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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit zwei Statoren und zwei Rotoren. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Antriebsstrang für ein Fortbewegungsmittel mit einer solchen elektrischen Maschine sowie ein Fortbewegungsmittel, insbesondere ein Fluggerät mit einem solchen Antriebsstrang.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Elektrische Maschinen sind in vielfältigen Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt. Sie weisen üblicherweise einen Stator auf, der um ihren Umfang zumindest zwei magnetische Pole aufweist, die entweder Permanent- oder Elektromagnetpole sind. Sie weisen weiterhin üblicherweise einen Rotor auf, der eine korrespondierende Anzahl an Polen aufweist, auf denen isolierte Drahtwicklungen aufgebracht sind. Werden die Wicklungen am Rotor mit einem elektrischen Strom beaufschlagt, dreht sich der Rotor auf Grund der Lorentzkraft. Wird der Rotor von außen gedreht, wird dabei ein Strom in den Wicklungen induziert. Insofern der Stator ein Elektromagnet ist, weist er ebenfalls Wicklungen zur Magnetisierung der Pole auf, wobei dann die Wicklungen des Stators und die Wicklungen des Rotors miteinander verschaltet sein können, etwa parallel zueinander oder in Reihe. Elektrische Maschinen sind in vielfältigen Bauformen bekannt, etwa als Gleichstrommaschinen oder Wechselstrommaschinen.
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Elektrische Maschinen werden in Antriebssträngen für Fortbewegungsmittel in Verschiedenen Funktionen verbaut. Insbesondere dienen sie dort dem alleinigen Antrieb oder in Zusammenwirkung mit anderen Antriebsvorrichtungen dem hybriden Antrieb. Sie dienen zudem aber auch der Rekuperation oder können als Notfallantrieb eingesetzt werden. Üblicherweise werden elektrische Maschinen dabei über Getriebe in dem Antriebsstrang integriert.
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Es sind aus dem Stand der Technik beispielsweise elektrische Maschinen mit einem Stator und zwei Rotoren bekannt. Aus der
WO 99/39426 A1 ist etwa eine elektrische Maschine bekannt, bei der ein Stator mit einer ersten Wicklung auf einen gegenüber dem Stator innenliegenden Rotor und mit einer zweiten Wicklung auf einen gegenüber dem Stator außenliegenden Rotor wirkt. Dabei wird elektrische Energie zu bzw. von den Wicklungen vorzugsweise über leistungselektronische Module sowie deren Steuerungen zu- bzw. abgeführt.
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Aus
AT 408 045 B ist ferner eine elektrische Maschine in Drehstromausführung mit mindestens einer Statorwicklung und mindestens zwei, mechanisch voneinander getrennten, Rotoren bekannt, wobei die Rotoren die gleiche Rotationsachse aufweisen und wobei jeder Rotor mit dem elektromagnetisch aktiven Stator in elektromagnetischer Wechselwirkung steht. Die Rotoren sind also axial zueinander benachbart angeordnet, wobei der Stator beide Rotoren überspannt.
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Beschreibung der Erfindung
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Es ist in Anbetracht des Standes der Technik eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kompakte elektrische Maschine vorzuschlagen, mittels der verschiedene Aufgaben bzw. Funktionen in einem Antriebsstrang erfüllt werden können. Die Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschine nach Patentanspruch 1. Weiterhin wird die Aufgabe gelöst bei einem Antriebsstrang nach Patentanspruch 17 und einem Fortbewegungsmittel nach Patentanspruch 25. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst
- - eine erste Welle,
- - eine zweite Welle, die eine Hohlwelle ist und koaxial sowie radial außenliegend zur ersten Welle angeordnet ist,
- - einen Planetenradsatz, wobei die erste Welle mit einem Sonnenrad des Planetenradsatzes drehfest verbunden oder verbindbar ist und die zweite Welle mit einem Steg des Planetenradsatzes drehfest verbunden ist, und wobei ein Hohlrad des Planetenradsatzes festgesetzt ist,
- - einen gegenüber der zweiten Welle radial außenliegenden feststehenden ersten Stator,
- - wobei auf der zweiten Welle radial außenliegend ein erster Rotor zum Zusammenwirken mit dem ersten Stator ausgebildet ist,
- - wobei auf der zweiten Welle radial innenliegend ein zweiter Stator ausgebildet ist, und
- - wobei auf der ersten Welle radial außenliegend ein zweiter Rotor zum Zusammenwirken mit dem zweiten Stator und/oder dem ersten Stator ausgebildet ist.
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Soweit Elemente mit Hilfe einer Nummerierung bezeichnet sind, also beispielsweise „erstes Bauteil“, „zweites Bauteil“ und „drittes Bauteil“, so ist diese Nummerierung rein zur Differenzierung in der Bezeichnung vorgesehen und stellt keine Abhängigkeit der Elemente voneinander oder eine zwingende Reihenfolge der Elemente dar. Das heißt insbesondere, dass eine Vorrichtung nicht ein „erstes Bauteil“ aufweisen muss, um ein „zweites Bauteil“ aufweisen zu können. Auch kann die Vorrichtung ein „erstes Bauteil“, sowie ein „drittes Bauteil“ umfassen, ohne aber zwangsläufig ein „zweites Bauteil“ aufzuweisen.
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Unter einer Welle ist im Sinne der Erfindung ein rotierbares Bauteil zum Übertragen von Drehmomenten zu verstehen, über welches Komponenten einer elektrischen Maschine und/oder eines Antriebsstrangs drehfest miteinander verbunden sind oder über das eine derartige Verbindung bei Betätigung eines entsprechenden Schaltelements wie etwa einer Kupplung hergestellt wird. Die Welle kann als einstückiges Bauteil ausgeführt sein oder mehrteilig vorliegen, indem sich die jeweilige Welle aus mehreren drehfest miteinander verbundenen Wellenteilen zusammensetzt.
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Ein Planetenradsatz im Sinne der Erfindung umfasst drei verschiedene Arten von Elementen: zumindest ein Sonnenrad mit einer Verzahnung an seiner äußeren Mantelfläche, zumindest einen Steg oder auch Planetenträger, sowie zumindest ein Hohlrad mit einer Verzahnung an seiner inneren Mantelfläche. An dem Steg oder Planetenträger drehbar gelagert sind Planetenräder mit einer Verzahnung an ihrer äußeren Mantelfläche, welche mit der Verzahnung des Sonnenrades und mit der Verzahnung des Hohlrads kämmen.
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Als ein Stator wir eine hülsenförmige Anordnung eines Magneten verstanden, die um den Umfang verteilt zumindest zwei sich gegenüberliegende und entgegengesetzt magnetisierte Magnetpole aufweist, die also ein Polpaar bilden. Der Stator kann durch einen Dauermagneten oder durch Elektromagneten gebildet sein, wobei er in zweiterem Fall durch ein magnetisierbares Material gebildet ist und Statorwicklungen vorgesehen sind, die so auf dem Material angeordnet sind, dass die Pole bei einem Stromfluss durch die Statorwicklungen magnetisiert werden. Ferner kann ein Stator auch aus mehr als einem Polpaar bestehen. Die Anzahl der Pole muss dabei mit der Anzahl an Polen eines dem Stator zugehörigen Rotors korrespondieren.
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Als Rotor wird ein drehbar gelagertes Element verstanden, das auf einer Rotorwelle gelagert ist und zumindest zwei sich gegenüberliegende Pole aufweist. Um die Pole, die beispielsweise durch Elektrobleche gebildet sind, sind isolierte Wicklungen gewickelt, die als stromdurchflossene Leiter mit dem Magnetfeld des Stators interagieren. Bei einer Gleichstrommaschine sind die Wicklungen am rotierenden Rotor über Schleifkontakte kontaktierbar, die axial außerhalb der Wicklungen an der Rotorwelle angeordnet sind. Solche Schleifkontakte sind über einen Umfangsbereich ausgebildet, der sich als Teil des Gesamtumfangs aus der Anzahl an Rotorpolen ergibt, und werden über feststehende Schleifkohlen von außen kontaktiert. Dabei kontaktiert ein solcher Schleifkontakt bei einer Umdrehung der Rotorwelle nacheinander die Schleifkontakte und somit die Wicklungen aller um den Umfang verteilten Pole.
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Die Erfindung umfasst nun die technische Lehre, dass an zwei koaxialen Wellen zwei Maschineneinheiten ausgebildet sind, die zusammen die elektrische Maschine ausbilden. Die erste Maschineneinheit umfasst dabei einen ersten Stator, der feststeht, beispielsweise indem er am äußeren Maschinengehäuse befestigt ist, und einen ersten Rotor an der äußeren Welle, welche die zweite Welle ist. Diese äußere Welle umfasst an ihrer inneren Mantelfläche einen weiteren Stator, der einen Rotor an der inneren Welle antreibt, welche die erste Welle ist. Die zweite Maschineneinheit ist somit aus dem zweiten Stator und dem zweiten Rotor gebildet, wobei der Begriff Stator für den zweiten Stator hier verwendet wird, auch wenn dieser rotierbar gelagert ist. Die beiden Wellen stehen, insofern die erste Welle mit dem Sonnenrad verbunden ist, über den Planetenradsatz in einem festen Übersetzungsverhältnis zueinander, wobei die zweite Welle insbesondere glockenförmig die erste Welle umschließt und der Planetenradsatz kopfseitig der glockenförmigen zweiten Welle angeordnet ist. Es ist ferner auch möglich, dass der erste Stator, also der beispielsweise am Maschinengehäuse feststehende Stator, den zweiten Rotor, also den Rotor an der ersten Welle, antreibt oder beide Rotoren gleichzeitig antreibt. Die Kombination aus erstem Stator und zweitem Rotor kann als dritte Maschineneinheit betrachtet werden. Die einzelnen Maschineneinheiten können in einer beliebige Bauart einer elektrischen Maschine ausgebildet sein, beispielsweise jeweils als Gleichstrommaschinen. In weiteren Ausführungsformen ist zumindest eine Maschineneinheit eine Gleichstrommaschine und zumindest eine Maschineneinheit eine Wechselstrommaschine. Es können auch alle Maschineneinheiten Wechselstrommaschinen sein. Auch können einzelne oder alle Maschinen Drehstrommaschinen sein. Dabei können als Gleichstrommaschinen, Wechselstrommaschinen oder Drehstrommaschinen ausgebildete Maschineneinheiten in einer beliebigen Bauart einer jeweiligen Gleichstrommaschine bzw. Wechselstrommaschine ausgebildet sein, etwa eine Wechselstrommaschine als Synchron oder Asynchronmotor. Besonders bevorzugt ist eine Maschineneinheit, insbesondere die erste Maschineneinheit als Torquemotor ausgebildet. Unabhängig davon, welche Maschinenbauart für die einzelnen Maschineneinheiten verwendet werden, kann das mechanische Grundgerüst der Maschine unverändert bleiben. Die Maschine ist insofern modular aus den einzelnen Maschineneinheiten aufgebaut.
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Mit der so gebildeten elektrischen Maschine entstehen mehrere Vorteile. So kann zunächst mittels verschiedener Verschaltungen, die beispielsweise mittels einer Leistungselektronik realisiert werden können, jeweils eine Stator-Rotor-Kombination gewählt werden, mit der eine Drehmoment- und/oder Drehzahlanforderung am Abtrieb am günstigsten realisiert werden kann. So steht die Drehzahl einer Kombination aus erstem Stator und erstem Rotor, also der ersten Maschineneinheit, in einem anderen Drehzahlverhältnis zur Abtriebswelle als eine Kombination aus zweitem Stator und zweitem Rotor, also die zweite Maschineneinheit, oder eine Kombination aus erstem Stator und zweitem Rotor, also die dritte Maschineneinheit. Die elektrische Maschine stellt also die Funktionalität mehrerer unterschiedlich dimensionierter einfacher elektrischer Maschinen oder einer einfachen elektrischen Maschine mit nachgeordnetem Schaltgetriebe in einer kompakten Einheit zur Verfügung.
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Hinzu tritt die Besonderheit, dass der zweite Stator drehend gelagert ist und mit der ersten Welle über den Planetenradsatz in einem Übersetzungsverhältnis steht, so dass die Relativdrehzahl des zweiten Stators und des zweiten Rotors in einem konstanten Verhältnis steht, wenn die erste Welle mit dem Sonnenrad verbunden ist. Die Relativdrehzahl stellt die eigentliche Drehzahl der zweiten Maschineneinheit dar und ist durch die Verbindung mittels des Planetenradsatzes stets geringer als eine Drehzahl einer einfachen elektrischen Maschine bei gleicher Abtriebswellendrehzahl, und insbesondere geringer als die Drehzahl der ersten oder dritten Maschineneinheit bei gleicher Abtriebswellendrehzahl. Die elektrische Maschine weist ferner durch den integrierten Planetenradsatz Funktionen eines Getriebes auf.
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Die einzelnen Maschineneinheiten stellen weiterhin füreinander eine Redundanz zur Verfügung. So ist bei einem Ausfall einer der Maschineneinheit, beispielsweise bei einer Beschädigung oder einer fehlenden Energieversorgung, ersatzweise über eine andere Maschineneinheit eine Antriebsleistung verfügbar. Eine solche Redundanz ist insbesondere bei Fortbewegungsmitteln von Vorteil, bei denen die Antriebsleistung sicherheitsrelevant ist, wie etwa bei einem Fluggerät. Hier können die Maschineneinheiten beispielsweise derart ausgelegt sein, dass eine redundante Maschineneinheit jederzeit ausreichend Antriebsleistung für eine Notlandung zur Verfügung stellt.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann weiterhin als Teil eines hybriden Antriebsstrangs eingesetzt werden. So kann beispielsweise eine weitere Antriebsvorrichtung, etwa ein Verbrennungsmotor oder eine mittels Brennstoffzelle angetriebene elektrische Maschine von außen auf die erste Welle wirken, wobei dann die elektrische Maschine als Übersetzung zwischen der Antriebsvorrichtung und der Abtriebswelle wirkt. Die elektrische Maschine kann mittels einer oder mehreren aus erster, zweiter und/oder dritter Maschineneinheit zudem ein zusätzliches Drehmoment auf die Abtriebswelle aufbringen oder als Generator wirken und einen Teil der Antriebsleistung der Antriebsvorrichtung in elektrische Energie wandeln.
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Die Maschineneinheiten können einzeln betrieben werden oder die erste und die zweite Maschineneinheit werden in Kombination betrieben. Insbesondere ist es möglich, mehrere Maschineneinheiten in verschiedenen Funktionen zu betreiben. So kann beispielsweise die zweite Maschineneinheit als Motor betrieben werden und die erste Welle antreiben, während die zweite Maschineneinheit als Generator betrieben wird oder andersherum. In einem vorbeschriebenen Hybridbetrieb ist so beispielsweise ein serieller Betrieb mit erster und zweiter Maschineneinheit möglich.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine liegt darin, dass bei der ersten Maschineneinheit der Stator und der Rotor in einem Hauptschluss miteinander verschaltet werden können und bei der zweite Maschineneinheit der Stator und der Rotor in einem Nebenschluss miteinander verschaltet werden können oder bei der ersten Maschineneinheit der Stator und der Rotor in einem Nebenschluss miteinander verschaltet werden können und bei der zweite Maschineneinheit der Stator und der Rotor in einem Hauptschluss miteinander verschaltet werden können. Als Hauptschluss wird dabei eine Reihenschaltung verstanden, als Nebenschluss eine Parallelschaltung. Auf diese Weise kann bei gleichzeitigem Antrieb durch die erste und die zweite Maschineneinheit durch den Hauptschluss ein möglichst hohes abtriebsseitiges Drehmoment für Leistungsspitzen zur Verfügung gestellt werden, während bei einem abtriebsseitigen Lastabfall durch den Nebenschluss ein unkontrolliertes Überdrehen der elektrischen Maschine verhindert wird. Letztlich ist insbesondere die erste Maschineneinheit besonders effizient betreibbar, da zwischen erstem Stator und erstem Rotor ein störungsfreier magnetischer Fluss bestehen kann.
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Ferner besteht bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine der Vorteil, dass bei dieser keine Entmagnetisierung bei hohen Leistungen auftritt.
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Der erste Stator weist bevorzugt zwei Wicklungspaare auf, wobei ein Wicklungspaar zum Ausbilden der ersten Maschineneinheit mit dem ersten Rotor und ein weiteres Wicklungspaar zum Ausbilden der dritten Maschineneinheit mit dem zweiten Rotor vorgesehen ist. Auf diese Weise können die Wicklungspaare je nach Einsatz der jeweiligen Maschineneinheit mit den jeweiligen Wicklungspaaren der Rotoren dieser Maschineneinheiten verschaltet sein.
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In gleicher Weise weist der zweite Rotor bevorzugt zwei Wicklungspaare auf, wobei ein Wicklungspaar zum Ausbilden der zweiten Maschineneinheit mit dem zweiten Stator und ein weiteres Wicklungspaar zum Ausbilden der dritten Maschineneinheit mit dem ersten Stator vorgesehen ist. Auf diese Weise können die Wicklungspaare je nach Einsatz der jeweiligen Maschineneinheit mit den jeweiligen Wicklungspaaren der Statoren dieser Maschineneinheiten verschaltet sein.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist
- - der erste Stator mit zumindest einem ersten Pol und einem zweiten Pol ausgebildet, wobei der erste Pol eine erste Wicklung und der zweite Pol eine zweite Wicklung trägt, jeweils zur elektrischen Magnetisierung der Pole,
- - der erste Rotor mit zumindest einem dritten Pol und einem vierten Pol ausgebildet, wobei der dritte Pol eine dritte Wicklung und der vierte Pol eine vierte Wicklung trägt.
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Dabei sind die erste und die zweite Wicklung am ersten Stator nicht in sich miteinander verschaltet, sondern jeweils unabhängig voneinander an beiden Wicklungsenden von außen kontaktierbar. Das Gleiche gilt für die dritte und die vierte Wicklung am ersten Rotor. Auf diese Weise können die erste und die dritte Wicklung miteinander im Hauptschluss geschaltet werden, während die zweite und die vierte Wicklung miteinander im Nebenschluss geschaltet werden, oder die erste und die dritte Wicklung miteinander im Nebenschluss geschaltet werden, während die zweite und die vierte Wicklung miteinander im Hauptschluss geschaltet werden. Es kann dann durch den Hauptschluss ein möglichst hohes abtriebsseitiges Drehmoment für Leistungsspitzen zur Verfügung gestellt werden, während bei einem abtriebsseitigen Lastabfall durch den Nebenschluss ein unkontrolliertes Überdrehen der ersten Maschineneinheit verhindert wird.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist
- - der zweite Stator mit zumindest einem fünften Pol und einem sechsten Pol ausgebildet, wobei der fünfte Pol eine fünfte Wicklung und der sechste Pol eine sechste Wicklung trägt, jeweils zur elektrischen Magnetisierung der Pole, und
- - der zweite Rotor mit zumindest einem siebten Pol und einem achten Pol ausgebildet, wobei der siebte Pol eine siebte Wicklung und der achte Pol eine achte Wicklung trägt.
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Dabei sind die fünfte und die sechste Wicklung am zweiten Stator nicht in sich miteinander verschaltet, sondern jeweils unabhängig voneinander an beiden Wicklungsenden von außen kontaktierbar. Das Gleiche gilt für die siebte und die achte Wicklung am zweiten Rotor. Auf diese Weise können die fünfte und die siebte Wicklung miteinander im Hauptschluss geschaltet werden, während die sechste und die achte Wicklung miteinander im Nebenschluss geschaltet werden, oder die fünfte und die siebte Wicklung miteinander im Nebenschluss geschaltet werden, während die sechste und die achte Wicklung miteinander im Hauptschluss geschaltet werden. Es kann dann durch den Hauptschluss ein möglichst hohes abtriebsseitiges Drehmoment für Leistungsspitzen zur Verfügung gestellt werden, während bei einem abtriebsseitigen Lastabfall durch den Nebenschluss ein unkontrolliertes Überdrehen der zweiten Maschineneinheit verhindert wird.
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In noch einer weiteren Ausführungsform trägt
- - der erste Pol neben der ersten Wicklung eine neunte Wicklung und der zweite Pol neben der zweiten Wicklung eine zehnte Wicklung, jeweils zur elektrischen Magnetisierung der Pole,
- - der siebte Pol neben der siebten Wicklung eine elfte und der achte Pol neben der achten Wicklung eine zwölfte Wicklung.
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Dabei sind die neunte und die zehnte Wicklung am ersten Stator nicht in sich miteinander verschaltet, sondern jeweils unabhängig voneinander an beiden Wicklungsenden von außen kontaktierbar. Das Gleiche gilt für die elfte und die zwölfte Wicklung am zweiten Rotor. Auf diese Weise können die neunte und die elfte Wicklung miteinander im Hauptschluss geschaltet werden, während die zehnte und die zwölfte Wicklung miteinander im Nebenschluss geschaltet werden, oder die neunte und die elfte Wicklung miteinander im Nebenschluss geschaltet werden, während die zehnte und die zwölfte Wicklung miteinander im Hauptschluss geschaltet werden. Es kann dann durch den Hauptschluss ein möglichst hohes abtriebsseitiges Drehmoment für Leistungsspitzen zur Verfügung gestellt werden, während bei einem abtriebsseitigen Lastabfall durch den Nebenschluss ein unkontrolliertes Überdrehen der dritten Maschineneinheit verhindert wird.
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In einer Ausführungsform ist die elektrische Maschine eine Gleichstrommaschine, es sind als die erste, zweite und dritte Maschineneinheit jeweils als Gleichstrommaschine ausgebildet, bei denen Wicklungen der Rotoren über Schleifkontaktringe kontaktiert werden.
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Die vorbeschriebene erste, zweite, dritte, vierte, fünfte, sechste, siebte, achte, neunte, zehnte, elfte und zwölfte Wicklung erstreckt sich jeweils bevorzugt von der Mittelachse der elektrischen Maschine aus betrachtet nur auf einer Seite der Mittelachse und überschneidet diese nicht. Es besteht dann keine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Wicklungen eines jeweiligen Wicklungspaars. Eine Verschaltung eines Wicklungspaares findet dabei ausschließlich außerhalb der elektrischen Maschine, etwa über eine Leistungselektronik statt bzw. zudem durch die Zuordnung eines der Wicklungsenden mehrerer Wicklungen zu einem gemeinsamen Polwender.
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In einer bevorzugten Ausführungsform, in der die elektrische Maschine eine Gleichstrommaschine ist, sind die dritte, vierte, fünfte, sechste, siebte, achte, elfte und zwölfte Wicklung jeweils mit einem ersten Wicklungsende mit einem ersten Schleifkontakt der zugeordneten Welle verbunden und mit einem zweiten Wicklungsende mit einem zweiten Schleifkontakt der zugeordneten Welle verbunden, wobei der erste und der zweite Schleifkontakt axial hintereinander und über den gleichen Umfangsbereich der zugordneten Welle ausgebildet sind. Bevorzugt bildet dabei ein jeweiliger Schleifkontakt mit zumindest einem weiteren Schleifkontakt einer weiteren Wicklung, mit der die Wicklung ein Wicklungspaar bildet, einen Polwender. So ist beispielsweise ein erstes Wicklungsende der dritten Wicklung mit einem Schleifkontakt verbunden, der zusammen mit einem Schleifkontakt des ersten Wicklungsendes der vierten Wicklung einen Polwender bildet. Auf einem weiteren Polwender liegt dann das zweite Wicklungsende der dritten Wicklung und das zweite Wicklungsende der vierten Wicklung. Weitere Paare auf einem jeweiligen Polwender können sein:
- - erstes Wicklungsende der fünften Wicklung und erstes Wicklungsende der sechsten Wicklung
- - zweites Wicklungsende der fünften Wicklung und zweites Wicklungsende der sechsten Wicklung
- - erstes Wicklungsende der siebten Wicklung und erstes Wicklungsende der achten Wicklung
- - zweites Wicklungsende der siebten Wicklung und zweites Wicklungsende der achten Wicklung
- - erstes Wicklungsende der elften Wicklung und erstes Wicklungsende der zwölften Wicklung
- - zweites Wicklungsende der elften Wicklung und zweites Wicklungsende der zwölften Wicklung.
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Die beschriebenen Polwender sind bevorzugt für die Wicklungen auf dem siebten und achten Pol, also für die siebte, achte, elfte und zwölfte Wicklung, an der ersten Welle axial hintereinander, insbesondere unmittelbar hintereinander angeordnet und für die Wicklungen auf dem dritten, vierten, fünften und sechsten Pol, also für die dritte, vierte, fünfte und sechste Wicklung, an der zweiten Welle axial hintereinander, insbesondere unmittelbar hintereinander angeordnet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die elfte Wicklung radial außenliegend zur siebten Wicklung am siebten Pol angeordnet und die zwölfte Wicklung radial außenliegend zur achten Wicklung am achten Pol angeordnet. Auf diese Weise kann der zweite Rotor mit nur zwei Polen ausgebildet sein, die beispielsweise durch Elektrobleche gebildet werden und dabei separate Wicklungen für die zweite Maschineneinheit und die dritte Maschineneinheit aufweisen. So ist gegenüber separaten Polen für siebte/achte und elfte/zwölfte Wicklung der zweite Rotor vorteilhaft vereinfacht und dadurch kostengünstiger herstellbar.
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Weiter bevorzugt ist die erste Welle eine Hohlwelle und Wicklungsendabschnitte der siebten, achten, elften und/oder zwölften Wicklung verlaufen durch einen Innenraum der Hohlwelle zu Schleifkontakten hin. So können die Wicklungsendabschnitte vorteilhaft geführt werden und es ist eine leichte erste Welle geschaffen. Beispielsweise sind Wicklungsendabschnitte der siebten und der achten Wicklung innerhalb der ersten Welle geführt und Wicklungen der elften und zwölften Wicklung sind an einer äußeren Mantelfläche der ersten Welle geführt oder Wicklungsendabschnitte der siebten und der achten Wicklung sind an einer äußeren Mantelfläche der ersten Welle geführt und Wicklungen der elften und zwölften Wicklung sind innerhalb der ersten Welle geführt.
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Es ist alternativ zu den vorhergehenden Ausführungen auch möglich, dass zumindest ein Rotor und/oder Stator mehr als zwei Pole aufweist, wobei dann die Rotoren/Statoren, mit denen er zusammenwirkt, eine korrespondierende Anzahl als Polen aufweist. Es sind dann auf den weitere Polen weitere Wicklungen vorgesehen, die den einzelnen vorbeschriebenen Ausführungsformen entsprechend angeordnet und verschaltet sind.
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Bevorzugt weist die erste Welle an einem dem Planetenradsatz abgewandten Ende ein aus der elektrischen Maschine herausragendes Anschlussende auf. An einem solchen kann eine weitere Antriebsvorrichtung angreifen, um zusammen einen hybriden Antriebsstrang oder einen Teil eines solchen zu bilden. Die auf die erste Welle wirkende Antriebsleistung kann dann mittels der ersten, zweiten und/oder dritten Maschineneinheit in einem Motorbetrieb unterstütz oder in einem Generatorbetrieb verringert werden.
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Der Steg des Planetenradsatzes bildet bevorzugt die Abtriebswelle der elektrischen Maschine oder ist mit einer Abtriebswelle der elektrischen Maschine verbunden. Es ist dann die erste Welle die Antriebswelle, die auch eine Eingangswelle mit einem vorbeschriebenen Anschlussende sein kann, und mit dem Sonnenrad des Planetenradsatzes verbunden oder verbindbar ist, während der Steg die Abtriebswelle bildet oder mit dieser verbunden ist.
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Insofern die erste Welle mit dem Sonnenrad verbindbar gestaltet ist, ist beispielweise zwischen diesen Teilen eine Kupplung angeordnet. Die zweite Maschineneinheit kann dann verwendet werden, um eine an der ersten Welle anliegende Last zu bremsen oder zu beschleunigen, ohne dass die weiteren Maschinenteile mitgedreht werden.
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Bevorzugt sind zumindest zwei der vorbeschriebenen Pole, also ein Polpaar, durch Elektrobleche gebildet. Mit solchen Elektroblechen lassen sich die Pole auf einfache Weise und kostengünstig mit einer vorteilhaften Geometrie ausbilden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die elektrische Maschine eine Wasserkühlung auf, die insbesondere in oder an dem Gehäuse oder einer der Wellen angeordnet ist. Insbesondere kann eine als Hohlwelle ausgebildete Welle innenliegende Kühlkanalgeometrien aufweisen. Auch die zweite Welle kann innerhalb ihres Querschnitts ausgebildete Kühlkanalgeometrien aufweisen.
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Die Erfindung betrifft auch einen Antriebsstrang für ein Fortbewegungsmittel mit einer vorbeschriebenen elektrischen Maschine zum Antrieb des Fortbewegungsmittels. Dabei kann die elektrische Maschine alleine oder mit weiteren Antriebsvorrichtungen sowie wahlweise über ein Getriebe mit einem Abtrieb verbunden in dem Antriebsstrang angeordnet sein. Bevorzugt sind zudem in dem Antriebsstrang Energiespeicher vorgesehen, wobei die elektrische Maschine mit dort gespeicherter Energie betrieben werden kann oder dort durch die elektrische Maschine umgewandelte Energie eingespeichert werden kann. Es sind insbesondere mehrere Energiespeicher vorgesehen, die jeweils der ersten, zweiten und/oder dritten Maschineneinheit zugeordnet sind. Ein Energiespeicher ist beispielsweise eine Batterie oder ein Superkondensator. Ferner weist ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang die bereits bezüglich der elektrischen Maschine vorbeschriebenen Vorteile entsprechend auf.
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In einer Ausführungsform weist die erste Welle an einem dem Planetenradsatz abgewandten Ende ein aus der elektrischen Maschine herausragendes Anschlussende auf und eine erste Antriebsvorrichtung ist drehfest mit dem Anschlussende verbunden oder verbindbar. Auf diese Weise ist ein hybrider Antriebsstrang schaffbar, bei dem die Antriebsleistung der Antriebsvorrichtung durch die elektrische Maschine unterstützt oder mittels Rekuperation vermindert werden kann. Besonders bevorzugt ist die Antriebsvorrichtung eine Brennkraftmaschine, die zur Verbrennung eines gasförmigen Kraftstoffs vorgesehen ist. Soweit die erste Antriebsvorrichtung und die elektrische Maschine miteinander verbindbar sind, kann dazu etwa eine Kupplung, beispielsweise eine Reibkupplung, vorgesehen sein.
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Der Antriebsstrang ist in einer weiteren Ausführungsform so ausgestaltet, dass auf die Abtriebswelle der elektrischen Maschine eine weitere elektrische Maschine wirkt. Dies kann beispielsweise eine permanent- oder elektrisch erregte Gleichstrommaschine oder eine Drehstrommaschine, insbesondere eine Asynchron- oder Synchronmaschine, sein. Die weitere elektrische Maschine wirkt in einer Ausgestaltung direkt auf die Abtriebswelle. In einer weiteren Ausgestaltung wirkt die weitere elektrische Maschine über ein Getriebe auf die Abtriebswelle oder mit dieser in einem Getriebe zusammen. In einer weiteren Ausgestaltung ist die weitere elektrische Maschine mit der Abtriebswelle mittels eins Schaltelementes lösbar verbindbar und kann somit wahlweise zugeschaltet sein oder bei geöffnetem Schaltelement nicht im Antriebsstrang eingebunden sein. Vorteilhaft sind mit einer weiteren elektrischen Maschine weitere Funktionen realisierbar. So kann diese eine zusätzliche Antriebsleistung in den Antriebsstrang einbringen oder im Sinne einer Rekuperation Energie aus dem Antriebsstrang entnehmen. Insbesondere erfüllt die weitere elektrische Maschine in einer Ausgestaltung eine Redundanzfunktion und stellt eine Antriebsleistung bereit, insofern die elektrische Maschine und/oder eine Antriebsvorrichtung ausfällt bzw. ausfallen.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorgenannten Ausführungsform ist die weitere elektrische Maschine ebenfalls eine erfindungsgemäße elektrische Maschine. Die vorbeschriebenen Vorteile stehen dann auch bei einem Ausfall der ersten elektrischen Maschine zur Verfügung, insofern die weitere elektrische Maschine als redundante Maschine dient.
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In einer alternativen Ausgestaltung der vorgenannten Ausführungsform ist die weitere elektrische Maschine bürstenlos. Bürstenlose Maschinen können bevorzugt für geringere Antriebsleistungen eingesetzt werden und weisen vorteilhaft einen geringen Verschleiß auf. Die weitere elektrische Maschine kann in diesem Fall beispielsweise für eine Funktion in dem Antriebsstrang vorgesehen sein, bei dem eine geringere Antriebsleistung benötigt wird als bei Funktionen, die der elektrische Maschine zugeordnet sind.
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In einer Ausgestaltung der vorgenannten Ausführungsform ist die weitere elektrische Maschine eine Drehstrommaschine und wird über einen Inverter betrieben. Auf diese Weise kann die Drehstrommaschine mit der elektrischen Maschine verschaltet werden und mit dieser im Antriebsstrang zusammenwirken. Insbesondere können dann beide Maschinen mittels einem oder mehreren gemeinsamen Energiespeicher bzw. Energiespeichern versorgt werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der Antriebsstrang eine Leistungselektronik zur Steuerung der Stromzu- oder abfuhr zu den Wicklungen. Die Leistungselektronik kann abhängig von einer Anforderungssituation des Fortbewegungsmittels dann die erste, zweite und/oder dritte Maschineneinheit ansteuern, um einen möglichst vorteilhaften Betrieb der elektrischen Maschine zu erreichen. Insbesondere kann mittels der Leistungselektronik je nach Anforderung eine günstige Verschaltung der Wicklungen der elektrischen Maschine bzw. der Wicklungen der einzelnen Maschineneinheiten gesteuert und geschaltet werden.
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In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform ist zur Energiespeicherung für den ersten Stator und den ersten Rotor und/oder für den zweiten Stator und den zweiten Rotor zumindest ein Superkondensator vorgesehen. Ein solcher Superkondensator ist beispielsweise beim Betrieb einer der Maschineneinheit als Generator aufladbar und stellt dann ausreichend Energie zum Betrieb einer der Maschineneinheiten oder der gesamten elektrischen Maschine zur Verfügung, um diese für einen gewissen Zeitraum zu betreiben. Beispielsweise ist der Superkondensator so ausgelegt, dass der Zeitraum zum Überführen des Fortbewegungsmittels in einen sicheren Zustand in einer Notsituation ausreicht. So kann bei einem Fluggerät der Superkondensator ausreichend Energie speichern, um das Fluggerät bei einer Beschädigung oder einem entleerten primären Energiespeicher notzulanden. Bei einem Landfahrzeug kann der Superkondensator ausreichend Energie speichern, um das Fahrzeug bei einer Beschädigung oder einem entleerten primären Energiespeicher zu einem sicheren Halteort bewegen zu können.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fortbewegungsmittel mit einem vorbeschriebenen Antriebsstrang. Ein solches Fortbewegungsmittel ist beispielsweise ein E-Bike, ein Moped, ein Motorrad, ein Kraftfahrzeug, ein Lastkraftfahrzeug, ein Bus, ein Schienenfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug. Insbesondere ist das Fortbewegungsmittel ein Fluggerät, wie beispielsweise ein Helikopter, ein Flugzeug, eine Drohne oder ein Fluggerät zur Fortbewegung im luftleeren Raum, etwa im Weltall. Bei all diesen Fortbewegungsmitteln treten die vorbeschriebenen Vorteile des Antriebsstrangs bzw. der elektrischen Maschine in unterschiedlicher Ausprägung auf. Bei einem Fluggerät bestehen insbesondere die Vorteile, dass die einzelnen Maschineneinheiten zueinander eine Redundanz zur Verfügung stellen. Ist bei einem Fluggerät weiterhin ein Superkondensator im Antriebsstrang vorgesehen, kann dieser in einer Notsituation ausreichend Energie zum Notlanden des Fluggeräts zur Verfügung stellen. Bei einem Fluggerät zur Fortbewegung im luftleeren Raum kann mittels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ein Trägheitsmoment zur Beeinflussung der Flugrichtung erzeugt werden. Insbesondere sind dazu an einer der Wellen, insbesondere der zweiten Welle, Schwungmassen angeordnet. In einer Weiterbildung einer solchen Ausführungsform können an den Schwungmassen Bremsen zur Verzögerung einer Drehbewegung der Schwungmassen bzw. einer Welle, an der die Schwungmassen angeordnet sind, vorgesehen sein.
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Die oben beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung können ganz oder teilweise miteinander kombiniert werden, sofern dadurch technisch keine Widersprüche entstehen.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei zeigt
- 1 eine Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
- 2 eine Längsschnittdarstellung einer zweiten Welle mit darauf angeordneten Wicklungen entsprechend der elektrischen Maschine gemäß 1,
- 3 eine Schaltskizze einer möglichen Verschaltung mehrerer Wicklungen einer erfindungsgemäßen Maschineneinheit,
- 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs in einer ersten Ausführungsform,
- 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs in einer zweiten Ausführungsform, und
- 6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs in einer dritten Ausführungsform.
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1 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 1, die als Gleichstrommaschine ausgebildet ist, mit einem Gehäuse 2 mit einem feststehenden Teil 2.1 sowie einem ersten Deckel 2.2 und einem zweiten Deckel 2.3. An den Deckeln 2.2, 2.3 sind eine erste Welle 3.1 und eine zweite Welle 3.2 gelagert, wobei die erste Welle 3.1 zentral liegt und als Hohlwelle ausgebildet ist. Die zweite Welle 3.2 ist koaxial mit der ersten Welle 3.1 angeordnet und ebenfalls als Hohlwelle ausgebildet. Die zweite Welle 3.2 umgibt dabei die erste Welle 3.1. Die erste Welle 3.1 und die zweite Welle 3.2 stehen über einen Planetenradsatz 4 miteinander in lösbarer Verbindung. Die erste Welle 3.1 ist dafür über eine Kupplung 20 mit einem Sonnenrad 4.1 des Planetenradsatzes 4 verbindbar. Das Sonnenrad 4.1 kann in einer anderen Ausführungsform auch unmittelbar auf der ersten Welle 3.1 angeordnet sein, also ohne Kupplung 20 fest mit der ersten Welle 3.1 verbunden sein. Die zweite Welle 3.2 bildet einen Steg 4.2 des Planetenradsatzes 4. Es ist weiterhin ein Hohlrad 4.3 des Planetenradsatzes 4 vorgesehen, das drehfest an dem zweiten Deckel 2.3 des Gehäuses 2 angeordnet ist. Das Sonnenrad 4.1 und das Hohlrad 4.3 kämmen jeweils mit an dem Steg 4.2 drehbar gelagerten Planetenrädern 4.4. Die erste Welle 3.1 weist ferner ein Anschlussende 10 auf, dass auf der dem Planetenradsatz 4 abgewandten Seite der elektrischen Maschine 1 aus dem ersten Deckel 2.2 herausragt und wo beispielsweise eine Antriebsvorrichtung an der ersten Welle 3.1 angreifen kann.
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Die elektrische Maschine 1 weist einen ersten Stator 5 auf, der drehfest an dem feststehenden Teil 2.1 des Gehäuses 2 angeordnet ist. Der erste Stator 5 kann einen ersten Rotor 6 antreiben, der an einer äußeren Mantelfläche der zweiten Welle 3.2 angeordnet ist. Weiterhin weist die elektrische Maschine 1 einen zweiten Stator 7 auf, der an einer inneren Mantelfläche der zweiten Welle 3.2 angeordnet ist und einen zweiten Rotor 8 antreiben kann. Ferner ist es auch möglich, dass der erste Stator 5 den zweiten Rotor 8 antreibt.
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Der erste Stator 5 weist einen ersten Pol 5.1 und einen zweiten Pol 5.2 auf, die sich jeweils über einen begrenzten Umfangsabschnitt erstrecken und sich gegenüberliegen. Die Pole 5.1, 5.2 sind jeweils mittels Elektroblechen gebildet, die Aufnahmen für Wicklungen aufweisen. An dem ersten Pol 5.1 ist eine erste Wicklung 9.1 angeordnet, an dem zweiten Pol 5.2 eine zweite Wicklung 9.2. Die erste Wicklung 9.1 und die zweite Wicklung 9.2 sind jeweils mit Kontaktenden durch den feststehenden Teil 2.1 des Gehäuses 2 geführt und an dessen Außenseite mit Kontakten A.1, A.2, B.1, B.2 verbunden.
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Der erste Rotor 6 weist einen dritten Pol 6.1 und einen vierten Pol 6.2 auf, die sich jeweils über einen begrenzten Umfangsabschnitt erstrecken und sich gegenüberliegen. Die Pole 6.1, 6.2 sind jeweils mittels Elektroblechen gebildet, die Aufnahmen für Wicklungen aufweisen. An dem dritten Pol 6.1 ist eine dritte Wicklung 9.3 angeordnet, an dem vierten Pol 6.2 eine vierte Wicklung 9.4. Von der dritten Wicklung 9.3 und der vierten Wicklung 9.4 sind jeweils Kontaktenden mit Schleifkontakten 11 verbunden, wobei diese durch Schleifkohlen kontaktiert sind, deren Anschlüsse durch den feststehenden Teil 2.1 des Gehäuses 2 geführt und an dessen Außenseite mit Kontakten C.1, C.2, D.1, D.2 verbunden sind. Die Schleifkontakte erstrecken sich dabei jeweils über einen Großteil des halben Umfangs der zweiten Welle 3.2 und bilden mit einem weiteren Schleifkontakt einen Polwender, wobei die Schleifkontakte in Umfangsrichtung um einen Spalt voneinander beabstandet und somit isoliert sind. Ein erstes Wicklungsende der dritten Wicklung 9.3 bildet einen Polwender mit einem ersten Wicklungsende der vierten Wicklung 9.4. Ein zweites Wicklungsende der dritten Wicklung 9.3 bildet einen Polwender mit einem zweiten Wicklungsende der vierten Wicklung 9.4. Es liegen also die Kontakte C.1 und D.1 sowie C.2 und D.2 jeweils auf einem gemeinsamen Polwender an.
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Der zweite Stator 7 weist einen fünften Pol 7.1 und einen sechsten Pol 7.2 auf, die sich jeweils über einen begrenzten Umfangsabschnitt erstrecken und sich gegenüberliegen. Die Pole 7.1, 7.2 sind jeweils mittels Elektroblechen gebildet, die Aufnahmen für Wicklungen aufweisen. An dem fünften Pol 7.1 ist eine fünfte Wicklung 9.5 angeordnet, an dem sechsten Pol 7.2 eine sechste Wicklung 9.6. Von der fünften Wicklung 9.5 und der sechsten Wicklung 9.6 sind jeweils Kontaktenden mit Schleifkontakten 11 verbunden, wobei diese durch Schleifkohlen kontaktiert sind, deren Anschlüsse durch den feststehenden Teil 2.1 des Gehäuses 2 geführt und an dessen Außenseite mit Kontakten E.1, E.2, F.1, F.2 verbunden sind. Die Schleifkontakte erstrecken sich dabei jeweils über einen Großteil des halben Umfangs der zweiten Welle 3.2 und bilden mit einem weiteren Schleifkontakt einen Polwender, wobei die Schleifkontakte in Umfangsrichtung um einen Spalt voneinander beabstandet und somit isoliert sind. Ein erstes Wicklungsende der fünften Wicklung 9.5 bildet einen Polwender mit einem ersten Wicklungsende der sechsten Wicklung 9.6. Ein zweites Wicklungsende der fünften Wicklung 9.5 bildet einen Polwender mit einem zweiten Wicklungsende der sechsten Wicklung 9.6. Es liegen also die Kontakte E.1 und F.1 sowie E.2 und F.2 jeweils auf einem gemeinsamen Polwender an.
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Der zweite Rotor 8 weist einen siebten Pol 8.1 und einen achten Pol 8.2 auf, die sich jeweils über einen begrenzten Umfangsabschnitt erstrecken und sich gegenüberliegen. Die Pole 8.1, 8.2 sind jeweils mittels Elektroblechen gebildet, die Aufnahmen für Wicklungen aufweisen. An dem siebten Pol 8.1 ist eine siebte Wicklung 9.7 angeordnet, an dem achten Pol 8.2 eine achte Wicklung 9.8. Von der siebten Wicklung 9.7 und der achten Wicklung 9.8 sind jeweils Kontaktenden mit Schleifkontakten 12 verbunden, wobei diese durch Schleifkohlen kontaktiert sind, deren Anschlüsse durch den feststehenden Teil 2.1 des Gehäuses 2 geführt und an dessen Außenseite mit Kontakten G.1, G.2, H.1, H.2 verbunden sind. Die Schleifkontakte erstrecken sich dabei jeweils über einen Großteil des halben Umfangs der ersten Welle 3.1 und bilden mit einem weiteren Schleifkontakt einen Polwender, wobei die Schleifkontakte in Umfangsrichtung um einen Spalt voneinander beabstandet und somit isoliert sind. Ein erstes Wicklungsende der siebten Wicklung 9.7 bildet einen Polwender mit einem ersten Wicklungsende der achten Wicklung 9.8. Ein zweites Wicklungsende der siebten Wicklung 9.7 bildet einen Polwender mit einem zweiten Wicklungsende der achten Wicklung 9.8. Es liegen also die Kontakte G.1 und H.1 sowie G.2 und H.2 jeweils auf einem gemeinsamen Polwender an.
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An dem ersten Pol 5.1 ist ferner eine neunte Wicklung 9.9 angeordnet, an dem zweiten Pol 5.2 ferner eine zehnte Wicklung 9.10. Die neunte Wicklung 9.9 und die zehnte Wicklung 9.10 sind jeweils mit Kontaktenden durch den feststehenden Teil 2.1 des Gehäuses 2 geführt und an dessen Außenseite mit Kontakten I.1, I.2, J.1, J.2 verbunden.
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An dem siebten Pol 8.1 ist ferner eine elfte Wicklung 9.11 angeordnet, an dem achten Pol 8.2 ferner eine zwölfte Wicklung 9.12. Von der elften Wicklung 9.11 und der zwölften Wicklung 9.12 sind jeweils Kontaktenden mit Schleifkontakten 12 verbunden, wobei diese durch Schleifkohlen kontaktiert sind, deren Anschlüsse durch den feststehenden Teil 2.1 des Gehäuses 2 geführt und an dessen Außenseite mit Kontakten K.1, K.2, L.1, L.2 verbunden sind. Die Schleifkontakte erstrecken sich dabei jeweils über einen Großteil des halben Umfangs der ersten Welle 3.1 und bilden mit einem weiteren Schleifkontakt einen Polwender, wobei die Schleifkontakte in Umfangsrichtung um einen Spalt voneinander beabstandet und somit isoliert sind. Ein erstes Wicklungsende der elften Wicklung 9.11 bildet einen Polwender mit einem ersten Wicklungsende der zwölften Wicklung 9.12. Ein zweites Wicklungsende der elften Wicklung 9.11 bildet einen Polwender mit einem zweiten Wicklungsende der zwölften Wicklung 9.12. Es liegen also die Kontakte 1.1 und J.1 sowie I.2 und J.2 jeweils auf einem gemeinsamen Polwender an. Ferner sind die Kontaktenden der elften Wicklung 9.11 und der zwölften Wicklung 9.12 zwischen jeweiliger Wicklung 9.11, 9.12 und Schleifkontakt innerhalb der als Hohlwelle ausgebildeten ersten Welle 3.1 geführt.
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Der erste Stator 5 bildet mit dem ersten Rotor 6 eine erste Maschineneinheit, wobei der erste Stator 5 den ersten Rotor 6 antreiben kann oder der erste Rotor 6 bei von außen aufgeprägter Bewegung in dem ersten Stator 5 einen Stromfluss erzeugt. Der zweite Stator 7 bildet mit dem zweiten Rotor 8 eine zweite Maschineneinheit, wobei der zweite Stator 7 den zweiten Rotor 8 antreiben kann oder der zweite Rotor 8 bei von außen aufgeprägter Bewegung in dem zweiten Stator 7 einen Stromfluss erzeugt. Da die erste Welle 3.1 und die zweite Welle 3.2 über den Planetenradsatz 4 in einem festen Übersetzungsverhältnis stehen, steht auch die Relativdrehzahl des zweiten Stators 7 zu dem zweiten Rotor 8 in einem festen Verhältnis. Der erste Stator 5 bildet ferner mit dem zweiten Rotor 8 eine dritte Maschineneinheit, wobei der erste Stator 5 den zweiten Rotor 8 antreiben kann oder der zweite Rotor 8 bei von außen aufgeprägter Bewegung in dem ersten Stator 5 einen Stromfluss erzeugt.
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2 zeigt einen Längsschnitt durch die zweite Welle 3.2. An der zweiten Welle 3.2 sind Elektrobleche 13 angeordnet, die den dritten Pol 6.1 und den fünften Pol 7.1 bilden und die Ausnehmungen 13.1 zur Aufnahme von Wicklungen aufweisen. Die Ausnehmungen 13.1 sind einerseits für eine außenliegende Wicklung 9.3 des ersten Rotors 6, die hier nicht dargestellt ist, vorgesehen und andererseits für die innenliegende Wicklung 9.5. Die Stromrichtung der fünfte Wicklung 9.5 verläuft hier beispielhaft auf der rechten Seite in die Zeichenebene hinein, wie durch schwarze Punkte symbolisiert wird, auf der linken Seite verläuft die Stromrichtung aus der Zeichenebene heraus.
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3 zeigt eine beispielhafte Verschaltung der Wicklungen 9.1, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6, 9.7, 9.8, 9.9, 9.10, 9.11, 9.12, die hier beispielhaft anhand der ersten Maschineneinheit mit den Wicklungen 9.1, 9.2 9.3, 9.4 erläutert wird, aber auf alle vorbeschriebenen Maschineneinheiten angewendet werden kann. Die erste Wicklung 9.1 ist mit der dritten Wicklung 9.3 in Reihe geschaltet, während in einer verbundenen Schaltung die zweite Wicklung 9.2 und die vierte Wicklung 9.4 parallelgeschaltet sind. Auf diese Weise lassen sich Vorteile eines Hauptschlusses mit Vorteilen eines Nebenschlusses kombinieren.
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Die 4, 5 und 6 zeigen erfindungsgemäße Antriebsstränge 14.1, 14.2, 14.3, bei denen jeweils eine Antriebsvorrichtung 15 über eine Kupplung 16 mit der ersten Welle 3.1 einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 verbindbar ist. Auf der Abtriebswelle der elektrischen Maschine 1, also der zweiten Welle 3.2, ist eine weitere elektrische Maschine angeordnet. In dem Antriebsstrang 14.1 ist die weitere elektrische Maschine eine Gleichstrommaschine 17, beispielsweise eine bekannte, einfache Gleichstrommaschine. In dem Antriebsstrang 14.2 ist die weitere elektrische Maschine eine Drehstrommaschine 18. In dem Antriebsstrang 14.3 ist die weitere elektrische Maschine eine bürstenlose Drehstrommaschine 19. Eine Drehstrommaschine 18, 19 kann beispielsweise mittels eines Inverters mit der elektrischen Maschine 1 verschaltet sein. Die weitere Maschine kann auch einer beliebigen anderen Bauform einer elektrischen Maschine entsprechen und beispielsweise ein Schrittmotor sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Gehäuse
- 2.1
- feststehender Teil des Gehäuses
- 2.2
- erster Deckel
- 2.3
- zweiter Deckel
- 3.1
- erste Welle
- 3.2
- zweite Welle
- 4
- Planetenradsatz
- 4.1
- Sonnenrad des Planetenradsatzes
- 4.2
- Steg des Planetenradsatzes
- 4.3
- Hohlrad des Planetenradsatzes
- 4.4
- Planetenräder des Planetenradsatzes
- 5
- erster Stator
- 5.1
- erster Pol
- 5.2
- zweiter Pol
- 6
- erster Rotor
- 6.1
- dritter Pol
- 6.2
- vierter Pol
- 7
- zweiter Stator
- 7.1
- fünfter Pol
- 7.2
- sechster Pol
- 8
- zweiter Rotor
- 8.1
- siebter Pol
- 8.2
- achter Pol
- 9.1
- erste Wicklung
- 9.2
- zweite Wicklung
- 9.3
- dritter Wicklung
- 9.4
- vierte Wicklung
- 9.5
- fünfte Wicklung
- 9.6
- sechste Wicklung
- 9.7
- siebte Wicklung
- 9.8
- achte Wicklung
- 9.9
- neunte Wicklung
- 9.10
- zehnte Wicklung
- 9.11
- elfte Wicklung
- 9.12
- zwölfte Wicklung
- 10
- Anschlussende der erste Welle
- 11
- Schleifkontakte der zweiten Welle
- 12
- Schleifkontakte der ersten Welle
- 13
- Elektrobleche
- 13.1
- Ausnehmungen
- 14.1
- Antriebsstrang
- 14.2
- Antriebsstrang
- 14.3
- Antriebsstrang
- 15
- Antriebsvorrichtung
- 16
- Kupplung
- 17
- Gleichstrommaschine
- 18
- Drehstrommaschine
- 19
- bürstenlose Drehstrommaschine
- 20
- Kupplung
- A.1
- erster Kontakt der ersten Wicklung
- A.2
- zweiter Kontakt der ersten Wicklung
- B.1
- erster Kontakt der zweiten Wicklung
- B.2
- zweiter Kontakt der zweiten Wicklung
- C. 1
- erster Kontakt der dritten Wicklung
- C.2
- zweiter Kontakt der dritten Wicklung
- D. 1
- erster Kontakt der vierten Wicklung
- D.2
- zweiter Kontakt der vierten Wicklung
- E.1
- erster Kontakt der fünften Wicklung
- E.2
- zweiter Kontakt der fünften Wicklung
- F. 1
- erster Kontakt der sechsten Wicklung
- F.2
- zweiter Kontakt der sechsten Wicklung
- G. 1
- erster Kontakt der siebten Wicklung
- G:2
- zweiter Kontakt der siebten Wicklung
- H. 1
- erster Kontakt der achten Wicklung
- H.2
- zweiter Kontakt der achten Wicklung
- I.1
- erster Kontakt der neunten Wicklung
- I.2
- zweiter Kontakt der neunten Wicklung
- J.1
- erster Kontakt der zehnten Wicklung
- J.2
- zweiter Kontakt der zehnten Wicklung
- K.1
- erster Kontakt der elften Wicklung
- K.2
- zweiter Kontakt der elften Wicklung
- L.1
- erster Kontakt der zwölften Wicklung
- L.2
- zweiter Kontakt der zwölften Wicklung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 9939426 A1 [0004]
- AT 408045 B [0005]
