Die Erfindung geht aus von einem Verdichter zum Verdichten von Zuluft für eine energieerzeugende Maschine mit einem elektrischen Antrieb und einem mit dem elektrischen Antrieb über einen Achse drehbar verbundenen Verdichterrad.

Weiterhin geht die Erfindung aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Verdichterrads. Stand der Technik

Die am häufigsten anzutreffende Laderart ist der Turbolader, bei dem eine Turbine einen Verdichter direkt antreibt. Turbinen- und Verdichterrad sind über eine Welle fest miteinander verbunden und bilden zusammen das Laufzeug. Das Turbinengehäuse liegt direkt im Abgasstrom und möglichst nahe am Abgasauslass des Motors. Im davon getrennten Verdichtergehäuse komprimiert das Verdichterrad die Ladeluft im Ansaugtrakt. Ein Turbolader hat den Vorteil, dass er einen Teil der sonst ungenutzten Restenergie der Abgase zum Verringern der Ansaugverluste nutzt und damit den Gesamtwirkungsgrad verbessert.

Eine Alternative oder Ergänzung stellt eine Verdichtung der Ansaugluft mit Kom- pressoren dar. Es gibt Ausführungen auf dem Markt, die Turbolader mit mechanischen Kompressoren kombinieren.

Ein solcher mechanischer Schraubenverdichter baut zwar im unteren Drehzahlbereich auch viel Ladedruck auf, ist aber auch wie der Turbolader von der Drehzahl des Motors abhängig und somit nur auf eine bestimmte Motorendrehzahl optimiert. Die Mehrleistung des Motors zehrt den Leistungsbedarf des mechanischen Laders teilweise wieder auf.

Ein elektrischer Verdichter entwickelt dagegen völlig unabhängig von den Motor- Parametern den maximalen Ladedruck und sorgt somit für entsprechende Drehmomente und Leistungen des Motors zu jedem Zeitpunkt.

Ein solcher Verdichter wird in der GB2508647A vorgestellt. Der Verdichterbereich mit dem Verdichterrad ist dabei gegen den elektrischen Antrieb abgedichtet. Um die gewünschten Leistungen zu erhalten, werden unterschiedliche elektrische Motoren diskutiert und eine Erhöhung der Bordspannung zur Versorgung von 12V auf 48V erwogen. Allerdings gibt es auch erhöhte Anforderungen an das Verdichte rrad.

Um bei Drehzahlen von über 100.000 Umdrehungen die Minute die Trägheits- und Fliehkräfte gering zu halten, müssen die Materialien des Verdichterrads sehr leicht, gleichzeitig über einen wechselnden Temperaturbereich formbeständig und hochfest, sowie die Lagerung fast spielfrei, aber auch leichtgängig sein. Diese Anforderungen bestehen sowohl für ein Verdichterrad in einem elektrischen Kompressor als auch für einen Turbolader. Aus der DE102009018801 A1 ist eine Turbolader Anordnung bekannt, wobei Wellen und Verdichterrad aus Metall mit einer Verstärkung aus keramischen Partikeln, wie z. B. Kohlenstofffasern, vorgesehen sind. Dieser Materialmix lässt sich mit verschiedenen Herstellungsverfahren herstellen, wobei das Material durch die Verwendung von Kohlestofffasern verstärkt wird, aber nicht wesentlich an Masse verliert.

Aus der US 20120124994 A1 ist ein Verdichterrad aus Kunststoff bekannt. Das Verdichterrad wird dabei mit Kohlenstoffnanotubes verstärkt. Allerdings unterscheidet sich die Materialkombination von Kunststoff mit Kohlenstoffnanotubes stark von metallischen Matrixmaterialien. Kunststoff erhält durch die Nanotubes vor allen eine erhöhte Leitfähigkeit, wird aber spröder.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung einen Verdichter mit einem Verdichterrad zur Verfügung zu stellen, der hohe Verdichtungsleistungen bei geringer elektrischer Aufnahmeleistung des Motors, also bei geringer Masseträgheit ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verdichter zum Verdichten von Zuluft für eine energieerzeugende Maschine mit einem elektrischen Antrieb und einem mit dem elektrischen Antrieb über einen Achse drehbar verbundenen Verdichterrad, wobei das Verdichterrad aus einem Metall mit einer Zumischung von Kohlenstoff aus einer zweidimensionalen oder dreidimensionalen röhrenförmig kristalliner Modifikation besteht. Damit sind Kohlenstofffasern nicht mit umfasst.

Vorzugsweise ist das Metall Aluminium oder eine Aluminiumlegierung speziell ein Aluminium AL7075.

Es ist dabei von Vorteil, dass der Kohlenstoff ein Graphen oder einen Nanoröhr- chen (CNT) Struktur bildet.

Die Verwendung des Materials aus einer Aluminiummatrix mit eingelagerten Gra- phenen oder eingelagerten Nanoröhrchen verbessert die Materialparameter wie Elastizität, Zugfestigkeit deutlich, bei entsprechender Reduzierung der Dichte des Materials. Dadurch werden die Masse und damit die Trägheit des Verdichterrades dramatisch verringert.

Nanoröhrchen aus Kohlstoff weisen hexagonal angeordnete Atome auf, die sich in einer hohlen Form verbinden. Nanoröhren können ein- oder mehrwandig sein und die Wand kann sowohl einen geschlossenen Ring, als auch eine spiralige Struktur ausbilden. Die Enden der Röhren können geschlossen oder geöffnet sein, und das Innere kann leer oder gefüllt sein.

Während die Nanoröhrchen bereits als Material vorhanden sind und in der Industrie eingesetzt werden, versprechen Graphene in der Zukunft eine weitere deutliche Verbesserung des Verbund-Materials. Graphene sind durch drei kovalente Bindungen der Kohlenstoffatome zu einer zweidimensionalen hexagonalen Struktur verbunden. Die extrem hohe Stabilität des hexagonalen Gitters wird von ge- ringen Gewicht und einer Unempfindlichkeit gegenüber aggressiven Stoffen begleitet.

Es ist dabei von Vorteil, dass das Massenverhältnis des Metalls zu den Kohlenstoff Nanoröhrchen 95:5 beträgt. Mit einem solchen Material wird die Masse des Verdichterrads deutlich geringer und die Trägheit reduziert.

Vorteilhafterweise liegt die Dichte des Materials unter der Dichte von Aluminium.

Es ist dabei von Vorteil, dass das Verdichterrad aus gegossenem oder gesinter- tertem Material besteht.

In einer Ausführungsform wird das Verdichterrad beschichtet.

Als minimale Ausstattung besitzt das Verdichterrad mindestens zwei Flügel, die optimal an die Aufgabe anzupassen sind.

Vorteilhafterweise besitzen die Flügel des Verdichterrads eine minimale Wandstärke über ihren Verlauf teilweise von kleiner 1 mm, vorzugsweise 0,75 mm.

Durch die optimierten Materialparameter können Wandstärken verringert und so zusätzlich Masse eingespart werden.

Es ist dabei von Vorteil, dass der Verdichter im Saugbereich eines Verbrennungsmotors oder einer Brennstoffzelle angeordnet ist oder Teil eines Abgasturboladers darstellt.

Es ist dabei von Vorteil, dass der Verdichter mindestens einen Eingang und mindesten einen Auslass für ein gasförmiges Medium aufweist, um für alle möglichen Einsatzorte und Einsatzanforderungen angepasst zu sein.

Vorteilhafterweise ist der Verdichter mit einem BLDC oder einem SR elektrischen Motor auszustatten, je nach Bauraummöglichkeiten und Gewichtsanforderungen, sowie die Anforderungen an die Ansteuerung. Es ist von Vorteil, dass das Verdichterrad auf der Welle mit einer Schraubverbindung befestigt ist. Eine konventionelle Befestigung erlaubt den einfachen Aufbau und ein problemloses Auswuchten der Verdichterrad- Welle-Kombination.

Alternativ ist es auch möglich, dass das Verdichterrad auf die Welle verpresst ist.

Es ist dabei von Vorteil, dass das Verdichterrad und die Welle ein einstückiges Bauteil sind, um so weitere Gewichtreduktionen der drehenden Teile zu erzielen.

Es ist dabei von Vorteil, dass das Verdichterrad, die Welle und ein Rotor des elektrischen Antriebs aus einem einstückigen Bauteil bestehen.

Es ist von Vorteil, dass beim Verfahren zur Herstellung eines Verdichterrads das Verdichterrad aus Metall mit Kohlenstoffanteil als Rohling hergestellt und dass der Rohling mit Fräsverfahren bearbeitet wird.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefüg- ten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der beispielhaften Ausführungsform. Fig. 2 zeigt ein beispielhaftes Verdichterrad

Fig. 3 zeigt einen erweitere Baugruppe.

Figur 1 zeigt schematisch in einem Längsschnitt einen Kompressor 1 mit einem Verdichtergehäuse 12, das einen Einlass 2 und einen Auslass 3 für die verdichtete Zuluft zur Verbrennungsmaschine oder zur Brennstoffzelle aufweist. Eine Welle 6 wird in einem Gehäuse 13 über Lagerstellen 14 gelagert, in dem auch ein elektrischer Antrieb 4 eingebaut ist. Der elektrische Antrieb 4 besitzt einen Innenläufermotor mit einem Rotor 7, der auf der Welle 6 sitzt. Der elektrische Motor ist dabei nur ein Ausführungsbeispiel. Bei dem Motor kann es sich um einen bürstenlose Gleichstrommotor, einen BLDC-Motor handeln. Diese Motoren sind verschleißfrei zu betreiben und weisen bei geeigneter Ansteuerung ein gutes Regelverhalten auf.

Alternativ kommen Synchron-Relaktanzmotoren (SR) zum Einsatz. Der Vorteil eines Reluktanzmotors ist der Umstand, dass Verluste praktisch nur im ruhenden und somit von außen gut kühlbaren Stator entstehen. Somit sind entsprechend gebaute Reluktanzmotoren tolerant gegen kurzzeitige Überlastung. Durch den vergleichsweise einfachen Aufbau des Rotors ohne Spulen oder spezielle Werkstoffe, es werden keine Dauermagnete benötigt, kann der Rotor robust und bei entsprechender Konstruktion tolerant gegen Überdrehzahl ausgeführt werden. Am Gehäuse 13 ist einen Steuerung 8 angeflanscht. Die Steuerung 8 enthält die Leistungselektronik sowie die eigentliche Steuerung. Gegebenenfalls kann die Steuerungselektronik auch extern vorgesehen sein und nur in Verbindung mit der Leitungselektronik stehen. Die Welle 6 trägt ein Verdichterrad 5, das in den Bauraum des Verdichtergehäuses hineinragt. Das Verdichterrad stützt sich mit seiner Basis 17 gegen eine Schulter 15 der Welle 6 ab. An der Spitze 18 des Verdichterrads steht die Welle 6 über, wobei sie entlang des Überstands ein Gewinde trägt. Mit einer Mutter 1 6 wird das Verdichterrad gegen die Schulter 15 verspannt und gehalten. Als alternative Ausführung kann das Verdichterrad auch auf die Welle 6 gepresst werden, die Welle kann dazu mit einer Rändelung versehen werden, um diese Verbindung zu optimieren.

Das für die Welle verwendete Material kann aus Stahl bestehen oder ebenfalls aus Verbundmaterialen wie einem Kohlestoff-Faser verstärkten Material.

Das für das Verdichterrad verwendete Material ist dabei für die Reduzierung der Trägheit von großer Bedeutung. Daher wird Aluminium oder einen Aluminiumlegierung unter Beimischung von Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nano Tubes CNT) verwendet. CNTs sind sehr stabil. Die Zugfestigkeit einer mehrwandigen Kohlen- stoff-Nanoröhre wurde zu 63 GPa bestimmt, das entspricht etwa dem 50-fachen von Stahl, und dies bei deutlich geringerem Gewicht der CNTs. Sie können zudem isolierend, halbleitend oder metallisch leitend sein. Je nachdem, wie sie hergestellt werden, können ihre Eigenschaften direkt eingestellt werden. Die Herstellung der Metallmatrix-Komposite erfolgt für Aluminium oder Magnesium bevorzugt über die schmelzmetallurgische Route, für Titan durch Sintern.

Die schmelzmetallurgische Herstellung von AI-CNT-Kompositen erfolgte entweder durch direkte Zugabe der CNTs in die Aluminiumschmelze oder über ein Vorprodukt aus CNTs und Aluminium. Die Gießbarkeit der CNT-AI-Schmelze ist weiterhin gut, auch wenn eine leichte Zunahme der Viskosität erkennbar ist.

Für die Zukunft bilden Graphene ein hohes Potential, die eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur darstellen, in der jedes Kohlenstoffatom im Winkel von 120° von drei weiteren umgeben ist, sodass sich ein bienen- wabenförmiges Muster ausbildet. Graphene versprechen weitere Erhöhungen des Zugfestigkeit und somit eine weitere Materialverbesserung.

Die Verdichterräder werden dabei aus dem Komposite-Material als Rohling hergestellt und mittels Fräsverfahren in die gewünschte Form gebracht. Dabei werden Formen für die Flügel verwendet, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Es werden mindestens zwei Flügel vorgesehen. In Figur 2 ist ein Längsschnitt durch ein beispielhaftes Verdichterrad 5 zu erkennen. Das Verdichterrad 5 weist einen Hohlzylinder 9 auf, der für die Aufnahme der Welle 6 vorgesehen ist.

Es sind Ansätze von mehreren Flügeln 1 1 zu erkennen, die einen Verlauf von der Spitze 18 des Verdichterrads bis zur Basis 17 zeigen. Dabei können die Flügel auch einen radial-spiralförmigen Verlauf entlang der Oberfläche haben. Das Verdichterrad weist an seiner Basis einen weiteren Hohlraum 10 auf, der eine Aussparung zwischen dem Hohlzylinder für die Welle und einem Flügel 1 1 darstellt. Die Wandstärke s des Flügels wird dadurch reduziert. Sie kann durch die Verwendung des Komposite-Materials auf unter 1 mm Wandstärke sinken. Als besonders vorteilhaft hat sich dabei eine Wandstärke von 0,75 mm erwiesen. Diese Wandstärke ist eine minimale Wandstärke, die sich entlang des Verlaufs des Flügels erhöht. Die minimale Dicke ist in diesem Beispiel im Flankenbereich 19 des Flügels markiert. Die minimale Stärke kann aber auch im Randbereich oder in beiden Bereichen vorhanden sein.

Das Verdichterrad ist in dieser Bauform an seiner Spitze 18 abgeflacht ausgeführt. In einer alternativen Ausführungsform wir die Welle 6, die in der Figur 2 nicht ausgeführt ist, direkt mit dem Verdichterrad verbunden, sei es durch Einpressung, Verschraubung mit einem Innengewinde im Verdichterrad oder durch Einkleben der Welle. Dadurch erübrigt sich die Abflachung der Spitze und das Verdichterrad kann mit einer strömungsgünstigeren Nase 21 wie in Figur 3 gezeigt ausgeführt werden.

In Figur 3 wird eine Weiterbildung des Verdichterrads gezeigt. Dabei wird die Welle 6 als Hohlwelle direkt mit dem Verdichterrad hergestellt. Die Welle 6 muss keine Hohlwelle sein, diese Bauform ist aber wegen der reduzierten Masse einer Vollwelle vorzuziehen. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass auch der Rotor 7 des elektrischen Antriebs direkt mithergestellt wird und zusammen mit Verdichterrad und Welle eine aus einem Material hergestelltes Bauteil bildet. Auch dieses Bauteil wird als erweitertes Verdichterrad verstanden.

Die erfindungsgemäße Lösung für einen Verdichter kommt an unterschiedlichen Stellen zum Einsatz. Als Kompressor für das Verdichten von Saugluft einer Ver- brennungsmaschine ist der Verdichter vor der Ansaugöffnung angeordnet. Dabei ist die Anzahl der Ein- und Auslässe durch die bauliche Aufgabe bestimmt und nicht auf jeweils einen Einlass und einen Auslass limitiert.

Auch kann der erfindungsgemäße Verdichter in einem Turbolader im Abstrom angeordnet sein.

Bezugszeichenliste

Verdichter

Einlass

Auslass

Elektrischer Antrieb

Verdichterrad

Welle

Rotor

Steuerung

Hohlzylinder

Hohlraum

Flügel

Verdichtergehäuse

Gehäuse

Lagerstellen

Schulter

Mutter

Basis

Spitze

Flankenbereich

Randbereich

Nase