DE102020114856B3

DE102020114856B3 - Elektrische Radialflussmaschine und Antriebsstrang

Info

Publication number: DE102020114856B3
Application number: DE102020114856.9A
Authority: DE
Inventors: Dennis Kuhl; Holger Witt; Christoph Raber
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-06-04
Filing date: 2020-06-04
Publication date: 2021-09-23
Anticipated expiration: 2040-06-05
Also published as: WO2021244695A1; US20230216388A1; CN115461970A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrische Radialflussmaschine (1), umfassend einen Stator (2), einen mit einer Rotorwelle (3) verbundenen Rotorkörper (4) sowie ein Federelement (5), welches den Rotorkörper (4) in axialer Richtung mit einer Federkraft (F) beaufschlagt, derart, dass der Rotorkörper (4) in einer ersten Betriebsposition in einer axialen Position gehalten ist, in der eine Überdeckung der sich gegenüberliegenden Flächen von Rotorkörper (4) und Stator (2) von weniger als 100% realisiert ist. Ferner ist zumindest eine Verstelleinrichtung (6) mit einem ersten Verstellelement (61) und mit einem zweiten Verstellelement (62) vorgesehen, welche ausgebildet ist eine axiale Bewegung zwischen Rotorkörper (4) und Stator (2) in Abhängigkeit von einem zwischen der Rotorwelle (3) und dem Rotorkörper (4) auftretenden Drehmoment entgegen der Federkraft (F) zu erzeugen, sodass im Falle einer Verdrehung des ersten Verstellelements (61) gegen das zweite Verstellelement (62) oder umgekehrt, der Rotorkörper (4) auf der Rotorwelle (3) axial entgegen der Federkraft (F) verschoben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Radialflussmaschine, ausgebildet als permanenterregte Synchronmaschine, umfassend einen Stator und einen mit einer Rotorwelle verbundenen Rotorkörper sowie ein Federelement, welches den Rotorkörper in axialer Richtung mit einer Federkraft beaufschlagt, derart, dass der Rotorkörper in einer ersten Betriebsposition in einer axialen Position gehalten ist, in der eine Überdeckung der sich gegenüberliegenden Flächen von Rotorkörper und Stator von weniger als einhundert Prozent realisiert ist. Ferner ist eine Verstelleinrichtung vorgesehen, welche ausgebildet ist eine axiale Bewegung zwischen Rotorkörper und Stator in Abhängigkeit von einem zwischen der Rotorwelle und dem Rotorkörper auftretenden Drehmoment entgegen der Federkraft zu erzeugen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug.
Im Stand der Technik sind elektrische Radialflussmaschinen bereits hinlänglich bekannt.
Aus der DE 10 2009 038 928 A1 ist ein Elektromotor mit einem Stator, einem Rotor und einem zwischen Stator und Rotor ausgebildeten Luftspalt bekannt. Dabei ist die Größe des Luftspaltes in Abhängigkeit von der Drehzahl des Elektromotors veränderlich, wobei bei größeren Drehzahlen des Rotors der Luftspalt vergrößert wird. Die Vergrößerung des Luftspalts erfolgt dabei durch axiale Verschiebung von Rotor oder Stator.
Aus der EP 2 306 621 A1 ist eine elektrische Radialflussmaschine bekannt, die als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet ist und einen Stator, einen mit einer Rotorwelle verbundenen Rotorkörper, ein Federelement, welches den Rotorkörper in axialer Richtung mit einer Federkraft beaufschlagt, derart, dass der Rotorkörper in einer ersten Betriebsposition in einer axialen Position gehalten ist, in der eine Überdeckung von sich gegenüberliegenden Flächen des Rotorkörpers und des Stators von weniger als 100% realisiert ist, und eine Verstelleinrichtung aufweist, welche ausgebildet ist, eine axiale Bewegung zwischen dem Rotorkörper und dem Stator in Abhängigkeit von einem zwischen der Rotorwelle und dem Rotorkörper auftretenden Drehmoment entgegen der Federkraft zu erzeugen.
Bezüglich weiteren Standes der Technik wird auf die DE 10 2017 209 174 A1 , die EP 2 197 090 A1 , die EP 3 358 723 A1 , die JP 2009-208 195 A und die US 2007 / 0 241 628 A1 verwiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Radialflussmaschine bereitzustellen, welche mit Blick auf eine drehmomentabhängige Verstärkung des Magnetfeldes optimiert ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen Antriebsstrang für ein elektromotorisch antreibbares Kraftfahrzeug bereitzustellen, bei dem die elektrische Antriebsmaschine mit Blick auf die drehmomentabhängige Verstärkung des Magnetfeldes verbessert ist. Insbesondere soll eine elektrische Radialflussmaschine mit einem Betriebsverhalten geschaffen werden, welche in Betriebsphasen unterschiedlichen Drehmoments optimiert ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Radialflussmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. 8 sowie durch einen Antriebsstrang für ein elektromotorisch antreibbares Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11.
Eine gemäß der Erfindung ausgebildete elektrische Radialflussmaschine, ausgebildet als permanenterregte Synchronmaschine, umfasst einen Stator und einen mit einer Rotorwelle verbundenen Rotorkörper sowie ein Federelement, welches den Rotorkörper in axialer Richtung mit einer Federkraft beaufschlagt, derart, dass der Rotorkörper in einer ersten Betriebsposition in einer axialen Position gehalten ist, in der eine Überdeckung der sich gegenüberliegenden Flächen von Rotorkörper und Stator von weniger als einhundert Prozent realisiert ist. Ferner umfasst die Radialflussmaschine zumindest eine Verstelleinrichtung, welche ausgebildet ist eine axiale Bewegung zwischen Rotorkörper und Stator in Abhängigkeit von einem zwischen der Rotorwelle und dem Rotorkörper auftretenden Drehmoment entgegen der Federkraft zu erzeugen. Dabei weist die zumindest eine Verstelleinrichtung ein erstes Verstellelement, ein zweites Verstellelement sowie zumindest einen zwischen dem ersten Verstellelement und dem zweiten Verstellelement angeordneten Wälzkörper auf, wobei das erste Verstellelement, insbesondere dreh- und verschiebefest, mit dem Rotorkörper verbunden und axial verschiebbar und verdrehbar (ggf. begrenzt verdrehbar) auf der axial nicht verschiebbar angeordneten Rotorwelle angeordnet ist, und das zweite Verstellelement dreh- und verschiebefest mit der Rotorwelle verbunden ist. Darüber hinaus weist das erste Verstellelement auf seiner dem zweiten Verstellelement zugekehrten Seite ein erstes Rampenelement auf und weist das zweite Verstellelement auf seiner dem ersten Verstellelement zugekehrten Seite ein zweites Rampenelement auf, wobei das erste Rampenelement und das zweite Rampenelement derart ausgebildet sind, dass im Falle einer Verdrehung des ersten Verstellelements gegen das zweite Verstellelement oder umgekehrt, der Rotorkörper auf der Rotorwelle axial entgegen der Federkraft verschoben wird. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass mit konstruktiv einfachen Mitteln eine drehmomentabhängige Feldverstärkung der elektrischen Radialflussmaschine gewährleistet werden kann. Eine zusätzliche aktive Aktuatorik zur Verschiebung von Rotor und oder Stator bedarf es nicht. Vielmehr wird die für die axiale Verschiebung des Rotorkörpers auf der Rotorwelle erforderliche Energie aus der Rotationsenergie der elektrischen Maschine selbst gewonnen und automatisch drehmomentabhängig in eine Verschiebekraft für den Rotorkörper umgesetzt.
Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
Elektrische Maschinen dienen zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfassen in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil.
Im Falle von als Rotationsmaschinen ausgebildeten elektrischen Maschinen wird insbesondere zwischen Radialflussmaschinen und Axialflussmaschinen unterschieden. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass sich die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt in radialer Richtung erstrecken, während sich im Falle einer Axialflussmaschine die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspalt in axialer Richtung erstrecken.
Der Stator einer Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht in der Regel aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Durch diesen Aufbau werden die durch das Statorfeld verursachten Wirbelströme im Stator geringgehalten. Über den Umfang verteilt sind in das Elektroblech parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten oder umfänglich geschlossene Ausnehmungen eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen. In Abhängigkeit von der Konstruktion zur Oberfläche hin können die Nuten mit Verschlusselementen, wie Verschlusskeilen oder Deckeln oder dergleichen verschlossen sein, um ein Herauslösen der Statorwicklung zu verhindern.
Ein Rotor ist der sich drehende (rotierende) Teil einer elektrischen Maschine. Insbesondere wird von einem Rotor gesprochen, wenn es auch einen Stator gibt.
Unter einem Rotorkörper wird allgemein der Rotor ohne Rotorwelle verstanden. Der Rotorkörper setzt sich demnach insbesondere zusammen aus dem Rotorblechpaket sowie den in die Taschen des Rotorblechpakets eingebrachten oder den umfänglich an dem Rotorblechpaket fixierten Magnetelementen sowie ggf vorhandenen axialen Deckelteilen zum Verschließen der der Taschen u.d.
Als Rotorblechpaket werden eine Mehrzahl von in der Regel aus Elektroblech hergestellten laminierten Einzelblechen bzw. Rotorblechen verstanden, die übereinander zu einem Stapel, dem sog. Rotorblechpaket geschichtet und paketiert sind. Die Einzelbleche können dann in dem Blechpaket durch Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung zusammengehalten bleiben.
Als Magnetelement werden die in die Taschen des Rotorblechpakets einzubringenden Permanentmagnete verstanden. Dabei kann pro Tasche ein einziges größeres, als Stabmagnet ausgebildetes Magnetelement oder mehrere kleinere Permanentmagnetelemente ausgebildete Magnetelemente vorgesehen werden. Alternativ können die Magnetelemente auch über die äußere oder die innere dem Luftspalt zwischen Stator und Rotor zugekehrte umfängliche Rotorkörperfläche verteilt angeordnet sein.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Federelement in seiner Federkraft derart bemessen ist, dass im Ruhezustand der Radialflussmaschine der Rotorkörper und der Stator durch die Federkraft bei Überwindung der zwischen ihnen existierenden magnetischen Anziehungskraft auf einen vorbestimmten maximalen axialen Abstand zueinander beabstandbar sind. Dabei ist der Abstand derart bemessen, dass die Überdeckung der sich gegenüberliegenden Flächen von Rotorkörper und Stator mindestes 20% und maximal 80%, bevorzugt mindestens 30% und maximal 70% und besonders bevorzugt mindestens 40% und maximal 60% beträgt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass ausgehend von einer Überdeckung für einen Betriebszustand mit geringen Drehmomentanforderungen in Abhängigkeit von einem ansteigenden Drehmoment stufenlos Betriebszustände mit angepasster Feldstärkung einstellbar sind, bis hin zu einem Betriebszustand mit 100%-iger Überdeckung der sich einander gegenüberliegenden Rotor- und Statorflächen eingestellt werden kann, in dem eine maximale Feldstärkung gegeben ist.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das Federelement in seiner Federkraft derart bemessen ist und die Verstelleinrichtung derart ausgebildet ist, dass in einem Betriebszustand der Radialflussmaschine, in welchem ein maximales vorbestimmtes Drehmoment erreicht ist, der Rotorkörper entgegen der Federkraft axial verschoben wird, so dass die Überdeckung der sich gegenüberliegenden Flächen von Rotorkörper und Stator 100% beträgt. Mit Vorteil ist ein Anschlag vorgesehen, der derart ausgebildet und angeordnet ist, dass der Rotorkörper im Betriebszustand des maximalen Drehmoments sein Drehmoment über den Anschlag auf die Rotorwelle überträgt. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass zum einen eine stufenlose Feldstärkeanpassung mit steigendem Drehmoment bereitgestellt wird und dass mit Erreichen des Betriebszustands mit maximalem Drehmoment, dieses anstatt über die Verstellmittel über einen hierfür vorgesehenen Anschlag zur Begrenzung der Verdrehung des Rotorkörpers auf der Rotorwelle übertragen wird. Hierdurch können verschleißfördernde Kräfte von den Verstellmitteln ferngehalten werden.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Federelement gegen den Anschlag abgestützt ist, wobei der Anschlag verschiebefest auf der Rotorwelle angeordnet ist, wodurch eine konstruktiv einfache und raumsparende Lösung gefunden wurde. Gleichzeitig kann der Anschlag auch zur Begrenzung des axialen Verschiebeweges dienen.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass das Federelement als Druckfeder, insbesondere als eine Kombination von einem Blattfederpaket und einem hierzu parallel wirkenden Tellerfederelement, oder als eine auf Torsion wirkende Feder ausgebildet ist, wodurch eine bauraumsparende Anordnung bereitgestellt werden kann.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass das erste Verstellelement zumindest drei erste Rampenelemente aufweist und das zweite Verstellelement zumindest drei mit den ersten Rampenelementen korrespondierend angeordnete und ausgebildete zweite Rampenelemente aufweist, wodurch eine für die Kraftübertragung geometrisch optimierte Konstruktion bereitgestellt ist. Mit Vorteil sind die Rampenelemente jeweils paarweise ausgebildet, derart, dass eine Verdrehung in beide Drehrichtungen des Rotors ermöglicht ist. Hierdurch kann die mechanisch konstruktiv umgesetzte drehmomentabhängige Feldstärkung für beide Drehrichtungen der elektrischen Maschine bereitgestellt werden.
Darüber hinaus wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch eine elektrische Radialflussmaschine, ausgebildet als permanenterregte Synchronmaschine und umfassend

- einen Stator und eine ortsfeste Statoraufnahme, sowie
- einen mit einer Rotorwelle verbundenen Rotorkörper,
- ein Federelement, welches den Stator in axialer Richtung mit einer Federkraft beaufschlagt, derart, dass der Stator in einer ersten Betriebsposition in einer axialen Position gehalten ist, in der eine radiale Überdeckung der sich gegenüberliegend angeordneten Flächen von Rotorkörper und Stator von weniger als 100% realisiert ist, und
- eine Verstelleinrichtung, welche ausgebildet ist eine axiale Bewegung zwischen Stator und Statoraufnahme in Abhängigkeit von einem zwischen Stator und der ortsfesten Statoraufnahme auftretenden Stützmoment entgegen der Federkraft zu erzeugen. Dabei ist vorgesehen, dass die Verstelleinrichtung ein erstes Verstellelement, ein zweites Verstellelement sowie zumindest einen zwischen dem ersten Verstellelement und dem zweiten Verstellelement angeordneten Wälzkörper aufweist, und
- das erste Verstellelement mit dem Stator verbunden und axial verschiebbar und verdrehbar an der ortsfesten Statoraufnahme angeordnet ist, und das zweite Verstellelement dreh- und verschiebefest mit der ortsfesten Statoraufnahme verbunden ist, und
- wobei das erste Verstellelement auf seiner dem zweiten Verstellelement zugekehrten Seite ein erstes Rampenelement aufweist und das zweite Verstellelement auf seiner dem ersten Verstellelement zugekehrten Seite ein zweites Rampenelement aufweist, wobei das erste Rampenelement und das zweite Rampenelement derart ausgebildet sind, dass im Falle einer Verdrehung des ersten Verstellelements gegen das zweite Verstellelement oder umgekehrt, der Stator gegenüber der ortsfesten Statoraufnahme axial entgegen der Federkraft verschoben wird. Hiermit wird eine konstruktive Alternativlösung angegeben, bei der die axiale Verschiebung zwischen Rotor und Stator allein oder anteilig zusätzlich durch eine zwischen Statorkörper und ortsfester Statoraufnahme angeordnete Verstelleinrichtung ermöglicht ist.

Mit Vorteil ist die Radialflussmaschine dabei gemäß der Erfindung ausgebildet, wobei dann die notwendige axiale Verschiebung zwischen Rotor und Stator anteilig durch eine Verstelleinrichtung zwischen Rotorkörper und Rotorwelle und anteilig durch eine Verstelleinrichtung zwischen Statorkörper und Statoraufnahme erfolgt.
Auch kann die Radialflussmaschine derart ausgebildet sein, dass der Rotorkörper eine konische Form und der Statorkörper einen hiermit korrespondierenden Innenraum zur Aufnahme des konisch ausgebildeten Rotorkörpers aufweist.
Ferner ist auch denkbar, dass der Rotor einer elektrischen Radialflussmaschine mit zylindrisch ausgebildetem Rotorkörper zweiteilig ausgebildet ist und einen ersten Rotorkörper und einen zweiten Rotorkörper aufweist, wobei die Rotorkörper über ein axial zwischen ihnen angeordnetes Federelement in Richtung axial nach außen aus dem Statorkörper heraus federkraftbeaufschlagt sind.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können.
Es zeigen:

1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Radialflussmaschine in einem Betriebszustand mit niedrigem Drehmoment, in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung,
2 die Radialflussmaschine gemäß 1 in einem Betriebszustand mit maximalem Drehmoment,
3 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Radialflussmaschine in verschiedenen Betriebszuständen - oben, in einem Betriebszustand mit niedrigem Drehmoment und unten, in einem Betriebszustand mit maximalem Drehmoment, in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung,
4 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Radialflussmaschine in verschiedenen Betriebszuständen - oben, in einem Betriebszustand mit niedrigem Drehmoment und unten, in einem Betriebszustand mit maximalem Drehmoment, in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung,
5 eine Verstelleinrichtung in drei verschiedenen Darstellungen - oben in einer Perspektivansicht der geschlossenen Gesamteinheit - in der Mitte das erste Verstellelement mit Wälzkörpern in einer Perspektivansicht - unten das zweite Verstellelement in einer Perspektivansicht.

Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Radialflussmaschine 1 in einem Betriebszustand mit niedrigem Drehmoment, in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung. 2 zeigt dieselbe Radialflussmaschine in einem Betriebszustand mit maximalem Drehmoment.
Die gezeigte elektrische Radialflussmaschine 1 ist ausgebildet als permanenterregte Innenläufer-Synchronmaschine und umfasst einen Stator 2, einen mit einer Rotorwelle 3 verbundenen Rotorkörper 4 sowie ein Federelement 5, welches den Rotorkörper 4 in axialer Richtung mit einer Federkraft F beaufschlagt, derart, dass der Rotorkörper 4 in seiner ersten, in 1 dargestellten, Betriebsposition in einer axialen Position gehalten ist, in der eine Überdeckung der sich gegenüberliegenden Flächen von Rotorkörper 4 und Stator 2 von weniger als 100% realisiert ist. Im dargestellten Beispiel ist der Rotorkörper 4 um etwa ein Drittel seiner axialen Länge seitlich aus dem Statorkörper 21 herausgedrückt. Dabei wird der Rotorkörper 4 auf der einen axialen Seite mittels eines Federelements 5 gegen einen fest auf der Rotorwelle 3 angeordneten Anschlag 7 mit einer vom Anschlag 7 weggerichtet wirkenden Federkraft F beaufschlagt und entgegen einer magnetischen Anziehungskraft zwischen Rotorkörper 4 und Statorkörper 21 in der dargestellte Ruheposition gehalten. Auf der dem Anschlag 7 gegenüberliegenden Axialseite des Rotorkörpers 4 ist dieser über ein Verstellelement 6 in seinem axialen Verschiebeweg begrenzt gehalten. Wird nunmehr im Betrieb der elektrischen Radialflussmaschine 1 ein bestimmtes Drehmoment (zwischen Rotorkörper 4 und Rotorwelle 3) erreicht und mittels der Verstelleinrichtung detektiert, beginnt diese den Rotorkörper 4 entgegen der Federkraft F in Richtung Anschlag 7 in den Statorkörper 21 hineinzudrücken, so dass das Maß an Überdeckung der sich gegenüberliegenden Flächen von Rotorkörper 4 und Stator 2 vergrößert und die Feldstärke der elektrischen Radialflussmaschine 1 erhöht wird. Mit steigendem Drehmoment wird der Statorkörper 4 dabei immer weiter in den Statorkörper 21 hineingedrückt, bis schließlich eine Überdeckung der sich gegenüberliegenden Flächen von Rotorkörper 4 und Statorkörper 21 von 100%, wie in 2 dargestellt, erreicht ist. In dieser in 2 dargestellten Position, in einem Betriebszustand maximalen Drehmoments wird das Drehmoment zwischen Rotorwelle 3 und Rotorkörper 4 über den Anschlag 7 übertragen, der hierfür umfänglich eine Formschlussverbindung mit dem Rotorkörper 4 bildet.
Die Verstelleinrichtung 6, welche ausgebildet ist eine axiale Bewegung zwischen Rotorkörper 4 und Stator 2 in Abhängigkeit von einem zwischen der Rotorwelle 3 und dem Rotorkörper 4 auftretenden Drehmoment entgegen der Federkraft F zu erzeugen, weist ein erstes Verstellelement 61, ein zweites Verstellelement 62 sowie zumindest einen zwischen dem ersten Verstellelement 61 und dem zweiten Verstellelement 62 angeordneten Wälzkörper 63 auf. Dabei ist das erste Verstellelement 61 dreh- und verschiebefest mit dem Rotorkörper 4 verbunden und axial verschiebbar und begrenzt verdrehbar auf der axial nicht verschiebbar angeordneten Rotorwelle 3 angeordnet. Das zweite Verstellelement 62 ist hingegen dreh- und verschiebefest mit der Rotorwelle 3 verbunden. Zum Zwecke der Verstellung weist das erste Verstellelement 61 auf seiner dem zweiten Verstellelement 62 zugekehrten Seite ein erstes Rampenelement 610 auf und das zweite Verstellelement 62 auf seiner dem ersten Verstellelement 61 zugekehrten Seite ein zweites Rampenelement 620 auf, wobei das erste Rampenelement 610 und das zweite Rampenelement 620 derart ausgebildet sind, dass im Falle einer Verdrehung des ersten Verstellelements 61 gegen das zweite Verstellelement 62 oder umgekehrt, der Rotorkörper 4 auf der Rotorwelle 3 axial entgegen der Federkraft F verschoben wird. Dabei ist das erste Verstellelement 61 und das hiermit korrespondierend ausgebildete zweite Verstellelement 62 derart ausgebildet, dass eine gegenseitige Verdrehung in beide Drehrichtungen ermöglicht ist. Hierfür sind die Rampenelemente 610, 620 der beiden Verstellelemente 61, 62 paarweise ausgebildet.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Radialflussmaschine 1 in verschiedenen Betriebszuständen - oben, in einem Betriebszustand mit niedrigem Drehmoment (analog zu 1) und unten, in einem Betriebszustand mit maximalem Drehmoment (analog zu 2), in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung. Die dargestellte Radialflussmaschine ist ebenfalls als permanenterregte Maschine und als Innenläufer aufgebaut. Im Unterschied zu der Radialflussmaschine 1 gemäß den 1 und 2 ist die in 3 dargestellte Radialflussmaschine 1 mit einem konisch ausgebildeten Rotorkörper 4 und einem hierzu korrespondierend ausgebildeten Statorkörper 21 aufgebaut. Das erfindungsgemäße Wirkprinzip gilt für diese Ausführungsform analog, weshalb an dieser Stelle Bezug genommen wird auf die Beschreibung hinsichtlich der 1 und 2.
4 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Radialflussmaschine in verschiedenen Betriebszuständen. Dabei ist die elektrische Radialflussmaschine 1 in der oberen Darstellung in einem Betriebszustand mit niedrigem Drehmoment gezeigt, und in der unteren Darstellung in einem Betriebszustand mit maximalem Drehmoment gezeigt. Die Darstellungen zeigen jeweils die Radialflussmaschine 1 in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung. Die hier vorgestellte Ausführungsform zeigt ebenfalls eine als permanenterregte Maschine und als Innenläufer aufgebaute Radialflussmaschine 1. Die in 4 dargestellte Radialflussmaschine 1 zeigt einen Aufbau ähnlich zu dem in den 1 und 2. Auch hier ist ein Statorkörper 21 mit einer kreisringzylindrischen Aufnahme für einen kreisringzylindrisch ausgebildeten Rotorkörper 4 vorgesehen. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 ist der Rotorkörper 4 zweiteilig ausgeführt, wobei zwischen den beiden Rotorkörpern 4 das als Druckfeder ausgebildete Federelement 5 angeordnet ist, welches die beiden Rotorkörper 4 gegeneinander abgestützt nach außen drückt. Dabei sind in einem Betriebszustand mit niedrigem Drehmoment oder einem Ruhezustand der elektrischen Radialflussmaschine 1 die beiden Rotorkörper 4 an gegenüberliegenden axialen Enden seitlich aus dem Statorkörper 21 herausgedrückt und über seitlich außen fest auf der Rotorwelle 3 angeordnete Verstellelemente 62 der Verstelleinrichtung 6 in ihrem Verstellweg nach außen begrenzt. Mit steigenden Drehmoment werden die beiden Statorkörper 4 über die Verstellmittel 6 entgegen der Federkraft F dabei immer weiter in den Statorkörper 21 hineingedrückt, bis schließlich eine Überdeckung der sich gegenüberliegenden Flächen von Rotorkörpern 4 und Statorkörper 21 von 100%, wie in der unteren Darstellung von 4 gezeigt, erreicht ist.
5 zeigt eine Verstelleinrichtung 6 in drei verschiedenen Darstellungen. In der oberen Darstellung ist die Verstelleinrichtung 6 in einer Perspektivansicht der geschlossenen Gesamteinheit gezeigt. Dabei bilden das erste Verstellelement 61 und das zweite Verstellelement 62 jeweils eine Gehäusehälfte, die zu einem Gehäuse unter Einschluss von als Kugeln ausgebildeten Wälzkörpern 63 verbunden sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind insgesamt sieben Wälzkörper 63 zwischen sieben Rampenelementpaaren der Rampenelemente 610, 620 aufgenommen. In der mittleren Darstellung ist das erste Verstellelement 61 mit Wälzkörpern 63 von innen in einer Perspektivansicht gezeigt. In der Darstellung unten ist das zweite Verstellelement 62 von innen in einer Perspektivansicht dargestellt. In den beiden Innenansichten sind insbesondere die korrespondierenden Paare der Rampenelemente 610, 620 gut zu erkennen. Dabei sind die als Kugeln ausgebildeten Wälzkörper 63 im ersten Verstellelement 61 in einer Ausnehmung aufgenommen, die eine Ruhe- bzw. Mittenposition der Verstelleinrichtung definiert. Erst bei Überschreitung eines vorbestimmten Drehmoments zwischen dem ersten Verstellelement 61 (angebunden an den Rotorkörper 4) und dem zweiten Verstellelement 62 (angebunden an die Rotorwelle 3), werden die Verstellelement 61, 62 gegeneinander verdreht und aufgrund der Geometrien der Rampenelemente 61, 62 und der zwischen ihnen angeordneten Wälzkörper 63 auseinandergedrückt.
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.
Bezugszeichenliste

1: Elektrische Radialflussmaschine
2: Stator
21: Statorkörper
22: Statorwicklung
3: Rotorwelle
4: Rotorkörper
5: Federelement
6: Verstelleinrichtung
61: erstes Verstellelement
610: Erstes Rampenelement
62: zweites Verstellelement
620: zweites Rampenelement
63: Wälzkörper
7: Anschlag
8: Statoraufnahme
F: Federkraft
X: Drehachse

Claims

Elektrische Radialflussmaschine (1), die als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet ist und aufweist: einen Stator (2), einen mit einer Rotorwelle (3) verbundenen Rotorkörper (4), ein Federelement (5), welches den Rotorkörper (4) in axialer Richtung mit einer Federkraft (F) beaufschlagt, derart, dass der Rotorkörper (4) in einer ersten Betriebsposition in einer axialen Position gehalten ist, in der eine Überdeckung von sich gegenüberliegenden Flächen des Rotorkörpers (4) und des Stators (2) von weniger als 100% realisiert ist, und eine Verstelleinrichtung (6), welche ausgebildet ist, eine axiale Bewegung zwischen dem Rotorkörper (4) und dem Stator (2) in Abhängigkeit von einem zwischen der Rotorwelle (3) und dem Rotorkörper (4) auftretenden Drehmoment entgegen der Federkraft (F) zu erzeugen, wobei die Verstelleinrichtung (6) ein erstes Verstellelement (61), ein zweites Verstellelement (62) und einen zwischen dem ersten Verstellelement (61) und dem zweiten Verstellelement (62) angeordneten Wälzkörper (63) aufweist, das erste Verstellelement (61) mit dem Rotorkörper (4) verbunden und axial verschiebbar und zumindest bereichsweise verdrehbar auf der axial nicht verschiebbar angeordneten Rotorwelle (3) angeordnet ist, und das zweite Verstellelement (62) dreh- und verschiebefest mit der Rotorwelle (3) verbunden ist, das erste Verstellelement (61) auf seiner dem zweiten Verstellelement (62) zugekehrten Seite ein erstes Rampenelement (610) aufweist und das zweite Verstellelement (62) auf seiner dem ersten Verstellelement (61) zugekehrten Seite ein zweites Rampenelement (620) aufweist und das erste Rampenelement (610) und das zweite Rampenelement (620) derart ausgebildet sind, dass im Falle einer Verdrehung des ersten Verstellelements (61) gegen das zweite Verstellelement (62) oder umgekehrt der Rotorkörper (4) auf der Rotorwelle (3) axial entgegen der Federkraft (F) verschoben wird.
Elektrische Radialflussmaschine (1) nach Anspruch 1, wobei die Federkraft (F) des Federelements (5) derart bemessen ist, dass in einem Ruhezustand der elektrischen Radialflussmaschine (1) der Rotorkörper (4) und der Stator (5) durch die Federkraft (F) bei Überwindung der zwischen ihnen existierenden magnetischen Anziehungskraft auf einen vorbestimmten maximalen axialen Abstand (d) zueinander beabstandbar sind, und der Abstand (d) derart bemessen ist, dass die Überdeckung der sich gegenüberliegenden Flächen des Rotorkörpers (4) und des Stators (2) mindestes 20% und maximal 80 %, bevorzugt mindestens 30% und maximal 70% und besonders bevorzugt mindestens 40% und maximal 60% beträgt.
Elektrische Radialflussmaschine (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Federkraft (F) des Federelements (5) derart bemessen ist und die Verstelleinrichtung (6) derart ausgebildet ist, dass in einem Betriebszustand der elektrischen Radialflussmaschine (1), in welchem ein maximales vorbestimmtes Drehmoment erreicht ist, der Rotorkörper (4) entgegen der Federkraft (F) axial verschoben wird, so dass die Überdeckung der sich gegenüberliegenden Flächen des Rotorkörpers (4) und des Stators (2) 100% beträgt.
Elektrische Radialflussmaschine (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Anschlag (7) vorgesehen ist, der derart ausgebildet und angeordnet ist, dass der Rotorkörper (4) in dem Betriebszustand des maximalen Drehmoments sein Drehmoment über den Anschlag (7) auf die Rotorwelle (3) überträgt.
Elektrische Radialflussmaschine (1) nach Anspruch 4, wobei das Federelement (5) gegen den Anschlag (7) abgestützt ist und der Anschlag (7) verschiebefest auf der Rotorwelle (3) angeordnet ist.
Elektrische Radialflussmaschine (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Federelement (5) als eine Druckfeder, insbesondere als eine Kombination von einem Blattfederpaket und einem hierzu parallel wirkenden Tellerfederelement, oder als eine auf Torsion wirkende Feder ausgebildet ist.
Elektrische Radialflussmaschine (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Verstellelement (61) drei erste Rampenelemente (610) aufweist und das zweite Verstellelement (62) drei mit den ersten Rampenelementen (610) korrespondierend angeordnete und ausgebildete zweite Rampenelemente (620) aufweist.
Elektrische Radialflussmaschine (1), die als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet ist und aufweist: einen Stator (2) und eine ortsfeste Statoraufnahme (8), einen mit einer Rotorwelle (3) verbundenen Rotorkörper (4), ein Federelement (5), welches den Stator (2) in axialer Richtung mit einer Federkraft (F) beaufschlagt, derart, dass der Stator (2) in einer ersten Betriebsposition in einer axialen Position gehalten ist, in der eine radiale Überdeckung der sich gegenüberliegend angeordneten Flächen des Rotorkörpers (4) und des Stators (2) von weniger als 100% realisiert ist, und eine Verstelleinrichtung (6), welche ausgebildet ist, eine axiale Bewegung zwischen dem Stator (2) und der Statoraufnahme (8) in Abhängigkeit von einem zwischen dem Stator (2) und der ortsfesten Statoraufnahme (8) auftretenden Stützmoment entgegen der Federkraft (F) zu erzeugen, wobei die Verstelleinrichtung (6) ein erstes Verstellelement (61), ein zweites Verstellelement (62) und einen zwischen dem ersten Verstellelement (61) und dem zweiten Verstellelement (62) angeordneten Wälzkörper (63) aufweist, das erste Verstellelement (61) mit dem Stator (2) verbunden und axial verschiebbar und verdrehbar an der ortsfesten Statoraufnahme (8) angeordnet ist, und das zweite Verstellelement (62) dreh- und verschiebefest mit der ortsfesten Statoraufnahme (8) verbunden ist, das erste Verstellelement (61) auf seiner dem zweiten Verstellelement (62) zugekehrten Seite ein erstes Rampenelement (610) aufweist und das zweite Verstellelement (62) auf seiner dem ersten Verstellelement (61) zugekehrten Seite ein zweites Rampenelement (620) aufweist, und das erste Rampenelement (610) und das zweite Rampenelement (620) derart ausgebildet sind, dass im Falle einer Verdrehung des ersten Verstellelements (61) gegen das zweite Verstellelement (62) oder umgekehrt der Stator (2) gegenüber der ortsfesten Statoraufnahme (8) axial entgegen der Federkraft (F) verschoben wird.
Elektrische Radialflussmaschine (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Rotorkörper (4) konisch ausgebildet ist und der Statorkörper (21) einen hiermit korrespondierenden Innenraum zur Aufnahme des konisch ausgebildeten Rotorkörpers (4) aufweist.
Elektrische Radialflussmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Rotor zweiteilig ausgebildet ist und einen ersten Rotorkörper (4) und einen zweiten Rotorkörper (4) aufweist.
Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einer als Traktionsmaschine ausgebildeten elektrischen Radialflussmaschine (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.