EP1522736A2 - Lagerung für eine Rotorwelle eines elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichters - Google Patents

Lagerung für eine Rotorwelle eines elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichters Download PDF

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EP1522736A2
EP1522736A2 EP04017489A EP04017489A EP1522736A2 EP 1522736 A2 EP1522736 A2 EP 1522736A2 EP 04017489 A EP04017489 A EP 04017489A EP 04017489 A EP04017489 A EP 04017489A EP 1522736 A2 EP1522736 A2 EP 1522736A2
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EP
European Patent Office
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bearing
rotor shaft
bearing according
bearings
compressor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04017489A
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English (en)
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Inventor
Patric Hoecker
Stefan Dr. Münz
Jens Wolf Dr. Jaisle
Rainer Pflug
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BorgWarner Inc
Original Assignee
BorgWarner Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BorgWarner Inc filed Critical BorgWarner Inc
Publication of EP1522736A2 publication Critical patent/EP1522736A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/056—Bearings
    • F04D29/059—Roller bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/06—Lubrication
    • F04D29/063—Lubrication specially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/584—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps cooling or heating the machine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B39/00—Component parts, details, or accessories relating to, driven charging or scavenging pumps, not provided for in groups F02B33/00 - F02B37/00
    • F02B39/02—Drives of pumps; Varying pump drive gear ratio
    • F02B39/08—Non-mechanical drives, e.g. fluid drives having variable gear ratio
    • F02B39/10—Non-mechanical drives, e.g. fluid drives having variable gear ratio electric

Definitions

  • the invention relates to a bearing for a rotor shaft of a electromotive driven flow density according to the The preamble of claim 1.
  • the invention relates Further, an electric motor driven flow compressor with an electric motor, which has a common rotor shaft drives a compressor impeller.
  • Electric motor driven flow compressor of which the Invention out, have been known for some time.
  • Flow compressors are used, for example, to a improved charging of an internal combustion engine, for example a gasoline engine of a motor vehicle, in the lower Speed range to achieve.
  • an electric motor powered flow compressor is for example in the German patent application DE 100 23 022 A1 described.
  • turbocharger shaft In conventional exhaust gas turbochargers, which in comparatively high speeds in the range of 10,000 to about 300,000 revolutions are operated per minute, for storage the turbocharger shaft mostly oil-lubricated plain bearings used.
  • the rotor shaft an electric motor driven flow compressor store by means of two rolling bearings.
  • the object of the present invention is now a bearing for a rotor shaft of an electric motor driven Introducing flow compressor, this above meets the requirements described.
  • Another The object of the invention is an electric motor to provide a driven flow compressor, which operated at speeds up to 90,000 revolutions per minute can be.
  • this object is achieved by a storage for a rotor shaft of an electric motor driven flow compressor with the features of claim 1 and by an electric motor driven flow compressor solved with the features of claim 12.
  • a bearing portion of the rotor shaft encompassing bearing is provided according to the invention, that these bearings are permanently grease-lubricated, in particular life grease lubricated Rolling bearings are. So the camps are here filled with a suitable fat, preferably over the entire life of the flow compressor their lubrication accomplished.
  • Another advantage is less pollution the compressor air, because no oil entry in the compressed Air is in the compressor.
  • the functionality and aging resistance of the lubricating Fat needs a comparatively large temperature range to be guaranteed. In addition, it is subject to any startup of significant shear stress. As special therefore, the use of multigrade has been suitable Synthetic EP grease according to DIN 51502 - KPHC 2P-50 proved.
  • the rolling bearing or the bearings are designed as ball bearings.
  • the advantage a ball bearing is that this punctiform Contact with the raceway both axially and radially on the Can absorb bearing forces acting.
  • roller bearings or tapered roller bearings.
  • the material of the rolling elements includes ceramic or completely made of ceramic. Because of the smaller ones Density of the ceramic WälzSystemmaterials work at otherwise same boundary conditions smaller dynamic forces on the Rolling element.
  • SiC silicon carbide
  • C 3 N 4 carbon nitride
  • Si 3 N 4 silicon nitride
  • the friction-reducing material may additionally or alternatively as a coating on the bearing surfaces, i. the rolling elements, the Wälzringe and / or the cage be applied.
  • the resistance of storage can be compared Vibration or impact during operation increase. Furthermore, the noise is reduced. Further advantages for the use of such ceramic materials are their temperature resistance, as well as a comparatively low abrasion, so that the total bearing life is positively influenced overall.
  • the material the Wälzringe includes a carbide. So, in particular proved that hybrid bearings with ceramic Rolling elements and with carbide, preferably precious metal, having existing and / or hardened surfaces Wälzringen have a significantly higher life than purely metallic rolling bearings.
  • the spring element is a plate spring or as Balancing disc executed.
  • a bearing cooling device in particular a water cooling device intended.
  • the camps as possible in their intended Temperature range can be operated up to about 120 ° C.
  • an electric motor-driven flow compressor as described below.
  • the flow compressor essentially consists of a rotor with rotor shaft corresponding to one in a housing arranged stator cooperates.
  • the rotor shaft is supported by bearings on the housing and has an axial receiving portion on, on which a compressor impeller rotationally is appropriate.
  • the Rotor shaft are rotated and drives on this Direct the compressor impeller immediately.
  • Rotor shaft For storage of Rotor shaft according to the invention are those described above Rolling provided.
  • the flow compressor 1 comprises in the present embodiment a housing 2, in which the essential components, namely, the compressor impeller 10, the electric motor. 4 and the common rotor shaft 20 are arranged.
  • the compressor impeller 10 can be driven via the rotor shaft 20.
  • the rotor shaft 20 has a receiving portion 30 on which the compressor impeller 10 is mounted and with a lock nut 12, which on a threaded portion 32nd the rotor shaft 20 is screwed, held rotationally is.
  • the flow channels 16, 18 of the flow compressor 1 are characterized by a corresponding design as a flow housing 14 designated housing portion of the housing 2 is formed.
  • control electronics for the electric motor 4 is in a compressor impeller 10th housed opposite housing part 60, which is the electric motor driven flow compressor 1 at the front concludes.
  • bearings 46, 48 For storage of the rotor shaft 20 are present as ball bearings executed bearings 46, 48 provided, which - not here is shown in more detail - stand under defined bias.
  • the rotor shaft 20 also has bearing portions 26 which form a bearing seat designed with tight tolerances.
  • shoulder portions 24 Adjacent to the bearing portions 26 are shoulder portions 24 attached at the transition to the central portion 22, where each support the ball bearings 46, 48 axially.
  • the rotor shaft 20 has between the receiving portion 30 and the bearing portion 26 a sealing portion 28, the a sealing washer 42 with a piston ring 44 carries. hereby a seal between the flow channel 16, 18th and the electric motor 4 are ensured.
  • FIGS 2 and 3 show detailed representations, respectively the rotor shaft 20 and in particular the ball bearings 46, 48 for Storage of the rotor shaft 20.
  • the two ball bearings 46, 48 are arranged on both sides of the electric motor 4.
  • a ball bearing 46, 48 consists of a cage 70 and a variety free in the cage 70 movable balls 72.
  • the ball bearings 46, 48 further include an outer ring 84 and an inner ring 86. Between the outer ring 84 and the inner ring 86 are of the balls 70 held and guided balls 72 arranged so that they upon rotation of the rotor shaft 20 on this roll.
  • a respective ball bearing 46, 48 is in a specially for provided recess 74, 75 in a compressor side Housing part 58 and in a control electronics side housing part 56 arranged. Within the respective recess 74, 75 is in each case a gap 76 is present, which is a minor Game of the respective ball bearings 46, 48 in the axial direction X within the respective recess 74, 75 allows.
  • this bias is generated by one of the ball bearings 46, 48 with a spring element 78 is mechanically coupled.
  • the spring element 78 then acts in each case a ball bearing 46, 48 with a permanent pressure.
  • the two ball bearings 46, 48 point each further a stop 80, 82, wherein each one Stop 80, 82 a movement in each case a different axial Limited to X direction.
  • the stop 80 of the second control electronics side Ball bearings 48 a movement in opposite axial Limited to X direction.
  • the two ball bearings 46, 48 are available thus under a defined bias, leaving a force can be absorbed in the axial direction X.
  • the spring element 78 can be used as a plate spring, which is around the rotor shaft 20 is arranged around, be formed.
  • the plate spring can on both sides of its associated ball bearing 46, 48 may be arranged. Furthermore, the plate spring on both the Compressor-side ball bearing 46 ( Figure 2) and on the Control electronics side ball bearing 48 ( Figure 3) arranged be.
  • the spring element 78 as a shim be executed.
  • the rolling rings 84, 86 of the ball bearings 46, 48 is a conventional Steel provided, whereas the balls 72 from a Ceramic material exist.
  • Such hybrid bearings are in one Variety of different configurations generally known and are therefore suitable for permanent applications because tribologically considered, ceramic balls on metal a very have much longer life than metal balls on metal.
  • the ceramic balls 72 are advantageously made Silicon nitride, however, could be another suitable one here Ceramic, metal or plastic material can be used.
  • the ball bearings 46, 48 are permanently lubricated, especially grease lubricated for life.
  • the housing 2 has in the ball bearings 46, 48 a in Figures 1 to 3 not shown water cooling on. This allows the two permanently grease lubricated ball bearings 46, 48, which in operation may be over Can warm to 100 ° C, cool. This will ensure that even in a continuous operation of the invention electromotive driven flow compressor 1, the ball bearings 46, 48 and thus also their grease lubrication does not overheat and thereby undesirably their lubricating property to lose.
  • the bearings can be in both X-arrangement and O-arrangement be designed. Which of these bearings in an individual case is used is typically technical.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Lagerung für eine Rotorwelle (20) eines elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichters (1) mit wenigstens einem, insbesondere zwei, jeweils einen Lagerabschnitt (26) der Rotorwelle (20) umgreifenden Lager (46,48). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Lager (46,48) ein dauerfettgeschmiertes, insbesondere lebensdauerfettgeschmiertes Wälzlager (46,48) ist. Fernerhin betrifft die Erfindung einen elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichter (1) mit einem Elektromotor (4), welcher über eine gemeinsame Rotorwelle (20) ein Verdichterlaufrad (10) auftreibt. Erfindungsgemäß weist der Strömungsverdichter (1) eine Lagerung (46,48) der vorstehend beschriebenen Art auf. <IMAGE>

Description

Lagerung für eine Rotorwelle eines elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichters sowie elektromotorisch getriebener Strömungsverdichter.
Die Erfindung betrifft eine Lagerung für eine Rotorwelle eines elektromotorisch getriebenen Strömungsdichters gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner einen elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichter mit einem Elektromotor, der über eine gemeinsame Rotorwelle ein Verdichterlaufrad antreibt.
Elektromotorisch getriebene Strömungsverdichter, von der die Erfindung ausgeht, sind schon längere Zeit bekannt. Derartige Strömungsverdichter werden beispielsweise eingesetzt, um eine verbesserte Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise eines Ottomotors eines Kraftfahrzeugs, im unteren Drehzahlbereich zu erzielen. Ein derartiger durch einen Elektromotor angetriebener Strömungsverdichter ist beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift DE 100 23 022 A1 beschrieben.
Bei herkömmlichen Abgasturboladern, welche bei vergleichsweise hohen Drehzahlen im Bereich von 10000 bis etwa 300000 Umdrehungen pro Minute betrieben werden, werden zur Lagerung der Turboladerwelle mehrheitlich ölgeschmierte Gleitlager eingesetzt.
Als Zusatzaufladeaggregate eingesetzte elektromotorgetriebene Strömungsverdichter erreichen demgegenüber Drehzahlen von etwa 60.000 - 90.000 Umdrehungen pro Minute.
Aufgrund der niedrigen Drehzahl und aufgrund der niedrigen thermischen Belastung wurde in der Fachwelt erwogen, die Rotorwelle eines elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichters mittels zweier Wälzlager zu lagern.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nunmehr darin, eine Lagerung für eine Rotorwelle eines elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichters vorzustellen, die diesen vorstehend beschriebenen Anforderungen gerecht wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichter bereitzustellen, welcher bei Drehzahlen bis zu 90.000 Umdrehungen pro Minute betrieben werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Lagerung für eine Rotorwelle eines elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichters mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.
Bei einer Lagerung für eine Rotorwelle eines elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichters, welche wenigstens ein, vorzugsweise jedoch zwei, einen Lagerabschnitt der Rotorwelle umgreifende Lager aufweist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass diese Lager dauerfettgeschmierte, insbesondere lebensdauerfettgeschmierte Wälzlager sind. Die Lager sind hier also mit einem geeigneten Fett befüllt, das vorzugsweise über die gesamte Lebensdauer des Strömungsverdichters deren Schmierung bewerkstelligt.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann damit auf eine gesonderte Ölversorgung für die Lagerung verzichtet werden. Vorteile einer solchen ölfreien Lagerung bestehen in dem Wegfall von Schmiermittelanschlüssen. Durch den Wegfall eigens für eine Ölzufuhr erforderlicher Schmiermittelanschlüsse sowie der Versorgungsleitungen zu dem Schmiermittelreservoir wird die gesamte Anordnung kostengünstiger.
Ein weiterer Vorteil besteht in einer geringeren Verschmutzung der Verdichterluft, weil kein Öleintrag in die verdichtete Luft im Verdichter erfolgt.
Die Funktionalität- und Alterungsbeständigkeit des schmierenden Fettes muss über einen vergleichsweise großen Temperaturbereich gewährleistet sein. Darüber hinaus unterliegt es bei jedem Hochlauf einer erheblichen Scherbeanspruchung. Als besonders geeignet hat sich daher die Verwendung von Mehrbereichs EP-Fett auf synthetischer Basis nach DIN 51502 - KPHC 2P-50 erwiesen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Wälzlager bzw. sind die Wälzlager als Kugellager ausgebildet. Der Vorteil eines Kugellagers besteht darin, dass dieses bei punktförmigem Kontakt zur Laufbahn sowohl axial als auch radial auf das Lager wirkende Kräfte aufnehmen kann.
Denkbar wäre allerdings auch die Verwendung von Rollenlagern oder Kegelrollenlagern.
Obwohl der Einsatz metallischer Wälzlager dem Grunde nach möglich ist, hat es sich gemäß der Erfindung als besonders vorteilhaft herausgestellt, sogenannte Hybridlager zu verwenden, bei denen die Wälzringe aus einem anderen Werkstoff ausgebildet sind als die Wälzkörper. Diese Hybridlager erweitern die Einsatzgrenzen metallischer Wälzlager besonders hinsichtlich der Drehzahl und der Lebensdauer.
Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn der Werkstoff der Wälzkörper Keramik beinhaltet oder vollständig aus Keramik gefertigt ist. Auf Grund der kleineren Dichte des keramischen Wälzkörpermaterials wirken bei sonst gleichen Randbedingungen kleinere dynamische Kräfte auf den Wälzkörpersatz.
Als keramische Werkstoffe kommen insbesondere solche in Betracht, welche eine geringe Oberflächenrauhigkeit und eine relativ große Härte aufweisen. Hierzu gehören beispielsweise diamantähnliche Karbonschichten (in der Fachsprache auch als Diamond like Carbon = DLC bezeichnet), Silizium Carbid (SiC), Karbonnitrid (C3N4), Siliziumnitrid (Si3N4) oder dergleichen.
Das reibungsmindernde Material kann zusätzlich oder alternativ als Beschichtung auf die Lageroberflächen, d.h. die Wälzkörper, die Wälzringe und/oder den Käfig aufgebracht sein.
Durch diese Werkstoffe kann die Resistenz der Lagerung gegenüber Vibrationen oder Schlagbelastung während des Betriebs erhöht werden. Weiterhin wird die Geräuschentwicklung reduziert. Weitere Vorteile für die Verwendung derartiger Keramikwerkstoffe sind deren Temperaturbeständigkeit, sowie ein vergleichsweise geringer Abrieb, so dass die Gesamtlagerlebensdauer insgesamt positiv beeinflusst wird.
Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass der Werkstoff der Wälzringe ein Hartmetall beinhaltet. So hat sich insbesondere herausgestellt, dass Hybrid-Wälzlager mit keramischen Wälzkörpern und mit aus Hartmetall, vorzugsweise Edelmetall, bestehenden und/oder gehärtete Oberflächen aufweisenden Wälzringen eine deutlich höhere Lebensdauer aufweisen als rein metallische Wälzlager.
Wichtig für die Funktionalität der Lagerung ist eine abgestimmte Dimensionierung der Lagersitze der jeweiligen Lager. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass die jeweiligen Lager axial definiert vorgespannt und damit stets durch eine Mindestkraft belastet sind. Dadurch wird einerseits gewährleistet, dass thermische Relativdehnungen aufgenommen werden und andererseits, dass die Lager in keinem Betriebszustand spielbehaftet arbeiten. Durch diese Maßnahme wird die Lebensdauer der Lagerung deutlich erhöht.
Zur Erzeugung der axialen Vorspannung ist ein mit dem jeweiligen Lager mechanisch gekoppeltes Federelement vorgesehen. Vorzugsweise ist das Federelement als Tellerfeder oder als Ausgleichsscheibe ausgeführt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Lagerkühlungseinrichtung, insbesondere eine Wasserkühlungseinrichtung vorgesehen. Auf diese Weise wird zusätzlich sichergestellt, dass die Lager möglichst in dem für sie vorgesehenen Temperaturbereich bis etwa 120°C betrieben werden.
Erfindungsgemäß ist ein elektromotorisch getriebener Strömungsverdichter wie nachfolgend beschreiben ausgebildet. Der Strömungsverdichter besteht im wesentlichen aus einem Rotor mit Rotorwelle, der mit einem in einem Gehäuse korrespondierend angeordneten Stator zusammenwirkt. Die Rotorwelle ist über Lager am Gehäuse abgestützt und weist einen axialen Aufnahmeabschnitt auf, an dem ein Verdichterlaufrad verdrehfest angebracht ist. Durch Bestromung des Elektromotors kann die Rotorwelle in Drehung versetzt werden und treibt auf diese Weise das Verdichterlaufrad unmittelbar an. Zur Lagerung der Rotorwelle sind erfindungsgemäß die vorstehend beschriebenen Wälzlager vorgesehen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1
in einer Schnittdarstellung einen von einem Elektromotor antreibbaren Strömungsverdichter;
Figur 2
in einer Detaildarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer Rotorwelle mit erfindungsgemäßer Lagerung;
Figur 3
in einer Detaildarstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer Rotorwelle mit erfindungsgemäßer Lagerung.
In allen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Teile - sofern nichts anderes angegeben ist - mit gleichen Bezugszeichen versehen worden.
Der grundsätzliche Aufbau eines erfindungsgemäßen, durch einen Elektromotor angetriebenen Strömungsverdichters ergibt sich aus der Schnittdarstellung in Figur 1.
In Figur 1 ist der erfindungsgemäße elektromotorisch getriebene Strömungsverdichter mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet.
Der Strömungsverdichter 1 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Gehäuse 2, in welchem die wesentlichen Bauteile, nämlich das Verdichterlaufrad 10, der Elektromotor 4 und die gemeinsame Rotorwelle 20 angeordnet sind.
Das Verdichterlaufrad 10 ist über die Rotorwelle 20 antreibbar. Hierzu weist die Rotorwelle 20 einen Aufnahmeabschnitt 30 auf, auf den das Verdichterlaufrad 10 aufgesetzt und mit einer Sicherungsmutter 12, die auf einen Gewindeabschnitt 32 der Rotorwelle 20 aufgeschraubt ist, verdrehfest gehalten ist. Die Strömungskanäle 16, 18 des Strömungsverdichters 1 sind durch eine entsprechende Gestaltung eines als Strömungsgehäuse 14 bezeichneten Gehäuseabschnitts des Gehäuses 2 gebildet.
Die das Verdichterlaufrad 10 antreibende Rotorwelle 20 weist einen Zentralabschnitt 22 auf, an dem ein den Läufer des Elektromotors 4 bildendes Rotorteil 50 angebracht ist. Korrespondierend hierzu ist ein Statorteil 52 als Axialabschnitt eines Gehäuseteils 56 vorgesehen, das in axialer Überdeckung mit einem Gehäuseteil 58 angeordnet ist. Die Zwischenräume 54 bilden Kanäle für eine Wasserkühlungseinrichtung für den im vorliegenden Fall als Asynchronmotor ausgebildeten Elektromotor 4.
Eine in Figur 1 nicht näher dargestellte Steuerungselektronik für den Elektromotor 4 ist in einem zum Verdichterlaufrad 10 gegenüberliegenden Gehäuseteil 60 untergebracht, das den elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichter 1 stirnseitig abschließt.
Zur Lagerung der Rotorwelle 20 sind vorliegend als Kugellager ausgeführte Wälzlager 46, 48 vorgesehen, die - was hier nicht näher dargestellt ist - unter definierter Vorspannung stehen. Die Rotorwelle 20 weist ferner Lagerabschnitte 26 auf, die einen mit engen Toleranzen gestalteten Lagersitz bilden.
Benachbart zu den Lagerabschnitten 26 sind Schulterabschnitte 24 am Übergang zum Zentralabschnitt 22 angebracht, an denen sich jeweils die Kugellager 46, 48 axial abstützen.
Die Rotorwelle 20 weist zwischen dem Aufnahmeabschnitt 30 und dem Lagerabschnitt 26 einen Dichtungsabschnitt 28 auf, der eine Dichtungsscheibe 42 mit einem Kolbenring 44 trägt. Hierdurch kann eine Abdichtung zwischen dem Strömungskanal 16, 18 und dem Elektromotor 4 gewährleistet werden.
Die Figuren 2 und 3 zeigen jeweils detaillierte Darstellungen der Rotorwelle 20 und insbesondere der Kugellager 46, 48 zur Lagerung der Rotorwelle 20. Die beiden Kugellager 46, 48 sind beidseitig am Elektromotor 4 angeordnet. Jeweils ein Kugellager 46, 48 besteht aus einem Käfig 70 und einer Vielzahl frei in dem Käfig 70 beweglicher Kugeln 72. Die Kugellager 46, 48 weisen ferner einen Außenring 84 und einen Innenring 86 auf. Zwischen dem Außenring 84 und dem Innenring 86 sind die von dem Käfig 70 gehaltenen und geführten Kugeln 72 angeordnet, so dass sie bei einer Rotation der Rotorwelle 20 auf diesen abrollen.
Ein jeweiliges Kugellager 46, 48 ist in einer eigens dafür vorgesehenen Ausnehmung 74, 75 in einem verdichterseitigen Gehäuseteil 58 bzw. in einem steuerungselektronikseitigen Gehäuseteil 56 angeordnet. Innerhalb der jeweiligen Ausnehmung 74, 75 ist jeweils ein Spalt 76 vorhanden, der ein geringfügiges Spiel der jeweiligen Kugellager 46, 48 in axialer Richtung X innerhalb der jeweiligen Ausnehmung 74, 75 ermöglicht.
Damit können auf die Rotorwelle 20 wirkende Kräfte in axialer Richtung X, die beispielsweise durch Temperaturänderungen oder die Einwirkung nicht ausschließlich radialer Drehmomente entstehen, ausgeglichen werden. Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass die beiden Kugellager 46, 48 unter einer definierten Vorspannung stehen.
In den vorliegenden Ausführungsbeispielen wird diese Vorspannung dadurch erzeugt, dass eines der Kugellager 46, 48 mit einem Federelement 78 mechanisch gekoppelt ist. Das Federelement 78 beaufschlagt dann jeweils ein Kugellager 46, 48 mit einem permanenten Druck. Die beiden Kugellager 46, 48 weisen ferner jeweils einen Anschlag 80, 82 auf, wobei jeweils ein Anschlag 80, 82 eine Bewegung in jeweils eine andere axiale Richtung X begrenzt. Im Falle des ersten verdichterseitigen Kugellagers 46 verhindert der Anschlag 80 eine über den Anschlag 80 hinausgehende Bewegung in axialer Richtung X, wohingegen der Anschlag 82 des zweiten steuerungselektronikseitigen Kugellagers 48 eine Bewegung in entgegengesetzter axialer Richtung X begrenzt. Die beiden Kugellager 46, 48 stehen somit unter einer definierten Vorspannung, so dass eine Kraft in axialer Richtung X aufgenommen werden kann.
Das Federelement 78 kann als Tellerfeder, die um die Rotorwelle 20 herum angeordnet ist, ausgebildet sein. Die Tellerfeder kann beidseitig an dem ihm zugeordneten Kugellager 46, 48 angeordnet sein. Ferner kann die Tellerfeder sowohl an dem verdichterseitigen Kugellager 46 (Figur 2) als auch an dem steuerungselektronikseitigen Kugellager 48 (Figur 3) angeordnet sein.
Alternativ hierzu kann das Federelement 78 auch als Ausgleichsscheibe ausgeführt sein.
Für die Wälzringe 84, 86 der Kugellager 46, 48 ist ein herkömmlicher Stahl vorgesehen, wohingegen die Kugeln 72 aus einem Keramikwerkstoff bestehen. Solche Hybridlager sind in einer Vielzahl unterschiedlicher Ausgestaltungen allgemein bekannt und eignen sich deshalb für dauerhafte Anwendungen, da tribologisch betrachtet, Keramikkugeln auf Metall eine sehr viel höhere Lebensdauer aufweisen als Metallkugeln auf Metall. Die Keramikkugeln 72 bestehen vorteilhafterweise aus Siliziumnitrid, jedoch könnte hier auch ein anderes geeignetes Keramik-, Metall- oder Kunststoffmaterial verwendet werden. Erfindungsgemäß sind die Kugellager 46, 48 dauerfettgeschmiert, insbesondere lebensdauerfettgeschmiert.
Das Gehäuse 2 weist im Bereich der Kugellager 46, 48 eine in den Figuren 1 bis 3 nicht näher dargestellte Wasserkühlung auf. Damit lassen sich die beiden dauerfettgeschmierten Kugellager 46, 48, die sich im Betrieb unter Umständen auf über 100°C erwärmen können, abkühlen. Dadurch wird gewährleistet, dass auch bei einem Dauerbetrieb des erfindungsgemäßen elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichters 1 die Kugellager 46, 48 und damit auch deren Fettschmierung nicht zu stark erhitzen und dadurch unerwünschterweise ihre Schmiereigenschaft verlieren.
In den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurde jeweils eine zweiseitige Lagerung beschrieben, jedoch wäre hier auch eine einseitige Lagerung denkbar. Darüber hinaus wäre es auch möglich, mehr als zwei Lagerstellen vorzusehen.
Die Lager können sowohl in X-Anordnung als auch O-Anordnung ausgestaltet sein. Welche dieser Lagerungen im Einzelfall verwendet wird, ist typischerweise technisch bedingt.
Bezugszeichenliste
1
elektromotorisch getriebener Strömungsverdichter
2
Gehäuse
4
Elektromotor
10
Verdichterlaufrad
12
Sicherungsmutter
14
Strömungsgehäuse
16, 18
Strömungskanal
20
Rotorwelle
22
Zentralabschnitt
24
Schulterabschnitt
26
Lagerabschnitt
28
Dichtungsabschnitt
30
Aufnahmeabschnitt
32
Gewindeabschnitt
42
Dichtungsscheibe
44
Kolbenring
46
erstes verdichterseitiges Kugellager
48
zweites steuerungselektronikseitiges Kugellager
50
Rotorteil
52
Statorteil
54
Zwischenraum für Wasserkühlung
56
steuerungselektronikseitiges Gehäuseteil
58
verdichterseitiges Gehäuseteil
60
Gehäuseteil zur Aufnahme der Steuerungselektronik
70
Käfig
72
Kugel
74
Ausnehmung
75
Ausnehmung
76
Spalt
78
Federelement
80
erster verdichterseitiger Anschlag der Rotor welle
82
zweiter steuerungselektronikseitiger Anschlag der Rotorwelle
84
Außenring
86
Innenring
X
axiale Richtung

Claims (12)

  1. Lagerung für eine Rotorwelle (20) eines elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichters (1) mit wenigstens einem, insbesondere zwei, jeweils einen Lagerabschnitt (26) der Rotorwelle (20) umgreifenden Lager (46,48)
    dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (46,48) ein dauerfettgeschmiertes, insbesondere lebensdauerfettgeschmiertes Wälzlager (46,48) ist.
  2. Lagerung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das verwendete Fett ein Mehrbereichs EP-Fett auf synthetischer Basis nach DIN 51502 KPHC2P-50 ist.
  3. Lagerung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Wälzlager (46,48) als Hybridlager (46,48) ausgebildet ist, bei dem die Wälzringe (84,86) aus einem anderen Werkstoff als die Wälzkörper (72) ausgebildet sind.
  4. Lagerung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zumindest ein Werkstoff des Hybridlagers (46,48), insbesondere der Werkstoff der Wälzkörper (72), Keramik beinhaltet.
  5. Lagerung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Keramikwerkstoff DLC und/oder Karbonnitrid und/oder Siliziumnitrid und/oder Siliziumkarbid beinhaltet.
  6. Lagerung nach Anspruch 3 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zumindest ein Werkstoff des Hybridlagers (46,48), insbesondere der Werkstoff des Käfigs (70) ein Hartmetall und/oder Kunststoff, insbesondere Polyamid, beinhaltet.
  7. Lagerung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Hartmetall ein oberflächengehärteter Stahl, vorzugsweise Edelstahl, ist.
  8. Lagerung nach einem der vorhergegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Lager (46,48) in axialer Richtung vorgespannt ist.
  9. Lagerung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Erzeugung der axialen Vorspannung ein mit dem Lager (46,48) mechanisch gekoppeltes Federelement (78) vorgesehen ist.
  10. Lagerung nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Federelement (78) als Tellerfeder oder als Ausgleichsscheibe ausgebildet ist.
  11. Lagerung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Lagerkühlungseinrichtung, insbesondere eine Wasserkühlungseinrichtung, vorgesehen ist.
  12. elektromotorisch getriebener Strömungsverdichter (1)
    mit einem Elektromotor (4), welcher über eine gemeinsame Rotorwelle (20) ein Verdichterlaufrad (10) antreibt und
    mit einer Lagerung (46,48) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
EP04017489A 2003-10-08 2004-07-23 Lagerung für eine Rotorwelle eines elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichters Withdrawn EP1522736A2 (de)

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