-
Die vorliegende Erfindung betrifft Antriebstechnik für Fahrzeuge. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Komponenten einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Transversalflussmaschine. Weiter insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Transversalflussmaschine mit reduzierter Schwingungsanregung.
-
Stand der Technik
-
Als Transversalflussmaschinen ausgebildete Elektromotoren zeichnen sich durch eine hohe Leistungsdichte bei vergleichsweise geringem Gewicht aus. Eine Ausgestaltung als Scheibenläufermotor ist dabei eine vorteilhafte Ausgestaltung, da die zur Erzeugung eines Drehmomentes verfügbare aktive Fläche gegenüber herkömmlichen Ausführungsformen nochmals vergrößert sein kann. Ein derartiger Scheibenläufer eignet sich bevorzugt für den Einsatz in Elektro- bzw. Hybridfahrzeugen bzw. für die Luftfahrt.
-
WO 2009/115247 beschreibt einen permanent erregten Transversalflussmotor mit eisenlosem Rotor. Der Rotor besteht dabei vorzugsweise aus einem kohlefaserverstärktem Kunststoff, welcher Permanentmagnete aufweist, die in einem konstanten Abstand von einem Rotationsmittelpunkt eingebettet sind. Die Permanentmagnete sind dabei in Umfangsrichtung magnetisiert und weisen abwechselnde Magnetisierung bzw. alternierende Magnetpole auf. In anderen Worten sind die Permanentmagnete derart angeordnet, dass die zueinander benachbarten Pole zweier Magnetelemente jeweils gleichartig sind und sich folglich abstoßen.
-
Die Feldlinien zwischen diesen gleichartigen Polen werden dabei so überlagert, dass von dem Polzwischenraum ein sich in axialer und radialer Richtung ausbreitendes Magnetfeld ergibt. Folglich bilden zwei benachbarte Permanentmagnete aufgrund der Gleichartigkeit der zueinander zugewandten Magnetpole virtuelle Magnetpole zwischen zwei Permanentmagneten aus, so dass von außen gesehen die Zwischenräume zwischen den Permanentmagneten die Pole des permanent erregten Rotors ausbilden.
-
Eine exemplarische Ausgestaltung eines solchen Rotors sowie den sich zwischen den Permanentmagneten ausbildenden Polen und eines einzelnen Permanentmagneten mit der an diesem gekennzeichneter Magnetisierungsrichtung ist in 1 dargestellt. Eine prinzipielle Ausgestaltung eines eisenfreien Rotors einer Transversalflussmaschine mit Permanenterregung zeigt dabei 1a.
-
In den offen gezeichneten Aussparungen 2 des Rotors 3 befinden sich in Umfangsrichtung magnetisierte Permanentmagnete 4. Der Übersichtlichkeit halber sind diese Permanentmagnete in den 1a und 1c nicht, in 1b im Detail dargestellt. Zwischen zwei Permanentmagneten 4 bilden sich die virtuellen Pole 1 aus.
-
Um auf diesen Rotor ein Drehmoment einwirken zu lassen, wird er axial zwischen zwei ringförmigen Statorelementen angeordnet. Die Statorelemente sind dabei als Statorringe bzw. ringförmige Elemente ausgebildet. Jeweils in der Mitte eines Statorrings ist eine konzentrisch um die Motorachse verlaufende Statorwicklung angeordnet. Oberhalb und unterhalb dieser Wicklung weist der Stator abwechselnd Statorpole auf, wobei zwei zueinander in Umfangsrichtung benachbarte Pole denselben Winkelabstand zueinander aufweisen wie zwei zueinander benachbarte Permanentmagnete im Rotor.
-
Zwei benachbarte Pole jeweils eines Statorelementes weisen dabei eine radial alternierende Lage auf. Radial alternierend bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die einzelnen Pole einen unterschiedlichen Abstand von der Rotationsachse der elektrischen Maschine aufweisen. So weisen sämtliche Pole der Statorelemente, die von der Rotationsachse aus gesehen innerhalb bzw. unterhalb der Statorwicklung liegen, eine erste radiale Lage auf, während diejenigen Pole, die von der Rotationsachse aus gesehen außerhalb bzw. oberhalb der Statorwicklung liegen, eine zweite radiale Lage aufweisen. Zwei benachbarte Pole jeweils eines Statorelementes weisen somit die radial alternierende Lage, insbesondere alternierend um die radiale Lage der Statorwicklung auf.
-
Zwei benachbarte Pole unterschiedlicher radialer Lage weisen nun den Winkelabstand auf, den auch zwei Permanentmagnete im Rotor aufweisen. Zwei benachbarte Pole gleicher radialer Lage eines Statorelementes weisen damit den doppelten Winkelabstand bzw. den Winkelabstand von zwei benachbarten Permanentmagneten zusammen auf.
-
Bei einer Bestromung der Statorwicklung mit einem Gleichstrom werden alle radial außerhalb der Statorwicklung liegenden Pole gleichartig magnetisiert und alle radial innerhalb der Statorwicklung liegenden Pole ebenfalls gleichartig, aber mit umgekehrter Polung zu den außenliegenden Polen magnetisiert. Die innenliegenden Pole weisen dabei die erste radiale Lage auf, während die außenliegenden Pole die zweite radiale Lage einnehmen. Da sich in Umfangsrichtung stets ein innenliegender Pol und ein außenliegender Pol abwechseln, somit in ihrer radialen Lage alternieren, kommt es über den Umfang hinweg betrachtet zu einer Aneinanderreihung einander abwechselnder magnetischer Nord- und Südpole.
-
Die Nordpole des Rotors werden im Betrieb in Richtung der in Umfangsrichtung am nächsten gelegenen magnetischen Südpole und die magnetischen Südpole des Rotors werden in Richtung der in Umfangsrichtung am nächsten gelegenen magnetischen Nordpole des Stators gezogen. Somit kann ein von der Rotorposition und vom Statorstrom sowohl im Betrag als auch im Vorzeichen abhängiges Drehmoment erzeugt werden.
-
Eine solche Anordnung ist als Prinzipskizze in 2a, b dargestellt. 2a zeigt dabei die Anordnung einer Mehrzahl von Permanentmagneten 4 zwischen zwei Statorelementen 5 mit ihren Statorpolen 6, der Übersichtlichkeit halber flach abgerollt und ohne Rotorelement 3 dargestellt. Dabei stellen die solide dargestellten Statorpole 6a die Statorpole der zweiten radialen Lage dar, während die strichliert dargestellten Statorpole 6b die Statorpole der ersten radialen Lage darstellen. Zwischen ihnen angeordnet ist Statorwicklung 7. Einen Schnitt durch A-A ist in 2b dargestellt.
-
In definierten Rotorpositionen, wenn sich die Pole des Rotors auf Position der Statorpole befinden, mag kein Drehmoment erzeugt werden können. Um dennoch ein Anlaufen einer elektrischen Maschine sicherstellen zu können und um eine Drehmomentpulsation in Grenzen zu halten, wird auf derselben Achse meist ein zweites Rotorelement angeordnet, bei dem die Pole von Stator oder Rotor um einen halben Polabstand gegenüber dem ersten Rotorelement versetzt angeordnet sind. Dies mag auch dadurch vereinfacht werden, dass die beiden Motorelemente konzentrisch ineinander angeordnet sind, indem ein zweites Paar von Statorringen mit einer zweiten Wicklung konzentrisch zum ersten angeordnet wird und die Permanentmagnete im Rotor sich entweder radial über beide Statoren hinweg erstrecken oder indem im Rotor zwei konzentrische Ringanordnungen von Permanentmagneten vorgesehen sind.
-
Der Abstand zwischen zwei Polen 6a/6b gleicher radialer Lage ist als Winkelabstand 2α dargestellt, während der Abstand von zwei Polen unterschiedlicher radialer Lage 6a, b als Winkelabstand α ausgebildet ist. Der Winkelabstand zweier unterschiedlicher benachbarter virtueller Magnetpole beträgt damit ebenfalls α, während der Winkelabstand zweier benachbarter gleicher virtueller Pole 2α beträgt. Der Stand der Technik weist dabei über den vollständigen Umfang bzw. in vollständiger Umfangsrichtung gleichbleibende Winkelabstände α bzw. 2α auf.
-
Rotorelement 3 bzw. Statorelemente 4 sind damit bezüglich des Winkelabstands α bzw. 2α rotationssymmetrisch aufgebaut. In anderen Worten weisen sie einen vollständig rotationssymmetrischen konstanten Winkelabstand zwischen benachbarten Statorpolen bzw. Magnetelementen auf.
-
Aus 2a, b ebenfalls ersichtlich ist, dass sich die Feldlinien im Luftspalt zwischen Statorelementen und Rotorelement aus der Überlagerung des von den Permanentmagneten und des von der Statorwicklung erzeugten Feldes ergeben und, welche für die Entstehung des Motormomentes verantwortlich sind, im Wesentlichen in axialer Richtung, also quer zur Magnetisierungsrichtung des Permanentmagneten verlaufen. Die Ausrichtung des Feldes entsteht erst durch die Überlagerung der Magnetfelder zweier benachbarter, gleichartiger Pole der Permanentmagneten, somit durch den zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten bzw. deren gleichartiger Pole ausgebildeten virtuellen Pols.
-
Bei Rotation des Motors kann durch Bestromung der ringförmigen Statorwicklung mit einem Wechselstrom ein pulsendes Moment mit Gleichanteil erzeugt werden, wodurch ein motorischer oder generatorischer Betrieb der elektrischen Maschine eingestellt werden kann. Die Frequenz des Wechselstromes sollte dabei der mit der Polpaarzahl multiplizierten Drehzahl des Motors entsprechen. Bei einer solchen Betriebsweise wirken neben den drehmomentbildenden, pulsierenden Kräften in Umfangsrichtung auch erhebliche Kräfte in Axialrichtung auf den Rotor und die Statorzähne. Diese pulsierenden Axialkräfte können insbesondere im Stator Biegeschwingungen erzeugen. Entspricht die Frequenz dieser Schwingung, üblicherweise die mit der Polzahl multiplizierte Drehzahl der Maschine, einer mechanischen Resonanzfrequenz des Stators, so kommt es zur massiven Abstrahlung von Schall, die im Betrieb der Maschine unerwünscht sein kann.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung mag somit darin gesehen werden, die Schwingungsanregung des Stators durch die vom umlaufenden Rotor ausgeübten Axialkräfte zu reduzieren, indem auf den zeitlichen Verlauf dieser Kräfte Einfluss genommen wird.
-
Demgemäß wird ein Rotorelement für eine Transversalflussmaschine, ein Statorelement für eine Transversalflussmaschine, eine elektrische Maschine, insbesondere Transversalflussmaschine sowie ein Fahrzeug, insbesondere Elektro- oder Hybridfahrzeug, gemäß den unabhängigen Ansprüchen angezeigt. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
-
Eine Möglichkeit der Reduzierung der Schwingungsanregung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mag insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Pole in Rotorelement und/oder Statorelementen keinen einheitlichen, sondern variable Abstände in Umfangsrichtung aufweisen. In anderen Worten weisen die Pole damit keinen über den gesamten Umfang konstanten Winkelabstand zueinander auf, sondern variieren diesen. Dies mag einerseits dadurch erzielt werden, dass einzelne Magnetelemente im Rotorelement keine einheitlichen, sondern unterschiedliche Ausdehnungen in Umfangsrichtung aufweisen. Somit mag zwar der Abstand zwischen zwei Magnetelementen im Wesentlichen gleich bleiben, durch die unterschiedliche Ausdehnung der Magnetelemente folgen jedoch insbesondere benachbarte Pole aufeinander mit unterschiedlichen Winkelabständen.
-
Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung von Magnetelementen gesprochen wird, so muss hierunter nicht zwangsläufig die Ausgestaltung von separaten, diskreten Elementen verstanden werden. Ein Magnetelement der vorliegenden Erfindung kann zwar einerseits z.B. als Permanentmagnetelement ausgebildet sein, andererseits aber gleichfalls als eine Magnetelement-Sektion ausgebildet sein. Eine Magnetelement-Sektion stellt dabei einen magnetischen Materialbereich mit einem magnetischen Nordpol und Südpol als ein Bestandteil einer größeren Elementes, z.B. eines magnetisierbaren Materials dar. So kann z.B. das Rotorelement selbst einstückig oder auch z.B. 2, 3, 4- oder mehrstückig ausgeführt sein, wobei jedes Stück eine Mehrzahl von Magnetelement-Sektionen realisiert. z.B. kann das Rotorelement aus vier Viertelkreissegmenten aufgebaut sein, die jeweils selbst eine Mehrzahl an Magnetelementsektionen, z.B. jeweils 15 Magnetelementsektionen, jede mit Nord- und Südpol, aufweisen.
-
Magnetelemente müssen somit nicht in ein Trägerelement eingebracht werden, welches das Rotorelement ausbildet, vielmehr kann z.B. das Rotorelement selbst geeignet aus Magnetmaterial aufgebaut sein, wodurch die Magnetelemente durch eine geeignet variable Magnetisierung des Rotorelementes, insbesondere mit variablen bzw. nicht konstanten Winkelabständen ausgebildet sein können. Die variablen Abstände der Magnetelemente in Umfangsrichtung können dabei besonders bevorzugt durch eine variable Abfolge der virtuellen Magnetpole darstellbar sein.
-
Einerseits mag die Ausdehnung der Magnetelemente um einen durch die Polpaarzahl der elektrischen Maschine vorgegebenen Mittelwert schwanken, somit in ihrer Größe unterschiedlich sein. Andererseits mag die erfindungsgemäße Wirkung dadurch erreicht werden, dass die Statorzähne nicht in einem einheitlichen Abstand in Umfangsrichtung voneinander angeordnet sind, sondern variable Abstände in Umfangsrichtung aufweisen, somit wiederum variable Winkelabstände. Auch hier mag die Variabilität der Pole durch eine Variation des Abstandes gleicher Polgrößen oder eine direkte variable Ausgestaltung der Polgrößen realisiert werden. Auch bei dieser Realisierung schwankt der Abstand zweier benachbarter Statorzähne um einen durch die Polpaarzahl der Maschine vorgegebenen Mittelwert.
-
Alternativ können auch die Ausdehnungen der Statorzähne bzw. Statorpole in Umfangsrichtung um einen vorgegebenen Mittelwert herum variieren.
-
Allgemein lässt sich somit sagen, dass sowohl bei den Magnetelementen im Rotorelement als auch bei den Statorpolen bzw. Statorzähnen die geforderte erfindungsgemäße Variabilität des Winkelabstandes dadurch erzielt werden kann, dass entweder die Größe und/oder der Abstand der Magnetelemente/Statorpole/Statorzähne variiert.
-
Der erfindungsgemäße Erfolg wird unabhängig davon realisiert, ob die erfindungsgemäße Lehre der variablen Abstände zweier benachbarter Antriebselemente (Magnetelement und Statorpol/Statorzahn) in einem Statorelement oder im Rotorelement realisiert ist. Beide Realisierungen, alternativ auch eine Kombination derselben, mag den Vorteil bereitstellen, dass die Statorzähne des Statorelementes sowie auch die Magnetelemente des Rotorelementes nicht alle mit einem einheitlichen, pulsierenden Kraftverlauf angeregt werden, sondern mit schwankender Frequenz und/oder unterschiedlicher Phasenlage, was die Schwingungsanregung von einer einheitlichen Anregung einer singulären Frequenz wegverstimmt und so die Ausbildung, insbesondere starker, Resonanzschwingungen erschwert bzw. wirksam verhindert.
-
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
Es zeigen
-
1a–c eine exemplarische Ausgestaltung eines Rotorelementes einer Transversalflussmaschine sowie eines zugehörigen Permanentmagneten;
-
2a, b exemplarische Detaildarstellungen einer Transversalflussmaschine; und
-
3a–d exemplarische Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Rotorelementes sowie erfindungsgemäßer Statorelemente einer Transversalflussmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
3a–d zeigen exemplarische Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Rotorelementes sowie erfindungsgemäßer Statorelemente einer Transversalflussmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung. Die 3a–d sind analog der 2a der Übersichtlichkeit halber plan ausgerollt dargestellt.
-
3a zeigt dabei die Außenansicht auf einen Umfangsausschnitt von Statorelementen 5 und Rotorelement 3 einer elektrischen Maschine bei erfindungsgemäßer Ausführung des Rotorelementes 3. Die Magnetelemente 4 weisen verschiedene Ausdehnungen über den Umfang des Rotorelementes 3 auf. Die Statorzähne 6a, b weisen eine im Wesentlichen winkelkonstante bzw. winkelabstandskonstante Anordnung auf.
-
Hierdurch wird eine einheitliche Anregung aller Statorzähne mit einem einheitlich pulsierenden Kraftverlauf vermieden. Eine derartige Ausführungsform bedingt jedoch, dass keine einheitlichen Magnetelemente 4 verwendet werden können, sondern dass Magnetelemente 4 mit unterschiedlicher Ausdehnung in Umfangsrichtung gezielt hergestellt und eingesetzt werden. Eine Vereinfachung kann darin gesehen werden, dass die Fertigungsstreuung der Herstellung der Magnetelemente derart groß angesetzt wird, so dass sich hieraus geeignet unterschiedlich große Magnetelemente 4 ergeben. In einem solchen Fall besteht die Möglichkeit, die Magnetelemente 4 in verschiedene Ausdehnungsklassen einzuordnen und so Magnete unterschiedlicher Ausdehnung zu erhalten. Eine andere Möglichkeit, Magnetelemente unterschiedlicher Ausdehnung bzw. Größe herzustellen, ist die Zusammensetzung einzelner Magnetelemente aus mehreren dünnen Segmenten, wodurch sich Ausdehnungsvariationen durch Zusammensetzen einer unterschiedlichen Anzahl dieser dünnen Segmente zu Gesamtmagnetelementen realisieren lassen. Alternativ mögen sich eine Mehrzahl von Magnetelementen in einem geeignet magnetischen Werkstoff durch eine geeignete Magnetisierung einbringen lassen, wobei im Rahmen der Magnetisierung die unterschiedlich großen Magnetelemente 4 realisierbar sind.
-
In einer Ausführungsform gemäß 3b kann ein Rotorelement 3 mit winkelabstandkonstanten Magnetelementen 4 zusammen mit Statorelementen 5 verwendet werden, wobei die Statorelemente 5 Statorzähne aufweisen, die in Umfangsrichtung unterschiedliche Abstände voneinander aufweisen, somit Statorzähne, die variable Winkelabstände realisieren.
-
Exemplarisch in 3b sind die einzelnen Statorzähne dabei in ihrer Größe im Wesentlichen identisch, wobei der Abstand der Statorzähne 6a, b zueinander, insbesondere zu benachbarten Statorzähnen 6a, b variiert. Eine solche Ausführungsform mag sich einfach fertigen lassen, da die Statorelemente üblicherweise aus einem SMC-Material in einem Sinterprozess hergestellt werden. Die Variation der Abstände der Statorzähne bzw. Statorpole 6a, b lässt sich somit leicht durch eine entsprechende Ausgestaltung der Pressform der Statorelemente realisieren.
-
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Statorelementes ist in 3c dargestellt. Hierbei weisen die Statorzähne in Umfangrichtung einen einheitlichen Mittelabstand, jedoch unterschiedliche Ausdehnungen auf.
-
Eine Kombination der Ausführungen der Statorelemente der 3b, c ist in 3d dargestellt. Hier weisen die Statorzähne 6a, b sowohl einen variablen Abstand als auch eine variable Ausdehnung auf.
-
Auch können die Ausführungsformen der 3a–d im Wesentlichen beliebig kombiniert werden, somit ein erfindungsgemäßes Rotorelement mit variabel ausgestalteten Magnetelementen 4 mit Statorelementen 5 mit variabel ausgestalteten Statorzähnen bzw. Statorpolen 6a, b kombiniert werden.
-
Eine konkrete Implementierung des erfindungsgemäßen Prinzips, wie vorgehend beschrieben, ist dabei jedoch der jeweiligen Implementierung einer elektrischen Maschine geschuldet.
-
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
-
