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Die Erfindung betrifft eine elektrische Axialflussmaschine sowie ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug.
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Aus dem Stand der Technik sind elektrische Axialflussmaschinen sowie Antriebssysteme für Kraftfahrzeuge mit elektrischen Axialflussmaschinen bekannt. Eine elektrische Axialflussmaschine ist ein Motor oder Generator, bei dem der Magnetfluss zwischen einem Rotor und einem Stator parallel zur Drehachse des Rotors realisiert wird. Andere Bezeichnungen für elektrische Axialflussmaschinen sind auch bürstenloser Gleichstrommotor, permanenterregter Synchronmotor oder Scheibenläufermotor.
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Bei Betrieb einer elektrischen Axialflussmaschine werden Spannungen induziert, deren Stärke mit der Drehzahl des Rotors korreliert. Eine höhere Drehzahl hat eine größere induzierte Spannung zur Folge.
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Die Spannung, mit der die Maschine angetrieben wird, ist im Allgemeinen nach oben beschränkt. Mit größer werdender induzierter Spannung nimmt die Differenz aus der maximalen Spannung und der induzierten Spannung ab. Diese Differenz ist ein Maß für den maximalen Strom. Der Strom wiederum ist ein Maß für das Drehmoment. Durch diesen Effekt wird der Drehzahlbereich, bei dem noch ein Drehmoment erzeugt werden kann, eingeschränkt.
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Um zu verhindern, dass die induzierte Spannung einen derartigen Einfluss nimmt, wird in der Regel eine Feldschwächung in der elektrischen Axialflussmaschine realisiert.
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Bekanntlich wird dazu ein zusätzlicher Strom in die elektrische Axialflussmaschine geführt, wobei dies jedoch zu hohen ohmschen Verlusten führt, was den Wirkungsgrad der elektrischen Axialflussmaschine senkt.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Axialflussmaschine sowie ein damit ausgestattetes Antriebssystem zur Verfügung zu stellen, die in konstruktiv einfacher Art und Weise einen effizienten und optimalen Betrieb sowie einen erweiterten Drehzahlbereich gewährleisten.
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Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße elektrische Axialflussmaschine nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der elektrischen Axialflussmaschine sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 angegeben. Ergänzend wird ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eine elektrische Achse oder ein Hybridmodul, welches die elektrische Axialflussmaschine aufweist, gemäß Anspruch 10 zur Verfügung gestellt.
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Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Begriffe „axial“ und „radial“ beziehen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung immer auf die Rotationsachse der elektrischen Axialflussmaschine.
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Axialflussmaschine, umfassend mindestens einen Stator sowie mindestens einen bezüglich zum Stator in einem axialen Abstand positionierten und um eine Drehachse drehbar angeordneten Rotor. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die elektrische Axialflussmaschine des Weiteren eine Einstelleinrichtung umfasst, um den axialen Abstand zwischen dem Rotor und dem Stator einzustellen.
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Die erfindungsgemäße elektrische Axialflussmaschine ist insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine.
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Das heißt, dass die erfindungsgemäße elektrische Axialflussmaschine dazu eingerichtet ist, den Luftspalt bzw. den axialen Abstand zwischen Rotor und Stator variabel einzustellen.
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Insbesondere ist eine stufenlose axiale Einstellbarkeit bevorzugt.
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Dabei kann der Rotor und/oder der Stator axial bewegt werden.
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In einer Ausführungsform der elektrischen Axialflussmaschine weist der Rotor mehrere Permanentmagneten auf, wobei der Stator mehrere Wicklungen eines elektrischen Leiters aufweist. Wird der axiale Abstand zwischen Rotorseite und Statorseite bei Betrieb der elektrischen Axialflussmaschine vergrößert, führt dies zu einer geringeren magnetischen Flussdichte im Stator bzw. zu einer Feldschwächung. Dies ermöglicht den Verzicht auf zusätzliche Ströme zur Realisierung einer elektrisch induzierten Feldschwächung, wodurch die mit derartigen Strömen verbundenen ohmschen Verluste vermieden werden können. Außerdem führt die reduzierte Flussdichte im Stator zu reduzierten Hysterese- und Wirbelstromverlusten im Stator.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Einstelleinrichtung dazu eingerichtet, den Rotor und/oder den Stator in der eingestellten axialen Position zu fixieren.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform nutzt die Einstelleinrichtung lediglich mechanische Energie zur Realisierung einer Relativ-Bewegung zwischen Rotor und Stator zwecks Einstellung des axialen Abstandes.
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Eine derartige Ausgestaltung kann zum Beispiel durch einen Fliehkraftregler realisiert sein. Alternativ oder ergänzend zu einem Fliehkraftregler kann auch eine Reglereinheit vorgesehen sein, die dazu eingerichtet ist, den axialen Abstand in Abhängig eines anliegenden Drehmoments zu regeln.
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In alternativen Ausgestaltungen ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass die Einstelleinrichtung elektrisch betrieben wird und/oder auch hydraulisch betrieben wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Einstelleinrichtung dazu eingerichtet, die Einstellung des axialen Abstandes in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit des Rotors vorzunehmen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Einstellungseinrichtung dazu eingerichtet, die Einstellung des axialen Abstandes in Abhängigkeit vom anliegenden Drehmoment am Rotor vorzunehmen.
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Dazu umfasst die Einstelleinrichtung eine Reglereinheit, welche zwecks Einstellung des axialen Abstandes zwischen Rotor und Stator steuerungstechnisch mit dem Rotor der elektrischen Axialflussmaschine gekoppelt ist, so dass das an der Reglereinheit anliegende Drehmoment das Drehmoment des Rotors ist.
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Dabei kann die Einstelleinrichtung derart ausgestaltet sein, dass sie lediglich auf Basis der Drehgeschwindigkeit bzw. lediglich auf Basis des Drehmoments die Einstellung des axialen Abstandes vornimmt. In alternativer Ausgestaltungsform geht die Drehgeschwindigkeit und/oder das Drehmoment in eine Steuerung oder auch Regelung der Einstellung des axialen Abstandes ein.
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In einer konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die Einstelleinrichtung zur Realisierung einer Verstellbewegung zwecks Einstellung des axialen Abstandes wenigstens eine Federeinrichtung auf, gegen oder mit deren Federkraft die Einstelleinrichtung arbeitet.
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Das bedeutet, dass die Federkonstante der Federeinrichtung in die Kennlinie der von der Einstelleinrichtung bewirkten Arbeit bei der Einstellung des axialen Abstandes eingeht.
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Die Federeinrichtung kann dabei eine einzelne Feder sein, oder auch ein Federpaket aus mehreren parallel und/oder in Reihe geschalteten Federn.
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Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann realisiert, wenn die Einstelleinrichtung dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit des Rotors und/ oder in Abhängigkeit vom anliegenden Drehmoment die Einstellung des axialen Abstandes vorzunehmen. In diesem Fall kann zum Beispiel bei einer beabsichtigten Vergrößerung des Luftspaltes bzw. Vergrößerung des Abstandes zwischen Rotor und Stator gegen die Kraft bzw. Federkonstante einer Federeinrichtung gearbeitet werden, sodass die Federkonstante in eine Kennlinie des Bewegungsverhaltens der Einstelleinrichtung eingeht.
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Die Federkraft würde dann gegen oder mit einer magnetischen Anziehungskraft zwischen der jeweiligen Rotorseite und der Statorseite wirken.
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Entsprechend kann die Einstelleinrichtung auch eine Federeinrichtung mit den genannten Wirkungsoptionen aufweisen, wobei keine extra Antriebseinrichtung zur Realisierung einer Verstellbewegung vorhanden ist.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann anstatt einer Federeinrichtung eine Kolben-Zylinder-Einrichtung vorgesehen sein, so dass anstelle der Federkonstante der Federeinrichtung ein im Zylinder realisierter Druck über den Kolben eine Kraft zur Verfügung stellt, gegen oder mit der die Einstelleinrichtung bei Einstellung des Abstandes arbeitet. Vorteilhaft bei dieser alternativen Ausgestaltung ist, dass im Gegensatz zu einer Federkonstante der Druck im Zylinder regelbar ist, so dass eine zur Abstandseinstellung genutzte Kraft flexibel einstellbar ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist axial beidseitig des Stators jeweils eine Rotorseite des Rotors angeordnet, wobei die Einstelleinrichtung dazu eingerichtet ist, wenigstens eine der beiden Rotorseiten in ihrem Abstand in Bezug zum Stator einzustellen und zu fixieren.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, beide Rotorseiten in jeweils gleichen axialen Abständen einzustellen und zu fixieren.
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Der Rotor ist in dieser Ausführungsform somit im Wesentlichen aus zwei axial zueinander beabstandeten Rotorseiten ausgebildet.
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Eine jeweilige Rotorseite ist dabei Träger von Magneten, insbesondere Permanentmagneten und/oder Spulen. Der Stator ist ebenfalls ein Träger von Magneten und/oder Spulen.
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Bei Einstellbarkeit der Abstände beider Rotorseiten kann die Einstelleinrichtung dazu eingerichtet sein, die Einstellbewegung der beiden Rotorseiten synchron vorzunehmen.
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Dadurch wird ständig ein gleicher Abstand zwischen einer jeweiligen Rotorseite und dem Stator gewährleistet.
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In alternativer Ausführungsform können die Abstände beider Rotorseiten voneinander unabhängig eingestellt werden, so dass die Einstellung zu unterschiedlichen Zeitpunkten, mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und/ oder mit unterschiedlichen Abständen erfolgt.
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In einer ergänzenden Ausführungsform sind die beiden Rotorseiten auf einer gemeinsamen Welle axial verschiebbar angeordnet.
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Dies kann zum Beispiel durch eine Axialverzahnung bzw. Keilwellenverzahnung auf der Welle realisiert sein, die eine axiale Verlagerung der Rotorseiten ermöglicht.
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Des Weiteren wird erfindungsgemäß ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eine elektrische Achse oder ein Hybridmodul, zur Verfügung gestellt, das zumindest eine erfindungsgemäße elektrische Axialflussmaschine aufweist.
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Das Hybridmodul dient insbesondere zum Ankoppeln einer Verbrennungskraftmaschine und umfasst eine Trennkupplung, mit der Drehmoment von der Verbrennungskraftmaschine auf das Hybridmodul übertragbar ist und mit der das Hybridmodul von der Verbrennungskraftmaschine trennbar ist, sowie eine elektrische Axialflussmaschine zur Erzeugung eines Antriebsdrehmoments.
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Des Weiteren kann das Hybridmodul gegebenenfalls eine Doppelkupplungsvorrichtung umfassen, mit der Drehmoment von der elektrischen Axialflussmaschine und/ oder von der Trennkupplung auf einen Antriebsstrang übertragbar ist, der zur Kopplung an ein Abtriebselement oder an ein Getriebe vorgesehen ist.
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Die elektrische Achse umfasst die erfindungsgemäße elektrische Axialflussmaschine und damit gekoppelt ebenfalls ein Getriebe. Die elektrische Achse ist dazu eingerichtet, an ein Abtriebselement, wie zum Beispiel eine Antriebsachse eines Kraftfahrzeugs, angeschlossen zu werden, und umfasst in einer vorteilhaften Ausgestaltungsform des Weiteren integriert eine Leistungselektronik.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nicht auf die dargestellten Maße eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in
- 1: eine schematische Darstellung eines Rotors und eines Stators einer elektrischen Axialflussmaschine in perspektivischer Ansicht,
- 2: eine geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine,
- 3: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine in einem ersten Zustand in Seitenansicht und
- 4: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine gemäß 3 in einem zweiten Zustand in Seitenansicht.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Rotors 10 und eines Stators 20 einer elektrischen Axialflussmaschine 1 in perspektivischer Ansicht.
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Der Rotor 10 umfasst dabei mehrere, um eine Drehachse 3 auf einem Umfang verteilt angeordnete Permanentmagneten 11, wobei entlang der Umfangsrichtung eine alternierende Reihenfolge an positiv gepolten Permanentmagneten und negativ gepolten Permanentmagneten ausgebildet ist.
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Der Stator 20 umfasst mehrere, am Umfang verteilt angeordnete Zähne 22. Ersichtlich ist hier ein axialer Abstand d zwischen dem Rotor 10 und dem Stator 20, der ausschlaggebend ist für die Durchdringung des Stators 20 durch das Magnetfeld des Rotors 10.
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2 zeigt eine geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine 1.
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Die elektrische Axialflussmaschine 1 umfasst einen Rotor 10 und einen Stator 20 äquivalent zum Rotor 10 und Stator 20 aus 1, wobei die elektrische Axialflussmaschine 1 weiterhin eine um die Drehachse 3 drehbare Welle 2 und eine Einstelleinrichtung 31 aufweist.
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Der Rotor 10 ist drehfest auf der Welle 2 angeordnet, wobei der Stator 20 koaxial zur Welle 2 positioniert ist. Zwischen dem Rotor 10 und dem Stator 20 ist dabei der axiale Abstand d realisiert.
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Der Stator 20 ist von einem topfförmigen Statorträger 30 getragen, wobei die offene axiale Seite der Topfform dem Rotor 10 zugewandt ist.
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Die Einstelleinrichtung 31 ist mit dem Statorträger 30 derart verbunden, dass die Einstelleinrichtung 31 die axiale Position des Statorträgers 30 und damit die axiale Position des Stators 20 einstellen und fixieren kann. Die Einstelleinrichtung 31 ist entsprechend dazu eingerichtet, den axialen Abstand d zwischen dem Rotor 10 und dem Stator 20 einzustellen.
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Die Einstelleinrichtung 31 kann dabei elektrisch oder hydraulisch betreibbar sein oder auch lediglich mechanische Energie zur Realisierung einer axialen Relativ-Bewegung zwischen Rotor 10 und Stator 20 nutzen. Eine Eingangsgröße, in Abhängigkeit derer die Einstelleinrichtung 31 den axialen Abstand d einstellt, kann die Drehzahl des Rotors 10 und/oder das am Rotor 10 anliegende Drehmoment sein.
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In 3 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine 1 in einem ersten Zustand in Seitenansicht gezeigt.
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Die elektrische Axialflussmaschine 1 umfasst einen Rotor 10, einen Stator 20 sowie eine Welle 2, wobei der Rotor 10 aus zwei axial zueinander beabstandeten Rotorseiten 12, 13 ausgebildet ist und axial beidseitig des Stators 20 jeweils eine Rotorseite 12, 13 des Rotors 10 angeordnet ist.
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Die erste Rotorseite 12 und die zweite Rotorseite 13 sind drehfest auf der Welle 2 angeordnet und drehen um eine gemeinsame Drehachse 3 der elektrischen Axialflussmaschine 1. Der Stator 20 ist dabei koaxial zu der Drehachse 3 bzw. den Rotorseiten 12, 13 angeordnet.
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Die beiden Rotorseiten 12, 13 tragen dabei jeweils an deren radial äußeren Bereichen an einer jeweiligen dem Stator 20 zugewandten axialen Seite Permanentmagnete 11, wobei der Stator 20 mehrere Wicklungen 21 eines elektrischen Leiters aufweist.
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Der axiale Abstand zwischen der ersten Rotorseite 12 und dem Stator 20 sowie zwischen der zweiten Rotorseite 13 und dem Stator 20 entspricht dabei einem gleichen Abstand d.
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Im in 3 dargestellten ersten Zustand der elektrischen Axialflussmaschine 1 ist der axiale Abstand d sehr klein ausgeführt. Ausgehend von diesem Zustand kann es notwendig sein, eine Feldschwächung in der elektrischen Axialflussmaschine 1 durch Einstellung des axialen Abstandes d zu realisieren.
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Ergänzend zu 3 ist in 4 eine schematische Darstellung der elektrischen Axialflussmaschine 1 in einem zweiten Zustand in Seitenansicht gezeigt.
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Gegenüber dem ersten Zustand gemäß 3 ist im zweiten Zustand gemäß 4 ein größerer axialer Abstand d zwischen der ersten Rotorseite 12 und dem Stator 20 sowie zwischen der zweiten Rotorseite 13 und dem Stator 20 ausgebildet.
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Die beiden Rotorseiten 12, 13 wurden dazu mittels der Einstelleinrichtung 31 synchron axial verschoben, so dass sowohl die erste Rotorseite 12 als auch die zweite Rotorseite 13 axial weiter vom Stator 20 beabstandet sind.
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Durch den hier größeren axialen Abstand d verringert sich die bei Betrieb der Axialflussmaschine 1 das wirksame magnetische Feld.
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Mit der erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine sowie dem Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug lässt sich in konstruktiv einfacher Art und Weise ein effizienter und optimaler Betrieb sowie ein erweiterter Drehzahlbereich gewährleisten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Axialflussmaschine
- 2
- Welle
- 3
- Drehachse
- 10
- Rotor
- 11
- Permanentmagnet
- 12
- erste Rotorseite
- 13
- zweite Rotorseite
- 20
- Stator
- 21
- Wicklung
- 22
- Zähne
- 30
- Statorträger
- 31
- Einstelleinrichtung
- d
- axialer Abstand
