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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, etwa eine Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine.
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Ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug umfasst eine elektrische Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator, der einen Rotor der elektrischen Maschine umschließt. Der Rotor einer permanenterregten Synchronmaschine (PSM) weist Permanentmagneten auf, die in Magnettaschen des Rotorkörpers des Rotors angeordnet sind. Der Rotor einer stromerregten Synchronmaschine (SSM) weist Spulen in unterschiedlichen Magnetpolen des Rotors auf.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine elektrische Maschine (insbesondere als Antriebsmaschine für ein Fahrzeug) mit einer besonders hohe Leistungs- und/oder Drehmomentdichte bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch jeden einzelnen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
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Gemäß einem Aspekt wird eine elektrische Maschine, insbesondere für eine permanenterregte Synchronmaschine (PSM) oder für eine stromerregte Synchronmaschine (SSM) oder für eine Asynchronmaschine, beschrieben. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator, der ausgebildet ist, einen magnetischen Fluss zu generieren, der innerhalb des Statorkörpers des Stators entlang einer ersten Richtung verläuft.
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Der Stator kann eine Vielzahl von Statorsegmenten aufweisen (z.B. 6 oder mehr, oder 8 oder mehr, oder 10 oder mehr, etc. Statorsegmente), die, insbesondere gleichmäßig verteilt, um die Welle der elektrischen Maschine angeordnet ist. Die einzelnen Statorsegmente der Vielzahl von Statorsegmenten können jeweils eine elektrisch leitende Statorspule (mit ein oder mehreren Windungen) aufweisen, die ausgebildet ist, einen magnetischen Fluss zu generieren, der entlang der ersten Richtung innerhalb des Statorkörpers des jeweiligen Statorsegments verläuft.
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Die Statorspule eines Statorsegments kann eine Zahnspule umfassen, insbesondere als Zahnspule ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend können die einzelnen Statorsegmente jeweils eine Zahnspule bilden. So kann der Stator in besonders effizienter Weise bereitgestellt werden.
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Die elektrische Maschine umfasst ferner zumindest einen Rotor, der ausgebildet ist, den magnetischen Fluss innerhalb des Rotorkörpers des Rotors entlang einer zweiten Richtung zu führen (die bevorzugt senkrecht auf der ersten Richtung steht).
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Der Rotor kann eine Vielzahl von Rotorsegmenten aufweisen (z.B. 4 oder mehr, oder 6 oder mehr, oder 8 oder mehr Rotorsegmente), die insbesondere gleichmäßig, um die Welle der elektrischen Maschine angeordnet ist. Die einzelnen Rotorsegmente können jeweils einen Magnetpol bilden, in dem der magnetische Fluss jeweils entlang der zweiten Richtung geführt wird.
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Der Rotor kann z.B. Permanentmagneten umfassen, die innerhalb des Rotorkörpers angeordnet sind, und die ausgebildet sind, den magnetischen Fluss entlang der zweiten Richtung durch den Rotorkörper zu führen. Die Permanentmagneten können bevorzugt in einer V- oder Doppel-V Konfiguration angeordnet sein.
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Die elektrische Maschine umfasst ferner einen zwischen dem Statorkörper und dem Rotorkörper angeordneten Luftspalt, der diagonal zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung verläuft. Die Breite des Luftspalts kann im Wesentlichen konstant sein (entlang des gesamten Luftspalts). Der Luftspalt kann dabei in einem Winkelbereich zwischen 30° und 60°, insbesondere mit einem Winkel von 45°, zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung verlaufen.
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Die elektrische Maschine, insbesondere der Rotor, kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass der magnetische Fluss (von dem Statorkörper) über den Luftspalt entlang der zweiten Richtung durch ein erstes Rotorsegment des Rotors, dann in tangentialer Richtung zu zumindest einem, insbesondere direkt benachbarten, zweiten Rotorsegment (insbesondere (je zur Hälfte) zu beiden direkt benachbarten zweiten Rotorsegmenten), und schließlich durch das zweite Rotorsegment (bzw. durch beide zweite Rotorsegemente) entlang der zweiten Richtung zu dem Luftspalt (und über den Luftspalt zu dem Statorkörper) geführt wird.
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Die erste Richtung kann die axiale Richtung und die zweite Richtung kann die radiale Richtung in Bezug auf die Welle der elektrischen Maschine sein. Alternativ kann die erste Richtung die radiale Richtung und die zweite Richtung kann die axiale Richtung in Bezug auf die Welle der elektrischen Maschine sein.
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Es wird somit eine elektrische Maschine beschrieben, bei der der magnetische Fluss über einen diagonal angeordneten Luftspalt zwischen Rotor und Stator verläuft, wobei der Luftspalt dadurch eine besonders hohe Fläche aufweist, wodurch die Drehmoment- und/oder Leistungsdichte der elektrischen Maschine erhöht werden können.
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Der Rotorkörper umfasst typischerweise eine Vielzahl von (gegenseitig elektrisch isolierten) Rotorblechen. Die einzelnen Rotorbleche der Vielzahl von Rotorblechen können jeweils eine dem Luftspalt zugewandte Kontur mit einem Radius aufweisen, der sich in axialer Richtung verändert, insbesondere zunimmt oder abnimmt. Beispielsweise kann die dem Luftspalt zugewandte Kontur im Wesentlichen einen Kreis bilden. Der Radius dieses Kreises kann sich in axialer Richtung verändern, insbesondere zunehmen oder abnehmen.
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In entsprechender Weise kann der Statorkörper eine Vielzahl von (gegenseitig elektrisch isolierten) Statorblechen umfassen. Die einzelnen Statorbleche der Vielzahl von Statorblechen können jeweils eine dem Luftspalt zugewandte Kontur mit einem Radius aufweisen, der sich in axialer Richtung verändert, insbesondere in komplementärer Weise zu dem Rotorkörper verändert, etwa abnimmt oder zunimmt. So kann ein diagonal verlaufender Luftspalt in effizienter Weise bereitgestellt werden.
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Zumindest ein Teil, insbesondere zumindest eine Hälfte, des Statorkörpers kann entlang der ersten Richtung kegelförmig sein. Der Rotorkörper des Rotors kann eine entsprechende Kontur zur Aufnahme des kegelförmigen Statorkörpers aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann zumindest ein Teil, insbesondere zumindest eine Hälfte, des Rotorkörpers des Rotors entlang der ersten Richtung kegelförmig sein. Der Statorkörper des Stators kann eine entsprechende Kontur zur Aufnahme des kegelförmigen Rotorkörpers aufweisen. So kann ein diagonal verlaufender Luftspalt in effizienter Weise bereitgestellt werden.
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Allgemein kann der Statorkörper zumindest eine Fläche aufweisen, die eine Fläche aufweist, die schräg und/oder diagonal in Bezug auf die erste Richtung verläuft. Der Rotorkörper kann eine dazu komplementär ausgerichtete Fläche aufweisen, sodass zwischen den beiden Flächen ein diagonal und/oder schräg verlaufender Luftspalt gebildet wird.
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Die elektrische Maschine kann zwei Rotoren umfassen, die entlang der ersten Richtung nebeneinander, auf unterschiedlichen Seiten des Stators, angeordnet sind. So können das Drehmoment und die Leistung der elektrischen Maschine weiter erhöht werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-) Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene elektrische Maschine umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine beschrieben, die einen Rotor und einen Stator umfasst. Das Verfahren umfasst das Generieren eines magnetischen Flusses, der innerhalb des Statorkörpers des Stators entlang einer ersten Richtung verläuft. Das Verfahren umfasst ferner das Führen des magnetischen Flusses über einen zwischen dem Statorkörper und dem Rotorkörper des Rotors angeordneten Luftspalt, wobei der Luftspalt diagonal zwischen der ersten Richtung und einer zweiten Richtung verläuft. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Führen des magnetischen Flusses innerhalb des Rotorkörpers des Rotors entlang der zweiten Richtung.
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Die erste Richtung und die zweite Richtung stehen bevorzugt senkrecht aufeinander. Insbesondere kann die erste Richtung der axialen Richtung und die zweite Richtung kann der radialen Richtung der elektrischen Maschine entsprechen. Alternativ kann die erste Richtung die radiale Richtung und die zweite Richtung kann die axiale Richtung sein.
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In diesem Dokument wird primär auf eine permanenterregte elektrische Maschine eingegangen. Es sei darauf hingewiesen, dass die beschriebenen Maßnahmen in entsprechender Weise auch auf eine stromerregte elektrische Maschine anwendbar sind. In diesem Fall weist der Rotorkörper des Rotors typischerweise Schenkelpole auf, um die elektrisch leitende Wicklungen angeordnet sind, um magnetische Pole bzw. Magnetpole des Rotors zu bilden. Die einzelnen Rotorbleche können eine entsprechend angepasste Form aufweisen, um die Schenkelpole zu bilden.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Ferner sind in Klammern aufgeführte Merkmale als optionale Merkmale zu verstehen.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1a eine beispielhafte elektrische (Radialfluss-) Maschine;
- 1b eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Rotorkörpers für eine Radialflussmaschine;
- 1c eine beispielhafte Ansicht auf eine Stirnfläche des Rotorkörpers einer Radialflussmaschine;
- 1d eine beispielhafte Axialflussmaschine in einer seitlichen Ansicht;
- 1e eine beispielhafte Axialflussmaschine in einer perspektivischen Ansicht;
- 2a und 2b jeweils eine Schnittansicht einer beispielhaften elektrischen Maschine mit einem Magnetfluss, der diagonal zwischen dem Stator und dem Rotor verläuft;
- 2c eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer Diagonalflussmaschine;
- 3a eine perspektivische Ansicht eines Stators einer Diagonalflussmaschine;
- 3b eine perspektivische Ansicht eines Rotors einer Diagonalflussmaschine;
- 3c eine perspektivische Ansicht einer Diagonalflussmaschine mit zwei Rotoren;
- 4 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betrieb einer elektrischen Maschine; und
- 5a bis 5d unterschiedliche Anordnungen von jeweils einem Statorsegment und zwei Rotorsegmenten.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Erhöhung der Leistungs- und/oder Drehmomentdichte einer elektrischen Maschine. In diesem Zusammenhang zeigt 1a eine beispielhafte elektrische Maschine 100, insbesondere eine beispielhafte Radialflussmaschine, in einer Ansicht senkrecht auf die Welle 101 der elektrischen Maschine 100. Die Welle 101 der elektrischen Maschine 100 kann der Längsachse des Stators 110 und/oder der Rotations- bzw. Rotorachse bzw. der Rotorwelle des Rotors 120 der elektrischen Maschine 100 entsprechen. Die Welle 101 verläuft entlang der z-Achse des dargestellten kartesischen Koordinatensystems.
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Die elektrische Maschine 100 umfasst einen Stator 110 mit mehreren Statorwicklungen bzw. Statorspulen 115, die an unterschiedlichen Winkelpositionen um die Rotationsachse des Rotors 120 herum angeordnet sind, und die eingerichtet sind, ein elektromagnetisches Drehfeld zu erzeugen. Die Statorwicklungen 115 können an den gegenüberliegenden Stirnflächen des Rotors 120 jeweils einen Wickelkopf bilden. Der Statorkörper 112 des Stators 110 kann eine Vielzahl von Polkernen aufweisen, die an unterschiedlichen Winkelpositionen um die Rotationsachse des Rotors 120 herum angeordnet sind. Die einzelnen Statorwicklungen bzw. Statorspulen 115 können jeweils um einen Polkern des Statorkörpers 112 angeordnet, insbesondere gewickelt, sein.
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Der Stator 110 ist typischerweise von einem Gehäuse 135 der elektrischen Maschine 100 umgeben.
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Des Weiteren umfasst die elektrische Maschine 100 den Rotor 120, der durch das von dem Stator 110 bewirkte Drehfeld angetrieben wird. Der Rotor 120 ist fest mit der von der elektrischen Maschine 100 angetriebenen Welle 101 verbunden (die mit der Rotorwelle des Rotors 120 verbunden sein kann oder die der Rotorwelle des Rotors 120 entspricht). Der Rotor 120 umfasst einen Rotorkörper 122.
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Der Rotor 120 einer elektrischen Maschine 100 kann als Rotorkörper 122 ein Eisenblechpaket (z.B. zusammengesetzt aus gegenseitig isolierten Rotorblechen) aufweisen. In entsprechender Weise kann auch der Stator 110, insbesondere der Statorkörper 112 des Stators 110, aus einzelnen (gegenseitig isolierten) Statorblechen (z.B. Eisenblechen) zusammengesetzt sein. Der Rotorkörper 122 und/oder der Statorkörper 112 können z.B. jeweils 100 oder mehr einzelne Rotor- bzw. Statorbleche aufweisen.
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1a zeigt ferner den Verlauf des magnetischen Flusses 102, der innerhalb des Rotors 120 und innerhalb des Stators 110 in radialer Richtung verläuft. Dabei ist der magnetische Fluss 102 zwischen einzelnen Segmenten des Rotors 120 und des Stators 110 dargestellt.
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1b zeigt einen beispielhaften Rotorkörper 122 eines Rotors 120 in einer perspektivischen Ansicht. Der Rotorkörper 122 erstreckt sich entlang der Rotationsachse des Rotors 120 von einer ersten Stirnfläche 125 bis zu einer gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche 125. Der Rotorkörper 122 weist mehrere Magnettaschen 130 auf, die (gleichverteilt) um die Rotationsachse des Rotorkörpers 122 angeordnet sind. Die einzelnen Magnettaschen 130 erstrecken sich jeweils von der ersten Stirnfläche 125 bis zu der gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche 125. Eine Magnettasche 130 kann einer Aussparung innerhalb des Rotorkörpers 122 entsprechen.
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Die einzelnen Magnettaschen 130 können zumindest teilweise unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen, um entsprechende unterschiedliche Ausrichtungen der darin angeordneten Magneten zu bewirken. Die unterschiedliche Ausrichtung der einzelnen Magnettaschen 130 bzw. Magneten kann dazu dienen, die räumliche Anordnung des von den Magneten bewirkten und/oder geführten magnetischen Flusses zu optimieren (um ein möglichst hohes Drehmoment der elektrischen Maschine 100 zu ermöglichen).
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In dem in 1b dargestellten Beispiel sind die einzelnen Magnettaschen 130 schräg in Bezug auf die radiale Richtung angeordnet, wobei jeweils eine schmale Seite der Magnettasche 130 der zentralen Aussparung 128 des Rotorkörpers 122 und die gegenüberliegende schmale Seite der Magnettasche 130 der Mantelfläche 126 des Rotorkörpers 122 zugewandt ist. Ferner können die Magnettaschen 130 sternförmig um die Rotationsachse und/oder um die zentrale Aussparung 128 herum angeordnet sein. Zu diesem Zweck können abwechselnd die schmalen Seiten von direkt benachbarten Magnettaschen 130, die paarweise einander zugewandt sind, jeweils der zentralen Aussparung 128 oder der Mantelfläche 126 zugewandt sein. Die in 1b dargestellte Konfiguration der Magnettaschen 130 bzw. der Magneten kann als V-Konfiguration bezeichnet werden (da durch zwei direkt benachbarte Magnettaschen 130 bzw. Magneten jeweils ein V gebildet wird). Dabei kann der Scheitelpunkt des gebildeten V abwechselnd der Mantelfläche 126 oder der zentralen Aussparung 128 zugewandt sein.
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Eine Magnettasche 130, insbesondere der Querschnitt einer Magnettasche 130, weist jeweils einen Magnetbereich 131 auf, in dem ein Magnet angeordnet werden kann. Ferner kann eine Magnettasche 130, insbesondere der Querschnitt einer Magnettasche 130, an den schmalen Seiten jeweils einen Leerbereich 132 aufweisen, durch den jeweils eine magnetische Verengung zur räumlichen Ausrichtung des magnetischen Flusses gebildet wird (siehe 1c). Ein Leerbereich 132 kann auch als Nase bezeichnet werden. Ein Leerbereich 132 ist typischerweise mit Luft gefüllt.
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1d und 1e zeigen eine beispielhafte Axialflussmaschine 100, die einen Stator 110 und zwei, den Stator 110 umgebende, Rotoren 120 aufweist. Die Rotoren 120 sind fest mit der Welle 101 der elektrischen Maschine 100 verbunden, wobei die Welle 101 in dem dargestellten Beispiel entlang der z-Achse des kartesischen Koordinatensystems angeordnet ist. Der Stator 110 ist ausgebildet ist, einen magnetischen Fluss 102 zu erzeugen, der in axialer Richtung zu den Rotoren 120 verläuft, und der ausgebildet ist, eine Drehbewegung der Rotoren 120 um die Rotorachse der Rotoren 120 zu bewirken, wobei die Rotorachse der Rotoren 120 koaxial zu der Welle 101 der elektrischen Maschine verläuft.
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Wie in 1e dargestellt, weist der Stator 110 unterschiedliche Segmente 111 auf, die gleichverteilt um die Welle 101 angeordnet sind. Dabei weisen direkt benachbarte Segmente 111 jeweils unterschiedliche magnetische Polaritäten, insbesondere „N“ für Norden und „S“ für Süden, auf. Durch die unterschiedlichen Segmente 111 wird der magnetische Fluss 102 erzeugt. In den einzelnen Segmenten 111 kann jeweils eine elektrische Spule (mit ein oder mehreren Windungen) angeordnet sein, die jeweils ausgebildet ist, ein magnetisches Feld zu erzeugen.
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Die einzelnen Rotoren 120 weisen ebenfalls unterschiedliche Segmente 121 mit unterschiedlichen magnetischen Polaritäten auf. Dabei können in den einzelnen Segmenten 121 jeweils Permanentmagneten angeordnet sein. Die unterschiedlichen Segmente 121 können gleichverteilt um die Welle 101 bzw. um die Rotationsachse angeordnet sein. Ferner können direkt benachbarte Segmente 121 jeweils entgegengesetzte magnetische Polaritäten aufweisen.
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Wie in 1e veranschaulicht, verläuft der magnetische Fluss 102, der jeweils durch ein Paar von direkt benachbarten Segmenten 111 des Stators 110 erzeugt wird, durch jeweils ein entsprechendes Paar von direkt benachbarten Segmenten 121 der beiden Rotoren 120. Durch entsprechende Bestromung der Spulen der einzelnen Segmente 111 des Stators 110 kann bewirkt werden, dass der magnetische Fluss 102 um die Welle 101 bzw. Rotorachse rotiert, und damit die Rotoren 120 der elektrischen Maschine 100 antreibt.
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Eine Radialflussmaschine weist einen relativ kleinen Luftspaltdurchmesser des Luftspaltes 103 zwischen dem Rotor 120 und dem Stator 110 auf (im Vergleich zu einer entsprechenden Axialflussmaschine). Andererseits weist eine Axialflussmaschine eine relativ kleine Luftspaltoberfläche auf (im Vergleich zu einer entsprechenden Radialflussmaschine). In diesem Dokument wird eine elektrische Maschine 100 beschrieben, deren magnetischer Fluss 102 diagonal zwischen der radialen Richtung und der axialen Richtung durch den Luftspalt 103 der elektrischen Maschine 100 fließt, sodass sich eine besonders große Luftspaltfläche ergibt, was (bei unverändertem Bauraum) zu einer Erhöhung der Leistung und/oder des Drehmoments der elektrischen Maschine 100 führt (im Vergleich zu einer Axialflussmaschine und/oder einer Radialflussmaschine).
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2a, 2b und 2c sowie 3a, 3b und 3c zeigen unterschiedliche Ansichten und/oder Ausschnitte der in diesem Dokument beschriebenen Diagonalflussmaschine 100. Der Stator 110 weist einen Statorkörper 112 mit einer dem Luftspalt 103 zu dem Rotor 120 zugewandten Oberfläche auf, die kegelförmig ist. In entsprechender Weise ist die dem Luftspalt 103 zugewandte Oberfläche des Rotors 120 kegelförmig. Als Folge daraus ergibt sich ein Luftspalt 103, der diagonal zwischen der axialen Richtung und der radialen Richtung verläuft.
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2a zeigt eine Schnittansicht durch die Diagonalflussmaschine 100, bei der die Schnittebene der y/z-Ebene entspricht. Die axiale Richtung entspricht der z-Achse und die radiale Richtung entspricht in 2a der y-Achse. Aus 2a ist der diagonal verlaufende Luftspalt 103 zwischen dem Stator 110 und dem Rotor 120 ersichtlich. Der Stator 110 weist eine Spule 115 (mit ein oder mehreren Windungen) auf, durch die ein magnetischer Fluss 102 erzeugt wird, der innerhalb des Stators 110 in axialer Richtung verläuft. Der Stator 110 kann somit entsprechend einem Stator 110 für eine Axialflussmaschine ausgebildet sein.
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Der Rotor 120 weist in dem dargestellten Beispiel Permanentmagneten 231 auf, die z.B. in entsprechenden Magnettaschen 130 des Rotorkörpers 122 angeordnet sind. Die Magneten 231 sind ausgebildet, den magnetischen Fluss 102 in radialer Richtung zu führen. Zu diesem Zweck kann der Rotor 120 entsprechend dem Rotor 120 einer Radialflussmaschine ausgebildet sein.
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2b zeit eine Schnittansicht mit einer Schnittebene, die senkrecht auf der z-Achse steht. Dabei wird veranschaulicht, wie durch unterschiedliche Segmente 111 des Stators 110 ein magnetischer Fluss 102 erzeugt wird, der innerhalb des Stators 110 in axialer Richtung (d.h. entlang der z-Achse) verläuft. Andererseits wird der magnetische Fluss 102 innerhalb des Rotors 120, insbesondere in benachbarten Segmenten 121 des Rotors 120, in radialer Richtung geführt. Innerhalb des diagonal zwischen axialer und radialer Richtung verlaufenden Luftspalts 103 erfolgt somit eine Umlenkung des magnetischen Flusses 102 von axialer in radialer bzw. von radialer in axialer Richtung.
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Die im Luftspalt 103 erfolgende Umlenkung des magnetischen Flusses 102 zwischen axialer Richtung und radialer Richtung wird auch aus der perspektivischen Ansicht eines Ausschnitts des Stators 110 und des Rotors 120 der elektrischen Maschine 100 ersichtlich, der in 2c dargestellt ist. Dabei wird in einem ersten Segment 111 des Stators 110 durch die Spule 115 ein magnetischer Fluss 102 in axialer Richtung bewirkt, der dann in dem diagonal verlaufenden Luftspalt 103 in radialer Richtung umgelenkt wird, sodass der magnetische Fluss 102 innerhalb eines ersten Segments 121 des Rotors 120 in radialer Richtung verläuft. Der magnetische Fluss 102 wird dann in tangentialer Richtung zu dem benachbarten zweiten Segment 121 des Rotors 120 geführt, und verläuft dann durch das zweite Segment 121 des Rotors 120 in (entgegengesetzter) radialer Richtung zu einem zweiten Segment 111 des Stators 110.
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3a zeigt einen beispielhaften Stator 110 einer Diagonalflussmaschine 100. Insbesondere zeigt 3a eine Vielzahl von Segmenten 111 des Stators 110, die rotationssymmetrisch um die Welle 101 der elektrischen Maschine 100 angeordnet sind. Die einzelnen Segmente 111 weisen jeweils eine Spule 115, z.B. eine Zahnspule, auf, durch die innerhalb des jeweiligen Segments 111 ein in axialer Richtung verlaufender magnetischer Fluss 102 erzeugt wird.
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3b zeigt einen beispielhaften Rotor 120 mit Magneten 231, die innerhalb des Rotorkörpers 122 angeordnet sind. Die Magneten 231 können in einer V-Konstellation oder in einer Doppel-V-Konstellation angeordnet sein.
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3c zeigt eine perspektive Ansicht einer beispielhaften Diagonalflussmaschine 100 mit einem Stator 110 und zwei Rotoren 120, die an unterschiedlichen Seiten des Stators 110 angeordnet sind.
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Es wird somit eine elektrische Maschine 100 beschrieben, bei der der magnetische Fluss 102 im Stator 110 axial verläuft, d.h. entlang der Rotorlängsachse. In einer vorteilhaften Ausführung wird der Stator 110 aus Zahnspulen 115 (für die einzelnen Stator-Segmente 111) aufgebaut. Der magnetische Fluss 102 in den ein oder mehreren Rotoren 120 verläuft radial, d.h. die Flusslinien des magnetischen Flusses 102 können nach außen und/oder nach innen sowie in Umfangsrichtung um die Rotorachse verlaufen.
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Die einzelnen Bleche im Rotor 120 (insbesondere im Rotorkörper 122) und im Stator 110 (insbesondere im Statorkörper 112) können so gestaltet sein, dass sich ein diagonal verlaufender Luftspalt 103 zwischen dem Rotor 120 und dem Stator 110 ergibt (der bevorzugt eine (über den gesamten Luftspalt 103) gleichbleibende Spaltbreite aufweist). Die entsprechenden Blechpakete (d.h. der Rotorkörper 122 und der Statorkörper 112) sind somit in einem bestimmten Winkel gegenüber dem jeweiligen magnetischen Fluss 102 gestaltet. Diese Art der Gestaltung erlaubt es, den zur Verfügung stehenden Bauraum zu nutzen, um eine größtmögliche Luftspaltfläche zwischen dem Rotor 120 und dem Stator 110 bereitzustellen. Als Folge daraus kann ein besonders hohes Drehmoment bei geringstmöglichem Bauraum erzeugt werden.
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Aufgrund des, bezogen auf die Rotorachse angestellten („schrägen“), Luftspalt 103 kann es von Vorteil sein, für den Rotor 120 eine Doppel-V Magnetkonfiguration zu verwenden, um einen konstanten Fluss 102 entlang des Luftspalts 103 zu ermöglichen. Um die Verwendung von relativ einfachen, d.h. rechtwinkligen, Magneten 231 zu ermöglichen, ist das Rotorblech 122 bevorzugt in Richtung der Rotorachse geblecht (d.h. aus einer Vielzahl von einzelnen Blechen aufgebaut). Das Statorblechpaket 112 kann in radialer und/oder in Umfangsrichtung geblecht sein (d.h. aus einzelnen Blechen aufgebaut sein). Insbesondere können die einzelnen Statorzähne bzw. Stator-Polkerne des Statorkörpers 112 in radialer und/oder in Umfangsrichtung geblecht sein.
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Es wird somit eine elektrische Maschine 100 beschrieben, die im Vergleich zu einer Radialflussmaschine eine größeren, mittleren, Luftspaltdurchmesser aufweist. Ferner ist die Luftspaltfläche größer als bei einer vergleichbaren Axialflussmaschine. Ferner ermöglicht die beschriebene elektrische Maschine 100 eine Außenläufergestaltung, die eine („natürliche“) Schwächung des Magnetflusses über den Luftspalt 103 bei relativ hohen Drehzahlen durch die Fliehkraft des Außenläufers ermöglicht.
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In den 5a bis 5d werden unterschiedliche beispielhafte Anordnungen von jeweils einem Statorsegment 111 und jeweils zwei Rotorsegmenten 121 dargestellt. In den 5a bis 5d ist jeweils eine Schnittansicht entlang einer Schnittebene dargestellt, wobei die Schnittebene durch die Rotationsachse bzw. Welle 101 und durch eine dazu radial verlaufende Achse aufgespannt wird. Die in den 5a bis 5d dargestellten Statoren 110 bzw. Rotoren 120 sind im Wesentlichen rotationssymmetrisch in Bezug auf die Rotationsachse bzw. Welle 101 ausgebildet.
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In dem in 5a dargestellten Beispiel ist der Stator 110 an den beiden gegenüberliegenden Seiten entlang der Rotationsachse bzw. Welle 101 konusförmig ausgebildet. Der Rotor 120 weist ein dazu komplementäres Profil auf. In dem in 5b dargestellten Beispiel ist der Stator 111 ringförmig ausgebildet, und weist an den beiden gegenüberliegenden Seiten entlang der Rotationsachse bzw. Welle 101 jeweils eine (in Bezug auf die Welle 101) schräg verlaufende Stirnfläche auf. Der Rotor 120 weist dazu komplementär verlaufende Flächen auf.
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In dem in 5c dargestellten Beispiel ist der Stator 110 ringförmig ausgebildet, und um die Rotationsachse bzw. Welle 101 herum angeordnet. Die Stirnflächen an den beiden gegenüberliegenden Seiten entlang der Rotationsachse bzw. Welle 101 weisen jeweils die Form eines Satteldachs auf. Der Rotor 120 weist dazu komplementär ausgebildete Flächen auf.
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In dem in 5d dargestellten Beispiel ist der Stator 110 ringförmig ausgebildet, und um die Rotationsachse bzw. Welle 101 herum angeordnet. Die Stirnflächen an den beiden gegenüberliegenden Seiten entlang der Rotationsachse bzw. Welle 101 verlaufen jeweils schräg (in Bezug auf die Welle 101) und sind parallel zueinander angeordnet. Der Rotor 120 weist dazu komplementär ausgebildete Flächen auf.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 400 zum Betreiben einer elektrischen Maschine 100, die einen Rotor 120 und einen Stator 110 umfasst. Die elektrische Maschine 100 kann wie in diesem Dokument beschrieben ausgebildet sein.
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Das Verfahren 400 umfasst das Generieren 401 eines magnetischen Flusses 102, der innerhalb des Statorkörpers 112 des Stators 110 entlang einer ersten Richtung verläuft. Dabei kann in einer Vielzahl von Statorsegmenten 111 des Stators 110 jeweils ein magnetsicher Fluss 102 entlang der ersten Richtung generiert werden (z.B. jeweils durch eine Statorspule 115).
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Das Verfahren 400 umfasst ferner das Führen 402 des magnetischen Flusses 102 über einen zwischen dem Statorkörper 112 und dem Rotorkörper 122 des Rotors 120 angeordneten Luftspalt 103, der diagonal zwischen der ersten Richtung und einer zweiten Richtung verläuft. Die zweite Richtung kann dabei senkrecht auf der ersten Richtung stehen. Der Luftspalt 103 kann in einem Winkel von 45° zwischen der ersten und zweiten Richtung verlaufen.
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Des Weiteren umfasst das Verfahren 400 das Führen 403 des magnetischen Flusses 102 innerhalb des Rotorkörpers 122 des Rotors 120 entlang der zweiten Richtung (z.B. durch entsprechend angeordnete und/oder ausgerichtete Permanentmagneten 231 und/oder Elektromagneten).
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Die erste Richtung kann die axiale Richtung und die zweite Richtung kann die radiale Richtung in Bezug auf die Welle 101 der elektrischen Maschine 100 und/oder in Bezug auf die Rotationsachse des Rotors 120 sein (wie in den 2a bis 2c und 3a bis 3c beschrieben). Alternativ kann die erste Richtung die radiale Richtung und die zweite Richtung kann die axiale Richtung sein.
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Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann eine elektrische Maschine 100 mit einer besonders hohen Drehmoment- und/oder Leistungsdichte bereitgestellt werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
