Titel

LUFTZUFÜHRVORRICHTUNG MIT EINER KÜHLEINRICHTUNG

Die Erfindung betrifft eine Luftzuführvorrichtung mit einem elektromotorischen Antrieb, der einen um eine Drehachse drehbaren Rotor mit mindestens einem Magneten umfasst, und mit einer Kühleinrichtung.

Stand der Technik

Aus dem amerikanischen Patent US 10,069,154 B2 ist eine Luftzuführvorrichtung mit einem elektromotorischen Antrieb bekannt, der einen Rotor mit einem Magnetabschnitt umfasst, der zwischen zwei Wellenlagerabschnitten angeordnet ist, und mit einer Kühleinrichtung.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Luftzuführvorrichtung mit einem elektromotorischen Antrieb, der einen um eine Drehachse drehbaren Rotor mit mindestens einem Magneten umfasst, und mit einer Kühleinrichtung, insbesondere auf ihren Wirkungsgrad und/oder ihre Lebensdauer, zu verbessern.

Die Aufgabe ist bei einer eine Luftzuführvorrichtung mit einem elektromotorischen Antrieb, der einen um eine Drehachse drehbaren Rotor mit mindestens einem Magneten umfasst, und mit einer Kühleinrichtung, dadurch gelöst, dass die Kühleinrichtung in dem Magneten eine von einem Kühlmedium durchströmte Kühlkanalgeometrie aufweist. Bei der Luftzuführvorrichtung handelt es sich vorzugsweise um einen Verdichter, der mit einem Elektromotor angetrieben wird, um einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem Luft zuzuführen. Die Luftzuführvorrichtung umfasst mindestens ein Laufrad, mit dem Luft verdichtet wird. Das Laufrad ist an einem Ende des Rotors angebracht. Das durch den Rotor angetriebene Laufrad ist um eine Drehachse drehbar. Die Drehachse des Rotors mit dem Laufrad definiert eine axiale Richtung. Der im Folgenden verwendete Begriff axial bezieht sich auf diese Drehachse. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zur Drehachse. Analog bedeutet radial quer zur Drehachse. Bei dem Kühlmedium handelt es sich vorzugsweise um Luft. Die Kühlkanalgeometrie wird vorteilhaft nur mit dem Magneten selbst dargestellt. Dabei kann die Kühlkanalgeometrie nur Teilbereiche des Magneten umfassen.

Je nach Ausführung kann aber auch der komplette Magnet die Kühlkanalgeometrie darstellen, wenn der Magnet zum Beispiel aus einem entsprechend porösen Magnetmaterial gebildet ist. Über die Kühlkanalgeometrie kann das Kühlmedium, vorzugsweise Luft, gezielt in Bereiche gebracht werden, in denen im Betrieb der Luftzuführvorrichtung unerwünscht viel Wärme entsteht. Durch die Optimierung der Kühlung kann die thermische Belastung des elektromotorischen Antriebs reduziert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der im Betrieb der Luftzuführvorrichtung zulässige elektrische Strom durch die effizientere Kühlung erhöht werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanalgeometrie mindestens einen Hohlraum in dem Magneten umfasst. Der Hohlraum dient zur Aufnahme, insbesondere zur Durchführung, des Kühlmediums, insbesondere von Luft, die mit der Luftzuführvorrichtung auch gefördert wird.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum in dem Magneten zentral im Bereich der Drehachse des Rotors angeordnet ist. Der zentrale Hohlraum in dem Magneten kann zum Beispiel als Durchgangsloch ausgeführt sein. Dann dient der zentrale Hohlraum in dem Magneten zum Durchführen des Kühlmediums von einem Ende des Magneten zum anderen Ende.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanalgeometrie mehrere Hohlräume in dem Magneten umfasst, die in dem Magneten, im Querschnitt betrachtet, auf einem Umfang um die Drehachse des Rotors angeordnet sind. Dabei sind die Hohlräume im Querschnitt betrachtet vorzugsweise alle gleich groß ausgeführt und auch gleich gestaltet. Darüber hinaus sind die Hohlräume in Umfangsrichtung vorzugsweise gleichmäßig voneinander beabstandet.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanalgeometrie mindestens einen Kühlkanal zur Strömungsführung des Kühlmediums in dem Magneten umfasst. Der Kühlkanal erstreckt sich in dem Magneten vorzugsweise im Wesentlichen in axialer Richtung. Je nach Ausführung verläuft der Kühlkanal exakt axial. Der Kühlkanal kann aber auch von der exakten axialen Richtung abweichend schräg und/oder gekrümmt in dem Magneten verlaufen. Besonders vorteilhaft ist der Kühlkanal als Durchgangsloch ausgeführt, das sich in axialer Richtung durch den Magneten hindurch erstreckt. Der Kühlkanal verläuft vorteilhaft geradlinig durch den Magneten hindurch. Je nach Ausführung kann der Kühlkanal aber auch in dem Magneten Verzweigungen aufweisen. So können verschiedene axial verlaufende Kühlkanäle in dem Magneten über Verbindungskanäle fluidisch verbunden sein.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet, zumindest teilweise, aus einem porösen Magnetmaterial gebildet ist, um die Kühlkanalgeometrie darzustellen. Das poröse Magnetmaterial ermöglicht den Durchtritt des Kühlmediums. Zu diesem Zweck weist das poröse Magnetmaterial zum Beispiel Poren auf, die luftdurchlässig sind und so den Durchtritt von Luft ermöglichen. Dabei kann der Magnet komplett luftdurchlässig ausgeführt werden, wenn der komplette Magnet aus dem porösen Magnetmaterial gebildet ist. Es ist aber auch möglich, dass nur einzelne Hohlräume in einem an sich luftundurchlässigen Magnetmaterial mit porösem Magnetmaterial gefüllt sind, um den Luftdurchtritt zu ermöglichen.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet in axialer Richtung zwischen zwei Rotorwellenabschnitten angeordnet ist, die jeweils mindestens einen Kühlkanal umfassen, der fluidisch mit der Kühlkanalgeometrie in dem Magneten verbunden ist. Der Kühlkanal ist zum Beispiel als zentrale Bohrung in dem jeweiligen Rotorwellenabschnitt ausgeführt. Über den zentralen Kühlkanal kann mit geringem fertigungstechnischem Aufwand ausreichend Kühlmedium, insbesondere Luft, zu der Kühlkanalgeometrie in dem Magneten hin und davon weg transportiert werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung zwischen dem Magneten und den Rotorwellenabschnitten jeweils ein Scheibenkörper angeordnet ist, der mindestens ein Durchgangsloch umfasst, das in Fluidverbindung mit der Kühlkanalgeometrie in dem Magneten und mit dem Kühlkanal in dem benachbarten Rotorwellenabschnitt steht. So wird ein schneller Transport des Kühlmediums zwischen den Rotorwellenabschnitten und der Kühlkanalgeometrie in dem Magneten ermöglicht. Radial außerhalb der Scheibenkörper ist vorteilhaft eine Bandage angeordnet, die den Magneten radial außen vollständig umgibt.

Die Bandage hat zum Beispiel im Wesentlichen die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels. Die Rotorwellenabschnitte stellen mit der Bandage eine Rotorwelle dar. Innerhalb der Bandage ist der Magnet zwischen den Rotorwellenabschnitten, insbesondere zwischen den Scheibenkörpern, angeordnet. Außerhalb der Bandage ist zum Beispiel eine Rotorspule angeordnet. Die Fluidverbindung zwischen der Kühlkanalgeometrie in dem Magneten und dem Kühlkanal in dem benachbarten Rotorwellenabschnitt umfasst zum Beispiel einen Absatz oder eine Ausnehmung auf einer dem Magneten zugewandten Fläche eines der Scheibenkörper.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwellenabschnitte an ihren einander abgewandten Enden jeweils mindestens eine Durchtrittsöffnung für das Kühlmedium umfassen. Über eine der Durchtrittsöffnungen wird vorteilhaft Kühlmedium zugeführt. Über die andere Durchtrittsöffnung wird vorteilhaft Kühlmedium abgeführt. So kann auf einfache Art und Weise eine ausreichende Kühlmediumströmung durch die Rotorwellenabschnitte und die Kühlkanalgeometrie in dem Magneten sichergestellt werden.

Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Magneten, einen Rotorwellenabschnitt und/oder einen Scheibenkörper für eine vorab beschriebene Luftzuführvorrichtung. Die genannten Teile sind separat handelbar. Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Brennstoffzellensystem mit einer vorab beschriebenen Luftzuführvorrichtung.

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 Luftzuführvorrichtung mit einem elektromotorischen Antrieb, der einen Rotor mit Magneten umfasst, im Längsschnitt;

Figur 2 einen Querschnitt durch den Magneten und eine diese umgebenden Bandage mit einer Kühlkanalgeometrie gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;

Figur 3 eine ähnliche Darstellung wie in Figur 2 mit einer Kühlkanalgeometrie gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;

Figur 4 einen Scheibenkörper der Luftzuführvorrichtung aus Figur 1 alleine in einer Seitenansicht gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und

Figur 5 eine ähnliche Darstellung wie in Figur 4 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des Scheibenkörpers.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist eine Luftzuführvorrichtung 1 mit einem elektromotorischen Antrieb 2 im Längsschnitt dargestellt. Die Luftzuführvorrichtung 1 dient in einem (nicht dargestellten) Brennstoffzellensystem dazu, einer Brennstoffzelle Luft zuzuführen. Brennstoffzellensysteme an sich sind bekannt, zum Beispiel aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102012 224052 Al. Die Luftzuführvorrichtung 1 ist insbesondere als Luftverdichter ausgeführt.

Der elektromotorische Antrieb 2 der Luftzuführvorrichtung 1 umfasst einen Rotor 3 mit einer Rotorwelle 4. Die Rotorwelle 4 umfasst zwei Rotorwellenabschnitte 5,

6, an deren einander abgewandten Enden jeweils ein Laufrad 7, 8 angebracht ist. Je nach Ausführung der Luftzuführvorrichtung 1 sind die beiden Laufräder 7, 8 als Verdichterräder ausgeführt. Es ist aber auch möglich, dass nur eines der Laufräder 7, 8 als Verdichterrad ausgeführt ist, wohingegen das andere Laufrad

7, 8 als Turbinenlaufrad ausgeführt ist.

Die Rotorwelle 4 umfasst zwischen den beiden Rotorwellenabschnitten 5, 6 einen Magneten 9. Der Magnet 9 ist zusammen mit den Rotorwellenabschnitten 5, 6 und den Laufrädern 7, 8 um eine Drehachse 14 drehbar angetrieben. Radial außen ist der Magnet 9 von einer Bandage 10 umgeben. Die Bandage 10 hat die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels. An ihren entgegengesetzten Enden ist die Bandage 10 fest mit den Rotorwellenabschnitten 5, 6 verbunden.

Ein Scheibenkörper 11 ist in axialer Richtung zwischen dem Rotorwellenabschnitt 5 und dem Magneten 9 angeordnet. Ein Scheibenkörper 12 ist in axialer Richtung zwischen dem Magneten 9 und dem Rotorwellenabschnitt 6 angeordnet. In radialer Richtung sind die Scheibenkörper 11, 12 innerhalb der Bandage 10 angeordnet.

Eine Kühleinrichtung 13 dient zur Kühlung des Rotors 3. Die Kühleinrichtung 13 umfasst in dem Magneten 9 eine Kühlkanalgeometrie 17. Die Kühlkanalgeometrie 17 umfasst Kühlkanäle 61, 62, 63, die sich in axialer Richtung durch den Magneten 9 hindurch erstrecken. Die Kühlkanäle 61 bis 63 sind als in axialer Richtung durchgehende Durchgangslöcher in dem Magneten 9 ausgeführt.

Durch einen Pfeil 15 ist in Figur 1 angedeutet, dass zu Kühlzwecken ein Kühlmedium, insbesondere in Form von Luft, zugeführt wird. Die zugeführte Luft gelangt durch eine Durchtrittsöffnung 18 an dem in Figur 1 linken Ende der Rotorwelle 4 in einen Kühlkanal 19 in dem Rotorwellenabschnitt 5. Der Kühlkanal 19 erstreckt sich von der Durchtrittsöffnung 18 bis in einen zentralen Hohlraum 54 an dem in Figur 1 rechten Ende des Rotorwellenabschnitts 5. Über den Scheibenkörper 11 gelangt die zugeführte Luft in die Kühlkanalgeometrie 17 in dem Magneten 9.

Über die Kühlkanäle 61 bis 63 der Kühlkanalgeometrie 17 in dem Magneten 9 gelangt das Kühlmedium, insbesondere die Luft, durch den Magneten hindurch bis zu dem Scheibenkörper 12.

Über den Scheibenkörper 12 gelangt die Luft dann in einen zentralen Hohlraum 55 an dem in Figur 1 linken Ende des Rotorwellenabschnitts 6. Ein Kühlkanal 59 erstreckt sich von dem zentralen Hohlraum 55 zu einer Durchtrittsöffnung 58 an dem in Figur 1 rechten Ende der Rotorwelle 4. Durch einen Pfeil 16 ist die austretende Luft, die das Kühlmedium darstellt, angedeutet.

In den Figuren 2 und 3 sind zwei Ausführungsbeispiele einer Kühlkanalgeometrie 20; 30 dargestellt. Die beiden in den Figuren 2 und 3 dargestellten Kühlkanalgeometrien 20; 30 können auch miteinander kombiniert werden.

In Figur 2 ist ein Querschnitt durch den Magneten 9 und die Bandage 10 mit einer Kühlkanalgeometrie 20 dargestellt. Die Kühlkanalgeometrie 20 umfasst insgesamt acht Hohlräume 21. Die Hohlräume 21 stellen in dem Magneten 9 in axialer Richtung vorzugsweise geradlinig verlaufende Kühlkanäle 22 dar. Durch einen Pfeil 23 ist ein Radius eines Umfangs 24 angeordnet, auf den die insgesamt acht Hohlräume 21 oder Kühlkanäle 22 jeweils um einen Winkel a gleichmäßig voneinander beabstandet sind.

In Figur 3 ist ein Querschnitt durch den Magneten 9 und die Bandage 10 mit einer Kühlkanalgeometrie 30 dargestellt. Die Kühlkanalgeometrie 30 umfasst einen Hohlraum 31, der zum Beispiel einen in axialer Richtung verlaufenden Kühlkanal 32 in dem Magneten 9 darstellt. Der Hohlraum 31 kann, im dargestellten Querschnitt betrachtet, unterschiedliche Konturen 33 und 34 aufweisen. Die Kontur 33 hat die Gestalt eines Halbkreises. Die Kontur 34 ist unregelmäßig ausgeführt, um eine in dem Kühlkanal 32 mit Kühlmedium beaufschlagte Kühlfläche zu vergrößern.

In Figur 4 ist der Scheibenkörper 12 aus Figur 1 in einer Seitenansicht gezeigt. In der Seitenansicht sieht man, dass der Scheibenkörper 12 insgesamt vier Durchgangslöcher 41 umfasst, die den Durchtritt von Kühlmedium, insbesondere Luft, ermöglichen. Die Durchgangslöcher 41 sind gleichmäßig über einen Umfang verteilt angeordnet. An ihren dem Magneten 9 zugewandten Seiten der Scheibenkörper 11,12 ermöglicht jeweils ein Absatz oder eine Ausnehmung 40 den Durchtritt von Fluid, wie man in Figur 1 sieht.

In Figur 5 ist gezeigt, dass der Scheibenkörper 12 auch anders gestaltete Öffnungen aufweisen kann, die einen Durchtritt von Kühlmedium, insbesondere Luft, zwischen der Kühlkanalgeometrie 17; 20; 30 und den Kühlkanälen 19; 59 in den Rotorwellenabschnitten 5, 6 ermöglichen.

Der Scheibenkörper 12 in Figur 5 umfasst einen zentralen Ringkanal 45. Radial außerhalb des zentralen Ringkanals 45 ist in Figur 5 oben eine nierenförmige Ausnehmung 46 angeordnet. In Figur 5 unten ist eine nierenförmige Ausnehmung 47 angeordnet. Die nierenförmigen Ausnehmungen 46 und 47 sind über Verbindungskanäle 48, 49 fluidisch mit dem zentralen Ringkanal 45 verbunden.

Durch Doppelpfeile 51 und 52 ist angedeutet, dass die nierenförmigen Ausnehmungen 46 und 47 in Umfangsrichtung unterschiedlich groß sind.

Der in Figur 5 dargestellte Scheibenkörper 12 kann vorteilhaft verwendet werden, um eine Verteilung des Kühlmediums innerhalb der Kühlkanalgeometrie in dem Magneten zu optimieren. Darüber hinaus kann zum Beispiel mindestens eine der nierenförmigen Ausnehmungen 46, 47 ein zentrales Durchgangsloch in dem Scheibenkörper 12 umfassen, das einen Durchtritt von Kühlmedium in axialer Richtung ermöglicht.