DE102021211102A1

DE102021211102A1 - Elektrische Radialflussmaschine

Info

Publication number: DE102021211102A1
Application number: DE102021211102.5A
Authority: DE
Inventors: Gustavo Esteves Albieri; Leonard Lorenz; Christoph Schmülling
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2021-10-01
Filing date: 2021-10-01
Publication date: 2023-04-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Radialflussmaschine (100), insbesondere eine fremderregte elektrische Synchronmaschine (130), welche eine Maschinen-Rotorwicklung (103) mit einem Rotor-Blechpaket (106) und eine Maschinen-Statorwicklung (105) mit einem Stator-Blechpaket (110) aufweist.Eine erhöhte Effizienz sowie reduzierte Herstellungskosten werden dadurch erreicht, dass eine axiale Rotor-Blechpaketlänge (108) des Rotor-Blechpakets (106) größer ist als eine Stator-Blechpaketlänge (112) des Stator-Blechpakets (110).Die Erfindung betrifft zudem ein Kraftfahrzeug (200) mit einer solchen Radialflussmaschine (100).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Radialflussmaschine, insbesondere eine fremderregte elektrische Synchronmaschine. Die Erfindung betrifft zudem ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Radialflussmaschine.
Eine elektrische Radialflussmaschine weist einen ortsfesten Stator sowie einen im Betrieb relativ zum Stator um eine Rotationsachse rotierenden Rotor auf, welche nachfolgend auch als Maschinen-Stator und Maschinen-Rotor bezeichnet werden. Der Maschinen-Rotor weist eine Wicklung, nachfolgend auch als Rotorwicklung bezeichnet, und der Maschinen-Stator eine die Rotorwicklung umgebende Wicklung, nachfolgend auch als Statorwicklung bezeichnet, auf. Die Rotorwicklung erzeugt dabei ein magnetisches Feld das mit einem von der Statorwicklung erzeugten magnetischen Feld zusammenwirkt. In einer elektrischen Radialflussmaschine tritt der magnetische Fluss des mir der Rotorwicklung erzeugten Feld radial in einen radialen Spalt zwischen der Rotorwicklung und der Statorwicklung ein.
Eine solche, als fremderregte elektrische Synchronmaschine ausgestaltete Radialflussmaschine ist aus der EP 2 869 316 B1 bekannt.
Die Rotorwicklung weist zum Erzeugen des magnetischen Felds der Rotorwicklung, nachfolgend auch als Rotorfeld bezeichnet, Spulen auf, welche gewöhnlich um radial abstehende Zähne eines Blechpakets des Maschinen-Rotors gewickelt und somit zwischen den Zähnen ausgebildeten Hohlräumen angeordnet sind. Mit dem Blechpakt erfolgt insbesondere das radiale Führen des magnetischen Flusses der Rotorwicklung und somit das Führen des Rotorfelds.
Das Blechpaket unterliegt einer magnetischen Sättigungsgrenze, welche die Wechselwirkung des Rotorfelds mit dem magnetischen Feld des Stators, nachfolgend auch als Statorfeld bezeichnet, begrenzt. Ferner ist für die Effizienz der Radialflussmaschine die Summe der vorhandenen Spulen der Rotorwicklung, auch als Füllgrad bekannt, wichtig. Dabei führt ein erhöhter Füllgrad üblicherweise zu einer erhöhten Effizienz.
Um die Sättigungsgrenze zu erhöhen, kann das Blechpaket massiver ausgebildet werden. Dies führt zu einer Reduzierung der zwischen den Zähnen ausgebildeten Hohlräume, sodass die Spulen kleiner ausfallen und/oder der Füllgrad reduziert ist. Dies wiederum führt zu einer reduzierten Effizienz der Radialflussmaschine.
Ein erhöhter Füllgrad kann wiederum dadurch erreicht werden, dass das Blechpaket zur Aufnahme der Spulen mehr und/oder größere Hohlräume aufweist. Dies führt jedoch zu einer Reduzierung der Sättigungsgrenze des Blechpaket. Es besteht also eine Diskrepanz zwischen der Erhöhung der Sättigungsgrenze und des Füllgrads.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe, für eine elektrische Radialflussmaschine der eingangs genannten Art sowie für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Radialflussmaschine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsformen anzugeben, welche Nachteile aus dem Stand der Technik bekannter Lösungen beseitigen. Insbesondere beschäftigt sich die vorliegende Erfindung mit der Aufgabe, für die Radialflussmaschine und für das Kraftfahrzeug Ausführungsformen anzugeben, welche sich durch eine erhöhte Effizienz und/oder reduzierte Herstellungskosten auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht demnach auf dem allgemeinen Gedanken, in einer elektrischen Radialflussmaschine ein Blechpaket eines Rotors der Radialflussmaschine gegenüber einem Blechpaket eines Stators der Radialflussmaschine entlang der Rotationsachse des Rotors zu verlängern. In der Folge ist das dem Führen des magnetischen Flusses des Rotors dienende Blechpaket des Rotors, nachfolgend auch als Rotor-Blechpaket bezeichnet, vergrößert. Damit ist die magnetische Sättigungsgrenze des Rotor-Blechpaket erhöht. Das Resultat ist ein verstärkter radialer magnetischer Fluss in Richtung eines zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildeten Spalts. Zugleich wird der für Spulen des Rotors vorhandene Hohlraum am Blechpaket radial und in Umfangsrichtung zumindest nicht verkleinert. Somit bleibt ein Füllgrad des Rotors mit den Spulen zumindest erhalten. Folglich wird das im Betrieb mittels der Spulen des Rotors erzeugte magnetische Feld zumindest nicht reduziert. Das Resultat ist eine erhöhte Effizienz der Radialflussmaschine. Da die Erstreckung und somit die Größe das Blechpaket des Stators, nachfolgend auch als Stator-Blechpaket bezeichnet, erhalten bleiben kann, ist die Radialflussmaschine kompakt ausgebildet. Zudem kommt es auf diese Weise zu einer kostengünstigen Herstellung der Radialflussmaschine. Mit dem Erfindungsgedanken erfolgt also eine erhöhte Effizienz der Radialflussmaschine bei zugleich kompakter Ausbildung und kostengünstiger Herstellung.
Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist die elektrische Radialflussmaschine, welche nachfolgend auch kurz als Radialflussmaschine bezeichnet wird, den Rotor sowie den Stator auf. Der Rotor wird nachfolgend auch als Maschinen-Rotor bezeichnet. Der Maschinen-Rotor weist eine Rotorwelle sowie eine an der Rotorwelle drehfest versehene Wicklung auf, welche nachfolgend auch als Maschinen-Rotorwicklung oder kurz Rotorwicklung bezeichnet wird. Die Maschinen-Rotorwicklung erzeugt im Betrieb ein magnetisches Feld, welches nachfolgend auch als Rotorfeld bezeichnet wird. Die Radialflussmaschine weist ferner den Stator auf, welcher nachfolgend auch als Maschinen-Stator bezeichnet wird. Der Maschinen-Rotor ist relativ zum Maschinen-Stator um die axiale Rotationsachse rotierbar. Der Maschinen-Stator weist eine Wicklung auf, welche nachfolgend auch als Maschinen-Statorwicklung oder kurz Statorwicklung bezeichnet wird. Die Maschinen-Statorwicklung erzeugt im Betrieb ein magnetisches Feld, welches nachfolgend auch als Statorfeld bezeichnet wird. Im Betrieb der Radialflussmaschine wirkt das Statorfeld mit dem Rotorfeld derart zusammen, dass der Maschinen-Rotor um die axiale Rotationsachse rotiert. Der Maschinen-Rotor weist das Rotor-Blechpaket auf. Das Rotor-Blechpaket weist radial abstehende und sich axial erstreckende sowie in Umfangsrichtung zueinander beabstandete Zähne auf. Die Zähne erstrecken sich axial über eine Länge, welche nachfolgend auch als Rotor-Blechpaketlänge bezeichnet wird. Um den jeweiligen Zahn ist eine Spule der Maschinen-Rotorwicklung gewickelt, welche nachfolgend auch als Rotorspule bezeichnet wird. Der Maschinen-Stator weist das Stator-Blechpaket auf, um welches zumindest eine Spule der Statorwicklung, nachfolgend auch als Statorspule bezeichnet, gewickelt ist. Das Stator-Blechpaket erstreckt sich axial über eine Länge, welche nachfolgend auch als Stator-Blechpaketlänge bezeichnet wir. Dabei ist die Rotor-Blechpaketlänge größer ist als die Stator-Blechpaketlänge.
Die vorliegend angegebenen Richtungen beziehen sind auf die axial verlaufende Rotationsachse. Dementsprechend verläuft „axial“ parallel, insbesondere koaxial, zur Rotationsachse. Zudem verläuft „radial“ quer zur Rotationsachse. Ferner verläuft die Umfangsrichtung die Rotationsachse umgebend.
Die Maschinen-Statorwicklung umgibt zweckmäßig die Maschinen-Rotorwicklung. Dabei ist radial zwischen der Maschinen-Rotorwicklung und der Maschinen-Statorwicklung der Spalt ausgebildet.
Die Rotorwicklung weist vorteilhaft zwei oder mehr Rotorspulen auf, welche elektrisch miteinander verbunden sind. Insbesondere sind die Rotorspulen elektrisch in Reihe geschaltet.
Im Betrieb erzeugt die Rotorwicklung, insbesondere die Rotorspulen, das Rotorfeld, welches im Rotor-Blechpaket mittels der Zähne radial nach außen geführt wird und radial in den Spalt austritt. Mit dem Rotor-Blechpaket, insbesondere mit den Zähnen, erfolgt also insbesondere das Führen des magnetischen Flusses der Rotorwicklung.
Die Blechpakete, das heißt das Rotor-Blechpaket und das Stator-Blechpaket, sind vorteilhaft axial zueinander zentriert.
Vorteilhaft sind die Rotorspulen und die zumindest eine Statorwicklung axial zueinander zentriert.
Bevorzugt entspricht die Rotor-Blechpaketlänge der maximalen axialen Länge des Rotor-Blechpakets.
Die Zähne des Rotor-Blechpakets sind vorteilhaft axial länglich ausgebildet. Das heißt, dass die Rotor-Blechpaketlänge größer ist als die radiale Erstreckung der Zähne. Somit wird ein effizientes radiales Austreten des Rotorfelds bei zugleich vergrößertem Hohlraum für die Rotorspulen erreicht.
Der jeweilige Zahn weist zwei axial voneinander abgewandte äußere Flächen auf, welche nachfolgend auch als Außenflächen bezeichnet werden. Die Rotor-Blechpaketlänge erstreckt sich dabei zweckmäßig von der einen Außenfläche bis zur anderen Außenfläche. Das heißt, dass die Rotor-Blechpaketlänge zweckmäßig durch die voneinander abgewandten Außenflächen der Zähne definiert wird.
Das Stator-Blechpaket weist zwei axial voneinander abgewandte äußere Flächen auf, welche nachfolgend auch als Stator-Blechpaketstirnseiten bezeichnet werden. Zweckmäßig erstreckt sich die Stator-Blechpaketlänge von der einen Stator-Blechpaketstirnseite bis zur anderen Stator-Blechpaketstirnseite. Das heißt, dass die Stator-Blechpaketlänge zweckmäßig durch die voneinander abgewandten Stator-Blechpaketstirnseiten definiert wird.
Bei bevorzugten Ausführungsformen weist das Rotor-Blechpaket für den jeweiligen Zahn eine radial endseitige Polkappe auf. Die jeweilige Polkappe erstreckt sich axial und in Umfangsrichtung und überragt zweckmäßig den zugehörigen Zahn in Umfangsrichtung. Dabei ist die jeweilige Rotorspule auf der radial der Rotorwelle zugewandten Seite der zugehörigen Polkappe um den zugehörigen Zahn gewickelt. Die jeweilige Rotorspule ist somit radial zwischen der zugehörigen Polkappe und der Rotorwelle um den zugehörigen Zahn gewickelt. Die Polkappen sind in Umfangsrichtung zueinander beabstandet und weisen jeweils zwei axial voneinander abgewandte Stirnseiten auf. Mit den Polkappen erfolgt eine Verlängerung und Vergrößerung der Zähne auf der von der Rotorwelle abgewandten Seite der zugehörigen Rotorspulen. Somit erfolgt ein verbessertes Führen des Rotorfelds radial in den Spalt. In der Folge wird die Effizienz der Radialflussmaschine erhöht.
Prinzipiell können die Stirnseiten der Polkappen flach ausgebildet sein.
Als bevorzugt gelten Ausführungsformen, bei denen zumindest eine der Stirnseiten der jeweiligen Polkappe, besonders bevorzugt die jeweilige Stirnseite, axial hin zur anderen Stirnseite der zugehörigen Polkappe gekrümmt verläuft. Das heißt, dass zumindest eine der Stirnseiten, bevorzugt beide Stirnseiten, axial nach innen gekrümmt verlaufen. Somit wird der magnetische Fluss an den Stirnseiten axial nach innen geführt und tritt anschließend radial aus dem Blechpaket. In der Folge ist eine Wechselwirkung zwischen dem Rotorfeld und dem Statorfeld erhöht.
Das Resultat ist eine erhöhte Effizienz der Radialflussmaschine sowie eine Erhöhung des an der Rotorwelle abgreifbaren Drehmoments.
Zweckmäßig ist die jeweilige Innenkante radial außen und die jeweilige Außenkante radial innen angeordnet. Die jeweilige Stirnseite verläuft also zweckmäßig axial konvex.
Bei bevorzugten Ausführungsformen weist die jeweilige gekrümmt verlaufende Stirnseite eine axial äußere Außenkante und eine axial innere Innenkante auf. Das heißt, dass die Stirnseite von der zugehörigen Außenkante und Innenkante begrenzt wird und von der Außenkante bis zu Innenkante axial nach innen gekrümmt verläuft. Somit erfolgt eine klare und/oder scharfe Abgrenzung der Stirnseite. Folglich wird an der Stirnseite das Rotorfeld axial nach innen umgelenkt und tritt radial aus der Polkappe. Darüber hinaus erfolgt auf diese Weise ein vorteilhaftes radiales Führen des Rotorfelds aus dem Rotor-Blechpaket in den Spalt. Das heißt, dass auf diese Weise die Wechselwirkung des Rotorfelds mit dem Statorfeld erhöht und somit die Effizienz der Radialflussmaschine verbessert werden.
Als bevorzugt gelten Ausführungsformen, bei denen zumindest eine der Innenkanten, bevorzugt die jeweilige Innenkante, axial mit der axial nächstbenachbarten Stator-Blechpaketstirnseite fluchtet. Das heißt, dass zumindest eine der Innenkanten, vorteilhaft die jeweilige Innenkante, axial auf gleicher Höhe ist wie die axial nächstbenachbarte Stator-Blechpaketstirnseite. Insbesondere ist somit der axiale Überstand der Polkappen vom Stator-Blechpaket durch die gekrümmt verlaufenden Stirnseiten gegeben. In der Folge wird das Rotorfeld an der jeweiligen Stirnseite axial in Richtung der zugehörigen Stator-Blechpaketstirnseite umgelenkt und tritt zwischen den Stator-Blechpaketstirnseiten radial in den Spalt. Mit anderen Worten, ein radialer Austritt des Rotorfelds außerhalb der axialen Erstreckung des Stator-Blechpakets wird verhindert oder zumindest reduziert. Somit erfolgt neben einer erhöhten Effizienz der Radialflussmaschine eine Erhöhung des an der Rotorwelle abgreifbaren Drehmoments.
Bevorzugt ist es folglich, wenn beide Stirnseiten der jeweiligen Polkappe derart gekrümmt verlaufen, und der axiale Abstand zwischen den Innenkanten der Stator-Blechpaketlänge entspricht.
Bevorzugt ist es ferner, wenn beide Stirnseiten der jeweiligen Polkappe derart gekrümmt verlaufen und der axiale Abstand zwischen den Außenkanten der Rotor-Blechpaketlänge entspricht.
Die jeweilige Polkappe weist eine radial äußere Seite auf, welche nachfolgend auch als Oberseite bezeichnet wird.
Die Oberseite zumindest einer der Polkappen, bevorzugt der jeweiligen Polkappe, verläuft vorteilhaft in Umfangsrichtung gekrümmt. Bevorzugt verläuft die jeweilige Oberseite radial nach außen gerichtet und somit radial konvex.
Zweckmäßig geht die jeweilige Stirnseite an der Innenkante in die Oberseite über. Die Innenkante ist also vorteilhaft in Umfangsrichtung gekrümmt.
Es ist vorteilhaft, wenn die Außenkanten eben verlaufen. Bevorzugt verlaufen die Außenkanten tangential zur Umfangsrichtung.
Die Außenflächen der Zähne können prinzipiell gekrümmt verlaufen.
Bevorzugt verlaufen die Außenflächen flach. Das heißt, dass die Außenflächen radial und flach verlaufen. Dies führt zu einem vorteilhaften Führen des Rotorfelds radial in den Spalt.
Bei vorteilhaften Ausführungsformen geht die jeweilige Außenfläche radial außen an der Außenkante in die Stirnseite der zugehörigen Polkappe über. Insbesondere entspricht somit die Rotor-Blechpaketlänge dem axialen Abstand der Außenkanten.
Der jeweilige Zahn weist zwei in Umfangsrichtung voneinander abgewandte Außenflächen auf, welche nachfolgend auch als Umfangsflächen bezeichnet werden.
Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die Umfangsflächen flach verlaufen. Das heißt, dass die Umfangsflächen bevorzugt radial und flach verlaufen.
Zweckmäßig gehen die Umfangsflächen in einer radial inneren Seite der zugehörigen Polkappe, nachfolgend auch als Unterseite bezeichnet über.
Bevorzugt sind dabei Ausführungsformen, bei denen die Unterseite der jeweiligen Polkappe flach ausgebildet sind. Dabei sind Ausführungsformen bevorzugt, bei denen der Zahn und die zugehörige Polkappe in axialer Draufsicht und/oder in radialem Schnitt eine Form in der Art eines „T“ bilden.
Prinzipiell kann eine axiale Länge der Rotorspulen einer axialen Länge der zumindest einen Statorspule entsprechend.
Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die axiale Länge der Rotorspulen, insbesondere analog zu den Blechpaketlängen, größer ist als die axiale Länge der zumindest einen Statorspule. Die jeweilige Rotorwicklung weist also eine axiale Rotor-Wicklungslänge und die zumindest eine Statorwicklung eine axiale Stator-Wicklungslänge auf. Dabei ist die Rotor-Wicklungslänge großer ist als die Stator-Wicklungslänge. Insbesondere entspricht die Differenz zwischen der Rotor-Wicklungslänge und der Stator-Wicklungslänge der Differenz zwischen der Rotor-Blechpaketlänge und der Stator-Blechpaketlänge.
Die Radialflussmaschine kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein. Insbesondere ist es vorstellbar, die Radialflussmaschine als einen Radialflussmotor auszugestalten.
Die Radialflussmaschine ist vorteilhaft als eine fremderregte elektrische Synchronmaschine, insbesondere als eine induktiv fremderregte elektrische Synchronmaschine, ausgestaltet. Die Radialflussmaschine kann also als ein, insbesondere induktiv, fremderregter elektrischer Synchronmotor ausgestaltet sein.
Die Radialflussmaschine kann prinzipiell in beliebigen Anwendungen zum Einsatz kommen.
Die Radialflussmaschine kommt insbesondere in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz. Dabei dient die Radialflussmaschine insbesondere dem Antrieb des Kraftfahrzeugs, kann also als ein Radialflussmotor, insbesondere als ein fremderregter elektrischer Synchronmotor, und somit als ein Traktionsmotor ausgestaltet sein. Ebenso ist es vorstellbar, die Radialflussmaschine als Radialflussmotor, insbesondere als fremderregter elektrischer Synchronmotor, zum Verstellen eines Verstellelements und somit als Verstellmotor einzusetzen. Das Kraftfahrzeug weist zweckmäßig eine elektrische Energiequelle, beispielsweise eine Batterie auf. Dabei sind die Maschinen-Rotorwicklung und die Maschinen-Statorwicklung im Betrieb mittels der Energiequelle elektrisch versorgt.
Es versteht sich, dass neben der Radialflussmaschine auch das Kraftfahrzeug mit der Radialflussmaschine zum Umfang dieser Erfindung gehört.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,

1 einen axialen Schnitt durch eine Radialflussmaschine mit einem Maschinen-Rotor,
2 eine isometrische Ansicht des Maschinen-Rotors,
3 eine axiale Draufsicht auf das Rotor-Blechpaket des Maschinen-Rotors,
4 einen axialen Schnitt durch das Rotor-Blechpaket mit einem Stator-Blechpaket,
5 einen stark vereinfachten Schaltplan der Radialflussmaschine in einem Kraftfahrzeug.

Eine elektrische Radialflussmaschine 100, wie sie beispielsweise in den 1 bis 5 gezeigt ist, kann in einem Kraftfahrzeig 200, wie es in 5 stark vereinfacht gezeigt ist, zum Einsatz kommen. Die Radialflussmaschine 100 kann als ein elektrischer Radialflussmotor 131, insbesondere zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 200 oder zum Verstellen eines nicht gezeigten Verstellelements, zum Einsatz kommen. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Radialflussmaschine 100 als eine fremderregte elektrische Synchronmaschine 130, insbesondere als ein fremderregter elektrischer Synchronmotor 132, ausgestaltet.
Die Radialflussmaschine 100 weist, wie insbesondere 1 entnommen werden kann, einen Rotor 101 auf. Der Rotor 101 wird nachfolgend auch als Maschinen-Rotor 101 bezeichnet. Der Maschinen-Rotor 101 weist eine Rotorwelle 102 und eine an der Rotorwelle 102 drehfest versehene Wicklung 103 auf. Die Wicklung 103 wird nachfolgend auch als Maschinen-Rotorwicklung 103 oder kurz Rotorwicklung 103 bezeichnet. In 1 ist die Rotorwicklung 103 durch eine Induktivität und einen ohmscher Widerstrand symbolisiert. Im Betrieb erzeugt die Maschinen-Rotorwicklung 103 ein magnetisches Feld, welches nachfolgend auch als Rotorfeld bezeichnet wird. Die Radialflussmaschine 100 weist ferner einen Stator 104 auf, der nachfolgend auch als Maschinen-Stator 104 bezeichnet wird. Zudem weist die Radialflussmaschine 100 eine zum Maschinen-Stator 104 feste Wicklung 105 auf, welche nachfolgend auch als Maschinen-Statorwicklung 105 oder kurz Statorwicklung 105 bezeichnet wird. Die Maschinen-Statorwicklung 105 umgibt die Maschinen-Rotorwicklung 103 in Umfangsrichtung 91. Wie 1 entnommen werden kann, sind die Maschinen-Rotorwicklung 103 und die Maschinen-Statorwicklung 105 durch einen radialen Spalt 125 zueinander beabstandet. Im Betrieb erzeugt die Maschinen-Statorwicklung 105 ein magnetisches Feld, welches nachfolgend auch als Statorfeld bezeichnet wird. Dabei wirken Statorfeld und Rotorfeld derart zusammen, dass der Maschinen-Rotor 101 im Betrieb um eine axiale Rotationsachse 90 rotiert.
Die vorliegend angegebenen Richtungen beziehen sind auf die Rotationsachse 90. Dementsprechend verläuft „axial“ parallel, insbesondere koaxial, zur Rotationsachse. Zudem verläuft „radial“ quer zur Rotationsachse 90. Ferner verläuft die Umfangsrichtung 91 die Rotationsachse 90 umgebend.
Wie den 1 bis 4 entnommen werden kann, weist der Maschinen-Rotor 101 ein Blechpaket 106 auf, welches nachfolgend auch als Rotor-Blechpaket 106 bezeichnet wird. Das Rotor-Blechpaket 106 ist mit der Rotorwelle 102 drehfest. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Rotorwelle 102 durch das Rotor-Blechpaket 106 geführt und drehfest mit dem Rotor-Blechpaket 106 verbunden. Wie insbesondere den 2 bis 4 entnommen werden kann, weist das Rotor-Blechpaket 106 radial abstehende und sich axial erstreckende sowie in Umfangsrichtung 91 beabstandete Zähne 107 aufweist. Die Zähne 107 erstrecken sich axial über eine Länge 108, welche nachfolgend auch als Rotor-Blechpaketlänge 108 bezeichnet wird. Die Rotor-Blechpaketlänge 108 entspricht in den gezeigten Ausführungsbeispielen der maximalen axialen Erstreckung des Rotor-Blechpakets 106. Um den jeweiligen Zahn 107 ist eine Spule 109 der Maschinen-Rotorwicklung 103 gewickelt, welche nachfolgend auch als Rotorspule 109 bezeichnet wird. Die Rotorspulen 109 sind vorteilhaft elektrisch in Reihe geschaltet. In den gezeigten Ausführungsbeispielen weist das Rotor-Blechpakets 106 rein beispielhaft vier Zähne 107 auf. Um den jeweiligen Zahn 107 ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen eine zugehörige Rotorspule 109 gewickelt. Somit weist die Maschinen-Rotorwicklung 103 vier Rotorspulen 109 auf. Dabei sind die Rotorspulen 109 in den 3 und 4 zum besseren Verständnis nicht und in den 1 und 2 lediglich vereinfacht dargestellt. Das Rotor-Blechpaket 106 führt das von den Rotorspulen 109 und somit von der Rotorwicklung 103 erzeugte Rotorfeld, dessen Feldlinien 117 in den 3 und 4 mit gestrichelten Pfeilen angedeutet sind. Insbesondere führt der jeweilige Zahn 107 das von der zugehörigen Rotorspule 109 erzeugte magnetische Feld. Die Maschinen-Statorwicklung 105 weist ein zum Rotor-Blechpaket 108 axial zentriertes Blechpaket 110 auf, welches nachfolgend auch als Stator-Blechpaket 110 bezeichnet wird. Die Maschinen-Statorwicklung 105 weist ferner zumindest eine um das Stator-Blechpaket 110 gewickelte Spule 111 auf, welche nachfolgend auch als Statorspule 111 bezeichnet wird . Die Statorwicklung 111 ist in 1 vereinfacht und in 4 nicht dargestellt. Das Stator-Blechpaket 110 erstreckt sich axial über eine Länge 112, welche nachfolgend auch als Stator-Blechpaketlänge 112 bezeichnet wird. Wie beispielsweise 1 entnommen werden kann, ist die Rotor-Blechpaketlänge 108 größer ist als die Stator-Blechpaketlänge 112. Somit wird das Volumen des Rotor-Blechpakets 106 vergrößert. Dies führt zu einer Erhöhung der magnetischen Sättigungsgrenze des Rotor-Blechpakets 106, wobei zugleich der radial und in Umfangsrichtung 91 für die Rotorspulen 109 vorhandene Hohlraum zumindest erhalten bleibt. Folglich wird ein radialer magnetischer Fluss in den Spalt 125 erhöht und somit die Effizienz der Radialflussmaschine 100 verbessert.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen wird die Stator-Blechpaketlänge 112 durch voneinander axial abgewandte axiale Stirnseiten 118 des Stator-Blechpakets 110 definiert. Die Stirnseiten 118 werden nachfolgend auch als Stator-Blechpaketstirnseiten 118 bezeichnet.
Wie 1 entnommen werden kann, weist die Radialflussmaschine 100 vorteilhaft ein Gehäuse 126 auf, in welchem die Maschinen-Rotorwicklung 103 und die Maschinen-Statorwicklung 105 aufgenommen sind. Die Rotorwelle 102 ist axial aus dem Gehäuse 126 geführt und im gezeigten Ausführungsbeispiel im Gehäuse 126 um die Rotationsachse 90 rotierbar gelagert.
Das Rotor-Blechpaket 106 weist in den gezeigten Ausführungsbeispielen, wie insbesondere 2 entnommen werden kann, für den jeweiligen Zahn 107 eine radial endseitige Polkappe 113 auf. In den gezeigten Ausführungsbeispielen weist das Rotor-Blechpaket 106 also vier Polkappen 113 auf. In 2 ist dabei die in der Darstellung obere Polkappe 113 zum besseren Verständnis lediglich in Umrissen gezeigt. Wie 2 entnommen werden kann, erstreckt sich die jeweilige Polkappe 113 axial und in Umfangsrichtung 91 und überragt den zugehörigen Zahn 107 in Umfangsrichtung 91. Die jeweilige Rotorspule 109 ist auf der radial der Rotorwelle 102 zugewandten Seite der zugehörigen Polkappe 113 um den zugehörigen Zahn 107 und somit radial zwischen der Rotorwelle 102 und der zugehörigen Polkappe 13 und den zugehörigen Zahn 107 gewickelt. Die Polkappen 113 sind in Umfangsrichtung 91 zueinander beabstandet. Die jeweilige Polkappe 113 weist zwei axial voneinander abgewandte Stirnseiten 114 auf. In den gezeigten Ausführungsbeispielen verläuft dabei die jeweilige Stirnseite 114 axial hin zur anderen Stirnseite 114 der zugehörigen Polkappe 113 gekrümmt. Die jeweilige Stirnseite 114 verläuft also axial nach innen gekrümmt. Folglich weist die jeweilige Stirnseite 114 in den gezeigten Ausführungsbeispielen eine axial nach innen gerichtete konvexe Form auf. Die jeweilige Stirnseite 114 weist dabei eine axial äußere Außenkante 115 und eine axial innere Innenkante 116 auf. Die Kanten 115, 116 begrenzen die Stirnseite 14. Das heißt, dass die Stirnseite 114 von der zugehörigen Außenkante 115 bis zur zugehörigen Innenkante 116 axial nach innen gekrümmt verläuft. Dabei ist die jeweilige Innenkante 116 relativ zur zugehörigen Außenkante 115 radial außen angeordnet. In der Folge werden, wie 4 entnommen werden kann, die Feldlinien 117 an der Stirnseite 114 axial nach innen umgelenkt und treten radial aus der Polkappe 113 in den Spalt 125. Dabei fluchtet in den gezeigten Ausführungsbeispielen die jeweilige Innenkante 116 axial mit der axial nächstbenachbarten Stator-Blechpaketstirnseite 118. Somit ist die jeweilige Innenkante 116 axial auf gleicher Höhe wie die axial nächstbenachbarte Stator-Blechpaketstirnseite 118. Folglich entspricht ein axialer Abstand 127 zwischen den Innenkanten 116 der Stator-Blechpaketlänge 112, wie in 2 angedeutet ist. Somit kommt es, wie 4 entnommen werden kann, zu einem radialen Austritt der Feldlinien 117 zwischen den Stator-Blechpaketstirnseiten 118, wohingegen ein Austritt der Feldlinien 117 axial zu den Stator-Blechpaketstirnseiten 118 und somit axial zum Stator-Blechpaket 110 beabstandet und folglich außerhalb des Spalts 125 verhindert oder zumindest reduziert ist. In der Folge ist eine weiter erhöhte Effizienz der Radialflussmaschine 100 erreicht. Durch den gekrümmten Verlauf der Stirnseiten 114 kann ferner im Betrieb der Radialflussmaschine 100 an der Rotorwelle 102 ein größeres Drehmoment bereitgestellt werden.
Wie 2 bis 4 entnommen werden kann, weist die jeweilige Polkappe 113 eine radiale Außenseite 119 auf, welche nachfolgend auch als Oberseite 119 bezeichnet wird. Wie den 2 bis 4 entnommen werden kann, verläuft in den gezeigten Ausführungsbeispielen die jeweilige Oberseite 119 in Umfangsrichtung 91 gekrümmt und radial nach außen konvex. Dabei geht die jeweilige Stirnseite 114 an der Innenkante 116 in die Oberseite 119 über. Somit verläuft die jeweilige Innenkante 116, wie insbesondere 2 entnommen werden kann, in Umfangsrichtung 91 gekrümmt. Demgegenüber verläuft in den gezeigten Ausführungsbeispielen, wie insbesondere 3 entnommen werden kann, die jeweilige Außenkante 115 eben und tangential zur Umfangsrichtung 91.
Der jeweilige Zahn 107 weist zwei axial voneinander abgewandte und sich radial erstreckende Seiten 120 auf, welche nachfolgend auch als Außenflächen 120 bezeichnet werden. Die Außenflächen 120 erstrecken sind in den gezeigten Ausführungsbeispielen flach. Die jeweilige Außenfläche 120 geht, wie beispielsweise 4 entnommen werden kann, radial außen an der Außenkante 115 in die Stirnseite 114 der zugehörigen Polkappe 113 über. Dabei ist die Rotor-Blechpaketlänge 108 in den gezeigten Ausführungsbeispielen durch die Außenflächen 120 definiert. Folglich entspricht in den gezeigten Ausführungsbeispielen die Rotor-Blechpaketlänge 108 auch dem axialen Abstand der Außenkanten 115. Somit entspricht die axiale Erstreckung der jeweiligen Stirnseite 114 dem axialen Überstand der jeweiligen Außenfläche 120 vom axial nächstbenachbarten Stator-Blechpaketstirnseite 118.
Wie insbesondere 3 entnommen werden kann, weist der jeweilige Zahn 107 zwei in Umfangsrichtung 91 voneinander abgewandte Seiten 121 auf, welche nachfolgend auch als Umfangsflächen 121 bezeichnet werden. Die Umfangsflächen 121 verlaufen radial und sind in den gezeigten Ausführungsbeispielen flach. Dabei ergibt sich, wie insbesondere 3 entnommen werden kann, in axialer Draufsicht bzw. in radialem Schnitt (nicht gezeigt) eine T-Form des jeweiligen Zahns 107 mit der zugehörigen Polkappe 113.
Wie 1 entnommen werden kann, weist die die jeweilige Rotorspule 109 eine axiale Länge 123 auf, welche nachfolgend auch als Rotor-Wicklungslänge 123 bezeichnet wird. Zudem weist die zumindest eine Statorwicklung 111 eine axial Länge 124 auf, welche nachfolgend auch als Stator-Wicklungslänge 124 bezeichnet wird. Dabei ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen die Rotor-Wicklungslänge 123 großer ist als die Stator-Wicklungslänge 124. Somit erzeugen die Rotorspulen 109 ein stärkeres Rotorfeld. In der Folge kann im Betrieb an der Rotorwelle 102 ein größeres Drehmoment bereitgestellt werden.
Entsprechend 5 kann die Radialflussmaschine 100 von einer elektrischen Energiequelle 201 elektrisch versorgt sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um eine elektrische Energiequelle 201 des Kraftfahrzeugs 200 welche eine Gleichspannung bereitstellt. Die elektrischen Energiequelle 201 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Batterie 202 des Kraftfahrzeugs 200. In 5 ist der Maschinen-Stator 104 nicht gezeigt.
Zum Erzeugen des Rotorfelds benötigt die Maschinen-Rotorwicklung 103 eine Gleichspannung. In den gezeigten Ausführungsbeispielen wird diese Gleichspannung der Maschinen-Rotorwicklung 103 mittels eines elektrischen Drehtransformators 1 zur induktiven Energieübertragung bereitgestellt. Der Drehtransformator 1 weist einen Stator 2 und einen Rotor 4 auf. Der Stator 2 wird nachfolgend als Drehtransformator-Stator 2 bezeichnet. Der Rotor 3 wird nachfolgend als Drehtransformator-Rotor 4 bezeichnet. Der Drehtransformator-Rotor 4 ist relativ zum Drehtransformator-Stator 2 um die Rotationsachse 90 rotierbar. Der Drehtransformator-Stator 2 ist zum Maschinen-Stator 4 fest und der Drehtransformator-Rotor 4 zum Maschinen-Rotor 101 drehfest. Im Betrieb rotiert also der Drehtransformator-Rotor 4 relativ zum Drehtransformator-Stator 2 um die Rotationsachse 90. Zur induktiven Energieübertragung weist der Drehtransformator-Stator 2 eine Primärspule 3 und der Drehtransformator-Rotor 4 eine Sekundärspule 5 auf. Im Betrieb induziert die Primärspule 3, welche nachfolgend auch als Transformator-Primärspule 3 bezeichnet wird, in der Sekundärspule 5, welche nachfolgend auch als Transformator-Sekundärspule 5 bezeichnet wird, eine Wechselspannung, welche nachfolgend auch als Transformatorspannung bezeichnet wird. Die Transformator-Sekundärspule 5 ist vorzugsweise als eine Planarwicklung 10 und die Transformator-Primärspule 3 vorzugsweise als eine Flachspule 11 ausgeführt. Die Versorgung der Maschinen-Rotorwicklung 103 mit der Gleichspannung erfolgt mittels der Transformator-Sekundärspule 5. Zu diesem Zweck ist zwischen der Transformator-Sekundärspule 5 und der Maschinen-Rotorwicklung 103 eine Gleichrichterschaltung 6 geschaltet, welche die Transformatorspannung in die Gleichspannung umwandelt.
Die Transformator-Primärspule 3 benötigt zum Induzieren der Transformatorspannung in der Transformator-Sekundärspule 5 eine Wechselspannung oder eine getaktete Gleichspannung. Wie 5 entnommen werden kann, wird im gezeigten Ausführungsbeispiel ist zum Versorgen der Transformator-Primärspule 3 mit der Wechselspannung zwischen der Energiequelle 201 und der Transformator-Primärspule 3 eine Wechselrichterschaltung 7 vorgesehen. Die Wechselrichterschaltung 7 wandelt die Gleichspannung der Energiequelle 201 in die Wechselspannung für die Transformator-Primärspule 3 um. Vorstellbar ist es dabei, dass die Wechselrichterschaltung 7 einen Umrichter umfasst. In dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Gleichrichterschaltung 6 rein beispielhaft als ein Brückengleichrichter 16 mit vier Dioden Da-d ausgebildet. Zudem ist die Wechselrichterschaltung 7 rein beispielhaft als ein Vollbrückenwechselrichter 17 ausgebildet, der vier Transistoren Ta-d und zwei Treiberschalter Sa-b für die Transistoren Ta-d aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2869316 B1 [0003]

Claims

Radialflussmaschine (100), insbesondere fremderregte elektrische Synchronmaschine (130), - mit einem Maschinen-Rotor (101), der einer Rotorwelle (102) und eine an der Rotorwelle (102) drehfest versehene Maschinen-Rotorwicklung (103) aufweist, welche im Betrieb ein magnetisches Rotorfeld erzeugt, - mit einem Maschinen-Stator (104), der eine zum Maschinen-Stator (104) feste Maschinen-Statorwicklung (105) aufweist, welche im Betrieb ein magnetisches Statorfeld erzeugt, welches mit dem Rotorfeld derart zusammenwirkt, dass der Maschinen-Rotor (101) im Betrieb um eine axiale Rotationsachse (90) rotiert, - wobei der Maschinen-Rotor (101) ein Rotor-Blechpaket (106) aufweist, - wobei das Rotor-Blechpaket (106) radial abstehende und sich axial erstreckende sowie in Umfangsrichtung (91) beabstandete Zähne (107) aufweist, - wobei sich die Zähne (107) axial über eine Rotor-Blechpaketlänge (108) erstrecken, - wobei um den jeweiligen Zahn (107) eine Rotorspule (109) der Maschinen-Rotorwicklung (103) gewickelt ist, - wobei der Maschinen-Stator (104) ein Stator-Blechpaket (110) und zumindest eine um das Stator-Blechpaket (110) gewickelte Statorspule (111) aufweist, - wobei sich das Stator-Blechpaket (110) axial über eine Stator-Blechpaketlänge (112) erstreckt, - wobei die Rotor-Blechpaketlänge (108) größer ist als die Stator-Blechpaketlänge (112).
Radialflussmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass das Rotor-Blechpaket (106) für den jeweiligen Zahn (107) eine radial endseitige Polkappe (113) aufweist, - dass sich die jeweilige Polkappe (113) axial und in Umfangsrichtung (91) erstreckt, - dass die jeweilige Rotorwicklung (109) auf der radial der Rotorwelle (102) zugewandten Seite der zugehörigen Polkappe (113) um den zugehörigen Zahn (107) gewickelt ist, - dass die Polkappen (113) in Umfangsrichtung (91) zueinander beabstandet sind, - dass die jeweilige Polkappe (113) zwei axial voneinander abgewandte Stirnseiten (114) aufweist.
Radialflussmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Stirnseiten (114) der jeweiligen Polkappe (113) axial hin zur anderen Stirnseite (114) der zugehörigen Polkappe (113) gekrümmt verläuft.
Radialflussmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmt verlaufende Stirnseite (114) eine axial äußere Außenkante (115) und eine axial innere Innenkante (116) aufweist.
Radialflussmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkante (116) axial mit einer axial nächstbenachbarten axialen Stator-Blechpaketstirnseite (118) des Stator-Blechpakets (112) fluchtet.
Radialflussmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, - dass beide Stirnseiten (114) der jeweiligen Polkappe (113) derart gekrümmt verlaufen, - dass der axiale Abstand zwischen den Innenkanten (116) der Stator-Blechpaketlänge (112) entspricht.
Radialflussmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, - dass beide Stirnseiten (114) der jeweiligen Polkappe (113) derart gekrümmt verlaufen, - dass der axiale Abstand zwischen den Außenkanten (115) der Rotor-Blechpaketlänge (108) entspricht
Radialflussmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine radiale Oberseite (119) der jeweiligen Polkappe (113) in Umfangsrichtung (91) gekrümmt verläuft.
Radialflussmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 7 und nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Stirnseite (114) an der Innenkante (116) in die Oberseite (119) übergeht.
Radialflussmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkante (115) eben verläuft.
Radialflussmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, - dass der jeweilige Zahn (107) zwei axial voneinander abgewandte Außenflächen (120) aufweist, - dass die jeweilige Außenfläche (120) radial außen an der Außenkante (115) in die Stirnseite (114) der zugehörigen Polkappe (113) übergeht.
Radialflussmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Außenfläche 120 flach verläuft.
Radialflussmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, - dass die jeweilige Rotorwicklung (109) eine axiale Rotor-Wicklungslänge (123) aufweist, - dass die zumindest eine Statorwicklung (111) eine axial Stator-Wicklungslänge (124) aufweist, - dass die Rotor-Wicklungslänge (123) großer ist als die Stator-Wicklungslänge (124).
Kraftfahrzeug (200) mit einer Radialflussmaschine (100), insbesondere mit einer Synchronmaschine (130), nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und mit einer elektrischen Energiequelle (201), wobei die Maschinen-Rotorwicklung (103) und die Maschinen-Statorwicklung (105) im Betrieb mittels der Energiequelle (201) elektrisch versorgt sind.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialflussmaschine (100) als Radialflussmotor (131) im Betrieb das Kraftfahrzeug (200) antreibt oder ein Verstellelement verstellt.