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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine im Rahmen eines Abgassystems eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Turboladers.
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Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen in vielfältiger Ausführungsform als elektrische Verbraucher und/oder als Generatoren zur Energiegewinnung hinlänglich bekannt.
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Aus der
EP 1 811 632 A1 ist eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs nach Anspruch 1 bekannt, die aus einem feststehenden Stator sowie einem mittels Radiallager beweglich um eine Drehachse gelagerten Rotor besteht. Von der Drehachse ausgehend radialseitig ist der Rotor nur von einem Luftspalt getrennt von dem Stator umgeben. Zur Ausbildung eines magnetischen Feldes sind dem Stator Wicklungen zugeordnet, die ein Wickelsystem ausbilden. Stirnseitig ragen die Wicklungen aus dem Stator heraus und bilden dort einen Wickelkopf aus.
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Bei der bekannten Maschine sind die Radiallager unmittelbar axial neben den Wickelköpfen angeordnet, wobei der Abstand zwischen dem Radiallager und dem Wickelkopf einen Einfluss auf die Rotorlänge hat. Für einen Betrieb der elektrischen Maschine bei hohen Drehzahlen eignen sich insbesondere aus schwingungstechnischen Gesichtspunkten elektrische Maschinen mit kurzen Rotorlängen grundsätzlich besser als elektrische Maschinen mit langen Rotorlängen. Aus diesem Grund wird versucht, die Längserstreckung der Wickelköpfe möglichst klein auszulegen, da dies die Differenz zwischen der Länge des im aktiven Stators angeordneten Rotor LRS (aktive Rotorlänge) und der Gesamterstreckung des Rotor LR , die durch die Radiallager bestimmt wird und diese einschließt, minimiert
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Auch die
EP 1 182 764 A1 beschreibt eine gattungsgemäße elektrische Maschine mit einem Kühlkonzept, durch das eine effiziente Abfuhr der Wärmeleistung bei minimalen Ventilationsverlusten erzielt werden soll. Dazu weist die elektrische Maschine einen speziellen Kühlkreislauf auf, der die Kühlluft in zwei weitgehend voneinander unabhängigen Kühlkreisläufen unterteilt. Dies ermöglicht eine getrennte Kühlung von Stator und Rotor der elektrischen Maschine bei einem Betrieb von bis zu 5 000U/min. Jedoch kann trotz optimaler Kühlung die Drehzahl nicht beliebig erhöht werden, da es dazu, insbesondere aufgrund von auftretenden Schwingungen, einer entsprechenden dynamischen Auslegung des Rotors bedarf, die bei zu langen Rotorlängen
LR nicht mehr gelingt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein Betrieb insbesondere auch bei hohen Drehzahlen möglich ist. Dies erlaubt den Betrieb der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine bei Drehzahlen, die mit vergleichbaren aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Maschinen nicht erreichbar sind. Gemeint sind hierbei insbesondere Drehzahlen von weit mehr als 100 000U/min und/oder Umfangsgeschwindigkeiten des Rotors in einem Bereich zwischen 100m/s und 200m/s, bevorzugt zischen 125m/s und 175m/s.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst einen Rotor, der durch mindestens eine als Radiallager ausgebildete Lagereinrichtung drehbar um eine Drehachse gelagert ist. Ausgehend von der Drehachse ist der Rotor in radialer Richtung von einem Stator umgeben. Dem Stator sind Wicklungen eines Stranges zugeordnet, die aus mehreren Spulen aufgebaut sind und ein Wickelsystem ausbilden. Eine Spule besteht aus mindestens zwei Leiterabschnitten, die in Umfangsrichtung versetzt, längs zur Drehachse angeordnet sind und schleifenartig an der Stirnseite des Stators unter Ausbildung eines Wickelkopfes miteinander verbunden sind. Die Kontaktierung der Leiterabschnitte erfolgt nach einem bestimmten Wickelschema, wobei auch mehrere Spulen zur Ausbildung der Wicklungen eines Stranges durch parallele und/oder serielle Verschaltungen miteinander elektrisch leitend kontaktiert werden können. Neben der elektrischen Kontaktierung von mehreren Spulen erfolgt im Wickelkopf auch eine elektrische Kontaktierung mit von außen zugänglichen Kontaktierungsmitteln, die eine Bestromung des Wickelsystems, insbesondere durch eine Antriebselektronik, ermöglichen. Stirnseitig zum Stator bezieht sich auf eine Seitenfläche des Stators, die quer zur Drehachse des Rotors angeordnet ist. Da sich erfindungsgemäß die Radiallagereinrichtung des Rotors sowie der entsprechende Wickelkopf in Axialrichtung, also längs zur Drehachse, überlappen, kann die Gesamterstreckung des Rotor LR bei gleichbleibender aktiver Rotorlänge LRS verkürzt werden. Diese erfindungsgemäße Maßnahme ermöglicht einen rotordynamisch stabilen, insbesondere vibrationsarmen, Betrieb auch bei hohen Drehzahlen. Die erfindungsgemäße Maßnahme ist zudem nicht auf elektrische Verbraucher beschränkt, sondern kann zudem auch bei Generatoren eingesetzt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Bei einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltungsform der Erfindung ist der Wickelkopf derart ausgebildet, dass er von der Drehachse ausgehend in radialer Richtung den Stator, insbesondere den Außenumfang des Stators, überragt. Mit anderen Worten ist die Radialerstreckung des Wickelkopfes in Bezug auf die Drehachse größer als die Radialerstreckung des Stators. Bei einer bevorzugt runden Querschnittsfläche des Stators weist die Querschnittsfläche des Wickelkopfes von der Drehachse aus gesehen einen größeren Radius auf als der Radius des Stators. Alternativ kann die Radialerstreckung des Wickelkopfes in Umfangsrichtung auch nur abschnittsweise die Radialerstreckung des Stators überragen.
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In einer besonders bevorzugten konstruktiven Ausgestaltungsform weist der Wickelkopf zudem einen Freiraum auf, der zur Drehachse ausgerichtet ist und in den die Lagereinrichtung axial eintaucht. Dies ermöglicht synergistisch und vorteilhaft die Gesamterstreckung des Rotors LR bei gleichbleibender aktiver Rotorlänge LRS zu verkürzen.
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Weiterbildend weist der Freiraum auf der der Drehachse zugewandten Seite eine Schräge auf, die in Bezug auf die Drehachse einen Winkel α aufweist, wobei der Winkel α kleiner 80°, bevorzugt kleiner 70°, besonders bevorzugt kleiner 60°, ganz besonders bevorzugt kleiner 50° ist. Dies ermöglicht die vorteilhafte Aufnahme eines Radiallagers, wodurch vorteilhaft die Gesamtlänge des Rotors LR bei unveränderter aktiver Rotorlänge LRS verkürzt werden kann.
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Weiterbildend kann der Stator auch symmetrisch zu einer Symmetrieebene ausgebildet sein, die senkrecht zur Drehachse angeordnet ist. Ferner weist der Rotor bevorzugt zumindest zwei Lagereinrichtungen auf, die das Rotieren des Rotors um die Drehachse ermöglichen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des zuletzt genannten Vorschlags sieht vor, dass die Lagereinrichtungen auch symmetrisch zu der Symmetrieebene angeordnet sind.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Stator unterschiedlich kontaktierte Leiterabschnitte auf, die gemeinsam in einer Statornut angeordnet sind. Dabei bilden die unterschiedlich kontaktierten Leiterabschnitte bevorzugt eine Ober- und eine Unterschicht aus und sind damit in einer zweilagigen Wickelanordnung angeordnet. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Spulen wird als Polteilung bezeichnet. Ist die Spulenweite einer Spule kleiner als die Polteilung nennt man die Spule gesehnt oder verkürzt. Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung sind auch Wickelanordnungen mit gesehnter Wickellänge denkbar, wobei in allgemein bekannter Art das vorteilhafte Auftreten des Oberschwingungsgehalts beeinflusst werden kann. Zudem können die über den Stator verteilten Wicklungen eines Stranges aus verteilten oder alternativ auch konzentrischen Spulen in allgemein bekannter Art gebildet werden.
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Eine weitere Optimierung sieht in einer bevorzugten Ausführungsform die Verwendung von Litzen zur Ausbildung der Statorwicklungen vor. Leitungen aus Litzen bestehen aus einer Vielzahl an dünnen Drähten und weisen im Vergleich zu Vollkupferleitungen einen größeren elektrischen Widerstand auf. Jedoch sind Litzenleitungen gut formbar und eignen sich daher synergistisch für eine schleifenartige Anordnung im Stator unter einer vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Wickelkopfs. Bevorzugt wird der Wickelkopf durch ein Presswerkzeug geformt, wodurch vorteilhafte Ausführungsformen wie Freiräume oder schräge Flächen reproduzierbar und damit großserientauglich ausgebildet werden können.
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Eine weitere Optimierung sieht die Verwendung von Permanentmagnetelementen für den Rotor vor, die derart ausgebildet sind, dass sie mit dem im Stator angeordneten Wickelsystem zusammenwirken und/oder dass der Rotor für einen Betrieb von bis zu 200 000U/min ausgebildet ist und/oder dass der Rotor eine axiale Gesamterstreckung in einem Bereich zwischen 8cm bis 20cm, bevorzugt zwischen 10cm und 18cm aufweist.
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Auch umfasst die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, die als Bestandteil eines Abgassystems eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Turboladers, eingesetzt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
- 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit erfindungsgemäß ausgestaltetem Wickelkopf in einem stark vereinfachten Längsschnitt und
- 2a bis 2d einen Ausschnitt von 1, der bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wickelkopfs zeigt.
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In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die 1 zeigt einen seitlichen, stark vereinfachten Längsschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Maschine 1 mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Wickelkopf 2. Dargestellt ist eine Drehachse 3, um die sich ein über ein linkes und rechtes Radiallager 5A, 5B drehbar angeordneter Rotor 4 dreht. Zur Ausbildung eines magnetischen Feldes weist der Rotor 4 entweder bestrombare elektrisch leitende Wicklungen (nicht dargestellt) auf oder beinhaltet alternativ und bevorzugt Permanentmagnetelemente 6, die für ein Zusammenwirken mit Statorwicklungen 9 eines Stators 8 ausgebildet sind. Der Stator 8 ist symmetrisch zu einer Symmetrieebene 21 angeordnet, die senkrecht zu der Drehachse 3 verläuft. Von der Drehachse 3 radial ausgehend ist der Rotor 4 nur durch einen Luftspalt 7 von dem Stator 8 getrennt. Dem Stator 8 sind, insbesondere in parallel zur Drehachse 3 verlaufenden Statornuten 22, Leitungsabschnitte 10 zugeordnet, die an der Stirnseite des Stators 8 einen Wickelkopf 2 ausbilden. Im Wickelkopf 2 erfolgt die elektrische Kontaktierung verschiedener Leitungsabschnitte 10 zu einer Spule 11 bzw. die Kontaktierung von mehreren Spulen 11 zu den Statorwicklungen 9 eines Stranges sowie die Kontaktierung mit von außen zugänglichen Kontaktierungsmitteln 12, wodurch das Wickelsystem 13 bestromt werden kann.
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Erfindungsgemäß überlappen sich die Lagereinrichtungen 5A, 5B und die Wickelköpfe 2 in axialer Richtung, also längs zur Drehachse 3 des Rotors 4. Dies erlaubt erfindungsgemäß die Länge LR des Rotors 4 einschließlich der beiden Radiallager 5A, 5B zu verkürzen, ohne dabei jedoch die aktive Länge LRS des im Stator 8 angeordneten Rotors 4 zu verkleinern.
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Beim Betrieb als elektrischer Verbraucher wird das im Stator 8 angeordnete Wickelsystem 13 über die Kontaktierungsmittel 12 von einer nicht in der Figur dargestellten elektrischen Antriebskomponente bestromt. Dies führt dazu, dass sich innerhalb des Stators 8 ein magnetisches Feld aufbaut. Durch das magnetische Feld wird eine Kraft auf die im Rotor 4 angeordneten Permanentmagnetelemente 6 ausgeübt, woraus die Rotation des Rotors 4 resultiert. Durch geeignete Bestromung des im Stator 8 angeordneten Wickelsystems 13, insbesondere durch eine frequenzvariable Modulation, kann die Drehzahl des Rotors 4 beeinflusst bzw. vorgegeben werden. Auf Grund der erfindungsgemäßen Maßnahmen lässt sich durch den verkürzten Abstand zwischen den beiden Radiallagern 5A, 5B eine höhere Drehzahl bei einem rotordynamisch stabilen, insbesondere vibrationsfreien, Betrieb erreichen.
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Die 2a bis 2d zeigen jeweils den gleichen Ausschnitt aus der 1, wobei in den Figuren unterschiedliche Ausführungsformen des vorteilhaften Wickelkopfes 2 dargestellt sind. In Bezug auf die 1 zeigen die Ausschnitte nur den rechten Teil des Rotors 4, sowie den rechten und oberen Teil des Stators 8 mit dem rechten oberen Wickelkopf 2. Wie schon im Zusammenhang mit der 1 erläutert, ist der Rotor 4 um die Drehachse 3 durch die dargestellte Lagereinrichtung 5B rotierbar gelagert und in radialer Richtung vom Stator 8 umgeben, wobei von den längs zur Drehachse 3 angeordneten und aus dem Stator 8 herausragenden Leitungsabschnitten 10 der Wickelkopf 2 ausgebildet wird, dessen bevorzugte Ausführungsformen nun beschrieben werden:
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Die 2a zeigt den Wickelkopf 2 gemäß der 1, der eine zur Drehachse 3 ausgerichtete Schräge 16 mit einem Winkel α aufweist, wodurch ein Freiraum 14 entsteht, in den die Lagereinrichtung 5B des Rotors 4 längs zur Drehachse 3 eintaucht. Der Wickelkopf 2 ragt zudem radial über den Außenumfang 15 des Stators 8 heraus.
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In der 2b weist der Wickelkopf 2 eine parabelförmige, zur Drehachse 3 ausgerichtete Seitenfläche 17 auf, wobei auch hier ein Freiraum 14 entsteht, in den erfindungsgemäß die Lagereinrichtung 5B des Rotors 4 eintaucht. Der Wickelkopf 2 ragt zudem radial über den Außenumfang 15 des Stators 8 heraus.
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In 2c besitzt der unmittelbar an der Stirnseite des Stators 8 angeordnete Wickelkopf 2 eine zur Drehachse 3 ausgerichtete stufenförmige Fläche 18, wodurch der Freiraum 14 für die Aufnahme der Lagereinrichtung 5B realisiert wird. Auch in dieser bevorzugten Ausgestaltungsform des Wickelkopfes 2 ragt der Wickelkopf 2 in radialer Richtung über den Außenumfang 15 des Stators 8 hinaus.
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In 2d weist der Wickelkopf 2 zunächst einen schrägen Flächenabschnitt 19 auf, der dann in einen parallel zur Drehachse 3 verlaufenden überhängenden Flächenabschnitt 20 übergeht. Auch durch diese Ausgestaltung gelingt die Ausbildung eines Freiraums 14, in den die Lagereinrichtung 5B axial eintaucht. Zudem ist in der gezeigten bevorzugten Darstellungsform der Außenumfang 15 des Stators 8 in radialer Richtung gleichgroß wie die radiale Erstreckung des Wickelkopfes 2, was durch eine breitere, also in axialer Richtung längere Erstreckung des Wickelkopfes 2 kompensiert wird.
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Ergänzend wird erläutert, dass zusätzlich zu den dargestellten Ausführungsformen der Wickelkopf 2 auch anders ausgebildet sein kann, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1811632 A1 [0003]
- EP 1182764 A1 [0005]
