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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit zwei axial voneinander beabstandeten, zueinander fluchtenden Statoreinheiten, denen jeweils eine Rotoreinheit zugeordnet ist, wobei die Rotoreinheiten miteinander verbunden sind.
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Eine gattungsgemäße elektrische Maschine ist aus der
DE 102 07 018 A1 bekannt und dort Bestandteil einer hydroelektrischen Baueinheit, die aus einem Elektromotor und einer davon angetriebenen, hydraulischen Pumpe besteht. Der Elektromotor umfasst dabei zwei Halbmotoren, die jeweils als Axialflussmotoren (in Scheibenläuferbauweise) ausgebildet sind. Dor Rotoren der beiden Halbmotoren sind mechanisch miteinander gekoppelt. An der Innenseite von zwei stirnseitigen Gehäusewänden der gattungsgemäßen elektrischen Maschine ist jeweils eine der Statoreinheiten eines der Halbmotoren befestigt. Die elektrische Maschine ist durch eine Trennwand unterteilt, in der die hydraulische Pumpe angeordnet ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die hinsichtlich Bauraum, Bauaufwand und Leistungsdichte weiter optimiert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein zentraler Statorträger vorgesehen ist, an dem – bezogen auf seine Axialerstreckung – beiderseits jeweils eine Statoreinheit gehaltert ist, wobei der Statorträger und die beiden Statoreinheiten von einer drehbar gelagerten Rotorwelle durchsetzt sind, an deren Wellenenden jeweils eine der Rotoreinheiten befestigt ist.
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Der erfindungswesentliche Gedanke besteht demnach darin, die Statoreinheiten nicht an den äußeren Stirnwänden der elektrischen Maschine zu befestigen, sondern die aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung gleichsam „umzukehren” und die Statoreinheiten an einem innen, d. h. zentral angeordneten Bauteil zu haltern, wodurch sich eine räumliche Nähe der Statoreinheiten zueinander ergibt, die mehrere Vorteile aufweist:
Neben der kompakteren Bauweise können – abhängig von der elektrischen Verschaltung der Spulen der Statoreinheiten – gemeinsame elektrische Anschlussleitungen vorgesehen werden, wodurch sich der Bauaufwand verringert. Bei einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, bei der diese nur zwei Wicklungsstränge aufweist, wobei die jeweils einer Statoreinheit zugeordneten Spulen einen der Wicklungsstränge bilden, ist es möglich, die Wicklungen vollautomatisch und damit kostengünstig aufzubringen.
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Der Statorträger kann durch entsprechende Dimensionierung als kraftübertragende Zentralkomponente der elektrischen Maschine ausgebildet und ohne gesonderte Halterungen direkt an Baugruppen befestigt werden, mit denen die elektrische Maschine verbunden werden soll. Je nach Einbaufall kann dabei auf ein separates Maschinengehäuse der elektrischen Maschine ggf. verzichtet werden.
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Schließlich gestaltet sich auch die Lagerung der Rotoreinheiten gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung einfacher, denn anstelle von zwei getrennten Rotorwellen, die jeweils zwei Lagerstellen benötigen und durch eine Kupplungsmuffe miteinander verbunden sind, kann eine ein- oder mehrteilige Rotorwelle verwendet werden, die lediglich zwei Lagerstellen erfordert.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann – analog zu der aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Maschine – als Axialflussmaschine ausgeführt sein oder alternativ als Radialflussmaschine. Gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Rotoreinheiten als Außenläufer einer Radialflussmaschine ausgebildet sind. Dadurch können eine axial kurze Bauweise der elektrischen Maschine und äußerst geringe Trägheitsmomente der Rotoren erzielt werden, was eine kompakte und hochdynamische elektrische Maschine erlaubt. Sinnvollerweise ist die elektrische Maschine zweiphasig ausgebildet und besteht aus zwei Halbmaschinen mit völlig getrennten magnetischen Kreisen. Die beiden Halbmaschinen sind also magnetisch nicht miteinander verkettet. Dies kann mit Vorteil für einen einfachen Aufbau und gute Laufeigenschaften der elektrischen Maschine ausgenutzt werden. Die Wicklungsspulen jeder Halbmaschine werden bevorzugt jeweils an einer Seite am Statorträger geerdet und an der anderen Seite aus der Halbmaschine herausgeführt. Somit verfügt jede Halbmaschine nur über ein einziges herauszuführendes Anschlusskabel. Die bereits erwähnte, nicht verkettete Flussführung des magnetischen Flusses der beiden Halbmaschinen erlaubt es, eine Vielzahl an Variablen zu beeinflussen, beispielsweise um die elektrische Maschine hinsichtlich einer geforderten Momentenwelligkeit oder Leistung zu optimieren.
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Es erweist sich eine Maschinenausführung als vorteilhaft, bei der die Rotoreinheiten jeweils einen Rotorkörper mit einem die zugeordnete Statoreinheit radial übergreifenden Rotorzylinder aufweisen, an dessen innerer Zylindermantelfläche Permanentmagnete angeordnet sind. Die elektrische Maschine ist also als Permanentmagnet-Maschine ausgebildet, vorzugsweise als Permanentmagnet-Synchron-Maschine, die einen guten Wirkungsgrad aufweist. Durch Fliehkräfte auftretende und auf die Permanentmagnete einwirkende Belastungen werden dabei von dem Rotorzylinder aufgenommen, ohne die bevorzugt durch Kleben hergestellte Verbindung der Permanentmagnete zum Rotorkörper durch Zugkräfte zu beanspruchen.
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Sofern die Statoreinheiten jeweils eine Mehrzahl von auf einem Statorblechpaket angeordneten Spulen umfassen und auf einer am Statorträger angeformten, hohlzylindrischen Halterung befestigt sind, ergeben sich Vorteile im Hinblick auf eine einfache Fertigung und Montage der elektrischen Maschine.
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Hinsichtlich der Erzielung einer hohen Leistungsdichte ist es günstig, wenn in dem Statorträger Kühlkanäle einer Flüssigkeitskühlung angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine sehr effiziente Wärmeabfuhr aus der elektrischen Maschine erzielt werden, wobei gerade der thermisch meistbeanspruchte Bereich der Statoreinheiten gut gekühlt wird. Die Spulen der Statoreinheiten sitzen bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine direkt auf einem mittels Flüssigkeit gekühltem Bauteil, nämlich dem Statorträger.
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Alternativ oder zusätzlich ist es im Zusammenhang mit einer Flüssigkeitskühlung des Statorträgers besonders von Vorteil, wenn in dem Statorträger eine Pumpe angeordnet ist, die einen mit der Rotorwelle verbundenen oder verbindbaren Pumpenrotor aufweist. Durch die mit dieser Pumpe geförderte Flüssigkeit kann die in der elektrischen Maschine entstehende Verlustwärme abgeführt werden.
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Sofern die Pumpe an einen Hydraulikkreislauf angeschlossen ist, ergibt sich eine Doppelfunktion, bei der nicht nur die elektrische Maschine durch hydraulisches Druckmittel gekühlt wird, sondern darüber hinaus ein oder mehrere Verbraucher hydraulischer Energie durch die elektrische Maschine angetrieben werden. Ein derartiges Aggregat eignet sich beispielsweise zur Beaufschlagung von Hubantrieben, z. B. Hubzylinder eines Flurförderzeugs, insbesondere Gabelstapler.
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Die Pumpe ist bevorzugt als Zahnringpumpe ausgebildet. Zahnringpumpen sind bewährte, kostengünstige und platzsparende Pumpen und daher in idealer Weise für die Integration in den Statorträger der erfindungsgemäßem elektrischen Maschine geeignet.
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Es erweist dabei im Hinblick auf einen geringen Montageaufwand eine Bauweise als zweckmäßig, bei der an der Rotorwelle eine Außenverzahnung angeformt ist, die in eine Innenverzahnung eines zur Drehachse der Rotorwelle exzentrischen, drehbar gelagerten Zahnrings eingreift.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
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1 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße elektrische Maschine gemäß der Linie C-C in 2 und
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2 einen Querschnitt durch die elektrische Maschine.
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Die in den Figuren dargestellte elektrische Maschine verfügt über einen zentral angeordneten Statorträger 1, der im Querschnitt gesehen (siehe 2) im vorliegenden Ausführungsbeispiel quadratisch ausgebildet ist. Selbstverständlich sind auch davon abweichende Formgebungen möglich. In den vier Eckbereichen des Statorträgers 1 sind Durchgangsbohrungen 1a eingearbeitet, mit deren Hilfe der Statorträger an anderen Baugruppen mittels Schraubverbindungen kraftübertragend befestigbar ist. Beiderseits des Statorträgers 1 (bezogen auf seine Axialerstreckung) ist jeweils in Axialrichtung eine hohlzylindrische Halterung 1b bzw. 1c angeformt. Auf jeder Halterung 1b bzw. 1c ist eine Statoreinheit 2 bzw. 3 befestigt, die jeweils ein Statorblechpaket 2a bzw. 3a und eine Mehrzahl von Spulen 2b bzw. 3b aufweist.
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Jede Statoreinheit 2 bzw. 3 wirkt mit einer als Außenläufer ausgebildeten Rotoreinheit 4 bzw. 5 zusammen. Die in 1 linke Rotoreinheit 4 weist einen topfförmigen Rotorkörper 4a auf, an dem ein die Statoreinheit 2 radial übergreifender Rotorzylinder 4b angeformt ist. An der inneren Zylindermantelfläche des Rotorzylinders 4a sind Permanentmagnete 4c auf einem Rotorblechpaket 4d befestigt, beispielsweise verklebt. Die in 1 rechte Rotoreinheit 5 weist einen topfförmigen Rotorkörper 5a auf, an dem ein die Statoreinheit 3 radial übergreifender Rotorzylinder 5b angeformt ist. An der inneren Zylindermantelfläche des Rotorzylinders 5a sind Permanentmagnete 5c auf einem Rotorblechpaket 5d befestigt, beispielsweise verklebt.
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Die beiden Rotoreinheiten 4 bzw. 5 sind jeweils auf einem von zwei Wellenenden einer Rotorwelle 6 befestigt, welche sich durch den Statorkörper 1 axial hindurch erstreckt, also den Statorkörper 1 zentrisch durchsetzt. Die beiden Rotoreinheiten 4, 5 sind demnach miteinander mechanisch drehsynchron gekoppelt und bilden zusammen mit den Statoreinheiten 2, 3 eine als Radialflussmaschine ausbildete elektrische Maschine, vorzugsweise Permanentmagnet-Synchron-Maschine.
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Ein besonders einfacher Aufbau sowohl der elektrischen Maschine als auch der zugehörigen Leistungssteuerung ergibt sich, wenn die elektrische Maschine nur zwei Wicklungsstränge aufweist, wobei die Spulen jeder Statoreinheit 2 bzw. 3 jeweils einem Wicklungsstrang zugeordnet sind. Durch die dann zweiphasige Drehstromwicklung lässt sich in Kombination mit zueinander phasenversetzt auf der Rotorwelle 6 befestigten Rotoreinheiten 4, 5 ein für viele Anwendungsfälle ausreichend gleichförmiger und stabiler Antrieb erzielen. Bei dieser Maschinenausführung lassen sich die Spulen 2b, 3b auf besonders einfache Weise durch eine automatisierte Wickeleinrichtung herstellen, wodurch Kosteneinsparungen möglich sind. Die elektrische Maschine besteht somit im Prinzip aus zwei Halbmaschinen mit jeweils einer Phase. Jede Phase ist einem eigenständigen magnetischen Kreis zugeordnet. Die beiden Phasen sind durch die Rotorwelle 6 mechanisch miteinander gekoppelt. Erst zusammengenommen bilden die Halbmaschinen eine vollständige elektrische Maschine. Da die beiden Halbmaschinen magnetisch nicht miteinander verkettet sind, ist es bei der Auslegung der elektrischen Maschine möglich, eine Vielzahl an Variablen zu beeinflussen, beispielsweise um die elektrische Maschine je nach Einsatzfall hinsichtlich einer geforderten Momentenwelligkeit oder Leistung zu optimieren
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In den Statorträger 1 ist eine als Zahnringpumpe ausgebildete Pumpe 7 integriert. Es versteht sich, dass prinzipiell auch andere Pumpenbauweisen möglich sind. in jedem Fall können durch die Pumpe 7 einerseits ein oder mehrerer Verbraucher hydraulischer Energie mit Druckmittel versorgt werden, andererseits kann innerhalb der elektrischen Maschine entstehende Verlustwärme auf einfache Weise abgeführt werden, wobei die Spulen 2b, 3b der Statoreinheiten 2, 3 infolge der Befestigung auf dem Statorträger 1 direkt gekühlt werden und eine effiziente Wärmeabfuhr möglich ist. Ein Druckkanal 9 und ein Saugkanal 8 der Pumpe 7 (siehe 2) dienen dabei als Kühlkanäle. Die Spulen 2b, 3b sind zweckmäßigerweise von einer Vergussmasse umschlossen, die eine optimale thermische Ankopplung an den gekühlten Statorträger 1 ermöglicht.
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Als Vorteil im Zusammenhang mit der Kühlung der elektrischen Maschine wirkt sich auch die Maschinenbauweise aus, bei der die elektrische Maschine im Prinzip aus zwei symmetrischen Hälften besteht, zwischen denen der als Kühlelement wirkende Statorträger 1 angeordnet ist. Die Wärme wird demnach direkt aus dem Inneren der elektrischen Maschine abgeführt. Dennoch verfügt die elektrische Maschine über äußerst kompakte Abmessungen und nur wenige Bauteile.
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Die Pumpe 7 weist an der als Pumpenrotor dienenden Rotorwelle 6 eine angeformte Außenverzahnung 6a auf, die mit einer Innenverzahnung 10a eines zu einer Drehachse DR der Rotorwelle 6 exzentrischen Zahnrings 10 kämmt und diesen in Drehung um eine Drehachse DZ versetzt (siehe 2). Die Pumpe 7 wird – wie an sich bekannt – vervollständigt durch ein den Saugbereich vom Druckbereich trennendes, sichelförmiges Bauteil 11. An den beiden axial Stirnseiten der Pumpe 7 befinden sich jeweils eine Kompensationsscheibe 12 bzw. 13 und eine Deckscheibe 14 bzw. 15 (auf die Kompensationsscheiben 12, 13 kann je nach Maschinenausführung und Anwendungsfall ggf. auch verzichtet werden). Die beiden Deckscheiben 14, 15 sind jeweils mit einem zur Rotorwelle 6 wirksamen Dichtring 16 bzw. 17 versehen.
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Im Bereich beider Stirnseiten der Pumpe 7 befindet sich jeweils radial zwischen der Rotorwelle 6 und der Kompensationsscheibe 12 bzw. 13 und der Deckscheibe 14 bzw. 15 ein Gleitlagerring 18 bzw. 19. In 2 sind ferner zwei elektrische Anschlüsse 20 erkennbar, die auf in den Figuren nicht gezeigte Weise mit den zu zwei Wicklungssträngen zusammengefassten Spulen 2b bzw. 3b der Statoreinheiten 2, 3 verbunden sind. Es besteht die Möglichkeit, die Momentenwelligkeit der elektrischen Maschine an die Druckpulsationen der Pumpe 7 anzupassen. Damit kann man aktiv die Geräuschbildung der Pumpe 7 beeinflussen.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel befinden sich die beiden Rotoreinheiten 4, 5 im Freien. Es versteht sich jedoch, dass die dargestellte elektrische Maschine bei entsprechenden Anforderungen bezüglich Staubschutz und Dichtigkeit von einem abdeckenden Gehäuse umgeben sein kann, das jedoch keine tragende Funktion aufweisen muss.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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