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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine nach dem Axialflussprinzip für einen Antrieb eines Kraftfahrzeuges, wie eines Pkws, Lkws, Busses oder sonstigen Nutzfahrzeuges, mit einem drehbar gelagerten Rotor, wobei der Rotor mit mehreren in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Permanentmagneten ausgestattet ist, sowie mit einem gehäusefest aufgenommenen, mehrere elektrisch ansteuerbare Magnete (und somit hinsichtlich ihrer Magnetisierung ansteuerbaren Magnete) aufweisenden ersten Stator.
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Gattungsgemäße elektrische Maschinen sind aus dem Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Diesbezüglich offenbart die
US 2011/0285238 A1 bspw. einen Motor mit einem doppelten Stator. Weiterer Stand der Technik ist mit der
US 6,172,438 B1 , der
US 2006/0028093 A1 sowie der
US 4,463,302 A offenbart. Für Elektrofahrzeuge, wie sie im Stand der Technik umgesetzt sind, besteht prinzipiell der Vorteil, dass sie den elektrischen Antriebsmotor auch bei Geschwindigkeiten, wie sie bspw. auf einer Autobahnfahrt umgesetzt werden, oder darüber hinaus, in einem optimalen Betriebs- / Drehzahlbereich halten können.
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Bei den aktuell vorhandenen Konstruktionen des Standes der Technik wird jedoch häufig ein Mehrganggetriebe hinzugefügt, das den Nachteil aufweist, dass es ein deutlich erhöhtes Gewicht des Kraftfahrzeuges sowie einen deutlichen Komplexitätsanstieg bewirkt. Alternativ oder zusätzlich hierzu bewirkt ein weiterer zweiter Motor mit einem unterschiedlichen Arbeitsbereich / einer unterschiedlichen Geschwindigkeit, dass die Masse des Kraftfahrzeuges und zusätzlich der Bauraumbedarf ansteigen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beheben und insbesondere eine elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, die einen Betrieb des Kraftfahrzeuges mit zumindest zwei unterschiedlichen Arbeitsdrehzahlen ermöglicht, wobei diese möglichst kompakt und mit einem geringen Gewicht ausgebildet sein soll.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass neben dem ersten Stator ein ebenfalls mehrere elektrisch ansteuerbare Magnete aufweisender zweiter Stator vorhanden ist und die beiden Statoren axial neben einem die Permanentmagnete aufnehmenden Aufnahmering des Rotors angeordnet sind.
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Dadurch wird eine duale elektrische Maschine zur Verfügung gestellt, bei der lediglich der Stator doppelt auszuführen ist, wobei ein einziger Rotor vorhanden ist, der mit den entsprechenden Antriebsbestandteilen des Antriebsstranges weiter verbunden ist. Dadurch ist ein effektiver Antriebsstrang durch eine elektrische Maschine betreibbar, die einen geringen Bauraum sowie ein geringes Gewicht aufweist.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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Diesbezüglich ist es zudem vorteilhaft, wenn der erste Stator zu einer ersten axialen Seite des Aufnahmerings und der zweite Stator auf einer, der ersten axialen Seite abgewandten, zweiten axialen Seite des Aufnahmerings angeordnet ist. Dadurch ergibt sich eine besonders radial kompakte Bauweise.
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Sind die Magnete des ersten Stators unabhängig von den Magneten des zweiten Stators ansteuerbar, wird eine besonders einfache Regelbarkeit der elektrischen Maschine gewährleistet.
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Unterscheiden sich die Magnete des ersten Stators in ihrer Ausbildung, vorzugsweise der Windungsausbildung / -anzahl und/oder Anzahl von den Magneten des zweiten Stators, wird die unterschiedliche Ansteuerbarkeit auch konstruktiv einfach umgesetzt.
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In anderen Worten ausgedrückt, ist somit erfindungsgemäß ein Elektromotor (elektrische Maschine) nach dem Axialflussprinzip mit zwei möglichen Geschwindigkeiten / Drehzahlbereichen umgesetzt. Demnach ist ein einziger Elektromotor mit den effizienten Drehzahlbereichen von zwei verschiedenen Motoren betreibbar. Somit wird ein zweistufiger Elektromotor geschaffen, der besonders wenig Teile und zugleich weniger Platz benötigt. Der Elektromotor weist einen größeren Drehzahlbereich auf, wobei er zugleich weniger als zwei separate Motoren wiegt. Auch ist der erfindungsgemäße Elektromotor weniger komplex als die in Verbindung mit mehrgängigen Getrieben eingesetzten Elektromotoren umgesetzt. Im Falle einer begrenzten Energieversorgung (DC-Batterie) kann dies zusätzlich zu einer effektiven Reichweiten- / Betriebsdauerverlängerung führen. Somit ist ein einziger Elektromotor nach dem Axialflussprinzip geschaffen, der mit zwei verschiedenen Statorausbildungen umgesetzt ist. Jeder (Elektromagnet-) Stator wird als eine einzige Motorkupplung mit dem Permanentmagnet-Rotor angesehen, wodurch die Möglichkeit besteht, einen optimalen Wirkungsgrad für niedrige Drehzahlen auf der einen Seite und einen optimalen Wirkungsgrad für hohe Drehzahlen auf der anderen Seite (der eigenen Rotorbaugruppe) zu entwickeln. Die Erfindung hat die einzigartigen Eigenschaften, sowohl für ein Anfahren / niedrige Geschwindigkeiten als auch für hohe Geschwindigkeiten in einem hocheffizienten Bereich zu laufen, was zu einem Elektromotor führt, der dual abgestimmt ist, um einen besseren Wirkungsgrad für den gesamten Drehzahlbereich zu erreichen.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei zwei seitlich eines Rotors angeordnete Statoren der Übersichtlichkeit halber ohne Windungen dargestellt sind,
- 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung der Elektromaschine nach 1,
- 3 eine schematische Darstellung der in den 1 und 2 umgesetzten elektrischen Maschine, aus der die Ansteuerbarkeit der Statoren gut hervorgeht,
- 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Drehmoment-Drehzahl-Verlaufs der beiden in den 1 bis 3 eingesetzten Statoren,
- 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 6 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine nach einem dritten Ausführungsbeispiel,
- 7 eine perspektivische Darstellung der elektrischen Maschine nach 1 in einem vollständig aufgeschobenen Zustand der beiden Statoren,
- 8 eine Längsschnittdarstellung eines Teils der elektrischen Maschine nach 1, wobei ein erster Stator auf einer Rotorwelle des Rotors aufgeschoben ist,
- 9 eine Längsschnittdarstellung eines Aufnahmerings des Rotors in einem teilmontierten Zustand, wobei die Permanentmagnete des Rotors noch nicht vollständig in Aufnahmelöcher des Aufnahmerings eingeschoben sind, sowie
- 10 eine Längsschnittdarstellung eines in 1 ebenfalls auf die Rotorwelle aufgeschobenen zweiten Stators der elektrischen Maschine.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In Verbindung mit 1 ist eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 1 hinsichtlich ihres prinzipiellen Aufbaus gut zu erkennen. Die elektrische Maschine 1 ist als eine elektrische Maschine 1 umgesetzt, die in zwei unterschiedlichen Drehzahlbereichen betreibbar ist. Sie ist somit als eine duale elektrische Maschine 1 realisiert. Die elektrische Maschine 1 ist als eine Antriebsmaschine eines (vorzugsweise rein elektrisch angetriebenen; alternativ hybridisch angetriebenen) Kraftfahrzeuges umgesetzt.
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Die elektrische Maschine 1 weist einen einzigen Rotor 2 auf, der um eine zentrale Drehachse, zu der die dargestellte Rotorwelle 10 des Rotors 2 koaxial angeordnet ist, verdrehbar gelagert ist. Der Rotor 2 ist als ein permanent magnetisierter Rotor 2 realisiert. Der Rotor 2 weist mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Permanentmagnete 3 auf, wobei sich die unmittelbar aufeinanderfolgenden Permanentmagnete 3 hinsichtlich ihrer stirnseitigen Magnetisierung abwechseln (wie in 1 mit S und N gekennzeichnet). Die Permanentmagnete 3 sind, wie auch besonders gut in den 2 und 9 zu erkennen, in Aufnahmelöchern 11 eines Aufnahmerings 8 des Rotors 2 fest aufgenommen. Der Aufnahmering 8 ist fest auf der Rotorwelle 10, nämlich im Bereich eines radial nach außen erweiterten Flanschbereiches 12 der Rotorwelle 10, angebracht.
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Erfindungsgemäß ist versetzt zu dem Rotor 2, je axialer Seite 9a, 9b, ein Stator 5, 7 vorhanden. Ein erster Stator 5 ist zu einer ersten axialen Seite 9a des Rotors 2 angeordnet, während ein zweiter Stator 7 zu einer zweiten axialen Seite 9b des Rotors 2 hin angeordnet ist. Ein beispielhaft umgesetzter zweiter Stator 7 ist mit den 8 und 10 veranschaulicht. Hinsichtlich der Anordnung ist in dem fertig montierten Zustand nach 7 zu erkennen, dass unter den axialen Seiten 9a, 9b jene des Aufnahmerings 8 zu verstehen sind. Die Rotorwelle 10 durchdringt dabei den ringförmig ausgebildeten ersten Stator 5 sowie den ringförmig ausgestalteten zweiten Stator 7. Der Aufnahmering 8 ist axial zwischen den Statoren 5, 7 positioniert. Die Statoren 5 und 7 sind in dieser Ausführung der Übersichtlichkeit halber ohne Wicklungen veranschaulicht. In der bevorzugten Ausführung unterscheiden sich diese Statoren 5 und 7 jedoch hinsichtlich der Wicklungsanzahl sowie der ausgebildeten Anzahl an ersten und zweiten Statormagneten 4, 6.
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Mit 3 ist ein bevorzugtes Schaltbild der elektrischen Maschine 1 dargestellt. Die elektrische Maschine 1 weist für den ersten Stator 5, der bevorzugt für einen niedrigeren Drehzahlbereich eingesetzt ist, eine separate bürstenlose Motoransteuereinheit (erste Ansteuereinheit 13) auf. Die erste Ansteuereinheit 13 ist weiter mit einer Steuereinheit 14 zur Leistungsverzweigung verknüpft. Die Steuereinheit 14 ist weiter mit einer Energiequelle, nämlich einer Batterie 16, sowie mit Sensoren 15 verknüpft, die lediglich schematisch dargestellt sind. Mit der Steuereinheit 14 ist auch eine zweite Ansteuereinheit 17 verknüpft, die steuernd auf den zweiten Stator 7 einwirkt. Auch die zweite Ansteuereinheit 17 ist als bürstenlose Motoransteuereinheit umgesetzt. Der zweite Stator 7 weist einen höheren Drehzahlbereich auf als der erste Stator 5.
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Der erste Stator 5 ist mit mehr Windungen als der zweite Stator 7 ausgestattet, was zum Umsetzen eines höheren Drehmomentes sowie einer niedrigeren Drehzahlen (in einem ersten Betriebszustand) führt, was prinzipiell auch in Verbindung mit 4 zu erkennen ist. Der zweite Stator 7 ist folglich mit weniger Windungen als der erste Stator 5 versehen, was zu einem niedrigeren Drehmoment sowie zu einer höheren Drehzahl (in einem zweiten Betriebszustand) führt.
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Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel nach 5 ist auch zu erkennen, dass je bürstenloser Ansteuereinheit 13, 17 eine eigene Steuereinheit 14 zur Leistungsverzweigung anbringbar ist, die über einen Eingang 18 mit der jeweiligen Ansteuereinheit 13, 17 verknüpfbar ist. Die Sensoren 15 sind mit jeder der beiden Steuereinheiten 14 verknüpft.
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Ein weiteres drittes Ausführungsbeispiel ist in 6 dargestellt. Dabei ist es auch möglich, je Stator 5, 7 eine Gruppe an eigens angeordneten Permanentmagneten 3 in dem Aufnahmering 8 anzubringen. Dabei ist eine entsprechende Isolationsschicht / ein Isolationselement 19 zwischen einer mit dem ersten Stator 5 in Wechselwirkung stehenden ersten Gruppe an Permanentmagneten 3 sowie einer mit dem zweiten Stator 7 in Wechselwirkung stehenden zweiten Gruppe an Permanentmagneten 3 angeordnet. Die Energieversorgung der Steuereinheit 14 zur Leistungsverzweigung und der Ansteuereinheiten 13, 17 erfolgt über einen DC-Bus (Haupt-DC-Bus zur DC-Energiequelle, DC-Bus A für den ersten Stator 5 und DC-Bus B für den zweiten Stator 7).
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In anderen Worten ausgedrückt, ist erfindungsgemäß ein einzelner Elektromotor 1 nach dem Axialflussprinzip verwendet, wobei unterschiedliche Statorausführungen, entweder in Polen, in Wicklungen oder beidem umgesetzt sind. Es werden zwei Drehzahlregler benötigt, die die Leistung von einer übergeordneten „Power Split“-Steuerung 14 aufteilen / teilen. Diese Konstruktion ist für einen Permanentmagnet-Rotor 2 vorgesehen, der zwischen nach dem Axialflussprinzip arbeitenden Elektromagnet-Statoren 5, 7 zu beiden Seiten 9a, 9b angeordnet ist und sich in sehr enger Nähe zu den Rotormagneten 3 befindet. Jeder EM (Elektromagnet)-Stator 5, 7 wird als eine einzige Motorkupplung mit dem PM (Permanentmagnet)-Rotor 2 behandelt, wodurch die Möglichkeit besteht, einen optimalen Wirkungsgrad für niedrige Drehzahlen auf der einen Seite und einen optimalen Wirkungsgrad für hohe Drehzahlen auf der anderen Seite (der einzelnen Rotorbaugruppe) zu erzielen. Da jeder Stator 5, 7 die Freiheit eines separaten Designs hat, steht es dem Konstrukteur frei, eine Delta- oder Wye-Konfiguration der Wicklungen sowie ein einfaches Teilungsverhältnis der Wicklungen pro Stator 5, 7 zu verwenden. Beispielsweise weist der linke (erste) Stator 50 Wicklungen pro Pol auf, während der rechte (zweite) Stator 30 Wicklungen pro Pol aufweist. Auf diese Weise ist die Konfiguration in der Lage, primär (oder vollständig) in der effizientesten Konfiguration für die Anforderungen des Motors 1 an die Drehzahl zu arbeiten. Dies führt zu einem zweistufigen Motor 1, der weniger Teile und weniger Platz benötigt, als dies bei zwei separaten Motoren der Fall wäre.
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Da somit ein Elektromotor 1 hervorgebracht wird, der effektiv zwei Motoren in einem darstellt (mit Kupplungsparametern, die frei für optimale hohe und niedrige Betriebsbereiche ausgelegt werden können), hat er die einzigartigen Eigenschaften, in hocheffizienten Bereichen sowohl für ein Anfahren / eine niedrige Drehzahl als auch für hohe Drehzahlen betrieben werden zu können, was zu einem Motor 1 führt, der dual abgestimmt ist, um einen besseren Wirkungsgrad über den gesamten Drehzahlbereich zu erreichen. Ein zweiter Vorteil ist, dass dies zu einem noch größeren Drehzahlbereich führen kann als bei bestehenden Konstruktionen. Das Ergebnis ist daher ein zweistufiger Motor 1, der weniger Teile verbraucht, weniger Platz benötigt, einen noch größeren Drehzahlbereich haben kann und somit weniger wiegt als zwei separate Motoren, die für die gleiche Leistung erforderlich wären.
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Der erfindungsgemäße Gegenstand betrifft einen Elektromotor 1, der zum Umsetzen zweier Drehzahlen (doppelt abgestimmte Statoren 5, 7) nach dem Axialflussprinzip ausgelegt ist. Der Elektromotor 1 besteht aus einer Rotorbaugruppe 2, die mit Abtriebswellen 10 und Befestigungsnabe 12 als eine Einheit dargestellt ist, einem magnethaltenden Rotorabschnitt 8 und einer Anzahl von Permanentmagneten 3 sowie den Statoren 5 und 7 auf jeder Seite der Rotorbaugruppe 2, wie dargestellt. Die Wicklungen sind auf den Statorpolen nicht dargestellt, da es offensichtlich ist, dass sie mit isoliertem Draht (typischerweise Magnetdraht) zu wickeln sind, um einen Arbeitsmotor 1 mit Elektromagneten 4, 6 herzustellen. Es versteht sich, dass diese Teile 5, 7 in einem Motorgehäuse montiert werden, in dem die Abtriebswelle 10 von Lagern getragen wird, wobei die Statoren 5, 7 an inneren Enden des Gehäuses (oder einer am Gehäuse montierten Zwischenstruktur) montiert werden und das Gehäuse ein Spiel für die Drehung des Rotors 2 sowie einen Weg / Stecker für die Steuerdrähte beider Statoren 5, 7 zum Ein- und Austreten in die Baugruppe aufzuweisen hat.
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Der Betrieb wird durch zwei bürstenlose (dreiphasige) Motorsteuerungen 13, 17 ermöglicht, die mit den drei Wicklungen des jeweiligen anzusteuernden Stators 5, 7 verbunden sind, wobei diese Motorsteuerungen 13, 17 so bestimmt sind, dass sie einen Prozentsatz der verfügbaren Gesamtleistung verwenden, der durch eine Leistungsverzweigungssteuerung 14 festgelegt wird, und wobei die Leistungsverzweigungssteuerung 14 wiederum so programmiert ist, dass sie den Prozentsatz jeder Motorsteuerung zwischen 0% und 100% einstellt, wie er für einen möglichst effizienten Betrieb auf Grundlage verschiedener Eingangsgrößen am besten geeignet ist. Zu den Eingangsgrößen gehören die Drehzahl der Motorsteuerung A 13, die Drehzahl der Motorsteuerung B 17, der Leistungs-/ Drosselklappeneingang und andere relevante Faktoren für die Effizienz der Konstruktion.
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Es werden verschiedene Schaltpläne (3, 5 und 6) zur Verfügung gestellt, die ausgebildet sind, die erfindungsgemäße Maschine 1 zu steuern, die sich aber nicht auf diese Beispiele beschränken. Es versteht sich, dass das als Leistungsverzweigungsregler 14 identifizierte Element manuell gesteuert werden kann oder die Steuerung durch Softwareprogrammierung durchgeführt werden kann, die es den beiden Motorsteuerungen 13, 17 ermöglicht, miteinander zu kommunizieren und das gleiche Ergebnis zu erzielen.
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Schließlich wird auch ein Kurvendiagramm (4) dargestellt, das den Betriebsbereich von zwei Motoren mit den Bezeichnungen A und B identifiziert. Diese Kurve zeigt den primären Betriebsbereich für jeden Motor sowie den Umschaltpunkt, wobei Motor A primär für das Anlaufmoment und den Betrieb bei niedriger Drehzahl und Motor B primär für den Betrieb im oberen Bereich vorgesehen ist. Wie bereits erwähnt, kann der Betrieb zwischen Motor A und Motor B geteilt werden, um die Gesamtleistung und die Drehzahl mit dem besten Wirkungsgrad basierend auf dem Design und den gewünschten Leistungsanforderungen zu erreichen.
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Es ist die Absicht dieser Konstruktion, eine bessere Lösung als alle aktuellen Elektromotoranwendungen zu finden, bei denen ein großer Drehzahlbereich von einer effizienten Optimierung über den gesamten Betriebsdrehzahlbereich profitiert. Dies gilt insbesondere für die meisten E-Achsen-Konstruktionen, die für Kraftfahrzeuge verwendet werden, sowie für viele industrielle Anwendungen, bei denen der Energieverbrauch ein Faktor für weite Drehzahlbereiche ist oder bei denen ein größerer Drehzahlbereich erforderlich ist, der beim Anfahren noch ein hohes Drehmoment beibehält.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Rotor
- 3
- Permanentmagnet
- 4
- erster Statormagnet
- 5
- erster Stator
- 6
- zweiter Statormagnet
- 7
- zweiter Stator
- 8
- Aufnahmering
- 9a
- erste axiale Seite
- 9b
- zweite axiale Seite
- 10
- Rotorwelle
- 11
- Aufnahmeloch
- 12
- Flanschbereich
- 13
- erste Ansteuereinheit
- 14
- Steuereinheit
- 15
- Sensor
- 16
- Batterie
- 17
- zweite Ansteuereinheit
- 18
- Eingang
- 19
- Isolationselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0285238 A1 [0002]
- US 6172438 B1 [0002]
- US 2006/0028093 A1 [0002]
- US 4463302 A [0002]
