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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Synchronmaschine sowie auf ein Fahrzeug.
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Herkömmliche Synchronmaschinen in Axialflussbauweise können im Vergleich zu Radialflussmaschinen eine höhere Drehmomentdichte und geringere Verluste aufweisen. Allerdings kann es an Regelbarkeit und Variabilität in der Auswahl des Rotors mangeln.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Synchronmaschine bereitzustellen.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Synchronmaschine sowie ein Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere Aspekte sowie Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung sowie in den Figuren beschrieben.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Synchronmaschine, die einen Rotor umfasst. Der Rotor umfasst eine erste Wicklung, die ausgebildet ist, einen Gleichstrom zu führen. Der Gleichstrom erzeugt ein Erregermagnetfeld. Die Synchronmaschine umfasst ferner einen Stator, der axial zum Rotor beabstandet angeordnet ist. Der Stator umfasst eine zweite Wicklung, die ausgebildet ist, einen Drehstrom zu führen. Der Drehstrom erzeugt ein magnetisches Drehfeld. Das Erregermagnetfeld und das Drehfeld sind axial zu einer Rotationsachse des Rotors ausgerichtet. Der Rotor ist ausgebildet, sich entsprechend dem Erregermagnetfeld und dem Drehfeld um die Rotationsachse zu drehen. Die erfindungsgemäße Synchronmaschine kann eine Fremderregung bei Axialflussanordnung der Synchronmaschine ermöglichen.
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In manchen Ausführungsbeispielen dreht sich der Rotor entsprechend einer Drehzahl des Drehfeldes relativ zum Stator um die Rotationsachse. Die Rotation des Rotors kann also über das Drehfeld geregelt werden.
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In manchen Ausführungsbeispielen ist die Synchronmaschine eine Axialflussmaschine. Dadurch kann die Synchronmaschine sehr flach gebaut werden. Der Rotor kann den gesamten Durchmesser der Synchronmaschine nutzen, was bei gleicher Kraft und Energieverbrauch zu einer höheren Hebelwirkung als bei Radialflussmaschinen führen kann, d.h., die Drehmomentdichte kann höher sein. Außerdem können Eisenverluste und Wärmeverluste durch diesen Aufbau verringert werden.
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In manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Synchronmaschine ferner eine Regelungsschaltung, die ausgebildet ist, den Drehstrom zur Erzeugung des Drehfeldes und/oder den Gleichstrom zur Erzeugung des Erregermagnetfelds zu regeln. Die Regelungsschaltung ist ausgebildet, den Drehstrom und/oder den Gleichstrom entsprechend mindestens einem aus einer Solldrehzahl und einem Solldrehmoment des Rotors zu regeln. Die Fremderregung kann also die Regelbarkeit der Synchronmaschine durch den zusätzlichen variablen Gleichstrom erhöhen.
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In manchen Ausführungsbeispielen ist die Regelungsschaltung ausgebildet, mindestens eines aus einer Stärke, einer Richtung und einer Frequenz des Drehstroms zur Erzeugung des Drehfeldes zu regeln. Die Synchronmaschine kann also verschiedene Parameter des Drehstroms regeln, was zusammen mit dem anpassbaren Gleichstrom, eine dynamische Drehzahl- und Drehmomentsteuerung ermöglicht.
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In manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Synchronmaschine ferner mindestens einen Anschluss, der leitend mit der ersten Wicklung verbunden ist. Die Synchronmaschine umfasst ferner eine Stromübertragungseinrichtung, die ausgebildet ist, den Gleichstrom über den Anschluss durch die erste Wicklung zu leiten. Die Stromübertragungseinrichtung kann etwa über einen Schleifkontakt und ein Gleitlager den Gleichstrom auf den sich rotierenden Rotor übertragen. Die Stromübertragungseinrichtung kann eine unabhängige Stromversorgung der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung ermöglichen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Fahrzeug. Das Fahrzeug umfasst mindestens ein Rad und eine erfindungsgemäße Synchronmaschine, die ausgebildet ist, das mindestens eine Rad anzutreiben. Die erfindungsgemäße Synchronmaschine kann durch eine Axialflussanordnung Bauraum im Fahrzeug einsparen, einen Energieverbrauch des Fahrzeugs senken und ein Maximaldrehmoment erhöhen.
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Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer Synchronmaschine; und
- 2 ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugs.
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1 zeigt eine Längsschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Synchronmaschine 100. In 1 ist lediglich ein schematischer Aufbau der Synchronmaschine 100 dargestellt. Sonstige Bestandteile der Synchronmaschine 100 wie Blechpakete und Kühlung, Details zum Aufbau, Anschluss und zur Verschaltung der Wicklungen sowie Peripherie wie Leistungselektronik sind nicht dargestellt. Im Folgenden wird ein Betrieb der Synchronmaschine 100 als Motor beschrieben. Es sei angemerkt, dass ein dementsprechender Betrieb als Generator mit dem hier beschriebenen Aufbau der Synchronmaschine 100 ebenfalls realisiert werden kann. Insbesondere kann es sich bei der Synchronmaschine 100 um eine fremderregte Synchronmaschine handeln.
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Die Synchronmaschine umfasst einen Stator 110 und einen Rotor 120. Der Stator 110 ist axial zum Rotor 120 beabstandet. Stator 110 und Rotor 120 sind rotationssymmetrisch zu einer Rotationsachse 130 aufgebaut. Stator 110 und Rotor 120 können etwa scheibenförmig aufgebaut sein, wobei in der Längsschnittansicht von 1 die Stirnseite der Scheiben dargestellt wären. Stator 110 und Rotor 120 umgreifen die Rotationsachse 130 radial. Der Stator 110 kann als feststehende Komponente der Synchronmaschine 100 betrachtet werden, wohingegen der Rotor 120 drehbar um die Rotationsachse 130 bezüglich dem Stator 110 gelagert ist. Die Rotationsachse 130 verläuft durch eine Welle 140, die mit dem Rotor 120 gekoppelt ist.
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Der Rotor 120 umfasst eine erste Wicklung 150, die ausgebildet ist, einen Gleichstrom zu führen. Der Gleichstrom erzeugt ein Erregermagnetfeld. Das Erregermagnetfeld ist ein in seiner Polung und Magnetfeldstärke über den Gleichstrom regelbares Magnetfeld. Die erste Wicklung 150 kann etwa mehrere Wicklungsabschnitte umfassen, die gleichmäßig über den Rotorumfang verteilt sind und sich entlang der Rotationsachse 130 über zumindest einen Großteil der Länge des Rotors 120 erstrecken. Benachbarte Wicklungsabschnitte können eine unterschiedliche Polung aufweisen, um abwechselnd einen magnetischen Südpol und Nordpol entlang des Rotorumfangs zum Stator 110 hin auszubilden. Alternativ kann die erste Wicklung 150 um die Rotationsachse 130 herumgewickelt sein. Die erste Wicklung 150 ist in 1 als zwei Leiterabschnitte 152 und 154 dargestellt. Der erste Leiterabschnitt 152 ist in der oberen Hälfte des in 1 gezeigten Längsschnitts der Synchronmaschine 100 angeordnet, der zweite Leiterabschnitt 154 ist in der unteren Hälfte angeordnet.
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Das Erregermagnetfeld ist axial zur Rotationsachse 130 des Rotors 120 ausgerichtet, d.h., eine Hauptrichtung von Magnetfeldlinien des Erregermagnetfelds verläuft axial (parallel) zur Rotationsachse 130. Die Synchronmaschine 100 kann eine Axialflussmaschine sein. Die erste Wicklung 150 ist also so gewickelt, dass sie ein axiales Magnetfeld erzeugt.
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Der Stator 110 umfasst eine zweite Wicklung 160, die ausgebildet ist, einen Drehstrom zu führen. Der Drehstrom erzeugt ein magnetisches Drehfeld. Das Drehfeld ist als jegliches Magnetfeld, das sich fortlaufend um die Rotationsachse 130 dreht, zu verstehen. Der Drehstrom ist ein mehrphasiger Wechselstrom wie etwa ein Zweiphasen- oder Dreiphasenwechselstrom. Das heißt, die zweite Wicklung 160 ist eine Drehstromwicklung, deren Spulenanordnung sich zum Führen des ersten Drehstroms eignet. Beispielsweise kann die zweite Wicklung 160 relativ zur Rotationsachse 130 gleichmäßig über den Statorumfang verteilte Leiter umfassen, die zu mehreren räumlich versetzten Wicklungssträngen zusammengeschaltet sind. Die Wicklungsstränge können denselben Spulenaufbau und die gleiche Gesamtwindungszahl haben. Die Wicklungsanfänge der Wicklungsstränge können im Falle eines Dreiphasenwechselstroms zueinander um 120° relativ zur Rotationsachse 130 versetzt angeordnet sein. Im letztgenannten Fall kann in jeden der drei Wicklungssträngen ein Wechselstrom mit 120°-Phasenversatz zum Wechselstrom der jeweils anderen zwei Wicklungsstränge eingespeist werden.
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Die zweite Wicklung 160 kann sich etwa entlang der Rotationsachse 130 über zumindest einen Großteil der Länge des Stators 110 erstrecken. Die zweite Wicklung 160 ist in 1 als zwei Leiterabschnitte 162 und 164 dargestellt, die zu zwei verschiedenen Wicklungssträngen der zweiten Wicklung 160 oder zum selben Wicklungsstrang gehören können. Der erste Leiterabschnitt 162 ist in der oberen Hälfte des in 1 gezeigten Längsschnitts der Synchronmaschine 100 angeordnet, der zweite Leiterabschnitt 164 ist in der unteren Hälfte angeordnet.
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Das Drehfeld ist axial zur Rotationsachse 130 ausgerichtet, d.h., eine Hauptrichtung von Magnetfeldlinien des Drehfelds verläuft axial (parallel) zur Rotationsachse 130. Der Rotor 120 ist ausgebildet, sich entsprechend dem Erregermagnetfeld und dem Drehfeld um die Rotationsachse 130 zu drehen. Beispielsweise kann sich der Rotor 120 entsprechend einer Drehzahl des Drehfeldes relativ zum Stator 110 um die Rotationsachse 130 drehen. Der Stator 110 kann etwa durch das Drehfeld entlang des Statorumfangs magnetische Pole aufweisen, die sich entsprechend des Drehfeldes bilden und sich nach den Polen des Erregermagnetfeldes ausrichten.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Synchronmaschinen kann die Synchronmaschine 100 einen Axialflussaufbau mit über den Gleichstrom regelbarem Erregermagnetfeld aufweisen. Dadurch kann die Synchronmaschine 100 etwa ein Anfahren aus dem Stillstand des Rotors 120 erleichtern. Zusätzlich können durch die Fremderregung die herkömmlicherweise benötigten Permanentmagnete entfallen, was Kosten der Synchronmaschine 100 verringert und den Einsatz von seltenen Erden vermeidet.
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Die Synchronmaschine 100 umfasst ferner eine Regelungsschaltung 170, die ausgebildet ist, den Drehstrom zur Erzeugung des Drehfeldes und/oder den Gleichstrom zur Erzeugung des Erregermagnetfelds zu regeln. Die Regelungsschaltung 170 ist ausgebildet, den Drehstrom und/oder den Gleichstrom entsprechend mindestens einem aus einer Solldrehzahl und einem Solldrehmoment des Rotors 120 zu regeln. In manchen Ausführungsbeispielen ist die Regelungsschaltung 170 ausgebildet, mindestens eines aus einer Stärke, einer Richtung und einer Frequenz des Drehstroms zur Erzeugung des Drehfeldes zu regeln.
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Aufgrund verschiedener Regelparameter des Erregermagnetfelds und des Drehfeldes kann die Synchronmaschine 100 eine Einhaltung konstruktionsbedingter Vorgaben für den Drehstrom oder ein Erreichen von Betriebsoptima im Kennfeld der Synchronmaschine 100 erleichtern. Die Synchronmaschine 100 kann damit der Regelungsschaltung 170 mehr Freiheitsgrade gewähren und etwa weitere Regelparameter, wie eine Energieeffizienz eines Stromrichters, der den Drehstrom bereitstellt, bei der Regelung berücksichtigen.
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Die Synchronmaschine 100 umfasst ferner mindestens einen Anschluss 180, der leitend mit der ersten Wicklung 150 verbunden ist. Die Synchronmaschine 100 kann ferner eine Stromübertragungseinrichtung umfassen, die ausgebildet ist, den Gleichstrom über den Anschluss 180 durch die erste Wicklung 150 zu leiten. Der Anschluss 180 ist mit der Welle 140 an einem rechten Ende des Rotors 120 verbunden. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Anschluss 180 anders als in 1 dargestellt angeordnet sein. Die Stromübertragungseinrichtung kann beispielsweise mehrere elektrische Leiter umfassen, die die erste Wicklung 150 mit einer (steuerbaren) Stromquelle verbinden. Die Stromübertragungseinrichtung kann dafür einen Schleifkontakt und Gleitlager zum Anschluss 180 umfassen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs 200. Allgemein kann ein Fahrzeug als eine Vorrichtung aufgefasst werden, das einen oder mehrere Motoren sowie eines oder mehrere davon angetriebene Räder umfasst. Bei dem Fahrzeug 200 kann es sich sowohl um ein Personen- als auch um ein Nutzfahrzeug handeln. Zum Beispiel kann das Fahrzeug 200 ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen, ein Motorrad oder ein Traktor sein. Das Fahrzeug 200 umfasst ein Rad 210, das drehbar auf einer Abtriebswelle 220 gelagert ist.
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Das Fahrzeug 200 umfasst ferner eine erfindungsgemäße Synchronmaschine 230, beispielsweise die mit Bezugnahme auf 1 beschriebene Synchronmaschine 100. Der Rotor der Synchronmaschine 230 ist ausgebildet, das Rad 210 anzutreiben.
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Beispielsweise kann das Fahrzeug 200 eine Gleichstromquelle, z.B. eine Batterie, umfassen, die die Synchronmaschine 230 mit elektrischer Energie versorgt. Das Fahrzeug 200 kann einen Stromrichter umfassen. Eine Regelungsschaltung der Synchronmaschine 230 kann - basierend auf einer Sollwertvorgabe für eine Drehzahl oder ein Drehmoment des Rotors der Synchronmaschine 230 - einen Regelwert für den Stromrichter vorgeben, um den Versorgungsgleichstrom in den Drehstrom mit definierten Werten für Frequenz, Phase oder Stromstärke und/oder in den Gleichstrom mit definierten Werten für Stromrichtung und Stromstärke umzuwandeln.
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Der Gleichstrom wird auf die erste Wicklung des Stators und der Drehstrom auf die zweite Wicklung des Rotors der Synchronmaschine 230 übertragen. Aufgrund des Drehfelds, das durch den Drehstrom erzeugt wird, wirkt eine magnetische Kraft auf eine Antriebswelle 240. Eine Drehbewegung der Antriebswelle 240 um die Rotationsachse des Rotors kann sich entweder direkt oder über ein optionales Getriebe 250 auf die Abtriebswelle 220 des Rades 210 übertragen.
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Das Fahrzeug 200 kann einen energieeffizienteren Betrieb und eine dynamischere Regelung der Synchronmaschine 230 ermöglichen. Die axiale Bauweise der Synchronmaschine 230 kann Bauraum und Gewicht des Fahrzeugs 200 einsparen.
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Bezugszeichen
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- 100
- Synchronmaschine
- 110
- Stator
- 120
- Rotor
- 130
- Rotationsachse
- 140
- Welle
- 150
- erste Wicklung
- 152
- Leiterabschnitt der ersten Wicklung
- 154
- Leiterabschnitt der ersten Wicklung
- 160
- zweite Wicklung
- 162
- Leiterabschnitt der zweiten Wicklung
- 164
- Leiterabschnitt der zweiten Wicklung
- 170
- Regelungsschaltung
- 180
- Anschluss
- 200
- Fahrzeug
- 210
- Rad
- 220
- Abtriebswelle
- 230
- Synchronmaschine
- 240
- Antriebswelle
- 250
- Getriebe
