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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Axialflussmaschine, insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator und einen durch einen Luftspalt vom Stator getrennten Rotor.
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Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
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Eine ausführliche Darstellung zu einem Elektroantrieb ergibt sich aus einem Artikel der Zeitschrift ATZ 113. Jahrgang, 05/2011, Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge, der wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet. In diesem Artikel wird eine Antriebseinheit für eine Achse eines Fahrzeugs beschrieben, welche einen E-Motor umfasst, der koaxial zu einem Kegelraddifferenzial angeordnet ist. Derartige Antriebseinheiten werden auch als E-Achsen oder elektrisch betreibarer Antriebsstrang bezeichnet.
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Zunehmend werden in derartigen E-Achsen auch Axialflussmaschinen eingesetzt. Eine Axialflussmaschine bezeichnet eine dynamoelektrische Maschine, bei der der magnetische Fluss zwischen Rotor und Stator parallel zur Drehachse des Rotors verläuft. Häufig sind sowohl Stator als auch Rotor weitgehend scheibenförmig ausgebildet. Axialflussmaschinen sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn der axial zur Verfügung stehende Bauraum in einem gegebenen Anwendungsfall begrenzt ist. Dies ist beispielsweise vielfach beiden eingangs beschriebenen elektrischen Antriebsystemen für Elektrofahrzeuge der Fall. Neben der verkürzten axialen Baulänge liegt ein weiterer Vorteil der Axialflussmaschine in ihrer vergleichsweisen hohen Drehmomentdichte. Ursächlich hierfür ist die im Vergleich zu Radialflussmaschinen größere Luftspaltfläche, die bei einem gegebenen Bauraum zur Verfügung steht. Ferner ist auch ein geringeres Eisenvolumen im Vergleich zu konventionellen Maschinen notwendig, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Maschine auswirkt.
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Durch seine scheibenförmigen Hauptbaugruppen eignet sich eine Axialflussmaschine besonders gut für Anwendungen, bei denen es auf eine sehr kurze Baulänge des Elektromotors ankommt und bei denen ein relativ großer Motordurchmesser noch akzeptabel ist. Bei der Entwicklung von entsprechenden Axialflussmaschinen ist es daher regemäßig sinnvoll, eine möglichst kurze Bauweise anzustreben, wobei der Außendurchmesser der Axialflussmaschine jedoch nicht größer werden sollte als unbedingt nötig. Bei Axialflussmaschinen für Kraftfahrzeuge bestehen zusätzlich auch immer die Anforderungen nach geringem Gewicht, hoher Leistungsdichte und geringen Kosten.
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Elektrische Maschinen - wie auch die genannten Axialflussmaschinen - unterliegen bei ihrem Betrieb Verlusten durch Ummagnetisierungen, die als Eisenverluste zusammengefasst werden und den Maschinenwirkungsgrad herabsetzen. In mobilen Anwendungen bedeutet ein niedriger Wirkungsgrad der elektrischen Maschine eine geringere Reichweite des Fahrzeugs bzw. erhöhten Bedarf an Batteriekapazität. Es ist daher vor allem in mobilen Anwendungen mit rein elektrischem Antrieb ein ständiges Ziel, die beschriebenen Eisenverluste zu minimieren.
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Beispielhaft für eine derartige, Eisenverluste aufweisende elektrische Maschine, wie sie innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs verwendet werden kann, ist die sogenannte permanenterregte Synchronmaschine. Aufgrund ihrer im Vergleich zu anderen Maschinentypen hohen Leistungsdichte wird sie bevorzugt gerade im Bereich der Elektromobilität verwendet, wo der zur Verfügung stehende Bauraum häufige eine limitierende Größe darstellt. Das Erregerfeld der Maschine wird in der Regel von Permanentmagneten erzeugt, die im Rotor der Maschine angeordnet sind. Auf eine Schleifringkontaktierung, die bei elektrisch erregten Synchronmaschinen notwendig ist, um eine am Rotor angeordnete Erregerspule mit Strom zu versorgen, kann bei der permanenterregten Synchronmaschine verzichtet werden.
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Ein Nachteil der Permanenterregung besteht jedoch darin, dass das Erregerfeld nicht ohne Weiteres modifiziert werden kann. Grundsätzlich kann eine Synchronmaschine über ihre Nenndrehzahl hinaus betrieben werden, indem der sogenannte Feldschwächbereich angesteuert wird. In diesem Bereich wird die Maschine mit der maximalen Nennleistung betrieben, wobei mit zunehmender Drehzahl das von der Maschine abgegebene Drehmoment reduziert wird. Elektrisch erregte Synchronmaschinen können sehr einfach im Feldschwächbereich betrieben werden, indem der Erregerstrom reduziert wird. Zwar sind auch bei permanenterregten Maschinen Möglichkeiten bekannt, über eine geeignete Bestromung des Ständers der Maschine eine Luftspaltfeldkomponente zu erzeugen, die dem von den Permanentmagneten erzeugten Erregerfeld entgegenwirkt und dieses somit schwächt. Jedoch bewirkt eine derartige Ansteuerung der Maschine erhöhte Verluste, sodass die Maschine in diesem Bereich nur mit einem reduzierten Wirkungsgrad betrieben werden kann.
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Eine wirksame Methode zur Reduktion der Eisenverluste von elektrischen Maschinen besteht in der gezielten Schwächung des magnetischen Feldes zwischen Stator und Rotor für Betriebspunkte mit hohen Drehzahlen, da die Verluste durch hochfrequente Ummagnetisierungen bei schwächerem Magnetfeld geringer sind. Für eine gezielte Feldschwächung existieren neben elektrischen, auch mechanische Ansätze. Aus den Patentschriften
US58211710 ,
FR2831345 ,
EP1085644 , EP11867030,
DE1012011708670 ,
DE1012016103470 ,
CN104600929 und
CN105449969 ist ein senkrecht zur Rotationsachse in mehrere permanentmagnetbestückte, zueinander verdrehbare Rotorscheiben aufgeteilter Rotor einer Radialflussmaschine bekannt, der abhängig von der Relativverdrehung zwischen den Rotorscheiben in einer Stellung mit in axialer Richtung ausgerichteten Magnetpolen das volle Magnetfeld und in einer dazu verdrehten Stellung ein geschwächtes Magnetfeld zur Verfügung stellt. Es sind aktive oder passive Mechanismen beschrieben, die vorgeben, abhängig von Rotordrehzahl oder Moment ein Umschalten zwischen diesen beiden Stellungen bewirken zu können und damit über das gesamte Motorkennfeld betrachtet einen effizienteren Betrieb der elektrischen Maschine zu ermöglichen.
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In der
DE 10 12021 101 898 ist eine Anordnung beschrieben, in der der Rotor einer Radialflussmaschine in zwei Teilrotoren aufgeteilt ist, deren einzelne Rotorscheiben sich in axialer Richtung abwechseln. Ein Teilrotor ist hierbei direkt, der andere Teilrotor über eine Verdrehsteifigkeit verdrehbar momentübertragend mit der Rotorwelle verbunden. Die Verdrehsteifigkeit ist hierbei so gewählt, dass bei niedrigem Moment eine Verdrehlage der Teilrotoren mit geschwächtem und bei hohem Moment eine Verdrehlage der Teilrotoren mit vollem Magnetfeld herrscht. Die
DE 10 12021 101 904 beansprucht ein konstruktiv ausgeführtes mechanisches Modul, das in das Innere der permanentmagnetbestückten Rotorscheiben eingebracht werden kann, die beschriebenen Verbindungen der Teilrotoren zur Rotorwelle herstellt und über die Verdrehsteifigkeit, die mit Federn und rollenbestückten Kurvengetrieben ausgeführt ist, eine Verstellkennlinie definieren lässt.
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Alle zuvor genannten passiven Lösungen, die ein Moment als Sensorgröße verwenden, um eine Relativverdrehung zwischen zwei Teilrotoren gegen eine Verdrehsteifigkeit auszulösen, gehen davon aus, dass sich das durch die Statorbestromung insgesamt erzeugte elektromagnetische Moment im Fall der initial feldgeschwächten Stellung bei nicht ausgerichteten Magnetpolen in einfacher Weise auf die beiden Teilrotoren aufteilt, etwa entsprechend ihres Anteils an der Gesamtlänge und entsprechend ihrer jeweiligen Phasenlage zum Statorfeld, unabhängig von der Gegenwart des jeweils anderen Teilrotors. Nur dann nämlich könnte ein dem Gesamtmoment proportionales Teilmoment ohne weiteres gegen eine Verdrehsteifigkeit zwischen den Teilrotoren oder einem der Teilrotoren und der Rotorwelle gerichtet werden und die mit steigendem Moment gewünschte Verdrehung in die Stellung mit vollem Magnetfeld bei ausgerichteten Magnetpolen bewirken. Versuche und Modellierungen der Anmelderin haben jedoch gezeigt, dass die tatsächlichen Verhältnisse weit komplizierter sind.
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Bereits im unbestromten Fall gibt es Wechselwirkungen zwischen den Rotorscheiben der beiden Teilrotoren in Gestalt magnetischer Abstoßmomente. Die Stellung mit vollem Magnetfeld bei ausgerichteten Magnetpolen stellt ein labiles Gleichgewicht mit verschwindendem Abstoßmoment dar. Mit beginnender Verdrehung aus dieser Gleichgewichtslage kommt ein Abstoßmoment auf, das mit zunehmender Verdrehung wächst, bis es ein Maximum erreicht, um dann bei weiterer Verdrehung wieder abzunehmen. Der Verlauf des Abstoßmoments über den Verdrehwinkel innerhalb einer elektrischen Periode, die Höhe des Maximums und der Verdrehwinkel, bei dem es auftritt, hängen stark von der gewählten Art der Anordnung der Permanentmagnete innerhalb der Rotorscheiben ab. Nichtlinear ist der Verlauf über eine elektrische Periode betrachtet grundsätzlich.
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Im Fall der angestrebten effizienten Statorbestromung für verschiedene Drehzahlen erhöhen sich diese magnetischen Abstoßmomente drehzahlabhängig in unterschiedlicher Weise zum Teil um ein Vielfaches. Insgesamt resultieren Teilmomente, die in keinem Fall geeignet sind, ohne weiteres gegen eine Verdrehsteifigkeit zwischen den Teilrotoren oder einem der Teilrotoren und der Rotorwelle gerichtet zu werden, um eine Verdrehung der Teilrotoren in die Stellung mit vollem Magnetfeld zu bewirken, da sie wegen des hohen Anteils der magnetischen Abstoßmomente hierfür nicht in die richtige Richtung weisen.
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Um eine funktionsfähige Anordnung im Sinne der zuvor genannten passiven Lösungen zur momentadaptiven Feldschwächung des Rotors einer elektrischen Axialflussmaschine darzustellen, ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine elektrische Axialflussmaschine mit einer verbesserten mechanischen Feldschwächung bereitzustellen, welche insbesondere auch die tatsächlich an Rotorkörpern auftretenden Teilmomente für eine gewünschte Verstellung zielführend umsetzt und auf die Rotorwelle überträgt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Axialflussmaschine, insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator und einen durch einen Luftspalt vom Stator getrennten Rotor, wobei der Rotor wenigstens einen ersten Rotorkörper mit einer ersten Gruppe von Permanentmagneten und einen zweiten Rotorkörper mit einer zweiten Gruppe von Permanentmagneten aufweist, wobei der erste Rotorkörper und der zweite Rotorkörper relativ zueinander entgegen der Wirkung einer ersten Verdrehsteifigkeit um eine gemeinsame Drehachse mittels eines mechanischen Feldschwächungsmechanismus verdrehbar sind.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass eine elektrische Maschine mit einer rein mechanischen Feldschwächungsvorrichtung realisiert werden kann, welche die zu einer bedarfsgerechten Feldschwächung erforderlichen Stellungen von Permanentmagneten innerhalb des Rotors in Abhängigkeit von den Betriebszuständen Drehmoment und Drehzahl zuverlässig und kostengünstig einstellt. Grundsätzlich vermeidet die Erfindung somit auch die Notwendigkeit einer von außen auf oder in den Rotor eingreifenden Aktorik.
Erfindungswesentlich ist hierbei unter anderem, die Aufteilung des bislang einteiligen Rotors in der I-Anordnung in mindestens zwei Rotorkörper, wobei jeder Rotorkörper einen gewissen Anteil der Permanentmagnete beinhaltet. Eine geeignete mechanische Anbindung lässt momentenabhängig eine Veränderung der Orientierung, sprich Verdrehung der Teilrotoren zueinander zu.
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Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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Der magnetische Fluss in einer elektrischen Axialflussmaschine (AFM), wie beispielsweise eine als Axialflussmaschine ausgebildete elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, ist im Luftspalt zwischen Stator und Rotor axial zu einer Rotationsrichtung des Rotors der Axialflussmaschine gerichtet.
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Es kann, je nach Anwendungsgebiet, vorteilhaft sein, eine Axialflussmaschine in I-Anordnung oder H-Anordnung auszubilden. Bei einer I-Anordnung ist der Rotor axial neben einem Stator oder zwischen zwei Statoren angeordnet. Bei einer H-Anordnung sind zwei Rotoren auf gegenüberliegenden axialen Seiten eines Stators angeordnet. Die erfindungsgemäße Axialflussmaschine ist bevorzugt in I-Anordnung konfiguriert.
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Grundsätzlich ist es auch möglich, dass eine Mehrzahl von Rotor-Stator-Konfigurationen als I-Typ und/oder H-Typ axial nebeneinander angeordnet sind. Auch wäre es in diesem Zusammenhang möglich, mehrere Rotor-Stator-Konfigurationen des I-Typs in axialer Richtung nebeneinander anzuordnen. Insbesondere ist es auch zu bevorzugen, dass die Rotor-Stator-Konfiguration des H-Typs und/oder des I-Typs jeweils im Wesentlichen identisch ausgebildet sind, so dass diese modulartig zu einer Gesamtkonfiguration zusammengefügt werden können. Derartige Rotor-Stator-Konfigurationen können insbesondere koaxial zueinander angeordnet sein sowie mit einer gemeinsamen Rotorwelle oder mit mehrere Rotorwellen verbunden sein.
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Der Stator der erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine weist bevorzugt einen Statorkörper mit mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Statorwicklungen auf. Der Statorkörper kann in Umfangsrichtung gesehen einteilig oder segmentiert ausgebildet sein. Der Statorkörper kann aus einem Statorblechpaket mit mehreren laminierten Elektroblechen gebildet sein. Alternativ kann der Statorkörper auch aus einem verpressten weichmagnetischen Material, wie dem sogenannten SMC-Material (Soft Magnetic Compound) gebildet sein.
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Der Rotor einer elektrischen Axialflussmaschine kann zumindest in Teilen als geblechter Rotor ausgebildet sein. Ein geblechter Rotor ist in axialer Richtung geschichtet ausgebildet. Der Rotor einer Axialflussmaschine kann alternativ auch einen Rotorträger aufweisen, der entsprechend mit Magnetblechen und/oder SMC-Material und mit als Permanentmagneten ausgebildeten Magnetelementen bestückt ausgebildet ist.
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Die Permanentmagnete können bevorzugt in die Taschen des Rotorblechpakets eingebracht sein. Dabei kann pro Tasche ein einziger größerer, als Stabmagnet ausgebildeter Rotormagnet oder mehrere kleinere Permanentmagnetelemente ausgebildete Rotormagnete vorgesehen werden.
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Der Rotor weist bevorzugt eine Mehrzahl von Rotorkörpern auf. Besonders bevorzugt sind die Rotorkörper im Wesentlichen gleichteilig, insbesondere im Wesentlichen identisch, ausgebildet. Höchst bevorzugt ist es, dass die Rotorkörper aus gleichteiligen, insbesondere im Wesentlichen identischen Rotorblechen gebildet sind. Die Rotorkörper sind also insbesondere bevorzugt aus einem Rotorblechpaket gebildet, welche aus einer Mehrzahl von in der Regel aus Elektroblech hergestellten laminierten Einzelblechen bzw. Rotorblechen zusammengesetzt sind, die übereinander zu einem Stapel, dem sog. Rotorblechpaket geschichtet und paketiert sind. Die Einzelbleche können in dem Rotorblechpaket durch Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung zusammengehalten bleiben. Ein Rotorblechpaket kann insbesondere auch in die Taschen des Rotorblechpakets eingebrachte oder den umfänglich an dem Rotorblechpaket fixierte Permanentmagnete aufweisen.
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Als Rotorwelle wird eine drehbar gelagerte Welle einer elektrischen Maschine bezeichnet, mit der der Rotor bzw. Rotorkörper drehfest gekoppelt ist.
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Die elektrische Axialflussmaschine kann ferner eine Steuereinrichtung aufweisen. Eine Steuereinrichtung, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, dient insbesondere der elektronischen Steuerung und/oder Reglung eines oder mehrerer technischer Systeme der elektrischen Axialflussmaschine.
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Die elektrische Axialflussmaschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
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Die elektrische Axialflussmaschine kann bevorzugt auch in einem elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrang verbaut sein. Ein elektrischer Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfasst eine elektrische Axialflussmaschine und ein Getriebe, wobei die elektrische Axialflussmaschine und das Getriebe eine bauliche Einheit bilden. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die elektrische Axialflussmaschine und das Getriebe in einem gemeinsamen Antriebsstranggehäuse angeordnet sind. Insbesondere bevorzugt kann ein derartiges Antriebsstranggehäuse auch eine Anschlussstruktur für die Axialflussmaschine bilden. Alternativ wäre es natürlich auch möglich, dass die elektrische Axialflussmaschine ein Motorgehäuse und das Getriebe ein Getriebegehäuse besitzt, wobei die bauliche Einheit dann über eine Fixierung des Getriebes gegenüber der elektrischen Axialflussmaschine bewirkbar ist. Diese bauliche Einheit wird gelegentlich auch als E-Achse bezeichnet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Feldschwächungsmechanismus ein Hebelelement umfasst, das um einen Drehpunkt schwenkbar ist, wobei der erste Rotorkörper mit einem ersten Hebelabschnitt und der zweite Rotorkörper mit einem zweiten Hebelabschnitt des Hebelelements koppelbar ist und der erste Hebelabschnitt und der zweite Hebelabschnitt auf entgegengesetzten Seiten des Hebelelements angeordnet sind, so dass für eine gewünschte Verstellung des mechanischen Feldschwächungsmechanismus der erste Rotorkörper und der zweite Rotorkörper durch ein Kippen des Hebelelements relativ zueinander verdrehbar sind.
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Über die Hebelabschnitte wirken die Teilmomente der beiden Rotorkörper so auf den Hebel, dass die Summe der Momente beispielsweise auf die Rotorwelle übertragen wird und gleichzeitig durch ein Schwenken des Hebels die beiden Rotorkörper gegen die Verdrehsteifigkeit, die zwischen ihnen herrscht, beispielsweise in die Stellung mit vollem Magnetfeld bei ausgerichteten Magnetpolen verdreht werden. Mit dem Hebel werden dabei die Teilmomente, die eigentlich in die für diesen Vorgang verkehrte Richtung weisen, in die zielführende Richtung umgesetzt.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das Hebelelement schwenkbar auf einer Rotorwelle des Rotors angeordnet ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass koaxial innerhalb des ersten Rotorkörpers und des zweiten Rotorkörpers eine Rotorwelle über das Hebelelement drehmomentübertragend mit dem ersten Rotorkörper und dem zweiten Rotorkörper koppelbar ist. Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das Hebelelement schwenkbar auf der Rotorwelle angeordnet ist. Es kann hierdurch erreicht werden, dass die mechanische Feldschwächung besonders kompakt bauend ausgeführt werden kann.
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Der Hebel weist in einer höchst bevorzugten Ausführungsform der Erfindung somit drei Bereiche in unterschiedlichen Abständen zur Rotationsachse des Rotors auf, in denen er mit den beiden Rotorkörpern als den zwei Eingängen für das Moment und der Rotorwelle als dem Ausgang für das Moment in Kontakt steht. Hierin ist ein weiterer wesentlicher Unterschied zum Stand der Technik zu sehen, wo Elemente zur Übertragung der Teilmomente auf die Rotorwelle stets nur einen Ein- und einen Ausgang aufweisen. Über die definierten Hebelanlageabschnitte wirken die Teilmomente der beiden Rotorkörper so auf den Hebel, dass die Summe auf die Rotorwelle übertragen wird und gleichzeitig durch ein Kippen des Hebels die beiden Rotorkörper gegen die Verdrehsteifigkeit, die zwischen ihnen herrscht, beispielsweise in die Stellung mit vollem Magnetfeld bei ausgerichteten Magnetpolen verdreht werden. Dies wird anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsformen der Erfindung noch näher erläutert werden.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Feldschwächungsmechanismus eine Mehrzahl von verzahnten Planetenrädern umfasst, welche drehbar gelagert an dem ersten Rotorkörper angeordnet sind, und einerseits mit der Rotorwelle und anderseits mit dem zweiten Rotorkörper im Eingriff stehen, so dass für eine gewünschte Verstellung des mechanischen Feldschwächungsmechanismus der erste Rotorkörper und der zweite Rotorkörper über die getriebliche Kopplung der Planetenräder relativ zueinander verdrehbar sind. Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Planetenräder jeweils eine Außenverzahnung aufweisen, welche in einer Innenverzahnung des zweiten Rotorkörpers und eine Außenverzahnung der Rotorwelle kämmt.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass der erste Rotorkörper sich in Axialrichtung erstreckende Bolzen aufweist, an denen die Planetenräder drehbar gelagert sind, was zu einer verbesserten System integration beitragen kann.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass wenigstens drei Planetenräder äquidistant über den Umfang verteilt an dem ersten Rotorkörper angeordnet sind, was sich hinsichtlich Reibung, Herstellkosten und Betriebssicherheit als besonders günstig erwiesen hat.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Verdrehsteifigkeit als ein Federelement, insbesondere als eine Druckfeder oder Bogenfeder, ausgebildet ist. Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die Kennlinie der Verdrehsteifigkeit so gewählt ist, dass bei Überschreiten eines festgelegten Mindestmoments der erste Rotorkörper und der zweite Rotorkörper sich aus einer maximal feldgeschwächten Stellung zueinander zu verdrehen beginnen und bei Erreichen und/oder Überschreiten eines festgelegten Höchstmomentes eine Verdrehung zueinander in eine Stellung mit vollem Magnetfeld vollzogen haben.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass die Axialflussmaschine in I-Konfiguration ausgeführt ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 eine Axialflussmaschine in I-Ausführung in einer schematischen Axialschnittdarstellung,
- 2 die aus der 1 bekannte Axialflussmaschine in einer Abwicklung,
- 3 eine erste Ausführungsform eines Feldschwächungsmechanismus in einer schematischen Querschnittsdarstellung,
- 4 eine zweite Ausführungsform eines Feldschwächungsmechanismus in einer schematischen Querschnittsdarstellung
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Die 1 zeigt eine elektrische Axialflussmaschine 1, insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator 2 mit zwei axial voneinander beabstandeten scheibenförmigen Statorkörpern 18,19 zwischen denen der ebenfalls scheibenförmige Rotor 4 drehbar gelagert ist. Zwischen den Statorkörpern 18,19 und dem Rotor 4 ist jeweils ein Luftspalt 3 ausgebildet. Die gezeigte Axialflussmaschine 1 ist somit in I-Konfiguration ausgeführt.
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Der Rotor 4 besitzt einen ersten Rotorkörper 5 mit einer ersten Gruppe von Permanentmagneten 6 und einen zweiten Rotorkörper 7 mit einer zweiten Gruppe von Permanentmagneten 8, wobei der erste Rotorkörper 5 und der zweite Rotorkörper 7 relativ zueinander entgegen der Wirkung einer ersten Verdrehsteifigkeit 9 um eine gemeinsame Drehachse 10 mittels eines mechanischen Feldschwächungsmechanismus 11 verdrehbar sind. Dies wird auch durch die Zusammenschau der 1-4 ersichtlich.
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Die 2 zeigt eine Abwicklung des Stators 2 und des Rotors 4 in der die beiden Rotorkörper 5,7 in einer verdrehten Position und somit feldgeschwächten Betriebszustand gezeigt sind. Man erkennt die am den Statorkörpern 18,19 ausgebildeten Statorzähne 21, die von den Statorspulen 20 umwickelt sind. Die Verdrehsteifigkeit 9 ist als ein Federelement, insbesondere als eine Druckfeder oder Bogenfeder, ausgebildet. Die Kennlinie der Verdrehsteifigkeit 9 ist hierbei so gewählt ist, dass bei Überschreiten eines festgelegten Mindestmoments der erste Rotorkörper 5 und der zweite Rotorkörper 7 sich aus einer maximal feldgeschwächten Stellung zueinander zu verdrehen beginnen und bei Erreichen und/oder Überschreiten eines festgelegten Höchstmomentes eine Verdrehung zueinander in eine Stellung mit vollem Magnetfeld vollzogen haben.
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In der 3 ist eine erste Ausführungsform eines Feldschwächungsmechanismus 11 gezeigt, der die momentenabhängige relative Verdrehung der beiden Rotorkörper 5,7 zueinander bewirkt. Der gezeigte Feldschwächungsmechanismus 11 umfasst hierbei ein Hebelelement 12, das um einen Drehpunkt schwenkbar ist, wobei der erste Rotorkörper 5 mit einem ersten Hebelabschnitt 13 und der zweite Rotorkörper 7 mit einem zweiten Hebelabschnitt 14 des Hebelelements 12 koppelbar ist und der erste Hebelabschnitt 13 und der zweite Hebelabschnitt 14 auf entgegengesetzten Seiten des Hebelelements 12 angeordnet sind, so dass für eine gewünschte Verstellung des mechanischen Feldschwächungsmechanismus 11 der erste Rotorkörper 5 und der zweite Rotorkörper 7 durch ein Kippen des Hebelelements 12 relativ zueinander verdrehbar sind. Das Hebelelement 12 ist hierzu schwenkbar auf einer Rotorwelle 15 des Rotors 4 angeordnet.
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Das als Einzelhebel ausgeführte Hebelelement 12 ist also so angeordnet, dass das im Bezug auf den Rotor 4 radial innenliegende Ende des Hebelelements 12 in die Rotorwelle 15 eingreift und über zwei weitere, voneinander beabstandete, radial weiter außerhalb liegende Hebelabschnitts 13,14 die beiden Rotorkörper 5,7 gegen die in Umfangsrichtung wirkende Verdrehsteifigkeit 9 gegeneinander verdreht werden. Der Zustand bei kleinen Momenten ist dabei so definiert, dass dann die sich einander gegenüberliegenden Teilmagnete in den Rotorkörpern 5,7 gegeneinander verdreht sind, und sich hierdurch eine Anordnung „normally feldgeschwächt“ ergibt.
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Wie in der 4 dargestellt kann in einer alternativen Ausführungsform der Feldschwächungsmechanismus 11 auch eine Mehrzahl von verzahnten Planetenrädern 16 umfassen, welche drehbar gelagert an dem ersten Rotorkörper 5 angeordnet sind, und einerseits mit der Rotorwelle 15 und anderseits mit dem zweiten Rotorkörper 7 im Eingriff stehen, so dass für eine gewünschte Verstellung des mechanischen Feldschwächungsmechanismus 11 der erste Rotorkörper 5 und der zweite Rotorkörper 7 über die getriebliche Kopplung der Planetenräder 16 relativ zueinander verdrehbar sind. Die Planetenräder 16 weisen jeweils eine Außenverzahnung auf, welche in einer Innenverzahnung des zweiten Rotorkörpers 7 und eine Außenverzahnung der Rotorwelle 15 kämmt. Der erste Rotorkörper 5 besitzt sich in Axialrichtung erstreckende Bolzen 17, an denen die Planetenräder 16 drehbar gelagert sind. Durch die getriebliche Kopplung kann über diese Anordnung gleichfalls momentenbewirkt eine Verdrehung der Rotorkörper 5,7 gegeneinander erreicht werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Axialflussmaschine
- 2
- Stator
- 3
- Luftspalt
- 4
- Rotor
- 5
- erster Rotorkörper
- 6
- Permanentmagneten
- 7
- zweiter Rotorkörper
- 8
- Permanentmagneten
- 9
- Verdrehsteifigkeit
- 10
- Drehachse
- 11
- Feldschwächungsmechanismus
- 12
- Hebelelement
- 13
- Hebelabschnitt
- 14
- Hebelabschnitt
- 15
- Rotorwelle
- 16
- Planetenrädern
- 17
- Bolzen
- 18
- erster Statorkörper
- 19
- zweiter Statorkörper
- 20
- Statorspulen
- 21
- Statorzähne
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 58211710 [0009]
- FR 2831345 [0009]
- EP 1085644 [0009]
- DE 1012011708670 [0009]
- DE 1012016103470 [0009]
- CN 104600929 [0009]
- CN 105449969 [0009]
- DE 1012021101898 [0010]
- DE 1012021101904 [0010]
