WO2021233751A1 - Rotor für eine luftversorgungseinheit einer brennstoffzelleneinheit und luftversorgungseinheit für eine brennstoffzelleneinheit - Google Patents

Rotor für eine luftversorgungseinheit einer brennstoffzelleneinheit und luftversorgungseinheit für eine brennstoffzelleneinheit Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a rotor for an air supply unit of a fuel cell unit according to the features of the preamble of claim 1 and an air supply unit for a fuel cell unit.
  • Air supply units for fuel cell units are generally known from the prior art. These air supply units comprise a rotor which is rotatably mounted in a housing by means of foil air bearings in order to suck in air, to compress it and to introduce it into the fuel cell unit.
  • a coating material and a coating method are described in WO 2007/004770 A1.
  • the coating material is applied to a rotating shaft. It comprises 20 to 40% by weight of chromium oxide, 40 to 60% by weight of a binding material, 10 to 20% by weight of tungsten disulfide and 10 to 20% by weight of silver.
  • the binding material comprises 60 to 80% by weight nickel and 20 to 40% by weight chromium.
  • an aerodynamic air bearing and a method for its production are known.
  • At least one corrugated foil is fixed in a bearing housing.
  • a cover film lies between the corrugated film and the corrugation, with a surface of the cover film facing the corrugation bearing a coating. By partially coating the cover film, structuring is formed in the surface facing the shaft.
  • the invention is based on the object of specifying a rotor for an air supply unit of a fuel cell unit which is improved compared to the prior art and an air supply unit for a fuel cell unit which is improved compared to the prior art.
  • the object is achieved according to the invention by a rotor for an air supply unit of a fuel cell unit with the features of claim 1 and an air supply unit for a fuel cell unit with the features of claim 5.
  • a rotor for an air supply unit of a fuel cell unit which is provided for rotatable mounting, in particular by means of foil air bearings, in a housing of the air supply unit, it is provided according to the invention that the rotor is formed at least in sections from a carbon graphite material or from a synthetic resin-bonded carbon fiber material or is at least partially coated with it is.
  • a rotor shaft and / or an axial bearing disk of the rotor are / is formed at least in sections from the carbon graphite material or from the synthetic resin-bonded carbon fiber material or at least in sections coated with it.
  • the rotor shaft has, for example, two radial bearing sections which are each formed from the carbon graphite material or from the synthetic resin-bonded carbon fiber material or are coated therewith.
  • the axial bearing disk it can be provided, for example, that opposing bearing surfaces of the axial bearing disk are coated with the carbon graphite material or with the synthetic resin-bonded carbon fiber material, or the entire axial bearing disk is formed therefrom.
  • a combination of one or more carbon graphite materials and / or one or more synthetic resin-bonded carbon fiber materials can also be provided for the rotor.
  • provision can also be made, for example, for different bearing sections to be coated with different of the above-mentioned materials.
  • the radial bearing sections and the axial bearing washer are coated with different of the above-mentioned materials, ie have coatings that differ from one another.
  • the rotor shaft it can be provided, for example, that all radial bearing sections are coated with the same material or with different of the above-mentioned materials.
  • the axial bearing disk it can be provided, for example, that both bearing surfaces with the the same material or are coated with different of the above-mentioned materials.
  • the rotor shaft and the axial bearing disk are made partially or completely from the same material or from different of the above-mentioned materials.
  • the rotor shaft is at least partially or completely made of one of the above-mentioned materials and the axial bearing disk is at least partially or completely coated with one of the above-mentioned materials, or vice versa.
  • An air supply unit according to the invention for a fuel cell unit comprises such a rotor which is rotatably mounted in the housing of the air supply unit by means of foil air bearings.
  • carbon graphite materials and / or synthetic resin-bonded carbon fiber materials significantly improves mixed friction properties and emergency running properties in foil air bearings, in particular in radial bearings and axial bearings. Both these carbon graphite materials and these synthetic resin-bonded carbon fiber materials have self-lubricating properties due to their special crystal structure. Without additional lubricants, a coefficient of friction between these materials and their friction partners is therefore comparatively small.
  • a material pairing of such a material with conventional metal alloys of a friction partner offers good emergency running properties.
  • Common metal alloys of such friction partners are, for example, steel, titanium or titanium alloys, also referred to as titanium, or nickel-based alloys with nickel as the main component, chromium as an important secondary component and optionally iron, molybdenum, niobium, cobalt, manganese, copper, aluminum , Titanium, silicon, carbon, sulfur, phosphorus and / or boron as further secondary components.
  • nickel-based alloys are also known as Inconel.
  • the solution according to the invention also significantly reduces wear in the mixed friction area when starting and stopping.
  • a mass moment of inertia of the rotor is reduced, as a result of which, with the same electrical design of an electric drive machine of the air supply unit, a critical speed range is passed through more quickly when starting and stopping.
  • FIG. 1 schematically shows a sectional illustration of an air supply unit for a fuel cell unit
  • FIG. 2 schematically shows a rotor shaft with an axial bearing disk of a rotor of the air supply unit from FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a sectional illustration of an air supply unit 1 for a fuel cell unit (not shown here), for example for a so-called fuel cell stack with a plurality of fuel cells.
  • FIG. 2 shows a rotor shaft 2 with an axial bearing disk 3 of a rotor 4 of the air supply unit 1 from FIG the rotor shaft 2 be formed.
  • the air supply unit 1 is designed analogously or similarly to an electric turbocharger for an internal combustion engine. It comprises a housing 5 in which the rotor 4 is rotatably mounted.
  • the rotor 4 comprises a turbine wheel 6 which is arranged on an exhaust gas side 7 of the air supply unit 1, and a compressor wheel 8 which is arranged on a fresh air side 9 of the air supply unit 1.
  • the exhaust gas side 7 of the air supply unit 1 can be fluidically coupled or coupled to an exhaust gas outlet of the fuel cell unit, so that the rotor 4 is fed by exhaust gas from the fuel cell unit, which flows against and drives the turbine wheel 6, is drivable.
  • an electric drive machine 10 is also provided, in particular a permanent magnet synchronous motor (PMSM).
  • PMSM permanent magnet synchronous motor
  • the rotor 4 advantageously also forms a rotor 4 of this electric drive machine 10 at the same time.
  • the fresh air side 9 of the air supply unit 1 can be fluidically coupled or coupled to a fresh air inlet of the fuel cell unit, so that the air supply unit 1 can suck in fresh air, in particular from an external environment of the air supply unit 1, by means of its compressor wheel 8, compress it and feed it to the fuel cell unit.
  • two radial bearings 13 and one axial bearing 14 are provided in the example shown.
  • the storage is advantageously carried out by means of film air bearings 15, 16, also referred to as air film bearings, ie. H. via air bearings that comprise one or more foils.
  • one radial film air bearing 15 is therefore provided for each radial bearing 13 and two axial film air bearings 16 are provided for the axial bearing 14, each on one side of the axial bearing disk 3, for mounting in both axial directions of the rotor 4.
  • These air bearings are designed in particular as aerodynamic bearings, i. H. no compressed air supply is provided; H. at a sufficiently high speed, the rotor 4 off.
  • the foils are advantageously structured accordingly in order to achieve this aerodynamic effect.
  • the air bearings in particular film air bearings 15, 16, are used for air supply units 1 for fuel cell units, in particular because of the requirement that storage systems of the air supply unit 1 must not be designed with carbon-based lubricants, since otherwise there is a risk that the carbon-based lubricants will leak into a membrane of a membrane can reach the respective fuel cell of the fuel cell unit, which would result in a reduced service life and a loss of performance of the fuel cell unit.
  • the solution described in more detail below provides the use of one or more carbon graphite materials and / or one or more synthetic resin-bonded carbon fiber materials, in particular to improve the mixed friction properties and emergency running properties, in particular in the case of foil air bearings 15, 16, in particular in the radial bearings 13 and the axial bearing 14 to increase significantly.
  • Carbon graphite materials and synthetic resin-bonded carbon fiber materials have self-lubricating properties due to their special crystal structure. Without additional lubricants, a coefficient of friction between such carbon materials and their friction partners is therefore comparatively small.
  • This solution thus enables an increase in the robustness of the air supply unit 1 through better mixed friction properties and emergency running properties of the film air bearings 15, 16, in particular the radial bearings 13 and the axial bearing 14 a mass moment of inertia of the rotor 4 is reduced, as a result of which, with the same electrical design of the electric drive machine 10, the critical speed range when starting and stopping, in which there is no stored air cushion, is passed through more quickly.
  • the mentioned metal alloys usually used for such bearings are for example steel, titanium or titanium alloys, also referred to as titanium, or nickel-based alloys with nickel as the main component, chromium as an important secondary component and optionally iron, molybdenum , Niobium, cobalt, manganese, copper, aluminum, titanium, silicon, carbon, sulfur, phosphorus and / or boron as further secondary components.
  • nickel-based alloys are also known as Inconel.
  • one or more carbon graphite materials and / or one or more synthetic resin-bonded carbon fiber materials are used for mounting the rotor 4 in the housing 5, in particular as one of two friction partners of the respective bearing 13, 14.
  • the friction partners of the two radial bearings 13 are formed by the rotor shaft 2, in particular a respective radial bearing section 17 of the rotor shaft 2, of the rotor 4 on the one hand and at least one film of the respective radial film air bearing 15 on the other.
  • the respective radial film air bearing 15, in particular the respective film is arranged between the rotor shaft 2, in particular the respective radial bearing section 17, and a respective radial housing bearing section of the housing 5 and, in particular, is firmly connected to this radial housing bearing section, so that a relative movement takes place between the rotor shaft 2 and the film. however, there is no relative movement between the housing radial bearing section and the film.
  • the friction partners of the axial bearing 14 are formed by the axial bearing washer 3 on the one hand, in particular by opposing bearing surfaces 18 of the axial bearing washer 3, and at least one film of the respective axial film air bearing 16 on the other hand.
  • the respective axial film air bearing 16, in particular the respective film is arranged between the respective bearing surface 18 of the axial bearing washer 3 and a respective housing axial bearing section of the housing 5 and, in particular, is firmly connected to this housing axial bearing section, so that a relative movement between Axial bearing washer 3, in particular its respective bearing surface 18, and film takes place, but there is no relative movement between the housing axial bearing section and the film.
  • the foils of the foil air bearings 15, 16, which form one friction partner of the respective bearing 13, 14, are formed in a known manner, in particular from one of the metal alloys commonly used for this purpose and exemplified above. It is therefore provided that the respective other friction partner is formed from or coated with at least one of the above-mentioned materials.
  • this relates to the rotor 4, in particular one or more sections of the rotor 4, in particular the rotor shaft 2, in particular its respective radial bearing section 17, and the axial bearing washer 3, in particular its bearing surfaces 18.
  • the rotor 4 which is rotatably mounted in the housing 5 of the air supply unit 1 for the fuel cell unit, shown as an example in FIG . H. is formed from at least one carbon graphite material and / or from at least one synthetic resin-bonded carbon fiber material and / or is coated therewith at least in sections.
  • a combination of one or more carbon graphite materials and / or one or more synthetic resin-bonded carbon fiber materials can also be provided for the rotor 4.
  • provision can also be made, for example, for different bearing sections to be coated with different of the above-mentioned materials.
  • the radial bearing sections 17 and the axial bearing washer 3, in particular their bearing surfaces 18, are coated with different of the above-mentioned materials, ie have coatings that differ from one another.
  • the rotor shaft 2 it can be provided, for example, that all radial bearing sections 17 are coated with the same material or with different of the above-mentioned materials.
  • both bearing surfaces 18 are coated with the same material or with different of the above-mentioned materials.
  • the rotor shaft 2 and the axial bearing washer 3, in sections or in full, are made from the same material or from different of the above-mentioned materials.
  • the rotor shaft 2 is formed at least in sections or completely from at least one of the above-mentioned materials and the axial bearing washer 3 is coated at least in sections or completely with at least one of the above-mentioned materials, or that the rotor shaft 2 is at least partially or is completely coated with at least one of the above-mentioned materials and the axial bearing disk 3 is formed at least in sections or completely from at least one of the above-mentioned materials.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (4) für eine Luftversorgungseinheit (1) einer Brennstoffzelleneinheit, welcher zur drehbaren Lagerung mittels Folienluftlagern (15, 16) in einem Gehäuse (5) der Luftversorgungseinheit (1) vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist der Rotor (4) zumindest abschnittsweise aus einem Kohlenstoffgraphitwerkstoff oder aus einem kunstharzgebundenen Kohlefaserwerkstoff ausgebildet oder zumindest abschnittsweise damit beschichtet. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Luftversorgungseinheit (1) mit einem solchen Rotor (4).

Description

Rotor für eine Luftversorgungseinheit einer Brennstoffzelleneinheit und Luftversorgungseinheit für eine Brennstoffzelleneinheit
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Luftversorgungseinheit einer Brennstoffzelleneinheit nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Luftversorgungseinheit für eine Brennstoffzelleneinheit.
Aus dem Stand der Technik sind Luftversorgungseinheiten für Brennstoffzelleneinheiten allgemein bekannt. Diese Luftversorgungseinheiten umfassen einen mittels Folienluftlagern drehbar in einem Gehäuse gelagerten Rotor, um Luft anzusaugen, zu verdichten und in die Brennstoffzelleneinheit einzuleiten.
In der WO 2007/004770 A1 werden ein Beschichtungsmaterial und ein Beschichtungsverfahren beschrieben. Das Beschichtungsmaterial wird auf eine rotierende Welle aufgetragen. Es umfasst 20 bis 40 Gew.-% Chromoxid, 40 bis 60 Gew.-% eines Bindematerials, 10 bis 20 Gew.-% Wolframdisulfid und 10 bis 20 Gew.-% Silber. Das Bindematerial umfasst 60 bis 80 Gew.-% Nickel und 20 bis 40 Gew.-% Chrom.
Aus der DE 102014201 563 A1 sind ein aerodynamisches Luftlager und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Zur Lagerung einer Welle ist in einem Lagergehäuse mindestens eine Wellfolie fixiert. Zwischen der Wellfolie und der Welle liegt eine Deckfolie, wobei eine der Welle zugewandte Fläche der Deckfolie eine Beschichtung trägt. Durch eine partielle Beschichtung der Deckfolie wird eine Strukturierung in der der Welle zugewandten Fläche ausgebildet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Rotor für eine Luftversorgungseinheit einer Brennstoffzelleneinheit und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Luftversorgungseinheit für eine Brennstoffzelleneinheit anzugeben. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Rotor für eine Luftversorgungseinheit einer Brennstoffzelleneinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Luftversorgungseinheit für eine Brennstoffzelleneinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem Rotor für eine Luftversorgungseinheit einer Brennstoffzelleneinheit, welcher zur drehbaren Lagerung, insbesondere mittels Folienluftlagern, in einem Gehäuse der Luftversorgungseinheit vorgesehen ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Rotor zumindest abschnittsweise aus einem Kohlenstoffgraphitwerkstoff oder aus einem kunstharzgebundenen Kohlefaserwerkstoff ausgebildet ist oder zumindest abschnittsweise damit beschichtet ist.
Insbesondere sind/ist eine Rotorwelle und/oder eine Axiallagerscheibe des Rotors zumindest abschnittsweise aus dem Kohlenstoffgraphitwerkstoff oder aus dem kunstharzgebundenen Kohlefaserwerkstoff ausgebildet oder zumindest abschnittsweise damit beschichtet. Die Rotorwelle weist beispielsweise zwei Radiallagerabschnitte auf, welche jeweils aus dem Kohlenstoffgraphitwerkstoff oder aus dem kunstharzgebundenen Kohlefaserwerkstoff ausgebildet sind oder damit beschichtet sind. Bei der Axiallagerscheibe kann beispielsweise vorgesehen sein, dass gegenüberliegende Lagerflächen der Axiallagerscheibe mit dem Kohlenstoffgraphitwerkstoff oder mit dem kunstharzgebundenen Kohlefaserwerkstoff beschichtet sind, oder die gesamte Axiallagerscheibe ist daraus ausgebildet.
Beispielsweise kann auch eine Kombination aus einem oder mehreren Kohlenstoffgraphitwerkstoffen und/oder einem oder mehreren kunstharzgebundenen Kohlefaserwerkstoffen für den Rotor vorgesehen sein. Insbesondere bei der Beschichtung kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass verschiedene Lagerabschnitte mit unterschiedlichen der oben genannten Werkstoffe beschichtet sind. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Radiallagerabschnitte und die Axiallagerscheibe mit verschiedenen der oben genannten Werkstoffe beschichtet sind, d. h. voneinander abweichende Beschichtungen aufweisen. Bei der Rotorwelle kann beispielsweise vorgesehen sein, dass alle Radiallagerabschnitte mit dem gleichen Werkstoff oder mit unterschiedlichen der oben genannten Werkstoffe beschichtet sind. Bei der Axiallagerscheibe kann beispielsweise vorgesehen sein, dass beide Lagerflächen mit dem gleichen Werkstoff oder mit unterschiedlichen der oben genannten Werkstoffe beschichtet sind.
Auch bei der Ausbildung aus einem der oben genannten Werkstoffe kann vorgesehen sein, dass die Rotorwelle und die Axiallagerscheibe, abschnittsweise oder vollständig aus dem gleichen Werkstoff oder aus unterschiedlichen der oben genannten Werkstoffe ausgebildet sind.
Es kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass die Rotorwelle zumindest abschnittsweise oder vollständig aus einem der oben genannten Werkstoffe ausgebildet ist und die Axiallagerscheibe zumindest abschnittsweise oder vollständig mit einem der oben genannten Werkstoffe beschichtet ist oder umgekehrt.
Eine erfindungsgemäße Luftversorgungseinheit für eine Brennstoffzelleneinheit umfasst einen solchen Rotor, der mittels Folienluftlagern drehbar im Gehäuse der Luftversorgungseinheit gelagert ist.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Kohlenstoffgraphitwerkstoffen und/oder kunstharzgebundenen Kohlefaserwerkstoffen werden Mischreibungseigenschaften und Notlaufeigenschaften bei Folienluftlagern, insbesondere bei Radiallagern und Axiallagern, deutlich verbessert. Sowohl diese Kohlenstoffgraphitwerkstoffe als auch diese kunstharzgebundenen Kohlefaserwerkstoffe besitzen aufgrund ihrer besonderen Kristallstruktur selbstschmierende Eigenschaften. Ohne zusätzliche Schmiermittel ist daher ein Reibungskoeffizient zwischen diesen Werkstoffen und deren Reibpartnern vergleichsweise klein.
Durch die entsprechenden geringen Reibungskoeffizienten bietet eine Materialpaarung eines solchen Werkstoffs mit üblichen Metalllegierungen eines Reibpartners gute Notlaufeigenschaften. Dies gilt insbesondere für Folienluftlager, bei welchen der Reibpartner durch mindestens eine Folie des Folienluftlagers gebildet wird. Übliche Metalllegierungen solcher Reibpartner, insbesondere von Folien für Folienluftlager, sind beispielsweise Stahl, Titan oder Titanlegierungen, auch als Titanium bezeichnet, oder Nickelbasislegierungen mit Nickel als Hauptkomponente, Chrom als wichtige Nebenkomponente und optional Eisen, Molybdän, Niob, Kobalt, Mangan, Kupfer, Aluminium, Titan, Silizium, Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor und/oder Bor als weitere Nebenkomponenten. Diese Nickelbasislegierungen werden auch als Inconel bezeichnet. Des Weiteren wird durch die erfindungsgemäße Lösung auch ein Verschleiß im Mischreibungsbereich beim Starten und Stoppen deutlich reduziert. Zudem wird ein Massenträgheitsmoment des Rotors reduziert, wodurch bei gleicher elektrischer Auslegung einer elektrischen Antriebsmaschine der Luftversorgungseinheit ein kritischer Drehzahlbereich beim Starten und Stoppen schneller durchlaufen wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Schnittdarstellung einer Luftversorgungseinheit für eine Brennstoffzelleneinheit, und
Fig. 2 schematisch eine Rotorwelle mit Axiallagerscheibe eines Rotors der Luftversorgungseinheit aus Figur 1.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Luftversorgungseinheit 1 für eine hier nicht dargestellte Brennstoffzelleneinheit, beispielsweise für einen so genannten Brennstoffzellenstack mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen. Figur 2 zeigt eine Rotorwelle 2 mit Axiallagerscheibe 3 eines Rotors 4 der Luftversorgungseinheit 1 aus Figur 1. Die Axiallagerscheibe 3 ist im dargestellten Beispiel mit der Rotorwelle 2 fest, insbesondere drehfest, verbunden, kann in anderen Ausführungsformen jedoch beispielsweise auch einteilig und/oder einstückig mit der Rotorwelle 2 ausgebildet sein.
Die Luftversorgungseinheit 1 ist analog oder ähnlich einem elektrischen Turbolader für einen Verbrennungsmotor ausgebildet. Sie umfasst ein Gehäuse 5, in welchem der Rotor 4 drehbar gelagert ist. Der Rotor 4 umfasst ein T urbinenrad 6, welches auf einer Abgasseite 7 der Luftversorgungseinheit 1 angeordnet ist, und ein Verdichterrad 8, welches auf einer Frischluftseite 9 der Luftversorgungseinheit 1 angeordnet ist.
Die Abgasseite 7 der Luftversorgungseinheit 1 ist mit einem Abgasauslass der Brennstoffzelleneinheit fluidisch koppelbar oder gekoppelt, so dass der Rotor 4 durch Abgas der Brennstoffzelleneinheit, welches das Turbinenrad 6 anströmt und antreibt, antreibbar ist. Zur Unterstützung des Antriebs des Rotors 4 ist des Weiteren eine elektrische Antriebsmaschine 10 vorgesehen, insbesondere ein Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM). Der Rotor 4 bildet dabei vorteilhafterweise gleichzeitig auch einen Rotor 4 dieser elektrischen Antriebsmaschine 10. Er umfasst dazu im dargestellten Beispiel mindestens einen Permanentmagnet 11 oder mehrere Permanentmagnete 11 und ist, zumindest in diesem Permanentmagnetbereich, von einem Stator 12 der elektrischen Antriebsmaschine 10 umschlossen.
Die Frischluftseite 9 der Luftversorgungseinheit 1 ist mit einem Frischlufteingang der Brennstoffzelleneinheit fluidisch koppelbar oder gekoppelt, so dass die Luftversorgungseinheit 1 mittels ihres Verdichterrades 8 Frischluft, insbesondere aus einer äußeren Umgebung der Luftversorgungseinheit 1, ansaugen, verdichten und der Brennstoffzelleneinheit zuführen kann.
Zur drehbaren Lagerung des Rotors 4 im Gehäuse 5 sind im dargestellten Beispiel zwei Radiallager 13 und ein Axiallager 14 vorgesehen. Die Lagerung erfolgt dabei vorteilhafterweise durch Folienluftlager 15, 16, auch als Luftfolienlager bezeichnet, d. h. über Luftlager, die eine oder mehrere Folien umfassen. Für das jeweilige Radiallager 13 ist daher im dargestellten Beispiel jeweils ein Radialfolienluftlager 15 vorgesehen und für das Axiallager 14 sind, zur Lagerung in beide Axialrichtungen des Rotors 4, zwei Axialfolienluftlager 16 vorgesehen, jeweils an einer Seite der Axiallagerscheibe 3.
Diese Luftlager sind insbesondere als aerodynamische Lager ausgebildet, d. h. es ist keine Pressluftzuführung vorgesehen, sondern ein den Rotor 4 lagerndes Luftpolster bildet sich bei einer ausreichend schnellen Drehbewegung, d. h. bei einer ausreichend hohen Drehzahl, des Rotors 4 aus. Hierfür sind die Folien vorteilhafterweise entsprechend strukturiert, um diese aerodynamische Wirkung zu erreichen.
Die Luftlager, insbesondere Folienluftlager 15, 16, werden für Luftversorgungseinheiten 1 für Brennstoffzelleneinheiten insbesondere aufgrund der Anforderung verwendet, dass Lagerungssysteme der Luftversorgungseinheit 1 nicht mit kohlenstoffbasierten Schmiermitteln ausgeführt werden dürfen, da sonst die Gefahr besteht, dass die kohlenstoffbasierten Schmiermittel durch Undichtigkeiten in eine Membran einer jeweiligen Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit gelangen kann, woraus eine reduzierte Lebensdauer und ein Leistungsverlust der Brennstoffzelleneinheit resultieren würde. Problematisch bei diesen Luftlagern, insbesondere Folienluftlagern 15, 16, ist insbesondere ein Starten und Stoppen des Rotors 4 sowie ein Notlauf, da sie für die oben beschriebene Funktion eine Minimalumfangsgeschwindigkeit zum Aufbau des tragenden Luftspalts und somit Luftpolsters benötigen und in diesen Betriebszuständen die Drehzahl des Rotors 4 und somit seine Umfangsgeschwindigkekt noch nicht oder nicht mehr groß genug ist. D. h. es bildet sich dann kein Luftpolster zwischen dem sich drehenden Rotor 4 und der jeweiligen Folie, welche mit einem jeweiligen Gehäuselagerabschnitt verbunden ist und sich somit nicht bewegt. Dadurch entsteht Reibung, beispielsweise Haftreibung beim Starten des Rotors 4 aus dem Stillstand, beispielsweise Gleitreibung bis zum Ausbilden des Luftpolsters und/oder beispielsweise Mischreibung. Somit unterliegen die Lagersysteme, im dargestellten Beispiel die Radiallager 13 und das Axiallager 14, insbesondere beim Starten und Stoppen des Rotors 4 hohen Anforderungen, welche zu erhöhten Verschleiß und zu hoher Ausfallgefahr führen können.
Um dieses Problem zu lösen und die Reibungseigenschaften zu verbessern, ist bei der im Folgenden näher beschriebenen Lösung die Verwendung eines oder mehrerer Kohlenstoffgraphitwerkstoffe und/oder eines oder mehrerer kunstharzgebundener Kohlefaserwerkstoffe vorgesehen, insbesondere um die Mischreibungseigenschaften und Notlaufeigenschaften, insbesondere bei Folienluftlagern 15, 16, insbesondere bei den Radiallagern 13 und dem Axiallager 14, deutlich zu steigern.
Kohlenstoffgraphitwerkstoffe und kunstharzgebundene Kohlefaserwerkstoffe besitzen aufgrund ihrer besonderen Kristall Struktur selbstschmierende Eigenschaften. Ohne zusätzliche Schmiermittel ist daher ein Reibungskoeffizient zwischen solchen Kohlenstoffwerkstoffen und deren Reibpartnern vergleichsweise klein.
Durch die entsprechenden geringen Reibungskoeffizienten bietet eine Materialpaarung mit einem oder mehreren dieser Kohlenstoffgraphitwerkstoffe und/oder kunstharzgebundenen Kohlefaserwerkstoffe als ein Reibpartner, und für diese Lager, insbesondere Folienluftlager 15, 16, insbesondere für die jeweilige Folie, üblicherweise verwendeten Metalllegierungen als anderer Reibpartner besonders gute Notlaufeigenschaften. Des Weiteren ist dadurch auch der Verschleiß im Mischreibungsbereich beim Starten und Stoppen von Maschinen, hier der Luftversorgungseinheit 1, mit solchen Folienluftlagern 15, 16 deutlich reduziert. Diese Lösung ermöglicht somit eine Steigerung der Robustheit der Luftversorgungseinheit 1 durch bessere Mischreibungseigenschaften und Notlaufeigenschaften der Folienluftlager 15, 16, insbesondere der Radiallager 13 und des Axiallagers 14. Zudem wird ein Massenträgheitsmoment des Rotors 4 reduziert, wodurch bei gleicher elektrischer Auslegung der elektrischen Antriebsmaschine 10 der kritische Drehzahlbereich beim Starten und Stoppen, in welchem kein lagerndes Luftpolster vorhanden ist, schneller durchlaufen wird.
Die erwähnten üblicherweise verwendeten Metalllegierungen für solche Lager, insbesondere Folienluftlager 15, 16, insbesondere für die jeweilige Folie, sind beispielsweise Stahl, Titan oder Titanlegierungen, auch als Titanium bezeichnet, oder Nickelbasislegierungen mit Nickel als Hauptkomponente, Chrom als wichtige Nebenkomponente und optional Eisen, Molybdän, Niob, Kobalt, Mangan, Kupfer, Aluminium, Titan, Silizium, Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor und/oder Bor als weitere Nebenkomponenten. Diese Nickelbasislegierungen werden auch als Inconel bezeichnet.
Bei der hier beschriebenen Lösung ist somit vorgesehen, dass für die Lagerung des Rotors 4 im Gehäuse 5 ein oder mehrere Kohlenstoffgraphitwerkstoffe und/oder ein oder mehrere kunstharzgebundener Kohlefaserwerkstoffe verwendet werden, insbesondere als einer von jeweils zwei Reibpartnern des jeweiligen Lagers 13, 14.
Bei der hier dargestellten Luftversorgungseinheit 1 werden die Reibpartner der beiden Radiallager 13 durch die Rotorwelle 2, insbesondere einen jeweiligen Radiallagerabschnitt 17 der Rotorwelle 2, des Rotors 4 einerseits und mindestens eine Folie des jeweiligen Radialfolienluftlagers 15 andererseits gebildet. Das jeweilige Radialfolienluftlager 15, insbesondere die jeweilige Folie, ist dabei zwischen der Rotorwelle 2, insbesondere dem jeweiligen Radiallagerabschnitt 17, und einem jeweiligen Gehäuseradiallagerabschnitt des Gehäuses 5 angeordnet und insbesondere fest mit diesem Gehäuseradiallagerabschnitt verbunden, so dass eine Relativbewegung zwischen Rotorwelle 2 und Folie stattfindet, jedoch keine Relativbewegung zwischen Gehäuseradiallagerabschnitt und Folie stattfindet.
Die Reibpartner des Axiallagers 14 werden durch die Axiallagerscheibe 3 einerseits, insbesondere durch gegenüberliegende Lagerflächen 18 der Axiallagerscheibe 3, und mindestens eine Folie des jeweiligen Axialfolienluftlagers 16 andererseits gebildet. Das jeweilige Axialfolienluftlager 16, insbesondere die jeweilige Folie, ist dabei zwischen der jeweiligen Lagerfläche 18 der Axiallagerscheibe 3 und einem jeweiligen Gehäuseaxiallagerabschnitt des Gehäuses 5 angeordnet und insbesondere fest mit diesem Gehäuseaxiallagerabschnitt verbunden, so dass eine Relativbewegung zwischen Axiallagerscheibe 3, insbesondere deren jeweiliger Lagerfläche 18, und Folie stattfindet, jedoch keine Relativbewegung zwischen Gehäuseaxiallagerabschnitt und Folie stattfindet.
Zweckmäßigerweise ist, wie oben bereits erwähnt, vorgesehen, dass die Folien der Folienluftlager 15, 16, welche den einen Reibpartner des jeweiligen Lagers 13, 14 bilden, auf bekannte Weise ausgebildet werden, insbesondere aus einer der hierfür üblicherweise verwendeten und oben beispielhaft genannten Metalllegierungen. Daher ist vorgesehen, dass der jeweilige andere Reibpartner aus mindestens einem der oben genannten Werkstoffe ausgebildet oder damit beschichtet ist. Dies betrifft im dargestellten Beispiel somit den Rotor 4, insbesondere ein oder mehrere Abschnitte des Rotors 4, insbesondere die Rotorwelle 2, insbesondere deren jeweiligen Radiallagerabschnitt 17, und die Axiallagerscheibe 3, insbesondere deren Lagerflächen 18.
Somit ist bei dem, insbesondere mittels Folienluftlagern 15, 16, drehbar im Gehäuse 5 der in Figur 1 beispielhaft dargestellten Luftversorgungseinheit 1 für die Brennstoffzelleneinheit gelagerten Rotor 4 vorteilhafterweise vorgesehen, dass der Rotor 4 zumindest abschnittsweise oder vollständig aus mindestens einem der oben genannten Werkstoffe, d. h. aus mindestens einem Kohlenstoffgraphitwerkstoff und/oder aus mindestens einem kunstharzgebundenen Kohlefaserwerkstoff, ausgebildet ist und/oder zumindest abschnittsweise damit beschichtet ist. Insbesondere ist die Rotorwelle 2, insbesondere deren jeweiliger Radiallagerabschnitt 17, und/oder die Axiallagerscheibe 3, insbesondere deren jeweilige Lagerfläche 18, zumindest abschnittsweise oder vollständig aus mindestens einem Kohlenstoffgraphitwerkstoff und/oder aus mindestens einem kunstharzgebundenen Kohlefaserwerkstoff ausgebildet und/oder zumindest abschnittsweise damit beschichtet.
Beispielsweise kann auch eine Kombination aus einem oder mehreren Kohlenstoffgraphitwerkstoffen und/oder einem oder mehreren kunstharzgebundenen Kohlefaserwerkstoffen für den Rotor 4 vorgesehen sein. Insbesondere bei der Beschichtung kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass verschiedene Lagerabschnitte mit unterschiedlichen der oben genannten Werkstoffe beschichtet sind. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Radiallagerabschnitte 17 und die Axiallagerscheibe 3, insbesondere deren Lagerflächen 18, mit verschiedenen der oben genannten Werkstoffe beschichtet sind, d. h. voneinander abweichende Beschichtungen aufweisen. Bei der Rotorwelle 2 kann beispielsweise vorgesehen sein, dass alle Radiallagerabschnitte 17 mit dem gleichen Werkstoff oder mit unterschiedlichen der oben genannten Werkstoffe beschichtet sind. Bei der Axiallagerscheibe 3 kann beispielsweise vorgesehen sein, dass beide Lagerflächen 18 mit dem gleichen Werkstoff oder mit unterschiedlichen der oben genannten Werkstoffe beschichtet sind.
Auch bei der Ausbildung aus einem der oben genannten Werkstoffe kann vorgesehen sein, dass die Rotorwelle 2 und die Axiallagerscheibe 3, abschnittsweise oder vollständig, aus dem gleichen Werkstoff oder aus unterschiedlichen der oben genannten Werkstoffe ausgebildet sind.
Es kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass die Rotorwelle 2 zumindest abschnittsweise oder vollständig aus mindestens einem der oben genannten Werkstoffe ausgebildet ist und die Axiallagerscheibe 3 zumindest abschnittsweise oder vollständig mit mindestens einem der oben genannten Werkstoffe beschichtet ist, oder dass die Rotorwelle 2 zumindest abschnittsweise oder vollständig mit mindestens einem der oben genannten Werkstoffe beschichtet ist und die Axiallagerscheibe 3 zumindest abschnittsweise oder vollständig aus mindestens einem der oben genannten Werkstoffe ausgebildet ist.
Bezugszeichenliste
1 Luftversorgungseinheit
2 Rotorwelle
3 Axiallagerscheibe
4 Rotor
5 Gehäuse
6 Turbinenrad
7 Abgasseite
8 Verdichterrad
9 Frischluftseite
10 elektrische Antriebsmaschine
11 Permanentmagnet
12 Stator
13 Radiallager
14 Axiallager
15 Radialfolienluftlager
16 Axialfolienluftlager
17 Radiallagerabschnitt
18 Lagerfläche

Claims

Patentansprüche
1. Rotor (4) für eine Luftversorgungseinheit (1) einer Brennstoffzelleneinheit, welcher zur drehbaren Lagerung mittels Folienluftlagern (15, 16) in einem Gehäuse (5) der Luftversorgungseinheit (1) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) zumindest abschnittsweise aus einem Kohlenstoffgraphitwerkstoff oder aus einem kunstharzgebundenen Kohlefaserwerkstoff ausgebildet ist oder zumindest abschnittsweise damit beschichtet ist.
2. Rotor (4) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Rotorwelle (2) und/oder eine Axiallagerscheibe (3) des Rotors (4) zumindest abschnittsweise aus dem Kohlenstoffgraphitwerkstoff oder aus dem kunstharzgebundenen Kohlefaserwerkstoff ausgebildet ist oder zumindest abschnittsweise damit beschichtet ist.
3. Rotor (4) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (2) zwei Radiallagerabschnitte (17) aufweist, welche jeweils aus dem Kohlenstoffgraphitwerkstoff oder aus dem kunstharzgebundenen Kohlefaserwerkstoff ausgebildet sind oder damit beschichtet sind.
4. Rotor (4) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüberliegende Lagerflächen (18) der Axiallagerscheibe (3) mit dem Kohlenstoffgraphitwerkstoff oder mit dem kunstharzgebundenen Kohlefaserwerkstoff beschichtet sind.
5. Luftversorgungseinheit (1) für eine Brennstoffzelleneinheit, wobei die Luftversorgungseinheit (1) einen Rotor (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, der mittels Folienluftlagern (15, 16) drehbar in einem Gehäuse (5) der Luftversorgungseinheit (1) gelagert ist.
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