DE102010030205A1

DE102010030205A1 - Elektromechanischer Wandler

Info

Publication number: DE102010030205A1
Application number: DE102010030205A
Authority: DE
Inventors: Frank Rinderknecht
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2011-12-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromechanischen Wandler (10), insbesondere Motor und/oder Generator, mit einem Statorelement (30; 32) und einem koaxial zum Statorelement (30; 32) und drehbar um eine Drehachse angeordneten Rotor (38), wobei koaxial zum Statorelement (30; 32) radial von diesem beabstandet ein weiteres Statorelement (32; 30) vorgesehen ist, und dass der Rotor (38) zwischen den Statorelementen (30, 32) aufgenommen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler, insbesondere einen Motor und/oder einen Generator, mit einem Statorelement und einem koaxial zum Statorelement und drehbar um eine Drehachse angeordneten Rotor.
Derartige elektromechanische Wandler sind allgemein bekannt und werden beispielsweise im Bereich der Elektrotraktion eingesetzt, also als elektrische Antriebe und/oder Generatoren in Fahrzeugen. Das Statorelement ist bei solchen Fahrzeugwandlern außen und der Rotor zum Antreiben des Fahrzeugrads innen positioniert, wobei der Rotor mit einem Eisenrückschluss zur Führung des magnetischen Flusses versehen ist. Bekannte Fahrzeugwandler können teilweise in einer Fahrzeugfelge integriert sein. Ihre Konstruktion basiert dann normalerweise auf konventionellen Ansätzen, die in Bezug auf den Wandleraußendurchmesser vergrößert sind, um den Bauraum der Felge möglichst gut ausnutzen zu können. Dabei werden bei einer 16 Zoll Felge Drehmomente von etwa 900 Nm erreicht. Die bislang realisierten Außenabmessungen sind allerdings zu groß, um vollständig in einer Fahrzeugfelge aufgenommen werden zu können.
Grundsätzlich sollte der Wirkungsgrad eines Wandlers so hoch wie möglich sein, um die Systemeffizienz zu optimieren, die sich beispielsweise bei batterieelektrischen Fahrzeugen direkt in einer erhöhten Reichweite ausdrückt. Zur Steigerung der Systemeffizienz ist es auch wünschenswert, dass während eines Bremsvorgangs möglichst viel kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Je mehr Moment und somit Energie ein Wandler auskoppeln kann, desto mehr Energie steht zu einem späteren Zeitpunkt wieder zur Verfügung. Darüber hinaus sollte der Energiewandler ein möglichst hohes Anfahrmoment realisieren können, um ein weites Spektrum der Fahrdynamik zu realisieren.
Bei herkömmlichen Wandlern der eingangs genannten Art ist in der Regel allerdings keine Anpassung des Wandler-Wirkungsgrades an die geforderte Last möglich, wodurch der Wirkungsgrad verringert wird. Darüber hinaus ist die bewegte Masse des Wandlers aufgrund des Eisenrückschlusses sehr hoch, was zu einer schlechten Beschleunigungs- und Verzögerungsdynamik führt. Ferner bauen bekannte Wandler groß, weshalb sie nur teilweise in eine Fahrzeugfelge integriert werden können.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wandler der eingangs genannten Art mit einem guten Wirkungsgrad, einem weiten Spektrum der Fahrdynamik, einem geringen Eigengewicht und geeigneten Abmessungen zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung einen elektromechanischen Wandler der eingangs genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, dass koaxial zum Statorelement radial von diesem beabstandet ein weiteres Statorelement vorgesehen ist, und dass der Rotor zwischen den Statorelementen aufgenommen ist.
Der Aufbau des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers mit zwei Statorelementen und einem einzelnen Rotor ist zum einen dahingehend vorteilhaft, dass der im Rotor vorgesehene Eisenrückschluss, der bei konventionellen. Wandleranordnungen prinzipbedingt benötigt wird, durch die Statorelemente realisiert werden und entsprechend entfallen kann. Durch Wegfall des Eisenrückschlusses verringert sich das Rotorgewicht im Verhältnis zum Gewicht der Statoranordnung, wodurch eine deutlich höhere mechanische Dynamik erzielbar ist. Ferner kann gegenüber einem herkömmlichen elektromechanischen Wandler gleichen Volumens das erzielbare Moment nahezu verdoppelt werden. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers auf dem Gebiet der Elektrotraktion hat dies beispielsweise zur Folge, dass bei einem elektrischen Hinterradantrieb mit einer üblichen Bremskraftverteilung von 30:70 (Hinterachse:Vorderachse) die mechanische Bremse der Hinterachse entfallen kann. Des Weiteren kann im Verhältnis zum konventionellen direkt angetriebenen Fahrzeug beim Bremsen mehr Energie zurückgewonnen werden, was den Systemwirkungsgrad deutlich erhöht. Dies drückt sich bei batterieelektrischen Fahrzeugen in einer erhöhten Reichweite aus. Darüber hinaus lässt sich der erfindungsgemäße Wandler gedanklich und physikalisch in zwei Teilwandler unterteilen. Je nach Last und Drehzahlanforderung können die Teilwandler somit einzeln oder in Kombination betrieben werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Statorelemente integral als Einheit ausgebildet. Dies ist insbesondere dahingehend von Vorteil, dass die Gesamtanzahl von Bauteilen reduziert und die Montage des Wandlers vereinfacht wird.
Die Statorelemente sind bevorzugt geblecht aufgebaut, wodurch die entstehenden Eisenverluste reduziert werden.
Vorteilhaft ist der Rotor eisenfrei ausgebildet, wodurch das Gewicht des Rotors in Relation zur Statoranordnung reduziert wird. Dies führt, wie es zuvor bereits beschrieben wurde, zu einer deutlich höheren mechanischen Dynamik des Wandlers. Der Rotor kann beispielsweise aus Aluminium, Kunststoff, Keramik, kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) oder glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) hergestellt sein.
Bevorzugt sind an den Statorelementen jeweils Induktionsspulen und an dem Rotor Permanentmagnete oder Elektromagnete gehalten.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der elektromechanische Wandler als Synchronmaschine ausgebildet.
Es kann eine Welle vorgesehen sein, an der der Rotor drehfest gehalten ist.
Alternativ kann eine Achse vorgesehen sein, an der der Rotor drehbar gehalten ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der erfindungsgemäße Wandler derartige Abmessungen auf, dass er vollständig in einer Fahrzeugfelge integrierbar ist. Derartige Abmessungen sind nur Dank des erfindungsgemäßen Aufbaus des Wandlers möglich.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Montage eines Wandlers der zuvor beschriebenen Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Statorelemente und der Rotor vollständig in einer Fahrzeugfelge integriert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
1 eine schematische Schnittansicht eines elektromechanischen Wandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Ansicht des durch den Wandler gemäß 1 erzeugten Magnetfeldes und
3 eine schematische perspektivische Explosionsansicht des in 1 gezeigten Wandlers, der in eine Fahrzeugfelge integriert ist.
1 zeigt einen als Synchronmaschine ausgebildeten elektromechanischen Wandler 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der sowohl als Motor als auch als Generator eines Elektrofahrzeugs (nicht gezeigt) dient. Der Wandler 10 umfasst ein Gehäuse 12, das mit mehreren Befestigungsschrauben drehfest mit dem Elektrofahrzeug verbindbar ist. Hierzu weist das Gehäuse 12 nicht näher dargestellte Durchgangslöcher auf, die zur Aufnahme von Befestigungsschrauben dienen. Das Gehäuse 12 ist über eine Lagerung 14 an einer Welle 16 gehalten und über eine Wellenmutter 18 gesichert. Ferner umfasst der Wandler ein Statorgehäuse 19, das über mehrere Befestigungsschrauben 20 drehfest mit dem Gehäuse 12 verbunden ist, wobei sich die Befestigungsschrauben 20 durch im Statorgehäuse 19 und im Gehäuse 12 ausgebildete Aufnahmelöcher 21 und 22 erstrecken. Das Statorgehäuse 19 ist ähnlich wie das Gehäuse 12 über eine Lagerung 24 an der Welle 16 gehalten und über eine Hülse 26 sowie eine Wellenmutter 28 gesichert. An dem Statorgehäuse 19 sind koaxial zur Welle 16 zwei ringförmige, radial voneinander beabstandete Statorelemente 30 und 32 gehalten, die geblecht ausgebildet und an ihren zueinander weisenden Umfangsflächen jeweils mit einer Vielzahl von Induktionsspulen 34 bestückt sind. Zwischen den beiden Statorelementen 30 und 32 ist ein mit Permanentmagneten 36 versehener Rotor 38 aufgenommen, der drehfest an der Welle 16 fixiert ist. Der Rotor 38 ist eisenfrei ausgebildet und kann beispielsweise aus Aluminium, Kunststoff, Keramik, CFK oder GFK hergestellt sein.
Der in 1 dargestellte Aufbau des Wandlers 10 ist dahingehend von Vorteil, dass der bei herkömmlichen Wandlern prinzipbedingt benötigte Eisenrückschluss im Rotor nicht vorhanden ist, wodurch das Gewicht des Rotors 38 im Verhältnis zu demjenigen der durch das Statorgehäuse 19 und die beiden Statorelemente 30 und 32 gebildeten Statoranordnung sehr gering ist. Entsprechend kann eine sehr gute mechanische Dynamik erzielt werden, die deutlich höher als bei herkömmlichen elektromechanischen Wandlern ist.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Anordnung zweier Statorelemente 30 und 32 das gegenüber einem herkömmlichen elektromechanischen Wandler gleichen Bauvolumens erzielbare Moment nahezu doppelt so groß ist. Dies hat zur Folge, dass bei einem elektrischen Hinterradantrieb mit einer üblichen Bremskraftverteilung von 30:70 (Hinterachse:Vorderachse) die mechanische Bremse entfallen kann. Des Weiteren kann im Verhältnis zum konventionellen direkt angetriebenen Fahrzeug beim Bremsen mehr Energie zurückgewonnen werden, was den Systemwirkungsgrad deutlich erhöht. Dies drückt sich bei batterieelektrischen Fahrzeugen direkt in einer erhöhten Reichweite.
Ferner lässt sich der elektromechanische Wandler 10 gedanklich und auch physikalisch in zwei Teilwandler unterteilen, die je nach Last und Drehzahlanforderungen einzeln oder in Kombination durch Zu- oder Abschalten der Statorelemente 30 und 32 betrieben werden können.
Darüber hinaus baut der erfindungsgemäße Wandler 10 Dank seiner Auslegung mit zwei Statorelementen 30, 32 und zwischen diesen angeordnetem Rotor 38 und trotz hohem Anfahrmoment, guter Fahrdynamik und gutem Wirkungsgrad sehr klein, so dass er bei seiner Montage problemlos in einer Fahrzeugfelge 40 integrierbar ist, wie es in 3 gezeigt ist. Dabei wird der Wandler 10 vollständig im Innenraum der Fahrzeugfelge 40 aufgenommen, und die Felge (40) wird in einer nicht näher dargestellten Weise drehfest mit der Welle 16 verbunden.
Auch wenn dies in den 1 bis 3 nicht gezeigt ist, kann anstelle einer drehbaren Welle auch eine stillstehende Achse vorgesehen sein, an der der Rotor drehbar und das Statorgehäuse drehfest gehalten ist. In diesem Fall wird die Felge drehfest mit dem Rotor verbunden.
Es sollte klar sein, dass der erfindungsgemäße Wandler auch auf von der Elektrotraktion verschiedenen technischen Gebieten Anwendung finden kann, beispielsweise auf dem Gebiet der Windkraftanlagen oder dergleichen.

Claims

Elektromechanischer Wandler (10), insbesondere Motor und/oder Generator, mit einem Statorelement (30; 32) und einem koaxial zum Statorelement (30; 32) und drehbar um eine Drehachse angeordneten Rotor (38), dadurch gekennzeichnet, dass koaxial zum Statorelement (30; 32) radial von diesem beabstandet ein weiteres Statorelement (32; 30) vorgesehen ist, und dass der Rotor (38) zwischen den Statorelementen (30, 32) aufgenommen ist.
Wandler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorelemente (30, 32) an einem gemeinsamen Statorgehäuse (19) angeordnet sind.
Wandler (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorelemente (30, 32) geblecht aufgebaut sind.
Wandler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (38) eisenfrei ausgebildet und insbesondere aus Aluminium, Kunststoff, Keramik, CFK oder GFK hergestellt ist.
Wandler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Statorelementen (30, 32) Induktionsspulen (34) und an dem Rotor (38) Permanentmagnete (36) oder Elektromagnete gehalten sind.
Wandler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Synchronmaschine ausgebildet ist.
Wandler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Welle (16) vorgesehen ist, an der der Rotor (38) drehfest gehalten ist.
Wandler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Achse vorgesehen ist, an der der Rotor (38) drehbar gehalten ist.
Wandler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser derartige Abmessungen aufweist, dass er im Wesentlichen vollständig in einer Fahrzeugfelge (40) integrierbar ist.
Verfahren zur Montage eines Wandlers (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorelemente (30, 32) und der Rotor (38) vollständig in einer Fahrzeugfelge (40) integriert werden.