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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator und einen durch einen Luftspalt vom Stator getrennten Rotor, welche in einem Motorgehäuse aufgenommen sind, wobei der Rotor wenigstens einen ersten Rotorkörper mit einer ersten Gruppe von Permanentmagneten und wenigstens einen axial von dem ersten Rotorkörper beabstandeten zweiten Rotorkörper mit einer zweiten Gruppe von Permanentmagneten umfasst, und koaxial innerhalb des ersten Rotorkörpers und des zweiten Rotorkörpers eine Rotorwelle drehmomentübertragend mit dem ersten Rotorkörper gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft ferner einen Antriebsstrang für ein hybrid- oder vollelektrisch antreibbares Kraftfahrzeug.
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Elektrische Maschinen unterliegen bei ihrem Betrieb Verlusten durch Ummagnetisierungen und Wirbelströme, die als Eisenverluste zusammengefasst werden und den Maschinenwirkungsgrad herabsetzen. In mobilen Anwendungen, insbesondere bei der Verwendung von elektrischen Maschinen innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, bedeutet ein niedriger Wirkungsgrad der elektrischen Maschine eine geringere Reichweite des Fahrzeugs bzw. erhöhten Bedarf an Batteriekapazität. Es ist daher vor allem in mobilen Anwendungen mit einem hybriden oder rein elektrischen Antrieb ein ständiges Ziel, die beschriebenen Eisenverluste zu minimieren.
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Beispielhaft für eine derartige elektrische Maschine, wie sie innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs verwendet werden kann, ist die sogenannte permanenterregte Synchronmaschine. Aufgrund ihrer im Vergleich zu anderen Maschinentypen hohen Leistungsdichte wird sie bevorzugt gerade im Bereich der Elektromobilität verwendet, wo der zur Verfügung stehende Bauraum häufige eine limitierende Größe darstellt. Das Erregerfeld der Maschine wird in der Regel von Permanentmagneten erzeugt, die im Rotor der Maschine angeordnet sind. Auf eine Schleifringkontaktierung, die bei elektrisch erregten Synchronmaschinen notwendig ist, um eine am Rotor angeordnete Erregerspule mit Strom zu versorgen, kann bei der permanenterregten Synchronmaschine verzichtet werden.
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Ein Nachteil der Permanenterregung besteht jedoch darin, dass das Erregerfeld nicht ohne Weiteres modifiziert werden kann. Grundsätzlich kann eine Synchronmaschine über ihre Nenndrehzahl hinaus betrieben werden, indem der sogenannte Feldschwächbereich angesteuert wird. In diesem Bereich wird die Maschine mit der maximalen Nennleistung betrieben, wobei mit zunehmender Drehzahl das von der Maschine abgegebene Drehmoment reduziert wird. Elektrisch erregte Synchronmaschinen können sehr einfach im Feldschwächbereich betrieben werden, indem der Erregerstrom reduziert wird. Zwar sind auch bei permanenterregten Maschinen Möglichkeiten bekannt, über eine geeignete Bestromung des Ständers der Maschine eine Luftspaltfeldkomponente zu erzeugen, die dem von den Permanentmagneten erzeugten Erregerfeld entgegenwirkt und dieses somit schwächt. Jedoch bewirkt eine derartige Ansteuerung der Maschine erhöhte Verluste, sodass die Maschine in diesem Bereich nur mit einem reduzierten Wirkungsgrad betrieben werden kann.
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Um permanenterregte dynamoelektrische Maschinen im Feldschwächbereich betreiben zu können, ohne hierbei den Wirkungsgrad der Maschine nennenswert zu verschlechtern, sind aus dem Stand der Technik Verfahren zur mechanischen FeldSchwächung bekannt. So zeigt die
CN 101783536 A einen permanenterregten Synchronmotor mit vergrabenen, in Tangentialrichtung magnetisierten Permanentmagneten, an die sich jeweils radial nach außen betrachtet ein radial verschiebbarer Kurzschlussblock anschließt. Dieser Kurzschlussblock ist über eine Feder derart vorgespannt, dass er sich bei niedriger Rotordrehzahl in einem magnetisch isolierenden Bereich des Rotors befindet. Mit zunehmender Drehzahl wird der Kurzschlussblock nach außen gegen die Federspannung gedrückt, wo er für den magnetischen Fluss einen Kurzschlusspfad bildet. Der über diesen Kurzschlusspfad geführte magnetische Streufluss reduziert den effektiven Luftspaltfluss der Maschine, sodass der Feldschwächbetrieb angesteuert wird.
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Aus der
DE 10 2009 038 928 A1 ist ferner 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.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine elektrische Maschine 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 Maschine wie eine permanenterregte Radialflussmaschine mit einem Betriebsverhalten geschaffen werden, welche in Betriebsphasen unterschiedlichen Drehmoments optimiert ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschine, insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator und einen durch einen Luftspalt vom Stator getrennten Rotor, welche in einem Motorgehäuse aufgenommen sind, wobei der Rotor wenigstens einen ersten Rotorkörper mit einer ersten Gruppe von Permanentmagneten und wenigstens einen axial von dem ersten Rotorkörper beabstandeten zweiten Rotorkörper mit einer zweiten Gruppe von Permanentmagneten umfasst, und koaxial innerhalb des ersten Rotorkörpers und des zweiten Rotorkörpers eine Rotorwelle drehmomentübertragend mit dem ersten Rotorkörper gekoppelt ist, wobei der zweite Rotorkörper entgegen der Wirkung einer Verdrehsteifigkeit gegenüber dem ersten Rotorkörper verdrehbar auf der Rotorwelle gelagert ist.
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Die Erfindung realisiert somit einen Rotor, insbesondere einer Radialflussmaschine, der in axialer Richtung in mehrere, insbesondere scheibenartige Rotorkörper mit angebrachten oder eingebrachten Permanentmagneten unterteilt ist, die mit dem Stator in magnetischer Wechselwirkung stehen. Ein erster Teil der Rotorkörper ist drehfest mit der Rotorwelle verbunden, ein zweiter Teil der Rotorkörper ist entgegen der Wirkung einer Verdrehsteifigkeit konzentrisch gegenüber der Rotorwelle - und damit gegenüber dem ersten Teil der Rotorkörper - verdrehbar angebracht.
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In einer Verdrehlage der Rotorkörper zueinander bei niedrigem Drehmoment können die Pole ihrer Permanentmagnete entgegengesetzt ausgerichtet und der magnetische Fluss über den Stator geschwächt sein, da dann durch die Gegenwart entgegengesetzt gepolter Permanentmagnete in axialer Nachbarschaft ein Teil des magnetischen Flusses kurzgeschlossen ist. Erst bei höherem Drehmoment können dann die Rotorkörper entgegen der Verdrehsteifigkeit so zueinander verdreht sein, dass die Ausrichtungen der Pole ihrer Permanentmagnete einander entsprechen und sich ein maximaler magnetischer Fluss über den Stator ergibt.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass eine elektrische Maschine mit einer rein mechanischen Feldschwächungsvorrichtung realisiert werden kann, welche die zu einer bedarfsgerechten Feldschwächung erforderlichen Stellungen von Permanentmagneten innerhalb des Rotors in Abhängigkeit von den Betriebszuständen Drehmoment und Drehzahl zuverlässig und kostengünstig einstellt. Grundsätzlich vermeidet die Erfindung somit auch die Notwendigkeit einer von außen auf oder in den Rotor eingreifenden Aktorik.
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Die Anordnung der Permanentmagnete ist bevorzugt in allen Rotorkörpern identisch und es liegt somit insbesondere ein sich über den Umfang regelmäßig wiederholendes Muster mit abwechselnder Ausrichtung der Pole vor.
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Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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Die elektrische Maschine kann insbesondere als Rotationsmaschine ausgebildet sein. Im Falle von als Rotationsmaschinen ausgebildeten elektrischen Maschinen wird insbesondere zwischen Radialflussmaschinen und Axialflussmaschinen unterschieden. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken, während im Falle einer Axialflussmaschine sich die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspalt in axialer Richtung erstrecken. Es ist im Zusammenhang mit dieser Erfindung besonders bevorzugt, dass die elektrische Maschine als Radialflussmaschine konfiguriert ist.
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Das Motorgehäuse kann die elektrische Maschine umhausen. Ein Motorgehäuse kann darüber hinaus auch die Steuer- und Leistungselektronik aufnehmen. Das Motorgehäuse kann darüber hinaus auch Bestandteil eines Kühlsystems für die elektrische Maschine und derart ausgebildet sein, dass Kühlfluid über das Motorgehäuse der elektrischen Maschine zugeführt werden und/oder die Wärme über die Gehäuseflächen nach außen abgeführt werden kann. Darüber hinaus schützt das Motorgehäuse die elektrische Maschine sowie die ggf. vorhandene Elektronik vor äußeren Einflüssen.
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Ein Motorgehäuse kann insbesondere aus einem metallischen Material gebildet sein. Vorteilhafter Weise kann das Motorgehäuse aus einem metallischen Gussmaterial, wie zum Beispiel Grauguss oder Stahlguss geformt sein. Grundsätzlich ist es auch denkbar, das Motorgehäuse ganz oder teilweise aus einem Kunststoff auszubilden.
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Ein Rotor ist der sich drehende (rotierende) Teil einer elektrischen Maschine. Insbesondere wird von einem Rotor gesprochen, wenn es auch einen Stator gibt.
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Unter einem Rotorkörper wird im Sinne der Erfindung 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, Flussleitelementen und dergleichen.
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Ein Rotor ist der sich drehende (rotierende) Teil einer elektrischen Maschine. Der Rotor umfasst eine Rotorwelle und einen oder mehrere drehfest auf der Rotorwelle angeordnete Rotorkörper. Die Rotorwelle kann hohl ausgeführt sein, was zum einen eine Gewichtsersparnis zur Folge hat und was zum anderen die Zufuhr von Schmier- oder Kühlmittel zum Rotorkörper erlaubt.
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Als Rotormagnet werden die in die Taschen des Rotorblechpakets einzubringenden Permanentmagnete verstanden. Dabei kann pro Tasche ein einziges größeres, als Stabmagnet ausgebildeter Rotormagnet oder mehrere kleinere Permanentmagnetelemente ausgebildete Rotormagnete vorgesehen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in einer ersten Verdrehlage der Rotorkörper bei niedrigem Drehmoment die Pole axial benachbarter Permanentmagnete entgegengesetzt ausgerichtet sind und dadurch eine Feldschwächung bewirken und in einer zweiten Verdrehlage der Rotorkörper bei höherem Drehmoment die Ausrichtungen der Pole axial benachbarter Permanentmagnete einander entsprechen.
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Es ist ferner zu bevorzugen, dass die Verdrehsteifigkeit als ein Federelement, insbesondere als eine Bogenfeder und/oder Druckfeder, ausgebildet ist.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Anzahl der drehfesten ersten Rotorkörper die Anzahl der verdrehbaren zweiten Rotorkörper um eins übersteigt und jeweils ein drehfester Rotorkörper an den axialen Enden des Rotors angeordnet ist.
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Alternativ hierzu kann es auch vorteilhaft sein, dass die Anzahl der verdrehbaren zweiten Rotorkörper die Anzahl der drehfesten ersten Rotorkörper um eins übersteigt und jeweils ein verdrehbarer Rotorkörper an den axialen Enden des Rotors angeordnet ist.
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Um die Feldschwächungswirkung weiter zu optimieren kann es ferner auch vorgesehen sein, dass die aufsummierte axiale Länge der ersten Rotorkörper um den Faktor zwei- bis dreimal größer ist als die aufsummierte axiale Länge des zweiten Rotorkörpers oder die aufsummierte axiale Länge der zweiten Rotorkörper um den Faktor zwei- bis dreimal größer ist als die aufsummierte axiale Länge des ersten Rotorkörpers. Das Maß der Feldschwächung kann somit durch die Permanentmagnete in entgegengesetzt ausgerichteter Verdrehlage über das Verhältnis der axialen Gesamtlängen der zueinander verdrehten Rotorkörper eingestellt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Einstellung der Feldschwächungswirkung kann sich dadurch ergeben, dass die aufsummierte axiale Länge der ersten Rotorkörper aus Rotorkörpern mit wenigstens einer voneinander unterschiedlichen axialen Länge gebildet ist und/oder die aufsummierte axiale Länge der zweiten Rotorkörper aus Rotorkörpern mit wenigstens einer voneinander unterschiedlichen axialen Länge gebildet ist/sind.
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Schließlich kann es auch bevorzugt sein, das die Verdrehlagen der Rotorkörper zwischen den Stellungen für entgegengesetzte und gleichsinnige Ausrichtung der Pole der Permanentmagnete bezüglich der resultierenden Magnetfeldstärke in dem Luftspalt an weitere Betriebspunkte und/oder kontinuierlich an Drehmoment und/und Drehzahl des Motorkennfelds angepasst ist/sind.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch einen Antriebsstrang für ein hybrid- oder vollelektrisch antreibbares Kraftfahrzeug umfassend eine elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1-8.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine elektrische Maschine in einer schematischen Querschnittsansicht,
- 2 einen Rotor einer ersten Ausführung einer elektrischen Maschine in einer ersten Betriebsstellung in einer schematischen Axialschnittansicht,
- 3 einen Rotor einer ersten Ausführung einer elektrischen Maschine in einer zweiten Betriebsstellung in einer schematischen Axialschnittansicht,
- 4 Permanentmagnete des Rotors in verschiedenen zueinander verdrehten Betriebsstellungen in jeweils perspektivischer Ansicht,
- 5 einen Rotor einer zweiten Ausführung einer elektrischen Maschine in einer schematischen Axialschnittansicht, und
- 6 ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine in einer Blockschaltansicht.
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Die 1 zeigt eine als Radialflussmaschine konfigurierte elektrische Maschine 20, insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, so wie es exemplarisch in der 6 (hybrider Antriebsstrang Abbildung oben, vollelektrischer Antriebsstrang Abbildung unten) gezeigt ist.
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Die elektrische Maschine 20 umfasst einen Stator 2 und einen durch einen Luftspalt 22 vom Stator 2 getrennten Rotor 1, welche in einem Motorgehäuse 21 aufgenommen sind. Der Rotor 1 besitzt wenigstens einen ersten Rotorkörper 3 mit einer ersten Gruppe von Permanentmagneten 6 und wenigstens einen axial von dem ersten Rotorkörper 3 beabstandeten zweiten Rotorkörper 4 mit einer zweiten Gruppe von Permanentmagneten 61, was auch gut aus der Zusammenschau mit den 2,3,5 ersichtlich wird.
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Aus der 2 ist erkennbar, dass koaxial innerhalb des ersten Rotorkörpers 3 und des zweiten Rotorkörpers 4 eine Rotorwelle 5 drehmomentübertragend mit dem ersten Rotorkörper 3 gekoppelt ist, wohingegen der zweite Rotorkörper 4 entgegen der Wirkung einer Verdrehsteifigkeit 8 gegenüber dem ersten Rotorkörper 3 verdrehbar auf der Rotorwelle 5 gelagert ist.
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Die elektrische Maschine 20, ist nun so konfiguriert, dass in einer ersten Verdrehlage der Rotorkörper 3, 4 bei niedrigem Drehmoment die Pole axial benachbarter Permanentmagnete 6,61 entgegengesetzt ausgerichtet sind und dadurch eine Feldschwächung bewirken und in einer zweiten Verdrehlage der Rotorkörper 3, 4 bei höherem Drehmoment die Ausrichtungen der Pole axial benachbarter Permanentmagnete 6 einander entsprechen, was gut aus der Zusammenschau der Figure 2+3 ersichtlich wird.
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Die Verdrehlagen der Rotorkörper 3, 4 zwischen den Stellungen für entgegengesetzte und gleichsinnige Ausrichtung der Pole der Permanentmagnete 6,61 sind bezüglich der resultierenden Magnetfeldstärke in dem Luftspalt 22 an Betriebspunkte und/oder kontinuierlich an Drehmoment und/und Drehzahl des Motorkennfelds angepasst.
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In der gezeigten Ausführungsform der 2-3 übersteigt die Anzahl der verdrehbaren zweiten Rotorkörper 4 die Anzahl der drehfesten ersten Rotorkörper 3 um eins und es ist jeweils ein verdrehbarer Rotorkörper 4 an den axialen Enden des Rotors 1 angeordnet. Auch wenn in den Figuren nicht gezeigt, so ist es natürlich dennoch möglich, dass die Anzahl der drehfesten ersten Rotorkörper 3 die Anzahl der verdrehbaren zweiten Rotorkörper 4 um eins übersteigt und jeweils ein drehfester Rotorkörper 3 an den axialen Enden des Rotors 1 angeordnet ist.
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Der Rotor 1 ist hier in fünf axial nebeneinander angeordnete Rotorkörper 3, 4 unterteilt. Abwechselnd sind hierbei die Rotorkörper drehfest 3 bzw. über eine hier nur symbolisch dargestellte, mit Energiespeichern 8 hergestellte Verdrehsteifigkeit verdrehbar 4 mit der Rotorwelle 5 verbunden. An den axialen Enden des Rotors 1 sind hier verdrehbare Rotorkörper 4 angebracht. In der dargestellten Verdrehlage herrscht ein niedriges Drehmoment zwischen den Rotorkörpern 4 und der Rotorwelle 5, bei dem die Pole der Permanentmagnete 6 benachbarter Rotorkörper 3, 4 entgegengesetzt ausgerichtet sind und ein geschwächtes Magnetfeld resultiert.
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3 zeigt die Anordnung aus 2 in einer Verdrehlage bei höherem Drehmoment. Hier sind unter Einfederung der Energiespeicher 8 die Rotorkörper 4 um eine komplette Umfangseinheit der Permanentmagnete 6 verdreht, und die Ausrichtungen der Pole der Permanentmagnete 6 axial benachbarter Rotorkörper 3, 4 entsprechen sich einander, so dass ein maximales Magnetfeld resultiert.
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4 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ausschließlich die Permanentmagnete 6,61 der Rotorkörper 3, 4, wie sie bei von links nach rechts abnehmendem Drehmoment von der Verdrehlage aus 3 bei hohem Drehmoment in die Verdrehlage aus 2 bei niedrigem Drehmoment verstellt werden.
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5 zeigt eine alternative Ausführung mit nur drei axial nebeneinander angeordneten Rotorkörpern. An den axialen Enden des Rotors 1 sind hier mit der Rotorwelle 5 fest verbundene Rotorkörper 3 angebracht. Gleichzeitig ist gezeigt, wie mit in Umfangsrichtung wirkenden Druckfedern 8 oder auch Bogenfedern 8 und einem drehfest zur Rotorwelle 5 verbundenen Flansch 9 eine Verdrehsteifigkeit zwischen Rotorkörpern 4 und Rotorwelle 5 ausgebildet sein kann.
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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
- Rotor
- 2
- Stator
- 3
- erster Rotorkörper
- 4
- zweiter Rotorkörper
- 5
- Rotorwelle
- 6
- Permanentmagnet
- 61
- Permanentmagnet
- 7
- Rotationsachse
- 8
- Verdrehsteifigkeit/ Federelement
- 9
- Flansch
- 20
- elektrische Maschine
- 21
- Motorgehäuse
- 22
- Luftspalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 101783536 A [0005]
- DE 102009038928 A1 [0006]
