DE102021101900B4 - Electrical machine and drive train for a hybrid or fully electrically driven motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Elektrische Maschine (20), insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator (2) und einen durch einen Luftspalt (22) vom Stator (2) getrennten Rotor (1), welche in einem Motorgehäuse (21) aufgenommen sind, wobei der Rotor (1) einen Rotorkörper (3) umfasst, und koaxial innerhalb des Rotorkörpers (3) eine Rotorwelle (5) getrieblich mit dem Rotorkörper (3) drehmomentübertragend gekoppelt ist, wobei ein magnetisches Wirkelement (4), insbesondere ein Permanentmagnet oder Flussleitstück, im Momentenfluss zwischen dem Rotorkörper (3) und der Rotorwelle (5) angeordnet ist, und ein erstes Getriebe (30) den Rotorkörper (3) und das magnetische Wirkelement (4) sowie ein zweites Getriebe (32) die Rotorwelle (5) mit dem magnetischen Wirkelement (4) verbindet, so dass eine Bewegungsbahn des magnetischen Wirkelements (4) relativ zum Rotorkörper (3) und/oder der Rotorwelle (5) in der Art definiert ist, dass das magnetische Wirkelement (4) drehbar und/oder translatorisch, insbesondere in axialer Richtung und/oder radialer Richtung und/oder Umfangsrichtung versetzbar entlang der Bewegungsbahn zwischen dem Rotorkörper (3) und der Rotorwelle (5) gelagert ist.dadurch gekennzeichnet, dassdas erste Getriebe (30) so konfiguriert ist, dass der Rotorkörper (3) eine erste Außenlaufbahn (61) oder eine erste Innenlaufbahn (6) und das erste magnetische Wirkelement (4) eine zu der ersten Außenlaufbahn (61) komplementäre erste Innenlaufbahn (6) oder eine zu der ersten Innenlaufbahn (6) komplementäre erste Außenlaufbahn (61) zur wälzenden Führung einer ersten Gruppe von Wälzkörpern (8) entlang einer von der ersten Außenlaufbahn (61) und der ersten Innenlaufbahn (6) definierten ersten Bewegungsbahn aufweist,unddas zweite Getriebe (32) so konfiguriert ist, dass die Rotorwelle (5) eine zweite Innenlaufbahn (7) oder eine zweite Außenlaufbahn (71) und das magnetische Wirkelement (4) eine zu der zweiten Innenlaufbahn (7) komplementäre zweite Außenlaufbahn (71) oder eine zu der zweiten Außenlaufbahn (71) komplementäre zweite Innenlaufbahn (7) zur wälzenden Führung einer zweiten Gruppe von Wälzkörpern (9) entlang einer von der zweiten Außenlaufbahn (71) und der zweiten Innenlaufbahn (7) definierten zweiten Bewegungsbahn aufweist,wobei die erste Bewegungsbahn und die zweite Bewegungsbahn eine Bewegungsbahn des magnetischen Wirkelements (4) definieren, und die erste Bewegungsbahn und/oder die zweite Bewegungsbahn eine von der Kreisform abweichende Form aufweisen.Electrical machine (20), in particular for use within a drive train of a hybrid or fully electrically driven motor vehicle, comprising a stator (2) and a rotor (1) which is separated from the stator (2) by an air gap (22) and which are accommodated in a motor housing (21), the rotor (1) comprising a rotor body (3), and coaxially within the rotor body (3) a rotor shaft (5) being gearedly coupled to the rotor body (3) in a torque-transmitting manner, with a magnetic active element (4), in particular a permanent magnet or flux conducting piece, is arranged in the torque flow between the rotor body (3) and the rotor shaft (5), and a first gear (30) connects the rotor body (3) and the magnetic active element (4) and a second gear (32) connects the rotor shaft (5) to the magnetic active element (4), so that a movement path of the magnetic active element (4) relative to the rotor body (3) and/or the rotor shaft (5) is defined in such a way that the magnetic active element (4) rotatably and/or translationally, in particular in the axial direction and/or radial direction and/or circumferential direction, displaceable along the movement path between the rotor body (3) and the rotor shaft (5). characterized in that the first gear (30) is configured in such a way that the rotor body (3) has a first outer raceway (61) or a first inner raceway (6) and the first magnetic active element (4) has a first inner raceway (6 ) or a first outer raceway (61) complementary to the first inner raceway (6) for the rolling guidance of a first group of rolling elements (8) along a first movement path defined by the first outer raceway (61) and the first inner raceway (6), and the second transmission (32) is configured such that the rotor shaft (5) has a second inner raceway (7) or a second outer raceway (71) and the magnetic active element (4) has a second inner raceway (7) or a second outer raceway (71) and the magnetic active element (4) has a 7) has a complementary second outer raceway (71) or a second inner raceway (7) complementary to the second outer raceway (71) for the rolling guidance of a second group of rolling elements (9) along a second movement path defined by the second outer raceway (71) and the second inner raceway (7), the first movement path and the second movement path defining a movement path of the magnetic active element (4), and the first movement path and/or the second movement path deviate from the circular shape de form.
Description
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 einen Rotorkörper umfasst, und koaxial innerhalb des Rotorkörpers eine Rotorwelle getrieblich mit dem Rotorkörper drehmomentübertragend gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft ferner einen Antriebsstrang für ein hybrid- oder vollelektrisch antreibbares Kraftfahrzeug.The present invention relates to an electrical machine, in particular for use within a drive train of a hybrid or all-electric motor vehicle, comprising a stator and a rotor which is separated from the stator by an air gap and which are accommodated in a motor housing, the rotor comprising a rotor body, and coaxially within the rotor body, a rotor shaft is torque-transmittingly coupled to the rotor body. The invention also relates to a drive train for a hybrid or fully electrically driven motor vehicle.
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.During operation, electrical machines are subject to losses due to reversal of magnetization and eddy currents, which are summarized as iron losses and reduce the machine's efficiency. In mobile applications, particularly when using electric machines within a drive train of a hybrid or all-electric motor vehicle, a low degree of efficiency of the electric machine means a shorter range for the vehicle or an increased need for battery capacity. It is therefore a constant goal, especially in mobile applications with a hybrid or purely electric drive, to minimize the iron losses described.
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.The so-called permanently excited synchronous machine is an example of such an electrical machine, which can be used within a drive train of a hybrid or fully electrically driven motor vehicle. Due to its high power density compared to other machine types, it is preferably used in the field of electromobility, where the available space is often a limiting factor. The excitation field of the machine is usually generated by permanent magnets that are arranged in the rotor of the machine. A slip ring contact, which is necessary for electrically excited synchronous machines in order to supply current to an excitation coil arranged on the rotor, can be dispensed with in the case of the permanently excited synchronous machine.
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.However, a disadvantage of permanent excitation is that the excitation field cannot be easily modified. In principle, a synchronous machine can be operated beyond its nominal speed by controlling the so-called field weakening range. In this range, the machine is operated with the maximum rated power, with the torque delivered by the machine being reduced as the speed increases. Electrically excited synchronous machines can be operated very easily in the field weakening range by reducing the excitation current. Possibilities are also known in permanently excited machines for generating an air-gap field component via a suitable energization of the stator of the machine, which counteracts the excitation field generated by the permanent magnets and thus weakens it. However, driving the machine in this way causes increased losses, so that the machine can only be operated with reduced efficiency in this area.
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
Aus der
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Für weitere Alternativen zur Variation des Magnetfelds sei auf die
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.The object of the invention is to provide an electrical machine which is optimized with regard to a torque-dependent amplification of the magnetic field. Furthermore, the object of the invention is a drive train for a provide an electric motor drivable motor vehicle, in which the electric drive machine is improved with regard to the torque-dependent amplification of the magnetic field. In particular, an electrical machine such as a permanently excited radial flux machine is to be created with an operating behavior that is optimized in operating phases with different torques.
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 einen Rotorkörper umfasst, und koaxial innerhalb des Rotorkörpers eine Rotorwelle getrieblich mit dem Rotorkörper drehmomentübertragend gekoppelt ist, wobei ein magnetisches Wirkelement, insbesondere ein Permanentmagnet oder Flussleitstück, im Momentenfluss zwischen dem Rotorkörper und der Rotorwelle angeordnet ist, und ein erstes Getriebe den Rotorkörper und das magnetische Wirkelement sowie ein zweites Getriebe die Rotorwelle mit dem magnetischen Wirkelement verbindet, so dass eine Bewegungsbahn des magnetischen Wirkelements relativ zum Rotorkörper und/oder der Rotorwelle in der Art definiert ist, dass das magnetische Wirkelement drehbar und/oder translatorisch, insbesondere in axialer Richtung und/oder radialer Richtung und/oder Umfangsrichtung versetzbar entlang der Bewegungsbahn zwischen dem Rotorkörper und der Rotorwelle gelagert ist.This object is achieved by an electric machine, in particular for use within a drive train of a hybrid or all-electric motor vehicle, comprising a stator and a rotor separated from the stator by an air gap, which are accommodated in a motor housing, the rotor comprising a rotor body , and coaxially within the rotor body a rotor shaft is gearedly coupled to the rotor body in a torque-transmitting manner, with a magnetic active element, in particular a permanent magnet or flux conducting piece, being arranged in the torque flux between the rotor body and the rotor shaft, and a first gear mechanism connecting the rotor body and the magnetic active element as well as a second gear connects the rotor shaft to the magnetic active element, so that a movement path of the magnetic active element is defined relative to the rotor body and/or the rotor shaft in such a way that the magnetic active element can rotate and/or translate, in particular in the axial direction and/or radial direction and/or is mounted displaceably in the circumferential direction along the path of movement between the rotor body and the rotor shaft.
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 bzw. Flussleitstücken 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.This has the advantage that an electric machine can be realized with a purely mechanical field weakening device, which reliably and cost-effectively adjusts the positions of permanent magnets or flux conducting pieces within the rotor required for field weakening as required, depending on the operating states of torque and speed. In principle, the invention thus also avoids the need for actuators that intervene on or in the rotor from the outside.
Die Bewegungsbahn des magnetischen Wirkelements weist insbesondere bevorzugt eine von einer Kreisbahn abweichende Form auf. Insbesondere ist das magnetische Wirkelement hierzu drehbar und/oder translatorisch, insbesondere in axialer Richtung und/oder radialer Richtung und/oder Umfangsrichtung versetzbar.The movement path of the magnetic active element preferably has a shape that deviates from a circular path. In particular, the magnetic active element can be rotated and/or translated for this purpose, in particular in the axial direction and/or radial direction and/or circumferential direction.
Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.First, the individual elements of the claimed subject matter of the invention are explained in the order in which they are mentioned in the set of claims, and particularly preferred configurations of the subject matter of the invention are described below.
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.The electrical machine can be designed in particular as a rotary machine. In the case of electrical machines designed as rotary machines, a distinction is made in particular between radial flux machines and axial flux machines. A radial flux machine is characterized in that the magnetic field lines extend in the radial direction in the air gap formed between rotor and stator, while in the case of an axial flux machine the magnetic field lines extend in the axial direction in the air gap formed between rotor and stator. In connection with this invention, it is particularly preferred that the electrical machine is configured as a radial flux machine.
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.The motor housing can enclose the electric machine. A motor housing can also accommodate the control and power electronics. The motor housing can also be part of a cooling system for the electric machine and can be designed in such a way that cooling fluid can be supplied to the electric machine via the motor housing and/or the heat can be dissipated to the outside via the housing surfaces. In addition, the motor housing protects the electrical machine and any electronics that may be present from external influences.
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.A motor housing can be formed in particular from a metallic material. Advantageously, the motor housing can be formed from a cast metal material, such as gray cast iron or cast steel. In principle, it is also conceivable to form the motor housing entirely or partially from a plastic.
Ein Rotor ist der sich drehende (rotierende) Teil einer elektrischen Maschine. Insbesondere wird von einem Rotor gesprochen, wenn es auch einen Stator gibt.A rotor is the spinning (rotating) part of an electrical machine. In particular, one speaks of a rotor when there is also a stator.
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.In the context of the invention, a rotor body is understood to mean the rotor without a rotor shaft. The rotor body is therefore made up in particular of the laminated rotor core and the magnetic elements introduced into the pockets of the laminated rotor core or fixed circumferentially to the laminated rotor core and any axial cover parts present for closing the pockets, flux guide elements and the like.
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.A rotor is the spinning (rotating) part of an electrical machine. The rotor comprises a rotor shaft and one or more rotor bodies arranged in a rotationally fixed manner on the rotor shaft. The rotor shaft can be made hollow, which on the one hand Consequence of weight savings and which on the other hand allows the supply of lubricant or coolant to the rotor body.
Ein magnetisches Wirkelement kann insbesondere als ein als Permanentmagnet ausgebildeter Rotormagnet oder als ein magnetisches Flussleitstück ausgebildet sein. 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.A magnetic active element can be designed in particular as a rotor magnet designed as a permanent magnet or as a magnetic flux conducting piece. The permanent magnets to be introduced into the pockets of the laminated rotor core are understood as rotor magnets. A single larger rotor magnet embodied as a bar magnet or a plurality of smaller rotor magnets embodied as permanent magnet elements can be provided for each pocket.
Ein Flussleitelement im Sinne dieser Anmeldung kann ein Körper sein, welcher ein magnetisches oder elektromagnetisches Feld insbesondere hinsichtlich seiner Feldstärke und/oder Feldlinienverlauf beeinflusst, ohne selbst ein magnetisches oder elektromagnetisches Feld zu erzeugen.A flux-guiding element within the meaning of this application can be a body that influences a magnetic or electromagnetic field, in particular with regard to its field strength and/or the course of the field lines, without itself generating a magnetic or electromagnetic field.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das erste Getriebe so konfiguriert ist, dass der Rotorkörper eine erste Außenlaufbahn und das erste magnetische Wirkelement eine zu der ersten Außenlaufbahn komplementäre erste Innenlaufbahn zur wälzenden Führung einer ersten Gruppe von Wälzkörpern entlang einer von der ersten Außenlaufbahn und der ersten Innenlaufbahn definierten ersten Bewegungsbahn aufweist,
und/oder
das erste Getriebe so konfiguriert ist, dass das erste magnetische Wirkelement eine erste Außenlaufbahn und der Rotorkörper eine zu der ersten Außenlaufbahn komplementäre erste Innenlaufbahn zur wälzenden Führung einer ersten Gruppe von Wälzkörpern entlang einer von der ersten Außenlaufbahn und der ersten Innenlaufbahn definierten ersten Bewegungsbahn aufweist,
und/oder
das zweite Getriebe so konfiguriert ist, dass die Rotorwelle eine zweite Innenlaufbahn und das magnetische Wirkelement eine zu der zweiten Innenlaufbahn komplementäre zweite Außenlaufbahn zur wälzenden Führung einer zweiten Gruppe von Wälzkörpern entlang einer von der zweiten Außenlaufbahn und der zweiten Innenlaufbahn definierten zweiten Bewegungsbahn aufweist,
und/oder
das zweite Getriebe so konfiguriert ist, dass das magnetische Wirkelement eine zweite Innenlaufbahn und die Rotorwelle eine zu der zweiten Innenlaufbahn komplementäre zweite Außenlaufbahn zur wälzenden Führung einer zweiten Gruppe von Wälzkörpern entlang einer von der zweiten Außenlaufbahn und der zweiten Innenlaufbahn definierten zweiten Bewegungsbahn aufweist,
wobei die erste Bewegungsbahn und die zweite Bewegungsbahn eine Bewegungsbahn des magnetischen Wirkelements definieren, und die erste Bewegungsbahn und/oder die zweite Bewegungsbahn eine von der Kreisform abweichende Form aufweisen.According to an advantageous embodiment of the invention, it can be provided that the first gear is configured in such a way that the rotor body has a first outer race and the first magnetic active element has a first inner race complementary to the first outer race for the rolling guidance of a first group of rolling elements along one of the first outer raceway and the first inner raceway has a defined first movement path,
and or
the first transmission is configured such that the first magnetic active element has a first outer race and the rotor body has a first inner race complementary to the first outer race for the rolling guidance of a first group of rolling bodies along a first movement path defined by the first outer race and the first inner race,
and or
the second transmission is configured in such a way that the rotor shaft has a second inner raceway and the magnetic active element has a second outer raceway that is complementary to the second inner raceway for the rolling guidance of a second group of rolling bodies along a second movement path defined by the second outer raceway and the second inner raceway,
and or
the second transmission is configured in such a way that the magnetic active element has a second inner raceway and the rotor shaft has a second outer raceway that is complementary to the second inner raceway for the rolling guidance of a second group of rolling bodies along a second movement path defined by the second outer raceway and the second inner raceway,
wherein the first trajectory and the second trajectory define a trajectory of the magnetic active element, and the first trajectory and/or the second trajectory have a non-circular shape.
Über ein derartig wälzkörperbestücktes Kurvengetriebe im Drehmomentfluss zwischen dem Rotorkörper und der Rotorwelle kann eine reibungsarme Ausführung eines Getriebes, insbesondere eines Kurvengetriebes realisiert werden. Unter Wirkung des von der elektrischen Maschine erzeugten Drehmoments verdreht sich somit der Rotorkörper gegenüber der Rotorwelle, während die Wirkelemente unter reinem Abrollen der Wälzkörper auf entsprechend gestalteten Laufbahnen Bewegungen ausführen, die sie in diejenigen Stellungen bringen, in denen sie ein stärkeres bzw. schwächeres Magnetfeld bewirken, und die zweckgerecht den Betriebspunkten des Motorkennfelds zugeordnet sind. Ferner wird durch die wälzkörperbestückten Getriebe das Risiko hoher mechanischer Reibungshysteresen reduziert bzw. ganz vermieden.A low-friction design of a gear, in particular a cam gear, can be realized via such a cam gear equipped with rolling elements in the torque flow between the rotor body and the rotor shaft. Under the effect of the torque generated by the electric machine, the rotor body rotates in relation to the rotor shaft, while the active elements execute movements simply by rolling the rolling elements on correspondingly designed raceways, which bring them into those positions in which they produce a stronger or weaker magnetic field , and which are appropriately assigned to the operating points of the engine map. Furthermore, the risk of high mechanical friction hysteresis is reduced or completely avoided by the gears equipped with rolling bodies.
Somit kann gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Bewegungssteuerung allein über die drehzahlabhängige Fliehkraft mit dem Risiko hoher mechanischer Reibungshysteresen vermieden werden. Auf eine Vielzahl aufwändiger Lagerungen und Bewegungsübersetzungselemente wie Zahnräder oder Zahnstangen für die zu verdrehenden oder zu verlagernden Permanentmagnete bzw. Flussleitelemente kann ebenfalls verzichtet werden.Thus, according to this preferred embodiment of the invention, a movement control solely via the speed-dependent centrifugal force with the risk of high mechanical friction hysteresis can be avoided. A large number of complex bearings and movement transmission elements such as gear wheels or toothed racks for the permanent magnets or flux guide elements to be rotated or displaced can also be dispensed with.
Die Wälzkörper können innerhalb des Getriebes insbesondere auf der Innenlaufbahn abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der Innenlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht.The rolling elements can roll within the transmission, in particular on the inner raceway. For this purpose, the surface of the inner raceway can advantageously be designed to be abrasion-resistant, for example by means of a corresponding surface treatment method and/or by applying a corresponding additional layer of material.
Die Innenlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der Innenlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Wälzkörper auf der Innenlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der Innenlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Wälzkörper auf der Innenlaufbahn erlauben.The inner track can be flat or profiled. A profiled design of the inner raceway can be used, for example, to guide the rolling elements on the inner raceway. On the other hand, a planar formation of the inner raceway can, for example, allow a certain axial displaceability of the rolling bodies on the inner raceway.
Die Innenlaufbahn kann zur Aufnahme und/oder Führung von Wälzkörpern eine Profilierung aufweisen. Hierdurch werden die Wälzkörper beispielsweise in einer definierten Weise in bzw. auf der Innenlaufbahn geführt. Ferner können durch die geometrische Ausgestaltung der profilierten Innenlaufbahn die axiale und radiale Kraftaufnahme des Getriebes beeinflusst werden.The inner track can have a profile for receiving and/or guiding rolling bodies. As a result, the rolling bodies are guided in or on the inner raceway, for example, in a defined manner. Furthermore, the geometric design of the profiled interior raceway the axial and radial force absorption of the gear can be influenced.
Die Wälzkörper können innerhalb des Getriebes insbesondere auf der Außenlaufbahn abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der Außenlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht.The rolling elements can roll within the transmission, in particular on the outer track. For this purpose, the surface of the outer track can advantageously be made correspondingly abrasion-resistant, for example also by means of a corresponding surface treatment process and/or by applying a corresponding additional layer of material.
Die Außenlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der Außenlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Wälzkörper auf der Außenlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der Außenlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Wälzkörper auf der Außenlaufbahn erlauben.The outer track can be flat or profiled. A profiled design of the outer raceway can be used, for example, to guide the rolling elements on the outer raceway. On the other hand, a planar formation of the outer raceway can, for example, allow a certain axial displaceability of the rolling bodies on the outer raceway.
Die Außenlaufbahn kann zur Aufnahme und/oder Führung von Wälzkörpern eine Profilierung aufweisen. Hierdurch werden die Wälzkörper beispielsweise in einer definierten Weise in bzw. auf der Außenlaufbahn geführt. Ferner können durch die geometrische Ausgestaltung der profilierten Außenlaufbahnen auch die axiale und radiale Kraftaufnahme des Getriebes beeinflusst werden.The outer track can have a profile for receiving and/or guiding rolling bodies. As a result, the rolling bodies are guided, for example, in a defined manner in or on the outer track. Furthermore, the axial and radial force absorption of the transmission can also be influenced by the geometric design of the profiled outer raceways.
Die Wälzkörper können die Form einer Kugel oder einer Rolle aufweisen. Sie wälzen sich bevorzugt auf den Laufbahnen des Kurvengetriebes ab. Sie können bevorzugt eine Radialkraftkomponente von einer Innenlaufbahn auf eine Außenlaufbahn und umgekehrt übertragen. Es ist auch denkbar, dass die Wälzkörper Axialkraftkomponenten zwischen den Laufbahnen übertragen. Rollenförmige Wälzkörper werden auch als Rollenwälzkörper und kugelförmige Wälzkörper als Lagerkugel bezeichnet.The rolling bodies can be in the form of a sphere or a roller. They preferably roll on the raceways of the cam mechanism. They can preferably transmit a radial force component from an inner raceway to an outer raceway and vice versa. It is also conceivable that the rolling elements transmit axial force components between the raceways. Roller-shaped rolling elements are also referred to as roller rolling elements and spherical rolling elements as bearing balls.
Rollenförmige Wälzkörper können beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der symmetrischen Pendelrollen, der asymmetrischen Pendelrollen, der Zylinderrollen, der Nadelrollen und/oder der Kegelrollen.Roller-shaped rolling bodies can be selected, for example, from the group of symmetrical spherical rollers, asymmetrical spherical rollers, cylindrical rollers, needle rollers and/or tapered rollers.
Wälzkörper können in einem Käfig oder durch Wälzkörperdistanzstücke geführt und voneinander beabstandet sein.Rolling elements can be guided and spaced apart in a cage or by rolling element spacers.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine als Radialflussmaschine konfiguriert ist.According to a further preferred development of the invention, it can also be provided that the electrical machine is configured as a radial flow machine.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl von magnetischen Wirkelementen insbesondere äquidistant über den Umfang des Rotors verteilt angeordnet sind, wobei die Mehrzahl von magnetischen Wirkelementen identisch oder voneinander verschieden ausgeführt sind.Furthermore, according to a likewise advantageous embodiment of the invention, it can be provided that a plurality of magnetic active elements are distributed in particular equidistantly over the circumference of the rotor, the plurality of magnetic active elements being identical or different from one another.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Bewegung des magnetischen Wirkelements entlang seiner Bewegungsbahn entgegen der Wirkung eines Energiespeichers, insbesondere eines Federelements, wie beispielsweise einer Druckfeder, erfolgt.
Hierdurch lässt sich insbesondere der Wirkung erzielen, dass insbesondere die rollenbestückten Kurvengetriebe zusammen mit der Wirkung der Energiespeicher eine effektive und kostengünstige Lagerung für die Wirkelemente bilden, welche sie auch unter überlagerter Fliehkraftwirkung abhängig vom Drehmoment die beabsichtigten Bewegungen reibungsarm ausführen und die Stellungen für ein stärkeres oder schwächeres Magnetfeld einnehmen lassen.According to a further particularly preferred embodiment of the invention, it can be provided that the movement of the magnetic active element along its movement path takes place against the action of an energy store, in particular a spring element such as a compression spring.
In this way, the effect can be achieved in particular that the cam gears fitted with rollers, together with the effect of the energy storage device, form an effective and cost-effective bearing for the active elements, which they also carry out the intended movements with little friction under the superimposed effect of centrifugal force depending on the torque and the positions for a stronger or let take weaker magnetic field.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass der Energiespeicher außerhalb des Drehmomentflusses zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten magnetischen Wirkelementen angeordnet ist. In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der Energiespeicher innerhalb des Drehmomentflusses zwischen dem Rotorkörper und dem magnetischen Wirkelement und/oder der Energiespeicher innerhalb des Drehmomentflusses zwischen der Rotorwelle und dem magnetischen Wirkelement angeordnet ist. Demnach entsprechen diese Anordnungen der gleichzeitigen Realisierung eines Sensors für das anstehende Drehmoment und eines Stellers zur zweckgerechten Positionierung der Wirkelemente.Furthermore, the invention can also be further developed such that the energy store is arranged outside of the torque flow between two magnetic active elements that are adjacent in the circumferential direction. In a likewise preferred embodiment variant of the invention, it can also be provided that the energy store is arranged within the torque flow between the rotor body and the magnetic active element and/or the energy store is arranged within the torque flow between the rotor shaft and the magnetic active element. Accordingly, these arrangements correspond to the simultaneous realization of a sensor for the torque present and an actuator for the purposeful positioning of the active elements.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Bewegungsbahn des magnetischen Wirkelements und der Energiespeicher derart konfiguriert sind und zusammenwirken, dass bei einem definierten ersten Drehmoment das magnetische Wirkelement entlang seiner Bewegungsbahn in eine erste Position versetzt wird, in der ein erstes Magnetfeld im Luftspalt erzeugt ist und bei einem definierten zweiten Drehmoment das magnetische Wirkelement entlang seiner Bewegungsbahn in eine zweite Position versetzt wird, in der zweites Magnetfeld im Luftspalt erzeugt ist. Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass das erste Drehmoment kleiner als das zweite Drehmoment und das erste Magnetfeld kleiner ist als das zweite Magnetfeld.It can also be advantageous to further develop the invention in such a way that the movement path of the magnetic active element and the energy store are configured and interact in such a way that at a defined first torque the magnetic active element is moved along its movement path into a first position in which a first magnetic field is generated in the air gap and at a defined second torque, the magnetic active element is displaced along its path of movement into a second position in which the second magnetic field is generated in the air gap. According to a further preferred embodiment of the subject matter of the invention, it can be provided that the first torque is smaller than the second torque and the first magnetic field is smaller than the second magnetic field.
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.The object of the invention is also achieved by a drive train for a hybrid or full Electrically drivable motor vehicle comprising an electrical machine according to one of Claims 1-8.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with reference to figures without restricting the general inventive idea.
Es zeigen:
-
1 eine elektrische Maschine in einer schematischen Querschnittsansicht, -
2 einen Rotor einer elektrischen Maschine in einer schematischen Querschnittsansicht, -
3 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines Rotors einer elektrischen Maschine, -
4 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines Rotors einer elektrischen Maschine, -
5 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform eines Rotors einer elektrischen Maschine, und -
6 ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine in einer Blockschaltansicht.
-
1 an electrical machine in a schematic cross-sectional view, -
2 a rotor of an electrical machine in a schematic cross-sectional view, -
3 a block diagram of a first embodiment of a rotor of an electrical machine, -
4 a block diagram of a second embodiment of a rotor of an electrical machine, -
5 a block diagram of a third embodiment of a rotor of an electrical machine, and -
6 a motor vehicle with an electric machine in a block diagram.
Die
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 umfasst einen Rotorkörper 3 und koaxial innerhalb des Rotorkörpers 3 eine Rotorwelle 5, welche getrieblich mit dem Rotorkörper 3 drehmomentübertragend gekoppelt ist. Magnetische Wirkelemente 4, wie beispielsweise Permanentmagnete oder Flussleitstücke, sind im Momentenfluss zwischen dem Rotorkörper 3 und der Rotorwelle 5 angeordnet.The
In den folgenden
Zur Veranschaulichung ist hierbei in den Blockschaltbildern der
Anhand der
Aus der
Das zweite Getriebe 32 ist so konfiguriert, dass die Rotorwelle 5 eine zweite Innenlaufbahn 7 und das magnetische Wirkelement 4 eine zu der zweiten Innenlaufbahn 7 komplementäre zweite Außenlaufbahn 71 zur wälzenden Führung einer zweiten Gruppe von Wälzkörpern 9 entlang einer von der zweiten Außenlaufbahn 71 und der zweiten Innenlaufbahn 7 definierten zweiten Bewegungsbahn aufweist.The
Die erste Bewegungsbahn und die zweite Bewegungsbahn definieren hierbei eine Bewegungsbahn des magnetischen Wirkelements 4 und die erste Bewegungsbahn und/oder die zweite Bewegungsbahn weisen eine von der Kreisform abweichende Form auf.The first trajectory and the second trajectory define a trajectory of the magnetic
Auch wenn es in der
Eine Mehrzahl von magnetischen Wirkelementen 4 - im gezeigten Ausführungsbeispiel der
Der
Die
Abweichend von der in der
Die
Die Bewegungsbahn des magnetischen Wirkelements 4 und der Energiespeicher 10 sind in den gezeigten Ausführungen der
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.The invention is not limited to the embodiments shown in the figures. The foregoing description is therefore not to be considered as limiting but as illustrative. The following patent claims are to be understood in such a way that a mentioned feature is present in at least one embodiment of the invention. This does not exclude the presence of other features. If the patent claims and the above description define 'first' and 'second' feature, this designation serves to distinguish between two similar features without establishing a ranking.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Rotorrotor
- 22
- Maschinemachine
- 33
- Rotorkörperrotor body
- 44
- Wirkelementactive element
- 55
- Rotorwellerotor shaft
- 66
- Außenlaufbahnouter track
- 77
- Innenlaufbahninner race
- 88th
- Wälzkörpernrolling elements
- 99
- Wälzkörpernrolling elements
- 1010
- Energiespeichers energy storage
- 2020
- Maschinemachine
- 2121
- Motorgehäusemotor housing
- 2222
- Luftspalt air gap
- 3030
- Getriebe transmission
- 3232
- Getriebe transmission
- 6161
- Außenlaufbahn outer track
- 7171
- Außenlaufbahnouter track
Claims (9)
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