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Die
Erfindung betrifft einen elektrischen Radnabenmotor nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Elektromotoren
zum Antrieb von Fahrzeugen mit autonomer Energiequelle sollen kleine
Abmessungen, geringes Gewicht und einen hohen Wirkungsgrad aufweisen.
Bei den Fahrzeugen kann es sich beispielsweise um Automobile mit
Elektroantrieb oder Hybridantrieb handeln, aber auch um Krankenfahrstühle oder
dergleichen. Für
diese Anwendungen werden zur Gewichtseinsparung in zunehmendem Maße eisenkernlose
Motoren eingesetzt.
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In
der
EP 0 422 539 A1 ist
eine elektrische Maschine mit eisenlosen Feldwicklungen beschrieben,
bei der es sich um einen Motor oder um einen Generator handeln kann.
Die Feldwicklungen des scheibenförmigen
Stators stehen in Wechselwirkung mit Permanentmagneten eines oder
mehrerer scheibenförmiger
Rotoren die in Richtung der Motordrehachse vor und/oder hinter dem
Stator angeordnet sind. Die magnetischen Feldlinien der Permanentmagnete
sind axial gerichtet. Die zur Motorwirkung benötigten aktiven Abschnitte der
Feldwicklungen sind auf der Vorderseite und der Rückseite
des scheibenförmigen
Stators angeordnet und über
die Stirnkante des Stators geführt.
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In
der
DE 198 52 650
A1 ist ein Motor mit eisenloser Feldwicklung und scheibenförmigem Stator beschrieben,
dessen Feldwicklungen mit V-förmigem Verlauf
auf der Vorderseite und der Rückseite
des Stators ausgebildet sind, wobei die Feldwicklungen über die
Stirnseite des Stators geführt
sind. Die beiden V-Schenkel der Feldwicklungen bilden radialen Abschnitte,
die in Wechselwirkung mit Permanentmagneten zweier vor und hinter
dem Stator angeordneter scheibenförmiger Rotoren stehen.
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Nachteilig
bei beiden Motoren ist die komplizierte Geometrie der Feldspulen
sowie die große
radiale Erstreckung der Feldspulen, die beispielsweise die Unterbringung
des Motors in einer Radnabe verhindert.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen im Aufbau und in
der Montage einfachen Elektromotor mit eisenlosen Feldspulen zu
schaffen.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch Radnabenmotor mit einem mit einer
Radnabe drehfest verbundenen Stator und einem mit einer Radfelge drehfest verbundenen
Rotor, aufweisend mit einer Steuereinheit verbundene eisenlose Feldspulen
und mindestens einen Permanentmagnetring mit einem ringförmigen Luftspalt,
gelöst,
wobei vorgesehen ist, dass in den Luftspalt eintauchende Abschnitte
der Feldspulen parallel zur Drehachse des Radnabenmotors ausgerichtet
sind.
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Der
Begriff „eisenlos" umfasst nicht nur
das Material Eisen oder eine Eisenlegierung (beispielsweise Dynamoblech)
an sich, sondern beliebige magnetische Materialien, vorzugsweise
weichmagnetische Materialien. Beispielsweise sind Ferrite als magnetisches
Kernmaterial für
Feldspulen verwendbar. Spulen mit Ferritkern sind beispielsweise
aus der Hochfrequenztechnik bekannt.
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Der
erfindungsgemäße Radnabenmotor zeichnet
sich dadurch aus, dass der Rotor ringförmig aufgebaut ist und die
für die
Motorfunktion entscheidenden Bauteile, wie die Feldspulen, am Umfang
des Motors konzentriert sind. Ein solcher Motor kann zugleich die
Funktion einer Radnabe übernehmen
und kann in axialer Richtung eine geringe Bautiefe aufweisen. Durch
die Ausrichtung der in den Luftspalt des Rotors eintauchenden Abschnitte
der Feldspulen parallel zur Drehachse des Radnabenmotors können die
Feldspulen im Aufbau einfach gehalten sein. Die Feldspulen können beispielsweise
im wesentlichen aus geraden Abschnitten gebildet sein, wobei die
in den Luftspalt des Rotors eintauchenden Abschnitte der Feldspulen
einen ringförmigen,
d.h. als Hohlzylinder ausgebildeten Wicklungskörper bilden können, wie
weiter unten beschrieben.
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Es
kann vorgesehen sein, dass der Stator die Feldspulen trägt. Diese
Ausbildung kann bevorzugt sein, weil der Rotor keine elektrischen
Zuleitungen benötigt.
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Es
kann aber auch vorgesehen sein, dass der Rotor die Feldspulen trägt. Diese
Ausbildung kann bevorzugt sein, wenn im stromlosen Zustand des Radnabenmotors
die rotierende Masse gering sein soll, beispielsweise bei Verwendung
des Radnabenmotors für
ein Solarmobil oder dergleichen.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Feldspulen zumindest abschnittsweise
aus Flachbandmaterial ausgebildet sind. Durch die Verwendung von Flachbandmaterial
ist die Materialauswahl nicht auf gut verformbare Werkstoffe, wie
Kupfer, Aluminium oder Silber beschränkt. Es können auch spröde und/oder
nicht ziehfähige
Werkstoffe verwendet werden, die sich nur durch Walzen oder durch
Aufdampfen auf ein Trägermaterial
ausformen lassen oder auch Verbundwerkstoffe mit beispielsweise
schichtweisem Aufbau. Auf diese Weise können Eigenschaften des Flachbandmaterials – vorzugsweise
die elektrischen und/oder thermischen Eigenschaften – in einem
weiten Bereich variiert werden. Vorteilhafterweise kann vorgesehen
sein, dass die aktiven Abschnitte der Feldspulen, d.h. die in den
Luftspalt eintauchenden Abschnitte der Feldspulen aus Flachbandmaterial
ausgebildet sind, das in seiner Längenerstreckung parallel zur
Drehachse des Radnabenmotors orientiert ist.
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Es
kann weiter vorgesehen sein, dass es sich bei dem Flachbandmaterial
um einen Folienkörper
mit einer elektrisch isolierenden Trägerfolie und einer auf der
Trägerfolie
angeordneten elektrisch leitfähigen
Schicht handelt. Die auf solchen Folienkörpern aufgebrachten elektrisch
leitfähigen
Schichten können
beispielsweise durch Aufdampfen abgeschieden sein. Wegen der geringen
Schichtdicke können
auch spröde
Materialien vorgesehen sein, die wegen ihrer Bruchempfindlichkeit
in anderer Konfektionierung nicht zu Wicklungen verarbeitet werden können.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass die Feldspulen aus einem Wickel aus Flachbandmaterial
gebildet sind. Ein solcher Wickel kann besonders einfach als Rahmenspule
ausgebildet werden, bei der zwei parallele Abschnitte des Wickels
die aktiven Abschnitte der Feldspule bilden können.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung kann vorgesehen sein, dass die Feldspulen
aus Wicklungsabschnitten ausgebildet sind, die elektrisch miteinander verbunden
sind. Es kann also vorgesehen sein, dass beispielsweise die Eckbereiche
einer rahmenförmigen
Feldspule nicht aus Flachbandmaterial ausgebildet ist, sondern beispielsweise
als eine Löt-
oder Schweißverbindung
ausgeführt
ist, die zwei winkelig zueinander angeordnete Wicklungsabschnitte
der Feldspule miteinander verbindet.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass die Wicklungsabschnitte als Schichtverbund
ausgebildet sind, wobei die elektrisch leitfähigen Schichten des Schichtverbundes
mindestens an den Schmalkanten des Flachbandmaterials stoffschlüssig miteinander verbunden
sind. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, die elektrisch leitfähigen Schichten
durch Löten oder
Schweißen
miteinander zu verbinden, wie vorstehend ausgeführt.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Wicklungsabschnitte durch Verbindungsabschnitte
elektrisch miteinander verbunden sind. Die Verbindungsabschnitte
können
beispielsweise mit den Wicklungsabschnitten wie zuvor beschrieben
stoffschlüssig
verbunden werden. Die Verbindungsabschnitte können dazu beispielsweise besondere
Verbindungselemente aufweisen, welche die Schmalkanten der Wicklungsabschnitte übergreifen,
oder sie können
an den Schmalkanten als Verbindungsleitungen in die besagten Wicklungsabschnitte
eingelegt sein. Die Verbindungsabschnitte können eine andere Geometrie und/oder
einen anderen Aufbau und/oder ein anderes Material aufweisen als
die Wicklungsabschnitte der Feldspulen. Es kann beispielsweise vorgesehen sein,
dass die Verbindungsabschnitte als Leiterzüge einer Leiterplatte ausgebildet
sind, die beispielsweise als kreisringförmige mehrlagige Leiterplatte
ausgebildet sein kann. Weiter kann vorgesehen sein, dass die aktiven
Abschnitte der Feldwicklungen auf einer als Zylindermantel geformten
Leiterplatte angeordnet sind, die an den beiden Stirnseiten mit
den kreisringförmigen
Verbindungsleiterplatten verbunden ist. Die drei genannten Leiterplatten
können
auch einstückig ausgebildet
sein, beispielsweise als ein aus einem mehrschichtigen Folienkörper geformtes
Formteil.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, dass auf
den Verbindungsabschnitten mindestens eine Ferritperle oder dergleichen
angeordnet ist. Der Begriff „Ferritperle" umfasst Körper aus
magnetischer Sinterkeramik, insbesondere weichmagnetischer Sinterkeramik,
die von den Verbindungsabschnitten durchgriffen und/oder umschlungen
sein können.
Es kann sich also beispielsweise um kugelförmige, lochscheibenförmige oder stabförmige Körper handeln.
Geeignete stabförmige Körper können an
ihren Endabschnitten Durchgangslöcher
aufweisen, um auf die stabförmigen Körper gewickelte
Verbindungsabschnitte zu sichern. Die Ferritperlen wirken als Dämpfungsglieder
zum Abbau von Stromschaltspitzen in den Feldspulen und können darüber hinaus
ein Funkentstörmittel
sein.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass in den Wickel oder in die Wicklungsabschnitte
der Feldspule magnetisch leitfähiges
Material eingebracht ist. Das Material kann in Form von magnetischen
Partikeln vorliegen, die beispielsweise auf einer Trägerfolie vorzugsweise
gleichmäßig angeordnet
sein können. Durch
das in den Wickel oder die Wicklungsabschnitte eingebrachte magnetisch
leitfähige
Material kann die Magnetflussdichte im Luftspalt des Permanentmagnetrings
erhöht
sein, so dass die Kraftwirkung zwischen Feldspule und Permanentmagnetring
verbessert sein kann, ohne den Eintrag elektrischer Energie in die
Feldspulen erhöhen
zu müssen.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Feldspulen als Rahmenspulen ausgebildet
sind. Die Rahmenspule kann ein Rechteck oder Quadrat umschreiben.
Die Wicklung der Rahmenspule kann einen rechteckigen Querschnitt
aufweisen, wobei die Schmalseite des rechteckigen Querschnitts tangential
gerichtet sein kann und die Längsseite
des rechteckigen Querschnitts axial gerichtet sein kann. Zur besseren
Ausnutzung des Wickelraums kann auch vorgesehen sein, dass die in
den Luftspalt eintauchenden Wicklungsabschnitte der Feldspule mit
trapezförmigem
Querschnitt ausgebildet sind, d.h. mit sich in Richtung auf die
Drehachse des Radnabenmotors hin verjüngendem Querschnitt.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Feldspulen einen freitragenden topfförmigen Wickelkörper bilden.
Die Feldspulen können
dabei auf dem zylindrischen. Topfmantel angeordnet sein, wobei der
Topfboden als Stütz-
und/oder Tragelement für
den Topfmantel dienen kann. Der Topfboden kann beispielsweise die
Zu- und Ableitungen der Feldspulen aufnehmen. Wenn, wie weiter unten
beschrieben, der Radnabenmotor aus zwei Teilmotoren ausgebildet ist,
kann der Wickelkörper
als ein beidseitig offener Topf mit mittig angeordnetem Boden ausgebildet sein.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass der Wickelkörper in eine Vergussmasse eingebettet
ist. Bei der Vergussmasse kann es sich beispielsweise um einen selbsthärtenden
Zweikomponenten-Kunststoff handeln, beispielsweise ein Gießharz. Es
kann vorgesehen sein, den Wickelkörper in eine Gießform einzubringen
und sodann die Gießform
mit dem Gießharz
auszugießen.
Es kann aber auch vorgesehen sein, die Gießform mit einem thermoplastischen Kunststoff
auszuspritzen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass in
die Vergussmasse magnetisch leitfähiges Material eingebracht
ist. Die funktionelle Bedeutung beispielsweise magnetischer Partikel
ist bereits weiter oben dargestellt worden. Die magnetischen Partikel
können
aber zugleich als Füllmasse
wirken, welche die mechanische Festigkeit der Vergussmasse erhöht.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass der Radnabenmotor aus zwei gleichartigen
Teilmotoren aufgebaut ist, wobei die Wickelkörper beider Teilmotoren einander
zugewandt auf einer gemeinsamen Trägerplatine angeordnet sind.
Auf diese Weise ist der Wickelkörper
als ein Verbundkörper
mit symmetrischem T-förmigen Querschnitt
ausgebildet, der gegenüber
einem topfförmigen
Körper
mit L-Querschnitt eine Symmetrieebene aufweist, so dass Zwangskräfte infolge
einseitiger Belastung vermieden sind. Durch die Aufteilung des Radnabenmotors in
zwei Teilmotore ist die pro Wickelkörper umgesetzte elektrische
Leistung halbiert, so dass die thermische Belastung der Feldspulen
reduziert ist und zugleich durch die Vergrößerung der Abstrahlungsfläche die
Abführung
der Verlustwärme
verbessert ist.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Wickelkörper mit der Trägerplatine
stoffschlüssig
und/oder formschlüssig
verbunden sind. Die stoffschlüssige Verbindung
kann beispielsweise beim Einbetten der Wickelkörper in die Vergussmasse ausgebildet
sein, wobei zugleich eine formschlüssige Verbindung ausgebildet
sein kann, indem die Vergussmasse beispielsweise dafür in die
Trägerplatine
eingebrachte Löcher
oder Hinterschneidungen durchdringt.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Permanentmagnetringe aus 2·n Magnetpaaren
ausgebildet sind. Es kann also eine gerade Anzahl von Magnetpaaren
vorgesehen sein.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass die magnetischen Feldlinien der Magnetpaare
radial gerichtet sind, d.h. zur Drehachse des Radnabenmotors hin oder
von der Drehachse des Radnabenmotors fort gerichtet sind.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass zwei aufeinanderfolgende Magnetpaare
mit entgegengesetzter magnetischer Flussrichtung ausgebildet sind.
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Es
kann vorgesehen sein, dass zwei aufeinanderfolgende Magnetpaare
mit Abstand zueinander angeordnet sind. Der Abstand kann so gewählt sein, dass
er etwa der Breite des Abschnitts einer Feldspule entspricht. Es
kann aber auch vorgesehen sein, dass zwei aufeinanderfolgende Magnetpaare
ohne Abstand, d.h. mit Kontakt, oder mit minimalem Abstand angeordnet
sind, beispielsweise unter Ausbildung einer Klebefuge.
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Es
können
m·n Feldspulen
vorgesehen sein, die n Feldspuleneinheiten bilden. Weil, wie weiter oben
beschrieben, 2·n
Magnetpaare vorgesehen sind, entfallen auf zwei nebeneinander angeordnete Magnetpaare
jeweils m Feldspulen, d.h. eine Feldspuleneinheit.
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Es
kann vorgesehen sein, dass m ≥ 1
ist.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, dass m = 3 bis 5
ist.
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Es
kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Feldspulen im
wesentlichen rahmenförmig ausgebildet
sind, wobei die beiden parallel zur Drehachse des Radnabenmotors
gerichteten Wicklungsabschnitte mit unterschiedlicher Stromrichtung
ausgebildet sind und mit jeweils einem Magnetpaar zusammenwirken,
sofern sie nicht eine Lage zwischen zwei Magnetpaaren einnehmen.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass die m Feldspulen mit teilweiser Überlappung
angeordnet sind. Die m Feldspulen sind also wie Dachschindeln angeordnet,
so dass die in den Luftspalt eintauchenden aktiven Abschnitte der
Feldspulen mit gleichem Teilungsabstand t angeordnet sind. Bei dem
Teilungsabstand handelt es sich nicht um den Abstand zwischen aktiven
Abschnitten zweier benachbarter Feldspulen, beispielsweise der Hinterkante
des einen Abschnitts und der Vorderkante des anderen Abschnitts,
sondern um den Abstand analoger Strecken bzw. Punkte der Abschnitte,
beispielsweise um den Abstand der Vorderkante des einen Abschnitts
zu der Vorderkante des anderen Abschnitts oder um den Abstand der
Mittelpunkte der beiden Abschnitte. Der Teilungsabstand kann durch
den Abstand auf der Mantelfläche
des durch die Feldspulen gebildeten Hohlzylinders definiert sein
oder durch einen Winkelabstand, wobei der Scheitelpunkt des Teilungswinkels
mit der Drehachse des Rotors zusammenfällt. Die beiden aktiven Wicklungsabschnitte
der Feldspulen haben den Abstand A = m·t, wobei m die Anzahl der
Feldspulen eines Feldspulenbereichs bezeichnet.
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Insbesondere
wenn die Feldspulen als rahmenförmige
Feldspulen ausgebildet sind, kann es beim Überlappen der Feldspulen zu
Kollisionen kommen. Deshalb kann vorgesehen sein, dass einige der Feldspulen
um die Längsachse
der bandförmigen Wicklung
gefaltet werden. Dazu werden die Verbindungsabschnitte der aktiven
Abschnitte der Feldspulen um 90° oder
um –90° geschwenkt,
so dass sie vor oder hinter der vorzugsweise mittleren Feldspule
verlaufen. Weiter kann vorgesehen sein, dass die aktiven Wicklungsabschnitte
einiger Feldspulen mit größerer Länge ausgebildet
sind, so dass die Verbindungsabschnitte über und unter den anderen Feldspulen
verlaufen.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass die elektrischen Anschlüsse der
Feldspule unmittelbar mit einem elektronischen Schaltglied der Steuereinheit verbunden
sind. Bei dem elektronischen Schaltglied kann es sich vorzugsweise
um ein Leistungsschaltglied handeln, wie einen Leistungstransitor,
Triac oder dergleichen elektronisches Bauelement, das in der Lage
ist, den für
den Betrieb der Feldspule notwendigen Betriebsstrom zu schalten.
Das elektronische Schaltglied weist einen Steuereingang auf, über den
es idealerweise leistungslos vom leitenden in den nichtleitenden
Zustand und umgekehrt schaltbar ist. Eine solche Anordnung ist vorteilhaft,
weil sie Leitungsverluste zwischen dem elektronischen Schaltglied
und der Feldspule vermeidet. Sie ist weiter vorteilhaft, weil sie
parasitäre
Leitungskapazitäten und/oder
Leitungsinduktivitäten
reduziert, die leistungsmindernd wirken können und/oder elektromagnetische
Störstrahlung
verursachen können.
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Vorteilhafterweise
kann vorgesehen sein, dass die elektronischen Schaltglieder auf
einem gemeinsamen Trägersubstrat
angeordnet sind. Es kann sich bei den auf einem gemeinsamen Trägersubstrat vereinten
elektronischen Schaltgliedern um ein elektronisches Mehrfachbauelement
handeln, beispielsweise um einen Mehrfachtransistor.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit auf dem Trägersubstrat
angeordnet ist. Es kann also ein komplexes integriertes elektronisches Bauelement
vorgesehen sein, das Steuerelektronik und Leistungselektronik auf einem
Chip vereinigt. In die Steuerelektronik sind ausdrücklich Sensoren
einbezogen, beispielsweise Temperatursensoren zur Überwachung
der Betriebstemperatur der Steuerelektronik und/oder der Leistungselektronik.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mehrere elektronische
Schaltglieder eine gemeinsame Schutzkapselung aufweisen. Die Schutzkapselung
kann abschnittsweise vorgesehen sein oder sämtliche elektronischen Schaltglieder überdecken.
Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass n·m schutzgekapselte Leistungsschalter auf
der Trägerplatine
angeordnet sind.
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Die
Schutzkapselung kann darüber
hinaus als Kühlkörper für die elektronischen
Schaltglieder ausgebildet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass
das Trägersubstrat
als Kühlkörper ausgebildet ist
oder mit der Schutzkapselung mit geringem thermischen Übergangswiderstand
verbunden ist. Ein geringer thermischer Übergangswiderstand kann beispielsweise
durch das Auftragen einer Thermoleitpaste ausgebildet werden.
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Der
oder die Kühlkörper können mit
Kühlrippen
ausgebildet sein (Luftkühlung),
sie können
aber auch Kühlkanäle aufweisen,
die von einer Kühlflüssigkeit
durchströmt
sind. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, die Kühlflüssigkeit
durch einen Wärmetauscher
zu leiten und die Abwärme
zur Fahrzeugklimatisierung zu nutzen.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit innerhalb der Schutzkapselung
angeordnet ist. Dabei kann die Schutzkapselung lediglich zum Schutz
vor Beschädigung
und/oder Verschmutzung vorgesehen sein und/oder als Kühlkörper. Der Schutz
vor Verschmutzung kann den Schutz vor Gasen und/oder Dämpfen einschließen, beispielsweise vor
Sauerstoff und/oder Wasserdampf. Beide Komponenten können Halbleiterschaltungen
vorzeitig altern lassen oder zerstören.
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Alternativ
kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit auf der Trägerplatine
angeordnet ist. Die Steuereinheit kann als integriertes Bauelement oder
als „gedruckte" Schaltung mit diskreten
Bauelementen ausgebildet sein. Es kann sich beispielsweise um eine
gekapselte Schaltung handeln, bei der beispielsweise die Bauelemente
in Silikonkautschuk eingebettet sind. Eine derart gekapselte Schaltung
ist besonders für
den rauen Fahrzeugbetrieb geeignet, weil unempfindlich gegen Stöße und jegliche
Verschmutzung. Weitere Schutzmaßnahmen
können vorgesehen
sein, um das schädliche
Einwirken von Kraftstoff auf Silikonkautschuk zu unterbinden.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit mit mindestens einem
elektrischen Schleifring verbunden ist. Wenn nur ein Schleifring
vorgesehen ist, kann eine Masseverbindung als Rückleitung vorgesehen sein.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit mit elektrischen Kontakten
verbunden ist. Es kann sich dabei beispielsweise um Steckkontakte oder
um Schraubkontakte handeln. Es kann beispielsweise vorgesehen sein,
dass der Nabenmotor beim Aufstecken auf einen Achsstummel mit einer Fahrzeugbatterie
und mit einem Steuermodul zur Übermittlung
von Steuerbefehlen an die Steuereinheit und/oder zur Übermittlung
von Rückmeldesignalen
von der Steuereinheit verbunden wird.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass die Steuereinheit drahtlos angesteuert
ist. Elektrische Kontakte können
im Fahrzeugbetrieb zur Übermittlung
von Steuersignalen unzuverlässig
sein und/oder die zügige
Montage bzw. Demontage des Radnabenmotors behindern.
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Eine
vorteilhafte Ausbildung sieht vor, dass die Steuereinheit induktiv
angesteuert ist.
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Was
die Ausbildung der Steuereinheit betrifft, kann vorgesehen sein,
dass es sich bei der Steuereinheit um eine Steuereinheit für Pulsweitenmodulation
handelt. Bei der Pulsweitenmodulation handelt es sich um ein Verfahren,
bei der durch die Variation der Pulsweite bei konstanter Pulshöhe, d.h. bei
konstanter Spannung, die Drehzahl eines Gleichstrommotors eingestellt
wird. Die Pulsfrequenz kann beispielsweise 28 kHz sein. Es kann
weiter vorgesehen sein, dass positive und negative Impulse aufeinanderfolgen,
so dass durch das Verhältnis
der Pulsweite der positiven und der negativen Impulse auch die Drehrichtung
des Gleichstrommotors steuerbar ist. Bei einem Pulsverhältnis von
1:1 steht der Motor, wobei der Motor infolge des ständigen Umpolens
der Gleichspannung rüttelt.
Der Effekt des Rüttelns
bei Stillstand sowie bei kleinen Drehzahlen reduziert die Lagerreibung,
so dass der Motor auch bei kleinen Drehzahlen gut steuerbar ist.
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Zur
Drehlagebestimmung des Rotors können
Hallsensoren vorgesehen sein.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Hallsensoren mit einem Bussystem
verbunden sind.
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Wenn
n·m Feldspulen
vorgesehen sind, sind m Hallsensoren benötigt, um die Lage des Rotors festzustellen,
so dass mit Hilfe dieser Lageinformationen von der Steuereinheit
ein magnetisches Drehfeld durch die Feldspulen bereitstellbar ist.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Feldspule stromlos geschaltet ist,
wenn der Rotor eine Drehlage einnimmt, bei der die in den Luftspalt
des Permanentmagnetrings eintauchenden Wicklungsabschnitte der Feldspule
sich außerhalb
des Luftspalts befinden. Auf diese Weise wird Energie gespart, ohne
die Motorleistung herabzusetzen.
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Die
vorstehend genannten Merkmale stellen sicher, dass die Ansteuerung
der Feldspulen in optimaler und energiesparender Weise erfolgt.
Weil es sich um eine kontaktlose Motorsteuerung handelt, ist sie
besonders für
den rauen Fahrzeugbetrieb geeignet.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass der Rotor mit einer Bremsscheibe drehfest
verbunden ist.
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Wenngleich
vorgesehen sein kann, der Radnabenmotor als Generator betreibbar
ist und so als Motorbremse nutzbar ist, kann die Bremsscheibe als Zusatzbremse
beim Betrieb des Radnabenmotors vorgesehen sein oder als Betriebsbremse
bei abgeschaltetem Motor.
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Der
erfindungsgemäße Radnabenmotor
ist vielfältig
nutzbar. Weil er als Gleichstrommotor mit eisenloser Feldwicklung
ausgebildet ist, ist der Rotor im stromlosen Betriebszustand des
Motors ohne die bei herkömmlichen
Gleichstrommotor magnetischen Rastmoments drehbar.
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Der
erfindungsgemäße Radnabenmotor
ist daher besonders vorteilhaft als Antriebsmotor für fahrbare
Transportstühle,
wie sie Kranke und/oder Behinderte benötigen, geeignet. Wegen der
vergleichsweise geringen Masse des erfindungsgemäßen Radnabenmotors und des
fehlenden Rastmoments infolge der eisenlosen Feldspulen ist der Transportstuhl
bei abgeschaltetem Motor leicht verfahrbar.
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Eine
weitere vorteilhafte Verwendung des Radnabenmotors ist der Antrieb
eines Elektrofahrzeugs. Insbesondere Solarfahrzeuge sind aus den vorstehend
genannten Gründen
vorteilhaft antreibbar.
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Weiter
ist der erfindungsgemäße Radnabenmotor
vorteilhaft einsetzbar für
Hybridfahrzeuge, die neben einem oder mehreren Elektromotoren über einen
Verbrennungsmotor verfügen.
Weil es sich bei dem Radnabenmotor um einen in weiten Drehzahlbereichen
steuerbaren Motor handelt, wird kein Zusatzgetriebe benötigt. Der
Radnabenmotor ist auch zur Nachrüstung
herkömmlicher
Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor nachrüstbar, indem im wesentlichen die
Radfelgen gegen den Radnabenmotor ausgetauscht werden.
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Weitere
Einsatzgebiete des erfindungsgemäßen Radnabenmotors
sind Ultraleichtflugzeuge, Wasserfahrzeuge, Schienenfahrzeuge und
Arbeitsgeräte.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen
unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen beispielhaft verdeutlicht.
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Radnabenmotors;
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2 eine
schematische Schnittdarstellung der Anordnung der Feldspulen längs der
Schnittlinie II-II in 1;
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3 eine
schematische Darstellung dreier benachbarter Feldspulen in 2 in
perspektivischer Ansicht;
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4a und 4b eine
schematische Darstellung eines Anordnungsbeispiels von fünf Feldspulen;
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5 ein
schematisches Schaltbild zur Ankopplung einer Feldspule an ein Steuergerät für Pulsweitenmodulation;
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6 ein
schematisches Spannungs-Zeit-Diagramm der Pulsweitenmodulation.
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1 zeigt
eine als Radnabenmotor 1 ausgebildete elektrische Maschine.
Der Abtrieb des Radnabenmotors 1 ist als eine Radfelge 3 zur
Aufnahme eines Reifens ausgebildet und das Gestell des Radnabenmotors 1 ist
als eine Radnabe 2 ausgebildet. Die Radnabe 2 des
Radnabenmotors 1 ist auf einen Nabensitz 2s aufgenommen,
der an einer in 1 nicht dargestellten Achse
bzw. einen Achsstummels eines Fahrzeuges montierbar ist. Bei dem
Fahrzeug kann es sich beispielsweise um ein mit Elektroenergie angetriebenes
Automobil oder um ein Hybridfahrzeug handeln, das durch einen Verbrennungsmotor und
einen oder mehrere Elektromotore angetrieben ist. Die Motordrehachse
des Radnabenmotors 1 ist mit 1d bezeichnet.
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Der
Radnabenmotor 1 ist als eisenloser Außenläufermotor aufgebaut und weist
einen mit Permanentmagneten ausgebildeten Rotor 4 und einen Stator 5 auf,
der mit einer Feldwicklung 5w mit eisenlosen Feldspulen 51 bis 55 ausgebildet
ist. Der Rotor 4 ist drehfest mit der Radfelge 3 verbunden.
Der Stator 5 ist drehfest mit der Radnabe 2 verbunden.
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Der
Rotor 4 und der Stator 5 sind aus zwei spiegelbildlich
zueinander angeordneten im wesentlichen gleich aufgebauten Abschnitten
aufgebaut, die jeder für
sich einen Außenläufermotor
bilden. Durch den Aufbau des Radnabenmotors 1 aus zwei
spiegelbildlich zueinander angeordneten Teilmotoren werden in den
Lagern des Motors statische und/oder dynamische Querkräfte vermieden,
wie sie beispielsweise bei den so genannten Topfmotoren auftreten können und
deshalb deren Anwendungsbereich auf kleine Abtriebsleistung beschränken.
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Der
Rotor 4 weist ein Rotorgehäuse mit einem Außenring 4a und
einem in dem Außenring 4a angeordneten
geteilten Innenring auf, der aus zwei längs der Motordrehachse hintereinander
angeordneten Innenringen 4i und 4i' gebildet ist. Der Außenring 4a und
die beiden Innenringe 4i, 4i' sind konzentrisch zur Motordrehachse 1d angeordnet.
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Die
inneren Stirnseiten der Innenringe 4i, 4i' sind auf inneren
Kreisringscheiben abgestützt,
die über
Kugellager mit der Radnabe 2 drehbar verbunden sind und
sich in Richtung der Drehachse 1d radial erstrecken. Zwischen
den beiden axial beabstandeten Kreisscheiben ist ein kreiszylinderförmiger Aufnahmeraum
zur Aufnahme einer weiter unten beschriebenen Statorplatine 5p ausgebildet.
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Die äußeren Stirnseiten
der Innenringe 4i, 4i gehen in äußere Kreisringscheiben über, die
sich in Richtung der Radfelge 3 radial erstrecken und mit
der Radfelge 3 drehfest verbunden sind.
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Zwischen
der Innenwand des Außenrings 4a und
den Außenwänden der
beiden Innenringe 4i, 4i' ist ein kreisringförmiger Aufnahmeraum
ausgebildet für
zwei konzentrisch zur Motordrehachse 1d angeordnete Permanentmagnetringe 41, 42.
Die Permanentmagnetringe weisen jeweils einen äußeren Magnetring 41a, 42a und
einen inneren Magnetring 41i, 42i auf, wobei zwischen
der Innenwand des Magnetrings 41a bzw. 42a und
der Außenwand
des Magnetrings 41i bzw. 42i jeweils ein ringförmiger Luftspalt ausgebildet
ist. Die Magnetringe sind aus voneinander beabstandeten Magneten
gebildet. Sowohl übereinander
als auch nebeneinander angeordnete benachbarte Magnete sind so ausgerichtet,
dass ungleichnamige Magnetpole einander gegenüberstehen. Der ringförmige Luftspalt
ist von der Feldwicklung 5w des Stators 5 durchgriffen.
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Die
Feldwicklung 5w ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
aus n Feldspuleneinheiten gebildet, die beidseitig der Statorplatine 5p angeordnet sind
und jeweils fünf
Feldspulen 51 bis 55 aufweisen. Die Statorplatine 5p kann
aus einem elektrisch nichtleitenden Material ausgebildet sein und
nach Art einer Trägerplatine
für „gedruckte
Schaltungen" mit elektrischen
Leiterbahnen versehen sein. Die Statorplatine 5p ist in
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
als kreisringförmige
Platte ausgebildet, die drehfest mit der Radnabe 2 verbunden
ist.
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Der
Radnabenmotor 1 weist weiter eine elektronische Steuereinheit 6 auf,
die in einer Ausnehmung der Radnabe 2 angeordnet ist. Die
Steuereinheit 6 kann alle zum Betrieb des Radnabenmotors 1 erforderlichen
elektronischen Komponenten umfassen. Es kann jedoch vorteilhafterweise
vorgesehen sein, elektronische Leistungsschaltglieder zur Ansteuerung
der Feldspulen, wie beispielsweise Leistungstransistoren oder Triacs,
auf der Statorplatine 5p unmittelbar an den Zuleitungen
der Feldspulen anzuordnen. Auf diese Weise können Leitungsverluste minimiert
werden. Weiter kann vorgesehen sein, dass die elektronischen Leistungsschaltglieder ein
gemeinsames Schutzgehäuse
aufweisen. Es kann auch vorgesehen sein, dass nicht alle auf der Statorplatine 5p angeordneten
elektronischen Leistungsschaltglieder ein gemeinsames Schutzgehäuse aufweisen,
sondern dass beispielsweise die Feldspulen einer Feldspuleneinheit
ein gemeinsames Schutzgehäuse
aufweisen, so dass für
n Feldspuleneinheiten insgesamt n Schutzgehäuse vorgesehen sind.
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Ein
oder mehrere auf der Statorplatine 5p im Bereich eines
der inneren oder der äußeren Magnetringe 41i, 42i, 41a, 42a angeordnete
Hallsensoren 6h sind mit der Steuereinheit 6 verbunden.
Die Hallsensoren 6h sind als Lagesensoren für den Rotor 4 vorgesehen.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind
fünf Hallsensoren 6h vorgesehen, die
mit der Steuereinheit 6 über ein Dreileiter-Bussystem
verbunden sind, wobei jeder der fünf Hallsensoren 6h einer
der Feldspulen 51 bis 55 einer Feldspuleneinheit
zugeordnet ist. Die Steuereinheit 6 ist in dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
in einer Ausnehmung der Radnabe 2 angeordnet.
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Weiter
weist der Radnabenmotor 1 eine Bremsscheibe 7 auf,
die mit in 1 nicht dargestellten Bremsbacken
zusammenwirkt. Die Bremsscheibe 7 ist im hinteren Abschnitt
des Rotors 4 an der Innenwand des Rotors angeordnet. Da
der Radnabenmotor 1 zum Bremsen als Generator betrieben
werden kann (Motorbremse), ist die Bremsscheibe 7 vorzugsweise
als Teil einer Feststellbremse oder einer Betriebsbremse bei einem
Motordefekt und/oder bei Unterbrechung der Stromzuführung zum
Radnabenmotor 1 oder als Teil einer Zusatzbremse vorgesehen.
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Die 2 zeigt
nun die Anordnung der Feldspulen 51 bis 55 im
Luftspalt des Rotors 4. In der in 2 dargestellten
Rotorstellung tauchen die Feldspulen 51 bis 54 in
die Luftspalte zweier benachbarter Magnetpaare ein, die aus einander
gegenüberstehenden
Magneten der Permanentmagnetringe 41, 42 gebildet
sind; wogegen die Feldspule 55 außerhalb der beiden benachbarten
Magnetpaare positioniert ist.
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Die
Feldspulen 51 bis 55 sind als rahmenförmige Spulen
ausgeführt,
deren Zuleitungen auf der Statorplatine 5p kontaktiert
sind. Die Feldspulen jeder Feldspuleneinheit sind auf einem Kreisbogen
einander teilweise überlappend
angeordnet, wobei wie weiter oben beschrieben, n Feldspuleneinheiten
einen Vollkreis bilden. Es können
beispielsweise n = 12 Feldspuleneinheiten vorgesehen sein, so dass
der Kreisbogenwinkel einer Feldspuleneinheit 360°/12 = 30° beträgt. Der Radius des Kreisbogens
entspricht dem mittleren Radius des zwischen dem äußeren und
dem inneren Magnetring ausgebildeten Luftspaltes. Die Wicklungen
der Feldspulen umschreiben annähernd
ein Rechteck oder ein Quadrat, wobei die axialen Abschnitte der
Spulenwicklungen, d.h. die parallel zur Motordrehachse 1d gerichteten
Abschnitte, in den besagten ringförmigen Luftspalt zwischen den
Magnetringen eintauchen. Die tangentialen Abschnitte der Spulenwicklungen
verlaufen außerhalb des
Luftspaltes und verbinden die axialen Abschnitte so miteinander,
dass der elektrische Pfad von der einen Zuleitung zu der anderen
Zuleitung geschlossen ist.
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Es
kann vorgesehen sein, dass auf die Verbindungsleitungen und/oder
die Zuleitungen der Feldspulen jeweils mindestens eine Ferritperle
gefädelt
ist. Der durch die Ferritperlen hervorgerufene induktive Widerstand
sorgt für
die Glättung
von Impulsspitzen und kann den elektrischen Wirkungsgrad des Radnabenmotors 1 verbessern.
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Wie
in 2 gezeigt, ist der Stromfluss in den beiden axialen
Abschnitten der Feldspulenwicklung entgegengesetzt gerichtet. In 2 ist
der in die Zeichenebene gerichtete Stromfluss mit einem Kreuz und
der aus der Zeichenebene gerichtete Stromfluss durch einen Punkt
bezeichnet. Weil zugleich der Magnetfluss zweier benachbarter Magnetpaare
unterschiedlich gerichtet ist, wirken die von den axialen Abschnitte
der Feldspulenwicklungen ausgeübten Abstoßungskräfte in gleicher
Richtung.
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In
der in 2 dargestellten Drehlage des Rotors 4 vermag
die Feldspule 55 keine Abstoßungskraft auf den Rotor 4 auszuüben, weil
sie außerhalb des
Luftspaltes steht. Deshalb kann der Stromfluss durch die Feldspule 55 verringert
oder unterbrochen werden, bis die Feldspule 55 wieder in
den Luftspalt eintaucht. Auf diese Weise kann die mittlere Stromaufnahme
des Radnabenmotors 1 bei gleicher mechanischer Leistung
verringert sein. Zur exakten Lagebestimmung des Rotors 4 sind
die weiter oben beschriebenen Hallsensoren 6h vorgesehen.
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Wie
in 2 gezeigt, sind die in den Luftspalt eintauchenden
aktiven Abschnitte der Feldspulen mit gleichem Teilungsabstand t
angeordnet. Bei dem Teilungsabstand handelt es sich nicht um den
Abstand zwischen aktiven Abschnitten zweier benachbarter Feldspulen,
beispielsweise der Hinterkante des einen Abschnitts und der Vorderkante
des anderen Abschnitts, sondern um den Abstand analoger Strecken
bzw. Punkte der Abschnitte, beispielsweise um den Abstand der Vorderkante
des einen Abschnitts zu der Vorderkante des anderen Abschnitts oder
um den Abstand der Mittelpunkte der beiden Abschnitte. Der Teilungsabstand
kann durch den Abstand auf der Mantelfläche des durch die Feldspulen
gebildeten Hohlzylinders bestimmt sein oder durch einen Winkelabstand,
wobei der Scheitelpunkt des Teilungswinkels mit der Drehachse des
Rotors zusammenfällt.
Die beiden aktiven Wicklungsabschnitte der Feldspulen haben den
Abstand A = m·t, wobei
t den Teilungsabstand der m Feldspulen bezeichnet.
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Die 3 zeigt
nun den prinzipiellen Aufbau der Feldspulen 51 bis 55,
wobei der besseren Übersichtlichkeit
wegen nur die ersten drei Feldspulen 51 bis 53 der
Feldspuleneinheit dargestellt sind.
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Damit
die Feldspulen ohne gegenseitige Behinderung montierbar sind, ist
vorgesehen, die Feldspulen als Flachspulen auszubilden und gegebenenfalls
durch Faltung der Wicklung axiale und tangentiale Abschnitte um
90° gegeneinander
zu verschwenken, so dass Kollisionen benachbarter Feldspulen vermieden
sind. In 3 sind die tangentialen Abschnitte
der drei Feldspulen 51 bis 53 U-förmig zueinander
angeordnet, so dass die tangentialen Abschnitte der Feldspule 51 über der
Feldspule 52 verlaufen und die tangentialen Abschnitte
der Feldspule 53 unter der Feldspule 52 verlaufen.
Die axialen Abschnitte der Feldspulen sind ohne Tiefenversatz angeordnet
(2).
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Die
mittlere Feldspule 52 ist kastenförmig ausgebildet, d.h. keiner
der Abschnitte der Spulenwicklung ist gegen einen anderen gefaltet.
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Bei
der über
der Feldspule 52 angeordneten Feldspule 51 sind
die beiden tangentialen Abschnitte gegenüber den axialen Abschnitten
gefaltet, so dass die tangentialen Abschnitte der Feldspule 51 in
der Quererstreckung mit den korrespondierenden tangentialen Abschnitten
der Feldspule 52 einen Winkel von 90° bilden.
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In
analoger Weise sind die tangentialen Abschnitte der unter der Feldspule 52 angeordneten Feldspule 53 gefaltet
und bilden in der Quererstreckung mit den korrespondierenden tangentialen
Abschnitten der Feldspule 52 einen Winkel von –90°.
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Infolge
der vorzugsweise vorgesehenen Ausbildung der Feldspulen 51 bis 55 als
Flachspulen kann die Spulenwicklung auch aus Bandmaterial ausgebildet
sein, beispielsweise aus einer elektrisch isolierenden Trägerfolie
und einer auf der Trägerfolie aufgebrachten
elektrisch leitfähigen
Schicht. Das kann besonders vorteilhaft sein, um die Dicke der elektrisch
leitfähigen
Schicht dem Skin-Effekt entsprechend zu optimieren. Als Skin-Effekt
wird der Effekt bezeichnet, dass ein Wechselstrom nur in oberflächennahen
Schichten eines elektrischen Leiters transportiert wird. Die Eindringtiefe
des Stromes ist umso geringer, je höher die Frequenz ist. Weil
es sich bei der Betriebsspannung des Radnabenmotors 1 um
eine impulsförmige
Gleichspannung handelt, ist der Skin-Effekt an den Feldspulen zu
beobachten. Es kann also vorgesehen sein, den Stromtransport auf viele übereinander
liegende dünne
elektrisch leitende Schichten aufzuteilen. Dünne Schichten können auch
aus elektrischen Leitungsmaterialien ausgeformt werden, die in Drahtform
nicht oder nur sehr schlecht zu Wicklungen mit so kleinem Wickelradius formbar
sind, wie er an den vorstehend beschriebenen Faltungen auftritt.
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Die 4a und 4b zeigen
nun den Wicklungsaufbau für
Feldspuleneinheiten mit fünf Feldspulen
in einer gegenüber 3 schematisierten
Darstellung.
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4a zeigt
die Feldspuleneinheit in der Draufsicht, wobei die Zuleitungen zu
den Feldspulen nicht dargestellt sind, 4b in
der Seitenansicht. In der aus den übereinander angeordneten Feldspulen 51 bis 55 bestehenden
Feldspuleneinheit ist die Feldspule 53 die mittlere Feldspule. Über der
mittleren Feldspule 53 sind die Feldspulen 51 und 52 und
unter der Feldspule 53 sind die Feldspulen 54 und 55 angeordnet.
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Zur
kollisionsfreien Anordnung der fünf
Feldspulen kann vorgesehen sein, dass die mittlere Feldspule 53 eine
so große
axiale Erstreckung hat, dass die mit kleinerer axialer Erstreckung
ausgebildeten übrigen
Feldspulen tiefenversetzt innerhalb der axialen Erstreckung der
Feldspule 53 angeordnet sind. Durch die Tiefenstaffelung
benachbarter Feldspulen 51, 52 bzw. 54, 55 und
das Umfalten der tangentialen Abschnitte dieser Feldspulen um 90° bzw. –90° können die
Feldspulen 51 bis 55 kollisionsfrei zu der bezeichneten
Feldspuleneinheit (siehe 2) zusammengefügt werden.
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Das
hier beschriebene Prinzip kann auf alle Feldspuleneinheiten mit
ungerader Anzahl der Feldspulen angewendet werden. Es ist auch auf
Feldspuleneinheiten mit gerader Anzahl der Feldspulen anwendbar,
indem eine in der Höhenerstreckung
asymmetrische Feldspuleneinheit vorgesehen ist, bei der die Feldspule
mit der größten axialen
Erstreckung um einen Platz aus der mittleren Position nach oben
oder unten versetzt angeordnet ist.
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4b zeigt
in der Seitenansicht, dass die in den ringförmigen Luftspalt zwischen zwei
koaxial angeordneten Rotorringen eintauchenden radialen Abschnitte
der Feldspulen 51 bis 55 kollisionsfrei nebeneinander
angeordnet sind.
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Wie
in 1 schematisch dargestellt, können die Feldspulen vergossen
sein und so einen kompakten, mechanisch stabilen und vor äußeren Einflüssen geschützten Aufbau
bilden. Bei der Vergussmasse kann es sich um einen gießfähigen Kunststoff
handeln, beispielsweise um ein Epoxidharz. Es kann vorgesehen sein,
dass alle Feldspulen miteinander vergossen sind oder dass die Feldspulen
abschnittsweise miteinander vergossen sind, beispielsweise die Feldspulen
einer Feldspuleneinheit miteinander vergossen sind. Die Vergussmasse
kann stoffschlüssig
und/oder formschlüssig
mit der Statorplatine 5p verbunden sein.
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Die 5 und 6 zeigt
nun den prinzipiellen Aufbau und die prinzipielle Wirkungsweise
einer für
den Betrieb des Radnabenmotors 1 vorgesehenen Pulsweitensteuerung.
Ein Schaltmodul 6s weist in dem in 5 dargestellten
Ausführungsbeispiel vier
Ein-Aus-Schalter 6a, 6b, 6a' und 6b' auf, wobei die
Schalter 6a und 6a' sowie 6b und 6b' einen Wechselschalter
bilden. Die Schalter können
beispielsweise als elektronische Schalter, wie Transistoren oder
Triacs ausgebildet sein und elektronisch angesteuert werden. Dabei
können
die vier Schalter 6a bis 6b' des Schaltmoduls 6s unmittelbar
an den Anschlüssen
der Feldspulen auf der Statorplatine 5p angeordnet sein,
wogegen die Schaltung zur Ansteuerung der Schalter 6a bis 6b' in die elektronische Steuereinheit 6 integriert
sein kann. Die vier Schalter 6a bis 6b' sind in einer Brückenschaltung
angeordnet und bilden so einen zweipoligen Umschalter, dessen Eingang
mit einer Gleichspannungsquelle mit der Betriebsspannung U verbunden
ist und dessen Ausgang mit der Feldspule verbunden ist. In dem in 5 dargestellten
Ausführungsbeispiel
handelt es sich um die Feldspule 51, die 6 miteinander
verbundene Wicklungsabschnitte 51a aufweist. Jeweils zwei
Wicklungsabschnitte 51a sind in Reihe geschaltet, wobei
die durch Reihenschaltung miteinander verbundenen Abschnitte parallel
geschaltet sind. Die Wicklungsabschnitte können beispielsweise durch Verschweißen miteinander
verbunden sein. Das Parallelschalten von Wicklungsabschnitten kann,
wie weiter oben ausgeführt,
wegen des Skin-Effekts vorgesehen sein.
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Wenn,
wie in 5 gezeigt, zunächst
die beiden Schalter 6a und 6b' geschlossen sind und die beiden
Schalter 6a' und 6b geöffnet sind,
ist der Stromfluss vom Pluspol der Gleichspannungsquelle über den
Schalter 6a, die Feldwicklung 51 und den Schalter 6b' zum Minuspol
der Gleichspannungsquelle gerichtet. Nach dem Umschalten ist der
Stromfluss vom Minuspol der Gleichspannungsquelle über den
Schalter 6b, die Feldwicklung 51 und den Schalter 6a' zum Pluspol
der Gleichspannungsquelle gerichtet, d.h. der Stromfluss durch die
Feldwicklung 51 ist umgekehrt.
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Wie 6 zeigt,
kann der Spannungsverlauf am Ausgang des Schaltmoduls 6s als
Pulsfolge positiver und negativer Impulse dargestellt werden. Durch
Variation der Pulsweite, d.h. der Zeitdauer der positiven und negativen
Impulse, kann die Drehrichtung und die Umdrehungszahl des Radnabenmotors 1 eingestellt
werden.
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In
dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die positiven
Impulse eine größere Pulsweite
auf als die negativen Impulse, wobei die negativen Impulse der eingenommenen
Drehbewegung entgegenwirken, so dass der Radnabenmotor nicht die
maximale Drehzahl erreicht. Durch weiteres Verkleinern der Pulsweite
der negativen Impulse kann die Drehzahl des Radnabenmotors erhöht werden.
Durch Vergrößern der
Pulsweite der negativen Impulse kann die Drehzahl des Radnabenmotors
bis zum Stillstand verringert werden. Der Motor kommt zum Stillstand,
wenn die Pulsweite der negativen und der positiven Impulse gleich
ist oder wenn die Stromzufuhr unterbrochen ist. Das „Rütteln" des Motors bei Stillstand
oder bei kleinen Drehzahlen kann für den Langsamlauf von Vorteil
sein, da auf diese Weise die bremsende Wirkung von Lagerreibungen
reduziert wird. Durch weiteres Vergrößern der Pulsweiten der negativen
Impulse und/oder Verkleinern der Pulsweiten der positiven Impulse
kann die Drehrichtung des Radnabenmotors 1 umgekehrt werden.
Es kann also vorgesehen sein, durch die Steuerung des Impulsverhältnisses,
d.h. des Verhältnisses
der Pulsweite der positiven Impulse zu den negativen Impulsen oder
umgekehrt die Drehzahl des Radnabenmotors 1 zu steuern.
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Es
kann aber auch vorgesehen sein, den Motor nur durch positive oder
durch negative Impulse zu steuern. In diesem Falle bestimmt das
Verhältnis zwischen
der Pulsdauer und der Pausenzeit zwischen zwei Impulsen die Drehzahl
des Radnabenmotors 1.
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Die
Feldspulen einer Feldspuleneinheit werden nun zeitlich aufeinanderfolgend
so angesteuert, dass ein Drehfeld erzeugt wird, welches den Rotor 4 in
Drehung versetzt. Dabei erzeugen die rotierenden Permanentmagneten
des Rotors 4 in den Hallsensoren 6h Signalspannungen,
die durch die Steuereinheit 6 ausgewertet werden und die
aktuelle Drehlage des Rotors 4 bestimmen. Zur Motorsteuerung
ist also kein Kommutator benötigt.
Es handelt sich bei dem erfindungsgemäßen Radnabenmotor 1 um
einen kommutatorlosen Gleichstrommotor, der wegen seines einfachen
Aufbaus und der gewichtssparenden kernlosen Ausbildung der Feldspulen
einen vorteilhaften Direktantrieb für Fahrzeugräder bilden kann.
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- 1
- Radnabenmotor
- 1d
- Motordrehachse
- 2
- Radnabe
- 2s
- Nabensitz
- 3
- Radfelge
- 4
- Rotor
- 4a
- Außenring
des Rotorgehäuses
- 4i,
4i'
- Innenring
des Rotorgehäuses
- 5
- Stator
- 5p
- Statorplatine
- 5w
- Feldwicklung
- 6
- elektronische
Steuereinheit
- 6h
- Hallsensor
- 6s
- Schaltmodul
- 7
- Bremsscheibe
- 41
- vorderer
Permanentmagnetring
- 41a
- vorderer äußerer Magnetring
- 41i
- vorderer
innerer Magnetring
- 42
- hinterer
Permanentmagnetring
- 42a
- hinterer äußerer Magnetring
- 42i
- hinterer
innerer Magnetring
- 51
bis 55
- Feldspule