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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere für den Einbau in einen Radkörper eines Motorrades, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner die Ausbildung des Radkörpers sowie ein Motorrad mit den erfindungsgemäßen Merkmalen.
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Ein derartiger gattungsgemäßer Elektromotor ist aus der
KR 10 2020 0 097 419 A bekannt.
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Elektromotoren werden zunehmend an Stelle von Verbrennungsmotoren auch in Motorrädern eingesetzt. Der Elektromotor ist hierbei in der Regel in einem Bereich zwischen den Rädern des Motorrades angeordnet. Über eine Kette wird dann das Hinterrad angetrieben. Insbesondere von Fahrrädern ist auch der direkte Einbau eines Elektromotors in die Narbe eines Vorderrades bekannt. Derartige Elektromotoren können jedoch nicht ohne weiteres so dimensioniert werden, dass sie für den Antrieb eines Motorrades geeignet wären. Bei höherer Leistungsaufnahme des Elektromotors wird zunehmend die Abführung von Wärme ein Problem. Wenn sich der Elektromotor zu stark erwärmt, sinkt dessen Leistung. Das Problem stellt sich in besonderem Maße, wenn der Elektromotor für ein Motocrossrad bestimmt ist, für welches ein leistungsstarker Motor benötigt wird.
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Aus der internationalen Patentanmeldung
WO 2013/ 001 480 A2 ist ein Eisenbahnrad mit eingebautem Elektromotor bekannt. Dieser bekannte Elektromotor ist nach Bauart einer doppelseitigen elektrischen Axialflussmaschine mit einem flüssigkeitsgekühlten Stator, der eine Vielzahl von Spulen und in die Spulen eingelegte Spulenkerne aufweist, und mit einem zweiseitigen Rotor, der beidseitig des Stators angeordnete Permanentmagnete aufweist, ausgebildet. Der Stator weist dabei einen die Spulen formschlüssig aufnehmen Kühlkörper mit einer Vielzahl von zwischen den Spulen angeordneten Radialkanälen und mit zwei Verteilerkanälen auf. Bei diesem bekannten Elektromotor werden immer mehrere parallel zueinander angeordnete Radialkanäle in Reihe durchströmt, wobei ein erster Radialkanal und ein letzter Radialkanal mit jeweils einem Verteilerkanal verbunden sind. Die Radialkanäle sind dabei in einem Körper aus Kunstharz ausgebildet. Die Verteilerkanäle sind über radiale Löcher mit Kühlmittelleitungen verbunden, die im Inneren einer einteiligen durchgehenden Achse verlaufen. Weiterer Stand der Technik ist in der Druckschrift
WO 2019/ 241 765 A1 offenbart.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen leistungsstarken und effizienten Elektromotor mit geringem Leistungsgewicht, hoher Drehmomentdichte und ausreichend geringer Einbaubreite für den Einbau in den Radkörper eines Motorrades anzugeben.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Elektromotor nach dem Patentanspruch 1, mit einem Radkörper nach dem Patentanspruch 17 und mit einem Motorrad nach dem Patentanspruch 18. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Bei einem Elektromotor, insbesondere für den Einbau in einen Radkörper eines Motorrades, nach Bauart einer elektrischen Axialflussmaschine, mit einem flüssigkeitsgekühlten Stator, der eine Vielzahl von Spulen und in die Spulen eingelegte Spulenkerne aufweist, und mit einem Rotor, der beidseitig des Stators angeordnete Permanentmagnete aufweist, wobei der Stator einen die Spulen formschlüssig aufnehmenden Kühlkörper aufweist, wobei der Kühlkörper einen Kühlkern mit einer Vielzahl von Kühlfingern hat, zwischen denen die Spulen angeordnet sind und in denen Radialkanäle paarweise nebeneinander ausgeformt sind, wobei die Radialkanäle an den radial äußeren Enden der Kühlfinger, insbesondere paarweise, miteinander verbunden sind, und wobei alle Radialkanäle an den radial inneren Enden der Kühlfinger in jeweils einen der Verteilerkanäle münden, ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass der Rotor nach Bauart einer doppelachsigen Axialflussmaschine ausgebildet ist und einen zweiseitigen Rotor aufweist, dass die Verteilerkanäle jeweils ringförmig im Kühlkern ausgebildet sind und dass im Kühlkern für jeden Verteilerkanal jeweils mehrere Verbindungskanäle zur Verbindung des jeweiligen Verteilerkanals mit Kühlmittelleitungen eines Kühlmittelverteilers ausgebildet sind, wobei die Verbindungskanäle äquidistant voneinander beabstandet auf dem jeweiligen Verteilerkanal in den Verteilerkanal münden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind in dem Kühlkern für jeden Verteilerkanal genau drei Verbindungskanäle zur Verbindung des jeweiligen Verteilerkanals mit Kühlmitteilleitungen eines Kühlmittelverteilers ausgebildet. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Verbindungskanäle in einem Winkel von 120° voneinander beabstandet auf dem jeweiligen Verteilerkanal in den Verteilerkanal münden. Besonders bevorzugt sind die Radialkanäle an den radialäußeren Enden der Kühlfinger paarweise miteinander verbunden.
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Der erfindungsgemäße Radkörper weist den Elektromotor auf und ist für den Einbau in ein Motorrad vorgesehen. Das erfindungsgemäße Motorrad weist einen hinteren Radkörper auf, in den der erfindungsgemäße Elektromotor eingebaut ist. Das Motorrad ist insbesondere ein Motocrossrad, welches besondere Anforderungen an die Leistungsfähigkeit seines Antriebs stellt und daher auch eine effiziente Kühlung benötigt.
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Die Erfindung ermöglicht die geforderte effiziente Kühlung auf engem Raum. Die Kühlfinger werden parallel von der Kühlflüssigkeit durchströmt. Dabei muss die Kühlflüssigkeit nur einen kurzen Weg von einem Verteilerkanal in den anderen Verteilerkanal zurücklegen, nämlich nur durch zwei parallel zueinander angeordnete Radialkanäle und deren Verbindung. Dadurch ist außerdem eine besonders kompakte Bauweise des Stators möglich.
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Insbesondere weist der Kühlkern in axialer Richtung nebeneinander eine Zulaufseite und eine Rücklaufseite auf, die nacheinander durchströmt werden. Das Kühlmittel fließt somit von der Zulaufseite in die Rücklaufseite und damit insgesamt in axialer Richtung durch den Stator. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Radialkanäle in den Kühlfingern paarweise in axialer Richtung nebeneinander ausgeformt sind und einen auf einer linken Seite angeordneten linksseitigen Radialkanal und einen auf einer rechten Seite angeordneten rechtsseitigen Radialkanal umfassen und dass an den radial äußeren Enden der Kühlfinger Axialkanäle ausgebildet sind, durch welche die linksseitigen Radialkanäle und die rechtsseitigen Radialkanäle paarweise miteinander verbunden sind. Dabei ist entweder die linke Seite die Zulaufseite und die rechte Seite die Rücklaufseite oder umgekehrt die rechte Seite die Zulaufseite und die linke Seite die Rücklaufseite.
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Insbesondere sind die Verteilerkanäle in axialer Richtung nebeneinander, vorzugsweise parallel zueinander, im Kühlkern ausgebildet, wobei die Verteilerkanäle einen auf einer linken Seite angeordneten linksseitigen Verteilerkanal und einen auf einer rechten Seite angeordneten rechtsseitigen Verteilerkanal umfassen.
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Bei einer speziellen Ausführungsform sind genau zwei Verteilerkanäle vorgesehen. Weiter bevorzugt sind die Verteilerkanäle jeweils ringförmig im Kühlkern ausgebildet und sind im Kühlkern für jeden Verteilerkanal jeweils mehrere Verbindungskanäle, insbesondere genau drei Verbindungskanäle, zur Verbindung des jeweiligen Verteilerkanals mit Kühlmittelleitungen eines Kühlmittelverteilers ausgebildet. Die Verbindungskanäle münden dabei, insbesondere in einem Winkel von 120° voneinander beabstandet, auf dem jeweiligen Verteilerkanal in den Verteilerkanal. Dadurch wird eine weitgehend gleichmäßige Versorgung der Radialkanäle mit Kühlflüssigkeit und damit eine Kühlung der Kühlfinger ermöglicht. Zur gleichmäßigen Verteilung der Kühlflüssigkeit trägt auch bei, dass gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Kühlkörper vor jedem Radialkanal jeweils einen Strömungsteiler im Mündungsbereich des Radialkanals in den jeweiligen Verteilerkanal aufweist.
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Bevorzugt ist der Kühlkörper mehrteilig ausgebildet und hat zwei Kühlkerndeckel, welche an den axialen Seiten des Kühlkerns anliegen. Die Verteilerkanäle und die Radialkanäle sind dabei von den axialen Seiten des Kühlkerns in den Kühlkern eingebrachte und von den Kühlkerndeckeln bedeckte Nuten. Bevorzugt ist außerdem der Kühlkern aus Aluminium gefertigt. Die außenliegenden Nuten für die Radialkanäle und die Verteilerkanäle sowie Bohrlöcher für die Axialkanäle können so leicht in den Kühlkern eingebracht werden, nämlich durch Fräsen für die Kanäle und Bohren für die Bohrlöcher. Alternativ kann der Kühlkörper auch im Gießdruckverfahren gefertigt werden.
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Bei einer insbesondere für die Fertigung des Elektromotors vorteilhaften Ausführungsform des Elektromotors weist der Elektromotor eine zweigeteilte Achse auf. Insbesondere weist die Achse eine linksseitige Achshälfte und eine rechtsseitige Achshälfte auf. Die beiden Achshälften, welche Hauptkörper der Achse sind, sind mittels Achsverbindern, welche insbesondere einen Mittelteil ausbilden, insbesondere in einem Abstand voneinander, miteinander verbunden. Dadurch können Leitungsanschlüsse in den Kern des Stators verlegt und kann hiernach die Achse montiert werden.
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Die Leitungsanschlüsse sind besonders bevorzugt im Inneren der Achse aus dem Stator herausgeführt. Hierfür ist bevorzugt vorgesehen, dass die Achshälften Hohlkörper aufweisen und dass der Elektromotor einen in die linksseitige Achshälfte eingesetzten linksseitigen Achseinsatz zur axialen Durchleitung von Kühlmittel durch die linksseitige Achshälfte und einen in die rechtsseitige Achshälfte eingesetzten rechtsseitigen Achseinsatz zur Durchleitung von Kühlmittel durch die rechtsseitige Achshälfte aufweist.
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Die Achshälften der zweigeteilten Achse weisen vorzugsweise jeweils wenigstens einen zylinderförmigen Hauptabschnitt und einen Endabschnitt zur Verbindung mit den Achsverbindern auf, wobei der Endabschnitt gegenüber dem Hauptabschnitt radial vergrößert ist. Dadurch kann die Belastung der Verbindung der Achshälften begrenzt und kann einem Verbiegen der Achse aufgrund günstigerer Hebelkräfte entgegengewirkt werden.
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Außerdem sind die Achsverbinder vorzugsweise mit Abstand parallel zueinander und mit Abstand voneinander angeordnet. Dadurch sind freie Zwischenräume vorhanden, durch die das Kühlmittel mittels Kühlmittelleitungen vom Inneren der Achse in den Kühlkörper und wieder zurück in die Achse geleitet werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Kühlkörper Haltekränze auf, welche die Spulen, insbesondere die Wicklungen der Spulen, nach außen hin umschließen. Die Haltekränze liegen insbesondere axial außenseitig an den Kühlkerndeckeln an und sind bevorzugt, insbesondere beidseitig, elektrisch isoliert. Hierfür sind die Haltekränze vorzugsweise mit einem Isolationslack beschichtet. Mit Vorteil weisen die Haltekränze Finger auf, welche sich radial nach innen erstrecken. Die Finger sind insbesondere mit Haltelaschen versehen, die in der Ebene des Haltekranzes seitlich gegenüber der Radialen vorstehen und somit die Spulen halten können.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Elektromotors, die auch unabhängig von den weiteren Merkmalen der Erfindung bei einem Elektromotor verwirklicht werden kann, bestehen die Spulenkerne jeweils aus einem Bündel koaxial zur Achse des Rotors angeordneter Drahtabschnitte, also aus Drahtbündeln. Die Länge der Drahtabschnitte ist insbesondere entsprechend der Breite der Spulen in axialer Richtung des Rotors bemessen. Besonders bevorzugt sind die Drahtabschnitte elektrisch gegeneinander isoliert und hierfür insbesondere mit einem Isolationslack beschichtet.
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Die Drahtabschnitte sind bevorzugt mittels eines Klebers oder Lackes, insbesondere Backlackes, miteinander verklebt. Dadurch können Bündel von Drähten bei der Fertigung der Spulenkerne zunächst in die geeignete Form, mit welcher der freie Innenraum der Spule möglichst optimal ausgefüllt ist, gebracht werden. Beispielsweise mittels einer Schablone können die Bündel in nahezu jede Beliebige Form gebracht werden. Insbesondere durch thermische Aktivierung werden die Drähte dann miteinander verklebt. Optional erfolgt dies unter Druck. Durch Härtung des Klebers oder Lackes entstehen so Stränge von gebündelten Drähten mit dem gewünschten Querschnitt. Aus diesen Strängen werden nachfolgend die Spulenkerne in der benötigten axialen Länge geschnitten.
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Die Drähte weisen bereits fertigungsbedingt eine Kornorientierung auf. Diese Kornorientierung bleibt in den aus diesen Drähten hergestellten Spulenkernen erhalten und gibt den Spulenkernen optimale Eigenschaften für den in der Axialflussmaschine angestrebten nahezu eindimensionalen Fluss in den Spulenkernen.
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Bei einer Weiterbildung der Spulenkerne wird feines metallisches Pulver, insbesondere Pulver des Drahtwerkstoffs, in den Klebstoff oder Lack zur Verbindung der Drähte gemischt. Dadurch lagert sich dieses Pulver in den Zwischenräumen zwischen den Drähten an und sorgt dort für eine zusätzliche Steigerung der Dichte und der Leitfähigkeit der Spulenkerne.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Elektromotors sind die Permanentmagnete nach Art eines Halbach-Arrays zu Magnetringen angeordnet, wobei die magnetische Flussdichte der Magnetringe auf ihrer den Spulen des Rotors zugewandten Seite größer ist als auf ihrer den Spulen abgewandten Seite. Aufgrund der Schwächung des Magnetfeldes auf der den Spulen abgewandten Seite können die Rotordeckel vergleichsweise dünn ausgeführt sein, so dass die Masse des Rotors vergleichsweise klein gehalten werden kann, was dazu beiträgt, die Dynamik des Elektromotors zu steigern. Bei einer hierauf aufbauenden Ausführungsform sind die Permanentmagnete in radialer Richtung segmentiert.
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Vorzugsweise ist vom Rotor ein Gehäuse für den Stator ausgebildet, welches den Stator umschließt und über Rotorlager bis zur Achse gegenüber der Umgebung abdichtet. Der Stator ist insofern vor äußeren Umwelteinflüssen geschützt.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist der Elektromotor axial gegenüber dem Rotor, insbesondere gegenüber Rotordeckeln des Rotors, vorstehende Lagerkörper zur Lagerung eines Rades auf seiner Achse unter Umgehung des Rotors auf. Rotorlager, insbesondere in Form von Wälzlagern, sind hierbei in den Lagerkörpern aufgenommen. Die Lagerkörper sind mittels der Rotorlager auf der Achse gelagert. Der Einbau des Elektromotors mit den axial vorstehenden Lagerkörpern in das Rad eines Motorrades ist insbesondere dank der axial schmalen Ausbildung des Rotors möglich. Die vom Rad insbesondere mittels Speichen auf die Achse einwirkenden Kräfte wirken dabei vorteilhaft in der Nähe der Lagerung der Achse am Rahmen des Motorrades. Weiter bevorzugt ist der Rotor mit den Lagerkörpern verschraubt und über die Lagerkörper auf der Achse gelagert. Dank der Verschraubung können unterschiedliche Materialien miteinander verbunden werden, wobei vorzugsweise die Lagerkörper aus Edelstahl gefertigt sind und das Gehäuse aus Aluminium besteht.
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Bei einer hierauf aufbauenden Ausführungsform des Elektromotors sind zusätzlich zu den Rotorlagern weitere Lager, insbesondere Wälzlager, in die Lagerkörper integriert, welche die mittels Speichen auf die Lagerkörper einwirkenden Kräfte des Rades alleine oder zusammen mit den Rotorlagern aufnehmen. Dadurch ist die Einleitung der Kräfte in die Achse in der Nähe des die Achse lagernden Rahmens noch einmal verbessert.
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Ein Elektromotor mit zweigeteilter Achse, ein Elektromotor mit Lagerkörpern zur Lagerung eines Rades auf seiner Achse, ein Spulenkern aus einem Bündel von Drahtabschnitten und ein Verfahren zum Herstellen des Spulenkerns können auch unabhängig vom erfindungsgemäßen Kühlmittelfluss durch den Kühlkörper vorgesehen sein und sind daher im Folgenden als weitere Lösungen der eingangs genannten Aufgabe und auch als eigenständige Erfindungen offenbart. Die weiteren Merkmale der Erfindung nach dem Patentanspruch 1 und ihrer Ausführungsformen sind dabei nur optional.
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Bei einem Elektromotor, insbesondere für den Einbau in einen Radkörper eines Motorrades, mit einem flüssigkeitsgekühlten Stator, der eine Vielzahl von Spulen und in die Spulen eingelegte Spulenkerne und einen die Spulen formschlüssig aufnehmenden Kühlkörper aufweist, und mit einem Rotor, der Permanentmagnete aufweist, ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass der Elektromotor eine zweigeteilte Achse hat mit einer linksseitigen Achshälfte und einer rechtsseitigen Achshälfte, dass die Achshälften in einem Abstand voneinander mittels Achsverbindern miteinander verbunden sind und dass der Stator durch wenigstens eine der Achshälften und zwischen den Achsverbindern hindurch an Kühlmittelleitungen angeschlossen ist.
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Bei einem Elektromotor, insbesondere für den Einbau in einen Radkörper eines Motorrades und insbesondere nach Bauart einer doppelseitigen elektrischen Axialflussmaschine, weist der Elektromotor axial gegenüber seinem Rotor, insbesondere gegenüber Rotordeckeln des Rotors, vorstehende Lagerkörper zur Lagerung eines Rades auf seiner Achse unter Umgehung des Rotors auf, wobei Rotorlager in den Lagerkörpern aufgenommen sind, wobei die Lagerkörper mittels der Rotorlager auf der Achse gelagert sind und wobei der Rotor mit den Lagerkörpern verschraubt und über die Lagerkörper auf der Achse gelagert ist.
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Bei einem Spulenkern für eine Spule eines Elektromotors, insbesondere für eine Spule eines nach Bauart einer Axialflussmaschine gebauten Elektromotors, ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass der Spulenkern aus einem Bündel parallel zueinander angeordneter und miteinander verklebter Drahtabschnitte besteht.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Spulenkerns werden Drähte parallel zueinander ausgerichtet, gebündelt und zu einem Strang miteinander verklebt und werden mittels Durchtrennen der miteinander verklebten Drähte aus dem Strang Segmente herausgeschnitten, die aus einem Bündel parallel zueinander angeordneter und miteinander verklebter Drahtabschnitte bestehen und den Spulenkern ausbilden.
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Insgesamt bereichert die Erfindung den Stand der Technik um einen neuartigen Elektromotor nach dem Axialflussprinzip mit einem neuen mechanischen Aufbau des Rotors und des Stators, insbesondere mit einem vorteilhaften Kühlkonzept, und mit einem neuartigen Aufbau der Achse und der Spulenkerne des Stators. Außerdem wird ein neuartiges Fertigungsverfahren zur Fertigung der Spulenkerne offenbart. Der Elektromotor kann universell eingesetzt werden, eignet sich aber Dank effizienter Kühlung, hoher Drehmomentdichte und vorteilhaftem Leistungsgewicht besonders für den Einbau in ein Hinterrad eines Motocrossrades oder eines anderen leistungsstarken Motorrades.
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Weitere Ausführungsformen der beanspruchten Erfindung und aller offenbarten Erfindungen ergeben sich aus den Patentansprüchen, aus den beigefügten Zeichnungen und aus der nachfolgenden Beschreibung von in den Zeichnungen dargestellten besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:
- 1: eine Teilansicht eines Elektromotors für den Einbau in den Radkörper eines Motorrades ohne Darstellung des Rotors in perspektivischer Ansicht;
- 2: die in 1 dargestellten Teile des Elektromotors in einer Explosionsdarstellung;
- 3: eine Achse des Elektromotors in perspektivischer Ansicht;
- 4: Achseinsätze des Elektromotors zum Einsetzen in die Achse von 3 mit an die Achseinsätze angeschlossenen Kühlmittelleitungen in perspektivischer Ansicht;
- 5: einen Kühlkern eines Kühlkörpers des Elektromotors in perspektivischer Ansicht;
- 6: den Kühlkern von 5 in einer Seitenansicht;
- 7: eine Schnittansicht durch den Kühlkern gemäß den 5 und 6 entlang der Linie A-A in 6;
- 8: eine Schnittansicht durch den Kühlkern gemäß den 5 und 6 entlang der Linie B-B in 6;
- 9: das Wicklungsschema des Stators des Elektromotors in einer Seitenansicht;
- 10: das Wicklungsschema von 9 in perspektivischer Ansicht;
- 11: einen Magnetring für den Rotor des Elektromotors in einer schematischen Seitenansicht;
- 12: den Rotor des Elektromotors in perspektivischer Ansicht;
- 13: eine Explosionsdarstellung des Rotors gemäß 12;
- 14: den Elektromotor mit den Teilen von den 1 und 2 und dem Rotor von den 12 und 13 in einer Explosionsdarstellung;
- 15: den Elektromotor gemäß 14 in einer Schnittansicht;
- 16: den Elektromotor von den 14 und 15 in einer Seitenansicht;
- 17: den Elektromotor von den 14 bis 16 in perspektivischer Ansicht;
- 18: einen für den Einbau in ein Motorrad vorgesehenen Radkörper in Form eines Speichenrades mit dem Elektromotor gemäß den 14 bis 17 in perspektivischer Ansicht;
- 19: einen für den Einbau in ein Motorrad vorgesehenen Kettenantrieb mit dem Elektromotor von den 14 bis 17 in perspektivischer Ansicht; und
- 20: einen für den Einbau in ein Motorrad vorgesehenen Radkörper in Form eines Gussrades mit dem Elektromotor von den 14 bis 17 in perspektivischer Ansicht;
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1 zeigt einen Stator 1 für einen erfindungsgemäßen Elektromotor. Der Elektromotor ist insbesondere für den Einbau in einen Radkörper eines Motorrades vorgesehen. Alternativ kann der erfindungsgemäße Elektromotor jedoch auch andere Elektromotoren ersetzen, insbesondere wenn ein hohes Drehmoment und eine hohe Kühlleistung gefordert sind. Hierfür weist der Stator 1 auf seiner linken Seite 3 eine linksseitige Kühlmittelleitung 5 auf und weist auf seiner rechten Seite 4 eine rechtsseitige Kühlmittelleitung 6 auf. Der Stator 1 weist eine feststehende Achse 8 auf, durch welche hindurch die Kühlmittelleitungen 5 und 6 zusammen mit einer Sensorleitung 100, einer ersten Phasenleitung 101, einer zweiten Phasenleitung 102 und einer dritten Phasenleitung 103 in das Zentrum des Stators 1 geführt sind.
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Der Stator 1 hat eine Vielzahl von Spulen 10 mit darin angeordneten Spulenkernen 12, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich eine Spule 10 bezeichnet ist. Es sind 15 Spulen 10 vorgesehen. Diese sind formschlüssig in einen Kühlkörper 14 des Stators 1 gemäß 2 aufgenommen. Der Kühlkörper 14 einerseits und die Spulen 10 mit den Spulenkernen 12 andererseits sind hierfür in ihrer Form aneinander angepasst. Zusätzlich für einen sicheren Halt sind die Spulenkerne 12 mit den Spulen 10 und sind die Spulen 10 mit dem Kühlkörper 14 verklebt. Der Kühlkörper 14 wird zwischen den Spulen 10 von einem Kühlmittel durchströmt, um die Spulen 10 zu kühlen und damit für eine hohe Leistungsabgabe des Elektromotors zu sorgen.
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Der Kühlkörper 14 ist mehrteilig ausgebildet und besteht aus einem Kühlkern 16, der beispielsweise aus Aluminium ausgebildet ist, einem auf der linken Seite 3 angeordneten linksseitigen Kühlkerndeckel 17, einem auf der rechten Seite 4 angeordneten rechtsseitigen Kühlkerndeckel 18, einem auf der linken Seite 3 angeordneten linksseitigen Haltekranz 19 und einem auf der rechten Seite 4 angeordneten rechtsseitigen Haltekranz 20. Der Kühlkern 16 und die Kühlkerndeckel 17 und 18 sind zur Fixierung der Spulen 10 mit den Spulen 10 verklebt. Die Kühlkerndeckel 17 und 18 verschließen im Kühlkern 16 angeordnete Kühlmittelleitungen. Die Haltekränze 19 und 20 sind beidseitig elektrisch isoliert auf die Kühlkerndeckel 17 und 18 aufgesetzt. Die Haltekränze 19 und 20 umschließen die Wicklungen der Spulen 10 und sorgen so für einen sicheren Halt der Spulen 10 und der Spulenkerne 12. Hierfür weisen die Haltekränze 19 und 20 mit Haltelaschen versehene Finger auf, welche die Wicklungen von außen her formschlüssig einbetten. Eine Haltelasche des Haltekranzes 19 ist beispielhaft mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet.
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2 zeigt eine Explosionsdarstellung des Stators 1 von 1. Darin sind der Kühlkörper 14, die Achse 8 mit den Leitungen 5 und 6, die Spulen 10 und die Spulenkerne 12 separat voneinander dargestellt. Die Spulenkerne 12 sind trapezförmig aus miteinander verklebten Bündeln von Drahtabschnitten gebildet.
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3 zeigt die Achse 8 von den 1 und 2 in vergrößerter Darstellung. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren dieselben Teile. Die Achse 8 hat eine Zweiteilung und weist zwei Hauptteile, nämlich eine linksseitige Achshälfte 23 und eine rechtsseitige Achshälfte 24 auf. Ferner sind eine Vielzahl von Achsverbindern 25 vorgesehen, welche die Achshälften 23 und 24 mit einem Abstand voneinander verbinden. Dabei sind die Achshälften 23 und 24 mittels Schraubverbindungen mit den Achsverbindern 25 verbunden. Die Konstruktion der Achse 8 mit den zwei Achshälften 23 und 24 ist hilfreich für die Verbindung der Kühlmittelleitungen 5 und 6 mit dem Kühlkern 16 bei der Montage des Elektromotors.
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4 zeigt einen linksseitigen Achseinsatz 27 zum Einsetzen in die linksseitige Achshälfte 23 und einen rechtsseitigen Achseinsatz 28 zum Einsetzen in die rechtsseitige Achshälfte 24. Die Achseinsätze 27 und 28 dienen der Kühlmittelverteilung zwischen den Kühlmittelleitungen 5 und 6 einerseits und dem Kühlkern 16 andererseits. Der linksseitige Achseinsatz 27 ist hierfür über drei linksseitige innere Kühlmittelleitungen 31, 32 und 33 mit dem Kühlkern 16 verbunden. Der rechtsseitige Achseinsatz 28 ist über rechtsseitige innere Kühlmittelleitungen 34, 35 und 36 mit dem Kühlkern 16 verbunden.
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Die 5 und 6 zeigen den Kühlkern 16 in vergrößerter Darstellung. Die 7 und 8 zeigen darüber hinaus zur besseren Veranschaulichung die Schnittansichten A-A und B-B aus 6. Der Kühlkern 16 weist 15 Kühlfinger 41 auf, die sich in radialer Richtung erstrecken. Jeder Kühlfinger 41 hat auf der linken Seite 3 einen linksseitigen Radialkanal 43 und auf der rechten Seite 4 einen rechtsseitigen Radialkanal 44. Eine endseitige Verbindung zwischen den Radialkanälen 43 und 44 ist mittels eines Axialkanals 46 hergestellt. Die linke Seite 3 ist eine Zulaufseite, wohingegen die rechte Seite 4 eine Rücklaufseite für das Kühlmittel ist. Das Kühlmittel strömt somit im linksseitigen Radialkanal 43 in radialer Richtung nach außen, nachfolgend durch den Axialkanal 46 von der linken Seite 3 auf die rechte Seite 4 und dort in radialer Richtung durch den rechtsseitigen Radialkanal 44 zurück in Richtung der Achse 8. Alternativ ist die rechte Seite 4 die Zulaufseite und ist die linke Seite 3 die Rücklaufseite, so dass das Kühlmittel in entgegengesetzter Richtung durch den Kühlkörper 14 strömt.
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Der linksseitige Radialkanal 43 mündet im Bereich eines linksseitigen Strömungsteilers 47 in einen ringförmigen linksseitigen Verteilerkanal 49. Der rechtsseitige Radialkanal 44 mündet im Bereich eines rechtsseitigen Strömungsteilers 52 in einen rechtsseitigen Verteilerkanal 54. Der Kühlkern 16 weist zur Verbindung des linksseitigen Verteilerkanals 49 mit den rechtsseitigen inneren Kühlmittelleitungen 34, 35 und 36 drei rechtsseitige Verbindungskanäle 57, 58 und 59 auf. Um 40° versetzt zu den rechtsseitigen Verbindungskanälen 57, 58, und 59 weist der Kühlkern 16 darüber hinaus drei linksseitige Verbindungskanäle 62, 63 und 64 auf, welche den rechtsseitigen Verteilerkanal 54 mit den linksseitigen inneren Kühlmittelleitungen 31, 32 und 33 verbinden. Die Verbindungskanäle 57, 58, 59, 62, 63 und 64 sind jeweils leicht schräg zur Radialen angestellt, so dass ihre Herstellung vereinfacht über eine Bohrung von außerhalb des Kühlkerns 16 möglich ist. Das Kühlmittel strömt somit entweder von der rechten Seite des Elektromotors durch die Achse 8 hindurch nach links zum Stator 1, dort im Kühlkern 16 von links nach rechts und schließlich wieder durch die Achse 8 hindurch nach links aus dem Stator 1 hinaus zur linken Seite des Elektromotors oder in genau entgegengesetzter Strömungsrichtung durch den Elektromotor hindurch.
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9 und 10 veranschaulichen das Wicklungsschema und die Verdrahtung der Spulen 10. Es sind jeweils fünf Spulen 10 zu einer Phase zusammengeschaltet. Insgesamt sind 15 Spulen 10 und somit 15 Pole vorhanden. Zeitgleich werden immer jeweils zwei Phasen angesteuert, so dass zehn Pole ihre Magnetkraft entfalten können. Die fünf zu einer Phase zusammengeschalteten Spulen 10 sind abwechselnd im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn gewickelt. Jede Phase weist dabei drei im Uhrzeigersinn und zwei gegen den Uhrzeigersinn gewickelte Spulen 10 auf.
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11 zeigt einen Magnetring 70 mit einer Vielzahl von Permanentmagneten 71, 72, 73, 74 und 75 sowie weiteren hier nicht bezeichneten Permanentmagneten in einer Anordnung als sechzehnpoliges Halbach-Array. Dabei sind die Permanentmagnete 71, 73 und 75 koaxial und mit wechselnder Orientierung angeordnet. Die dazwischen angeordneten Permanentmagnete 72 und 74 sind hingegen magnetisch in der Ebene des Magnetrings 70 ausgerichtet und weisen mit ihren Polen zu den jeweils benachbarten Permanentmagneten 71 und 73 beziehungsweise 73 und 75. Dadurch weist beispielsweise der Südpol des Permanentmagneten 72 an der Vorderseite des Magnetrings 70 zum Nordpol des Permanentmagneten 71, wohingegen der Südpol des Permanentmagneten 72 an der Rückseite des Magnetrings 70 zum Südpol des Permanentmagneten 71 weist. Die Nordpole der Magneten sind in 11 mit dem Buchstaben N und die Südpole mit dem Buchstaben S gekennzeichnet. Insgesamt ergeben sich durch die Anordnung der Permanentmagnete 71 bis 75 ein geschwächtes Feld an der Vorderseite des Magnetrings 70 und ein verstärktes Feld an der Rückseite des Magnetrings 70. Dadurch kann ein platzsparender Aufbau des Magnetrings 70 erreicht werden. Die Rückseite des Magnetrings 70 ist dabei im fertiggestellten Motor dem Stator 1 und insbesondere den Spulen 10 mit den Spulenkernen 12 zugewandt. Die Anzahl der Pole des Magnetrings 70 weicht mit sechzehn dabei um eins von der Anzahl der Spulen 10 und damit der Pole des Stators 1 ab. Dadurch ergibt sich ein gleichmäßiger Motorlauf.
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Die 12 und 13 zeigen den bereits genannten und hier erstmals bezeichneten Rotor 81 in einer Außenansicht und in einer Explosionsdarstellung. Die Permanentmagnete 71 bis 75 des Magnetrings 70, welcher ein linksseitiger Magnetring ist, werden mittels eines linksseitigen äußeren Halterings 82 und eines linksseitigen inneren Halterings 83 zusammengehalten. Ferner ist ein zum linksseitigen Magnetring 70 baugleicher rechtsseitiger Magnetring 84 vorgesehen, dessen Permanentmagnete mittels eines rechtsseitigen äußeren Halterings 85 und eines rechtsseitigen inneren Halterings 86 zusammengehalten werden. Die Magnetringe 70 und 84 sind mit ihrer Seite des verstärkten Feldes in Richtung des Stators 1 orientiert und dabei um einen Winkel von 22,5° gegeneinander verdreht. Aus dieser Anordnung des Stators 1 zwischen den Magnetringen 70 und 84 resultieren nahezu keine radialen Magnetkräfte, welche den Rotor 1 aus der Achse ziehen würden. Axiale Magnetkräfte heben sich zudem durch die beidseitige und um 22,5° verdrehte Anordnung der Magnetringe 70 und 84 auf. Auch dies trägt zu einem ruhigen Motorlauf bei, auch wenn nur zwei Phasen der Spulen 10 zur selben Zeit angesteuert werden.
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Über die äußeren Halteringe 82 und 85 sind die Magnetringe 70 und 84 mit einem Rotormantel 89 verbunden, welcher am fertiggestellten Elektromotor den Kühlkörper 14 des Stators 1 radial umgibt. Zu den axialen Seiten ist der Rotor 81 mittels eines linksseitigen Rotordeckels 91 und eines rechtsseitigen Rotordeckels 92 zumindest im Bereich der Magnetringe 70 und 84 seitlich verschlossen. Die Magnetringe 70 und 84 sind jeweils axial außenseitig formschlüssig in den äußeren Rotordeckel 91 oder 92 eingebunden und mit diesem äußeren Rotordeckel 91 oder 92 verklebt und axial innenseitig mit dem äußeren Haltering 82 oder 85 und dem inneren Haltering 83 oder 86 verklebt. Die Rotordeckel 91 und 92 weisen Kühlrippen für eine verbesserte Wärmeabgabe zur Umgebung auf. Auch der Rotormantel 89 weist, insbesondere ringförmig umlaufende Kühlrippen zur Wärmeabgabe auf. Durch die jeweiligen Kühlrippen ergibt sich eine Vergrößerung der Oberfläche des Rotormantels 89 und der Rotordeckel 91 und 92 und dadurch eine verbesserte Wärmeabgabe an die umgebende Luft.
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Ferner weist der Rotor 81 ein linksseitiges Rotorlager 93 und ein rechtsseitiges Rotorlager 94 zur Lagerung des Rotors 81 auf der Achse 8 auf. Die Rotorlager 93 und 94 sind mittels Wellendichtringen 95 und 96 verschlossen. Für die Lagerung beispielsweise eines vom Rotor 81 angetriebenen Hinterrades eines Motorrades sind ein linksseitiger Lagerkörper 97 und ein rechtsseitiger Lagerkörper 98 vorgesehen, die axial gegenüber dem Rotor 81 vorstehen. Die Rotorlager 93 und 94 sind in die Lagerkörper 97 und 98 integriert und lagern die Lagerkörper 97 und 98 auf der Achse 8. Das Hinterrad des Motorrades kann also unter Umgehung des Rotors 81 direkt auf den Lagerkörpern 97 und 98 abgestützt werden. Das Gehäuse des Rotors 81 mit den Rotordeckeln 91 und 92 muss hingegen keine großen Lasten aufnehmen können und kann daher sehr leicht ausgeführt sein.
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14 zeigt eine Explosionsdarstellung des Elektromotors mit dem Stator 1 und dem Rotor 81 gemäß den zuvor dargestellten Figuren. Aus der linksseitigen Achshälfte 23 sind zusätzlich zur linksseitigen Kühlmittelleitung 5 die Sensorleitung 100 und die erste Phasenleitung 101 herausgeführt. Aus der rechtsseitigen Achshälfte 24 sind zusätzlich zur rechtsseitigen Kühlmittelleitung 6 die zweite Phasenleitung 102 und die dritte Phasenleitung 103 herausgeführt. Die Anschlussbereiche im Bereich der Achshälften 23 und 24 sind linksseitig zwischen einer inneren linken Leitungskappe 105 und einer äußeren linken Leitungskappe 106 geschützt. Rechtsseitig sind die Anschlussbereiche zwischen einer inneren rechten Leitungskappe 107 und einer äußeren rechten Leitungskappe 108 geschützt.
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Durch die Phasenleitungen 101, 102 und 103 wird der Elektromotor elektrisch angetrieben. Jede Phasenleitung 101, 102 und 103 ist mit jeweils einer im Uhrzeigersinn ersten Spule 10 von fünf in Reihe zusammengeschalteten Spulen 10 (9 und 10) verbunden. Die jeweils im Uhrzeigersinn fünften Spulen 10 sind alle drei miteinander verbunden. Zwischen zwei Phasenleitungen 101 und 102 oder 102 und 103 oder 103 und 101 werden somit immer zehn Spulen 10 so mit elektrischer Energie versorgt, dass daraus zehn elektrisch betriebene Magnete mit wechselnder Orientierung resultieren. Die übrigen fünf Spulen 10 sind dabei jeweils für den Moment ohne Funktion.
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Die Kühlmittelleitungen 31 bis 36 (4) bilden zusammen einen Kühlmittelverteiler 110. Ein Sensorträger 112, auf dem mehrere Lagesensoren angeordnet sind, ist mit der mit der Sensorleitung 100 verbunden. Die Lagesensoren sind über die Sensorleitung 100 mit einer nicht dargestellten Steuerelektronik für die Steuerung des Elektromotors verbunden und ermöglichen die exakte Bestimmung der Rotorlage und damit eine präzise und effiziente Motorsteuerung. Zusätzlich zu den Lagesensoren können weitere Sensoren auf dem Sensorträger 112 angeordnet sein, beispielsweise ein Temperatursensor, der die Temperatur im Elektromotor misst und diese ebenfalls über die Sensorleitung 100 an die Steuerelektronik übermittelt.
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15 zeigt einen Schnitt durch den Elektromotor gemäß den zuvor dargestellten und beschriebenen Figuren. Die Drehachse des Rotors 81 liegt dabei in der Schnittebene.
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16 und 17 zeigen Außenansichten des erfindungsgemäßen Elektromotors. Zu erkennen sind dabei die Achse 8, der um die Achse 8 drehbar angeordnete Rotor 81 entsprechend der Darstellung von 12 und die aus den Leitungskappen 105 bis 108 herausgeführten Anschlüsse in Form der Kühlmittelleitungen 5 und 6, der Sensorleitung 100 und der Phasenleitungen 101, 102 und 103.
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18, 19 und 20 zeigen drei alternative Anwendungsbeispiele für den erfindungsgemäßen Elektromotor. 18 zeigt dabei ein Speichenrad, wobei die Lagerkörper 97 und 98 über Speichen mit der Felge eines Rades verbunden sind. Das Speichenrad ist insbesondere das Hinterrad eines Motorrades.
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19 zeigt einen am rechtsseitigen Lagerkörper 98 befestigten Kettenkranz 126 für einen Kettenantrieb. An Stelle des Kettenkranzes 126 kann alternativ auch ein Kranz zum Antrieb eines Riemens, also ein mit dem Elektromotor hergestellter Riemenantrieb, vorgesehen sein. Der Kettenantrieb oder der Riemenantrieb ermöglicht die herkömmliche Kraftübertragung vom Motor auf die Hinterachse des Motorrades mittels einer Kette beziehungsweise mittels eines Riemens. Der Elektromotor ist dabei auf herkömmliche Weise im Rahmen des Motorrades, insbesondere zwischen dessen Rädern, verbaut.
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20 zeigt ein Gussrad, das an Stelle des Speichenrades von 18 an einem Motorrad verbaut werden kann. Bei dem Gussrad gemäß 20 ist der Elektromotor direkt, also ohne zusätzliche Speichen, in die Felge des Gussrades eingesetzt. Im Gegensatz zum Speichenrad von 18 können die Lagerkörper 97 und 98 hier deutlich simpler und leichter ausgeführt sein, da Bohrungen und Sitze zur Montage der Speichen entfallen. Außerdem ist hier eine Bremsscheibe 129 vorgesehen. Die Bremsscheibe 129 kann optional auch zusätzlich am Speichenrad 121 von 18 vorgesehen werden.
