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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, umfassend einen Stator und einen gegenüber dem Stator drehbar gelagerten Rotor, wobei in einem zwischen dem Stator und dem Rotor ausgebildeten Luftspalt ein Magnetfeld erzeugbar ist, wodurch der Rotor in eine Drehbewegung versetzbar ist, und die elektrische Maschine eine über den Umfang des Stators und/oder Rotors verteilt angeordnete Anzahl an Poolpaaren aufweist, wobei im Betrieb der elektrischen Maschine eine haupterregende Schwingung mit einer Ordnung erzeugt wird, welche durch die doppelte Anzahl an Poolpaaren bestimmt ist, sowie höher harmonische Schwingungen mit einer Ordnung vorhanden sind, welche ein höheres Vielfaches der Ordnung der haupterregenden Schwingung entsprechen.
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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 Kegelraddifferenzial oder Stirnraddifferential 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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Obwohl Elektromotoren, die als Traktionsmaschinen eingesetzt werden, grundsätzlich betrachtet eine geringere Geräuschemission aufweisen als leistungsmäßig vergleichbare Verbrennungsmotoren, führt das spezifische Geräuschverhalten von Elektromotoren in vielen Anwendungen insbesondere auch im Bereich der Elektromobilität zu Komfortbeeinträchtigungen bis hin zu Akzeptanzproblemen. Der Grund hierfür liegt vor allem in der von den Verbrennungsmotoren völlig abweichenden Geräuschcharakteristik der Elektromotoren. Exemplarisch sei hier auf den unstetigen Pegelverlauf und das sehr tonale, ordnungsspezifische Heulen der Elektromotoren verwiesen, was durch die erheblich größere Drehzahlspanne der Elektromotoren (oft größer 10.000 U/min) verbunden mit den hohen Ordnungszahlen noch verstärkt wird. Die Geräuschcharakteristik von bekannten Elektromotoren ist für PKW-Fahrer sehr ungewohnt und stellt eine große Hürde bezüglich der Akzeptanz von Elektrofahrzeugen dar. Die Optimierung des Geräuschverhaltens von Elektrofahrzeugen ist daher eine wichtige Aufgabe der Fahrzeughersteller beziehungsweise der Zulieferer und gilt als große Herausforderung.
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Die Ursache der relativ hochfrequenten und tonalen Geräuschcharakteristik von Elektromotoren hängt in erster Linie mit der konzeptionell bedingten Änderung des magnetischen Flusses zusammen, was bei Permanentmagnetmotoren in Abhängigkeit von der Anzahl an Polen und Wicklungen zu markanten Ordnungen führt. Diese Änderungen des magnetischen Flusses erzeugen überwiegend radiale, aber auch axiale und tangentiale Wechselkräfte sowohl auf die Motorkomponenten (Rotor, Stator) als auch auf das Motorgehäuse beziehungsweise die angekoppelten Strukturen.
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Die Druckschrift
DE 10 2012 103 677 A1 zeigt eine elektrische Maschine, umfassend einen Stator und einen gegenüber dem Stator drehbar gelagerten Rotor, wobei in einem zwischen dem Stator und dem Rotor ausgebildeten Luftspalt ein Magnetfeld erzeugbar ist, wodurch der Rotor in eine Drehbewegung versetzbar ist, und die elektrische Maschine eine über den Umfang des Rotors verteilt angeordnete Anzahl an Poolpaaren aufweist. Gemäß der beschriebenen Ausführungsform umfasst der Rotor sieben Polpaare, als Arbeitswelle ist die siebte Harmonische der magnetomotorischen Kraft verwendet. Weitere harmonische Schwingungen wie bspw. die Grundform, die fünfte, die neunte, die elfte sowie die siebzehnte sind vorhanden.
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Die Druckschrift
US 2013 / 0 049 513 A1 zeigt eine elektrische Maschine, umfassend einen Stator und einen gegenüber dem Stator drehbar gelagerten Rotor, wobei in einem zwischen dem Stator und dem Rotor ausgebildeten Luftspalt ein Magnetfeld erzeugbar ist, wodurch der Rotor in eine Drehbewegung versetzbar ist, und die elektrische Maschine eine über den Umfang des Rotors verteilt angeordnete Anzahl an Poolpaaren aufweist. Gemäß der beschriebenen Ausführungsform umfasst der Rotor fünf Polpaare, als Arbeitswelle ist die siebte Harmonische verwendet. Weitere harmonische Schwingungen wie bspw. die Grundform, die dritte, die fünfte, die neunte, die elfte werden genannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die beschriebenen Nachteile aus dem Stand der Technik zu reduzieren oder vollständig zu vermeiden und eine elektrische Maschine mit einer verbesserten, insbesondere von einem Nutzer als angenehm empfundenen, akustischen Charakteristik, bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschine, umfassend einen Stator und einen gegenüber dem Stator drehbar gelagerten Rotor, wobei in einem zwischen dem Stator und dem Rotor ausgebildeten Luftspalt ein Magnetfeld erzeugbar ist, wodurch der Rotor in eine Drehbewegung versetzbar ist, und die elektrische Maschine eine über den Umfang des Stators und/oder Rotors verteilt angeordnete Anzahl an Poolpaaren aufweist, wobei im Betrieb der elektrischen Maschine eine haupterregende Schwingung mit einer Ordnung erzeugt wird, welche durch die doppelte Anzahl an Poolpaaren bestimmt ist, sowie höher harmonische Schwingungen mit einer Ordnung vorhanden sind, welche ein höheres Vielfaches der Ordnung der haupterregenden Schwingung entsprechen, wobei eine sub-harmonische Schwingung mit einer Ordnung, welche einem Bruchteil der Ordnung der haupterregenden Schwingung im Betrieb der elektrischen Maschine entspricht, erzeugt ist.
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Hierdurch kann eine erfindungsgemäße elektrische Maschine bereitgestellt werden, deren akustisches Verhalten dahingehend verbessert ist, dass die Betriebsakustik der elektrischen Maschine durch einen Benutzer von diesem nicht als störend, sondern vielmehr als angenehm empfunden wird. Durch das Einbringen einer sub-harmonischen Schwingung, welche einem Bruchteil der Ordnung der haupterregenden Schwingung im Betrieb der elektrischen Maschine entspricht, kann das gesamtheitliche Klangbild der elektrischen Maschine in eine harmonische, weniger tonal und damit als weniger störend empfundenen Ausbildung überführt werden. In von der Anmelderin durchgeführten Hörversuchen mit künstlich modifizierten Fahrzeug-Innengeräuschen von E-Fahrzeugen konnte beispielsweise gezeigt werden, dass der Bewertungs-Parameter pleasantness , der die Angenehmheit eines Geräusches beschreibt und damit quasi dem Gegenteil der Lästigkeit entspricht, durch die gleichzeitige Anwesenheit von sub-harmonischen Schwingungen im Klangbild einer elektrischen Maschine signifikant erhöht werden kann.
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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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Elektrische Maschinen dienen zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfassen in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil.
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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. Bevorzugt ist es, das erfindungsgemäße Verfahren im Zusammenhand mit Statoren für Radialflussmaschinen zu verwenden.
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Im Zusammenhang mit der Erfindung ist es vorteilhaft, dass die elektrische Maschine eine Radialflussmaschine ist.
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Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 rpm, besonders bevorzugt größer als 10.000 rpm, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 rpm bereitstellt. Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine bei 1.000-20.000 rpm betreibbar ist
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Der Stator einer Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht in der Regel aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Durch diesen Aufbau werden die durch das Statorfeld verursachten Wirbelströme im Stator geringgehalten. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten oder umfänglich geschlossene Ausnehmungen eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen. In Abhängigkeit von der Konstruktion zur Oberfläche hin können die Nuten mit Verschlusselementen, wie Verschlusskeilen oder Deckeln oder dergleichen verschlossen sein, um ein Herauslösen der Statorwicklung zu verhindern.
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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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Der Rotor kann insbesondere aus einem Rotorkörper bestehen, welcher mit einer Rotorwelle drehfest verbunden ist. 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 und dergleichen.
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Als Rotorblechpaket werden eine Mehrzahl von in der Regel aus Elektroblech hergestellten laminierten Einzelblechen bzw. Rotorblechen verstanden, die übereinander zu einem Stapel, dem sog. Rotorblechpaket geschichtet und paketiert sind. Die Einzelbleche können dann in dem Blechpaket durch Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung zusammengehalten bleiben.
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Als Kraftfahrzeuge im Sinne dieser Anmeldung gelten Landfahrzeuge, die durch Maschinenkraft bewegt werden, ohne an Bahngleise gebunden zu sein. Ein Kraftfahrzeug kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der Personenkraftwagen (PKW), Lastkraftwagen (LKW), Kleinkrafträder, Leichtkraftfahrzeuge, Krafträder, Kraftomnibusse (KOM) oder Zugmaschinen.
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Im Sinne dieser Anmeldung werden unter dem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges alle Komponenten verstanden, die im Kraftfahrzeug die Leistung für den Antrieb des Kraftfahrzeugs generieren und über die Fahrzeugräder bis auf die Straße übertragen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das im Betrieb der elektrischen Maschine in dem Luftspalt ausgebildete Magnetfeld asymmetrisch ausgebildet ist, so dass eine sub-harmonische Schwingung mit einer Ordnung, welche einem Bruchteil der Ordnung der haupterregenden Schwingung im Betrieb der elektrischen Maschine entspricht, erzeugt ist.
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Bei der asymmetrischen Ausbildung des in dem Luftspalt ausgebildeten Magnetfelds kann es sich beispielsweise um eine Achsenasymmetrie und/oder eine Punktasymmetrie und/oder eine Spiegelasymmetrie handeln.
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Beispielsweise könnte insbesondere der rotor- und/oder statorseitige Blechschnitt des Rotorkörpers und/oder des Statorkörpers zur Erzeugung des asymmetrischen Magnetfelds angepasst sein, um die Sub-Harmonische zu erzeugen. Ein entsprechendes Vorhalten gezielter Asymmetrien mit der gewünschten Ordnung wäre über eine entsprechende Anpassung im Stanzwerkzeug der Blechschnitte zumindest fertigungsseitig kostenneutral darstellbar. Da man üblicherweise bereits bei der Auslegung der elektrischen Maschine die resultierende Haupterregende bekannt ist, kann bereits in diesem Auslegungsstadium die notwendige Asymmetrie im Blechzuschnitt definiert werden.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung in diesem Zusammenhang beispielsweise auch vorgesehen sein, dass der Rotor eine äußere Kontur aufweist, welche eine umfängliche Veränderung des Luftspalts zwischen dem Rotor und dem Stator bewirkt, wodurch eine entsprechende Veränderung uns asymmetrische Ausbildung des Magnetfelds in dem Luftspalt bewirkt werden kann. Des Weiteren kann es in diesem Kontext gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Rotor eine Anzahl von über den Umfang verteilte, von der Kreisform abweichende Bereiche der äußeren Kontur des Rotors aufweist, die kleiner ist als die doppelte Anzahl der Polpaare der elektrischen Maschine. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass eine konstruktiv einfache Bereitstellung einer sub-harmonischen Schwingung im Klangbild der betriebenen elektrischen Maschine realisiert werden kann.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein, dass der Stator eine innere Kontur aufweist, welche eine umfängliche Veränderung des Luftspalts zwischen dem Rotor und dem Stator bewirkt. Des Weiteren kann die Erfindung in diesem Zusammenhang auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass der Stator eine Anzahl von über den Umfang verteilte, von der Kreisform abweichende Bereiche der inneren Kontur des Stators aufweist, die kleiner ist als die doppelte Anzahl der Polpaare der elektrischen Maschine. Auch hierdurch ist eine konstruktiv einfache Bereitstellung einer sub-harmonischen Schwingung im Klangbild der betriebenen elektrischen Maschine bereitstellbar.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der Stator und/oder der Rotor und/oder eine Wälzlagerung in der der Rotor drehbar gegenüber dem Stator gelagert ist, Bauteiltoleranzen aufweisen/aufweist, so dass eine sub-harmonische Schwingung mit einer Ordnung, welche einem Bruchteil der Ordnung der haupterregenden Schwingung im Betrieb der elektrischen Maschine entspricht, erzeugt ist.
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Es soll somit anders ausgedrückt - insbesondere eine größere Varianz zwischen den am Umfang des Rotors und/oder des Stators montierten Bauteilen zugelassen werden. Diese Toleranzen können einerseits bezüglich der Bauteil-Geometrie geöffnet werden (Form- oder Lageabweichungen) oder aber auch bezüglich funktionaler Parameter in größerem Maße zugelassen werden (z.B. Magnetkraft). Die betreffenden toleranzbehafteten Bauteile werden dann in einer bestimmten Reihenfolge/Anordnung montiert, um nicht eine stochastische Unregelmäßigkeit in der elektromagnetischen Wirkkette zu erzeugen. Vielmehr wird eine determinierte Verteilung mit beispielsweise vierfacher Periode über dem Umfang realisiert, falls beispielsweise eine 4. Ordnung als Sub-Harmonische erzeugt werden soll. Sprich die weiter tolerierten Bauteile, die ihrerseits auch eine günstigere Fertigung der Komponenten erlauben, werden sortiert und/oder klassiert und entsprechend derartiger Vorgaben verbaut. Beispielsweise ist das Verbauen von Magneten mit größeren Toleranzfenstern denkbar, wenn diese wie o.g. mit entsprechender Abweichung an der richtigen Position eingesetzt werden.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass die elektrische Maschine in einem Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
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Die elektrische Maschine kann in bevorzugter Weise zur Verwendung in einem Hybridmodul vorgesehen sein. In einem Hybridmodul können Bau- und Funktionselemente eines hybridisierten Antriebsstrangs räumlich und/oder baulich zusammengefasst und vorkonfiguriert sein, so dass ein Hybridmodul in einer besonders einfachen Weise in einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs integrierbar ist. Insbesondere können ein Elektromotor und ein Kupplungssystem, insbesondere mit einer Trennkupplung zum Einkuppeln des Elektromotors in und/oder Auskuppeln des Elektromotors aus dem Antriebsstrang, in einem Hybridmodul vorhanden sein.
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Ein Hybridmodul kann je nach Eingriffspunkt des Elektromotors in den Antriebsstrang in die folgenden Kategorien P0-P4 eingeteilt werden:
- P0: der Elektromotor ist vor der Brennkraftmaschine angeordnet und beispielsweise über einen Riemen mit der Brennkraftmaschine gekoppelt. Bei dieser Anordnung des Elektromotors wird dieser auch gelegentlich als Riemenstartergenerator (RSG) bezeichnet,
- P1: der Elektromotor ist direkt hinter der Brennkraftmaschine angeordnet. Die Anordnung des Elektromotors kann beispielsweise kurbelwellenfest vor der Anfahrkupplung erfolgen,
- P2: der Elektromotor ist zwischen einer häufig als K0 bezeichneten Trennkupplung und der Anfahrkupplung aber vor dem Fahrzeuggetriebe im Antriebsstrang angeordnet,
- P3: der Elektromotor ist im Fahrzeuggetriebe und/oder der Getriebeausgangswelle angeordnet,
- P4: der Elektromotor ist an einer bestehenden oder separaten Fahrzeugachse angeordnet und
- P5: der Elektromotor ist am oder im Fahrzeugrad angeordnet, beispielsweise als Radnabenmotor.
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Im Zusammenhang mit der Erfindung ist es bevorzugt, dass die elektrische Maschine zur Verwendung in einem P2-Hybridmodul oder einem P4-Hybridmodul vorgesehen ist.
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Ferner kann es auch bevorzugt sein, dass die elektrische Maschine in einem elektrischen Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs verwendet wird. Ein elektrischer Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfasst eine elektrische Maschine und ein Getriebe, wobei die elektrische Maschine und das Getriebe eine bauliche Einheit bilden. Diese bauliche Einheit wird gelegentlich auch als E-Achse bezeichnet. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine und das Getriebe in einem gemeinsamen Antriebsstranggehäuse angeordnet sind. Alternativ wäre es natürlich auch möglich, dass die elektrische Maschine ein Motorgehäuse und das Getriebe ein Getriebegehäuse besitzt, wobei die bauliche Einheit dann über eine Fixierung des Getriebes gegenüber der elektrischen Maschine bewirkbar ist.
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Zusammenfassend ist darauf hinzuweisen, dass durch die Erfindung eine kosten-, bauraum- und gewichtsneutrale Klanggestaltung für eine elektrische Maschine realisierbar wird. Die Klangcharakteristik der elektrischen Maschine kann also intrinsisch in der elektrischen Maschine erzeugt werden und muss nicht beispielsweise durch ein separates Add-On-System elektronisch (synthetisch), beispielsweise über Lautsprecher, generiert werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 eine elektrische Maschine in einer Querschnittsansicht,
- 2 eine elektrische Maschine in einer Axialschnittansicht, und
- 3 ein Kraftfahrzeug mit einem elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrang in einer Blockschaltdarstellung.
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Die 1 zeigt ein als Radialflussmaschine konfigurierte elektrische Maschine 1, umfassend einen Stator 2 und einen gegenüber dem Stator 2 drehbar gelagerten Rotor 3, wobei in einem zwischen dem Stator 2 und dem Rotor 3 ausgebildeten Luftspalt 4 ein Magnetfeld 5 erzeugbar ist, wodurch der Rotor 3 in eine Drehbewegung versetzbar ist. Die elektrische Maschine 1 weist eine über den Umfang des Rotors 3 verteilt angeordnete Anzahl an Polpaaren 6 auf. Im gezeigten Beispiel der 1 beträgt die Anzahl an Polpaaren 6 vier, wobei ein Polpaar jeweils mit N,S für einen magnetischen Nord- und einen magnetischen Südpol bezeichnet ist.
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Im Betrieb der elektrischen Maschine 1 wird eine haupterregende Schwingung mit einer Ordnung erzeugt, welche durch die doppelte Anzahl an Poolpaaren 6 bestimmt ist. Ferner sind höher harmonische Schwingungen mit einer Ordnung vorhanden, welche ein höheres Vielfaches der Ordnung der haupterregenden Schwingung HE entsprechen.
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Um ein für einen Benutzer angenehmere Klangwahrnehmung zu generieren, wird eine sub-harmonische Schwingung mit einer Ordnung, welche einem Bruchteil der Ordnung der haupterregenden Schwingung HE im Betrieb der elektrischen Maschine 1 entspricht, erzeugt.
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Im konkreten Fall einer elektrischen Maschine 1 mit vier Polpaaren 6 resultiert eine entsprechende Haupterregende HE der 8. Ordnung. Es entsteht somit also ein Maschinen-Geräusch, das maßgeblich durch die 8. Ordnung und zu gewissen Teilen auch durch die höher-harmonischen Ordnungen (16. Ordnung, 32 Ordnung) geprägt ist. Dieses E-Maschinen-Geräusch wird, beispielsweise im Innenraum eines Kraftfahrzeugs 8, aufgrund dieser hohen Frequenzen und der resultierenden hohen Tonalität als nicht besonders angenehm und in einzelnen Betriebspunkten sogar als lästig oder inakzeptabel empfunden. Durch das Einbringen einer oder mehrerer Schwingungen, die geringer ist/sind als die Haupterregende HE, zusätzlich zu diesen genannten Ordnungen (8., 16., 32.) in das Geräuschbild, wenn also zusätzlich noch die 4. Ordnung und gegebenenfalls auch die 2. Ordnung hörbar im Geräuschbild auftreten, wird der Klangcharakter dadurch weniger tonal und als weniger störend empfunden. Die Amplituden dieser Sub-Harmonischen der 4. Ordnung kann dabei geringer sein als die Amplitude der Haupterregenden HE (8. Ordnung).
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Zur Erzeugung dieser Sub-Harmonischen in der elektrischen Maschine 1 stehen verschiedene konstruktive Möglichkeiten zur Verfügung, welche nachfolgend näher erläutert werden.
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Zum einen ist es möglich, dass im Betrieb der elektrischen Maschine 1 das in dem Luftspalt 4 ausgebildete Magnetfeld asymmetrisch ausgebildet ist, so dass eine sub-harmonische Schwingung mit einer Ordnung, welche einem Bruchteil der Ordnung der haupterregenden Schwingung HE im Betrieb der elektrischen Maschine 1 entspricht, erzeugt wird. Hierzu kann beispielsweise der Rotor 3 eine äußere Kontur aufweisen, welche eine umfängliche Veränderung des Luftspalts zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 2 bewirkt. Im Ausführungsbeispiel der 1 besitzt der Rotor 3 drei von über den Umfang verteilten, von der Kreisform abweichende Bereiche 10 der äußeren Kontur des Rotors, wobei die Anzahl der Bereiche 10 kleiner ist als die doppelte Anzahl der vier Polpaare 6 der elektrischen Maschine 1.
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Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, dass der in einem Gehäuse 11 angeordnete Stator 2 eine innere Kontur aufweist, welche eine umfängliche Veränderung des Luftspalts zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 2 bewirkt. Der Stator 2 besitzt dann eine Anzahl von über den Umfang verteilten, von der Kreisform abweichende Bereiche 13 der inneren Kontur des Stators 3, die kleiner ist als die doppelte Anzahl der Polpaare 6 der elektrischen Maschine 1. Dies ist exemplarisch in der 2 zu erkennen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer Sub-Harmonischen besteht darin, dass der Stator 2 und/oder der Rotor 3 und/oder eine Wälzlagerung 7 in der der Rotor 3 drehbar gegenüber dem Stator 2 gelagert ist, Bauteiltoleranzen aufweisen/aufweist, so dass eine sub-harmonische Schwingung mit einer Ordnung, welche einem Bruchteil der Ordnung der haupterregenden Schwingung im Betrieb der elektrischen Maschine 2 entspricht, erzeugt ist.
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Schließlich zeigt die 3, dass die elektrische Maschine 1 in einem Antriebsstrang eines vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs 8 angeordnet sein kann. Die elektrische Maschine 1 ist hierbei mit einem Getriebe 12 wirkverbunden und zu einer sogg. E-Achse baulich zusammengefasst.
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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
- elektrische Maschine
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Luftspalt
- 5
- Magnetfeld
- 6
- Poolpaar
- 7
- Wälzlagerung
- 8
- Kraftfahrzeug
- 9
- Rotorwelle
- 10
- Bereich
- 11
- Gehäuse
- 12
- Rotorkörper
- 13
- Bereich
- 14
- Getriebe
