CN111771066B - 用于节能地且低磨损地运行气体轴承的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于运行气体轴承(1)的方法(100)，其中，该气体轴承由转子(11)和定子(12)构成，其中，转子(11)在以提升转速nL相对于定子(12)旋转时从与定子(12)的混合摩擦转变为与处于定子(12)和转子(11)之间的介质(13)的流体摩擦，其中，将转子(11)的速度保持在空转转速nl或以上，其中，响应于第一信息(21)——基于该第一信息能够预期到作用到气体轴承(1)上的加速力F的变化ΔF，求取(110)空转转速nl与提升转速nL之间的安全系数rN:＝nl/nL的新的值，和/或，响应于第二信息(31)——基于该第二信息能够预期到提升转速nL的变化ΔnL，求取(120)提升转速nL的新的值nL,neu，其中，使气体轴承(1)的空转转速nl匹配于(130)安全系数rN的改变的值和/或提升转速nL的改变的值nL,neu。本发明还涉及一种所属的计算机程序。

Description

用于节能地且低磨损地运行气体轴承的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行气体轴承的方法，该气体轴承例如能够在用于向燃料电池系统提供空气或燃料气体的压缩机中使用。
背景技术
在具有基于燃料电池的驱动系统的车辆中，通常使用来自环境空气的氧化剂——氧气，以便在燃料电池中与含氢气体反应成水(或水蒸气)，并且在此通过电化学转化提供电功率。
为此，通常需要压缩环境空气，以便确保用于反应的足够的氧分压以及在燃料电池堆上的尽可能均匀的分布，并且以便克服系统中的压力损失。例如由DE 10 2011 087912 A1已知具有用于环境空气的压缩机的燃料电池系统。
针对环境空气所需的压力和质量流要求压缩机具有高速度。同时，所提供的空气必须是无油的，因为否则燃料电池将被污染并且在短时间内变得无法使用。因此，在用于燃料电池的空气供给的压缩机中优选使用气体轴承，因为气体轴承是无油的。这种气体轴承例如由DE 10 2013 221 119 A1所已知。
发明内容
在本发明的范畴内，已经研发出一种用于运行气体轴承的方法。该气体轴承由转子和定子构成。转子在以提升转速nL相对于定子旋转时从与定子的混合摩擦转变为与处于定子和转子之间的介质的流体摩擦。其原因在于空气动力学效应以及在此尤其在于转子与定子之间的压力垫结构。将转子的速度保持在空转转速nl或以上。如果空转转速nl大于提升转速nL，则可以避免转子与定子之间的直接机械接触。
单独地或组合地执行以下措施：
响应于第一信息(基于该第一信息能够预期到作用到气体轴承上的加速力F的变化ΔF)，求取空转转速nl与提升转速nL之间的安全系数rN：＝nl/nL的新值。
响应于第二信息(基于该第二信息能够预期到提升转速nL的变化ΔnL)，求取提升转速nL的新的值nL,neu。
使气体轴承的空转转速nl匹配于安全系数rN的改变的值和/或提升转速nL的改变的值。
在此完全可能的是：第一信息和第二信息重叠，即，例如同一测量参量不仅对于加速力F的预期变化ΔF重要相关，而且对于提升转速nL的预期变化ΔnL重要相关。
特别是在移动应用中，高的加速力(例如通过对转子轴单元的冲击)可以作用到气体轴承上。气体轴承能够施加的回复力取决于气体轴承中压力垫的压力并且因此取决于当前的转速。如果回复力不能补偿由于加速力引起的转子偏转，则在转子与定子之间发生固体接触。每个这种接触都会由于摩擦效应而引起退化。因此，这些接触是“总体效应(Summationsgiff)”，这种总体效应在气体轴承发失效的某一时刻达到顶峰。因此，通常在空转转速nl与提升转速nL之间设置固定安全系数rN，该固定安全系数例如处于2至3之间。
现在已经认识到，通过将该安全系数rN动态地降低到绝对必要的程度，一方面能够节省大量能量，因为能量消耗随转速超比例地增加。其原因是摩擦损耗随着转速的增大而增大。另一方面，噪声产生也显著降低。
还已认识到，气体轴承的提升转速不一定是恒定的，而是可以由于不同的影响而发生变化。如果监测这些影响，则例如可以将安全系数rN保持恒定，并且也可以将提升转速nL的每个增加ΔnL乘以安全系数rN加到空转转速nl上。正是这种影响至今仍属于未知参量，该未知参量是造成安全系数rN大小的原因之一。如果将这种影响量化，则安全系数rN仅需覆盖剩余的未知参量，并且因此可以降低。
在最简单的情况下，可以将提升转速nL、空转转速nl和/或安全系数rN的初始值预给定为恒定。但是，这些值例如也可以作为一个或多个变量的函数或者作为参数化特性曲线族或模型存在。
无论是否改变安全系数rN、提升转速nL或这两个参量，最终都得出新的空转转速nl，可以通过分配给气体轴承的组件的控制设备来调整该新的空转转速。这种追踪例如可以随时间时钟进行。
特别有利地，第一信息包括加速度传感器的至少一个测量值。特别是在车辆中使用时，气体轴承可能突然被施加高的加速力。另一方面，加速度传感器已经存在于任何现代车辆中(例如在ABS或ESP系统中)。因为例如燃料电池系统通常需要连接至车辆的CAN总线，并且例如ABS或ESP系统同样与CAN总线连接，因此不需要附加的传感器也不需要附加的布线(以便为了更新安全系数rN而针对气体轴承的运行测量加速度)。
在车辆运行中出现的加速力很少是一次性冲击或撞击的产物。相反，这种加速力通常由车辆与所行驶的行车道之间的持续相互作用造成。因此，加速力的历史给出了关于将来预期的加速力的一定依据。因此，有利地，由加速度传感器的测量值的在观察时间段TB内获得的历史来分析处理在将来的预测时间段TP期间的预期的加速力F。
通常，同一行车道区段的状态不随时间突然变化，而是仅逐渐变化。因此，可以至少基本上根据对行车道区段的状态的总体评估来预测出现的加速力。因此，第一信息有利地包括对行车道区段的状态的至少一个评估，具有气体轴承的车辆处于该行车道区段上和/或该车辆接近该行车道。可以由任何来源获得该评估。该评估也可以与其他信息(例如存在于车辆中的坑洼探测器的信号)组合。
例如，可以从数字地图、从能够通过网络达到的信息服务和/或从另一车辆获得该评估和/或对于该评估而言重要的测量参量。因此，关于当前行车道状态的地图信息具有如下附加价值：该信息使得能够实现具有气体轴承的车辆的低磨损的并且同时节能的运行。
在另一特别有利的构型中，第一信息包括以下信息：能够预期到具有气体轴承的车辆在至少一个预给定的时间段内的停止状态。这不仅包括车辆当前已经停止并且还将继续停止的情况，而且还包括车辆在将来才停止并且在预给定的时间段内保持停止的情况。如果预期到停止状态，则可以在较长的时间段内特别强烈地降低安全系数rN。在极端情况下，如果在停止状态期间不需要车辆的包含气体轴承的组件，则可以完全停机气体轴承的转子轴单元。
在转子轴单元停机情况下，在低于提升转速nL之后，通过与定子的固体接触将转子的剩余旋转能量转化为热量。因此，停机和之后的重新启动到原始转速消耗了如下能量量值：该能量量值可以与在气体轴承的空转期间积聚的其他能量量值平衡。此外，转子与定子之间的固体接触也总是伴随着两个构件的以总体效应方式作用的退化。因此，转子轴单元的每次停机和重新启动都消耗气体轴承的一些预期寿命。时间极限(从该时间极限起，预期的停止状态被视为对于转子轴单元的完全停机足够长)用于在能量和使用寿命的成本方面与在空转期间积聚的其他能量量值之间进行权衡。
在本发明的另一特别有利的构型中，第二信息包括至少一个测量值，该测量值涉及环境条件，气体轴承在该环境条件下运行。因此，提升转速nL例如可以取决于环境温度和/或空气湿度。
例如，如果环境空气是定子与转子之间的介质，则环境条件直接对该介质产生影响，并且因此也对介质的机械性能产生影响。然而，机械性能不一定仅由此确定，而且也能够取决于介质的状态参量，该状态参量只能在气体轴承内测量。因此，例如可以通过高转速下的摩擦效应将(作为气体轴承的介质的)空气的温度加热到明显超过环境温度。因此，第二信息有利地包括涉及介质的状态参量的至少一个测量值。
然而，提升转速nL例如也会由于气体轴承的老化或磨损而发生改变。因此，第二信息有利地包括气体轴承的至少一个使用指标。例如，考虑将运行小时数或启动-停止过程的累计数量作为使用指标。因此，例如可以以增加的安全系数rN来运行已经经过许多开始-停止过程的气体轴承，以便避免附加的退化。使用指标还允许包含已经对于加速力F的预期变化ΔF和/或对于提升转速nL的预期变化ΔnL重要相关的参量。
此外，第二信息也可以由气体轴承的应用模型获得。这种模型尤其可以由能够达到的参量求取直接测量无法达到的参量。这些能够达到的参量例如可以通过测量或从云中获得。
在另一特别有利的构型中，空转转速nl附加地遵循具有气体轴承的设备的当前的或将来的负载要求。
例如，如果气体轴承处于用于向燃料电池或燃料电池堆提供燃料气体或氧化剂的压缩机中，则对于燃料电池或燃料电池堆的各个运行模式都存在有意义的空转转速nl，例如：
对于最小负载点，在该最小负载点中燃料电池堆输出最小功率；
对于经由空气旁路将小的空气质量流引导绕过燃料电池堆的运行模式中，不输出电功率；
对于部分负载范围，在该部分负载范围中，将空气质量流的一部分引导到燃料电池堆中，并且将另一部分引导绕过燃料电池堆。
有利地，通过操控气体轴承的转子轴单元的驱动将气体轴承的实际转速控制和/或调节到匹配的空转转速nl上。在气体轴承的运行中，这使空转转速nl的匹配转化为物理能量节省。例如，可以将匹配的空转转速nl作为期望值或作为边界条件提供给气体轴承的速度调节装置，该速度调节装置又通过调整参量作用在驱动上。
该方法不仅对于用于移动燃料电池的压缩机中的气体轴承是有利的。该方法例如也可以在用于固定燃料电池的压缩机中的气体轴承中使用。与行驶运行中不同，在那里不出现突然的冲击。为此，固定燃料电池可能比车辆在更长时间段上使用，从而使用和老化效应对提升转速的影响变得重要。
此外，该方法例如也可以用于安装在用于制冷剂的压缩机中(例如冰箱或空调设备中)的气体轴承。在此，降低的空转转速特别有利地实现噪声更小的运行。
该方法可以全部或部分地以软件实现，并且尤其使现有的计算机或控制设备能够执行该方法。就此而言，该软件是能够独立出售的产品(例如用于配件市场)。因此，本发明也涉及一种具有机器可读的指令的计算机程序，当该指令在计算机上和/或在控制设备上运行时，该指令促使该计算机和/或该控制设备实施根据本发明的方法。同样，本发明还涉及一种具有计算机程序的机器可读的数据载体或下载产品。
下面根据附图结合本发明的优选实施例的描述进一步示出改善本发明的其他措施。
附图说明
附图示出：
图1示出气体轴承的原理性结构以及摩擦系数μ与速度n的相关性；
图2示出方法100的实施例；
图3示出安全系数rN或提升转速nL的示例性匹配。
具体实施方式
图1a以剖视图示出在停止状态下或在当前转速n小于提升转速nL的状态下的气体轴承1的原理性结构。转子11相对于定子12能够旋转支承并且该转子处于定子上。此外，转子11与定子12之间的间隙填充有介质13(例如空气)。如果转子11相对于定子12旋转(例如通过箭头表明)，则由于固体接触，在转子11与定子12之间存在混合摩擦。
图1b示出在当前速度n等于或大于提升转速nL的状态下的同一气体轴承1。现在，介质13在转子11与定子12之间形成全面的压力垫。当转子11相对于定子12径向偏转时，在转子11接近定子12的地方，介质13的压力增加。这施加回复力，该回复力抵抗偏转地定向。
图1c示出气体轴承1中的摩擦系数μ作为速度n的函数的变化过程。在混合摩擦的区域I中，转子11与定子12之间的固体摩擦占主导。随着转速n的增加，由介质13形成的压力垫越来越抵抗将转子11压向定子12的力。因此，通过抵消使摩擦系数μ降低。在混合摩擦与纯流体摩擦之间的过渡区域II中，在提升转速nL情况下达到摩擦系数μ的最小值：在此，转子11与定子12之间的固体摩擦恰好得以消除，而同时转子11与介质13的流体摩擦还不是很显著。
为了气体轴承1的低磨损运行，现在选择空转转速nl，该空转转速处于转子11与介质13之间的纯流体摩擦的区域III中。在此，如果nl尽可能接近nL，则在能量上是有利的，因为流体摩擦随着转速n的增加而显著增加。但是另一方面，随着nl越来越接近nL，以下风险增加：当气体轴承1受到突然的力作用时，在转子11与定子12之间产生固体接触。
在此，根据本发明的方法提供一种最佳权衡：即，在固体接触的可接受风险情况下，尽可能地降低空转转速nl。
图2示出方法100的实施例。根据步骤110，响应于信息21(即，能够预期到作用到气体轴承上的加速力F的变化ΔF)，求取空转转速nl与提升转速nL之间的安全系数rN的新的值。信息21可以来自不同的来源，这些来源也可以彼此组合。
因此，信息21可以包括加速度传感器22的测量值22a。但是，例如也可以在观察时间段TB期间收集加速度传感器22的测量值22a，并且可以在可选的步骤105中由此分析处理在将来的预测时间段TP期间的预期的加速度F。以这种方式，安全系数rN例如可以遵循由具有气体轴承1的车辆驶过的行车道的例如变化的质量。但是，也可以从任何来源(例如从数字地图23a、从能够通过网络达到的信息服务(云)23b和/或从另一车辆23c(例如通过车对车通信))获得当前或即将行驶的行车道区段的已经完成的评估23。也可以考虑使用信息24(即，能够预期到具有气体轴承的车辆在至少一个预给定的时间段内的停止状态)。如上所述，这不仅包括当前的停止状态进一步持续的情况，而且包括停止状态直到将来才发生的情况。因此，可以使用关于车辆的当前和预测运动状态的信息。
替代地或组合地，可以在步骤120中响应于信息31(提升转速nL将发生变化)来求取提升转速nL的新的值nL,neu。信息31例如可以包括环境条件的测量值32、介质13的状态参量的测量值33和/或气体轴承1的使用指标34。此外，还可以借助气体轴承1的应用模型35来求取信息31，该模型例如在控制设备中被分析处理。例如，可以由这种模型35至少近似地求取气体轴承1的条件(例如温度)，以便节省附加的传感器。
无论步骤110或120中的哪个单独或组合地执行，结果都是出现新的空转转速nl。该空转转速在步骤130中在气体轴承1处进行调整，并且在此可以附加地遵循具有气体轴承1的设备的当前或将来的负载要求。以这种方式，例如可以避免为了满足负载要求而必须突然使转速n加速。
图3示例性地示出安全系数rN或提升转速nL的不同匹配。
在图3a中绘制安全系数rN随具有气体轴承1的车辆的绝对速度|v|的变化。安全系数rN(通常为2.4)在车辆停止状态时显著降低到1.5，并且一旦车辆运动就再次急剧上升到2.4。该方法在车辆的向前行驶和向后行驶中同样地有效。
在图3b中示出温度变化对提升转速nL的影响。随着绝对车辆速度|v|绘制出转速n。
在低温情况下，提升转速nL在第一水平nL,C上。在高温情况下，提升转速nL在较高的第二水平nL,W上。在相同的安全系数rN情况下，这导致：与在低温情况下的空转转速nl(曲线nl,C)相比，在高温情况下的空转转速nl(曲线nl,W)增大。
与图3a类似，针对车辆停止状态的安全系数nR下降，也就是说，在车辆停止状态情况下，空转转速nl在低温和高温情况下分别显著低于行驶期间的空转转速。
在图3c中示例性地安全系数rN随车辆速度v的变化，更确切地说，一次对于良好的行车道状态(曲线rN,G)绘制安全系数，以及一次对于不良的行车道状态(曲线RN,S)绘制安全系数。
在车辆停止状态情况下，行车道状态不会对气体轴承1造成冲击。因此在那里，对于所考虑的两种行车道状态，安全系数rN,G和rN,S相同。然而，如果车辆运动，则不良行车道的安全系数rN,S比良好行车道的安全系数rN,G增大到明显更高的水平上。此外，与图3a不同，安全系数rN,G和rN,S在车辆运动时不是恒定的，而是随着速度v的增加而增加。因此考虑到以下情况：由于在较高速度情况下驶过不平坦处而造成的突然冲击导致对气体轴承1更大的作用力。

Claims (14)

1.一种用于运行气体轴承(1)的方法(100)，其中，所述气体轴承(1)由转子(11)和定子(12)构成，其中，所述转子(11)在以提升转速nL相对于定子(12)旋转时从与所述定子(12)的混合摩擦转变成与处于所述定子(12)和所述转子(11)之间的介质(13)的流体摩擦，其中，将所述转子(11)的转速保持在空转转速nl或以上，其特征在于，
响应于第一信息(21)——基于所述第一信息能够预期到作用到所述气体轴承(1)上的加速力F的变化ΔF，求取(110)所述空转转速nl与所述提升转速nL之间的安全系数rN的新的值，其中，rN＝nl/nL，其中，所述加速力F通过对气体轴承(1)的转子轴单元的冲击作用到气体轴承(1)上，和/或
响应于第二信息(31)——基于所述第二信息(31)能够预期到所述提升转速nL的变化ΔnL，求取(120)所述提升转速nL的新的值nL,neu，
其中，使所述气体轴承(1)的空转转速nl匹配于(130)所述安全系数rN的新的值和/或所述提升转速nL的新的值nL,neu，其中，通过改变安全系数rN、提升转速nL或这两个参量得出新的空转转速nl，其中，所述新的空转转速nl通过分配给气体轴承(1)的组件的控制设备来调整。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，所述第一信息(21)包括加速度传感器(22)的至少一个测量值(22a)。
3.根据权利要求2所述的方法(100)，其特征在于，由所述加速度传感器(22)的测量值(22a)的在观察时间段TB内获得的历史来分析处理(105)在将来的预测时间段TP期间的预期的加速力F。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法(100)，其特征在于，所述第一信息包括对行车道区段的状态的至少一个评估(23)，具有所述气体轴承(1)的车辆处于所述行车道区段上和/或所述车辆接近所述行车道区段。
5.根据权利要求4所述的方法(100)，其特征在于，从数字地图(23a)和/或从能够通过网络达到的信息服务(23b)和/或从另一车辆(23c)获得：
所述评估(23)，和/或，对于所述评估(23)重要的测量参量。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法(100)，其特征在于，所述第一信息(21)包括以下信息(24)：能够预期到具有所述气体轴承(1)的车辆在至少一个预给定的时间段内的停止状态。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法(100)，其特征在于，所述第二信息(31)包括至少一个测量值(32)，所述至少一个测量值涉及所述气体轴承(1)所运行的环境条件。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法(100)，其特征在于，所述第二信息(31)包括至少一个测量值(33)，所述至少一个测量值涉及所述介质(13)的状态参量，其中，所述状态参量包括所述介质(13)的温度。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法(100)，其特征在于，所述第二信息(31)包括所述气体轴承(1)的至少一个使用指标(34)，其中，所述使用指标(34)包括所述气体轴承(1)的运行小时数或启动-停止过程的累计数量。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的方法(100)，其特征在于，借助所述气体轴承(1)的模型(35)来求取所述第二信息(31)，其中，所述模型(35)由能够达到的参量求取直接测量无法达到的参量，所述能够达到的参量通过测量或从云中获得。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的方法(100)，其特征在于，所述空转转速nl附加地遵循(130)具有所述气体轴承(1)的设备的当前的或将来的负载要求。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的方法(100)，其特征在于，通过操控所述气体轴承(1)的转子轴单元的驱动来将所述气体轴承(1)的实际转速控制到所匹配的空转转速nl上，和/或，
通过操控所述气体轴承(1)的转子轴单元的驱动来将所述气体轴承(1)的实际转速调节到所匹配的空转转速nl上。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的方法(100)，其特征在于，在用于向燃料电池提供燃料气体或氧化剂的压缩机中选择气体轴承(1)。
14.一种具有计算机程序的机器可读的数据载体，所述计算机程序包括机器可读的指令，当所述指令在计算机上和/或在控制设备上运行时，所述指令促使所述计算机和/或所述控制设备实施根据权利要求1至13中任一项所述的方法(100)。
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