DE102020107634A1

DE102020107634A1 - Axialflussmaschine mit taumelndem rotor

Info

Publication number: DE102020107634A1
Application number: DE102020107634.7A
Authority: DE
Inventors: Derek F. Lahr; Alireza Fatemi
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2020-10-29
Also published as: US20200343803A1; US11088607B2

Abstract

Eine rotierende elektrische Maschine vom Axialfluss-Typ umfasst einen Rotor mit einer Rotorachse und einen Stator mit einer Statorachse. Der Stator ist neben dem Rotor so positioniert, dass ein axialer Luftspalt zwischen Rotor und Stator definiert ist. Die erste und zweite nicht parallele Rotorwelle sind jeweils kollinear mit der Stator- und der Rotorachse. Ein Taumelradpaar ist mit einem stationären Element und dem Rotor verbunden und so konfiguriert, dass es dem Rotor eine Taumelbewegung in Bezug auf den Stator verleiht, so dass sich die Größe des axialen Luftspalts mit der Drehposition des Rotors ändert und der Rotor zwei Bewegungsfreiheitsgrade hat. Ein elektrisches System umfasst Gleich- und Wechselspannungsbusse, ein an die Spannungsbusse angeschlossenes Leistungsumrichtermodul und die an den Wechselspannungsbus angeschlossene rotierende elektrische Maschine vom Axialfluss-Typ.

Description

EINLEITUNG
Rotierende elektrische Maschinen wandeln elektrische Energie über die Wechselwirkung von Magnetfeldern in mechanische Energie um. Elektromotoren und Generatoren zum Beispiel bestehen aus einem rotierenden Teil („Rotor“) und einem stationären Teil („Stator“). Im Gegensatz zu Radialflussmaschinen mit einer konzentrischen Stator-Rotor-Anordnung, bei der der magnetische Fluss zur Erzeugung von Rotationskräften über einen radialen Stator-Rotor-Luftspalt geleitet wird, wird bei einer Axialflussmaschine der magnetische Fluss erzeugt und in eine Richtung parallel zur Drehachse des Rotors geleitet. Der Rotor einer Axialflussmaschine ist daher neben dem Stator so angeordnet, dass der Stator-Rotor-Luftspalt in axialer Richtung verläuft.
Konzentrierte Statorwicklungen einer rotierenden elektrischen Maschine vom Axialfluss-Typ erzeugen ein höheres Leistungsgewicht im Vergleich zu verteilten Wicklungen, wie sie typischerweise in einer Radialflussmaschine verwendet werden. Bei einer Wechselstrommaschinenkonfiguration wird eine mehrphasige Eingangsspannung nacheinander an die Phasenleiter solcher Statorwicklungen angelegt, um ein rotierendes Statormagnetfeld zu erzeugen. Die Drehung des Eisenrotors wird in einer Weise erzeugt, die von der jeweiligen Konstruktion der elektrischen Maschine abhängt, z.B. durch Kräfte, die durch magnetische Reluktanz oder durch ein entgegengesetztes Rotormagnetfeld erzeugt werden. Eine Axialflussmaschinenkonfiguration kann daher höhere Flussdichten und eine entsprechende Verringerung des Trägheitsmoments und der Rotormasse gegenüber Radialflussmaschinen ermöglichen.
BESCHREIBUNG
Hier werden strukturelle Verbesserungen und Anpassungen einer rotierenden elektrischen Maschine vom Axialflusstyp vorgestellt. Eine Ausführungsform der elektrischen Maschine umfasst einen Stator, einen Rotor, eine nicht parallele erste und zweite Rotorwelle und ein Taumelradpaar. Das Taumelzahnradpaar, das ein separater Zahnradsatz sein kann oder mit der Stator- und Rotorstruktur in verschiedenen Konfigurationen einstückig ausgebildet ist, sorgt für eine Taumelbewegung des Rotors gegenüber dem Stator. Zwei Freiheitsgrade (2DOF) der Bewegung des Rotors werden durch das Taumelradpaar und die nicht-parallelen Rotorwellen ermöglicht, d.h. Dreh-/Rollbewegung des Rotors um eine entsprechende Achse der ersten und zweiten Rotorwelle.
Wie diejenigen mit gewöhnlichen Fähigkeiten in dem Fachgebiet zu schätzen wissen werden, führt die vorgesehene Taumelbewegung des Rotors zu einer kombinierten Dreh-Schwingbewegung des Rotors, die progressiv zu einem bestimmten Punkt auf der Umfangsfläche des Stators hin und von diesem weg erfolgt, während sich der Rotor um volle 360° dreht. Die Taumelbewegung wiederum verringert oder vergrößert die Breite des axialen Stator-Rotor-Luftspalts, wobei die Luftspaltbreite an einem bestimmten Punkt auf der Statorfläche mit der aktuellen Taumelposition des Rotors variiert.
In Anwendungen, bei denen 1DOF an einem Abtriebsglied der rotierenden elektrischen Maschine vorzuziehen ist, z.B. wenn die elektrische Maschine als Teil eines stationären oder mobilen Antriebsstrangs verwendet wird, kann die oben beschriebene 2DOF, die durch das Taumelradpaar ermöglicht wird, durch einen nachgeschalteten Kupplungsmechanismus, z.B. ein Gleichlaufgelenk, auf 1DOF reduziert werden, so dass sich das Abtriebsglied der elektrischen Maschine ohne weitere Bewegung um seine Achse drehen kann. Die IDOF-Drehung des Abtriebselements kann mechanisch genutzt und auf eine gekoppelte Last gerichtet werden, wenn dies zur Ausführung nützlicher Arbeit erforderlich ist, z.B. über Zahnradsätze und/oder Riemenscheiben.
Hinsichtlich der Kräfte, die letztlich im axialen Stator-Rotor-Luftspalt erzeugt werden, hat das im Luftspalt vorhandene elektromagnetische Drehmoment bei einer typischen rotierenden elektrischen Maschine vom Typ Axialfluss sowohl eine tangentiale als auch eine axiale Kraftkomponente. Die axialen Luftspaltkräfte, die um ein Vielfaches größer als die Tangentialkräfte sind, tragen nicht zum Ausgangsdrehmoment der elektrischen Maschine bei. Die nachfolgend im Detail beschriebenen Nutationsmaschinen sollen daher ansonsten ungenutzte axiale Luftspaltkräfte in das Ausgangsdrehmoment einbeziehen, um bestimmte Leistungsvorteile zu realisieren, einschließlich der Erzeugung eines höheren Motorausgangsdrehmoments bei niedrigeren Motordrehzahlen mit einem Rotor mit reduzierter Größe.
Eine Ausführungsform der rotierenden elektrischen Axialflussmaschine umfasst einen Rotor, einen Stator, eine erste und eine zweite Rotorwelle, ein stationäres Element und ein Nutationsgetriebepaar. Der Rotor hat eine Rotorachse. Der Stator hat eine Statorachse und ist neben dem Rotor positioniert, so dass ein axialer Luftspalt zwischen Rotor und Stator definiert ist. Die erste und zweite Rotorwelle sind kollinear zur Stator- bzw. Rotorachse und nicht parallel zueinander. Ein Taumelradpaar ist mit dem stationären Element und dem Rotor verbunden und ist so konfiguriert, dass es in Verbindung mit der ersten und zweiten Rotorwelle dem Rotor eine Taumelbewegung in Bezug auf den Stator verleiht, wenn der Stator erregt wird. Die Größe des axialen Luftspalts ändert sich also in Verbindung mit einer Drehposition des Rotors und erlaubt es dem Rotor, sich mit zwei Bewegungsfreiheitsgraden zu bewegen.
Eine Gelenkbaugruppe kann mit der zweiten Rotorwelle verbunden werden. Eine solche gemeinsame Versammlung kann verwendet werden, um die beiden Freiheitsgrade der Bewegung in einen einzigen Bewegungsfreiheitsgrad zu übersetzen. Die Gelenkbaugruppe kann an ein Ausgangselement der elektrischen Maschine angeschlossen werden. Das Abtriebsglied kann an eine angetriebene Last gekoppelt werden.
Die gemeinsame Versammlung ist in einigen Ausführungsformen eine Verbindung mit konstanter Geschwindigkeit. Die Axialflussmaschine kann über ein Abtriebsglied ein Ausgangsdrehmoment an eine Antriebsstrangkomponente abgeben. Die angetriebene Last in einer solchen Ausführung kann die Antriebsstrangkomponente umfassen. Die Antriebsstrangkomponente kann Straßenräder als angetriebene Last enthalten.
Die Maschine kann einen zusätzlichen, an den Stator angrenzenden Rotor, ein zusätzliches Taumelradpaar und eine zusätzliche Rotorwelle enthalten. Das zusätzliche Nutationsgetriebepaar kann mit dem stationären Element und dem zusätzlichen Rotor verbunden werden. Die Rotoren flankieren den Stator in dieser nicht begrenzenden Ausführung, und die zusätzliche Rotorwelle ist nicht parallel zur zweiten Rotorwelle.
Der Stator kann elektrisch an eine mehrphasige Spannungsversorgung angeschlossen werden. In einer solchen Verkörperung kann die Maschine als magnetische Reluktanzmaschine konfiguriert werden.
Auch ein elektrisches System wird hier offenbart. Das elektrische System in einer möglichen Ausführungsform umfasst ein Wechselrichter-Modul, das an einen Gleichspannungs-Bus und an einen Wechselspannungs-Bus angeschlossen ist. Das elektrische System umfasst auch eine Axialflussmaschine, die wie oben beschrieben konfiguriert ist, d.h. mit einem Stator, der so neben einem Rotor angeordnet ist, dass ein axialer Luftspalt zwischen Rotor und Stator definiert ist, und mit der ersten und zweiten Rotorwelle und dem Nutationszahnradpaar.
Die obige Zusammenfassung soll nicht jede mögliche Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung darstellen. Vielmehr soll die vorstehende Zusammenfassung einige der hier offengelegten neuartigen Aspekte und Merkmale veranschaulichen. Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der repräsentativen Ausführungsformen und Modalitäten für die Durchführung der vorliegenden Offenbarung leicht ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Figuren und den beigefügten Ansprüchen genommen werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines elektrischen Systems in einem Fahrzeug mit einer rotierenden elektrischen Maschine mit Taumelbewegung, die entsprechend der vorliegenden Offenlegung konfiguriert ist.
2 ist eine schematische Seitenansicht einer rotierenden elektrischen Maschine mit Taumelbewegung, die in dem in 1 gezeigten elektrischen System verwendet werden kann.
3A-C sind schematische seitliche perspektivische Darstellungen der Nutationsbewegung eines Zahnradsatzes, der als Teil der rotierenden elektrischen Maschine von 2 verwendet werden kann.
4 ist eine schematische Seitenansicht einer alternativen Doppelrotor-Konstruktion der in
2 dargestellten rotierenden elektrischen Maschine mit Taumelbewegung.

Die vorliegende Offenbarung ist empfänglich für Änderungen und alternative Formen, wobei repräsentative Ausführungsformen beispielhaft in den Figuren gezeigt und nachfolgend detailliert beschrieben werden. Die erfinderischen Aspekte dieser Offenbarung sind nicht auf die offengelegten Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr soll die vorliegende Offenbarung Änderungen, Äquivalente, Kombinationen und Alternativen abdecken, die in den Anwendungsbereich der Offenbarung fallen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Figuren, wobei sich die Bezugsziffern auf die gleichen oder ähnliche Komponenten in den verschiedenen Abbildungen beziehen, ist ein elektrisches System 15 in 1 schematisch dargestellt. Das elektrische System 15 kann in verschiedenen elektromechanischen Systemen verwendet werden, auch als Teil eines Antriebsstrangs, z.B. eines Kraftfahrzeugs 10 mit einer Karosserie 11 und Straßenrädern 12 in Rollkontakt mit einer Straßenoberfläche 14. Das elektrische System 15 kann in anderen Fahrzeugtypen wie Flugzeugen, Wasserfahrzeugen und Schienenfahrzeugen oder in anderen mobilen, nicht fahrzeuggebundenen Anwendungen wie Robotern und mobilen Plattformen eingesetzt werden. Stationäre Anwendungen können ebenfalls von der Verwendung des elektrischen Systems 15 profitieren, und daher ist das Kraftfahrzeug 10 von 1 nur eine mögliche vorteilhafte Anwendung der vorliegenden Lehre.
Das elektrische System 15 umfasst eine rotierende elektrische Maschine (M_E) 20 vom Typ Axialflussmaschine, die im Folgenden der Einfachheit halber als Axialflussmaschine 20 bezeichnet wird. Die Axialflussmaschine 20, die so konfiguriert ist, dass sie wie unten beschrieben mit einer Taumelbewegung arbeitet, liefert ein Abtriebsdrehmoment (Pfeil To) über ein Abtriebsglied 25. Das Abtriebselement 25 und das dadurch übertragene Ausgangsdrehmoment (Pfeil To) kann zum Drehen eines angeschlossenen Antriebsstrangs oder einer Antriebsstrangkomponente oder einer anderen angetriebenen Last (L) 27 verwendet werden. In einem nicht begrenzenden Kraftfahrzeug 10 können z.B. die Straßenräder 12 als Teil der angetriebenen Last 27 funktionieren.
Die rotierende elektrische Maschine 20 kann in bestimmten Ausführungsformen als magnetische Reluktanzmaschine ausgeführt werden, so dass ein eisenhaltiger Rotor 30 (siehe 2) der rotierenden elektrischen Maschine 20 durch das Fehlen von Permanentmagneten gekennzeichnet ist und stattdessen auf die durch die magnetische Reluktanz des Rotors 30 ausgeübten Kräfte angewiesen ist. Die Konstruktion der elektrischen Maschine 20 ermöglicht schließlich die beiden unten mit Bezug auf die 2-4 dargestellten Freiheitsgrade (2DOF) der Bewegung.
Wie man es von denjenigen versteht, die sich mit den üblichen Fertigkeiten in der Kunst auskennen, sind Reluktanzmaschinen, z.B. synchrone, geschaltete oder variable Reluktanzmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass sie keine Permanentmagneten auf dem Maschinenrotor haben, sondern nicht-permanente Rotormagnetpole induzieren. Das Ausgangsdrehmoment (Pfeil T_O), das von solchen Maschinen erzeugt wird, entsteht letztlich als Folge von Kräften, die auf den Prinzipien der magnetischen Reluktanz beruhen. Die rotierende elektrische Maschine 20 kann eine Bewegung mit der oben beschriebenen 2DOF ausführen, d.h. eine Drehbewegung um nicht parallele Achsen A₁und A₂, wie in 2 gezeigt, wobei die offensichtliche Taumelbewegung dazu dient, das Drehmoment pro Volumen der rotierenden elektrischen Maschine 20 zu maximieren.
In der illustrierten Beispielverkörperung von 1 umfasst das elektrische System 15 eine Batterie (B_HV) 22 und ein Wechselrichtermodul (PIM) 24. Die Batterie 22 kann optional eine relativ hohe Spannungskapazität haben, z.B. 60 Volt oder mehr, je nach Ausführung, und daher wird „Hochspannung“ durch den Index „HV“ angezeigt. Die rotierende elektrische Maschine 20 kann z.B. als mehrphasiger Elektromotor ausgeführt und somit elektrisch an einen Wechselstrombus 123 angeschlossen werden, wobei die rotierende elektrische Maschine 20 durch eine Wechselspannung (VAC) aus dem PIM 24 gespeist wird. Der PIM 24 wiederum ist über positive (+) und negative (-) Schienen eines Gleichspannungsbusses 23 mit der Batterie 22 verbunden, wobei die Gleichspannung (VDC) vom Gleichspannungsbus 23 an den PIM 24 und umgekehrt geliefert wird, je nachdem, ob die rotierende elektrische Maschine 20 in ihrer Eigenschaft als Motor oder als Generator funktioniert.
Der Betrieb des elektrischen Systems 15 kann in Echtzeit durch einen Controller (C) 50 über Steuersignale (Pfeil CCo) geregelt werden, die drahtlos und/oder über Niederspannungsübertragungsleiter an die verschiedenen gesteuerten Komponenten im elektrischen System 15 übertragen werden können. Der Controller 50 kann einen Prozessor (P) und einen fühlbaren, nichtflüchtigen Speicher (M) enthalten, einschließlich eines Festwertspeichers in Form eines optischen, magnetischen oder Flash-Speichers. Die Steuerung 50 kann auch ausreichende Mengen an Speicher mit wahlfreiem Zugriff und elektrisch löschbarem, programmierbarem Festwertspeicher sowie einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, eine Analog-Digital- und Digital-Analog-Schaltung und Ein-/Ausgabeschaltungen und -geräte sowie eine geeignete Signalkonditionierung und Pufferschaltung enthalten.
2 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht der rotierenden elektrischen Maschine 20 aus 1. Ein Rotor (R) 30 ist axial neben einem Stator (S) 32 positioniert, wobei letzterer, wie dargestellt, fest und drehfest mit einem stationären Element 42 verbunden ist. Das stationäre Element 42 kann beispielsweise als Gehäuse ausgeführt sein, in dem der Rotor 30, der Stator 32 und andere abgebildete Komponenten angeordnet und strukturell abgestützt sind. Der Stator 32 kann vom Rotor 30 durch einen axialen Luftspalt getrennt sein, der je nach der Nutationsposition des Rotors 30 in Bezug auf einen bestimmten Punkt auf einer Umfangsfläche 32F des Stators 32 entweder näher am Stator 32 liegt oder weiter vom Stator 32 entfernt ist, was durch die Luftspalte G₁ und G₂ dargestellt wird.
Der Rotor 30 der rotierenden elektrischen Maschine 20 ist gezwungen, sich in Bezug auf die Umfangsfläche 32F des Stators 30 taumelnd zu bewegen, wobei ein illustratives Beispiel für eine wünschenswerte Taumelbewegung unten mit Bezug auf 3A-C beschrieben wird. Um eine solche Taumelbewegung zu erreichen, ist die rotierende elektrische Maschine 20 mit einem schrägen/nicht-parallelen Paar von Rotorwellen 43 und 143 mit den entsprechenden Achsen A₁ und A₂ ausgestattet. Der Grad der Ausrichtung der Achsen A₁ und A₂ zueinander ist in 2 zur Veranschaulichung übertrieben, wobei die Achsen A₁und A₂ je nach Ausführungsform mit einem Abstand von wenigen Grad oder weiter auseinander angeordnet sein können.
Die Achsen A₁ und A₂ sind kollinear mit dem Stator 32 bzw. dem Rotor 30. Zusätzlich zu den nicht-parallelen Achsen A₁ und A₂ beschränkt ein Taumelradpaar 31, d.h. erstes und zweites Zahnrad 31A und 31B, die Bewegung des Rotors 30 auf 2DOF, d.h. die Rotation um jede der Achsen A₁ und A₂. Das heißt, das Taumelradpaar 31 ist mit dem stationären Element 42 und dem Rotor 30 verbunden und so konfiguriert, dass es dem Rotor 30 eine Taumelbewegung in Bezug auf den Stator 32 verleiht, so dass sich der axiale Stator-Rotor-Luftspalt in Verbindung mit der Drehposition des Rotors 30 ändert und der Rotor 30 auf die oben erwähnte 2DOF-Bewegung beschränkt ist. Die Lager B1 und B2 können zur Unterstützung der Rotorwellen 43 und 143 und zur Ermöglichung ihrer relativen Bewegung verwendet werden, wobei sich eine Stützwelle 44 möglicherweise zwischen dem stationären Element 42 und dem Lager B1 erstreckt, um einen Teil der Belastung aufzunehmen, die durch die in der rotierenden elektrischen Maschine 20 auftretenden Trägheits- und Magnetkräfte ausgeübt wird.
Das oben beschriebene 2DOF der Bewegung des Rotors 30 kann optional in 1DOF übersetzt werden, wie unten beschrieben, so dass das Abtriebsglied 25 rotiert und dadurch das Ausgangsdrehmoment (Pfeil T_O) an die gekoppelte Last (L) 27 liefert. Zum Beispiel kann eine Gelenkbaugruppe 60 wie ein CV-Gelenk (Continuous Velocity) oder ein anderes geeignetes Gelenk verwendet werden, um die 2DOF-Bewegung des Rotors 30 in eine 1DOF-Bewegung zu übersetzen. Eine solche Gelenkbaugruppe 60 kann, wie in 2 gezeigt, an das Abtriebselement 25 der rotierenden elektrischen Maschine 20 angeschlossen werden, wobei das Abtriebselement 25 wiederum an die angetriebene Last 27 gekoppelt ist. Wie hier verwendet, beschreibt der Begriff „1DOF“ die Drehung des Ausgangsglieds 25 um seine eigene Achse. Wenn die angetriebene Last 27 die oben erwähnte Antriebsachse oder die Antriebsräder 12 des in 1 dargestellten repräsentativen Kraftfahrzeugs 10 einschließt, kann die Bewegung mit 1DOF z.B. zum Antrieb der Antriebsräder 12 und damit zum Antrieb des Fahrzeugs 10 oder zum Aufladen der Batterie 22 von 1 verwendet werden, wenn die rotierende elektrische Maschine 20 in einem regenerierenden Modus arbeitet.
Die oben erwähnte Struktur des Taumelradpaares 31 kann in Form des ersten und zweiten Zahnradelements 31A und 3B vorliegen, wobei das Taumelradpaar 31 wie gezeigt mit dem Rotor 30 und dem stationären Element 42 verbunden ist. Alternativ können die ersten und zweiten Getriebeelemente 31A und 31B mit der gegenüberliegenden Struktur des Rotors 30 und des Stators 32 verbunden oder in diese integriert werden, z.B. als Oberflächenprofile, wie man es schätzen wird, so dass die resultierende Bewegung des Rotors 30 eine Taumelbewegung in Bezug auf den Stator 32 ist. Aus der Sicht des Betriebs der rotierenden elektrischen Maschine 20 liefert jeder Ansatz die gewünschte Taumelbewegung, und daher kann im Rahmen der Offenbarung jede Konfiguration verwendet werden.
Mit einem kurzen Verweis auf 3-C wird die 2DOF-Bewegung gemäß der vorliegenden Offenlegung schematisch durch einen Bewegungsablauf des Rotors 30 dargestellt, der schematisch als vereinfachtes Getriebeelement dargestellt ist, beginnend zum Zeitpunkt t = 0 (3A) und sich bis zu den zukünftigen Zeitpunkten t = t + 1 (3B) und t = t + 2 ( 3C) fortsetzt. Bei einer taumelnden Bewegung, wenn sich der Rotor 30 um die Achse A₂ dreht, beginnt die Oberseite des Rotors 30 aus der Perspektive von 3A um eine radiale Achse _A3 zu rotieren, ausgehend von der in 3A gezeigten Position, und zwar im Uhrzeigersinn mit der Drehung der Rotorwellen 43 und 143, wie durch Pfeil N1 angezeigt. Gleichzeitig beginnt sich ein Boden des Rotors 30 von 3A in Richtung des zweiten Getriebeelements 31B zu drehen, wie in 3B und 3C nach und nach gezeigt wird. Dabei dreht sich der Rotor 30 die ganze Zeit über um die Achse A₂ weiter. 3C zeigt somit die relativen Positionen von Rotor 30 und Stator 32 nach 180° Drehung von dem in 3A dargestellten Punkt aus.
Um die gewünschte Taumelbewegung und damit das Hin- und Her-Taumeln des Rotors 30 zu erreichen, kann das erste Getriebeelement 31A auf einer Wellenhülse 35, in der sich die Rotorwelle 43 mit der Achse A₁ befindet, stationär gehalten werden. Wie zu schätzen ist, können in einer Taumelradanordnung, wie sie das Taumelradpaar 31 bietet, das erste und zweite Zahnradelement 31A und 31B jeweils axial vorstehende, zueinander ausgerichtete Zähne 31T aufweisen. Zusätzlich zu den nicht-parallelen Achsen A₁und A₂ kann die Anzahl der Zähne 31T am ersten Getriebeelement 31A im Vergleich zum zweiten Getriebeelement 31B unterschiedlich sein, um den Rotor 30 weiter in die gewünschte Nutation zu bringen.
Der Rotor 30 kann Radialstifte oder Stifte 30T enthalten, die in und außer Eingriff zwischen den Zähnen 31T des ersten und zweiten Getriebeelements 31A und 31B rotieren, so dass sich das zweite Getriebeelement 31B mit einer Geschwindigkeit (ω₂) dreht, die geringer ist als eine Geschwindigkeit (ω₁) der Rotorwelle 43. Je näher an der Parallelität der Rotorwellen 43 und 143 angeordnet sind, desto höher ist die effektive Übersetzung (Getriebeübersetzung) des Taumelradpaares 31. Andere integrierte oder separate Ausführungsformen des Taumelradpaares 31, die die dargestellte Taumelbewegung ermöglichen, können in Betracht gezogen werden, und daher soll die dargestellte Ausführungsform von 3A-C repräsentativ für die gewünschte Bewegung sein, die in den vorliegenden Lehren verwendet wird.
Unter Bezugnahme auf 4 kann die in 3A-C gezeigte Nutationsbewegung in einer alternativen rotierenden elektrischen Maschine 120 mit mehreren Rotoren (R1, R2) 30A und 30B realisiert werden, was das Gesamtwuchten der rotierenden elektrischen Maschine 120 verbessern kann. Die Beispielausführung von 4 sieht den Rotor 30B als zweiten Rotor neben dem Stator (S) 32 vor, zusammen mit einem zusätzlichen Nutationsgetriebepaar 131 und einer zusätzlichen Rotorwelle 243, die in Bezug auf die Rotorwelle 143 nicht parallel ist. Das zusätzliche Taumelradpaar 131 ist mit dem zusätzlichen Rotor 30B und dem stationären Teil 42 verbunden.
In der abgebildeten Ausführung flankieren die Rotoren 30A und 30B den Stator 32. Trägheits- und Magnetkräfte, die während des Betriebs der rotierenden elektrischen Maschine 120 erzeugt werden, werden im Vergleich zur Einzelrotor-Konfiguration aus 2, bei der diese Kräfte weitgehend von den Lagern B1 und B2 und der Stützwelle 44 getragen werden, weitgehend aufgehoben. Eine zusätzliche Gelenkbaugruppe 60, wie z.B. das oben erwähnte Beispiel-CV-Gelenk, kann stromabwärts des zusätzlichen/zweiten Rotors 30B verwendet werden, um die 2DOF-Bewegung in die gewünschte 1DOF für den Antrieb der Last 27 zu übersetzen. Andere hier nicht abgebildete Ausführungsformen können im Rahmen der Offenlegung verwendet werden, einschließlich eines einzelnen Rotors 30, der zwischen einem Statorpaar 32 so positioniert ist, dass der Rotor 30 von den Statoren 32 flankiert wird.
Die vorliegende Offenbarung ermöglicht daher die Konstruktion einer rotierenden elektrischen Axialflussmaschine vom Typ 20 oder 120 mit einem oder mehreren Rotoren 30 und einem oder mehreren Statoren 32, wobei der/die Rotor(en) 30 so eingeschränkt ist/sind, dass er/sie sich mit der in 3A-C beispielhaft dargestellten Taumelbewegung bewegen kann/können. Eine solche Bewegung kann in bestimmten Anwendungen nützlich sein, indem die im Stator-Rotor-Luftspalt vorhandenen Axialkräfte ein Drehmoment auf den/die Rotor(en) 30 erzeugen. Im Vergleich zu Radialflussmaschinen kann die Anwendung der vorliegenden Lehre auf Axialflussmaschinen leichter ausgewuchtet werden, z.B. durch die Konfiguration von 4. Diese und andere mögliche Vorteile werden angesichts der vorstehenden Offenbarung von einem normalen Fachmann gewürdigt werden.
Während einige der bevorzugten Ausführungsformen und andere Ausführungsformen ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen für die Ausübung der in den beigefügten Ansprüchen definierten gegenwärtigen Lehren. Diejenigen, die sich in dem Fachgebiet auskennen, werden erkennen, dass Änderungen an den offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne dass vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abgewichen werden muss. Darüber hinaus umfassen die vorliegenden Konzepte ausdrücklich Kombinationen und Unterkombinationen der beschriebenen Elemente und Merkmale. Die detaillierte Beschreibung und die Figuren sind unterstützend und beschreibend für die vorliegenden Lehren, wobei der Umfang der vorliegenden Lehren allein durch die Ansprüche definiert wird.

Claims

Eine rotierende elektrische Maschine vom Axialfluss-Typ, umfassend: ein Rotor mit einer Rotorachse; einen Stator mit einer Statorachse, wobei der Stator neben dem Rotor so positioniert ist, dass ein axialer Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator definiert ist; erste und zweite Rotorwellen, die kollinear mit der Statorachse bzw. der Rotorachse sind, wobei die ersten und zweiten Rotorwellen nicht parallel zueinander sind; ein stationäres Mitglied; und ein Taumelzahnradpaar, das mit dem stationären Element und dem Rotor verbunden ist und so konfiguriert ist, dass es in Verbindung mit den ersten und zweiten Rotorwellen dem Rotor eine Taumelbewegung in Bezug auf den Stator verleiht, wenn der Stator erregt wird, so dass sich die Größe des axialen Luftspalts in Verbindung mit einer Drehposition des Rotors ändert und der Rotor zwei Bewegungsfreiheitsgrade hat.
Die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine mit dem Rotor verbundene Gelenkbaugruppe, wobei die Gelenkbaugruppe so konfiguriert ist, dass sie die beiden Freiheitsgrade der Bewegung in einen einzigen Bewegungsfreiheitsgrad übersetzt.
Die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 2, wobei die rotierende elektrische Maschine ein mit einer angetriebenen Last gekoppeltes Abtriebsglied enthält und wobei die Verbindungsanordnung mit dem Abtriebsglied verbunden ist.
Die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 3, wobei die Gelenkbaugruppe ein Konstantgeschwindigkeitsgelenk ist.
Die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 4, wobei die rotierende elektrische Maschine ein mit einer Antriebsstrangkomponente gekoppeltes Abtriebselement enthält und wobei die angetriebene Last die Antriebsstrangkomponente enthält.
Die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 5, wobei die Antriebsstrangkomponente einen Satz Antriebsräder eines Kraftfahrzeugs umfasst.
Die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen zusätzlichen Rotor, der neben dem Stator angeordnet ist, ein zusätzliches Taumelradpaar und eine zusätzliche Rotorwelle, wobei das zusätzliche Taumelradpaar mit dem zusätzlichen Rotor und mit dem stationären Element verbunden ist, der Rotor und der zusätzliche Rotor den Stator flankieren und die zusätzliche Rotorwelle in Bezug auf die zweite Rotorwelle nicht parallel ist.
Die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Stator elektrisch an eine mehrphasige Spannungsversorgung angeschlossen werden kann.
Die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 8, wobei die rotierende elektrische Maschine eine mehrphasige magnetische Reluktanzmaschine ist.
Ein elektrisches System, umfassend: einen Gleichstrom-DC-Spannungsbus; einen Wechselspannungs-AC-Bus; ein Wechselrichter-Modul, PIM, das an den Gleichspannungsbus und an den Wechselspannungsbus angeschlossen ist; und eine rotierende elektrische Maschine vom Axialfluss-Typ, umfassend: ein stationäres Mitglied; ein Rotor mit einer Rotorachse; einen Stator mit einer Statorachse, wobei der Stator neben dem Rotor so positioniert ist, dass ein axialer Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator definiert ist; erste und zweite Rotorwellen, die nicht parallel zueinander sind und die kollinear zur Stator- bzw. Rotorachse sind; und ein Taumelzahnradpaar, das mit dem stationären Element und dem Rotor verbunden ist und so konfiguriert ist, dass es in Verbindung mit den ersten und zweiten Rotorwellen dem Rotor eine Taumelbewegung in Bezug auf den Stator verleiht, wenn der Stator erregt wird, so dass sich die Größe des axialen Luftspalts in Verbindung mit einer Drehposition des Rotors ändert und der Rotor zwei Bewegungsfreiheitsgrade hat.