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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 mit verbessertem Rotor sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Transversalflussmaschine.
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Stand der Technik
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Transversalflussmaschinen sind seit langem bekannt. Bei diesen verläuft der magnetische Fluss axial und radial und je nach Ausführung über eine Polleitung tangential, eine solche Topologie ermöglicht eine zur Rotationsachse konzentrische Statorwicklung. Ein Vorteil von Transversalflussmaschinen liegt in deren hoher Drehmomentdichte und damit hoher Leistungsdichte bei geringem Gewicht sowie einem hohen Wirkungsgrad.
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Hierbei stellt jedoch der dreidimensionale Flussverlauf an die Konstruktion und Montage solcher Transversalflussmaschinen besondere Anforderungen, die es in vielfältige Aufbauarten gibt. Beispielsweise beschreibt Druckschrift
WO 2009/115247 A1 eine Maschine als Scheibenläufer, welche axiale Luftspalte aufweist. Zu beiden Seiten des Rotors befindet sich je ein Statorelement der Transversalflussmaschine. Der dort beschriebene Rotor besteht aus Permanentmagneten, die in einer Tragekonstruktion eingebettet sind. Der Magnetfluss wird hierbei zwischen Rotor und Stator jedoch nicht in optimierter Weise geführt.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung kann somit darin gesehen werden, eine verbesserte Flussführung eines magnetischen Flusses in einem magnetischen Kreis zwischen Magnetelementen im Rotor durch den Stator 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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Zur Verbesserung des magnetischen Flusses weist die erfindungsgemäße Transversalflussmaschine eine Rotorelement-Statorelement-Kombination mit verringertem magnetischem Widerstand über die Luftstrecke zwischen Rotor- und Statorelementen auf. Da die Magnetelemente weiterhin in Umfangsrichtung orientiert sind, stellt der erfindungsgemäße Rotor eine bevorzugte Möglichkeit bereit, die magnetischen Feldlinien nach der Durchquerung der Magnetelemente in ihrer Richtung derart zu beeinflussen, dass sich die magnetischen Feldlinien zum Ständerelement hin ändern.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es somit, den Weg der magnetischen Feldlinien besser zu führen und durch magnetisch leitfähiges Material den magnetischen Widerstand entlang des Flussweges zu reduzieren.
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Hierdurch kann entweder ein größerer Fluss in der Transversalflussmaschine erreicht werden, wodurch sich die Drehmomentdichte bzw. die Leistung der Maschine erhöhen lässt, oder aber es kann die Menge des Magnetmaterials im Rotorelement und somit die Kosten der Maschine bei gleichbleibender Leistung reduziert werden.
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Die vorliegende Erfindung sieht hierzu Flussleitelemente bzw. Flusssammler als eine Sammleranordnung vor, mittels derer der magnetische Fluss in der Maschine vergrößert und besser geführt werden kann.
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Ausgehend von einer Transversalflussmaschine, wie sie beispielsweise in der
WO 2009/115247 A1 gezeigt wird, sind im erfindungsgemäßen Rotorelement zwischen den Magnetelementen des Rotors Distanzelemente, sogenannte Flussleitstücke aus magnetisch leitfähigem Material, vorgesehen. Hierdurch wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Weg der Feldlinien verbessert, indem ein ferromagnetischer Werkstoff, beispielsweise Eisen, zwischen den Magnetelementen, den Weg der Feldlinien positiv beeinflusst und lenkt.
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Insbesondere wirken die magnetisch leitfähigen Flussleitstücke zwischen zwei Magnetelementen derart, dass sie einen virtuellen Magnetpol, entsprechend der beiden, gleichen Magnetpole, welche am Flussleitstück anschließen, ausbilden.
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Im Flussleitelement können im Weiteren die Feldlinien bereits in Richtung der außenliegenden Statorelemente gelenkt werden und sind somit, anders als bei den Magnetelementen selbst, nicht mehr parallel zum Stator ausgerichtet, sondern bereits, zumindest teilweise, in dessen Richtung geneigt. Da sich somit das Flussleitstück selbst als ein virtueller Magnetpol auffassen lässt, kann dieser als die sich an den Stator angrenzende Oberfläche des Flussleitelementes erachtet werden. Bereits hierdurch wird die Distanz zwischen den eigentlichen Polen der Magnetelemente des Rotorelementes und den Statorelementen reduziert.
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Beim erfindungsgemäßen Aufbau eines Rotorelementes durchlaufen die magnetischen Feldlinien somit eine kleinere Luftstrecke zwischen Rotorelement und Statorelement und werden im Übrigen durch weichmagnetische Werkstoffe geführt, wodurch das magnetische Feld der Magnetelemente weniger stark geschwächt wird.
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Flussleitelemente bzw. Flussleitstücke oder Flusssammler werden im Weiteren auch als Distanzelemente, insbesondere zwischen den Magnetelementen, bezeichnet.
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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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2a–c Detaildarstellungen von Komponenten einer Transversalflussmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3a, b Detaildarstellungen des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Transversalflussmaschine mit Distanzelementen; und
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4a, b weitere exemplarische Ausgestaltungen von Distanzelementen gemäß der vorliegenden Erfindung.
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1a zeigt die axiale Sicht auf ein Rotorelement mit radial durchgehenden Magnetelementen.
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Das Rotorelement 4 weist Magnetelemente 8 auf, die in Umfangsrichtung des Rotorelementes 4 angeordnet sind und jeweils zueinander bzw. zu zwei benachbarten Magnetelementen alternierende Magnetpolorientierung aufweisen. In anderen Worten werden zwei benachbarte Magnetelemente 8 jeweils mit gleichem Nord- bzw. Südpol zueinander angeordnet. Das Rotorelement kann dabei bevorzugt scheibenförmig ausgebildet sein. Die benachbarten Magnetpole 10a, b zweier benachbarter Magnetelemente 8 sind somit polgleich ausgebildet. Die einzelnen Magnetelemente 8 weisen zueinander einen gleichbleibenden Winkelversatz 22 auf. Die Rotationsachse der Rotorelementes 4 steht in 1a senkrecht auf der Zeichenebene.
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Die Magnetelemente 8 können im Material des Rotorelementes 4 aufgenommen bzw. in dieses eingelassen sein, welches beispielsweise als faserverstärktes Composit-Material ausgebildet ist.
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Demgegenüber zeigt 1b die axiale Sicht auf ein Rotorelement 4 mit radial geteilten Magnetelementen 8.
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Der wesentliche Unterschied gegenüber 1a ist die Aufteilung der einstückigen Magnetelemente 8 in Magneteinzelelemente, z.B. jeweils zwei, wobei jeweils ein Magneteinzelelement radial innenliegend sowie ein weiteres radial außenliegend auf dem Rotorelement 4 angeordnet ist. Ein Magnetelement 8 besteht somit aus einer Mehrzahl von Magneteinzelelementen mit unterschiedlicher radialer Position bzw. Abstand von der Rotationsache des Rotorelementes 4, diese sind somit übereinander geschichtet angeordnet.
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Bei den durchgehenden Magnetelementen gemäß 1a kann es zum Ständerelement hin zu einer Flusskonzentration kommen, während im Fall der 1b bei geteilten Magnetelementen Magnetmaterial eingespart werden kann. Dies wird insbesondere dadurch begünstigt, dass in dem Bereich des Statorelementes, in dem die Statorwicklung 14 angeordnet ist, sich kein Magnetmaterial befindet, da dieses dort nur zu einem geringen Teil für den Fluss in der Transversalflussmaschine 2 verantwortlich ist. Die Statorwicklung wird auf dem Statorelement 6 gegenüber dem Rotorelement 4 zwischen den geteilten Magnetelementen 8 angeordnet.
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Dem kreisförmig bzw. plattenförmig ausgebildeten Rotorelement 4 auf jeder Seite gegenüberliegend sind Statorelemente 6, wie in 2a dargestellt.
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Zur Vereinfachung wird die axiale Sicht auf das Statorelement 6 in 2a gestreckt dargestellt. Statorelement 6 weist hierbei Rückschlussplatte 7 bzw. Joch sowie Distanzverkürzungselemente 16 bzw. Zähne, welche aus der Oberfläche des Stators in Richtung des Rotorelementes ragen, auf. Die Distanzverkürzungselemente 16 sind abwechselnd auf jeder Seite der Statorwicklung 14 angeordnet und weisen einen gleichbleibenden Winkelversatz 22 auf.
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Aufgrund der gestreckten Abbildung der 2a stellen sich die Ständerwicklung 14, real ausgebildet als Ringwicklung, sowie der Winkelversatz 22 als gerade, langgestreckte Elemente bzw. Längen dar.
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Eine Gesamtanordnung aus 1a/b und 2a ist in 2b dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine radiale, ebenfalls langgestreckte Aufsicht auf die Maschine.
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Hierbei ist ein Rotorelement 4 von zwei Statorelementen 6 zu jeweils einer Seite umgeben. Die Rotationsachse des Rotorelementes 4 in 2b ist parallel zur Zeichenebene. Exemplarisch ist der magnetische Feldlinienverlauf 12 in 2b dargestellt. Dieser stellt sich in der Aufsicht, Sicht auf die Seite, in radialer Richtung der Transversalflussmaschine in Form einer 8 dar.
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Die radial außenliegenden Distanzverkürzungselemente 16 sind hierbei durchgehend gezeichnet, während die radial innenliegenden Distanzverkürzungselemente 16 strichliert gezeichnet sind. Gleiches entspricht den Feldlinien 12, diese sind radial außenliegend durchgehend gezeichnet, während sie radial innenliegend strichliert dargestellt sind. Die durchgehenden Feldlinien 12 liegen hierbei im äußeren Teil der Maschine, somit radial außenliegend, wechseln in den Statorjochen 7 die radiale Lage und laufen durch die innenliegende Magnetelementreihe bzw. Magnethälfte ein zweites Mal durch ein Magnetelement 8 und werden über das zweite Statorjoch 7 geschlossen, so dass die Feldlinie 12 zurück zum Anfang kommt und sich somit ebenfalls schließt.
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In 2c dargestellt ist die kombinierte Abbildung aus 2a mit einem Rotorelement 4 gemäß 1b, wobei das Trägermaterial des Rotorelementes 4 nicht dargestellt wird sowie die Zeichnung längsgestreckt abgebildet ist.
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Auch in 2c sind die magnetischen Feldlinien 12 dargestellt. Die Feldlinien 12 treten aus den Nordpolen der Magnetelemente 8 aus, werden durch die Distanzverkürzungselemente 16 bzw. die Statorzähne in das Statorelement 6 überführt, wechseln im Joch 7 die radiale Lage und treten durch die zweite Zahnreihe des Statorelementes wieder auf das Rotorelement 8 über. Dort gehen die Feldlinien 12 in die Südpole der Magnetelemente 8, wobei dies nur die Hälfte einer oben dargestellten „8“-Form entspricht.
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Weiter Bezug nehmend auf 3a, b werden Detaildarstellungen des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Transversalflussmaschine mit Distanzelementen bzw. Flussleitelementen dargestellt.
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3a, b entsprechen hierbei im Wesentlichen der Darstellung der 2b, wobei die Zwischenräume zwischen den Magnetelementen 8 nicht dem Rotor-Trägermaterial entsprechen, sondern durch Distanzelemente 18 bzw. Flussleitelemente überbrückt bzw. aufgefüllt sind. Durch die beiden gleichen Pole der einzelnen Magnetelemente 8, die sich an jeweils ein Distanzelement 18 anschließen, bildet das Flussleitstück selbst einen virtuellen Magnetpol aus, der jedoch, wie in 3a dargestellt, räumlich näher an den Distanzverbindungselementen 16 bzw. den Zähnen des Statorelementes 6 angeordnet ist. Dadurch verringert sich der magnetisch wirksame Luftspalt 17 zwischen dem Rotorelement 8 und den Distanzverkürzungselementen 16 der Statorelemente 6.
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Vorzugsweise werden die Flussleitelemente aus einem Soft Magnetic Composite (SMC) Material hergestellt, da hierdurch Verluste aufgrund von Wechselanteilen oder Feldänderungen im Betrieb in den Flussleitelementen nur geringe Verluste durch Wirbelströme entstehen lassen.
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Die Distanzelemente 18 können entweder als einfache Zwischenelemente zwischen den Magnetelementen 8 des Rotorelementes 4 ausgebildet sein, wie in 3a dargestellt, oder aber eine über die Magnetelemente 8 hinausragende Verbreiterung zum Luftspalt 17 hin bzw. in den Luftspalt 17 hinein und somit zu den Distanzverkürzungselementen 16 der Statorelemente 6 aufweisen, wodurch der magnetische Luftspaltwiderstand 17 weiter reduziert wird.
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Diese Verbreiterung kann dabei entweder derart ausgestaltet sein, dass die Flussleitelemente 18 breiter als der Zwischenraum zwischen zwei Magnetelementen 8 ausgebildet ist und so diese einschließt bzw. überlappt, gleichzeitig oder zusätzlich kann das Flussleitelement 18b auch in Richtung der Statorelemente 6 die Magnetelemente 8 überragen und sich somit den Distanzverkürzungselementen 16 annähern, um den magnetischen Luftspaltwiderstand 17 weiter zu verkleinern. Diese Verbreiterung erleichtert damit den Übergang des magnetischen Flusses über den Luftspalt 17, da, zum Beispiel in 3b dargestellt, die Flussleitstücke 18b dem Fluss 12 eine größere Querschnittsfläche zur Verfügung stellen als beispielsweise in der 3a
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Weiter Bezug nehmend auf 4a, b sind weitere exemplarische Ausgestaltungen von Distanzelementen gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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Die Flussleitelemente 18 können alternativ z.B. mittig einen Hohlraum bzw. eine Öffnung 20 aufweisen, welche beispielsweise Trägermaterial des Rotorelementes 8, z.B. Fasermaterial, aufnehmen und so zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften beitragen kann.
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Ein Flussleitelement 18, wie in 4b dargestellt, kann wiederum aus mehreren Einzelstücken zusammengesetzt sein, dabei gleichzeitig eine Öffnung 20 aufweisen. Aufgrund der aus mehreren Teilstücken bestehenden Flussleitstücke 18 kann eine bevorzugte Montage möglich sein.
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Unter Berücksichtigung von 1b können Flussleitelemente 18 alternativ auch radial geteilt ausgeführt sein.
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Die Flussleitelemente 18 der 4a, b sind dabei derart dargestellt, wie sie bei Ihrem Einsatz in den 3a, b orientiert bzw. angeordnet wären. Die Öffnung 20 läuft somit radial nach außen und vermag z.B. Fasermaterial aufnehmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/115247 A1 [0003, 0010]
