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DE102022129324B3 - Rotor for a charging device - Google Patents

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DE102022129324B3
DE102022129324B3 DE102022129324.6A DE102022129324A DE102022129324B3 DE 102022129324 B3 DE102022129324 B3 DE 102022129324B3 DE 102022129324 A DE102022129324 A DE 102022129324A DE 102022129324 B3 DE102022129324 B3 DE 102022129324B3
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Werner Verdoorn
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Dr Ing HCF Porsche AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (1) für eine Ladeeinrichtung (2) mit einem Turbinenrad (3) und einem Verdichterrad (4).Erfindungsgemäß ist vorgesehen,- dass an dem Verdichterrad (4) ein einstückig mit diesem ausgebildeter Verdichterradwellenabschnitt (5) angeordnet ist, wobei an dem Verdichterradwellenabschnitt (5) Aufnahmen (7) für Magnete (8) zur Bildung eines Rotors eines Elektromotors (9) angeordnet sind,- dass an dem Turbinenrad (3) ein einstückig mit diesem ausgebildeter Turbinenradwellenabschnitt (6) angeordnet ist,- dass der Verdichterradwellenabschnitt (5) drehfest in den Turbinenradwellenabschnitt (6) eingesteckt ist.- dass der Turbinenradwellenabschnitt (6) und das Turbinenrad (3) aus Keramik und der Verdichterradwellenabschnitt (5) und das Verdichterrad (4) aus Leichtmetall ausgebildet sind.The invention relates to a rotor (1) for a charging device (2) with a turbine wheel (3) and a compressor wheel (4). According to the invention, a compressor wheel shaft section (5) designed in one piece with the compressor wheel (4) is arranged , wherein receptacles (7) for magnets (8) are arranged on the compressor wheel shaft section (5) to form a rotor of an electric motor (9), - that a turbine wheel shaft section (6) formed in one piece with this is arranged on the turbine wheel (3), - that the compressor wheel shaft section (5) is inserted in a rotationally fixed manner into the turbine wheel shaft section (6).- that the turbine wheel shaft section (6) and the turbine wheel (3) are made of ceramic and the compressor wheel shaft section (5) and the compressor wheel (4) are made of light metal.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine Ladeeinrichtung mit einem Turbinenrad und einem Verdichterrad gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Ladeeinrichtung mit einem Gehäuse, in welchem ein solcher Rotor gelagert ist.The present invention relates to a rotor for a charging device with a turbine wheel and a compressor wheel according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a charging device with a housing in which such a rotor is mounted.

Aus der DE 10 2020 129 525 A1 ist ein Rotor für eine Ladeeinrichtung mit einem Turbinenrad und einem Verdichterrad bekannt, wobei an dem Verdichterrad ein Verdichterradwellenabschnitt angeordnet ist und wobei der Verdichterradwellenabschnitt Aufnahmen für Magnete zur Bildung eines Rotors eines Elektromotors aufweist.From the DE 10 2020 129 525 A1 a rotor for a charging device with a turbine wheel and a compressor wheel is known, a compressor wheel shaft section being arranged on the compressor wheel and the compressor wheel shaft section having receptacles for magnets to form a rotor of an electric motor.

Aus der US 4 486 147 A ist eine Rotorwellenanordnung zur Verwendung in Turboladern bekannt, umfassend eine Metallwelle mit einer zylindrischen Vertiefung und ein keramisches Turbinenrad mit einem Wellenstumpf, der in die Vertiefung eingesetzt ist.From the US 4,486,147 A For example, a rotor shaft assembly for use in turbochargers is known, comprising a metal shaft with a cylindrical recess and a ceramic turbine wheel with a stub shaft inserted into the recess.

Aus der DE 10 2015 116 019 A1 ist ein Läufer für eine Turbine bekannt, der einen aus Keramik hergestellten Turbinenrotor sowie eine aus Metall hergestellte Welle umfasst.From the DE 10 2015 116 019 A1 A rotor for a turbine is known, which includes a turbine rotor made of ceramic and a shaft made of metal.

Aus der US 4 697 325 A ist ein Verfahren zum Verbinden eines keramischen Materials mit einem metallischen MaterialFrom the US 4,697,325 A is a process for bonding a ceramic material to a metallic material

Aus der WO 2004/046522 A2 ist eine Ladeeinrichtung mit einem ein Turbinenrad und ein Verdichterrad aufweisenden Rotor bekannt, wobei das Turbinenrad und das Verdichterrad an einem Längsende einer Rotorwelle angeordnet und einstückig mit dieser ausgebildet sind. An einem gegenüberliegenden Längsende der Rotorwelle ist ein Hohlraum vorgesehen, in welchem Permanentmagnete zur Bildung eines Rotors eines Elektromotors eingesetzt sind.From the WO 2004/046522 A2 a charging device with a rotor having a turbine wheel and a compressor wheel is known, the turbine wheel and the compressor wheel being arranged at a longitudinal end of a rotor shaft and being formed in one piece with it. At an opposite longitudinal end of the rotor shaft, a cavity is provided in which permanent magnets are inserted to form a rotor of an electric motor.

Aus der DE 38 167 96 A1 ist ein Radialturbinenkeramikrotor mit integrierter Keramikwelle und einem nicht-keramischen Verdichterrad bekannt. Das Verdichterrad und die Keramikwelle sind dabei derart über eine thermisch und mechanisch belastbare sowie lösbare mechanische Kupplung verbunden, dass die lösbare Kupplung innerhalb des Verdichterrades angeordnet ist.From the DE 38 167 96 A1 a radial turbine ceramic microtor with an integrated ceramic shaft and a non-ceramic compressor wheel is known. The compressor wheel and the ceramic shaft are connected via a thermally and mechanically resilient and releasable mechanical coupling in such a way that the releasable coupling is arranged within the compressor wheel.

Aus der DE 10 2009 018 801 A1 ist ein Turbolader bekannt, der zumindest eine Turboladerwelle und ein Turboladerrad umfasst. Die Turboladerwelle und das Turboladerrad sind dabei einstückig aus einem Metallmatrix- oder Keramikmatrix-Verbundwerkstoff hergestellt.From the DE 10 2009 018 801 A1 a turbocharger is known which includes at least one turbocharger shaft and a turbocharger wheel. The turbocharger shaft and the turbocharger wheel are made in one piece from a metal matrix or ceramic matrix composite material.

Aus der WO 2013/165704 A1 ist ein Turbolader-Lagersystem mit folgenden Komponenten bekannt, einer Welle, die wenigstens einen Absatz aufweist, einer Lagerbuchse sowie einem Gleitlager, das an einem Lagerzapfenabschnitt angeordnet ist.From the WO 2013/165704 A1 a turbocharger bearing system is known with the following components, a shaft which has at least one shoulder, a bearing bush and a plain bearing which is arranged on a bearing journal section.

Aus der DE 10 2009 020 646 A1 ist ein Laufzeug für eine Fluidenergiemaschine, insbesondere für einen elektrisch angetriebenen Turbolader, bekannt, mit einer Welle, aus welcher zumindest längenbereichsweise ein Hohlkanal zum Kühlen des Laufzeugs ausgespart ist. Weiter vorgesehen ist zumindest ein drehfest mit der Welle verbundenes Laufrad, wobei zumindest ein Verbindungskanal zwischen dem Hohlkanal und dem Laufrad besteht. Hierdurch soll ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden.From the DE 10 2009 020 646 A1 a running gear for a fluid energy machine, in particular for an electrically driven turbocharger, is known, with a shaft from which a hollow channel for cooling the running gear is cut out, at least along its length. Also provided is at least one impeller connected to the shaft in a rotationally fixed manner, with at least one connecting channel between the hollow channel and the impeller. This is intended to achieve higher efficiency.

Aus der US 5,605,045 A1 ist eine Ladeeinrichtung mit einer Rotorwelle sowie einem daran angeordneten Verdichterrad und einem ebenfalls daran angeordneten Turbinenrad bekannt.From the US 5,605,045 A1 a charging device with a rotor shaft and a compressor wheel arranged thereon and a turbine wheel also arranged thereon is known.

Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Ladeeinrichtungen, beispielsweise Abgasturboladern, ist, dass diese, sofern der Rotor aus Metall ausgebildet ist, ein hohes Massenträgheitsmoment aufweisen und dadurch ein verzögertes Ansprechverhalten besitzen. Wird ein keramisches Turbinenrad verwendet, um beispielsweise eine Wärmeleitung in Richtung eines Lagergehäuses zu reduzieren, stellt sich das Problem einer zuverlässigen Verbindung mit einer Rotorwelle aus Metall. Darüber hinaus werden bei bisher aus dem Stand der Technik bekannten Ladeeinrichtungen die Rotoren über Gleit- oder Kugellager gelagert, wodurch eine Ölschmierung erforderlich ist. Eine derartige Ölschmierung birgt jedoch stets die Gefahr eines ÖI-Nebeleintrags in die Verdichterseite und darüber in die Brennkraftmaschine, was zu einem erhöhten Ölanteil in blow-by-Gasen im Kurbelgehäuse führen kann. Darüber hinaus entstehen selbst bei qualitativ höchstwertigen Kugellagern Reibungsverluste und damit Wirkungsgradverluste. Dies ist insbesondere dann von großer Bedeutung, sofern die Ladeeinrichtung über einen Elektromotor angetrieben ist.The disadvantage of the charging devices known from the prior art, for example exhaust gas turbochargers, is that, if the rotor is made of metal, they have a high mass moment of inertia and therefore have a delayed response behavior. If a ceramic turbine wheel is used, for example to reduce heat conduction in the direction of a bearing housing, the problem of a reliable connection to a metal rotor shaft arises. In addition, in charging devices known from the prior art, the rotors are mounted via plain or ball bearings, which means that oil lubrication is required. However, such oil lubrication always carries the risk of oil mist entering the compressor side and then into the internal combustion engine, which can lead to an increased oil content in blow-by gases in the crankcase. In addition, even with the highest quality ball bearings, friction losses and thus losses in efficiency occur. This is particularly important if the charging device is driven by an electric motor.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Rotor der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.The present invention therefore deals with the problem of providing an improved or at least an alternative embodiment for a rotor of the generic type, which in particular overcomes the disadvantages known from the prior art.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This problem is solved according to the invention by the subject matter of independent claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen im Wesentlichen zweiteiligen und zusammensteckbaren Rotor zu schaffen, bei welchem an einem Verdichterrad ein Verdichterradwellenabschnitt und an einem Turbinenrad ein Turbinenradwellenabschnitt einstückig angeformt sind. Diese beiden Elemente werden dann über ihre Wellenabschnitte ineinandergesteckt, wobei der Verdichterradwellenabschnitt drehfest in den Turbinenradwellenabschnitt eingesteckt ist, sodass eine Lagerung des Rotors über den außenliegenden Turbinenradwellenabschnitt erfolgen kann. Da der Turbinenradwellenabschnitt ebenso wie das Turbinenrad aus einer Keramik ausgebildet sind, erfolgt im Vergleich zu einer Ausbildung aus Metall ein deutlich reduzierter Wärmeübertrag in ein Lagergehäuse und in den Verdichterradwellenabschnitt, sodass der Verdichterradwellenabschnitt und darin angeordnete Magnete über das Verdichterrad besser kühlbar sind. Das Verdichterrad und der Verdichterradwellenabschnitt wiederum sind aus Leichtmetall ausgebildet, wobei der Verdichterradwellenabschnitt zumindest eine Aufnahme für Magnete zur Bildung eines Rotors eines Elektromotors aufweist. Durch den erfindungsgemäßen Rotor lassen sich so eine ganze Reihe von wesentlichen Vorteilen erzielen: Im Vergleich zu einer Ausbildung eines Rotors mit einer ein Verdichterrad und ein Turbinenrad tragenden Welle aus Stahl, weist der erfindungsgemäße Rotor durch Verwendung von Keramik für den Turbinenradwellenabschnitt und das Turbinenrad sowie Leichtmetall für den Verdichterradwellenabschnitt und das Verdichterrad ein deutlich geringeres Gewicht auf, wodurch der gesamte Rotor auch ein deutlich reduziertes Massenträgheitsmoment besitzt. Dies beeinflusst in positiver Weise auch ein Ansprechverhalten einer mit diesem Rotor ausgestatteten Ladeeinrichtung. Durch die einstückige Ausbildung des Turbinenrades mit dem Turbinenradwellenabschnitt und des Verdichterrades mit dem Verdichterradwellenabschnitt entfällt zugleich eine Montage des Verdichterrades am Verdichterradwellenabschnitt sowie des Turbinenrades am Turbinenradwellenabschnitt, wodurch die Fertigung vereinfacht und die Teilevielfalt und damit auch verbunden die Lager- und Logistikkosten reduziert werden können. Durch das geringe Gewicht von Keramik im Vergleich zu Stahl kann auch ein Durchmesser des Turbinenradwellenabschnitts deutlich größer gewählt werden, wodurch die Festigkeit der Rotorwelle, bestehend aus Turbinenradwellenabschnitt und Verdichterradwellenabschnitt deutlich gesteigert werden kann. Die Ausbildung des Verdichterrades und des Verdichterradwellenabschnitts aus Leichtmetall kann darüber hinaus eine besonders effektive Kühlung der im Verdichterradwellenabschnitt in den Aufnahmen angeordneten Magnete erfolgen, wodurch die Leistung eines den Rotor aufweisenden Elektromotors gesteigert werden kann. Um eine zusätzliche Gewichtsreduzierung des Rotors erreichen zu können, kann der Turbinenradwellenabschnitt und/oder der Verdichterradwellenabschnitt hohl ausgebildet sein. Durch das monolithische Design des Verdichterrades mit dem Verdichterradwellenabschnitt und des Turbinenrades mit dem Turbinenradwellenabschnitt und eine vergleichsweise große Verpressoberfläche (Kontaktfläche) zwischen Verdichterradwellenabschnitt und Turbinenradwellenabschnitt kann auch ein Migrations- bzw. Setzverhalten im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Rotoren deutlich verbessert werden.The present invention is based on the general idea of creating a rotor that is essentially two-part and can be plugged together, in which a compressor wheel shaft section is integrally formed on a compressor wheel and a turbine wheel shaft section is integrally formed on a turbine wheel. These two elements are then inserted into one another via their shaft sections, with the compressor wheel shaft section being inserted into the turbine wheel shaft section in a rotationally fixed manner, so that the rotor can be supported via the external turbine wheel shaft section. Since the turbine wheel shaft section as well as the turbine wheel are made of a ceramic, there is a significantly reduced heat transfer into a bearing housing and into the compressor wheel shaft section compared to a metal design, so that the compressor wheel shaft section and magnets arranged therein can be cooled better via the compressor wheel. The compressor wheel and the compressor wheel shaft section are in turn made of light metal, with the compressor wheel shaft section having at least one receptacle for magnets to form a rotor of an electric motor. The rotor according to the invention allows a whole series of significant advantages to be achieved: In comparison to a design of a rotor with a shaft made of steel carrying a compressor wheel and a turbine wheel, the rotor according to the invention has the use of ceramics for the turbine wheel shaft section and the turbine wheel as well as light metal the compressor wheel shaft section and the compressor wheel have a significantly lower weight, which means that the entire rotor also has a significantly reduced mass moment of inertia. This also has a positive influence on the response behavior of a charging device equipped with this rotor. Due to the one-piece design of the turbine wheel with the turbine wheel shaft section and the compressor wheel with the compressor wheel shaft section, there is no need to mount the compressor wheel on the compressor wheel shaft section and the turbine wheel on the turbine wheel shaft section, which simplifies production and reduces the variety of parts and the associated storage and logistics costs. Due to the low weight of ceramic compared to steel, a diameter of the turbine wheel shaft section can also be chosen to be significantly larger, whereby the strength of the rotor shaft, consisting of the turbine wheel shaft section and compressor wheel shaft section, can be significantly increased. The formation of the compressor wheel and the compressor wheel shaft section from light metal can also provide particularly effective cooling for the magnets arranged in the receptacles in the compressor wheel shaft section, whereby the performance of an electric motor having the rotor can be increased. In order to be able to achieve an additional weight reduction of the rotor, the turbine wheel shaft section and/or the compressor wheel shaft section can be hollow. Due to the monolithic design of the compressor wheel with the compressor wheel shaft section and the turbine wheel with the turbine wheel shaft section and a comparatively large pressing surface (contact area) between the compressor wheel shaft section and the turbine wheel shaft section, migration or settling behavior can also be significantly improved compared to rotors known from the prior art.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors ist eine den Turbinenradwellenabschnitt umgebende Lagerhülse vorgesehen. Diese Lagerhülse kann Axiallagerschultern aufweisen und dadurch als axiale Lagerung für den Rotor dienen. Eine derartige Lagerhülse wird dabei vor dem Ineinanderstecken des Verdichterradwellenabschnitts in den Turbinenradwellenabschnitt aufgebracht. Über eine derartige Lagerhülse ist eine besonders leichtgängige Lagerung des Rotors an einem Gehäuse einer Ladeeinrichtung, beispielsweise einem Abgasturbolader, denkbar.In an advantageous development of the rotor according to the invention, a bearing sleeve surrounding the turbine wheel shaft section is provided. This bearing sleeve can have axial bearing shoulders and thereby serve as an axial bearing for the rotor. Such a bearing sleeve is applied to the turbine wheel shaft section before the compressor wheel shaft section is inserted into one another. A particularly smooth mounting of the rotor on a housing of a charging device, for example an exhaust gas turbocharger, is conceivable using such a bearing sleeve.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors ist das Turbinenrad samt Turbinenradwellenabschnitt aus Siliziumnitrid (Si3N4) ausgebildet. Eine vergleichsweise hohe Bruchzähigkeit in Kombination mit kleinen Defektgrößen verleiht Siliziumnitrid eine der höchsten Festigkeit unter ingenieurkeramischen Werkstoffen. Durch die Kombination einer hohen Festigkeit und zugleich einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einem relativ großen Elastizitätsmodul eignet sich Siliziumnitrid insbesondere auch für thermisch hoch beanspruchte Bauteile, beispielsweise in einem Abgasstrom. Zugleich besitzt Siliziumnitrid einen vergleichsweise geringen Wärmeleitkoeffizienten, wodurch ein unbeabsichtigter Wärmeeintrag in ein Lagergehäuse oder auf eine Verdichterseite einer Ladeeinrichtung unterbunden, zumindest aber minimiert werden kann. Zugleich besitzt Siliziumnitrid im Vergleich zu Stahl ein deutlich geringeres Gewicht, wodurch das aus Turbinenrad und Turbinenradwellenabschnitt bestehende Bauteil deutlich leichter ausgebildet werden kann. Hierdurch ist es möglich, positiv Einfluss auf ein Massenträgheitsmoment zu nehmen, wodurch eine mit diesem Rotor ausgestattete Ladeeinrichtung ein schnelleres Ansprechverhalten erhält. Durch die keramische Ausführungsform des Turbinenradwellenabschnitts beeinträchtigt dieser auch kein Magnetfeld der innerhalb des Turbinenradwellenabschnitts in der Aufnahme des Verdichterradwellenabschnitts angeordneten Magnete, wodurch ein mit einem solchen Rotor ausgestatteter Elektromotor eine hohe Leistungsfähigkeit besitzt.In a further advantageous embodiment of the rotor according to the invention, the turbine wheel including the turbine wheel shaft section is made of silicon nitride (Si3N4). A comparatively high fracture toughness in combination with small defect sizes gives silicon nitride one of the highest strengths among engineering ceramic materials. Due to the combination of high strength and at the same time a low coefficient of thermal expansion and a relatively large modulus of elasticity, silicon nitride is particularly suitable for components subject to high thermal stress, for example in an exhaust gas stream. At the same time, silicon nitride has a comparatively low thermal conductivity coefficient, which means that unintentional heat input into a bearing housing or onto a compressor side of a charging device can be prevented or at least minimized. At the same time, silicon nitride has a significantly lower weight compared to steel, which means that the component consisting of the turbine wheel and turbine wheel shaft section can be made significantly lighter. This makes it possible to have a positive influence on a mass moment of inertia, which means that a charging device equipped with this rotor has a faster response. Due to the ceramic embodiment of the turbine wheel shaft section, it does not affect the magnetic field of the magnets arranged within the turbine wheel shaft section in the receptacle of the compressor wheel shaft section, as a result of which an electric motor equipped with such a rotor has high performance.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors ist das Verdichterrad samt Verdichterradwellenabschnitt aus Aluminium ausgebildet. Aluminium stellt dabei eine mögliche Ausführungsform eines Leichtmetalls dar, die im Vergleich zu Stahl ein deutlich geringeres Gewicht aufweist und über eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit verfügt, sodass die im Verdichterradwellenabschnitt angeordneten Magnete optimal kühlbar sind. Damit ist auch ein mit einem solchen Rotor ausgestatteter Elektromotor besser kühlbar und dadurch hinsichtlich seiner Leistungsfähigkeit steigerbar.In a further advantageous embodiment of the rotor according to the invention, the compressor wheel including the compressor wheel shaft section is made of aluminum. Aluminum represents a possible embodiment of a light metal that has a significantly lower weight compared to steel and has particularly good thermal conductivity, so that the magnets arranged in the compressor wheel shaft section can be optimally cooled. This means that an electric motor equipped with such a rotor can be cooled better and its performance can therefore be increased.

Zweckmäßig sind die Magnete in den Aufnahmen des Verdichterradwellenabschnitts verklebt. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Verdichterradwellenabschnitts aus Leichtmetall können Klebstoffe zur Fixierung der Magnete in der Aufnahme eingesetzt werden, da die in der Aufnahme auftretenden Temperaturen den Klebstoff nicht negativ beeinträchtigen. Rein theoretisch ist selbstverständlich auch eine Formschlussverbindung oder eine Pressverbindung zwischen den Magneten und den Aufnahmen des Verdichterradwellenabschnitts denkbar.The magnets are expediently glued into the receptacles of the compressor wheel shaft section. Due to the high thermal conductivity of the compressor wheel shaft section made of light metal, adhesives can be used to fix the magnets in the receptacle, since the temperatures occurring in the receptacle do not negatively affect the adhesive. Purely theoretically, a positive connection or a press connection between the magnets and the receptacles of the compressor wheel shaft section is of course also conceivable.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors weist der Turbinenradwellenabschnitt an einer Außenmantelfläche ein einstückig mit diesem ausgebildetes hydrodynamisches Lager, beispielsweise ein Luftfolienlager oder ein Spiralrillenlager, auf. Ein derartiges hydrodynamisches Lager bewirkt eine besonders leichtgängige und insbesondere auch ölfreie Lagerung des Rotors in einem Lagergehäuse einer Ladeeinrichtung. Zugleich können bisher eingesetzte Lager, beispielsweise Gleit- oder Kugellager, entfallen, wodurch sich sowohl die Teilevielfalt als auch ein Montageaufwand reduzieren.In a further advantageous embodiment of the rotor according to the invention, the turbine wheel shaft section has a hydrodynamic bearing formed integrally with it on an outer surface, for example an air foil bearing or a spiral groove bearing. Such a hydrodynamic bearing ensures that the rotor is mounted in a bearing housing of a loading device in a particularly smooth and, in particular, oil-free manner. At the same time, previously used bearings, such as plain or ball bearings, can be eliminated, which reduces both the variety of parts and the assembly effort.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors ist der Turbinenradwellenabschnitt mit dem Verdichterradwellenabschnitt verpresst und/oder verklebt. Um eine zuverlässige drehfeste Verbindung zwischen dem Turbinenradwellenabschnitt und dem Verdichterradwellenabschnitt zu erzeugen, kann somit eine Klebe- und/oder Pressverbindung eingesetzt werden. Beide Verbindungen ermöglichen dabei eine fertigungstechnisch einfach herzustellende Verbindung, wobei aufgrund der vergleichsweise großen Kontaktflächen zwischen einer Innenmantelfläche des Turbinenradwellenabschnitts und einer Außenmantelfläche des Verdichterradwellenabschnitts zugleich auch ein optimierter Wärmeübertrager vom Turbinenradwellenabschnitt in den Verdichterradwellenabschnitt und damit eine optimierte Kühlung des Turbinenradwellenabschnitts erfolgt.In a further advantageous embodiment of the rotor according to the invention, the turbine wheel shaft section is pressed and/or glued to the compressor wheel shaft section. In order to create a reliable, rotation-proof connection between the turbine wheel shaft section and the compressor wheel shaft section, an adhesive and/or press connection can be used. Both connections enable a connection that is easy to produce in terms of production technology, and due to the comparatively large contact surfaces between an inner surface of the turbine wheel shaft section and an outer surface of the compressor wheel shaft section, an optimized heat exchanger from the turbine wheel shaft section into the compressor wheel shaft section and thus an optimized cooling of the turbine wheel shaft section also takes place.

Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Ladeeinrichtung, beispielsweise einen Abgasturbolader, anzugeben, in welchem ein Rotor entsprechend den vorherigen Absätzen gelagert ist. Hiermit lassen sich die bezüglich des Rotors beschriebenen Vorteile auf die Ladeeinrichtung übertragen. Konkret handelt es sich bei diesen Vorteilen insbesondere um ein reduziertes Gewicht aufgrund der Verwendung von Leichtmetall für den Verdichterradwellenabschnitt und das Verdichterrad sowie Keramik für den Turbinenradwellenabschnitt und das Turbinenrad und ein deutlich verbessertes Setzverhalten aufgrund der einstückigen Ausbildung des Turbinenradwellenabschnitts mit dem Turbinenrad und des Verdichterradwellenabschnitts mit dem Verdichterrad. Zugleich kann durch den Verdichterradwellenabschnitt aus Leichtmetall auch eine verbesserte Kühlung der darin angeordneten Magnete und des Turbinenradwellenabschnitts ermöglicht werden. Durch das geringere Gewicht, welches zusätzlich dadurch reduziert werden kann, dass der Turbinenradwellenabschnitt und das Turbinenrad bzw. der Verdichterradwellenabschnitt und das Verdichterrad zumindest bereichsweise hohl ausgebildet sind, kann zudem ein schnelles Ansprechverhalten der Ladeeinrichtung ebenso wie ein geringes Massenträgheitsmoment erreicht werden.The present invention is further based on the general idea of specifying a charging device, for example an exhaust gas turbocharger, in which a rotor is mounted in accordance with the previous paragraphs. This allows the advantages described with regard to the rotor to be transferred to the charging device. Specifically, these advantages are in particular a reduced weight due to the use of light metal for the compressor wheel shaft section and the compressor wheel as well as ceramic for the turbine wheel shaft section and the turbine wheel and a significantly improved setting behavior due to the one-piece design of the turbine wheel shaft section with the turbine wheel and the compressor wheel shaft section with the Compressor wheel. At the same time, the compressor wheel shaft section made of light metal also enables improved cooling of the magnets arranged therein and the turbine wheel shaft section. Due to the lower weight, which can be additionally reduced by making the turbine wheel shaft section and the turbine wheel or the compressor wheel shaft section and the compressor wheel hollow at least in some areas, a quick response behavior of the charging device as well as a low mass moment of inertia can also be achieved.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildungserfindung der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung ist in dem Gehäuse ein, insbesondere bestrombarer, Stator angeordnet, der mit dem Rotor in der Art eines Elektromotors zusammenwirkt. Hierdurch kann eine elektrisch antreibbare Ladeeinrichtung, beispielsweise ein elektrisch antreibbarer Abgasturbolader geschaffen werden, der nicht nur leistungsstark ist, sondern beispielsweise auch bei Abgasturboladern auftretende Turbolöcher überbrücken kann.In an advantageous development of the charging device according to the invention, a stator, in particular a stator that can be supplied with electricity, is arranged in the housing and interacts with the rotor in the manner of an electric motor. This makes it possible to create an electrically drivable charging device, for example an electrically drivable exhaust gas turbocharger, which is not only powerful but can also, for example, bridge turbo holes that occur in exhaust gas turbochargers.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention emerge from the subclaims, from the drawings and from the associated description of the figures based on the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den durch die Ansprüche definierten Rahmen der Erfindung zu verlassen. Vorstehend genannte und nachfolgend noch zu nennende Bestandteile einer übergeordneten Einheit, wie z.B. einer Einrichtung, einer Vorrichtung oder einer Anordnung, die separat bezeichnet sind, können separate Bauteile bzw. Komponenten dieser Einheit bilden oder integrale Bereiche bzw. Abschnitte dieser Einheit sein, auch wenn dies in den Zeichnungen anders dargestellt ist.It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the invention as defined by the claims. The above-mentioned and below-mentioned components of a higher-level unit, such as a device, a device or an arrangement, which are designated separately, can form separate parts or components of this unit or can be integral areas or sections of this unit, even if this shown differently in the drawings.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.Preferred exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description, with the same reference numbers referring to the same or similar or functionally the same components.

Es zeigen, jeweils schematisch,

  • 1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Rotor,
  • 2 eine Ansicht auf den gemäß der 1 dargestellten Rotor im Einbauzustand in eine Ladeeinrichtung.
It shows, schematically,
  • 1 a sectional view through a rotor according to the invention,
  • 2 a view of the according to the 1 Rotor shown when installed in a charging device.

Entsprechend den 1 und 2 weist ein erfindungsgemäßer Rotor 1 für eine Ladeeinrichtung 2, beispielsweise für einen elektrisch antreibbaren Abgasturbolader, ein Turbinenrad 3 sowie ein Verdichterrad 4 auf. Erfindungsgemäß ist nun an dem Verdichterrad 4 ein einstückig mit diesem ausgebildeter Verdichterradwellenabschnitt 5 angeordnet, wobei der Verdichterradwellenabschnitt 5 und das Verdichterrad 4 als einstückiges Leichtmetallbauteil, insbesondere aus Aluminium, ausgebildet sind. An dem Turbinenrad 3 ist ein einstückig mit diesem ausgebildeter Turbinenradwellenabschnitt 6 angeordnet, wobei dieser Turbinenradwellenabschnitt 6 und das Turbinenrad 3 aus Keramik, insbesondere aus Siliziumnitrid (Si3N4) ausgebildet sind.According to the 1 and 2 A rotor 1 according to the invention for a charging device 2, for example for an electrically driven exhaust gas turbocharger, has a turbine wheel 3 and a compressor wheel 4. According to the invention, a compressor wheel shaft section 5 formed integrally with the compressor wheel 4 is now arranged, the compressor wheel shaft section 5 and the compressor wheel 4 being designed as a one-piece light metal component, in particular made of aluminum. A turbine wheel shaft section 6 formed integrally with the turbine wheel 3 is arranged, this turbine wheel shaft section 6 and the turbine wheel 3 being made of ceramic, in particular of silicon nitride (Si3N4).

Der Verdichterradwellenabschnitt 5 ist dabei in den Turbinenradwellenabschnitt 6 eingeschoben und beispielsweise über eine Klebeverbindung bzw. eine Presspassung drehfest fixiert. Der Verdichterradwellenabschnitt 5 besitzt darüber hinaus eine oder mehrere Aufnahmen 7 für Magnete 8 zur Bildung eines Rotors eines Elektromotors 9 (vergleiche 2). Im vorliegenden Fall erstreckt sich der Turbinenradwellenabschnitt 6 bis zum Verdichterrad 4 und weist eine durchgehende Außenmantelfläche 10 auf. Aufgrund des geringeren Gewichts sowohl von Keramik als auch von Leichtmetall im Vergleich zu Stahl, kann der erfindungsgemäße Rotor 1 deutlich leichter ausgebildet werden, als dies bei einem Rotor mit einem Turbinenrad, einem Verdichterrad und einer Rotorwelle aus Stahl der Fall wäre. Ein derartiger reduziertes Gewicht verleiht der Ladeeinrichtung 2 ein verbessertes Ansprechverhalten, da das Massenträgheitsmoment des Rotors 1 reduziert ist.The compressor wheel shaft section 5 is inserted into the turbine wheel shaft section 6 and fixed in a rotationally fixed manner, for example via an adhesive connection or a press fit. The compressor wheel shaft section 5 also has one or more receptacles 7 for magnets 8 to form a rotor of an electric motor 9 (see 2 ). In the present case, the turbine wheel shaft section 6 extends to the compressor wheel 4 and has a continuous outer surface 10. Due to the lower weight of both ceramic and light metal compared to steel, the rotor 1 according to the invention can be made significantly lighter than would be the case with a rotor with a turbine wheel, a compressor wheel and a rotor shaft made of steel. Such a reduced weight gives the charging device 2 an improved response, since the mass moment of inertia of the rotor 1 is reduced.

Ein großer Vorteil der einstückigen Ausbildung des Turbinenrades 3 mit dem Turbinenradwellenabschnitt 6 und des Verdichterrades 4 mit dem Verdichterradwellenabschnitt 5 liegt darin, dass keine Montage des Verdichterrades 4 am Verdichterradwellenabschnitt 5 bzw. des Turbinenrades 3 am Turbinenradwellenabschnitt 6 erfolgen muss. Hierdurch kann insbesondere ein Montageaufwand reduziert werden. Gleichzeitig reduziert die einstückige Ausbildung des Verdichterradwellenabschnitts 5 mit dem Verdichterrad 4 und des Turbinenradwellenabschnitts 6 mit dem Turbinenrad 3 auch ein Migrations- bzw. Setzverhalten.A big advantage of the one-piece design of the turbine wheel 3 with the turbine wheel shaft section 6 and the compressor wheel 4 with the compressor wheel shaft section 5 is that there is no need to mount the compressor wheel 4 on the compressor wheel shaft section 5 or the turbine wheel 3 on the turbine wheel shaft section 6. In this way, assembly work in particular can be reduced. At the same time, the one-piece design of the compressor wheel shaft section 5 with the compressor wheel 4 and the turbine wheel shaft section 6 with the turbine wheel 3 also reduces migration or settling behavior.

Eine weitere Reduzierung des Gewichts des Rotors 1 kann dadurch erreicht werden, dass das Turbinenrad 3 und der Turbinenradwellenabschnitt 6 bzw. das Verdichterrad 4 und der Verdichterradwellenabschnitt 5 hohl ausgebildet sind.A further reduction in the weight of the rotor 1 can be achieved in that the turbine wheel 3 and the turbine wheel shaft section 6 or the compressor wheel 4 and the compressor wheel shaft section 5 are hollow.

An der Außenmantelfläche 10 des Turbinenradwellenabschnitts 6 kann ein einstückig mit der Außenmantelfläche 10 ausgebildetes hydrodynamisches Lager 11, insbesondere ein Spiralrillenlager oder ein Luftfolienlager, angeordnet sein, wie dies gemäß der 2 dargestellt ist. Über ein derartiges hydrodynamisches Lager 11 ist eine leichtgängige, reibungsarme und vor allem auch verschleißfreie Lagerung des Turbinenradwellenabschnitts 6 und darüber des Rotors 1 in einer Lagerhülse 12 und darüber in einem Gehäuse 17 der Ladeeinrichtung 2 möglich. Das hydrodynamische Lager 11 bzw. die gemäß der 2 dargestellten zwei hydrodynamischen Lager 11 bieten darüber hinaus den Vorteil, auf bisher eingesetzte Gleit- bzw. Kugellager, sowie eine dafür erforderliche Schmierung verzichten zu können, wodurch insbesondere ölhaltiges blow-by-Gas in einem Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine, welche mit der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung 2 aufgeladen wird, zumindest reduziert werden kann.On the outer surface 10 of the turbine wheel shaft section 6, a hydrodynamic bearing 11 formed in one piece with the outer surface 10, in particular a spiral groove bearing or an air foil bearing, can be arranged, as described in FIG 2 is shown. Such a hydrodynamic bearing 11 enables smooth, low-friction and, above all, wear-free mounting of the turbine wheel shaft section 6 and above of the rotor 1 in a bearing sleeve 12 and above in a housing 17 of the charging device 2. The hydrodynamic bearing 11 or according to the 2 The two hydrodynamic bearings 11 shown also offer the advantage of being able to dispense with previously used plain or ball bearings, as well as the lubrication required for them, which means, in particular, oil-containing blow-by gas in a crankcase of an internal combustion engine, which is charged with the charging device 2 according to the invention will, at least can be reduced.

Die Lagerhülse 12 kann darüber hinaus Axiallagerschultern 16 aufweisen, über welche eine axiale Lagerung des Rotors 1 ermöglicht wird. Dabei können die beiden Axiallagerschultern 16 einstückig mit der Lagehülse 12 ausgebildet sein, wobei auch denkbar ist, dass zumindest eine der beiden Axiallagerschultern 16 mit der Lagerhülse 12 verbindbar ist.The bearing sleeve 12 can also have axial bearing shoulders 16, via which axial bearing of the rotor 1 is made possible. The two axial bearing shoulders 16 can be formed in one piece with the positioning sleeve 12, and it is also conceivable that at least one of the two axial bearing shoulders 16 can be connected to the bearing sleeve 12.

Durch die Ausbildung des Turbinenrades 3 und des Turbinenradwellenabschnitts 6 aus Keramik, beispielsweise aus Siliziumnitrid, kann zudem ein verschleißbeständiger, hochfester und zugleich schlecht wärmeleitender Werkstoff eingesetzt werden, der einen Wärmeübertrag von der Turbinenseite auf die Verdichterseite in Richtung des Verdichterrades 4 zumindest reduziert. Durch die Ausbildung des Turbinenradwellenabschnitts 6 aus Keramik kann darüber hinaus eine Beeinträchtigung des von den Magneten 8 erzeugten Magnetfeldes und dadurch eine Reduzierung der Leistung des Elektromotors 9 vermieden werden. Durch die Ausbildung des Verdichterrades 4 und des Verdichterradwellenabschnitts 5 aus Leichtmetall, beispielsweise Aluminium, kann hier wiederum ein besonders gewichtsoptimiertes und zugleich gut wärmeleitendes Material eingesetzt werden, wodurch eine optimierte Kühlung der Magnete 8 erreicht werden kann. In der Ladeeinrichtung 2 ist dabei in dem Gehäuse 17 ein bestrombaren Stator 13 (vergleiche 2) angeordnet, der mit dem Rotor 1 den Elektromotor 9 bildet.By designing the turbine wheel 3 and the turbine wheel shaft section 6 from ceramic, for example from silicon nitride, a wear-resistant, high-strength and at the same time poorly heat-conducting material can also be used, which at least reduces heat transfer from the turbine side to the compressor side in the direction of the compressor wheel 4. By making the turbine wheel shaft section 6 from ceramic, an impairment of the magnetic field generated by the magnets 8 and thereby a reduction in the power of the electric motor 9 can also be avoided. By designing the compressor wheel 4 and the compressor wheel shaft section 5 from light metal, for example aluminum, a particularly weight-optimized and at the same time heat-conducting material can be used here, whereby optimized cooling of the magnets 8 can be achieved can. In the charging device 2 there is a stator 13 that can be powered in the housing 17 (see 2 ) arranged, which forms the electric motor 9 with the rotor 1.

Um eine einerseits leicht herzustellende und andererseits feste Verbindung zwischen dem Turbinenradwellenabschnitt 6 und dem Verdichterradwellenabschnitt 5 zu schaffen, kann der Verdichterradwellenabschnitt 5 über Kontaktflächen 14 mit zugehörigen Kontaktflächen 15 des Turbinenradwellenabschnitts 6 verpresst bzw. verklebt sein.In order to create a connection between the turbine wheel shaft section 6 and the compressor wheel shaft section 5 that is, on the one hand, easy to produce and, on the other hand, firm, the compressor wheel shaft section 5 can be pressed or glued via contact surfaces 14 to associated contact surfaces 15 of the turbine wheel shaft section 6.

Der Elektromotor 9 kann dabei als BLDC (bürstenloser Gleichstrommotor) ausgebildet sein.The electric motor 9 can be designed as a BLDC (brushless direct current motor).

Mit dem erfindungsgemäßen Rotor 1 und der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung 2 lässt sich ein besonders gewichtsoptimierter Rotor 1 schaffen, der zudem eine optimierte Kühlung der in den Aufnahmen 7 des Verdichterradwellenabschnitts 5 angeordneten Magnete 8 ermöglicht. Durch die jeweilige einstückige Ausbildung des Verdichterradwellenabschnitts 5 mit dem Verdichterrad 4 und des Turbinenradwellenabschnitts 6 mit dem Turbinenrad 3 kann eine monolithische Verbindung geschaffen werden, die weder einen Montageaufwand erfordert, noch ein Setzverhalten zeigt. Durch die gewichtsoptimierte Ausbildung der einzelnen Komponenten im Vergleich zu einer Ausbildung aus Stahl ist es auch möglich, den Turbinenradwellenabschnitt 6 hinsichtlich seines Durchmessers größer zu dimensionieren, wodurch der Rotor 1 eine deutlich verbesserte Festigkeit aufweist. Durch die gewichtsoptimierte Ausbildung des Rotors 1 kann dessen Massenträgheitsmoment gesenkt und ein Ansprechverhalten der Ladeeinrichtung 2 gesteigert werden.With the rotor 1 according to the invention and the charging device 2 according to the invention, a particularly weight-optimized rotor 1 can be created, which also enables optimized cooling of the magnets 8 arranged in the receptacles 7 of the compressor wheel shaft section 5. Due to the respective one-piece design of the compressor wheel shaft section 5 with the compressor wheel 4 and the turbine wheel shaft section 6 with the turbine wheel 3, a monolithic connection can be created that neither requires assembly effort nor shows any setting behavior. Due to the weight-optimized design of the individual components compared to a design made of steel, it is also possible to make the turbine wheel shaft section 6 larger in terms of its diameter, whereby the rotor 1 has significantly improved strength. Due to the weight-optimized design of the rotor 1, its mass moment of inertia can be reduced and the response behavior of the charging device 2 can be increased.

Claims (10)

Rotor (1) für eine Ladeeinrichtung (2) mit einem Turbinenrad (3) und einem Verdichterrad (4), dadurch gekennzeichnet, - dass an dem Verdichterrad (4) ein einstückig mit diesem ausgebildeter Verdichterradwellenabschnitt (5) angeordnet ist, wobei der Verdichterradwellenabschnitt (5) Aufnahmen (7) für Magnete (8) zur Bildung eines Rotors eines Elektromotors (9) aufweist, - dass an dem Turbinenrad (3) ein einstückig mit diesem ausgebildeter Turbinenradwellenabschnitt (6) angeordnet ist, - dass der Verdichterradwellenabschnitt (5) drehfest in den Turbinenradwellenabschnitt (6) eingesteckt ist. - dass der Turbinenradwellenabschnitt (6) und das Turbinenrad (3) aus Keramik und der Verdichterradwellenabschnitt (5) und das Verdichterrad (4) aus Leichtmetall ausgebildet sind.Rotor (1) for a charging device (2) with a turbine wheel (3) and a compressor wheel (4), characterized in that - a compressor wheel shaft section (5) designed in one piece with the compressor wheel (4) is arranged, the compressor wheel shaft section ( 5) has receptacles (7) for magnets (8) to form a rotor of an electric motor (9), - that a turbine wheel shaft section (6) formed in one piece with the turbine wheel (3) is arranged, - that the compressor wheel shaft section (5) is rotationally fixed is inserted into the turbine wheel shaft section (6). - that the turbine wheel shaft section (6) and the turbine wheel (3) are made of ceramic and the compressor wheel shaft section (5) and the compressor wheel (4) are made of light metal. Rotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Turbinenradwellenabschnitt (6) umgebende Lagerhülse (12) vorgesehen ist.Rotor (1). Claim 1 , characterized in that a bearing sleeve (12) surrounding the turbine wheel shaft section (6) is provided. Rotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (3) samt Turbinenradwellenabschnitt (6) aus Siliziumnitrid (Si3N4) ausgebildet ist.Rotor (1). Claim 1 or 2 , characterized in that the turbine wheel (3) together with the turbine wheel shaft section (6) is made of silicon nitride (Si3N4). Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (4) samt Verdichterradwellenabschnitt (5) aus Aluminium ausgebildet ist.Rotor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor wheel (4) together with the compressor wheel shaft section (5) is made of aluminum. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (8) in den Aufnahmen (7) des Verdichterradwellenabschnitts (5) verklebt sind.Rotor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the magnets (8) are glued in the receptacles (7) of the compressor wheel shaft section (5). Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenradwellenabschnitt (6) an seiner Außenmantelfläche (10) ein einstückig mit diesem ausgebildetes hydrodynamisches Lager (11) aufweist.Rotor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the turbine wheel shaft section (6) has on its outer surface (10) a hydrodynamic bearing (11) which is formed in one piece with it. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenradwellenabschnitt (6) mit dem Verdichterradwellenabschnitt (5) verpresst und/oder verklebt ist.Rotor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the turbine wheel shaft section (6) is pressed and/or glued to the compressor wheel shaft section (5). Ladeeinrichtung (2) mit einem Gehäuse (17), in welchem der Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gelagert ist.Charging device (2) with a housing (17) in which the rotor (1) according to one of the preceding claims is mounted. Ladeeinrichtung (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeeinrichtung (2) als Abgasturbolader ausgebildet ist.Loading device (2). Claim 8 , characterized in that the charging device (2) is designed as an exhaust gas turbocharger. Ladeeinrichtung (2) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (17) ein Stator (13) angeordnet ist, der mit dem Rotor (1) in der Art des Elektromotors (9) zusammenwirkt und den Rotor (1) antreibt.Loading device (2). Claim 8 or 9 , characterized in that a stator (13) is arranged in the housing (17), which interacts with the rotor (1) in the manner of the electric motor (9) and drives the rotor (1).
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