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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit eisenlosen Feldspulen
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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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. Eisenlose
elektrische Maschinen 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 und sich im stromlosen Betrieb leicht drehen lassen.
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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, eine im Aufbau und in
der Montage einfache elektrische Maschine mit eisenlosen Feldspulen
zu schaffen.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch eine elektrische Maschine mit einem
Rotor und einem Stator gelöst,
aufweisend mit einer Steuereinheit verbundene eisenlose Feldspulen
und/oder Feldspulen ohne separaten Kern und mindestens einen Permanentmagnetring
mit einem ringförmigen
Luftspalt, wobei vorgesehen ist, dass der Permanentmagnetring aus
2·n Magnetpaaren
ausgebildet ist, dass n Feldspuleneinheiten abschnittsweise in den
ringförmigen
Luftspalt eintauchen und dass jede Feldspuleneinheit aus m Feldspulen
besteht.
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Die
in den ringförmigen
Luftspalt eintauchenden Abschnitte der Feldspulen sind im folgenden
als aktive Abschnitte der Feldspulen bezeichnet.
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Eine
solche elektrische Maschine zeichnet sich durch einen einfachen
Aufbau und eine optimale Anordnung der aktiven Abschnitte der Feldspulen aus.
Die aktiven Abschnitte der Feldspulen bilden einen Hohlzylinder,
dessen Achse mit der Drehachse der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine zusammenfällt. Durch
Variation der Länge
des Hohlzylinders und dementsprechender Tiefe des Luftspaltes kann
auf einfache Weise die abgebbare bzw. aufnehmbare Leistung der elektrischen
Maschine variiert werden.
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Die
Geometrie der Feldspulen kann sehr einfach gestaltet sein, denn
die aktiven Abschnitte der Feldspulen können als gerade Abschnitte
ausgebildet sein. Auch die Abschnitte, welche die aktiven Abschnitte
verbinden, können
als gerade Abschnitte ausgebildet sein, woraus eine einfache rahmenförmige Wickelgeometrie
folgt.
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Der
Permanentmagnetring ist aus 2·n
Magnetpaaren ausgebildet, d.h. aus einer geradzahligen Anzahl von
Magnetpaaren. Die Feldspulen sind in n Feldspuleneinheiten zusammengefasst,
die jeweils mit zwei Magnetpaaren zusammenwirken, vorteilhafterweise
mit zwei benachbarten Magnetpaaren.
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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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Es
kann vorgesehen sein, dass die Anzahl m der Feldspulen einer Feldspuleneinheit ≥ 1 ist.
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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.
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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 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.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die magnetischen Feldlinien des Magnetpaars
radial gerichtet sind. Die magnetischen Flusslinien in dem Luftspalt des
Magnetpaars bzw. des Permanentmagnetrings und die in den Luftspalt
eintauchenden (aktiven) Abschnitte der Feldspulen sind also senkrecht
zueinander angeordnet. Deshalb ist das um den aktiven Abschnitt
der stromdurchflossenen Feldspule ausgebildete Magnetfeld zu dem
Magnetfeld im Luftspalt so ausgerichtet, dass eine optimale Wechselwirkung
der beiden einander abstoßenden
oder anziehenden Magnetfelder ausgebildet ist.
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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 aufeinander folgende Magnetpaare
mit Abstand zueinander angeordnet sind. Der Abstand kann so gewählt sein,
dass er etwa der Breite des aktiven Abschnitts einer Feldspule entspricht.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass zwischen zwei aufeinander
folgenden Magnetpaaren kein Abstand, d.h. kein Kontaktabstand, oder
kein relevanter Abstand, d.h. ein minimaler Abstand ausgebildet
ist. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Magnetpaaren kann beispielsweise
auf eine Klebefuge reduziert sein.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Feldspulen einen freitragenden 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.
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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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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.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Feldspulen aus einem Wickel ausgebildet
sind. Aus einem solchen Wickel kann auf besonders einfache Weise die
weiter oben beschriebene Rahmenspule gefertigt werden.
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Es
kann weiter vorgesehen sein, dass in den Wickel der Feldspule magnetisch
leitfähiges
Material eingebracht ist. Es kann beispielsweise vorgesehen sein,
eine Folie in den Wickel einzubringen, die eine Schicht magnetischer
Partikel aufweist. Das magnetisch leitfähige Material kann den magnetischen
Wirkungsgrad der stromdurchflossenen Feldspule verbessern.
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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.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Wicklungsabschnitte durch Verbindungsleitungen
elektrisch miteinander verbunden sind.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass die Feldspulen zumindest abschnittsweise
aus Flachbandmaterial ausgebildet sind.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung 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.
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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.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass auf den Verbindungsleitungen mindestens
eine Ferritperle oder dergleichen angeordnet ist. Der Begriff „Ferritperle" umfasst Körper aus
magnetischer Sinterkeramik, die von den Verbindungsleitungen 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 Verbindungsleitungen zu
sichern. Die Ferritperlen wirken als Dämpfungsglieder zum Abbau von
Stromschaltspitzen in den Feldspulen und darüber hinaus können sie
als Funkentstörmittel
wirken.
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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 um 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 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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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.
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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, eine über die
Zeit integrierte veränderliche
Spannung bereitgestellt wird, beispielsweise zur Drehzahlregelung eines
Gleichstrommotors. 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.
Das Rütteln
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. Hallsensoren nutzen den Hall-Effekt
zur Lageerfassung. Wird ein Hallsensor von einem Strom durchflossen
und in ein senkrecht dazu verlaufendes Magnetfeld gebracht, liefert
er eine Ausgangsspannung, die proportional zum Produkt aus magnetischer
Feldstärke
und Strom ist. Es handelt sich bei dem Hallsensor um einen berührungs-
und kontaktlosen Signalgeber.
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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
das Leistungsvermögen
der elektrischen Maschine herabzusetzen.
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Bei
der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine
kann es sich um einen Gleichstrommotor handeln, vorzugsweise um
einen Radnabenmotor, oder um einen Gleichstromgenerator.
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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 der erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine;
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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 eine
schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines Wickelkörpers;
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6 ein
schematisches Schaltbild zur Ankopplung einer Feldspule an ein Steuergerät für Pulsweitenmodulation;
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7 ein
schematisches Spannungs-Zeit-Diagramm der Pulsweitenmodulation;
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8 ein
Ausführungsbeispiel
einer Feldspule mit Ferritkörpern;
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9 ein
schematisches Spannungs-Zeit-Diagramm der Pulsweitenmodulation für eine Feldspule
in 8.
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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, 41' 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, 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 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 jedes Wicklungspakets 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 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
(siehe 2).
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Die
mittlere Feldspule 52 ist unverändert 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 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.
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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
als Rahmenspulen ausgebildeten Feldspulen 51 bis 55 kollosionsfrei
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 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.
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5 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 5 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.
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Die 6 und 7 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 6 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 6 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 6 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
das Spannungs-Zeit-Diagramm in 7 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 7 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 beschreiben. 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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8 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.
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9 zeigt
das durch die Ferritkörper 94 in 8 geprägte Spannungs-Zeit-Diagramm der Pulsweitensteuerung.
In 9 ist zum Vergleich mit gestrichelten Linien das
Spannungs-Zeit-Diagramm in 7 eingezeichnet,
das durch rechteckförmige
Impulse gekennzeichnet ist. Demgegenüber sind in 9 die
ehemals senkrechten Impulsflanken verformt, weil die Ferritkörper 94 als
Dämpfungsglieder wirken,
wie in 8 beschrieben. Die Impulsflanken sind nun geneigt
mit kurvenförmigem
Verlauf.
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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
- 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
- 81
- Feldspule
- 82
- Wicklungskörper
- 82f
- Formkörper
- 82t
- Trägerplatte
- 91
- Feldspule
- 92
- Wicklungsabschnitt
- 93
- Verbindungsabschnitt
- 93z
- Zuleitung
- 94
- Ferritkörper