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Die Erfindung betrifft einen Turboverdichter der insbesondere geeignet ist, die Luftversorgung einer Brennstoffzelle sicherzustellen, wobei auch andere Anwendungsgebiete in Betracht kommen, bei denen eine ölfreie Druckluftversorgung zwingend erforderlich ist, oder bei denen technische Gase verdichtet werden müssen. Derartige Turboverdichter sind im Allgemeinen aus dem StdT bekannt und unterscheiden sich im Wesentlichen durch unterschiedliche Lagerkonzepten und Leistungsklassen.
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Auch die Verwendung von Turboverdichtern in Brennstoffzellensystemen ist seit langem bekannt. Beispielsweise kann der Antrieb des Verdichterrads mittels eines Elektromotors und/oder einer Turbine erfolgen. Wie aus der
DE 10 2018 112 454 A1 bekannt, erfolgt der Antrieb des Verdichterrads mittels eines Elektromotors, der von einer Turbine unterstützt wird, die den Abgasstrom der Brennstoffzelle nutzt.
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Charakteristisch für Turboverdichter sind die hohen Drehzahlen, mit denen diese betrieben werden müssen, um gute Wirkungsgrade beziehungsweise die Druckverhältnisse zu erreichen. In heutigen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren erreichen Abgasturbolader vergleichbare Drehzahlen. Mit zunehmender Drehzahl steigen jedoch auch die Anforderungen an die Lagerung der Welle. Eine weitere Herausforderung ist die Qualität der Luft die zur Brennstoffzelle gelangt, da keine Fremdstoffe, wie z.B. Öl, in die Brennstoffzellen gelangen dürfen, muss eine Öl-freie Lagerung eingesetzt werden.
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Aus der
DE10 2018 129 854 A1 ist eine Lagerung der Welle bekannt, bei der ein erstes und ein zweites Lagerkonzept vorgesehen sind, wobei zumindest das erste Lagerkonzept eine Magnetlagerung umfasst. Zur Magnetlagerung wird das Magnetfeld der elektrischen Maschine genutzt. Bei einer Magnetlagerung ist es weiterhin möglich, die radiale und tangentiale Komponente der Luftspaltkräfte derart zu regeln, dass eine sichere schwebende Lagerung des Rotors im Magnetfeld des Motors ermöglicht wird.
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Weiterhin ermöglicht die Verwendung von Sensoren eine stetige Kontrolle der Position, so dass eine Nachregelung ermöglicht wird.
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Zur Regelung von Magnetlagern sind Sensoren bzw. eine Sensorik notwendig. Wie in der
EP 3361102 A1 vorgeschlagen, kann das eine berührungslose Sensorik sein, die mit einer zugeordneten Steuer- und/oder Auswerteeinheit verbunden ist, wobei die Sensorik zur Erfassung einer Rotorbewegung entlang einer jeweiligen Messachse jeweils eine Sensorspuleneinheit mit wenigstens zwei Sensorspulen umfasst.
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Bei einer jeweiligen Rotorbewegung entlang der jeweiligen Messachse treten in den beiden Sensorspulen unterschiedliche Induktivitätsänderung auf.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2011 051 885 A1 eine Turbomaschine bekannt, deren Laufrad auf einer Rotorwelle angeordnet ist. Die Lagerung erfolgt über aktive Magnetlager, die mittels Spaltsensoren und einer an den Spaltsensoren angeschlossenen Steuerelektronik regelbar sind. Auf der Rotorwelle ist eine Zielfläche aus Kupfer angebracht, die mit dem Spaltsensor zusammenwirkt, so dass eine Positionsbestimmung ermöglicht wird.
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Ein weiterer Aufbau für eine Turbomaschine ist aus der
DE 10 2007 032 933 A1 bekannt. Die Fanglager sind zwischen Magnetlagerung und Laufrad angeordnet. Weiterhin ist eine Regelung der Magnetlagerungen vorgesehen, wobei unklar ist wie die Sensorik ausgelegt ist.
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Ein Problem bei bekannten Messsystemen ist es, dass die Genauigkeit der Sensorik bei den gestiegenen Anforderungen nicht mehr ausreicht.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Konzept vorzuschlagen, das zu einem verbesserten Aufbau sowie einer Verbesserung der Funktion eines Turboverdichters führt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung des Turboverdichters entsprechend Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführung finden sich in den Unteransprüchen.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführung handelt es sich um einen Turboverdichter der zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle geeignet ist. Der Turboverdichter umfasst ein Gehäuse, eine Welle, die gegenüber dem Gehäuse drehbar gelagert ist, und eine in dem Gehäuse angeordnete elektrische Maschine, wobei auf der Welle zumindest ein erstes Verdichterrad drehfest angeordnet ist und die Welle mittels der elektrischen Maschine antreibbar ist, wobei die Lagerung der Welle gegenüber dem Gehäuse für einen ersten Betriebszustand und eine zweiten Betriebszustand mittels zwei unterschiedlicher Lagerkonzepte erfolgt, wobei ein Lagerkonzept eine berührungsfreie Lagerung ermöglicht und das zweite Lagerkonzept eine Kontaktlagerung ist.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die berührungsfreie Lagerung eine regelbare Magnetlagerung ist und eine Regelung vorgesehen ist, mittels der das Magnetfeld der Magnetlagerung derart regelbar ist, dass die Welle im Magnetfeld ausrichtbar ist.
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Sobald die Welle ausschließlich von der Magnetlagerung ausgerichtet wird, befindet sich der Turboverdichter im ersten Betriebszustand, unabhängig von der Drehzahl der Welle. Sobald die Welle Kontakt mit dem Kontaktlager hat befindet sich der Turboverdichter im zweiten Betriebszustand, bei dem das Kontaktlager als Fanglager oder als Ablagelager wirkt.
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Die regelbare Ausrichtung der Welle im Magnetfeld ermöglicht es, unterschiedliche Kriterien für die Ausrichtung umzusetzen.
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Bei einer bevorzugten Ausführung können neben dem ersten Verdichterrad ein zweites Verdichterrad spiegelbildlich oder kombiniert auf der Welle angeordnet sein, so dass der Turboverdichter beispielsweise als zweistufiger Turboverdichter ausgeführt ist.
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Durch die spiegelbildliche Ausrichtung der Verdichterräder, wird erreicht, dass ein Kräfteausgleich der Axialkräfte erfolgt. Weiterhin kann das zweite Verdichterrad als Turbine zur Energierückgewinnung ausgeführt sein. Unter kombiniert wird beispielsweise die Anordnung zweier unterschiedlicher Räder verstanden.
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Weiterhin sind zwischen den Verdichterrädern zwei elektrische Maschinen angeordnet, so dass die magnetische Lagerung der Welle in Radialrichtung mittels der elektrischen Maschinen erfolgen kann, wobei für die Axialrichtung ein magnetisches Axiallager zwischen den elektrischen Maschinen vorgesehen ist. Bei den elektrischen Maschinen kann es sich um elektrische Maschinen handeln, die überlagerte Magnetfelder aufbauen können, so dass eine die Welle tragendes Magnetfeld und ein Magnetfeld zum rotatorischen Antrieb der Welle entstehen.
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Denkbar ist beispielsweise auch die räumliche Trennung in ein oder zwei Antriebs- und zwei Positionseinrichtungen bzw. Maschinen.
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Für die Kontaktlagerung können zwei Gleitlager vorgesehen sein, deren Lagerspiel größer ist als der zulässige Ausrichtbereich der Magnetlagerung. Der erste Betriebszustand erfordert eine berührungsfreie Lagerung, so dass zwischen Welle und Gleitlager ein Ringspalt gebildet wird. Der im ersten Betriebszustand gebildete Ringspalt muss nicht symmetrisch sein. Die Ausrichtung der Welle zum Gleitlager muss somit nicht zentrisch sein.
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Zur Regelung der radialen und axialen magnetischen Lagerung sind Sensoren vorgesehen, die gegenüber dem Gehäuse fixierbar sind. Bevorzugt sind beiden Wellenenden Sensoren zugeordnet, so dass die Ausrichtung der Wellenenden erfassbar ist.
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Weiterhin sind die Sensoren bevorzugt derart angeordnet, dass die radiale und die axiale Ausrichtung der Welle erfassbar sind. Dort, wo es möglich oder sinnvoll ist können elektrisch gesteuerte Magnetfelder durch Permanentmagnete ersetzt oder kombiniert werden. Das trifft besonders auf die Z-Achse zu. Die Positionierung in der Z-Achse könnte z.B. im Normalbetrieb durch Permanentmagnete ausreichend sein, aber in bestimmten, auch dynamischen Situationen, von zusätzlichen Elektromagneten unterstützt werden. Ähnliche Kombinationen sind auch in radialer Richtung möglich.
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Die Position der (magnetischen) Sensoren ist so weit wie möglich von den Störfeldern nämlich den Motor- und Tragwicklungen entfernt angeordnet.
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Magnetische Feldlinien breiten sich bevorzugt in magnetisch leitendem Material oder entlang dessen Oberfläche aus. Mit Hilfe abwechselnd magnetisch leitender und magnetisch nicht leitender Schichten - ähnlich einer Zwiebelschale - lassen sich störende magnetische Felder von den Sensoren fern halten. Damit kann der sogenannte Signal/Rausch-Abstand d.h. die Qualität des Messsignales noch einmal ganz deutlich verbessert werden.
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Zur weiteren Verbesserung, können Sensorhalter vorgesehen sein, an denen die Sensoren befestigt sind, wobei weiterhin Mittel vorgesehen sein können, die eine Ausrichtung der Sensorhalter gegenüber dem Gehäuse ermöglichen.
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Die Sensorhalter können beispielsweise kegelstumpfförmig ausgeführt sein, wobei Sensoren auf der Kegelfläche, z.B. 3 - 4 Sensoren, und ein Sensor auf dem Kegelstumpf angebracht sein können.
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Die 1 zeigt eine Skizze einer bevorzugten Ausführungsform.
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Dargestellt ist ein Turboverdichter 1 mit zwei Verdichterstufen 15a, b, wobei am ersten und zweiten Wellenende 18a, b der Welle 6 jeweils ein Verdichterrad 2, 3 angeordnet ist. Die Verdichterräder 2, 3 sind zueinander spiegelbildlich auf der Welle 6 angeordnet, so dass die Axialkräfte, die bei der Verdichtung von Luft entstehen, gegeneinander wirken und sich so zumindest teilweise gegenseitig aufheben. Welle 6 und Verdichterräder 2, 3 können auch einteilig ausgeführt sein.
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Die Welle 6 ist gegenüber dem Gehäuse 7 drehbar gelagert, wobei zur radialen Lagerung der Welle 6 ein erstes und ein zweites Lagerkonzept vorgesehen sind. Das erste Lagerkonzept ist eine Magnetlagerung, bei der zur radialen Lagerung der Welle 6 die beiden elektrischen Maschinen 16a, b genutzt werden. Das zweite Lagerkonzept umfasst die Gleitlager 17a, b, über die die Welle 6 im Ruhezustand bzw. solange, bis die Welle mittels des Magnetfeldlagerung von den Lagerschalen abgehoben wird, gelagert sind.
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Das zweite Lagerkonzept hat weiterhin die Funktion einer Fanglagerung, was dadurch erreicht wird, dass die Gleitlager 17a, b einen relativ großen Lagerspalt bzw. Lagerspiel aufweisen. Der Lagerspalt ist dabei so groß gewählt, dass mittels der Magnetlagerung eine Positionierung der Welle 6 ermöglicht wird, bei der ein Ringspalt zwischen den Lagerteilen, Innenteil und Außenteil, der Gleitlager 17a,b gebildet wird.
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Die Axiallagerung 19 der Welle 6 ist ebenfalls als Magnetlagerung ausgelegt, wobei die Lagerscheibe 13 mittels des erzeugbaren Magnetfelds axial ausgerichtet wird.
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Die E-Maschinen 16a, b bzw. deren Rotoren 5a, b sind beabstandet auf der Welle 6 angeordnet. In den elektrischen Maschinen 16a, b sind Spulensysteme verbaut, mittels denen Magnetfelder erzeugbar sind, die bewirken , dass die Welle 6 in Bezug auf ihrer Rotationsachse in den Magnetfeldern ausrichtbar ist und die Welle 6 angetrieben werden kann. Zwischen den E-Motoren 16a, b ist weiterhin eine Axiallagerung 19 vorgesehen, die ebenfalls als Magnetlagerung ausgeführt ist. Mittels der angedeuteten Spulen wird die Scheibe axial ausgerichtet und Axialkräften entgegengewirkt.
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Der Turboverdichter kann bei Null-Lastanforderung komplett abgeschaltet, also stromlos geschaltet werden, wobei die Lagerung der Welle 6 dann von den Gleitlagern 17a, b übernommen wird.
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Die Lagerung mittels Magnetfeldern hat mehrere Vorteile:
- - kostengünstiger Betrieb, da wartungsfrei und hohe Lebensdauer
- - die Magnetfelder können zum Abbremsen der Welle verwendet werden
- - schnelle Drehzahländerungen sind realisierbar
- - die Welle kann auch bei Nulllastanforderung in einem Schwebezustand gehalten werden
- - verschleißfrei
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Die Verdichterräder 2, 3 sind, wie in 1 angedeutet, in Verdichterkammern des Gehäuses 7 angeordnet, wobei jedem Verdichterrad 2, 3 jeweils ein Lufteinlass 9a, b und ein Luftauslass 10a, b zugeordnet ist.
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Der Luftauslass 10a der ersten Verdichterstufe 15a ist mit dem Lufteinlass 9b der zweiten Verdichterstufe 15b über einen Verbindungskanal 11 luftleitend verbunden. Zur Kühlung der durch die Kompression komprimierten und erhitzten Luft der ersten Verdichterstufe 15a ist zwischen den zwei Verdichterstufen 15a, b eine Kühlvorrichtung 12 angeordnet. Diese kühlt die vorverdichtete Luft der ersten Verdichterstufe 15a, bevor diese in die zweite Verdichterstufe 15b eingeleitet wird, so dass der Wirkungsgrad der zweiten Verdichterstufe 15b verbessert wird. Weiterhin kann die Kühlvorrichtung 12 zur Kühlung der E-Maschinen 16a, b sowie des Axiallagers 19 eingesetzt werden.
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Zur Regelung des Turboverdichters sind mehrere Sensoren 14a, b vorgesehen, mittels denen die Lage der Welle 6 im Magnetfeld ermittelt wird und mit deren Hilfe die Regelung des Magnetfelds der Axiallagerung und der Magnetfelder zur Radiallagerung, sowie zur Drehmomenterzeugung des E-Motors, erfolgt.
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Die Regelung kann beispielsweise mittels einer Hochfrequenz FU-Regelung, zur Regelung der Magnetfelder von Axiallagerung 19 und E-Motoren 16a, b, erfolgen.
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Die Regelung der Verdichterleistung, also der erzeugten Druckluft, ist idealerweise mit der Regelung der Brennstoffzelle, insbesondere des Wasserstoff-Druck- bzw. Stellventils, gekoppelt, so dass die Leistung des Turboverdichters immer an die Brennstoffzellenleistung anpassbar ist.
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Die erforderliche Sensorik ist erfindungsgemäß an den Enden der Welle 6 positioniert, wobei die in der 1 gezeigte Lösung für den Aufbau und die Anordnung der Sensoren als beispielhaft für einen bevorzugten Aufbau angesehen werden kann. Entscheidend ist, dass die Sensoren in einem Bereich angeordnet sind, der leicht zugänglich ist und in dem die Einflüsse der elektromagnetischen Felder von E-Motor und Lagerung möglichst klein sind.
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Die Anordnung der Sensoren 14a, b und die dazugehörige Kabelführung zum Controller erfolgt vorteilhafterweise links und rechts der Wellenenden. Die Kabel können so sehr einfach gebündelt werden, was dazu führt, dass für die Reparatur/Austausch der Sensoren eine sehr gute Zugänglichkeit erreicht wird.
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In der dargestellten Lösung sind die einzelnen Sensoren 14a, b der Sensorik an dem Sensorhalter 8a, b angeordnet. Der Kegelstumpf des Sensorhalters 8a, b greift in eine entsprechenden Aussparung in der Welle 6 ein, wobei zwischen Sensorhalter 8a, b und Welle 6 ein Spalt vorgesehen ist, der zumindest so ausgelegt ist, dass es in keinem Betriebszustand des Turboverdichters 1 zu einem Kontakt zwischen Welle 6 und Sensorhalter 8a, b kommt. Idealerweise sind 3 oder mehr Sensoren auf der Mantelfläche der Kegelstümpfe des Sensorhalters 8a, b angeordnet, so dass mittels der Sensoren eine axiale wie auch radiale Messung der Wellenlage erfolgen kann.
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Weitere Sensoren, wie beispielsweise an der Stirnseite des Kegelstupfes, können sinnvoll sein, um eine verbesserte Messung in Axialrichtung zu erreichen.
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Alternative Formen von Wellenenden und Sensorhalter 8a, b oder Aufnahmen können es unter Umständen erforderlich machen, dass mehr Sensoren erforderlich sind.
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Der Sensorhalter 8a, b kann wie hier dargestellt gegenüber dem Gehäuse 7 fixiert sein. Bei anderen Lösungen kann aber auch vorgesehen werden, dass die Sensorhalter 8a, b oder alternativ Aufnahmen justierbar gegenüber dem Gehäuse 7 befestigt sind. Der Lufteinlass 9a kann dabei ein Kanal zwischen Kegelzapfen 8a und Gehäuse 7 sein.
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Zur Lagerung der Welle 6 mittels des Magnetfeldes werden eine Regelelektronik und eine Sensorik benötigt. Die Sensorik setzt sich aus mehreren Sensoren 14a, b zusammen und erfasst neben der Drehzahl und der Drehrichtung auch die Lageposition (axial sowie radial) der Welle 6, so dass die Elektronik über das aktiv veränderbare Magnetfeld die Lage der Welle 6 im Stator der E-Maschinen justieren bzw. regeln kann. Dadurch kann erreicht werden, dass die Welle 6 mit den Verdichterrädern 2, 3 verschleißfrei im Magnetfeld der beiden Statoren 4a, b der E-Maschinen 16a, b getragen und zur Rotationsachse ausgerichtet werden kann. Weiterhin ist es möglich, die Lagerung auf den rotatorischen Schwerpunkt auszurichten, da man nicht mehr auf den geometrischen Schwerpunkt angewiesen ist. Dies verringert Unwuchten und Verschleiß.
