DE102010049178A1

DE102010049178A1 - Elektrische Maschine und Verfahren zur Steuerung einer magnetischen Feldstärke und/oder einer Flussdichte eines Statoranteils eines Erregerfeldes

Info

Publication number: DE102010049178A1
Application number: DE102010049178A
Authority: DE
Inventors: Ljubomir Dr. Adzic; Gerd Dr. Stöhr
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2009-11-07
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2011-05-12

Abstract

Elektrische Maschine (1) und Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine (1), wobei die elektrische Maschine (1) einen Stator (2) mit Statorwicklungen und einen Rotor (3) umfasst, wobei der Rotor (3) mindestens ein Mittel zur Erzeugung eines ersten magnetischen Erregerfeldes umfasst, wobei durch zumindest einen Statoranteil des ersten Erregerfeldes in den Statorwicklungen eine Statorspannung induzierbar ist, wobei der Rotor (3) mindestens ein Mittel zur Einstellung einer magnetischen Feldstärke und/oder eine Flussdichte des Statoranteils umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere in einem automobilen Fahrzeug, und ein Verfahren zur Steuerung einer magnetischen Feldstärke und/oder einer Flussdichte eines Statoranteils eines Erregerfeldes einer elektrischen Maschine.
Für Anwendungen in elektrischen Antrieben automobiler Fahrzeuge sind aufgrund ihres Leistungsabgabeverhaltens elektrische Synchronmaschinen besonders vorteilhaft. Die Prinzipien sowohl fremderregter Synchronmaschinen als auch unterschiedlicher Ausführungen von permanentmagneterregten Synchronmaschinen sind aus der Literatur bekannt. Bei einer fremderregten Synchronmaschine muss in der Regel die gesamte Energie zur Erzeugung eines Erregerfeldes auf einen Rotor der Synchronmaschine übertragen werden wobei eine Stärke der Erregung in bestimmten Grenzen veränderbar sein kann. Ein Nachteil dieser Fremderregung liegt in der Übertragung relativ hoher elektrischer Leistung von einem ruhenden System in ein rotierendes System. Weitere Nachteile ergeben sich durch ohmsche Verluste, die durch einen Stromfluss in den Erregerwicklungen des Rotors verursacht werden.
Bei einer permanentmagneterregten Synchronmaschine wird eine Erregung durch die im Rotor angeordneten Magnete bereitgestellt und ist demnach nicht veränderbar. Soll die permanentmagneterregte Synchronmaschine in einem großen Drehzahlbereich betrieben werden, so muss ab einer vorbestimmten Drehzahl die Synchronmaschine in einem so genannten Feldschwächebetrieb betrieben werden. Der Feldschwächebetrieb ist insbesondere bei hohen Drehzahlen notwendig, da bei hohen Drehzahlen hohe induzierte Spannungen in Statorwicklungen eines Stators der Synchronmaschine auftreten können. Durch diese hohen induzierten Spannungen können z. B. der Synchronmaschine elektrisch vorgelagerte elektrische oder elektronische Bauteile zerstört werden. Im Feldschwächebetrieb wird hierbei ein Anteil eines Statorstroms durch Statorwicklungen der Synchronmaschine zur Bildung eines Magnetfeldes verwendet, welches die durch einen Statoranteil des Erregerfeldes des Rotors induzierten Statorspannungen reduziert.
Somit steht ein gewisser Anteil des Statorstroms nicht für eine Drehmomentbildung zur Verfügung. Mit steigender Drehzahl steigt in der Regel auch der Anteil des Statorstroms zur Ausführung des Feldschwächebetriebs. Herkömmliche Synchronmaschinen, aber auch elektrische Maschinen im Allgemeinen, werden also elektrisch aufwändig und verlustbehaftet bei hohen Drehzahlen feldgeschwächt.
Die WO 2007/128742 A1 offenbart eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, die einen Stator sowie einen Rotor mit einer Rotorwelle umfasst. Zur Feldschwächung sind hierbei der Stator und der Rotor der elektrischen Maschine axial gegeneinander verschiebbar. Weiter ist eine Axialverschiebung unter Einhaltung eines konstanten Luftspalts zwischen Stator und Rotor einstellbar.
Die DE 10 2006 007 917 A1 offenbart eine elektrische Maschine, die einen Stator und einen Rotor umfasst, wobei der Rotor aus einer Permanentmagnetanordnung besteht. Weiter offenbart die Druckschrift, dass die gegenüberliegenden Magnete in Rotornuten so angeordnet sind, dass der gemeinsame magnetische Fluss sich so positioniert und als Nutzfluss über den Stator schließt, dass eine Reihe alternierender Pole auf dem Umfang des Rotors gebildet wird. Weiter offenbart die Druckschrift weitere Magnete, die vorrangig zur magnetischen Sättigung eines Steges beitragen und einen magnetischen Kurzschluss der Magnete behindern, sowie dass das Rotorblechpaket aus einem Stück besteht.
Es stellt sich das technische Problem, eine elektrische Maschine und/oder ein Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine zu schaffen, die einen Betrieb der elektrischen Maschine in einem großen Drehzahlbereich ermöglicht, wobei insbesondere bei hohen Drehzahlen Anteile des Statorstroms minimiert werden, die zur Reduktion von durch einen Statoranteil eines Erregerfeldes der elektrischen Maschine in Statorwicklungen induzierten Spannungen dienen. Insbesondere stellt sich die Aufgabe, eine elektrische Maschine und/oder ein Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine in einem automobilen Fahrzeug zu schaffen, in der ein Bremsmoment auf einfache Weise erzeugbar ist.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorgeschlagen wird eine elektrische Maschine, insbesondere in einem automobilen Fahrzeug angeordnet, welche einen Stator mit Statorwicklungen und einen Rotor umfasst. Der Rotor umfasst mindestens ein Mittel zur Erzeugung eines ersten magnetischen Erregerfeldes, wobei durch zumindest einen Statoranteil des ersten Erregerfeldes in den Statorwicklungen eine Statorspannung induzierbar ist. Weiter umfasst der Rotor mindestens ein Mittel zur Einstellung einer magnetische Feldstärke und/oder einer Flussdichte des Statoranteils.
Die Mittel zur Erzeugung des ersten Erregerfeldes können hierbei insbesondere Permanentmagnete, zum Beispiel Magnete aus seltenen Erden, insbesondere Neodym-Eisen-Bor oder Cobalt-Samarium, sein. Auch ist vorstellbar, dass die Mittel zur Erzeugung des ersten Erregerfeldes Mittel zur Erzeugung eines fremderregten Magnetfeldes, beispielsweise Spulen oder Elektromagnete, sind. Im Betrieb der elektrischen Maschine, insbesondere bei Rotation des Rotors, induziert ein Statoranteil des ersten Erregerfeldes in den Statorwicklungen eine Statorspannung.
Unter dem Statoranteil des ersten Erregerfeldes wird hierbei der Teil des ersten Erregerfeldes verstanden, der sich über den Stator der elektrischen Maschine schließt. Weitere Anteile des ersten Erregerfeldes, beispielsweise Anteile sich nicht über den Stator schließen, werden beispielsweise als so genannter Streufluss oder Rotoranteil bezeichnet.
Die induzierte Statorspannung ist abhängig von einer Rotationsgeschwindigkeit des Rotors, einer Feldstärke des Statoranteils des ersten Erregerfeldes und einer Flussdichte des Statoranteils des ersten Erregerfeldes.
Um eine Höhe der induzierten Spannung in den Statorwicklungen, insbesondere bei hohen Drehzahlen, zu beeinflussen, vorzugsweise zu verringern, kann die magnetische Feldstärke und/oder die Flussdichte des Statoranteils eingestellt werden. So ist z. B. vorstellbar, dass die Feldstärke und/oder die Flussdichte des Statoranteils mit steigender Drehzahl reduziert wird.
Zur Einstellung der magnetischen Feldstärke und/oder Flussdichte des Statoranteils umfasst der Rotor Mittel zur Einstellung, wobei mittels der Mittel zur Einstellung die magnetische Feldstärke und/oder die Flussdichte des Statoranteils einstellbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine Mittel zur Einstellung als Mittel zur Erzeugung mindestens eines magnetischen Hilfsfeldes ausgebildet, wobei ein resultierendes Erregerfeld durch eine Überlagerung mindestens des ersten Erregerfeldes und des Hilfsfeldes erzeugbar ist. Hierbei bezeichnet nun der Statoranteil einen Anteil des resultierenden Erregerfeldes, welcher sich über den Stator der elektrischen Maschine schließt.
Durch das Hilfsfeld ergibt sich in vorteilhafter Weise eine so genannte zweisystemerregte Synchronmaschine. Das resultierende Erregerfeld setzt sich hierbei aus zwei Anteilen zusammen. Ein erster Anteil des resultierenden Erregerfeldes wird durch die Mittel zur Erzeugung des ersten Erregerfeldes erzeugt. Ein zweiter Anteil des resultierenden Erregerfeldes wird hierbei durch die Mittel zur Einstellung erzeugt. In einer konkreten Ausführung kann vorgesehen sein, dass sich eine Feldstärke des resultierenden Erregerfeldes aus einer Addition oder Subtraktion der Feldstärken des Hilfsfeldes und ersten Erregerfeldes ergibt.
Weiter kann vorgesehen sein, dass ein Verlauf von Feldlinien des Hilfsfeldes den Verlauf von Feldlinien des ersten Erregerfeldes und somit z. B. die Flussdichte des resultierenden Erregerfeldes verändert.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Feldstärke des Hilfsfeldes und/oder eine Flussdichte des Hilfsfeldes einstellbar. Hierdurch können in vorteilhafter Weise die Feldstärke und/oder die Flussdichte des Statoranteils des resultierenden Erregerfeldes z. B. drehzahlabhängig mittels des Hilfsfeldes eingestellt werden.
So ist z. B. möglich, dass ein Anteil des Hilfsfeldes am Statoranteil, insbesondere ein Anteil an der Feldstärke und/oder an der Flussdichte, bei geringen Drehzahlen hoch und bei hohen Drehzahlen niedrig eingestellt wird.
Weiter ergibt sich vorteilhaft, dass eine Feldstärke des Statoranteils größer sein kann als eine maximale Feldstärke des ersten Erregerfeldes, welches von den Mitteln zur Erzeugung des ersten Erregerfeldes erzeugt wird. Hierdurch sind höhere Feldstärken des Statoranteils als bei ausschließlicher Erregung durch das erste Erregerfeld einstellbar.
Vorzugsweise ist das erste Erregerfeld ein permanenterregtes Magnetfeld und das Hilfsfeld ein fremderregtes magnetisches Feld. Im Gegensatz zur reinen fremderregten oder permanentmagneterregten Synchronmaschine, bei der die gesamte Erregung durch ein Erregersystem bereitgestellt wird, teilen sich hierbei das permanenterregte Erregersystem und das fremderregte Erregersystem die Erregung. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass das erste Erregerfeld und/oder das Hilfsfeld in Bezug auf eine maximale magnetische Feldstärke und/oder einen maximalen magnetischen Fluss kleiner dimensioniert werden können als bei einer rein fremd- oder permanentmagneterregten elektrische Maschine.
Weiter ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein fremderregtes magnetisches Feld leicht über z. B. Spulen erzeugt werden kann, wobei eine Feldstärke des Hilfsfeldes z. B. über eine Stromstärke des die Spulen durchfließenden Stromes eingestellt werden kann.
Durch die Veränderung eines Anteils des fremderregten magnetischen Feldes am Statoranteil kann die elektrische Maschine in einem größeren Drehzahlbereich betrieben werden, ohne dass eine aktive Feldschwächung durch eine Veränderung des Statorstroms notwendig ist. Auch können durch eine Veränderung des Anteils des Hilfsfeldes an dem Statoranteil bei hohen Drehzahlen hohe, in den Statorwicklungen induzierte, Spannungen vermieden werden, wodurch z. B. der elektrischen Maschine elektrisch vorgelagerte elektrische oder elektronische Bauteile nicht zerstört werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine Mittel zur Einstellung als Mittel zur Änderung eines magnetischen Widerstandes von zumindest Teilbereichen des Rotors ausgebildet. Durch die Veränderung des magnetischen Widerstandes von Teilbereichen des Rotors lässt sich hierbei ein Verlauf von Feldlinien des ersten Erregerfeldes beeinflussen. Insbesondere kann z. B. ein Anteil von Feldlinien des ersten Erregerfeldes (Statoranteil), welcher über einen Luftspalt vom Rotor in den Stator eintritt, durch eine Veränderung des magnetischen Widerstandes vergrößert oder verkleinert werden. Hierdurch lässt sich also eine Flussdichte des Statoranteils beeinflussen.
Auch ist durch eine Veränderung des magnetischen Widerstandes von Teilbereichen des Rotors möglich, einen Streufluss des ersten Erregerfeldes zu minimieren. Insbesondere kann der magnetische Widerstand eines Rotorabschnitts zwischen zwei Permanentmagneten des Rotors eingestellt werden.
In der Regel weist z. B. ein mit Permanentmagneten ausgebildeter Rotor Permanentmagnete auf, deren Nordpole auf einander zugewandten Seiten der Permanentmagnete angeordnet sind. Die Permanentmagnete erzeugen hierbei z. B. das erste Erregerfeld. Beispielsweise sind in einem ersten Rotorzahn zwei Permanentmagnete, vorzugsweise in Randbereichen des ersten Rotorzahnes, angeordnet. Ein Teil der Feldlinien tritt aus dem Nordpol aus, verläuft im ersten Rotorzahn radial hin zu einer Oberfläche des Rotors, durchquert einen Luftspalt zwischen dem ersten Rotorzahn und beispielsweise einem ersten Statorzahn, und schließt sich über den ersten Statorzahn, einen weiteren Statorzahn, einen Luftspalt zwischen dem weiteren Statorzahn und einem weiteren Rotorzahn und dem Südpol des Permanentmagneten. Dieser Teil des ersten Erregerfeldes bildet hierbei den Statoranteil. Die Verlaufsstrecke der Feldlinien wird hierbei als erste Verlaufsstrecke bezeichnet.
Einzelne Abschnitte der ersten Verlaufsstrecke, beispielsweise ein Abschnitt im ersten Rotorzahn, ein Abschnitt im Luftspalt, ein Abschnitt im Stator, ein Abschnitt im weiteren Luftspalt und ein Abschnitt im weiteren Rotorzahn, weisen jeweils magnetische Widerstände auf.
Ein weiterer Teil der Feldlinien kann zwischen dem Nordpol und dem Südpol des Permanentmagneten verlaufen, ohne dass der Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator, also beispielsweise der Luftspalt zwischen dem ersten Rotorzahn und dem ersten Statorzahn, von diesen Feldlinien durchquert wird. Dieser Anteil kann als Rotoranteil oder Streufluss bezeichnet werden. Beispielsweise kann eine Feldlinie aus dem Nordpol des Permanentmagneten austreten und über einen Teilbereich des Rotors zum Südpol des Permanentmagneten hin verlaufen. Diese Verlaufsstrecke kann auch als zweite Verlaufsstrecke bezeichnet werden.
Insbesondere tritt ein solcher Verlauf in einem Stegbereich der Permanentmagnete auf. Als Stegbereich wird hierbei ein dem Luftspalt zwischen Rotor und Stator abgewandtes. Ende der Permanentmagnete verstanden. Ein Stegbereich der Permanentmagnete ist also im Bereich der Enden der Permanentmagnete angeordnet, die näher zu einer Mittelachse des Rotors hin angeordnet sind.
Der Anteil des ersten Erregerfeldes, welches sich über den Luftspalt und den Stator schließt, und der Anteil des ersten Erregerfeldes, welches sich ausschließlich über Teilbereiche des Rotors schließt, sind hierbei abhängig von den magnetischen Widerständen einer Verlaufsstrecke der Feldlinien. Gibt es z. B. zwei mögliche Verlaufsstrecken für Feldlinien und weist eine davon einen höheren magnetischen Widerstand als die andere auf, so verlaufen weniger Feldlinien entlang der Verlaufsstrecke mit dem höheren magnetischen Widerstand.
Weist z. B. die erste Verlaufsstrecke einen niedrigeren magnetischen Widerstand als die zweite Verlaufsstrecke auf, so verläuft ein größerer Anteil von Feldlinien des ersten Erregerfeldes entlang der ersten Verlaufsstrecke. Es erhöht sich folglich der Statoranteil. Durch die Einstellung des magnetischen Widerstands der zweiten Verlaufsstrecke kann ein Anteil der Feldlinien, die entlang der zweiten Verlaufsstrecke verlaufen, eingestellt werden. Da z. B. das Feld eines Permanentmagneten, der das erste Erregerfeld erzeugt, konstant ist, wird folglich auch der Anteil der Feldlinien eingestellt, die entlang der ersten Verlaufsstrecke verlaufen.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Teilbereich des Rotors als Aussparung ausgebildet, wobei in die Aussparung ein Einschubelement bewegbar, insbesondere einschiebbar ist. Die Aussparung kann hierbei beispielsweise in einem Stegbereich z. B. der Permanentmagnete angeordnet sein, die das erste Erregerfeld erzeugen. Ist kein Einschubelement in die Aussparung eingeschoben, so kann diese beispielsweise mit Luft gefüllt sein. Somit wird der magnetische Widerstand in Teilbereichen des Rotors auch durch die mit Luft gefüllte Aussparung beeinflusst.
Alternativ oder auch in Ergänzung zu einem Einschubelement kann in der Aussparung ein Verlagerungselement angeordnet sein, das bewegbar, insbesondere linear verlagerbar oder schwenkbar ist. Das Verlagerungselement ist insbesondere bewegbar, ohne dass es die Aussparung teilweise oder komplett verlässt.
Das Einschubelement, welches in die Aussparung einschiebbar ist, beziehungsweise das Verlagerungselement, welches in der Aussparung bewegbar ist, kann hierbei einen anderen magnetischen Widerstand als z. B. Luft aufweisen. Das Material kann magnetisch leitend sein, ohne selbst permanent aufmagnetisierbar zu sein. Wird das Einschubelement in die Aussparung eingeschoben beziehungsweise verlagert, so verändert sich der magnetische Widerstand des Teilbereichs des Rotors, in welchem die Aussparung angeordnet ist. Der magnetische Widerstand ändert sich hierbei in Abhängigkeit von einer Einschubtiefe des Einschubelements beziehungsweise Position oder Winkellage des Verlagerungselements und/oder von magnetischen Eigenschaften des Materials des Einschubelements beziehungsweise Verlagerungselements. Unter Einschubtiefe wird hierbei der Abschnitt der Aussparung verstanden, in welchen das Einschubelement eingeschoben ist. Das Einschubelement kann hierbei im eingeschobenen Zustand einen Formschluss mit der Aussparung aufweisen. Auch ist vorstellbar, dass das Einschubelement keinen vollständigen Formschluss im eingeschobenen Zustand mit der Aussparung aufweist, wodurch z. B. noch ein Luftspalt zwischen einem zumindest teilweise eingeschobenen Einschubelement und einer Randfläche der Aussparung vorhanden ist.
Das Einschubelement beziehungsweise das Verlagerungselement kann hierbei manuell und/oder aktorgestützt in die Aussparung einschiebbar sein. Bevorzugt kann der Aktor ein Elektromotor sein. Alternativ dazu kann der Aktor auch ein Fliehkraftregler sein.
Das Einschubelement beziehungsweise das Verlagerungselement kann hierbei auch drehzahlabhängig bewegbar sein. Hierbei ist in einer Weiterentwicklung vorgesehen, dass eine Steuereinheit oder Regeleinheit, abhängig von einer z. B. von einem Drehzahlsensor erfassten Drehzahl des Rotors, eine Stellgröße eines Aktors, beisplelsweise eines pneumatischen, eines hydraulischen oder eines elektromechanischen Aktors, einstellt, wobei der Aktor das Einschubelement beziehungsweise das Verlagerungselement bewegt.
Das Einschubelement kann beispielsweise ein Eisenstab sein. Hierbei wird ermöglicht, dass ein magnetischer Widerstand des Rotors, insbesondere der zweiten Verlaufsstrecke, im eingeschobenen Zustand des Eisenstabs im Vergleich zu einem nicht eingeschobenen Zustand des Eisenstabs verringert wird. Selbstverständlich sind auch weitere Materialien bzw. Materialkombinationen für die Ausbildung des Einschubelements vorstellbar, da die magnetische Leitfähigkeit von einer Permeabilität des ausgewählten Materials und/oder der ausgewählten Materialkombination abhängt. Es liegt im Ermessen des Fachmanns, das Material entsprechend einer gewünschten Permeabilität auszuwählen. So können z. B. ideal diamagnetische, neutrale, paramagnetische und/oder ferromagnetische Materialien ausgewählt und/oder kombiniert werden.
Das Verlagerungselement kann in einer ersten Ausführungsform ein linear in einer luftgefüllten Aussparung aus magnetisch leitfähigem Material im Stator bewegbares blockförmiges oder zylinderförmiges Element aus magnetisch leitfähigem Material sein. Das Element ist dabei entlang eines Führungselements, beispielsweise einer Schiene oder einer Stange beweglich ausgeführt. Darüber hinaus ist das Element federbeaufschlagt, so dass das Element in eine Ruheposition gedrängt wird. Die Aussparung ist zwischen zwei sich gegenüberliegenden Magneten in deren überlagertem magnetischen Feld angeordnet. Die Magneten haben einen rechteckigen Querschnitt. Die Längsachsen der Magnete schneiden sich unter einem strumpfen Winkel in der Aussparung mit dem Verlagerungselement.
In einer zweiten Ausführungsform kann das Verlagerungselement ein schwenkbares oder drehbares Element aus magnetisch leitfähigem Material sein, das sich in einer zylinderförmigen Aussparung, deren Achse sich im wesentlichen parallel zur Drehachse des Motors erstreckt, im Stator aus magnetisch leitfähigem Material befindet. Das Element ist elektromotorisch bewegbar, insbesondere schwenkbar oder drehbar. Die Aussparung ist zwischen zwei sich gegenüberliegenden Magneten in deren überlagertem magnetischen Feld angeordnet. Die Magneten haben einen rechteckigen Querschnitt. Die Längsachsen der Magnete schneiden sich unter einem strumpfen Winkel in der Aussparung mit dem Verlagerungselement. Das Element wird auch als Kurzschlusswalze bezeichnet. Das schwenkbare Element füllt die Aussparung nicht vollständig aus und ist nicht rotationssymmetrisch ausgeführt, sondern weist eine Vorzugswinkelorientierung auf. Wird das Element geschwenkt, so verändert sich die Position oder Verteilung des magnetisch leitfähigen Materials in der dieses umgebenden Luft in der Aussparung. Das Element weist zwei konkav-konvex geformte Wandteile aus magnetisch leitfähigem Material auf, welche sich diametral in der Aussparung gegenüberliegen. In einer ersten Winkelorientierung des Elements bilden die zwei Wände Querverbindungen durch die Aussparung aus, so dass sich drei Luftspalte quer zwischen den zwei Magneten erstrecken und der Feldfluss zwischen den zwei Magneten getrennt ist. In einer zweiten, anderen Winkelorientierung des Elements bilden die zwei Wände Längsverbindungen durch die Aussparung aus, so dass sich drei Luftspalte längs zwischen den zwei Magneten erstrecken. In dieser zweiten Winkelorientierung ist ein magnetischer Kurzschluss im Feldverlauf zwischen den Magneten erzielt.
Weiter kann ein magnetischer Widerstand des Einschubelements beziehungsweise des Verlagerungselements einstellbar sein. Hierbei ist es z. B. möglich, eine Permeabilität, also eine magnetische Leitfähigkeit, des Einschubelements beziehungsweise des Verlagerungselements mittels z. B. einer Temperatur des Einschubelements beziehungsweise des Verlagerungselements einzustellen. Hierbei kann der Effekt ausgenutzt werden, dass die Permeabilität bestimmter magnetischer Materialien temperaturabhängig ist.
Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass die magnetische Leitfähigkeit des Teilbereichs des Rotors mittels einer Temperatur einstellbar ist. Hierzu können z. B. Heiz- oder Kühlelemente im und/oder am Rotor angeordnet werden.
In alternativen Ausführungsformen können auch weitere Möglichkeiten zur Einstellung der Permeabilität des Rotors oder des Einschubelements oder des Verlagerungselements zum Einsatz gelangen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das mindestens eine Mittel zur Einstellung in mindestens einem Stegbereich der Mittel zur Erzeugung des ersten Erregerfeldes angeordnet. Die Mittel zur Erzeugung des ersten Erregerfeldes können hierbei z. B. Permanentmagnete oder Elektromagnete sein.
Wird der magnetische Widerstand von zumindest Teilbereichen des Rotors wie vorhergehend geschildert mittels einer Aussparung und eines in die Aussparung einschiebbaren Einschubelements geändert, so kann die Aussparung in Stegbereichen der Mittel zur Erzeugung des ersten Erregerfeldes, z. B. in Stegbereichen von Permanentmagneten, angeordnet sein. Ist die Aussparung in Stegbereichen von z. B. Permanentmagneten, die das erste Erregerfeld erzeugen, angeordnet, so beeinflusst eine z. B. mit Luft oder mit einem Eisenstab ausgefüllte Aussparung den magnetischen Widerstand der zweiten Verlaufsstrecke. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass über eine Einstellung des magnetischen Widerstandes des Teilbereichs ein magnetischer Widerstand der zweiten Verlaufsstrecke einstellbar ist. So kann z. B. durch einen hohen magnetischen Widerstand, also z. B. durch einen nicht in die Aussparung eingeschobenen Eisenstab, der Anteil der Feldlinien, die den Luftspalt zwischen Rotor und Stator durchqueren, erhöht werden. Hierdurch erhöht sich der Statoranteil des ersten Erregerfeldes. Dies ist insbesondere bei niedrigen Drehzahlen wünschenswert. Bei hohen Drehzahlen kann das Einschubelement in die Aussparung eingeschoben werden, wodurch sich der magnetische Widerstand in den Stegbereichen verringert. Hierdurch wird ein größerer Anteil der Feldlinien entlang der zweiten Verlaufsstrecke verlaufen. Hierdurch verringert sich der Statoranteil des ersten Erregerfeldes. Somit verringert sich auch eine durch den Statoranteil des ersten Erregerfeldes in den Statorwicklungen induzierte Spannung.
Auch wird das mindestens eine Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Hilfsfeldes vorzugsweise in Stegbereichen der Permanentmagnete angeordnet. Hierdurch lässt sich in vorteilhafter Weise ebenfalls ein Verlauf der Feldlinien des ersten Erregerfeldes in Stegbereichen der Permanentmagnete beeinflussen. Wird z. B. ein Hilfsfeld erzeugt, so kann dieses Hilfsfeld zumindest Teile des Stegbereiches der Permanentmagnete magnetisch sättigen. Über die magnetische Sättigung ist hierbei ebenfalls ein magnetischer Widerstand des Rotors, insbesondere von Stegbereichen des Rotors, einstellbar. Hierbei gilt, dass der magnetischer Widerstand mit einem Grad der magnetischen Sättigung ansteigt.
In einer weiteren Ausführungsform ist mittels des Mittels zur Einstellung die magnetische Feldstärke und/oder die Flussdichte des Statoranteils drehzahlabhängig einstellbar. Insbesondere kann z. B. die magnetische Feldstärke des Hilfsfeldes und/oder die Flussdichte des Hilfsfeldes drehzahlabhängig eingestellt werden. Auch kann die magnetische Widerstand zumindest eines Teilbereichs des Rotors drehzahlabhängig eingestellt werden. Hierzu umfasst die elektrische Maschine beispielsweise einen Drehzahlsensor zur Erfassung einer Drehzahl des Rotors. Weiter umfasst die elektrische Maschine eine Steuereinheit, wobei der Drehzahlsensor die Drehzahl datentechnisch an die Steuereinheit übermitteln kann. Die Steuereinheit kann beispielsweise die magnetische Feldstärke des Hilfsfeldes und/oder die Flussdichte des Hilfsfeldes und/oder den magnetischen Widerstand zumindest eines Teilbereichs des Rotors drehzahlabhängig einstellen.
Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Steuerung einer magnetischen Feldstärke und/oder einer Flussdichte eines Statoranteils eines ersten Erregerfeldes einer elektrischen Maschine. Hierbei ist der Stator und der Rotor gemäß den vorhergehenden Ausführungen ausgebildet. Weiter stellt mindestens ein Mittel zur Einstellung einer magnetischen Feldstärke und/oder einer Flussdichte des Statoranteils die magnetische Feldstärke und/oder Flussdichte des Statoranteils ein.
Das Mittel zur Einstellung kann hierbei beispielsweise ein Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Hilfsfeldes sein. Insbesondere kann das Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Hilfsfeldes ein Elektromagnet, beispielsweise eine Spule, sein. Auch ist vorstellbar, dass das Mittel zur Einstellung eine magnetische Feldstärke des Hilfsfeldes und/oder eine Flussdichte des Hilfsfeldes einstellen kann.
Hierbei kann vorgesehen sein, dass eine Steuereinheit eine magnetische Feldstärke des Hilfsfeldes einstellt. Hierfür kann die Steuereinheit z. B. eine Stromstärke eines durch die Spule fließenden Stromes einstellen. Die Steuereinheit kann beispielsweise in eine Steuereinheit der elektrischen Maschine integriert sein.
In einer alternativen Ausführungsform stellt das mindestens eine Mittel zur Einstellung einen magnetischen Widerstand zumindest eines Teilbereichs des Rotors ein. Wird der magnetische Widerstand eines Teilbereichs des Rotors beispielsweise mittels einer Aussparung und eines in diese Aussparung einschiebbaren Einschubelements oder eines in der Aussparung bewegbaren Verlagerungselements eingestellt, so kann z. B. eine Steuereinheit eine Einschubtiefe des Einschubelements in die Aussparung einstellen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform stellt das Mittel zur Einstellung die magnetische Feldstärke des Statoranteils und/oder die Flussdichte des Statoranteils abhängig von einer Drehzahl des Rotors ein.
Hierzu erfasst beispielsweise ein Drehzahlsensor eine Drehzahl des Rotors. Der Drehzahlsensor übermittelt die Drehzahl datentechnisch an die Steuereinheit. Die Steuereinheit kann, beispielsweise basierend auf einer so genannten Look-Up-Table, einen magnetischen Widerstand zumindest eines Teilbereichs des Rotors einstellen.
Ist das Mittel zur Einstellung als Mittel zur Erzeugung eines Hilfsfeldes ausgebildet, so kann die Steuereinheit z. B. drehzahlabhängig eine Feldstärke des Hilfsfeldes einstellen.
Auch kann die Steuereinheit weitergebildet als Regeleinheit ausgebildet sein, die eine Stärke des Hilfsfeldes und/oder einen magnetischen Widerstand abhängig von vorbestimmten Regelgesetzen einstellt. Die Regelgesetze können hierbei z. B. lineare oder nicht lineare Regelgesetze sein.
Im Zusammenhang der Erfindung steht mit besonders hoher praktischer Bedeutung deren Anwendung in einem automobilen Fahrzeug. Anders gesagt, die Erfindung betrifft auch ein automobiles Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb, welcher eine elektrische Maschine mit in dieser Darstellung beschriebenen Merkmalen oder Merkmalskombinationen aufweist. In erfindungsgemäßer Weise kann neben den allgemeinen Vorzügen des Feldschwächebetriebs vorteilhaft erreicht werden, dass ein Bremsmoment des Motors einstellbar erzeugbar ist. Dieser Vorteil ist besonders wichtig für den sicheren Betrieb des automobilen Fahrzeugs, insbesondere in einer Notsituation, wie einer Gefahrenbremsung.
Das automobile Fahrzeug kann insbesondere ein Landfahrzeug, ein schienenloses Landfahrzeug, ein Kraftfahrzeug, ein Radfahrzeug, das insbesondere rein elektrisch oder hybrid wechselweise elektrisch oder verbrennungsmotorisch angetrieben werden kann. Das automobile Fahrzeug kann (bevorzugt) ein Personenfahrzeug oder ein Nutzfahrzeug sein.
Erfindungsgemäß kann das in dieser Darstellung beschriebene erfindungsgemäße Verfahren mit in dieser Darstellung beschriebenen Merkmalen oder Merkmalskombinationen an einer elektrischen Maschine, die in einem automobilen Fahrzeug aufgenommen ist, durchgeführt werden, zum Beispiel in der Steuerung der elektrischen Maschine. Dabei kann die elektrische Maschine insbesondere den Hauptantriebsmotor des automobilen Fahrzeugs darstellen.
Das automobile Fahrzeug kann ein Bedienelement oder Betätigungselement für den Fahrzeugführer, insbesondere ein Geschwindigkeitsvorgabelement, typischerweise in Form eines fußbetätigbaren Gaspedals aufweisen. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird auf die Betätigung eines Bedienelements, insbesondere des Gaspedals, im automobilen Fahrzeug ein Signal erzeugt. Die Signalerzeugung kann insbesondere in einer Steuerungseinheit erfolgen. Zum Zweck der Signalerzeugung wird die Stellung des Bedienelements festgestellt oder es wird aufgrund der Stellung des Bedienelements eine Größe beeinflusst, zum Beispiel wird ein weiteres Signal generiert und an die Steuerungseinheit übermittelt. Die Einstellung der magnetischen Feldstärke und/oder der Flussdichte des Statoranteils die magnetische Feldstärke und/oder Flussdichte des Statoranteils wird dann in Abhängigkeit des erzeugten Signals vorgenommen, insbesondere abhängig von der aktuellen Geschwindigkeit des automobilen Fahrzeugs, der aktuellen Drehzahl des Motors oder von der aufgrund der Stellung des Bedienelements vorgegebenen Sollgeschwindigkeit des automobilen Fahrzeugs. Dabei kann die Einstellung noch in Abhängigkeit weiterer Variablen und/oder Parameter erfolgen. Auf diese konkrete Weise kann vorteilhaft eine Feldschwächung, insbesondere auch ein Bremsmoment, in Abhängigkeit der Bedienung des Fahrzeugs durch den Fahrzeugführer erreicht werden.
Die Erfindung und weitere Vorteile werden anhand von vier Ausführungsbeispielen, welche insbesondere in einem automobilen Fahrzeug realisiert sein können, näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1 einen Querschnitt einer elektrischen Maschine in einer ersten Ausführungsform,
2 einen Querschnitt einer elektrischen Maschine in einer zweiten Ausführungsform,
3 einen Querschnitt einer elektrischen Maschine in einer dritten Ausführungsform und
4 einen Querschnitt einer elektrischen Maschine in einer vierten Ausführungsform.
In den nachfolgenden Erläuterungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen technischen Eigenschaften.
In 1 ist eine erste Ausführungsform einer elektrischen Maschine 1 in einem Querschnitt dargestellt. Ein Stator 2 umfasst Statorzähne 4. In 1 sind weiterhin Rotorzähne 5 eines Rotors 3 dargestellt. In Randabschnitten eines ersten Rotorzahns 5a sind Permanentmagnete 6 angeordnet. Die Permanentmagnete 6 bilden jeweils einen Nordpol 7 und einen Südpol 8 aus. Die Permanentmagnete 6 erzeugen ein erstes Erregerfeld. Das erste Erregerfeld ist schematisch über Feldlinien 9 des ersten Erregerfeldes dargestellt. Eine Feldlinie 9 des Erregerfeldes, die in 1 als durchgezogene Linie dargestellt ist, tritt hierbei aus dem Nordpol 7 des Permanentmagneten 6 aus, verläuft in Richtung einer Oberfläche des Rotors 3, durchquert einen Luftspalt 10 zwischen Rotor 3 und Stator 2, verläuft weiter in einem ersten Statorzahn 4a und schließt sich über einen zweiten Statorzahn 4b, den Luftspalt 10, einen weiteren Rotorzahn 5 und über den Südpol 8. Weiter umfasst der erste Rotorzahn 5a eine Erregerspule 11 zur Erzeugung eines magnetischen Hilfsfeldes. Hierbei sind schematisch Wicklungen der Erregerspule 11 in 1 dargestellt. Das Hilfsfeld ist schematisch mit einer Feldlinie 12 des Hilfsfeldes als gestrichelte Linie dargestellt. In der in 1 dargestellten Anordnung erzeugt die Erregerspule 11 eine Feldlinie 12 des Hilfsfeldes, welche in gleicher Richtung wie die Feldlinien 9 der Permanentmagneten 6 im ersten Rotorzahn 5a in Richtung der Oberfläche des Rotors 3 verläuft, den Luftspalt 10 durchquert, weiter durch einen Statorzahn 4c verläuft und sich dann über den Stator 2, einen nicht dargestellten weiteren Statorzahn, den Luftspalt 10 und den Rotor 3 schließt. Die Feldlinie 12 des Hilfsfeldes weist hierbei die gleiche Verlaufsrichtung wie die Feldlinie 9 des ersten Erregerfeldes der Permanentmagneten 6 auf. Das Hilfsfeld addiert sich somit zum ersten Erregerfeld. In 1 ist dargestellt, dass die Erregerspule 11 zwischen den Permanentmagneten 6 mittig im ersten Rotorzahn 5a angeordnet ist. Die Feldstärke des Hilfsfeldes ist hierbei mittels einer Stromstärke eines durch die Erregerspule 11 fließenden Stromes einstellbar. Da das erste Erregerfeld und das Hilfsfeld sich über den Luftspalt 10 und den Stator 2 schließen, tragen beide zu einer Induktion einer Spannung in nicht dargestellten Statorwicklungen des Stators 2 bei, wenn der Rotor 3 rotiert. Da die Feldstärke des Hilfsfeldes einstellbar ist, kann somit auch die in den Statorwicklungen induzierte Spannung beeinflusst werden. Da die induzierte Spannung neben der Stärke des sich über den Stator schließenden Magnetfeldes, also der Stärke des Statoranteils, auch von einer Drehzahl des Rotors 3 abhängig ist, kann bei niedrigeren Drehzahlen des Rotors 3 ein stärkeres Hilfsfeld mittels der Erregerspule 11 erzeugt werden als bei höheren Drehzahlen des Rotors 3.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer elektrischen Maschine 1. Stator 2 und Rotor 3 der elektrischen Maschine 1 in 2 sind analog zu 1 aufgebaut. In 2 ist ein Permanentmagnet 6 im ersten Rotorzahn 5a angeordnet. Der Permanentmagnet 6 ist hierbei an einem unteren Ende des ersten Rotorzahns 5a, also an einem der Oberfläche des Rotors 3 abgewandten Ende des ersten Rotorzahns 5a, angeordnet. Eine Erregerspule 11 ist in Randbereichen des ersten Rotorzahns 5a angeordnet. In analoger Weise zu den Erläuterungen der 1 erzeugt der Permanentmagnet 6 ein erstes Erregerfeld, welches schematisch durch eine Feldlinie 9 des ersten Erregerfeldes dargestellt ist. Die Erregerspule 11 erzeugt ein Hilfsfeld, welches schematisch mittels zweier Feldlinien 12 des Hilfsfeldes dargestellt ist. Hierbei ist dargestellt, dass die Feldlinien 12 des Hilfsfeldes im ersten Rotorzahn 5a verlaufen, den Luftspalt 10 durchqueren, in einem Statorzahn 4c weiter verlaufen und sich über einen weiteren Statorzahn 4 und den Luftspalt 10 schließen.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer elektrischen Maschine 1. Hierbei umfasst der Rotor 3 mehrere Rotorzähne 5, wobei der Einfachheit halber nur ein Rotorzahn 5 mit einem Bezugszeichen versehen ist. Der Rotor 3 umfasst weiter zwei Permanentmagnete 6 mit einem Nordpol 7 und einem Südpol 8. Die Permanentmagnete 6 sind hierbei V-förmig im Rotor 3 angeordnet. Ein Verlauf des ersten Erregerfeldes, welches von den Permanentmagneten 6 erzeugt wird, ist schematisch mit Hilfe von Feldlinien 9 des ersten Erregerfeldes dargestellt. An der Oberfläche des Rotors 3 abgewandten Enden der Permanentmagnete 6 ist eine Erregerspule 11 angeordnet. Die Erregerspule 11 ist hierbei in einem Stegbereich 13 der Permanentmagnete 6 angeordnet. In dem in 3 dargestellten Querschnitt der elektrischen Maschine 1 wird unter einem Stegbereich 13 der Permanentmagnete 6 ein kreisförmiger Bereich verstanden, dessen Mittelpunkt 15 auf der nicht dargestellten Mittelachse des Rotors 3 liegt und der mindestens die der Oberfläche des Rotors 3 abgewandten Enden der Permanentmagnete 6 umfasst. Im in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Stegbereich 13 Fußbereiche der Permanentmagnete 6, wobei ein Fußbereich sich von einem der Oberfläche des Rotors 3 abgewandten Ende zu einem der Oberfläche des Rotors 3 zugewandten Ende der Permanentmagneten 6 hin erstreckt und z. B. ein Drittel der Permanentmagneten 6 umfasst.
In 4 ist eine vierte Ausführungsform einer elektrischen Maschine 1 dargestellt. Hierbei umfasst der Rotor 3 zwei Permanentmagnete 6 mit einem Nordpol 7 und einem Südpol 8. In einem Stegbereich 13 der Permanentmagnete 6 ist schematisch eine Aussparung 14 dargestellt, in die z. B. ein Eisenstab einschiebbar ist. Feldlinien 9, 9a des ersten Erregerfeldes können hierbei entlang von zwei Verlaufsstrecken verlaufen. Entlang einer ersten Verlaufsstrecke schließen sich Feldlinien 9 des von den Permanentmagneten 6 erzeugten ersten Erregerfeldes über den nicht dargestellten Luftspalt und den nicht dargestellten Stator (Statoranteil). Entlang einer zweiten Verlaufsstrecke schließen sich weitere Feldlinien 9a des ersten Erregerfeldes über die Aussparung 14 oder einen in die Aussparung 14 eingeführten Eisenstab und über Abschnitte des Rotors (Rotoranteil). Abhängig von einem magnetischen Widerstand der ersten und zweiten Verlaufsstrecke wird ist hierbei der Statoranteil des ersten Erregerfeldes einstellbar.
Bezugszeichenliste

1: Elektrische Maschine
2: Stator
3: Rotor
4: Statorzahn
4a: erster Statorzahn
4b: zweiter Statorzahn
4c: Statorzahn
5: Rotorzahn
5a: erster Rotorzahn
6: Permanentmagnet
7: Nordpol
8: Südpol
9: Feldlinie des ersten Erregerfeldes
10: Luftspalt
11: Erregerspule
12: Feldlinie des Hilfsfeldes
13: Stegbereich
14: Aussparung
15: Mittelpunkt

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 2007/128742 A1 [0005]
DE 102006007917 A1 [0006]

Claims

Elektrische Maschine (1), umfassend einen Stator (2) mit Statorwicklungen und einen Rotor (3), wobei der Rotor (3) mindestens ein Mittel zur Erzeugung eines ersten magnetischen Erregerfeldes umfasst, wobei durch zumindest einen Statoranteil des ersten Erregerfeldes in den Statorwicklungen eine Statorspannung induzierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) mindestens ein Mittel zur Einstellung einer magnetische Feldstärke und/oder einer Flussdichte des Statoranteils umfasst.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mittel zur Einstellung als Mittel zur Erzeugung mindestens eines magnetischen Hilfsfeldes ausgebildet ist, wobei ein resultierendes Erregerfeld durch eine Überlagerung des mindestens ersten Erregerfeldes und des Hilfsfeldes erzeugbar ist und/oder wobei eine magnetische Feldstärke des Hilfsfeldes und/oder eine Flussdichte des Hilfsfeldes einstellbar sind.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mittel zur Einstellung als Mittel zur Änderung eines magnetischen. Widerstands von zumindest Teilbereichen des Rotors (3) ausgebildet ist und/oder dass zumindest ein Teilbereich des Rotors (3) als Aussparung (14) ausgebildet ist, wobei in die Aussparung (14) ein Einschubelement einschiebbar ist oder in der Aussparung ein Verlagerungselement bewegbar ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mittel zur Einstellung in mindestens einem Stegbereich (13) der Mittel zur Erzeugung des ersten Erregerfeldes angeordnet ist.
Automobiles Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb eine elektrische Maschine (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche umfasst.
Verfahren zur Einstellung einer magnetische Feldstärke und/oder einer Flussdichte eines Statoranteils eines ersten Erregerfeldes einer elektrischen Maschine (1), die einen Stator (2) mit Statorwicklungen und einen Rotor (3) umfasst, wobei der Rotor (3) mindestens ein Mittel zur Erzeugung des ersten Erregerfeldes umfasst, wobei zumindest der Statoranteil des ersten Erregerfeldes in den Statorwicklungen eine Ständerspannung induziert, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mittel zur Einstellung einer magnetische Feldstärke und/oder einer Flussdichte des Statoranteils die magnetische Feldstärke und/oder Flussdichte des Statoranteils einstellt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Einstellung die magnetische Feldstärke des Statoranteils und/oder die Flussdichte des Statoranteils abhängig von einer Drehzahl des Rotors (3) einstellt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mittel zur Einstellung ein magnetisches Hilfsfeld erzeugt, wobei ein resultierendes Erregerfeld durch eine Überlagerung des mindestens ersten Erregerfeldes und des Hilfsfeldes gebildet wird, und/oder einen magnetischen Widerstand zumindest eines Teilbereichs des Rotors (3) einstellt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren an einer elektrischen Maschine, die in einem automobilen Fahrzeug aufgenommen ist, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Betätigung eines Bedienelements im automobilen Fahrzeug ein Signal erzeugt wird und dass die Einstellung der magnetischen Feldstärke und/oder der Flussdichte des Statoranteils die magnetische Feldstärke und/oder Flussdichte des Statoranteils in Abhängigkeit des erzeugten Signals vorgenommen wird.