AT527345A1 - 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) 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) wenigstens einen Beeinflussungsabschnitt (31) aufweist für eine Beeinflussung des mehrpoligen Magnetfelds am Primär-Luftspalt (PL) in Abhängigkeit der eingenommenen Stellposition (SP1, SP2, SP3), wobei Stellaktor (40) in und/oder an dem Hauptrotor (20) angeordnet ist und wenigstens einen Übertragungsabschnitt (46) aufweist für eine Übertragung elektrischer Energie von einem statischen Gegen-Übertragungsabschnitt (146) des Elektromotors (100).

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 einem umlaufend angeordneten 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 ein Stellrotor angeordnet ist, welcher zwischen wenigstens zwei Stellpositionen rotierbar am Hauptrotor gelagert ist. Weiter ist ein Stellaktor kraftübertragend mit dem Stellrotor verbunden für eine Erzeugung einer Stellkraft zur Bewegung des Stellrotors zwischen den unterschiedlichen Stellpositionen. Der Stellrotor weist wenigstens einen Beeinflussungsabschnitt auf für eine Beeinflussung des mehrpoligen Magnetfelds am Primär-Luftspalt in Abhängigkeit der eingenommenen Stellposition. Darüber hinaus ist der Stellaktor in und/oder an dem Hauptrotor angeordnet und mit wenigstens einem Übertragungsabschnitt ausgestattet für eine Übertragung elektrischer Energie von einem statischen Gegen-Übertragungsabschnitt des Elektromotors.

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

später noch erläutert wird, kann nun je nach eingenommener Relativposition das von

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.

Einer der Kerngedanken der vorliegenden Erfindung ist es hier, den Stellaktor in den Hauptrotor zumindest teilweise zu integrieren. Darunter ist zu verstehen, dass der Stellaktor wie auch der Stellrotor gemeinsam mit dem Hauptrotor rotieren. Befindet

gemeinsam mit der gleichen Drehzahl rotieren können.

Dies führt zu einer Vielzahl von Vorteilen, insbesondere einer deutlich reduzierten Bewegungsnotwendigkeit des Stellrotors. Dadurch, dass nun sowohl Stellaktor als auch Stellrotor gemeinsam mit dem Hauptrotor rotieren, ist eine Bewegungsfreiheit für den Stellrotor auf ein Minimum reduziert. Beispielsweise kann je nach Anzahl der Stellmagnete und/oder Anzahl und Ausführung des Magnetpakets eine Bewegungsfreiheit von zum Beispiel 45°, 60°, 90° oder 180° ausreichen, um unterschiedliche Stellpositionen mit unterschiedlichen Wirkungen zur magnetischen Einwirkung auf das mehrpolige Magnetfeld zur Verfügung zu stellen. Mit anderen Worten wird nun ein minimaler Bewegungsspielraum ausreichen, um eine maximale Variationsfähigkeit des Magnetfelds zur Verfügung stellen zu können. Dieser Vorteil geht jedoch einher mit dem Problem, dass nun eine Energieübertragung für das Erzeugen der Stellkraft mit dem Stellaktor zum Stellaktor erfolgen muss.

Einer der Kerngedanken ist es hier, zumindest die elektrische notwendige Energie, zum Beispiel für einen Stellaktor in Form eines Elektromotors, mittels eines Übertragungsabschnitts von einem Gegen-Übertragungsabschnitt des Elektromotors zu empfangen. Dabei kann es sich um kontaktierende oder kontaktlose Übertragungsmöglichkeiten handeln, wie sie später noch erläutert werden. Neben der Vereinfachung der Kontrollierbarkeit und der Konstruktion wird auch die Kompaktheit einer solchen Rotorvorrichtung verbessert, da insbesondere eine vollständige Integration des Stellrotors und des Stellaktors in den Hauptrotor möglich wird. Ein erfindungsgemäß ausgestatteter Elektromotor mit einer solchen Rotorvorrichtung kann dementsprechend deutlich kürzer ausgeführt sein und/oder die benötigten Flanschabschnitte an beiden Seiten des Hauptrotors entsprechend für andere Möglichkeiten zur Verfügung stellen. So sind dort komplexere Lagermöglichkeiten, Abtriebsaufnahmen für das Zurverfügungstellen des Drehmoments und Ähnliches anordenbar.

Magnetfeldern zu verwenden.

Ebenfalls Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung der Hauptrotor einen Hohlraum aufweist, in welchem der Stellrotor angeordnet ist. Dies verstärkt den Integrationsgedanken, in dem der Stellrotor und vorzugsweise sogar auch der Stellaktor, wie nachfolgend erläutert, integriert sind. Die Integration des Hauptrotors in den Hohlraum, insbesondere mit koaxialer Ausgestaltung der Hauptrotorachse und der Stellrotorachse reduziert die Längenerstreckung des Rotors und damit den notwendigen Bauraum für den gesamten Elektromotor.

Ebenfalls vorteilhaft kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung auch der Stellaktor in dem Hohlraum des Hauptrotors angeordnet ist. Dies führt zu einer noch weiteren Verstärkung der Integration und einer noch weiter möglichen Integration und Reduktion der Länge des Elektromotors. Insbesondere dann, wenn ein radiales Verschachteln vorliegt, also der Stellrotor selbst einen Stell-Hohlraum aufweist, wobei in diesem Stellhohlraum nun ein Teil oder der vollständige Stellaktor angeordnet sind, so lässt sich mit einer Breitenzunahme der Rotorvorrichtung eine maximale Kompaktierung in

Längenrichtung erzielen.

stellen kann.

Ebenfalls Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung der Übertragungsabschnitt wenigstens eine Empfangsspule aufweist für eine kontaktlose Übertragung elektrischer Energie von dem GegenÜbertragungsabschnitt, welcher wenigstens eine Gegenspule aufweist. Dies kann zusätzlich oder alternativ zu der Ausführungsform im voranstehenden Absatz nun eine kontaktlose Übertragungsmöglichkeit zur Verfügung stellen. Insbesondere hinsichtlich der durch Schleifringkontakte einhergehenden Reibung und Abrieb können hier massive Vorteile erzielt werden. Bevorzugt ist es jedoch, wenn für eine Rotorvorrichtung entweder ausschließlich eine kontaktlose und/oder ausschließlich eine kontaktbehaftete Übertragung elektrischer Energie stattfindet.

Weitere Vorteile sind erzielbar, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung der Stellaktor eine Kontrolleinheit aufweist für eine Kontrolle der Stellkraft, insbesondere auf Basis der übertragenen elektrischen Energie. Eine solche Kontrolleinheit erlaubt es also in kontrollierender, insbesondere in steuernder und/oder regelnder Weise, die Stellkraft mit dem Stellaktor zur Verfügung zu stellen. Die Kontrolleinheit ist hier in den Stellaktor integriert, sodass eine interne Kontrolle im Stellaktor möglich ist. Mit anderen Worten ist keine externe Kontrolleinheit mehr notwendig, da der Stellaktor selbst die notwendigen Kontrollschritte und insbesondere auch Auswertungen durchführt.

Eine solche Kommunikation kann das Kommunikationsmittel sowohl kontaktlos, beispielsweise per Funk, per Near Field Communication oder per Bluetooth zur Verfügung stellen. Auch andere Funkstandards sind hier grundsätzlich einsetzbar. Jedoch ist es auch möglich, dass eine Auswertung anderer Informationen, beispielsweise eine Frequenzüberlagerung mit der zur Verfügung gestellten elektrischen Energie verwendet wird, sodass das Kommunikationsmittel quasi in den Übertragungsabschnitt integriert ist, und dort eine Doppelfunktion des Empfangens von elektrischer Energie und des Auswertens der Kontrollinformation vorliegt.

Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung die Kontrolleinheit ein Auswertemittel aufweist für eine Auswertung von

Kontrollinformationen aus der übertragenen elektrischen Energie.

Ebenfalls Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung der Stellrotor frei oder im Wesentlichen frei im Hohlraum gelagert ist, um eine Vielzahl vordefinierter und/oder freier Stellpositionen einnehmen zu

können.

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.

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 Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Rotorvorrichtung erläutert worden sind.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Elektromotor rotationsfest ein Gegen-Übertragungsabschnitt vorgesehen ist. Dieser ist damit fest und damit statisch zum Hauptrotor und bewegt sich dementsprechend nicht mit. Ein solcher Gegen-Übertragungsabschnitt kann zum Beispiel am Stator und/oder am Gehäuse des Elektromotors befestigt sein. Er kann mit einer eigenen Energiequelle, einer eigenen Kontrolleinheit, einem eigenen Modulator und/oder einer eigenen

Kommunikationseinheit ausgestattet sein.

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

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,

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,

Figur 9 eine weitere Ausführungsform einer möglichen Übertragungsfunktionalität.

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.

In der Figur 4 ist nun die maximale Reduktion des magnetischen Flusses MF dargestellt. Diese dritte Stellposition SP3 kann auch als 60° Position bei dieser Konstruktionsweise bezeichnet werden, da hier nun die Stellmagnete 32 dem Magnetfeld des Magnetpakets 22 entgegengerichtet sind. Die entstehende Wechselwirkung führt also dazu, dass die Magnetfelder der Stellmagnete 32 eine maximale Abschwächung auf das Magnetfeld des Hauptrotors 20 und damit des Magnetpakets 22 zur Folge haben und, wie die Figur 4 zeigt, der magnetische Fluss 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, welcher an Teilen des Hauptrotors 20, hier nicht dargestellt, befestigt ist. 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,

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 die Absolutposition des Stellrotors 30 erkennen kann.

In den Figuren 6 und 7 ist insbesondere eine integrierte Anordnung des Stellaktors vorgesehen. In Figur 5 ist eine Variante gezeigt, bei welcher insbesondere der Gegen-Befestigungsabschnitt 144 nicht Teil der Statorvorrichtung 110, sondern Teil des Hauptrotors 20 und insbesondere eines der beiden Flanschabschnitte 26 ist (nicht dargestellt). Somit sind alle Stellaktoren der Figuren 5, 6 und 7 gemeinsam mit dem Hauptrotor 20 rotierbar. Insbesondere die Figuren 6 und 7 zeigen dabei Möglichkeiten die notwendige elektrische Energie auf den Stellaktor zu übertragen, und zwar von einem statischen und damit rotationsfesten GegenÜbertragungsabschnitt 148. Während in Figur 6 dies durch kontaktierende Schleifringkontakte 47 und Gegen-Schleifkontakte 147 gewährleistet wird, löst die Figur 7 dies kontaktlos mit Hilfe einer Empfangsspule 48 und einer Gegenspule 148.

In den Figuren 8 und 9 sind Kontrollmöglichkeiten näher dargestellt. In der Figur 8 ist eine Variante dargestellt, bei welcher die kontaktlose Übertragung erfolgt. Hier ist also die Gegenspule 148 dafür ausgestaltet elektrische Energie kontaktlos auf die Empfangsspule 48 zu übertragen, welche nun über die Kontrolleinheit 70 mit dem Stellaktor 40, hier als Elektromotor ausgebildet, im Kontakt steht. Um die Kontrollinformation, also das Wissen, welche Stellposition SP1, SP2 oder SP3 angefahren werden soll, innerhalb des Stellrotors 30 im Stellaktor 40 vorliegen zu haben, ist hier ein Auswertemittel 74 vorgesehen. Separate Kommunikation ist hier

nicht notwendig, da sozusagen das Kommunikationsmittel 72 per

Funktionsintegration in die Empfangsspule 48 integriert ist.

In der Figur 9 ist eine alternative Variante dargestellt, bei welcher die Kontrollinformation nicht über die Empfangsspule 48, sondern separat über ein Kommunikationsmittel 72 kontaktlos erhalten wird. Dabei handelt es sich zum Beispiel um eine Bluetooth-Übertragung oder eine andere Form der Funkübertragung, wo in ähnlicher Weise, wie zur Figur 8 beschrieben, nun eine Winkelvorgabe als wset drahtlos empfangen und über den Stellaktor 40 als Sollposition für den Stellrotor 30 vorgegeben werden kann.

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

52 Sperrmechanismus

60 Sensorvorrichtung

62 Sensorelement

70 Kontrolleinheit

72 Kommunikationsmittel 74 Auswertemittel

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

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) 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) wenigstens einen Beeinflussungsabschnitt (31) aufweist für eine Beeinflussung des mehrpoligen Magnetfelds am Primär-Luftspalt (PL) in Abhängigkeit der eingenommenen Stellposition (SP1, SP2, SP3), wobei Stellaktor (40) in und/oder an dem Hauptrotor (20) angeordnet ist und wenigstens einen Übertragungsabschnitt (46) aufweist für eine Übertragung elektrischer Energie von einem statischen Gegen-Übertragungsabschnitt (146) des Elektromotors (100).

   2. Rotorvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Beeinflussungsabschnitt (31) 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.

   3. Rotorvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptrotor (20) einen Hohlraum (24) aufweist, in welchem der Stellrotor (30) angeordnet ist.

   4. Rotorvorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellaktor (40) ebenfalls in dem Hohlraum (24) des Hauptrotors (20) angeordnet ist.

   6. Rotorvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragungsabschnitt (46) wenigstens eine Empfangsspule (48) aufweist für eine kontaktlose Übertragung elektrischer Energie von dem Gegen-Übertragungsabschnitt (146), welcher wenigstens eine Gegenspule (148) aufweist.

   7. Rotorvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellaktor (40) eine Kontrolleinheit (70) aufweist für eine Kontrolle der Stellkraft (SK), insbesondere auf Basis der übertragenen elektrischen Energie.

   8. Rotorvorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (70) ein Kommunikationsmittel (72) aufweist für zumindest den Empfang von Kontrollinformationen für die Kontrolle des Stellaktors (40).

   9. Rotorvorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (70) ein Auswertemittel (74) aufweist für eine Auswertung von Kontrollinformationen aus der übertragenen elektrischen Energie.

   10. Rotorvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, 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.

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

   12. Rotorvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellaktor (40), der Stellrotor (30) und/oder der Hauptrotor (20) koaxial oder im Wesentlichen koaxial zueinander ausgerichtet sind.

   14. Elektromotor (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass rotationsfest ein Gegen-Übertragungsabschnitt (144) vorgesehen 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).