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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für eine Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Überdies betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzellenanordnung gemäß Patentanspruch 5. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 6. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Maschine für eine Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 7.
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Für Kraftfahrzeug werden vermehrt Brennstoffzellenanordnungen als Energiequelle verwendet. Derartige Brennstoffzellenanordnungen beinhalten neben einer Wasserstoffversorgung und der Brennstoffzelle entsprechende Luftversorgungseinheiten. Diese Luftversorgungseinheiten umfassen üblicherweise eine elektrische Maschine in Form einer hochdrehenden Strömungsmaschine. Dabei ist für die elektrische Maschine eine entsprechende Kühlung erforderlich.
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Bei der elektrischen Maschine gehören die Wickelköpfe zu den thermisch am stärksten beanspruchten Bauteilen. Die Temperaturgrenze der Wickelköpfe begrenzt den Arbeitsbereich der gesamten elektrischen Maschine. Im Allgemeinen ergeben sich viele Leitungskreuzungen und ungünstige Verlegewege im Bereich der Wickelköpfe, welche zu einer zusätzlichen Wärmeabgabe führen. Auf Grund ihrer ungünstigen Form lassen sich die Wickelköpfe nur sehr schwer an einen Kühlkreislauf anschließen.
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Es sind Möglichkeiten bekannt, die Wickelköpfe über geeignete Vergussmassen thermisch an einen Kühlkreislauf der elektrischen Maschine anzukoppeln. Die hierfür verwendeten Vergussprozesse sind aufwendig, teuer und nicht zuverlässig. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Wickelköpfe mit einem eigens dafür vorgesehenen Lüfterrad zu kühlen. Hierfür wird allerdings zusätzlicher Bauraum benötigt. Zudem verringert die für den Antrieb des Lüfterrads notwendige Leistung der elektrischen Maschine.
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In diesem Zusammenhang beschreibt die
JP 2001304738 A einen Kompressor für ein Kühlsystem, der eine elektrische Maschine mit Permanentmagneten umfasst. Die Wicklungen der elektrischen Maschine sind zur Stromversorgung mit einer Antriebsvorrichtung verbunden. Mit der Antriebsvorrichtung kann eine entsprechende Wellenform des Stroms bereitgestellt werden, um die Effizienz der elektrischen Maschine zu steigern.
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Des Weiteren ist aus der
JP 3162346U ein System zur Steuerung einer elektrischen Maschine bekannt. Bei Abbremsen der elektrischen Maschine wird einem Kompressor elektrische Energie zugeführt. Bei Anfahren der elektrischen Maschine wird die Luft des Kompressors genutzt, um ein Lüfterrad der elektrischen Maschine anzutreiben.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine für eine Brennstoffzellenanordnung effizienter zu betreiben.
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Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5, ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Elektrische Maschine für eine Brennstoffzellenanordnung umfasst ein erstes Aktivteil, ein relativ zum ersten bewegbares, zweites Aktivteil, wobei das erste und/oder das zweite Aktivteil Wicklungen umfasst, und ein Luftlager zum Lagern des zweiten Aktivteils, wobei das Luftlager eine Lufteinlasseinrichtung und eine Luftauslasseinrichtung aufweist und wobei die elektrische Maschine eine Luftumlenkeinrichtung aufweist, die eine aus der Luftauslasseinrichtung des Luftlagers austretende Luft zu den Wicklungen des ersten und/oder zweiten Aktivteils leitet.
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Die elektrische Maschine kann einer Luftversorgungseinheit bzw. eine, Kompressor einer Brennstoffzellenanordnung zugeordnet sein, die der Energieversorgung eines Kraftfahrzeugs dient. Die elektrische Maschine kann als hochdrehende Strömungsmaschine ausgebildet sein. Das erste Aktivteil der elektrischen Maschine ist bevorzugt als Stator ausgebildet und das zweite Aktivteil der elektrischen Maschine ist bevorzugt als Rotor ausgebildet. Das zweite Aktivteil kann eine Welle umfassen, die mittels eines Luftlagers, beispielsweise gegenüber einem Gehäuse der elektrischen Maschine, gelagert ist.
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Das Luftlager weist eine Lufteinlasseinrichtung auf, mit der dem Lager Luft von einem Kühlluftkreis zugeführt werden kann. Des Weiteren weist das Lager eine Luftauslasseinrichtung auf, mit der die durch die Reibungswärme in dem Lager erwärmte Luft abgeführt werden kann. Diese Zapfluft (air bleed) wird mittels einer Luftumlenkeinrichtung zu den Wicklungen des ersten und/oder zweiten Aktivteils geführt, um diese zu Kühlen. Die Luftumlenkeinrichtung kann als Schlauch oder Rohr ausgebildet sein. Die Luftumlenkeinrichtung kann eine oder mehrere Luftumlenkbleche aufweisen. Da die Notwendigkeit einer Zapfluftführung zur Kühlung der Luftlager bei derartigen elektrischen Maschinen besteht, kann diese zusätzlich zur Kühlung der Wicklungen verwendet werden.
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Bevorzugt umfassen die Wicklungen des ersten und/oder zweiten Aktivteils Wickelköpfe und die Luftumlenkeinrichtung leitet die aus der Luftauslasseinrichtung des Luftlagers austretende Luft zu den Wickelköpfen des ersten und/oder zweiten Aktivteils. Somit können die Wickelköpfe der elektrischen Maschine effektiv gekühlt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung weisen die Wicklungen des ersten und/oder zweiten Aktivteils eine Lackierung auf, die eine vorbestimmte Temperaturbeständigkeit aufweist. Dadurch, dass die Wicklungen und insbesondere die Wickelköpfe der elektrischen Maschine effektiv gekühlt werden können, kann eine Lackierung verwendet werden, die im Vergleich zu einer üblicherweise verwendeten Lackierung eine geringere Temperaturbeständigkeit aufweist. Damit können Kosten bei der Herstellung der elektrischen Maschine reduziert werden.
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In einer Ausführungsform weist die elektrische Maschine eine Kühleinrichtung zum Kühlen der aus der Luftauslasseinrichtung des Luftlagers austretenden Luft auf. Eine solche Kühleinrichtung kann beispielsweise als Wärmetauscher ausgebildet sein. Damit kann die Temperatur der von dem Lager abgeführten Luft zusätzlich herabgesetzt werden und die Wicklungen bzw. die Wickelköpfe können zuverlässig gekühlt werden.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung umfasst die zuvor beschriebene elektrische Maschine. Die Brennstoffzellenanordnung kann insbesondere zur Energieversorgung eines Kraftfahrzeugs verwendet werden.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kühlen einer elektrische Maschine für eine Brennstoffzellenanordnung, wobei die elektrische Maschine ein erstes Aktivteil, ein relativ zum ersten bewegbares, zweites Aktivteil, wobei das erste und/oder das zweite Aktivteil Wicklungen umfasst, und ein Luftlager zum Lagern des zweiten Aktivteils, wobei das Luftlager eine Lufteinlasseinrichtung und eine Luftauslasseinrichtung aufweist, umfasst, beinhaltet das Leiten einer aus der Luftauslasseinrichtung des Luftlagers austretenden Luft zu den Wicklungen des ersten und/oder zweiten Aktivteils mit einer Luftumlenkeinrichtung der elektrische Maschine.
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Die zuvor im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen können auf die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung, das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug und das erfindungsgemäße Verfahren übertragen werden.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine für eine Brennstoffzellenanordnung.
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Das nachfolgen näher geschilderte Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
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Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine 10 für eine Brennstoffzellenanordnung in einer geschnittenen Seitenansicht. Die elektrische Maschine 10 ist einer Luftversorgungseinheit einer Brennstoffzellenanordnung zugeordnet. Die Brennstoffzellenanordnung dient der Energieversorgung eines Kraftfahrzeugs. Die elektrische Maschine 10 kann als hochdrehende Strömungsmaschine ausgebildet sein.
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Die elektrische Maschine 10 umfasst ein erstes Aktivteil 12 in Form eines Stators und ein zweites Aktivteil 14, das relativ zu dem ersten Aktivteil 12 bewegbar ist, in Form eines Rotors. Das erste Aktivteil 12 und das zweite Aktivteil 14 sind in einem Gehäuse 16 angeordnet. Das zweite Aktivteil 14 ist auf einer Welle 18 angeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst das erste Aktivteil 12 entsprechende Wicklungen 20. Diese Wicklungen 20 bilden entsprechende Wickelköpfe 22 aus.
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Die Welle 18 des zweiten Aktivteils 14 ist mittels eines Luftlagers 24 gegenüber dem Gehäuse 16 gelagert. Das Luftlager 24 weist eine Lufteinlasseinrichtung 26 auf, mit der dem Luftlager 24 Luft, insbesondere Kühlluft eines hier nicht näher dargestellten Kühlluftkreises, zugeführt wird. Zudem weist das Luftlager 24 eine Luftauslasseinrichtung 28 zum Abführen der Luft aus dem Lager 24 auf.
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Des Weiteren umfasst die elektrische Maschine 10 eine Luftumlenkeinrichtung 30 auf, mit der die Zapfluft aus dem Luftlager 24 zu den Wickelköpfen 22 des ersten Aktivteils 12 umgelenkt werden kann. Dabei kann die elektrische Maschine 10 auch mehrere Luftumlenkeinrichtungen umfassen. Somit können die Wickelköpfe 22 effektiv gekühlt werden. Durch die Kühlung der Wickelköpfe 22 kann die Leistungsdichte der elektrischen Maschine 19 erhöht werden. Des Weiteren kann der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 10 erhöht werden. Zudem kann für die Wicklungen 20 bzw. die Wickelköpfe 22 eine Lackierung verwendet werden, die im Vergleich zu üblicherweise verwendeten Lackierungen weniger temperaturresistent sind. Damit können Kosten eingespart werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektrische Maschine
- 12
- Aktivteil
- 14
- Aktivteil
- 16
- Gehäuse
- 18
- Welle
- 20
- Wicklung
- 22
- Wickelkopf
- 24
- Luftlager
- 26
- Lufteinlasseinrichtung
- 28
- Luftauslasseinrichtung
- 30
- Luftumlenkeinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2001304738 A [0005]
- JP 3162346 U [0006]
