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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für einen Axialfeldmotor sowie ein Herstellungsverfahren für einen solchen Rotor. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Verdichterradbaugruppe, einen Verdichter, sowie ein Brennstoffsystem mit einem solchen Verdichter.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellensysteme gewinnen gegenwärtig zunehmend an Bedeutung. Derartige Brennstoffzellensysteme werden dazu eingesetzt, durch eine kontrollierte Oxidation von Wasserstoff elektrische Energie zu erzeugen. Brennstoffzellensysteme weisen einen Anodenpfad auf, der auch als Wasserstoffpfad bezeichnet wird. In einem solchen Wasserstoffpfad wird in der Regel auch unverbrauchter Wasserstoff aus der Brennstoffzelle rezirkuliert. Hierbei kommen unter anderem sogenannte Seitenkanalverdichter zum Einsatz.
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Die Druckschrift
DE 10 2018 204 713 A1 beschreibt beispielsweise den Aufbau eines Seitenkanalverdichters für ein Brennstoffzellensystem zur Förderung und Verdichtung eines gasförmigen Mediums.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft einen Rotor für einen Axialfeldmotor, ein Herstellungsverfahren für einen solchen Rotor eines Axialfeld-Elektromotors, eine Verdichterradbaugruppe, einen Verdichter sowie ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Demgemäß ist vorgesehen:
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Ein Rotor für einen Axialfeld-Elektromotor mit einer Rotornabe und mehreren Segmentmagneten. Die Rotornabe des Rotors besteht hierbei aus einem austenitischen Stahl. Weiterhin weist die Rotornabe einen Innenbereich auf, der dazu ausgelegt ist, die mehreren Segmentmagnete in dem Innenbereich aufzunehmen. Insbesondere kann der Innenbereich derart ausgelegt sein, dass die mehreren Segmentmagnete durch die Rotornabe vollständig umschlossen werden.
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Weiterhin ist vorgesehen:
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Eine Verdichterradbaugruppe für einen Seitenkanalverdichter in einem Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Rotor, einem Verdichterrad, das in radialer Richtung an der Außenseite des Rotors angeordnet ist. Das Lagerelement ist in radialer Richtung an einer Innenseite des Rotors angeordnet.
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Ferner ist vorgesehen:
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Ein Verdichter, insbesondere ein Seitenkanalverdichter zum Verdichten von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Verdichterradbaugruppe und einem Axialfeld-Elektromotor. Hierbei umfasst der Rotor des Axialfeld-Elektromotors den Rotor der Verdichterradbaugruppe.
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Darüber hinaus ist vorgesehen:
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Ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Verdichter.
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Schließlich ist vorgesehen:
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Ein Herstellungsverfahren für einen Rotor eines Axialfeld-Elektromotors mit den Schritten des Bereitstellens von mehreren Segmentmagneten und des Bereitstellens einer Rotornabe. Die bereitgestellte Rotornabe besteht dabei aus einem austenitischen Stahl. Ferner weist die bereitgestellte Rotornabe einen Innenbereich auf, der dazu ausgelegt ist, die mehreren Segmentmagnete aufzunehmen und vollständig zu umschließen. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Einbringen der mehreren Segmentmagnete in den Innenbericht der Rotornabe. Schließlich umfasst das Verfahren einen Schritt zum Verschließen der Rotornabe mit einem Abdeckelement aus einem austenitischen Stahl. Somit sind die mehreren Segmentmagnete durch die Rotornabe mit dem Abdeckelement vollständig umschlossen.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es zwischen den Anoden-Medien, wie beispielsweise Wasserstoff (H2), Stickstoff (N2) sowie dem reinen Wasser (H2O), einerseits und den Permanentmagneten bzw. den weiteren Komponenten aus ferritischem Stahl zu chemischen Reaktionen kommen kann. Insbesondere können hierbei Korrosionsprodukte, wie beispielsweise Eisenoxid, freigesetzt werden. Diese können beispielsweise den Brennstoffzellenstack eines Brennstoffzellensystems schädigen.
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Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Verdichterbaugruppe, insbesondere einen Rotor für ein Antriebssystem in einer solchen Verdichterbaugruppe, zu schaffen, welcher weitestgehend beständig gegen die im Anodenpfad eines Brennstoffzellensystems vorzufindenden Stoffe ist.
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Hierzu ist es vorgesehen, eine solche Verdichterbaugruppe mittels eines Axialfeld-Elektromotors anzutreiben und einen Rotor für einen solchen Axialfeld-Elektromotor zu schaffen, welcher weitestgehend beständig gegenüber den im Anodenpfad vorzufindenden Substanzen ist. Hierzu schafft die vorliegende Erfindung einen Rotor für einen Axialfeld-Elektromotor, bei welchem die in dem Rotor erforderlichen Segmentmagnete vollständig von einem austenitischen Edelstahl umschlossen sind.
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Austenitische Stähle haben eine sehr gute Beständigkeit gegenüber Wasserstoff und weisen hierbei keine Probleme wie beispielsweise Wasserstoffversprödung auf. Darüber hinaus sind derartige austenitische Stähle diffusionsbeständig gegenüber Wasserstoffmolekülen, sodass Wasserstoff nicht durch solche austenitischen Stähle hindurchdiffundieren kann. Auf diese Weise sind die Segmentmagnete gegen den Wasserstoff in dem Anodenpfad eines Brennstoffzellensystems geschützt, da die Segmentmagnete in dem Rotor vollständig durch den austenitischen Edelstahl der Rotornabe umschlossen sind.
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Auf diese Weise kann ein Axialfeld-Elektromotor für einen Verdichter in einem Brennstoffzellensystem realisiert werden. Dieser kann dazu eingesetzt werden, beispielsweise den rezirkulierenden Wasserstoff zu verdichten. Durch die Verwendung eines Axialfeld-Elektromotors in einem Verdichter kann ein Design realisiert werden, welches ein Ansammeln von Wasser im Bereich des Stators minimiert, sodass auch bei tiefen Temperaturen ein Festfrieren vermieden werden kann. Darüber hinaus können durch die Verwendung eines Axialfeld-Elektromotors mit einem erfindungsgemäßen Rotor für den Verdichter auch die mechanischen Eigenschaften optimiert werden, um beispielsweise einen Verschleiß bzw. eine Alterung der Lager zu optimieren.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Rotornabe ein Nabenelement und ein Abdeckelement. Das Nabenelement weist eine ringförmige Ausnehmung auf, die dazu ausgebildet ist, die Segmentmagnete aufzunehmen. Das Abdeckelement ist dazu ausgelegt, die ringförmige Ausnehmung mit den Segmentmagneten vollständig zu verschließen. Auf diese Weise können die Segmentmagnete einfach in die ringförmige Ausnehmung des Nabenelementes eingebracht werden. Anschließend kann mittels des Abdeckelements der Bereich mit den Segmentmagneten derart verschlossen werden, dass ein Eindringen von Wasserstoff verhindert wird und somit eine Beschädigung der Segmentmagnete durch den Wasserstoff verhindert werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Abdeckelement vollumfänglich mit dem Nabenelement verschweißt. Hierzu kann beispielsweise ein Laserschweißverfahren eingesetzt werden. Auf diese Weise wird ein wasserstoffdichtes Verschließen des Innenbereichs mit den Segmentmagneten erreicht.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Rotor einen Rückschlussring. Der Rückschlussring ist dabei in dem Innenbereich der Rotornabe mit den mehreren Segmentmagneten angeordnet. Der Rückschlussring kann beispielsweise aus einem magnetischen Material wie beispielsweise St37, St52 oder einem anderen geeigneten magnetischen Werkstoff hergestellt sein.
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Austenitische Stähle sind auch unter dem Namen Chrom-Nickel-Stähle bekannt. In der Regel liegt der Mindestgehalt an Chrom dabei bei 13,5 %, gegebenenfalls auch bei mindestens 14 oder 16 %. Beispielsweise kann für den Rotor ein austenitischer Stahl wie zum Beispiel X2CrNiMo17-12-2 (1.4404) verwendet werden. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige andere geeignete austenitische Stähle möglich.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1: eine Explosionsdarstellung eines Rotors für einen Axialfeld-Elektromotor gemäß einer Ausführungsform;
- 2: eine schematische Darstellung einer Verdichterradbaugruppe mit einem Rotor für einen Axialfeld-Elektromotor gemäß einer Ausführungsform; und
- 3: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Herstellung eines Rotors für einen Axialfeld-Elektromotor gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Rotors 1 für einen Axialfeld-Elektromotor gemäß einer Ausführungsform. Wie hierbei zu erkennen ist, kann der Rotor 1 ein Nabenelement 11 umfassen. In einem Innenbereich 11a dieses Nabenelements 11 können ein Rückschlussring 14 sowie mehrere Segmentmagnete 13-i eingebracht werden. Anschließend kann das Nabenelement 11 mit einem Abdeckelement 12 verschlossen werden. Das Verschließen des Nabenelements 11 mit dem Abdeckelement 12 kann zum Beispiel mittels eines Schweißverfahrens, beispielsweise Laserschweißen oder Ähnlichem erfolgen. Auf diese Weise kann der Innenbereich 11a des Nabenelements 11 mit dem Rückschlussring 14 und den Segmentmagneten 13-i gasdicht verschlossen werden. Die hier dargestellte Ausführungsform mit vier Segmentmagneten 13-1 - 13-4 dient dabei lediglich als Beispiel und stellt keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung dar. Vielmehr kann der Rotor 1 auch eine beliebige, von vier abweichende Anzahl von Segmentmagneten 13-i umfassen.
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Das Nabenelement 11 sowie das Abdeckelement 12 sind hierbei aus einem austenitischen Stahl, wie zum Beispiel X2CrNiMo17-12-2 (1.4404), hergestellt. Ein solcher austenitischer Stahl hat eine sehr gute Beständigkeit gegenüber Wasserstoff (H2) und weiteren Stoffen wie sie beispielsweise in einem Anodenpfad eines Brennstoffzellensystems vorkommen. Insbesondere sind austenitische Stähle auch diffusionsbeständig gegenüber Wasserstoff. Da das Nabenelement 11 mit dem Abdeckelement 12, den Rückschlussring 14 und die Segmentmagnete 13-i vollumfänglich umschließen und somit in dem Innenbereich 11a einbetten, sind die Segmentmagnete 13-i und auch der Rückschlussring 14 gegenüber Substanzen von außen und somit auch gegenüber Wasserstoff geschützt.
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Der Rückschlussring 14 kann derart ausgestaltet sein, dass er geeignete Ausnehmungen 14a aufweist, in welche die Segmentmagnete 13-i eingebracht werden können. Der Rückschlussring 14 kann insbesondere aus einem magnetischen Material hergestellt sein. Hierzu eignen sich beispielsweise S235JR, St37, St52 oder ein magnetischer Automatenstahl. Für die Segmentmagnete ist zum Beispiel ein Material wie NdFeB möglich.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Verdichterradbaugruppe 2 gemäß einer Ausführungsform. Eine solche Verdichterradbaugruppe 2 kann beispielsweise für einen Verdichter, insbesondere einen Seitenkanalverdichter in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt werden. Die Verdichterradbaugruppe umfasst hierbei einen Rotor 1, wie beispielsweise den zuvor beschriebenen Rotor 1 für einen Axialfeld-Elektromotor. An einer radial außen gesehenen Seite des Rotors 1 ist dabei ein Verdichterrad 2 angeordnet. Dieses Verdichterrad 2 kann fest mit dem Rotor 1 verbunden sein. Beispielsweise kann das Verdichterrad 2 aus Aluminium oder einem anderen geeigneten Material hergestellt sein. An einer radial gesehenen Innenseite des Rotors 1 ist ein Lagerelement 3 vorgesehen. Dieses Lagerelement 3 kann beispielsweise mittels zweier Kugellager 31, 32 realisiert werden.
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Hierbei sind auch die weiteren Komponenten, wie beispielsweise Schrauben 21 zur Befestigung des Verdichterrads 2 an dem Rotor 1, aus einem austenitischen Edelstahl hergestellt. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass alle Komponenten, welche mit Wasserstoff bzw. den Stoffen im Anodenpfad eines Brennstoffzellensystems in Kontakt kommen, aus einem geeigneten korrosionsbeständigen Material hergestellt sind.
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Die Verdichterradbaugruppe, wie sie beispielsweise in Zusammenhang mit 2 beschrieben worden ist, kann zusammen mit einem Elektromotor als Verdichter in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt werden. Hierzu kann zum Beispiel der Rotor 1 der beschriebenen Verdichterradbaugruppe als Rotor in einem Axialfeld-Elektromotor verwendet werden. Insbesondere kann ein solcher Verdichter als Seitenkanalverdichter im Rezirkulationspfad eines Brennstoffzellensystems eingesetzt werden. Da, wie oben bereits beschrieben, sowohl die Segmentmagnete 13-i als auch der Rückschlussring 14 vollständig von austenitischem Stahl umgeben sind, kann es zu keiner chemischen Reaktion der Segmentmagnete 13-i sowie des Rückschlussringes 14 mit Wasserstoff oder weiteren Substanzen im Anodenpfad des Brennstoffzellensystems kommen. Vielmehr sind alle Komponenten, welche mit dem Wasserstoff und den weiteren Substanzen im Anodenpfad des Brennstoffzellensystems in Kontakt kommen können, aus austenitischem Stahl hergestellt. Da dieser austenitische Stahl einerseits diffusionsbeständig gegenüber Wasserstoff ist und darüber hinaus auch eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber den Substanzen im Anodenpfad eines Brennstoffzellensystems aufweist, kann auf diese Weise ein robustes, alterungsbeständiges und somit langlebiges System realisiert werden.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Herstellung eines Rotors 1 für einen Axialfeld-Elektromotor zugrunde liegt. Insbesondere kann ein solcher Rotor 1 in einen Verdichter, beispielsweise in einem Seitenkanalverdichter eines Brennstoffzellensystems, eingesetzt werden.
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In Schritt S1 werden mehrere Segmentmagnete 13-i bereitgestellt. Diese Segmentmagnete können beispielsweise aus NdFeB oder einem anderen geeigneten Material bestehen. Ferner wird in Schritt S2 eine Rotornabe bereitgestellt. Wie zuvor bereits beschrieben, kann diese Rotornabe ein Nabenelement 11 und ein Abdeckelement 12 umfassen. Das Nabenelement 11 kann dabei einen Innenbereich 11a aufweisen, der die mehreren Segmentmagnete 13-i sowie
den Rückschlussring 14 aufnehmen kann. Daraufhin werden in Schritt S3 die Segmentmagnete 13-i und gegebenenfalls auch der Rückschlussring 14 in den Innenbereich 11a des Nabenelements 11 eingebracht. In Schritt S4 wird das Nabenelement 11 mit den Segmentmagneten 13-i und dem Rückschlussring 14 durch das Abdeckelement 12 verschlossen. Dies kann, wie oben bereits ausgeführt, beispielsweise durch Verschweißen, insbesondere Laserschweißen oder Ähnliches erfolgen. Auf diese Weise sind die Segmentmagnete 13-i sowie der Rückschlussring 14 vollständig von dem Nabenelement 11 und dem Abdeckelement 12 aus austenitischem Stahl umschlossen.
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Die Segmentmagnete 13-i können gegebenenfalls bereits vorab in gewünschter Weise magnetisiert werden, bevor sie in den Innenbereich 11a des Nabenelements 11 eingebracht werden.
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Alternativ ist es auch möglich, dass die Segmentmagnete 13-i zunächst in einem unmagnetisierten Zustand bereitgestellt werden. Entsprechend werden die Segmentmagnete 13-i auch in diesem unmagnetisierten Zustand in den Innenbereich 11a des Nabenelements 11 eingebracht. In diesem Fall ist es möglich, die Magnetisierung der Segmentmagnete 13-i erst nach dem Verschließen des Nabenelements 11 durch das Abdeckelement 12 durchzuführen. Somit kann durch eine thermische Belastung der Segmentmagnete 13-i während des Verschweißens des Nabenelements 11 mit dem Abdeckelement 12 keine Beeinträchtigung einer zuvor erfolgten Magnetisierung der Segmentmagnete 13-i entstehen.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Rotor für einen Axialfeld-Elektromotor. Dabei ist es vorgesehen, die Segmentmagnete im Inneren des Rotors vollständig durch eine Hülle aus einem austenitischen Stahl zu umschließen. Ein solcher Rotor eignet sich beispielsweise zur Verwendung in einem Verdichter eines Brennstoffzellensystems.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018204713 A1 [0003]
