DE102009038928A1

DE102009038928A1 - Elektromotor

Info

Publication number: DE102009038928A1
Application number: DE200910038928
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr.-Ing. Hund; Dirk Schmidt; Tomas Dr. Smetana
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2010-11-04

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Stator (04), einem Rotor (06) und einem zwischen Stator (04) und Rotor (06) ausgebildeten Luftspalt (09). Erfindungsgemäß ist die Größe des Luftspaltes (09) in Abhängigkeit der Drehzahl des Elektromotors veränderlich, wobei bei größeren Drehzahlen des Rotors (06) der Luftspalt (09) vergrößert wird. Ein erfindungsgemäßer Elektromotor ist insbesondere als Radnabenmotor für Kraftfahrzeuge verwendbar.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gattungsgemäße Elektromotoren umfassen einen Stator, einen Rotor und einen zwischen Stator und Rotor ausgebildeten Luftspalt, wobei zumindest der Stator eine elektrische Wicklung trägt, und der Rotor bei Einspeisung eines Stromes in die Statorwicklung in eine Drehbewegung versetzt wird. Derartige Elektromotoren existieren in vielen verschiedenen Ausführungsformen. Dem Fachmann sind diese hinlänglich bekannt.
In den letzten Jahren steht besonders in der Fahrzeugindustrie die Entwicklung neuer Antriebskonzepte im Vordergrund. Dabei spielen insbesondere Radnabenmotoren eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Antriebstechniken für elektrisch betriebene Fahrzeuge. Radnabenmotoren sind bereits seit längerer Zeit bekannt für leichtere Antriebe, beispielsweise von Rollstühlen und Fahrrädern und dergleichen. Auch aus der Fahrzeugtechnik sind elektrische Radmotoren bzw. Radnabenmotoren bekannt.
Die EP 0 751 026 B1 beschreibt beispielsweise einen elektrischen Radmotor, der integral in einem Fahrzeugrad angeordnet ist. In einem Gehäuse sind innerhalb des Rades sowohl der Motor als auch ein Untersetzungsgetriebe angeordnet. Der Motor ist als Innenläufermotor ausgeführt, der Stator trägt eine dreiphasige Statorwicklung.
Aus der EP 1 600 324 B1 ist ebenfalls ein Radnabenmotor für ein elektrisches Fahrzeug bekannt, bei welchem der Antriebsmotor ein Untersetzungsgetriebe mit einem Planetenradmechanismus umfasst.
Die DE 43 38 557 C1 beschreibt einen Elektromotor mit einem axial verschiebbaren Rotor. Ein solcher Motor wird auch als Verschiebeläuferbremsmotor bezeichnet. Solche Motoren werden insbesondere bei Aufzugsantrieben verwendet. Bei diesem Motor ist der Rotor konisch ausgebildet und axial verschiebbar, wobei der konische Teil dem mechanischen Bremsen dient. In der genannten Druckschrift wird ein solcher Verschiebeläufermotor verbessert, indem eine bewegbare Bremshaube mit einer Bremsfläche zusätzlich zum verschiebbaren Rotor verschiebbar angeordnet ist.
Die EP 1 895 640 A2 beschreibt einen Radnabenmotor mit einem mit einer Radnabe drehfest verbundenen Stator und einem mit der Felge drehfest verbundenen Rotor. Der Motor weist eisenlose Feldspulen und Permanentmagnetringe auf, welche in einem ringförmigen Luftspalt angeordnet sind.
Aus der DE 198 37 270 A1 ist ein elektrischer Radnabenmotor ohne Getriebe und mit außen laufendem Rotor bekannt. Dieser ist zum Antrieb von Rollstühlen und anderen Kleinfahrzeugen vorgesehen.
5 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Radnaben- bzw. Felgenmotors, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dabei ist an einem Fahrgestell 01 eine Felge 02 in einem Radlager 03 drehbar gelagert. Ein Stator 04, auch Primärteil, trägt eine Statorwicklung 05. Ein Rotor 06 (Sekundärteil) ist innerhalb der Felge 02 angeordnet und umgibt den Stator 04 als Außenläufer. Er trägt um den Umfang verteilt mehrere Permanentmagnete.
Der Eisenrückschluss für den Motor wird in der Darstellung durch den Rotor 06 realisiert. Er besteht aus einem magnetisch leitenden Material. Die Felge 02 könnte auch als Rotor ausgeführt sein. In diesem Fall muss sie komplett oder teilweise aus magnetisch leitendem Material bestehen. Innerhalb des Radnabenmotors ist außerdem eine Bremse 07 angeordnet. Auch die benötigte An steuerelektronik für die Statorwicklung kann innerhalb des Rades Platz finden. Die axiale Ausdehnung l des Elektromotors ist kleiner als die Hälfte seines Durchmessers D.
Elektromotoren sind generell so dimensioniert, dass sie bei möglichst wenig Stromfluss ein großes Drehmoment liefern. Dazu sind kleine Luftspalte erforderlich. Problematisch bei variablen Drehzahlen ist, dass das Rotorfeld eine Rückwirkung auf das Statorfeld hat. Bei größer werdenden Drehzahlen wird die vom Rotor induzierte Gegenspannung größer und damit die maximal erreichbare Drehzahl begrenzt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Elektromotor dahingehend zu verbessern, dass er bei Drehzahlen eingesetzt werden kann, die auf Grund der Gegenspannung ohne elektrische Feldschwächung nicht erreicht werden können. Weiter sollen die Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverluste über der projektierten Drehzahl vermindert werden, um den Elektromotor über diesen Drehzahlbereich hinaus aktiv und passiv drehen zu können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Elektromotor gemäß dem beiliegenden Anspruch 1 gelöst.
Ein Elektromotor umfasst zunächst in bekannter Weise ein Primärteil, nachfolgend Stator genannt, und ein Sekundärteil, nachfolgend Rotor genannt. Der Stator trägt eine Statorwicklung. Der Rotor ist vorzugsweise permanent erregt und trägt mehrere Dauermagnete. Zwischen Stator und Rotor ist in bekannter Weise ein Luftspalt ausgebildet, über dessen Größe die Dimensionierung des Magnetkreises und damit des Motors erfolgt.
Erfindungsgemäß ist die Größe des Luftspaltes in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors veränderlich. Dabei wird bei größeren Drehzahlen der Luftspalt vergrößert. Es findet quasi ein ”mechanischer Feldschwächbetrieb” statt.
Die Erfindung ist vorzugsweise anwendbar in Kfz-Antriebsmotoren, wie bei spielsweise Radnaben- bzw. Felgenmotoren. Denkbar ist aber auch die Verwendung beispielsweise in Differenzialmotoren sowie anderen Industrieanwendungen.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass durch die Verringerung der geschwindigkeitsabhängigen Wirbelstromverluste die Motoren über die projektierte Nenndrehzahl des Motors „geschleppt” werden können. Die Gesamtenergiebilanz des Fahrzeugs wird in diesen Fällen besser, da die drehzahlabhängigen Wirbelstromverluste des Motors reduziert werden. Im Bereich der projektierten Nenndrehzahl können die Motoren sehr effizient ausgelegt werden und erhöhen somit die Reichweite eines Fahrzeuges im vollelektrischen Betrieb. Im Schleppbetrieb mit einem Verbrennungsmotor wird das Gesamtfahrzeug effizienter, da die Verluste in den Radnabenmotoren stark reduziert werden.
Im Fall der Rekuperation kann die für das Gesamtsystem zulässige Gegenspannung begrenzt werden.
Es werden zwei bevorzugte Ausführungsformen zur drehzahlabhängigen Einstellung der Luftspaltengröße vorgeschlagen. Diese Ausführungsformen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit einem axial verschiebbaren Stator bei minimalem Luftspalt;
2 eine schematische Darstellung des in 1 gezeigten Elektromotors bei maximalem Luftspalt;
3 eine schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit radial verstell baren Permanentmagneten bei minimalem Luftspalt;
4 eine schematische Darstellung des in 3 gezeigten Elektromotors bei maximalem Luftspalt;
5 den prinzipiellen Aufbau eines Radnaben- bzw. Felgenmotors, gemäß dem Stand der Technik;
Der in den 1 bis 4 dargestellte Radnabenmotor hat prinzipiell den gleichen Aufbau wie der oben unter Bezugnahme auf 5 bereits beschriebene. Gleiche Teile tragen daher gleiche Bezugsziffern. Die Radmotoren sind besonders geschätzt wegen ihres günstigen Verhältnisses von Motordurchmesser D zu axialer Ausdehnung l von größer als 2. Diese Bauform wird in der Industrie auch als Ringmotor bezeichnet. Durch die Integration in eine Radnabe wird er im Sprachgebrauch zum Radnabenmotor. Das Verhältnis von Durchmesser zur axialen Länge von mindestens 2 zu 1 ermöglicht die einfache Integration solcher Motoren in Räder von Autos, Schienenbussen, Industriefahrzeugen oder dergleichen.
Bei der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ist am Fahrgestell 01 über das Radlager 03 drehbar die Felge 02 angeordnet. Mit der Felge 02 ist der Rotor 06 drehfest verbunden. Der Stator 04 ist drehfest mit dem Fahrgestell 01 jedoch axial verschiebbar auf dem Radlager 03 angeordnet. Der Stator 04 trägt Statorwicklungen 05, die auf nicht dargestellten Polzähnen des Stators 04 angeordnet sind. Der Rotor 06 trägt Permanentmagnete 08. Zwischen Stator 04 und Rotor 06 ist ein Luftspalt 09 ausgebildet. Wie eingangs beschrieben, kann die Baugruppe 08 (Rotor) auch in die Baugruppe 02 Felge integriert sein, das erfordert eine Felge, die komplett oder im notwendigen Bereich des magnetischen Flusses magnetisch leitend sein muss. Eine Integration erhöht die aktive Fläche und damit die Effizienz.
1 zeigt den Luftspalt 09 mit einer Luftspaltgröße s_min für eine niedrige Geschwindigkeit v_min.
Stator 04 und Rotor 06 sind in dieser Ausführungsform konisch ausgeführt, wodurch sich bei einer relativen Verschiebung zwischen Stator 04 und Rotor 06 in axialer Richtung die Größe des Luftspaltes 08 ändert. Dies ist in 2 zu erkennen, in welcher der Stator 04 in der Bildebene nach rechts verschoben wurde, um den Luftspalt zu vergrößern und den Motor dadurch für höhere Geschwindigkeiten einzustellen. Für eine hohe Geschwindigkeit v_max beträgt die Größe des Luftspaltes 09 s_max.
Ein Aktuator 11 dient der Verstellung des Luftspaltes 09, in diesem Fall durch eine axiale Verschiebung des Stators 04. Der Aktuator 11 kann elektrisch, elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch ausgelegt werden. Die Drehzahl wird ermittelt und in deren Abhängigkeit der Aktuator 11 angesteuert, um die Größe des Luftspaltes 09 aktiv zu regeln.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Aktuator 11 ein elektrisch geregelter Aktuator, der seine Sollwerte direkt oder indirekt von der Motorsteuerung erhält.
3 und 4 zeigen eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radnabenmotors in schematischer Darstellung. Dabei zeigt 3 den Motor bei minimalem Luftspalt 09 und 4 bei maximalem Luftspalt 09 für eine erhöhte Drehzahl des Rotors 06.
Wie in der zuvor beschriebenen Ausführungsform sind Stator 04 und Rotor 06 am Fahrgestell 01 bzw. an der Felge 02 angeordnet. Im Unterschied zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform sind die Permanentmagneten 08 am Rotor 06 radial verlagerbar angeordnet. Bei der zweiten Ausführungsform kann der Aktuator 11 beispielsweise als mechanischer Fliehkraftversteller oder aber wiederum als aktiver Steller ausgeführt sein.
Anstelle des Aktuators 11 bzw. zusätzlich zu diesem können die Permanentmagnete 09 mittels eines oder mehrerer Federelemente 12 am Rotor 06 befes tigt sein. Dabei können Federsteifigkeit und Gewichte der Permanentmagneten 08 so ausgelegt sein, dass die Magneten durch die Fliehkräfte bei einer Drehzahlerhöhung gegen die Federsteifigkeit des Federelementes 12 radial bewegt werden und somit der Luftspalt 09 bis hin zu s_max, dem maximalen Luftspalt (4), vergrößert wird.
In anderen Ausführungsformen kann die Form des Luftspaltes auch sphärisch sein, wenn beispielsweise Rotor- und Statoroberfläche als in axialer Richtunggekrümmte Flächen (z. B. Kugelsegmente) ausgeführt sind. Die Verstellrichtung ist dann so zu wählen, dass die Form des Luftspaltes bei der Verstellung möglichst wenig verändert wird. Bei dieser Ausführungsform ist von Vorteil, dass sich der Stator in gewissen Grenzen relativ zum Rotor bewegen (kippen) kann, z. B. wenn große Momente in der Radlagerung auftreten, ohne dass dies zu einer Veränderung des Luftspaltes führt.

01: Fahrgestell
02: Felge
03: Radlager
04: Stator
05: Statorwicklung
06: Rotor
07: Bremse,
08: Permanentmagnet
09: Luftspalt
10
11: Aktuator
12: Federelement
l: axiale Länge
D: Durchmesser
s_min: minimaler Luftspalte
s_max: maximaler Luftspalt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0751026 B1 [0003]
- EP 1600324 B1 [0004]
- DE 4338557 C1 [0005]
- EP 1895640 A2 [0006]
- DE 19837270 A1 [0007]

Claims

Elektromotor mit einem Stator (04), einem Rotor (06) und einem zwischen Stator (04) und Rotor (06) ausgebildeten Luftspalt (09), dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Luftspaltes (09) in Abhängigkeit der Drehzahl des Elektromotors veränderlich ist, wobei bei größeren Drehzahlen des Rotors (06) der Luftspalt (09) vergrößert wird.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Ringmotor ist.
Elektromotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Länge (l) des Motors kleiner oder gleich der Hälfte eines Außendurchmessers (D) des Motors ist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er ein permanenterregter Synchronmotor mit einem Außenläufer ist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Stator (04) und Rotor (06) in axialer Richtung jeweils konisch ausgebildet sind und die Änderung der Größe des Luftspaltes (09) durch eine axiale Verschiebung von Stator (04) oder Rotor (06) erfolgt.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (06) Permanentmagneten (08) umfasst, welche radial verlagerbar sind.
Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (08) an Federelementen (12) gelagert sind und die radiale Verlagerung durch eine auf die Permanentmagnete (08) wirkende Fliehkraft erfolgt, wobei die Fliehkraft einer Vorspannung der Federelemente (12) entgegen wirkt.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin einen Aktuator (12) zur Einstellung der Größe des Luftspaltes umfasst.
Elektromotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, der Aktuator (12) ein geregelter elektrischer Aktuator (12) ist, wobei die Veränderung der Größe des Luftspaltes (09) durch den in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors (06) erfolgt, wobei die Sollwerte des Aktuators (12) direkt oder indirekt durch eine Motorsteuerung vorgegeben werden.
Elektromotor nach Anspruch 8, soweit dieser auf Anspruch 6 rückbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator ein Fliehkraftsteller ist, der auf die radiale Position der Permanentmagnete (08) einwirkt.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (09) zwischen sphärisch geformten Flächen an Stator (04) und Rotor (06) ausgebildet ist.