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Die Erfindung betrifft Elektromotoren für einen Kraftfahrzeug- oder Nebenaggregatsantrieb, mit einer Welle zur Drehmomentausgabe, wobei die Welle zumindest mit einem Rotor drehfest verbunden ist, wobei der zumindest eine Rotor im Betrieb mit einem ihm zugeordneten Stator in Wirkbeziehung steht. Erfindung liegt insbesondere auf dem Gebiet von Elektromotoren mit Feldverstärkung, beispielweise eine Axialflussmaschine und eine Radialflussmaschine.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Elektromotoren/Elektromaschinen mit Feldschwächung bekannt. Die Feldschwächung erfolgt zum Beispiel mittels Erzwingens einer phasenverschobenen Bestromung von Wicklungen oder mittels mechanischer Verstellung / Veränderung im Motor selbst, die den magnetischen Fluss durch die Wicklungen reduziert. Der Zustand ohne Feldschwächung (mit hohen induzierten Spannungen an den Wicklungsenden bei gegebener Drehzahl) ist hierbei der Normalzustand. Die Feldschwächung kommt bei hohen Drehzahlen des Elektromotors zum Einsatz. Diese dient dazu, einen möglichst breiten Drehzahlbereich nutzen zu können. Hierbei wird eine an Klemmen der Wicklungen des Elektromotors induzierte Spannung begrenzt.
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Der Stand der Technik hat jedoch immer den Nachteil, dass für die Feldschwächung eine Aktivierungsleistung oder andere verlustbehaftete Aktivierung benötigt wird, wobei im allgemeinen Betrieb die Zeiten mit Feldschwächung einen Großteil der Gesamteinsatzzeit ausmachen.
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Es ist also die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu mildern. Insbesondere soll ein verlustoptimierter Betrieb des Elektromotors über einen weiten Drehzahl- und Drehmomentbereich bei Betrachtung des Gesamtsystems über der gesamten Einsatzdauer bereitgestellt werden.
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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bauliche Mittel dem zumindest einen Rotor zugeordnet sind, um eine Feldverstärkung in einem Luftspalt zwischen dem zumindest einen Rotor und dem Stator im Betriebszustand einer gewünschten magnetischen Flussdichte, insbesondere im Betriebszustand einer hervorzurufenden Drehmomenterhöhung, in dem Luftspalt zu erzwingen.
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Hierdurch lässt sich also ein optimierter Betrieb des Elektromotors bereitstellen.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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Die baulichen Mittel können zum Betätigt werden aufgrund einer Aktivierungsenergie oder Aktivierungsleistung vorbereitet sein.
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Die baulichen Mittel können mindestens ein mechanischer Aktor sein. Der mindestens eine mechanische Aktor kann auf den zumindest einen Rotor wirken, um eine Verstellung des zumindest einen Rotors näher an den Stator heran beim Betriebszustand der gewünschten magnetischen Flussdichte zu bewirken.
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Der Elektromotor kann gemäß einem Beispiel eine Axialflussmaschine sein. Der zumindest eine Rotor kann zwei Rotoren aufweisen. Die Rotoren können jeweils axial verschiebbar zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position gelagert sein. Der Stator kann sich zwischen den zwei Rotoren befinden und die Welle umgeben. Der Stator und die Rotoren können jeweils den Luftspalt zueinander bilden. Der Luftspalt kann in der ersten Position minimal und in der zweiten Position maximal sein. Die Axialflussmaschine kann so ausgelegt sein, dass die Rotoren durch eine von außen (durch das bauliche Mittel) angelegte Kraft zueinander verschiebbar sind, um mindestens einen der beiden Luftspalte zu verkleinern und beim Betrieb einen höheren magnetischen Fluss zwischen Rotor und Stator bereitzustellen.
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Die baulichen Mittel können elektrisch betriebene Spulen sein. Die Spulen können an dem zumindest einen Rotor so angeordnet sein, dass im Betriebszustand der gewünschten magnetischen Flussdichte ein zusätzliches magnetisches Feld zwischen dem zumindest einen Rotor und dem Stator erzeugt wird, welches die Feldverstärkung bewirkt.
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Der Elektromotor kann gemäß einem weiteren Beispiel eine Radialflussmaschine sein. Polkappen des Rotors können jeweils mit einem Magneten versehen sein. Der Stator kann die Rotoren umgeben. Zwischen dem Stator und den jeweiligen Magneten der Polkappen kann der Luftspalt ausgebildet sein. Um die Polkappen können sich jeweils die elektrisch betriebenen Spulen befinden. Die Spulen können ausgebildet sein, beim Betrieb der Radialflussmaschine, einen zusätzlichen radialen Magnetfluss zu erzeugen, um einen höheren magnetischen Fluss zwischen Rotor und Stator bereitzustellen.
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Gemäß noch einem weiteren Beispiel wird eine Axialflussmaschine bereitgestellt. Die Axialflussmaschine umfasst eine Welle. Die Axialflussmaschine umfasst ferner zwei Rotoren. Die Rotoren stehen mit der Welle in Verbindung bzw. sind mit dieser gekoppelt. Die Rotoren umgeben die Welle. Die Rotoren sind jeweils axial verschiebbar zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position gelagert. Die Axialflussmaschine umfasst ferner einen Stator. Der Stator befindet sich zwischen den zwei Rotoren. Der Stator umgibt die Welle. Der Stator und die Rotoren bilden jeweils einen Luftspalt zueinander. Der jeweilige Luftspalt bzw. dessen Breite ist in der ersten Position minimal. Der jeweilige Luftspalt bzw. dessen Breite ist in der zweiten Position maximal. Die Axialflussmaschine ist so ausgelegt, dass die Rotoren durch eine von außen angelegten Kraft zueinander verschiebbar sind, um mindestens einen der Luftspalte zu verkleinern und beim Betrieb einen höheren magnetischen Fluss zwischen Rotor und Stator bereitzustellen.
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Insbesondere kann die von außen angelegte Kraft in einem bestimmten Zeitraum erhöhten Drehmomentbedarfs auf den einen und/oder anderen Rotor wirken, um den magnetischen Fluss zwischen Rotor und Stator zu erhöhen und damit dem Drehmomentbedarf, zum Beispiel mindestens doppelt (oder dreifach oder vierfach) so hoch wie in einem Normalbetrieb der Axialflussmaschine, zu entsprechen.
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Hierdurch lässt sich also ein optimierter Betrieb der Axialflussmaschine bereitstellen.
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Der Rotor kann als der sich drehende Teil eines Elektromotors verstanden werden und Dauermagnete aufweisen. Der Stator kann als der fest stehende Teil eines Elektromotors verstanden werden und Spulenwicklungen aufweisen. Die Welle kann als ein längliches zylinderförmiges und rotierendes Maschinenelement verstanden werden, das zur Übertragung von Drehbewegungen und Drehmomenten dient. Die Axialflussmaschine kann auch als Transversalflussmaschine verstanden werden.
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Die hierin verwendeten Magnete können durchweg Dauermagnete sein, die in unterschiedlichen Bauformen vorkommen und für den entsprechenden Zweck ausgebildet sind.
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Die Rotoren können jeweils radial fest, ohne Spiel, mit der Welle verbunden sein. Die Welle kann ferner eine Führung an ihrem Umfang aufweisen. Die Führung kann sich entlang der Rotationsachse der Welle erstrecken. Die Rotoren können über die Führung mit der Welle verbunden sein. Somit können die Rotoren verdrehfest mit der Welle verbunden sein.
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Ferner können die Rotoren als Rotorblätter ausgebildet sein, zum Beispiel kreisförmige Rotorblätter. Auf den Rotorblättern können entsprechende Dauermagnete angeordnet sein, die mit dem von dem Stator stammenden magnetischen Fluss zusammenwirken, um den Rotor um eine Achse rotieren zu lassen. Die Achse kann die Rotationsachse der Welle sein.
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Der Stator kann zum Beispiel mittels eines Lagers von der Welle getrennt sein bzw. diesen umgeben und gelagert sein.
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Die von außen angelegte Kraft kann in axiale Richtung weisen, so dass sich die Rotoren annähern. Durch diese äußere Kraft können sich die Rotoren aufeinander zu bewegen.
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Somit kann eine definierte Kraft in axialer Richtung eingestellt werden.
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Eine dieser von außen zugeführten Kraft kann eine weitere Kraft entgegenwirken. Diese Kraft kann durch ein Federelement bereitgestellt werden. Somit kann die Axialflussmaschine ein Federelement aufweisen. Die Axialflussmaschine kann ferner einen ersten Begrenzer aufweisen. Der Begrenzer kann mit der Welle verbunden sein. Das Federelement kann ausgebildet sein, die Rotoren in axiale Richtung in die zweite Position zu drücken. Ferner kann das Federelement dazu ausgebildet sein, wenn keine von außen angelegte Kraft vorhanden ist, die Rotoren an der zweiten durch den ersten Begrenzer definierten Position zu halten.
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Somit kann eine durch das Federelement bereitgestellte Kraft zum Feststellen der Rotoren bzw. Rotorblätter an der zweiten Position vorgesehen sein, um einen definierten Abstand des Rotors/der Rotoren zu dem Stator für einen Drehzahlbereich im Normalbetrieb bereitzustellen.
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Beispielsweise kann die erste Position durch eine maximale Stauchung des Federelements definiert sein.
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Hierdurch kann ein weiteres Begrenzungselement zu dem ersten Begrenzer entfallen.
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In einem weiteren Beispiel oder ergänzend kann die erste Position durch einen zweiten Begrenzer definiert sein. Der zweite Begrenzer kann mit der Welle fest verbunden bzw. Teil davon sein.
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Durch dieses zusätzliche Begrenzungselement kann der Luftspalt und damit auch das zu erzielende Drehmoment sehr genau eingestellt werden.
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Ferner kann die Federelement zumindest teilweise eine Hülse für die Führung sein bzw. diese umgeben. Dies kann ebenfalls für das Federelement bezüglich des zweiten Begrenzers gelten. Insbesondere kann das Federelement an dem zweiten Begrenzer anliegen und eine Kraft zwischen dem zweiten Begrenzer und einem der Rotoren bewirken. Hierzu kann ein weiteres Federelement vorhanden sein, das zwischen dem zweiten Begrenzer und dem anderen der Rotoren eine Kraft bewirkt. Das Federelement und das weitere Federelement wirken somit von dem zweiten Begrenzer weg, in Richtung der jeweiligen Rotoren.
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Die Axialflussmaschine kann ferner ein Lager umfassen. Das Lager kann mindestens mit einem der Rotoren zusammenwirken, um die von außen angelegte Kraft auf die Rotoren zu übertragen.
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Hierdurch kann sich somit reibungsarm eine von außen vorgegebene Kraft auf die Rotoren übertragen lassen, um das zu erzielende Drehmoment zu erreichen.
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Des Weiteren können Windungen des Stators so mit einem phasenverschobenen Strom beaufschlagt werden, dass sich die von außen angelegte Kraft auf die Rotoren durch einen von dem Stator produzierten erhöhten magnetischen Fluss ergibt. Dies kann auch mit dem oben definierten Lager kombiniert werden, so dass eine mechanische und elektrische Kraft zum Verkleinern des Luftspalts verwendet werden kann.
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Gemäß einem zusätzlichen Beispiel wird eine Radialflussmaschine bereitgestellt. Sofern nicht anders beschrieben, weisen die folgenden Bauelemente eine gleiche oder ähnliche Definition/Funktionalität, wie für die Axialflussmaschine beschrieben, auf. Die Radialflussmaschine umfasst eine Welle. Die Radialflussmaschine umfasst ferner einen Rotor. Der Rotor ist mit der Welle verbunden. Die Polkappen der jeweiligen Rotoren sind mit einem oder mehreren Magneten versehen. Die Radialflussmaschine umfasst ferner einen Stator. Der Stator umgibt die Welle. Die Welle kann mittels eines geeigneten Lagers mit dem Stator zusammenwirken. Zwischen dem Stator und den jeweiligen Magneten der Polkappen ist ein Luftspalt ausgebildet. Um die Polkappen befindet sich jeweils eine elektrisch betriebene Spule. Die elektrisch betriebene Spule ist ausgebildet, beim Betrieb der Radialflussmaschine, einen zusätzlichen radialen Magnetfluss zu erzeugen, um einen höheren magnetischen Fluss zwischen Rotor und Stator bereitzustellen.
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Hierdurch lässt sich also ein optimierter Betrieb der Radialflussmaschine bereitstellen.
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Der Luftspalt kann so definiert sein, dass es sich um den Abstand zwischen einer der Polkappen des Rotors und dem Stator handelt, wenn diese sich, zum Beispiel im Betrieb, direkt gegenüberliegen und somit einen kürzesten Abstand aufweisen.
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Im speziellen Fall einer Anforderung an ein gegenüber dem Normalbetrieb höheres erforderliches Drehmoment, kann die Spule betrieben werden bzw. zugeschaltet/eingeschaltet werden. Zum Beispiel kann das höhere erforderliche Drehmoment mindestens doppelt, dreifach, vierfach, fünffach, sechsfach oder zehnfach so hoch sein wie ein Drehmoment im Normalbetrieb. Der Normalbetrieb kann verstanden werden als ein Betrieb ohne zugeschaltete Last an den Antrieb. Dies kann ebenfalls auf die oben beschriebene Axialflussmaschine zutreffen.
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Somit kann situationsabhängig der Betrieb des Elektromotors angepasst werden ohne zu starke Verluste im Normalbetrieb zu erfahren.
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In einer vorteilsgemäßen Ausgestaltung können die jeweiligen Magnete, zum Beispiel Dauermagnete, kleiner als 1/2 (oder 1/3 oder 1/4 oder 1/5) einer Breite des Luftspalts sein.
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Hierdurch können Kosten für die im Gegensatz zu Spulen verhältnismäßig teuren Dauermagnete eingespart werden.
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Insbesondere kann jeweils eine Wicklung der Spule an dem jeweiligen Magnet anliegen. Der Magnet kann außerdem von der Wicklung der Spule umgeben sein.
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Hierdurch lässt sich eine Kraftabweichung beim Definieren des erforderlichen Drehmoments verringern.
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Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) - Elektromaschine mit Feldverstärkung.
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Es kann außerdem eine Elektromaschine mit Feldschwächung vorgesehen sein, bei der jedoch der Normalzustand (ohne aktive Verstellung / Beeinflussung) der Betrieb mit reduziertem magnetischem Fluss durch die Spulen ist.
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Während Zeiten mit erhöhtem Drehmomentbedarf kann mittels einer aktiven Verstellung / Beeinflussung des Motors der magnetische Fluss durch die Spulen gezielt erhöht werden (Betrieb mit Feldstärkung). Da die Betriebszeiten mit erhöhtem Drehmomentbedarf nur einen geringen Zeitanteil an der gesamten Betriebszeit ausmachen, haben eventuelle zusätzliche Verluste aufgrund einer aktiven Feldstärkung nur einen geringen Einfluss auf die Gesamtverluste.
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Zum einen kann eine Ausführung mit mechanischer Verstellung / Beeinflussung des magnetischen Flusses vorgesehen sein. Diese Ausführung kann eine Axialflussmaschine mit zwei Rotoren sein, die rechts und links neben einem mittigen Stator angeordnet sind. Auf dem Stator können die Wicklungen für die Erzeugung einer elektromotorischen Kraft (Drehmoment) / Leistung der E-Maschine angeordnet sein.
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Die Rotoren können auf einer Welle verdreh fest jedoch in axialer Richtung verschiebbar gelagert sein. Der Bereich, in dem jeder Rotor auf der Welle in axiale Richtung verschoben werden kann, kann mittels Festanschlägen begrenzt sein. Festanschläge können eine Annäherung zum Stator begrenzen und einen minimalen Luftspaltabstand sicherstellen.
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Weitere Festanschläge können den maximalen Abstand zum Stator begrenzen und den Luftspaltabstand auf einen maximalen Wert begrenzen.
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Eine Feder (oder mehrere Federn) können die Rotoren auseinander (jeweils weg vom Stator) gegen die Festanschläge „Max“ drücken, die den maximalen Luftspaltabstand begrenzen. Die Feder kann gegen die Anziehungskräfte zwischen dem Stator und den Dauermagneten auf dem Rotor wirken. Die Feder kann hierbei so ausgelegt sein, dass diese stärker als die Anziehungskräfte ist, so dass sich ohne Einwirken weiterer Kräfte (z.B. durch einen Aktor) ein maximaler Luftspalt einstellt (Normalbetrieb / Ruhelage ohne Feldstärkung).
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Aufgrund des breiten Luftspaltes kann die magnetische Durchflutung des Stators und der Statorwicklungen gering sein. Bei dieser normalen Betriebsart kann die Elektromaschine für höhere Drehzahlen geeignet sein, aber nur ein begrenztes Drehmoment generieren.
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Erst bei Einwirken einer weiteren Kraft (rechte und linke Ansteuerkraft in Längsrichtung) auf die Rotoren können sich diese in Richtung Stator verschieben, so dass sich der Luftspaltabstand verringert und der Magnetische Fluss durch die Spulen steigt.
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Das Einwirken dieser weiteren Kraft kann eine aktive Feldstärkung in der Elektromaschine bewirken, so dass höhere Drehmomente erreicht werden können. Aufgrund der erhöhten magnetischen Durchflutung können die Verluste aufgrund Ummagnetisierungen, Wirbelströme, etc. steigen.
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Sobald die Ansteuerkräfte (rechte und linke Ansteuerkraft in Längsrichtung) wieder zurückgenommen werden, kann die Federkraft die magnetischen Anziehungskräfte zwischen Rotor und Stator übersteigen, so dass die Rotoren wieder zurück gegen die Festanschläge „Max“ (rechts und links) gedrückt werden.
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Bei geeigneter Auslegung der Feder im Verhältnis zu den magnetischen Kräften, so dass die Federkraft nur begrenzt stärker als die magnetischen Anziehungskräfte ist, können die Ansteuerkräfte rechts und links deutlich schwächer ausgeführt werden. Die Ansteuerkräfte rechts und links können z.B. mittels mechanischer Aktoren, welche über Axiallager auf die Rotoren wirken, erzeugt werden. Bei geeigneter Auslegung können z.B. auch eine erhöhte Bestromung der Statorwicklungen mit einer geeigneten Phasenlage die Anziehungskraft zwischen Rotor und Stator erhöhen und somit die Federkraft überwinden. Diese Variante hat den Vorteil, dass kein separater Aktor für ein Aktivieren der Feldstärkung notwendig ist.
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Falls die Ansteuerkräfte Re und Li unabhängig voneinander angelegt werden, so kann eine Feldverstärkung in zwei Stufen erfolgen. Alternativ bei weggesteuerten Ansteuerkräften rechts und links kann die Feldverstärkung auch feiner angesteuert erfolgen.
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Zum anderen kann eine Ausführung mit einer elektrischen Beeinflussung des magnetischen Flusses vorgesehen sein. Diese Ausführung kann eine Radialflussmaschine mit einem Rotor mit Dauermagneten und einem Stator mit Statorwicklungen sein. Die Dauermagnete auf dem Rotor können gezielt für eine geringe Felddurchflutung der Statorwicklungen ausgelegt sein.
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Dies bedeutet, dass die Magnete nur einen Betrieb mit reduzierter Drehmomenterzeugung ermöglichen. Dafür kann die Elektromaschine bei hohen Drehzahlen mit reduzierten Verlusten (z.B. Wirbelströme, Ummagnetisierung, etc.) und ohne Feldschwächung betrieben werden. Weiterhin reduzieren sich die Kosten für die teuren Dauermagnete.
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Weiterhin kann der Rotor Wicklungen aufweisen, welche so angeordnet sind, dass diese, das durch die Dauermagnete erzeugte Magnetfeld, verstärken können (Feldverstärkung). Zum Beispiel weist jeder dauermagnetische Pol eine seinen magnetischen Hauptfluss umschließende Wicklung auf.
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Für die Zeiten mit hohen Anforderungen für das Drehmoment der Elektromaschine, können die Rotorwicklungen gezielt elektrisch angesteuert werden, so dass die magnetische Durchflutung der Statorwicklungen erhöht wird. Es wird so eine gezielte Feldverstärkung bewirkt.
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Eine Auslegung der Magnete für nur eine begrenzte magnetische Durchflutung der Statorwicklungen kann es ermöglichen, die Magnete deutlich dünner als beim Stand der Technik auszuführen. Die dünneren Magnete haben weiterhin den Vorteil eines reduzierten magnetischen Widerstandes für den magnetischen Fluss. Dies bewirkt höhere Flussdichten bei gleicher magnetischer Erregung durch den Strom in den Wicklungen. Höhere Flussdichten ermöglichen höhere Drehmomente während der Feldstärkung.
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Heißt es vorliegend, dass eine Komponente mit einer anderen Komponente „verbunden ist“, kann dies heißen, dass sie damit unmittelbar verbunden ist; hierbei ist aber anzumerken, dass eine weitere Komponente dazwischenliegen kann. Heißt es andererseits, dass eine Komponente mit einer anderen Komponente „unmittelbar verbunden“ ist, ist darunter zu verstehen, dass dazwischen keine weiteren Komponenten vorhanden sind.
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Auch wenn einige der voranstehend beschriebenen Aspekte in Bezug auf den Elektromotor beschrieben wurden, so können diese Aspekte auch auf die Axialflussmaschine und die Radialflussmaschine zutreffen. Genauso können die voranstehend in Bezug auf die Axialflussmaschine und die Radialflussmaschine beschriebenen Aspekte in entsprechender Weise auf den Elektromotor zutreffen.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1a eine schematische Darstellung einer Axialflussmaschine;
- 1b eine schematische Darstellung einer Feldverstärkung in der Axialflussmaschine; und
- 2 eine schematische Darstellung einer Radialflussmaschine.
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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. Die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen können untereinander ausgetauscht werden.
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Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/unteres‟, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“, „links“, „linke(r)/linkes“, „rechts“, „rechte(r)/rechtes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen des in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Bauelements umfassen. Das Bauelement kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können ebenso entsprechend interpretiert werden.
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Der Elektromotor wird nun anhand von Ausführungsformen in Bezug auf die Axialflussmaschine und die Radialflussmaschine beschrieben.
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1 a zeigt eine schematische Darstellung einer Axialflussmaschine. Die Axialflussmaschine umfasst eine Welle 1, welche mit dem Antrieb verbunden ist und somit für die Weiterleitung der Kraft zuständig ist. Entlang einer longitudinalen Richtung der Welle 1 verläuft die Rotationsachse Rx, welche die Drehachse der Welle 1 darstellt. Ferner ist eine Richtung der Rotationsachse Rx auch als axiale Richtung x definiert. Die Axialflussmaschine umfasst außerdem einen in der Anordnung zu sehenden Rotor links 2, der einen Rotor Magnet links 3 aufweist. Ferner umfasst die Axialflussmaschine einen Rotor rechts 4, der einen Rotor Magnet rechts 5 aufweist. Die Rotoren links 2 und rechts 2 sind hierbei über eine Führung (nicht gezeigt) der Welle 1, die in axialer Richtung x verläuft, mit der Welle 1 verdrehfest verbunden. Somit kann eine Kraft der Rotoren links 2 und rechts 4 auf die Welle übertragen werden.
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Zwischen dem Rotor links 2 und dem Rotor rechts 4 befindet sich ein Stator 6 mit Statorwicklungen der Axialflussmaschine. Zwischen dem Rotor links 2 und dem Stator 6 mit Statorwicklungen bzw. dem Rotor Magnet links 3 und dem Stator 6 mit Statorwicklungen, sowie dem Rotor rechts 4 und dem Stator 6 mit Statorwicklungen bzw. dem Rotor Magnet rechts 5 und dem Stator 6 mit Statorwicklungen befindet sich ein Luftspalt b. Der Luftspalt b wird gemäß der hierin vorliegenden Erfindung bei Bedarf von einer ersten zu einer zweiten Position verkleinert, um eine Feldstärkung zu erzeugen und hohem Bedarf an Drehmoment nachzukommen.
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Ferner umfasst die Axialflussmaschine Federelemente 7, welche jeweils eine Kraft auf den Rotor links 2 und den Rotor rechts 4 ausüben, die von dem Stator 6 mit Statorwicklungen weg gerichtet ist. Die Wirkrichtung der beiden Federelemente 7, welches auch ein einzelnes Federelement 7 um die Welle 1 sein kann, ist so gerichtet, dass die Rotoren links 2 und rechts 4 voneinander weggedrückt werden (in 1a nach links und rechts).
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Der maximale Luftabstand Luftspalt b ist definiert durch einen linken Festanschlag Max links 10 und einen rechten Festanschlag Max rechts 11 bezüglich dem jeweiligen Rotor links 2 und Rotor rechts 4. Die in Bezug auf die Figuren erwähnten Festanschläge sind Begrenzer, welche eine Bewegungsfreiheit in axialer Richtung (die einzige Bewegungsmöglichkeit der Rotoren links 2 und rechts 4) auf einen Bereich beschränken. Ein minimaler Luftspalt b ist definiert durch einen linken Festanschlag Min links 8 und einen rechten Festanschlag Min rechts 9 bezüglich dem jeweiligen Rotor links 2 und dem Rotor rechts 4. Die Festanschläge (8, 9, 10, 11) können als konzentrische Form um die Welle angebracht sein oder einzelne oder mehrere starre mit der Welle 1 verbundene Elemente sein.
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Die Federelemente 7 bewirken eine Kraft in Richtung des Festanschlags Max links 10 bzw. des Festanschlags Max rechts 11, wobei die Federelemente 7 jeweils den Rotor links 2 gegen den Festanschlag Max links 10 und den Rotor rechts 4 gegen den Festanschlag Max rechts 11 drücken.
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Der Festanschlag Min links 8 und der Festanschlag Min rechts 8 kann als ein einzelnes Teil ausgebildet sein. Hierbei kann das Teil jeweils einen Teil des Federelements 7 konzentrisch umgeben und somit eine Wegstrecke der Rotoren zwischen den jeweiligen Festanschlägen Min 10/Max 11 und dem Stator begrenzen. Somit sind die Festanschläge 8 und 9 Abstandhalter für die Rotoren 2 und 4 links und rechts, damit die Rotoren 2 und 4 nicht mit dem Stator 6 in Berührung kommen und ein definiertes Drehmoment aufgebracht werden kann.
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1a zeigt den Zustand, falls keine Kraft von außen auf die Rotoren einwirkt. In 1b wird basierend auf 1a der Einfluss einer von außen hinzugefügten Kraft beschrieben.
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Weitere Einzelheiten und Aspekte sind in Verbindung mit den vor- oder nachstehend beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Die in 1a gezeigte Ausführungsform kann ein oder mehrere optionale zusätzliche Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten entsprechen, die in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder nachstehend in Bezug auf 1b und 2 beschriebenen Ausführungsformen erwähnt sind.
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1b zeigt eine schematische Darstellung einer Feldverstärkung in der Axialflussmaschine. Eine Kraft, welche mechanisch und elektromechanisch auf die Rotoren links 2 und rechts 4 einwirken kann, wird entgegen der Kraft der Federelemente 7 auf die Rotoren links 2 und rechts 4 aufgebracht. Hierbei werden die Federelemente 7 zusammengedrückt und der Luftspalt b zwischen Stator 6 und den jeweiligen Rotoren links 2 und rechts 4 verkleinert.
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Die Rotoren links 2 und rechts 4 verändern ihre axiale Position von den jeweiligen Festanschlägen Max 10 und 11 in Richtung der Festanschläge Min 8 und 9. Die von außen auf die Rotoren links 2 und rechts 4 wirkende Kraft bzw. Kräfte F1 und F2 muss hierbei eine Federkraft der Federelemente 7 übersteigen. Es kann auch lediglich eines der Federelemente 7 mit einer Kraft F1 beaufschlagt werden, um ein vorgegebenes Drehmoment zu erreichen. Die von außen wirkenden Kräfte F1 und F2 können hierbei einerseits durch ein über ein Lager auf die Rotoren links 2 und rechts 4 übertragene mechanische Aktuation erfolgen und andererseits über eine phasengesteuerte Ansteuerung der Statorwicklungen des Stators 6.
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Weitere Einzelheiten und Aspekte sind in Verbindung mit den vor- oder nachstehend beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Die in 1b gezeigte Ausführungsform kann ein oder mehrere optionale zusätzliche Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten entsprechen, die in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder einen oder mehreren vorstehend (z. B. 1a) oder nachstehend (z. B. 2) beschriebenen Ausführungsformen erwähnt sind.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Radialflussmaschine. Die Radialflussmaschine umfasst eine Welle 1, die entlang einer Rotationsachse Rx verläuft, und einen mit der Welle 1 verbundenen Rotor 12. Der Rotor 12 weist mehrere Polkappen auf, die jeweils mit Rotormagneten 13 bestückt sind. Insbesondere weisen die einzelnen Polkappen Rotorwicklungen 15 auf, welche für die Bereitstellung eines zusätzlichen magnetischen Flusses vorgesehen sind.
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Hierdurch kann einerseits die Luftspaltbreite b vergrößert werden, indem die entsprechenden Rotormagnete 13 verkleinert werden. Dies ist durch die Rotordicke d in 2 dargestellt.
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Andererseits kann der Rotor 12 in seinem Umfang vergrößert werden bzw. dessen Polkappen vergrößert werden. Der Luftspalt b kann hierbei seine Breite beibehalten, wobei die jeweiligen Rotormagnete 13 dabei entsprechend kleiner ausgestaltet sind.
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Dies wird dadurch erreicht, dass über einen Stromkreis die Spule bzw. dessen Rotorwicklungen 15 elektrisch betrieben wird /werden und somit die Rotormagnete 13 kleiner ausgebildet werden können. Ferner kann hierdurch, im Betrieb der Radialflussmaschine, bei Anforderung eines höheren Drehmoments zusätzlich Strom bereitgestellt werden, um für die vorgesehene Zeit des höheren Drehmoments dieses bereitstellen zu können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Welle
- 2
- Rotor links
- 3
- Magnete des Rotors links
- 4
- Rotor rechts
- 5
- Magnete des Rotors rechts
- 6
- Stator
- 7
- Federelemente
- 8
- Festanschlag Min links
- 9
- Festanschlag Min rechts
- 10
- Festanschlag Max links
- 11
- Festanschlag Max rechts
- 12
- Rotor
- 13
- Rotor Magnete
- 14
- Stator
- 15
- Rotorwicklungen
- Rx
- Rotationsachse
- x
- Axiale Richtung
- b
- Luftspaltbreite
- F1
- Ansteuerkraft links
- F2
- Ansteuerkraft rechts
- d
- Magnetdicke
