EP4423877A1 - Elektrische axialflussmaschine mit vorgespannten statorkomponenten und elektrische maschinenanordnung mit derartiger elektrischer axialflussmaschine - Google Patents

Elektrische axialflussmaschine mit vorgespannten statorkomponenten und elektrische maschinenanordnung mit derartiger elektrischer axialflussmaschine

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Publication number
EP4423877A1
EP4423877A1 EP22800076.6A EP22800076A EP4423877A1 EP 4423877 A1 EP4423877 A1 EP 4423877A1 EP 22800076 A EP22800076 A EP 22800076A EP 4423877 A1 EP4423877 A1 EP 4423877A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stator
rotor
shell
force
axial
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.)
Pending
Application number
EP22800076.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dirk Reimnitz
Ivo Agner
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.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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 Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP4423877A1 publication Critical patent/EP4423877A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02K5/161—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields radially supporting the rotary shaft at both ends of the rotor

Definitions

  • the present invention relates to an electrical axial flux machine with a stator, which has a first and a second stator half, the radially outer end faces of which are connected to one another via a radially outer connection, with a rotor which is arranged between the stator halves and is rotatably mounted relative to the stator, and a rotor shaft in non-rotatable contact with the rotor.
  • the rotor shaft supports the respective first and second stator halves via a bearing, with a magnetic force acting in the axial direction between the rotor and the stator.
  • the present invention relates to an electrical machine arrangement with such an electrical axial flow machine.
  • axial flux machines As a special embodiment of an electric motor.
  • the stator and rotor are arranged axially next to one another (in relation to an output shaft or axis of rotation of the electric motor) and the magnetic forces between the stator and rotor act in the axial direction.
  • axial flux machines have relatively flat, disc-shaped rotors and stators, for which it is difficult to support the magnetic forces acting on them, especially in the case of changing loads (e.g.
  • an electrical axial flux machine in an I-arrangement i.e. an electrical axial flux machine in which a rotor is arranged axially between two stator halves, which are each connected to one another on their radially outer (relative to an output shaft of the axial flux machine) end face via a radially outer connection are connected to each other.
  • the two stator halves are connected at their radially inner (relative to an output shaft of the axial flow machine) end face to a rotor shaft non-rotatably coupled to the rotor by a bearing, in particular by a bearing.
  • the magnetic force acting in the axial direction can be supported both via the bearing and via the radially outer connection, referred to below as the “yoke”.
  • the magnetic force acting on the two stator halves therefore does not have to be transmitted from one stator half to the other via the yoke alone. If the magnetic force were only absorbed/transmitted by the yoke, this would be a particularly robust, require a heavy and large support structure (e.g. a thick-walled stator housing) in order to prevent an inadmissible axial deflection of one inner edge of the stator halves, which rotate under changing magnetic force, in each case.
  • the bearing and the yoke work together in such a way that the stator structure is insensitive to deformations due to the magnetic forces acting, which has a very positive effect on the electric motor, in particular on its efficiency, service life and performance.
  • the bearing absorbs approximately half (slightly less than 50%) of the magnetic forces acting on it. This places a heavy burden on storage.
  • the present invention is therefore based on the object of minimizing or eliminating the disadvantages of the prior art.
  • the object of the invention is to provide an electric axial flux machine which, on the one hand, itself has high efficiency, a long service life and excellent performance and, at the same time, the bearing is smaller and cheaper and has a longer service life than conventional bearings.
  • the basic dimensions of the magnetic field flows through the components of the electrical axial flow machine based on the prior art are not changed. It is particularly desirable to transmit a greater percentage of the magnetic force through the radially outer connection (the yoke) between the stator halves.
  • An electric axial flux machine preferably for driving an electrically drivable motor vehicle, is preferably configured with a stator, which has a first and a second stator half, each of whose end faces (in relation to an output shaft or axis of rotation of the axial flux machine) are radially on the outside via a radially outer Connection are connected to each other, with a rotor arranged between the stator halves, which is rotatably mounted relative to the stator, and a standing in rotationally fixed contact with the rotor rotor shaft.
  • the rotor shaft supports the respective first and second stator halves (in particular their radially inner end faces) via a bearing (radially inner connection).
  • a magnetic force or a magnetic field acts between the rotor and the stator (in relation to an output shaft or axis of rotation of the axial flow machine) in the axial direction.
  • structural measures are provided for generating a prestress which forces at least one of the two stator halves away from the rotor in order to counteract the magnetic force.
  • the at least one stator half achieves a spring effect directly (via its material properties) or indirectly (via an external prestressing element) that counteracts the magnetic forces and thus also, for example, an elastic deformation of the stator structure.
  • the prestress therefore counteracts the magnetic force and thus a potentially occurring elastic deformation of the stator components/stator structure.
  • the magnetic force flows axially from one stator half via the bearing to the rotor shaft and from there via the bearing to the other stator half and on the other hand via the radially outer connection to the other stator half.
  • the magnetic force usually acts on the stator halves in such a way that they attract the stator halves in the axial direction towards the rotor.
  • the preload/preload force of the at least one stator half counteracts this magnetic force, ie the preload acts away from the rotor in the axial direction.
  • the total axial force acts inward from the stator halves toward the rotor.
  • the stator structure has a tendency for the two halves of the stator to move away from one another, ie also away from the rotor. This advantageously reduces the magnetic force on the bearing.
  • a service life of the bearing can thus advantageously be increased, which in turn ensures high efficiency, performance and service life of the electrical axial flow machine.
  • the present invention relates to an electrical machine arrangement which has an axial flow electrical machine, preferably for driving an electrically drivable motor vehicle, with a stator and with a rotor.
  • a rotor shaft is in rotational contact with the rotor.
  • the rotor is rotatably mounted via at least one bearing point/bearing within the electrical machine arrangement.
  • the stator has at least a first and a second stator half, which are spaced axially from the rotor on respective different axial sides by an air gap.
  • the at least one stator half itself has the prestress (integral) and/or the prestress is achieved by an external prestressing element which is formed separately from the stator and is connected to the at least one stator half.
  • the first option provides that the preload is an intrinsic (material) property of the at least one stator half
  • the second option provides that the preload is achieved by an external preload element that is formed separately from the stator half and is connected to the at least one Stator half is coupled.
  • the stator has a stator housing, which has a first half-shell, which defines an outer edge or outside of the first stator half, and a second half-shell, which defines an outer edge or outside of the second stator half, and the first half-shell and /or the second half-shell has or have such an inherent rigidity that the half-shell(s) itself has/have or forms/form the prestressing/prestressing force that counteracts the magnetic force. Due to the fact that the stator structure wants to return from the installed state to the free state due to the prestress, a spring effect, in particular an elastic one, arises. This spring action counteracts the magnetic force and the resulting (elastic) deformations of the stator structure.
  • the stator structure instead of constructing the stator structure in such a way that it already assumes the ideal geometric shape before the magnetic forces act on it, the stator structure or parts of the stator structure are shaped in such a way that they deviate from the shape desired for the operation of the motor in the force-free state and during operation of the motor is then brought into the ideal form or into a form that almost corresponds to the ideal form by the forces acting on it.
  • the inherent rigidity of the half-shell(s) or their preload force should be selected in such a way that even with a minimum magnetic force, a sufficient minimum axial load on the bearing is still guaranteed and as much force as possible is transmitted via the yoke. If the axial flow machine is energized, the magnetic force is usually greater than the minimum magnetic force and this difference in force is then divided, within the framework of the geometric conditions, into an additional axial force that acts on the bearing and an additional axial force that acts on the yoke.
  • the prestressing of the half-shell(s) is preferably realized in such a way that the first and/or the second half-shell are manufactured with such an inherent rigidity that the half-shells start out in a free state before the stator halves are connected to the rotor shaft via the bearing from their radially outer face/from their radially outer end towards their radially inner face/their radially inner end continuously increasing away from the rotor.
  • the half-shell(s) thus extends/extend in their free state obliquely/at an angle to the radial direction of the axial flow machine. If the half-shell(s) is/are in the installed state (present when the stator halves or their half-shells are connected to the rotor shaft via the bearing), the half-shell(s) extend along (in) the radial direction.
  • the prestress, ie prestress path and/or prestressing force, of the first and second half-shell is identical, and if one of the two half-shells is stiffer, in particular thicker, than the other half shell is, the stiffer half-shell is provided with no preload or with a smaller preload travel than the less stiff half-shell.
  • the further embodiment provides that the at least one stator half is provided with the preload by an external preload element, in particular a spring, that is formed separately from the stator half wherein a first end of the external biasing member is supported/attached to the radially outer face/end of the at least one stator half and a second end of the external biasing member is supported/attached to a radially more inner portion of the at least one stator half, so that the external biasing element exerts a pulling force counteracting the magnetic force on the at least one half of the stator.
  • an external preload element in particular a spring
  • the further embodiment provides that the at least one stator half is provided with the preload by an external preload element, in particular a cup spring, that is formed separately from the stator half wherein the outer diameter of the external biasing member is supported/attached to the radially outer face/end of the at least one stator half and the inner diameter of the external biasing member is supported/attached to a radially more inner portion of the at least one stator half such that the external Biasing element exerts a tensile force counteracting the magnetic force on the at least one half of the stator.
  • an external preload element in particular a cup spring
  • an external preload element provides the preload
  • a significantly stronger spring effect or preload force which acts against the magnetic force in the axial flux machine
  • the external biasing element is used as a separately formed component, it can be more easily optimized for larger spring forces than when the bias is integrated into the stator structure, which primarily has functions other than the bias.
  • the shape, the material and the manufacturing process of the external prestressing element can be optimized for a high force application.
  • stator has a stator housing or other elastically deformable component which extends from a radially outer region of the stator to a radially inner region of the stator and from its free state to its unassembled state with the other stator components elastic deformation is imposed in or on the stator mounted and loaded with the forces caused by the magnetic field of the motor.
  • This elastic deformation causes the radially central part of the stator housing or other elastically deformable stator component to move axially relative to its radially outer region and its radially inner region from its free unassembled state to its assembled in or on the stator and loaded with the forces caused by the magnetic field of the motor is shifted towards the rotor.
  • This elastic displacement of the radial central part towards the rotor causes a force effect which the radial central part can exert on the surrounding components of the elastically deformed component, which is oriented away from the rotor.
  • the force of the radial central part is thus opposed to the force of the magnetic field and thus makes it easier for the neighboring components of the component that is elastically deformed in a targeted manner during assembly to withstand and dissipate the forces caused by the magnetic field.
  • This prestressing of individual components which is caused by the shape and the elastic deformation during assembly and can withstand this mechanical load particularly well, can relieve other components in the stator. This makes it possible, for example, to optimize some stator components for supporting the mechanical loads caused by the magnetic forces (e.g.
  • the stator has a stator housing or other elastically deformable component which extends from a radially outer region of the stator to a radially inner region of the stator and from its free state to its unassembled state with the other stator components elastic deformation is imposed in or on the stator mounted and loaded with the forces caused by the magnetic field of the motor.
  • the elastic deformation of the component in or on the stator which extends from a radially outer area of the stator to a radially inner area of the stator, can be effected by a bulge in which the radially central part faces further towards the rotor relative to the radially outer area and radially inner area or further away.
  • the elastically deformable component Before assembly with the remaining stator parts, can have a middle part that is curved further away from the rotor than when the stator is assembled. Before assembly with the remaining stator parts, the elastically deformable component can have a middle part which is arched away from the rotor and is straight when the stator is assembled.
  • the elastically deformable component Before assembly with the remaining stator parts, the elastically deformable component can have a central part which is arched away from the rotor and is arched towards the rotor when the stator is in the assembled state.
  • the elastically deformable component can be straight before assembly with the remaining stator parts and, when the stator is assembled, can have a central part that is arched toward the rotor.
  • the elastically deformable component Before assembly with the remaining stator parts, can have a middle part which is arched towards the rotor and is arched even further towards the rotor when the stator is in the installed state.
  • the stator has a stator housing, which has a first half shell, which defines an outer edge or outer side of the first stator half, and a second half shell, which defines an outer edge or outer side of the second stator half, and wherein at least one longitudinal side or .Front side of the first half-shell and/or the second half-shell in has or have an outer bulge extending away from the rotor in the axial direction in a state without the effect of the magnetic force and is or are flat in a state under the effect of a minimum magnetic force.
  • At least the longitudinal side of at least one of the half-shells has an outer curvature that is only visible or measurable when the axial flow machine is not in operation (not under load). Under load, in the axial flow machine, the magnetic force acting towards the rotor exerts such a force on the half-shell(s) that their shape is flat.
  • the outer curvature of the half-shell(s) can advantageously ensure that the width of an air gap provided between the rotor and the stator is as uniform as possible under load.
  • the outward curvature of the half-shell(s) also prevents the half-shell(s) from bending or bending too far axially inwards towards the rotor due to the magnetic force acting on them.
  • the bearing preferably has two bearings, each of which connects one half of the stator or its half-shell to the rotor shaft, in an X arrangement to one another if the total preload force (sum of all preload forces) in the axial flux machine is less than (or the same as) the magnetic force set is, and the bearing has two bearings, each connecting one half of the stator to the rotor shaft, in an O arrangement to one another when the total prestressing force in the axial flow machine is set to be greater than a maximum magnetic force that occurs.
  • the bearing preferably has two bearings, which each connect one half of the stator or its half-shell to the rotor shaft in such a way that the half-shell can exert an axial force on the rotor shaft in the direction of the other half of the stator (an axial compressive force is created in the shaft between the two bearings. ) if the total preload force, ie the sum of all preload forces, in the axial flow machine is set to be less than (or equal to) the magnetic force.
  • the two camps will designed and arranged in such a way that they have an X-arrangement with respect to their power transmission direction.
  • the bearing preferably has two bearings, each of which connects a stator half or its half-shell to the rotor shaft in such a way that the half-shell exerts an axial force on the rotor shaft that is directed away from the other half of the stator (an axial tensile force is created in the shaft between the two bearings.).
  • the two bearings are sensibly designed and arranged in such a way that they have an O arrangement with respect to their force transmission direction.
  • the overall prestressing force in the axial flow machine is greater than the maximum magnetic force that occurs, in particular when the prestressing is set at least by an external prestressing element.
  • the centers of pressure of the two bearings lie between the bearings.
  • X-array bearings are particularly good at counteracting the total inward (toward the rotor) axial force that occurs when the magnetic force is greater than the total preload force.
  • the bearings in an O arrangement are therefore particularly good at counteracting the total axial force directed outwards, which occurs when the total preload force is greater than the maximum magnetic force that occurs.
  • the invention relates to an electrical machine arrangement which has the electrical axial flow machine described above.
  • the electrical machine arrangement has all the advantages of the electrical axial flow machine according to the invention.
  • a drive train with such an electrical machine arrangement and a motor vehicle with such a drive train are also proposed.
  • FIG. 1 shows an axial section in a schematic representation of an electrical axial flux machine in an I arrangement, in which both stator halves are themselves provided with a prestress;
  • FIG. 2 shows the electrical axial flux machine from FIG. 1 , in which one stator half is fixed at its radially inner end face to a housing of the axial flux machine and the other stator half is provided with a prestress;
  • FIG. 3 shows an axial section in a schematic representation of an electrical axial flux machine in an I arrangement, in which an external prestressing element is mounted on each of the two stator halves;
  • FIG. 4 shows the electrical axial flow machine from FIG. 3, in which the bearing is designed in the form of two bearings in an O arrangement with respect to one another;
  • FIG. 5 shows an axial section in a schematic representation of an electrical axial flow machine in an I arrangement, in which at least the longitudinal sides of the stator housing are provided with an external curvature.
  • the figures are only of a schematic nature and serve exclusively for understanding the invention. In particular, it should be pointed out that the figures and in particular the proportions shown are only schematic. The same elements are provided with the same reference numbers. Furthermore, the different features of the various embodiments can be freely combined with one another.
  • an output shaft AW of an electrical axial flow machine 1 defines the axial direction (see arrow AR) and the radial direction (see arrow RR).
  • the output shaft AW defines with its longitudinal axis, which runs in the axial direction, the axis of rotation R of the axial flow machine 1.
  • the electrical axial flow machine 1 shows an electric axial flux machine 1, which can also be referred to as an axial flux motor, in an I arrangement for driving an electrically drivable motor vehicle.
  • the electrical axial flow machine 1 has a stator 2 which has a first and a second stator half 3 , 4 .
  • the radially outer end faces of the first and second stator halves 3, 4 with respect to an output shaft AW of the axial flow machine 1 are connected to one another via a radially outer connection 5 (also referred to below as “yoke”).
  • the radially outer connection 5 is designed with a fastening means, in particular with a bolt or with a screw, which engages in holes provided for this purpose in the respective stator half 3, 4.
  • the electrical axial flow machine 1 has a rotor 6 which is mounted rotatably relative to the stator 2 and a rotor shaft 7 which is in rotationally fixed contact with the rotor 6 .
  • the rotor 6 is surrounded on its one axial side by the first stator half 3 and on its other axial side by the second stator half 4 .
  • the rotor shaft 7 is connected to an external toothing of the output shaft AW via an internal toothing.
  • the rotor shaft 7 is connected via a bearing 8 to the end face of the first and second stator halves 3 , 4 that is radially on the inside in relation to the output shaft AW.
  • the rotor 6 has at least one rotor magnet (e.g.
  • stator magnets e.g. electromagnets
  • a magnetic field is generated between the stator magnets and the rotor magnet when the axial flux machine 1 is energized. This magnetic field causes the rotor 6 to rotate relative to the stator 2 .
  • the rotor shaft 7 then rotates with the rotor 6 and the gearing of the rotor shaft 7 rotates the output shaft AW, which rotates about its longitudinal axis. Due to the magnetic field, a magnetic force acts in the axial direction between the rotor magnet of the rotor 6 and the stator magnet of the stator 2 . The magnetic force acts from the stator magnets inwards towards the rotor magnet (see arrows A).
  • both stator halves 3, 4 are provided with a preload or preload force that counteracts the magnetic force.
  • the biasing force inherent in the stator halves 3, 4 (see arrows B) is directed in the axial direction away from the rotor and thus in the opposite direction to the direction of action of the magnetic force (see arrows A).
  • the prestressing force acts in the radially central area and in the radially inner area in the axial direction away from the rotor.
  • the elastically deformed components that bring about the prestressing force are supported on the radially outer connection 5 between the two stator halves.
  • the elastically deformed components that cause the prestressing force cause a force effect in the opposite direction to the force effect in the radially outer and central area.
  • the elastically deformed components that cause the preload force cause an axial compressive load.
  • the stator has a stator housing 9 which in turn has two half-shells, a first half-shell 10 and a second half-shell 11 .
  • the first half-shell 10 surrounds or encloses the first stator half 3 on the sides of the first stator half 3 that do not face the rotor 6, and thus defines the outer edge or outside of the first stator half 3.
  • the second half-shell 11 surrounds or encloses the second stator half 4 on the sides of the second Stator half 4, which does not face the rotor 6, and thus defines the outer edge or outside of the second stator half 4.
  • the first and the second half shells 10, 11 are each shown twice in Fig. 1: once in the installed state as a solid line (10th , 11) and once in the free state as a dashed line (10', 11').
  • the first and the second half-shell 10', 11' are provided/manufactured with such an inherent rigidity that the half-shells 10', 11' in the free state (before attachment to the rotor shaft 7 via the bearing 8) starting from their radially outer end face towards its radially inner end face continuously increasing axially outwards, i.e. away from the rotor.
  • the half-shells 10', 11' run obliquely/at an angle to the radial direction.
  • the half-shells 10, 11 are in the installed state and extend along (in) the radial direction.
  • the bearing 8 is here in the form of two bearings, a first bearing 12 and a second bearing 13, each of which is designed in particular as a single-row angular contact ball bearing.
  • the bearings 12, 13 support the rotor 6 both axially and radially via the rotor shaft 7 on the two stator halves 3 and 4.
  • the first bearing 12 thus connects the first stator half 3 to the rotor shaft 7 and the second bearing 13 connects the second stator half 4 to the rotor shaft 7. More precisely, the first bearing 12 connects the first half shell 10 to the rotor shaft 7 and the second bearing 13 the second half shell 11 with the rotor shaft 7.
  • the bearings 12, 13 are provided in Fig. 1 in an X-arrangement to each other.
  • An X arrangement of two bearings in relation to one another means that the center of pressure of the respective bearing lies between the bearings.
  • the first and the second bearing 12, 13 fulfill the task of holding the rotor 6 and the rotor shaft 7 in position by being connected to the stator halves 3, 4, and on the other hand the two stator halves 3, 4 can be supported via the respective bearing assigned to it 12, 13 transmit the magnetic force acting on them to the respective other stator half 3, 4.
  • a part of the magnetic force is transmitted, for example, from the first stator half 3 via the first bearing 12 to the rotor shaft 7, from this to the second bearing 13 and from the second bearing 13 to the second stator half 4 and vice versa.
  • the other part of the magnetic force is transmitted between the two stator halves 3 , 4 via the yoke 5 .
  • the stator housing 9 thus absorbs a large part of the magnetic force.
  • first air gap 14 which is provided between the rotor 6 and the first stator half 3 and runs in the radial direction
  • second air gap 15 which is provided between the rotor 6 and the second stator half 4 and runs in the radial direction, from change impermissibly due to the magnetic force (e.g. become too small).
  • the constant width of these air gaps 14, 15 is required for the efficiency of the electrical axial flow machine 1 and is required for its functionality.
  • the biasing force of the half-shells 10, 11 can be used to influence the proportion of the magnetic force that is transmitted radially outwards via the yoke 5, and how large is the proportion of the magnetic force that is transmitted radially inside via the bearings 12, 13 and the rotor shaft 7.
  • the prestressing force of the half-shells 10, 11 is selected/adjusted in such a way that as large a proportion of the magnetic force as possible is permanently transmitted via the yoke 5 and at the same time a minimal proportion of the magnetic force is transmitted radially inwards via the bearings 12, 13, so that there is sufficient bearing load is guaranteed.
  • the half-shells 10, 11 therefore have the tendency to move away from the bearings 12, 13 on their radially inner end face due to their prestressing force.
  • the biasing force of the half-shells 10, 11 thus acts in the axial direction away from the rotor 6 and thus against the magnetic force, which of course pulls the stator halves 3, 4 and thus also the half-shells 10, 11 towards the
  • the electrical axial flow machine 1 has an axial flow machine housing 16 to which the stator 2 is connected via a fastening means, in particular a bolt or a screw.
  • the axial flow machine housing 16 supports the output shaft AW via a bearing 17 (single-row ball bearing).
  • the output shaft AW meshes outside of the axial flow machine housing 16 via further external teeth with a gear wheel of a gear stage 18.
  • FIG. 2 shows the electrical axial flow machine from FIG. 1 , in which the first stator half 3 is fixed (screwed) to the axial flow machine housing 16 at its radially inner end and the second stator half 4 or the second half shell 11 is provided with a prestress.
  • the first half-shell 10 is connected to the rotor shaft 7 via the modified bearing 12 (double-row ball bearing).
  • the first half-shell 10 is significantly thicker and therefore more stable than the second half-shell 11 since the first half-shell 10 is connected to the axial-flow machine housing 16 and thus carries the entire motor including the rotor 6 and rotor shaft 7 .
  • the thinner and more elastic second half-shell 11 is provided with a prestressing force (see second half-shell 1T in the free state).
  • the biasing force introduced on one side by the second half-shell 11 also counteracts (reduces) the magnetic force.
  • the preload force applied on one side thus reduces the load on both bearings 12, 13.
  • the output shaft AW is not shown explicitly.
  • stator halves or half shells of different stiffness it is also possible to preload two stator halves or half shells of different stiffness.
  • it preferably makes sense to provide the more rigid stator half with a smaller preload path than the less rigid stator half, so that the preload forces of the two stator halves are in force equilibrium in the desired installation position.
  • the radial inner area of the two stator halves must each be connected to the shaft via a bearing.
  • the bearings can be connected directly to the shaft and the stator half. Alternatively, the connection between the bearing and the shaft can also be made via a component connected to the shaft. The bearing can also be connected to the stator via a component attached to the stator. In the axial flux machine shown in FIG. 2, in which the stator half 3 is screwed to the axial flux machine housing 16, the bearing 12 can alternatively also be fastened to the axial flux machine housing 16.
  • FIG. 3 shows an electrical axial flux machine 1, which essentially corresponds to the axial flux machine of FIG.
  • the external prestressing element is designed as a first plate spring 19 and a second plate spring 20 .
  • the outer diameter of the first plate spring 19 is attached to the radially outer end/face of the first stator half 3 .
  • the inner diameter of the first plate spring 19 is attached to at least one first stepped bolt 21 , better a plurality of stepped bolts distributed around the circumference, which is/are attached to the first half-shell 10 at mid-height in the radial direction.
  • the outer diameter of the second disc spring 20 is attached to the radially outer end/face of the second stator half 4 .
  • the inner diameter of the second plate spring 20 is attached to a second stepped bolt 22 which is attached to the second half-shell 11 at mid-height in the radial direction.
  • the disc springs 19, 20 can thus each exert a tensile force on the middle part of the half shells 10, 11 (see the disc springs 19', 20' (dashed line) in a state in which their inner diameter is not connected to the respective stepped bolt 21, 22 ).
  • part of the axially acting magnetic force which the magnetic field exerts on the half-shells 10, 11 via the rotor and stator magnets, is transmitted from the disk springs 19, 20 to the yoke 5.
  • the proportion of the magnetic force that the plate springs 19, 20 transmit to the yoke 5 is thus no longer exerted proportionately on the yoke and proportionately on the bearings 12, 13 via the half-shells 10, 11.
  • the plate springs 19, 20 transfer the entire magnetic force that they can absorb to the yoke 5, with the force that is taken over by the plate spring no longer being divided up based on the geometric conditions on the yoke and bearing. As a result, the bearings 12, 13 are relieved.
  • none of the half shells 10, 11 is provided/designed integrally with a prestressing force.
  • the prestressing force is selected such that the magnetic force is greater than the prestressing force, so that the resulting total axial force acts from the stator halves 3, 4 towards the rotor 6.
  • external prestressing elements such as the cup springs 19, 20 here, these can be optimized for large spring forces as separate components that are otherwise independent of the axial flow machine 1.
  • the prestressing force of the external prestressing elements can also be selected in such a way that the total prestressing force is greater than a maximum magnetic force that occurs.
  • the total axial force which results from the difference between the prestressing force and the magnetic force, thus acts away from the rotor 6, starting from the stator halves 3, 4.
  • Fig. 4 shows such an embodiment of the axial flow machine 1, in which, in the axial flow machine 1 known from FIG results from the difference between the prestressing force and the magnetic force, starting from the stator halves 3, 4 acts away from the rotor 6. For this reason, the bearings 12, 13 are arranged in a 0 arrangement relative to one another in FIG. Because of the overall axial force, the radially inner regions of the stator halves 3, 4 are pressed outwards in the axial direction, ie away from the rotor 6. The shaft is then subjected to axial tension between the two bearing points and thus holds the two stator halves together radially on the inside.
  • the two bearings 12, 13 are aligned in an O arrangement to one another, so that the direction of force transmission due to the design of the bearing matches the direction of force prevailing between the stator halves and the shaft.
  • the bearings 12, 13 can namely pull the two stator halves 3, 4 in each case radially inwards and thus counteract the overall axial force.
  • the rotor shaft 7 is supported on the two stator halves 3, 4 in a significantly more stable manner than is the case with an X arrangement of the bearings 12, 13.
  • the axial load on the bearings 12, 13 is lowest at maximum magnetic force, since the magnetic force acting towards the rotor counteracts the total axial force. If the magnetic force is less than its maximum value, the axial bearing load increases because the preload force is then opposed by a smaller magnetic force.
  • FIG. 5 shows the electrical axial flow machine 1 in which at least the longitudinal sides or front sides of the first and second half-shells 10, 11 are each provided with an outer curvature 23.
  • the axial flow machine 1 of FIG. 5 corresponds to that of FIG. 1 with the difference that the axial flow machine
  • I in Fig. 5 has the outer curvature 23 in the half-shells 10, 11.
  • the outer bulge 23 has its maximum extent (in the direction away from the rotor 6) in the axial direction approximately in the center of the half-shells 10, 11 viewed from the radial direction.
  • I I is provided with the outer curvature 23, wherein the half-shells 10, 11 are advantageously additionally provided with a biasing force.
  • the prestressing force is created when the bulge of the unloaded individual parts has elastically disappeared or at least changed elastically when the motor is fully assembled and exposed to the magnetic force.
  • the outer curvature 23 in the half-shells 10, 11 makes it less likely, if not impossible, for the half-shells 10, 11 to bend towards the rotor.
  • a permanently excited axial flow machine even when there is no current, there is a high axial magnetic force between the rotor and the stator, so that the outer bulge 23 of the unloaded individual parts (see dashed line) is no longer fully visible or measurable in the fully assembled and operational motor .
  • the axial flow machine 1 is energized (is under load)
  • the axial magnetic force still changes as a function of the load.
  • the stator halves which are now elastically deformed by the magnetic force, are almost flat and deviate only slightly from the ideal shape despite the load-dependent magnetic force fluctuations, since the bulge already contains a large part of the elastic deformation to be expected and the elastic flattening of the bulge compresses it Biasing force has resulted in the opposite direction of the magnetic force acting on the stator half.
  • the outer curvature 23 in the half-shells 10, 11 makes it less likely, if not impossible, for the half-shells 10, 11 to bend too far towards the rotor.
  • the outer curvature 23 can thus prevent the air gaps 14, 16 from changing inadmissibly (in particular from becoming too small).
  • the half-shells 10, 11 can be provided with an outer bulge 23 and external prestressing elements (cup springs 19, 20) are additionally provided in order to ensure a prestressing of the stator half(s) 3, 4.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Axialflussmaschine (1 ) mit einem Stator (2), der zumindest eine Statorhälfte (3, 4) aufweist, mit einem in Axialrichtung zu dem Stator (2) angeordneten Rotor (6), der relativ zu dem Stator (2) drehbar gelagert ist, sowie mit einer in drehfestem Kontakt mit dem Rotor (6) stehenden Rotorwelle (7). Zwischen dem Rotor (6) und dem Stator (2) wirkt in Axialrichtung eine Magnetkraft. Es sind bauliche Maßnahmen zum Erzeugen einer Vorspannung vorgehalten, die die zumindest eine Statorhälfte (3, 4) von dem Rotor (6) wegdrängt, um der Magnetkraft entgegenzuwirken.

Description

Elektrische Axialflussmaschine mit vorgespannten Statorkomponenten und elektrische Maschinenanordnung mit derartiger elektrischer Axialflussmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Axialflussmaschine mit einem Stator, der eine erste und eine zweite Statorhälfte aufweist, deren jeweils radial außenliegende Stirnseiten über eine radial äußere Verbindung miteinander verbunden sind, mit einem zwischen den Statorhälften angeordneten Rotor, der relativ zum Stator drehbar gelagert ist, sowie einer in drehfestem Kontakt mit dem Rotor stehenden Rotorwelle. Die Rotorwelle stützt über eine Lagerung die jeweiligen ersten und zweiten Statorhälften ab, wobei zwischen dem Rotor und dem Stator in Axialrichtung eine Magnetkraft wirkt. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschinenanordnung mit einer derartigen elektrischen Axialflussmaschine.
Bei Elektromotoren bzw. Elektromaschinen wird zwischen Stator und Rotor ein (starkes) Magnetfeld erzeugt, sodass zwischen diesen Komponenten eine (starke) Magnetkraft wirkt. Diese Magnetkraft muss von der Struktur des Elektromotors, insbesondere vollständig, abgestützt und getragen werden. Bei Elektromotoren ist eine exakte, steife mechanische Motorstruktur, insbesondere der von einem im Elektromotor erzeugten Magnetfeld durchströmten Komponenten, wichtig, da bereits geringe Positionsabweichungen der Komponenten untereinander (bspw. veränderte Luftspalte zwischen Rotor und Stator, insbesondere in Axialflussmaschinen) den magnetischen Fluss nennenswert beeinflussen können. Daher ist es wichtig, eine sehr präzise mechanische Struktur des Elektromotors sicherstellen zu können, um die notwendige exakte Ausrichtung der elektrischen und/oder magnetischen Komponenten sicherzustellen. Maßabweichungen, d.h. Formabweichungen oder Lageabweichungen, im Elektromotor aufgrund der Magnetkraft (z.B. durch bspw. elastische Verformungen von Komponenten, die aufgrund der Magnetkraft auftreten) verschlechtern dessen Effizienz, dessen Lebensdauer und/oder dessen Leistung. Eine besondere Herausforderung stellt die Kraftabstützung für Axialflussmaschinen als besondere Ausführungsform eines Elektromotors dar. Bei Axialflussmaschinen sind Stator und Rotor axial (in Bezug auf eine Abtriebswelle bzw. Rotationsachse des Elektromotors) nebeneinander angeordnet und die Magnetkräfte zwischen Stator und Rotor wirken in Axialrichtung. Üblicherweise weisen Axialflussmaschinen relativ flache, scheibenförmige Rotoren und Statoren auf, für die es schwierig ist, die auf sie wirkenden Magnetkräfte, insbesondere im Falle wechselnder Belastungen (z.B. wechselnde Magnetkräfte, zeitweise wirken Trägheitskräfte bei Fahrzeugbeschleunigung oder Fliehkraftänderung bei unterschiedlichen Drehzahlen) abstützen zu können. Insbesondere bei Axialflussmaschinen haben kleine axiale Verlagerungen der Statorstruktur bereits einen großen Einfluss auf die Breite der Luftspalte zwischen Rotor und Stator. Eine geringfügige Änderung (Verbreiterung oder Verschmälerung) der Breite dieser Luftspalte kann die Eigenschaften der Axialflussmaschine bereits deutlich verändern.
Daher wurde im Stand der Technik bereits eine elektrische Axialflussmaschine in I- Anordnung entwickelt, d.h. eine elektrische Axialflussmaschine, bei der ein Rotor axial zwischen zwei Statorhälften angeordnet ist, die jeweils an ihrer radial außenliegenden (relativ zu einer Abtriebswelle der Axialflussmaschine) Stirnseite miteinander über eine radial äußere Verbindung miteinander verbunden sind. Zusätzlich dazu sind die beiden Statorhälften an ihrer radial innenliegenden (relativ zu einer Abtriebswelle der Axialflussmaschine) Stirnseite durch eine Lagerung, insbesondere jeweils durch ein Lager, mit einer mit dem Rotor drehfest gekoppelten Rotorwelle verbunden.
Die in Axialrichtung wirkende Magnetkraft kann in einer derartigen elektrischen Axialflussmaschine sowohl über die Lagerung als auch über die radial äußere Verbindung, nachfolgend „Joch“ genannt, abgestützt werden. Die auf die beiden Statorhälften wirkende Magnetkraft muss daher nicht allein über das Joch von einer auf die andere Statorhälfte übertragen werden. Würde die Magnetkraft lediglich vom Joch aufgenommen/übertragen werden, würde dies eine besonders robuste, schwere und große Stützstruktur (z.B. ein dickwandiges Statorgehäuse) erfordern, um zu verhindern, dass jeweils ein Innenrand der unter wechselnder Magnetkraft tellernden Statorhälften unzulässig weit axial ausgelenkt wird. Die Lagerung und das Joch wirken jedoch so zusammen, dass die Statorstruktur gegenüber Verformungen aufgrund der wirkenden Magnetkräfte unempfindlich ist, was sich sehr positiv auf den Elektromotor, insbesondere auf dessen Effizienz, Lebensdauer und Leistung, auswirkt.
Bei einer derartigen elektrische Axialflussmaschine nimmt die Lagerung in etwa die Hälfte (etwas weniger als 50%) der auf sie wirkenden Magnetkräfte auf. Dies bedeutet eine große Belastung für die Lagerung.
Derart hohe Belastungen für die Lagerung bzw. die Lager können deren Lebensdauer deutlich verkürzen. Wenn die Lagerung aufgrund der hohen Belastung überlastet ist, kann es sein, dass sie die Statorhälften nicht mehr wie vorgesehen abstützen kann und sich dadurch der Luftspalt zwischen Rotor und Stator verändert (insbesondere verkleinert). Dies würde eine deutliche und nachteilige Veränderung der Motoreigenschaften nach sich ziehen. Um eine ungewollte Luftspaltveränderung und einen frühzeitigen Lagerschaden zu verhindern, müsste bei derart hohen Lagerbelastungen entsprechend große hochbelastbare Lager eingesetzt werden. Je größer und hochbelastbarer die Lager aber sein müssen, desto teurer und voluminöser werden die Lager und desto größer werden auch die Lagerverluste (z.B. Rollreibungsverluste und Schleppmomente).
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu minimieren bzw. zu beseitigen. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Axialflussmaschine bereitzustellen, die einerseits selbst eine hohe Effizienz, eine lange Lebensdauer und eine exzellente Leistung hat und deren Lagerung gleichzeitig kleiner und günstiger ist und eine verlängerte Lebensdauer aufweist als herkömmliche Lagerungen. Dabei sollen die Grundabmessungen der vom Magnetfeld durchströmten Komponenten der elektrischen Axialflussmaschine ausgehend vom Stand der Technik nicht geändert werden. Besonders gewünscht ist es, einen prozentual größeren Anteil der Magnetkraft über die radial äußere Verbindung (das Joch) zwischen den Statorhälften zu übertragen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Axialflussmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 .
Vorzusweise ist eine elektrische Axialflussmaschine, vorzugsweise für den Antrieb eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, ausgebildet mit einem Stator, der eine erste und eine zweite Statorhälfte aufweist, deren jeweils (in Bezug auf eine Abtriebswelle bzw. Rotationsachse der Axialflussmaschine) radial außenliegende Stirnseiten über eine radial äußere Verbindung miteinander verbunden sind, mit einem zwischen den Statorhälften angeordneten Rotor, der relativ zum Stator drehbar gelagert ist, sowie einer in drehfestem Kontakt mit dem Rotor stehenden Rotorwelle. Die Rotorwelle stützt über eine Lagerung (radial innere Verbindung) die jeweiligen ersten und zweiten Statorhälften (insbesondere deren radial innenliegenden Stirnseiten) ab. Zwischen Rotor und Stator wirkt (in Bezug auf eine Abtriebswelle bzw. Rotationsachse der Axialflussmaschine) in Axialrichtung eine Magnetkraft bzw. ein Magnetfeld. Bei zumindest einer der beiden Statorhälften sind bauliche Maßnahmen zum Erzeugen einer Vorspannung vorgehalten, die zumindest eine der beiden Statorhälften von dem Rotor wegdrängt, um der Magnetkraft entgegenzuwirken.
Mit anderen Worten erzielt die zumindest eine Statorhälfte direkt (über ihre Materialeigenschaften) oder indirekt (über ein externes Vorspannungselement) eine Federwirkung, die den Magnetkräften und damit auch einer bspw. elastischen Verformung der Statorstruktur entgegenwirkt. Die Vorspannung wirkt also der Magnetkraft und somit einer potentiell auftretenden elastischen Verformung der Statorkomponenten/Statorstruktur entgegen. Dabei erfolgt ein axialer Kraftfluss der Magnetkraft von einer Statorhälfte einerseits über die Lagerung auf die Rotorwelle und von dieser über die Lagerung auf die andere Statorhälfte und andererseits über die radial äußere Verbindung auf die andere Statorhälfte. Üblicherweise wirkt die Magnetkraft so auf die Statorhälften ein, dass sie die Statorhälften in Axialrichtung zum Rotor hin anziehen. Die Vorspannung/Vorspannkraft der zumindest einen Statorhälfte wirkt dieser Magnetkraft entgegen, d.h. die Vorspannung wirkt in Axialrichtung vom Rotor weg. Daraus ergibt sich eine Gesamt-Axialkraft: wenn die gesamte Vorspannkraft größer als die maximale Magnetkraft ist, wirkt die Gesamt-Axialkraft von den Statorhälften nach außen vom Rotor weg. Wenn die Magnetkraft größer als die gesamte Vorspannkraft ist, wirkt die Gesamt-Axialkraft von den Statorhälften nach innen zum Rotor hin. Aufgrund der Vorspannung hat die Statorstruktur die Tendenz, dass sich die beiden Statorhälften voneinander, d.h. auch vom Rotor, wegbewegen. Dadurch verringert sich vorteilhafterweise die Magnetkraft auf die Lagerung. Somit kann vorteilhafterweise eine Lebensdauer der Lagerung erhöht werden, welche wiederum für eine hohe Effizienz, Leistung und Lebensdauer der elektrischen Axialflussmaschine sorgt.
In anderen Worten betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschinenanordnung, die eine Axialfluss-Elektromaschine, vorzugsweise zum Antrieb eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit einem Stator und mit einem Rotor aufweist. Eine Rotorwelle steht mit dem Rotor in Drehkontakt. Der Rotor ist über mindestens eine Lagerstelle/eine Lagerung innerhalb der elektrischen Maschinenanordnung drehbar gelagert. Vorzugsweise weist der Stator mindestens eine erste und eine zweite Statorhälfte auf, die auf jeweils unterschiedlichen axialen Seiten durch einen Luftspalt axial vom Rotor beabstandet sind.
Um eine hohe Belastung der Lagerstelle/Lagerung zu reduzieren, wird ein größerer Anteil einer Axialkraft über einen axial äußeren Verbindungspunkt (eine radial äußere Verbindung) zwischen mindestens einer der Statorhälften durch eine Statorstützstruktur übertragen. Eine Lagerung (radial innere Verbindung) der mindestens einen Statorhälfte über ein Lager und den Rotor wird durch eine Vorspannung der Statorstützstruktur entlastet. Eine inhärente Steifigkeit der Statorstützstruktur neigt dazu, einen inneren Teil der mindestens einen Statorhälfte axial gegen magnetische Kräfte zu bewegen. Darüber hinaus kann die Vorspannung der Statorstützstruktur einer Verformung oder einem Verrutschen des Stators durch die auf den Stator wirkenden Kräfte entgegenwirken.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die zumindest eine Statorhälfte selbst die Vorspannung (integral) auf und/oder die Vorspannung wird durch ein von dem Stator separat ausgebildetes, externes Vorspannungselement, das mit der zumindest einen Statorhälfte verbunden ist, erzielt.
Es gibt also zwei verschiedene Möglichkeiten dafür, die zumindest eine Statorhälfte vorzuspannen, die auch miteinander kombinierbar sind. Die erste Möglichkeit sieht vor, dass die Vorspannung eine intrinsische (Material-)Eigenschaft der zumindest einen Statorhälfte ist, und die zweite Möglichkeit sieht vor, dass die Vorspannung durch ein von der Statorhälfte separat ausgebildetes, externes Vorspannungselement erzielt wird, welches mit der zumindest einen Statorhälfte gekoppelt wird.
Es ist dabei vorstellbar, dass der Stator ein Statorgehäuse aufweist, welches eine erste Halbschale, die eine Außenkante bzw. Außenseite der ersten Statorhälfte definiert, und eine zweite Halbschale, die eine Außenkante bzw. Außenseite der zweiten Statorhälfte definiert, hat und die erste Halbschale und/oder die zweite Halbschale eine derartige Eigensteifigkeit aufweist bzw. aufweisen, dass die Halbschale(n) selbst die Vorspannung/Vorspannkraft aufweist/aufweisen bzw. ausbildet/ausbilden, die der Magnetkraft entgegenwirkt. Dadurch, dass die Statorstruktur aufgrund der Vorspannung vom Einbauzustand in den freien Zustand zurückkehren will, entsteht eine, insbesondere elastische, Federwirkung. Diese Federwirkung wirkt der Magnetkraft bzw. den daraus resultierenden (elastischen) Verformungen der Statorstruktur entgegen. Das Versehen der Halbschale(n), welche selbst Bauteile der Axialflussmaschine sind, mit der Vorspannung hat also den Vorteil, dass zumindest teilweise Verformungen in der Struktur der Axialflussmaschine kompensiert werden können, die ansonsten aufgrund der Magnetkraft in den Bauteilen der Axialflussmaschine auftreten würden. Statt die Statorstruktur so aufzubauen, dass sie bereits die geometrische Idealform annimmt bevor die Magnetkräfte auf sie wirken, wird die Statorstruktur oder Teile der Statorstruktur so geformt, dass sie im kraftfreien Zustand von der für den Betrieb des Motors gewünschten Form abweichen und im Betrieb des Motors durch die dann auf sie wirkenden Kräfte in die Idealform oder in eine Form die fast der Idealaform entspricht gebracht wird.
Durch die Vorspannkraft der Halbschalen lässt sich beeinflussen, wie groß der Anteil der Magnetkraft ist, die radial außen über das Joch übertragen wird, und wie groß der Anteil der Magnetkraft ist, die radial innen über die Lagerung übertragen wird. Dabei ist es sinnvoll, die Vorspannkraft der Halbschalen so zu wählen/einzustellen, dass ein möglichst großer Anteil der Magnetkraft über das Joch übertragen wird. Zudem sollte aber garantiert sein, dass ein minimaler Anteil der Magnetkraft radial innen über die Lagerung übertragen wird, damit eine ausreichende Mindestbelastung der Lagerung gewährleistet ist. Die Magnetkraft wirkt dabei auch im unbestromten Zustand der elektrischen Axialflussmaschine, sodass dauerhaft eine gewissen Mindest-Magnetkraft vorliegt. Optimalerweise ist also die Eigensteifigkeit der Halbschale(n) bzw. deren Vorspannkraft so zu wählen, dass auch bei einer Mindest- Magnetkraft immer noch eine ausreichende axiale Mindestbelastung der Lagerung garantiert ist und dabei so viel Kraft wie möglich über das Joch übertragen wird. Wird die Axialflussmaschine bestromt, ist die Magnetkraft meist größer als die Mindest- Magnetkraft und diese Kraftdifferenz teilt sich dann im Rahmen der geometrischen Verhältnisse in eine axiale Zusatzkraft, die auf die Lagerung wirkt, und in eine axiale Zusatzkraft auf, die auf das Joch wirkt. Vorzugsweise ist die Vorspannung der Halbschale(n) so realisiert, dass die erste und/oder die zweite Halbschale mit einer derartigen Eigensteifigkeit hergestellt sind, dass sich die Halbschalen in einem freien Zustand, bevor die Statorhälften über die Lagerung mit der Rotorwelle verbunden sind, ausgehend von ihrer radial außenliegenden Stirnseite/von ihrem radial außenliegenden Ende zu ihrer radial innenliegenden Stirnseite /ihrem radial innenliegenden Ende hin kontinuierlich zunehmend vom Rotor weg erstrecken. Somit erstreckt/erstrecken sich die Halbschale(n) in ihrem freien Zustand schräg/gewinkelt zur Radialrichtung der Axialflussmaschine. Ist/sind die Halbschale(n) im Einbauzustand (liegt dann vor, wenn die Statorhälften bzw. deren Halbschalen über die Lagerung mit der Rotorwelle verbunden sind), erstrecken sich die Halbschale(n) entlang der (in die) Radialrichtung.
Auf diese Weise ist es besonders einfach, die Halbschale(n) mit einer Vorspannung bzw. einer Vorspannkraft zu versehen.
Insbesondere ist vorstellbar, dass die Eigensteifigkeit der Halbschale(n) in Abhängigkeit von der Steifigkeit bzw. Dicke der Halbschale(n) eingestellt ist.
Dies hat den Vorteil, dass die Vorspannung für die jeweils verwendete Axialflussmaschine individuell einstellbar ist. Somit können die unterschiedlichsten Axialflussmaschinen auf einfache Weise vor Verformungen in ihrer Struktur optimal geschützt werden.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass, wenn die erste und die zweite Halbschale gleichermaßen steif, insbesondere dick, sind, die Vorspannung, d.h. Vorspannweg und/oder Vorspannkraft der ersten und zweiten Halbschale identisch ist, und wenn eine der beiden Halbschalen steifer, insbesondere dicker, als die andere Halbschale ist, die steifere Halbschale ohne Vorspannung oder mit einem kleineren Vorspannweg versehen ist, als die weniger steife Halbschale.
Je dicker nämlich eine Halbschale ist, desto weniger elastisch und desto stabiler ist sie. Demnach ist mit zunehmender Dicke einer Halbschale ein weniger starker Vorspannweg der Halbschale erforderlich, da dickere Halbschalen aufgrund ihrer Matenalsteifigkeit besser der auf sie wirkenden Magnetkraft entgegenwirken können. Zudem entsteht bei steiferen/dickeren Halbschalen die benötigte Vorspannkraft bereits bei einem geringeren Vorspannweg, da gilt Vorspannkraft = Steifigkeit * Vorspannweg.
Dabei ist es möglich, bei zwei unterschiedlich steifen bzw. dicken Halbschalen, nur die weniger steife bzw. weniger dicke Halbschale mit einer Vorspannkraft zu versehen und die andere nicht. Alternativ dazu ist es möglich, bei zwei unterschiedlich steifen bzw. dicken Halbschalen beide Halbschalen vorzuspannen. In diesem Fall wäre es sinnvoll, die steifere/dickere Halbschale mit einem geringeren Vorspannweg vorzusehen als die weniger steife/dicke Halbschale. Damit können die Vorspannkräfte der beiden unterschiedlich steifen Halbschalen so abgestimmt werden, dass sie der Magnetkraft entgegengerichtet wirken und vom Betrag her gleich groß sind.
Vorzugsweise ist alternativ oder zusätzlich zu der Ausführungsform, die Statorhälfte(n) selbst mit der Vorspannung zu versehen, die weitere Ausführungsform vorgesehen, dass die zumindest eine Statorhälfte durch ein von der Statorhälfte separat ausgebildetes, externes Vorspannungselement, insbesondere eine Feder, mit der Vorspannung versehen ist, wobei ein erstes Ende des externen Vorspannungselements an der radial außenliegenden Stirnseite/dem radial außenliegenden Ende der zumindest einen Statorhälfte abgestützt/angebracht ist und ein zweites Ende des externen Vorspannungselements an einem radial weiter innenliegenden Bereich der zumindest einen Statorhälfte abgestützt/angebracht ist, sodass das externe Vorspannungselement eine der Magnetkraft entgegenwirkende Zugkraft auf die zumindest eine Statorhälfte ausübt.
Vorzugsweise ist alternativ oder zusätzlich zu der Ausführungsform, die Statorhälfte(n) selbst mit der Vorspannung zu versehen, die weitere Ausführungsform vorgesehen, dass die zumindest eine Statorhälfte durch ein von der Statorhälfte separat ausgebildetes, externes Vorspannungselement, insbesondere eine Tellerfeder, mit der Vorspannung versehen ist, wobei der Außendurchmesser des externen Vorspannungselements an der radial außenliegenden Stirnseite/dem radial außenliegenden Ende der zumindest einen Statorhälfte abgestützt/angebracht ist und der Innendurchmesser des externen Vorspannungselements an einem radial weiter innenliegenden Bereich der zumindest einen Statorhälfte abgestützt/angebracht ist, sodass das externe Vorspannungselement eine der Magnetkraft entgegenwirkende Zugkraft auf die zumindest eine Statorhälfte ausübt.
Im Gegensatz zu der Ausführungsform, die Statorhälfte(n) selbst mit der Vorspannung zu versehen, ist bei der Ausführungsform, dass ein externes Vorspannungselement die Vorspannung vorsieht, eine deutlich stärkere Federwirkung bzw. Vorspannkraft, die gegen die Magnetkraft in der Axialflussmaschine wirkt, erzielbar. Wenn das externe Vorspannungselement als separat ausgebildetes Bauteil verwendet wird, kann es leichter für größere Federkräfte optimiert werden, als wenn die Vorspannung in die Statorstruktur integriert wird, welche primär andere Funktionen als die Vorspannung hat. Somit kann die Form, der Werkstoff und das Herstellungsverfahren des externen Vorspannungselementes auf eine hohe Kraftauf-Zübernahme hin optimiert werden. Wird sowohl die zumindest eine Statorhälfte selbst, bzw. ihre Halbschale, mit der Vorspannung versehen als auch zusätzlich dazu eine Vorspannung über ein externes Vorspannungselement eingestellt, kann eine sehr starke Federwirkung durch diese kombinierte Vorspannung erzielt werden, die optimal der Magnetkraft in der Axialflussmaschine entgegenwirkt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Stator ein Statorgehäuse oder ein anderes elastisch verformbares Bauteil auf, das sich von einem radial äußeren Bereich des Stators zu einem radial inneren Bereich des Stators erstreckt und dem eine ausgehend von seinem freien nicht mit den anderen Statorbauteilen montierten Zustand zu seinem in oder an dem Stator montierten und mit den vom Magnetfeld des Motors hervorgerufenen Kräften belasteten Zustand elastische Verformung aufgezwungen wird. Diese elastische Verformung bewirkt, dass sich der radial mittlere Teil des Statorgehäuses oder des anderen elastisch verformbaren Statorbauteils axial relativ zu seinem radial äußeren Bereich und seinem radial inneren Bereich von seinem freien nicht mit den anderen Statorbauteilen montierten Zustand zu seinem in oder an dem Stator montierten und mit den vom Magnetfeld des Motors hervorgerufenen Kräften belasteten Zustand in Richtung des Rotors verlagert. Diese elastische Verlagerung des radialen Mittelteils in Richtung des Rotors bewirkt eine Kraftwirkung, die der radiale Mittelteil auf die Umgebungsbauteile des elastisch verformten Bauteils ausüben kann, die von dem Rotor weg orientiert ist. Die Kraftwirkung des radialen Mittelteils ist somit der Kraft des Magnetfeldes entgegengerichtet und erleichtert es somit den Nachbarbauteilen des bei der Montage gezielt elastisch verformten Bauteils die vom Magnetfeld hervorgerufen Kräfte zu ertragen und abzuleiten. Durch diese durch die Formgebung und die elastische Verformung bei der Montage hervorgerufene Vorspannung einzelner Bauteile, die besonders gut diese mechanische Belastung aushalten können, können andere Bauteile im Stator entlastet werden. Dies ermöglicht es beispielsweise, einige Statorbauteile für die Abstützung der durch die Magnetkräfte hervorgerufenen mechanischen Belastungen zu optimieren (beispielsweise durch die Werkstoffauswahl und Formgebung) und andere Bauteile, die durch die Vorspannung der Nachbarbauteile entlastet werden und dadurch keinen nennenswerten Beitrag mehr zur Abstützung der vom Magnetfeld hervorgerufenen Kräfte leisten müssen, in einer von ihrer freien Form vor der Montage nicht abweichenden Form im funktionstüchtigen Motor zu betreiben und diese Bauteile dann auf andere Anforderungen, wie beispielsweise elektrische Leitfähigkeit oder gute elektrische Isolierung optimieren zu können. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Stator ein Statorgehäuse oder ein anderes elastisch verformbares Bauteil auf, das sich von einem radial äußeren Bereich des Stators zu einem radial inneren Bereich des Stators erstreckt und dem eine ausgehend von seinem freien nicht mit den anderen Statorbauteilen montierten Zustand zu seinem in oder an dem Stator montierten und mit den vom Magnetfeld des Motors hervorgerufenen Kräften belasteten Zustand elastische Verformung aufgezwungen wird.
Die elastische Verformung des sich im oder am Stator von einem radial äußeren Bereich des Stators zu einem radial inneren Bereich des Stators erstreckenden Bauteils kann durch eine Wölbung erfolgen, bei der der radial mittlere Teil relativ zum radial äußeren Bereich und radial inneren Bereich dem Rotor weiter zugewandt oder weiter abgewandt ist. Dabei sind verschiedenen Varianten möglich. Das elastisch verformbare Bauteil kann vor der Montage mit den restlichen Statorteilen einen Mittelteil aufweisen, der weiter von Rotor weggewölbt ist als im montierten Zustand des Stators. Das elastisch verformbare Bauteil kann vor der Montage mit den restlichen Statorteilen einen Mittelteil aufweisen, der von Rotor weggewölbt ist und im montierten Zustand des Stators gerade ist. Das elastisch verformbare Bauteil kann vor der Montage mit den restlichen Statorteilen einen Mittelteil aufweisen, der von Rotor weggewölbt ist und im montierten Zustand des Stators zum Rotor hingewölbt ist. Das elastisch verformbare Bauteil kann vor der Montage mit den restlichen Statorteilen gerade sein und im montierten Zustand des Stators einen Mittelteil aufweisen, der zum Rotor hingewölbt ist. Das elastisch verformbare Bauteil kann vor der Montage mit den restlichen Statorteilen einen Mittelteil aufweisen, der zum Rotor hingewölbt ist und im montierten Zustand des Stators noch weiter zum Rotor hingewölbt ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Stator ein Statorgehäuse auf, welches eine erste Halbschale, die eine Außenkante bzw. Außenseite der ersten Statorhälfte definiert, und eine zweite Halbschale, die eine Außenkante bzw. Außenseite der zweiten Statorhälfte definiert, hat und wobei zumindest eine Längsseite bzw. Stirnseite der ersten Halbschale und/oder der zweiten Halbschale in einem Zustand ohne Einwirkung der Magnetkraft eine sich in Axialrichtung vom Rotor weg ausdehnende Außenwölbung aufweist bzw. aufweisen und insbesondere in einem Zustand unter Einwirkung einer Mindest-Magnetkraft eben ist bzw. sind.
Damit weist zumindest die Längsseite zumindest einer der Halbschalen, insbesondere beider Halbschalen, eine Außenwölbung auf, die nur sichtbar bzw. messbar ist, wenn die Axialflussmaschine nicht in Betrieb (nicht unter Last) ist. Unter Last wird in der Axialflussmaschine durch die zum Rotor hin wirkende Magnetkraft jeweils eine solche Kraft auf die Halbschale(n) ausgeübt, dass deren Form eben/flach ist.
Die Außenwölbung der Halbschale(n) kann vorteilhafterweise unter Last eine möglichst gleichmäßige Breite eines zwischen Rotor und Stator vorgesehenen Luftspaltes sicherstellen. Durch die Außenwölbung der Halbschale(n) wird außerdem verhindert, dass sich die Halbschale(n) aufgrund der auf sie wirkenden Magnetkraft nach axial innen zum Rotor hin durchbiegen bzw. zu weit durchbiegen.
Vorzugsweise weist die Lagerung zwei Lager, die jeweils eine Statorhälfte bzw. deren Halbschale mit der Rotorwelle verbinden, in X-Anordnung zueinander auf, wenn die Gesamt-Vorspannkraft (Summe aller Vorspannkräfte) in der Axialflussmaschine kleiner als (oder gleich wie) die Magnetkraft eingestellt ist, und die Lagerung weist zwei Lager, die jeweils eine Statorhälfte mit der Rotorwelle verbinden, in O-Anordnung zueinander auf, wenn die Gesamt-Vorspannkraft in der Axialflussmaschine größer als eine maximal auftretende Magnetkraft eingestellt ist.
Vorzugsweise weist die Lagerung zwei Lager auf, die jeweils eine Statorhälfte bzw. deren Halbschale mit der Rotorwelle so verbinden, dass die Halbschale eine Axialkraft auf die Rotorwelle in Richtung der anderen Statorhälfte ausüben kann (In der Welle entsteht zwischen den beiden Lagern eine axiale Druckkraft.), wenn die Gesamt-Vorspannkraft, d.h. Summe aller Vorspannkräfte, in der Axialflussmaschine kleiner als (oder gleich wie) die Magnetkraft eingestellt ist. Die beiden Lager werden dazu sinnvoller Weise so gestaltet und angeordnet, dass sie bezogen auf ihre Kraftübertragungsrichtung eine X-Anordnung zueinander aufweisen.
Wenn die Gesamt-Vorspannkraft in der Axialflussmaschine größer als eine maximal auftretende Magnetkraft eingestellt ist, weist die Lagerung vorzugsweise zwei Lager auf, die jeweils eine Statorhälfte bzw. deren Halbschale mit der Rotorwelle so verbinden, dass die Halbschale eine Axialkraft auf die Rotorwelle ausübt, die von der anderen Statorhälfte weg gerichtet ist (In der Welle entsteht zwischen den beiden Lagern eine axiale Zugkraft.). Die beiden Lager werden dazu sinnvoller Weise so gestaltet und angeordnet, dass sie bezogen auf ihre Kraftübertragungsrichtung eine O-Anordnung zueinander aufweisen.
Die Gesamt-Vorspannkraft in der Axialflussmaschine ist insbesondere dann größer als die maximal auftretende Magnetkraft, wenn die Vorspannung zumindest durch ein externes Vorspannungselement eingestellt wird.
Wenn die Lager in X-Anordnung zueinander angeordnet sind, liegen die Druckmittelpunkte der beiden Lager jeweils zwischen den Lagern. Die Lager in X- Anordnung können besonders gut der nach innen (zum Rotor hin) gerichteten Gesamt-Axialkraft entgegenwirken, die auftritt, wenn die Magnetkraft größer als die Gesamt-Vorspannkraft ist. Wenn die Lager in O-Anordnung zueinander ausgerichtet sind, liegen die Druckmittelpunkte der beiden Lager jeweils außerhalb der Lager. Die Lager in O-Anordnung können daher besonders gut der nach außen gerichteten Gesamt-Axialkraft entgegenwirken, die auftritt, wenn die Gesamt-Vorspannkraft größer als die maximal auftretende Magnetkraft ist.
Da sich also die Anordnung der Lager zueinander nach der Wirkungsrichtung der Gesamt-Axialkraft und damit nach der Größe der (Gesamt-)Vorspannkraft richtet, kann die Rotorwelle in jedem Fall kippstabil an den beiden Statorhälften abgestützt werden. Somit ist die Struktur der Axialflussmaschine in jedem Fall stabil. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschinenanordnung, die die zuvor beschriebene elektrische Axialflussmaschine aufweist. Die elektrische Maschinenanordnung weist alle Vorteile der erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine auf.
Es wird weiter ein Antriebsstrang mit einer derartigen elektrischen Maschinenanordnung sowie ein Kraftfahrzeug mit so einem Antriebsstrang vorgeschlagen.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert, in welchem Zusammenhang auch verschiedene Ausführungsformen beschrieben sind.
Es zeigen:
Fig. 1 eine elektrische Axialflussmaschine in I-Anordnung in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung, bei der beide Statorhälften selbst mit einer Vorspannung versehen sind;
Fig. 2 die elektrische Axialflussmaschine aus Fig. 1 , bei der eine Statorhälfte an ihrer radial inneren Stirnseite an einem Gehäuse der Axialflussmaschine fixiert ist und die andere Statorhälfte mit einer Vorspannung versehen ist;
Fig. 3 eine elektrische Axialflussmaschine in I-Anordnung in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung, bei der an beiden Statorhälften jeweils ein externes Vorspannungselement montiert ist;
Fig. 4 die elektrische Axialflussmaschine aus Fig. 3, bei der die Lagerung in Form zweier Lager in O-Anordnung zueinander ausgebildet ist; und
Fig. 5 eine elektrische Axialflussmaschine in I-Anordnung in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung, bei der zumindest die Längsseiten des Statorgehäuses mit einer Außenwölbung versehen sind. Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Ferner können die unterschiedlichen Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen frei miteinander kombiniert werden.
In den nachfolgend beschriebenen Figuren 1 bis 5 definiert eine Abtriebswelle AW einer elektrischen Axialflussmaschine 1 die Axialrichtung (siehe Pfeil AR) und die Radialrichtung (siehe Pfeil RR). Die Abtriebswelle AW definiert mit ihrer Längsachse, die in Axialrichtung verläuft, die Rotationsachse R der Axialflussmaschine 1.
Fig. 1 zeigt eine elektrische Axialflussmaschine 1 , die auch als Axialflussmotor bezeichnet werden kann, in I-Anordnung für den Antrieb eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Die elektrische Axialflussmaschine 1 weist einen Stator 2 auf, der eine erste und eine zweite Statorhälfte 3, 4 aufweist. Die in Bezug auf eine Abtriebswelle AW der Axialflussmaschine 1 radial außenliegenden Stirnseiten der ersten und zweiten Statorhälften 3, 4 sind über eine radial äußere Verbindung 5 (nachfolgend auch als „Joch“ bezeichnet) miteinander verbunden. Dabei ist die radial äußere Verbindung 5 mit einem Befestigungsmittel, insbesondere mit einem Bolzen oder mit einer Schraube ausgeführt, das in dafür vorgesehene Löcher in der jeweiligen Statorhälfte 3, 4 eingreift.
Weiterhin weist die elektrische Axialflussmaschine 1 einen Rotor 6, der relativ zum Stator 2 drehbar gelagert ist, sowie eine in drehfestem Kontakt mit dem Rotor 6 stehende Rotorwelle 7 auf. Der Rotor 6 ist an seiner einen Axialseite von der ersten Statorhälfte 3 und an seiner anderen Axialseite von der zweiten Statorhälfte 4 umgeben. Die Rotorwelle 7 ist über eine Innenverzahnung mit einer Außenverzahnung der Abtriebswelle AW verbunden. Die Rotorwelle 7 ist jeweils mit der in Bezug auf die Abtriebswelle AW radial innenliegenden Stirnseite der ersten und der zweiten Statorhälfte 3, 4 über eine Lagerung 8 verbunden. Der Rotor 6 weist zumindest einen Rotormagneten (bspw. Permanentmagnete) auf und die beiden Statorhälften 3, 4 weisen jeweils zumindest einen Statormagneten (bspw. Elektromagnete) auf. Zwischen den Statormagneten und dem Rotormagnet wird ein Magnetfeld erzeugt, wenn die Axialflussmaschine 1 bestromt wird. Dieses Magnetfeld führt dazu, dass sich der Rotor 6 relativ zum Stator 2 dreht. Die Rotorwelle 7 dreht sich dann mit dem Rotor 6 und durch die Verzahnung der Rotorwelle 7 wird die Abtriebswelle AW rotiert, die sich um ihre Längsachse dreht. Zwischen dem Rotormagnet des Rotors 6 und den Statormagneten des Stators 2 wirkt aufgrund von dem Magnetfeld eine Magnetkraft in Axialrichtung. Die Magnetkraft wirkt jeweils von den Statormagneten nach innen zum Rotormagnet hin (siehe Pfeile A).
Im vorliegenden Fall sind beide Statorhälften 3, 4 mit einer Vorspannung bzw. Vorspannkraft versehen, die der Magnetkraft entgegenwirkt. Die den Statorhälften 3, 4 innewohnende Vorspannkraft (siehe Pfeile B) ist in die Axialrichtung weg vom Rotor und damit entgegengesetzt zur Wirkungsrichtung der Magnetkraft (siehe Pfeile A) gerichtet.
Die Vorspannkraft wirkt im radial mittleren Bereich und im radial inneren Bereich in Axialrichtung weg vom Rotor. Dazu stützen sich die elastisch verformten Bauteile, die die Vorspannkraft bewirken, auf der radial äußeren Verbindung 5 zwischen den beiden Statorhälften ab. In diesem Verbindungsbereich verursachen die elastisch verformten Bauteile, die die Vorspannkraft bewirken, eine Kraftwirkung in entgegengesetzter Richtung, zu der Kraftwirkung im radial äußeren und mittleren Bereich. In der radial äußeren Verbindung 5 verursachen die elastisch verformten Bauteile, die die Vorspannkraft bewirken, eine axiale Druckbelastung.
Der Stator weist ein Statorgehäuse 9 auf, welches wiederum zwei Halbschalen, eine erste Halbschale 10 und eine zweite Halbschale 11 , aufweist. Die erste Halbschale 10 umgibt bzw. umschließt die erste Statorhälfte 3 an den Seiten der ersten Statorhälfte 3, die nicht dem Rotor 6 zugewandt sind, und definiert somit die Außenkante bzw. Außenseite der ersten Statorhälfte 3. Die zweite Halbschale 11 umgibt bzw. umschließt die zweite Statorhälfte 4 an den Seiten der zweiten Statorhälfte 4, die nicht dem Rotor 6 zugewandt sind, und definiert somit die Außenkante bzw. Außenseite der zweiten Statorhälfte 4. Die erste und die zweite Halbschale 10, 11 sind jeweils zweifach in Fig. 1 dargestellt: einmal im Einbauzustand als durchgezogene Linie (10, 11 ) und einmal im freien Zustand als gestrichelte Linie (10‘, 11‘).
Im vorliegenden Fall sind die erste und die zweite Halbschale 10‘, 11 ‘ mit einer derartigen Eigensteifigkeit versehen/hergestellt, dass sich die Halbschalen 10‘, 11 ' im freien Zustand (vor Befestigung an der Rotorwelle 7 über die Lagerung 8) ausgehend von ihrer radial außenliegenden Stirnseite zu ihrer radial innenliegenden Stirnseite hin kontinuierlich zunehmend nach axial außen, d.h. vom Rotor weg, erstrecken. Somit verlaufen die Halbschalen 10‘, 11 ‘ in einem Zustand, bevor sie mit der Rotorwelle 7 verbunden sind, schräg/gewinkelt zur Radialrichtung. In dem Zustand, in dem die Halbschalen 10, 11 über die Lagerung 8 mit der Rotorwelle 7 verbunden sind, sind die Halbschalen 10, 11 im Einbauzustand und erstrecken sich entlang der (in die) Radialrichtung.
Die Lagerung 8 ist hier in Form von zwei Lagern, einem ersten Lager 12 und einem zweiten Lager 13, die insbesondere jeweils als einreihige Schrägkugellager ausgeführt sind, ausgebildet. Die Lager 12, 13 stützen den Rotor 6 sowohl axial, als auch radial über die Rotorwelle 7 an den beiden Statorhälften 3 und 4 ab. Das erste Lager 12 verbindet also die erste Statorhälfte 3 mit der Rotorwelle 7 und das zweite Lager 13 verbindet die zweite Statorhälfte 4 mit der Rotorwelle 7. Genauer gesagt verbindet das erste Lager 12 die erste Halbschale 10 mit der Rotorwelle 7 und das zweite Lager 13 die zweite Halbschale 11 mit der Rotorwelle 7.
Die Lager 12, 13 sind in Fig. 1 in einer X-Anordnung zueinander vorgesehen. Eine X- Anordnung zweier Lager zueinander bedeutet, dass der Druckmittelpunkt der jeweiligen Lager zwischen den Lagern liegt. Im Allgemeinen ist es zweckmäßig, die X-Anordnung zu verwenden, wenn die Lager jeweils eine Axialkraft in Richtung des anderen Lagers übertragen, wie hier auch der Fall. Denn die Magnetkraft ist in der vorliegenden Ausführungsform der Fig. 1 größer als die (Gesamt-)Vorspannkraft der Halbschalen 10, 11 , sodass eine daraus resultierende Gesamt-Axialkraft nach innen zum Rotor hinwirkt.
Somit erfüllen das erste und das zweite Lager 12, 13 einerseits die Aufgabe, den Rotor 6 und die Rotorwelle 7 durch Verbindung mit den Statorhälften 3, 4 in Position zu halten, und andererseits können die beiden Statorhälften 3, 4 über das jeweilige ihm zugeordnete Lager 12, 13 die auf sie wirkende Magnetkraft an die jeweils andere Statorhälfte 3, 4 übertragen. Dabei wird ein Teil der Magnetkraft bspw. von der ersten Statorhälfte 3 über das erste Lager 12 auf die Rotorwelle 7, von dieser auf das zweite Lager 13 und vom zweiten Lager 13 auf die zweite Statorhälfte 4 übertragen und andersherum. Über das Joch 5 wird der andere Teil der Magnetkraft zwischen den beiden Statorhälften 3, 4 übertragen. Insgesamt nimmt das Statorgehäuse 9 somit einen Großteil der Magnetkraft auf. Die verhindert, dass sich ein erster Luftspalt 14, der zwischen dem Rotor 6 und der ersten Statorhälfte 3 vorgesehen ist und in Radialrichtung verläuft, und ein zweiter Luftspalt 15, der zwischen dem Rotor 6 und der zweiten Statorhälfte 4 vorgesehen ist und in Radialrichtung verläuft, aufgrund der Magnetkraft unzulässig verändern (z.B. zu klein werden). Die gleichbleibende Breite dieser Luftspalte 14, 15 ist erforderlich für die Effizienz der elektrischen Axialflussmaschine 1 und erforderlich für ihre Funktionstüchtigkeit.
Die Magnetkraft wirkt am stärksten auf den in Radialrichtung betrachteten mittleren Bereich der Statorhälften 3, 4 ein. Die hauptsächlich im mittleren Bereich der Statorhälften 3, 4 eingeleitete Magnetkraft wird dann zum Teil über das Joch 5 und zum Teil über die Lager 12, 13 und die Rotorwelle 7 an die jeweils andere Statorhälfte 3, 4 übertragen. Da die Magnetkraft ausgehend vom Rotor beide Statorhälften 3, 4 zum Rotor hinzieht, wird der Kraftfluss über die Verbindungen 5, 8 (Joch und Lager) zwischen den Statorhälften 3, 4 geschlossen.
Durch die Vorspannkraft der Halbschalen 10, 11 lässt sich beeinflussen, wie groß der Anteil der Magnetkraft ist, die radial außen über das Joch 5 übertragen wird, und wie groß der Anteil der Magnetkraft ist, die radial innen über die Lager 12, 13 sowie die Rotorwelle 7 übertragen wird. Hier ist die Vorspannkraft der Halbschalen 10, 11 so gewählt/eingestellt, dass dauerhaft ein möglichst großer Anteil der Magnetkraft über das Joch 5 übertragen wird und gleichzeitig ein minimaler Anteil der Magnetkraft radial innen über die Lager 12, 13 übertragen wird, damit eine ausreichende Lagerbelastung gewährleistet ist. Die Halbschalen 10, 11 haben also aufgrund ihrer Vorspannkraft an ihrer radial innenliegenden Stirnseite die Tendenz, sich von den Lagern 12, 13 weg zu bewegen. Die Vorspannkraft der Halbschalen 10, 11 wirkt also in Axialrichtung vom Rotor 6 weg und damit der Magnetkraft, die ja die Statorhälften 3, 4 und damit auch die Halbschalen 10, 11 zum Rotor 6 hinzieht, entgegen.
Weiterhin weist die elektrische Axialflussmaschine 1 ein Axialflussmaschinengehäuse 16 auf, mit dem der Stator 2 über ein Befestigungsmittel, insbesondere ein Bolzen oder eine Schraube, verbunden ist. Zusätzlich stützt das Axialflussmaschinengehäuse 16 über ein Lager 17 (einreihiges Kugellager) die Abtriebswelle AW ab. Außerdem kämmt die Abtriebswelle AW außerhalb des Axialflussmaschinengehäuses 16 über eine weitere Außenverzahnung mit einem Zahnrad einer Getriebestufe 18.
Fig. 2 zeigt die elektrische Axialflussmaschine aus Fig. 1 , bei der die erste Statorhälfte 3 an ihrem radial inneren Ende an dem Axialflussmaschinengehäuse 16 fixiert (verschraubt) ist und die zweite Statorhälfte 4 bzw. die zweite Halbschale 11 mit einer Vorspannung versehen ist. Die erste Halbschale 10 ist über das modifizierte Lager 12 (zweireihiges Kugellager) mit der Rotorwelle 7 verbunden. Die erste Halbschale 10 ist dabei deutlich dicker und somit stabiler als die zweite Halbschale 11 , da die erste Halbschale 10 mit dem Axialflussmaschinengehäuse 16 verbunden ist und somit den kompletten Motor inklusive Rotor 6 und Rotorwelle 7 trägt. Im vorliegenden Fall ist daher nur die dünnere und elastischere zweite Halbschale 11 mit einer Vorspannkraft versehen (siehe zweite Halbschale 1 T im freien Zustand). Auch die von der zweiten Halbschale 11 einseitig eingebrachte Vorspannkraft wirkt der Magnetkraft entgegen (reduziert diese). Die einseitig eingebrachte Vorspannkraft reduziert so die Belastung für beide Lager 12, 13. In Fig. 2 ist die Abtriebswelle AW nicht explizit dargestellt.
Es ist aber alternativ zu obiger Ausführungsform unter Fig. 2 auch möglich, zwei unterschiedlich steife Statorhälften bzw. Halbschalen vorzuspannen. In diesem Fall ist es vorzugsweise sinnvoll, die steifere Statorhälfte mit einem geringeren Vorspannweg vorzusehen als die weniger steife Statorhälfte, so dass die Vorspannkräfte der beiden Statorhälften in der gewünschten Einbaulage im Kräftegleichgewicht sind.
Alternativ oder zusätzlich zu der Möglichkeit, die Statorstruktur bzw. die Halbschalen selbst mit der Vorspannkraft zu versehen, besteht die Möglichkeit, die Vorspannkraft durch separate und externe Vorspannungselemente, insbesondere Federn, zu realisieren, die am Statorgehäuse befestigt werden und mit ihrer Kraftwirkung auf die Struktur der Axialflussmaschine 1 einwirken.
Wird mindestens eine der beiden Statorhälften vorgespannt, wird radial innen über die Lager und die Welle eine Axialkraft von der einen Statohälfte auf die andere Statorhälfte übertragen. Dazu muss der radiale Innenbereich der beiden Statorhälften jeweils über ein Lager mit der Welle verbunden sein. Die Lager können dabei direkt mit der Welle und der Statorhälfte verbunden sein. Alternativ kann die Verbindung zwischen dem Lager und der Welle auch über ein mit der Welle verbundenes Bauteil erfolgen. Das Lager kann am Stator auch über ein am Stator befestigtes Bauteil verbunden sein. Bei der in Figur 2 gezeigten Axialflussmaschine, bei der die Statorhälfte 3 mit dem Axialflussmaschinengehäuse 16 verschraubt ist, kann das Lager 12 alternativ auch am Axialflussmaschinengehäuse 16 befestigt sein. Der axiale Kraftfluss zwischen der Statorhälfte 3 und der Rotorwelle 7 ist dann über das Axialflussmaschinengehäuse 16 und das Lager 12 gewährleistet. Fig. 3 zeigt in diesem Zusammenhang eine elektrische Axialflussmaschine 1 , die im Wesentlichen der Axialflussmaschine der Fig. 1 entspricht, bei der im Gegensatz dazu aber an beiden Statorhälften 3, 4 jeweils ein externes Vorspannungselement montiert ist. Das externe Vorspannungselement ist als eine erste Tellerfeder 19 und als eine zweite Tellerfeder 20 ausgeführt. Die erste Tellerfeder 19 ist mit ihrem Außendurchmesser an dem/der radial außenliegenden Ende/Stirnseite der ersten Statorhälfte 3 angebracht. Mit ihrem Innendurchmesser ist die erste Tellerfeder 19 an mindestens einem ersten Stufenbolzen 21 , besser mehreren auf dem Umfang verteilten Stufenbolzen, befestigt, der/die auf mittlerer Höhe in Radialrichtung an der ersten Halbschale 10 angebracht ist/sind. Spiegelbildich dazu ist die zweite Tellerfeder 20 mit ihrem Außendurchmesser an dem/der radial außenliegenden Ende/Stirnseite der zweiten Statorhälfte 4 angebracht. Mit ihrem Innendurchmesser ist die zweite Tellerfeder 20 an einem zweiten Stufenbolzen 22 befestigt, der auf mittlerer Höhe in Radialrichtung an der zweiten Halbschale 11 angebracht ist.
Die Tellerfedern 19, 20 können somit jeweils eine Zugkraft auf den Mittelteil der Halbschalen 10, 11 ausüben (siehe die Tellerfedern 19', 20' (gestrichelte Linie) in einem Zustand, in dem ihr Innendurchmesser nicht mit dem jeweiligen Stufenbolzen 21 , 22 verbunden ist). Durch diese Zugkraft wird ein Teil der axial wirkenden Magnetkraft, die das Magnetfeld über die Rotor- und Statormagnete auf die Halbschalen 10, 11 ausübt, von den Tellerfedern 19, 20 auf das Joch 5 übertragen. Der Anteil an der Magnetkraft, den die Tellerfedern 19, 20 auf das Joch 5 übertragen, wird somit nicht mehr über die Halbschalen 10, 11 anteilig auf das Joch und anteilig auf die Lager 12, 13 ausgeübt. Die Tellerfedern 19, 20 übertragen die gesamte Magnetkraft, die sie aufnehmen können, auf das Joch 5, wobei für die Kraft, die von der Tellerfeder übernommen wird, keine Kraftaufteilung mehr auf Basis der geometriechen Gegebenheiten auf Joch und Lager erfolgt. Dadurch werden die Lager 12, 13 entlastet. Im Gegensatz zu der Axialflussmaschine 1 aus Fig. 1 , ist bei der Axialflussmaschine 1 aus Fig. 3 keine der Halbschalen 10, 11 integral mit einer Vorspannkraft versehen/ausgebildet. In allen oben aufgeführten Ausführungsformen der Figuren 1 bis 3 ist die Vorspannkraft so gewählt, dass die Magnetkraft größer als die Vorspannkraft ist, sodass die daraus resultierende Gesamt-Axialkraft von den Statorhälften 3, 4 ausgehend zum Rotor 6 hinwirkt.
Wenn externe Vorspannungselemente, wie hier die Tellerfedern 19, 20, verwendet werden, können diese als separate und von der Axialflussmaschine 1 sonst unabhängige Bauteile für große Federkräfte optimiert werden. Dabei kann die Vorspannkraft der externen Vorspannungselemente auch so gewählt sein, dass die Gesamt-Vorspannkraft größer als eine maximal auftretende Magnetkraft ist. Damit wirkt die Gesamt-Axialkraft, die sich aus der Differenz zwischen Vorspannkraft und Magnetkraft ergibt, ausgehend von den Statorhälften 3, 4 vom Rotor 6 weg.
Fig. 4 zeigt eine derartige Ausführungsform der Axialflussmaschine 1 , bei der in der aus Fig. 3 bekannten Axialflussmaschine 1 die Vorspannkraft der Tellerfedern 19, 20 (bzw. 19‘, 20‘) so gewählt ist, dass die Gesamt-Axialkraft, die sich aus der Differenz zwischen Vorspannkraft und Magnetkraft ergibt, ausgehend von den Statorhälften 3, 4 vom Rotor 6 weg wirkt. Aus diesem Grund sind in Fig. 4 die Lager 12, 13 in 0- Anordnung zueinander angeordnet. Aufgrund der Gesamt-Axialkraft werden also die radial innenliegenden Bereiche der Statorhälften 3, 4 in Axialrichtung nach außen, also vom Rotor 6 weg, gedrückt. Die Welle wird dann zwischen den beiden Lagerstellen axial auf Zug belastet und hält somit die beiden Statorhälften radial innen zusammen. Die beiden Lager 12, 13 sind aus diesem Grund in O-Anordnung zueinander ausgerichtet, damit die bauartbedingte Kraftübertragungsrichtung der Lager zu der zwischen den Statorhälften und der Welle herrschenden Kraftrichtung passt. In der O-Anordnung können die Lager 12, 13 nämlich die beiden Statorhälften 3, 4 jeweils nach radial innen ziehen und damit der Gesamt-Axialkraft entgegenwirken. Mit den in O-Anordnung montierten Lagern wird die Rotorwelle 7 deutlich kippstabiler auf den beiden Statorhälften 3, 4 abgestützt als dies bei einer X- Anordnung der Lager 12, 13 der Fall ist. In obiger Ausführungsform ist die Axialbelastung der Lager 12, 13 bei maximaler Magnetkraft am geringsten, da die zum Rotor hin wirkende Magnetkraft der Gesamt- Axialkraft entgegenwirkt. Wenn die Magnetkraft kleiner als ihr Maximalwert ist, steigt die axiale Lagerbelastung an, da der Vorspannkraft dann eine geringere Magnetkraft entgegengerichtet ist.
Fig. 5 zeigt die elektrische Axialflussmaschine 1 , bei der zumindest die Längsseiten bzw. Stirnseiten der ersten und zweiten Halbschalen 10, 11 jeweils mit einer Außenwölbung 23 versehen sind. Im Wesentlichen entspricht die Axialflussmaschine 1 der Fig. 5 derjenigen aus Fig. 1 mit dem Unterschied, dass die Axialflussmaschine
I in Fig. 5 die Außenwölbung 23 in den Halbschalen 10, 11 aufweist. Die Außenwölbung 23 hat ihre maximale Ausdehnung (in Richtung vom Rotor 6 weg) in die Axialrichtung in etwa in der aus Radialrichtung betrachteten Mitte der Halbschalen 10, 11. Natürlich ist auch vorstellbar, dass nur eine der Halbschalen 10,
I I mit der Außenwölbung 23 versehen ist, wobei dabei die Halbschalen 10, 11 vorteilhafterweise zusätzlich mit einer Vorspannkraft versehen sind. Die Vorspannkraft entsteht, indem die Auswölbung, der unbelasteten Einzelteile, im fertig montierten und der Magnetkraft ausgesetzten Zustand des Motors elastisch verschwunden ist oder zumindest elastisch verändert ist.
Wie bereits oben erläutert, wird ein Großteil der Magnetkraft in den in Radialrichtung betrachteten mittleren Bereich der Halbschalen 10, 11 eingeleitet. Dieser mittlere Bereich der Halbschalen 10, 11 unterliegt daher der Gefahr, sich aufgrund der hier stark angreifenden Magnetkraft zum Rotor hin durchzuwölben. Um dem entgegenzuwirken, sind hier die Halbschalen 10, 11 mit der Außenwölbung 23 hergestellt. Solange eine fremderegte Axialflussmaschine 1 nicht bestromt ist (nicht unter Last ist), ist die Außenwölbung 23 sichtbar bzw. messbar (siehe gestrichelte Linie). Sobald die Axialflussmaschine 1 allerdings (ausreichend) bestromt ist (unter Last ist), werden die Halbschalen 10, 11 elastisch in eine ebene Form gezogen, sodass sie sich entlang der (in die) Radialrichtung erstrecken. Durch die Außenwölbung 23 in den Halbschalen 10, 11 ist es weniger wahrscheinlich bis unmöglich, dass sich die Halbschalen 10, 11 zum Rotor hin durchbiegen. Bei einer permanenteregten Axialflussmaschine wirkt selbst im unbestromten Zustand eine hohe axiale Magnetkraft zwischen dem Rotor und dem Stator, so dass die Außenwölbung 23 der unbelasteten Einzelteile (siehe gestrichelte Linie) im komplett montierten und betriebsbereiten Motor nicht mehr oder nicht mehr vollständig sichtbar bzw. messbar ist. Sobald die Axialflussmaschine 1 bestromt ist (unter Last ist), verändert sich die axiale Magnetkraft noch lastabhängig. Durch die Auswölbungen sind die jetzt elastisch von der Magnetkraft verformten Statorhälften fast eben und weichen trotz der lastabhängigen Magnetkraftschwankungen nur geringfügig von der Idealform ab, da durch die Auswölbung ein Großteil der zu erwartenden elastischen Verformung bereits vorgehalten ist und sich bei dem elastischen Ebendrücken der Auswölbung eine Vorspannkraft ergeben hat, die der auf die Statorhälfte einwirkenden Magnetkraft entgegengerichtet ist. Durch die Außenwölbung 23 in den Halbschalen 10, 11 ist es weniger wahrscheinlich bis unmöglich, dass sich die Halbschalen 10, 11 zu weit zum Rotor hin durchbiegen.
Damit kann durch die Außenwölbung 23 verhindert werden, dass sich die Luftspalte 14, 16 unzulässig verändern (insbesondere zu sehr verkleinern).
Es ist klar, dass, solange es für den Fachmann sinnvoll ist, alle hier aufgeführten Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können. Bspw. können die Halbschalen 10, 11 mit einer Außenwölbung 23 versehen sein und zusätzlich sind externe Vorspannungselemente (Tellerfedern 19, 20) vorgesehen, um eine Vorspannung der Statorhälfte(n) 3, 4 zu gewährleisten.
Bezuqszeichenliste
1 elektrische Axialflussmaschine
2 Stator
3 erste Statorhälfte
4 zweite Statorhälfte
5 radial äußere Verbindung, Joch
6 Rotor
7 Rotorwelle
8 Lagerung
9 Statorgehäuse
10 erste Halbschale
11 zweite Halbschale
12 erstes Lager
13 zweites Lager
14 erster Luftspalt
15 zweiter Luftspalt
16 Axialflussmaschinengehäuse
17 Lager
18 Getriebestufe
19 erste Tellerfeder
20 zweite Tellerfeder
21 erster Stufenbolzen 22 zweiter Stufenbolzen
23 Außenwölbung (in Halbschale)
AW Abtriebswelle
R Rotationsachse Axialflussmaschine Pfeil A Wirkrichtung der Magnetkraft
Pfeil B Wirkrichtung der Vorspannkraft
Pfeil AR Axialrichtung
Pfeil RR Radialrichtung

Claims

- 28 - Ansprüche
1. Elektrische Axialflussmaschine (1 ) mit einem Stator (2), der zumindest eine Statorhälfte (3, 4) aufweist, mit einem in Axialrichtung zu dem Stator (2) angeordneten Rotor (6), der relativ zu dem Stator (2) drehbar gelagert ist, sowie mit einer in drehfestem Kontakt mit dem Rotor (6) stehenden Rotorwelle (7), wobei zwischen dem Rotor (6) und dem Stator (2) in Axialrichtung eine Magnetkraft wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass bauliche Maßnahmen zum Erzeugen einer Vorspannung vorgehalten sind, die die zumindest eine Statorhälfte (3, 4) von dem Rotor (6) wegdrängt, um der Magnetkraft entgegenzuwirken.
2. Elektrische Axialflussmaschine (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Statorhälfte (3, 4) selbst aufgrund ihrer Steifigkeit die Vorspannung erzeugt oder ein von dem Stator (2) separat ausgebildetes Vorspannungselement (19, 20) eingesetzt ist, das mit der zumindest einen Statorhälfte (3, 4) verbunden ist, um die Vorspannung zu erzielen.
3. Elektrische Axialflussmaschine (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Statorhälfte (3, 4) eine erste Statorhälfte (3) und eine zweite Statorhälfte (4) aufweist, die radial außen miteinander verbunden sind.
4. Elektrische Axialflussmaschine nach Ansprüche 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) ein Statorgehäuse (9) aufweist, welches eine erste Halbschale (10), die eine Außenseite der ersten Statorhälfte (3) definiert, und eine zweite Halbschale (11 ) aufweist, die eine Außenseite der zweiten Statorhälfte (4) definiert, und die erste Halbschale (10) oder die zweite Halbschale (11 ) eine Eigensteifigkeit aufweist, die die Vorspannung bewirkt, die der Magnetkraft entgegenwirkt.
5. Elektrische Axialflussmaschine (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung so realisiert ist, dass die erste oder die zweite Halbschale (10, 11 ) eine derartige Form aufweisen, dass sich die erste oder die zweite Halbschale (10‘, 1 T) in einem freien Zustand, bevor die Statorhälften (3, 4) einem starken Magnetfeld ausgesetzt sind und über eine Lagerung (8) mit der Rotorwelle (7) verbunden sind, ausgehend von ihrer radial außenliegenden Bereich zu ihrer radial innenliegenden Bereich hin kontinuierlich zunehmend vom Rotor (6) weg erstreckt.
6. Elektrische Axialflussmaschine (1 ) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass, ein Vorspannweg der ersten oder zweiten Halbschale (10, 11 ) in Abhängigkeit von der Steifigkeit der ersten oder zweiten Halbschale (10, 11 ) eingestellt ist.
7. Elektrische Axialflussmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass, die erste und die zweite Halbschale (10, 11 ) gleichermaßen steif sind und der Vorspannweg der ersten und zweiten Halbschale (10, 11 ) identisch ist, oder eine der beiden Halbschalen (10, 11 ) steifer als die andere Halbschale (10, 11 ) ist und die steifere Halbschale (10, 11) ohne Vorspannweg oder mit einem kleineren Vorspannweg versehen ist als die weniger steife Halbschale (10, 11 ).
8. Elektrische Axialflussmaschine (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Längsseite oder Stirnfläche der ersten oder zweiten Halbschale (10, 11 ) in einem Zustand ohne Einwirkung der Magnetkraft eine sich in Axialrichtung vom Rotor (6) weg ausdehnende Außenwölbung (23) oder eine sich zu dem Rotor (6) hin ausdehnende Innenwölbung aufweist.
9. Elektrische Axialflussmaschine (1 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Lager (12, 13) vorgesehen sind, von denen jeweils eines eine der ersten und der zweiten Statorhälfte (3, 4) mit dem Rotor (6) oder der Rotorwelle (7) verbindet und eine axiale Kraftübertragung von einer Statorhälfte (3, 4) über den Rotor oder die Rotorwelle (7) auf die andere Statorhälfte (3, 4) bewirken.
10. Elektrische Axialflussmaschine (1 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamt-Vorspannkraft in der Axialflussmaschine (1 ) kleiner als die Magnetkraft eingestellt ist und die zwei Lager (12, 13) eine axiale Kraftübertragungsrichtung aufweisen, die ein aufeinander Zuwandern der ersten Statorhälfte (3) und der zweiten Statorhälfte (4) verhindert.
11 . Elektrische Axialflussmaschine (1 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamt-Vorspannkraft in der Axialflussmaschine (1 ) größer als eine maximal auftretende Magnetkraft eingestellt ist und die zwei Lager (12, 13) eine axiale Kraftübertragungsrichtung aufweisen, die ein Auseinandertriften der ersten Statorhälfte (3) und der zweiten Statorhälfte (4) verhindert.
12. Elektrische Axialflussmaschine (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Statorhälfte (3, 4) durch ein von der Statorhälfte (3, 4) separat ausgebildetes, externes Vorspannungselement (19, 20) mit der Vorspannung versehen ist, wobei ein erstes Ende des externen Vorspannungselements (19, 20) an einem radial weiter außen liegenden Bereich der zumindest einen Statorhälfte (3, 4) abgestützt ist und ein zweites Ende des externen Vorspannungselements (19, 20) an einem radial weiter innen liegenden Bereich der zumindest einen Statorhälfte (3, 4) abgestützt ist.
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