DE102022207715A1 - Magnetrotoreinrichtung für einen Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem, Seitenkanalverdichter und Verfahren zum Herstellen einer Magnetrotoreinrichtung für einen Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem - Google Patents

Magnetrotoreinrichtung für einen Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem, Seitenkanalverdichter und Verfahren zum Herstellen einer Magnetrotoreinrichtung für einen Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

Magnetrotoreinrichtung (2) für einen Seitenkanalverdichter (1) für ein Brennstoffzellensystem (31) zur Förderung und/oder Verdichtung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, wobei die Magnetrotoreinrichtung (2) drehbar um eine Drehachse (4) gelagert und/oder mittels eines Antriebs (6) antreibbar ist, wobei die Magnetrotoreinrichtung (2) ein Verdichterrad (10), mittels dem insbesondere in einem Verdichterraum (30) ein Gasstrom erzeugbar ist, eine Nabe (9), einen Rückschlussring (22) und mindestens ein Lager (27, 47) aufweist. Erfindungsgemäß weist die Nabe (9) eine ringförmig um die Drehachse (4) verlaufende und von einem Rotor-Raum (46) kapselbare Aussparung (13) auf, wobei sich zumindest nahezu vollständig die Bauteile Rückschlussring (22) und mindestens zwei Segmentmagnete (24), idealerweise vier Segmentmagnete (24), in der Aussparung (13) befinden. Dabei weist der Rückschlussring (22) mindestens einen ringförmig um die Drehachse (4) verlaufenden Steg (42) auf, wobei der Rückschlussring (22) mittels des mindestens einen ringförmig verlaufenden Stegs (42) mit der Nabe (9) verbunden ist.Die Erfindung betrifft ferner einen Seitenkanalverdichter (1) mit einer erfindungsgemäßem Magnetrotoreinrichtung (2) und/oder ein Brennstoffzellensystem (31) und/oder ein Verfahren zum Herstellen der Magnetrotoreinrichtung (2).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetrotoreinrichtung für einen Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem, Seitenkanalverdichter und Verfahren zum Herstellen einer Magnetrotoreinrichtung für einen Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem.
  • Stand der Technik
  • Im Fahrzeugbereich spielen neben flüssigen Kraftstoffen in Zukunft auch gasförmige Kraftstoffe eine zunehmende Rolle. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb müssen Wasserstoffgasströme gesteuert werden. Die Gasströme werden hierbei nicht mehr diskontinuierlich, wie bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff gesteuert, sondern es wird das gasförmige Medium aus mindestens einem Hochdrucktank entnommen und über eine Zuströmleitung eines Mitteldruckleitungssystem an eine Ejektoreinheit geleitet. Diese Ejektoreinheit führt das gasförmige Medium über eine Verbindungsleitung eines Niederdruckleitungssystems zu einer Brennstoffzelle. Nachdem das gasförmige Medium durch die Brennstoffzelle geströmt ist, wird es über eine Rückführleitung zurück zur Ejektoreinheit geführt. Dabei kann ein Seitenkanalverdichter zwischengeschaltet werden, der die Gasrückführung strömungstechnisch und effizienztechnisch unterstützt. Zudem werden Seitenkanalverdichter zur Unterstützung des Strömungsaufbaus im Brennstoffzellenantrieb eingesetzt, insbesondere bei einem (Kalt)-Start des Fahrzeugs nach einer gewissen Standzeit. Das Antreiben dieser Seitenkanalverdichter erfolgt üblicherweise über Elektromotoren, die beim Betrieb in Fahrzeugen über die Fahrzeugbatterie mit Spannung versorgt werden.
  • Aus der DE 10 2018 222 102 A1 ist ein Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem ein gasförmiges Medium, insbesondere Wasserstoff, gefördert und/oder verdichtet wird. Der Seitenkanalverdichter weist dabei ein Gehäuse und einen Antrieb auf, wobei das Gehäuse ein Gehäuse-Oberteil und ein Gehäuse-Unterteil aufweist, mit einem in dem Gehäuse umlaufend um eine Drehachse verlaufenden Verdichterraum, der mindestens einen umlaufenden Seitenkanal aufweist, mit einem in dem Gehäuse befindlichen Verdichterrad, das drehbar um die Drehachse angeordnet ist und durch den Antrieb angetrieben wird. Dabei weist das Verdichterrad an seinem Umfang im Bereich des Verdichterraums angeordnete Schaufelblätter auf und ist mit jeweils einer am Gehäuse ausgebildeten Gas-Einlassöffnung und einer Gas-Auslassöffnung, die über den Verdichterraum, insbesondere den mindestens einen Seitenkanal, fluidisch miteinander verbunden sind, wobei der Seitenkanalverdichter mindestens ein Lager aufweist. Zudem ist in der DE 10 2018 222 102 A1 gezeigt, dass sich eine Rotor-Baugruppe, der als ein Permanentmagnet ausgeführt sein kann, an einem Mitnahme-Flansch befindet, der eine Nabe entspricht.
  • Der aus der DE 10 2018 222 102 A1 bekannte Seitenkanalverdichter kann gewisse Nachteile aufweisen. Die Rotor-Baugruppe und/oder der Permanentmagnet befindet sich am Mitnahme-Flansch und sind nicht von einem Rotor-Raum gekapselt, insbesondere sind die Rotor-Baugruppe und/oder der Permanentmagnet nicht fluidisch vom Rotor-Raum gekapselt. Bei der Verwendung des Seitenkanalverdichters kann Wasserstoff in den Rotor-Raum eindringen und die metallischen Komponenten und/oder die Rotor-Baugruppe und/oder den Permanentmagneten schädigen, insbesondere mittels Wasserstoffversprödung. Dabei kann es zu einem Ausfall der Rotor-Baugruppe und/oder des Permanentmagneten kommen, so dass das Verdichterrad und/oder eine Magnetrotoreinrichtung nicht mehr mittels des Antriebs, insbesondere mittels eines Stators und Rotor-Baugruppe antreibbar ist, so dass sich die Ausfallwahrscheinlichkeit des Antriebs und somit des gesamten Seitenkanalverdichters erhöht.
  • Ein weiterer Nachteil des in der DE 10 2018 222 102 A1 bekannten Seitenkanalverdichters ist der, dass ein Rückschlussring und/oder der Permanentmagnet in die Nabe eingepresst wird, insbesondere mit Ihrem Innendurchmesser einen Pressverband mit der Nabe ausbilden, wodurch sich aufgrund der Spannungen eine Verformung der Nabe, insbesondere einer Lagerbohrung und/oder eines Lagersitzes, ergibt, so dass die Lagerbohrung und/oder der Lagersitz nachbearbeitet werden müssen, was die Kosten aufgrund des zusätzlichen Prozessschritts erhöht.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird eine Magnetrotoreinrichtung für einen Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem zur Förderung und/oder Verdichtung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereitgestellt. Dabei befindet sich die Magnetrotoreinrichtung zumindest nahezu vollständig in einem Rotor-Raum und ist drehbar um eine Drehachse gelagert und/oder mittels eines Antriebs antreibbar. Dabei weist die Magnetrotoreinrichtung ein Verdichterrad, mittels dem insbesondere in dem Verdichterraum ein Gasstrom erzeugbar ist, eine Nabe, einen Rückschlussring und mindestens ein Lager auf.
  • Bezugnehmend auf Anspruch 1 weist eine Nabe eine ringförmig um die Drehachse verlaufende und vom Rotor-Raum kapselbare Aussparung auf, wobei sich zumindest nahezu vollständig die Bauteile Rückschlussring und mindestens zwei Segmentmagnete, idealerweise vier Segmentmagnete in der Aussparung befinden. Dabei weist der Rückschlussring mindestens einen ringförmig um die Drehachse verlaufenden Steg auf, wobei der Rückschlussring mittels des mindestens einen ringförmig verlaufenden Stegs mit der Nabe verbunden ist.
  • Auf diese Weise lässt sich zum einen der Vorteil erzielen, dass eine kompakte und platzsparende Anordnung und Bauweise der Magnetrotoreinrichtung herbeigeführt werden kann, da sich die Bauteile Rückschlussring und Segmentmagnet in der Aussparung und somit in der Nabe integrieren lassen, wodurch die Magnetrotoreinrichtung in Richtung der Drehachse schmaler baut, im Vergleich zur Magnetrotoreinrichtung aus dem Stand der Technik.
  • Zudem lässt sich auf diese Weise der Vorteil erzielen, dass der Rückschlussring mittels des mindestens einen ringförmig verlaufenden Stegs mit der Nabe verbunden ist. Somit sind keine weiteren Bauteile zum Verbinden des Rückschlussrings mit der Nabe notwendig, wodurch sich die Bauteilkosten reduzieren lassen. Auch kann die Ausfallwahrscheinlichkeit der Lager verbessert werden, da eine Lagerbohrung, insbesondere die Toleranzen eines Lagersitzes, im Innendurchmesser der Nabe durch den Einsatz des ringförmig verlaufenden Stegs zum Fixieren des Rückschlussrings an der Nabe zumindest nahezu nicht verändert wird, da das Einpressen des Stegs des Rückschlussrings in die Nabe die Lagerbohrung nicht verformt. Dies ist dadurch begründet, dass sich der Steg nicht in unmittelbarer Nähe des Lagersitzes befindet und durch ein parallel zur Drehachse gerichtetes Einpressen des Stegs in die Nabe der Lagersitz zumindest nahezu nicht beeinflusst wird. Dies führt zu einer erhöhten Lebensdauer der Lager und/oder der Nabe und/oder der Magnetrotoreinrichtung und/oder des Seitenkanalverdichters.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Magnetrotoreinrichtung und/oder des Seitenkanalverdichters möglich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Magnetrotoreinrichtung wird der Steg des Rückschlussrings derart in die Nabe eingepresst, insbesondere in Richtung der Drehachse in eine zumindest teilweise vorhandene Öffnung der Nabe, so dass sich eine kraftschlüssige und/oder reibschlüssige Verbindung, insbesondere ein Pressverband, zwischen dem Steg des Rückschlussrings und der Nabe ausbildet. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass sich eine zuverlässige Verbindung des Rückschlussrings mit der Nabe herstellen lässt, ohne dass der Lagersitz der Nabe und/oder des Verdichterrads beeinflusst wird. Die formschlüssige und/oder reibschlüssige Verbindung des Rückschlussrings und der Nabe mittels des Stegs weist dabei eine hohe Festigkeit auf, so dass die Bauteile Rückschlussring und Nabe über die gesamte Lebensdauer des Seitenkanalverdichters oder des Brennstoffzellensystems stabil miteinander verbunden bleiben. Zudem kann die derartige Verbindung der Bauteile mittels des eingepressten Stegs sehr kompakt ausgeführt werden, wodurch sich die Baugröße des gesamten Seitenkanalverdichters reduzieren lässt. Dies wiederum kann den benötigten Einbauraum des Seitenkanalverdichters im Gesamtfahrzeug verringern.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Magnetrotoreinrichtung befindet sich der Steg auf der einem Stator abgewandten Stirnseite des Rückschlussrings. Dabei ragt der Steg in eine zumindest teilweise vorhandene Öffnung der Nabe hinein und/oder in diese eingepresst ist, insbesondere in Richtung der Drehachse. Auf diese Weise kann eine einfache und kostengünstige Montage des Rückschlussrings und/oder des Segmentmagneten in der Nabe, insbesondere in Richtung der Drehachse, erfolgen. Dabei wird der Bereich der Nabe zur Herstellung der Verbindung genutzt mittels des Stegs genutzt, in dem die Nabe eine hohe Wandstärke und einen hohen Materialüberschuss besitzt, so dass die strukturelle Festigkeit und/oder Steifigkeit des Bauteils Nabe durch das Einpressen des Stegs zumindest nahezu nicht verringert wird. Auf diese Weise kann eine geringe Ausfallwahrscheinlichkeit der Nabe und/oder der Rotor-Baugruppe und/oder der Magnetrotoreinrichtung herbeigeführt werden. Zudem kann eine Lagerbelastung in diesem reduziert werrden. Des Weiteren wird das ausgebildete Magnetfeld zwischen dem Stator und Rotor zwecks Antriebs des Verdichterrads durch den Steg nur unmaßgeblich beeinflusst, da sich dieser auf der dem Stator und/oder Magnetrotor abgewandten Stirnseite der Nabe und/oder der Magnetrotoreinrichtung befindet
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Magnetrotoreinrichtung befindet der sich der Steg in einem abseitigen Bereich einer Mittelachse einer Gewindebohrung und der Drehachse. Auf diese Weise kann die Verbindung zwischen dem Steg des Rückschlussrings und der Nabe möglichst weit weg von der Lagerbohrung angeordnet sein, so dass durch das Ausbilden der Verbindung zwischen Nabe und Rückschlussring keine Verformung und gegebenenfalls Nachbearbeitung der Lagerbohrung notwendig ist. Somit können die Kosten, insbesondere die Bearbeitungskosten, der Magnetrotoreinrichtung reduziert werden und/oder es kann die Ausfallwahrscheinlichkeit der Magnetrotoreinrichtung verringert werden aufgrund eines Lagerschadens ausgelöst durch eine Verformung der Lagerbohrung.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Magnetrotoreinrichtung befindet sich der Steg in einem Bereich zwischen einer Mittelachse einer Gewindebohrung und der Drehachse. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass eine kompakte Bauform der Magnetrotoreinrichtung erzielt werden kann. Des Weiteren kann somit der Bereich, in dem der Steg des Rückschlussrings und die Nabe eine Verbindung ausbilden, in den Bereich der Nabe verlegt werden, indem die Nabe eine hohe Festigkeit aufweist aufgrund hoher Wanddicken und vorhandenen Materialeinsatzes, so dass sich das Drehmoment zumindest mittelbar vom Antrieb über den Rückschlussring und von dort auf die Nabe zuverlässig übertragen lässt, was zu einer hohen Lebensdauer der Magnetrotoreinrichtung und/oder des Seitenkanalverdichters führt. Zudem lässt sich auf diese Weise der Vorteil erzielen, dass sich eine zuverlässige Verbindung des Rückschlussrings mit der Nabe erzielt werden kann. Diese Verbindung lässt sich bei der Montage schnell und kostengünstig herstellen
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Magnetrotoreinrichtung weist der Steg auf seiner der Drehachse zugewandten Fläche einen Freistich und/oder einen Absatz auf. Zudem kann der Steg gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Magnetrotoreinrichtung einen gestuften Bereich aufweisen. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass vorhandene Spannungen im Bauteil Rückschlussring reduziert werden können, insbesondere im Bereich des Stegs, wodurch insbesondere nach der ausgebildeten Verbindung zwischen dem Rückschlussring und der Nabe ein Ausfall des Bauteils Rückschlussring aufgrund von Bauteilversagen und/oder Materialermüdung verhindert wird. Dies führt zu einer verringerten Ausfallwahrscheinlichkeit des Rückschlussrings und/oder des Seitenkanalverdichters.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Magnetrotoreinrichtung ist die zum Stator hin geöffnete Aussparung mittels eines Abschlussblechs verschlossen und/oder gekapselt. Auf diese Weise kann eine kostengünstige und effiziente Kapselung der Aussparung und der in der Aussparung befindlichen Bauteile, insbesondere dem Rückschlussring und dem jeweiligen Segmentmagnet, erzielt werden. Dabei kann verhindert werden, dass Wasser und/oder Wasserstoff aus dem Bereich des Rotor-Raums in den Bereich der Aussparung eindringen kann und die in dieser Aussparung befindlichen Bauteile schädigen kann, beispielsweise durch Wasserstoffversprödung und/oder durch Oxidation. Somit kann die Ausfallwahrscheinlichkeit der Magnetrotoreinrichtung und/oder des Seitenkanalverdichters verringert werden, wobei die Lebensdauer des Seitenkanalverdichters erhöht und/oder verbessert werden kann.
  • Da der bevorzugte Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Magnetrotoreinrichtung ein Seitenkanalverdichter und/oder ein Brennstoffzellensystem ist, wird ferner ein Seitenkanalverdichter und/oder ein Brennstoffzellensystem mit der erfindungsgemäßen Magnetrotoreinrichtung vorgeschlagen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Herstellen der Magnetrotoreinrichtung für einen Seitenkanalverdichter und/oder ein Brennstoffzellensystem. Dabei wird der Rückschlussring bereitgestellt, wobei der Rückschlussring mindestens zwei Vorsprünge aufweist, die insbesondere in Richtung der Drehachse verlaufen, zwischen denen jeweils ein Segmentmagnet anbringbar ist. Dieser Rückschlussring wird daraufhin in die Aussparung der Nabe eingebaut. Dabei ist der Rückschlussring mittels des mindestens einen ringförmigen verlaufenden Stegs mit der Nabe verbunden, wobei der Steg derart in Richtung der Drehachse in die Nabe eingepresst wird, insbesondere in eine zumindest teilweise vorhandene Öffnung, so dass sich ein Pressverband zwischen dem Steg und der Nabe ausbildet. Dann wird der jeweilige Segmentmagnet mit dem Rückschlussring, insbesondere einer Stirnfläche des Rückschlussrings, und/oder mit den jeweiligen Vorsprüngen verbunden. Diese Verbindung kann mittels eines formschlüssigen und/oder eines stoffschlüssigen und/oder eines kraftschlüssigen Verfahrens hergestellt werden, zum Ausbilden der Rotor-Baugruppe.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens wird das Abschlussblech am Kragen und am Ansatz mittels eines stoffschlüssigen Verfahrens, insbesondere Laserschweißens, angebracht.
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
  • Es zeigt:
    • 1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichters,
    • 2 eine schematische Schnittansicht einer Magnetrotoreinrichtung mit einem Verdichterrad, einer Nabe, einem Rückschlussring und mindestens einem Lager,
    • 3 eine perspektivische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Nabe gemäß einer beispielhaften Ausführung mit dem Rückschlussring mit vier Vorsprüngen und vier jeweiligen Segmentmagneten,
    • 4 eine perspektivische Schnittansicht der Rotor-Baugruppe mit einem aufgeschweissten Abschlussblech,
    • 5 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Rotor-Baugruppe gemäß dem Stand der Technik,
    • 6 eine schematische Schnittansicht der Magnetrotoreinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
    • 7 eine schematische Schnittansicht der Magnetrotoreinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
    • 8 eine schematische Schnittansicht der Magnetrotoreinrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel mit dem Steg, der einen Freistich und/oder einen Absatz aufweist,
    • 9 eine schematische Schnittansicht der Magnetrotoreinrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel mit dem Steg, der einen gestuften Bereich aufweist.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Der Darstellung gemäß 1 ist eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichters 1 zu entnehmen.
  • Dabei ist in 1 gezeigt, dass der Seitenkanalverdichter 1 für ein Brennstoffzellensystem 31 zur Förderung und/oder Verdichtung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Gehäuse 3 und einem Antrieb 6, wobei das Gehäuse 3 ein Gehäuse-Oberteil 7 und ein Gehäuse-Unterteil 8 aufweist. Zudem weist das Gehäuse 3 einen umlaufend um eine Drehachse 4 verlaufenden Verdichterraum 30 auf, der mindestens einen umlaufenden Seitenkanal 19, 21 aufweist, mit einer in dem Gehäuse 3 befindlichen Magnetrotoreinrichtung 2, die drehbar um die Drehachse 4 angeordnet ist und durch den Antrieb 6 angetrieben wird, wobei die Magnetrotoreinrichtung 2 an ihrem Umfang im Bereich des Verdichterraums 30 angeordnete Schaufelblätter 5 aufweist und mit jeweils einer am Gehäuse 3 ausgebildeten Gas-Einlassöffnung 14 und einer Gas-Auslassöffnung 16, die über den Verdichterraum 30, insbesondere den mindestens einen Seitenkanal 19, 21, fluidisch miteinander verbunden sind, wobei der Seitenkanalverdichter 1 mindestens ein Lager 27, 47 aufweist. Der mindestens eine Seitenkanal 19, 21 kann dabei zumindest in einem Teilbereich des Gehäuses 3 umlaufend um die Drehachse 4 verlaufen, wobei in dem Teilbereich, in dem der mindestens eine Seitenkanal 19, 21 im Gehäuse 3 nicht ausgebildet ist, ein Unterbrecher-Bereich 15 im Gehäuse 3 ausgebildet ist.
  • Zudem ist in 1 gezeigt, dass der Antrieb 6 als ein Axialfeld-Elektromotor 6 ausgeführt ist, der einen Stator 11 und einer Rotor-Baugruppe 17 aufweist, wobei der Stator 11 und die Rotor-Baugruppe 17 scheibenförmig umlaufend um die Drehachse 4 ausgebildet sind und wobei der Stator 11 in Richtung der Drehachse 4 neben der Rotor-Baugruppe 17 angeordnet ist. Dabei kann sich die Rotor-Baugruppe 17 zumindest mittelbar an oder in einer Nabenscheibe 23 der Magnetrotoreinrichtung 2 befinden. Zudem ist in 1 gezeigt, dass der Seitenkanalverdichter 1 einen Stator-Raum 48 und einem Rotor-Raum 46 aufweist, wobei in diesen Räumen 46, 48 zumindest teilweise Bauteile des Antriebs 6 angeordnet sind. Dabei weist das Gehäuse-Oberteil 7 eine durchgehende Wandung 29 auf, die sich zwischen dem Stator-Raum 48 und dem Rotor-Raum 46 befindet und eine fluidische Trennung dieser bewirkt. Der Stator-Raum 48 ist zudem von einem Statorgehäuse 39 zumindest teilweise umgeben und/oder gekapselt. Dabei weist das Gehäuse-Unterteil 8 einen zylindrischen Lagerzapfen 12 auf, wobei der Lagerzapfen 12 derart in Richtung der Drehachse 4 verläuft, dass seine Mantelfläche umlaufend um die Drehachse 4 verläuft und wobei ein erstes Lager 27 und/oder ein zweites Lager 47 radial zur Drehachse 4 mit der Mantelfläche des Lagerzapfens 12 in Kontakt stehen. Dabei kann der Antrieb 6 als ein Axialfeld-Elektromotor 6 ausgeführt sein, der den Stator 11 und die Rotor-Baugruppe 17 aufweist, wobei der Stator 11 in Richtung der Drehachse 4 neben der Rotor-Baugruppe 17 angeordnet ist. Zudem weist der Seitenkanalverdichter 1 den zylindrischen Lagerzapfen 12 auf, wobei der Lagerzapfen 12 derart in Richtung der Drehachse 4 verläuft, dass seine Mantelfläche umlaufend um die Drehachse 4 verläuft. Dabei stehen das erste Lager 27 und/oder das zweite Lager 47 radial zur Drehachse 4 mit der Mantelfläche des Lagerzapfens 12 in Kontakt.
  • In 2 ist eine schematische Schnittansicht der Magnetrotoreinrichtung 2 mit einem Verdichterrad 10, einer Nabe 9, einem Rückschlussring 22 und mindestens einem Lager 27, 47 gezeigt. Die gezeigte Magnetrotoreinrichtung 2 ist dabei ein Bauteil des Seitenkanalverdichter 1 für das Brennstoffzellensystem 31 zur Förderung und/oder Verdichtung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff. Dabei kann sich die Magnetrotoreinrichtung 2 zumindest nahezu vollständig in dem Rotor-Raum 46 befinden und drehbar um die Drehachse 4 gelagert und mittels des Antriebs 6 antreibbar sein. Dabei weist die Magnetrotoreinrichtung 2 das Verdichterrad 10 auf, mittels dem insbesondere in dem Verdichterraum 30 ein Gasstrom erzeugbar ist. Des Weiteren weist die Magnetrotoreinrichtung 2 die Nabe 9, den Rückschlussring 22 und mindestens ein Lager 27, 47 auf.
  • Weiterhin ist 2 gezeigt, dass die Nabe 9 eine ringförmig um die Drehachse 4 verlaufende und vom Rotor-Raum 46 kapselbare Aussparung 13 aufweist, wobei sich zumindest nahezu vollständig die Bauteile Rückschlussring 22 und mindestens zwei Segmentmagnete 24, idealerweise vier Segmentmagnete 24, in der Aussparung 13 befinden. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen können sich aber auch sechs Segmentmagnete 24 oder mehr in der Aussparung 13 befinden. Zwischen dem ersten Lager 27 und dem zweiten Lager 47 kann sich in Richtung der Drehachse 4 eine Distanzscheibe 37 befinden.
  • Wie in 2 gezeigt, ist die Rotor-Baugruppe 17 mittels mindestens einer Federscheibe 33 und mindestens einer Schraube 35 mit dem Verdichterrad 10 verbunden, insbesondere kraftschlüssig und/oder formschlüssig. Die Aussparung 13 verläuft orthogonal zur Drehachse 4 und weist auf ihrer der Drehachse 4 abgewandten Seite wird über einen umlaufenden zylindrischen Kragen 32 und auf ihrer der Drehachse 4 zugewandten Seite über einen umlaufenden zylindrischen Ansatz 34 jeweils von der Nabe 9 begrenzt. Dabei bildet die Nabe 9 an ihrem der Drehachse 4 abgewandten Außendurchmesser den zylindrischen Kragen 32 aus und auf Ihrem der Drehachse 4 zugewandten Innendurchmesser den zylindrischen Ansatz 34 aus. Innerhalb des Innendurchmessers und/oder des zylindrischen Ansatzes 34 befindet sich zudem eine Lagerbohrung 36 mit einem Lagersitz 45.
  • 2 zeigt, dass die Aussparung 13 auf Ihrer dem Stator 11 zugewandten Seite, insbesondere in Richtung der Drehachse 4, geöffnet ist. In einer beispielhaften Ausführungsform des Seitenkanalverdichters 1 ist die Aussparung 13 zum Stator 11 hin geöffnet, wobei die Aussparung 13 mittels eines Abschlussblechs 26 verschlossen und/oder gekapselt werden kann. Das Abschlussblech 26 ist dabei an einer dem Stator 11 zugewandten Stirnfläche der Nabe 9 angebracht, wobei das Abschlussblech 26 unmagnetisch ist und mittels mindestens einer Laserschweißung an der Nabe 9 angebracht werden kann. Dabei bilden die Nabe 9 und/oder der Rückschlussring 22 und/oder die Segmentmagnete 24 und/oder die Federscheibe 33 und/oder die Schraube 35 die Rotor-Baugruppe 17 aus.
  • Die in 2 dargestellte Magnetrotoreinrichtung 2 kann eine Vielzahl an Materialien aufweisen. In einer beispielhaften Ausführungsform der Magnetrotoreinrichtung 2 kann die Nabe 9 einen austenitischer Edelstahl aufweisen, insbesondere X2CrNiMo17-12-2 (1.4404), der Rückschlussring 22 kann einen unlegierten Baustahl aufweisen, insbesondere S235JR und/oder St37 und/oder St52, und/oder einen magnetischen Automatenstahl, insbesondere 11SMn30. Die Segmentmagnete 24 können beispielsweise Nd FeB aufweisen und das Abschlussblech 26 kann austenitischer Edelstahl aufweisen, insbesondere X2CrNiMo17-12-2 (1.4404). Zudem wird das Verdichterrad 10, welches Aluminium und/oder Kunststoff aufweisen kann, und einen gestuften Verlauf aufweist, in Richtung der Drehachse 4 auf die Nabe 9 aufgeschoben, bevor die Bauteile Nabe 9 und Verdichterrad 10 mit den Absätzen Ihres gestuften Verlaufs in Anlage kommen und dann mittels der mindestens einen Federscheibe 33 und der mindestens einen Schraube 35 verschraubt werden.
  • Nach diesem Montageschritt wird die Magnetrotoreinrichtung 2 gewuchtet, um die Fliehkräfte während des Betriebes klein zu halten. Hier wird Material an definierten Bereichen des Verdichterrads 10 und/oder der Nabe 9 weggenommen. Nach dem Wuchten werden schließlich die Lager 27, 47 und die Distanzscheibe 37 über den Außendurchmesser eingepresst.
  • 3 zeigt eine perspektivische Draufsicht der erfindungsgemäßen Nabe 9 gemäß einer beispielhaften Ausführung mit dem Rückschlussring 22 mit vier Vorsprüngen 25 und vier jeweiligen Segmentmagneten 24. Dabei ist gezeigt, dass die Nabe 9 an ihrem der Drehachse 4 zugewandten Innendurchmesser den um die Drehachse 4 umlaufenden Ansatz 34 aufweist und dass die Nabe 9 an ihrem der Drehachse 4 abgewandten Außendurchmesser den um die Drehachse 4 umlaufenden Kragen 34 aufweist. In die Aussparung 13 der Nabe 9 wird der Rückschlussring 22 eingelegt und/oder eingepresst. Danach können die Segmentmagnete 24 auf dem Rückschlussring 22 montiert werden. Dabei kann der Rückschlussring 22 in einer beispielhaften Ausführungsform der Magnetrotoreinrichtung 2 einen, insbesondere in Richtung der Drehachse 4 verlaufenden, ersten Vorsprung 25a, zweiten Vorsprung 25b, dritten Vorsprung 25c und vierten Vorsprung 25d aufweisen. In alternativen Ausführungsformen kann der Rückschlussring 22 mindestens zwei Vorsprünge 25 oder mehrere Vorsprünge 25 aufweisen. Dabei befinden sich jeweils im Zwischenraum zwischen zwei Vorsprüngen 25 jeweils ein Segmentmagnet 24 umlaufend um die Drehachse 4. In dieser beispielhaften Ausführungsform der Magnetrotoreinrichtung 2 weist diese einen ersten Segmentmagneten 24a, einen zweiten Segmentmagneten 24b, einen dritten Segmentmagneten 24c und einen vierten Segmentmagneten 24d auf.
  • Dabei sind jeweils zwei gegenüberliegende Segmentmagnete 24 als Nordpol und zwei gegenüberliegende Segmentmagnete 24 als Südpol ausgebildet, so dass sich auf einer Kreisförmigen Laufbahn immer jeweils ein Segmentmagnet 24 als Nordpol und Südpol auf einer umlaufend um die Drehachse 4 verlaufenden Kreisbahn abwechseln. Diese als Kreissegmente ausgebildete Segmentmagnete 24 können eine gerade Anzahl magnetisierbarer Segmentmagnete 24 darstellen, welche auf eine Seite der Nabe 9 aufgesetzt sind. Zwischen den Kreissegmenten 24 sind die Vorsprünge 25 vorhanden, welche die Segmentmagneten 24 voneinander lateral (im radialen Umlauf) separieren können. In der Magnetrotoreinrichtung 2 müssen die Segmentmagnete 24 befestigt werden, um das Drehmoment des Antriebs 6 sowie eine optionale axiale Magnetkraft, zu übertragen. Diese Funktion wird durch den mit der Nabe 9 fest verbundenen Rückschlussring 22 übernommen.
  • 4 zeigt eine perspektivische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Magnetrotor-Einrichtung 2 mit dem Abschlussblech 26. Dabei ist gezeigt, dass das Abschlussblech 26 in dieser beispielhaften Ausführungsform der Magnetrotoreinrichtung 2 derart am Kragen 32 (gezeigt in 2) und am Ansatz 34 mittels eines stoffschlüssigen Verfahrens, insbesondere Laserschweißens, angebracht wird, dass eine Kapselung der Aussparung 13 (gezeigt in 2), insbesondere eine fluidische Kapselung erfolgt. Somit ist die zum Stator 11 hin geöffnete Aussparung 13 mittels des Abschlussblechs 26 verschlossen und/oder gekapselt. Dabei kann eine jeweilige Laserschweißnaht 38 im Kragen 32 und/oder im Ansatz 34 entweder aus mehreren um die Drehachse 4 umlaufenden punktuellen Laserschweißnaht 38 bestehen, die Stiftförmig sich verjüngend von dem Abschlussblech 26 in die Nabe 9 verlaufen. Es kann sich aber auch um eine ringförmig um die Drehachse 4 durchgängig umlaufenden jeweilige Schweißnaht im Kragen 32 und/oder im Ansatz 34 handeln.
  • 5 zeigt eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Rotor-Baugruppe 17 (gezeigt in 2) gemäß dem Stand der Technik. Dabei wird der Rückschlussring 22 in den Bereich der Fläche 40 in die Nabe 9 eingepresst. Durch diese Pressung verformt sich die Lagerbohrung 36. Die anschließende Montage der jeweiligen Lager 27, 47, bei denen es sich insbesondere um Kugellager 27, 47 handelt, kann aufgrund der Verformung im Bereich der Fläche 40 nur sehr schwer möglich und kann die Lager 27, 47 vorschädigen, so dass die Ausfallwahrscheinlichkeit der Lager 27, 47 und somit des gesamten Seitenkanalverdichters 1 reduziert wird. Alternativ müsste die Lagerbohrung 36 im Nachgang ausgeschliffen werden.
  • In 6 ist eine schematische Schnittansicht der Rotoreinrichtung 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Dabei weist der Rückschlussring 22 mindestens einen ringförmig um die Drehachse 4 verlaufenden Steg 42 auf, wobei der Rückschlussring 22 mittels des mindestens einen ringförmig verlaufenden Stegs 42 mit der Nabe 9 verbunden ist. Dabei kann in einer beispielhaften Ausführungsform der Rotoreinrichtung 2 der Steg 42 des Rückschlussrings 22 derart in die Nabe 9 eingepresst werden, insbesondere in Richtung der Drehachse 4 in eine zumindest teilweise vorhandene Öffnung 44 der Nabe 9, dass sich eine kraftschlüssige und/oder reibschlüssige Verbindung, insbesondere ein Pressverband, zwischen dem Steg 42 des Rückschlussrings 22 und der Nabe 9 ausbildet. Dabei befindet sich der Steg 42 auf der dem Stator 11 zugewandten Stirnseite des Rückschlussrings 22 und in eine zumindest teilweise vorhandene Öffnung 44 der Nabe 9 hineinragt und/oder in diese eingepresst ist, insbesondere in Richtung der Drehachse 4. In diesem ersten Ausführungsbeispiel befindet sich dieser Steg 42a in einem abseitigen Bereich einer Mittelachse 51 einer Gewindebohrung 49 und der Drehachse 4.
  • 6 zeigt zudem, dass sich auf dem der Drehachse 4 zugewandten Innendurchmesser der Nabe 9 der Lagersitz 45 ausbildet, wobei sich ein erstes Lager 27 und/oder ein zweites Lager 47 im Lagersitz 45 befinden. Jedes Lager 27, 47 weist dabei einen Lagerinnenring 41 und einen Lageraußenring 43 auf.
  • Zwecks eines möglichen Herstellprozesses und/oder eines Verfahrens zum Herstellen der Magnetrotoreinrichtung 2 für den Seitenkanalverdichter 1 und/oder das Brennstoffzellensystem 31 können folgende Schritte zum Ausbilden der Magnetrotoreinrichtung 2 erfolgen:
    • - Bereitstellen eines Rückschlussring 22, wobei der Rückschlussring 22 mindestens zwei Vorsprünge 25 aufweist, zwischen denen jeweils ein Segmentmagnet 24 anbringbar ist,
    • - Einbau des Rückschlussrings 22 in der Aussparung 13 der Nabe 9, wobei der Rückschlussring 22 mittels des mindestens einen ringförmig verlaufenden Stegs 42 mit der Nabe 9 verbunden ist, indem der Steg 42 derart in Richtung der Drehachse 4 in die Nabe 9 eingepresst wird, insbesondere in eine zumindest teilweise vorhandene Öffnung 44, so dass sich ein Pressverband zwischen dem Steg 42 und der Nabe 9 ausbildet,
    • - Verbinden des jeweiligen Segmentmagneten 24 mit dem Rückschlussring 22, insbesondere mit einer Stirnfläche des Rückschlussrings 22 und/oder mit den jeweiligen Vorsprüngen 25, mittels eines formschlüssigen, stoffschlüssigen oder kraftschlüssigen Verfahrens, zum Ausbilden einer Rotor-Baugruppe 17,
  • Wie in 6 dargestellt kann eine Befestigung des Rückschlussringes 22 mitteldes Stegs 42 hergestellt werden, ohne dass die Lagerbohrung 36 der Nabe 9 verformt wird. Die Lagerbohrung 36 dient als Lagersitz 45 und hat deshalb sehr enge Toleranzanforderungen. Dabei ist die Nabe 9 aus einem relativ weichen, nicht magnetischen, schweißbaren, austenitischen Edelstahl. Dies und die sehr geringe Wandstärke im Bereich des umlaufenden zylindrischen Ansatzes 34 ist der Grund, dass sich die Lagerbohrung 36 bei dem einpressten Rückschlussrings 22, der eine hohe Steifigkeit aufweist, im in 5 gezeigten Stand der Technik verformen kann. Somit wird mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Magnetrotoreinrichtung 2 mit dem mittels des Stegs 42 befestigten Rückschlussring 22 eine Verformung der Lagerbohrung 36 verhindert, die beim Einpressen des jeweiligen Lagers 27, 47 zu einem stark reduzierten Lagerspiel führen würde, was sich über den Temperaturgang (im speziellen bei tiefen Temperaturen) negativ auf die Lagerlebensdauer auswirken würde. Somit muss aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Magnetrotoreinrichtung 2 nach der Montage der Rotor-Baugruppe 17, nicht mehr die Lagerbohrung 36 aufwendig nachgeschliffen werden. Aufgabe ist es eine Verbindung auszulegen, welche die Lagerbohrung 36 nach der Montage nicht verformt und ein nachträgliches Ausschleifen der Lagerbohrung 36 nicht notwendig macht. Der Rückschlussring 22 überträgt das Drehmoment des Antriebs 6 auf das Verdichterrad 10 und muss des Weiteren die Axialkraft des Stators 11 standhalten. Durch diese Befestigung des Rückschlussringes 22 mittel des Stegs 42 an der Nabe werden Verformungen am Lagersitz 45 und/oder an der Lagerbohrung 36 verhindert. Zusätzlich entfällt das nachträgliche sehr aufwendige Bearbeiten des Lagersitz 45 und/oder an der Lagerbohrung 36 und es können aufwendige Schleifprozesse (im Bereich des Pressverbandes) bei den Bauteilen Nabe 9 und Rückschlussring 22 entfallen was die Einzelteile wieder günstiger macht. Als Vorteile ergeben sich eine Erhöhung der Lebensdauer der Lager 27, 47, einfachere und kostenreduzierte Herstellbarkeit der Magnetrotoreinrichtung 2, da aufwendige Schleifprozesse entfallen.
  • 7 zeigt eine schematische Schnittansicht der Magnetrotoreinrichtung 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Dabei befindet sich sich der Steg 42b in einem Bereich zwischen der Mittelachse 51 der Gewindebohrung 49 und der Drehachse 4.
  • 8 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des Rückschlussrings 22 mit dem Steg 42, bei der der Steg 42 auf seiner der Drehachse 4 zugewandten Fläche einen Freistich 18 und/oder einen Absatz 50 aufweist. Dabei befindet sich der Pressbereich auf dem Absatz 50. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann sich der Steg 42 auch orthogonal zur Drehachse 4 an einer anderen Stelle der Stirnfläche des Rückschlussrings 22 befinden, wobei sich der Freistich 18 und/oder der Absatz 50 dabei auf der der Drehachse 4 zugewandten und/oder abgewandten Fläche befindet.
  • 9 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Rückschlussrings 22 bei der der Steg 42 einen gestuften Bereich 28 aufweist. Dabei weist der Steg 42 auf seiner der Drehachse 4 zugewandten Fläche und/oder auf seiner der Drehachse 4 abgewandten Seite den gestuften Bereich 28 auf. Mittels des gestuften Bereichs 28 lässt sich beispielweise eine nachhaltige formschlüssige und/oder reibschlüssige zwischen dem Steg 42 und der Nabe 9 erzielen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102018222102 A1 [0003, 0004, 0005]

Claims (12)

  1. Magnetrotoreinrichtung (2) für einen Seitenkanalverdichter (1) für ein Brennstoffzellensystem (31) zur Förderung und/oder Verdichtung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, wobei die Magnetrotoreinrichtung (2) drehbar um eine Drehachse (4) gelagert und/oder mittels eines Antriebs (6) antreibbar ist, wobei die Magnetrotoreinrichtung (2) ein Verdichterrad (10), mittels dem insbesondere in einem Verdichterraum (30) ein Gasstrom erzeugbar ist, eine Nabe (9), einen Rückschlussring (22) und mindestens ein Lager (27, 47) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (9) eine ringförmig um die Drehachse (4) verlaufende und von einem Rotor-Raum (46) kapselbare Aussparung (13) aufweist, wobei sich zumindest nahezu vollständig die Bauteile Rückschlussring (22) und mindestens zwei Segmentmagnete (24), idealerweise vier Segmentmagnete (24), in der Aussparung (13) befinden, wobei der Rückschlussring (22) mindestens einen ringförmig um die Drehachse (4) verlaufenden Steg (42) aufweist, wobei der Rückschlussring (22) mittels des mindestens einen ringförmig verlaufenden Stegs (42) mit der Nabe (9) verbunden ist.
  2. Magnetrotoreinrichtung (2) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (42) des Rückschlussrings (22) derart in die Nabe (9) eingepresst wird, insbesondere in Richtung der Drehachse (4) in eine zumindest teilweise vorhandene Öffnung (44) der Nabe (9), dass sich eine kraftschlüssige und/oder reibschlüssige Verbindung, insbesondere ein Pressverband, zwischen dem Steg (42) des Rückschlussrings (22) und der Nabe (9) ausbildet.
  3. Magnetrotoreinrichtung (2) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Steg (42) auf der einem Stator (11) abgewandten Stirnseite des Rückschlussrings (22) befindet und in eine zumindest teilweise vorhandene Öffnung (44) der Nabe (9) hineinragt und/oder in diese eingepresst ist, insbesondere in Richtung der Drehachse (4).
  4. Magnetrotoreinrichtung (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Steg (42a) in einem abseitigen Bereich einer Mittelachse (51) einer Gewindebohrung (49) und der Drehachse (4) befindet.
  5. Magnetrotoreinrichtung (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Steg (42b) in einem Bereich zwischen einer Mittelachse (51) einer Gewindebohrung (49) und der Drehachse (4) befindet.
  6. Magnetrotoreinrichtung (2) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (42a) auf seiner der Drehachse (4) zugewandten Fläche einen Freistich (18) und/oder einen Absatz (50) aufweist.
  7. Magnetrotoreinrichtung (2) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (42b) einen gestuften Bereich (28) aufweist.
  8. Magnetrotoreinrichtung (2) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Stator (11) hin geöffnete Aussparung (13) mittels eines Abschlussblechs (26) verschlossen und/oder gekapselt ist.
  9. Seitenkanalverdichter (1) mit einem Stator (11) und einer Magnetrotoreinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Brennstoffzellensystem (31) mit einem Seitenkanalverdichter (1) nach Anspruch 9, wobei der Seitenkanalverdichter (1) in einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems (31) angeordnet ist.
  11. Verfahren zum Herstellen der Magnetrotoreinrichtung (2) für einen Seitenkanalverdichter (1) und/oder ein Brennstoffzellensystem (31) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, mit den folgenden Schritten: - Bereitstellen eines Rückschlussring (22), wobei der Rückschlussring (22) mindestens zwei Vorsprünge (25) aufweist, zwischen denen jeweils ein Segmentmagnet (24) anbringbar ist, - Einbau des Rückschlussrings (22) in der Aussparung (13) der Nabe (9), wobei der Rückschlussring (22) mittels des mindestens einen ringförmig verlaufenden Stegs (42) mit der Nabe (9) verbunden ist, indem der Steg (42) derart in Richtung der Drehachse (4) in die Nabe (9) eingepresst wird, insbesondere in eine zumindest teilweise vorhandene Öffnung (44), so dass sich ein Pressverband zwischen dem Steg (42) und der Nabe (9) ausbildet, - Verbinden des jeweiligen Segmentmagneten (24) mit dem Rückschlussring (22), insbesondere mit einer Stirnfläche des Rückschlussrings (22) und/oder mit den jeweiligen Vorsprüngen (25), mittels eines formschlüssigen, stoffschlüssigen oder kraftschlüssigen Verfahrens, zum Ausbilden einer Rotor-Baugruppe (17),
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschlussblech (26) am Kragen (32) und am Ansatz (34) mittels eines stoffschlüssigen Verfahrens, insbesondere Laserschweißens, angebracht wird.
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