DE102016115562A1

DE102016115562A1 - Elektromaschine für hybridantrieb mit motorriementrieb

Info

Publication number: DE102016115562A1
Application number: DE102016115562.4A
Authority: DE
Inventors: Lei Hao; Chandra S. Namuduri; Thomas W. Nehl
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-08-24
Filing date: 2016-08-22
Publication date: 2017-03-02
Also published as: CN106487135A; US10284036B2; US20170063187A1

Abstract

Eine elektrische Maschine wird zur Verfügung gestellt, die eine Rotoranordnung mit einem Rotorkern umfasst, die gestaltet ist, Dauermagnete zu tragen, die um den Rotorkern zum Bestimmen einer Anzahl von Rotorpolen beabstandet sind. Der Rotorkern umfasst vielfache Rotornuten, die als vielfache Sperrschichten an jedem der Rotorpole angeordnet sind. Die mehrfachen Sperrschichten sind direkt nebeneinander zwischen einem inneren Umfang des Rotorkerns und einem Außenumfang des Rotorkerns angeordnet und beinhalten eine erste Sperrschicht, die dem Innenumfang am nächsten ist. Dauermagnete sind in mindestens der ersten Sperrschicht angeordnet. Eine Statoranordnung umgibt die Rotoranordnung. Die elektrische Maschine ist gestaltet, dass sie als Motor in einem Fahrbetriebsmodus und als Generator in einem Generatormodus arbeitet. Die elektrische Maschine ist mit vorbestimmten Betriebsparametern gestaltet, die zur Optimierung des Betriebs im Fahrmodus und/oder dem Generatormodus ausgewählt sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung beinhaltet im Allgemeinen eine elektrische Maschine für einen Antriebsstrang, und insbesondere eine innere dauermagnetische elektrische Maschine.
HINTERGRUND
Ein Elektromotor nutzt elektrische Potenzialenergie zum Erzeugen von mechanischem Drehmoment durch das Zusammenwirken von Magnetfeldern und elektrischen stromführenden Leitern. Einige Elektromotoren können auch als Generatoren zum Erzeugen elektrischer Energie durch Verwendung von Drehmoment dienen. Ein innendauermagnetelektrische Maschine weist eine Rotoranordnung auf, die die einen Rotorkern mit Magneten wechselnder Polarität auf, die um den Rotorkern angeordnet sind.
KURZDARSTELLUNG
Eine elektrische Maschine wird bereitgestellt, die eine Rotoranordnung mit einem Rotorkern umfasst, der zum Tragen von Dauermagneten, die um den Rotorkern zum Definieren einer Anzahl von Rotorpolen angeordnet sind, dient. Der Rotorkern umfasst mehrere Rotorschlitze, die als vielfache Sperrschichten an jedem der Rotorpole angeordnet sind. Die mehrfachen Sperrschichten sind direkt nebeneinander zwischen einem inneren Umfang des Rotorkerns und einem Außenumfang des Rotorkerns angeordnet und beinhalten eine erste Sperrschicht dem Innenumfang direkt benachbart. Dauermagnete sind in mindestens der ersten Barriereschicht angeordnet. Eine Statoranordnung umgibt die Rotoranordnung. Die elektrische Maschine ist so ausgebildet, dass sie als Motor in einem Motorbetrieb und als Generator in einem Generatorbetrieb arbeitet. Die Rotoranordnung, die Statoranordnung und die Dauermagnete sind mit Parametern gestaltet, die zum Bereitstellen mindestens einer vorgegebenen Effizienz bei Nennleistung, einer vorgegebenen Leistungsdichte, einer vorbestimmten Drehmomentdichte, eines vorgegebenen Spitzenleistungsbereichs oder einer vorgegebenen maximalen Motordrehzahl der elektrische Maschine im Fahrbetrieb oder im Generatorbetrieb ausgewählt sind.
Die elektrische Maschine kann besonders gut zur Verwendung in einer riemengetriebenen Maschine, wie in einem Hybridantriebsstrang, geeignet sein. Beispielsweise kann die elektrische Maschine mit einem Motor mit einer Kurbelwelle mit einem Riemenantriebsstrang zum operativen Verbinden der elektrischen Maschine mit der Kurbelwelle verwendet werden. Eine Batterie kann operativ mit der Statoranordnung verbunden sein. Ein Motorsteuerungs-Wechselrichtermodul (MPIM) kann operativ mit der Statoranordnung verbunden sein. Das MPIM kann zum Steuern der elektrischen Maschine gestaltet sein, um den Motormodus zu erreichen, in dem die elektrische Maschine zusätzliches Drehmoment an der Kurbelwelle unter Verwendung gespeicherter elektrischer Energie aus der Batterie bereitstellt. Das MPIM kann zum Steuern der elektrischen Maschine gestaltet sein, um den Generatormodus zu erreichen, in dem die elektrische Maschine Drehmoment der Kurbelwelle in gespeicherte elektrische Energie in der Batterie umwandelt.
Die elektrische Maschine kann für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs oder eines nichtautomobilen Fahrzeugs, wie eines landwirtschaftlichen Fahrzeugs, eines Wasserfahrzeugs, eines Fluggeräts usw., sein. Es versteht sich von selbst, dass die elektrische Maschine in Haushaltsgeräte, Baumaschinen, selbstangetriebene Ausrüstung usw. an Stelle von Fahrzeugen eingebaut sein kann.
Die vorstehend genannten Eigenschaften und Vorteile sowie andere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bestmöglichen praktischen Umsetzung der dargestellten Ansprüche in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung in Seitenansicht einer elektrischen Maschine mit einer Rotoranordnung und einer Statoranordnung.
2 ist eine schematische Darstellung in Seitenansicht einer Rotoranordnung der elektrischen Maschine nach 1.
3 ist eine schematische Darstellung in Seitenansicht der Statoranordnung der elektrische Maschine nach 1
4 ist eine schematische Darstellung in teilweiser Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer elektrische Maschine gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
5 ist eine schematische Darstellung in teilweiser Seitenansicht einer dritten Ausführungsform einer elektrische Maschine gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
6 ist eine schematische Darstellung in teilweiser Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform einer Rotoranordnung gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
7 ist eine schematische Darstellung in teilweiser Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform einer Rotoranordnung gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
8 ist eine schematische Darstellung in teilweiser Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform einer Rotoranordnung gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
9 ist eine schematische Darstellung in teilweiser Seitenansicht einer alternative Ausführungsform einer Rotoranordnung gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
10 ist eine schematische Darstellung in teilweiser Seitenansicht eines Teils eines Rotorkerns für eine Rotoranordnung mit zwölf Rotorpolen gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
11 ist eine schematische Darstellung in teilweiser Seitenansicht eines Teils eines Rotorkerns für eine Rotoranordnung mit sechs Rotorpolen gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
12 ist eine schematische Darstellung einer teilweisen Seitenansicht einer Statoranordnung, die zwei benachbarte Ständerschlitze gemäß den vorliegenden Beschreibungen zeigt.
13 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform von drei Phasenwicklungen für eine Statoranordnung gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
14 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform von drei Phasenwicklungen für eine Statoranordnung gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
15 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform von fünf Phasenwicklungen für eine Statoranordnung gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
16 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform fünf Phasenwicklungen für eine Statoranordnung gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
17 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform von sechs Phasenwicklungen für eine Statoranordnung gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
18 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform von sechs Phasenwicklungen für eine Statoranordnung gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
19 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform von sieben Phasenwicklungen für eine Statoranordnung gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
20 ist eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs einschließlich der elektrischen Maschine der 1.
21 ist ein Diagramm des Drehmoments pro Basismoment (pu) und Strom pro Basisleistung (pu) gegenüber Geschwindigkeit (Umdrehungen pro Minute) einer elektrische Maschine gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
22 ist eine Wirkungsgradkarte bei unterschiedlichen Leistungen pro Basisleistung (pu) und Geschwindigkeit (Umdrehungen pro Minute) während eines Generatorbetriebs einer elektrischen Maschine gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
23 ist eine Wirkungsgradkarte bei unterschiedlichen Leistungen pro Basisleistung (pu) und Geschwindigkeiten (Umdrehungen pro Minute) während eines Motormodus einer elektrischen Maschine gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
24 ist ein Diagramm der Rotorgeschwindigkeit (Umdrehungen pro Minute), Strom pro Basisleistung (pu) und des Phase-A-Stroms pro Basisstrom (pu) über der Zeit (Sekunden) während einer dreiphasigen Kurzschlussfalle einer elektrischen Maschine gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
25 ist ein Diagramm einer Remanenz gegenüber der Koerzitivkraft von Magneten in einer elektrische Maschine gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
26 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Antriebsstrangs einschließlich der elektrischen Maschine der 1
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bezugnehmend auf die Zeichnungen, worin sich gleiche Referenznummern auf gleiche Komponenten in den Ansichten beziehen, zeigt 1 eine Elektromaschine 10 mit einer Statoranordnung 12 und einer Rotoranordnung 14. Wie hier beschrieben, weist die elektrische Maschine 10 eine mehrphasige Statoranordnung 12 und eine Innendauermagnet-unterstützte Synchron-Reluktanz-Rotoranordnung 14, die mit einer optimalen Auslegung und Geometrie zum Erfüllen von vordefinierten Betriebsparametern gestaltet ist. Die elektrische Maschine 10 ist besonders für das Verwenden als eine motorriemengetriebene elektrische Maschine optimiert, die einen regenerativen Modus und einen Drehmoment-Unterstützungsmodus bereitstellt.
Insbesondere ist die elektrische Maschine 10 zum Erzielen eines relativ hohen Wirkungsgrads gestaltet, wie 85 % Wirkungsgrad über eine vorgegebene Ausgabeleistung und einen vorgegebenen Drehzahlbereich, einer relativ hohen Leistungsdichte (z. B. größer als 1500 Watt) und/oder eine hohe Drehmoment-Leistungsdichte (z. B. größer als 5 Newtonmeter pro Liter), eines relativ breiten Spitzenleistungsbereichs (z. B. 4 bis 6 Kilowatt), einer Maximaldrehzahl von mindestens 18.000 Umdrehungen pro Minute (1/min), relativ niedriger Kosten (durch Minimierung der erforderlichen Anzahl von Dauermagneten), einer relativ geringen Masse und Massenträgheit (für schnelle dynamische Reaktion auf Änderungen seitens des Fahrers) und in einen relativ kleinen Stauraum hineinpasst. Verschiedene alternative Ausführungsformen, einschließlich der alternativen Elektromaschinen 10A, 10B (4 und 5), die an Stelle der elektrischen Maschine 10 verwendet werden können sowie die alternativen Rotoranordnungen 114A, 114B, 114C, 114D, 114E, und 114F (6–11) und eine alternative Statoranordnung (12) besitzen auch optimale Auslegungen und Geometrien zum Erreichen der gleichen vorbestimmten Betriebsparameter. Jede dieser Ausführungsformen könnte in einem Antriebsstrang 300, dargestellt in 20, in einer motorriemengetriebenen Schaltungsanordnung verwendet werden, um Anlassen des Motors, Regeneration und Drehmomentunterstützungsmodi bereitzustellen.
Unter Bezugnahme auf 1–3 umgibt die Statoranordnung 12 radial die Rotoranordnung 14 mit einem hierin bestimmten Luftspalt 16. Die elektrische Maschine 10 ist so gestaltet, dass der Luftspalt 16, nur durch nicht einschränkendes Beispiel, nicht weniger als 0,2 Millimeter (mm) und nicht größer als 0,5 mm betragen, um Strom zu maximieren und die Anzahl der Magnete 20A, 20B, 20C zu minimieren. Sowohl die Statoranordnung 12 und die Rotoranordnung 14 sind im Allgemeinen ringförmig und konzentrisch bezüglich einer Längsmittendrehachse A der elektrische Maschine 10 (am besten gezeigt in 20). Die Statoranordnung 12 umfasst einen Statorkern 30 und die Rotoranordnung 14 umfasst einen Rotorkern 18. Sowohl der Statorkern 30 und der Rotorkern 18 können aus vielfachen Ständerblechpaketen gestapelt axial entlang der Achse A angeordnet ein. Beispielsweise 20 zeigt Ständerblechpakete 19. Es sollte beachtet werden, dass ein Motorgehäuse radial einen äußeren Umfang der Ständerlamellen 19 umgeben kann und eine Motorwelle 29 der elektrischen Maschine 10 tragen kann. Das Gehäuse ist in 20 nicht gezeigt, sodass die Blechlamellen 19 sichtbar sind.
Die Rotoranordnung 14 beinhaltet einen Rotorkern 18, der gestaltet ist zum Tragen mehrerer Dauermagnete 20A, 20B, 20C um den Rotorkern 18. Insbesondere weist der Rotorkern 18 mehrere Rotornuten 22, 24, 26, 28, auf, hier auch als Barrieren oder Sperrschichten bezeichnet, angeordnet als vielfache Barriereschichten einschließlich einer ersten Barriereschicht 22, einer zweiten Barriereschicht 24, einer dritten Barriereschicht 26, und einer vierten Barriereschicht 28. Die erste Barriereschicht 22 ist am nächsten an einem Innenumfang 23 des Rotorkerns 18 angeordnet. Die zweite Barriereschicht 24 ist zwischen der ersten Barriereschicht 22 und der dritten Barriereschicht 26 angeordnet. Die dritte Barriereschicht 26 ist zwischen der zweiten Grenzschicht 24 und der vierten Barriereschicht 28 angeordnet. Die vierte Barriereschicht 28 ist weiter entfernt vom inneren Umfang 23 als die Sperrschichten 22, 24 und 26. Die vierte Barriereschicht 28 näher an einem äußeren Umfang 25 des Rotorkerns 18 als die erste Barriereschicht 22, und mindestens Teile der zweiten und dritten Sperrschichten 24, 26. Die Sperrschichten 24, 26 und 28 sind radial außerhalb der ersten Barriereschicht 22 und zwischen den Flügelsegmenten 20B, 20C der ersten Grenzschicht 22 angeordnet. In den gezeigten Ausführungsformen, nur die erste Barriereschicht 22 Häuser Magneten 20A, 20B, 20C. Der anderen Sperrschichten 24, 26, 28 wirken als Luftbarrieren. In anderen Ausführungsformen können eine oder mehrere der Sperrschichten 24, 26, 28 auch mit Dauermagneten gefüllt sein. Beispielsweise können alle Sperrschichten mit Magneten gefüllt sein mit Ausnahme der äußersten Barriereschicht. Des Weiteren kann, wie hier gezeigt, die Gesamtzahl der Sperrschichten an jedem Rotorpol 40 nicht weniger als zwei und nicht größer als fünf sein. In einer exemplarischen Ausführungsform ist mindestens eine radial äußerste der Sperrschichten leer (d. h. sie enthält nur Luft und enthält keine Magneten oder andere Bauteile).
Die Rotoranordnung 14 ist drehbar um die Achse A gestaltet, die sich längs durch die Mitte der elektrischen Maschine 10 erstreckt. Der Rotorkern 18 ist starr verbunden zu und dreht sich mit einer Motorwelle 29 (dargestellt nur in 20), die sich durch eine Wellenöffnung 31 in den Rotorkern 18 erstreckt. Das Material des Rotorkerns 18 um die Wellenöffnung 31 dient als Mittenwellenhalterung 33.
Die Statoranordnung 12 beinhaltet einen Statorkern 30 mit mehreren peripher beabstandeten Ständernuten 32. Die Statornuten 32 erstrecken sich in Längsrichtung entlang der Achse A. Die Statornuten 32 sind gestaltet zum Aufnehmen der mehrphasigen Statorwicklungen 34. Die Ständerwicklungen 34 können in verschiedenen Sätzen zusammengefasst werden, die jeweils eine identische Anzahl von Phasen eines elektrischen Stroms tragen, wie drei Phasen, fünf Phasen, sechs Phasen oder sieben Phasen, wie weiter dargestellt und beschrieben in 13–19 und Fachleuten bekannt ist. Die Ständerwicklungen 34 erstrecken sich axial jenseits der ersten und zweiten axialen Enden 36, 38 des Statorkerns 30, dargestellt in 20. Die axiale Länge AL der Blechpakete 19 (d. h. die Abstände entlang der Achse A zwischen den axialen Enden 36, 38), nicht inbegriffen ein jeglicher sich erstreckender Abschnitt der Wicklungen 34, ist hier auch als die aktive Länge der elektrische Maschine 10 bezeichnet. Ein Verhältnis eines Außendurchmessers OD der Blechlamellen 19 der Statoranordnung 12 zur axialen Länge AL kann, nur durch nicht einschränkendes Beispiel, nicht weniger als 1,5 und nicht größer als 3,5 sein, und, nur durch nicht einschränkendes Beispiel, mit der axialen Länge AL nicht über 60 mm und der Außendurchmesser OD nicht über 136 mm sein, um die vorherbestimmten Anforderungen für die Packdichte für eine bestimmte Anwendung der elektrischen Maschine 10 zu erfüllen, wie in einem Fahrzeugantriebsstrang.
Bezugnehmend auf 2 weist der Rotor acht Pole 40 auf, die mindestens teilweise durch die Anordnung der Permanentmagneten 20A, 20B, 20C in der ersten Barriereschicht 22 im Allgemeinen in Umfangsrichtung in dem Rotorkern 18 und durch die ausgewählte Polarität der Magnete 20A, 20B, 20C angeordnet sind. Obwohl acht Pole 40 dargestellt sind, kann die elektrische Maschine 10 so gestaltet sein, dass sie eine andere Anzahl von Polen 40 aufweist. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Anzahl der Pole 40 zwischen 6 und 12 betragen, um die vorgegebenen Werte von Drehmoment, Strom und Packungsparametern innerhalb der vorgegebenen Lärmgrenzen zu erreichen. Jeder Pol 40 beinhaltet einen Satz von mehreren Sperrschichten 22, 24, 26, 28. Die Pole 40 sind durch Polbegrenzungen 42, die sich radial durch den Rotorkern 30 erstrecken, voneinander getrennt dargestellt. Jeder Pol 40 beinhaltet alles Material des Rotorkerns 30, begrenzt durch die jeweiligen Polbegrenzungen 42 des Pols 40. Ein Polachse 44 nur einer der Pole 40 ist dargestellt, obwohl jeder Pol 40 eine gleichartige Polachse 44 hat, die sich radial durch die Mitte des Pol 40 erstreckt. 10 zeigt eine Ausführungsform einer Rotoranordnung 114E mit zwölf Polen 40. 12 Sätze von Sperrschichten 22 und Magneten 20A, 20B und 20C, wie in 1, würden radial außerhalb der zwölf Speichen 84 in der Rotoranordnung 114E angeordnet sein. 11 zeigt eine Ausführungsform einer Rotoranordnung 114E mit sechs Polen 40. Sechs Sätze von Sperrschichten 22 und Magnete 20A, 20B und 20C, wie in 1, würden radial außerhalb der sechs Speichen 84 in der Rotoranordnung 114F angeordnet sein. Eine Gesamtzahl von Polen von sechs bis zwölf, und insbesondere von sechs bis acht Polen ermöglicht das Einhalten der Anforderungen an Drehmoment, Strom, Geräusch und Packdichte.
Der Rotorkern 18 ist ein Stahlmaterial, ausgewählt, um Hochgeschwindigkeitsrotationsbelastung innerhalb vorgegebener Grenzen zu erreichen. Als nicht einschränkendes Beispiel zeigt eine computerbasierte Drehzahlbelastungsanalyse der Rotoranordnung 14, dass die am weitesten entfernten Abschnitte 45 eines mittleren Segments 60 der ersten Grenzschicht 22 die größte Drehzahlbelastung erfahren und dass, wenn die elektrische Maschine 10 im Fahrbetrieb bei einer Drehzahl von 20.000/min bei 150 Grad Celsius läuft, die Belastung an dem distalen Abschnitt 45 geringer als eine vorgegebene maximal zulässige Drehzahlbelastung basierend auf Materialeigenschaften bleibt.
Bezugnehmend auf 1 und 3 hat in einer exemplarischen Ausführungsform der Statorkern 30 sechzig Ständernuten 32 in Umfangsrichtung angeordnet um den Statorkern 30 und eine Öffnung an einem inneren Umfang 50 des Statorkerns 30 gegen den Luftspalt 16. Statorzähne 52 trennen jede der Ständernuten 32 und sind mit Enden 54, die die Statorwicklungen 34 festhalten, gestaltet. Ein größten gemeinsamen Teiler (GCD) der Anzahl der Statornuten 32 und der Anzahl der Pole 40 des Rotorkerns 18 ist die größte positive ganze Zahl, die die Anzahl der Statornuten 32 und die Anzahl der Pole 40 ohne Rest teilt. In der gezeigten Ausführungsform ist die GCD gleich 4, da der Statorkern 30 sechzig Ständernuten 32 und der Rotorkern 18 acht Pole 40 umfasst. In anderen Ausführungsformen kann die GCD eine andere Zahl sein und ist bevorzugt größer als oder gleich 4. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform, in der die Anzahl der Rotorpole sechs ist (siehe 11), die Anzahl der Ständernuten 48, 72, 90 oder 108 sein. In einer Ausführungsform, bei der die Anzahl von Rotorpolen acht ist (siehe 1), kann die Anzahl der Ständernuten 60, 72, 84, 96 oder 108 sein.
12 zeigt zwei benachbarte Ständernuten 32 in einem Abschnitt eines Statorkerns 30A. Radial sich durch die Statornuten 32 erstreckende Mittelachsen CA sind durch einen Winkel θ getrennt. Die Anzahl der Ständernuten 32 entspricht dem Winkel θ in einem Ständerkern 30A unter der Annahme, dass die Ständernuten 32 gleichmäßig beabstandet um den Rotorkern 30A beabstandet sind. Zum Beispiel, wenn der Winkel θ 7,5 Grad beträgt, ist die Anzahl der Ständernuten 48. Ist der Winkel θ 6 Grad, beträgt die Anzahl der Ständernuten 60. Ist der Winkel θ 5 Grad, beträgt die Anzahl der Ständernuten 72. Ist der Winkel θ 4,28 Grad, beträgt die Anzahl der Ständernuten 84. Ist der Winkel θ 3,75 Grad, beträgt die Anzahl der Ständernuten 96. Ist der Winkel θ 3,33 Grad, beträgt die Anzahl der Ständernuten 108.
Ein niedrigster gemeinsamer Multiplizierer (LCM) der Anzahl der Ständernuten 32 und die Anzahl der Pole 40 ist die kleinste positive ganze Zahl, die durch die Anzahl der Ständernuten 32 und die Anzahl der Pole 40 teilbar ist. In der Ausführungsform, die in 1–3 veranschaulicht ist, ist die LCM 120, da der Statorkern 30 sechzig Ständernuten 32 und der Rotorkern 18 acht Pole 40 umfasst. In anderen Ausführungsformen kann die LCM eine andere Zahl sein und ist bevorzugt größer als oder gleich 48 zum Minimieren von Drehmomentschwankungen auf Grund des Zusammenwirkens der Dauermagnete 20A, 20B, 20C und der Zähne 52 des Statorkerns 30. Wenn die LCM weniger als 72 beträgt, kann eine abgeschrägte Rotoranordnung genutzt werden, um die Drehmomentwelligkeitsanforderungen zu erfüllen. Eine abgeschrägte Rotoranordnung hat die Magneten (und damit die Rotorpole) winkelmäßig in einer Richtung entlang der Drehachse verschoben. In einer nichtabgeschrägten Rotoranordnung bleiben die Magnete (und damit die Rotorpole) in den gleichen Winkelpositionen in einer Richtung entlang der Drehachse. Abgeschrägte Rotorbaugruppen sind im Allgemeinen teurer. Deshalb kann die Anzahl der Statornuten 32 und die Anzahl der Pole 40 so gewählt werden, dass die LCM größer oder gleich 84 ist und eine nichtabgeschrägte Rotoranordnung verwendet wird.
Bezugnehmend auf 2 umfasst die erste Barriereschicht 22 vielfache diskrete Segmente, die physikalisch voneinander durch das Material des Rotorkerns 18 getrennt sind. Insbesondere beinhalten die Segmente ein Mittelsegment 60, das die Magneten 20A aufnimmt. Die erste Barriereschicht 22 umfasst ferner erste und zweite Flügelsegmente 62A, 62B, die im Allgemeinen nahe gegenüberliegenden Enden 64A, 64B des mittleren Segments 60 in Richtung des äußeren Umfangs 25 und Winkels und voneinander weg angeordnet sind. Das mittlere Segment 60 ist so positioniert, dass sich der darin untergebrachte Magnet 20A längs im Allgemeinen senkrecht zu einem Radius des Rotorkerns 18 mit dem gezeigten Radius, dargestellt durch die Polachse 44, erstreckt.
Zur Kosteneinsparung ist es wünschenswert, dass jeder der Dauermagnete 20A, 20B und 20C identische, rechteckige Formen umfasst. Dies kann erreicht werden, indem das Mittelsegment 60 und die ersten und zweiten Flügelsegmente 62A, 62B gleiche Dicken T1, T2, T3 aufweisen. In einem nicht beschränkenden Beispiel gestatten die Dicken T1, T2, und T3 den Magneten 20A, 20B, 20C mit einer Dicke von 1,5 mm bis 2,5 mm darin hineinzupassen. In den hier beschriebenen Ausführungsformen beträgt die Gesamtmasse des verwendeten Magnetmaterials (d. h. die Masse der Magneten 20) etwa 150 Gramm bis 250 Gramm. Durch Verwendung von weniger Magnetmaterial, das jedoch noch die vordefinierten Betriebsparametern erfüllt, werden Kosten reduziert. Die Magnete der elektrischen Maschine 10 können alle gleich sein, wenn sie aus dem gleichen Material sind, oder unterschiedlich, wenn die Magnete aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Obwohl die Dauermagnete 20A, 20B, 20C rechteckig sind, haben das Mittelsegment 60 und die Flügelsegmente 62A, 62B eine komplexere Form mit einem im Allgemeinen rechteckigen mittleren Abschnitt, der zu den Magneten passt und die Magneten 20A, 20B, 20C hält, und haben Lufttaschen 66, die sich an einem oder beiden Enden erstrecken. Die Länge der Mitte Segmente 60 und dem Kotflügel Segmente 62A, 62B der gestapelten Rotor Blechlamellen in Richtung der Achse A kann. Die Länge der Mittelsegmente 60 in Richtung der Achse A und der Flügelsegmente 62A, 62B der gestapelten Rotorblechlamellen kann gleich sein. Dadurch können die Dauermagnete 20A, 20B und 20C identische, rechteckige Formen umfassen. Mehrere Magneten können in jedem der ausgerichteten Segmente 20A, 20B, 20C in der Richtung der Länge der Achse A angeordnet sein. Zusätzlich sind die Breiten W1, W2, W3 des jeweiligen mittleren Segments 60 und der ersten und zweiten Flügelsegmente 62A, 62B gestaltet, dass Magneten größer als 5 mm Breite darin hineinpassen.
Das mittlere Segment 60 und die Flügelsegmente 62A, 62B der ersten Sperrschicht 22 sind durch Material des Rotorkerns 18 voneinander getrennt. Mit anderen Worten, das Mittelsegment 60 und die Flügelsegmente 62A, 62B sind voneinander einzeln und unterbrochen, 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 bestimmt. In einem nichtbeschränkenden Beispiel kann der Rotorkern 18 gestaltet sein, dass eine minimale Breite WM jeder Mittelbrücke 68 nicht weniger als 0,7 mm und nicht größer als 2 mm ist. Die minimale Breite WM ist als die minimale Entfernung zwischen dem Mittelsegment 60 und dem ersten Flügelsegment 62A oder dem zweiten Flügelsegment 62B bestimmt. Eine derart gestaltete Mittelbrücke 68 hilft, die vorgegebene Anforderung an die Drehzahlbelastung der elektrischen Maschine 10 einzuhalten und minimiert das notwendige magnetische Material zur potentiellen Reduzierung der Herstellungskosten.
Das Material des Rotorkerns 18 bildet auch einen ersten oberen Stegs 70 zwischen jedem der ersten und zweiten Flügelsegmente 62A, 62B und dem äußeren Umfang 25 des Rotorkerns 18. Als nicht einschränkendes Beispiel ist eine minimale Breite WT1 jedes ersten oberen Stegs 70 nicht weniger als 0,75 mm und nicht größer als 2 mm.
Zusätzlich bildet das Material des Rotorkerns 18 einen zweiten oberen Steg 72, der sich zwischen jeder der zweiten Sperrschichten 24, der dritten Sperrschichten 26 und der vierten Sperrschichten 28 und dem Außenumfang 25 erstreckt. Mit anderen Worten, der zweite obere Steg 72 ist der Abschnitt jedes Rotorpols 40, der sich zwischen den ersten und zweiten Flügelsegmenten 62A, 62B des Rotorpols 40 und dem Außenumfang 25 befindet. Zur Veranschaulichung zeigt 2 die winkelmäßige Umlaufserstreckung 78 (d. h. ein Segment des Umfangs des Rotorkerns 18) eines der zweiten oberen Stege 72. Als nicht einschränkendes Beispiel, eine minimale Breite WT2 jedes zweiten oberen Stegs 72 nicht weniger als 1 mm und nicht größer als 3 mm. Die Magneten 20A, 20B, 20C erzeugen den Drehmoment erzeugenden Fluss in der elektrischen Maschine 10 und dienen auch zum Sättigen der oberen Stege 70 zur Minimierung einer Überbrückungswirkung.
Zum Einsparen von Masse umfasst der Rotorkern 18 Hohlräume 80 zwischen benachbarten Flügelsegmenten 62A, 62B benachbarter Gruppen von ersten Sperrschichten 22 benachbarter Pole 40. Zusätzliche Hohlräume 82 sind radial einwärts der ersten Sperrschichten 22 und radial auswärts des Innenumfangs 23 angeordnet. Die Hohlräume 80, 82 liegen zur Verringerung von Gewicht und Massenträgheit des Rotorkerns 18 in Bereichen relativ geringer Magnetflussdichte des Rotorkerns 18. Dies ermöglicht schnelles dynamisches Ansprechen der elektrischen Maschine 10, beispielsweise, wenn ein Fahrzeugführer Betriebsanforderungen verändert, wodurch er potentiell zunehmende Fahrzeugkraftstoffeffizienz erzeugt. Die Hohlräume 82 sind angeordnet, dass Speichen 84 durch den Rotorkern 18 zwischen benachbarten Hohlräumen 82 und zentriert innerhalb jedes Rotorpols 40 bestimmt sind. Das heißt, die Speichen 84 sind unter den Mittelsegmenten 60 und den Mittelmagneten 20A zentriert. Indem die Speichen 84 angeordnet sind, dass sie sich unmittelbar unter den Mittelsegmenten 60 befinden, fluchten die Speichen 84 radial mit den Polen 40, sodass die Mittelpolachse 42 jedes Pols 40 durch die radiale Mitte der jeweiligen Speiche 84 unter dem mittleren Segment 20A verläuft. Dementsprechend hilft der Magnetfluss durch das Rotorkernmaterial der Speichen 84 beim Magnetisieren der Magneten 20A, 20B, 20C. Die Speichen 84 in der exemplarischen Ausführungsform sind in einer nichtlinearen Form, wie sie teilweise durch die kreisförmigen Vertiefungen 82 bestimmt sind. Die Speichen 84 erstrecken sich im Allgemeinen radial zwischen dem Abschnitt des Rotorkerns 18, wobei sie als die Mittelwellenhalterung 33 und den Mittelsegmenten 60 fungieren.
Durch Bereitstellen von zwei bis fünf Sperrschichten an jedem Rotorpol 40 ist das Reluktanzdrehmoment der elektrischen Maschine 10 größer als das elektromagnetische Drehmoment, was zur Kostenminimierung beiträgt. Zusätzlich ist die radial am meisten innenliegende Sperrschicht 22 vollständig oder teilweise gefüllt mit Magneten 20. Ein Schicht ist „vollständig“ mit Magneten 20 gefüllt, wenn jedes Segment der Schicht einen Magnet 20 aufnimmt und ist nur teilweise mit Magneten 20 gefüllt, wenn mindestens eins der Segmente der Schicht leer ist. Durch Bereitstellen von Magneten 20 in nur einigen der Sperrschichten werden Kosten minimiert.
4 zeigt eine alternative elektrische Maschine 10A, die an Stelle der elektrische Maschine 10 im Antriebsstrang 300 von 20 verwendet werden kann. Die elektrische Maschine 10A umfasst eine Statoranordnung 12, die gleich der in der elektrischen Maschine 10 ist und eine Rotoranordnung 14A, die gleich der Rotoranordnung 14 der elektrischen Maschine 10 ist mit der Ausnahme, dass zusätzliche Magnete 20 alle Sperrschichten außer der äußersten Sperrschicht 28 füllen. Mit anderen Worten, in der elektrische Maschine 10 ist nur die radial am weitesten innenliegende (erste) Sperrschicht 22 mit Magneten 20A, 20B, 20C gefüllt. Die zweite bis vierte Sperrschicht 24, 26 und 28 sind leer (enthalten keine Magneten). Im Gegensatz dazu enthalten in der Rotoranordnung 14A der elektrischen Maschine 10A die erste, zweite und dritte Sperrschicht 22, 24 und 26 Magneten und nur die radial am weitesten außenliegende (vierte) Sperrschicht 28 ist leer. Die elektrische Maschine 10A umfasst einen Rotorkern 30 mit acht Polen 40 und einen Statorkern 30 mit 60 Nuten 32.
5 zeigt eine alternative elektrische Maschine 10B, die an Stelle der elektrische Maschine 10 im Antriebsstrang 300 von 20 verwendet werden kann. Die elektrische Maschine 10B umfasst eine Rotoranordnung 14A, die der Rotoranordnung 14A der 4 gleich ist, und eine Statoranordnung 12A, die der elektrischen Maschine 10 der 1 gleich ist, mit der Ausnahme, dass die Statoranordnung 12A einen Statorkern 30B mit 96 Nuten 32 umfasst.
6 zeigt eine Rotoranordnung 114A, die gleich mit der Rotoranordnung 14 der elektrischen Maschine 10 ist mit der Ausnahme, dass eine zusätzliche Sperrschicht 26A zugefügt wird, dass fünf Sperrschichten 22, 24, 26, 26A und 28 an jedem Rotorpol 40 vorhanden sind. Gleich der Rotoranordnung 14 der 1 hält nur die Sperrschicht 22 Magneten 20A, 20B, und 20C. Die zusätzlichen Sperrschichten 24, 26, 26A und 28 sind leer.
7 zeigt eine Rotoranordnung 114B, die gleich mit der Rotoranordnung 14 der elektrischen Maschine 10 ist mit der Ausnahme, dass Sperrschicht 26 nicht vorhanden ist, so dass nur drei Sperrschichten 22, 24 und 28 an jedem Rotorpol 40 vorhanden sind. Gleich der Rotoranordnung 14 der 1 hält nur die Sperrschicht 22 Magneten 20A, 20B, und 20C und die zusätzlichen Sperrschichten 24 und 28 sind leer.
8 zeigt eine Rotoranordnung 114C, die gleich mit der Rotoranordnung 14 der elektrischen Maschine 10 ist mit der Ausnahme, dass Sperrschichten 24 und 26 nicht vorhanden sind, sodass nur zwei Sperrschichten 22 und 28 an jedem Rotorpol 40 vorhanden sind. Gleich der Rotoranordnung 14 der 1 hält nur die Sperrschicht 22 Magneten 20A, 20B und 20C, und die radial äußerste Sperrschicht 28 ist leer.
9 zeigt eine Rotoranordnung 114D, die gleich mit der Rotoranordnung 14 der elektrischen Maschine 10 ist mit der Ausnahme, dass insgesamt zwei Sperrschichten 22A und 28A verwendet werden an jedem Rotorpol 40, und die Sperrschichten 22A, 28A enthalten jeweils zwei unterbrochene Segmente, angeordnet in einer V-Form. Beispielsweise umfasst Sperrschicht 22A eine erstes Flügelsegment 20B und ein zweites Flügelsegment 20C im Allgemeinen in einer V-Form angeordnet. Mit anderen Worten, es gibt kein Mittelsegment 20A wie in 1. Desgleichen umfasst Sperrschicht 28A ein erstes Flügelsegment 20D und ein zweites Flügelsegment 20E im Allgemeinen in einer V-Form angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform sind alle Segmente der beiden Sperrschichten 22A und 28A mit Magneten 20 gefüllt.
13–19 zeigen verschiedene Ausführungsformen mehrphasiger Statorwicklungen 34A–34G, von denen alle als Statorwicklungen 34 in den Statornuten 32 irgendeiner der Elektromaschinen und Statorbaugruppen, wie hier beschrieben, verwendet werden kann. Jede der Ständerwicklungen 34A–34G ist gestaltet zum Bereitstellen unterschiedlicher Anzahlen von Wechselstromphasen. Die in 13 dargestellte Ständerwicklung 34A ist eine dreiphasige Statorwicklung mit drei Anschlüssen 35, angeordnet in einer Sternform (auch als Y-Form bezeichnet). Statorwicklung 34A ist mit fünf Windungen pro Wicklung 37A dargestellt, kann jedoch von sechs bis zehn Windungen pro Spule umfassen.
Statorwicklung 34B, dargestellt in 14, ist eine dreiphasige Statorwicklung mit drei Anschlüssen 35, angeordnet in Dreiecksform. Statorwicklung 34B ist mit sechs Windungen pro Wicklung 37B dargestellt, kann jedoch von fünf bis zehn Windungen pro Wicklung umfassen.
Statorwicklung 34C, dargestellt in 15, ist eine Fünf-Phasen-Statorwicklung mit fünf Anschlüssen 35, angeordnet in einer Fünf-Punkt-Sternform. Statorwicklung 34C ist mit sieben Windungen pro Spule 37C dargestellt, kann jedoch von fünf bis zehn Windungen pro Wicklung umfassen.
Statorwicklung 34D, dargestellt in 16, ist eine Fünf-Phasen-Statorwicklung mit fünf Anschlüssen 35, angeordnet in einer alternativen Fünf-Punkt-Sternform. Statorwicklung 34D ist dargestellt mit acht Windungen pro Wicklung 37D, kann jedoch von fünf bis zehn Windungen pro Wicklung umfassen.
Statorwicklung 34E, dargestellt in 17, ist eine Sechs-Phasen-Statorwicklung mit sechs Anschlüssen 35, angeordnet in einer Sechs-Punkt-Sternform. Statorwicklung 34E ist mit neun Windungen pro Wicklung 37E dargestellt, kann jedoch von fünf bis zehn Windungen pro Wicklung umfassen.
Statorwicklung 34F, dargestellt in 18, ist eine Sechs-Phasen-Statorwicklung mit sechs Anschlüssen 35, angeordnet in einer alternativen Sechs-Punkt-Sternform. Statorwicklung 34F ist dargestellt mit zehn Windungen pro Wicklung 37F, kann jedoch von fünf bis zehn Windungen pro Wicklung umfassen.
Statorwicklung 34G, dargestellt in 19, ist eine Sieben-Phasen-Statorwicklung mit sieben Anschlüssen 35, angeordnet in einer Sieben-Punkt-Sternform. Statorwicklung 34G ist mit fünf Windungen pro Wicklung 37G dargestellt, kann jedoch von fünf bis zehn Windungen pro Wicklung umfassen.
Der Elektromotor 10, 10A oder 10B einer der verschiedenen Statoranordnungen 12, 12A, mit einer der verschiedenen Statorwicklungen 34A, 34B, 34C, 34D, 34E, 34F oder 34G und einer der verschiedenen Rotoranordnungen 14, 14A, 114A, 114B, 114C, 114D, 114E oder 114F, können in beliebiger Kombination in vielen Anwendungen, wie in einem Fahrzeug, verwendet werden. Eine nicht-beschränkendes Beispiel ist in 20 dargestellt, worin der Elektromotor 10 in den Antriebsstrang 300 des Fahrzeugs 302 einbezogen ist. Obgleich als Elektromotor 10 dargestellt, kann jeder der Elektromotoren 10, 10A oder 10B mit jeder der verschiedenen Statoranordnungen 12, 12A, jeder der verschiedenen Statorwicklungen 34A, 34B, 34C, 34D, 34E, 34F oder 34G und jeder der verschiedenen Rotoranordnungen 14, 14A, 114A, 114B, 114C, 114D, 114E oder 114F in beliebiger Kombination, in dem Antriebsstrang 300 verwendet werden.
Der Antriebsstrang 300 beinhaltet auch einen Motor 304 mit einer Kurbelwelle 306. Riemenantriebsstrang 308 verbindet im Betrieb die elektrische Maschine 10 mit der Kurbelwelle 306, wenn eine wahlweise schaltbare Kupplung 322A im Eingriff ist. Antriebsstrang 300 ist ein Hybridantriebsstrang und insbesondere ein fossiler Kraftstoff-elektrischer Hybridantriebsstrang, da, zusätzlich zu dem Motor 14 als erste Energiequelle angetrieben durch fossilen Kraftstoff, wie beispielsweise Benzin oder Dieselkraftstoff, die elektrische Maschine 10, angetrieben durch gespeicherte elektrische Energie, als eine zweite Energiequelle zur Verfügung steht. Die elektrische Maschine 10 ist steuerbar als Motor oder als Generator zu arbeiten und ist operativ mit der Kurbelwelle 306 des Motors 304 über den Riemenantriebsstrang 308 verbindbar, wenn die wahlweise schaltbare Kupplung 322A im Eingriff ist. Der Riemenantriebsstrang 308 beinhaltet einen Riemen 310, der im Eingriff mit einer Riemenscheibe 312 steht. Die Riemenscheibe 312 ist verbunden und dreht sich mit der Motorwelle 29 des Elektromotors 10 nur dann, wenn die wahlweise in Eingriff bringbare Kupplung 322A in Eingriff ist. Der Riemen 310 greift auch in eine verbindbare Riemenscheibe 314 ein, die mit der Kurbelwelle 306 dreht. Wenn die Riemenscheibe 312 zum Drehen mit der elektrischen Maschine 10 verbunden ist und die Riemenscheibe 314 zum Drehen mit der Kurbelwelle 306 verbunden ist, stellt der Riemenantriebsstrang 308 eine Antriebsverbindung zwischen der elektrischen Maschine 10 und der Kurbelwelle 306 her. Die elektrische Maschine 10 bezeichnet werden kann als Riemen-Drehstromgenerator-Starter-System Motor/ Generator in dieser Anordnung. Wahlweise kann der Riemenantriebsstrang 308 eine Kette an Stelle des Riemens 310 und Ritzel an Stelle der Riemenscheiben 312, 314 beinhalten. Beide Ausführungsformen des Riemenantriebsstrangs 308 werden hier als „Riemenantriebsstrang“ bezeichnet.
Ein Motorsteuerungs-Wechselrichtermodul (MPIM) 316 ist wirksam mit der Statoranordnung 12 verbunden. Wie dargestellt ist das MPIM 316 ist direkt an der elektrischen Maschine 10 angebracht. Eine Batterie 318 ist wirksam mit der Statoranordnung 12 durch das MPIM 316 und durch eine oder mehrere weitere Steuermodule 320 ebenfalls operativ mit dem Motor 304, mit dem Getriebe 321, mit einer Fahrzeugzusatzlast 323 und mit den Kupplungen 322A, 322B und 324 verbunden. Die wirksamen Verbindungen zu dem Motor 304, Getriebe 321 und den Kupplungen 322A, 322B und 324 sind zum Zwecke der Übersichtlichkeit der Zeichnungen nicht dargestellt. Die Verbindungen zu dem Getriebe 321 und Kupplungen 322A, 322B, und 324 können elektronisch, hydraulisch oder anderweitig sein.
Wenn Kupplung 324 verbunden ist und unter der Annahme, dass interne Kupplungen im Getriebe 321 angesteuert werden, um eine Antriebsverbindung zwischen dem Getriebeantriebselement 334 und dem Getriebeabtriebselement 336 herzustellen, kann die Drehmomentübertragung zwischen der Kurbelwelle 306 und den Fahrzeugrädern 330 durch das Getriebe 321 und durch ein Differential 332 erfolgen.
Unter vorbestimmten Betriebsbedingungen kann die Steuereinheit 320 die Kupplung 322B in Eingriff bringen und das MPIM 316 kann die elektrische Maschine 10 steuern, als Motor zu fungieren. Die elektrische Maschine 10 kann dann die Kurbelwelle 306 über ineinander eingreifende Zahnräder 340, 342 zum Starten des Motors 304 antreiben. Zahnrad 340 ist angebracht an und dreht sich mit einer Welle 346, die sich mit der Motorwelle 29 dreht, wenn die Kupplung 322B in Eingriff ist. Zahnrad 342 ist angebracht und dreht sich mit der Kurbelwelle 306. Kupplung 322A ist nicht in Eingriff während des Anlassens des Motors 304.
Wenn der Motor 304 eingeschaltet ist und wenn vorgegebene Betriebsbedingungen erfüllt sind, ist das MPIM 316 zur Steuerung der elektrische Maschine 10 zur Erzielung eines Fahrbetriebsmodus gestaltet, in dem die elektrische Maschine 10 zusätzliches Drehmoment an der Kurbelwelle 306 mittels abgespeicherten elektrischen Stroms aus Batterie 318 zur Verfügung stellt. Dies kann als Drehmomentunterstützungsmodus bezeichnet werden. Die Batterie 318 hat in der dargestellten exemplarischen Ausführungsform eine Nennspannung von 12 Volt. Als solche stellt die Batterie 318 ein Spannungsniveau (12 Volt) zur Verfügung, das geeignet ist und zur Versorgung der Zusatzlast 323 des Fahrzeugs verwendet wird, die innere und äußere Lichtsysteme, Heiz- und Kühlsysteme usw. beinhalten kann. Der Elektromotor 10 bringt zusätzliches Drehmoment durch den Riemenantriebsstrang 308, wenn Kupplung 322A in Eingriff und Kupplung 322B nicht in Eingriff ist. Wenn der Motor 304 eingeschaltet ist und andere vorgegebene Betriebsbedingungen erfüllt sind, ist das MPIM 316 zum Steuern des Kraftflusses in der Statoranordnung 12 gestaltet, um einen Generatorbetrieb zu erzielen, bei welchem die elektrische Maschine 10 Drehmoment der Kurbelwelle 306 in gespeicherte elektrische Energie in der Batterie 318 umwandelt, mit Kupplung 322A in Eingriff und Kupplung 322B nicht in Eingriff. Der Betrieb der elektrischen Maschine 10 als Generator verlangsamt die Kurbelwelle 306. Beispielsweise kann der Generatormodus während des Bremsens des Fahrzeugs eingestellt werden.
26 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Antriebsstrangs 300A, in der die elektrische Maschine 10 kontinuierlich wirksam mit der Kurbelwelle 306 über den Riemenantriebsstrang 308 und die Riemenscheibe 312 verbunden ist (d. h. es gibt keine Kupplung 322A wie in 20). Die elektrische Maschine 10 kann Drehmoment auf die Kurbelwelle 306 übertragen, wenn sie, gesteuert vom MPIM 316, als Motor während der Fahrzeugbeschleunigung arbeitet, und kann durch den Motor angetrieben werden, gesteuert vom MPIM 316, beim Bremsen oder Laden als Generator arbeiten. Ein Anlassermotor 350 hat eine Motorwelle 346A, die zum Drehen mit Getriebe 340 verbunden ist. Der Startermotor 350 ist somit fortlaufend operativ über die Getriebe 340, 342 mit der Kurbelwelle 306 verbunden und wird zum Starten des Motors 304 unter vordefinierten Betriebsbedingungen, wie einem Kaltstart oder einem Auto-Start, von der Steuerungseinheit 320 gesteuert. Ein Kaltstart ist ein Start des Motors nach Ausschalten des Fahrzeugs. Ein Auto-Start ist ein Start des Motors 304 nach folgenden vorübergehender Abschaltung während des Fahrzeugbetriebs, wie nach einem Halt des Fahrzeugs an einer Ampel. Alternativ kann die elektrische Maschine 10 zum Starten des Motors 304 in einer Ausführungsform, bei der der Motor 304 relativ klein ist und das Verhältnis von Riemenscheibe 312 zu Riemenscheibe 314 ein hinreichendes Drehmoment erlaubt, gesteuert werden. Die Komponenten des Antriebsstrangs 300A arbeiten, wie in Bezug auf die gleich nummerierten Komponenten des Antriebsstrangs 300 beschrieben.
Bei der Anwendung gemäß 20 oder in anderen Fahrzeugantriebsstranganwendungen ist die elektrische Maschine 10 gestaltet, mindestens 80 % Wirkungsgrad (im Fahrbetriebsmodus) einer vorgegebenen Ausgangsleistung und eines vorgegebenen Drehzahlbereichs, wie in 21 dargestellt, zu erzielen. Die elektrische Maschine 10 ist gestaltet, mindestens 85 % Wirkungsgrad (in dem Generatormodus) zu erzielen. Der vorgegebene Ausgangsleistungsbereich ist 1500 bis 5000 Watt, und der vordefinierte Geschwindigkeitsbereich ist 1500–8000/min. Die elektrische Maschine 10 ist gestaltet, eine maximale Drehzahl von mindestens 18.000 Umdrehungen pro Minute zu erreichen. Bezugnehmend auf 21 zeigt ein Diagramm 400 das Drehmoment der elektrische Maschine 10 pro Basismoment (pu) auf der linksseitigen vertikalen Achse 402. Die Leistung der elektrischen Maschine 10 pro Basisleistung (pu) wird auf der rechten Seite der vertikalen Achse 404 dargestellt. Die Geschwindigkeit der Rotoranordnung 14 in Umdrehungen pro Minute (/ /min) wird auf der horizontalen Achse 406 dargestellt. Einige der vorbestimmten Betriebsparameter zeigen, dass die Geometrie der elektrischen Maschine 10 speziell gestaltet ist, eine Fahrbetrieb-Spitzenmoment-Anforderung 408 (z. B. größer als 16 Newtonmeter), einen Fahrbetrieb-Leistungsbedarf 410 (z. B. 2,4 Kilowatt) und eine Leistungsbedarfserzeugung 412 (z. B. 4,4 Kilowatt) zu erzielen. Das theoretisch durch die Elektromaschine 10 erreichbare Fahrbetrieb-Drehmoment 414 übersteigt die Fahrbetrieb-Spitzenmoment-Anforderung 408. Die durch die Elektromaschine 10 theoretisch erreichbare Fahrbetriebsleistung 416 übersteigt den Fahrbetrieb-Leistungsbedarf 410. Die durch die Elektromaschine 10 theoretisch erreichbare Höhe der Generatorleistung (Stromerzeugung) 418 übersteigt den Leistungsbedarf 412. Das erzeugte Drehmoment 420 ist ebenso dargestellt ist und erstreckt sich mindestens bis zu einer Motordrehzahl von 18.000/min der elektrischen Maschine 10.
22 zeigt ein Diagramm 500 des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine 10 im 14-Volt-Generatorbetrieb. Die Leistung der elektrischen Maschine 10 pro Basisleistungseinheit (pu) ist auf der vertikalen Achse 502 dargestellt. Die Geschwindigkeit der elektrischen Maschine 10 wird auf der horizontalen Achse 504 gezeigt. Bereiche unterschiedlicher Betriebszustandswirkungsgrade der elektrische Maschine 10 sind durch gestrichelte Linien dargestellt umfassend: eine 94 %-Betriebseffizienzzone 506; eine 92 %-Betriebseffizienzzone 508; eine 90 %-Betriebseffizienz Zone 510; eine 88%-Betriebseffizienzzone 512; eine 85 %-Betriebseffizienzzone 514; eine 80 %-Betriebseffizienzzone 516; eine etwa 75 %-Betriebseffizienzzone 518; eine etwa 65 %-Betriebseffizienzzone 520; eine etwa 55 %-Betriebseffizienzzone 522; eine etwa 45 %-Betriebseffizienzzone 524; eine etwa 35 %-Betriebseffizienzzone 526; eine etwa 25 %-Betriebseffizienzzone 528; und eine etwa 15 %-Betriebseffizienzzone 530.
23 zeigt ein Diagramm 600 des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine 10 bei der Arbeit in einem 11-Volt-Fahrbetriebsmodus. Die Leistung der elektrischen Maschine 10 pro Basisleistung (pu) ist auf der vertikalen Achse 602 dargestellt. Die Geschwindigkeit der elektrischen Maschine 10 in /min wird auf der horizontalen Achse 604 dargestellt. Bereiche unterschiedlicher Betriebszustands-Wirkungsgrade der elektrischen Maschine 10 sind begrenzt durch gestrichelte Linien dargestellt, umfassend: eine 92 %-Betriebseffizienzzone 606; eine 90 %-Betriebseffizienzzone 608; eine 88 %-Betriebseffizienzzone 610; eine 85 %-Betriebseffizienzzone 612; eine 80 %-Betriebseffizienzzone 614; eine etwa 75 %-Betriebseffizienzzone 616; eine etwa 70 %-Betriebseffizienz Zone 618; eine etwa 65 %-Betriebseffizienzzone 620; eine etwa 60 %-Betriebseffizienzzone 622; eine etwa 55 %-Betriebseffizienzzone 624; eine etwa 50 %-Betriebseffizienzzone 626; eine etwa 45 %-Betriebseffizienzzone 628; und eine etwa 40 %-Betriebseffizienzzone 630. Die elektrische Maschine 10 ist gestaltet, um mindestens 85 % Effizienz zwischen 2500–7500/min für den Generatormodus und mindestens 80 % Wirkungsgrad zwischen 1500–5000/min für den Fahrbetriebsmodus zwischen bestimmten Leistungsebenen, beispielsweise von 1000 Watt bis 2500 Watt, zur Verfügung zu stellen.
24 ist ein Diagramm 700 der Drehzahl der Rotoranordnung 14 in /min auf der am weitesten links befindlichen vertikalen Achse 702, eines Phase-A-Stroms pro Basisstromeinheit (pu) in den Wicklungen 34 der Statoranordnung 12 auf der anderen linken vertikalen Achse 704, des Stroms der elektrischen Maschine 10 pro Einheit der Basisleistung (pu) auf der rechtsseitigen vertikalen Achse 706 und der Zeit in Sekunden auf der horizontalen Achse 708 während eines dreiphasigen Kurzschlussereignisses. Das Kurzschlussereignis tritt auf durch Verbinden der Phasen der Wicklungen 34, während die Rotoranordnung 14 frei dreht (d. h. ohne Drehmoment auf der Motorwelle 29) bei hohen Geschwindigkeiten, wie etwa größer als 4000/min. Die resultierende Drehzahl der Rotoranordnung 14 zeigt Kurve 710. Den Phasenstrom der Phase A zeigt Kurve 712. Die Verlustleistung in der elektrischen Maschine 10 zeigt Kurve 714. In der exemplarischen Ausführungsform aus 10 ist der tatsächliche Kurzschlussstrom nicht kleiner als ein vorgegebener Wert, beispielsweise, 0,6 multipliziert mit dem Nennstrom der elektrischen Maschine 10, und nicht mehr als ein vorbestimmter Wert, beispielsweise 0,95 multipliziert mit dem Nennstrom der elektrischen Maschine 10. Beispielsweise ist in der exemplarischen Ausführungsform, in welcher die in 24 dargestellte Kurzschlussleistungsfähigkeit bereitstellt wird, der Nennstrom 320 Wurzel des quadratischen Ampere-Mittelwerts („Arms“) und der maximale Kurzschlussstrom 268 Arms.
Zum Erzielen der vorbestimmten Leistungsdichte wird verhältnismäßig starkes Magnetmaterial verwendet. Die Demagnetisierungdiagramme 800 der Magnete 20 in 25 zeigen beispielsweise zur Erfüllung der Leistungsanforderungen eine Remanenz (Br) von 802 auf der Y-Achse und eine Koerzitivkraft von 806 auf der X-Achse. Diagramm 801 ist für die Magnete 20 bei 100 Grad Celsius und Diagramm 803 ist für die Magnete 20 bei 180 Grad Celsius. Remanenz hat einen Wert größer als 804, was größer als 0,9 Tesla bei 100 Grad Celsius ist. Die Koerzitivkraft 806 der Magnete 20 auf der X-Achse hat einen Absolutwert 808 von größer als 800 Kiloampere pro Meter bei 100 Grad Celsius. Die Remanenz (Br) an dem Kniepunkt 810 des Demagnetisierungsdiagramms 803 hat einen Wert 812, der kleiner als 0,15 Tesla ist.
Während die besten Verfahren zur Durchführung der vielen Aspekte der vorliegenden Lehren im Detail geschildert wurden, werden diejenigen, die mit diesen Lehren vertraut sind, erkennen, dass es verschiedene alternative Aspekte für die praktische Umsetzung der hier angeführten Lehren gibt, die innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims

Elektrische Maschine, umfassend: eine Rotoranordnung mit einem Rotorkern, die gestaltet sind, Dauermagnete zu tragen, die um den Rotorkern zum Bestimmen einer Anzahl von Rotorpolen beabstandet sind; worin der Rotorkern vielfache Rotornuten umfasst, die als vielfache Sperrschichten an jedem der Rotorpole angeordnet sind; worin die vielfachen Sperrschichten direkt nebeneinander zwischen einem inneren Umfang des Rotorkerns und einem äußeren Umfang des Rotorkerns angeordnet sind und eine erste Sperrschicht, die dem Innenumfang am nächsten ist, beinhalten; Dauermagnete in mindestens der ersten Sperrschicht angeordnet sind; eine Statoranordnung die Rotoranordnung umgibt; worin die elektrische Maschine so gestaltet ist, dass sie als Motor in einem Fahrbetriebsmodus und als Generator in einem Generatormodus arbeitet; und worin die Rotoranordnung, die Statoranordnung und die Dauermagnete mit Parametern gestaltet sind, die ausgewählt sind, um mindestens einen Parameter aus vorgegebener Effizienz bei Nennleistung, einer vorgegebenen Leistungsdichte, einer vorbestimmten Drehmomentleistungsdichte, einem vorgegebenen Spitzenleistungsbereich oder einer vorgegebenen maximalen Motordrehzahl der elektrischen Maschine im Fahrbetriebsmodus oder im Generatormodus zu erfüllen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: ein Motorsteuerungs-Wechselrichtermodul (MPIM), das operativ mit der Statoranordnung verbunden ist; und in Kombination mit: einem Motor, der eine Kurbelwelle umfasst; einem Riemenantriebsstrang, der operativ die elektrische Maschine mit der Kurbelwelle verbindet; und einer Batterie, die operativ mit der Statoranordnung verbunden ist; worin das MPIM zum Steuern der elektrischen Maschine zum Erreichen des Fahrbetriebsmodus gestaltet ist, in dem die elektrische Maschine zusätzliches Drehmoment an der Kurbelwelle durch Verwenden elektrischer Energie, die in der Batterie gespeichert ist, zur Verfügung stellt; worin das MPIM zum Steuern der elektrischen Maschine zum Erreichen des Generatormodus gestaltet ist, in dem die elektrische Maschine Drehmoment der Kurbelwelle in gespeicherte elektrische Energie in der Batterie umwandelt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 2, worin die elektrische Maschine, das MPIM, der Motor, der Riemenantriebsstrang und die Batterie in einem Fahrzeug angeordnet sind und worin die Batterie einen Spannungspegel für eine Zusatzlast des Fahrzeugs zur Verfügung stellt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, worin der vorgegebene Wirkungsgrad mindestens 85 Prozent Wirkungsgrad für den Regenerationsmodus für einen vorgegebenen Leistungs- und Drehzahlbereich und 80 Prozent Wirkungsgrad für den Fahrbetriebsmodus für einen vorgegebenen Leistungs- und Drehzahlbereich beträgt, die vorgegebene Leistungsdichte größer als 1500 Watt pro Liter (W/L) ist, die vorgegebene Drehmomentdichte größer als 5 Newtonmeter pro Liter (Nm/L) ist, der vorgegebene Spitzenleistungsbereich 4 bis 6 Kilowatt (kW) und die vorgegebene maximale Drehzahl mindestens 18.000 Umdrehungen pro Minute beträgt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, worin die Statoranordnung vielfache axial gestapelte Statorblechlamellen umfasst; und worin ein Verhältnis eines Außendurchmessers der Statorblechlamellen zu einer axialen Länge der Statorblechlamellen nicht weniger als 1,5 und nicht größer als 3,5 ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, worin der Rotorkern mindestens sechs und nicht mehr als zwölf Rotorpole umfasst.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, worin die Statoranordnung eine Anzahl von um die Statoranordnung peripher beabstandeten Statornuten umfasst und gestaltet sind, die Statorwicklungen zu tragen; und worin ein niedrigster gemeinsamer Multiplikator der Anzahl der Statornuten und der Anzahl der Rotorpole größer oder gleich 48 ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, worin ein Kurzschlussstrom über einen gesamten Drehzahlbereich der elektrischen Maschine nicht weniger als 0,6 und nicht mehr als 0,95 multipliziert mit einem Nennstrom der elektrischen Maschine ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, worin mindestens eine radial äußerste der mehreren Sperrschichten leer ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, worin die erste Sperrschicht vielfache Segmente mit einem Mittelsegment und Flügelsegmente umfasst, die sich vom Mittelsegment in Richtung des Außenumfangs erstrecken; und worin die Flügelsegmente von dem Mittelsegment unterbrochen sind.