WO2024067905A1 - Elektrische maschine - Google Patents

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WO2024067905A1
WO2024067905A1 PCT/DE2023/100633 DE2023100633W WO2024067905A1 WO 2024067905 A1 WO2024067905 A1 WO 2024067905A1 DE 2023100633 W DE2023100633 W DE 2023100633W WO 2024067905 A1 WO2024067905 A1 WO 2024067905A1
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WO
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lever
rotor
rotor body
lever element
gravity
Prior art date
Application number
PCT/DE2023/100633
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin HÄSSLER
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG & Co. KG filed Critical Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/02—Details
    • H02K21/021—Means for mechanical adjustment of the excitation flux
    • H02K21/028—Means for mechanical adjustment of the excitation flux by modifying the magnetic circuit within the field or the armature, e.g. by using shunts, by adjusting the magnets position, by vectorial combination of field or armature sections
    • H02K21/029—Vectorial combination of the fluxes generated by a plurality of field sections or of the voltages induced in a plurality of armature sections
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K21/028—Means for mechanical adjustment of the excitation flux by modifying the magnetic circuit within the field or the armature, e.g. by using shunts, by adjusting the magnets position, by vectorial combination of field or armature sections
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/09—Machines characterised by the presence of elements which are subject to variation, e.g. adjustable bearings, reconfigurable windings, variable pitch ventilators

Definitions

  • the present invention relates to an electric machine, in particular for use within a drive train of a hybrid or fully electric motor vehicle, comprising a stator and a rotor separated from the stator by an air gap, wherein the rotor has at least a first rotor body with a first group of permanent magnets and a second rotor body with a second group of permanent magnets, wherein the first rotor body and the second rotor body are rotatable relative to one another against the effect of a first torsional stiffness about a common axis of rotation by means of a mechanical field weakening mechanism.
  • An example of such an electrical machine with iron losses which can be used within the drive train of a hybrid or fully electric motor vehicle, is the so-called permanent magnet synchronous machine. Due to its high power density compared to other machine types, it is preferably used in the field of electromobility, where the available installation space is often a limiting factor.
  • the excitation field of the machine is usually generated by permanent magnets arranged in the rotor of the machine. Slip ring contact, which is necessary in electrically excited synchronous machines in order to supply an excitation coil arranged on the rotor with power, can be dispensed with in the permanent magnet synchronous machine.
  • a disadvantage of permanent excitation is that the excitation field cannot be easily modified.
  • a Synchronous machines can be operated beyond their rated speed by controlling the so-called field weakening range. In this range, the machine is operated at the maximum rated power, with the torque output by the machine being reduced as the speed increases.
  • Electrically excited synchronous machines can be operated very easily in the field weakening range by reducing the excitation current.
  • Even with permanent-magnet machines there are known ways of generating an air gap field component by supplying a suitable current to the stator of the machine, which counteracts the excitation field generated by the permanent magnets and thus weakens it. However, controlling the machine in this way causes increased losses, so that the machine can only be operated with reduced efficiency in this range.
  • Patents US58211710, FR2831345, EP1085644, EP11867030, DE1012011708670, DE1012016103470, CN104600929 and CN105449969 disclose a rotor of a radial flux machine that is divided perpendicular to the axis of rotation into several permanent magnet-equipped rotor disks that can be rotated relative to one another.
  • the rotor Depending on the relative rotation between the rotor disks, the rotor provides the full magnetic field in a position with the magnetic poles aligned in the axial direction and a weakened magnetic field in a position rotated relative to it. Active or passive mechanisms are described which claim to be able to switch between these two positions depending on the rotor speed or torque and thus enable more efficient operation of the electric machine over the entire engine characteristic map.
  • DE 10 12021 101 898 describes an arrangement in which the rotor of a radial flow machine is divided into two partial rotors, the individual rotor disks of which alternate in the axial direction.
  • One partial rotor is directly connected, the other Partial rotor is connected to the rotor shaft in a torque-transmitting manner via a torsional rigidity.
  • the torsional rigidity is selected in such a way that at low torque the partial rotors are in a torsional position with a weakened magnetic field and at high torque the partial rotors are in a torsional position with a full magnetic field.
  • DE 10 12021 101 904 claims a structurally designed mechanical module that can be inserted into the interior of the permanent magnet-equipped rotor disks, creates the described connections of the partial rotors to the rotor shaft and allows an adjustment characteristic to be defined via the torsional rigidity, which is implemented with springs and roller-equipped cam gears.
  • the object of the present invention is to provide an electrical machine with improved mechanical field weakening, which in particular also reduces the partial moments actually occurring on rotor bodies for a desired Adjustment is implemented in a targeted manner and transferred to the rotor shaft.
  • an electric machine in particular for use within a drive train of a hybrid or fully electric motor vehicle, comprising a stator and a rotor separated from the stator by an air gap, wherein the rotor has at least a first rotor body with a first group of permanent magnets and a second rotor body with a second group of permanent magnets, wherein the first rotor body and the second rotor body can be rotated relative to one another against the effect of a first torsional stiffness about a common axis of rotation by means of a mechanical field weakening mechanism, wherein the field weakening mechanism comprises a lever element with a lever center of gravity that can be pivoted about a tilting axis, wherein the first rotor body can be coupled to a first lever section and the second rotor body can be coupled to a second lever section of the lever element and the first lever section and the second lever section are arranged on opposite sides of the lever, so that the first rotor body and the second rotor
  • the centrifugal force acting at the lever center of gravity at speed interferes with the force and moment balance on the lever element and thus influences the adjustment behavior of the lever mechanism within the engine map.
  • a desired purely torque-dependent adjustment behavior could be disrupted by the centrifugal force effect.
  • an adjustment behavior that is simultaneously dependent on the speed and the torque can be targeted in order to achieve even more efficient operation of the electric machine across the entire engine map.
  • a targeted determination of the position of the center of gravity of the lever and the lever tilt axis can be achieved, for example, by a suitable distribution of material within the lever element through, for example, shape design, additional masses or material removals.
  • the decisive factor for the tilting of the lever element and thus for the strength of the magnetic field in the associated position of the partial rotors (rotor body) is the balance of forces and moments on the lever element, which will be discussed in more detail below.
  • Another aspect of the proposed mechanical field weakening is, among other things, the use of a lever at at least two circumferential points within the rotor to transmit the partial moments of the two rotor bodies, for example to a rotor shaft, with the simultaneous effect of a torsional rigidity between the rotor bodies.
  • the mechanical field weakening mechanism has a plurality of lever elements, each of which is arranged pivotably distributed over the circumference of the rotor shaft.
  • the partial moments of the two rotor bodies act on the lever via the lever sections in such a way that the sum of the moments is transferred to the rotor shaft, for example, and at the same time, by pivoting the lever, the two rotor bodies are moved against the torsional rigidity that exists between them, for example into the full position Magnetic field can be rotated when the magnetic poles are aligned. With the lever, the partial moments that actually point in the wrong direction for this process are converted into the desired direction.
  • the electrical machine can in particular be designed as a rotary machine.
  • electrical machines designed as rotary machines a distinction is made in particular between radial flux machines and axial flux machines.
  • a radial flux machine is characterized in that the magnetic field lines in the air gap formed between the rotor and stator extend in the radial direction, while in the case of an axial flux machine the magnetic field lines in the air gap formed between the rotor and stator extend in the axial direction.
  • the electrical machine it is possible for the electrical machine to be configured as a radial flow machine or axial flow machine.
  • a rotor is the rotating (rotating) part of an electrical machine.
  • Rotor comprises in particular a rotor shaft and one or more rotationally fixed
  • the rotor body is made of rotor lamination stacks and is arranged on the rotor shaft.
  • the rotor shaft can be hollow, which saves weight and also allows the supply of lubricant or coolant to the rotor body.
  • a rotor body is understood to mean the rotor without a rotor shaft.
  • the rotor body is therefore composed in particular of a rotor laminated core and the permanent magnets introduced into the pockets of the rotor laminated core or fixed circumferentially to the rotor laminated core, as well as any axial cover parts present for closing the pockets.
  • the permanent magnets can preferably be inserted into the pockets of the rotor laminated core.
  • a single larger rotor magnet designed as a bar magnet or several smaller rotor magnets designed as permanent magnet elements can be provided per pocket.
  • the rotor preferably has a plurality of rotor bodies.
  • the rotor bodies are particularly preferably formed from essentially the same parts, in particular essentially identical. It is highly preferred that the rotor bodies are formed from identical, in particular essentially identical rotor laminations.
  • the rotor bodies are therefore particularly preferably formed from a rotor lamination stack, which is composed of a plurality of laminated individual laminations or rotor laminations, usually made from electrical steel, which are layered and packaged one above the other to form a stack, the so-called rotor lamination stack.
  • the individual laminations can remain held together in the rotor lamination stack by gluing, welding or screwing.
  • a rotor lamination stack can in particular also have permanent magnets introduced into the pockets of the rotor lamination stack or fixed to the circumference of the rotor lamination stack.
  • a rotor shaft can be coupled coaxially within the first rotor body and the second rotor body via the lever element to transmit torque to the first rotor body and the second rotor body.
  • Lever element is pivotally arranged on the rotor shaft. This means that the mechanical field weakening can be carried out in a particularly compact manner.
  • the lever element extends in the radial direction into a first lever window of the first rotor body, the first lever window having a first lever contact section and a second lever contact section radially spaced therefrom, and the lever element extends in the radial direction into a second lever window of the second rotor body, the second lever window having a first lever contact section and a second lever contact section spaced radially therefrom, the lever element being in a first operating position on the first lever contact section of the first lever window and on the second lever contact section of the second Lever window rests and rests in a second operating position on the second lever contact section of the first lever window and on the first lever contact section of the second lever window.
  • the lever thus has three areas at different distances from the axis of rotation of the rotor, in which it is in contact with the two rotor bodies as the two inputs for the torque and the rotor shaft as the output for the torque.
  • This is another significant difference compared to the prior art, where elements for transmitting the partial torques to the rotor shaft always only have one input and one output.
  • the partial moments of the two rotor bodies act on the lever via the defined lever contact sections in such a way that the sum is transferred to the rotor shaft and at the same time, by tilting the lever, the two rotor bodies counteract the torsional rigidity that exists between them, for example into the position with a full magnetic field aligned magnetic poles can be rotated. This will be explained in more detail using the embodiments of the invention shown in the figures.
  • the first lever contact section is radially below the second lever contact section of the first lever window and the first Lever contact section is arranged radially below the second lever contact section of the second lever window.
  • the invention can also be further developed in such a way that a larger amount of torque is applied to the first lever contact section of the first lever window and to the first lever contact section of the second lever window, transmitted via the first lever element, than to the second lever section of the first lever window and the second lever contact section of the second lever window.
  • the lever is used to convert the partial torques that actually point in the wrong direction for the mechanical adjustment process into the correct direction, in that the larger of the two partial torques, which determines the direction of the total torque, acts radially further inside the lever than the smaller of the two partial torques.
  • the torsional rigidity is designed as a spring element, in particular as a compression spring or arc spring.
  • the characteristic curve of the torsional rigidity is selected such that when a specified minimum torque is exceeded, the first rotor body and the second rotor body begin to rotate relative to one another from a position with the maximum field weakening and when a specified maximum torque is reached and/or exceeded, they have completed a rotation relative to one another into a position with a full magnetic field.
  • the characteristic curve of the torsional rigidity has a preload torque.
  • the center of gravity of the lever element lies below the tilt axis when the electrical machine is at a standstill. If you place the center of gravity of the lever radially further inwards than the lever tilt axis, the centrifugal force acting during operation of the electric machine supports the adjustment process, which means that it can be achieved at higher Speeds are completely adjusted even at lower torques.
  • the center of gravity of the lever element lies above the tilt axis when the electrical machine is at a standstill. If you place the center of gravity of the lever further radially outwards than the lever tilt axis, the centrifugal force inhibits the adjustment process, which means that at higher speeds, complete adjustment only occurs at higher torques.
  • the lever center of gravity lies in a plane that is spanned by the axis of rotation and the lever tilt axis, whereby an identical adjustment behavior can be realized for the characteristic maps in motor and generator operation.
  • the invention can also be further developed in such a way that when the electric machine is at a standstill, the center of gravity of the lever lies away from the plane that is spanned by the axis of rotation and the lever tilt axis. If the center of gravity of the lever is to the left or right of the plane spanned by the rotation axis and the lever tilt axis, an asymmetrical adjustment behavior results and in one operating mode the adjustment begins at a lower moment than in the other, because of the effect of the radial position of the center of gravity is strengthened or weakened at the beginning.
  • the invention can also be advantageously designed such that the mechanical field weakening mechanism has a plurality of lever elements, each of which can be pivoted over the circumference of the rotor shaft are distributed, which allows for a more uniform and safer adjustment of the rotor bodies.
  • Figure 1 shows an electrical machine in a cross-sectional view
  • Figure 2 shows a rotor with a mechanical field weakening mechanism in a neutral position in a schematic block diagram
  • FIG. 3 shows a rotor with a mechanical field weakening mechanism in a first operating position in a schematic block diagram
  • Figure 4 shows a rotor with a mechanical field weakening mechanism in a second operating position in a schematic block diagram
  • FIG. 5 shows a rotor with a mechanical field weakening mechanism in a neutral position in a schematic cross-sectional view
  • Figure 6 shows a rotor with a mechanical field weakening mechanism in a second operating position in a schematic cross-sectional view
  • Figure 7 shows a rotor with a mechanical field weakening mechanism in a first operating position in a schematic cross-sectional view.
  • Figure 8 shows an electrical machine in a schematic cross-sectional view
  • Figure 11 shows a lever element in two, each isolated perspective views
  • Figure 13 a rotor with released lever elements and retaining rings in a perspective view
  • Figure 15 shows a first embodiment of a lever element when the electrical machine is at a standstill
  • Figure 19 shows a fourth embodiment of a lever element when the electrical machine is at a standstill.
  • 1 shows an electrical machine 120 configured as a radial flux machine, in particular for use within a drive train of a hybrid or fully electric motor vehicle, comprising a stator 2 and a rotor 1 separated from the stator 2 by an air gap 22.
  • the rotor 1 comprises at least a first rotor body 3 with a first group of permanent magnets 6 and a second rotor body 4 with a second group of permanent magnets 61.
  • Figures 2-7 show the two rotor bodies 3, 4.
  • the two rotor bodies 3, 4 are essentially made of identical rotor sheets, with the position and number of permanent magnets 6 of the first group and the number of permanent magnets 61 of the second group in the rotor bodies 3, 4 being identical.
  • the first rotor body 3 and the second rotor body 4 can be rotated relative to one another against the effect of a first torsional rigidity 8 about a common axis of rotation 119 by means of a mechanical field weakening mechanism 7.
  • the field weakening mechanism 7 comprises a lever element 10 which can be pivoted about a pivot point, wherein the first rotor body 3 can be coupled to a first lever section 31 and the second rotor body 4 to a second lever section 32 of the lever element 10 and the first lever section 31 and the second lever section 32 are arranged on opposite sides of the lever 10, so that the first rotor body 3 and the second rotor body 4 can be rotated relative to one another by tilting the lever element 10 for a desired adjustment of the mechanical field weakening mechanism 7, which can also be clearly seen from the combination of Figures 2-4 and which will be explained in more detail below.
  • the field weakening mechanism 7 uses the lever element 10 at at least two circumferential locations of the rotor bodies 3, 4 within the rotor 1, also referred to as lever contact sections 12, 13, 15, 16, for transmitting the partial moments of the two rotor bodies 3, 4 to the rotor shaft 5 with the simultaneous effect of a Torsional rigidity 8 between the rotor bodies 3, 4, which can also be clearly seen from the block diagrams in Figures 2-4.
  • the lever element 10 has three areas at different distances from the axis of rotation 119 of the rotor 1, in which it is in contact with the two rotor bodies 3, 4 as the two inputs for the torque and the rotor shaft 5 as the output for the torque.
  • the three areas of the lever element 10 are the first lever section 31, the second lever section 32, and the unspecified contact section at the radially inner end of the lever element 10 to the rotor shaft 5.
  • the partial moments of the two rotor bodies 3, 4 act on the lever element 10 via the lever contact sections 12, 13, 15, 16 in such a way that the sum is transferred to the rotor shaft 5 via the unspecified contact section at the radially inner end of the lever element 10 and at the same time, by tilting the lever element 10, the two rotor bodies 3, 4 are rotated via the lever contact sections 12, 13, 15, 16 against the torsional rigidity 8 that prevails between them into the position with a full magnetic field with aligned magnetic poles, as shown in Figures 3-4. With the lever element 10, the partial moments, which actually point in the wrong direction for this process, are converted into the desired direction.
  • the torsional rigidity 8 is symbolically represented in Figures 2-4 with compression springs, which sit, for example, in spring windows of both rotor bodies 3, 4.
  • the torsional rigidity 8 can also be formed in any other known way.
  • Figure 2 shows the field weakening mechanism 7 initially in its neutral position.
  • the field weakening mechanism 7 is in a field weakened position, with the magnetic poles of the first group of permanent magnets 6 not aligned with each other in relation to the second group of permanent magnets 61, which can be easily understood from the angle of rotation position of the two rotor bodies 3, 4 in Figure 2.
  • the total torque in this case is lower than a minimum torque that is required to allow the rotor bodies 3, 4 to begin to adjust relative to each other against the possibly prestressed torsional rigidity 8.
  • the characteristic curve of the torsional rigidity 8 is selected such that When a specified minimum torque is exceeded, the field weakening mechanism 7 begins to adjust from the maximum field-weakened position and when a specified higher torque is reached and exceeded, the full adjustment to the position with full magnetic field has been completed, as is shown, for example, for a motor operation of the electrical machine 120 in Figure 3.
  • the first partial torque M1 is transmitted depending on the direction of the total torque via the lever contact sections 12, 13 of the first rotor body 3, the first lever contact section 12 of the first rotor body 3 being arranged offset radially inwards from the second lever contact section 13.
  • the second partial torque M2 of the second rotor body 4 is directed to the lever element 10 via the lever contact sections 15, 16, depending on the direction of the total torque.
  • the first lever contact section 15 of the second rotor body 4 is arranged offset radially inwards from the second lever contact section 16.
  • the lever sections 31, 32 of the lever element 10 can change sides and the identical relative rotation occurs between the rotor bodies 3, 4 in both operating states Generation of a weakened or full magnetic field takes place, as shown in Figures 3-4.
  • the mechanical field weakening mechanism 7 is in an operating position with a full magnetic field with the magnetic poles of the permanent magnets 6,61 aligned and the lever element 10 in a tilted extreme position.
  • a total torque when driving in motor operation is greater than a minimum torque for full adjustment against the torsional rigidity 8.
  • Figure 4 shows the mechanical field weakening mechanism 7 in position with full magnetic field with aligned magnetic poles of the permanent magnets 6,61 and the lever element 10 in an oppositely tilted extreme position with oppositely acting torque.
  • a total torque during recuperation in generator mode of the electric machine 120 greater than a minimum torque for full adjustment against torsional stiffness 8.
  • the rotor shaft 5 is coupled coaxially within the first rotor body 3 and the second rotor body 4 via the lever element 10 in a torque-transmitting manner to the first rotor body 3 and the second rotor body 4, wherein the lever element 10 is pivotably arranged on the rotor shaft 5.
  • the lever element 10 extends in the radial direction into a first lever window 11 of the first rotor body 3 shown in a partial sectional view, the first lever window 11 having a first lever contact section 12 and a second lever contact section 13 spaced radially therefrom , which is indicated by a solid line.
  • the lever element 10 further extends in the radial direction into a second lever window 14 of the second rotor body 3.
  • This second lever window 14 has a first lever contact section 15 and a second lever contact section 16 spaced radially therefrom, this being shown by a dashed line.
  • the lever element 10 rests in a first operating position 117, which is shown in FIG is shown, on the second lever contact section 13 of the first lever window 11 and on the first lever contact section 15 of the second lever window 14.
  • the first lever contact section 12 is arranged radially below the second lever contact section 13 of the first lever window 11 and the first lever contact section 15 is arranged radially below the second lever contact section 16 of the second lever window 14.
  • the torsional rigidity 8 is designed in Figures 5-7 as a spring element, in particular as a compression spring or arc spring, the characteristic curve of which has a preload moment.
  • the characteristic curve of the torsional stiffness 8 is also chosen here so that when a specified minimum torque is exceeded, the first rotor body 3 and the second rotor body 4 begin to rotate relative to one another from a maximum field-weakened position and, when a specified maximum torque is reached and/or exceeded, a rotation relative to one another occurs have completed a position with a full magnetic field.
  • the field weakening mechanism 7 has two opposing, essentially identical lever elements 10, each of which is arranged so as to be pivotable and distributed over the circumference of the rotor shaft 5.
  • FIG. 8 shows an electric machine 120, in particular for use within a drive train of a hybrid or fully electric motor vehicle, comprising a stator 2 and one through an air gap 22 from the stator
  • the rotor 1 has a first rotor body 3 with a first group of permanent magnets 6 and an axially from the first rotor body
  • a rotor shaft 5 is coupled coaxially within the first rotor body 3 and the second rotor body 4 in a torque-transmitting manner with the first rotor body 3 and the second rotor body 4.
  • the first rotor body 3 is mounted on the rotor shaft 5 so that it can rotate relative to the second rotor body 4 by means of a mechanical field weakening mechanism 7, counter to the effect of a first torsional rigidity 8, which is designed as a compression spring or arc spring.
  • a lever element 10 is used at at least two circumferential points within the rotor 1, with the simultaneous effect of the torsional rigidity 8 between the rotor bodies 3,4.
  • the mechanical field weakening mechanism 7 is explained in more detail below with reference to FIG. 10. 10 can be seen that the contours 17 of the lever element 10 which are in contact with the lever contact sections 12, 13, 15, 16 are designed in such a way that in every operating position of the mechanical field weakening mechanism 7 over its entire adjustment path in sections perpendicular to the axis of rotation 18 of the rotor 1, all contact points 19, 20, 21 between the rotor bodies 3, 4 and the lever element 10 are arranged on a straight connecting line 23 between the tilt axis 24 of the lever element 10 and the rotation axis 18 of the rotor 1.
  • the lever element 10 comprising an ovoid base body 26 is accommodated in a V-shaped groove 25 which is directed radially inwards and runs axially through the rotor shaft 5.
  • the ovoid, i.e. egg-shaped, shape of the base body 26 can also be clearly seen in FIG.
  • the ovoid base body 26 rolls in the V-shaped groove 25 during operation of the mechanical field weakening mechanism 7.
  • 3 shows four operating positions of the lever element 10 to illustrate this kinematics, with the rotor shaft 5 moving counterclockwise relative to the rotor body 3.
  • the reference numbers in the figures labeled b, c, d in FIG. 11 have been omitted.
  • lever element 10 the lever contact sections 12, 13, 15, 16 and the V-shaped groove 25 results in a slip-free contact between the lever element 10 and the rotor bodies 3, 4 and the rotor shaft 5.
  • the lever element 10, the lever contact sections 12, 13, 15, 16 and the V-shaped groove are geometrically designed so that their contours during the tilting of the lever element 10 about a tilting axis 24 and the rotation of the rotor bodies 3, 4 or the rotor shaft 5 roll on one another around the axis of rotation 18 of the rotor 1.
  • the contours 17 of the lever element 10 are designed so that in every position of the mechanical field weakening mechanism over the entire intended movement, viewed in sections perpendicular to the axis of rotation 18, all contact points 19, 20, 21 between the rotor bodies 3, 4 and the lever element 10 lie on a straight connecting line 23 between the tilt axis 24 of the lever element 10 and the rotation axis 18 of the rotor 1.
  • the lever element thus has three radially spaced contact areas defined by the contact points 19, 20, 21, which are at different distances from the axis of rotation 18 of the rotor 1, with which it is axially connected to the two rotor bodies 3, 4 as the two inputs for the Moment and the rotor shaft 5 as the output for the moment is in contact.
  • the partial moments of the two rotor bodies 3, 4 act on the lever element 10 via the defined contact areas of the contact points 20, 21 in such a way that the sum is transferred to the rotor shaft 5 via the contact area of the contact point 19 and at the same time, by tilting the lever element, the two rotor bodies 3, 4 are rotated against the torsional rigidity 8 that prevails between them into the position with full magnetic field with aligned magnetic poles of the permanent magnets 6, 61, which can be easily understood from the various operating positions as shown in Figure 11.
  • the lever element 10 With the lever element 10, the partial moments that actually point in the wrong direction for this process are converted into the correct direction.
  • the decisive factor here is that the larger of the two partial moments, which determines the direction of the total moment, acts radially further inside the lever element than the smaller of the two partial moments.
  • the rotor bodies 3,4 each offer lever contact sections 12,13,15,16 at both distances from the axis of rotation 18 in the contact points 20,21 for contact with the lever element 10, which can be clearly seen in Figure 5. If the direction of the total torque in motor and generator operation changes, the contact of the contact points 20, 21 on the lever element 10 can change sides and the identical relative rotation between the rotor bodies 4, 4 takes place in both operating states to generate a weakened or full magnetic field .
  • the characteristic curve of the torsional stiffness 8 is chosen so that when a specified minimum torque is exceeded, the mechanical field weakening mechanism 7 begins to adjust from the position with a maximally weakened magnetic field and when a specified higher torque is reached and exceeded, the full adjustment to the position with a full magnetic field is completed has.
  • the characteristic curve of the torsional stiffness 8 can have a preload moment for this purpose.
  • lever element 10 In its non-tilted neutral position, which is shown in Figure a of Figure 10, the lever element 10 forms with its then bilateral contacts at the contact points 20, 21 to the rotor bodies 3, 4 at their lever contact sections
  • the lever element 10 is shown in two isolated perspective views in Figure 11. It can be clearly seen from these illustrations that on the ovoid base body 26 there are arc-like claws 27 which extend outwards in the radial direction and which engage with the radially outer lever contact sections
  • the base body 26 is hollow and has convex arc sections 38, 39 which are also arranged alternately in the axial direction, with one group of arc sections 38 being assigned to the first rotor body 3 and the other group of arc sections 39 to the second rotor body 4.
  • the radially inner contact point 19 with the lever contact section 12,15 of the rotor bodies 3,4 is located on the radially inner contact surfaces 41,42 of the arc sections 38,39 of the lever element 10.
  • the radially outer contact surfaces 43,44 on The curved claws 27 of the lever element 10 provide the contact point 21 with the rotor bodies 3, 4.
  • Radially between them are the contact surfaces 45, 46 on the ovoid base body 26, which form the contact point 20 with the rotor bodies 3, 4. This can also be clearly seen from the combination of Figure 4 and Figure 10.
  • the claws 27 and a section of the ovoid base body 26 engage radially in pockets 37 provided for this purpose in order to contact the rotor bodies 3, 4, which can be clearly understood in particular with reference to FIG.
  • the pockets 37 have a mushroom-like contour with opening shoulders 47 directed circumferentially inwards on the radially inner section.
  • the lever contact section 12, 15 of the rotor body 3, 4 is formed on these opening shoulders 47 of the pockets 37.
  • the radially outer lever contact sections 13, 16 are formed in the pockets 37.
  • the lever element 10 is secured radially via a locking ring 28 which is rotatable relative to and coaxial with the rotor 1, which is shown in FIG. This supports the centrifugal force of the lever element 10 in the rotor 1 and secures its radial position.
  • the contours of the contacting surfaces between the lever element 10 and the locking ring 28 can also be designed so that they roll on one another.
  • the unspecified axially outer claws of the lever element 10 are provided, which have a design that differs from the claws 27, which can also be clearly seen in FIG. These axially outer claws, which are not specified in more detail, engage in pockets provided in the retaining rings 28.
  • the first rotor body 3 consists of a plurality of rotor disks 29, which are arranged in the axial direction alternating with rotor disks 30 of the second rotor body 4.
  • the rotor disks 29 of the first rotor body 3 are connected to form a structural unit via first connecting means 131 extending axially parallel to the rotation axis 18 of the rotor 1, and the rotor disks 30 of the second rotor body 4 are connected to form a structural unit via second connecting means 132 extending axially parallel to the rotation axis 18 of the rotor 1, which can be clearly seen from Figure 14.
  • a spacer sleeve 33 is arranged on the first connecting means 131 and between adjacent rotor disks 30 of the second rotor body 4, a spacer sleeve 34 is arranged on the second connecting means 132.
  • the connecting means 131, 132 carry guide elements 48 on associated spacer sleeves 33, 34 for one end of a torsional stiffness 8 acting in the circumferential direction. The other end of the latter rests in a recess (not specified in more detail) in the relevant rotor disk of the rotor body 3, 4.
  • a torsional stiffness 8 is formed from the two rotor bodies 3, 4 to the other rotor body 3, 4 via the torsional stiffness 8, the guide elements 48, the spacer sleeves 33, 34 and finally the connecting means 131, 132, preferably in such a way that the two torsional stiffnesses 8 work together in a parallel circuit in the direction of the relative rotation, which means a stronger magnetic field.
  • the two rotor bodies 3, 4 are each mounted on the rotor shaft 5 on the front rotor disks with rolling or sliding bearings.
  • the rotor 1 can be balanced on two front-side balancing disks 49, which are part of the first rotor body 3.
  • FIGS 15-19 show a field weakening mechanism 7 comprising a lever element 10 with a lever center of gravity 52, which can be pivoted about a tilting axis 53.
  • This tilting axis 53 provided with the reference number 53 in Figures 15-19, corresponds to the tilting axis referenced with the reference number 24 in Figure 10.
  • the first rotor body 3 can be coupled to a first lever section 31 and the second rotor body 4 to a second lever section 32 of the lever element 10, wherein the first lever section 31 and the second lever section 32 are arranged on opposite sides of the lever 10, so that the first rotor body 3 and the second rotor body 4 can be rotated relative to one another in a targeted manner by tilting the lever element 10 for a desired adjustment of the mechanical field weakening mechanism 7.
  • the lever center of gravity 52 and the tilt axis 53 of the lever element 10 are spaced apart from each other when the electrical machine 120 is at a standstill.
  • the position of the lever center of gravity 52 and the lever tilt axis 53 can be determined by a suitable material distribution within the lever element 10, for example by shape design, additional masses or material removal.
  • the decisive factor for the tilting of the lever element 10 and thus for the strength of the magnetic field in the corresponding position of the rotor bodies 3, 4 is the force and moment equilibrium on the lever element 10, as shown in Figure 16. This force and moment equilibrium includes:
  • Figures 15 and 17 have shown embodiments of the lever element 10 in which, when the electric machine 120 is at a standstill, the center of gravity 52 of the lever lies in a plane 54 which is spanned by the axis of rotation 119 and the lever tilt axis 53. This enables identical adjustment behavior for the characteristic maps in engine and generator operation.
  • Figures 18-19 show design variants in which, when the electrical machine 120 is at a standstill, the lever center of gravity 52 is located away from the plane 54 that is spanned by the rotation axis 119 and the lever tilt axis 53. If the lever center of gravity 52 is located to the left or right of the plane 54, an asymmetrical adjustment behavior results and in one operating mode, the adjustment begins at a lower torque than in the other, since the effect of the radial position of the lever center of gravity is increased or weakened at the beginning.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (120), umfassend einen Stator (2) und einen durch einen Luftspalt (22) vom Stator (2) getrennten Rotor (1 ), wobei der Rotor (1 ) wenigstens einen ersten Rotorkörper (3) mit einer ersten Gruppe von Permanentmagneten (6) und einen zweiten Rotorkörper (4) mit einer zweiten Gruppe von Permanentmagneten (61 ) aufweist, wobei der erste Rotorkörper (3) und der zweite Rotorkörper (4) relativ zueinander entgegen der Wirkung einer ersten Verdrehsteifigkeit (8) um eine gemeinsame Drehachse (119) mittels eines mechanischen Feldschwächungsmechanismus (7) verdrehbar sind, wobei der Feldschwächungsmechanismus (7) ein Hebelelement (10) mit einem Hebelschwerpunkt (52) umfasst, das um eine Kippachse (13) schwenkbar ist, wobei der erste Rotorkörper (3) mit einem ersten Hebelabschnitt (31 ) und der zweite Rotorkörper (4) mit einem zweiten Hebelabschnitt (32) des Hebelelements (10) koppelbar ist und der erste Hebelabschnitt (31 ) und der zweite Hebelabschnitt (32) auf entgegengesetzten Seiten des Hebels (10) angeordnet sind, so dass der erste Rotorkörper (3) und der zweite Rotorkörper (4) durch ein Kippen des Hebelelements (10) für eine gewünschte Verstellung des mechanischen Feldschwächungsmechanismus (7) zielführend, relativ zueinander verdrehbar sind, wobei der Hebelschwerpunkt (52) und die Kippachse (53) des Hebelelements (10) im Stillstand der elektrischen Maschine (120) voneinander beabstandet sind.

Description

Elektrische Maschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator und einen durch einen Luftspalt vom Stator getrennten Rotor, wobei der Rotor wenigstens einen ersten Rotorkörper mit einer ersten Gruppe von Permanentmagneten und einen zweiten Rotorkörper mit einer zweiten Gruppe von Permanentmagneten aufweist, wobei der erste Rotorkörper und der zweite Rotorkörper relativ zueinander entgegen der Wirkung einer ersten Verdrehsteifigkeit um eine gemeinsame Drehachse mittels eines mechanischen Feldschwächungsmechanismus verdrehbar sind.
Elektrische Maschinen unterliegen bei ihrem Betrieb Verlusten durch Ummagnetisierungen, die als Eisenverluste zusammengefasst werden und den Maschinenwirkungsgrad herabsetzen. In mobilen Anwendungen bedeutet ein niedriger Wirkungsgrad der elektrischen Maschine eine geringere Reichweite des Fahrzeugs bzw. erhöhten Bedarf an Batteriekapazität. Es ist daher vor allem in mobilen Anwendungen mit rein elektrischem Antrieb ein ständiges Ziel, die beschriebenen Eisenverluste zu minimieren.
Beispielhaft für eine derartige, Eisenverluste aufweisende elektrische Maschine, wie sie innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs verwendet werden kann, ist die sogenannte permanenterregte Synchronmaschine. Aufgrund ihrer im Vergleich zu anderen Maschinentypen hohen Leistungsdichte wird sie bevorzugt gerade im Bereich der Elektromobilität verwendet, wo der zur Verfügung stehende Bauraum häufige eine limitierende Größe darstellt. Das Erregerfeld der Maschine wird in der Regel von Permanentmagneten erzeugt, die im Rotor der Maschine angeordnet sind. Auf eine Schleifringkontaktierung, die bei elektrisch erregten Synchronmaschinen notwendig ist, um eine am Rotor angeordnete Erregerspule mit Strom zu versorgen, kann bei der permanenterregten Synchronmaschine verzichtet werden.
Ein Nachteil der Permanenterregung besteht jedoch darin, dass das Erregerfeld nicht ohne Weiteres modifiziert werden kann. Grundsätzlich kann eine Synchronmaschine über ihre Nenndrehzahl hinaus betrieben werden, indem der sogenannte Feldschwächbereich angesteuert wird. In diesem Bereich wird die Maschine mit der maximalen Nennleistung betrieben, wobei mit zunehmender Drehzahl das von der Maschine abgegebene Drehmoment reduziert wird. Elektrisch erregte Synchronmaschinen können sehr einfach im Feldschwächbereich betrieben werden, indem der Erregerstrom reduziert wird. Zwar sind auch bei permanenterregten Maschinen Möglichkeiten bekannt, über eine geeignete Bestromung des Ständers der Maschine eine Luftspaltfeldkomponente zu erzeugen, die dem von den Permanentmagneten erzeugten Erregerfeld entgegenwirkt und dieses somit schwächt. Jedoch bewirkt eine derartige Ansteuerung der Maschine erhöhte Verluste, sodass die Maschine in diesem Bereich nur mit einem reduzierten Wirkungsgrad betrieben werden kann.
Eine wirksame Methode zur Reduktion der Eisenverluste von elektrischen Maschinen besteht in der gezielten Schwächung des magnetischen Feldes zwischen Stator und Rotor für Betriebspunkte mit hohen Drehzahlen, da die Verluste durch hochfrequente Ummagnetisierungen bei schwächerem Magnetfeld geringer sind. Für eine gezielte Feldschwächung existieren neben elektrischen, auch mechanische Ansätze. Aus den Patentschriften US58211710, FR2831345, EP1085644, EP11867030, DE1012011708670, DE1012016103470, CN104600929 und CN105449969 ist ein senkrecht zur Rotationsachse in mehrere permanentmagnetbestückte, zueinander verdrehbare Rotorscheiben aufgeteilter Rotor einer Radialflussmaschine bekannt, der abhängig von der Relativverdrehung zwischen den Rotorscheiben in einer Stellung mit in axialer Richtung ausgerichteten Magnetpolen das volle Magnetfeld und in einer dazu verdrehten Stellung ein geschwächtes Magnetfeld zur Verfügung stellt. Es sind aktive oder passive Mechanismen beschrieben, die vorgeben, abhängig von Rotordrehzahl oder Moment ein Umschalten zwischen diesen beiden Stellungen bewirken zu können und damit über das gesamte Motorkennfeld betrachtet einen effizienteren Betrieb der elektrischen Maschine zu ermöglichen.
In der DE 10 12021 101 898 ist eine Anordnung beschrieben, in der der Rotor einer Radialflussmaschine in zwei Teilrotoren aufgeteilt ist, deren einzelne Rotorscheiben sich in axialer Richtung abwechseln. Ein Teilrotor ist hierbei direkt, der andere Teilrotor über eine Verdrehsteifigkeit verdrehbar momentübertragend mit der Rotorwelle verbunden. Die Verdrehsteifigkeit ist hierbei so gewählt, dass bei niedrigem Moment eine Verdrehlage der Teilrotoren mit geschwächtem und bei hohem Moment eine Verdrehlage der Teilrotoren mit vollem Magnetfeld herrscht. Die DE 10 12021 101 904 beansprucht ein konstruktiv ausgeführtes mechanisches Modul, das in das Innere der permanentmagnetbestückten Rotorscheiben eingebracht werden kann, die beschriebenen Verbindungen der Teilrotoren zur Rotorwelle herstellt und über die Verdrehsteifigkeit, die mit Federn und rollenbestückten Kurvengetrieben ausgeführt ist, eine Verstellkennlinie definieren lässt.
Alle zuvor genannten passiven Lösungen, die ein Moment als Sensorgröße verwenden, um eine Relativverdrehung zwischen zwei Teilrotoren gegen eine Verdrehsteifigkeit auszulösen, gehen davon aus, dass sich das durch die Statorbestromung insgesamt erzeugte elektromagnetische Moment im Fall der initial feldgeschwächten Stellung bei nicht ausgerichteten Magnetpolen in einfacher Weise auf die beiden Teilrotoren aufteilt, etwa entsprechend ihres Anteils an der Gesamtlänge und entsprechend ihrer jeweiligen Phasenlage zum Statorfeld, unabhängig von der Gegenwart des jeweils anderen Teilrotors. Nur dann nämlich könnte ein dem Gesamtmoment proportionales Teilmoment ohne weiteres gegen eine Verdrehsteifigkeit zwischen den Teilrotoren oder einem der Teilrotoren und der Rotorwelle gerichtet werden und die mit steigendem Moment gewünschte Verdrehung in die Stellung mit vollem Magnetfeld bei ausgerichteten Magnetpolen bewirken. Versuche und Modellierungen der Anmelderin haben jedoch gezeigt, dass die tatsächlichen Verhältnisse weit komplizierter sind.
Bereits im unbestromten Fall gibt es Wechselwirkungen zwischen den Rotorscheiben der beiden Teilrotoren in Gestalt magnetischer Abstoßmomente. Die Stellung mit vollem Magnetfeld bei ausgerichteten Magnetpolen stellt ein labiles Gleichgewicht mit verschwindendem Abstoßmoment dar. Mit beginnender Verdrehung aus dieser Gleichgewichtslage kommt ein Abstoßmoment auf, das mit zunehmender Verdrehung wächst, bis es ein Maximum erreicht, um dann bei weiterer Verdrehung wieder abzunehmen. Der Verlauf des Abstoßmoments über den Verdrehwinkel innerhalb einer elektrischen Periode, die Höhe des Maximums und der Verdrehwinkel, bei dem es auftritt, hängen stark von der gewählten Art der Anordnung der Permanentmagnete innerhalb der Rotorscheiben ab. Nichtlinear ist der Verlauf über eine elektrische Periode betrachtet grundsätzlich.
Im Fall der angestrebten effizienten Statorbestrom ung für verschiedene Drehzahlen erhöhen sich diese magnetischen Abstoßmomente drehzahlabhängig in unterschiedlicher Weise zum Teil um ein Vielfaches. Insgesamt resultieren Teilmomente, die in keinem Fall geeignet sind, ohne weiteres gegen eine Verdrehsteifigkeit zwischen den Teilrotoren oder einem der Teilrotoren und der Rotorwelle gerichtet zu werden, um eine Verdrehung der Teilrotoren in die Stellung mit vollem Magnetfeld zu bewirken, da sie wegen des hohen Anteils der magnetischen Abstoßmomente hierfür nicht in die richtige Richtung weisen.
Um eine funktionsfähige Anordnung im Sinne der zuvor genannten passiven Lösungen zur momentadaptiven Feldschwächung des Rotors einer elektrischen Maschine darzustellen, ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine elektrische Maschine mit einer verbesserten mechanischen Feldschwächung bereitzustellen, welche insbesondere auch die tatsächlich an Rotorkörpern auftretenden Teilmomente für eine gewünschte Verstellung zielführend umsetzt und auf die Rotorwelle überträgt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschine, insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator und einen durch einen Luftspalt vom Stator getrennten Rotor, wobei der Rotor wenigstens einen ersten Rotorkörper mit einer ersten Gruppe von Permanentmagneten und einen zweiten Rotorkörper mit einer zweiten Gruppe von Permanentmagneten aufweist, wobei der erste Rotorkörper und der zweite Rotorkörper relativ zueinander entgegen der Wirkung einer ersten Verdrehsteifigkeit um eine gemeinsame Drehachse mittels eines mechanischen Feldschwächungsmechanismus verdrehbar sind, wobei der Feldschwächungsmechanismus ein Hebelelement mit einem Hebelschwerpunkt umfasst, das um eine Kippachse schwenkbar ist, wobei der erste Rotorkörper mit einem ersten Hebelabschnitt und der zweite Rotorkörper mit einem zweiten Hebelabschnitt des Hebelelements koppelbar ist und der erste Hebelabschnitt und der zweite Hebelabschnitt auf entgegengesetzten Seiten des Hebels angeordnet sind, so dass der erste Rotorkörper und der zweite Rotorkörper durch ein Kippen des Hebelelements für eine gewünschte Verstellung des mechanischen Feldschwächungsmechanismus zielführend, relativ zueinander verdrehbar sind, wobei der Hebelschwerpunkt und die Kippachse des Hebelelements im Stillstand der elektrischen Maschine voneinander beabstandet sind.
Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass eine elektrische Maschine mit einer rein mechanischen Feldschwächungsvorrichtung realisiert werden kann, welche die zu einer bedarfsgerechten Feldschwächung erforderlichen Stellungen von Permanentmagneten innerhalb des Rotors in Abhängigkeit von den Betriebszuständen Drehmoment und Drehzahl zuverlässig und kostengünstig einstellt. Grundsätzlich vermeidet die Erfindung somit auch die Notwendigkeit einer von außen auf oder in den Rotor eingreifenden Aktorik.
Die unter Drehzahl im Hebelschwerpunkt angreifende Fliehkraft greift in das Kräfte- und Momentengleichgewicht am Hebelelement ein und beeinflusst damit das Verstellverhalten der Hebelmechanik innerhalb des Motorkennfelds. Beispielsweise könnte ein angestrebtes rein momentabhängiges Verstellverhalten durch die Fliehkraftwirkung gestört sein. Umgekehrt kann ein gezielt gleichzeitig von der Drehzahl und dem Moment abhängiges Verstellverhalten angestrebt sein, um einen noch effizienteren Betrieb der elektrischen Maschine über das gesamte Motorkennfeld zu erzielen. Durch Festlegung der Lage des Hebelschwerpunkts und der Hebelkippachse lassen sich hierbei (in Verbindung mit noch anderen, nachfolgend noch näher erläuterten Einflüssen) grundsätzlich verschiedene Verstellverhalten über Moment und Drehzahl darstellen.
Eine gezielte Festlegung der Lage von Hebelschwerpunkt und Hebelkippachse kann beispielsweise durch eine passende Materialverteilung innerhalb des Hebelelements durch z.B. Formgestaltung, Zusatzmassen oder Materialentfernungen bewirkt werden. Entscheidend für die Verkippung des Hebelelements und damit für die Stärke des Magnetfelds in der zugehörigen Stellung der Teilrotoren (Rotorkörper) ist das Kräfte- und Momentengleichgewicht am Hebelelement, worauf nachfolgend noch näher eingegangen wird. Ein weiterer Aspekt der vorgeschlagenen mechanischen Feldschwächung ist u.a. die Verwendung eines Hebels an mindestens zwei Umfangsstellen innerhalb des Rotors zur Übertragung der Teilmomente der beiden Rotorkörper z.B. auf eine Rotorwelle unter gleichzeitiger Wirkung einer Verdrehsteifigkeit zwischen den Rotorkörpern. der mechanische Feldschwächungsmechanismus eine Mehrzahl von Hebelelementen aufweist, die jeweils schwenkbar über den Umfang der Rotorwelle verteilt angeordnet sind.
Über die Hebelabschnitte wirken die Teilmomente der beiden Rotorkörper so auf den Hebel, dass die Summe der Momente beispielsweise auf die Rotorwelle übertragen wird und gleichzeitig durch ein Schwenken des Hebels die beiden Rotorkörper gegen die Verdrehsteifigkeit, die zwischen ihnen herrscht, beispielsweise in die Stellung mit vollem Magnetfeld bei ausgerichteten Magnetpolen verdreht werden. Mit dem Hebel werden dabei die Teilmomente, die eigentlich in die für diesen Vorgang verkehrte Richtung weisen, in die zielführende Richtung umgesetzt.
Zunächst werden nun die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
Die elektrische Maschine kann insbesondere als Rotationsmaschine ausgebildet sein. Im Falle von als Rotationsmaschinen ausgebildeten elektrischen Maschinen wird insbesondere zwischen Radialflussmaschinen und Axialflussmaschinen unterschieden. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken, während im Falle einer Axialflussmaschine sich die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspalt in axialer Richtung erstrecken. Es ist im Zusammenhang mit dieser Erfindung möglich, dass die elektrische Maschine als Radialflussmaschine oder Axialflussmaschine konfiguriert ist.
Ein Rotor ist der sich drehende (rotierende) Teil einer elektrischen Maschine. Der
Rotor umfasst insbesondere eine Rotorwelle und einen oder mehrere drehfest auf der Rotorwelle angeordnete, aus Rotorblechpaketen gebildete Rotorkörper. Die Rotorwelle kann hohl ausgeführt sein, was zum einen eine Gewichtsersparnis zur Folge hat und was zum anderen die Zufuhr von Schmier- oder Kühlmittel zum Rotorkörper erlaubt.
Unter einem Rotorkörper wird im Sinne der Erfindung der Rotor ohne Rotorwelle verstanden. Der Rotorkörper setzt sich demnach insbesondere zusammen aus einem Rotorblechpaket sowie den in die Taschen des Rotorblechpakets eingebrachten oder den umfänglich an dem Rotorblechpaket fixierten Permanentmagneten sowie ggf. vorhandenen axialen Deckelteilen zum Verschließen der der Taschen.
Die Permanentmagnete können bevorzugt in die Taschen des Rotorblechpakets eingebracht sein. Dabei kann pro Tasche ein einziger größerer, als Stabmagnet ausgebildeter Rotormagnet oder mehrere kleinere Permanentmagnetelemente ausgebildete Rotormagnete vorgesehen werden.
Der Rotor weist bevorzugt eine Mehrzahl von Rotorkörpern auf. Besonders bevorzugt sind die Rotorkörper im Wesentlichen gleichteilig, insbesondere im Wesentlichen identisch, ausgebildet. Höchst bevorzugt ist es, dass die Rotorkörper aus gleichteiligen, insbesondere im Wesentlichen identischen Rotorblechen gebildet sind. Die Rotorkörper sind also insbesondere bevorzugt aus einem Rotorblechpaket gebildet, welche aus einer Mehrzahl von in der Regel aus Elektroblech hergestellten laminierten Einzelblechen bzw. Rotorblechen zusammengesetzt sind, die übereinander zu einem Stapel, dem sog. Rotorblechpaket geschichtet und paketiert sind. Die Einzelbleche können in dem Rotorblechpaket durch Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung zusammengehalten bleiben. Ein Rotorblechpaket kann insbesondere auch in die Taschen des Rotorblechpakets eingebrachte oder den umfänglich an dem Rotorblechpaket fixierte Permanentmagnete aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass koaxial innerhalb des ersten Rotorkörpers und des zweiten Rotorkörpers eine Rotorwelle über das Hebelelement drehmomentübertragend mit dem ersten Rotorkörper und dem zweiten Rotorkörper koppelbar ist. Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das Hebelelement schwenkbar auf der Rotorwelle angeordnet ist. Es kann hierdurch erreicht werden, dass die mechanische Feldschwächung besonders kompakt bauend ausgeführt werden kann.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Hebelelement sich in radialer Richtung in ein erstes Hebelfenster des ersten Rotorkörpers hinein erstreckt, wobei das erste Hebelfenster einen ersten Hebelanlageabschnitt und einen davon radial beabstandeten zweiten Hebelanlageabschnitt aufweist und das Hebelelement sich in radialer Richtung in ein zweites Hebelfenster des zweiten Rotorkörper hinein erstreckt, wobei das zweite Hebelfenster einen ersten Hebelanlageabschnitt und einen davon radial beabstandeten zweiten Hebelanlageabschnitt aufweist, wobei das Hebelelement in einer ersten Betriebsstellung an dem ersten Hebelanlageabschnitt des ersten Hebelfensters und an dem zweiten Hebelanlageabschnitt des zweiten Hebelfensters anliegt und in einer zweiten Betriebsstellung an dem zweiten Hebelanlageabschnitt des ersten Hebelfensters und an dem ersten Hebelanlageabschnitt des zweiten Hebelfensters anliegt.
Der Hebel weist in einer höchst bevorzugten Ausführungsform der Erfindung somit drei Bereiche in unterschiedlichen Abständen zur Rotationsachse des Rotors auf, in denen er mit den beiden Rotorkörpern als den zwei Eingängen für das Moment und der Rotorwelle als dem Ausgang für das Moment in Kontakt steht. Hierin ist ein weiterer wesentlicher Unterschied zum Stand der Technik zu sehen, wo Elemente zur Übertragung der Teilmomente auf die Rotorwelle stets nur einen Ein- und einen Ausgang aufweisen. Über die definierten Hebelanlageabschnitte wirken die Teilmomente der beiden Rotorkörper so auf den Hebel, dass die Summe auf die Rotorwelle übertragen wird und gleichzeitig durch ein Kippen des Hebels die beiden Rotorkörper gegen die Verdrehsteifigkeit, die zwischen ihnen herrscht, beispielsweise in die Stellung mit vollem Magnetfeld bei ausgerichteten Magnetpolen verdreht werden. Dies wird anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsformen der Erfindung noch näher erläutert werden.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der erste Hebelanlageabschnitt radial unterhalb des zweiten Hebelanlageabschnitts des erstes Hebelfensters und der erste Hebelanlageabschnitt radial unterhalb des zweiten Hebelanlageabschnitts des zweiten Hebelfensters angeordnet ist.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass an dem ersten Hebelanlageabschnitt des ersten Hebelfensters und an dem ersten Hebelanlageabschnitt des zweiten Hebelfensters ein betragsmäßig größeres über das erste Hebelelement übertragene Moment anliegt als an dem zweiten Hebelabschnitt des ersten Hebelfensters und dem zweiten Hebelanlageabschnitt des zweiten Hebelfensters. Mit dem Hebel werden dabei die Teilmomente, die eigentlich in die für den mechanischen Verstellvorgang verkehrte Richtung weisen, in die zielführende Richtung umgesetzt, indem das betragsmäßig größere der beiden Teilmomente, welches die Richtung des Gesamtmoments vorgibt, radial weiter innen am Hebel angreift als das betragsmäßig kleinere der beiden Teilmomente.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Verdrehsteifigkeit als ein Federelement, insbesondere als eine Druckfeder oder Bogenfeder, ausgebildet ist.
Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die Kennlinie der Verdrehsteifigkeit so gewählt ist, dass bei Überschreiten eines festgelegten Mindestmoments der erste Rotorkörper und der zweite Rotorkörper sich aus einer maximal feldgeschwächten Stellung zueinander zu verdrehen beginnen und bei Erreichen und/oder Überschreiten eines festgelegten Höchstmomentes eine Verdrehung zueinander in eine Stellung mit vollem Magnetfeld vollzogen haben. Auch kann es hierzu in diesem Zusammenhang vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Kennlinie der Verdrehsteifigkeit ein Vorspannmoment aufweist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Hebelschwerpunkt des Hebelelements im Stillstand der elektrischen Maschine unterhalb der Kippachse liegt. Legt man den Hebelschwerpunkt also somit radial weiter nach innen als die Hebelkippachse, unterstützt die im Betrieb der elektrischen Maschine wirkende Fliehkraft den Verstellvorgang, wodurch es bei höheren Drehzahlen bereits bei niedrigeren Momenten zu einem kompletten Verstellen kommt.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass der Hebelschwerpunkt des Hebelelements im Stillstand der elektrischen Maschine oberhalb der Kippachse liegt. Legt man den Hebelschwerpunkt nun radial weiter nach außen als die Hebelkippachse, hemmt die Fliehkraft den Verstellvorgang, wodurch es bei höheren Drehzahlen erst bei höheren Momenten zu einem kompletten Verstellen kommt.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass im Stillstand der elektrischen Maschine der Hebelschwerpunkt in einer Ebene liegt, die von der Drehachse und Hebelkippachse aufgespannt wird, wodurch ein identisches Verstellverhalten für die Kennfelder in Motor- und Generatorbetrieb realisiert werden kann.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass im Stillstand der elektrischen Maschine der Hebelschwerpunkt abseits der Ebene liegt, die von der Drehachse und Hebelkippachse aufgespannt wird. Liegt der Hebelschwerpunkt somit links oder rechts neben der Ebene, die von der Drehachse und der Hebelkippachse aufgespannt wird, resultiert ein asymmetrisches Verstellverhalten und in einer Betriebsart kommt es bei niedrigerem Moment zu einem Beginn des Verstellens als bei der anderen, da der Effekt der radialen Lage des Hebelschwerpunkts zu Beginn verstärkt bzw. abgeschwächt wird.
Alle diese Hebelschwerpunkt/Hebelkippachse-Konstellationen können zu einem hinsichtlich Maschinenwirkungsgrad vorteilhaften Verstellverhalten über das Motorkennfeld für motorischen und generatorischen Betrieb führen und können einzeln, wie auch in beliebigen Kombinationen miteinander verwendet werden.
Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass der mechanische Feldschwächungsmechanismus eine Mehrzahl von Hebelelementen aufweist, die jeweils schwenkbar über den Umfang der Rotorwelle verteilt angeordnet sind, wodurch eine gleichmäßigere und sicherere Verstellung der Rotorkörper bewirkt werden kann.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert.
Es zeigt:
Figur 1 eine elektrische Maschine in einer Querschnittsansicht,
Figur 2 einen Rotor mit einem mechanischen Feldschwächungsmechanismus in einer Neutralstellung in einer schematischen Blockschaltdarstellung,
Figur 3 einen Rotor mit einem mechanischen Feldschwächungsmechanismus in einer ersten Betriebsstellung in einer schematischen Blockschaltdarstellung,
Figur 4 einen Rotor mit einem mechanischen Feldschwächungsmechanismus in einer zweiten Betriebsstellung in einer schematischen Blockschaltdarstellung,
Figur 5 einen Rotor mit einem mechanischen Feldschwächungsmechanismus in einer Neutralstellung in einer schematischen Querschnittsansicht,
Figur 6 einen Rotor mit einem mechanischen Feldschwächungsmechanismus in einer zweiten Betriebsstellung in einer schematischen Querschnittsansicht,
Figur 7 einen Rotor mit einem mechanischen Feldschwächungsmechanismus in einer ersten Betriebsstellung in einer schematischen Querschnittsansicht. Figur 8 eine elektrische Maschine in einer schematischen Querschnittsansicht,
Figur 9 einen Rotor in einer perspektivischen Teilschnittdarstellung,
Figur 10 vier Betriebsstellungen des Hebelelements in jeweils einer Querschnitts-Detailansicht,
Figur 11 ein Hebelelement in zwei, jeweils freigestellten perspektivischen Ansichten,
Figur 12 zwei Querschnittsansichten des Rotors,
Figur 13 einen Rotor mit freigestellten Hebelelementen und Sicherungsringen in einer perspektivischen Ansicht,
Figur 14 zwei Axialschnittansichten durch den Rotor,
Figur 15 eine erste Ausführungsform eines Hebelelements im Stillstand der elektrischen Maschine,
Figur 16 eine erste Ausführungsform eines Hebelelements im Betrieb der elektrischen Maschine,
Figur 17 eine zweite Ausführungsform eines Hebelelements im Stillstand der elektrischen Maschine,
Figur 18 eine dritte Ausführungsform eines Hebelelements im Stillstand der elektrischen Maschine,
Figur 19 eine vierte Ausführungsform eines Hebelelements im Stillstand der elektrischen Maschine. Die Figur 1 zeigt eine als Radialflussmaschine konfigurierte elektrische Maschine 120, insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator 2 und einen durch einen Luftspalt 22 vom Stator 2 getrennten Rotor 1 .
Der Rotor 1 umfasst wenigstens einen ersten Rotorkörper 3 mit einer ersten Gruppe von Permanentmagneten 6 und einen zweiten Rotorkörper 4 mit einer zweiten Gruppe von Permanentmagneten 61 . Dies ist insbesondere auch gut anhand der Figuren 2-7 nachvollziehbar, die die beiden Rotorkörper 3,4 zeigen. Die beiden Rotorkörper 3,4 sind im Wesentlichen aus identischen Rotorblechen ausgebildet, wobei die Position und die Anzahl der Permanentmagnete 6 der ersten Gruppe und die Anzahl der Permanentmagnete 61 der zweiten Gruppe in den Rotorkörpern 3,4 identisch sind.
Der erste Rotorkörper 3 und der zweite Rotorkörper 4 sind relativ zueinander entgegen der Wirkung einer ersten Verdrehsteifigkeit 8 um eine gemeinsame Drehachse 119 mittels eines mechanischen Feldschwächungsmechanismus 7 verdrehbar.
Der Feldschwächungsmechanismus 7 umfasst ein Hebelelement 10, das um einen Drehpunkt schwenkbar ist, wobei der erste Rotorkörper 3 mit einem ersten Hebelabschnitt 31 und der zweite Rotorkörper 4 mit einem zweiten Hebelabschnitt 32 des Hebelelements 10 koppelbar ist und der erste Hebelabschnitt 31 und der zweite Hebelabschnitt 32 auf entgegengesetzten Seiten des Hebels 10 angeordnet sind, so der erste Rotorkörper 3 und der zweite Rotorkörper 4 durch ein Kippen des Hebelelements 10 für eine gewünschte Verstellung des mechanischen Feldschwächungsmechanismus 7 zielführend, relativ zueinander verdrehbar sind, was sich auch gut aus der Zusammenschau der Figuren 2-4 erkennen lässt und was nachfolgend noch näher erläutert wird.
Der Feldschwächungsmechanismus 7 verwendet das Hebelelement 10 an mindestens zwei, auch als Hebelanlageabschnitte 12,13,15,16 bezeichnete Umfangsstellen der Rotorkörper 3,4 innerhalb des Rotors 1 zur Übertragung der Teilmomente der beiden Rotorkörper 3,4 auf die Rotorwelle 5 unter gleichzeitiger Wirkung einer Verdrehsteifigkeit 8 zwischen den Rotorkörpern 3,4, was sich auch gut anhand der Blockschaltdarstellungen der Figuren 2-4 erkennen lässt. Das Hebelelement 10 weist hierbei drei Bereiche in unterschiedlichen Abständen zur Drehachse 119 des Rotors 1 auf, in denen er mit den beiden Rotorkörpern 3,4 als den zwei Eingängen für das Moment und der Rotorwelle 5, als dem Ausgang für das Moment, in Kontakt steht. Die drei Bereiche des Hebelelements 10 sind dabei der erste Hebelabschnitt 31 , der zweite Hebelabschnitt 32, sowie der nicht näher bezeichnete Kontaktabschnitt am radial inneren Ende des Hebelelements 10 zur Rotorwelle 5.
Über diese definierten Kontaktbereiche des ersten und zweiten Hebelabschnitts 31 ,32 wirken die Teilmomente der beiden Rotorkörper 3,4 über die Hebelanlageabschnitte 12,13,15,16 so auf das Hebelelement 10 ein, dass die Summe über den nicht näher bezeichneten Kontaktabschnitt am radial inneren Ende des Hebelelements 10 zur Rotorwelle 5 übertragen wird und gleichzeitig durch ein Kippen des Hebelelements 10 die beiden Rotorkörper 3,4 über die Hebelanlageabschnitte 12,13,15,16 gegen die Verdrehsteifigkeit 8, die zwischen ihnen herrscht, in die Stellung mit vollem Magnetfeld bei ausgerichteten Magnetpolen verdreht werden, so wie es in den Figuren 3-4 gezeigt ist. Mit dem Hebelelement 10 werden dabei die Teilmomente, die eigentlich in die für diesen Vorgang verkehrte Richtung weisen, in die zielführende Richtung umgesetzt.
Die Verdrehsteifigkeit 8 ist in den Figuren 2-4 symbolisch mit Druckfedern dargestellt, die beispielsweise in Federfenstern beider Rotorkörper 3,4 sitzen. Die Verdrehsteifigkeit 8 kann aber auch auf eine beliebige andere bekannte Art gebildet sein.
Die Figur 2 zeigt den Feldschwächungsmechanismus 7 zunächst in seiner Neutralposition. Der Feldschwächungsmechanismus 7 befindet sich hierbei in feldgeschwächter Stellung, bei nicht zueinander ausgerichteten Magnetpolen der ersten Gruppe von Permanentmagneten 6 zu der zweiten Gruppe von Permanentmagneten 61 , was sich gut anhand der Drehwinkelstellung der beiden Rotorkörper 3,4 in der Figur 2 nachvollziehen lässt. Das Gesamtmoment ist in diesem Fall niedriger als ein Mindestmoment, das erforderlich ist, um gegen die gegebenenfalls vorgespannte Verdrehsteifigkeit 8 eine Verstellung der Rotorkörper 3,4 zueinander beginnen zu lassen. Die Kennlinie der Verdrehsteifigkeit 8 ist so gewählt, dass sich bei Überschreiten eines festgelegten Mindestmoments der Feldschwächungsmechanismus 7 aus der maximal feldgeschwächten Stellung zu verstellen beginnt und bei Erreichen und Überschreiten eines festgelegten höheren Momentes die volle Verstellung in die Stellung mit vollem Magnetfeld vollzogen hat, wie es beispielsweise für einen motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 120 in der Figur 3 gezeigt ist.
Das erste Teildrehmoment M1 wird je nach Richtung des Gesamtmoments über die Hebelanlageabschnitte 12,13 des ersten Rotorkörpers 3 übertragen, wobei der erste Hebelanlageabschnitt 12 des ersten Rotorkörpers 3 radial nach innen versetzt zu dem zweiten Hebelanlageabschnitt 13 angeordnet ist. Analog hierzu wird das zweite Teildrehmoment M2 des zweiten Rotorkörpers 4, je nach Richtung des Gesamtmoments, über die die Hebelanlageabschnitte 15,16 auf das Hebelelement 10 geleitet. Der erste Hebelanlageabschnitt 15 des zweiten Rotorkörpers 4 ist radial nach innen versetzt zu dem zweiten Hebelanlageabschnitt 16 angeordnet.
Bei geänderter Richtung des Gesamtmoments, beispielsweise durch den Wechsel aus einem Motor- in einen Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 120, können die Hebelabschnitte 31 ,32 des Hebelelements 10 die Seite wechseln und es findet in beiden Betriebszuständen die identische Relativverdrehung zwischen den Rotorkörpern 3,4 zur Erzeugung eines geschwächten bzw. vollen Magnetfelds statt, so wie es in den Figuren 3-4 gezeigt ist.
In Figur 3 befindet sich der mechanische Feldschwächungsmechanismus 7 in einer Betriebsstellung mit vollem Magnetfeld bei ausgerichteten Magnetpolen der Permanentmagnete 6,61 und dem Hebelelement 10 in einer verkippten Extremposition. In diesem Fall ist beispielsweise ein Gesamtmoment beim Antreiben im Motorbetrieb größer als ein Mindestmoment für die volle Verstellung gegen die Verdrehsteifigkeit 8.
Figur 4 zeigt den mechanischen Feldschwächungsmechanismus 7 in Stellung mit vollem Magnetfeld bei ausgerichteten Magnetpolen der Permanentmagnete 6,61 und dem Hebelelement 10 in einer entgegengesetzt verkippten Extrem position bei entgegengesetzt wirkendem Moment. In diesem Fall ist beispielsweise ein Gesamtmoment bei der Rekuperation im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 120 größer als ein Mindestmoment für die volle Verstellung gegen die Verdrehsteifigkeit 8.
Wie aus den Figuren 5-7, die eine mögliche Auskonstruktion des in den Figuren 2-4 gezeigten Prinzips skizzieren, zu erkennen ist, ist koaxial innerhalb des ersten Rotorkörpers 3 und des zweiten Rotorkörpers 4 die Rotorwelle 5 über das Hebelelement 10 drehmomentübertragend mit dem ersten Rotorkörper 3 und dem zweiten Rotorkörper 4 gekoppelt, wobei das Hebelelement 10 schwenkbar auf der Rotorwelle 5 angeordnet ist.
Wie in den Figuren 5-7 dargestellt, erstreckt sich das Hebelelement 10 in radialer Richtung in ein erstes Hebelfenster 11 des in einer Teilschnittansicht dargestellten ersten Rotorkörpers 3 hinein, wobei das erste Hebelfenster 11 einen ersten Hebelanlageabschnitt 12 und einen davon radial beabstandeten zweiten Hebelanlageabschnitt 13 aufweist, was durch eine durchgezogene Linie kenntlich gemacht ist. Das Hebelelement 10 erstreckt sich ferner in radialer Richtung in ein zweites Hebelfenster 14 des zweiten Rotorkörper 3 hinein. Dieses zweite Hebelfenster 14 weist einen ersten Hebelanlageabschnitt 15 und einen davon radial beabstandeten zweiten Hebelanlageabschnitt 16 auf, wobei dies durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Das Hebelelement 10 liegt in einer ersten Betriebsstellung 117, die in der Figur 7 gezeigt ist, an dem ersten Hebelanlageabschnitt 12 des ersten Hebelfensters 11 und an dem zweiten Hebelanlageabschnitt 16 des zweiten Hebelfensters 14 an und in einer zweiten Betriebsstellung 118, die in der Figur 6 abgebildet ist, an dem zweiten Hebelanlageabschnitt 13 des ersten Hebelfensters 11 und an dem ersten Hebelanlageabschnitt 15 des zweiten Hebelfensters 14.
Der erste Hebelanlageabschnitt 12 ist radial unterhalb des zweiten Hebelanlageabschnitts 13 des erstes Hebelfensters 11 und der erste Hebelanlageabschnitt 15 radial unterhalb des zweiten Hebelanlageabschnitts 16 des zweiten Hebelfensters 14 angeordnet. An dem ersten Hebelanlageabschnitt 12 des ersten Hebelfensters 11 und an dem ersten Hebelanlageabschnitt 15 des zweiten Hebelfensters 14 liegt ein betragsmäßig größeres über das erste Hebelelement 10 übertragende Moment an, als an dem zweiten Hebelanlageabschnitt 13 des ersten Hebelfensters 11 und dem zweiten Hebelanlageabschnitt 16 des zweiten Hebelfensters 14. Die Verdrehsteifigkeit 8 ist in den Figuren 5-7 als ein Federelement, insbesondere als eine Druckfeder oder Bogenfeder, ausgebildet, deren Kennlinie ein Vorspannmoment aufweist. Die Kennlinie der Verdrehsteifigkeit 8 ist auch hier so gewählt, dass bei Überschreiten eines festgelegten Mindestmoments der erste Rotorkörper 3 und der zweite Rotorkörper 4 sich aus einer maximal feldgeschwächten Stellung zueinander zu verdrehen beginnen und bei Erreichen und/oder Überschreiten eines festgelegten Höchstmomentes eine Verdrehung zueinander in eine Stellung mit vollem Magnetfeld vollzogen haben.
In den Figuren 5-7 besitzt der Feldschwächungsmechanismus 7 zwei sich gegenüberliegende, im Wesentlichen identische Hebelelemente 10 auf, die jeweils schwenkbar über den Umfang der Rotorwelle 5 verteilt angeordnet sind.
Die Figur 8 zeigt eine elektrische Maschine 120, insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator 2 und einen durch einen Luftspalt 22 vom Stator
2 getrennten Rotor 1 . Der Rotor 1 besitzt einen ersten Rotorkörper 3 mit einer ersten Gruppe von Permanentmagneten 6 und einen axial von dem ersten Rotorkörper
3 beabstandeten zweiten Rotorkörper 4 mit einer zweiten Gruppe von Permanentmagneten 61 , was gut aus der Figur 9 hervorgeht.
Koaxial innerhalb des ersten Rotorkörpers 3 und des zweiten Rotorkörpers 4 ist eine Rotorwelle 5 drehmomentübertragend mit dem ersten Rotorkörper 3 und dem zweiten Rotorkörper 4 gekoppelt. Der erste Rotorkörper 3 ist entgegen der Wirkung einer ersten Verdrehsteifigkeit 8, die als Druckfeder oder Bogenfeder ausgebildet ist, gegenüber dem zweiten Rotorkörper 4 mittels eines mechanischen Feldschwächungsmechanismus 7 verdrehbar auf der Rotorwelle 5 gelagert. Zur Übertragung der Teilmomente der beiden Rotorkörper 3,4 auf die Rotorwelle 5 wird ein Hebelelement 10 an mindestens zwei Umfangsstellen innerhalb des Rotors 1 verwendet, unter gleichzeitiger Wirkung der Verdrehsteifigkeit 8 zwischen den Rotorkörpern 3,4. Der mechanische Feldschwächungsmechanismus 7 wird nachfolgend anhand der Figur 10 näher erläutert. Der Figur 10 kann entnommen werden, dass die mit den Hebelanlageabschnitten 12,13,15,16 in Kontakt stehenden Konturen 17 des Hebelelements 10 so gestaltet sind, dass in jeder Betriebsstellung des mechanischen Feldschwächungsmechanismus 7 über dessen vollständigen Verstellweg hinweg in Schnitten senkrecht zur Rotationsachse 18 des Rotors 1 alle Berührpunkte 19,20,21 zwischen den Rotorkörpern 3,4 und dem Hebelelement 10 auf einer geraden Verbindungslinie 23 zwischen der Kippachse 24 des Hebelelements 10 und der Rotationsachse 18 des Rotors 1 angeordnet sind.
Dabei ist das einen ovoidischen Grundkörper 26 umfassende Hebelelement 10 in einer radial nach innen gerichteten, axial durch die Rotorwelle 5 verlaufenden V-för- migen Nut 25 aufgenommen. Die ovoidische, also eiförmige, Form des Grundkörpers 26 lässt sich auch gut aus der Figur 4 erkennen. Der ovoidische Grundkörper 26 wälzt im Betrieb des mechanischen Feldschwächungsmechanismus 7 in der V- förmigen Nut 25 ab. In der Figur 3 sind zur Veranschaulichung dieser Kinematik vier Betriebsstellungen des Hebelelements 10 gezeigt, wobei sich die Rotorwelle 5 entgegen dem Uhrzeigersinn gegenüber dem Rotorkörper 3 bewegt. Zur besseren Sichtbarkeit des kinematischen Prozesses beim Verstellen des Feldschwächungsmechanismus 7 wurde auf die Bezugszeichen in den mit b,c,d bezeichneten Abbildungen der Figur 11 verzichtet.
Man erkennt anhand der Abbildungen der Figur 11 gut, dass die entsprechende Gestaltung des Hebelelements 10, der Hebelanlageabschnitte 12,13,15,16 und der V- förmigen Nut 25 im Ergebnis zu einer schlupffreien Kontaktierung zwischen dem Hebelelement 10, den Rotorkörpern 3,4 und der Rotorwelle 5 führen. Dabei sind das Hebelelement 10, die Hebelanlageabschnitte 12,13,15,16 und die V-förmige Nut geometrisch so gestaltet, dass deren Konturen während der Verkippung des Hebelelements 10 um eine Kippachse 24 und der Rotation der Rotorkörper 3,4 bzw. der Rotorwelle 5 um die Rotationsachse 18 des Rotors 1 aufeinander abwälzen.
Hierzu sind die Konturen 17 des Hebelelements 10 so gestaltet, dass in jeder Stellung des mechanischen Feldschwächungsmechanismus über die ganze vorgesehene Bewegung hinweg in Schnitten senkrecht zur Rotationsachse 18 betrachtet alle Berührpunkte 19,20,21 zwischen den Rotorkörpern 3,4 und dem Hebelelement 10 auf einer geraden Verbindungslinie 23 zwischen der Kippachse 24 des Hebelelements 10 und der Rotationsachse 18 des Rotors 1 liegen.
Das Hebelelement weist somit also drei radial voneinander durch die Berührpunkte 19,20,21 definierte beabstandete Kontaktbereiche auf, die in unterschiedlichen Abständen zur Rotationsachse 18 des Rotors 1 liegen, mit denen er axial mit den beiden Rotorkörpern 3,4 als den zwei Eingängen für das Moment und der Rotorwelle 5 als dem Ausgang für das Moment in Kontakt steht.
Über die definierten Kontaktbereiche der Berührpunkte 20,21 wirken die Teilmomente der beiden Rotorkörper 3,4 so auf das Hebelelement 10, dass die Summe über den Kontaktbereich des Berührpunkts 19 auf die Rotorwelle 5 übertragen wird und gleichzeitig durch ein Kippen des Hebelelements die beiden Rotorkörper 3,4 gegen die Verdrehsteifigkeit 8, die zwischen ihnen herrscht, in die Stellung mit vollem Magnetfeld bei ausgerichteten Magnetpolen der Permanentmagnete 6,61 verdreht werden, was sich gut anhand der verschiedenen Betriebsstellungen, wie sie in der Figur 11 gezeigt sind, nachvollziehen lässt.
Mit dem Hebelelement 10 werden dabei die Teilmomente, die eigentlich in die für diesen Vorgang verkehrte Richtung weisen, in die zielführende Richtung umgesetzt. Entscheidend hierfür ist, dass das größere der beiden Teilmomente, welches die Richtung des Gesamtmoments vorgibt, radial weiter innen am Hebelelement angreift als das kleinere der beiden Teilmomente.
Die Rotorkörper 3,4 bieten für den Kontakt zum Hebelelement 10 in den Berührpunkten 20,21 jeweils Hebelanlageabschnitte 12,13,15,16 auf beiden Abständen zur Rotationsachse 18 an, was sich auf gut in der Figur 5 erkennen lässt. Bei geänderter Richtung des Gesamtmoments in Motor- und Generatorbetrieb kann hierdurch der Kontakt der Berührpunkte 20,21 auf dem Hebelelement 10 die Seite wechseln und es findet in beiden Betriebszuständen die identische Relativverdrehung zwischen den Rotorkörpern 4,4 zur Erzeugung eines geschwächten bzw. vollen Magnetfelds statt. Die Kennlinie der Verdrehsteifigkeit 8 ist so gewählt, dass bei Überschreiten eines festgelegten Mindest-moments der mechanische Feldschwächungsmechanismus 7 aus der Stellung mit maximal geschwächtem Magnetfeld zu verstellen beginnt und bei Erreichen und Überschreiten eines festgelegten höheren Momentes die volle Verstellung in die Stellung mit vollem Magnetfeld vollzogen hat. Die Kennlinie der Verdrehsteifigkeit 8 kann zu diesem Zweck ein Vorspannmoment aufweisen.
Das Hebelelement 10 bildet in seiner nicht verkippter Neutralstellung, die in der Abbildung a der Figur 10 gezeigt ist, mit seinen dann beidseitigen Kontakten an den Berührpunkten 20,21 zu den Rotorkörpern 3,4 an deren Hebelanlageabschnitten
12.13.15.16 gegen ein magnetisches Abstoßmoment zwischen den Rotorkörpern 3,4 und gegen ein Vorspannmoment der Verdrehsteifigkeit 8 einen Anschlag für die Stellung mit maximal geschwächtem Magnetfeld. Wie in der Figur 5 gezeigt, sind hierzu zwischen den Rotorscheiben 29,30 der Rotorkörper 3,4 und der Rotorwelle 5 in Umfangsrichtung wirkende Anschlagverzahnungen 35, 36 gebildet, die rotative Endlagen der Rotorwelle gegenüber den Rotorscheiben 29,30 bzw. den Rotorkörpern 3,4 definieren. Bei Überschreiten des Moments für diese Stellung wird der Hebelmechanismus mittels der Anschlagverzahnungen überbrückt und das gesteigerte Moment direkt von den Rotorkörpern 3,4 auf die Rotorwelle 5 übertragen.
Das Hebelelement 10 ist in zwei freigestellten perspektivischen Ansichten in der Figur 11 gezeigt. Man erkennt anhand dieser Darstellungen gut, dass an dem ovoidi- schen Grundkörper 26 sich in radialer Richtung nach außen heraus erstreckende, bogenartige Krallen 27 zur Anlage mit den radial äußeren Hebelanlageabschnitten
13.16 ausgebildet sind. Hierbei wechseln sich in axialer Richtung die umfänglichen Orientierungen der bogenförmigen Krallen 27 ab. Der Grundkörper 26 ist dabei hohl ausgebildet und weist in axialer Richtung ebenfalls abwechselnd angeordnete konvexe Bogenabschnitte 38,39 auf, wobei eine Gruppe von Bogenabschnitten 38 dem ersten Rotorkörper 3 und die andere Gruppe von Bogenabschnitten 39 dem zweiten Rotorkörper 4 zugeordnet sind.
An den radial inneren Anlageflächen 41 ,42 der Bogenabschnitte 38,39 des Hebelelements 10 befindet sich der radial innere Berührpunkt 19 mit dem Hebelanlageabschnitt 12,15 der Rotorkörper 3,4. Die radial äußeren Anlageflächen 43,44 an den bogenförmigen Krallen 27 des Hebelelements 10 stellen den Berührpunkt 21 mit den Rotorkörpern 3,4 zur Verfügung. Radial dazwischen sind die Anlageflächen 45,46 an dem ovoidischen Grundkörper 26 ausgebildet, die den Berührpunkt 20 mit den Rotorkörpern 3,4 ausbilden. Dies lässt auch noch einmal gut aus der Zusammenschau der Figur 4 mit der Figur 10 erkennen.
Die Krallen 27 sowie ein Abschnitt des ovoidischen Grundkörpers 26 greifen zur Kontaktierung der Rotorkörper 3,4 in dafür in diesen vorgesehenen Taschen 37 radial ein, was sich insbesondere gut anhand der Figur 12 nachvollziehen lässt. Die Taschen 37 besitzen eine atompilzartige Kontur mit am radial inneren Abschnitt umfänglich nach innen hin gerichteten Öffnungsschultern 47. An diesen Öffnungsschultern 47 der Taschen 37 ist der Hebelanlageabschnitt 12,15 der Rotorkörper 3,4 ausgebildet. Die radial äußeren Hebelanlageabschnitte 13,16 sind in den Taschen 37 ausgeformt.
Das Hebelelement 10 ist radial über einen sich gegenüber dem und koaxial zum Rotor 1 drehbaren Sicherungsring 28 gesichert, was in der Figur 13 gezeigt ist. Damit wird die Fliehkraft des Hebelelements 10 im Rotor 1 abgestützt und seine radiale Position gesichert. Zur Minimierung von Reibung an den Abstützstellen können die Konturen der kontaktierenden Flächen zwischen dem Hebelelement 10 und dem Sicherungsring 28 auch so gestaltet sein, dass sie aufeinander abwälzen. Hierzu sind die nicht näher bezeichneten axial äußeren Krallen des Hebelelements 10 vorgesehen, die eine von den Krallen 27 abweichende Ausgestaltung aufweisen, was auch gut der Figur 11 zu entnehmen ist. Diese nicht näher bezeichneten axial äußeren Krallen greifen in dafür vorgesehene Taschen der Sicherungsringe 28 ein.
Der erste Rotorkörper 3 besteht aus einer Mehrzahl an Rotorscheiben 29, welche in axialer Richtung abwechselnd mit Rotorscheiben 30 des zweiten Rotorkörpers 4 angeordnet sind. Die Rotorscheiben 29 des ersten Rotorkörpers 3 sind über sich achsparallel zur Rotationsachse 18 des Rotors 1 erstreckende erste Verbindungsmittel 131 zu einer baulichen Einheit und die Rotorscheiben 30 des zweiten Rotorkörpers 4 über sich achsparallel zur Rotationsachse 18 des Rotors 1 erstreckende zweite Verbindungsmittel 132 zu einer baulichen Einheit verbunden, was sich gut anhand der Figur 14 nachvollziehen lässt. Zwischen benachbarten Rotorscheiben 29 des ersten Rotorkörpers 3 ist an den ersten Verbindungsmitteln 131 jeweils eine Abstandshülse 33 sowie zwischen benachbarten Rotorscheiben 30 des zweiten Rotorkörpers 4 an den zweiten Verbindungsmitteln 132 jeweils eine Abstandshülse 34 angeordnet.
Die Verbindungsmittel 131 ,132 tragen an zugehörigen Abstandshülsen 33,34 Führungselemente 48 für das eine Ende von einer in Umfangsrichtung wirkenden Verdrehsteifigkeit 8. Deren anderes Ende liegt in einer nicht näher bezeichneten Aussparung der betreffenden Rotorscheibe des Rotorkörpers 3,4 an. Über die Verdrehsteifigkeit 8, die Führungselemente 48, die Abstandshülsen 33,34 und schließlich die Verbindungsmittel 131 ,132 ist von beiden Rotorkörpern 3,4 aus eine Verdrehsteifigkeit 8 zum jeweils anderen Rotorkörper 3,4 gebildet, vorzugsweise so, dass die beiden Verdrehsteifigkeiten 8 in Richtung der Relativverdrehung, die ein stärkeres Magnetfeld bedeutet, in einer Parallelschaltung Zusammenwirken. Die beiden Rotorkörper 3,4 sind jeweils an den stirnseitigen Rotorscheiben mit Wälz- o- der Gleitlagern auf der Rotorwelle 5 gelagert. Der Rotor 1 kann an zwei stirnseitigen Wuchtscheiben 49, die Bestandteil des ersten Rotorkörpers 3 sind, ausgewuchtet werden.
Die Figuren 15-19 zeigen einen Feldschwächungsmechanismus 7 umfassend ein Hebelelement 10 mit einem Hebelschwerpunkt 52, das um eine Kippachse 53 schwenkbar ist. Diese in den Figuren 15-19 mit dem Bezugszeichen 53 versehene Kippachse 53 entspricht der mit dem Bezugszeichen 24 referenzierten Kippachse in der Figur 10. Wie in den vorherigen Figuren ist auch hier der erste Rotorkörper 3 mit einem ersten Hebelabschnitt 31 und der zweite Rotorkörper 4 mit einem zweiten Hebelabschnitt 32 des Hebelelements 10 koppelbar, wobei der erste Hebelabschnitt 31 und der zweite Hebelabschnitt 32 auf entgegengesetzten Seiten des Hebels 10 angeordnet sind, so dass der erste Rotorkörper 3 und der zweite Rotorkörper 4 durch ein Kippen des Hebelelements 10 für eine gewünschte Verstellung des mechanischen Feldschwächungsmechanismus 7 zielführend, relativ zueinander verdrehbar sind. Hierbei sind der Hebelschwerpunkt 52 und die Kippachse 53 des Hebelelements 10 im Stillstand der elektrischen Maschine 120 voneinander beab- standet. Die Lage von Hebelschwerpunkt 52 und Hebelkippachse 53 kann durch eine passende Matenalverteilung innerhalb des Hebelelements 10 durch z.B. Formgestaltung, Zusatzmassen oder Materialentfernungen festgelegt werden. Entscheidend für die Verkippung des Hebelelements 10 und damit für die Stärke des Magnetfelds in der zugehörigen Stellung der Rotorkörper 3,4 ist das Kräfte- und Momentengleichgewicht am Hebelelement 10, wie es auch in der Figur 16 gezeigt ist. In dieses Kräfte- und Momentengleichgewicht gehen ein:
• die aus der Verdrehsteifigkeit 8 zwischen den Rotorkörpern 3,4 und den elektromagnetischen Teilmomenten auf die Rotorkörper 3,4 infolge der Stator- bestromung resultierenden Kräfte 80 und 82 an den Kontaktpunkten des Hebelelements 10 zu den Rotorkörpern 3,4.
• die Kraft 83 aus der Übertragung des Gesamtmoments im Kontaktpunkt des Hebelelements 10 zur Rotorwelle 5,
• die drehzahlabhängige Fliehkraft 81 im Hebelschwerpunkt 52,
• sowie als Hebelarme die Abstände der Wirklinien aller genannten Kräfte zu einer festgelegten Hebelkippachse 53.
Durch Festlegung der Lage des Hebelschwerpunkts 52 und der Hebelkippachse 53 lassen sich hierbei in Verbindung mit den anderen genannten Einflüssen grundsätzlich verschiedene Verstellverhalten über Moment und Drehzahl darstellen, was nachstehend näher erläutert wird.
Soll das Verstellverhalten ausschließlich vom Moment abhängen, müssen der Hebelschwerpunkt 52 und die Hebelkippachse 53 in ihrer axialen Projektion zusammenfallen. Legt man den Hebelschwerpunkt 52 radial weiter nach innen als die Hebelkippachse 53, unterstützt die Fliehkraft 81 den Verstellvorgang, wodurch es bei höheren Drehzahlen bereits bei niedrigeren Momenten zu einem kompletten Verstellen kommt. Aus der Figur 15 ist diese Ausführung ersichtlich, bei der der Hebelschwerpunkt 52 des Hebelelements 10 im Stillstand der elektrischen Maschine 120 unterhalb der Kippachse 53 liegt. Legt man umgekehrt den Hebelschwerpunkt 52 radial weiter nach außen als die Hebelkippachse 53, hemmt die Fliehkraft 81 den Verstellvorgang, wodurch es bei höheren Drehzahlen erst bei höheren Momenten zu einem kompletten Verstellen kommt. In der Figur 17 ist diese Konfiguration gezeigt, bei der der Hebelschwerpunkt 52 des Hebelelements 10 im Stillstand der elektrischen Maschine 120 oberhalb der Kippachse 53 liegt.
Die Figuren 15 und 17 haben Ausführungsformen des Hebelelements 10 gezeigt, bei denen im Stillstand der elektrischen Maschine 120 der Hebelschwerpunkt 52 in einer Ebene 54 liegt, die von der Drehachse 119 und Hebelkippachse 53 aufgespannt wird. Hierdurch wird ein identisches Verstellverhalten für die Kennfelder in Motor- und Generatorbetrieb ermöglicht.
In den Figuren 18-19 sind Ausgestaltungsvarianten gezeigt, bei denen im Stillstand der elektrischen Maschine 120 der Hebelschwerpunkt 52 abseits der Ebene 54 liegt, die von der Drehachse 119 und Hebelkippachse 53 aufgespannt wird. Liegt der Hebelschwerpunkt 52 links oder rechts neben der Ebene 54, resultiert ein asymmetrisches Verstellverhalten und in einer Betriebsart kommt es bei niedrigerem Moment zu einem Beginn des Verstellens als bei der anderen, da der Effekt der radialen Lage des Hebelschwerpunkts zu Beginn verstärkt bzw. abgeschwächt wird.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung 'erste' und 'zweite' Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen. Bezuqszeichenliste
1 Rotor
2 Stator
3 erster Rotorkörper
4 zweiter Rotorkörper
5 Rotorwelle
6 erste Gruppe von Permanentmagneten
7 Feldschwächungsmechanismus
8 Verdrehsteifigkeit
10 Hebelelement
11 erstes Hebelfenster
12 Hebelanlageabschnitt
13 Hebelanlageabschnitt
14 zweites Hebelfenster
15 Hebelanlageabschnitt
16 Hebelanlageabschnitt
17 Konturen
18 Rotationsachse
19 Berührpunkt
20 Berührpunkt
21 Berührpunkt
22 Luftspalt
23 Verbindungslinie
24 Kippachse
25 Nut
26 Grundkörper
27 Krallen
28 Sicherungsring
29 Rotorscheiben
30 Rotorscheiben
31 erster Hebelabschnitt
32 zweiter Hebelabschnitt
33 Abstandshülse 34 Abstandshülse
35 Anschlagverzahnung
36 Anschlagverzahnung
37 Taschen
38 Bogenabschnitt
39 Bogenabschnitt
41 Anlagefläche
42 Anlagefläche
43 Anlagefläche
44 Anlagefläche
45 Anlagefläche
46 Anlagefläche
47 Öffnungsschulter
48 Führungselemente
49 Wuchtscheiben
52 Hebelschwerpunkt
53 Kippachse
54 Ebene
61 zweite Gruppe von Permanentmagneten
80 Kraft
81 Fliehkraft
83 Kraft
117 Betriebsstellung
118 Betriebsstellung
119 Drehachse
120 elektrische Maschine
131 Verbindungsmittel
132 Verbindungsmittel

Claims

Ansprüche Elektrische Maschine (120), insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator (2) und einen durch einen Luftspalt (22) vom Stator
(2) getrennten Rotor (1 ), wobei der Rotor (1 ) wenigstens einen ersten Rotorkörper (3) mit einer ersten Gruppe von Permanentmagneten (6) und einen zweiten Rotorkörper (4) mit einer zweiten Gruppe von Permanentmagneten (61 ) aufweist, wobei der erste Rotorkörper (3) und der zweite Rotorkörper (4) relativ zueinander entgegen der Wirkung einer ersten Verdrehsteifigkeit (8) um eine gemeinsame Drehachse (119) mittels eines mechanischen Feldschwächungsmechanismus (7) verdrehbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldschwächungsmechanismus (7) ein Hebelelement (10) mit einem Hebelschwerpunkt (52) umfasst, das um eine Kippachse (53) schwenkbar ist, wobei der erste Rotorkörper (3) mit einem ersten Hebelabschnitt (31 ) und der zweite Rotorkörper (4) mit einem zweiten Hebelabschnitt (32) des Hebelelements (10) koppelbar ist und der erste Hebelabschnitt (31 ) und der zweite Hebelabschnitt (32) auf entgegengesetzten Seiten des Hebels (10) angeordnet sind, so dass der erste Rotorkörper
(3) und der zweite Rotorkörper (4) durch ein Kippen des Hebelelements (10) für eine gewünschte Verstellung des mechanischen Feldschwächungsmechanismus (7) zielführend, relativ zueinander verdrehbar sind, wobei der Hebelschwerpunkt (52) und die Kippachse (53) des Hebelelements (10) im Stillstand der elektrischen Maschine (120) voneinander beabstandet sind. Elektrische Maschine (120) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelschwerpunkt (52) des Hebelelements (10) im Stillstand der elektrischen Maschine (120) unterhalb der Kippachse (53) liegt. Elektrische Maschine (120) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelschwerpunkt (52) des Hebelelements (10) im Stillstand der elektrischen Maschine (120) oberhalb der Kippachse (53) liegt.
4. Elektrische Maschine (120) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Stillstand der elektrischen Maschine (120) der Hebelschwerpunkt (52) in einer Ebene (54) liegt, die von der Drehachse (119) und Hebelkippachse (53) aufgespannt wird.
5. Elektrische Maschine (120) nach einem der vorherigen Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass im Stillstand der elektrischen Maschine (120) der Hebelschwerpunkt (52) abseits der Ebene (54) liegt, die von der Drehachse (119) und Hebelkippachse (53) auf- gespannt wird.
PCT/DE2023/100633 2022-09-28 2023-08-31 Elektrische maschine WO2024067905A1 (de)

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