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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator mit einem Statorkern und mit von dem Statorkern gehaltenen Statorwicklungen zum Erregen eines Statormagnetfeldes, einen ersten Rotor mit einem ersten Rotorkern und einer von dem ersten Rotorkern gehaltenen ersten magnetfelderzeugenden Komponente zum Erregen eines ersten Rotormagnetfeldes und zumindest einen zweiten Rotor mit einem zweiten Rotorkern und einer von dem zweiten Rotorkern gehaltenen zweiten magnetfelderzeugenden Komponente zum Erregen eines zweiten Rotormagnetfelds. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Antriebseinheit sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Maschinen, welche beispielsweise als Antriebsmaschinen elektrifizierter Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, verwendet werden können. Dabei kann die gesamte Antriebsleistung von einer zentralen elektrischen Maschine oder von mehreren, auf Räder und/oder Achsen des Kraftfahrzeugs verteilten elektrischen Maschinen bereitgestellt werden. Solche elektrischen Maschinen weisen üblicherweise einen Stator bzw. Ständer mit Statorwicklungen zur Erregung eines Statormagnetfeldes sowie einem gegenüber dem Stator drehbar gelagerten Rotor bzw. Läufer mit einer magnetfelderzeugenden Komponente zur Erregung eines Rotormagnetfeldes auf.
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Zum Bereitstellen einer möglichst hohen Antriebsleistung ist beispielsweise aus der
DE 40 23 791 A1 eine elektrische Maschine mit einem Innenläufer, einem Außenläufer und einem konzentrisch zwischen dem Innenläufer und dem Außenläufer angeordneten Ständer bekannt. Die beiden Läufer sind gemeinsam drehfest auf einer Welle der Maschine angeordnet und der Ständer weist eine auf beide Läufer wirkende Wicklung auf.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine mit mehreren Rotoren für ein Kraftfahrzeug gegenüber dem Stand der Technik weiter zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Maschine, eine elektrische Antriebseinheit sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug weist einen Stator mit einem Statorkern und mit von dem Statorkern gehaltenen Statorwicklungen zum Erregen eines Statormagnetfeldes auf. Außerdem weist die elektrische Maschine einen ersten Rotor mit einem ersten Rotorkern und einer von dem ersten Rotorkern gehaltenen ersten magnetfelderzeugenden Komponente zum Erregen eines ersten Rotormagnetfeldes und zumindest einen zweiten Rotor mit einem zweiten Rotorkern und einer von dem zweiten Rotorkern gehaltenen zweiten magnetfelderzeugenden Komponente zum Erregen eines zweiten Rotormagnetfelds auf. Die erste magnetfelderzeugende Komponente ist dauerhaft magnetisch und die zweite magnetfelderzeugende Komponente ist variabel magnetisch, wobei das zweite Rotormagnetfeld zum Einstellen einer von der elektrischen Maschine bereitgestellten Antriebsleistung variierbar ist.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine und einer Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, das zweite Rotormagnetfeld zu variieren. Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst zumindest eine erfindungsgemäße elektrische Maschine. Die elektrische Maschine kann beispielsweise eine zentrale elektrische Maschine zum Bereitstellen der gesamten Antriebsleistung für das Kraftfahrzeug sein. Auch kann jedes Rad und/oder jede Achse des Kraftfahrzeugs eine elektrische Maschine zum Bereitstellen von Antriebsleistung für das Kraftfahrzeug aufweisen.
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Die elektrische Maschine weist den Stator auf, welcher den Statorkern und die bestrombaren Statorwicklungen aufweist. Der Statorkern kann beispielsweise als ein Blechpaket aus axial gestapelten Blechlamellen ausgebildet sein. Der Statorkern kann hohlzylindrisch sein und an einer Innenseite und/oder einer Außenseite Nuten zum Aufnehmen von Wicklungsleitern der Statorwicklungen aufweisen. Die Statorwicklungen können mit einer ersten elektrischen Versorgung der Antriebseinheit zum Bestromen der Statorwicklungen gekoppelt sein. Insbesondere sind die Statorwicklungen über einen Inverter mit einem elektrischen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs elektrisch verbunden.
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Außerdem weist die elektrische Maschine die zumindest zwei Rotoren auf. Der Stator und die Rotoren sind insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Besonders bevorzugt sind die Rotoren axial benachbart zueinander und radial benachbart zu dem Stator angeordnet. Insbesondere ist die elektrische Maschine eine Innenläufer-Maschine, bei welcher die axial benachbart zueinander angeordneten Rotoren innerhalb des hohlzylindrischen Statorkerns des Stators angeordnet sind. Der erste Rotor erstreckt sich dabei beispielsweise höchstens über eine erste Hälfte einer axialen Höhe des Stators und der zumindest eine zweite Rotor höchstens über eine zweite Hälfte der axialen Höhe des Stators. Auch kann vorgesehen sein, dass die Maschine einen ersten Rotor und zwei zweite Rotoren aufweist, wobei der erste Rotor axial zwischen den zwei zweiten Rotoren angeordnet ist. Die Rotoren sind insbesondere mit einer axial durch das Gehäuse hindurchgeführten Rotorwelle der elektrischen Maschine koppelbar. Zum Halten der Rotorwelle in Position und zum Ermöglichen einer Drehbewegung der Rotorwelle sind an axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Gehäuses Lager angeordnet.
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Jeder Rotor weist einen Rotorkern, beispielsweise ein Blechpaket, und eine rotorspezifische magnetfelderzeugende Komponente zum Erzeugen des jeweiligen Rotormagnetfeldes auf. Die Rotoren können dabei unterschiedlich aufgebaut sein. Die erste magnetfelderzeugende Komponente ist dabei dauerhaft magnetisch. Dies bedeutet entweder, dass der erste Rotor dauerhaft bestromte Rotorwicklungen aufweist, an denen dauerhaft eine elektrische Spannung anliegt und welche somit dauerhaft das erste Rotormagnetfeld erzeugen. Alternativ dazu kann die erste magnetfelderzeugende Komponente auch aufgrund ihres Materials dauerhaft das erste Rotormagnetfeld erzeugen. Dazu weist die erste magnetfelderzeugende Komponente vorzugsweise eine Permanentmagnetanordnung auf. Beispielsweise kann die Permanentmagnetanordnung eingebettete Permanentmagnete aufweisen, welche in Kavitäten bzw. Hohlräumen des ersten Rotorkerns angeordnet sind. Auch können die Permanentmagnete Oberflächenmagnete sein, welche an einer Außenseite des Rotorkerns befestigt sind.
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Die zweite magnetfelderzeugende Komponente ist variabel magnetisch. Dazu weist die zweite magnetfelderzeugende Komponente insbesondere eine Erregerwicklung bzw. eine Rotorwicklung auf, welche mit einer zweiten elektrischen Versorgung gekoppelt ist, aber von dieser entkoppelt werden kann. Durch diese variabel magnetische zweite Komponente ist das zweite Rotormagnetfeld variierbar. Darunter ist insbesondere zu verstehen, dass das Rotormagnetfeld einschaltbar, abschaltbar, linear veränderbar und umkehrbar ist. Beispielsweise kann das zweite Rotormagnetfeld durch Bereitstellen eines bestromten Zustands der Erregerwicklung eingeschaltet und durch Bereitstellen eines stromlosen Zustands der Erregerwicklung ausgeschaltet werden. Durch das selektive Bereitstellen des zweiten Rotormagnetfeldes kann der zweite Rotor, je nach gewünschter Antriebsleistung, elektrisch zu- und abgeschaltet werden. Im zugeschalteten Zustand des zweiten Rotors treibt dieser gemeinsam mit dem ersten Rotor die Rotation der Rotorwelle an. Im abgeschalteten Zustand des zweiten Rotors treibt nur der erste Rotor die Rotation der Rotorwelle an. Auch kann das zweite Rotormagnetfeld im bestromten Zustand der Erregerwicklung linear verändert oder auch umgekehrt, beispielsweise zum Herbeiführen eines sicheren Zustands der elektrischen Maschine, werden.
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Durch das Bereitstellen von zumindest zwei Rotoren können mit demselben Stator unterschiedliche Antriebsleistungen bereitgestellt werden, welche selektiv ausgewählt und eingestellt werden können. Beispielsweise können durch einen Fahrer des Kraftfahrzeugs unterschiedliche Modi, beispielsweise ein batteriesparender oder ein sportlicher, batterieverbrauchender Fahrmodus, eingestellt werden und in Abhängigkeit davon die jeweilige Antriebsleistung gewählt werden. So kann das Fahrerlebnis verbessert werden und neue Möglichkeiten für ein Batteriemanagement bereitgestellt werden.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Rotoren dauerhaft drehfest mit der Rotorwelle verbunden sind. In diesem Fall wird der zumindest eine zweite Rotor im elektrisch abgeschalteten Zustand des zweiten Rotors von dem ersten Rotor, welcher die Rotorwelle antreibt, mitgeschleppt. Auch kann vorgesehen sein, dass zumindest der zweite Rotor über eine Kupplung mit der Rotorwelle gekoppelt ist, sodass der zweite Rotor auch mechanisch abschaltbar ist. Die Kupplung kann beispielsweise eine Lamellenkupplung sein. Durch das Abkoppeln des zweiten Rotors von der Rotorwelle im stromlosen Zustand der Erregerwicklung kann der zweite Rotor nicht nur elektrisch, sondern auch mechanisch abgeschaltet werden. So kann verhindert werden, dass der erste Rotor beim Antreiben der Rotorwelle den zweiten Rotor mitschleppen muss. Beispielsweise kann dazu zumindest der zweite Rotor eine Hohlwelle aufweisen, welche mit dem zweiten Rotorkern dauerhaft drehfest verbunden ist, durch welche die Rotorwelle hindurchgeführt ist und welche über die Kupplung mit der Rotorwelle mechanisch gekoppelt ist. Die zumindest eine Hohlwelle wird beispielsweise mit Lagern, welche die Rotorwelle umschließen, in Position gehalten, sodass der zumindest einen Hohlwelle das Drehen um die eigene Achse, unabhängig von der Drehung der Rotorwelle, ermöglicht wird.
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Als sehr vorteilhaft erweist es sich, wenn die Rotoren über jeweils eine Kupplung mit der Rotorwelle gekoppelt sind, sodass die Rotoren zum Einstellen einer Phasenlage der Rotormagnetfelder zueinander selektiv von der Rotorwelle entkoppelbar und wieder koppelbar sind. Beispielsweise können beide Rotoren jeweils eine Hohlwelle aufweisen, welche mit dem jeweiligen Rotorkern drehfest verbunden ist.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße elektrische Maschine vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Längsschnittdarstellung einer ersten Ausgestaltung einer elektrischen Maschine;
- 2 eine schematische Längsschnittdarstellung einer zweiten Ausgestaltung einer elektrischen Maschine; und
- 3 eine schematische Längsschnittdarstellung einer dritten Ausgestaltung einer elektrischen Maschine.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1, 2 und 3 zeigen unterschiedliche Ausgestaltungen einer elektrischen Maschine 1 für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug in schematischen Längsschnittdarstellungen. Die elektrische Maschine 1 weist einen Stator 2 mit einem Statorkern 3 und Statorwicklungen 4 auf. Die Statorwicklungen 4 weisen einen ersten Wicklungsanschluss 5 auf, über welchen die Statorwicklungen 4 zum Ausbilden eines Statormagnetfeldes mit einer ersten elektrischen Versorgung koppelbar und dadurch bestrombar sind. Außerdem weist die elektrische Maschine 1 hier zwei axial zueinander benachbarte, innerhalb des Stators 2 angeordnete Rotoren 6, 7 mit jeweils einem Rotorkern 8, 9 und einer magnetfelderzeugenden Komponente 10, 11 zum Erregen eines jeweiligen Rotormagnetfeldes auf. Der Stator 2 und die Rotoren 6, 7 sind in einem Gehäuse 12 angeordnet, durch welches eine Rotorwelle 13 hindurchgeführt ist. Der Stator 2 kann mechanisch mit dem Gehäuse 12 verbunden sein. Die Rotorwelle 13 ist dauerhaft oder temporär mit den Rotoren 6, 7 gekoppelt. In axial gegenüberliegenden Stirnseiten 14 des Gehäuses 12 sind Lager 15 zum Ermöglichen einer Rotation der Rotorwelle 13 gegenüber dem ortsfesten Gehäuse 12 sowie dem damit verbundenen ortsfesten Stator 2 angeordnet.
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Die erste magnetfelderzeugende Komponente 10 des ersten Rotors 6 weist hier eine Permanentmagnetanordnung 16 mit in dem ersten Rotorkern 8 vergrabenen Permanentmagneten 17 auf. Die Permanentmagnete 17 können auch als Oberflächenmagnete ausgebildet sein. Der erste Rotor 6 ist somit permanent bzw. dauerhaft magnetisch und treibt, im Falle, dass die Statorwicklungen 4 zur Erregung des Statormagnetfeldes bestromt werden, die Rotorwelle 13 an.
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Die zweite magnetfelderzeugende Komponente 11 des zweiten Rotors 7 weist eine Erregerwicklung 18 auf. Die Erregerwicklung 18 weist einen zweiten Wicklungsanschluss 19 auf, über welchen die zweite Erregerwicklung 18 mit einer zweiten elektrischen Versorgung koppelbar und dadurch bestrombar ist. Durch Stromzufuhr zu der Erregerwicklung 18 über den zweiten Wicklungsanschluss 19 kann das Rotormagnetfeld des zweiten Rotors 7 eingeschaltet und damit der zweite Rotor 7 elektrisch zu dem ersten Rotor 6 zugeschaltet werden. In diesem zugeschalteten Zustand des zweiten Rotors 7 kann das zweite Rotormagnetfeld über den einstellbaren Erregerstrom auch variiert werden. Im zugeschalteten Zustand treiben beide Rotoren 6, 7 die Rotorwelle 13. Ohne Stromzufuhr zu der Erregerwicklung 18 kann das Rotormagnetfeld des zweiten Rotors 7 ausgeschaltet werden und damit der zweite Rotor 7 abgeschaltet werden. Dadurch treibt nur noch der erste Rotor 6 die Rotorwelle 13 an.
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In der ersten Variante der elektrischen Maschine gemäß 1 sind beide Rotoren 6, 7 dauerhaft drehfest mit der Rotorwelle 13 verbunden. Liegt eine elektrische Spannung an dem Stator 2 durch Bestromen der Statorwicklungen 4 an, so wird die Rotorwelle 13 in Drehung versetzt, da der erste Rotor 6 dauerhaft magnetisch und drehfest an der Rotorwelle 13 gelagert ist. Der zweite Rotor 7 dreht aufgrund seiner drehfesten Lagerung auch mit, treibt aber nur dann die Rotation der Rotorwelle 13 mit an, wenn die Erregerwicklung 18 bestromt wird und hierdurch eine elektrische Spannung an der Erregerwicklung 18 anliegt. Der zweite Rotor 7 wird also allein über die zweite elektrische Versorgung elektrisch zu- und abgeschaltet.
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In der zweiten Variante der elektrischen Maschine 1 gemäß 2 ist der zweite Rotor 7 sowohl elektrisch als auch mechanisch abschaltbar. Der erste Rotor 6 ist dauerhaft drehfest an der Rotorwelle 13 gelagert, sodass der erste Rotor 6 sich mit der Rotorwelle 13 mitbewegt. Der zweite Rotor 7 ist an einer Hohlwelle 20 drehfest gelagert, sodass der zweite Rotor 7 sich mit der Hohlwelle 20 mitbewegt. Die Hohlwelle 20 wird mit Lagern 21, welche die Rotorwelle 13 umschließen, in Position gehalten, sodass der Hohlwelle 20 das Drehen um die eigene Achse, unabhängig von der Drehung der Rotorwelle 13, ermöglicht wird. Auf der Seite des zweiten Rotors 7 ist eine Kupplung 22 in Form von einer Lamellenkupplung angeordnet, sodass die Hohlwelle 20 mechanisch ein- und ausgekuppelt werden kann. Da der zweite Rotor 7 an der Hohlwelle 20 drehfest gelagert ist, ist deshalb mechanisch das Zu- und Abschalten des zweiten Rotors 7 zum ersten Rotor 6 über die Lamellenkupplung 20 möglich.
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In der dritten Variante der elektrischen Maschine 1 gemäß 3 ist weder der erste Rotor 6 noch der zweite Rotor 7 drehfest an der Rotorwelle 13 gelagert. Stattdessen sind beide Rotoren 6, 7 an jeweils einer Hohlwelle 20 drehfest gelagert, sodass sich jeder Rotor 6, 7 mit der zugehörigen Hohlwelle 20 mitbewegt. Dabei werden die beiden Hohlwellen 20 jeweils mit Lagern 21, die die Rotorwelle 13 umschließen, in Position gehalten, sodass den Hohlwellen 20 das Drehen um die eigene Achse, unabhängig von der Drehung der Rotorwelle 13, ermöglicht wird. Auch auf Seite des ersten Rotors 6 ist eine Kupplung 22 in Form von einer Lamellenkupplung angeordnet. Damit kann die Hohlwelle 20 des ersten Rotors 6 und/oder die Hohlwelle 20 des zweiten Rotors 7 unabhängig voneinander mechanisch in die Rotorwelle 13 ein- und ausgekuppelt werden. Da jeder der Rotoren 6, 7 an der zugehörigen Hohlwelle 20 drehfest gelagert ist, ist deshalb mechanisch das Zu- und Abschalten des ersten und/oder zweiten Rotors 6, 7 möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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