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Turbolader mit Elektromotor betreiben, welches Drehmoment benötigt der E-Motor?

Themenstarteram 19. September 2013 um 13:46

Hallo!

Ich baue derzeit ein Modell eines Brennstoffzellensystems auf. Eine Brennstoffzelle benötigt komprimierte Luft für den Betrieb. Für mobile Anwendungen bietet sich unter den Kompressorarten der Turbokompressor auf Grund seines niedrigen Gewichts an.

Mein Modell sieht ein großen Stack mit 430 Zellen und einer Ausgangsleistung von 120 kW vor. Bei dieser Größe gelangt man zu Luftmassenströmen von etwa 15 kg/s. Benötigt wird weiterhin ein Druckhub von 100 kPa auf 200 kPa, also einem Pi von 2.

Für diese Merkmale kommen Turbolader von Autos in betracht, wie z.B. der Garrett GT1548, Rotrex C15-60 oder Mitsubishi TD03.

Die Turbolader können im Fall der Brennstoffzelle nicht von einem Abgasstrom angetrieben werden, sondern benötigen einen Elektromotor.

Nun gibt es Elektromotoren mit hohen Drehzahlen, wie z.B. der Bosch Rexroth MSS102D-0800 mit einem maximalen Drehmoment von 45 Nm.

Frage ist nun: Reichen 45 Nm aus, um einen Turbolader in der Größenordnung wie die oben genannten zu betreiben?

Vielen Dank für eure Antworten,

beste Grüße!

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15 Antworten

Alleine die einfache Abschätzung:

P = 2Pi x M x n = 6,28 x 45Nm x 100.000RPM = 472kW

sollte Dich auf Deinen Größenordnungsirrtum hinweisen, oder Dich zu ersten Verhandlungsgesprächen mit Deinem örtlichen Stromversorger motivieren :D.

 

EDIT:

Ich nehme die Abschätzung nach Durchlesen der beschriebenen Spezifikationen mal lieber zurück - Du benötigst ja für Deine Spezialanwendung gar keine so hohen Drehzahlen. Rechne einfach selbst von Deiner benötigten Leistung und der, wie ich jetzt erst gesehen habe, niedrigeren maximalen Bosch Drehzahlen aufs Drehmoment zurück. Die angegeben 16,8kW für den Motor könnten sogar passen auf den ersten :D zweiten Blick. Ist aber dann eher die Frage, ob der Turbolader (Welle) den Betrieb aushält.

P.S:

Zitat:

gelangt man zu Luftmassenströmen von etwa 15 kg/s

Da musst Du aber ein paar dutzend Turbolader parallel betreiben, den Luftfilter gut festbinden und aufpassen beim Vorbeigehen :).

Themenstarteram 20. September 2013 um 11:24

Hi!

Danke für deine Antwort!

Ich bin bisher davon ausgegangen, dass der Turbolader eine Übersetzung beinhaltet, wie es z.b. bei dem genannten Rotrex der Fall ist (1:12,5). Daher ging ich von Elektromotoren bis zu 20000 U/min aus, wie es bei dem Bosch der Fall ist. Höher drehende Elektromotoren diesen Verbrauchs habe ich bisher auch nicht gefunden und gehe mittlerweile davon aus, dass diese Kundenspezifisch angefertigt werden.

Auf den ersten Blick habe ich die 16,8 kW ebenfalls als passend empfunden, wüsste jedoch gerne zur Absicherung, ob das Drehmoment passt. Wenn deine Rechnung gestimmt hätte, gäbe es außerdem das Problem, dass die Brennstoffzelle an sich "nur" 120 kW leisten kann und diesen Elektromotor mitbetreiben muss.

Wieso hast du Bedenken wegen des Massenstroms? Ich habe die genannten Turbokompressoren eigentlich auf Grund der Kennfelder ausgewählt und da lagen 15 kg/s bei 100 kPa Hub eigentlich im guten Effizienzbereich.

Parallelschalten von mehreren kleinen Kompressoren ist aber an sich kein dummer Gedanke, da der Brennstoffzellenstack nicht immer auf Volllast gefahren werden soll und somit auch mal kleinere Massenströme benötigt. In dem Fall würde ein großer Kompressor wohl das Röcheln anfangen. Ist für das Gewicht des Gesamtsystems natürlich nachteilig.

Letztendlich benötige ich eigentlich nur eine Aussage darüber, ob ich mit einem Elektromotor wie dem genannten Bosch einen der genannten Turbolader antreiben kann. Es ist ja nur ein Modell, welches ich mit Simulink aufziehe und dort müssen eben einigermaßen realistische Daten eingepflegt werden. Im Endeffekt reicht es auch, zu sagen: Elektromotor wiegt etwa 7 kg und der Kompressor 5 kg und bei Volllast der Brennstoffzelle verbraucht der Motor zur ausreichenden Luftversorgung um und bei 15 kW.

Vielen Dank nochmals,

beste Grüße!

Zitat:

Original geschrieben von 13lackeagle

...

Wieso hast du Bedenken wegen des Massenstroms? Ich habe die genannten Turbokompressoren eigentlich auf Grund der Kennfelder ausgewählt und da lagen 15 kg/s bei 100 kPa Hub eigentlich im guten Effizienzbereich.

...

Es ist ja nur ein Modell, welches ich mit Simulink aufziehe und dort müssen eben einigermaßen realistische Daten eingepflegt werden.

Das ist das Problem der theoretischen Betrachtung. Lehn Dich mal kurz zurück, schließ die Augen und stell Dir PRAKTISCH einen Luftstrom von 15m³/s vor. Dann korrigiere erst mal Deine Daten :D:D:D.

Was hast Du übrigens gegen stinknormale Druckluftanschlüsse?

Themenstarteram 20. September 2013 um 12:58

Ok, du hast schon recht, das ist "viel". Aber lügen denn da die Kennfelder oder kann ich die nicht richtig lesen? Ich sag ja nicht, dass der Kompressor keinen Bumms benötigt ;)

Andernfalls brauche ich für Volllast nun mal diesen Massenstrom. Wenn das wirklich nicht mit einem Kompressor geht, dann muss ich wohl mehrere parallel schalten und dementsprechende die Systemgesamtmasse erhöhen.

Grüße

EDIT: Ach herrje! Ich habe mich mit den Zahlen natürlich mal wieder vertan. Alles nur wegen diesen dämlichen Datenblättern in denen jeder mit Einheiten um sich schmeißt, wie er will.... Kann sich nicht mal irgendwer an SI-Einheiten halten?

Also: Ich habe einen Massenstrom von etwa 0,12 kg/s zu bewältigen. Die 15 kommt übrigens von etwa 15 lbs/min. Ich hatte dummerweise beim Verfassen dieses Beitrags nur die letzte Zahl im Kopf... :(

EDIT 2: Was sind Druckluftanschlüsse? Die Luft in einem Tank mitzuführen ist für mobile Anwendungen zu schwer, falls du das meinst. Habe schon einen Drucktank mit Wasserstoff dabei, wenn da noch einer für Sauerstoff hinzukommt, dann holt die Effizienz eines Verbrennungsmotors die des Brennstoffzellenstacks ein.

Zitat:

Original geschrieben von 13lackeagle

Ok, du hast schon recht, das ist "viel". Aber lügen denn da die Kennfelder oder kann ich die nicht richtig lesen? Ich sag ja nicht, dass der Kompressor keinen Bumms benötigt ;)

Andernfalls brauche ich für Volllast nun mal diesen Massenstrom. Wenn das wirklich nicht mit einem Kompressor geht, dann muss ich wohl mehrere parallel schalten und dementsprechende die Systemgesamtmasse erhöhen.

Grüße

In diesem Fall kannst Du leider nicht richtig lesen und die notwendige Datenkorrektur durchführen.

Ich gebe Dir einen letzten Tipp: Du liegst um Faktor 60 daneben (ich weiß nicht, ob nur beim Kompressor, oder auch bei Deiner tatsächlich benötigten Luftmasse) und, dies ging vorhin wegen meines Nachtrags unter,

- Was hast Du gegen stinknormale Druckluftanschlüsse?

EDIT: alles überschneidet sich hier :D

Zitat:

...dann holt die Effizienz eines Verbrennungsmotors die des Brennstoffzellenstacks ein

Warum wohl :D:D:D

Themenstarteram 20. September 2013 um 16:09

Ja, es überschneidet sich ein wenig ;) Jetzt sollte der Luftmassenstrom aber stimmen.

Was würdest du abschließend sagen? Lässt sich der Turbolader mit 45 Nm betreiben? Oder zu mindest irgendwas im mittleren zweistelligen Bereich (~50 Nm)?

A propos Effizienz:

Das Gute an der Brennstoffzellenentwicklung ist ja, dass man sagen kann, die Effizienz ist höher als die eines Verbrennungsmotors. Wenn dann einer kommt und mal genau nachrechnet mit Gewicht des Tanks und Herrstellung des Wasserstoffs und dann dabei landet, dass sich die Effizienzen nichts nehmen, kann man zum Glück immer noch sagen, dass Benzin irgendwann alle ist! :D

Zitat:

Original geschrieben von 13lackeagle

Ja, es überschneidet sich ein wenig ;) Jetzt sollte der Luftmassenstrom aber stimmen.

Was würdest du abschließend sagen? Lässt sich der Turbolader mit 45 Nm betreiben? Oder zu mindest irgendwas im mittleren zweistelligen Bereich (~50 Nm)?

A propos Effizienz:

Das Gute an der Brennstoffzellenentwicklung ist ja, dass man sagen kann, die Effizienz ist höher als die eines Verbrennungsmotors. Wenn dann einer kommt und mal genau nachrechnet mit Gewicht des Tanks und Herrstellung des Wasserstoffs und dann dabei landet, dass sich die Effizienzen nichts nehmen, kann man zum Glück immer noch sagen, dass Benzin irgendwann alle ist! :D

Dass die Effizienz im Praxisbetrieb höher ist als z.B. ein guter Diesel, ist noch nicht hinreichend untersucht.

Die Brennstoffzelle hat sehr hohe Herstellkosten.

Lebensdauer und Langzeitverhalten sind nicht zufriedenstellend.

Erzeugung, Speicherung und Verteilung von Wasserstoff sind sehr teuer.

Zitat:

kann man zum Glück immer noch sagen, dass Benzin irgendwann alle ist!

tatsächlich? :D: http://de.wikipedia.org/wiki/Bioenergie#Potenziale_und_Fl.C3.A4chenbedarf

Aber die Zukunft wird durch die relevanten Entscheider bestimmt werden.

Zum Drehmoment: Ich denke nein, da Du geschätzt um Faktor 10 über der normalen Wellenbelastung liegst. Andererseits kann Dein Elektromotor auch keine 45Nm bei 20.000RPM liefern, da dies, jetzt nur grob überschlagen, knapp 100kW wären.

Hier sind Centrifugalsupercharger

http://www.procharger.com/centrifugalsupercharger.shtml

Auf der "heissen" Seite ist ein Pully. Die "kalte" Seite ist ein Turbo um Ladedruck aufzubauen.

Da sind einige PDF Documente fur die specs.

Rudiger

Themenstarteram 24. September 2013 um 10:58

Zitat:

Original geschrieben von Mick 01

Zum Drehmoment: Ich denke nein, da Du geschätzt um Faktor 10 über der normalen Wellenbelastung liegst. Andererseits kann Dein Elektromotor auch keine 45Nm bei 20.000RPM liefern, da dies, jetzt nur grob überschlagen, knapp 100kW wären.

Ok, das sehe ich ein. Gibt es eine Abschätzung, um wie viel ein Elektromotor schwerer wäre, der ein höheres Drehmoment hätte und die 20000 rpm liefern könnte?

Zitat:

Original geschrieben von Rudiger

Hier sind Centrifugalsupercharger

http://www.procharger.com/centrifugalsupercharger.shtml

Auf der "heissen" Seite ist ein Pully. Die "kalte" Seite ist ein Turbo um Ladedruck aufzubauen.

Da sind einige PDF Documente fur die specs.

Rudiger

Danke für die Seite. Unter den Specs finde ich zwar Drehzahl und Übersetzungsverhältnis, ich weiß aber nicht, wie ich aus diesen Infos auf meinen Elektromotor kommen soll?

Ich kann mir vorstellen, dass aus diesen Infos und der Druckerhöhung irgendwie die benötigte Leistung errechnen könnte, aber ich habe davon leider wenig Ahnung. Komme aus der Elektronik ;)

Zitat:

Original geschrieben von 13lackeagle

Ok, das sehe ich ein. Gibt es eine Abschätzung, um wie viel ein Elektromotor schwerer wäre, der ein höheres Drehmoment hätte und die 20000 rpm liefern könnte?

Schau mal nach industriellen Lösungen für deinen Druckluftbedarf, ich würde mich einfach bei deren Vertrieblern durchtelefonieren und Deine Spezifikationen duchgeben. Du musst ja die Luft auch filtern und befeuchten, das würde mit der Selbstbaulösung auch sehr schwer.

Wie es mit Ölleckagen bei Deinen vorgeschlagenen Kompressoren aussieht, weiß ich auch nicht und das könnte problematisch sein.

Themenstarteram 24. September 2013 um 13:54

Zitat:

Original geschrieben von Mick 01

Zitat:

Original geschrieben von 13lackeagle

Ok, das sehe ich ein. Gibt es eine Abschätzung, um wie viel ein Elektromotor schwerer wäre, der ein höheres Drehmoment hätte und die 20000 rpm liefern könnte?

Schau mal nach industriellen Lösungen für deinen Druckluftbedarf, ich würde mich einfach bei deren Vertrieblern durchtelefonieren und Deine Spezifikationen duchgeben. Du musst ja die Luft auch filtern und befeuchten, das würde mit der Selbstbaulösung auch sehr schwer.

Wie es mit Ölleckagen bei Deinen vorgeschlagenen Kompressoren aussieht, weiß ich auch nicht und das könnte problematisch sein.

Ich will nichts bauen ;) Ich will nur ein theoretisches Modell aufstellen. Dazu muss ich halt wissen, auf welches Gesamtgewicht ich komme und daher muss ich um und bei wissen, welche Kompressoren und Elektromotoren in Frage kommen.

Industrielle Lösung gibt es für die Stackgröße nicht. Mobil schon gar nicht. Also zu mindest soweit ich das jetzt überblicken konnte.

Mir ist hierzu noch etwas eingefallen:

Zitat:

kann Dein Elektromotor auch keine 45Nm bei 20.000RPM liefern, da dies, jetzt nur grob überschlagen, knapp 100kW wären.

Vielleicht sind 45Nm auch viel zu hoch gegriffen? Das war ja meine ursprüngliche Frage: Wieviel Drehmoment benötige ich überhaupt, um die Eingangswelle vom Turbolader anzutreiben. Ginge man davon aus, dass der Motor nur ein Viertel oder Fünftel des genannten Drehmoments benötigen würde, dann sähe die Welt schon wieder ganz anders aus.

Irgendeinen sinnvollen Motor muss es ja schließlich geben.

Habe das Trägheitsmoment vom Turbolader Rotrex C15-60 gefunden: 2,049e-3 kg*m^2 (das Komma ist als Komma zu verstehen, dänische Firma). Da würde mir jetzt aber noch die Winkelbeschleunigung fehlen, um auf das Drehmoment zu schließen.

 

Zitat:

Original geschrieben von 13lackeagle

Vielleicht sind 45Nm auch viel zu hoch gegriffen? Das war ja meine ursprüngliche Frage: Wieviel Drehmoment benötige ich überhaupt, um die Eingangswelle vom Turbolader anzutreiben. Ginge man davon aus, dass der Motor nur ein Viertel oder Fünftel des genannten Drehmoments benötigen würde, dann sähe die Welt schon wieder ganz anders aus.

Irgendeinen sinnvollen Motor muss es ja schließlich geben.

Habe das Trägheitsmoment vom Turbolader Rotrex C15-60 gefunden: 2,049e-3 kg*m^2 (das Komma ist als Komma zu verstehen, dänische Firma). Da würde mir jetzt aber noch die Winkelbeschleunigung fehlen, um auf das Drehmoment zu schließen.

ich hab jetzt die Daten nicht vor mir, aber Du hattest ja nur auf die Maximalwerte geachtet. Die Nennwerte für Dauerlast waren doch viel niedriger?

Du brauchst doch so maximal 20kW zum Verdichten?

Dann bleibst Du deutlich unter 10Nm an der E-Motorwelle.

Aber mit Simulanten rede ich ja eigentlich gar nicht mehr :D:D:D. Berufskrankheit.

Themenstarteram 24. September 2013 um 14:24

Ich bin so blöd.

Dass ich P = 2*pi*M*n einfach mal nach M umstelle, auf die Idee bin ich natürlich nicht gekommen. Die benötigte Leistung wird mir ja bereits vorgegeben und ja, das sind maximal 20 kW.

Naja, dann gehe ich wohl davon aus, dass es mit dem genannten Bosch Rexroth funktioniert, auch ohne dass er meine Stackleistung sprengt. Der hat ein Nenndrehmoment von 20 Nm, liege ich also noch drunter.

Ich glaube, ich liege wenigstens auf der sicheren Seite, wenn ich behaupte, dass ein ähnlich großer und ähnlich schwerer Motor ausreicht.

Ich höre gerne auf die Praktiker :)

Zitat:

Original geschrieben von 13lackeagle

...

Ich höre gerne auf die Praktiker :)

Klar - danach zum Hinmogeln der Simulationsparameter :D.

Viel Erfolg

Mick

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