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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Axialflussmaschine mit einem Stator, der eine erste und eine zweite Statorhälfte aufweist, deren jeweils radial außenliegende Stirnseiten über eine radial äußere Verbindung miteinander verbunden sind, mit einem zwischen den Statorhälften angeordneten Rotor, der relativ zum Stator drehbar gelagert ist, sowie einer in drehfestem Kontakt mit dem Rotor stehenden Rotorwelle. Die Rotorwelle stützt über eine Lagerung die jeweiligen ersten und zweiten Statorhälften ab, wobei zwischen dem Rotor und dem Stator in Axialrichtung eine Magnetkraft wirkt. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschinenanordnung mit einer derartigen elektrischen Axialflussmaschine.
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Bei Elektromotoren bzw. Elektromaschinen wird zwischen Stator und Rotor ein (starkes) Magnetfeld erzeugt, sodass zwischen diesen Komponenten eine (starke) Magnetkraft wirkt. Diese Magnetkraft muss von der Struktur des Elektromotors, insbesondere vollständig, abgestützt und getragen werden. Bei Elektromotoren ist eine exakte, steife mechanische Motorstruktur, insbesondere der von einem im Elektromotor erzeugten Magnetfeld durchströmten Komponenten, wichtig, da bereits geringe Positionsabweichungen der Komponenten untereinander (bspw. veränderte Luftspalte zwischen Rotor und Stator, insbesondere in Axialflussmaschinen) den magnetischen Fluss nennenswert beeinflussen können. Daher ist es wichtig, eine sehr präzise mechanische Struktur des Elektromotors sicherstellen zu können, um die notwendige exakte Ausrichtung der elektrischen und/oder magnetischen Komponenten sicherzustellen. Maßabweichungen, d.h. Formabweichungen oder Lageabweichungen, im Elektromotor aufgrund der Magnetkraft (z.B. durch bspw. elastische Verformungen von Komponenten, die aufgrund der Magnetkraft auftreten) verschlechtern dessen Effizienz, dessen Lebensdauer und/oder dessen Leistung.
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Eine besondere Herausforderung stellt die Kraftabstützung für Axialflussmaschinen als besondere Ausführungsform eines Elektromotors dar. Bei Axialflussmaschinen sind Stator und Rotor axial (in Bezug auf eine Abtriebswelle bzw. Rotationsachse des Elektromotors) nebeneinander angeordnet und die Magnetkräfte zwischen Stator und Rotor wirken in Axialrichtung. Üblicherweise weisen Axialflussmaschinen relativ flache, scheibenförmige Rotoren und Statoren auf, für die es schwierig ist, die auf sie wirkenden Magnetkräfte, insbesondere im Falle wechselnder Belastungen (z.B. wechselnde Magnetkräfte, zeitweise wirken Trägheitskräfte bei Fahrzeugbeschleunigung oder Fliehkraftänderung bei unterschiedlichen Drehzahlen) abstützen zu können. Insbesondere bei Axialflussmaschinen haben kleine axiale Verlagerungen der Statorstruktur bereits einen großen Einfluss auf die Breite der Luftspalte zwischen Rotor und Stator. Eine geringfügige Änderung (Verbreiterung oder Verschmälerung) der Breite dieser Luftspalte kann die Eigenschaften der Axialflussmaschine bereits deutlich verändern.
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Daher wurde im Stand der Technik bereits eine elektrische Axialflussmaschine in I-Anordnung entwickelt, d.h. eine elektrische Axialflussmaschine, bei der ein Rotor axial zwischen zwei Statorhälften angeordnet ist, die jeweils an ihrer radial außenliegenden (relativ zu einer Abtriebswelle der Axialflussmaschine) Stirnseite miteinander über eine radial äußere Verbindung miteinander verbunden sind. Zusätzlich dazu sind die beiden Statorhälften an ihrer radial innenliegenden (relativ zu einer Abtriebswelle der Axialflussmaschine) Stirnseite durch eine Lagerung, insbesondere jeweils durch ein Lager, mit einer mit dem Rotor drehfest gekoppelten Rotorwelle verbunden.
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Die in Axialrichtung wirkende Magnetkraft kann in einer derartigen elektrischen Axialflussmaschine sowohl über die Lagerung als auch über die radial äußere Verbindung, nachfolgend „Joch“ genannt, abgestützt werden. Die auf die beiden Statorhälften wirkende Magnetkraft muss daher nicht allein über das Joch von einer auf die andere Statorhälfte übertragen werden. Würde die Magnetkraft lediglich vom Joch aufgenommen/übertragen werden, würde dies eine besonders robuste, schwere und große Stützstruktur (z.B. ein dickwandiges Statorgehäuse) erfordern, um zu verhindern, dass jeweils ein Innenrand der unter wechselnder Magnetkraft tellernden Statorhälften unzulässig weit axial ausgelenkt wird. Die Lagerung und das Joch wirken jedoch so zusammen, dass die Statorstruktur gegenüber Verformungen aufgrund der wirkenden Magnetkräfte unempfindlich ist, was sich sehr positiv auf den Elektromotor, insbesondere auf dessen Effizienz, Lebensdauer und Leistung, auswirkt.
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Bei einer derartigen elektrische Axialflussmaschine nimmt die Lagerung in etwa die Hälfte (etwas weniger als 50%) der auf sie wirkenden Magnetkräfte auf. Dies bedeutet eine große Belastung für die Lagerung.
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Derart hohe Belastungen für die Lagerung bzw. die Lager können deren Lebensdauer deutlich verkürzen. Wenn die Lagerung aufgrund der hohen Belastung überlastet ist, kann es sein, dass sie die Statorhälften nicht mehr wie vorgesehen abstützen kann und sich dadurch der Luftspalt zwischen Rotor und Stator verändert (insbesondere verkleinert). Dies würde eine deutliche und nachteilige Veränderung der Motoreigenschaften nach sich ziehen. Um eine ungewollte Luftspaltveränderung und einen frühzeitigen Lagerschaden zu verhindern, müsste bei derart hohen Lagerbelastungen entsprechend große hochbelastbare Lager eingesetzt werden. Je größer und hochbelastbarer die Lager aber sein müssen, desto teurer und voluminöser werden die Lager und desto größer werden auch die Lagerverluste (z.B. Rollreibungsverluste und Schleppmomente).
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu minimieren bzw. zu beseitigen. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Axialflussmaschine bereitzustellen, die einerseits selbst eine hohe Effizienz, eine lange Lebensdauer und eine exzellente Leistung hat und deren Lagerung gleichzeitig kleiner und günstiger ist und eine verlängerte Lebensdauer aufweist als herkömmliche Lagerungen. Dabei sollen die Grundabmessungen der vom Magnetfeld durchströmten Komponenten der elektrischen Axialflussmaschine ausgehend vom Stand der Technik nicht geändert werden. Besonders gewünscht ist es, einen prozentual größeren Anteil der Magnetkraft über die radial äußere Verbindung (das Joch) zwischen den Statorhälften zu übertragen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Axialflussmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorzusweise ist eine elektrische Axialflussmaschine, vorzugsweise für den Antrieb eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, ausgebildet mit einem Stator, der eine erste und eine zweite Statorhälfte aufweist, deren jeweils (in Bezug auf eine Abtriebswelle bzw. Rotationsachse der Axialflussmaschine) radial außenliegende Stirnseiten über eine radial äußere Verbindung miteinander verbunden sind, mit einem zwischen den Statorhälften angeordneten Rotor, der relativ zum Stator drehbar gelagert ist, sowie einer in drehfestem Kontakt mit dem Rotor stehenden Rotorwelle. Die Rotorwelle stützt über eine Lagerung (radial innere Verbindung) die jeweiligen ersten und zweiten Statorhälften (insbesondere deren radial innenliegenden Stirnseiten) ab. Zwischen Rotor und Stator wirkt (in Bezug auf eine Abtriebswelle bzw. Rotationsachse der Axialflussmaschine) in Axialrichtung eine Magnetkraft bzw. ein Magnetfeld. Bei zumindest einer der beiden Statorhälften sind bauliche Maßnahmen zum Erzeugen einer Vorspannung vorgehalten, die zumindest eine der beiden Statorhälften von dem Rotor wegdrängt, um der Magnetkraft entgegenzuwirken.
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Mit anderen Worten erzielt die zumindest eine Statorhälfte direkt (über ihre Materialeigenschaften) oder indirekt (über ein externes Vorspannungselement) eine Federwirkung, die den Magnetkräften und damit auch einer bspw. elastischen Verformung der Statorstruktur entgegenwirkt. Die Vorspannung wirkt also der Magnetkraft und somit einer potentiell auftretenden elastischen Verformung der Statorkomponenten/Statorstruktur entgegen.
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Dabei erfolgt ein axialer Kraftfluss der Magnetkraft von einer Statorhälfte einerseits über die Lagerung auf die Rotorwelle und von dieser über die Lagerung auf die andere Statorhälfte und andererseits über die radial äußere Verbindung auf die andere Statorhälfte. Üblicherweise wirkt die Magnetkraft so auf die Statorhälften ein, dass sie die Statorhälften in Axialrichtung zum Rotor hin anziehen. Die Vorspannung/Vorspannkraft der zumindest einen Statorhälfte wirkt dieser Magnetkraft entgegen, d.h. die Vorspannung wirkt in Axialrichtung vom Rotor weg. Daraus ergibt sich eine Gesamt-Axialkraft: wenn die gesamte Vorspannkraft größer als die maximale Magnetkraft ist, wirkt die Gesamt-Axialkraft von den Statorhälften nach außen vom Rotor weg. Wenn die Magnetkraft größer als die gesamte Vorspannkraft ist, wirkt die Gesamt-Axialkraft von den Statorhälften nach innen zum Rotor hin. Aufgrund der Vorspannung hat die Statorstruktur die Tendenz, dass sich die beiden Statorhälften voneinander, d.h. auch vom Rotor, wegbewegen. Dadurch verringert sich vorteilhafterweise die Magnetkraft auf die Lagerung. Somit kann vorteilhafterweise eine Lebensdauer der Lagerung erhöht werden, welche wiederum für eine hohe Effizienz, Leistung und Lebensdauer der elektrischen Axialflussmaschine sorgt.
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In anderen Worten betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschinenanordnung, die eine Axialfluss-Elektromaschine, vorzugsweise zum Antrieb eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit einem Stator und mit einem Rotor aufweist. Eine Rotorwelle steht mit dem Rotor in Drehkontakt. Der Rotor ist über mindestens eine Lagerstelle/eine Lagerung innerhalb der elektrischen Maschinenanordnung drehbar gelagert. Vorzugsweise weist der Stator mindestens eine erste und eine zweite Statorhälfte auf, die auf jeweils unterschiedlichen axialen Seiten durch einen Luftspalt axial vom Rotor beabstandet sind.
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Um eine hohe Belastung der Lagerstelle/Lagerung zu reduzieren, wird ein größerer Anteil einer Axialkraft über einen axial äußeren Verbindungspunkt (eine radial äußere Verbindung) zwischen mindestens einer der Statorhälften durch eine Statorstützstruktur übertragen. Eine Lagerung (radial innere Verbindung) der mindestens einen Statorhälfte über ein Lager und den Rotor wird durch eine Vorspannung der Statorstützstruktur entlastet. Eine inhärente Steifigkeit der Statorstützstruktur neigt dazu, einen inneren Teil der mindestens einen Statorhälfte axial gegen magnetische Kräfte zu bewegen. Darüber hinaus kann die Vorspannung der Statorstützstruktur einer Verformung oder einem Verrutschen des Stators durch die auf den Stator wirkenden Kräfte entgegenwirken.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die zumindest eine Statorhälfte selbst die Vorspannung (integral) auf und/oder die Vorspannung wird durch ein von dem Stator separat ausgebildetes, externes Vorspannungselement, das mit der zumindest einen Statorhälfte verbunden ist, erzielt.
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Es gibt also zwei verschiedene Möglichkeiten dafür, die zumindest eine Statorhälfte vorzuspannen, die auch miteinander kombinierbar sind. Die erste Möglichkeit sieht vor, dass die Vorspannung eine intrinsische (Material-)Eigenschaft der zumindest einen Statorhälfte ist, und die zweite Möglichkeit sieht vor, dass die Vorspannung durch ein von der Statorhälfte separat ausgebildetes, externes Vorspannungselement erzielt wird, welches mit der zumindest einen Statorhälfte gekoppelt wird.
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Es ist dabei vorstellbar, dass der Stator ein Statorgehäuse aufweist, welches eine erste Halbschale, die eine Außenkante bzw. Außenseite der ersten Statorhälfte definiert, und eine zweite Halbschale, die eine Außenkante bzw. Außenseite der zweiten Statorhälfte definiert, hat und die erste Halbschale und/oder die zweite Halbschale eine derartige Eigensteifigkeit aufweist bzw. aufweisen, dass die Halbschale(n) selbst die Vorspannung/Vorspannkraft aufweist/aufweisen bzw. ausbildet/ausbilden, die der Magnetkraft entgegenwirkt.
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Dadurch, dass die Statorstruktur aufgrund der Vorspannung vom Einbauzustand in den freien Zustand zurückkehren will, entsteht eine, insbesondere elastische, Federwirkung. Diese Federwirkung wirkt der Magnetkraft bzw. den daraus resultierenden (elastischen) Verformungen der Statorstruktur entgegen. Das Versehen der Halbschale(n), welche selbst Bauteile der Axialflussmaschine sind, mit der Vorspannung hat also den Vorteil, dass zumindest teilweise Verformungen in der Struktur der Axialflussmaschine kompensiert werden können, die ansonsten aufgrund der Magnetkraft in den Bauteilen der Axialflussmaschine auftreten würden. Statt die Statorstruktur so aufzubauen, dass sie bereits die geometrische Idealform annimmt bevor die Magnetkräfte auf sie wirken, wird die Statorstruktur oder Teile der Statorstruktur so geformt, dass sie im kraftfreien Zustand von der für den Betrieb des Motors gewünschten Form abweichen und im Betrieb des Motors durch die dann auf sie wirkenden Kräfte in die Idealform oder in eine Form die fast der Idealaform entspricht gebracht wird.
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Durch die Vorspannkraft der Halbschalen lässt sich beeinflussen, wie groß der Anteil der Magnetkraft ist, die radial außen über das Joch übertragen wird, und wie groß der Anteil der Magnetkraft ist, die radial innen über die Lagerung übertragen wird. Dabei ist es sinnvoll, die Vorspannkraft der Halbschalen so zu wählen/einzustellen, dass ein möglichst großer Anteil der Magnetkraft über das Joch übertragen wird. Zudem sollte aber garantiert sein, dass ein minimaler Anteil der Magnetkraft radial innen über die Lagerung übertragen wird, damit eine ausreichende Mindestbelastung der Lagerung gewährleistet ist. Die Magnetkraft wirkt dabei auch im unbestromten Zustand der elektrischen Axialflussmaschine, sodass dauerhaft eine gewissen Mindest-Magnetkraft vorliegt. Optimalerweise ist also die Eigensteifigkeit der Halbschale(n) bzw. deren Vorspannkraft so zu wählen, dass auch bei einer Mindest-Magnetkraft immer noch eine ausreichende axiale Mindestbelastung der Lagerung garantiert ist und dabei so viel Kraft wie möglich über das Joch übertragen wird. Wird die Axialflussmaschine bestromt, ist die Magnetkraft meist größer als die Mindest-Magnetkraft und diese Kraftdifferenz teilt sich dann im Rahmen der geometrischen Verhältnisse in eine axiale Zusatzkraft, die auf die Lagerung wirkt, und in eine axiale Zusatzkraft auf, die auf das Joch wirkt.
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Vorzugsweise ist die Vorspannung der Halbschale(n) so realisiert, dass die erste und/oder die zweite Halbschale mit einer derartigen Eigensteifigkeit hergestellt sind, dass sich die Halbschalen in einem freien Zustand, bevor die Statorhälften über die Lagerung mit der Rotorwelle verbunden sind, ausgehend von ihrer radial außenliegenden Stirnseite/von ihrem radial außenliegenden Ende zu ihrer radial innenliegenden Stirnseite /ihrem radial innenliegenden Ende hin kontinuierlich zunehmend vom Rotor weg erstrecken. Somit erstreckt/erstrecken sich die Halbschale(n) in ihrem freien Zustand schräg/gewinkelt zur Radialrichtung der Axialflussmaschine. Ist/sind die Halbschale(n) im Einbauzustand (liegt dann vor, wenn die Statorhälften bzw. deren Halbschalen über die Lagerung mit der Rotorwelle verbunden sind), erstrecken sich die Halbschale(n) entlang der (in die) Radialrichtung.
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Auf diese Weise ist es besonders einfach, die Halbschale(n) mit einer Vorspannung bzw. einer Vorspannkraft zu versehen.
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Insbesondere ist vorstellbar, dass die Eigensteifigkeit der Halbschale(n) in Abhängigkeit von der Steifigkeit bzw. Dicke der Halbschale(n) eingestellt ist.
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Dies hat den Vorteil, dass die Vorspannung für die jeweils verwendete Axialflussmaschine individuell einstellbar ist. Somit können die unterschiedlichsten Axialflussmaschinen auf einfache Weise vor Verformungen in ihrer Struktur optimal geschützt werden.
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Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass, wenn die erste und die zweite Halbschale gleichermaßen steif, insbesondere dick, sind, die Vorspannung, d.h. Vorspannweg und/oder Vorspannkraft der ersten und zweiten Halbschale identisch ist, und wenn eine der beiden Halbschalen steifer, insbesondere dicker, als die andere Halbschale ist, die steifere Halbschale ohne Vorspannung oder mit einem kleineren Vorspannweg versehen ist, als die weniger steife Halbschale.
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Je dicker nämlich eine Halbschale ist, desto weniger elastisch und desto stabiler ist sie. Demnach ist mit zunehmender Dicke einer Halbschale ein weniger starker Vorspannweg der Halbschale erforderlich, da dickere Halbschalen aufgrund ihrer Materialsteifigkeit besser der auf sie wirkenden Magnetkraft entgegenwirken können. Zudem entsteht bei steiferen/dickeren Halbschalen die benötigte Vorspannkraft bereits bei einem geringeren Vorspannweg, da gilt Vorspannkraft = Steifigkeit * Vorspannweg.
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Dabei ist es möglich, bei zwei unterschiedlich steifen bzw. dicken Halbschalen, nur die weniger steife bzw. weniger dicke Halbschale mit einer Vorspannkraft zu versehen und die andere nicht. Alternativ dazu ist es möglich, bei zwei unterschiedlich steifen bzw. dicken Halbschalen beide Halbschalen vorzuspannen. In diesem Fall wäre es sinnvoll, die steifere/dickere Halbschale mit einem geringeren Vorspannweg vorzusehen als die weniger steife/dicke Halbschale. Damit können die Vorspannkräfte der beiden unterschiedlich steifen Halbschalen so abgestimmt werden, dass sie der Magnetkraft entgegengerichtet wirken und vom Betrag her gleich groß sind.
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Vorzugsweise ist alternativ oder zusätzlich zu der Ausführungsform, die Statorhälfte(n) selbst mit der Vorspannung zu versehen, die weitere Ausführungsform vorgesehen, dass die zumindest eine Statorhälfte durch ein von der Statorhälfte separat ausgebildetes, externes Vorspannungselement, insbesondere eine Feder, mit der Vorspannung versehen ist, wobei ein erstes Ende des externen Vorspannungselements an der radial außenliegenden Stirnseite/dem radial außenliegenden Ende der zumindest einen Statorhälfte abgestützt/angebracht ist und ein zweites Ende des externen Vorspannungselements an einem radial weiter innenliegenden Bereich der zumindest einen Statorhälfte abgestützt/angebracht ist, sodass das externe Vorspannungselement eine der Magnetkraft entgegenwirkende Zugkraft auf die zumindest eine Statorhälfte ausübt.
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Vorzugsweise ist alternativ oder zusätzlich zu der Ausführungsform, die Statorhälfte(n) selbst mit der Vorspannung zu versehen, die weitere Ausführungsform vorgesehen, dass die zumindest eine Statorhälfte durch ein von der Statorhälfte separat ausgebildetes, externes Vorspannungselement, insbesondere eine Tellerfeder, mit der Vorspannung versehen ist, wobei der Außendurchmesser des externen Vorspannungselements an der radial außenliegenden Stirnseite/dem radial außenliegenden Ende der zumindest einen Statorhälfte abgestützt/angebracht ist und der Innendurchmesser des externen Vorspannungselements an einem radial weiter innenliegenden Bereich der zumindest einen Statorhälfte abgestützt/angebracht ist, sodass das externe Vorspannungselement eine der Magnetkraft entgegenwirkende Zugkraft auf die zumindest eine Statorhälfte ausübt.
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Im Gegensatz zu der Ausführungsform, die Statorhälfte(n) selbst mit der Vorspannung zu versehen, ist bei der Ausführungsform, dass ein externes Vorspannungselement die Vorspannung vorsieht, eine deutlich stärkere Federwirkung bzw. Vorspannkraft, die gegen die Magnetkraft in der Axialflussmaschine wirkt, erzielbar. Wenn das externe Vorspannungselement als separat ausgebildetes Bauteil verwendet wird, kann es leichter für größere Federkräfte optimiert werden, als wenn die Vorspannung in die Statorstruktur integriert wird, welche primär andere Funktionen als die Vorspannung hat. Somit kann die Form, der Werkstoff und das Herstellungsverfahren des externen Vorspannungselementes auf eine hohe Kraftauf-/übernahme hin optimiert werden. Wird sowohl die zumindest eine Statorhälfte selbst, bzw. ihre Halbschale, mit der Vorspannung versehen als auch zusätzlich dazu eine Vorspannung über ein externes Vorspannungselement eingestellt, kann eine sehr starke Federwirkung durch diese kombinierte Vorspannung erzielt werden, die optimal der Magnetkraft in der Axialflussmaschine entgegenwirkt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Stator ein Statorgehäuse oder ein anderes elastisch verformbares Bauteil auf, das sich von einem radial äußeren Bereich des Stators zu einem radial inneren Bereich des Stators erstreckt und dem eine ausgehend von seinem freien nicht mit den anderen Statorbauteilen montierten Zustand zu seinem in oder an dem Stator montierten und mit den vom Magnetfeld des Motors hervorgerufenen Kräften belasteten Zustand elastische Verformung aufgezwungen wird. Diese elastische Verformung bewirkt, dass sich der radial mittlere Teil des Statorgehäuses oder des anderen elastisch verformbaren Statorbauteils axial relativ zu seinem radial äußeren Bereich und seinem radial inneren Bereich von seinem freien nicht mit den anderen Statorbauteilen montierten Zustand zu seinem in oder an dem Stator montierten und mit den vom Magnetfeld des Motors hervorgerufenen Kräften belasteten Zustand in Richtung des Rotors verlagert. Diese elastische Verlagerung des radialen Mittelteils in Richtung des Rotors bewirkt eine Kraftwirkung, die der radiale Mittelteil auf die Umgebungsbauteile des elastisch verformten Bauteils ausüben kann, die von dem Rotor weg orientiert ist. Die Kraftwirkung des radialen Mittelteils ist somit der Kraft des Magnetfeldes entgegengerichtet und erleichtert es somit den Nachbarbauteilen des bei der Montage gezielt elastisch verformten Bauteils die vom Magnetfeld hervorgerufen Kräfte zu ertragen und abzuleiten. Durch diese durch die Formgebung und die elastische Verformung bei der Montage hervorgerufene Vorspannung einzelner Bauteile, die besonders gut diese mechanische Belastung aushalten können, können andere Bauteile im Stator entlastet werden. Dies ermöglicht es beispielsweise, einige Statorbauteile für die Abstützung der durch die Magnetkräfte hervorgerufenen mechanischen Belastungen zu optimieren (beispielsweise durch die Werkstoffauswahl und Formgebung) und andere Bauteile, die durch die Vorspannung der Nachbarbauteile entlastet werden und dadurch keinen nennenswerten Beitrag mehr zur Abstützung der vom Magnetfeld hervorgerufenen Kräfte leisten müssen, in einer von ihrer freien Form vor der Montage nicht abweichenden Form im funktionstüchtigen Motor zu betreiben und diese Bauteile dann auf andere Anforderungen, wie beispielsweise elektrische Leitfähigkeit oder gute elektrische Isolierung optimieren zu können.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Stator ein Statorgehäuse oder ein anderes elastisch verformbares Bauteil auf, das sich von einem radial äußeren Bereich des Stators zu einem radial inneren Bereich des Stators erstreckt und dem eine ausgehend von seinem freien nicht mit den anderen Statorbauteilen montierten Zustand zu seinem in oder an dem Stator montierten und mit den vom Magnetfeld des Motors hervorgerufenen Kräften belasteten Zustand elastische Verformung aufgezwungen wird.
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Die elastische Verformung des sich im oder am Stator von einem radial äußeren Bereich des Stators zu einem radial inneren Bereich des Stators erstreckenden Bauteils kann durch eine Wölbung erfolgen, bei der der radial mittlere Teil relativ zum radial äußeren Bereich und radial inneren Bereich dem Rotor weiter zugewandt oder weiter abgewandt ist. Dabei sind verschiedenen Varianten möglich. Das elastisch verformbare Bauteil kann vor der Montage mit den restlichen Statorteilen einen Mittelteil aufweisen, der weiter von Rotor weggewölbt ist als im montierten Zustand des Stators. Das elastisch verformbare Bauteil kann vor der Montage mit den restlichen Statorteilen einen Mittelteil aufweisen, der von Rotor weggewölbt ist und im montierten Zustand des Stators gerade ist. Das elastisch verformbare Bauteil kann vor der Montage mit den restlichen Statorteilen einen Mittelteil aufweisen, der von Rotor weggewölbt ist und im montierten Zustand des Stators zum Rotor hingewölbt ist. Das elastisch verformbare Bauteil kann vor der Montage mit den restlichen Statorteilen gerade sein und im montierten Zustand des Stators einen Mittelteil aufweisen, der zum Rotor hingewölbt ist. Das elastisch verformbare Bauteil kann vor der Montage mit den restlichen Statorteilen einen Mittelteil aufweisen, der zum Rotor hingewölbt ist und im montierten Zustand des Stators noch weiter zum Rotor hingewölbt ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Stator ein Statorgehäuse auf, welches eine erste Halbschale, die eine Außenkante bzw. Außenseite der ersten Statorhälfte definiert, und eine zweite Halbschale, die eine Außenkante bzw. Außenseite der zweiten Statorhälfte definiert, hat und wobei zumindest eine Längsseite bzw. Stirnseite der ersten Halbschale und/oder der zweiten Halbschale in einem Zustand ohne Einwirkung der Magnetkraft eine sich in Axialrichtung vom Rotor weg ausdehnende Außenwölbung aufweist bzw. aufweisen und insbesondere in einem Zustand unter Einwirkung einer Mindest-Magnetkraft eben ist bzw. sind.
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Damit weist zumindest die Längsseite zumindest einer der Halbschalen, insbesondere beider Halbschalen, eine Außenwölbung auf, die nur sichtbar bzw. messbar ist, wenn die Axialflussmaschine nicht in Betrieb (nicht unter Last) ist. Unter Last wird in der Axialflussmaschine durch die zum Rotor hin wirkende Magnetkraft jeweils eine solche Kraft auf die Halbschale(n) ausgeübt, dass deren Form eben/flach ist.
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Die Außenwölbung der Halbschale(n) kann vorteilhafterweise unter Last eine möglichst gleichmäßige Breite eines zwischen Rotor und Stator vorgesehenen Luftspaltes sicherstellen. Durch die Außenwölbung der Halbschale(n) wird außerdem verhindert, dass sich die Halbschale(n) aufgrund der auf sie wirkenden Magnetkraft nach axial innen zum Rotor hin durchbiegen bzw. zu weit durchbiegen.
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Vorzugsweise weist die Lagerung zwei Lager, die jeweils eine Statorhälfte bzw. deren Halbschale mit der Rotorwelle verbinden, in X-Anordnung zueinander auf, wenn die Gesamt-Vorspannkraft (Summe aller Vorspannkräfte) in der Axialflussmaschine kleiner als (oder gleich wie) die Magnetkraft eingestellt ist, und die Lagerung weist zwei Lager, die jeweils eine Statorhälfte mit der Rotorwelle verbinden, in O-Anordnung zueinander auf, wenn die Gesamt-Vorspannkraft in der Axialflussmaschine größer als eine maximal auftretende Magnetkraft eingestellt ist.
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Vorzugsweise weist die Lagerung zwei Lager auf, die jeweils eine Statorhälfte bzw. deren Halbschale mit der Rotorwelle so verbinden, dass die Halbschale eine Axialkraft auf die Rotorwelle in Richtung der anderen Statorhälfte ausüben kann (In der Welle entsteht zwischen den beiden Lagern eine axiale Druckkraft.), wenn die Gesamt-Vorspannkraft, d.h. Summe aller Vorspannkräfte, in der Axialflussmaschine kleiner als (oder gleich wie) die Magnetkraft eingestellt ist. Die beiden Lager werden dazu sinnvoller Weise so gestaltet und angeordnet, dass sie bezogen auf ihre Kraftübertragungsrichtung eine X-Anordnung zueinander aufweisen.
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Wenn die Gesamt-Vorspannkraft in der Axialflussmaschine größer als eine maximal auftretende Magnetkraft eingestellt ist, weist die Lagerung vorzugsweise zwei Lager auf, die jeweils eine Statorhälfte bzw. deren Halbschale mit der Rotorwelle so verbinden, dass die Halbschale eine Axialkraft auf die Rotorwelle ausübt, die von der anderen Statorhälfte weg gerichtet ist (In der Welle entsteht zwischen den beiden Lagern eine axiale Zugkraft.). Die beiden Lager werden dazu sinnvoller Weise so gestaltet und angeordnet, dass sie bezogen auf ihre Kraftübertragungsrichtung eine O-Anordnung zueinander aufweisen.
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Die Gesamt-Vorspannkraft in der Axialflussmaschine ist insbesondere dann größer als die maximal auftretende Magnetkraft, wenn die Vorspannung zumindest durch ein externes Vorspannungselement eingestellt wird.
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Wenn die Lager in X-Anordnung zueinander angeordnet sind, liegen die Druckmittelpunkte der beiden Lager jeweils zwischen den Lagern. Die Lager in X-Anordnung können besonders gut der nach innen (zum Rotor hin) gerichteten Gesamt-Axialkraft entgegenwirken, die auftritt, wenn die Magnetkraft größer als die Gesamt-Vorspannkraft ist. Wenn die Lager in O-Anordnung zueinander ausgerichtet sind, liegen die Druckmittelpunkte der beiden Lager jeweils außerhalb der Lager. Die Lager in O-Anordnung können daher besonders gut der nach außen gerichteten Gesamt-Axialkraft entgegenwirken, die auftritt, wenn die Gesamt-Vorspannkraft größer als die maximal auftretende Magnetkraft ist.
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Da sich also die Anordnung der Lager zueinander nach der Wirkungsrichtung der Gesamt-Axialkraft und damit nach der Größe der (Gesamt-)Vorspannkraft richtet, kann die Rotorwelle in jedem Fall kippstabil an den beiden Statorhälften abgestützt werden. Somit ist die Struktur der Axialflussmaschine in jedem Fall stabil.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschinenanordnung, die die zuvor beschriebene elektrische Axialflussmaschine aufweist. Die elektrische Maschinenanordnung weist alle Vorteile der erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine auf.
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Es wird weiter ein Antriebsstrang mit einer derartigen elektrischen Maschinenanordnung sowie ein Kraftfahrzeug mit so einem Antriebsstrang vorgeschlagen.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert, in welchem Zusammenhang auch verschiedene Ausführungsformen beschrieben sind.
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Es zeigen:
- 1 eine elektrische Axialflussmaschine in I-Anordnung in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung, bei der beide Statorhälften selbst mit einer Vorspannung versehen sind;
- 2 die elektrische Axialflussmaschine aus 1, bei der eine Statorhälfte an ihrer radial inneren Stirnseite an einem Gehäuse der Axialflussmaschine fixiert ist und die andere Statorhälfte mit einer Vorspannung versehen ist;
- 3 eine elektrische Axialflussmaschine in I-Anordnung in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung, bei der an beiden Statorhälften jeweils ein externes Vorspannungselement montiert ist;
- 4 die elektrische Axialflussmaschine aus 3, bei der die Lagerung in Form zweier Lager in O-Anordnung zueinander ausgebildet ist; und
- 5 eine elektrische Axialflussmaschine in I-Anordnung in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung, bei der zumindest die Längsseiten des Statorgehäuses mit einer Außenwölbung versehen sind.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Ferner können die unterschiedlichen Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen frei miteinander kombiniert werden.
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In den nachfolgend beschriebenen 1 bis 5 definiert eine Abtriebswelle AW einer elektrischen Axialflussmaschine 1 die Axialrichtung (siehe Pfeil AR) und die Radialrichtung (siehe Pfeil RR). Die Abtriebswelle AW definiert mit ihrer Längsachse, die in Axialrichtung verläuft, die Rotationsachse R der Axialflussmaschine 1.
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1 zeigt eine elektrische Axialflussmaschine 1, die auch als Axialflussmotor bezeichnet werden kann, in I-Anordnung für den Antrieb eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Die elektrische Axialflussmaschine 1 weist einen Stator 2 auf, der eine erste und eine zweite Statorhälfte 3, 4 aufweist. Die in Bezug auf eine Abtriebswelle AW der Axialflussmaschine 1 radial außenliegenden Stirnseiten der ersten und zweiten Statorhälften 3, 4 sind über eine radial äußere Verbindung 5 (nachfolgend auch als „Joch“ bezeichnet) miteinander verbunden. Dabei ist die radial äußere Verbindung 5 mit einem Befestigungsmittel, insbesondere mit einem Bolzen oder mit einer Schraube ausgeführt, das in dafür vorgesehene Löcher in der jeweiligen Statorhälfte 3, 4 eingreift.
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Weiterhin weist die elektrische Axialflussmaschine 1 einen Rotor 6, der relativ zum Stator 2 drehbar gelagert ist, sowie eine in drehfestem Kontakt mit dem Rotor 6 stehende Rotorwelle 7 auf. Der Rotor 6 ist an seiner einen Axialseite von der ersten Statorhälfte 3 und an seiner anderen Axialseite von der zweiten Statorhälfte 4 umgeben. Die Rotorwelle 7 ist über eine Innenverzahnung mit einer Außenverzahnung der Abtriebswelle AW verbunden. Die Rotorwelle 7 ist jeweils mit der in Bezug auf die Abtriebswelle AW radial innenliegenden Stirnseite der ersten und der zweiten Statorhälfte 3, 4 über eine Lagerung 8 verbunden.
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Der Rotor 6 weist zumindest einen Rotormagneten (bspw. Permanentmagnete) auf und die beiden Statorhälften 3, 4 weisen jeweils zumindest einen Statormagneten (bspw. Elektromagnete) auf. Zwischen den Statormagneten und dem Rotormagnet wird ein Magnetfeld erzeugt, wenn die Axialflussmaschine 1 bestromt wird. Dieses Magnetfeld führt dazu, dass sich der Rotor 6 relativ zum Stator 2 dreht. Die Rotorwelle 7 dreht sich dann mit dem Rotor 6 und durch die Verzahnung der Rotorwelle 7 wird die Abtriebswelle AW rotiert, die sich um ihre Längsachse dreht. Zwischen dem Rotormagnet des Rotors 6 und den Statormagneten des Stators 2 wirkt aufgrund von dem Magnetfeld eine Magnetkraft in Axialrichtung. Die Magnetkraft wirkt jeweils von den Statormagneten nach innen zum Rotormagnet hin (siehe Pfeile A).
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Im vorliegenden Fall sind beide Statorhälften 3, 4 mit einer Vorspannung bzw. Vorspannkraft versehen, die der Magnetkraft entgegenwirkt. Die den Statorhälften 3, 4 innewohnende Vorspannkraft (siehe Pfeile B) ist in die Axialrichtung weg vom Rotor und damit entgegengesetzt zur Wirkungsrichtung der Magnetkraft (siehe Pfeile A) gerichtet.
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Die Vorspannkraft wirkt im radial mittleren Bereich und im radial inneren Bereich in Axialrichtung weg vom Rotor. Dazu stützen sich die elastisch verformten Bauteile, die die Vorspannkraft bewirken, auf der radial äußeren Verbindung 5 zwischen den beiden Statorhälften ab. In diesem Verbindungsbereich verursachen die elastisch verformten Bauteile, die die Vorspannkraft bewirken, eine Kraftwirkung in entgegengesetzter Richtung, zu der Kraftwirkung im radial äußeren und mittleren Bereich. In der radial äußeren Verbindung 5 verursachen die elastisch verformten Bauteile, die die Vorspannkraft bewirken, eine axiale Druckbelastung.
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Der Stator weist ein Statorgehäuse 9 auf, welches wiederum zwei Halbschalen, eine erste Halbschale 10 und eine zweite Halbschale 11, aufweist. Die erste Halbschale 10 umgibt bzw. umschließt die erste Statorhälfte 3 an den Seiten der ersten Statorhälfte 3, die nicht dem Rotor 6 zugewandt sind, und definiert somit die Außenkante bzw. Außenseite der ersten Statorhälfte 3. Die zweite Halbschale 11 umgibt bzw. umschließt die zweite Statorhälfte 4 an den Seiten der zweiten Statorhälfte 4, die nicht dem Rotor 6 zugewandt sind, und definiert somit die Außenkante bzw. Außenseite der zweiten Statorhälfte 4. Die erste und die zweite Halbschale 10, 11 sind jeweils zweifach in 1 dargestellt: einmal im Einbauzustand als durchgezogene Linie (10, 11) und einmal im freien Zustand als gestrichelte Linie (10', 11').
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Im vorliegenden Fall sind die erste und die zweite Halbschale 10', 11' mit einer derartigen Eigensteifigkeit versehen/hergestellt, dass sich die Halbschalen 10', 11' im freien Zustand (vor Befestigung an der Rotorwelle 7 über die Lagerung 8) ausgehend von ihrer radial außenliegenden Stirnseite zu ihrer radial innenliegenden Stirnseite hin kontinuierlich zunehmend nach axial außen, d.h. vom Rotor weg, erstrecken. Somit verlaufen die Halbschalen 10', 11' in einem Zustand, bevor sie mit der Rotorwelle 7 verbunden sind, schräg/gewinkelt zur Radialrichtung. In dem Zustand, in dem die Halbschalen 10, 11 über die Lagerung 8 mit der Rotorwelle 7 verbunden sind, sind die Halbschalen 10, 11 im Einbauzustand und erstrecken sich entlang der (in die) Radialrichtung.
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Die Lagerung 8 ist hier in Form von zwei Lagern, einem ersten Lager 12 und einem zweiten Lager 13, die insbesondere jeweils als einreihige Schrägkugellager ausgeführt sind, ausgebildet. Die Lager 12, 13 stützen den Rotor 6 sowohl axial, als auch radial über die Rotorwelle 7 an den beiden Statorhälften 3 und 4 ab. Das erste Lager 12 verbindet also die erste Statorhälfte 3 mit der Rotorwelle 7 und das zweite Lager 13 verbindet die zweite Statorhälfte 4 mit der Rotorwelle 7. Genauer gesagt verbindet das erste Lager 12 die erste Halbschale 10 mit der Rotorwelle 7 und das zweite Lager 13 die zweite Halbschale 11 mit der Rotorwelle 7.
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Die Lager 12, 13 sind in 1 in einer X-Anordnung zueinander vorgesehen. Eine X-Anordnung zweier Lager zueinander bedeutet, dass der Druckmittelpunkt der jeweiligen Lager zwischen den Lagern liegt. Im Allgemeinen ist es zweckmäßig, die X-Anordnung zu verwenden, wenn die Lager jeweils eine Axialkraft in Richtung des anderen Lagers übertragen, wie hier auch der Fall. Denn die Magnetkraft ist in der vorliegenden Ausführungsform der 1 größer als die (Gesamt-)Vorspannkraft der Halbschalen 10, 11, sodass eine daraus resultierende Gesamt-Axialkraft nach innen zum Rotor hinwirkt.
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Somit erfüllen das erste und das zweite Lager 12, 13 einerseits die Aufgabe, den Rotor 6 und die Rotorwelle 7 durch Verbindung mit den Statorhälften 3, 4 in Position zu halten, und andererseits können die beiden Statorhälften 3, 4 über das jeweilige ihm zugeordnete Lager 12, 13 die auf sie wirkende Magnetkraft an die jeweils andere Statorhälfte 3, 4 übertragen. Dabei wird ein Teil der Magnetkraft bspw. von der ersten Statorhälfte 3 über das erste Lager 12 auf die Rotorwelle 7, von dieser auf das zweite Lager 13 und vom zweiten Lager 13 auf die zweite Statorhälfte 4 übertragen und andersherum. Über das Joch 5 wird der andere Teil der Magnetkraft zwischen den beiden Statorhälften 3, 4 übertragen. Insgesamt nimmt das Statorgehäuse 9 somit einen Großteil der Magnetkraft auf. Die verhindert, dass sich ein erster Luftspalt 14, der zwischen dem Rotor 6 und der ersten Statorhälfte 3 vorgesehen ist und in Radialrichtung verläuft, und ein zweiter Luftspalt 15, der zwischen dem Rotor 6 und der zweiten Statorhälfte 4 vorgesehen ist und in Radialrichtung verläuft, aufgrund der Magnetkraft unzulässig verändern (z.B. zu klein werden). Die gleichbleibende Breite dieser Luftspalte 14, 15 ist erforderlich für die Effizienz der elektrischen Axialflussmaschine 1 und erforderlich für ihre Funktionstüchtigkeit.
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Die Magnetkraft wirkt am stärksten auf den in Radialrichtung betrachteten mittleren Bereich der Statorhälften 3, 4 ein. Die hauptsächlich im mittleren Bereich der Statorhälften 3, 4 eingeleitete Magnetkraft wird dann zum Teil über das Joch 5 und zum Teil über die Lager 12, 13 und die Rotorwelle 7 an die jeweils andere Statorhälfte 3, 4 übertragen. Da die Magnetkraft ausgehend vom Rotor beide Statorhälften 3, 4 zum Rotor hinzieht, wird der Kraftfluss über die Verbindungen 5, 8 (Joch und Lager) zwischen den Statorhälften 3, 4 geschlossen.
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Durch die Vorspannkraft der Halbschalen 10, 11 lässt sich beeinflussen, wie groß der Anteil der Magnetkraft ist, die radial außen über das Joch 5 übertragen wird, und wie groß der Anteil der Magnetkraft ist, die radial innen über die Lager 12, 13 sowie die Rotorwelle 7 übertragen wird. Hier ist die Vorspannkraft der Halbschalen 10, 11 so gewählt/eingestellt, dass dauerhaft ein möglichst großer Anteil der Magnetkraft über das Joch 5 übertragen wird und gleichzeitig ein minimaler Anteil der Magnetkraft radial innen über die Lager 12, 13 übertragen wird, damit eine ausreichende Lagerbelastung gewährleistet ist. Die Halbschalen 10, 11 haben also aufgrund ihrer Vorspannkraft an ihrer radial innenliegenden Stirnseite die Tendenz, sich von den Lagern 12, 13 weg zu bewegen. Die Vorspannkraft der Halbschalen 10, 11 wirkt also in Axialrichtung vom Rotor 6 weg und damit der Magnetkraft, die ja die Statorhälften 3, 4 und damit auch die Halbschalen 10, 11 zum Rotor 6 hinzieht, entgegen.
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Weiterhin weist die elektrische Axialflussmaschine 1 ein Axialflussmaschinengehäuse 16 auf, mit dem der Stator 2 über ein Befestigungsmittel, insbesondere ein Bolzen oder eine Schraube, verbunden ist. Zusätzlich stützt das Axialflussmaschinengehäuse 16 über ein Lager 17 (einreihiges Kugellager) die Abtriebswelle AW ab. Außerdem kämmt die Abtriebswelle AW außerhalb des Axialflussmaschinengehäuses 16 über eine weitere Außenverzahnung mit einem Zahnrad einer Getriebestufe 18.
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2 zeigt die elektrische Axialflussmaschine aus 1, bei der die erste Statorhälfte 3 an ihrem radial inneren Ende an dem Axialflussmaschinengehäuse 16 fixiert (verschraubt) ist und die zweite Statorhälfte 4 bzw. die zweite Halbschale 11 mit einer Vorspannung versehen ist. Die erste Halbschale 10 ist über das modifizierte Lager 12 (zweireihiges Kugellager) mit der Rotorwelle 7 verbunden. Die erste Halbschale 10 ist dabei deutlich dicker und somit stabiler als die zweite Halbschale 11, da die erste Halbschale 10 mit dem Axialflussmaschinengehäuse 16 verbunden ist und somit den kompletten Motor inklusive Rotor 6 und Rotorwelle 7 trägt. Im vorliegenden Fall ist daher nur die dünnere und elastischere zweite Halbschale 11 mit einer Vorspannkraft versehen (siehe zweite Halbschale 11' im freien Zustand). Auch die von der zweiten Halbschale 11 einseitig eingebrachte Vorspannkraft wirkt der Magnetkraft entgegen (reduziert diese). Die einseitig eingebrachte Vorspannkraft reduziert so die Belastung für beide Lager 12, 13. In 2 ist die Abtriebswelle AW nicht explizit dargestellt.
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Es ist aber alternativ zu obiger Ausführungsform unter 2 auch möglich, zwei unterschiedlich steife Statorhälften bzw. Halbschalen vorzuspannen. In diesem Fall ist es vorzugsweise sinnvoll, die steifere Statorhälfte mit einem geringeren Vorspannweg vorzusehen als die weniger steife Statorhälfte, so dass die Vorspannkräfte der beiden Statorhälften in der gewünschten Einbaulage im Kräftegleichgewicht sind.
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Alternativ oder zusätzlich zu der Möglichkeit, die Statorstruktur bzw. die Halbschalen selbst mit der Vorspannkraft zu versehen, besteht die Möglichkeit, die Vorspannkraft durch separate und externe Vorspannungselemente, insbesondere Federn, zu realisieren, die am Statorgehäuse befestigt werden und mit ihrer Kraftwirkung auf die Struktur der Axialflussmaschine 1 einwirken.
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Wird mindestens eine der beiden Statorhälften vorgespannt, wird radial innen über die Lager und die Welle eine Axialkraft von der einen Statohälfte auf die andere Statorhälfte übertragen. Dazu muss der radiale Innenbereich der beiden Statorhälften jeweils über ein Lager mit der Welle verbunden sein. Die Lager können dabei direkt mit der Welle und der Statorhälfte verbunden sein. Alternativ kann die Verbindung zwischen dem Lager und der Welle auch über ein mit der Welle verbundenes Bauteil erfolgen. Das Lager kann am Stator auch über ein am Stator befestigtes Bauteil verbunden sein. Bei der in 2 gezeigten Axialflussmaschine, bei der die Statorhälfte 3 mit dem Axialflussmaschinengehäuse 16 verschraubt ist, kann das Lager 12 alternativ auch am Axialflussmaschinengehäuse 16 befestigt sein. Der axiale Kraftfluss zwischen der Statorhälfte 3 und der Rotorwelle 7 ist dann über das Axialflussmaschinengehäuse 16 und das Lager 12 gewährleistet.
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3 zeigt in diesem Zusammenhang eine elektrische Axialflussmaschine 1, die im Wesentlichen der Axialflussmaschine der 1 entspricht, bei der im Gegensatz dazu aber an beiden Statorhälften 3, 4 jeweils ein externes Vorspannungselement montiert ist. Das externe Vorspannungselement ist als eine erste Tellerfeder 19 und als eine zweite Tellerfeder 20 ausgeführt. Die erste Tellerfeder 19 ist mit ihrem Außendurchmesser an dem/der radial außenliegenden Ende/Stirnseite der ersten Statorhälfte 3 angebracht. Mit ihrem Innendurchmesser ist die erste Tellerfeder 19 an mindestens einem ersten Stufenbolzen 21, besser mehreren auf dem Umfang verteilten Stufenbolzen, befestigt, der/die auf mittlerer Höhe in Radialrichtung an der ersten Halbschale 10 angebracht ist/sind. Spiegelbildich dazu ist die zweite Tellerfeder 20 mit ihrem Außendurchmesser an dem/der radial außenliegenden Ende/Stirnseite der zweiten Statorhälfte 4 angebracht. Mit ihrem Innendurchmesser ist die zweite Tellerfeder 20 an einem zweiten Stufenbolzen 22 befestigt, der auf mittlerer Höhe in Radialrichtung an der zweiten Halbschale 11 angebracht ist.
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Die Tellerfedern 19, 20 können somit jeweils eine Zugkraft auf den Mittelteil der Halbschalen 10, 11 ausüben (siehe die Tellerfedern 19', 20' (gestrichelte Linie) in einem Zustand, in dem ihr Innendurchmesser nicht mit dem jeweiligen Stufenbolzen 21, 22 verbunden ist). Durch diese Zugkraft wird ein Teil der axial wirkenden Magnetkraft, die das Magnetfeld über die Rotor- und Statormagnete auf die Halbschalen 10, 11 ausübt, von den Tellerfedern 19, 20 auf das Joch 5 übertragen. Der Anteil an der Magnetkraft, den die Tellerfedern 19, 20 auf das Joch 5 übertragen, wird somit nicht mehr über die Halbschalen 10, 11 anteilig auf das Joch und anteilig auf die Lager 12, 13 ausgeübt. Die Tellerfedern 19, 20 übertragen die gesamte Magnetkraft, die sie aufnehmen können, auf das Joch 5, wobei für die Kraft, die von der Tellerfeder übernommen wird, keine Kraftaufteilung mehr auf Basis der geometriechen Gegebenheiten auf Joch und Lager erfolgt. Dadurch werden die Lager 12, 13 entlastet. Im Gegensatz zu der Axialflussmaschine 1 aus 1, ist bei der Axialflussmaschine 1 aus 3 keine der Halbschalen 10, 11 integral mit einer Vorspannkraft versehen/ausgebildet.
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In allen oben aufgeführten Ausführungsformen der 1 bis 3 ist die Vorspannkraft so gewählt, dass die Magnetkraft größer als die Vorspannkraft ist, sodass die daraus resultierende Gesamt-Axialkraft von den Statorhälften 3, 4 ausgehend zum Rotor 6 hinwirkt.
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Wenn externe Vorspannungselemente, wie hier die Tellerfedern 19, 20, verwendet werden, können diese als separate und von der Axialflussmaschine 1 sonst unabhängige Bauteile für große Federkräfte optimiert werden. Dabei kann die Vorspannkraft der externen Vorspannungselemente auch so gewählt sein, dass die Gesamt-Vorspannkraft größer als eine maximal auftretende Magnetkraft ist. Damit wirkt die Gesamt-Axialkraft, die sich aus der Differenz zwischen Vorspannkraft und Magnetkraft ergibt, ausgehend von den Statorhälften 3, 4 vom Rotor 6 weg.
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4 zeigt eine derartige Ausführungsform der Axialflussmaschine 1, bei der in der aus 3 bekannten Axialflussmaschine 1 die Vorspannkraft der Tellerfedern 19, 20 (bzw. 19', 20') so gewählt ist, dass die Gesamt-Axialkraft, die sich aus der Differenz zwischen Vorspannkraft und Magnetkraft ergibt, ausgehend von den Statorhälften 3, 4 vom Rotor 6 weg wirkt. Aus diesem Grund sind in 4 die Lager 12, 13 in O-Anordnung zueinander angeordnet. Aufgrund der Gesamt-Axialkraft werden also die radial innenliegenden Bereiche der Statorhälften 3, 4 in Axialrichtung nach außen, also vom Rotor 6 weg, gedrückt. Die Welle wird dann zwischen den beiden Lagerstellen axial auf Zug belastet und hält somit die beiden Statorhälften radial innen zusammen. Die beiden Lager 12, 13 sind aus diesem Grund in O-Anordnung zueinander ausgerichtet, damit die bauartbedingte Kraftübertragungsrichtung der Lager zu der zwischen den Statorhälften und der Welle herrschenden Kraftrichtung passt. In der O-Anordnung können die Lager 12, 13 nämlich die beiden Statorhälften 3, 4 jeweils nach radial innen ziehen und damit der Gesamt-Axialkraft entgegenwirken. Mit den in O-Anordnung montierten Lagern wird die Rotorwelle 7 deutlich kippstabiler auf den beiden Statorhälften 3, 4 abgestützt als dies bei einer X-Anordnung der Lager 12, 13 der Fall ist.
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In obiger Ausführungsform ist die Axialbelastung der Lager 12, 13 bei maximaler Magnetkraft am geringsten, da die zum Rotor hin wirkende Magnetkraft der Gesamt-Axialkraft entgegenwirkt. Wenn die Magnetkraft kleiner als ihr Maximalwert ist, steigt die axiale Lagerbelastung an, da der Vorspannkraft dann eine geringere Magnetkraft entgegengerichtet ist.
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5 zeigt die elektrische Axialflussmaschine 1, bei der zumindest die Längsseiten bzw. Stirnseiten der ersten und zweiten Halbschalen 10, 11 jeweils mit einer Außenwölbung 23 versehen sind. Im Wesentlichen entspricht die Axialflussmaschine 1 der 5 derjenigen aus 1 mit dem Unterschied, dass die Axialflussmaschine 1 in 5 die Außenwölbung 23 in den Halbschalen 10, 11 aufweist. Die Außenwölbung 23 hat ihre maximale Ausdehnung (in Richtung vom Rotor 6 weg) in die Axialrichtung in etwa in der aus Radialrichtung betrachteten Mitte der Halbschalen 10, 11. Natürlich ist auch vorstellbar, dass nur eine der Halbschalen 10, 11 mit der Außenwölbung 23 versehen ist, wobei dabei die Halbschalen 10, 11 vorteilhafterweise zusätzlich mit einer Vorspannkraft versehen sind. Die Vorspannkraft entsteht, indem die Auswölbung, der unbelasteten Einzelteile, im fertig montierten und der Magnetkraft ausgesetzten Zustand des Motors elastisch verschwunden ist oder zumindest elastisch verändert ist.
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Wie bereits oben erläutert, wird ein Großteil der Magnetkraft in den in Radialrichtung betrachteten mittleren Bereich der Halbschalen 10, 11 eingeleitet. Dieser mittlere Bereich der Halbschalen 10, 11 unterliegt daher der Gefahr, sich aufgrund der hier stark angreifenden Magnetkraft zum Rotor hin durchzuwölben. Um dem entgegenzuwirken, sind hier die Halbschalen 10, 11 mit der Außenwölbung 23 hergestellt. Solange eine fremderegte Axialflussmaschine 1 nicht bestromt ist (nicht unter Last ist), ist die Außenwölbung 23 sichtbar bzw. messbar (siehe gestrichelte Linie). Sobald die Axialflussmaschine 1 allerdings (ausreichend) bestromt ist (unter Last ist), werden die Halbschalen 10, 11 elastisch in eine ebene Form gezogen, sodass sie sich entlang der (in die) Radialrichtung erstrecken. Durch die Außenwölbung 23 in den Halbschalen 10, 11 ist es weniger wahrscheinlich bis unmöglich, dass sich die Halbschalen 10, 11 zum Rotor hin durchbiegen.
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Bei einer permanenteregten Axialflussmaschine wirkt selbst im unbestromten Zustand eine hohe axiale Magnetkraft zwischen dem Rotor und dem Stator, so dass die Außenwölbung 23 der unbelasteten Einzelteile (siehe gestrichelte Linie) im komplett montierten und betriebsbereiten Motor nicht mehr oder nicht mehr vollständig sichtbar bzw. messbar ist. Sobald die Axialflussmaschine 1 bestromt ist (unter Last ist), verändert sich die axiale Magnetkraft noch lastabhängig. Durch die Auswölbungen sind die jetzt elastisch von der Magnetkraft verformten Statorhälften fast eben und weichen trotz der lastabhängigen Magnetkraftschwankungen nur geringfügig von der Idealform ab, da durch die Auswölbung ein Großteil der zu erwartenden elastischen Verformung bereits vorgehalten ist und sich bei dem elastischen Ebendrücken der Auswölbung eine Vorspannkraft ergeben hat, die der auf die Statorhälfte einwirkenden Magnetkraft entgegengerichtet ist. Durch die Außenwölbung 23 in den Halbschalen 10, 11 ist es weniger wahrscheinlich bis unmöglich, dass sich die Halbschalen 10, 11 zu weit zum Rotor hin durchbiegen.
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Damit kann durch die Außenwölbung 23 verhindert werden, dass sich die Luftspalte 14, 16 unzulässig verändern (insbesondere zu sehr verkleinern).
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Es ist klar, dass, solange es für den Fachmann sinnvoll ist, alle hier aufgeführten Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können. Bspw. können die Halbschalen 10, 11 mit einer Außenwölbung 23 versehen sein und zusätzlich sind externe Vorspannungselemente (Tellerfedern 19, 20) vorgesehen, um eine Vorspannung der Statorhälfte(n) 3, 4 zu gewährleisten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Axialflussmaschine
- 2
- Stator
- 3
- erste Statorhälfte
- 4
- zweite Statorhälfte
- 5
- radial äußere Verbindung, Joch
- 6
- Rotor
- 7
- Rotorwelle
- 8
- Lagerung
- 9
- Statorgehäuse
- 10
- erste Halbschale
- 11
- zweite Halbschale
- 12
- erstes Lager
- 13
- zweites Lager
- 14
- erster Luftspalt
- 15
- zweiter Luftspalt
- 16
- Axialflussmaschinengehäuse
- 17
- Lager
- 18
- Getriebestufe
- 19
- erste Tellerfeder
- 20
- zweite Tellerfeder
- 21
- erster Stufenbolzen
- 22
- zweiter Stufenbolzen
- 23
- Außenwölbung (in Halbschale)
- AW
- Abtriebswelle
- R
- Rotationsachse Axialflussmaschine
- Pfeil A
- Wirkrichtung der Magnetkraft
- Pfeil B
- Wirkrichtung der Vorspannkraft
- Pfeil AR
- Axialrichtung
- Pfeil RR
- Radialrichtung
