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Die Erfindung betrifft eine elektrisch angetriebene Luftzuführvorrichtung mit einer angetriebenen Welle, die in einem Gehäuse mit Hilfe einer Lageranordnung drehbar gelagert ist und für einen elektrischen Antrieb der Luftzuführvorrichtung einen Rotor mit einem Permanentmagneten darstellt, der radial innerhalb eines Stators mit einer Statorwicklung drehbar ist, die mindestens einen Wicklungskopf aufweist.
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Stand der Technik
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2017 212 815 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einer Luftzuführungsleitung zum Zuführen eines Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle und einer Abgasleitung zum Abführen des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle bekannt, wobei das Brennstoffzellensystem eine Turbomaschine mit einem Laufrad aufweist, das als Verdichter ausgeführt ist, der in der Luftzuführungsleitung angeordnet ist, wobei, um die Kühlung der Turbomaschine zu optimieren, nicht bereits erwärmte, verdichtete Luft vom Laufrad verwendet wird, sondern aus der entgegengesetzten Richtung gekühlte, unverdichtete Luft angesaugt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrisch angetriebene Luftzuführvorrichtung mit einer angetriebenen Welle, die in einem Gehäuse mit Hilfe einer Lageranordnung drehbar gelagert ist und für einen elektrischen Antrieb der Luftzuführvorrichtung einen Rotor mit einem Permanentmagneten darstellt, der radial innerhalb eines Stators mit einer Statorwicklung drehbar ist, die mindestens einen Wicklungskopf aufweist, herstellungstechnisch und/oder funktionell zu verbessern.
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Die Aufgabe ist bei einer elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung mit einer angetriebenen Welle, die in einem Gehäuse mit Hilfe einer Lageranordnung drehbar gelagert ist und für einen elektrischen Antrieb der Luftzuführvorrichtung einen Rotor mit einem Permanentmagneten darstellt, der radial innerhalb eines Stators mit einer Statorwicklung drehbar ist, die mindestens einen Wicklungskopf aufweist, dadurch gelöst, dass ein Zwischenraum zwischen einer Statorkühleinrichtung und dem Wicklungskopf so mit einem gut wärmeleitenden Füllmaterial ausgefüllt ist, dass im Betrieb der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung eine hochwirksame Kühlung des Wicklungskopfs sichergestellt wird. Durch die Statorkühleinrichtung wird eine unerwünscht starke Erwärmung des Wicklungskopfs im Betrieb der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung, insbesondere bei extrem hohen Drehzahlen, in einem minimalen Bauraum effektiv verhindert. Dabei kann die Statorkühleinrichtung als separates Zusatzteil ausgeführt sein oder in ein vorhandenes Teil, wie einen Lagerschild, integriert sein. Der Stator mit der Statorwicklung umfasst vorzugsweise zwei Wicklungsköpfe, die auf entgegengesetzten Seiten des Stators angeordnet sind. Vorteilhaft ist jedem der Wicklungsköpfe eine vorab beschriebene Statorkühleinrichtung zugeordnet. Die Statorkühleinrichtung kann vorteilhaft zusätzlich zu einer vorhandenen Statorkühleinrichtung genutzt werden, die an einem äußeren Umfang des Stators vorgesehen werden kann, um radial außen an dem Stator Wärme abzuführen. Die Statorkühleinrichtung wird vorteilhaft mit einem vorzugsweise flüssigen Kühlmedium betrieben. Das Kühlmedium kann separat zugeführt werden. Die Statorkühleinrichtung kann aber auch an einen bestehenden Kühlkreislauf der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung angeschlossen werden. Durch das gut wärmeleitende Füllmaterial kann der Wicklungskopf des Stators thermisch sehr effektiv an die Statorkühleinrichtung angebunden werden. Der Zwischenraum zwischen der Statorkühleinrichtung und dem Wicklungskopf ist vorzugsweise vollständig mit dem Füllmaterial ausgefüllt.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Statorkühleinrichtung einen radialen Abschnitt, der einer Stirnfläche des Wicklungskopfs zugeordnet ist, und einen axialen Abschnitt umfasst, der einer Innenfläche des Wicklungskopfs zugeordnet ist. Die Gestalt der Statorkühleinrichtung ist vorteilhaft an die Gestalt des Wicklungskopfs angepasst. In ihrem radialen Abschnitt hat die Statorkühleinrichtung vorteilhaft im Wesentlichen die Gestalt eines Scheibenkörpers, insbesondere die Gestalt einer Kreisringscheibe. Der axiale Abschnitt der Statorkühleinrichtung kann als Auskragung von einem inneren Umfangsrand der Kreisringscheibe ausgeführt sein. In dem axialen Abschnitt hat die Statorkühleinrichtung zum Beispiel im Wesentlichen die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels. Der radiale Abschnitt der Statorkühleinrichtung ist vorteilhaft einstückig mit dem axialen Abschnitt der Statorkühleinrichtung verbunden. Durch die Gestalt der Statorkühleinrichtung wird eine großflächige thermische Anbindung des Wicklungskopfs an die Statorkühleinrichtung sichergestellt. Durch die Gestalt der Statorkühleinrichtung wird zudem die Darstellung einer Schutzfunktion für den Wicklungskopf bei der Montage ermöglicht. Dabei verhindert die Statorkühleinrichtung Beschädigungen an dem Wicklungskopf, wenn weitere Bauteile, wie der Lagerschild oder der Rotor montiert werden. Die Statorkühleinrichtung ist zum Beispiel aus einem Kunststoffmaterial hergestellt, das keine Wirbelströme verursacht und elektrisch nicht leitend ist. Besonders vorteilhaft ist die Statorkühleinrichtung kostengünstig als Spritzgussteil ausgeführt.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Statorkühleinrichtung in einen Lagerschild der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung integriert ist. Das liefert unter anderem den Vorteil, dass für die Statorkühleinrichtung kein zusätzliches Bauteil benötigt wird. So kann auch mit einer wirksamen Kühlfunktion für den Wicklungskopf noch Bauraum eingespart werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Statorkühleinrichtung einen Grundkörper mit einer Kühlmediumleitgeometrie und einem Deckel und/oder eine Dichteinrichtung umfasst. Die Statorkühleinrichtung kann, unabhängig davon, ob sie als Zusatzbauteil ausgeführt ist oder ob sie in den Lagerschild integriert ist, einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. Besonders vorteilhaft ist die Statorkühleinrichtung aber in beiden Fällen zweiteilig ausgeführt. Der Grundkörper mit der Kühlmediumleitgeometrie kann auf einfache Art und Weise mit Hilfe einer geeigneten Dichtung mediendicht mit dem Deckel verbunden werden. Die zweiteilige Ausführung ermöglicht eine komplexe Strömungsführung zwischen einem Einlass und einem Auslass für ein Kühlmedium. Innerhalb der Statorkühleinrichtung können Bereiche an dem Wickelkopf mit besonders hoher Erwärmung möglichst direkt gekühlt werden. Die Kühlmediumleitgeometrie ist vorteilhaft so ausgeführt, dass eine großflächige thermische Anbindung des Wicklungskopfs an die Statorkühleinrichtung mit einer hocheffizienten Kühlwirkung ermöglicht wird.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Statorkühleinrichtung, zumindest teilweise, aus einem Material gebildet ist, das bessere Wärmeleiteigenschaften als Luft aufweist und elektrisch isolierend ist. Dadurch wird der Wärmeabtransport von dem Wickelkopf verbessert. Außerdem wird ein unerwünschtes Auftreten von Wirbelströmen verhindert.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial pastös ist. Das pastöse Füllmaterial ist vorteilhaft nicht mehr fließfähig, sondern zum Beispiel streichfest. Je nach Ausführung kann das pastöse Füllmaterial auch als Gel bezeichnet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem pastösen Füllmaterial um eine Wärmeleitpaste, mit der die Wärmeübertragung zwischen dem Wicklungskopf und der Statorkühleinrichtung wirksam verbessert wird.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial elastisch ist. Durch die elastischen Eigenschaften des Füllmaterials können besonders vorteilhaft Unebenheiten und/oder Fertigungstoleranzen an dem Wicklungskopf und/oder an der Statorkühleinrichtung und/oder zwischen diesen Teilen reproduzierbar ausgeglichen werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum mit Hilfe mindestens einer Dichteinrichtung als geschlossener Hohlraum ausgeführt ist. Dadurch wird ein unerwünschtes Verteilen des pastösen oder gelartigen Füllmaterials in der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung sicher verhindert.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial Unebenheiten, Vertiefungen und/oder Erhebungen an dem Wicklungskopf und/oder an der Statorkühleinrichtung ausgleicht oder ausfüllt. Dadurch kann auch bei größeren Fertigungstoleranzen ein guter Wärmetransport von dem Wicklungskopf zu der Statorkühleinrichtung sichergestellt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum im Querschnitt die Gestalt eines Winkelprofils aufweist, das an einer Stirnfläche und an einer Innenfläche des Wicklungskopfs anliegt. So können mit dem Füllmaterial vorteilhaft Flächen des Wicklungskopfs wirksam gekühlt werden, die bei herkömmlichen elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtungen nicht oder nur unzureichend gekühlt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Statorkühleinrichtung eine Leitstruktur für ein Kühlmedium umfasst. Durch die Leistruktur wird die Kühlwirkung, insbesondere mit einem flüssigen Kühlmedium, verbessert. Die Leitstruktur kann in einen Grundkörper aus einem Kunststoffmaterial eingebracht werden. Der Grundkörper mit der Leitstruktur kann dann, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Dichtung, mit einem Deckel kühlmediumdicht verschlossen werden. Die zweiteilige Ausführung der Statorkühleinrichtung ermöglicht eine komplexe Strömungsführung zwischen einem Einlass und einem Auslass für das Kühlmedium.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leitstruktur für das Kühlmedium in einem Lagerschild ausgebildet ist. Dann kann der Grundkörper vorteilhaft entfallen. Der Lagerschild mit der Leitstruktur kann, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Dichtung, mit einem geeigneten Deckel kühlmediumdicht verschlossen werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leitstruktur für das Kühlmedium in einer Umspritzung des Wicklungskopfs ausgebildet ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann vorteilhaft der ansonsten benötigte Grundkörper bei der Statorkühleinrichtung entfallen. Die Umspritzung des Wicklungskopfs mit der Leitstruktur für das Kühlmedium kann, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Dichtung, mit einem geeigneten Deckel kühlmediumdicht verschlossen werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Statorkühleinrichtung an eine Kühlung des elektrischen Antriebs der Luftzuführvorrichtung angebunden ist. Bei der Kühlung handelt es sich zum Beispiel um eine Statorkühlung mit Kühlkanälen, die an einem äußeren Umfang des Stators ausgebildet sind. Die Statorkühlung erfolgt vorteilhaft mit einem geeigneten Kühlmedium, insbesondere mit einem flüssigen Kühlmedium.
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Die Luftzuführvorrichtung dient vorteilhaft in einem Brennstoffzellensystem zum Zuführen von Luft zu einer Brennstoffzelle beziehungsweise einem Brennstoffzellenstack. Zu diesem Zweck umfasst die Luftzuführvorrichtung mindestens ein Verdichterrad. Das Verdichterrad kann mit einem Turbinenrad kombiniert sein. Das Turbinenrad kann genutzt werden, um Energie aus einem relativ warmen Abgas zurückzugewinnen.
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Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch eine Statorkühleinrichtung, eine Sensorkühleinrichtung und/oder einen Lagerschild für eine vorab beschriebene Luftzuführvorrichtung. Die genannten Teile sind separat handelbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung in zwei verschiedenen Schnittansichten gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer Statorkühleinrichtung, die zwischen einem Lagerschild und einem Wicklungskopf einer Statorwicklung angeordnet ist;
- 2 einen Kompressor eines Brennstoffzellensystems mit einer Welle; und
- 3 ein Gehäuse des Kompressors aus 2 mit der durch zwei Folienlager gelagerten Welle im Halbschnitt.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 2 ist ein Kompressor 30 in einer Seitenansicht dargestellt. Der Kompressor 30 umfasst ein Gehäuse 31, in welchem eine Welle 32, beispielsweise eine Kompressorwelle 32, drehbar gelagert ist. Über den Kompressor 30 wird zum Beispiel Luft in einen Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems gefördert.
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In dem in 3 gezeigten Halbschnitt durch das Gehäuse 31 des Kompressors 30 aus 3 sieht man, dass die Welle 32 mit Hilfe von zwei Luftlagern 33, 34 in dem Gehäuse 31 drehbar gelagert ist. Die Folienlager 33, 34, die auch als Luftlager bezeichnet werden, umfassen jeweils zwei Folien 39; 40. Die Folien 39; 40 der Folienlager 33, 34 sind unmittelbar in Gehäuseausnehmungen 41, 42 des Gehäuses 31 angeordnet.
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Die Gehäuseausnehmung 41 ist in einem Lagergehäusekörper 37 vorgesehen, der einstückig mit einem Gehäusedeckel 36 des Gehäuses 31 verbunden ist. Die Gehäuseausnehmung 42 ist in einem Lagergehäusekörper 38 vorgesehen, der einstückig mit einem Gehäusetopf 35 verbunden ist. Der Gehäusetopf 35 und der Gehäusedeckel 36 stellen zusammen mit den Lagergehäusekörpern 37, 38 das Gehäuse31 des Kompressors 30 dar.
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In 1 ist in zwei Schnittansichten ein Ausführungsbeispiel einer elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung 1 dargestellt. Bei der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung 1 handelt es sich zum Beispiel um einen Kompressor oder Luftverdichter 30, wie er in den 2 und 3 vereinfacht dargestellt ist. Die elektrisch angetriebene Luftzuführvorrichtung 1 umfasst eine Welle 2, die in einem Gehäuse 3 um eine Drehachse 56 drehbar ist.
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Die Welle 2 ist mit Hilfe einer Lageranordnung 4 drehbar in dem Gehäuse 3 gelagert. Die Lageranordnung 4 umfasst zum Beispiel zwei in 3 mit 33 und 34 bezeichnete Folienlager. In 1 ist ein Wellenstumpf 7 in dem Lager 5 drehbar gelagert.
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Der Wellenstumpf 7 ist mit Hilfe einer Bandage 9 mit einem Permanentmagneten kombiniert. Der Permanentmagnet 8 dient zur Darstellung eines Rotors 6 eines elektrischen Antriebs 29. Der Rotor 6 ist innerhalb eines Stators 10 mit einer Statorwicklung 11 und einem Wicklungskopf 12 drehbar.
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Das zum Beispiel als Folienlager oder Luftlager ausgeführte Lager 5 umfasst einen Lagerschild 13 mit einem radialen Abschnitt 14 und einem axialen Abschnitt 15. Der radiale Abschnitt 14 ist unter Zwischenschaltung mindestens einer Dichtung am Gehäuse 3 befestigt. Der axiale Abschnitt 15 ist einstückig mit dem radialen Abschnitt 14 des Lagerschilds 13 verbunden. Der axiale Abschnitt 15 des Lagerschilds 13 stellt eine im Wesentlichen kreiszylindermantelförmige Lageraufnahme für das Lager 5 dar.
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Das Gehäuse 3 umfasst einen radial inneren Gehäusekörper 17 und einen radial äußeren Gehäusekörper 18. Zwischen den beiden Gehäusekörpern 17, 18 sind Kühlkanäle 19 einer Kühlung 49 für den Stator 10 ausgebildet. Durch die Kühlkanäle 19 wird in einem Kreislauf ein zum Beispiel flüssiges Kühlmedium durchgeleitet.
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Eine Statorkühleinrichtung 60 ist an die Kühlung 49 angeschlossen. Die Statorkühleinrichtung 60 ist zwischen dem Lagerschild 13 und dem Wicklungskopf 12 angeordnet. Die Gestalt der Statorkühleinrichtung 60 ist an die Gestalt des Lagerschilds 13 und an die Gestalt des Wicklungskopfs 12 angepasst.
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Die Statorkühleinrichtung 60 umfasst einen radialen Abschnitt 44 und einen axialen Abschnitt 45. Eine Kühlmediumleitgeometrie 43 ist sowohl in dem radialen Abschnitt 44 als auch in dem axialen Abschnitt 45 der Statorkühleinrichtung 60 vorgesehen. Die Kühlmediumleitgeometrie 43 ist mit einem Zulauf 57 und einem Ablauf 58 an die Kühlung 49 angebunden.
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Vom Zulauf 57 gelangt das Kühlmedium, wie in 1 durch einen Pfeil angedeutet ist, über eine komplexe Strömungsführung 63 in einen Ringkanal 65. Der Ringkanal 65 ist an den Ablauf 58 angeschlossen. Zwischen dem Zulauf 57 und dem Ablauf 58 ist der Ringkanal 65 vorteilhaft unterbrochen.
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Der radiale Abschnitt 44 der Statorkühleinrichtung 60 ist einer Stirnfläche 61 des Wicklungskopfs 12 zugewandt. Der axiale Abschnitt 45 der Statorkühleinrichtung 60 ist einer Innenfläche 62 des Wicklungskopfs 12 zugewandt. Die Statorkühleinrichtung 60 mit der Kühlmediumleitgeometrie 43 ist vorteilhaft als Spritzgussteil ausgeführt.
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Das Spritzgussteil umfasst vorteilhaft einen Grundkörper 46, in den die Kühlmediumleitgeometrie 43 eingebracht ist. Der Grundkörper 46 mit der Kühlmediumleitgeometrie 43 ist durch einen Deckel 47 verschlossen. Zur Abdichtung zwischen der Statorkühleinrichtung 60 und dem Gehäusekörper 17 dient eine Dichteinrichtung 48. Zwischen dem Deckel 47 und dem Grundkörper 46 ist vorteilhaft ebenfalls mindestens eine Dichtung vorgesehen.
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In 1 sieht man, dass ein Zwischenraum 75 zwischen dem Wicklungskopf 12 und der Statorkühleinrichtung 60 mit einem Füllmaterial 64 ausgefüllt ist. Der Zwischenraum 75 hat, im dargestellten Schnitt betrachtet, die Gestalt eines Winkelprofils. Dabei ist der Zwischenraum 75 vollständig mit dem Füllmaterial 64 ausgefüllt.
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Das Füllmaterial 64 liegt sowohl an der Stirnfläche 61 als auch an der Innenfläche 62 des Wicklungskopfs 12 beziehungsweise der Umspritzung 27 des Wicklungskopfs 12 an. Dichteinrichtungen 76, 77 verhindern ein unerwünschtes Austreten des vorzugsweise pastösen oder gelartigen Füllmaterials 64 aus dem Zwischenraum 75 heraus. Zur Verbesserung der Dichtwirkung können die Stirnfläche 61 und die Innenfläche 62 des Wicklungskopfs 12 beziehungsweise der Umspritzung 27 des Wicklungskopfs 12 leicht bearbeitet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017212815 A1 [0002]
