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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Axialflussmaschine, umfassend einen Stator, und einen Rotor, wobei der Rotor eine insbesondere als Hohlwelle ausgeformte Rotorwelle mit zumindest einem ersten scheibenförmig ausgebildeten, auf der Rotorwelle dreh- und verschiebefest angeordneten, Rotorkörper aufweist, wobei der Stator einen ersten ringscheibenförmigen Statorkörper und einen zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper umfasst, welche koaxial zueinander und zu der Rotorwelle angeordnet und axial unter Zwischenanordnung des Rotors voneinander beabstandet sind und wobei zwischen dem ersten ringscheibenförmigen Statorkörper und dem Rotor in axialer Richtung beabstandet ein erster Luftspalt und zwischen dem zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper und dem Rotor ein zweiter Luftspalt ausgebildet ist, wobei der Rotor an wenigstens zwei voneinander axial beabstandeten Wälzlagern drehbar gelagert ist.
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Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
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Eine ausführliche Darstellung zu einem Elektroantrieb ergibt sich aus einem Artikel der Zeitschrift ATZ 113. Jahrgang, 05/2011, Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge. In diesem Artikel wird eine Antriebseinheit für eine Achse eines Fahrzeugs beschrieben, welche einen E-Motor umfasst, der konzentrisch und koaxial zu einem Kegelraddifferenzial angeordnet ist, wobei in dem Leistungsstrang zwischen Elektromotor und Kegelraddifferenzial ein schaltbarer 2-Gang-Planetenradsatz angeordnet ist, der ebenfalls koaxial zu dem E-Motor bzw. dem Kegel-raddifferenzial oder Stirnradifferential positioniert ist. Die Antriebseinheit ist sehr kompakt aufgebaut und erlaubt aufgrund des schaltbaren 2-Gang-Planetenradsatzes einen guten Kompromiss zwischen Steigfähigkeit, Beschleunigung und Energieverbrauch. Derartige Antriebseinheiten werden auch als E-Achsen oder elektrisch betreibbarer Antriebsstrang bezeichnet.
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Neben den rein elektrisch betriebenen Antriebssträngen sind auch hybride Antriebsstränge bekannt. Derartige Antriebsstränge eines Hybridfahrzeuges umfassen üblicherweise eine Kombination aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor, und ermöglichen - beispielsweise in Ballungsgebieten - eine rein elektrische Betriebs-weise bei gleichzeitiger ausreichender Reichweite und Verfügbarkeit gerade bei Überlandfahrten. Zudem besteht die Möglichkeit, in bestimmten Betriebssituationen gleich-zeitig durch die Brennkraftmaschine und den Elektromotor anzutreiben.
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Eine Axialflussmaschine bezeichnet eine dynamoelektrische Maschine, bei der der magnetische Fluss zwischen Rotor und Stator parallel zur Drehachse des Rotors verläuft. Häufig sind sowohl Stator als auch Rotor weitgehend scheibenförmig ausgebildet. Axialflussmaschinen sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn der axial zur Verfügung stehende Bauraum in einem gegebenen Anwendungsfall begrenzt ist. Dies ist beispielsweise vielfach bei elektrischen Antriebsystemen für Elektro- oder Hybridfahrzeuge der Fall.
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Neben der verkürzten axialen Baulänge liegt ein weiterer Vorteil der Axialflussmaschine in ihrer vergleichsweise hohen Drehmomentdichte. Ursächlich hierfür ist die im Vergleich zu Radialflussmaschinen größere Luftspaltfläche, die bei einem gegebenen Bauraum zur Verfügung steht. Ferner ist auch ein geringeres Eisenvolumen im Vergleich zu konventionellen Maschinen notwendig, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Maschine auswirkt.
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In der Regel umfasst eine Axialflussmaschine mindestens einen Stator, der Wicklungen zur Erzeugung des axial ausgerichteten magnetischen Feldes aufweist. Mindestens ein Rotor ist beispielsweise mit Permanentmagneten bestückt, deren magnetisches Feld in Wechselwirkung mit dem magnetischen Feld der Statorwicklungen über einen Luftspalt ein Antriebsmoment erzeugt.
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Um den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator einer Axialflussmaschine unter Berücksichtigung der vorhandenen Toleranzketten möglichst genau einstellen zu können, ist es bekannt, die Wälzlager der Rotorwelle vorzuspannen, um diese im Wesentlichen im Betrieb spielfrei auszuführen.
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Da der Rotor einer Axialflussmaschine jedoch regelmäßig mit starken Magneten bestückt ist, kann es im Betrieb der Axialflussmaschine zu Betriebssituationen kommen, in denen der Rotor durch die entsprechenden Toleranzketten axial leicht verrutschen kann, was dann wiederum zu erhöhten Anziehungskräften des Stators auf den Rotor führt. Wenn diese Anziehungskräfte die Vorspannkraft des Wälzlagers übersteigen und dieser entgegengerichtet sind, kann sich der Rotor an den entsprechenden Stator anlegen und die Axialflussmaschine so blockieren.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Axialflussmaschine bereitzustellen, die die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermindert oder vollständig vermeidet und eine Axialflussmaschine mit verbesserter Betriebssicherheit unter Beibehaltung einer kompakten Bauform bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine/ein Elektrische Axialflussmaschine, umfassend einen Stator, und einen Rotor, wobei der Rotor eine insbesondere als Hohlwelle ausgeformte Rotorwelle mit zumindest einem ersten scheibenförmig ausgebildeten, auf der Rotorwelle dreh- und verschiebefest angeordneten, Rotorkörper aufweist, wobei der Stator einen ersten ringscheibenförmigen Statorkörper und einen zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper umfasst, welche koaxial zueinander und zu der Rotorwelle angeordnet und axial unter Zwischenanordnung des Rotors voneinander beabstandet sind und wobei zwischen dem ersten ringscheibenförmigen Statorkörper und dem Rotor in axialer Richtung beabstandet ein erster Luftspalt und zwischen dem zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper und dem Rotor ein zweiter Luftspalt ausgebildet ist, wobei der Rotor an wenigstens zwei voneinander axial beabstandeten Wälzlagern drehbar gelagert ist, wobei der erste Luftspalt und der zweite Luftspalt voneinander verschieden und konfiguriert sind, dass der Rotor eine in axialer Richtung orientierte Kraft auf die Rotorwelle ausübt, so dass die Wälzlager vorgespannt und somit im Wesentlichen spielfrei sind.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch eine elektrische Axialflussmaschine, umfassend einen Stator mit wenigstens einem ersten ringscheibenförmigen Statorkörper und einen Rotor, wobei der Rotor eine insbesondere als Hohlwelle ausgeformte Rotorwelle mit einem ersten scheibenförmig ausgebildeten, auf der Rotorwelle dreh- und verschiebefest angeordneten Rotorkörper und mit einem zweiten scheibenförmig ausgebildeten, auf der Rotorwelle dreh- und verschiebefest angeordneten Rotorkörper aufweist, welche koaxial zueinander und zu der Rotorwelle angeordnet und axial unter Zwischenanordnung des Stators voneinander beabstandet sind und wobei zwischen dem ersten ringscheibenförmigen Rotorkörper und dem Stator in axialer Richtung beabstandet ein erster Luftspalt und zwischen dem zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper und dem Stator ein zweiter Luftspalt ausgebildet ist, wobei der Rotor an wenigstens zwei voneinander axial beabstandeten Wälzlagern drehbar gelagert ist, wobei der erste Luftspalt und der zweite Luftspalt voneinander verschieden und konfiguriert sind, dass der Rotor eine in axialer Richtung orientierte Kraft auf die Rotorwelle ausübt, so dass die Wälzlager vorgespannt und somit im Wesentlichen spielfrei sind.
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Die erfindungsgemäßen Axialflussmaschinen können durch die asymmetrisch ausgebildeten Luftspalte zum einen ein ungewolltes Überdrücken der Vorspannfeder vermeiden. Zum anderen wird es durch die asymmetrische Ausbildung der Luftspalte auch möglich, vollständig auf eine Vorspannfeder zum Vorspannen der Wälzlager zu verzichten, da wenigstens eines der Wälzlager durch die von der asymmetrischen Luftspaltkonfiguration erzeugten Axialkraft vorgespannt und spielfrei gehalten werden kann.
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Der magnetische Fluss in einer erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine (AFM) ist im Luftspalt zwischen Stator und Rotor axial zu einer Rotationsrichtung des Rotors der Axialflussmaschine gerichtet.
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Es gibt unterschiedliche Typen von Axialflussmaschinen. Ein bekannter Typ ist eine sogenannte I-Anordnung, bei der der Rotor axial neben einem Stator oder zwischen zwei Statoren angeordnet ist und welche mit dem unabhängigen Anspruch 1 beansprucht ist.
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Ein anderer bekannter Typ ist eine sogenannte H-Anordnung, bei der zwei Rotoren auf gegenüberliegenden axialen Seiten eines Stators angeordnet sind und welche mit dem nebengeordneten, unabhängigen Anspruch 2 beansprucht ist.
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Grundsätzlich ist es auch möglich, dass eine Mehrzahl von Rotor-Stator-Konfigurationen als I-Typ und/oder H-Typ axial nebeneinander angeordnet sind. Auch wäre es in diesem Zusammenhang möglich, sowohl eine oder mehrere Rotor-Stator-Konfigurationen des I-Typs sowie eine oder mehrere Rotor-Stator-Konfigurationen des H-Typs in axialer Richtung nebeneinander anzuordnen. Insbesondere ist es auch zu bevorzugen, dass die Rotor-Stator-Konfiguration des H-Typs und/oder des I-Typs jeweils im Wesentlichen identisch ausgebildet sind, so dass diese modulartig zu einer Gesamtkonfiguration zusammengefügt werden können. Derartige Rotor-Stator-Konfigurationen können insbesondere koaxial zueinander angeordnet sein sowie mit einer gemeinsamen Rotorwelle oder mit mehrere Rotorwellen verbunden sein.
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Der Rotor einer elektrischen Axialflussmaschine kann bevorzugt zumindest in Teilen als geblechter Rotor ausgebildet sein. Ein geblechter Rotor ist in axialer Richtung geschichtet ausgebildet. Der Rotor einer Axialflussmaschine kann alternativ auch einen Rotorträger bzw. Rotorkörper aufweisen, der entsprechend mit Magnetblechen und/oder SMC-Material und mit als Permanentmagneten ausgebildeten Magnetelementen bestückt ausgebildet ist.
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Ein Rotorkörper weist in bevorzugter Weise ein Innenteil, über das der Rotor drehfest mit einer Welle verbindbar ist, und ein Außenteil auf, das den Rotor in radialer Richtung nach außen begrenzt. Der Rotorkörper kann zwischen Innenteil und Außenteil mit mehreren Rotorstreben ausgebildet sein, über das das Innenteil und das Außenteil miteinander verbunden sind und welches gemeinsam mit der radialen Außenfläche des Innenteils und der radialen Innenfläche des Außenteils einen Aufnahmeraum für die Aufnahme der Magnetelemente und der Flussleitelemente des Rotors bildet. Alternativ zu dem Aufnahmeraum können die Magnetelemente auf dem Rotorträger angeordnet bzw. aufgesetzt sein.
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Ein Magnetelement kann als Permanentmagnet in Form eines Stabmagneten oder in Form kleinerer als Klötze ausgebildeter Magnetblöcke gebildet sein. Die Magnetelemente sind in der Regel in, an oder auf einem Rotorträger angeordnet. Das als Permanentmagnet ausgebildete Magnetelement eines Rotors einer Axialflussmaschine steht in Wechselwirkung mit einem rotierenden Magnetfeld welches durch die in der Regel mit einem Drehstrom beaufschlagten Statorwicklungspulen erzeugt ist.
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Als Rotorwelle wird eine drehbar gelagerte Welle einer elektrischen Maschine bezeichnet, mit der der Rotor bzw. Rotorkörper drehfest gekoppelt ist.
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Der Stator einer elektrischen Axialflussmaschine weist bevorzugt einen Statorkörper mit mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Statorwicklungen auf. Der Statorkörper kann in Umfangsrichtung gesehen einteilig oder segmentiert ausgebildet sein. Der Statorkörper kann aus einem Statorblechpaket mit mehreren laminierten Elektroblechen gebildet sein. Alternativ kann der Statorkörper auch aus einem verpressten weichmagnetischen Material, wie dem sogenannten SMC-Material (Soft Magnetic Compound) gebildet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erste ringscheibenförmige Statorkörper und/oder der zweite ringscheibenförmigen Statorkörper als Leiterplatte, insbesondere als gedruckte Schaltung, ausgebildet sind, wodurch der Statorkörper besonders kompakt und kostengünstig herstellbar ist. Die Leiterplatte ist bevorzugt eine Multilayer-Platine mit mehreren Kupferlagen, über die sich die Statorwicklungen erstrecken. Eine weitere mögliche Ausführungsform ist die Ausführung des Statorkörpers als Sandwich mehrerer Multilayer-Platinen.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der erste ringscheibenförmige Statorkörper und/oder der zweite ringscheibenförmigen Statorkörper drehfest in dem Motorgehäuse aufgenommen und mit diesem verbunden sind/ist, so dass beispielsweise auf gesonderte Abstandselemente zwischen den Statoren verzichtet werden kann.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass das Motorgehäuse aus einem metallischen Material und/oder Keramik und/oder einem Kunststoff und/oder aus einem Verbundmaterial geformt ist.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die axiale Erstreckung des ersten Luftspalts von der axialen Erstreckung des zweiten Luftspalts verschieden ist, wodurch eine konstruktiv einfache aber effektive asymmetrische Ausbildung der Luftspalte realisierbar ist.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass wenigstens eines der Wälzlager von einem Federelement vorgespannt wird, wobei das Federelement eine in axialer Richtung orientierte Vorspannkraft auf das Wälzlager bewirkt, welche gleichgerichtet zur axial orientierten Kraft des Rotors wirkt. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass die Vorspannung auf das Wälzlager und dessen Spielfreiheit weiter verbessert werden kann und insbesondere auch eine „Kraftreserve“ gegen eine vom Rotor erzeugte axial entgegenwirkende Kraft aufweist.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Axialkraft drehzahlabhängig ist. Des Weiteren kann die Erfindung alternativ auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Axialkraft drehzahlunabhängig ist.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der erste Luftspalt und der zweite Luftspalt im Betrieb konstant sind, so dass sich insbesondere auch eine konstante Axialkraft bereitstellen lässt.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der erste Luftspalt und der zweite Luftspalt zylinderringförmig ausgestaltet sind.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass der erste ringscheibenförmige Statorkörper und der zweite ringscheibenförmige Statorkörper im Wesentlichen identisch ausgebildet sind oder der erste ringscheibenförmige Rotorkörper und der zweite ringscheibenförmige Rotorkörper im Wesentlichen identisch ausgebildet sind, was fertigungstechnisch sowie aus dem Aspekt einer Bauteilkomplexitätsreduktion vorteilhaft ist.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass die Wälzlager, der Rotor und der Stator eine bauliche Einheit bilden, und insbesondere in einem gemeinsamen Motorgehäuse angeordnet sind. Alternativ ist es auch möglich, dass die Wälzlager außerhalb und der Stator sowie der Rotor innerhalb des Motorgehäuses angeordnet sind.
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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 erste Ausführungsform einer Axialflussmaschine in 1-Ausführung in einer schematischen Axialschnittansicht, und
- 2 eine zweite Ausführungsform einer Axialflussmaschine in H-Ausführung in einer schematischen Axialschnittansicht.
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Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer elektrische Axialflussmaschine 1, umfassend einen Stator 2, und einen Rotor 3, wobei der Rotor 3 eine als Hohlwelle ausgeformte Rotorwelle 30 mit zumindest einem ersten scheibenförmig ausgebildeten, auf der Rotorwelle 30 dreh- und verschiebefest angeordneten, Rotorkörper 31 aufweist. Der Stator 2 besitzt einen ersten ringscheibenförmigen Statorkörper 21 und einen zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper 22, welche koaxial zueinander und zu der Rotorwelle 30 angeordnet und axial unter Zwischenanordnung des Rotors 3 voneinander beabstandet sind.
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Zwischen dem ersten ringscheibenförmigen Statorkörper 21 und dem Rotor 3 ist in axialer Richtung beabstandet ein erster Luftspalt 32 und zwischen dem zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper 22 und dem Rotor 3 ist ein zweiter Luftspalt 33 ausgebildet. Diese Konfiguration wird auch als I-Typ einer Axialflussmaschine 1 bezeichnet. Der erste ringscheibenförmige Statorkörper 21 und der zweite ringscheibenförmige Statorkörper 22 sind im Wesentlichen identisch ausgebildet.
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Der Rotor 3 ist an wenigstens zwei voneinander axial beabstandeten Wälzlagern 40 drehbar gelagert, wobei die Wälzlager 40 axial jeweils neben den Statorkörpern 21,22 auf der Rotorwelle 30 angeordnet sind. Damit liegen die Wälzlager 40 außerhalb der elektrischen bzw. elektromagnetischen Baugruppen der Axialflussmaschine 1.
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Der erste Luftspalt 32 und der zweite Luftspalt 33 sind so voneinander verschieden und so konfiguriert, dass der Rotor 3 eine in axialer Richtung orientierte Kraft 43 auf die Rotorwelle 30 ausübt, so dass die Wälzlager 40 vorgespannt und somit im Wesentlichen spielfrei sind.
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Die Wälzlager 40 werden im gezeigten Ausführungsbeispiel über ein als Wellfeder ausgebildetes Federelement 41 vorgespannt, wodurch sich die Rotorwelle 30in der Darstellung der 1 nach rechts schiebt. Der Rotor 3 der Axialflussmaschine ist nun so auf der Rotorwelle 30 fixiert, dass der zweite, in der 1 rechte, Luftspalt 33 kleiner ist als der erste, linke Luftspalt 32. Der Rotor 33 zieht somit immer magnetisch zum zweiten, in der 1 rechten Statorkörper 22 und hält so seine axiale Position.
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2 zeigt eine alternative Konfiguration einer elektrischen Axialflussmaschine 1, umfassend einen Stator 2 mit wenigstens einem ersten ringscheibenförmigen Statorkörper 21 und einen Rotor 3, wobei der Rotor 3 eine insbesondere als Hohlwelle ausgeformte Rotorwelle 30 mit einem ersten scheibenförmig ausgebildeten, auf der Rotorwelle 30 dreh- und verschiebefest angeordneten Rotorkörper 31 und mit einem zweiten scheibenförmig ausgebildeten, auf der Rotorwelle 30 dreh- und verschiebefest angeordneten Rotorkörper 34 aufweist, welche koaxial zueinander und zu der Rotorwelle 30 angeordnet und axial unter Zwischenanordnung des Stators 2 voneinander beabstandet sind. Zwischen dem ersten ringscheibenförmigen Rotorkörper 31 und dem Stator 2 ist ein erster Luftspalt 32 und zwischen dem zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper 34 und dem Stator 2 ein zweiter Luftspalt 33 ausgebildet. Diese Konfiguration wird auch als H-Typ einer Axialflussmaschine 1 bezeichnet. Der erste ringscheibenförmige Rotorkörper 31 und der zweite ringscheibenförmige Rotorkörper 34 sind im Wesentlichen identisch ausgebildet.
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Auch hier ist der Rotor 3 an wenigstens zwei voneinander axial beabstandeten Wälzlagern 40 drehbar gelagert. Der erste Luftspalt 32 und der zweite Luftspalt 33 sind voneinander verschieden und so konfiguriert, dass der Rotor 3 eine in axialer Richtung orientierte Kraft 43 auf die Rotorwelle 30 ausübt, so dass die Wälzlager 40 vorgespannt und somit im Wesentlichen spielfrei sind.
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Den 1-2 ist gut entnehmbar, dass die axiale Erstreckung des ersten Luftspalts 32 von der axialen Erstreckung des zweiten Luftspalts 33 verschieden ist. Der erste Luftspalt 32 und der zweite Luftspalt 33 sind im Betrieb der Axialflussmaschinen 1 aus den 1-2 konstant und zylinderringförmig ausgestaltet.
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Wie in den 1-2 weiter dargestellt ist, wird wenigstens eines der Wälzlager 40 von einem Federelement 41 vorgespannt, wobei das Federelement 41 eine in axialer Richtung orientierte Vorspannkraft 42 auf das Wälzlager 40 bewirkt, welche gleichgerichtet zur axial orientierten Kraft des Rotors 3 wirkt.
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Schließlich zeigen die 1-2 auch, dass der Rotor 3 und der Stator 2 eine bauliche Einheit bilden, und in einem gemeinsamen Motorgehäuse 5 angeordnet sind.
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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
- Axialflussmaschine
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Wälzlagern
- 5
- Motorgehäuse
- 21
- Statorkörper
- 22
- Statorkörper
- 30
- Rotorwelle
- 31
- Rotorkörper
- 32
- Luftspalt
- 33
- Luftspalt
- 34
- Rotorkörper
- 40
- Wälzlagern
- 41
- Federelement
- 42
- Vorspannkraft
- 43
- Kraft
