WO2021164932A1 - Gaszuführvorrichtung - Google Patents

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WO2021164932A1
WO2021164932A1 PCT/EP2020/087967 EP2020087967W WO2021164932A1 WO 2021164932 A1 WO2021164932 A1 WO 2021164932A1 EP 2020087967 W EP2020087967 W EP 2020087967W WO 2021164932 A1 WO2021164932 A1 WO 2021164932A1
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bearing
supply device
gas supply
sleeve
cartridge
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PCT/EP2020/087967
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Inventor
Ingo STOTZ
Thomas Lang
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Robert Bosch Gmbh
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    • F16C35/02—Rigid support of bearing units; Housings, e.g. caps, covers in the case of sliding-contact bearings
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a gas supply device with a driven shaft which is rotatably mounted in a housing with the aid of a bearing arrangement which comprises at least two bearings.
  • German patent application DE 10 2011 087 601 A1 discloses a turbo compressor, in particular for a fuel cell system, with a compressor wheel which is arranged non-rotatably on a shaft, the shaft being rotatably mounted in a housing by means of at least one hydrodynamic or hydrostatic plain bearing, with the plain bearing water is provided as a fluid to reduce the coefficient of friction.
  • the object of the invention is to improve a gas supply device with a driven shaft, which is rotatably mounted in a housing with the aid of a bearing arrangement which comprises at least two bearings, in terms of production engineering and / or function.
  • the object is achieved in that the housing of the gas supply device comprises a bearing cartridge with at least two bearing points which are attached to the bearing cartridge Processing of the storage locations are accessible.
  • the bearing points on the bearing cartridge can be particularly advantageous in be machined in a set-up before bearings are mounted on the machined bearing points of the machined bearing cartridge.
  • the storage locations can not only be used to hold bearings.
  • the storage locations can also be used to represent the bearings themselves.
  • the bearing points have, for example, the shape of straight circular cylinder jacket surfaces.
  • the gas supply device is preferably an air supply device in a fuel cell system.
  • the gas supply device can, however, also serve to supply, in particular to compress, other media, such as refrigerants or process gases for the chemical industry.
  • the air supply device is used in particular in a fuel cell system in order to compress air which is supplied to a fuel cell stack.
  • the bearings used are, for example, gas bearings, in particular air bearings. Such bearings are particularly advantageous for supporting shafts that rotate extremely quickly during operation. Such shafts are required, for example, in turbo compressors such as those used in particular for compressing air for supercharged internal combustion engines or for fuel cells.
  • further components are usually mounted on or on the shaft, for example turbine wheels or compressor wheels, which are also referred to for short as turbine wheels or compressor wheels.
  • the shaft can advantageously be combined with a rotor of an electrical machine that can be rotated within a stator in the bearing cartridge.
  • the bearings used later can be positioned coaxially in the housing with significantly greater accuracy.
  • the shaft, in particular a rotor combined with a shaft can thus be positioned more precisely, which is reflected in an improved overall efficiency of the gas, in particular air, supply device.
  • there are performance advantages of other components attached to the shaft By machining the bearing points on the bearing cartridge, smaller running gap tolerances can be achieved for the compressor impellers or turbine impellers that are attached to the shaft.
  • the storage cartridge can be made in one piece or in several pieces.
  • Both radial bearing points and at least one axial bearing point are particularly advantageously provided on the bearing cartridge.
  • the gas bearings in the focus of the claimed gas in particular air supply device, which are designed, for example, as tilting pad bearings or foil bearings, but also with other forms of plain bearings, such as spiral groove bearings, great advantages can be achieved especially on the axial bearing, since its function is largely determined by the parallelism of at least one rotating surface to a stationary surface.
  • the axial bearing has the following advantages, among others: More load capacity, lower losses or smaller bearings, i.e. a lower rotor mass or a lower moment of inertia. In this way, it is advantageous to accelerate and brake better.
  • the shaft is preferably driven by an electrical machine integrated into the bearing cartridge. Alternatively or additionally, however, the shaft can also be driven via a turbine. In addition, the shaft can also be driven via friction wheels, gears, chains or belt drives.
  • a preferred exemplary embodiment of the gas supply device is characterized in that the bearing cartridge comprises at least two radial bearing points and at least one axial bearing point.
  • the bearing cartridge essentially has the shape of straight circular cylinder jacket surfaces in the corresponding areas. With the at least two radial bearing points and the at least one axial bearing point, the shaft can be stored in a stable manner in the bearing cartridge.
  • the bearing cartridge to represent the axial bearing point comprises at least one axial plane surface which is accessible on the bearing cartridge for machining the radial bearing points and the axial plane surface.
  • the storage cartridge of the gas supply device comprises a sleeve-like base body.
  • the sleeve-like base body essentially has the shape of a straight circular cylinder jacket.
  • the sleeve-like base body is designed as a tubular body and combined with further components in order to represent the bearing points on the bearing cartridge.
  • the other components, which are preferably used to represent the bearing points can, however, also be connected in one piece to the sleeve-like base body.
  • the sleeve-like base body is combined with at least two annular disk-like bearing bodies which serve to represent the radial bearing points. Radially on the outside, the annular disk-like bearing bodies are firmly connected to the sleeve-like base body.
  • the fixed connection between the circular ring disk-like bearing bodies and the sleeve-like base body can be made cohesively, non-positively and / or positively.
  • the annular disk-like bearing bodies can, however, also be connected in one piece to the sleeve-like base body.
  • the bearing points, in particular the radial bearing points are provided on the annular disk-like bearing bodies radially on the inside.
  • the sleeve-like base body is constructed in several parts and comprises two sleeve-like part bodies with mutually facing flange areas which serve to represent two axial bearing points.
  • the two sleeve-like part bodies essentially have the shape of straight circular cylinder shells.
  • the sleeve-like partial bodies are firmly connected to one another, preferably with the interposition of a spacer ring.
  • the gas supply device is characterized in that the sleeve-like base body is combined with a third annular disk-like bearing body which serves to represent the axial bearing point.
  • the third annular disk-like bearing body can be aligned radially in the same way as the first two annular disk-like Bearing body.
  • the third annular disk-like bearing body can, however, also be oriented differently than the two other annular disk-like bearing bodies.
  • the third circular disk-like bearing body is preferably directed radially outward, the first two circular disk-like bearing bodies being directed radially inward, in each case with reference to the sleeve-like base body.
  • Another preferred embodiment of the gas supply device is characterized in that the third annular disk-like bearing body is spaced apart by a spacer ring from a fourth annular disk-like bearing body, which is used to represent a second axial bearing point. This simplifies the manufacture and assembly of the gas supply device.
  • the bearing cartridge comprises a stator receiving space.
  • the stator receiving space is used to accommodate a stator of an electrical machine, which is used to drive the shaft.
  • the stator comprises, for example, a laminated core with a wire winding.
  • the stator can comprise an insulating film and a potting compound.
  • the stator delimits a rotor receiving space for a rotor on the radially inside, which is attached to the shaft.
  • the stator and rotor are used to represent the electrical machine.
  • the stator receiving space is preferably arranged axially between the two radial bearing points.
  • the stator receiving space comprises at least one window through which the stator can be mounted in the stator receiving space.
  • the window preferably extends in the radial direction in the sleeve-like base body of the bearing cartridge.
  • the electrical machine that drives the shaft is, for example, a brushless DC motor.
  • the rotor which is preferably integrated into the shaft, comprises at least one permanent magnet.
  • the permanent magnet is held, for example, in a sleeve which is arranged between two stub shafts of the shaft.
  • the cooling system includes, for example, cooling structures that are radially outwardly attached to the sleeve-like base body is provided.
  • the cooling structures include, for example, cooling ribs that protrude radially outward from the sleeve-like base body of the bearing cartridge.
  • the cooling system can also comprise cooling channels which are arranged in the bearing cartridge, for example in the sleeve-like base body.
  • the cooling channels can be designed to be closed or open.
  • the sleeve-like base body of the bearing cartridge is advantageously combined with a sleeve which delimits the cooling channels.
  • the bearing cartridge with the sleeve-like base body can, however, also be received in a corresponding housing recess of a higher-level housing.
  • the invention also relates to a fuel cell system with a gas supply device described above.
  • the gas supply device in particular designed as an air supply device, is used in the fuel cell system to compress gas, in particular air, which is supplied to a fuel cell stack in the fuel cell system.
  • the exhaust gas which is also referred to as drainage, which emerges from the fuel cell stack, can advantageously be used to drive the turbine wheel of the air supply device.
  • the electrical machine can be used to drive the compressor wheel of the gas, in particular air, supply device.
  • the above-specified object is alternatively or additionally achieved in that the bearing points of the preassembled housing assembly are processed in one setting. This significantly improves the positioning accuracy of the shaft, in particular of a rotor on the shaft. After the bearing points have been processed, final assembly can take place.
  • the invention also relates to a storage cartridge for a gas supply device described above.
  • the storage cartridge and in the case of a multi-part design of the storage cartridge, also the individual components of the storage cartridge, is or can be traded separately. Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which various exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawing.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a gas supply device designed as an air supply device with a driven shaft which is rotatably mounted in a bearing cartridge, according to a first exemplary embodiment in longitudinal section;
  • FIGS 2 to 5 similar representations as in Figure 1 according to further embodiments of the air supply device;
  • FIG. 6 shows a representation similar to that in FIG. 1, the air supply device comprising an electrical machine for driving the shaft;
  • FIGS 7 to 9 similar representations as in Figure 6 according to further embodiments.
  • FIGS. 1 to 9 different embodiments of an air supply device 1; 60 shown schematically in longitudinal section.
  • the same reference numerals are used in FIGS. 1 to 9 to denote the same or similar parts.
  • the air supply device 1; 60 comprises a drive system with a driven shaft 2 which is rotatable about an axis of rotation 3.
  • the air supply device 1; 60 is used, for example, in a fuel cell system to provide compressed air for a fuel cell.
  • a compressor wheel 41 is attached to one end of the shaft 2 on the left in the figures.
  • a turbine wheel 42 is attached to an end of the shaft 2 on the right in the figures.
  • the shaft 2 is with the help of a bearing arrangement 4 in a housing 5 of the air supply device 1; 60 rotatably mounted.
  • the bearing arrangement 4 comprises two bearings 6, 7, which are designed as radial bearings.
  • the bearing 6 is arranged at a bearing point 8, which is designed as a radial bearing point.
  • the bearing 7 is arranged at a bearing point 9, which is designed as a radial bearing point.
  • the air supply device 1; 60 comprises, in addition to the bearings 6, 7 designed as radial bearings, two axial bearing points 10, 11, which are used to represent axial bearings. At the axial bearing points 10, 11, an axial plane surface 12, 13 is provided in each case to represent the axial bearings.
  • the radial bearing points 8, 9 are formed radially on the inside on bearing bodies 15, 16.
  • the bearing bodies 15, 16 essentially have the shape of circular ring disks which are connected in one piece to a sleeve-like base body 20.
  • a third bearing body 23 is arranged at the end of the sleeve-like base body 20 on the left in FIGS. 1 to 3, a third bearing body 23 is arranged.
  • the third bearing body 23 also has the shape of an annular disk.
  • the third annular disk-like bearing body 23 extends radially outward and not, like the bearing bodies 15, 16, from the sleeve-like base body 20 radially inward.
  • the annular disk-like bearing body 23 is also connected in one piece to the sleeve-like base body 20.
  • a fourth annular disk-like bearing body 24 is spaced apart in the axial direction from the third annular disk-like bearing body 23 with the interposition of a spacer ring 25.
  • the bearing bodies 23 and 24 are each equipped with an axial plane surface 12, 13 to represent the axial bearing point 10, 11.
  • the spacer body 25 and the fourth bearing body 24 can, in contrast to what is shown, also be connected in one piece to the bearing cartridge 40.
  • Seals 26, 27, 28 are used to seal the housing 5, which is shown with the bearing cartridge 40; 48, 49.
  • the shaft 2 with the wheels 41, 42 represents a rotor 29.
  • the rotor 29 is combined with an axial plate 30 to represent the axial bearings.
  • the axial plate 30 is connected to the shaft 2, possibly in one piece.
  • the storage cartridge 40 is also combined with a cooling system 32.
  • the cooling system 32 comprises cooling channels 31, which are shown with cooling fins.
  • the cooling channels 31 are open radially on the outside.
  • the cooling channels 31 can be closed with a sleeve (not shown in FIG. 2).
  • the bearing cartridge 40 with the radially outwardly open cooling channels 31 can, however, also be installed in a corresponding housing bore.
  • the sleeve-like base body 20 of the bearing cartridge 40 is designed in two parts and comprises two sleeve-like sub-bodies 21, 22.
  • the sleeve-like sub-bodies 21, 22 are connected to one another at two adjacent flange areas 33, 34.
  • the flange regions 33, 34 of the sleeve-like partial bodies 21, 22 of the bearing cartridge 40 are spaced apart from one another in the axial direction by the spacer ring 25.
  • the flange areas 33, 34 can advantageously be used to represent the axial plane surfaces 12, 13 for the axial bearing points 10, 11.
  • the bearing cartridge 50 which is only shown in half-section, comprises a sleeve-like base body 43 which is designed as a tubular body.
  • the sleeve-like or tubular base body 43 in FIG. 5 has a constant inner diameter which can be manufactured precisely.
  • the sleeve-like base body 43 can also have an inner diameter that is variable in the axial direction.
  • the sleeve-like base body 43 is combined with four annular disk-like bearing bodies 44 to 47 and the two seals 48, 49.
  • the bearing bodies 44 and 45 serve to represent the radial bearing points 8, 9 for the radial bearings 6, 7.
  • the annular disk-like bearing bodies 46, 47 serve to represent the axial plane surfaces 12, 13 for the axial bearings 10, 11.
  • the bearing bodies 44, 45; 45, 46; 46, 47 each have a spacer ring 51; 52; 53 arranged.
  • the bearing bodies 44 to 47 can be produced as a type of plane-parallel ground disk pack which is axially braced and / or screwed. Here, very small tolerances can be implemented cost-effectively.
  • the bearing bodies 44, 45 which can also be referred to as bearing disks, should have a high degree of accuracy in terms of diameter, both inside and outside.
  • the bearing bodies 44 to 47 are connected to the sleeve-like base body 43, for example by means of a press fit, in order to represent the bearing cartridge 40.
  • FIGS. 6 and 7 essentially correspond to the exemplary embodiments illustrated in FIGS. 1 and 5.
  • an electrical machine is in the bearing cartridge 40; 50 integrated, which is used to represent the housing 5.
  • the electrical machine comprises a stator 14 with a laminated core 17 and a stator winding 18.
  • the stator 14 is in a stator receiving space 19 of the bearing cartridge 40; 50 added.
  • the stator receiving space 19 is delimited radially on the outside in FIG. 6 by the sleeve-like base body 20.
  • the stator receiving space 19 is delimited in the axial direction by the two bearing bodies 15, 16 in the form of circular rings.
  • a permanent magnet 35 is rotatably arranged in the stator 14.
  • the permanent magnet 35 is surrounded by a sleeve 36.
  • the sleeve 36 is fastened with its ends facing away from one another to stub shafts 37, 38 which, together with the permanent magnet 35 and the sleeve 36, represent the shaft 2.
  • the storage cartridge 40; 50 of the air supply device 60 comprises at least one window in the radial direction so that the stator 14 can be joined.
  • the stator 14 can additionally be surrounded in a potting compound which is used for electrical insulation.
  • the stator 14 can be surrounded by shielding plates.
  • stator receiving space 19 is delimited radially on the outside by the spacer ring 51.
  • the air supply device 60 is designed without a turbine runner (42 in FIG. 7).
  • two compressor wheels 41, 54 are attached to the end of the shaft 2 on the left in FIG.
  • the compressor wheel 41 is attached to the left end of the shaft 2.
  • the turbine wheel 42 is combined with a compressor wheel 55.
  • the storage cartridge 40; 50 of the air supply device 1; 60 is irrelevant what the impellers at the ends of shaft 2 do. That means, you can either have a single-stage compressor, a double-flow compressor or a compressor with additional turbine support. A two-stage or two-flow variant for better turbine support is also possible on the turbine side.
  • the running wheels can be arranged on one side and / or on both sides.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gaszuführvorrichtung (1) mit einer angetriebenen Welle (2), die in einem Gehäuse (5) mit Hilfe einer Lageranordnung (4) drehbar gelagert ist, die mindestens zwei Lager (6, 7) umfasst. Um die Gaszuführvorrichtung (1) herstellungstechnisch und/oder funktionell zu verbessern, umfasst das Gehäuse (5) der Gaszuführvorrichtung (1) eine Lagerkartusche (40) mit mindestens zwei Lagerstellen (8-11), die an der Lagerkartusche (40) zur Bearbeitung der Lagerstellen (8-11) zugänglich sind.

Description

Beschreibung
Titel
Gaszuführvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Gaszuführvorrichtung mit einer angetriebenen Welle, die in einem Gehäuse mit Hilfe einer Lageranordnung drehbar gelagert ist, die mindestens zwei Lager umfasst.
Stand der Technik
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2011 087 601 Al offenbart einen Turboverdichter, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einem Verdichterrad, das drehfest auf einer Welle angeordnet ist, wobei die Welle in einem Gehäuse mittels mindestens eines hydrodynamischen oder hydrostatischen Gleitlagers drehbar gelagert, wobei in dem Gleitlager als Flüssigkeit zur Reibwertminderung Wasser vorgesehen ist.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gaszuführvorrichtung mit einer angetriebenen Welle, die in einem Gehäuse mit Hilfe einer Lageranordnung drehbar gelagert ist, die mindestens zwei Lager umfasst, herstellungstechnisch und/oder funktionell zu verbessern.
Die Aufgabe ist bei einer Gaszuführvorrichtung mit einer angetriebenen Welle, die in einem Gehäuse mit Hilfe einer Lageranordnung drehbar gelagert ist, die mindestens zwei Lager umfasst, dadurch gelöst, dass das Gehäuse der Gaszuführvorrichtung eine Lagerkartusche mit mindestens zwei Lagerstellen umfasst, die an der Lagerkartusche zur Bearbeitung der Lagerstellen zugänglich sind. So können die Lagerstellen an der Lagerkartusche besonders vorteilhaft in einer Aufspannung bearbeitet werden, bevor Lager an den bearbeiteten Lagerstellen der bearbeiteten Lagerkartusche montiert werden. Die Lagerstellen können nicht nur zur Aufnahme von Lagern verwendet werden. Die Lagerstellen können auch zur Darstellung der Lager selbst genutzt werden. Die Lagerstellen haben zum Beispiel die Gestalt von geraden Kreiszylindermantelflächen. Bei der Gaszuführvorrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Luftzuführvorrichtung in einem Brennstoffzellensystem. Die Gaszuführvorrichtung kann aber auch zum Zuführen, insbesondere zum Verdichten, anderer Medien, wie Kältemitteln oder Prozessgasen für die chemische Industrie, dienen. Die Luftzuführvorrichtung wird insbesondere in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt, um Luft, die einem Brennstoffzellenstack zugeführt wird, zu verdichten. Bei den verwendeten Lagern handelt es sich zum Beispiel um Gaslager, insbesondere um Luftlager. Derartige Lager eignen sich besonders vorteilhaft zur Lagerung von Wellen, die sich im Betrieb extrem schnell drehen. Solche Wellen werden beispielsweise in Turboverdichtern benötigt, wie sie insbesondere zur Verdichtung von Luft für aufgeladene Verbrennungsmotoren oder für Brennstoffzellen Anwendung finden. Dabei sind auf oder an der Welle meist weitere Bauteile montiert, beispielsweise Turbinenlaufräder oder Verdichterlaufräder, die verkürzt auch als Turbinenräder oder Verdichterräder bezeichnet werden. Darüber hinaus kann die Welle vorteilhaft mit einem Rotor einer elektrischen Maschine kombiniert sein, der innerhalb eines Stators in der Lagerkartusche drehbar ist. Durch die Bearbeitung der Lagerstellen an der Lagerkartusche vorzugsweise in nur einer Aufspannung können die später eingesetzten Lager mit deutlich größerer Genauigkeit koaxial in dem Gehäuse positioniert werden. So kann die Welle, insbesondere ein mit Welle kombinierter Rotor, genauer positioniert werden, was sich in einem verbesserten Gesamtwirkungsgrad der Gas-, insbesondere Luftzuführvorrichtung niederschlägt. Zudem ergeben sich Performancevorteile weiterer an der Welle angebrachter Komponenten. So können durch die Bearbeitung der Lagerstellen an der Lagerkartusche kleinere Laufspalttoleranzen für die Verdichterlaufräder oder Turbinenlaufräder realisiert werden, die an der Welle angebracht sind. Die Lagerkartusche kann einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. An der Lagerkartusche werden besonders vorteilhaft sowohl Radiallagerstellen als auch mindestens eine Axiallagerstelle vorgesehen. Insbesondere bei den im Fokus der beanspruchten Gas-, insbesondere Luftzuführvorrichtung stehenden Gaslagern, die zum Beispiel als Kippsegmentlager oder Folienlager ausgeführt sind, aber auch bei anderen Formen von Gleitlagern, wie Spiralrillenlagern, können speziell am Axiallager große Vorteile erzielt werden, da dessen Funktion maßgeblich durch die Parallelität mindestens einer rotierenden Fläche zu einer stehenden Fläche bestimmt wird. Am Axiallager ergeben sich unter anderem folgende Vorteile: Mehr Tragkraft, geringere Verluste beziehungsweise kleinere Lager, also eine geringere Rotormasse beziehungsweise ein geringeres Trägheitsmoment. So kann vorteilhaft besser beschleunigt und gebremst werden. Der Antrieb der Welle erfolgt vorzugsweise über eine in die Lagerkartusche integrierte elektrische Maschine. Alternativ oder zusätzlich kann die Welle aber auch über eine Turbine angetrieben werden. Darüber hinaus kann die Welle auch über Reibräder, Getriebe, Ketten oder Riementriebe angetrieben werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerkartusche mindestens zwei Radiallagerstellen und mindestens eine Axiallagerstelle umfasst. Zur Darstellung der Radiallagerstellen hat die Lagerkartusche in den entsprechenden Bereichen im Wesentlichen die Gestalt von geraden Kreiszylindermantelflächen. Mit den mindestens zwei Radiallagerstellen und der mindestens einen Axiallagerstelle kann die Welle stabil in der Lagerkartusche gelagert werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerkartusche zur Darstellung der Axiallagerstelle mindestens eine axiale Planfläche umfasst, die an der Lagerkartusche zur Bearbeitung der Radiallagerstellen und der axialen Planfläche zugänglich ist. So kann eine gewünschte Rechtwinkligkeit der axialen Planfläche, die zur Darstellung einer Axiallagerfläche dient, zu einer gedachten Achse durch die Radiallager an den Radiallagerstellen viel genauer und mit relativ geringem Aufwand realisiert werden als bei herkömmlichen Luftzuführvorrichtungen. Durch die Zugänglichkeit sowohl der Radiallagerstellen als auch der axialen Planfläche an der Lagerkartusche kann die Bearbeitung in einer Aufspannung erfolgen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerkartusche der Gaszuführvorrichtung einen hülsenartigen Grundkörper umfasst. Der hülsenartige Grundkörper hat im Wesentlichen die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der hülsenartige Grundkörper als Rohrkörper ausgeführt und mit weiteren Komponenten kombiniert, um die Lagerstellen an der Lagerkartusche darzustellen. Die weiteren Komponenten, die vorzugsweise zur Darstellung der Lagerstellen dienen, können aber auch einstückig mit dem hülsenartigen Grundkörper verbunden sein.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenartige Grundkörper mit mindestens zwei kreisringscheibenartigen Lagerkörpern kombiniert ist, die zur Darstellung der Radiallagerstellen dienen. Radial außen sind die kreisringscheibenartigen Lagerkörper fest mit dem hülsenartigen Grundkörper verbunden. Die feste Verbindung zwischen den kreisringscheibenartigen Lagerkörpern und dem hülsenartigen Grundkörper kann stoffschlüssig, kraftschlüssig und/oder formschlüssig ausgeführt sein. Wie vorab beschrieben ist, können die kreisringscheibenartigen Lagerkörper aber auch einstückig mit dem hülsenartigen Grundkörper verbunden sein. Radial innen sind die Lagerstellen, insbesondere die Radiallagerstellen, an den kreisringscheibenartigen Lagerkörpern vorgesehen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenartige Grundkörper mehrteilig ausgeführt ist und zwei hülsenartige Teilkörper mit einander zugewandten Flanschbereichen umfasst, die zur Darstellung von zwei Axiallagerstellen dienen. Die beiden hülsenartigen Teilkörper haben im Wesentlichen die Gestalt von geraden Kreiszylindermänteln. An den einander zugewandten Flanschbereichen sind die hülsenartigen Teilkörper, vorzugsweise unter Zwischenschaltung eines Distanzrings, fest miteinander verbunden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenartige Grundkörper mit einem dritten kreisringscheibenartigen Lagerkörper kombiniert ist, der zur Darstellung der Axiallagerstelle dient. Der dritte kreisringscheibenartige Lagerkörper kann radial genauso ausgerichtet sein wie die ersten beiden kreisringscheibenartigen Lagerkörper. Der dritte kreisringscheibenartige Lagerkörper kann aber auch anders ausgerichtet sein als die beiden anderen kreisringscheibenartigen Lagerkörper. Dabei ist der dritte kreisringscheibenartige Lagerkörper vorzugsweise radial nach außen gerichtet, wobei die ersten beiden kreisringscheibenartigen Lagerkörper radial nach innen gerichtet sind, jeweils bezogen auf den hülsenartigen Grundkörper.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der dritte kreisringscheibenartige Lagerkörper durch einen Distanzring von einem vierten kreisringscheibenartigen Lagerkörper beabstandet ist, der zur Darstellung einer zweiten Axiallagerstelle dient. Dadurch werden die Herstellung und die Montage der Gaszuführvorrichtung vereinfacht.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerkartusche einen Statoraufnahmeraum umfasst. Der Statoraufnahmeraum dient zur Aufnahme eines Stators einer elektrischen Maschine, die dazu dient, die Welle anzutreiben. Der Stator umfasst zum Beispiel ein Blechpaket mit einer Drahtwicklung. Darüber hinaus kann der Stator eine isolierende Folie und eine Vergussmasse umfassen. Der Stator begrenzt radial innen einen Rotoraufnahmeraum für einen Rotor, der an der Welle angebracht ist. Stator und Rotor dienen zur Darstellung der elektrischen Maschine. Der Statoraufnahmeraum ist axial vorzugsweise zwischen den beiden Radiallagerstellen angeordnet. Der Statoraufnahmeraum umfasst mindestens ein Fenster, durch das der Stator in dem Statoraufnahmeraum montiert werden kann. Das Fenster erstreckt sich vorzugsweise in radialer Richtung in dem hülsenartigen Grundkörper der Lagerkartusche. Bei der elektrischen Maschine, welche die Welle antreibt, handelt es sich zum Beispiel um einen bürstenlosen Gleichstrommotor. Der vorzugsweise in die Welle integrierte Rotor umfasst mindestens einen Permanentmagneten. Der Permanentmagnet ist zum Beispiel in einer Hülse gehalten, die zwischen zwei Wellenstümpfen der Welle angeordnet ist.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerkartusche ein Kühlsystem umfasst. Das Kühlsystem umfasst zum Beispiel Kühlstrukturen, die radial außen an dem hülsenartigen Grundkörper vorgesehen ist. Die Kühlstrukturen umfassen zum Beispiel Kühlrippen, die radial außen von dem hülsenartigen Grundkörper der Lagerkartusche abstehen. Das Kühlsystem kann aber auch Kühlkanäle umfassen, die in der Lagerkartusche, zum Beispiel in dem hülsenartigen Grundkörper, angeordnet sind. Die Kühlkanäle können geschlossen oder offen ausgeführt sein. Je nach Ausführung, insbesondere bei einer offenen Ausführung der Kühlkanäle, ist der hülsenartige Grundkörper der Lagerkartusche vorteilhaft mit einer Hülse kombiniert, welche die Kühlkanäle begrenzt. Die Lagerkartusche mit dem hülsenartigen Grundkörper kann aber auch in einer entsprechenden Gehäuseausnehmung eines übergeordneten Gehäuses aufgenommen sein.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Brennstoffzellensystem mit einer vorab beschriebenen Gaszuführvorrichtung. Die insbesondere als Luftzuführvorrichtung ausgeführte Gaszuführvorrichtung dient in dem Brennstoffzellensystem zum Verdichten von Gas, insbesondere Luft, die einem Brennstoffzellenstack in dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird. Das Abgas, das auch als Ablauft bezeichnet wird, das aus dem Brennstoffzellenstack austritt, kann vorteilhaft genutzt werden, um das Turbinenrad der Luftzuführvorrichtung anzutreiben. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Maschine verwendet werden, um das Verdichterrad der Gas-, insbesondere Luftzuführvorrichtung anzutreiben.
Bei einem Verfahren zum Bearbeiten einer vorab beschriebenen Gaszuführvorrichtung ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass die Lagerstellen der vormontierten Gehäusebaugruppe in einer Aufspannung bearbeitet werden. Dadurch wird die Positioniergenauigkeit der Welle, insbesondere eines Rotors an der Welle, deutlich verbessert. Nach der Bearbeitung der Lagerstellen kann die Endmontage erfolgen.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Lagerkartusche für eine vorab beschriebene Gaszuführvorrichtung. Die Lagerkartusche, bei einer mehrteiligen Ausführung der Lagerkartusche auch die einzelnen Komponenten der Lagerkartusche, ist beziehungsweise sind separat handelbar. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer als Luftzuführvorrichtung ausgeführten Gaszuführvorrichtung mit einer angetriebenen Welle, die in einer Lagerkartusche drehbar gelagert ist, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im Längsschnitt; die
Figuren 2 bis 5 ähnliche Darstellungen wie in Figur 1 gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Luftzuführvorrichtung;
Figur 6 eine ähnliche Darstellung wie in Figur 1, wobei die Luftzuführvorrichtung eine elektrische Maschine zum Antreiben der Welle umfasst; und die
Figuren 7 bis 9 ähnliche Darstellungen wie in Figur 6 gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den Figuren 1 bis 9 sind verschiedene Ausführungsbeispiele einer Luftzuführvorrichtung 1; 60 schematisch im Längsschnitt dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden in den Figuren 1 bis 9 die gleichen Bezugszeichen verwendet. Zunächst wird auf die Gemeinsamkeiten in den verschiedenen Ausführungsbeispielen eingegangen. Danach werden die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen erläutert.
Die Luftzuführvorrichtung 1; 60 umfasst ein Antriebssystem mit einer angetriebenen Welle 2, die um eine Drehachse 3 drehbar ist. Die Luftzuführvorrichtung 1; 60 dient zum Beispiel in einem Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von verdichteter Luft für eine Brennstoffzelle. Ein Verdichterrad 41 ist in den Figuren links an einem Ende der Welle 2 befestigt. An einem in den Figuren rechten Ende der Welle 2 ist ein Turbinenrad 42 befestigt.
Die Welle 2 ist mit Hilfe einer Lageranordnung 4 in einem Gehäuse 5 der Luftzuführvorrichtung 1; 60 drehbar gelagert. Die Lageranordnung 4 umfasst zwei Lager 6, 7, die als Radiallager ausgeführt sind. Das Lager 6 ist an einer Lagerstelle 8, die als Radiallagerstelle ausgeführt ist, angeordnet. Das Lager 7 ist an einer Lagerstelle 9, die als Radiallagerstelle ausgeführt ist, angeordnet.
Die Luftzuführvorrichtung 1; 60 umfasst zusätzlich zu den als Radiallager ausgeführten Lagern 6, 7 zwei Axiallagerstellen 10, 11, die zur Darstellung von Axiallagern dienen. An den Axial lagerstellen 10, 11 ist zur Darstellung der Axiallager jeweils eine axiale Planfläche 12, 13 vorgesehen.
In den Figuren 1 bis 4 sind die Radiallagerstellen 8, 9 radial innen an Lagerkörpern 15, 16 ausgebildet. Die Lagerkörper 15, 16 haben im Wesentlichen die Gestalt von Kreisringscheiben, die einstückig mit einem hülsenartigen Grundkörper 20 verbunden sind.
An dem in den Figuren 1 bis 3 linken Ende des hülsenartigen Grundkörpers 20 ist ein dritter Lagerkörper 23 angeordnet. Der dritte Lagerkörper 23 hat ebenfalls die Gestalt einer Kreisringscheibe. Allerdings erstreckt sich der dritte kreisringscheibenartige Lagerkörper 23 radial nach außen und nicht, wie die Lagerkörper 15, 16 von dem hülsenartigen Grundkörper 20 radial nach innen.
Der kreisringscheibenartige Lagerkörper 23 ist ebenfalls einstückig mit dem hülsenartigen Grundkörper 20 verbunden.
Ein vierter kreisringscheibenartiger Lagerkörper 24 ist unter Zwischenschaltung eines Distanzrings 25 in axialer Richtung von dem dritten kreisringscheibenartigen Lagerkörper 23 beabstandet. Die Lagerkörper 23 und 24 sind zur Darstellung der axialen Lagerstelle 10, 11 mit jeweils einer axialen Planfläche 12, 13 ausgestattet. Der Distanzkörper 25 und der vierte Lagerkörper 24 können, anders als dargestellt, auch einstückig mit der Lagerkartusche 40 verbunden sein. Zur Abdichtung des Gehäuses 5, das mit der Lagerkartusche 40 dargestellt wird, dienen Dichtungen 26, 27, 28; 48, 49. Die Welle 2 mit den Rädern 41, 42 stellt einen Rotor 29 dar. Zur Darstellung der Axiallager ist der Rotor 29 mit einem Axialteller 30 kombiniert. Der Axialteller 30 ist, gegebenenfalls einstückig, mit der Welle 2 verbunden.
In Figur 2 ist die Lagerkartusche 40 im Unterschied zu Figur 1 noch mit einem Kühlsystem 32 kombiniert. Das Kühlsystem 32 umfasst Kühlkanäle 31, die mit Kühlrippen dargestellt sind. In Figur 2 sind die Kühlkanäle 31 radial außen offen. Die Kühlkanäle 31 können mit einer (in Figur 2 nicht dargestellten) Hülse geschlossen werden. Die Lagerkartusche 40 mit den radial nach außen offenen Kühlkanälen 31 kann aber auch in eine entsprechende Gehäusebohrung eingebaut werden.
In den Figuren 3 und 4 ist der hülsenartige Grundkörper 20 der Lagerkartusche 40 zweiteilig ausgeführt und umfasst zwei hülsenartige Teilkörper 21, 22. In Figur 3 sind die hülsenartigen Teilkörper 21, 22 an zwei aneinander liegenden Flanschbereichen 33, 34 miteinander verbunden.
Bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Flanschbereiche 33, 34 der hülsenartigen Teilkörper 21, 22 der Lagerkartusche 40 in axialer Richtung durch den Distanzring 25 voneinander beabstandet. So können die Flanschbereiche 33, 34 vorteilhaft zur Darstellung der axialen Planflächen 12, 13 für die Axiallagerstellen 10, 11 genutzt werden.
Bei dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Lagerkartusche 50, die nur im Halbschnitt dargestellt ist, einen hülsenartigen Grundkörper 43, der als Rohrkörper ausgeführt ist. Der hülsenartige oder rohrförmige Grundkörper 43 hat in Figur 5 einen konstanten Innendurchmesser, der genau gefertigt werden kann. Anders als dargestellt, kann der hülsenartige Grundkörper 43 auch einen in axialer Richtung variablen Innendurchmesser aufweisen. Der hülsenartige Grundkörper 43 ist mit vier kreisringscheibenartigen Lagerkörpern 44 bis 47 und den beiden Dichtungen 48, 49 kombiniert. Die Lagerkörper 44 und 45 dienen zur Darstellung der Radiallagerstellen 8, 9 für die Radiallager 6, 7. Die kreisringscheibenartigen Lagerkörper 46, 47 dienen zur Darstellung der axialen Planflächen 12, 13 für die Axiallager 10, 11.
In dem hülsenartigen Grundkörper 43 ist zwischen den Lagerkörpern 44, 45; 45, 46; 46, 47 jeweils ein Distanzring 51; 52; 53 angeordnet.
Die Lagerkörper 44 bis 47 können als eine Art planparallel geschliffenes Scheibenpaket hergestellt werden, die axial verspannt und/oder verschraubt sind. Hierbei können sehr geringe Toleranzen kostengünstig realisiert werden. Die Lagerkörper 44, 45, die auch als Lagerscheiben bezeichnet werden können, sollten eine hohe Genauigkeit im Durchmesser aufweisen, und zwar sowohl innen als auch außen. Die Lagerkörper 44 bis 47 sind zum Beispiel durch eine Presspassung mit dem hülsenartigen Grundkörper 43 verbunden, um die Lagerkartusche 40 darzustellen.
Die in den Figuren 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiele entsprechen im Wesentlichen den in den Figuren 1 und 5 dargestellten Ausführungsbeispielen. Im Unterschied zu den Figuren 1 und 5 ist in den Figuren 6 und 7 eine elektrische Maschine in die Lagerkartusche 40; 50 integriert, die zur Darstellung des Gehäuses 5 dient. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator 14 mit einem Blechpaket 17 und einer Statorwicklung 18. Der Stator 14 ist in einem Statoraufnahmeraum 19 der Lagerkartusche 40; 50 aufgenommen.
Der Statoraufnahmeraum 19 wird in Figur 6 radial außen von dem hülsenartigen Grundkörper 20 begrenzt. In axialer Richtung wird der Statoraufnahmeraum 19 von den beiden kreisringscheibenartigen Lagerkörpern 15, 16 begrenzt. In dem Stator 14 ist ein Permanentmagnet 35 drehbar angeordnet. Der Permanentmagnet 35 ist von einer Hülse 36 umgeben. Die Hülse 36 ist mit ihren einander abgewandten Enden an Wellenstümpfen 37, 38 befestigt, die zusammen mit dem Permanentmagneten 35 und der Hülse 36 die Welle 2 darstellen. Die Lagerkartusche 40; 50 der Luftzuführvorrichtung 60 umfasst in radialer Richtung mindestens ein Fenster, so dass der Stator 14 gefügt werden kann. Der Stator 14 kann dabei noch zusätzlich in einer Vergussmasse, die zur elektrischen Isolation dient, umgeben sein. Zum gleichen Zweck kann der Stator 14 mit Abschirmblechen umgeben sein.
Bei dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel, das dem Ausführungsbeispiel in Figur 5 entspricht, wird der Statoraufnahmeraum 19 radial außen von dem Distanzring 51 begrenzt.
In Figur 8 ist die Luftzuführvorrichtung 60 im Unterschied zu Figur 6 ohne Turbinenlaufrad (42 in Figur 7) ausgeführt. Darüber hinaus sind an dem in Figur 8 linken Ende der Welle 2 zwei Verdichterräder 41, 54 befestigt. In Figur 9 ist an dem linken Ende der Welle 2 nur das Verdichterrad 41 angebracht. An dem in Figur 9 rechten Ende der Welle 2 ist das Turbinenrad 42 mit einem Verdichterrad 55 kombiniert.
Für die Lagerkartusche 40; 50 der Luftzuführvorrichtung 1; 60 ist irrelevant was die Laufräder an den Enden der Welle 2 machen. Das heißt, entweder kann man einen einstufigen Verdichter, einen zweiflutigen Verdichter oder einen Verdichter mit zusätzlicher Turbinenunterstützung haben. Auch turbinenseitig ist eine zweistufige oder zweiflutige Variante für bessere Turbinenunterstützung möglich. Dabei können die Laufräder auf einer Seite und/oder auf beiden Seiten angeordnet sein.

Claims

Ansprüche
1. Gaszuführvorrichtung (1;60) mit einer angetriebenen Welle (2), die in einem Gehäuse (5) mit Hilfe einer Lageranordnung (4) drehbar gelagert ist, die mindestens zwei Lager (6,7) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) der Gaszuführvorrichtung (1;60) eine Lagerkartusche (40;50) mit mindestens zwei Lagerstellen (8-11) umfasst, die an der Lagerkartusche (40;50) zur Bearbeitung der Lagerstellen (8-11) zugänglich sind.
2. Gaszuführvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerkartusche (40;50) mindestens zwei Radiallagerstellen (8,9) und mindestens eine Axiallagerstelle (10,11) umfasst.
3. Gaszuführvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerkartusche (40;50) zur Darstellung der Axiallagerstelle (10,11) mindestens eine axiale Planfläche (12,13) umfasst, die an der Lagerkartusche (40;50) zur Bearbeitung der Radiallagerstellen (8,9) und der axialen Planfläche (12,13) zugänglich ist.
4. Gaszuführvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerkartusche (40;50) der Gaszuführvorrichtung (1;60) einen hülsenartigen Grundkörper (20;43) umfasst.
5. Gaszuführvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenartige Grundkörper (20;43) mit mindestens zwei kreisringscheibenartigen Lagerkörpern (15,16;45,44) kombiniert ist, die zur Darstellung der Radiallagerstellen (8,9) dienen.
6. Gaszuführvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenartige Grundkörper (20) mehrteilig ausgeführt ist und zwei hülsenartige Teilkörper (21,22) mit einander zugewandten Flanschbereichen umfasst, die zur Darstellung von zwei Axiallagerstellen (10,11) dienen.
7. Gaszuführvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenartige Grundkörper (20; 43) mit einem dritten kreisringscheibenartigen Lagerkörper (23;46) kombiniert ist, der zur Darstellung der Axial lagerstelle (10) dient.
8. Gaszuführvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte kreisringscheibenartige Lagerkörper (23;46) durch einen Distanzring (25) von einem vierten kreisringscheibenartigen Lagerkörper (24;47) beabstandet ist, der zur Darstellung einer zweiten Axiallagerstelle (11) dient.
9. Gaszuführvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerkartusche (40;50) einen Statoraufnahmeraum (19) umfasst.
10. Gaszuführvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerkartusche (40;50) ein Kühlsystem (32) umfasst.
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