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Die Erfindung betrifft eine Transversalflussmaschine für den Antrieb einer Kühlwasserpumpe eines Kraftfahrzeugs.
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Das Kühlsystem eines wassergekühlten Verbrennungsmotors verfügt über eine Kühlwasserpumpe, die im Betriebsfall Wasser als Kühlmittel in dem dafür vorgesehenen Kühlmittelkreislauf umwälzt.
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Gemäß einer ersten vorbekannten Bauform erfolgt ein Antrieb der Kühlwasserpumpe direkt durch den Verbrennungsmotor. Es kommt zu diesem Zweck typischerweise eine Riemenanordnung zum Einsatz, dergemäß verbrennungsmotorseitig eine erste Riemenscheibe und kühlwasserpumpenseitig eine zweite Riemenscheibe vorgesehen sind, die mittels eines gemeinsamen Riemens miteinander in Wirkverbindung stehen.
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Von Nachteil dieser vorbekannten Konstruktion ist, dass die Drehzahl der Kühlwasserpumpe immer in einem festen Verhältnis zur Drehzahl des Verbrennungsmotors steht. Eine von der Drehzahl des Verbrennungsmotors unabhängige Drehzahlanpassung der Kühlwasserpumpe ist nicht möglich. Dies führt in nachteiliger Weise dazu, dass insbesondere zu Beginn eines Betriebs eines Verbrennungsmotors mittels der Kühlwasserpumpe Wasser umgewälzt und der Verbrennungsmotor gekühlt wird, obwohl der Verbrennungsmotor noch kalt ist und es insofern einer Kühlung des Verbrennungsmotors nicht bedarf. Zudem hat die Auslegung von Kühlwasserpumpe einerseits und Drehzahl andererseits so zu erfolgen, dass eine optimierte Kühlung gestattet ist, wenn der Verbrennungsmotor unter Volllast arbeitet. Dies führt in nachteiliger Weise dazu, dass im Nichtvolllastbereich keine optimierte Kühlung des Verbrennungsmotors gegeben ist.
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Um dem vorbeschriebenen Nachteil zu begegnen, ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, für den Antrieb einer Kühlwasserpumpe einen separaten Elektromotor vorzusehen. In Kombination mit einem Frequenzumrichter kann die Drehzahl des Elektromotors und damit auch die Drehzahl der Kühlwasserpumpe unabhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors eingestellt werden. Dies erlaubt einen hinsichtlich der Kühlung des Verbrennungsmotors optimierten Betrieb der Kühlwasserpumpe.
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Von Nachteil dieses Standes der Technik ist allerdings, dass die Konstruktion sehr aufwendig und vor allem teuer ist. Denn anstatt einer Riemenanordnung werden als zusätzliche Bauteile ein Elektromotor, ein Frequenzumrichter sowie die zugehörige Elektronik benötigt. Zudem ist ein bestimmungsgemäßer Kühlwasserpumpenbetrieb abhängig von der ordnungsgemäßen Funktion des Elektromotors, des Frequenzumrichters und/oder der Elektronik. Ferner bedarf es einer entsprechenden Stromversorgung. Fallen die Elektronik, der Elektromotor und/oder der Frequenzumrichter aus oder ist die Stromversorgung unterbrochen, so ist ein bestimmungsgemäßer Betrieb der Kühlwasserpumpe nicht mehr möglich, so dass auch ein Betrieb des Verbrennungsmotors nicht mehr gestattet ist. Ein Vollausfall des gesamten Systems ist in nachteiliger Weise die Folge.
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Es ist ausgehend vom vorbeschriebenen Stand der Technik die Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine vorzuschlagen, die bei einem gleichzeitig einfachen Aufbau einen sicheren Betrieb eines davon anzutreibenden Verbrauchers, beispielsweise einer Kühlwasserpumpe eines Kraftfahrzeugs gestattet. Zudem soll mit der Erfindung eine Pumpeneinrichtung mit einer solchen elektrischen Maschine vorgeschlagen werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine elektrische Maschine in der Ausgestaltung einer Transversalflussmaschine vorgeschlagen, mit einem verdrehfest auf einer Rotorwelle angeordneten Innenrotor, einem den Innenrotor umgebenden Außenrotor, der um die Rotorwelle verdrehbar angeordnet ist, und einem Stator, der eine in Umfangsrichtung der Rotorwelle gewickelte Statorspule aufweist, wobei in einem Überdeckungsbereich von Innenrotor und Außenrotor ein in Umfangsrichtung umlaufender Ringraum vorgesehen ist, in dem Permanentmagnete angeordnet sind.
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Die Transversalflussmaschine nach der Erfindung verfügt über einen Innenrotor, einen Außenrotor und einem Stator. Der Innenrotor ist verdrehfest auf einer Rotorwelle angeordnet, so dass eine Verdrehbewegung des Innenrotors zu einer Verdrehbewegung auch der Rotorwelle führt.
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Der Außenrotor umgibt den Innenrotor zumindest abschnittsweise, d.h. der Außenrotor stellt einen Aufnahmeraum bereit, in welchen der Innenrotor zumindest teilweise hineinragt. Der Außenrotor ist seinerseits um die Rotorwelle verdrehbar angeordnet, so dass im Betriebsfall eine Verdrehbewegung des Außenrotors um die Rotorwelle, d.h. um die von der Rotorwelle bereitgestellte Drehachse erfolgen kann. Der Außenrotor und der Innenrotor können mithin jeweils relativ zueinander um dieselbe Drehachse verdrehen.
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Der Stator ist in an sich bekannter Weise feststehend ausgebildet. Im bestimmungsgemäßen Betriebsfall können der Innenrotor und der Außenrotor jeweils um die von der Rotorwelle bereitgestellte Drehachse verdrehen, womit in an sich bekannter Weise eine relative Verdrehung sowohl des Innenrotors als auch des Außenrotors gegenüber dem Stator stattfindet.
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Der Stator weist eine in Umfangsrichtung der Rotorwelle gewickelte Statorspule auf. Diese umgreift nach Art eines Rings den Innenrotor und/oder den Außenrotor, zumindest abschnittsweise.
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In einem Überdeckungsbereich von Innenrotor und Außenrotor ist ein in Umfangsrichtung umlaufender Ringraum vorgesehen. In diesem Ringraum sind Permanentmagnete angeordnet. Bevorzugterweise sind die Permanentmagnete am Außenrotor angeordnet. Alternativ können die Permanentmagnete auch am Innenrotor angeordnet sein. Von Bedeutung ist allein, dass die Permanentmagnete in magnetischer Wirkverbindung entweder mit dem Außenrotor oder dem Innenrotor stehen, je nachdem, ob sie am Außenrotor oder am Innenrotor angeordnet sind. Sind die Permanentmagnete also am Außenrotor angeordnet, so besteht im Betriebsfall eine magnetische Wirkverbindung mit dem Innenrotor. Ist indes eine Anordnung der Permanentmagnete am Innenrotor vorgesehen, so ergibt sich im Betriebsfall eine magnetische Wirkverbindung zum Außenrotor.
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Die vorstehend beschriebene Konstruktion erlaubt einen Betrieb der als Transversalflussmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine wie folgt. Infolge einer Verdrehbewegung des Außenrotors kommt es aufgrund der magnetischen Einwirkung der Permanentmagnete auch zu einer Verdrehbewegung des Innenrotors. Die zwischen dem Außenrotor und dem Innenrotor wirkenden Magnetkräfte sorgen mithin dafür, dass eine Verdrehbewegung des Außenrotors auf den Innenrotor übertragen wird, so dass dieser in Entsprechung einer Verdrehbewegung des Außenrotors mitverdreht. Dabei drehen der Innenrotor und der Außenrotor um ein und dieselbe Drehachse, nämlich um die von der Rotorwelle bereitgestellte Drehachse.
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Im Falle einer Bestromung der Statorspule entsteht ein elektromagnetisches Statorfeld, das sich mit dem Magnetfeld der Permanentmagnete überlagert. Diese Überlagerung kann je nach Bestromungsrichtung der Spule zu einer Abschwächung oder auch zu einer Verstärkung des durch die Permanentmagnete erzeugten Magnetfeldes führen. Dies gestattet es, das Statorfeld und das Innenrotorfeld zu einer Drehbewegung des Innenrotors zu verkoppeln, die derjenigen entgegenwirkt, die aufgrund des verdrehenden Außenrotors auf den Innenrotor übertragen wird. Es wird folglich bei einer Bestromung des Stators ein Bremsmoment erzeugt, das der durch den Außenrotor induzierten Verdrehbewegung des Innenrotors entgegenwirkt. Im Ergebnis kann so die Drehzahl des Innenrotors variabel eingestellt werden. Dabei ergibt sich eine erhöhte Drehzahl des Innenrotors bei einer Nichtbestromung des Stators, in welchem Fall kein Bremsmoment durch die Statorspule gegeben ist. Ein gewisses Bremsmoment (Schlupf) ist aber durch die Permanentmagnete gegeben. Die maximal mögliche Drehzahl des Innenrotors wird bei einer Gegenbestromung der Statorspule erreicht. Bei einer Vollbestromung des Stators ist ein maximales Bremsmoment gegeben, das soweit gehen kann, dass der Innenrotor trotz drehendem Außenrotor zum Stillstand kommt. Das Erreichen des maximalen Bremsmoments hängt natürlich von der Stromrichtung bei der Bestromung des Stators ab. Wenn das vom Strom erzeugte Magnetfeld in derselben Richtung liegt wie das Feld der Permamentmagneten wirkt, ist das Bremsmoment maximal. Wenn aber das vom Strom erzeugte Magnetfeld demjenigen von den Magneten entgegengesetzt ist, ist das Bremsmoment Null und die Drehzahl der Rotorwelle maximal.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegt mithin darin, dass die Drehzahl des Innenrotors und damit auch die vom Innenrotor bereitgestellte Rotorwelle unabhängig von der Drehzahl des Außenrotors variabel einstellbar sind. Dies wird durch eine Bestromung des Stators erreicht.
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Ein anzutreibender Verbraucher, beispielsweise eine Kühlwasserpumpe eines Verbrennungsmotors, kann direkt an die Rotorwelle des Innenrotors angekoppelt werden. Bei einer Verdrehbewegung der Rotorwelle wird so auch der Verbraucher, mithin beispielsweise die Kühlwasserpumpe angetrieben. Dabei ist die Drehzahl des Verbrauchers, beispielsweise die Drehzahl der Kühlwasserpumpe in vorbeschriebener Weise dadurch einstellbar, dass der Stator bestromt und so ein Bremsmoment erzeugt wird. Dabei kann im Bedarfsfall eine Bestromung der Statorspule in unterschiedlichen Richtungen vorgenommen werden, wobei sich in der einen Bestromungsrichtung eine Abschwächung des durch die Permanentmagneten erzeugten Magnetfelds ergibt, wobei sich in der anderen Bestromungsrichtung eine Verstärkung des durch die Permanentmagnete erzeugten Magnetfeldes einstellt. Bei einer Nichtbestromung der Statorspule ist das auf den Innenrotor einwirkende Drehmoment nicht gleich Null, da sich durch die Wirkung der Permanentmagnete ein gewisses Drehmoment einstellt (Schlupf).
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Der Antrieb des Außenrotors erfolgt beispielsweise mittels eines Verbrennungsmotors, so dass sich im Ergebnis der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ergibt, dass eine variable Drehzahleinstellung der Rotorwelle unabhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors, mithin unabhängig von der Drehzahl des vom Verbrennungsmotor angetriebenen Außenrotors ist.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung erbringt insbesondere folgende Vorteile. Es ist eine variable Drehzahleinstellung der Rotorwelle möglich. Dabei kann im Unterschied zum Stand der Technik auf einen zusätzlichen Elektromotor und einen zusätzlichen Frequenzumrichter vollends verzichtet werden. Damit ist die erfindungsgemäße Konstruktion im Aufbau robust, wenig störanfällig und darüber hinaus preisgünstig in der Herstellung.
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Die erfindungsgemäße Konstruktion bietet zudem Notlaufeigenschaften. Denn sollte beispielsweise die Elektronik aufgrund eines Fehlers ausfallen, so führt dies lediglich dazu, dass eine von der Drehzahl des Außenrotors unabhängige Drehzahlregelung der Rotorwelle nicht mehr möglich ist. Die elektrische Maschine als solche fällt aber im Unterschied zum Stand der Technik nicht aus. Die Drehzahl der Rotorwelle ergibt sich dann in Abhängigkeit der Drehzahl des Außenrotors, so dass der an die Rotorwelle angeschlossene Verbraucher, beispielsweise eine Kühlwasserpumpe eines Verbrennungsmotors mit voller Drehzahl dreht. Insofern ist mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung sichergestellt, dass selbst im Defektfall noch ein bestimmungsgemäßer Betrieb eines an die elektrische Maschine angeschlossenen Verbrauchers ermöglicht ist, und dies mit Volllast, so dass im Falle einer als Verbraucher angeschlossenen Kühlwasserpumpe auch der zugehörige Verbrennungsmotor mit Volllast arbeiten kann. Ein solcher Notlaufbetrieb ist mit einer Konstruktion nach dem Stand der Technik nicht möglich. Dieselben positiven Effekte stellen sich auch bei einem Ausfall des Frequenzumrichters oder bei einem Defekt stromführender Zuleitungskabel beispielsweise infolge eines Maderbiss ein.
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Wie schon vorstehend beschrieben, kommen zur Drehmomentübertragung von dem Außenrotor auf den Innenrotor Permanentmagnete zum Einsatz. Da es nur auf die magnetische Wirkverbindung zwischen Außenrotor und Innenrotor ankommt, können die Permanentmagnete wahlweise am Außenrotor und/oder am Innenrotor angeordnet sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Permanentmagnete innenrotorseitig des Außenrotors am Außenrotor angeordnet sind. Diese Ausführungsform ist deshalb bevorzugt, weil die Permanentmagnete im Betriebsfall der Fliehkraft folgend nach außen beschleunigt werden. Sie werden mithin gegen den Außenrotor gedrückt, so dass für eine sichere Anordnung am Außenrotor keine besonderen Maßnahmen zu treffen sind.
Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, dass die Permanentmagnete außenrotorseitig des Innenrotors am Innenrotor angeordnet sind. In diesem Fall bedarf es aber einer besonderen Befestigung der Permanentmagnete am Innenrotor, um im bestimmungsgemäßen Verwendungsfall auch sicherstellen zu können, dass die auf die Permanentmagnete einwirkende Fliehkraft nicht zu einem Lösen der Permanentmagnete vom Innenrotor führt. Um eine solch dauerhafte Verbindung zwischen Permanentmagneten und Innenrotor vorzugsehen, sind die Permanentmagnete mit dem Innenrotor vorzugsweise verklebt.
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Es ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, dass der Außenrotor einen Rotorkörper und einen stirnseitig daran angeordneten Ringkörper aufweist, wobei der Ringkörper innenrotorseitig die Permanentmagnete trägt. Gemäß dieser Konstruktion ist vorgesehen, dass der Außenrotor zweiteilig ausgebildet ist und einen Rotorkörper und einen Ringkörper aufweist. Der Ringkörper dient der Anordnung der Permanentmagnete und ist seinerseits stirnseitig des Rotorkörpers am Rotorkörper angeordnet. Diese zweiteilige Ausgestaltung erbringt den Vorteil, dass der Rotorkörper und der Ringkörper aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein können. Ferner ist im Reparaturfall eine vereinfachte Demontage möglich. Auch lassen sich während der Herstellung die Permanentmagnete in einfacher Weise am Ringkörper anordnen, der dann mit den Permanentmagneten bestückt stirnseitig des Rotorkörpers anzubringen ist.
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Es ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, dass der Außenrotor einen umlaufenden, stirnseitig offenen Schlitz aufweist, in den der Innenrotor mit einem korrespondierend zum Schlitz ausgebildeten Ringfortsatz hineinragt. Der Überdeckungsbereich zwischen Innenrotor und Außenrotor wird gemäß dieses Konstruktionsvorschlages dadurch erreicht, dass der Innenrotor einen Ringfortsatz bereitstellt, der in einen hierzu korrespondierenden Schlitz des Außenrotors eintaucht. Bevorzugterweise ist dieser Schlitz vom Ringkörper des Außenrotors bereitgestellt. Diese Konstruktion ist in vorteilhafter Weise kompakt und erlaubt eine einfache Montage bzw. Demontage im Reparaturfall. Es ist ferner insbesondere eine stirnseitige Zugänglichkeit von Innenrotor und Außenrotor gewährleistet.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ringfortsatz rotorwellenseitig mit dem Außenrotor in Wirkverbindung stehende Permanentmagnete aufweist. Es sind gemäß dieser Konstruktion zwei Permanentmagnet-Reihen vorgesehen. Es sind zum einen innenrotorseitig des Ringkörpers Permanentmagnete am Außenrotor angeordnet, die in magnetischer Wirkverbindung mit dem Innenrotor stehen. Darüber hinaus trägt der Ringfortsatz des Innenrotors Permanentmagnete, die rotorwellenseitig angebracht sind, so dass sie in magnetischer Wirkverbindung mit dem Außenrotor stehen. Es sind so zweikranzig angeordnete Permanentmagnete vorgesehen, was zu einem entsprechend stark ausgebildeten Magnetfeld führt. Von Vorteil dieser Ausgestaltung ist insbesondere eine kompakte Bauform der gesamten Maschine.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass der Außenrotor unter Belassung eines Luftspalts radial beabstandet zum Stator angeordnet ist. Durch diesen Luftspalt kann im Betriebsfall Kühlluft geführt werden.
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Der Stator ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung unter Belassung eines Luftspalts radial beabstandet zum Innenrotor angeordnet. Auch dieser Luftspalt dient der Führung von Kühlluft durch die Maschine hindurch.
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Die Luftspalte, d.h. der Luftspalt zwischen Außenrotor und Stator einerseits sowie zwischen Stator und Innenrotor andererseits sind bevorzugterweise getreppt ausgebildet.
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„Getreppt‟ im Sinne der Erfindung meint dabei eine in Stufen unterteilte Durchmesserveränderung des Außenrotors gegenüber dem Stator bzw. des Stators gegenüber dem Innenrotor. Diese getreppt ausgebildete Luftspaltführung erbringt in vorteilhafter Weise einen vergleichmäßigten Magnetfluss im Bestromungsfall. Denn der sich im Fall der Bestromung der Statorspule einstellende Magnetfluss sucht sich den Weg des geringsten magnetischen Widerstandes, was zu einem ungünstigen Magnetkrafteintrag in den Innenrotor führen kann. Um dies auszugleichen, sind die Luftspalte getreppt ausgebildet, so dass sich insbesondere in Transversalrichtung eine gleichförmige Widerstandsverteilung ergibt.
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Es ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, dass sowohl der Außenrotor als auch der Innenrotor als materialmassive Bauteile ausgeführt sind. Der Außenrotor kann beispielsweise aus C45. Der Innenrotor kann aus C15 gebildet sein. Aber auch andere magnetisierbare Materialien können Verwendung finden.
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Als Material für die Permanentmagnete kommt insbesondere Neodym-Eisen-Bor in Betracht.
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Mit der Erfindung wird zur Lösung der vorstehenden Aufgabe zudem vorgeschlagen eine Pumpeneinrichtung, insbesondere zur Förderung von Kühlwasser für einen Verbrennungsmotor, mit einer Pumpe und einer elektrischen Maschine der erfindungsgemäßen Art, wobei die Pumpe ein Pumpenrad aufweist, das von der Rotorwelle der elektrischen Maschine angetrieben ist.
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Die erfindungsgemäße Pumpeneinrichtung verfügt über eine elektrische Maschine in der Ausgestaltung einer Transversalflussmaschine nach der Erfindung einerseits und über eine Pumpe andererseits. Dabei weist die Pumpe ein Pumpenrad auf, das erfindungsgemäß von der Rotorwelle der Transversalflussmaschine angetrieben ist. Im Falle einer Verdrehbewegung der Rotorwelle kommt es mithin zu einer Verdrehbewegung auch des Pumpenrads, womit sich die Pumpe im bestimmungsgemäßen Pumpenbetrieb befindet. In schon vorerläuterter Weise ist die Drehzahl der Rotorwelle variabel einstellbar, was es gestattet, die Drehzahl des mit der Rotorwelle gekoppelten Pumpenrads und damit die Förderleistung der Pumpe wahlweise variabel einzustellen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass das Pumpenrad verdrehfest auf der Rotorwelle angetrieben ist. Diese Ausgestaltung erweist sich als besonders einfach im Aufbau und gewährleistet zudem einen sicheren Betrieb.
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Es ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, dass die Pumpe ein Pumpengehäuse mit einem daran vorzugsweise einstückig angeordneten Achsfortsatz aufweist, wobei der Achsfortsatz den Außenrotor der Transversalflussmaschine verdrehbar aufnimmt.
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Die Pumpe verfügt in an sich bekannter Weise über ein Pumpengehäuse, das das Pumpenrad verdrehbar aufnimmt. Dieses Pumpengehäuse stellt typischerweise einen Deckel bereit, der mit einem vorzugsweise einstückig daran angeordneten Achsfortsatz ausgerüstet ist. Der Lagerfortsatz dient der verdrehbaren Aufnahme des Außenrotors. Es ist so ein insgesamt sehr kompakter Aufbau der gesamten Pumpeneinrichtung gegeben. Die Transversalflussmaschine sowie die Pumpe bilden quasi in Ausgestaltung der Pumpeneinrichtung ein einstückig zu handhabendes Bauteil. Dabei ist die Rotorwelle der Transversalflussmaschine bis in das Pumpengehäuse der Pumpe verlängert, was eine verdrehfeste Anordnung des vom Pumpengehäuse beherbergten Pumpenrads auf der Rotorwelle gestattet. Da das Pumpengehäuse den Lagersitz für den Außenrotor der Transversalflussmaschine bereitstellt, ist eine dichte Nebeneinanderordnung von Pumpe und elektrischer Maschine erreicht, was insgesamt zu der sehr kompakten Bauweise der erfindungsgemäßen Pumpeneinrichtung führt.
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Die Pumpeneinrichtung nach der Erfindung erlaubt im Ergebnis eine von der Drehzahl von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Außenrotor unabhängige Drehzahleinstellung des Pumpenrades. Damit kann die Förderleistung der Pumpe unabhängig vom Verbrennungsmotor eingestellt werden, so dass eine Kühlung des Verbrennungsmotors optimiert auf dessen momentanen Belastungszustand eingestellt werden kann. Typischerweise wird ein Verbrennungsmotor, wie er beispielsweise in Arbeitsmaschinen zum Einsatz kommt, zu 80% nicht mit Volllast betrieben. Außerhalb eines Volllastbetriebes bedarf es keiner auf den Volllastbetrieb ausgerichteten Kühlung des Verbrennungsmotors. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung erlaubt dies zu ermöglichen, da die Drehzahl des Pumpenrades in vorbeschriebener Weise variabel und wahlweise einstellbar ist. Damit ist eine an den momentanen Lastbetrieb des Verbrennungsmotors optimierte Kühlung möglich.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen
- 1 in einem schematischen Längsschnitt die erfindungsgemäße Transversalflussmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 in einem schematischen Querschnitt die Transversalflussmaschine gemäß Schnittlinie A nach 1;
- 3 in einem schematischen Längsschnitt die erfindungsgemäße Transversalflussmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 4 in einem schematischen Längsschnitt die erfindungsgemäße Transversalflussmaschine gemäß einer dritten Ausführungsform;
- 5 in einem schematischen Querschnitt die Transversalflussmaschine nach 4 und
- 6 in einer schematischen Explosionsdarstellung die erfindungsgemäße Transversalflussmaschine nach 4.
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1 zeigt in einer prinzipiellen Darstellung den oberen Teil einer Transversalflussmaschine 1 nach der Erfindung in einem Längsschnitt. Dabei zeigt 1 eine erste Ausführungsform.
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Die Transversalflussmaschine 1 nach 1 verfügt über eine Rotorwelle 2. Auf dieser Rotorwelle 2 ist verdrehfest ein Innenrotor 3 angeordnet. Diese verdrehfeste Anordnung bedingt, dass im Falle einer Verdrehbewegung des Innenrotors 3 auch die Rotorwelle 2 mitverdreht.
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Die Transversalflussmaschine 1 verfügt des Weiteren über einen Außenrotor 4. Dieser ist als Ringteil ausgebildet und umgibt den Innenrotor 3 ringförmig. In einem Überdeckungsbereich 26 von Innenrotor 3 und Außenrotor 4 ist ein in Umfangsrichtung umlaufender Ringraum 25 vorgesehen. Innerhalb dieses Ringraums 25 sind Permanentmagnete 7 angeordnet. Gemäß der nach 1 gezeigten Ausführungsform sind die Permanentmagnete 7 innenrotorseitig des Außenrotors 4 am Außenrotor 4 angeordnet, wobei sie in magnetischer Wirkverbindung mit dem Innenrotor 3 stehen.
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Es ist des Weiteren ein feststehender Stator 5 vorgesehen, der eine in Umfangsrichtung der Rotorwelle 2 gewickelte Statorspule 6 bereitstellt. Im Falle einer Bestromung der Statorspule 6 ergibt sich ein sich transversal erstreckendes und auf den Innenrotor 3 einwirkendes Magnetfeld.
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Die Querschnittsdarstellung nach 2 lässt die Anordnung der Permanentmagnete 7 näher erkennen. Wie sich aus der Darstellung nach 2 ergibt, verfügt der Außenrotor 4 über Pole 10 und Freiräume 11, die sich in Umfangsrichtung einander abwechseln. Dabei nimmt ein jeder Freiraum 11 einen Permanentmagneten 7 auf.
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Im bestimmungsgemäßen Verwendungsfall wird der Außenrotor 4 durch einen Verbrennungsmotor angetrieben, beispielsweise unter Zwischenschaltung eines Riemens als Kraftübertragungsmittel. Zu diesem Zweck ist der Außenrotor 4 mit einer entsprechenden Riemenauflage 29 ausgerüstet. Aufgrund der zwischen dem Außenrotor 4 und dem Innenrotor 3 angeordneten Permanentmagnete 7 wird der Innenrotor 3 vom Außenrotor 4 mitgeschleppt und beide Rotoren 3 bzw. 4 verdrehen um die von der Rotorwelle 2 bereitgestellte Drehachse 30.
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Erfolgt nun eine Bestromung der Statorspule 6, so führt dies zur Ausbildung eines auf den Innenrotor 3 einwirkenden elektromagnetischen Feldes, was je nach Bestromungsrichtung dem Magnetfeld der Permanentmagneten entgegenwirkt. Es wird so ein magnetisches Gegenfeld geschaffen, das wie ein Bremsmoment auf den Innenrotor 3 einwirkt. Die Drehzahl des Innenrotors 3 kann damit unabhängig von der Drehzahl des Außenrotors 4 durch eine entsprechende Bestromung der Statorspule 6 wahlweise eingestellt werden.
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Eine zu den 1 und 2 alternative Ausführungsform ist in 3 gezeigt.
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Wie die Darstellung nach 3 erkennen lässt, ermöglicht die in 3 gezeigte Ausführungsform eine kompaktere Bauweise. Dies ist dadurch erreicht, dass der Stator 5 und der Innenrotor 3 in Längsrichtung vertauscht angeordnet sind, d.h. der Stator 5 ist mit Bezug auf die Zeichnungsebene nach 3 rechts und der Innenrotor 3 links angeordnet. Ansonsten ist die Funktionsweise identisch.
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Gemäß der Ausführungsform nach 3 verfügt der Außenrotor 4 auf seiner dem Innenrotor 3 zugewandten Stirnseite über einen ringförmig umlaufenden Schlitz 27. In diesen Schlitz 27 greift ein ebenfalls ringförmig umlaufender Ringfortsatz 28 des Innenrotors 3 ein. Es ist so der Überdeckungsbereich 26 zwischen Innenrotor 3 und Außenrotor 4 gebildet.
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Im Ringraum 25 zwischen dem Außenrotor 4 und dem Innenrotor 3 sind in der schon vorbeschriebenen Weise Permanentmagnete 7 angeordnet, und zwar innenrotorseitig des Außenrotors 4 am Außenrotor 4.
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Wie 1 erkennen lässt, ist jeweils ein Luftspalt 8 bzw. 9 zwischen dem Außenrotor 4 und dem Stator 5 einerseits und dem Stator 5 und dem Innenrotor 3 andererseits vorgesehen. Diese Spalte 8 bzw. 9 sind getreppt ausgebildet, um einen vergleichmäßigten Magnetfluss in den Innenrotor 3 bewirken zu können. Einen ebenfalls getreppt ausgebildeten Luftspalt 23 zeigt auch die Ausführungsform nach 3.
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Im Unterschied zur Ausführungsform nach den 1 und 2 bedingt die Konstruktion nach 3 einen zusätzlichen Luftspalt 12 zwischen dem Innenrotor 3 und dem Außenrotor 4. Dieser zusätzliche Luftspalt 12 beeinträchtigt den im Bestromungsfall wünschenswerterweise zu erzielenden Magnetfluss. Um hier Abhilfe zu schaffen, wird gemäß der besonders bevorzugten Ausführungsform nach den 4 bis 6 eine weitere Reihe an Permanentmagneten 18 vorgeschlagen, die außenrotorseitig des Innenrotors 3 am Innenrotor 3 angeordnet sind, wie dies insbesondere die Darstellung nach 5 erkennen lässt.
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Wie insbesondere eine Zusammenschau der 4 und 6 zeigt, kommt gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Außenrotor 4 zum Einsatz, der über einen Rotorkörper 24 und einen Ringkörper 16 verfügt. Dabei ist der Ringkörper 16 stirnseitig des Rotorkörpers 24 am Rotorkörper 24 angeordnet. In schon vorbeschriebener Weise trägt der Ringkörper 16 die Permanentmagnete 7, wobei diese innenseitig, d.h. innenrotorseitig am Ringkörper 16 angeordnet sind.
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Der Innenrotor 3 ist mit einem Ringfortsatz 28 ausgerüstet. Dieser greift in einen korrespondierend ausgebildeten Schlitz 27 des Außenrotors 4 im endmontierten Zustand ein. Dieser Ringfortsatz 28 trägt auf seiner Innenseite, d.h. auf seiner dem Außenrotor 4 zugewandten Seite weitere Permanentmagnete 18. Damit ist im Unterschied zur Ausführungsform nach 3 der Luftspalt 12 ebenfalls mit Permanentmagneten bestückt.
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5 lässt in diesem Zusammenhang ferner erkennen, dass Innenrotor 3 innenseitig Pole 22 und Freiräume 21 aufweist, die sich einander in Umfangsrichtung abwechseln. Dabei dienen die Freiräume 21 der jeweiligen Aufnahme eines Permanentmagnetens 18.
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Stirnseitig ist die Transversalflussmaschine 1 mittels eines Deckels 19 verschlossen, der mit dem Außenrotor 4 beispielsweise mittels Schrauben 20 verschraubt ist, die in Bohrungen 17 des Ringkörpers 16 eingreifen.
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Die 4 und 6 lassen noch den Deckel 13 eines Pumpengehäuses einer in den Figuren nicht näher dargestellten Pumpe erkennen. Maschinenseitig stellt der Deckel 13 einen Achsfortsatz 14 bereit. Auf diesem ist unter Zwischenordnung von Lagern 15 der Außenrotor 4 verdrehbar gelagert.
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Die Rotorwelle 2, auf welcher der Innenrotor 3 verdrehfest angeordnet ist, durchragt den Achsfortsatz 14 und reicht bis in das Pumpengehäuse der Pumpe. Dort befindet sich das Pumpenrad, das auf der Rotorwelle 2 verdrehfest angeordnet ist. Eine Verdrehbewegung des Innenrotors 3 führt mithin zu einer Verdrehbewegung auch der Rotorwelle 2 und damit auch zu einer Verdrehbewegung des vom Pumpengehäuse beherbergten Pumpenrads.
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Im bestimmungsgemäßen Anwendungsfall erfolgt eine Verdrehbewegung des Außenrotors 4 mittels eines in den Figuren nicht näher dargestellten Verbrennungsmotors. Die vom Außenrotor 4 bereitgestellten Permanentmagnete 7 einerseits sowie die vom Innenrotor 3 bereitgestellten Permanentmagnete 18 andererseits bewirken ein Mitverdrehen des Innenrotors 3 einschließlich der Rotorwelle 2, auf welcher der Innenrotor 3 verdrehfest angeordnet ist. Dies führt zu einer Verdrehbewegung auch des Pumpenrades so dass die Pumpe in bestimmungsgemäßer Weise Wasser als Kühlmittel für den Verbrennungsmotor fördert
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Mittels der Statorspule 6 kann durch eine entsprechende Bestromung ein Gegenfeld angelegt werden, was die Verdrehbewegung des Innenrotors 3 abbremst. Es lässt sich so in Abhängigkeit der Statorspulenbestromung die Drehzahl der Rotorwelle 2 und damit auch die Drehzahl des damit in Wirkverbindung stehenden Pumpenrades wahlweise variable einstellen, was es gestattet, die Förderleistung der Pumpe auf die momentane Betriebslast des Verbrennungsmotors optimiert einzustellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Transversalflussmaschine
- 2
- Rotorwelle
- 3
- Innenrotor
- 4
- Außenrotor
- 5
- Stator
- 6
- Statorspule
- 7
- Permanentmagnet
- 8
- Luftspalt
- 9
- Luftspalt
- 10
- Pol
- 11
- Freiraum
- 12
- Luftspalt
- 13
- Deckel Pumpengehäuse
- 14
- Achsfortsatz
- 15
- Lager
- 16
- Ringkörper
- 17
- Bohrung
- 18
- Permanentmagnet
- 19
- Deckel
- 20
- Schraube
- 21
- Freiraum
- 22
- Pol
- 23
- Luftspalt
- 24
- Rotorkörper
- 25
- Ringraum
- 26
- Überdeckungsbereich
- 27
- Schlitz
- 28
- Ringfortsatz
- 29
- Riemenaufnahme
- 30
- Drehachse
