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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft eine Elektromotoranordnung.
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HINTERGRUND
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Einige Elektromotoren/ Generatoren werden als Permanentmagnetmotoren bezeichnet. Derartige Motoren weisen einen Stator mit Wicklungen auf, die einen dreiphasigen Wechselstrom führen, der eine elektromotorische Kraft zum Drehen eines Rotors erzeugt, der Permanentmagnete aufweist. Gleichzeitig erzeugen die rotierenden Magnetfelder der Permanentmagnete eine „gegenelektromotorische Kraft“ in den Wicklungen. Die sogenannte gegenelektromotorische Kraft ist eine Spannung, die der Spannung in den Statorwicklungen entgegenwirkt. Die magnetische Feldstärke und die gegenelektromotorische Kraft, die auf jede Phase der Statorwicklung einwirken, variieren sinusförmig mit der Drehposition des Rotors. Der Mittelwert der gegenelektromotorischen Kraft ist proportional zu der Drehzahl des Rotors. Bei Bedingungen mit niedriger Drehzahl ist die durch die gegenelektromotorische Kraft in den Wicklungen erzeugte Spannung relativ gering und die gegenelektromotorische Kraft wird im Vergleich zur Eingangsspannung nicht signifikant sein. Bei einer hohen Ausgabedrehzahl ist die durch die gegenelektromotorische Kraft in den Wicklungen erzeugte Spannung relativ hoch und im Vergleich zu der Maximalspannung, die an die Wicklungen angelegt werden kann, signifikant, sodass ohne eine Reduktion des Magnetfelds des Rotors nur wenig oder kein Strom in den Wicklungen fließen wird. Typischerweise wird ein Feldschwächstrom an die Statorwicklungen angelegt, um das Magnetfeld und die gegenelektromotorische Kraft zu unterdrücken, sodass ein Drehmoment erzeugender Strom bei hohen Rotordrehzahlen durch die Wicklungen fließen oder freier fließen wird. Eine mechanische Reduktion der gegenelektromotorischen Kraft speziell bei Bedingungen mit hoher Drehzahl könnte den Wirkungsgrad des Motors/Generators signifikant verbessern, indem der Bedarf für Feldschwächströme durch die Statorwicklungen hindurch reduziert oder beseitigt wird, sodass alle Ströme, die durch die Statorwicklungen hindurchfließen, zur Erzeugung von Drehmoment und damit von Nutzarbeit dienen.
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Die Druckschrift
DE 197 43 314 A1 offenbart einen bürstenlosen Motor mit Permanentmagneten, der einen Rotor mit zwei kreisringförmigen Rotorsegmenten aufweist, die drehzahlabhängig relativ zueinander um eine Rotorachse verdreht werden können. Diese Verdrehung zueinander erfolgt unter Verwendung drehbar gelagerter kreisbogenförmiger Komponenten, die sich bei höheren Drehzahlen durch Zentrifugalkräfte bewegen.
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In der Druckschrift
JP 2007 -
259 531 A ist eine dynamoelektrische Maschine mit drei Rotorsegmenten offenbart, wobei ein Rotorsegment durch einen Verschiebemechanismus relativ zu den anderen drehzahlabhängig verdrehbar ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei Elektromotoren/Generatoren speziell bei Bedingungen mit hoher Drehzahl die gegenelektromotorische Kraft auf mechanische Weise zu verringern und dadurch den Wirkungsgrad zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Elektromotoranordnung nach Anspruch 1 sowie einen Fahrzeugantriebsstrang gemäß Anspruch 4. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen wieder.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Durch Unterteilen des Rotors eines Radialflussmotors in axiale Abschnitte oder Segmente, die jeweils einen oder mehrere Sätze von Permanentmagneten aufweisen, und von denen sich mindestens einer bzw. eines um die Drehachse relativ zu den anderen bewegen kann (d.h. verdreht oder phasenverschoben), werden die Magnete zueinander um einen zunehmenden Betrag versetzt, wenn die gemeinsame Drehzahl der Rotorabschnitte steigt. Das Versetzen der Magnete zueinander verringert die Amplitude der sinusförmigen Variation der Magnetfeldstärke und der gegenelektromotorischen Kraft, die durch die rotierenden Magnete erzeugt wird. Die Reduktion der gegenelektromotorischen Kraft ermöglicht eine Reduktion oder Beseitigung der Feldschwächströme, die angelegt werden müssen, und erhöht dadurch den Motorwirkungsgrad.
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Es wird eine Elektromotoranordnung bereitgestellt, die einen Stator mit elektrischen Wicklungen und eine Rotoranordnung, die um eine Drehachse herum drehbar ist, enthält. Die Rotoranordnung weist eine Rotornabe und einen Rotor, der an der Rotornabe abgestützt ist, auf. Die Rotornabe weist erste und zweite Rotornabenabschnitte auf. Der Rotor weist erste und zweite kreisringförmige Rotorsegmente auf, wobei das erste kreisringförmige Rotorsegment zur Drehung mit dem ersten Rotornabenabschnitt abgestützt ist und das zweite kreisringförmige Rotorsegment zur Drehung mit dem zweiten Rotornabenabschnitt abgestützt ist. Jedes der Rotorsegmente weist einen jeweiligen Satz von Magneten auf, die umlaufend um dieses herum voneinander beabstandet sind. Die Rotornabe und die Rotorsegmente sind so ausgestaltet, dass sich mindestens eines der Rotorsegmente um die Drehachse herum relativ zu dem anderen Rotorsegment bewegt, wenn sich die Rotornabe dreht. Die Relativbewegung des mindestens einen der Rotorsegmente erfolgt um einen Betrag, der ansteigt, wenn die Drehzahl der Rotornabe steigt, um die gegenelektromotorische Kraft zu reduzieren. Die Bewegung kann durch Ausnutzen der Zentrifugalkraft erzeugt werden, welche ansteigt, wenn die Drehzahl steigt, ohne dass ein Steuersystem zum Bewirken der Bewegung benötigt wird.
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Die Elektromotoranordnung kann mit verschiedenen Ausführungsformen von Phasenverschiebungsmechanismen ausgestaltet sein, um die Relativbewegung eines der Rotorsegmente zu erzeugen. Beispielsweise kann ein hydraulisch betätigter Flügelphasensteller, ein hydraulisch betätigter Schraubenradphasensteller oder ein Phasensteller, der Zentrifugalmassen und kämmende Zahnräder verwendet, verwendet werden. Bei jeder dieser Ausführungsformen kann die Betätigung des Phasenstellers vollständig passiv sein, indem sie sich nur auf die Drehung des Rotors stützt, um eine Betätigung des Phasenstellers zu bewirken, wobei der Betrag der Phasenverschiebung ansteigt, wenn die Drehzahl ansteigt.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten, um die Erfindung auszuführen, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Antriebsstrangs, der eine Elektromotoranordnung im Umfang der Erfindung aufweist;
- 2 ist eine detailliertere schematische Querschnittsdarstellung der Elektromotoranordnung von 1;
- 3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung in Frontansicht der Elektromotoranordnung von 2, wobei eine Endabdeckung entfernt ist;
- 4 ist eine schematische fragmentarische Querschnittsdarstellung einer anderen Ausführungsform einer Elektromotoranordnung im Umfang der Erfindung, die im Antriebsstrang von 1 verwendet werden kann;
- 5 ist eine schematische Querschnittsdarstellung der Elektromotoranordnung von 4 entlang der Linien 5-5 mit einer ersten Ausführungsform eines Phasenverschie bungsmechanismus;
- 6 ist eine schematische Querschnittsdarstellung der Elektromotoranordnung von 2 entlang der Linien 6-6 mit einer zweiten Ausführungsform eines Phasenverschie bungsmechanismus;
- 7 ist eine schematische Seitenansichtsdarstellung der Rotoranordnung von 2 entlang der Linien 7-7 mit einer dritten Ausführungsform eines Phasenverschiebungsmechanismus, wobei sich der Rotor mit einer relativ geringen Drehzahl dreht oder stationär ist;
- 8 ist eine schematische Frontansichtsdarstellung der Rotoranordnung von 7, wobei sich der Rotor mit einer relativ hohen Drehzahl dreht;
- 9 ist eine beispielhafte Darstellung der gegenelektromotorischen Kraft gegenüber einem Verdrehungswinkel für eine Elektromotoranordnung mit einer Phasenverschiebung von Rotorabschnitten; und
- 10 ist eine beispielhafte Darstellung eines Vergleichs des Systemleistungsverlustes für eine Elektromotoranordnung gegenüber einer Drehmomentbelastung mit und ohne Verdrehung der Rotorabschnitte bei verschiedenen Drehzahlen der Rotorabschnitte.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in den mehreren Ansichten gleiche Komponenten bezeichnen, zeigt 1 ein Beispiel eines Antriebsstrangs 10, der eine Kraftmaschine 12 enthält, die mit einem Eingabeelement 14 eines Getriebes 16 wirksam verbunden ist, um Leistung an ein Ausgabeelement 18 des Getriebes 16 zu liefern. Der Antriebsstrang 10 kann ein Fahrzeugantriebsstrang sein, bei dem das Ausgabeelement 18 mit Fahrzeugrädern verbunden ist, um eine Antriebskraft an den Rädern bereitzustellen. Das Getriebe 16 ist ein elektromechanisches Hybridgetriebe mit zwei Elektromotoranordnungen 20, 22, die mit verschiedenen Elementen einer Zahnradanordnung 24 verbunden sind, die im Getriebe 16 enthalten ist. Die Elektromotoranordnungen 20, 22 werden hier als Motoren/Generatoren 20, 22 bezeichnet, da sie von einem Controller 26 so gesteuert werden können, dass sie in verschiedenen Betriebsmodi des Getriebes 16 entweder als Motoren oder als Generatoren betrieben werden können. Im Umfang der beanspruchten Erfindung kann ein Antriebsstrang alternativ nur einen Motor/Generator aufweisen.
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Der Controller 26 ist mit einer Energiespeichervorrichtung verbunden, etwa einer Batterie 28, und steuert den Leistungsfluss von der Batterie 28 an einen oder beide Motoren/Generatoren 20, 22 durch einen Gleichrichter/Wechselrichter 30, wenn der Motor/Generator 20 und/oder 22 als Motor arbeitet, und er steuert den Leistungsfluss von einem oder beiden Motoren/Generatoren 20, 22 an die Batterie 28 über den Gleichrichter/Wechselrichter 30, wenn der Motor/Generator 20 und/oder 22 so gesteuert wird, dass er als Generator arbeitet.
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Die Motoren/Generatoren 20, 22 sind in Struktur und Konstruktion im Wesentlichen gleich. Folglich wird der Motor/Generator 20 in weiterem Detail beschrieben und die Beschreibung trifft gleichermaßen auf den Motor/ Generator 22 zu. Der Motor/Generator 20 weist eine Rotoranordnung 32 auf, die einen Rotor 34 enthält, der an einer Rotornabe 36 montiert ist, die mit einem Element der Zahnradanordnung 24 derart verbunden ist, dass die Rotoranordnung 32 um eine Drehachse 38 herum drehbar ist, welche bei dieser Ausführungsform die gleiche wie die Drehachse des Eingabeelements 14 und des Ausgabeelements 18 ist. Der Rotor 34 ist ein Permanentmagnetrotor, der Sätze von Magneten aufweist, die um seinen Umfang herum verteilt sind, wie nachstehend weiter beschrieben wird und in 2 und 3 gezeigt ist. Um die gegenelektromotorische Kraft zu reduzieren, die bei Permanentmagnetrotoren auftritt, sind die Rotornabe 36 und der Rotor 34 jeweils in mehrere axiale Abschnitte unterteilt und so ausgestaltet, dass sie ermöglichen, dass mindestens einer der Abschnitte relativ zu den anderen phasenverschoben wird, wie nachstehend weiter beschrieben ist. Der Motor/Generator 20 weist auch einen Stator 40 auf, der an einem stationären (d.h. sich nicht drehenden) Element 42 montiert ist, wie etwa einem Gehäuse des Getriebes 16. Elektrische Wicklungen 44 erstrecken sich zwischen den zwei axialen Enden des Stators 40.
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Mit Bezug auf 2 ist der Motor/Generator 20 in größerem Detail gezeigt. Bei der gezeigten Ausführungsform enthält die Rotornabe 36 einen ersten Rotornabenabschnitt 50 und einen zweiten Rotornabenabschnitt 52. Der Rotor 34 enthält einen ersten Rotorabschnitt 54, der zur Drehung mit dem ersten Rotornabenabschnitt 50 abgestützt ist, und einen zweiten Rotorabschnitt 56, der zur Drehung mit dem zweiten Rotornabenabschnitt 52 abgestützt ist. Die Rotorabschnitte 54, 56 werden hier auch als Rotorsegmente bezeichnet. Die Rotorabschnitte 54, 56 und die Nabenabschnitte 50, 52 sind axial ein wenig voneinander beabstandet. Ein Lager 55 ermöglicht die Drehung des Rotornabenabschnitts 50 relativ zu einem Motorgehäuse 57 und ein Lager 59 ermöglicht die Drehung des Rotorabschnitts 56 relativ zu einer Endabdeckung 58.
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Wie in 3 gezeigt ist, bei der die Endabdeckung 58 (siehe 2) des Motors/ Generators 20 entfernt ist, weist der Rotorabschnitt 56 Sätze von Magneten 60, 62 auf, die um seinen Umfang herum verteilt sind. Ein durch die Wicklungen 44 des Stators 40 fließender Strom erzeugt eine Magnetkraft, welche die Magnete 60, 62 abwechselnd anzieht und abstößt. Die Magnetkraft erzeugt ein Drehmoment zum Drehen des Rotorabschnitts 56. Zusätzliche in 2 gezeigte Sätze von Magneten 66, 68 sind um den Umfang des Rotorabschnitts 54 herum verteilt. Die Sätze von Magneten 66, 68 sind relativ zueinander in dem gleichen Schrägstellungsmuster wie die Sätze von Magneten 60, 62 angeordnet. Ein durch die Wicklungen 44 des Stators 40 fließender Strom erzeugt eine Magnetkraft, die die Magnete 66, 68 abwechselnd anzieht und abstößt. Die Magnetkraft erzeugt ein Drehmoment zum Drehen des Rotorabschnitts 54. Da die Sätze von Magneten 60, 62 im Wesentlichen identisch zu den Sätzen von Magneten 66, 68 sind, bewirkt der Strom, der durch die Wicklungen 44 fließt, dass sich die Abschnitte 54, 56 mit der gleichen Drehzahl drehen, obwohl sie axial voneinander getrennt sind.
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Bei anderen Ausführungsformen können die Motoren/ Generatoren 20, 22 von 1 mehr als zwei Rotorabschnitte aufweisen. Beispielsweise können die Motoren/Generatoren 20, 22 von 1, wie in 4 gezeigt ist, durch Motoren/Generatoren ersetzt werden, die ähnlich wie ein Motor/Generator 120 sind, der eine Rotoranordnung 132 mit drei Rotorabschnitten 154, 157 und 156 aufweist, die hier ebenfalls als Rotorsegmente bezeichnet werden, mit einem mittleren Rotorabschnitt 157, der relativ zu den Rotorabschnitten 154, 156 an beiden axialen Seiten des mittleren Rotorabschnitts 157 um die Drehachse 38 herum bewegbar ist. Der Motor/Generator 120 weist einen ersten Rotornabenabschnitt 150 auf, der zwei der Rotorabschnitte 154 und 156 abstützt, und einen zweiten Rotornabenabschnitt 152, der den mittleren Rotorabschnitt 157 abstützt. Jeder Rotorabschnitt 154, 156, 157 weist einen oder mehrere jeweilige Sätze von Magneten 160, 162, 163 auf, die um seinen Umfang herum voneinander beabstandet sind.
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Bei jeder Ausführungsform ist die Rotoranordnung 32 oder 132 mit einem Phasenverschiebungsmechanismus 51 ausgestaltet, der ermöglicht, dass sich einer der Rotorabschnitte (der Rotorabschnitt 56 in 2 und der Rotorabschnitt 157 in 4) um die Drehachse 38 herum relativ zu den anderen Rotorabschnitten bewegt. Die Bewegung, die auch als Winkelverdrehung oder Phasenverschiebung bezeichnet wird, wird aufgrund der Zentrifugalkraft auf passive Weise bewerkstelligt (d.h. ohne ein Steuersystem), und ihre Größe steigt an, wenn die Drehzahl der Rotoranordnung 32 oder 132 steigt. Die mit steigender Rotordrehzahl ansteigende Verdrehung reduziert die gegenelektromotorische Kraft besser, die andernfalls dazu neigt, mit steigender Rotordrehzahl anzusteigen. Bei den in 5-8 gezeigten Ausführungsformen tritt die Relativbewegung aufgrund der Zentrifugalkraft ohne ein Steuersystem auf. Diese Zentrifugalkraft kann beispielsweise auf ein Fluid in einem radial Kanal 72 einwirken, der im Rotornabenabschnitt 150, wie in 5 gezeigt ist, oder im Rotornabenabschnitt 52, wie in 6 gezeigt ist, ausgebildet ist, um einen Hydraulikdruck zum Betreiben des Phasenverschiebungsmechanismus 51 aufzubauen. Alternativ kann die Relativbewegung aus einem gesteuerten Betätigungsmechanismus resultieren, wie etwa zum Steuern eines Hydraulikdrucks, um die Bewegung zu veranlassen. Beispielsweise kann ein gesteuerter Hydraulikdruck dem Ende des Fluidkanals 72 in der Nähe der Drehachse 38 zugeführt werden.
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Mit Bezug auf 5 kann der Phasenverschiebungsmechanismus 51 von 2 und 4 bei einer ersten Ausführungsform ein hydraulischer Flügelphasensteller 70 sein. 5 zeigt den Phasensteller 70 in der Rotoranordnung 132 von 4, würde aber gleichermaßen in der Rotoranordnung 32 von 2 installiert werden, um die Rotorabschnitte 54, 56 in der Phase zu verschieben. In 5 weist der Rotornabenabschnitt 150 mehrere radiale Kanäle 72 auf, die ermöglichen, dass ein Hydraulikfluid vom Innendurchmesser 73 des Rotornabenabschnitts 150 zu dem Außendurchmesser 74 des Rotornabenabschnitts 150 strömt. Am Außendurchmesser 74 erstreckt sich ein Hohlraum 76 zwischen dem Außendurchmesser 74 und dem Innendurchmesser des Rotornabenabschnitts 152. Ein erster Satz von Flügeln oder Schaufeln 77 erstreckt sich vom Außendurchmesser 74 aus teilweise in den Hohlraum 76 hinein. Ein zweiter Satz von Flügeln 78 erstreckt sich vom Innendurchmesser 71 des Rotornabenabschnitts 152 aus teilweise in den Hohlraum 76 hinein. Die Flügel 77, 78 sind miteinander verzahnt und können sich teilweise oder vollständig um den äußeren Umfang des Rotornabenabschnitts 150 und den inneren Umfang des Rotornabenabschnitts 152 herum erstrecken. Wenn sich die Rotoranordnung 132 dreht, wird Hydraulikfluid durch die Kanäle 72 aufgrund der Zentrifugalkraft radial nach außen in den Hohlraum 76 gedrückt. Das Fluid kann in die Kanäle 72 durch Durchgänge in dem Getriebeelement eintreten, an dem der Rotornabenabschnitt 150 zur Drehung verkeilt oder anderweitig montiert ist. Die Flügel 77, 78 und die Fluidkanäle 72 sind derart angeordnet, dass der erhöhte Fluiddruck im Hohlraum 76 dazu tendiert, den Rotornabenabschnitt 152 und den daran angebrachten Rotorabschnitt 157 relativ zum Rotornabenabschnitt 150 in 5 im Uhrzeigersinn zu bewegen. Zwischenräume 79 zwischen den Ölkammern 76 weisen kleine Abzugsöffnungen 75 an den Rand des Rotornabenabschnitts 152 auf, die ermöglichen, dass sich ein Teil des Fluids in den Zwischenräumen 79 während der Relativbewegung oder Phasenverschiebung der Rotornabenabschnitte 150, 152 in die Abzugsöffnungen 75 hinein bewegt, um die Ansammlung des Fluids, wie etwa Öl, in den Zwischenräumen 79 zu verhindern, welche der Phasenverschiebungsbewegung entgegenwirken würde. Wenn die Drehzahl der Rotoranordnung 132 abnimmt, nimmt die Zentrifugalkraft ab, sodass das Fluid radial nach innen durch die Kanäle 72 zurückkehrt und die Verdrehung oder Phasenverschiebung abnimmt.
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Eine Torsionsrückstellfeder 80 mit Enden 81 und 83 ist zwischen den Rotornabenabschnitten 150 und 152 montiert und so vorgespannt, dass sie eine Kraft dazwischen ausübt, um die Flügel 78 auf einen vorbestimmten Abstand relativ zu den Flügeln 77 zurückzustellen, wenn die Drehzahl der Rotoranordnung 132 bei oder unter einer vorbestimmten Drehzahl liegt. Auf diese Weise verhindert die Feder 80 eine Bewegung des Rotornabenabschnitts 152 relativ zu dem Rotornabenabschnitt 150 von 4, bis der Fluiddruck ausreicht, um die Kraft zu überwinden, die von der Feder 80 auf die Rotornabenabschnitte 150 und 152 ausgeübt wird. Die Feder 80 ist so ausgestaltet, dass die Federkraft sicherstellt, dass eine relative Phasenverschiebung der Rotornabenabschnitte 150 und 152 zur Reduzierung der gegenelektromotorischen Kraft erst dann auftritt, wenn die Drehzahl der Rotoranordnung 132 (und damit der Hydraulikdruck im Hohlraum 76) ein vorbestimmtes minimales Niveau erreicht.
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Es ist auch ein Verriegelungsstift 85 vorgesehen, welcher, wenn er durch eine Feder 87 in Eingriff gestellt wird, den Rotornabenabschnitt 152 an einer vorbestimmten Position relativ zum Rotornabenabschnitt 150 verriegelt, indem er sich in ein Loch 89 im Rotornabenabschnitt 150 und in ein Loch 91 in einem Block 93, der am Rotornabenabschnitt 152 angebracht ist, hinein erstreckt. Der Block 93 ist am Rotornabenabschnitt 152 an einer anderen axialen Stelle angebracht, die im Querschnitt von 5 nicht gezeigt ist. Auf den Verriegelungsstift 85, wie er in 5 gezeigt ist, wirken sowohl die Zentrifugalkraft, sodass er entriegelt, wenn die Rotornabenabschnitte 150, 152 eine vorbestimmte Drehzahl erreichen, als auch die Kraft einer Rückstellfeder 87 ein. Das Loch 89 für den Verriegelungsstift 85, wie es in 5 gezeigt ist, erstreckt sich zu dem Innendurchmesser des Rotornabenabschnitts 150, was ermöglicht, dass ein beliebiger Hydraulikdruck, der auf die Kanäle 72 aufgebracht wird, auch auf den Verriegelungsstift 85 einwirkt. Der Verriegelungsstift 85 kann daher jegliche Bewegung, einschließlich von Reaktionen auf Rotorvibrationen, zwischen dem mittleren Rotorabschnitt 157 und den anderen Rotorabschnitten 154 und 156 bei niedrigen Drehzahlen verhindern, wenn das Rotordrehmoment seine größten Werte erreichen kann.
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Obwohl der Flügelphasensteller 70 mit Bezug auf die Rotoranordnung 132 dargestellt ist, könnte er als der Phasenverschiebungsmechanismus 51 in der Rotoranordnung von 2 installiert werden. In 5 würden sich die Flügel 78 dann vom Rotorabschnitt 56 aus statt vom Rotornabenabschnitt 152 aus erstrecken, sodass der Rotorabschnitt 56 relativ zum Rotorabschnitt 54 durch den Hydraulikdruck passiv phasenverschoben würde.
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6 zeigt einen Phasensteller 170, der als der Phasenverschiebungsmechanismus 51 in 2 und 4 verwendet werden kann und mit Bezug auf den Rotornabenabschnitt 52 von 2 dargestellt ist. Ein kreisringförmiger Kolben 172 ist mit dem Rotornabenabschnitt 52 verkeilt und kann sich darauf axial bewegen, wenn ein Fluiddruck auf seine Oberfläche 174 aufgebracht wird. Der Kolben 172 weist Schraubenradaußenzähne 176 auf. Der Kolben 172 wird durch eine Feder 178 (hinter dem Kolben 172 nur gestrichelt gezeigt) in eine vorbestimmte axiale Position gedrückt. Wenn sich ein Hydraulikdruck von den Kanälen 72 in einen Hohlraum 180 benachbart zu den Zähnen 176 (in 6 vor der Oberfläche 174) entleert und gegen die Oberfläche 174 wirkt, bewegt sich der Kolben 172 axial entlang von Schraubeninnenzähnen 182, die am Rotorabschnitt 56 verkeilt oder ausgebildet sind. Die Schraubenform der Zähne 176, 182 bewirkt, dass sich der Rotorabschnitt 56 um die Drehachse 38 herum bewegt, wenn sich der Kolben 172 axial bewegt, wodurch der Rotorabschnitt 56 relativ zu dem benachbarten Rotorabschnitt 54 von 2 verdreht wird. Die Schraubenzähne 176, 182 und der bewegliche Kolben 172 bilden eine verstellbare mechanische Kopplung. Die Phasenverschiebung wird über einen Fluiddruck bewerkstelligt, der durch die Zentrifugalkraft passiv erzeugt werden kann, welcher ansteigt, wenn die Drehzahl des Rotornabenabschnitts 52 steigt, oder der über ein Fluidsteuersolenoid gesteuert werden kann, welches das Fluid in den Hohlraum 180 benachbart zu den Stirnseiten der Zähne 176, 182 zuführt. Obwohl der Phasensteller 170 mit Bezug auf die Rotoranordnung 32 gezeigt und beschrieben ist, könnte er gleichermaßen mit der Rotoranordnung 132 von 4 verwendet werden, um den Rotorabschnitt 157 relativ zu den Rotorabschnitten 154 und 156 zu verdrehen.
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7 und 8 zeigen eine andere Ausführungsform eines Phasenstellers 270, der als der Phasenverschiebungsmechanismus 51 in den Rotoranordnungen 32, 132 in 2 und 4 verwendet werden kann, und der mit Bezug auf den Rotorabschnitt 56 von 2 dargestellt ist. Der Phasensteller 270 kann als ein kinematischer Phasensteller bezeichnet werden. Der Phasensteller 270 stützt sich auf die Zentrifugalkraft, die auf mit Zahnrädern versehene Massen einwirkt, um benachbarte Rotorabschnitte zu verdrehen. Der Phasenverschiebungsmechanismus 51 enthält mit Zahnrädern versehene Massen 272, die an einem Ende so befestigt sind, dass sie sich mit Planetenzahnrädern 274 drehen, die am Rotorabschnitt 56 befestigt sind. Die Planetenzahnräder 274 kämmen mit einem Sonnenrad 276, das zur Drehung mit einer Verlängerung 275 vom benachbarten Rotorabschnitt 54 (in 2 gezeigt) verkeilt ist. Wenn die Drehzahl der Rotorabschnitte 54, 56 steigt, bewegen sich die freien Enden der mit Zahnrädern versehenen Massen 272 aufgrund der Zentrifugalkraft radial nach außen, wie in 8 gezeigt ist. Dies bewirkt, dass sich die Planetenzahnräder 274 drehen, aber nicht um das Sonnenrad 276 herum wandern, da sie an ihren Mittelpunkten befestigt sind. Die Drehung der Planetenzahnräder 74 bewirkt, dass sich das Sonnenrad 276 dreht. Der Rotorabschnitt benachbart zum Rotorabschnitt 56 (d.h. der Rotorabschnitt 54 von 2) dreht sich mit dem Sonnenrad 276 und wird folglich mit einem Winkel 273 relativ zum Rotorabschnitt 56 verdreht. Der Phasensteller 270 kann auch als der Phasenverschiebungsmechanismus 51 für die Rotoranordnung 132 von 4 verwendet werden. In diesem Fall können die Planetenzahnräder 274 am Rotorabschnitt 156 befestigt werden und das Sonnenrad 276 kann zur Drehung mit dem Rotorabschnitt 157 verbunden werden. Die mit Zahnrädern versehenen Massen 272 bewegen sich um einen Betrag radial nach außen, der ansteigt, wenn die Drehzahl des Rotorabschnitts 56 steigt. Torsionsfedern 277, die nur schematisch gezeigt sind, sind an einem Ende mit den Planetenzahnrädern 274 und am anderen Ende mit dem Rotorabschnitt 56 verbunden, wodurch die Planetenzahnräder 274 in die Position von 7 vorgespannt werden (in welcher die mit Zahnrädern versehenen Massen 272 nicht ausgefahren sind). Die Kraft der Torsionsfedern 277 kann so gewählt werden, dass sichergestellt ist, dass ein Verdrehen der Rotorabschnitte 54, 56 erst auftritt, wenn die Rotorabschnitte 54, 56 eine vorbestimmte minimale Drehzahl erreicht haben, bei der eine Reduktion der gegenelektromotorischen Kraft wünschenswert ist.
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9 ist eine beispielhafte Darstellung einer potentiellen Reduktion der gegenelektromotorischen Kraft, die auf der vertikalen Achse in Volt gezeigt ist, bei verschiedenen Beträgen an Verdrehung oder Phasenverschiebung, die in Winkelgraden auf der horizontalen Achse gezeigt sind, für eine typische Motoranordnung bei einer Drehzahl des Rotors. 10 ist eine beispielhafte Darstellung des Systemverlusts in Watt auf der vertikalen Achse über dem Drehmoment in Newtonmeter auf der horizontalen Achse für verschiedene Rotordrehzahlen, wobei der Systemverlust ohne Verdrehung für verschiedene Motordrehzahlen mit durchgezogenen Linien gezeigt ist und der Systemverlust mit Verdrehung oder Phasenverschiebung mit gepunkteten Linien für die gleichen Rotordrehzahlen gezeigt ist.
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Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung im Umfang der beigefügten Ansprüche in die Praxis umzusetzen.
