DE102018203566A1 - Elektromechanischer Energiewandler mit einem inneren und einem äußeren Energiewandler - Google Patents

Abstract

Elektromechanischer Energiewandler (1) mit einem inneren Energiewandler (2) mit einem inneren Rotor (4) und einem inneren Stator (5) und mit einer Antriebswelle (8), wobei der innere Stator (5), der innere Rotor (4) und die Antriebswelle (8) um eine gemeinsame Antriebsache (9) gegenüber einem stillstehenden Motorgehäuse (10) drehbar gelagert sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
der elektromechanische Energiewandler (1) einen äußeren Energiewandler (3) mit einem äußeren Stator (7) und einem äußeren Rotor (6) aufweist, wobei der äußere Rotor (6) drehfest mit dem inneren Stator (5) verbunden ist,
dass, in Bezug auf die Drehmomentübertragung, zwischen dem äußeren Rotor (5) und
dem inneren Rotor (4) eine Getriebeeinrichtung (11) derart angeordnet ist,
so dass sich der innere Rotor (4) bei einer Bewegung des äußeren Rotors (6) entgegengesetzte zu diesem um die gemeinsame Antriebsachse (9) bewegt.

Description

• Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Energiewandler zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs. Ein Gegenstand gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs ist aus der WO2001/56138A1 bekannt.
• Nachfolgend ist die Erfindung in Zusammenhang mit einem Antriebsmotor für ein Kraftfahrzeug beschrieben, dies ist nicht als eine Einschränkung der Erfindung auf eine derartige Anwendung zu verstehen. In Kraftfahrzeugen werden elektrische Antriebsmotoren insbesondere zum Bereitstellen von Antriebsleistung zum Überwinden von Fahrwiderständen (Roll-, Luft-, Steigungs-, Beschleunigungswiederstand) eingesetzt. Ein Allgemeines Ziel ist es dabei, eine Antriebmaschine mit kompakten Abmessungen, hoher Leistungsdichte, gutem Wirkungsgrad und hoher Robustheit bereitzustellen. Die WO2001/56138A1 schlägt eine elektrische Antriebsmaschine für ein Fahrzeug vor, bei welcher ein Rotor und ein Stator mit einer Getriebeeinrichtung kinematisch miteinander gekoppelt sind. Die Aufgabe der Erfindung ist es einen elektromechanischen Energiewandler mit verbesserter Leistungsdichte anzugeben, diese Aufgabe wird durch einen elektromechanischen Energiewandler gemäß dem ersten Patentanspruch gelöst, zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Weiter ist in Patentanspruch 10 ein Verfahren zum Betrieb eines elektromechanischen Energiewandlers gemäß einem der Patentansprüche 7 bis 9 angegeben.
• Im Sinne der Erfindung ist unter einem elektromechanischen Energiewandler eine Einrichtung zum Umwandeln von elektrischer Leistung (Spannung, Strom) in mechanische Antriebsleistung (Drehmoment, Drehzahl) zu verstehen, insbesondere ist unter einem elektromechanischen Energiewandler ein Elektromotor oder ein Elektromotor/-generator zu verstehen.
• Vorzugsweise kann ein derartiger elektromechanischer Energiewandler als Elektromotor und/oder als elektrischer Generator ausgebildet sein. Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Bauformen derartiger Elektromotoren bekannt. Der elektromechanische Energiewandler weist einen inneren Energiewandler mit einem inneren Rotor und einem inneren Stator auf. Dabei ist es eine Besonderheit des vorgeschlagenen elektromechanischen Energiewandlers, dass der innere Stator bei Betrieb des Energiewandlers nicht stillsteht, sondern rotiert.
  Dabei ist „innerer“ in diesem Sinn insbesondere als eine geometrische Angabe zu verstehen. Zum Abgeben einer mechanischen Antriebsleistung weist der elektromechanische Energiewandler eine Antriebswelle auf, welche um eine Antriebsachse rotierbar gelagert ist. Zum Abgeben dieser mechanischen Antriebsleistung rotiert der innere Rotor gegenüber dem inneren Stator um diese gemeinsame Antriebsachse, anders gewendet sind der innere Rotor und der innere Stator sowie die Antriebswelle konzentrisch zueinander angeordnet.
  Der elektromechanische Energiewandler weist neben dem inneren Energiewandler einen äußeren Energiewandler auf. Der äußere Energiewandler ist wenigstens abschnittsweise radial außerhalb des inneren Energiewandlers angeordnet. Insbesondere weist der äußere Energiewandler einen äußeren Rotor und einen äußeren Stator auf. Vorzugsweise sind sowohl der äußere Stator wie auch der äußere Rotor konzentrisch zu der Antriebsachse angeordnet. Weiter vorzugsweise ist der äußere Rotor mit dem inneren Stator drehfest verbunden, bevorzugt sind der äußere Rotor und der innere Stator einstückig miteinander ausgebildet. Bildlich gesprochen ist der elektromechanische Energiewandler aus 2 radial ineinandergeschachtelten Energiewandlern (innere Energiewandler/äußere Energiewandler) aufgebaut, wobei der innere und der äußere Energiewandler wenigstens am äußeren Rotor und am inneren Stator drehfest miteinander verbunden sind.
• Im Sinne der Erfindung ist unter drehfest zu verstehen, dass 2 drehfest miteinander verbundene Teile drehstarr miteinander verbunden sind, vorzugsweise einstückig miteinander ausgebildet sind, bzw. fest miteinander verbunden sind.
• Insbesondere ist zwischen dem äußeren Rotor und dem inneren Rotor, bezogen auf die Drehzahl bzw. Drehmomentübertragung zwischen diesen, eine Getriebeeinrichtung angeordnet, welche den äußeren Rotor mit dem inneren Rotor kinematisch koppelt.
• Insbesondere ist die Getriebeeinrichtung derart zwischen dem äußeren Rotor und dem inneren Rotor angeordnet, dass sich der innere Rotor bei einer Bewegung des äußeren Rotors entgegengesetzt zu diesem und um die gemeinsame Antriebsachse bewegt. Vollführt also der äußere Rotor eine Drehbewegung im Uhrzeigersinn um die gemeinsame Antriebsachse, so wird diese Drehbewegung mittels der Getriebeeinrichtung derart auf den inneren Rotor übertragen, dass dieser sich entgegen dem Uhrzeigersinn um die gemeinsame Antriebsachse dreht. Vorzugsweise rotieren der äußere Rotor und der innere Rotor mit gleich hoher Geschwindigkeit aber in entgegengesetzte Richtungen um die Antriebsachse.
• Insbesondere durch einen derartigen Aufbau des elektromechanischen Energiewandlers ist es ermöglicht, dass bei einem Antrieb des äußeren Rotors durch den äußeren Stator eine große Differenzgeschwindigkeit zwischen dem inneren Stator (dieser ist mit dem äußeren Rotor drehfest verbunden) und dem inneren Rotor aufgebaut wird und somit ist eine besonders hohe Leistungsdichte mit einem derartigen elektromechanischen Energiewandler erreichbar.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Getriebeeinrichtung, welche zwischen dem äußeren Rotor und dem inneren Rotor angeordnet ist, als eine Umlaufgetriebeeinrichtung ausgebildet. Vorzugsweise weist diese Umlaufgetriebeeinrichtung wenigstens ein Hohlrad, wenigstens ein Sonnenrad, und wenigstens ein Planetenrad, welches auf einem Planetenradträger drehbar gelagert ist, auf. Vorzugsweise ist das Umlaufgetriebe als sogenanntes Minusgetriebe ausgebildet und weiter vorzugsweise führt das Umlaufgetriebe bei stillstehendem Planetenradträger und Antrieb vom Hohlrad zum Sonnenrad zu einer Drehrichtungsumkehr. Derartige Umlaufgetriebeeinrichtungen sind aus dem Stand der Technik allgemein als sogenannte Planetengetriebe bekannt.
• Vorzugsweise ist der Planetenradträger mit dem stillstehenden Motorgehäuse drehfest verbunden oder ist mit diesem selektiv drehfest verbindbar. Vorzugsweise ist das Hohlrad mit dem äußeren Rotor beziehungsweise mit dem inneren Stator drehfest verbunden oder ist vorzugsweise selektiv drehfest mit diesem verbindbar. Weiter vorzugsweise ist das Sonnenrad mit dem inneren Rotor drehfest verbunden oder ist vorzugsweise selektiv drehfest mit diesem verbindbar. Insbesondere Umlaufgetriebe sind aus dem Stand der Technik bekannt und ermöglichen eine hohe Leistungsübertragung auf kleinem Bauraum und weiter bilden diese eine einfache Möglichkeit zur Drehrichtungsumkehr zwischen dem äußeren Rotor und dem inneren Rotor.
• In einer bevorzugt Ausführungsform der Erfindung ist der äußere Energiewandler als Asynchron-Drehfeldmaschine ausgebildet, derartige Energiewandler sind aus dem Stand der Technik, insbesondere bezüglich ihres Funktionsprinzips, bekannt. Weiter vorzugsweise weist der äußere Energiewandler den äußeren Rotor mit einer Wicklung mit wenigstens einem Polpaar auf, dabei ist diese Wicklung als sogenannte äußere Rotorwicklung und diese Polpaarzahl als äußere Rotor-Polpaarzahl zu verstehen. In dieser äußeren Rotorwicklung ist ein äußeres Drehfeld erzeugbar.
• Vorzugsweise ist der innere Energiewandler als eine Drehfeldmaschine ausgebildet. Als Drehfeldmaschinen sind aus dem Stand der Technik wenigstens sogenannte Synchronmaschinen oder Asynchronmaschinen bekannt. Vorzugsweise weist der innere Stator eine Wicklung mit wenigstens einem Polpaar auf. Dabei ist diese Wicklung als sogenannte innere Statorwicklung mit einer inneren Stator-Polpaarzahl zu verstehen. Vorzugsweise ist in dieser inneren Statorwicklung ein Drehfeld erzeugbar.
• Vorzugsweise sind die äußere Rotorwicklung und die innere Statorwicklung elektrisch leitend miteinander verbunden oder wenigstens zeitweise miteinander verbindbar, derart dass ein elektrischer Strom, welcher beim Durchfließen der äußeren Rotorwicklung ein äußeres Drehfeld hervorruft, beim Durchfließen der inneren Rotorwicklung ein inneres Drehfeld hervorruft, welches, bezogen auf die Drehrichtung, gegenläufig zu diesem äußeren Drehfeld ist. Insbesondere durch eine derartige Ausgestaltung kann eine hohe Differenzgeschwindigkeit zwischen diesen beiden Drehfeldern (inneres/äußeres) erreicht werden und damit ist eine kompakte Bauform des elektromechanischen Energiewandlers ermöglicht.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der innere Energiewandler, welcher als Drehfeldmaschine ausgebildet ist, als eine sogenannte Synchronmaschine ausgebildet. Vorzugsweise weist der innere Rotor zum Bereitstellen einer Antriebsleistung an der Antriebswelle wenigstens einen Permanentmagneten, vorzugsweise eine Vielzahl von Permanentmagneten auf. Insbesondere Synchronmaschinen sind aus dem Stand der Technik als elektromechanische Energiewandler mit besonders hohem Wirkungsgrad bekannt.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der innere Energiewandler, welcher als Drehfeldmaschine ausgebildet ist, als eine sogenannte Asynchronmaschine ausgebildet. Vorzugsweise ist der innere Rotor bei einer solchen Ausgestaltung als sogenannter Kurzschlussläufer ausgebildet. Insbesondere Asynchronmaschinen sind aus dem Stand der Technik als besonders betriebssichere elektromechanische Energiewandler bekannt.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der äußere Stator eine Wicklung mit wenigstens einem Polpaar auf. Diese Wicklung ist insbesondere als sogenannte äußere Statorwicklung mit einer äußeren Stator-Polpaarzahl zu verstehen. Weiter vorzugsweise ist die äußere Stator-Polpaarzahl und die äußere Rotor-Polpaarzahl gleich groß. Insbesondere für eine solche Ausgestaltung sind eine einfache Steuerbarkeit des elektromechanischen Energiewandlers und ein kompakter Aufbau ermöglicht.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die äußere Rotorwicklung, bzw. die innere Statorwicklung, elektrisch leitend mit einem elektrischen Leistungsabzweig verbindbar. Im Sinne der Erfindung ist unter einem elektrischen Leistungsabzweig eine elektrische Anschlussstelle zu verstehen, mittels welcher allgemein ein Verbraucher mit wenigstens einer der beiden zuvor genannten Wicklungen elektrisch leitend verbindbar ist und dadurch ist dieser Verbraucher von dieser oder diesen Wicklungen mit elektrischer Leistung versorgbar. Insbesondere mittels einer derartigen Ausgestaltung der Erfindung ist es ermöglicht, elektrische Leistung an der, während des Betriebs des elektromechanischen Energiewandlers rotierenden, äußeren Rotorwicklung/inneren Statorwicklung abzugreifen und so auf einfache Weise eine innere Funktion des elektromechanischen Energiewandlers, vorzugsweise einen Sensor, anzusteuern beziehungsweise mit elektrischer Energie zu versorgen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der elektromechanische Energiewandler wenigstens einen Sensor, zum Aufnehmen wenigstens eines Messwert auf. Vorzugsweise ist dieser Sensor auf dem äußeren Rotor bzw. dem inneren Stator angeordnet. Weiter vorzugsweise ist dieser Sensor mit dem Leistungsabzweig elektrisch leitend verbunden oder vorzugsweise ist dieser Sensor elektrisch leitend mit diesem Leistungsabzweig verbindbar. Insbesondere mittels eines Sensors ist es ermöglicht, Betriebsparameter des äußeren Rotors / inneren Stators zu erfassen und so ist die Betriebssicherheit des elektromechanischen Energiewandlers verbesserbar.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der elektromechanische Energiewandler einen Rotor-Wechselrichter auf. Insbesondere ist dieser Rotor-Wechselrichter zum Versorgen der inneren Rotorwicklung mit elektrischer Leistung (Spannung/Strom) vorgesehen. Vorzugsweise ist der elektrischen Leistungsabzweig mit der äußeren Rotorwicklung elektrisch leitend verbunden, beziehungsweise ist dieser vorzugsweise selektiv mit dieser verbindbar. Weiter vorzugsweise ist der Rotor-Wechselrichter elektrisch leitend mit der inneren Statorwicklung verbunden, beziehungsweise ist dieser vorzugsweise wenigstens zeitweise selektiv mit dieser verbindbar. Weiter vorzugsweise ist der Rotor-Wechselrichter dazu eingerichtet, den inneren Energiewandler über die innere Statorwicklung, insbesondere bedarfsgerecht, mit der von der äußeren Rotorwicklung abgenommenen elektrischen Leistung anzusteuern. Insbesondere mit einer solchen Ausgestaltung der Erfindung ist es ermöglicht, den inneren Energiewandler flexibel anzusteuern und so ist ein verbessertes Betriebsverhalten des elektromechanischen Energiewandlers erreichbar.
• Weiter ist ein Verfahren zum Betrieb eines elektromechanischen Energiewandlers der zuvor beschriebenen Bauart, insbesondere eines elektromechanischen Energiewandlers mit einem Leistungsabzweig, vorgesehen. Dabei ist dieses Betriebsverfahren insbesondere in einem Stillstandszustand des elektromechanischen Energiewandlers bzw. in einem Zustand, in welchen eine Geschwindigkeitsdifferenz zwischen einem Drehfeld der äußeren Statorwicklung und einem Drehfeld der äußeren Rotorwicklung bzw. der äußeren Rotorwicklung, wenigstens im Wesentlichen 0 ist, vorgesehen.
• In einem solchen Betriebszustand würde, insbesondere aufgrund der „fehlenden“ Differenzgeschwindigkeit zwischen der äußeren Rotorwicklung und dem durch die äußere Statorwicklung hervorgerufenen Drehfeld keine Spannung in der äußeren Rotorwicklung induziert. Weiter vorzugsweise ist dieses Betriebsverfahren in einem Betriebszustand vorgesehen, in welchem der äußere Rotor beziehungsweise der innere Stator gegenüber dem Motorgehäuse stillstehen. Um in einem solchen Betriebszustand eine elektrische Spannung an dem Leistungsabzweig zu erzeugen, ist es vorgesehen, den äußeren Stator mit einem, bezüglich einer Drehung um die Antriebsachse, stillstehenden Wechselfeld derart zu beaufschlagen, dass dadurch in der äußern Rotorwicklung eine elektrische Spannung induziert wird. Vorzugsweise ist ein von dem äußeren Stator hervorgerufenes Drehfeld mit einem stehenden Wechselfeld überlagert.
• In einer bevorzugt Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass dieses Betriebsverfahren dann ausführbar ist, wenn der innere Rotor stillsteht und damit, wenigstens im Wesentlichen, keine Rotation um die Antriebsachse ausführt. Dabei ist im Sinne der Erfindung unter wenigstens im Wesentlichen stillstehen eine Bewegung von weniger als 1 Umdrehung pro Sekunde des inneren Rotors, vorzugsweise von weniger als 0,5 Umdrehungen pro Sekunde und bevorzugt von weniger als 0,1 Umdrehungen pro Sekunde zu verstehen. Insbesondere mit einem solchen Betriebsverfahren ist in einem der zuvor beschriebenen Betriebszustände eine elektrische Leistungsübertragung an den Leistungsabzweig ermöglicht und damit ist ein besonders vorteilhafter Betrieb des elektromechanischen Energiewandlers ermöglicht.
• Nachfolgend ist die Erfindung anhand der wenigstens teilweise schematisierten Figuren näher erläutert, dabei zeigt:
• 1: einen Längsschnitt und einen Querschnitt durch einen elektromechanischen Energiewandler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
• 2: ein elektrisches Schaltbild für einen solchen elektromechanischen Energiewandler.
• Der elektromechanische Energiewandler 1 ist in 1 a) in einem Querschnitt und in 1b) in einem Längsschnitt dargestellt. Weiter weist der elektromechanische Energiewandler 1 einen inneren Energiewandler 2 und einen äußeren Energiewandler 3 auf. Diese beiden Energiewandler 2 und 3 können als radial ineinander geschachtelte Elektromotoren verstanden werden und sind über ein Planetengetriebe 11 kinematisch miteinander gekoppelt. Das Planetengetriebe 11 weist ein Hohlrad 12 auf, dieses ist drehfest mit dem äußeren Rotor 6, also dem Rotor des äußeren Energiewandlers 3 gekoppelt. Weiter weist das Planetengetriebe 11 ein Sonnenrad 15 auf, dieses ist drehfest mit der Antriebswelle 9 und damit mit dem inneren Rotor 4, also dem Rotor des inneren Energiewandlers 2 gekoppelt. Weiter weist das Planetengetriebe 11 einen Planetenradträger 13 auf, auf welchem mehrere Planetenräder 14 drehbar gelagert sind. Diese Planetenräder 14 stehen zur Bewegungsübertragung sowohl mit dem Hohlrad 12, wie auch mit dem Sonnenrad 15 in Eingriff. Durch das Planetengetriebe 11 ist der äußere Energiewandler 3 mit dem inneren Energiewandler 2 kinematisch gekoppelt.
• Eine Drehbewegung des äußeren Rotors 6 mit der Drehfrequenz w₂ führt damit zwangsläufig zu einer Drehbewegung des inneren Rotors 4 mit der Drehfrequenz w₁ in entgegengesetzter Drehrichtung. Der innere Stator 5 ist drehfest mit dem äußeren Rotor 6 verbunden, die Wicklungen dieser beiden Bauteile (innerer Stator 5, äußerer Rotor 6) rotieren bei einer Drehbewegung mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit und sind drehstarr miteinander verbunden.
• Zwischen dem inneren Rotor 4 und dem inneren Stator 5 liegt der innere Luftspalt 17. Zwischen dem äußeren Stator 7 und dem äußeren Rotor 6 liegt der äußere Luftspalt 16. Bei der Abgabe einer Antriebsleistung über die Antriebswelle 8, diese ist rotierbar um die Antriebsachse 9 gelagert, steht der äußere Stator 7 still, der äußere Rotor 6, der innere Stator 5 und der innere Rotor 4 werden in Rotation versetzt.
• In 2 a) ist eine Querschnittsansicht des elektromechanischen Energiewandlers gezeigt und in 2 b) sind symbolhaft die Wicklungen (u₁ -u₄ , v₁ -v₄ , w₁ -w₄ ) sowie deren Verschaltung gezeigt.
• Die Drehrichtungen der mit den Wicklungen (u₁ -u₄ , v₁ -v₄ , w₁ -w₄ ) erzeugbaren Drehfelder, jeweils gegenüber einem ruhenden Koordinatensystem, sind mit i₁ - i₄ dargestellt. Dabei ist mit dem äußeren Stator 7 und dessen Wicklungen u₄ , v₄ , w₄ das Drehfeld mit der Geschwindigkeit / Drehrichtung i₄ erzeugbar. Durch dieses vom äußeren Stator erzeugbare Drehfeld mit der Geschwindigkeit i₄ wird in den Wicklungen u₃ , v₃ , w₃ des äußeren Rotors ein Strom induziert mit der Folge, dass ein Drehfeld in diesem äußeren Rotor 6 entsteht mit der Geschwindigkeit / Drehrichtung i₃ (gegenüber dem stehenden Koordinatensystem) und i'₃ gegenüber dem äußeren Stator 7. Die Wicklungen u₃ , v₃ , w₃ des äußeren Rotors 6 sind mit den Wicklungen u₂ , v₂ , w₂ des inneren Stators 5 in der dargestellten Art und Weise verhalten (u₃ -u₂ , v₃ -v₂ , w₃ -w₂ ). Durch diese Verschaltung, weist das Drehfeld des inneren Stators 5 die entgegengesetzte Richtung i₂ , i'₂ , in Bezug die Geschwindigkeit / Drehrichtung des Drehfelds des äußeren Rotors i₃ , i'₃ auf. Weiter ruft das Drehfeld des inneren Stators 5 in den Wicklungen u₁ , v₁ , w₁ des inneren Rotors ein Drehfeld mit der Geschwindigkeit / Drehrichtung i₁ , i'₁ .
• Der innere Rotor 4 rotiert durch die dargelegten Zusammenhänge der Drehfelder und Wicklungen mit der Drehfrequenz w₁ , beziehungsweise mit der Drehzahl n₁ , wohingegen der äußere Rotor 6 / innere Stator 5 mit der Drehfrequenz w₂ , beziehungsweise der Drehzahl n2, rotiert.
• Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen elektromechanischen Energiewandler mit jeweils drei Wicklungen (u_x , v_x , w_x ), wie dargelegt sind auch andere Anzahlen von Wicklungen und damit Polpaarzahlen möglich.
  Mit anderen Worten ausgedrückt wird ein elektromechanischer Energiewandler vorgeschlagen, welcher zwei ineinander liegenden Statoren aufweist, die die gleiche Drehachse aufweisen und sich zur Leistungsbereitstellung / -aufnahme gegenläufig zueinander drehen. Die Energieübertragung zum Antrieb des inneren Stators erfolgt induktiv über den Luftspalt vom äußeren Stator. dabei wird neben der Energie auch ein Drehmoment übertragen. Beide Statoren sind über ein Getriebe miteinander kinematisch gekoppelt und können die Gesamtleistung an eine Welle, die sogenannte Antriebswelle, abgeben.
• Die Verbindung aus innerem Stator und äußerem Rotor weist zweimal eine Mehrzahl von Wicklungen auf, eine äußere zum Luftspalt des äußeren Stators und eine innere zum Luftspalt des inneren Rotors. Die Wicklungen sind so gestaltet, dass sie jeweils ein Drehfeld erzeugen. Weiter können diese Wicklungen unterschiedliche bezüglich Polpaarzahl und Windungszahl ausgelegt sein und können so miteinander verbunden sein, dass sich die Drehfelder gegenläufig zueinander ausbilden.
• Die Energieübertragung vom äußeren Stator auf den inneren Stator zum Antrieb des inneren Rotors erfolgt vorzugsweise mittels Asynchronmotorprinzip, indem durch geeignete Auslegung sich ein Schlupf so einstellt, dass ein Spannungs- und Stromwert in den Wicklungen des inneren Stators einerseits ein definiertes Drehmoment und anderseits eine ausreichende Spannung zum Antrieb des inneren Rotors über Wicklung des inneren Stators ermöglicht.
• Vorzugsweise ist der innere Stator als sogenannter Kurzschlussläufer (Asynchronmotor-Prinzip) oder weiter vorzugsweise mit Permanentmagneten (permanenterregter Synchronmotor) ausgelegt.
• Vorzugsweise erfolgt die Ansteuerung des elektromechanischen Energiewandlers, insbesondere des äußeren Stators, über einen Wechselrichter insbesondere über eine sogenannte Ansteuerelektronik. Die Auslegung der Wicklungen des äußeren Stators hat vorzugsweise eine zur Wicklung des äußeren Rotors identische Polpaarzahl und kann eine frei wählbare Windungszahl aufweisen, insbesondere ist somit eine Anpassung an die Ansteuerelektronik ermöglicht.
  Vorzugsweise ist an der Verbindung zwischen den beiden Wicklungen des äußeren Rotors und des inneren Stators eine elektrische Leistung abzweigbar, insbesondere ist dort ein Leistungsabzweig vorgesehen um Funktionen auf dem inneren Stator zu betreiben. Vorzugsweise sind unter diesen Funktionen Sensoren zu verstehen, deren Messwerte drahtlos, vorzugsweise mittels Near-Field-Communication (NFC), nach außen übermittelt werden, oder vorzugsweise ist ein eigener Wechselrichter vorgesehen, um eine Frequenzumformung zur Ansteuerung des inneren Rotors vorzunehmen.
  Vorzugsweise ist zur Energieversorgung von Funktionen auf dem inneren Stator oder des Wechselrichters bei Stillstand des elektromechanischen Energiewandlers (oder bei Schlupf = Null) ein Wechselfeld ohne Drehrichtung am äußeren Stator vorgebbar. Insbesondere durch eine geeignete Wahl der Polpaarzahl und der Wicklungen kann ein Eisenkern (üblicherweise im Zusammenhang mit Wicklungen vorgesehen) optimiert werden. Insbesondere dadurch wird der Fluss durch die Windungen und Eisenbleche verbessert und damit sind die Querschnitte minimierbar.
  Durch einen elektromechanischen Energiewandler, welcher einzelne oder mehrere oder alle der zuvor genannten Merkmale aufweist, ist es ermöglicht, eine hohe an der Antriebswelle abgebbare Leistung zu erzeugen, wobei dafür verglichen mit herkömmlichen Elektromotoren eine kleine Motordrehzahl und ein kleiner Bauraumbedarf notwendig sind. Insbesondere durch die vorgeschlagene Bauform ist eine Reduktion von Gewicht und Materialaufwand erreichbar. Weiter sind dadurch insbesondere geringe Fliehkräfte in den rotierenden Bauteilen erreichbar, dies ist insbesondere der Fall, wenn im inneren Stator oder im inneren Rotor Permanentmagnete angeordnet sind, da diese mit geringeren Fliehkräften beaufschlagt sind, als bei einem Elektromotor mit einem einzelnen Stator.
  Weiter ist es ermöglicht, mit einer Ansteuerelektronik eine hohe Leistung mittels zweier Statoren zu erzeugen.
  Bei hochdrehenden elektromechanischen Energiewandler herkömmlicher Bauform wird in der Regel zum Reduzieren der hohen Drehzahl in einen nutzbaren Bereich eine Untersetzung benötigt. Bei dem vorgeschlagenen elektromechanischen Energiewandler mit äußerem Rotor und innerem Stator, erzeugt dieses System mit dem enthaltenen Getriebe eine reduzierte Antriebsdrehzahl, so dass regelmäßig kein weiteres Untersetzungsgetriebe notwendig ist.
  Weiter vorteilhaft ist, dass eine Stromversorgung für Funktionen auf den inneren Stator / äußeren Rotor vorhanden ist.
• Bezugszeichenliste

1

Elektromechanischer Energiewandler

2

Innerer Energiewandler

3

Äußerer Energiewandler

4

Innerer Rotor

5

Innerer Stator

6

Äußerer Rotor

7

Äußerer Stator

8

Antriebswelle

9

Antriebsachse

10

Motorgehäuse

11

Planetengetriebe

12

Hohlrad

13

Planetenradträger

14

Planetenrad

15

Sonnenrad

16

Luftspalt 6/7

17

Luftspalt 4/5

i_i, i₂, i₃, i₄

Drehzahl des Magnetfeldes (Drehfeld) gegenüber dem ruhenden Koordinatensystem

i'₁, i'₂, i'₃

Drehzahl des Magnetfeldes (Drehfeld), gegenüber dem zugehörigen Stator

p₂, p₃, p₄

Polpaarzahl der entsprechenden Wicklung

u₁, v₁, w₁

(Kurzschluss-)Wicklungen des inneren Rotors

u₂, v₂, w₂

Phasen/Wicklungen des inneren Stators

u₃, v₃, w₃

Phasen/Wicklungen des äußeren Rotors

u₄, v₄, w₄

Wicklungen des äußeren Stators

w₁

Drehfrequenz des inneren Rotors (Antriebswelle)

w₁

Drehfrequenz des äußeren Rotors

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• WO 2001/56138 A1 [0001, 0002]

Claims (11)

1. Elektromechanischer Energiewandler (1) mit einem inneren Energiewandler (2) mit einem inneren Rotor (4) und einem inneren Stator (5) und mit einer Antriebswelle (8), wobei der innere Stator (5), der innere Rotor (4) und die Antriebswelle (8) um eine gemeinsame Antriebsache (9) gegenüber einem stillstehenden Motorgehäuse (10) drehbar gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Energiewandler (1) einen äußeren Energiewandler (3) mit einem äußeren Stator (7) und einem äußeren Rotor (6) aufweist, wobei der äußere Rotor (6) drehfest mit dem inneren Stator (5) verbunden ist, dass, in Bezug auf die Drehmomentübertragung, zwischen dem äußeren Rotor (5) und dem inneren Rotor (4) eine Getriebeeinrichtung (11) derart angeordnet ist, so dass sich der innere Rotor (4) bei einer Bewegung des äußeren Rotors (6) entgegengesetzte zu diesem um die gemeinsame Antriebsachse (9) bewegt.
2. Elektromechanischer Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinrichtung (11) als Umlaufgetriebeeinrichtung mit wenigstens einem Hohlrad (12), einem Sonnenrad (15), wenigstens einem Planetenrad (14) und einem Planetenradträger (13) ausgebildet ist, wobei der Planetenradträger (13) drehfest mit dem stillstehenden Motorgehäuse (10) verbunden ist und zur drehbaren Lagerung des wenigstens einen Planetenrads (14) eingerichtet ist und dass das Hohlrad (12) mit dem äußeren Rotor (6) und das Sonnenrad (15) mit dem inneren Rotor (4) drehfest verbunden ist.
3. Elektromechanischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Energiewandler (3) als Asynchron-Drehfeldmaschine ausgebildet ist und dass der äußere Rotor (6) eine Wicklung mit wenigstens einem Polpaar aufweist, sogenannte äußere Rotorwicklung mit äußerer Rotor-Polpaarzahl, in welcher ein äußeres Drehfeld erzeugbar ist und dass der innere Energiewandler (2) als eine Drehfeldmaschine ausgebildet ist, dass der innere Stator (5) eine Wicklung mit wenigstens einem Polpaar aufweist, sogenannte innere Statorwicklung mit innerer Stator-Polpaarzahl, in welcher ein Drehfeld erzeugbar ist, dass die äußere Rotorwicklung und die innere Statorwicklung derart elektrisch leitend miteinander verbunden sind, dass ein Strom, welcher im äußeren Rotor (6) ein äußeres Drehfeld hervorruft, im inneren Stator (5) ein zu diesem äußeren Drehfeld gegenläufiges inneres Drehfeld hervorruft.
4. Elektromechanischer Energiewandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Energiewandler (2) als eine Synchronmaschine ausgebildet ist und dass der innere Rotor (4) zum Bereitstellen einer Antriebsleistung an der Antriebswelle wenigstens einen Permanentmagneten aufweist.
5. Elektromechanischer Energiewandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Energiewandler (2) als eine Asynchronmaschine ausgebildet ist und dass der innere Rotor (4) als sogenannter Kurzschlussläufer ausgebildet ist.
6. Elektromechanischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Stator (7) eine Wicklung mit wenigstens einem Polpaar aufweist, sogenannte äußere Statorwicklung mit äußerer Stator-Polpaarzahl, und dass die äußere Stator-Polpaarzahl und die äußere Rotor-Polpaarzahl gleichgroß sind.
7. Elektromechanischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Rotorwicklung beziehungsweise die innere Statorwicklung mit einem elektrischen Leistungsabzweig verbindbar ist, dass mittels diesem Leistungsabzweig eine elektrische Leistung von wenigstens einer dieser beiden Wicklungen abgreifbar ist.
8. Elektromechanischer Energiewandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieser wenigstens einen Sensor zum Aufnehmen wenigstens eines Messerwerts aufweist und dass dieser Sensor mit elektrischer Leistung von diesem Leistungsabzweig versorgbar ist.
9. Elektromechanischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotor-Wechselrichter zum Versorgen der inneren Rotorwicklung mit einer Betriebsspannung vorgesehen ist, dass der elektrische Leistungsabzweig mit der äußeren Rotorwicklung elektrisch leitend verbunden ist, dass der Rotor-Wechselrichter elektrisch leitend mit der inneren Statorwicklung verbunden ist und dass der innere Energiewandler somit durch diesen Rotor-Wechselrichter ansteuerbar ist.
10. Verfahren zum Betrieb eines elektromechanischen Energiewandlers nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Betriebszustand, in welchem eine Geschwindigkeitsdifferenz zwischen einem Drehfeld der äußeren Statorwicklung und einem Drehfeld der äußeren Rotorwicklung wenigstens im Wesentlichen Null ist, der äußere Stator mit einem, bezüglich einer Drehung um die Antriebsachse, stillstehenden Wechselfeld beaufschlagt wird, derart, dass dadurch in der äußeren Rotorwicklung eine Spannung induziert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Rotor während der Ausführung dieses Verfahrens wenigstens zeitweise stillsteht und keine Rotation um die Antriebsachse ausführt.

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