EP3050197A2 - Baukastensystem und verfahren zur herstellung einer elektromaschine - Google Patents

Baukastensystem und verfahren zur herstellung einer elektromaschine

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Publication number
EP3050197A2
EP3050197A2 EP14744120.8A EP14744120A EP3050197A2 EP 3050197 A2 EP3050197 A2 EP 3050197A2 EP 14744120 A EP14744120 A EP 14744120A EP 3050197 A2 EP3050197 A2 EP 3050197A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
modular system
electric
electric machine
permanent magnets
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14744120.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Norbert Martin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3050197A2 publication Critical patent/EP3050197A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/0006—Disassembling, repairing or modifying dynamo-electric machines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/02—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
    • H02K15/03—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies having permanent magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/12—Machines characterised by the modularity of some components

Definitions

  • the present invention relates to a modular system for forming at least a first electric machine and at least one second electric machine of different power and a method for producing an electric machine using such a modular system.
  • Battery powered, electrically powered two-wheeled vehicles are legally classified into various type classes that differ in the performance of the electric drive.
  • electrically powered two-wheeled vehicles of the type class L1 e may carry a maximum of up to 4 kW, while those of the type class L3e may have a maximum power of up to 1 1 kW.
  • Two-wheeled vehicles of the class L1 e are often operated with gearless wheel hub motors in the rear wheel. These are usually brushless, electrically commutated electric motors in a version as PMSM electric motors (with sinusoidal BACK EMF) or BLDC electric motors (with rectangular back EMF). With regard to their construction, these electric motors regularly have an axle-fixed stator with a high number of slots (regularly> 51), while the rotor is an integral part of the rim.
  • the rotor typically has a ring of rare earth permanent magnets mounted on an iron yoke ring (regularly ⁇ 46). The amount of rare earth magnets used is regularly approx.
  • a modular system for forming at least one first electric machine and at least one second electric machine of different power wherein the electric machines are designed as internal rotor with an external stator and an internal rotor having permanent magnets.
  • the stators for the electric machines are identical at least in terms of their inner diameter, while the rotor of the first electric machine has ferrite magnets and the rotor of the second electric machine has rare earth magnets.
  • the stators of the modular system can also be identical in terms of the geometry of the connection sites, via which the stators can be integrated into supporting structures, for example frames or rear-wheel swing of two-wheeled vehicles.
  • the stators of the modular system are completely identical or at least except their axial length completely identical.
  • the modular system makes it possible to design electric machines of different power without relevant changes to the basic topology and geometry of the stators and rotors used for this purpose.
  • a method for producing an electric machine using such a modular system thus provides that at least the rotor is selected based on the intended power of the electric machine.
  • Modular system for example, two electric machines can be provided, the stators are completely identical and their rotors differ only in the use of different permanent magnets.
  • two differently powerful electric machines can be realized in a simple manner. Since identical stators and with the exception of the permanent magnets used identical rotors is used, the investment in manufacturing facilities and possibly also storage costs compared to the already existing modular systems, in which the different benefits over an axial length scaling of stator and rotor is realized reduced become. In particular, these savings can be so high that additional costs incurred by the use of regularly comparatively expensive rare earths for the permanent magnets of an electric machine are overcompensated.
  • a particularly large and thus advantageous scaling of the power range which can be covered by the electrical machines of the modular system can be achieved by combining the power change based on the use of different types of permanent magnets with a power change via an axial scaling. Accordingly, a plurality of first electric machines and / or a plurality of second electric machines may be provided, which differ in their axial length and thus also have different powers.
  • two groups of electric machines differing in the type of permanent magnets used can be provided, with the electric machines of one or preferably both groups again differing in terms of their performance as a result of length scaling.
  • the power adjustment via the length scaling has the advantage of a fundamentally stepless and therefore arbitrary adaptation within the scope of the basic topology and geometry of the stator and rotor as well as by the respective
  • Type of permanent magnets used limited power ranges.
  • the additional production costs associated with the axial length scaling of the stators and rotors are comparatively low.
  • the integration of the length-scaled electrical machines into the intended environment for example a frame or a frame Rear swing arm of a two-wheeled vehicle, possible, without which would be associated with additional effort.
  • the factor with which the length scaling takes place in the axial direction for the first electric machines and / or second electric machines is between two and three.
  • the axial length of the longest electric machine of a group (first or second electric machines) is two to three times the axial length of the shortest electric machine of this group.
  • this factor range a length scaling of an otherwise (largely) unchanged electric machine with an acceptable difference in efficiency can be realized.
  • this horrnskal ists Kunststoff a meaningful transition can be achieved with respect to the covered by the two groups power ranges. For example, by means of the first, primarily serving as electric motors electric machines, a power range of approx.
  • a method for producing an electric machine using such a length-scalable modular system can provide that first the type of rotor resulting from the type of permanent magnets used and then a length of the stator and / or the rotor corresponding to the intended power of the electric machine are selected ,
  • the rotors of both electric machines have a spoke arrangement of their permanent magnets, wherein the preferably rod-shaped permanent magnets are aligned with a (preferably the largest) longitudinal extent radially relative to the respective axis of rotation of the rotor and the north pole south pole Connections of the permanent magnets perpendicular to the respective radial orientation. It may be particularly preferred that the polarity of adjacent permanent magnets is opposite.
  • Such a spoke arrangement of the permanent magnets can in particular have advantages in the case of a planned length scaling of the electric machines that can be produced from the two groups of the modular system.
  • the modular system is particularly suitable for the design of electric machines with an operating voltage range of ⁇ 60 V (DC). If the electric machines are provided as electric motors for driving vehicles, in particular two-wheeled vehicles, they can be designed or used in particular as cooled by a running wind.
  • FIG. 1 shows an electric motor formed from a modular system according to the invention
  • Figure 2 is a schematic cross-sectional view through the
  • Figures 1 and 2 show the structure of an electric motor, which is formed of a stator 1 and a rotor 2 of a modular system according to the invention.
  • the outer, annular stator 1 has twelve stator slots, which are formed between twelve stator teeth 3. In known manner coils (not shown) wound around the stator teeth 3 in single-tooth windings are arranged in the stator slots.
  • the rotor 2 has ten rod-shaped permanent magnets 4 in one
  • the permanent magnets 4 are in a so-called buried arrangement, i. these are arranged completely in depressions or pockets of a rotor base body 6 consisting of a return material. It may optionally be provided that in the radial direction on at least one side of the permanent magnets 4 between these and the return material air pockets are formed (not shown). As a result, magnetic leakage flux between adjacent permanent magnets 4 can be minimized.
  • the stator 1 according to FIG. 1 still has a housing 7.
  • This housing 7 is provided with connecting flanges 8, by means of which the electric motor can be connected to a supporting structure in order to support the torque generated thereby.
  • the connection flanges connection points in Have form of holes 9, which can be used for screwing with the supporting structure.
  • the electric motor is suitable as radnah arranged low-voltage drive motor for a battery-electrically powered two-wheeled vehicle, which may be combined with a transmission, in particular reduction gear that can connect directly to the electric motor.
  • the electric motor is also suitable as an attached to a vehicle frame of the two-wheeled vehicle drive motor, which may be formed in particular without or with integrated partial transmission.
  • the illustrated electric motor is suitable for driving a two-wheeled vehicle with a nominal power located within the legally prescribed homologation limits of 4 kW to 1 1 kW in the European Union.
  • the design of the electric motor with twelve stator slots and five pole pairs has a comparatively high winding factor of 94%. This leads to the intended use sufficiently low cogging torques.
  • a modular system is provided that provides various rotors 1 and stators 2 that can be combined with one another to obtain an electric motor of the required rated power.
  • the geometry and the topology (including the winding scheme) for all stators 1 (including the housing 7 and in particular the connection points) of the modular system with the (for at least some of the stators 1 applicable) exception of the axial (ie in the direction of Rotation axis 5 directed) length (in particular of the stator teeth 3 and the wound around these coils) is identical.
  • the rotors 2 of the modular system which are also identical in terms of their geometry and topology with the (for at least some of the rotors 2 applicable) exception of the axial length.
  • the rotors 2 are divided into two groups, which differ with respect to the type of permanent magnets 4 used. While in the first group permanent mag- te 4 made of a ferrite material (hereinafter “ferrite”) are used for the rotors of the second group permanent magnets 4 from a rare earth comprising material (hereinafter “rare earth magnets”), specifically Nd 2 Fei 4 B, provided.
  • ferrite a rare earth comprising material
  • an electric motor with ferrite magnets can be formed, which has an operating voltage of 50.5 V, an outer diameter of the stator of 120 mm, an outer diameter of the rotor of 65 mm and an axial packet length
  • a power of about 1 1 kW with a maximum torque of about 41, 2 Nm can be achieved. This corresponds to a power increase by a factor of 2.75 and a torque increase by a factor of about 2.73.
  • Both electric motors would also have approximately the same engine mass (about 7410 g), active mass (about 5630 g) and mass of copper used (about 1490 g). Only the masses of magnetic material used would be different, using 450 grams of ferrite material and 350 grams of rare earth material.
  • the smaller dimensions of the rare earth magnets also resulting from the lower mass of rare earth material used compared to the ferrite magnets can be compensated for by the use of a filling material, so that the total weight is the same for both electric motors.
  • a significant advantage of using the filling material is that the dimensions of the pockets of the rotor base body 6 can be identical for all rotors 2 present in the modular system. Accordingly, only one embodiment of the rotor base body 6 must be provided for the modular system.
  • a peculiarity of the geometry and topology of the electric motors which can be formed from the modular system is the pronounced salience, ie the pronounced difference of the virtual inductances L d and L q with respect to a rotor-fixed coordinate system the difference of the virtual
  • FIG. 3 shows a diagram which, by way of example, represents the course of the inductance L of the electric motor over the rotational speed n.
  • phase retarding which can be used both to improve the efficiency in this area and to achieve a temporary power increase, a so-called boost power Electric motor driven two-wheeled vehicle to climb on a curb are used.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

Ein Baukastensystem zur Ausbildung von mindestens einer ersten Elektromaschine und mindestens einer zweiten Elektromaschine unterschiedlicher Leistung, wobei die Elektromaschinen als Innenläufer mit einem außenliegenden Stator (1) und einem innenliegenden, Permanentmagnete (4) aufweisenden Rotor (2) ausgebildet sind, ist durch Statoren (1) gekennzeichnet, die für die Elektromaschinen zumindest hinsichtlich ihrer Innendurchmesser identisch sind, während der Rotor (2) der ersten Elektromaschine Ferritmagnete und der Rotor (2) der zweiten Elektromaschine Seltenerdmagnete aufweist.

Description

Beschreibung
Baukastensystem und Verfahren zur Herstellung einer Elektromaschine Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Baukastensystem zur Ausbildung von mindestens einer ersten Elektromaschine und mindestens einer zweiten Elektromaschine unterschiedlicher Leistung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Elektromaschine unter Nutzung eines solchen Baukastensystems.
Stand der Technik Batteriebetriebene, elektrisch angetriebene Zweiradfahrzeuge werden gesetzlich in verschiedene Typklassen eingeordnet, die sich hinsichtlich der Leistung des Elektroantriebs unterscheiden. Elektrisch angetriebene Zweiradfahrzeuge der Typklasse L1 e beispielsweise dürfen maximal bis zu 4 kW leisten, während solche der Typklasse L3e eine Maximalleistung von bis zu 1 1 kW aufweisen dürfen.
Zweiradfahrzeuge der Typklasse L1 e werden häufig mit getriebelosen Radnabenmotoren im Hinterrad betrieben. Dabei handelt es sich regelmäßig um bürstenlose, elektrisch kommutierte Elektromotoren in einer Ausführung als PMSM- Elektromotoren (mit sinusförmiger BACK-EMF) oder BLDC-Elektromotoren (mit rechteckförmiger Back-EMF). Hinsichtlich Ihres Aufbaus weisen diese Elektromotoren regelmäßig einen achsfesten Stator mit hoher Nutzahl (regelmäßig > 51 ) auf, während der Rotor unmittelbarer Bestandteil der Felge ist. Dabei weist der Rotor typischerweise einen auf einen eisernen Rückschlussring montierten Kranz von Permanentmagneten aus Seltenen Erden in hoher Polzahl (regelmäßig < 46) auf. Die verwendete Menge an Seltenerdmagneten beträgt dabei regelmäßig ca.
450 g und trägt dadurch zu einem Großteil zu den Gesamtkosten des elektri- sehen Antriebs bei. Infolge der hohen Materialkosten für die Seltenerdmagnete sind derartige Bauformen für Elektromotoren, die als Antrieb für Zweiradfahrzeuge genutzt werden, auf regelmäßig 2 kW Maximalleistung begrenzt.
Alternativ finden sich bei Batterie-elektrischen Zweiradantrieben auch solche, die die Antriebsleistung über ein Untersetzungsgetriebe auf das angetriebene Rad übertragen. Bei fahrzeugrahmenfester Anbindung des Elektromotors erfolgt die Untersetzung regelmäßig über mehrstufige Riemen- oder Kettenantriebe beziehungsweise Kombinationen aus diesen, gegebenenfalls noch in weiterer Kombination mit einem Zahnradgetriebe. Bei radnaher Anordnung der Elektromotoren kommen dagegen vielfach ausschließlich Zahnradgetriebe in Ausführungen als Stirnrad- oder Planetengetriebe zum Einsatz.
Viele elektrisch angetriebene Zweiradfahrzeuge werden mit verschiedenen Antriebsleistungen angeboten, wobei entsprechend unterschiedlich leistungsfähige Elektromotoren in denselben Fahrzeugrahmen verbaut werden. Für solche Zweiradfahrzeuge wäre es vorteilhaft, entsprechend leistungsmäßig abgestufte Elektroantriebe bereit zu stellen, die bei gleichem Funktionskonzept auch einen im Wesentlichen gleichen Aufbau aufweisen, so dass für deren Integration keine oder nur minimale Anpassungen des Fahrzeugrahmens erforderlich sind. Weiterhin wäre es vorteilhaft, wenn es möglich wäre, die verschiedenen Elektroantriebe in einem großen Drehmomentbereich skalieren zu können, ohne dabei den Drehzahlbereich zu verändern. Eine Anpassung der Höchstgeschwindigkeit der mit den verschiedenen Elektroantrieben ausgestatteten Fahrzeuge könnte dann über Änderungen der Untersetzungsverhältnisse erfolgen.
Es gibt Baukastensysteme für rotierende Elektromaschinen, bei denen die Leistungen der verschiedenen, anhand des Baukastensystems ausbildbaren Elektromaschinen bis zu einem Faktor von ca. 2 über deren axiale Länge skaliert, d.h. verändert werden können. Sollen Elektromaschinen einer Baureihe dagegen eine darüber hinaus gehende Leistungsskalierung aufweisen, sind neben der Anpassung der axialen Länge noch Anpassungen der Maschinentopologie und insbesondere der geometrischen Abmessungen erforderlich. Dies ist üblicherweise mit hohen Investitionen in Werkzeuge und Fertigungsanlagen verbunden. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben, in kostengünstiger weise eine Baureihe von Elektromaschinen, insbesondere Elektromotoren für den Antrieb von Zweiradfahrzeugen, zur Verfügung zu stellen, die in einem vergleichsweise großen Leistungsbereich, insbesondere zwischen 1 ,5 kW und 1 1 kW, skalierbar sind.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Baukastensystem gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Baukastensystem zur Ausbildung von mindestens einer ersten Elektromaschine und mindestens einer zweiten Elektromaschine unterschiedlicher Leistung vorgesehen, wobei die Elektromaschinen als Innenläufer mit einem außenliegenden Stator und einem innenliegenden, Permanentmagnete aufweisenden Rotor ausgebildet sind. Die Statoren für die Elektromaschinen sind zumindest hinsichtlich ihrer Innendurchmesser identisch, während der Rotor der ersten Elektromaschine Ferritmagnete aufweist und der Rotor der zweiten Elektromaschine Seltenerdmagnete aufweist.
Die Statoren des Baukastensystems können weiterhin auch noch hinsichtlich der Geometrie der Anbindungsstellen, über die die Statoren in tragende Strukturen, beispielsweise Rahmen oder Hinterradschwingen von Zweiradfahrzeugen, integrierbar sind, identisch sein. Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Statoren des Baukastensystems vollständig oder zumindest mit Ausnahme ihrer axialen Länge vollständig identisch sind.
Das Baukastensystem ermöglicht die Ausgestaltung von Elektromaschinen unterschiedlicher Leistung ohne relevante Änderungen an der grundlegenden To- pologie und Geometrie der dazu genutzten Statoren und Rotoren. Ein Verfahren zur Herstellung einer Elektromaschine unter Nutzung eines solchen Baukastensystems sieht demnach vor, dass zumindest der Rotor anhand der vorgesehenen Leistung der Elektromaschine ausgewählt wird. In einer konstruktiv einfachen und daher kostengünstigen Ausgestaltung des
Baukastensystems können beispielsweise zwei Elektromaschinen vorgesehen sein, deren Statoren vollständig identisch sind und deren Rotoren sich lediglich in der Verwendung unterschiedlicher Permanentmagnete unterscheiden. Dadurch können auf einfache Weise zwei unterschiedlich leistungsfähige Elektromaschi- nen realisiert werden. Da dabei auf identische Statoren und mit Ausnahme der eingesetzten Permanentmagnete identische Rotoren zurückgegriffen wird, können die Investitionen in Fertigungsanlangen und gegebenenfalls auch Lagerhaltungskosten gegenüber den bereits existierenden Baukastensystemen, bei denen die unterschiedlichen Leistungen über eine axiale Längenskalierung von Sta- tor und Rotor realisiert wird, reduziert werden. Diese Einsparungen können insbesondere auch so hoch sein, dass Mehrkosten, die durch die Verwendung von regelmäßig vergleichsweise teuren Seltenen Erden für die Permanentmagnete der einen Elektromaschine entstehen, überkompensiert werden. Eine besonders große und damit vorteilhafte Skalierung des von den Elektromaschinen des Baukastensystems abdeckbaren Leistungsbereichs kann dadurch erreicht werden, dass die auf der Verwendung unterschiedlicher Arten von Permanentmagneten basierende Leistungsänderung mit einer Leistungsänderung über eine axiale Skalierung kombiniert wird. Demnach können mehrere erste Elektromaschinen und/oder mehrere zweite Elektromaschinen vorgesehen sein, die sich in ihrer axialen Länge unterscheiden und dadurch ebenfalls unterschiedliche Leistungen aufweisen.
Es können somit zwei sich durch die Art der verwendeten Permanentmagnete unterscheidende Gruppen von Elektromaschinen vorgesehen sein, wobei sich die Elektromaschinen einer oder vorzugsweise beider Gruppen wiederum infolge einer Längenskalierung hinsichtlich ihrer Leistung unterscheiden. Dabei weist die Leistungsanpassung über die Längenskalierung den Vorteil einer grundsätzlich stufenlosen und daher beliebigen Anpassungen innerhalb der durch die grundle- gende Topologie und Geometrie von Stator und Rotor sowie durch die jeweilige
Art der verwendeten Permanentmagnete beschränkten Leistungsbereiche auf. Gleichzeitig sind die zusätzlichen Herstellungskosten, die mit der axialen Längenskalierung der Statoren und Rotoren verbunden sind, vergleichsweise gering Zudem ist, da keine Änderungen bezüglich der Anbindungsstellen vorgesehen sind, die Integration auch der längenskalierten Elektromaschinen in die vorgese- hen Umgebung, beispielsweise einen Rahmen oder eine Hinterradschwinge eines Zweiradfahrzeugs, möglich, ohne das damit ein Zusatzaufwand verbunden wäre.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Baukastensystems kann vorgesehen sein, dass der Faktor, mit dem die Längenskalierung in axialer Richtung für die ersten Elektromaschinen und/oder zweiten Elektromaschinen erfolgt, zwischen zwei und drei beträgt. Demnach beträgt die axiale Länge der längsten Elektromaschine einer Gruppe (erste oder zweite Elektromaschinen) das zwei- bis dreifache der axialen Länge der kürzesten Elektromaschine dieser Gruppe. In die- sem Faktorbereich ist eine Längenskalierung von im Übrigen (weitgehend) unveränderten Elektromaschine mit akzeptablem Wirkungsgradunterschied realisierbar. Zudem kann mit diesem Längenskalierungsbereich ein sinnvoller Übergang hinsichtlich der von den beiden Gruppen abgedeckten Leistungsbereiche erreicht werden. Beispielsweise kann dadurch mittels der ersten, primär als Elektromotoren dienenden Elektromaschinen ein Leistungsbereich von ca.
1 ,5 kW bis ca. 4 kW sowie mittels der zweiten, ebenfalls primär als Elektromotoren dienenden Elektromaschinen ein Leistungsbereich von ca. 4 kW bis ca. 1 1 kW abgedeckt werden. Insgesamt ergibt sich somit bei mit Ausnahme der axialen Länge identischer Geometrie und Topologie (einschließlich des Wickel- Schemas der Statorspulen) eine Leistungsskalierbarkeit der Elektromaschinen des Baukastensystem mit einem Faktor größer sieben. Dabei kann es sinnvoll sein, den Feldschwächbereich von zumindest einigen der aus dem Baukastensystem herstellbaren Elektromaschinen zu nutzen, um diese (Gesamt- )Leistungsskalierbarkeit zu erzielen.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Elektromaschine unter Nutzung eines solchen längenskalierbaren Baukastensystems kann vorsehen, dass zunächst die sich aus der Art der verwendeten Permanentmagnete ergebende Art des Rotors und anschließend eine der vorgesehenen Leistung der Elektromaschine entspre- chende Länge des Stators und/oder des Rotors ausgewählt wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Baukastensystems kann vorgesehen sein, das die Rotoren beider Elektromaschinen eine Speichenanordnung ihrer Permanentmagnete aufweisen, wobei die vorzugsweise stabförmigen Permanentmagnete mit einer (vorzugsweise der größten) Längserstreckung radial bezogen auf die jeweilige Rotationsachse des Rotors ausgerichtet sind und die Nordpol-Südpol-Verbindungen der Permanentmagnete senkrecht zu der jeweiligen radialen Ausrichtung verlaufen. Dabei kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass die Polung benachbarter Permanentmagnete entgegengesetzt ist. Eine solche Speichenanordnung der Permanentmagnete kann insbesondere Vorteile bei einer vorgesehenen Längenskalierung der aus den beiden Gruppen des Baukastensystems herstellbaren Elektromaschinen aufweisen.
Das Baukastensystem eignet sich insbesondere zur Ausbildung von Elektromaschinen mit einem Betriebsspannungsbereich von < 60 V (Gleichspannung). Sofern die Elektromaschinen als Elektromotoren für einen Antrieb von Fahrzeugen, insbesondere Zweiradfahrzeugen, vorgesehen sind, können diese insbesondere als durch Fahrtwind gekühlt ausgebildet beziehungsweise eingesetzt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen aus einem erfindungsgemäßen Baukastensystem ausgebildeten Elektromotor;
Figur 2 eine schematische Querschnittdarstellung durch den
Elektromotor der Fig. 1 ; und
Figur 3 den Verlauf der Differenz der virtuellen Induktivitäten
Ld - Lq (Vertikalachse) von zwei aus einem erfindungsgemäßen Baukasten ausgebildeten Elektromotoren über deren Drehzahlen (Horizontalachse). Beschreibung von Ausführungsformen
Die Figuren 1 und 2 zeigen den Aufbau eines Elektromotors, der aus einem Stator 1 und einem Rotor 2 eines erfindungsgemäßen Baukastensystems ausgebildet ist.
Der außenliegende, ringförmige Stator 1 weist zwölf Statornuten auf, die zwischen zwölf Statorzähnen 3 ausgebildet sind. In bekannter Weise sind in den Statornuten um die Statorzähne 3 in Einzelzahnwicklungen herumgewickelte Spulen (nicht dargestellt) angeordnet.
Der Rotor 2 weist zehn stabförmige Permanentmagnete 4 in einer
Speichenanordnung mit fünf Polpaaren auf. Die größte Längserstreckung der Permanentmagnet 4 ist somit jeweils in einer radialen Richtung bezüglich der Rotationsachse 5 des Rotors 2 ausgerichtet. Dabei ergibt sich eine zu der jeweiligen Radialrichtung senkrechte beziehungsweise eine zu einem um die Rotationsachse 5 gedachten Kreis tangentiale Ausrichtung der Nordpol-Südpol-Verbindungen der einzelnen Permanentmagnete 4. Diese Anordnung der Permanentmagnete 4 führt zu einer radial bezüglich der Rotationsachse 5 wirksamen Flusskonzentration sowie zu einer deutlich ausgeprägten Salienz.
Die Permanentmagnete 4 liegen in einer sogenannten vergrabenen Anordnung vor, d.h. diese sind vollständig in Vertiefungen beziehungsweise Taschen eines aus einem Rückschlussmaterial bestehenden Rotorgrundkörpers 6 angeordnet. Dabei kann gegebenenfalls vorgesehen sein, dass in radialer Richtung auf zumindest einer Seite der Permanentmagnete 4 zwischen diesen und dem Rückschlussmaterial Lufttaschen ausgebildet sind (nicht dargestellt). Dadurch können magnetische Streuflüsse zwischen benachbarten Permanentmagneten 4 minimiert werden.
Der Stator 1 weist gemäß der Fig. 1 noch ein Gehäuse 7 auf. Dieses Gehäuse 7 ist mit Anschlussflanschen 8 versehen, durch die der Elektromotor an eine tragende Struktur angebunden werden kann, um das von diesem erzeugte Drehmoment abzustützen. Hierzu können die Anschlussflansche Anschlussstellen in Form von Bohrungen 9 aufweisen, die für ein Verschrauben mit der tragenden Struktur genutzt werden können.
Beispielsweise eignet sich der Elektromotor als radnah angeordneter Niedervolt- Antriebsmotor für ein Batterie-elektrisch betriebenes Zweiradfahrzeug, wobei dieser mit einem Getriebe, insbesondere Untersetzungsgetriebe kombiniert sein kann, das sich direkt an den Elektromotor anschließen kann. Der Elektromotor eignet sich auch als an einem Fahrzeugrahmen des Zweiradfahrzeugs befestigter Antriebmotor, wobei dieser insbesondere ohne oder mit integriertem Teilgetriebe ausgebildet sein kann.
Besonders bevorzugt eignet sich der dargestellte Elektromotor zum Antrieb eines Zweiradfahrzeugs mit einer innerhalb der in der Europäischen Union gesetzlich festgelegten Homologationsgrenzen von 4 kW bis 1 1 kW befindlichen Nennleistung. Die Ausgestaltung des Elektromotors mit zwölf Statornuten und fünf Polpaaren weist mit 94% einen vergleichsweisen hohen Wickelfaktor auf. Dies führt zu für die vorgesehene Verwendung ausreichend geringen Rastmomenten.
Um in vorteilhafter Weise Elektromotoren bereitzustellen, die mehrere Leistungsstufen innerhalb dieser Homologationsgrenzen abdecken, ist ein Baukastensystem vorgesehen, dass verschiedene Rotoren 1 und Statoren 2 bereitstellt, die miteinander kombiniert werden können, um einen Elektromotor mit der jeweils geforderten Nennleistung zu erhalten.
Dabei ist vorgesehen, dass die Geometrie und die Topologie (einschließlich des Wicklungsschemas) für alle Statoren 1 (einschließlich des Gehäuses 7 und insbesondere der Anschlussstellen) des Baukastensystems mit der (für zumindest einige der Statoren 1 geltenden) Ausnahme der axialen (d.h. in Richtung der Rotationsachse 5 gerichteten) Länge (von insbesondere den Statorzähnen 3 sowie der um diese gewickelten Spulen) identisch ist.
Gleiches gilt für die Rotoren 2 des Baukastensystems, die ebenfalls hinsichtlich ihrer Geometrie und Topologie mit der (für zumindest einige der Rotoren 2 geltenden) Ausnahme der axialen Länge identisch sind. Zudem sind die Rotoren 2 in zwei Gruppen unterteilt, die sich hinsichtlich der Art der verwendeten Permanentmagnete 4 unterscheiden. Während in der ersten Gruppe Permanentmagne- te 4 aus einem Ferritmaterial (nachfolgend„Ferritmagnete") zum Einsatz kommen, sind für die Rotoren der zweiten Gruppe Permanentmagnete 4 aus einem Seltene Erden umfassenden Material (nachfolgend„Seltenerdmagnete"), konkret Nd2Fei4B, vorgesehen.
Infolge des stärkeren Magnetfelds von Seltenerdmagnete im Vergleich zu demjenigen von Ferritmagneten kann durch die Verwendung eines Rotors 2 mit Seltenerdmagneten eine im Vergleich zu einem im Übrigen identischen Rotor mit Ferritmagneten erhebliche Leistungssteigerung für den Elektromotor erzielt wer- den.
Beispielsweise kann mit der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Topologie ein Elektromotor mit Ferritmagneten ausgebildet werden, der bei einer Betriebsspannung von 50,5 V, einem Außendurchmesser des Stators von 120 mm, ei- nem Au ßendurchmesser des Rotors von 65 mm sowie einer axialen Paketlänge
(d.h. der axialen Länge, in der der Rotor 2 von den Spulen des Stators 1 überdeckt wird) eine Nennleistung von ca. 4 kW bei einem maximalen Drehmoment von ca. 15,1 Nm abgibt. Für einen mit Ausnahme der Verwendung von Seltenerdmagneten identischen Elektromotor kann dagegen eine Leistung von ca. 1 1 kW bei einem maximalen Drehmoment von ca. 41 , 2 Nm erzielt werden. Dies entspricht einer Leistungssteigerung um den Faktor 2,75 und einer Drehmomentsteigerung um einen Faktor von ca. 2,73. Beide Elektromotoren würden dabei auch in etwa die gleiche Motormasse (ca. 7410 g), aktive Masse (ca. 5630 g) und Masse an verwendetem Kupfer (ca. 1490 g) aufweisen. Lediglich die Massen an verwendetem Magnetmaterial wären unterschiedlich, wobei 450 g Ferritmaterial und 350 g Seltenerdmaterial eingesetzt würden. Die sich auch infolge der geringeren Masse an verwendetem Seltenerdmaterial ergebenden kleineren Abmessungen der Seltenerdmagnete im Vergleich zu den Ferritmagneten kann durch den Einsatz eines Füllmaterials ausgeglichen werden, so dass sich das für beide Elektromotoren gleiche Gesamtgewicht ergibt. Wesentlicher Vorteil bei der Verwendung des Füllmaterial ist, dass die Abmessungen der Taschen des Rotorgrundkörpers 6 für alle im Baukastensystem vorhandenen Rotoren 2 gleich ausgebildet sein können. Dementsprechend muss für das Baukastensystem auch nur eine Ausführungsform des Rotorgrundkörpers 6 bereitgestellt werden. Sofern in dem Baukastensystem zudem eine Längenskalierung über einen Faktor von ca. zwei für den Stator und beide Ausführungen des Rotors (Ferrit- und Seltenerdmagnete) vorgesehen ist, kann für die zuvor beschriebene Ausgestaltung der Elektromotoren mit den aufgezeigten Abmessungen ein Leistungsbe- reich für auf Ferritmagneten basierenden Elektromotoren von 1 ,5 kW bei einer
(minimalen) Paketlänge von ca. 37 mm bis zu den bereits beschriebenen 4 kW und für auf Seltenerdmagneten basierenden Elektromotoren ein Leistungsbereich von 4 kW bis zu den bereits beschriebenen 1 1 kW abgedeckt werden. Insgesamt ergibt sich somit für alle aus dem Baukastensystem ausbildbaren Elekt- romotoren ein abdeckbarer Leistungsbereich von 1 ,5 kW bis 1 1 kW, was einem
Skalierungsfaktor von ca. 7,33 entspricht, ohne dass damit wesentliche, die Herstellungskosten erhöhende Änderungen an den Statoren 1 und Rotoren2 einhergehen würden. Die Auswahl der jeweils einzusetzenden Art der Permanentmagnete 4 sowie die Ausgestaltung von Stator 1 und Rotor 2 mit der jeweils benötig- ten axialen Länge ist ohne wesentliche Erhöhung der Herstellungskosten und insbesondere ohne zusätzlich erforderliche Investitionen in Werkzeuge und Maschinen möglich. Weiterhin kann vorteilhaft sein, dass die Leistungsskalierung lediglich über eine Anpassung des Drehmoments erreicht wird, während das nutzbare Drehzahlband und die Kommutierungsfrequenzen gleich bleiben kön- nen.
Eine Besonderheit der hier beschriebenen Geometrie und Topologie der aus dem Baukastensystem ausbildbaren Elektromotoren liegt in der ausgeprägten Salienz (engl,„saliency"), d.h. dem ausgeprägten Unterschied der virtuellen Induktivitäten Ld und Lq bezogen auf ein rotorfestes Koordinatensystem. Hinzu kommt ein Vorzeichenwechsel hinsichtlich der Differenz der virtuellen
Induktivitäten (Ld - Lq) im Bereich des Übergangs vom Ankerstellbetrieb zum Feldschwächbetrieb für die auf Ferritmagneten basierenden Elektromotoren, wie dies in der Fig. 3 dargestellt ist. Figur 3 zeigt ein Diagramm, das beispielhaft den Verlauf der Induktivität L des Elektromotors über der Drehzahl n darstellt.
Üblicherweise gilt für Elektromotoren mit vergrabenen Magneten, dass
(Ld - Lq) < 0 ist. Da eine Vorkommutierung per Definition negative ld und positive lq erzeugt, ergibt sich für das Drehmoment durch Vorkommutierung („phase advancing") ein nutzbares Zusatzdrehmoment von (Ld - Lq) ■ ld ■ lq. Ein aus dem Baukastensystem ausgebildeter Elektromotor mit Ferritmagneten (vgl. durchgezogene Linie in der Figur 3) weist im Reluktanzbetrieb (Ld - Lq) > 0 mit erheblich größerem Beitrag als bei den Elektromotoren mit Seltenerdmagneten (vgl. gestrichelte Linie in der Figur 3) auf. Dies ermöglicht die Nutzung eines erheblichen Reluktanzmoments durch Nachkommutierung („phase retarding"), was sowohl zur Verbesserung des Wirkungsgrads in diesem Bereich als auch zum Erreichen einer temporären Leistungssteigerung, einer sogenannten Boostleistung, genutzt werden kann. Beispielsweise kann diese Boostleistung bei einem mit einem solchen Elektromotor angetriebenen Zweiradfahrzeug zum Aufklettern auf eine Bordsteinkante genutzt werden.

Claims

Ansprüche
1 . Baukastensystem zur Ausbildung von mindestens einer ersten Elektromaschine und mindestens einer zweiten Elektromaschine unterschiedlicher Leistung, wobei die Elektromaschinen als Innenläufer mit einem au ßenliegenden Stator (1 ) und einem innenliegenden, Permanentmagnete (4) aufweisenden Rotor (2) ausgebildet sind, gekennzeichnet durch Statoren (1 ), die für die Elektromaschinen zumindest hinsichtlich ihrer Innendurchmesser identisch sind, während der Rotor (2) der ersten Elektromaschine Ferritmagnete und der Rotor (2) der zweiten Elektromaschine Seltenerdmagnete aufweist.
2. Baukastensystem gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (2) der Elektromaschinen eine Speichenanordnung ihrer Permanentmagnete (4) aufweisen.
3. Baukastensystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere erste Elektromaschinen und/oder mehrere zweite Elektromaschinen, die sich in Ihrer axialen Länge unterscheiden und dadurch unterschiedliche Leistungen aufweisen.
4. Baukastensystem gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor, mit dem sich die axialen Längen der ersten Elektromaschinen und/oder der zweiten Elektromaschinen unterscheiden, zwischen 2 und 3 beträgt.
5. Verfahren zur Herstellung einer Elektromaschine unter Nutzung eines Baukastensystems gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (2) anhand einer vorgegebenen Leistung der Elektromaschine ausgewählt wird. Verfahren zur Herstellung einer Elektromaschine unter Nutzung eines Baukastensystems gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei zunächst die sich aus der Art der verwendeten Permanentmagnete (4) ergebende Art des Rotors (2) und anschließend eine der vorgesehenen Leistung der Elektromaschine entsprechende axiale Länge des Stators (1 ) und/oder des Rotors (2) ausgewählt wird.
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