WO2018054906A1

WO2018054906A1 - Elektrische maschine

Info

Publication number: WO2018054906A1
Application number: PCT/EP2017/073651
Authority: WO
Inventors: Adrian Patzak; Florian Bachheibl
Original assignee: Volabo Gmbh
Priority date: 2016-09-22
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2018-03-29
Also published as: US20190252959A1; CN109923773A; DE102016117911A1

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine (10) angeben mit einem Stator (11), welcher mindestens zwei Nuten (12) aufweist, in welchen sich je ein elektrisch leitfähiger Stab (13) befindet, und mindestens zwei zum Stator (11) beweglich gelagerten Rotoren (15, 27). Die mindestens zwei elektrisch leitfähigen Stäbe (13) bilden eine elektrische Wicklung (14) des Stators (11) und sind dazu eingerichtet von einer Stromversorgungseinheit (16) mit einer jeweils eigenen elektrischen Phase versorgt zu werden. Die mindestens zwei Rotoren (15, 27) weisen unterschiedliche Polpaarzahlen (p) auf.

Description

Beschreibung

ELEKTRISCHE MASCHINE Die vorliegende Anmeldung betrifft eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine kann einen Stator und mindestens zwei relativ dazu beweglich gelagerte Rotoren umfassen.

Elektrische Maschinen können motorisch oder generatorisch betrieben werden. Der Stator kann eine elektrische Wicklung in Nuten umfassen, welche aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist und zum Beispiel die Form eines Stabes aufweist. Die elektrische Wicklung wird an eine Stromversorgungseinheit angeschlossen, welche mehrphasig sein kann.

Die elektrische Wicklung im Stator bestimmt die Form des Drehfeldes, eines

Magnetfeldes, welches im Betrieb der elektrischen Maschine durch eine Bestromung der elektrischen Wicklung im Stator erzeugt wird. Das Drehfeld ist zeitlich veränderlich, so dass in den Rotoren ein Drehmoment erzeugt werden kann. Mittels einer Fourier- Analyse kann das Drehfeld in seine harmonischen Komponenten zerlegt werden. Dabei entspricht die Ordnungszahl einer Harmonischen des Drehfeldes einer Polpaarzahl des Stators. Für synchrone Rotoren müssen die Polpaarzahlen des Stators und des Rotors gleich sein, damit im Betrieb der elektrischen Maschine im Rotor ein Drehmoment erzeugt wird. Bei einem asynchronen Rotor können mehrere Harmonische des Drehfeldes ein Drehmoment im Rotor erzeugen. Wenn bei einem Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine zum Beispiel ein linkes und ein rechtes Rad mit unterschiedlichen Drehzahlen drehen sollen und unterschiedlichen

Vorschub leisten sollen, so werden dafür zwei separate elektrische Maschinen mit zwei Umrichtern benötigt. Es wird also mehr Platz im Fahrzeug und mehr Energie benötigt, um unterschiedliche Drehzahlen und Drehmomente von zwei Rädern zu erzeugen.

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine elektrische Maschine, welche effizient betrieben werden kann, anzugeben. Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine einen Stator, welcher mindestens zwei Nuten aufweist, in welchen sich je mindestens ein elektrisch leitfähiger Stab befindet. Der Stator kann ein oder mehrere Statorbleche umfassen, in welches die Nuten eingebracht sind. Bevorzugt weist der Stator eine Vielzahl von Nuten auf. Die elektrisch leitfähigen Stäbe können in Teilstäbe unterteilt sein oder mehrere Stäbe umfassen und beispielsweise mit Kupfer oder Aluminium gebildet sein. Die elektrisch leitfähigen Stäbe können auf einer ersten Seite des Stators elektrisch leitend miteinander verbunden sein, beispielsweise über einen Kurzschlussring. Die elektrisch leitfähigen Stäbe sind also an einem Ende so miteinander verbunden, dass sie einen Kurzschluss bilden.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine mindestens zwei zum Stator beweglich gelagerte Rotoren. Der Stator und die mindestens zwei Rotoren können an einen Luftspalt angrenzen. Die Rotoren können dabei im Stator angeordnet sein oder um den Stator herum. Es ist auch eine Kombination aus Rotoren im Stator und um den Stator herum möglich. Die mindestens zwei Rotoren können beispielsweise einen Synchron- oder einen Asynchronrotor oder eine Kombination von beiden umfassen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine bilden die mindestens zwei elektrisch leitfähigen Stäbe eine elektrische Wicklung des Stators und sie sind dazu eingerichtet, von einer Stromversorgungseinheit mit einer jeweils eigenen elektrischen

Phase versorgt zu werden. Der Stator kann also ähnlich wie ein Käfigläufer aufgebaut sein, wobei nur an der ersten Seite des Stators ein Kurzschlussring angebracht ist. An der zweiten Seite des Stators sind die Stäbe an eine Stromversorgungseinheit angeschlossen. Die Stäbe in den Nuten können also pro Nut mit einer individuellen Phase und einer individuellen Durchflutung beaufschlagt werden. Durchflutung bedeutet in diesem Fall, dass beispielsweise in jedem Stab der Wicklung Ströme mit verschiedenen Frequenzen und Amplituden überlagert werden können. Somit ist es möglich, dass der Stator mehrere verschiedene Drehfelder gleichzeitig erzeugen kann. Die verschiedenen Drehfelder können beispielsweise unterschiedliche Polpaarzahlen aufweisen. Es ist außerdem möglich die Drehfelder durch eine Änderung der Bestromung der Stäbe im Betrieb der elektrischen Maschine zu ändern. Da die elektrische Wicklung im Stator dazu ausgelegt ist, mehrere Drehfelder mit unterschiedlichen Polpaarzahlen gleichzeitig zu erzeugen, können die mindestens zwei Rotoren der elektrischen Maschine unabhängig voneinander angetrieben werden. Dazu werden nur der eine Stator und ein Umrichter benötigt. Ein unabhängiges Ansteuern von mindestens zwei Rotoren in einer elektrischen Maschine mit einem Stator kann

beispielsweise in Fahrzeugen vorteilhaft sein, wenn sich zwei Räder mit unterschiedlichen Drehzahlen drehen oder unterschiedliche Drehmomente entwickeln sollen. Dies kann beispielsweise beim Durchfahren von Kurven vorteilhaft sein. Außerdem können die mindestens zwei Rotoren auf einen unterschiedlichen Betrieb ausgelegt sein und je nach Bedarf angesteuert werden. Zum Beispiel können ein Rotor für schnelles Fahren und ein weiterer Rotor für langsames Fahren ausgelegt sein. In diesem Fall werden also kein zweiter Stator und kein zweiter Umrichter benötigt, um mindestens zwei Rotoren der elektrischen Maschine anzutreiben. Die elektrische Maschine kann also effizienter betrieben werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine weisen die mindestens zwei Rotoren unterschiedliche Polpaarzahlen auf. Die Anzahl der Pole in einem Rotor kann zum Beispiel durch die Anzahl von durch Permanentmagneten erzeugten Polen im Rotor gegeben sein. Die Anzahl der Polpaare im Rotor entspricht also der Hälfte der Anzahl der Pole im Rotor. Da die mindestens zwei Rotoren unterschiedliche Polpaarzahlen aufweisen, interagieren sie mit unterschiedlichen Drehfeldern des Stators.

Das heißt, für jeden Rotor erzeugt ein jeweils eigenes Drehfeld des Stators ein

Drehmoment im jeweiligen Rotor. Für synchrone Rotoren, permanent- oder fremd-erregte, und Reluktanzrotoren wird nur ein Drehmoment im Rotor erzeugt, wenn die Polpaarzahlen des Stators und des Rotors übereinstimmen. Für asynchrone Rotoren, beispielsweise Käfigläufer, ist es auch möglich, dass ein Rotor mit mehreren Drehfeldern des Stators interagiert. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine einen Stator und mindestens zwei zum Stator beweglich gelagerte Rotoren, wobei mindestens zwei elektrisch leitfähige Stäbe in Nuten im Stator eine elektrische Wicklung des Stators bilden und die Stäbe dazu eingerichtet sind, von einer Stromversorgungseinheit mit einer jeweils eigenen elektrischen Phase versorgt zu werden, und die mindestens zwei Rotoren unterschiedliche Polpaarzahlen aufweisen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine ist der Stator dazu ausgelegt, mindestens zwei Drehfelder mit unterschiedlichen Polpaarzahlen zu erzeugen, wobei die mindestens zwei Drehfelder jeweils einem der mindestens zwei Rotoren zugeordnet sind. Die elektrische Maschine kann weiter dazu ausgelegt sein Drehfelder mit unterschiedlichen Frequenzen, Amplituden und Phasenverschiebungen zu erzeugen. Durch die Bestromung der Stäbe der elektrischen Wicklung wird mindestens ein Drehfeld erzeugt. Durch die separate Speisung der Stäbe durch die Stromversorgungseinheit ist es möglich, weitere Drehfelder, beispielsweise mit einer anderen Drehzahl, zu erzeugen. Das heißt, es können mehrere Drehfelder des Stators überlagert werden. Ein Drehfeld ist einem Rotor zugeordnet, wenn der Rotor mit dem Drehfeld interagiert, das heißt, wenn in dem Rotor durch das jeweilige Drehfeld ein Drehmoment erzeugt wird. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine ist der Stator dazu ausgelegt, mindestens je ein Drehfeld für die mindestens zwei Rotoren zu erzeugen, indem in mindestens einem der elektrisch leitfähigen Stäbe im Stator mindestens zwei Ströme mit verschiedenen Frequenzen überlagert werden. Eine Überlagerung von Strömen mit verschiedenen Frequenzen kann bedeuten, dass ein Strom mit einer ersten Frequenz zur Erzeugung eines ersten Drehfeldes und ein Strom mit einer zweiten Frequenz zur

Erzeugung eines zweiten Drehfeldes in einem Stab der elektrischen Wicklung überlagert werden. Das erste und das zweite Drehfeld können unterschiedliche Polpaarzahlen aufweisen. Die Ströme können in einem oder in mehreren der Stäbe der elektrischen Wicklung überlagert werden. Ein Beispiel für die Überlagerung von Strömen in den Stäben der elektrischen Wicklung ist in der Figurenbeschreibung gegeben. Bei der Überlagerung von Strömen in den Stäben der elektrischen Wicklung ist es möglich, dass die Amplituden der Ströme dynamisch angepasst werden. Außerdem ist es möglich, dass die verschiedenen Drehfelder zueinander phasenverschoben sind. Zur Erzeugung einer Drehzahl eines Rotors können die Stäbe der elektrischen Wicklung jeweils derart bestromt werden, dass die Frequenz f des Stromes folgendermaßen mit der Drehzahl n zusammenhängt:

wobei p die Anzahl der Polpaare ist. Um ein Drehfeld zu erzeugen, sind die Ströme in den Stäben zueinander phasenverschoben, und zwar um

wobei m die Anzahl der Phasen darstellt, mit welchen das jeweilige Drehfeld erzeugt wird.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine ist mindestens ein erster elektrisch leitfähiger Stab der elektrischen Wicklung dazu ausgelegt, ausschließlich ein erstes Drehfeld zu erzeugen und mindestens ein zweiter elektrisch leitfähiger Stab der elektrischen Wicklung ist dazu ausgelegt, ausschließlich ein zweites Drehfeld zu erzeugen. Das bedeutet, dass die Stäbe der elektrischen Wicklung separat von der

Stromversorgungseinheit gespeist werden können. Bevorzugt ist eine Vielzahl von ersten elektrisch leitfähigen Stäben der elektrischen Wicklung dazu ausgelegt, ausschließlich ein erstes Drehfeld zu erzeugen und eine Vielzahl von zweiten elektrisch leitfähigen Stäben der elektrischen Wicklung ist dazu ausgelegt, ausschließlich ein zweites Drehfeld zu erzeugen. In den Stäben, in denen ausschließlich ein Drehfeld erzeugt wird, werden also keine Ströme mit verschiedenen Frequenzen überlagert. Somit können die Stäbe der elektrischen Wicklung aufgeteilt werden, um die verschiedenen Drehfelder zu erzeugen. Es ist auch möglich, mehr als zwei Drehfelder zu erzeugen. Beispielsweise können die Stäbe der elektrischen Wicklung alternierend aufgeteilt werden zur Erzeugung von zwei

Drehfeldern. Es ist jedoch auch eine andere Aufteilung der Stäbe möglich.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine ist eine erste Anzahl von elektrisch leitfähigen Stäben der elektrischen Wicklung dazu ausgelegt, ein erstes Drehfeld zu erzeugen und eine zweite Anzahl von elektrisch leitfähigen Stäben der elektrischen Wicklung ist dazu ausgelegt, ein zweites Drehfeld zu erzeugen. Es ist außerdem möglich, mit einer unterschiedlichen Anzahl von Stäben mehr als zwei

Drehfelder zu erzeugen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine trägt nicht jeder der elektrisch leitfähigen Stäbe zur Erzeugung eines oder mehrerer Drehfelder bei. Es ist also möglich, dass Stäbe der elektrischen Wicklung deaktiviert werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine ist mindestens ein Rotor dazu ausgelegt, nur mit einem Drehfeld des Stators zu interagieren. Das bedeutet, dass mindestens ein Rotor der mindestens zwei Rotoren ein Synchronrotor ist. Das heißt, im Synchronrotor wird nur ein Drehmoment erzeugt, wenn die Polpaarzahlen des Rotors und des Stators übereinstimmen. Das bedeutet, nur in diesem Fall interagieren der Rotor und der Stator miteinander.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine sind die mindestens zwei Rotoren auf mindestens zwei koaxialen Wellen angeordnet, sodass sich die mindestens zwei Rotoren unabhängig voneinander drehen können. Koaxial bedeutet in diesem Fall, dass sich die mindestens zwei Rotoren um eine gemeinsame Achse drehen können. Dabei können die mindestens zwei Wellen zum Beispiel eine Voll- und mindestens eine Hohlwelle sein. Das Drehmoment kann dann zum Beispiel über

Zahnradstufen ähnlich wie im Doppelkupplungsgetriebe auf Antriebsachsen zu den Rädern eines Fahrzeugs übertragen werden. Das bedeutet, dass sich die mindestens zwei Rotoren unabhängig voneinander drehen können, wenn unterschiedliche Drehfelder für die Rotoren im Stator eingestellt sind.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine sind die mindestens zwei Rotoren drehfest auf einer Welle angeordnet. Das bedeutet, dass sich die mindestens zwei Rotoren nur gleichzeitig mit gleicher Drehzahl drehen können. Dies ist zum Beispiel vorteilhaft, falls die verschiedenen Rotoren dafür ausgelegt sind, effizient für

unterschiedliche Situationen betrieben zu werden. Beispielsweise kann ein erster Rotor effizient für eine schnelle Beschleunigung eines Fahrzeugs ausgelegt sein und ein zweiter Rotor effizient für langsames und konstantes Fahren. Dabei können beide Rotoren gleichzeitig angesteuert werden oder es ist möglich, einen der Rotoren auszuwählen. Beispielsweise können auf der Welle ein Synchron- und ein Asynchronrotor angeordnet sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine ist mindestens ein erster Rotor ein Außenläufer und/oder mindestens ein zweiter Rotor ein Innenläufer. Ein Außenläufer ist um den Stator herum angeordnet und ein Innenläufer ist im Stator angeordnet. Es sind außerdem Kombinationen von Innen- und Außenläufern möglich.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine weisen die mindestens zwei Rotoren unterschiedliche Längen entlang einer Verbindungsachse auf. Somit ist es beispielsweise möglich, einen stärkeren und einen schwächeren Teilantrieb herzustellen. Es ist außerdem möglich, verschiedene Rotoren miteinander zu kombinieren, die beispielsweise auf verschiedene Betriebsarten ausgelegt sind, wie zum Beispiel schnelles oder langsames Fahren und Beschleunigen. Des Weiteren kann ein kürzerer Rotor für ein Differenzialgetriebe mit Torque-Vectoring Einheit verwendet werden. Dabei werden unterschiedliche Drehmomente auf beispielsweise zwei Räder eines Fahrzeugs ausgeübt. Der kürzere Rotor wirkt in diesem Fall nicht direkt auf ein Rad des Fahrzeugs, sondern auf das Differenzial, um zur Erzeugung der unterschiedlichen Drehmomente beizutragen.

Gemäß zumindest einem Ausführungsbeispiel umfasst die elektrische Maschine mindestens einen oder eine Kombination der folgenden Rotoren:

- einen Asynchronrotor,

- einen Rotor mit Permanentmagneten,

- einen fremderregten Synchronrotor,

- einen Rotor für eine geschaltete Reluktanzmaschine,

- einen Rotor für einen Synchronreluktanzmotor.

Es ist also auch möglich, dass die elektrische Maschine eine Kombination von mehreren der genannten Rotoren umfasst. Die elektrische Maschine kann beispielsweise zwei Käfigläufer, also Asynchronrotoren, umfassen, welche mit derselben ersten Polpaarzahl des Stators interagieren. Dabei ist es möglich, dass die elektrisch leitfähigen Stäbe in den Nuten der Käfigläufer für beide Käfigläufer je eine unterschiedliche Schrägung aufweisen. Somit ist es möglich, dass ein erster Käfigläufer zusätzlich mit einer zweiten Polpaarzahl des Stators interagiert und ein zweiter Käfigläufer zusätzlich mit einer dritten Polpaarzahl des Stators interagiert. Das Drehfeld des Stators kann so eingestellt werden, dass die Drehzahl des Drehfeldes mit der zweiten Polpaarzahl übersynchron ist und die Drehzahl des Drehfeldes mit der dritten Polpaarzahl untersynchron. Folglich wird das Drehmoment auf den ersten Käfigläufer erhöht und das Drehmoment auf den zweiten Käfigläufer geschwächt, so dass die elektrische Maschine als Differenzialgetriebe verwendet werden kann.

Im Folgenden wird die hier beschriebene elektrische Maschine in Verbindung mit Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.

Figur 1 zeigt ein Schnittbild eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Maschine mit einem Stator und zwei Rotoren.

Figur 2 zeigt ein beispielhaftes Spektrum eines Magnetfeldes eines Stators mit 12 Nuten.

Figuren 3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele eines Stators.

Die Figuren 5 A bis 5C zeigen verschiedene Ansichten eines Ausführungsbeispiels von zwei Rotoren.

Die Figuren 6A bis 6E zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele von zwei Rotoren, welche auf zwei Wellen angeordnet sind.

Die Figuren 7A bis 7C zeigen Ausführungsbeispiele von Rotoren, welche als Innen- oder als Außenläufer angeordnet sind.

Die Figuren 8A und 8B zeigen ein Ausführungsbeispiel von zwei Rotoren, welche unterschiedliche Längen aufweisen. Die Figuren 9A und 9B zeigen ein Ausführungsbeispiel von zwei Rotoren, die auf einer Welle angeordnet sind.

Figur 10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Stator mit acht Nuten.

In den Figuren 11 A bis HD sind beispielhafte Verläufe der Stromanteile in den Stäben der elektrischen Wicklung gezeigt.

In den Figuren 12A bis 12C und 13 sind weitere exemplarische Stromverläufe in den Stäben der elektrischen Wicklung gezeigt.

Figur 1 zeigt ein Schnittbild eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Maschine 10 mit einem Stator 11 und zwei Rotoren 15. Der Stator 11 umfasst ein Statorblechpaket 17, in welches Nuten 12 eingebracht sind. In den Nuten 12 des Stators 11 befindet sich eine elektrische Wicklung 14 des Stators 11. Dazu ist in jeder Nut 12 des Stators 11 ein elektrisch leitfähiger Stab 13 angeordnet. Die elektrisch leitfähigen Stäbe 13 bilden also die elektrische Wicklung 14 des Stators 11 und sind dazu eingerichtet, von einer

Stromversorgungseinheit 16 mit einer jeweils eigenen elektrischen Phase versorgt zu werden. Im Stator 11 sind zwei Rotoren 15 angeordnet, welche beweglich zum Stator 11 gelagert sind. Beide Rotoren 15 sind mit vergrabenen Permanentmagneten 23 gebildet. Die Rotoren 15 sind koaxial auf zwei Wellen 18 angeordnet. Dabei ist ein erster Rotor 15 auf einer Vollwelle 19 und ein zweiter Rotor 27 auf einer Hohlwelle 20 angeordnet. Das Drehmoment beider Rotoren 15, 27 kann dann zum Beispiel über Zahnradstufen ähnlich wie im Doppelkupplungsgetriebe auf Antriebsachsen zu den Rädern eines Fahrzeugs übertragen werden. Die zwei Rotoren 15, 27 weisen hier unterschiedliche Polpaarzahlen p auf. Die Stäbe 13 im Stator 11 sind an einer ersten Seite des Stators 11 mit einem

Kurzschlussring 21 elektrisch miteinander verbunden. In weiteren Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass die elektrische Maschine 10 weitere Rotoren 15 umfasst, welche sich auf weiteren Hohlwellen 20 befinden.

Figur 2 zeigt ein beispielhaftes Spektrum eines Magnetfeldes eines Stators 11 mit 12 Nuten im Betrieb des Stators 11. Die Form des vom Stator 11 erzeugten Magnetfeldes hängt von der elektrischen Wicklung 14 im Stator 11 ab. Das Magnetfeld kann mittels einer Fourier- Analyse in seine harmonischen Komponenten zerlegt werden und in einem Spektrum dargestellt werden. In Figur 2 ist die magnetomotorische Kraft M für verschiedene Harmonische des Magnetfeldes mit verschiedenen Ordnungszahlen z aufgetragen. Der dazugehörige Stator 11 umfasst eine Wicklungstopologie mit 12 Nuten. Die

magnetomotorische Kraft M ist in Abbildung 2 auf die magnetomotorische Kraft M der Harmonischen mit der Ordnungszahl z = 5 normiert. Mit einem Stator 11, der das dargestellte Spektrum ausbildet, können also Rotoren 15 mit den Polpaarzahlen p fünf oder sieben am effizientesten betrieben werden. Alle weiteren Anteile im Spektrum, welche nicht zur Bildung eines Drehmomentes verwendet werden, erzeugen zusätzliche Verluste. Daher kann in diesem Fall ein Rotor 15 mit fünf Polpaaren am effizientesten betrieben werden.

Es ist außerdem möglich, mit diesem Stator 11 zwei Rotoren 15, 27 mit unterschiedlichen Polpaarzahlen p, nämlich fünf und sieben, anzutreiben. Vorteilhafterweise handelt es sich bei den Rotoren 15 um synchrone Rotoren, permanent- oder fremderregte, welche jeweils nur mit einer Polpaarzahl p des Stators 11 interagieren. Die Rotoren 15, 27 können als Innen- oder Außenläufer 24, 25 ausgelegt sein. Die zwei Rotoren 15, 27 können sich also je nach gewählter Stromfrequenz f mit unterschiedlichen Drehzahlen n drehen. Die Drehzahl n ist durch die Stromfrequenz f und die Polpaarzahl p des jeweiligen Rotors 15 gegeben:

Allerdings ist es in diesem Fall nicht möglich die Polpaarzahlen p des Stators 11 zu ändern ohne die elektrische Wicklung 14 zu ändern.

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Stators 11. Der Stator 11 umfasst ein

Statorblechpaket 17, in welches Nuten 12 eingebracht sind. In jeder Nut 12 befindet sich ein elektrisch leitfähiger Stab 13. Die Stäbe 13 sind auf einer ersten Seite des Stators 11 mit einem Kurzschlussring 21 elektrisch miteinander verbunden. Auf einer zweiten Seite des Stators 11 sind die Stäbe 13 frei von einem Kurzschlussring 21. Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Stators 11 , welcher an einer Stromversorgungseinheit 16 angeschlossen ist. Die Stäbe 13 in den Nuten 12 können separat von der Stromversorgungseinheit 16 gespeist werden. In diesem

Ausführungsbeispiel sind die Nuten 12 zum Innern des Stators 11 hin geöffnet ausgeführt. Jede Nut 12 weist also eine Öffnung 22 zum Innern des Stators 11 auf.

In Figur 5A ist ein Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines ersten Rotors 15 gezeigt. Die magnetischen Pole des Rotors 15 werden durch vergrabene

Permanentmagnete 23 gebildet. Die Polpaarzahl p dieses Rotors 15 beträgt drei.

In Figur 5B ist schematisch die Anordnung von zwei Rotoren 15, 27 auf zwei Wellen 18 gezeigt. Ein erster Rotor 15 befindet sich auf einer Hohlwelle 20 und ein zweiter Rotor 27 befindet sich auf einer Vollwelle 19, so dass sich beide Rotoren 15, 27 unabhängig voneinander drehen können.

Figur 5C zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels des zweiten Rotors 27. Auch beim zweiten Rotor 27 werden die magnetischen Pole durch Permanentmagneten 23 erzeugt. Die Polpaarzahl p des zweiten Rotors 27 beträgt vier.

Figur 6A zeigt ein Ausführungsbeispiel von zwei Rotoren 15, 27, welche fremderregt sind. Die Rotoren 15, 27 sind auf einer Vollwelle 19 und einer Hohlwelle 20 angeordnet. Die Rotoren 15, 27 umfassen je eine elektrische Wicklung 14. In Figur 6B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel von zwei Rotoren 15, 27 gezeigt. Die zwei Rotoren 15, 27 sind Synchronrotoren mit vergrabenen Permanentmagneten 23. Durch die unterschiedliche Anzahl von Permanentmagneten 23 in den Rotoren 15, 27 weisen die Rotoren 15, 27 unterschiedliche Polpaarzahlen p auf.

Figur 6C zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel von zwei Rotoren 15, 27, welche Rotoren mit unterschiedlichen Polpaarzahlen p für geschaltete Reluktanzmaschinen sind. Figur 6D zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel von zwei Rotoren 15, 27, bei welchen es sich um Synchronreluktanzrotoren handelt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel weisen die zwei Rotoren 15, 27 unterschiedliche Polpaarzahlen p auf. In Figur 6E ist ein weiteres Ausführungsbeispiel von zwei Rotoren 15, 27 gezeigt. In diesem Fall ist der erste Rotor 15 ein Permanentmagnetrotor und der zweite Rotor 27 ist ein Synchronreluktanzrotor. Die Polpaarzahl p des Permanentmagnetrotors beträgt drei und die Polpaarzahl p des Synchronreluktanzrotors beträgt zwei. Figur 7A zeigt schematisch einen Querschnitt durch zwei Rotoren 15, 27. Ein erster Rotor 15 ist als Innenläufer 24 ausgelegt und ist auf einer Vollwelle 19 angeordnet. Über eine Halterung 26 ist ein zweiter Rotor 27 als Außenläufer 25 um den Stator 11 herum angeordnet. Der Stator 11 ist nicht gezeigt. Über die Halterung 26 ist der Außenläufer 25 auf der Hohlwelle 20 angeordnet. So können sich der Innenläufer 24 und der Außenläufer 25 unabhängig voneinander drehen.

In Figur 7B ist die gleiche Anordnung wie in Figur 7A dargestellt. Der Innenläufer 24 ist auf einer Vollwelle 19 angeordnet und der Außenläufer 25 ist über eine Halterung 26 auf einer Hohlwelle 20 angeordnet. Der Stator 11 und die Hohlwelle 20 sind nicht gezeigt.

In Figur 7C ist ein Ausführungsbeispiel von zwei Rotoren 15, 27 gezeigt, welche beide als Außenläufer 25 ausgelegt sind. Über eine erste Halterung 26 ist der erste Rotor 15 auf der Hohlwelle 20 angeordnet. Über eine weitere Halterung 26 ist der zweite Rotor 27 auf der Vollwelle 19 angeordnet. Somit können sich die beiden Rotoren 15, 27 unabhängig voneinander drehen. Auch hier ist der Stator 11 nicht eingezeichnet.

Figur 8A zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel von zwei Rotoren 15, 27. In diesem Fall weisen die zwei Rotoren 15, 27 unterschiedliche Längen entlang der Wellen 19, 20 auf. Beide Rotoren 15, 27 sind Permanentmagnetrotoren, jedoch mit unterschiedlichen

Polpaarzahlen p. In Figur 8B ist das Ausführungsbeispiel aus Figur 8A in Draufsicht dargestellt. Der kürzere Rotor 15 ist auf der Vollwelle 19 angeordnet und der längere Rotor 27 ist auf der

Hohlwelle 20 angeordnet. Figur 9A zeigt ein Ausführungsbeispiel von zwei Rotoren 15, 27, bei dem zwei unterschiedlich lange Rotoren 15, 27 auf einer Welle 18 angeordnet sind. Der erste Rotor

15 ist ein Permanentmagnetrotor und der zweite Rotor 27 ist ein Asynchronrotor. Es ist auch möglich, andere Synchronrotoren mit dem Asynchronrotor auf einer gemeinsamen Welle 18 zu kombinieren. Andere Synchronrotoren können beispielsweise ein

fremderregter Synchronrotor, ein Rotor für eine geschaltete Reluktanzmaschine oder ein Rotor für einen Synchronreluktanzmotor sein. Der Asynchronrotor kann dann zum

Beispiel auf Drehfelder mit niedrigen Polpaarzahlen p ausgelegt sein und der

Synchronrotor auf ein Drehfeld mit höherer Polpaarzahl p. Es ist außerdem möglich, zwei Synchronrotoren auf einer Welle 18 anzuordnen.

Es ist vorteilhaft zwei Rotoren 15, 27 auf einer Welle 18 anzuordnen, wenn beispielsweise der erste Rotor 15 effizient für eine schnelle Beschleunigung eines Fahrzeugs ausgelegt ist und der zweite Rotor 27 effizient für langsames und konstantes Fahren. Dabei können beide Rotoren 15, 27 gleichzeitig angesteuert werden oder es ist möglich, einen der Rotoren 15, 27 auszuwählen.

In Figur 9B ist eine Draufsicht des Ausführungsbeispiels aus Figur 9A gezeigt.

Figur 10 zeigt einen Querschnitt durch einen Stator 11 mit acht Nuten 12. In jeder Nut 12 befindet sich ein elektrisch leitfähiger Stab 13, welcher von der Stromversorgungseinheit

16 separat gespeist wird. Das heißt, jeder der Stäbe 13 kann mit einer jeweils eigenen elektrischen Phase versorgt werden und es ist außerdem möglich, Ströme I mit

verschiedenen Frequenzen f in einem Stab 13 zu überlagern. Mit den acht Stäben 13 ist es also möglich acht Phasen zu stellen. Die acht Phasen sind von 1 bis 8 durchnummeriert. Die Anzahl von acht Nuten 12 ist hier beispielhaft gewählt. In anderen

Ausführungsbeispielen sind andere Anzahlen von Nuten 12 möglich. In Figur I IA sind beispielhafte Verläufe der Stromanteile in den acht Stäben 13 im Stator 11, welcher in Figur 10 gezeigt ist, aufgetragen. Der Strom I ist auf eins normiert und ist über die Zeit t in Sekunden aufgetragen. Für eine vorgegebene Drehzahl n können die Frequenzen f mit Gleichung 1 ermittelt werden. In Figur I IA sind also die Stromanteile der acht Phasen, welche ein erstes Drehfeld erzeugen, dargestellt. In diesem Fall wird eine Drehzahl n von 1 Hz eingestellt. Die Phasenverschiebung φ zwischen benachbarten Phasen ist durch Gleichung 2 gegeben. In diesem Beispiel weist der erste Rotor 15 zwei Pole auf. Innerhalb von einer Sekunde dreht sich der erste Rotor 15 also einmal. In Figur I IB sind beispielhafte Verläufe der Stromanteile der acht Phasen zur Erzeugung eines zweiten Drehfeldes aufgetragen. Da der zweite Rotor 27 vier Pole aufweist, ist die Frequenz f für jede Phase in diesem Fall verdoppelt. Es sind in Figur I IB nur vier Kurven dargestellt, da die Kurven von jeweils zwei Phasen überlappen. In Figur 1 IC ist die Überlagerung der Stromanteile der acht Phasen zur Erzeugung des ersten und des zweiten Drehfeldes dargestellt. Figur 1 IC zeigt also die Überlagerung der Stromanteile aus den Figuren 11 A und 1 IB. Dabei wurden die Amplituden der

Stromanteile halbiert, um keine zu hohen Ströme hervorzurufen. Je nach

Drehmomentbedarf können die Amplituden dynamisch angepasst werden.

In Figur 11D ist die Überlagerung der Stromanteile zur Erzeugung des ersten und des zweiten Drehfeldes für nur eine Phase, das heißt für einen Stab 13, dargestellt. Auch in diesem Fall ist die Amplitude des überlagerten Signals angepasst, so dass keine zu hohen Ströme auftreten. Außerdem sind der Verlauf des Stromes I zur Erzeugung des ersten Drehfeldes gestrichelt und der Verlauf des Stromes I zur Erzeugung des zweiten

Drehfeldes als Strich-Punkt-Linie dargestellt. Die Überlagerung beider Anteile ist als durchgezogene Linie dargestellt. In diesem Fall gibt es keine Phasenverschiebung zwischen den beiden Drehfeldern. Es ist jedoch möglich, dass es eine Phasenverschiebung zwischen den zwei Drehfeldern gibt.

In Figur 12A sind die Verläufe der Stromanteile für vier der acht Phasen dargestellt. In diesem Fall werden die Phasen so aufgeteilt, dass vier von den acht Phasen das erste Drehfeld erzeugen und die weiteren vier das zweite Drehfeld. Gemäß der Nummerierung in Figur 10 sind in Figur 12A die Stromanteile der Phasen 1, 3, 5 und 7 dargestellt. Das heißt, nur diese vier Phasen erzeugen das erste Drehfeld für den ersten Rotor 15 mit zwei Polen. Daher ist die Phasenverschiebung zwischen den Stromanteilen doppelt so groß wie in Figur I IA.

In Figur 12B sind die Verläufe der Stromanteile für die weiteren vier Phasen dargestellt. Die Phasen 2, 4, 6 und 8 erzeugen das zweite Drehfeld für den zweiten Rotor 27 mit vier Polen. In weiteren Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass die Phasen auf andere Art und Weise aufgeteilt werden. Es ist auch möglich, dass unterschiedliche Anzahlen von Phasen zur Erzeugung der Drehfelder beitragen oder dass Phasen auf eine andere beliebige Art aufgeteilt werden.

Weitere Beispiele zur Aufteilung der Phasen zur Erzeugung von zwei verschiedenen Drehfeldern sind, dass das erste Drehfeld durch die Phasen 1, 2, 3, und 4 und das zweite Drehfeld durch die Phasen 5, 6, 7, und 8 erzeugt werden, oder dass das erste Drehfeld durch die Phasen 1, 2, 3, 4 und 5 und das zweite Drehfeld durch die Phasen 6, 7, und 8 erzeugt werden.

In Figur 12C sind die Verläufe der Stromanteile zur Erzeugung von zwei Drehfeldern gezeigt. In diesem Fall wird das erste Drehfeld durch die Phasen 1, 2, 5 und 6 erzeugt und das zweite Drehfeld durch die Phasen 3, 4, 7 und 8. Die Ströme I zur Erzeugung des ersten Drehfeldes sind als durchgezogene Linien dargestellt und die Ströme I zur Erzeugung des zweiten Drehfeldes sind gestrichelt dargestellt. In Figur 13 sind die Verläufe der Stromanteile zur Erzeugung von zwei Drehfeldern dargestellt. In diesem Fall sind nur drei der acht Stäbe 13 aktiv, wobei Phase 1 nur zur Erzeugung des ersten Drehfeldes beiträgt, Phase 2 nur zur Erzeugung des zweiten

Drehfeldes und Phase 7 zur Erzeugung beider Drehfelder, jedoch mit halber Amplitude. Im Stromanteil von Phase 7 sind also die Anteile zur Erzeugung des ersten und des zweiten Drehfeldes überlagert. Somit ist es möglich, dass jede Phase zur Erzeugung eines oder mehrerer Drehfelder beiträgt. Allgemein ist für jeden Stab k die individuelle Stromform I_k im Fall von zwei Drehfeldern A, B durch folgende Gleichung gegeben: = Ck,A sin(2nf_A + (k - 1)φ_Α) + C _B sin(2nf_B + (k - 1)φ_Β) , (3) wobei k = 1 ... m und m bezeichnet die Anzahl der Phasen. Über die Vorfaktoren C_k können die Amplituden der jeweiligen Stromanteile reguliert werden. Im Beispiel in Figur 13 betragen die Vorfaktoren: C_A = [1 0 0 0 0 0 0,5 0] und C_B = [0 1 0 0 0 0 0,5 0] .

Die Stromform für jede Phase kann auch für mehr als zwei Drehfelder angegeben werden.

Bezugszeichenliste

10: Elektrische Maschine 11 : Stator

12: Nut

13: Stab

14: elektrische Wicklung 15: Rotor

16: Stromversorgungseinheit

17: Statorblechpaket

18: Welle

19: Vollwelle

20: Hohlwelle

21 : Kurzschlussring

22: Öffnung

23 : Permanentmagnet

24: Innenläufer

25 : Außenläufer

26: Halterung

27: zweiter Rotor

M: magnetomotorische Kraft f: Frequenz

I: Strom

n: Drehzahl

p: Polpaarzahl

t: Zeit

z: Ordnungszahl

Claims

Patentansprüche

1. Elektrische Maschine (10) mit:

- einem Stator (11), welcher mindestens zwei Nuten (12) aufweist, in welchen sich je ein elektrisch leitfähiger Stab (13) befindet, und

- mindestens zwei zum Stator (11) beweglich gelagerten Rotoren (15, 27), wobei

- die mindestens zwei elektrisch leitfähigen Stäbe (13) eine elektrische Wicklung (14) des Stators (11) bilden und dazu eingerichtet sind von einer Stromversorgungseinheit (16) mit einer jeweils eigenen elektrischen Phase versorgt zu werden.

2. Elektrische Maschine (10) gemäß Anspruch 1, bei der die mindestens zwei Rotoren (15, 27) unabhängig voneinander gesteuert werden können.

3. Elektrische Maschine (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die mindestens zwei Rotoren (15, 27) unterschiedliche Polpaarzahlen (p) aufweisen.

4. Elektrische Maschine (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Stator (11) dazu ausgelegt ist mindestens zwei Drehfelder mit unterschiedlichen Polpaarzahlen (p) zu erzeugen, wobei die mindestens zwei Drehfelder jeweils einem der mindestens zwei Rotoren (15, 27) zugeordnet sind.

5. Elektrische Maschine (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Stator (11) dazu ausgelegt ist mindestens je ein Drehfeld für die mindestens zwei Rotoren (15, 27) zu erzeugen, indem in mindestens einem der elektrisch leitfähigen Stäbe (13) im Stator (11) mindestens zwei Ströme (I) mit verschiedenen Frequenzen (f) überlagert werden.

6. Elektrische Maschine (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der mindestens ein erster elektrisch leitfähiger Stab (13) der elektrischen Wicklung (14) dazu ausgelegt ist ausschließlich ein erstes Drehfeld zu erzeugen und mindestens ein zweiter elektrisch leitfähiger Stab (13) der elektrischen Wicklung (14) dazu ausgelegt ist ausschließlich ein zweites Drehfeld zu erzeugen.

7. Elektrische Maschine (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der eine erste Anzahl von elektrisch leitfähigen Stäben (13) der elektrischen Wicklung (14) dazu ausgelegt ist ein erstes Drehfeld zu erzeugen und eine zweite Anzahl von elektrisch leitfähigen Stäben (13) der elektrischen Wicklung (14) dazu ausgelegt ist ein zweites Drehfeld zu erzeugen.

8. Elektrische Maschine (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der nicht jeder der elektrisch leitfähigen Stäbe (13) zur Erzeugung eines oder mehrerer Drehfelder beiträgt.

9. Elektrische Maschine (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der mindestens ein Rotor (15) dazu ausgelegt ist nur mit einem Drehfeld des Stators (11) zu interagieren.

10. Elektrische Maschine (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die mindestens zwei Rotoren (15, 27) auf mindestens zwei koaxialen Wellen (19, 20) angeordnet sind, so dass sich die mindestens zwei Rotoren (15, 27) unabhängig

voneinander drehen können.

11. Elektrische Maschine (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die mindestens zwei Rotoren (15, 27) drehfest auf einer Welle (18) angeordnet sind.

12. Elektrische Maschine (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der mindestens ein erster Rotor (15) ein Außenläufer (25) ist und/oder mindestens ein zweiter Rotor (27) ein Innenläufer (24) ist.

13. Elektrische Maschine (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die mindestens zwei Rotoren (15, 27) unterschiedliche Längen entlang einer

Verbindungsachse aufweisen.

14. Elektrische Maschine (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, welche mindestens einen oder eine Kombination der folgenden Rotoren (15) umfasst:

- einen Asynchronrotor,

- einen Rotor mit Permanentmagneten (23), - einen fremderregten Synchronrotor,

- einen Rotor für eine geschaltete Reluktanzmaschine,

- einen Rotor für einen Synchronreluktanzmotor.