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Dokumentenidentifikation DE102006044668B4 04.09.2008
Titel Element zur Erzeugung eines Magnetfeldes
Anmelder Continental Automotive GmbH, 30165 Hannover, DE
Erfinder Ante, Johannes, Dr., 93055 Regensburg, DE;
Gilch, Markus, 85419 Mauern, DE;
Heinrich, Stephan, 84076 Pfeffenhausen, DE;
Ott, Andreas, 93128 Regenstauf, DE
DE-Anmeldedatum 21.09.2006
DE-Aktenzeichen 102006044668
Offenlegungstag 10.04.2008
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 04.09.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.09.2008
IPC-Hauptklasse F02B 39/16(2006.01)A, F, I, 20060921, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B23K 26/22(2006.01)A, L, I, 20060921, B, H, DE   G01P 3/487(2006.01)A, L, I, 20060921, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Element zur Erzeugung eines Magnetfeldes, mit einer ringförmigen Einfassung zur Aufnahme eines ringförmigen, mit einer Turbowelle rotierenden Magneten, wobei der Magnet in der Einfassung derartig gelagert ist, dass die Einfassung den Magnet mechanisch stabilisiert und führt.

Eine viel genutzte technische Lösung zur Steigerung der Leistung einer Brennkraftmaschine ist die Aufladung. Damit bezeichnet man die Vorverdichtung der Verbrennungsluft durch einen Abgasturbolader oder auch mittels eines vom Motor mechanisch angetriebenen Verdichters. Ein Abgasturbolader besteht im Wesentlichen aus einem Verdichter und einer Turbine, die mit einer gemeinsamen Welle verbunden sind und mit der gleichen Drehzahl rotieren. Die Turbine setzt die normalerweise nutzlos verpuffende Energie des Abgases in Rotationsenergie um und treibt den Verdichter an. Der Verdichter, der in diesem Zusammenhang auch als Kompressor bezeichnet wird, saugt Frischluft an und fördert die vorverdichtete Luft zu den einzelnen Zylindern des Motors. Der größeren Luftmenge in den Zylindern kann eine erhöhte Kraftstoffmenge zugeführt werden, wodurch die Verbrennungskraftmaschine mehr Leistung abgibt. Der Verbrennungsvorgang wird zudem günstig beeinflusst, so dass die Verbrennungskraftmaschine einen besseren Gesamtwirkungsgrad erzielt. Darüber hinaus kann der Drehmomentverlauf einer mit einem Turbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine äußerst günstig gestaltet werden.

Bei Brennkraftmaschinen mit einem großen Betriebsdrehzahlbereich, zum Beispiel bei Brennkraftmaschinen für Personenkraftwagen, wird schon bei niedrigen Motordrehzahlen ein hoher Ladedruck gefordert. Dafür wird bei diesen Turboladern ein Ladedruckregelventil, ein so genanntes Waste-Gate-Ventil, eingeführt. Durch die Wahl eines entsprechenden Turbinengehäuses wird schon bei niedrigen Motordrehzahlen schnell ein hoher Ladedruck aufgebaut. Das Waste-Gate-Ventil begrenzt dann bei steigender Motordrehzahl den Ladedruck auf einen gleich bleibenden Wert.

Bei zunehmender Abgasmenge kann die maximal zulässige Drehzahl der Kombination aus dem Turbinenrad, dem Kompressorrad und der Turbowelle, die auch als Laufzeug des Abgasturboladers bezeichnet wird, überschritten werden. Bei einer unzulässigen Überschreitung der Drehzahl des Laufzeuges würde dieses zerstört werden, was einem Totalschaden des Turboladers gleichkommt. Gerade moderne und kleine Turbolader mit deutlich kleineren Turbinen- und Kompressorraddurchmessern, die durch ein erheblich kleineres Massenträgheitsmoment ein verbessertes Drehbeschleunigungsverhalten aufweisen, werden vom Problem der Überschreitung der zulässigen Höchstdrehzahl betroffen. Je nach Auslegung des Turboladers führt schon eine Überschreitung der Drehzahlgrenze um etwa 5% zur kompletten Zerstörung des Turboladers.

Zur Drehzahlbegrenzung haben sich die Waste-Gate-Ventile bewährt, die zum Beispiel von einem aus dem erzeugten Ladedruck resultierenden Signal angesteuert werden. Überschreitet der Ladedruck einen vorgegebenen Schwellwert, so öffnet das Waste-Gate-Ventil und leitet einen Teil des Abgasmassenstroms an der Turbine vorbei. Diese nimmt wegen des verringerten Massenstroms weniger Leistung auf, und die Kompressorleistung geht in gleichem Maße zurück. Der Ladedruck und die Drehzahl des Turbinenrades und des Kompressorrades werden verringert. Diese Regelung ist jedoch relativ träge, da der Druckaufbau bei einer Drehzahlüberschreitung des Laufzeuges mit einem zeitlichen Versatz erfolgt. Deshalb muss die Drehzahlregelung für den Turbolader mit der Ladedrucküberwachung im hochdynamischen Bereich (Lastwechsel) durch entsprechend frühzeitige Ladedruckreduzierung eingreifen, was zu einem Wirkungsgradverlust führt.

Die noch nicht veröffentlichte deutsche Patentanmeldung mit dem Anmeldeaktenzeichen 10 2004 052 695.8 offenbart einen Abgasturbolader mit einem Sensor am kompressorseitigen Ende der Turbowelle zur direkten Messung der Drehzahl der Turbowelle. Der Sensor wird hier durch das Kompressorgehäuse geführt und auf ein Element zur Variation eines Magnetfeldes gerichtet. Das Element zur Variation des Magnetfeldes ist hier als Permanentmagnet ausgebildet. Ein Permanentmagnet ist jedoch auf der Turbowelle nur schwer zu befestigen, da diese mit einer sehr hohen Drehzahl rotiert und sich jede Unwucht nachteilig bemerkbar macht.

Es ist bekannt, den Permanentmagnet in eine Einfassung einzukleben, um ein Ablösen von Magnetmaterial vom Magneten zu verhindern. Dies hat den Nachteil, dass der Klebstoff ausgast und sehr lange Zeit benötigen, um vollständig auszuhärten. Aus der JP 10-206447 ist ein Element zur Erzeugung eines Magnetfeldes, mit einer ringförmigen Einfassung zur Aufnahme eines ringförmigen, mit einer Turbowelle rotierenden Magneten bekannt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Element zur Erzeugung eines Magnetfeldes, mit einer ringförmigen Einfassung zur Aufnahme eines ringförmigen, mit einer Turbowelle rotierenden Magneten anzugeben, das den Magnet sicher fixiert und führt und zudem kostengünstig und aufwandsarm herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass der ringförmige Magnet mit der ringförmigen Einfassung durch mindestens eine Punktschweißung verbunden ist, wird eine sehr kostengünstige und schnell herstellbare Verbindung zwischen der Einfassung und dem Magneten möglich. Entgegen der unter Fachleuten vorherrschenden Meinung, dass das Punktschweißen von Magnetmaterial nicht möglich ist, zeigte sich für den Fall der Verbindung des ringförmigen Magneten mit der ringförmigen Einfassung, dass durch die Punktschweißung eine dauerhafte Lagefixierung des Magneten in der Einfassung erreicht wird. Dies liegt daran, dass die Verbindung zwischen dem Magneten und der Einfassung nicht auf Zug, Druck oder Torsinn belastet wird, wobei die Punktschweißstellen jedoch das Verdrehen des Magneten in der Einfassung wirksam verhindern. Durch diese Lagefixierung der Magneten in der Einfassung kann vollständig auf die Verwendung von Klebstoffen verzichtet werden. Damit kommt es nicht mehr zum Ausgasen des Klebstoffes und die Verbindung zwischen dem Magneten und der Einfassung kann sehr schnell hergestellt werden, weil keine Aushärtezeit, wie sie bei der Verwendung von Klebstoff notwendig wären, erforderlich ist.

Bei einer Weiterbildung ist die Punktschweißung als Laserschweißung ausgebildet. Das Laserschweißen ist eine moderne und effiziente Schweißmethode, bei der der Schweißpunkt mit hoher Präzision erzeugt werden kann.

Bei einer nächsten Weiterbildung ist die Einfassung als Metalleinfassung ausgebildet. Ein Metalleinfassung lässt sich sehr dünnwandig ausbilden und sie ist dennoch in der Lage die hohen Kräfte aufzunehmen, die bei der schnellen Drehung des Magneten um die Achse der Turbowelle auftreten.

Wenn die Einfassung als Element zur Befestigung des Kompressorrades an der Turbowelle ausgebildet ist, erfüllt sie ein Doppelfunktion, was besonders wirtschaftlich ist.

Bei einer Ausgestaltung ist die Einfassung als Hutmutter ausgebildet. Damit lenkt die Einfassung den Luftstrom im Lufteinlass des Kompressors vorteilhaft zum Kompressorrad. Eine Wirbelbildung im Luftstrom wird vermieden, was sich positiv auf den Wirkungsgrad des Turboladers auswirkt.

Bei einer nächsten Ausgestaltung enthält der Magnet zumindest ein Metall aus der Gruppe der seltenen Erden, wobei es besonders vorteilhaft ist, wenn der Magnet die Metalle Eisen und Neodym enthält. Es hat sich gezeigt, dass sich Eisen-Neodym Magnete besonders gut durch eine Punktschweißung mit der Einfassung verbinden lassen.

Ausführungsformen der Erfindung werden in den Figuren beispielhaft dargestellt. Es zeigen:

1: einen Abgasturbolader mit einer Turbine und einem Kompressor,

2: den Kompressor in einer Schnittdarstellung

3: das Element zur Erzeugung des Magnetfeldes.

1 zeigt einen Abgasturbolader 1 mit einer Turbine 2 und einem Kompressor 3. In dem Kompressor 3 ist das Kompressorrad 9 drehbar gelagert und mit der Turbowelle 5 verbunden. Auch die Turbowelle 5 ist drehbar gelagert und an ihrem anderen Ende mit dem Turbinenrad 4 verbunden. Die Kombination aus Kompressorrad 9, Turbowelle 5 und Turbinenrad 4 wird auch als Laufzeug bezeichnet. Über den Turbineneinlass 7 wird heißes Abgas von einer hier nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine in die Turbine 2 eingelassen, wobei das Turbinenrad 4 in Drehung versetzt wird. Der Abgasstrom verlässt die Turbine 2 durch den Turbinenauslass 8. Über die Turbowelle 5 ist das Turbinenrad 4 mit dem Kompressorrad 9 verbunden. Damit treibt die Turbine 2 den Kompressor 3 an. In den Kompressor 3 wird Luft durch den Lufteinlass 16 eingesaugt, die dann im Kompressor 3 verdichtet und über den Luftauslass 6 der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird.

2 zeigt den Kompressor 3 in einer Schnittdarstellung. In dem Kompressorgehäuse 21 ist das Kompressorrad 9 zu erkennen. Das Kompressorrad 9 ist auf der Turbowelle 5 mit dem Befestigungselement 11 befestigt. Das Befestigungselement 11 kann zum Beispiel eine Hutmutter sein, die auf ein auf der Turbowelle 5 aufgebrachtes Gewinde aufgeschraubt wird, um das Kompressorrad 9 gegen einen Bund der Turbowelle 5 mit dieser fest zu verspannen. Zwischen dem Befestigungselement 11 und dem Kompressorrad 9 befindet sich ein Element 17 zur Erzeugung eines Magnetfeldes. Hier ist das Element 17 zur Erzeugung des Magnetfeldes aus einem Permanentmagnet 13 und einer Einfassung 14 aufgebaut. Der Magnet 13 hat einen Nordpol N und einen Südpol S. Das Element 17 zur Erzeugung des Magnetfeldes dreht sich bei der Rotation der Turbowelle 5 mit dieser um die Rotationsachse der Turbowelle 5. Dabei erzeugt das Element 17 zur Erzeugung des Magnetfeldes eine Änderung der magnetischen Feldstärke bzw. des magnetischen Feldgradienten in dem Sensor 15. Diese Änderung des Magnetfeldes bzw. des Feldgradienten erzeugt im Sensor 15 ein elektronisch verarbeitbares Signal, das proportional zur Drehzahl der Turbowelle 5 ist. Der Sensor 15 zur Erfassung der Änderung des Magnetfeldes bzw. des Feldgradienten kann zum Beispiel ein Hallelement, ein magnetoresistives Element oder eine Spule enthalten.

3 zeigt das Element 17 zur Erzeugung des Magnetfeldes mit der Einfassung 10 und dem Magnet 13. Die Einfassung 10 ist hier als Befestigungselement 11 ausgebildet. In der Einfassung 10 ist der Magnet 13 angeordnet. Der Magnet 13 ist als Dauermagnet ausgebildet. Der Magnet 13 ist in die Einfassung 10 eingepasst und mit Punktschweißungen 12 mit der Einfassung 10 verbunden. Die Punktschweißungen 12 fixieren die Lage des Magneten 13 in der Einfassung 10. Die Einfassung 10 dreht sich mit dem Magneten 13 mit sehr hoher Drehzahl um die Achse der Turbowelle 5. Da der Magnet 13 in der Regel aus sehr sprödem Material gefertigt ist, kann eine kleine Materialschwäche im Magnet 13 zur Zertrümmerung des Magnetmaterials führen. Die Einfassung 10 verhindert, dass Bruchstücke des Magneten 13 in den Lufteinlass 16 des Kompressors 3 gelangen. Durch die Punktschweißungen 12 lässt sich der Magnet 13 sehr schnell und aufwandsarm mit der Einfassung 10 verbinden.

Eine Verklebung des Magneten 13 mit der Einfassung 10, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, weist erhebliche Nachteile auf, da die Klebemittel sehr lange Zeit benötigen um auszuhärten und auch über einen langen Zeitraum ausgasen. Durch die Verwendung von Punktschweißungen 12 zur Verbindung des Magneten 13 mit der Einfassung 10 wird die Herstellung der Einfassung wesentlich vereinfacht und beschleunigt, was zu deutlichen Kosteneinsparungen führt. Darüber hinaus verändern Punktschweißungen 12 ihre Eigenschaften im Laufe des Betriebes der Einfassung innerhalb eines Turboladers 1 nicht. Klebeverbindungen hingegen altern im Laufe der Zeit, was zum Beispiel dazu führen könnte, dass der Magnet 13 nicht mehr sicher in seiner Lage in der Einfassung 10 fixiert ist. Darüber hinaus kommt der Verbindungsprozess des Punktschweißens ohne zusätzliche Materialien aus, was sich vorteilhaft bei der Ausführung des Verbindungsprozesses auswirkt.

3 zeigt weiterhin eine Schutzkappe 14, die auch als Hut ausgebildet sein kann und mit der der Magnet 13 vor aggressiven Medien im Lufteinlass 16 des Kompressors 3 geschützt wird. Dazu wird die Schutzkappe 14 mit der Einfassung 10 verbunden, indem sie zum Beispiel an die Einfassung 10 angeschweißt wird.

Es sei noch einmal deutlich darauf hingewiesen, dass die Fachwelt davon ausgegangen ist, dass das Verschweißen, insbesondere das Punktschweißen, von Magnetmaterial mit anderen metallischen Materialien nicht möglich ist oder zu äußerst instabilen Ergebnissen führt. Entgegen dieser allgemein in der Fachwelt verbreiteten Auffassung zeigte sich, dass der Permanentmagnet 13 in einer Einfassung 10, wie sie in 3 dargestellt ist, sehr wohl mit ausreichender Festigkeit und Langlebigkeit fixiert werden kann, indem Punktschweißstellen 12 zum Beispiel im Laserschweißverfahren erzeugt werden. Diese Punktschweißungen 12 verhindern nämlich das Verdrehen des Magneten 13 relativ zur Einfassung 10 effektiv, müssen aber keine weiteren Belastungen aufnehmen. Klebestellen hingegen können ihre Klebeeigenschaften im Laufe der zeit verlieren, wenn der Kleber chemisch altert. Dann kann der Magnet 13 in der Einfassung 10 nicht mehr sicher in seiner Lage fixiert werden und er kann sich relativ zur Einfassung 10 drehen, wodurch keine sichere Erfassung der Drehzahl der Turbowelle 5 mehr möglich ist. Das Verschmelzen des Metalls der Einfassung 10 mit dem des Magneten 13 hingegen erfolgt dauerhaft und sichert somit die Funktionsfähigkeit des Elementes 17 zur Erzeugung eines Magnetfeldes über seine gesamte Lebensdauer.

1
Abgasturbolader
2
Turbine
3
Kompressor
4
Turbinenrad
5
Turbowelle
6
Luftauslass
7
Turbineneinlass
8
Turbinenauslass
9
Kompressorrad
10
Einfassung
11
Befestigungselement
12
Punktschweißung
13
Magnet
14
Schutzkappe/Hut
15
Sensor
16
Lufteinlass
17
Element zur Erzeugung eines Magnetfeldes
N
Nord
S
Süd


Anspruch[de]
Element (17) zur Erzeugung eines Magnetfeldes, mit einer ringförmigen Einfassung (10) zur Aufnahme eines ringförmigen, mit einer Turbowelle (5) rotierenden Magneten (13), wobei der Magnet (13) in der Einfassung (10) derartig gelagert ist, dass die Einfassung (10) den Magnet (13) mechanisch stabilisiert und führt, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (13) mit der Einfassung (10) durch mindestens eine Punktschweißung (12) verbunden ist. Element (17) zur Erzeugung eines Magnetfeldes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Punktschweißung (12) als Laserschweißung ausgebildet ist. Element (17) zur Erzeugung eines Magnetfeldes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfassung (10) als Metalleinfassung ausgebildet ist. Element (17) zur Erzeugung eines Magnetfeldes nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfassung (10) als Element (11) zur Befestigung des Kompressorrades (9) an der Turbowelle (5) ausgebildet ist. Element (17) zur Erzeugung eines Magnetfeldes nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfassung (10) als Hutmutter ausgebildet ist. Element (17) zur Erzeugung eines Magnetfeldes nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (13) zumindest ein Metall aus der Gruppe der seltenen Erden enthält. Element (17) zur Erzeugung eines Magnetfeldes nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (13) die Metalle Eisen und Neodym enthält.






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