DE102022129770A1

DE102022129770A1 - Lagereinheit, Strömungsmaschine, Brennstoffzellensystem und Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug

Info

Publication number: DE102022129770A1
Application number: DE102022129770.5A
Authority: DE
Inventors: Constantin Wohlers
Original assignee: ZF CV Systems Global GmbH
Current assignee: ZF CV Systems Global GmbH
Priority date: 2022-11-10
Filing date: 2022-11-10
Publication date: 2024-05-16

Abstract

Bei einer Lagereinheit für eine einen Rotor mit einer drehfest mit dem Rotor verbundenen Welle umfassende Strömungsmaschine für ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend mindestens ein erstes Lager, wobei das erste Lager als Luftlager ausgebildet ist, wobei die Lagereinheit dazu eingerichtet ist, den Rotor mit der Welle derart drehbar in einer Öffnung des Luftlagers zu lagern, dass der Rotor um eine Rotationsachse rotierbar ist, kann ein Verschleiß reduziert werden, indem die Lagereinheit mindestens ein zweites Lager umfasst, wobei das zweite Lager als piezoelektrisch aktivierbares Lager ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lagereinheit für eine einen Rotor mit einer drehfest mit dem Rotor verbundenen Welle umfassende Strömungsmaschine für ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend mindestens ein erstes Lager, wobei das erste Lager als Luftlager ausgebildet ist, wobei die Lagereinheit dazu eingerichtet ist, den Rotor mit der Welle derart drehbar in einer Öffnung des Luftlagers zu lagern, dass der Rotor um eine Rotationsachse rotierbar ist.
Brennstoffzellensysteme sind allgemein bekannt. Brennstoffzellen sind galvanische Zellen, die zur Umwandlung von chemischer in elektrische Energie genutzt werden können. Die elektrische Energie wird dabei aus der sogenannten Brennstoffzellenreaktion gewonnen, einer chemischen Reaktion zwischen einem kontinuierlich zugeführten Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und einem Oxidationsmittel, üblicherweise Sauerstoff. Zur Erhöhung der Energiegewinnung können mehrere Brennstoffzellen in einer Brennstoffzellenanordnung zusammengeführt werden. In Brennstoffzellensystemen wird ein Kompressor (auch Verdichter genannt) dazu benutzt, Luft anzusaugen, zu verdichten und einem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang der Brennstoffzelle zum Durchführen der Brennstoffzellenreaktion zuzuführen. Das verdichtete Stoffgemisch durchläuft die Brennstoffzellenanordnung. Das nach dem Abreagieren verbleibende Stoffgemisch tritt als gasförmiger Fluidstrom kathodenseitig aus einem Brennstoffzellenausgang der Brennstoffzellenanordnung wieder aus. Bekannte Kompressoren umfassen dabei eine Lagereinheit mit einem Luftlager, sowie einen Rotor mit einer Welle, wobei die Welle drehfest mit dem Rotor verbundenen ist. Die Welle ist drehbar in einer Öffnung des Luftlagers gelagert, wobei die Welle im Betrieb des Kompressors mit einer hohen Drehzahl in einer Größenordnung von beispielsweise mehr als 100.000 Umdrehungen pro Minute rotiert.
Ein Luftlager für eine Lagereinheit eines Kompressors für ein Brennstoffzellensystem ist beispielsweise aus dem Dokument DE 10 2018 213 700 A1 bekannt. Das dort offenbarte Luftlager hat einen Außenring, welcher eine zentrale Öffnung zur Aufnahme einer Welle umgibt. In der Öffnung ist eine Federfolie angeordnet, die eine Federsteifigkeit aufweist, und eine Oberfolie, wobei die Federfolie zwischen dem Außenring und der Oberfolie angeordnet ist.
Luftlager sind Gleitlager, bei denen Lagerflächen zweier Lagerpartner durch einen dünnen Luftfilm voneinander getrennt sind. Sogenannte aerodynamische Luftlager bauen diesen Luftfilm selbst auf, indem sich die Lagerflächen der Lagerpartner gegeneinander bewegen - in diesem Fall durch die Rotation der Welle in der Öffnung des Luftlagers - und einen Überdruck erzeugen. Die Luft in dem so erzeugten Lagerspalt zwischen den Lagerpartnern komprimiert bei der Rotationsbewegung der Welle, staut sich und bildet ein Luftpolster. Auf diese Weise entfällt zwar die Notwendigkeit einer zusätzlichen Druckluftversorgung, allerdings berühren sich die Lagerpartner unterhalb einer charakteristischen Relativgeschwindigkeit, die im vorliegenden Fall bei einer Rotationsgeschwindigkeit der Welle von etwa 15.000 Umdrehungen pro Minute liegt. Bevor diese Rotationsgeschwindigkeit, bei Luftlagern auch Abhebdrehzahl genannt, erreicht wird, insbesondere vor und in einer Startphase des Kompressors, reiben die beiden Lagerpartner aneinander, wodurch es zu starkem Abrieb und Verschleiß kommt. Dies wiederum führt dazu, dass die Luftlager über die Lebensdauer eines Kompressors in der Regel oft mehrfach ausgewechselt werden müssen.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, die oben aufgeführten Nachteile möglichst weitgehend zu überwinden und den Stand der Technik zu bereichern. Insbesondere kann die Aufgabe der Erfindung sein, eine verbesserte Lagereinheit bereitzustellen, die einen möglichst geringen Verschleiß aufweist.
Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe bei einer Lagereinheit für eine einen Rotor mit einer Welle umfassende Strömungsmaschine für ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, der vorbezeichneten Gattung mit den Merkmalen des Gegenstands von Anspruch 1, sowie den Gegenständen nach den weiteren unabhängigen Ansprüchen.
Insbesondere umfasst die Lagereinheit mindestens ein zweites Lager, wobei das zweite Lager als piezoelektrisch aktivierbares Lager ausgebildet ist. Die Unteransprüche geben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung an.
Gemäß der Erfindung wird eine Lagereinheit für eine einen Rotor mit einer drehfest mit dem Rotor verbundenen Welle umfassende Strömungsmaschine für ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, bereitgestellt. Die Lagereinheit umfasst mindestens ein erstes Lager, wobei das erste Lager als Luftlager ausgebildet ist, wobei die Lagereinheit dazu eingerichtet ist, den Rotor mit der Welle derart drehbar in einer Öffnung des Luftlagers zu lagern, dass der Rotor um eine Rotationsachse rotierbar ist, wobei die Lagereinheit mindestens ein zweites Lager umfasst, wobei das zweite Lager als piezoelektrisch aktivierbares Lager ausgebildet ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Reibung zwischen den Lagerpartnern eines Luftlagers in einem Kompressor zu starkem Verschleiß des Luftlagers führen kann, insbesondere in einer Startphase beziehungsweise Anlaufphase des Kompressors. Diese Reibung kann reduziert werden, wenn das Luftlager durch ein weiteres, piezoelektrisch aktivierbares Lager ergänzt wird. Vor und insbesondere während der Startphase des Kompressors kann das piezoelektrisch aktivierbare Lager mit einer Spannung beaufschlagt werden, wodurch sich piezoelektrische Elemente des piezoelektrisch aktivierbaren Lagers in Abhängigkeit von der angelegten Spannung ausdehnen oder zusammenziehen können. Auf diese Weise kann das piezoelektrisch aktivierbare Lager einen Luftdruck erzeugen, welcher ein Luftpolster derart aufbaut, dass der benötigte Luftfilm zwischen den Lagerpartnern des Luftlagers gebildet wird. Nach Erreichen der charakteristischen Relativgeschwindigkeit, im vorliegenden Fall einer Rotationsgeschwindigkeit der Welle von beispielsweise etwa 15.000 Umdrehungen pro Minute, berühren sich die Lagerpartner des Luftlagers aufgrund des durch die Rotation der Welle aufgebauten Luftpolsters nicht mehr, sodass eine Unterstützung durch das piezoelektrisch aktivierbare Lager ausgesetzt werden kann. Das piezoelektrisch aktivierbare Lager kann entsprechend bei Bedarf, also dann, wenn die Rotationsgeschwindigkeit der Welle zu gering ist, um das Luftpolster zwischen den Lagerpartnern aufzubauen oder aufrecht zu erhalten, mit einer Spannung beaufschlagt werden und das Luftlager unterstützend ergänzen. Schließlich wird der Bauraumbedarf der Lagereinheit durch das zusätzliche piezoelektrisch aktivierbare Lager dabei nicht wesentlich erhöht.
Das Luftlager kann ein aerodynamisches Luftlager sein. Aerodynamische Luftlager bauen den Lagerspalt beziehungsweise den Luftfilm zwischen den Lagerpartnern selbst auf, in dem sich die Lagerflächen der Lagerpartner gegeneinander bewegen. Es ist denkbar, dass dem Luftlager zusätzlich ein Luftstrom aus einer externen Druckluftversorgung zugeführt wird. Ein Luftstrom zum Betreiben des Luftlagers kann aus einer Ansaugluft eines Ansaugtraktes des Kompressors beziehungsweise der Strömungsmaschine stammen. Alternativ kann ein separater Ansaugtrakt für die Luftversorgung des Luftlagers vorgesehen sein. Der Luftstrom kann das Luftlager in vorteilhafter Weise kühlen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das piezoelektrisch aktivierbare Lager mehrere piezoelektrische Elemente auf. Auf diese Weise kann die durch das piezoelektrisch aktivierbare Lager gestützte Welle zentriert in der Öffnung des Lagers gehalten werden. Vorzugsweise hat das piezoelektrisch aktivierbare Lager mindestens drei piezoelektrische Elemente. Die piezoelektrischen Elemente sind dazu eingerichtet, mit einer Spannung definierter Frequenz beaufschlagt zu werden. Auf diese Weise kann das piezoelektrisch aktivierbare Lager aktiviert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die einzelnen piezoelektrischen Elemente dazu eingerichtet, jeweils mit unterschiedlicher Spannung beaufschlagt zu werden. Auf diese Weise kann die Ausdehnung der piezoelektrischen Elemente beeinflusst werden und somit wiederum die Lage der Welle beeinflusst werden. Die Spannung, mit der ein einzelnes piezoelektrisches Element beaufschlagt wird, kann dabei eine andere Frequenz aufweisen, als die Spannung, mit der ein anderes der piezoelektrischen Elemente beaufschlagt wird. In einer alternativen Ausführungsform kann die Spannung, mit der ein einzelnes piezoelektrisches Element beaufschlagt wird, die gleiche Frequenz haben, wie die Spannung mit der ein anderes der piezoelektrischen Elemente beaufschlagt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die piezoelektrischen Elemente in einem definierten Abstand zu der Welle angeordnet. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass die die piezoelektrischen Elemente ausreichend Platz zur Ausdehnung haben, wenn sie mit einer Spannung beaufschlagt werden, und gleichzeitig nah genug an der Welle sind, um das Luftpolster zur Lagerung der Welle zu erzeugen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die piezoelektrischen Elemente konzentrisch um die Welle angeordnet. Auf diese Weise kann die durch das piezoelektrisch aktivierbare Lager gestützte Welle zentriert in dem Lager beziehungsweise in der Öffnung des Lagers gehalten werden. In einer alternativen Ausführungsform oder gleichzeitig ist eine Dichte der piezoelektrischen Elemente in einem definierten Winkelbereich bezogen auf die Rotationsachse beziehungsweise um die Welle erhöht. Dieser definierte Winkelbereich mit einer erhöhten Dichte an piezoelektrischen Elementen kann insbesondere ein Bereich unterhalb der Welle sein. „Unterhalb“ ist in diesem Zusammenhang in Bezug zu einer Schwerkraft auszulegen. Auf diese Weise kann den Kräften der Schwerkraft, welche die Welle nach „unten“ in Richtung des Erdmittelpunktes ziehen und sie somit in einem unteren Bereich auf das Lager drücken, besonders effektiv entgegengewirkt werden. Gleichzeitig kann eine Dichte der piezoelektrischen Elemente in einem von dem definierten Winkelbereich abgewandten weiteren Winkelbereich der Welle geringer sein. Dieser weitere Winkelbereich mit einer geringeren Dichte an piezoelektrischen Elementen kann ein Bereich oberhalb der Welle oder nebengeordnet zu der Welle sein. „Oberhalb“ ist in diesem Zusammenhang ebenfalls in Bezug zu der Schwerkraft auszulegen. Beispielsweise kann das piezoelektrisch aktivierbare Lager in einer Ausführungsform sechs piezoelektrischen Elemente haben, von denen drei piezoelektrischen Elemente unterhalb der Welle angeordnet sind, ein piezoelektrisches Elemente oberhalb der Welle angeordnet ist und zwei piezoelektrischen Elemente nebengeordnet zur Welle angeordnet sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bilden das Luftlager und das piezoelektrisch aktivierbare Lager eine erste Lageranordnung. Zusätzlich ist eine weitere, in ihrem Aufbau der ersten Lageranordnung entsprechende zweite Lageranordnung vorgesehen. Der Rotor ist zwischen der ersten Lageranordnung und der zweiten Lageranordnung angeordnet. Auf diese Weise wird die Welle, welche den Rotor auf beiden Seiten stützt, ebenfalls auf beiden Seiten des Rotors zentriert in den Lagern beziehungsweise in den Öffnungen der Lager gehalten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Lageranordnung spiegelsymmetrisch zu der ersten Lageranordnung ausgebildet. Eine symmetrische Anordnung der ersten und der zweiten Lageranordnung kann insbesondere bei einer mehrflutigen (auch „mehrströmig“) Strömungsmaschine, insbesondere Kompressor, vorgesehen sein, bei der Laufräder beziehungsweise Schaufelräder der Stufen gleiche Massen aufweisen, um die Welle zentriert in dem Lager beziehungsweise in der Öffnung des Lagers zu halten. Dabei wirken weitgehend symmetrische Radialkräfte auf die Lageranordnungen. In einer alternativen Ausführungsform ist die zweite Lageranordnung asymmetrisch zu der ersten Lageranordnung ausgebildet. Eine asymmetrische (oder unsymmetrische) Anordnung der ersten und der zweiten Lageranordnung kann bei einer einstufigen oder bei einer einflutigen und mehrstufigen Strömungsmaschine, insbesondere bei einem Kompressor, vorgesehen sein, bei der Laufräder der Stufen voneinander verschiedene Massen aufweisen. Dabei wirken asymmetrische Radialkräfte auf die Lageranordnungen. Eine Spiegelebene verläuft orthogonal zu der Rotationsachse des Rotors. Alternativ oder gleichzeitig verläuft eine Spiegelebene durch eine Mitte des Rotors.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt eine Strömungsmaschine mit einem Rotor, der eine, drehfest mit dem Rotor verbundenen Welle umfasst, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem. Die Strömungsmaschine umfasst die vorstehend beschriebene Lagereinheit.
Die Strömungsmaschine kann ein Verdichter beziehungsweise Kompressor sein. In einer alternativen Ausführungsform kann die Strömungsmaschine ein Expander sein. Die Strömungsmaschine umfasst einen Rotor. Der Rotor umfasst eine Welle. In einer Ausführungsform kann der Rotor ein Laufrad umfassen, wobei das Laufrad drehfest mit der Welle verbunden ist. Das Laufrad kann eine Beschaufelung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, bei einer Rotation des Laufrads Luft zu komprimieren oder zu expandieren.
Die Strömungsmaschine kann eine mehrflutige beziehungsweise mehrströmige Strömungsmaschine sein. Mit anderen Worten weist die Strömungsmaschine den Rotor mit mehreren Laufrädern und einer Welle auf, wobei die Laufräder über die Welle drehfest miteinander verbunden sind. Mehrflutig bedeutet dabei, dass die Laufräder auf der Welle derart angeordnet sind, dass nicht alle der Laufräder zum Entspannen beziehungsweise Expandieren oder zum Verdichten beziehungsweise Komprimieren der Luft pneumatisch miteinander verbunden sind, sondern wenigstens zwei Laufräder pneumatisch voneinander getrennt sind. Mit anderen Worten sind die Laufräder wenigstens teilweise parallel zueinander geschaltet und bilden somit Stufen, die auch parallel zueinander geschaltet und nicht seriell, d. h. nicht in Reihe zueinander, geschaltet sind.
Die Strömungsmaschine kann einstufig ausgebildet sein. Das bedeutet, die Strömungsmaschine kann eine Stufe aufweisen, die zum Durchströmen von Luft eingerichtet ist. Die Stufe kann dabei ein in einem Gehäuse angeordnetes und drehbar gelagertes Laufrad des Rotors aufweisen, dass mit der Welle des Rotors verbunden ist. Die Strömungsmaschine kann mehrstufig ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Strömungsmaschine eine erste Stufe und eine zweite Stufe aufweisen, wobei jeder der Stufen zum Durchströmen von Luft eingerichtet ist und ein in einem Gehäuse angeordnetes und drehbar gelagertes Laufrad des Rotors aufweisen kann. Der Rotor umfasst zusätzlich die Welle, die die Laufräder drehfest verbinden kann. Durch eine Rotation des Rotors beziehungsweise der Laufräder kann durch die Stufen beziehungsweise Laufräder strömende Luft expandiert oder komprimiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Strömungsmaschine eine Steuerung. Die Steuerung veranlasst, dass piezoelektrische Elemente eines piezoelektrisch aktivierbaren Lagers der Lagereinheit im Falle eines vorbestimmten Szenarios mit einer Spannung beaufschlagt werden. In einer alternativen Ausführungsform oder gleichzeitig veranlasst die Steuerung, dass piezoelektrische Elemente eines piezoelektrisch aktivierbaren Lagers der Lagereinheit unter Berücksichtigung einer eine Drehzahl der Welle, die drehbar in einer Öffnung eines Luftlagers der Lagereinheit lagerbar ist, betreffenden Schwellwertbedingung mit einer Spannung beaufschlagt werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die piezoelektrischen Elemente nur bei Bedarf, also dann, wenn die Rotationsgeschwindigkeit der Welle zu gering ist, um das Luftpolster zwischen den Lagerpartnern aufzubauen oder aufrecht zu erhalten, mit einer Spannung beaufschlagt werden, um das Luftlager unterstützend zu ergänzen. Auf diese Weise kann ein Energieverbrauch möglichst gering gehalten werden. Darüber hinaus wird die Lebensdauer der piezoelektrischen Elemente auf diese Weise weniger beeinträchtigt.
Die Strömungsmaschine kann ein oben zur Lagereinheit beschriebenes optionales und/oder vorteilhaftes Merkmal aufweisen, um einen damit verbundenen technischen Effekt zu erzielen.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug. Das Brennstoffzellensystem umfasst die vorstehend beschriebene Strömungsmaschine und eine Brennstoffzellenanordnung mit einem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang und einem kathodenseitigen Brennstoffzellenausgang, wobei die Strömungsmaschine mit dem Brennstoffzelleneingang zur Luftversorgung der Brennstoffzellenanordnung und/oder dem Brennstoffzellenausgang zum Abführen eines Abgasstroms der Brennstoffzellenanordnung fluidleitend verbunden ist.
Das Brennstoffzellensystem kann ein oben zur Lagereinheit und/oder zur Strömungsmaschine beschriebenes optionales und/oder vorteilhaftes Merkmal aufweisen, um einen damit verbundenen technischen Effekt zu erzielen.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend die vorstehend beschriebene Lagereinheit und/oder die vorstehend beschriebene Strömungsmaschine und/oder das vorstehend beschriebene Brennstoffzellensystem. Das Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, kann beispielsweise ein Landfahrzeug zum Transport von Personen und/oder Waren sein. Die Strömungsmaschine kann ein Verdichter beziehungsweise Kompressor sein. Das Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, kann auch ein Wasserfahrzeug, insbesondere ein Schiff, beispielsweise ein Frachtschiff sein. Dabei kann der Verdichter auch ein mehrflutiger Verdichter, beispielsweise vierflutig, sechsflutig, etc., mit mehreren Stufen sein, um entsprechende Druckverhältnisse einstellen und eine Anzahl von Brennstoffzellen mit Luftdruck beaufschlagen zu können.
Die zur Lagereinheit und/oder zur Strömungsmaschine und/oder zum Brennstoffzellensystem beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen sind zugleich auch bevorzugte Ausführungsformen des Fahrzeuges oder Nutzfahrzeuges. Die zum Fahrzeug oder Nutzfahrzeug beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen, welche sich auf die Lagereinheit und/oder die Strömungsmaschine und/oder das Brennstoffzellensystem beziehen, sind zugleich auch bevorzugte Ausführungsformen der vorgenannten Lagereinheit und/oder der Strömungsmaschine und/oder des Brennstoffzellensystems.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sowie deren technische Effekte ergeben sich aus den Figuren und der Beschreibung der in den Figuren gezeigten bevorzugten Ausführungsformen. Dabei zeigen

1: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lagereinheit; und
2: eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, insbesondere Nutzfahrzeugs, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lagereinheit 10. Die Lagereinheit 10 ist Teil einer Strömungsmaschine 100. Die Strömungsmaschine 100 ist dazu eingerichtet, für ein Brennstoffzellensystem 150 in einem Fahrzeug 200a, 200b wie mit Bezug zu 2 beschrieben verwendet zu werden. Bei dem Ausführungsbeispiel ist die Strömungsmaschine 100 als Kompressor 102 ausgebildet. Die Strömungsmaschine 100 weist einen um eine Rotationsachse A drehbar gelagerten Rotor 12 auf, wie in 1 gezeigt. Der Rotor 12 umfasst eine Welle 14. Die Welle 14 ist drehfest mit dem Rotor 12 verbunden. Weiter ist die Welle 14 entlang der Rotationsachse A (dargestellt durch eine unterbrochen gezeichnete Linie) angeordnet und zur Drehung um die Rotationsachse A eingerichtet. Weiter weist der Rotor 12 ein in der Figur nicht dargestelltes Laufrad beziehungsweise Schaufelrad auf, wobei das Laufrad eine Beschaufelung aufweist, die bei dem Ausführungsbeispiel dazu eingerichtet ist, bei einer Rotation des Laufrads Luft zu komprimieren oder zu expandieren.
Die Lagereinheit 10 weist bei dem Ausführungsbeispiel ein erstes Lager 16 auf. Das erste Lager 16 ist als Luftlager 18 ausgebildet. Das Luftlager 18 hat eine Öffnung 20. In der Öffnung 20 ist die Welle 14 drehbar gelagert.
Die Lagereinheit 10 weist bei dem Ausführungsbeispiel ein zweites Lager 22 auf. Das zweite Lager 22 ist als piezoelektrisch aktivierbares Lager 24 ausgebildet. Das piezoelektrisch aktivierbare Lager 24 ist entlang der Welle 14 nebengeordnet zu dem Luftlager 18 angeordnet, d.h., in Richtung der Rotationsachse A neben beziehungsweise beabstandet zu dem Luftlager 18 angeordnet. Das piezoelektrisch aktivierbare Lager 24 hat mehrere piezoelektrische Elemente 26. Bei dem Ausführungsbeispiel hat das piezoelektrisch aktivierbare Lager 24 vier piezoelektrische Elemente 26, wobei in der Figur zur besseren Übersicht nur zwei piezoelektrische Elemente 26 (26a, 26b) des piezoelektrisch aktivierbaren Lagers 24 dargestellt sind. Die piezoelektrische Elemente 26 sind dazu eingerichtet, mit einer Spannung V definierter Frequenz F beaufschlagt zu werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die einzelnen piezoelektrischen Elemente 26a und 26b jeweils mit einer unterschiedlichen Spannung V beaufschlagt werden. Die Spannung V mit der beispielsweise das piezoelektrische Element 26a beaufschlagt wird, kann dabei eine andere Frequenz F aufweisen oder die gleiche Frequenz F aufweisen, wie die Spannung V mit der beispielsweise das piezoelektrische Element 26b beaufschlagt wird.
Die piezoelektrischen Elemente 26 sind in einem definierten Abstand zu der Welle 14 angeordnet. Weiter sind die piezoelektrischen Elemente 26 konzentrisch um die Welle 14 angeordnet. Bei dem Ausführungsbeispiel ist eine Dichte der piezoelektrischen Elemente 26 in einem definierten Winkelbereich 28 der Welle 14 erhöht. Dieser Winkelbereich 28 mit einer erhöhten Dichte an piezoelektrischen Elementen 26 ist ein Bereich unterhalb der Welle 14. „Unterhalb“ ist in diesem Zusammenhang in Bezug zu einer Schwerkraft auszulegen. Bei dem Ausführungsbeispiel sind drei der piezoelektrischen Elementen 26 (inklusive dem in der Figur sichtbaren piezoelektrischen Element 26b) in dem Winkelbereich 28, unterhalb der Welle 14 angeordnet. Weiter ist bei dem Ausführungsbeispiel eines der piezoelektrischen Elementen 26, das piezoelektrische Element 26a, in einem von dem Winkelbereich 28 abgewandten Winkelbereich 30, oberhalb der Welle 14 angeordnet. „Oberhalb“ ist in diesem Zusammenhang ebenfalls in Bezug zu der Schwerkraft auszulegen.
Das erste, als Luftlager 18 ausgebildete Lager 16 und das zweite, als piezoelektrisch aktivierbares Lager 24 ausgebildetes Lager 22 bilden gemeinsam eine erste Lageranordnung 32. Weiter weist die Lagereinheit 10 bei dem Ausführungsbeispiel eine zweite Lageranordnung 34 auf. Die zweite Lageranordnung 34 entspricht in ihrem Aufbau der ersten Lageranordnung 32. Die zweite Lageranordnung 34 weist ein erstes Lager 36 auf. Das erste Lager 36 ist als Luftlager 38 ausgebildet. Das Luftlager 38 umfasst eine Öffnung 40. Die Welle 14 ist drehbar in der Öffnung 40 des Luftlagers 38 gelagert. Weiter hat die zweite Lageranordnung 34 ein zweites Lager 42. Das zweite Lager 42 ist als piezoelektrisch aktivierbares Lager 44 ausgebildet. Das piezoelektrisch aktivierbares Lager 44 weist mehrere piezoelektrische Elemente 46 auf. Bei dem Ausführungsbeispiel entspricht die Anzahl und die Anordnung der piezoelektrischen Elemente 46 der Anzahl und der Anordnung der piezoelektrischen Elemente 26. Der Rotor 12 ist dabei zwischen der ersten Lageranordnung 32 und der zweiten Lageranordnung 34 angeordnet. Bei dem Ausführungsbeispiel ist die zweite Lageranordnung 34 spiegelsymmetrisch zu der ersten Lageranordnung 32 ausgebildet. Eine Spiegelebene S (dargestellt durch eine unterbrochen gezeichnete Linie) verläuft dabei orthogonal zu der Rotationsachse A des Rotors 12. Weiter verläuft die Spiegelebene S durch eine Mitte M (schematisch dargestellt durch ein „x“) des Rotors 12. In einer anderen Ausführungsform wäre ebenfalls denkbar, dass die zweite Lageranordnung 34 asymmetrisch zu der ersten Lageranordnung 32 ausgebildet ist.
Im Folgenden wird der Einsatz der piezoelektrisch aktivierbaren Lager 24, 44 beschrieben:

Die Welle 14 ist drehbar in der Öffnung 20 des als Luftlager 18 ausgebildeten Lagers 16 der ersten Lageranordnung 32, sowie in der Öffnung 40 des als Luftlager 38 ausgebildeten Lagers 36 der zweiten Lageranordnung 34 gelagert. Im Betrieb des Kompressors 102 rotiert die Welle 14 mit einer vergleichsweise hohen Rotationsgeschwindigkeit, wodurch in einem Luftspalt zwischen dem Lager 16 und der Welle 14 beziehungsweise zwischen dem Lager 36 und der Welle 14 ein Luftpolster entsteht. Auf Grund der Kräfte der Schwerkraft wird die Welle 14 jedoch vor Erreichen einer charakteristischen Rotationsgeschwindigkeit der Welle 14, bei welcher das Luftpolster erzeugt wird - also vor und in einer Startphase des Kompressors 102 - nach „unten“ in Richtung des Erdmittelpunktes gezogen. Dabei wird die Welle 14 gegen das Lager 16 beziehungsweise gegen das Lager 36 gedrückt. Dies führt insbesondere in der Startphase des Kompressors 102 zu starker Reibung zwischen dem Lager 16 und der Welle 14 beziehungsweise zwischen dem Lager 36 und der Welle 14.

Um diese Reibung und daraus resultierenden Abrieb zu verringern, werden die piezoelektrischen Lager 24, 26 in der Phase vor Erreichen der charakteristischen Rotationsgeschwindigkeit der Welle 14 mit einer Spannung V definierter Frequenz F beaufschlagt. Als Folge dehnen sich die piezoelektrischen Elemente 26, 46 in Abhängigkeit von der angelegten Spannung im Takt der Frequenz F aus und ziehen sich wieder zusammenziehen. Auf diese Weise erzeugen die piezoelektrischen Elemente 26, 46 der piezoelektrisch aktivierbaren Lager 24, 26 einen Luftdruck, welcher in dem Kompressor 102 ein Luftpolster aufbaut, einschließlich des benötigten Luftfilms zwischen dem Lager 16 und der Welle 14 beziehungsweise zwischen dem Lager 36 und der Welle 14. Nach Erreichen der charakteristischen Relativgeschwindigkeit der Welle 14, die bei beispielsweise etwa 15.000 Umdrehungen pro Minute liegt, berühren sich das Lager 16 und die Welle 14 beziehungsweise das Lager 36 und die Welle 14 aufgrund des durch die Rotation der Welle 14 aufgebauten Luftpolsters nicht mehr, sodass die piezoelektrisch aktivierbaren Lager 24, 26 nicht weiter mit einer Spannung beaufschlagt werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 200a, insbesondere Nutzfahrzeugs 200b, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Das Fahrzeug 200a, insbesondere Nutzfahrzeug 200b, wird im Folgenden als Fahrzeug 200a, 200b bezeichnet. Das Fahrzeug 200a, 200b ist beispielsweise ein Landfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug.
Das Fahrzeug 200a, 200b weist ein Brennstoffzellensystem 150, eine Energiespeichervorrichtung 110 und einen elektrischen Antrieb 120 auf. Das Brennstoffzellensystem 150 ist dazu eingerichtet, der Energiespeichervorrichtung 110 elektrische Energie 130 bereitzustellen. Die Energiespeichervorrichtung 110 ist beispielsweise eine wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung 110 und dient als Pufferbatterie zum Puffern von elektrischer Energie 130. Die Energiespeichervorrichtung 110 ist mit dem elektrischen Antrieb 120 verbunden, um den elektrischen Antrieb 120 mit elektrischer Energie 130 zu versorgen, damit der elektrische Antrieb 120 das Fahrzeug 200a, 200b antreiben kann. Zusätzlich ist das Brennstoffzellensystem 150 mit dem elektrische Antrieb 120 zur direkten Bereitstellung von elektrischer Energie 130 verbunden.
Das Brennstoffzellensystem 150 umfasst bei dem Ausführungsbeispiel zwei Strömungsmaschinen 100 und eine Brennstoffzellenanordnung 160 mit einem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang 162 und einem kathodenseitigen Brennstoffzellenausgang 164. Eine Strömungsmaschine 100 ist als Kompressor 102 ausgebildet und mit dem Brennstoffzelleneingang 162 zur Luftversorgung der Brennstoffzellenanordnung 160 fluidleitend verbunden. Die andere Strömungsmaschine 100 ist als Expander 106 ausgebildet und mit dem Brennstoffzellenausgang 164 zum Abführen eines Abgasstroms 140 der Brennstoffzellenanordnung 160 fluidleitend verbunden.
Die Strömungsmaschinen 100 umfassen bei dem Ausführungsbeispiel jeweils die Lagereinheit 10, welche detailliert mit Bezug auf 1 beschrieben ist.
Weiter umfassen die Strömungsmaschinen 100 bei dem Ausführungsbeispiel jeweils eine Steuerung 104. Die Steuerung 104 veranlasst, dass die piezoelektrischen Elemente 26, 46 der piezoelektrisch aktivierbaren Lager 24, 44 der Lagereinheit 10 im Falle eines vorbestimmten Szenarios mit einer Spannung V beaufschlagt werden. Gleichzeitig veranlasst die Steuerung 104, dass die piezoelektrischen Elemente 26, 46 der piezoelektrisch aktivierbaren Lager 24, 44 der Lagereinheit 10 unter Berücksichtigung einer eine Drehzahl der Welle 14, die drehbar in der Öffnung 20 des Luftlagers 18 der ersten Lageranordnung 32 der Lagereinheit 10, sowie drehbar in der Öffnung 40 des Luftlagers 38 der zweiten Lageranordnung 34 der Lagereinheit 10 gelagert ist, betreffenden Schwellwertbedingung mit einer Spannung beaufschlagt werden.
Bezugszeichen (Teil der Beschreibung):

10: Lagereinheit
12: Rotor
14: Welle
16: Lager
18: Luftlager
20: Öffnung
22: Lager
24: piezoelektrisch aktivierbares Lager
26: piezoelektrische Elemente
28: definierter Winkelbereich
30: weiterer Winkelbereich
32: erste Lageranordnung
34: zweite Lageranordnung
36: Lager
38: Luftlager
40: Öffnung
42: Lager
44: piezoelektrisch aktivierbares Lager
46: piezoelektrische Elemente
100: Strömungsmaschine
102: Kompressor
104: Steuerung
106: Expander
110: Energiespeichervorrichtung
120: elektrischen Antrieb
130: elektrische Energie
140: Abgasstrom
150: Brennstoffzellensystem
160: Brennstoffzellenanordnung
162: Brennstoffzelleneingang
164: Brennstoffzellenausgang
200a: Fahrzeug
200b: Nutzfahrzeug
A: Rotationsachse
F: Frequenz
V: Spannung
S: Spiegelebene
M: Mitte des Rotors

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018213700 A1 [0003]

Claims

Lagereinheit (10) für eine einen Rotor (12) mit einer drehfest mit dem Rotor (12) verbundenen Welle (14) umfassende Strömungsmaschine (100) für ein Brennstoffzellensystem (150) für ein Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), umfassend mindestens ein erstes Lager (16 ,36), wobei das erste Lager (16, 36) als Luftlager (18, 38) ausgebildet ist, wobei die Lagereinheit (10) dazu eingerichtet ist, den Rotor (12) mit der Welle (14) derart drehbar in einer Öffnung (20) des Luftlagers (18) zu lagern, dass der Rotor (12) um eine Rotationsachse (A) rotierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinheit (10) mindestens ein zweites Lager (22, 42) umfasst, wobei das zweite Lager (22, 42) als piezoelektrisch aktivierbares Lager (24, 44) ausgebildet ist.
Lagereinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrisch aktivierbare Lager (24, 44) mehrere piezoelektrische Elemente (26, 46) aufweist, wobei die piezoelektrischen Elemente (26, 46) dazu eingerichtet sind, mit einer Spannung (V) definierter Frequenz (F) beaufschlagt zu werden.
Lagereinheit (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen piezoelektrischen Elemente (26, 46) dazu eingerichtet sind, jeweils mit unterschiedlicher Spannung (V) gleicher und/oder unterschiedlicher Frequenz beaufschlagt werden.
Lagereinheit (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Elemente (26, 46) in einem definierten Abstand zu der Welle (14) angeordnet sind.
Lagereinheit (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Elemente (26, 46) konzentrisch um die Welle (14) angeordnet sind und/oder dass eine Dichte der piezoelektrischen Elemente (26, 46) in einem definierten Winkelbereich (28) bezogen auf die Rotationsachse (A) erhöht ist.
Lagereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftlager (18) und das piezoelektrisch aktivierbare Lager (24) eine erste Lageranordnung (32) bilden, und dass eine weitere, in ihrem Aufbau der ersten Lageranordnung (32) entsprechende zweite Lageranordnung (34) vorgesehen ist, wobei der Rotor (12) zwischen der ersten Lageranordnung (32) und der zweiten Lageranordnung (34) angeordnet ist.
Lagereinheit (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Lageranordnung (34) spiegelsymmetrisch oder asymmetrisch zu der ersten Lageranordnung (32) ausgebildet ist, wobei eine Spiegelebene (S) orthogonal zu der Rotationsachse (A) des Rotors (12) und/oder durch eine Mitte (M) des Rotors (12) verläuft.
Strömungsmaschine (100) mit einem Rotor (12), der eine drehfest mit dem Rotor (12) verbundenen Welle (14) umfasst, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (150), dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine (100) eine Lagereinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst.
Strömungsmaschine (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (104) vorgesehen ist, welche veranlasst, dass piezoelektrische Elemente (26, 46) eines piezoelektrisch aktivierbaren Lagers (24, 44) der Lagereinheit (10) im Falle eines vorbestimmten Szenarios und/oder unter Berücksichtigung einer eine Drehzahl der Welle (14), die drehbar in einer Öffnung (20,40) eines Luftlagers (18, 38) der Lagereinheit (10) lagerbar ist, betreffenden Schwellwertbedingung mit einer Spannung beaufschlagt werden.
Brennstoffzellensystem (150) für ein Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), umfassend eine Strömungsmaschine (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 9 und eine Brennstoffzellenanordnung (160) mit einem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang (162) und einem kathodenseitigen Brennstoffzellenausgang (164), wobei die Strömungsmaschine (100) mit dem Brennstoffzelleneingang (162) zur Luftversorgung der Brennstoffzellenanordnung (160) und/oder dem Brennstoffzellenausgang (164) zum Abführen eines Abgasstroms (140) der Brennstoffzellenanordnung (160) fluidleitend verbunden ist.
Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), umfassend eine Lagereinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder eine Strömungsmaschine (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 9 und/oder ein Brennstoffzellensystem (150) nach Anspruch 10.