DE102008034556A1

DE102008034556A1 - Motor/Generator für riemengetriebenen Startergenerator für Hybridfahrzeuge

Info

Publication number: DE102008034556A1
Application number: DE200810034556
Authority: DE
Inventors: John C. Sterling Heights Morgante
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2009-02-19

Abstract

Schlitze definiert. In jedem der S Schlitze sind eine erste und eine zweite Wicklung angeordnet. Die zwei Wicklungen weisen eine Breite in einer radialen Richtung und eine Dicke in einer Richtung senkrecht zu der radialen Richtung auf. Ein Verhältnis der Breite zu der Dicke liegt zwischen 3,0 : 1 und 4,5 : 1.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/952,432, eingereicht am 27. Juli 2007. Die Offenbarung der obigen Anmeldung ist hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme mit aufgenommen.
GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Elektromotoren/-generatoren und insbesondere auf einen Motor/Generator für einen riemengetriebenen Startergenerator (BAS) für Hybridfahrzeuge.
HINTERGRUND
Die Aussagen in diesem Abschnitt bieten lediglich Hintergrundinformationen in Bezug auf die vorliegende Offenbarung und brauchen keinen Stand der Technik zu bilden.
Hybrid-Motoren/Antriebsstränge enthalten üblicherweise einen ersten Drehmomenterzeuger wie etwa eine Brennkraftmaschine (ICE), und einen zweiten Drehmomenterzeuger wie etwa einen Elektromotor/-generator (EM). Beide können ein Drehmoment an einen Endantrieb liefern, um ein Fahrzeug anzutreiben.
In einem Voll-Hybrid-Motor/Antriebsstrang kann der EM den Antriebsstrang direkt antreiben, ohne ein Drehmoment über eine Komponente der ICE zu übertragen. In einem Mild-Hybrid-Motor/Antriebstrang ist der EM über den Zubehörantrieb mit der ICE gekoppelt. Das durch den EM erzeugte Drehmoment wird über die ICE auf den Antriebsstrang übertragen. Ein beispielhafter Mild-Hybrid-Motor/Antriebsstrang enthält ein riemengetriebenes Startergeneratorsystem (BAS-System). In dem BAS-System ist der EM über eine herkömmliche Riemen- und Riemenscheibenkonfiguration, die andere Zubehörkomponenten einschließlich Pumpen und Kompressoren, aber darauf nicht beschrankt, antreibt, mit der ICE gekoppelt.
Da der EM zu dem Fahrzeug Gewicht und Kosten hinzufügt, muss die Effizienz des EM optimiert werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Statorbaueinheit umfasst einen Stator, der S Schlitze definiert. In jedem der S Schlitze sind eine erste und eine zweite Wicklung angeordnet. Die erste und die zweite Wicklung weisen eine Breite in einer radialen Richtung und eine Dicke in einer Richtung senkrecht zu der radialen Richtung auf. Ein Verhältnis der Breite zur Dicke liegt zwischen 3,0:1 und 4,5:1.
In weiteren Merkmalen liegt das Verhältnis zwischen 3,5:1 und 4,0:1. Das Verhältnis liegt zwischen 3,8:1 und 4,0:1. Das Verhältnis beträgt näherungsweise 3,9:1.
In weiteren Merkmalen umfasst ein Elektromotor/-generator die Statorbaueinheit. Der Elektromotor/-generator ist ein 3-Phasen-Elektromo tor/-generator. Sowohl die erste als auch die zweite Wicklung ist mit einer der drei Phasen verbunden.
In weiteren Merkmalen umfasst ein Permanentmagnet-Elektromotor/-generator die Statorbaueinheit und ferner eine Rotorbaueinheit, die Rotorankerbleche enthält, die Pole definieren, die jeweils einen ersten "V"-förmigen Schlitz enthalten, der radial außerhalb eines zweiten "V"-förmigen Schlitzes angeordnet ist. Das Permanentmagnetmaterial ist in den ersten und in den zweiten "V"-förmigen Schlitzen angeordnet.
In weiteren Merkmalen umfasst ein Induktionsmotor/-generator die Statorbaueinheit und ferner eine Rotorbaueinheit, die Rotorankerbleche enthält, die Pole definieren.
In weiteren Merkmalen umfassen die erste und die zweite Wicklung Wellenwicklungen mit im Wesentlichen rechteckigen Leitern. Die Breite der ersten Wicklung plus der zweiten Wicklung ist näherungsweise gleich einer Breite der Schlitze. Die Dicke der ersten Wicklung ist näherungsweise gleich einer Breite der Schlitze. S ist gleich 72.
Weitere Bereiche der Anwendbarkeit gehen aus der im Folgenden gegebenen Beschreibung hervor. Selbstverständlich sind die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur zur Veranschaulichung bestimmt und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
ZEICHNUNGEN
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.
1 ist ein Funktionsblockschaltplan eines Fahrzeugs, das ein Maschinen- und Getriebesystem mit einem Elektromotor/-generator (EM) für einen riemengetriebenen Startergenerator (BAS) gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst;
2 ist eine Seitenansicht des BAS-EM;
3 ist eine Draufsicht einer Statorbaueinheit und eines Gehäuses des BAS-EM;
4A ist eine Querschnittsansicht von Rotor- und Statorbaueinheiten für einen Permanentmagnet-EM;
4B ist eine Querschnittsansicht von Rotor- und Statorbaueinheiten für einen Induktions-EM;
5 ist eine Draufsicht eines Statorankerblechs; und
6 ist eine vergrößerte Ansicht, die Wicklungen in einem Statorschlitz veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft und soll die vorliegende Offenbarung, die vorliegende Anwendung oder die vorliegenden Verwendungen nicht einschränken. Selbstverständlich geben entsprechende Bezugszeichen überall in den Zeichnungen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale an.
Wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff Modul auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), auf eine elektronische Schaltung, auf einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und auf einen Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, auf eine Kombinationslogikschaltung oder auf andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Die vorliegende Offenbarung schafft einen verbesserten Statorbaueinheitsentwurf für Permanentmagnet- und Induktionselektromotoren/-generatoren (EM). Außerdem werden hier Rotorbaueinheiten für den Permanentmagnet- und für den Induktions-EM beschrieben. Zur Veranschaulichung kann der EM in einem Hybridfahrzeug mit einem riemengetriebenen Startergeneratorsystem (BAS-System) verwendet werden. Allerdings können die hier beschriebenen EMs in weiteren Anwendungen verwendet werden.
Nunmehr wird anhand von 1 ein beispielhafter Hybrid-Motor/Antriebsstrang 10 ausführlich beschrieben. Obgleich der beispielhafte Motor/Antriebsstrang 10 als ein Motor/Antriebsstrang mit Hinterradantrieb (RWD-Motor/Antriebsstrang) veranschaulicht ist, kann die vorliegende Offenbarung auf irgendeine andere Motor/Antriebsstrang-Konfiguration angewendet werden. Der beispielhafte Motor/Antriebsstrang 10 enthält ein Vortriebssystem 12 und ein Antriebsstrangsystem 14. Das Vortriebsystem 12 enthält eine Maschine 16 und einen Elektromotor/-generator (EM) 18.
Das Vortriebssystem 12 kann außerdem Zusatzkomponenten einschließlich eines Klimaanlagenkompressors 20 und einer Servolenkungspumpe 22 umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt. Der EM 18 und die Zusatzkomponenten sind unter Verwendung eines Riemen- und Riemenscheibensystems 24 antreibend mit der Maschine gekoppelt. Das Riemen- und Riemenscheibensystem 24 enthält mehrere Riemenscheiben, die zur Drehung mit dem EM 18, mit den Zusatzkomponenten und mit der Kurbelwelle 26 der Maschine 16 befestigt sind, sowie einen Riemen, um zu ermöglichen, dass ein Drehmoment zu/von der Kurbelwelle 26 von/zu dem EM 18 und/oder von/zu den Zusatzkomponenten übertragen wird. Diese Konfiguration wird als ein riemengetriebenes Startergeneratorsystem (BAS-System) bezeichnet.
Die Kurbelwelle 26 der Maschine 16 treibt das Antriebsstrangsystem 14 an. Das Antriebsstrangsystem 14 enthält eine Flexplate oder ein Schwungrad (nicht gezeigt), einen Drehmomentwandler oder eine andere Kupplungsvorrichtung 30, ein Getriebe 32, eine Gelenkwelle 34, ein Differential 36, Antriebswellen 38, Bremsen 40 und angetriebene Räder 42. Ein Vortriebsdrehmoment, das bei der Kurbelwelle 26 der Maschine 16 abgegeben wird, wird über die Antriebsstrangsystem-Komponenten übertragen, um bei den Antriebswellen 38 ein Achsdrehmoment zum Antreiben der Räder 42 zu liefern. Genauer wird das Vortriebsdrehmoment mit mehreren durch die Kupplungsvorrichtung 30, durch das Getriebe 32 und durch das Differential 36 bereitgestellten Übersetzungsverhältnissen multipliziert, um bei den Antriebswellen 38 ein Achsdrehmoment zu liefern.
Außerdem enthält der Motor/Antriebsstrang 10 ein Steuermodul 50, das den Betrieb des Motors/Antriebsstrangs 10 reguliert. Eine Fahrereingabe 62 wird an das Steuermodul 50 übertragen. Die Fahrereingabe 62 kann ein Fahrpedal und/oder ein Geschwindigkeitsregelungssystem enthalten, ist darauf aber nicht beschränkt. Eine Fahrerschnittstelle 64 liefert ebenfalls eine Eingabe an das Steuermodul 50. Die Fahrerschnittstelle 64 enthält einen Getriebefahrbereichswähler (z. B. einen PRNDL-Hebel), ist darauf aber nicht beschränkt.
Nunmehr anhand von 2–6 sind beispielhafte Ausführungsformen des EM 18 gezeigt. Es sind sowohl Induktions- als auch Permanentmagnet-EMs gezeigt. Der Permanentmagnet-EM enthält einen Statorkern 100 (2 und 3), eine Statorbaueinheit 104 (3, 4A, 5 und 6) und eine Permanentmagnetrotor-Baueinheit 108-1 (4A). Der Induktions-EM enthält einen Statorkern 100 (2 und 3), eine Statorbaueinheit 104 (3, 4B, 5 und 6) und eine Induktionsrotorbaueinheit 108-2 (4B).
Die Statorbaueinheit 104 in 3, 4A, 5 und 6 kann einen Stator 112 umfassen, der Schlitze 114 und Wicklungen 118, die in den Schlitzen 114 angeordnet sind, definiert. Der Stator 112 kann mehrere gestapelte Statorankerbleche 126 umfassen. Der EM 18 kann ein 3-Phasen-Motor/Generator für einen BAS sein.
In 5 ist eines der Statorankerbleche 126 gezeigt. Nur als Beispiel kann der Statorkern 100 72 Schlitze umfassen. Das Statorankerblech 126 kann aus einem magnetischen Material hergestellt sein. Das magnetische Material kann Stahl M19 oder ein anderes geeignetes magnetisches Material umfassen. Das Statorankerblech 126 kann eine Ankerblechbeschichtung 128 enthalten, um Verluste zwischen den Ankerblechen zu verringern. Die Beschichtung kann eine Beschichtung C5 oder C6 umfassen.
Der Stator 112 in 6 kann stabgewickelt sein. Nur als Beispiel können die Wicklungen 118A und 118B eine Zweischichtwellenwicklung mit rechteckigen Leitern umfassen. Die rechteckigen Leiter können abgerundete Ecken enthalten. Wie festzustellen ist, füllen die Wicklungen 118A und 118B im Wesentlichen den Schlitz, um einen hohen Schlitzfüllungsprozentsatz sicherzustellen.
Jeder Schlitz 114 kann zwei Wicklungen 118A und 118B mit derselben Phase aufnehmen. Der Stator kann 8 Pole und 3 Phasen umfassen. Somit kann jede der Phasen in Gruppen von 3 angrenzenden Schlitzen 8-mal um den Stator gewickelt sein. Mit anderen Worten, die Phase A kann die Schlitze 1–3 belegen, gefolgt von der Phase B in den Schlitzen 4–6 und von der Phase C in den Schlitzen 7–9. Die Phasen A–C wiederholen dieses Muster 7 weitere Male.
Die Wicklungen 118A und 118B können eine allgemein rechteckige Querschnittsform mit einer Breite A und einer Dicke B aufweisen. Das Verhältnis der Breite A zu der Dicke B kann zwischen 3,0:1 und 4,5:1 liegen. Insbesondere kann das Verhältnis der Breite A zu der Dicke B zwischen 3,5:1 und 4,0:1 liegen. Insbesondere kann das Verhältnis der Breite A zu der Dicke B zwischen 3,8:1 und 4,0:1 liegen. Insbesondere kann das Verhältnis der Breite A zu der Dicke B näherungsweise 3,9:1 sein. Wie es hier verwendet wird, umfasst "näherungsweise 3,9:1" zwischen 3,85:1 und 3,95:1. Die Wicklungen 118 können mit einer Wicklungsbeschichtung 129 beschichtet sein. Die Wicklungsbeschichtung 129 kann eine Beschichtung von Wechselrichterqualität umfassen. Nur als Beispiel kann die Wicklungsbeschichtung 129 Lack, Polyamidimid oder eine andere geeignete Beschichtung umfassen.
Zwischen den Schlitzen und den Wicklungen 118A und 118B kann eine Isolation 130 angeordnet sein. Die Isolation 130 kann in einer "S"-Form gebildet sein. Die Isolation 130 kann mehrere Schichten umfassen. Nur als Beispiel können die Schichten Nomex-Mylar-Nomex umfassen.
Wieder anhand von 4A kann die Rotorbaueinheit 108-1 Rotorankerbleche 140-1 und Schlitze 142-1A und 142-1B (zusammen Schlitze 142-1) umfassen. Die Rotorbaueinheit 108-1 kann eine (8·5 = 40)-Schlitze-Kon struktion mit geschlossenen Schlitzen umfassen. Der PM-Permanentmagnetrotor 108-1 kann für einen 8-Pol-Rotor 5 Schlitze pro Pol umfassen. Zwei "V"-förmige Rotorschlitze 142-1A und 142-1B können ein Permanentmagnetmaterial enthalten. Das Permanentmagnetmaterial kann z. B. ähnlich Hitachi-Material von der Magnetqualität 38EH sein.
Ein kleiner Schlitz 143 zwischen einem radial inneren "V"-förmigen Schlitz 142-1B kann ein Entlüftungsloch und eine Gewichtsverringerung schaffen und braucht kein Permanentmagnetmaterial zu enthalten. Die Polarität für jeden Pol wechselt zwischen Nord und Süd. Die Polarität für die Schlitze in 4A kann entweder Nord oder Süd sein. Beide Seiten der "V"-förmigen Magnetanordnung können dieselbe Polarität aufweisen. Mit anderen Worten, der gesamte Pol kann entweder Nord oder Süd sein.
Nunmehr anhand von 4B kann der EM einen Induktions-EM umfassen, der den Stator 104 und einen Rotor 108-2 enthält. Die Rotorbaueinheit 108 kann Rotorankerbleche 140-2 und Schlitze 142-2 umfassen. Nur als Beispiel kann die Rotorbaueinheit 108-2 eine Konstruktion mit 54 offenen Schlitzen umfassen. In anderen Realisierungen kann die Rotorschlitzzahl 56, 58 oder 68 sein. Die Rotorbaueinheit 108-2 kann Aluminiumstäbe in den Schlitzen 142-2 und Endringe (nicht gezeigt) umfassen. Das Aluminium kann verhältnismäßig reines Aluminium umfassen. Das Aluminium kann einen Aluminiumgehalt höher als 99% aufweisen. Der Aluminiumgehalt kann höher als 99,7% sein.
Die Rotorankerbleche 140-2 können eines oder mehrere Masseverringerungslöcher 145 aufweisen, die sich radial innerhalb eines Magnetdurchmessers der Rotorbaueinheit 108-2 befinden. Die Rotorankerbleche 140-2 können aus einem magnetischen Material hergestellt sein. Das magnetische Material kann Stahl umfassen. Der Stahl kann nachgeglühten Stahl M19 umfassen. Der Stahl kann mit einer Beschichtung 148 beschichtet sein, um Verluste zwischen den Ankerblechen zu verringern. Die Beschichtung kann eine Beschichtung C5 oder C6 sein. Die Rotorbaueinheit 108-2 kann eine Schrägung von bis zu 1 Schlitz und alternative Endring- und Stabmaterialien (einschließlich Kupfer) unterstützen.
Für den Fachmann auf dem Gebiet ist nun aus der vorstehenden Beschreibung klar, dass die umfassenden Lehren der Offenbarung in einer Vielzahl von Formen verwirklicht werden können. Obgleich diese Offenbarung bestimmte Beispiele enthält, soll der wahre Umfang der Offenbarung somit nicht darauf beschränkt sein, da für den erfahrenen Praktiker bei einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche weitere Änderungen offensichtlich sind.

Claims

Statorbaueinheit, die umfasst: einen Stator, der S Schlitze definiert; eine erste und eine zweite Wicklung, die in jedem der S Schlitze angeordnet sind, wobei die erste und die zweite Wicklung eine Breite in einer radialen Richtung und eine Dicke in einer Richtung senkrecht zu der radialen Richtung aufweisen, und wobei ein Verhältnis der Breite zu der Dicke zwischen 3,0:1 und 4,5:1 liegt.
Statorbaueinheit nach Anspruch 1, bei der das Verhältnis zwischen 3,5:1 und 4,0:1 liegt.
Statorbaueinheit nach Anspruch 1, bei der das Verhältnis zwischen 3,8:1 und 4,0:1 liegt.
Statorbaueinheit nach Anspruch 1, bei der das Verhältnis näherungsweise 3,9:1 ist.
Elektromotor/-generator, der die Statorbaueinheit aus Anspruch 1 umfasst, wobei der Elektromotor/-generator ein 3-Phasen-Elektromotor/-generator ist und wobei sowohl die erste als auch die zweite Wicklung mit einer der drei Phasen verbunden ist.
Permanentmagnetelektromotor/-generator, der die Statorbaueinheit aus 1 umfasst und ferner eine Rotorbaueinheit umfasst, die Rotorankerbleche enthält, die Pole definieren, die jeweils einen ersten "V"-förmigen Schlitz enthalten, der radial außerhalb eines zweiten "V"-förmigen Schlitzes angeordnet ist, wobei das Permanentmagnetmaterial in dem ersten und in dem zweiten "V"-förmigen Schlitz angeordnet ist.
Induktionsmotor/-generator, der die Statorbaueinheit aus 1 umfasst und der ferner eine Rotorbaueinheit umfasst, die Rotorankerbleche enthält, die T Schlitze definieren, wobei S gleich 72 und T gleich 54 oder 56 oder 58 oder 68 ist.
Elektromotor/-generator nach Anspruch 1, bei dem die erste und die zweite Wicklung Wellenwicklungen mit im Wesentlichen rechteckigen Leitern umfassen.
Elektromotor/-generator nach Anspruch 1, bei dem die Breite der ersten Wicklung plus der zweiten Wicklung näherungsweise gleich einer Breite der Schlitze ist und bei dem die Dicke der ersten Wicklung näherungsweise gleich einer Breite der Schlitze ist.
Elektromotor/-generator nach Anspruch 1, bei dem S gleich 72 ist.
Fahrzeug, das umfasst: eine Maschine; einen Riemen/eine Riemenscheibe; einen Elektromotor/-generator, der durch den Riemen/die Riemenscheibe mechanisch mit der Maschine gekoppelt ist und der umfasst: eine Statorbaueinheit, die umfasst: einen Stator, der S Schlitze definiert; eine erste und eine zweite Wicklung, die in den S Schlitzen angeordnet sind, wobei die erste und die zweite Wicklung eine Breite in einer radialen Richtung und eine Dicke in einer Richtung senkrecht zu der radialen Richtung aufweisen, wobei die Breite der ersten Wicklung plus der zweiten Wicklung näherungsweise gleich einer Breite der Schlitze ist und wobei die Dicke der ersten Wicklung näherungsweise gleich einer Breite der Schlitze ist; und wobei ein Verhältnis der Breite zu der Dicke zwischen 3,0:1 und 4,5:1 liegt und wobei der Elektromotor/-generator ein 3-Phasen-Elektromotor/-generator ist und wobei sowohl die erste als auch die zweite Wicklung mit einer der drei Phasen verbunden ist.
Fahrzeug nach Anspruch 11, bei dem das Verhältnis zwischen 3,5:1 und 4,0:1 liegt.
Fahrzeug nach Anspruch 11, bei dem das Verhältnis zwischen 3,8:1 und 4,0:1 liegt.
Fahrzeug nach Anspruch 11, bei dem das Verhältnis näherungsweise 3,9:1 ist.
Fahrzeug nach Anspruch 11, bei dem die erste und die zweite Wicklung Wellenwicklungen mit im Wesentlichen rechteckigen Leitern umfassen.
Fahrzeug nach Anspruch 11, bei dem S gleich 72 ist.
Fahrzeug nach Anspruch 11, bei dem der Elektromotor/-generator einen Permanentmagnet-Elektromotor/-generator umfasst, wobei der Permanentmagnet-Elektromotor/-generator eine Rotorbaueinheit umfasst, die Rotorankerbleche enthält, die Pole definieren, die jeweils einen ersten "V"-förmigen Schlitz enthalten, der radial außerhalb eines zweiten "V"-förmigen Schlitzes angeordnet ist, wobei das Permanentmagnetmaterial in dem ersten und in dem zweiten "V"-förmigen Schlitz angeordnet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 11, bei dem der Elektromotor/-generator einen Induktionsmotor/-generator umfasst, wobei der Induktionsmotor/-generator ferner eine Rotorbaueinheit umfasst, die Rotorankerbleche enthält, die T Pole definieren, wobei S gleich 72 und T gleich 54 oder 56 oder 58 oder 68 ist.