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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Erregen einer elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 10. Läufer werden üblicherweise auch als Rotoren bezeichnet. Um die Lesbarkeit zu fördern, wird im Folgenden für den Rotor der Hauptmaschine der Begriff 'Läufer' verwendet, während der Läufer der Erregermaschine als 'erster Rotor' und der Stator der Erregermaschine als 'zweiter Rotor' bezeichnet wird.
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Die
CH 413 996 beschreibt eine elektrische Maschine mit einer Hauptmaschine und einer Erregermaschine zur Versorgung einer Erregerwicklung der Hauptmaschine mit elektrischer Energie, wobei ein Läufer der Erregermaschine mit dem Hauptläufer drehfest verbunden ist. Diese elektrische Maschine hat den Vorteil, dass sie zur Versorgung der Erregerwicklung der Hauptmaschine keine Schleifringe benötigt, die den Nachteil haben, dass sie sich abnutzen und störanfällig sind. Da die Induktionswicklung der Erregermaschine und die Erregerwicklung der Hauptmaschine drehfest miteinander (auf einer Welle) verbunden sind, kann die Übertragung der elektrischen Energie zwischen der Induktionswicklung der Erregermaschine und der Erregerwicklung der Hauptmaschine mittels starrer elektrischer Leitungen erfolgen.
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Die
DE 16 13 630 C3 und die
DE 100 27 107 A1 beschreiben ebenfalls schleifringlose elektrische Maschinen, die zusätzlich das Merkmal aufweisen, dass die Erregermaschine mittels Permanentmagneten erregt wird. Zur Steuerung einer Erregerspannung schlägt die letztgenannte Druckschrift vor, Steuersignale von einem ruhenden Regler auf rotierende steuerbare Halbleiterschalter (Thyristoren) mittels einer Funkverbindung zu übertragen. Die Steuerung über die Funkverbindung setzt neben einer störungsfreien Funkverbindung voraus, dass zwischen der Erregermaschine und der Erregerwicklung steuerbare Halbleiterschalter vorhanden sind und in geeigneter Weise angesteuert werden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine bereitzustellen, deren Erregerspannung von der Statorseite (d. h. ortsfesten Seite) aus ohne eine aufwändige Ansteuerung von Halbleiterschaltern einstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Erregen einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Zur Realisierung einer elektrischen Maschine, deren Erregerspannung von der Statorseite aus ohne aufwändige Ansteuerung von Halbleiterschaltern einstellbar ist, ist es bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine vorgesehen, dass die elektrische Maschine eine Hauptmaschine und eine Erregermaschine zur Versorgung einer Erregerwicklung der Hauptmaschine mit elektrischer Energie umfasst, wobei ein erster Rotor der Erregermaschine mit einem Läufer der Hauptmaschine drehfest verbunden ist und eine Induktionswicklung umfasst, wobei die Erregermaschine einen zweiten Rotor aufweist, der nicht nur relativ zu dem ersten Rotor der Erregermaschine sondern auch relativ zu einem Stator der Hauptmaschine antreibbar gelagert ist.
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Entsprechend sieht das erfindungsgemäße Verfahren zum Erregen einer elektrischen Maschine vor, dass die elektrische Maschine eine Hauptmaschine und eine Erregermaschine umfasst, wobei ein erster Rotor der Erregermaschine drehfest mit einem Läufer der Hauptmaschine verbunden ist; wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- – Bereitstellen des Erregerfeldes mittels des zweiten Rotors der Erregermaschine;
- – Antreiben des zweiten Rotors der Erregermaschine relativ zu dem ersten Rotor der Erregermaschine;
- – Induzieren einer Spannung in einer Induktionswicklung des ersten Rotors der Erregermaschine; und
- – Versorgen einer Erregerwicklung der Hauptmaschine mit elektrischer Energie aus der Induktionswicklung der Erregermaschine;
dadurch gekennzeichnet, dass
beim Antreiben einer Drehbewegung des zweiten Rotors relativ über den ersten Rotor der Erregermaschine Energie auf den Läufer der Hauptmaschine übertragen wird.
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Mittels Änderung der relativen Drehgeschwindigkeit des zweiten Rotors der Erregermaschine gegenüber der Drehgeschwindigkeit des ersten Rotors der Erregermaschine ist es möglich, die Erregerspannung von der Statorseite (d. h. ortsfesten Seite) aus ohne eine aufwändige Ansteuerung von Halbleiterschaltern einzustellen.
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Mittels einer Erhöhung der relativen Drehgeschwindigkeit der Magnete ist es außerdem möglich, Magnete mit kleineren Feldern bzw. weniger Magnete/Magnetmaterial in der elektrischen Maschine einzusetzen und so eine stromerregte elektrische Maschine zu realisieren, die weniger Permanentmagnete benötigt, als eine herkömmliche permanenterregte Synchronmaschine als Erregermaschine.
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Hierbei ist es insbesondere von Vorteil, wenn sich der zweite Rotor der Erregermaschine (im Verhältnis zu dem Stator der Hauptmaschine) in entgegengesetzter Richtung wie der Läufer der Hauptmaschine dreht. Denn dann ergibt sich die für die Induktion relevante relative Drehgeschwindigkeit zwischen Magnetfeld und Induktionswicklung der Erregermaschine aus einer Addition der beiden Drehgeschwindigkeiten (statt aus ihrer Differenz). Besonders vorteilhaft ist, dass damit eine Erhöhung der Drehzahldifferenz erreicht wird, ohne dass sich dadurch Fliehkräfte erhöhen. Wenn es aus Anwendungssicht für die Drehzahl des Läufers der Hauptmaschine akzeptabel ist, kann die Erfindung also auch dazu genutzt werden, die Drehzahl des Läufers der Hauptmaschine zu halbieren und somit die dort auftretenden Fliehkräfte zu vierteln. Dies kann beispielsweise dazu genutzt werden, um für den Läufer der Hauptmaschine eine leichtere und/oder weniger aufwändige Konstruktion zu wählen.
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Darüber hinaus ist es auch vorstellbar, für die (vorzugsweise gegensinnige) Drehbewegung des zweiten Rotors der Erregermaschine eine (von ihrem Absolutwert her) deutlich höhere Drehzahl als für den Läufer der Hauptmaschine zu wählen. Dies ist dann von Vorteil, wenn es aufgrund eines schlichteren Aufbaus des zweiten Rotors einfacher ist, dem zweiten Rotor eine höhere Fliehkraftfestigkeit zu verleihen als dem Läufer der Hauptmaschine eine höhere Fliehkraftfestigkeit zu verleihen.
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Die genannten Vorteile sind auch dann nutzbar, wenn das Erregerfeld der Erregermaschine nicht oder nicht nur mittels Permanentmagneten, sondern zumindest teilweise auch mit Feldspulen bereitgestellt wird, denen der Erregerstrom beispielsweise mittels Schleifringen zugeführt wird.
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Vorzugsweise umfasst der zweite Rotor der Erregermaschine Permanentmagnete zur Erregung der Erregermaschine. Hierdurch kann eine Notwendigkeit von verschleißbehafteten Schleifringen zur Zuführung von Erregerstrom zu einer Erregerwicklung der Erregermaschine eingespart werden.
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Es kann Vorteile haben, wenn der erste Rotor der Erregermaschine, der mit dem Läufer der Hauptmaschine drehfest verbunden ist, ein Innenläufer ist. Hierdurch können die Permanentmagnete auf einem Innenumfang einer Trag- und Rückschlusskomponente des zweiten Rotors angebracht werden, so dass deren Fliehkraft die Permanentmagnete nicht aus ihrer Befestigung herausreißen kann.
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In anderen Anwendungsfällen kann es zweckmäßiger sein, wenn der erste Rotor der Erregermaschine, welcher mit dem Läufer der Hauptmaschine drehfest verbunden ist, ein Außenläufer ist. Hierdurch kann der zweite Rotor mit einem kleineren Außendurchmesser als der Läufer der Hauptmaschine, also Material sparender und mit kleineren Fliehkräften aufgebaut werden.
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Es gibt auch Anwendungen, in denen der erste Rotor der Erregermaschine, welcher mit dem Läufer der Hauptmaschine drehfest verbunden ist, ein Scheibenläufer mit Axialfluss ist.
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Um in den Wicklungen des ersten Rotors der Erregermaschine eine definierte Spannung induzieren zu können, bedarf es einer einstellbaren Relativbewegung der Magnete des zweiten Rotors zu den Wicklungen des ersten Rotors der Erregermaschine, so dass eine Relativdrehzahl zwischen dem zweiten Rotor und dem ersten Rotor der Erregermaschine vorteilhaft einstellbar ist.
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Um bei Drehungen des ersten Rotors der Erregermaschine mit dem drehfest verbunden Läufer der Hauptmaschine immer eine steuerbare und/oder regelbare Relativdrehzahl zwischen den zweiten Rotor und dem ersten Rotor der Erregermaschine einzustellen, ist der zweite Rotor der Erregermaschine vorteilhaft drehzahlvariable antreibbar.
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Durch einen drehzahlvariablen Antrieb kann die Drehzahl des zweiten Rotors immer auf eine bestimmte Relativdrehzahl zum ersten Rotor der Erregermaschine eingestellt werden um in den Wicklungen des ersten Rotors der Erregermaschine eine entsprechende Spannung zu induzieren.
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Vorteilhaft kann eine Relativdrehzahl zwischen dem zweiten Rotor und dem ersten Rotor der Erregermaschine auch auf Null eingestellt werden, so dass sich beide Rotoren mit der gleichen Drehzahl drehen und es im Wesentlichen zu keiner Relativbewegung zwischen den Rotoren kommt. Damit induziert das Erregerfeld des zweiten Rotors in den Wicklungen des ersten Rotors keine Spannung und es wird keine Energie auf den ersten Rotor und damit auf den Läufer der Hauptmaschine übertragen.
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Ohne eine induzierte Spannung in den Wicklungen des ersten Rotors der Erregermaschine ist der Läufer der Hauptmaschine erregungsfrei und die Hauptmaschine in einem lastfreien Betriebszustand.
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Durch eine Angleichung der Drehzahlen des ersten Rotors und des zweiten Rotors der Erregermaschine hin zu einer synchronen Drehbewegung ohne Relativdrehung zwischen den beiden Rotoren kann die Hauptmaschine durch eine einfache Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl des zweiten Rotors der Erregermaschine einen lastfreien erregerfreien Zustand einnehmen.
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Eine Angleichung zweier Drehzahlen zu einer synchronen Drehbewegung ist durch eine einfache Steuerung und/oder Regelung zu erreichen und kann durch einfache Mittel aufrechterhalten werden.
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Der antreibbare zweite Rotor der Erregermaschine kann durch seine geringe Masse und entsprechend geringes Trägheitsmoment auch schnell nachgeregelt werden, so dass eine entstehende Drehzahldifferenz durch den Antrieb des zweiten Rotors auch schnell wieder ausgleichbar und auf Null einstellbar ist.
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Insbesondere könnte so ein Läufer der Hauptmaschine ohne notwendiges Aus- und Einkuppeln in einem Antriebstrang eines Kraftfahrzeuges integriert sein, wobei bei einem lastfreien Betriebszustand der elektrischen Maschine der Energieübertrag aus dem Erregerfeld auf den Läufer der Hauptmaschine durch eine synchrone Drehbewegung des zweiten Rotors und des ersten Rotors der Erregermaschine vermieden ist.
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Die elektrische Maschine könnte so kräftefrei im Antriebspfad eines Fahrzeuges verbleiben ohne eine aufwendige Steuerung für eine Abtrennung der elektrischen Maschine aus dem Antriebspfad oder eine aufwendige Steuerung des Stators der Hauptmaschine zu bedürfen.
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Bevorzugt ist auch, wenn der zweite Rotor der Erregermaschine zum Antrieb einen Zahnkranz aufweist. Hierdurch ist ein kompakter hochtouringer Antrieb des zweiten Rotors möglich. Bei einem ausreichenden Übersetzungsgrad stellt sich ohne Weiteres eine intrinsische Selbsthemmung ein, so dass eine separate Maßnahme zum mechanischen Unterbinden oder Abbremsen einer Rotationsbewegung des zweiten Rotors der Erregermaschine im Verhältnis zu dem Stator der Hauptmaschine eingespart werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich kann es von Vorteil sein, wenn der zweite Rotor der Erregermaschine zum Antrieb mit einem Treibriemen oder einer Zahnkette vorbereitet ist. Hierdurch kann in bewährter, robuster Weise die notwendige Antriebskraft für den zweiten Rotor bereitgestellt werden.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass die elektrische Maschine eine Vorrichtung zum vorübergehenden mechanischen Unterbinden oder Abbremsen einer Rotationsbewegung des zweiten Rotors der Erregermaschine im Verhältnis zu dem Stator der Hauptmaschine aufweist. So kann bei entsprechender Auslegung in einem Normalbetriebsbereich ein Verschleiß und/oder eine Geräuschentwicklung des zweiten Rotors der Erregermaschine und/oder seines Antriebs vermieden werden.
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Insbesondere bevorzugt ist, wenn der zweite Rotor der Erregermaschine ein Schaufelrad umfasst. Hierdurch ist es möglich, die Erregermaschine und/oder die Hauptmaschine unabhängig von der Drehzahl des Läufers der Hauptmaschine zu kühlen. Dies kann insbesondere im oberen Drehmomentbereich der Hauptmaschine von Vorteil sein, wenn sich deren Läufer typischerweise nur langsam dreht, der Strom durch die Induktionswicklung der Hauptmaschine jedoch hoch ist, die Wärmentwicklung infolge ohmscher Verluste dort hoch ist und die Drehzahl des Läufers der Hauptmaschine für eine Kühlung der Induktionswicklung eher unzureichend ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Fig. alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 schematisch eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der elektrischen Maschine;
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2 eine schematische perspektivische Detailansicht der ersten Ausführungsform;
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3 eine schematische Seitenansicht auf den Rotor der Hauptmaschine und die Erregermaschine einer zweiten Ausführungsform der elektrischen Maschine;
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4 eine schematische Frontansicht einer dritten Ausführungsform der elektrischen Maschine;
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5 eine schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erregen einer elektrischen Maschine.
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Die in den 1 und 2 gezeigte elektrische Maschine 10 umfasst eine Hauptmaschine 20 mit einem Stator 22 und einem Läufer 24, der eine Erregerwicklung 25 umfasst. Der Läufer 24 wird üblicherweise auch als Rotor bezeichnet. Um die Lesbarkeit zu fördern, wird im Folgenden für den Rotor 24 der Hauptmaschine der Begriff 'Läufer' verwendet, während der Läufer 31 der Erregermaschine als 'erster Rotor' und der Stator 32 der Erregermaschine als 'zweiter Rotor' bezeichnet wird.
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Die Hauptmaschine 20 umfasst einen stromerregten Läufer 24. Hierbei ist im Läufer 24 kein permanentmagnetisches Material (oder nur wenig) eingebracht, wobei das magnetische Feld zur Wechselwirkung mit dem Stator 22 im Wesentlichen von Strom durchflossenen Spulen 25 stammt.
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Außerdem umfasst die elektrische Maschine 10 eine Erregermaschine 30 mit einem ersten Rotor 31 und einem zweiten Rotor 32. Der erste Rotor 31 ist mit dem Läufer 24 der Hauptmaschine 20 drehfest, vorzugsweise fest, verbunden. Der zweite Rotor 32 der Erregermaschine 30 ist um die Drehachse 33 des ersten Rotors 31 der Erregermaschine 30 drehbar gelagert. So hat der zweite Rotor 32 für den ersten Rotor 31 die Funktion eines Stators.
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Die Erregermaschine 30 umfasst Induktionswicklungen 36, die Teil des ersten Rotors 31 sind. Zur Erzeugung eines Erregerfeldes für die Erregermaschine 30 umfasst die Erregermaschine 30 Permanentmagnete 37 die Teil des zweiten Rotors 32 der Erregermaschine 30 sind. Die Permanentmagnete 37 weisen ein statisches magnetisches Feld auf. Über eine Relativgeschwindigkeit ist eine Induktion und damit ein Stromfluss und ein magnetisches Feld in der Erregerwicklung 25 steuerbar. Im Überdeckungsbereich der Induktionswicklungen 36 des ersten Rotors 31 der Erregermaschine 30 ist der unabhängig drehbare zweite Rotor 32 mit Permanentmagneten 37 angeordnet, die bei einer Relativdrehung in den Induktionswicklungen 36 eine Spannung induzieren, die zu einem Stromfluss durch die Erregerwicklung 25 der Hauptmaschine 20 führt.
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Die Erfindung schlägt also vor, das Magnetfeld, welches für die Induktion in der Erregermaschine 30 benötigt wird, nicht in einem feststehenden Stator der Erregermaschine 30 zu erzeugen, sondern in einem zweiten Rotor 32 der Erregermaschine 30, der sowohl gegenüber dem ersten Rotor 31 der Erregermaschine 30 als auch gegenüber dem Stator 22 der Hauptmaschine 20 verdrehbar ist.
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Außerdem schlägt die Erfindung als Weiterbildung vor, das Erregerfeld der Erregermaschine 30 mittels Permanentmagneten 37 bereitzustellen, die in dem zweiten Rotor 32 der Erregermaschine 30 angeordnet sind.
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Zum Antrieb des zweiten Rotors 32 der Erregermaschine 30 (in Relation zu dem Stator 22 der Hauptmaschine 20) mittels eines Treibriementriebs 40 ist der zweite Rotor 32 der Erregermaschine 30 als Riemenscheibe 39 ausgebildet.
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An dem zweiten Rotor 32 der Erregermaschine 30 ist ein Schaufelrad 50 oder Schaufeln 51 eines Schaufelrads 50 für eine offene oder für eine geschlossene Kühlung befestigt. Hierdurch kann ein Kühlmedium (beispielsweise Luft oder Öl) durch die elektrische Maschine 10 gefördert werden. Durch Befestigung der Schaufeln 51 an dem zweiten Rotor 32 der Erregermaschine 30 wird folgendes Problem vermieden, das auftritt, wenn die Schaufeln 51 an dem Läufer 24 der Hauptmaschine 20 oder auf dem ersten Rotor 31 der Erregermaschine 30 befestigt sind. Der von der Hauptmaschine 20 aufgenommene oder abgegebene Strom ist besonders hoch, wenn die Hauptmaschine 20 mit hohem Drehmoment läuft. Typischerweise ist dann deren Drehzahl (die Läuferdrehzahl) eher niedrig, so dass Schaufeln 51, die mit dem Läufer 24 der Hauptmaschine 20 verbunden sind, die erforderliche Kühlleistung nicht erbringen können.
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Der zweite Rotor 32 der Erregermaschine 30 kann (aus Sicht des ersten Rotors 31) als Außenläufer (mit Radialfluss) und/oder als Innenläufer (mit Radialfluss) und/oder als Scheibenläufer (mit Axialfluss und Spulenachse parallel zu der Drehachse 33 des ersten Rotors 31) ausgestaltet sein. Dadurch besteht ein konstruktiver Freiheitsgrad, der für die Anordnung und den Antrieb der Permanentmagnete 37 bzw. einer (in den Figuren nicht dargestellten) Erregerwicklung der Erregermaschine 30 genutzt werden kann.
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Die 3 zeigt rechts einen Läufer 24 einer Hauptmaschine 20, in der Mitte einen ersten Rotor 31 einer Erregermaschine 30 und links davon einen zweiten Rotor 32 der Erregermaschine 30. Bei dieser Ausführungsform läuft der zweite Rotor 32 als Scheibenläufer mit axialem Magnetfeld mit seinen Permanentmagneten 37 neben dem ersten Rotors 31 um, der die Induktionswicklungen 36 der Erregermaschine 30 aufweist.
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Die 4 zeigt eine schematische Frontansicht einer dritten Ausführungsform der elektrischen Maschine 10, in der der erste Rotor 31 der Erregermaschine 30 als Außenläufer ausgeführt ist. Der zweite Rotor 32 umfasst auf einem Innenumfang einen Zahnkranz, der mittels eines Ritzels 45 antreibbar ist.
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Die 5 zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens 100 zum Erregen einer elektrischen Maschine 10, die eine Hauptmaschine 20 und eine Erregermaschine 30 umfasst. Hierbei ist ein erster Rotor 31 der Erregermaschine 30 drehfest mit einem Läufer 24 der Hauptmaschine 20 verbunden.
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Das Verfahren 100 umfasst folgende Schritte:
In einem ersten Schritt 110 wird mittels eines zweiten Rotors 32 der Erregermaschine 30 ein Erregerfeld bereitgestellt.
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In einem zweiten Schritt 120 wird der zweite Rotor 32 der Erregermaschine 30 relativ zu dem ersten Rotor 31 der Erregermaschine 30 angetrieben. Beim Antreiben 120 des zweiten Rotors 32 entsteht eine Relativbewegung zwischen dem zweiten Rotor 32 und dem ersten Rotor 31 der Erregermaschine 30.
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In einem dritten Schritt 130 wird eine Spannung in einer Induktionswicklung 36 des ersten Rotors 31 der Erregermaschine 30 induziert. Hierbei induziert die Relativbewegung des Erregerfeldes des zweiten Rotors 32 zu den Induktionswicklungen 36 des ersten Rotors 31 eine Spannung die vom Erregerfeld, der Relativbewegung und den Induktionswicklungen 36 abhängig ist. Da das Erregerfeld der Permanentmagnete 37 als unveränderlich anzusehen ist und ebenso die Induktionswicklungen 37 des ersten Rotors 31 eine unveränderliche Größe sind, ist die Relativbewegung die einzige Größe die zur Beeinflussung der induzierten Spannung verändert werden kann, was ein Einstellen beziehungsweise Steuern und/oder Regeln einfach macht.
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In einem vierten Schritt 140 wird eine Erregerwicklung 25 des Läufers 24 der Hauptmaschine 20 mit elektrischer Energie aus der Induktionswicklung 36 der Erregermaschine 30 versorgt.
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Für alle Ausführungsformen gilt Folgendes:
Die Spulenanzahl im ersten Rotor 31 der Erregermaschine 30 und im Läufer 24 der Hauptmaschine 20 kann verschieden oder gleich sein. Die Spulen im Läufer 24 sind an den Spulen des ersten Rotors 31 der Erregermaschine 30 typischerweise über eine Gleichrichtervorrichtung angeschlossen.
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Der zweite Rotor 32 kann (mit nur kleinem Abstand) platzsparend direkt neben Hauptmaschine 20 oder in einem größeren Abstand zur Hauptmaschine 20 angeordnet sein.
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Der erste Rotor 31 der Erregermaschine 30 ist drehfest mit dem Läufer 24 der Hauptmaschine 20 verbunden. Als drehfeste Verbindung kann ein Flansch oder eine Welle dienen, so dass eine Achse des Läufers 24 der Hauptmaschine 20 mit der Achse des ersten Rotors 31 der Erregermaschine 30 fluchtet.
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Alternativ ist es auch möglich, die Erregermaschine 30 abgewinkelt oder versetzt zu der Hauptmaschine 20 anzuordnen. Dazu kann der erste Rotor 31 der Erregermaschine 30 mit dem Läufer 24 der Hauptmaschine 20 beispielsweise mittels einer biegsamen Welle, einer Kardanwelle, einem Kegelgetriebe oder einer anderen drehfesten Verbindung verbunden sein. Der oder die Stromleiter von der Induktionswicklung 36 der Erregermaschine 30 zu der Erregerwicklung 25 im Läufer 24 der Hauptmaschine 20 sowie der oder die zugehörigen Rückleiter können an der Biege- oder Knickstelle oder durch die Kegelzahnräder als Litze, d. h. als elektrischer Leiter, der aus vielen dünnen Einzeldrähten besteht, ausgeführt sein.
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Der zweite Rotor 32 der Erregermaschine 30 kann beispielsweise mittels eines Zahnradantriebs, eines Zahnkettenantriebs, eines Riemenantriebs 40, eines elektrischen Antriebs oder eines mechanischem Antriebs antreibbar sein. Hierzu kann der zweite Rotor 32 beispielsweise einen innen- oder außenliegenden Zahnkranz 38 und/oder eine Riemenscheibe 39 aufweisen. Der Antrieb des zweiten Rotors 32 kann ungeregelt, drehzahlgeregelt, spannungsgeregelt, leistungsgeregelt, drehmomentgeregelt und/oder temperaturgeregelt sein.
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Der zweite Rotor 32 der Erregermaschine 30 kann auf dem Läufer 24 der Hauptmaschine 20 und/oder in einem umgebenden Gehäuse der elektrischen Maschine 10 gelagert sein.
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Vorzugsweise ist die elektrische Maschine 10 so ausgelegt, dass sich ein zufriedenstellendes oder optimales Betriebsverhalten einstellt, wenn sich der zweite Rotor 32 der Erregermaschine 30 im Verhältnis zu dem Stator 22 der Hauptmaschine 20 nicht dreht oder nur mit verhältnismäßig geringer Drehzahl dreht, wenn die Hauptmaschine 20 in einem Drehzahlbereich betrieben wird, für den die elektrische Maschine 10 zur hauptsächlichen Verwendung (Nutzungsschwerpunkt) vorgesehen ist. Dann bewegen sich die Induktionswicklung 36 der Erregermaschine 30 ohne besondere Maßnahme mit einer passenden Relativdrehzahl zu dem zweiten Rotor 32, auf dem die Permanentmagnete 37 befestigt sind. Hierdurch erübrigt sich im Normalbetrieb ein Antrieb des zweiten Rotors 32.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass eine Verriegelungs- oder Bremsvorrichtung 45 vorgesehen ist, mit der der zweite Rotor 32 in einer Position fixiert oder auf kleine Drehzahlen abgebremst werden kann. Hierdurch kann im Normalbetrieb jeglicher Energieverbrauch für ein Fixieren des zweiten Rotors 32 vermieden werden.
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Der Stator 22, der Läufer 24, der erste Rotor 31 und/oder der zweite Rotor 32 können jeweils eine Kühlung aufweisen. Für jede der genannten Komponenten kann ein individuelles (d. h. gleiches oder unterschiedliches) Kühlverfahren angewendet werden. Die Kühlung kann für jede der genannten Komponenten entweder separat durch einzelne Kühlkanäle und Leitungen oder auch gemeinsam mittels einer offenen Sprühkühlung erfolgen.
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Die Permanentmagnete 37 können hocheffiziente Hochleistungsmagnete sein. In der Regel reicht die Verwendung einfacher Permanentmagnete 37 aus, weil für die Permanentmagnete 37 ein ausreichender Bauraum zur Verfügung steht.
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Die Hauptmaschine 20 kann eine getriebe- und/oder kupplungs- und/oder torsionsdämpferintegrierte elektrische Maschine sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrische Maschine
- 20
- Hauptmaschine
- 22
- Stator der Hauptmaschine
- 24
- Läufer der Hauptmaschine
- 25
- Erregerwicklung der Hauptmaschine
- 30
- Erregermaschine
- 31
- erster Rotor der Erregermaschine
- 32
- zweiter Rotor der Erregermaschine
- 33
- Drehachse des ersten Rotors der Erregermaschine
- 35
- Luftspalt
- 36
- Induktionswicklung der Erregermaschine
- 37
- Permanentmagnete
- 38
- Zahnkranz
- 39
- Riemenscheibe
- 40
- Treibriementrieb
- 41
- Treibriemen
- 45
- Verriegelungs- oder Bremsvorrichtung
- 50
- Schaufelrad
- 51
- Schaufel
- 100
- Verfahren
- 110
- Bereitstellen des Erregerfeldes
- 120
- Antreiben des zweiten Rotors
- 130
- Induzieren einer Spannung in der Induktionswicklung der Erregermaschine
- 140
- Versorgen einer Erregerwicklung der Hauptmaschine mit elektrischer Energie aus der Induktionswicklung der Erregermaschine
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CH 413996 [0002]
- DE 1613630 C3 [0003]
- DE 10027107 A1 [0003]
