-
Die Erfindung betrifft ein Rotationskolbengebläse, insbesondere zur Leistungssteigerung in einem Brennstoffzellensystem, mit zumindest zwei in einem Gehäuse miteinander kämmenden Rotationskolben.
-
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Rotationskolbengebläses.
-
Stand der Technik
-
Elektrofahrzeuge werden heue als Fortbewegungsmittel der Zukunft gehandelt, die langfristig Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor ersetzen sollen. Da derzeit noch keine wirtschaftlich machbaren Lösungen existieren, die eine ausreichende Reichweite mittels eines entsprechenden elektrischen Speichers garantieren, werden Alternativen entwickelt, die beispielsweise einen sogenannten Range Extender umfassen. Hierbei bezieht der Elektromotor des Antriebs seine Energie, wie bei einem reinen Elektrofahrzeug, aus einer Batterie. Zur Erhöhung der Reichweite kann dieser während der Fahrt durch einen Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle nachgeladen werden. Eine mit reinem Wasserstoff betriebene Brennstoffzelle ist dabei aus Emissionsgründen zu favorisieren, da sie nur Wasserdampf emittiert. Die Leistungsdichte derartiger Brennstoffzellen lässt sich steigern, wenn diese aufgeladen, also mit Druckluft betrieben werden. Als weiterer Vorteil der Aufladung stellt sich bei der Brennstoffzelle unter anderem eine signifikante Verbesserung im Wärme- und Wassermanagement ein. Zur Aufladung der Druckluft wird ein Aufladeaggregat benötigt, wobei unterschiedliche Maschinentypen in Frage kommen. Bekannt ist es, Verdrängermaschinen, wie Rotationskolbengebläse oder Schraubenverdichter vorzusehen, oder auch Turbomaschinen.
-
Da der Range Extender zum Nachladen des elektrischen Speichers eingesetzt wird, ist seine elektrische Leistung sehr gering. Dies führ zu einem kleinen zu fördernden Luftmassenstrom des Aufladeaggregats beim Einsatz einer Brennstoffzelle, was wiederum die Rahmenbedingungen für den Einsatz einer Turbomaschine sehr ungünstig werden lässt, da deren Wirkungsgrad bei derart kleinen Durchsätzen stark abfällt. Turbomaschinen, die mit derart geringen Durchsätzen arbeiten, werden mit sehr hohen Drehzahlen betrieben, die für heutige Elektromotoren mit hohen Wirkungsgraden kaum noch darzustellen sind. Insofern fallen elektrisch angetriebene Turboverdichter als Aufladeaggregat für Brennstoffzellensysteme, insbesondere zur Verwendung bei einem Range Extender, aus.
-
Rotationskolbengebläse, wie zum Beispiel Roots-Gebläse, haben bei kleinen Durchsätzen und relativ hohen Ausgangsdrücken ausreichend gute Wirkungsgrade und arbeiten mit moderaten Drehzahlen. Bauartbedingt haben derartige Verdrängermaschinen jedoch im Vergleich zu Turbomaschinen einen größeren Bauraumbedarf, mit dem das Vorsehen des Brennstoffzellensystems als Range Extender beziehungsweise Hilfsaggregat erschwert wird. Darüber hinaus muss neben dem Bauraum für das Rotationskolbengebläse selbst weiterhin der Platzbedarf für einen elektrischen Antriebsmotor mit eingerechnet werden, was die Integration der kompletten Aufladeeinheit in den Range Extender weiter stark erschwert.
-
Aus der Druckschrift
EP 1 084 348 B1 ist beispielsweise ein entsprechendes Rotationskolbengebläse bekannt, das zur Aufladung eines Brennstoffzellensystems dient und von einem separaten Elektromotor angetrieben wird.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Rotationskolbengebläse hat den Vorteil, dass es als besonders kompakte Einheit dargestellt ist, die keinen separaten Elektromotor zu ihrem Antrieb benötigt. Dadurch wird zum einen die Montage erleichtert und zum anderen der Bauraumbedarf verringert. Das erfindungsgemäße Rotationskolbengebläse zeichnet sich durch die Merkmale des Anspruchs 1 aus. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Rotationskolben mit Magneten versehen sind und das Gehäuse eine Statorwicklung aufweist, um eine elektrische Maschine zu bilden. Es ist also erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Rotationskolbengebläse selbst als elektrische Maschine ausgebildet ist, wozu eine Statorwicklung und Magnete vorgesehen werden. Prinzipiell wäre es zwar auch denkbar, eine Statorwicklung an den Rotationskolben und Magnete an dem Gehäuse vorzusehen, dies würde jedoch zu einem entsprechend hohen Schaltungs- und Kontaktierungsaufwand führen. Die Statorwicklung ist zweckmäßigerweise zweiteilig ausgebildet, wobei jeweils eine Statorteilwicklung einem der Rotationskolben zugeordnet ist. Das Gehäuse ist im Längsschnitt gesehen – gemäß der Durchströmungsrichtung beziehungsweise Förderrichtung – zweiteilig ausgebildet, wodurch zwei Halbschalen vorliegen, in denen jeweils einer der Rotationskolben im Wesentlichen einliegt. Zwischen den Halbschalen verläuft der Strömungskanal, durch welchen das zu fördernde Medium, insbesondere ein gasförmiges Medium, mittels des Rotationskolbengebläses gefördert wird.
-
Bevorzugt sind die Magnete an radial außen liegenden Enden des jeweiligen, insbesondere 8-förmigen Rotationskolbens angeordnet. Zweckmäßigerweise ist ein entsprechender Magnet an jedem außen liegenden Ende eines jeden Rotationskolbens vorgesehen, um den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine zu erhöhen, und um die elektrische Maschine aus jeder Winkellage der Rotationskolben heraus starten zu können. Die 8-förmige Ausbildung der Rotationskolben entspricht der üblichen Ausbildung mit zwei zu einer jeweiligen Drehachse diametral gegenüberliegend angeordneten Rotationskörpern. Natürlich ist es aber auch denkbar, Rotationskolben mit mehr als zwei Rotationskörpern, beispielsweise sternförmig, die entsprechend miteinander kämmen, vorzusehen.
-
Vorzugsweise sind die Magnete als Permanentmagnete ausgebildet. Dadurch ist insbesondere zum Unterschied zu Elektromagneten eine Verkabelung der Rotationskolben zum Ansteuern der Magnete nicht notwendig. Als Permanentmagnete können beispielsweise Selten-Erd-Magnete verwendet werden.
-
Besonders bevorzugt sind die Permanentmagnete in dem jeweiligen Rotationskolben versenkt angeordnet. Das bedeutet, dass die Permanentmagnete innerhalb des jeweiligen Rotationskolbens angeordnet sind, sodass die Außenkontur beziehungsweise freiliegende Oberfläche des jeweiligen Rotationskolbens strömungs- beziehungsweise verdichtungsoptimiert ausgebildet werden kann. So ist es beispielsweise denkbar, die Permanentmagnete in entsprechende Aufnahmen des jeweiligen Rotationskolbens einzusetzen, die nur axial – im Bezug auf die jeweilige Drehachse – zugänglich sind. Ebenso ist es denkbar, bei der Herstellung der Rotationskolben die Permanentmagnete durch das Material des Rotationskolbens zu umschließen, beispielsweise indem die Permanentmagnete mit dem Material des Rotationskolbens umgossen oder umspritzt werden.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine als mehrphasiger Elektromotor, insbesondere als zumindest 4-phasiger Elektromotor ausgebildet ist. Die 4-phasige Ausbildung ermöglicht einen sicheren Betrieb des Rotationskolbengebläses zu jedem Zeitpunkt beziehungsweise zu jeder Drehwinkelposition der Rotationskolben. Natürlich ist es auch denkbar, weitere Phasen vorzusehen. Hierbei sei angemerkt, dass das Rotationskolbengebläse selbstverständlich sowohl zum Fördern beziehungsweise Verdichten von gasförmigen als auch zum Fördern eines flüssigen Mediums verwendet werden kann.
-
Vorzugsweise sind jeweils mindestens zwei Phasen des 4-phasigen Elektromotors an einer dem jeweiligen Rotationskolben zugeordneten Gehäusehälfte beziehungsweise Gehäusehalbschale des Gehäuses angeordnet. Damit sind jedem Rotationskolben jeweils zwei Phasen zugeordnet, die zum Betreiben des jeweiligen Rotationskolbens angesteuert werden.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rotationskolben durch ein Synchronisationsgetriebe miteinander wirkverbunden sind. Das hat zur Folge, dass, auch wenn nur einer der Rotationskolben durch entsprechendes Ansteuern der ihm zugeordneten Phasen angetrieben wird, der andere Rotationskolben durch das Synchronisationsgetriebe ebenfalls angetrieben wird. Vorzugsweise werden die Rotationskolben bis auf Übergangsstellungen abwechselnd angetrieben, insbesondere da bei einer parallelen Position eines Rotationskolbens zur Strömungsrichtung, beziehungsweise bei einer kleinen Abweichung dieser Position, kein oder kein ausreichendes resultierendes Drehmoment aufgebaut werden kann. Durch die mechanische Kopplung mittels des Synchronisationsgetriebes werden jedoch immer beide Rotationskolben synchron zueinander bewegt.
-
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass jeweils zwei der vier Phasen miteinander gekoppelt sind, und dass der Elektromotor durch eine 2-phasige Ansteuereinheit betrieben wird. Durch die Kombination zweier Phasen miteinander werden die Anforderungen an die Ansteuerelektronik verringert und der Umfang der Leistungselektronik verkleinert, was zu Kostenvorteilen und auch zu Bauraumvorteilen führt.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Rotationskolbengebläses, wie es oben stehend beschrieben wurde, zeichnet sich dadurch aus, dass die Phasen derart angesteuert werden, dass die Rotationskolben im Wesentlichen abwechselnd elektrisch angetrieben werden. Insbesondere aufgrund des Synchronisationsgetriebes werden dennoch die Rotationskolben stets synchron zueinander bewegt beziehungsweise rotiert.
-
Besonders bevorzugt werden die Rotationskolben nur in einem Übergangsbereich gleichzeitig elektrisch angetrieben. Hierdurch werden insbesondere Drehmomentschwankungen und damit Schwankungen des Fördervolumens und damit des Drucks stromabwärts des Rotationsgebläses vermieden.
-
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
-
Dazu zeigen
-
1 ein Rotationskolbengebläse in einer perspektivischen Darstellung,
-
2 das Rotationskolbengebläse in einer vereinfachten Schnittdarstellung,
-
3A bis 3P eine schrittweise Ansteuerung des Rotationskolbengebläses,
-
4A bis 4D die Stromverläufe unterschiedlicher Phasen über eine volle Umdrehung des Rotationskolbengebläses und
-
5A und 5B Stromverläufe einer Ansteuereinheit bei Kombination zweier Phasen.
-
1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Rotationskolbengebläse 1, das zwei in einem Gehäuse 2 drehbar gelagerte Rotationskolben 3, 4 aufweist, welche miteinander kämmen. Die Rotationskolben 3, 4 sind dabei über ein hier nicht näher dargestelltes Synchronisationsgetriebe miteinander verbunden, sodass sie stets synchron miteinander rotieren. Das Gehäuse 2 weist im Bereich der Rotationskolben 3, 4 einen im Wesentlichen langlochartigen Querschnitt auf. Im Wesentlichen senkrecht zu den Drehachsen 5, 6 der Rotationskolben 3, 4 verläuft ein Förderkanal 7 durch das Gehäuse 2. Durch die Rotation der Rotationskolben 3, 4 wird ein Fördermedium angesaugt und zwischen Rotationskolben 3, 4 und Gehäuse 2 zum Auslass 9 gefördert. Dabei bildet der Förderkanal 7 einen Einlass 8, durch welchen Frischluft angesaugt wird, sowie einen Auslass 9, an welchem komprimierte beziehungsweise verdichtete Frischluft zur Verfügung gestellt wird. Das angesaugte Medium wird dabei zwischen dem jeweiligen Rotationskolben und der ihm zugeordneten Gehäusehalbschale 15, 16 gefördert. Insoweit arbeitet das Rotationskolbengebläse 1 nach dem bekannten Prinzip, sodass hierauf nicht näher eingegangen werden soll. Das in 1 dargestellte Rotationskolbengebläse ist jedoch weiterhin als elektrische Maschine 10 ausgebildet, wie mit Bezug auf 2 nunmehr näher erläutert werden soll.
-
2 zeigt das Rotationskolbengebläse 1 in einer Längsschnittdarstellung, also entlang der Achse des Förderkanals 7. Zur Ausbildung als elektrische Maschine weist das Rotationskolbengebläse 1 Permanentmagnete 11 sowie eine Statorwicklung 12 auf. Die Statorwicklung 12 ist dabei an der Innenseite des Gehäuses 2 angeordnet und in zwei Statorteilwicklungen 13, 14 aufgeteilt, die jeweils einem der Rotationskolben 3, 4 zugeordnet ist. Zumindest im Bereich des Förderkanals 7 bildet das Gehäuse 2 zwei gegenüberliegende, C-förmige Halbschalen 15, 16, die jeweils einen der Rotationskolben 3, 4 im Wesentlichen aufnehmen. Jeder der Halbschalen ist dabei eine der Statorteilwicklungen 13, 14 zugeordnet. Jedem der 8-förmigen Rotationskolben 3, 4 sind jeweils zwei Permanentmagnete 11 zugeordnet. Dabei sind die Magnete 11 an dem jeweiligen Rotationskolben 3, 4 an dessen radial außen liegenden Enden versenkt angeordnet, sodass die Kontur des jeweiligen Rotationskolbens 3, 4 und entsprechend die Oberfläche des jeweiligen Rotationskolbens 3, 4 geschlossen ausgebildet ist. Die Permanentmagnete 11 des jeweiligen Rotationskolbens 3, 4 sind dabei unterschiedlich gepolt ausgebildet beziehungsweise angeordnet, wie durch die Polungen N = Nord und S = Süd angedeutet.
-
Die elektrische Maschine 10 ist als 4-phasiger Elektromotor 17 ausgebildet, sodass die Statorwicklung vier Phasen I bis IV umfasst, wobei jeweils zwei Phasen an jeweils einer Gehäusehalbschale 15, 16 angeordnet sind. Die Phasen I und II sind dabei der Gehäusehalbschale 15 und die Phasen III und IV der Gehäusehalbschale 16 zugeordnet.
-
Die Ansteuerung des Rotationskolbengebläses 1 soll nunmehr anhand der 3, 4 und 5 näher erläutert werden.
-
3A bis 3P zeigen eine Vollumdrehung des Rotationskolbengebläses in 22,5°-Schritten. Durch Bestromen der einzelnen Phasen I bis IV wird ein magnetisches Feld erzeugt, das durch die gestrichelten Linien jeweils angedeutet ist. Die magnetischen Nord- und Südpole N, S sind ebenfalls mit eingezeichnet, sodass die zur Drehung führende Anziehung beziehungsweise Abstoßung nachvollzogen werden kann.
-
3A zeigt einen ersten Schritt, in welchem die Phase I aktiviert beziehungsweise bestromt ist und der Rotationskolben 3 mit seinem durch den entsprechenden Permanentmagneten 11 gebildeten Nordpol N im Bereich der Phase II liegt, sodass durch die Aktivierung der Phase I der Rotationskolben 1 entgegen dem Uhrzeigersinn, wie durch einen Pfeil 18 angedeutet, in Richtung des Südpols S der Phase I angetrieben wird. Durch das Synchronisationsgetriebe wird der Rotationskolben 4 entsprechend im Uhrzeigersinn rotiert.
-
Im darauffolgenden Schritt gemäß 3B erfolgt ein Umschalten der Phasen I und II, wobei gemäß dem zweiten Schritt zunächst beide Phasen aktiviert sind und sich die resultierenden Magnetfelder überlagern. Der Rotationskolben 3 ist dabei bereits weiter in Richtung gegen den Uhrzeigersinn gedreht und liegt senkrecht zu der Hauptachse des Förderkanals 7, während der Rotationskolben 4 parallel dazu liegt.
-
Im darauffolgenden Schritt gemäß 3C ist die Phase I deaktiviert, sodass die aktivierte Phase II verbleibt und der Rotationskolben 3 weiter entgegen dem Uhrzeigersinn gemäß Pfeil 18 gedreht wird.
-
Im darauffolgenden Schritt 4 gelangt der Rotationskolben 3 in eine Position, in welcher kein definiertes Drehmoment in Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn 18 auf den Rotationskolben 3 aufgebracht werden kann. Daher findet in dieser Übergangsstellung eine überlagerte Ansteuerung beider Rotationskolben 3, 4 statt. Dazu wird zusätzlich zur Phase II die Phase III aktiviert. Dadurch wird der Rotationskolben 4 ebenfalls mit einem Drehmoment beaufschlagt und im Uhrzeigersinn, wie durch einen Pfeil 19 angedeutet, angetrieben. Haben sich die Rotationskolben 3, 4 weit genug weiterbewegt, wird im darauffolgenden Schritt gemäß 3E die Phase II deaktiviert und darauffolgend lediglich der Rotationskolben 4, wie zuvor bezüglich des Rotationskolbens 3 beschrieben, angetrieben. Die weitere Ansteuerung ergibt sich eindeutig aus den weiteren Darstellungen der 3F bis 3P. In 3H, 3L und 3P sind wiederum Übergangsstellungen dargestellt, in welchen beide Rotationskolben 3, 4 angetrieben werden. In allen anderen Situationen wird bevorzugt jeweils nur einer der Rotationskolben 3, 4 angetrieben.
-
Die Stromverläufe der vier Phasen I bis IV für diese Konfiguration der elektrischen Maschine 10 sind in dargestellt, wobei 4A bis 4D jeweils den Stromverlauf einer der Phasen I bis IV darstellen. Dabei sind die nicht bestromten Anteile der jeweiligen Phasen I bis IV deutlich zu erkennen. Diese können ausgenutzt werden, um den Umfang der Leistungselektronik, die zum Ansteuern der elektrischen Maschine 10 vorgesehen ist, zu verkleinern. Durch Kombination beziehungsweise Kopplung der Phasen I und III miteinander und der Phasen II und IV miteinander, kann bevorzugt mit einer 2-phasigen Ansteuereinheit die elektrische Maschine 10 betrieben werden. Dadurch wird der elektrische Schaltungsaufwand weiter verringert.
-
Die zu erzeugenden Stromverläufe zeigt 5. 5A zeigt dabei den Stromverlauf der gekoppelten Phasen I und III, und 5B den Stromverlauf der gekoppelten Phasen II und IV.
-
Aufgrund der Geometrie der Rotationskolben 3, 4 beziehungsweise des Rotationskolbengebläses 1 entstehen teilweise große Luftspalte, die den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 10 beeinträchtigen. Durch Erhöhung der Phasenzahl, zum Beispiel auf sechs, acht oder zehn Phasen, können jedoch die auftretenden Luftspalte reduziert und damit der Motorwirkungsgrad verbessert werden. Dieser Vorteil wird jedoch durch eine größere und komplexere Leistungselektronik erkauft.
-
Das dargestellte und beschriebene Rotationskolbengebläse 1, das als 4-phasiger Elektromotor 17 ausgebildet ist, wird besonders bevorzugt in Brennstoffzellensystemen eingesetzt, die als Range Extender für elektrisch betriebene Fahrzeuge genutzt werden. Durch das hoch integrierte Rotationskolbengebläse 1 werden dabei folgende Vorteile erreicht: Zum einen benötigt das vorteilhafte Rotationskolbengebläse 1 nur einen geringen Bauraum, da sein Antrieb integriert ausgebildet ist. Darüber hinaus ergeben sich attraktive Wirkungsgrade, insbesondere im Vergleich zu alternativen Luftversorgungseinheiten, wie beispielsweise elektrisch angetriebene Turboverdichter, was auch zu geringen Unterhaltskosten führt. Außerdem lässt sich das Rotationskolbengebläse 1 gut skalieren, sodass auch geringe Durchsätze mit gutem Wirkungsgrad und auch bei niedrigen Drehzahlen gefördert werden können. Hierdurch wird es insbesondere ermöglicht, vorteilhafte Plattformkonzepte auszubilden. Weiterhin ist es mittels des vorteilhaften Rotationskolbengebläses 1 möglich, hohe Druckverhältnisse darzustellen, auch bei minimalen Durchsätzen beziehungsweise Drehzahlen, wodurch eine gute Applikationsfähigkeit auf verschiedene Brennstoffzellen-Systeme und Druck-Strategien möglich ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
