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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reluktanzmotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Montage eines Reluktanzmotors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 27.
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Elektromotoren werden in vielen Bereichen in Kraftfahrzeuglenksystemen eingesetzt. Sie können beispielsweise in herkömmlichen elektromechanischen Lenkungen eine Lenkkraftunterstützung aufbringen und in Steer-by-Wire-Lenksystemen, wo es keine direkte mechanische Kopplung zwischen dem Lenkrad und dem Lenkgestänge gibt, ein Lenkgefühl dem Fahrer bereitstellen. Weiterhin sind Elektromotoren zur Verstellung der Lenksäule bekannt.
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Um bei langsam drehenden und drehmomentstarken Motoren einen guten Langsamdrehwirkungsgrad zu erzielen, ist es wünschenswert so viele Stator-Pole und Rotor-Pole wie möglich einzusetzen. Dies erweist sich jedoch als schwierig, da die Spulen und Magnete nicht beliebig klein gebaut werden können und die Kosten für kleine Spulen und Magnete nicht tragbar sind.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen konstruktiv einfachen Elektromotor mit hohem Drehmoment, bevorzugt für ein Lenksystem, anzugeben, der bei geringem Bauraum eine gute Funktionalität aufweist. Weiterhin ist es eine Aufgabe, einen Elektromotor anzugeben, der als Direktantrieb verwendbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Reluktanzmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren zur Montage eines Reluktanzmotors mit den Merkmalen des Anspruchs 27 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.
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Demnach ist ein Reluktanzmotor mit einem um eine Längsachse drehenden Rotor und einem einzelnen Stator vorgesehen, wobei der Rotor auf einer statornahen Oberfläche eine Verzahnung aufweist, und der Stator auf einer rotornahen Oberfläche eine dazu korrespondierende Verzahnung aufweist, deren Zähne sich in Richtung der Längsachse erstrecken, wobei der Stator wenigstens zwei in Längsrichtung hintereinander angeordnete Hohlräume zur Aufnahme von jeweils einer bestrombaren Ringspule aufweist, wobei die Windungen der Ringspulen konzentrisch um die Längsachse gewickelt sind, und wobei der Stator auf der rotornahen Seite zur Ausbildung eines jeweiligen Luftspaltes zu den Hohlräumen hin durchsetzt ist, und der Luftspalt kreiszylinderförmig und konzentrisch zu der Längsachse ausgerichtet ist und eine konstante Höhe in Richtung der Längsachse aufweist, die kleiner als die Erstreckung der Ringspule in Richtung der Längsachse ist.
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Der Reluktanzmotor weist somit erfindungsgemäß Transversal-Reluktanzmaschinen auf, bei denen der magnetische Fluss - anders als z. B. bei Hybrid-Synchron-Maschinen (HSM) oder Reluktanzschrittmotoren mit konzentrierter Wicklung nicht senkrecht, sondern parallel zur Rotationsachse verläuft. Die Spule ist daher als Ringspule konzentrisch zur Rotationsachse ausgebildet.
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Transversal-Reluktanzmaschinen lassen sich gerade nicht durch ein klassisches magnetisches Drehfeld antreiben (ein Drehfeld, welches in einer Ebene mit der Rotationsachse dreht). Transversal-Reluktanzmaschinen sind daher prinzipiell nicht-steuerbare Schrittmotoren. Eine Steuerbarkeit lässt sich erst durch das Verketten mehrerer solcher Reluktanzmaschinen in Achsrichtung erreichen. Der erfindungsgemäße Reluktanzmotor hat bei geringem Bauraum eine gute Funktionalität.
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Die Verzahnung des Rotors und des Stators weisen bevorzugt eine im Wesentlichen gleiche Zahnteilung auf, d. h. dass es aber möglich ist, einen einzelnen Zahn entfallen zu lassen und/oder einen Zahnabschnitt um zwei, vier oder sechs Zähne versetzt anzuordnen.□
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Vorzugsweise weist die rotornahe Oberfläche des Stators Nuten auf, die die Verzahnung ausbilden. Die Poolanzahl kann so extrem erhöht werden, was zu einem besserer Wirkungsgrad bei niedrigen Drehzahlen führt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Stator Statorsegmente auf, die jeweils eine Ringspule umgeben, und die aus zwei oder drei Bauteilen gebildet sind. Der Stator ist daher aus wenigen Teilen gebildet, was die Montagekosten niedrig hält. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Statorsegmente aus zwei Bauteilen gebildet sind, wobei die Bauteile Statorringe sind. Diese Statorringe können jeweils ein U-förmiges Profil mit einer umlaufenden Ringnut und zwei Schenkeln aufweisen, wobei die Schenkel der Statorringe sich in Richtung der Längsachse erstrecken und konzentrisch zu dieser angeordnet sind. Vorzugsweise sind die beiden Statorringe eines Statorsegmentes so zueinander ausgerichtet, dass die beiden umlaufenden Ringnuten in die Mitte zwischen die beiden Statorringe zeigen und den Hohlraum für die Ringspule bilden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Schenkel der Statorringe unterschiedlich lang sind, wobei die Statorringe an den Stirnseiten der längeren Schenkel in Anlage liegen und sich zwischen den Stirnseiten der kürzeren Schenkel der Luftspalt ausbildet.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Rotor an der statornahen Oberfläche Magnete aufweist.
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Die Zähne des Rotors können sich in Richtung der Längsachse erstrecken oder dazu verzerrt angeordnet sein.
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Vorzugsweise ist in dem Hohlraum zwischen Ringspule und Stator eine Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitkleber eingebracht.
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Zur Vereinfachung der Montage sind die Windungen der Ringspulen vorzugsweise von einem Polymer umgeben. Dabei kann ein Stecker eines Anschlusses der Ringspule bereits in dem Polymer integriert sein. Vorzugsweise ist die Ringspule ein separates, vormontiertes Bauteil.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Rotor ausschließlich innerhalb oder außerhalb des Stators angeordnet ist.
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In einer Ausführungsform können die Ringspulen zwei seriell verschaltete Spulensegmente aufweisen.
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Der Reluktanzmotor weist vorzugsweise eine Steuereinheit auf, wobei die Ringspulen mittels der Steuereinheit mit Pulsweitenmodulation (PWM) ansteuerbar sind. Dabei ist es vorteilhaft, wenn zur Bestromung der Ringspulen die Steuereinheit einen Inverter aufweist.
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Zur vereinfachten Montage des Motors sind die Statorsegmente über Stirnplatten in einem axialen Pressverband gesichert.
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Dabei kann es vorgesehen sein, die Steuereinheit an und/oder in einer der Stirnplatten zu befestigen. Vorzugsweise sind die Stirnplatte und ein Gehäuse des Inverters einstückig ausgebildet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Verzahnung des Rotors und des Stators im Sinterverfahren hergestellt. Magnetisch aktive Teile des Motors bestehen also insbesondere nicht aus paketierten Blechlamellen, da der Magnetfluss nicht in Längsrichtung unterbunden werden soll.
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Vorzugsweise sind die Zähne zweier Statorringe eines Statorsegments axial fluchtend. Die Anzahl der Zähne in Umfangsrichtung ist vorzugsweise größer als 30, insbesondere größer als 50.
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Es kann ein weiteres, unabhängiges Statorsegment vorgesehen sein, welches als Reluktanzbremse dient.
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Es ist ein Steer-by-Wire-Lenksystem für Kraftfahrzeuge umfassend einen auf die gelenkten Räder wirkenden, in Abhängigkeit eines Fahrerlenkwunsches elektronisch geregelten Lenksteller, der mittels eines Lenkgetriebes auf die gelenkten Räder wirkt, und einen Rückwirkungen auf eine mit dem Lenkrad verbundene Lenkwelle übertragenden Feedback-Aktuator vorgesehen, wobei der Feedback-Aktuator einen zuvor beschriebenen Reluktanzmotor aufweist.
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Weiterhin ist ein Lenksystem für Kraftfahrzeuge umfassend einen zuvor beschriebenen Reluktanzmotor als Direktantrieb vorgesehen.
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Zudem ist ein Verfahren zur Montage eines zuvor beschriebenen Reluktanzmotors mit folgenden Schritten vorgesehen:
- • Bereitstellen eines sich in Längsrichtung erstreckenden Montagedorns, der die relative Ausrichtung der Statorsegmente zueinander sicherstellt,
- • Platzieren einer zweiten Stirnplatte auf einem Sitz des Montagedorns,
- • Platzieren der Statorsegmente mit dazwischen angeordneten Ringspulen der Reihe nach, hintereinander auf dem Montagedorn,
- • Aufsetzen einer ersten Stirnplatte auf das zuletzt aufgebrachte Statorsegment und Verbinden der beiden Stirnplatten mittels Verbindungsschrauben.
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Durch die Verwendung eines Montagedorns und der Verbindung der beiden Stirnplatten mittels Verbindungsschrauben ist die Montage besonders einfach. Es werden lediglich ein paar wenige Werkzeuge benötigt, was die Kosten reduziert.
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Vorzugsweise werden zwischen den Statorsegmenten Distanzscheiben auf den Montagedorn aufgesetzt.
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Es können folgende weitere Schritte vorgesehen sein:
- • Aufsetzen einer Wellfelder auf die zweite Stirnplatte auf den Montagedorn;
- • Ausfahren von mit dem Montagedorn verbundenen Statorstiften; Vorzugsweise ist weiterhin folgender weiterer Schritt vorgesehen:
- • Platzieren einer Distanzscheibe auf den zuletzt aufgebrachten Statorring und Aufsetzen eines Wälzlagers, das in der ersten Stirnplatte sitzt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren folgende Schritte:
- • Erzeugen einer Vorspannung auf die erste Stirnplatte bevor die beiden Stirnplatte mittels Verbindungsschrauben verbunden werden,
- • Lösen der Vorspannung und Entfernen des Montagedorns.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Für gleiche oder funktionsgleiche Elemente werden in allen Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen verwendet. Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer Steer-by-Wire Lenkung,
- 2: einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Reluktanzmotor,
- 3: eine schematische Darstellung einer Ansteuerung des erfindungsgemäßen Reluktanzmotors,
- 4: eine räumliche Ansicht eines erfindungsgemäßen Reluktanzmotors mit drei Polen,
- 5: einen Explosionszeichnung des Reluktanzmotors der 4 ohne Rotor,
- 6: eine schematische Darstellung des Reluktanzmotors in einer Stellung mit minimaler Reluktanz,
- 7: eine schematische Darstellung des Reluktanzmotors in einer Stellung mit maximaler Reluktanz,
- 8: einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Reluktanzmotor der 2 mit eingezeichnetem magnetischem Fluss,
- 9: eine schematische Darstellung der Orientierung der Zahnelemente der Statorsegmente zueinander,
- 10: einen schematischen Aufbau eines Statorsegmentes,
- 11: eine räumliche Ansicht einer Anordnung von drei Statorsegmenten,
- 12: einen schematischen Aufbau eines Rotors,
- 13a-o: Längsschnitte durch den Reluktanzmotor in Abfolge einer Montage, 14: eine räumliche Darstellung eines Reluktanzmotors mit magnetisiertem Rotor und zwei Statorsegmenten,
- 15: eine schematische Darstellung der Orientierung der Zahnelemente der Statorsegmente des in 14 dargestellten Reluktanzmotors zueinander,
- 16: eine räumliche Darstellung eines Reluktanzmotors mit magnetisiertem Rotor und vier Statorsegmenten,
- 17: eine schematische Darstellung einer möglichen Orientierung der Zahnelemente der Statorsegmente des in 16 dargestellten Reluktanzmotors zueinander,
- 18: eine schematische Darstellung einer möglichen Orientierung der Zahnelemente der Statorsegmente des in 16 dargestellten Reluktanzmotors zueinander mit Reluktanzbremse,
- 19: eine Explosionszeichnung eines Reluktanzmotors ohne Außenläufer,
- 20: eine räumliche Darstellung des Außenläufers des Reluktanzmotors der 19,
- 21,22: räumliche Darstellungen eines Rotors mit mehrteiligem Rotorkranz,
- 23: einen Längsschnitt durch einen Reluktanzmotor mit magnetisiertem Rotor,
- 24: einen Längsschnitt durch einen weiteren Reluktanzmotor mit magnetisiertem Rotor,
- 25: einen Längsschnitt durch einen Reluktanzmotor mit magnetisiertem, vier Segmente aufweisendem Rotor,
- 26: eine schematische Darstellung einer Schaltung eines vierphasigen Reluktanzmotors,
- 27: eine schematische Darstellung einer weiteren Schaltung eines vierphasigen Reluktanzmotors,
- 28: eine schematische Darstellung einer Schaltung eines vierphasigen Reluktanzmotors mit Magneten, sowie
- 29: ein schematischer Längsschnitt durch ein Statorsegment mit zwei Spulensegmenten.
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In der 1 ist ein Steer-by-Wire-Lenksystem 1 gezeigt. An einer Lenkwelle 2 ist ein nicht dargestellter Drehwinkelsensor angebracht, welcher das durch Drehen eines Lenkeingabemittels 3, welches im Beispiel als Lenkrad ausgebildet ist, aufgebrachten Fahrerlenkwinkel erfasst. Es kann aber zusätzlich oder alternativ auch ein Lenkmoment erfasst werden. Des Weiteren ist an der Lenkwelle 2 ein Feedback-Aktuator 4 angebracht, welcher dazu dient, die Rückwirkungen von der Fahrbahn 5 auf das Lenkrad 3 zu simulieren und somit dem Fahrer eine Rückmeldung über das Lenk- und Fahrverhalten des Fahrzeugs zu geben. Der Fahrerlenkwunsch wird über den vom Drehwinkelsensor gemessenen Drehwinkel der Lenkwelle 2 über eine Signalleitung 6 an eine Steuereinheit 7 übertragen. Die Steuereinheit 7 überträgt den Fahrerlenkwunsch über eine Signalleitung 8 an einen elektrischen Lenksteller 9, welcher die Stellung der gelenkten Räder 10 steuert. Der Lenksteller 9 wirkt über ein Lenkstangen-Lenkgetriebe 11, wie beispielsweise einem Zahnstangen-Lenkgetriebe, sowie über Spurstangen 12 und anderen Bauteilen mittelbar auf die gelenkten Räder 10. Die Steuereinheit 7 übernimmt bevorzugt auch die Ansteuerung des Feedback-Aktuators 4 über eine Signalleitung 13. Die Steuereinheit 7 empfängt weiterhin über eine Signalleitung 14 Signale von Sensoren 15 aus dem Lenkgetriebe 11.
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In der 2 ist ein Feedback Aktuator 4 mit einem erfindungsgemäßen Reluktanzmotor 16 dargestellt. Unter dem Begriff Reluktanzmotor versteht man im weiten Sinne Motoren, bei denen durch einen Stator ein veränderliches magnetisches Feld erzeugt wird, und der Rotor üblicherweise Pole ohne Wicklungen aus ferromagnetischem Material aufweist, wobei der Rotor im magnetischen Feld bestrebt ist, sich nach einer Lage minimaler Reluktanz auszurichten. Die Ausrichtung des magnetischen Feldes im Stator lässt sich bezüglich dem Drehzentrum des Rotors schrittweise oder fortlaufend verändern, so dass der Rotor sich entweder entsprechend um einen diskreten Winkelbetrag oder kontinuierlich bewegt.
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Die Lenkwelle 2 weist an einem Ende eine Aufnahme zur Befestigung der Lenkwelle 2 an dem nicht dargestellten Lenkrad auf. Die Lenkwelle 2 ist hohl ausgebildet. Die Lenkwelle 2 ist am lenkradnahen Ende und am lenkradfernen Ende in dem Gehäuse 17 drehbar gelagert. Das Gehäuse 17 umgibt den Feedback-Aktuator 4 der die Lenkwelle 2 konzentrisch umgibt. Der Feedback-Aktuator 4 weist den Reluktanzmotor 16 auf, dessen Rotor 18 mit der Lenkwelle 2 drehfest verbunden ist. Der Rotor 18 liegt dabei mit seiner Innenseite unmittelbar auf der Außenseite der Lenkwelle 2 in Anlage. Der Rotor 18 weist auf der Außenseite Zähne 19 auf, die sich im gleichen Abstand parallel zueinander entlang der Längsachse des Rotors 100 erstrecken. Die Längsachse des Rotors 100 entspricht der Längsachse der Lenkwelle 101. Die Zähne 19 erstrecken sich über die Länge des Reluktanzmotors 16 ohne Unterbrechung. Der Rotor 18 ist von insgesamt sechs hintereinander liegenden Statorringen 20 umgeben, die jeweils ein U-förmiges Profil mit einer umlaufenden Ringnut 21 und zwei Schenkeln 22,23 aufweisen. Die Schenkel 22,23 der Statorringe erstrecken sich dabei in Richtung der Längsachse 100 des Rotors 18 und sind konzentrisch zu dieser angeordnet. Zwei Statorringe 20 bilden ein Statorsegment 24. Die beiden Statorringe 20 eines Statorsegmentes 24 sind dabei so zueinander ausgerichtet, dass die beiden umlaufenden Ringnuten 21 in die Mitte zwischen die beiden Statorringe 20 zeigen und einen Hohlraum 25 für eine Ringspule 26 bilden. Die Schenkel eines Statorrings 22,23 sind unterschiedlich lang, wobei der kürzere Schenkel 22 der rotornahe Schenkel ist. Die zwei Statorringe 22,23 eines Statorsegmentes liegen somit in Anlage an den Stirnseiten der längeren Schenkel 23 und zwischen den Stirnseiten der kürzeren Schenkel 22 bildet sich ein Luftspalt 27 aus. Der Luftspalt 27 ist kleiner als die Erstreckung der Ringspule 26 in Richtung der Längsachse 100. Der Luftspalt 27 ist kreiszylinderförmig mit einer konstanten Höhe h in Richtung der Längsachse 100 ausgebildet und konzentrisch zu der Längsachse 100 ausgerichtet.
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Zwischen Ringspule 26 und Statorsegment 24 kann ein Luftspalt 28 entstehen, der eine Wärmeabfuhr negativ beeinflusst. Es kann daher eine Wärmeleitpaste oder -kleber in dem Luftspalt 28 vorgesehen sein, die eine Wärmeabfuhr begünstigt.
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Die Windungen der Ringspulen 26 verlaufen in Umfangsrichtung um die Längsachse 101 der Lenkwelle 2. Zwischen dem Rotor 18 und den Statorsegmenten 24 ist ein Luftspalt 29 vorgesehen, so dass der Rotor 18 mit der Lenkwelle 2 rotieren kann, während die Statorsegmente 24 an dem Gehäuse 17 ortsfest gehalten ist. Die Statorringe 20 weisen auf der Innenseite bzw. auf der Außenseite des rotornahen Schenkels 22 mit dem Rotor 18 korrespondierende Zähne 30 auf. Diese Zähne 30 sind in der 2 für das mittlere Statorsegment dargestellt.
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Pro Phase sind zwei Statorringe 20 und eine Spule 26 vorgesehen. Der in 2 dargestellte Reluktanzmotor 16 weist insgesamt drei Phasen auf.
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Die Steuereinheit 7 ist mit dem Feedback-Aktuator 4 verbunden und steuert die Bestromung der Windungen der Ringspulen 26 an. Die Ringspulen 26 sind dabei mit Pulsweitenmodulation (PWM) unterschiedlich bestrombar. Dadurch ist die Kraftwirkung jeder Spule einstellbar. Die Gesamtkraft auf den Rotor 18 ergibt sich aus der Überlagerung aller Kraftvektoren. Dadurch kann z. B. die Drehmomentwelligkeit des Reluktanzmotors 16 kompensiert werden. Umgekehrt ist es auch möglich, eine gezielte Drehmomentwelligkeit einzubauen, insbesondere als haptischer Rückmeldegeber. Bevorzugt erfolgt die einstellbare Bestromung aus einer Gleichspannungsquelle durch Pulsweitenmodulation unter Nutzung eines nicht dargestellten Inverters. Die Verschaltung der Spulen kann abhängig (z. B. Sternpunktschaltung) oder unabhängig sein (Einzelansteuerung).
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3 zeigt schematisch die Ansteuerung der drei Phasen U,V,W des Reluktanzmotors 16 durch die Steuereinheit 7. Es sind insgesamt sechs Halbleiterschalter 31, beispielsweise IGBT, vorgesehen, um die drei Phasen U,V,W anzusteuern. Die Verschaltung der Spulen 26 kann abhängig (z. B. Sternpunktschaltung) oder unabhängig voneinander sein (Einzelansteuerung). Je nach Verschaltung der Phasen U,V,W kann eine Rückleitung zur Steuereinheit vorgesehen sein. Die Ringspulen 26 sind durch die Halbleiterschalter 31 derart ansteuerbar, dass im Stator ein sich drehendes Magnetfeld entsteht und dadurch der Rotor eine Rotation erfährt, indem er dauernd eine Stellung minimaler Reluktanz zu erlangen sucht.
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In der 4 ist der Reluktanzmotor 16 in einer räumlichen Darstellung gezeigt. Es sind Anschlüsse 32 für die Ringspulen26 der drei Phasen zusehen, die zwischen zwei Statorringen 20 einer Phase angeordnet sind und diese durchsetzten und somit die Außenseite der Statorringe 20 überragen. Der außenliegende, längere Schenkel 23 der Statorringe 20 weist dazu Ausnehmungen 33 auf. Die Statorsegmente 24 sind vorzugsweise über Stirnplatten 340,341 in einem axialen Pressverband gesichert. Die Stirnplatten 34 sind mittels Verbindungsschrauben 35 miteinander verbunden. Die einen Inverter aufweisende Steuereinheit ist bevorzugt an und/oder in einer der Stirnplatten befestigt. Besonders bevorzugt sind Stirnplatte und Gehäuse des Inverters integral/einstückig ausgebildet. Ein Winkellagesensor kann stirnseitig auf einem Wellenende angebracht sein. Die dazu gehörige Messeinrichtung ist bevorzugt in einer der Stirnplatten untergebracht.
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5 zeigt eine detaillierte Ansicht der einzelnen Motorelemente ohne Rotor. Von links nach rechts entlang der Längsachse 100 gesehen, ist eine erste Stirnplatte 340 vorgesehen, die einen Sitz für ein Loslager 36 bildet. Das Loslager 36 ist bevorzugt ein Rillenkugellager. Zwischen der ersten Stirnplatte 340 und dem Loslager 36 und einem ersten Statorring 20 ist eine Distanzscheibe 37 vorgesehen. Der erste Statorring 20, eine erste Ringspule 26 und ein zweiter Statorring 20 bilden die erste Phase 38. Auf die erste Phase 38 folgt eine zweite Phase 39 mit einem dritten und vierten Statorring 20 und einer dazwischen angeordneten zweiten Ringspule 26. Die Phasen 38,39 sind durch eine Distanzscheibe 37 voneinander beabstandet. Es folgt eine dritte über eine Distanzscheibe 37 beabstandete Phase 40, die einen fünften und sechsten Statorring 20 mit einer dazwischen angeordneten dritten Ringspule 26 aufweist. Der sechste Statorring 20 liegt an der zweiten Stirnplatte 34 an und stützt sich über eine Wellfeder 41 an einem Außenring 42 eines Festlagers 43 ab. Das Festlager 43 sitzt in der zweiten Stirnplatte 341. Das Festlager 43 ist bevorzugt ein Rillenkugellager, das eine reduzierte Axialluft aufweisen kann. Die Wellfeder 41 ist bevorzugt aus Federstahl gebildet. Die Verbindungsschrauben 35 durchsetzen die erste Stirnplatte 340 und stützen sich an dieser ab. Sie werden in ein Gewinde in der zweiten Stirnplatte 341 geschraubt. Die Verbindungsschrauben 35 sind bevorzugt aus Stahl hergestellt und können zudem eine klebende Schraubensicherung aufweisen. Weiterhin kann eine spezielle Flankengeometrie des Schraubenantriebs vorgesehen sein, die lediglich ein Eindrehen der Schraube zulässt. Die Stirnplatten 340,341 sind bevorzugt aus Aluminium gebildet und vorzugsweise durch Druckguss mit zerspanender Bearbeitung hergestellt. Die Distanzscheiben 37 sind zwischen den Statorringen 20 der einzelnen Phasen 38,39,40 angeordnet um die gegenseitige magnetische Beeinflussung zu reduzieren und die Kühlung zu verbessern. Die Distanzscheiben 37 sind bevorzugt aus Aluminiumblech oder einem anderen gering magnetischen Stahl hergestellt.
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Die 6 und 7 zeigen zwei Stellungen eines Statorsegmentes 20 des Reluktanzmotors 16. In der 6 ist der Luftspalt zwischen Rotor 18 und Statorsegmente 20 möglichst klein und somit die Reluktanz minimal. Die Zähne des Rotors 19 und des Stators 30 liegen sich gegenüber. In der Stellung der 7 ist die Reluktanz hingegen maximal. Die Zähne des Rotors 19 sind gegenüber den Zähnen des Stators 30 um einen halben Zahnabstand versetzt angeordnet.
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In 8 ist der magnetische Fluss 44 in der mittleren Phase 39 dargestellt. Die Ringspule 26 wird in Stromrichtung von einem elektrischen Strom durchflossen, der ein Magnetfeld erzeugt. Der dritte und vierte Statorring 20 des mittleren Statorsegmentes leiten den erzeugten magnetischen Fluss 44 des Magnetfeldes von den Polzähnen des dritten Statorring zu den Polzähnen des vierten Statorrings entgegengesetzter Polarität. Die Polzähne der beiden Statorringe sind dabei auf der gleichen Linie fluchtend, parallel zur Längsachse, hintereinander, mit einem Luftspalt zwischen den Polzähnen angeordnet. Das Magnetfeld durchsetzt den Luftspalt zwischen Stator und Rotor und der magnetische Fluss 44 läuft durch den Zahn des Rotors 18. Da die Zähne des Statorsegmentes 30 und des Rotors 18 sich gegenüberliegen, ist die Reluktanz für das mittlere Statorsegment minimal.
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In 9 ist die Lage der Zähne der Statorsegmente 30 in Umfangsrichtung um die Rotationsachse für die drei Phasen 38,39,40 dargestellt. Die Zähne der drei Statorsegmente weisen einen gleichen Zahnabstand Z, entsprechend einem Abstandswinkel, auf. Die Zähne der einzelnen Statorsegmente 30 sind relativ zueinander um je einen Abstand Z/3 in Drehrichtung verschoben. Bei aktiver Erregerwicklung der ersten Phase 38 ist der Rotor bestrebt eine Stellung minimaler Reluktanz zu erlangen, das heißt eine Stellung mit möglichst kleinem Luftspalt zwischen den Polzähnen des Rotors und den Polzähnen des ersten Statorsegmentes. Entsprechend liegt die Stellung minimaler Reluktanz bei aktiver Erregerwicklung der zweiten Phase 39 um Z/3 in Drehrichtung verschoben, respektive bei aktiver Erregerwicklung der dritten Phase 40 um 2/3*Z in Drehrichtung verschoben. Der Rotor kann so durch gezielte Bestromung der einzelnen Phasen 38,39,40 in Drehung versetzt werden.
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10 zeigt eine einzelne Phase 38,39,40 mit Statorsegment 24 und Ringspule 26 im Detail. Die Ringspulen 26 werden durch Wickeln der Windungen hergestellt. Die Windungen werden mit einem integrierten Stecker, der die Anschlüsse 32 bildet, in einem Spritzgussverfahren umgossen. Es kann auch vorgesehen sein, dass anstelle eines Spulensegmentes 26 zwei Spulensegmente eingelegt werden und die herausragenden Steckerelemente seriell verschaltet werden. Die vorgewickelte Ringspule 26 kann vor dem Einsetzen in die Ringnut 21 des Statorringes 20 formverpresst sein. Damit kann der Füllgrad von leitendem Material in der Ringnut 20 erhöht werden. Die Ringspule 26 kann auch innerhalb einer Ringnut 20 verpresst sein. Dies erhöht auf gleiche Weise den Füllgrad.
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Die Windungen der Ringspule 26 sind bevorzugt aus Kupfer- oder Aluminiumdraht gebildet und vorzugsweise mit Duroplast oder Thermoplast umspritzt.
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Die Statorringe 20 werden durch Pulvertechnologie, Sinterverfahren oder Spritzguss hergestellt. Sie können aus gesinterten weichmagnetischen Werkstoffen oder nichtgesinterten weichmagnetischen Werkstoffe (SMC) gebildet sein.
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In der 11 ist die Orientierung der Zähne 30 der Statorsegmente 24 dargestellt. Die Zahnpaare eines Statorsegmentes 24 sind axial fluchtend angeordnet und weisen keinen Versatz auf. Es kann aber auch vorgesehen sein, einzelne Zahnkränze eines Statorsegmente gegeneinander zu versetzten, z. B. um 1/2, 1/4 oder 1/3 des Zahnabstandes Z. Die Anzahl der Zähne entlang des Umfanges ist bevorzugt größer 30, besonders bevorzugt größer 50.
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12 zeigt im Detail den auf einer Hohlwelle 45 angeordneten Rotor 18. Der Rotor 18 kann aber auch unmittelbar auf einer Lenkwelle sitzen. Der Rotor kann aus einem weichmagnetischen, nichtmagnetisiertem Werkstoff bestehen. In 12 ist der Rotor 18 ein Permanentmagnet, bevorzugt ein Hochleistungspermanentmagnet, der beispielswiese aus NdFeB (Neodym-Eisen-Bor), SmCo (Samarium-Cobalt), AlNiCo (Aluminium-Nickel-Cobalt), Hartferrite oder dergleichen hergestellt ist. Der Rotor kann heißgepresst, warm verformt oder gesintert werden.
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13 a)-o) zeigt ein Montageverfahren des Reluktanzmotors 16. Ein Montagedorn 46 ist vorgesehen, der die relative Ausrichtung der Statorsegmente 24 zueinander (Winkellage) sicherstellt. Der Montagedorn 46 hat sechs nicht dargestellte Statorstifte die über eine Mechanik gemeinsam eingefahren und ausgefahren werden können. Die Statorstifte greifen in die Verzahnung der Statorsegmente 24 ein. Dadurch ist die Gefahr einer ungewollten Verdrehung der Zahnkränze der Statorsegmente 24 während des Montageprozesses unterbunden. In einem ersten in 13b) dargestellten Schritt wird die zweite Stirnplatte 341 auf einen Sitz auf den Montagedorn 46 aufgesetzt. Es folgt ein Einlegen der Wellfeder 41 bevor die Statorstifte ausgefahren werden. Danach wird der sechste Statorring 20 auf dem Montagedorn 46 platziert, gefolgt von der dritten Ringspule 26 und dem fünften Statorring 20. Eine Distanzscheibe 37 trennt den fünften Statorring 20 von dem vierten Statorring 20, der auf die Distanzscheibe 37 gelegt wird. Danach werden die zweite Ringspule 26, der dritte Statorring 20, eine weitere Distanzscheibe 37, der zweite Statorring 20, die erste Ringspule 26 und der erste Statorring 20 auf dem Montagedorn 46 der Reihe nach aufgesetzt. Als nächstes wird eine Distanzscheibe 37 platziert, auf die das Festlager 36 gelegt wird. Abschließend wird die erste Stirnplatte 340 aufgesetzt, die einen Sitz für das Festlager 36 aufweist. Durch Druck auf die erste Stirnplatte 340 wird eine Vorspannung erzeugt. Diese Vorspannung ist bevorzugt etwa 50kN. Die beiden Stirnplatten 340,341 werden dann mittels der Verbindungsschrauben 35 aneinander befestigt. Die Verbindungsschrauben 35 werden auf ein Drehmoment von etwa 2Nm angezogen. Nach dem Anziehen der Schrauben 35 wird die Vorspannung entfernt, die Statorstifte eingefahren und der Montagedorn 46 entfernt.
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Dieses Montageverfahren ist besonders einfach und qualifiziert sich durch die geringe Anzahl an notwendigen Werkzeugen, einem Montagedorn 46 und einem Schraubschlüssel.
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In der 14 ist ein Reluktanzmotor 16 mit magnetisiertem Rotor 18 dargestellt. Der Reluktanzmotor 16 weist nur zwei Statorsegmente 24 auf, die gemäß 15 gegeneinander in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind. Bei einem Reluktanzmotor 16 mit einer 2-Phasensteuerung ist der spulenlose Körper, insbesondere der Zahnkranz bevorzugt magnetisiert oder weist Permanentmagnete auf. Durch die Magnetisierung werden Reluktanzkräfte von Lorentzkräften überlagert. Lorentzkräfte sind abhängig von der Flussrichtung des magnetischen Feldes. Die Eindeutigkeit der Drehung ergibt sich damit durch die Richtung des Spulenstroms. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass nur zwei Statorsegmente verwendet werden, was zu einem höheren magnetischen Fluss und höheren Kräften führt. Nachteilig ist jedoch, dass Drehmomentwelligkeit auch im ausgeschalteten Zustand vorliegt.
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16 zeigt einen Reluktanzmotor 16 mit vier Statorsegmenten 24. Die Zahnaufteilung der zu den Phasen gehörenden Segmente kann beispielsweise nach 17 oder 18 vorgenommen werden. Der Versatz in 17 ist Z/4 und somit feiner als in der 3-Segment-Variante. Auf die Reihenfolge der Statorsegmente in Längsrichtung kommt es grundsätzlich nicht an. 18 zeigt ein Statorsegment 240 mit höherer Anzahl an Zähnen in Umfangsrichtung. Dieses Statorsegment kann als Reluktanzbremse dienen. In diesem Fall übernehmen die ersten drei Segmente analog 2 die Motorfunktion und das vierte Segment 240 dient allein als Haltebremse zur Verblockung einer Drehbewegung zum Beispiel für einen variablen Endanschlag. Die ersten drei Segmente und das vierte Segment 240 werden vorzugsweise von zwei unterschiedlichen Steuereinheiten angesteuert.
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19, 20 zeigen eine Variante des Reluktanzmotors 16 als Außenläufer. Die Verzahnung 30 der Statorringe 20 befindet sich auf der Außenseite und die Anschlüsse 32 auf der Innenseite. Der Rotor 18 umgibt die Statorsegmente 24 und weist, wie in 20 dargestellt, auf der Innenseite die Verzahnung 19 auf. Die Lagerung des Rotors 18 (Außenläufer) erfolgt über zwei Kugellager 46 über Stirnplatten 47.
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21, 22 zeigen verschiedene Ausführungsformen eines mehrteiligen Rotors 18. Die Verzahnung 19 des Rotors 18 ist dabei in Längsrichtung unterteilt. Dies bietet die Möglichkeit, dass die Verdrehung der Zahnflanken nicht im Stator, sondern im Rotor erfolgen kann. Denkmöglich ist auch, dass die Zahnflanken des Rotor nicht wie hier dargestellt drehachsparallel ausgeführt sind, sondern verzerrt sind und der Rotor ein im Englischen genannter „skewed rotor“ ist. Dies hat den Vorteil, dass die Zähne der Statorsegmente nicht gegeneinander verdreht werden müssen, der Rotor zeitgleich aber mit nur einem durchgehenden Zahnkranz gefertigt werden kann.
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23-25 zeigen Ausführungsformen mit magnetisiertem Rotor 18. Es können einzelne Magnete oder multimagnetisierte Magnete (einstückiger Magnet mit unterschiedlich magnetisierten Bereichen) verwendet werden.
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23 zeigt einen magnetisierten und mehrteiligen Rotor 18 mit in radialer Richtung abwechselnder Magnetisierung entlang der Längsachse 100. Der magnetische Fluss 44 verläuft durch das Statorsegment 24, den Rotor 18 und die Hohlwelle 45.
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In 24 ist die Magnetisierung des Rotors 18 in axialer Richtung vorgesehen. Der magnetische Fluss 44 verläuft daher durch den Rotor 18 in Richtung der Magnetisierung.
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25 zeigt einen Rotor 18 mit vier Rotorsegmenten 180, die in Umfangsrichtung ausgebildet sind und die abwechselnd radial auswärts bzw. einwärts magnetisiert sind. Der Abstand zwischen den Rotorsegmenten 180 entspricht nicht einem Vielfachen der Zahnteilung des Stators, sondern ist verschoben, z. B. um einen halben Zahn.
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In den 26 bis 28 sind drei Schaltungen für einen Reluktanzmotor mit vier Ringspulen 26 dargestellt.
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26 zeigt eine Schaltung für einen Reluktanzmotor ohne Magnete. Die Spulen 26 sind parallel zwischen Plus- und Minuspol geklemmt. Jede Phase besitzt zwei Halbleiterbauteile 31. Die Ringspulen 26 liegen in den Halbbrücken. So kann im Falle eines Defekts einer Phase diese gezielt abgeschaltet werden, ohne den gesamten Motor abstellen zu müssen.
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27 zeigt ebenfalls eine Schaltung für einen Reluktanzmotor ohne Magnete. Es werden zwei Phasen zu einem Phasenpaar zusammengefasst, so dass die Sicherheitsabschaltung auf zwei Phasenpaare 48 reduziert wird (2x2-Schaltung). Bei Defekt einer Phase kann der Motor nicht mehr als Motor betrieben werden. Beim Abschalten eines Phasenpaars 48 kann der Motor aber noch als Bremse betrieben werden. Es können dadurch zwei Schalter 31 eingespart werden.
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28 zeigt eine 2x2-Schaltung für einen vierphasigen Reluktanzmotor mit Magneten. Jeweils zwei Ringspulen 26 sind seriell geschaltet und mit zwei Halbbrücken verbunden. Je Zweig sind zwei Schalter 31 notwendig, um die Stromrichtung festlegen zu können. Im Falle eines Ausfalls einer Phase bzw. eines Phasenpaares 48 kann der Motor mit nur einem Phasenpaar 48 weiter betrieben werden.
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29 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein Statorsegment 24 mit zwei Ringspulensegmenten 260. Die Ringspulensegmente 260 sind in Längsrichtung 100 aneinander gereiht. Das Statorsegment 24 ist einteilig ausgebildet und weist den zuvor beschriebenen Hohlraum 25 für die Ringspulensegmente 260 und den Luftspalt 27 auf.
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Der erfindungsgemäße Reluktanzmotor ist modular aufgebaut. Er kann um beliebig viele Segmente erweitert werden. Die weiteren Segmente sind im einfachsten Fall gleichartig aufgebaut, so dass ein Motor doppelter Leistung aus doppelt so vielen Modulen besteht, die gleichartig angesteuert werden. Es ist aber auch möglich, die Zahnteilung der einzelnen Module zu ändern, so dass eine feinfühligere Abstufung des Motors vorliegt (bei nach wie vor konstantem Drehmoment, wenn stets nur eine Spule bestromt wird). Beide Prinzipien können kombiniert werden.
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Der Reluktanzmotor wird bevorzugt in einem Lenksystem eingesetzt. Besonders bevorzugt in einem Steer-by-Wire-Lenksystem. Er kann als Feedbackaktuator dienen. Er kann auch zeitgleich als variabler Endanschlag dienen. Alternativ kann der Reluktanzmotor durch ein weiteres, unabhängiges Statorsegment erweitert werden, welches als variabler Lenkanschlag dient (Kombination von Reluktanzmotor und Reluktanzbremse). Ferner kann der Reluktanzmotor als Lenkkraftunterstützung für ein Lenkgetriebe eingesetzt werden, wobei wegen des höheren Drehmomentes auf Getriebestufen oder ein Getriebe selbst verzichtet werden kann.
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Die Zahnform der Verzahnung des Rotors und der Statorringe ist nicht auf die dargestellte Form beschränkt. Sie kann eine Wellenform haben, spitz oder flach sein, eine Mischform dieser Arten oder eine andere Sonderform aufweisen.
