DE102006020867A1 - Electrical machine, in particular permanent-magnet synchronous motor with adjustable field weakening - Google Patents

Electrical machine, in particular permanent-magnet synchronous motor with adjustable field weakening Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1), insbesondere einen Elektromotor, mit einem Stator (3) sowie einem Rotor (4) mit einer Rotorwelle (12), wobei der Stator (3) und/oder der Rotor (4) zur Feldschwächung der elektrischen Maschine (1) axial gegeneinander verschiebbar sind. Erfindungsgemäß ist die Axialverschiebung (V) unter Einhaltung eines konstanten Luftspalts zwischen Stator (3) und Rotor (4) einstellbar. Dadurch lässt sich vorteilhaft das Temperaturverhalten der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine (1) bei Maximaldrehzahl und geringer Last erheblich verbessern. Die elektrische Maschine (1) ist insbesondere ein permanentmagneterregter Synchronmotor.The invention relates to an electric machine (1), in particular an electric motor, with a stator (3) and a rotor (4) with a rotor shaft (12), the stator (3) and / or the rotor (4) for weakening the field electrical machine (1) are axially displaceable against each other. According to the invention, the axial displacement (V) can be adjusted while maintaining a constant air gap between the stator (3) and rotor (4). As a result, the temperature behavior of the electrical machine (1) according to the invention can advantageously be significantly improved at maximum speed and low load. The electrical machine (1) is in particular a permanent magnet synchronous motor.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, mit einem Stator sowie einem Rotor mit einer Rotorwelle, wobei der Stator und der Rotor zur Feldschwächung der elektrischen Maschine axial gegeneinander verschiebbar sind.The The invention relates to an electrical machine, in particular a Electric motor, with a stator and a rotor with a rotor shaft, wherein the stator and the rotor for weakening the field of the electric machine axially displaced against each other.

Elektrische Maschinen, insbesondere permanenterregte oder permanentmagneterregte Synchronmotoren, werden in den letzten Jahren immer häufiger für vielfältige Antriebsaufgaben, wie z.B. zum Antrieb von hochtourigen Werkzeugmaschinen, verwendet. Der Wegfall von Erregerwicklungen reduziert die Stromwärmeverluste der elektrischen Maschine. Zudem entfallen die verschleißbehafteten Stromzuführungselemente der elektrischen Maschine. Dadurch zeichnen sich solche elektrischen Maschinen durch eine sehr gute Ausnutzung und guten Wirkungsgrad aus.electrical Machines, in particular permanently excited or permanently magnetically excited Synchronous motors have become increasingly popular in recent years for a variety of drive tasks, such as. used to drive high-speed machine tools. The elimination of excitation windings reduces the current heat losses the electric machine. In addition, the wear-prone power supply elements eliminated the electric machine. This distinguishes such electrical Machines by a very good utilization and good efficiency out.

Bei derartigen elektrischen Maschinen ist die Erregung konstant. Jedoch ist bei besonders hohen Drehzahlen jenseits des Nennpunkts der elektrischen Maschine eine Feldschwächung des Polrad- oder Ankerfelds erforderlich. Dies führt nachteilig zu einer erheblichen Erwärmung, insbesondere bei einem Synchronmotor mit geringer Last. Ein Feldschwächbetrieb ist zwar wegen der konstanten magnetischen Permanenterregung im eigentlichen Sinne nicht möglich. Dennoch kann das Ankerfeld durch eine eingeprägte Stromkomponente in der Längsachse teilweise kompensiert und dadurch der Drehmoment-Drehzahlbereich erweitert werden. Die zusätzliche Einprägung des Kompensationsstroms in die Wicklung kann bis zu 80% des Nennstroms des Synchronmotors betragen. Dieser Strom steht, von der starken Erwärmung des Synchronmotors abgesehen, nicht mehr zur Drehmomentbildung zur Verfügung. Wünschenswert wäre somit ein magnetischer Kreis, der sich bei höherer Drehzahl abschwächt.at Such electrical machines, the excitement is constant. however is at particularly high speeds beyond the nominal point of the electrical Machine a field weakening the pole wheel or anchor field is required. This leads disadvantageously to a considerable Warming, especially with a synchronous motor with low load. A field weakening operation is because of the constant magnetic permanent excitation in the actual sense not possible. Nevertheless, the anchor field can be characterized by an impressed current component in the longitudinal axis partially compensated and thereby the torque-speed range be extended. The additional impressing of the compensation current in the winding can be up to 80% of the rated current amount of synchronous motor. This stream stands, from the strong warming Apart from the synchronous motor, not for torque generation Available. Desirable would be like that a magnetic circuit that attenuates at higher speeds.

Alternativ ist auch die Verwendung von Asynchronmotoren möglich. Diese weisen den Vorteil auf, dass diese bereits bei geringen Drehzahlen ein hohes Drehmoment zur Verfügung stellen können. Darüber hinaus weisen diese Motoren bei geringer Last ein besseres thermisches Verhalten auf. Nachteilig ist allerdings die starke Abnahme des Drehmoments bei höheren Drehzahlen jenseits des Leistungspunkts der elektrischen Maschine. Demnach nimmt das Drehmoment der Asynchronmaschine mit zunehmender Drehzahl jenseits des Leistungspunkts entlang ihrer Leistungshyperbel ab. Die aufgenommene elektrische Leistung des Asynchronmotors bleibt nahezu konstant.alternative the use of asynchronous motors is also possible. These have the advantage on that they already at low speeds high torque to disposal can make. About that In addition, these engines have a better thermal load at low load Behavior on. The disadvantage, however, is the sharp decrease in the Torque at higher Speeds beyond the power point of the electric machine. Accordingly, the torque of the asynchronous machine decreases with increasing Speed beyond the power point along its power hyperbola from. The absorbed electrical power of the asynchronous motor remains almost constant.

Zur Lösung der oben genannten Probleme wurde unter anderem vorgeschlagen, den Luftspalt zur Feldschwächung des Ankerfelds mit steigender Drehzahl zu erhöhen. Hierzu sind der Stator und der Rotor eines permanenterregten Synchronmotors konisch ausgeführt. Werden Stator und Rotor axial gegeneinander verschoben, so verändert sich der Luftspalt. Die Axialverschiebung von Stator zu Rotor kann z.B. mittels eines Stellantriebs erfolgen. Nachteilig an der vorgeschlagenen Lösung ist der aufwändige Aufbau des Stators und Rotors. Denn beide sind üblicherweise geblecht ausgeführt, um Wirbelstromverluste im Stator und Rotor zu vermeiden. Daher ist eine Vielzahl von Lamellen mit jeweils einem anderen Durchmesser für den Stator sowie auch für den Rotor erforderlich.to solution The above problems have been suggested, inter alia, the Air gap for field weakening of the anchor field with increasing speed to increase. These are the stator and the rotor of a permanent magnet synchronous motor made conical. Become Stator and rotor axially offset from each other, so changes the air gap. The axial displacement from stator to rotor can e.g. done by means of an actuator. A disadvantage of the proposed solution is the elaborate one Structure of the stator and rotor. Because both are usually executed in order to To avoid eddy current losses in the stator and rotor. Therefore, one is Variety of slats, each with a different diameter for the stator as well as for the rotor is required.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine elektrische Maschine anzugeben, welche eine einstellbare Feldschwächung erlaubt und zudem einen einfacheren Aufbau aufweist.It It is an object of the invention to provide an electrical machine, which allows an adjustable field weakening and also a has a simpler structure.

Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 14 angegeben.These Task is solved by an electric machine according to claim 1. Advantageous embodiments are in the dependent claims 2 to 14 indicated.

Erfindungsgemäß ist die Axialverschiebung unter Einhaltung eines konstanten Luftspalts zwischen Stator und Rotor einstellbar. Dies wird dadurch erreicht, dass der Aktivteil des Stators und der Aktivteil des Rotors der elektrischen Maschi ne einen im Wesentlichen gleichen Querschnitt in axialer Richtung aufweisen. Insbesondere sind der Innenradius des Aktivteils des Stators und der Außenradius des Aktivteils des Rotors gleich. Der Innenradius ist geringfügig kleiner als der Außenradius. Dieser geringfügige radiale Unterschied entspricht dem Luftspalt zwischen Stator und Rotor.According to the invention Axial displacement while maintaining a constant air gap between Stator and rotor adjustable. This is achieved by the fact that the Active part of the stator and the active part of the rotor of the electric Maschi ne a substantially same cross-section in the axial direction exhibit. In particular, the inner radius of the active part of the Stators and the outer radius the active part of the rotor is the same. The inner radius is slightly smaller as the outer radius. This slight Radial difference corresponds to the air gap between stator and Rotor.

Damit ist der besondere Vorteil verbunden, dass Lamellen mit jeweils einem gleichen Blechschnitt bzw. Querschnitt zur Bildung eines Blechpakets des Stators und des Rotors verwendet werden können. Der Aufwand für eine derartige erfindungsgemäße elektrische Maschine reduziert sich im Vergleich zu einer elektrischen Maschine mit konischem Stator und konischem Rotor erheblich.In order to has the particular advantage that slats with one each same sheet metal section or cross-section to form a laminated core of the stator and the rotor can be used. The effort for such electrical according to the invention Machine is reduced compared to an electric machine with conical stator and conical rotor considerably.

Ein weiterer besonderer Vorteil ist es, dass durch die axiale Verschiebung von Stator und Rotor gegeneinander eine stufenlose Feldschwächung des Ankerfelds vorgenommen werden kann.One Another particular advantage is that by the axial displacement of stator and rotor against each other a stepless field weakening of the anchor field can be made.

Dadurch lässt sich vorteilhaft bei Maximaldrehzahl und geringer Last das Temperaturverhalten einer derartigen elektrischen Maschine, insbesondere bei einem Synchronmotor, erheblich verbessern.Thereby let yourself advantageous at maximum speed and low load, the temperature behavior of a such electrical machine, in particular in a synchronous motor, significantly improve.

Ein weiterer Vorteil ist, dass im Vergleich zu permanenterregten elektrischen Maschinen mit einprägbarem Kompensationsstrom zur Feldschwächung nun dieser Strom in der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine zur Drehmomentbildung zur Verfügung steht.Another advantage is that in comparison to permanent-magnet electric machines with an imposable compensation current to Feldschwä Chung now this current in the electric machine according to the invention for torque generation is available.

Im Besonderen sind eine axiale Stator-Aktivteilbreite und eine axiale Rotor-Aktivteilbreite zumindest in etwa gleich. Liegen sich Stator und Rotor in axialer Richtung genau gegenüber, so liegt eine vollständige Überdeckung vor. Davon ausgehend kann durch Einstellung eines axialen Versatzes von Stator zu Rotor eine Feldschwächung des Ankerfelds erreicht werden, indem die axiale Überdeckung verändert wird. Auf die se Weise wirkt das Ankerfeld effektiv nur noch in dem gemeinsam überdeckten Bereich.in the Special features are an axial stator active part width and an axial one Rotor active part width at least approximately the same. Lie Stator and rotor in the axial direction exactly opposite, so is a complete coverage in front. Based on this, by setting an axial offset from stator to rotor reaches a field weakening of the anchor field be by the axial overlap changed becomes. In this way, the anchor field effectively acts only in the covered together Area.

In einer Ausführungsform ist durch die Axialverschiebung zwischen Stator und Rotor eine Stator/Rotorüberdeckung in einem Bereich von 50% bis 100 einstellbar. Auch wenn Werte für eine Stator/Rotorüberdeckung von 0% bis 100% prinzipiell möglich sind, ist der Bereich von 50% bis 100 in Hinblick auf die axiale Zunahme des Bauvolumens einer derartigen elektrischen Maschine und in Hinblick auf die letztendlich für den Betriebseinsatz benötigte Feldschwächung vorteilhaft.In an embodiment is due to the axial displacement between stator and rotor, a stator / rotor coverage adjustable in a range of 50% to 100. Even if values for a stator / rotor coverage from 0% to 100% are possible in principle, is the range of 50% to 100% in terms of axial increase the volume of such an electric machine and in terms in the end for needed the operational use field weakening advantageous.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die elektrische Maschine ein Maschinengehäuse auf, in welchem der Rotor mit der Rotorwelle drehbar gelagert und axial fixiert ist. Der Stator ist im Maschinengehäuse axial verschiebbar gelagert und radial fixiert. Im Maschinengehäuse kann eine axiale Verfahreinheit vorgesehen sein. Diese Verfahreinheit kann z.B. die Form eines Hohlzylinders aufweisen, an dessen Innenseite der Aktivteil des Stators, das heißt das Blechpaket mit der Statorwicklung, fest angebracht ist. Der Stator besteht somit aus der axialen Verfahreinheit mit dem im Inneren der Verfahreinheit angebrachten Aktivteil des Stators.In a preferred embodiment The electrical machine has a machine housing in which the rotor is rotatably mounted with the rotor shaft and axially fixed. The stator is in the machine housing mounted axially displaceable and fixed radially. In the machine housing can be provided an axial positioning unit. This positioning unit can e.g. have the shape of a hollow cylinder, on the inside the active part of the stator, that is the laminated core with the stator winding, firmly attached. The stator thus consists of the axial displacement unit with the active part of the Stator.

In einer Ausführungsform erfolgt die Axialverschiebung zwischen Stator und Rotor auf hydraulischem Wege. Dies kann mittels einer hydraulischen Stelleinrichtung, wie z.B. mittels eines Zylinderkolbens, erfolgen. Die hydraulische Stelleinrichtung kann eine Hydraulikpumpe aufweisen. Auch kann diese Stelleinrichtung in die elektrische Maschine integriert oder dort angeflanscht sein.In an embodiment the axial displacement between stator and rotor takes place on hydraulic Ways. This can be done by means of a hydraulic actuator, such as e.g. by means of a cylinder piston. The hydraulic adjusting device can have a hydraulic pump. Also, this adjusting device be integrated in the electric machine or flanged there.

Weist der Stator die Form eines Hohlzylinders, wie zuvor beschrieben auf, so können die beiden ringförmigen Enden des Hohlzylinders in einer entsprechend geometrisch darauf abgestimmten Öffnung im Maschinengehäuse axial und mittels Dichtmittel, wie z.B. O-Ringen, druckdicht geführt sein. Diese Öffnungen können als Hydraulikanschlüsse an die Außenseite der elektrischen Maschine geführt sein.has the stator takes the form of a hollow cylinder as described above, so can the two annular ones Ends of the hollow cylinder in a corresponding geometric on it coordinated opening in the machine housing axially and by means of sealing means, e.g. O-rings, be pressure-tight. These openings can as hydraulic connections to the outside be guided the electric machine.

Die Stellgröße für die Axialverschiebung kann von der Steuerelektronik der elektrischen Maschine z.B. auf Basis der Motordrehzahl, des Drehmomentensollwerts, des elektrischen Stroms oder der elektrischen Spannung der elektrischen Maschine gebildet werden.The Manipulated variable for the axial displacement can from the control electronics of the electric machine e.g. based the engine speed, the torque setpoint, the electric current or the electrical voltage of the electrical machine become.

Die Axialverschiebung zwischen Stator und Rotor kann alternativ auch auf pneumatischem Wege erfolgen. Entsprechende pneumatische Stellglieder, Ventile, Druckregler etc. sind hinreichend bekannt. Der besondere Vorteil dabei ist, dass die üblicherweise in einer Fabrik oder Werkstatt verfügbare Druckluftanlage zur Axialverschiebung herangezogen werden kann.The Axial displacement between stator and rotor can alternatively also done pneumatically. Corresponding pneumatic actuators, valves, Pressure regulators, etc. are well known. The special advantage it is that usually Pneumatic system for axial displacement available in a factory or workshop can be used.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform erfolgt die Axialverschiebung zwischen Stator und Rotor auf elektromotorischem Wege. Dies können elektromechanische Stellantriebe, Servomotoren oder dergleichen sein. Der Vorteil dabei ist, dass diese elektrisch von einer Steuer- und Leistungselektronik der elektrischen Maschine angesteuert werden können.In a further alternative embodiment the axial displacement between stator and rotor takes place on electromotive Ways. This can electromechanical actuators, servomotors or the like be. The advantage here is that they are electrically controlled by a control and power electronics of the electric machine can be controlled.

Es ist bekannt, dass der Rotor bei Stromerregung des Statorfelds im Sinne eines Tauchmagneten axial in den Stator „hineingezogen" wird. Die dabei entstehenden Kräfte können zur Einstellung der Axialverschiebung verwendet werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Axialverschiebung zwischen Stator und Rotor daher unter Ausnutzung der elektromagnetischen Axialkräfte der magnetischen Aktivteile des Stators und des Rotors erfolgen.It is known that the rotor when current excitation of the stator in the The sense of a submersible magnet is "pulled in" axially into the stator personnel can used to adjust the axial displacement. According to another embodiment Therefore, the axial displacement between the stator and rotor can be below Exploitation of the electromagnetic axial forces of the magnetic active parts the stator and the rotor take place.

In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Axialverschiebung zwischen Stator und Rotor drehzahlabhängig und selbsttätig unter Ausnutzung der Fliehkräfte bei Rotation des Rotors der elektrischen Maschine. Dazu können eine oder mehrere auf der Rotorwelle radial bewegliche angebrachte Fliehkraftmassen angebracht sein, die sich im Sinne einer Fliehkraftkupplung mit zunehmender Drehzahl gegen eine radialwirkende Rückstellfeder von der Drehachse der Rotorwelle wegbewegen können. Laufen diese Fliehkraftmassen in radialer Richtung gegen eine schiefe Ebene von radialen Führungselementen auf der Rotorwelle an, so wird die radiale Bewegung der Fliehkraftmasse in eine axiale Bewegung des Aktivteils des Rotors umgesetzt. Die Führungselemente können z.B. an einem axialen Ende des Aktivteils des Rotors oder im Inneren des Aktivteils des Rotors angebracht sein, wobei der Aktivteil auf der Rotorwelle selbst axial verschiebbar, aber radial fixierbar angebracht ist. In diesem Fall wird bei hoher Drehzahl die Radialbewegung der Fliehkraftmassen in eine Axialbewegung des Aktivteils des Rotors relativ zur Rotorwelle umgesetzt.In a further embodiment the axial displacement between stator and rotor is dependent on the speed and automatic taking advantage of the centrifugal forces during rotation of the rotor of the electric machine. This can be a or a plurality of centrifugal masses radially movable on the rotor shaft be attached, which in terms of a centrifugal clutch with increasing speed against a radially acting return spring from the axis of rotation the rotor shaft can move away. Run these centrifugal masses in the radial direction against a crooked Plane of radial guide elements on the rotor shaft, so is the radial movement of the centrifugal mass converted into an axial movement of the active part of the rotor. The Guiding elements may e.g. at an axial end of the active part of the rotor or inside be attached to the active part of the rotor, wherein the active part on the rotor shaft itself axially displaceable, but radially fixable is appropriate. In this case, at high speed, the radial movement the centrifugal masses in an axial movement of the active part of the rotor implemented relative to the rotor shaft.

Die elektrische Maschine weist vorzugsweise eine elektrische Nennleistung von zumindest 5 kW und/oder ein Mindestdrehmoment von 4 Nm auf.The electrical machine has vorzugswei se an electrical rating of at least 5 kW and / or a minimum torque of 4 Nm.

Vorzugsweise ist die elektrische Maschine ein Synchronmotor, insbesondere ein permanenterregter Synchronmotor. Ein derartiger Synchronmotor weist üblicherweise Permanentmagnete auf der Außenseite des Rotors zur Erzeugung des magnetischen Feldes auf. Die elektrische Maschine kann alternativ auch ein Asynchronmotor sein.Preferably the electric machine is a synchronous motor, in particular a permanent-magnet synchronous motor. Such a synchronous motor usually has Permanent magnets on the outside of the rotor for generating the magnetic field. The electric Alternatively, the machine can be an asynchronous motor.

Darüber hinaus ist die elektrische Maschine vorzugsweise für eine mindestens dreiphasige Stromerregung zur Drehfelderzeugung ausgeführt. Hierzu kann die elektrische Maschine an einen mindestens dreiphasigen Umrichter oder Wechselrichter zur Stromspeisung angeschlossen sein.Furthermore the electric machine is preferably for at least three-phase Current excitation for rotating field generation executed. For this purpose, the electrical Machine to an at least three-phase inverter or inverter be connected to the power supply.

Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigenFurther advantageous properties of the invention will become apparent from the exemplary explanation based on the figures. Show it

1 einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine entlang ihrer Drehachse, wobei die elektrische Maschine einen im Maschinengehäuse axial verschiebba ren Aktivteil des Stators zur Feldschwächung gemäß der Erfindung aufweist, 1 a longitudinal section through an electric machine along its axis of rotation, wherein the electric machine has an axially displaceable in the machine housing ren active part of the stator for weakening the field according to the invention,

2 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße selbsttätige und drehzahlabhängige axiale Verschiebung zwischen Stator und Rotor unter Ausnutzung von Fliehkräften des Rotors und 2 an example of an inventive automatic and speed-dependent axial displacement between the stator and rotor by utilizing centrifugal forces of the rotor and

3 das Beispiel gemäß 3 im Falle einer hohen Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine. 3 the example according to 3 in the case of a high speed of the rotor of the electric machine.

1 zeigt einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine 1 (insbesondere einen Elektromotor 1) entlang ihrer Drehachse A. Die elektrische Maschine 1 weist vorzugsweise eine Nennleistung von mindestens 5 kW und ein Mindestdrehmoment von 4 Nm auf. Sie kann alternativ als Asynchronmotor oder – bevorzugt – als Synchronmotor (insbesondere als permanenterregter Synchronmotor) ausgebildet sein. Sie ist vorzugsweise für eine mindestens dreiphasige Stromerregung ausgeführt. 1 shows a longitudinal section through an electric machine 1 (In particular an electric motor 1 ) along its axis of rotation A. The electric machine 1 preferably has a rated power of at least 5 kW and a minimum torque of 4 Nm. It may alternatively be designed as an asynchronous motor or - preferably - as a synchronous motor (in particular as a permanently excited synchronous motor). It is preferably designed for at least three-phase current excitation.

Der Rotor 4 ist mit der Rotorwelle 12 drehbar in einem Maschinengehäuse 2 der elektrischen Maschine 1 gelagert und axial (d.h. in Richtung der Drehachse A) fixiert. Zur axialen Lagerung dienen in der 1 eingezeichnete Wälzlager 10, 11. Der Stator 3 selbst ist im Maschinengehäuse 2 axial verschiebbar gelagert und radial (d.h. auf die Drehachse A zu bzw. von ihr weg) fixiert. Insbesondere ist zur Feldschwächung der Aktivteil des Stators 3 axial verschiebbar ausgebildet.The rotor 4 is with the rotor shaft 12 rotatable in a machine housing 2 the electric machine 1 mounted and fixed axially (ie in the direction of the axis of rotation A). For axial storage serve in the 1 drawn rolling bearings 10 . 11 , The stator 3 itself is in the machine housing 2 mounted axially displaceable and radially (ie, on the axis of rotation A to or away from her) fixed. In particular, the field weakening of the active part of the stator 3 formed axially displaceable.

Der Aktivteil des Stators 3 weist in einer zur Drehachse A senkrecht stehenden Ebene einen Statorquerschnitt auf. Der Aktivteil des Rotors 4 weist in derselben Ebene einen Rotorquerschnitt auf. Sowohl der Statorquerschnitt als auch der Rotorquerschnitt sind konstant, also unabhängig von der Lage der Ebene entlang der Drehachse A. Ein Luftspalt LS zwischen den Aktivteilen ist daher unabhängig von einer axialen Verschiebung zwischen Stator 3 und Rotor 4 konstant.The active part of the stator 3 has a stator cross-section in a plane perpendicular to the axis of rotation A plane. The active part of the rotor 4 has a rotor cross-section in the same plane. Both the stator cross section and the rotor cross section are constant, ie independent of the position of the plane along the axis of rotation A. An air gap LS between the active parts is therefore independent of an axial displacement between the stator 3 and rotor 4 constant.

Eine axiale Stator-Aktivteilbreite BS und eine axiale Rotor-Aktivteilbreite BR sind im Beispiel der vorliegenden 1 gleich. Diese Ausgestaltung ist bevorzugt. Sie ist aber nicht zwingend erforderlich. Insbesondere kleinere Abweichungen (bis zu ca. 10%) sind möglich.An axial stator active part width BS and an axial rotor active part width BR are in the example of the present invention 1 equal. This embodiment is preferred. But it is not mandatory. In particular smaller deviations (up to approx. 10%) are possible.

Zur Veranschaulichung des Feldschwächprinzips ist im oberen Teil der 1 der Fall gezeigt, dass der Aktivteil des Stators 3 genau dem Aktivteil des Rotors 4 gegenüber liegt. Im unteren Teil der 1 ist der Fall gezeigt, dass beide Aktivteile um eine axiale Verschiebung V (bzw. einen axialen Versatz V) in axialer Richtung gegeneinander versetzt sind. Im letzteren Fall liegt keine vollständige Überdeckung und somit eine Feldschwächung vor.To illustrate the field weakening principle is in the upper part of 1 the case shown that the active part of the stator 3 exactly the active part of the rotor 4 is opposite. In the lower part of the 1 the case is shown that both active parts are offset by an axial displacement V (or an axial offset V) in the axial direction against each other. In the latter case there is no complete coverage and thus field weakening.

Der Versatz V ist vorzugsweise derart einstellbar, dass eine Überdeckung von Aktivteil des Stators 3 und Aktivteil des Rotors 4 zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert beliebig einstellbar ist. Der Minimalwert liegt vorzugsweise zwischen 40 und 75 % des Maximalwerts, z.B. bei etwa 50% des Maximalwerts.The offset V is preferably adjustable such that an overlap of active part of the stator 3 and active part of the rotor 4 between a maximum value and a minimum value is arbitrarily adjustable. The minimum value is preferably between 40 and 75% of the maximum value, eg about 50% of the maximum value.

Der Stator 3 besteht gemäß dem Beispiel der 1 aus einem Hohlzylinder 5 mit einer axialen Hohlzylinderbreite BH, die deutlicher größer ist als die axiale Aktivteilbreite BS des Stators 3, und aus dem Aktivteil des Stators 3, der an der Innenseite des Hohlzylinders 5 angebracht ist. Der Aktivteil des Stators 3 weist eine in ein Blechpaket eingebrachte Statorwicklung zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes auf.The stator 3 exists according to the example of 1 from a hollow cylinder 5 with an axial hollow cylinder width BH, which is significantly greater than the axial active part width BS of the stator 3 , and from the active part of the stator 3 which is on the inside of the hollow cylinder 5 is appropriate. The active part of the stator 3 has a stator winding inserted in a laminated core for generating a magnetic rotating field.

Der Hohlzylinder 5 dient als Verfahreinheit zur Erreichung des axialen Versatzes V zwischen Stator 3 und Rotor 4. Hierzu sind die beiden ringförmigen axialen Enden des Hohlzylinders 5 bzw. der Verfahreinheit in entsprechend geometrisch darauf abgestimmten Öffnungen 19 im Maschinengehäuse 2 mittels Dichtmittel 13, wie z.B. O-Ringen, axial und druckdicht geführt. Die Öffnungen 19 sind an die Außenseite der elektrischen Maschine 1 als Hydraulikanschlüsse 15 für eine Hydrau likflüssigkeit geführt. Über die Anschlüsse 15 kann die elektrische Maschine 1 zur Einstellung des axialen Versatzes V an ein nicht weiter dargestelltes Hydrauliksystem angeschlossen sein.The hollow cylinder 5 serves as a moving unit to achieve the axial offset V between the stator 3 and rotor 4 , For this purpose, the two annular axial ends of the hollow cylinder 5 or the track unit in corresponding geometrically tuned openings 19 in the machine housing 2 by means of sealant 13 , such as O-rings, axially and pressure-tight. The openings 19 are on the outside of the electric machine 1 as hydraulic connections 15 led likflüssigkeit for a hydra. About the connections 15 can the electric machine 1 to adjust the axial offset V to be connected to a not further shown hydraulic system.

Gemäß 1 erfolgt die Relativverschiebung zwischen Rotor 4 und Stator 3 auf hydraulischem Wege. Alternativ ist eine Relativverschiebung auf pneumatischem Weg oder auf elektromotorischem Weg möglich.According to 1 the relative displacement between the rotor takes place 4 and stator 3 hydraulically. Alternatively, a relative displacement on a pneumatic or electromotive path is possible.

Im unteren Teil der 1 sind Positionierstifte 16, 17 zu sehen, welche am jeweiligen axialen Ende einer Öffnung 19 im Maschinengehäuse 2 angebracht sind. Die Positionierstifte 16, 17 dienen der axialen und radialen Zentrierung der Verfahreinheit 5 bzw. des Hohlzylinders.In the lower part of the 1 are positioning pins 16 . 17 to see which at the respective axial end of an opening 19 in the machine housing 2 are attached. The positioning pins 16 . 17 serve the axial and radial centering of the track 5 or of the hollow cylinder.

Weiterhin kann die Verfahreinheit 5 zumindest teilweise axial verlaufende Nuten oder Stege aufweisen, die mit korrespondierenden Stegen oder Nuten im Maschinengehäuse 2 zusammenwirken. Dadurch wird eine radiale und tangentiale Fixierung des Stators 3 gewährleistet.Furthermore, the track unit 5 have at least partially axially extending grooves or webs, with the corresponding webs or grooves in the machine housing 2 interact. This creates a radial and tangential fixation of the stator 3 guaranteed.

Im Beispiel der 1 weist die elektrische Maschine 1 eine Ein- und Auslassöffnung 7 für ein Kühlmittel zur Kühlung der elektrischen Maschine 1 auf. Das Kühlmittel kann gasförmig oder wie im Beispiel der vorliegenden 1 eine Flüssigkeit sein. Das Kühlmittel wird mittels Rippen 18 wendelförmig zwischen Maschinengehäuse 2 und Stator 3 geführt und wirkt als Kühlmantel insbesondere zur Kühlung des Aktivteils des Stators 3.In the example of 1 has the electric machine 1 an inlet and outlet opening 7 for a coolant for cooling the electric machine 1 on. The coolant may be gaseous or as in the example of the present invention 1 to be a liquid. The coolant is removed by means of ribs 18 helical between machine housing 2 and stator 3 guided and acts as a cooling jacket in particular for cooling the active part of the stator 3 ,

2 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße selbsttätige und drehzahlabhängige axiale Verschiebung V zwischen Stator 3 und Rotor 4 unter Ausnutzung der Fliehkräfte bei Rotation des Rotors 4. 2 zeigt den Rotor 4, dessen Aktivteil 25 auf der Rotorwelle 12 des Rotors 4 sitzt. Der Aktivteil 25 ist radial fixiert und axial beweglich angebracht. Zwischen dem Aktivteil 25 des Rotors 4 und einer auf der Ro torwelle 12 angebrachten Anschlagscheibe 23 ist eine Rückstellfeder 24 angeordnet. Als Anschlagscheibe 23 kann auch ein zur axialen Lagerung der Rotorwelle 12 dienendes Wälzlager verwendet werden. Die Rückstellfeder 24 drückt im Stillstand den Aktivteil 25 des Rotors 4 in die in 2 gezeigte axiale Ruheposition. In dieser Position liegt der Aktivteil 25 des Rotors 4 genau dem nicht weiter gezeigten Aktivteil des Stators 3 gegenüber, so dass eine vollständige Überdeckung der Aktivteile vorliegt. 2 shows an example of an inventive automatic and speed-dependent axial displacement V between stator 3 and rotor 4 taking advantage of the centrifugal forces during rotation of the rotor 4 , 2 shows the rotor 4 , its active part 25 on the rotor shaft 12 of the rotor 4 sitting. The active part 25 is radially fixed and mounted axially movable. Between the active part 25 of the rotor 4 and one on the Ro torwelle 12 attached stop disk 23 is a return spring 24 arranged. As stop disc 23 can also be used for axial bearing of the rotor shaft 12 serving rolling bearing can be used. The return spring 24 presses the active part at standstill 25 of the rotor 4 in the in 2 shown axial rest position. In this position is the active part 25 of the rotor 4 exactly the active part of the stator not shown further 3 opposite, so that a complete coverage of the active parts is present.

Im rechten Teil des Aktivteils 25 des Rotors 4 sind Führungselemente 20 zu sehen, die fest am rechten axialen Ende des Aktivteils 25 angebracht sind. Weiterhin sind auf der Rotorwelle 12 beispielhaft zwei Fliehkraftmassen 21 derart angebracht, dass sich diese bei Rotation der Rotorwelle 12 nach radial außen bewegen können. Die Fliehkraftmassen 21 können auch ringförmig ausgebildet sein. Zur Rückstellung der Fliehkraftmassen 21 können radial wirkende Rückstellfedern 22 vorgesehen sein.In the right part of the active part 25 of the rotor 4 are guide elements 20 to be seen firmly at the right axial end of the active part 25 are attached. Furthermore, on the rotor shaft 12 exemplified two centrifugal masses 21 mounted so that they rotate during rotation of the rotor shaft 12 can move radially outward. The centrifugal masses 21 can also be annular. To return the centrifugal masses 21 can radially acting return springs 22 be provided.

3 zeigt das Beispiel gemäß 2 im Falle einer hohen Drehzahl des Rotors 4 der elektrischen Maschine 1. 3 shows the example according to 2 in the case of a high speed of the rotor 4 the electric machine 1 ,

Bei hoher Drehzahl drücken die Fliehkraftmassen 21 in radialer Richtung gegen eine ausgebildete schiefe Ebene der radialen Führungselemente 20. Dadurch wird die radiale Bewegung der Fliehkraftmassen 21 in eine axiale Bewegung des Rotors 4 mit einem Versatz V umgesetzt. Diese Bewegung zeigt der in der 3 eingezeichnete Pfeil. Der axiale Versatz V führt zu einer nicht mehr vollständigen axialen Überdeckung der Aktivteile des Stators 3 und des Rotors 4 und somit zu einer Feldschwächung der elektrischen Maschine 1.At high speed, the centrifugal masses press 21 in the radial direction against a formed inclined plane of the radial guide elements 20 , This will cause the radial motion of the centrifugal masses 21 in an axial movement of the rotor 4 implemented with an offset V. This movement shows in the 3 drawn arrow. The axial offset V leads to a no longer complete axial overlap of the active parts of the stator 3 and the rotor 4 and thus to a field weakening of the electric machine 1 ,

Prinzipiell ist es auch möglich, die gesamte selbsttätige und drehzahlabhängige Mechanik zur axialen Verschiebung V des Aktivteils 25 des Rotors 4 im Inneren des Aktivteils 25 unterzubringen. Dies ist möglich, da der radiale und koaxiale Zwischenraum zwischen der magnetisch aktiven Mantelfläche des Aktivteils 25 des Rotors 4 und der Mantelfläche der Rotorwelle 12 nicht für den motorischen Antrieb genutzt wird. Auf diese Weise kann eine elektrische Maschine 1 im Vergleich zur in den 2 und 3 dargestellten Lösungen kompakter realisiert werden.In principle, it is also possible, the entire automatic and speed-dependent mechanism for the axial displacement V of the active part 25 of the rotor 4 inside the active part 25 accommodate. This is possible because the radial and coaxial space between the magnetically active lateral surface of the active part 25 of the rotor 4 and the lateral surface of the rotor shaft 12 not used for the motor drive. In this way, an electric machine 1 compared to in the 2 and 3 shown solutions are realized more compact.

Auch ist es möglich, zur Realisierung eines größeren axialen Verstellweges V mehrere selbsttätige und drehzahlabhängige Mechaniken axial hintereinander zu schalten.Also Is it possible, to realize a larger axial Adjustment V several automatic and speed-dependent To switch mechanics axially one behind the other.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine 1, insbesondere einen Elektromotor, mit einem Stator 3 sowie einem Rotor 4 mit einer Rotorwelle 12, wobei der Stator 3 und der Rotor 4 zur Feldschwächung der elektrischen Maschine 1 axial gegeneinander verschiebbar sind. Erfindungsgemäß ist die Axialverschiebung V unter Einhaltung eines konstanten Luftspalts zwischen Stator 3 und Rotor 4 einstellbar. Dies wird dadurch erreicht, dass der magnetische Aktivteil des Stators 3 und des Rotors 4 der elektrischen Maschine 1 in axialer Richtung einen im Wesentlichen gleichen Querschnitt aufweisen. Dadurch können vorteilhaft Lamellen mit jeweils einem gleichen Querschnitt zur Bildung eines Blechpakets des Stators 3 und des Rotors 4 verwendet werden. Durch die einstellbare Axialverschiebung V ist eine stufenlose Feldschwächung des Ankerfelds möglich. Dadurch lässt sich vorteilhaft das Temperaturverhalten der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 bei Maximaldrehzahl und geringer Last erheblich verbessern. Die elektrische Maschine 1 ist insbesondere ein permanentmagneterregter Synchronmotor.In summary, the invention relates to an electrical machine 1 , in particular an electric motor, with a stator 3 as well as a rotor 4 with a rotor shaft 12 , where the stator 3 and the rotor 4 for weakening the field of the electrical machine 1 axially displaced against each other. According to the invention, the axial displacement V while maintaining a constant air gap between the stator 3 and rotor 4 adjustable. This is achieved in that the magnetic active part of the stator 3 and the rotor 4 the electric machine 1 have a substantially same cross-section in the axial direction. This can advantageously slats, each having a same cross section to form a laminated core of the stator 3 and the rotor 4 be used. The adjustable axial displacement V allows stepless field weakening of the armature field. This advantageously allows the temperature behavior of the electrical machine according to the invention 1 Significantly improve at maximum speed and low load. The electric machine 1 is in particular a permanent magnet synchronous motor.

Claims (14)

Elektrische Maschine, insbesondere Elektromotor, mit einem Stator (3) sowie einem Rotor (4) mit einer Rotorwelle (12), wobei der Stator (3) und der Rotor (4) zur Feldschwächung der elektrischen Maschine axial gegeneinander verschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialverschiebung unter Einhaltung eines konstanten Luftspalts (LS) zwischen Stator (3) und Rotor (4) einstellbar ist.Electric machine, in particular electric motor, with a stator ( 3 ) and a rotor ( 4 ) with a rotor shaft ( 12 ), wherein the stator ( 3 ) and the rotor ( 4 ) are axially displaceable against each other for field weakening of the electric machine, characterized in that the axial displacement while maintaining a constant air gap (LS) between the stator ( 3 ) and rotor ( 4 ) is adjustable. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Stator-Aktivteilbreite (BS) und eine axiale Rotor-Aktivteilbreite (BR) zumindest in etwa gleich sind.Electrical machine according to claim 1, characterized that an axial stator active part width (BS) and an axial rotor active part width (BR) at least approximately are the same. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Axialverschiebung zwischen Stator (3) und Rotor (4) eine Stator/Rotorüberdeckung in einem Bereich von 50% bis 100 einstellbar ist.Electrical machine according to claim 1 or 2, characterized in that by the axial displacement between the stator ( 3 ) and rotor ( 4 ) a stator / rotor coverage in a range of 50% to 100 is adjustable. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine ein Maschinengehäuse (2) aufweist, in welchem der Rotor (3) mit der Rotorwelle (12) drehbar gelagert und axial fixiert ist, wobei der Stator (3) im Maschinengehäuse (2) axial verschiebbar gelagert und radial fixiert ist.Electrical machine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the electrical machine is a machine housing ( 2 ), in which the rotor ( 3 ) with the rotor shaft ( 12 ) is rotatably mounted and axially fixed, wherein the stator ( 3 ) in the machine housing ( 2 ) Is mounted axially displaceable and radially fixed. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialverschiebung zwischen Stator (3) und Rotor (4) auf hydraulischem Wege erfolgt.Electrical machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the axial displacement between stator ( 3 ) and rotor ( 4 ) takes place by hydraulic means. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialverschiebung zwischen Stator (3) und Rotor (4) auf pneumatischem Wege erfolgt.Electrical machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the axial displacement between stator ( 3 ) and rotor ( 4 ) takes place pneumatically. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialverschiebung zwischen Stator (3) und Rotor (4) auf elektromotorischem Wege erfolgt.Electrical machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the axial displacement between stator ( 3 ) and rotor ( 4 ) takes place by electromotive means. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialverschiebung zwischen Stator (3) und Rotor (4) unter Ausnutzung der elektromagnetischen Axialkräfte der magnetischen Aktivteile des Stators (3) und Rotors (4) erfolgt.Electrical machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the axial displacement between stator ( 3 ) and rotor ( 4 ) taking advantage of the electromagnetic axial forces of the magnetic active parts of the stator ( 3 ) and rotor ( 4 ) he follows. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialverschiebung zwischen Stator (3) und Rotor (4) drehzahlabhängig und selbsttätig unter Ausnutzung der Fliehkräfte bei Rotation des Rotors (4) der elektrischen Maschine erfolgt.Electrical machine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the axial displacement between stator ( 3 ) and rotor ( 4 ) Depending on the speed and automatically by utilizing the centrifugal forces during rotation of the rotor ( 4 ) of the electric machine. Elektrische Maschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine eine elektrische Nennleistung von zumindest 5 kW aufweist.Electric machine according to one of the preceding Claims, characterized in that the electric machine has an electrical Rated power of at least 5 kW. Elektrische Maschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine ein Mindestdrehmoment von 4 Nm aufweist.Electric machine according to one of the preceding Claims, characterized in that the electric machine has a minimum torque of 4 Nm. Elektrische Maschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine ein Synchronmotor, insbesondere ein permanenterregter Synchronmotor ist.Electric machine according to one of the preceding Claims, characterized in that the electric machine is a synchronous motor, in particular is a permanent magnet synchronous motor. Elektrische Maschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine ein Asynchronmotor ist.Electric machine according to one of the preceding claims 1 to 11, characterized in that the electric machine an asynchronous motor is. Elektrische Maschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine für eine mindestens dreiphasige Stromerregung ausgeführt ist.Electric machine according to one of the preceding Claims, characterized in that the electric machine for at least three-phase Current excitation executed is.
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