DE102022116933A1 - Compressor for a fuel cell system, and fuel cell system with the same - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Verdichter (1) für ein Brennstoffzellensystem (100), insbesondere eines Nutzfahrzeugs (300), mit einem Verdichtergehäuse (3), einem Verdichterrad (11), einer rotatorisch angetriebenen Verdichterwelle (5), die mit dem Verdichterrad (11) wirkverbunden ist, und einer Lageranordnung (6), welche die Verdichterwelle (5) in dem Verdichtergehäuse (3) drehbar um eine Rotationsachse (A) lagert, wobei die Lageranordnung (6) ein Axial-Luftlager (7c) zur Aufnahme von Axialkräften (Faxial) zwischen dem Verdichtergehäuse (3) und der Verdichterwelle (5) aufweist. Es wird vorgeschlagen, dass die Verdichterwelle mit einer einseitig wirkenden magnetischen Kraftkompensationseinheit (23) wirkverbunden ist, wobei die Kraftkompensationseinheit (23) dazu eingerichtet ist, in Richtung der Rotationsachse (A) eine den Axialkräften (Faxial) entgegengesetzte Magnetkraft (Fmag) auf die Verdichterwelle (5) aufzubringen, und wobei die Kraftkompensationseinheit (23) dazu eingerichtet ist, die Stärke der Magnetkraft (Fmag) zu variieren.The invention relates to a compressor (1) for a fuel cell system (100), in particular a commercial vehicle (300), with a compressor housing (3), a compressor wheel (11), a rotationally driven compressor shaft (5), which is connected to the compressor wheel (11). is operatively connected, and a bearing arrangement (6), which supports the compressor shaft (5) in the compressor housing (3) rotatably about an axis of rotation (A), the bearing arrangement (6) having an axial air bearing (7c) for absorbing axial forces (Faxial ) between the compressor housing (3) and the compressor shaft (5). It is proposed that the compressor shaft is operatively connected to a one-way magnetic force compensation unit (23), the force compensation unit (23) being set up to apply a magnetic force (Fmag) opposite the axial forces (Faxial) to the compressor shaft in the direction of the rotation axis (A). (5), and wherein the force compensation unit (23) is set up to vary the strength of the magnetic force (Fmag).
Description
Verdichter für ein Brennstoffstellensystem, sowie Brennstoffzellensystem und Verfahren zu dessen BetriebCompressor for a fuel station system, as well as fuel cell system and method for its operation
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdichter für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem eines Nutzfahrzeugs, mit einem Verdichtergehäuse, einem Verdichterrad, einer rotatorisch angetriebenen Verdichterwelle, die mit dem Verdichterrad wirkverbunden ist, und einer Lageranordnung, welche die Verdichterwelle in dem Verdichtergehäuse drehbar um eine Rotationsachse lagert, wobei die Lageranordnung ein Axial-Luftlager zur Aufnahme von Kräften zwischen dem Verdichtergehäuse und der Verdichterwelle in Richtung der Rotationsachse (Im Folgenden auch: Axialkräfte) aufweist.The present invention relates to a compressor for a fuel cell system, in particular for a fuel cell system of a commercial vehicle, with a compressor housing, a compressor wheel, a rotationally driven compressor shaft which is operatively connected to the compressor wheel, and a bearing arrangement which rotates the compressor shaft in the compressor housing about an axis of rotation is stored, wherein the bearing arrangement has an axial air bearing for absorbing forces between the compressor housing and the compressor shaft in the direction of the axis of rotation (hereinafter also: axial forces).
Brennstoffzellensysteme benötigen in der Regel für einen korrekten Betrieb eine kontrollierte kathodenseitige Luftzufuhr, um innerhalb der Brennstoffzelle, dem sogenannten Stack, das für den Betrieb des Brennstoffzellensystems optimale Reaktantengleichgewicht halten zu können. Es ist bekannt, die Luft mittels eines oder mehrerer Verdichter zu verdichten und der Brennstoffzelle damit einen kontrollierten Massen- bzw. Volumenstrom an Luft zuzuführen.For correct operation, fuel cell systems generally require a controlled cathode-side air supply in order to be able to maintain the optimal reactant balance within the fuel cell, the so-called stack, for the operation of the fuel cell system. It is known to compress the air using one or more compressors and thus supply the fuel cell with a controlled mass or volume flow of air.
Je höher die von der Brennstoffzelle zu erzeugende Leistung ist, desto höher ist in der Regel der notwendige Massen- bzw. Volumenstrom, der durch den oder die Verdichter gefördert werden muss. Im Betrieb des Verdichters entsteht aufgrund des Ansaugvorgangs der Luft eine Axialkraft, welche auf die Verdichterwelle wirkt. Mit steigender Drehzahl der Verdichterwelle und des Verdichterrads steigt auch - bei konstantem Querschnitt - die angesaugte Luftmenge und damit der aufgebaute Druck, und damit auch die Axialkraft. Dieser Effekt ist bei einstufigen Verdichtern stärker ausgeprägt als bei zweistufigen Verdichtern, bei denen sich die Axialkräfte zumindest partiell ausgleichen.The higher the power to be generated by the fuel cell, the higher the necessary mass or volume flow that must be conveyed by the compressor or compressors. When the compressor is in operation, the suction process of air creates an axial force which acts on the compressor shaft. As the speed of the compressor shaft and the compressor wheel increases - with a constant cross section - the amount of air sucked in and thus the pressure built up and thus also the axial force increases. This effect is more pronounced in single-stage compressors than in two-stage compressors, in which the axial forces are at least partially balanced.
Wird die Axialkraft zu hoch für die verwendete Lagerung, kommt es zu erhöhtem Verschleiß, insbesondere bei den dann vorherrschenden Drehzahlen. Die auftretenden Axialkräfte müssen also bei sämtlichen Verdichtersystemen durch die Lageranordnung aufgefangen werden, damit es nicht zu ungewollt hohem Verschleiß zwischen den rotierenden Elementen und den stehenden Elementen im Verdichter kommt. Aufgrund der hohen Drehzahlen der eingangs bezeichneten Verdichter im Betrieb hat es sich bereits in der Vergangenheit bewährt, ein Axial-Luftlager in der Lageranordnung zu verwenden, welches dazu dienen soll, die auftretenden Axialkräfte zwischen der Verdichterwelle und dem Verdichtergehäuse aufzunehmen.If the axial force is too high for the bearing used, increased wear occurs, especially at the prevailing speeds. The axial forces that occur must therefore be absorbed by the bearing arrangement in all compressor systems so that unintentionally high wear does not occur between the rotating elements and the stationary elements in the compressor. Due to the high speeds of operation of the compressors mentioned above, it has already proven useful in the past to use an axial air bearing in the bearing arrangement, which is intended to absorb the axial forces that occur between the compressor shaft and the compressor housing.
Zweistufige Verdichter können unter Verwendung eines Axial-Luftlagers zumeist die auftretenden Axialkräfte in ausreichendem Maße kompensieren. Der Bauraum, den zweistufige Verdichter aufgrund ihres Konstruktionsprinzips einnehmen, wird aber insbesondere vor dem Hintergrund eine zunehmend beschränkten Raumangebots in Fahrzeugen als Herausforderung angesehen. Für Anwendungen in Personenkraftwagen sind zweistufige Verdichter daher zumeist ungeeignet, und auch in Nutzfahrzeugen wird aufgrund der technologischen Weiterentwicklung Einbauraum zunehmend knapp.Two-stage compressors can usually sufficiently compensate for the axial forces that occur using an axial air bearing. However, the installation space that two-stage compressors take up due to their design principle is seen as a challenge, especially given the increasingly limited space available in vehicles. Two-stage compressors are therefore usually unsuitable for applications in passenger cars, and installation space is also becoming increasingly scarce in commercial vehicles due to technological developments.
Es ist bekannt, rotierende Wellen mittels axialer Magnetlager zu lagern. Solche Magnetlager sind beispielsweise aus
Bei Verwendung herkömmlicher Magnetlager ist allerdings eine aufwendige Regelung notwendig, um sicherzustellen, dass die stehenden Teile (Spulen) und drehenden Teile (Laufscheiben) einen korrekten Abstand zueinander einnehmen. Es muss dazu in der Regel permanent eine Überwachung der elektrischen Kenngrößen Strom und Spannung erfolgen, um die Spulen des Magnetlagers richtig bestromen zu können, so dass ein Anschlagen der Laufscheibe an die stehenden Teile des Magnetlagers verhindert wird. Hierzu werden in der Regel auch Sensoren notwendig, etwa Positionssensoren, um die Lage der Laufscheibe relativ zum Magnetlager zu ermitteln. Dieser Aufwand wird als nachteilig empfunden, insbesondere vor dem Hintergrund des Betriebs eines Verdichters der eingangs bezeichneten Art, bei denen sich die Axialkräfte wie vorstehend erläutert im Betrieb ändern.However, when using conventional magnetic bearings, complex control is necessary to ensure that the stationary parts (coils) and rotating parts (running disks) are at the correct distance from one another. As a rule, the electrical parameters of current and voltage must be constantly monitored in order to be able to correctly energize the coils of the magnetic bearing, so that the running disk is prevented from striking the stationary parts of the magnetic bearing. For this purpose, sensors are usually also necessary, such as position sensors, in order to determine the position of the rotor disk relative to the magnetic bearing. This effort is perceived as disadvantageous, especially against the background of the operation of a compressor of the type mentioned at the beginning, in which the axial forces change during operation as explained above.
Der Erfindung lag vor diesem Hintergrund die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter anzugeben, bei dem die vorstehend beschriebenen Nachteile möglichst weitgehend abgemildert werden. Insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter der eingangs bezeichneten Art dahingehend zu verbessern, dass auf die Verdichterwelle wirkende Axialkräfte besser aufgenommen werden können und der Verdichter dabei gleichzeitig einen möglichst geringen erforderlichen Bauraum beansprucht. Weiter insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Vorstehende möglichst kosteneffizient zu realisieren.Against this background, the invention was based on the object of specifying a compressor in which the disadvantages described above are mitigated as much as possible. In particular, the invention was based on the object of improving a compressor of the type described at the outset in such a way that axial forces acting on the compressor shaft can be better absorbed and at the same time the compressor requires as little space as possible. In particular, the invention was based on the object of implementing the above as cost-effectively as possible.
Die Erfindung löst die ihr zugrunde liegende Aufgabe, indem Sie einen Verdichter gemäß Anspruch 1 vorschlägt. Insbesondere schlägt die Erfindung bei einem Verdichter der eingangs bezeichneten Art vor, dass die Verdichterwelle mit einer einseitig wirkenden magnetischen Kraftkompensationseinheit wirkverbunden ist, wobei die Kraftkompensationseinheit dazu eingerichtet ist, in der Richtung der Rotationsachse eine den Axialkräften entgegengesetzte Magnetkraft auf die Verdichterwelle aufzubringen, und wobei die Kraftkompensationseinheit dazu eingerichtet ist, die Stärke der Magnetkraft zu variieren.The invention solves the underlying problem by proposing a compressor according to
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass die Axialkraft, die vom Verdichterrad aus auf die Verdichterwelle übertragen wird, konstruktionsbedingt immer in dieselbe Richtung wirkt. Die Kraftkompensationseinheit muss lediglich dazu eingerichtet sein, eine dieser Kraftrichtung entgegengesetzte Magnetkraft aufzubringen, kann also einseitig wirkend ausgebildet werden. Es kann auf die im Vergleich komplexere Konstruktion eines Magnetlagers verzichtet werden. Damit fällt auch die Notwendigkeit weg, eine aufwendige Regelung zu implementieren, wie sie für Magnetlager in Anbetracht der dort verwendeten engen Lagerspalte erforderlich wäre. Die Variation der Stärke der Magnetkraft der Kraftkompensationseinheit kann gröber erfolgen und mit sehr viel einfacheren Steuerungskonzepten umgesetzt werden. Zugleich nutzt die Erfindung den Vorteil der Magnetkraft und der effizienten Kraftentfaltung, die mittels Elektromagnetismus erreicht werden kann.The invention makes use of the knowledge that the axial force, which is transmitted from the compressor wheel to the compressor shaft, always acts in the same direction due to the design. The force compensation unit only needs to be set up to apply a magnetic force that is opposite to this direction of force, and can therefore be designed to act on one side. The comparatively more complex construction of a magnetic bearing can be dispensed with. This also eliminates the need to implement a complex control system, as would be necessary for magnetic bearings given the narrow bearing gaps used there. The variation of the strength of the magnetic force of the force compensation unit can be done more roughly and implemented with much simpler control concepts. At the same time, the invention uses the advantage of magnetic force and the efficient development of force, which can be achieved using electromagnetism.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Verdichter eine Steuereinheit auf, oder ist mit dieser signalleitend verbindbar, welche dazu eingerichtet ist, die Kraftkompensationseinheit zur Variation der Magnetkraft anzusteuern. Die Steuereinheit ist in bevorzugten Ausführungsformen Teil der Verdichtersteuerung, und dort etwa hardwaremäßig oder softwaremäßig integriert. Die Steuereinheit kann in bevorzugten Ausführungsformen aber auch Teil des Brennstoffzellensystems sein, etwa indem das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzellensteuerung aufweist, und die Steuereinheit softwaremäßig oder hardwaremäßig in die Brennstoffzellensteuerung integriert ist. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Steuereinheit auch als dedizierte Steuereinheit ausgebildet sein.In an advantageous development, the compressor has a control unit, or can be connected to it in a signal-conducting manner, which is set up to control the force compensation unit to vary the magnetic force. In preferred embodiments, the control unit is part of the compressor control and is integrated there in hardware or software. In preferred embodiments, the control unit can also be part of the fuel cell system, for example in that the fuel cell system has a fuel cell control and the control unit is integrated into the fuel cell control in software or hardware. In further preferred embodiments, the control unit can also be designed as a dedicated control unit.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Magnetkraft in mehreren Stufen zu variieren, vorzugsweise in 10 oder weniger Stufen, weiter vorzugsweise in 5 oder weniger Stufen, besonders bevorzugt in 3 oder weniger Stufen. Die Effizienz der gestuften Steuerung liegt in ihrer Einfachheit begründet. Es lassen sich grob eine vorbestimmte Anzahl Lastbereiche identifizieren und im Wege der Kalibrierung in Vorversuchen Magnetkräfte oder -kraftbereiche für diese Lastbereiche ermitteln, welche von der Steuereinheit dann ohne Notwendigkeit einer Regelung ausgesteuert werden können.In a preferred embodiment, the control unit is set up to vary the magnetic force in several stages, preferably in 10 or fewer stages, more preferably in 5 or fewer stages, particularly preferably in 3 or fewer stages. The efficiency of staged control lies in its simplicity. A predetermined number of load ranges can be roughly identified and magnetic forces or force ranges can be determined for these load ranges through calibration in preliminary tests, which can then be controlled by the control unit without the need for regulation.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Kraftkompensationseinheit als Funktion eines oder mehrerer Betriebsparameter anzusteuern, die repräsentativ für die Axialkräfte sind. Die Betriebsparameter lassen sich in Vorversuchen empirisch ermitteln, und es lassen sich Wertepaare und/oder Kennfelder ohne Weiteres ermitteln, die die auftretenden, vom Verdichterrad auf die Verdichterwelle eingebrachten Axialkräfte einfach in Beziehungen setzen zu den verschiedeneren Betriebsgrößen des Verdichters. Hierbei ist auch zu beachten, dass die Kraftkompensationseinheit keine (Haupt-)Lagerfunktion erfüllen muss, sondern lediglich eine zusätzliche magnetische Stützkraft zur Verfügung stellen soll, die den Axialkräften entgegengesetzt ist, und die verhindern soll, dass das Axial-Luftlager nach Überschreiten seiner Tragfähigkeit anschlägt und Schaden nehmen kann. Hierzu ist keine exakte Regelung nötig. Es ist vielmehr ausreichend, wenn Betriebsparameter vergleichsweise grob bestimmten erwarteten Bereichen für die bei jenen Betriebsparametern erwartbaren Axialkräften zugeordnet werden und die Kraftkompensationseinheit dann vergleichsweise grobstufig die Magnetkraft ändert, um jeweils die auf die Verdichter summarisch wirkenden Kräfte auf ein für das Axial-Luftlager verkraftbares Niveau senken zu können, beispielsweise in den vorstehend skizzierten Abstufungen.In a preferred embodiment, the control unit is set up to control the force compensation unit as a function of one or more operating parameters that are representative of the axial forces. The operating parameters can be determined empirically in preliminary tests, and pairs of values and/or characteristic maps can be easily determined that simply relate the axial forces that occur from the compressor wheel to the compressor shaft to the various operating variables of the compressor. It should also be noted here that the force compensation unit does not have to fulfill a (main) bearing function, but is only intended to provide an additional magnetic supporting force that is opposite to the axial forces and which is intended to prevent the axial air bearing from hitting after its load capacity has been exceeded and can be damaged. No exact regulation is necessary for this. Rather, it is sufficient if operating parameters are assigned comparatively roughly to specific expected ranges for the axial forces that can be expected at those operating parameters and the force compensation unit then changes the magnetic force in comparatively coarse steps in order to reduce the forces acting on the compressor in total to a level that can be tolerated by the axial air bearing to be able to, for example in the gradations outlined above.
Der bzw. die Betriebsparameter ist bzw. sind vorzugsweise ausgewählt aus den Folgenden: eine Drehzahl, der Verdichterwelle; eine Drehzahlvorgabe des Brennstoffzellensystems; ein von dem Verdichter geförderter Luftmassenstrom; ein Ausgangsdruck des Verdichters; ein Umgebungsluftdruck; eine Tragkraft des Axial-Luftlagers; oder eine Kombination mehrerer oder sämtlicher der vorstehenden Parameter.The operating parameter(s) is/are preferably selected from the following: a speed of the compressor shaft; a speed specification of the fuel cell system; an air mass flow promoted by the compressor; a compressor output pressure; an ambient air pressure; a load capacity of the axial air bearing; or a combination of several or all of the above parameters.
Drehzahlen bzw. Drehzahlbänder können beispielsweise durch Auslesen der Leistungselektronik der elektrischen Maschine des Verdichters ermittelt werden, insbesondere anhand der Frequenz eines Umrichters. Die Drehzahlvorgabe kann beispielsweise aus einer Brennstoffzellensteuerung des Brennstoffzellensystems übernommen werden, oder aus einer Verdichtersteuerung, sofern die Drehzahlvorgabe dort verwaltet wird. Die Tragkraft des Axial-Luftlagers ist abhängig vom Typ und der Auslegung des Lagers. Spiralrillenlager werden beispielsweise eine höhere Tragfähigkeit entwickeln können als Folienlager. Aufgrund der potenten Unterstützungsmöglichkeit durch die Kraftkompensationseinheit ist die Verwendung von Folienlagern im vorliegenden Fall aber ausreichend und aus Kosteneffizienzgründen vorteilhaft.Speeds or speed bands can be determined, for example, by reading out the power electronics of the electrical machine of the compressor, in particular based on the frequency of a converter. The speed specification can, for example, be taken from a fuel cell control of the fuel cell system, or from a compressor control, provided that the speed specification is managed there. The load capacity of the axial air bearing depends on the type and design of the bearing. For example, spiral groove bearings will be able to develop a higher load capacity than foil bearings. However, due to the powerful support option provided by the force compensation unit, the use of foil bearings is sufficient in the present case and advantageous for cost-effectiveness reasons.
Die von der Kraftkompensationseinheit erzeugte Magnetkraft liegt vorzugsweise unterhalb der Tragkraft des Axial-Luftlagers. Besonders bevorzugt liegt die Magnetkraft in einem Bereich von 10% - 35% unterhalb der Tragkraft des Axial-Luftlagers, insbesondere 15% bis 25% unterhalb der Tragkraft des axial-Luftlagers. Hierdurch kann zuverlässig verhindert werden, dass die Kraftkompensationseinheit die Verdichterwelle entgegen der Wirkrichtung der Axialkraft „in die falsche Richtung“ auslenkt.The magnetic force generated by the force compensation unit is preferably below the load capacity of the axial air bearing. The magnetic force is particularly preferably in a range of 10% - 35% below the load-bearing capacity of the axial air bearing, in particular 15% to 25% below the load-bearing capacity of the axial air bearing. This can reliably prevent the force compensation unit from deflecting the compressor shaft “in the wrong direction” against the effective direction of the axial force.
Luftmassenstrom, Ausgangsdruck am Verdichter und Umgebungsluftdruck können in allgemein bekannter Weise mit konventionellen Sensoren ermittelt werden oder als (gegebenenfalls abgeleitete) Kennwerte aus anderen Steuerungssystemen des Nutzfahrzeugs empfangen werden.Air mass flow, output pressure at the compressor and ambient air pressure can be determined in a generally known manner with conventional sensors or received as (if necessary derived) characteristic values from other control systems of the commercial vehicle.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Kraftkompensationseinheit erst dann anzusteuern, wenn einer, mehrere oder sämtliche der folgenden Kriterien erfüllt sind:
- - Die Verdichterwelle erreicht oder überschreitet eine vorbestimmte Mindestdrehzahl;
- - der Ausgangsdruck erreicht oder überschreitet einen vorbestimmten Mindestdruck;
- - der Luftmassenstrom des Verdichters erreicht oder überschreitet einen vorbestimmten Mindestmassenstrom;
- - der Umgebungsluftdruck erreicht oder unterschreitet einen vorbestimmten Mindestluftdruck.
- - The compressor shaft reaches or exceeds a predetermined minimum speed;
- - the output pressure reaches or exceeds a predetermined minimum pressure;
- - the air mass flow of the compressor reaches or exceeds a predetermined minimum mass flow;
- - The ambient air pressure reaches or falls below a predetermined minimum air pressure.
Diesbezüglich macht sich die Erfindung die Erkenntnis zunutze, dass die Kraftkompensationseinheit nicht permanent im Betrieb sein muss. Bei wenig herausfordernden Betriebspunkten des Brennstoffzellensystems, d.h. In der Regel bei niedrigen Drehzahlen der Verdichterwelle, ist das Axialluftlager zumeist in der Lage, die Axialkräfte alleine, ohne Unterstützung durch die Kraftkompensationseinheit, aufzunehmen. Erst wenn zu erwarten ist, dass das Axial-Luftlager alleine nicht mehr die erwarteten Axialkräfte wird aufnehmen können, wird dann gemäß der bevorzugten Ausführungsformen mittels Ansteuerung durch die Steuereinheit die Kraftkompensationseinheit hinzugeschaltet und stellt ihre Magnetkraft zum zusätzlichen Abstützen und Kompensieren der Axialkräfte zur Verfügung.In this regard, the invention makes use of the knowledge that the force compensation unit does not have to be in permanent operation. At less challenging operating points of the fuel cell system, i.e. usually at low speeds of the compressor shaft, the axial air bearing is usually able to absorb the axial forces alone, without support from the force compensation unit. Only when it is expected that the axial air bearing alone will no longer be able to absorb the expected axial forces is the force compensation unit switched on according to the preferred embodiments by means of control by the control unit and makes its magnetic force available for additional support and compensation of the axial forces.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Kraftkompensationseinheit eine relativ zum Verdichtergehäuse ortsfeste bestromte Spulenanordnung zur Erzeugung der Magnetkraft auf, sowie einen relativ zur Verdichterwelle ortsfesten Kraftaufnehmer, der im Magnetfeld der Spulenanordnung angeordnet und dazu eingerichtet ist, die Magnetkraft auf die Verdichterwelle zu übertragen.In a further preferred embodiment, the force compensation unit has an energized coil arrangement which is stationary relative to the compressor housing for generating the magnetic force, and a force transducer which is stationary relative to the compressor shaft and which is arranged in the magnetic field of the coil arrangement and is set up to transmit the magnetic force to the compressor shaft.
Der Kraftaufnehmer ist vorzugsweise als Laufscheibe ausgebildet, die einseitig und axial benachbart derart zu der Spulenanordnung angeordnet ist, dass die Magnetkraft den Axialkräften entgegenwirkt. In einer alternativen Ausgestaltung ist der Kraftaufnehmer im Bereich des Spulenkerns der Spulenanordnung angeordnet, wirkt aber auch in jenem Fall vorteilhaft so, dass die Magnetkraft den Axialkräften entgegenwirkt.The force transducer is preferably designed as a running disk which is arranged on one side and axially adjacent to the coil arrangement in such a way that the magnetic force counteracts the axial forces. In an alternative embodiment, the force transducer is arranged in the area of the coil core of the coil arrangement, but also in this case advantageously acts in such a way that the magnetic force counteracts the axial forces.
Die Steuereinheit ist vorzugsweise dazu eingerichtet, die Bestromung der Spulenanordnung als Funktion des oder der Betriebsparameter zu steuern. Die Spannung der Spulenanordnung liegt vorzugsweise auf der gleichen Spannungsebene wie die der elektrischen Maschine des Verdichters, beispielsweise im Bereich von 400 V bis 820 V.The control unit is preferably set up to control the current supply to the coil arrangement as a function of the operating parameter(s). The voltage of the coil arrangement is preferably at the same voltage level as that of the electrical machine of the compressor, for example in the range from 400 V to 820 V.
Der Kraftaufnehmer, beispielsweise in Form einer Laufscheibe, weist in einer bevorzugten Ausführungsform ein permanentmagnetisches oder jedenfalls mit ausreichender Remanenz magnetisiertes Material, etwa ein ferromagnetisches, insbesondere hartmagnetisches Material auf. Vorzugsweise ist der Kraftaufnehmer zumindest partiell aus einem der folgenden Metalle ausgebildet: Eisen, Eisenlegierung, Nickel, Nickellegierung, Kobalt, Kobaltlegierung; oder einer Kombination mehrerer der vorstehenden Materialien. Diese Materialien sind dergestalt magnetisierbar, dass sie als Dauermagneten verwendet werden können und damit eine Anordnung der Spulenanordnung zum Drücken - also magnetischen Abstoßen - des Kraftaufnehmers als auch zum Ziehen - also magnetischen Anziehen - des Kraftaufnehmers ermöglichen. Das von der Spulenanordnung erzeugte Magnetfeld hat vorzugsweise eine im Vergleich zum Magnetfeld des Kraftaufnehmers geringe Feldstärke, so dass eine etwaige Remagnetisierung des Kraftaufnehmers in Ausführungsformen, in denen der Kraftaufnehmer abgestoßen werden soll, im Rahmen üblicher Wartungsintervalle des Verdichters vorgenommen werden kann.In a preferred embodiment, the force transducer, for example in the form of a running disk, has a permanently magnetic material or at least magnetized with sufficient remanence, such as a ferromagnetic, in particular hard magnetic material. Preferably, the force transducer is at least partially formed from one of the following metals: iron, iron alloy, nickel, nickel alloy, cobalt, cobalt alloy; or a combination of several of the above materials. These materials can be magnetized in such a way that they can be used as permanent magnets and thus enable an arrangement of the coil arrangement for pushing - i.e. magnetic repulsion - of the force transducer as well as for pulling - i.e. magnetic attraction - of the force transducer. The magnetic field generated by the coil arrangement preferably has a low field strength compared to the magnetic field of the force transducer, so that any remagnetization of the force transducer in embodiments in which the force transducer is to be repelled can be carried out within the scope of usual maintenance intervals of the compressor.
In bevorzugten Ausführungsformen, in welchen der Kraftaufnehmer als Laufscheibe ausgebildet ist, ist vorzugsweise die Oberfläche der Laufscheibe gehärtet, beispielsweise oberflächengehärtet, und/oder zum Verschleißschutz zusätzlich mit einem Materialbezug beschichtet. Hierdurch kann der Kraftaufnehmer auch im Notfall einen direkten Reibkontakt zum Verdichtergehäuse beziehungsweise zur Spulenanordnung beschädigungsfrei überstehen.In preferred embodiments, in which the force transducer is designed as a running disk, the surface of the running disk is preferably hardened, for example surface hardened, and/or additionally coated with a material cover to protect against wear. This means that the force transducer can survive direct frictional contact with the compressor housing or the coil arrangement without damage, even in an emergency.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Axial-Luftlager ein erstes Bewegungsspiel in Richtung der der Rotationsachse auf, das Verdichterrad weist ein zweites Bewegungsspiel in Richtung der Rotationsachse auf, und der Kraftaufnehmer weist ein drittes Bewegungsspiel in Richtung der Rotationsachse auf, wobei das dritte Bewegungsspiel größer ist als das zweite und/oder das erste Bewegungsspiel. Im Falle des Verdichterrads und des Kraftaufnehmers wird das Bewegungsspiel jeweils durch eine lichte Weite in Axialrichtung zwischen den bewegten Bauteilen und den stehenden Bauteilen, insb. dem Verdichtergehäuse, definiert.In a further preferred embodiment, the axial air bearing has a first movement play in the direction of the rotation axis, the compressor wheel has a second movement play in the direction of the rotation axis, and the force transducer has a third movement play in the direction the axis of rotation, the third movement play being greater than the second and/or the first movement play. In the case of the compressor wheel and the force transducer, the movement play is defined by a clear width in the axial direction between the moving components and the stationary components, especially the compressor housing.
Beim Axial-Luftlager ergibt sich das Bewegungsspiel aus der Differenz zwischen der Weite des Luftspalts, und der Dicke einer Laufscheibe des Axial-Luftlagers, welche in dem Luftspalt umläuft. Dadurch, dass das dritte Bewegungsspiel das Größte der drei verschiedenen Bewegungsspiele ist, wird sichergestellt, dass die Kraftkompensationseinheit verschleißfrei arbeitet. Ein Anschlagen des Kraftaufnehmers am Verdichtergehäuse kann vermieden werden. Das Bewegungsspiel des Verdichterrads ist vorzugsweise geringer als die Bewegungsspiele des Axial-Luftlagers und des Kraftaufnehmers.With the axial air bearing, the movement play results from the difference between the width of the air gap and the thickness of a running disk of the axial air bearing, which rotates in the air gap. The fact that the third movement range is the largest of the three different movement ranges ensures that the force compensation unit works without wear. The force transducer hitting the compressor housing can be avoided. The movement play of the compressor wheel is preferably less than the movement play of the axial air bearing and the force transducer.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Verdichter ein einstufiger Verdichter, wobei das Verdichterrad an einem ersten Endabschnitt der Verdichterwelle angeordnet ist, und wobei die magnetische Kraftkompensationseinheit an einem dem ersten Endabschnitt gegenüberliegenden zweiten Endabschnitt der Verdichterwelle angeordnet ist.In a further preferred embodiment, the compressor is a single-stage compressor, wherein the compressor wheel is arranged on a first end section of the compressor shaft, and wherein the magnetic force compensation unit is arranged on a second end section of the compressor shaft opposite the first end section.
Durch das gegenüberliegende Anordnen von Verdichterrad einerseits und Kraftkompensationseinheit andererseits wird die Balance der rotierenden Massen verbessert. Insbesondere bei einstufigen Verdichtern ist dies insbesondere für die Lageranordnung ein großer konstruktiver Vorteil, der sich zugunsten einer höheren Lebensdauer auswirkt.By arranging the compressor wheel on the one hand and the force compensation unit on the other side opposite each other, the balance of the rotating masses is improved. In single-stage compressors in particular, this is a major design advantage, particularly for the bearing arrangement, which benefits a longer service life.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Lageranordnung eine Radiallageranordnung auf. Die Radiallageranordnung weist vorzugsweise eine Anzahl von zwischen dem Axial-Luftlager und der Kraftkompensationseinheit angeordneten Radiallagern auf. Unter einer Anzahl ist erfindungsgemäß eine Zahl von 1 oder mehr Einheiten verstanden.In a preferred embodiment, the bearing arrangement has a radial bearing arrangement. The radial bearing arrangement preferably has a number of radial bearings arranged between the axial air bearing and the force compensation unit. According to the invention, a number is understood to mean a number of 1 or more units.
Besonders bevorzugt weist die Lageranordnung zwei Radiallager auf, die beispielsweise als Radial-Luftlager ausgebildet sein können. Über die Gewichtung und Beabstandung des Axial-Luftlagers und der Kraftkompensationseinheit von den jeweils nächstliegenden Radiallagern kann eine günstige Gewichtsverteilung erreicht werden, und die Zugänglichkeit der Kraftkompensationseinheit zu Wartungszwecken ist hierdurch auch in gutem Maße gegeben.The bearing arrangement particularly preferably has two radial bearings, which can be designed, for example, as radial air bearings. By weighting and spacing the axial air bearing and the force compensation unit from the closest radial bearings, a favorable weight distribution can be achieved, and the accessibility of the force compensation unit for maintenance purposes is also ensured to a good extent.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Anzahl Radiallager also ein erstes Radiallager auf, das in einem ersten axialen Abstand zu dem Axial-Luftlager angeordnet ist, und ein zweites Radiallager, das in einem Abstand zu dem ersten Radiallager und in einem zweiten axialen Abstand zu der Kraftkompensationseinheit angeordnet ist, wobei der zweite axiale Abstand und der erste axiale Abstand unterschiedlich sind. Vorzugsweise ist der zweite axiale Abstand größer als der erste axiale Abstand.In a further preferred embodiment, the number of radial bearings therefore has a first radial bearing, which is arranged at a first axial distance from the axial air bearing, and a second radial bearing, which is at a distance from the first radial bearing and at a second axial distance from the Force compensation unit is arranged, wherein the second axial distance and the first axial distance are different. Preferably, the second axial distance is greater than the first axial distance.
Auf der Seite der Verdichterwelle, an welcher das Axial-Luftlager sitzt, ist in der Regel auch das Verdichterrad angeordnet, sodass die rotierenden Massen und Kippmomente auf jener Seite der Verdichterwelle erwartungsgemäß größer sind als auf der linken Seite. Durch einen höheren Abstand der Kraftkompensationseinheit von dem zu ihr benachbarten nächsten Radiallager, dem zweiten Radiallager, kann aber eine jedenfalls partielle Kompensation der Kippmomente erreicht werden.The compressor wheel is usually also arranged on the side of the compressor shaft on which the axial air bearing is located, so that the rotating masses and tilting moments on that side of the compressor shaft are, as expected, greater than on the left side. By increasing the distance between the force compensation unit and the next radial bearing adjacent to it, the second radial bearing, at least partial compensation of the tilting moments can be achieved.
Insbesondere wirkt von dem Axial-Luftlager aus eine erste Radialkraft auf die Radiallageranordnung ein, und von der Kraftkompensationseinheit aus wirkt eine zweite Radialkraft auf die Radiallageranordnung ein. Von dem Verdichterrad aus, welches in einem dritten axialen Abstand zu dem ersten oder zweiten Radiallager angeordnet ist, wirkt eine dritte Radialkraft auf die Radiallageranordnung ein. Aus den Radialkräften und Abständen resultieren jeweils Kippmomente, die über die Verdichterwelle auf die Radiallageranordnung wirken.In particular, a first radial force acts on the radial bearing arrangement from the axial air bearing, and a second radial force acts on the radial bearing arrangement from the force compensation unit. A third radial force acts on the radial bearing arrangement from the compressor wheel, which is arranged at a third axial distance from the first or second radial bearing. The radial forces and distances result in tilting moments that act on the radial bearing arrangement via the compressor shaft.
Vorzugsweise sind der erste, zweite und dritte Abstand derart dimensioniert, dass sich die resultierenden Kippmomente gegenseitig zumindest partiell, und vorzugsweise vollständig, eliminieren.Preferably, the first, second and third distances are dimensioned such that the resulting tilting moments at least partially, and preferably completely, eliminate each other.
Alternativ oder zusätzlich sind vorzugsweise der erste, zweite und/oder dritte Abstand derart dimensioniert, dass auf die Radiallager der Lageranordnung jeweils gleich hohe Radialkräfte wirken.Alternatively or additionally, the first, second and/or third distances are preferably dimensioned such that the same radial forces act on the radial bearings of the bearing arrangement.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Axial-Luftlager als Folienlager ausgebildet. Vorzugsweise ist eine Laufscheibe des Axial-Luftlagers zwischen zwei um den Luftspalt voneinander beabstandeten stehenden Folienscheiben angeordnet. Das Axial-Luftlager ist vorzugsweise als Bump-Type, oder einem anderen Folienlagertyp ausgebildet. Diese kosteneffizienten Lagertypen haben in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Konstruktionsprinzip eine ausreichende Tragfähigkeit zur Kompensation der Axialkräfte auch bei einstufigen Verdichtern. Die Erfindung schließt allerdings die Verwendung von Spiralrillenlagern und weiteren Lagertypen nicht aus.In a further preferred embodiment, the axial air bearing is designed as a foil bearing. Preferably, a running disk of the axial air bearing is arranged between two standing film disks spaced apart from one another by the air gap. The axial air bearing is preferably designed as a bump type or another foil bearing type. These cost-efficient bearing types, in conjunction with the design principle according to the invention, have sufficient load capacity to compensate for the axial forces even in single-stage compressors. However, the invention does not exclude the use of spiral groove bearings and other types of bearings.
Die Erfindung ist vorstehend anhand eines ersten Aspektes unter Bezugnahme auf den Verdichter beschrieben worden.The invention has been described above using a first aspect with reference to the compressor.
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, welches vorzugsweise einen Verdichter nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen aufweist. Das Verfahren löst die eingangs bezeichnete Aufgabe, indem es die folgenden Schritte umfasst:
- - rotatorisches Antreiben einer Verdichterwelle zur kathodenseitigen Luftversorgung einer Brennstoffzelle, wobei die Verdichterwelle in einem Verdichtergehäuse drehbar um eine Rotationsachse gelagert wird, und wobei Axialkräfte zwischen dem Verdichtergehäuse und der Verdichterwelle wirken,
- - Aufbringen einer den Axialkräften entgegengesetzten Magnetkraft auf die Verdichterwelle mittels einer einseitig wirkenden magnetischen Kraftkompensationseinheit, und
- - Variieren der Magnetkraft mittels der Kraftkompensationseinheit.
- - rotationally driving a compressor shaft for supplying air to a fuel cell on the cathode side, the compressor shaft being rotatably mounted in a compressor housing about an axis of rotation, and axial forces acting between the compressor housing and the compressor shaft,
- - Applying a magnetic force opposite the axial forces to the compressor shaft by means of a unidirectional magnetic force compensation unit, and
- - Varying the magnetic force using the force compensation unit.
Das Verfahren macht sich dieselben Vorteile zunutze wie der Verdichter der vorstehend beschriebenen Art. Bevorzugte Ausführungsformen des Verdichters sind zugleich bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und umgekehrt, weswegen zur Vermeidung von Wiederholungen und das Folgende ergänzend auch auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.The method makes use of the same advantages as the compressor of the type described above. Preferred embodiments of the compressor are at the same time preferred embodiments of the method and vice versa, which is why reference is also made to the above statements in order to avoid repetition and the following.
Das Verfahren wird vorteilhaft weitergebildet, indem das Variieren der Magnetkraft umfasst:
- - Ansteuern der Kraftkompensationseinheit zur Variation der Magnetkraft., vorzugsweise in mehreren Stufen, insbesondere in 10 oder weniger Stufen, weiter vorzugsweise in 5 oder weniger Stufen, besonders bevorzugt in 3 oder weniger Stufen.
- - Controlling the force compensation unit to vary the magnetic force, preferably in several stages, in particular in 10 or fewer stages, more preferably in 5 or fewer stages, particularly preferably in 3 or fewer stages.
Vorzugsweise erfolgt das Ansteuern als Funktion eines oder mehrerer Betriebsparameter, die repräsentativ für die Axialkräfte sind; wobei weiter vorzugsweise die Betriebsparameter ausgewählt sind aus den Folgenden:
- - eine Drehzahl der Verdichterwelle,
- - eine Drehzahlvorgabe des Brennstoffzellensystems,
- - ein von dem Verdichter geförderter Luftmassenstrom,
- - ein Ausgangsdruck des Verdichters,
- - ein Umgebungsluftdruck,
- - Tragkraft des Axial-Luftlagers; oder
- - a speed of the compressor shaft,
- - a speed specification of the fuel cell system,
- - an air mass flow conveyed by the compressor,
- - an output pressure of the compressor,
- - an ambient air pressure,
- - Load capacity of the axial air bearing; or
Das Ansteuern der Kraftkompensationseinheit erfolgt vorzugsweise erst dann, wenn einer, mehrere oder sämtliche der folgenden Kriterien erfüllt sind:
- - die Verdichterwelle erreicht oder überschreitet eine vorbestimmte Mindestdrehzahl;
- - der Ausgangsdruck des Verdichters erreicht oder überschreitet einen vorbestimmten Mindestdruck;
- - der Luftmassenstrom des Verdichters erreicht oder überschreitet einen vorbestimmten Mindestmassenstrom;
- - der Umgebungsluftdruck erreicht oder unterschreitet einen vorbestimmten Mindestluftdruck.
- - the compressor shaft reaches or exceeds a predetermined minimum speed;
- - the output pressure of the compressor reaches or exceeds a predetermined minimum pressure;
- - the air mass flow of the compressor reaches or exceeds a predetermined minimum mass flow;
- - The ambient air pressure reaches or falls below a predetermined minimum air pressure.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, mit einem Verdichter zur kathodenseitigen Luftversorgung einer Brennstoffzelle. Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe in Bezug auf ein solches Brennstoffzellensystem, indem der Verdichter nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ausgebildet ist, und/oder indem das Brennstoffzellensystem eine Steuereinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, in einem Verfahren nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die Kraftkompensationseinheit des Verdichters anzusteuern.In a further aspect, the invention relates to a fuel cell system for driving a vehicle, in particular a commercial vehicle, with a compressor for supplying air to a fuel cell on the cathode side. The invention solves the underlying problem with regard to such a fuel cell system by designing the compressor according to one of the preferred embodiments described above, and / or by the fuel cell system having a control unit which is set up in a method according to one of the ones described above Embodiments to control the force compensation unit of the compressor.
Auch hinsichtlich des Brennstoffzellensystem macht die Erfindung sich dieselben Vorteile zunutze, wie vorstehend unter Bezugnahme auf den Verdichter und das Verfahren beschrieben wurde. Bevorzugte Ausführungsformen des Verdichters und des Verfahrens sind somit auch bevorzugte Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems und umgekehrt, weswegen zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.With regard to the fuel cell system, the invention also makes use of the same advantages as described above with reference to the compressor and the method. Preferred embodiments of the compressor and the method are therefore also preferred embodiments of the fuel cell system and vice versa, which is why reference is made to the above statements to avoid repetition.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.The invention is described in more detail below with reference to the attached figures using a preferred exemplary embodiment.
Hierbei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, und -
2 eine schematische Detailansicht einer Verdichterwelle des Brennstoffzellensystems gemäß1 .
-
1 a schematic representation of a fuel cell system according to a preferred embodiment, and -
2 a schematic detailed view of a compressor shaft of the fuel cell system according to1 .
In
Der Verdichter 1 weist ein Verdichtergehäuse 3 auf, in dem eine Verdichterwelle 5 drehbar gelagert ist. Die Verdichterwelle 5 ist mittels einer Lageranordnung 6 umfassend ein Axial-Luftlager 7 und eine Radiallageranordnung 8 im Verdichtergehäuse 3 gelagert. Die Radiallageranordnung 8 umfasst ein erstes Radiallager 8a und ein zweites Radiallager 8b. Vorzugsweise sind das Axial-Luftlager 7 und/oder die beiden Radiallager 8a, 8b als Folienlager ausgebildetThe
In einem ersten Endabschnitt 9 der Verdichterwelle 5 ist ein Verdichterrad 11 angeordnet und drehstarr mit der Verdichterwelle 5 verbunden.A
Der Verdichter 1 weist eine elektrische Maschine 13 auf, die als Elektromotor betreibbar ist und in dem Fall die Verdichterwelle 5 rotatorisch antreibt, wodurch das Verdichterrad 11 den Luftstrom L mit einem Luftmassenstrom m ansaugt, verdichtet und bei einem Ausgangsdruck pv in Richtung der Brennstoffzelle 101 abgibt.The
Der Verdichter 1 im gezeigten Ausführungsbeispiel ist als einstufiger Verdichter ausgebildet. In einem zweiten Endabschnitt 15, der dem ersten Endabschnitt 9 gegenüberliegt, ist an der Verdichterwelle 5 eine Kraftkompensationseinheit 23 angeordnet. Die Kraftkompensationseinheit 23 übt dadurch gleich mehrere relevante Funktionen für den Verdichter 1 aus: Zum einen stellt die Kraftkompensationseinheit 23 eine magnetische Kompensationskraft Fmag zur Verfügung, die den Axialkräften Faxial entgegengesetzt wirkt und so die axiale Belastung des Axial-Luftlagers 7reduziert. Ferner trägt die Kraftkompensationseinheit 23 dazu bei, die auf die Radiallageranordnung 8 wirkenden Radialkräfte (vgl.
Das Axial-Luftlager 7 weist eine Laufscheibe 17 auf, die drehstarr mit der Verdichterwelle 5 verbunden ist, und die zwischen zwei stehenden Folienscheiben 19 positioniert ist. Zwischen den beiden Folienscheiben 19 ist ein Luftspalt 21 ausgebildet.The
Die Kraftkompensationseinheit 23 weist einen Kraftaufnehmer 25 auf, der als dauermagnetische Laufscheibe ausgebildet sein kann und drehstarr mit der Verdichterwelle 5 verbunden ist, wobei der Kraftaufnehmer axial benachbart im Magnetfeld H einer Spulenanordnung 26 angeordnet ist. Die Spulenanordnung 26 weist eine Anzahl von Spulen 27 auf, die, vorzugsweise gleichmäßig, über den Umfang des Kraftaufnehmers verteilt sind.The
Die in
Es ist darüber hinaus auch denkbar, die Spulenanordnung 26 auf der anderen Seite des Kraftaufnehmers 25, was in
Das Brennstoffzellensystem 100 gemäß
Die Steuereinheit 103 ist hierzu signalleitend mit der Kraftkompensationseinheit 23 verbunden und dazu eingerichtet, Steuerbefehle B an die Kraftkompensationseinheit zu übermitteln. In einem einfachen, bevorzugten Fall sind die Steuerbefehle B unmittelbar in Form unterschiedlicher Stromstärken für die Spulen 27 der Spulenanordnung 26 ausgebildet.For this purpose, the
Die Steuereinheit 103 ist vorzugsweise dazu eingerichtet, die Steuerbefehle B als Funktion eines, mehrerer oder sämtliche der vorstehend allgemein beschriebenen Betriebsparameter PB zu übermitteln, wobei die Betriebsparameter PB beispielsweise die Folgenden sein können: Eine Drehzahl n der Verdichterwelle 5, eine Drehzahlvorgabe nv der Brennstoffzelle 101, der Luftdruck pv am Ausgang des Verdichters 1, ein Umgebungsdruck pu, der Luftmassenstrom ṁ, oder einer Tragfähigkeit T des Axial-Luftlagers 7.The
Die Steuereinheit 103 ist vorzugsweise dazu eingerichtet, die Betriebsparameter kontinuierlich zu überwachen und im Bedarfsfall eine Anpassung der Magnetkraft Fmag anzusteuern. Die Kraftkompensationseinheit 23 muss hierzu nicht während der gesamten Betriebsdauer des Verdichters 1 aktiv angesteuert werden. Insbesondere bei niedrigen Drehzahlen n ist es zumeist ausreichend, dass das Axial-Luftlager 7 alleine im Rahmen seiner Tragkraft T die auftretenden Axialkräfte Faxial aufnimmt.The
Die Steuereinheit 103 ist dazu eingerichtet, zu erkennen, ob beispielsweise eine vorbestimmte Mindestdrehzahl nmin erreicht oder überschritten wurde, und/oder ob der Ausgangsdruck pV des Verdichters einen vorbestimmten Mindestdruck pV,min erreicht oder überschreitet, und/oder ob der Luftmassenstrom m des Verdichters 1 einen vorbestimmten Mindestmassenpunkt ṁmin erreicht oder überschreitet, und/oder ob der Umgebungsluftdruck pu einen vorbestimmten Mindestluftdruck pU, min erreicht oder überschreitet. Erst bei Erreichen eines, mehrerer oder sämtlicher dieser Kriterien steuert die Steuereinheit 103 dann die Kraftkompensationseinheit 23 zum Anpassen der Magnetkraft Fmag derart an, dass die resultierende verbleibende Kraft in Axialrichtung vom Axial-Luftlager 7 ohne Verschleißgefahr aufgefangen werden kann.The
In
Die Mitten der beiden Radiallager 8a, 8b sind in Richtung der Rotationsachse A, also in axialer Richtung, um den Abstand LR voneinander entfernt. Die erste Laufscheibe 17 befindet sich in einem axialen Abstand L1 von dem ihr nächstliegenden Radiallager, nämlich dem ersten Radiallager 8a. Der Kraftaufnehmer 25 befindet sich in einem Abstand L2 von dem ihm nächstgelegenen Radiallager, nämlich dem zweiten Radiallager 8b. Das Verdichterrad 11 befindet sich mit seinem Massenschwerpunkt in axialer Richtung in einem Abstand L3 von dem ihm nächstgelegenen Radiallager, nämlich wie oben dem ersten Radiallager 8a.The centers of the two
Anhand der Kräfte- und Momentenbilanzen für diese Konstellation lassen sich die Abstände L1, L2, und L3 sowie LR in der Konstruktion derart aufeinander abstimmen, dass die radialen Belastungen FR1, FR2 auf die Radiallageranordnung 8 gleich sind, oder zumindest im Wesentlichen gleich. In bevorzugten Ausgestaltungen wird der Abstand L2 größer sein als L3, und L3 größer sein als L1. LR ist vorzugsweise größer als L2.Based on the force and moment balances for this constellation, the distances L 1 , L 2 , and L 3 as well as L R in the design can be coordinated with one another in such a way that the radial loads F R1 , F R2 on the
Durch konstruktiv günstige Auslegung, d.h. beispielsweise durch weitestgehende Minimierung des Abstands L1 und L3 lässt sich ein insgesamt recht kompaktes Lagerkonzept aufstellen, was eine gute Bauraumnutzung bietet und gleichzeitig eine gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaft ausbalancierte, rein luftgelagerte Verdichterwelle 5 möglich macht. Durch die Balancewirkung, die von der Kraftkompensationseinheit ausgeht, lassen sich auch bei der Verwendung einstufiger Verdichter, wie hier im bevorzugten Ausführungsbeispiel, hohe Lebensdauern erreichen. Gleichzeitig erlaubt das Lagerungskonzept die Verwendung einfacher Lagertypen bei dem Axial-Luftlager, wie beispielsweise Bump Type oder andere Folienlagertypen.Through a structurally favorable design, ie, for example, by minimizing the distance L 1 and L 3 as far as possible, an overall quite compact bearing concept can be set up, which offers good use of installation space and at the same time makes possible a purely air-
Die Laufscheibe 17 hat relativ zum Verdichtergehäuse 3 ein erstes axiales Bewegungsspiel s1. Das Verdichterrad 11 hat ein zweites axiales Bewegungsspiel s2, welches vorzugsweise geringer ist als das erste Bewegungsspiel s1. Der Kraftaufnehmer 25 hat ein drittes axiales Bewegungsspiel s3, welches vorzugsweise größer ist als s2 und als s1. Hierdurch wird die Kraftkompensationseinheit 23 vor Verschleiß geschützt und sichergestellt, dass sie ihre Unterstützungsfunktion für das Axial-Luftlager 7 lange aufrechthalten kann, was wiederum der Lebensdauer des Axial-Luftlagers 7 zugutekommt.The
Bezugszeichen (Teil der Beschreibung)Reference symbols (part of the description)
- 11
- Verdichtercompressor
- 33
- VerdichtergehäuseCompressor housing
- 55
- VerdichterwelleCompressor shaft
- 66
- Lageranordnung:Bearing arrangement:
- 77
- Axial-LuftlagerAxial air bearing
- 88th
- RadiallageranordnungRadial bearing arrangement
- 8a8a
- erstes Radiallagerfirst radial bearing
- 8b8b
- zweites Radiallagersecond radial bearing
- 99
- erster Endabschnittfirst end section
- 1111
- VerdichterradCompressor wheel
- 1313
- elektrische Maschineelectric machine
- 1515
- zweiter Endabschnittsecond end section
- 1717
- Laufscheiberunning disc
- 1919
- FolienscheibeFoil disc
- 2121
- Luftspaltair gap
- 2323
- KraftkompensationseinheitForce compensation unit
- 2525
- Kraftaufnehmerforce transducer
- 2626
- SpulenanordnungCoil arrangement
- 2727
- SpulenWash
- 100100
- BrennstoffzellensystemFuel cell system
- 101101
- BrennstoffzelleFuel cell
- 103103
- SteuereinheitControl unit
- 300300
- Nutzfahrzeug Commercial vehicle
- AA
- RotationsachseAxis of rotation
- Bb
- SteuerbefehleControl commands
- FmagFmag
- magnetische Kraftmagnetic force
- FaxialFax
- AxialkräfteAxial forces
- FLFL
- Radialkraft, Axial-LuftlagerRadial force, axial air bearing
- FKFK
- Radialkraft, KraftkompensationseinheitRadial force, force compensation unit
- FvFv
- Radialkraft, VerdichterRadial force, compressor
- FR1, FR2FR1, FR2
- radiale Belastungenradial loads
- HH
- MagnetfeldMagnetic field
- LL
- Luft, VerdichterAir, compressor
- LR L1, L2, L3LR L1, L2, L3
- Abständedistances
- ṁṁ
- LuftmassenstromAir mass flow
- ṁ minṁ min
- MindestmassenstromMinimum mass flow
- nn
- Drehzahlnumber of revolutions
- nvn/a
- DrehzahlvorgabeSpeed specification
- nminnmin
- MindestdrehzahlMinimum speed
- PBPB
- BetriebsparameterOperating parameters
- pvpv
- LuftdruckAir pressure
- pu,pu,
- UmgebungsdruckAmbient pressure
- pv,minpv,min
- MindestdruckMinimum pressure
- s1, s2, s3s1, s2, s3
- Bewegungsspielmovement game
- TT
- TragfähigkeitLoad capacity
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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- EP 3579390 A1 [0007]EP 3579390 A1 [0007]
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