AT527344A1 - Rotorvorrichtung für einen Elektromotor - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotorvorrichtung (10) für einen Elektromotor (100), aufweisend einen Hauptrotor (20) mit einem umlaufend angeordneten Magnetpaket (22) zur Ausbildung eines mehrpoligen Magnetfelds an einem Primär-Luftspalt (PL) zu einer Statorvorrichtung (110) des Elektromotors (100), dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Magnetpakets (22) der Hauptrotor (20) einen Hohlraum (24) aufweist, in welchem ein Stellrotor (30) angeordnet ist, welcher zwischen wenigstens zwei Stellpositionen (SP1, SP2, SP3) rotierbar am Hauptrotor (20) gelagert ist, weiter aufweisend einen Stellaktor (40), der kraftübertragend mit dem Stellrotor (30) verbunden ist für eine Erzeugung einer Stellkraft (SK) zur Bewegung des Stellrotors (30) zwischen den unterschiedlichen Stellpositionen (SP1, SP2, SP3), wobei weiter der Stellrotor (30) Stellmagnete (32) aufweist, welche in Abhängigkeit der eingenommenen Stellposition (SP1, SP2, SP3) über einen Sekundär-Luftspalt (SL) mit dem Magnetpaket (22) des Hauptrotors (20) magnetisch zusammenwirken und einen magnetischen Fluss (MF) des mehrpoligen Magnetfelds am Primär-Luftspalt (PL) beeinflussen.

Description

Rotorvorrichtung für einen Elektromotor

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotorvorrichtung für einen Elektromotor, einen Elektromotor mit einer solchen Rotorvorrichtung sowie ein Kontrollverfahren für eine

variable Kontrolle eines magnetischen Flusses eines solchen Elektromotors.

Es ist bekannt, dass Elektromotoren hinsichtlich der benötigten Leistung unterschiedlich konstruiert werden müssen. Die Leistung eines Elektromotors hängt dabei insbesondere von den magnetischen Komponenten und den sich auf dieser Basis einstellenden magnetischen Verhältnissen ab. So wird üblicherweise bei Elektromotoren eine Rotorvorrichtung innerhalb einer Statorvorrichtung gelagert, wobei die Rotorvorrichtung eine Vielzahl von Magneten in einem Magnetpaket aufweist. Um diese Rotorvorrichtung zu rotieren, ist üblicherweise eine Statorvorrichtung den Hauptrotor umgebend angeordnet, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen und den Hauptrotor in eine Rotationsbewegung zu

versetzen.

Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass eine nachträgliche Veränderung der magnetischen Verhältnisse am Hauptrotor nicht oder nur sehr aufwendig möglich ist. Sobald die Magnetpakete hinsichtlich ihrer Größe, Orientierung und ihrer magnetischen Wirkung am Hauptrotor platziert und der Hauptrotor innerhalb des Stators montiert worden ist, ist keine nachträgliche Veränderung des Magnetfelds mehr möglich. Zwar ist es grundsätzlich bekannt Stellmagnete in einen Hauptrotor zu integrieren, wobei diese Stellmagnete unterschiedliche Relativpositionen einnehmen können. Dies erlaubt jedoch ausschließlich ein manuelles Einflussnehmen auf die Relation zwischen diesen Stellmagneten und den Magnetpaketen. Ein variables Verändern und insbesondere eine kontrollierte Variation während des rotierenden Betriebs des Elektromotors ist auch mit bekannten Lösungen von manuell verstellbaren Stellmagneten nicht

möglich.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehenden Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine flexible Variabilität für den

magnetischen Fluss in einer Rotorvorrichtung eines Elektromotors zu ermöglichen.

stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen eine Rotorvorrichtung für einen Elektromotor mit einem Hauptrotor mit umlaufend angeordnetem Magnetpaket auszustatten zur Ausbildung eines mehrpoligen Magnetfelds an einem Primär-Luftspalt zu einer Statorvorrichtung des Elektromotors. Eine solche Rotorvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass innerhalb des Magnetpakets der Hauptrotor einen Hohlraum aufweist. In diesem Hohlraum ist ein Stellrotor angeordnet, welcher zwischen wenigstens zwei Stellpositionen rotierbar am Hauptrotor gelagert ist. Weiter ist ein Stellaktor vorgesehen, welcher kraftübertragend mit dem Stellrotor verbunden ist für eine Erzeugung einer Stellkraft zur Bewegung des Stellrotors zwischen den unterschiedlichen Stellpositionen. Weiter weist der Stellrotor Stellmagnete auf, welche in Abhängigkeit der eigenommenen Stellposition über einen SekundärLuftspalt mit dem Magnetpaket des Hauptrotors magnetisch zusammenwirken und einen magnetischen Fluss des mehrpoligen Magnetfelds am Primär-Luftspalt

beeinflussen.

Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht darauf, dass sich Magnetfelder von Permanentmagneten gegenseitig beeinflussen können. Auf dieser Basis ist bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Rotorvorrichtung eine relative Veränderbarkeit der Anordnung der unterschiedlichen Magnete zueinander vorgesehen. So ist das Magnetpaket am Hauptrotor dafür gedacht, das grundsätzliche mehrpolige Magnetfeld zur Verfügung zu stellen, um in bekannter Weise einem von einer Statorvorrichtung erzeugten rotierenden Magnetfeld zu folgen. Die Stellmagnete wiederum sind Teil des Stellrotors und stehen über einen

Sekundär-Luftspalt in magnetischem Austausch mit den Primärmagneten. Wie dies

So ist der Hauptrotor mit einem Hohlraum ausgestattet, in welchem der Stellrotor angeordnet ist. Auch der Stellrotor ist bewegbar, insbesondere rotierbar, zum Beispiel mittels der später noch erläuterten koaxialen Rotationsachsen von Hauptrotor und Stellrotor. Wird nun durch den Stellrotor eine erste Stellposition eingenommen, so erfolgt eine Einnahme einer Relativposition zwischen den Stellmagneten des Stellrotors und dem Magnetpaket des Hauptrotors. In dieser ersten Stellposition wird diese Relativposition eine definierte und eindeutige magnetische Wechselwirkung zwischen dem Magnetpaket einerseits und dem Stellmagneten andererseits aufweisen. Um diese magnetische Wechselwirkung zu verändern, kann nun der Stellrotor relativ zum Hauptrotor bewegt werden, insbesondere in rotierender Weise. Sobald der Stellrotor eine andere Stellposition eingenommen hat, insbesondere eine zweite Stellposition, bei welcher die Stellmagnete hinsichtlich ihrer magnetischen Wechselwirkung eine andere Relativposition zu dem Magnetpaket des Hauptrotors aufweisen, ergibt sich auch

eine veränderte Beeinflussung des Hauptmagnetfelds am Hauptrotor.

Dadurch, dass nun in erfindungsgemäßer Weise der Stellrotor in unterschiedliche Stellpositionen bewegt werden kann, hat diese mechanische Verstellung durch die Relativveränderung der Positionen der Stellmagnete zum Magnetpaket eine magnetische Verstellung zur Folge. Dies führt also dazu, dass eine Bewegung des Stellrotors in unterschiedliche Stellpositionen zu unterschiedlichen magnetischen Wechselwirkungen zwischen den Stellmagneten und dem Magnetpaket des Hauptrotors führt. Diese unterschiedlichen magnetischen Wechselwirkungen wiederum erzeugen einen unterschiedlichen magnetischen Fluss am mehrpoligen

Magnetfeld des Primär-Luftspalts. Mit anderen Worten wird es nun möglich, durch

die konstruktive Integration des Stellrotors in der den Hohlraum des Hauptrotors eine

mechanische Verstellung und damit eine kontrollierte Variationsmöglichkeit zur

Verfügung zu stellen für den magnetischen Fluss am mehrpoligen Magnetfeld am

Primär-Luftspalt der Rotorvorrichtung.

Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht dabei darauf, dass der Stellrotor einen Teil des Hauptrotors darstellt und insbesondere mit dem Hauptrotor mitrotiert. Daher ist der Stellrotor auch innerhalb des Hohlraums des Hauptrotors in diesen integriert und nicht separat von dem Hauptrotor angeordnet. Um die Relativpositionierbarkeit trotz gemeinsamer Rotation mit dem Hauptrotor zu gewährleisten, ist der Stellrotor in der Rotierbarkeit am Hauptrotor und nicht etwa an feststehenden Bauteilen des Elektromotors gelagert. Mit anderen Worten rotiert der Stellrotor bei einer eingenommenen Stellposition mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit wie auch der Hauptrotor mit demselben mit. Sofern eine Veränderung des magnetischen Flusses gewünscht ist, muss der Stellrotor in eine andere Stellposition bewegt werden. Nur für diese Stellbewegung ändert sich die absolute Rotationsgeschwindigkeit des Stellrotors und weicht von der absoluten Rotationsgeschwindigkeit des Hauptrotors ab. Wie später noch erläutert wird, ist dabei insbesondere, zum Beispiel mit Hilfe eines Sperrmechanismus, eine kraftübertragende Mitrotation zwischen Stellrotor und Hauptrotor möglich. Dies erlaubt es ausschließlich dann eine aktive Stellkraft in den Stellrotor einzubringen, wenn tatsächlich eine Veränderung der Stellposition gewünscht wird.

Es ist noch darauf hinzuweisen, dass bei einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung der Stellrotor selbstverständlich auch mehr als die wenigstens zwei unterschiedlichen Stellpositionen einnehmen kann. Auch ist es für die erfindungsgemäße Funktion unerheblich, ob es sich bei den Stellpositionen um Endpositionen, definierte Zwischenpositionen oder aber um frei einnehmbare und dementsprechend

kontinuierlich veränderbare Stellpositionen handelt.

Die Stellmagnete wie auch das Magnetpaket können bei einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung zum Beispiel aus ferromagnetischem Material gestaltet sein oder ein solches aufweisen. Das Magnetpaket des Hauptrotors kann auch als Magnetstack oder Magnetstapel bezeichnet werden und zum Beispiel scheibenweise

geschichtete Einzelmagneten aufweisen.

Magnetfeld des Primär-Luftspalts ausgebildet sein.

Darüber hinaus kann es Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung der Stellaktor über ein Stellgetriebe mit dem Stellrotor verbunden ist. Ein solches Stellgetriebe kann zum Beispiel ein Planetengetriebe, ein zykloidisches Getriebe, ein harmonisches Getriebe oder ein andersartiges Getriebe sein. Ein solches Stellgetriebe hat insbesondere den Vorteil, dass aufgrund der sehr geringen notwendigen Stellbewegungen zwischen den Stellpositionen, üblicherweise im Bereich zwischen 0 Grad und 60° trotzdem eine relativ hohe Kraft zur Verfügung gestellt werden kann, welche als Stellkraft dient. Je nach Betriebssituation kann die notwendige Stellkraft dabei der Antriebskraft der Rotorvorrichtung im Elektromotor selbst entsprechen oder zumindest teilweise entsprechen. Mit anderen Worten wird bei starken Elektromotoren, wie sie beispielsweise für den Antrieb von Fahrzeugen eingesetzt werden, eine entsprechend ebenfalls große Stellkraft benötigt. Dadurch, dass die Stellbewegung selbst eine sehr kurze Relativrotation, wie erläutert zum Beispiel im Bereich zwischen 0 Grad und 60°, darstellt, kann mit Hilfe eines Übersetzungsgetriebes die hohe Kraft auch mit einem relativ kleinen Stellaktor zur Verfügung gestellt werden. Die Umsetzung kann dabei insbesondere durch eine Untersetzung um den Faktor 100 bis 300 zur Verfügung gestellt werden. Der Stellaktor selbst ist insbesondere als

kleiner Elektromotor ausgebildet, wie er ebenfalls später noch näher erläutert wird.

Stellgetriebe wenigstens eine der folgenden Ausführungsformen aufweist: - Planetengetriebe, insbesondere Wolfrom-Planetengetriebe - Harmonischer Antrieb - Zykloider Antrieb

Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Selbstverständlich können auch unterschiedliche Getriebeformen miteinander kombiniert sein. Besonders bevorzugt eine Getriebeform mit einer selbstsperrenden Ausbildung, wie diese später noch näher erläutert wird.

Auch von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung das Stellgetriebe einen Abdichtabschnitt, insbesondere einen labyrinthartigen Abdichtabschnitt, aufweist für ein Abdichten des Stellgetriebes gegen einen unerwünschten Austritt von Schmiermittel. Beispielsweise kann aufgrund der durch die Betriebsweise und damit konstruktionsbedingt zu Erwartenden Kraftverhältnisse

der Zentrifugalkräfte eine verschleißarme Labyrinthabdichtung gewährleistet werden.

Ein weiterer Vorteil ist erzielbar, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung der Stellrotor, der Stellaktor und/oder ein Stellgetriebe, insbesondere zwischen dem Stellrotor und dem Stellaktor, einen Sperrmechanismus aufweisen, für ein Sperren des Stellrotors in wenigstens einer eingenommenen Stellposition, insbesondere in mechanischer Weise. Wie bereits erläutert worden ist, rotiert der Stellrotor beim Betrieb des Elektromotors gemeinsam mit dem Hauptrotor mit gleicher Rotationsgeschwindigkeit. Um sicherzustellen, dass während dieser Mitrotation der Stellrotor die eingenommene Stellposition als Relativposition zum Hauptrotor nicht verlässt, kann der Sperrmechanismus eine sperrende Funktion zur Verfügung stellen. Zwar wäre es grundsätzlich auch möglich, den Stellrotor gemeinsam mit dem Hauptrotor separat von diesem mit gleicher Rotationsgeschwindigkeit anzutreiben, jedoch würde dies einen deutlich erhöhten Energieaufwand mit sich bringen. Insbesondere mechanische Sperrmechanismen können damit kostengünstig und einfach eine Mitrotation erlauben, solange die Stellposition eingehalten werden soll. Solche Sperrmechanismen können zum Beispiel Rastelemente, Klinkenelemente

oder Ähnliches aufweisen. Dabei können auch selbsthemmende Stellgetriebe,

Stellrotor angeordnet.

Weitere Vorteile bring es mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung der Stellaktor über ein Stellgetriebe mit dem Stellrotor verbunden ist, wobei das Stellgetriebe als selbstsperrendes Getriebe ausgebildet ist für eine Ausbildung eines Sperrmechanismus. Bei dieser Ausbildung handelt es sich um eine bevorzugte Variante, da die Sperrfunktion und die Getriebefunktion in einer gemeinsamen Baugruppe integriert sind. So kann hier durch die selbstsperrende Ausgestaltung des Stellgetriebes diese Sperrfunktion in das Getriebe integriert zur Verfügung gestellt werden ohne zusätzliche Bauteile oder zusätzlichen Bauraum zu

benötigen.

Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen

Rotorvorrichtung der Stellaktor über eine Aktorwelle mit dem Stellrotor verbunden ist,

mechanischen Beschädigungen einzelner Komponenten des Stellrotors.

Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung der Stellaktor außerhalb des Hohlraums des Hauptrotors angeordnet ist und einen Befestigungsabschnitt aufweist für eine Befestigung an einem rotationsfesten Gegen-Befestigungsabschnitt des Elektromotors. Bei dieser Ausführungsform ist der Stellaktor also außerhalb der Rotorvorrichtung des Hauptrotors angeordnet und ist dabei vorzugsweise rotationsfrei und damit statisch angebracht. Jedoch ist es grundsätzlich auch möglich, dass der GegenBefestigungsabschnitt nicht rotationsfest, sondern als Teil oder als Anbindung an einen Flanschabschnitt des Hauptrotors ausgebildet ist. Die Anordnung des Stellaktors außerhalb des Hohlraums erlaubt einen besonders einfachen Zugang zu dem Aktor, insbesondere zur Wartung oder sogar zum Austausch des Stellaktors bei einem Defekt. Darüber hinaus führt dies dazu, dass der Hohlraum des Hauptrotors kleiner ausgeführt werden kann und entsprechend der Hauptrotor einen geringeren Durchmesser aufweist. Zwar verlängert sich die damit ausgebildete Rotorvorrichtung um die außerhalb des Hohlraums angeordnete Erstreckung des Stellaktors, jedoch

kann hinsichtlich des Durchmessers eine kompaktere Bauweise erzielt werden.

Auch ist es möglich, dass bei einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung der Stellaktor, der Stellrotor und/oder der Hauptrotor koaxial oder im Wesentlichen koaxial zueinander ausgerichtet sind. Damit wird insbesondere eine winkelige

Übertragung von Kräften oder Rotationsbewegungen vermieden, für welche sonst

zum Beispiel Kardangelenke oder ähnliche Umsatzgetriebe notwendig wären. Neben

der Reduktion der Komplexität werden unerwünschte Unwuchten reduziert und die

Kompaktheit der Bauform der gesamten Rotorvorrichtung deutlich verbessert. Alle

Stellaktoren, der Stellaktor, der Stellrotor und der Hauptrotor weisen damit identische

oder im Wesentlichen identische Rotationsachsen auf.

Ebenfalls Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung der Stellaktor am Hauptrotor befestigt ist, insbesondere zumindest teilweise innerhalb des Hohlraums des Hauptrotors. Darunter ist zu verstehen, dass der Stellaktor innerhalb des Hauptrotors mit diesem mitrotiert und damit eine erhöhte Masse des Hauptrotors einen besonders stabilen Lauf dieses Hauptrotors ermöglicht. Insbesondere durch die Integration in den Hohlraum des Hauptrotors wird es möglich, dass die Länge der Rotorvorrichtung reduziert wird und die Kompaktheit der Rotorverrichtung sich verbessert. Dabei ist es in einem ersten Schritt unerheblich in welcher Weise die Energieübertragung auf einen solchen integrierten Stellaktor zur Verfügung gestellt wird. Als Beispiele seien hier Schleifringkontakte, induktive

Übertragung von elektrischer Energie oder Ähnliches erwähnt.

Ebenfalls Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung der Stellaktor wenigstens eine der folgenden Ausführungsformen

aufweist: - elektromagnetischer Induktionsmotor - elektrischer Schrittmotor

Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Bevorzugt ist es also, wenn der Stellaktor als elektrischer Stellaktor ausgebildet ist. Ein elektromagnetischer Induktionsmotor ist dabei eine besondere vorteilhafte Möglichkeit. Insbesondere dann, wenn kein Sperrmechanismus, wie er weiter oben bereits erläutert worden ist, vorgesehen ist, kann ein elektrischer Schrittmotor, welcher also in der Lage ist, eine eingenommene Position lastfrei zu halten, Vorteile mit sich bringen. Mit anderen Worten kann auch der Stellaktor damit den Sperrmechanismus aufweisen, indem ohne Bestromung die jeweils eingenommene Relativposition vom Stellaktor fest eingehalten und damit für den

Stellrotor vorgegeben wird.

Darüber hinaus bringt es Vorteile mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen

Rotorvorrichtung der Stellaktor einen Übertragungsabschnitt für eine Übertragung

einer Stellkraft zum Stellen des Stellrotors zwischen den Stellpositionen aufweist,

wobei der Übertragungsabschnitt insbesondere eine der folgenden Ausbildungen

aufweist: - Schleifringkontakte - Rotationstransformator

Auch bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Um den Stellaktor mit der für die Erzeugung der Stellkraft notwendigen Energie zu versorgen kann hier eine externe und damit statische Energieversorgung vorgesehen werden. Diese unbewegte Energieversorgung stellt die notwendige Antriebsenergie, insbesondere in Form von elektrischem Strom dem

Stellaktor für den Übertragungsabschnitt zur Verfügung.

Weiter von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung der Stellrotor, der Stellaktor und/oder der Hauptrotor eine Sensorvorrichtung aufweist mit wenigstens einem Sensorelement zur Erfassung wenigstens einer der folgenden

Positionen: - Stellposition des Stellrotors relativ zum Hauptrotor, - absolute Rotationsposition des Hauptrotors, - absolute Rotationsposition des Stellrotors.

Auch bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Auch sind Kombinationen unterschiedlicher Sensorelemente denkbar. Während grundsätzlich bereits das Vorsehen des Stellaktors alleine mit dem Stellrotor die gewünschte Funktionalität der Variation des magnetischen Flusses gewährleistet, kann eine solche Sensorvorrichtung eine Kontrollierbarkeit in Form einer Regelschleife zur Verfügung stellen. So wird nicht nur die Vorgabe einer Stellposition möglich, sondern über die Sensorelemente auch eine Überprüfung, ob die vorgegebene Stellposition als Ist-Stellposition auch tatsächlich eingenommen

worden ist.

So ist es von Vorteil, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung die Stellmagnete radial und/oder parallel ausgerichtet sind und insbesondere eine bogenförmige Erstreckung aufweisen. Die bogenförmige Erstreckung weist dabei einen Krümmungsradius auf, welcher etwas kleiner oder gleich dem Außenradius des Stellrotors ist, sodass die bogenförmigen Stellmagnete in den Außenradius und damit den Außenumfang des Stellrotors quasi integriert werden können. Dies kann direkt auf der Außenseite des Stellrotors, aber auch zumindest teilintegriert in das Material des Stellrotors erfolgen. Bevorzugt ist es, wenn solche bogenförmig ausgebildeten Stellmagnete mit entsprechend V-förmig auf die Rotationsachse hin

geöffneten Magneten des Magnetpakets kombiniert sind.

Ebenfalls ist es von Vorteil, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung der Hauptrotor Flanschabschnitte aufweist, insbesondere an beiden axialen Enden, welche aus einem nicht-ferromagnetischen Material ausgebildet sind. Bevorzugt sind diese Flanschabschnitte beidseitig nicht-ferromagnetisch ausgebildet, und bilden eine Flanschfunktion, wobei vorzugsweise ebenfalls nicht-ferromagnetische Bolzen eine Verspannung des Magnetpakets des Hauptrotors zwischen diesen Flanschabschnitten zur Verfügung stellen. Diese Flanschabschnitte können auch Lagerelemente, Wälzlager oder zumindest Lagerflächen für die Anordnung von

Wälzlagern aufweisen.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Elektromotor, aufweisend eine Statorvorrichtung, innerhalb derer eine erfindungsgemäße Rotorvorrichtung

angeordnet ist. Dabei bringt ein erfindungsgemäßer Elektromotor die gleichen

Rotorvorrichtung erläutert worden sind.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kontrollverfahren für eine variable Kontrolle eines magnetischen Flusses eines Elektromotors gemäß der

vorliegenden Erfindung, aufweisend die folgenden Schritte: - Einbringen einer Stellkraft mittels des Stellaktors in den Stellrotor, - Bewegen des Stellrotors mittels der Stellkraft in eine Stellposition.

Auch ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren bringt damit die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Rotorvorrichtung sowie mit Bezug auf einen erfindungsgemäßen Elektromotor erläutert worden sind. Dabei können unterschiedliche Betriebssituationen des Elektromotors nun variabel verändert werden, indem durch Einnahme unterschiedlicher Stellpositionen unterschiedliche magnetische Flussvariationen erzeugt werden. Solche unterschiedlichen Betriebssituationen des Elektromotors können beispielsweise unterschiedliche Drehzahlsituationen, Lastsituationen oder Ähnliches sein. Wird beispielsweise ein Elektromotor für einen Antrieb eines Fahrzeugs eingesetzt, so wird bei Hochgeschwindigkeitsfahrten auf der Autobahn eine hohe Rotationsgeschwindigkeit gefordert. Für eine solche hohe Rotationsgeschwindigkeit des Hauptrotors sind andere magnetische Flusssituationen vorteilhaft als dies zum Beispiel bei einer Bergauffahrt mit geringer Rotationsgeschwindigkeit, aber hohem benötigten Drehmoment der Fall ist. Bei einem erfindungsgemäß ausgestatteten Elektromotor kann nun variabel auf solche unterschiedlichen Betriebssituationen reagiert werden und die Charakteristik des Elektromotors entsprechend an diese

Betriebssituationen angepasst werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen

schematisch:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen

Rotorvorrichtung in Teilansicht und schematischem Querschnitt,

13 Fig. 2 der Querschnitt der Figur 1 in einer ersten Stellposition des Stellrotors, Fig. 3 der Querschnitt der Figur 2 in einer weiteren Stellposition des Stellrotors, Fig. 4 der Querschnitt der Figuren 2 und 3 in einer weiteren

Stellposition des Stellrotors,

Fig. 5 ein Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer

erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung,

Fig. 6 ein Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer

erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung,

Fig. 7 ein weiterer Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform

einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung,

Fig. 8 eine Detaildarstellung einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung,

Fig. 9 eine Ausführungsform eines Sperrmechanismus,

Fig. 10 eine weitere Ausführungsform eines Sperrmechanismus,

Fig. 11 einer weitere Ausführungsform eines Sperrmechanismus in

Freigabeposition, Fig. 12 die Ausführungsform der Figur 11 in Sperrposition.

Figur 1 zeigt schematisch eine Rotorvorrichtung 10, welche mit einem Hauptrotor 20 ausgestattet ist. Entlang der Linie A-A ist in der Figur 1 rechts ein Querschnitt dargestellt, in welchem gut die Relativpositionierung zwischen einem ringförmigen Abschnitt des Hauptrotors 20 und einem darin innerhalb angeordneten Stellrotor 30 zu erkennen ist. Der Stellrotor 30 ist rotierbar innerhalb des Hauptrotors 20 gelagert und weist Beeinflussungsabschnitte 31 in Form von Stellmagneten 32 auf. Die Stellmagnete 32 sind hier mit einer bogenförmigen Erstreckung umfangsseitig angeordnet und bringen damit eine magnetische Einflussmöglichkeit über den

schematisch zu erkennenden Sekundär-Luftspalt SL auf das Magnetpaket 22 des

Hauptrotors 20. Das Magnetpaket 22 ist hier mit einer Vielzahl von V-förmigen

Magnetpaaren ausgebildet, wobei diese Magnetpaare V-förmig hinsichtlich der

Öffnung der V-Form auf die Rotationsachse des Hauptrotors 20 zugerichtet sind.

Ebenfalls schematisch sind hier nicht-ferromagnetische Bolzen im Querschnitt zu

erkennen, welche insbesondere in den Längsschnitten der Figuren 5, 6 und 7 noch

näher dargestellt sind.

Die Figuren 2, 3 und 4 beschreiben die Funktionalität der Variationsmöglichkeit des magnetischen Flusses MF. In der Figur 2 ist eine erste Stellposition SP1, in der Figur 3 eine zweite Stellposition SP2 und in der Figur 4 eine dritte Stellposition SP3 dargestellt. Dabei handelt es sich immer um Relativpositionen des Stellrotors 30 zum Hauptrotor 20. Bei der Figur 1 kann diese Stellposition SP1 auch als 0° Position bezeichnet werden. Mit anderen Worten liegt die Verdrehung zwischen Stellrotor 30 und Hauptrotor 20 bei 0°. In dieser auch als Ausgangssituation beschreibbaren Stellposition SP1 sind mit dicken Pfeilen die Magnetfeldrichtungen der Stellmagnete 32 sowie der Magnetpakete 22 dargestellt. Hier ist gut zu erkennen, zum Beispiel am oberen rechten Ende der Figur 2, dass die Stellmagnete 32 mit ihrer Ausrichtung das von den Magnetpaket 22 jeweils erzeugte Magnetfeld unterstützen, da sie gleichgerichtet ausgerichtet sind. Dies führt dazu, dass der entstehende kombinierte magnetische Fluss MF, welcher sich durch die magnetische Wechselwirkung des Magnetfelds der Magnetpakete 22 und der gleichgerichteten Magnetfelder der Stellmagnete 32 einstellt, entsprechend verstärkt oder sogar maximiert wird.

Wird nun eine Reduktion des magnetischen Flusses MF gewünscht, so kann eine Verstellung der Relativposition des Stellrotors 30 erfolgen. Die Figur 3 zeigt eine solche Weiterrotierung in eine zweite Stellposition SP2, welche aus der 0° Position Figur 2 in eine 30° Position der Figur 3 weiter verstellt worden ist. In dieser zweiten Stellposition SP2 ist nun zu erkennen, dass zwar die Stellmagnete 32 weiterhin eine gewisse Gleichrichtung mit den Magnetfeldern des Magnetpakets 22 des Hauptrotors 20 aufweisen, jedoch nicht mehr in perfekter Wechselwirkung wie in der Stellposition SP1 der Figur 2. Dies führt dazu, dass in dieser Stellposition SP2 nun der magnetische Fluss MF, welcher aus der Wechselwirkung zwischen den Stellmagneten 32 und dem Magnetpaket 22 entsteht, geringer ist und damit reduziert. Dies ist in der Figur 3 durch die geringe Erstreckung des magnetischen

Flusses MF zu erkennen.

MF als Resultat aus dieser magnetischen Wechselwirkung minimiert ist.

In der Figur 5 ist eine Antriebsmöglichkeit dargestellt, wie die Stellpositionen SP1, SP2, SP3 eingenommen werden können. Bei dieser dargestellten Variante handelt es sich um einen extern angeordneten Stellaktor 40, welcher zum Beispiel als elektrischer Motor ausgebildet sein kann. Der Stellaktor 40 kann über Befestigungsabschnitte 44 an einem Gegenbefestigungsabschnitt 144 des Elektromotors 100, aber auch an Teilen des Hauptrotors 20, hier nicht dargestellt, befestigt sein. Über eine Aktorwelle 42 kann die Stellkraft SK und die damit einhergehende Rotationsbewegung auf den Stellrotor 30 übertragen werden. Bei der Ausführungsform der Figur 5 erfolgt diese Übertragung nicht in direkter Weise, sondern mit Hilfe eines hier als Planetengetriebe ausgebildeten Stellgetriebes 50. Dieses als Planetengetriebe ausgebildete Stellgetriebe 50 erlaubt eine Untersetzung, sodass die relativ geringe Relativrotation, wie in den Figuren 2 bis 4 dargestellt zum Beispiel 0 bis 60°, nun mit einer hohen Kraft einhergehen kann. Da sich die notwendige Kraft für die Verstellung des Stellrotors insbesondere an der Antriebskraft in der jeweiligen Betriebssituation am Hauptrotor 20 orientiert, ist hiermit ein kleiner Stellaktor 40 trotzdem in der Lage, auch diese hohen Kräfte als

Stellkräfte SK für die Bewegung des Stellrotors 30 zur Verfügung zu stellen.

Die Figur 5 zeigt auch die Relation der Anordnung des Hauptrotors 20 mit einem Primär-Luftspalt PL zu der schematisch dargestellten Statorvorrichtung 110 des Elektromotors 100. Auch sind hier die beiden seitlichen Endflansche als Flanschabschnitte 26 des Hauptrotors 20 dargestellt, welche mit Hilfe nichtferromagnetischer Bolzen 28 eine Verspannung des Magnetpakets 22 zur Verfügung stellt. An diesen Flanschabschnitten 26 sind Wälzlager vorgesehen, um eine rotatorische Lagerung des Hauptrotors 20 am Elektrorotor 100 zu gewährleisten.

Auch sind die Wälzlagervorrichtungen im Hohlraum 24 zu erkennen, über welche

sich der Stellrotor 30 rotatorisch gelagert am Hauptrotor 40 abstützt. Bei der

Ausführungsform der Figur 5 ist noch gut zu erkennen, dass die Aktorwelle 42 einen

Ausgleichsabschnitt 43 aufweist, welcher mit Hilfe eines reduzierten Querschnitts

eine Torsionsfähigkeit zur Verfügung stellt. Dies erlaubt es, Stellungenauigkeiten und

Vibrationen zwischen dem Stellrotor 30 und dem Stellaktor 40 auszugleichen oder

zumindest teilweise zu entkoppeln.

Bei der Figur 6 handelt es sich um eine ähnliche Ausführungsform wie in der Figur 5, jedoch ist hier der Stellaktor 40 im Elektromotor 100 anders ausgebildet. Der Stellaktor 40 ist hier als Elektromotor in den Hauptrotor 40, insbesondere in einen Teil dieses Hauptrotors im Flanschabschnitt 26 integriert. Der elektromotorisch ausgebildete Stellaktor 40 weist wieder eine hier dicker ausgebildete Aktorwelle 42 auf, welcher über das Stellgetriebe 50 den Antrieb des Stellrotors 30 gewährleistet. Wie in der Figur 5 ist auch in der Figur 6 das Stellgetriebe 50 sperrend ausgebildet, sodass zum Beispiel mit dieser Hilfe ein Sperrmechanismus 52 in das Stellgetriebe 50 integriert ist. Dadurch, dass hier nun eine direkte Mitrotation auch des Stellaktors 40 gegeben sein muss, muss die Kraftübertragung beziehungsweise die Übertragung der elektrischen Energie zum Stellaktor 40 gelöst werden. Dies ist hier mit Hilfe von Schleifringen 47 als Teil eines Übertragungsabschnitts 46 gegeben. Mit diesen Schleifringkontakten 47 stehen schleifend kontaktierend die GegenSchleifringkontakte 147 des Gegen-Übertragungsabschnitts 146 in Kontakt, sodass hier bei vier separaten Schleifringkontakten 47 entsprechend eine elektrische

Übertragung, insbesondere sogar auch eine Signalübertragung, stattfinden kann.

In der Figur 7 ist eine weitere alternative Ausführungsform dargestellt, bei welchem der Stellaktor 40 noch weiter sogar in den Hohlraum 24 des Hauptrotors 20 integriert ist. Auch hier erfolgt die Übertragung der Stellkraft SK wieder über eine Aktorwelle 42 und ein Stellgetriebe 50, wobei auch dieses Stellgetriebe wieder einen mechanischen Sperrmechanismus 52 aufweist. Durch die vollständige Integration des Stellaktors 40 auch in den Hohlraum 24 des Hauptrotors 20 wird eine weitere Verkürzung der Rotorvorrichtung 10 möglich. Bei dieser Ausführungsform erfolgt nun eine induktive Übertragung der Antriebsenergie zum Stellaktor 40, mit Hilfe einer Gegenspule 148 und einer nicht näher dargestellten Gegenspule 148 der Rotorvorrichtung 110. Auch ist hier schematisch eine Sensorvorrichtung 60

dargestellt, welche mit Hilfe eines Sensorelements 62 die Relativposition und/oder

Sensorsignale insbesondere berührungslos, kabellos und/oder per Schleifkontakt.

Die Figur 8 zeigt im Detail eine mögliche Abdichtung eines Stellgetriebes 50 mittels eines Abdichtabschnitts 54. Dieser ist hier labyrinthartig ausgebildet und dient dazu flüssiges und/oder viskoses Schmiermittel des Stellgetriebes 50 am unerwünschten

Austreten zu hindern.

In den Figuren 9 bis 12 sind unterschiedliche Ausführungsformen eines Sperrmechanismus 52 dargestellt. Bei allen drei Ausführungsvarianten ist der Stellrotor 30 über ein Stellgetriebe 50, hier in Form eines Planetengetriebes, mit dem Hauptrotor verbunden, neben oder zusätzlich zu der bereits erläuterten Ausführung des Stellgetriebes 50 in selbsthemmender Weise sind hier verschiedene Sperrmechanismen dargestellt, welche unabhängig vom Stellgetriebe 50 ausgebildet sind.

Die Figur 9 zeigt eine magnetische Sperrwirkung. Hier ist der Stellaktor 40 mit dem Stellrotor 30 in magnetisch hemmender Weise ausgebildet, zum Beispiel in Form eines Schrittmotors. Sobald eine Stellbewegung abgeschlossen ist, bildet der Stellrotor 30 ein eigenständiges, magnetisches Haltemoment aus, wodurch die Sperrfunktion erzeugt wird. Ein Vorteil dieser Variante ist die automatische Sperrfunktion, da ohne Stellaktion vom Stellaktor 40 automatisch die Sperrwirkung

eintritt.

Die Figur 10 zeigt eine Variante mit rein mechanischer Sperre. Auf der rechten Seite des Stellrotors 30 und damit entgegengesetzt zur Anordnung des Stellgetriebes 50, ist hier eine Bremsvorrichtung als Sperrmechanismus angeordnet. Hier kann aktiv

die Sperrfunktion kontrolliert werden. Zwar muss eine aktive Kontrolle des Sperrens

im Wesentlichen frei gewählt werden.

Die Figuren 11 und 12 zeigen eine Kombination aus mechanischer und magnetischer Wirkung. Mittels einer Federvorrichtung 51 wir der Stellrotor 30 mit einer Federkraft in Richtung seiner Rotationsachse beaufschlagt. Die Figur 12 zeigt diesen Zustand. Durch die Federkraft wird der Stellrotor 30 axial nach rechts bewegt, so dass Fixierelemente 53 auf der rechten Seite des Stellrotors 30 einrasten. Sobald eine Stellaktion erfolgen soll, erzeugt der Stellaktor 40 das für diese Stellbewegung notwendige Magnetfeld. Dieses Magnetfeld weist neben der rotatorischen Komponenten auch eine axial wirkende Komponente auf, welche als Magnetkraft der Federkraft entgegengerichtet ist. Damit hebt diese magnetische Axialkraft die Federkraft auf und schiebt den Stellrotor 30 aus der Position gemäß Figur 12 nach links in die Position gemäß Figur 1. Die Fixierelement geraten dadurch außer Eingriff

und die Sperrfunktion ist aufgehoben.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende

Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

Bezugszeichenliste 10 Rotorvorrichtung

20 Hauptrotor 22 Magnetpaket

24 Hohlraum 26 Flanschabschnitte 28 Bolzen

30 Stellrotor

31 Beeinflussungsabschnitt 32 Stellmagnet

40 Stellaktor

42 Aktorwelle

43 —Ausgleichsabschnitt

44 Befestigungsabschnitt

46 Übertragungsabschnitt 47 Schleifringkontakt

48 Empfangsspule

50 Stellgetriebe

51 Federvorrichtung

52 Sperrmechanismus

53 Fixierelement

54 Abdichtabschnitt

60 Sensorvorrichtung

62 Sensorelement

100 Elektromotor

110 Statorvorrichtung

144 Gegen-Befestigungsabschnitt 146 Gegen-Übertragungsabschnitt 147 Gegen-Schleifringkontakt 148 Gegenspule

PL Primär-Luftspalt SL Sekundär-Luftspalt SP1 Stellposition

SP2 Stellposition 20/31

SP3 Stellposition SK Stellkraft MF Magnetische Flussdichte

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Rotorvorrichtung (10) für einen Elektromotor (100), aufweisend einen Hauptrotor (20) mit einem umlaufend angeordneten Magnetpaket (22) zur Ausbildung eines mehrpoligen Magnetfelds an einem Primär-Luftspalt (PL) zu einer Statorvorrichtung (110) des Elektromotors (100), dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Magnetpakets (22) der Hauptrotor (20) einen Hohlraum (24) aufweist, in welchem ein Stellrotor (30) angeordnet ist, welcher zwischen wenigstens zwei Stellpositionen (SP1, SP2, SP3) rotierbar am Hauptrotor (20) gelagert ist, weiter aufweisend einen Stellaktor (40), der kraftübertragend mit dem Stellrotor (30) verbunden ist für eine Erzeugung einer Stellkraft (SK) zur Bewegung des Stellrotors (30) zwischen den unterschiedlichen Stellpositionen (SP1, SP2, SP3), wobei weiter der Stellrotor (30) Stellmagnete (32) aufweist, welche in Abhängigkeit der eingenommenen Stellposition (SP1, SP2, SP3) über einen Sekundär-Luftspalt (SL) mit dem Magnetpaket (22) des Hauptrotors (20) magnetisch zusammenwirken und einen magnetischen Fluss (MF) des mehrpoligen Magnetfelds am Primär-

   Luftspalt (PL) beeinflussen.

   2. Rotorvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellrotor (30) frei oder im Wesentlichen frei im Hohlraum (24) gelagert ist, um eine Vielzahl vordefinierter und/oder freier Stellpositionen (SP1, SP2, SP3)

   einnehmen zu können.

   3. Rotorvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellaktor (40) über ein Stellgetriebe (50) mit dem

   Stellrotor (30) verbunden ist.

   4. Rotorvorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellgetriebe (50) einen Abdichtabschnitt (54), insbesondere einen labyrinthartigen Abdichtabschnitt (54), aufweist für ein Abdichten des

   Stellgetriebes (52) gegen einen unerwünschten Austritt von Schmiermittel.

   SP3), insbesondere in mechanischer Weise.

   6. Rotorvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellaktor (40) über ein Stellgetriebe (50) mit dem Stellrotor (30) verbunden ist, wobei das Stellgetriebe (50) als selbstsperrendes

   Getriebe ausgebildet ist für eine Ausbildung eines Sperrmechanismus (52).

   7. Rotorvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellaktor (40) über eine Aktorwelle (42) mit dem Stellrotor (30) verbunden ist, wobei die Aktorwelle (42) einen mechanischen Ausgleichsabschnitt (43) zum Ausgleich eines Drehmoments zwischen dem Stellaktor (40) und dem Stellrotor (30) aufweist.

   8. Rotorvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellaktor (40) außerhalb des Hohlraums (24) des Hauptrotors (20) angeordnet ist und einen Befestigungsabschnitt (44) aufweist für eine Befestigung an einem rotationsfesten Gegen-Befestigungsabschnitt (144) des Elektromotors (100).

   9. Rotorvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellaktor (40) am Hauptrotor (20) befestigt ist, insbesondere zumindest teilweise innerhalb des Hohlraums (24) des

   Hauptrotors (20).

   aufweist: - Schleifringkontakte - Rotationstransformator

   11. Rotorvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellrotor (30), der Stellaktor (40) und/oder der Hauptrotor (20) eine Sensorvorrichtung (60) aufweist mit wenigstens einem

   Sensorelement (62) zur Erfassung wenigstens einer der folgenden Positionen: - Stellposition des Stellrotors (30) relativ zum Hautprotor (20) - Absolute Rotationsposition des Hauptrotors (20) - Absolute Rotationsposition des Stellrotors (30)

   12. Rotorvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetpaket (22) einzelne Magnete, insbesondere in V-Form, aufweist, welche voneinander insbesondere

   elektrisch isoliert sind.

   13. Rotorvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellmagnete (32) radial und/oder paralle|l ausgerichtet sind und insbesondere eine bogenförmige Erstreckung

   aufweisen.

   14. Elektromotor (100), aufweisend eine Statorvorrichtung (110) innerhalb derer eine Rotorvorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 13

   angeordnet ist.

   15. Kontrollverfahren für eine variable Kontrolle eines magnetischen Flusses eines Elektromotors (100) mit den Merkmalen des Anspruchs 14, aufweisend die

   folgenden Schritte:

   - Einbringen einer Stellkraft (SK) mittels des Stellaktors (40) in den Stellrotor (30),

   - Bewegen des Stellrotors (30) mittels der Stellkraft (SK) in eine Stellposition (SP1, SP2, SP3).