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Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl und/oder der Position eines Rotors einer Strömungsmaschine. Bevorzugter Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine ist der Einsatz als Luftverdichter in einem Brennstoffzellensystem.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellensysteme benötigen Sauerstoff, der in einer Brennstoffzelle des Systems mit einem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, zu Wasser bzw. Wasserdampf reagiert. Auf diese Weise wird durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung erzeugt, die als Antriebsenergie, beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs, genutzt werden kann. Als Sauerstoffquelle dient üblicherweise Umgebungsluft, die der Brennstoffzelle mittels eines Luftverdichtungssystems zugeführt wird, da der Prozess einen bestimmten Luftmassenstrom und ein bestimmtes Druckniveau erfordert. Das Luftverdichtungssystem umfasst üblicherweise eine hochdrehende Strömungsmaschine mit mindestens einem auf einer Welle angeordneten Verdichterrad, das elektromotorisch angetrieben wird. Zur Energierückgewinnung kann das Luftverdichtungssystem mit einer Turbine bzw. einem Abgasturbolader gekoppelt werden, der bzw. dem die aus der mindestens einen Brennstoffzelle abströmende feuchte Luft bzw. Abluft zugeführt wird.
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Aus dem Stand der Technik sind sensorlos regelbare Strömungsmaschinen bekannt, die sich als besonders robust erwiesen haben. Anstelle von Sensoren werden modellbasierte Methoden genutzt, um aus dem Motorstrom Informationen über Drehzahl und/oder Rotorposition herzuleiten. Insbesondere in Bezug auf die Rotorposition kann auf diese Weise eine ausreichend hohe Auflösung erreicht werden. Damit ist eine sinusförmige Ansteuerung möglich, die hohe Wirkungsgrade, eine geringere Erwärmung sowie eine geringere Vibrations- und Geräuschentwicklung ergibt. Die modellbasierte Methode erfordert jedoch eine Mindestdrehzahl von einigen Hundert bis wenigen Tausend Umdrehungen pro Minute. Beim Anlaufen des Motors muss dieser daher einen speziellen Anlaufprozess durchlaufen, der ähnlich einer Schrittmotorsteuerung ist. Wird jedoch eine zu hohe Dynamik gefordert, beispielsweise ein Drehzahlsprung von Leerlauf auf maximale Drehzahl in weniger als 0,6 Sekunden, gelangt die sensorlose Regelung an ihre Grenzen.
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Aus dem Stand der Technik sind darüber hinaus sensorbasierte Regelungen bekannt. Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2019 216 475 A1 geht beispielsweise eine Drehzahlerfassung mit Hilfe eines Hall-Sensors hervor, wobei der Hall-Sensor das Magnetfeld eines dem Antrieb dienenden Permanentmagneten erfasst. Bei veränderlichen Umgebungstemperaturen am Einbauort neigen Hall-Sensoren jedoch zu einem Signaldrift. Solche Effekte sind im bevorzugten Anwendungsbereich unerwünscht, da sie zu Ungenauigkeiten führen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mindestens eine Möglichkeit aufzuzeigen, mittels welcher die Drehzahl und/oder Position eines Rotors einer Strömungsmaschine möglichst genau und damit zuverlässig bestimmbar ist bzw. sind.
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Zur Lösung der Aufgabe werden die Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagene Strömungsmaschine umfasst einen in einem Gehäuse aufgenommenen, drehbar gelagerten Rotor, der einerseits mit einem Verdichterrad und andererseits mit einem Turbinenrad drehfest verbunden ist. In das Gehäuse sind dabei ein dem Verdichterrad zugeordneter erster induktiver Sensor sowie ein dem Turbinenrad zugeordneter zweiter induktiver Sensor integriert, mit deren Hilfe jeweils eine von der Position des Rotors abhängige Änderung der Induktivität messbar ist.
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Die Bestimmung der Drehzahl und/oder Position des Rotors erfolgt demnach sensorbasiert. Neben der Möglichkeit die Strömungsmaschine schneller beschleunigen zu können, entfällt beim Anlaufen die Notwendigkeit, einen speziellen Anlaufprozess durchführen zu müssen.
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Die vorgeschlagene Strömungsmaschine weist hierzu mindestens zwei induktive Sensoren auf, mit deren Hilfe eine Änderung der Induktivität oder deren Güte erfassbar ist, die auf eine Lageänderung der sich auf den Laufrädern befindlichen Schaufeln zurückzuführen ist. Aufgrund der vorgeschlagenen Zuordnung erfasst ein dem Verdichterrad zugeordneter erster induktiver Sensor eine Änderung der Induktivität bei veränderter Winkellage des Verdichterrads in Bezug auf den ersten induktiven Sensor. Der zweite induktive Sensor, der dem Turbinenrad zugeordnet ist, erfasst eine Änderung der Induktivität bei veränderter Winkellage des Turbinenrads in Bezug auf den zweiten induktiven Sensor.
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Da sowohl das Verdichterrad als auch das Turbinenrad drehfest mit dem Rotor verbunden sind, ändern sich ihre Winkellagen jeweils in Bezug auf den zugeordneten induktiven Sensor mit einer Drehbewegung des Rotors. Die mit Hilfe der induktiven Sensoren gemessene Änderung der Induktivität ist somit abhängig von der Position des Rotors. Umgekehrt bedeutet dies, dass aus der gemessenen Änderung der Induktivität die Position des Rotors ableitbar ist. Alternativ oder ergänzend kann auf Basis der Messwerte die Drehzahl des Rotors bestimmt werden.
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Die gleichzeitige Auswertung der Messsignale beider induktiver Sensoren ergibt eine eindeutige und damit genaue Rotorposition, wenn das Verdichterrad und/oder das Turbinenrad eine ungerade Anzahl an Schaufeln aufweist bzw. aufweisen. Bevorzugt weist daher zumindest ein Laufrad eine ungerade Anzahl an Schaufeln auf. Denn die mit Hilfe der induktiven Sensoren gemessene Änderung der Induktivität oder deren Güte wird vorrangig durch die Winkellage der Schaufeln eines Laufrads in Bezug auf den jeweils zugeordneten Sensor verursacht. Die mehreren Schaufeln können sind vorzugsweise auf dem Radrücken eines Laufrads angeordnet sein.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Verdichterrad und das Turbinenrad eine unterschiedliche Anzahl an Schaufeln aufweisen. Auch auf diese Weise lassen eindeutige Messsignale erzielen, die eine genaue Bestimmung der Rotorposition ermöglichen.
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Ferner bevorzugt sind die Schaufeln des Turbinenrads radrückenseitig zumindest teilweise freigestellt. Durch die teilweise Freistellung der Schaufeln des Turbinenrads unterscheiden sich die Messwerte des dem Turbinenrad zugeordneten Sensors von denen des dem Verdichterrad zugeordneten Sensors, was eine eindeutige Zuordnung und damit genaue Auswertung ermöglicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung begrenzen das Verdichterrad und das Gehäuse einen Axialspalt, an dem der erste induktive Sensor dem Verdichterrad gegenüberliegt. Der Sensor und das Verdichterrad werden demnach nur durch den Axialspalt voneinander getrennt. Dies ermöglicht genaue Messwerte.
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Daher wird ferner vorgeschlagen, dass das Turbinenrad und das Gehäuse einen Axialspalt begrenzen, an dem der zweite induktive Sensor dem Turbinenrad gegenüberliegt.
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Der Rotor der Strömungsmaschine ist bevorzugt über mindestens ein Radiallager und/oder ein Axiallager drehbar gelagert.
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Ferner bevorzugt ist im Gehäuse der Strömungsmaschine eine Statorwicklung aufgenommen. Mit Hilfe der Statorwicklung kann die Strömungsmaschine angetrieben werden. Insbesondere kann mit Hilfe der Statorwicklung auf den Rotor eingewirkt werden.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird darüber hinaus ein Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl und/oder Position eines Rotors einer Strömungsmaschine unter Verwendung eines ersten und eines zweiten induktiven Sensors vorgeschlagen. Der erste induktive Sensor ist einem drehfest mit dem Rotor verbundenen Verdichterrad zugeordnet. Der zweite induktive Sensor ist einem drehfest mit dem Rotor verbundenen Turbinenrad zugeordnet. Bei dem Verfahren wird mit Hilfe der induktiven Sensoren jeweils eine von der Position des Rotors abhängige Änderung der Induktivität gemessen und auf der Grundlage dieser Messwerte wird bzw. werden die Drehzahl und/oder die Position des Rotors bestimmt.
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Die Durchführung des Verfahrens benötigt demnach einen ersten und einen zweiten induktiven Sensor, die jeweils einem Laufrad der Strömungsmaschine zugeordnet sind. Die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Strömungsmaschine erfüllt diese Anforderungen, so dass diese zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist. Die Vorteile des Verfahrens bestehen insbesondere darin, dass die gleichzeitige Auswertung der Signale zweier induktiver Sensoren aufgrund der Redundanz eine sehr genaue Bestimmung der Drehzahl und/oder der Position des Rotors ermöglichen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Halbschnitt durch eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine und
- 2 eine perspektivische Darstellung eines Turbinenrads für eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 im Halbschnitt dargestellte Strömungsmaschine 1 ist insbesondere als Luftverdichter in einem Brennstoffzellensystem (nicht dargestellt) einsetzbar. Die dargestellte Strömungsmaschine 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem ein Rotor 3 aufgenommen und drehbar gelagert ist. Die Lagerung erfolgt über zwei Radiallager 12 sowie zwei Axiallager 13, die beidseits einer mit dem Rotor 3 drehfest verbundenen Axiallagerscheibe 15 ausgebildet sind. Im Rotor 3 befindet sich ein Permanentmagnet (nicht dargestellt). Der Antrieb erfolgt über eine im Gehäuse 2 aufgenommene Statorwicklung 14. Zur Kühlung der Statorwicklung 14 ist im Gehäuse 2 ein Kühlmittelkanal 16 ausgebildet, der sich über mehrere Gehäuseteile 2.1, 2.2 des Gehäuses 2 erstreckt. An das Gehäuse 2 der Strömungsmaschine 1 grenzt vorliegend ein Invertergehäuse 17 an.
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Die dargestellte Strömungsmaschine 1 umfasst ferner zwei drehfest mit dem Rotor 3 verbundene Laufräder, und zwar ein Verdichterrad 4 und ein Turbinenrad 5. Das Turbinenrad 5 ermöglicht einen energieeffizienten Betrieb der Strömungsmaschine 1. Beide Laufräder bilden mehrere Schaufeln 8, 9 aus, wobei die Anzahl der Schaufeln 8, 9 zumindest eines Laufrads ungerade und die Anzahl der Schaufeln 8, 9 ungleich ist. Wie beispielhaft in der 2 dargestellt, können die Schaufeln 9 des Turbinenrads 5 radrückenseitig zudem freistellende Aussparungen 18 aufweisen.
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Das mit dem Rotor 3 drehfest verbundene Verdichterrad 4 begrenzt mit einem weiteren Gehäuseteil 2.3 des Gehäuses 2 einen Axialspalt 10, an welchem dem Verdichterrad 4 ein erster induktiver Sensor 6 gegenüberliegt. Analog liegt dem Turbinenrad 5 an einem Axialspalt 11 ein zweiter induktiver Sensor 7 gegenüber. Die beiden induktiven Sensoren messen jeweils eine Änderung der Induktivität, die durch eine veränderte Winkellage der Schaufeln 8, 9 der beiden Laufräder jeweils in Bezug auf den zugeordneten Sensor 6, 7 verursacht ist. Anhand der Messwerte ist somit die Winkellage der beiden Laufräder und damit die Position des Rotors 3 bestimmbar. Da die Messwerte beider Sensoren 6, 7 gleichzeitig ausgewertet werden, kann eine eindeutige und damit sehr genaue Positionsbestimmung vorgenommen werden. Gleiches gilt in Bezug auf die Bestimmung der Drehzahl des Rotors 3.
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Das Gehäuse 2 der dargestellten Strömungsmaschine 1 weist des Weiteren Gehäuseteile 2.4 und 2.5 auf, die jeweils gemeinsam mit den Schaufeln 8, 9 der beiden Laufräder Strömungskanäle zur Optimierung der Strömungsführung durch die Strömungsmaschine 1 begrenzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019216475 A1 [0004]
