DE102006040221A1

DE102006040221A1 - Elektrische Maschine mit eisenlosen Feldspulen

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Publication number: DE102006040221A1
Application number: DE200610040221
Authority: DE
Inventors: Franc Just
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-08-28
Filing date: 2006-08-28
Publication date: 2008-03-20

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine mit einem Rotor (4) und einem Stator (5) beschrieben, aufweisend mit einer Steuereinheit (6) verbundene eisenlose Feldspulen und/oder Feldspulen ohne separaten Kern und mindestens einen Permanentmagnetring (41, 42) mit einem ringförmigen Luftspalt. Die Feldspulen sind aus Flachbandmaterial ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrische Maschine mit eisenlosen Feldspulen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Elektrische Maschinen, d.h. Motoren und Generatoren, können mit eisenlosen Feldspulen ausgebildet sein. Vorteilhafterweise weisen solche elektrischen Maschinen kein magnetisches Rastverhalten auf, d.h. der Roter kann im stromlosen Betrieb der Maschine leicht gedreht werden. Sie finden insbesondere als Elektromotoren zum Antrieb von Fahrzeugen mit autonomer Energiequelle Anwendung. Bei den Fahrzeugen kann es sich beispielsweise um Automobile mit Elektroantrieb oder Hybridantrieb handeln, aber auch um Krankenfahrstühle oder dergleichen. Die Elektromotoren für derartige Fahrzeuge sollen kleine Abmessungen, geringes Gewicht und einen hohen Wirkungsgrad aufweisen.
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.
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.
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.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine mit im Aufbau und in der Montage einfachen eisenlosen Feldspulen zu schaffen.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer elektrischen Maschine mit einem Rotor und einem Stator gelöst, aufweisend mit einer Steuereinheit verbundene eisenlose Feldspulen und/oder Feldspulen ohne separaten Kern und mindestens einem Permanentmagnetring mit einem ringförmigen Luftspalt, wobei vorgesehen ist, dass die Feldspulen aus Flachbandmaterial ausgebildet sind.
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.
Herkömmliche Feldspulen weisen Wicklungen aus Drähten mit rundem oder rechteckigen Querschnitt auf, wobei die Drähte durch Lack oder durch eine andere Ummantelung elektrisch voneinander isoliert sind. Auf diese Weise lassen sich bevorzugt spulenförmige Wickel bilden, in denen nebeneinander angeordnete Drähte Lagen bilden, die übereinander angeordnet die Wicklung bilden. Der bevorzugte Werkstoff für die Drähte ist Kupfer, der gut durch Ziehen verarbeitbar ist. Spröde Werkstoffe sind auf diese Weise nicht oder nur mit hohem Aufwand verformbar.
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 Flach band materials – vorzugsweise die elektrischen und/oder thermischen Eigenschaften – in einem weiten Bereich variiert werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Feldspulen abschnittsweise aus Flachbandmaterial ausgebildet sind. Dabei können vorteilhafterweise die in den Luftspalt eintauchenden Abschnitte der Feldspule aus Flachbandmaterial ausgebildet sein.
Es kann vorgesehen sein, dass in den Luftspalt eintauchende Abschnitte der Feldspulen parallel zur Drehachse der elektrischen Maschine ausgerichtet sind.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Feldspulen als Rahmenspulen ausgebildet sind. Im einfachsten Fall kann die Rahmenspule eine Wicklung umfassen.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass die in den Luftspalt eintauchenden Wicklungsabschnitte mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sind. Zur besseren Ausnutzung des Wickelraums kann auch vorgesehen sein, dass die in den Luftspalt eintauchenden Wicklungsabschnitte mit trapezförmigem Querschnitt ausgebildet sind, d.h. mit sich in Richtung auf die Drehachse der elektrischen Maschine hin verjüngendem Querschnitt.
Weiter kann vorgesehen sein, dass außerhalb des Luftspalts verlaufende Wicklungsabschnitte der Feldspule gegenüber den in den Luftspalt eintauchenden Wicklungsabschnitten um 90° oder um –90° um die Längsachse gefaltet sind. Durch die Faltung können Kollisionen mit benachbarten Feldspulen vermieden werden, wie weiter unten näher beschrieben.
Es kann 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. Derartige Trägerfolien können aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildet sein und eine Stärke von 20 bis 30 μm aufweisen. Die elektrisch leitfähige Schicht kann eine Stärke von 20 bis 30 μm aufweisen. Auf dickeren Trägerfolien kann die Schichtdicke der elektrisch leitfähigen Schicht zwischen 0,5 mm bis 1 mm betragen. Das Flachbandmaterial kann darüber hinaus weitere Schichten aufweisen, beispielsweise Sensorschichten oder magnetisch leitfähige Schichten. Bei den magnetisch leitfähigen Schichten kann es sich beispielsweise um elektrisch nicht leitende Schichten handeln, so dass dort keine Wirbelstromverluste auftreten können. Das vorgeschlagene Flachbandmaterial kann also vielfältigen Anforderungen angepasst werden, die mit herkömmlichen metallischen Wicklungsdrähten nicht realisierbar sind. Die Verwendung mehrerer dünner Schichten anstelle einer dicken Schicht ist unter anderem dadurch begründet, dass hochfrequente Ströme in elektrischen Leitern nur oberflächennah geleitet werden (Skin-Effekt). Deshalb kann jede leitende Schicht eine solche Dicke aufweisen, dass sie vollständig zur Stromleitung beiträgt. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann beispielsweise mit pulsierender Gleichspannung von etwa 28 kHz betrieben werden.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass die elektrisch leitfähige Schicht eine aufgedampfte Schicht ist. Das Aufdampfen kann beispielsweise im Vakuum vorgenommen werden, wobei das Aufdampfen in einem sogenannten Rolle-zu-Rolle-Verfahren möglich ist, d.h. als ein kontinuierlich ablaufender Prozess.
In einer vorteilhaften Ausbildung kann vorgesehen sein, dass die elektrisch leitfähige Schicht eine galvanisch verstärkte aufgedampfte Schicht ist. Das Verfahren der galvanischen Verstärkung kann sowohl zur Erhöhung der Schichtdicke als auch zum Aufbau eines Schichtverbundes elektrisch leitfähiger Schichten vorgesehen sein. Ein solcher Schichtverbund kann auch durch mehrmaliges Aufdampfen elektrisch leiffähiger Schichten gebildet werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die elektrisch leitfähige Schicht eine Schichtdicke von 20 bis 30 μm aufweist.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die elektrisch leitfähige Schicht aus Cu, Al, Ag, Au, Co oder einer Legierung und/oder chemischen Verbindung aus diesen Metallen oder einem Schichtverbund der vorgenannten Stoffe gebildet ist. Durch die praktisch freie Wahl des für die elektrisch leitfähige Schicht vorgesehenen Materials kann die Feldspule der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sowohl funktionellen als auch technologischen und/oder ökonomischen Anforderungen optimal angepasst werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, dass die elektrisch leitfähige Schicht durch ein elektrisch leitfähiges Polymer gebildet ist.
Weitere Ansprüche sind auf die Ausbildung der Wicklung der Feldspulen gerichtet.
Es kann vorgesehen sein, dass die Feldspulen aus einem Wickel aus Flachbandmaterial gebildet sind. Aus einem solchen Wickel kann auf besonders einfache Weise die weiter oben beschriebene Rahmenspule gefertigt werden.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die Feldspulen aus Wicklungsabschnitten ausgebildet sind, die elektrisch miteinander verbunden sind. Es kann also vorgesehen sein, die Feldspule abschnittsweise unterschiedlich auszubilden.
Die abschnittsweise Ausbildung kann beispielsweise vorteilhaft im Hinblick auf die Montage der Feldspulen zu einer Stator- bzw. Rotorwicklung sein.
Es kann vorgesehen sein, dass die Wicklungsabschnitte als Schichtverbund ausgebildet sind, wobei die elektrisch leitfähigen Schichten des Schichtverbunds mindestens an den Schmalkanten des Flachbandmaterials stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Ein solcher Schichtverbund kann beispielsweise aus übereinander angeordneten Folienabschnitten ausgebildet sein, die wie weiter oben beschrieben, aus einer Trägerfolie mit aufgebrachter elektrisch leitfähiger Schicht ausgebildet sein können. Es kann auch vorgesehen sein, einen solchen Schichtverbund als viellagiges Flachband bereitzustellen, von dem die benötigten Wicklungsabschnitte abgetrennt werden und sodann die übereinander angeordneten elektrisch leitfähigen Schichten miteinander verbunden werden.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Wicklungsabschnitte durch Verbindungsabschnitte elektrisch miteinander verbunden sind.
Weiter kann vorgesehen sein, dass auf den Verbindungsabschnitten mindestens eine Ferritperle oder dergleichen angeordnet ist. Der Begriff „Ferritperle" umfasst Körper aus magnetischer 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 Bohrungen aufweisen, um die Verbindungsabschnitte zu sichern. Die Ferritperlen wirken als Dämpfungsglieder zum Abbau von Stromschaltspitzen in den Feldspulen und darüber hinaus können sie als Funkentstörmittel wirken.
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 zu erhöhen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Feldspulen einen freitragenden vorzugsweise topfförmigen Wickelkörper bilden. Die Feldspulen sind dabei auf dem zylindrischen Topfmantel angeordnet, 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, die elektrische Maschine aus zwei gleichartigen Teilmaschinen aufgebaut ist, kann der topfförmige Wickelkörper als ein beidseitig offener Topf mit einem mittigen Boden ausgebildet sein.
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.
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.
Es kann vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine aus zwei gleichartigen Teilmaschinen aufgebaut ist, wobei die Wickelkörper beider Maschinen einander zugewandt auf einer gemeinsamen Platine 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 der Elektrischen Maschine in zwei Teilmaschinen 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.
Es kann vorgesehen sein, dass die Permanentmagnetringe aus 2·n Magnetpaaren ausgebildet sind, deren magnetische Feldlinien radial gerichtet sind. Es ist also vorgesehen, dass die Permanentmagnetringe eine geradzahlige Anzahl von Magnetpaaren aufweisen.
Weiter kann vorgesehen sein, dass zwei aufeinanderfolgende Magnetpaare mit entgegengesetzter magnetischer Flussrichtung ausgebildet sind.
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.
Es können m·n Feldspulen vorgesehen sein. Dabei kann vorgesehen sein, dass m Feldspulen eine Feldspuleneinheit bilden. Weil, wie weiter oben beschrieben, 2·n Magnetpaare vorgesehen sind, entfallen auf zwei nebeneinander angeordnete Magnetpaare jeweils m Feldspulen bzw. eine Feldspuleneinheit.
Es kann vorgesehen sein, dass m ≥ 1 ist.
In einer vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, dass m = 3 bis 5 ist. Eine besonders vorteilhafte Ausführung kann 5 Feldspulen vorsehen, die mit zwei einander benachbarten Magnetpaaren zusammenwirken.
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.
Insbesondere wenn die Feldspulen als rahmenförmige Feldspulen ausgebildet sind, kann es beim Überlappen der Feldspulen zu Kollisionen der Verbindungsabschnitte zwischen den aktiven Abschnitten der Feldspulen kommen. Deshalb kann vorgesehen sein, dass einige der Verbindungsabschnitte der Feldspulen um die Längsachse der bandförmigen Wicklung gefaltet werden. Dazu werden die Verbindungsabschnitte der Feldspulen um 90° oder um –90° geschwenkt, so dass sie vor oder hinter den Verbindungsabschnitten der vorzugsweise mittleren Feldspule verlaufen. Weiter kann vorgesehen sein, dass die aktiven Abschnitte einiger Feldspulen mit größerer Länge ausgebildet sind, so dass die Verbindungsabschnitte über und unter den Verbindungsabschnitten der anderen Feldspulen verlaufen.
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, wie einen Leistungstransistor, Triac oder dergleichen elektronisches Bauelement handeln, 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 unmittelbare Anordnung des Schaltglieds an der Feldspule 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.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mehrere elektronische Leistungsschaltglieder 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.
Es kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit als Steuereinheit für Pulsweitenmodulation ausgebildet ist. 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 aufeinander folgen, 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.
Zur Drehlagebestimmung des Rotors können Hallsensoren vorgesehen sein.
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 das Leistungsvermögen der elektrischen Maschine herabzusetzen.
Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine kann es sich um einen Gleichstrommotor handeln, vorzugsweise um einen Radnabenmotor, oder um einen Gleichstromgenerator.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen beispielhaft verdeutlicht.
Es zeigen
1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine;
2 eine schematische Schnittdarstellung der Anordnung der Feldspulen längs der Schnittlinie II-II in 1;
3 eine schematische Darstellung dreier benachbarter Feldspulen in 2 in perspektivischer Ansicht;
4a und 4b eine schematische Darstellung eines Anordnungsbeispiels von fünf Feldspulen;
5a bis 5c Fertigungsstufen einer gefalteten Feldwicklung;
6a eine schematische Schnittdarstellung eines Wicklungsabschnitts einer Feldspule;
6b den Wicklungsabschnitt in 6a in der Draufsicht;
7 eine als Rahmenspule ausgeführte Feldspule in perspektivischer Darstellung;
8 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines Wickelkörpers;
9 ein Ausführungsbeispiel einer Feldspule mit Ferritkörpern;
10 eine schematische Schnittdarstellung einer in eine Vergussmasse eingebetteten Feldspule;
11 ein schematisches Schaltbild zur Ankopplung einer Feldspule an ein Steuerteil für Pulsweitenmodulation;
12 ein schematisches Spannungs-Zeit-Diagramm der Pulsweitenmodulation.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Zwischen der Innenwand des Außenrings 4a und den Außenwänden der beiden Innenringe 4i, 41' 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 411, 42i auf, wobei zwischen der Innenwand des Magnetrings 41a bzw. 42a und der Außenwand des Magnetrings 411 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Damit die Feldspulen ohne gegenseitige Behinderung montierbar sind, ist vorgesehen, die Feldspulen als Rahmenspulen auszubilden und gegebenenfalls durch Faltung der Wicklung axiale und tangentiale Abschnitte um 90° gegeneinander so zu verschwenken, dass Kollisionen benachbarter Feldspulen vermieden sind (siehe weiter unten 5a bis 5c). 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).
Die mittlere Feldspule 52 ist unverändert ausgebildet, d.h. keiner der Abschnitte der Spulenwicklung ist gegen einen anderen gefaltet.
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.
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°.
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 übereinanderliegende dünne elektrisch leitende Schichten aufzuteilen, wie weiter unten in 6a und 6b beschrieben. Dünne Schichten können auch aus elektrischen Leitungsmaterialien ausgeformt werden, die in Drahtform nicht oder nur sehr schlecht zu Wicklungen mit kleinem Wickelradius formbar sind, wie er an den vorstehend beschriebenen Faltungen auftritt.
Die 4a und 4b zeigen nun den Wicklungsaufbau für Feldspuleneinheiten mit fünf Feldspulen in einer gegenüber 3 schematisierten Darstellung.
4a zeigt das Wicklungspaket in der Draufsicht, wobei die Zuleitungen zu den Feldspulen nicht dargestellt sind, 4b in der Seitenansicht. In dem 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.
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 als Rahmenspulen ausgebildeten Feldspulen 51 bis 55 kollosionsfrei zu der bezeichneten Feldspuleneinheit (siehe 2) zusammengefügt werden.
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 ein in der Höhenerstreckung asymmetrisches Wicklungspaket 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.
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.
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 Epoxydharz. 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.
Die 5a bis 5c zeigen nun im einzelnen die Verfahrensschritte beim Falten der Feldspulen 51 bis 55.
Ein Flachbandstreifen 5f wird zunächst um eine um 45° zur Längsachse des Flachbandstreifens geneigte erste Faltlinie 51 gefaltet, so dass der Flachbandstreifen 5f in 5b nunmehr zwei Abschnitte aufweist, die einen Winkel von 90° einschließen. Die beiden durch das Falten erzeugten Abschnitte des Flachbandstreifens liegen in einer gemeinsamen Ebene.
Die Innenkante des nunmehr L-förmigen Flachbandstreifens 5f bildet eine zweite Faltlinie 5l' (siehe 5b), um welche der im Winkel aufgefaltete Abschnitt des Flachbandstreifens 5f um 90° nach hinten gefaltet wird, so dass die beiden Abschnitte des Flachbandstreifens nunmehr in zwei senkrecht aufeinanderstehenden Ebenen angeordnet sind. Durch weiteres Falten kann auf diese Weise eine gefaltete Rahmenspule erzeugt werden, wie weiter oben in 3 dargestellt.
Die 6a und 6b zeigen nun den Aufbau eines Wicklungsabschnitts 62, der für eine Feldspule vorgesehen ist, die zwei mit einem Verbindungsabschnitt verbundene parallel angeordnete Wicklungsabschnitte aufweist. Die Wicklungsabschnitte 62 sind vorgesehen, in den ringförmigen Luftspalt zwischen den Magnetringen einzutauchen, während der Verbindungsabschnitt außerhalb des Luftspalts verlaufen kann.
Der Wicklungsabschnitt 62 ist als ein Folienkörper aus übereinander angeordneten Schichten ausgebildet. Auf elektrisch isolierenden Trägerfolien 62t sind elektrisch leitende Schichten 62l angeordnet, wobei Trägerfolien 62t und elektrisch leitende Schichten 62l alternierend angeordnet sind. Die beiden äußeren Schichten des Folienkörpers sind als elektrisch leitende Schichten 62l ausgebildet. In dem in 6a, 6b dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwecks übersichtlicher Darstellung nur zwei Schichtfolgen vorgesehen. Der Folienkörper kann jedoch mehr Schichtfolgen aufweisen, beispielsweise 10 Schichtfolgen, also insgesamt (2·10) + 1 Schichten aufweisen. Die elektrisch leitenden Schichten 62l sind an den Schmalseiten des Wicklungsabschnitts 62 miteinander verbunden und mit einer gemeinsamen Zuleitung 62z kontaktiert.
Wie in der Draufsicht in 6b zu erkennen ist, weisen die elektrisch leitenden Schichten 621 eine geringere Breite, jedoch eine größere Länge auf als die Trägerfolien 62t.
7 zeigt nun ein Anwendungsbeispiel für den Wicklungsabschnitt 62 in 6a, 6b. Bei einer U-förmigen Feldspule 71 sind die in den Luftspalt eintauchenden Wicklungsabschnitte sowie der Verbindungsabschnitt einstückig ausgebildet. Die Stirnseiten der U-Schenkel der Feldspule 71 sind mit den Zuleitungen 62z verbunden.
8 zeigt nun einen Wicklungskörper 82 mit Feldspulen 81, die formschlüssig im Wicklungskörper 82 eingebettet sind. Der Wicklungskörper 82 weist eine Trägerplatte 82t auf, auf der die Feldspulen 81 nebeneinander angeordnet sind und durch Formkörper 82f fixiert sind. Die Formkörper 82f sind durch eine nicht dargestellte Kleberschicht auf der Trägerplatte 82t fixiert. Die Trägerplatte 82t ist als Zylindermantel ausgebildet, wobei die Zylinderachse mit der Drehachse der elektrischen Maschine zusammenfällt. Die Schnittebene der Darstellung in 8 steht senkrecht auf der besagten Drehachse. Zwischen zwei benachbarten Formkörpern 82f ist ein Aufnahmeraum ausgebildet, dessen Querschnitt dem Querschnitt der Wicklung der Feldspule 81 entspricht. Der Aufnahmeraum ist nach unten hin zur Trägerplatte 82t geöffnet und im montierten Zustand durch die Trägerplatte 82t verschlossen.
9 zeigt nun eine Feldspule 91, die aus vier Wicklungsabschnitten 92 aufgebaut ist. Die Wicklungsabschnitte 92 sind in Reihe geschaltet und durch Verbindungsabschnitte 93 miteinander verbunden. Die Verbindungsabschnitte 93 sowie Zuleitungen 93z durchgreifen rohrförmige Ferritkörper 94. Die Ferritkörper 94 bilden zusammen mit den Verbindungsabschnitten 93 bzw. den Zuleitungen 93z Induktivitäten, die Stromänderungen in der Feldspule 91 entgegenwirken und so Stromspitzen abbauen. Daraus kann ein weicherer Lauf der elektrischen Maschine folgen.
Die 10 zeigt nun eine Feldspule 101 im Schnitt, deren Wicklungen in eine Vergussmasse 102 eingebettet sind und auf diese Weise mechanisch fixiert sind. Bei der Vergussmasse 102 kann es sich beispielsweise um ein gießfähiges Epoxidharz handeln. Die Vergussmasse 102 ist mit Magnetpartikeln versetzt, die durch die Vergussmasse 102 voneinander elektrisch isoliert sind. Dadurch konzentrieren die magnetischen Partikel zwar den magnetischen Fluss, doch es werden keine Wirbelströme gebildet.
Die 11 und 12 zeigen nun den prinzipiellen Aufbau und die prinzipielle Wirkungsweise einer für den Betrieb des Radnabenmotors 1 vorgesehenen Pulsweitensteuerung. Ein Schaltmodul 6s weist in dem in 11 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 11 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.
Wenn, wie in 11 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.
Wie 12 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.
In dem in 12 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.
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.
Die Feldspulen einer Feldspuleneinheit werden nun zeitlich aufeinander folgend 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.

1: Radnabenmotor
1d: Motordrehachse
2: Radnabe
2s: Nabensitz
3: Radfelge
4: Rotor
4a: Außenring des Rotorgehäuses
4i, 4i': Innenring des Rotorgehäuses
5: Stator
5f: Flachbandstreifen
51, 51': Faltlinie
5p: Statorplatine
5w: Feldwicklung
6: elektronische Steuereinheit
6a, 6a': Schalter
6b, 6b': Schalter
6h: Hallsensor
6s: Schaltmodul
7: Bremsscheibe
41: vorderer Permanentmagnetring
41a: vorderer äußerer Magnetring
411: vorderer innerer Magnetring
42: hinterer Permanentmagnetring
42a: hinterer äußerer Magnetring
42i: hinterer innerer Magnetring
51 bis 55: Feldspule
51a: Wicklungsabschnitt
62: Wicklungsabschnitt
62l: elektrisch leitende Schicht
62t: Trägerfolie
62z: Zuleitung
71: Feldspule
81: Feldspule
82: Wicklungskörper
82f: Formkörper
82t: Trägerplatte
91: Feldspule
92: Wicklungsabschnitt
93: Verbindungsabschnitt
93z: Zuleitung
94: Ferritkörper
101: Feldspule
102: Vergussmasse

Claims

Elektrische Maschine mit einem Rotor (4) und einem Stator (5), aufweisend mit einer Steuereinheit (6) verbundene eisenlose Feldspulen (51 bis 55, 71, 81) und/oder Feldspulen (51 bis 55, 71, 81, 91, 101) ohne separaten Kern und mindestens einem Permanentmagnetring (41, 42) mit einem ringförmigen Luftspalt, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldspulen (51 bis 55, 71, 81, 91, 101) aus Flachbandmaterial ausgebildet sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldspulen (51 bis 55, 71, 81, 91, 101) abschnittsweise aus Flachbandmaterial ausgebildet sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Luftspalt eintauchende Abschnitte der Feldspulen (51 bis 55, 71, 81, 91, 101) parallel zur Drehachse (1d) der elektrischen Maschine ausgerichtet sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldspulen (51 bis 55, 71, 81, 91, 101) als Rahmenspulen ausgebildet sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Luftspalt eintauchenden Wicklungsabschnitte mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des Luftspalts verlaufende Wicklungsabschnitte der Feldspule (51 bis 55, 71, 81, 91, 101) gegenüber den in den Luftspalt eintauchenden Wicklungsabschnitten um 90° oder um –90° um die Längsachse gefaltet sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Flachbandmaterial um einen Folienkörper mit einer elektrisch isolierenden Trägerfolie und einer auf der Trägerfolie angeordneten elektrisch leitfähigen Schicht handelt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht eine aufgedampfte Schicht ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht eine galvanisch verstärkte aufgedampfte Schicht ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht als Schichtverbund elektrisch leitfähiger Schichten ausgebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht eine Schichtdicke von 20 bis 30 μm aufweist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht aus Cu, Al, Ag, Au, Co oder einer Legierung und/oder chemischen Verbindung aus diesen Metallen oder einem Schichtverbund der vorgenannten Stoffe gebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht durch ein elektrisch leitfähiges Polymer gebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldspulen (51 bis 55, 71, 81, 91, 101) aus einem Wickel aus Flachbandmaterial gebildet sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldspulen (51 bis 55, 71, 81, 91, 101) aus Wicklungsabschnitten ausgebildet sind, die elektrisch miteinander verbunden sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsabschnitte als Schichtverbund ausgebildet sind, wobei die elektrisch leitfähigen Schichten des Schichtverbunds mindestens an den Schmalkanten des Flachbandmaterials stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsabschnitte durch Verbindungsabschnitte elektrisch miteinander verbunden sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Verbindungsabschnitten mindestens eine Ferritperle oder dergleichen angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Wickel oder in die Wicklungsabschnitte der Feldspule (51 bis 55, 71, 81, 91, 101) magnetisch leitfähiges Material eingebracht ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldspulen (51 bis 55, 71, 81, 91, 101) einen freitragenden topfförmigen Wickelkörper (5w) bilden.
Elektrische Maschine nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkörper (5w) in eine Vergussmasse eingebettet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vergussmasse magnetisch leitfähiges Material eingebracht ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine aus zwei gleichartigen Teilmaschinen aufgebaut ist, wobei die Wickelkörper (5w) beider Maschinen einander zugewandt auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetringe (41, 42) aus 2·n Magnetpaaren ausgebildet sind, deren magnetische Feldlinien radial gerichtet sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass zwei aufeinanderfolgende Magnetpaare mit entgegengesetzter magnetischer Flussrichtung ausgebildet sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass zwei aufeinanderfolgende Magnetpaare mit Abstand zueinander angeordnet sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass m·n Feldspulen (51 bis 55, 71, 81, 91, 101) vorgesehen sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass m ≥ 1 ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass m = 3 bis 5 ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass die m Feldspulen (51 bis 55, 71, 81, 91, 101) mit teilweiser Überlappung angeordnet sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Anschlüsse der Feldspule (51 bis 55, 71, 81, 91, 101) unmittelbar mit einem elektronischen Schaltglied (6a bis 6b') der Steuereinheit (6) verbunden sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektronische Schaltglieder (6a bis 6b') eine gemeinsame Schutzkapselung aufweisen.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (6) als Steuereinheit für Pulsweitenmodulation ausgebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Drehlagebestimmung des Rotors (4) Hallsensoren (6h) vorgesehen sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldspule (51 bis 55, 71, 81, 91, 101) stromlos geschaltet ist, wenn der Rotor (4) eine Drehlage einnimmt, bei der die in den Luftspalt des Permanentmagnetrings (41, 42) eintauchenden Abschnitte der Feldspule (51 bis 55, 71, 81, 91, 101) sich außerhalb des Luftspalts befinden.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine als Gleichstrommotor ausgebildet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Gleichstrommotor um einen Radnabenmotor (1) handelt.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine als Gleichstromgenerator ausgebildet ist.