-
Die Erfindung betrifft einen Radnabenmotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
-
Radnabenmotoren werden bei Elektromobilen eingesetzt und zeichnen sich bei vielen Bauformen dadurch aus, dass das Antriebsmoment nicht über ein Getriebe an ein angetriebenes Rad übertragen wird, sondern das angetriebene Rad unmittelbar mit einem Rotor des Radnabenmotors verbunden ist. Beispielsweise offenbart die Druckschrift
DE 10 2006 040 220 A1 Radnabenantrieb für ein Fahrzeug.
-
Gebiet der Erfindung
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Radnabenmotor für ein Fahrzeug vorzuschlagen, welcher verbesserte Betriebseigenschaften aufweist. Diese Aufgabe wird durch einen Radnabenmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Fahrzeug mit dem Radnabenmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
-
Im Rahmen der Erfindung wird ein Radnabenmotor vorgeschlagen, welcher vorzugsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs geeignet und/oder ausgebildet ist. Insbesondere ist der Radnabenmotor ausgebildet, ein Antriebsdrehmoment für das Fahrzeug zur Verfügung zu stellen. Alternativ kann der Radnabenmotor für stationäre Anwendungen genutzt werden.
-
Der Radnabenmotor weist einen Elektromotor mit einem Rotor sowie einem Stator auf, wobei der Rotor zur Erzeugung eines Motordrehmoments mit dem Stator in Wechselwirkung steht und wobei der Rotor um eine Hauptdrehachse relativ zu dem Stator drehbar angeordnet ist.
-
Der Stator ist drehfest zu dem Fahrzeug angeordnet oder anordbar. Der Rotor ist dagegen mit einem Rad drehfest verbindbar oder verbunden. Besonders bevorzugt überlappen der Rotor und das Rad in radialer Richtung zu der Hauptdrehachse. Im speziellen ist das Rad mit dem Rotor unmittelbar verbunden.
-
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Radnabenmotor mindestens einen Lüfterabschnitt aufweist, wobei der Lüfterabschnitt zumindest in einer ersten Umlaufrichtung, vorzugsweise in beide Umlaufrichtungen, um die Hauptdrehachse mit dem Rotor drehfest gekoppelt ist. Im Speziellen ist der mindestens eine Lüfterabschnitt mechanisch vorzugsweise ausschließlich mechanisch mit dem Rotor gekoppelt. Der Lüfterabschnitt ist ausgebildet, bei einer Drehung oder Rotation um die Hauptdrehachse einen Luftstrom zur Kühlung des Radnabenmotors, insbesondere des Elektromotors, zu erzeugen. Insbesondere weist der Lüfterabschnitt als Lüfterorgane strömungstechnische Elemente zur Erzeugung des Luftstroms, wie zum Beispiel Flügel, Flügelabschnitte oder Schaufeln auf.
-
Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass eine integrierte Kühlung, insbesondere Luftkühlung, des Radnabenmotors vorgeschlagen wird, welche rein mechanisch und damit höchst zuverlässig ausgebildet ist. Zudem ist die Leistung der Kühlung aufgrund der drehfesten Kopplung mit dem Rotor abhängig von der Drehzahl des Rotors, sodass bei höheren Drehzahlen in gleicher Weise die Kühlleistung vergrößert wird. Durch die integrierte Kühlung kann der erfindungsgemäße Radnabenmotor besonders einfach integriert werden, da eine separate Kühlung, wie zum Beispiel eine Wasserkühlung oder eine externe Luftkühlung, nicht oder weniger berücksichtigt werden muss.
-
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Elektromotor als ein Reluktanzmotor ausgebildet ist. Vorzugsweise sind in dem Stator die Spulen angeordnet, welche im Betrieb des Reluktanzmotors mit einem elektrischen Strom durchflossen werden. Der Rotor ist dagegen bevorzugt passiv und/oder ohne elektrische Anschlüsse ausgebildet. Besonders bevorzugt ist der Rotor, insbesondere der magnetisch aktive Bereich des Rotors, aus einem weichmagnetischen und/oder ferromagnetischen Material ausgebildet. Zum Beispiel weist der Rotor Elektroblechpakete, Ferrite oder seltene Erden auf. Insbesondere sind die Pole des Rotors aus den genannten Materialien ausgebildet. Im Speziellen ist der Rotor nicht mit Permanentmagneten oder Spulen bestückt. Beispielsweise kann der Reluktanzmotor als ein Synchronreluktanzmotor, als ein geschalteter Reluktanzmotor oder als ein Reluktanzschrittmotor ausgebildet sein. Durch die Verwendung eines Reluktanzmotors wird erreicht, dass die um die Hauptdrehachse rotierende Baugruppe umfassend den Rotor und den Lüfterabschnitt ohne elektrische Kontaktierung auskommen können, so dass diese Baugruppe problemlos in das Fahrzeug integriert werden kann.
-
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Radnabenmotor mindestens oder genau zwei der Lüfterabschnitte auf, wobei die zwei Lüfterabschnitte in axialer Richtung zu der Hauptdrehachse beidseitig zu dem Rotor und/oder zu dem Stator angeordnet sind. Somit sind Rotor und/oder Stator zwischen den zwei Lüfterabschnitten angeordnet. In dieser Weiterbildung wird die Kühlleistung weiter gesteigert und über die axiale Länge des Radnabenmotors homogenisiert, da auf beiden Seiten eine aktive Kühlung erfolgt.
-
Es ist besonders bevorzugt, dass einer der Lüfterabschnitte bei einer Rotation in der ersten Umlaufrichtung eine Saugseite und der andere der Lüfterabschnitte bei der Rotation in der gleichen Umlaufrichtung eine Druckseite bildet, sodass durch die zwei Lüfterabschnitte eine gemeinsame Lüftereinrichtung mit einem gemeinsamen Luftstrom ausgebildet ist. Der Lüfterabschnitt an der Saugseite transportiert Luft in den Radnabenmotor hinein, der Lüfterabschnitt an der Druckseite befördert die Luft aus dem Radnabenmotor heraus, sodass aufgrund der Druckverhältnisse der Luftstrom durch den Radnabenmotor erzeugt wird.
-
Es ist vorgesehen, dass der Rotor als ein Außenläufer ausgebildet ist und dass der Luftstrom vorzugsweise als ein axialer Luftstrom zur Kühlung des Stators ausgebildet ist. Insbesondere ist der mindestens eine Lüfterabschnitt oder die zwei Lüfterabschnitte als ein Axiallüfter oder Axialventilator ausgebildet. Durch den oder die Lüfterabschnitte wird im Betrieb somit ein kühlender axialer Luftstrom zur Kühlung des Stators und somit des Elektromotors erzeugt.
-
Diese Art der Kühlung ist für den Radnabenmotor besonders effektiv, da dieser mit beiden Seiten zur Umgebung hin geöffnet ist, so dass bei der Kühlung stets Frischluft aus der Umgebung verwendet werden kann.
-
Bei einer besonders bevorzugten konstruktiven Ausbildung der Erfindung bildet der mindestens eine Lüfterabschnitt einen Teil eines Rotorträgers oder ist mit diesem zumindest starr gekoppelt, wobei der Rotorträger über eine Lagereinrichtung den Rotor lagert. Insbesondere bei der Ausgestaltung als Reluktanzmotor aber auch bei anderen Elektromotoren ist berücksichtigen, dass diese empfindlich in Bezug auf axiale und radiale Toleranzen, da die Abstände zwischen Rotor und Stator an den Polen insbesondere bei den Reluktanzmotoren sehr gering sind. Aus diesem Grund ist es notwendig, den Rotor entsprechend zu lagern, sodass der mindestens eine Rotorträger vorgesehen ist, welcher den Rotor mit der Lagereinrichtung koppelt beziehungsweise verbindet.
-
Im Rahmen einer möglichen konstruktiven Ausbildung wird vorgeschlagen, dass bei einer ersten Alternative der mindestens eine Lüfterabschnitt ein integraler Teil des Rotorträgers ist. Somit erhält der Rotorträger eine Doppelfunktion, nämlich zum einen die Trägerfunktion und zum anderen die Lüfterfunktion. Alternativ dazu ist es möglich, dass der Lüfterabschnitt auf dem Rotorträger drehfest aufgesetzt ist und von diesem mitgenommen wird. In beiden Fällen ist der mindestens eine Lüfterabschnitt sowohl in der ersten Umlaufrichtung als auch in der Gegenrichtung drehfest mit dem Rotor gekoppelt. Insbesondere ist es möglich, dass der Rotor zwei der Rotorträger aufweist bzw. über diese gelagert ist, welche beidseitig zu dem Stator angeordnet sind, wobei jedem der Rotorträger einer der Lüfterabschnitte in beschriebener Weise zugeordnet ist.
-
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Lüfterabschnitt über einen Freilauf mit dem Rotor oder mit einem Rotorträger gekoppelt, wobei der Rotorträger über eine Lagereinrichtung den Rotor lagert. In dieser Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Lüfterabschnitt in der ersten Umlaufrichtung von dem Rotorträger beziehungsweise dem Rotor mitgenommen wird und in eine Gegenrichtung zu der ersten Umlaufrichtung freiläuft. Diese Weiterbildung hat den Vorteil, dass zum Beispiel bei einer Verringerung der Drehzahl des Rotors in der ersten Umlaufrichtung der Lüfterabschnitt nicht automatisch abgebremst wird, sondern frei nachläuft. Dieser Nachlauf hat den Vorteil, dass – im extremsten Fall – der Lüfterabschnitt noch rotiert, selbst wenn der Rotor bereits zum Stillstand gekommen ist und auf diese Weise den Elektromotor, insbesondere den Stator, nachkühlt. Auch bei dieser alternativen Ausführungsform ist es möglich, dass die Lüfterabschnitte beidseitig zu dem Stator angeordnet und jeweils über einen Freilauf mit dem Rotor beziehungsweise dem Rotorträger gekoppelt sind. Auch eine Mischform ist möglich, wobei einer der Lüfterabschnitte einen Teil des Rotorträgers bildet oder mit diesem starr gekoppelt ist und ein anderer der Lüfterabschnitte über einen Freilauf mit dem Rotor beziehungsweise dem Rotorträger verbunden ist.
-
Bei einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung weist der Stator einen Statorträger auf. Der Statorträger dient insbesondere zur stationären Befestigung des Elektromotors bzw. des Radnabenmotors in einer Umgebungskonstruktion. In dem Statorträger sind mehrere axiale Durchbrüche, insbesondere ausgebildet als Kanalabschnitte angeordnet, die durch den Luftstrom durchströmt werden. Dadurch, dass axial verlaufende Durchbrüche vorgesehen sind, wird der axiale Luftstrom verbessert oder ermöglicht. Der Rotorträger kann sich über die Lagereinrichtung an dem Statorträger oder zum Beispiel über einen Achsstummel, welcher mit dem Statorträger verbunden ist, abstützen.
-
Bei einer besonders bevorzugten Integrationsvariante des Elektromotors, insbesondere des Reluktanzmotors ist vorgesehen, dass in den axialen Durchbrüchen zumindest ein Teil der Leistungselektronik zur Versorgung des Stators angeordnet ist. Bei der Leistungselektronik kann es sich z. B. um Leistungsschaltelemente und/oder um Kondensatoren, insbesondere Zwischenkreiskondensatoren, handeln. Diese Teile der Leistungselektronik werden im Betrieb oftmals warm, sodass die integrierte Kühlung zugleich eine Kühlung für die Leistungselektronik darstellt.
-
Besonders bevorzugt ist der Teil der Leistungselektronik, der in den axialen Durchbrüchen angeordnet ist, wasserdicht gegenüber der Umgebung des Radnabenmotors abgeschlossen, um das Eindringen von Schmutz oder Spritzwasser aus dem Straßenverkehr zu verhindern.
-
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit dem Radnabenmotor, wie dieser zuvor beschrieben wurde beziehungsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Der Radnabenmotor ist als Direktantrieb ausgebildet, welcher sein Motordrehmoment als Antriebsdrehmoment getriebefrei an das Rad übergibt.
-
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Felge oder ein Rad des Fahrzeugs drehfest mit dem Rotor verbunden. Insbesondere ist die Felge oder das Rad auf den Rotor aufgesetzt. In dieser Ausgestaltung nimmt der Rotorträger neben der Funktion des Tragens des Rotors, des Tragens des Lüfterabschnitts auch die Funktion des Tragens der Felge beziehungsweise des Rads ein.
-
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Radnabenmotors als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
-
2 eine Teilbaugruppe des Radnabenmotors in der 1;
-
3 in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung einen Rotorträger für den Radnabenmotor in der 1;
-
4 in gleicher Darstellung wie die 3 einen Statorträger für den Radnabenmotor in den 1 und 2;
-
5 einen weiteren Radnabenmotor als ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
In der 1 ist in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung ein Radnabenmotor 1 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Der Radnabenmotor 1 ist z. B. als ein Reluktanzmotor oder ein Direktantriebsmotor ausgebildet, wobei auf den Radnabenmotor 1 unmittelbar und in radialer Richtung überlappend eine Felge 2 sowie ein Rad 3 aufgesetzt ist. Der Radnabenmotor 1 kann in dieser Ausgestaltung zum Beispiel in einem elektrischen Roller oder in einem elektrischen Fahrrad (E-Bike) für den Antrieb eingesetzt werden.
-
Der Radnabenmotor 1 umfasst einen Rotor 4 sowie einen Stator 5, welche koaxial und konzentrisch zueinander und zu einer schematisch angedeuteten Hauptdrehachse 6 angeordnet sind. Der Rotor 4 ist als ein Außenläufer ausgebildet und unmittelbar drehfest mit der Felge 2 und somit auch mit dem Rad 3 verbunden. Der Rotor 4 weist nicht dargestellte Pole auf, welche bei dem Beispiel des Reluktanzmotors aus einem weichmagnetischen (ferromagnetischen) Material gefertigt sind. Insbesondere weist der Rotor 4 keinen Permanentmagneten oder Magnetspuleneinrichtung auf. In dem Stator 5 sind dagegen Spulen 7 angeordnet, welche über elektrische Versorgungsanschlüsse 8 mit einem Motorstrom versorgt werden können.
-
Der Stator 5 sitzt auf einem Statorträger 9, welcher als Einzelteil in der 4 dreidimensional dargestellt ist. Die Abstützung des Rotors 4 erfolgt über einen Rotorträger 10, der in der 1 ausgeblendet, jedoch in der 2 teilweise und in der 3 als Einzelteil dargestellt ist.
-
In der 2 sind andere Bauteile des Radnabenmotors 1 ausgeblendet, sodass nur der Rotor 4, der Stator 5 mit den Spulen 7 sowie den Versorgungsanschlüssen 8 und einem von zwei Rotorträgern 10 dargestellt sind. In dieser Darstellung ist zu entnehmen, dass der Rotor 4 die Form einer Hülse oder eines geraden Hohlzylinders einnimmt, wobei in dem umschlossenen Zylindervolumen der Stator 5 angeordnet ist.
-
Der Rotorträger 10 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als ein Blechformteil ausgebildet und weist an seinem radial äußeren Rand mechanische Schnittstellen 11 (3) in Form von Durchgangsöffnungen zur Anbindung des Rotorträgers 10 an den Rotor 4 auf. An seiner radialen Innenseite sind weitere Schnittstellen 12 ebenfalls in Form von Durchgangslöchern sowie eine zentrale Achsöffnung 13 eingebracht. Über die Schnittstellen 12 kann der Rotorträger 10 mit einer Lagereinrichtung (bei dem ersten Ausführungsbeispiel nicht gezeigt) verbunden werden, sodass der Rotorträger 10 und damit der Rotor 4 gegenüber einer Achse 14 (1) drehbar gelagert ist. Zur vollständigen Lagerung weist der Radnabenmotor 1 zwei derartige Rotorträger 10 auf, welche beidseitig zu dem Stator 5 angeordnet sind und diesen klammerartig umschließen. Die nicht dargestellte Lagereinrichtung bildet somit die Rotorlagerung des Radnabenmotors 1.
-
Wie sich insbesondere aus der 4 ergibt, ist der Statorträger 9 als ein dreidimensionales Bauteil ausgebildet, welches hohlzylinderartige Stützflächen 15 zur Abstützung des Stators 5 in radialer Richtung aufweist. Der Statorträger 9 weist drei Kanalabschnitte 16 auf, welche als in axialer Richtung durchgehende Durchbrüche ausgebildet sind und in denen – wie es sich ansatzweise aus der 1 ergibt – die Versorgungsanschlüsse 8 der Spulen 7 angeordnet sind. In den Kanalabschnitten 16 sind – in den Figuren nicht dargestellt – die Leistungselektronik und der Zwischenkreiskondensator oder Teile zur Versorgung der Spulen 7 davon integriert.
-
Im Betrieb ist in dem Radnabenmotor 1 eine Wärmeentwicklung zum einen durch die umgesetzte elektrische Energie zum Antrieb des Radnabenmotors 1 und zum anderen durch die Leistungselektronik beziehungsweise die Zwischenkreiskondensatoren zu erwarten. Um eine gute Kühlung sicherzustellen, weist der Radnabenmotor 1 eine integrierte Luftkühlung auf.
-
Zur Umsetzung der Luftkühlung sind in dem Rotorträger 10 in einem Lüfterabschnitt 17 in einem Ringbereich um die Hauptdrehachse 6 sechs Lüfterorgane 19 in Form von Schaufeln angeordnet. Die Lüfterorgane 19 werden jeweils durch eine Kombination von einem Durchlass und einer Ausstellung oder Ausprägung von dem Rotorträger gebildet und können insbesondere durch einen Stanzbiegeprozess kostengünstig gefertigt werden.
-
Die Lüfterorgane 19 sind strömungstechnisch so ausgelegt, dass bei einer Rotation des Rotorträgers 10 in eine in der 2 dargestellten Umlaufrichtung U von dem dargestellten Rotorträger 10 Luft von außen angesaugt und in den Innenraum des Stators 5 geleitet wird. Somit bildet der in der 2 gezeigte Rotorträger 10 eine Saugseite für eine Lüftung des Innenraums des Stators 5. Der nicht dargestellte zweite Rotorträger 10 weist ebenfalls einen Lüfterabschnitt 17 auf und ist hinsichtlich der Lüfterorgane 19 strömungstechnisch so ausgebildet, dass dieser eine Druckseite bildet und somit Luft aus dem Innenraum des Stators bei der Drehung in Umlaufrichtung U hinausbefördert. Gemeinsam bilden beide Rotorträger 10 mit ihren Lüfterabschnitten 17 somit einen aktiven Lüfter für den Innenraum des Stators. Der durch das Zusammenwirken der beiden Rotorträger 10 gebildete Luftstrom wird durch die Kanalabschnitte 16 geleitet, sodass sowohl der Radnabenmotor 1, insbesondere der Stator 4, und zudem die Leistungselektronik beziehungsweise der Zwischenkreiskondensator ausreichend gekühlt ist.
-
Die Rotorträger 10 mit den Lüfterabschnitten 17 umschließen den Stator 5 und sind somit so ausgeführt, dass die eine Seite saugend und die andere drückend arbeitet, sodass der Luftstrom durch den Radnabenmotor 1 aktiv gedrückt wird. Bei steigender Drehzahl des Rotors 5 und damit der Rotorträger 10 erhöht sich somit automatisch die geförderte Luftmenge und damit die Kühlleistung.
-
In der 5 ist eine abgewandelte Ausführungsform eines Radnabenmotors 1 dargestellt, welche in ähnlicher Weise wie der Radnabenmotor 1 in den vorhergehenden Figuren einen Rotor 4, ausgebildet als Außenläufer, und einen Stator 5 aufweist, wobei in dem Statorträger 9 wieder axial durchgängige Kanalabschnitte 16 eingebracht sind. Bei dem Radnabenmotor 1 in der 5 ist deutlich zu erkennen, dass sich der Rotorträger 10 an einer Lagereinrichtung 18 gegenüber der Achse 14 abstützt, sodass der Rotor 4 gegenüber der Achse 14 drehbar gelagert ist.
-
In Abgrenzung zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel sind die Lüfterorgane 19 der Lüfterabschnitte 17 bei dem Ausführungsbeispiel in der 5 als in radialer Richtung durchgehende schräg gestellte Flügel ausgebildet, welche einen die Lagereinrichtung 18 tragenden Innenringbereich mit einem mit dem Rotor 4 verbundenen Außenringbereich der Rotorträger 10 verbindet. Auch bei dem Ausführungsbeispiel in der 5 sind beidseitig zu dem Stator 5 jeweils ein Rotorträger 10 angeordnet, welche wieder gemeinsam einen Luftstrom mit einer einheitlichen Luftströmungsrichtung bilden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Radnabenmotor
- 2
- Felge
- 3
- Rad
- 4
- Rotor
- 5
- Stator
- 6
- Hauptdrehachse
- 7
- Spulen
- 8
- elektrische Versorgungsanschlüsse
- 9
- Statorträger
- 10
- Rotorträger
- 11
- mechanische Schnittstellen
- 12
- Schnittstellen
- 13
- zentrale Achsöffnung
- 14
- Achse
- 15
- Stützflächen
- 16
- Kanalabschnitte
- 17
- Lüfterabschnitte
- 18
- Lagereinrichtung
- 19
- Lüfterorgane
- U
- Umlaufrichtung
-
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
-
- DE 102006040220 A1 [0002]
