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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektromaschine mit einem Stator und einem Rotor, ein Verfahren zum Betrieb einer Elektromaschine mit Rotor und Stator und ein Fahrzeug mit Elektromaschine.
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Elektromaschinen mit einem Rotor und einem Stator sind hinlänglich bekannt. Typischerweise sind Stator und Rotor der Elektromaschine zur Energiewandlung als permanenterregte Synchronmaschine, als fremderregte Synchronmaschine oder als Asynchronmaschine ausgeführt. Besonders permanenterregte Synchronmaschinen zeichnen sich dabei durch ihren hohen Wirkungsgrad und geringen Verschleiß aus. Asynchronmaschinen bzw. fremderregte Synchronmaschinen zeichnen sich dagegen durch eine geringe Schleppleistung aus. Typischerweise wird an den Antrieb des Fahrzeugs der Anspruch gestellt, den aktuellen Leistungswünschen nachzukommen, um so die Drehzahl an die entsprechende Fahrsituation anzupassen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektromaschine zur Verfügung zu stellen, die die Vorteile einer permanenterregten Synchronmaschine mit den Vorteilen einer nicht-permanenterregten Drehstrommaschine kombiniert und gleichzeitig den, meist kurzfristig, erhöhten Leistungsansprüchen an den Antrieb, beispielsweise bei der Nutzung der Elektromaschine als Fahrzeugantrieb, gerecht wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch eine Elektromaschine, insbesondere als Anrieb für ein Fahrzeug, wobei die Elektromaschine eine permanenterregte Drehstrommaschine und eine nicht-permanenterregte Drehstrommaschine umfasst, wobei die permanenterregte Drehstrommaschine und die nicht-permanenterregte Drehstrommaschine ein gemeinsames System aus Rotor und Stator aufweisen.
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Gegenüber dem Stand der Technik hat die vorliegende Erfindung den Vorteil, neben einem Antrieb durch die permanenterregte Drehstrommaschine auch einen Antrieb durch die nicht-permanenterregte Drehstrommaschine für die Elektromaschine nutzen zu können. Dadurch lässt sich die Wirkung der nicht-permanenterregten Drehstrommaschine zumindest zeitweise auf eine Elektromaschine übertragen, deren Betrieb primär von einer permanenterregten Drehstrommaschine bestimmt wird.
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Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Stator und Rotor
- – als Teil einer permanenterregten Drehstrommaschine und
- – als Teil einer nicht-permanenterregten Drehstrommaschine
ausgeführt sind. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die permanenterregte Drehstrommaschine in Form einer Außenpolmaschine oder einer Innenpolmaschine ausgestaltet ist. Es ist dabei denkbar, dass die Elektromaschine Bestandteil eines Elektromotors oder eines Hybridmotors ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die nicht-permanenterregte Drehstrommaschine wahlweise zusätzlich zur permanenterregten Drehstrommaschine betreibbar ist. Gegenüber dem Stand der Technik hat die vorliegende Erfindung den Vorteil, zusätzlich zur permanenterregten Drehstrommaschine zumindest zeitweise zur Leistungssteigerung der Elektromaschine die nicht-permanenterregte Drehstrommaschine dazu zuschalten. Dadurch kann vorzugsweise schnell auf erhöhte Leistungsanforderungen bei der Nutzung der Elektromaschine als Antrieb, insbesondere als Antrieb für ein Fahrzeug, reagiert werden.
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Vorzugsweise ist die nicht-permanenterregte Drehstrommaschine in einem ersten Betriebszustand ausgeschaltet und wird für eine Leistungssteigerung in einem zweiten Betriebszustand angeschaltet. Insbesondere ist die nicht-permanenterregte Drehstrommaschine derart konfiguriert, dass sie keine nennenswerten Verluste im ersten Betriebszustand der Elektromaschine verursacht. Insbesondere werden Bestandteile der nicht-permanenterregten Drehstrommaschine im ersten Betriebszustand wirkungslos mitgedreht.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die permanenterregte Drehstrommaschine eine permanenterregte Synchronmaschine und die nicht-permanenterregte Drehstrommaschine eine fremderregte Synchronmaschine und/oder eine Asynchronmaschine ist. In diesen Ausgestaltungen der permanenterregten Drehstrommaschine und der nicht-permanenterregten Drehstrommaschine lässt sich eine möglichst optimal zu betreibende Elektromaschine realisieren mit einer vergleichsweise hohen Leistungsdichte und geringen Schleppverlusten. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die nicht-permanenterregte Drehstrommaschine zur Feld-Schwächung nutzen lässt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Elektromaschine einen ersten Bereich mit Bestandteilen der permanenterregten Drehstrommaschine und einen zweiten Bereich mit Bestandteilen der nicht-permanenterregten Drehstrommaschine umfasst. Insbesondere sind der erste und der zweite Bereich räumlich voneinander getrennt. Beispielsweise ist ein Bestandteil der permanenterregten Synchronmaschine ein Permanentmagnet und ein beispielhafter Bestandteil der fremderregten Synchronmaschine ist eine Erregerwickelung. Denkbar ist auch, dass die permanenterregte Drehstrommaschine eine Permanenterregerwickelung umfasst, mit der dauerhaft ein Wirbelfeld, insbesondere ein Magnetfeld, aufrechtgehalten wird. Durch die räumliche Trennung der Bestandteile in den ersten und den zweiten Bereich lässt sich in vorteilhafter Weise eine Überlagerung von erzeugten Magnetfeldern vermeiden, wodurch die permanente Synchronmaschine und die Asynchronmaschine bzw. die fremderregte Synchronmaschine jeweils einzeln ihren Leistungsbeitrag im zweiten Betriebszustand der Elektromaschine zur Verfügung stellen. Dabei kann der erste Bereich sowohl Teile des Rotors als auch des Stators umfassen. Gleiches gilt für den zweiten Bereich.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der erste Bereich und der zweite Bereich
- – entlang einer durch den Rotor vorgegebenen axialen Richtung benachbart zueinander angeordnet sind und/oder
- – entlang einer Umlaufrichtung des Rotors abwechselnd benachbart zueinander angeordnet sind. Durch diese geometrische Anordnung lassen sich besonders effektive Elektromaschinen für eine Leistungssteigerung im zweiten Betriebszustand und für einen möglichst verlustfreien Betrieb im ersten Betriebszustand realisieren. Denkbar ist auch, dass der erste Bereich die gesamte Ausführung der permanenterregten Synchronmaschine umfasst und/oder der zweite Bereich die gesamte Ausführung der Asynchronmaschine und/oder der fremderregten Synchronmaschine umfasst. Die axiale Richtung wird durch die Achse festgelegt, um die der Rotor rotiert. Weiterhin ist es vorstellbar, dass der erste Bereich und der zweite Bereich in einer senkrecht zur axialen Richtung verlaufenden Ebene angeordnet sind, wobei der erste Bereich den Permanentmagneten umfasst und der zweite Bereich die Erregerwickelung umfasst. Insbesondere liegen sich dann jeweils paarweise zwei Erregerwickelungen und/oder Permanentmagneten im Rotor entlang einer senkrecht zur axialen Richtung verlaufenden Umlaufrichtung gegenüber.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die permanenterregte Synchronmaschine ein erstes Permanentmagnetsystem und ein erstes Wickelsystem umfasst und/oder
- – die fremderregte Synchronmaschine und/oder die Asynchronmaschine ein zweites Wickelsystem und Erregerwickelungen umfasst. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass der Rotor um die Achse rotiert, die die axiale Richtung vorgibt bzw. festlegt. Vorzugsweise sind das erste Wickelsystem und das zweite Wickelsystem in den Stator integriert. Es ist dabei denkbar, dass das erste Wickelsystem vom zweiten Wickelsystem getrennt ist. Es ist aber auch vorstellbar, dass das erste Wickelsystem und das zweite Wickelsystem ein gemeinsames Wickelsystem bilden. Weiterhin ist es vorstellbar, dass der Rotor zweigeteilt ist und in einem ersten Teil des zweigeteilten Rotors der Permanentmagnet integriert ist und in einem zweiten Bereich die Erregerwickelung integriert ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das zweite Wickelsystem und die Erregerwickelung in Abhängigkeit von einer gewünschten Leistung der Elektromaschine mit Strom beaufschlagbar sind. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das zweite Wickelsystem und die Erregerwickelung für eine Leistungssteigerung jeweils phasenrichtig mit Strom beaufschlagbar sind. Dadurch lässt sich sicherstellen, dass das Zuschalten der Asynchronmaschine und/oder der fremderregten Synchronmaschine im zweiten Betriebszustand zu einer Leistungssteigerung der Elektromaschine im Vergleich zum ersten Betriebszustand führt.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Rotor als Volltrommelläufer ausgestaltet ist. Insbesondere lassen sich die Erregerwickelungen für die Asynchronmaschine und/oder die fremderregte Synchronmaschine in einem ersten Radialabstand zur Achse anordnen und Permanentmagnete für die permanenterregte Synchronmaschine in einem zweiten Radialabstand zur Achse anordnen. Vorzugsweise entspricht der erste Radialabstand dem zweiten Radialabstand. Es ist aber auch vorstellbar, dass der zweite Radialabstand geringer ist als der erste Radialabstand.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Elektromaschine ein Steuergerät umfasst, wobei das Steuergerät eine Bestromung des ersten Wickelsystems, des zweiten Wickelsystems und/oder der Erregerwickelung abhängig vom gewünschten Betriebszustand steuert. Mit Hilfe des Steuergeräts lässt sich die Bestromung vorzugsweise derart phasenrichtig einstellen, dass eine Leistungssteigerung im zweiten Betriebszustand im Vergleich zum ersten Betriebszustand realisierbar ist.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Elektromaschine, wobei in einem zweiten Betriebszustand zur Leistungserhöhung zusätzlich zur permanenterregten Drehstrommaschine die nicht-permanenterregte Drehstrommaschine betrieben wird.
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Gegenüber dem Stand der Technik lässt sich mit der erfindungsgemäßen Elektromaschine schnell und unmittelbar vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand wechseln. Insbesondere ist es vorgesehen, dass
- – die permanenterregte Drehstrommaschine eine permanenterregte Synchronmaschine und
- – die nicht-permanenterregte Drehstrommaschine eine fremderregte Synchronmaschine und/oder eine Asynchronmaschine
ist. Dabei wirken die Asynchronmaschine und/oder die fremderregte Synchronmaschine nicht nennenswert leistungshemmend auf die Elektromaschine im ersten Betriebszustand.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass in einem ersten Betriebszustand ausschließlich die permanenterregte Drehstrommaschine betrieben wird. Vorzugsweise befindet sich die Elektromaschine im ersten Betriebszustand, wenn eine belastungsunabhängige und stabile Drehzahl von der Elektromaschine gefordert wird.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, wobei das Fahrzeug eine erfindungsgemäße Elektromaschine aufweist.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
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Die 1 zeigt schematisch eine Elektromaschine gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die 2 zeigt schematisch eine Elektromaschine gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist schematisch eine Elektromaschine 1 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Eine solche Elektromaschine 1 ist vorzugsweise in ein Fahrzeug integriert und sorgt beispielsweise für dessen Antrieb. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Elektromaschine 1 einen Rotor 3 und einen Stator 2 aufweist, wobei der Rotor 3 als Welle ausgebildet ist, die vom Stator 2, vorzugsweise vollständig, ummantelt wird. Vorzugsweise lässt sich durch den Betrieb von Rotor 3 und Stator 2 als Elektromaschine 1 die Welle um eine durch eine axiale Richtung A vorgegebene Achse rotieren, wodurch die Welle sich dann beispielsweise zum Antrieb einer Vorder- oder Hinterachse eines Fahrzeugs nutzen lässt. Dabei ist es vorgesehen, dass die Elektromaschine 1 zumindest teilweise als permanenterregte Drehstrommaschine 21, insbesondere als permanenterregte Synchronmaschine, ausgeführt ist. Dazu ist vorzugsweise ein Permanentmagnet 5 in den Rotor 3 integriert und der Stator 2 weist ein erstes Wickelsystem 11 auf. Es ist aber auch denkbar, dass die permanenterregte Synchronmaschine im Sinne einer Außenpolmaschine Permanentmagnete 5 am Stator 2 und das erste Wickelsystem 11 am Rotor 3 aufweist. Für einen ersten Betriebszustand wird die Elektromaschine 1 vorzugsweise ausschließlich mit der permanenterregten Synchronmaschine betrieben und entsprechend wird das erste Wickelsystem 11 bestromt. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Elektromaschine 1 neben der teilweisen Ausführung als permanenterregte Drehstrommaschine 21 zusätzlich teilweise als nicht-permanenterregte Drehstrommaschine 22, beispielsweise als fremderregte Synchronmaschine und/oder als Asynchronmaschine, ausgeführt ist, wobei die nicht-permanenterregte Drehstrommaschine 22 wahlweise zu dem Betrieb der permanenterregten Synchronmaschine zuschaltbar ist, um einen zweiten Betriebszustand zu erreichen. Vorzugsweise umfasst die Elektromaschine 1 für die teilweise Ausführung als Asynchronmaschine und/oder fremderregte Synchronmaschine ein in den Stator 2 integriertes zweites Wickelsystem 12 und eine in den Rotor 3 integrierte Erregerwickelung 6. Vorzugsweise ist ein erster Bereich 31, der Bauteile der permanenterregten Synchronmaschine, beispielsweise des Permanentmagneten 5 und/oder eines Teils des ersten Wickelsystems 11, umfasst, räumlich getrennt von einem zweiten Bereich 32, der Bauteile der Asynchronmaschine und/oder der fremderregten Synchronmaschine, beispielsweise Teile des zweiten Wickelsystem 12 und/oder Teile der Erregerwickelung 6, umfasst. Insbesondere sind der erste Bereich 31 und der zweite Bereich 32 entlang der axialen Richtung A benachbart zueinander angeordnet. Insbesondere ist es denkbar, dass ein erster Bereich 31, in dem die permanenterregte Synchronmaschine realisiert ist, entlang der axialen Richtung A benachbart angeordnet ist zu einem zweiten Bereich 32, in dem die fremderregte Synchronmaschine und/oder die Asynchronmaschine realisiert ist. Vorzugsweise wird die fremderregte Synchronmaschine dazu geschaltet, wenn eine höhere Leistung von der Elektromaschine 1 im zweiten Betriebszustand gewünscht ist. Dazu ist die fremderregte Synchronmaschine und/oder die Asynchronmaschine, insbesondere das zweite Wickelsystem 12 und/oder die Erregerwickelung 6, derart bestrombar, dass die fremderregte Synchronmaschine und/oder die Asynchronmaschine zu einer möglichst instantanen bzw. unmittelbaren Leistungssteigerung beitragen. Insbesondere wird auf eine Bestromung des zweiten Wickelsystems 12 und der Erregerwickelung 6 verzichtet, wenn sich die Elektromaschine 1 im ersten Betriebszustand befindet. Insbesondere sind die Asynchronmaschine und/oder die fremdgesteuerte Synchronmaschine derart konfiguriert, dass sie keine nennenswerten Verluste im ersten Betriebszustand verursachen. Weiterhin wird bei der Bestromung des zweiten Wickelsystems 12 und/oder der Erregerwickelung 6 eine Phase der Bestromung des ersten Wickelsystems 11 berücksichtigt, um einen synchronen und damit leistungssteigernden Betrieb der zugeschalteten Asynchronmaschine oder der fremderregten Synchronmaschine zur permanenterregten Synchronmaschine 21 sicherzustellen. Weiterhin ist ein Steuergerät vorgesehen, das abhängig vom gewünschten Betriebszustand die Bestromung des ersten Wickelsystems 11, des zweiten Wickelsystems 12 und/oder der Erregerwickelung 6 steuert.
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In 2 ist schematisch eine Elektromaschine 1 gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. In dieser Ausführungsform ist der Rotor 3 als Volltrommelläufer ausgestaltet, entlang dessen senkrecht zur axialen Richtung A verlaufender Umlaufrichtung U abwechselnd ein Permanentmagnet 5 für die Ausführung der Elektromaschine 1 als permanenterregte Synchronmaschine und eine Erregerwickelung 6 für eine Asynchronmaschine und/oder eine fremderregte Synchronmaschine angeordnet sind. Insbesondere liegen sich jeweils zwei Permanentmagnete 5 bzw. zwei Erregerwickelungen 6 paarweise im Rotor 3 gegenüber. Weiterhin ist es vorgesehen, dass der Stator 2 das erste Wickelsystem 11 und das zweite Wickelsystem 12 umfasst. Vorzugsweise ist das erste bzw. das zweite Wickelsystem 11 oder 12 4- bzw. 8-polig ausgestaltet. Dabei ist es vorstellbar, dass die Erregerwickelungen 6 und/oder die Permanentmagneten 5 in den Rotor integriert, beispielsweise in den Rotor 3 vergraben, oder zumindest teilweise an einer Außenfläche des Rotors, beispielsweise vorstehend, montiert sind. Vorzugsweise ist die Erregerwickelung dabei als Bandage ausgestaltet.
