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Die Erfindung betrifft eine elektrisch angetriebene Luftzuführvorrichtung zur Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems, mit einem mehrteiligen Gehäuse und mit einem elektromotorischen Antrieb. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Baukasten zur Herstellung einer derartig elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung.
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Stand der Technik
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 19 2018 219 074 A1 ist ein Verdichter mit einem mehrteiligen Gehäuse, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, und mit einer Kühlung bekannt, wobei die Kühlung mindestens einen Kühlkanal umfasst, der von einem Statorgehäusekörper und von einem Steuerungsgehäusekörper begrenzt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrisch angetriebene Luftzuführvorrichtung zur Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems, mit einem mehrteiligen Gehäuse und mit einem elektromotorischen Antrieb, herstellungstechnisch und/oder funktionell zu verbessern.
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Die Aufgabe ist bei einer elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung zur Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems, mit einem mehrteiligen Gehäuse und mit einem elektromotorischen Antrieb, dadurch gelöst, dass das mehrteilige Gehäuse einen Antriebsgehäusekörper umfasst, der aus einem Strangpressprofil gebildet ist, das eine definierte Länge aufweist. Bei der Luftzuführvorrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine hochdrehende Strömungsmaschine, wie einen Verdichter. Hochdrehend bedeutet dabei, dass die Strömungsmaschine im Betrieb sehr hohe Drehzahlen erreicht, zum Beispiel von einhunderttausend Umdrehungen pro Minute und mehr. Der Antriebsgehäusekörper ist einteilig ausgeführt, das heißt aus einem Stück gebildet. Das Strangpressprofil, aus dem der Antriebsgehäusekörper gebildet wird, kann mit herkömmlichen Trennverfahren auf eine gewünschte Länge gebracht werden. Die Längenrichtung entspricht einer axialen Richtung. Die axiale Richtung wird durch eine Drehachse einer Motorwelle des elektrischen Antriebs definiert. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zu dieser Drehachse. Die Herstellung des Antriebsgehäusekörpers aus einem Strangpressprofil ermöglicht auf einfache Art und Weise die Darstellung von unterschiedlichen Längen des Antriebsgehäusekörpers. So können mit einfachen Mitteln und sehr kostengünstig Antriebsgehäusekörper in unterschiedlichen definierten Längen in großen Stückzahlen hergestellt werden. Dadurch wird die Darstellung eines Baukastens für die Herstellung von elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtungen in unterschiedlichen Leistungsklassen ermöglicht.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsgehäusekörper in dem Strangpressprofil ein zentrales Durchgangsloch mit einem Innendurchmesser aufweist. Das zentrale Durchgangsloch mit dem Innendurchmesser wird in seiner Rohform durch Strangpressen erzeugt. In einem zusätzlichen Bearbeitungsschritt kann das zentrale Durchgangsloch bei Bedarf mit einer gewünschten Genauigkeit versehen werden. Im zusätzlichen Bearbeitungsschritt wird zum Beispiel ein spanendes Fertigungsverfahren angewendet. Das zentrale Durchgangsloch mit einem Innendurchmesser dient zur Darstellung eines Aufnahmeraums für einen Stator des elektromotorischen Antriebs, insbesondere zur Aufnahme einer entsprechenden Statorwicklung. In dem mehrteiligen Gehäuse ist eine Motorwelle des elektromotorischen Antriebs drehbar gelagert. Die Motorwelle ist mit einem Rotor kombiniert, der innerhalb des Stators drehbar ist. Durch den Innendurchmesser, der vorzugsweise bei allen Antriebsgehäusekörpern in dem Baukasten gleich ist, kann die Darstellung des Baukastens für unterschiedliche Leistungsklassen der Luftzuführvorrichtung erheblich vereinfacht werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsgehäusekörper in dem Strangpressprofil radial außerhalb des zentralen Durchgangslochs Durchgangslöcher enthält, die zur Darstellung eines Kühlkanalsystems dienen. Mehrere Durchgangslöcher, die Kühlkanäle darstellen, sind vorteilhaft über einen Umfang des Antriebsgehäusekörpers verteilt. Bei den Kühlkanälen handelt es sich um Kühlwasserkanäle und/oder um Kühlluftkanäle. Die Durchgangslöcher, die zur Darstellung des Kühlkanalsystems dienen, sind deutlich kleiner als das zentrale Durchgangsloch in dem Antriebsgehäusekörper.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsgehäusekörper an dem Strangpressprofil eine Basis aufweist, die zur Darstellung einer Stromdurchführung in den Antriebsgehäusekörper dient. Die Stromdurchführung erstreckt sich im Wesentlichen quer in den Antriebsgehäusekörper hinein und wird zum Beispiel durch ein spanendes Fertigungsverfahren, wie Bohren, in den Antriebsgehäusekörper eingebracht. Die Basis dient darüber hinaus vorteilhaft zur Befestigung des Antriebsgehäusekörpers an weiteren Komponenten, oder umgekehrt. Zu diesem Zweck können Befestigungsbohrungen nachträglich in die Basis eingebracht werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das mehrteilige Gehäuse zwei Motorgehäusedeckel umfasst, die an zwei entgegengesetzte Seiten des Antriebsgehäusekörpers angebaut sind und zusammen mit dem Antriebsgehäusekörper ein Motorgehäuse darstellen. In den Motorgehäusedeckeln sind vorteilhaft Umlenktaschen für das Kühlkanalsystem vorgesehen. Darüber hinaus können vorteilhaft ein Kühlmediumzuführkanal und ein Kühlmediumabführkanal in den Motorgehäusedeckeln vorgesehen werden. Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel dienen die beiden Motorgehäusedeckel zur Darstellung zweier Radiallager für die Motorwelle in dem mehrteiligen Gehäuse.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das mehrteilige Gehäuse ein Verdichter-Spiralgehäuse umfasst, das unter Zwischenschaltung eines Zwischendeckels an eine Verdichterseite des Motorgehäuses angebaut ist, wobei das mehrteilige Gehäuse ein Turbinen-Spiralgehäuse umfasst, das an eine Turbinenseite des Motorgehäuses angebaut ist. Die beiden Spiralgehäuse dienen zur Aufnahme von Laufrädern, die als Verdichterlaufrad und als Turbinenlaufrad bezeichnet werden. Das Verdichterlaufrad dient in dem Verdichter-Spiralgehäuse zum Verdichten von Luft, die dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird. Das Turbinenlaufrad wird in dem Turbinen-Spiralgehäuse mit Abluft beziehungsweise Abgas des Brennstoffzellensystems angetrieben. Durch die Kombination der Motorgehäusedeckel mit dem Zwischendeckel wird die Darstellung von Axiallagern in dem mehrteiligen Gehäuse erheblich vereinfacht. Die einzelnen Gehäuseteile und Deckel des mehrteiligen Gehäuses sind zum Beispiel durch geeignete Befestigungsmittel, wie Schrauben, fest miteinander verbunden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischendeckel zusammen mit einer Axiallagerscheibe und dem Motorgehäusedeckel auf der Verdichterseite des Motorgehäuses zur Darstellung zweier Axiallager für eine Motorwelle in dem mehrteiligen Gehäuse dient. Die Axiallagerscheibe ist fest mit der Motorwelle verbunden. Die beiden Axiallager und vorzugsweise auch die beiden vorab beschriebenen Radiallager sind vorteilhaft als Luftlager ausgeführt. Dadurch kann der Verschleiß im Betrieb der hochdrehenden Strömungsmaschine minimiert werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das mehrteilige Gehäuse ein Invertergehäuse mit einem Inverter umfasst, das an einen Antriebsgehäusekörper des mehrteiligen Gehäuses angebaut ist.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass dem elektromotorischen Antrieb ein Inverter zugeordnet ist, der in einem separaten Invertergehäuse untergebracht ist. Dann sind vorteilhaft sowohl der Antriebsgehäusekörper als auch das separate Invertergehäuse mit Adapterplatten ausgestattet, die zum Beispiel über ein Drehstromkabel miteinander verbunden sind.
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Bei einem Baukasten zur Herstellung einer vorab beschriebenen elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass der Baukasten unterschiedlich leistungsstarke elektromotorische Antriebe und unterschiedlich lange Antriebsgehäusekörper umfasst, die alle den gleichen Innendurchmesser aufweisen und deren Längen an die jeweilige Leistung der unterschiedlich starken elektromotorischen Antriebe angepasst ist. Unabhängig von einer gewünschten Spannungslage soll der Antriebsgehäusekörper beziehungsweise das Motorgehäuse immer den gleichen Innendurchmesser aufweisen. Eine Statorwicklung des elektrischen Antriebs wird an die gewünschte Spannungslage angepasst. Eine Berücksichtigung von unterschiedlichen elektrischen Leistungen erfolgt durch eine Anpassung der Länge des Antriebsgehäusekörpers beziehungsweise des Motorgehäuses, der Motorwelle und der Statorwicklung. So können die Herstellkosten deutlich reduziert werden.
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Bei einem Baukasten zur Herstellung einer vorab beschriebenen elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung ist die oben angegebene Aufgabe auch dadurch gelöst, dass der Baukasten unterschiedlich leistungsstarke elektromotorische Antriebe und unterschiedlich lange Antriebsgehäusekörper umfasst, die alle den gleichen Innendurchmesser aufweisen und deren Längen an die jeweilige Leistung der unterschiedlich starken elektromotorischen Antriebe angepasst ist, wobei der Baukasten, abgesehen von den unterschiedlich langen Antriebsgehäusekörpern und den unterschiedlich leistungsstarken elektromotorischen Antrieben, sowie abgesehen von Bauteilen, wie die Motorwelle, deren Länge von der Länge des zugeordneten Antriebsgehäusekörpers abhängt, sowie abgesehen von unterschiedlichen Laufrädern und unterschiedlichen Spiralgehäusen, nur Gleichteile umfasst. Die Größe und Gestalt der Laufräder und der Spiralgehäuse kann vorteilhaft variiert werden, um die elektrisch angetriebene Luftzuführvorrichtung an jeden gewünschten Bedarf anzupassen. Da alle anderen Teile, wie die Motorgehäusedeckel, Zwischendeckel und Lager, als Gleichteile ausgeführt sind, vereinfacht sich die Herstellung noch weiter.
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Der Baukasten umfasst vorteilhaft des Weiteren ein Invertergehäuse für einen Inverter, der dem elektromotorischen Antrieb zugeordnet ist. Bei dem Invertergehäuse kann es sich um ein separates Invertergehäuse handeln. Bei dem Invertergehäuse kann es sich aber auch um ein angebautes Invertergehäuse handeln. Bei beiden Ausführungen sind die Invertergehäuse vorteilhaft für alle Antriebe als Gleichteile ausgeführt.
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Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Verfahren zum Herstellen eines vorab beschriebenen Antriebsgehäusekörpers durch Strangpressen.
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Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Verfahren zur Montage einer elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung mit unterschiedlichen Einzelteilen aus dem vorab beschriebenen Baukasten.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Antriebsgehäusekörper, einen Zwischendeckel, ein Spiralgehäuse, ein Motorgehäuse und/oder einen Motorgehäusedeckel für eine vorab beschriebene elektrisch angetriebene 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 elektrisch angetriebene Luftzuführvorrichtung zur Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems mit einem mehrteiligen Gehäuse in einer Halbschnittdarstellung mit einem angebauten Inverter;
- 2 einen aus einem Strangpressprofil gebildeten Antriebsgehäusekörper der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung aus 1 im Querschnitt;
- 3 eine schematische Darstellung der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung mit dem angebauten Inverter aus 1; und
- 4 eine schematische Darstellung der Luftzuführvorrichtung aus 1 mit einem separaten Inverter.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In den unterschiedlichen Darstellungen den 1 bis 4 werden zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden die mit den Bezugszeichen versehenen Teile nur einmal beschrieben.
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In 1 ist eine elektrisch angetriebene Luftzuführvorrichtung 30 mit einem mehrteiligen Gehäuse 24 und mit einem elektromotorischen Antrieb 26 im Halbschnitt dargestellt. Bei der elektrisch angetriebenen Luftzuführvorrichtung 30 handelt es sich um eine hochdrehende Strömungsmaschine, die zur Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems dient.
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Der elektromotorische Antrieb 26 umfasst einen Elektromotor, der über eine Leistungselektronik angesteuert wird. Die Leistungselektronik umfasst einen Wechselrichter, der auch als Inverter oder Drehrichter bezeichnet wird. In 1 ist ein Invertergehäuse 14 mit einem Inverter an einen Antriebsgehäusekörper 15 des mehrteiligen Gehäuses 24 angebaut.
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Das mehrteilige Gehäuse 24 umfasst zusätzlich zu dem Antriebsgehäusekörper 15 zwei Motorgehäusedeckel 4 und 13, einen Zwischendeckel 3 sowie ein Verdichter-Spiralgehäuse 1 und ein Turbinen-Spiralgehäuse 12.
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Der elektromotorische Antrieb 26 umfasst einen Elektromotor mit einer Statorwicklung 16, die in einem zentralen Durchgangsloch 27 des Antriebsgehäusekörpers 15 angeordnet ist. Radial innerhalb der Statorwicklung 16 ist eine Motorwelle 9 des elektromotorischen Antriebs 26 drehbar angeordnet. Die Bauteile Motorwelle 9, Axiallagerscheibe 6, Verdichterrad 2 und Turbinenrad 11 sind mit Hilfe der gehäusefesten Bauteile Axiallager 5 und 7 sowie den Radiallagern 8 und 10 in dem mehrteiligen Gehäuse 24 drehbar gelagert.
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In dem Verdichter-Spiralgehäuse 1 ist ein Verdichterrad 2 drehbar angeordnet. In dem Turbinen-Spiralgehäuse 12 ist ein Turbinenrad 11 drehbar angeordnet. Das Verdichterrad 2 ist an einem in 1 linken Ende der Motorwelle 9 angebracht. Das Turbinenrad 11 ist an einem in 1 rechten Ende der Motorwelle 9 angebracht. Über die Motorwelle 9 ist das Verdichterrad 2 drehfest mit dem Turbinenrad 11 verbunden.
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Der Antriebsgehäusekörper 15 ist als Strangpressprofil mit einer definierten Länge ausgeführt. An einem in 1 linken Ende ist der Antriebsgehäusekörper 15 durch einen Motorgehäusedeckel 4 abgeschlossen. An seinem in 1 rechten Ende ist der Antriebsgehäusekörper 15 durch einen Motorgehäusedeckel 13 abgeschlossen.
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Der Antriebsgehäusekörper 15 stellt mit den beiden Motorgehäusedeckeln 4 und 13 ein Motorgehäuse 25 dar. Eine in 1 linke Seite des Motorgehäuses 25 wird auch als Verdichterseite 31 bezeichnet. Eine in 1 rechte Seite des Motorgehäuses 25 wird auch als Turbinenseite 32 bezeichnet.
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Die Motorwelle 9 ist mit Hilfe zweier Axiallager 5, 7 und zweier Radiallager 8, 10 in dem mehrteiligen Gehäuse 24 drehbar gelagert. Die Lager 5, 7, 8, 10 sind als Luftlager ausgeführt.
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Das Radiallager 10 ist radial innen an dem Motorgehäusedeckel 13 angeordnet. Das Radiallager 8 ist radial innen an dem Zwischendeckel 3 angeordnet.
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Die axiale Lagerung der sich drehenden Bauteile Motorwelle 9, Axiallagerscheibe 6, Verdichterrad 2 und Turbinenrad 11 erfolgt durch die beiden gehäusefesten Axiallager 5, 7 und die Axiallagerscheibe 6.
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In 2 sieht man, dass der Antriebsgehäusekörper 15 im Querschnitt im Wesentlichen die Gestalt einer Kreisringscheibe hat. Radial außerhalb des Innendurchmessers D umfasst der Antriebsgehäusekörper 15 insgesamt acht Durchgangslöcher 17, die sich in axialer Richtung durch den Antriebsgehäusekörper 15 hindurch erstrecken.
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In 2 unten ist an dem Antriebsgehäusekörper 15 eine Basis 29 ausgebildet. In der Basis 29 des Antriebsgehäusekörpers 15 sind zwei weitere Durchgangslöcher 17 vorgesehen, welche im Querschnitt die Gestalt von Langlöchern aufweisen. Die Durchgangslöcher 17 dienen zur Darstellung von Kühlkanälen, die sich in axialer Richtung durch den Antriebsgehäusekörper 15 hindurch erstrecken.
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Die Durchgangslöcher 17 stellen Kühlwasserkanäle eines Kühlkanalsystems 28 dar. Das Kühlkanalsystem 28 umfasst des Weiteren Kühlluftkanäle 19, die sich in axialer Richtung durch den Antriebsgehäusekörper 15 hindurch erstrecken.
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Der Antriebsgehäusekörper 15 in 2 umfasst des Weiteren eine Stromdurchführung 18 und zwei Befestigungsbohrungen 20. Die Stromdurchführung 18 und die Befestigungsbohrungen 20 erstrecken sich quer zur Drehachse der Motorwelle.
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Das Kühlkanalsystem 27 umfasst des Weiteren nicht näher bezeichnete Umlenktaschen in den Motorgehäusedeckeln 4 und 13. Die Kühlluftkanäle 19 dienen zur Konditionierung der für die als Luftlager ausgeführten Axiallager 5, 7 und Radiallager 8, 10 notwendigen Kühlluft. Die in 2 gezeigte Form der Kühlkanäle ist beispielhaft.
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Durch die Wahl des Herstellungsverfahrens Strangpressen sind viele weitere Kanalformen möglich. Mit diesem Freiheitsgrad kann leicht ein Optimum zwischen gewünschter Kühlleistung und einem sich ergebenden Druckverlust in den Kühlkanälen gefunden werden.
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Die Befestigungsbohrungen 20 und die Stromdurchführung 18 werden durch nachträgliche spanende Bearbeitung des Strangpressprofils, aus dem der Antriebsgehäusekörper 15 gebildet ist, hergestellt und korrespondieren mit entsprechenden Schnittstellen am Invertergehäuse 14.
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Die in den 1 und 2 gezeigte Luftzuführvorrichtung 30 dient zur Darstellung eines Baukastens zur Herstellung von Luftzuführvorrichtungen in großen Stückzahlen mit vielen Gleichteilen. Der Antriebsgehäusekörper 15 ist als Strangpressprofil mit dem Innendurchmesser D ausgeführt, der für alle Varianten der Luftzuführvorrichtung 30 in dem Baukasten gleich ist.
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Bei dem als Strangpressprofil ausgeführten Antriebsgehäusekörper 15 wird nur die Länge variiert. Über die unterschiedlichen Längen des Antriebsgehäusekörpers 15 können vorteilhaft zum Beispiel Leistungsklassen von zwanzig bis dreißig Kilowatt, abgedeckt werden. Die verschiedenen Spannungslagen von beispielsweise 400 bis 750 Volt werden durch verschiedene Statorwicklungen realisiert. Gemäß dem Baukastengedanken, haben alle Statorwicklungen gleiche Innen- und Außendurchmesser.
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Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, durch Verwendung von verschiedenen Verdichter-Laufrädern und Turbinen-Laufrädern sowie von verschiedenen Verdichter-Spiralgehäusen und Turbinen-Spiralgehäusen Anpassungen in Bezug auf das Förderverhalten der Luftzuführvorrichtung zu berücksichtigen. Alle anderen Teile der Luftzuführvorrichtung in dem Baukasten sind vorteilhaft Gleichteile. So kann mit dem Baukasten mit extrem niedrigen Kosten eine sehr hohe Flexibilität bereitgestellt werden.
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In den 3 und 4 ist schematisch dargestellt, dass die elektrisch angetriebene Luftzuführvorrichtung 30 sowohl mit einem angebauten Inverter als auch mit einem separaten Inverter ausgeführt sein kann. In 3 ist das Invertergehäuse 14, wie es bereits in 1 angedeutet ist, direkt mit dem Antriebsgehäusekörper 15 verbunden, zum Beispiel mit diesem verschraubt. So entsteht eine elektrisch angetriebene Luftzuführvorrichtung 30 mit angebautem Inverter.
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In 4 ist ein separater Inverter in einem separaten Invertergehäuse 14 angeordnet. Zur Darstellung dieser Ausführung werden eine Adapterplatte 21 an dem Antriebsgehäusekörper 15 und eine Adapterplatte 22 an dem Invertergehäuse 14 benötigt. Ein Drehstromkabel (UVW) 23 dient zur Verbindung der Adapterplatten 21, 22.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 192018219074 A1 [0002]
