktierungselemente 28 weisen dazu in ihrer Mitte eine Verbindungsstelle 29, wie beispielsweise eine Bohrung oder ein Gewinde, auf über die das jeweilige zweite Kontaktierungselement 28 mit der Leiterplatte 13 elektrisch verbindbar ist. Das Verbindungselement 5 ist zumindest teilweise von einer Ummantelung 6 umgeben, wobei die Ummantelung 6 ein erstes Gehäuseteil 7 des elektrischen Verdichters 1 ausbildet (Fig. 2). ln der Fig. 4 ist eine weitere Anordnungsmöglichkeit der in diesem Fall drei Verbindungselemente 5 dargestellt. Die Verbindungselemente 5 sind hierbei spiralförmig nebeneinander angeordnet. In diesem Fall sind die Verbindungselemente nicht formgleich ausgebildet.

Die drei Verbindungselemente 5 in Fig. 4 sind flach und im Wesentlichen C-förmig ausgebildet. Die drei Verbindungselemente 5 sind in Bezug auf ihren Umfang versetzt angeordnet.

Die Verbindungselemente 5 sind hier in- und/oder umeinander angeordnet und befinden sich somit alle ineinander verschachtelt in einer Ebene normal auf die zentrale Drehachse 30 des Elektromotors 3 (Fig. 4, Fig. 5).

Das erste Gehäuseteil 7, das zweite Gehäuseteil 16 und das dritte Gehäuseteil 17 sind miteinander verbindbar ausgeführt und bilden in ihrer Gesamtheit ein Gehäuse für den elektrischen Verdichter 1 aus (Fig. 1 1 ).

In dem ersten Gehäuseteil 7 des elektrischen Verdichters 1 sind der Elektromotor 3, die drei Verbindungselemente 5 und zumindest teilweise die Steuereinheit 4 angeordnet (Fig. 2). Die Kontaktierungselemente 1 1 , 27, 28 sind ebenso zumindest teilweise von der Ummantelung 6 umgeben.

Die Ummantelung 6 und somit das erste Gehäuseteil 7 sind vermittels eines Gießverfahrens, wie zum Beispiel einem Spritzgussverfahren, einteilig hergestellt. Bezugszeichenliste

I . Elektrischer Verdichter

2. Verdichterrad

3. Elektromotor

4. Steuereinheit

5. Verbindungselement

6. Ummantelung

7. Erstes Gehäuseteil (des elektrischen Verdichters)

8. Außenkontur (des Verbindungselements)

9. Innenkontur (des Verbindungselements)

10. Aufnahmekontur

I I . Kontaktierungselement

12. Statorwicklung (des Elektromotors)

13. Leiterplatte (der Steuereinheit)

14. Welle

16. Zweites Gehäuseteil (des elektrischen Verdichters)

17. Drittes Gehäuseteil (des elektrischen Verdichters) 18. Verdichterradgehäuse

19. Gas-Eingang

20. Gas-Ausgang

21 . Stator

22. Rotor

23. Kontaktenden

24. elektronische Baueinheiten

25. Erste Aufnahmekontur

26. Zweite Aufnahmekontur

27. Erstes Kontaktelement

28. Zweites Kontaktelement Verbindungsstelle

Drehachse

Gleitringdichtung