Titel und Verfahren zum Herstellen einer für ein Gebläse für eine

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetrotoreinrichtung für ein Gebläse für eine Brennstoffzelleneinrichtung, Gebläseeinrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Magnetrotoreinrichtung für ein Gebläse für eine Brennstoffzelleneinrichtung.

Stand der Technik

Bei der Anwendung

Aktuell wird von Automobilherstellern verstärkt an Antrieben mit regenerativen Energieträgern gearbeitet, wobei ein solches Antriebssystem eine mobile Brennstoffzelle mit Wasserstoff als Energieträger darstellen kann. Durch das Prinzip der Brennstoffzelle weist ein Brennstoffzellensystem einen Anodenpfad auf, welcher auch als Wasserstoffpfad bezeichnet wird. Um ein geringer Verbrauch an Wasserstoff in der Brennstoffzelle zu erzielen kann es wichtig sein, den unverbrauchten Wasserstoff zu rezirkulieren. Für diese Rezirkulation kommen vorzugsweise Seitenkanalverdichter zum Einsatz, dieses als ein sogenanntes Rezirkulationsgebläse, welches einen Seitenkanalverdichter aufweisen kann. Bei den Seitenkanalverdichtern handelt es sich um eine Art Kreiselradverdichter, diese werden an Hand ihres verwendeten Laufrades und der Fluidführung in Sternradverdichter oder in Peripheralradverdichter unterteilt. Ein zu förderndes Fluid kann dabei über einen Zulaufstutzen dem Arbeitsraum mit dem Laufrad zugeführt werden. Es kann dazu mittels eines Elektromotors wiederum das Laufrad angetrieben und rotiert werden. Das Laufrad rotiert dabei zu den axial angeordneten einseitig oder beidseitig seitlichen Strömungskanälen (Seitenkanäle).

Das rotierende Laufrad kann Energie auf einen Teil des Förderstroms übertragen, wobei das Fluid hierbei in den Schaufeln und den Seitenkanälen zirkulieren kann und bildet dabei einen Zirkulationsstrom aus. Von diesem Zirkulationsstrom kann die Energie durch Impulsaustausch auf den Förderstrom im Seitenkanal übertragen werden, wobei eine Umwandlung von Geschwindigkeits- in Druckenergie erfolgen kann. Die Energieübertragung findet dabei auf der gesamten Länge des Seitenkanals mehrfach statt und so ist ein großer Energieübertrag möglich. Am Ablaufstutzen resultiert dann letztendlich ein Druckanstieg gegenüber dem Zulaufstutzen.

In der DE 10 2018 204 713 A1 wird ein Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem zur Förderung und/oder Verdichtung von einem gasförmigen Medium beschrieben.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft eine Magnetrotoreinrichtung für ein Gebläse für eine Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 1 , eine Gebläseeinrichtung nach Anspruch 9 und Verfahren zum Herstellen einer Magnetrotoreinrichtung für ein Gebläse für eine Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 10.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Vorteile der Erfindung

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, eine Magnetrotoreinrichtung für ein Gebläse für eine Brennstoffzelleneinrichtung, eine Gebläseeinrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Magnetrotoreinrichtung für ein Gebläse für eine Brennstoffzelleneinrichtung anzugeben, wobei die Fixierung von Rotormagneten an dem Rotor verbessert werden kann. Die Magnetrotoreinrichtung kann als eine Verdichterradbaugruppe oder als einzelnes Bauteil vorteilhaft einfach in einer Großserie umsetzen werden.

Erfindungsgemäß umfasst die Magnetrotoreinrichtung für ein Gebläse für eine Brennstoffzelleneinrichtung einen Rotorkörper, welcher um eine Achse drehbar gelagert ist; zumindest einen Rotormagnet, wobei der Rotorkörper eine Nabe umfasst, an welcher der zumindest eine Rotormagnet befestigt ist; eine Halterung für den Rotormagnet, welche an der Nabe befestigt ist oder ein Teil der Nabe ist und an welche der Rotormagnet anliegt; eine Abdeckung, welche an der Halterung befestigt ist und den Rotormagnet an einer der Nabe abgewandten Seite abdeckt; und ein Verdichterrad, welches an der Nabe befestigt ist und mit welchem ein Gasstrom erzeugbar ist.

Die Magnetrotoreinrichtung kann vorteilhaft einen Rotor mit einer Nabe, drehbar um eine Achse, und einen Stator umfassen, welcher dem Rotor an dessen Magnetseite gegenüberliegen kann. Der Rotormagnet kann einen oder mehrere Teilmagneten umfassen, welche in einer Draufsicht von der Seite des Stators und vorteilhaft aus Sicht entlang der Drehachse des Rotors eine Stirnseite der Nabe des Rotors abdecken können, vorteilhaft einen Kreis um die Achse schließend. Die Halterung für den Rotormagnet kann eine Berandung einer Ausnehmung sein, etwa mit einer oder mehreren Seitenwänden, die den Rotormagnet auf einer radialen Innenseite und/oder radialen Außenseite bezüglich der Achse umgeben können. Der Rotormagnet kann auf der Nabe mechanisch befestigt sein, etwa mit einer Haltevorrichtung und/oder einem Kleber. Das Verdichterrad kann Lamellen aufweisen und die Nabe ringsum umlaufen und mit der Nabe koaxial bezüglich der Achse angeordnet sein. Das Verdichterrad kann in die Nabe eingesteckt sein und/oder mit dieser verschraubt oder anders fixiert sein.

Das Gebläse für eine Brennstoffzelleneinrichtung kann einen Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem zur Förderung und/oder Verdichtung von einem gasförmigen Medium, etwa Wasserstoff, umfassen. Bei dem Gebläse kann es sich um ein Anodenrezirkulationsgebläse handeln. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Magnetrotoreinrichtung umfasst das Gebläse ein Rezirkulationsgebläse für Wasserstoff.

Durch das Verdichterrad kann ein Volumensfluss des Wasserstoffs in Rezirkulationskreis, etwa einer Anode der Brennstoffzelle, erzeugt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Magnetrotoreinrichtung umfasst die Nabe eine ferritische Nabe.

Es kann der Werkstoff (ferritische Nabe) den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizient besitzen kann, wie der Kugellageraussenring (beispielsweise martensitischer Edelstahl 1.4108), der in diese eingepresst werden. Dies hat den Vorteil, dass das Kugellagerradialspiel klein gehalten werden kann, da es keine Pressungsveränderung über Temperatur geben muss. Somit wird auch das Axialspiel reduziert, was für den hydraulischen/pneumatischen Wirkungsgrad sehr wichtig sein kann. Des Weiteren werden die Lager nicht durch den Pressverband unnötig belastet was die Lebensdauer der Lager erhöht bzw. günstigere Materialpaarungen im Kugellager möglich machen kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Magnetrotoreinrichtung umfasst die Halterung eine austenitische Hülse, die koaxial mit der Achse auf die Nabe aufgesetzt ist.

Die Hülse kann einen radialen Außenanschlag für den oder die Rotormagneten darstellen und diese fix innerhalb eines bestimmten Radius um die Achse halten und radiale Fliehkräfte kompensieren.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Magnetrotoreinrichtung umfasst die Abdeckung eine tiefgezogene Platte.

Der Vorteil daraus ist, dass hier fertigungstechnisch einfach ein dichter Abschluss für die Magnete hergestellt werden kann. Die Platte (austenitischer Edelstahl) kann auf den Rotor geschweißt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Magnetrotoreinrichtung ist die Halterung mit der Nabe verschweißt und/oder die Abdeckung ist mit der Halterung und mit dem Rotorkörper verschweißt.

Durch das Erzeugen einer Schweißnaht kann eine robuste und widerstandsfähige Verbindung zwischen Halterung und Nabe sowie zwischen Abdeckung und Halterung erzielt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Magnetrotoreinrichtung bilden eine Seitenwand des Rotorkörpers, die Nabe und die Halterung zusammen eine Ausnehmung für den zumindest einen Rotormagnet, welche bei eingesetzten Rotormagnet von der Abdeckung abgedeckt ist.

Mit der Abdeckung kann der Rotormagnet robust gegen einen Luftspalt zwischen Rotor und Stator abgedeckt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Magnetrotoreinrichtung umfasst diese eine gerade Anzahl magnetisierbarer Rotormagneten, welche auf eine Seite der Nabe aufgesetzt sind und aus einer Sicht entlang der Achse einen Kreis, oder Kreissegmente, bilden, wobei die magnetisierbaren Rotormagneten eine alternierende Abfolge von magnetischen Nord- und Südpolen bilden.

Es kann ein Aufbau einer Axialflussmaschine erzielt werden, was deutlich kleiner als eine Radialflussmaschine sein kann.

Die Abdeckung kann vorteilhaft einen unmagnetischen Deckel darstellen.

Um die Rotormagneten, etwa als Magnetsegmente, aufgrund der Fliehkraft bei der Rotation des Rotors durch die Hülse stützen zu können benötigt man eine dicke (in radialer Richtung) Wandstärke der Hülse, vorteilhaft zumindest eine vorgegebene Dicke (Wandstärke). Gleichzeitig benötigt man axial in Richtung des Stators eine möglichst dünne Wandstärke des Deckels (der Abdeckung) um den Luftspalt von Rotormagnet und Stator klein zu halten bzw. die entstehenden Wirbelstromverluste klein zu halten. Dabei kann die Stärke des Deckels (der Abdeckung) beispielsweise in einem vorgegebenen Werteintervall liegen. Die Magnetrotoreinrichtung kann aus einer ferritischen Nabe (z.B.1.4511) bestehen, die den magnetischen Rückschluss erzeugen kann.

Dieser ferritische Stahl ist sehr korrosionsbeständig und hat den Vorteil, dass er den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizient besitzen kann, wie ein Kugellageraussenring (martensitischer Edelstahl 1.4108), der in diese Nabe (etwa in eine Ausnehmung um die Achse herum) eingepresst werden kann. Dies hat den Vorteil, dass das Kugellagerradialspiel klein gehalten werden kann, da es keine Pressungsveränderung über Temperatur gibt. Somit kann auch das Axialspiel reduziert werden, was für den hydraulischen/pneumatischen Wirkungsgrad sehr wichtig ist. Des Weiteren werden die Lager nicht durch den Pressverband unnötig belastet. Dies kann die Lebensdauer der Lager erhöhen bzw. günstigere Materialpaarungen im Kugellager möglich machen.

Die Fliehkräfte der Magnetsegmente werden nun über eine austenitische (1 .4404) Hülse aufgenommen, die auf die ferritischen Nabe aufgeschweißt werden kann. Da der austenitische Edelstahl komplett unmagnetisch ist, kann dieser komplett über dem Magnet gezogen werden ohne dass er den magnetischen Rückschluss beeinträchtigt.

Gekammert wird der Magnet mittels eines austenitischen Bleches, dass vorzugsweise als Stanzteil hergestellt werden kann. Dieses wird dann axial mittels eines Überlappstosses dichtgeschweißt.

Das Blech (Deckel) kann unmagnetisch sein und gemeinsam mit der Hülse und der Nabe die Einhausung der Magnete bilden.

Ein weiterer großer Vorteil ist es, dass das vorgestellte Design ein Ansammeln von Wasser im Bereich des Stators stark verbessern kann. Dies hat den Vorteil, dass die Verdichterradbaugruppe (die Magnetrotoreinrichtung) bei Tieftemperaturen weniger zum Festfrieren neigt.

Ein weiterer Vorteil zum Bekannten ist die Schwerpunktlage der Verdichterradbaugruppe. Die befindet sich beim bekannten Design direkt über dem Stator zugewanden Lager und erfindungsgemäß direkt zwischen den beiden Lagern. Das bewirkt eine deutliche Stabilisierung und somit eine Erhöhung der Lagerlebenszeit und somit eine Erhöhung der Lebensdauer des ARBs

Erfindungsgemäß umfasst die Gebläseeinrichtung einen Stator und eine erfindungsgemäße Magnetrotoreinrichtung.

Erfindungsgemäß erfolgt bei einem Verfahren zum Herstellen einer Magnetrotoreinrichtung für ein Gebläse für eine Brennstoffzelleneinrichtung ein Bereitstellen eines Rotorkörpers, welcher um eine Achse drehbar gelagert ist; ein Bereitstellen zumindest eines Rotormagneten, wobei der Rotorkörper eine Nabe umfasst, an welcher der zumindest eine Rotormagnet befestigt wird; ein Bereitstellen einer Halterung für den Rotormagnet, welche an der Nabe befestigt wird und an welche der Rotormagnet anliegt; ein Bereitstellen einer Abdeckung, welche an der Halterung befestigt wird und den Rotormagnet an einer der Nabe abgewandten Seite abdeckt; ein Bereitstellen eines Verdichterrads, welches an der Nabe befestigt wird und mit welchem ein Gasstrom erzeugbar ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Halterung mit der Nabe verschweißt und/oder die Abdeckung mit der Halterung und mit dem Rotorkörper verschweißt.

Die Magnetrotoreinrichtung und/oder die Gebläseeinrichtung kann sich auch durch die in Verbindung mit dem Verfahren genannten Merkmale und dessen Vorteile auszeichnen und umgekehrt.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Magnetrotoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung von Rotormagneten in einer Magnetrotoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens zum Herstellen einer Magnetrotoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Verdichterradbaugruppe mit einer Magnetrotoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Magnetrotoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Die Magnetrotoreinrichtung 10 für ein Gebläse für eine Brennstoffzelleneinrichtung umfasst einen Rotorkörper RT, welcher um eine Achse A drehbar gelagert ist; zumindest einen Rotormagnet RM, wobei der Rotorkörper RT eine Nabe NB umfasst, an welcher der zumindest eine Rotormagnet RM befestigt ist (siehe perspektivische Ansicht in der Fig. 4); eine Halterung HA für den Rotormagnet RM, welche an der Nabe NB befestigt ist und an welche der Rotormagnet RM anliegt; eine Abdeckung AB, welche an der Halterung HA befestigt ist und den Rotormagnet RM an einer der Nabe NB abgewandten Seite abdeckt; und ein Verdichterrad VD, welches an der Nabe NB befestigt ist und mit welchem ein Gasstrom erzeugbar ist. Das Verdichterrad kann mit einer Federplatte FD oder Scheibe an die Nabe NB angedrückt sein und über die Federplatte FD oder Scheibe mit einer Schraube SR mit der Nabe NB verschraubt sein. Die Halterung HA kann eine austenitische Hülse umfassen, die koaxial mit der Achse A auf die Nabe NB aufgesetzt sein kann. Die Abdeckung AB kann eine tiefgezogene Platte mit gleicher Dicke an allen oder den meisten Stellen umfassen.

Die Halterung HA kann mit der Nabe NB über eine dritte Schweißnaht SW3 verschweißt sein. Des Weiteren kann die Abdeckung AB mit der Halterung HA über eine zweite Schweißnaht SN2 verschweißt sein (und sich teilweise über die Halterung überlappend erstrecken und dort durchgeschweißt sein) und die Abdeckung AB kann mit dem Rotorkörper RT, vorteilhaft mit der Seitenwand SW, diese teilweise oder ganz überlappend, mit einer ersten Schweißnaht SN1 verschweißt sein. Zur fixen Einfassung des Rotormagneten RM können die Seitenwand SW des Rotorkörpers RT, die Nabe NB und die Halterung HA zusammen eine Ausnehmung AS für den zumindest einen Rotormagnet RM bilden, vorteilhaft passgenau, welche bei eingesetzten Rotormagnet RM von der Abdeckung AB abgedeckt ist.

Hergestellt werden kann die Magnetrotoreinrichtung 10 nach folgendem Beispiel. Der Rotor besteht demgemäß und beispielsweise aus einer Nabe (ferritischer Edelstahl z.B. 1.4511), einer austenitischen Hülse (1.4404), 4 Segmentmagneten (vorzugsweise NdFeB) und einem Abschlussblech (austenitischer Edelstahl z.B. X2CrNiMo17-12-2 (1.4404)). Die austenitische Hülse wird auf die ferritische Nabe aufgepresst und radial mittels eines Überlappstosses, oder durch andere Schweißarten, dichtgeschweißt. In die freien Zwischenräume (entstehende Ausnehmung) (Fig. 4, vor Einlegen der weiteren Kreissegmente) werden die noch unmagnetische Segmentmagnete aus z.B. NdFeB eingelegt, positioniert und ggf. fixiert. Anschließend wird die unmagnetische Abdeckscheibe (austenitischer Edelstahl) auf die Nabenstirn mittels einer Laserschweissung dicht geschweißt. Anschließend wird das Verdichterrad VD aus Aluminium auf den Rotor eingepressl/gefügt. Anschließend wird die nichtrostende Spannscheibe FD auf den Rotor positioniert und mit 4 nichtrostende Flachkopfschrauben SR (radial umlaufend, die Fig. 1 zeigt nur eine Schraube SR) verschraubt. Die Spannscheibe FD hat die Aufgabe das Verdichterrad VD gegen den Rotor RT zu verspannen. Nach diesem Montageschritt wird die Baugruppe gewuchtet, um die Fliehkräfte während des Betriebes klein zu halten. Hier wird Material an definierten Bereichen des Laufrades RT oder VD weggenommen. Nach dem Wuchten werden schließlich die Kugellager KL und Distanzscheibe DR über den Außendurchmesser eingepresst. Zum Schluss wird mittels einer Aufmagnetisierungsspule, die bisherigen unmagnetischen

Magnetsegmente RM in der Reihenfolge wie in Fig. 4 gezeigt aufmagnetisiert.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung von Rotormagneten in einer Magnetrotoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Die Fig. 2 zeigt dabei eine Draufsicht auf die Magnetseite des Rotors, entgegen der Drehachse A der Nabe NB. Dabei können die Rotormagnete RM mehrere Kreissegmente bilden und die Achse A radial umlaufen. Die Abdeckung AB kann jeweils für jedes Kreissegment einzeln oder insgesamt und einstückig die Kreissegmente radial abschließen. Die Kreissegmente können eine gerade Anzahl magnetisierbarer Rotormagneten RM darstellen, welche auf eine Seite der Nabe NB, Seite der Draufsicht, aufgesetzt sind und aus einer Sicht entlang der Achse A einen Kreis aus Kreissegmenten bilden können, wobei die magnetisierbaren Rotormagneten RM eine alternierende Abfolge von magnetischen Nord- N und Südpolen S bilden können. Zwischen den Kreissegmenten der Rotormagneten können Distanzbereiche DB vorhanden sein, welche die Rotormagneten voneinander lateral (im radialen Umlauf) separieren können.

Fig. 3 zeigt eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens zum Herstellen einer Magnetrotoreinrichtung für ein Gebläse für eine Brennstoffzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Bei dem Verfahren zum Herstellen einer Magnetrotoreinrichtung für ein Gebläse für eine Brennstoffzelleneinrichtung erfolgt ein Bereitstellen S1 eines Rotorkörpers, welcher um eine Achse drehbar gelagert ist; ein Bereitstellen S2 zumindest eines Rotormagneten, wobei der Rotorkörper eine Nabe umfasst, an welcher der zumindest eine Rotormagnet befestigt wird; ein Bereitstellen S3 einer Halterung für den Rotormagnet, welche an der Nabe befestigt wird und an welche der Rotormagnet anliegt; ein Bereitstellen S4 einer Abdeckung, welche an der Halterung befestigt wird und den Rotormagnet an einer der Nabe abgewandten Seite abdeckt; ein Bereitstellen S5 eines Verdichterrads, welches an der Nabe befestigt wird und mit welchem ein Gasstrom erzeugbar ist. Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Verdichterradbaugruppe mit einer Magnetrotoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren 4a und 4b sind verschiedene perspektivische Ansichten der Magnetrotoreinrichtung 10 in einer Verdichterradbaugruppe gezeigt. Die Magnetrotoreinrichtung 10 umfasst einen Rotorkörper, welcher um eine Achse A drehbar gelagert ist. In der Fig. 4b wird gezeigt, dass mehrere Rotormagneten RM vorhanden sein können, welche auf einer Stirnseite der Nabe angeordnet sein können. Die Fig. 4b zeigt dabei eine Sicht von vorne, die dem Stator zugewandt sein kann, mit den flachen Bereichen der Rotormagneten RM, welche als Kreissegmente um die Achse A herumlaufen können, ähnlich der Fig. 2, abwechseln mit Nord- und Südpolen.

Des Weiteren ist ein Verdichterrad VD mit Lamellen mit der Nabe NB befestigt, mit welchem ein Gasstrom erzeugbar ist.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.