DE102017100181A1

DE102017100181A1 - Elektromotor zum Antrieb eines elektrischen Verdichters für eine Verbrennungskraftmaschine sowie Verfahren zur Montage eines Stators eines derartigen Elektromotors

Info

Publication number: DE102017100181A1
Application number: DE102017100181.6A
Authority: DE
Inventors: Berthold Herrmann; Rainer Peters
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2017-01-06
Filing date: 2017-01-06
Publication date: 2018-07-12

Abstract

Es sind Elektromotoren zum Antrieb elektrischer Verdichter für Verbrennungskraftmaschinen mit einem Gehäuse (10), welches zumindest eine radial einen Motorraum (12) begrenzende Umfangswand (52) und eine sich von der Umfangswand (52) radial erstreckende Axialwand (54) aufweist, einer Welle (18), die über den Elektromotor antreibbar ist, einem Rotor, der auf der Welle (18) befestigt ist und Permanentmagnete (26) aufweist, einem Stator (14) mit einem Statorpaket (44), auf welchem Wicklungen (48) angeordnet sind, und der im Motorraum (12) angeordnet ist, bekannt.Um die Schallemissionen dieser Elektromotoren zu verringern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass radial zwischen dem Stator (14) und der Umfangswand (52) ein umlaufender und sich über die gesamte axiale Länge des Stators (14) erstreckender Radialspalt (64) ausgebildet ist, in welchem eine Kleberschicht (60) aufgebracht wird, über die der Stator (14) im Gehäuse (10) befestigt ist, wobei zwischen dem Stator (14) und dem Gehäuse (10) ein die Kleberschicht (60) begrenzendes Dichtelement (56) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor zum Antrieb eines elektrischen Verdichters für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Gehäuse, welches zumindest eine radial einen Motorraum begrenzende Umfangswand und eine sich von der Umfangswand radial erstreckende Axialwand aufweist, einer Welle, die über den Elektromotor antreibbar ist, einem Rotor, der auf der Welle befestigt ist und Permanentmagnete aufweist und einem Stator mit einem Statorpaket, auf welchem Wicklungen angeordnet sind, und der im Motorraum angeordnet ist sowie ein Verfahren zur Montage eines Stators eines derartigen Elektromotors.
Elektrische Verdichter werden in modernen Verbrennungsmotoren eingesetzt, um bei plötzlicher Laststeigerungsanforderung kurzfristig aktiv einen ausreichenden Ladedruck zur Verfügung stellen zu können, der alleine durch einen Abgasturbolader aufgrund des notwendigen erhöhten Abgasdruckes nicht unmittelbar zur Verfügung gestellt werden kann. Dies erfolgt insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit kleinem Hubraum und hoher Leistung im leerlaufnahen Bereich entweder durch eine zusätzliche Nachverdichtung zum Abgasturbolader oder eine Vorverdichtung für diesen. Auch der Einsatz als einzelnes Aufladeaggregat im Verbrennungsmotor ist möglich. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind die Förderung von Sekundärluft zur Einblasung in den Abgastrakt während der Kaltstartphase oder eine Luftzufuhr zur Regenerierung des Partikelfilters.
Der Rotor und damit das Laufrad eines derartig genutzten Verdichters müssen in kürzester Zeit auf Drehzahlen von bis zu 70.000 U/min beschleunigt werden. Bei diesen Geschwindigkeiten entstehen hohe radiale und axiale Kräfte, welche von den Lagern und dem Gehäuse des Elektromotors, in dem die Lager angeordnet sind, aufgenommen werden müssen. Neben den dadurch entstehenden erhöhten mechanischen Vibrationen durch die Drehung des Rotors hat es sich herausgestellt, dass die erhöhten Schallemissionen vor allem durch das elektrische Drehfeld des Elektromotors und hier insbesondere durch den Schalteintrag des Stroms in die Spulen des Stators und die entstehenden magnetischen Kräfte entstehen und auf das Außengehäuse übertragen werden.
Ein elektrischer Verdichter, bei dem der Körperschall, der vom Stator aus auf das umliegende Gehäuse übertragen wird, reduziert werden soll, ist aus der DE 10 2015 106 652 A1 bekannt. Die Umfangswand des den Stator umgebenden Gehäuseteils weist mehrere axial verlaufende und gleichmäßig über den Umfang verteilte Stege auf, zwischen die der Stator geklemmt wird. Hierdurch wird die Körperfläche, die zur Schallübertragung zur Verfügung steht, reduziert, und Drehbewegungen des Stators im Gehäuse zuverlässig verhindert. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die bei einem derartig aufgebauten Verdichter im Elektromotor entstehenden Körperschallemissionen weiterhin zu hoch sind.
Des Weiteren ist aus der WO 2014/135202 A1 eine elektrische Vakuumpumpe bekannt, die ein separates Außengehäuse aufweist, welches zur Schallabschirmung dient und über elastomere Dämpfungselemente unter anderem mit dem den Stator aufnehmenden Gehäuseteil verbunden ist. Hierzu wird jedoch ein zusätzliches Gehäuseteil benötigt, so dass der Bauraum vergrößert wird.
Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Elektromotor für einen elektrischen Verdichter mit reduzierten Schallemissionen zu schaffen, indem eine Übertragung der entstehenden Vibrationen verringert wird, ohne zusätzliche Gehäuseteile verwenden zu müssen. Entsprechend soll sowohl der Körperschall als auch der Luftschall reduziert werden. Gleichzeitig soll eine Montage möglichst ohne zusätzliche Montageschritte zur Minderung der Schallemissionen bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird durch einen Elektromotor zum Antrieb eines elektrischen Verdichters für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Elektromotors mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 9 gelöst.
Dadurch, dass radial zwischen dem Stator und der Umfangswand ein umlaufender und sich über die gesamte axiale Länge des Stators erstreckender Radialspalt ausgebildet ist, in welchem eine Kleberschicht angeordnet ist, über die der Stator im Gehäuse befestigt ist, und zwischen dem Stator und dem Gehäuse ein die Kleberschicht begrenzendes Dichtelement angeordnet ist, wird eine Abkopplung des Stators vom umliegenden Gehäuseteil erreicht, da dieser nicht mehr am Gehäuseteil anliegt. Die auftretenden Axial- und Radialkräfte durch die Magnetkräfte und die daraus folgenden Vibrationen sowie die durch den Schalteintrag entstehenden Luftschallemissionen, die auf das äußere Gehäuse übertragen und durch das als Klangkörper wirkende Gehäuse verstärkt würden, werden durch die Kleberschicht und das Dichtelement deutlich gedämpft und so eine akustische Entkopplung geschaffen.
Ein solcher Elektromotor wird erfindungsgemäß hergestellt, indem in ein Gehäuse mit einer Umfangswand und einer Axialwand ein Dichtelement an der Axialwand oder der Umfangswand befestigt oder zur Anlage gebracht wird, daraufhin eine Kleberschicht auf die Umfangswand umlaufend aufgebracht wird, die sich über die gesamte axiale Länge des Stators erstreckt und abschließend der Stator in das Gehäuse eingebracht und gegen das Dichtelement geschoben wird. Hierdurch wird gleichzeitig die akustische Entkopplung hergestellt und die Befestigung des Stators im Gehäuse erreicht, so dass auf zusätzliche Montageschritte und Bauteile zur Verringerung der Schallemissionen verzichtet werden kann. Das Dichtelement verhindert gleichzeitig ein Ausfließen des Klebers aus dem Spalt zwischen dem Stator und dem umliegenden Gehäuseteil.
Bezüglich des Elektromotors ist es vorteilhaft, wenn axial zwischen der Axialwand und dem Stator ein Axialspalt ausgebildet ist, in dem das Dichtelement gegen die Axialwand und den Stator anliegend angeordnet ist. Durch diese Zwischenlage wird eine zuverlässige Abdichtung geschaffen, durch die der Kleber genau portioniert eingebracht werden kann und ein Herausfließen des Klebers aus dem Spalt verhindert werden kann. Zusätzlich wird die Körperschallübertragung in axialer Richtung ausgeschlossen, da eine Berührung zwischen der Axialwand und dem Stator vermieden wird.
Besonders bevorzugt ist es, das Dichtelement als elastischen Dichtungsring 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. Zusätzlich dichtet er den Kleber zuverlässig ab, so dass dieser nicht aus dem Spalt strömen kann.
Alternativ ist das Dichtelement vorzugsweise eine Kleberaupe, die an der Axialwand ausgebildet ist und welche ebenfalls zur Entkopplung des Stators sowie zur Abdichtung dient.
Vorzugsweise ist das Dichtelement aus Kunststoff, insbesondere ein Elastomer mit gut dämpfenden Eigenschaften. Das Dichtelement könnte dann als O-Ring ausgeführt sein, welche kostengünstig herstellbar und einfach zu montieren sind.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Dichtelement axial zwischen dem Stator und der Axialwand verformt eingeklemmt. Diese insbesondere elastische Verformung sorgt für eine sehr gute Abdichtwirkung.
In einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung liegt das Dichtelement umlaufend im Stoßbereich der Axialwand mit der Umfangswand axial und radial an. Bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorzugsweise das Dichtelement in den Stoßbereich zwischen der Umfangswand und der Axialwand eingebracht. Die Lage des Dichtelementes liegt somit fest, so dass eine Fehlmontage ausgeschlossen wird. Des Weiteren wird durch diese Lage verhindert, dass Kleber an die Axialwand gelangen kann, so dass die Entkopplung zur Axialwand ausschließlich durch das Dichtelement auf einer sehr kleinen Berührungsfläche erfolgt, wodurch die Übertragung der Körperschallemissionen noch einmal vermindert wird.
Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn das Gehäuse ein erstes Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil aufweist, wobei das erste Gehäuseteil die Axialwand und die Umfangswand aufweist und der Motorraum an der zur Axialwand entgegengesetzten axialen Seite durch das zweite Gehäuseteil verschlossen ist, welches beabstandet zum Stator angeordnet ist. Dieses zweite Gehäuseteil ist somit akustisch nicht zum Stator gekoppelt. Stattdessen kann es gegebenenfalls genutzt werden, um dennoch auf das erste Gehäuseteil übertragene Schallemissionen zusätzlich zu dämpfen.
In einer weiterführenden Ausbildung des Verfahrens wird der Stator vorzugsweise mit einer Montagevorrichtung in das Gehäuse eingebracht, mittels derer der Stator exakt zum Gehäuse ausgerichtet wird. So wird sichergestellt, dass eine gleichmäßige Kleberschicht zwischen dem Stator und dem umliegenden Gehäuse hergestellt wird, wodurch auch eine gleichmäßige Entkopplung des Gehäuses vom Stator über den gesamten Umfang sichergestellt wird. Unwuchten beim Zusammenbau des Verdichters, die ebenfalls zu unerwünschten Geräuschen führen können, werden ebenfalls vermieden.
Es wird somit ein Elektromotor für einen elektrischen Verdichter für eine Verbrennungskraftmaschine mit geringen Schallemissionen geschaffen, indem eine Übertragung der Vibrationen durch die entstehenden Kräfte aufgrund des magnetischen Feldes sowie des Luftschalls aufgrund des Schalteintrag des Stroms in die Wicklungen auf das umliegende Gehäuse deutlich verringert wird, indem eine Entkopplung hergestellt wird. Gleichzeitig wird eine sehr einfache Montage geschaffen, indem die Entkopplung des Stators vom Gehäuse und die Befestigung des Stators im Gehäuse in einem Fertigungsschritt erfolgen.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektromotors zum Antrieb eines elektrischen Verdichters ist in der Figur dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Die Figur zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Elektromotors in geschnittener Darstellung.
Der erfindungsgemäße Elektromotor besteht aus einem Gehäuse 10, welches einen Motorraum 12 umgibt und in welchem ein Stator 14 sowie ein Rotor 16 angeordnet sind, der auf einer Welle 18, auf der ein Laufrad eines elektrischen Verdichters angeordnet werden kann, befestigt ist. Die Welle 18 wird über zwei Lager 20, 22, die an entgegengesetzten axialen Enden des Rotors 16 in Aufnahmeöffnungen 24 des Gehäuses 10 auf der Welle 18 angeordnet sind, gelagert.
Der Rotor 16 ist zweipolig ausgeführt und weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel insgesamt sechs halbringförmige Permanentmagnete 26 auf, die an ihren Enden entgegengesetzte Pole aufweisen, wovon jeweils zwei gegenüberliegend zueinander auf die Welle 18 geklebt werden, so dass nach der Montage drei diametral magnetisierte Magnetringe 27, 28, 29 gebildet werden, welche axial hintereinander auf der Welle 18 angeordnet sind.
Die Magnete 27, 28, 29 bilden ein Rotorpaket 30, welches von einer Kunststoffbandage 32 radial umgeben und axial begrenzt ist und mit der Kunststoffbandage 32 den Rotor 16 bildet. Der Rotor 16 ist auf einem Wellenabschnitt 34 mit vergrößertem Durchmesser angeordnet. Beidseitig schließt sich an diesen Wellenabschnitt 34 jeweils ein Wellenabschnitt 36 mit verkleinertem Durchmesser an, auf dem jeweils ein Abstandsring 38 angeordnet ist, der mit seinem einen Ende gegen die Kunststoffbandage 32 und einen Absatz 40 zwischen den beiden Wellenabschnitten 34, 36 anliegt und mit seinem anderen axialen Ende einen Innenring 42 des an der jeweiligen Seite angeordneten Lagers 20, 22 anliegt.
Der Stator 14 besteht aus einem Statorpaket 44 aus gestapelten Blechlamellen mit Statorzähnen 46, auf welchen bestrombare Wicklungen 48 angeordnet sind. Zur Verwirklichung eines korrekten Rundlaufs ist der Stator 14 konzentrisch zur Welle 18 und dem Rotor 16 auszurichten und im Gehäuse 10 zu befestigen.
Dies erfolgt, indem zunächst in ein erstes Gehäuseteil 50, welches eine Umfangswand 52 und eine Axialwand 54 aufweist, die sich von der Umfangswand 52 radial nach innen erstreckt und an der die Aufnahmeöffnung 24 für das Lager 22 im radial inneren Bereich ausgebildet ist, ein als elastischer Dichtungsring 56 ausgeführtes Dichtelement 56 eingelegt wird und in einen Stoßbereich 58 zwischen der Umfangswand 52 und der Axialwand 54 geschoben wird. Dieses Dichtelement 56 liegt entsprechend radial gegen die Umfangswand 52 und axial gegen die Axialwand 54 an. Anschließend wird auf die Umfangswand 52 innen eine Kleberschicht 60 aufgebracht, die sich über die axiale Baulänge des Statorpakets 44 von dem Dichtelement 56 aus erstreckt. Mittels einer nicht dargestellten Montagevorrichtung wird daraufhin der Stator 14 in das Gehäuseteil 50 exakt ausgerichtet eingeführt, so dass die Kleberschicht 60 eine über den Umfang und die axiale Länge im Wesentlichen konstante Dicke aufweist. Der Stator 14 wird gegen das Dichtelement 56 geschoben, wodurch dieser axial verspannt wird und seine Dichtfunktion erfüllt, so dass der Kleber nicht am axialen Ende des Stators 14 zur Axialwand 54 gelangt.
Diese Anordnung hat zur Folge, dass keine direkte Berührung der Axialwand 54 des ersten Gehäuseteils 50 mit dem Stator 14 erfolgt, da durch das Dichtelement 56 ein Axialspalt 62 zwischen dem Stator 14 und dem Gehäuseteil 50 festgelegt wird und ein Radialspalt 64 zwischen dem Stator 14 und der Umfangswand 52 vollständig mit der Kleberschicht befüllt ist.
Auch ein zum Abschluss der Montage des Elektromotors den Motorraum 12 axial verschließendes zweites Gehäuseteil 66, in dem die zweite Aufnahmeöffnung 24 für das andere Lager 20 ausgebildet ist, und welches unter Zwischenlage eines O-Rings 68 am ersten Gehäuseteil 50 befestigt wird, bleibt beabstandet zum Stator 14.
Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung der Spalte zwischen dem Stator und dem umgebenden Gehäuse werden Vibrationen nicht unmittelbar an das umgebende Gehäuse übertragen, da eine Entkopplung erfolgt, so dass das Gehäuse nicht als Klangkörper funktioniert. Entsprechend wird der Luftschall und der Körperschall, der durch die wirkenden magnetischen Kräfte sowie durch die elektrischen Schalteinträge entsteht nicht mehr ungefiltert, sondern lediglich stark gedämpft auf das Gehäuse übertragen, wodurch die Schallemissionen deutlich reduziert werden. Insbesondere bei der Verwendung eines derartigen Elektromotors als Antrieb für elektrische Verdichter in Verbrennungsmotoren können diese Vorteile genutzt werden.
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Insbesondere kann statt des Dichtungsrings beispielsweise eine Kleberaupe als Dichtelement eingebracht werden oder der Dichtungsring in einer Axialnut in der Axialwand eingebracht werden, solange ein Abstand des Stators zur Axialwand sichergestellt wird. Auch ein Luftspalt kann zur Axialwand vorgesehen werden. Auch kann zusätzlich ein zweites Dichtelement die Klebezone an der entgegengesetzten axialen Seite begrenzen. Andere konstruktive Änderungen, insbesondere die Gehäuseteilungen des den Motorraum begrenzenden Gehäuses sind ebenfalls denkbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015106652 A1 [0004]
WO 2014/135202 A1 [0005]

Claims

Elektromotor zum Antrieb eines elektrischen Verdichters für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Gehäuse (10), welches zumindest eine radial einen Motorraum (12) begrenzende Umfangswand (52) und eine sich von der Umfangswand (52) radial erstreckende Axialwand (54) aufweist, einer Welle (18), die über den Elektromotor antreibbar ist, einem Rotor, der auf der Welle (18) befestigt ist und Permanentmagnete (26) aufweist, einem Stator (14) mit einem Statorpaket (44), auf welchem Wicklungen (48) angeordnet sind, und der im Motorraum (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass radial zwischen dem Stator (14) und der Umfangswand (52) ein umlaufender und sich über die gesamte axiale Länge des Stators (14) erstreckender Radialspalt (64) ausgebildet ist, in welchem eine Kleberschicht (60) angeordnet ist, über die der Stator (14) im Gehäuse (10) befestigt ist, und zwischen dem Stator (14) und dem Gehäuse (10) ein die Kleberschicht (60) begrenzendes Dichtelement (56) angeordnet ist.
Elektromotor zum Antrieb eines elektrischen Verdichters für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass axial zwischen der Axialwand (54) und dem Stator (14) ein Axialspalt (62) ausgebildet ist, in dem das Dichtelement (56) gegen die Axialwand (54) und den Stator (14) anliegend angeordnet ist.
Elektromotor zum Antrieb eines elektrischen Verdichters für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (56) ein elastischer Dichtungsring ist.
Elektromotor zum Antrieb eines elektrischen Verdichters für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (56) eine Kleberaupe ist, die an der Axialwand (54) ausgebildet ist.
Elektromotor zum Antrieb eines elektrischen Verdichters für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (56) aus Kunststoff ist.
Elektromotor zum Antrieb eines elektrischen Verdichters für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (56) axial zwischen dem Stator (14) und der Axialwand (54) verformt eingeklemmt ist.
Elektromotor zum Antrieb eines elektrischen Verdichters für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (56) umlaufend im Stoßbereich (58) der Axialwand (54) mit der Umfangswand (52) axial und radial anliegt.
Elektromotor zum Antrieb eines elektrischen Verdichters für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) ein erstes Gehäuseteil (50) und ein zweites Gehäuseteil (66) aufweist, wobei das erste Gehäuseteil (50) die Axialwand (54) und die Umfangswand (52) aufweist und der Motorraum (12) an der zur Axialwand (54) entgegengesetzten axialen Seite durch das zweite Gehäuseteil (66) verschlossen ist, welches beabstandet zum Stator (14) angeordnet ist.
Verfahren zur Montage eines Stators eines Elektromotors für einen elektrischen Verdichter einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in ein Gehäuse (10) mit einer Umfangswand (52) und einer Axialwand (54) ein Dichtelement (56) an der Axialwand (54) oder der Umfangswand (52) befestigt oder zur Anlage gebracht wird, daraufhin eine Kleberschicht (60) auf die Umfangswand (52) umlaufend aufgebracht wird, die sich über die gesamte axiale Länge des Stators (14) erstreckt, und abschließend der Stator (14) in das Gehäuse (10) eingebracht und gegen das Dichtelement (56) geschoben wird.
Verfahren zur Montage eines Stators eines Elektromotors für einen elektrischen Verdichter einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (56) in den Stoßbereich (58) zwischen der Umfangswand (52) und der Axialwand (54) eingebracht wird.
Verfahren zur Montage eines Stators eines Elektromotors für einen elektrischen Verdichter einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (14) mit einer Montagevorrichtung in das Gehäuse (10) eingebracht wird, mittels derer der Stator (14) exakt zum Gehäuse (10) ausgerichtet wird.