MAGNETGETRIEBE

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Beschreibung betrifft das Gebiet der elektrischen Antriebe, insbe- sondere eine integrierte Antriebseinheit mit einem Elektromotor und einem Magnetgetrie- be.

HINTERGRUND

[0002] In einem Magnetgetriebe sind die beiden Rotoren (An- und Abtriebswelle) mag- netisch und nicht - wie bei mechanischen Getrieben - mechanisch mittels Zahnräder ge- koppelt. Im Vergleich zu mechanischen Getrieben weisen Magnetgetriebe daher geringere Reibungsverluste auf, auf eine Schmierung kann verzichtet werden, der Verschleiß be- schränkt sich auf die tragenden Wälzlager und die Geräuschentwicklung ist geringer. Im Gegensatz zu mechanischen Getrieben werden Magnetgetriebe bei Überlast nicht beschä- digt, sondern geraten in Schlupf. Durch Reduzieren des Lastmoments kann das Magnetge- triebe wieder einkoppeln. Nachteilig können sich Eisenverluste und Hystereseverluste auswirken, die jedoch durch die Verwendung von Magnetblechen klein gehalten werden können.

[0003] Ein Magnetgetriebe kann mit einem Elektromotor in einer baulichen Antriebsein heit zusammen integriert werden (siehe z.B. EP 2 133 982 A2, GB 2 472 020 A). Derartige Antriebseinheiten können wie ein Direktantrieb eingesetzt werden und werden daher manchmal als Pseudo-Direktantrieb bezeichnet. Die Erfinder haben es sich zur Aufgabe gemacht, bestehende Konzepte für integrierte Antriebseinheiten mit Elektromotor und Magnetgetriebe zu verbessern.

ZUSAMMENFASSUNG

[0004] Es wird eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Antriebseinheit mit einem Elektromotor und einem Magnetgetriebe beschrieben. Gemäß einem Ausfüh rungsbeispiel weist die elektrische Maschine folgendes auf: ein Gehäuse, eine im Gehäuse angeordnete erste Welle, mit der eine erste Permanentmagnetanordnung und eine zweite Permanentmagnetanordnung starr verbunden sind, und ein innen am Gehäuse angeordneter Stator, der zusammen mit der ersten Welle den Elektromotor bildet. Die elektrische Ma- schine weist weiter ein rohrförmiges Maschinenelement mit mehreren ferromagnetischen Polschuhen auf, in den die erste Welle zumindest teilweise eingeführt ist, sodass die erste Welle koaxial zu dem rohrförmigen Maschinenelement und die zweite Permanentmag- netanordnung innerhalb des rohrförmigen Maschinenelements liegen. Die erste Welle ist an einem ersten Ende mittels eines ersten Lagers im Inneren des rohrförmigen Maschi nenelements an diesem gelagert ist. Eine ringförmige dritte Permanentmagnetanordnung ist um das rohrförmige Maschinenelement so angeordnet, dass die zweite Permanentmag- netanordnung, das rohrförmige Maschinenelement und die dritte Permanentmagnetanord- nung das Magnetgetriebe bilden. Dabei ist entweder das rohrförmige Maschinenelement an dem Gehäuse drehbar gelagert und die ringförmige dritte Permanentmagnetanordnung starr mit dem Gehäuse verbunden, oder das rohrförmige Maschinenelement ist starr mit dem Gehäuse verbunden und die ringförmige dritte Permanentmagnetanordnung ist an dem Gehäuse drehbar gelagert.

[0005] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die elektrische Maschine fol- gendes auf: eine im Gehäuse angeordnete erste Welle,, mit der eine erste Permanentmag- netanordnung und eine zweite Permanentmagnetanordnung starr verbunden sind, ein innen am Gehäuse angeordneter Stator, der zusammen mit der ersten Welle den Elektromotor bildet, und ein rohrförmiges Maschinenelement, die eine dritte Permanentmagnetanord- nung aufweist, in die die erste Welle zumindest teilweise so eingeführt ist, dass die erste Welle koaxial zu dem rohrförmigen Maschinenelement und die zweite Permanentmag- netanordnung innerhalb des rohrförmigen Maschinenelements liegen. Die erste Welle ist an einem ersten Ende mittels des ersten Lagers im Inneren des rohrförmigen Maschinene- lements an diesem gelagert. Eine ringförmige Anordnung mit mehreren Polschuhen ist um das rohrförmige Maschinenelements so angeordnet ist, dass die zweite Permanentmag- netanordnung, das rohrförmige Maschinenelement mit der dritten Permanentmagnetanord- nung und die ringförmige Anordnung mit mehreren Polschuhen das Magnetgetriebe bil- den. Dabei ist entweder das rohrförmige Maschinenelement an dem Gehäuse drehbar ge- lagert und die ringförmige Anordnung mit mehreren Polschuhen starr mit dem Gehäuse verbunden, oder das rohrförmige Maschinenelement ist starr mit dem Gehäuse verbunden und die ringförmige Anordnung mit mehreren Polschuhen an dem Gehäuse drehbar gela- gert.

[0006] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die elektrische Maschine fol- gendes auf: ein Gehäuse, eine im Gehäuse angeordnete und als Hohlwelle ausgebildete erste Welle, in deren Inneren mindestens eine erste Permanentmagnetanordnung und min destens eine zweite Permanentmagnetanordnung angeordnet sind, ein innen am Gehäuse angeordneter Stator, der zusammen mit der ersten Welle den Elektromotor bildet, und ein rohrförmiges Maschinenelement mit mehreren ferromagnetischen Polschuhen, in das die erste Welle zumindest teilweise so eingeführt ist, dass die erste Welle koaxial zu dem rohr förmigen Maschinenelement und die mindestens zweite Permanentmagnetanordnung in nerhalb des rohrförmigen Maschinenelements liegen. Eine ringförmige dritte Permanent magnetanordnung ist um das rohrförmige Maschinenelement so angeordnet, dass die zwei te Permanentmagnetanordnung, das rohrförmiges Maschinenelement und die dritte Perma nentmagnetanordnung das Magnetgetriebe bilden. Dabei ist entweder das rohrförmige Ma schinenelement an dem Gehäuse drehbar gelagert und die ringförmige dritte Permanent magnetanordnung starr mit dem Gehäuse verbunden, oder das rohrförmige Maschinenele ment ist starr mit dem Gehäuse verbunden und die ringförmige dritte Permanentmagnetan ordnung an dem Gehäuse drehbar gelagert ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0007] Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand von Abbildungen näher erläu tert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Ausführungsbei spiele sind nicht nur auf die dargestellten Aspekte beschränkt. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die den Ausführungsbeispielen zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. In den Abbildungen zeigt:

[0008] Figur 1 ist eine Schnittdarstellung zur Illustration eines Längsschnittes eines ers ten Ausführungsbeispiels einer Antriebseinheit mit Elektromotor und Magnetgetriebe.

[0009] Figur 2 zeigt eine erste Modifikation des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1, wobei die Anordnung der Permanentmagneten modifiziert wurde. [0010] Figur 3 zeigt eine zweite Modifikation des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1, wobei als Rotor des Elektromotors statt einer Hohlwelle eine Vollwelle verwendet wird.

[0011] Figur 4 zeigt eine dritte Modifikation des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1, bei der der Rotor unterschiedliche Außendurchmesser aufweist.

[0012] Figur 5 zeigt eine vierte Modifikation des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1, wobei das Gehäuse zwei relativ zueinander drehbare Gehäuseteile aufweist

[0013] Figur 6 illustriert eine Modifikation des Beispiels aus Fig. 5, bei dem der Modu- lator starr mit dem Gehäuse des Elektromotors verbunden ist und ein weiterer Gehäuseteil als Außenläufer fungiert.

[0014] Figur 7 illustriert eine fünfte Modifikation des Beispiels aus Fig. 1, wobei der Motor als lagerloser Motor ausgeführt wurde.

[0015] Figur 8 und 9 illustrieren zwei weitere Modifikationen des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1, wobei die innere Hohlwelle 11 auskragend gelagert ist.

[0016] Figur 10 und 11 illustrieren zwei Modifikationen des Ausführungsbeispiels aus Fig. 6, wobei die innere Hohlwelle 11 auskragend gelagert ist.

[0017] Figur 12 illustriert eine weitere Modifikation des Ausführungsbeispiels aus Fig.

1, wobei der Modulator des Magnetgetriebes auskragend gelagert ist.

[0018] Figur 13 illustriert eine weitere Modifikation des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1 mit einer Zwangsbelüftung des Gehäuseinnenraums.

[0019] Figur 14 illustriert eine weitere Modifikation des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1, bei der auf der im Gehäuse angeordneten Platine ein Magnetfeldsensor vorgesehen ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

[0020] Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen ein neues Konzept zur Integration von Elektromotor und Magnetgetriebe ( magnetic transmission, magnetic gear ) in einem Gehäuse, wodurch eine kompakte elektrische Antriebseinheit ( electric drive unit) mit hoher Leistungsdichte gebildet wird. Derartige Antriebseinheiten werden auch als Magnetic Gear Motor ( MGM) bezeichnet. Eine hohe Leistungsdichte wird dadurch er reicht, dass der Elektromotor mit vergleichsweise hoher Drehzahl (z.B. bis zu 30000 Um drehungen pro Minute oder mehr) betrieben wird. Das Magnetgetriebe untersetzt die hohe Drehzahl auf einen„normalen“ Wert, der beispielsweise im Bereich von 1000 bis 6000 Umdrehungen pro Minute liegt, wobei das verfügbare Drehmoment entsprechend übersetzt wird. Es versteht sich, dass die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele mit Elektromotor auch als Generator betrieben werden können (sofern der Elektromotor für den Generator betrieb geeignet ist). Strukturell besteht kein signifikanter Unterschied zwischen Elektro motor und Generator.

[0021] Bei einem überwiegenden Teil der bekannten Antriebseinheiten mit Magnetge triebe und Elektromotor (MGM-Einheiten) sind Magnetgetriebe und Elektromotor koaxial in einer Ebene angeordnet. Das heißt, Motor und Magnetgetriebe liegen nicht axial versetzt nebeneinander, sondern sind ineinander verschachtelt um dieselbe Drehachse drehbar an geordnet. Diese Anordnung wird beispielsweise als PDD {Pseudo Direct Drive) bezeichnet Derartige MGM-Einheiten weisen daher vergleichsweise große Durchmesser-Längen- Verhältnisse auf. Die hier dargestellten Ausführungsbeispiele basieren auf einer Seite-an- Seite-Anordnung von Motor und Getriebe mit relativ kleinem Durchmesser im Vergleich zur Länge.

[0022] Im Vergleich zu MGM- Anordnungen, bei denen Motor und Magnetgetriebe koa xial ineinander mit dem Stator des Motors innenliegend angeordnet sind, weist die Seite- an- Seite- Anordnung den Vorteil auf, dass der innen liegende Rotor einen kleineren Durchmesser haben kann. Dadurch sind auch kleinere Wälzlager möglich, wodurch in der Regel auch die Lagerverluste geringer sind. Im Vergleich zu MGM-Anordnungen, bei de nen Motor und Magnetgetriebe koaxial ineinander mit dem Stator des Motors außenlie gend angeordnet sind, weist die Seite-an-Seite-Anordnung den Vorteil auf, dass der effek tive Luftspalt zwischen der Permanentmagnetanordnung des schnell drehenden Rotors und dem Stator kleiner sein kann.

[0023] Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die einen Längsschnitt (entlang der Rotationsachse As) durch ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Antriebseinheit darstellt. Wie bereits erläutert handelt es sich um eine Baueinheit, bei der ein Elektromotor 40 und ein Mag netgetriebe 30 in einem Gehäuse 50 angeordnet sind. Gemäß dem dargestellten Beispiel ist der Stator 41 des Elektromotors starr mit dem Gehäuse 50 verbunden. In einem Ausfüh rungsbeispiel ist der Stator 41 mit einem drei-phasigen Wicklungssystem ausgeführt. Es sind jedoch auch andere Phasenzahlen, beispielsweise zwischen eins und sechs, möglich. Die Anordnung der Spulen kann dabei konzentriert oder verteilt sein. Eine weitere Mög- lichkeit besteht in der Verwendung von Toroidspulen (Toroidmotor). Bei korrekter Bestromung der Statorwicklung bildet sich im Luftspalt des Motors ein magnetisches Drehfeld mit einer Polpaarzahl PMOT aus (PMOT > 1). Zur Führung des magnetischen Flus- ses kann der Stator ein Blechpaket (Paket laminierter Einzelbleche, stack of laminated me- tal sheets ) oder ein Bauteil aus weichmagnetischen Verbundwerkstoff {soft magnetic com- posite , SMC) aufweisen. Auch eine Ausführung ohne Blechpaket (Luftspulenmotor) ist möglich. In beiden Fällen bildet sich im Betrieb ein magnetischer Fluss in radialer Rich tung aus.

[0024] Der Rotor des Elektromotors wird durch eine Permanentmagnetanordnung 12 mit einem oder mehreren Permanentmagneten 12 gebildet. Im dargestellten Beispiel ist die Permanentmagnetanordnung 12 im Inneren der Hohlwelle 11 angeordnet. Insbesondere bei hohen Drehzahlen kann die Hohlwelle 11 als Fliehkraftschutz für den Permanentmagnetan ordnung 12 dienen. An einem Ende ist die Hohlwelle 11 über ein Wälzlager 14 (z.B. Ku gellager) am Gehäuse 50 gelagert. Auf die zweite Lagerstelle der Hohlwelle 11 wird später noch eingegangen. Die Hohlwelle benötigt keine Wellenschulter und kann folglich einfach hergestellt werden. Je nach Implementierung kann die Hohlwelle 11 auch mehrere Absätze mit verschiedenen Durchmessern aufweisen. Die Hohlwelle 11 hat eine vergleichsweise hohe Biegesteifigkeit bei vergleichsweise kleinem Trägheitsmoment, wodurch die Hohl welle 11 so konstruiert werden kann, dass Resonanzen von Biegeschwingungen außerhalb des Drehzahlbereichs des schnelldrehenden Rotors liegen.

[0025] Der Elektromotor kann beispielsweise als bürstenloser Synchronmotor (BLDC- Motor, brushless DC-Moto ) ausgebildet sein. Alternativ können auch andere Motortypen eingesetzt werden wie z.B. Asynchronmotoren, Reluktanzmotoren, etc., die einen radial gerichteten, magnetischen Fluss erzeugen und oftmals keine Permanentmagnetanordnung 12 im Rotor benötigen. Die Funktionsweise eines BLDC-Motors (sowie anderer Motorty pen) ist an sich bekannt und wird daher hier nicht weiter erläutert.

[0026] Ganz allgemein weist ein Magnetgetriebe einen inneren, schnell drehenden Rotor (in Fig. 1 ist dies Rotor Rl mit einer kleinen Polpaarzahl pi), einen Modulator (in Fig. 1 ist dies Rotor R2 mit p ₃ +pi oder p ₃ -p i Polschuhen) und einen äußeren, langsam drehenden Rotor (in Fig. 1 ist dies Rotor R3 mit Polpaarzahl p ₃ ) auf. Bei vielen Magnetgetriebekon struktionen steht der Modulator still und der äußere Rotor R3 stellt den Abtrieb des Getrie- bes dar. Alternativ (wie in dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel) kann auch der äußere Rotor R3 starr mit dem Gehäuse 50 verbunden sein und daher still stehen. In diesem Fall ist der Modulator (Rotor R2) der Abtrieb des Getriebes. Um in der Beschreibung konsistent zu bleiben, sind die drei Hauptkomponenten des Magnetgetriebes alle als Rotoren (Rotor Rl, Rotor R2 und Rotor R3) bezeichnet, auch wenn je nach Ausführung Rotor R2 oder Rotor R3 starr mit dem Gehäuse verbunden sein kann.

[0027] Die pi Polpaare des Rotors Rl werden durch eine zweite Permanentmagnetan ordnung 13 mit mindestens einem Permanentmagenten gebildet, die im dargestellten Bei spiel ebenfalls im Inneren der Hohlwelle 11 angeordnet sind. Die p ₃ Polpaare des Rotors R3 werden durch eine dritte ringförmige Permanentmagnetanordnung 32 gebildet, die mehrere Permanentmagneten umfasst und die den Modulator R2 umschließt. Die p ₃ +pi (oder alternativ p ₃ -pi) Pohlschuhe des Modulators R2 sind aus ferromagnetischem Material gebildet. Bei p ₃ +pi Polschuhen des Modulators 21 (Rotor R2) ist das Untersetzungsver hältnis des Getriebes (von der Welle 11 auf Abtriebswelle 23) gleich p ₃ /pi+l. Die Welle 11 und die Abtriebswelle 23 weisen in diesem Fall die gleiche Drehrichtung auf. Bei p ₃ -pi Polschuhen des Modulators 21 ist das Untersetzungsverhältnis des Getriebes (von der Wel le 11 auf Abtriebswelle 23) gleich -(p ₃ /pi-l). Die Welle 11 und die Abtriebswelle 23 wei sen in diesem Fall eine entgegengesetzte Drehrichtung auf. Zudem ändert sich auch der Betrag des Untersetzungsverhältnisses. In manchen Ausführungsbeispielen können sich die erste Permanentmagnetanordnung 12 und die zweite Permanentmagnetanordnung 13 be rühren oder als eine Einheit ausgebildet sein. Im letzten Fall wäre die erste Permanentmag netanordnung 12 ein Abschnitt eines entlang der Längsachse angeordneten Permanent magneteinheit und die zweite Permanentmagnetanordnung 13 ein zweiter Abschnitt, der in axialer Richtung neben dem ersten Abschnitt liegt.

[0028] Wie in Fig. 1 dargestellt ist die Hohlwelle 11 des Elektromotors 40 gleichzeitig auch Teil des inneren, schnell drehenden Rotors Rl des Magnetgetriebes 30. Im Bereich des Magnetgetriebes 30 befindet sich daher in der Hohlwelle 11 die zweite Permanent magnetanordnung 13, die zusammen mit der Hohlwelle 11 den inneren schnelldrehenden Rotor Rl (also den Eingang) des Magnetgetriebes 30 bildet. In einem Ausführungsbeispiel ist die Polpaarzahl pi eins (die N-S- Polarisierung ist durch Pfeile angedeutet), was bei gegebener Ausgangsdrehzahl am Abtrieb des Getriebes eine hohe Untersetzung und damit eine hohe Drehzahl (und damit hohe Leistung) des Elektromotors 40 ermöglicht. Alternativ kann die Polpaarzahl pi auch zwei sein.

[0029] Der Modulator (Rotor R2) des Magnetgetriebes wird gebildet durch ein rohrför miges Maschinenelement, das z.B. eine weitere Hohlwelle 22 sowie die Polschuhe 21 auf- weist, die entlang des Umfangs der Hohlwelle 22 angeordnet sind. Das ringförmige Ma- schinenelement weist weiter eine Welle 23 (An- oder Abtriebswelle) mit einem Wellenab satz 23a auf, der an einem Ende der Hohlwelle 22 mit dieser starr verbunden ist. Die Hohlwelle 22 ist daher an einem Ende durch die Welle 23 verschlossen und am anderen Ende offen. Polschuhe 21 und Hohlwelle 22 können als ein Bauteil gefertigt sein. Alterna tiv oder zusätzlich können die Hohlwelle 22 und die Welle 23 in einem Stück gefertigt sein. Die Hohlwelle 22 ist an beiden Enden mittels Wälzlager 24 und 25 am Gehäuse 50 gelagert. Je nach Konstruktion können zwischen den Lagern 24 und 25 Buchsen 51 und 52 angeordnet sein, in denen die Lager 24 und 25 angeordnet sind.

[0030] Eine besonders kompakte Konstruktion erhält man, wenn die Hohlwelle 11 (Rotor Rl) im Inneren der Hohlwelle 22 an einem Wellenabschnitt der Welle 23 gelagert ist (z.B. über Wälzlager 15). Das heißt, die Hohlwelle 11 verläuft teilweise im Inneren der Hohl welle 22 und ist am geschlossenen Ende der Hohlwelle 22 an einem Wellenabschnitt der Welle 23 gelagert. Bei p3+pi Polschuhen des Modulators 21„sieht“ das Lager 15 nicht die volle Drehzahl des Elektromotors, sondern nur die Differenz der Drehzahlen am Eingang und am Abtrieb des Magnetgetriebes 30.

[0031] Wie erwähnt ist der äußere Rotor R3 des Magnetgetriebes 30 starr mit dem Ge häuse 50 verbunden und damit genau genommen kein Rotor, sondern der Stator 31 des Magnetgetriebes 30, an dem die Permanentmagneten 32 entlang des Umfangs angeordnet sein können (Polpaarzahl p ₃ ). Er wird aber im Hinblick auf eine konsistente Beschreibung als Rotor R3 bezeichnet, da dieser Bauteil in manchen Ausführungsbeispielen auch rotie ren kann (und z.B. der Modulator 21 fest steht, siehe z.B. Fig. 6). Ähnlich wie der Stator 41 des Elektromotors kann der Stator 31 zur Führung des magnetischen Flusses ein Blech paket (oder ein Bauteil aus SMC) aufweisen, um eine hohe magnetische Flussdichte im Luftspalt zu erreichen. [0032] Das Gehäuse 50 kann einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. Je nach Motortyp kann eine Ansteuerelektronik (Motorelektronik) notwendig sein, die auf einer Leiterplatte 61 (PCB, printed Circuit board) angeordnet sein kann, die wiederum innerhalb des Gehäu- ses montiert sein kann. Im dargestellten Beispiel ist die Hohlwelle 11 ein Stück durch die Leiterplatte 61 hindurchgeführt, sodass auch Winkel sensoren direkt auf der Leiterplatte 61 angeordnet sein können (vgl. auch Fig. 14).

[0033] Der schnelldrehende Rotor Rl (Hohlwelle 11) ist gleichzeitig Rotor des Elektro- motors und Antriebsrotor (im Motorbetrieb) des Magnetgetriebes; er muss aufgrund der Anordnung der Lager 14 und 15 keine Verbindung nach außen aufweisen und kann folg- lich vollständig im Inneren des Gehäuses 50 angeordnet sein. Der Stator 41 des Elektromo- tors 40, der Stator 31 (Rotor R3) des Magnetgetriebes 30 und Gehäuse 50 bilden zusam men eine kompakte Baugruppe. Die Lager, insbesondere das schnell drehende Lager 14 und das schnell drehende Lager 15, kann als Keramiklager oder als Hybridlager ausgebil- det sein, bei denen Lagerringe und Wälzkörper aus unterschiedlichen Materialien sind (z.B. Lagerringe aus Stahl und Kugeln aus Keramik). Keramik oder Hybridlager stellen auch für die Magnetfeldlinien der Permanentmagnetanordnungen einen höheren magneti- schen Widerstand dar als herkömmliche Lager aus Stahl. Insbesondere kann ein magneti- scher„Kurzschluss“ der Magnetfeldlinien durch die Lager reduziert werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Lagern aus Stahl werden bei Keramiklager die Wirbelstromverluste im Lager zur Gänze vermieden. Bei Einsatz von Hybridlagem werden die Wirbelstromverlus- te zufolge des magnetischen Streufelds der Permanentmagnetanordnung 12 bzw. 13 redu- ziert.

[0034] Fig. 2 zeigt eine Alternative zu dem Beispiel aus Fig. 1. Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 2 ist beinahe identisch mit dem vorherigen Beispiel mit dem einzigen Unterschied, dass die Permanentmagneten 32‘ (Ziffer 32 in Fig. 1) statt am Stator 31 (Rotor R3) an dem Rotor R2 angeordnet sind (also Teil des oben erwähnten rohrförmigen Maschinenelements sind). Während in Fig. 1 die Modulation des Permanentmagnetfeldes durch die Polschuhe am Rotor R2 (Modulator) erfolgt, erfolgt dies in Fig. 2 durch den außen liegenden Rotor R3 (wobei in Fig. 1 und Fig. 2 der Rotor R3 stationär ist somit also genau genommen als Stator fungiert). Der Stator 31 (Rotor R3) weist dazu eine ringförmige Anordnung mit mehreren Polschuhen 21‘ auf. In dem Beispiel aus Fig. 2 erfüllt der Stator 31 die Funktion des Modulators, wohingegen das Magnetfeld durch die Permanentmagnetanordnung 21‘ des Rotors R2 (rohrförmiges Maschinenelement) erzeugt wird. Im Übrigen ist der Aufbau, insbesondere die Lagerung der Hohlwelle 11 an einem Wellenabschnitt der Welle 23 im Inneren der Hohlwelle 22 gleich wie in dem vorhereigen Beispiel aus Fig. 1.

[0035] Fig. 3 zeigt eine weitere Alternative zu dem Beispiel aus Fig. 1. Das Ausfüh rungsbeispiel aus Fig. 3 ist beinahe identisch mit dem vorherigen Beispiel mit dem einzi gen Unterschied, dass anstatt der Hohlwelle 11 eine Vollwelle 1 V vorgesehen ist. Die Permanentmagneten 13 und 14 sind folglich nicht innen, sondern außen an der Welle 1 V angeordnet. Nichtsdestotrotz ist - ähnlich wie in Fig. 1 - die Welle 1 V innen an der Hohl welle 22 oder in einer zentralen Bohrung der Welle 23 gelagert. Im Übrigen ist der Aufbau gleich wie in dem vorherigen Beispiel aus Fig. 1. Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 kann beispielsweise für Anwendungen geeignet sein, bei denen aufgrund kleinerer Drehzahlen bzw. kleiner Außendurchmesser der Magnetanordnungen 12 und 13 kein Fliehkraftschutz nötig ist.

[0036] Fig. 4 zeigt eine Variante des Beispiels aus Fig. 1, bei der die Hohlwelle 11 zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist. Damit können für den Elektro motor 40 und das Magnetgetriebe 30 verschiedene Durchmesser im Bereich des Luftspalts (d.h. zwischen dem Außendurchmesser der Hohlwelle 11 und dem Innendurchmesser des Modulators 21 beim Magnetgetriebe bzw. zwischen Außendurchmesser der Hohlwelle 11 und Stator 41 beim Motor) realisiert werden.

[0037] Fig. 5 zeigt eine Variante des Beispiels aus Fig. 1, bei der der Rotor R3 relativ zu dem Gehäuse 50 gelagert ist (siehe Fig. 5, Lager 26a und 26b). Der nun drehbar gelagerte Rotor R3 (in Fig. 1 starr mit dem Gehäuse 50 gekoppelt) kann angetrieben werden und/oder als Abtrieb fungieren. Würde der Rotor R3 festgehalten, wäre die Funktion der Ausführung gemäß Fig. 5 gleich wie in Fig. 1. Die Buchsen 51 und 52 (vgl. Fig. 1) werden in diesem Fall nicht verwendet. Stattdessen fungiert die mittels der Lager 26a und 26b am Gehäuse 50 drehbar gelagerte Hülse 50b als Außenläufer. Die Hohlwelle 22 ist mit den Lagern 24 und 25 an der Hülse 50b gelagert (statt wie in Fig. 1 am Gehäuse 50). Wie er wähnt ist in dem dargestellten Beispiel der äußere Rotor R3 des Magnetgetriebes 30 nicht starr mit dem Stator 41 des Elektromotors 40 gekoppelt und die Antriebseinheit weist da mit zwei Abtriebe auf. Den ersten Abtrieb bildet die Welle 23 wie in dem Beispiel aus Fig. 1 und den zweiten Abtrieb bildet die Hülse 50b, die wie erwähnt rotieren kann und den Außenläufer bildet. Einer der Abtriebe oder beide Abtriebe können auch als Antrieb ver wendet werden, wobei die mechanischen Leistungen an den beiden Ab tri eben/ Antrieben kombiniert werden. Je nachdem, ob die Nettoleistung positiv oder negativ ist, arbeitet der Motor 40 im Motorbetrieb oder im Generatorbetrieb.

[0038] Fig. 6 illustriert eine Modifikation des Beispiels aus Fig. 5, bei dem der Modulator 21 starr mit dem Gehäuse des Elektromotors 40 (Gehäuseteil 50a) verbunden ist. In diesem Beispiel entfallen die Lager 26a und 26b und die Magnete 32 (Rotor R3) sind starr mit einem Gehäuseteil 50b, der als Außenläufer fungiert, verbunden. Statt der (drehbaren) Hohlwelle 22 ist eine (nicht drehbare) Hülse 22‘ vorgesehen. In dem dargestellten Beispiel, weist die Hülse 22‘ einen Absatz 22a auf, der mit dem Gehäuseteil 50a fest verbunden ist. Beispielsweise wird die Hülse 22‘ (mit dem Absatz 22a) in das Gehäuseteil 50a einge- schraubt oder eingepresst. Die Abtriebswelle 23 wird durch einen Gehäusedeckel 50c er setzt. Den Abtrieb bildet das Gehäuseteil 50b, der ähnlich wie in dem Beispiel aus Fig. 5 ein Außenläufer ist. Der Motor 40 ist in diesem Beispiel gleich aufgebaut wie in den vor hergehenden Beispielen; der Unterschied zu dem Beispiel aus Fig. 5 besteht lediglich da rin, dass der Rotor R2 (mit Modulator 21) durch die starre Kopplung mit dem Gehäuseteil 50a„festgehalten“ wird. Die Hohlwelle 11 ist - ähnlich wie im vorherigen Beispiel - mit tels des Wälzlagers 15 innen am Gehäusedeckel 50c gelagert (der in diesem Beispiel hin sichtlich der Lagerung die Rolle der Welle 23 übernimmt). Die Wälzlager 14 und 15 kön nen wie in dem Beispiel aus Fig. 5 praktisch gleich aufgebaut sein (je nach Anwendung als Stahllager, Keramiklager oder Hybridlager). Im Übrigen entspricht das vorliegende Bei spiel im Wesentlichen dem Beispiel aus Fig. 5. Bei p3+pi Polschuhen des Modulators 21 ist das Untersetzungsverhältnis des Getriebes (von der Welle 11 auf Abtrieb 50b) gleich - p ₃ /pi. Die Welle 11 und der Abtrieb 50b weisen entgegengesetzte Drehrichtungen auf. Bei p ₃ -pi Polschuhen des Modulators 21 ist das Untersetzungsverhältnis des Getriebes (von der Welle 11 auf Abtrieb 50b) gleich p ₃ /pi. Die Welle 11 und der Abtrieb 50b weisen hier die gleiche Drehrichtung auf.

[0039] Das Beispiel aus Fig. 6 kann weiter modifiziert werden, indem statt der Hohlwelle 11 eine Vollwelle verwendet wird wie in dem Beispiel aus Fig. 3. Gemäß einer weiteren Modifikation sind die Permanentmagneten 32 am Rotor R2 angeordnet (Hülse 22‘) statt am äußeren Rotor R3 (ähnlich wie in dem Beispiel aus Fig. 2), was wie in Bezug auf das Beispiel aus Fig. 2 erwähnt dazu führt, dass der äußere Rotor R3 die Funktion des Modula tors übernimmt. [0040] Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 7 ist eine weitere Modifikation des Beispiels aus Fig. 1, wobei der Motor 40 als lagerloser Motor ausgeführt ist; das Lager 14 kann des- halb weggelassen werden. Im Übrigen wird auf die Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen. Die Hohlwelle 11 ist wie in Fig. 7 dargestellt nur an einer Stelle mittels des Wälzlagers 15 ge- lagert. Der lagerlose Motor erzeugt neben dem Antriebsdrehmoment auch die Radialkräfte, die nötig sind, um die Hohlwelle 11 in Position zu halten. Zu diesem Zweck kann der Mo- tor 40 Positionssensoren aufweisen, welche so angeordnet sind, dass sie eine radiale Aus- lenkung der Hohlwelle 11 im Bereich des Elektromotors 40 messen. Im Übrigen wird auf die Ausführungen zu Fig. 1 verwiesen. Die in Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Modifikati- onen und Varianten können auch auf das Beispiel aus Fig. 7 angewendet werden. In einer weiteren Variante ist die Hohlwelle vollständig magnetisch gelagert (aktiv oder passiv). In diesem Fall kann auch das Wälzlager 15 weggelassen werden.

[0041] Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 8 ist eine weitere Modifikation des Beispiels aus Fig. 1, wobei das Lager 14 nicht am linken Ende der Hohlwelle 11 angeordnet ist, son dern zwischen dem Elektromotor 40 und dem Magnetgetriebe 30. In diesem Beispiel ist das zwischen Elektromotor 40 und Magnetgetriebe 30 liegende Lager der Hohlwelle 11 mit l4‘ bezeichnet. Im Gegensatz zu dem Lager 14 aus Fig. 1 weist das Lager l4‘ aus Fig. 8 einen größeren Durchmesser auf, was größere Reibungsverluste im Lager zur Folge hat. Im Übrigen wird auf die Ausführungen zu Fig. 1 verwiesen. Die in Bezug auf Fig. 1 be- schriebenen Modifikationen und Varianten können auch auf das Beispiel aus Fig. 8 ange- wendet werden.

[0042] Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 9 ist eine weitere Modifikation des Beispiels aus Fig. 1, wobei das in der Hohlwelle 22 liegende Lager 15 nicht am rechten Ende der Hohlwelle 11 angeordnet ist, sondern zwischen dem Elektromotor 40 und dem Magnetge- triebe 30. In diesem Beispiel ist das zwischen Elektromotor 40 und Magnetgetriebe 30 lie- gende Lager der Hohlwelle 11 mit l5‘ bezeichnet. Im Gegensatz zu dem Lager 15 aus Fig. 1 weist das Lager l5‘ aus Fig. 9 einen größeren Durchmesser auf, was größere Reibungs- verluste im Lager zur Folge hat. Im Übrigen wird auf die Ausführungen zu Fig. 1 verwie- sen. Die in Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Modifikationen können auch auf das Beispiel aus Fig. 9 angewendet werden. In Bezug auf die beiden Beispiele aus Fig. 8 und 9 sei an gemerkt, dass eine auskragende Lagerung der Hohlwelle 11 (Auskragung auf Seite des Motors in Fig. 8 und Auskragung auf Seite des Magnetgetriebes in Fig. 9) die Resonanz frequenz der Biegeschwingung niedriger ist als bei dem Beispiel aus Fig. 1. Je nach Dreh- geschwindigkeit des schnelldrehenden Rotors Rl (Hohlwelle 11) kann diese Resonanz problematische, unerwünschte Schwingungen verursachen. Des Weiteren können die axial zwischen Motor 40 und Magnetgetriebe 30 liegenden Lager l4‘ bzw. 15’ eine größere (axiale) Baugröße der Vorrichtung zur Folge haben.

[0043] Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 10 ist eine Modifikation des Beispiels aus Fig.

6, wobei das Lager 14 nicht am linken Ende der Hohlwelle 11 angeordnet ist, sondern zwi- schen dem Elektromotor 40 und dem Magnetgetriebe 30. In diesem Beispiel ist das zwi- schen Elektromotor 40 und Magnetgetriebe 30 liegende Lager der Hohlwelle 11 mit l4‘ bezeichnet. Im Gegensatz zu dem Lager 14 aus Fig. 6 weist das Lager l4‘ aus Fig. 10 ei- nen größeren Durchmesser auf, was größere Reibungsverluste im Lager zur Folge hat. Im Übrigen wird auf die Ausführungen zu Fig. 6 verwiesen. Wie in dem Beispiel aus Fig. 6 ersetzt die Hülse 22‘ die Hohlwelle 22 (Rotor R2, Modulator/Pol schuhe 21). Die Hülse 22‘ kann mehrere Absätze mit verschiedenen Durchmessern aufweisen. Im dargestellten Bei- spiel ist das Lager l4‘ am Absatz 22b innen und das Lager 24 am Absatz 22b außen ange- ordnet, sodass die Lagerkräfte beider Lager im Wesentlichen in einer radialen Linie liegen.

[0044] Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 11 ist eine weitere Modifikation des Beispiels aus Fig. 6, wobei das Lager 15 nicht am rechten Ende der Hohlwelle 11 angeordnet ist, sondern zwischen dem Elektromotor 40 und dem Magnetgetriebe 30. In diesem Beispiel ist das zwischen Elektromotor 40 und Magnetgetriebe 30 liegende Lager der Hohlwelle 11 mit l5‘ bezeichnet. Im Gegensatz zu dem Lager 15 aus Fig. 6 weist das Lager l5‘ aus Fig.

11 einen größeren Durchmesser auf, was größere Reibungsverluste im Lager zur Folge hat. Im Übrigen wird auf die Ausführungen zu Fig. 6 verwiesen. Wie in dem Beispiel aus Fig.

6 ersetzt die Hülse 22‘ die Hohlwelle 22. Die Hülse 22‘ kann mehrere Absätze mit ver schiedenen Durchmessern aufweisen. Im dargestellten Beispiel ist das Lager l5‘ am Ab- satz 22b innen und das Lager 24 am Absatz 22b außen angeordnet, sodass die Lagerkräfte beider Lager im Wesentlichen in einer radialen Linie liegen. Auch in den in Fig. 10 und 11 gezeigten Beispielen können aufgrund der auskragenden Lagerung der Hohlwelle 11 Re- sonanzen von Biegeschwingungen problematisch sein (abhängig von der Motordrehzahl).

[0045] Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 12 ist eine weitere Modifikation des Beispiels aus Fig. 1, wobei das Lager 24 nicht links des Modulators 21, sondern rechts davon ange- ordnet ist. Die Lager 24 und 25 befinden sich also auf derselben Seite des Modulators 21. Im Übrigen wird auf die Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen. Die in Bezug auf Fig. 1 be- schriebenen Modifikationen und Varianten können auch auf das Beispiel aus Fig. 12 an gewendet werden. Das vorliegende Beispiel kann insbesondere bei vergleichsweise kurzer axialer Länge des Magnetgetriebes 30 verwendet werden.

[0046] Basierend auf den hier beschriebenen Beispielen lassen sich weitere Beispiele gestalten, indem Merkmale aus den verschiedenen Beispielen kombiniert werden. Bei- spielsweise können - abhängig von der Anwendung - bei allen Ausführungsbeispielen statt Wälzlager auch Gleitlager verwendet werden. Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen kann die innere Hohlwelle 11 durch eine Vollwelle 1 V ersetzt werden (vgl. Ausführungs- beispiel aus Fig. 3). Durch zwei oder mehr Wellenabschnitte mit unterschiedlichem

Durchmesser der inneren Hohlwelle 11 kann die Größe und die Lage der magnetisch wirk samen Luftspalte beeinflusst werden. Das innen liegende Lager 14 der Hohlwelle (vgl. Fig. 1) kann durch ein außen liegendes Lager ersetzt werden. Viele weitere derlei Modifikatio nen sind möglich, ohne die Funktion der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele nen nenswert zu verändern.

[0047] Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 13 ist eine weitere Modifikation des Beispiels aus Fig. 1 mit einer Zwangsbelüftung des Innenraums des Gehäuses 50. An der Hohlwelle 11 ist eine Lüfterrad 16 angeordnet, das im Innenraum des Gehäuses für eine Konvektion sorgt. Über einen oder mehrere Einlässe 55 wird an einem (axialen) Ende des Gehäuses 50 (z.B. an der Stirnseite) Luft ins Gehäuseinnere gesaugt. Die Luft strömt durch den Elekt romotor und das Magnetgetriebe und kann Wärme abtransportieren. Am anderen, den Ein- lässen 55 gegenüber liegenden Ende gelangt die Luft über einen oder mehrere Auslässe 56 wieder nach außen. Im dargestellten Beispiel verlaufen die Auslässe 56 durch den Wellen absatz 23a der Abtriebswelle 23. Der Luftstrom ist in Fig. 13 mit„L“ bezeichnet. Im Übri gen ist das in Fig. 13 dargestellte Beispiel identisch mit dem aus Fig. 1 und es wird auf obige Erläuterungen verwiesen. Die für die Lüftung verantwortlichen Komponenten kön nen auch bei anderen Ausführungsbeispielen eingesetzt werden.

[0048] Ausführungsbeispiel aus Fig. 14 ist eine weitere Modifikation des Beispiels aus Fig. 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Elektromotor z.B. ein BLDC-Motor. Für die Steuerung der elektronischen Kommutierung der Statorwicklung ist eine Messung der Winkelstellung des Rotors nötig. Dazu ist auf der Leiterplatte 61 platzsparend ein Magnet feldsensor 62 angeordnet, beispielsweise ein Hall-Sensor oder ein magneto-resistiver (MR) Sensor. Da die Leiterplatte 61 platzsparend rechtwinklig zur Drehachse im Gehäuse einge- baut ist, kann der Sensor 62 direkt an der Leiterplatte 61 befestigt werden und gleichzeitig in der Nähe der Statorwicklung 42 angeordnet sein. Im Übrigen ist das in Fig. 13 darge- stellte Beispiel identisch mit dem aus Fig. 1 und es wird auf obige Erläuterungen verwie- sen. Die Anordnung des Sensors 62 auf der Leiterplatte 61 kann bei allen Ausführungsbei- spielen, bei denen eine Winkelmessung nötig ist, eingesetzt werden. Für bestimmte Appli kationen kann es (zusätzlich oder alternativ zum Sensor 62) notwendig sein einen Dreh winkelsensor beim Abtrieb (Rotor R2 und/oder Rotor R3) zu verwenden, um eine genaue Regelung der Winkel Stellung am Abtrieb zu ermöglichen.