WO2018215180A1 - Elektrische maschine sowie deren verwendung - Google Patents

Elektrische maschine sowie deren verwendung Download PDF

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WO2018215180A1
WO2018215180A1 PCT/EP2018/061246 EP2018061246W WO2018215180A1 WO 2018215180 A1 WO2018215180 A1 WO 2018215180A1 EP 2018061246 W EP2018061246 W EP 2018061246W WO 2018215180 A1 WO2018215180 A1 WO 2018215180A1
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stator
rotor
machine according
rotation
axis
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PCT/EP2018/061246
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English (en)
French (fr)
Inventor
Carsten Mueller
Ioan Liviu Iepure
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H02K7/083—Structural association with bearings radially supporting the rotary shaft at both ends of the rotor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/0025—Shaping or compacting conductors or winding heads after the installation of the winding in the core or machine ; Applying fastening means on winding heads
    • H02K15/0037—Shaping or compacting winding heads
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the invention relates to an electrical machine according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to the use of a
  • Electric machine in the context of an exhaust system of an internal combustion engine, in particular a turbocharger.
  • Embodiment as an electrical consumer and / or as generators for energy well known.
  • an electric machine with the features of the preamble of claim 1 which consists of a fixed stator and a means of radial bearing movably mounted about a rotation axis rotor. Starting from the rotational axis on the radial side of the rotor is only separated by an air gap separated from the stator. To form a magnetic field windings are associated with the stator, which form a Wckelsystem. At the front, the blocks protrude out of the stator and form a winding head there.
  • the radial bearings are arranged directly axially adjacent to the winding heads, wherein the distance between the radial bearing and the Wckelkopf has an influence on the rotor length.
  • electrical machines with short rotor lengths are generally better than electrical machines with long ones, in particular from a vibration engineering point of view
  • EP 1 182 764 A1 describes a generic electrical circuit
  • the electric machine has a special cooling circuit which divides the cooling air into two largely independent cooling circuits. This allows separate cooling of the stator and rotor of the electrical
  • the electric machine according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that operation is possible especially at high speeds. This allows the operation of the electric machine according to the invention at speeds that are not achievable with comparable known from the prior art electric machines. In particular, speeds of much more than 100,000 rpm and / or are meant
  • Circumferential speeds of the rotor in a range between 100m / s and 200m / s, preferably hiss 125m / s and 175m / s.
  • the electric machine comprises a rotor, which is mounted rotatably about an axis of rotation by at least one bearing device designed as a radial bearing. Starting from the axis of rotation of the rotor is surrounded in the radial direction of a stator.
  • the stator are windings of a
  • a coil consists of at least two
  • Conductor portions which are circumferentially offset, arranged along the axis of rotation and looped on the front side of the stator under training a winding head are connected to each other. The contacting of the
  • Conductor sections takes place according to a specific Wckelschema, wherein a plurality of coils for forming the Wcklept a strand can be contacted by parallel and / or serial interconnections electrically conductive.
  • a plurality of coils for forming the Wcklept a strand can be contacted by parallel and / or serial interconnections electrically conductive.
  • Front side to the stator refers to a side surface of the stator, which is arranged transversely to the axis of rotation of the rotor.
  • the radial bearing device of the rotor and the corresponding winding head overlap in the axial direction, that is to say along the axis of rotation, the total extent of the rotor 1_R can be shortened while the active rotor length LRS remains the same.
  • the inventive measure according to the invention allows a rotor dynamic stable, especially low vibration, operation even at high speeds.
  • the inventive measure is also not limited to electrical loads, but can also be used in generators.
  • the winding overhang is designed such that, starting from the axis of rotation, it projects beyond the stator in the radial direction, in particular the outer circumference of the stator.
  • the radial extent of the winding head with respect to the axis of rotation is greater than the radial extent of the stator.
  • the cross-sectional area of the stator In a preferred round cross-sectional area of the stator, the cross-sectional area of the
  • Winding head viewed from the rotation axis of a larger radius than the radius of the stator.
  • the radial extent of the winding overhang in the circumferential direction can also only partially overhang the radial extent of the stator.
  • the winding head also has a free space, which is aligned with the axis of rotation and in the immersion of the bearing device axially. This allows synergistically and advantageously to shorten the overall extension of the rotor LR while maintaining the active rotor length LRS.
  • stator can also be formed symmetrically to a plane of symmetry, which is arranged perpendicular to the axis of rotation.
  • the rotor preferably has at least two bearing devices which enable the rotor to be rotated about the axis of rotation.
  • a preferred embodiment of the last-mentioned proposal provides that the storage facilities are also arranged symmetrically to the plane of symmetry.
  • differently contacted conductor sections which are arranged together in a stator.
  • the differently contacted conductor sections preferably form an upper and a lower layer and are thus arranged in a two-layer winding arrangement.
  • the distance between two adjacent coils is referred to as pole pitch.
  • Is the coil width of a coil smaller than the pole pitch called the coil is stretched or shortened.
  • winding arrangements with a long shaft length are also conceivable, whereby the advantageous occurrence of the harmonic content can be influenced in a generally known manner.
  • the distributed over the stator Wcklitch a strand of distributed or alternatively concentric coils can be formed in a well-known manner.
  • a further optimization envisages in a preferred embodiment the use of strands to form the stator windings.
  • Cables made of strands consist of a large number of thin wires and have a greater electrical resistance than full copper cables.
  • stranded conductors are readily formable and are therefore suitable synergistically for a loop-like arrangement in the stator under an advantageous embodiment of the invention Wckelkopfs.
  • the Wckelkopf is formed by a pressing tool, whereby advantageous embodiments such as clearances or sloping surfaces can be reproducible and thus made suitable for mass production.
  • Permanent magnet elements for the rotor which are designed such that they cooperate with the arranged in the stator Wckelsystem and / or that the rotor is designed for an operation of up to 200 OOOU / min and / or that the rotor has a total axial extent in a range between 8cm to 20cm, preferably between 10cm and 18cm.
  • the invention also includes the use of an electric machine according to the invention, which is part of an exhaust system of a
  • Fig. 1 shows a preferred embodiment of an electric machine according to the invention ausgestaltetem Wckelkopf in a greatly simplified longitudinal section
  • Fig. 2a to 2d shows a detail of Figure 1, the preferred embodiments of the winding head according to the invention.
  • Fig. 1 shows a lateral, greatly simplified longitudinal section of a preferred embodiment of the electric machine 1 with a
  • a rotor 4 rotatable about a left and a right radial bearing 5A, 5B rotates.
  • the rotor 4 has either energizable electrically conductive windings (not shown) or alternatively and preferably
  • the stator 8 is symmetrical to a
  • Symmetrieebene 21 arranged perpendicular to the axis of rotation 3. Starting radially from the axis of rotation 3, the rotor 4 is separated from the stator 8 only by an air gap 7.
  • the stator 8 are, in particular in parallel to
  • Stator windings 9 a strand as well as contacting with externally accessible contacting means 12, whereby the Wckelsystem 13 can be energized.
  • This invention allows the length LR of the rotor 4 including the two radial bearings 5A, 5B to shorten, but without reducing the active length LRS of the arranged in the stator 8 rotor 4 ,
  • winding system 13 When operating as an electrical load arranged in the stator 8 winding system 13 is energized via the contacting means 12 by an electric drive component not shown in the figure. As a result, a magnetic field builds up within the stator 8. By the magnetic field is a force on the arranged in the rotor 4
  • FIGS. 2a to 2d each show the same section of FIG. 1, wherein different embodiments of the advantageous winding head 2 are shown in the figures.
  • the cutouts show only the right part of the rotor 4, as well as the right and upper part of the stator 8 with the upper right Wckelkopf 2.
  • the rotor is 4 um the rotation axis 3 is rotatably supported by the illustrated bearing device 5B and surrounded in the radial direction by the stator 8, wherein the winding head 2 is formed by the longitudinally arranged to the rotation axis 3 and protruding from the stator 8 line sections 10, the preferred embodiments are described:
  • Fig. 2a shows the Wckelkopf 2 according to FIG. 1, which has a direction of rotation 3 aligned slope 16 at an angle ⁇ , whereby a free space 14 is formed, in which the bearing means 5B of the rotor 4 is immersed along the axis of rotation 3.
  • the Wckelkopf 2 also protrudes radially beyond the outer periphery 15 of the stator 8.
  • the Wckelkopf 2 has a parabolic, aligned to the axis of rotation 3 side surface 17, wherein here also a free space 14 is formed, in the present invention, the bearing device 5B of the rotor 4 is immersed.
  • the winding head 2 also protrudes radially beyond the outer periphery 15 of the stator 8.
  • Fig. 2c has arranged directly on the end face of the stator 8 winding head 2 a aligned with the axis of rotation 3 stepped surface 18, whereby the free space 14 realized for receiving the bearing means 5B becomes. Also in this preferred embodiment of the winding head 2 of the winding head 2 protrudes in the radial direction beyond the outer periphery 15 of the stator 8 also.
  • the Wckelkopf 2 initially on a sloping surface portion 19, which then merges into a parallel to the axis of rotation 3 extending overhanging surface portion 20. Also by this configuration, the formation of a free space 14, in which the bearing device 5B dips axially succeeds.
  • the outer circumference 15 of the stator 8 in the radial direction is the same size as the radial extent of the winding head 2, which is compensated by a wider, ie in the axial direction, longer extension of the wiggle head 2.
  • Embodiments of Wckelkopf 2 may be designed differently, without departing from the spirit.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1) mit einem Rotor (4), der mittels mindestens einer Lagereinrichtung (5A, 5B) drehbar um eine Drehachse (3) gelagert ist, wobei der Rotor (4) von der Drehachse (3) ausgehend in radialer Richtung von einem Stator (8) umgeben ist und der Stator (8) Wicklungen (9) zum Ausbilden eines Wickelsystems (13) aufweist, wobei die Wicklungen (9) an einer Stirnseite des Stators (8) einen Wickelkopf (2) ausbilden.

Description

Elektrische Maschine sowie deren Verwendung Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer
erfindungsgemäßen elektrischen Maschine im Rahmen eines Abgassystems eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Turboladers.
Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen in vielfältiger
Ausführungsform als elektrische Verbraucher und/oder als Generatoren zur Energiegewinnung hinlänglich bekannt.
Aus der EP 1 81 1 632 A1 ist eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs nach Anspruch 1 bekannt, die aus einem feststehenden Stator sowie einem mittels Radiallager beweglich um eine Drehachse gelagerten Rotor besteht. Von der Drehachse ausgehend radialseitig ist der Rotor nur von einem Luftspalt getrennt von dem Stator umgeben. Zur Ausbildung eines magnetischen Feldes sind dem Stator Wicklungen zugeordnet, die ein Wckelsystem ausbilden. Stirnseitig ragen die Wcklungen aus dem Stator heraus und bilden dort einen Wickelkopf aus. Bei der bekannten Maschine sind die Radiallager unmittelbar axial neben den Wickelköpfen angeordnet, wobei der Abstand zwischen dem Radiallager und dem Wckelkopf einen Einfluss auf die Rotorlänge hat. Für einen Betrieb der elektrischen Maschine bei hohen Drehzahlen eignen sich insbesondere aus schwingungstechnischen Gesichtspunkten elektrische Maschinen mit kurzen Rotorlängen grundsätzlich besser als elektrische Maschinen mit langen
Rotorlängen. Aus diesem Grund wird versucht, die Längserstreckung der Wickelköpfe möglichst klein auszulegen, da dies die Differenz zwischen der Länge des im aktiven Stators angeordneten Rotor LRS (aktive Rotorlänge) und der Gesamterstreckung des Rotor LR, die durch die Radiallager bestimmt wird und diese einschließt, minimiert
Auch die EP 1 182 764 A1 beschreibt eine gattungsgemäße elektrische
Maschine mit einem Kühlkonzept, durch das eine effiziente Abfuhr der
Wärmeleistung bei minimalen Ventilationsverlusten erzielt werden soll. Dazu weist die elektrische Maschine einen speziellen Kühlkreislauf auf, der die Kühlluft in zwei weitgehend voneinander unabhängigen Kühlkreisläufen unterteilt. Dies ermöglicht eine getrennte Kühlung von Stator und Rotor der elektrischen
Maschine bei einem Betrieb von bis zu 5 OOOU/min. Jedoch kann trotz optimaler Kühlung die Drehzahl nicht beliebig erhöht werden, da es dazu, insbesondere aufgrund von auftretenden Schwingungen, einer entsprechenden dynamischen Auslegung des Rotors bedarf, die bei zu langen Rotorlängen LR nicht mehr gelingt.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein Betrieb insbesondere auch bei hohen Drehzahlen möglich ist. Dies erlaubt den Betrieb der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine bei Drehzahlen, die mit vergleichbaren aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Maschinen nicht erreichbar sind. Gemeint sind hierbei insbesondere Drehzahlen von weit mehr als 100 OOOU/min und/oder
Umfangsgeschwindigkeiten des Rotors in einem Bereich zwischen 100m/s und 200m/s, bevorzugt zischen 125m/s und 175m/s.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst einen Rotor, der durch mindestens eine als Radiallager ausgebildete Lagereinrichtung drehbar um eine Drehachse gelagert ist. Ausgehend von der Drehachse ist der Rotor in radialer Richtung von einem Stator umgeben. Dem Stator sind Wicklungen eines
Stranges zugeordnet, die aus mehreren Spulen aufgebaut sind und ein
Wickelsystem ausbilden. Eine Spule besteht aus mindestens zwei
Leiterabschnitten, die in Umfangsrichtung versetzt, längs zur Drehachse angeordnet sind und schleifenartig an der Stirnseite des Stators unter Ausbildung eines Wickelkopfes miteinander verbunden sind. Die Kontaktierung der
Leiterabschnitte erfolgt nach einem bestimmten Wckelschema, wobei auch mehrere Spulen zur Ausbildung der Wcklungen eines Stranges durch parallele und/oder serielle Verschaltungen miteinander elektrisch leitend kontaktiert werden können. Neben der elektrischen Kontaktierung von mehreren Spulen erfolgt im Wickelkopf auch eine elektrische Kontaktierung mit von außen zugänglichen Kontaktierungsmitteln, die eine Bestromung des Wckelsystems, insbesondere durch eine Antriebselektronik, ermöglichen. Stirnseitig zum Stator bezieht sich auf eine Seitenfläche des Stators, die quer zur Drehachse des Rotors angeordnet ist. Da sich erfindungsgemäß die Radiallagereinrichtung des Rotors sowie der entsprechende Wckelkopf in Axialrichtung, also längs zur Drehachse, überlappen, kann die Gesamterstreckung des Rotor l_R bei gleichbleibender aktiver Rotorlänge LRS verkürzt werden. Diese
erfindungsgemäße Maßnahme ermöglicht einen rotordynamisch stabilen, insbesondere vibrationsarmen, Betrieb auch bei hohen Drehzahlen. Die erfindungsgemäße Maßnahme ist zudem nicht auf elektrische Verbraucher beschränkt, sondern kann zudem auch bei Generatoren eingesetzt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Bei einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltungsform der Erfindung ist der Wickelkopf derart ausgebildet, dass er von der Drehachse ausgehend in radialer Richtung den Stator, insbesondere den Außenumfang des Stators, überragt. Mit anderen Worten ist die Radialerstreckung des Wickelkopfes in Bezug auf die Drehachse größer als die Radialerstreckung des Stators. Bei einer bevorzugt runden Querschnittsfläche des Stators weist die Querschnittsfläche des
Wickelkopfes von der Drehachse aus gesehen einen größeren Radius auf als der Radius des Stators. Alternativ kann die Radialerstreckung des Wickelkopfes in Umfangsrichtung auch nur abschnittsweise die Radialerstreckung des Stators überragen.
In einer besonders bevorzugten konstruktiven Ausgestaltungsform weist der Wickelkopf zudem einen Freiraum auf, der zur Drehachse ausgerichtet ist und in den die Lagereinrichtung axial eintaucht. Dies ermöglicht synergistisch und vorteilhaft die Gesamterstreckung des Rotors LR bei gleichbleibender aktiver Rotorlänge LRS ZU verkürzen. Weiterbildend weist der Freiraum auf der der Drehachse zugewandten Seite eine Schräge auf, die in Bezug auf die Drehachse einen Winkel α aufweist, wobei der Winkel α kleiner 80°, bevorzugt kleiner 70°, besonders bevorzugt kleiner 60°, ganz besonders bevorzugt kleiner 50° ist. Dies ermöglicht die vorteilhafte Aufnahme eines Radiallagers, wodurch vorteilhaft die Gesamtlänge des Rotors LR bei unveränderter aktiver Rotorlänge LRS verkürzt werden kann.
Weiterbildend kann der Stator auch symmetrisch zu einer Symmetrieebene ausgebildet sein, die senkrecht zur Drehachse angeordnet ist. Ferner weist der Rotor bevorzugt zumindest zwei Lagereinrichtungen auf, die das Rotieren des Rotors um die Drehachse ermöglichen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des zuletzt genannten Vorschlags sieht vor, dass die Lagereinrichtungen auch symmetrisch zu der Symmetrieebene angeordnet sind.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Stator
unterschiedlich kontaktierte Leiterabschnitte auf, die gemeinsam in einer Statornut angeordnet sind. Dabei bilden die unterschiedlich kontaktierten Leiterabschnitte bevorzugt eine Ober- und eine Unterschicht aus und sind damit in einer zweilagigen Wickelanordnung angeordnet. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Spulen wird als Polteilung bezeichnet. Ist die Spulenweite einer Spule kleiner als die Polteilung nennt man die Spule gesehnt oder verkürzt. Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung sind auch Wickelanordnungen mit gesehnter Wckellänge denkbar, wobei in allgemein bekannter Art das vorteilhafte Auftreten des Oberschwingungsgehalts beeinflusst werden kann. Zudem können die über den Stator verteilten Wcklungen eines Stranges aus verteilten oder alternativ auch konzentrischen Spulen in allgemein bekannter Art gebildet werden. Eine weitere Optimierung sieht in einer bevorzugten Ausführungsform die Verwendung von Litzen zur Ausbildung der Statorwicklungen vor. Leitungen aus Litzen bestehen aus einer Vielzahl an dünnen Drähten und weisen im Vergleich zu Vollkupferleitungen einen größeren elektrischen Widerstand auf. Jedoch sind Litzenleitungen gut formbar und eignen sich daher synergistisch für eine schleifenartige Anordnung im Stator unter einer vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Wckelkopfs. Bevorzugt wird der Wckelkopf durch ein Presswerkzeug geformt, wodurch vorteilhafte Ausführungsformen wie Freiräume oder schräge Flächen reproduzierbar und damit großserientauglich ausgebildet werden können.
Eine weitere Optimierung sieht die Verwendung von
Permanentmagnetelementen für den Rotor vor, die derart ausgebildet sind, dass sie mit dem im Stator angeordneten Wckelsystem zusammenwirken und/oder dass der Rotor für einen Betrieb von bis zu 200 OOOU/min ausgebildet ist und/oder dass der Rotor eine axiale Gesamterstreckung in einem Bereich zwischen 8cm bis 20cm, bevorzugt zwischen 10cm und 18cm aufweist.
Auch umfasst die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, die als Bestandteil eines Abgassystems eines
Verbrennungsmotors, insbesondere eines Turboladers, eingesetzt wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt in:
Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit erfindungsgemäß ausgestaltetem Wckelkopf in einem stark vereinfachten Längsschnitt und
Fig. 2a bis 2d einen Ausschnitt von Fig.1 , der bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wickelkopfs zeigt. In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Fig. 1 zeigt einen seitlichen, stark vereinfachten Längsschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Maschine 1 mit einem
erfindungsgemäß ausgestalteten Wickelkopf 2. Dargestellt ist eine Drehachse 3, um die sich ein über ein linkes und rechtes Radiallager 5A, 5B drehbar angeordneter Rotor 4 dreht. Zur Ausbildung eines magnetischen Feldes weist der Rotor 4 entweder bestrombare elektrisch leitende Wicklungen (nicht dargestellt) auf oder beinhaltet alternativ und bevorzugt
Permanentmagnetelemente 6, die für ein Zusammenwirken mit Statorwicklungen 9 eines Stators 8 ausgebildet sind. Der Stator 8 ist symmetrisch zu einer
Symmetrieebene 21 angeordnet, die senkrecht zu der Drehachse 3 verläuft. Von der Drehachse 3 radial ausgehend ist der Rotor 4 nur durch einen Luftspalt 7 von dem Stator 8 getrennt. Dem Stator 8 sind, insbesondere in parallel zur
Drehachse 3 verlaufenden Statornuten 22, Leitungsabschnitte 10 zugeordnet, die an der Stirnseite des Stators 8 einen Wickelkopf 2 ausbilden. Im Wckelkopf 2 erfolgt die elektrische Kontaktierung verschiedener Leitungsabschnitte 10 zu einer Spule 11 bzw. die Kontaktierung von mehreren Spulen 1 1 zu den
Statorwicklungen 9 eines Stranges sowie die Kontaktierung mit von außen zugänglichen Kontaktierungsmitteln 12, wodurch das Wckelsystem 13 bestromt werden kann. Erfindungsgemäß überlappen sich die Lagereinrichtungen 5A, 5B und die
Wickelköpfe 2 in axialer Richtung, also längs zur Drehachse 3 des Rotors 4. Dies erlaubt erfindungsgemäß die Länge LR des Rotors 4 einschließlich der beiden Radiallager 5A, 5B zu verkürzen, ohne dabei jedoch die aktive Länge LRS des im Stator 8 angeordneten Rotors 4 zu verkleinern.
Beim Betrieb als elektrischer Verbraucher wird das im Stator 8 angeordnete Wickelsystem 13 über die Kontaktierungsmittel 12 von einer nicht in der Figur dargestellten elektrischen Antriebskomponente bestromt. Dies führt dazu, dass sich innerhalb des Stators 8 ein magnetisches Feld aufbaut. Durch das magnetische Feld wird eine Kraft auf die im Rotor 4 angeordneten
Permanentmagnetelemente 6 ausgeübt, woraus die Rotation des Rotors 4 resultiert. Durch geeignete Bestromung des im Stator 8 angeordneten
Wickelsystems 13, insbesondere durch eine frequenzvariable Modulation, kann die Drehzahl des Rotors 4 beeinflusst bzw. vorgegeben werden. Auf Grund der erfindungsgemäßen Maßnahmen lässt sich durch den verkürzten Abstand zwischen den beiden Radiallagern 5A, 5B eine höhere Drehzahl bei einem rotordynamisch stabilen, insbesondere vibrationsfreien, Betrieb erreichen.
Die Figuren 2a bis 2d zeigen jeweils den gleichen Ausschnitt aus der Fig. 1 , wobei in den Figuren unterschiedliche Ausführungsformen des vorteilhaften Wickelkopfes 2 dargestellt sind. In Bezug auf die Fig. 1 zeigen die Ausschnitte nur den rechten Teil des Rotors 4, sowie den rechten und oberen Teil des Stators 8 mit dem rechten oberen Wckelkopf 2. We schon im Zusammenhang mit der Fig. 1 erläutert, ist der Rotor 4 um die Drehachse 3 durch die dargestellte Lagereinrichtung 5B rotierbar gelagert und in radialer Richtung vom Stator 8 umgeben, wobei von den längs zur Drehachse 3 angeordneten und aus dem Stator 8 herausragenden Leitungsabschnitten 10 der Wickelkopf 2 ausgebildet wird, dessen bevorzugte Ausführungsformen nun beschrieben werden:
Die Fig. 2a zeigt den Wckelkopf 2 gemäß der Fig. 1 , der eine zur Drehachse 3 ausgerichtete Schräge 16 mit einem Winkel α aufweist, wodurch ein Freiraum 14 entsteht, in den die Lagereinrichtung 5B des Rotors 4 längs zur Drehachse 3 eintaucht. Der Wckelkopf 2 ragt zudem radial über den Außenumfang 15 des Stators 8 heraus.
In der Fig. 2b weist der Wckelkopf 2 eine parabelförmige, zur Drehachse 3 ausgerichtete Seitenfläche 17 auf, wobei auch hier ein Freiraum 14 entsteht, in den erfindungsgemäß die Lagereinrichtung 5B des Rotors 4 eintaucht. Der Wickelkopf 2 ragt zudem radial über den Außenumfang 15 des Stators 8 heraus.
In Fig. 2c besitzt der unmittelbar an der Stirnseite des Stators 8 angeordnete Wickelkopf 2 eine zur Drehachse 3 ausgerichtete stufenförmige Fläche 18, wodurch der Freiraum 14 für die Aufnahme der Lagereinrichtung 5B realisiert wird. Auch in dieser bevorzugten Ausgestaltungsform des Wickel kopfes 2 ragt der Wickelkopf 2 in radialer Richtung über den Außenumfang 15 des Stators 8 hinaus. In Fig. 2d weist der Wckelkopf 2 zunächst einen schrägen Flächenabschnitt 19 auf, der dann in einen parallel zur Drehachse 3 verlaufenden überhängenden Flächenabschnitt 20 übergeht. Auch durch diese Ausgestaltung gelingt die Ausbildung eines Freiraums 14, in den die Lagereinrichtung 5B axial eintaucht. Zudem ist in der gezeigten bevorzugten Darstellungsform der Außenumfang 15 des Stators 8 in radialer Richtung gleichgroß wie die radiale Erstreckung des Wickelkopfes 2, was durch eine breitere, also in axialer Richtung längere Erstreckung des Wckelkopfes 2 kompensiert wird.
Ergänzend wird erläutert, dass zusätzlich zu den dargestellten
Ausführungsformen der Wckelkopf 2 auch anders ausgebildet sein kann, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.

Claims

Elektrische Maschine (1) mit einem Rotor (4), der mittels mindestens einer Lagereinrichtung (5A, 5B) drehbar um eine Drehachse (3) gelagert ist, wobei der Rotor (4) von der Drehachse (3) ausgehend in radialer
Richtung von einem Stator (8) umgeben ist und der Stator (8) Wicklungen (9) zum Ausbilden eines Wickelsystems (13) aufweist, und wobei die Wicklungen (9) an einer Stirnseite des Stators (8) einen Wickelkopf (2) ausbilden,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wckelkopf (2) und die Lagereinrichtung (5A, 5B) sich in
Längsrichtung der Drehachse (3) axial überlappen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wckelkopf (2) von der Drehachse (3) ausgehend in radialer Richtung den Außenumfang (15) des Stators (8) überragt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wickelkopf (2) auf der der Drehachse (3) zugewandten Seite einen Freiraum (14) aufweist, in den die Lagereinrichtung (5A, 5B) eintaucht.
Elektrische Maschine nach 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Freiraum (14) auf der der Drehachse (3) zugewandten Seite eine Schräge (16) mit einem Winkel (a) zur Drehachse (3) aufweist, wobei der Winkel (a) kleiner 80°, bevorzugt kleiner 70° besonders bevorzugt kleiner 60° ganz besonders bevorzugt kleiner 50° ist. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Stator (8) symmetrisch zu einer Symmetrieebene (21) angeordnet ist, wobei die Symmetrieebene (21) senkrecht zur Drehachse (3) verläuft.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass dem Rotor (4) zumindest zwei Lagereinrichtungen (5A, 5B) zugeordnet sind, wobei die zumindest zwei Lagereinrichtungen (5A, 5B) symmetrisch zur Symmetrieebene (21) angeordnet sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass dem Stator (8) wenigstens eine, vorzugsweise mehrere
Wickelschichten zugeordnet sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die das Wickelsystem (13) ausbildenden Wcklungen (9) in
Statornuten (22) angeordnet sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wicklungen (9) in Form von Litzen ausgebildet sind, wobei die Litzen durch schleifenartiges Anordnen Spulen (1 1) ausbilden, die durch parallel und seriell Verschalten die Wicklungen (9) eines Stranges ausbilden.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass dem Rotor (4) Permanentmagnetelemente (6) zugeordnet sind zum Zusammenwirken mit dem im Stator (8) angeordneten Wickelsystem (13) und/oder dass der Rotor (4) für einen Betrieb von bis zu 200 000 U/min ausgebildet ist und/oder dass der Rotor (4) eine Axialerstreckung in einem Bereich zwischen 8cm bis 20cm, bevorzugt zwischen 10cm und 18cm aufweist.
Verwendung einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, als Bestandteil eines Abgassystems eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Turboladers.
PCT/EP2018/061246 2017-05-24 2018-05-03 Elektrische maschine sowie deren verwendung WO2018215180A1 (de)

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DE102017208786.2 2017-05-24
DE102017208786.2A DE102017208786A1 (de) 2017-05-24 2017-05-24 Elektrische Maschine sowie deren Verwendung

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