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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit variabler Motorkonstante. Ferner betrifft die Erfindung einen Aktor aufweisend die elektrische Maschine. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Variation der Motorkonstante der elektrischen Maschine.
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Eine Vielzahl von elektro-mechanischen Wirkmechanismen rund um und in Automobilen wird mit Elektromotoren angesteuert. Darüber hinaus sind Elektromotoren auch in einer Vielzahl anderer elektrischer Maschinen und technischen Bereichen einsetzbar.
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Eine Motorkonstante, auch Spannungskonstante oder Drehmomentkonstante genannt, ist maßgeblich für das elektromechanische Verhalten von elektrischen Maschinen verantwortlich. Für gewöhnlich ist die Motorkonstante eine feste maschinenbezogene Größe, die nur im Rahmen mit einem sogenannten Feldschwächebetrieb verändert werden kann. Allerdings ist mit dem Feldschwächebetrieb lediglich eine Verringerung der Motorkonstante möglich.
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Je nach Größe der Motorkonstante ist die elektrische Maschine in der Lage eine höhere maximale Drehzahl oder ein größeres maximales Drehmoment zu erzeugen.
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Das Drehmoment einer elektrischen Maschine ist grundsätzlich von seinem eingestellten Arbeitspunkt abhängig, d. h. das Drehmoment ist eine Funktion von der Drehzahl. Der Zusammenhang zwischen Drehzahl und Drehmoment wird bei der elektrischen Maschine über die sogenannte Motorkonstante (Drehmomentkonstante) wiedergegeben und ist in der Regel eine steigungsbehaftete Gerade.
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Eine große Motorkonstante führt zu einem hohen Drehmoment bei einer gleichzeitig geringen maximalen Drehzahl. Bei einem elektrischen Zentralausrücker kann die Motorkonstante beispielsweise 0,065 Nm/A betragen. Eine kleine Motorkonstante führt zu einem kleineren maximalen Drehmoment aber zu einer größeren maximalen Drehzahl. Bei einem hydrostatischen Kupplungsaktor kann die Motorkonstante beispielsweise 0,027 Nm/A betragen.
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Es existieren bereits Ansätze, die Motorkonstante über mechanische Verstellmechanismen zu verändern: „Classification of field-weakening solutions and novel PM machine with adjustable excitation” by H. Woehl-Bruhn, IEEE Paper, XIX International Conference on Electrical Machines – ICEM 2010, Rom”. Je nach Stellung der vorhandenen drehbeweglichen Magnete der elektrischen Maschine lässt sich die Motorkonstante verstärken oder schwächen. Nachteilig bei dieser vorgestellten Methode ist, dass die Motorkonstante nicht während des Betriebs verändert werden kann.
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Durch die vorgegebene Maschinentopologie sind die Motorkonstanten in der Regel fest vorgegeben und können nur mit Hilfe von regelungstechnischen Methoden verändert werden. In vielen Fällen ist es vorteilhaft, die Motorkonstante an die unterschiedlichen Belastungszustände anzupassen. Das bedeutet, dass es Betriebspunkte innerhalb eines Zyklus gibt, in denen eine hohe Drehzahl benötigt wird und es gibt ebenso Betriebspunkt in denen ein hohes Drehmoment notwendig ist.
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Typischerweise wird ein Kompromiss zwischen zwei Betriebspunkten für die Motorauslegung eingegangen, um die beiden Arbeitspunkte bedienen zu können. Dabei muss der Widerspruch zwischen zu geringem Drehmoment und zu geringer Dynamik gelöst werden.
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Aus jeder der
DE 10 2010 049 618 A1 und der
WO 2004/093306 A2 ist eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem im Stator drehbar gelagerten Rotor bekannt, wobei eine Spindel durch die elektrische Maschine geführt ist, der Rotor magnetflussleitend ist und in die elektrische Maschine einbringbar ist und der Rotor linear verlagerbar auf der Spindel angeordnet ist, um infolge einer Verlagerung in die elektrische Maschine eine Motorkonstante der elektrischen Maschine zu variieren.
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Bezüglich weiteren Standes der Technik wird auf die
US 2009/0001914 A1 verwiesen.
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Es besteht somit die technische Aufgabe in der Optimierung bei der Auslegung von elektrischen Maschinen, die einerseits eine hohe Drehzahl und andererseits eine hohes Drehmoment aufweisen müssen, ohne die vorgegebenen Rahmenbedingungen, wie Spannungsversorgung, Strombegrenzung oder einfache Regelungsverfahren, verändert werden müssen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß insbesondere gelöst durch eine elektrische Maschine mit einem Stator und einen im Stator drehbar gelagerten Rotor, wobei eine Spindel durch die elektrische Maschine geführt ist, und mindestens eine in die elektrische Maschine einbringbare magnetflussleitende Baugruppe vorgesehen ist, wobei die magnetflussleitende Baugruppe linear verlagerbar auf der Spindel angeordnet ist, um infolge einer Verlagerung in die elektrische Maschine eine Motorkonstante der elektrischen Maschine zu variieren.
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Durch ein Vorsehen der elektrischen Maschine ist eine Veränderung der Motorkonstante der elektrischen Maschine erreichbar. Hierzu wird die magnetflussleitende Baugruppe in die elektrische Maschine verlagert. Über eine Drehbewegung der elektrischen Maschine wird eine Veränderung der Motorkonstante bewirkt, die in Abhängigkeit der zu treibendenden Last ein optimales Maschinenverhalten hervorruft.
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Bevorzugt lässt sich die magnetflussleitende Baugruppe wieder aus der elektrischen Maschine heraus verlagern. Dabei lässt sich wieder eine Veränderung der Motorkonstante der elektrischen Maschine erzielen.
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Vorzugsweise ist eine elektrische Maschine eine in der elektrischen Energietechnik eingesetzte Maschine und stellt eine Form von Energiewandlern dar. Bevorzugt ist die elektrische Maschine ein elektro-mechanischer Energiewandler oder eine permanentmagneterregte Synchronmaschine.
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Vorzugsweise ist unter einer Verlagerung eine Verschiebung zu verstehen. Bevorzugt erfolgt die Verlagerung linear, d. h. in einer axialen Längsrichtung der Spindel. Besonders bevorzugt ist die magnetflussleitende Baugruppe in die elektrische Maschine verlagerbar, einschiebbar, einbringbar oder einführbar.
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Bevorzugt bewirkt eine Drehbewegung der elektrischen Maschine eine Veränderung der Motorkonstante. In Abhängigkeit der zu treibendenden Last wird ein optimales Maschinenverhalten hervorgerufen.
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Je weiter die magnetflussleitende Baugruppe in die elektrische Maschine eingeschoben wird, desto größer ist die Motorkonstante. Bei einer vollständig in die elektrische Maschine eingeschobenen magnetflussleitenden Baugruppe ist ein großes maximales Drehmoment bei einer kleinen maximalen Drehzahl erzielbar.
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Ist die magnetflussleitende Baugruppe nicht in die elektrische Maschine eingeschobenen, ist die Motorkonstante kleiner. Hier ist ein kleineres maximales Drehmoment bei einer hohen maximalen Drehzahl zu erwarten.
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In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die magnetflussleitende Baugruppe eingerichtet, infolge einer Drehung der Spindel relativ zur elektrischen Maschine verlagert zu werden.
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Damit lässt sich die magnetflussleitende Baugruppe auf diese Weise lässt sich in Richtung zur elektrischen Maschine verlagern.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die magnetflussleitende Baugruppe mittels mindestens einer mechanischen Koppelung verlagerbar auf der Spindel angeordnet.
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Infolge einer Drehbewegung der Spindel ist die magnetflussleitende Baugruppe auf einfache Weise linear auf der Spindel verlagern.
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In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist eine Spindelmutter linear verlagerbar auf der Spindel angeordnet.
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Vorzugsweise ist die Spindelmutter eingerichtet, eine Drehung der Spindel infolge einer linearen Verlagerung der Spindel, zu erzeugen. Infolge der linearen Verlagerung der Spindelmutter ist die magnetflussleitende Baugruppe in Richtung der elektrischen Maschine verschiebbar. Bevorzugt ist die Spindelmutter als ein Planetenwälzgetriebe ausgebildet.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist die magnetflussleitende Baugruppe einen zylinderförmigen Körper auf, der
- – entlang einer inneren Mantelfläche des Rotors verschiebbar ist und/oder
- – entlang einer äußeren Mantelfläche des Stators verschiebbar ist.
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Damit ist eine Veränderung der Motorkonstante der elektrischen Maschine auf einfache Weise erzielbar. Die magnetflussleitende Baugruppe ist derart in die elektrische Maschine verschiebbar, wobei eine Drehbewegung der elektrischen Maschine eine Veränderung der Motorkonstante bewirkt, die in Abhängigkeit der zu treibendenden Last ein optimales Maschinenverhalten hervorruft.
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Vorzugsweise ist die magnetflussleitende Baugruppe zwischen dem Rotor und der Spindel einbringbar. Bevorzugt ist die magnetflussleitende Baugruppe über die äußere Mantelfläche des Stators schiebbar. Besonders bevorzugt ist die magnetflussleitende Baugruppe zwischen einer Gehäusewandung der elektrischen Maschine und dem Stator einbringbar.
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Bevorzugt ist die magnetflussleitende Baugruppe eine Hülse oder ein Flussrückschlussblech. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist die elektrische Maschine einen Freilauf auf, um bei einer Drehung der Spindel ihre Position beizubehalten.
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Damit ist die elektrische Maschine unabhängig von Relativbewegungen der magnetflussleitenden Baugruppe positionierbar.
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Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß insbesondere gelöst durch einen Aktor aufweisend eine elektrische Maschine, wie zuvor beschrieben.
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In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Aktor ein Kupplungsaktor ein hydrostatischer Kupplungsaktor oder ein elektrischer Zentralausrücker.
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Auf diese Weise lässt sich eine Vielzahl verschiedener Aktoren verwirklichen, um eine Veränderung der Motorkonstante zu erzielen.
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Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß insbesondere gelöst durch ein Verfahren zur Variation der Motorkonstant einer elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine einen Stator, einen im Stator drehbar gelagerten Rotor aufweist, wobei eine Spindel durch die elektrische Maschine geführt ist, und mindestens eine in die elektrische Maschine einbringbare magnetflussleitende Baugruppe vorgesehen ist, wobei die magnetflussleitende Baugruppe linear verlagerbar auf der Spindel angeordnet ist, den folgenden Schritt aufweisend:
- – lineares Verlagern der magnetflussleitenden Baugruppe in die elektrische Maschine infolge einer Drehung der Spindel während eines Betriebs der elektrischen Maschine.
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Bevorzugt weist das Verfahren ferner den folgenden Schritt auf:
- – lineares Verlagern der magnetflussleitenden Baugruppe aus der elektrischen Maschine heraus infolge einer Drehung der Spindel während des Betriebs der elektrischen Maschine.
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Bevorzugt weist das Verfahren ferner folgende Schritte auf, um eine Drehung der Spindel zu erzielen:
- – lineares Verlagern einer Spindelmutter, die verlagerbar auf der Spindel angeordnet ist und
- – Verdrehung der Spindel infolge einer Verlagerung der Spindelmutter.
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Die Erfindung wird nun beispielhaft durch Figuren veranschaulicht. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch eine elektrische Maschine,
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2 eine schematische Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
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3 einen Schnitt A-A aus 2,
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4 eine schematische Ansicht einer zweiten erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
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5 einen Schnitt B-B aus 4,
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6 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Aktors mit einer elektrischen Maschine aus 2,
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7a eine schematische Ansicht aus 2 mit einem Flussleitblech in einer ersten Position,
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7b eine Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie zur 7a,
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7c eine Betätigungsweg-Betätigungskraft-Kennlinie zur 7a,
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8a eine weitere schematische Ansicht mit einem Flussleitblech in einer zweiten Position,
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8b eine Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie zur 8a,
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8c eine Betätigungsweg-Betätigungskraft-Kennlinie zur 8a
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9a eine weitere schematische Ansicht mit einem Flussleitblech in einer dritten Position,
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9b eine Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie zur 9a und
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9c eine Betätigungsweg-Betätigungskraft-Kennlinie zur 9a.
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1 zeigt einen Querschnitt durch eine elektrische Maschine.
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Die elektrische Maschine 2 ist als ein radial aufgebauter permanentmagneterregter Elektromotor ausgebildet. Die elektrische Maschine 2 weist einen Stator 3 und einen im Stator 3 drehbar gelagerten Rotor 4 auf, der in einer Richtung D drehbar ausgeführt ist. Spulen 5 sind radial am Stator 3 vorgesehen. Permanentmagneten 6 sind radial am Rotor 4 vorgesehen.
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Bei der elektrischen Maschine 2 ist ein einfaches Rückschlussblech 7 am Rotor 4 vorgesehen. Das Rückschlussblech 7 ist schmal ausgelegt, was zu einem hohen Streufluss innerhalb der elektrischen Maschine 2 führt. Damit ist eine Motorkonstante herabgesetzt.
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Die geringe Motorkonstante sorgt für ein kleines maximales Drehmoment und eine hohe maximale Drehzahl.
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2 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
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Die elektrische Maschine 2 weist eine Spindel 12 auf, die durch die elektrische Maschine 2 geführt ist. Ferner ist eine in die elektrische Maschine 2 einbringbare magnetflussleitende Baugruppe 8 vorgesehen. Die magnetflussleitende Baugruppe 8 ist mittels mechanischer Koppelungen 11 in einer axialen Richtung linear auf der Spindel 12 verlagerbar angeordnet. Die magnetflussleitende Baugruppe 8 weist einen zylinderförmigen Körper auf und ist als ein zusätzliches Rückschlussblech in Form einer Hülse ausgebildet. Ferner ist eine Spindelmutter 13 vorgesehen, die ebenfalls in einer axialen Richtung linear auf der Spindel 12 verlagerbar angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Spindelmutter als ein Planetenwälzgetriebe ausgebildet.
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Infolge der linearen Verlagerung der Spindelmutter 13 ist die magnetflussleitende Baugruppe 8 in Richtung der elektrischen Maschine 2 verschiebbar. Die magnetflussleitende Baugruppe 8 ist teilweise in die elektrische Maschine 2 eingeführt. Dabei ist die magnetflussleitende Baugruppe 8 entlang einer inneren Mantelfläche 9 des Rotors 4 in die elektrische Maschine 2 eingeführt. Hierzu hat sich die Spindelmutter 13 auf der Spindel 12 in der Blattebene nach rechts verlagert.
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Damit lässt sich eine Motorkonstante der elektrischen Maschine 2 auf einfache Weise variieren.
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3 zeigt einen Schnitt A-A aus 2.
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Die elektrische Maschine 2 ist als ein radial aufgebauter permanentmagneterregter Elektromotor ausgebildet. Die elektrische Maschine 2 weist einen Stator 3 und einen im Stator 3 drehbar gelagerten Rotor 4 auf, der in einer Richtung D drehbar ausgeführt ist. Spulen 5 sind radial am Stator 3 vorgesehen. Magneten 6 sind radial am Rotor 4 vorgesehen. Bei der elektrischen Maschine 2 ist ein einfaches Rückschlussblech 7 am Rotor 4 vorgesehen.
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Im Unterschied zur 1 ist die in die elektrische Maschine 2 einbringbare magnetflussleitende Baugruppe 8 vorgesehen, wobei die magnetflussleitende Baugruppe 8 linear verlagerbar auf der Spindel 12 angeordnet ist, um infolge einer Verlagerung eine Motorkonstante der elektrischen Maschine 1 zu variieren.
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Die magnetflussleitende Baugruppe 8 ist dabei entlang der inneren Mantelfläche 9 des Rotors 4 verschiebbar angeordnet.
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Durch ein Vorsehen der elektrischen Maschine mit der magnetflussleitenden Baugruppe wird eine erste Möglichkeit bereitgestellt, eine Veränderung der Motorkonstante der elektrischen Maschine zu erreichen.
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Dabei wird die magnetflussleitende Baugruppe in die elektrische Maschine verlagert, wobei eine Drehbewegung der elektrischen Maschine eine Veränderung der Motorkonstante bewirkt, die in Abhängigkeit der zu treibendenden Last ein optimales Maschinenverhalten hervorruft.
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4 zeigt eine schematische Ansicht einer zweiten erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
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Die elektrische Maschine 2 weist eine Spindel 12 auf, die durch die elektrische Maschine 2 geführt ist. Ferner ist eine in die elektrische Maschine 2 einbringbare magnetflussleitende Baugruppe 8 vorgesehen. Die magnetflussleitende Baugruppe 8 ist mittels mechanischer Koppelungen 11 in einer axialen Richtung linear auf der Spindel 12 verlagerbar angeordnet. Die magnetflussleitende Baugruppe 8 weist einen zylinderförmiger Körper auf und ist als ein zusätzliches Rückschlussblech in Form einer Hülse ausgebildet. Ferner ist eine Spindelmutter 13 vorgesehen, die ebenfalls in einer axialen Richtung linear auf der Spindel 12 verlagerbar angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Spindelmutter als ein Planetenwälzgetriebe ausgebildet.
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Infolge der linearen Verlagerung der Spindelmutter 13 ist die magnetflussleitende Baugruppe 8 in Richtung der elektrischen Maschine 2 verschiebbar. Die magnetflussleitende Baugruppe 8 ist teilweise in die elektrische Maschine 2 eingeführt. Im Unterschied zur 2 ist die magnetflussleitende Baugruppe 8 entlang einer äußeren Mantelfläche des Stators 3 in die elektrische Maschine 2 eingeführt. Hierzu hat sich die Spindelmutter 13 auf der Spindel 12 in der Blattebene nach rechts verlagert.
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Damit wird eine Variante zur 2 vorgeschlagen, eine Motorkonstante der elektrischen Maschine auf einfache Weise zu variieren.
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5 zeigt einen Schnitt B-B aus 4.
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Im Unterschied zur 3 ist die magnetflussleitende Baugruppe 8 nicht entlang der inneren Mantelfläche 9 des Stators 3 eingeführt, sondern entlang der äußeren Mantelfläche 10 des Rotors 4.
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Durch ein Vorsehen der elektrischen Maschine mit der magnetflussleitenden Baugruppe wird eine zweite Möglichkeit bereitgestellt, eine Veränderung der Motorkonstante der elektrischen Maschine zu erreichen. Der Effekte kann dadurch verstärkt werden, indem im Rotor und um den Stator gleichzeitig jeweils ein flussleitendes Element eingebracht wird.
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6 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Aktors mit einer elektrischen Maschine aus 2.
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Der Aktor 1 ist als ein hydrostatischer Kupplungsaktor ausgebildet. Der Aktor 1 weist die elektrische Maschine 2 aus 2 auf. Die elektrische Maschine 2 weist eine Elektronik 14 und einen Linearsensor 15 auf.
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Infolge einer Betätigung der Elektronik 14 wird der Linearsensor 15 angesteuert. Hierzu wird eine Stromversorgung über ein Bordnetz 16 bereitgestellt. Der Linearsensor 15 ist eingerichtet eine lineare Verlagerung der Spindelmutter 13 zu detektieren. Die lineare Verlagerung der Spindelmutter 13 führt dazu, dass die magnetflussleitende Baugruppe 8 in Richtung der elektrischen Maschine 2 in der Blattebene nach rechts verlagert wird.
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Ferner weist der Aktor 1 einen Geberzylinder 21 mit einem Primärkolben 20, einen Nehmerzylinder 23 und ein Ausrücklager 24 auf. Der Primärkolben 20 ist mit der Spindelmutter 13 verbunden. Der Geberzylinder 21 ist über eine Hydraulik 22 mit dem Nehmerzylinder 23 verbunden, der wiederum mit dem Ausrücklager mit Kupplung 24 in Kontakt gebracht ist.
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Die lineare Verlagerung der Spindelmutter 13 führt zum einen dazu, dass die magnetflussleitende Baugruppe 8 in Richtung der elektrischen Maschine 2 in der Blattebene nach rechts verlagert wird. Damit lässt sich eine Motorkonstante der elektrischen Maschine 2 auf einfache Weise variieren.
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Zum anderen erfährt der Primärkolben 20 ebenfalls eine lineare Verlagerung im Geberzylinder 21. Hierdurch wird eine Betätigung des Nehmerzylinders 23 ausgelöst, der das Ausrücklager mit Kupplung 24 betätigt.
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7a zeigt eine schematische Ansicht aus 2 mit einem Flussleitblech in einer ersten Position, 7b zeigt eine Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Elektromotors zur 7a und 7c zeigt eine Betätigungsweg-Betätigungskraft-Kennlinie der Spindel zur 7a.
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Der Aktor 1 benötigt eine hohe maximale Drehzahl, da im Arbeitspunkt 30 auf der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie lediglich eine geringe Last auftritt und sich deshalb der Arbeitspunkt 30 der elektrischen Maschine 2 nahe an der maximalen Drehzahl 31 befindet.
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8a zeigt eine weitere schematische Ansicht mit einem Flussleitblech in einer zweiten Position, 8b zeigt eine Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Elektromotors zur 8a und 8c zeigt eine Betätigungsweg-Betätigungskraft-Kennlinie der Spindel zur 8a.
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Infolge des Verfahrens der Spindelmutter 13 auf der Spindel 12 wird das zusätzliche Flussleitblech 8 in Richtung der elektrischen Maschine 2 verschoben und diese teilweise einbracht. Hierdurch erfolgt eine Erhöhung der Motorkonstante der elektrischen Maschine 2.
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9a zeigt eine weitere schematische Ansicht mit einem Flussleitblech in einer dritten Position, 9b zeigt eine Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Elektromotors zur 9a und 9c zeigt eine Betätigungsweg-Betätigungskraft-Kennlinie der Spindel zur 9a.
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Das Flussleitblech 8 ist in die elektrische Maschine 2 ganz eingeführt. Hieraus resultiert ein hohes Lastdrehmoment mit der größten Kraft. Der Arbeitspunkt 30 ist in einen Bereich der kleineren Drehzahlen und in den Bereich seines maximalen Drehmoments verschoben.
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Zusammenfassend lässt sich zu den 7a bis 9c sagen, dass je weiter die magnetflussleitende Baugruppe 8 in die elektrische Maschine 2 eingeschoben wird, desto größer ist die Motorkonstante.
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Bei einer vollständig in die elektrische Maschine 2 eingeschobenen magnetflussleitenden Baugruppe 8 ist ein großes maximales Drehmoment bei einer kleinen maximalen Drehzahl erzielbar.
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Ist die magnetflussleitende Baugruppe 8 nicht in die elektrische Maschine 2 eingeschobenen, ist die Motorkonstante klein. Hier ist ein kleines maximales Drehmoment bei einer hohen maximalen Drehzahl erzielbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktor
- 2
- elektrische Maschine
- 3
- Stator
- 4
- Rotor
- 5
- Spule
- 6
- Magnet
- 7
- einfaches Rückschlussblech
- 8
- magnetflussleitende Baugruppe
- 9
- innere Mantelfläche
- 10
- äußere Mantelfläche
- 11
- Koppelung
- 12
- Spindel
- 13
- Planetenwälzgetriebe
- 14
- Elektronik
- 15
- Linearsensor
- 16
- Bordnetz
- 20
- Primärkolben
- 21
- Geberzylinder
- 22
- Nehmerzylinder
- 23
- Hydraulik
- 24
- Ausrücklager mit Kupplung
- 30
- Arbeitspunkt
- 31
- maximales Drehmoment durch Strombegrenzung
- D
- Drehrichtung
