WO2019204848A1 - Elektrische maschine mit elektromotor und magnetgetriebe - Google Patents

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housing
shaft
permanent magnet
machine element
tubular machine
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PCT/AT2019/060139
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Gerald Jungmayr
Günther Weidenholzer
Edmund MARTH
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Linz Center Of Mechatronics Gmbh
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    • H02K7/083—Structural association with bearings radially supporting the rotary shaft at both ends of the rotor

Definitions

  • the present description relates to the field of electric drives, in particular an integrated drive unit with an electric motor and a magnetic transmission.
  • the two rotors In a magnetic transmission, the two rotors (input and output shafts) are magnetic and not - as in mechanical transmissions - mechanically coupled by means of gears. Compared to mechanical transmissions, therefore, magnetic transmissions have lower friction losses, lubrication can be dispensed with, wear is limited to load-bearing rolling bearings, and noise is lower. In contrast to mechanical gear units, magnetic gear units are not damaged in the event of overload, but fall into slippage. By reducing the load torque, the magnet gear can be coupled in again. Disadvantages can be iron losses and hysteresis losses, which, however, can be kept small by the use of magnetic sheets.
  • a magnetic transmission may be integrated with an electric motor in a structural drive unit together (see, for example, EP 2 133 982 A2, GB 2 472 020 A).
  • Such drive units can be used as a direct drive and are therefore sometimes referred to as a pseudo-direct drive.
  • the inventors have made it their mission to improve existing concepts for integrated drive units with electric motor and magnetic transmission.
  • the electric machine comprises: a housing, one in the housing arranged first shaft to which a first permanent magnet assembly and a second permanent magnet assembly are rigidly connected, and a stator disposed inside the housing, which forms the electric motor together with the first shaft.
  • the electric machine further comprises a tubular machine element having a plurality of ferromagnetic pole shoes into which the first shaft is at least partially inserted such that the first shaft is coaxial with the tubular machine element and the second permanent magnet arrangement is within the tubular machine element.
  • the first shaft is mounted at a first end by means of a first bearing in the interior of the tubular Maschi nenelements at this.
  • annular third permanent magnet arrangement is arranged around the tubular machine element such that the second permanent magnet arrangement, the tubular machine element and the third permanent magnet arrangement form the magnetic transmission.
  • the tubular machine element is rotatably mounted on the housing and the annular third permanent magnet arrangement rigidly connected to the housing, or the tubular machine element is rigidly connected to the housing and the annular third permanent magnet arrangement is rotatably mounted on the housing.
  • the electric machine has the following: a first shaft arranged in the housing, to which a first permanent magnet arrangement and a second permanent magnet arrangement are rigidly connected, a stator arranged inside the housing, which together with the stator first shaft forms the electric motor, and a tubular machine element having a third permanent magnet arrangement, in which the first shaft is at least partially inserted so that the first shaft is coaxial with the tubular machine element and the second permanent magnet arrangement within the tubular machine element ,
  • the first shaft is mounted at a first end thereof by means of the first bearing inside the tubular machine element.
  • An annular arrangement with a plurality of pole shoes is arranged around the tubular machine element so that the second permanent magnet arrangement, the tubular machine element with the third permanent magnet arrangement and the annular arrangement with a plurality of pole shoes form the magnetic transmission.
  • the tubular machine element is rotatably mounted on the housing and the annular arrangement with a plurality of pole shoes is rigidly connected to the housing, or the tubular machine element is rigidly connected to the housing and the annular array with a plurality of pole pieces rotatably supported on the housing.
  • the electric machine has the following: a housing, a first shaft arranged in the housing and designed as a hollow shaft, in the interior of which at least one first permanent magnet arrangement and at least one second permanent magnet arrangement are arranged, one inside the housing arranged stator which forms the electric motor together with the first shaft, and a tubular machine element with a plurality ferromagnetic Pol sen, in which the first shaft is at least partially inserted so that the first shaft coaxial with the tubular machine element and the at least second permanent magnet arrangement in within lie of the tubular machine element.
  • annular third permanent magnet arrangement is arranged around the tubular machine element so that the two te permanent magnet assembly, the tubular machine element and the third Perma nentmagnetan let form the magnetic transmission.
  • the tubular Ma machine element is rotatably mounted on the housing and the annular third permanent magnet assembly rigidly connected to the housing, or the tubular Maschinenele element is rigidly connected to the housing and the annular third Permanentmagnetan Regulation is rotatably mounted on the housing.
  • Embodiments are tert erläu detail below with reference to figures.
  • the illustrations are not necessarily to scale and the Principalsbei games are not limited to the aspects presented. Rather, value is placed to represent the underlying principles of the embodiments. In the pictures shows:
  • Figure 1 is a sectional view illustrating a longitudinal section of an ers th embodiment of a drive unit with electric motor and magnetic gear.
  • Figure 2 shows a first modification of the embodiment of Fig. 1, wherein the arrangement of the permanent magnets has been modified.
  • Figure 3 shows a second modification of the embodiment of FIG. 1, wherein a solid shaft is used as the rotor of the electric motor instead of a hollow shaft.
  • Figure 4 shows a third modification of the embodiment of Fig. 1, wherein the rotor has different outer diameter.
  • Figure 5 shows a fourth modification of the embodiment of Fig. 1, wherein the housing has two relatively rotatable housing parts
  • FIG. 6 illustrates a modification of the example from FIG. 5, in which the modulator is rigidly connected to the housing of the electric motor and a further housing part functions as an external rotor.
  • Figure 7 illustrates a fifth modification of the example of Fig. 1, wherein the engine was designed as a bearingless engine.
  • FIG. 8 and 9 illustrate two further modifications of the embodiment of FIG. 1, wherein the inner hollow shaft 11 is cantilevered.
  • FIG. 10 and 11 illustrate two modifications of the embodiment of FIG. 6, wherein the inner hollow shaft 11 is cantilevered.
  • FIG. 12 illustrates a further modification of the exemplary embodiment from FIG.
  • Figure 13 illustrates a further modification of the embodiment of FIG. 1 with a forced ventilation of the housing interior.
  • Figure 14 illustrates a further modification of the embodiment of Fig. 1, in which a magnetic field sensor is provided on the board arranged in the housing.
  • the embodiments described here relate to a new concept for the integration of electric motor and magnetic transmission (magnetic transmission, magnetic gear) in a housing, whereby a compact electric drive unit (electric drive unit) is formed with high power density.
  • Such drive units are also referred to as Magnetic Gear Motor (MGM).
  • MGM Magnetic Gear Motor
  • a high power density is thereby achieved that the electric motor with comparatively high speed (eg up to 30,000 revolutions per minute or more) is operated.
  • the magnetic transmission reduces the high speed to a "normal" value, for example in the range of 1000 to 6000 revolutions per minute, whereby the available torque is translated accordingly.
  • the embodiments described herein with electric motor can also be operated as a generator (if the electric motor for the generator operation is suitable). Structurally, there is no significant difference between electric motor and generator.
  • MGM units Magnetic gear and electric motor are arranged coaxially in a plane. That is, motor and magnetic gear are not axially offset side by side, but are interleaved to the same axis of rotation rotatably arranged. This arrangement is for example referred to as PDD ⁇ pseudo direct drive).
  • PDD ⁇ pseudo direct drive Such MGM units therefore have comparatively large diameter-length ratios.
  • the embodiments shown here are based on a side-by-side arrangement of the engine and transmission with a relatively small diameter compared to the length.
  • the side-by-side arrangement Compared to MGM arrangements in which the motor and magnetic gear are arranged coaxially inside one another with the stator of the motor, the side-by-side arrangement has the advantage that the inner rotor can have a smaller diameter , As a result, smaller bearings are possible, which usually also the bearing losses are lower. Compared to MGM arrangements in which the motor and magnetic gear are disposed coaxially inside each other with the stator of the motor, the side-by-side arrangement has the advantage that the effective air gap between the permanent magnet assembly of the high-speed rotor and the stator can be smaller.
  • Fig. 1 is a sectional view illustrating a longitudinal section (along the axis of rotation As) by an embodiment of an electric drive unit.
  • an electric motor 40 and a Mag netgetriebe 30 are arranged in a housing 50.
  • the stator 41 of the electric motor is rigidly connected to the housing 50.
  • the stator 41 is implemented with a three-phase winding system.
  • other phase numbers for example between one and six, are possible.
  • the arrangement of the coils can be concentrated or distributed. Another possibility is the use of toroidal coils (toroidal motor).
  • stator winding If the stator winding is correctly energized, a magnetic rotating field with a pole pair number PMOT is formed in the air gap of the motor (PMOT> 1).
  • stator may have a laminated core (stack of laminated metal sheets) or a component made of soft magnetic composite (SMC).
  • SMC soft magnetic composite
  • a version without laminated core (air-core motor) is possible. In both cases, a magnetic flux is formed in the radial direction during operation.
  • the rotor of the electric motor is formed by a permanent magnet arrangement 12 with one or more permanent magnets 12.
  • the permanent magnet arrangement 12 is arranged in the interior of the hollow shaft 11.
  • the hollow shaft 11 can serve as centrifugal force protection for the Permanentmagnetan Regulation 12.
  • the hollow shaft 11 is mounted on the housing 50 via a rolling bearing 14 (e.g., ball bearings). On the second bearing point of the hollow shaft 11 will be discussed later.
  • the hollow shaft does not require a shaft shoulder and can therefore be easily manufactured.
  • the hollow shaft 11 may also have several paragraphs with different diameters.
  • the hollow shaft 11 has a comparatively high bending stiffness at a comparatively small moment of inertia, whereby the hollow shaft 11 can be constructed so that resonances of bending vibrations are outside the speed range of the high-speed rotor.
  • the electric motor can be designed, for example, as a brushless synchronous motor (BLDC motor, brushless DC moto).
  • BLDC motor brushless synchronous motor
  • other types of motors such as e.g. Asynchronous motors, reluctance motors, etc., which generate a radially directed, magnetic flux and often do not require a permanent magnet assembly 12 in the rotor.
  • Asynchronous motors e.g. Asynchronous motors, reluctance motors, etc.
  • the operation of a BLDC motor (as well as other Motorty pen) is known per se and will therefore not be explained further here.
  • a magnetic gear has an inner, rapidly rotating rotor (in Fig. 1, this rotor Rl with a small number of pole pairs pi), a modulator (in Fig. 1 is this rotor R2 with p 3 + pi or p 3 -pi pole shoes) and an outer, slowly rotating rotor (in FIG. 1, this is rotor R3 with pole pair number p 3 ).
  • the modulator is stationary and the outer rotor R3 represents the output of the transmission.
  • the outer rotor R3 may be rigidly connected to the housing 50 and therefore quiet stand.
  • the modulator (rotor R2) is the output of the transmission.
  • rotors rotor Rl, rotor R2 and rotor R3
  • rotor Rl rotor Rl
  • rotor R2 rotor R2
  • rotor R3 rotor R3
  • the pi pole pairs of the rotor Rl are formed by a second Permanentmagnetan Regulation 13 with at least one permanent magent, which are also arranged in the interior of the hollow shaft 11 in the case of the game shown.
  • the p 3 pole pairs of the rotor R3 are formed by a third annular permanent magnet arrangement 32, which comprises a plurality of permanent magnets and which encloses the modulator R2.
  • the p 3 + pi (or alternatively p 3 -pi) Pohl shoes of the modulator R2 are formed of ferromagnetic material.
  • the shaft 11 and the output shaft 23 have the same direction of rotation in this case.
  • the reduction ratio of the transmission (from the shaft 11 to the output shaft 23) is equal to (p 3 / pi-1).
  • the shaft 11 and the output shaft 23 wei sen in this case, an opposite direction of rotation.
  • the amount of the reduction ratio also changes.
  • the first permanent magnet assembly 12 and the second permanent magnet assembly 13 may be stirred or formed as a unit. In the latter case, the first Permanentmag netan angel 12 would be a portion of a permanent magnet unit arranged along the longitudinal axis and the second permanent magnet assembly 13, a second portion which lies in the axial direction adjacent to the first section.
  • the hollow shaft 11 of the electric motor 40 is also part of the inner, rapidly rotating rotor Rl of the magnetic gear 30.
  • the second permanent magnet assembly 13 the together forms with the hollow shaft 11, the inner high-speed rotor Rl (ie the input) of the magnetic transmission 30.
  • the pole pair number pi is one (the NS polarization is indicated by arrows), which is at Given output speed at the output of the transmission, a high reduction and thus a high speed (and thus high performance) of the electric motor 40 allows.
  • the pole pair number pi may also be two.
  • the modulator (rotor R2) of the magnetic transmission is formed by a rohrför Miges machine element, e.g. a further hollow shaft 22 and the pole pieces 21 up, which are arranged along the circumference of the hollow shaft 22.
  • the annular machine element further comprises a shaft 23 (input or output shaft) with a Wellenab set 23 a, which is rigidly connected at one end of the hollow shaft 22 with this.
  • the hollow shaft 22 is therefore closed at one end by the shaft 23 and open at the other end.
  • Pole shoes 21 and hollow shaft 22 may be manufactured as one component. Alterna tive or in addition, the hollow shaft 22 and the shaft 23 may be made in one piece.
  • the hollow shaft 22 is mounted at both ends by means of rolling bearings 24 and 25 on the housing 50. Depending on the construction can be arranged between the bearings 24 and 25 jacks 51 and 52, in which the bearings 24 and 25 are arranged.
  • a particularly compact construction is obtained when the hollow shaft 11 (rotor R1) is mounted in the interior of the hollow shaft 22 on a shaft portion of the shaft 23 (for example via roller bearings 15). That is, the hollow shaft 11 extends partially inside the hollow shaft 22 and is mounted at the closed end of the hollow shaft 22 at a shaft portion of the shaft 23.
  • p3 + pi pole shoes of the modulator 21 "does not see the bearing 15, the full speed of the electric motor, but only the difference in rotational speeds at the input and the output of the magnetic transmission 30th
  • the outer rotor R3 of the magnetic gear 30 rigid housing with the Ge As mentioned 50 is connected, and thus, strictly speaking, not a rotor, but the stator 31 of the magnet gear 30 to which the permanent magnets may be arranged 32 along the circumference (number of pole pairs p 3 ).
  • the rotor R3 it is referred to in terms of a consistent description as the rotor R3, as this component can rotate in some embodiments also ren (for example, the modulator 21 is fixed, see, for example, Fig. 6).
  • the stator 31 for guiding the magnetic flux packet (or a component of SMC) have a sheet metal to achieve a high magnetic flux density in the air gap.
  • the housing 50 may be made in one piece or in several parts. Depending on the type of motor, a control electronics (motor electronics) may be necessary, which may be arranged on a printed circuit board (PCB) 61, which in turn may be mounted inside the housing.
  • PCB printed circuit board
  • the hollow shaft 11 is a piece passed through the circuit board 61, so that angle sensors can be arranged directly on the circuit board 61 (see also Fig. 14).
  • the high-speed rotor Rl (hollow shaft 11) is at the same time the rotor of the electric motor and the drive rotor (in engine operation) of the magnet gear; Due to the arrangement of the bearings 14 and 15, it does not have to be connected to the outside and can therefore be arranged completely inside the housing 50.
  • the stator 41 of the electric motor 40, the stator 31 (rotor R3) of the magnetic transmission 30 and housing 50 together form a compact assembly.
  • the bearings, particularly the high-speed bearing 14 and the fast-rotating bearing 15, may be formed as ceramic bearings or as hybrid bearings in which bearing rings and rolling elements are made of different materials (e.g., steel bearing rings and ceramic balls).
  • Ceramic or hybrid bearings also represent a higher magnetic resistance for the magnetic field lines of the permanent magnet arrangements than conventional bearings made of steel.
  • a magnetic "short circuit" of the magnetic field lines through the bearings can be reduced.
  • the eddy current losses in the bearing are completely avoided in ceramic bearings.
  • the eddy current losses due to the stray magnetic field of the permanent magnet arrangement 12 or 13 are reduced.
  • Fig. 2 shows an alternative to the example of Fig. 1.
  • the embodiment of Fig. 2 is almost identical to the previous example with the only difference that the permanent magnets 32 '(numeral 32 in Fig. 1) instead of Stator 31 (rotor R3) are arranged on the rotor R2 (that are part of the above-mentioned tubular machine element).
  • the modulation of the permanent magnetic field by the pole shoes takes place on the rotor R2 (modulator)
  • the external rotor R3 in FIG. 1 and FIG. 2, the rotor R3 is thus stationary taken as a stator acts).
  • the stator 31 (rotor R3) has for this purpose an annular arrangement with a plurality of pole shoes 21 '.
  • the stator 31 performs the function of the modulator, whereas the magnetic field is generated by the permanent magnet assembly 21 'of the rotor R2 (tubular machine element).
  • the structure, in particular the bearing of the hollow shaft 11 at a shaft portion of the shaft 23 in the interior of the hollow shaft 22 is the same as in the previous example of FIG. 1st
  • Fig. 3 shows a further alternative to the example of Fig. 1.
  • the Ausrete tion of Fig. 3 is almost identical to the previous example with the single-gen difference that instead of the hollow shaft 11, a solid shaft 1 V is provided.
  • the permanent magnets 13 and 14 are therefore not inside, but outside of the shaft 1 V arranged. Nonetheless, similar to Fig. 1, the shaft 1 V is mounted internally on the hollow shaft 22 or in a central bore of the shaft 23.
  • the construction is the same as in the previous example of FIG. 1.
  • the embodiment according to FIG. 3 may be suitable, for example, for applications in which no centrifugal force protection is required due to smaller rotational speeds or smaller outer diameters of the magnet arrangements 12 and 13.
  • Fig. 4 shows a variant of the example of Fig. 1, in which the hollow shaft 11 has two sections with different diameters.
  • the electric motor 40 and the magnetic gear 30 different diameters in the region of the air gap (i.e., between the outer diameter of the hollow shaft 11 and the inner diameter of the modulator 21 in the magnetic gear and between the outer diameter of the hollow shaft 11 and the stator 41 in the engine) can be realized.
  • Fig. 5 shows a variant of the example of Fig. 1, in which the rotor R3 is mounted relative to the housing 50 (see Fig. 5, bearings 26a and 26b).
  • the now rotatably mounted rotor R3 in Fig. 1 rigidly coupled to the housing 50
  • the bushings 51 and 52 are not used in this case.
  • the sleeve 50b which is rotatably mounted on the housing 50 by means of the bearings 26a and 26b, functions as an external rotor.
  • the hollow shaft 22 is mounted with the bearings 24 and 25 on the sleeve 50b (instead of as in Fig. 1 on the housing 50).
  • the outer rotor R3 of the magnet gear 30 is not rigidly coupled to the stator 41 of the electric motor 40 and the drive unit has there with two outputs.
  • the first output forms the shaft 23 as in the example of Fig. 1 and the second output forms the sleeve 50b, which can rotate as mentioned and forms the external rotor.
  • One of the power take-offs or both power take-offs can also be used as a drive, wherein the mechanical power at the two Ab tri eben / drives be combined.
  • the motor 40 is operating in motor or generator mode.
  • Fig. 6 illustrates a modification of the example of Fig. 5, in which the modulator 21 is rigidly connected to the housing of the electric motor 40 (housing part 50a).
  • the bearings 26a and 26b are omitted and the magnets 32 (rotor R3) are rigidly connected to a housing part 50b which functions as an external rotor.
  • a (non-rotatable) sleeve 22 ' is provided.
  • the sleeve 22 ' has a shoulder 22a which is fixedly connected to the housing part 50a.
  • the sleeve 22 '(with the shoulder 22a) is screwed or pressed into the housing part 50a.
  • the output shaft 23 is replaced by a housing cover 50c.
  • the output forms the housing part 50b, which is an external rotor similar to the example of FIG.
  • the motor 40 is the same in this example as in the previous examples; the difference to the example of Fig. 5 is only there that the rotor R2 (with modulator 21) is "held” by the rigid coupling with the housing part 50a.
  • the hollow shaft 11 is - similar to the previous example - with means of the roller bearing 15 inside of the housing cover 50 c stored (in this example, the storage obviously the role of the shaft 23 takes over).
  • the rolling bearings 14 and 15 Kgs nen as in the example of FIG. 5 be constructed practically the same (depending on the application as a steel bearing, ceramic bearings or hybrid bearings).
  • the present example corresponds essentially to the example from FIG. 5.
  • the reduction ratio of the transmission (from the shaft 11 to the output 50b) is equal to -p 3 / pi.
  • the shaft 11 and the output 50b have opposite directions of rotation.
  • the reduction ratio of the transmission (from the shaft 11 to the output 50b) is equal to p 3 / pi.
  • the shaft 11 and the output 50b have the same direction of rotation here.
  • FIG. 6 can be further modified by using a solid shaft instead of the hollow shaft 11 as in the example of FIG. 3.
  • the permanent magnets 32 are arranged on the rotor R2 (sleeve 22 ') instead on the outer rotor R3 (similar to the example of Fig. 2), which as mentioned with reference to the example of Fig. 2 leads to the fact that the outer rotor R3 takes over the function of Modula sector.
  • the embodiment of Figure 7 is a further modification of the example of Figure 1, wherein the motor 40 is designed as a bearingless motor. The bearing 14 can therefore be omitted. Incidentally, reference is made to the description of FIG. 1. As shown in FIG.
  • the hollow shaft 11 is supported only at one point by means of the roller bearing 15.
  • the bearingless motor generates, in addition to the drive torque and the radial forces that are necessary to keep the hollow shaft 11 in position.
  • the motor 40 can have position sensors which are arranged so that they measure a radial deflection of the hollow shaft 11 in the region of the electric motor 40.
  • Fig. 1 The modifications and variants described with reference to FIG. 1 can also be applied to the example from FIG. 7.
  • the hollow shaft is completely magnetically supported (active or passive). In this case, the rolling bearing 15 can be omitted.
  • Fig. 8 is a further modification of the example of Fig. 1, wherein the bearing 14 is not arranged at the left end of the hollow shaft 11, son countries between the electric motor 40 and the magnetic gear 30. In this example, that between the electric motor 40 and magnetic gear 30 lying bearing of the hollow shaft 11 denoted by l4 '. In contrast to the bearing 14 of FIG. 1, the bearing l4 'of FIG. 8 has a larger diameter, resulting in greater friction losses in the bearing. Incidentally, reference is made to the comments on Fig. 1. The modifications and variants described with reference to FIG. 1 can also be applied to the example of FIG. 8.
  • the exemplary embodiment from FIG. 9 is a further modification of the example from FIG. 1, wherein the bearing 15 located in the hollow shaft 22 is not arranged at the right end of the hollow shaft 11, but between the electric motor 40 and the magnet gear 30
  • the bearing of the hollow shaft 11 lying between the electric motor 40 and the magnetic transmission 30 is designated by 15 '.
  • the bearing 15 'of FIG. 9 has a larger diameter, which results in greater friction losses in the bearing.
  • the modifications described in relation to FIG. 1 can also be applied to the example of FIG. 9. With respect to the two examples of Fig.
  • FIG. 10 is a modification of the example of FIG.
  • the bearing 14 is not arranged at the left end of the hollow shaft 11, but between the electric motor 40 and the magnetic gear 30.
  • the bearing of the hollow shaft 11 lying between the electric motor 40 and the magnetic gear 30 is denoted by l4 ' .
  • the bearing l4 'from FIG. 10 has a larger diameter, which results in greater friction losses in the bearing.
  • the sleeve 22 ' replaces the hollow shaft 22 (rotor R2, modulator / pole shoes 21).
  • the sleeve 22 ' may have a plurality of heels of different diameters.
  • FIG. 11 is a further modification of the example of FIG. 6, wherein the bearing 15 is not disposed at the right end of the hollow shaft 11, but between the electric motor 40 and the magnetic gear 30. In this example, this is between Electric motor 40 and magnetic gear 30 lying bearing of the hollow shaft 11 denoted by l5 '. In contrast to the bearing 15 of FIG. 6, the bearing l5 'of FIG.
  • the sleeve 22' may have several paragraphs with ver different diameters.
  • the bearing 15 'on the shoulder 22b is arranged on the outside and the bearing 24 on the shoulder 22b on the outside, so that the bearing forces of both bearings lie substantially in a radial line.
  • resonances of bending oscillations can be problematic (depending on the engine speed).
  • FIG. 12 is a further modification of the example of FIG. 1, wherein the bearing 24 is arranged not to the left of the modulator 21, but to the right thereof.
  • the bearings 24 and 25 are thus on the same side of the modulator 21.
  • FIG. 1 With reference to FIG. described modifications and variants can also be turned to the example of FIG. 12 at.
  • the present example can be used in particular with a comparatively short axial length of the magnetic transmission 30.
  • Diameter of the inner hollow shaft 11, the size and the position of the magnetically active seed air gaps can be influenced.
  • the inner bearing 14 of the hollow shaft (see Fig. 1) can be replaced by an external bearing. Many other such modifications are possible without changing the function of the embodiments described herein.
  • FIG. 13 is a further modification of the example of FIG. 1 with a forced ventilation of the interior of the housing 50.
  • a fan 16 is arranged, which ensures convection in the interior of the housing. Air is drawn into the interior of the housing at one (axial) end of the housing 50 (for example at the front end) via one or more inlets 55. The air flows through the Elekt romotor and the magnetic gear and can dissipate heat. At the other, the inlets 55 opposite end of the air passes through one or more outlets 56 back to the outside. In the example shown, the outlets 56 extend through the waves paragraph 23a of the output shaft 23. The air flow is indicated in Fig. 13 with "L". On the other hand, the example shown in FIG. 13 is identical to that of FIG. 1 and reference is made to the above explanations. The components responsible for ventilation can also be used in other embodiments.
  • Embodiment of Fig. 14 is a further modification of the example of Fig. 1.
  • the electric motor is a BLDC motor, for example.
  • a measurement of the angular position of the rotor is necessary.
  • a magnetic field sensor 62 is arranged on the circuit board 61 to save space, for example a Hall sensor or a magneto-resistive (MR) sensor. Since the printed circuit board 61 is inserted into the housing in a space-saving manner at right angles to the axis of rotation. is built, the sensor 62 may be attached directly to the circuit board 61 and at the same time be arranged in the vicinity of the stator winding 42.
  • FIG. 13 the example illustrated in FIG. 13 is identical to that of FIG. 1, and reference is made to the above explanations.
  • the arrangement of the sensor 62 on the circuit board 61 can play in all legislative- play, where an angle measurement is necessary, are used.

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Abstract

Es wird eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Antriebseinheit mit einem Elektromotor und einem Magnetgetriebe beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die elektrische Maschine folgendes auf: ein Gehäuse, eine im Gehäuse angeordnete erste Welle, mit der eine erste Permanentmagnetanordnung und eine zweite Permanentmagnetanordnung starr verbunden sind, und ein innen am Gehäuse angeordneter Stator, der zusammen mit der ersten Welle den Elektromotor bildet. Die elektrische Maschine weist weiter ein rohrförmiges Maschinenelement mit mehreren ferromagnetischen Polschuhen auf, in den die erste Welle zumindest teilweise eingeführt ist, sodass die erste Welle koaxial zu dem rohrförmigen Maschinenelement und die zweite Permanentmagnetanordnung innerhalb des rohrförmigen Maschinenelements liegen. Die erste Welle ist an einem ersten Ende mittels eines ersten Lagers im Inneren des rohrförmigen Maschinenelements an diesem gelagert ist. Eine ringförmige dritte Permanentmagnetanordnung ist um das rohrförmige Maschinenelement so angeordnet, dass die zweite Permanentmagnetanordnung, das rohrförmige Maschinenelement und die dritte Permanentmagnetanordnung das Magnetgetriebe bilden. Dabei ist entweder das rohrförmige Maschinenelement an dem Gehäuse drehbar gelagert und die ringförmige dritte Permanentmagnetanordnung starr mit dem Gehäuse verbunden, oder das rohrförmige Maschinenelement ist starr mit dem Gehäuse verbunden und die ringförmige dritte Permanentmagnetanordnung ist an dem Gehäuse drehbar gelagert.

Description

ELEKTRISCHE MASCHINE MIT ELEKTROMOTOR UND
MAGNETGETRIEBE
TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die vorliegende Beschreibung betrifft das Gebiet der elektrischen Antriebe, insbe- sondere eine integrierte Antriebseinheit mit einem Elektromotor und einem Magnetgetrie- be.
HINTERGRUND
[0002] In einem Magnetgetriebe sind die beiden Rotoren (An- und Abtriebswelle) mag- netisch und nicht - wie bei mechanischen Getrieben - mechanisch mittels Zahnräder ge- koppelt. Im Vergleich zu mechanischen Getrieben weisen Magnetgetriebe daher geringere Reibungsverluste auf, auf eine Schmierung kann verzichtet werden, der Verschleiß be- schränkt sich auf die tragenden Wälzlager und die Geräuschentwicklung ist geringer. Im Gegensatz zu mechanischen Getrieben werden Magnetgetriebe bei Überlast nicht beschä- digt, sondern geraten in Schlupf. Durch Reduzieren des Lastmoments kann das Magnetge- triebe wieder einkoppeln. Nachteilig können sich Eisenverluste und Hystereseverluste auswirken, die jedoch durch die Verwendung von Magnetblechen klein gehalten werden können.
[0003] Ein Magnetgetriebe kann mit einem Elektromotor in einer baulichen Antriebsein heit zusammen integriert werden (siehe z.B. EP 2 133 982 A2, GB 2 472 020 A). Derartige Antriebseinheiten können wie ein Direktantrieb eingesetzt werden und werden daher manchmal als Pseudo-Direktantrieb bezeichnet. Die Erfinder haben es sich zur Aufgabe gemacht, bestehende Konzepte für integrierte Antriebseinheiten mit Elektromotor und Magnetgetriebe zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG
[0004] Es wird eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Antriebseinheit mit einem Elektromotor und einem Magnetgetriebe beschrieben. Gemäß einem Ausfüh rungsbeispiel weist die elektrische Maschine folgendes auf: ein Gehäuse, eine im Gehäuse angeordnete erste Welle, mit der eine erste Permanentmagnetanordnung und eine zweite Permanentmagnetanordnung starr verbunden sind, und ein innen am Gehäuse angeordneter Stator, der zusammen mit der ersten Welle den Elektromotor bildet. Die elektrische Ma- schine weist weiter ein rohrförmiges Maschinenelement mit mehreren ferromagnetischen Polschuhen auf, in den die erste Welle zumindest teilweise eingeführt ist, sodass die erste Welle koaxial zu dem rohrförmigen Maschinenelement und die zweite Permanentmag- netanordnung innerhalb des rohrförmigen Maschinenelements liegen. Die erste Welle ist an einem ersten Ende mittels eines ersten Lagers im Inneren des rohrförmigen Maschi nenelements an diesem gelagert ist. Eine ringförmige dritte Permanentmagnetanordnung ist um das rohrförmige Maschinenelement so angeordnet, dass die zweite Permanentmag- netanordnung, das rohrförmige Maschinenelement und die dritte Permanentmagnetanord- nung das Magnetgetriebe bilden. Dabei ist entweder das rohrförmige Maschinenelement an dem Gehäuse drehbar gelagert und die ringförmige dritte Permanentmagnetanordnung starr mit dem Gehäuse verbunden, oder das rohrförmige Maschinenelement ist starr mit dem Gehäuse verbunden und die ringförmige dritte Permanentmagnetanordnung ist an dem Gehäuse drehbar gelagert.
[0005] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die elektrische Maschine fol- gendes auf: eine im Gehäuse angeordnete erste Welle,, mit der eine erste Permanentmag- netanordnung und eine zweite Permanentmagnetanordnung starr verbunden sind, ein innen am Gehäuse angeordneter Stator, der zusammen mit der ersten Welle den Elektromotor bildet, und ein rohrförmiges Maschinenelement, die eine dritte Permanentmagnetanord- nung aufweist, in die die erste Welle zumindest teilweise so eingeführt ist, dass die erste Welle koaxial zu dem rohrförmigen Maschinenelement und die zweite Permanentmag- netanordnung innerhalb des rohrförmigen Maschinenelements liegen. Die erste Welle ist an einem ersten Ende mittels des ersten Lagers im Inneren des rohrförmigen Maschinene- lements an diesem gelagert. Eine ringförmige Anordnung mit mehreren Polschuhen ist um das rohrförmige Maschinenelements so angeordnet ist, dass die zweite Permanentmag- netanordnung, das rohrförmige Maschinenelement mit der dritten Permanentmagnetanord- nung und die ringförmige Anordnung mit mehreren Polschuhen das Magnetgetriebe bil- den. Dabei ist entweder das rohrförmige Maschinenelement an dem Gehäuse drehbar ge- lagert und die ringförmige Anordnung mit mehreren Polschuhen starr mit dem Gehäuse verbunden, oder das rohrförmige Maschinenelement ist starr mit dem Gehäuse verbunden und die ringförmige Anordnung mit mehreren Polschuhen an dem Gehäuse drehbar gela- gert.
[0006] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die elektrische Maschine fol- gendes auf: ein Gehäuse, eine im Gehäuse angeordnete und als Hohlwelle ausgebildete erste Welle, in deren Inneren mindestens eine erste Permanentmagnetanordnung und min destens eine zweite Permanentmagnetanordnung angeordnet sind, ein innen am Gehäuse angeordneter Stator, der zusammen mit der ersten Welle den Elektromotor bildet, und ein rohrförmiges Maschinenelement mit mehreren ferromagnetischen Polschuhen, in das die erste Welle zumindest teilweise so eingeführt ist, dass die erste Welle koaxial zu dem rohr förmigen Maschinenelement und die mindestens zweite Permanentmagnetanordnung in nerhalb des rohrförmigen Maschinenelements liegen. Eine ringförmige dritte Permanent magnetanordnung ist um das rohrförmige Maschinenelement so angeordnet, dass die zwei te Permanentmagnetanordnung, das rohrförmiges Maschinenelement und die dritte Perma nentmagnetanordnung das Magnetgetriebe bilden. Dabei ist entweder das rohrförmige Ma schinenelement an dem Gehäuse drehbar gelagert und die ringförmige dritte Permanent magnetanordnung starr mit dem Gehäuse verbunden, oder das rohrförmige Maschinenele ment ist starr mit dem Gehäuse verbunden und die ringförmige dritte Permanentmagnetan ordnung an dem Gehäuse drehbar gelagert ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[0007] Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand von Abbildungen näher erläu tert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Ausführungsbei spiele sind nicht nur auf die dargestellten Aspekte beschränkt. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die den Ausführungsbeispielen zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. In den Abbildungen zeigt:
[0008] Figur 1 ist eine Schnittdarstellung zur Illustration eines Längsschnittes eines ers ten Ausführungsbeispiels einer Antriebseinheit mit Elektromotor und Magnetgetriebe.
[0009] Figur 2 zeigt eine erste Modifikation des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1, wobei die Anordnung der Permanentmagneten modifiziert wurde. [0010] Figur 3 zeigt eine zweite Modifikation des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1, wobei als Rotor des Elektromotors statt einer Hohlwelle eine Vollwelle verwendet wird.
[0011] Figur 4 zeigt eine dritte Modifikation des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1, bei der der Rotor unterschiedliche Außendurchmesser aufweist.
[0012] Figur 5 zeigt eine vierte Modifikation des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1, wobei das Gehäuse zwei relativ zueinander drehbare Gehäuseteile aufweist
[0013] Figur 6 illustriert eine Modifikation des Beispiels aus Fig. 5, bei dem der Modu- lator starr mit dem Gehäuse des Elektromotors verbunden ist und ein weiterer Gehäuseteil als Außenläufer fungiert.
[0014] Figur 7 illustriert eine fünfte Modifikation des Beispiels aus Fig. 1, wobei der Motor als lagerloser Motor ausgeführt wurde.
[0015] Figur 8 und 9 illustrieren zwei weitere Modifikationen des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1, wobei die innere Hohlwelle 11 auskragend gelagert ist.
[0016] Figur 10 und 11 illustrieren zwei Modifikationen des Ausführungsbeispiels aus Fig. 6, wobei die innere Hohlwelle 11 auskragend gelagert ist.
[0017] Figur 12 illustriert eine weitere Modifikation des Ausführungsbeispiels aus Fig.
1, wobei der Modulator des Magnetgetriebes auskragend gelagert ist.
[0018] Figur 13 illustriert eine weitere Modifikation des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1 mit einer Zwangsbelüftung des Gehäuseinnenraums.
[0019] Figur 14 illustriert eine weitere Modifikation des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1, bei der auf der im Gehäuse angeordneten Platine ein Magnetfeldsensor vorgesehen ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
[0020] Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen ein neues Konzept zur Integration von Elektromotor und Magnetgetriebe ( magnetic transmission, magnetic gear ) in einem Gehäuse, wodurch eine kompakte elektrische Antriebseinheit ( electric drive unit) mit hoher Leistungsdichte gebildet wird. Derartige Antriebseinheiten werden auch als Magnetic Gear Motor ( MGM) bezeichnet. Eine hohe Leistungsdichte wird dadurch er reicht, dass der Elektromotor mit vergleichsweise hoher Drehzahl (z.B. bis zu 30000 Um drehungen pro Minute oder mehr) betrieben wird. Das Magnetgetriebe untersetzt die hohe Drehzahl auf einen„normalen“ Wert, der beispielsweise im Bereich von 1000 bis 6000 Umdrehungen pro Minute liegt, wobei das verfügbare Drehmoment entsprechend übersetzt wird. Es versteht sich, dass die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele mit Elektromotor auch als Generator betrieben werden können (sofern der Elektromotor für den Generator betrieb geeignet ist). Strukturell besteht kein signifikanter Unterschied zwischen Elektro motor und Generator.
[0021] Bei einem überwiegenden Teil der bekannten Antriebseinheiten mit Magnetge triebe und Elektromotor (MGM-Einheiten) sind Magnetgetriebe und Elektromotor koaxial in einer Ebene angeordnet. Das heißt, Motor und Magnetgetriebe liegen nicht axial versetzt nebeneinander, sondern sind ineinander verschachtelt um dieselbe Drehachse drehbar an geordnet. Diese Anordnung wird beispielsweise als PDD {Pseudo Direct Drive) bezeichnet Derartige MGM-Einheiten weisen daher vergleichsweise große Durchmesser-Längen- Verhältnisse auf. Die hier dargestellten Ausführungsbeispiele basieren auf einer Seite-an- Seite-Anordnung von Motor und Getriebe mit relativ kleinem Durchmesser im Vergleich zur Länge.
[0022] Im Vergleich zu MGM- Anordnungen, bei denen Motor und Magnetgetriebe koa xial ineinander mit dem Stator des Motors innenliegend angeordnet sind, weist die Seite- an- Seite- Anordnung den Vorteil auf, dass der innen liegende Rotor einen kleineren Durchmesser haben kann. Dadurch sind auch kleinere Wälzlager möglich, wodurch in der Regel auch die Lagerverluste geringer sind. Im Vergleich zu MGM-Anordnungen, bei de nen Motor und Magnetgetriebe koaxial ineinander mit dem Stator des Motors außenlie gend angeordnet sind, weist die Seite-an-Seite-Anordnung den Vorteil auf, dass der effek tive Luftspalt zwischen der Permanentmagnetanordnung des schnell drehenden Rotors und dem Stator kleiner sein kann.
[0023] Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die einen Längsschnitt (entlang der Rotationsachse As) durch ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Antriebseinheit darstellt. Wie bereits erläutert handelt es sich um eine Baueinheit, bei der ein Elektromotor 40 und ein Mag netgetriebe 30 in einem Gehäuse 50 angeordnet sind. Gemäß dem dargestellten Beispiel ist der Stator 41 des Elektromotors starr mit dem Gehäuse 50 verbunden. In einem Ausfüh rungsbeispiel ist der Stator 41 mit einem drei-phasigen Wicklungssystem ausgeführt. Es sind jedoch auch andere Phasenzahlen, beispielsweise zwischen eins und sechs, möglich. Die Anordnung der Spulen kann dabei konzentriert oder verteilt sein. Eine weitere Mög- lichkeit besteht in der Verwendung von Toroidspulen (Toroidmotor). Bei korrekter Bestromung der Statorwicklung bildet sich im Luftspalt des Motors ein magnetisches Drehfeld mit einer Polpaarzahl PMOT aus (PMOT > 1). Zur Führung des magnetischen Flus- ses kann der Stator ein Blechpaket (Paket laminierter Einzelbleche, stack of laminated me- tal sheets ) oder ein Bauteil aus weichmagnetischen Verbundwerkstoff {soft magnetic com- posite , SMC) aufweisen. Auch eine Ausführung ohne Blechpaket (Luftspulenmotor) ist möglich. In beiden Fällen bildet sich im Betrieb ein magnetischer Fluss in radialer Rich tung aus.
[0024] Der Rotor des Elektromotors wird durch eine Permanentmagnetanordnung 12 mit einem oder mehreren Permanentmagneten 12 gebildet. Im dargestellten Beispiel ist die Permanentmagnetanordnung 12 im Inneren der Hohlwelle 11 angeordnet. Insbesondere bei hohen Drehzahlen kann die Hohlwelle 11 als Fliehkraftschutz für den Permanentmagnetan ordnung 12 dienen. An einem Ende ist die Hohlwelle 11 über ein Wälzlager 14 (z.B. Ku gellager) am Gehäuse 50 gelagert. Auf die zweite Lagerstelle der Hohlwelle 11 wird später noch eingegangen. Die Hohlwelle benötigt keine Wellenschulter und kann folglich einfach hergestellt werden. Je nach Implementierung kann die Hohlwelle 11 auch mehrere Absätze mit verschiedenen Durchmessern aufweisen. Die Hohlwelle 11 hat eine vergleichsweise hohe Biegesteifigkeit bei vergleichsweise kleinem Trägheitsmoment, wodurch die Hohl welle 11 so konstruiert werden kann, dass Resonanzen von Biegeschwingungen außerhalb des Drehzahlbereichs des schnelldrehenden Rotors liegen.
[0025] Der Elektromotor kann beispielsweise als bürstenloser Synchronmotor (BLDC- Motor, brushless DC-Moto ) ausgebildet sein. Alternativ können auch andere Motortypen eingesetzt werden wie z.B. Asynchronmotoren, Reluktanzmotoren, etc., die einen radial gerichteten, magnetischen Fluss erzeugen und oftmals keine Permanentmagnetanordnung 12 im Rotor benötigen. Die Funktionsweise eines BLDC-Motors (sowie anderer Motorty pen) ist an sich bekannt und wird daher hier nicht weiter erläutert.
[0026] Ganz allgemein weist ein Magnetgetriebe einen inneren, schnell drehenden Rotor (in Fig. 1 ist dies Rotor Rl mit einer kleinen Polpaarzahl pi), einen Modulator (in Fig. 1 ist dies Rotor R2 mit p3+pi oder p3-p i Polschuhen) und einen äußeren, langsam drehenden Rotor (in Fig. 1 ist dies Rotor R3 mit Polpaarzahl p3) auf. Bei vielen Magnetgetriebekon struktionen steht der Modulator still und der äußere Rotor R3 stellt den Abtrieb des Getrie- bes dar. Alternativ (wie in dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel) kann auch der äußere Rotor R3 starr mit dem Gehäuse 50 verbunden sein und daher still stehen. In diesem Fall ist der Modulator (Rotor R2) der Abtrieb des Getriebes. Um in der Beschreibung konsistent zu bleiben, sind die drei Hauptkomponenten des Magnetgetriebes alle als Rotoren (Rotor Rl, Rotor R2 und Rotor R3) bezeichnet, auch wenn je nach Ausführung Rotor R2 oder Rotor R3 starr mit dem Gehäuse verbunden sein kann.
[0027] Die pi Polpaare des Rotors Rl werden durch eine zweite Permanentmagnetan ordnung 13 mit mindestens einem Permanentmagenten gebildet, die im dargestellten Bei spiel ebenfalls im Inneren der Hohlwelle 11 angeordnet sind. Die p3 Polpaare des Rotors R3 werden durch eine dritte ringförmige Permanentmagnetanordnung 32 gebildet, die mehrere Permanentmagneten umfasst und die den Modulator R2 umschließt. Die p3+pi (oder alternativ p3-pi) Pohlschuhe des Modulators R2 sind aus ferromagnetischem Material gebildet. Bei p3+pi Polschuhen des Modulators 21 (Rotor R2) ist das Untersetzungsver hältnis des Getriebes (von der Welle 11 auf Abtriebswelle 23) gleich p3/pi+l. Die Welle 11 und die Abtriebswelle 23 weisen in diesem Fall die gleiche Drehrichtung auf. Bei p3-pi Polschuhen des Modulators 21 ist das Untersetzungsverhältnis des Getriebes (von der Wel le 11 auf Abtriebswelle 23) gleich -(p3/pi-l). Die Welle 11 und die Abtriebswelle 23 wei sen in diesem Fall eine entgegengesetzte Drehrichtung auf. Zudem ändert sich auch der Betrag des Untersetzungsverhältnisses. In manchen Ausführungsbeispielen können sich die erste Permanentmagnetanordnung 12 und die zweite Permanentmagnetanordnung 13 be rühren oder als eine Einheit ausgebildet sein. Im letzten Fall wäre die erste Permanentmag netanordnung 12 ein Abschnitt eines entlang der Längsachse angeordneten Permanent magneteinheit und die zweite Permanentmagnetanordnung 13 ein zweiter Abschnitt, der in axialer Richtung neben dem ersten Abschnitt liegt.
[0028] Wie in Fig. 1 dargestellt ist die Hohlwelle 11 des Elektromotors 40 gleichzeitig auch Teil des inneren, schnell drehenden Rotors Rl des Magnetgetriebes 30. Im Bereich des Magnetgetriebes 30 befindet sich daher in der Hohlwelle 11 die zweite Permanent magnetanordnung 13, die zusammen mit der Hohlwelle 11 den inneren schnelldrehenden Rotor Rl (also den Eingang) des Magnetgetriebes 30 bildet. In einem Ausführungsbeispiel ist die Polpaarzahl pi eins (die N-S- Polarisierung ist durch Pfeile angedeutet), was bei gegebener Ausgangsdrehzahl am Abtrieb des Getriebes eine hohe Untersetzung und damit eine hohe Drehzahl (und damit hohe Leistung) des Elektromotors 40 ermöglicht. Alternativ kann die Polpaarzahl pi auch zwei sein.
[0029] Der Modulator (Rotor R2) des Magnetgetriebes wird gebildet durch ein rohrför miges Maschinenelement, das z.B. eine weitere Hohlwelle 22 sowie die Polschuhe 21 auf- weist, die entlang des Umfangs der Hohlwelle 22 angeordnet sind. Das ringförmige Ma- schinenelement weist weiter eine Welle 23 (An- oder Abtriebswelle) mit einem Wellenab satz 23a auf, der an einem Ende der Hohlwelle 22 mit dieser starr verbunden ist. Die Hohlwelle 22 ist daher an einem Ende durch die Welle 23 verschlossen und am anderen Ende offen. Polschuhe 21 und Hohlwelle 22 können als ein Bauteil gefertigt sein. Alterna tiv oder zusätzlich können die Hohlwelle 22 und die Welle 23 in einem Stück gefertigt sein. Die Hohlwelle 22 ist an beiden Enden mittels Wälzlager 24 und 25 am Gehäuse 50 gelagert. Je nach Konstruktion können zwischen den Lagern 24 und 25 Buchsen 51 und 52 angeordnet sein, in denen die Lager 24 und 25 angeordnet sind.
[0030] Eine besonders kompakte Konstruktion erhält man, wenn die Hohlwelle 11 (Rotor Rl) im Inneren der Hohlwelle 22 an einem Wellenabschnitt der Welle 23 gelagert ist (z.B. über Wälzlager 15). Das heißt, die Hohlwelle 11 verläuft teilweise im Inneren der Hohl welle 22 und ist am geschlossenen Ende der Hohlwelle 22 an einem Wellenabschnitt der Welle 23 gelagert. Bei p3+pi Polschuhen des Modulators 21„sieht“ das Lager 15 nicht die volle Drehzahl des Elektromotors, sondern nur die Differenz der Drehzahlen am Eingang und am Abtrieb des Magnetgetriebes 30.
[0031] Wie erwähnt ist der äußere Rotor R3 des Magnetgetriebes 30 starr mit dem Ge häuse 50 verbunden und damit genau genommen kein Rotor, sondern der Stator 31 des Magnetgetriebes 30, an dem die Permanentmagneten 32 entlang des Umfangs angeordnet sein können (Polpaarzahl p3). Er wird aber im Hinblick auf eine konsistente Beschreibung als Rotor R3 bezeichnet, da dieser Bauteil in manchen Ausführungsbeispielen auch rotie ren kann (und z.B. der Modulator 21 fest steht, siehe z.B. Fig. 6). Ähnlich wie der Stator 41 des Elektromotors kann der Stator 31 zur Führung des magnetischen Flusses ein Blech paket (oder ein Bauteil aus SMC) aufweisen, um eine hohe magnetische Flussdichte im Luftspalt zu erreichen. [0032] Das Gehäuse 50 kann einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. Je nach Motortyp kann eine Ansteuerelektronik (Motorelektronik) notwendig sein, die auf einer Leiterplatte 61 (PCB, printed Circuit board) angeordnet sein kann, die wiederum innerhalb des Gehäu- ses montiert sein kann. Im dargestellten Beispiel ist die Hohlwelle 11 ein Stück durch die Leiterplatte 61 hindurchgeführt, sodass auch Winkel sensoren direkt auf der Leiterplatte 61 angeordnet sein können (vgl. auch Fig. 14).
[0033] Der schnelldrehende Rotor Rl (Hohlwelle 11) ist gleichzeitig Rotor des Elektro- motors und Antriebsrotor (im Motorbetrieb) des Magnetgetriebes; er muss aufgrund der Anordnung der Lager 14 und 15 keine Verbindung nach außen aufweisen und kann folg- lich vollständig im Inneren des Gehäuses 50 angeordnet sein. Der Stator 41 des Elektromo- tors 40, der Stator 31 (Rotor R3) des Magnetgetriebes 30 und Gehäuse 50 bilden zusam men eine kompakte Baugruppe. Die Lager, insbesondere das schnell drehende Lager 14 und das schnell drehende Lager 15, kann als Keramiklager oder als Hybridlager ausgebil- det sein, bei denen Lagerringe und Wälzkörper aus unterschiedlichen Materialien sind (z.B. Lagerringe aus Stahl und Kugeln aus Keramik). Keramik oder Hybridlager stellen auch für die Magnetfeldlinien der Permanentmagnetanordnungen einen höheren magneti- schen Widerstand dar als herkömmliche Lager aus Stahl. Insbesondere kann ein magneti- scher„Kurzschluss“ der Magnetfeldlinien durch die Lager reduziert werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Lagern aus Stahl werden bei Keramiklager die Wirbelstromverluste im Lager zur Gänze vermieden. Bei Einsatz von Hybridlagem werden die Wirbelstromverlus- te zufolge des magnetischen Streufelds der Permanentmagnetanordnung 12 bzw. 13 redu- ziert.
[0034] Fig. 2 zeigt eine Alternative zu dem Beispiel aus Fig. 1. Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 2 ist beinahe identisch mit dem vorherigen Beispiel mit dem einzigen Unterschied, dass die Permanentmagneten 32‘ (Ziffer 32 in Fig. 1) statt am Stator 31 (Rotor R3) an dem Rotor R2 angeordnet sind (also Teil des oben erwähnten rohrförmigen Maschinenelements sind). Während in Fig. 1 die Modulation des Permanentmagnetfeldes durch die Polschuhe am Rotor R2 (Modulator) erfolgt, erfolgt dies in Fig. 2 durch den außen liegenden Rotor R3 (wobei in Fig. 1 und Fig. 2 der Rotor R3 stationär ist somit also genau genommen als Stator fungiert). Der Stator 31 (Rotor R3) weist dazu eine ringförmige Anordnung mit mehreren Polschuhen 21‘ auf. In dem Beispiel aus Fig. 2 erfüllt der Stator 31 die Funktion des Modulators, wohingegen das Magnetfeld durch die Permanentmagnetanordnung 21‘ des Rotors R2 (rohrförmiges Maschinenelement) erzeugt wird. Im Übrigen ist der Aufbau, insbesondere die Lagerung der Hohlwelle 11 an einem Wellenabschnitt der Welle 23 im Inneren der Hohlwelle 22 gleich wie in dem vorhereigen Beispiel aus Fig. 1.
[0035] Fig. 3 zeigt eine weitere Alternative zu dem Beispiel aus Fig. 1. Das Ausfüh rungsbeispiel aus Fig. 3 ist beinahe identisch mit dem vorherigen Beispiel mit dem einzi gen Unterschied, dass anstatt der Hohlwelle 11 eine Vollwelle 1 V vorgesehen ist. Die Permanentmagneten 13 und 14 sind folglich nicht innen, sondern außen an der Welle 1 V angeordnet. Nichtsdestotrotz ist - ähnlich wie in Fig. 1 - die Welle 1 V innen an der Hohl welle 22 oder in einer zentralen Bohrung der Welle 23 gelagert. Im Übrigen ist der Aufbau gleich wie in dem vorherigen Beispiel aus Fig. 1. Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 kann beispielsweise für Anwendungen geeignet sein, bei denen aufgrund kleinerer Drehzahlen bzw. kleiner Außendurchmesser der Magnetanordnungen 12 und 13 kein Fliehkraftschutz nötig ist.
[0036] Fig. 4 zeigt eine Variante des Beispiels aus Fig. 1, bei der die Hohlwelle 11 zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist. Damit können für den Elektro motor 40 und das Magnetgetriebe 30 verschiedene Durchmesser im Bereich des Luftspalts (d.h. zwischen dem Außendurchmesser der Hohlwelle 11 und dem Innendurchmesser des Modulators 21 beim Magnetgetriebe bzw. zwischen Außendurchmesser der Hohlwelle 11 und Stator 41 beim Motor) realisiert werden.
[0037] Fig. 5 zeigt eine Variante des Beispiels aus Fig. 1, bei der der Rotor R3 relativ zu dem Gehäuse 50 gelagert ist (siehe Fig. 5, Lager 26a und 26b). Der nun drehbar gelagerte Rotor R3 (in Fig. 1 starr mit dem Gehäuse 50 gekoppelt) kann angetrieben werden und/oder als Abtrieb fungieren. Würde der Rotor R3 festgehalten, wäre die Funktion der Ausführung gemäß Fig. 5 gleich wie in Fig. 1. Die Buchsen 51 und 52 (vgl. Fig. 1) werden in diesem Fall nicht verwendet. Stattdessen fungiert die mittels der Lager 26a und 26b am Gehäuse 50 drehbar gelagerte Hülse 50b als Außenläufer. Die Hohlwelle 22 ist mit den Lagern 24 und 25 an der Hülse 50b gelagert (statt wie in Fig. 1 am Gehäuse 50). Wie er wähnt ist in dem dargestellten Beispiel der äußere Rotor R3 des Magnetgetriebes 30 nicht starr mit dem Stator 41 des Elektromotors 40 gekoppelt und die Antriebseinheit weist da mit zwei Abtriebe auf. Den ersten Abtrieb bildet die Welle 23 wie in dem Beispiel aus Fig. 1 und den zweiten Abtrieb bildet die Hülse 50b, die wie erwähnt rotieren kann und den Außenläufer bildet. Einer der Abtriebe oder beide Abtriebe können auch als Antrieb ver wendet werden, wobei die mechanischen Leistungen an den beiden Ab tri eben/ Antrieben kombiniert werden. Je nachdem, ob die Nettoleistung positiv oder negativ ist, arbeitet der Motor 40 im Motorbetrieb oder im Generatorbetrieb.
[0038] Fig. 6 illustriert eine Modifikation des Beispiels aus Fig. 5, bei dem der Modulator 21 starr mit dem Gehäuse des Elektromotors 40 (Gehäuseteil 50a) verbunden ist. In diesem Beispiel entfallen die Lager 26a und 26b und die Magnete 32 (Rotor R3) sind starr mit einem Gehäuseteil 50b, der als Außenläufer fungiert, verbunden. Statt der (drehbaren) Hohlwelle 22 ist eine (nicht drehbare) Hülse 22‘ vorgesehen. In dem dargestellten Beispiel, weist die Hülse 22‘ einen Absatz 22a auf, der mit dem Gehäuseteil 50a fest verbunden ist. Beispielsweise wird die Hülse 22‘ (mit dem Absatz 22a) in das Gehäuseteil 50a einge- schraubt oder eingepresst. Die Abtriebswelle 23 wird durch einen Gehäusedeckel 50c er setzt. Den Abtrieb bildet das Gehäuseteil 50b, der ähnlich wie in dem Beispiel aus Fig. 5 ein Außenläufer ist. Der Motor 40 ist in diesem Beispiel gleich aufgebaut wie in den vor hergehenden Beispielen; der Unterschied zu dem Beispiel aus Fig. 5 besteht lediglich da rin, dass der Rotor R2 (mit Modulator 21) durch die starre Kopplung mit dem Gehäuseteil 50a„festgehalten“ wird. Die Hohlwelle 11 ist - ähnlich wie im vorherigen Beispiel - mit tels des Wälzlagers 15 innen am Gehäusedeckel 50c gelagert (der in diesem Beispiel hin sichtlich der Lagerung die Rolle der Welle 23 übernimmt). Die Wälzlager 14 und 15 kön nen wie in dem Beispiel aus Fig. 5 praktisch gleich aufgebaut sein (je nach Anwendung als Stahllager, Keramiklager oder Hybridlager). Im Übrigen entspricht das vorliegende Bei spiel im Wesentlichen dem Beispiel aus Fig. 5. Bei p3+pi Polschuhen des Modulators 21 ist das Untersetzungsverhältnis des Getriebes (von der Welle 11 auf Abtrieb 50b) gleich - p3/pi. Die Welle 11 und der Abtrieb 50b weisen entgegengesetzte Drehrichtungen auf. Bei p3-pi Polschuhen des Modulators 21 ist das Untersetzungsverhältnis des Getriebes (von der Welle 11 auf Abtrieb 50b) gleich p3/pi. Die Welle 11 und der Abtrieb 50b weisen hier die gleiche Drehrichtung auf.
[0039] Das Beispiel aus Fig. 6 kann weiter modifiziert werden, indem statt der Hohlwelle 11 eine Vollwelle verwendet wird wie in dem Beispiel aus Fig. 3. Gemäß einer weiteren Modifikation sind die Permanentmagneten 32 am Rotor R2 angeordnet (Hülse 22‘) statt am äußeren Rotor R3 (ähnlich wie in dem Beispiel aus Fig. 2), was wie in Bezug auf das Beispiel aus Fig. 2 erwähnt dazu führt, dass der äußere Rotor R3 die Funktion des Modula tors übernimmt. [0040] Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 7 ist eine weitere Modifikation des Beispiels aus Fig. 1, wobei der Motor 40 als lagerloser Motor ausgeführt ist; das Lager 14 kann des- halb weggelassen werden. Im Übrigen wird auf die Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen. Die Hohlwelle 11 ist wie in Fig. 7 dargestellt nur an einer Stelle mittels des Wälzlagers 15 ge- lagert. Der lagerlose Motor erzeugt neben dem Antriebsdrehmoment auch die Radialkräfte, die nötig sind, um die Hohlwelle 11 in Position zu halten. Zu diesem Zweck kann der Mo- tor 40 Positionssensoren aufweisen, welche so angeordnet sind, dass sie eine radiale Aus- lenkung der Hohlwelle 11 im Bereich des Elektromotors 40 messen. Im Übrigen wird auf die Ausführungen zu Fig. 1 verwiesen. Die in Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Modifikati- onen und Varianten können auch auf das Beispiel aus Fig. 7 angewendet werden. In einer weiteren Variante ist die Hohlwelle vollständig magnetisch gelagert (aktiv oder passiv). In diesem Fall kann auch das Wälzlager 15 weggelassen werden.
[0041] Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 8 ist eine weitere Modifikation des Beispiels aus Fig. 1, wobei das Lager 14 nicht am linken Ende der Hohlwelle 11 angeordnet ist, son dern zwischen dem Elektromotor 40 und dem Magnetgetriebe 30. In diesem Beispiel ist das zwischen Elektromotor 40 und Magnetgetriebe 30 liegende Lager der Hohlwelle 11 mit l4‘ bezeichnet. Im Gegensatz zu dem Lager 14 aus Fig. 1 weist das Lager l4‘ aus Fig. 8 einen größeren Durchmesser auf, was größere Reibungsverluste im Lager zur Folge hat. Im Übrigen wird auf die Ausführungen zu Fig. 1 verwiesen. Die in Bezug auf Fig. 1 be- schriebenen Modifikationen und Varianten können auch auf das Beispiel aus Fig. 8 ange- wendet werden.
[0042] Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 9 ist eine weitere Modifikation des Beispiels aus Fig. 1, wobei das in der Hohlwelle 22 liegende Lager 15 nicht am rechten Ende der Hohlwelle 11 angeordnet ist, sondern zwischen dem Elektromotor 40 und dem Magnetge- triebe 30. In diesem Beispiel ist das zwischen Elektromotor 40 und Magnetgetriebe 30 lie- gende Lager der Hohlwelle 11 mit l5‘ bezeichnet. Im Gegensatz zu dem Lager 15 aus Fig. 1 weist das Lager l5‘ aus Fig. 9 einen größeren Durchmesser auf, was größere Reibungs- verluste im Lager zur Folge hat. Im Übrigen wird auf die Ausführungen zu Fig. 1 verwie- sen. Die in Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Modifikationen können auch auf das Beispiel aus Fig. 9 angewendet werden. In Bezug auf die beiden Beispiele aus Fig. 8 und 9 sei an gemerkt, dass eine auskragende Lagerung der Hohlwelle 11 (Auskragung auf Seite des Motors in Fig. 8 und Auskragung auf Seite des Magnetgetriebes in Fig. 9) die Resonanz frequenz der Biegeschwingung niedriger ist als bei dem Beispiel aus Fig. 1. Je nach Dreh- geschwindigkeit des schnelldrehenden Rotors Rl (Hohlwelle 11) kann diese Resonanz problematische, unerwünschte Schwingungen verursachen. Des Weiteren können die axial zwischen Motor 40 und Magnetgetriebe 30 liegenden Lager l4‘ bzw. 15’ eine größere (axiale) Baugröße der Vorrichtung zur Folge haben.
[0043] Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 10 ist eine Modifikation des Beispiels aus Fig.
6, wobei das Lager 14 nicht am linken Ende der Hohlwelle 11 angeordnet ist, sondern zwi- schen dem Elektromotor 40 und dem Magnetgetriebe 30. In diesem Beispiel ist das zwi- schen Elektromotor 40 und Magnetgetriebe 30 liegende Lager der Hohlwelle 11 mit l4‘ bezeichnet. Im Gegensatz zu dem Lager 14 aus Fig. 6 weist das Lager l4‘ aus Fig. 10 ei- nen größeren Durchmesser auf, was größere Reibungsverluste im Lager zur Folge hat. Im Übrigen wird auf die Ausführungen zu Fig. 6 verwiesen. Wie in dem Beispiel aus Fig. 6 ersetzt die Hülse 22‘ die Hohlwelle 22 (Rotor R2, Modulator/Pol schuhe 21). Die Hülse 22‘ kann mehrere Absätze mit verschiedenen Durchmessern aufweisen. Im dargestellten Bei- spiel ist das Lager l4‘ am Absatz 22b innen und das Lager 24 am Absatz 22b außen ange- ordnet, sodass die Lagerkräfte beider Lager im Wesentlichen in einer radialen Linie liegen.
[0044] Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 11 ist eine weitere Modifikation des Beispiels aus Fig. 6, wobei das Lager 15 nicht am rechten Ende der Hohlwelle 11 angeordnet ist, sondern zwischen dem Elektromotor 40 und dem Magnetgetriebe 30. In diesem Beispiel ist das zwischen Elektromotor 40 und Magnetgetriebe 30 liegende Lager der Hohlwelle 11 mit l5‘ bezeichnet. Im Gegensatz zu dem Lager 15 aus Fig. 6 weist das Lager l5‘ aus Fig.
11 einen größeren Durchmesser auf, was größere Reibungsverluste im Lager zur Folge hat. Im Übrigen wird auf die Ausführungen zu Fig. 6 verwiesen. Wie in dem Beispiel aus Fig.
6 ersetzt die Hülse 22‘ die Hohlwelle 22. Die Hülse 22‘ kann mehrere Absätze mit ver schiedenen Durchmessern aufweisen. Im dargestellten Beispiel ist das Lager l5‘ am Ab- satz 22b innen und das Lager 24 am Absatz 22b außen angeordnet, sodass die Lagerkräfte beider Lager im Wesentlichen in einer radialen Linie liegen. Auch in den in Fig. 10 und 11 gezeigten Beispielen können aufgrund der auskragenden Lagerung der Hohlwelle 11 Re- sonanzen von Biegeschwingungen problematisch sein (abhängig von der Motordrehzahl).
[0045] Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 12 ist eine weitere Modifikation des Beispiels aus Fig. 1, wobei das Lager 24 nicht links des Modulators 21, sondern rechts davon ange- ordnet ist. Die Lager 24 und 25 befinden sich also auf derselben Seite des Modulators 21. Im Übrigen wird auf die Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen. Die in Bezug auf Fig. 1 be- schriebenen Modifikationen und Varianten können auch auf das Beispiel aus Fig. 12 an gewendet werden. Das vorliegende Beispiel kann insbesondere bei vergleichsweise kurzer axialer Länge des Magnetgetriebes 30 verwendet werden.
[0046] Basierend auf den hier beschriebenen Beispielen lassen sich weitere Beispiele gestalten, indem Merkmale aus den verschiedenen Beispielen kombiniert werden. Bei- spielsweise können - abhängig von der Anwendung - bei allen Ausführungsbeispielen statt Wälzlager auch Gleitlager verwendet werden. Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen kann die innere Hohlwelle 11 durch eine Vollwelle 1 V ersetzt werden (vgl. Ausführungs- beispiel aus Fig. 3). Durch zwei oder mehr Wellenabschnitte mit unterschiedlichem
Durchmesser der inneren Hohlwelle 11 kann die Größe und die Lage der magnetisch wirk samen Luftspalte beeinflusst werden. Das innen liegende Lager 14 der Hohlwelle (vgl. Fig. 1) kann durch ein außen liegendes Lager ersetzt werden. Viele weitere derlei Modifikatio nen sind möglich, ohne die Funktion der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele nen nenswert zu verändern.
[0047] Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 13 ist eine weitere Modifikation des Beispiels aus Fig. 1 mit einer Zwangsbelüftung des Innenraums des Gehäuses 50. An der Hohlwelle 11 ist eine Lüfterrad 16 angeordnet, das im Innenraum des Gehäuses für eine Konvektion sorgt. Über einen oder mehrere Einlässe 55 wird an einem (axialen) Ende des Gehäuses 50 (z.B. an der Stirnseite) Luft ins Gehäuseinnere gesaugt. Die Luft strömt durch den Elekt romotor und das Magnetgetriebe und kann Wärme abtransportieren. Am anderen, den Ein- lässen 55 gegenüber liegenden Ende gelangt die Luft über einen oder mehrere Auslässe 56 wieder nach außen. Im dargestellten Beispiel verlaufen die Auslässe 56 durch den Wellen absatz 23a der Abtriebswelle 23. Der Luftstrom ist in Fig. 13 mit„L“ bezeichnet. Im Übri gen ist das in Fig. 13 dargestellte Beispiel identisch mit dem aus Fig. 1 und es wird auf obige Erläuterungen verwiesen. Die für die Lüftung verantwortlichen Komponenten kön nen auch bei anderen Ausführungsbeispielen eingesetzt werden.
[0048] Ausführungsbeispiel aus Fig. 14 ist eine weitere Modifikation des Beispiels aus Fig. 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Elektromotor z.B. ein BLDC-Motor. Für die Steuerung der elektronischen Kommutierung der Statorwicklung ist eine Messung der Winkelstellung des Rotors nötig. Dazu ist auf der Leiterplatte 61 platzsparend ein Magnet feldsensor 62 angeordnet, beispielsweise ein Hall-Sensor oder ein magneto-resistiver (MR) Sensor. Da die Leiterplatte 61 platzsparend rechtwinklig zur Drehachse im Gehäuse einge- baut ist, kann der Sensor 62 direkt an der Leiterplatte 61 befestigt werden und gleichzeitig in der Nähe der Statorwicklung 42 angeordnet sein. Im Übrigen ist das in Fig. 13 darge- stellte Beispiel identisch mit dem aus Fig. 1 und es wird auf obige Erläuterungen verwie- sen. Die Anordnung des Sensors 62 auf der Leiterplatte 61 kann bei allen Ausführungsbei- spielen, bei denen eine Winkelmessung nötig ist, eingesetzt werden. Für bestimmte Appli kationen kann es (zusätzlich oder alternativ zum Sensor 62) notwendig sein einen Dreh winkelsensor beim Abtrieb (Rotor R2 und/oder Rotor R3) zu verwenden, um eine genaue Regelung der Winkel Stellung am Abtrieb zu ermöglichen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Eine elektrische Maschine, die aufweist:
ein Gehäuse (50);
eine im Gehäuse angeordnete erste Welle (11), mit der eine erste Perma- nentmagnetanordnung (12) und eine zweite Permanentmagnetanordnung (13) starr ver bunden sind;
ein innen am Gehäuse (50) angeordneter Stator (41), der zusammen mit der ersten Welle (11) einen Elektromotor (40) bildet;
ein rohrförmiges Maschinenelement (R2, 22, 22‘) mit mehreren ferromag- netischen Polschuhen (21), in den die erste Welle (11) zumindest teilweise eingeführt ist, sodass die erste Welle (11) koaxial zu dem rohrförmigen Maschinenelement (R2, 22, 22‘) und die zweite Permanentmagnetanordnung (13) innerhalb des rohrförmigen Maschinene- lements (R2) liegen;
ein erstes Lager (15), wobei die erste Welle (11) an einem ersten Ende mit tels des ersten Lagers (15) im Inneren des rohrförmigen Maschinenelements (R2, 22, 22‘) an diesem gelagert ist;
eine ringförmige dritte Permanentmagnetanordnung (32), die um das rohr förmige Maschinenelement (R2, 22, 22‘) angeordnet ist, sodass die zweite Permanentmag netanordnung (13), das rohrförmige Maschinenelement (R2, 22, 22‘) und die dritte Perma nentmagnetanordnung (32) ein Magnetgetriebe (30) bilden;
wobei entweder das rohrförmige Maschinenelement (R2, 22, 22‘) an dem Gehäuse (50) drehbar gelagert und die ringförmige dritte Permanentmagnetanordnung (32) starr mit dem Gehäuse (50) verbunden ist, oder das rohrförmige Maschinenelement (R2, 22, 22‘) starr mit dem Gehäuse (50) verbunden und die ringförmige dritte Permanentmag netanordnung (32) an dem Gehäuse (50) drehbar gelagert ist.
2. Eine elektrische Maschine, die aufweist:
ein Gehäuse (50);
eine im Gehäuse angeordnete erste Welle (11), mit der eine erste Perma nentmagnetanordnung (12) und eine zweite Permanentmagnetanordnung (13) starr ver bunden sind;
ein innen am Gehäuse (50) angeordneter Stator (41), der zusammen mit der ersten Welle (11) einen Elektromotor (40) bildet; ein rohrförmiges Maschinenelement (R2, 22, 22‘), die eine dritte Perma- nentmagnetanordnung (31‘) aufweist, in die die erste Welle (11) zumindest teilweise ein geführt ist, sodass die erste Welle (11) koaxial zu dem rohrförmigen Maschinenelement (R2, 22, 22‘) und die zweite Permanentmagnetanordnung (13) innerhalb des rohrförmigen Maschinenelements (R2) liegen;
ein erstes Lager (15), wobei die erste Welle (11) an einem ersten Ende mit tels des ersten Lagers (15) im Inneren des rohrförmigen Maschinenelements (R2, 22, 22‘) an diesem gelagert ist;
eine ringförmige Anordnung mit mehreren Polschuhen (21‘), die um das rohrförmige Maschinenelements (R2, 22, 22‘) angeordnet ist, sodass die zweite Perma nentmagnetanordnung (13), das rohrförmige Maschinenelement (R2, 22, 22‘) mit der drit ten Permanentmagnetanordnung (32) und die ringförmige Anordnung mit mehreren Pol schuhen (21‘) ein Magnetgetriebe (30) bilden;
wobei entweder das rohrförmige Maschinenelement (R2, 22, 22‘) an dem Gehäuse (50) drehbar gelagert und die ringförmige Anordnung mit mehreren Polschuhen (21‘) starr mit dem Gehäuse (50) verbunden ist, oder das rohrförmige Maschinenelement (R2, 22, 22‘) starr mit dem Gehäuse (50) verbunden und die ringförmige Anordnung mit mehreren Polschuhen (21‘) an dem Gehäuse (50) drehbar gelagert ist.
3. Die elektrische Maschinegemäß Anspruch 1 oder 2, die weiter aufweist:
ein zweites Lager (14) das die erste Welle (11) an einem zweiten Ende am Gehäuse (50) lagert, oder
ein zweites Lager (l4‘) das die erste Welle (11) am Gehäuse (50) lagert und zwischen dem Elektromotor (40) und dem Magnetgetriebe (30) angeordnet ist, oder
ein zweites Lager (l4‘) das die erste Welle (11) an dem rohrförmigen Ma schinenelement (R2, 22, 22‘) lagert.
4. Die elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei das rohrförmige Maschinenelement (R2) eine Hohlwelle (22) auf weist, die mittels eines dritten Lagers (24) und eines vierten Lagers (25) an dem Gehäuse (50) drehbar gelagert und die dritte Permanentmagnetanordnung (32) innen am Gehäuse (50) fixiert ist, und
wobei das rohrförmige Maschinenelement (R2) weiter eine Abtriebswelle (23) aufweist, die an einem Ende der Hohlwelle (22) mit dieser starr verbunden ist.
5. Die elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei das rohrförmige Maschinenelement (R2) eine Hülse (22‘) aufweist, die drehfest mit dem Gehäuse (50) verbunden ist, und
wobei die dritte Permanentmagnetanordnung (32) an einer als Außenläufer ausgebildeten rotierbaren Gehäuseteil (50b) fixiert ist.
6. Die elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei das rohrförmige Maschinenelement (R2) eine Hohlwelle (22) auf- weist, die mittels mindestens eines dritten Lagers (24, 25) drehbar gelagert ist,
wobei die dritte Permanentmagnetanordnung (32) an einem drehbar an der Hohlwelle (22) gelagerten Außenläufer (50b) fixiert ist, und
wobei das rohrförmige Maschinenelement (R2) eine zweite An- oder Ab- triebswelle (23) aufweist, die an einem Ende der Hohlwelle (22) mit dieser starr verbunden ist.
7. Die elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei die erste Welle (11) eine Hohlwelle ist und die erste Permanentmag- netanordnung (12) und die zweite Permanentmagnetanordnung (13) im Inneren der ersten Welle (11) angeordnet sind.
8. Eine elektrische Maschine, die aufweist:
ein Gehäuse (50);
eine im Gehäuse angeordnete als Hohlwelle ausgebildete erste Welle (11), in deren Inneren mindestens eine erste Permanentmagnetanordnung (12) und mindestens eine zweite Permanentmagnetanordnung (13) angeordnet sind;
ein innen am Gehäuse (50) angeordneter Stator (41), der zusammen mit der ersten Welle (11) einen Elektromotor (40) bildet;
ein rohrförmiges Maschinenelement (R2, 22, 22‘) mit mehreren ferromag- netischen Polschuhen (21), in das die erste Welle (11) zumindest teilweise eingeführt ist, sodass die erste Welle (11) koaxial zu dem rohrförmigen Maschinenelement (R2, 22, 22‘) und die mindestens zweite Permanentmagnetanordnung (13) innerhalb des rohrförmigen Maschinenelement (R2, 22, 22‘) liegen; eine ringförmige dritte Permanentmagnetanordnung (32), die um das rohr förmige Maschinenelement (R2, 22, 22‘) angeordnet ist, sodass die zweite Permanentmag- netanordnung (13), das rohrförmiges Maschinenelement (R2, 22, 22‘) und die dritte Per manentmagnetanordnung (32) ein Magnetgetriebe (30) bilden;
wobei entweder das rohrförmige Maschinenelement (R2, 22, 22‘) an dem Gehäuse (50) drehbar gelagert und die ringförmige dritte Permanentmagnetanordnung (32) starr mit dem Gehäuse (50) verbunden ist, oder das rohrförmige Maschinenelement (R2, 22, 22‘) starr mit dem Gehäuse (50) verbunden und die ringförmige dritte Permanentmag netanordnung (32) an dem Gehäuse (50) drehbar gelagert ist.
9. Die elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8,
wobei die erste Permanentmagnetanordnung (12) und die zweite Perma nentmagnetanordnung (13) durch einen ersten bzw. zweiten Abschnitt einer Permanent magneteinheit gebildet werden.
10. Die elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9,
wobei der Elektromotor (40) als Generator betreibbar ist.
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