DE102010040766A1

DE102010040766A1 - Method for increasing temperature of e.g. electrical turbo compressor utilized for supplying air to fuel cell of fuel cell system to produce electricity, involves producing heat-producing current flow in coil to produce magnetic field

Info

Publication number: DE102010040766A1
Application number: DE201010040766
Authority: DE
Inventors: Martin Braun; Gilles Schmitt; Tadeusz Glazewski
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2012-03-15

Abstract

The method involves connecting a turbo machine i.e. electrical turbo compressor (200), with an induction machine by an electric coil, and contacting the coil by terminals of the induction machine. A field-forming component and a rotational torque-forming component of an electric signal are adjusted to apply the signal to the terminals. The rotational torque-forming component drives the induction machine, and the field-forming component is adjusted depending on temperature and produces heat-producing current flow in the coil to produce heat-producing magnetic field. Independent claims are also included for the following: (1) a device for increasing temperature of a turbo machine, comprising a device for adjusting field-forming component and rotational torque-forming component of an electric signal (2) a turbo machine comprising a compressor (3) a computer program product comprising a program code for executing a method for increasing temperature of a turbo machine.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhöhung der Temperatur einer Turbomaschine, auf eine entsprechende Vorrichtung, auf eine Turbomaschine zur Luftversorgung für eine Brennstoffzelle, sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.The present invention relates to a method for increasing the temperature of a turbomachine, to a corresponding device, to a turbomachine for supplying air to a fuel cell, and to a corresponding computer program product.

Für den Betrieb eines elektrischen Turboverdichters (ETC/ETV) kann es erforderlich sein, die Lager oder die Turbine des Turboverdichters aufzuheizen. Das Aufheizen der Turbomaschine kann vor oder während eines Betriebsbeginns durch zusätzliche Hilfsenergie durchgeführt werden. Damit kann einem erhöhten Verschleiß oder einer bleibenden Schädigung an beweglichen Teilen der Turbomaschine durch tiefe Temperaturen entgegengewirkt werden. Bekannte Systeme verfolgen Konzepte, bei denen die Turbomaschine über eine elektrische Heizpatrone im Gehäuse der Leistungsturbine oder über ein Temperiermedium wie Kühlwasser aufgeheizt wird.For the operation of an electric turbo-compressor (ETC / ETV) it may be necessary to heat up the bearings or turbine of the turbocompressor. The heating of the turbomachine can be carried out before or during a start of operation by additional auxiliary power. This can counteract increased wear or permanent damage to moving parts of the turbomachine by low temperatures. Known systems pursue concepts in which the turbomachine is heated via an electric immersion heater in the power turbine housing or via a temperature control medium such as cooling water.

Die DE 19928481 B4 beschreibt ein Verfahren vereinfachten feldorientierten Regelung von Asynchronmaschinen. Dabei werden Stellgrößen für einen flussbildenden und einen drehmomentbildenden Strom basierend auf Sollwertvorgaben für die Ströme erzeugt. Genauso können mit diesem Verfahren ohne die Vorgabe eines flussbildenden Stromes, Synchronmaschinen feldorientiert geregelt werden.The DE 19928481 B4 describes a method simplified field-oriented control of asynchronous machines. In this case, manipulated variables for a flow-forming and a torque-forming current based on setpoint specifications for the currents are generated. In the same way, synchronous machines can be field-oriented with this method without the specification of a flow-forming current.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erhöhung der Temperatur einer Turbomaschine, weiterhin eine Turbomaschine Versorgung einer Brennstoffzelle sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Patentansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, the present invention provides a method and a device for increasing the temperature of a turbomachine, furthermore a turbomachine supplying a fuel cell, and finally a corresponding computer program product according to the independent patent claims. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass elektrische Energie in einem Elektromotor, die nicht für eine Erzeugung eines Drehmoments oder zum Aufbau eines magnetischen Flusses genutzt wird, als Verlustleistung in Wärme umgewandelt wird. Durch Variieren von Anteilen eines elektrischen Eingangssignals für den Elektromotor lässt sich ein Verhältnis zwischen erzeugter Wärme und erzeugtem Drehmoment beeinflussen. Die im Regelfall als unerwünscht angesehene Wärmeentwicklung kann hierbei gezielt zu einer Erwärmung verschleißanfälliger Bauteile im Turboverdichter und mit dem Elektromotor wärmeleitend verbundener Komponenten genutzt werden.The invention is based on the recognition that electrical energy in an electric motor, which is not used for generating a torque or for establishing a magnetic flux, is converted into heat as power loss. By varying proportions of an electrical input signal to the electric motor, a ratio between heat generated and torque produced can be influenced. The generally regarded as undesirable heat development can be used here targeted to a heating wear susceptible components in the turbo compressor and the electric motor thermally conductive components connected.

Insbesondere befasst sich die vorliegende Erfindung mit einer Aufheizstrategie für das Erwärmen eines elektrischen Turboverdichters über seine Drehfeldmaschine, insbesondere wenn die Drehfeldmaschine eine permanent magnetisch erregte Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine oder eine geschaltete Reluktanzmaschine oder eine Homopolarmaschine ist. Die Erwärmung kann im Stillstand sowie bei drehender Maschine erfolgen. Das Aufheizen des Turboverdichters mit Lager und Turbine kann in bestimmten Betriebspunkten erfolgen, insbesondere auch wenn die Maschine sich schon dreht. Beispielhafte Betriebspunkte hierfür können das Auftauen der Turbine bei Temperaturen unter 0°C oder das Aufheizen der Lager bei Temperaturen unter 10°C sein.In particular, the present invention is concerned with a heating strategy for heating an electric turbocompressor via its induction machine, in particular when the induction machine is a permanent magnet synchronous machine or an asynchronous machine or a switched reluctance machine or a homopolar machine. The heating can be done at standstill or while the machine is rotating. The heating of the turbocompressor with bearing and turbine can be done in certain operating points, especially if the machine is already rotating. Exemplary operating points for this may be the thawing of the turbine at temperatures below 0 ° C or the heating of the bearings at temperatures below 10 ° C.

Erfindungsgemäß ist es nicht erforderlich, den Turboverdichter mittels Heizpatronen oder Kühlwasser aufzuheizen. Dadurch ergibt sich eine Einsparung von Heizpatronen oder einer zusätzlichen Heizung im Temperiermedium sowie einer dazu notwendigen Ansteuerschaltung. Desweiteren sind ein deutlich schnellerer Aufheizvorgang der Lager und eine homogene Erwärmung der Mechanik, insbesondere der Lager, gegeben, da auch die Lagerinnenringe erwärmt werden. Zusätzlich erfordert der Aufwärmvorgang keine Energie aus dem Niederspannungsnetz, das üblicherweise von einer Fahrzeugbatterie versorgt wird. Insgesamt ergibt sich eine Verbesserung der gesamten Dynamik des Turboverdichters da aufgrund der Temperierung der Lager ein schnellerer Hochlauf möglich ist. Das Aufheizen des Turboverdichters, insbesondere der Lager, ist auch möglich, wenn die Drehfeldmaschine sich bereits dreht. Ansonsten ergibt sich eine Reduzierung der Aufheizzeit im Stillstand.According to the invention, it is not necessary to heat the turbocompressor by means of heating cartridges or cooling water. This results in a saving of heating cartridges or additional heating in the temperature control and a necessary control circuit. Furthermore, a significantly faster heating of the bearings and a homogeneous heating of the mechanics, in particular the bearings, given, as well as the bearing inner rings are heated. In addition, the warm-up process does not require energy from the low-voltage network, which is usually supplied by a vehicle battery. Overall, there is an improvement in the overall dynamics of the turbocompressor as a faster run-up is possible due to the temperature of the bearings. The heating of the turbocompressor, in particular the bearings, is also possible when the induction machine is already rotating. Otherwise, there is a reduction of the heating time at standstill.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Erhöhung der Temperatur einer Turbomaschine auf eine Betriebstemperatur, wobei die Turbomaschine wärmeleitend mit einer Drehfeldmaschine mit mindestens einer antriebswirksamen elektrischen Spule verbunden ist, wobei die Spule über Anschlussklemmen der Drehfeldmaschine elektrisch kontaktierbar ist, mit dem folgendem Schritt:

Einstellen einer feldbildenden Komponente und einer drehmomentbildenden Komponente eines elektrischen Signals zum Anlegen an die Anschlussklemmen, wobei die drehmomentbildende Komponente ausgebildet ist, die Drehfeldmaschine anzutreiben, und wobei die feldbildende Komponente abhängig von der Temperatur eingestellt wird und ausgebildet ist, um einen wärmeerzeugenden Stromfluss in der Spule und ein daraus resultierendes wärmeerzeugendes Magnetfeld zu bewirken.The present invention provides a method for increasing the temperature of a turbomachine to an operating temperature, wherein the turbomachine is thermally conductively connected to a rotating field machine with at least one electrically active electrical coil, wherein the coil is electrically contacted via terminals of the induction machine, comprising the following step:

Adjusting a field-forming component and a torque-forming component of an electrical signal for application to the terminals, wherein the torque-forming component is adapted to drive the induction machine, and wherein the field-forming component is adjusted depending on the temperature and is adapted to a heat-generating current flow in the coil and cause a resulting heat-generating magnetic field.

Unter einer Turbomaschine kann eine thermische Turbomaschine und insbesondere ein Turboverdichter verstanden werden. Die Turbomaschine kann demnach einen Verdichter und/oder eine Turbine aufweisen. Im Verdichter kann die Turbomaschine ein Gas komprimieren. Die zur Komprimierung erforderliche mechanische Energie kann von der Drehfeldmaschine bereit gestellt werden. In der Turbine kann die Turbomaschine ein Gas entspannen. Dabei kann Energie in Form von mechanischer Energie bereitgestellt werden, die auf den Verdichter übertragen oder von der Drehfeldmaschine in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Temperatur der Turbomaschine kann eine gemessene Temperatur an einem verschleißempfindlichen Bauteil, wie einem Lager sein. Die Temperatur kann auch an einem Rotor oder Stator der Drehfeldmaschine gemessen werden. Ebenso kann die Temperatur an einem Läufer, Gehäuse oder Umfeld der Turbomaschine gemessen werden. Für die Turbomaschine kann eine Betriebstemperatur vorgesehen sein, bei der Reibung und Verschleiß minimal sein können. Wenn die Betriebstemperatur unterschritten ist, können die Reibung und somit auch der Verschleiß erhöht sein. Um die Temperatur der Turbomaschine zu erhöhen kann die Abwärme der Drehfeldmaschine genutzt werden. Unter einer Drehfeldmaschine kann ein Generator oder Elektromotor, verstanden werden, der beispielsweise drei Spulen aufweist, um unter Verwendung eines oder mehrerer rotierender magnetischer Felder elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln kann oder umgekehrt mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln kann. Ein Stromfluss durch die Spulen oder eine an die Spulen angelegte Spannung kann durch das elektrische Signal definiert werden. Je nach Betriebszustand weist das elektrische Signal eine feldbildende Komponente und zusätzlich oder alternativ eine drehmomentbildende Komponente auf. Die feldbildende Komponente ist ausgebildet, um einen Strom durch die Spulen zu bewirken, der kein Drehmoment zum Antreiben der Drehfeldmaschine bewirkt. Die drehmomentbildende Komponente ist ausgebildet, um einen Strom durch die Spulen zu bewirken, der ein Drehmoment zum Antreiben der Drehfeldmaschine bewirkt. Die drehmomentbildende Komponente führt zusätzlich zu einer Erwärmung der Spulen. Die feldbildende Komponente und die drehmomentbildende Komponente können auf ein rotor- oder magnetfeldfestes dq-Koordinatensystem bezogen sein, wobei die drehmomentbildende Komponente in q-Richtung und die feldbildende Komponente in d-Richtung aufgetragen werden. Die feldbildende Komponente und die drehmomentbildende Komponente können Stromwerte oder Spannungswerte repräsentieren. Zum Ansteuern der Drehfeldmaschine können die feldbildende Komponente und die drehmomentbildende Komponente mittels einer geeigneten Transformation aus dem dq-Koordinatensystem in ein statorfestes Koordinatensystem, also in drei Spannungskomponenten eines 3-Phasen-Drehstromsystems, gewandelt werden. Die Spannungskomponenten des 3-Phasen-Drehstromsystems können an die Anschlussklemmen der Drehfeldmaschine angelegt werden. Ein Stromfluss durch die Spulen hat aufgrund des ohmschen Widerstands der Spulenwicklungen eine Erwärmung der Spulen zur Folge. Der Stromfluss durch die Spulen hat ferner die Erzeugung eines wärmeerzeugenden Magnetfelds zur Folge, das wiederum zu einer Erwärmung magnetisch leitfähiger Teile der Turbomaschine führt. Beispielsweise kann das wärmeerzeugende Magnetfeld und daraus entstehende induzierte Wirbelströme im Stator und im Rotor des Elektromotors eine Erwärmung des Rotors und des Stators bewirken. Dieser Effekt stellt die Aufheizung des Rotors und des Stators durch induzierte Wirbelströme in den magnetisch leitfähigen Teilen derselben dar, welche aufgrund der zeitlichen Änderung der d- und optional der q-Komponente der durch die Statorströme resultierenden magnetischen Flüsse hervorgerufen werden. Die Erwärmung der Spulen kann durch den feldbildenden Anteil des elektrischen Signals gesteuert werden, ohne dass das Drehmoment der Drehfeldmaschine beeinflusst wird. Die durch Spulen erzeugte Wärme kann zur Erwärmung von Komponenten der Drehfeldmaschine und der Turbomaschine genutzt werden.Under a turbomachine, a thermal turbomachine and in particular a Turbo compressor are understood. The turbomachine may accordingly have a compressor and / or a turbine. In the compressor, the turbomachine can compress a gas. The mechanical energy required for compression can be provided by the induction machine. In the turbine, the turbomachine can relax a gas. In this case, energy can be provided in the form of mechanical energy that can be transferred to the compressor or converted by the induction machine into electrical energy. The temperature of the turbomachine may be a measured temperature at a wear-sensitive component, such as a bearing. The temperature can also be measured on a rotor or stator of the induction machine. Likewise, the temperature can be measured on a rotor, housing or environment of the turbomachine. For the turbomachine, an operating temperature may be provided at which friction and wear may be minimal. If the operating temperature is lower, the friction and thus the wear can be increased. In order to increase the temperature of the turbomachine, the waste heat of the induction machine can be used. Under a rotating field machine can be understood a generator or electric motor, for example, has three coils to use one or more rotating magnetic fields can convert electrical energy into mechanical energy or vice versa mechanical energy can convert into electrical energy. A current flow through the coils or a voltage applied to the coils can be defined by the electrical signal. Depending on the operating state, the electrical signal has a field-forming component and additionally or alternatively a torque-forming component. The field forming component is configured to cause a current through the coils that does not cause torque to drive the induction machine. The torque-forming component is configured to cause a current through the coils, which causes a torque for driving the induction machine. The torque-forming component additionally leads to heating of the coils. The field-forming component and the torque-forming component may be based on a rotor or magnetic field-fixed dq coordinate system, wherein the torque-forming component in the q-direction and the field-forming component in the d-direction are plotted. The field-forming component and the torque-forming component may represent current values or voltage values. To control the induction machine, the field-forming component and the torque-forming component can be converted by means of a suitable transformation from the dq coordinate system into a stator-fixed coordinate system, ie in three voltage components of a 3-phase three-phase system. The voltage components of the 3-phase three-phase system can be applied to the connection terminals of the induction machine. A current flow through the coils results in a heating of the coils due to the ohmic resistance of the coil windings. The current flow through the coils also results in the generation of a heat-generating magnetic field, which in turn leads to heating of magnetically conductive parts of the turbomachine. For example, the heat-generating magnetic field and resulting induced eddy currents in the stator and in the rotor of the electric motor cause heating of the rotor and of the stator. This effect is the heating of the rotor and the stator by induced eddy currents in the magnetically conductive parts of the same, which are caused by the temporal change of the d- and optionally the q-component of the magnetic fluxes resulting from the stator currents. The heating of the coils can be controlled by the field-forming portion of the electrical signal, without the torque of the induction machine is affected. The heat generated by coils can be used to heat components of the induction machine and the turbomachine.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die feldbildende Komponente einen über die Zeit veränderlichen Verlauf aufweisen. Beispielsweise kann die feldbildende Komponente einen periodisch schwingenden Verlauf aufweisen. Ferner kann die feldbildende Komponente einen Gleichanteil umfassen. Der Gleichanteil kann für sich bestehen oder von einer periodischen Schwingung überlagert sein. Dadurch kann die Drehfeldmaschine auf bekannte Weise über die drehmomentbildende Komponente angesteuert werden und es kann zusätzlich eine Erwärmung über die feldbildende Komponente erreicht werden.According to one embodiment of the present invention, the field-forming component may have a variable over time course. For example, the field-forming component may have a periodically oscillating profile. Furthermore, the field-forming component may comprise a DC component. The DC component can exist by itself or be superimposed by a periodic oscillation. Thereby, the induction machine can be controlled in a known manner on the torque-forming component and it can be achieved in addition to a warming over the field-forming component.

Die Turbomaschine kann einen Ruhezustand aufweisen. Befindet sich die Turbomaschine im Ruhezustand, so kann im Schritt des Einstellens das elektrische Signal so erzeugt werden, dass die drehmomentbildende Komponente gleich Null und die die feldbildende Komponente einen Gleichanteil und/oder einen über die Zeit veränderlichen Verlauf aufweist. In dem Ruhezustand kann sich die Drehfeldmaschine im Stillstand befinden. Vorteilhafterweise kann die Drehfeldmaschine bereits im Stillstand erwärmt werden.The turbomachine may have a resting state. If the turbomachine is in the idle state, then in the setting step the electrical signal can be generated such that the torque-forming component has zero and the field-forming component has a DC component and / or a variable characteristic over time. In the idle state, the induction machine may be at a standstill. Advantageously, the induction machine can be heated already at a standstill.

Ferner kann die Turbomaschine einen Anfahrzustand aufweisen. Befindet sich die Turbomaschine im Anfahrzustand, so kann im Schritt des Einstellens das elektrische Signal so erzeugt werden, dass die drehmomentbildende Komponente einen Gleichspannungsanteil umfasst, und die die feldbildende Komponente einen Gleichanteil und/oder einen über die Zeit veränderlichen Verlauf aufweist. Dadurch kann die Turbomaschine aus dem Stillstand beschleunigt werden und zusätzlich kann eine stärkere Erwärmung erreicht werden, als im Normalbetrieb, in dem die feldbildende Komponente minimiert wird.Furthermore, the turbomachine may have a starting state. If the turbomachine is in the starting state, the electrical signal can be generated in the setting step such that the torque-forming component comprises a DC component, and the component forming the field has a DC component and / or a variable characteristic over time. This can cause the turbomachine to stop can be accelerated and in addition, a greater heating can be achieved than in normal operation, in which the field-forming component is minimized.

Auch kann die Turbomaschine einen Vorlaufzustand aufweisen, in dem die drehmomentbildende Komponente wechselnd positive und negative Werte aufweist, um die Turbomaschine in Schwingung zu versetzen. Dabei können die drehmomentbildende Komponente und die feldbildende Komponente einen Phasenversatz zueinander aufweisen. Dadurch kann ein wiederkehrendes kurzzeitiges Drehmoment erzeugt werden, welches Blockaden in der Turbomaschine lösen kann. Zusätzlich kann über die feldbildende Komponente die Erwärmung durchgeführt werden.The turbomachine may also have a flow state in which the torque-forming component has alternating positive and negative values in order to vibrate the turbomachine. In this case, the torque-forming component and the field-forming component may have a phase offset from one another. As a result, a recurrent short-term torque can be generated which can release blockages in the turbomachine. In addition, the heating can be carried out via the field-forming component.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zur Erhöhung einer Temperatur einer Turbomaschine auf eine Betriebstemperatur, wobei die Turbomaschine wärmeleitend mit einer Drehfeldmaschine mit mindestens einer antriebswirksamen elektrischen Spule verbunden ist, wobei die Spule über Anschlussklemmen der Drehfeldmaschine elektrisch kontaktierbar ist, mit dem folgendem Merkmal:
einer Einrichtung zum Einstellen einer feldbildenden Komponente und einer drehmomentbildenden Komponente eines elektrischen Signals zum Anlegen an die Anschlussklemmen, wobei die drehmomentbildende Komponente ausgebildet ist, die Drehfeldmaschine anzutreiben, und wobei die feldbildende Komponente abhängig von der Temperatur eingestellt wird und ausgebildet ist, um einen wärmeerzeugenden Stromfluss in der Spule und ein daraus resultierendes wärmeerzeugendes Magnetfeld zu bewirken.The present invention further provides an apparatus for raising a temperature of a turbomachine to an operating temperature, wherein the turbomachine is thermally conductively connected to a rotating field machine with at least one electrically active electrical coil, wherein the coil is electrically contacted via terminals of the induction machine, with the following feature:
a device for adjusting a field-forming component and a torque-forming component of an electrical signal for application to the terminals, wherein the torque-forming component is adapted to drive the induction machine, and wherein the field-forming component is adjusted depending on the temperature and is adapted to a heat-generating current flow in the coil and cause a resulting heat-generating magnetic field.

Die Vorrichtung kann Teil einer Leistungselektronik, beispielsweise eines Pulswechselrichters sein, mit dem Ansteuerströme einer Drehfeldmaschine erzeugt werden.The device may be part of a power electronics, for example, a pulse inverter, are generated with the drive currents of a rotating field machine.

Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung eine Turbomaschine für eine Brennstoffzelle, mit folgenden Merkmalen:
einem Verdichter zum Komprimieren eines Gases zur Versorgung der Brennstoffzelle und einer Drehfeldmaschine, die mit dem Verdichter gekoppelt ist; und
einer Vorrichtung zur Erhöhung einer Temperatur der Turbomaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.Furthermore, the present invention provides a turbomachine for a fuel cell, having the following features:
a compressor for compressing a gas for supplying the fuel cell and a rotary field machine coupled to the compressor; and
a device for increasing a temperature of the turbomachine according to an embodiment of the present invention.

Die Turbomaschine kann für ein Brennstoffzellensystem, welches zur Bereitstellung elektrischer Energie eingesetzt wird, verwendet werden, das neben zumindest einer Brennstoffzelle die Turbomaschine aufweist. Unter einer Brennstoffzelle kann ein elektrochemisches Gerät verstanden werden, in dem zwei Gase miteinander reagieren. Aus der Reaktionsenergie wird elektrische Energie gewonnen. Die Brennstoffzelle kann mit komprimierten oder verdichteten Gasen versorgt werden. Zumindest eines der Gase kann in dem Verdichter komprimiert und der Brennstoffzelle zugeführt werden. Dabei kann es sich um Luft zur Luftversorgung der Brennstoffzelle handeln. Der Verdichter kann von der Drehfeldmaschine angetrieben werden. Optional kann die Turbomaschine eine Turbine zur Nutzung einer Abgasenergie der Brennstoffzelle aufweisen. Die Turbine kann mit der Drehfeldmaschine gekoppelt sein und durch ein bei der Reaktion der Gase entstehendes Abgas angetrieben werden. Die Turbine kann wiederum die Drehfeldmaschine und über die Drehfeldmaschine den Verdichter antreiben. Dazu können Verdichter, Drehfeldmaschine und Turbine mechanisch verbunden sein.The turbomachine may be used for a fuel cell system used to provide electrical energy that includes the turbomachine in addition to at least one fuel cell. A fuel cell can be understood to mean an electrochemical device in which two gases react with one another. From the reaction energy electrical energy is obtained. The fuel cell can be supplied with compressed or compressed gases. At least one of the gases may be compressed in the compressor and supplied to the fuel cell. This can be air for supplying air to the fuel cell. The compressor can be driven by the induction machine. Optionally, the turbomachine may include a turbine for utilizing exhaust gas energy of the fuel cell. The turbine may be coupled to the induction machine and driven by an exhaust gas resulting from the reaction of the gases. The turbine, in turn, can drive the induction machine and the compressor via the induction machine. These compressors, induction machine and turbine can be mechanically connected.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem, einem Computer entsprechenden Gerät ausgeführt wird.A computer program product with program code which can be stored on a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used to carry out the method according to one of the embodiments described above if the program is on a computer corresponding to a computer is also of advantage Device is running.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 1 a flowchart of a method, according to an embodiment of the present invention;

2 ein Blockschaltbild einer beispielhaften Turbomaschine mit einer Drehfeldmaschine; 2 a block diagram of an exemplary turbomachine with a rotating field machine;

3 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zum Einstellen einer feldbildenden und einer drehmomentbildenden Komponente, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 3 a block diagram of a device for adjusting a field-forming and a torque-forming component, according to an embodiment of the present invention;

4a bis 4d Koordinatensysteme und Diagramme von feld- und drehmomentbildenden Strömen, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; 4a to 4d Coordinate systems and diagrams of field and torque-forming currents, according to embodiments of the present invention;

5 eine Zeitreihe einer veränderlichen Spannung an einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und 5 a time series of a variable voltage in an embodiment of the present invention; and

6 ein Zeit-Temperatur Diagramm, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 6 a time-temperature diagram, according to an embodiment of the present invention.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of preferred embodiments of the present invention will be made for the elements shown in the various figures and similar acting use the same or similar reference numerals, wherein a repeated description of these elements is omitted.

1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Erhöhung einer Temperatur T einer Turbomaschine auf eine Betriebstemperatur, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem Schritt 102 wird eine Temperaturerkennung in oder an der Turbomaschine durchgeführt, um die Temperatur T zu ermitteln. Dazu können geeignete Sensoren oder Temperaturfühler eingesetzt werden, um die Temperatur T zu messen. In einem Schritt 104 wird abhängig von der Temperatur T ein elektrisches Signal zum Betreiben einer Drehfeldmaschine der Turbomaschine bestimmt. Das elektrische Signal weist eine feldbildende Komponente d und eine drehmomentbildende Komponente q auf. Die drehmomentbildende Komponente q ist ausgebildet, die Drehfeldmaschine anzutreiben und wird abhängig von einem erforderlichen Drehmoment eingestellt. Die feldbildende Komponente d wird abhängig von der Temperatur T eingestellt. Im Gegensatz zur drehmomentbildenden Komponente ist die feldbildende Komponente d nicht zur Erzeugung eines Drehmoments geeignet sondern dient dazu, einen wärmeerzeugenden Stromfluss in der Spule oder über das resultierende magnetische Feld, eine Erwärmung im Rotor und im Stator zu bewirken. Ist die Temperatur T kleiner als die Betriebstemperatur, so kann die feldbildende Komponente auf einen Wert eingestellt werden, der eine Erwärmung der Drehfeldmaschine und somit der Turbomaschine bewirkt. Ist die Temperatur gleich oder größer als die Betriebstemperatur, so kann die feldbildende Komponente auf Null eingestellt oder zumindest minimiert werden, um eine Überhitzung der Turbomaschine zu vermeiden. 1 FIG. 10 shows a flowchart of a method for increasing a temperature T of a turbomachine to an operating temperature, according to an embodiment of the present invention. In one step 102 a temperature detection in or on the turbomachine is performed to determine the temperature T. For this purpose, suitable sensors or temperature sensors can be used to measure the temperature T. In one step 104 Depending on the temperature T, an electrical signal for operating a rotary field machine of the turbomachine is determined. The electrical signal has a field-forming component d and a torque-forming component q. The torque-forming component q is configured to drive the induction machine and is adjusted depending on a required torque. The field-forming component d is set as a function of the temperature T. In contrast to the torque-forming component, the field-forming component d is not suitable for generating a torque but serves to effect a heat-generating current flow in the coil or via the resulting magnetic field, heating in the rotor and in the stator. If the temperature T is less than the operating temperature, then the field-forming component can be set to a value which causes heating of the induction machine and thus of the turbomachine. If the temperature is equal to or greater than the operating temperature, the field-forming component can be set to zero or at least minimized to avoid overheating of the turbomachine.

2 zeigt ein Blockschaltbild eines elektrischen Turboverdichters 200 mit einem angeschlossenen Verdichter 201 und einer angeschlossenen Turbine 202, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei ist eine Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Komponenten des elektrischen Turboverdichters 200 gezeigt. 2 shows a block diagram of an electric turbocompressor 200 with a connected compressor 201 and a connected turbine 202 , according to an embodiment of the present invention. Here is an interaction between the various components of the electric turbocompressor 200 shown.

Die Turbine 202 weist ein Turbinenlaufrad 204 und ein Turbinengehäuse 206 auf. In das Turbinengehäuse 206 kann optional eine Heizpatrone 208 eingebaut sein, um die Turbine 202 zu erwärmen. An die Turbine 202 schließt ein Mechanikgehäuse 210 des Turboverdichters 200 an. Durch das Mechanikgehäuse 210 führt eine Welle 212. Die Welle 212 ist im Mechanikgehäuse 210 durch zwei Lager 214 abgestützt, wobei die Lager jeweils eine beliebige Anzahl an Einzellagern beinhalten können. Ebenfalls im Mechanikgehäuse 210 ist eine Drehfeldmaschine in Form eines Elektromotors 216 angeordnet. Der Elektromotor 216 besteht aus einem Rotor 218 und einem Stator 220. Die Lager 214 sowie der Stator 220 können von einer optionalen Einrichtung 222 zur Temperierung der Mechanik auf Betriebstemperatur gebracht werden. Zusätzlich ist im Mechanikgehäuse 210 eine Leistungselektronik 224 angeordnet. Mittels der Leistungselektronik 224 kann der Elektromotor 216 gesteuert werden. Die Welle 212 durch das Mechanikgehäuse 210 ist einerseits mit dem Turbinenlaufrad 204 und andererseits mit einem Verdichterlaufrad 228 des Verdichters 201 verbunden. Das Verdichterlaufrad 228 ist in einem Verdichtergehäuse 230 angeordnet.The turbine 202 has a turbine runner 204 and a turbine housing 206 on. In the turbine housing 206 can optionally have a heating cartridge 208 be fitted to the turbine 202 to warm up. To the turbine 202 closes a mechanics housing 210 the turbo compressor 200 at. Through the mechanism housing 210 leads a wave 212 , The wave 212 is in the mechanics housing 210 through two camps 214 supported, each bearing may include any number of individual bearings. Also in the mechanical housing 210 is a rotating field machine in the form of an electric motor 216 arranged. The electric motor 216 consists of a rotor 218 and a stator 220 , Camps 214 as well as the stator 220 can of an optional device 222 to bring the temperature of the mechanism to operating temperature. Additionally is in the mechanism housing 210 a power electronics 224 arranged. By means of the power electronics 224 can the electric motor 216 to be controlled. The wave 212 through the mechanism housing 210 is on the one hand with the turbine wheel 204 and on the other hand with a compressor impeller 228 of the compressor 201 connected. The compressor impeller 228 is in a compressor housing 230 arranged.

Der Turboverdichter 200 kann im Zusammenhang mit einem Brennstoffzellensystem eingesetzt werden. Dabei kann mittels des Verdichters 201 ein Gas zur Speisung einer Brennstoffzelle verdichtet werden. Die Turbine 202 kann mittels eines Abgasstroms der Brennstoffzelle angetrieben werden. Über die Welle 212 kann der Verdichter 201 direkt von der Turbine 202 angetrieben werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Verdichter 201 über den Elektromotor 216 angetrieben werden. Erzeugt die Turbine 202 mehr Energie, als von dem Verdichter 201 benötigt wird, so kann der Elektromotor 216 als Generator betrieben werden.The turbo compressor 200 can be used in conjunction with a fuel cell system. It can by means of the compressor 201 a gas is compressed to supply a fuel cell. The turbine 202 can be driven by means of an exhaust gas flow of the fuel cell. About the wave 212 can the compressor 201 directly from the turbine 202 are driven. Additionally or alternatively, the compressor 201 over the electric motor 216 are driven. Produces the turbine 202 more energy than from the compressor 201 is needed, so the electric motor 216 be operated as a generator.

Sofern die Turbine 202 eingesetzt wird, um Energie aus einem heißen Abgasstrom zu gewinnen, sind die Lager 214 auf eine hohe Betriebstemperatur ausgelegt. Bevor die Turbine 202 in Betrieb genommen wird, sind das Turbinenlaufrad 204 und das Turbinengehäuse 206 sowie der Turboverdichter 200 typischerweise kälter als die jeweils entsprechenden Betriebstemperaturen. Um die jeweiligen Betriebstemperaturen zu erreichen kann die Leistungselektronik 224 die Spulen des Elektromotors 216 mit einer Stromkomponente beaufschlagen, die kein Drehmoment des Elektromotors 216 bewirkt jedoch aufgrund des elektrischen Widerstands der Wicklungen der Spulen zu einer Erwärmung der Spulen führt und weiter über das resultierende Magnetfeld und daraus entstehende Wirbelströme im Stator und im Rotor des Elektromotors zu einer Erwärmung des Rotors 218 und des Stators 220 führt. Die Erwärmung der Spulen führt zur Erwärmung der Mechanik des Turboverdichters 200 und, über die Welle 212 oder andere geeignete Wärmebrücken, zur Erwärmung der Komponenten der Turbine 202. Die Erwärmung des Rotors führt zur Erwärmung der Mechanik der Welle 212 des Turboverdichters oder andere geeignete Wärmebrücken, zur Erwärmung der Komponenten der Turbine 202.Unless the turbine 202 used to extract energy from a hot exhaust stream, are the bearings 214 designed for a high operating temperature. Before the turbine 202 is the turbine runner 204 and the turbine housing 206 as well as the turbo compressor 200 typically colder than the respective operating temperatures. To reach the respective operating temperatures, the power electronics 224 the coils of the electric motor 216 apply a current component that does not torque the electric motor 216 However, due to the electrical resistance of the windings of the coils leads to a heating of the coils and further via the resulting magnetic field and resulting eddy currents in the stator and the rotor of the electric motor to a heating of the rotor 218 and the stator 220 leads. The heating of the coils leads to heating of the mechanics of the turbocompressor 200 and, over the wave 212 or other suitable thermal bridges, for heating the components of the turbine 202 , The heating of the rotor leads to heating of the mechanics of the shaft 212 the turbo compressor or other suitable thermal bridges, for heating the components of the turbine 202 ,

3 zeigt eine Einrichtung zum Einstellen einer feldbildenden und einer drehmomentbildenden Komponente eines elektrischen Signals gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in Form eines Pulswechselrichters 300. Der Pulswechselrichter 300 weist Anschlüsse zum Empfangen einer zweiphasigen Gleichspannung als Eingangsspannung U_ZK auf. Der Pulswechselrichter 300 ist ausgebildet, um aus der Eingangsspannung U_ZK das elektrische Signal in feldorientierten Koordinaten oder in phasenorientierten Koordinaten zu erzeugen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird eine dreiphasige Wechselspannung erzeugt und an Ausgangskontakten des Pulswechselrichters 300 ausgegeben. Mittels der dreiphasigen Wechselspannung kann eine Maschine 302 betrieben werden. Optional kann die dreiphasige Wechselspannung durch einen Filter 304 geglättet werden, der zwischen dem Pulswechselrichter 300 und der Maschine 302 geschaltet ist. Der Pulswechselrichter 300 kann Teil der in 2 gezeigten Leistungselektronik sein und die Maschine kann dem in 2 gezeigten Elektromotor entsprechen. 3 shows a device for adjusting a field-forming and a torque-forming component of an electrical signal according to an embodiment of the present invention, in the form of a pulse-controlled inverter 300 , The pulse inverter 300 has connections to Receive a two-phase DC voltage as input voltage U _ZK . The pulse inverter 300 is designed to generate from the input voltage U _ZK the electrical signal in field-oriented coordinates or in phase-oriented coordinates. According to this embodiment, a three-phase AC voltage is generated and output contacts of the pulse inverter 300 output. By means of the three-phase AC voltage can be a machine 302 operate. Optionally, the three-phase AC voltage through a filter 304 be smoothed, between the pulse inverter 300 and the machine 302 is switched. The pulse inverter 300 can be part of 2 be shown power electronics and the machine can in the 2 correspond shown electric motor.

Der Pulswechselrichter 300 kann das elektrische Signal und somit die dreiphasige Wechselspannung abhängig von einer Information über eine Temperatur erzeugen. Insbesondere kann der Pulswechselrichter ausgebildet sein, um das elektrisches Signal mit einer feldbildenden Komponente zu versehen oder diese zu erhöhen, wenn aufgrund der Information über die Temperatur eine Erwärmung der Maschine 302 erforderlich ist. Die Information über eine Temperatur kann über eine geeignete Schnittstelle empfangen werden.The pulse inverter 300 can generate the electrical signal and thus the three-phase AC voltage depending on information about a temperature. In particular, the pulse inverter can be designed to provide the electrical signal with a field-forming component or to increase it, if due to the information about the temperature of a heating of the machine 302 is required. The information about a temperature can be received via a suitable interface.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Erwärmung der Maschine 302 mit einer Erzeugung einer periodischen hochfrequenten Spannung oder eines periodischen hochfrequenten Stroms an den Klemmen der Maschine 302 bewerkstelligt werden. Diese Spannung beziehungsweise dieser Strom kann sowohl in feldorientierten Koordinaten als auch im phasenorientierten Koordinatensystem eingespeist werden. Dabei können die Komponenten der Spannung, bzw. des Stroms sowohl d- als auch q-Anteile aufweisen. Zur Erwärmung erfolgt vorzugsweise eine Aufschaltung in d-Richtung, damit kein resultierendes Drehmoment an der Welle des Motors auftritt. Dabei kann sich die Maschine drehen oder aber auch im Stillstand befinden. Die Aufheizung des in 2 gezeigten Turboverdichters erfolgt somit über den Stator und die Rotorwelle.According to one embodiment, a heating of the machine 302 with a generation of a periodic high-frequency voltage or a periodic high-frequency current at the terminals of the machine 302 be accomplished. This voltage or this current can be fed in both field-oriented coordinates and in the phase-oriented coordinate system. In this case, the components of the voltage or of the current can have both d and q components. For heating, preferably, a connection in the d-direction, so that no resulting torque occurs at the shaft of the motor. In doing so, the machine may rotate or else be at a standstill. The heating of the in 2 shown turbocompressor thus takes place via the stator and the rotor shaft.

Das Verfahren zur Erwärmung kann auch kombiniert werden. So kann gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Aufschaltung eines alternierenden Stromes in q-Richtung zur Regelung des Drehmoments der Maschine erfolgen. Für den Fall, dass die Turbine im Stillstand bei Temperaturen unter 0°C festgefroren ist, kann die Turbine des Turboverdichters losgerüttelt werden.The method of heating can also be combined. Thus, according to one embodiment, an injection of an alternating current in the q-direction for controlling the torque of the machine can take place. In the event that the turbine is frozen at temperatures below 0 ° C at standstill, the turbine of the turbocompressor can be shaken loose.

Bei drehender Maschine d. h. der q-Strom ist ungleich 0A, kann ein zusätzlicher Strom in d-Richtung, auch rotierend, aufgeschaltet werden. Dadurch kann die Aufheizung des Turboverdichters ohne zusätzliches resultierendes Drehmoment an der Welle realisiert werden. Dieses d-Feld kann eine unterschiedliche Frequenz zum q-Strom aufweisen. Insbesondere kann es eine höhere Frequenz aufweisen.With rotating machine d. H. the q-current is not equal to 0A, an additional current in the d-direction, also rotating, can be switched on. As a result, the heating of the turbocompressor without additional resulting torque can be realized on the shaft. This d-field may have a different frequency to the q-current. In particular, it may have a higher frequency.

Ebenfalls kann das Verfahren durch eine Erzeugung eines konstanten Gleichstroms in den Motorphasen realisiert werden. Der Stator und mittelbar der Rotor der Maschine werden somit über ohmscher Wicklungsverluste des Stators aufgeheizt. Insgesamt wird der Stator geheizt. Der Gleichstrom kann vorzugsweise in d-Richtung angelegt werden.Also, the method can be realized by generating a constant direct current in the motor phases. The stator and indirectly the rotor of the machine are thus heated via ohmic winding losses of the stator. Overall, the stator is heated. The direct current may preferably be applied in the d-direction.

Auch eine Erzeugung von alternierenden Spannungsimpulsen oder Stromimpulsen in beliebige Raumzeigerrichtungen ist möglich. Hierbei sollten die Impulse so gewählt werden, dass kein resultierendes Drehmoment an der Welle der Maschine auftritt. Für spezielle Anwendungsfälle kann auch gezielt ein Drehmoment aufgebracht werden, beispielsweise zum Losreißen einer festgefrorenen Turbine. Dabei wird sowohl im Stator als auch im Rotor der Maschine Wärme erzeugt. Die Aufheizung des Turboverdichters erfolgt somit über den Stator und die Rotorwelle.A generation of alternating voltage pulses or current pulses in any room pointer directions is possible. Here, the pulses should be chosen so that no resulting torque occurs at the shaft of the machine. For specific applications, a torque can also be selectively applied, for example, for tearing a frozen turbine. Heat is generated both in the stator and in the rotor of the machine. The heating of the turbocompressor thus takes place via the stator and the rotor shaft.

Die 4a bis 4d zeigen Verläufe des feldbildenden Stroms id und des drehmomentbildenden Stroms iq, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Mittels der gezeigten Ströme kann der erfindungsgemäße Ansatz zur Erhöhung einer Temperatur einer Turbomaschine umgesetzt werden. Der feldbildende Strom id und der drehmomentbildende Strom iq sind pro Figur in je einem Diagramm aufgetragen. Auf der Abszisse ist die Zeit t aufgetragen, auf der Ordinate die Stromstärke iq respektive id. Das feldorientierte dq-Koordinatensystem bildet bei konstanten Zuständen am Motor die zyklisch pendelnden Ströme im phasenorientierten uvw-Koordinatensystem als konstante Werte ab. Durch eine Transformation der Koordinaten aus dem uvw-Koordinatensystem in das dq-Koordinatensystem werden die Ströme aus einer Perspektive des rotierenden Feldes betrachtet. Konstante Ströme im dq-Koordinatensystem werden als sinusförmig wechselnde Ströme in uvw-Koordinatensystem abgebildet. Dabei entspricht eine Umdrehung des dq-Systems einer Periodendauer im uvw System. Die Achsen des uvw-Koordinatensystems stehen unter einem Winkel von 120° zueinander und repräsentieren die Ausrichtung von elektrischen Spulen in einem Dreiphasen-Elektromotor. Durch die sinusförmigen wechselnden Ströme in den Spulen eines Dreiphasen-Elektromotors wird ein drehendes Magnetfeld erzeugt, das mit der Umlauffrequenz der Ströme rotiert. Das dq-Koordinatensystem rotiert mit derselben Umlauffrequenz.The 4a to 4d show waveforms of the field-forming current id and the torque-forming current iq, according to embodiments of the present invention. By means of the currents shown, the inventive approach for increasing a temperature of a turbomachine can be implemented. The field-forming current id and the torque-forming current iq are plotted per figure in a diagram. On the abscissa the time t is plotted, on the ordinate the current iq respectively id. The field-oriented dq coordinate system maps the cyclically oscillating currents in the phase-oriented uvw coordinate system as constant values under constant conditions at the motor. By transforming the coordinates from the uvw coordinate system into the dq coordinate system, the currents are viewed from a perspective of the rotating field. Constant currents in the dq coordinate system are mapped as sinusoidally alternating currents in the uvw coordinate system. One revolution of the dq system corresponds to one period in the uvw system. The axes of the uvw coordinate system are at an angle of 120 ° to each other and represent the orientation of electrical coils in a three-phase electric motor. By the sinusoidal alternating currents in the coils of a three-phase electric motor, a rotating magnetic field is generated, which rotates at the rotational frequency of the currents. The dq coordinate system rotates at the same orbital frequency.

4a zeigt ein Ausführungsbeispiel mit konstanten Strömen im dq-Koordinatensystem. Gezeigt ist ein Verlauf des Stroms iq über die Zeit t und ein Verlauf des Stroms id über die Zeit t. Die Ströme iq und id sind konstant. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der drehmomentbildende Strom iq niedriger als der feldbildende Strom id. Ein aus dem feldbildenden Strom id resultierende Verlustleistung bewirkt eine Erwärmung der Spulen. Der konstante Strom in d- und q-Richtung kann jeweils auch kleiner gleich 0A betragen. 4a shows an embodiment with constant currents in the dq coordinate system. Shown is a course of the current iq over the time t and a course of the current id over the time t. The currents iq and id are constant. According to this embodiment, the torque-forming current iq is lower than the field-forming current id. A power loss resulting from the field-forming current id causes heating of the coils. The constant current in the d and q direction can also be less than or equal to 0A.

4b zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem konstanten Verlauf des Stroms iq und einem schwingenden Verlauf des Stroms id über die Zeit t. Der Strom id führt eine periodische Schwingung um einen konstanten Wert aus. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann es sich also um einen konstanten Strom in q-Richtung und einen periodischer Wechselstrom in d-Richtung mit Gleichanteil handeln. 4b shows an embodiment with a constant course of the current iq and a swinging course of the current id over the time t. The current id carries out a periodic oscillation by a constant value. Thus, according to this embodiment, it may be a constant current in the q-direction and a periodic alternating current in the d-direction with DC component.

4c zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem konstanten Verlauf des Stroms iq und einem wechselnden Verlauf des Stroms id. Der Strom id wechselt seine Richtung periodisch und sein Mittelwert ist null. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann es sich um einen konstanten Strom in q-Richtung und einen periodischen Wechselstrom in d-Richtung ohne Gleichanteil handeln. 4c shows an embodiment with a constant course of the current iq and an alternating course of the current id. The current id changes its direction periodically and its mean value is zero. According to this embodiment, it may be a constant current in the q-direction and a periodic alternating current in the d-direction without a DC component.

4d zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem wechselnden Verlauf des Strom iq und einem wechselnden Verlauf des Stroms id. Beide Ströme weisen keinen Gleichstromanteil auf. Die Ströme iq und id weisen eine Phasenverschiebung von einer Viertelperiode auf. Als Stromvektor in das dq Koordinatensystem projiziert beschreibt die Spitze des Stromvektors eine kreisförmige Kurve. Daher wird mit der Kreisfrequenz des Vektorumlaufs abwechselnd ein Drehmoment und ein Blindstrom bewirkt. Daraus resultiert ein rütteln oder vibrieren des Elektromotors mit der Kreisfrequenz des Kurvenumlaufs. Eventuell vorhandene Blockaden können so gelöst werden, und gleichzeitig die Drehfeldmaschine erwärmt werden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann es sich um einen periodischer Wechselstrom in q-Richtung, für ein Losrütteln, und zusätzlich oder alternativ um einen periodischen Wechselstrom in d-Richtung handeln. Beide jeweils ohne Gleichanteil. 4d shows an embodiment with an alternating course of the current iq and an alternating course of the current id. Both currents have no direct current component. The currents iq and id have a phase shift of one quarter of a period. As a current vector projected into the dq coordinate system, the peak of the current vector describes a circular curve. Therefore, the angular frequency of the vector revolution alternately causes a torque and a reactive current. This results in shaking or vibrating the electric motor with the angular frequency of the curve circulation. Any existing blockages can be solved, and at the same time the induction machine can be heated. According to this embodiment, it can be a periodic alternating current in the q-direction, for a loose shaking, and additionally or alternatively a periodic alternating current in the d-direction. Both each without DC component.

5 zeigt Darstellungen eines uvw-Koordinatensystems, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Vier Darstellungen eines uvw-Koordinatensystems mit einem Zwischenwinkel von je 120° repräsentieren eine Zeitreihe mit Momentaufnahmen zu je vier Zeitpunkten. Das uvw-Koordinatensystem repräsentiert die Spulenanordnung in einem Dreiphasen-Wechselstrommotor. Jede der Achsen u, v, w entspricht einer der Spulen des Wechselstrommotors. In der ersten Darstellung ist eine Spannung U in u Richtung angetragen. In der zweiten Darstellung ist die Spannung U als Winkelhalbierende zwischen den Achsen v und w, also um 180° versetzt, eingetragen. In der dritten Darstellung ist die Spannung U in u Richtung angetragen, also erneut um 180° versetzt. In der vierten Darstellung ist die Spannung U wie in der zweiten Darstellung um 180° zur dritten Darstellung versetzt, und stellt erneut eine Winkelhalbierende zwischen den Achsen v und w dar. Als Zeitreihe gesehen stellen die vier Darstellungen eine um den Nullpunkt wechselnde Spannung ohne Gleichanteil in u Richtung dar. Bevorzugter Weise wird die Richtung der Spannung U so gewählt, dass die Spannung U keinen drehmomentbildenden Anteil hat. In diesem Fall kann die Spannung U rein feldbildend wirken. Daraus ergibt sich, dass die Spannung U vollständig in Wärme umgewandelt wird. 5 shows representations of a uvw coordinate system, according to an embodiment of the present invention. Four representations of a uvw coordinate system with an intermediate angle of 120 ° each represent a time series with snapshots of four times each. The uvw coordinate system represents the coil arrangement in a three-phase AC motor. Each of the axes u, v, w corresponds to one of the coils of the AC motor. In the first illustration, a voltage U in u direction is plotted. In the second illustration, the voltage U is entered as an angle bisector between the axes v and w, ie offset by 180 °. In the third illustration, the voltage U is plotted in the u direction, that is offset again by 180 °. In the fourth representation, the voltage U is offset by 180 ° to the third representation as in the second illustration, and again represents an angle bisector between the axes v and w. Seen as a time series, the four representations represent a voltage which changes about the zero point without DC component u direction. Preferably, the direction of the voltage U is chosen so that the voltage U has no torque-forming component. In this case, the voltage U can act purely field-forming. As a result, the voltage U is completely converted into heat.

6 zeigt in einem Diagramm gemessene Temperaturwerte, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Auf der Abszisse ist eine Zeit t in Minuten in einem Zeitfenster zwischen Null und einer Minute angetragen. Auf der Ordinate ist eine Temperatur T in °C angetragen. Der Minimalwert beträgt 30°C, der Maximalwert 130°C. Eine Kurve 600 repräsentiert eine Temperatur des Rotors in °C. Eine Kurve 602 repräsentiert eine Temperatur der Turbine in °C. Eine Kurve 604 repräsentiert eine Temperatur des Stators in °C. Eine Kurve 606 repräsentiert eine Temperatur des ersten Lagers in °C. Eine Kurve 608 repräsentiert eine Temperatur des zweiten Lagers in °C. Zu Beginn, bei 0 Minuten weisen alle fünf Kurven näherungsweise 30°C auf. Nach circa 0,17 Minuten befinden sich alle Kurven noch unterhalb 40°C, jedoch ist die Kurve 600 der Temperatur des Rotors bereits zu höheren Temperaturwerten verschoben, als die anderen vier Kurven. Zu einem Zeitpunkt von 0,5 Minuten hat die Kurve 600 der Temperatur des Rotors bereits knapp 70°C erreicht, während alle anderen Kurven noch unterhalb von 40°C liegen. Zu einem Zeitpunkt von 0,85 Minuten hat die Kurve 600 bereits einen Temperaturwert von 110°C erreicht, während die Kurve 602 der Turbine, die Kurve 604 des Stators, die Kurve 606 des ersten Lagers und die Kurve 608 des zweiten Lagers zwischen 42°C und 35°C verharren. Die Messung der Kurven 602, 604, 606, 608 ist nach 0,85 Minuten beendet, die Messung der Kurve 600 endet nach 1 Minute und erreicht einen Wert von 115°C. Der Verlauf der Kurve 600 zeigt die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Verfahrens zur Erwärmung einer Turbomaschine. Der Motor erreicht innerhalb von einer Minute Temperaturen von über 100°C, bei einer Starttemperatur von circa 30°C. Dieses Ergebnis stellt eine deutliche Steigerung der Heizleistung des Elektromotors gegenüber dem Regelbetrieb dar. Durch die kurze Aufwärmzeit kann die Turbomaschine bestmöglich auf die Betriebstemperatur ausgelegt werden, da ein Betrieb unterhalb der Betriebstemperatur durch die Anwendung des Verfahrens nur einen sehr geringen Anteil an der Gesamtbetriebszeit hat. Dadurch können das Lagerspiel und anderen Maschinentoleranzen bezüglich eines optimalen Wirkungsgrads bei Betriebstemperatur ausgelegt werden. 6 shows temperature values measured in a diagram, according to an embodiment of the present invention. On the abscissa, a time t in minutes is plotted in a time window between zero and one minute. On the ordinate a temperature T in ° C is plotted. The minimum value is 30 ° C, the maximum value 130 ° C. A curve 600 represents a temperature of the rotor in ° C. A curve 602 represents a temperature of the turbine in ° C. A curve 604 represents a temperature of the stator in ° C. A curve 606 represents a temperature of the first bearing in ° C. A curve 608 represents a temperature of the second bearing in ° C. At the beginning, at 0 minutes, all five curves are approximately 30 ° C. After about 0.17 minutes, all curves are still below 40 ° C, but the curve is 600 the temperature of the rotor already shifted to higher temperature values than the other four curves. At a time of 0.5 minutes, the curve has 600 The temperature of the rotor already reached almost 70 ° C, while all other curves are still below 40 ° C. At a time of 0.85 minutes, the curve has 600 already reached a temperature value of 110 ° C while the curve 602 the turbine, the curve 604 of the stator, the curve 606 of the first camp and the bend 608 of the second bearing between 42 ° C and 35 ° C. The measurement of the curves 602 . 604 . 606 . 608 is finished after 0.85 minutes, the measurement of the curve 600 ends after 1 minute and reaches a value of 115 ° C. The course of the curve 600 shows the effectiveness of the proposed method for heating a turbomachine. The engine reaches temperatures of over 100 ° C within one minute, with a starting temperature of about 30 ° C. This result represents a significant increase in the heating power of the electric motor compared to the control mode. The short warm-up time, the turbomachine can best be designed for the operating temperature, since operation below the operating temperature by the application of the method has only a very small proportion of the total operating time. This allows the bearing clearance and others Machine tolerances are designed for optimal efficiency at operating temperature.

Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.The embodiments described and shown in the figures are chosen only by way of example. Different embodiments may be combined together or in relation to individual features. Also, an embodiment can be supplemented by features of another embodiment.

Durch die Verwendung der feldbildenden Komponente des zum Betrieb der Turbomaschine geeigneten elektrischen Signals, kann die Turbomaschnine erwärmt werden, indem ein wärmeerzeugender Stromfluss in der oder den zum Antrieb der Turbomaschine eingesetzten Spulen und ein daraus resultierendes wärmeerzeugendes Magnetfeld bewirkt wird. Das elektrische Signal kann von einem Wechselrichter bereitgestellt werden. Die feldbildende und die drehmomentbildende Komponente können dabei mittels einer Vektorregelung so eingestellt werden, das das Drehmoment nur über die drehmomentbildende Komponente, bei einem rotorbezogenen d/q-System kann darunter die q-Komponente des Statorstroms verstanden werden, geregelt wird. Beispielsweise kann der Wechselrichter so angesteuert werden, dass bei einer niedrigen ersten Temperatur der Turbomaschine ein Anteil der feldbildenden Komponente an dem elektrischen Signal erhöht wird, um die Erwärmung der Turbomaschine zu bewirken. Bei Erreichen einer höheren zweiten Temperatur der Turbomaschine kann der Anteil der feldbildenden Komponente an dem elektrischen Signal wieder reduziert werden. Die erste und zweite Temperatur, sowie etwaige weitere Temperaturschwellen können fest vorgegeben oder während des Betriebs der Turbomaschine eingestellt werden. Somit wird aktiv eine Veränderung der feldbildenden Komponente durchgeführt, wenn eine Veränderung der Temperatur der Turbomaschine bewirkt werden soll. Der drehmomentbildende Anteil des elektrischen Signals kann vor, während und nach der Erwärmung der Turbomaschine konstant oder nahezu konstant gehalten werden, oder entsprechend sich verändernder Drehmomentanforderungen angepasst werden.By using the field-forming component of the electrical signal suitable for operating the turbomachine, the turbomachinery can be heated by causing a heat-generating current flow in the coil or coils used to drive the turbomachine and a resultant heat-generating magnetic field. The electrical signal may be provided by an inverter. The field-forming and the torque-forming component can be adjusted by means of a vector control so that the torque only through the torque-forming component, in a rotor-related d / q system can be understood as including the q-component of the stator current is controlled. For example, the inverter can be controlled so that at a low first temperature of the turbomachine, a portion of the field-forming component is increased to the electrical signal to cause the heating of the turbomachine. When a higher second temperature of the turbomachine is reached, the proportion of the field-forming component to the electrical signal can be reduced again. The first and second temperature, as well as any further temperature thresholds can be fixed or set during operation of the turbomachine. Thus, a change of the field-forming component is actively carried out when a change in the temperature of the turbomachine is to be effected. The torque-forming portion of the electrical signal may be kept constant, or nearly constant, before, during, and after the turbomachine is heated, or adjusted according to changing torque requirements.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19928481 B4 [0003]

Claims

Method for increasing a temperature (T) of a turbomachine ( 200 ) to an operating temperature, wherein the turbomachine is heat-conducting with an induction machine ( 216 . 302 ) is connected to at least one drive-effective electric coil, wherein the coil is electrically contactable via connection terminals of the induction machine, with the following step: setting ( 104 ) a field-forming component (d) and a torque-forming component (q) of an electrical signal for application to the terminals, wherein the torque-forming component is adapted to drive the induction machine, and wherein the field-forming component is adjusted depending on the temperature and is designed to to cause a heat generating current flow (id) in the coil and a resulting heat generating magnetic field.

Method according to one of the preceding claims, wherein the field-forming component (d) has a variable course over the time (t).

Method according to one of the preceding claims, wherein the field-forming component (d) comprises a DC component.

Method according to one of the preceding claims, wherein the turbomachine ( 200 ) has a resting state, and in step ( 104 ) of setting the electrical signal is generated so that the torque-forming component (q) is equal to zero and the field-forming component (d) has a DC component and / or a variable over time (t) course.

Method according to one of the preceding claims, wherein the turbomachine ( 200 ) has a starting state, and in step ( 104 ) of adjusting the electrical signal is generated so that the torque-forming component (q) comprises a DC component, and the field-forming component (d) has a DC component and / or over the time (t) variable course.

Method according to one of the preceding claims, wherein the turbomachine ( 200 ) has a bias state in which the torque-forming component (q) has alternating positive and negative values to vibrate the turbomachine.

The method of claim 6, wherein the torque-forming component (q) and the field-forming component (d) have a phase offset from each other.

Device for increasing a temperature (T) of a turbomachine ( 200 ) to an operating temperature, wherein the turbomachine is heat-conducting with an induction machine ( 216 . 302 ) is connected to at least one drive-effective electric coil, wherein the coil is electrically contacted via terminals of the induction machine, with the following feature: a device ( 300 ) for setting a field-forming component (d) and a torque-forming component (q) of an electrical signal for application to the terminals, wherein the torque-forming component is adapted to drive the induction machine, and wherein the field-forming component is adjusted depending on the temperature (T) and configured to cause a heat generating current flow (id) in the coil and a resulting heat generating magnetic field.

Turbomachine ( 200 ) for a fuel cell, comprising: a compressor ( 201 ) for compressing a gas for the fuel cell, and an induction machine ( 216 . 302 ) coupled to the compressor; and a device for increasing a temperature (T) of the turbomachine according to claim 8.

Computer program product with program code for carrying out the method according to one of claims 1 to 7, when the program is executed on an information system.