DE102019214519A1

DE102019214519A1 - Elektrische Maschine mit einstellbarem Luftspalt

Info

Publication number: DE102019214519A1
Application number: DE102019214519.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Stanek; Dieter Cramer
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2021-03-25
Also published as: US11611271B2; US20210091646A1; CN112564407A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator sowie einem zwischen den magnetischen Mitteln von Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt. Zur gezielten Einstellung des Luftspalts sind bspw. durch Piezostapel realisierte Verschiebevorrichtungen am Rotor und/oder am Stator vorgesehen, die die radialen Positionen der jeweiligen magnetischen Mittel beeinflussen und damit die radiale Luftspaltbreite einstellen können. Hiermit lässt sich ohne Einstellung der Statorströme die Leistung bzw. das Drehmoment der Maschine steuern bzw. regeln. Desweiteren kann Vibrationen oder Unwuchten etc. des Rotors im Betrieb der Maschine kurzfristig und effektiv entgegengewirkt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die bspw. zur Regulierung von Drehmoment und Leistung einen einstellbaren Luftspalt aufweist. Die Maschine kann bspw. ein Teil eines Antriebssystems sein.
Der radiale Abstand zwischen dem Rotor und dem Stator der elektrischen Maschine spielt beim Betrieb der Maschine in mehrerlei Hinsicht eine Rolle. Zum einen hängt die Magnetflussdichte und damit Leistung bzw. Drehmoment einer elektrischen Maschine stark vom Abstand zwischen den magnetischen Mitteln an Rotor und Stator ab, d.h. von der sogenannten Luftspaltbreite. Eventuelle Variationen der Luftspaltbreite im Betrieb der Maschine, bspw. aufgrund der hohen Fliehkräfte am Umfang des Rotors, an dem die Permanentmagnete angeordnet sind, und/oder aufgrund von Temperatureffekten führen zu entsprechenden Ungleichmäßigkeiten der Leistung der Maschine. Zum anderen kann es im Fall von Vibrationen bzw. Schwingungen oder Unwuchten des Rotors zu Berührungen von Stator und Rotor kommen, was erhebliche Beschädigungen der Maschine zur Folge haben kann.
Es besteht daher ein Bedarf, den radialen Abstand zwischen Rotor und Stator kontrollieren zu können. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, diesen Bedarf zu bedienen.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene elektrische Maschine sowie mit dem in Anspruch 13 beschriebenen Verfahren gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen.
Die elektrische Maschine weist eine erste zylindrische Komponente, bspw. ein Rotor, mit ersten magnetischen Mitteln, bspw. mit Permanentmagneten, und eine zweite zylindrische Komponente, bspw. ein Stator, mit zweiten magnetischen Mitteln, bspw. Statorwicklungen, auf, wobei die zylindrischen Komponenten derart konzentrisch zueinander angeordnet sind, dass sich zwischen den ersten und den zweiten magnetischen Mitteln ein Luftspalt ausbildet. Im Betriebszustand der elektrischen Maschine rotieren die Komponenten relativ zueinander um eine gemeinsame Achse und die jeweiligen magnetischen Mittel wechselwirken elektromagnetisch miteinander, so dass die Maschine wahlweise als Elektromotor oder als Generator einsetzbar ist. An zumindest einer der Komponenten sind von einer Kontrolleinheit steuerbare Verschiebevorrichtungen vorgesehen, die entlang der Umfangsrichtung der jeweiligen Komponente verteilt derart angeordnet sind, dass mit ihnen in einem aktorischen Betrieb die radiale Luftspaltbreite winkelaufgelöst, also lokal an den Stellen bzw. Winkeln, an denen Verschiebevorrichtungen angeordnet sind, gezielt beeinflussbar ist.
Die „radiale Luftspaltbreite“ meint die Ausdehnung des Luftspalts in der radialen Richtung. Der Begriff „winkelaufgelöst“ meint hier, dass die radiale Luftspaltbreite nicht zwangsläufig gleichmäßig über den gesamten Luftspalt einstellbar ist, sondern dass lokal an verschiedenen Winkelpositionen bzgl. der Drehachse verschiedene Luftspaltbreiten eingestellt werden können.
Jeder der Verschiebevorrichtungen ist jeweils eine Gruppe von magnetischen Mitteln der mit den Verschiebevorrichtungen ausgestatteten Komponente eindeutig zugeordnet, wobei eine jeweilige Gruppe zumindest eines dieser magnetischen Mittel, ggf. jedoch auch mehrere benachbarte dieser magnetischen Mittel umfasst, wobei eine jede Verschiebevorrichtung derart an dieser Komponente angeordnet ist, dass sie auf die dieser Verschiebevorrichtung zugeordnete Gruppe und damit auf jedes der magnetischen Mittel dieser Gruppe wirken kann, so dass deren radiale Position und damit die radiale Luftspaltbreite gezielt beeinflussbar ist.
Die Zuordnung von Gruppen von magnetischen Mitteln zu Verschiebevorrichtungen ist idealerweise eindeutig, d.h. keine der Gruppen ist zwei verschiedenen Verschiebevorrichtungen zugeordnet.
Im Extremfall ist jeder Verschiebevorrichtung genau ein magnetisches Mittel zugeordnet, d.h. jede der Gruppen umfasst jeweils genau ein magnetisches Mittel, wodurch dann die maximal mögliche Auflösung und Kontrollierbarkeit erreicht wird. Es kann jedoch durchaus praktikabel und ausreichend sein, wenn die Gruppen jeweils mehrere magnetische Mittel umfassen, die dann vorzugsweise zueinander benachbart angeordnet und gemeinsam verschiebbar sind. Ebenfalls denkbar wäre es, wenn an der mit Verschiebevorrichtungen ausgestatteten Komponente nicht sämtliche Gruppen einer Verschiebevorrichtung zugeordnet sind, sondern bspw. nur jede zweite Gruppe. Diese nicht zugeordneten bzw. nicht mit Verschiebevorrichtungen versehenen Gruppen sind dann konsequenterweise nicht verschiebbar.
Eine der mit Verschiebevorrichtungen ausgestatteten Komponenten kann ein Rotor der elektrischen Maschine sein. Ggf. kann eine andere der mit Verschiebevorrichtungen ausgestatteten Komponenten ein Stator der elektrischen Maschine sein.
Im Falle des Rotors sind die Verschiebevorrichtungen derart am Rotor zwischen einem Rotorgrundkörper des Rotors und den magnetischen Mitteln des Rotors, bspw. Permanentmagneten, angeordnet, dass eine jeweilige Verschiebevorrichtung auf jedes dieser Verschiebevorrichtung zugeordnete magnetische Mittel des Rotors wirken kann, so dass dessen radiale Position und damit die radiale Luftspaltbreite gezielt beeinflussbar ist.
Bspw. kann der Rotor an seinem dem Stator zugewandten Umfang Magnetpole mit Aufnahmebereichen für die magnetischen Mittel des Rotors aufweisen. Für den Fall, dass der Rotor mit Verschiebevorrichtungen ausgestattet sein soll, können in einer ersten Ausführung zumindest einige der Magnetpole einen in radialer Richtung gesehen unterhalb des jeweiligen Aufnahmebereiches angeordneten Hohlraum aufweisen, in dem jeweils eine der Verschiebevorrichtungen derart angeordnet ist, dass sie im aktorischen Betrieb jeweils durch Aufbringung einer in radialer Richtung wirkenden Kraft die radiale Position des jeweiligen Aufnahmebereiches und damit des magnetischen Mittels des Rotors beeinflussen können, indem durch die aufgebrachte radiale Kraft insbesondere eine radiale Dehnung des Magnetpols bewirkt wird. In einer alternativen Ausführung können zumindest einige der Magnetpole jeweils eine Verschiebevorrichtung aufweisen, welche einen Aktor sowie eine Kraftumlenkeinrichtung umfasst und welche derart angeordnet ist, dass der Aktor im aktorischen Betrieb eine in axialer Richtung wirkende Kraft aufbringt und die Kraftumlenkeinrichtung die axiale Kraft in eine radiale Kraft umlenkt, mit der letztlich die radiale Position des jeweiligen Aufnahmebereiches und damit des magnetischen Mittels des Rotors beeinflussbar ist, indem durch die aufgebrachte radiale Kraft insbesondere eine radiale Dehnung des Magnetpols bewirkt wird.
Im Falle des Stators sind die Verschiebevorrichtungen derart am Stator angeordnet, dass eine jeweilige Verschiebevorrichtung auf jedes dieser Verschiebevorrichtung zugeordnete magnetische Mittel des Stators wirken kann, so dass dessen radiale Position und damit die radiale Luftspaltbreite gezielt beeinflussbar ist.
Der Stator weist an seinem dem Rotor zugewandten Umfang Statorzähne auf, welche jeweils einen dem Rotor zugewandten Zahnkopf, einen dem Rotor abgewandten Zahnfuß und einen zwischen Zahnkopf und Zahnfuß angeordneten Zahnhals aufweisen. Für den Fall, dass der Stator mit Verschiebevorrichtungen ausgestattet ist, weisen zumindest einige der Statorzähne jeweils einen im Bereich des Zahnhalses angeordneten Hohlraum auf, in dem jeweils eine der Verschiebevorrichtungen derart angeordnet ist, dass sie im aktorischen Betrieb jeweils durch Aufbringung einer in radialer Richtung wirkenden Kraft die radiale Position des jeweiligen Zahnkopfes beeinflussen kann, indem durch die aufgebrachte radiale Kraft insbesondere eine radiale Dehnung des Statorzahns bewirkt wird.
Die Kontrolleinheit kann für einen aktorischen Betrieb eingerichtet sein, um die Verschiebevorrichtungen gezielt mit elektrischen Signalen zu beaufschlagen, um zur Beeinflussung der radialen Luftspaltbreite gezielt radiale Ausdehnungen der Verschiebevorrichtungen einzustellen.
Die Kontrolleinheit kann desweiteren für einen sensorischen Betrieb eingerichtet sein, um die Verschiebevorrichtungen zu betreiben und dabei an den Verschiebevorrichtungen elektrische Zeitsignale abzugreifen und auszuwerten, um daraus die Drehlage des Rotors und/oder die radiale Luftspaltbreite winkelaufgelöst zu ermitteln, also lokal an den Stellen bzw. Winkeln, an denen Verschiebevorrichtungen angeordnet sind, wobei konsequenterweise an mehreren verschiedenen Winkelpositionen die dortige radiale Luftspaltbreite ermittelt wird.
Zur winkelaufgelösten Ermittlung der radialen Luftspaltbreite kann zusätzlich oder alternativ zur Ermittlung mit Hilfe der an den Verschiebeeinrichtungen abgreifbaren Zeitsignale eine separate Messeinrichtung vorgesehen sein.
Die separate Messeinrichtung kann bspw. eine Vielzahl von Magnetfeldsensoren, insbesondere Hallsensoren, aufweisen, welche für eine winkelaufgelöste Magnetfeldmessung in Umfangsrichtung entlang des Luftspalts verteilt angeordnet sind. Die Kontrolleinheit ist dann eingerichtet, um aus den mit den Magnetfeldsensoren gemessenen Magnetfeldern die jeweiligen radialen Luftspaltbreiten an den Orten der jeweiligen Magnetfeldsensoren zu ermitteln.
Die Kontrolleinheit kann desweiten eingerichtet sein, um für den Fall, dass bei der winkelaufgelösten Ermittlung der radialen Luftspaltbreite ein Abweichungszustand detektiert wird, bspw. eine Vibration oder Schwingung des Rotors und/oder eine Abweichung der radialen Luftspaltbreite von einem Sollwert, die Verschiebevorrichtungen derart bspw. einer Dämpfung entsprechend aktorisch zu betreiben, dass dem Abweichungszustand entgegengewirkt und stattdessen eine gewünschte radiale Luftspaltbreite erreicht wird, bspw. indem je nach Bedarf die radiale Luftspaltbreite an bestimmten Winkelpositionen vergrößert und/oder an anderen Winkelpositionen verkleinert wird. Dabei wird konsequenterweise kurzfristig vom sensorischen Betrieb auf den aktorischen Betrieb umgeschaltet.
Desweiteren ist die Kontrolleinheit vorteilhafterweise eingerichtet, um die ermittelte Drehlage des Rotors zur generellen Regelung und/oder Steuerung der elektrischen Maschine zu verwenden, d.h. auch unabhängig von der Beeinflussung der Luftspaltbreite. Es ist bekannt, dass eine Synchronisation der Maschine dem Wirkungsgrad zugute kommt. Hierfür ist die genaue Kenntnis der Drehlage des Rotors bezüglich des Stators von essentieller Bedeutung.
Vorteilhafterweise weisen die Verschiebevorrichtungen jeweils einen Aktor auf, der einen zumindest ein Piezoelement umfassenden Piezostapel umfasst, wobei der jeweilige Piezostapel elektrisch mit der Kontrolleinheit für die Verschiebevorrichtungen verbunden ist. Dabei ist im aktorischen Betrieb aufgrund einer von der Kontrolleinheit angelegten elektrischen Spannung eine Erstreckung des Aktors gezielt einstellbar. Im sensorischen Betrieb ist eine von der Erstreckung des Aktors abhängige elektrische Spannung abgreifbar. Die Verwendung von Piezoelementen bringt den Vorteil mit sich, dass diese bei kompakter Bauform eine schnelle und große Kraftwirkung entfalten können. Da der Rotor bzw. der Stator aus einem naturgemäß nur wenig elastischen Material bestehen, sind Aktoren vonnöten, die große Kräfte erzeugen können. Da desweiteren die Zeiträume, in denen mit den Aktoren ggf. auf bestimmte Situationen reagiert werden muss, aufgrund der hohen Drehzahlen bei elektrischen Maschinen gering sind, müssen Aktoren zum Einsatz kommen, die schnell aktivierbar sind. Beides kann mit Piezoelementen bedient werden.
In einem Verfahren zum Betrieb einer solchen elektrischen Maschine werden also die Verschiebevorrichtungen in einem aktorischen Betrieb verwendet, um die radiale Luftspaltbreite in einem aktorischen Betrieb winkelaufgelöst gezielt zu beeinflussen.
In einem sensorischen Betrieb werden an den Verschiebevorrichtungen elektrische Zeitsignale abgegriffen, um daraus die Drehlage des Rotors zu ermitteln. Diese kann verwendet werden, um die Maschine zu regeln bzw. zu steuern, bzw. zu synchronisieren, und/oder um die radiale Luftspaltbreite winkelaufgelöst zu bestimmen.
Die radiale Luftspaltbreite kann anhand einer Vielzahl von Messwerten winkelaufgelöst ermittelt werden. Als Messwerte können hierfür die an den Verschiebevorrichtungen in einem sensorischen Betrieb abgegriffene elektrischen Zeitsignale dienen. Alternativ oder zusätzlich können geeignete Messwerte von einer separaten Messeinrichtung stammen, welche eine Vielzahl von Magnetfeldsensoren, insbesondere Hallsensoren, aufweist, welche für eine winkelaufgelöste Magnetfeldmessung in Umfangsrichtung entlang des Luftspalts verteilt angeordnet sind, wobei die Messwerte zur Ermittlung der radialen Luftspaltbreite dann den mit den Magnetfeldsensoren gemessenen Magnetfeldern entsprechen.
Für den Fall, dass bei der winkelaufgelösten Ermittlung der radialen Luftspaltbreite ein Abweichungszustand detektiert wird, bspw. eine Vibration oder Schwingung des Rotors und/oder eine Abweichung der radialen Luftspaltbreite von einem Sollwert, werden die Verschiebevorrichtungen derart aktorisch betrieben, dass dem Abweichungszustand entgegengewirkt und stattdessen eine gewünschte radiale Luftspaltbreite erreicht wird. Dies kommt also bspw. auch einer Dämpfung gleich, die im Fall von Vibrationen bzw. Schwingungen des Rotors notwendig werden kann.
Neben der generell erzielbaren Einstellbarkeit der Leistung bzw. des Drehmoments der Maschine und der damit verbundenen verbesserten Effizienz wirkt sich die Einstellbarkeit des Luftspalts auch beim Fertigungsprozess der Maschine vorteilhaft aus, insbesondere beim Fügen von Stator und Rotor.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der entsprechenden Beschreibung.
Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dort werden gleiche Komponenten in verschiedenen Figuren durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Es ist daher möglich, dass sich bei der Beschreibung einer zweiten Figur zu einem bestimmten Bezugszeichen, welches bereits im Zusammenhang mit einer anderen, ersten Figur erläutert wurde, keine näheren Erläuterungen finden. In einem solchen Fall kann bei der Ausführungsform der zweiten Figur davon ausgegangen werden, dass die dort mit diesem Bezugszeichen gekennzeichnete Komponente auch ohne nähere Erläuterung im Zusammenhang mit der zweiten Figur die gleichen Eigenschaften und Funktionalitäten aufweist, wie im Zusammenhang mit der ersten Figur erläutert. Desweiteren werden der Übersichtlichkeit wegen teilweise nicht sämtliche Bezugszeichen in sämtlichen Figuren dargestellt, sondern nur diejenigen, auf die in der Beschreibung der jeweiligen Figur Bezug genommen wird.
Es zeigen:

1 eine bekannte elektrische Maschine,
2 eine erste Ausführungsform einer Verschiebevorrichtung,
3 eine zweite Ausführungsform der Verschiebevorrichtung,
4 ein elektrisches Zeitsignal,
5 eine elektrische Maschine mit einer ersten Anordnung von Verschiebevorrichtungen,
6 eine schematische Darstellung der Steuerung / Regelung der Luftspaltbreite,
7 eine elektrische Maschine mit einer zweiten Anordnung von Verschiebevorrichtungen,
8 eine elektrische Maschine mit einer dritten Anordnung von Verschiebevorrichtungen.

Es sei angemerkt, dass sich Begriffe wie „axial“, „radial“, „tangential“ etc. auf die in der jeweiligen Figur bzw. im jeweils beschriebenen Beispiel zum Einsatz kommende Achse beziehen. Mit anderen Worten beziehen sich die Richtungen axial, radial, tangential stets auf eine Drehachse des Rotors und damit auf die entsprechende Symmetrieachse des Stators. Dabei beschreibt „axial“ eine Richtung parallel zur Achse, „radial“ beschreibt eine Richtung orthogonal zur Achse, auf diese zu oder auch von ihr weg, und „tangential“ ist eine Richtung, die in konstantem radialen Abstand zur Achse und bei konstanter Axialposition kreisförmig um die Achse herum gerichtet ist. Der Ausdruck „in Umfangsrichtung“ ist mit „tangential“ gleichzusetzen.
Der Begriff „benachbart“ soll im Zusammenhang mit Bauteilen, bspw. Spulen oder Statorzähnen, ausdrücken, dass sich im Falle von „benachbarten Bauteilen“ zwischen diesen beiden Bauteilen insbesondere kein weiteres derartiges Bauteil befindet, sondern höchstens ein leerer Zwischenraum.
Unter dem Ausdruck „koaxiale Bauteile“, bspw. koaxiale Komponenten wie Rotor und Stator, werden hier Bauteile verstanden, die gleiche Normalenvektoren aufweisen, für die also die von den koaxialen Bauteilen definierten Ebenen parallel zueinander sind. Desweiteren soll der Ausdruck beinhalten, dass die Mittelpunkte koaxialer Bauteile auf der gleichen Rotations- bzw. Symmetrieachse liegen. Diese Mittelpunkte können jedoch auf dieser Achse ggf. an verschiedenen axialen Positionen liegen und die genannten Ebenen also einen Abstand >0 voneinander haben. Der Ausdruck verlangt nicht zwangsläufig, dass koaxiale Bauteile den gleichen Radius haben.
Der Übersichtlichkeit wegen werden in den Figuren teilweise in den Fällen, in denen Bauteile mehrfach vorhanden sind, häufig nicht sämtliche dargestellten Bauteile mit Bezugszeichen versehen. Dies gilt insbesondere für die Bezugszeichen 112, 113, 121, 122, 160, 161, 170.
Die 1 zeigt stark vereinfacht ein System 1, bspw. ein Antriebssystem eines elektrischen Flugzeugs, mit einer exemplarisch als Elektromotor ausgebildeten elektrischen Maschine 100, wie sie im Stand der Technik bekannt ist. Es sei erwähnt, dass die elektrische Maschine 100 in ähnlichem Aufbau grundsätzlich auch als Generator betrieben werden kann. Weiterhin sei betont, dass der Aufbau der im Folgenden beschriebenen Maschine 100 stark vereinfacht ist und lediglich zur Veranschaulichung der grundsätzlichen Funktionsweise des Elektromotors bzw. Der elektrischen Maschine dient. Details bspw. der zu erläuternden Statorzähne 122 oder Permanentmagnete 112 sind in den folgenden Figuren zu erkennen, d.h. diese und auch andere Bauteile sind in 1 im Wesentlichen lediglich vereinfacht dargestellt. Es kann als bekannt vorausgesetzt werden, dass je nach Ausbildung der elektrischen Maschine 100 als Generator oder als Elektromotor und/oder als bspw. Radial- oder Axialflussmaschine mit einem als Innen- oder auch als Außenläufer ausgebildeten Rotor etc. die verschiedenen Komponenten der Maschine 100 unterschiedlich angeordnet sein können.
Der Elektromotor 100 weist einen im Wesentlichen ringförmigen bzw. hohlzylindrischen Stator 120 sowie einen hier als Innenläufer ausgebildeten, im Wesentlichen zylindrischen Rotor 110 auf, wobei der Rotor 110 innerhalb des Stators 120 und konzentrisch zu diesem angeordnet ist und im Betriebszustand des Elektromotors 100 um eine Rotationsachse rotiert. Der Rotor 110 bzw. sein im Wesentlichen zylindrischer Rotorgrundkörper 111 ist drehfest mit einer Welle 130 verbunden, so dass eine Rotation des Rotors 110 über die Welle 130 auf eine nicht dargestellte anzutreibende Komponente, bspw. auf einen Propeller eines Flugzeugs, übertragbar ist.
Der Stator 120 weist erste magnetische Mittel 121 auf, die bspw. als Wicklungen 121 eines Statorwicklungssystems realisiert sein können. Jede der Wicklungen 121 ist jeweils auf einen Statorzahn 122 des Stators 120 gewickelt und im Betriebszustand des Elektromotors 100 von einem elektrischen Strom durchflossen, so dass magnetische Felder erzeugt werden. Der Rotor 110 weist an seinen Magnetpolen 113 zweite magnetische Mittel 112 auf, die bspw. als Permanentmagnete 112 ausgebildet und an einer dem Stator 120 zugewandten Oberfläche des Rotorgrundkörpers 111 angeordnet sein können.
Die ersten und die zweiten magnetischen Mittel 121, 112 sind derart ausgebildet und durch einen Luftspalt 150 voneinander beabstandet zueinander angeordnet, dass sie im Betriebszustand des Elektromotors 100 elektromagnetisch miteinander wechselwirken. Dieses Konzept einschließlich der Bedingungen für die Ausbildung und genaue Anordnung der magnetischen Mittel 112, 121 bzw. von Rotor 110 und Stator 120 sind an sich bekannt und werden daher im Folgenden nicht näher erläutert. Es sei lediglich erwähnt, dass zum Betreiben der elektrischen Maschine 100 als Elektromotor die Statorwicklungssystem bzw. dessen Wicklungen 121 mit Hilfe einer Stromquelle 200, 300 mit elektrischen Strömen beaufschlagt wird, die bewirken, dass die Wicklungen 121 dementsprechende Magnetfelder erzeugen, welche mit den Magnetfeldern der Permanentmagnete 112 des Rotors 110 in elektromagnetische Wechselwirkung treten. Dies resultiert darin, dass auf die Permanentmagnete 112 ein Drehmoment in einer tangentialen Richtung bzw. Umfangsrichtung wirkt, welches unter der Voraussetzung, dass die Permanentmagnete 112 ausreichend fest mit dem Rotorgrundkörper 111 verbunden sind, darin resultiert, dass bei geeigneter Ausbildung und Anordnung der genannten Komponenten zueinander der Rotor 110 und mit ihm die Welle 130 in Rotation versetzt werden.
Die Stromquelle 200, 300 umfasst eine elektrische Energiequelle 300, bspw. eine Batterie oder einen elektrischen Generator, und eine Leistungselektronik 200, die die von der Energiequelle 300 bereit gestellte elektrische Energie in das momentan vom Elektromotor 100 zum Erbringen der bspw. von einem Betreiber des Systems 1 angeforderten Leistung benötigte Strom-/Spannungssignal wandelt. Die Steuerung und/oder Regelung des Systems 1 erfolgt in Abhängigkeit von Eingaben eines Betreibers des Systems 1 durch ein Kontrollsystem 500. Der Betreiber des Systems 1 kann je nach Anwendung des Systems 1 bspw. ein Pilot oder ein Fahrer sein. Je nach Automatisierungsgrad kann der Betreiber jedoch auch ein übergeordnetes Kontroll-, Steuerungs- und/oder Regelungssystem des Systems sein, bspw. dann, wenn das System 1 kein Antriebssystem darstellt, sondern etwa eine Industrieanlage mit einer derartigen elektrischen Maschine 100.
Dieses Konzept der Ausbildung der elektrischen Maschine 100 als Elektromotor kann als bekannt vorausgesetzt werden. Auch die entsprechende Konfiguration und Verwendung der elektrischen Maschine 100 als Generator kann als bekannt vorausgesetzt werden. In diesem Betriebsmodus ist in der 1 insbesondere die Komponente 300 als Verbraucher zu verstehen, bspw. wiederum als aufladbare Batterie und/oder als Elektromotor. Ein vom Generator 100 geliefertes Strom-/Spannungssignal wird von der Leistungselektronik 200 in ein vom Verbraucher verarbeitbares Strom-/Spannungssignal gewandelt. Beide Ausbildungen der elektrischen Maschine 100 werden aufgrund der Bekanntheit der Konzepte im Folgenden nicht weiter detailliert.
Die Leistung bzw. das Drehmoment, welches mit der elektrischen Maschine 100 erzielbar ist, hängt stark von der Luftspaltbreite ab, d.h. von der radialen Ausdehnung des Luftspalts 150 und damit letztlich vom Abstand der ersten und zweiten magnetischen Mittel 112, 121 zueinander. Dabei gilt, dass Kräfte im Luftspalt 150 mit fallender Ausdehnung überproportional ansteigen. Es ist demnach ein möglichst kleiner Luftspalt 150 anzustreben, wobei jedoch auch berücksichtigt werden muss, dass es im Betrieb der elektrischen Maschine 100 zu Vibrationen kommen kann, so dass mit kleiner werdendem Luftspalt 150 das Risiko steigt, dass Rotor 110 und Stator 120 bzw. die magnetischen Mittel 112, 121 miteinander in Berührung kommen.
Um die Luftspaltbreite beeinflussen zu können, ist die Maschine 100 mit steuer- bzw. regelbaren Verschiebevorrichtungen 160 ausgestattet. Dies ist in 2 in einer axialen Blickrichtung exemplarisch dargestellt. Dort wird jeweils ein Statorpol bzw. Statorzahn 122 mit darauf aufgewickelter Wicklung 121 sowie ein Magnetpol 113 des Rotors 110 mit einem Permanentmagneten 112 gezeigt. Es sei angemerkt, jedoch nicht separat dargestellt, dass -obwohl das Konzept in 2 insbesondere der Übersichtlichkeit wegen nur anhand jeweils eines ersten 121 und zweiten magnetischen Mittels 112 demonstriert wird- je nach Bedarf natürlich sämtliche magnetische Mittel 112, 121 oder auch nur ein Teil davon mit Verschiebevorrichtungen 160 ausgestattet sein kann, so dass in einem solchen Fall die Verschiebevorrichtungen 160 entlang der Umfangsrichtung des Rotors 110 bzw. des Stators 120 insbesondere gleichmäßig verteilt angeordnet sind. In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist vorgesehen, dass sowohl der Rotor 110 als auch der Stator 120 Verschiebevorrichtungen 160 aufweisen. Es sei jedoch desweiteren angemerkt, allerdings ebenfalls nicht separat dargestellt, dass es natürlich ebenfalls denkbar ist, dass nur der Rotor 110 oder aber nur der Stator 120 mit Verschiebevorrichtungen 160 ausgestattet ist.
Im Folgenden werden ggf. die Bezugszeichen der Verschiebevorrichtungen 160 bzw. von deren Bestandteilen mit einem angehängten „s“ erweitert, wenn explizit die Verschiebevorrichtung 160s des Stators 120 oder deren Bestandteile adressiert werden soll, und mit einem angehängten „r“, wenn explizit die Verschiebevorrichtung 160r des Rotors 110 oder deren Bestandteile gemeint ist. Die generellen Funktionsweisen sind jedoch gleich, so dass häufig das jeweilige allgemeine, nicht erweiterte Bezugszeichen Verwendung findet.
Die Verschiebevorrichtungen 160 weisen in der hier erläuterten Ausführung jeweils einen aus einem oder mehreren Piezoelementen 161 aufgebauten Piezostapel 162 auf, wobei in 2 nur einige wenige Piezoelemente 161 mit Bezugszeichen versehen sind. Die Piezostapel 162 sind hier in die Pole 122, 113 von Stator 120 bzw. Rotor 110 integriert und dazu in jeweiligen Hohlräumen 163 bzw. 163s, 163r angeordnet, welche sich im Fall des Stators 120 im Statorzahn 122 und im Fall des Rotors 110 im Magnetpol 113 befinden. Die Pole 122, 113 müssen derart dimensioniert sein, dass die nach Abzug der Hohlräume 163 verbleibenden Polquerschnitte die zum Betrieb der Maschine 100 notwendigen magnetischen Flüsse führen können. Diese Einschränkung wirkt sich konsequenterweise auch auf die Dimensionierung der Piezostapel 162 auf.
Die Verschiebevorrichtungen 160 und insbesondere die Piezostapel 162 sind über eine jeweilige Verbindung 164 elektrisch mit einer Kontrolleinheit 169 verbunden, so dass elektrische Signale zwischen dem jeweiligen Piezostapel 162 und der Kontrolleinheit 169 übertragen werden können. Die Verbindung 164 kann für den Fall, dass die Verschiebevorrichtungen 160 am Rotor 110 angebracht sind, bspw. über die Welle 130 verlaufen. In einem aktorischen Betriebsmodus kann mit einer Beaufschlagung des Piezostapels 162 mit einer elektrischen Spannung eine Veränderung der radialen Erstreckung des Piezostapels 162 bewirkt werden. Umgekehrt kann in einem sensorischen Betriebsmodus durch eine Messung der am Piezostapel 162 abgreifbaren Spannung auf die radiale Erstreckung des Piezostapels 162 zurückgeschlossen werden. Die Kontrolleinheit 169 ist ihrerseits mit dem Kontrollsystem 500 des Systems 1 verbunden oder in dieses integriert.
Im aktorischen Betriebsmodus kann die Luftspaltbreite durch die Verschiebevorrichtungen 160 gezielt beeinflusst werden. Dadurch, dass mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Verschiebevorrichtungen 160 vorgesehen sind, können Luftspaltbreiten an verschiedenen Winkelpositionen individuell eingestellt werden.
Im Fall des Rotors 110 führt ein Beaufschlagen des im Hohlraum 163 bzw. 163r angeordneten Piezostapels 162 bzw. 162r der dortigen Verschiebevorrichtung 160 bzw. 160r mit einer erhöhten elektrischen Spannung zu einer Ausdehnung des Piezostapels 162r in der radialen Richtung R, was am Beispiel des Rotors 110 bzw. des Permanentmagneten 112 dazu führt, dass letzterer auf den Stator 120 zu bewegt wird, so dass der Luftspalt 150 schmaler wird. Umgekehrt kann durch ein Reduzieren der angelegten elektrischen Spannung die radiale Erstreckung des Piezostapels 162r verringert werden, was dazu führt, dass sich der Permanentmagnet 112 vom Stator 120 entfernt.
Im Fall des Stators 120 arbeitet die dortige Verschiebevorrichtung 160 bzw. 160s in gleicher Weise, d.h. ein Beaufschlagen des Piezostapels 162 bzw. 162s mit erhöhter elektrischer Spannung führt zu einer Ausdehnung des Piezostapels 162s in der radialen Richtung R, auf den Rotor 110 zu. Der Statorzahn 122 weist einen dem Rotor 110 zugewandten Zahnkopf 122k, einen vom Rotor 110 abgewandten Zahnfuß 122f und einen zwischen Zahnkopf 122k und Zahnfuß 122f angeordneten Zahnhals 122h auf, wobei der Hohlraum 163 bzw. 163s mit Piezostapel 162s im Bereich des Zahnhalses 122h positioniert ist. Die Ausdehnung des Piezostapels 162s bewirkt, dass sich insbesondere der den Magnetfluss führende Zahnkopf 122k auf den Rotor 110 zu bewegt, so dass der Luftspalt 150 schmaler wird. Umgekehrt kann auch hier durch ein Reduzieren der angelegten elektrischen Spannung die radiale Erstreckung des Piezostapels 162s verringert werden, was dazu führt, dass sich der Zahnkopf 122k vom Rotor 120 entfernt.
Die Möglichkeit, durch das Reduzieren der jeweils angelegten Spannung sowohl beim Rotor 110 als auch beim Stator 120 ein Reduzieren der jeweiligen radialen Erstreckungen der Piezostapel 162r bzw. 162s zu erzielen, erlaubt in einem ersten Szenario die Luftspaltbreite zu vergrößern. Es ist demnach möglich, den Luftspalt 150 mit Hilfe der Verschiebevorrichtungen 160 und gesteuert bzw. ggf. geregelt durch die Kontrolleinheit 169 wahlweise zu erweitern oder zu verringern. Dies ist gleichbedeutend damit, dass die Leistung bzw. das Drehmoment der elektrischen Maschine 100 einstellbar ist, ohne die Ströme in den Wicklungen 121 des Statorwicklungssystems verändern zu müssen. In einem zweiten Szenario wird insbesondere dadurch, dass der Luftspalt 150 in radialer Richtung erweiterbar ist, die Möglichkeit geschaffen, bspw. für den Fall, dass es im Betrieb der elektrischen Maschine 100 zu Vibrationen kommt, gegenseitige Berührungen von Rotor 110 und Stator 120 zu verhindern.
Die letztlich entsprechend möglichen Bewegungsrichtungen des Permanentmagneten 112 bzw- des Zahnkopfes 122k sind durch die Pfeile dRr, dRs angedeutet.
Eine alternative Ausbildung der Verschiebevorrichtung 160 wird in 3 am Beispiel des Rotors 110 demonstriert. Auch hier wird das Konzept der Übersichtlichkeit wegen nur für ein einzelnes magnetisches Mittel 112 bzw. für einen einzelnen Permanentmagneten 112 dargestellt. Es sollte jedoch klar sein, dass es ohne weiteres für jedes der magnetischen Mittel 112 anwendbar ist.
Die 3 zeigt in einer Blickrichtung in Umfangsrichtung eine weitere Ausführungsform. Die Verschiebevorrichtung 160 weist in diesem Fall zwei wiederum aus Piezoelementen 161 zusammengesetzte Piezostapel 162 auf, welche elektrisch mit der Kontrolleinheit 169 verbunden sind. Ein Beaufschlagen der Piezostapel 162 mit erhöhter elektrischer Spannung führt dazu, dass sie sich in der axialen Richtung ausdehnen. Die Piezostapel 162 stützen sich an jeweils einem Ende an fixen Stufen 165 ab, welche insbesondere in axialer Richtung unbeweglich sind. Dementsprechend wirkt die axiale Ausdehnung der Piezostapel 162 in der jeweils von der Stufen 165 abgewandten und auf den Rotorgrundkörper 111 zugewandten Richtung auf dort positionierte Scheiben 166. Diese erstrecken sich in der radialen Richtung R von der Welle 130 weg und sind in axialer Richtung A beweglich angeordnet, so dass die von den Piezostapeln 162 bei deren Ausdehnung auf die Scheiben 166 bewirkten Kräfte dazu führen, dass diese in einer Richtung von der jeweiligen Stufe 165 weg und auf den Rotorgrundkörper 111 zu bewegt werden. Entsprechend gilt für den Fall, dass die angelegte Spannung reduziert wird, dass die Scheiben 166 in einer Richtung vom Rotorgrundkörper 111 weg bewegt werden. Die letztlich entsprechend möglichen axialen Bewegungsrichtungen des Scheiben 166 sind durch die Pfeile dAr angedeutet.
Die Scheiben 166 weisen eine bestimmte Dicke auf und sind an ihrem Umfang abgeschrägt. Desweiteren sind die Scheiben an ihrem Umfang 166U in Kontakt mit einem Halter 114 des Rotors 110, an dem die Permanentmagnete 112 fixiert sind. Der Halter 114 ist in den Bereichen 114B, die mit den Umfängen 166U der beiden Schieben 166 in Kontakt sind, ebenfalls und in gleicher Weise wie der jeweilige Umfang 116U abgeschrägt. Die beschriebene axiale Verschiebung dAr der Scheiben 166 in der axialen Richtung A bewirkt daher, dass die Scheiben 166 mit ihrem jeweiligen Umfang 166U an den Bereichen 114B der Halterung 114 entlang gleiten, wobei aufgrund der Abschrägungen eine radiale Kraftwirkung und damit eine radiale Verschiebung dRr auf die Halterung 114 und damit letztlich auf den Permanentmagneten 112 erzeugt wird.
Demzufolge wirken die gegenüber der ersten Ausführungsform der 2 zusätzlichen Scheiben 166 mit abgeschrägten Umfängen 166U in Verbindung mit der ebenfalls entsprechend abgeschrägten Halterung 114 als Kraftumleitung.
Generell gilt in beiden Ausführungsformen, dass die einzelnen Verschiebevorrichtungen 160 von der Kontrolleinheit 169 individuell ansteuerbar sind. Dies hat zur Folge, dass im aktorischen Betrieb lokal und individuell an denjenigen Orten bzw. Winkelpositionen, an denen Verschiebevorrichtungen 160 vorgesehen sind, die dortigen Luftspaltbreiten eingestellt werden können. Hierbei meinen die Begriffe „lokal“ und „individuell“, dass der Luftspalt 150 nicht nur als Ganzes, sondern an ausgewählten Winkelpositionen beeinflussbar ist. Wie bereits angedeutet kann für jedes der magnetischen Mittel 112, 121 der Maschine 100 eine jeweilige Verschiebevorrichtung 160 vorgesehen sein, so dass eine maximale Winkelauflösung der Luftspalteinstellung erreicht wird. Wenn in Umfangsrichtung gesehen bspw. nur für jedes zweite der magnetischen Mittel 112 bzw. 121 eine jeweilige Verschiebevorrichtung vorgesehen ist, halbiert sich die Winkelauflösung der Luftspalteinstellung gegenüber der maximal möglichen Winkelauflösung.
Im sensorischen Betrieb werden -ebenfalls in beiden Ausführungsformen- seitens der Kontrolleinheit 169 keine Spannungen an die Piezostapel 162 angelegt, sondern es werden die an den Piezostapeln 162 abgreifbaren Spannungen gemessen. Auch hier gilt, dass die einzelnen Verschiebevorrichtungen 160 individuell auslesbar sind. Hieraus lässt sich zum einen die momentane radiale Erstreckung des jeweiligen Piezostapels 162 und dadurch ein Hinweis auf die am Ort der betreffenden Verschiebevorrichtung 160 vorliegende Luftspaltbreite ermitteln. Es sei angemerkt, dass diese Luftspaltbreiten an verschiedenen Orten bzw. Winkeln des Luftspalts 150 anhand von Magnetfeldsensoren 170, bspw. Hall-Sensoren, mit höherer Genauigkeit zu vermessen sind. Dabei werden an den verschiedenen Orten die magnetischen Flussdichten bestimmt und daraus auf die Luftspaltbreiten an diesen Orten geschlossen.
Zum anderen kann der sensorische Betrieb zur Ermittlung der Drehlage des Rotors 110 bzgl. des Stators 120 verwendet werden. Hierzu wird das zeitliche Verhalten U(t) der an einer beliebigen Verschiebevorrichtung 160 abgegriffenen Spannung beobachtet, welches exemplarisch in der 4 dargestellt ist. Es ist leicht zu erkennen, dass das Zeitsignal U(t) zu verschiedenen, typischerweise regelmäßig wiederkehrenden Zeitpunkten positive bzw. negative Peaks Up aufweist, welche die Zeitpunkte markieren, zu denen ein Permanentmagnet 112 des Rotors 110 an der ausgewählten Verschiebevorrichtung 160 vorbei streift. Hiermit ist demnach die Bestimmung der Rotordrehlage bezüglich des Stators 120 möglich. Diese Drehlage wird dem Kontrollsystem 500 kommuniziert, welches den Betrieb der elektrischen Maschine dementsprechend steuern und/oder regeln bzw. synchronisieren und damit den Wirkungsgrad der Maschine 100 verbessern kann.
In einer weiteren Anwendungsoption der Verschiebevorrichtungen 160, die anhand der 5 erläutert wird und bei der der sensorische Betrieb und der aktorische Betrieb kombiniert werden, wird zunächst im sensorischen Betrieb wie oben beschrieben die tatsächliche Ist-Drehlage des Rotors 110 bzgl. des Stators 120 ermittelt. Hierzu reicht es prinzipiell aus, wenn die Drehlage nur anhand einer der Vielzahl von Verschiebevorrichtungen 160 ermittelt wird. Es können aber natürlich auch mehrere oder sogar sämtliche Verschiebevorrichtungen 160 zur Drehlagenermittlung eingesetzt werden. Gleichzeitig werden an mehreren Orten im Luftspalt 150 die dortigen, lokalen Luftspaltbreiten ermittelt, indem bspw. wie oben angedeutet mit Hilfe von Hall-Sensoren 170 die dort jeweils vorherrschenden magnetischen Flussdichten B gemessen werden. Aus diesen kann bspw. dadurch, dass zunächst eine Hüllkurve des gemessenen Magnetfeldes bestimmt und daraus anschließend deren Maximum ermittelt wird, auf die Ist-Luftspaltbreite am Ort des jeweiligen Hall-Sensors 170 geschlossen werden.
Die so ermittelte Ist-Rotordrehlage und die Ist-Luftspaltbreiten, welche somit für die Orte der Hall-Sensoren 170 bekannt sind, werden in der Kontrolleinheit 169 zur Luftspaltregelung verwendet. Dabei können die elektrischen Spannungen festgelegt werden, mit denen die Verschiebevorrichtungen 160 beaufschlagt werden sollen, um gezielt Luftspaltbreiten einzustellen. Hierzu arbeitet das System dann konsequenterweise im oben beschriebenen aktorischen Betrieb und stellt die radialen Positionen der mit Verschiebevorrichtungen 160 versehenen Permanentmagnete 112 und/oder Zahnköpfe 122k ein. Dies ist wiederum über die Hall-Sensoren 170 detektierbar, so dass letztlich eine Regelung der Luftspaltbreite erreicht wird.
Das Grundprinzip dieser Arbeitsweise ist in der 6 kurz schematisch dargestellt, wobei in dieser Darstellung die eine gezeigte Verschiebevorrichtung 160 exemplarisch am Stator 120 im Statorzahn 122 angeordnet ist und nicht im Rotor 110. In diesem Fall liefert der Piezostapel 162 eine Ist-Spannung U-ist, aus welcher wie im Zusammenhang mit 4 beschrieben in einem Prozessschritt S201 die Rotordrehlage Phi110 ermittelt wird. Der Hall-Sensor 170 misst seinerseits einen Messwert Uhall, anhand dessen in einem Schritt S201 eine magnetische Flussdichte ermittelt wird. Im Schritt S202 wird hieraus eine Hüllkurve sowie insbesondere deren Maximum und schließlich im Schritt S303 die Luftspaltbreite D150 am Ort des Hall-Sensors 170 ermittelt. Im Schritt S400 wird schließlich anhand der Messwerte D150 und Phi110 eine Soll-Spannung Usoll für den Piezostapel berechnet, um die Luftspaltbreite wie gewünscht einzustellen.
Die Verwendung der Rotordrehlage Phi110 ist hierfür zwar nicht zwingend notwendig, jedoch vorteilhaft, weil hiermit eine Vorsteuerung der Regelung erzielt werden kann.
Eine weitere Anwendung, bei der der sensorische Betrieb mit dem aktorischen Betrieb kombiniert wird, liegt in der Dämpfung von ggf. auftretenden radialen Schwingungen bzw. Vibrationen des Rotors 110. Dies können bspw. bei bestimmten Drehzahlen des Rotors 110 auftreten und zu Beschädigungen von Teilen der der Maschine 100 führen. Die Verschiebevorrichtungen 160 können nun als aktive Elemente zur Reduktion der Schwingungen eingesetzt werden.
In einem ersten Schritt wird im Sensorischen Betrieb eine eventuelle Schwingung des Rotors 110 gegenüber dem Stator 120 detektiert. Hierzu können die oben beschriebenen Methoden eingesetzt werden, d.h. die Hall-Sensoren 170 und/oder die Verschiebevorrichtungen 160 selbst, an denen in diesem Fall Spannungen abgegriffen werden, um daraus auf die Luftspaltbreits zurück zu schließen.
Das zeitliche Verhalten D150(t) der Luftspaltbreite D150 wird nun mit Hilfe der Kontrolleinheit 169 überwacht. Schwingungen des Rotors 110 schlagen sich in einem entsprechenden Verhalten der Luftspaltbreite D150 und damit im Zeitsignal D150(t) nieder und sind so vergleichsweise einfach zu identifizieren. Beim Auftreten einer Schwingung werden diejenige Verschiebevorrichtungen 160, die sich bzgl. der Rotationsachse ROT des Rotors 110 gegenüberliegen und deren gedachte Verbindungslinie L parallel zur Richtung der Schwingung ist, als Paar 160p1, 160p2 betrachtet und aufeinander abgestimmt betrieben. Dies ist in 5 angedeutet. Dabei wird diejenige Verschiebevorrichtung 160p1, an der der Luftspalt 150 weiter bzw. breiter ist als erwartet bzw. als vorgegeben, so betrieben, dass sich das entsprechende magnetische Mittel 112 auf den Rotor 110 zu bewegt und die Luftspaltbreite D150 an dieser Stelle entsprechend reduziert wird. Gleichzeig wird die gegenüberliegende Verschiebevorrichtung 160p2 in umgekehrter Weise betrieben und schnell zurückgezogen bzw. vom Rotor 110 entfernt.
Dabei kann der oben beschriebene abgestimmte Betrieb des Paares 160p1, 160p2 letztlich sogar mit der Schwingung umlaufen, falls deren Schwingungsrichtung nicht konstant ist, sondern um die Rotationsachse rotiert. D.h. zu verschiedenen Zeitpunkten können je nach Orientierung der Schwingungsrichtung verschiedene Verschiebungseinrichtungen 160 ein jeweiliges Paar bilden.
Idealerweise werden nicht nur die beiden Verschiebevorrichtungen 160p1, 160p2 derart aufeinander abgestimmt betrieben, sondern zusätzlich auch eine bestimmte Anzahl von zu diesen Verschiebevorrichtungen 160p1, 160p2 benachbart angeordnete Verschiebevorrichtungen 160.
Bei Betrachtung der typischen Umschalt- und Reaktionszeiten von Piezoelementen 161 in einer Größenordnung von 0,1ms gegenüber typischen Drehzahlen eines Rotors 110 in einer Größenordnung von etwa 6000 Umdrehungen pro Minute bzw. 100 Umdrehungen pro Sekunde bzw. entsprechenden Umlaufzeiten von etwa 10ms zeigt sich, dass aufgrund der vergleichsweise kurzen Ansprechzeiten der Piezoelemente 161 eine sehr schnelle Reaktion auf Schwingungen des Rotors 110 möglich ist. Auch und insbesondere der beschriebene umlaufende abgestimmte Betrieb ist aufgrund der Verhältnisse der möglichen Umschaltzeiten der Piezoelemente 161 im Vergleich zur Drehzahl ohne weiteres möglich.
In den 2 und 3 ist zur Veranschaulichung des generellen Konzepts für Stator 120 bzw. Rotor 110 jeweils nur eine Verschiebevorrichtung 160 dargestellt. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die dargestellte Ausbildung im Extremfall zur Erzielung der bestmöglichen Winkelauflösung für alle Permanentmagnete 112 des Rotors 110 und/oder für alle Zähne 122 und Wicklungen 121 des Stators 120 gilt. Dies ist bereits in der 5 am Beispiel des Rotors 110 so dargestellt worden.
In einer weniger aufwendigen Ausbildung würden nicht für sämtliche magnetischen Mittel 112 bzw. 121 des Rotors 110 bzw. des Stators 120 derartige Verschiebevorrichtungen 160 vorgesehen, sondern in der jeweiligen Umfangsrichtung gesehen bspw. nur für jedes zweite magnetische Mittel 112 bzw. 121. Generell könnten auch Gruppen G1, G2 von magnetischen Mitteln 112 bzw. Gruppen von magnetischen Mitteln 121 gebildet sein, wobei bspw. die magnetischen Mittel 112 bzw. 121 eines ersten Gruppentyps G1 mit Verschiebevorrichtungen 160 versehen sind und die magnetischen Mittel 112 bzw. 121 eines zweiten Gruppentyps G2 keine Verschiebevorrichtungen aufweisen. Dies ist wiederum exemplarisch für den Rotor 110 in der 7 dargestellt, wobei die Darstellung in der 7 lediglich als Prinzipdarstellung und Visualisierung des Konzepts der Anordnung in Gruppen G1, G2 mit und ohne Verschiebevorrichtung 160 zu verstehen ist. Die entsprechenden Gruppen G1, G2 sind in der jeweiligen Umfangsrichtung gesehen abwechselnd hintereinander angeordnet. Die verschiedenen Gruppen G1, G2 können dabei gleich viele nG1=nG2 oder auch unterschiedlich viele nG1≠nG2 magnetische Mittel 112 bzw. 121 umfassen. In der 7 ist beispielhaft angenommen, dass beide Gruppen G1, G2 jeweils drei magnetische Mittel 112 umfassen, d.h. nG1=nG2=3. Für die erwähnte Ausbildung, bei der bspw. nur für jedes zweite magnetische Mittel 112 bzw. 121 eine Verschiebevorrichtung vorgesehen ist, würde nG1=nG2=1 gelten. Allgemein gilt nG1≥1 und nG2≥0, wobei nG2=0 letztlich die Ausbildung in 5 beschreibt.
Des Weiteren wäre es denkbar, dass mehrere magnetische Mittel 112 bzw. 121 gemeinsam mit einer einzelnen Verschiebevorrichtung 160 verschiebbar sind, d.h. ein und derselben Verschiebevorrichtung 160 sind bspw. mehrere Permanentmagnete 112 zugeordnet. Dies ist in 8 dargestellt, wo exemplarisch jeweils eine Verschiebevorrichtung 160 auf drei Permanentmagnete 112 wirkt.
Die Verschiebevorrichtungen 160 weisen in den hier erläuterten Ausführungen jeweils einen aus einem oder mehreren Piezoelementen 161 aufgebauten Piezostapel 162 auf. Die Verwendung von Piezoelementen 161 ist insofern vorteilhaft, als dass diese bekanntermaßen bei kompakter Bauform eine schnelle und große Kraftwirkung entfalten können. Es ist jedoch denkbar, dass die Verschiebevorrichtungen 160 andere Effekte nutzen, um die radiale Verschiebung zu bewirken. Auch hinsichtlich der beiden in den 2, 3 dargestellten konkreten Ausführungsformen der Verschiebevorrichtungen sei angemerkt, dass diese lediglich exemplarisch zu verstehen sind und dass auch andere Anordnungen verwendet werden können, mit denen bspw. radiale Kräfte erzeugt werden, die derart wirken, dass im aktorischen Betrieb die gewünschten Verschiebungen erreicht und/oder im sensorischen Betrieb die beschriebenen Daten ermittelt werden können.

Claims

Elektrische Maschine (100) aufweisend eine erste zylindrische Komponente (110, 120) mit ersten magnetischen Mitteln (112, 121) und eine zweite zylindrische Komponente (120, 110) mit zweiten magnetischen Mitteln (121, 112), wobei die zylindrischen Komponenten (110, 120) derart konzentrisch zueinander angeordnet sind, dass sich zwischen den ersten (112, 121) und den zweiten magnetischen Mitteln (121, 112) ein Luftspalt (150) ausbildet, wobei an zumindest einer der Komponenten (110, 120) von einer Kontrolleinheit (169) steuerbare Verschiebevorrichtungen (160) vorgesehen sind, die entlang der Umfangsrichtung der jeweiligen Komponente (110, 120) verteilt derart angeordnet sind, dass mit ihnen in einem aktorischen Betriebsmodus die radiale Luftspaltbreite winkelaufgelöst gezielt beeinflussbar ist.
Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Verschiebevorrichtungen (160) jeweils eine Gruppe (G1) von magnetischen Mitteln (112, 121) der mit den Verschiebevorrichtungen (160) ausgestatteten Komponente (110, 120) eindeutig zugeordnet ist, wobei eine jeweilige Gruppe (G1) zumindest eines dieser magnetischen Mittel (112, 121) umfasst, wobei eine jede Verschiebevorrichtung (160) derart an dieser Komponente (110, 120) angeordnet ist, dass sie auf die dieser Verschiebevorrichtung (160) zugeordnete Gruppe (G1) wirken kann, so dass deren radiale Position gezielt beeinflussbar ist.
Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine der mit Verschiebevorrichtungen (160) ausgestatteten Komponenten (110, 120) ein Rotor (110) der elektrischen Maschine (100) ist und/oder eine andere der mit Verschiebevorrichtungen (160) ausgestatteten Komponenten (120, 110) ein Stator (120) der elektrischen Maschine (100) ist.
Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (110) an seinem dem Stator (120) zugewandten Umfang Magnetpole (113) mit Aufnahmebereichen (114) für die magnetischen Mittel (112) des Rotors (110) aufweist, wobei für den Fall, dass der Rotor (110) mit Verschiebevorrichtungen (160) ausgestattet ist, - zumindest einige der Magnetpole (113) einen in radialer Richtung gesehen unterhalb des jeweiligen Aufnahmebereiches (114) angeordneten Hohlraum (163, 163r) aufweisen, in dem jeweils eine der Verschiebevorrichtungen (160) derart angeordnet ist, dass sie im aktorischen Betrieb jeweils durch Aufbringung einer in radialer Richtung wirkenden Kraft die radiale Position des jeweiligen Aufnahmebereiches (114) beeinflussen können, oder - zumindest einige der Magnetpole (113) eine Verschiebevorrichtung (160) aufweisen, wobei eine jeweilige Verschiebevorrichtung (160) einen Aktor (162) sowie eine Kraftumlenkeinrichtung (166) umfasst und derart angeordnet ist, dass der Aktor (162) im aktorischen Betrieb eine in axialer Richtung wirkende Kraft aufbringt und die Kraftumlenkeinrichtung (166) die axiale Kraft in eine radiale Kraft umlenkt, mit der die radiale Position des jeweiligen Aufnahmebereiches (114) beeinflussbar ist.
Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (120) an seinem dem Rotor (110) zugewandten Umfang Statorzähne (122) aufweist, welche jeweils einen dem Rotor (110) zugewandten Zahnkopf (122k), einen dem Rotor (110) abgewandten Zahnfuß (122f) und einen zwischen Zahnkopf (122k) und Zahnfuß (122f) angeordneten Zahnhals (122h) aufweisen, wobei für den Fall, dass der Stator (120) mit Verschiebevorrichtungen (160) ausgestattet ist, zumindest einige der Statorzähne (122) jeweils einen im Bereich des Zahnhalses (122h) angeordneten Hohlraum (163s) aufweisen, in dem jeweils eine der Verschiebevorrichtungen (160) derart angeordnet ist, dass sie im aktorischen Betrieb jeweils durch Aufbringung einer in radialer Richtung wirkenden Kraft die radiale Position des jeweiligen Zahnkopfes (122k) beeinflussen kann.
Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (169) für einen aktorischen Betrieb eingerichtet ist, um die Verschiebevorrichtungen (160) gezielt mit elektrischen Signalen zu beaufschlagen, um zur Beeinflussung der radialen Luftspaltbreite gezielt radiale Ausdehnungen der Verschiebevorrichtungen (160) einzustellen.
Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (169) für einen sensorischen Betrieb eingerichtet ist, um die Verschiebevorrichtungen (160) zu betreiben und dabei an den Verschiebevorrichtungen (160) elektrische Zeitsignale abzugreifen und auszuwerten, um daraus - die Drehlage des Rotors (110) zu ermitteln und/oder - die radiale Luftspaltbreite winkelaufgelöst zu ermitteln.
Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur winkelaufgelösten Ermittlung der radialen Luftspaltbreite zusätzlich oder alternativ zur Ermittlung mit Hilfe der an den Verschiebeeinrichtungen (160) abgreifbaren Zeitsignale eine separate Messeinrichtung (170) vorgesehen ist.
Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (170) eine Vielzahl von Magnetfeldsensoren (170), insbesondere Hallsensoren, aufweist, welche für eine winkelaufgelöste Magnetfeldmessung in Umfangsrichtung entlang des Luftspalts (150) verteilt angeordnet sind, wobei die Kontrolleinheit (169) eingerichtet ist, um aus den mit den Magnetfeldsensoren (170) gemessenen Magnetfeldern die jeweiligen radialen Luftspaltbreiten an den Orten der jeweiligen Magnetfeldsensoren (170) zu ermitteln.
Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (169) eingerichtet ist, um für den Fall, dass bei der winkelaufgelösten Ermittlung der radialen Luftspaltbreite ein Abweichungszustand detektiert wird, die Verschiebevorrichtungen (160) derart aktorisch zu betreiben, dass dem Abweichungszustand entgegengewirkt und eine gewünschte radiale Luftspaltbreite erreicht wird.
Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (169) eingerichtet ist, um die ermittelte Drehlage des Rotors (110) zur generellen Regelung und/oder Steuerung der elektrischen Maschine (100) zu verwenden.
Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebevorrichtungen (160) jeweils einen Aktor (162) aufweisen, der einen zumindest ein Piezoelement (161) umfassenden Piezostapel (162) umfasst, wobei der jeweilige Piezostapel (162) elektrisch mit der Kontrolleinheit (169) für die Verschiebevorrichtungen (160) verbunden ist, wobei - im aktorischen Betrieb aufgrund einer von der Kontrolleinheit (169) angelegten elektrischen Spannung eine Erstreckung des Aktors (162) einstellbar ist und - im sensorischen Betrieb eine von der Erstreckung des Aktors (162) abhängige elektrische Spannung abgreifbar ist.
Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebevorrichtungen (160) in einem aktorischen Betrieb verwendet werden, um die radiale Luftspaltbreite winkelabhängig gezielt zu beeinflussen.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass an den Verschiebevorrichtungen (160) in einem sensorischen Betrieb elektrische Zeitsignale abgegriffen werden und daraus die Drehlage des Rotors (110) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Luftspaltbreite anhand einer Vielzahl von Messwerten winkelaufgelöst ermittelt wird, wobei - zumindest einige der Messwerte an den Verschiebevorrichtungen (160) in einem sensorischen Betrieb abgegriffene elektrische Zeitsignale sind und/oder - zumindest einige der Messwerte von einer separaten Messeinrichtung (170) stammen, welche eine Vielzahl von Magnetfeldsensoren (170), insbesondere Hallsensoren, aufweist, welche für eine winkelaufgelöste Magnetfeldmessung in Umfangsrichtung entlang des Luftspalts (150) verteilt angeordnet sind, wobei die Messwerte den mit den Magnetfeldsensoren (170) gemessenen Magnetfeldern entsprechen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass bei der winkelaufgelösten Ermittlung der radialen Luftspaltbreite ein Abweichungszustand detektiert wird, die Verschiebevorrichtungen (160) derart aktorisch betrieben werden, dass dem Abweichungszustand entgegengewirkt und eine gewünschte radiale Luftspaltbreite erreicht wird.