Elektrischer Verdichter für eine Verbrennungskraftmaschine

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Verdichter für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem mehrteiligen Gehäuse, in welchem ein Strömungsraum mit einem Einlass und einem Auslass sowie ein Motorraum ausgebildet sind, einem Elektromotor mit einer Antriebswelle, der im Motorraum des Gehäuses angeordnet ist, einem Laufrad, welches auf der Antriebswelle des Elektromotors befestigt ist und im Strömungsraum angeordnet ist, zwei Lagern, über die die Antriebswelle des Elektromotors gelagert ist, zwei Lageraufnahmen, die im Gehäuse ausgebildet sind und in denen die beiden Lager angeordnet sind, wobei das Gehäuse einen sich radial zur Antriebswelle erstreckenden Boden aufweist, von dem aus sich zentral ein zylindrischer Vorsprung, der als Lageraufnahme dient, axial in den Motorraum erstreckt und von dem aus sich eine Seitenwand, die den zylindrischen Vorsprung vollumfänglich umgibt, axial erstreckt.

Derartige elektrische Verdichter werden in modernen Verbrennungsmotoren eingesetzt, um beispielsweise bei plötzlicher Laststeigerungsanforderung kurzfristig aktiv einen ausreichenden Ladedruck zur Verfügung stellen zu können. Insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit kleinem Hubraum und hoher Leistung ermöglichen diese elektrischen Verdichter im leerlaufnahen Bereich entweder eine zusätzliche Nachverdichtung zum Abgasturbolader oder eine Vorverdichtung für diesen, wodurch dem so genannten Turboloch entgegen gewirkt werden kann. Auch ist der Einsatz als einzelnes Aufladeaggregat im Verbrennungsmotor möglich. Der Rotor und damit das Laufrad eines derartig genutzten Verdichters müssen in kürzester Zeit auf Drehzahlen von bis zu 100.000 U/min beschleunigt werden. Bei diesen Geschwindigkeiten entstehen hohe radiale und axiale Kräfte, welche von den Lagern und dem Gehäuse, in dem die Lager angeordnet sind, aufgenommen werden müssen, um Schwingungen des Gehäuses zu verringern und damit auch die Rotorführung zu verbessern. Zumeist werden bei derartigen Verdichtern Wälzlager, insbesondere Kugellager zur Lagerung verwendet, die in entsprechenden Lageraufnahmen des Gehäuses angeordnet werden.

Ein solcher elektrischer Verdichter ist beispielsweise aus der DE 11 2012 002 973 T5 bekannt. Die Antriebswelle des Elektromotors, auf der auch das Laufrad des Verdichters befestigt ist, ist in sich in Richtung eines Motorraums erstreckenden zylindrischen Vorsprüngen über zwei Kugellager gelagert. Jeder dieser Vorsprünge ist an einem den Motorraum axial begrenzenden Boden zentral ausgebildet, die jeweils an einem Gehäuseteil ausgebildet sind und bei der Montage ineinandergesteckt werden. Allerdings entsteht bei hohen Drehzahlen eine große Vibration aufgrund der geringen Steifigkeiten des Gehäuses und der Vorsprünge.

Es stellt sich daher die Aufgabe, einen elektrischen Verdichter zu schaffen, mit dem die auftretenden Axial- und Radialkräfte so aufgenommen werden, dass Schwingungen des Gehäuses und der Lageraufnahmen verringert werden, wodurch die Lebensdauer der Lager und des Verdichters erhöht wird. Schäden an den Lagern sowie am Laufrad oder der Antriebswelle sollen durch eine präzise Führung der Welle und Fluchtung der Lager, die auch bei hohen Drehzahlen des Elektromotors durch Vermeidung von den Vibrationen erhalten bleiben, zuverlässig verhindert werden. Gleichzeitig sollen sowohl der verwendete Bauraum als auch das Gewicht möglichst gering gehalten werden.

Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Verdichter mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass die Seitenwand und der zylindrische Vorsprung durch sich axial in den Motorraum erstreckende Rippen miteinander verbunden sind, wird die Steifigkeit der Lagerstellen und des umgebenden Gehäuses erhöht, wodurch eine Rotation des Rotors in Eigenfrequenzlage des Gehäuses vermieden wird, so dass Schäden an den Lagern und an der Welle oder dem Laufrad zuverlässig vermieden werden, da bei hohen Drehzahlen keine Fluchtungs- oder Führungsfehler aufgrund von Schwingungen des Gehäuses entstehen.

Vorzugsweise weist das Gehäuse ein erstes Gehäuseteil auf, in dem der erste zylindrische Vorsprung mit den Rippen und der Seitenwand ausgebildet sind und ein zweites Gehäuseteil auf, welches einen zweiten sich radial zur Antriebswelle erstreckenden Boden aufweist, von dem aus sich zentral ein zweiter zylindrischer Vorsprung, der als zweite Lageraufnahme dient und eine zweite Seitenwand, die den zylindrischen Vorsprung vollumfänglich umgibt, axial in den Motorraum erstrecken, wobei die Seitenwand und der zylindrische Vorsprung durch sich axial in den Motorraum erstreckende Rippen miteinander verbunden sind und die Seitenwand des einen Gehäuseteils die Seitenwand des anderen Gehäuseteils radial umgibt. Eine derartige Ausführung erhöht die Steifigkeit des gesamten Gehäuses und der zweiten Lagerstelle.

In einer Weiterbildung der Erfindung dient eines der Lager als Festlager und eines der Lager als Loslager und sind beide Lager als Wälzlager ausgebildet. Auf diese Weise wird eine Lagerung mit geringem Verschleiß und geringen Kosten geschaffen, welche unempfindlich gegen thermische Dehnungen ist.

Es ist vorteilhaft, wenn der Elektromotor einen Rotor und einen Stator mit bewickelten Statorzähnen aufweist, wobei der Stator an der Seitenwand eines als Motorgehäuse dienenden Gehäuseteils befestigt ist. Die Verbindung kann insbesondere durch Einpressen des Stators in eines der Gehäuseteile hergestellt werden, so dass keine zusätzlichen Bauteile benötigt werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung entspricht die Anzahl der Statorzähne der Anzahl der Rippen des Motorgehäuses, wobei die Rippen in Umfangsrichtung betrachtet jeweils zwischen zwei Statorzähnen angeordnet sind und sich zwischen auf den Statorzähnen angeordneten Wicklungen erstrecken, wodurch der axial benötigte Bauraum minimiert wird. Da die Wicklungsenden bis an den Boden der Gehäuseteile geführt werden kann. Dennoch wird eine erhöhte Steifigkeit des Gehäuses hergestellt. Dennoch wird ein Freigang der Wickelköpfe bewahrt.

In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform ist die axiale Höhe der Rippen am zum zylindrischen Vorsprung weisenden Ende größer als in einem dem Stator gegenüberliegenden Bereich. Auch diese Bauweise verkürzt den benötigten axialen Bauraum und führt andererseits zu einer erhöhten Stabilität und Steifigkeit der sich in den Motorraum erstreckenden Lageraufnahmen.

Eine besonders hohe Steifigkeit der Lageraufnahmen wird erreicht, wenn die Höhe der Rippen im am zylindrischen Vorsprung angrenzenden Bereich der Höhe des zylindrischen Vorsprungs entspricht, wodurch Führungs- und Fluchtungsfehler aufgrund von Schwingungen bei hohen Drehzahlen aufgrund der steifen Wellenführung weitestgehend ausgeschlossen werden.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Höhe der Rippen vom dem Stator gegenüberliegenden Bereich zum zylindrischen Vorsprung parabelförmig wächst, so dass die Höhe der Rippen der Form der bewickelten Statorzähne ähnelt und auf diese Weise der vorhandene Bauraum zur Erhöhung der Steifigkeit des Gehäuses optimal genutzt wird. Dabei wird insbesondere die Steifigkeit der Lagerstellen sowie der Böden, bei minimiertem Gewicht erhöht.

Diese Vorteile ergeben sich auch für den Bereich der radial äußeren Seitenwände, wenn die Höhe der Rippen vom dem Stator gegenüberliegenden Bereich zur Seitenwand hin wächst. So wird eine hohe Steifigkeit der zu paarenden äußeren Seitenwände geschaffen.

In einer bevorzugten Ausführung sind die Rippen am zum zweiten zylindrischen Vorsprung weisenden Ende als ringförmige Vorsprünge mit inneren Durchgangsöffnungen ausgebildet, durch die Enden der Wicklungen des Stators ragen. So wird die Kontaktierung der Statorwicklungen vereinfacht, ohne dass die Steifigkeit des Gehäuses verringert wird.

Vorzugsweise weist das zweite Gehäuseteil eine ringförmige Aufnahmeöffnung auf, welche radial nach innen durch die Seitenwand des zweiten Gehäuseteils begrenzt ist und radial nach außen durch eine sich axial erstreckende Umfangswand begrenzt ist, welche die Seitenwand des Motorgehäuses, deren Ende in der ringförmigen Aufnahmeöffnung angeordnet ist, radial umgibt. Dies erleichtert die Montage und führt durch die Paarung der beiden Gehäuseteile zu einer Versteifung des Gesamtgehäuses. Schwingungen des axialen Seitenwandendes werden so vermieden, da dieses im Bereich der durch die Rippen stabilisierten Seitenwand des zweiten Gehäuseteils gehalten wird.

Eine zusätzliche Versteifung erfährt das Gehäuse dadurch, dass das Motorgehäuse an der Außenseite der Seitenwand einen sich schraubenförmig um die Seitenwand erstreckenden Steg aufweist, gegen den die Umfangswand des zweiten Gehäuseteils radial anliegt. Dieser Steg erhöht einerseits die Steifigkeit des Motorgehäuses und sorgt durch die Anlage der Umfangswand zusätzlich für eine im eingebauten zustand erhöhte Steifigkeit des zweiten Gehäuseteils. Des Weiteren können die entstehenden Freiräume zwischen den Stegen zur Kühlmittelführung und somit zur Kühlung der am Gehäuseteil anliegenden Statorwicklungen genutzt werden.

Es wird somit ein elektrischer Verdichter für eine Verbrennungskraftmaschine geschaffen, der eine lange Lebensdauer aufgrund einer erhöhten Steifigkeit des gesamten Gehäuses einschließlich der Lagerstellen aufweist. Dabei ist der benötigte Bauraum ebenso minimiert wie die benötigte Materialmenge und somit das Gewicht. Durch die erhöhte Steifigkeit der Lagerstellen der Gehäuseböden und der Seitenwände können die bei hohen Drehzahlen auftretenden axialen und radialen Kräfte zuverlässig aufgenommen werden, ohne dass Fluchtungsoder Führungsfehler der Welle zu befürchten sind. Entsprechend kann die Führung der Antriebswelle und des Rotors sowie des Laufrades mit hoher Präzision auch bei hohen Drehzahlen sichergestellt werden.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters in teilweise geschnittener Darstellung.

Figur 2 zeigt eine perspektivische Darstellung des ersten Gehäuseteils des in Figur 1 dargestellten elektrischen Verdichters.

Figur 3 zeigt eine perspektivische Darstellung des zweiten Gehäuseteils des in Figur 1 dargestellten elektrischen Verdichters.

Der erfindungsgemäße elektrische Verdichter besteht aus einem Gehäuse 10, welches sich aus insgesamt vier Gehäuseteilen zusammensetzt. Ein erstes zentrales Gehäuseteil 12 bildet das Motorgehäuse, in welchem ein Stator 14 eines Elektromotors 16 eingepresst ist. Dieser Stator 14 wirkt in bekannter Weise mit einem Rotor 18 zusammen, der fest auf einer Antriebswelle 20 befestigt ist. Die Antriebswelle 20 wird über ein erstes als Kugellager ausgeführtes Lager 22, welches in einer ersten Lageraufnahme 24 angeordnet ist, die zentral am Motorgehäuse 12 ausgebildet ist, sowie ein zweites als Kugellager ausgebildetes Lager 26, welches in einer zweiten Lageraufnahme 28 angeordnet ist, die zentral an einem zweiten Gehäuseteil 30 ausgebildet ist, welches als Elektronikgehäuse dient, gelagert. Das Motorgehäuse 12 und das Elektronikgehäuse 30 begrenzen einen Motorraum 32, in dem der gesamte Elektromotor 16 aufgenommen wird.

Auf der Antriebwelle 20 ist ein Laufrad 34 des elektrischen Verdichters angeordnet, welches in einem Strömungsraum 36 angeordnet ist, der durch ein Strömungsgehäuse 38 und einen ersten sich radial zur Antriebswelle 20 erstreckenden Boden 40 des Motorgehäuses 12 begrenzt wird. Das Strömungsgehäuse 38, welches am Motorgehäuse 12 befestigt ist, weist einen Spiralkanal 42 auf, in welchen das über einen am Strömungsgehäuse 38 ausgebildeten Einlass 44 einströmende Gas mittels des Laufrades 34 gefördert wird. Im Spiralkanal 42 wird dieses Gas verdichtet bis es den Strömungsraum 36 beziehungsweise den Spiralkanal 42 über einen ebenfalls am Strömungsgehäuse 38 ausgebildeten nicht dargestellten Auslass wieder verlässt.

Um den Strömungsraum 36 vom Motorraum 32 möglichst gasdicht zu trennen und zu verhindern, dass Gas aus dem Strömungsgehäuse 38 in das Motorgehäuse 12 an der Rückseite des Laufrades 34 entlang der Antriebswelle 20 strömt, ist in einer zentralen Öffnung 48 des Bodens 40 des Motorgehäuses 12, die zum Laufrad 34 weist, eine Gleitringdichtung 50 angeordnet, die gegen eine Einschnürung 52 dieser Öffnung 48 axial anliegt. An der zum Motorraum 32 weisenden Seite der Einschnürung 52 erstreckt sich vom Boden 40 ein zylindrischer Vorsprung 54 axial in Richtung des Rotors 18. Dieser zylindrische Vorsprung 54 dient als erste Lageraufnahme 24 für das erste Lager 22, dessen Innenring 56 sich einerseits gegen die Gleitringdichtung 50 und andererseits gegen einen Wellenabsatz 58 anliegt und dessen Außenring 60 gegen die Einschnürung 52 anliegt.

Erfindungsgemäß ist dieser zylindrische Vorsprung 54 über Rippen 62 mit einer den Motorraum 32 radial begrenzenden und sich vom Boden 40 axial in Richtung des Elektronikgehäuses 30 erstreckenden zylindrischen Seitenwand 64 verbunden, an deren Innenseite der Stator 14 eingepresst ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist das Motorgehäuse 12 sechs Rippen 62 auf, deren Höhe sich in axialer Richtung etwa parabelförmig ändert. Dabei entspricht die Höhe der Rippen 62 am radial inneren mit dem zylindrischen Vorsprung 54 verbundenen Bereich der axialen Erstreckung des zylindrischen Vorsprungs 54. Der Stator 14 weist ebenfalls sechs Statorzähne 66 auf, auf denen Wicklungen 68 zur Bestromung des Elektromotors 16 angeordnet sind. Die Wicklungsköpfe dieser Wicklungen 68 erstrecken sich bis unmittelbar vor den Boden 40. Um dennoch eine Aussteifung des Motorgehäuses 12 durch die Rippen 62 erzielen zu können, sind die Rippen 62 jeweils versetzt zu den Wicklungen 68 der Statorzähne 66 angeordnet. Die Rippen 62 erstrecken sich somit in Umfangsrichtung betrachtet exakt zwischen den Wicklungen 68 in die dort vorhandenen Freiräume. Die axiale Höhe der Rippen 62 ist zur Minimierung des benötigten Bauraums in einem den Wicklungen 68 axial gegenüberliegenden Bereich 70 am geringsten und wächst wieder radial in Richtung der zylindrischen Seitenwand 64.

An der Außenseite der Seitenwand 64 ist ein schraubenförmiger Steg 72 ausgebildet, gegen deren radiale Außenseite eine sich axial erstreckende zylindrische Umfangswand 74 des Elektronikgehäuses 30 anliegt, so dass zwischen den Windungen des Stegs 72 ein Kanal 76 gebildet wird, der von einem Kühlmittel durchströmt wird. Entsprechend ist die Seitenwand 64 des Motorgehäuses 12 über die gesamte axiale Erstreckung des Stators 14 des Elektromotors 16 umgeben. Zur Abdichtung dieses Kanals 76 ist am zum Strömungsgehäuse 38 weisenden axialen Ende der Umfangswand 74 ein zwischen der Umfangswand 74 und der Seitenwand 64 des Motorgehäuses 12 eine Dichtung 78 angeordnet. Das axiale Ende der Seitenwand 64 ist in einer ringförmigen Aufnahmeöffnung 80 angeordnet, die radial zwischen der Umfangswand 74 und einer zylindrischen zweiten Seitenwand 82 des Elektronikgehäuses 30 ausgebildet ist, wobei zwischen der Seitenwand 82, die sich in Richtung des Strömungsgehäuses 38 axial erstreckt, und der Seitenwand 64 des Motorgehäuses 12 am zur Dichtung 78 entgegengesetzten axialen Ende des Kanals 76 ebenfalls eine Dichtung 84 zur Abdichtung des Kanals 76 angeordnet ist.

Diese Seitenwand 82 des Elektronikgehäuses 30 ist ebenso wie die Seitenwand 64 des Motorgehäuses 12 über sechs zweite, sich radial und axial erstreckende Rippen 86 mit einem axial in den Motorraum 32 weisenden zweiten zylindrischen Vorsprung 88 verbunden. Dieser dient als zweite Lageraufnahme 24 für das zweite Kugellager 26 und ist einteilig mit einem zweiten sich radial erstreckenden Boden 90 ausgebildet, von dem aus sich auch die Umfangswand 74 und die Seitenwand 82 axial erstrecken. Wie in der Figur 3 zu erkennen ist, erstrecken sich die Rippen 86 in axialer Richtung im Bereich der Seitenwand 82 über deren gesamte axiale Erstreckung. Zum zylindrischen Vorsprung 88 hin nach innen sinkt diese Erstreckung etwa parabelförmig, so dass erneut in dem der Wicklung 68 gegenüberliegenden Bereich die axiale Höhe geringer ist. Auch hier befinden sich die Rippen 86 in Umfangsrichtung betrachtet zwischen den Statorzähnen 66. Im radial inneren Bereich sind die Rippen 86 statt als schmale Stege als ringförmige Vorsprünge 92 mit einer inneren Durchgangsöffnung 94 ausgebildet, durch die sich jeweils ein Wicklungsende jeder Wicklung 68 zur entgegengesetzten Seite des Bodens 90 erstreckt. Auf dieser rückwärtigen Seite des Bodens 90 ist eine Platine 96 angeordnet, die die Steuerelektronik enthält, so dass die Wicklungsenden direkt mit der Platine 96 verbunden werden können und die Wicklungen 68 über die Platine 96 mit Strom versorgt werden können, um den Elektromotor 16 anzusteuern. Die Platine 96 befindet sich in einem Elektronikraum 98, der durch eine sich zur Umfangswand 74 vom Boden 90 erstreckende Außenwand 100 radial begrenzt wird und durch einen Deckel 102 axial verschlossen ist.

Das zweite Lager 26 ist als Loslager ausgeführt, so dass thermische Dehnungen ausgeglichen werden können. Dieses zweite Kugellager 26 liegt mit seinem Innenring 104 gegen einen Absatz der Antriebswelle 20 an. Sein Außenring 106 wird mittels eines Federpaketes 108 unter Zwischenlage eines Ringes 110 in Richtung dieses Absatzes belastet. An der Innenwand des zylindrischen Vorsprungs 88 ist eine Nut 112 ausgebildet, in der ein O-Ring 114 angeordnet ist, der außen gegen den Außenring 106 des Lagers 26 anliegt und so den Spalt abdichtet.

Die Ausführung des Gehäuses 10 und insbesondere der beiden Gehäuseteile 12, 30 mit den Rippen 62, 86 führt zu einer sehr guten Steifigkeit des Gehäuses 10 und der Lageraufnahmen 24, 28. Zusätzliche Stabilität wird auch durch den Steg 72 sowie die Anordnung und Befestigung der Gehäuseteile 12, 30 zueinander erzeugt. Diese hohe Steifigkeit führt dazu, dass bei Drehgeschwindigkeiten des Laufrades 34 von bis zu 80.000 U/min die entstehenden axialen und radialen Kräfte vom Gehäuse 10 aufgenommen werden können und die Eigenfrequenzlage des Rotors 18 zu darüber liegenden Drehzahlen verschoben wird, wodurch zu große Schwingungen des Verdichters weitestgehend vermieden werden. Stattdessen wird es möglich, beide Wälzlager 22, 26 exakt fluchtend zueinander anzuordnen und eine entsprechende präzise Führung der Antriebswelle 20 zu gewährleisten. Dennoch wird der Materialverbrauch sowie der benötigte Bauraum aufgrund der Anordnung der Rippen 62, 86 reduziert.

Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Insbesondere können die Gehäuseteile andere Teilungen aufweisen oder die Form der Rippen sinnvoll verändert werden. Andere konstruktive Änderungen sind ebenfalls denkbar.