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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine umfassend einen Stator und einen Rotor mit einem auf einer Rotorwelle angeordneten Rotorkörper, wobei der Rotorkörper eine Mehrzahl von fest am oder im Rotorkörper angeordneten Permanentmagneten zur Erzeugung eines Magnetfelds aufweist und wobei zumindest einem der fest am oder im Rotorkörper angeordneten Permanentmagnete zumindest ein um seine eigene im Rotorkörper ortsfest angeordnete Drehachse drehbar im Rotorkörper gelagert angeordneter Feldbeeinflussungs-Permanentmagnet zur drehpositionsabhängigen Beeinflussung des Magnetfelds zugeordnet ist. Darüber hinaus umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine sowie einen Rotor für eine elektrische Maschine.
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Elektrische Maschinen sind seit geraumer Zeit bekannt und unterliegen einer fortwährenden Entwicklung. Die Einführung der Nutzung von elektrischen Antriebsmaschinen (Traktionsmaschinen) im Automobil bringt neue Anforderungen und Rahmenbedingungen mit sich, weswegen die Entwicklung neue Wege einschlägt.
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In automotiven Anwendungsfällen beherrschen vorwiegend bauraumoptimale Designs die Entwicklung von elektrischen Energiewandlern, sei es im Segment der kleinantriebe oder im Segment der Traktionsantriebe.
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Aufgrund der Anforderung Bauraumoptimal zu konstruieren, werden, je nach Anwendungsgebiet, elektrische Maschinen mit eine hohen Leistungsdichte verwendet. Dabei kommen häufig permanenterregte Synchronmaschinen mit Selten-Erden-Materialien zum Einsatz.
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Nicht selten werden wie Permanentmagnete an die Oberfläche der Rotoren montiert. Alternativ werden die Permanentmagneten in Aussparungen der Blechpakete des Rotors eingeschoben. Um die Magnete in ihrer Position zu halten werden Klebstoffe, Kunststoffhalterungen, Kunststoffumspritzungen oder Tränkmittel verwendet. Das Prinzip ist bei sogenannten Innen- als auch bei Außenläufern anzutreffen.
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Ein anderes Wirkprinzip sieht vor den magnetischen Kreis zu verbessern, indem magnetflussleitende Elemente aktiv in den Magnetkreis eingeführt werden.
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Eine gattungsgemäße elektrische Maschine ist beispielsweise bereits beschrieben in dem Artikel „Classification of field-weakening solutions and novel PM machine with adjustable exitation“, H. Woehl-Bruhn / W.-R. Canders / N.Domann, XIX International Conference on Electrical Machines - ICEM 2010, Rome - siehe hierzu insbesondere das Kapitel VI. PRINCIPLE OF NOVEL MACHINE DESIGN.
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Ein solcher Aufbau wird ebenso in dem Artikel „Flux Adjustable Prermanent Magnet Machines: A Technology Status Review", Hui Yang / Z.Q. Zhu / Heyun Lin / Wenqiang Chu, Cinese Journal of Electrical Engineering, Vol.2, No.2, December 2016, beschrieben - siehe hierzu insbesondere S.20, Kapitel 4.2 „Adjustment towards R_sigma‟.
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Aus der
DE 10 2018 112 553 A1 ist ein Rotor einer elektrischen Maschine mit bewegbaren Polanordnungen bekannt. Der Rotor umfasst einen Rotorkörper, eine Drehachse, welche sich in axiale Richtung erstreckt und um welche der Rotorkörper drehbar ist, eine äußere Mantelfläche, die den Rotorkörper begrenzt, mindestens eine Polanordnung, sowie einen Bewegungsmechanismus für die mindestens eine Polanordnung. Dabei ist der Bewegungsmechanismus derart ausgebildet, dass die mindestens eine Polanordnung bewegbar um eine Rotationsachse ist, die im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Rotors orientiert ist, wodurch die mindestens eine Polanordnung zusätzlich zur Rotation um die Drehachse des Rotors auch um ihre Rotationsachse bewegbar ist.
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Aus der
DE 10 2017 106 828 A1 ist ein weiterer Rotor mit über einen Stellmechanismus bewegbaren Polanordnungen bekannt. Der Stellmechanismus ist derart ausgebildet, dass der Abstand zwischen der äußeren Mantelfläche des Rotors und einem Flächenschwerpunkt, der mindestens einen Polanordnung einstellbar ist, wodurch die mindestens eine Polanordnung nach innen zur Drehachse des Rotors hin oder nach außen von der Drehachse des Rotors weg bewegbar ist.
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In der
DE10 2015 211 531 A1 wird eine elektrische Maschine mit einem Stator und einen im Stator drehbar gelagerten Rotor beschrieben, wobei eine Spindel durch die elektrische Maschine geführt ist, und mindestens eine in die elektrische Maschine einbringbare magnetflussleitende Baugruppe vorgesehen ist, wobei die magnetflussleitende Baugruppe linear bewegbar auf der Spindel angeordnet ist, um infolge einer Verlagerung in die elektrische Maschine eine Motorkonstante der elektrischen Maschine zu variieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine, ein Verfahren zur Ansteuerung einer derartigen elektrischen Maschine sowie einen Rotor für eine elektrische Maschine bereitzustellen, wodurch eine gezielt herbeigeführte Variierung des Magnetfelds ermöglicht wird. Mit Vorteil soll der Rotor für die elektrische Maschine als auch die elektrische Maschine konstruktiv einfach aufgebaut sein und im Hinblick auf den erforderlichen Bauraum und die entstehenden Kosten weiter optimiert sein. Im Automobilbereich werden hauptsächlich Permanenterregte Synchronmaschinen (PMSM) eingesetzt, welche vor allem durch die hohe Leistungsdichte überzeugen. Durch die Permanentmagneten wird jedoch im Betrieb der Maschine eine Gegenspannung induziert, welche mit der Drehzahl des Rotors ansteigt. Wenn diese Gegenspannung die maximale Spannung im Stator erreicht ist die maximale Drehzahl der Maschine erreicht. Die Motorkonstanten, auch Spannungskonstante und Drehmomentkonstante genannt, ist maßgeblich für das elektromechanische Verhalten einer elektrischen Maschine verantwortlich. Für gewöhnlich ist die Motorkonstante eine weitest gehend feste maschinenbezogene Größe, die nur im Rahmen mit einem sog. Feldschwächebetrieb verändert werden kann. Um die PMSM bei gegebener Hochvolt-Bordspannung mit einem Festgetriebe betreiben zu können und trotzdem den vollen Betriebsbereich hohe Drehzahlen - z.B. auf der Autobahn - abzudecken wird diese sogenannte Feldschwächung genutzt.
Hierbei wird bei der Regelung im d/q-System ein negativer d-Strom eingeprägt. Dieser Strom in Flussrichtung schwächt den magnetischen Fluss im Luftspalt wodurch die Spannungskonstante reduziert und so die maximale Drehzahl vergrößert werden kann. Im Feldschwächebereich steht dabei dann ein geringeres Moment zur Verfügung. Diese negative d-Strom Einprägung verursacht jedoch dauerhaft extra Verluste die bei gegebener Energiemenge im Fahrzeug zu geringerer Reichweite führen. Diese Extraverluste erwärmen zusätzlich das Motorsystem welches dann aufwändig gekühlt werden muss.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 sowie durch einen Rotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9. Bei einer elektrischen Maschine gemäß der Erfindung handelt es sich mit Vorteil um eine elektrische Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug, die sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbar ist.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst einen Stator und einen Rotor mit einem auf einer Rotorwelle angeordneten Rotorkörper, wobei der Rotorkörper eine Mehrzahl von fest am oder im Rotorkörper angeordneten Permanentmagneten zur Erzeugung eines Magnetfelds aufweist, wobei zumindest einem der fest am oder im Rotorkörper angeordneten Permanentmagnete zumindest ein um seine eigene im Rotorkörper ortsfest positionierte Drehachse drehbar im Rotorkörper gelagert angeordneter Feldbeeinflussungs-Permanentmagnet zur drehpositionsabhängigen Beeinflussung des Magnetfelds zugeordnet ist. Gemäß der Erfindung ist der Rotorkörper über eine Freilaufeinrichtung an die Rotorwelle angebunden, wobei die Freilaufeinrichtung derart ausgebildet ist, dass mittels einer über die Rotorwelle auf den Rotorkörper und die Freilaufeinrichtung einwirkenden Drehmomentänderung die Freilaufeinrichtung kurzzeitig von einem gesperrten Zustand in einen geöffneten Zustand überführbar ist, derart, dass eine definierte Verdrehung zwischen Rotorkörper und Freilaufeinrichtung oder zwischen Freilaufeinrichtung und Rotorwelle erfolgt und dass durch die definierte Verdrehung zwischen Rotorkörper und Freilaufeinrichtung oder zwischen Freilaufeinrichtung und Rotorwelle eine definierte Rotation des zumindest einen um seine Drehachse drehbar im Rotorkörper gelagerten Feldbeeinflussungs-Permanentmagneten herbeigeführt wird. Die Drehmomentänderung erfolgt insbesondere durch eine gezielt herbeigeführte, mit Vorteil regelbasierte Drehmomenteinprägung in die elektrische Maschine. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass ein rotierbar im Rotorkörper gelagerter Feldbeeinflussungs-Permanentmagnet, ohne dass eine zusätzliche aktive Aktuatorik für die gezielte Verdrehung erforderlich wäre, zur gezielten Magnetfeldbeeinflussung verdreht werden kann. Insbesondere durch eine geschickte Regelung kann ein Ruck in der elektrischen Maschine erzeugt werden, welcher durch die eingebaute Freilaufeinrichtung und eine Koppeleinrichtung, wie etwa eine Zahnradkonstruktion oder dergleichen, die Feldbeeinflussungs-Permanentmagnete verdreht. Die Feldbeeinflussungs-Permanentmagnete sind dabei rotativ gelagert. Bei Verlassen des Feldschwächebereichs wird mit der gleichen Methode der Magnet über einen Totpunkt weitergerückt und anschließend zieht das Reluktanzmoment die Feldbeeinflussungs-Permanentmagnete wieder gerade. Bei der Betriebs- und Regelstrategie zur Erzeugung des Rucks kann das Prinzip umgekehrt werden, welches beispielsweise bei den Verfahren „High Current Injection“ (HCI) oder „Advanced Voltage Control“ (AVC) rund um das Themengebiet der Noise Vibration Harshness (NVH) Anwendung findet. Anstatt Schwingungen zu dämpfen werden jedoch umgekehrt im Sinne der Erfindung kurzzeitig Schwingungen erzeugt, um die Feldschwächung gezielt einzustellen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der zumindest eine um seine eigene Drehachse drehbar im Rotorkörper angeordnete Feldbeeinflussungs-Permanentmagnet über eine als Zahnradkonstruktion bzw. als Getriebeeinrichtung ausgebildete Koppeleinrichtung mit einer auf der Rotorwelle angeordneten Freilaufeinrichtung wirkverbunden ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die Rotationsbewegung der Freilaufeinrichtung, die mit einem gezielten Ruck in die elektrische Maschine erzeugt wurde, auf konstruktiv einfache und bauraumsparende Weise auf die Feldbeeinflussungs-Permanentmagnete übertragen werden kann. Besonders bevorzugt ist die Zahnradkonstruktion/Getriebeeinrichtung als Stirnradgetriebe ausgebildet.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die fest am oder im Rotorkörper angeordneten Permanentmagnete zumindest zweiteilig ausgebildet sind, wobei der drehbar im Rotorkörper gelagerte Feldbeeinflussungs-Permanentmagnet zwischen den zumindest zwei Teilen eines Permanentmagneten bevorzugt in der Polmitte angeordnet ist. Hierdurch wird bei konstruktiv einfachem Aufbau eine gute räumliche Verteilung der Magnetfeldlinien erreicht. Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die zumindest zwei Teile eines Permanentmagneten geradlinig oder V-förmig angeordnet sind.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Freilaufeinrichtung als Rollenfreilauf ausgebildet ist. Bevorzugt ist die Freilaufeinrichtung als Rollenfreilauf ausgebildet, wie er in seinem Aufbau in
DE 10 2013 216 882 A1 bereits beschrieben ist. Bezüglich des Aufbaus und der Funktionsweise wird die
DE 10 2013 216 882 A1 in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung mit einbezogen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist insbesondere in der platzsparen Bauweise der Einrichtung begründet.
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In einer anderen Ausführung der Erfindung kann die Freilaufeinrichtung auch als schaltbarer Freilauf ausgebildet sein.
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Ferner wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, insbesondere zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine gemäß einem der vorstehenden Ansprüche. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in Abhängigkeit von der Drehzahl der elektrischen Maschine eine gezielte Schwächung des Magnetfelds erzeugt, indem die drehbar im Rotorkörper gelagerten Feldbeeinflussungs-Permanentmagneten verdreht werden, wobei in Abhängigkeit von der Drehzahl der elektrischen Maschine eine zeitlich begrenzte kurzzeitige, impulsartige Drehmomentänderung erzeugt wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass mittels eines gezielt durch Drehmomentänderung erzeugten Rucks eine Relativrotation zwischen Freilaufeinrichtung und Rotorkörper bzw. zwischen Freilaufeinrichtung und Rotorwelle herbeigeführt wird, durch welche wiederum über eine mit der Freilaufeinrichtung verbundene Koppeleinrichtung die Feldbeeinflussungs-Permanentmagnete antreibbar sind.
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Besonders bevorzugt erfolgt die Ansteuerung der elektrischen Maschine auf Basis einer Regelung, wobei im Normalbetrieb der elektrischen Maschine eine Regelstrategie zur Schwingungsreduzierung - insbesondere nach dem Prinzip der sogenannten Noise Vibration Harshness - Anwendung findet und wobei in einem vom Normalbetrieb abweichenden erweiterten Betriebsbereich beispielsweise mittels „Maximum Torque Per Ampere“-Verfahren (MTPA) oder „Maximum Torque per Voltage“-Verfahren (MTPV), eine Feldschwächung innerhalb der elektrischen Maschine erzeugt wird, indem durch einmalige oder mehrmalige Erzeugung von ruckartiger Drehmomentänderung eine Verdrehung der Feldbeeinflussungs-Permanentmagnete bewirkt wird.
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Schließlich wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe auch durch einen Rotor gelöst. Ein erfindungsgemäßer Rotor umfasst einen auf einer Rotorwelle angeordneten Rotorkörper und eine Mehrzahl umfänglich gleichmäßig im Rotorkörper verteilt angeordneter Permanentmagnete. Die Permanentmagnete sind dabei zumindest zweiteilig ausgebildet, wobei ein drehbar im Rotorkörper gelagerter Feldbeeinflussungs-Permanentmagnet zwischen einem ersten Permanentmagnetteil und einem zweiten Permanentmagnetteil eines Permanentmagneten, bevorzugt in der Polmitte, angeordnet ist. Der Rotorkörper ist über eine Freilaufeinrichtung an die Rotorwelle angebunden, wobei die Freilaufeinrichtung derart ausgebildet ist, dass mittels einer definierten Drehmomentänderung die Freilaufeinrichtung kurzzeitig von einem gesperrten Zustand in einen geöffneten Zustand überführbar ist, derart, dass eine definierte Verdrehung zwischen Rotorkörper und Freilaufeinrichtung oder zwischen Freilaufeinrichtung und Rotorwelle (je nach Aufbau der Anordnung) erfolgt und dass durch die definierte Verdrehung zwischen Rotorkörper und Freilaufeinrichtung bzw. zwischen Freilaufeinrichtung und Rotorwelle eine definierte Rotation des zumindest einen um seine Drehachse drehbar im Rotorkörper gelagerten Feldbeeinflussungs-Permanentmagneten herbeigeführt wird. Zur Übertragung der Relativverdrehung zwischen der Freilaufeinrichtung und dem Rotorkörper bzw. zwischen Freilaufeinrichtung und Rotorwelle ist der zumindest eine um seine eigene Achse drehbar im Rotorkörper angeordnete Feldbeeinflussungs-Permanentmagnet über eine Getriebeeinrichtung mit dem auf der Rotorwelle angeordneten Freilauf wirkverbunden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine elektrische Maschine gemäß der Erfindung in einem Radialschnitt, quer zur Drehachse des Rotors in schematischer Darstellung, bei der die Feldbeeinflussungs-Permanentmagnete in einer das Magnetfeld maximal verstärkenden Ausrichtung positioniert sind,
- 2 eine elektrische Maschine gemäß der Erfindung in einem Radialschnitt, quer zur Drehachse des Rotors in schematischer Darstellung, bei der die Feldbeeinflussungs-Permanentmagnete in einer das Magnetfeld maximal schwächenden Ausrichtung positioniert sind,
- 3 einen erfindungsgemäß aufgebauten Rotor einer elektrischen Maschine in einem Radialschnitt, quer zur Drehachse des Rotors in schematischer Darstellung, mit mechanischer Freilaufeinrichtung in gesperrtem Zustand (wobei die Freilaufeinrichtung als Rollenfreilauf mit sechs zylindrisch ausgeführten Klemmrollen ausgebildet ist), 4 einen erfindungsgemäß aufgebauten Rotor einer elektrischen Maschine in einem Radialschnitt, quer zur Drehachse des Rotors in schematischer Darstellung, mit mechanischer Freilaufeinrichtung in geöffnetem Zustand mit schematisch dargestellter und als Stirnradgetriebe ausgebildeter Getriebeübersetzung,
- 5 einen erfindungsgemäß aufgebauten Rotor einer elektrischen Maschine, in einem Axialschnitt entlang der Drehachse des Rotors, in schematischer Darstellung,
- 6-12 einen erfindungsgemäß aufgebautenRotor einer elektrischen Maschine, analog zu den vorstehenden Zeichnungsfiguren, wobei durch eine hilfsweise eingezeichnete Referenzbarke die Verdrehung zwischen Freilaufeinrichtung und Rotorkörper in unterschiedlichen Positionen veranschaulicht ist, und
- 13-18 die erfindungsgemäße elektrische Maschine in einem linearen Ersatzschaltbild dargestellt, wobei verschiedene Betriebspositionen der rotierbar im Rotorkörper gelagerten Feldbeinflussungs-Permanentmagnete veranschaulicht sind.
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Die 1 und 2 zeigen eine elektrische Maschine 1 in einem Radialschnitt, quer zur Drehachse des Rotors 4, in schematischer Darstellung. Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Stator 2 und einen Rotor 4 mit einer auf einer Rotorwelle 3 angeordneten Rotorkörper 10, wobei der Rotor 4 eine Mehrzahl von fest am oder im Rotorkörper 10 angeordneten Permanentmagneten 5 zur Erzeugung eines Magnetfelds aufweist. Dabei ist jeder der insgesamt vier umfänglich verteilt angeordneten Permanentmagnete 5 zweiteilig ausgebildet und umfasst einen ersten Permanentmagnetteil 5a und einen zweiten Permanentmagnetteil 5b. Die beiden Permanentmagnetteile 5a, 5b sind im Wesentlichen V-förmig angeordnet, wobei zwischen den beiden durch die beiden Permanentmagnetteile 5a, 5b gebildeten Schenkeln, in der Polmitte jedes Permanentmagneten 5, ein um seine eigene im Rotorkörper 10 ortsfest angeordnete Drehachse 6 drehbar im Rotorkörper 10 gelagert angeordneter Feldbeeinflussungs-Permanentmagnet 7 zur drehpositionsabhängigen Beeinflussung des Magnetfelds zugeordnet ist.
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In 1 sind die Feldbeeinflussungs-Permanentmagnete 7 in einer das Magnetfeld maximal verstärkenden Position ausgerichtet, während in der Darstellung in 2 die Feldbeeinflussungs-Permanentmagnete 7 in einer das Magnetfeld maximal schwächenden Position ausgerichtet sind.
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3 zeigt die elektrische Maschine 1 gemäß der Erfindung in einem Radialschnitt, quer zur Drehachse des Rotors 4, in schematischer Darstellung, mit mechanischer Freilaufeinrichtung 8 in einem gesperrten Zustand der Freilaufeinrichtung 8. Die Freilaufeinrichtung 8 ist im dargestellten Beispiel als Rollenfreilauf mit insgesamt sechs, umfänglich gleichmäßig verteilt angeordneten und zylindrisch ausgeführten Klemmrollen ausgebildet. Der Rotorkörper 10 ist dabei über die Freilaufeinrichtung 8 an die Rotorwelle 4 angebunden, wobei die Freilaufeinrichtung 8 derart ausgebildet ist, dass mittels einer über die Rotorwelle 3 auf den Rotorkörper 10 und die Freilaufeinrichtung 8 ruckartig einwirkenden Drehmomentänderung die Freilaufeinrichtung 8 kurzzeitig von einem gesperrten Zustand in einen geöffneten Zustand überführbar ist. Durch den erzeugten Ruck und die dadurch herbeigeführte kurzzeitige Freischaltung der Freilaufeinrichtung 8 erfolgt eine definierte Verdrehung zwischen Rotorkörper 10 und Freilaufeinrichtung 8, wobei durch die definierte Verdrehung zwischen Rotorkörper 10 und Freilaufeinrichtung 8 eine definierte Rotation des zumindest einen um seine Drehachse 6 drehbar im Rotorkörper 10 gelagerten Feldbeeinflussungs-Permanentmagneten 7 herbeigeführt wird.
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Aus der 4 ist ferner ersichtlich, dass der zumindest eine um seine eigene Drehachse 6 drehbar im Rotorkörper 10 angeordnete Feldbeeinflussungs-Permanentmagnet 7 über eine Getriebeeinrichtung 9 mit einer auf der Rotorwelle 3 angeordneten Freilaufeinrichtung 8 wirkverbunden ist. Die Getriebeeinrichtung 9 ist dabei als Stirnradgetriebe ausgebildet, wobei ein auf der Freilaufeinrichtung 8 angeordnetes Sonnenrad mit Planetenrädern der drehbar gelagerten Feldbeeinflussungs-Permanentmagnete 7 zusammenwirkt.
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5 zeigt die elektrische Maschine 1 gemäß der Erfindung in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung. Dabei ist gut zu erkennen, dass der Rotorkörper 10 des Rotors 4 auf einer Rotorwelle 3 drehfest angeordnet ist. Außerhalb des Rotorkörpers 10 ist die Rotorwelle 3 beidseitig über Wälzlager 11, beispielsweise in einem nicht dargestellten Motorgehäuse, drehbar gelagert angeordnet. Die Feldbeeinflussungs-Permanentmagnete 7 sind über weitere Wälzlager 12 drehbar innerhalb des Rotorkörpers 10 angeordnet. Über eine stirnseitig aus dem Rotorkörper 10 herausragende Drehachse 6 bzw. eine entsprechende Welle sind die Feldbeeinflussungs-Permanentmagnete 7 über Zahnräder an ein zentrales Zahnrad der Freilaufeinrichtung 8 angebunden.
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In den 6-12 ist die elektrische Maschine 1 in unterschiedlichen Betriebspositionen der Feldbeeinflussungspermanentmagnete 7 gezeigt. Zur Veranschaulichung der verschiedenen Betriebspositionen sind diese durch eine hilfsweise eingezeichnete Referenzbarke B, die die Verdrehung zwischen Freilaufeinrichtung 8 und Rotorkörper 10 in unterschiedlichen Positionen veranschaulichen soll, gekennzeichnet.
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Gemäß 6 ist die Ausgangssituation der beispielhaften Aktuierung der Freilaufeinrichtung 8 dargestellt, während sich der gesamte Rotor 4 der elektrischen Maschine 1 im Gegenuhrzeigersinn dreht. Dabei sind die Feldbeeinflussungs-Permanentmagnete 7 in der dargestellten Ausgangsposition derart ausgerichtet, dass das Magnetfeld der Permanentmagnete 5 maximal geschwächt wird. Der Einfachheit halber ist in dem Beispiel lediglich der Rotor 4 (ohne den Stator 2) der elektrischen Maschine 1 dargestellt. Durch die Referenzbarke B, welche quer über den gesamten Rotor 4 eingezeichnet ist, soll die relative Bewegung der drehgelagerten Freilaufteileinrichtung 8 und des übrigen Rotors 4 dargestellt werden. Die Rotation des Rotors 4 ist mit dem äußeren Pfeil dargestellt, während die Rotation der gesperrten Freilaufeinrichtung 8 mit dem inneren Pfeil dargestellt ist.
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Gemäß 7 wird beispielsweise durch eine elektromagnetisch geregelte Drehmomenteinprägung (etwa in Form eines Rucks) die Richtung der Rotation der Rotorwelle 3 und damit des gesamten Rotors 4 kurzzeitig umgekehrt (Richtung des inneren Pfeils zeigt nun in die entgegengesetzte Richtung).Die kurzzeitige Richtungsänderung des Rotors 4 bewirkt eine Änderung der Beschleunigung des drehenden Systems. Dieser Ruck (Ableitung der Beschleunigung) entsperrt die mechanische Freilaufeinrichtung 8, sodass sich die Zahnräder der Getriebeeinrichtung 9 gegeneinander bewegen können. Es entsteht, wie in 8 veranschaulicht, eine relative Drehbewegung, aufgrund des Rucks des Rotors 4 und des Drehimpulses (Massenträgheit des drehenden Systems) des entkoppelten drehenden Rotors 4.
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Gemäß 9 wird die Beschleunigung der Drehbewegung der Rotorwelle 3 wieder in die ursprüngliche Drehrichtung umgekehrt. Die Freilaufeinrichtung 8 sperrt und die Getriebeeinrichtung 9 blockiert. Die beiden Rotorsegmente werden wieder synchronisiert und besitzen keinen relativen Schlupf mehr.
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Der Vorgang beginnt wieder von vorne. Der Zyklus, wie er in den 6 bis 9 beschrieben ist, wird so lange wiederholt, bis die gewünschte Verdrehung der drehbaren Feldbeeinflussungs-Permanentmagnete 7 erreicht ist. Eine weitere Verdrehung, analog zu den 7-9, ist in den 10-12 dargestellt.
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In den 13 bis 18 ist die elektrische Maschine 1 in einem linearen Ersatzschaltbild dargestellt, wobei verschiedene Betriebspositionen der rotierbar im Rotorkörper 10 gelagerten Feldbeinflussungs-Permanentmagnete 7 veranschaulicht sind.
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13 zeigt das lineare Ersatzmodell des Mechanismus in der Ausgangslage. Die Masse 1 (Rotorgrundkörper) und die Masse 2 (Primärseite der Getriebestufe) bewegen sich mit der Geschwindigkeit v in einem globalen Referenzsystem. Die Freilaufeinrichtung 8 ist gesperrt (mechanisch blockiert), sodass sich die resultierenden Kräfte im Klemmkeil aufheben. Die Federkraft Ffeder wirkt entgegengesetzt zu den Reibkräften Fr, während sich die Normalkräfte Fn sich ebenfalls aufheben.
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14 zeigt, dass aufgrund einer Veränderung der Geschwindigkeit (Beschleunigung nach links) an der Masse 1 (Rotorgrundkörper) eine zusätzliche Kraft Fb entsteht. Diese Kraft wirkt ebenfalls an der Klemmkeilstelle der Freilaufeinrichtung 8.
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In 15 ist gezeigt, dass die zusätzliche, eingeprägte Kraft Fb eine räumliche Verschiebung der Masse 1 nach links bewirkt. Die Kraft bewirkt genauso eine räumliche Verschiebung der Masse Mk der Klemmkörper der Freilaufeinrichtung 8 und hebt die mechanische Blockade auf. Im Ergebnis verschwinden die Normalkräfte Fn als auch die Reibungskräfte Fr.
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Über die den Impulserhaltungssatz wird, die im globalen System bewegte Masse 2 nach rechts beschleunigt (F = m *V) und bewirkt über eine Getriebeeinrichtung 9 ein Drehmoment, welches wiederum eine Kraft auf die Masse 3 (Gemeinsame Masse der Magneten mit der Sekundärseite der Getriebestufe) ausübt.
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In 16 ist veranschaulicht, dass die anliegende Kraft an der Masse 2 eine räumliche Versetzung der Masse 2, also des Rotorkörpers 10 bewirkt und über die mechanische Zwangsbedingung des Koppelgetriebes bzw. der Getriebeeinrichtung 9 die Masse 3, also die Feldbeeinflussungs-Permanentmagnete 7, bewegt. Die in der Masse 2 gespeicherte Bewegungsenergie wird über den Impuls an die Masse 3 weitergegeben und somit räumlich versetzt. Dabei muss die einwirkende Kraft Fb die Reibkräfte Fr der Koppelgetriebestufe und die Relunktanzkraft der Feldbeeinflussungs-Permanentmagnete 7 überwinden.
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Anschließend wird, wie in 17 durch den verlängerten Pfeil der Beschleunigungskraft Fb dargestellt, die Beschleunigung der Masse 1 umgekehrt, wodurch die Masse Mk wieder in den Klemmkeil getrieben wird. Die Kräfte im Klemmkeil bauen sich wieder auf. Die Bewegung der Masse 2 und somit auch der Masse 3 wird bis zum Stillstand abgebremst.
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In 18 ist der Ausgangszustand mit dem ursprünglichen Kräfte-Gleichgewicht wiederhergestellt (vgl. 13) gezeigt. Der Unterschied besteht in den veränderten Positionen der Masse 2 und der Masse 3. Anschließend kann der Vorgang wiederholt werden, bis die gewünschte Position der Feldbeeinflussungs-Permanentmagnete 7 eingestellt ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrische Maschine
- 2
- Stator
- 3
- Rotorwelle
- 4
- Rotor
- 5
- Permanentmagnet
- 5a
- erster Permanentmagnetteil
- 5b
- zweiter Permanentmagnetteil
- 6
- Drehachse
- 7
- Feldbeeinflussungs-Permanentmagnet
- 8
- Freilaufeinrichtung
- 9
- Getriebeeinrichtung
- 10
- Rotorkörper
- 11
- Wälzlager (Rotorwelle)
- 12
- Wälzlager (Feldbeinflussungs-Permanentmagnet)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018112553 A1 [0009]
- DE 102017106828 A1 [0010]
- DE 102015211531 A1 [0011]
- DE 102013216882 A1 [0017]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Ein solcher Aufbau wird ebenso in dem Artikel „Flux Adjustable Prermanent Magnet Machines: A Technology Status Review“, Hui Yang / Z.Q. Zhu / Heyun Lin / Wenqiang Chu, Cinese Journal of Electrical Engineering, Vol.2, No.2, December 2016, beschrieben - siehe hierzu insbesondere S.20, Kapitel 4.2 „Adjustment towards R_sigma‟ [0008]
