Elektrischer Verdichter für eine Verbrennungskraftmaschine

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Verdichter für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Elektromotor, der in einem Motorraum angeordnet ist, einer Antriebswelle, die über den Elektromotor antreibbar ist, einem Laufrad, welches mit der Antriebswelle verbunden ist und in einem Strömungsraum zwischen einem Einlass und einem Auslass angeordnet ist, einem ersten Gehäuseteil mit einer ersten Umfangswand, an deren Innenseite ein Stator des Elektromotors anliegt und einem zweiten Gehäuseteil, mit einer zweiten Umfangswand, welche die erste Umfangswand vollumfänglich umgibt.

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. Es entstehen mechanische Vibrationen durch die Drehung des Rotors sowie Vibrationen durch das elektrische Drehfeld, welche auf das Außengehäuse übertragen werden und zu einer erhöhten akustischen Belastung führen. Zusätzlich besteht durch das schnelle geforderte Anlaufen des Verdichters auch eine erhöhte thermische Belastung des Elektromotors und seiner Elektronik.

Ein elektrischer Verdichter, bei dem die im Elektromotor erzeugte Wärme nach außen abgeführt wird und der daher höheren thermischen Belastungen ausgesetzt werden kann, ist aus der JP 2009-257165 A bekannt. Dieser Kompressor weist ein zylindrisches Gehäuse auf, welches den Stator des Elektromotors aufnimmt. An der Außenseite dieses Gehäuses ist ein Kühlmittelkanal ausgebildet, der nach radial außen durch ein weiteres Gehäuseteil verschlossen wird. Entsprechend wird der Stator direkt durch das Kühlmittel gekühlt und die entstehende Wärme kann nach außen abgeführt werden. Vibrationen aufgrund der Bewegung des Rotors beziehungsweise der Welle des Elektromotors werden jedoch direkt auf das Außengehäuse übertragen.

Des Weiteren ist aus der WO 2014/135202 AI eine elektrische Vakuumpumpe bekannt, die ein separates Außengehäuse aufweist, welches zur Schallabschirmung dient und über elastomere Dämpfungselemente mit dem übrigen Gehäuse verbunden ist. Hierzu wird jedoch ein zusätzliches Gehäuseteil benötigt, so dass der Bauraum vergrößert wird. Auch kann keine aktive Kühlung des Stators vorgenommen werden.

Es stellt sich daher die Aufgabe, einen elektrischen Verdichter mit reduzierten Schallemissionen zu schaffen, indem eine Übertragung der entstehenden Vibrationen verringert wird, ohne zusätzliche Einhausungen verwenden zu müssen. Gleichzeitig soll eine aktive Kühlung des Elektromotors, also der Wicklungen des Stators und der Elektronik weiterhin sichergestellt werden. Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Verdichter mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass zwischen der ersten Umfangswand und der zweiten Umfangswand ein Radialspalt ausgebildet ist, in dem ein radial wirkendes Feder-Dämpferelement angeordnet ist, wird eine Abkopplung des den Stator aufnehmenden Gehäuseteils vom umliegenden Gehäuseteil erreicht. Die auftretenden Axial- und Radialkräfte sowie die daraus folgenden Vibrationen sowie die durch das elektrische Drehfeld entstehenden Vibrationen, deren Übertragung auf das äußere Gehäuse zu Schallemissionen führen würden, werden durch das Feder- Dämpfungselement deutlich verringert, so dass eine akustische Entkopplung geschaffen wird.

Um diesen Radialspalt zwischen den Gehäuseteilen möglichst gering halten zu können, ist das Feder-Dämpferelement vorzugsweise in einer Radialnut am ersten Gehäuseteil oder am zweiten Gehäuseteil angeordnet. Des Weiteren wird auf diese Weise die Lage des Feder- Dämpferelementes ohne zusätzliche Bauteile festgelegt.

Vorzugsweise ist das erste radial wirkende Feder-Dämpferelement an einem ersten axialen Ende der ersten Umfangswand angeordnet und ein zweites radial wirkendes Feder-Dämpferelement ist an einem entgegengesetzten axialen Ende der ersten Umfangswand angeordnet. Auf diese Weise wird über die gesamte Baulänge eine Führung der beiden Gehäuseteile zueinander über die Feder-Dämpferelemente geschaffen, so dass diese vollständig voneinander entkoppelt sind.

Besonders bevorzugt ist es, das Feder-Dämpferelement als Toleranzring auszuführen. Dieser eignet sich durch seine federnde und dämpfende Wirkung, erfüllt die erforderlichen Konzentrizitäten und kann auf das Erregersystem bezüglich der zu dämpfenden Vibrationen abgestimmt werden. In einer weiterführenden vorteilhaften Ausführungsform weist das zweite Gehäuseteil eine ringförmige Aufnahmeöffnung auf, welche radial nach außen durch die Umfangswand des zweiten Gehäuseteils begrenzt ist und radial nach innen durch einen sich axial erstreckenden ringförmigen Vorsprung des zweiten Gehäuseteils begrenzt ist, und in welche ein axiales Ende der Umfangswand des ersten Gehäuseteils ragt. So wird die Montage erleichtert und es wird eine Verbindung der beiden Gehäuseteile zueinander erzeugt, welche eine hohe Steifigkeit aufweist, wodurch ebenfalls Vibrationen vermindert werden.

Vorzugsweise ist das erste Feder-Dämpferelement zwischen der Innenseite der Umfangswand des zweiten Gehäuseteils und der Außenseite der Umfangswand des ersten Gehäuseteils angeordnet und das zweite Feder-Dämpferelement zwischen einer Außenseite des ringförmigen Vorsprungs des zweiten Gehäuseteils und der Innenseite der Umfangswand des ersten Gehäuseteils angeordnet. Die Führung des ersten Gehäuseteils erfolgt somit einmal über den Innendurchmesser und einmal über den Außendurchmesser. So wird eine vollständige Entkopplung zwischen den beiden Gehäuseteilen hergestellt und die Ausrichtung der beiden Teile zueinander verbessert.

In einer weiterführenden vorteilhaften Ausführungsform erstreckt sich die erste Umfangswand axial von einem Boden des ersten Gehäuseteils, der den Motorraum axial in Richtung des Strömungsgehäuses begrenzt und in dem zentral eine Öffnung zur Durchführung der Antriebswelle ausgebildet ist und die zweite Umfangswand und der ringförmige Vorsprung erstrecken sich axial von einem Boden des zweiten Gehäuseteils, durch den der Motorraum in entgegengesetzter axialer Richtung begrenzt ist. Durch diese Ausführung wird der gesamte Motorraum nach außen verschlossen. Zusätzliche Bauteile zur Aufnahme der Lager werden nicht benötigt. Vorteilhafterweise ist zwischen der ersten Umfangswand und der zweiten Umfangswand ein Kühlmittelkanal ausgebildet, durch den Wärme aus dem Motorraum nach außen abgeführt werden kann, so dass ein Überhitzen des Elektromotors zuverlässig vermieden wird.

In einer weiterführenden Ausgestaltung der Erfindung ist an der Außenseite der ersten Umfangswand eine schraubenförmige Ausnehmung als Kühlmitteilkanal ausgebildet, die axial durch einen schraubenförmigen Steg begrenzt wird, wobei zwischen dem Steg und der Innenseite der umgebenden Umfangswand der Radialspalt ausgebildet ist. Entsprechend wird eine direkte Berührung der beiden Gehäuseteile im Umfangsbereich trotz der Anordnung des Kühlmittelkanals zwischen diesen beiden Gehäuseteilen vermieden. Es wird somit eine akustische Abkopplung bei gleichzeitiger Wärmeabfuhr sichergestellt.

Vorzugsweise ist ein erster Dichtring am ersten axialen Ende der ersten Umfangswand angeordnet und ein zweiter Dichtring am entgegengesetzten axialen Ende der ersten Umfangswand angeordnet, so dass ein abgedichteter Kühlmittelkanal entsteht und somit ein Austreten des Kühlmittels aus dem Verdichter zuverlässig verhindert wird.

In einer hierzu weiterführenden vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist der erste Dichtring zwischen der Innenseite der Umfangswand des zweiten Gehäuseteils und der Außenseite der Umfangswand des ersten Gehäuseteils angeordnet und der zweite Dichtring ist zwischen der Außenseite des ringförmigen Vorsprungs des zweiten Gehäuseteils und der Innenseite der Umfangswand des ersten Gehäuseteils angeordnet. Die Dichtringe befinden sich somit jeweils benachbart zu den Feder- Dämpferelementen. So kann eine maximale Länge des durchströmten Kühlmittelkanals hergestellt und somit eine maximale Wärmeabführung sichergestellt werden. Es wird somit ein elektrischer Verdichter für eine Verbrennungskraftmaschine mit geringen Schallemissionen geschaffen, indem eine Übertragung der Vibrationen durch die Drehung des Rotors und die wechselnden elektromagnetischen Felder auf das äußere Gehäuseteil weitestgehend vermieden beziehungsweise gedämpft werden. Gleichzeitig bleibt eine Anbindung an ein Kühlsystem erhalten, so dass eine thermische Überlastung des Elektromotors zuverlässig vermieden wird.

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 geschnittener Darstellung.

Figur 2 zeigt eine Schnittansicht des Verdichters entlang der Linie S-S der Figur 1.

Figur 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der Ansicht der Figur 2.

Der erfindungsgemäße elektrische Verdichter besteht aus einem Gehäuse 10, welches sich aus insgesamt vier Gehäuseteilen zusammensetzt. In ein erstes zentrales Gehäuseteil 12 ist ein Stator 14 eines Elektromotors 16 eingepresst. 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 ersten Gehäuseteil 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, gelagert. Das erste Gehäuseteil 12 und das zweite Gehäuseteil 30 begrenzen einen Motorraum 32, in dem der Elektromotor 16 aufgenommen wird.

Auf der Antriebswelle 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, in der dargestellten Ansicht nicht ersichtlichen tangentialen 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, durch die die Antriebswelle 20 aus dem Motorraum 32 in den Strömungsraum 36 ragt, 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.

Das zweite Lager 26 ist an der zum Rotor 18 entgegengesetzten Seite in einem als zweite Lageraufnahme 28 dienenden weiteren zylindrischen Vorsprung 56 angeordnet, der sich axial von einem zweiten Boden 58, der am zweiten Gehäuseteil 30 ausgebildet ist, in den Motorraum 32 erstreckt. Auf der axial zum Motorraum entgegengesetzten Seite dieses Bodens 58 ist ein Elektronikraum 60 ausgebildet, der durch einen Deckel 62 verschlossen wird und in dem eine Platine zur Ansteuerung des Elektromotors 16 angeordnet ist. Zur Kontaktierung der Platine mit Wicklungen 64 des Stators 14 sind im Boden 58 entsprechende Durchstecköffnungen ausgebildet, durch die die Wicklungsenden 66 gesteckt werden.

Vom Boden 40 des ersten Gehäuseteils 12 erstreckt sich erfindungsgemäß im radial äußeren Bereich eine erste Umfangswand 68 in Richtung des Bodens 58 des zweiten Gehäuseteils 30, an deren Innenseite der Stator 14 eingepresst ist. Diese erste Umfangswand 68 ist von einer zweiten Umfangswand 70 des zweiten Gehäuseteils 30 umgeben, wobei zwischen der radialen Außenseite der ersten Umfangswand 68 und der radialen Innenseite der zweiten Umfangswand 70 ein geringer Radialspalt 72 vorgesehen ist, so dass keine direkte radiale Berührung des ersten Gehäuseteils 12 am zweiten Gehäuseteil 30 vorliegt.

Das zum Boden 58 des zweiten Gehäuseteils 30 weisende axiale Ende der ersten Umfangswand 68 des ersten Gehäuseteils 12 ragt in eine ringförmige Aufnahmeöffnung 74 des zweiten Gehäuseteils 30, welche zwischen der zweiten Umfangswand 70 und einem radial weiter innen sich vom Boden 58 erstreckenden weiteren ringförmigen Vorsprung 76 angeordnet ist. Die Breite dieser Aufnahmeöffnung 74 ist geringfügig größer als die Dicke dieses axialen Endes der Umfangswand 68, so dass auch hier der umlaufende Radialspalt 72 sowohl zur außen liegenden Umfangswand 70 als auch zum innen liegenden ringförmigen Vorsprung 76 erhalten bleiben.

Im zwischen den beiden axialen Enden liegenden Bereich der ersten Umfangswand 68 weist diese eine schraubenförmige Ausnehmung 78 auf, die als Kühlmittelkanal 80 dient. Die schraubenförmige Ausnehmung 78 wird axial jeweils durch die Wände eines schraubenförmigen Steges 82 begrenzt, zwischen welchem und der umliegenden zweiten Umfangswand 70, die den Kühlmittelkanal 80 radial begrenzt, ebenfalls der Radialspalt 72 fortgesetzt wird.

Dieser Radialspalt 72 wird dadurch über seine gesamte axiale Länge aufrecht erhalten, dass einerseits am zum Strömungsgehäuse 38 weisenden Ende der zweiten Umfangswand 70 an der radialen Innenseite eine Radialnut 84 ausgebildet ist, in der ein als erstes Feder- Dämpferelement 86 dienender Toleranzring angeordnet ist, der gegen eine Außenseite des einen axialen Endes der ersten Umfangswand 68 anliegt und andererseits an der Außenseite des ringförmigen Vorsprungs 76 des zweiten Gehäuseteils 30 ebenfalls eine Radialnut 88 ausgebildet ist, in der ein als zweites Feder-Dämpferelement 90 dienender zweiter Toleranzring angeordnet ist, der gegen eine Innenseite des entgegengesetzten axialen Endes der ersten Umfangswand 68 anliegt. Diese Toleranzringe weisen viele über den Umfang verteilte federnde Erhebungen 92 auf, gegen die das jeweils gegenüberliegende Gehäuseteil anliegt, wodurch eine Dämpfung der Relativbewegungen zueinander erzeugt wird. Alternativ könnten statt der Toleranzringe beispielweise auch Wellfedern verwendet werden. Durch diese Anordnung der Toleranzringe werden die beiden Gehäuseteile über die gesamte axiale Länge exakt zueinander auf den Toleranzringen geführt. So werden radiale Berührungsflächen vermieden.

Zur Abdichtung des Kühlmittelkanals 80 nach außen ist jeweils benachbart zu den Feder-Dämpferelementen 86, 90 am zum Boden 40 weisenden axialen Ende an der Außenseite der ersten Umfangswand 68 sowie am entgegengesetzten axialen Ende an der Innenseite der Umfangswand 68 eine Radialnut 94, 96 ausgebildet, in der je ein Dichtring 98, 100 in Form eines O-Rings angeordnet ist, der gegen die radial gegenüberliegende Innenseite der zweiten Umfangswand 70 beziehungsweise die Außenseite des ringförmigen Vorsprungs 76 des zweiten Gehäuseteils 30 dichtend anliegt. Kühlmittel, welches durch einen Kühlmitteleinlass 102 in den Kühlmittelkanal 80 strömt, kann somit in geringen Mengen über den Spalt 72 und die Feder-Dämpferelemente 86, 90 strömen, jedoch lediglich bis zu den Dichtringen 98, 100. Das Kühlmittel muss somit vollständig den Kühlmittelkanal 80 über einen Kühlmittelauslass 104 wieder verlassen. Somit entsteht eine zusätzliche Dämpfung durch die Umspülung der Feder-Dämpferelemente 86, 90 mit Kühlmittel.

Durch die Anordnung der Feder-Dämpferelemente 86, 90 im Bereich zwischen den beiden Gehäuseteilen 12, 30 wird das außen liegende zweite Gehäuseteil 30 weitestgehend vom innen liegenden ersten Gehäuseteil 12 aufgrund der fehlenden direkten Berührungsflächen entkoppelt. Aufgrund der Schwingungen des ersten Gehäuseteils 12 durch die Bewegung des Elektromotors 16 sowie der elektromagnetischen Felder entstehende Schallwellen werden so lediglich gedämpft an das äußere Gehäuseteil, welches für den größten Teil der nach außen dringenden Schallemissionen verantwortlich ist, weitergeben. Entsprechend sinken die im Außenbereich wahrzunehmenden Schallemissionen. Diese Wirkung wird durch die Füllung der Freiräume mit Kühlmittel in den Nuten, in denen die Feder-Dämpferelemente angeordnet sind, noch verstärkt. Gleichzeitig bleibt eine Anbindung an einen Kühlmittelkanal, der unmittelbar angrenzend zum Stator ausgebildet ist und damit eine sehr gute Wärmeabfuhr sicherstellt, erhalten.

Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Insbesondere können die Gehäuseteile andere Teilungen aufweisen oder andere Feder- Dämpferelemente verwendet werden, solange die Ankopplung der innenliegenden von den außenliegenden Gehäuseteilen sichergestellt wird. Andere konstruktive Änderungen sind ebenfalls denkbar.