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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der indischen provisorischen Anmeldung mit der Nummer 457/K0L/2014, die am 12. April 2014 eingereicht wurde und durch Bezugnahme hier vollständig mit aufgenommen ist.This application claims the benefit of priority to Indian Provisional Application No. 457 / K0L / 2014, filed on Apr. 12, 2014, which is hereby incorporated by reference in its entirety.
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegenden Lehren umfassen allgemein eine elektrische Maschine für einen Fahrzeugantriebsstrang und insbesondere einen Motor mit innenliegenden Permanentmagneten.The present teachings generally include an electric machine for a vehicle driveline, and more particularly, an internal permanent magnet motor.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Ein Elektromotor verwendet potentielle elektrische Energie, um mechanisches Drehmoment durch die Interaktion von Magnetfeldern und stromführenden elektrischen Leitern zu erzeugen. Einige Elektromotoren können auch als Generatoren funktionieren, indem sie Drehmoment verwenden, um elektrische Energie zu erzeugen. Eine elektrische Maschine mit innenliegenden Permanentmagneten weist eine Rotoranordnung auf, die einen Rotorkern mit Magneten von abwechselnder Polarität umfasst, die um den Rotorkern herum beabstandet sind.An electric motor uses potential electrical energy to generate mechanical torque through the interaction of magnetic fields and current carrying electrical conductors. Some electric motors can also function as generators by using torque to generate electrical energy. An internal permanent magnet electric machine includes a rotor assembly including a rotor core with alternating polarity magnets spaced around the rotor core.
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Es wird eine elektrische Maschine bereitgestellt, die eine Rotoranordnung umfasst, die einen Rotorkern aufweist, der ausgestaltet ist, um Permanentmagnete abzustützen, die um den Rotorkern herum beabstandet sind, um eine Anzahl von Rotorpolen zu definieren. Der Rotorkern weist mehrere Rotornuten auf, die als mehrere Barriereschichten an jedem der Rotorpole angeordnet sind. Eine oder mehrere der Barriereschichten an jedem Rotorpol kann bzw. können Permanentmagnete beherbergen. Der Rotorkern ist mit einer optimalen Geometrie ausgestaltet, um vorbestimmte Betriebsparameter zu befriedigen. Die elektrische Maschine kann mit einer mehrphasigen Statoranordnung und einer von innenliegenden Permanentmagneten unterstützen Rotoranordnung mit synchroner Reluktanz ausgestaltet sein. Im Speziellen ist die elektrische Maschine konstruiert, um vorbestimmte Betriebsparameter zu erreichen, welche einen hohen Wirkungsgrad, eine hohe Leistungsdichte und/oder eine hohe Drehmomentdichte, einen relativ großen Spitzenleistungsbereich, eine maximale Drehzahl, relativ niedrige Kosten, eine relativ niedrige Masse und Massenträgheit und Dreiphasenkurzschlussströme, die kleiner als ein Nennstrom sind, umfassen, und sie weist die Eigenschaft auf, dass sie in einen relativ kleinen Einbauraum passt. Bei einer Ausführungsform ist die elektrische Maschine mit einer Kraftmaschine durch einen Riemenantrieb gekoppelt und stellt Kraftmaschinenankurbelmodi (d. h. ein Starten), Regenerationsmodi und Drehmomentunterstützungsmodi bereit.An electric machine is provided that includes a rotor assembly having a rotor core configured to support permanent magnets spaced about the rotor core to define a number of rotor poles. The rotor core has a plurality of rotor slots arranged as a plurality of barrier layers on each of the rotor poles. One or more of the barrier layers at each rotor pole can accommodate permanent magnets. The rotor core is configured with optimum geometry to satisfy predetermined operating parameters. The electric machine can be configured with a multiphase stator arrangement and a rotor arrangement with synchronous reluctance that is supported by internal permanent magnets. In particular, the electric machine is designed to achieve predetermined operating parameters including high efficiency, high power density and / or torque density, relatively high peak power range, maximum speed, relatively low cost, relatively low mass and inertia, and three phase short circuit currents , which are smaller than a rated current include, and it has the property that it fits in a relatively small installation space. In one embodiment, the electric machine is coupled to an engine through a belt drive and provides engine crank modes (i.e., starting), regeneration modes, and torque assist modes.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten, um die vorliegenden Lehren auszuführen, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.The foregoing features and advantages and other features and advantages of the present teachings will be readily apparent from the following detailed description of the best modes for carrying out the present teachings when taken in conjunction with the accompanying drawings.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
1 ist eine schematische Darstellung in Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer elektrischen Maschine in Übereinstimmung mit den vorliegenden Lehren. 1 FIG. 3 is a schematic side view of a first embodiment of an electric machine in accordance with the present teachings. FIG.
2 ist eine schematische Darstellung in Seitenansicht einer Rotoranordnung der elektrischen Maschine von 1. 2 is a schematic representation in side view of a rotor assembly of the electric machine of 1 ,
3 ist eine schematische Darstellung in Seitenansicht einer Statoranordnung der elektrischen Maschine von 1. 3 is a schematic representation in side view of a stator assembly of the electric machine of 1 ,
4 ist eine schematische Darstellung in Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer Rotoranordnung zur Verwendung in der elektrischen Maschine von 1 in Übereinstimmung mit den vorliegenden Lehren. 4 is a schematic representation in side view of a second embodiment of a rotor assembly for use in the electric machine of 1 in accordance with the present teachings.
5 ist eine schematische Darstellung in Seitenansicht einer dritten Ausführungsform einer Rotoranordnung zur Verwendung in der elektrischen Maschine von 1 in Übereinstimmung mit den vorliegenden Lehren. 5 is a schematic representation in side view of a third embodiment of a rotor assembly for use in the electric machine of 1 in accordance with the present teachings.
6 ist eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs, der die elektrische Maschine von 1 enthält. 6 is a schematic representation of a powertrain, the electric machine of 1 contains.
7 ist eine Aufzeichnung von Drehmoment in Basisdrehmomenteinheiten (pu) und einer Leistung in Basisleistungseinheiten (pu) über der Drehzahl (Umdrehungen pro Minute) der elektrischen Maschine von 1. 7 is a plot of torque in basic torque units (pu) and power in basic power units (pu) versus speed (revolutions per minute) of the electric machine of FIG 1 ,
8 ist eine Effizienzkarte bei verschiedenen Leistungen in Basisleistungseinheiten (pu) und Drehzahlen (Umdrehungen pro Minute) während eines Generatormodus der elektrischen Maschine von 1. 8th is an efficiency map at various powers in basic power units (pu) and speeds (revolutions per minute) during a generator mode of the electric machine of 1 ,
9 ist eine Effizienzkarte bei unterschiedlichen Leistungen in Basisleistungseinheiten (pu) und Drehzahlen (Umdrehungen pro Minute) während eines Motormodus der elektrischen Maschine von 1. 9 is an efficiency map at different powers in basic power units (pu) and speeds (revolutions per minute) during a motor mode of the electric machine of 1 ,
10 ist eine Aufzeichnung der Rotordrehzahl (Umdrehungen pro Minute), einer Leistung in Basisleistungseinheiten (pu) und eines Stroms einer Phase A in Basisstromeinheiten (pu) über der Zeit (Sekunden) während eines Dreiphasenkurzschluss-Ereignisses. 10 is a plot of rotor speed (revolutions per minute), power in base power units (pu), and current of phase A in base current units (pu) versus time (seconds) during a three phase short circuit event.
GENAUE BESCHREIBUNGPRECISE DESCRIPTION
Mit Bezug auf die Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten in den mehreren Ansichten bezeichnen, zeigt 1 eine elektrische Maschine 10 mit einer Statoranordnung 12 und einer Rotoranordnung 14. Wie hier erörtert wird, weist die elektrische Maschine 10 eine mehrphasige Statoranordnung 12 und eine von innenliegenden Permanentmagneten unterstützte Rotoranordnung 14 mit synchroner Reluktanz auf, die mit einer optimalen Konstruktion und Geometrie ausgestaltet sind, um vorbestimmte Betriebsparameter zu befriedigen. Im Speziellen ist die elektrische Maschine 10 konstruiert, um einen hohen Wirkungsgrad von etwa 80 Prozent über einen vorbestimmten Bereich von Ausgabeleistung und Drehzahl zu erreichen, um eine hohe Leistungsdichte und/oder eine hohe Drehmomentdichte aufzuweisen, um einen relativ großen Spitzenleistungsbereich, eine maximale Drehzahl von mindestens 18.000 Umdrehungen pro Minute (rpm), relativ niedrige Kosten, indem die benötigte Anzahl der Permanentmagnete minimiert wird und eine relativ niedrige Masse und Massenträgheit aufzuweisen, und um in einen relativ kleinen Einbauraum zu passen. Alternative Rotoranordnungen 114, 214, die anstelle der Rotoranordnung 14 verwendet werden können, sind in 4 und 5 gezeigt und weisen ebenfalls optimale Konstruktionen und Geometrien auf, um die gleichen vorbestimmten Betriebsparameter zu erfüllen. Die elektrische Maschine 10 mit einer beliebigen der Rotoranordnungen 14, 114, 214 kann in einem Antriebsstrang 300, der in 6 gezeigt ist, in einer Anordnung mit einer riemengetriebenen Kraftmaschine verwendet werden, um Modi zum Ankurbeln der Kraftmaschine, Regenerationsmodi und Drehmomentunterstützungsmodi bereitzustellen.Referring to the drawings, wherein like reference numerals designate like components throughout the several views, FIG 1 an electric machine 10 with a stator assembly 12 and a rotor assembly 14 , As will be discussed here, the electric machine points 10 a multi-phase stator arrangement 12 and a rotor assembly supported by internal permanent magnets 14 with synchronous reluctance designed with optimum design and geometry to satisfy predetermined operating parameters. In particular, the electric machine 10 Designed to achieve a high efficiency of about 80 percent over a predetermined range of output power and speed to have a high power density and / or a high torque density to a relatively large peak power range, a maximum speed of at least 18,000 revolutions per minute (rpm ), relatively low cost by minimizing the required number of permanent magnets and having a relatively low mass and inertia, and to fit in a relatively small installation space. Alternative rotor arrangements 114 . 214 that instead of the rotor assembly 14 can be used in 4 and 5 and also have optimal constructions and geometries to meet the same predetermined operating parameters. The electric machine 10 with any of the rotor assemblies 14 . 114 . 214 can in a powertrain 300 who in 6 is shown used in a belt driven engine arrangement to provide modes for cranking the engine, regeneration modes and torque assist modes.
Mit Bezug auf 1–3 umgibt die Statoranordnung 12 die Rotoranordnung 14 radial, wobei dazwischen ein Luftspalt 16 definiert ist. Die elektrische Maschine 10 ist so ausgestaltet, dass der Luftspalt 16 nur als Beispiel ohne Einschränkung nicht kleiner als 0,2 mm und nicht größer als 0,7 mm sein darf, um die Leistung zu maximieren und die Anzahl der Magnete 20A, 20B, 20C zu minimieren. Als weiteres Beispiel ohne Einschränkung darf der Luftspalt 16 nicht kleiner als 0,3 mm und nicht größer als 0,5 mm sein. Sowohl die Statoranordnung 12 als auch die Rotoranordnung 14 weisen eine allgemein kreisringförmige Gestalt auf und sind konzentrisch um eine Längsmittelachse A der elektrischen Maschine 10 (in 6 am besten gezeigt). Die Statoranordnung 12 weist einen Statorkern 30 auf und die Rotoranordnung 14 weist einen Rotorkern 18 auf. Sowohl der Statorkern 30 als auch der Rotorkern 18 können aus mehreren Blechen zusammengebaut sein, die axial entlang der Achse A gestapelt sind. Zum Beispiel zeigt 6 Stapel von Statorblechen 19. Es ist festzustellen, dass ein Motorgehäuse einen Außenumfang der Statorbleche 19 radial umgeben und eine Motorwelle 29 der elektrischen Maschine 10 abstützen kann. Zu Darstellungszwecken ist das Gehäuse in 6 nicht gezeigt, so dass die Bleche 19 sichtbar sein werden.Regarding 1 - 3 surrounds the stator assembly 12 the rotor assembly 14 radially, with an air gap between them 16 is defined. The electric machine 10 is designed so that the air gap 16 by way of example only, without limitation, not smaller than 0.2 mm and not larger than 0.7 mm in order to maximize the power and the number of magnets 20A . 20B . 20C to minimize. As another example without limitation, the air gap 16 not smaller than 0.3 mm and not larger than 0.5 mm. Both the stator arrangement 12 as well as the rotor assembly 14 have a generally annular shape and are concentric about a longitudinal central axis A of the electric machine 10 (in 6 best shown). The stator arrangement 12 has a stator core 30 on and the rotor assembly 14 has a rotor core 18 on. Both the stator core 30 as well as the rotor core 18 may be assembled from a plurality of laminations stacked axially along the axis A. For example, shows 6 Stack of stator laminations 19 , It should be noted that a motor housing is an outer periphery of the stator laminations 19 surrounded radially and a motor shaft 29 the electric machine 10 can support. For illustration purposes, the housing is in 6 not shown, leaving the sheets 19 be visible.
Die Rotoranordnung 14 enthält einen Rotorkern 18, der ausgestaltet ist, um mehrere Permanentmagnete 20A, 20B, 20C abzustützen, die um den Rotorkern 18 herum beabstandet sind. Speziell weist der Rotorkern 18 mehrere Rotornuten 22, 24, 26, 28 auf, die hier auch als Barrieren oder Barriereschichten bezeichnet werden, die als mehrere Barriereschichten angeordnet sind und eine erste Barriereschicht 22, eine zweite Barriereschicht 24, eine dritte Barriereschicht 26 und eine vierte Barriereschicht 28 enthalten. Die erste Barriereschicht 22 liegt einem Innenumfang 23 des Rotorkerns 18 am nächsten. Die zweite Barriereschicht 24 ist zwischen der ersten Barriereschicht 22 und der dritten Barriereschicht 26 positioniert. Die dritte Barriereschicht 26 ist zwischen der zweiten Barriereschicht 24 und der vierten Barriereschicht 28 positioniert. Die vierte Barriereschicht 28 liegt von dem Innenumfang 23 weiter entfernt als die Barriereschichten 22, 24 und 26. Die vierte Barriereschicht 28 liegt einem Außenumfang 25 des Rotorkerns 18 näher als die erste Barriereschicht 22 und zumindest Teile der zweiten und dritten Barriereschichten 24, 26. In den gezeigten Ausführungsformen beherbergt nur die erste Barriereschicht 22 die Magnete 20A, 20B, 20C. Die anderen Barriereschichten 24, 26, 28 wirken als Luftbarrieren. Bei anderen Ausführungsformen kann auch eine oder können mehrere der Barriereschichten 24, 26, 28 mit Permanentmagneten gefüllt sein.The rotor arrangement 14 contains a rotor core 18 which is designed to hold several permanent magnets 20A . 20B . 20C support that around the rotor core 18 are spaced around. Specifically, the rotor core 18 several rotornuts 22 . 24 . 26 . 28 referred to herein as barriers or barrier layers arranged as multiple barrier layers and a first barrier layer 22 , a second barrier layer 24 , a third barrier layer 26 and a fourth barrier layer 28 contain. The first barrier layer 22 lies on an inner circumference 23 of the rotor core 18 the next. The second barrier layer 24 is between the first barrier layer 22 and the third barrier layer 26 positioned. The third barrier layer 26 is between the second barrier layer 24 and the fourth barrier layer 28 positioned. The fourth barrier layer 28 lies from the inner circumference 23 further away than the barrier layers 22 . 24 and 26 , The fourth barrier layer 28 lies on an outer circumference 25 of the rotor core 18 closer than the first barrier layer 22 and at least parts of the second and third barrier layers 24 . 26 , In the embodiments shown, only the first barrier layer is housed 22 the magnets 20A . 20B . 20C , The other barrier stories 24 . 26 . 28 act as air barriers. In other embodiments, one or more of the barrier layers may also be used 24 . 26 . 28 be filled with permanent magnets.
Die Rotoranordnung 14 ist so ausgestaltet, dass sie um die Achse A herum drehbar ist, welche sich der Länge nach durch den Mittelpunkt der elektrischen Maschine 10 hindurch erstreckt. Der Rotorkern 18 ist mit einer Motorwelle 29 (nur in 6 gezeigt) starr verbunden und dreht sich mit dieser, welche sich durch eine Wellenöffnung 31 in dem Rotorkern 18 hindurch erstreckt. Das Material des Rotorkerns 18 um die Wellenöffnung 31 herum funktioniert als Halterung 33 der Mittelwelle.The rotor arrangement 14 is configured so that it is rotatable about the axis A, which is longitudinally through the center of the electric machine 10 extends through. The rotor core 18 is with a motor shaft 29 (only in 6 shown) rigidly connected and rotates with this, which extends through a shaft opening 31 in the rotor core 18 extends through. The material of the rotor core 18 around the shaft opening 31 around works as a holder 33 the medium wave.
Die Statoranordnung 12 enthält einen Statorkern 30, der mehrere umlaufend beabstandete Statornuten 32 aufweist. Die Statornuten 32 erstrecken sich der Länge nach entlang der Achse A. Die Statornuten 32 sind ausgestaltet, um mehrphasige Statorwicklungen 34 zu beherbergen. Die Statorwicklungen 34 können zu verschiedenen Sätzen gruppiert sein, wobei jeder von diesen eine identische Anzahl von Phasen eines elektrischen Stroms führt, etwa drei Phasen, wie von dem Fachmann verstanden wird. Die Statorwicklungen 34 können sich axial über das erste und zweite axiale Ende 36, 38 des Statorkerns 30, die in 6 gezeigt sind, hinaus erstrecken. Die axiale Länge AL der Stapel der Bleche 19 (d. h. die Distanz entlang der Achse A zwischen den axialen Enden 36, 38), die keine sich erstreckenden Abschnitte der Wicklungen 34 enthält, wird hier auch als die aktive Länge der elektrischen Maschine 10 bezeichnet. Ein Verhältnis eines Außendurchmessers OD der Bleche 19 der Statoranordnung 12 zu der aktiven Länge AL darf nur als Beispiel ohne Einschränkung nicht kleiner als 1,5 und nicht größer als 4 sein, und nur als Beispiel ohne Einschränkung mit einer aktiven Länge AL, die 65 mm nicht überschreitet und mit einem Außendurchmesser OD, der 145 mm nicht überschreitet, um vorbestimmte Einbauraumanforderungen für eine spezielle Anwendung der elektrischen Maschine 10, etwa in einem Fahrzeugantriebsstrang, zu befriedigen.The stator arrangement 12 contains a stator core 30 , the several circumferentially spaced stator slots 32 having. The stator grooves 32 extend lengthwise along the axis A. The stator grooves 32 are designed to be multi-phase stator windings 34 to accommodate. The stator windings 34 may be grouped into different sets, each of which carries an identical number of phases of electrical current, such as three phases, as understood by those skilled in the art. The stator windings 34 can axially over the first and second axial end 36 . 38 of the stator core 30 , in the 6 are shown extending out. The axial length AL of the stacks of sheets 19 (ie the distance along the axis A between the axial ends 36 . 38 ), which have no extending portions of the windings 34 is also referred to here as the active length of the electric machine 10 designated. A ratio of an outer diameter OD of the sheets 19 the stator assembly 12 to the active length AL may not be less than 1.5 and not more than 4 by way of example only, and not by way of example only, without limitation, having an active length AL not exceeding 65 mm and an OD OD of 145 mm does not exceed predetermined installation space requirements for a particular application of the electric machine 10 to satisfy, for example, in a vehicle powertrain.
Mit Bezug auf 2 weist der Rotor acht Pole 40 auf, die zumindest teilweise durch die Platzierung der Permanentmagnete 20A, 20B, 20C in der ersten Barriereschicht 22, die in dem Rotorkern 18 allgemein umlaufend angeordnet sind, und durch die gewählte Polarität der Magnete 20A, 20B, 20C hergestellt werden. Obwohl acht Pole 40 gezeigt sind, kann die elektrische Maschine 10 so ausgestaltet sein, dass sie eine andere Anzahl von Polen 40 aufweist. Als Beispiel ohne Einschränkung kann die Anzahl der Pole 40 zwischen 6 und 12 liegen, um vorbestimmte Drehmoment-, Leistungs- und Einbauraumparameter zu befriedigen, während vorbestimmte Geräuschgrenzen eingehalten werden. Jeder Pol 40 enthält einen Satz der mehreren Barriereschichten 22, 24, 26, 28. Die Pole 40 sind so gezeigt, dass sie voneinander durch Polbegrenzungen 42 getrennt sind, die sich radial durch den Rotorkern 30 hindurch erstrecken. Jeder Pol 40 umfasst das gesamte Material des Rotorkerns 30, das durch die jeweiligen Polbegrenzungen 42 des Pols 40 begrenzt ist. Es ist nur eine Polachse 44 eines der Pole 40 gezeigt, obwohl jeder Pol 40 eine ähnliche Polachse 44 aufweist, die sich radial durch die Mitte des Pols 40 hindurch erstreckt. Der Rotorkern 18 ist ein Stahlmaterial, das so gewählt ist, dass es eine Rotationsbelastung bei hoher Drehzahl innerhalb vorbestimmter Grenzen aushält. Als Beispiel ohne Einschränkung zeigt eine computergestützte Rotationsbelastungsanalyse der Rotoranordnung 14 an, dass die am weitesten distalen Abschnitte 45 eines Mittelsegments 60 der ersten Barriereschicht 22 die größte Rotationsbelastung erfahren, und dass, wenn die elektrische Maschine 10 bei 20.000 Umdrehungen pro Minute und bei 150 Grad Celsius in einem Motormodus betrieben wird, die Belastung bei den distalen Abschnitten 45 kleiner als eine auf der Grundlage von Materialeigenschaften vorbestimmte maximal zulässige Rotationsbelastung bleiben wird.Regarding 2 the rotor has eight poles 40 at least partially by the placement of the permanent magnets 20A . 20B . 20C in the first barrier layer 22 that in the rotor core 18 are arranged generally circumferentially, and by the selected polarity of the magnets 20A . 20B . 20C getting produced. Although eight poles 40 can be shown, the electric machine 10 be so designed that they have a different number of poles 40 having. As an example without limitation, the number of poles 40 between 6 and 12 to satisfy predetermined torque, performance and installation space parameters while meeting predetermined noise limits. Every pole 40 contains a set of the multiple barrier layers 22 . 24 . 26 . 28 , The poles 40 are shown to be separated from each other by pole boundaries 42 are separated, extending radially through the rotor core 30 extend through. Every pole 40 includes all the material of the rotor core 30 that through the respective pole boundaries 42 of the pole 40 is limited. It's just a pole axis 44 one of the poles 40 shown, though every pole 40 a similar polar axis 44 which extends radially through the center of the pole 40 extends through. The rotor core 18 is a steel material chosen to withstand high speed rotation loading within predetermined limits. As an example, without limitation, a computer-aided rotation load analysis shows the rotor assembly 14 at that the furthest distal sections 45 a middle segment 60 the first barrier layer 22 experience the greatest rotational load, and that when the electric machine 10 operating at 20,000 revolutions per minute and at 150 degrees Celsius in a motor mode, the load on the distal sections 45 will remain smaller than a predetermined maximum rotational load on the basis of material properties.
Mit Bezug auf 1 und 3 weist bei einer beispielhaften Ausführungsform der Statorkern 30 sechzig Statornuten 32 auf, die um den Statorkern 30 herum umlaufend angeordnet sind und sich bei einem Innenumfang 50 des Statorkerns 30 zu dem Luftspalt 16 hin öffnen. Statorzähne 52 trennen alle Statornuten 32 und sind mit Enden 54 ausgestaltet, welche die Statorwicklungen 34 festhalten. Ein größter gemeinsamer Teiler (GGT) aus der Anzahl der Statornuten 32 und der Anzahl der Pole 40 des Rotorkerns 18 ist die größte positive ganze Zahl, welche die Anzahl der Statornuten 32 und die Anzahl der Pole 40 ohne einen Rest dividiert. Da bei der gezeigten Ausführungsform der Statorkern 30 60 Statornuten 32 aufweist und der Rotorkern 18 acht Pole 40 aufweist, ist der GGT 4. Bei anderen Ausführungsformen kann der GGT eine andere Zahl sein und er ist vorzugsweise größer oder gleich 4.Regarding 1 and 3 In an exemplary embodiment, the stator core 30 sixty stator slots 32 on, around the stator core 30 are arranged circumferentially around and at an inner circumference 50 of the stator core 30 to the air gap 16 open. stator teeth 52 disconnect all stator slots 32 and are with ends 54 configured, which the stator windings 34 hold tight. A largest common divisor (GGT) of the number of stator slots 32 and the number of poles 40 of the rotor core 18 is the largest positive integer, which is the number of stator slots 32 and the number of poles 40 without dividing a remainder. In the embodiment shown, the stator core 30 60 stator slots 32 and the rotor core 18 eight poles 40 is the GGT 4 , In other embodiments, the GGT may be a different number and is preferably greater than or equal to 4.
Ein kleinstes gemeinsames Vielfaches (KGV) aus der Anzahl der Statornuten 32 und der Anzahl der Pole 40 ist die kleinste positive ganze Zahl, die durch sowohl die Anzahl der Statornuten 32 als auch die Anzahl der Pole 40 teilbar ist. Da in der gezeigten Ausführungsform der Statorkern 30 sechzig Statornuten 32 aufweist und der Rotorkern 18 acht Pole 40 aufweist, ist das KGV 120. Bei anderen Ausführungsformen kann das KGV eine andere Zahl sein und es ist vorzugsweise größer als 60, um ein Nutrastmoment aufgrund der Interaktion der Permanentmagnete 20A, 20B, 20C und der Zähne 52 des Statorkerns 30 zu minimieren.A least common multiple (P / E) of the number of stator slots 32 and the number of poles 40 is the smallest positive integer due to both the number of stator slots 32 as well as the number of poles 40 is divisible. In the embodiment shown, the stator core 30 sixty stator slots 32 and the rotor core 18 eight poles 40 is the KGV 120 , In other embodiments, the KGV may be a different number and it is preferably greater than 60 to provide a cogging torque due to the interaction of the permanent magnets 20A . 20B . 20C and the teeth 52 of the stator core 30 to minimize.
Mit Bezug nun auf 2 ist es klar, dass die erste Barriereschicht 22 mehrere diskrete Segmente aufweist, die durch das Material des Rotorkerns 18 physikalisch voneinander getrennt sind. Speziell umfassen die Segmente ein Mittelsegment 60, das den Magnet 20A beherbergt. Die erste Barriereschicht 22 weist außerdem erste und zweite Flügelsegmente 62A, 62B auf, die allgemein in der Nähe der einander entgegengesetzten Enden 64A, 64B des Mittelsegments 60 zu dem Außenumfang 25 hin positioniert sind und unter einem Winkel voneinander weg verlaufen. Das Mittelsegment 60 ist so positioniert, dass der darin beherbergte Magnet 20A allgemein rechtwinklig zu einem Radius des Rotorkerns 18 ist, wobei der Radius als die Polachse 44 gezeigt ist und durch diese repräsentiert wird.With reference now to 2 it is clear that the first barrier layer 22 having a plurality of discrete segments defined by the material of the rotor core 18 physically separated from each other. Specifically, the segments comprise a middle segment 60 that the magnet 20A houses. The first barrier layer 22 also has first and second wing segments 62A . 62B on, generally near the opposite ends 64A . 64B of the middle segment 60 to the outer circumference 25 are positioned and at an angle away from each other. The middle segment 60 is positioned so that the magnet housed therein 20A generally perpendicular to a radius of the rotor core 18 is where the radius is the pole axis 44 is shown and represented by them.
Zur Kostenersparnis ist es wünschenswert, dass alle Permanentmagnete 20A, 20B und 20C identische rechteckige Formen aufweisen. Dies kann bewerkstelligt werden, indem das Mittelsegment 60 und das erste und zweite Flügelsegment 62A, 62B so konfiguriert werden, dass sie identische Dicken T1, T2, T3 aufweisen. Bei einem Beispiel ohne Einschränkung liegen die Dicken T1, T2 und T3 zwischen etwa 1 mm und 3,0 mm und bei einem spezielleren Beispiel zwischen etwa 2,0 und 2,5 mm, was ermöglicht, dass Magnete 20A, 20B, 20C mit einer geeigneten Breite darin eingepasst werden. Es wird angemerkt, dass, obwohl die Permanentmagnete 20A, 20B, 20C eine rechteckige Gestalt aufweisen, das Mittelsegment 60 und die Flügelsegmente 62A, 62B eine komplexere Gestalt aufweisen, mit einem allgemein rechteckigen Mittelabschnitt, der zu den Magneten 20A, 20B, 20C passt und diese fest hält und mit Lufttaschen 66, die sich an einem oder an beiden Enden erstrecken. Die Längen der Mittelsegmente 60 und der Flügelsegmente 62A, 62B der in die Richtung der Achse A gestapelten Rotorbleche können gleich sein. Die Längen der Mittelsegmente 60 und der Flügelsegmente 62A, 62B des in die Richtung der Achse A gestapelten Rotorblechs können gleich sein. Dadurch können die Permanentmagnete 20A, 20B und 20C identische, rechteckige Gestalten aufweisen. In jedem der ausgerichteten Segmente 20A, 20B, 20C können in die Richtung der Länge der Achse A mehrere Magnete positioniert sein.For cost savings, it is desirable that all permanent magnets 20A . 20B and 20C have identical rectangular shapes. This can be accomplished by the middle segment 60 and the first and second wing segments 62A . 62B be configured to have identical thicknesses T1, T2, T3. In one example, without limitation, the thicknesses T1, T2 and T3 are between about 1 mm and 3.0 mm, and in a more specific example between about 2.0 and 2.5 mm, which allows magnets 20A . 20B . 20C be fitted with a suitable width in it. It is noted that although the permanent magnets 20A . 20B . 20C have a rectangular shape, the middle segment 60 and the wing segments 62A . 62B have a more complex shape, with a generally rectangular central portion, the magnet 20A . 20B . 20C fits and holds them tight and with air pockets 66 that extend at one or both ends. The lengths of the middle segments 60 and the wing segments 62A . 62B the rotor laminations stacked in the direction of the axis A may be the same. The lengths of the middle segments 60 and the wing segments 62A . 62B of the rotor plate stacked in the direction of the axis A may be the same. This allows the permanent magnets 20A . 20B and 20C have identical, rectangular shapes. In each of the aligned segments 20A . 20B . 20C may be positioned in the direction of the length of the axis A more magnets.
Das Mittelsegment 60 und die Flügelsegmente 62A, 62B der ersten Barriereschicht 22 sind voneinander durch Material des Rotorkerns 18 getrennt. Mit anderen Worten sind das Mittelsegment 60 und die Flügelsegmente 62A, 62B zueinander diskret und nicht kontinuierlich, da der Rotorkern 18 eine Mittelbrücke 68 zwischen dem Mittelsegment 60 und dem ersten Flügelsegment 62A und zwischen dem Mittelsegment 60 und dem zweiten Flügelsegment 62B definiert. Als Beispiel, das nicht einschränken soll, kann der Rotorkern 18 so ausgestaltet sein, dass eine minimale Breite WM jeder Mittelbrücke 68 nicht kleiner als 0,7 mm und nicht größer als 2 mm ist. Die minimale Breite WM ist als die minimale Distanz zwischen dem Mittelsegment 60 und dem ersten Flügelsegment 62A oder dem zweiten Flügelsegment 62B definiert. Eine auf diese Weise ausgestaltete Mittelbrücke 68 trägt dazu bei, die Anforderung der vorbestimmten Rotationsbelastung der elektrischen Maschine 10 zu erfüllen und minimiert das notwendige Magnetmaterial, um Fertigungskosten potentiell zu reduzieren.The middle segment 60 and the wing segments 62A . 62B the first barrier layer 22 are separated from each other by material of the rotor core 18 separated. In other words, they are the middle segment 60 and the wing segments 62A . 62B discrete to each other and not continuous, since the rotor core 18 a middle bridge 68 between the middle segment 60 and the first wing segment 62A and between the middle segment 60 and the second wing segment 62B Are defined. As an example, which should not limit, the rotor core 18 be designed so that a minimum width WM of each middle bridge 68 not smaller than 0.7 mm and not larger than 2 mm. The minimum width WM is considered the minimum distance between the middle segment 60 and the first wing segment 62A or the second wing segment 62B Are defined. A middle bridge designed in this way 68 contributes to the requirement of the predetermined rotational load of the electric machine 10 and minimizes the necessary magnetic material to potentially reduce manufacturing costs.
Das Material des Rotorkerns 18 bildet außerdem eine erste Außenbrücke 70 zwischen jedem der ersten und zweiten Flügelsegmente 62A, 62B und dem Außenumfang 25 des Rotorkerns 18. Als Beispiel ohne Einschränkung ist eine minimale Breite WT1 jeder ersten Außenbrücke 70 nicht kleiner als 0,75 mm und nicht größer als 2 mm.The material of the rotor core 18 also forms a first outer bridge 70 between each of the first and second wing segments 62A . 62B and the outer circumference 25 of the rotor core 18 , As an example without limitation, a minimum width WT1 of each first outer bridge 70 not smaller than 0.75 mm and not larger than 2 mm.
Zudem bildet das Material des Rotorkerns 18 eine zweite Außenbrücke 72, die sich zwischen sowohl der zweiten Barriereschicht 24 als auch der dritten Barriereschicht 26 als auch der vierten Barriereschicht 28 und dem Außenumfang 25 erstreckt. Mit anderen Worten ist die zweite Außenbrücke 72 derjenige Abschnitt eines jedes Rotorpols 40, der sich zwischen ersten und zweiten Flügelsegmenten 62A, 62B des Rotorpols 40 und dem Außenumfang 25 befindet. Zur Veranschaulichung stellt 2 die Umfangswinkelausdehnung 78 (d. h. ein Segment des Umfangs des Rotorkerns 18) von einer der zweiten Außenbrücken 72 dar. Als Beispiel ohne Einschränkung ist eine minimale Breite WT2 jeder zweiten Außenbrücke 72 nicht kleiner als 1 mm und nicht größer als 3 mm. Die Magnete 20A, 20B, 20C erzeugen den Drehmomenterzeugungsfluss in der elektrischen Maschine 10 und dienen außerdem zur Sättigung der Außenbrücken 70, um einen Flussnebenschlusseffekt zu minimieren.In addition, the material forms the rotor core 18 a second outer bridge 72 that is between both the second barrier layer 24 as well as the third barrier layer 26 as well as the fourth barrier layer 28 and the outer circumference 25 extends. In other words, the second outer bridge 72 that portion of each rotor pole 40 that is between first and second wing segments 62A . 62B of the rotor pole 40 and the outer circumference 25 located. For illustrative purposes 2 the circumferential angular extent 78 (ie a segment of the circumference of the rotor core 18 ) from one of the second external bridges 72 As an example without limitation, a minimum width WT2 of each second outer bridge 72 not smaller than 1 mm and not larger than 3 mm. The magnets 20A . 20B . 20C generate the torque generation flux in the electric machine 10 and also serve to saturate the external bridges 70 to minimize a flux by-pass effect.
Zur Masseneinsparung weist der Rotorkern 18 Hohlräume 80 zwischen benachbarten Flügelsegmenten 62A, 62B von benachbarten Sätzen von ersten Barriereschichten 22 von benachbarten Polen 40 auf. Zusätzliche Hohlräume 82 sind radial innerhalb der ersten Barriereschichten 22 und radial außerhalb des Innenumfangs 23 positioniert. Die Hohlräume 80, 82 sind Regionen mit relativ geringer Magnetflussdichte des Rotorkerns 18, um das Gewicht und die Massenträgheit des Rotorkerns 18 zu reduzieren. Dies ermöglicht ein schnelles dynamisches Ansprechverhalten der elektrischen Maschine 10, etwa wenn ein Fahrzeugbediener Betriebsanforderungen verändert, wodurch potentiell die Kraftstoffsparsamkeit des Fahrzeugs erhöht wird.To save mass, the rotor core 18 cavities 80 between adjacent wing segments 62A . 62B from adjacent sets of first barrier layers 22 from neighboring Poland 40 on. Additional cavities 82 are radially within the first barrier layers 22 and radially outside the inner circumference 23 positioned. The cavities 80 . 82 are regions of relatively low magnetic flux density of the rotor core 18 to the weight and inertia of the rotor core 18 to reduce. This allows a fast dynamic response of the electric machine 10 such as when a vehicle operator changes operational requirements, potentially increasing fuel economy of the vehicle.
Die Hohlräume 82 sind so positioniert, dass durch den Rotorkern 18 Speichen 84 zwischen benachbarten der Hohlräume 82 definiert und innerhalb jedes Rotorpols 40 zentriert werden. Das heißt, dass die Speichen 84 unter den Mittelsegmenten 60 und den Mittelmagneten 20A zentriert sind. Indem die Speichen 84 so positioniert werden, dass sie direkt unter den Mittelsegmenten 60 liegen, sind die Speichen 84 auf die Pole 40 radial so ausgerichtet, dass die Polmittelachse 42 jedes Pols 40 durch die radiale Mitte der jeweiligen Speiche 84 unter dem Mittelmagnet 20A hindurch verläuft. Folglich unterstützt der Magnetfluss durch das Rotorkernmaterial der Speichen 84 hindurch das Magnetisieren der Magnete 20A, 20B, 20C. In der gezeigten Ausführungsform weisen die Speichen 84 eine nichtlineare Gestalt auf, da sie teilweise durch die kreisförmigen Hohlräume 82 definiert sind. Die Speichen 84 erstrecken sich allgemein radial zwischen dem Abschnitt des Rotorkerns 18, der als die Halterung 33 der Mittelwelle funktioniert, und den Mittelsegmenten 60.The cavities 82 are positioned by the rotor core 18 spoke 84 between adjacent cavities 82 defined and within each rotor pole 40 be centered. That means the spokes 84 among the middle segments 60 and the center magnet 20A are centered. By the spokes 84 be positioned just below the middle segments 60 lie, are the spokes 84 on the pole 40 radially aligned so that the Polmittelachse 42 every pole 40 through the radial center of the respective spoke 84 under the center magnet 20A passes through. Consequently, the magnetic flux through the rotor core material assists the spokes 84 through magnetizing the magnets 20A . 20B . 20C , In the embodiment shown, the spokes 84 a non-linear shape, as it partially through the circular cavities 82 are defined. The spokes 84 generally extend radially between the portion of the rotor core 18 acting as the holder 33 the medium wave works, and the middle segments 60 ,
4 zeigt eine alternative Rotoranordnung 114, die anstelle der Rotoranordnung 14 mit der Statoranordnung 12 in der elektrischen Maschine 10 verwendet werden kann. Die Rotoranordnung 114 weist einen Rotorkern 118 auf, der sich von dem Rotorkern 18 nur dadurch unterscheidet, dass Barriereschichten 122, 124, 126 und 128, die jeweils den ersten, zweiten, dritten und vierten Barriereschichten 22, 24, 26 und 28 entsprechen, Ecken aufweisen, die besser abgerundet sind, dass Hohlräume 180, die den Hohlräumen 80 entsprechen, abgerundete Ecken aufweisen und dass Hohlräume 182 eine andere Form und Anordnung als die Hohlräume 82 aufweisen, was dazu führt, dass sich lineare Speichen 184 radial entlang der Polbegrenzungen 42 statt entlang der Polachsen 44 erstrecken (mit Bezug auf einen Pol 40 in 4 beschriftet). Folglich sind die Speichen 184 zwischen den Polen 40 statt an den Polen 40 zentriert. Ansonsten ist die Rotoranordnung 114 in allen Aspekten der Rotoranordnung 14 ähnlich und funktioniert und verhält sich, wie es mit Bezug auf die Rotoranordnung 14 beschrieben ist, um die gleichen vorbestimmten Betriebsparameter zu befriedigen. Eine rechnergestützte Rotationsbelastungsanalyse der Rotoranordnung 114 zeigt an, dass der am weitesten distale Abschnitt 145 des Mittelsegments 60A die größte Rotationsbelastung erfährt, und dass, wenn die elektrische Maschine 10 im Motormodus bei 20.000 Umdrehungen pro Minute und 150 Grad Celsius betrieben wird, die Rotationsbelastung am distalen Abschnitt 145 kleiner als der aufgrund von Materialeigenschaften vorbestimmte Maximalbetriebsparameter für die zulässige Rotationsbelastung ist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform mit der Statoranordnung 12 und der Rotoranordnung 114 kann die elektrische Maschine 10 ein Gesamtgewicht kleiner als 8 Kilogramm (kg) aufweisen, wobei der geschichtete Statorkern 30 weniger als 3 kg wiegt, der geschichtete Rotorkern 18 weniger als 2 kg wiegt, die Statorwicklungen 34 weniger als 2,5 kg wiegen und alle Magnete 20A, 20B, 20C weniger als 0,5 kg wiegen. 4 shows an alternative rotor assembly 114 that instead of the rotor assembly 14 with the stator arrangement 12 in the electric machine 10 can be used. The rotor arrangement 114 has a rotor core 118 up, extending from the rotor core 18 only differs in that barrier layers 122 . 124 . 126 and 128 , respectively the first, second, third and fourth barrier layers 22 . 24 . 26 and 28 Correspondingly, have corners that are better rounded that cavities 180 that the cavities 80 correspond, have rounded corners and that cavities 182 a different shape and arrangement than the cavities 82 exhibit, which leads to linear spokes 184 radially along the pole boundaries 42 instead of the pole axes 44 extend (with respect to a pole 40 in 4 labeled). Consequently, the spokes are 184 between the poles 40 instead of at the poles 40 centered. Otherwise, the rotor assembly 114 in all aspects of the rotor assembly 14 similar and works and behaves as it does with respect to the rotor assembly 14 is described to satisfy the same predetermined operating parameters. A computer-aided rotation load analysis of the rotor assembly 114 indicates that the most distal section 145 of the middle segment 60A the largest rotational load experiences, and that when the electric machine 10 in motor mode at 20,000 revolutions per minute and 150 degrees Celsius, the rotation load at the distal portion 145 is smaller than the predetermined maximum operating parameters for the permissible rotational load due to material properties. In an exemplary embodiment with the stator assembly 12 and the rotor assembly 114 can the electric machine 10 having a total weight less than 8 kilograms (kg), wherein the layered stator core 30 weighs less than 3 kg, the layered rotor core 18 weighs less than 2 kg, the stator windings 34 weigh less than 2.5 kg and all magnets 20A . 20B . 20C weigh less than 0.5 kg.
5 zeigt eine alternative Rotoranordnung 214, die anstelle der Rotoranordnung 14 mit der Statoranordnung 12 in der elektrischen Maschine 10 verwendet werden kann. Die Rotoranordnung 214 gleicht der Rotoranordnung 114 in allen Aspekten, außer dass der Rotorkern 218 so ausgestaltet ist, dass die ersten Barriereschichten 122 durch erste Barriereschichten 220 ersetzt sind, die Mittelsegmente 260A aufweisen, die mit den Flügelsegmenten 262A und 262B zusammenhängen und nicht von diesen getrennt sind. Mit anderen Worten gibt es keine Mittelbrücken, welche das Mittelsegment 260A von den Flügelsegmenten 262A und 262B in jeder ersten Barriereschicht 220 trennen, und die Flügelsegmente 262A, 262B erstrecken sich von einander entgegengesetzten Enden des Mittelsegments 260A aus. Zudem ist der Rotorkern 218 so ausgestaltet, dass sich Rotorspeichen 284 entlang einer Polachse 44 jedes Rotorpols 40 erstrecken und Hohlräume 282 zwischen den Rotorspeichen 284 entlang der Polbegrenzungen 42 zentriert sind. Eine rechnergestützte Rotationsbelastungsanalyse der Rotoranordnung 214 zeigt an, dass kein Abschnitt eine Rotationsbelastung erfahren wird, die größer als die aufgrund von Materialeigenschaften vorbestimmte maximal zulässige Rotationsbelastung ist, wenn die elektrische Maschine 10 im Motormodus bei 20.000 Umdrehungen pro Minute und bei 150 Grad Celsius betrieben wird. 5 shows an alternative rotor assembly 214 that instead of the rotor assembly 14 with the stator arrangement 12 in the electric machine 10 can be used. The rotor arrangement 214 is like the rotor assembly 114 in all aspects, except that the rotor core 218 designed so that the first barrier layers 122 through first barrier layers 220 are replaced, the middle segments 260A exhibit that with the wing segments 262A and 262B are related and not separate from each other. In other words, there are no center bridges that the middle segment 260A from the wing segments 262A and 262B in every first barrier layer 220 separate, and the wing segments 262A . 262B extend from opposite ends of the middle segment 260A out. In addition, the rotor core 218 designed so that rotor spokes 284 along a polar axis 44 each rotor pole 40 extend and cavities 282 between the rotor spokes 284 along the pole boundaries 42 are centered. A computer-aided rotation load analysis of the rotor assembly 214 indicates that no portion will experience a rotational loading that is greater than the maximum allowable rotational load due to material properties when the electric machine 10 is operated in motor mode at 20,000 revolutions per minute and at 150 degrees Celsius.
Der Elektromotor 10 kann in vielen Anwendungen verwendet werden, etwa in einem Fahrzeug. Eine beispielhafte Verwendung ohne Einschränkung des Elektromotors 10 ist in 6 gezeigt. Der Elektromotor 10 ist in dem Antriebsstrang 300 eines Fahrzeugs 302 enthalten. Der Antriebsstrang 300 enthält außerdem eine Kraftmaschine 304 mit einer Kurbelwelle 306. Ein Riemenantrieb 308 verbindet die elektrische Maschine 10 wirksam mit der Kurbelwelle 306, wenn eine selektiv einrückbare Kupplung 322A eingerückt ist. Der Antriebsstrang 300 ist ein Hybridantriebsstrang und spezieller ein elektrischer Hybridantriebsstrang mit fossilem Kraftstoff, weil zusätzlich zu der Kraftmaschine 14 als erster Leistungsquelle, die mit fossilem Kraftstoff betrieben wird, etwa Benzin oder Dieselkraftstoff, die elektrische Maschine 10, die durch gespeicherte elektrische Energie betrieben wird, als zweite Leistungsquelle zur Verfügung steht. Die elektrische Maschine 10 kann gesteuert werden, um als Motor oder als Generator zu funktionieren, und sie kann mit der Kurbelwelle 306 der Kraftmaschine 304 über den Riemenantrieb 308 wirksam verbunden werden, wenn die selektiv einrückbare Kupplung 322A eingerückt ist. Der Riemenantrieb 308 enthält einen Riemen 310, der mit einer Riemenscheibe 312 in Eingriff steht. Die Riemenscheibe 312 ist mit der Motorwelle 29 des Elektromotors 10 nur verbunden und dreht sich mit dieser nur, wenn die selektiv einrückbare Kupplung 322A eingerückt ist. Der Riemen 310 steht außerdem mit einer Riemenscheibe 314 in Eingriff, die verbunden werden kann, um sich mit der Kurbelwelle 306 zu drehen. Wenn die Riemenscheibe 312 verbunden ist, um sich mit der elektrischen Maschine 10 zu drehen, und die Riemenscheibe 314 verbunden ist, um sich mit der Kurbelwelle 306 zu drehen, stellt der Riemenantrieb 308 eine Antriebsverbindung zwischen der elektrischen Maschine 10 und der Kurbelwelle 306 her. Bei dieser Anordnung kann die elektrische Maschine 10 als Motor/Generator eines riemengetriebenen Generator-Starters bezeichnet werden. Alternativ kann der Riemenantrieb 308 eine Kette anstelle des Riemens 310 und Kettenräder anstelle der Riemenscheiben 312, 314 enthalten. Diese beiden Ausführungsformen des Riemenantriebs 308 werden hier als ”Riemenantrieb” bezeichnet.The electric motor 10 can be used in many applications, such as in a vehicle. An exemplary use without limitation of the electric motor 10 is in 6 shown. The electric motor 10 is in the drive train 300 of a vehicle 302 contain. The powertrain 300 also contains an engine 304 with a crankshaft 306 , A belt drive 308 connects the electric machine 10 effective with the crankshaft 306 when a selectively engageable coupling 322A is indented. The powertrain 300 is a hybrid powertrain and more specifically an electric hybrid powertrain with fossil fuel because in addition to the engine 14 as the first power source that runs on fossil fuel, such as gasoline or diesel fuel, the electric machine 10 , which is operated by stored electrical energy, is available as a second power source. The electric machine 10 can be controlled to work as a motor or as a generator, and it can work with the crankshaft 306 the engine 304 over the belt drive 308 be effectively connected when the selectively engageable coupling 322A is indented. The belt drive 308 contains a strap 310 that with a pulley 312 engaged. The pulley 312 is with the motor shaft 29 of the electric motor 10 only connected and turns with this only when the selectively engageable coupling 322A is indented. The belt 310 also stands with a pulley 314 engaged, which can be connected to the crankshaft 306 to turn. If the pulley 312 is connected to the electric machine 10 to turn, and the pulley 314 is connected to the crankshaft 306 To turn, sets the belt drive 308 a drive connection between the electric machine 10 and the crankshaft 306 ago. In this arrangement, the electric machine 10 be referred to as a motor / generator of a belt-driven generator starter. Alternatively, the belt drive 308 a chain instead of the belt 310 and sprockets instead of the pulleys 312 . 314 contain. These two embodiments of the belt drive 308 are referred to herein as "belt drive".
Ein Motorcontroller-Wechselrichtermodul (MPIM) 316 ist mit der Statoranordnung 12 wirksam verbunden. Wie gezeigt ist das MPIM 316 direkt an die elektrische Maschine 10 montiert. Eine Batterie 318 ist mit der Statoranordnung 12 durch das MPIM 316 und durch einen oder mehrere zusätzliche Controller 320 wirksam verbunden, welche außerdem mit der Kraftmaschine 304, mit einem Getriebe 321 und mit Kupplungen 322A, 322B und 324 wirksam verbunden sind. Die wirksamen Verbindungen mit der Kraftmaschine 304, mit dem Getriebe 321 und mit den Kupplungen 322A, 322B und 324 sind der Klarheit halber in den Zeichnungen nicht gezeigt. Die Verbindungen mit dem Getriebe 321 und mit den Kupplungen 322A, 322B und 324 können elektronisch, hydraulisch oder anderweitig sein.A Motor Controller Inverter Module (MPIM) 316 is with the stator assembly 12 effectively connected. As shown, the MPIM 316 directly to the electric machine 10 assembled. A battery 318 is with the stator assembly 12 through the MPIM 316 and by one or more additional controllers 320 effectively connected, which in addition to the engine 304 , with a gearbox 321 and with couplings 322A . 322B and 324 are effectively connected. The effective connections with the engine 304 , with the gearbox 321 and with the couplings 322A . 322B and 324 are not shown in the drawings for the sake of clarity. The connections with the gearbox 321 and with the couplings 322A . 322B and 324 can be electronic, hydraulic or otherwise.
Wenn die Kupplung 324 eingerückt ist und unter der Annahme, dass interne Kupplungen in dem Getriebe 321 so gesteuert sind, dass eine Antriebsverbindung zwischen dem Getriebeeingabeelement 334 und dem Getriebeausgabeelement 336 hergestellt ist, kann eine Drehmomentübertragung zwischen der Kurbelwelle 306 und Fahrzeugrädern 330 durch das Getriebe 321 und durch ein Differential 332 hindurch stattfinden.When the clutch 324 is engaged and assuming that internal clutches in the transmission 321 are controlled so that a drive connection between the transmission input element 334 and the transmission output member 336 is made, can be a torque transmission between the crankshaft 306 and vehicle wheels 330 through the transmission 321 and through a differential 332 take place through.
Unter vorbestimmten Betriebsbedingungen kann der Controller 320 veranlassen, dass die Kupplung 322B eingerückt wird, und das MPIM 316 kann die elektrische Maschine 10 so steuern, dass sie als Motor funktioniert. Die elektrische Maschine 10 kann dann die Kurbelwelle 306 über kämmende Zahnräder 340, 342 antreiben, um die Kraftmaschine 14 zu starten. Das Zahnrad 340 ist an einer Welle 346 montiert und dreht sich mit dieser, welche sich mit der Motorwelle 29 dreht, wenn die Kupplung 322B eingerückt ist. Das Zahnrad 342 ist an der Kurbelwelle 306 montiert und dreht sich damit. Beim Ankurbeln der Kraftmaschine 14 ist die Kupplung 322A nicht eingerückt.Under predetermined operating conditions, the controller 320 cause the clutch 322B is indented, and the MPIM 316 can the electric machine 10 steer so that it works as a motor. The electric machine 10 then can the crankshaft 306 about meshing gears 340 . 342 drive to the engine 14 to start. The gear 340 is on a wave 346 mounted and rotates with this, which aligns with the motor shaft 29 turns when the clutch 322B is indented. The gear 342 is on the crankshaft 306 mounted and turns with it. When cranking the engine 14 is the clutch 322A not indented.
Das MPIM 316 ausgestaltet, um, wenn die Kraftmaschine 14 eingeschaltet ist und wenn vorbestimmte Betriebsbedingungen erfüllt sind, die Statoranordnung 12 so zu steuern, dass ein Motormodus erreicht wird, bei dem die elektrische Maschine 10 Drehmoment zu der Kurbelwelle 306 unter Verwendung von gespeicherter elektrischer Leistung von der Batterie 318 hinzufügt. Die Batterie 318 weist in der gezeigten Ausführungsform eine Nennspannung von 12 Volt auf. Der Elektromotor 10 fügt Drehmoment durch den Riemenantrieb 308 hinzu, wenn die Kupplung 322A eingerückt ist und die Kupplung 322B nicht eingerückt ist. Das MPIM 316 ausgestaltet, um, wenn die Kraftmaschine 14 eingeschaltet ist und andere vorbestimmte Betriebsbedingungen erfüllt sind, einen Leistungsfluss in der Statoranordnung 12 zu steuern, um einen Generatormodus zu erreichen, bei dem die elektrische Maschine 10 Drehmoment von der Kurbelwelle 306 in elektrische Leistung umwandelt, die in der Batterie 318 gespeichert wird, wenn die Kupplung 322A eingerückt ist und die Kupplung 322B nicht eingerückt ist. Der Betrieb der elektrischen Maschine 10 als Generator verlangsamt die Kurbelwelle 306.The MPIM 316 designed to when the engine 14 is turned on and when predetermined operating conditions are met, the stator assembly 12 be controlled so that a motor mode is achieved, in which the electric machine 10 Torque to the crankshaft 306 using stored electrical power from the battery 318 adds. The battery 318 has a rated voltage of 12 volts in the embodiment shown. The electric motor 10 adds torque through the belt drive 308 added when the clutch 322A is engaged and the clutch 322B not indented. The MPIM 316 designed to when the engine 14 is turned on and other predetermined operating conditions are met, a power flow in the stator assembly 12 to achieve a generator mode in which the electric machine 10 Torque from the crankshaft 306 converted into electrical power in the battery 318 is stored when the clutch 322A is engaged and the clutch 322B not indented. The operation of the electric machine 10 as a generator slows down the crankshaft 306 ,
Bei der Anwendung, die in 6 gezeigt ist, oder bei anderen Fahrzeugantriebsstranganwendungen ist die elektrische Maschine 10 ausgestaltet, um einen Wirkungsgrad von mindestens 80% über einen vordefinierten Bereich von Ausgabeleistung und Drehzahl zu erreichen, wie in 8 dargestellt ist. Der vordefinierte Ausgabeleistungsbereich geht von 1500 bis 5000 Watt und der vordefinierte Drehzahlbereich geht von 2500 bis 8000 Umdrehungen pro Minute und soll eine maximale Drehzahl von mindestens 18.000 Umdrehungen pro Minute aufweisen. Mit Bezug auf 7 zeigt eine Aufzeichnung 400 an der linksseitigen vertikalen Achse 402 ein Drehmoment der elektrischen Maschine 10 in Basisdrehmomenteinheiten (pu). Die Leistung der elektrischen Maschine 10 in Basisleistungseinheiten (pu) ist an der rechtsseitigen vertikalen Achse 404 gezeigt. Die Drehzahl der Rotoranordnung 14 in Umdrehungen pro Minute (rpm) ist auf der horizontalen Achse 406 gezeigt. Einige der vorbestimmten Betriebsparameter, zu deren Befriedigung die Geometrie der elektrischen Maschine 10 speziell konstruiert wurde, umfassen eine Anforderung 408 für ein Spitzendrehmoment im Motorbetrieb, eine Anforderung 410 für Leistung im Motorbetrieb und eine Anforderung 412 zum Erzeugen von Leistung. Ein Drehmoment 414 im Motorbetrieb, das von der elektrischen Maschine 10 theoretisch erreichbar ist, überschreitet die Anforderung 408 für Spitzendrehmoment im Motorbetrieb. Eine Leistung 416 im Motorbetrieb, die von der elektrischen Maschine 10 theoretisch erreicht werden kann, überschreitet die Anforderung 410 für Leistung im Motorbetrieb. Die Amplitude der Erzeugung von Leistung 418, die von der elektrischen Maschine 10 theoretisch erreicht werden kann, überschreitet die Anforderung 412 zum Erzeugen von Leistung. Es ist auch ein Generatordrehmoment 420 gezeigt und dieses erstreckt sich mindestens bis zu einer Drehzahl der elektrischen Maschine 10 von 18.000 Umdrehungen pro Minute.In the application, the in 6 or in other vehicle powertrain applications is the electric machine 10 designed to achieve an efficiency of at least 80% over a predefined range of output power and speed as in 8th is shown. The predefined output range is 1500 to 5000 watts and the predefined speed range is 2500 to 8000 rpm and should have a maximum speed of at least 18,000 rpm. Regarding 7 shows a record 400 on the left-hand vertical axis 402 a torque of the electric machine 10 in basic torque units (pu). The performance of the electric machine 10 in basic power units (pu) is on the right-hand vertical axis 404 shown. The speed of the rotor assembly 14 in revolutions per minute (rpm) is on the horizontal axis 406 shown. Some of the predetermined operating parameters to satisfy the geometry of the electric machine 10 specially designed, include a requirement 408 for a peak torque in engine operation, a requirement 410 for power in engine operation and a requirement 412 for generating power. A torque 414 in engine operation, that of the electric machine 10 theoretically achievable exceeds the requirement 408 for peak torque in engine operation. A performance 416 in engine operation, by the electric machine 10 theoretically can be achieved exceeds the requirement 410 for power in engine operation. The amplitude of the generation of power 418 that from the electric machine 10 theoretically can be achieved exceeds the requirement 412 for generating power. It's also a generator torque 420 shown and this extends at least up to a speed of the electric machine 10 of 18,000 revolutions per minute.
8 zeigt eine Karte 500 des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine 10, wenn sie in einem Generatormodus mit 14 Volt betrieben wird. Die Leistung der elektrischen Maschine 10 in Basisleistungseinheiten (pu) ist an der vertikalen Achse 502 gezeigt. Die Drehzahl der elektrischen Maschine 10 in Umdrehungen pro Minute ist auf der horizontalen Achse 504 gezeigt. Regionen mit unterschiedlichen Betriebswirkungsgraden der elektrischen Maschine 10 sind begrenzt durch gestrichelte Linien gezeigt und umfassen: eine Zone 506 mit einem Betriebswirkungsgrad von 94%; eine Zone 508 mit einem Betriebswirkungsgrad von 92%; eine Zone 510 mit einem Betriebswirkungsgrad von 90%; eine Zone 512 mit einem Betriebswirkungsgrad von 88%; eine Zone 514 mit einem Betriebswirkungsgrad von 85%; eine Zone 516 mit einem Betriebswirkungsgrad von 80%; eine Zone 518 mit einem Betriebswirkungsgrad von etwa 75%; eine Zone 520 mit einem Betriebswirkungsgrad von etwa 65%; eine Zone 522 mit einem Betriebswirkungsgrad von etwa 55%; eine Zone 524 mit einem Betriebswirkungsgrad von etwa 45%; eine Zone 526 mit einem Betriebswirkungsgrad von etwa 35%; eine Zone 528 mit einem Betriebswirkungsgrad von etwa 25%; und eine Zone 530 mit einem Betriebswirkungsgrad von etwa 15%. 8th shows a map 500 the efficiency of the electric machine 10 when operated in a generator mode with 14 volts. The performance of the electric machine 10 in basic power units (pu) is on the vertical axis 502 shown. The speed of the electric machine 10 in revolutions per minute is on the horizontal axis 504 shown. Regions with different operating efficiencies of the electric machine 10 are shown delimited by dashed lines and include: a zone 506 with an operating efficiency of 94%; a zone 508 with an operating efficiency of 92%; a zone 510 with an operating efficiency of 90%; a zone 512 with an operating efficiency of 88%; a zone 514 with an operating efficiency of 85%; a zone 516 with an operating efficiency of 80%; a zone 518 with an operating efficiency of about 75%; a zone 520 with an operating efficiency of about 65%; a zone 522 with an operating efficiency of about 55%; a zone 524 with an operating efficiency of about 45%; a zone 526 with an operating efficiency of about 35%; a zone 528 with an operating efficiency of about 25%; and a zone 530 with an operating efficiency of about 15%.
9 zeigt eine Karte 600 des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine 10, wenn sie in einem Motormodus mit 12 Volt betrieben wird. Die Leistung der elektrischen Maschine 10 in Basisleistungseinheiten (pu) ist auf der vertikalen Achse 602 gezeigt. Die Drehzahl der elektrischen Maschine 10 in Umdrehungen pro Minute ist auf der horizontalen Achse 604 gezeigt. Regionen mit unterschiedlichen Betriebswirkungsgraden der elektrischen Maschine 10 sind begrenzt durch gestrichelte Linien gezeigt und umfassen: eine Zone 606 mit einem Betriebswirkungsgrad von 92%; eine Zone 608 mit einem Betriebswirkungsgrad von 90%; eine Zone 610 mit einem Betriebswirkungsgrad von 88%; eine Zone 612 mit einem Betriebswirkungsgrad von 85%; eine Zone 614 mit einem Betriebswirkungsgrad von 80%; eine Zone 616 mit einem Betriebswirkungsgrad von etwa 75%; eine Zone 618 mit einem Betriebswirkungsgrad von etwa 70%; eine Zone 620 mit einem Betriebswirkungsgrad von etwa 65%; eine Zone 622 mit einem Betriebswirkungsgrad von etwa 60%; eine Zone 624 mit einem Betriebswirkungsgrad von etwa 55%; eine Zone 626 mit einem Betriebswirkungsgrad von etwa 50%; eine Zone 628 mit einem Betriebswirkungsgrad von etwa 45%; und eine Zone 630 mit einem Betriebswirkungsgrad von etwa 40%. 9 shows a map 600 the efficiency of the electric machine 10 when operated in a 12 volt motor mode. The performance of the electric machine 10 in basic power units (pu) is on the vertical axis 602 shown. The speed of the electric machine 10 in revolutions per minute is on the horizontal axis 604 shown. Regions with different operating efficiencies of the electric machine 10 are shown delimited by dashed lines and include: a zone 606 with an operating efficiency of 92%; a zone 608 with an operating efficiency of 90%; a zone 610 with an operating efficiency of 88%; a zone 612 with an operating efficiency of 85%; a zone 614 with an operating efficiency of 80%; a zone 616 with an operating efficiency of about 75%; a zone 618 with an operating efficiency of about 70%; a zone 620 with an operating efficiency of about 65%; a zone 622 with an operating efficiency of about 60%; a zone 624 with an operating efficiency of about 55%; a zone 626 with an operating efficiency of about 50%; a zone 628 with an operating efficiency of about 45%; and a zone 630 with an operating efficiency of about 40%.
10 ist eine Aufzeichnung 700 der Drehzahl in Umdrehungen pro Minute der Rotoranordnung 14 in Umdrehungen pro Minute auf der ganz linken vertikalen Achse 702, eine Stroms der Phase A in Basisstromeinheiten (pu) in den Wicklungen 34 der Statoranordnung 12 auf der anderen linksseitigen vertikalen Achse 704, der Leistung der elektrischen Maschine 10 in Basisleistungseinheiten (pu) auf der rechtsseitigen vertikalen Achse 706 und der Zeit in Sekunden auf der horizontalen Achse 708 während eines Dreiphasenkurzschlussereignisses. Das Kurzschlussereignis tritt auf, wenn die drei Phasen der Anschlüsse 34 miteinander verbunden werden, während die Rotoranordnung 14 bei hohen Drehzahlen, etwa größer als 4000 Umdrehungen pro Minute, frei läuft (d. h. ohne Drehmoment an der Motorwelle 29). Die resultierende Drehzahl der Rotoranordnung 14 ist durch eine Kurve 710 gezeigt. Der Phasenstrom der Phase A ist durch eine Kurve 712 gezeigt. Der Leistungsverlust in der elektrischen Maschine 10 ist durch eine Kurve 714 gezeigt. In der in 10 gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist der tatsächliche Kurzschlussstrom kleiner als ein vorbestimmter Wert, zum Beispiel 0,9 multipliziert mit dem Nennstrom der elektrischen Maschine 10. 10 is a record 700 the speed in revolutions per minute of the rotor assembly 14 in revolutions per minute on the leftmost vertical axis 702 , a phase A current in base current units (pu) in the windings 34 the stator assembly 12 on the other left-hand vertical axis 704 , the performance of the electric machine 10 in basic power units (pu) on the right-hand vertical axis 706 and the time in seconds on the horizontal axis 708 during a three-phase short circuit event. The short circuit event occurs when the three phases of the connections 34 be joined together while the rotor assembly 14 at high speeds, such as greater than 4000 revolutions per minute, free running (ie without torque on the motor shaft 29 ). The resulting speed of the rotor assembly 14 is through a bend 710 shown. The phase current of phase A is indicated by a curve 712 shown. The loss of power in the electric machine 10 is through a bend 714 shown. In the in 10 In the exemplary embodiment shown, the actual short-circuit current is less than a predetermined value, for example, 0.9 multiplied by the rated current of the electric machine 10 ,
Obwohl die besten Arten zum Ausführen der vielen Aspekte der vorliegenden technischen Lehren im Detail beschrieben wurden, wird der Fachmann auf dem Gebiet, das diese Lehren betrifft, verschiedene alternative Aspekte erkennen, um die vorliegenden Lehren in die Praxis umzusetzen, die im Umfang der beigefügten Ansprüche liegen.Although the best modes for carrying out the many aspects of the present teachings have been described in detail, those skilled in the art having regard to these teachings will recognize various alternative aspects for practicing the present teachings which are within the scope of the appended claims lie.
