介質間隙馬達、燃料電池系統及用途的制作方法

本技術涉及一種介質間隙馬達，特別是用于燃料電池系統，以及一種包括介質間隙馬達的燃料電池系統。本技術還涉及該介質間隙馬達和燃料電池系統的用途。

背景技術：

1、車輛具有提供電驅動力的燃料電池系統是已知的。通常，這里使用帶有質子交換膜的氫氧燃料電池。這里的燃料是氫氣，并通過陽極電路被饋送到燃料電池的陽極側。這里的氧化劑是氧氣，并通過陰極電路被饋送到燃料電池的陰極，在那里它與燃料進行反應，產生能量。例如，公開de?10?2016?015266a1描述了相關類型的現有技術，其中，具有渦輪和葉輪的供氣裝置被設置在陰極電路中。這里空氣軸承進行徑向軸承任務和軸向軸承任務。

2、相比之下，本技術的目的是提出一種改進的介質間隙馬達和一種改進的燃料電池系統及其用途。特別地，本技術的目的是提出一種介質間隙馬達，以特別緊湊和耐用的布置保證高效率，同時制造相對容易。而且，本技術的目的是提出一種相應有利的燃料電池系統和相應有利的用途。

3、這些目的是通過具有權利要求1的特征的介質間隙馬達和具有其他權利要求的特征的燃料電池系統和用途來實現的。可以利用從屬權利要求的特征和示例性實施例來發現有利的發展。

技術實現思路

1、所提出的介質間隙馬達，例如用于燃料電池系統，具有軸，其中容納有轉子磁體。介質間隙馬達另外具有帶有定子繞組的定子，用于電驅動軸的旋轉。定子繞組和轉子磁體可以一起工作來達到這個目的。介質間隙馬達還有外殼，其定界在軸和定子之間形成的流動空間。介質間隙馬達還有被設置在流動空間和軸上的葉輪。

2、在有利的實施例中，介質間隙馬達可以具有在流動空間中延伸的支撐筋，用于在外殼和軸之間徑向支持軸。因此，支撐筋通常形成用于軸的徑向軸承或用于軸的徑向軸承的一部分。通過提供在流動空間中延伸的支撐筋，可以確保介質間隙馬達特別堅固耐用。通常情況下，支撐筋完全位于流動空間中。通常，支撐筋具有位于上游的軸向端和位于下游的軸向端，其中，兩端均被設置在流動空間中，并且例如，待輸送的介質在其周圍流動。在一些實施例中，用于軸的第二徑向軸承可以被設置，其在一些實施例中可以被設置在介質間隙馬達的外殼中。通常，待輸送的介質不圍繞用于軸的第二個徑向軸承流動。通過在流動空間中設置支撐筋，第二徑向軸承可以被形成為相對節省空間且不太復雜。因此，支撐筋也具有介質間隙馬達特別堅固、緊湊和節省空間的優點同時結構相對簡單。

3、在一些實施例中，所述支撐筋被設置在所述葉輪的上游。這使得一個特別堅固的結構得以實現。支撐筋可以徑向支持軸，例如在軸的軸向端部分的區域中，特別是在上游側。例如，可以使葉輪容納在流動空間的徑向加寬部分中。在一些實施例中，支撐筋可以被設置在流動空間的相比較窄的一部分中。

4、介質間隙馬達的一些實施例具有渦輪。渦輪可以被設置在所述軸上。通常情況下，所述外殼定界另一個流動空間。所述渦輪可以被設置在所述另一個流動空間中。還可以提供額外的支撐筋。其他的支撐筋可以在所述外殼和所述軸之間的所述另一個流動空間中延伸，以徑向支持所述軸。因此，其他的支撐筋通常形成用于軸的另一個徑向軸承或用于軸的另一個徑向軸承的一部分。

5、具有支撐筋和附加支撐筋的實施例在這里特別有利，因為它產生了特別緊湊和穩定的結構。支撐筋和其他支撐筋的提供導致軸在流動空間和另一個流動空間中得到穩定的徑向支持，使得通常不需要在外殼內或流動空間外的另一個徑向軸承，從而可以實現小的總體尺寸。流動空間和另一個流動空間通常是相互流動分離的。為此目的，可以在葉輪和渦輪之間的區域中圍繞軸提供流體密封件。例如，與現有技術de?10?2016?015?266?a1相比，可以提供葉輪和渦輪之間的徑向軸承，但在大多數實施例中不是絕對必要的，因為徑向支持通常由各自流動空間中的支撐筋和其他支撐筋充分提供。這意味著對于復雜的軸承技術來說不需要額外的安裝空間。

6、在一些實施例中，所述渦輪被設置在所述其他支撐筋和所述葉輪之間。這造成了堅固的、同時節省空間的布置。在一些實施例中，規定葉輪和渦輪被設置在支撐筋和其他支撐筋之間。這使得特別堅固的支持和高剛性通過支撐筋和其他支撐筋來實現。支撐筋和其他支撐筋可各自作用于設置在軸的相對兩端的軸的兩個部分之一。

7、通過提供渦輪，通過另一個流動空間流出的介質的一些能量可以用來驅動葉輪。葉輪的驅動可以通過介質間隙馬達的定子繞組和轉子磁體來實現或由這些來輔助。特別地，為了提高介質間隙馬達的效率，對介質間隙馬達來說，電啟動葉輪可能是有利的。在具有渦輪的實施例中，流動空間可以形成進氣系統的一部分和流出系統的另一個流動空間部分。通過在流出系統中驅動渦輪，可以增加進氣系統中的介質壓力，使得介質間隙馬達可以提供更多的介質，提高效率。例如，在應用用于燃料電池系統的介質間隙馬達的情況下，可以以這種方式有效地增加用于燃料電池的氫氣進料管道中的氫氣壓力。

8、所述轉子磁體通常被容納在所述軸的被設置在所述流動空間中的一部分中。另一個轉子磁體還可以被提供，其被容納在所述軸的另一部分中，并且例如被容納在所述軸的被設置在所述另一個流動空間中的一部分中。然而，在一些實施例中，可以規定，轉子磁體被容納在軸的被設置在另一個流動空間中的一部分中或在流動空間之外。在具有另一個轉子磁體的實施例中，該另一個轉子磁體被容納在軸的被設置在另一個流動空間中的一部分中，其他定子繞組可以被提供，被配置為與所述另一個轉子磁體配合，以電驅動所述軸的旋轉。該實施例平衡特別良好，并實現堅固的布置，其中，所產生的軸的旋轉由第一定子繞組和第二定子繞組中的目標電流流動來驅動，從而通過作用于軸的不同軸向部分來驅動。可以規定，所述其他支撐筋被設置在所述另一個流動空間中，使得所述其他支撐筋與所述另一個轉子磁體和/或與所述其他定子繞組軸向重疊。這使得特別堅固的布置得以實現。

9、在一些實施例中，所述支撐筋被配置為在所述流動空間中輸送的介質中產生渦流。這樣，支撐筋可以例如在葉輪的上游形成先導柵格和/或在下游形成尾隨柵格，以在輸送的介質中產生渦流。為此目的，可以規定，支撐筋或至少一些支撐筋成一定角度以產生渦流。例如，所述支撐筋以與軸向成一定角度延伸，使得由于所述介質流過所述支撐筋而在輸送的所述介質中產生渦流。這樣，可以通過支撐筋來優化流動特性。在這種情況下，葉輪葉片受到與無角度的支撐筋相比不同的流動，這意味著可以實現介質間隙馬達的更高效率。因此，如果將支撐筋被設置在葉輪的上游，則可能特別有利。因此，支撐筋也具有在介質中產生渦流的功能。特別是與以下描述的液滴分離器結合使用時，在介質中產生渦流可能特別有利，如下所述。

10、支撐筋通常被設置在流動空間中，使得介質從支撐筋的上游端流過支撐筋至支撐筋的下游端。流動空間可以至少部分或完全由軸和外殼之間的間隙形成，特別是基本上空心圓柱體的間隙。支撐筋可以被均勻地或有規則地圍繞圓周設置。在典型的實施例中，介質間隙馬達沿圓周方向在流動空間中具有至少兩個或至少三個和/或最多24個支撐筋。相鄰支撐筋之間通常形成空間，整個輸送的介質或者至少部分輸送的介質流過這些空間。在典型的實施例中，支撐筋在軸向上被拉長并在軸向上延伸。此外，在典型的實施例中，支撐筋在軸和外殼之間以基本徑向延伸。通常，在介質流過的間隙中不設置定子的線圈或繞組，特別是實體物體。這些間隙通常在圓周方向上的兩側被支撐筋所限制。在徑向外區域中，間隙通常被外殼內壁所限制。介質流過的間隙的范圍通常為支撐筋被設置在其中的軸向區域內的軸的外徑的至少四分之一，特別是至少一半，和/或至多八倍，特別是至多四倍。可以規定，定子繞組被設置在流動空間的徑向密封件之外，從而可以優化磁通量和流動特性。

11、例如，可以規定，支撐筋和/或連接到支撐筋的軸承件形成用于軸的徑向空氣軸承。然而，對于支撐筋和/或連接的軸承件，也可以形成與軸接觸的徑向軸承。軸承件可以連接兩個或兩個以上的支撐筋。軸承件通常由支撐筋支持。軸承件可以是套筒，例如，特別是圓柱套筒。套筒可以圍繞軸，特別是全方位圍繞。套筒被連接到支撐筋的徑向內部部分是可能的。在一些實施例中，還可以規定，間隙被套筒定界在徑向內部區域中。

12、在一些實施例中，所述介質間隙馬達具有用于軸向支持所述軸的部分。所述部分可以被體現為所述支撐筋的一部分或被連接到所述支撐筋。特別地，在支撐筋的徑向內部區域中的部分可以被體現為支撐筋的一部分或被連接到支撐筋。所述部分可以例如被形成為上述套筒的一部分。所述部分例如可以具有圍繞軸以進行軸向支持或在軸中嚙合以進行軸向支持的凸起。特別地，可以規定，該部分部分或完全包圍軸的軸向端部。在一些實施例中，可以規定，以軸向支持所述軸的所述部分作用于所述軸的例如在軸向上具有表面法線的表面。軸的表面可以例如是軸的端面。在該實施例中，該表面可以限定軸的軸向端。還可以規定，軸承部分作用于軸的臺階上，例如作用于在軸向上具有表面法線的表面上。該部分通常被連接到支撐筋中的至少一個。因此，支撐筋也可以具有有助于軸向支持軸的功能。

13、如上所述，轉子磁體通常被容納在軸的被設置在流動空間中的一部分中。在典型的實施例中，轉子磁體可以被設置在葉輪的上游，特別是在流動空間的較窄部分中。還可以規定，所述支撐筋被設置為使得所述支撐筋與所述轉子磁體和/或與所述定子繞組軸向重疊。這樣，可以實現具有相對短的軸向長度的緊湊結構。這樣，由于介質在轉子磁體和/或定子繞組的區域中壁面接觸更大，因此，支撐筋也可以用于通過介質流實現定子的有效冷卻。在特定的優選實施例中，所述支撐筋，為優化磁通量，形成由所述轉子磁體和所述定子繞組形成的磁路的有源部分。例如，支撐筋在流動空間中延續定子齒是可能的，從而以一種特別有利的方式提高磁通量。磁場可以從定子繞組，通過支撐筋以徑向方向穿過流動空間被引導到轉子，定子繞組可以被設置在流動空間之外。為此目的，所述支撐筋可以具有磁導電特性。例如，支撐筋可以具有定子疊片結構。定子也可以具有定子疊片結構。支撐筋使定子疊片結構繼續進入流動空間是可能的。支撐筋和定子的定子疊片結構可以被形成為具有單個疊片結構的一體式定子層壓芯，即，特別是就單個疊片結構而言，被形成為連續的定子層壓芯。這意味著，除了支持軸的功能外，支撐筋也可以有助于提高磁通量。這里支撐筋可以用來集中從定子到轉子磁體的磁通量管道，并減少漏損。

14、支撐筋在軸向上的合適長度一般為至少5mm和/或至多150mm，特別是至多100mm。支撐筋在流動通道中的徑向范圍通常為至少5mm和/或至多250mm，特別是至多為150mm。支撐筋在圓周方向上的寬度可為至少0.5mm和/或至多10mm，特別是至多5mm。除了可能存在的定子疊片結構外，支撐筋通常由非磁導電材料制成，如塑料或鋁合金。用于支撐筋的固定方法可以是插入套筒、粘合/焊接連接、嵌縫和/或集成在定子外殼中的注塑部件。

15、在一些實施例中，提供了一種介質間隙馬達，其中，軸具有一件式加強件。所述加強件可以具有第一部分和第二部分。轉子磁體可以被容納于加強件的第一部分內。而且，葉輪可以被設置在加強件的第二部分上。加強件的第一和第二部分可以彼此直接相鄰或軸向間隔。所述葉輪可以例如被壓在加強件的第二部分上。對于特別堅固且抗扭的布置，可以規定，所述加強件穿過所述葉輪，其第二部分穿過所述葉輪的軸向長度的大部分區域。例如，可以規定，所述加強件穿過所述葉輪，其第二部分穿過所述葉輪的軸向長度的至少三分之二，優選地穿過所述葉輪的整個軸向長度。因此，在一些實施例中，加強件的第二部分在軸向上可以至少與葉輪一樣長。有利的是，在一些實施例中，葉輪只能被安裝在加強件上，而不能在軸的其他部件上。這一方面簡化了生產，另一方面增加了軸的穩定性。加強件通常在內部，至少在部分中是中空的，以容納轉子磁體。軸還可以具有軸桿，其被容納在加強件內部的空腔中。轉子磁體也可以被附接到軸桿上。可以規定，軸或加強件在其內部具有連續的空腔，即，特別是在軸或加強件的整個軸向長度上延伸的空腔。因此，軸可以在一些實施例中被體現為空心軸。轉子磁體和軸桿可以被容納在連續腔內。特別地，如果提供的話，可以規定，軸或加強件的連續腔至少在從葉輪到渦輪的一個區域內延伸。所述加強件的使用帶來了制造優勢，產生了剛性布置，具有特別好的彎曲性能和低不平衡，特別適合高速運行。加強件通常由非磁性材料制成。加強件的一體式體現，即，特別是加強件體現為由具有恒定材料特性的連續件制成的部件和/或非接合部件，在與轉子磁體結合的葉輪的改進支持方面實現了特別的優點。例如，加強件可以由鋼制成，特別是鉻鋼。如果加強件被制成連續的鋼零件，這將產生特別抗扭的布置，以為第一和第二部分容納轉子磁體和葉輪。例如，葉輪可以由鋁制成。

16、在一些實施例中，規定所述加強件的第一部分具有比所述加強件的第二部分更大的外徑。這意味著轉子磁體可以被設置在加強件的直徑較大的部分中。這提高了穩定性，具有良好的流動效率和提高的磁效率。特別地，為此目的可以規定，轉子磁體與葉輪徑向重疊，例如使得葉輪的一部分與轉子磁體的一部分被設置在相同的徑向位置，但在不同的軸向位置。在一些實施例中，加強件的第一部分和第二部分之間形成有區域，在該區域中，加強件的外徑例如逐漸減小，即，例如連續減小。外徑可以例如在區域內以第一部分的方向連續增加，從而實現最大俯仰角70度，特別是最大俯仰角50度。這樣，就可以實現堅固的、在流體上特別有利的布置。特別地，可以避免在第一部分和第二部分之間的過渡處的邊緣。該區域可以在第一部分和以下提到的臺階之間被形成。在一些實施例中，可以規定，加強件的外徑例如逐漸減小，即，連續減小，的區域被形成在加強件的第一部分與臺階之間。例如，加強件的外側，特別是加強件的第一部分與臺階之間的軸的外側可以是沒有臺階的。

17、在特別有利的實施例中，加強件的第二部分以臺階結束。葉輪可以與臺階接觸。該臺階可以限制加強件的第二部分，特別是在第一部分的方向上。臺階通常被形成為使得當從第二部分觀察時，在第二部分中較小的外徑增加到臺階之外。通常，葉輪被支持在臺階上。這使得由軸或加強件的擺動產生的力以有利的方式被吸收。這樣，可以額外增加軸的剛度。在優選的實施例中，所述加強件被體現為使得在所述加強件的臺階的區域內，在所述加強件與所述葉輪之間產生基本平直的例如連續的過渡。因此，通常，包括軸和葉輪的結構在加強件臺階的區域內的結構的徑向外側沒有臺階，從而使外輪廓平滑過渡。為此目的，加強件的臺階的高度可以對應于臺階所承受的葉輪的徑向范圍。這樣，一方面可以改善流動特性，另一方面可以進一步提高穩定性。

18、加強件與用于徑向支持軸的支撐筋結合是特別有利的，因為這會產生特別穩定的結構，尤其是如果支撐筋或相關的軸承件在加強件的區域中徑向支持軸。然而，即使沒有提供支撐筋，加強件本身也是有利的。例如，所提出的申請可以涉及一種介質間隙馬達，例如用于燃料電池系統，包括軸、定子、外殼、葉輪以及一體式加強件，該軸中容納有轉子磁體，定子具有定子繞組，用于電驅動軸的旋轉，外殼定義在軸和定子之間形成的流動空間，葉輪被設置在流動空間中并且在軸上。介質間隙馬達還可以具有上述或下文所述的有利特征。

19、可以規定，介質間隙馬達具有液滴分離器。所述液滴分離器可以被設置在所述外殼處的所述流動空間中，或者在其他實施例中，被設置在另一個流動空間中。例如，液滴分離器可以是水分離器。液滴分離器可用于例如從介質流中分離液態水。液滴分離器可以被設置在定界流動空間或更寬的流動空間的外殼的內壁上，或者可以被形成為內壁的一部分。在有利的實施例中，液滴分離器被設置在向流動空間或另一個流動空間的一部分的過渡處，特別是向流動空間的容納葉輪或渦輪的加寬部分。液滴分離器一般被設置在軸向上，在支撐筋(如果有的話)與葉輪之間和/或轉子磁體與葉輪之間。液滴分離器也可以被設置在軸向上，在所提供的任何其他支撐筋與渦輪之間和/或另一個轉子磁體與渦輪之間。液滴分離器通常與軸軸向重疊。通過將液滴分離器集成到所述的介質間隙馬達中，可以實現特別緊湊的布置，尤其是使得不需要另一個液滴分離器。在這里，例如，從燃料電池系統的用于攜帶燃料或氧化劑的通道中，例如從燃料電池系統的再循環管線中，分離液態水可以以特別緊湊和有效的方式實現。例如，液滴分離器可以被形成在運行期間液滴在其中收集的通道和/或環形通道。液滴分離器可以以流體方式連接到排泄管道，以便液滴可以通過排泄管道排出。在一些實施例中，液滴分離器被設置在支撐筋的下游。這樣，可以實現緊湊的布置，一方面為軸提供穩定的支持，另一方面充分利用流動通道中的安裝空間進行液滴分離。通常，液滴分離器被至少部分地設置在位于葉輪與轉子磁體之間和/或葉輪與支撐筋之間的軸向位置。這在流動空間中以緊湊的結構創造了優化的功能。

20、液滴分離器與用于徑向安裝軸的支撐筋結合是特別有利的，尤其是如果支撐筋被設置以在輸送的介質中產生渦流，因為這使得針對液滴分離優化的流型被設置。然而，即使沒有提供支撐筋，液滴分離器本身也是有利的。例如，所提出的申請可以涉及一種介質間隙馬達，例如用于燃料電池系統，包括軸、定子、外殼、葉輪以及液滴分離器，該軸中容納有轉子磁體，定子具有定子繞組，用于電驅動軸的旋轉，外殼定義在軸和定子之間形成的流動空間，葉輪被設置在流動空間中并且在軸上，液滴分離器被設置在外殼處的流動空間中。介質間隙馬達還可以具有上述或下文所述的有利特征。

21、本技術還可以意在包括上述或下文所述的介質間隙馬達的燃料電池系統。該燃料電池系統還可以具有用于傳導燃料的通道。流動空間可以形成用于傳導燃料的通道的一部分。通道可被設置為使燃料，例如氫，從燃料電池到燃料電池再循環。葉輪可以被設置在用于傳導燃料通道中。這樣，介質間隙馬達可用于向燃料電池提供燃料。因此，燃料供應或再循環電路可以通過特別耐用的介質間隙馬達精確地取決于負載進行控制，這意味著可以實現更低的氫消耗。燃料電池系統可具有燃料電池和上述或下文所述的介質間隙馬達，并在必要時具有傳導燃料的通道。在一些實施例中，燃料電池系統被形成為機動車輛的一部分。本技術還意在如上或下文所述的介質間隙馬達或如上或下文所述的燃料電池系統的用途，用于在車輛中提供電驅動力。

22、雖然具有所述支撐筋的實施例中的介質間隙馬達和燃料電池系統特別有利，但本技術還可意在不一定具有上述或下文所述的支撐筋的燃料電池系統，但其具有帶有軸、定子、外殼和葉輪的介質間隙馬達，該軸中容納有轉子磁體，定子具有定子繞組，用于電驅動軸的旋轉，外殼定界在軸和定子之間形成的流動空間，葉輪被設置在流動空間中并且在軸上。燃料電池系統可以另外具有上述或下文所述的任何有利特征。

23、燃料電池系統可具有用于傳導氧化劑，特別是氧，的通道。該通道可以有用于向燃料電池供應氧化劑的氧化劑進料管道。該通道還可以有用于從燃料電池排放氧化劑和/或反應產物，特別是水，的排放管道。在其中設置了葉輪的流動空間可以形成用于傳導氧化劑的通道的一部分。葉輪可以被設置在用于傳導氧化劑的通道中。特別地，在其中設置了葉輪的流動空間可以形成氧化劑進料管道的一部分。在其中設置了渦輪的另一個流動空間可以形成排放管道的一部分。

24、本技術以特別有利的方式涉及用于燃料電池應用或用于燃料電池系統的介質間隙馬達，但也可以一般涉及具有上述或下文所述的有利特征的介質間隙馬達。例如，本技術可以涉及介質間隙馬達。該介質間隙馬達可以具有所述定子、所述轉子和所述葉輪。該介質間隙馬達還可以包括上述或下文所述的其他有利特征。例如，介質間隙馬達可以是用于渦輪增壓器的介質間隙馬達。

25、上述或下文所述的與介質間隙馬達有關的特征可相應地轉移到再循環風扇及其用途以及燃料電池系統，反之亦然。