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Die vorliegende Erfindung betrifft Antriebstechnik in Fahrzeugen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Transversalflussmaschine für Fahrzeuge, insbesondere Automobile. Weiter insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Transversalflussmaschine in 2-Phasen-Ausführung sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Transversalflussmaschine.
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Stand der Technik
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Elektromotoren, welche als Transversalflussmaschinen ausgebildet sind, zeichnen sich durch eine hohe Drehmomentdichte und damit hohe Leistungsdichte bei vergleichsweise geringem Gewicht sowie einen hohen Wirkungsgrad aus.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Transversalflussmaschine ist die Anordnung von Rotor und Stator als Scheibenläufer. In dieser Ausführungsform lässt sich die verfügbare aktive Fläche gegenüber herkömmlichen Ausführungsformen vergrößern, wodurch ein solcher Scheibenläufer-Elektromotor z.B. sehr geeignet ist für den Einsatz in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen. Bei selber Baugröße wie vergleichbare andere Motortechnologien kann dabei zum Beispiel der Einsatz von kostenintensivem Permanentmagnetmaterial reduziert werden.
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Ein Beispiel für eine Transversalflussmaschine als Scheibenläufer beschreibt die Druckschrift
WO 2009/115247. Dort ist zu beiden Seiten des Rotorelementes je ein Statorelement der Transversalflussmaschine angeordnet, wobei der Rotor segmentierte Permanentmagnete aufweist, welche in einer Tragekonstruktion aus faserverstärktem Material eingebettet sind.
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Eine bevorzugte elektrische Ansteuerung eines solchen Elektromotors erfolgt beispielsweise unter Verwendung von zwei getrennten elektrischen Phasen.
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Eine 2-phasige Anordnung wird in vielen praktischen Anwendungen verwendet und benötigt, um den Elektromotor in einer beliebigen Winkelposition mit einem nennenswerten Drehmoment zu beaufschlagen bzw. den Elektromotor überhaupt aus dem Stillstand sicher in eine Drehbewegung versetzen zu können. Mit einer nur einphasigen Ausführung ließe sich dagegen lediglich ein abhängig von der Rotorwinkelposition pulsierendes, auf null aufsitzendes Drehmoment erzeugen.
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Die
WO 2009/115247 beschreibt auch Transversalflussmaschinen, ausgebildet als Scheibenläufer mit mehr als einer Phase, insbesondere mit zwei Phasen, wobei die dortigen Implementierungen jedoch einen teilweise redundanten Materialeinsatz voraussetzen und insgesamt einen komplizierten Aufbau aufweisen. Mögliche Realisierungen sind hierbei beispielsweise der Einsatz von getrennten Rotorscheiben je Phase oder aber einer Rotorscheibe, welche jedoch eine speziell ausgebildete 2-phasige Statorwicklung benötigt. Beide Ausgestaltungen führen zu einem erheblichen Mehraufwand an Material, Kosten und Bauraum.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung mag somit darin gesehen werden, eine vergleichsweise einfache, 2-phasige Ausführung eines Transversalfluss-Scheibenläufers bereitzustellen.
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Demgemäß wird eine Transversalflussmaschine sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, aufweisend eine solche Transversalflussmaschine gemäß den unabhängigen Patentansprüchen, angezeigt. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Im Weiteren werden sowohl mechanische als auch elektrische Winkelversätze verwendet. Mechanische Winkelversätze entsprechen dabei realen, z.B. aus einer Konstruktionszeichnung entnehmbaren oder an einer erfindungsgemäßen Anordnung messbaren Winkelversätze. Elektrische Winkelversätze bestimmen sich aus mechanischen Winkelversätzen jeweils durch Multiplikation mit der Polpaarzahl der Maschine und umgekehrt. Beispielhaft korrespondiert ein Winkel von 360° elektrisch stets mit dem mechanischen Umfangswinkel, über den sich ein Polpaar der Maschine erstreckt.
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Die vorliegende Erfindung beschreibt einen 2-phasigen Transversalfluss-Scheibenläufermotor. Hierbei wird ein Rotorelement, welches beispielsweise eine Mehrzahl von Magnetelementen aufweisen kann, zu beiden Seiten von je einem Statorelement umgeben. Bevorzugt kann das Rotorelement im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet sein.
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Ein solcher Rotor ist exemplarisch in 1a dargestellt.
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Das Trägermaterial des abgebildeten Rotorelementes 4 kann beispielsweise ein faserverstärkter Kunststoff, beispielsweise CFK, sein. Rotorelement 4 weist Aufnahmemöglichkeiten für Magnetelemente 8 auf, welche mit ihren Magnetpolen in Umfangsrichtung des Rotorelementes 4 orientiert sind. Die Magnetelemente 8 weisen dabei jeweils gleichen axialen Abstand zueinander auf, benachbarte Magnetelemente 8 zeigen jeweils mit gleichartigem Pol zueinander, sind somit in jeweils umgekehrter Richtung magnetisiert. In anderen Worten ist die Anordnung der Pole der Magnetelemente 8 alternierend.
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Während in der 1a die Öffnungen zur Aufnahme der Magnetelemente 8 durchgehend dargestellt sind, ist im Detailausschnitt der 1b eine radiale Teilung der Magnetelemente 8 zu erkennen. Eine Hälfte bzw. ein Teil des jeweiligen Magnetelementes 8 liegt dabei radial außenliegend r2, während die weitere Hälfte bzw. der weitere Teil des Magnetelementes 8 radial innenliegend r1 angeordnet ist. Die radialen Lagen r1/r2 korrespondieren dabei mit denjenigen radialen Lagen r1/r2 der Zähne eines Statorelementes 6, wie z.B. zu 4 ausgeführt wird.
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Jeweils zwei gleichartig orientierte Magnetelemente 8 sind durch einen Winkelversatz 22 getrennt angeordnet. Ein andersgepoltes Magnetelement 8 liegt jeweils zwischen zwei gleichgepolten Magnetelementen 8 und weist zu diesen jeweils die Hälfte des Winkelversatzes 22 auf.
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Der generelle Aufbau einer solchen Transversalflussmaschine als Scheibenläufer kann der 2 entnommen werden.
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Zu beiden Seiten des Rotorelementes 4 ist jeweils ein Statorelement 6 angeordnet; die in 1a durchgehende Öffnung zur Aufnahme eines Magnetelementes 8 ist ebenfalls in 2 dargestellt. Gemäß 1b kann diese jedoch auch zweigeteilt und insbesondere im Bereich der Statorwicklungen 14 aus Trägermaterial des Rotorelementes 4 aufgebaut sein.
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Der Stator kann aus Soft Magnetic Components (SMC) Material gefertigt sein, beispielsweise gepresst und wärmebehandelt ausgeführt. Die beiden Statorwicklungen 14 der 2 sind derselben elektrischen Phase zugeordnet und sind z.B. seriell verschaltet. Um hierbei eine Rotation zu ermöglichen, sind die Statorelemente 6 gemäß 3 ausgebildet.
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In 3 wird die in 2 dargestellte Anordnung von oben betrachtet und offenbart hierbei eine Winkelverschiebung des linken und des rechten Statorelementes 6 um eine Polteilung gegeneinander, was einem elektrischen Winkelversatz von 180° entspricht. Mit 22 ist in der Zeichnung die Ausdehnung eines Polpaars in Umfangsrichtung gekennzeichnet, welche sich naturgemäß stets über das Doppelte einer Polteilung erstreckt. Trägermaterial des Rotors ist in 3 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
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Die Statorelemente 6 weisen radial alternierende Zähne 16 auf, vgl. 4, welche in unterschiedlicher radialer Lage r1, r2 ausgebildet sind, beispielsweise einmal radial außenliegend r2 und einmal radial innenliegend r1 bezüglich der Statorwicklung 14. Exemplarisch sind die radial außenliegenden r2 Zähne 16 in 3 durchgehend gezeichnet, während die radial innenliegenden r1 Zähne strichliert dargestellt sind. Der Abstand zwischen zwei Zähnen derselben radialen Lage r1/r2 ist wiederum der Winkelversatz 22, so dass der Winkelversatz zweier benachbarter, aber in radial unterschiedlicher Lage liegender Zähne den halben Winkelversatz 22 aufweist. Der halbe Winkelversatz 22 ist gleichzeitig der Winkelversatz zwischen zwei benachbarten Magnetelementen 8. Anders ausgedrückt weist jedes Statorelement 6 radial innerhalb und radial außerhalb der Statorwicklung 14 jeweils mehrere ringförmig angeordnete Zähne 16 auf, wobei die Zähne 16 auf dem äußeren Ring gegenüber den Zähnen 16 auf dem inneren Ring zueinander versetzt sind.
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Für eine 1-phasige Transversalflussmaschine sind somit die beiden Statorelemente 6 auf gegenüberliegenden Seiten des Rotorelementes 4 um eine Polteilung bzw. die Hälfte des Winkelversatzes 22 versetzt angeordnet. Die Darstellung in 3 ist hierbei nicht perspektivisch, vielmehr wurde die gekrümmte, kreisförmige Ausgestaltung linear gestreckt. Aus diesem Grund ergibt sich der Winkelversatz 22 zu einer Länge.
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4 zeigt eine exemplarische Ausgestaltung eines Statorelementes 6 mit Statorwicklung 14 sowie radial alternierend ausgebildeten Zähnen 16, welche jeweils in einer radial äußeren r2 Lage außerhalb der Statorwicklung 14 und einmal in einer radial innenliegenden r1 Lage innerhalb der Statorwicklung 14 angeordnet sind. 4 stellt hierbei die Statorwicklung mit beispielhaft nur einer Windung dar, wobei auch mehrere Windungen realisierbar sind.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist somit die Realisierung einer 2-phasigen Ausführung eines Transversalfluss-Scheibenläufer-Elektromotors.
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Erfindungsgemäß werden nun die beiden Statorelemente 6, wie in 2 dargestellt bzw. deren Statorwicklungen (links bzw. rechts in 2) jeweils mit einer unterschiedlichen elektrischen Phase bestromt. Dabei dürfen die beiden Statorelemente nun nicht mehr genau um 180° elektrisch, was mechanisch einer Polteilung entspricht, gegeneinander in Umfangsrichtung versetzt sein wie in 3 dargestellt, sondern benötigen eine Phasenverschiebung > 0° und < 180° elektrisch. Besonders vorteilhaft ist hierbei eine Verdrehung um 90°. Dies bedeutet einen mechanischen Winkelversatz zwischen den beiden Statorelementen 6, der von null verschieden, aber kleiner als eine Polteilung ist. Besonders vorteilhaft ist ein Winkelversatz um ½ Polteilung.
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Die vorliegende Erfindung realisiert somit eine effiziente 2-phasige Ausführung einer Transversalflussmaschine, welche gleichzeitig aufgrund nur einer Rotorscheibe robust ist. Eine Reduzierung der Leistungsdichte gegenüber einer 1-phasigen Ausführung tritt nicht auf, die Statorwicklungen können wie bei einer 1-phasigen Anordnung als einfache Ringwicklungen ausgeführt werden.
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Insbesondere entsprechen die beiden Statorelemente 6 im Wesentlichen einander und werden nur, wie zuvor beschrieben, verdreht gegeneinander angeordnet. Bei der 2-phasigen Ausführung werden die Statorwicklungen 14 der beiden Statorelemente 6 nicht (wie bei einer 1-phasigen Ausgestaltung) in Reihe geschaltet, sondern können separat mit Energie versorgt werden. Herkömmliche Herstellungsverfahren für Statorelemente aus SMC-Material können in gewohnter Weise verwendet werden.
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Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
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1a, b axiale Sichten auf ein Rotorelement;
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2 ein exemplarisches Schnittbild einer Transversalflussmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 eine exemplarische Anordnung von Rotorelement und Statorelementen einer 1-phasigen Transversalflussmaschine;
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4 eine exemplarische Ausgestaltung eines Statorelementes; und
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5 eine exemplarische Anordnung von Rotorelement und Statorelementen gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Weiter Bezug nehmend auf 5 wird eine exemplarische Anordnung von Rotorelement und Statorelementen gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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Die Abbildung der 5 entspricht hierbei im Wesentlichen der Anordnung gemäß 3, wobei die beiden Statorelemente 6 um einem Winkelversatz 22a gegeneinander versetzt angeordnet sind. Dieser Winkelversatz 22a der Statorelemente 6 entspricht dabei nicht 180° elektrischer bzw. um eine Polteilung mechanisch gegeneinander versetzter Anordnung, sondern 90° elektrisch bzw. eine ½-Polteilung. Wenn somit eine doppelte Polteilung 22 bzw. ein Winkelversatz 22 dem Maß x entspricht, sind die Statorelemente 6 gemäß 5 um x/4 zueinander versetzt angeordnet. Zur besseren Darstellung ist die Anordnung in 5 planar dargestellt, die Ausführungen greifen aber in gleicher Weise für eine runde Anordnung.
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Der schematische Aufbau der erfindungsgemäßen 2-phasigen Transversalflussmaschine mit Statorelementen 6 und Rotorelement 4, entspricht der Darstellung der 2, abgesehen von dem veränderten Winkelversatz x/4 sowie der Bestromung der Ständerwicklungen 14 mit zwei Phasen anstatt mit einer Phase.
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Die Statorelemente weisen wiederum innere und äußere Zähne 16 auf, welche, gemäß 5 durchgehend (radial außenliegende Zähne) sowie strichliert (radial innenliegende Zähne) dargestellt sind. Dabei ist jeweils ein benachbarter äußerer und innerer Zahn um jeweils die Hälfte des Winkelversatzes 22, also um eine Polteilung gegeneinander verschoben. Jeweils ein oberer und ein unterer Zahn 16 bzw. die zugehörigen Nuten bilden dabei zusammen ein elektrisches Polpaar des Elektromotors und bestimmen damit die mechanische Polteilung x/2 bzw. den mechanischen Winkelversatz 22 zwischen zwei Polpaaren.
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Die vorliegende Erfindung realisiert die 2-Phasigkeit der Transversalflussmaschine nun derart, dass ein Statorelement gegenüber dem weiteren Statorelement verdreht angeordnet ist, jedoch maximal geringer verdreht als eine Polteilung (x/2) bzw. < 180° elektrisch. Besonders vorteilhaft ist die Verdrehung um exakt 90° elektrisch, was einer Verdrehung um ½ Polteilung (x/4) entspricht.
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Hieraus lässt sich nun eine 2-phasige Ausführung der Transversalflussmaschine 2 realisieren indem der Statorversatz der 5 in einer Vorrichtung gemäß 2 implementiert wird. Eine Statorwicklung 14 der 2, z.B. die links vom Rotorelement 4 dargestellte, wird somit mit einer ersten Phase bestromt, während die zweite Statorwicklung 14, beispielsweise die rechts des Rotorelementes 4 dargestellte, mit einer zweiten, unterschiedlichen Phase bestromt wird. Die Windungszahl der Statorwicklungen 14 kann beliebig sein, insbesondere auch unterschiedlich, bevorzugt jedoch gleich. Die Statorwicklungen sind, wie in 4 ausgeführt, als Ringleiter ausgebildet.
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Die Statorwicklungen können auch als Hohlleiter ausgebildet sein, somit als ein Leiter mit einer innenliegenden, durchgehenden Öffnung, durch welche eine Kühlung der Anordnung realisierbar ist. So lässt sich mittels der Öffnung in Längserstreckung des Hohlleiters ein Kühlmittel, beispielsweise eine Kühlflüssigkeit bzw. ein Kühlfluid oder ein gasförmiges Kühlmittel, einleiten.
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Die Bestromung der Statorwicklungen von erster Phase und zweiter Phase mögen besonders vorteilhaft mit um 90° versetzten elektrischen Größen erfolgen.
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Der Winkelversatz 22a δ zwischen den beiden Statorelementen 6 kann zwischen 0 < δ < x/2, also zwischen null und einer Polteilung beliebig variiert werden, wobei lediglich die Bestromung der Statorwicklungen 6 unter Berücksichtigung des entsprechenden Winkelversatzes angepasst werden muss. Erfindungsgemäß ist auch ein Winkelversatz von x > δ > x/2, ein solcher kann aber durch einfache Umkehr der Pfeilung des Umfangswinkels wieder in einen Versatz von 0 < δ < x/2 überführt werden. Somit stellt die Ausführung mit einem Winkelversatz von x > δ > x/2 keine echte Erweiterung des Wirkungsbereichs der Erfindung dar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/115247 [0004, 0007]
