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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor für ein hybridisch oder rein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, wie einen Pkw, Lkw, Bus oder ein sonstiges Nutzfahrzeug, mit einem permanenterregten Rotor, wobei der Rotor einen Grundkörper und ein in einem Aufnahmeloch des Grundkörpers verstellbar aufgenommenes, stabförmiges Permanentmagnetelement aufweist, welches Permanentmagnetelement mit seiner Längsachse parallel zu einer Drehachse des Rotors ausgerichtet ist. Jenes Permanentmagnetelement ist weiter bevorzugt entweder vollständig als Stabmagnet oder als ein gesamtheitlich stabförmiger Zusammenbau aus einem oder mehreren Einzelmagneten und einem diese-In Einzelmagnet/ -e aufnehmenden Träger ausgebildet und durchdringt den Grundkörper bevorzugt in Längsrichtung vollständig.
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Gattungsgemäße Elektromotoren sind aus dem Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Beispielsweise offenbart die
DE 10 2008 034 975 A1 eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem Rotor, in dem Permanentmagnete vergraben sind. Zudem ist im Bereich der Permanentmagnete ein mit diesen korrespondierendes Element angeordnet, welches um eine Achse senkrecht zu seinen magnetischen Feldlinien beweglich ausgebildet ist. Durch Drehen des beweglichen Elements wird so eine Schwächung oder Verstärkung des Magnetfelds der Permanentmagneten in dem Rotor möglich.
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Somit sind aus dem Stand der Technik bereits Elektromotoren bekannt, bei denen durch eine mechanische Verstellung entsprechender Elemente eine gezielte Feldschwächung oder umgekehrt eine Feldverstärkung realisiert wird. Bekanntlich führt die Feldschwächung zu einer Reduzierung der Verluste in entsprechenden Arbeitsbereichen des Elektromotors. Bei den bekannten Elektromotoren hat es sich jedoch weiterhin herausgestellt, dass diese verdrehbaren Elemente relativ aufwändig gelagert sind. Die Lagerungsmittel sind wiederum entweder stark hysteresebehaftet durch hohe Fliehkräfte (insbesondere in Gleitbuchsen) oder im Aufbau relativ aufwändig (bspw. ein Wälzlager mit mindestens sechzehn Wälzkörpern). Des Weiteren hat es sich herausgestellt, dass keine stabile Position der entsprechenden Elemente ohne einen zusätzlichen Aufwand realisierbar ist.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektromotor zur Verfügung zu stellen, dessen Mittel zur mechanischen Feldstärkenänderung im Aufbau möglichst einfach gehalten sind, wobei zugleich eine Aufnahme dieser Mittel einen möglichst geringen Einfluss auf das durch das Permanentmagnetelement erzeugte Magnetfeld haben.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Aufnahmeloch als Langloch ausgebildet ist und das Permanentmagnetelement entlang einer durch das Aufnahmeloch gebildeten Führungsbahn durch Verdrehung um seine Längsachse verstellbar ist.
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Somit ist erfindungsgemäß ein Langloch in dem Grundkörper vorhanden, in dem das Permanentmagnetelement entlangrollen kann. Dadurch werden Anforderungen an eine Lagerung des Permanentmagnetelementes sowie an eine Lagerreibung deutlich reduziert. Die Lagerung ist mit einem geringeren Aufwand herstellbar und weniger komplex ausgebildet. Dadurch wird auch die vorhandene Hysterese deutlich eingeschränkt.
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Weitergehende vorteilhafte Ausführungsformen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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Demnach ist es auch vorteilhaft, wenn mehrere entlang einer Umfangsrichtung des Grundkörpers verteilt angeordnete Aufnahmelöcher vorhanden sind, in welchen Aufnahmelöchern jeweils zumindest ein Permanentmagnetelement verstellbar aufgenommen ist. Dadurch ergibt sich eine in gleichmäßige Einstellbarkeit der durch den Rotor erzeugten Feldstärke.
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Sind in dem zumindest einen / in dem jeweiligen Aufnahmeloch mehrere Permanentmagnetelemente entlang des zumindest einen Aufnahmeloches nebeneinander angeordnet, ist der Elektromotor leistungsfähiger.
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In diesem Zusammenhang ist es des Weiteren zweckmäßig, wenn in dem zumindest einen Aufnahmeloch zwei oder mehr als zwei, bevorzugt genau drei oder vier, Permanentmagnetelemente entlang des Aufnahmelochs nebeneinander angeordnet sind. Dadurch ergibt sich ein geschickter Kompromiss aus der vorhandenen Bauteilanzahl und der Leistungsfähigkeit des Elektromotors.
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Zudem ist es von Vorteil, wenn zwei in Umfangsrichtung unmittelbar benachbarte Aufnahmelöcher eine V-förmige Anordnung mit beschreiben / einnehmen. Jedes Aufnahmeloch erstreckt sich folglich entlang eines Schenkels des V s. Dabei ist vorzugsweise jedes Aufnahmeloch als eine Längsnut umgesetzt.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn das zumindest eine (in dem jeweiligen Aufnahmeloch angeordnete) Permanentmagnetelement mittels eines Zahnradgetriebes mit einer Verstelleinrichtung gekoppelt ist. Sind mehrere Permanentmagnetelemente vorhanden, ist es des Weiteren zweckmäßig, wenn die mehreren Permanentmagnetelemente miteinander über eine entsprechende Verzahnungseinrichtung bewegungsgekoppelt sind. Dadurch ist die Feldstärke des Rotors auf einfache Weise einheitlich zentral steuerbar.
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Erstreckt sich das zumindest eine Aufnahmeloch geradlinig, ist dieses möglichst einfach herstellbar. Alternativ hierzu ist es auch von Vorteil, wenn sich das zumindest eine Aufnahmeloch bogenförmig erstreckt, wobei vorzugsweise eine Mitte des Bogens direkt eine in radialer Richtung am weitest außen angeordnete Stelle des Aufnahmeloches ist. Das Permanentmagnetelement ist weiter bevorzugt in zumindest einer Stellung auch durch die im Betrieb auf ihn einwirkende Fliehkraft stabil abgestützt.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn neben dem zumindest einen verstellbaren Permanentmagnetelement zumindest ein verdrehfest in dem Grundkörper eingesetzter Magnet in demselben Aufnahmeloch vorhanden ist. Dadurch wird der Aufbau weiter vereinfacht.
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In diesem Zusammenhang ist es auch von Vorteil, wenn das zumindest eine Permanentmagnetelement zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung um 90° oder um 180° um seine Längsachse verdreht wird.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein (hybridisch oder rein elektrisch angetriebenes) Kraftfahrzeug mit einer als der erfindungsgemäße Elektromotor nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungen ausgebildeten Antriebsmaschine.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, ist somit erfindungsgemäß ein rollender Magnet in einer Lufttasche eines Rotors vorhanden. Die Permanentmagnetelemente sind in einem genuteten / geschlitzten Loch eingesetzt, um deren Verrollen bereit zu stellen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand verschiedener Figuren näher beschrieben, in welchem Zusammenhang auch unterschiedliche Ausführungsbeispiele gezeigt sind.
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Es zeigen:
- 1 eine Vorderansicht eines vereinfacht dargestellten Elektromotors nach einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei eine Polung verschiedener, in zwei Aufnahmelöchern aufgenommener Permanentmagnetelemente mittels Pfeilen eingezeichnet ist,
- 2 eine Detaildarstellung dreier in einem Aufnahmeloch nach 1 aufgenommener Permanentmagnetelemente, wobei die Permanentmagnetelemente zwischen einer in der linken Teildarstellung gezeigten ersten Endstellung und einer in der rechten Teildarstellung gezeigten zweiten Endstellung um 90° verdrehbar sind,
- 3 eine Detaildarstellung eines lediglich ein Permanentmagnetelement aufweisenden Aufnahmeloches, das in einem Elektromotor eines zweiten Ausführungsbeispiels eingesetzt ist, sowie
- 4 eine Detaildarstellung eines lediglich ein Permanentmagnetelement aufweisenden, eine bogenförmige Erstreckung aufweisenden Aufnahmeloches, das in einem Elektromotor eines dritten Ausführungsbeispiels eingesetzt ist.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch können die verschiedenen Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele prinzipiell frei miteinander kombiniert werden.
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Mit 1 ist ein erfindungsgemäßer Elektromotor 1 in seinem prinzipiellen Aufbau veranschaulicht. Der Elektromotor 1 dient in seinem bevorzugten Einsatzbereich als eine Antriebsmaschine in einem rein elektrischen oder hybridischen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges. Der Elektromotor 1 ist als eine Radialflussmaschine ausgebildet. Der Elektromotor 1 ist zudem als eine Synchronmaschine realisiert.
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Der Elektromotor 1 weist einen teilweise dargestellten Rotor 2 auf, der um seine Drehachse 7 verdrehbar gelagert ist. Die gegenständlich verwendeten Richtungsangaben axial / axiale Richtung, radial / radiale Richtung und Umfangsrichtung beziehen sich auf diese Drehachse 7. Unter axial ist folglich eine Richtung entlang der Drehachse 7, unter radial eine Richtung senkrecht zu der Drehachse 7 und unter Umfangsrichtung eine Richtung entlang einer konzentrisch um die Drehachse 7 herumverlaufenden Kreislinie zu verstehen.
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Der Rotor 2 ist radial innerhalb eines Stators 10 angeordnet und relativ zu diesem verdrehbar gelagert. Der Stator 10 ist rein schematisch dargestellt und weist auf typische Weise mehrere hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellte Wicklungen auf. Über den Stator 10 werden im Betrieb verschiedene Permanentmagnetelemente 5 (alternativ auch als Permanentmagnete schlicht bezeichnet) des Rotors 2 mit Kraft beaufschlagt, um diesen anzutreiben.
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Der Rotor 2 weist auf typische Weise einen Grundkörper 3 auf, der bspw. aus einem Rotorblechpaket besteht. Der Rotor 2 ist axial von mehreren in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Aufnahmelöchern 4a, 4b durchdrungen. Die Aufnahmelöcher 4a, 4b sind als Langlöcher umgesetzt, die jeweils in radialer Richtung / Umfangsrichtung schräg verlaufen.
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In 1 sind zwei ein Lochpaar bildende Aufnahmelöcher 4a, 4b zu erkennen, die gemeinsam eine V-förmige Anordnung 9 nachbilden. Solche Paare an Aufnahmelöchern 4a, 4b, die die Anordnung 9 bilden sind mehrfach in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet.
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In Bezug auf die V-förmige Anordnung 9 ist zu erkennen, dass ein erstes Aufnahmeloch 4a einen ersten Schenkel des V s nachbildet und ein zweites Aufnahmeloch 4b einen zweiten Schenkel des V s nachbildet. Jedes Aufnahmeloch 4a, 4b erstreckt sich in dieser Ausführung geradlinig / I-förmig. Das Aufnahmeloch 4a bzw. 4b ist als ein Langloch, etwa in Form einer Nut, ausgebildet.
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Mit 1 ist des Weiteren zu erkennen, dass je Aufnahmeloch 4a, 4b mehrere, hier drei, Permanentmagnetelemente 5 angeordnet / aufgenommen sind. Die Permanentmagnetelemente 5 sind jeweils stabförmig realisiert und durchdringen den Grundkörper 3 in axialer Richtung vollständig. Die Permanentmagnetelemente 5 sind mit ihrer Längsachse 6 parallel zu der Drehachse 7 ausgerichtet. Auch sind die Permanentmagnetelemente 5 mit ihren Magnetfeldern innerhalb desselben Aufnahmelochs 4a bzw. 4b gleich ausgerichtet. Dies ist in 1 mit den entsprechenden Pfeilen dargestellt.
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Wie in 2 auch näher zu erkennen, sind die Permanentmagnetelemente 5 entlang einer durch das Aufnahmeloch 4a, 4b gebildeten Führungsbahn 8 wälzend gelagert. Die Permanentmagnetelemente 5 können daher entweder die in der linken Teildarstellung der 2 erkennbare erste Endstellung oder die in der rechten Teildarstellung der 2 erkennbare zweite Endstellung einnehmen. Zwischen der ersten Endstellung und der zweiten Endstellung werden die Permanentmagnetelemente 5 in dem ersten Ausführungsbeispiel um 90° um ihre Längsachse 6 verdreht.
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Bei diesem Verdrehen zwischen den Endstellungen rollen die Permanentmagnetelemente 5 auf den Längsseiten des ihnen zugeordneten Aufnahmelochs 4a, 4b ab. Vorzugsweise sind die Endstellungen als stabile / mit einer bestimmten Haltekraft fixierte Endstellungen ausgebildet, wobei jedoch auch eine Verstellung zwischen diesen Endstellungen in beliebig vielen Schritten / kontinuierlich erfolgt und demnach jede beliebige Zwischenstellung zwischen den Endstellungen als stabile Stellung einnehmbar ist.
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Zur Verstellung der Permanentmagnetelemente 5 ist des Weiteren eine hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellte zentrale Verstelleinrichtung vorhanden, die vorzugsweise mittels eines Zahnradgetriebes mit jedem jeweiligen Permanentmagnetelement 5 gekoppelt ist. Auch ist es möglich, diese Verstelleinrichtung mittels des Zahnradgetriebes nur mit einem der mehreren Permanentmagnetelemente 5 zu koppeln und die Permanentmagnetelemente 5 untereinander (im selben Aufnahmeloch 4a, 4b) wiederum mit weiteren Verzahnungen miteinander zu koppeln. Auch ist weiter bevorzugt das jeweilige Permanentmagnetelement 5 in dem Aufnahmeloch 4a, 4b mittels einer Verzahnung in Zahneingriff.
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In Verbindung mit 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, das in Aufbau und Funktion weitestgehend dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht. Daher sind nachfolgend der Kürze wegen lediglich die Unterschiede genannt. 3 lässt erkennen, dass die Anzahl der Permanentmagnetelemente 5 je Aufnahmeloch 4a, 4b nicht auf drei festgelegt ist, sondern auch weniger oder in weiteren Ausführungen auch mehr als drei betragen kann. In 3 ist lediglich ein einzelnes Permanentmagnetelement 5 je Aufnahmeloch 4a, 4b vorhanden.
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In diesem Zusammenhang sei zudem darauf hingewiesen, dass gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, das ebenfalls in Aufbau und Funktion weitestgehend dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht, die Aufnahmelöcher 4a, 4b auch auf andere Weise ausformbar sind. Demnach ist in 4 das jeweilige Aufnahmeloch 4a, 4b bogenförmig / U-förmig umgesetzt. Eine Mittelachse 11 (/ Symmetrieachse) dieses U-förmigen Aufnahmelochs 4a, 4b ist in radialer Richtung am nächsten zu dem Stator 10 / zu einem zwischen dem Stator 10 und dem Rotor 2 ausgebildeten Luftspalt 12 angeordnet.
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Auch in 4 ist lediglich ein Permanentmagnetelement 5 innerhalb des bogenförmigen Aufnahmelochs 4a, 4b verdrehbar angeordnet. Des Weiteren ist es in diesem Zusammenhang besonders vorteilhaft, wenn das jeweilige Permanentmagnetelement 5 um 180° zwischen seiner ersten Endstellung und seiner zweiten Endstellung verdrehbar ist.
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Durch die Bogenform des Aufnahmelochs 4a, 4b ist das Permanentmagnetelement 5 in seinen Endstellungen (an den Enden des U s) aufgrund der wirkenden Magnetkräfte stabil gehalten. Eine mittig zwischen den Endstellungen umgesetzte Zwischenstellung ist aufgrund einer im Betrieb auf das Permanentmagnetelement 5 einwirkenden Fliehkraft stabil abgestützt.
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Hinsichtlich der Verdrehbarkeit um 180° hat es sich zudem als vorteilhaft herausgestellt, wenn neben dem Permanentmagnetelement 5 weitere hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellte ortsfeste Magnete zusätzlich im Rotor 2 / im Grundkörper 3, weiter bevorzugt in demselben Aufnahmeloch 4a, 4b wie das verdrehbare Permanentmagnetelement 5 aufgenommen sind. Dadurch ergibt sich eine weitere Vereinfachung des Aufbaus des Rotors 2.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, ist ein Langloch (Aufnahmeloch 4a, 4b) vorgesehen, in dem der Magnet (Permanentmagnetelement 5) rollt . Dadurch werden die Anforderungen an die Lager sowie die Lagerreibung minimiert. Bevorzugt sind mehrere Magnete in einem Langloch vorhanden. Das Langloch ist bevorzugt gerade; in weiteren Ausführungen kann das Langloch jedoch auch eine andere Form einnehmen. Das Langloch ist demnach nach einer weiteren Ausführungsform „bogenförmig“ ausgeführt und weist weiter bevorzugt zumindest zwei stabile Positionen auf. Weiter bevorzugt ergeben sich gar zwei stabile Lagen aufgrund magnetischer Kräfte, eine dritte stabile Lage aufgrund Fliehkraft.
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Bevorzugt ist auch eine Verzahnung an bestimmten Stellen möglich, um die Position / Stellung des Magneten sicherzustellen. Bevorzugt ist dann an den axialen Enden ein Kunststoff aufgeschrumpft. Wenn 100% der Magnetmasse in dem Langloch steht, genügt eine Drehung um 90°; wenn 33% der Magnetmasse drehbar ist, ist eine Drehung um 180° bevorzugt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromotor
- 2
- Rotor
- 3
- Grundkörper
- 4a
- erstes Aufnahmeloch
- 4b
- zweites Aufnahmeloch
- 5
- Permanentmagnetelement
- 6
- Längsachse
- 7
- Drehachse
- 8
- Führungsbahn
- 9
- Anordnung
- 10
- Stator
- 11
- Mittelachse
- 12
- Luftspalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008034975 A1 [0002]
